JPH0298921A - 電子銃およびその製造方法および該電子銃を備えた露光装置および該露光装置を用いる半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 電子ビーム露光装置等の電子銃に係り、とくに。

カソードとしてＬａＢ６から成る熱電子放射体を備えた
電子銃に関し。

均一な電子ビーム束を放射するとともにＬａＢ１．の昇
華による絶縁支持構造体の汚染を防止可能とすることを
目的とし。

平面もしくは所定の曲率の曲面を有するとともに前記平
面もしくは曲面からその内部に延伸する有底孔が設けら
れたグラファイトブロックから成る発熱体と、電子放射
面を有し、該電子放射面が実質的に前記平面もしくは曲
面の一部を成して該グラファイトブロックから表出する
ように該有底孔内に嵌挿されたＬａＢ、から成る熱電子
放射体とを備えるように構成する。

（産業上の利用分野〕 本発明は、電子ビーム露光装置等の電子銃に係り、とく
に、カソードとしてＬａＢｂから成る熱電子放射体を備
えた電子銃およびその製造方法および該電子銃を備えた
電子ビーム露光装置および該電子ビーム露光装置を用い
て実施される半導体回路パターンの露光工程を含む半導
体装置の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬａＢ６は高電流かつ長寿命の電子放射源として電子ビ
ーム露光装置等の電子銃に用いられている。

ＬａＢｂ熱電子放射体を用いた従来の電子銃の基本的な
構造を第４図に示す。Ｌａｇ、熱電子放射体１は一端が
鋭角に成形された直径５００μｍ程度の棒状に加工され
ており、グラファイト発熱体４の間に挾まれた構造とな
っている。そして、金属支柱６間に電流を流すことによ
りグラファイト発熱体４が発熱し、これにより、　Ｌａ
Ｂｂ熱電子放射体１が加熱され、ａ角な先＠３．すなわ
ち、電子放射面から熱電子２を放射する。図において、
５はグリッド２７はアノードであって、熱電子２はグリ
ッド５により電流値が制御されるとともに集束が行われ
。

７ノード７により所定エネルギーに加速され、アノード
７に設けられた開口から電子銃の外へ放出される。

ところで、ガウス分布を有する円形の電子ビームをラス
ター走査して所定パターンを描画する電子ビーム露光方
法、あるいは、所定の形状寸法に成形された電子ビーム
を、いわゆる“−筆書き”の要領で断続的に移動して描
画するステップアンドリピート方式の電子ビーム露光方
法では、直径数インチ以上のシリコンウェハのような基
板上に所定パターンを直接描画するには長時間を要し。

露光工程において所望のスループットを得ることが困難
である。このために、露光マスク上に所定パターンを電
子ビーム露光方法により描画し、このパターンをＸ＆！
やシンクロトロン放射光等の短波長の光を用いて基板上
に転写する方法の開発が行われている。

一方、電子ビーム露光法を用いてマスク上に描画された
パターンを、電子ビームを用いて転写する方法も提案さ
れている。この方法は１通常の光を用いる縮小投影法に
類似しており、半導体回路パターンを比較的広い領域に
分割し、これらの領域ごとに、その中に含まれる分割パ
ターンを一括して投影露光するものである。この電子ビ
ーム転写方法によれば、上記直接描画法におけるように
。

パターンを電子ビームのショットに対応する要素に分解
する操作を必要とせず、マスク上に形成された比較的複
雑なパターンを一度に転写することができるので、露光
工程のスルーブツトを向上することができる。また、パ
ターンは縮小投影されるために、マスク上のパターンは
紫外線を用いる通常の光学的方法によって形成されたも
のでもよく、被露光面において、ステップアンドリピー
ト方式により直接描画されたパターンと同等の解像度が
得られる。

しかしながら、−括転写されるパターンを含む領域に均
一な電子ビームを投射する必要がある。

電子ビームの密度が不均一であると、マスクを通過する
電子ビームの分布が不均一となり、被露光面に縮小投影
されたパターン内における露光量に過不足が生じる。そ
の結果２例えば部分的にパターン幅の痩せや太りが生じ
る等、所定のパターン精度が得られなくなる。すなわち
、上記直接描画方式においては、電子ビームの均一性は
１分解されたパターン要素に対応する各１ショット内で
しか影響を及ぼさず、これらショットにより形成される
パターンの寸法や精度にはあまり影響しないのに対し、
上記縮小投影法においては、各ショット内における電子
密度の均一性がきわめて重要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

均一性の高い電子ビームを得るためには、電子銃におけ
るカソードの電子放出面をできるだけ小さくすることが
望ましい。ところが、第４図の構造のＬａＢｈ熱電子放
射体１では、電子放出面を小さくするために５通常、そ
の先端が鋭角に加工されている。しかし１発熱体４によ
り加熱されるＬａＢ。

熱電子放射体ｌは、先端３の側面からも電子を放射する
ため、電子ビームの広がりが大きく、高い均一性を得る
ことが困難である。

これに対して、第５図（ａｌに示すように、　ＬａＢ、
、チップ（熱電子放射体）１１の先端頭頂部に所望の電
子放出面を残し、その表面を仕事関数の大きな物質から
成る電子放出制限被膜１３で被覆し、電子放出面を先端
の狭い領域に制限するとか、または。

第５図（ｂ）に示すように、単一ブロックから成る発熱
体１５’に所望の大きさの電子放出孔１７を有するチッ
プ挿入孔１８を設け１　この孔にＬａＢ、チップ１１を
挿入して電子放出孔１７から表出させることにより。

電子放出面１２をチップ先端頭頂部のみに制限する構造
（特開昭５７−６３７７４）が提案されている。

第５図（ａｌに示す従来の構造のしａＢ、チップ１１の
ように、鋭角に加工された先端の限られた領域が露出す
るように、その表面に異物質を均一に形成することは容
易ではなく、また、塗布物質が昇華あるいは高温に加熱
されたＬａＢ、との反応により消耗しまう等の問題があ
った。これら問題点は、上記従来の構造では、　ＬａＢ
、チップ１１の太さを小さくすることに限界があるとい
う加工上の制約に主に起因している。すなわち、第５図
（ａｌおよび（ｂ）の構造においては、　ＬａＢ、チッ
プ１１は発熱体１５または１５’の高さとほぼ等しい長
さを有する。ＬａＢ、チップ１１をこのような寸法に加
工をするためには、その太さ、すなわち、断面寸法を５
００μｍ以下にすることが困難である。とくに、第５図
中）に示す構造では、チップ挿入孔１８と密着嵌合する
ように、　ＬａＢｈチップ１１の側面を傾斜面に加工す
るのが困難である。

さらに別の問題点として、上記従来の構造では。

Ｌａｖ６チツプ１１の後端部が露出しており、ここから
昇華したＬａＢｈが金属支柱６を支持する図示しない絶
縁体表面に付着し、加熱電流のリークを生じることが挙
げられる。このようなリークが太き（なると、加熱電源
の保護装置が作動し、安定な動作ができなくなる。

本発明は上記従来のＬａｄ、熱電子放射体における問題
点を解決可能な構造およびその形成方法を開示し、これ
により電子放出面積の小さいり、ａＢｂ熱電子放射体を
使用可能とするとともにＬａＢ６の昇華によるリーク電
流を防止可能とし、これにより高均一の電子ビームを放
射し、かつ、長寿命の電子銃を提供可能とすることを目
的とする。本発明の第２の目的は、上記電子銃を備える
ことにより、マスク上に形成された所望の半導体回路パ
ターンを縮小投影法により一括転写可能な電子ビーム露
光装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、平面もしくは所定の曲率の曲面を有すると
ともに前記平面もしくは曲面からその内部に延伸する有
底孔が設けられたグラファイトブロックから成る発熱体
と、電子放射面を有し、該電子放射面が実質的に前記平
面もしくは曲面の一部を成して該グラファイトブロック
から表出するように該有底孔内に嵌挿されたＬａＢ、か
ら成る熱電子放射体とを備えたことを特徴とする本発明
に係る電子銃によって達成される。

〔作　用〕

ＬａＢａ熱電子放射体における電子放射面以外の部分を
グラファイト発熱体中に埋設した構造とすることにより
、加工技術の許すかぎりＬａＢａ熱電子放射体の太さを
小さくでき、電子銃のカソード面積を従来より縮小可能
となる。また、　ＬａＢａ熱電子放射体後面からのＬａ
Ｂ、の昇華が防止され、グラファイト発熱体を支持する
絶縁体表面における加熱電流のリークがなくなり１電子
銃の安定動作を保証可能となる。

［実施例〕 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の電子銃の構造を示す要部断面図である
。

第１図（ａ）に示す電子銃においては１発熱体２０は一
つのグラファイトブロックから成り１発熱体２０中にＬ
ａＢ６から成る熱電子放射体２１が埋設されている。具
体的には、熱電子放射体２１は１例えば直径（Ｄ）が３
００　ａｍ　、長さ（ｌ（）が６００μｍの棒状をなし
、その頭頂部が１発熱体２０の１例えば平面状に加工さ
れた一表面から高さ（ｈ）３〜１０μｍだけ突出してお
り、この頭頂部と一体化されている延伸部が発熱体２０
中に埋設されている。

このように、熱電子放射体２１が発熱体２０中に埋設さ
れた構造とすることにより、第４図および第５図に示す
従来例におけるように、　ＬａＢ、熱電子放射体１また
は１１をグラファイト発熱体４または１５に挟む構造と
する必要がない。したがって１熱電子放射体２１として
上記直径３００μｍのように、従来のＬａＢ６熱電子放
射体より細いＬａＢ６を用いることが可能となる。また
、　１．ａＢ、熱電子放射体２１それ自体は実質的に加
熱電流の通路とはならないため前記延伸部は、前記頭頂
部をグラファイト発熱体２０に固定するに必要な長さす
なわちＨ−ｈを有していればよい。また、前記頭頂部と
延伸部とか同一直径である必要はなく９例えば前記延伸
部の直径をより小さくした構造とすることも可能である
。

ＬａＢａ熱電子放射体２１の先端部は平面状に加工され
ており、電子放射面となる。熱電子放射体２１の前記頭
頂部を発熱体２０から突出させであるのは。

動作中にＬａＢ、が昇華して消耗する分を見込んである
ためで、カッ−どの交換期間を延長する目的である。し
たがって、突出していることは必ずしも必須ではない。

上記突出部の側面の高さ（ｂ）は３〜１０μｍであるた
め１側面から放射される電子ビームの影響は無視できる
程度に小さい。

ＬａＢ、熱電子放射体２１として上記のように直径の小
さいものを用いることにより、従来のように先端を鋭角
に加工せずとも、均一な電子ビームを放射させることが
できる。また、熱電子放射体２１の前記延伸部は発熱体
２０中に埋設されているため。

従来のＬａＢ、熱電子放射体１におけるような後面から
のＬａＢ、の昇華がなく、絶縁支持体を汚染することが
ない。

第１図（ｂ）は構造の別の実施例を示す要部断面図であ
って１発熱体２００表面とＬａＢ１熱電子放射体２１の
電子放射面とが同一面をなすように加工されている例で
ある。このような面は、平面でもよくまた。所望の曲率
半径を有する曲面とすることも可能である。いずれの面
の場合でも、　ＬａＢ６熱電子放射体２１の電子放射面
のみがグラファイト発熱体２０から表出しているだけで
あり、また、このような面、とくに曲面は、後述する製
造方法の説明で述べるように、グラファイト発熱体２０
とＬａＢ６熱電子放射体２１とを一体にして研削するこ
とにより可能であり、従来の構造に比べて加工が容易で
ある。

第２図は、第１図で説明した発熱体２０と熱電子放射体
２１の形成方法の説明図である。第２図（ａｌに示すよ
うに、グラファイトブロックを研削加工して発熱体２０
を作製し、その−表面に９例えば直径３００μｍ、深さ
６００μｍの有底孔２２を設ける。−方、　ＬａＢ、単
結晶から成るブロックを研削加工して第２図（ｂ）に示
すような部材２３を作製する。部材２３は、前記有底孔
２２に嵌合する直径と有底孔２２の深さに等しいかもし
くはそれより大きな長さを有する棒状部２１′と棒状部
２１′より大きな直径を有する把持部２４とから成る。

把持部２４は部材２３の加工およびその後の取り扱いの
便利のために設けたものである。

次いで発熱体２０に設けた有底孔２２に部材２３の棒状
部２１′を嵌挿し、第２図（Ｃ）に示すように２発熱体
２０と部材２３を一体化する。この状態において。

棒状部２１′の先端が有底孔２２の底に接するように嵌
合されていることが望ましい。しかし１把持部２４と発
熱体２０との間に隙間があっても差支えない。

上記ののち１研削加工により把持部２４を除去し。

さらに１棒状部２１′をその先端が発熱体２０の表面か
ら前記高さ（ｈ）だけ突出するように研削加工する。こ
のようにして第２図ｆｄｌの構造、すなわち。

第１図（ａ）における発熱体２０とこれに埋設された熱
電子放射体２１が形成される。

上記の研削をさらに進め、熱電子放射体２１および発熱
体２０が同一の平面または曲面となるように加工すれば
１第１図山）における発熱体２０とこれに埋設された熱
電子放射体２１が形成される。

上記本発明に係る電子銃を備えた電子ビーム露光装置の
概要構成を第３図に示し、この露光装置を用いて半導体
回路パターンの一括転写を実施する例を説明する。

電子銃３０から放射された電子ビームは、アパーチャ３
工で矩形のビームに成形され、集束レンズ３２で集束さ
れたのちマスク偏向器３３により偏向され。

マスク３４の所定領域３５に投射される。マスク３４は
例えばタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等の金属
。

あるいは、シリコン（Ｓｔ）等の半導体の薄板もしくは
薄膜から成り、その上に画定された複数の所定領域３５
には、シリコンウェハ等の後述する被露光基板３７上に
転写する所望の半導体回路パターンを例えば倍率１００
倍で拡大したパターン３６が形成されている。パターン
３６は１例えば開口部であって電子ビームを透過し、そ
の周囲の部分は、タンクル（Ｔａ）、タングステン（ｌ
ｉ’）等の金属１あるいは。

シリコン（Ｓｉ）等の半導体から成る前記マスク材によ
って覆われている。

所定領域３５に均一に照射された電子ビームは。

マスク３４を通過することによりパターン３６の形状に
成形される。マスク偏向器３３により電子ビームを偏向
して別の所定領域３５′を照射すると、この領域３５′
に形成された異なったパターンが選択され、被露光基板
３７上に転写される。

マスク３４を通過した電子ビームは１図示しない別の集
束レンズにより集束されたのち、投影レンズ３８に入射
して１例えば１／１００に縮小され、さらに、投影レン
ズ３８近傍に設けられた図示しない偏向器により偏向さ
れ、被露光基板３７上の所定位置に結像される。このよ
うにして、被露光基板３７上の所定位置にパターン３６
に対応する所定寸法の半導体回路パターンが転写される
。上記の手順により、マスク偏向器３３により選択され
たパターンが。

被露光基板３７上の複数の所定領域に順次縮小投影され
る。必要に応じてＸ−Ｙステージにより被露光基板３７
を移動させる。このようにして被露光基板３７全面に所
望の半導体回路パターンが転写され。

以後１通常のりソグラフ工程を行って半導体装置が製造
される。

上記の電子ビームによるパターン転写方法によれば、上
記直接描画法におけるようなパターンを電子ビームのシ
ョットに対応する要素に分解する操作を必要とせず、複
雑なパターンを電子ビームの１ショットで転写すること
ができるので、露光工程のスルーブツトを向上すること
ができる。被露光基板３７上のパターン寸法が１例えば
３μｍとすれば、マスク３４上におけるパターン３６の
寸法は３００μｍである。したがって、マスク３４上の
パターンは、紫外線を用いる通常の光学的露光方法によ
って形成されたものでよい。このことは、マスク３４の
製造工程におけるスルーブツトも向上可能であることを
意味する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微小なＬａＢ、熱電子放射面から均一
な電子ビームを放射し、かつ、長寿命の電子銃を提供す
ることができ、マスク上に形成されたパターンを電子ビ
ームを用いて転写する電子ビーム露光方法におけるパタ
ーン精度が向上される。

その結果、この電子ビーム露光方法およびこれを実施す
る電子ビーム露光装置の実用化が促進され微細回路パタ
ーンの形成を要求される高性能・高密度半導体装置の製
造工程の能率を向上可能とする効果がある。

２２は有底孔。

２３は部材 ２４は把持部。

３０は電子銃。

３１はアパーチャ。

３５は所定領域。

３６はパターン。

３７は被露光基板 ３８は投影レンズ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子銃の構造を示す要部断面図。 第２図は本発明の電子銃における発熱体と熱電子放射体
の形成方法の説明図。 第３図は電子ビームを用いてパターンを転写するための
装置の概要構成を示す模式図。 第４図および第５図はＬａＢａ熱電子放射体を用いた従
来の電子銃の構造を示す断面図。 である。 図において。 ２０は発熱体、３２は集束レンズ。 ２１は熱電子放射体、３３はマスク偏向器。 ２１′は棒状部、３４はマスク。 （υ） （し） ７″′ｒ″ ＝１ ７−′ｆ″ 、岑・冶明の電）斬、の楕ｉｌｔΣ示７譬芳各Ｍｉｌｌ
引コ第　１　区 ＝１ 裏 図 第　３　ｍ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平面もしくは所定の曲率の曲面を有するとともに
   前記平面もしくは曲面からその内部に延伸する有底孔が
   設けられたグラファイトブロックから成る発熱体と、 電子放射面を有し、該電子放射面が実質的に前記平面も
   しくは曲面の一部を成して該グラファイトブロックから
   表出するように該有底孔内に嵌挿されたＬａＢ＿６から
   成る熱電子放射体 とを備えたことを特徴とする電子銃。
2. （２）ＬａＢ＿６から成る熱電子放射体および該熱電子
   放射体を加熱するためのグラファイトブロックから成る
   発熱体とを有する電子銃の製造方法であって、グラファ
   イトブロックの一表面に所定寸法を有する有底孔を形成
   する工程と、 該有底孔に嵌合可能な基部を有するＬａＢ＿６から成る
   部材を形成する工程と、 該有底孔に該基部を嵌挿した後、前記表面から所定高さ
   だけ突出する平面を有するように該ＬａＢ＿６部材を研
   磨するかもしくは該ＬａＢ＿６部材と該グラファイトブ
   ロックが同一面を成すように少なくとも該ＬａＢ＿６部
   材を研削する工程 とを含むことを特徴とする電子銃の製造方法。
3. （３）電子ビーム透過性の所定パターンが設けられたマ
   スクがその光軸上に設置され、該パターンを被露光面上
   の所定領域に電子ビームの１ショットで投影するための
   露光装置であって、該電子ビーム源として請求項１の電
   子銃を備えたことを特徴とする電子ビーム露光装置。
4. （４）電子ビーム露光装置内において、その光軸上に電
   子ビーム透過性の所定パターンが設けられたマスクを設
   置するとともに基板を被露光台上に設置し、該基板上の
   所定領域に電子ビームの１ショットで該パターンを投影
   することによって半導体回路パターンを露光する工程を
   含む半導体装置の製造方法であって、請求項３の電子ビ
   ーム露光装置を用いて該半導体回路パターン露光工程を
   実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。