JP5709922B2

JP5709922B2 - 電子銃および電子ビーム装置

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Description

本発明は、電子を放出する電子銃に関する。また、本発明は、電子銃を用いた、電子ビーム露光装置、電子顕微鏡などの電子ビーム検査装置を含む電子ビーム装置に関する。

半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを露光するリソグラフィ分野において、電子ビーム露光技術が利用されている。すなわち、半導体リソグラフィ技術では、通常元図となるマスクを電子ビーム露光装置で作成し、そのマスク画像を光によって半導体基板（ウェハ）に転写する写真製版技術（光リソグラフィ）が主に使われてきた。

電子ビーム露光方式は、細く絞った電子ビームによる一筆書きと呼ばれる方式にはじまり、可変矩形方式や、キャラクタプロジェクション（ＣＰ）と呼ばれる、微小マスクによる数平方ミクロンを一括露光する方式など、露光方式を発展させてきた。

ここで、このような電子ビーム露光装置においては、電子ビームを発生する電子銃が重要である。例えば、非特許文献１には、フォーゲルマウントタイプと呼ばれる電子銃陰極の保持方法と加熱方法が使用されている。この電子銃は電子発生源となる電子銃陰極を発熱体となるＰＧ(パイロリティック）グラファイトで両側から挟み、さらに両側から金属のバネで押さえつけて保持する構造をしている。ＰＧグラファイトに流す電流でＰＧグラファイトの発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。この従来の電子銃について、図１３に基づいて説明する。

この電子銃陰極では、導電性がありまた電子を発生する仕事関数が２．６ｅＶ付近に存在するＬａＢ６またはＣｅＢ６の単結晶チップ８０１を、Ｃ軸方向に垂直な面で切断した２つのパイロリティックグラファイト８０２ａ，８０２ｂで挟んだものでできている。これを金属の支持体８０３ａ，８０３ｂで押さえ、バネを構成する部品８０４ａ，８０４ｂで適度な圧力でおさえつけている。バネの力は支持体８０５ａ，８０５ｂからの締め付け用のネジ８０６ａ，８０６ｂを回転させて突き出し量を変えることで、調節する。支持体８０５ａ，８０５ｂの端部はアルミナセラミック円板８０７に固定されて８０５ａと８０５ｂは互いに電気的に絶縁されている。支持体８０５ａ，８０５ｂの脚部は電気導入端子８０８ａ，８０８ｂに電気的に接触しており、数アンペアの電流を流すことによって、パイロリティックグラファイト８０２ａ，８０２ｂを加熱し、ＬａＢ６またはＣｅＢ６の単結晶チップ８０１を１５００度Ｃ付近の高温に保ち熱電子銃陰極または熱電界放射陰極として動作させる。

以上説明したフォーゲルマウントタイプの電子銃陰極では、ＬａＢ６またはＣｅＢ６の単結晶チップを両側から２つのパイロリティックグラファイトをばねで固定するために電子銃陰極構造が複雑で電子の中心軸合わせが比較的難しいという欠点があった。また電流加熱を行うために、数十本以上の複数本のマルチコラム用の高圧電源を製作する場合には数十ｋＶ（たとえば略−５０ｋＶ）の高圧電源上合計で数十アンペアから数百アンペアという大電流を発生する回路を搭載するために高圧電源の容量が大型化してしまうという欠点があった。また、個別の電子銃に数アンペアの電流を送電するためにはたとえば数ｍｍ以上の直径の電線が必要であり、高圧絶縁までを考慮すればゴムなどの絶縁材料で被覆して少なくとも直径略１０ｍｍ以上の太さが必要であり、電流加熱のために２倍され、数十本以上が必要となり、略十数ｃｍ以上の太さの断面積の電源ケーブルとなり、防振台上に搭載されたマルチコラムに電源ケーブルから機械的振動が伝わり１ｎｍ以下の精度でパターンを描画することができなかった。

また、特許文献１と特許文献２には、電子銃陰極材料の先端部分の表面側または裏面側から非接触でレーザー光を照射し、効率的に加熱し、多くの電子ビームを取り出す技術を開示する。

特開平８−２１２９５２号公報特開平６−１８１０２９号公報

「電子・イオンビームハンドブック第３版」日本学術振興会第１３２委員会編日刊工業新聞社平成１０年１０月２８日Ｐ１１９

ここで、電子銃陰極材料としては、ＬａＢ６（ＬａＢ₆）や、ＣｅＢ６（ＣｅＢ₆）などの６硼素化ランタノイド化合物が用いられる場合が多く、特にＬａＢ６の先端の尖った熱電子銃で１８００Ｋ以上の高温で使うのが一般的である。また、電界により電子を引き出す電界放射電子銃では、電子銃陰極（例えば、ＬａＢ６）が数平方ミリメートルの大きな表面積を有し、かつ全体としてむき出しで、用いられる。

この場合、先端部側面を含めて全体から出る電子が多く、また使用温度も１８００Ｋ以上と高いため、材料の昇華も大きい。従って、陽極・引き出し電極の表面に昇華付着物のウィスカができ、これによって放電が起こるとそれ以上使用ができなくなる。また、電子銃材料の体積が少なくなり、先端面は低くなるとともに、側面もやせて細くなる。このように、先端部の形状が変化することで、所期の電子の引き出しができなくなる。さらに、１８００Ｋの高温で長期に使用すると、例えばＬａＢ６であればその結晶の中からホウ素（Ｂ）原子やランタン（Ｌａ）原子が抜けて行き、結晶がもろくなるとともに、密度が少なくなり、クラックが入ったりして、結晶がすかすかの状態で稠密ではなくなる。この結果、仕事関数が高くなるためにさらに温度を上げないと輝度が高い状態（十分な電子を引き出す状態）を維持できなくなる。そこで、温度を上げると、電子銃陰極材料の昇華や蒸発がますます激しくなってしまう。

なお、強電界を印加して電子銃の先端部の電界を強くし、電界放射型電子銃として用いると、強電界を印加した分低い温度を用いることもでき、これによって、電子銃陰極材料の温度を１７００Ｋ以下１６５０Ｋ，１６００Ｋなどと比較的低くでき、材料の昇華などを低減できる。しかし、この場合も長時間の使用によって、陽極・引き出し電極の表面に昇華付着物のウィスカができたり、陰極材料の形状が変化する。そこで、さらに陰極材料の昇華や蒸発を減少することが望まれる。

本発明に係る電子銃は、加熱されることによって電子を放出する柱形の電子銃陰極と、先端の電子銃保持部において前記電子銃陰極の底面および側面を覆い電子銃陰極を保持するとともに、電気伝導性を有し、加熱された状態で前記電子銃陰極と反応し難い材料で構成され、前記電子銃陰極保持部に向かって全体が先細り突き出る形状を有する保持具と、を含み、前記電子銃陰極は、先端部が露出して前記保持具から突出しており、前記先端部に電界を印加することにより前記先端部から電子を前方に向けて放出することを特徴とする。

また、前記電子銃陰極は、その先端に平坦面を有し、この平坦面から電子を放出することが好適である。

また、前記電子銃陰極の先端部は、先細り状となっていることが好適である。

また、前記電子銃陰極は、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を含む６硼素化ランタノイド化合物の中から１種類を選択した材料からなることが好適である。

また、前記保持具は、レニウムで構成されることが好適である。

また、前記保持具は、先端部に前記電子銃陰極を保持する凹部を有することが好適である。

また、前記保持具は、先端側から中間部まで前記凹部を通過する割れ目を有しており、保持具の弾性力によって、前記電子銃陰極を挟持することが好適である。

また、前記保持具の前記電子銃陰極を保持する先端側と反対の基部側で光導波路と結合され、前記電子銃陰極は、前記光導波路を介し供給される光によって前記保持具を介し加熱されることが好適である。

また、前記保持具は、先端側から中間部まで至る割れ目を有し、保持具の弾性力によって、前記電子銃陰極を挟持するとともに、基部側から中間部に至る割れ目を有し、保持具の弾性力によって、前記光導波路を挟持し、前記電子銃陰極を挟持する割れ目と、前記光導波路を挟持する割れ目が、前記保持具の軸方向において空間的に直交していることが好適である。

また、本発明に係る電子ビーム装置は、電子銃と、電子銃から電子を引き出すとともに方向付けをするビーム制御部と、このビーム制御部からの電子が照射されるターゲットを保持するターゲット保持部を有する電子ビーム装置であって、前記電子銃は、加熱されることによって電子を放出する柱形の電子銃陰極と、この電子銃陰極の底面および側面を覆い電子銃陰極を保持するとともに、電気伝導性を有し、加熱された状態で前記電子銃陰極と反応し難い材料で構成された保持具と、を含み、前記電子銃陰極は、先端部が露出して前記保持具から突出しており、前記先端部に電界を印加することにより前記先端部から電子を前方に向けて放出すること特徴とする。

なお、電子ビーム装置には、電子ビーム露光装置や、電子顕微鏡などの電子ビーム検査装置が含まれる。

本発明によれば、保持具によって電子銃陰極の底面および側面を覆い、電子銃陰極の先端部が突出する構成としている。従って、電子銃陰極の側面からの電子、電子銃陰極物質の放出を少なくして、電子銃の長寿命化を図ることができる。

実施形態に係る電子銃の構成を示す図である。保持具および電子銃陰極の構成を示す図である。保持具および電子銃陰極の構成を示す図である。電子銃陰極の製作を説明する図である。電子銃陰極の製作を説明する図である。保持具および電子銃陰極の構成を示す図である。電子銃陰極の消耗状態を説明する図である。保持具および電子銃陰極の他の構成例を示す図である。保持具および電子銃陰極の他の構成例を示す図である。電子ビーム露光装置の概略構成を示す図である。単一のコラムを示す図である。電子銃への電圧供給制御の構成を示す図である。従来のフォーゲルマウント型電子銃の図である。電子銃陰極の周囲の電界の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

「電子銃の構成」
図１は、実施形態に係る電子銃１００の構成を示す図である。この例では、電子銃１００は、光加熱方式を採用している。

図１において、光は、エネルギー密度の高い光であって、サファイヤなどで構成された円筒状の光導波路１０２の一端部（図における下方の光入射端）より入射し、光導波路１０２の反対側の端部（先端部）に設置された保持具１０３に入射する。この例において、保持具１０３は、基部側の円筒部分の先端側の円錐部分からなっており、全体としてレニウムで構成されている。保持具１０３の基部側に円筒状の凹部が形成され、ここに光導波路１０２の先端部が収容されている。

保持具１０３の円錐部分はその先端部が切り取られた円錐台状になっており、その先端面には、内方に向けて凹部が形成されるとともに、この凹部を通過して更に基部側に向けて伸びた割れ目が形成されている。そして、凹部には、先端側から電子銃陰極１０４が割れ目を押し広げるようにして挿入され、この電子銃陰極１０４が保持具１０３の弾力によって挟持されている。

光は、例えば光ファイバーなどによって光源から光導波路１０２に導入され、保持具１０３に入射して吸収され、保持具１０３を介し、電子銃陰極１０４が高温に加熱される。従って、光強度を調節することで、電子銃陰極１０４から電子を真空中に射出する条件を得ることができる。

ここで、光は、たとえば半導体レーザーから射出される光である。光の波長は可視光が光軸あわせには適しているが、紫外線から赤外線を使うことも可能である。

光導波路１０２は、光の伝搬路であり、入射端部から入射された光を側面で全反射せしめて、前方に導くことにより、保持具１０３に散逸することなく伝播する。また、光導波路１０２は、保持具１０３と電子銃陰極１０４を機械的に支持する支持体でもあり、電子銃陰極１０４が電子放射条件を得る高温（略１５００℃）に耐える耐熱性を有することが必要である。さらに、光導波路１０２は、電子銃陰極１０４への電子供給路の機能を持っている。この電子供給路としての機能は、保持具１０３を介し電子銃陰極１０４から真空中に放出する電子を供給するために必要な機能である。

このような光導波路１０２に適した材料としては、光を透過せしめ、高い融点を持つサファイヤ、ルビー、ダイヤモンド、石英ガラスがある。ここで、これらの材料は高い絶縁性を有しているので、電子銃陰極１０４からの放射電子を供給する電子供給路とするために導電性を付加する。この例では、光導波路１０２の表面にレニウム薄膜を蒸着またはスパッター法により厚さは数百ｎｍ程度の金属膜１０１を付着させている。また、光導波路１０２の表面層にイオン打ち込み技術を用いて、臭素、窒素、酸素、弗素、アルミニウム、燐、硫黄、塩素、ガリウム、砒素の中から選択された１種類のイオンを打ち込み、これによって導電性を付与してもよい。

また、光導波路１０２自体が絶縁物であっても、別の導線で電子銃陰極１０４へ電子を供給してもよい。この場合、電子銃陰極１０４には電子供給端子を設け、ここに電線で電子銃電源を接続し、電子銃陰極１０４から放射する電子を電子銃電源から供給する。

なお、光の透明性と耐熱性、加工性により、サファイヤが最も好適であり、本実施形態では、光導波路１０２として、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンド、石英ガラスの材料の中からをサファイヤを選択した。

光導波路１０２の形状は、光の光源から光導波路１０２まで伝搬する光ファイバーから入射が容易な径を有した円柱形状が好ましい。なお、先端に行くほど細くなるテーパのついた円錐状でもよい。さらに、材質と形状を変えて、金属の中空の筒の内面で光を反射させて、先端部へ光を伝播する構造体であってもよい。

保持具１０３は、光が入射・吸収される発熱体であり、電子銃陰極１０４を支持する構造体でもある。電子銃としての動作温度（略１５００℃）で、電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６などと化学反応しない防護機能が得られる物質からなることが必要であり、レニウム、タンタル、炭素などが使用可能である。しかし、電子銃陰極材料との高温での反応がもっとも少ないのはレニウムであり、レニウムが最も適している。そこで、本実施形態では、保持具１０３にレニウムを用いる。

前記化学反応防護機能が必要な理由は、ＬａＢ６やＣｅＢ６などの電子銃陰極材料は、電子銃としての動作温度でレニウム、タンタル、グラファイト（炭素）など一部の物質を除く多くの物質と容易に化学反応して変質し、電子銃特性を失うことを防ぐ必要性による。

ここで、ＬａＢ６、ＣｅＢ６と化学反応しないものとして、上述のように炭素、タンタルがある。炭素は実際に実験を行ったが、１７００Ｋ付近ではぼろぼろになってはがれ落ちていくので、実際的に使用は困難と考えられる。また、タンタルは比較的反応しないと言われているが、それでもＬａＢ６と反応し、ＴａＢ２が生成され、Ｌａが逃げていってしまう。このため、本実施形態のような小さな結晶の電子銃陰極１０４では、比較的短い時間、例えば１か月以下で成分が変化してしまうものと考えられ、実用的でない。

保持具１０３の形状は、上述したように基部側が光導波路１０２の径より大径の円筒で、端部に光導波路１０２を挿入し嵌合する穴（凹部）を有しており、先端側は円錐台状であり、先端に電子銃陰極１０４を挿入し嵌合する穴（凹部）を有している。

電子銃陰極１０４は、高温で熱電子または熱電界放射電子を放出する材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６などの６硼素化ランタノイド化合物の中から１種類の材料を選択して用いる。ランタノイドとは周期律表の第６周期第３（３Ａ）族に属し、原子番号５７のランタンＬａを代表として化学的性質のよく似た７１番ルテニウムＬｕまでの１５元素の総称である。

電子銃特性としては電子銃陰極１０４は、単結晶であることが望ましい。また、電子銃陰極１０４の動作温度が高温（略１５００℃）であるとは、ＬａＢ６またはＣｅＢ６の仕事関数が２．６ｅＶであり、熱電子放出ができる温度であるという意味である。

電子銃陰極１０４の先端の前方には、電子ビームの通路を開けてその周辺にサプレッサー電極１０５が設けられている。サプレッサー電極１０５は、電子銃陰極１０４に対して０電位で、光導波路１０２の側面からの電子射出を抑える。

サプレッサー電極１０５の前方には、同じく電子ビームの通路を開けて、引き出し電極１０６が設けられている。この引出し電極１０６は、電子銃陰極１０４に対して略＋３ｋＶから略＋１０ｋＶの電位がかけられ、電子銃陰極１０４の１００μｍ径の円筒の先端部上面付近に印加され、ここから熱電界放射電子が電子銃陽極１０７に向かって射出される。

電子銃陽極１０７は、通常接地電位（０Ｖ）であり、電子銃陰極１０４にマイナス数十ｋＶ（たとえばマイナス５０ｋＶ）の電子ビームを加速する電圧をかけ、数十ｋeＶ（たとえば５０ｋeＶ）の運動エネルギーを熱電界放射電子に与え、電子ビーム１０８を得る。その結果、電子銃陰極１０４は略マイナス５０ｋＶ、引出し電極１０６は略マイナス４７ｋＶから略マイナス４０ｋＶの電位となる。これにより図１の構造全体が電子銃１００として機能する。

絶縁ベース１０９は、アルミナセラミックの円板であり、光導波路１０２を円板中心に固定している。絶縁ベース１０９は、サプレッサー電極１０５と光導波路１０２を絶縁することもできるが、サプレッサー電極１０５を光導波路１０２と同電位にしてもよい。

絶縁ベース１１０は、絶縁ベース１０９より大径であり、絶縁ベース１０９を下から保持するとともに、中心に光導波路１０２を支持するとともに、絶縁ベース１０９の外側にサプレッサー電極１０５、引き出し電極１０６の基部を同心円状に互いに離間して保持する。なお、絶縁ベース１１０は、引出し電極１０６と光導波路１０２を絶縁する。

導電リング１１２は、光導波路１０２の末端部についており、絶縁ベース１０９の外側面に接し、光導波路１０２の外表面の導電材料からなる金属膜１０１に接触する。この導電リング１１２に電子ビーム加速用電源を接続し、光導波路１０２の金属膜１０１、保持具１０３を介し電子銃陰極１０４から放出される電子を供給する。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）には、保持具１０３と、電子銃陰極１０４と、光導波路１０２の接続の構成について示してある。図２（ａ）は、保持具１０３を断面として、電子銃陰極１０４、光導波路１０２を見えるように描いた図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図である。この例では、保持具１０３には、先端側から中間部に至る割れ目１０３ａと、基部側から中間部に至る割れ目１０３ｂが設けられている。これら割れ目１０３ａ，１０３ｂは、平面方向（上下方向）において９０度方向が異なっている。すなわち、保持具の軸方向に関し、割れ目１０３ａ，１０３ｂが空間的に直交している。また、先端には電子銃陰極１０４を挿入し嵌合する円筒状の穴（凹部）が設けられ、基部側の端部には、光導波路１０２を挿入し嵌合する円筒状の穴（凹部）が設けられている。そして、電子銃陰極１０４、および光導波路１０２は、穴より若干大きめとなっているため、電子銃陰極１０４および光導波路１０２は、穴に挿入されたときに、保持具１０３の弾力によって、保持具１０３に保持される。例えば、電子銃陰極１０４を５０μｍ（マイクロメータ）×５０μｍで長さ１００μｍ程度の四角柱で、対応する穴は、直径７０μｍ程度の丸穴とし、１０μｍ程度、電子銃陰極１０４の先端が突出するようにすることが好適である。

なお、上述の例では、保持具１０３を１つの割れ目で２分割したが、３分割４分割のバネであってもよい。

また、電子銃陰極１０４や光導波路１０２に溝を設けておき、溶接用レーザーを照射することで、保持具１０３の材料をその溝に溶かし込んで接合することも好適である。

また、本実施形態においては、電子銃陰極１０４は、四角柱状としている。図３は、先端側から見た図であり、このように、保持具１０３の円筒状の穴に４つの角が接触して保持されている。ここで、電子銃陰極１０４を四角形状とするのは、その方が製作しやすいからである。図４に示すように、板状のＬａＢ６の結晶について、表面からブレードで横方向および縦方向に複数の切り込み溝を入れる。これを一方の切り込み溝に平行な断面で見れば、図５（ａ）のようになる。そして、図５（ｂ）に示すように、切り込み溝に接着剤を注入して固める。その後、図５（ｃ）に示すようにブレードで表面と平行な方向（カットラインと示す）に溝を横断するようにカットすることで、図５（ｄ）に示すように、溝内の接着剤で固められた四角柱の集合であって板状のものが得られる。次に、接着剤を溶剤で溶かして除去することで、図５（ｅ）に示す、四角柱状の電子銃陰極１０４を多数得ることができる。

電子銃陰極１０４は、例えば、先端の平面が、５０μｍ×５０μｍ程度で、長さ１００μｍ程度である。このような小さな電子銃陰極１０４を通常の旋盤などで加工するのは、非常に困難である。また、ブレードでカットした場合にも、結晶基板から離れたとたんに飛んでしまう。上述のような加工方法によって、小さな電子銃陰極１０４を効果的に製作することが可能になる。

ここで、ＬａＢ６の結晶チップにはクラックが入ることが多い。クラックが入ったチップは加熱時に温度特性が不安定になることが多く、温度が定常状態に保てないので不安定な特性となりやすい。従って、電子ビームが放出される位置が変動したり、放射方向が角度的に変動することも多く電子銃特性が不安定になりやすい。

しかし、本実施形態の電子銃陰極１０４は、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍの大きさであり、結晶としての体積が小さい。このため、ほとんどクラックが入ることはない。従って、加熱時の温度特性が安定であって、ビーム位置の変動が少なく、電子放出特性はきわめて安定である。

本実施形態においては、電子銃陰極１０４を加熱するとともに、ここに電界を作用させて電子を引き出す熱電界放出（ＴＦＥ）タイプの電子銃１００を用いており、電子銃陰極１０４の先端に電界強度０．５乃至１．０ ×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界を印加するとともに、その温度を１６５０−１７００Ｋ程度とする。そして、電子銃陰極１０４の材料として、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を用い、これをレニウムの保持具１０３で保持する。このような温度において、レニウムは、ＬａＢ６またはＣｅＢ６と反応しにくく、従って電子銃陰極１０４が化学反応によって、変質してしまうことを効果的に防止できる。

また、本実施形態においては、図６に示すように、電子銃陰極１０４の先端は平面５０μｍ×５０μｍ程度の平面であり、その先端のみがレニウムの保持具１０３から突出している。この突出量は、２〜１５μｍに設定してある。このように、長さ１００μｍ程度の電子銃陰極１０４の側面のほとんどは、保持具１０３に覆われており、電子銃陰極１０４の側面からの電子や、材料の昇華を少なくすることが可能である。また、電子銃陰極１０４の側面からの電子照射が少なく、周辺部材に対する余分な加熱を最小限に少なくすることができる。

すなわち、電子銃陰極１０４、先端部側面を含めて全体から出る電子を少なくし、また材料の昇華、蒸発も小さくできる。従来昇華する面積が数平方ミリメートルであったものが２５００平方ミクロンとなり面積比で２００分の１以下となる。従って、電子銃陽極１０７や引き出し電極１０６の表面への昇華付着物のウィスカの形成を抑制して、放電が起こるまでの時間を長くすることができ、長寿命化を図ることができる。

また、電子銃陰極材料の側面もやせて細くなることを抑制し、初期の電子の引き出し状態を長期間維持することができる。さらに、ＬａＢ６であればその結晶の中からホウ素（Ｂ）原子やランタン（Ｌａ）原子が抜けて行くことを抑制でき、初期の電子の引き出し状態を長期間維持することができる。

なお、レニウムで構成される保持具１０３は、基部の直径が１０００μｍ、先端部の直径が１００μｍ程度で、長さ１ｍｍから２ｍｍ程度のものが採用される。

このように、本実施形態において、電子銃陰極１０４の使用による消耗は比較的少ない。しかし、電子銃陰極１０４が、使用によって消耗することは避けられない。本実施形態においては、例えば、図７に示すように、電子銃陰極１０４は先端面から徐々に体積が減少する。図７（ａ）は使用開始時、図７（ｂ）は２年経過後、図７（ｃ）は３年経過後の例を模式的に示している。

電子銃陰極１０４の突出量が大きいと、それだけ側面からの電子の放出や昇華が増加するので好ましくない。一方、使用による消耗は避けられず、電子銃陰極１０４の先端が、保持具１０３の穴の中に入り込み、図７（ｃ）のようになると、電子の引き出しがうまくいかなくなる。そこで、寿命をなるべく長くするとともに、引き出し電極１０６などへのウィスカの形成を少なくするために、使用開始時における電子銃陰極１０４の保持具１０３からの突出量２〜１５μｍ程度とすることが好適であり、特に１０μｍ程度とすることが好適である。

ここで、電子銃陰極１０４および保持具１０３の上面平坦部の表面積を小さくすると電界集中が顕著になり電界強度が増大し、電子発生効率が上がる。従って、先端の平面面積を小さくするとさらに高輝度化が可能である。すなわち、上述の実施形態では、先端の平面を５０×５０μｍ程度としたが、面積をより小さくすることで高輝度化を図ることができる。この時には保持具１０３の面積も同時に小さくする必要がある。可変整形ビームやセルプロジェクションビーム（ＣＰ）などでは一定の面積を均一に照射する必要がある。これを均一照射性が必要という。あるいは大きなエミッタンスが必要ともいう。

さらに、本実施形態においては、レニウムで形成された保持具１０３が先端に向けて先細りの形状で、鋭利に突き出る形状になっている。そして、その先端の電子銃保持部に電子銃陰極１０４を底面および側面を覆って保持している。従って、電子銃陰極の周囲の電界は、図１４に示すように、等電位線が保持具１０３の先端形状に応じた鋭角な山状となり、先端部に強い電界が印加される。従って、電子銃陰極１０４の先端からの電子ビームの放出が促進される。

また、上述の実施形態において示した、電子銃陰極１０４の先端を平面としたものは、可変整形ビームやセルプロジェクションビーム（ＣＰ）露光装置に好適である。

「電子銃の他の構成例」
ここで、単一のスポット（点状）ビームを用いるのであれば、電子銃陰極１０４の先端を尖らせたものを採用することもできる。このような形状の陰極は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような電子ビーム検査装置にも好適である。本明細書では、電子ビーム露光装置、電子顕微鏡などの電子ビーム検査装置を総称して電子ビーム装置という。

電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、電子銃から放出された電子ビームを電子ビーム露光装置と同様にして、スポットとして試料に照射するとともにこのビームを走査する。そして、試料から発生される二次電子などを検出器によって検出し、検出結果を画像化する。なお、本実施形態の電子銃は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの電子ビーム検査装置にも適用できる。

図８には、保持具１０３の先端に埋め込む柱状の電子銃陰極１０４の形状を先端が尖った形状としたものを示してある。すなわち、保持具１０３の先端に電子銃陰極１０４を挿入しているが、電子銃陰極１０４の先端が円錐状に先に行くほど径が小さくなっている。

このような形状とすることで、電子銃陰極１０４からの昇華、蒸発量を小さくすることができ、引き出し電極１０６、電子銃陽極１０７に付着する電子銃陰極材料の量が少なくすることができ、ウィスカが育つことによる放電で決まる寿命をより長くすることができる。

図９には、タングステンフィラメント加熱方式の電子銃について示してある。図９（ａ）は正面、図９（ｂ）は側面を示している。

このように、保持具１０３は、先端側は、上述したものと同様であるが、基部側が半分切除されており、半円筒状となっている。そして、この半円筒の平面に逆Ｖ字状に配置された一対のタングステンフィラメント１２１の上端が共通してスポット溶接されている。

一対のタングステンフィラメント１２１における、離れて位置する一対の下端は、セラミック基板１２３に固定された一対の金属棒１２２にそれぞれスポット溶接されている。そして、この一対の金属棒１２２間に電力を供給することで、タングステンフィラメント１２１が加熱され、この熱によって保持具１０３を介し、電子銃陰極１０４が所定温度に加熱される。なお、金属棒１２２、タングステンフィラメント１２１、電子銃陰極１０４は、すべて同じ陰極電位（直流電圧）に維持され、電子銃陰極１０４から電子が放出されることについては、上述の実施形態と同一である。

「電子ビーム装置の構成」
図１０には、上述した電子銃１００を利用した電子ビーム露光装置の概略構成が示してある。鏡筒２０４は密閉状の円筒であり、上部に電子銃室２０１が仕切り壁２０２によって仕切り形成されている。鏡筒２０４の内部には、電子銃１００から引き出された電子ビーム２０５を偏向、整形、収束などをするために、コイル、磁気レンズなどをから構成される、ビーム制御部として機能するレンズ・偏向光学系２０３が配置されている。そして、鏡筒２０４の下方には、ターゲット室２１０が配置されており、ここに描画される基板（ウェハ）であるターゲット２０６が載置されている。

これによって、電子銃１００から引き出された電子ビーム２０５が、ターゲット２０６の任意位置に収束制御され、電子ビームによる描画が行われる。なお、イオンポンプ２０７は電子銃室２０１内を排気し、ターボ分子ポンプ２０８は鏡筒２０４内を排気し、ターボ分子ポンプ２０９はターゲット室２１０内を排気し、それぞれ所望の真空状態に保つ。本装置には２次電子または反射電子検出器２１１を具備しており、電子ビーム描画のみならず、電子ビームを走査することによって画像観察も可能である。またウェハまたはマスク基板の画像を検査する電子ビーム検査装置としても使用できる。

「マルチコラムの構成」
本実施形態の電子銃は、マルチコラム電子ビーム露光装置に好適に適用できる。このマルチコラム電子ビーム露光装置は、たとえば略１５ｍｍから略５０ｍｍ程度の太さの単一コラムエレメントを、２次元的に数十本以上（たとえば３０本から２５０本以上）という数で複数個並べ、１枚のウェハ上に電子ビームを複数照射するマルチコラム群を構成する。このような構成によって、高速露光処理が可能となる。

図１１にはマルチコラム電子ビーム描画装置の図を示す。直径２５ミリメートル程度のコラムエレメントを単位とする微細なコラムが３００ミリメートルウェハ上に８９本整列している。そのうちの１本の単一コラムエレメント３０１の概略構成を示す。電子銃３０４から発射された電子ビームは、第一矩形アパーチャ３０５で矩形に整形され、前段のレンズ・偏向光学系３０６で、第二矩形アパーチャまたはＣＰマスク３０８上に結像される。第二矩形アパーチャまたはＣＰマスク３０８上での電子ビームの位置は、ビーム偏向器によって、意図したサイズまたは形状のビームに再整形される。さらに後段のレンズ・偏向光学系３０９で、下方に位置するウェハ上の適切な位置に偏向し結像される。これらレンズ・偏向光学系３０６、３０９は、ビーム制御部として機能するが、これをさらに分解すると磁界レンズ３０７で構成される。

「光加熱式の電源の構成」
上述のように、電子銃の加熱に光を用いることが好適である。図１２は、本実施形態の光加熱式の電子銃と、その電子銃の制御部の構成図である。

電子ビーム加速用電源４０３は、電子銃陰極１０４にマイナス数十ｋＶ（たとえば略−５０ｋＶ）の高電圧を供給する高電圧発生用ユニットであり、その電圧を導電リング１１２、光導波路１０２表面の金属膜１０１を介して電子銃陰極１０４に印加する。

引出し電界用電源４０２は、電子ビーム加速用電源４０３に対してプラス数ｋＶ（略＋３ｋＶから＋１０ｋＶ）の電圧を発生し、その電圧を引出し電極１０６に印加する。

光源ユニット５０４は、半導体レーザーおよびその制御部で、光を発生し、光の強度を調整するユニットである。

光ファイバー５０５は、光源ユニット５０４からの光を光導波路１０２までの導く光搬送路であり、１本当たりの太さは２５０ミクロン程度の太さであって、数十本以上の複数本束ねても２．５ｍｍ直径程度の太さである。光ファイバー５０５は、ガラスないしはプラスティックなどの絶縁物であって、電線と異なり格別の電気的絶縁を施す必要がないためにマイナス数十ｋＶ（たとえば略−５０ｋＶ）の高圧電子銃部へそのままの形で導入できる。また従来の加熱方法では電流加熱のために高圧絶縁された直径数センチメートル以上の太い導電ケーブルを使用するので、重量が重く、剛性も高く硬いので床振動が伝わって電子光学鏡筒が振動し、その結果ビームが振動し、描画精度が劣化していた。

電子銃１００に投入する光のエネルギーは、保持具１０３と電子銃陰極１０４を、１５００℃付近の高温とし、それら部材の輻射熱と、光導波路１０２を通しての伝導熱として放熱される。そこで、電子銃陰極１０４の温度が１５００℃付近で一定値になるように、光の強度を調整する。実際には、通常数十本以上のマルチコラムで個々の電子銃温度を検知することは難しいので、引出し電極１０６によって熱電界放射電子流として引き出され、電子銃陽極１０７によって加速されて、ウェハ３０３に流入する電子ビーム強度を測定し、測定値を一定に保つ様に、光源ユニット５０４を制御する。２次的には、半導体レーザーの中に光量モニタが入っているので、これを一定にするように半導体レーザー出力を制御する。

このように、本実施形態では、加熱用に光を用いるため、光ファイバー５０５は、高電圧系と切り離されており、その扱いが容易になる。また、本実施形態では、光エネルギーを伝送するケーブルが細く、軽量化し、剛性も小さくなるので床振動もほとんど伝わらないので、高精度の描画が可能となる。

なお、マルチコラム化された電子銃の問題点は電子銃陰極の発熱である。１つの電子銃の保持具１０３の面積が数平方ミリメートルあり、温度が１７００Ｋの時には、高温部の面積と温度の４乗の積で決まる発熱量である数ワットにマルチコラムの電子銃個数をかけた値、すなわち数百ワットの発熱量になる。このために電子銃チャンバ２０１の真空度が悪化することがある。前記真空度の悪化を避けるために、保持具１０３の表面積を低減することが有効となる。例えば太さと長さを半分にすることで発熱量を約４分の１に低減し、百ワット以下の発熱量とし真空度劣化も低減出来る。このように電子銃高温部の温度低減と面積低減が重要である。従って保持具１０３は基部が太いところが短く細い部分が長い形状の方が好ましい。またさらに面積を低減するためには全体構造を変化させない範囲内で、細い針金で保持具を構成してもよい。

本実施形態の先端が５０ｕｍ四角の平坦な電子銃陰極を使用する場合において、電子ビーム描画装置に適用した場合には、輝度は３から６×１０⁶Ａ／ｃｍ²ｓｔｅｒａｄｉａｎであって、第一矩形アパーチャの照射均一性を表す電子銃エミッタンスとして７乃至１０ｍｒａｄｕｍと言う値が得られて寿命は２年から３年で理想的な電子銃として使用できる。これによって電子ビーム描画装置の実用化に大きな寄与が出来る。また走査型透過型電子顕微鏡の改良、電子ビーム検査装置の改良にも多大の貢献をすることが可能となる。

また、上述の実施形態において、保持具１０３は全体としてレニウムで形成した。これは、ＬａＢ６などからなる電子銃陰極１０４との化学反応を抑制するためである。従って、保持具１０３の電子銃陰極と接する部分をレニウムで形成すれば、保持具１０３の他の部分は、別の材料、例えば剛性の高いタングステン、タンタル、モリブデンなどで形成してもよい。

１００，３０４電子銃、１０１金属膜、１０２光導波路、１０３保持具、１０３ａ，１０３ｂ割れ目、１０４電子銃陰極、１０５サプレッサー電極、１０６引き出し電極、１０７電子銃陽極、１０８，２０５電子ビーム、１０９，１１０絶縁ベース、１１２導電リング、１２１タングステンフィラメント、１２２金属棒、１２３セラミック基板、２０１電子銃室、２０２仕切り壁、２０３レンズ・偏向光学系、２０４鏡筒、２０６ターゲット、２０７イオンポンプ、２０８，２０９ターボ分子ポンプ、２１０ターゲット室、２１１２次電子または反射電子検出器、３０１単一コラムエレメント、３０３ウェハ、３０５第一矩形アパーチャ、３０６，３０９レンズ・偏向光学系、３０７磁界レンズ、３０８第二矩形アパーチャまたはＣＰマスク、４０２引き出し電界用電源、４０３電子ビーム加速用電源、５０４光源ユニット、５０５光ファイバー、８０１ＬａＢ６またはＣｅＢ６の単結晶の電子銃陰極材料、８０２ａ，８０２ｂパイロリティックグラファイトをＣ軸方向に切断したもの、８０３ａ，８０３ｂ金属支持体、８０４ａ，８０４ｂ金属バネ、８０５ａ，８０５ｂバネ調節用ネジの支持台、８０６ａ，８０６ｂバネ調節用ネジ、８０７アルミナセラミクス、８０８ａ，８０８ｂ電子銃陰極加熱電流導入端子。

Claims

電子銃陰極を加熱することによって電子を放出させる電子銃において、
光を一端部から入射し、一方向に伝播する、高融点の光導波路であって電気伝導性を付加した光導波路と、
前記光導波路で他端部に結合され、前記光で加熱される保持具と、
前記保持具によって保持され、前記保持具を介して、加熱される電子銃陰極と、
を備え、
前記光導波路、前記保持具および前記電子銃陰極の順序で配置したことを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記電子銃陰極に電子供給端子を設けたことを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記光導波路は、円柱形状の光媒体の表面に金属薄膜を付着せしめたものであることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記光導波路は高い融点を持つ、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンド、石英ガラスの中から選択された１種類の材料で前記光導波路を成し、当該導波路の表面に金属薄膜を付着せしめたものであることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記光導波路は、臭素、窒素、酸素、弗素、アルミニウム、燐、硫黄、塩素、ガリウム、砒素の中から選択された、電気伝導性を付加するイオンを表面層に照射せしめたものであることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記電子銃陰極は、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を含む６硼素化ランタノイド化合物の中から１種類を選択した材料からなることを特徴とする電子銃。
請求項６に記載する電子銃において、
前記電子銃陰極は、６硼素化ランタノイド化合物の単結晶からなることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
光で加熱される前記保持具が、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を含む６硼素化ランタノイド化合物と、電子銃陰極としての動作温度である高温にて化学反応をしない物質であるレニウム、タンタル、炭素の中から、１種類を選択した材料からなることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載する電子銃において、
前記光導波路の一端部より照射される前記光は、半導体レーザーから射出される光であって、光ファイバーを用いて、前記光導波路に入射することを特徴とする電子銃。
請求項１から９の何れか一項に記載する電子銃を複数搭載した、電子ビームを用いた半導体の回路パターンの露光または検査を行うマルチコラム電子ビーム装置。