JP6279783B2 - カソード及びカソードの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、マスク描画装置に用いられるカソード及びカソードの製造方法に関する。
結晶化又は焼結された６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）などが、電子源やエミッタ（emitter）（以下、カソードと記載）として、種々の装置（例えば、scanning electron microscopes（ＳＥＭ）、transmission electron microscopes（ＴＥＭ））に使用されている。カソードは、通常、テーパー形状、もしくは円錐形状となっており、特定の大きさに先端が切り取られている。また、カソードの先端は、通常、平坦又は球状である。
しかし、上記材料により形成されているカソードは、使用温度である１６５０Ｋ〜１９００Ｋ（ケルビン）において蒸発し、カソード先端の大きさが縮小する。この結果、カソードの使用可能時間（寿命）が制限されてしまう問題が生じる。また、カソードの先端だけでなく、テーパー部からも電子が放出される。このテーパー部から放出される電子は、カソード全体から放出される電子の６５％にもなる。このため、収束した電子ビームを得ることが難しい。
そこで、テーパー部をカーボン（Ｃ）で覆ったカソードが提案されている。このカーボンの蒸発レートは非常に低く、使用温度である１６５０Ｋ〜１９００Ｋにおいて蒸気圧が１０−１０Ｔｏｒｒ程度であり、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６）などの１０００分の一以下である。このため、カソードの使用可能時間を約３０００時間にまで長くすることができる。また、カーボンで覆われたテーパー部からは、電子が放出されないので、収束した電子ビームを得やすい。
M.Gesley, F.Hohn, J.Appl.Phys. 64(7), October 1988, pp. 3380-3392
しかしながら、このようなカソードにおいても使用可能時間が制限される。これは、カソード材料（例えば、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）や６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６））とカーボンとの化学的相互作用により、カソードが部分的に蒸発や消失が生じるためである。
上記問題を解決するために、カソードの先端において、カソードと、テーパー部を覆うカーボンとの間に溝（ギャップ）を設けたものが提案されている。この提案のカソードは、カソードを中心として、その周囲にカーボン層が配置され、カソードとカーボン層との間に溝（ギャップ）が設けられた構成を有する。つまり、カソード先端において、カソードの材料（例えば、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）や６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６））とカーボンとが直接接触していないので、化学的相互作用による部分的な蒸発や消失を抑制することができる。
しかしながら、カソードの先端に形成された溝の幅が、場所によって異なっていると、カソード先端における電界分布が不均一となり、エミッタ電流（電子線）のピーク（もっとも電流値の高い位置）がカソードの中心からずれてしまう現象が生じる。その結果、電子線の照射位置に影響が生じる。例えば、マスク描画装置では、電子ビームによる描画精度に影響が生じる。
本実施形態は、カソード先端における電界が不均一となることを抑制できるカソード及びカソードの製造方法を提供することを目的とする。
実施形態に係るカソードは、上部の先端が平坦または球状の円錐形状であり、前記上部は、前記先端に配置される電子放出面と、この電子放出面の下方に配置される錐面と、を有するカソード本体と、前記電子放出面を露出する開口を有し、前記錐面を溝を介して覆う、カーボンからなる被覆層と、を備え、前記溝の幅は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記電子放出面の周囲における前記溝の幅の最大値と最小値との差が１μｍ以下である。
（実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態に係るカソード１００の俯瞰図、図２は、カソード１００の平面図、図３は、カソード１００の一部断面図である（図３では、本体１０を側面、被覆層２０を断面で示している）。図１〜３に示すように、カソード１００は、本体１０と、本体１０を被覆する被覆層２０とを備える。なお、図３は、カソード１００を、加熱ヒータ３００を有する支持基板２００上に載置した状態の図である。
本体１０は、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）の結晶体、６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６）の結晶体、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）の結晶体、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）の焼結体、６ホウ化セリウム（ＣｅＢ６）の焼結体、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）の焼結体、タングステン‐バリウム‐アルミニウム‐酸素（Ｗ−Ｂａ−Ａｌ−Ｏ）の焼結体、バリウム‐スカンジウム‐タングステン‐アルミニウム（Ｂａ−Ｓｃ−Ｗ−Ｏ）の焼結体からなる一群から選択される材料で構成される。本体１０には、不可避不純物が含まれていてもよい。
本体１０は、円柱形状の下部１１と、先端が平坦な円錐形状の上部１２とを備える。なお、下部１１と上部１２とは一体的に形成されている。本体１０は、高さＨが０．５ｍｍから３ｍｍ程度であり、下部１１の直径Ｄ１が２００μｍから８００μｍ程度である。上部１２は、錐面１２Ａと、上端に設けられた電子放出面１２Ｂとを有する。本実施形態でのカソード１００では、電子放出面１２Ｂの形状が平坦（flat）であるが球形状（spherical）としてもよい。電子放出面１２Ｂの直径Ｄ２は、５μｍから２００μｍ程度である。また、本体１０の上部１２の円錐角θは、２０°から９０°程度が好ましく、６０°から９０°程度がより好ましい（図３参照）。
被覆層２０は、本体１０の蒸発を抑制し、カソード１００の使用可能時間（寿命）を長くする目的で本体１０に被覆される。被覆層２０は、黒鉛(graphite）、コロイダル黒鉛(colloidal graphite）、ダイヤモンド状炭素（diamond-like carbon）、熱分解黒鉛(pyrolytic graphite)からなる一群から選択される材料で構成される。被覆層２０には、不可避不純物が含まれていてもよい。
被覆層２０は、本体１０の下部１１の外周面１１Ａ及び上部１２の錐面１２Ａを被覆する。被覆層２０は、下部１１では外周面１１Ａと直接接した状態で外周面１１Ａを被覆しているが、本体１０の上部１２では、錐面１２Ａと直接接した状態ではなく、錐面１２Ａとの間に溝Ｇ（ギャップＧ）有した状態で錐面１２Ａを被覆している。
図２に示すように、溝Ｇは、錐面１２Ａの全周にわたって形成されている。つまり、カソード１００は、電子放出面１２Ｂの全周囲に溝Ｇが形成されている。溝Ｇの深さＺは、１０μｍから２００μｍ程度である。なお、深さＺは、本体１０の中心軸Ｃ−Ｃに沿って測定した電子放出面１２Ｂから溝Ｇの底面までの距離である。
また、溝Ｇの幅Ｗは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。溝Ｇの幅Ｗが１μｍ未満であると、本体１０と被覆層２０との距離が近すぎるため、本体１０と被覆層２０とが化学的相互作用により蒸発や消失が生じる虞がある。また、溝Ｇの幅Ｗが１０μｍを超えると、電子放出面１２Ｂでの電界分布が不均一となり、エミッタ電流（電子ビーム）のピーク（もっとも電流値の高い位置）が電子放出面１２Ｂの中心からずれる虞がある。
また、電子放出面１２Ｂの周囲における溝Ｇの幅Ｗの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎとの差は、１μｍ以下であることが好ましい。電子放出面１２Ｂの周囲における溝Ｇの幅Ｗが不均一であると電子放出面１２Ｂでの電界分布が不均一となり、エミッタ電流（電子線）のピーク（最も電流値の高い位置）が電子放出面１２Ｂの中心からずれてしまう虞がある。例えば、本実施形態のカソード１００をマスク描画装置に用いた場合には、描画精度に悪い影響を与える虞がある。
図４は、実施形態に係るカソード１００の製造工程の説明図である（図３と異なり、図４では、本体１０も断面で示している）。以下、図４を参照して、実施形態に係るカソード１００の製造方法について説明する。なお、図１〜図３を参照して説明した構成と同一の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
初めに、図１〜図３を参照して説明した本体１０を用意する（図４（ａ）参照）。次に、本体１０の表面に犠牲膜１０１を形成する（図４（ｂ）参照）。この際、本体１０の下部１１の外周面１１Ａを除く表面、つまり、本体１０の上部１２の表面に犠牲膜１０１を形成する。犠牲膜１０１は、通常、１又は１以上の材料から構成される。犠牲膜１０１は、本体１０に影響を与えることなく、本体１０から除去できることが好ましい。
犠牲膜１０１には、種々の有機膜（various organic films）、アクリル樹脂（acrylic resin）、ニトロセルロース（nitrocellulose）などを使用することができる。また、有機膜（organic film）としては、ポリビニルピロリドンスチレン（PVP styrene）、４−メタクリロキシエチルトリメリット酸無水物（4-Methacryloxyethyl trimellitic anhydride(4-META)）、メチルメタクリレート（MMA）(meta-methyl-metacrylate)を使用することができる。なお、上記犠牲膜１０１に使用できる材料は、一例であり、他の材料を用いてもよい。
次に、本体１０及び犠牲膜１０１上に被覆層２０を形成する（図４（ｃ）参照）。被覆膜２０は、蒸着等により形成することができる。この際、被覆層２０は、本体１０の下部１１の外周面及び上部１２の錐面１２Ａ上にのみ形成し、電子放出面１２Ｂ上には形成しないことに留意する。
次に、犠牲膜１０１を除去する。この際、本体１０及び被覆層２０にダメージを与えないように留意する。犠牲膜１０１の材料にもよるが、犠牲膜１０１の除去には、種々の方法を使用することができる。例えば、犠牲膜１０１の材料が有機膜である場合、加熱することで犠牲膜１０１を除去することができる。この場合の温度は、約４００℃から６００℃の範囲とすることが好ましい。
図５〜図７は、犠牲膜１０１の形成方法の説明図である。
犠牲膜１０１は、種々の方法で形成することができる。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように回転台Ｒに本体１０を載置し、回転台Ｒを回転させながら本体１０の上部１２に犠牲膜１０１の前駆体である有機物Ｏの溶液を塗布し、犠牲膜１０１を形成するようにしてもよい（スピンコート法）。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように本体１０の上部１２を直接、犠牲膜１０１の前駆体である有機物Ｏの溶液に浸して、本体１０の上部１２に犠牲膜１０１を形成してもよい。
犠牲膜１０１は、種々の方法で形成することができる。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように回転台Ｒに本体１０を載置し、回転台Ｒを回転させながら本体１０の上部１２に犠牲膜１０１の前駆体である有機物Ｏの溶液を塗布し、犠牲膜１０１を形成するようにしてもよい（スピンコート法）。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように本体１０の上部１２を直接、犠牲膜１０１の前駆体である有機物Ｏの溶液に浸して、本体１０の上部１２に犠牲膜１０１を形成してもよい。
なお、犠牲膜１０１の厚みを均一とするため、犠牲膜１０１の前駆体である有機物Ｏの溶液の粘性は低いことが好ましい。また、図７に示すように前駆体を塗布、乾燥させた後、厚みが均一となるように、前駆体をブレードＢ等により物理的に除去してもよい。この際、μｍ単位（μｍオーダー）で位置を調整できる研削機器を用いることが好ましい。
以上のように、本実施形態に係るカソード１００は、本体１０に被覆層２０を被覆する際に、本体１０の上部１２において、錐面１２Ａとの間に溝Ｇ（ギャップＧ）有した状態で錐面１２Ａを被覆している。つまり、本実施形態のカソード１００では、本体１０の錐面１２Ａと被覆層２０とが直接接していない。このため、本体１０と被覆層２０とが化学的相互作用により蒸発又は消失するのを抑制することができる。従って、カソード１００の使用可能時間（寿命）を長くできる。
また、本実施形態のカソード１００は、溝Ｇ錐面１２Ａの全周にわたって形成されている。そして、溝Ｇの幅Ｗを１μｍ以上としている。このため、本体１０と被覆層２０との距離が近すぎ、本体１０と被覆層２０とが化学的相互作用により蒸発又は消失するのを抑制することができる。また、溝Ｇの幅Ｗを１０μｍ以下としている。このため、電子放出面１２Ｂでの電界分布が不均一となり、描画精度が低下するのを抑制することができる。
さらに、本実施形態のカソード１００は、電子放出面１２Ｂの周囲における幅Ｗの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎとの差が１μｍ以下となっている。このため、電子放出面１２Ｂでの電界分布が不均一となりエミッタ電流（電子ビーム）のピーク（もっとも電流値の高い位置）が電子放出面１２Ｂの中心からずれることを効果的に抑制できる。このため、本実施形態のカソード１００を、例えばマスク描画装置に用いた場合には、描画精度（例えば、描画位置や描画パターンのボケ等）が低下するのを抑制することができる。
（その他の実施形態）
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上記実施形態は、例示であり、本発明を上記実施形態に限定することを意図するものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、実施形態に係るカソード１００は、scanning electron microscopes（ＳＥＭ）、transmission electron microscopes（ＴＥＭ）等、種々の装置に用いることができる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上記実施形態は、例示であり、本発明を上記実施形態に限定することを意図するものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、実施形態に係るカソード１００は、scanning electron microscopes（ＳＥＭ）、transmission electron microscopes（ＴＥＭ）等、種々の装置に用いることができる。
この実施例では、図１〜図３を参照して説明したカソード１００の溝Ｇの幅Ｗを変化させ、カソード１００からは同一のビーム電流が放出された場合の電界分布及び電子ビームの広がりについてシミュレーションを行った。図８は、シミュレーションに使用した電子銃２００の模式図である。図８に示すように、シミュレーションでは、カソード１００を使用し、該カソード１００から放出される電子ビームの分布及びカソード１００近傍の電界分布を調べた。
図９は、図８の領域Ｒにおける電子ビームを照射した際のカソード１００近辺の電界分布及び電子ビームのシミュレーション結果である。図９（ａ）は、溝Ｇの幅Ｗが０μｍの場合（溝なしの場合）におけるシミュレーション結果である。図９（ｂ）は、溝Ｇの幅Ｗが２μｍの場合におけるシミュレーション結果である。図９（ｂ）は、溝Ｇの幅Ｗが５μｍの場合におけるシミュレーション結果である。
なお、図８、図９中の符号Ｂは、電子ビームの広がり（荷電分布）を表している。また、図８、図９中の符号Ｅは、電界の広がり（電界分布）を表している。
図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すシミュレーション結果から、溝Ｇの幅Ｗが広がるにつれて、電子ビームＢが広がっていくことがわかる。つまり、溝Ｇの幅Ｗが狭いほど電子ビームの広がりは狭いことがわかる。しかしながら、溝Ｇの幅Ｗが狭いと本体１０と被覆層２０とが反応するため好ましくない。このため、溝Ｇの幅Ｗは、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
１００…カソード、１１…下部、１１Ａ…外周面、１２…上部、１２Ａ…錐面、１２Ｂ…電子放出面、２０…被覆層、１０１…犠牲膜。
Claims (5)
- 上部の先端が平坦または球状の円錐形状であり、前記上部は、前記先端に配置される電子放出面と、この電子放出面の下方に配置される錐面と、を有するカソード本体と、
前記電子放出面を露出する開口を有し、前記錐面を溝を介して覆う、カーボンからなる被覆層と、
を備え、
前記溝の幅は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記電子放出面の周囲における前記溝の幅の最大値と最小値との差が１μｍ以下であるカソード。 - 上部の先端が平坦または球状の円錐形状であり、前記上部は前記先端に配置される電子放出面と、この電子放出面の下方に配置される錐面と、を有するカソード本体の前記上部に、厚みが１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記厚みの最大値と最小値の差が１μｍ以下の犠牲膜を形成する工程と、
前記犠牲膜上にカーボンからなる被覆層を形成する工程と、
前記犠牲膜を除去し、前記錐面と前記被覆層との間に所定幅の溝を形成する工程と、
を有するカソードの製造方法。 - 上部の先端が平坦または球状の円錐形状であり、前記上部は前記先端に配置される電子放出面と、この電子放出面の下方に配置される錐面と、を有するカソード本体を回転台に載置し、
前記回転台を回転させながら前記カソードの前記上部に、有機物の溶液を塗布して所定の膜厚の犠牲膜を形成する工程と、
前記犠牲膜上にカーボンからなる被覆層を形成する工程と、
前記犠牲膜を除去し、前記錐面と前記被覆層との間に所定幅の溝を形成する工程と、
を有するカソードの製造方法。 - 上部の先端が平坦または球状の円錐形状であり、前記上部は、前記先端に配置される電子放出面と、この電子放出面の下方に配置される錐面と、を有するカソード本体の前記上部を有機物の溶液に浸して、所定の膜厚の犠牲膜を形成する工程と、
前記犠牲膜上にカーボンからなる被覆層を形成する工程と、
前記犠牲膜を除去し、前記錐面と前記被覆層との間に所定幅の溝を形成する工程と、
を有するカソードの製造方法。 - 前記犠牲膜を形成した後、前記犠牲膜の一部を除去して平坦化する工程をさらに有する請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のカソードの製造方法。
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