JP7573457B2 - 電子銃の陰極機構、電子銃、及び電子ビーム描画装置 - Google Patents

電子銃の陰極機構、電子銃、及び電子ビーム描画装置 Download PDF

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Description

本発明の一態様は、電子銃の陰極機構、電子銃、及び電子ビーム描画装置に関する。
半導体デバイスの微細化の進展を担うリソグラフィ技術は半導体製造プロセスのなかでも唯一パターンを生成する極めて重要なプロセスである。近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。ここで、電子線（電子ビーム）描画技術は本質的に優れた解像性を有しており、マスクブランクスへ電子線を使ってマスクパターンを描画することが行われている。
例えば、マルチビームを使った描画装置がある。１本の電子ビームで描画する場合に比べて、マルチビームを用いることで一度に多くのビームを照射できるのでスループットを大幅に向上させることができる。かかるマルチビーム方式の描画装置では、例えば、電子銃から放出された電子ビームを複数の穴を持ったマスクに通してマルチビームを形成し、各々、ブランキング制御され、遮蔽されなかった各ビームが光学系で縮小され、マスク像が縮小されて、偏向器で偏向され試料上の所望の位置へと照射される。
電子ビームを放出する熱電子銃では、陰極（カソード）の高輝度化に伴い、カソードの動作温度が高くなっている。従来のカソードは、電流が流れる複数の部品を機械的に接合して組み立てている。そのため、電気的な接触箇所が複数存在し、カソード全体の抵抗が不安定になるといった問題があった。また、電流が流れる複数の部品を絶縁部となるセラミック内で固定している場合、加熱時にセラミックも高温となり絶縁破壊が生じやすいといった問題があった。
ここで、１対の通電用の端子と、各端子から徐々に断面積が小さくなるように延びる１対の脚部と、最細部で１対の脚をつなぎ、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）の粉末を載せる支持部とがガラス状カーボンで一体に形成されたカソード機構が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１－０８４９３２号公報
本発明の一態様は、カソードの抵抗の安定性と絶縁破壊の抑制とを図ると共に、効率よく結晶を加熱可能な陰極機構を提供する。
本発明の一態様の電子銃の陰極機構は、
加熱することで一端面から熱電子を放出する結晶と、
一端面を露出し、結晶の他の面の少なくとも一部を被覆した状態で、結晶を保持する保持部と、
保持部を支持する、それぞれ同一断面サイズを維持した状態で延びる第１と第２の支柱と、
第１の支柱を固定する第１のベース部と、
第２の支柱を固定する第２のベース部と、
を備え、
保持部と第１と第２の支柱と第１と第２のベース部とが同一材料による、板状のベース部分の中央に円柱を直立させた形状に形成された母材を加工することによって一体構造により形成され、一体構造に電流を流すことで結晶を加熱することを特徴とする。
また、第１と第２の支柱は、３辺が直線で１辺が曲線の断面構造を有すると好適である。
また、結晶は、円柱状と円錐台状との少なくとも一方の形状に形成されると好適である。
また、第１と第２の支柱は、保持部を介して結晶を加熱するためのヒータとして機能すると好適である。
また、一端面内の結晶方位が同一であると好適である。
また、一体構造の材料として、グラファイト、タンタル、タングステン、及びイリジウムのうち１つが用いられると好適である。
本発明の一態様の電子銃は、
上述した電子銃の陰極機構と、
結晶よりも正の電位の状態に制御され、結晶から放出される熱電子を引き出すアノード電極と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様の電子ビーム描画装置は、
上述した電子銃と、
電子銃から放出された熱電子を用いて試料にパターンを描画する描画機構と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、カソードの抵抗の安定性と絶縁破壊の抑制とを図ると共に、効率よく結晶を加熱できる。
実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す上面図である。 実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す参考用斜視図である。 実施の形態１の比較例１における陰極機構の一例を示す構成図である。 実施の形態１の比較例２における陰極機構の一例を示す構成図である。 実施の形態１における描画装置の構成の一例を示す図である。 実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。 実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ機構の構成を示す断面図である。 実施の形態１における描画動作の一例を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるマルチビームの照射領域と描画対象画素との一例を示す図である。 実施の形態１におけるマルチビームの描画方法の一例を説明するための図である。
以下、実施の形態では、電子ビームとして、マルチビームを用いた構成について説明する。但し、これに限るものではなく、シングルビームを用いた構成であっても構わない。また、以下、描画装置について説明するが、熱電子放出源から放出される電子ビームを用いる装置であれば、描画装置以外の装置であっても構わない。例えば、画像取得装置、或いは検査装置等であっても構わない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す断面図である。
図２は、実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す上面図である。
図３は、実施の形態１における電子銃の陰極機構の構成の一例を示す参考用斜視図である。図３に示す陰極機構の形状の一部は、図１及び図２が示す形状と一致していない。図１及び図２において、電子銃のカソード機構２２２（陰極機構）は、結晶１０と、保持部１２と、１対の支柱１４，１６と、１対のベース部１８，１９とを備える。
結晶１０は、加熱することで一端面となる電子放出面１１から熱電子を放出する。結晶１０の材料として、例えば、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）が用いられる。結晶１０の電子放出面１１内の結晶方位は、同一である。例えば、（１００）或いは（３１０）の結晶方位を有すると好適である。結晶１０は、円柱状と円錐台状との少なくとも一方の形状に形成される。例えば、図１に示すように、円柱状の下部と円錐台状の上部との組み合わせに形成されると好適である。或いは、下部から上部まで円柱状に形成されても構わない。或いは下部から上部まで円錐台状に形成されても構わない。或いは角柱であっても構わない。
保持部１２は、結晶１０の電子放出面１１を露出し、結晶１０の他の面の少なくとも一部を被覆した状態で、結晶１０を保持する。円柱状の保持部１２の上面の中央部に所定の深さで穴を形成する。穴のサイズは、結晶１０のサイズに合わせる。かかる穴に結晶１０を下部側から嵌め込むことで結晶１０を保持する。これにより、図１の例では、結晶１０の底面と、下部側の側面を被覆する。被覆する面で保持部１２は結晶１０に接触し、結晶１０を加熱すると共に、結晶１０に加速電圧を印加する。結晶１０が例えば円柱、円錐台、或いはこれらの組み合わせである場合、保持部１２の穴の形状は円柱にすればよい。結晶１０が例えば角柱である場合、保持部１２の穴の形状が角柱にすればよい。
１対の支柱１４（第１の支柱）と支柱１６（第２の支柱）は、保持部１２を支持する。１対の支柱１４，１６は、それぞれ同一断面サイズを維持した状態で延びる。１対の支柱１４，１６は、隙間の幅Ｗを開けて配置される。１対の支柱１４，１６は、保持部１２を介して結晶１０を加熱するためのヒータとして機能する。
１対のベース部１８，１９は、１対の支柱１４，１６を固定する。具体的には、ベース部１８は、支柱１４の下側端を固定する。ベース部１９は、支柱１６の下側端を固定する。ベース部１８は、碍子５４に支持された、金属製の配線５０に接続され、配線５０によって支持される。ベース部１９は、碍子５４に支持された、金属製の配線５２に接続され、配線５２によって支持される。
保持部１２と、１対の支柱１４，１６と、１対のベース部１８，１９とは、同一材料による一体構造により形成される。一体構造の材料として、グラファイト、タンタル、タングステン、及びイリジウムのうち１つを用いることができる。保持部１２と、１対の支柱１４，１６と、１対のベース部１８，１９とを一体構造に形成する場合、まず、板状のベース部分の中央に円柱を直立させた形状に母材を形成する。ベース部分の幅Ｌは、円柱の直径φに比べて十分大きいサイズにすると好適である。例えば、２倍以上のサイズに形成する。図２及び図３の例では、例えば３倍程度のサイズで形成される場合を示している。そして、ベース部の長手方向の中央部であって円柱の中央部を通る位置に保持部１２にあたる部分を残して幅Ｗの切込み加工を施して、ベース部１８とベース部１９とを分離すると共に、支柱１４と支柱１６とを分離する。これにより、ベース部１８、支柱１４、保持部１２、支柱１６、及びベース１９の順で電流が流れる直列の流路を形成できる。また、円柱状の保持部１２の上面の中央部に所定の深さで穴を形成する。穴の径サイズは、結晶１０のサイズに合わせる。穴の深さは、結晶１０長さ以下に設定すると好適である。これにより一体構造の保持部１２と、１対の支柱１４，１６と、１対のベース部１８，１９とを形成できる。
電線５０を介して幅Ｌのベース部１８に流れる電流は、断面積が大きいため抵抗を小さく抑えることができ、発熱量を抑制できる。そして、ベース部１８から急激に断面積が小さくなる支柱１４では抵抗が大きいため、発熱量を増大させることができる。ここで、例えば、徐々に断面積を小さくする形状では、抵抗が小さい部分が少なく必要な発熱量を得るためには大きな電力が必要となってしまう。これに対して実施の形態１では、支柱１４は、小さい断面積を維持したまま保持部１２に向かって延びるため抵抗が大きい状態を維持できる。よって、必要な発熱量を得る際に、小さい電力で効率よく発熱できる。支柱１６についても同様である。
１対の支柱１４，１６は、上述したように直径φの円柱部分から削り出される。直径φの円柱部分は、保持部１２の領域を残して、中央部に幅Ｗの切込みを形成することにより２つの半割状部分に削り出される。さらに、図１の右上の１対の支柱の上面図に示したように、半割された部分の両側の部分２，３，４，５をそれぞれ削り、断面の外側辺が円弧状となった幅Ｄの１対の支柱１４，１６が形成される。これにより、支柱１４，１６は、３辺が直線で１辺が曲線の断面構造を有する。半割された部分の両側の部分２，３，４，５をさらに削ることで、支柱１４，１６の断面積をさらに小さくできる。断面積を小さくすることで抵抗を高め、電流を流す際に効率よく温度を上昇させることができる。
このように、例えばグラファイト材を旋盤加工により作った円柱から、スリット（Ｗ）と部分２，３，４，５を削りとることで容易にヒータが製作できる。言い換えれば、作りやすい構造である。さらに、旋盤加工により均等であり弱い負荷で作り上げられた応力が少ない円柱なので、円柱自体にクラック等が発生しにくい。さらに、断面積が小さく抵抗を高めることができ、かつ断面が四角形より強度が向上する。
図４は、実施の形態１の比較例１における陰極機構の一例を示す構成図である。図４において、比較例１では、例えば円盤状のセラミックベース３５４を外部から垂直に貫通し固定される２本のリード線３５０が、セラミックベース３５４を貫通後に互いに内側に曲がって延びる。そして、２本のリード線３５０の先端部分で板状のパイロリティックグラファイト（ＰＧ）３１２により結晶３１０を挟み込む。かかる構成では、各リード線３５０と各ＰＧ３１２との機械的及び電気的接合箇所、及び両ＰＧ３１２と結晶３１０との機械的及び電気的接合箇所が存在する。特に、結晶３１０が板状の各ＰＧ３１２の先端部分での接合になる。そのため、これらの接合箇所における接触抵抗が変化しやすいといった問題があった。
図５は、実施の形態１の比較例２における陰極機構の一例を示す構成図である。図５において、比較例２では、例えば円盤状のセラミックベース４５４の上面外周部から２本のベースピン４５０，４５２が斜め内側に延び、ベースピン４５０先端部分に板バネ４１８が接続される。同様に、ベースピン４５２先端部分に板バネ４１９が接続される。板バネ４１８，４１９は、セラミックベース４５４の上面に平行に中央部側に延び、中央部に配置される絶縁性の小さな碍子ブロック４５３内で固定される。碍子ブロック４５３内では、ヒータロッド４１４が板バネ４１８に接続される。同様に、碍子ブロック４５３内では、ヒータロッド４１６が板バネ４１９に接続される。碍子ブロック４５３によってセンターリングされた２本のヒータロッド４１４，４１６は、垂直に延び保持部４１２に接続される。保持部４１２上面に結晶４１０が嵌め込まれる。かかる構成では、ベースピン４５０先端部分と板バネ４１８との機械的及び電気的接合箇所、ベースピン４５２先端部分と板バネ４１９との機械的及び電気的接合箇所が存在する。また、碍子ブロック４５３内においてヒータロッド４１４と板バネ４１８との機械的及び電気的接合箇所が存在する。同様に、碍子ブロック４５３内においてヒータロッド４１６と板バネ４１９との機械的及び電気的接合箇所が存在する。そのため、これらの接合箇所における接触抵抗が変化しやすいといった問題があった。さらに、ヒータロッド４１４，４１６は高温になるため、碍子ブロック４５３自体も高温となる。その結果、元々は絶縁性に優れた材質であるにもかかわらず碍子ブロック４５３内では絶縁不良が生じてしまう。その結果、碍子ブロック４５３内においてヒータロッド４１４，４１６間の絶縁破壊が生じ、陰極機構全体での抵抗が変化してしまうといった問題があった。
さらに、比較例２では、コンタミが碍子ブロック４５３上に堆積し、コンタミがヒータロッド４１４，４１６間を電気的に接続してしまうため、ヒータロッド４１４，４１６間の絶縁破壊が生じ、陰極機構全体での抵抗が変化してしまうといった問題があった。
これに対して、実施の形態１では、保持部１２と、１対の支柱１４，１６と、１対のベース部１８，１９とが、同一材料による一体構造により形成されるので、機械的及び電気的接合箇所を無くすことができる。よって、接触抵抗の変化を無くすことができる。また、１対の支柱１４，１６の各端部は、分離したベース部１８，１９の一方に接続されるものの、碍子ブロックは存在しないので、コンタミが堆積することを回避できる。よって、支柱１４，１６間の絶縁破壊を無くし、陰極機構全体での抵抗の変化を無くすことができる。
以上のように、実施の形態１によれば、カソード機構２２２の抵抗の安定性と絶縁破壊の抑制とを図ると共に、効率よく結晶１０を加熱できる。カソード機構２２２の電気的抵抗を安定させることで、結晶１０の温度変化を抑制し、安定した熱電子を放出させることができる。
図６は、実施の形態１における描画装置の構成の一例を示す図である。図１において、描画装置１００は、描画機構１５０と制御系回路１６０を備えている。描画装置１００は、マルチ電子ビーム描画装置の一例である。描画機構１５０は、電子鏡筒１０２（マルチ電子ビームカラム）と描画室１０３を備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４、縮小レンズ２０５、制限アパーチャ基板２０６、対物レンズ２０７、偏向器２０８、及び偏向器２０９が配置されている。描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象基板となるレジストが塗布されたマスクブランクス等の試料１０１が配置される。試料１０１には、半導体装置を製造する際の露光用マスク、或いは、半導体装置が製造される半導体基板（シリコンウェハ）等が含まれる。ＸＹステージ１０５上には、さらに、ＸＹステージ１０５の位置測定用のミラー２１０が配置される。
電子銃２０１（電子ビーム放出源）は、上述したカソード機構２２２を有する。電子銃２０１は、カソード機構２２２の他に、ウェネルト２２４（ウェネルト電極）及びアノード２２６（アノード電極）を有している。また、アノード２２６は、カソード機構２２２の結晶１０よりも正の電位の状態に制御され、結晶１０から放出される熱電子を引き出す。例えば、アノード２２６は、接地（地絡）されている。
制御系回路１６０は、制御計算機１１０、メモリ１１２、電子銃電源装置１２０、偏向制御回路１３０、デジタル・アナログ変換（ＤＡＣ）アンプユニット１３２，１３４、ステージ位置検出器１３９、及び磁気ディスク装置等の記憶装置１４０を有している。制御計算機１１０、メモリ１１２、電子銃電源装置１２０、偏向制御回路１３０、ＤＡＣアンプユニット１３２，１３４、ステージ位置検出器１３９及び記憶装置１４０は、図示しないバスを介して互いに接続されている。偏向制御回路１３０には、ＤＡＣアンプユニット１３２，１３４及びブランキングアパーチャアレイ機構２０４が接続されている。ＤＡＣアンプユニット１３２の出力は、偏向器２０９に接続される。ＤＡＣアンプユニット１３４の出力は、偏向器２０８に接続される。偏向器２０８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１３４を介して偏向制御回路１３０により制御される。偏向器２０９は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１３２を介して偏向制御回路１３０により制御される。ステージ位置検出器１３９は、レーザ光をＸＹステージ１０５上のミラー２１０に照射し、ミラー２１０からの反射光を受光する。そして、かかる反射光の情報を使ったレーザ干渉の原理を利用してＸＹステージ１０５の位置を測定する。
制御計算機１１０に入出力される情報および演算中の情報はメモリ１１２にその都度格納される。
電子銃電源装置１２０内には、加速電圧電源回路２３６、バイアス電圧電源回路２３４、フィラメント電力供給回路２３１（フィラメント電力供給部）、及び電流計２３８が配置される。
加速電圧電源回路２３６の陰極（－）側が電子鏡筒１０２内のカソード機構２２２の両極の配線５０，５２に接続される。加速電圧電源回路２３６の陽極（＋）側は、直列に接続された電流計２３８を介して接地（グランド接続）されている。また、加速電圧電源回路２３６の陰極（－）は、バイアス電圧電源回路２３４の陽極（＋）にも分岐して接続され、バイアス電圧電源回路２３４の陰極（－）は、カソード機構２２２とアノード２２６との間に配置されたウェネルト２２４に電気的に接続される。言い換えれば、バイアス電圧電源回路２３４は、加速電圧電源回路２３６の陰極（－）とウェネルト２２４との間に電気的に接続されるように配置される。そして、フィラメント電力供給回路２３１は、かかるカソード機構２２２の両極の配線５０，５２間に電流を流してカソード機構２２２内の結晶１０を所定の温度に加熱する。言い換えれば、フィラメント電力供給回路２３１は、カソード機構２２２にフィラメント電力を供給することになる。フィラメント電力とカソード温度Ｔ（結晶１０の加熱温度）は一定の関係で定義可能であり、フィラメント電力によって、所望のカソード温度に加熱することができる。よって、カソード温度Ｔは、フィラメント電力によって制御される。フィラメント電力は、カソード機構２２２の両極間に流れる電流とカソード機構２２２の両極間にフィラメント電力供給回路２３１によって印加した電圧の積で定義される。加速電圧電源回路２３６は、カソード機構２２２とアノード２２６間に加速電圧を印加することになる。バイアス電圧電源回路２３４は、ウェネルト２２４に負のバイアス電圧を印加することになる。
また、描画装置１００の外部から描画データが入力され、記憶装置１４０に格納される。描画データには、通常、描画するための複数の図形パターンの情報が定義される。具体的には、図形パターン毎に、図形コード、座標、及びサイズ等が定義される。
ここで、図６では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。
図７は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板２０３の構成を示す概念図である。図７において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、縦（ｙ方向）ｐ列×横（ｘ方向）ｑ列（ｐ，ｑ≧２）の穴（開口部）２２が所定の配列ピッチでマトリクス状に形成されている。図２では、例えば、縦横（ｘ，ｙ方向）に５１２×５１２列の穴２２が形成される。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ直径の円形であっても構わない。成形アパーチャアレイ基板２０３（ビーム形成機構）は、マルチビーム２０を形成する。具体的には、これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチビーム２０が形成されることになる。また、穴２２の配列の仕方は、図２のように、縦横が格子状に配置される場合に限るものではない。例えば、縦方向（ｙ方向）ｋ段目の列と、ｋ＋１段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ａだけずれて配置されてもよい。同様に、縦方向（ｙ方向）ｋ＋１段目の列と、ｋ＋２段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ｂだけずれて配置されてもよい。
図８は、実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ機構２０４の構成を示す断面図である。ブランキングアパーチャアレイ機構２０４は、図８に示すように、支持台３３上にシリコン等からなる半導体基板３１が配置される。基板３１の中央部は、例えば裏面側から削られ、薄い膜厚ｈのメンブレン領域３３０（第１の領域）に加工されている。メンブレン領域３３０を取り囲む周囲は、厚い膜厚Ｈの外周領域３３２（第２の領域）となる。メンブレン領域３３０の上面と外周領域３３２の上面とは、同じ高さ位置、或いは、実質的に同じ高さ位置になるように形成される。基板３１は、外周領域３３２の裏面で支持台３３上に保持される。支持台３３の中央部は開口しており、メンブレン領域３３０の位置は、支持台３３の開口した領域に位置している。
メンブレン領域３３０には、図７に示した成形アパーチャアレイ基板２０３の各穴２２に対応する位置にマルチビーム２０のそれぞれのビームの通過用の通過孔２５（開口部）が開口される。言い換えれば、基板３１のメンブレン領域３３０には、電子線を用いたマルチビーム２０のそれぞれ対応するビームが通過する複数の通過孔２５がアレイ状に形成される。そして、基板３１のメンブレン領域３３０上であって、複数の通過孔２５のうち対応する通過孔２５を挟んで対向する位置に２つの電極を有する複数の電極対がそれぞれ配置される。具体的には、メンブレン領域３３０上に、図８に示すように、各通過孔２５の近傍位置に該当する通過孔２５を挟んでブランキング偏向用の制御電極２４と対向電極２６の組（ブランカー：ブランキング偏向器）がそれぞれ配置される。また、基板３１内部であってメンブレン領域３３０上の各通過孔２５の近傍には、各通過孔２５用の制御電極２４に偏向電圧を印加する制御回路４１（ロジック回路）が配置される。各ビーム用の対向電極２６は、グランド接続される。
制御回路４１内には、例えば、ＣＭＯＳインバータ回路等の図示しないアンプ（スイッチング回路の一例）が配置される。アンプの出力線（ＯＵＴ）は制御電極２４に接続される。一方、対向電極２６は、グランド電位が印加される。アンプの入力（ＩＮ）には、閾値電圧よりも低くなるＬ（ｌｏｗ）電位（例えばグランド電位）と、閾値電圧以上となるＨ（ｈｉｇｈ）電位（例えば、１．５Ｖ）とのいずれかが制御信号として印加される。実施の形態１では、アンプの入力（ＩＮ）にＬ電位が印加される状態では、アンプの出力（ＯＵＴ）は正電位（Ｖｄｄ）となり、対向電極２６のグランド電位との電位差による電界により対応ビームを偏向し、制限アパーチャ基板２０６で遮蔽することでビームＯＦＦになるように制御する。一方、アンプの入力（ＩＮ）にＨ電位が印加される状態（アクティブ状態）では、アンプの出力（ＯＵＴ）はグランド電位となり、対向電極２６のグランド電位との電位差が無くなり対応ビームを偏向しないので制限アパーチャ基板２０６を通過することでビームＯＮになるように制御する。
制御電極２４と対向電極２６の組は、それぞれ対応するスイッチング回路となるアンプによって切り替えられる電位によってマルチビーム２０の対応ビームをそれぞれ個別にブランキング偏向する。このように、複数のブランカーが、成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２（開口部）を通過したマルチビーム２０のうち、それぞれ対応するビームのブランキング偏向を行う。
次に描画装置１００における描画機構１５０の動作について説明する。描画機構１５０は、電子銃２０１から放出された熱電子を用いて試料１０１にパターンを描画する。具体的には以下のように動作する。電子銃２０１（電子放出源）から放出された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２により成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、矩形の複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、例えば矩形形状の複数の電子ビーム（マルチビーム２０）が形成される。かかるマルチビーム２０は、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のそれぞれ対応するブランカー（第１の偏向器：個別ブランキング機構）内を通過する。かかるブランカーは、それぞれ、個別に通過する電子ビームを偏向する（ブランキング偏向を行う）。
ブランキングアパーチャアレイ機構２０４を通過したマルチビーム２０は、縮小レンズ２０５によって、縮小され、制限アパーチャ基板２０６に形成された中心の穴に向かって進む。ここで、マルチビーム２０のうち、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のブランカーによって偏向された電子ビームは、制限アパーチャ基板２０６の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ基板２０６によって遮蔽される。一方、ブランキングアパーチャアレイ機構２０４のブランカーによって偏向されなかった電子ビームは、図１に示すように制限アパーチャ基板２０６の中心の穴を通過する。かかる個別ブランキング機構のＯＮ／ＯＦＦによって、ブランキング制御が行われ、ビームのＯＮ／ＯＦＦが制御される。そして、ビーム毎に、ビームＯＮになってからビームＯＦＦになるまでに形成された、制限アパーチャ基板２０６を通過したビームにより、１回分のショットのビームが形成される。制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチビーム２０は、対物レンズ２０７により焦点が合わされ、所望の縮小率のパターン像となり、偏向器２０８，２０９によって、制限アパーチャ基板２０６を通過した各ビーム（通過したマルチビーム２０全体）が同方向に一括して偏向され、各ビームの試料１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。一度に照射されるマルチビーム２０は、理想的には成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２の配列ピッチに上述した所望の縮小率を乗じたピッチで並ぶことになる。
図９は、実施の形態１における描画動作の一例を説明するための概念図である。図９に示すように、試料１０１の描画領域３０は、例えば、ｙ方向に向かって所定の幅で短冊状の複数のストライプ領域３２に仮想分割される。まず、ＸＹステージ１０５を移動させて、第１番目のストライプ領域３２の左端、或いはさらに左側の位置に一回のマルチビーム２０のショットで照射可能な照射領域３４が位置するように調整し、描画が開始される。第１番目のストライプ領域３２を描画する際には、ＸＹステージ１０５を例えば－ｘ方向に移動させることにより、相対的にｘ方向へと描画を進めていく。ＸＹステージ１０５は例えば等速で連続移動させる。第１番目のストライプ領域３２の描画終了後、ステージ位置を－ｙ方向に移動させて、第２番目のストライプ領域３２の右端、或いはさらに右側の位置に照射領域３４が相対的にｙ方向に位置するように調整し、今度は、ＸＹステージ１０５を例えばｘ方向に移動させることにより、－ｘ方向に向かって同様に描画を行う。第３番目のストライプ領域３２では、ｘ方向に向かって描画し、第４番目のストライプ領域３２では、－ｘ方向に向かって描画するといったように、交互に向きを変えながら描画することで描画時間を短縮できる。但し、かかる交互に向きを変えながら描画する場合に限らず、各ストライプ領域３２を描画する際、同じ方向に向かって描画を進めるようにしても構わない。１回のショットでは、成形アパーチャアレイ基板２０３の各穴２２を通過することによって形成されたマルチビームによって、最大で成形アパーチャアレイ基板２０３に形成された複数の穴２２と同数の複数のショットパターンが一度に形成される。また、図６の例では、各ストライプ領域３２を１回ずつ描画する場合を示しているが、これに限るものではない。同じ領域を複数回描画する多重描画を行っても好適である。多重描画を行う場合には、位置をずらしながら各パスのストライプ領域３２を設定すると好適である。
図１０は、実施の形態１におけるマルチビームの照射領域と描画対象画素との一例を示す図である。図１０において、ストライプ領域３２には、例えば、試料１０１面上におけるマルチビーム２０のビームサイズピッチで格子状に配列される複数の制御グリッド２７（設計グリッド）が設定される。例えば、１０ｎｍ程度の配列ピッチにすると好適である。かかる複数の制御グリッド２７が、マルチビーム２０の設計上の照射位置となる。制御グリッド２７の配列ピッチはビームサイズに限定されるものではなく、ビームサイズとは関係なく偏向器２０９の偏向位置として制御可能な任意の大きさで構成されるものでも構わない。そして、各制御グリッド２７を中心とした、制御グリッド２７の配列ピッチと同サイズでメッシュ状に仮想分割された複数の画素３６が設定される。各画素３６は、マルチビームの１つのビームあたりの照射単位領域となる。図１０の例では、試料１０１の描画領域が、例えばｙ方向に、１回のマルチビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４（描画フィールド）のサイズと実質同じ幅サイズで複数のストライプ領域３２に分割された場合を示している。照射領域３４のｘ方向サイズは、マルチビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じた値で定義できる。照射領域３４のｙ方向サイズは、マルチビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じた値で定義できる。なお、ストライプ領域３２の幅は、これに限るものではない。照射領域３４のｎ倍（ｎは１以上の整数）のサイズであると好適である。図１０の例では、例えば５１２×５１２列のマルチビームの図示を８×８列のマルチビームに省略して示している。そして、照射領域３４内に、１回のマルチビーム２０のショットで照射可能な複数の画素２８（ビームの描画位置）が示されている。言い換えれば、隣り合う画素２８間のピッチが設計上のマルチビームの各ビーム間のピッチとなる。図１０の例では、ビーム間ピッチで囲まれる領域で１つのサブ照射領域２９を構成する。図１０の例では、各サブ照射領域２９は、４×４画素で構成される場合を示している。
図１１は、実施の形態１におけるマルチビームの描画方法の一例を説明するための図である。図１１では、図１０で示したストライプ領域３２を描画するマルチビームのうち、ｙ方向３段目の座標（１，３），（２，３），（３，３），・・・，（５１２，３）の各ビームで描画するサブ照射領域２９の一部を示している。図６の例では、例えば、ＸＹステージ１０５が８ビームピッチ分の距離を移動する間に４つの画素を描画（露光）する場合を示している。かかる４つの画素を描画（露光）する間、照射領域３４がＸＹステージ１０５の移動によって試料１０１との相対位置がずれないように、偏向器２０８によってマルチビーム２０全体を一括偏向することによって、照射領域３４をＸＹステージ１０５の移動に追従させる。言い換えれば、トラッキング制御が行われる。図６の例では、８ビームピッチ分の距離を移動する間にショット毎にｙ方向にビーム照射対象の画素３６をシフトしながら４つの画素を描画（露光）することで１回のトラッキングサイクルを実施する場合を示している。
具体的には、描画機構１５０は、当該ショットにおけるマルチビームの各ビームのそれぞれの照射時間のうちの最大照射時間Ｔｔｒ内のそれぞれの制御グリッド２７に対応する描画時間（照射時間、或いは露光時間）、各制御グリッド２７にマルチビーム２０のうちＯＮビームのそれぞれ対応するビームを照射する。最大照射時間Ｔｔｒは、予め設定される。実際には、最大照射時間Ｔｔｒにビーム偏向のセトリング時間を加えた時間がショットサイクルとなるが、ここでは、ビーム偏向のセトリング時間を省略し、最大照射時間Ｔｔｒをショットサイクルとして示している。そして、１回のトラッキングサイクルが終了すると、トラッキング制御をリセットして、次のトラッキングサイクルの開始位置へとトラッキング位置を振り戻す。
なお、各サブ照射領域２９の右から１番目の画素列の描画は終了しているので、トラッキングリセットした後に、次回のトラッキングサイクルにおいてまず偏向器２０９は、各サブ照射領域２９の下から１段目かつ右から２番目の画素の制御グリッド２７にそれぞれ対応するビームの描画位置を合わせる（シフトする）ように偏向する。
以上のように同じトラッキングサイクル中は偏向器２０８によって照射領域３４を試料１０１に対して相対位置が同じ位置になるように制御された状態で、偏向器２０９によって１制御グリッド２７（画素３６）ずつシフトさせながら各ショットを行う。そして、トラッキングサイクルが１サイクル終了後、照射領域３４のトラッキング位置を戻してから、図１０の下段に示すように、例えば１制御グリッド（１画素）ずれた位置に１回目のショット位置を合わせ、次のトラッキング制御を行いながら偏向器２０９によって１制御グリッド（１画素）ずつシフトさせながら各ショットを行う。ストライプ領域３２の描画中、かかる動作を繰り返すことで、照射領域３４ａ～３４ｏといった具合に順次照射領域３４の位置が移動していき、当該ストライプ領域の描画を行っていく。
そして、試料１０１上のどの制御グリッド２７（画素３６）をマルチビームのどのビームが照射するのかは描画シーケンスによって決まる。サブ照射領域２９がｎ×ｎ画素の領域とすると、１回のトラッキング動作で、ｎ制御グリッド（ｎ画素）が描画される。次回のトラッキング動作で上述したビームとは異なるビームによって同様にｎ画素が描画される。このようにｎ回のトラッキング動作でそれぞれ異なるビームによってｎ画素ずつ描画されることにより、１つのｎ×ｎ画素の領域内のすべての画素が描画される。マルチビームの照射領域内の他のｎ×ｎ画素のサブ照射領域２９についても同時期に同様の動作が実施され、同様に描画される。
以上のように、カソード機構２２２の抵抗が安定するので、安定した電子ビーム２００を放出できる。その結果、高精度な描画ができる。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、描画装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての電子銃の陰極機構、電子銃、及び電子ビーム描画装置は、本発明の範囲に包含される。
２，３，４，５ 部分
１０ 結晶
１１ 電子放出面
１２ 保持部
１４，１６ 支柱
１８，１９ ベース部
２０ マルチビーム
２２ 穴
２４ 制御電極
２５ 通過孔
２６ 対向電極
２７ 制御グリッド
２８ 画素
２９ サブ照射領域
３０ 描画領域
３２ ストライプ領域
３１ 基板
３３ 支持台
３４ 照射領域
３５ 単位領域
３６ 画素
４１ 制御回路
５４ 碍子
５０，５２ 配線
１００ 描画装置
１０１ 試料
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１１０ 制御計算機
１１２ メモリ
１２０ 電子銃電源装置
１３０ 偏向制御回路
１３２，１３４ ＤＡＣアンプユニット
１３９ ステージ位置検出器
１４０ 記憶装置
１５０ 描画機構
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０４ ブランキングアパーチャアレイ機構
２０５ 縮小レンズ
２０６ 制限アパーチャ基板
２０７ 対物レンズ
２０８，２０９ 偏向器
２１０ ミラー
２２２機構 カソード
２２４ ウェネルト
２２６ アノード
２３１ フィラメント電力供給回路
２３４ バイアス電圧電源回路
２３６ 加速電圧電源回路
２３８ 電流計
３１０ 結晶
３１２ ＰＧ
３３０ メンブレン領域
３３２ 外周領域
３５４ セラミックベース
３５０ リード線
４１０ 結晶
４１２ 保持部
４１４，４１６ ヒータロッド
４１８，４１９ 板バネ
４５０，４５２ ベースピン
４５３ 碍子ブロック
４５４ セラミックベース

Claims (7)

  1. 加熱することで一端面から熱電子を放出する結晶と、
    前記一端面を露出し、前記結晶の他の面の少なくとも一部を被覆した状態で、前記結晶を保持する保持部と、
    前記保持部を支持する、それぞれ同一断面サイズを維持した状態で延びる第１と第２の支柱と、
    前記第１の支柱を固定する第１のベース部と、
    前記第２の支柱を固定する第２のベース部と、
    を備え、
    前記保持部と前記第１と第２の支柱と前記第１と第２のベース部とが同一材料による、板状のベース部分の中央に円柱を直立させた形状に形成された母材を加工することによって一体構造により形成され、前記一体構造に電流を流すことで前記結晶を加熱し、
    前記第１と第２の支柱は、３辺が直線で１辺が曲線の断面構造を有することを特徴とする電子銃の陰極機構。
  2. 前記結晶は、円柱状と円錐台状との少なくとも一方の形状に形成されることを特徴とする請求項１記載の電子銃の陰極機構。
  3. 前記第１と第２の支柱は、前記保持部を介して前記結晶を加熱するためのヒータとして機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子銃の陰極機構。
  4. 前記一端面内の結晶方位が同一であることを特徴とする請求項１～３いずれかに記載の電子銃の陰極機構。
  5. 前記一体構造の材料として、グラファイト、タンタル、タングステン、及びイリジウムのうち１つが用いられることを特徴とする請求項１～４いずれかに記載の電子銃の陰極機構。
  6. 請求項１～５いずれかに記載の電子銃の陰極機構と、
    前記結晶よりも正の電位の状態に制御され、前記結晶から放出される熱電子を引き出すアノード電極と、
    を備えたことを特徴とする電子銃。
  7. 請求項６に記載の電子銃と、
    前記電子銃から放出された熱電子を用いて試料にパターンを描画する描画機構と、
    を備えたことを特徴とする電子ビーム描画装置。
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