JPH09129166A

JPH09129166A - 電子銃

Info

Publication number: JPH09129166A
Application number: JP7287113A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】広い視野に均一な強度分布の電子線を照射で
きると共に、動作が安定な電子銃を提供する。【解決手段】六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆)の角柱状の
単結晶の先端の放出面１ａを曲率半径ｒ１の球面に研磨
してカソード１を形成し、カソード１に対向するアノー
ド２の球面部２ａをその放出面１ａと同心の半径ｒ２の
球面に加工し、カソード１とアノード２との間に、カソ
ード１とアノード２との中間の電位のウェーネルト３を
配置した。カソード１の放出面１ａの曲率半径ｒ１は２
ｍｍ以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子線転写
装置等の電子線源として使用される電子銃に関し、特に
大きなエミッタンスを有し広い視野を均一な強度分布で
照射するために使用して好適な電子銃に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路等の原版としてのマスク
パターンを半導体ウエハ等の基板上に転写するような場
合に、電子銃から放出される電子ビームをマスクパター
ンに照射し、マスクパターンを通過した電子ビームを電
子光学鏡筒内で制御してその基板上に導き、その基板上
にそのマスクパターンの縮小像を転写する電子線縮小転
写装置が使用されている。最近は、マスクパターンを高
いスループット（生産性）で転写することが求められて
いるため、マスクパターンを第１方向に複数の主視野に
分割し、これらの主視野をそれぞれその第１方向に直交
する第２方向に複数の副視野に分割し、これらの副視野
を単位としてマスクパターンを順次基板上に転写すると
共に、その第１方向にマスクと基板とを同期して走査し
て転写を行う所謂分割転写方式の電子線縮小転写装置も
開発されている。

【０００３】このような分割転写方式でスループットを
より高めるためには、転写単位である各副視野の面積を
広くすればよいが、そのためには広い視野に均一な強度
分布の電子ビームを照射できる電子銃が必要となる。斯
かる電子銃の特性を表すパラメータとして、図３に示す
ように、当該電子銃から放出される電子ビームＥＢによ
る電子線源の像であるクロスオーバ１８の直径ｄｇと、
そのクロスオーバ１８から放出される電子ビームの強度
が最大値の９９％となるときの電子ビームの開口全角２
・αｇ（αｇは開口半角）との積であるエミッタンスが
ある。即ち、次式が成立している。

【０００４】エミッタンス＝ｄｇ・２αｇ（１）一般に、エミッタンスの値が大きい程、より広い視野に
均一な強度分布の電子線を照射することができる。そし
て、後続の電子光学系で開口半角αｇを大きくすると、
クロスオーバの直径ｄｇが小さくなるため、（１）式の
エミッタンスの値は電子銃によって決定され、後続の電
子光学系によっては大きくすることができない。従来の
電子線縮小転写装置用の電子銃としては、開口半角αｇ
が例えば０．１ｍｒａｄ程度と小さい電子銃が用いられ
ていた。一方、クロスオーバの直径ｄｇは、電子銃の形
状にはあまり依存せず、通常１０μｍ程度である。従っ
て、従来の電子銃のエミッタンスは２μｍ・ｍｒａｄ程
度であった。この場合の電子銃の形状としては、例えば
カソードの電子ビームの放出面の曲率半径が２５０μｍ
程度のものが知られている。

【０００５】これとは別に、カソードの電子ビームの放
出面を平面とした電子銃を温度制限電流の範囲（カソー
ドの温度が低く、電子ビームの電流がほぼカソードの温
度だけで決まる範囲）で使用し、且つクリティカル照明
条件で使用するようにした電子線縮小転写装置も知られ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常、電子線縮小転写
装置で使用される電子光学系の開口半角の最適値は、ビ
ーム分解能やビーム電流値に応じて変わるが、略々０．
５〜２ｍｒａｄ程度である。それに対して、従来のよう
に開口半角αｇが０．１ｍｒａｄ程度の小開口の電子銃
を使用すると、回折によるぼけや空間電荷効果によるぼ
けが大きくなり、高解像度の電子ビームを得ることがで
きなかったり、高いビーム電流が得られず、高解像度の
パターンを高スループットで転写できないといった不都
合があった。

【０００７】また、電子ビームの放出面を平面としたカ
ソードを備えた電子銃を温度制限電流の範囲で、且つク
リティカル照明条件で使用する場合には、先ず電子ビー
ムの放出面とマスク面とを光学的に共役にする必要性が
あるため、レンズを１段余計に設ける必要があり、電子
光学系が複雑化するという不都合がある。更に、カソー
ドの電子ビームの放出面の像をマスク面に投影している
ため、カソード表面の仕事関数のばらつきによってマス
ク面を照射する電子ビームの電流密度がばらつき、マス
ク上の各副視野の全体を一様な電流密度で転写すること
が困難で、線幅精度にばらつきが生じるという不都合が
あった。また、電子銃を温度制限電流の範囲で使用して
いるため、カソード温度が変動すると、電子銃電流、輝
度、及びビーム電流等が変動して、安定な転写ができな
い恐れもあって、実用性の点でも不安が残っていた。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、広い視野に均一
な強度分布の電子線を照射できると共に、動作が安定な
電子銃を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による電子銃は、
例えば図１に示すように、電子線の放出面（１ａ）が凸
の球面に形成されたカソード（１）と、このカソードに
対向するように配置された部分（２ａ）の内面がその電
子線の放出面（１ａ）と同心の球面に形成されたアノー
ド（２）と、を有するものである。

【００１０】斯かる本発明によれば、カソード（１）と
アノード（２）との間には、同心球の等ポテンシャル面
が形成され、カソード（１）から放出された電子線はこ
の等ポテンシャル面に直角に進む。即ち、カソード
（１）の放出面（１ａ）から法線方向に放出された電子
線は無収差の軌道に沿って進む。また、カソード（１）
の放出面（１ａ）の全面には、等しい電位が印加されて
いるため、放出面（１ａ）の全面から等しい電流密度の
電子銃電流が放出される。従って、広い放出角度に亘っ
て一様な電流密度の電子線が得られ、開口全角を大きく
できる。

【００１１】一方、クロスオーバの直径は電子銃の形状
にあまり依存せず、１０μｍ程度である。そのため、ク
ロスオーバの直径と開口全角との積であるエミッタンス
を大きくでき、広い視野に均一な強度分布の電子線を照
射できる。例えば、１０００μｍ・ｍｒａｄのエミッタ
ンスを持つ電子銃を得るには、開口全角を１００ｍｒａ
ｄ以上とすればよい。このためには、例えば図１におい
て、アノード（２）の開口部（２ｃ）の直径がカソード
（１）の放出面（１ａ）の曲率中心を見込む角度（カソ
ード角）２・θを５．７°（＝１００ｍｒａｄ）以上と
すればよい。

【００１２】この場合、カソード（１）のその電子線の
放出面（１ａ）の曲率半径は２ｍｍ以上であることが望
ましい。これによって、カソード表面の電界強度が極端
に大きくなることが避けられ、１×１０⁺²〜１×１０⁺⁴
Ａ／（ｃｍ² ｓｒ）程度の低輝度の電子銃が得られる。
また、アノード（２）に印加される電圧を可変として、
アノード（２）に印加される電圧を変化させることによ
って電子銃としての特性（電子銃電流、ビーム電流、輝
度、又はビーム電流密度等）を制御するようにしてもよ
い。

【００１３】更に、カソード（１）とアノード（２）と
の間にカソード（１）とアノード（２）との中間の電位
の第３の電極（３）を配置することが望ましい。この第
３の電極（３）の電位を変化させて、カソード（１）の
放出面（１ａ）で一様な電流密度の電子線を放出する範
囲を制御することによって、電子線の開口全角、ひいて
はエミッタンスを制御できる。

【００１４】更に、カソード（１）の温度を加熱して、
空間電荷制限電流の範囲（カソードの温度を高めて熱電
子の放出量を増すことによって空間電荷を多くして、ビ
ーム電流の大きさが空間電荷層によって支配されるよう
な条件であり、このときのビーム電流は、ほぼアノード
の電圧によって決定される）でその電子銃を使用するこ
とが望ましい。これによって、カソード（１）の温度が
少しぐらい変動しても輝度等は変化しない。また、カソ
ード（１）の放出面（１ａ）で仕事関数の変動があって
も、方向による電子線の強度の一様性が損なわれない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による電子銃の実施
の形態の一例につき図１を参照して説明する。図１は本
例の電子銃を示す一部を切り欠いた構成図を示し、この
図１において、カソード１は、六ホウ化ランタン（Ｌａ
Ｂ₆）の２ｍｍ角の角柱状の単結晶の先端、即ち電子ビ
ームの放出面１ａを曲率半径ｒ１の球面に研磨して形成
した。本例では放出面１ａの曲率半径ｒ１は２ｍｍであ
る。また、カソード１の角柱状の部分の１対の対向する
面１ｂ，１ｃをそれぞれ加熱用グラファイト４Ａ，４Ｂ
を介して支持金具を兼ねる電極５Ａ，５Ｂで挟持してい
る。以下では、カソード１の角柱状の部分の中心軸を通
る直線を光軸ＡＸとして説明する。

【００１６】そして、カソード１に対向するように、金
属板よりなる円筒状の側面部２ｂの下端に金属板よりな
る球面部２ａを取り付けた構造のアノード２を配置し、
その球面部２ａの内面を、カソード１の放出面１ａと同
心の曲率半径ｒ２の球面に加工した。また、球面部２ａ
の中央部には、光軸ＡＸを中心として直径Ｄ２の電子ビ
ーム通過用の開口部２ｃを設けた。本例では、曲率半径
ｒ２は１０ｍｍとし、開口部２ｃの直径Ｄ２は３．５ｍ
ｍとした。また、本例のカソード１は、軸対称ではない
加熱用グラファイト４Ａ，４Ｂ、及び電極５Ａ，５Ｂに
よる非軸対称電位の影響を受けている。そこで、このよ
うな非軸対称電位をシールドするために、カソード１と
アノード２との間に、金属板よりなる円筒状の側面部３
ｂの下端に、金属板よりなる内面の曲率半径ｒ３の球面
部３ａを取り付けた構造の第３の電極としてのウェーネ
ルト３を配置し、その球面部３ａの中央部には、光軸Ａ
Ｘを中心として直径Ｄ３の電子ビーム通過用の開口部３
ｃを設けた。半径ｒ３及び直径Ｄ３の一例については後
述する。本例では、ウェーネルト３の電位を変えること
によってエミッタンスを制御する。

【００１７】以上のように、カソード１、加熱用グラフ
ァイト４Ａ，４Ｂ、電極５Ａ，５Ｂ、アノード２、及び
ウェーネルト３より本例の電子銃１０が構成されてい
る。そして、電子銃１０の下端部に後続の電子光学系用
の金属板よりなるカバー７を配置した。カバー７の内面
を、カソード１の放出面１ａと同心の半径ｒ４（半径ｒ
４は電子銃１０からカバー７までの間隔によって定ま
る）の球面に加工し、カバー７の中央部に光軸ＡＸを中
心に電子ビーム通過用の開口部を設けた。更に、カバー
７を接地電位として、カソード１には−１００ｋＶの電
位を与え、アノード２にはカソード電位より＋１００Ｖ
〜＋２０００Ｖ高い可変の電位を与えた。そして、アノ
ード２の電位を変化させることによって、電子銃電流、
ビーム電流、輝度、又はビーム電流密度等を制御するよ
うにした。更に、カソード１の温度を加熱して、空間電
荷制限電流の範囲で使用した。

【００１８】そして、ウェーネルト３の形状、及び電位
については、カソード１の表面での電流密度が一様にな
ること、及びカソード１の放出面１ａから法線方向に放
出された電子線が直進する軌道を示すこと、という２つ
の条件を課して、コンピュータによるシミュレーション
を行って決定した。その結果、ウェーネルト３の球面部
３ａの曲率半径ｒ３は４．５ｍｍ、開口部３ｃの直径は
５ｍｍが良く、アノード２の電位がカソード１より＋２
００Ｖ以上高い場合、ウェーネルト３に与える電圧はカ
ソード１より＋２００Ｖ高い値が良かった。

【００１９】更に、本例のアノード２の球面部２ａの曲
率半径ｒ２は１０ｍｍ、開口部２ｃの直径Ｄ２は３．５
ｍｍであるため、その開口部２ｃがカソード１の放出面
１ａの曲率中心を見込む角度（カソード角）２・θは、
次のように約２０°、即ち約３５０ｍｒａｄとなる。

【００２０】２・θ＝２・sin^-1{Ｄ２／（２・ｒ２）｝ ≒２０．１６° （２）従って、本例によれば、クロスオーバの開口半角αｇは
原理的には１７５ｍｒａｄ程度まで可能であるが、上述
のウェーネルト３を使用した場合の開口半角αｇの実測
値は４５ｍｒａｄであり、クロスオーバの直径ｄｇは１
１μｍであった。その結果、エミッタンスの値は次のよ
うに９９０μｍ・ｍｒａｄとなった。

【００２１】エミッタンス＝１１×９０＝９９０（μｍ・ｍｒａｄ）（３）これによって、本例の電子銃では、従来の通常の電子銃
と比べて５０倍程度のエミッタンスが得られていること
が分かる。従って、広い視野を均一な強度分布の電子ビ
ームで照射することができる。また、例えばアノード２
の電位の制御によって、輝度は１×１０⁺³〜５×１０⁺⁴
Ａ／（ｃｍ² ｓｒ）程度の低輝度の範囲で変えることが
できた。

【００２２】なお、上述の例では、カソード１の放出面
１ａの曲率半径ｒ１は２ｍｍであるが、２ｍｍ以上とし
てもよい。また、ウェーネルト３の電位は、カソード１
の電位とアノード２の電位との間の電位であればよい。
次に、本例の電子銃１０を使用した分割転写方式の電子
線縮小転写装置の構成例につき図２を参照して説明す
る。

【００２３】図２は本例の分割転写方式の電子線縮小転
写装置の概略構成を示し、この図２において、光軸ＡＸ
に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図２の紙面
に垂直にＸ軸を、図２の紙面に平行にＹ軸を取って説明
する。図２において、図１の例と同じ構成の電子銃１０
から放出された電子ビームＥＢは、カバー７の開口部を
通過した後、コンデンサレンズ１１で平行ビームとさ
れ、視野選択偏向器１２によりＸＹ平面内で偏向されて
マスクＭ上の多数の副視野内の１つに導かれる。この際
に、マスクＭのパターン領域は、Ｘ方向に多数の主視野
に分割され、各主視野はそれぞれＹ方向に多数の副視野
に分割されている。

【００２４】マスクＭの１つの副視野を通過した電子ビ
ームＥＢは偏向器１３により所定量偏向された上で、投
影レンズ１４により集束されてクロスオーバ１７を形成
する。そして、クロスオーバ１７からの電子ビームＥＢ
は、対物レンズ１５によって電子線レジストが塗布され
たウエハＷ上の所定位置に所定の縮小率（例えば１／
４）で、その副視野のパターンを反転して結像する。マ
スクＭは、Ｘ軸方向に連続移動し、Ｙ軸方向にステップ
移動するステージ（不図示）上に保持されている。一
方、ウエハＷはＸ軸方向に移動自在なステージ（不図
示）上に保持されている。転写時には、例えばマスクＭ
を＋Ｘ方向に走査するのと同期して、ウエハＷを−Ｘ方
向に走査することにより、ウエハＷ上の１つの転写領域
への転写が行われる。走査方向が逆であるのは、レンズ
１４，１５によりパターン像が反転して転写されるから
である。

【００２５】この際に、本例の電子銃１０はエミッタン
スが大きいため、マスクＭ上の１つの副転写領域を大き
くできる。そのため、マスクＭのパターンを高いスルー
プットでウエハＷ上の各転写領域に転写することができ
る。なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、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。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、カソードの電子線の放
出面とアノードの対向面とが同心の球面に加工されてい
るため、カソードとアノードとの間に形成される同心の
等ポテンシャル面に垂直に安定に電子線が放出され、大
きな開口半角が得られる。従って、エミッタンスを大き
くすることができ、広い視野に均一な強度分布の電子線
を照射できると共に、動作が安定である利点がある。

【００２７】また、カソードの電子線の放出面の曲率半
径を２ｍｍ以上としたときには、カソード表面の電界強
度が極端に大きくなることが避けられ、例えば１×１０
⁺²〜１×１０⁺⁴Ａ／（ｃｍ² ｓｒ）程度の低輝度の電子
銃が得られる。また、アノードに印加される電圧を可変
として、そのアノードに印加される電圧を変化させるこ
とによって電子銃としての特性を制御する場合には、他
に制御用の電極を設けることなく簡単な機構で電子銃と
しての特性を制御できる。

【００２８】更に、カソードとアノードとの間にそのカ
ソードとそのアノードとの中間の電位の第３の電極を配
置したときには、この第３の電極によって電子線の開口
半角、ひいてはエミッタンスを或る程度制御できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電子銃の実施の形態の一例を示す
一部の部材を断面に沿う端面図で表した構成図である。

【図２】図１の電子銃を備えた分割転写方式の電子線縮
小転写装置の一例を示す概略構成図である。

【図３】電子銃の特性であるエミッタンスの説明図であ
る。

【符号の説明】

１カソード２アノード３ウェーネルト４Ａ，４Ｂ加熱用グラファイト５Ａ，５Ｂ電極７カバー１０電子銃

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線の放出面が凸の球面に形成された
カソードと、該カソードに対向するように配置された部分の内面が前
記電子線の放出面と同心の球面に形成されたアノード
と、を有することを特徴とする電子銃。
【請求項２】前記カソードの前記電子線の放出面の曲
率半径は２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記
載の電子銃。
【請求項３】前記アノードに印加される電圧が可変で
あり、前記アノードに印加される電圧を変化させること
によって電子銃としての特性を制御することを特徴とす
る請求項１又は２記載の電子銃。
【請求項４】前記カソードと前記アノードとの間に前
記カソードと前記アノードとの中間の電位の第３の電極
が配置されたことを特徴とする請求項１、２、又は３記
載の電子銃。