JP4959723B2 - 電子銃及び電子ビーム露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造のリソグラフィ工程において用いられる電子銃、該電子銃を備えた電子ビーム露光装置に関する。

近年、電子ビーム露光装置において、スループットの向上を図るために、マスクに可変矩形開口又は複数のマスクパターンを用意し、ビーム偏向によりそれらを選択してウエハに転写露光している。このような複数のマスクパターンを用いる露光方法の一つとして、部分一括露光をする電子ビーム露光装置が提案されている。部分一括露光では次のようにしてパターンを試料面に転写している。すなわち、マスク上に配置した複数個のパターンからビーム偏向により選択した一つのパターン領域にビームを照射してビーム断面をパターンの形状に成形する。さらにマスクを通過したビームを後段の偏向器で偏向振り戻し、電子光学系で決まる一定の縮小率に縮小して試料面に転写する。

ところで、このような露光装置においては、輝度を大きくすることが、スループットを向上させるために重要となる。また、輝度向上により、電流密度を損なうことなく開き角を小さくとることができるため、収差を低減することによる解像度の向上が期待でき、特に微細なパターンに対し有効である。従来の電子ビーム露光装置では、六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）を材料とした熱陰極が用いられている。輝度として１０Ａ／ｃｍ²／ｓｒ／Ｖ程度であるが、上記観点から、２倍以上の輝度が求められている。

角電流密度を向上させる手段として、ＬａＢ₆などの電子放射陰極先端を制御電極と引き出し電極の間に配置し、電子放射陰極を温度制限領域下で動作させることが提案されている（特許文献１）。本手法により、軸上の電流密度は増大し、輝度が向上するが、一方で、電子放射陰極側面部が制御電極の外側にあるため、そこからの電子放射を抑えることができず、結果として余剰電流が大きくなってしまうという問題がある。
特開２００１−３２５９１０号公報

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、輝度を向上した電子銃とそれを用いることにより、スループットを向上した電子ビーム露光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、六ホウ化ランタン(ＬａＢ₆)又は六ホウ化セリウム(ＣｅＢ₆)からなる電子源と、サプレッサ電極と、加速電極とを備えた電子銃において、前記電子源の先端部が前記サプレッサ電極と前記加速電極との間に配置され、前記電子源は、電子放出領域と電子放出制限領域とを有し、前記電子放出制限領域は、前記電子源の先端部の電子放出面以外の該電子源側面であって、カーボンで覆われており、前記電子源の先端部が前記サプレッサ電極上面から２．５ｍｍ以上突き出していて、前記電子源の先端部と前記加速電極との距離が５ｍｍ以下に配置されることを特徴とする電子銃が提供される。

この形態に係る電子銃において、前記電子源は、その先端部が直径１０μｍ〜１００μｍの円柱形状であってもよい。また、前記電子源は、直径が１０μｍ〜１００μｍの円柱形状からなる先端部と、上面と上面より面積の広い底面を有するテーパ状の側面を有する中間部と、軸方向に垂直な断面部の最大長さが前記先端部の直径より長く２ｍｍ以下の円柱又は角柱形状からなる本体部からなり、前記中間部上面と前記先端部の電子放出面に対向する端面を同一面とし、前記中間部の底面と前記本体部の端面を同一面とし、前記先端部、前記中間部及び前記本体部は中心軸を同一にして一体となるようにしてもよい。

本発明では、電子源を本体部と、電子放出面を有する先端部から構成している。電子放出面は、直径を１０μｍ〜１００μｍとし、電子放出面の面積を小さくしている。これにより、電界強度を強くすることが可能となり、電子放射をし易くしている。

また、電子源の先端部円柱形状の部分と、本体部との間にテーパ状の部分を設けている。電子源をこのような構成にすることにより、電子を放出する円柱形状の部分を可能な限り長くすることができ、電界強度の低減を抑制しつつ、機械的強度を高くすることが可能となる。

また上記形態に係る電子銃において、前記電子源の先端部が前記サプレッサ電極上面から２．５ｍｍ以上突き出していて、電子源先端と加速電極との距離が５ｍｍ以下に配置することにより、余剰電流を抑制しつつ、制限された電子放射面からの電子放射輝度を従来の２倍以上にすることが可能となる。

本発明に係る電子ビーム露光装置の構成図である。 本発明に係る電子銃の構成図である。 図２の電子銃に係る電子源及び電極の構成図である。 図４（ａ）は、図３の電子銃に係る電子源及び電極の構成で電子源のサプレッサからの突き出し量を変更した場合の輝度変化を示す図である。図４（ｂ）は、図３の電子銃に係る電子源及び電極の構成で電子源先端部と加速電極の間隔を変更した場合の輝度変化を示す図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、電子ビーム露光装置の構成について説明する。次に、電子銃の構成について説明し、電子銃のうち本発明の特徴部分である電子源の構成について説明する。次に、電子源の表面に電子放出を制限する領域を形成する方法について説明する。最後に、本実施形態の電子銃を使用した場合の効果について説明する。
（電子ビーム露光装置の構成）
図１に、本実施形態に係る電子ビーム露光装置の構成図を示す。

この電子ビーム露光装置は、電子光学系コラム１００と、電子光学系コラム１００の各部を制御する制御部２００とに大別される。このうち、電子光学系コラム１００は、電子ビーム生成部１３０、マスク偏向部１４０及び基板偏向部１５０によって構成され、その真空部分内部が減圧される。

電子ビーム生成部１３０では、電子銃１０１から生成した電子ビームＥＢが第１電磁レンズ１０２で収束作用を受けた後、ビーム整形用マスク１０３の矩形アパーチャ１０３ａを透過し、電子ビームＥＢの断面が矩形に整形される。

その後、電子ビームＥＢは、マスク偏向部１４０の第２電磁レンズ１０５によって露光マスク１１０上に結像される。そして、電子ビームＥＢは、第１、第２静電偏向器１０４、１０６により、露光マスク１１０に形成された特定のパターンＳｉに偏向され、その断面形状がパターンＳｉの形状に整形される。

なお、露光マスク１１０はマスクステージ１２３に固定されるが、そのマスクステージ１２３は水平面内において移動可能であって、第１、第２静電偏向器１０４、１０６の偏向範囲（ビーム偏向領域）を超える部分にあるパターンＳを使用する場合、マスクステージ１２３を移動することにより、そのパターンＳをビーム偏向領域内に移動させる。

露光マスク１１０の上下に配された第３、第４電磁レンズ１０８、１１１は、それらの電流量を調節することにより、電子ビームＥＢを基板Ｗ上で結像させる役割を担う。

露光マスク１１０を通った電子ビームＥＢは、第３、第４静電偏向器１１２、１１３の偏向作用によって光軸Ｃに振り戻された後、第５電磁レンズ１１４によってそのサイズが縮小される。

マスク偏向部１４０には、第１、第２補正コイル１０７、１０９が設けられており、それらにより、第１〜第４静電偏向器１０４、１０６、１１２、１１３で発生するビーム偏向収差が補正される。

その後、電子ビームＥＢは、基板偏向部１５０を構成する遮蔽板１１５のアパーチャ１１５ａを通過し、第１、第２投影用電磁レンズ１１６、１２１によって基板Ｗ上に投影される。これにより、露光マスク１１０のパターンの像が、所定の縮小率、例えば１／１０の縮小率で基板Ｗに転写されることになる。

基板偏向部１５０には、第５静電偏向器１１９と電磁偏向器１２０とが設けられており、これらの偏向器１１９、１２０によって電子ビームＥＢが偏向され、基板Ｗの所定の位置に露光マスクのパターンの像が投影される。

更に、基板偏向部１５０には、基板Ｗ上における電子ビームＥＢの偏向収差を補正するための第３、第４補正コイル１１７、１１８が設けられる。

基板Ｗは、モータ等の駆動部１２５により水平方向に移動可能なウエハステージ１２４に固定されており、ウエハステージ１２４を移動させることで、基板Ｗの全面に露光を行うことが可能となる。

一方、制御部２００は、電子銃制御部２０２、電子光学系制御部２０３、マスク偏向制御部２０４、マスクステージ制御部２０５、ブランキング制御部２０６、基板偏向制御部２０７及びウエハステージ制御部２０８を有する。これらのうち、電子銃制御部２０２は電子銃１０１を制御して、電子ビームＥＢの加速電圧やビーム放射条件等を制御する。また、電子光学系制御部２０３は、電磁レンズ１０２、１０５、１０８、１１１、１１４、１１６及び１２１への電流量等を制御して、これらの電磁レンズが構成される電子光学系の倍率や焦点位置等を調節する。ブランキング制御部２０６は、ブランキング電極１２７への印加電圧を制御することにより、露光開始前から発生している電子ビームＥＢを遮蔽板１１５上に偏向し、露光前に基板上に電子ビームＥＢが照射されるのを防ぐ。

基板偏向制御部２０７は、第５静電偏向器１１９への印加電圧と、電磁偏向器１２０への電流量を制御することにより、基板Ｗの所定の位置上に電子ビームＥＢが偏向されるようにする。ウエハステージ制御部２０８は、駆動部１２５の駆動量を調節して、基板Ｗを水平方向に移動させ、基板Ｗの所望の位置に電子ビームＥＢが照射されるようにする。上記の各部２０２〜２０８は、ワークステーション等の統合制御系２０１によって統合的に制御される。
（電子銃の構成）
図２に電子銃１０１の構成図を示す。電子銃１０１は、電子源２０、カーボン製の電子源加熱用発熱体２２、支持具２３、サプレッサ電極２４、加速電極２１とを有している。電子源２０は、例えば単結晶のＬａＢ₆またはＣｅＢ₆を用いる。

このように構成された電子銃１０１において、電子銃制御部２０２は電子源加熱用電流を電子源加熱用発熱体２２に加え続けて電子源２０を加熱し、電子源２０を一定温度に保った状態で、電子源２０と加速電極２１との間に電界を印加して電子源２０から所定のエネルギーの電子ビームを取り出し、電子ビームをウエハステージ１２４上に固定されているレジストが塗布された基板Ｗに照射させることによって電子ビーム露光がなされる。

ここでサプレッサ電極２４にかける電圧は０〜−０．５ｋＶであり、加速電極２１にかける電圧は＋５０ｋＶである。これらの電圧は電子源２０の電位に対する値であって、通常は真のアースグランドに対しては電子源２０が−５０ｋＶであるので、−５０ｋＶを加算した値になる。

なお、本実施形態では、電子源２０を加熱しながら強電界をかけて電子放射させている。このため、電子源２０の表面にガス分子が吸着することを防止でき、電子ビームの輝度の低下を防止することができる。

また、電子源の先端部がサプレッサ電極上面から２．５ｍｍ以上突き出していて、電子源先端と加速電極との距離が５ｍｍ以下に配置されると、輝度をより大きくとることができるので好ましい。
（電子源の構成）
以下に、本実施形態で使用する電子源２０の構成について説明する。

図３は電子銃１０１を構成する電子源２０の部分及び電極を示す断面図である。

電子源２０の先端は、サプレッサ電極２４と加速電極２１の間に位置するように配置される。サプレッサ電極２４には電子源２０に対してゼロまたはマイナスの電圧が印加され、電子源２０の先端以外の部分から放出される電子を遮蔽する働きをする。

電子源２０は先端部が円柱状に形成され、周囲はカーボン３０で覆われている。このカーボン３０は、例えばＣＶＤ法により電子源２０上表面に形成される。電子源２０の先端は、電子源２０の材料が露出し、露出部分は平坦化される（２０ａ）。電子を放出する面は直径１０μｍから１００μｍが望ましく、通常は４０μｍが望ましい。

また、電子源２０の周囲を覆うカーボンの厚さは５μｍが望ましい。この被覆したカーボン３０は、電子源２０で用いられるＬａＢ₆またはＣｅＢ₆よりも仕事関数が大きいため、電子放射面以外からの電子放射を抑制することができる。

次に、電子源２０とサプレッサ電極２４及び加速電極２１との位置関係について説明する。

図４は、図３に示す電子源２０先端部のサプレッサ電極２４からの突き出し量（ｘ１）と電子源２０先端部と加速電極２１の間隔（ｘ２）を変更したときの輝度を示す。両者とも固定条件として、サプレッサ電極穴直径を２．５ｍｍ、電子源先端の電子放射面直径を０．０８ｍｍ、加速電極２１穴直径を２ｍｍ、電子源２０に対する加速電極２１の電位を＋５０ｋＶとした。電子源２０には、ＬａＢ₆単結晶を用いた。

図４（ａ）は、電子源２０先端部と加速電極２１の間隔（ｘ２）を５ｍｍと固定した結果であるが、突き出し量（ｘ１）を２．５ｍｍ以上とすることにより、輝度を従来の２倍である２０Ａ／ｃｍ²／ｓｒ／Ｖを達成できることがわかる。また、図４（ｂ）は、電子源２０先端部とサプレッサ電極２４との間隔（ｘ１）を２．５ｍｍと固定して電子源２０先端部と加速電極２１との間隔を変えたときの輝度を示した図である。図４（ｂ）より、突き出し量（ｘ１）を２．５ｍｍと固定した結果、電子源２０先端部と加速電極２１の間隔（ｘ２）を５ｍｍ以下とすることにより、輝度を従来の２倍以上とすることができることがわかる。

次に、電子源２０の形状について説明する。

上記したように電子源２０の先端部が円柱状であり、電子放射面と同等の直径部分がある程度必要になるが、強度を付与するため、図５に示すような形状を検討した。

図５（ａ）は、電子源形状の一例である。図５（ａ）に示すように、電子源は本体部５２と先端部５１で構成される。先端部５１は直径が１０μｍ〜１００μｍの円柱形状をしており、本体部５２は軸方向に垂直な断面部の最大長さが先端部の直径より長く２ｍｍ以下の円柱又は角柱形状である。また、本体部５２と先端部５１は中心軸を同一にして一体となっている。

図５（ｂ）は、別の電子源形状の一例である。図５（ｂ）に示すように、電子源は、先端部５３ａと円錐台部５３ｂと本体部５４で構成される。電子源の先端部５３ａは直径が１０μｍ〜１００μｍの円柱形状をしている。円錐台部５３ｂは、上面と上面より面積の広い底面を有し、テーパ状の側面を有している。また、この円錐台部５３ｂは、側面が上面に向かって直線状に次第に細くなり、円錐台部５３ｂの上面と先端部５３ａの電子放出面に対向する端面を同一面としている。また、本体部５４は、軸方向に垂直な断面部の最大長さが先端部５３ａの直径より長く２ｍｍ以下の円柱又は角柱形状であり、円錐台部５３ｂの底面と本体部５４の端面を同一面としている。また、先端部５３ａ、円錐台部５３ｂ及び本体部５４は中心軸を同一にして一体となっている。

図５（ｃ）は、さらに別の電子源の形状の一例である。図５（ｃ）に示すように、電子源は、先端部５５ａと中間部５５ｂと本体部５６で構成される。電子源の先端部５５ａは直径が１０μｍ〜１００μｍの円柱形状をしている。中間部５５ｂは、上面と上面より面積の広い底面を有し、テーパ状の側面を有している。また、この中間部５５ｂは、側面が上面に向かって次第に細くなり、中間部５５ｂの上面と先端部５５ａの電子放出面に対向する端面を同一面としている。また、本体部５６は、軸方向に垂直な断面部の最大長さが先端部５５ａの直径より長く２ｍｍ以下の円柱又は角柱形状であり、中間部５５ｂの底面と本体部５６の端面を同一面としている。また、先端部５５ａ、中間部５５ｂ及び本体部５６は中心軸を同一にして一体となっている。

図５（ｃ）の構造では、図５（ｂ）の円錐台部５３ｂを応用して側面を本体部５６から先端部５５ａに向かって曲線状に次第に細くなるようにしている。

このように、本実施形態では、電子源を本体部と、電子放出面を有する先端部から構成している。電子放出面は、直径を１０μｍ〜１００μｍとし、電子放出面の面積を小さくしている。これにより、電界強度を強くすることが可能となり、電子放射をし易くしている。

また、図５（ｃ）で説明した電子源では、図５（ｂ）に示した電子源における円錐台部５３ｂと同様に、電子源の先端部円柱形状の部分と、本体部との間にテーパ状の部分（中間部５５ｂ）を設けている。電子源をこのような構成にすることにより、電子を放出する円柱形状の部分を可能な限り長くすることができ、電界強度の低減を抑制しつつ、機械的強度を高くすることが可能となる。

なお、図５を用いて説明した電子源についても、図３の電子源と同様に、電子放出面以外の面は電子源の材料（ＬａＢ₆やＣｅＢ₆）と異なる材料（カーボン）で覆うようにする。
（電子源の表面に電子放出を制限する領域を形成する方法）
次に、上記の電子放出を制限する領域を電子源２０に形成する方法について説明する。

ここでは図３に示した構造の電子源を例とし、電子源２０としてＬａＢ₆の単結晶を用いた場合について説明する。

まず、ＬａＢ₆単結晶を先端が直径１０〜１００μｍの円柱状になるように加工する。

次に、電子放出を制限する領域を形成するために、カーボン３０をＬａＢ₆単結晶の表面にコーティングする。このコーティングは、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法等いずれの方法であっても良い。このとき、コーティングする膜の厚さは、電子放出表面の仕事関数を十分変える（ＬａＢ₆よりも大きくする）こととＬａＢ₆材料の蒸発を防ぐことができる厚さであればよい。なお、カーボンを使用する場合は、カーボンが酸素と反応してＣＯ₂となって蒸発することを考慮し、カーボンの厚さは２μｍから１０μｍにすることが好ましい。

次に、電子源２０の先端部をコーティングした膜とともに研磨する。
（効果）
以上説明したように、本実施形態では、電子源２０の露出した先端部分に大きな電界を与えることができるため、電子放射面から高輝度の電子放射を達成でき、本電子銃を電子ビーム露光装置に用いることにより、高いスループットを実現することができる。

また、電流密度を損なうことなく開き角を小さくとることができるため、収差を低減することによる解像度の向上が期待でき、特に微細なパターンに対し有効である。

また、電子源側面からの電子放射を完全に抑制することができるため、電極部周辺の電子線照射による脱ガスを抑制でき、真空が劣化するという問題を回避することができる。

また、事実上ＬａＢ₆の露出表面が電子銃先端中心部のみであるので、電子源２０の蒸発を抑え、電子源２０を構成するＬａＢ₆やＣｅＢ₆の物質がサプレッサの裏面に付着することを防ぐことが出来る。もし、これらの物質がサプレッサの裏面に付着すると、この付着物がウィスカとなり、微小放電のトリガーとなる可能性がある。その場合には、電子ビーム露光装置を使用したときに、電子ビームの量と照射位置が安定しないという現象が起こってしまう。従って、たとえ、電子銃１０１の電子源２０の変形が小さくとも、微小放電を起こす状態になった場合には、電子ビーム露光装置は安定した使用ができないことになる。

Claims (4)

1. 六ホウ化ランタン(ＬａＢ₆)又は六ホウ化セリウム(ＣｅＢ₆)からなる電子源と、サプレッサ電極と、加速電極とを備えた電子銃において、
   前記電子源の先端部が前記サプレッサ電極と前記加速電極との間に配置され、
   前記電子源は、電子放出領域と電子放出制限領域とを有し、
   前記電子放出制限領域は、前記電子源の先端部の電子放出面以外の該電子源側面であって、カーボンで覆われており、
   前記電子源の先端部が前記サプレッサ電極上面から２．５ｍｍ以上突き出していて、前記電子源の先端部と前記加速電極との距離が５ｍｍ以下に配置されることを特徴とする電子銃。
2. 前記電子源は、その先端部が直径１０μｍ〜１００μｍの円柱形状からなることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 前記電子源は、直径が１０μｍ〜１００μｍの円柱形状からなる先端部と、上面と上面より面積の広い底面を有するテーパ状の側面を有する中間部と、軸方向に垂直な断面部の最大長さが前記先端部の直径より長く２ｍｍ以下の円柱又は角柱形状からなる本体部からなり、前記中間部上面と前記先端部の電子放出面に対向する端面を同一面とし、前記中間部の底面と前記本体部の端面を同一面とし、前記先端部、前記中間部及び前記本体部は中心軸を同一にして一体となっていることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電子銃を有することを特徴とする電子ビーム露光装置。

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