KR20080100158A - 전자총, 전자빔 노광 장치 및 노광 방법 - Google Patents

Abstract

[과제] 전자를 방출하는 전자 공급원의 열에 의한 승화량을 감소시키고, 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 전자총, 상기 전자총을 이용한 전자빔 노광 장치 및 노광 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[해결 수단] 전자를 방출하는 전자 공급원을 포함하는 전자총은, 전자 공급원의 전자 방출면과 대향하여 배치되고 상기 전자를 가속하는 가속 전극과, 전자 방출면과 가속 전극 사이에 배치되고 전자 방출면을 향하고 광축(光軸) 상에 중심을 갖는 구상(球狀)의 요면(凹面)을 포함하며 당해 전자 방출면으로부터 전자를 인출하는 인출 전극과, 전자 방출면의 인출 전극과 반대 측에 배치되고 전자 공급원의 측면으로부터의 전자 방출을 억제하는 서프레서 전극을 포함하되, 전자 공급원의 재료의 승화가 발생하지 않는 정도의 낮은 온도로 유지하면서 전자 방출면에 전계를 인가하여 열전계 방사 전자를 방출시킨다. 전자 공급원의 선단부의 전자 방출면 이외의 전자 공급원의 측면은 전자 공급원과 다른 일 함수가 큰 물질로 덮여 있어도 좋다.

전자 총, 전자빔, 노광 장치, 전자 공급원, 인출 전극, 가속 전극, 서프레서 전극.

Description

전자총, 전자빔 노광 장치 및 노광 방법{ELECTRON GUN, ELECTRON BEAM EXPOSURE APPARATUS AND EXPOSURE METHOD}

본 발명은, 반도체 디바이스 제조의 리소그라피 공정에 있어서 이용되는 전자총, 당해 전자총을 포함한 전자빔 노광 장치 및 노광 방법에 관한 것이다.

근래, 전자빔 노광 장치에 있어서 쓰루풋(throughput)의 향상을 나타내기 위해, 마스크에 가변 직사각형 개구(開口) 또는 복수의 마스크 패턴을 갖추고, 빔 편향에 의해 그것들을 선택하여 웨이퍼에 전사 노광하고 있다. 이와 같은 복수의 마스크 패턴을 이용하는 노광 방법의 하나로서, 부분 일괄 노광을 행하는 전자빔 노광 장치가 제안되고 있다. 부분 일괄 노광에서는 다음과 같은 방식으로 패턴을 시료면에 전사한다. 즉, 마스크 상에 배치한 복수개의 패턴으로부터 빔 편향에 의해 선택한 하나의 패턴 영역에 빔을 조사하여, 빔 단면을 패턴의 형상으로 성형한다. 또한, 마스크를 통과한 빔을 후단의 편향기에서 다시 편향시켜, 전자 광학계에서 정해지는 일정한 축소율로 축소하여 시료면에 전사한다.

또한, 이와 같은 노광 장치에 있어서는 선폭 정확도를 확보하는 것도 쓰루풋 을 향상시키기 위하여 중요하다. 선폭 정확도를 확보하기 위해서는, 전자총으로부터 방사되는 전자빔의 세기에 시간에 따른 변화가 없을 것이 요구된다. 전자빔의 강도가 시간에 따라 변화하여 약화되면 노광의 정도가 점차 저하된다. 이를 보상하기 위하여 노광 시간을 증가시키려고 하면, 제어가 번거롭게 될 뿐만 아니라 쓰루풋이 저하되어 버리기 때문이다.

전자총으로부터 전자를 방출시키는 방법으로서, 일반적으로, 열전자 방사형과 전계 방사형으로 크게 구분된다. 이 중 열전자 방사형 전자총은, 가열에 의해 전자를 방사하는 캐소드(cathode)와, 캐소드로부터 방출된 전자를 수렴하여 전자 선속을 만들어 내는 웨넬트(Wehnelt) 및 수렴한 전자선을 가속하는 애노드(anode)로 구성된다.

상기 열전자 방사형 전자총을 사용하면, 전자총에 사용되는 전자 공급원(팁; tip)이 전자를 방출하면서 팁을 구성하는 물질이 승화, 증발하고 양이 감소되므로, 전자 방출부가 변형하는 현상이 발생한다. 이 현상을 방지하기 위해서 각종 대책이 검토되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 팁의 표면을 텅스텐(W) 및 레늄(Re)으로 형성된 이층 구조막으로 덮고 팁의 소모를 줄이도록 한 전자총이 개시되어 있다.

상기한 바와 같이, 열전자 방사형 전자총을 사용하면, 전자총을 구성하는 팁은 전자를 방출하는 것뿐만 아니라 팁 물질 자체가 승화하는 경우가 있다. 이는, 열전자 방사의 경우에는 전자 발생 물질의 승화 개시 온도 이상으로 온도를 높여 전자를 방출하기 때문에, 팁에 있어서 승화가 일어나기 때문이라고 여겨지고 있다.

이 승화에 의해, 전자를 방출하는 팁의 형상이 변화하고 가변 직사각형 빔이나 부분 일괄 패턴 빔이 균일하게 조사될 수 없게 되며 방사되는 전자빔의 강도가 저하되어 간다. 예를 들면, 팁으로서 란탄 헥사보라이드(lanthanum hexaboride; LaB₆)를 사용하고 온도를 1500℃로 한 열전자 방사형 전자총의 경우, 1개월의 사용으로 10㎛의 승화가 발생하였다.

또한, 상기 승화에 의해 팁 물질, 예를 들면, LaB₆나 세륨 헥사보라이드(CeB₆)가 그리드(grid)의 이면에 부착된다. 이 부착물이 휘스커(whisker)가 되고 이 위에 전자가 충전되어, 미소 방전을 일으키는 경우가 있다. 이와 같은 미소 방전이 발생하면, 전자빔의 양과 조사 위치가 안정되지 않는 현상이 일어나고, 전자빔 노광 장치가 정상적으로 사용될 수 없게 된다. 또한, 조정 등에 시간이 걸리고 쓰루풋이 저하된다. 최대의 문제점은 미소 방전 발생시에 묘화(描畵)된 패턴에서는 신뢰도가 손상된다는 점이므로, 전자총 부근의 미소 방전의 박멸은 전자빔 노광 장치의 고(高)신뢰도화에 필수적이다. 즉, 전자총 재료의 승화량을 얼마나 감소시킬 것인지가 고신뢰도화ㆍ고안정화에 필수적인 개발 요건이 된다.

또한, 특허문헌 1에서는 팁의 표면을 텅스텐과 레늄으로 형성되는 이층 구조로 덮음으로써 팁의 소모를 줄이지만, 이층 구조로 덮이지 않는 전자 방출면의 승화에 의한 형상의 변화를 방지할 수는 없다.

[특허문헌 1] 일본공개특허공보 평8-184699호

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 과제로부터 안출된 것이고, 전자를 방출하는 전자 공급원의 열에 의한 승화량을 감소시키고, 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 전자총, 상기 전자총을 이용한 전자빔 노광 장치 및 노광 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제는, 전자를 방출하는 전자 공급원과, 상기 전자 공급원의 전자 방출면과 대향하여 배치되고 상기 전자를 가속하는 가속 전극과, 상기 전자 방출면과 상기 가속 전극 사이에 배치되고 상기 전자 방출면을 향하고 광축(光軸) 상에 중심을 갖는 구상(球狀)의 요면(凹面)을 포함하며 당해 전자 방출면으로부터 전자를 인출하는 인출 전극과, 상기 전자 방출면의 상기 인출 전극과 반대 측에 배치되고 상기 전자 공급원의 측면으로부터의 전자 방출을 억제하는 서프레서(suppressor) 전극을 포함하는 전자총에 있어서, 상기 전자 공급원의 재료의 승화가 발생하지 않는 정도의 낮은 온도로 유지하면서 상기 전자 방출면에 전계를 인가하여 열전계 방사 전자를 방출시키는 것을 특징으로 하는 전자총에 의해 해결된다.

상기 형태에 관련되는 전자총에 있어서, 상기 전자 공급원의 재료는 란탄 헥사보라이드(LaB₆) 또는 세륨 헥사보라이드(CeB₆)라도 좋고, 상기 전자 공급원의 선단부의 전자 방출면 이외의 전자 공급원의 측면은 상기 전자 공급원과 다른 일 함수가 큰 물질로 덮이도록 해도 좋다. 또한, 상기 다른 물질은 탄소라도 좋고, 상기 온도는 1100℃ 내지 1450℃로 해도 좋다.

또한, 상기 형태에 관련되는 전자총에 있어서, 상기 인출 전극은 상기 전자 방출면으로부터 2㎜이하의 거리에 설치되도록 해도 좋고, 상기 인출 전극과 상기 가속 전극 사이에 정전(靜電) 렌즈 전극이 설치되도록 해도 좋다.

본 발명에서는, 인출 전극의 전자 방출면에 대향하는 부분을 구상 요면으로 한다. 이로써, 인출 전극과 전자 방출면 사이의 전위 분포를 구면상(球面狀)으로 할 수 있고, 전자 방출면 부근의 전위를 극히 크게 할 수 있다. 따라서, 열전계 방사형의 전자총을 사용하여 저온으로 동작하게 해도 전자빔의 휘도를 크게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 전자 공급원의 팁의 선단부의 전자 방출면만을 노출시키고 그 외의 측면 부분은 이종 물질로 덮는다. 예를 들면, 전자 발생 재료로서 LaB₆를 사용한 경우, 상기 이종 물질은 예를 들면 탄소(C)이다. 이와 같은 전자 공급원을 포함하는 전자총을 저온에서 동작시키므로, 팁의 승화가 실질적으로 일어나지 않는다. 이로써, 전자 공급원의 전자 방출면이 변형하지 않고 전자총을 장기간 안정적으로 사용할 수 있다.

또한, 팁의 승화가 일어나지 않는 온도에서 전자총을 동작시키기 위해 강한 전계가 걸리도록 해도, 탄소로 전자 공급원의 측면을 덮으므로, 전자 공급원의 측면으로부터 전자가 방출되지 않는다. 이로써, 전자빔의 형상이 변하지 않고, 불필요한 곳이 고온이 되어 진공도가 하락하는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 상기 과제는, 상기 전자총 중 어느 것을 포함하는 전자 빔 노광 장치를 이용한 전자 빔 노광 방법에 있어서, 소정 시간 동안, 상기 인출 전극의 전위가 상기 전자 공급원의 선단부의 전위보다 낮아지도록 전압을 인가하고, 전자 공급원 전체에 통상적인 사용 전압값보다 절대값이 큰 전압을 인가한 후, 상기 전자 공급원 전압을 통상적인 사용 전압값으로 되돌리고, 그 후, 상기 인출 전극의 전위가 상기 전자 공급원의 선단부의 전위보다 높아지도록 전압을 인가하여 노광을 행하는 것을 특징으로 하는 노광 방법에 의해 해결된다.

시스템의 신뢰성을 현저히 저하시키는 요인으로서, 전자총의 웨넬트 및 전자총의 절연체에 부착하는 먼지가 대전되고, 먼지를 매개로 하여 방전이 발생하는 것을 들 수 있다. 이에 대해, 일반적으로 컨디셔닝(conditioning)이라고 불리는 기법을 도입하는 경우가 많다.

본 발명에서는, 노광을 행하기 전의 컨디셔닝 시에 인출 전극의 전위를 전자 공급원의 전위보다 낮은 전위가 되도록 한다. 이로써, 전자 공급원으로부터 전자가 인출되지 않고, 컨디셔닝을 실시해도 전자 공급원의 용해나 파손을 방지할 수 있게 된다.

도 1은, 본 발명에 관한 전자빔 노광 장치의 구성도이다.

도 2는, 본 발명에 관한 전자총의 구성도이다.

도 3은, 전자총을 구성하는 전극 간의 전위 분포의 일례를 도시하는 도면이다.

도 4는, 인출 전극의 형상을 도시하는 단면도이다.

도 5(a) 및 도 5(b)는, 전자 방출면과 인출 전극 사이의 전위 분포의 일례를 도시하는 도면이다.

도 6은, 전자 방출면으로부터의 거리와 전계 강도의 관계를 나타내는 도면이다.

도 7은, 도 2의 전자총에 관한 전자 공급원 및 전극의 구성도이다.

도 8(a) 및 도 8(b)은, 전자 공급원의 선단부의 형상을 도시하는 단면도이다.

도 9는, 도 2의 전자총에 관한 다른 실시예의 전자 공급원 및 전극의 구성도이다.

도 10은, 전자의 방출을 제한하는 영역을 설명하는 전자 공급원의 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 전자빔 노광 장치의 구성에 대해 설명한다. 다음으로, 전자총의 구성에 대해 설명하고, 전자총 가운데 본 발명의 특징적 부분인 전자 공급원의 구성에 대해 설명한다. 다음으로, 본 발명의 전자총을 사용한 노광 장치의 노광 방법에 대해 설명한다. 다음으로, 전자 공급원의 표면에 전자 방출을 제한하는 영역을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 마지막으로, 본 실시 형태의 전자총을 사용한 경우 의 효과에 대해 설명한다.

(전자빔 노광 장치의 구성)

도 1은, 본 실시 형태에 관한 전자빔 노광 장치의 구성도를 도시한다.

상기 전자빔 노광 장치는, 전자 광학계 원주(column) 100과 전자 광학계 원주 100의 각 부를 제어하는 제어부 200으로 크게 구분된다. 이 중 전자 광학계 원주 100은, 전자빔 생성부 130, 마스크 편향부 140 및 기판 편향부 150을 포함하고, 그 내부가 감압된다.

전자빔 생성부 130에서는, 전자총 101로부터 생성된 전자빔 EB가 제1 전자(電磁) 렌즈 102에서 수렴 작용을 받은 후 빔 정형용 마스크 103의 직사각형 개구(aperture) 103a를 투과하고, 전자빔 EB의 단면이 직사각형으로 정형된다.

그 후, 전자빔 EB는, 마스크 편향부 140의 제2 전자(電磁) 렌즈 105에 의해 노광 마스크 110상에 결상(結像)된다. 그리고, 전자빔 EB는 제1, 제2 정전 편향기 104, 106에 의해 노광 마스크 110에 형성된 특정 패턴 Si로 편향되며, 그 단면 형상이 패턴 Si의 형상으로 정형된다.

또한, 노광 마스크 110은 마스크 스테이지 123에 고정되지만, 상기 마스크 스테이지 123은 수평면 내에서 이동 가능하므로, 제1, 제2 정전 편향기 104, 106의 편향 범위(빔 편향 영역)를 넘는 부분에 있는 패턴 S를 사용하는 경우, 마스크 스테이지 123을 이동함으로써 상기 패턴 S를 빔 편향 영역 내로 이동시킨다.

노광 마스크 110의 상하에 배치된 제3, 제4 전자(電磁) 렌즈 108, 111은, 그 것들의 전류량을 조절함으로써 전자빔 EB를 노광 마스크 110 상에 수렴시킨 후, 기판 W 상에 결상시키는 역할을 담당한다.

노광 마스크 110을 통과한 전자빔 EB는, 제3, 제4 정전 편향기 112, 113의 편향 작용에 의해 광축 C로 되돌아온 후, 제5 전자(電磁) 렌즈 114에 의해 그 크기가 축소된다.

마스크 편향부 140에는 제1, 제2 보정 코일 107, 109가 설치되고 있고, 그것들에 의해 제1 내지 제4 정전 편향기 104, 106, 112, 113에서 발생하는 빔 편향 수차가 보정된다.

그 후, 전자빔 EB는 기판 편향부 150을 구성하는 차폐판 115의 개구(aperture) 115a를 통과하고, 제1, 제2 투영용 전자(電磁) 렌즈 116, 121에 의해 기판 W 상에 투영된다. 이로써, 노광 마스크 110의 패턴의 상이, 소정의 축소율, 예를 들면, 1/10의 축소율로 기판 W에 전사되게 된다.

기판 편향부 150에는, 제5 정전 편향기 119와 전자(電磁) 편향기 120이 설치되어 있고, 이들 편향기 119, 120에 의해 전자빔 EB가 편향되고, 기판 W의 소정 위치에 노광 마스크의 패턴의 상이 투영된다.

또한, 기판 편향부 150에는 기판 W 상에 있어서의 전자빔 EB의 편향 수차를 보정하기 위한 제3, 제4 보정 코일 117, 118이 설치된다.

기판 W는 모터 등의 구동부 125에 의해 수평 방향으로 이동 가능한 웨이퍼 스테이지 124에 고정되고 있고, 웨이퍼 스테이지 124를 이동시킴으로써 기판 W의 전면(全面)에 노광을 행하는 것이 가능해진다.

한편, 제어부 200은 전자총 제어부 202, 전자 광학계 제어부 203, 마스크 편향 제어부 204, 마스크 스테이지 제어부 205, 블랭킹(blanking) 제어부 206, 기판 편향 제어부 207 및 웨이퍼 스테이지 제어부 208을 포함한다. 이들 중 전자총 제어부 202는 전자총 101을 제어하여, 전자빔 EB의 가속 전압이나 빔 방사 조건 등을 제어한다. 또한, 전자 광학계 제어부 203은 전자(電磁) 렌즈 102, 105, 108, 111, 114, 116 및 121에의 전류량 등을 제어하여, 이들 전자 렌즈가 구성되는 전자 광학계의 배율이나 초점 위치 등을 조절한다. 블랭킹 제어부 206은, 블랭킹 전극 127에의 인가 전압을 제어함으로써, 노광 개시 전부터 발생해 있는 전자빔 EB를 차폐판 115 상으로 편향시키고 노광 전에 기판상에 전자빔 EB가 조사되는 것을 방지한다.

기판 편향 제어부 207은, 제5 정전 편향기 119에의 인가 전압과 전자(電磁) 편향기 120에의 전류량을 제어함으로써, 기판 W의 소정의 위치상에 전자빔 EB가 편향되도록 한다. 웨이퍼 스테이지 제어부 208은 구동부 125의 구동량을 조절하여, 기판 W를 수평 방향으로 이동시키고 기판 W의 원하는 위치에 전자빔 EB가 조사되도록 한다. 상기 각 부 202 내지 208은 워크스테이션 등의 통합 제어계 201에 의해 통합적으로 제어된다.

(전자총의 구성)

도 2는, 전자총 101의 구성도를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서, 전자총 101은 열전계(熱電界) 방사형을 사용한다. 전자총 101은 전자 공급원 20, 인출 전 극 21, 인출 전극 21의 아래쪽에 배치되는 가속 전극 25, 전자 공급원 20의 양측에 배치된 탄소제 전자 공급원 가열용 발열체 22, 전자 공급원 20과 전자 공급원 가열용 발열체 22를 지지하는 지지구 23, 및, 지지구 23을 지지하여 둘러싸고 있는 서프레서(suppressor) 전극 24를 포함하고 있다. 전자 공급원은, 예를 들면, 단결정의 LaB₆ 또는 CeB₆를 이용한다.

인출 전극 21은, 전자 공급원 20의 선단에 강한 전계를 형성하고 전자 공급원 20으로부터 전자를 방사시키기 위한 전압이 인가되는 전극이며, 예를 들면, 전자 공급원 20의 전자 방출면으로부터 2㎜ 이하의 거리에 설치된다.

가속 전극 25는, 전자 공급원 20으로부터 방사된 전자를 가속시키기 위한 전압이 인가되는 전극이며, 예를 들면, 인출 전극 21로부터 20㎜의 거리에 설치된다.

이와 같이 구성된 전자총 101에 있어서, 전자총 제어부 202는, 전자 공급원 가열용 전류를 전자 공급원 가열용 발열체 22에 계속 가하여 전자 공급원 20을 1300℃로 가열하고, 전자 공급원 20을 일정 온도로 유지한 상태에서, 서프레서 전극 24와 인출 전극 21 사이에 강한 전계를 인가하여 전자 공급원 20으로부터 전자를 인출한다. 또한, 인출 전극 21의 아래쪽에 배치된 가속 전극 25에 전압을 인가하여 소정 에너지의 전자빔 29를 이끌어내고, 전자빔 29를 웨이퍼 스테이지 124 상에 고정되어 있는 레지스트가 도포된 기판 W에 조사시킴으로써, 전자빔 노광이 이루어진다.

여기서, 서프레서 전극 24에 걸리는 전압은 -0.1 내지 -0.5㎸이며, 인출 전 극 21에 걸리는 전압은 2.0 내지 4.0㎸이다. 이들 전압은 전자 공급원 20의 전위에 대한 값이며, 통상적으로 실제 어스 그라운드(earth ground)에 대해서는 전자 공급원 20이 -50㎸이므로, -50㎸를 가산한 값이 된다.

또한 본 실시 형태에서는, 전자 공급원 20을 가열하면서 강한 전계를 걸어서 전자를 방사시키고 있다. 이로써, 전자 공급원 20의 표면에 가스 분자가 흡착하는 것을 방지할 수 있고, 전자빔의 휘도의 저하를 방지할 수 있다.

또한 상기 전극에 추가하여, 인출 전극 21과 가속 전극 25 사이에 정전 렌즈 전극 26을 설치해도 좋다. 정전 렌즈 전극 26은 전자 공급원 20으로부터 조사되는 전자 조사의 개각도(開角度)를 조정하기 위한 전극이며, 가속 전극 25에 전자가 조사되지 않도록 하는 전압이 인가된다.

도 3은, 전자총을 구성하는 전극간의 전위 분포의 일례를 도시하는 도면이다. 도 3의 횡축은 전자 공급원 20의 전자 방출면으로부터의 거리를 나타내고, 종축은 전위를 나타낸다. 도 3의 x1는 인출 전극 21의 위치, x2는 정전 렌즈 전극 26의 위치를 나타낸다. 또한 도 3에서는, 가속 전극 25의 전위를 0[㎸]로 하고, 전자 공급원 20의 전자 방출면의 전위를 -50[㎸]로 한 경우에 대해 도시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 정전 렌즈 전극 26의 위치에, 전압이 전자 방출면의 캐소드 전압보다 매우 조금 높은 전위를 갖는 전자 렌즈를 형성함으로써, 전자 조사의 개각도가 감소하고 가속 전극 25에 전자가 부딪히지 않도록 할 수 있다. 이로써, 가속 전극 25에 전자빔이 조사되어 열이 발생하지 않게 되고, 노광 장치 내의 진공도의 저하를 방지할 수 있게 된다.

(인출 전극의 구성)

다음으로, 본 실시 형태에서 사용하는 인출 전극 21의 구성에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

전자빔 노광 장치에서는, 전자빔의 휘도를 크게 하는 것이 쓰루풋 향상을 위해 중요하다.

전자빔의 휘도를 크게 하기 위해서 전자 공급원 20의 전자 방출면 20a에 강한 전계가 걸리도록 한다. 도전체의 표면에 강한 전계가 걸리도록 함으로써, 전자를 표면 내에 가두고 있는 포텐셜 장벽이 낮아져서, 전자의 터널 현상이 일어나고 표면으로부터 전자를 방출시킬 수 있다. 따라서, 부(負) 전계 강도를 전자 방출면 20a 부근에서 크게 할 수 있으면, 전자 방출면 20a로부터 다량의 전자를 방출시킬 수 있게 된다.

통상적으로, 인출 전극 21을 사용하여 전자 공급원로부터 전자를 방사시키지만, 본 발명자 등은 전자 방출면 20a 부근의 전계 강도를 보다 강화시키기 위해 인출 전극 21의 형상에 주목하였다.

도 4는, 인출 전극 21의 형상을 도시하는 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인출 전극 21은 중앙에 개구부 21a를 포함하고, 광축(光軸)을 중심으로 하여 전자 공급원 20을 향하는 구상 요면(球狀 凹面) 21b를 포함한다. 전자 방출면 20a는, 예를 들면, 직경 50㎛이고, 인출 전극 21의 개구부 21a의 직경은 100㎛이다. 또한, 인출 전극 21의 구상 요면 21b는 광축 상에 중심을 가지며, 반경 200㎛의 구 면의 일부이다. 또한, 전자 방출면 20a와 인출 전극 21의 하면까지의 거리는 200㎛이다.

이하, 인출 전극 21에 구상 요면 21b를 형성함으로써 전자 방출면 20a 부근의 전계 강도를 강화시킬 수 있는 것에 대하여 설명한다.

도 5는, 전자 공급원 20의 전자 방출면 20a와 인출 전극 21 사이의 전계에 의한 전위 분포를 도시한다. 도 5에 있어서, 파선은 등전위면을 나타낸다. 도 5(a)는 인출 전극 21의 형상이 평판상인 경우의 전위 분포를 나타내고, 도 5(b)는 도 4에 도시된 인출 전극 21을 사용한 경우의 전위 분포를 나타낸다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 인출 전극 21의 형상이 평판인 경우 인출 전극 21의 부근에서 등전위면은 실질적으로 전극에 평행하며, 전자 방출면 20a와의 사이의 등전위면도 실질적으로 평행하게 된다. 도 5(b)에서, 인출 전극 21의 구상 요면 21b는 그 구(救)의 중심을 향해 전계가 걸리므로, 등전위면은 구상이 된다.

이와 같이, 전자 공급원 20의 전자 방출면 20a에 대향하는 인출 전극 21의 형상을 구상 요면으로 함으로써, 그 사이의 등전위 분포를 구상으로 할 수 있다. 특히, 전자 방출면 20a를 구면으로 함으로써, 외관상 하나의 점으로부터 전자가 나오도록 할 수 있다. 하나의 점으로부터 전자가 나오도록 함으로써, 전자빔의 휘도를 극히 크게 할 수 있다.

도 6은, 전자 방출면 20a로부터의 거리와 전계 강도의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6의 파선은 인출 전극 21의 형상을 평판상으로 한 경우의 전계 강도를 나타내고, 도 6의 실선은 인출 전극 21의 형상을 도 4에 도시된 형상으로 한 경우 의 전계 강도를 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인출 전극 21의 형상을 평판상으로 한 경우, 전자 방출면 20a로 향할수록 거리에 비례하여 전계 강도가 증가한다. 또한, 도 4에 도시된 인출 전극 21의 형상으로 한 경우, 전계 강도는 전자 방출면으로부터의 거리와 반비례의 관계가 된다. 이와 같이, 인출 전극 21에 구상 요면 21b를 형성함으로써, 전자 방출면 20a 부근에서의 전계 강도를 극히 크게 할 수 있다.

또한, 전자 방출면 20a를 구면이 아닌 평면으로 하는 경우에는, 하나의 점으로부터 전자가 나오도록 할 수 없지만, 전자는 최소 착란원(錯亂圓)으로부터 나오도록 행동한다. 따라서, 최소 착란원의 크기에 의존하지만, 평판의 인출 전극인 경우보다 전자빔의 휘도를 크게 할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태의 인출 전극을 사용하면, 전자 방출면 20a 부근의 전계 강도를 종래보다 크게 할 수 있고, 전자 공급원 20으로부터 다량의 전자를 방출시킬 수 있게 된다.

따라서, 인출 전극 21의 전자 공급원 20으로 향하는 면을 구상 요면 21b로 함으로써, 종래와 같은 전압을 인출 전극 21에 인가한 경우에 전자 방출면 20a 부근의 전계 강도를 종래보다 큰 값으로 할 수 있게 된다. 또한, 인출 전극 21에 인가하는 전압을 종래보다 작게 한 경우에도, 전자 방출면 20a 부근의 전계 강도를 종래와 동등하거나 종래보다 큰 값으로 할 수 있게 된다. 예를 들면, 종래의 인출 전극 21에는 3.0㎸ 내지 6.0㎸의 전압을 인가했지만, 본 실시 형태의 인출 전극 21에서는 2.0㎸ 내지 4.0㎸의 전압을 인가해도 좋다.

(전자 공급원의 구성)

다음으로, 본 실시 형태에서 사용하는 전자 공급원 20의 구성에 대해 설명한다.

도 7은 전자총 101을 구성하는 전자 공급원 20의 부분 및 전극을 도시하는 단면도이다.

전자 공급원 20은 선단부가 원추형으로 형성되고, 주위는 탄소 30으로 덮인다. 상기 탄소 30은, 예를 들면, CVD법에 의해 전자 공급원 20의 윗표면에 형성된다. 전자 공급원 20의 선단에서는 전자 공급원 20의 재료가 노출되고, 노출 부분은 평탄화된다.

전자 공급원 20의 선단은, 서프레서 전극 24와 인출 전극 21 사이에 위치하도록 배치된다. 서프레서 전극 24에는 0 또는 마이너스의 전압이 인가되고, 전자 공급원 20의 선단 이외의 부분으로부터 방출되는 전자를 차폐하는 기능을 한다. 전계 강도는, 인출 전극 21과 서프레서 전극 24 사이의 전압차와, 전자 공급원 20의 선단의 높이, 각도 및 선단의 평탄부의 직경으로 결정된다. 전자 공급원 20의 선단 평탄부는 서프레서 전극 24 및 인출 전극 21와 평행이 되도록 배치된다.

전자 공급원 20은 선단이 원추형으로 되고, 전자를 방출하는 전자 방출면 20a는 평탄하게 된다. 원추형의 전자 공급원 20의 주위에는 전자 공급원 20을 구성하는 재료와는 다른 재료로 덮여 있다. 원추형의 부분은 원추각이 50도 이하인 것이 바람직하다. 전자를 방출하는 면은 직경 10㎛에서 100㎛가 바람직하고, 통상 적으로 40㎛가 바람직하다. 또한, 전자 공급원 20의 주위를 덮는 재료의 두께는 10㎛가 바람직하다. 다만, 이 다른 재료에 의한 피복은, (1) 전자 공급원 20으로부터 전자가 방출되지 않도록 하는 것, 및, (2) 기체(基體)인 전자 공급원 20의 재료의 승화ㆍ증발을 억제하는 것의 두 가지 목적을 위한 것이며, 피복 재료의 두께의 값은 전계 강도, 사용하는 재료에 의존한다. 피복 재료가 사용 온도에서 증발하여 소모되는 것이 작으면, 전계 강도를 상승시키기 위해 얇은 것이 좋다.

전자 공급원 20에 가해지는 온도는, 전자 공급원 20을 구성하는 재료가 승화하는 온도보다 낮은 온도로 하고 있다. 이 온도는, 예를 들면, 1100℃ 내지 1450℃이다. 이는, 전자 공급원 20으로부터 열전자를 방출시키기 위해서 고온을 준 경우에는 전자 공급원 20이 승화를 일으키고, 전자 방출면 20a가 감소하고 변형되어 버리므로, 승화를 일으키지 않을 정도의 온도로 하기 위함이다. 온도를 내린 경우라도, 고온을 가한 경우에 얻을 수 있었던 전류 밀도 및 휘도를 달성할 필요가 있다. 이를 위해, 강한 전계가 전자 공급원 20의 선단부에 걸려 전자를 인출하도록 하고 있다. 예를 들면, 온도를 1500℃로부터 200℃ 떨어뜨린 경우에 일 함수(work function)를 0.3eV 저감할 수 있으면, 1500℃에서 온도를 떨어뜨리지 않고 열전자 방사에 의해 얻을 수 있는 것과 같은 전자빔의 휘도를 얻을 수 있다. 일 함수를 0.3eV 저감하더라도 전자를 방출시키기 위해, 전자 공급원 20에 높은 전계를 인가하여 전자를 방출시킨다.

이 때, 높은 전계가 걸리기 때문에, 전자 방출 부분이 되는 전자 공급원 20의 선단 부분 뿐만 아니라 원추형으로 형성된 전자 공급원 20의 측면 부분으로부터 도 전자가 인출되어 버린다. 이로 인해, 원하는 전자빔의 양 및 형상을 얻을 수 없게 되거나, 주변으로부터의 여분의 전자에 의한 공간 전하 효과의 발생에 의해 중심부로부터 발생하는 전자빔의 휘도가 낮아지거나 하는 경우가 있다. 이를 방지하기 위해, 전자 공급원 20의 전자 방출 부분 이외의 부분을 전자 공급원 20의 재료와 다른 재료로 덮도록 한다. 상기 다른 재료로서, 전자 공급원 20을 구성하는 재료보다 일 함수가 큰 물질을 선택한다.

또한, 전자 공급원 20으로서 LaB₆를 사용한 경우에는, LaB₆와 반응을 일으키지 않고 LaB₆보다 일 함수가 큰 탄소(C)을 이용하는 것이 바람직하다. 이 탄소는 산소와 반응하기 때문에, 탄소막의 두께가 얇으면 이산화탄소(CO₂)로서 증발해서 없어질 것이 예상된다. 따라서, 탄소막의 두께는 2㎛ 내지 10㎛로 하는 것이 바람직하다. LaB₆와 유사한 성질을 갖는 CeB₆에 대해서도 마찬가지의 탄소 재료가 피복 물질로서 유효하다.

도 8은, 전자 공급원 20의 선단 부분의 원추각의 크기를 변경한 전자 공급원 20의 단면도를 도시한다. 일반적으로, 원추형상의 전자 공급원 20의 선단 반경이 작을수록, 또한 선단 각도가 작을수록 선단 부분에 강한 전계 집중이 일어나고 전자 공급원 20 내의 전자가 표면의 일 함수 장벽을 터널 현상에 의해 통과하기 쉬워진다. 그러나, 극단적으로 선단 부분을 가늘게 하면, 전자 공급원 20 자체의 강도가 약해진다. 그러므로 전자 공급원 20의 강도 및 전계 강도를 고려하여 전자 공급원 20의 선단의 각도를 결정한다.

도 8(a)은, 전자 공급원 20의 선단 부분의 원추각을 90도 정도로 한 경우이다. 도 8(b)은, 도 8(a)보다 전자 공급원 20의 선단 부분의 원추각을 작게 한 경우이다. 종래에는, 도 8(a)과 같이 전자 공급원 20의 선단 부분의 원추각을 90도 정도로 하여 사용하였다. 도 8(b)과 같이 선단 각도를 작게 할수록, 강한 전계가 되고 전자를 용이하게 방출할 수 있게 된다. 또한, 경통 내에 존재하는 이온 등의 미립자가 전자 공급원의 선단 부분에 충돌하기 어려워지므로, 이온 등에 의한 전자 공급원 표면의 소모와 변형 효과를 저감할 수 있게 된다.

본 실시 형태에서는, 전자 공급원 20의 선단부의 각도를 30도 정도로 한다. 전자 공급원 20의 재질, 전자 공급원 20의 길이나 폭 등의 크기에도 의존하지만, 종래 사용되어 온 것보다 장기간 안정적으로 사용할 수 있다.

(전자 공급원의 표면에 전자 방출을 제한하는 영역을 형성하는 방법)

다음으로, 상기 전자 방출을 제한하는 영역을 전자 공급원 20에 형성하는 방법에 대해 설명한다.

여기에서는, 도 8에 도시된 구조의 전자 공급원을 예로 하고, 전자 공급원 20으로서 LaB₆의 단결정을 이용한 경우에 대해 설명한다.

우선, LaB₆ 단결정을 선단이 원추형이 되도록 가공한다.

다음으로, 전자 방출을 제한하는 영역을 형성하기 위해 탄소 30을 LaB₆ 단결정의 표면에 코팅한다. 이 코팅은, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 진공 증착 법, 스패터링(spattering)법 등 어느 방법이어도 좋다. 이 경우, 코팅하는 막의 두께는 전자 방출 표면의 일 함수를 충분히 변화시키고(LaB₆보다 크게 함), LaB₆ 재료의 증발을 방지할 수 있는 두께라면 좋다. 또한, 탄소를 사용하는 경우는 탄소가 산소와 반응하여 CO₂가 되어 증발하는 것을 고려하여 탄소의 두께를 2㎛ 내지 10㎛로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 전자 공급원 20의 선단부를 직경 1㎛ 내지 200㎛의 두께로 평탄하게 되도록 코팅한 막과 함께 연마한다.

(노광 방법)

다음으로, 본 실시 형태의 전자총을 사용한 노광 장치의 노광 방법에 대해 설명한다.

일반적으로, 전자빔 노광 장치에 대해서는 전자총 101이나 서프레서 전극 24, 인출 전극 21, 정전 렌즈 전극 26, 가속 전극 25가 격납되는 전자총실(電子銃室)(도시되지 않음) 내를 클리닝하기 위해서, 사용 개시시에 컨디셔닝(conditioning)을 실시한다. 컨디셔닝에서는, 전자총 101을 구성하는 전극(전자 공급원 20, 서프레서 전극 24, 인출 전극 21, 정전 렌즈 전극 26)과 가속 전극 25 간에 고전압, 예를 들면, 통상 사용시의 전압(50㎸)의 1.6배 정도의 전압(80㎸)을 인가하여 방전을 일으키게 하여 전자총실 내의 먼지를 제거한다.

상기 컨디셔닝에 있어서, 만약 인출 전극 21, 정전 렌즈 전극 26이 생략되어 이들 전극이 설치되지 않고, 전자 공급원 20과 가속 전극 25가 직접 마주보는 구조인 경우에는, 전자 공급원 20으로부터 방전이 일어나고 전자 공급원 20이 용해하거나 파손될 우려가 있다.

이를 방지하기 위해서, 컨디셔닝 시에는 인출 전극 21을 설치하고 상기 인출 전극 21의 전위를 전자 공급원 20의 전위보다 낮은 전위가 되도록 하여, 전자 공급원 20으로부터 전자를 인출하지 않도록 한다.

소정의 시간, 예를 들면, 1 내지 수십 시간의 컨디셔닝이 종료한 후에, 전자 공급원 전체에 인가하는 전압을 통상적인 사용 전압값으로 되돌리고, 인출 전극 21의 전위를 전자 공급원 20의 전위보다 높은 전위로 하여 통상적인 사용 상태로 한다.

이와 같이, 고전압을 전극에 인가하는 컨디셔닝에 있어서, 인출 전극 21의 전위를 전자 공급원 20의 전위보다 낮게 하므로, 전자 공급원 20으로부터 전자가 인출되는 것을 억제할 수 있고 전자 공급원 20의 용해를 방지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전자총 101의 선단부를 평탄하게 하고, 또한 전자 방출면 20a와 전자 공급원 20의 측면을 덮는 이종 물질이 동일한 평면상에 놓이도록 형성하였다. 상기 실시 형태에서는, 전자 공급원 20에 가하는 열은 전자 공급원 20을 구성하는 재료가 승화를 일으키지 않는 정도이므로, 전자빔을 방사해도 전자 공급원 20이 변형하지 않을 것으로 보아 상기와 같은 구조로 하였다.

그러나, 승화가 발생하지 않는 소정의 온도의 열을 가했다고 해도 어떠한 원인으로 소정의 온도 이상이 되는 경우도 생각할 수 있고, 실제로 예측의 범위를 넘 어 전자 공급원 재료의 소모가 일어나 평탄면이 유지될 수 없게 되고, 시간이 흐르면서 중심이 함몰해 갈 것이 예측될 수 있다. 따라서 이와 같은 경우도 고려하여, 전자 공급원 20의 선단의 전자 방출면 20a와 주위의 이종 물질면을 동일 평면상에 형성하지 않고, 도 9에 도시된 바와 같이 전자 방출면 20a를 포함하는 선단 부분이 이종 물질면보다 돌출하도록 형성해도 좋다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전자 공급원의 측면을 전자의 방출을 제한하는 영역으로서 설명했지만, 도 10에 도시된 바와 같이, 전자 방출면 60a 및 통전(通電)하여 가열하는 탄소 팁 62에 삽입된 부분을 제외한 전자 공급원 60의 측면(61, 61a)과 이면 61b를 이종 물질로 덮어도 좋다. 이와 같이 함으로써, 전자 공급원 60의 승화를 감소시켜 웨넬트(Wehnelt) 등으로의 부착물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.

(효과)

상기한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 인출 전극 21의 전자 방출면 20a에 대향하는 부분을 구상 요면으로 하고 있다. 이로써, 인출 전극 21과 전자 방출면 20a 사이의 전위 분포를 구면상(球面狀)으로 할 수 있고, 전자 방출면 부근의 전위를 극히 크게 할 수 있다. 따라서, 열전계 방사형의 전자총을 사용하여 저온에서 동작하게 해도 전자빔의 휘도를 크게 할 수 있게 된다.

또한, 전자 공급원 20의 팁의 선단부의 전자 방출면 20a만을 노출시키고 그 외의 측면 부분은 이종 물질로 커버한다. 이와 같은 전자 공급원 20을 포함하는 전자총 101을 저온에서 동작시키므로 팁의 승화가 실질적으로 일어나지 않는다. 이로써, 전자 공급원 20의 전자 방출면 20a가 변형하지 않고 전자총 101을 장기간 안정적으로 사용할 수 있다.

또한, 팁의 승화가 일어나지 않는 온도에서 전자총 101을 동작시키기 위해, 전자 방출면 20a 부근의 전위를 크게 하는 강한 전계가 걸리도록 한다. 이와 같이 강한 전계가 걸리도록 해도, 탄소 30으로 전자 공급원 20의 측면을 덮으므로, 전자 공급원 20의 측면으로부터 전자가 방출되지 않는다. 이로써, 전자빔의 형상이 변하지 않고, 불필요한 곳이 고온이 되어 진공도가 하락하는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 사실상 LaB₆의 노출 표면이 전자총 선단 중심부만이므로, 종래와 같이 측벽 부분이나 이면 등의 큰 면적 부분으로부터의 승화ㆍ증발에 의한 웨넬트의 내면에의 LaB₆의 부착을 방지할 수 있다.

본 실시 형태의 전자총 101을 사용하면, 전자 공급원 20의 승화의 발생을 억제하고 전자 공급원 20을 구성하는 LaB₆나 CeB₆의 물질이 그리드의 이면에 부착하는 것을 방지할 수 있다. 만약, 이와 같은 물질이 그리드의 이면에 부착하면, 이 부착물이 휘스커(whisker)가 되고 이 위에 전자가 모여 미소 방전을 일으킬 우려가 있다. 그러한 경우에는, 전자빔 노광 장치를 사용한 때에 전자빔의 양과 조사 위치가 안정되지 않는 현상이 일어난다. 따라서, 비록 전자총 101의 전자 공급원 20의 변형이 작더라도, 미소 방전을 일으키는 상태가 된 경우에는 전자빔 노광 장치는 안정적으로 사용될 수 없게 된다.

종래의 전자총에서는, 이와 같은 미소 방전이 일어날 때까지의 기간은 100h 내지 500h로 생각되었다. 이에 대해, 본 실시 형태의 전자총 101을 이용하면, 상기한 바와 같이 전자 공급원 20의 승화가 실질적으로 발생하지 않게 되므로, 미소 방전이 일어날 때까지의 기간도 종래에 비해 수배이상 길어질 수 있다. 이는, 종래보다 온도를 50℃ 내지 200℃ 내려서 사용하기 때문에, 전자 공급원의 승화가 몇 분의 1 내지 100분의 1이 되기 때문이다. 이로써, 안정적으로 전자빔 노광 장치를 사용할 수 있는 기간을 연장시킬 수 있게 된다.

또한, 전자총 101을 복수 사용하여 하나의 웨이퍼 상에 노광하는 다중 원주(multi-column)형 전자빔 노광 장치에 있어서, 본 실시 형태의 전자총 101을 사용함으로써 안정적으로 사용할 수 있는 기간이 종래에 비해 현저히 늘어나게 된다. 종래의 전자총을 사용하면, 상기와 같이 100h 내지 500h에서 미소 방전이 일어나므로 단기간의 사용마다 조정이 필요하게 된다. 그러므로, 복수의 전자총을 사용한 경우라도 하나의 전자총이 불안정하게 되면 장치 전체를 정지하지 않으면 안 되고, 가동률이 저하되며 쓰루풋을 향상시킬 수 없다. 이에 대해, 본 실시 형태의 전자총을 다중 원주형 전자빔 노광 장치에 사용함으로써 가동률이 저하되지 않고 실질적으로 노광 처리의 쓰루풋을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (11)

1. 전자총에 있어서,

   전자를 방출하는 전자 공급원;

   상기 전자 공급원의 전자 방출면과 대향하여 배치되고 상기 전자를 가속하는 가속 전극;

   상기 전자 방출면과 상기 가속 전극 사이에 배치되고, 상기 전자 방출면을 향하고 광축(光軸) 상에 중심을 갖는 구상(球狀)의 요면(凹面)을 포함하며, 당해 전자 방출면으로부터 전자를 인출하는 인출 전극; 및

   상기 전자 방출면의 상기 인출 전극과 반대 측에 배치되고, 상기 전자 공급원의 측면으로부터의 전자 방출을 억제하는 서프레서(suppressor) 전극을 포함하되,

   상기 전자 공급원의 재료의 승화가 발생하지 않는 정도의 낮은 온도로 유지하면서 상기 전자 방출면에 전계를 인가하여 열전계 방사 전자를 방출시키는 전자총.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전자 공급원의 재료는 란탄 헥사보라이드(LaB₆) 또는 세륨 헥사보라이 드(CeB₆)인 전자총.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전자 공급원의 선단부의 전자 방출면 이외의 전자 공급원의 측면은, 상기 전자 공급원과 다른 일 함수(work function)가 큰 물질로 덮이는 전자총.
4. 제3항에 있어서,

   상기 다른 물질은 탄소인 전자총.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 온도는 1100℃ 내지 1450℃인 전자총.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 인출 전극은, 상기 전자 방출면으로부터 2㎜이하의 거리에 설치되는 전자총.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 인출 전극과 상기 가속 전극 사이에 정전(靜電) 렌즈 전극이 설치되는 전자총.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 방출면은, 직경이 1㎛ 내지 200㎛인 평탄 부분을 포함하는 전자총.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자 공급원의 선단부는 실질적으로 원추형이며, 원추각이 50도 이하인 전자총.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전자총을 포함하는 전자빔 노광 장치.
11. 제10항에 기재된 전자빔 노광 장치를 이용한 전자빔 노광 방법에 있어서,

    소정 시간 동안, 상기 인출 전극의 전위가 상기 전자 공급원의 선단부의 전위보다 낮아지도록 전압을 인가하고, 전자 공급원 전체에 통상적인 사용 전압값보다 절대값이 큰 전압을 인가한 후,

    상기 전자 공급원 전압을 통상적인 사용 전압값으로 되돌리고,

    상기 인출 전극의 전위가 상기 전자 공급원의 선단부의 전위보다 높아지도록 전압을 인가하여 노광을 행하는 노광 방법.

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