JPS60501581A - 電子放出システム - 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】 電子放出システム 発明の背景 本発明は電子放出システムに関係し、特に高輝度電界放出形電子源を有するシス テムに関係する。

電子源が実際に重要となる多くの分野では、安定な高輝度電子源が必要である。

これ等の応用には、例えば集積回路の製造に利用されるような電子ビーム暴露シ ステムが考えられる。これ等のシステムの初期のものは熱電子トリウムタングス テン電子源を用いていた。更に最近は、より輝度の高い電子源の需要が高１す、 ランタン六硼化物（Ｌａ　Ｂ６　）からなる熱電子放射体が提案されている。Ｌ ａＢ６　からなる通常の放射体は一般に、トリウムタングステン電子源と比べる と輝度か少なくも約４倍高（へ。

しかしながら、新しい世代の超高速電子ビーム暴露システムの股引段階で、Ｌａ Ｂ６　電子源でもこの上うな装嵌に必要な電子放出要件を満足しないことが明ら かＫなって来た。この場合、トリウムタングステン源の約１００倍の輝度を与え 得る電子源が必要であった。又、電界放出形の超高輝度電子源を得ることが出来 ることは知られていたが、かかる公知の電子源の動作特性は市販装置に適した信 頼性の高い電子ビーム暴露システムの厳しい放出安定性要件を満足するものでは なかった。

従って、電界放出電子源の動作及びかかる電子源を含む全体のシステムの動作を 改良しようとする努力が払わ２ れ−Ｃ来ている。この、ｉ：うな努力が実れは、超高速電子ビーム暴露システム なとの電〕′放出装置の市販装置とし７ての設＝１　＋、１成功する重要な基盤 を与えることが認識されて来ている。、他方、このようなシステムを実現出来れ ば、超大規模集積回路装置の製造コストを低減させることが従って、本発明は改 良式電イ放出システムを与えることを特徴とする特に、本発明の目的は、電界放 出形の信頼出来る高輝度放出安定電子源からなるシステムにある。２本発明の他 の目的は、電子放出源に作用する静電界力が、全体にわたるシステムが設計され た電子ビームエネルギーの値を変えずに十分に安定な動作条件を確立するように 調節出来ろシステムを与えることにある。本発明の更に他の目的は、書込み面に おけるビームの電流密度を、電子放出源の一定の動作パラメータを変えずに選択 的に変更出来る、高信頼度電子放出源を含む、電子ビームシステムを与えること にある。

要約すると、本発明のこれ等の目的及びその他の目的は特定の例示としての電子 放出システムで実現され、該システムは表面張力が惹起する構造変化を最小にす る形状の先端を持つ電界放出カソードを有するものである。

更に、カソードに関係し、２アノード構成を有する、電極アセンフリが、先端に 作用する表面張力に少なくともほぼ等しくかつ、対向する電界力を確立するよう に設計される。

特に、例示としてのシステムは、単結晶要素ノ（］、００　）面〔注：物体の主 結晶面の１つを示す国際的に認められた用語〕に垂直な主長手軸線を有する単結 晶要素からなる。この要素は電子を放出する先の細い端部を治する。

この要素の他端部は支持部材に固定される。特に、先の細い端部は、その放出先 端から支持部材に向かって順に中央に位置する（１００）平坦放出領域を有する 一般に半球状の端部部分と、円筒状部分、テーパ部分、及び支持部利に向けて延 在する主要脚部分とからなる。従って、表面張力に起因する先細端部の形状変化 はこれにより最小になる。

更に、放出要素に関する電極アセンブリは、対向し、且つ端部部分に作用する表 面引張力に少なくともほぼ等しい静電界力を結晶要素の端部に対して確立するよ う如設計される。電極アセンブリは２アノード構成を含み、これにより結晶要素 の端部に作用する静電界力はシステムの予め設計されたビームエネルギー特性を 変えずに安定な動作条件を確立するよう（／ｌ：調節することが出来る。

同時に、システムはレンズを備え、該レンズは、電子ビーム線量（即ち、書込み 面におけるビームの電流密度）が放出要素の端部に作用する静電界力を乱さずに 変更されることを許容するものでちる。

図面の簡単な説明 本発明の完全な理解、及び上記の、並びにその他の特徴の完全な理解は、添付図 面（一定の比例関係では描いてないが）に関連して以下に与えられる次の詳細な 説明についての検討から得ることが出来、ここに：第１図は本発明の原理による 特定の例示としての放出要素を示し、 第２図は、出願者の発明原理を具体化する、第１図の要素を含む、電子放出シス テムの概略図である。

詳細な説明 第１図に示した特定の例示としてのカソードは単結晶ロフト要素１０からなる。

要素１０の１端は支持部材１２に数句けられる。要素１０の放出先端部の拡大図 を第１図に示す。

例示の方法によると、第１図の要素１０は要素の（］、　ＯＯ）面に垂直な主要 長手軸線１４を持つ単結晶タングステンロッドからなる。公知のエツチング手順 に従って、該ロッドは第１図の拡大図に示した独自の先端部を有する要素を形成 するようにエツチングされる。

図示のごとく、第１図に示した支持部材１２はタングステン製のいわゆるヘアピ ン又はＵ字形ワイヤからなる。

該部材は要素１０の機械的な支持をなす。更に、この部材１２は、−＝定直流電 流が流されるフィラメントとして利用される。この場合、カソード要素１０は実 際には比較的高温で、例えば約１７００〜１８５０°Ｋ　の範囲の温度で動作さ れる。従って、ここに記載したいわゆる電界放出カソードは電界放出と熱電子放 出の両者により特徴づけられる。これにより、カソードが加熱されず放出が高電 界力にのみ基づいている場合に比べて放出特性をより安定にし、寿命をより長く することとなる。かかるカソードはここでは熱電界放出形の電子放出体として引 用される。

第１図に示した要素１０の主軸部には仕事関数低減成分を含有する材料１６が形 成される。これ等の成分は例えばジルコニウム及び酸素からなる。

要素１０により示される形の電子放出体は熱力学的推進力により大きく影響され る。これは、要素１０の放出先端が微小サイズであり、またかかる要素が通常は 、先端物質の急速な表面拡散が生じるような比較的高温度で動作されるためであ る。

熱電界放出体の先端（Ｃ影響を与える熱力学的推進力は１　先端を丸くして表面 エネルギーを最小にしようとする表面張力と、 ２　先端を鋭くしようとする応力を誘起する静電力と、３　推進力１及び２に比 べて効果が小さい電気移動力とからなる。

熱電界放出体形の従来の要素では、その先端から放出される電流の角度分布は実 際には時間と共に変化する傾向があった。これ等の変動は被加工物面における書 込みスポットの電流密度を変化させる。このような変動は、例えば、高精度リソ グラフィーにおいては、例え許容不可能ではないにしても、望ましいものではな い。

従って、十分に安定な放出特性を示す熱電界放出体要素を有するシステム設計は かｆｘシ大変な仕事である。この種の安定なシステムを設計する際に考慮するべ き諸因子としてば：電子放出先端部の物質組成と結晶配向、先端部の全体にわた る形状、及び先端に作用する静電場力などが考えられる。これ等の諸因子を注意 深く選択し、制御することにより、高輝度電子源を含む有効なシステムが得られ る。長期にわたって十分に安定な放出特性を示すような特定の例示としてのシス テムをここでは脱血する。

第１図の拡大図に示したように、特定の例示としての要素１０の最先端部分はい くつかの異なる部分からなる。

先ず、要素１０の端部は半径りを有するほぼ半球状の領域１８からなり、該半径 は通常は少なくとも約０５マイクロメートルである。領域１８は、その先端に、 中央に位置する（１００）平坦部分２０を有する。この部分２０から放出された 電子は図示のカソードを含む放出システムの有効ビーム流を構成する。

第１図の拡大図に示した先端部分は又はぼ円筒状の部分２２を有する。この先端 部分は更にテーパ部分２４からなり、このテーパ部分は、円筒状領域２２と前述 の先端部残部のほぼ円錐形状部との間の遷移領域である。

電子放出システムの実際の動作中に、第１図の拡大図に示されるごとき形状の先 端部分は特に都合の良い形状であるように決定されている。これは、図示した特 定の構造における表面張力が比較的小さいためである。従って、長期の安定性を 得るのに必要な対応する静電場力も比較的小さくて済む。次に、構造体の先端部 分に作用する表面張力に対向し少なくとも等しくなければならない静電場力の必 要とされる大きさが要素１０に結合される電極に印加されるべき電圧の大きさを 決定する。この様にして、これ等の電圧の大きさは、第１図の拡大図に示したよ うな形状を有する先端部分を含むシステムでは最小となる。このことは、例えば 、システム眞含まれる電源の設計を簡単にし、又システムにマーキングが生じる 可能性を最小にする。更に、特定のシステム設計におい、て電極に印加出来る最 大電圧を与えるだめに、図示した先端はより大きな先端の使用を許容する。この ことは、先端が大きい程実際には頑丈であり、ノイズが少ないため、一般的に望 寸しいものである。

従って、第１図の拡大図に示した都合の良い形態の先端部分は、以下に規定する 特定の形の電子放出システムに含まれる時は、構造的な変化から生じる先端部分 の電子放出特性の変化が長期にわたって比較的ゆっくりと発生する。従、って、 電子ビームリソグラフィーなどの高精度の用途に適した十分に安定な長寿命電子 放出システムがこれにより可能になる。

第２図は本発明の原理て従って構成した特定の例示としての電子放出システムの 概略図である。電子がシステム内を伝搬してターケラト表面に入射する径路は従 来の真空室（同格）内に収容され、その内圧は、例えば１０　’−７Ｔｏｒｒ　 に維持される。

第２図のシステムの電子源は第１図に示した前記カソード要素１Ｇからなる。直 流電源２６は要素１ｏを支承する部材１２に接続される。実際には、直流電源２ ６が与える比較的一定の電流が要素１０の先端部分を１７　’ＯＯ〜１８５０° にの範囲の温度に加熱するのに有効である。

更に、電源２７は要素１０を接地などの基準電位点に対して約−２０＋ロホルト の電位に維持する。

要素１０の半球領域１８の先端の平坦電子放出面２゜（第１図）は円筒状バイア ス電極３０の底面２８（第２図）より下に（又は下流に）延在する。この電極３ ０は中央にある開口３２を有する。例えば、電極３ｏの機能は要素１０の部材１ ２と脚からの熱電子放出を低減することにあるが、電極３０は電源３３により要 素１ｏに対して約−５００ボルトの電位に維持される。

電極３４と３６よりなる２アノード構成が第２図のシステムに金型れる。第１電 極３４は中央に位置する開口３８を含む抽出器アノードを構成する。例えば、抽 出器アノード３４は要素１０に対して約＋１０〜＋１２キロボルトの電位に電源 ４０により維持される。

第２図の抽出器アノード３４の開口３８を通る電子は更に第２アノード電極３６ によシ加速される。開口４１を有する電極３６は通常は接地電位に確立される。

このようにして加速アノード３６の下流の第２図の長手軸線４２に沿って伝搬す る電子ビームのエネルギーは２０キロ電子ボルトである。又、この特定の電極構 成が与えられると、抽出電圧（電源４ｏの値により決定される）はビームエネル ギーの予め規定された値を変えずに十分に安定な動作条件を確立するように調節 可能てなるが、これは意義あるものである。更に、とこに検討した配置により被 加工物表面に与えられるビームの電流密度は、電源４０がセットした抽出電圧の 値を変える必要なしに、例えば、特定のレジスト材料の要件を満足するように逐 次変更することが出来る。電源４ｏの値を変えることは望ましくなく、何故なら 、それにより、長期の安定性を得るように予め選択していた所定の電界分布が変 更されるからである。

本出願者の発明の特徴によれば、−担第２図に示した形態のシステムのビームエ ネルギー特性が規定され、且つ、その観点から全体にわたるシステム設計が希望 通りに得られた場合でも、（例えば、システムに新しい放出要素を設けた後も） なお、規定したビームエネルギーを変えずに抽出電圧を変える柔軟性が与えられ る。換言すると、放出要素に印加する抽出電圧は、うステム内を伝搬するビーム エネルギーに影響を与えることなく、安定な動作条件が得ら′れるように初めに 調整することが出来る。ここに示したように、このような安定な動作条件には、 放出要素の端部如作用する静電場力がそれに作用する表面張力に少なくともほぼ 等しいということが必要でちる。特定の放出要素に対して長期安定であるだめの この条件が得られたら、その後抽出電圧値を変えることは望ましくない。

要素１０の先端に作用する電場構成は主として要素１０と電極３０及び３４とに より決定される。特に、要素１０の形状、要素１０と電極３０及び３４との間の 間隔、及びこれ等に印加される電位は主としてこの電界構成の決定要素をなす。

本出願者の発明の特徴によると、要素１０の先端に作用する電界分布は、一旦セ ットされると、実際には比較的長期にわたって一定である。例えば、この電界配 置は先端に作用する表面張力に少なくともほぼ等しく、反対の力を与えるように 設計される。又既に規定したように、先端は、比較的小さな表面張力を示すよう に独自に形状伺けられると都合がよい。従って、要求された静電気力を得るには 、先端に関して電極に印加する電圧は比較的小さくて済む。動作に際しては、か かる先端の形状は比較的安定であり、又、動作時間が数千時間でも十分尾安定な 電子放出特性を持つ信頼出来るシステムの基礎を与える。

第２図に概略図示した電子コラムのアノード３４と３６の間には電磁集束レンズ ４４が介在配置される。更に、コラムは貫通するビーム画定開口４８を有する板 ４６を有する。電磁レンズ５０と５２による下流の脱磁化の後、開口４８を通し て伝搬した電子ビームは、小径書込みスポットとしてレジスト塗膜ワークピース ５４の表面に現われる。（例示としてのあるシステムでは、書込みスポットの直 径は０．１２５マイクロメートルである。）第２図に示すように、ワークピース ５４はテーブル５６上に固定され、該テーブルの運動はマイクロポジショナ５８ により制御される。

第２図に示したコラムには、静電デフレクタ６０と当該ビームブランキング板６ ２とからなるビームブランキングユニットが含まれる。書込みシーケンスの各々 の連続する時間区間の間に、デフレクタ６０ば、軸線４２に沿って伝搬するビー ムが板６２の開口を通るか、或いは板６２に入射するように偏向されて下流への 伝搬が阻止されるかを制御する。伝搬ビームは板６２で交さ点を持つように制御 される。

第２図のワークピース面上での電子ビームの運動は従来の偏向アセンブリ６６に より制御される。次に、第２図に概略図示した各種ユニットの全体にわたる調整 はシステム７０により制御される。

以上のように、個別の抽出、加速アノード３４と３６と共に設計した電子放出シ ステムは、各々、全体にわたるシステムが設計されたビームエネルギーの値を変 えずに、安定な放出動作条件を得るのに必要な柔軟性を与える。更に、抽出電圧 が、安定な動作条件を得るためて特定の放出要素に対して固定されると、ここに 記載したシステムは、抽出電圧を変えずに、ワークピース面におけるビーム電流 密度又は線量を変えるように、例えばレジスト材料の特定要件を満足するように 適合される。可変線量電子ヒームシステムの安定な動作がこれにより保証される 。

第２図のコラムでは、電流密度制御はユニット４４を制御してビーム直径を、従 って板４６における電流密度を変えることにより達成される。板４６の開口４８ を通１〜て伝搬する一定直径ビームの電流密度がこれにより変更される。同時に 、ユニット４４と５０の組合わせ作用が、ビーム電流密度が変更された時でも、 板６２におけるビーム交さ点を維持するのに有効である。

最後に、」二記の配置は本発明の原理を例示するだけのものであることが理解さ れるへきである。これ等の原理に従って、当業者は、本発明の精神と範囲から逸 脱することなく、多くの修正と変更が可能である。例えｌ叶、要素１０はタンク ステン以外の材料、例えば単結晶のモリブデンからも形成可能である。更に、要 素１０の放出特性を増強するために、ハフニウムなどの他の公知の仕事関数低減 材料を利用することが出来る。

ＦＩＧ、　／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　特定のエネルギーの電子ビームを与えるように設計され、平坦な電子放出端 部領域を含む熱電界放出形の電子放出体からなる電子放出システムにして、前記 放出体（１０）Ｋ連結され、特定のビームエネルギーを変身−ずに、端部領域（ １８）に作用する表面張力に対して対向するとともに少なくとも値がほぼ等しい 静電界力を放出体の端部領域（１８）Ｋ対して確立する電極装置を特徴とする電 子放出システム。 ２　電極装置はアノードアセンフリからカリ、該アセンフリは、 放出体（１０）の端部領域（１８）から隔置された第１アノード電極（３４）と 、 該第１アノード電極（３４）から隔置された第２アノード（３６）電極とからな ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電子放出システム。 ３　電極装置は更に、放出体（１０）と、端部領域（１８）に隣接する第１アノ ード電極（３４）との間に位置するバイアス電極（３０）を含んでなることを特 徴とする請求の範囲第１項又は２項に記載の電子放出システム。 ４　放出体（１０）とバイアス電極（３０）との間に接続されて、放出体（１０ ）に対して負電位のバイアス電極を確立する電子源（３３）を特徴とする請求の 範囲第３項に記載の電子放出システム。 ５　放出体（１０）に接続されて接地などの基準電位点に対して負の電位にある 放出体を確立する電子源（２７）を特徴とする請求の範囲第４項に記載の電子放 出システム。 ６、　電子源（４０）が第１アノード電極（３４）と放出体（１０）との間に接 続され、これにより該放出体（１０）に対して正電位にある第１アノード電極（ ３４）を確立することを更に特徴とする請求の範囲第２〜４項及び第５項のいず れか一項に記載の電子放出システム。 ７、第２アノード電極（３６）を基準電位点に接続する装置を更に特徴とする請 求の範囲第２〜５項、及び第６項のいずれかπ項に記載の電子放出システム。 ８　放出体（１０）の端部領域に作用する静電界力を変えずに、前記システム内 でワークピース面に向けて伝搬する電子の電流密度を変える装置（４０）を更に 特徴とする請求の範囲第１項に記載の電子放出システム。 ９　電流密度変更装置（４０）は、 放出体（１０）から隔置された開口を有するビーム直径画定板（４６）と、 第１に言及した板（４″６）から隔置された開口付きビームブランキング板（６ ２）と、 放出体（１０）と第１に言及した板（４６）との陽に位置付けられた第１磁気レ ンス（４４）と、前記の２つの板（４６，６２）の間に位置付けられて、ビ−ム 直径画定板（４６）において方向付けられた電子ビームの直径を選択的に変え、 一方ビームフランキング板（６２）においてビーム交差が生じることを保証する 第２磁気レンズ（５０）とからなることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の 電子放出システム。 １０、放出体（１０）は更に、一般に湾曲した端部（１８）の先端でほぼ中央に ある電子放出端部領域（２０）を有する前記湾曲端部からなることを特徴とする 請求の範囲第１〜９項のいずれか１項に記載の電子放出システム。 １１　前記端部部分（１８）の半径（ｒ）は少なくともほぼ０．５マイクロメー トルであることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の電子放出システム。 １２　電子放出体は更に、 単結晶延在要素の（１００）面に垂直な主長手軸線と、該要素の１端部で形成さ れた平坦放出領域（２０）どを有する単結晶延在要素（１０）と、該要素上の仕 事関数低減材料（１６）の層と、前記要素（１０）の他端部を支承する装置（１ ２）とからなることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の電子放出システム 。 １３前記要素がタングステンからなることを特徴とする請求の範囲第１２項に記 載の電子放出システム。 １４、材料（１６）はジルコニウム及び酸素から力ることを特徴とする請求の範 囲第１３項に記載の電子放出システム。 １５、材料は前記要素（１０）の主要脚部上に配置されることを特徴とする請求 の範囲第１４項に記載の電子放出システム。 １６　支承装置（１２）はタングステンからなるＵ字形部材（１２）からなるこ とを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の電子放出システム。 １７、前記Ｕ字形部材て接続され、これを通して電流を導通せしめ、これにより 前記要素（１０）の放出端部領域（２０）を加熱する電子源（２６）を更に特徴 とする請求の範囲第１６項に記載の電子放出システム。 １８　放出端部領域（２０）を含む放出体の先端は表面張力を最小にするように 形状付けられたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電子放出システム。 １９電子源（２６）は１７０ｏから１．８５００Ｋ１７）範囲の温度て放出体の 先端を加熱するようにされたことを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の電子 放出システム。 ２０　放出体は更に、 要素の（１００）面に垂直な主長手軸線を有し、要素の１端部に形成され、且つ その（１，００）結晶面を構成する平坦放出領域とを有する単結晶伸長要素（１ ｏ）と、 該要素上の仕事関数低減材料層と、 前記要素の他の端部を支承する装置（１２）とからなることを特徴とする先行す る請求の範囲第１２〜２０項のいずれか一項に記載の電子放出システム。 ２１、単結晶延在要素（１０）はタングステンからなることを特徴とする請求の 範囲第２０項に記載の電子放出システム。 ２２　単結晶延在要素は、その１端部から支承装置に向けて順に、 先端部に前記（１，００）平坦放出領域（２０）を有する一般に半球状端部部分 ど、 円筒部分（２２）と、 テーパ部分（２４）と 支承装置（１２）　Ｉ／Ｃ向けて延在する主脚部分とからなることを特徴とする 請求の範囲第１２〜２１項のいずれか１項（（記載の電子放出システム。 ２３、はぼ半球状の端部部分は少なくともほぼ０５マイクロメータの半径を有す ることを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の電子放出システム。