JPWO2008120412A1 - 電子銃及び電子ビーム露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子源の昇華量を削減するとともに、ビームの放出角度を小さくして長期間安定に使用することのできる電子銃及び電子ビーム露光装置を提供すること。【解決手段】電子銃は、電子源と、加速電極と、電子放出面から電子を引き出す引き出し電極と、電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極と、電子放出面に電界を印加して放出させた熱電界放出電子による電子ビームを収束させる電子ビーム収束部とを有する。電子ビーム収束部は、引き出し電極と加速電極との間に配置され中央に開口部を備えた静電レンズ電極であり、静電レンズ電極に電圧を印加して電子ビームを収束させる。静電レンズ電極は加速電極側に拡がるテーパを有することが望ましい。電子放出材料の先端面は基板物質が露出しており、側面は仕事関数の大きな物質で被覆されている。電子放出先端部の外周部が面取りもしくは丸められていてもよい。【選択図】図１４

Description

本発明は、電子銃及び電子ビーム露光装置に関し、特に、電子銃材料の消耗を抑制するのに好適な電子銃及び電子ビーム露光装置に関する。

近年、電子ビーム露光装置において、スループットの向上を図るために、マスクに可変矩形開口又は複数のマスクパターンを用意し、ビーム偏向によりそれらを選択してウエハに転写露光している。このような複数のマスクパターンを用いる露光方法の一つとして、部分一括露光をする電子ビーム露光装置が提案されている。部分一括露光では次のようにしてパターンを試料面に転写している。すなわち、マスク上に配置した複数個のパターンからビーム偏向により選択した一つのパターン領域にビームを照射してビーム断面をパターンの形状に成形する。さらにマスクを通過したビームを後段の偏向器で偏向振り戻し、電子光学系で決まる一定の縮小率に縮小して試料面に転写する。

また、このような露光装置においては、線幅精度を確保することも、スループットを向上させるために重要となる。線幅精度を確保するためには、電子銃から放出される電子ビームの強さに経時変化がないことが要求される。電子ビームの強度が経時変化して弱くなると、露光の程度が漸次低下する。これを補うために、露光時間を増やそうとすると、制御が面倒になるばかりではなく、スループットが低下してしまうからである。

電子銃から電子を放出させる方法として、一般に、熱電子放出型と電界放出型に大別される。このうち、熱電子放出型電子銃は、加熱することにより電子を放出するカソードと、カソードから放出した電子を収束して電子線束を作り出すウェーネルト及び収束した電子線を加速するアノードから構成される。

上記の熱電子放出型電子銃を使用すると、電子銃に使用されている電子源（チップ）が電子を放出するに伴い、チップを構成する物質が昇華、蒸発し、量が減るので、電子放出部が変形する現象が発生する。この現象を防止するために種々の対策が検討されている。例えば、特許文献１には、チップの表面をタングステン（Ｗ）及びレニウム（Ｒｅ）からなる二層構造膜で覆い、チップの消耗を少なくするようにした電子銃が開示されている。

上述したように、熱電子放出型電子銃を使用すると、電子銃を構成するチップは電子を放出するだけでなくチップ物質自体が昇華する場合がある。これは、熱電子放出の場合には電子発生物質の昇華開始温度以上に温度を高くして電子を放出するために、チップにおいて昇華が起こるためであると考えられている。

この昇華により、電子を放出するチップの形状が変化し、可変矩形ビームや部分一括パターンビームが均一に照射できなくなり、放出される電子ビームの強度が低下していく。例えば、チップとして六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）を使用し、温度を１５００℃とした熱電子放出型電子銃の場合、１ヶ月の使用で１０μｍの昇華が発生していた。

また、上述した昇華により、チップ物質、例えば、ＬａＢ₆や六ホウ化セリウム（ＣｅＢ₆）がグリッドの裏面に付着する。この付着物がウィスカになり、この上に電子がチャージされ、微小放電を起こす場合がある。このような微小放電が発生すると、電子ビームの量と照射位置が安定しないという現象が起こり、電子ビーム露光装置が正常に使用できなくなる。また、調整等に時間がかかり、スループットが低下してしまう。最大の問題点は微小放電発生時に描画されたパターンでは信頼度が損なわれると言うことであるので、電子銃付近の微小放電の撲滅が電子ビーム露光装置の高信頼度化には不可欠のことになる。即ち電子銃材料の昇華量をいかに削減するかが、高信頼度化・高安定化には不可欠な開発要件となる。

一方、電子ビーム露光装置では、マスク像を試料面上で均一に照射するために、ケーラー照明法が採用されている。ケーラー照明法では、電子銃のクロスオーバー像が最終レンズの瞳に形成される。電界放出型電子銃では、仮想的クロスオーバー像の大きさは２〜３μｍ程度と小さい。このクロスオーバー像の大きさが小さいと、照度が小さく、電流密度が小さくなり、露光スループットが低下するという不都合が発生する。

また、クロスオーバー像の大きさが小さいと、電子銃からのビーム放出角度が大きくなる。このため、多くの電子が加速電極に衝突し、加速電極の温度上昇を引き起こして真空度の低下を起こすおそれがある。

なお、特許文献１ではチップの表面をタングステンとレニウムからなる二層構造で覆うことにより、チップの消耗を少なくしているが、二層構造で覆われていない電子放出面の昇華による形状の変化を防止することはできない。
特開平８−１８４６９９号公報

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、電子源の昇華量を削減するとともに、ビームの放出角度を小さくして長期間安定に使用することのできる電子銃及び電子ビーム露光装置を提供することを目的とする。

上記した課題は、電子を放出する電子源と、前記電子源の電子放出面と対向して配置され、前記電子を加速させる加速電極と、前記電子放出面と前記加速電極との間に配置され、当該電子放出面から電子を引き出す引き出し電極と、前記電子放出面の前記引き出し電極と反対側に配置され、前記電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極と、前記電子源の材料の昇華が発生しない程度の低い温度に保ちながら前記電子放出面に電界を印加して放出させた熱電界放出電子による電子ビームを収束させる電子ビーム収束部とを有することを特徴とする電子銃により解決する。

この形態に係る電子銃において、前記電子ビーム収束部は、磁界レンズの 収束作用を用いるものと電界レンズの 収束作用を用いるものとの２つのケースがある。まず第一に磁界レンズのケースについて述べる。

この形態に係る電子銃において、前記電子ビーム収束部は、前記加速電極の近傍に配置された磁界発生部であり、当該磁界発生部は、前記電子源に対向する加速電極側をＮ極又はＳ極とする永久磁石であってもよく、前記サプレッサー電極は磁性体で形成されるようにしてもよい。

本発明の電子銃では、電子源から放出された熱電界放出電子による電子ビームを収束させるために、加速電極の近傍に永久磁石を配置している。永久磁石が配置されることによって、電子銃の引き出し電極付近に軸対称な磁界が重畳され、レンズ作用を持たせている。このレンズ作用によって、引き出し電極を通過したビームが収束作用を受け、加速電極近傍にクロスオーバー像の拡大像を形成することができる。このように、短い距離でクロスオーバー像の拡大像を形成することができ、ベルシェ効果を最小にして電子エネルギー分布の広がりを小さくすることができる。また、クロスオーバー像の拡大像を形成することにより、電流密度が小さいことによる露光スループットの低下を防止することが可能になる。

また、電子ビームが収束作用を受けることにより、電子ビームの開き角度が小さくなるため、加速電極に衝突する電子を極力少なくすることができる。これにより、加速電極の温度上昇が抑制され、真空度の低下を防止することが可能となる。

第二に電磁レンズに替わって、静電レンズを用いるものについて述べる。上記形態に係る電子銃において、前記電子ビーム収束部は、前記引き出し電極と前記加速電極との間に配置されて中央に開口部を備えた静電レンズ電極であり、前記静電レンズ電極に電圧を印加して、前記熱電界放出電子による電子ビームを収束させるようにしてもよい。また、前記静電レンズ電極の開口部側面は、当該開口部が前記引き出し電極側の方向に細くなるテーパ構造を備えるようにしてもよく、前記静電レンズ電極の開口部側面は、当該開口部が前記加速電極側の方向に細くなるテーパ構造と、前記引き出し電極側の方向に細くなるテーパ構造とを備えるようにしてもよい。

本発明の電子銃では、中央に開口部を備えた静電レンズ電極を引き出し電極と加速電極の間に配置し、静電レンズ電極に電圧を印加して、電子ビームを収束させている。これにより、電子ビームは短い距離で収束し、加速電極付近でクロスオーバー拡大像を形成することが可能になる。

また、静電レンズ電極に形成される開口部は、その側面がテーパ構造になっている。このテーパの角度を調整することにより、電子ビームを短い距離で収束させ、かつ最適なエミッタンス値を得ることが可能になる。

また、上記形態に係る電子銃において、前記電子源の材料は六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）又は六ホウ化セリウム（ＣｅＢ₆）であっても良く、前記電子源の先端部の電子放出面以外の電子源の側面は前記電子源と異なる仕事関数の大きな物質で覆われているようにしても良い。

本発明では、電子源のチップの先端部の電子放出面のみを露出させ、その他の側面部分は異種物質でカバーしている。例えば、電子発生材料としてＬａＢ₆を使用した場合、この異種物質は例えばカーボン（Ｃ）である。このような電子源を有する電子銃を低温で動作させるため、チップの昇華がほとんど起こらない。これにより、電子源の電子放出面が変形することなく、電子銃を長期間安定して使用することができる。

また、チップの昇華が起こらない温度で電子銃を動作させるために強電界をかけても、カーボンで電子源の側面を覆っているため、電子源の側面から電子が放出されることはない。これにより、電子ビームの形状が変わることがなく、不必要な箇所が高温になって真空度が下がるという現象を防止することができる。

図１は、本発明に係る電子ビーム露光装置の構成図である。 図２は、本発明に係る電子銃の構成図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、電子加速部の構成及び磁界分布の一例を示す図（その１）である。 図４（ａ）、（ｂ）は、電子加速部の構成及び磁界分布の一例を示す図（その２）である。 図５（ａ）、（ｂ）は、電子源から放出される電子ビームの軌道の一例を示す図である。 図６は、電子源と電極の位置関係を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図（その１）である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図（その２）である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図（その３）である。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図（その４）である。 図１１は、電子の放出を制限する領域を説明する電子源の断面図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、静電レンズ電極の配置及び形状を示す断面図（その１）である。 図１３は、静電レンズ電極の開口部の角度によるエミッタンス値の比較を示す図である。 図１４（ａ）は、静電レンズ電極の開口部の角度方向によるエミッタンス値の比較を示す図である。図１４（ｂ）、（ｃ）は、静電レンズ電極の配置及び形状を示す断面図（その２）である。 図１５は、静電レンズ電極の配置及び形状を示す断面図（その３）である。 図１６（ａ）は、静電レンズ電極の位置によるエミッタンス値の比較を示す図である。図１６（ｂ）は、静電レンズ電極の位置を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（１）第１の実施形態
はじめに、電子ビーム露光装置の構成について説明する。次に、電子銃の構成について説明する。次に、電子銃のうちの特徴部分である電子ビーム収束部の構成について説明する。次に、電子源の構成について説明する。

（電子ビーム露光装置の構成）
図１に、第１の実施形態に係る電子ビーム露光装置の構成図を示す。

この電子ビーム露光装置は、電子光学系コラム１００と、電子光学系コラム１００の各部を制御する制御部２００とに大別される。このうち、電子光学系コラム１００は、電子ビーム生成部１３０、マスク偏向部１４０及び基板偏向部１５０によって構成され、その内部が減圧される。

電子ビーム生成部１３０では、電子銃１０１から生成した電子ビームＥＢが第１電磁レンズ１０２で収束作用を受けた後、ビーム整形用マスク１０３の矩形アパーチャ１０３ａを透過し、電子ビームＥＢの断面が矩形に整形される。

その後、電子ビームＥＢは、マスク偏向部１４０の第２電磁レンズ１０５によって露光マスク１１０上に結像される。そして、電子ビームＥＢは、第１、第２静電偏向器１０４、１０６により、露光マスク１１０に形成された特定のパターンＳｉに偏向され、その断面形状がパターンＳｉの形状に整形される。

なお、露光マスク１１０はマスクステージ１２３に固定されるが、そのマスクステージ１２３は水平面内において移動可能であって、第１、第２静電偏向器１０４、１０６の偏向範囲（ビーム偏向領域）を超える部分にあるパターンＳを使用する場合、マスクステージ１２３を移動することにより、そのパターンＳをビーム偏向領域内に移動させる。

露光マスク１１０の上下に配された第３、第４電磁レンズ１０８、１１１は、それらの電流量を調節することにより、電子ビームＥＢを基板Ｗ上で結像させる役割を担う。

露光マスク１１０を通った電子ビームＥＢは、第３、第４静電偏向器１１２、１１３の偏向作用によって光軸Ｃに振り戻された後、第５電磁レンズ１１４によってそのサイズが縮小される。

マスク偏向部１４０には、第１、第２補正コイル１０７、１０９が設けられており、それらにより、第１〜第４静電偏向器１０４、１０６、１１２、１１３で発生するビーム偏向収差が補正される。

その後、電子ビームＥＢは、基板偏向部１５０を構成する遮蔽板１１５のアパーチャ１１５ａを通過し、第１、第２投影用電磁レンズ１１６、１２１によって基板Ｗ上に投影される。これにより、露光マスク１１０のパターンの像が、所定の縮小率、例えば１／１０の縮小率で基板Ｗに転写されることになる。

基板偏向部１５０には、第５静電偏向器１１９と電磁偏向器１２０とが設けられており、これらの偏向器１１９、１２０によって電子ビームＥＢが偏向され、基板Ｗの所定の位置に露光マスクのパターンの像が投影される。

更に、基板偏向部１５０には、基板Ｗ上における電子ビームＥＢの偏向収差を補正するための第３、第４補正コイル１１７、１１８が設けられる。

基板Ｗは、モータ等の駆動部１２５により水平方向に移動可能なウエハステージ１２４に固定されており、ウエハステージ１２４を移動させることで、基板Ｗの全面に露光を行うことが可能となる。

一方、制御部２００は、電子銃制御部２０２、電子光学系制御部２０３、マスク偏向制御部２０４、マスクステージ制御部２０５、ブランキング制御部２０６、基板偏向制御部２０７及びウエハステージ制御部２０８を有する。これらのうち、電子銃制御部２０２は電子銃１０１を制御して、電子ビームＥＢの加速電圧やビーム放出条件等を制御する。また、電子光学系制御部２０３は、電磁レンズ１０２、１０５、１０８、１１１、１１４、１１６及び１２１への電流量等を制御して、これらの電磁レンズが構成される電子光学系の倍率や焦点位置等を調節する。ブランキング制御部２０６は、ブランキング電極１２７への印加電圧を制御することにより、露光開始前から発生している電子ビームＥＢを遮蔽板１１５上に偏向し、露光前に基板上に電子ビームＥＢが照射されるのを防ぐ。

基板偏向制御部２０７は、第５静電偏向器１１９への印加電圧と、電磁偏向器１２０への電流量を制御することにより、基板Ｗの所定の位置上に電子ビームＥＢが偏向されるようにする。ウエハステージ制御部２０８は、駆動部１２５の駆動量を調節して、基板Ｗを水平方向に移動させ、基板Ｗの所望の位置に電子ビームＥＢが照射されるようにする。上記の各部２０２〜２０８は、ワークステーション等の統合制御系２０１によって統合的に制御される。

（電子銃の構成）
図２に、電子銃１０１の構成図を示す。第１の実施形態において、電子銃１０１は熱電界放出型を使用する。電子銃１０１は、電子源２０と、引き出し電極２１と、引き出し電極２１の下方に配置される加速電極２５と、電子源２０の両側に配されたカーボン製の電子源加熱用発熱体２２と、電子源２０と電子源加熱用発熱体２２とを支持する支持具２３と、支持具２３を支持して囲んでいるサプレッサー電極２４とを有している。電子源は、例えば単結晶のＬａＢ₆またはＣｅＢ₆を用いる。

引き出し電極２１は、電子源２０の先端に強い電界を作り電子源２０から電子を放出させるための電圧が印加される電極であり、例えば、電子源２０の電子放出面から２ｍｍ以下の距離に設置される。

加速電極２５は、電子源２０から放出された電子を加速させるための電圧が印加される電極であり、例えば、引き出し電極２１から２０ｍｍの距離に設置される。

このように構成された電子銃１０１において、電子銃制御部２０２は電子源加熱用電流を電子源加熱用発熱体２２に加え続けて電子源２０を１３００℃に加熱し、電子源２０を一定温度に保った状態で、サプレッサー電極２４と引き出し電極２１の間に強電界を印加して電子源２０から電子を引き出す。さらに、引き出し電極２１の下方に配した加速電極２５に電圧を印加して、所定のエネルギーの電子ビーム２９を取り出し、電子ビーム２９をウエハステージ１２４上に固定されているレジストが塗布された基板Ｗに照射させることによって電子ビーム露光がなされる。

ここで、サプレッサー電極２４にかける電圧は０〜−０．５ｋＶであり、引き出し電極２１にかける電圧は２．０〜４．０ｋＶである。これらの電圧は電子源２０の電位に対する値であって、通常は真のアースグランドに対しては電子源２０が−５０ｋＶであるので、−５０ｋＶを加算した値になる。

なお、第１の実施形態では、電子源２０を加熱しながら強電界をかけて電子放出させている。このため、電子源２０の表面にガス分子が吸着することを防止でき、電子ビームの輝度の低下を防止することができる。

また、上記した電極に加えて、引き出し電極２１と加速電極２５の間に、静電レンズ電極２６を設置するようにしてもよい。静電レンズ電極２６は、電子源２０から照射される電子照射の開き角度を調整するために使用される。

（電子加速部の構成及び動作）
次に、第１の実施形態で使用する電子加速部４０の構成及び動作について図３から図５を参照して説明する。

第１の実施形態で対象とする熱電界放出型電子銃では、仮想的なクロスオーバー像のサイズが小さい。従って、可変矩形や部分一括図形を使用する電子ビーム露光装置では、放出された電子ビームのクロスオーバー像のサイズを大きくすることが、効率的に露光を行うために重要となる。

通常、加速電極２５を通過した後の電子ビームに対し、電磁レンズで構成した拡大レンズによってクロスオーバー像の拡大像（以後、クロスオーバー拡大像とも呼ぶ）を形成することが行われている。しかし、このような電磁レンズでは、クロスオーバー拡大像を形成するまでの距離が長くなり、ベルシェ効果によって電子エネルギー分布が広がってしまうという問題が発生する。

そこで、本発明者等は、クロスオーバー拡大像を形成する距離を短くするために、電子加速部分に着目した。

図３及び図４は、磁界重畳型電子銃の構成及び動作を説明する図である。図３（ａ）に示すように、磁界重畳型電子銃は、電子源２０から発生した電子を加速させる電子加速部４０を有している。

電子加速部４０は、加速電極２５と、永久磁石４１と、磁界強度調整用コイル４２と、磁界漏れ防止用板４３で構成される。電子源２０側に配置される加速電極２５と、ウエハステージ１２４側に配置される磁界漏れ防止用板４３との間に、永久磁石４１と磁界強度調整用コイル４２が配置される。

永久磁石４１としては、ネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石等があるが、磁界強度の大きな磁石が望ましい。これら３種の磁石のうち、例えばネオジウム磁石は、キューリー点が３００℃と一番低いが、磁界強度は一番強い。従って、加速電極２５近傍の温度が３００℃に達しない場合には、ネオジウム磁石を使用することが望ましい。

永久磁石４１の形状は、例えばリング型であり、引き出し電極２１側をＮ極又はＳ極とし、ウエハステージ１２４側をＳ極又はＮ極とするように配置する。なお、永久磁石４１の形状はリング型に限らず、加速電極２５とサプレッサー電極２４の間に磁場を形成できる形状であればよい。

磁界強度調整用コイル４２は、永久磁石４１による磁界分布を微調整して電子ビームが加速電極２５付近にクロスオーバー拡大像を形成するようにするためのコイルである。

磁界漏れ防止用板４３は、永久磁石４１による磁界強度が弱くなることのないように磁束の漏れを防止するための板であり、例えば、純鉄で円板状に形成される。

以下に、電子加速部４０に永久磁石４１を配置することによって、電子加速部４０近傍の光軸上に、クロスオーバー拡大像を形成できることについて説明する。

図３（ａ）の破線４５は、サプレッサー電極２４を純鉄で形成したときの磁力線４５の一部を示している。

図３（ａ）に示すように、磁力線４５は永久磁石４１のＮ極から純鉄製のサプレッサー電極２４に向かい、サプレッサー電極２４を通って、永久磁石４１のＳ極に戻る。

電子源から放射状に放出される電子ビームは、永久磁石４１によって形成される磁場の中を通過することになる。この磁界は、磁界と直交する電子ビームの速度成分に作用し、電子の軌道は光軸方向へ曲げられる。

図３（ｂ）は、電子加速部４０とサプレッサー電極２４との間の磁界強度を示した図である。図３（ｂ）の横軸は、永久磁石４１からの光軸方向の距離を示し、縦軸は、磁界強度を示す。磁力線４５は永久磁石４１の表面（Ｎ極）からサプレッサー電極２４に向かって直進するため、磁界強度は永久磁石４１の表面からサプレッサー電極２４に向かって直線的に減衰する。

なお、第１の実施形態では、永久磁石４１の電子源に対向する加速電極２５側をＮ極として説明したが、電子源に対向する加速電極２５側をＳ極としてもよい。

図３（ｂ）のように直線的に磁界強度が変化している場合、加速電極２５に近づくにつれ電子の軌道変化は大きくなり、加速電極２５近傍でクロスオーバー拡大像４７を形成する。

図５は、電子源５１から発生する電子ビームの５４，５５を示した図である。図５（ａ）は、電子源５１から発生する電子ビームが電磁界の影響を受けない場合の軌道５４を示している。熱電界放出型電子銃の場合、仮想的クロスオーバー５２は小さく、電子源５１から放射状に広がった電子ビーム５４となる。このような電子ビーム５４は、図３に示したように、磁界の作用を受けることにより収束した電子ビーム５５となる。その結果、クロスオーバーの拡大像５３を短い距離で形成することができる。

電子ビームが適正に収束され、クロスオーバー像が適正に生成されたか否かの確認は、例えばファラデーカップのような電子ビームの電流値を検出する検出器を用いて周知の方法により行う。すなわち、クロスオーバー拡大像のビーム径より大きなアパーチャを用意し、そのアパーチャ上を通過するように電子ビームを走査して電流値の変化を調べる。アパーチャ通過の際に電流値変化がなだらかであれば所定のビーム径が得られ、電流値変化が急峻であれば、ビーム径が小さいと判定できる。また、磁界強度調整用コイル４２に供給する電流を変え、電子ビームの電流値を測定し、最大の電流値が検出されたとき、クロスオーバー拡大像が得られたと判定してもよい。

図４は、電子加速部４０に永久磁石４１を用いた他の一例である。

図４（ａ）の破線４６は、サプレッサー電極２４を非磁性体、例えばステンレスで形成したときの磁力線４６の一部を示している。また、図４（ｂ）は、電子加速部４０とサプレッサー電極２４との間の磁界強度を示した図である。

図４（ａ）は、サプレッサー電極２４が非磁性体であるため、磁力線４６はサプレッサー電極２４に向かって直進せず、曲線軌道を描いてＳ極に戻る。よって、磁界強度分布は、図４（ｂ）に示すように、加速電極２５近辺では磁界強度が強く、加速電極２５から離れるに従って磁界強度の減少の割合が大きくなる。

このような磁場の中を電子ビームが進行すると、磁界の作用により、電子の軌道が光軸方向へ曲げられる。ただし、引き出し電極２１を通過した直後は磁界強度が弱いため電子が受ける磁界の影響は小さく、放出電子ビームの広がりは永久磁石４１を設けない場合と大きな違いはない。加速電極２５に近くなると磁界の影響を受け、電子は急速に光軸方向へ曲げられ、クロスオーバー拡大像４８を形成する。

このように、永久磁石４１によって発生する磁界により、電子源２０から照射される電子照射の開き角度が調整される。これにより、短い距離でクロスオーバー拡大像を形成することが可能になり、電流密度が小さいことによる露光スループットの低下を防止することが可能になる。

また、開き角度が調整されることによって、加速電極２５に電子が照射されないようにしている。これにより、加速電極２５に電子ビームが照射されて熱が発生することがなくなり、露光装置内の真空度の低下を防御することが可能となる。

なお、永久磁石４１の作る磁場によって、電子ビームは光軸方向へ軌道が曲げられ、電子ビームが収束されるが、どの程度収束されるのかは、発生される電子ビーム、永久磁石の磁界強度に依存する。従って、この磁界強度を加速電極付近にクロスオーバー拡大像ができるように永久磁石の厚みと着磁強度を調整するように決定する。

また、永久磁石４１の発生する磁界は固有であるため、磁界の微調整のために磁界強度調整用コイル４２が用意されている。磁界強度調整用コイル４２に電流を供給することにより磁界が発生し、永久磁石４１による磁界と重畳され、電子ビームの軌道を微調整する。また、静電レンズによって電子ビームの軌道の微調整を行うようにしても良い。

また、永久磁石を電子加速部４０だけでなく、サプレッサー電極２４を間にして電子加速部４０と反対側に配置するようにしても良い。このように永久磁石を配置することによって、電子加速部４０とサプレッサー電極２４との間の磁界強度を一定にすることが可能になる。

（電子源の構成）
次に、第１の実施形態で使用する電子源２０の構成について説明する。

図６は電子銃１０１を構成する電子源２０及び電極を示す断面図である。

電子源２０は先端部が円錐状に形成され、周囲はカーボン３０で覆われている。このカーボン３０は、例えばＣＶＤ法により電子源２０上表面に形成される。電子源２０の先端は、電子源２０の材料が露出し、露出部分は平坦化される。

電子源２０の先端は、サプレッサー電極２４と引き出し電極２１の間に位置するように配置される。サプレッサー電極２４には０又はマイナスの電圧が印加され、電子源２０の先端以外の部分から放出される電子を遮蔽する働きをする。電界強度は、引き出し電極２１とサプレッサー電極２４との間の電圧差と、電子源２０の先端の高さ、角度及び先端の平坦部の直径で決定される。電子源２０の先端平坦部はサプレッサー電極２４と引き出し電極２１と平行になるように配置される。

電子源２０は先端が円錐状になっており、電子を放出する電子放出面２０ａは平坦になっている。円錐状の電子源２０の周囲には電子源２０を構成する材料とは異なる材料で覆われている。円錐状の部分は円錐角が５０度以下であることが望ましい。電子を放出する面は直径１０μｍから１００μｍが望ましく、通常は８０μｍが望ましい。また、電子源２０の周囲を覆う材料の厚さは１０μｍが望ましい。ただし、この異なる材料による被覆は、（１）電子源２０から電子が放出されないようにすること、及び、（２）基体の電子源２０の材料の昇華・蒸発を抑えることの２つの目的のためのものであり、被覆材料の厚さの値は、電界強度、使用する材料に依存する。被覆材料が使用温度で蒸発して消耗することが少なければ、電界強度を上げるためには薄い方が良い。

電子源２０に加えられる温度は、電子源２０を構成する材料が昇華する温度よりも低い温度としている。これは、電子源２０から熱電子を放出させるために高温を与えた場合には、電子源２０が昇華を起こし、電子放出面２０ａが減耗し、変形してしまうので、昇華を起こさない程度の温度にしているためである。温度を下げた場合であっても、高温を与えた場合に得られた電流密度及び輝度を達成する必要がある。このために、強電界を電子源２０の先端部にかけて、電子を引き出すようにしている。例えば、温度を１５００℃から２００℃落とした場合に、仕事関数を０．３ｅＶ低減することができれば、１５００℃で温度を落とさず、熱電子放出によって得られる場合と同じ電子ビームの輝度を得ることができる。仕事関数を０．３ｅＶ低減しても電子を放出させるために、電子源２０に高電界を印加して電子を放出させている。

このとき、高い電界をかけるため、電子放出部分となる電子源２０の先端部分だけでなく、円錐状に形成した電子源２０の側面部分からも電子が引き出されてしまうことになる。このため、所望の電子ビームの量及び形状が得られなくなったり、周辺からの余分な電子による空間電荷効果の発生により中心部から発生する電子ビームの輝度が低くなったりすることがある。これを防ぐために、電子源２０の電子放出部分以外を電子源２０の材料とは異なる材料で覆うようにする。この異なる材料としては、電子源２０を構成する材料よりも仕事関数が大きい物質を選択する。

なお、電子源２０としてＬａＢ₆を使用した場合には、ＬａＢ₆と反応を起こさず、ＬａＢ₆よりも仕事関数の大きなカーボン（Ｃ）を用いることが好ましい。このカーボンは酸素と反応するため、カーボン膜の厚さが薄いと二酸化炭素（ＣＯ₂）として蒸発してなくなることが予想される。このため、カーボン膜の厚さは、２μｍから１０μｍにすることが好ましい。ＬａＢ₆と似た性質を有するＣｅＢ₆についても同様のカーボン材料が被覆物質として有効である。

また、ＬａＢ６及びＣｅＢ６に加える温度を１１００℃から１４５０℃としたとき、１時間あたりの蒸発量が１×１０^-10μｍ程度になることが確認された。よって、電子源に加える温度として１１００℃から１４５０℃にすることが好ましい。

図７は電子源２０の先端部の円錐角の大きさを変えた電子源２０の断面図を示している。一般的に、円錐形状の電子源２０の先端半径が小さいほど、また、先端角度が小さいほど先端部に強い電界集中が起こり、電子源２０内の電子が表面の仕事関数障壁をトンネル現象により通過しやすくなる。しかし、極端に先端部を細くすると、電子源２０自体の強度が弱くなってしまう。そこで、電子源２０の強度及び電界強度を考慮して、電子源２０の先端の角度を決定している。

図７（ａ）は、電子源２０の先端部の円錐角を９０度程度にした場合である。図７（ｂ）は図７（ａ）よりも電子源２０の先端部の円錐角を小さくした場合である。従来、図７（ａ）のように、電子源２０の先端部の円錐角は９０度程度で使用していた。図７（ｂ）のように先端角度を小さくするほど、強い電界になり電子を容易に放出することが可能になる。さらに、鏡筒内に存在するイオン等の微粒子が電子源の先端部に衝突しにくくなるため、イオン等による電子源表面の消耗と変形効果を低減することが可能となる。

第１の実施形態では、電子源２０の先端部の角度を３０度程度にしている。電子源２０の材質、電子源２０の長さや幅等のサイズにも依存するが、従来使用されてきたものよりも長期間安定して使用することができる。

また、図８は電子源２０の先端部の電子放出面の直径を同一とし、形状を変えた場合の断面図を示しており、電界集中によって電界強度を上げるための他の例を示した図である。図８（ａ）は電子放出面７３が平面の場合であり、図８（ｂ）は電子放出面７３が凸面の場合であり、図８（ｃ）は電子放出面７３が球面の場合である。また、図８（ｄ）は電子放出面７３が平面でカーボン被覆膜７２より突き出した場合である。

電子放出面７３の直径が同じ場合には、電子放出面７３が平面のときに比べ凸面又は球面のほうが電界集中を起こし易い。

なお、図８（ｄ）のように電子放出面７３をカーボン被覆膜７２より突き出すことにより、何らかの原因で所定の温度以上になり電子源材料の消耗が起こり平坦面が維持できなくなった場合であっても継続して電子銃として使用することが可能となる。

また、図９は電子源の先端部の他の例を示した図である。

図９（ａ）〜（ｃ）は電子源の先端部の形状が円錐台の場合の断面図を示している。図９（ａ）は、電子源の電子放出面７３が平面であり、側面にカーボン被覆膜７２が形成されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）の電子源において先端部の平坦面の端７４が滑らかな曲面に形成されている。また、図９（ｃ）は、図８（ｄ）に示した電子源の先端部の構造において、電子放出面の端７５が滑らかな曲面に形成されている。

図１０（ａ）〜（ｃ）は電子源の先端部が円柱形状の場合の断面図を示している。図１０（ａ）は電子源の電子放出面７３が平面であり、電子源の側面にカーボン被覆膜７２が形成されている。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の電子源に対して、先端部の平坦面の端７６が滑らかな曲面に形成されている。また、図１０（ｃ）は、電子放出面が平面であり、カーボン被覆膜より突き出て形成され、電子放出面７３の端７７が滑らかな曲面に形成されている。

平坦な電子放出面７３の端が面取りされず滑らかな曲面でない場合、電子放出面７３に電界を印加したとき、その端の部分に電界が集中し、そこから電子が放出しやすくなる。そのため、電子の放出される方向が広範囲になり、電子ビームの輝度が低下してしまう。

また、電子源の側面にカーボン被覆膜７２が形成されているときは、面取りされず滑らかな曲面でない端に電界が集中してもカーボン被覆膜７２があるために電子が放出されることはないが、電子放出面７３から放出される電子量が減少し、電子ビームの輝度が低下してしまう。

従って、電子源の先端部の少なくとも電子放出面７３を含む平坦面の端は、図９（ｂ）、（ｃ）、及び図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、傾斜を有した角度で面取りされたような滑らかな曲面にすることが好ましい。

なお、本実施形態では、電子源の側面を電子の放出を制限する領域として説明したが、図１１に示すように、電子放出面６０ａおよび通電して加熱するカーボンチップ６２で挟まれる部分を除いた電子源６０の側面（６１、６１ａ）、及び裏面６１ｂを異種物質で覆うようにしても良い。このようにすることにより、電子源６０の昇華を削減してウェーネルト等への付着物の量を削減することが可能となる。

上記した電子放出を制限する領域は次のようにして形成される。

ここでは、図７に示した構造の電子源を例とし、電子源２０としてＬａＢ₆の単結晶を用いた場合について説明する。

まず、ＬａＢ₆単結晶を先端が円錐状になるように加工する。

次に、電子放出を制限する領域を形成するために、カーボン３０をＬａＢ₆単結晶の表面にコーティングする。このコーティングは、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、真空蒸着法、スパッタリング法等いずれの方法であっても良い。このとき、コーティングする膜の厚さは、電子放出表面の仕事関数を十分変える（ＬａＢ₆よりも大きくする）こととＬａＢ₆材料の蒸発を防ぐことができる厚さであればよい。なお、カーボンを使用する場合は、カーボンが酸素と反応してＣＯ₂となって蒸発することを考慮し、カーボンの厚さは２μｍから１０μｍにすることが好ましい。

次に、電子源２０の先端部を直径１μｍから２００μｍの平坦になるように、コーティングした膜とともに研磨する。

このようにして、電子放出を制限する領域が設けられた電子源が形成される。

以上説明したように、第１の実施形態では、電子加速部４０に永久磁石４１を配置するようにしている。永久磁石４１による磁界によって、電子源２０から放出される電子ビームを収束し、短い距離でクロスオーバー拡大像を形成することが可能になる。

また、磁界強度を加速電極２５付近に拡大クロスオーバー像ができるように永久磁石４１の厚みと着磁強度を調整するように決定している。これにより、最終レンズのケーラー照明時のクロスオーバー径を大きくすることができる。したがって、電流密度が小さいことによる露光スループットの低下を防止することが可能になる。

また、電子ビームの開き角度が調整されることによって、加速電極２５に電子が照射されないようにしている。これにより、加速電極２５に電子ビームが照射されて熱が発生することがなくなり、露光装置内の真空度の低下を防御することが可能となる。

また、加速電極２５側に永久磁石４１を配置するため、電子源２０等のある高電圧側にコイルや永久磁石を配置する場合に比べて装置を容易に構成することができる。

さらに、電子源２０のチップ先端部の電子放出面２０ａのみを露出させ、その他の側面部分は異種物質でカバーしている。このような電子源２０を有する電子銃１０１を低温で動作させるため、チップの昇華がほとんど起こらない。これにより、電子源２０の電子放出面２０ａが変形することなく、電子銃１０１を長期間安定して使用することができる。

また、チップの昇華が起こらない温度で電子銃１０１を動作させるため、電子放出面２０ａ近傍の電位を大きくする強電界をかけている。このように強電界をかけても、カーボン３０で電子源２０の側面を覆っているため、電子源２０の側面から電子が放出されることはない。これにより、電子ビームの形状が変わることがなく、不必要な箇所が高温になって真空度が下がるという現象を防止することができる。

（２）第２の実施形態
第２の実施形態では、短い距離で電子ビームを収束させるために、静電レンズ電極を使用した電子銃について説明する。なお、第２の実施形態で説明する電子銃が搭載される電子ビーム露光装置は第１の実施形態で説明した電子ビーム露光装置と同様であるため、説明は省略する。また、電子銃を構成する電子源についても第１の実施形態で説明したものと同様であるため説明を省略する。

第１の実施形態では、電子ビームを短い距離で収束させるために、加速電極近傍に永久磁石を配置し、永久磁石の発生する磁界を利用していた。

第２の実施形態では、電子ビームが加速電極を通過する前に、所定の形状の静電レンズ電極を使用して電子ビームを収束させることにより、クロスオーバー拡大像を形成する距離を短くしている。

第２の実施形態に係る電子銃の構成は、図２に示した構成と基本的に同じであるが、第２の実施形態では、引き出し電極２１と加速電極２５の間に配置される静電レンズ電極２６の形状が異なる。本願発明者は、短い距離で電子ビームを収束させるために静電レンズの形状及び配置位置について鋭意研究し、短い距離で電子ビームを収束させるとともに、最適なエミッタンス値が得られる構成を見出した。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る電子銃の基本構成を示した模式断面図を示しており、図２と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、静電レンズ電極２６は、光軸を中心として所定の径の開口部２６ａを有している。例えば、この静電レンズ電極２６の厚さは１．２ｍｍであり、開口部２６ａの内径は１．６ｍｍである。この開口部２６ａの側面は上下方向にテーパ状に形成されている。

図１２（ａ）〜（ｃ）に示す静電レンズ電極２６では、開口部２６ａの側面が引き出し電極２１側（図１２（ａ）〜（ｃ）の上側）の方向に細くなるテーパ構造を有している。静電レンズ電極２６の開口部２６ａの側面と引き出し電極側の上面とのなす角度をαとしたとき、図１２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ角度αが６０度、３０度、２０度となっている。

図１２（ａ）〜（ｃ）に示した構造を有する静電レンズ電極２６に例えば６００Ｖの電圧を印加し、引き出し電極２１に例えば３ｋＶの電圧を印加すると、電子源２０から放出された電子による電子ビームＥＢが開口部２６ａを通過する際に、静電レンズ電極２６のレンズ効果によって収束作用を受ける。なお、静電レンズ電極２６に印加する電圧は、引き出し電極２１に印加する電圧よりも大きくしてもよい。

第２の実施形態では、静電レンズ電極２６のレンズ効果によって電子ビームＥＢを収束させ、クロスオーバー拡大像ＥＣＯを加速電極２５付近に形成するとともに、最適なエミッタンス値を得るために、静電レンズ電極の形状及び位置を変えてシミュレーションを行った。ここで、最適なエミッタンス値としては、１４μｍ・ｍｒａｄとした。

図１３は、静電レンズ電極２６の開口部２６ａの角度αによるエミッタンス値の比較を示している。図１３では、電子放出面７３の先端の直径を１２０μｍ、電子放出面７３先端における電界強度を３×１０⁵（Ｖ／ｃｍ）とし、開口部２６ａに形成されるテーパを開口部２６aの側面が加速電極２５側（出射側）に広くなるようにした場合であり、そのテーパ角度αが６０度、３０度及び２０度の場合に算出されるクロスオーバー像の半径ｒ_co（μｍ）、電子放出の開き角θ（ｍｒａｄ）、及びエミッタンスε（μｍ・ｍｒａｄ）の値を示している。

図１３に示すように、角度αが小さいときにエミッタンス値が大きくなる。また、テーパ角度αが大きいときほど電子ビームの開き角が大きくなっているが、開口部２６ａの側面のテーパ角度が大きいほど静電レンズ電極２６によるレンズ効果が大きくなり、電子ビームは収束作用を強く受け、加速電極２５近傍にクロスオーバー拡大像ＥＣＯを形成することが可能になる。

図１４（ａ）及び（ｂ）は、静電レンズ電極２６の開口部２６ａのテーパ角度方向によるエミッタンス値の比較を示している。図１４（ａ）では、電子放出面７３の先端の直径が１２０μｍ、電子放出面７３先端における電界強度が３×１０⁵（Ｖ／ｃｍ）としたときに、開口部２６ａに形成されるテーパの向きを電子ビームの入射側及び出射側の場合に算出されるクロスオーバー像の半径ｒ_co（μｍ）、電子放出の開き角θ（ｍｒａｄ）、及びエミッタンスε（μｍ・ｍｒａｄ）の値を示している。

図１４（ｂ）は、図１２（ａ）〜（ｃ）と同様に電子銃の基本構成の模式断面図を示しており、静電レンズ電極２６に形成される開口部２６ａのテーパの向きが、入射側、すなわち引き出し電極２１側に向かって太くなる場合を示している。また、図１４（ｃ）は、図１２（ａ）と同じであり、静電レンズ電極２６に形成される開口部２６ａのテーパの向きが、出射側、すなわち加速電極２５側に向かって太くなる場合を示している。

図１４（ａ）に示すように、開口部２６ａの側面のテーパが加速電極２５側に太くなるように形成されているときのほうが、引き出し電極２１側に太くなるように形成されているときよりもエミッタンス値が大きい。

出射側にテーパ角度αをつけたときに比較して、入射側にテーパ角度αをつけた場合、クロスオーバー半径及び開き角ともに小さくなっている。これは、入射側にテーパ角度αをつけた場合、出射側にテーパ角度αをつけた場合よりも静電レンズ電極２６によるレンズ効果が弱くなり、加速電極２５付近でクロスオーバー拡大像を形成するためには開き角度を大きくすることができないためと考えられる。

従って、加速電極２５付近でクロスオーバー拡大像を形成して高輝度の電子ビームを得るためには、加速電極２５側の方向に太くなるように開口部２６ａにテーパを形成することが好ましい。

なお、静電レンズ電極２６の開口部２６ａに形成するテーパは、入射側又は出射側のどちらか一方向に傾斜する場合だけでなく、例えば、図１５に示すように、開口部２６ａの側面が引き出し電極２１側から加速電極２５側に向かって中間点まではテーパ角度βの傾斜で細くなり、中間点からはテーパ角度γの傾斜で太くなるようにしてもよい。

次に、静電レンズ電極２６を配置する位置について説明する。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、静電レンズ電極２６から引き出し電極２１までの距離とエミッタンス値との関係を示している。図１６（ａ）では、電子放出面７３の先端の直径が１２０μｍ、電子放出面７３先端における電界強度が３×１０⁵（Ｖ／ｃｍ）としたときに、引き出し電極２１から静電レンズ電極２６までの距離ｙが２ｍｍのときと５ｍｍのときについて算出されるクロスオーバー像の半径ｒ_co（μｍ）、電子放出の開き角θ（ｍｒａｄ）、及びエミッタンスε（μｍ・ｍｒａｄ）の値を示している。なお、引き出し電極２１から加速電極２５までの距離ｘは、２０ｍｍとし、引き出し電極２６の開口部２６ａは出射側に６０度の角度をつけたものとしている。

図１６（ａ）に示すように、静電レンズ電極２６の位置が引き出し電極２１に近いほうが、エミッタス値が大きい。静電レンズ電極２６が引き出し電極２１から離れて加速電極２５に近づくほど、静電レンズ電極のレンズ効果は大きくなり、電子ビームの開き角が大きくなっても加速電極２５付近でクロスオーバー拡大像を形成することができる。しかし、クロスオーバー自体の大きさが小さくなり、エミッタンス値が小さくなってしまう。

従って、静電レンズ電極２６は引き出し電極２１に近いほうが良いが、適切なエミッタンス値が得られる範囲として、引き出し電極２１から静電レンズ電極２６までの距離ｙは、引き出し電極２１から加速電極２５の間の距離ｘに対して、５％から２０％にすればよいことを確認している。

以上説明したように、第２の実施形態に係る電子銃では、中央に開口部２６ａを備えた静電レンズ電極２６を引き出し電極２１と加速電極２５の間に配置し、静電レンズ電極２６に電圧を印加して、電子ビームを収束させている。これにより、電子ビームは短い距離で収束し、加速電極２５付近でクロスオーバー拡大像を形成することが可能になる。

また、静電レンズ電極２６に形成される開口部２６ａは、その側面がテーパ構造になっている。このテーパの角度を調整することにより、電子ビームを短い距離で収束させ、かつ最適なエミッタンス値を得ることが可能になる。

Claims (15)

1. 電子を放出する電子源と、
   前記電子源の電子放出面と対向して配置され、前記電子を加速させる加速電極と、
   前記電子放出面と前記加速電極との間に配置され、当該電子放出面から電子を引き出す引き出し電極と、
   前記電子放出面の前記引き出し電極と反対側に配置され、前記電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極と、
   前記電子源の材料の昇華が発生しない程度の低い温度に保ちながら前記電子放出面に電界を印加して放出させた熱電界放出電子による電子ビームを収束させる電子ビーム収束部とを有することを特徴とする電子銃。
2. 前記電子ビーム収束部は、前記加速電極の近傍に配置された磁界発生部であり、当該磁界発生部は、前記電子源に対向する加速電極側をＮ極又はＳ極とする永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 前記サプレッサー電極は磁性体で形成されることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
4. 更に、前記引き出し電極と前記加速電極の間に配置された静電レンズ電極と、
   前記磁界発生部の近傍に配置された電磁コイルと
   を有し、
   前記静電レンズ又は電磁コイルに供給する電圧又は電流を調整して、前記電子ビームを収束させることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
5. 更に、前記サプレッサー電極を間にして前記磁界発生部と反対側に永久磁石が配置されることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
6. 前記電子ビーム収束部は、前記引き出し電極と前記加速電極との間に配置されて中央に開口部を備えた静電レンズ電極であり、
   前記静電レンズ電極に電圧を印加して、前記熱電界放出電子による電子ビームを収束させることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
7. 前記静電レンズ電極の開口部側面は、当該開口部が前記引き出し電極側の方向に細くなるテーパ構造を備えていることを特徴とする請求項６に記載の電子銃。
8. 前記静電レンズ電極の開口部側面は、当該開口部が前記加速電極側の方向に細くなるテーパ構造と、前記引き出し電極側の方向に細くなるテーパ構造とを備えていることを特徴とする請求項６に記載の電子銃。
9. 前記静電レンズ電極は、前記引き出し電極と前記加速電極の間であって、前記引き出し電極から前記加速電極までの距離をｘとしたとき、前記引き出し電極を起点として０．０５ｘから０．２ｘの位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の電子銃。
10. 前記電子源の材料は六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）又は六ホウ化セリウム（ＣｅＢ₆）であることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
11. 前記電子源の先端部の電子放出面以外の電子源の側面は前記電子源と異なる仕事関数の大きな物質で覆われていることを特徴とする請求項１０に記載の電子銃。
12. 前記電子源は、前記電子放出面が平面、凸面又は球形の形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の電子銃。
13. 前記電子源の前記電子放出面を有する先端部は円柱形状又は円錐台形状であり、少なくとも前記電子放出面を含む平坦面の端は曲面状であることを特徴とする請求項１１に記載の電子銃。
14. 前記電子源の前記電子放出面を有する先端部は円柱形状又は円錐台形状であり、少なくとも前記電子放出面を含む平坦面の端は傾斜を有した角度で面取りされたことを特徴とする請求項１１に記載の電子銃。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の電子銃を有することを特徴とする電子ビーム露光装置。
    

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