JPH04249053A - 電子銃 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】電子銃に関し特に高輝度な単色電
子銃に適した電子銃に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の光電子放出型電子銃ではコリン　
エイ　スタンフォード等がジャーナルオヴ　ヴァキュー
ム　サイエンス　アンド　テクノロジー　ビー６巻　第
６号　１１月／１２月　１９８８年（Ｊ．　Ｖａｃ．　
Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｂ６（６），　Ｎｏｖ／
Ｄｅｃ　１９８８　ｐ２００５−ｐ２００８）で述べて
いるようにＧａＡｓの平坦な面に光を照射して光電子を
得ている。 この場合ＧａＡｓ面に加わる電場はせいぜい１０４Ｖ／
ｃｍ　のオーダーである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記電子銃では電子銃
のクロスオーバー径は照射光の大きさに大きく制約され
る。光の絞れる径はサブミクロンが限度であり例えば電
界放出型電子銃のクロスオーバーに比べて非常に大きく
電子銃の輝度を低くしている。また照射する光の波長が
電子源の物質により決まるため装置構成上の大きな制約
となってしまう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には光照射部の１部もしくは全部に高電場を加え電子を
放出しやすくすれば良い。例えば電界放出型電子銃と同
様に先端の曲率半径を５μｍ以下に小さくして非常に小
さな領域にのみ高電場が加わるようにする。

【０００５】

【作用】１０６Ｖ／ｃｍ　以上の高電場印加領域は相対
的に仕事関数が低下しており、またトンネリングによる
電子の放出も起こりやすくなっている。このために大き
な径の光で照射しても電子の放出する領域を高電場印加
領域に限定することが可能であり、電子放出面積を小さ
くすることが出来る。また光照射領域全部に高電場を加
えても仕事関数より低いエネルギーの光で電子を放出で
きる長所は得られる。１０６Ｖ／ｃｍ　以上電場を作る
ためには電子源の先端の極率半径を小さくすることが有
効である。放電の起こりにくい２〜３ｋＶの電圧を用い
ると先端の半径は５μｍ以下でなければならない。また
半径を小さくすればそれだけ仮想クロスオーバーを小さ
くすることが出来る。０．０１μｍ　オーダーのクロス
オーバー径を得るためにはやはり５μｍ以下の半径が望
ましい。

【０００６】さらにエネルギーの半値幅が０．１ｅＶ　
以下の単色光を用いれば放出電子のエネルギー幅を小さ
く出来るので高性能の電子銃を得ることが出来る。

【０００７】

【実施例】Ｗを電子源とした電界放出型電子銃を光電子
放出型電子銃に応用した。第１の実施例の構成を図１に
示す。先端の極率半径が０．１μｍ　であるＷチップ１
にＣｄ−Ｈｅレーザー光２（３．８２ｅＶ）を１０ｍＷ
照射し電極３により電子４を引き出す。図２にエネルギ
ー準位図を示す。高電場の生じる領域では表面のエネル
ギー障壁が低くなり、低エネルギーの光７により電子８
を放出できる。従って電子はチップの先端のみから電子
が放出されることになる。この結果、従来照射光のビー
ム径により小さくとも４μｍφに制約されていた電子源
径を２０ｎｍ程度に著しく小さくすることが出来た。ま
たこの方法ではＷの仕事関数より小さなエネルギーの光
でも電子の放出が可能であり、励起光源の選択の幅が広
がる。

【０００８】表面の電場は３．５×１０６Ｖ／ｃｍであ
り電流密度として２．４×１０４Ａ／ｃｍ２　の値を得
た。Ｃｄ−Ｈｅレーザー光のエネルギー半値幅は０．１
ｅＶ　より小さくこの幅が放出電子のエネルギー幅を大
きくすることはない。また電場により実質的に低下した
仕事関数より少し大きいだけであるために結果的に電子
のエネルギー幅は０．０８ｅＶとなった。これは電界放
出型電子銃として使用した場合０．２ｅＶに比べて半分
以下である。 電界放出型電子銃と比べてのもう１つの利点は表面に加
える電場が小さくて済むために、イオン衝撃によるチッ
プの損傷が小さくなることにある。電界放出により２．
３×１０４Ａ／ｃｍ２　の電流密度を得るには４．０×
１０７Ｖ／ｃｍの大きな電場が必要である。更に加熱に
よる熱電子放出も生じにくいためチップ表面を安定化す
るための加熱も可能である。

【０００９】この電子銃を用いることにより電子線応用
装置の性能（特にビーム径）が向上する。また光照射に
よる電子放出を用いているために光源を１ｐｓ以下の短
パルスとすれば、短パルスの電子源を得ることが出来る
ために半導体回路検査用の電子ビームテスタに適した電
子銃となっている。

【００１０】第２の実施例としてやはり先端の極率半径
が０．１μｍ　であるＷチップにＨｅ−Ｎｅレーザー（
１．９６ｅＶ）を１０ｍＷ照射した。図３にエネルギー
準位図を示す。強い電界の生じる領域では光１１により
電子１２を励起すればトンネリングによる電子９の放出
も可能となる。表面の電場は１．７×１０７Ｖ／ｃｍで
あり電流密度として１．３×１０３Ａ／ｃｍ２　の値を
得た。この方法により上記実施例より低エネルギーの光
でも電子を放出させることが出来た。またこの時の電子
のエネルギー幅は０．１ｅＶ　であり線源径は１０ｎｍ
である。なお、電界放出により１．３×１０３Ａ／ｃｍ
２　の電流密度を得るには３．５×１０７Ｖ／ｃｍの電
場が必要である。

【００１１】線源径を更に小さくするためには引出の電
圧を上げることやチップ先端を更に鋭くすることが有効
であるが、注意しなければならないことは電場を強く加
えすぎると電界放出のみで多くの電流が流れてしまうこ
とである。上記実施例ではいずれも１Ａ／ｃｍ２以下の
電流値と推測される。実用的には光励起電流と電界放出
の比が１０以上であるように条件を設定することが望ま
しい。またこれらの効果は他の電子源例えばＬａＢ６や
Ｃ等のチップでも得られる。

【００１２】本発明の第３の実施例では電子源としてＳ
ｍＢ６　を用いた。光電子放出型電子銃をより高輝度単
色とするためには小さいエネルギー幅に大量の電子が存
在する物質を用いるのが良い。この物質に単色性の良い
光を照射すれば小さなエネルギー幅の大量の電子を放出
することが出来る。これらの物質の候補として希土類か
１原子当りの価電子が３，５，１０のいずれかである遷
移金属が挙げられる。希土類電子はエネルギー幅の小さ
い４ｆ状態の電子バンドを有し、この原子を励起・放出
すれば単色高輝度が得られる。一方上記の遷移金属もフ
ェルミ準位に大きな電子密度を持ち小さなエネルギー幅
に多量の電子が存在する。本実施例ではこれらの原子の
中からＳｍＢ６を選択した。ＳｍＢ６は希土類原子から
なる化合物であり、フェルミ準位のある４ｆ電子のエネ
ルギー準位が伝導帯と重なっているいわゆる価数揺動状
態である。この状態はフェルミ準位付近の電子密度が濃
くかつ電子源として重要な電気伝導性がある。図４にエ
ネルギー準位図を示す。フェルミ準位にある電子１３（
エネルギー幅は０．１ｅＶ　以下）を第１の実施例と同
様にＣｄ−Ｈｅレーザー光７（３．８２ｅＶ）をＳｍＢ
６１４に１０ｍＷ照射し電子を放出する。ＳｍＢ６の先
端は上記Ｗと同様に０．２μｍφと鋭くして２×１０７
　Ｖ／ｃｍの高電場を加えて１×１０３Ａ／ｃｍ２の電
子を０．０５ｅＶのエネルギー幅で得ることが出来た。 またこれらの効果は他の希土類化合物ＳｍＳ・ＹｂＡｌ
２　・ＹｂＴｅや、遷移金属のＰｔ・Ｐｄ・Ｖ・Ｓｃ等
でも得ることが出来る。

【００１３】第４の実施例として本発明によるポイント
ソースの電子銃をスポットビーム型電子線描画装置に応
用した。ポイントソースであるため従来の電子銃と置換
するだけで簡単に電子線応用装置に適用できる。

【００１４】電子線描画装置は大電流を流すために電子
銃でベルシェ効果が生じる。本発明の電子銃は上記のよ
うに単色性に優れるためその特徴を活かすためにはベル
シェ効果によるエネルギー幅の増大を防ぐ必要が有る。 ベルシェ効果を抑えるためには引き出し電圧を高くする
ことが有効であり１０ｋＶ以上が望ましい。表面電場を
所望の値にするために本実施例ではＷ先端の極率半径を
１μｍと大きくし引出電圧１０ｋＶで使用した。励起光
はやはりＣｄ−Ｈｅレーザー光である。

【００１５】以上のことと更にブランキング方法を工夫
すれば図５の様に電子線描画装置をより簡単な構成にで
きる。電子源１５から放出された電子は直ぐに対物レン
ズ１６によりウェハ１８上に焦点を結ぶ。本発明では電
子源径は充分小さいため縮小レンズは必要がない。また
偏向レンズ部での縮小もほとんど不必要であり偏向レン
ズによる縮小に伴う偏向収差の増大と偏向感度の低下を
回避出来る。ブランキングは照射光のオンオフにより行
なうために従来の電界放出型電子銃を用いた描画装置の
コンデンサレンズ２１・ブランキング偏向器２３・ブラ
ンキングアパーチャー２２が不要となり極めて簡単な構
成の電子線描画装置を得ることが出来た。ブランキング
アパーチャーは汚染によるチャージアップを起こしやす
くビームドリフトの原因となる。また長い鏡筒は熱によ
る描画位置の変動を引き起こす。この様に簡単な構成は
描画精度の向上につながる。さらに電子の走行距離が短
くなれば描画装置のような大電流装置で特に問題となる
クーロン効果によるビーム径の拡大を大きく低減できる
。その上本方式によるブランキングは電子発生の源で電
子を断つ為に、従来の様に電子光学系の調整不良による
かぶり露光（ブランキング中の不必要部分への電子線の
照射）もない。以上のように本光電子放出型電子銃は電
子線描画装置に特に有効である。

【００１６】図６にブランキングシステムの詳細を示す
。電子源１５を光源２６により照射する。照射光は光ス
イッチ２７によりオンオフする。光のオン時間のみレジ
ストが露光される。描画装置の２９は典型的な光信号で
ある。ベクタースキャン方式ではオン時間はレジストの
感度と装置の電流密度で決まり、オフ時間は偏向待ち時
間またはステージの移動待ち時間で決まる。本実施例で
は１０μＣ／ｃｍ２　のレジストを使用し、３０ｎｍ・
１ｎＡの電流量で露光したためオン時間は１００ｎｓと
した。またオフ時間は偏向時間１００ｎｓとした。これ
らの偏向や光のオンオフは制御用コンピューター３０と
アナログ制御機構２８により統合的に制御される。ラス
タースキャン方式でも同様にコンピューターによるオン
オフ制御を行なえば良い。Ｗからの単色電子を用いてい
るために偏向色収差が小さく本装置で１ｍｍ角を偏向し
たときに５ｎＡの電流でビーム系は２０ｎｍであり、従
来のＴｉＷ電界放出電子銃の１ｎＡ・３０ｎｍよりも高
性能である。これにより半導体素子やＸ線マスク・フォ
トレチクル等の高速高精度描画が可能になる。

【００１７】本電子銃は可変成形型電子線描画装置や複
雑な図形のアパーチャーを用いる一括露光方式の電子線
描画装置に搭載しても従来のブランキング機構が不必要
になり同様の効果が得られる。また本発明の電子銃を他
の電子線応用装置、電子顕微鏡や電子線テスタにも搭載
すれば高輝度高分解能の分析が出来ることも明らかであ
る。また最後の実施例による電子銃は他の分析装置（電
子顕微鏡・オージェ分析装置など）のベルシェ効果を抑
えることにも有効である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば大きなビーム径の光を照
射しても小さいビーム径の電子ビームを得ることが出来
る。また仕事関数より低いエネルギーの光の使用も可能
であり装置の構成が容易になる。これにより高輝度で単
色さらに短パルスの電子銃を得ることが出来、電子線応
用装置の性能を挙げることが出来る。また電子線描画装
置に適用すれば高解像度での大角偏向が可能になるばか
りでなく、ブランキングシステム等の電子光学系の改良
が可能であり描画精度の大幅な向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子銃の構成図。

【図２】第１の実施例のエネルギー準位図。

【図３】第２の実施例のエネルギー準位図。

【図４】第３の実施例のエネルギー準位図。

【図５】光電子銃を用いた描画装置の構成図。

【図６】ブランキングシステム構成図。

【符号の説明】

１…Ｗチップ、２…Ｃｄ−Ｈｅレーザー光、３…引出し
電極、４…電子ビーム、５…電場のない時のエネルギー
障壁、６…電場のある時のエネルギー障壁、７…Ｃｄ−
Ｈｅレーザー光、８…放出される電子、９…Ｗ、１０…
真空、１１…Ｃｄ−Ｈｅレーザー光、１２…トンネリン
グにより放出される電子、１３…放出される電子、１４
…ＳｍＢ６　、１５…Ｐｔチップ、１６…対物レンズ、
１７…対物偏向器、１８…ウェハ、１９…ステージ、２
０…ＴｉＷチップ、２１…コンデンサレンズ、２２…ブ
ランキングアパーチャー、２３…ブランキング偏向器、
２４…本発明の描画装置、２５…従来の描画装置、２６
…照射光源、２７…光スイッチ、２８…アナログ制御装
置、２９…光信号、３０…制御コンピューター、３１…
照射光。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を照射して電子を取り出す光電子放出型
   電子銃において光照射領域の一部または全部に１０６Ｖ
   ／ｃｍ　以上の高電場を加えることを特徴とする電子銃
   。
2. 【請求項２】光を照射して電子を取り出す光電子放出型
   電子銃において光照射領域の曲率半径が５μｍ以下であ
   ることを特徴とする電子銃。
3. 【請求項３】請求項１及び２のいずれか記載の電子銃に
   おいて引出電圧が１０ｋＶ以上であることを特徴とする
   電子銃。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれか記載の電子銃に
   おいて照射する光のエネルギーが照射する物質の仕事関
   数より低いことを特徴とする電子銃。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれか記載の電子銃に
   おいて電子源が希土類及びその化合物か１原子当りの価
   電子が３，５，１０のいずれかである遷移金属であるこ
   とを特徴とする電子銃。
6. 【請求項６】請求項１から５のいずれか記載の電子銃に
   おいて励起光のエネルギー幅が０．１ｅＶ以下であるこ
   とを特徴とする電子銃。
7. 【請求項７】請求項１から６のいずれか記載の電子銃を
   搭載した電子線描画装置及び検査装置。