JP2000090866A

JP2000090866A - 電子銃、電子銃による電子ビーム発生方法及び電子銃を用いた露光装置

Info

Publication number: JP2000090866A
Application number: JP10263151A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hayashi; 正和林; Hidetoshi Kinoshita; 秀俊木下; Koji Ando; 厚司安藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】アパーチャアを通過して使用できる電子ビー
ムの電流角密度の微調整ができるようにした電子銃とそ
れを用いた露光装置を提供すること。【解決手段】陰極３で発生した電子ビームに磁場を印
加する磁極ユニット１４を、磁極ユニット１４の閉空間
の中に永久磁石１０と電磁コイル１１とを配置した構造
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陰極から熱電子や
電界電子を放出する電子銃と、それを用いた半導体用の
微細パターンの露光装置（ＥＢ露光装置）や電子ビーム
描画装置等の電子ビーム応用の露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造に用いられる微細パターン
露光装置では、微細パターンを得るために高輝度が要求
される。

【０００３】そのため、ウエハを高い電流密度で照射す
る必要があるが、電子レンズ電極の収差のために照射角
は小さいことが望ましい。

【０００４】輝度は単位面積当たりの電子流密度（電流
角密度）であるが、この輝度の値は電子銃以後の電子光
学系のレンズによって大きくすることはできないので、
電子銃が高い輝度を持つことが重要である。電子銃の輝
度を低下させる大きな要因は電子銃内の電子レンズ電極
の収差である。

【０００５】電子レンズ電極の収差は、大別すると、
（イ）幾何収差（球面収差、軸非対称収差）、（ロ）回
折収差、（ハ）色収差である。これら収差のうち微細加
工になるに従って特に重要なのが色収差（色収差はエネ
ルギー幅に比例する）の低減である。

【０００６】色収差は、電子銃の陽極の加速電圧と電子
レンズ電極のレンズ電流に変動が生じると発生する。従
って、色収差を小さくするには、加速電圧電源と電子レ
ンズ電極励磁電流電源は、いずれも高い安定度をもつ必
要がある。

【０００７】ＥＢ露光装置等に用いられる電子銃は、性
能からはＦＥＧ（電界放出型電子銃）／ＴＦＥＧ（熱電
界放出型電子銃）が従来のＬａＢ６（六ほう化ランタ
ン）を用いた熱電子放射銃に比較してエネルギー幅が１
／５程度であるので好ましい性能を有している。

【０００８】しかし、電界放出型電子銃および熱電界放
出型電子銃のエミッタ（陰極）の先端は非常に小さな針
状（半径１μｍ以下）に形成されており、電子は陰極か
ら放射状に出射し発散する。このため、大電流を得るた
めには大きな開き角の電子ビームを集めることが必要と
なり、電子銃の持つ電子レンズ電極系の球面収差のため
に電子ビーム径が広がり、輝度が低下してしまう。

【０００９】その対策として、磁界界浸電子銃が用いら
れることがある。磁界界浸電子銃は、エミッタ（電子放
出源）を含めた二極領域に磁界を重畳させ、ビームを収
束させ電子レンズ電極の収差の低減を図る方式である。

【００１０】図５は特開平９−７５３８号公報に開示さ
れている電界放出型電子銃の構成をし示す構成図であ
る。電子銃３１は、ビーム軸３２に沿ってエミッタ３
３、サプレッサ電極３４、イクストラクタ電極３５、電
子レンズ電極３６、アノード電極３７が配置され、コイ
ル４４によって発生した磁場を磁極によって導く。さら
にイクストラクタ電極３５を磁極の先端に組込むことに
よつて、エミツタ３３の先端に強磁場を印加する構造で
ある。

【００１１】また、電子銃を、エミッタ、イクストラク
タ電極（第一アノード電極）、第二および第三アノード
電極から構成し、コイルによって発生した磁場を、イク
ストラクタ電極（第一アノード電極）から、第三アノー
ド電極部分に印加している技術（Ｉｍｐｒｏｖｍｅｎｔ
ｏｆＢｅａｍＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂ
ｙＳｕｐｅｒｉｍｐｏｓｉｎｇａＭａｇｎｅｔｉ
ｃＦｉｅｌｄｏｎａＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏ
ｎＧｕｎ「ＥｌｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃ．」
Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．２，８３−９４，１９８９）も開
示されている。

【００１２】しかし、この技術ではコイルと磁極は先の
電極とは別の構成になっていて、一体化は行われていな
い。そのため、磁極の位置は電子ビーム軸から数ｍｍ乃
至数十ｍｍ離れることになり、印加できる磁場は数十ｍ
Ｔ（ミリテスラ）程度である。

【００１３】また、特開平６−１３９９７６号公報に開
示されている技術では、エミッタ、サプレッサ電極、イ
クストラクタ電極、アノード電極から構成され、レンズ
の効果はコイルを用いたコンデンサレンズによって行っ
ている。この場合は、電子銃の鏡筒の一部を磁極と一体
化している。これは磁極をできるだけビーム軸に接近さ
せようとする工夫である。

【００１４】また、特開平６−１６２９７９号公報に開
示されている技術では、電子銃は、エミッタ、サプレッ
サ電極、イクストラクタ電極、電子レンズ電極、アノー
ド電極から構成され、コイルによって発生した磁場は、
イクストラクタ電極、電子レンズ電極、アノード電極部
に印加される。この時、コイルと磁極は、先の電極とは
別の構成になっており、鏡筒の外部におかれるため、上
述の場合と同様に、磁極位置は電子ビーム軸から数ｍｍ
乃至数十ｍｍ離れることになリ、印加できる磁場は数十
ｍＴ（ミリテスラ）程度である。なお、この場合、磁極
と電極の一体化は行われていない。

【００１５】また、出願人は先に特願平１０−１６４９
５８号として、磁極ユニットを永久磁石又は電磁コイル
のいずれかで構成したものを出願している。永久磁石を
用いたものについては、図６に磁極とエキストラクタを
一体化した場合の構成（イ）と、その構成に対応するビ
ーム軸上に生成されるポテンシャル分布Φと磁界分布Ｂ
（ロ）を示す。

【００１６】すなわち、電子銃４１はビーム軸４２に沿
って、例えば酸化ジルコニウム／タングステン（ＺｒＯ
／Ｗ）よりなるエミッタ４３が配置され、その後方にサ
プレッサ電極４４、前方にイクストラクタ電極４５、電
子レンズ電極４６、アノード電極４７、ブランキングア
パーチャ４８が順次配列され、また、永久磁石４０を外
側磁極５２内側磁極５３との間に設けて磁極ユニット５
４を形成し、磁極ユニット５４の磁極先端が、絶縁物５
６を介してイクストラクタ電極４５に接続されている。
また、Ｂは永久磁石によって生成される磁界であり、Φ
は電子レンズ電極４６の印加電圧Ｖｌ（曲線の始まリと
終わりは、それぞれエキストラクタ電圧とアノード電圧
によって決まる）によって、制御される曲線となってい
る。電子銃４１においては、エミッタ４３から放出され
た電子を、ブランキングアパチャ４８に収束させて用い
るため、この収束の制御は、電子レンズ電極４６の印加
電圧Ｖｌによって行う構成になっている。つまり、電子
レンズ電極４６のレンズ電圧Ｖｌはブランキングアパチ
ャ４８のビーム軸上の位置へ正確に収束させるための制
御であり、逆に言うと、電子レンズ電圧Ｖ１では、電子
のビーム軸４２上の収束位置だけが制御できる構成にな
っている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述に
開示された技術の電子銃では、磁場はコイルによって生
成されているものが多い。しかも、そのときに真空室内
のエミツタ部分の電界電子放出現象は、１０−９Ｔｏｒ
ｒオーダの高真空状態である必要がある。

【００１８】しかしながら、コイルを構成するリード線
は、銅などの線材にポリイミドなどの高分子絶縁物をコ
ーテイングした線材を使用せざるを得ないため、それら
の材料を高真空中で用いるとガスを放出するのでコイル
を真空室の外に設置するのが一般的である。

【００１９】なお、特開平９−７５３８号公報では、発
明の詳細な説明の欄での説明は省略されているがコイル
はガスケット部材によって封止されている図が描かれて
いる。また、その他の開示した例でも、コイルは全て真
空室の外の大気中に配置されている。

【００２０】つまり、それらの結果としてエミッタ部分
を真空室内の高真空下に置き、コイルを真空室の外の大
気中もしくは低真空領域に設置することになるので、コ
イル磁場をエミッタに引き込む役割をする磁極は当然、
エミッタから離して設置するか、ビーム鏡筒の一部を磁
極と一体化するなどの工夫が必要となる。それによりあ
る程度の効果は期待できるものの、当然エミッタ、サプ
レッサ電極、イクストラクタ電極などの電極と磁極は、
ある程度距離を隔たざるを得ないことになる。そのた
め、強磁場を印加することが極めて困難になるという問
題点が存在する。

【００２１】また、第２の課題について説明すると、電
子銃によっては磁場を永久磁石によって印加される技術
も存在するが、それらは、イクストラクタ電極と磁極を
一体化し、磁極の先端を電子ビーム軸に近付けることに
よつて、数百ｍＴの強磁場をエミッタ先端に印加する構
成である。

【００２２】そのように、イクストラクタ電極に磁場を
加える方式は、電子が強い発散を受けるエミッタ、イク
ストラクタ電極近傍では、その発散効果を弱め、ビーム
の収束性を向上させる効果があり、結果的にはイメージ
面（像面）で定義する球面収差係数が小さくできる。し
かし、この場合には印加した磁場の領域が狭く（軸上の
長さが狭く）なる。

【００２３】従って、十分な収束性を得られず、ビーム
がビーム軸上のイクストラクタ電極近傍で発散から収束
に転化する位置を変えることはできないという課題が存
在する。

【００２４】また、磁極ユニットを永久磁石のみで構成
したものは、通常の精度で用いる場合は良好であるが、
例えば、電子銃を露光装置に搭載して使用する場合で、
特に高精度の調整が要求される場合、つまり、高精度に
電流角密度（露光を行う電子コラムで、露光に用いるこ
とのできる電流量を決める量）、を調整・制御して露光
時にレジスト感度に最適な電子を注入することがある
が、磁極ユニットが永久磁石のみを用いて形成されてい
ると、電流角密度の微調整が困難で、その結果、露光時
の注入電子の最適化が電子銃単体だけでは行ない難いと
いう問題点が存在している。

【００２５】また、磁極ユニットを電磁コイルのみで構
成したものは、電磁コイルのターン数が大きくなり、磁
極ユニットの小型化が要求される場合には難点がある。

【００２６】本発明はこれらの事情に基づいてなされた
もので、アパーチャアを通過して使用できる電子ビーム
の電流角密度の微調整ができるようにした電子銃とそれ
を用いた露光装置を提供すること目的としている。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、真空容器と、この真空容器内に配置され電
子ビームを発生する陰極と、この陰極で発生した電子ビ
ームに磁場を印加する磁極ユニットと、前記陰極で発生
した電子ビームをビーム軸方向に加速して電子ビームの
通路を形成する陽極と、この陽極と前記陰極との間に配
置されて前記陽極で加速された電子ビームを前記ビーム
軸上に収束させる電界を発生する電子レンズとを有する
電子銃において、前記磁極ユニットは、閉空間の中に永
久磁石と電磁コイルとを配置した構造を有することを特
徴とする電子銃である。

【００２８】また請求項２の発明による手段によれば、
前記磁極ユニットの前記永久磁石は、表面処理が施され
ていることを特徴とする請求項１記載の電子銃である。

【００２９】また請求項３の発明による手段によれば、
前記磁極ユニットの前記電磁コイルは、表面処理が施さ
れていることを特徴とする請求項１記載の電子銃であ
る。

【００３０】また請求項４の発明による手段によれば、
前記磁極ユニットは、少なくとも一つの前記電極を一体
化したことを特徴としたこと特徴とする請求項１記載の
電子銃である。

【００３１】また請求項５の発明による手段によれば、
請求項１から４のいずれかに記載の電子銃を搭載したこ
とを特徴とする露光装置である。

【００３２】また請求項６の発明による手段によれば、
真空容器内に配置された陰極で電子ビームを発生させ、
この陰極で発生した電子ビームに磁極ユニットから磁場
を印加して電子レンズがビーム軸上に収束させる電界を
調整する電子銃による電子ビーム発生方法において、前
記磁極ユニットによる磁場の印加は、磁極ユニットに設
けられた永久磁石と電磁コイルとから発生した磁場によ
るものであることを特徴とする電子銃による電子ビーム
発生方法である。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電子銃の一実施の
形態を図面を参照して説明する。図１に電子銃の構成を
示している。すなわち、図１に示すように、電子銃１は
ビーム軸２に沿って、例えば酸化ジルコニウム／タング
ステン（ＺｒＯ／Ｗ）よりなるエミッタ３が配置され、
その前方にサプレッサ電極４、イクストラクタ電極５、
電子レンズ電極６、アノード電極７、ブランキングアパ
ーチャ８が順次配列され、また、永久磁石１０と電磁コ
イル１１を内在させ外側磁極１２、内側磁極１３と非磁
性物１５ａ、１５ｂによつて閉空間を構成している磁極
ユニット１４の磁極先端が、絶縁物１６を介してイクス
トラクタ電極５に接続されている。

【００３４】磁極ユニット１４の構造をさらに詳述する
と、内側磁極１３の磁極両端に設けられた非磁性物１５
ａ、１５ｂは非磁性のセラミック（もしくは銅やアル
ミ、もしくはコバールガラスなど）の部材で形成され磁
極両端にロー付け接合されている。さらに、非磁性物１
５ａ、１５ｂと外側磁極１２の接合面には双方ともメタ
ル製などのシール１６ａ、１６ｂ（ガスケット）が設け
られ、外側磁極１２と内側磁極１３との間で構成される
閉空間を密閉封止している。なお、閉空間内に配置され
た電磁コイル１１は図示しいないフィードスルー（真空
密閉処理が施されたコネクター）を介して、磁極ユニッ
ト１４の外側より電流を流す構造に形成されている。

【００３５】これら全ての各電極や磁性ユニット１４は
図示していない鏡筒内部に配置され、イオンポンプなど
の真空ポンプによって高真空に維持され高真空環境にお
かれている。

【００３６】また、エミッタ３、サプレッサ電極４、イ
クストラクタ電極５、電子レンズ電極６、アノード電極
７は図示しないリード線によってそれぞれ高電圧が印加
されている。それらの印加電圧は、例えば、サプレッサ
電極４にはエミッタ基準で−５００Ｖ、イクストラクタ
電極５には１〜５ＫＶ、アノード電極７には１〜３０Ｋ
Ｖ、電子レンズ電極６には１〜３０ＫＶ等の電圧が印可
され、電子レンズ電極６の電圧（Ｖ）はアノード電極７
の前方に存在する小さな孔を設けた金属板やシリコンで
構成されたブランキングアパーチャ８の中心にクロスオ
ーバ（収束点）を結ぶように調整された電圧が印加され
る。

【００３７】また、外側磁極１２と内側磁極１３とは純
鉄などの透磁率の高い材料で形成されており、永久磁石
１０はサマリュウムコバルト等で作られ、メッキ処理に
よる表面処理が施されている。

【００３８】すなわち、通常、サマリュムコバルトなど
永久磁石１０は焼結金属であるため、ガスを内部に保持
している。そのため、真空中では使用すると内部のガス
が放出され高真空が得られない。そこで、ここでは内部
ガスの放出を防止するために永久磁石１０の表面を、銅
やニッケルなどでメッキ処理した部材を使用している。

【００３９】なお、永久磁石１０はサマリュムコバルト
系の磁石を用いたが、磁石としてはこれに限らずセリュ
ムコバルト系、ネオジューム鉄ボロン系、フェライトア
ルニコ系、プラスチックマグネット系、鉄クロムコバル
ト系、等を種類を問わず使用できる。

【００４０】また、永久磁石１０は、銅ニッケルなどの
金属によるめっき処理したものを用いたが、これに限ら
ず一般金属もしくはその合金を用いた処理、および一般
金属もしくはその合金の多層膜による処理、またはめっ
き処理に限らず種々のコーティング処理、またはガラス
などの非金属によるコーテイング処理、そのほか通常の
ステンレスやその他の金属や非金属を用いた薄板で作ら
れた容器による封止処理等によるガスを放出しないため
の処理であればそれを適時用いることができる。また、
気密封止部の封止が高精度であれば、通常の永久磁石で
ガス放出のあるものも使用できる。

【００４１】一方、電磁コイル１１は、例えばポリイミ
ドで被覆した導線（直径０．２ｍｍ）が多数回（例えば
５００ターン）マグネットに捲回されて形成されてい
る。この場合、電磁コイル１１には適当な絶縁部材によ
って絶縁封止を行うか、または、線材の線束を固る処理
等を施す。また、ポリイミド被覆の導線の限らず、比較
的ガス放出の少ない絶縁材料の被覆によるアルミやその
他の導電材料の線であれば用いることができる。

【００４２】なお、図１において指定してない間隙部分
は銅などの非磁性体で充填した構造となっている。

【００４３】また、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上述の
実施の形態の変形例である。いずれも、磁性ユニット１
４の部分のみが異なり、他の部分は上述の実施の形態と
同様であるので、同様部分についての説明は省略する。

【００４４】図２（ａ）の磁性ユニット１４ａでは、永
久磁石１０ａは上述の実施の形態と同様の配置である
が、電磁コイル１１ａの体積を内側電極１３ａに沿って
大幅に増加させている。従って、この場合は３箇所のシ
ール１６ａ、１６ｂ、１６ｃを設けている。

【００４５】図２（ｂ）の磁性ユニット１４ｂでは、上
述の実施の形態とは永久磁石１０ｂと電磁コイル１１ｂ
の配置を逆にして配置している。この場合は、永久磁石
が１０ｂが密閉壁の一部を兼ねるので、シール１６ｂは
１箇所設ければよい。

【００４６】図２（ｃ）の磁性ユニット１４ｃでは、永
久磁石１０ｃを挟んで２つの電磁コイル１１ｃ、１１ｄ
に分割して設けている。

【００４７】次にこれらの構成による磁場の印加方式に
ついて説明する。

【００４８】図３は、その構成に対応する、ビーム軸上
の生成されるポテンシャル分布Φと磁界分布Ｂを示す。

【００４９】すなわち、磁場を印加する手段としては、
銅やニッケルなどのめっきを行ったサマリュムコバルト
による永久磁石１０と電磁コイル１１を用いている。

【００５０】図３（イ）、（ロ）において、横軸はＺ軸
の位置で、縦軸は磁界の強さで任意単位である。図３
（イ）のＢp は永久磁石１０の磁界の強さを示すもの
で、永久磁石１０であるため負の磁界（反転磁界）が存
在する点に特徴がある。一方、図３（イ）の±Ｂc は電
磁コイル１１の磁界を示すものである。電磁コイル１１
によって発生した磁界は全て正または負の一方向のみの
特性を有している。（コイルに流す電流の向きによっ
て、磁界の正負が決まる）。従って、両磁界の強さを合
算したものは、図３（イ）に示すように永久磁石１０に
よるビーム軸上の磁界Ｂｐにコイルの磁界±Ｂｃが加算
されるものになる。

【００５１】図３（ロ）は、図３（イ）の磁界を印加し
て、かつレンズ電極に最適な電圧を印加し、ビームをブ
ランキングアパチャアへ丁度収束させた場合の、ビーム
軌跡を示した図である（横軸はＺ軸の位置で、縦軸はビ
ームの軸からの距離を任意単位で示してある）。

【００５２】ここで、図３（ロ）のグラフでビーム軌跡
Ｎは、この電子銃に用いた永久磁石を無着磁（磁界ゼロ
もしくは永久磁石を取リ除いた場合）の時の、エミッタ
を放出したビームの軌跡である。この際は、永久磁石１
０に併設した電磁コイル１１の電流もゼロアンペアもし
くはコイル磁界がゼロである。次に着磁した永久磁石１
０を用いた場合（軸上の磁界は図３（イ）のＢｐであ
る）のビーム軌跡は、図３（ロ）のＭとなる。この場合
のビーム軌跡Ｍのコイル電流はゼロアンペアである。

【００５３】ここで、磁界が存在しない場合のビーム軌
跡Ｎと、磁界が存在する場合の軌跡Ｍを比較する。それ
ぞれの軌跡において、ビーム軌跡Ｎ、ＭがＺ軸からもっ
とも離れる位置のＺ軸上の座標を、Ｚｃ、Ｚｍとする
と、このビーム軌跡の特徴は、Ｎの位置Ｚｃよりも、Ｍ
ではエミッタよりの位置Ｚｍでビームが発散から収束に
向かっていることである。これによつて、ビーム軌跡Ｍ
はビーム軌跡Ｎよリも小さい収束角β（＜α）でブラン
ギングアパチャ８（位置Ｚｂａ）に収束することにな
る。したがって、この磁石の磁界の効果は、球面収差係
数の変化に加えて、角電流密度Ｊ＝I ／（πβ２）の増
加として捕らえることができる。その結果、特に角電流
密度Ｊは収束角に対して二乗の関係にあるため、収束角
の縮小化は角電流密度の大きくなる効果として得られる
ことになる。

【００５４】次に、電磁コイル１１に、例えば５００タ
ーンの巻線に対して、０．２Ａの電流を流すと、全電流
は１００ＡＴ（１００アンペア・ターン）になる。この
励磁によつて、磁極を通して軸上に発生する磁界Ｂｃ
は、ピーク値が数ｍＴ（ミリテスラ）の全領域で正の磁
界になる。また、この励磁電流の方向を反転すれば、こ
の磁界は発生する磁界は、−Ｂｃになる（全領域で負の
磁界）。また、この磁界は電流量に比例した磁界であ
り、全く比例的に軸上の全領域で制御できる。

【００５５】また、この磁界Ｂｃは図３（ロ）の磁界Ｂ
ｐに必ず加算され、かつ、このＢｃは永久磁石１０の発
生する磁界Ｂｐのおおむね１／ｋ（１／１０〜１／１０
０）に相当する。さらに、この追加加算磁界は、図３
（ロ）の電子ビームのビーム軌跡Ｍを変化させるため、
ビームの収束角βは、β＋・β−（＋Ｂｃの場合がβ＋
で、結果としてβ＋の方が収束がよく、０＜β＋＜β−
となる）に変わり、電流角密度を変化させることができ
る。

【００５６】なお、磁界Ｂｃのピーク値は、例えば、４
ｍＴで、この磁界の増加によって＋１ｍＡ／Ｓｔｒの電
流角密度が増加する計算結果が得られる。これはコイル
による調整がない場合の電流角密度Ｊの１／５〜１／５
０の増加に相当する。すなわち、コイルによる励磁（±
Ｌアンペアターン）によって、もともとの電流角密度Ｊ
もしくは露光電流ｌを、Ｊ±（１／５〜１／５０）Ｊ変
化させ調整できることになリ、レジスト感度や露光時
間、そのたの露光条件にマッチした有用な露光条件設定
ができるようになった。

【００５７】また、上述の実施の形態では磁極と電極の
一体化に関しては、電極としてはイクストラクタ電極５
の例を示したがこれに限るものではない。図には示さな
いが、その他任意の電極と磁極とを一体化することも可
能である。なお、電極と磁極を１対１で一体化する場合
は、電極と磁極は絶縁物を介して一体化しているが、複
数の電極と磁極とを一体化する場合は、どれか一つの電
極との間の絶縁物を排除し、磁極それ自体に電位を与え
る方式も可能である。

【００５８】以上の構成によって、従来、永久磁石によ
る磁界を用いている場合には、ブランキングアパーチャ
を通過して使用できる電子ビームの電流角密度は、微調
整が困難で、これを調整するためには、永久磁石の大き
さを変えたり、磁極の大きさや、磁極間ギヤツプを変え
たりして行っていた。これは、電子銃部を解体、再組み
立てして行う必要があり大変手間がかかり、また、電子
銃部を動作させたままで調整を行うことは不可能であっ
た。

【００５９】上述の実施の形態では、、電子銃の外部
（大気中）からの電流制御によって、所定の電流角密度
を数分の一から数十分の一の精度で調整でき、露光条件
の設定を簡便にできるようになった。

【００６０】また、従来では、ビーム軸上の磁界は、永
久磁石の性能のみによって決定されているため、一般
に、永久磁石は着磁によつて固定磁界を発生できるよう
になるが、磁石材料のばらつきや、着磁条件のばらつき
によつて、永久磁石によつて得られる固定磁界は、数％
程度のばらつきが存在しているものが反映して、ビーム
軸上の磁界もばらついていたが、上述の実施の形態で
は、電流制御によって磁界を補正できるため、永久磁石
の固定磁界の数％程度のばらつきをを簡便に補正するこ
とができる。

【００６１】また、従来のようにビーム軸上の磁界は、
永久磁石の性能のみによって決定されていたので、永久
磁石の固定磁界が温度やその他の条件によって、経時的
に発生する減磁（徐々に固定磁界が小さくなる）に伴っ
て誤差が生じていたが、このような場合には、電磁コイ
ルを電流制御して磁界を補正して初期値を維持して、経
時的に減磁による電流角密度の変化がないようにするこ
とができる。なお、この操作は、電子銃を通常の使用状
態のままで、大気中に設け電流源の電流値を操作するだ
けできわめて簡便に行うことができる。

【００６２】ここで、図６のようにレンズ電極として減
速型[ レンズ電圧（Ｖe ）がイクストラ電圧（Ｖｅｘ）
とアノード電圧（Ｖａ）より低いタイプ] を示したが、
加速型（ＶｅがＶｅｘ、Ｖａより高いタイプ）でも全く
同様の効果が得られる。

【００６３】上述の電子銃から発射された電子線を用い
た露光技術は、直接描画や縮小投影とステップアンドリ
ピートや等倍一括投影等に用いることができる。以下に
電子ビーム描画装置に用いた一例を示す。

【００６４】図４は、電子銃７０を搭載した電子光学系
の構造を示す構成図である。筐体の内部には、上から電
子銃７０、第一成形アパーチャ７１、成形偏向器７２、
第二成形アパーチャ７３、振リ戻し偏向器７４、ブラン
キング電極７５、倍率補正レンズ７６、偏向器および集
束レンズ７７、加工室７８が順に設けられている。

【００６５】加工室７８の内部には、図示しない試料の
移動ステージが設けられ、このステージは、やはリ図示
しないレーザ干渉計でＸＹの座標が正確に計測され、モ
ータ駆動によリ数十から数ｎｍの精度で位置決めが行わ
れる。また、位置決めは移動台や試料に設けられたマー
クを、検出することで行われる。

【００６６】ここで、電子銃７０で電流を長時間安定に
取り出すために、試料であるウェハから発生するガスの
影響を少なくする必要があり、差動排気によって、電子
銃室を５×１０^-9Ｔｏｒｒ以上の高真空に保つように構
成している。

【００６７】制御系は、図示しない計算機からデータを
インターフェィスを介して、描画制御系に転送する．描
画制御系は、ウェハに描画するパターンに応じたアパー
チャ図形を、先の第二成形アパーチャ７３よリ選択し、
これを選択できる所要の電圧を成形偏向器７２に入力
し、かつ振リ戻し偏向器７４によって、ビームを軸上に
戻す。この選択された描画パターンは、倍率補正レンズ
７６と集束レンズ７７を用いて試料（ウェハ）面に結像
する。

【００６８】このとき、集束レンズ７７から試料までの
あらかじめ測られた正確な距離に基づいて、集束レンズ
のフォーカスを正確に調整した後、結像される。また、
集束レンズの中に構成した偏向器によって、軸以外の部
分についても描画パターンを結像する。描画できるパタ
ーンの最小寸法は、電子光学系の収差やぼけによって制
限されており、おおよそ０．１μｍ以下の寸法が可能で
ある。

【００６９】このとき、試料上の単一の描画パターンは
たとえばＬμｍ×Ｌμｍ（３μｍ×３μｍ）で露光し、
先の集束レンズ内偏向器によって、Ｎ・Ｎ´個分（たと
えば１０×１２個）偏向し、露光を行う。この結果、Ｎ
・Ｌμｍ×Ｎ´・Ｌμｍ（３０μｍ×３６μｍ）の領域
の露光が完了する。次に、試料を移動ステージで移動
し、軸上露光、偏向露光を繰リ返し、試料全体（たとえ
ば６〜１２インチウェハ全面）の露光を完了するよう動
作する。

【００７０】以上に述べたように、エミッタ（電子放出
源）を含めた二極領域に磁界を重畳させ、ビームを収束
させる方式である磁界界浸電子銃とその電子銃を搭載
し、電子銃の電子レンズ電極と磁極ユニットを一体構造
にしたので、通常、数ｍｒａｄ程度の放出角しか収束す
るこをができない電子を、数十ｍｒａｄから百ｍｒａｄ
の放出角電子でも収束させることが可能になり、アパー
チュアを通過して使用できる電子を、通常の数ｎＡオー
ダから数百ｎＡもしくは数μＡに増加させ且精密に調整
することができるようになった。

【００７１】また、磁界がない場合にアパーチャを通過
できるビームが数ｍＡ／ｓｔｒである電流角密度を、十
数ｍＡ／ｓｔｒから数十ｍＡ／ｓｔｒまで向上させ、か
つ、精密に調整することができるようになった。

【００７２】また、絶縁シール材を用いた複雑な電子銃
室の構造が不要となり、部品点数の低減でコストダウン
できるようになった。

【００７３】また、磁界の形成に永久磁石を用いること
によって、電磁式マグネットに比べて構成が小さくな
リ、磁界部分は直径数十ｍｍから百ｍｍオーダに収める
ことができるようになった。

【００７４】また、永久磁石の形状寸法を精度を上げる
ことで、電子銃の組立て精度を向上させ、電極のアライ
メントもしくは調整機構を簡素化できるようになった。

【００７５】

【発明の効果】本発明は、アパーチャアを通過して使用
できる電子ビームの電流角密度の微調整ができるように
した電子銃が得られ、また、その電子銃を搭載した電子
ビーム描画装置等の露光装置によれば、極めて高精度に
微細パターンを処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す電子銃の要部の横断
面図。

【図２】本発明の実施の形態の電子銃の要部の変形例を
示す横断面図。

【図３】本発明の実施の形態の構成と、それに対応する
ビーム軸上の生成されるポテンシャル分布Φと磁界分布
Ｂを示す図。

【図４】本発明の電子銃を搭載した電子ビーム描画装置
の電子光学系の構造を示す構成図。

【図５】従来の電界放出型電子銃の構成をし示す構成
図。

【図６】従来の磁極とエキストラクタ電極を一体化した
場合の構成と、その構成に対応するビーム軸上に生成さ
れるポテンシャル分布Φと磁界分布Ｂを示す図。

【符号の説明】

１、３１、４１…電子銃、２、３２、４２…ビーム軸、
３、３３、４３…エミッタ、４、３４、４４…サプレッ
サ電極、５、３５、４５…イクストラクタ電極、６、３
６、４６…電子レンズ電極、７、３７、４７…アノード
電極、８…ブランキングアパーチャ、、１０、１０ａ、
１０ｂ…永久磁石、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…
電磁コイル、１２、１２ａ…外側電極、１３、１３ａ…
内側電極、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…磁極ユニッ
ト、１５、１５ａ…非磁性物

フロントページの続き (72)発明者安藤厚司神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 5C030 BB17 BC06 CC07 5F056 AA04 AA19 CB03 EA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に配置され
電子ビームを発生する陰極と、この陰極で発生した電子
ビームに磁場を印加する磁極ユニットと、前記陰極で発
生した電子ビームをビーム軸方向に加速して電子ビーム
の通路を形成する陽極と、この陽極と前記陰極との間に
配置されて前記陽極で加速された電子ビームを前記ビー
ム軸上に収束させる電界を発生する電子レンズとを有す
る電子銃において、前記磁極ユニットは、閉空間の中に
永久磁石と電磁コイルとを配置した構造を有することを
特徴とする電子銃。
【請求項２】前記磁極ユニットの前記永久磁石は、表
面処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の
電子銃。
【請求項３】前記磁極ユニットの前記電磁コイルは、
表面処理が施されていることを特徴とする請求項１記載
の電子銃。
【請求項４】前記磁極ユニットは、少なくとも一つの
前記電極と一体化したことを特徴としたこと特徴とする
請求項１記載の電子銃。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の電子
銃を搭載したことを特徴とする露光装置。
【請求項６】真空容器内に配置された陰極で電子ビー
ムを発生させ、この陰極で発生した電子ビームに磁極ユ
ニットから磁場を印加して電子レンズがビーム軸上に収
束させる電界を調整する電子銃による電子ビーム発生方
法において、前記磁極ユニットによる磁場の印加は、磁極ユニットに
設けられた永久磁石と電磁コイルとから発生した磁場に
よるものであることを特徴とする電子銃による電子ビー
ム発生方法。