JPH09180663A

JPH09180663A - 電子銃及び該電子銃を備えた電子線転写装置

Info

Publication number: JPH09180663A
Application number: JP7338373A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11
Also published as: US5763893A

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、必要に応じて輝度の可変範囲を広く取れる
電子銃を提供する。【解決手段】カソード３１の電子ビームＥＢの放出面
３１ａを円形の平面に加工する。カソード３１から光軸
ＡＸに沿って順にウェーネルト３４、アノード３５、及
びアース電極３６を配置する。ウェーネルト３４は、先
端部３４ｃの上面３４ａを開き半角θ１が６７．５°の
円錐面となるように加工し、アノード３５は、先端部３
５ｄの上面３５ａをカソード３１に対して凸の円錐面と
なるように加工し、底面３５ｂをカソード３１に対して
凹の円錐面として、アノード３５にはカソード３１の電
位より１００Ｖ〜１０ｋＶ高い可変電位を印加する。ア
ース電極３６の底面３６ｂをアノード３５に対して凸の
円錐面とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子銃、及びこの
電子銃を用いた電子線転写装置に関し、特に例えば４Ｇ
ビットＤＲＡＭ以降の半導体デバイスを製造するための
リソグラフィ工程でマスク上の広い視野のパターンを転
写対象の基板上に一括して転写する場合等に使用して好
適なものである。

【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。特に、４ＧビットＤＲＡＭ以
降の半導体デバイスを製造するためのリソグラフィ工程
では、電子線縮小転写装置が有望であると考えられてい
る。

【０００３】最近は、マスクパターンを高い解像度で転
写すると共に、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、マスクパターンを複数個の
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。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。また、分割転写方式では、マスクに
よって副視野の大きさや形状が変化することがあるた
め、１つの視野に対する電子ビームの照射電流密度を規
定する電子銃の輝度を比較的広い範囲で制御できる必要
がある。

【０００４】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ＣＯ
の直径ｄｇと、そのクロスオーバＣＯ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。

【０００５】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のエミッタンスは、一例
として４０〜５０μｍ・ｍｒａｄ程度であった。この場
合の電子銃としては、例えば凸面形状のカソードと、カ
ソード電位よりはるかに低い電位のウェーネルト（集束
電極）と、アース電極を持つアノードとから成る３極電
子銃が知られている。

【０００６】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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
において、凸面形状のカソードを有する電子銃では、エ
ミッタンスをあまり大きくできないために、広い視野の
マスクパターンを均一な強度分布で照射するのが困難で
あるという不都合があった。更に、例えば分割転写方式
の電子線縮小転写装置では、電子銃の輝度を小さくし
て、しかも、その輝度の可変範囲を広くすることが求め
られているが、その凸面形状のカソードを有する電子銃
では、低輝度にするのが困難であり、また輝度の可変範
囲が狭いという不都合もあった。

【０００８】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
あると言われている。そのため、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。

【０００９】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、必要に応じて
輝度の可変範囲を広く取れる電子銃を提供することを目
的とする。更に本発明は、そのような電子銃を備えた電
子線転写装置を提供することをも目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による電子銃は、
電子線の放出面（３１ａ）が円形状の平面に形成された
カソード（３１）から電子線の放出方向に順次、そのカ
ソード以下の電位が印加された集束電極（３４）と、そ
のカソードより高い電位が印加されたアノード（３５）
と、接地された接地電極（３６）と、を配置したもので
ある。

【００１１】斯かる本発明の電子銃によれば、カソード
（３１）の電子線の放出面（３１ａ）は円形状の平面で
あるため、その放出面（３１ａ）での電界強度分布は一
様であり、カソード電流密度はその放出面（３１ａ）の
全面でほぼ一定になる。従って、その放出面（３１ａ）
から放出される電子線を後続のコンデンサレンズ等で集
束或いは発散させたときの、電子線の強度の角度依存性
が小さくなり、一様な強度の電子線の開き角である開口
全角２・αｇ（αｇは開口半角）が大きくなる。また、
この電子線を集束させたときのクロスオーバ径ｄｇは、
カソード（３１）の放出面（３１ａ）での電子の初速度
の角度依存性で決まり、カソード温度が一定であればほ
ぼ一定の値となる。従って、電子線の開口全角が大きく
なった分だけエミッタンス（＝ｄｇ・２αｇ）が大きく
なり、広い視野に均一な強度分布の電子線を照射でき
る。

【００１２】この場合、アノード（３５）の電位を可変
として、アノード（３５）の電位を変化させることによ
って電子銃としての特性（カソード電流、ビーム電流密
度、輝度、又はビーム電流等）を制御することが望まし
い。このとき、カソード（３５）の電位を変えてカソー
ド電流密度を調整することによって輝度を調整できるた
め、輝度の可変範囲を広く取れる。

【００１３】また、アノード（３５）の接地電極（３
６）に対向する面（３５ａ）は、接地電極（３６）に対
して凹の円錐面状であることが望ましい。これによっ
て、アノード（３５）は凹レンズとして作用するため、
カソード（３１）から放出された電子線がすぐに集束す
ることがなくなる。また、接地電極（３６）のアノード
（３５）に対向する面（３６ａ）は、アノード（３５）
に対して凸の円錐面状であることが望ましい。これによ
って、接地電極（３６）は凸レンズとして作用するた
め、その電子銃から放出される電子線が発散することが
防止される。

【００１４】また、アノード（３５）のカソード（３
１）に対向する面（３５ｂ）は、カソード（３１）に対
して凹の円錐面状であることが望ましい。これによっ
て、アノード（３５）の凹レンズとして負の屈折力が更
に強くなる。更に、カソード（３１）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（３１）
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（３１）の放出面（３１ａ）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】次に、本発明の電子線転写装置は、上述の
本発明の何れかの電子銃（１）と、この電子銃からの電
子線を平行ビームに変換してマスクパターン（Ｍ）に照
射する照射系（２）と、マスクパターン（Ｍ）を通過し
た電子線を転写対象の基板（Ｗ）上に集束して、この基
板上にそのマスクパターンを転写する結像レンズ系（１
１，１２）と、を有するものである。本発明の電子銃
（１）を使用することによって、広い視野のマスクパタ
ーンを一括して基板上に転写できる。

【００１６】

【実施例】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
を示す縦断面図を示し、この図１において、カソード３
１は、円柱状の六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）の単結晶
の先端、即ち電子ビームの放出面３１ａを平面に研磨し
て形成した。また、カソード３１の側面に対向するよう
に平坦な切り欠き部３１ｂ及び３１ｃを設け、これらの
切り欠き部３１ｂ及び３１ｃをそれぞれ加熱用グラファ
イト３２Ａ，３２Ｂを介して支持金具を兼ねる電極３３
Ａ，３３Ｂで挟持している。以下では、カソード３１の
放出面３１ａの中心を通り、その放出面３１ａに垂直な
軸を光軸ＡＸとして説明する。

【００１７】本例では、カソード３１から電子ビームが
放出される方向に、光軸ＡＸに沿って順にウェーネルト
（集束電極）３４、アノード３５、及びアース電極３６
を配置している。先ず、ウェーネルト３４は、金属製の
円筒状の側面部３４ｂの上端に輪帯状の先端部３４ｃを
形成し、この先端部３４ｃの上面（カソード３１側の面
と反対側の面）３４ａを開き半角θ１が６７．５°の円
錐面となるようにしたものである。また、その上面３４
ａを通る円錐面が、点線で示すようにカソード３１の放
出面３１ａの円形の輪郭部と交差するように、ウェーネ
ルト３４の位置を設定し、ウェーネルト３４の電位は、
カソード３１の電位と同じか、あるいは少し低い電位と
した。

【００１８】また、アノード３５は、カソード３１の方
向で支持されている金属製の円筒状の側面部３５ｃの上
端に輪帯状の先端部３５ｄを形成し、この先端部３５ｄ
の上面３５ａを開き半角θ２が８０°でカソード３１に
対して凸の円錐面となるようにしたものである。また、
アノード３５の先端部３５ｄのカソード３１に対向する
底面３５ｂをカソード３１に対して凹の円錐面として、
アノード３５にはカソード３１の電位より１００Ｖ〜１
０ｋＶ高い可変の電位を印加する。本例では、アノード
３５の電位を変化させることによって、カソード電流を
調整する。このカソード電流の調整によって、電子銃電
流、輝度、ビーム電流、及びビーム電流密度等が調整で
きる。

【００１９】また、アース電極３６は、金属板の光軸Ａ
Ｘを中心とする領域に電子ビーム通過用の貫通孔３６ａ
を形成し、アノード３５に対向する底面３６ｂをアノー
ド３５に対して凸の円錐面としたものである。そして、
アース電極３６を接地し、貫通孔３６ａでの放電を避け
るため、貫通孔３６ａにおける電子ビームの入射口及び
射出口を球面状に加工した。

【００２０】次に、本例の電子銃の動作につき説明す
る。先ず、本例では電子銃を空間電荷制限領域（カソー
ド３１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領域）で動作させる。その
ため、アノード３５の電位を一定値にしてカソード３１
の加熱電流を変えて電子銃電流を測定し、電子銃電流が
加熱電流の急激な増加関数から緩やかな増加関数に変化
する際の加熱電流を求めることによって、本例の電子銃
が空間電荷制限領域にあることを確かめる。この空間電
荷制限領域では、ビーム電流は、ほぼアノード３５の電
圧によって決定される。

【００２１】そして、カソード３１の放出面３１ａから
放出される電子ビームＥＢは、ウェーネルト３４の上面
３４ａの開き半角θ１が６７．５°であるため、ほぼそ
の放出面３１ａの法線方向、即ち光軸ＡＸに平行に放出
される。この際に、その放出面３１ａの全面で電界強度
はほぼ一様であり、カソード電流密度はその放出面３１
ａの全面でほぼ一定になる。これは、その電子ビームＥ
Ｂを電子レンズによって集束、又は発散させたときの電
子ビームＥＢのビーム強度の角度依存性が小さく、一様
な強度の電子ビームの開き角である開口全角２・αｇを
大きくできることを意味する。

【００２２】その後、ウェーネルト３４を通過した電子
ビームＥＢは、アノード３５の先端部３５ｄの開口を通
過してアース電極３６に向かう。この際に、アノード３
５の先端部３５ｄの上面３５ａ及び底面３５ｂはそれぞ
れカソード３１に対して凸及び凹の円錐面であるため、
アノード３５は屈折力の強い凹レンズとして作用し、空
間電荷効果による凹レンズ作用との相乗効果によって、
電子ビームＥＢは集束することなくほぼ平行な状態で光
軸ＡＸに沿って進行する。そして、アース電極３６の貫
通孔３６ａを通過した電子ビームＥＢは後続の光学系に
向かう。この際に、アース電極３６の底面３６ｂはカソ
ード３１に対して凸の円錐面、即ち、その底面３６ｂは
アノード３５に対して凸の円錐面であるため、アース電
極３６は凸レンズとして作用し、電子ビームＥＢの発散
が抑制される。

【００２３】これによって、ほぼ一様な強度分布の円形
断面の電子ビームＥＢが得られた。そして、その電子ビ
ームＥＢを後続のレンズで集束したときのエミッタンス
として、２００μｍ・ｍｒａｄ程度の値が得られた。こ
れは従来の電子銃のエミッタンスの４倍〜５倍程度の値
であり、本例の電子銃を使用することによって、従来よ
りも４倍〜５倍程度の視野のマスクパターンを一様な強
度の電子ビームで照射できることになる。また、アノー
ド３５の電位を変化させることによって、輝度はほぼ１
×１０³〜２×１０⁴Ａ／ｃｍ²の広い範囲で変化させ
ることができた。

【００２４】次に、図１の電子銃を用いた電子線縮小転
写装置の一例につき図２を参照して説明する。図２は、
本例の分割転写方式の電子線縮小転写装置を示し、この
図２において、光学系（電子光学系）の光軸ＡＸに垂直
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。
電子銃１は、図１の電子銃と同一の電子銃であり、カソ
ード３１、ウェーネルト３４、アノード３５、及びアー
ス電極３６等から構成されている。

【００２５】そして、電子銃１から放出された電子ビー
ムＥＢは一度クロスオーバを結んだ後、コンデンサレン
ズ２で平行ビームとされ、視野選択偏向器３によりＸＹ
平面（Ｘ軸及びＹ軸に平行な平面）内で偏向されてマス
クＭの１つの副視野に導かれる。視野選択偏向器３にお
ける偏向量は、装置全体の動作を統轄制御する主制御系
５が偏向量設定部４を介して設定する。

【００２６】マスクＭを通過して光軸ＡＸに平行に進む
電子ビームＥＢは、第１の主偏向器９及び第１の副偏向
器１０により偏向されて光軸ＡＸに沿って進む。その
後、電子ビームＥＢは、投影レンズ１１により一度光軸
ＡＸ上でクロスオーバＣＯを結んだ後、対物レンズ１２
を介して縮小倍率β（βは例えば１／４）で反転縮小さ
れる。

【００２７】その後、電子ビームＥＢは、第２の主偏向
器１３、及び第２の副偏向器１４により光軸ＡＸから偏
向されて電子線レジストが塗布されたウエハＷ上の１つ
の副転写領域に入射し、この副転写領域にマスクＭの１
つの副視野のパターンをβ倍した反転縮小像が転写され
る。第１の主偏向器９、副偏向器１０における電子ビー
ムの偏向量は、主制御系５が偏向量設定部１６を介して
設定し、第２の主偏向器１３、及び副偏向器１４におけ
る電子ビームの偏向量も、主制御系５が偏向量設定部１
７を介して設定する。

【００２８】また、マスクＭはマスクステージ６内にＸ
Ｙ平面と平行に取り付けられ、マスクステージ６は、マ
スクベース７上で内部の駆動装置によりＸ方向に連続移
動し、Ｙ方向にステップ移動できるように構成されてい
る。マスクステージ６の位置はレーザ干渉計８で検出さ
れ主制御系５に出力される。一方、ウエハＷは、可動ス
テージ１９上の試料台１８上にＸＹ平面と平行に保持さ
れている。試料台１８は、可動ステージ１９の内部の駆
動装置によりＸ方向に連続移動できると共に、Ｙ方向に
ステップ移動できるように構成されている。試料台１８
のＹ方向の位置は、レーザ干渉計２０で検出されて主制
御系５に出力される。

【００２９】本例では、マスクＭのパターンはＸ方向に
所定ピッチで複数の主視野に分割され、各主視野はそれ
ぞれＹ方向に所定ピッチで複数の副視野に分割されてい
る。そして、本例では、転写時にマスクＭを例えば＋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。走査方向が逆であるのは反転像が転写されるか
らである。そして、マスクＭ上でほぼ光軸ＡＸを横切る
位置にある１つの主視野について、視野選択偏向器３、
主偏向器９，１３及び副偏向器１０，１４により電子ビ
ームＥＢをＹ方向に偏向して、内部の複数の副視野のパ
ターンの縮小像を順次ウエハＷ上に転写する。これを各
主視野について繰り返すことに依って、マスクＭ上の全
部のパターンの縮小像がウエハＷ上に転写される。

【００３０】この際に、本例の電子銃１はエミッタンス
が大きいため、マスクＭ上の複数の副視野のそれぞれを
大きくできる。従って、マスクパターンをウエハ上に転
写する際のスループット（生産性）を高めることができ
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。

【００３１】

【発明の効果】本発明の電子銃によれば、電子線の放出
面が円形上の平面とされたカソードを使用しているた
め、一様な強度の電子線が放出される開口全角を大きく
でき、エミッタンスを大きくできる。そのため、広い視
野に均一な強度分布の電子線を照射できる利点がある。

【００３２】この場合、アノードの電位を可変として、
そのアノードの電位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、そのアノードの電位を
変化させることによって、輝度を広い可変範囲で変化さ
せることができる利点がある。また、アノードの接地電
極に対向する面を、接地電極に対して凹の円錐面状とし
た場合には、アノードは凹レンズとして作用するため、
カソードから放出された電子線がすぐに集束することが
なくなる。

【００３３】また、接地電極のアノードに対向する面
を、アノードに対して凸の円錐面状とした場合には、接
地電極は凸レンズとして作用するため、その電子銃から
放出される電子線が発散することが防止される。また、
アノードのカソードに対向する面を、カソードに対して
凹の円錐面状とした場合には、アノードの凹レンズとし
て負の屈折力が更に強くなり、更にエミッタンスを大き
くできる。

【００３４】次に、本発明の電子線転写装置によれば、
本発明の電子銃を使用しているため、広い視野のマスク
パターンを一括して転写でき、高いスループットでマス
クパターンを転写できる利点がある。

【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
縦断面に沿う端面図である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の電子線縮小転写装
置を示す概略構成図である。

【図３】電子線のエミッタンスの説明図である。

【符号の説明】

３１カソード３２Ａ，３２Ｂ加熱用グラファイト３３Ａ，３３Ｂ電極３４ウェーネルト３５アノード３６アース電極ＭマスクＷウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線の放出面が円形状の平面に形成さ
れたカソードから電子線の放出方向に順次、前記カソー
ド以下の電位が印加された集束電極と、前記カソードよ
り高い電位が印加されたアノードと、接地された接地電
極と、を配置したことを特徴とする電子銃。
【請求項２】請求項１記載の電子銃であって、前記アノードの電位は可変であり、前記アノードの電位
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電子銃。
【請求項３】請求項１、又は２記載の電子銃であっ
て、前記アノードの前記接地電極に対向する面は、前記接地
電極に対して凹の円錐面状であることを特徴とする電子
銃。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の電子銃であ
って、前記接地電極の前記アノードに対向する面は、前記アノ
ードに対して凸の円錐面状であることを特徴とする電子
銃。
【請求項５】請求項１、２、３、又は４記載の電子銃
であって、前記アノードの前記カソードに対向する面は、前記カソ
ードに対して凹の円錐面状であることを特徴とする電子
銃。
【請求項６】請求項１〜５の何れか一項記載の電子銃
と、該電子銃からの電子線を平行ビームに変換してマスクパ
ターンに照射する照射系と、前記マスクパターンを通過した電子線を転写対象の基板
上に集束して、該基板上に前記マスクパターンを転写す
る結像レンズ系と、を有することを特徴とする電子線転
写装置。