JP2019114340A

JP2019114340A - カソード

Info

Publication number: JP2019114340A
Application number: JP2017244773A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　賢一; Kenichi Saito; 賢一斎藤
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: JP6966317B2

Abstract

【課題】放出電子の発散を抑制し、所望の輝度を維持可能な期間を延ばすことが可能なカソードを提供する。【解決手段】カソード３００は、一方向に開放された電子放出面２２を有する単結晶のカソード本体２０と、電子放出面２２と略同一面に電子放出面の周囲を取り囲むように形成された電子放出面２２よりも仕事関数の大きい環状面３２を有し、電子放出部材の少なくとも上部側面を取り囲む、電子放出部材と同じ材料により形成された囲み部材３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、カソードに係り、例えば、電子ビーム描画装置で用いるビーム源のカソードに関する。

近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスの回路線幅はさらに微細化されてきている。これらの半導体デバイスへ回路パターンを形成するための露光用マスク（レチクルともいう。）を形成する方法として、優れた解像性を有する電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍ）描画技術が用いられる。

図１０は、可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。可変成形型電子線描画装置は、以下のように動作する。第１のアパーチャ４１０には、電子線３３０を成形するための矩形の開口４１１が形成されている。また、第２のアパーチャ４２０には、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０を所望の矩形形状に成形するための可変成形開口４２１が形成されている。荷電粒子ソース４３０から照射され、第１のアパーチャ４１０の開口４１１を通過した電子線３３０は、偏向器により偏向され、第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１の一部を通過して、所定の一方向（例えば、Ｘ方向とする）に連続的に移動するステージ上に搭載された試料３４０に照射される。すなわち、第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過できる矩形形状が、Ｘ方向に連続的に移動するステージ上に搭載された試料３４０の描画領域に描画される。第１のアパーチャ４１０の開口４１１と第２のアパーチャ４２０の可変成形開口４２１との両方を通過させ、任意形状を作成する方式を可変成形方式（ＶＳＢ方式）という。

電子ビーム描画では、電子銃が用いられる。かかる電子銃のカソード（陰極）材として、焼結形態または結晶形態を成す六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）、六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）、或いは炭化ハフニウム（ＨｆＣ）等が用いられる。かかるカソード材は、様々な電子ビーム装置（例えば、リソグラフィ装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）など）において電子源またはエミッタとして使用される。カソードは、例えば、円錐角を伴うテーパ形状または円錐形状の先端（頂部）を平面に切り取った形状として作成される。そして、テーパ形状の側面部分をカーボンでコーティングする。かかる構成により、電子放出面がカソード上面に限定され、放出面積を限定させることができる。これにより電子銃の輝度を向上させることが試みられている。そして、カーボンコーティングとＬａＢ_６或いはＣｅＢ_６カソード材料との間の化学的な相互作用によってカーボンコーティングと接触する電子放出面の縁部の腐食を防止するために、カソード材とカーボンコーティングとの間に隙間を設ける構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、カソードは、使用に伴い蒸発していくため、電子放出面が徐々に後退していく。一方、カーボンコーティング材は後退していかないので、カーボンコーティング材が突出することによって等電位線が曲げられ、放出電子が発散してしまう。これにより、輝度が低下して、寿命が短くなってしまうといった問題が発生している。

特開２０１２−０６９３６４公報

そこで、本発明の一態様は、放出電子の発散を抑制し、所望の輝度を維持可能な期間を延ばすことが可能なカソードを提供する。

本発明の一態様のカソードは、
一方向に開放された電子放出面を有する単結晶の電子放出部材と、
電子放出面と略同一面に電子放出面の周囲を取り囲むように形成された電子放出面よりも仕事関数の大きい環状面を有し、電子放出部材の少なくとも上部側面を取り囲む、電子放出部材と同じ材料により形成された囲み部材と、
を備えたことを特徴とする。

また、電子放出面は、（１００）結晶面であると好適である。

また、環状面は、（１１１）結晶面であると好適である。

また、電子放出部材の側面と囲み部材の側面とを覆うガイド部をさらに備えると好適である。

また、ガイド部の環状面側の面の高さ位置は、環状面の高さ位置と同じ位置か、前記環状面の高さ位置より高い位置であると好適である。

本発明の一態様によれば、放出電子の発散を抑制し、所望の輝度を維持可能な期間を延ばすことができる。

実施の形態１におけるカソードの構成の一例を示す断面図である。実施の形態１の比較例における電子放出の経時変化を説明するための図である。実施の形態１における電子放出の経時変化を説明するための図である。実施の形態１におけるカソード上部の断面構成の一例を示す図である。実施の形態１におけるカソードの製造過程を示す断面図である。実施の形態１におけるカソードを用いて電子ビームを放出させた場合における電流密度と温度との関係の一例を示す図である。実施の形態１の変形例におけるカソードの構成の一例を示す断面図である。実施の形態１におけるカソードを搭載した描画装置の構成を示す概念図である。実施の形態１における各領域を説明するための概念図である。可変成形型電子線描画装置の動作を説明するための概念図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるカソードの構成の一例を示す断面図である。図１（ａ）では、陰極ホルダ３０１以外の部分の上面図を示す。図１（ｂ）では陰極ホルダ３０１以外の部分の断面図を示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、カソード３００は、陰極ホルダ３０１上に固定される。カソード３００は、カソード本体２０（カソード本体は「エミッタ」ともいう。）と、囲み部材３０と、ガイド部（側面カバー部）４０と、を備えている。カソード本体２０（電子放出部材）は、材料として、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）、及び六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）のいずれかの単結晶が用いられると好適である。カソード本体２０は下部が円柱状に形成され、例えば上部が下部より直径の細い円柱状に形成される。カソード本体２０は、一方向に開放された電子放出面を有する単結晶の電子放出部材となる。具体的には、カソード本体２０上部の先端上面２２（頂部）が平面に加工された電子放出面を形成する。電子放出面となる先端上面２２は、（１００）結晶面になるように加工されている。図１（ａ）及び図１（ｂ）の例では、カソード本体２０は、囲み部材３０と、ガイド部４０とによって、電子放出面が上面に制限されている。

囲み部材３０は、中空円柱状（環状）に形成される。そして、囲み部材３０は、カソード本体２０の少なくとも上部側面を取り囲む。図１（ｂ）の例では、カソード本体２０上部の側面全周を覆うようにカソード本体２０下部の上に配置される。囲み部材３０は、カソード本体２０の上部側面との間に隙間Ｇを開けると好適である。隙間Ｇは、例えば約１μｍ〜約１５μｍの範囲が好適であるが、用途に応じて隙間を更に小さくすることができ、または更に大きくすることができる。或いは、囲み部材３０は、カソード本体２０の上部側面と接触させて配置しても構わない。そして、囲み部材３０の先端の環状上面３２（頂部、環状面）が先端上面２２（電子放出面）と略同一面（実質的に同一面）になるように平面に形成される。言い換えれば、環状上面３２は、先端上面２２（電子放出面）と略同一面に先端上面２２（電子放出面）の周囲を取り囲むように形成される。囲み部材３０は、材料として、カソード本体２０と同じ材料が用いられる。但し、囲み部材３０の環状上面３２は、中心側の先端上面２２（電子放出面）よりも仕事関数の大きい面になるように加工される。例えば、環状上面３２は、（１１１）結晶面になるように加工されている。

ガイド部４０は、カソード本体２０（電子放出部材）の側面と囲み部材３０の側面とを取り囲むように覆う。ガイド部４０は、カソード本体２０（電子放出部材）の側面と囲み部材３０の側面と、に接触して配置される。或いは、これらの全部或いは一部と若干の隙間を開けて配置しても構わない。そして、ガイド部４０の環状面側の上面４２の高さ位置は、囲み部材３０の環状面３２の高さ位置より低くならないように形成される。言い換えれば環状面３２の高さ位置と同じ位置か、環状面３２の高さ位置より高い位置になるように形成される。同一面になるように形成するとさらに好適である。これにより、カソード本体２０（電子放出部材）の側面と囲み部材３０の側面とが開放されないようにできる。その結果、電子の放出が上述した先端上面２２（電子放出面）に制限できる。ガイド部４０は、材料として、カーボン（Ｃ）、或いはタングステン（Ｗ）等を用いると好適である。

図２は、実施の形態１の比較例における電子放出の経時変化を説明するための図である。図２（ａ）では、使用開始時の状態での比較例のカソードから放出される電子の様子の一例を示している。比較例では、カソード６２０は、例えば、円錐角を伴うテーパ形状または円錐形状の先端（頂部）を平面６２２に切り取った形状として作成される。そして、テーパ形状の側面部分をカーボン６３０でコーティングする。かかる構成により、電子放出面がカソード上面の平面６２２に限定され、放出面積を限定させることができる。これにより電子銃の輝度を向上させることが試みられている。そして、カソード６２０と下流側（図２（ａ）では上方）に配置される図示しないアノード電極との間に加速電圧で印加すると共に図示しない引き出し電極（ウェネルト）に負のバイアス電圧が印加された状態で、カソード６２０を加熱すると、カソード６２０から電子（電子群）が放出され、アノード電極側へと進む。かかる場合に、カーボン６３０の上面６３２とカソード６２０の上面の平面６２２が同一面に形成されているので、カソード６２０の電子放出面近傍では、等電位線（実際は等電位面になる）はカソード６２０の平面６２２（電子放出面）と平行になる。よって、電子は、等電位線に直交する方向に進むことができる。一方、図２（ｂ）では、所定の使用期間経過後の状態での比較例のカソード６３０から放出される電子の様子の一例を示している。カソード６３０の使用（加熱等）による蒸発によって、電子放出面となる平面６２２は内側に後退していく。一方、コーティングされたカーボン６３０の上面６３２は蒸発速度が十分に遅いため後退しにくい。その結果、図２（ｂ）に示すように、比較例のカーボン６３０と電子放出面となる平面６２２との間に段差が形成される。そのため、等電位線が平面６２２と近傍で屈折して曲がった軌道になってしまう。電子は等電位線に直交する方向に進むので、平面６２２（電子放出面）と直交する方向には進まず、発散する電子が生じてしまう。その結果、輝度が低下し、電子源としての使用限界（寿命）が尽きてしまう。

図３は、実施の形態１における電子放出の経時変化を説明するための図である。図３（ａ）では、使用開始時の状態でのカソード３００から放出される電子の様子の一例を示している。実施の形態１では、カソード３００は、カソード本体２０の上部を、例えば、円柱状に形成し、先端上面２２を平面に切り取った形状として作成される。そして、カソード本体２０の上部の側面を囲み部材３０で取り囲み、さらに、囲み部材３０の側面をガイド部４０で取り囲んでいる。囲み部材３０の環状上面３２は、カソード３００の先端上面２２よりも仕事関数が大きい結晶面で形成されているので、電子の放出が抑制できる。かかる構成により、電子放出面がカソード３００の先端上面２２に限定され、放出面積を限定させることができる。これにより電子銃の輝度を向上させている。そして、カソード３００と下流側（図３（ａ）では上方）に配置される図示しないアノード電極との間に加速電圧で印加すると共に図示しない引き出し電極（ウェネルト）に負のバイアス電圧が印加された状態で、カソード３００を加熱すると、カソード３００から電子（電子群）が放出され、アノード電極側へと進む。かかる場合に、カソード本体２０の先端上面２２と囲み部材３０の環状上面３２とガイド部４０の環状上面４２とは、略同一面に形成されているので、カソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）近傍では、等電位線（実際は等電位面になる）はカソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）と平行になる。よって、電子は、等電位線に直交する方向に進むことができる。
一方、図３（ｂ）では、所定の使用期間経過後の状態でのカソード３００から放出される電子の様子の一例を示している。カソード３００の使用（加熱等）による蒸発によって、カソード本体２０の電子放出面となる先端上面２２は内側に後退していく。一方、カーボン等により形成されたガイド部４０はカソード本体２０よりも蒸発速度が十分に遅いため段差が形成される。しかし、実施の形態１では、カソード本体２０と同じ材料を用いて囲み部材３０をカソード本体２０の側面を取り囲むように配置している。そのため、カソード本体２０の先端上面２２が後退していくのと同様に、囲み部材３０の環状上面３２も同じ速度で後退していく。よって、カソード本体２０の先端上面２２と囲み部材３０の環状上面３２とは同一平面を維持し続けることができる。そのため、カソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）近傍では、等電位線（実際は等電位面になる）はカソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）と平行を保つ。よって、電子は、等電位線に直交する方向に進むことができる。よって、電子源としての使用限界（寿命）を延ばすことができる。なお、カソード本体２０の側面と囲み部材３０の内壁との間に隙間Ｇが形成される場合であっても、かかる隙間Ｇ内に引き出し電界が生じないので、カソード本体２０の側面から電子が放出されたとしても隙間内で滞留するだけで電子ビーム形成に影響を与えるものではない。

図４は、実施の形態１におけるカソード上部の断面構成の一例を示す図である。図４では、断面を示しているが、カソード本体２０の先端上面２２の直径Ｄ１に対して、囲み部材３０の環状上面３２の直径Ｄ２は、カソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）近傍において等電位線（実際は等電位面になる）がカソード本体２０の先端上面２２（電子放出面）と平行であり続けることができるサイズであればよい。カソード本体２０の先端上面２２と囲み部材３０の環状上面３２との蒸発による後退に伴い、ガイド部４０の上面４２との段差が広がっていく。例えば、かかる段差をアスペクト比で２０％以内に抑えるとすると、環状上面３２の直径Ｄ２は先端上面２２の直径Ｄ１の２倍以上のサイズであると好適である。例えば、先端上面２２の直径Ｄ１は１０〜１００μｍ程度（例えば５０μｍ）が好適である。また、環状上面３２の直径Ｄ２は５０〜２００μｍ程度（例えば１００μｍ）が好適である。

図５は、実施の形態１におけるカソードの製造過程を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、まず、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）、及び六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）のいずれかの単結晶の部材を用いて、下部が円柱状に形成され、例えば上部が下部より直径の細い円柱状にカソード本体２０を加工する。その場合に、上面側（電子放出面を形成する面側）が１００結晶面になるように加工する。形成されたカソード本体２０は陰極ホルダ３０１上に固定される。なお、（１００）面の他に、（３１０）面等の仕事関数が小さくなる結晶面に形成しても構わない。

次に、図５（ｂ）に示すように、外周がカソード本体２０の下部の直径と同じサイズに、内径がカソード本体２０の上部の直径よりも若干大きいサイズ（嵌め合い可能なサイズ）で、カソード本体２０の上部よりも長い中空円柱状（環状）の囲み部材３０用の部材を形成する。その場合に、上面（カソード本体２０の電子放出面と同じ向きの面を形成する面側）が１１１結晶面になるように加工する。囲み部材３０用の部材は、カソード本体２０と同じ単結晶或いは同じ製造ロッドの単結晶材料を用いて、上面側を形成する場合のカット角度をカソード本体２０とは変えて（１１１）結晶面を切り出しても良い。或いは、上面が（１１１）結晶面になるように結晶成長させた材料を用いてもよい。（１１１）面の他に、（２１１）面等の仕事関数が大きくなる結晶面に形成しても構わない。実施の形態１では、囲み部材３０用の部材の上面側の結晶面が、カソード本体２０の上面よりも相対的に仕事関数が大きくなる結晶面に形成した場合を含む。そして、カソード本体２０の上部側からカソード本体２０の上部に囲み部材３０用の部材を嵌め込み、囲み部材３０用の部材の底面とカソード本体２０とを接着材で接着する。接着材として、例えば、コロイド状カーボンとＢ_４Ｃとの混合物を用い、嵌め込み後に焼結することで接着できる。

次に、図５（ｃ）に示すように、内径がカソード本体２０の下部の直径よりも若干大きいサイズ（嵌め合い可能なサイズ）で、カソード本体２０よりも長い中空円柱状（環状）のガイド部４０を形成する。そして、囲み部材３０の上部側からガイド部４０を囲み部材３０及びカソード本体２０に嵌め込み、囲み部材３０の側面とカソード本体２０下部の側面とを接着材で接着する。接着材として、例えば、コロイド状カーボンとＢ_４Ｃとの混合物を用い、嵌め込み後に焼結することで接着できる。

次に、図５（ｄ）に示すように、カソード本体２０と、囲み部材３０と、ガイド部４０とが組み込まれた組み込み構造物の上面を機械研磨することで、カソード本体２０の先端上面２２と囲み部材３０の環状上面３２とガイド部４０の環状上面４２とが同一面に形成できる。以上のようにして、実施の形態１におけるカソード３００が製造される。

図６は、実施の形態１におけるカソードを用いて電子ビームを放出させた場合における電流密度と温度との関係の一例を示す図である。図６において、縦軸に電流密度を示し、横軸に加熱温度を示す。図６に示すように、カソード本体２０の先端上面２２から放出される電子群の電流密度（Ａ部）は、温度の上昇に伴い増加する。一方、囲み部材３０の環状上面３２から放出される電子群の電流密度（Ｂ部）は、温度の上昇に関わらず、カソード本体２０に比べて十分に低い状態で推移する。熱カソードから放出される電子ビームの電流密度Ｊは、仕事関数φ、加熱温度Ｔ（カソード温度）、ボルツマン係数ｋ、リチャードソン定数Ａ（＝８．６２×１０^−５ｅＶ／Ｋ）、及び透磁率η（＝０〜１）を用いて、次のリチャードソン・ダッシマンの式（１）で定義できる。
（１）Ｊ＝η・Ａ・Ｔ^２・ｅｘｐ｛−φ／（ｋ・Ｔ）｝

式（１）及び図６の結果からもわかるように、仕事関数φが小さい結晶面に形成されたカソード本体２０の先端上面２２に対して、仕事関数φが大きい結晶面に形成された囲み部材３０の環状上面３２からは、同じ材料であるにも関わらず、電子の放出が十分に少ないことがわかる。

図７は、実施の形態１の変形例におけるカソードの構成の一例を示す断面図である。図７では、カソード３００の下部側の図示を省略している。図７の例では、カソード本体２０の上部を、例えば、先細りする円錐角を伴うテーパ形状または円錐形状の先端（頂部）を平面に切り取った形状（円錐台形状）として作成される。そして、囲み部材３０の内周側を、カソード本体２０の上部のテーパ形状の側面と平行になるようにテーパ状に加工する。その他の構成は、図１と同様である。図７の変形例のように、実施の形態１におけるカソード本体２０の上部の形状は円柱に限るものではなく、その他の形状であっても良い。

図８は、実施の形態１におけるカソードを搭載した描画装置の構成を示す概念図である。図８の例では、描画装置１００の電子源として実施の形態１におけるカソードを搭載した場合について示している。但し、実施の形態１におけるカソードは、リソグラフィ装置である描画装置に限らず、様々な電子ビーム装置（例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）など）において電子源またはエミッタとして使用できる。図８において、描画装置１００は、描画機構１５０と制御系回路１６０を備えている。描画装置１００は、カソード３００を搭載する荷電粒子ビーム描画装置の一例である。図８の例では、一例として、可変成形型（ＶＳＢ型）の描画装置を示している。描画装置１００は、ＶＳＢ型等のシングルビームを用いる構成に限るものではなく、マルチビームを用いる構成であっても構わない。描画機構１５０は、電子銃機構２３０、電子鏡筒１０２、及び描画室１０３を備えている。電子銃機構２３０内には、電子銃２０１が配置される。電子鏡筒１０２内には、電子レンズ２１１、照明レンズ２０２、ブランキング偏向器２１２、第１の成形アパーチャ基板２０３、投影レンズ２０４、偏向器２０５、第２の成形アパーチャ基板２０６、対物レンズ２０７、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９が配置されている。描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象となるマスク等の試料１０１が配置される。試料１０１には、半導体装置を製造する際の露光用マスクが含まれる。また、試料１０１には、レジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクスが含まれる。ブランキング偏向器２１２として、例えば１対の電極が用いられる。

また、電子銃２０１は、実施の形態１におけるカソード３００、ウェネルト３２２、及びアノード３２４を有している。カソード３００として、例えば、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）結晶等を用いると好適である。ウェネルト３２２は、カソード３２０とアノード３２４との間に配置される。また、アノード３２４は、接地され、電位がグランド電位に設定されている。電子銃機構２３０と電子鏡筒１０２との境界は電子ビームが通過可能に形成されている。

制御系回路１６０は、制御計算機１１０、制御回路１２０、及び高圧電源回路１３０を有している。電子銃２０１には、高圧電源回路１３０が接続される。描画機構１５０は、制御回路１２０により制御される。制御計算機１１０は、描画装置１００全体を制御する。

ここで、図８では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。例えば、位置偏向用には、主偏向器２０８と副偏向器２０９の主副２段の多段偏向器を用いているが、１段の偏向器或いは３段以上の多段偏向器によって位置偏向を行なう場合であってもよい。また、描画装置１００には、マウスやキーボード等の入力装置、及びモニタ装置等が接続されていても構わない。

図９は、実施の形態１における各領域を説明するための概念図である。図９において、試料１０１の描画領域５１０は、主偏向器２０８のＹ方向偏向可能幅である、短冊状の複数のストライプ領域５２０に仮想分割される。また、各ストライプ領域５２０は、副偏向器２０９の偏向可能サイズである複数のサブフィールド（ＳＦ）５３０（小領域）に仮想分割される。そして、各ＳＦ５３０の各ショット位置にショット図形５５２，５５４，５５６が描画される。

制御計算機１１０からの制御信号によって操作される制御回路１２０からブランキング制御用の図示しないＤＡＣアンプに対して、ブランキング制御用のデジタル信号が出力される。そして、ブランキング制御用のＤＡＣアンプでは、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、ブランキング偏向器２１２に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットの照射時間（照射量）が制御される。

制御回路１２０から図示しないＤＡＣアンプに対して、主偏向制御用のデジタル信号が出力される。そして、主偏向制御用のＤＡＣアンプでは、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、主偏向器２０８に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットのビームがメッシュ状に仮想分割された、目標となるＳＦ３０の基準位置に偏向される。

制御回路１２０から図示しないＤＡＣアンプに対して、副偏向制御用のデジタル信号が出力される。そして、副偏向制御用のＤＡＣアンプでは、デジタル信号をアナログ信号に変換し、増幅させた上で偏向電圧として、副偏向器２０９に印加する。かかる偏向電圧によって電子ビーム２００が偏向させられ、各ショットのビームが対象となるＳＦ３０内の各ショット位置に偏向される。

描画装置１００では、複数段の多段偏向器を用いて、ストライプ領域５２０毎に描画処理を進めていく。ここでは、一例として、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９といった２段偏向器が用いられる。ＸＹステージ１０５が例えば−ｘ方向に向かって連続移動しながら、１番目のストライプ領域５２０についてｘ方向に向かって描画を進めていく。そして、１番目のストライプ領域５２０の描画終了後、同様に、或いは逆方向に向かって２番目のストライプ領域５２０の描画を進めていく。以降、同様に、３番目以降のストライプ領域５２０の描画を進めていく。そして、主偏向器２０８が、ＸＹステージ１０５の移動に追従するように、ＳＦ５３０の基準位置に電子ビーム２００を順に偏向する。また、副偏向器２０９が、各ＳＦ５３０の基準位置から当該ＳＦ５３０内に照射されるビームの各ショット位置に電子ビーム２００を偏向する。このように、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９は、サイズの異なる偏向領域をもつ。そして、ＳＦ５３０は、かかる複数段の偏向器の偏向領域のうち、最小偏向領域となる。

カソード３００に負の加速電圧が印加され、ウェネルト３２２に負のバイアス電圧が印加された状態で、カソード３００を加熱すると、カソード３００から電子（電子群）が放出され、放出電子（電子群）は、収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成した（カソードクロスオーバー）後に広がり、加速電圧によって加速されて電子ビームとなってアノード３２４に向かって進む。そして、アノード３２４に設けられた開口部を電子ビームが通過して、電子ビーム２００が電子銃２０１から放出されることになる。

電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、電子レンズ２１１により例えばブランキング偏向器２１２内の中心高さ位置（所定の位置の一例）に収束させられ、収束点（クロスオーバー：Ｃ．Ｏ．）を形成する。そして、光軸方向に対して電子レンズ２１１よりも後側に配置されたブランキング偏向器２１２内を通過する際に、ブランキング用のＤＡＣアンプ１２２からの偏向信号によって制御されるブランキング偏向器２１２によって、ビームのＯＮ／ＯＦＦが制御される。言い換えれば、ブランキング偏向器２１２は、ビームＯＮとビームＯＦＦとを切り替えるブランキング制御を行う場合に、電子ビームを偏向する。光軸方向に対してブランキング偏向器２１２よりも後側に配置された第１の成形アパーチャ基板２０３によって、ビームＯＦＦの状態になるように偏向された電子ビーム２００全体は遮蔽される。逆に、ビームＯＮの状態では、第１の成形アパーチャ基板２０３に形成された矩形の穴全体を覆う位置に電子ビーム２００が照明され、電子ビーム２００の一部が第１の成形アパーチャ基板２０３を通過する。ビームＯＦＦの状態からビームＯＮとなり、その後ビームＯＦＦになるまでに第１の成形アパーチャ基板２０３を通過した電子ビーム２００が１回の電子ビームのショットとなる。ブランキング偏向器２１２は、通過する電子ビーム２００の向きを制御して、ビームＯＮの状態とビームＯＦＦの状態とを交互に生成する。例えば、ビームＯＮの状態では電圧０Ｖを印加し（或いは電圧を印加せず）、ビームＯＦＦの際にブランキング偏向器２１２に数Ｖの電圧を印加すればよい。かかる各ショットの照射時間ｔで試料１０１に照射される電子ビーム２００のショットあたりの照射量が調整されることになる。

ビームＯＮに制御された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により第１の成形アパーチャ基板２０３の矩形の穴全体を照明する。ここで、電子ビーム２００をまず矩形に成形する。そして、第１の成形アパーチャ基板２０３を通過した第１のアパーチャ像の電子ビーム２００は、投影レンズ２０４により第２の成形アパーチャ基板２０６上に投影される。偏向器２０５によって、かかる第２の成形アパーチャ基板２０６上での第１のアパーチャ像は偏向制御され、ビーム形状と寸法を変化させる（可変成形を行なう）ことができる。かかる可変成形はショット毎に行なわれ、通常ショット毎に異なるビーム形状と寸法に成形される。そして、第２の成形アパーチャ基板２０６を通過した第２のアパーチャ像の電子ビーム２００は、対物レンズ２０７により焦点を合わせ、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって偏向され、連続的に移動するＸＹステージ１０５に配置された試料１０１の所望する位置に照射される。言い換えれば、光軸方向に対してブランキングアパーチャ２１４よりも後側に配置された対物レンズ２０７により、ビームＯＮの電子ビームを試料１０１上に結像する。図８では、位置偏向に、主副２段の多段偏向を用いた場合を示している。かかる場合には、主偏向器２０８でＳＦ３０の基準位置にステージ移動に追従しながら該当ショットの電子ビーム２００を偏向し、副偏向器２０９でＳＦ内の各照射位置にかかる該当ショットのビームを偏向すればよい。かかる動作を繰り返し、各ショットのショット図形を繋ぎ合わせることで、描画データに定義された図形パターンを試料に描画する。

実施の形態１では、高寿命の高輝度のカソード３００を搭載しているので、所望の輝度で描画処理を続けて行うことができる。

以上のように、実施の形態１によれば、放出電子の発散を抑制し、所望の輝度を維持可能な期間を延ばすことができる。よって、高寿命の高輝度のカソード３００を提供できる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、描画装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのカソードおよび電子ビーム描画装置は、本発明の範囲に包含される。

２０カソード本体
２２先端上面
３０囲み部材
３２環状上面
４０ガイド部
４２環状上面
１００描画装置
１０１，３４０試料
１０２電子鏡筒
１０３描画室
１０５ＸＹステージ
１１０制御計算機
１２０制御回路
１３０高圧電源回路
１５０描画機構
１６０制御系回路
２００電子ビーム
２０１電子銃
２０２照明レンズ
２０３第１の成形アパーチャ基板
２０４投影レンズ
２０５偏向器
２０６第２の成形アパーチャ基板
２０７対物レンズ
２０８主偏向器
２０９副偏向器
２１１電子レンズ
２１２ブランキング偏向器
２３０電子銃機構
３００カソード
３０１陰極ホルダ
３２２ウェネルト
３２４アノード
３３０電子線
４１０第１のアパーチャ
４１１開口
４２０第２のアパーチャ
４２１可変成形開口
４３０荷電粒子ソース
５１０描画領域
５２０ストライプ領域
５３０ＳＦ
５５２，５５４，５５６ショット図形
６２０カソード
６２２平面
６３０カーボン
６３２上面

Claims

一方向に開放された電子放出面を有する単結晶の電子放出部材と、
前記電子放出面と略同一面に前記電子放出面の周囲を取り囲むように形成された前記電子放出面よりも仕事関数の大きい環状面を有し、前記電子放出部材の少なくとも上部側面を取り囲む、前記電子放出部材と同じ材料により形成された囲み部材と、
を備えたことを特徴とするカソード。
前記電子放出面は、（１００）結晶面であることを特徴とする請求項１記載のカソード。
前記環状面は、（１１１）結晶面であることを特徴とする請求項１又は２記載のカソード。
前記電子放出部材の側面と前記囲み部材の側面とを覆うガイド部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のカソード。
前記ガイド部の前記環状面側の面の高さ位置は、前記環状面の高さ位置と同じ位置か、前記環状面の高さ位置より高い位置であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のカソード。