JPH05190430A - 電子線装置及び電子線縮小転写装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全体の球面収差を電子レンズで発生する球面
収差より小さくする。 【構成】 放出される電子線に対して凹面形状のカソー
ド１と、カソード１に対して凸面形状で電子線通過孔４
ｃを有するアノード４と、カソード１から放出される電
子線を集束させる集束電極２とよりなる電子銃と、電磁
レンズ６とを有する。電磁レンズ６で発生する凸レンズ
の球面収差をその電子銃１，２，４で発生する凹レンズ
の球面収差で相殺させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、球面収差が全体として
低減された電子線装置及び電子線縮小転写装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、荷電粒子線光学系においては電磁
レンズ及び静電レンズ等の電子レンズは荷電粒子線を集
束させるのみである。このことは電子レンズには凸レン
ズしかないことを意味する。一般に、電子レンズ（又は
球面よりなる光学レンズ）の凸レンズにおいては、光軸
近傍を通過する荷電粒子線（又は光）に比べて周辺部を
通過する荷電粒子線（又は光）の方がレンズ作用を強く
受けるため、同じ傾向の球面収差が存在する。この場
合、光学レンズにおいては逆の傾向の球面収差を有する
凹レンズが存在するため、凹レンズと凸レンズとを組合
わせることにより、全体として球面収差を低減すること
ができる。これに対して、電子レンズには凸レンズしか
ないため、従来は荷電粒子線光学系では球面収差は補正
できないというのが通説であった。なお、電子銃の部分
でも球面収差が発生するが、この球面収差に関しては電
子銃に磁場を重畳することによって収差を低減する方法
が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の電
子レンズを用いた電子線装置においては球面収差は補正
できないので、極端に長寸法のレンズを用いて球面収差
を小さくする手法が用いられていた。このため、球面収
差を小さくすると電子線装置全体の形状が大型化すると
いう不都合があった。また、電子銃部に磁場を重畳させ
ると電子銃部での球面収差等は小さくできるが、後続の
レンズで発生する球面収差を低減することはできなかっ
た。このため、電子ビームの球面収差を後続のレンズの
球面収差以下にすることができない不都合があった。

【０００４】これに関して、電子線装置の一つである電
子線縮小転写装置において、大きい視野のパターンを一
括縮小転写するにはコンデンサレンズで大きい視野全体
を平行な電子線で照明する必要がある。このためには、
電子線源の像からコンデンサレンズを見込む発散角を大
きくするか光源像からコンデンサレンズまでの距離を大
きくするしかない。後者の方法では電子光学鏡筒長が長
くなり、前者の方法ではコンデンサレンズの球面収差を
何等かの手法で補償する必要がある。

【０００５】本発明は斯かる点に鑑み、球面収差がレン
ズで生ずる球面収差より小さくされた電子線装置を提供
することを目的とする。また、本発明は、コンデンサレ
ンズの球面収差が補償され、結果として比較的短い電子
光学鏡筒を用いた上で少ない収差で大きな視野のパター
ンを一括縮小転写できる電子線縮小転写装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による電子線装置
は、例えば図１（ａ）に示す如く、放出される電子線に
対して凹面形状のカソード（１）と、このカソード
（１）に対して凸面形状で電子線通過孔（４ｃ）を有す
るアノード（４）と、そのカソード（１）から放出され
る電子線を集束させる集束電極（２）とよりなる電子銃
と、この電子銃から放出される電子線を集束する電子レ
ンズ（６）とを有し、この電子レンズ（６）で発生する
球面収差をその電子銃（１，２，４）で発生する球面収
差で相殺させるようにしたものである。

【０００７】また、本発明による電子線縮小転写装置
は、例えば図２に示すように、電子銃と、この電子銃か
ら放出される電子線を集束してマスク（１６）に照射す
るコンデンサレンズ（１３，１５）と、そのマスク（１
６）を透過した電子線をターゲット（１９）上に導くこ
とによりそのマスク（１６）の縮小像をターゲット（１
９）上に結像する投影レンズ（１７，１８）とを有する
電子線縮小転写装置において、その電子銃を、放出され
る電子線に対して凹面形状のカソード（１）と、このカ
ソード（１）に対して凸面形状で電子線通過孔を有する
アノード（４）と、そのカソード（１）から放出される
電子線を集束させる集束電極（２）とより形成し、その
コンデンサレンズ（１３，１５）で発生する球面収差を
その電子銃（１，２，４）で発生する球面収差で相殺さ
せるようにしたものである。

【０００８】

【作用】斯かる本発明の電子線装置によれば、カソード
（１）の電子線放出面とアノード（４）のカソード
（１）に対向する面とは互いにほぼ同心球面とみなすこ
とができる。そのため、仮にアノード（４）側に電子線
通過孔（４ｃ）が無いとすると、電子線はカソード
（１）からアノード（４）に対してほぼ無収差で流れ
る。しかしながら、アノード（４）には電子線を後続の
レンズ系に導くための電子線通過孔（４ｃ）が形成され
ている。この電子線通過孔（４ｃ）を通過する電子線は
周囲の高電位に引かれて軌跡が光軸から離れる方向にず
れるため、この電子線通過孔（４ｃ）は凹レンズの作用
を有する。

【０００９】更に、例えば図１（ｂ）に誇張して示すよ
うに、その電子線通過孔（４ｃ）を通過する電子線の内
でその電子線通過孔（４ｃ）の側面部に近い軌跡（１
２）に沿って進む電子線ほど周囲の高電位に強く引かれ
るため、軸から離れた軌跡に沿って進む電子線ほどアノ
ード（４）から離れた位置で集束する。即ち、このアノ
ード（４）の電子線通過孔（４ｃ）から放出される電子
線は、凹面レンズ特有の球面収差を有する。また、電子
銃（１，２，４）から放出された電子線には電子同士の
反発に起因する空間電荷効果が作用するが、この空間電
荷効果も電子線に対して凹レンズとして作用する。一
方、電子レンズ（６）は凸レンズに特有の球面収差を有
するので、この電子レンズ（６）の球面収差を電子銃
（１，２，４）で発生する凹レンズの球面収差及び空間
電荷効果による凹レンズの球面収差で相殺させることが
できる。従って、球面収差は電子レンズ（６）で発生す
る球面収差よりも小さくなる。

【００１０】同様に、本発明の電子線縮小転写装置にお
いては、電子銃（１，２，４）が凹レンズに特有の球面
収差を発生し、空間電荷効果も凹レンズとして作用す
る。また、コンデンサレンズ（１３，１５）は電子レン
ズであるため凸レンズに特有の球面収差が発生する。そ
こで、その電子銃及び空間電荷効果の球面収差によりコ
ンデンサレンズ（１３，１５）の球面収差を相殺させる
ことができる。従って、コンデンサレンズ（１３，１
５）の鏡筒長を長くすることなく少ない収差で大きな視
野のパターンを一括縮小転写できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図１を参照し
て説明する。本例は、例えば電子線アニールを行う電子
線装置に本発明を適用したものである。電子線アニール
を行って多結晶を単結晶に変えるような場合には、大き
い開口角の電子線をできるだけ小さなスポットに絞り込
むことが要求されるが、そのためには球面収差を小さく
しなければならない。

【００１２】図１（ａ）は本例の電子線装置の構成を示
し、この図１（ａ）において、１はカソード、２はカソ
ード１と同電位のウェーネルト（集束電極）である。カ
ソード１の電子線放出部は円柱状であり、その端面であ
る電子線放出面１ａは、光軸上の点Ｐを中心とした半径
Ｒ１の球面となっている。また、ウェーネルト２はカソ
ード１の電子線放出面１ａに隣接する円錐状の側面を有
し、電子線放出面１ａの外周部においてその面１ａから
垂直に放出される電子線の軌跡を３とすると、ウェーネ
ルト２の側面とその軌跡３とがなす角度αを６７．５°
に設定する。

【００１３】４はカソード１に対して１ｋＶ〜１０ｋＶ
の正電位が印加されたアノードを示し、このアノード４
のカソード１に対向し且つカソード１に対して凸の面４
ａを、光軸上の点Ｐを中心として半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ
１）の球面に形成する。従って、カソード１の電子線放
出面１ａとアノード４の面４ａとは同心の球面である。
また、電子光学鏡筒の軸を光軸と呼ぶとして、アノード
４の光軸付近には電子線通過孔４ｃを穿設し、アノード
４の電子線が放出される側の面４ｂを円錐状に形成す
る。５は中心部に開口が形成された接地レベルのアース
電極を示し、このアース電極５をアノード４の下方に配
置する。アース電極５より下方では電子線はドリフト領
域に入る。

【００１４】これらカソード１、ウェーネルト２、アノ
ード４及びアース電極５より電子銃が構成されており、
アノード４に印加する正電位を変えることにより、電子
銃電流を変えることができる。その電子銃は、ピアス型
電子銃の設計方法で設計される。寸法の一例として、例
えばカソード１の外径が８ｍｍ程度の場合には、カソー
ド１の電子線放出面１ａの半径Ｒ１は２５ｍｍ程度、ア
ノード４の面４ａの半径Ｒ２は１０ｍｍ程度、アノード
４の電子線通過孔４ｃの内径は４ｍｍ程度である。

【００１５】また、６は電磁レンズ、７はターゲットを
示し、アース電極５の下方に順に電磁レンズ６及びター
ゲット７を配置する。基本的な動作としては、カソード
１から放出された電子線は、アノード４の電子線通過孔
４ａを通過した後に一度集束して電子線源の像であるク
ロスオーバが形成され、このクロスオーバから発散する
電子線は電磁レンズ６によりターゲット７上にスポット
状に集束される。

【００１６】図１（ａ）の電子線装置の球面収差につき
図１（ｂ）を参照して説明する。図１（ｂ）は図１
（ａ）を光学レンズに置き換えて表現したものであり、
説明の便宜上、カソード１の電子線放出面１ａを誇張し
て大きく表現してある。最初に電子銃の部分の球面収差
につき説明する。一般に、同心球の外側の球の内面に負
電圧を与え、内側の球の外面に正電圧を与えると外側の
面から内側の球に電子線が流れるが、この電子線は無収
差のビームになる。本例の電子銃では、カソード１の電
子線放出面１ａは球面の一部のみであるため収差が発生
するが、電子線放出面１ａの外周部に垂直な軌跡３に対
して６７．５゜の角度の円錐面を有するウェーネルト２
が用いられているので、ほぼ無収差の電子線がカソード
１からアノード４に流れる。

【００１７】この場合、この電子線を電子銃から取り出
すために、アノード４の中心部に電子線通過孔４ｃが形
成されているが、この電子線通過孔４ｃの側面部の高電
位にひかれて電子線は外側へ曲げられる。即ち、この電
子線通過孔４ｃは凹レンズの作用を持つ。しかも外側の
電子線は内側の電子線より大きく曲げられるため凹レン
ズ特有の球面収差を持つ。従って、図１（ｂ）に示すよ
うに、アノード４の電子線通過孔４ｃが配置されている
位置には凹レンズ４Ｌが配置されているとみなすことが
できる。

【００１８】また、アノード４の電子線通過孔４ｃを通
過した後、電子線は次第に集束して細いビームとなるた
め、空間電荷効果により電子同士が互いに反発し、電子
線の軌跡は外側へ曲げられる。従って、空間電荷効果も
電子線に凹レンズとして作用し、しかも外側の電子線は
より多く曲げられるので凹レンズに特有の球面収差が発
生する。従って、図１（ｂ）に示すように、アノード４
の下方に別の凹レンズ８Ｌが配置されているとみなすこ
とができる。このように本例の電子銃は、電子線放出面
１ａの下方に２枚の凹レンズ４Ｌ及び８Ｌを配置して構
成されているものとみなすことができ、凹レンズに特有
の球面収差が発生している。

【００１９】次に、本例の全体の球面収差につき説明す
るに、図１（ｂ）において、図１（ａ）の電磁レンズ６
を凸レンズ６Ｌで置き換えておく。図１（ｂ）におい
て、電子光学鏡筒の軸に近い電子線の軌跡を１１で示す
と、軌跡１１に沿った電子線は例えば凹レンズ４Ｌと凹
レンズ８Ｌとの間において電子線源の像であるクロスオ
ーバ９を形成する。一方、光軸から外れた軌跡１２に沿
った電子線は、アノード４の電子線通過孔４ｃによる凸
レンズ４Ｌ及び空間荷電効果による凹レンズ８Ｌの球面
収差によって外側へより多く曲げられる。従って、軌跡
１２に沿った電子線は、近軸の電子線が形成するクロス
オーバ９に対してより遠くの位置でクロスオーバ１０を
形成する。

【００２０】また、それぞれクロスオーバ９及び１０か
ら発散する軌跡１１及び１２に沿う電子線は球面収差を
持つ凸レンズ６Ｌを通るが、この凸レンズ６Ｌの球面収
差により、光軸から遠い軌跡１２に沿う電子線はより多
く曲げられる。従って、ターゲット７上では、軌跡１１
に沿う電子線及び軌跡１２に沿う電子線は同じ位置に結
像する。従って、図１（ａ）の電磁レンズ６の凸レンズ
の球面収差は電子銃及び空間電荷効果による凹レンズの
球面収差により相殺され、装置全体の球面収差は電磁レ
ンズ（６）単体の球面収差よりも小さくなっている。

【００２１】次に、本例の電子銃の設計方法につき考察
する。この場合、図１（ｂ）の凹レンズ４Ｌ及び８Ｌの
具体的な形状は不明であり、これら凹レンズ４Ｌ及び８
Ｌの球面収差係数を計算することは現状ではできない。
しかしながら、図１（ａ）の電磁レンズ６については、
形状及び電流等が定まればその球面収差係数は容易に計
算することができるので、図１（ｂ）の凸レンズ６Ｌの
球面収差係数も容易に計算することができる。そして、
例えば図１（ｂ）の凸レンズ６Ｌからターゲット７まで
の距離（像点距離）を変化させれば球面収差係数は大き
く変えられるので、凸レンズ６Ｌとターゲット７との距
離を種々に変化させて球面収差を測定する。このように
測定された球面収差が最小になる像点距離での凸レンズ
６Ｌの球面収差係数から逆に凸レンズ４Ｌ及び８Ｌの合
成系の球面収差係数が分かる。

【００２２】次に、図２を参照して本発明の他の実施例
につき説明する。本例は電子線縮小転写装置に本発明を
適用したものである。また、本例の電子銃の構成は図１
の電子銃と同様に構成されているので、図２において図
１に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を
省略する。

【００２３】図２は本例の電子線縮小転写装置の構成を
示し、この図２において、電子線放出面が放出方向に対
して凹の球面に形成されたカソード１、このカソード１
の外周部に垂直に交差する軌跡と６７．５゜の角度の円
錐面を持つウェーネルト２、カソード１に対して凸の球
面を有するアノード４及びアース電極５から電子銃が構
成されている。この電子銃から下方に順に、電磁レンズ
よりなる第１コンデンサレンズ１３、中央部に開口が形
成された円形アパーチャ板１４、電磁レンズからなる第
２コンデンサレンズ１５及びステンシルマスク（電子線
透過マスク）１６を配置する。更に、ステンシルマスク
１６の下方に順に、焦点距離の大きい第１投影レンズ１
７、焦点距離の小さい第２投影レンズ１８及びターゲッ
ト１９を配置する。

【００２４】本例の電子銃から放出された電子線は、例
えば軌跡２０で示すように、第１コンデンサレンズ１３
により円形アパーチャ板１４の中央の開口部近傍に集束
され、この開口部を透過した電子線は第２コンデンサレ
ンズ１５によりほぼ平行なビームに変換されてステンシ
ルマスク１６に照射される。このステンシルマスク１６
の各点を透過した電子線は、それぞれ第１投影レンズ１
７及び第２投影レンズ１８を介してターゲット１９上に
集束される。これにより、ステンシルマスク１６の縮小
像がターゲット１９上に結像される。

【００２５】次に、本例の球面収差につき考察するに、
既に述べたように電子銃は凹レンズの球面収差を有し、
空間電荷効果も凹レンズとして作用する。一方、第１コ
ンデンサレンズ１３及び第２コンデンサレンズ１５より
なる合成系は凸レンズの球面収差を有するが、この球面
収差は電子銃及び空間電荷効果による球面収差により相
殺されるので、装置全体としてはステンシルマスク１６
を照射するための電子光学系の球面収差は極めて小さく
なっている。従って、ステンシルマスク１６を照射する
電子線の平行度は極めて良好であり、ターゲット１９上
の縮小像の歪又はぼけ等が小さくなる。

【００２６】更に、一括転写の視野を大きくするには、
コンデンサレンズ１３及び１５を大口径にする必要があ
るが、大口径で且つ球面収差を小さくするには鏡筒の長
さが長くなり過ぎる。しかしながら、本例によれば、コ
ンデンサレンズ１３及び１５に大きく球面収差が残って
いても、その球面収差は電子銃及び空間電荷効果による
球面収差で相殺できるので、鏡筒を長くすることなく、
且つ全体として小さな球面収差で大きな視野のパターン
を一括転写することができる。

【００２７】また、より球面収差を小さくするには、予
め上述した方法により電子銃及び空間電荷効果による凹
レンズの球面収差係数を測定しておく。そして、球面収
差係数の絶対値が第１コンデンサレンズ１３と第２コン
デンサレンズ１５との合成系の球面収差係数と一致する
電子銃を用いることにより、全体としての球面収差をよ
り小さくしてステンシルマスク１６に入射する電子線の
平行度を更に改善することができる。なお、本発明は上
述実施例に限定されず、例えば電子レンズとして静電レ
ンズを使用した場合に適用するなど、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論であ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明の電子線装置によれば、電子銃及
び空間電荷効果による凹レンズの球面収差により、電子
レンズの球面収差である凸レンズの球面収差を相殺する
ことができるので、従来補正することは不可能と思われ
ていた電子レンズの球面収差を補正することができる。
従って、装置全体としての球面収差が電子レンズの球面
収差より小さくなる利点がある。

【００２９】また、本発明の電子線縮小転写装置によれ
ば、電子銃及び空間電荷効果による球面収差によりコン
デンサレンズの収差である凸レンズの球面収差が相殺さ
れる。従って、鏡筒の長さが短く且つ口径の大きなコン
デンサレンズを使用することができるので、比較的短い
電子光学鏡筒を用いた場合でも少ない球面収差で大きな
視野のパターンを一括縮小転写できる利点がある。ま
た、球面収差が従来程度でよい場合には、電子銃が作る
凹レンズの球面収差を大きくすることによって、コンデ
ンサレンズとして大きい球面収差のレンズが使えるの
で、コンデンサレンズの軸方向の長さをより短縮できる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例の電子線装置を示す
断面図、（ｂ）は図１（ａ）に対応する光学系を示すレ
ンズ構成図である。

【図２】本発明の他の実施例の電子線縮小転写装置を示
す縦断面に沿う端面図である。

【符号の説明】

１ カソード ２ ウェーネルト ４ アノード ５ アース電極 ６ 電磁レンズ ７ ターゲット １３ 第１コンデンサレンズ １４ 円形アパーチャ板 １５ 第２コンデンサレンズ １６ ステンシルマスク １７ 第１投影レンズ １８ 第２投影レンズ １９ ターゲット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放出される電子線に対して凹面形状のカ
   ソードと、該カソードに対して凸面形状で電子線通過孔
   を有するアノードと、前記カソードから放出される電子
   線を集束させる集束電極とよりなる電子銃と、 この電子銃から放出される電子線を集束する電子レンズ
   とを有し、 該電子レンズで発生する球面収差を前記電子銃で発生す
   る球面収差で相殺させる事を特徴とする電子線装置。
2. 【請求項２】 電子銃と、該電子銃から放出される電子
   線を集束してマスクに照射するコンデンサレンズと、前
   記マスクを透過した電子線をターゲット上に導くことに
   より前記マスクの縮小像を前記ターゲット上に結像する
   投影レンズとを有する電子線縮小転写装置において、 前記電子銃を、放出される電子線に対して凹面形状のカ
   ソードと、該カソードに対して凸面形状で電子線通過孔
   を有するアノードと、前記カソードから放出される電子
   線を集束させる集束電極とより形成し、 前記コンデンサレンズで発生する球面収差を前記電子銃
   で発生する球面収差で相殺させる事を特徴とする電子線
   縮小転写装置。