JP2001189144A - 電子ビームコラム用４極管電子銃 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子ビームの分布における可変高明度及び照
射均一性の両方を調節できる、４極管（４電極）電子銃
（２０２）を説明する。 【解決手段】 これは、静電集束電極（１８）を電子銃
内の陰極（２）と陽極（８）の間に追加することで達成
される。集束電極は数keVに正バイアスされて、陰極の
像を無限遠に集束させる。集束電極を追加することで、
集束電極のバイアスを調節して最適なビーム横断面均一
性を獲得する一方で、陰極の下方に備え付けられ一定の
放出を保つためのグリッドのバイアスを調節することに
よって可変明度と照射均一性の両方を得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、例えば電子ビームリソ
グラフィ用のコラムで使用する、電子ビームコラム及び
電子銃（ソース）に関する。

【０００２】

【従来技術の説明】電子ビームコラムは、例えば、一般
に入射電子ビームに感光するレジストの塗布された基板
上に、パターンを描くための電子ビームリソグラフィに
使用することでよく知られている。続く露光されたレジ
ストの現像は、その後エッチングや他の工程用のパター
ンとして使用できるパターンをレジストに明確に定め
る。電子ビームコラムはまた、物体表面や薄いサンプル
を描画するための電子顕微鏡検査にも使用される。従来
の電子顕微鏡検査やリソグラフィ用の電子ビームコラム
はよく知られており、電子ビームを作る、電子エミッタ
を持った電子銃を一般に備えている。電子銃からの電子
ビームは、走査プローブ作るのに使用したり、又は一連
の電子ビームレンズを使ってサンプルあるいは開口を照
射するのに使用してもよい。

【０００３】従来の電子ビームコラム及び電子ビームマ
イクロコラムは、いずれも電子ソースを備えている。一
つの様態において、この電子ソースは、従来のショット
キー放出銃であるか、あるいは通常エミッタ（陰極）
と、電子ビームを集束してその最終エネルギーまで加速
する静電予備加速レンズであるエミッタ下流(電子ビー
ムの方向に対して)を取り囲む３極管領域を含む、電界
放出銃（通常、電子銃と呼ぶ）である。上述したよう
に、この銃光学系には、ターゲット上にソース開口ある
いはサンプルを再び集束して描画する、一連のレンズが
続いている。（ここでいう光学系及びレンズとは、従来
の光学顕微鏡ではなく電子ビームの取り扱いや操作のた
めの構造のことをいう。）

【０００４】本明細書に援用されている、例えば米国特
許第4,430,570号の可変形状ビームリソグラフィ用電子
銃は、均一形状照射するために高明度と低いエネルギー
の広がりを組み合わせる必要がある。臨界照射要求量
と、複雑な形状、及びパターン開口の使用とが、より高
い照射均一性を必要とする。しかし、図２の断面図でわ
かるように、従来の熱イオン電子銃は、陰極２、負バイ
アスされたグリッド電極４、及び加速陽極８（電子銃の
保持部材、電気リード線及び真空容器を含む残りの部分
は図示されていない）を持った３極管組立体２００を用
いる。３極管組立体２００で明度を制御する場合、グリ
ッド電極４のバイアスが、電子ビーム１２がグリッド孔
６を通る際に陰極２の表面を離れることができる領域を
制限することで放出を制御する一方で、陰極２の温度が
陰極２表面からの電流密度を制御する。平坦なホウ化ラ
ンタン（LaB₆）陰極を持つ従来の電子ビームコラムで
は、電子ビーム１２の明度は、通常、陰極２の温度に関
わりなく電流密度の上限を設定する、空間電荷効果によ
り制限される。空間電荷効果は、電子ビーム１２にエネ
ルギーの広がりを生じさせ、その効果は公知である。明
度を最大化する方法は、電子線が陰極２の表面を離れた
後、できるだけ早く加速させることである。負バイアス
された電子銃を使うことで、陰極２表面において必然的
に極めて低い電界強度が与えられる、つまり低電界領域
の長さと放射的な広がりが、電子銃の構成によって制御
される。このことが陰極２の表面の放出領域中央におい
てより高い電界をもたらし、空間電荷の制限を軽減して
ショットキー放出を促し、その結果明度を向上させる。

【０００５】照射の均一性を制御するために、従来の電
子銃は大型の平坦な陰極を‘臨界照射状態’で使用す
る。図２における陰極２表面の像は、電子ビーム１２の
横断面を形成するために使用する形状開口を照射し、こ
の開口は陽極８のかなり下流に備え付けられている（形
状物は公知であり、図１においては形状物１１０として
図示されている）。電子銃から出てくる電子ビーム１２
の角分布は、ガウス分布ではなく平坦な‘マンハッタ
ン’分布をつくりやすいので、出てくる電子ビーム１２
のより広い部分を使って対象物を均一に照射することが
できる。

【０００６】しかし、可変明度と均一性が同時に必要と
される時、３極管電子銃には根本的な問題がある。この
ような３極管組立体２００では、広い範囲の放出電流と
陰極電流密度のための、陰極２表面の望遠集束描画を達
成できない。低い電流密度であることは、陰極２表面の
放出領域が狭いことを意味するが、その結果この領域へ
の放出を制限するのに必要な電界構成が過度のレンズ動
作となり、陰極２の像を小さくして陽極８の近くに位置
させることになる。この像は、理想的には拡大されて無
限遠近くの焦点面で望遠中央に投影される。正確な照射
は、表面像を無限遠に投影するための磁気レンズを電子
銃出口の近くに追加することで得られる。しかしこの磁
気レンズは、交差部１４の像又はフーリエ面像に影響を
与え、また電子銃の設計と構成に大改造が必要となるの
で設置は好ましくない。従って理想的な照射は、従来の
３極管組立体２００においては、電子銃のバイアス条件
の一つの組み合わせについてのみ達成される。

【０００７】

【概要】電子銃コラムで使用する、従来の電子銃は、熱
イオン３極管（３電極）構成を利用して電子を放出す
る。本発明に従うと、４極管（４電極）銃は電子ビーム
の分布における可変高明度及び照射均一性の両方を調節
できる。この調整は、電子銃内の陰極と陽極間に位置す
る第４の静電集束電極を追加することで達成される。こ
の集束電極は、例えば数keVまで正バイアスされ、陰極
の像を無限遠で集束させる。

【０００８】集束電極は、陰極を電子銃内で発生する高
電界から守る。それゆえ、３極管構成の場合よりも陰極
をより陽極の方へ置くことができ、また電子が放出され
陰極の低強度電界から加速ギャップのより高い強度電界
へ移動する際に、電界強度の差がさらに開口レンズとし
て働く。従って、集束電極を追加することで、使用者は
可変明度と照射均一性の両方を、グリッドのバイアスを
調節することによって得られる。このグリッドは陰極の
下流に備え付けられて、最適のビーム横断面均一性を得
るために集束電極を調節する一方で、一定の電子放出を
保つものである。

【０００９】

【詳細な説明】上述の電子ビームコラムは公知の技術で
ある。図１は、従来の電子形状ビームコラム１００の図
であり、開口で定められる集束形状を描画する、従来の
電子ビームリソグラフィ機（図示せず）等で使用され
る。コラム１００は、開口１０４を通過する電子ビーム
１０２を放出する電子ソース２００及び電子ビームレン
ズ１０６を備え、公知の技術である。電子ビーム１０２
は、例えば正方形の開口の形状物１０８上に投影され
る。磁気レンズあるいは静電レンズでもよい一連の電子
ビームレンズ１１０、１１２は、形状物１０８を通過し
た電子を集束するために使われ、形状物１０８の縮小像
を基板１１４上に投影する。コラム１００がリソグラフ
ィ機で使用される場合、基板１１４はマスクブランク又
は半導体ウェハである。

【００１０】図１に示すとおり、従来の電子形状ビーム
コラム１００は、基板１１４上に形状物１０８の集束像
を生成する。一般に、コラム１００で使用される形状物
１０８の大きさは、基板１１４上の形状物１０８像より
も大きいので、大きい直線コラム全体を縮小して生成さ
れる。

【００１１】図３は、電子ビームコラムで使用する電子
銃組立体２０２である。この組立体２０２は、図２の従
来技術の組立体２００の代わりに使用され、同様の要素
には同じ番号を付け、集束電極１８とダイオードギャッ
プ２２と加速ギャップ２４を追加していて、ほとんどの
点で図２（同様の図）の組立体２００と類似している。
陰極２とグリッド４は‘ダイオード領域’を形成し、３
極管組立体２００のように、グリッド４が放出を制御す
る一方で、陰極２の温度が陰極２表面の電流密度を決定
する（グリッド４は実際のグリッドである必要はな
い）。しかし、グリッド４の下方に備え付けられた追加
の集束電極１８が、陰極２からの像を無限遠で集束さ
せ、ダイオード領域におけるより広い条件範囲をもたら
す。陰極２の電圧が０eVに維持されている時、グリッド
４のバイアスは−１０eVから１０００eVの範囲をとり、
陽極８のバイアスは５０keVから１００keVの範囲をとる
ことができる。一実施例において例えば、陰極２の電位
が０eVである時、グリッド４のバイアスは−５０eVで陽
極８のバイアスは１００eVである（これらの値は実例的
なもので制限を設けるものではない）。集束電極１８は
静電状態であるので、臨界照射を獲得するために集束電
極１８ではなく磁気レンズを使用してもよいが、一枚の
集束電極１８の代わりに３枚の磁気レンズが必要にな
る。集束電極１８は、例えば厚さが２mmのモリブデン等
の材料でできている。また、ビーム１２がその中を通る
集束電極１８内の孔径は、ギャップ２２、２４の幅に依
存するが、孔は例えば５mmの径を持つことができる。

【００１２】集束電極１８の追加によって、３極管組立
体２００とは異なる４極管組立体２０２の構成が可能と
なる。図２の３極管組立体２００では、陰極２とグリッ
ド４は直接陽極８に面している。この構成では、陰極２
を高電圧ギャップ１６における加速電界から守るため
に、グリッド孔６の後ろへの備え付けることが必要とな
る。この構成は、適切なバイアス電圧とともに、放出を
制御するために行われる。図２のように、陰極２付近の
等電位線１０の屈曲は強力な収束レンズ効果を生み出し
て、交差部１４の像が電子銃の出口付近に現れることに
なる。

【００１３】従来技術の３極管組立体２００の図４にお
ける軸位置Z対電子エネルギーV（Z）等電位曲線は、一
実施例では陰極２が０eVでグリッド４が−５０eVである
ので、陰極２表面付近の低電界領域３０で比較的広い低
電界領域ができることを示す。この低電界は、空間電荷
効果を促す。等電位線１０の屈曲は、交差部１４の像を
電子銃の出口付近に集束させる強力な収束レンズ効果を
生み出す。４極管組立体２０２において、図３に見られ
るようにグリッド４は負バイアスのままであるが、集束
電極１８はわずか数keV正バイアスされている。集束電
極１８の電圧は実際に２keVから１０keVの範囲を取るこ
とができるが、一実施例では例えば集束電極１８のバイ
アスは２keVである。集束電極１８は、陰極２付近の等
電位線２０が比較的直線的に示されているように、ダイ
オードギャップ２２を加速ギャップ２４におけるより強
力な電界から守る。これは、一実施例で、陽極８が１０
０keVにバイアスされ、グリッド４が−５０eVにバイア
スされているからである。ダイオードギャップ２２を守
ることで、陰極２がグリッド孔６を越えて前方に配置で
き、同様に電子ビーム１２が集束電極１８に入る前に発
散させておくことができる。ギャップ２２、２４の幅は
可変である。しかし、一実施例ではダイオードギャップ
２２は約２mmの距離を持つことができ、加速ギャップ２
４は約１０mmの距離を持つことができる。一実施例にお
ける陰極２のゼロ電圧等電位は、放出領域を制限し、ダ
イオードギャップ２２内の電界ははるかに弱いレンズを
形成する。図５で、中央主光線２６と周辺主光線２８と
して示す４極管組立体の主光線は、ダイオードギャップ
２２を横切っている間、集束電極１８に入るまで発散し
ている。電子ビーム１２が集束電極１８に入る地点は、
中央主光線２６が屈曲点３２でよじれる部分である。ダ
イオードギャップ２２を離れると、陰極２の像と交差部
１４は虚像となる、つまり両方とも陰極２表面の後ろに
存在する。

【００１４】図５はまた、ダイオードギャップ２２の弱
い電界から加速ギャップ２４のより強い電界へ移る際、
追加的な集束動作を生み出すことを表わしている。この
電界強度の差は開口レンズを形成する。レンズの変更
は、集束電極１８における電圧を２keVに引き上げるこ
とにより達成され、使用者は陰極２表面と交差部１４を
４極管組立体２０２の下流位置に描画できる。従って集
束電極１８は使用者に、集束電極１８の電圧を調節して
最適な電子ビーム１２の均一性を得る一方で、グリッド
４のバイアスを調節して一定の放出を保ち、可変明度と
照射均一性の両方を獲得することを可能にする。さら
に、集束電極１８の電圧におけるわずかな変化に対して
は（およそ数十分の一eV）、交差部１４の径は比較的一
定のままであり、半ば独立した照射均一性の制御をも提
供する。

【００１５】上記の説明に従った、３極管組立体と４極
管組立体２００、２０２の主光線をそれぞれ図４及び図
５に示す。図５は、主光線２６、２８が陰極２付近のバ
イアス条件に独立して制御できることを示し、集束可変
度の広がり３４をもたらす。

【００１６】最終的結果は、温度、電流密度及び陰極２
の明度がまず最適化され、それから電子ビーム１２の最
適な均一性が集束電極１８の電圧を調節することにより
得られることである。

【００１７】本発明を、特定の実施例に関して説明して
きたが、この説明は本発明を適用する一例であり、制限
として理解されるものではない。特に、前述の議論はリ
ソグラフィにおける電子銃への適用についてなされた
が、本発明のもう一つの実施例としては、マイクロコラ
ムや他の電子ビームコラムの応用での使用が含まれる。
ここに開示された実施例の特徴の様々な適用及び組み合
わせは、請求項に記載されるとおり本発明の範囲に含ま
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電子形状ビームコラムの図である。

【図２】図１の電子ビームコラム中の、従来の３極管組
立体の図である。

【図３】図１の電子ビームコラム中の、本発明の４極管
組立体の図である。

【図４】３極管組立体からの電子ビームの主光線の線図
及びそれに対応する等電位エネルギーの曲線である。

【図５】本発明の４極管組立体からの電子ビームの主光
線の線図及びそれに対応する等電位エネルギーの曲線で
ある。各図における同一の符号は、同様あるいは同一の
項目を示すものである。

【符号の説明】

１００：形状ビームコラム ２００：３極管組立体 １０２：電子ビーム １０４：開口 １０６：電子ビームレンズ １０８：形状物 １１０：電子ビームレンズ １１２：電子ビームレンズ １１４：基板 ２：陰極 ４：グリッド電極 ６：グリッド孔 ８：陽極 １０：等電位線 １２：電子ビーム １４：交差部 １６：高電圧ギャップ ２０２：電子銃４極管組立体 １８：集束電極 ２０：等電位線 ２２：ダイオードギャップ ２４：加速ギャップ ２６：中央主光線 ２８：周辺主光線 ３０：低電界領域 ３２：屈曲点 ３４：集束可変度。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームコラムであって、 陰極と、 前記陰極から放出される電子に共軸に配設された電極
   と、 前記電極に影響された前記電子に共軸に配設された陽極
   と、 前記電極と前記陽極の間に配設された静電集束電極と、 電子ソースからの電子ビームが入射するように設置され
   た開口と、 前記電子ビームに共軸で、前期開口を通過した前記電子
   ビームを集束する複数の電子ビームレンズとを含む電子
   ソースを備えた電子ビームコラム。
2. 【請求項２】前記陰極が約０eVにバイアスされている請
   求項１に記載の電子ビームコラム。
3. 【請求項３】前記電極がグリッド電極である請求項１に
   記載の電子ビームコラム。
4. 【請求項４】前記電極に約−１０eVから１０００eVの範
   囲にバイアスされている請求項１に記載の電子ビームコ
   ラム。
5. 【請求項５】前記陽極に約５０eVから１００eVの範囲に
   バイアスされている請求項１に記載の電子ビームコラ
   ム。
6. 【請求項６】前記集束電極に約２eVから１０eVの範囲に
   バイアスされている請求項１に記載の電子ビームコラ
   ム。
7. 【請求項７】前記陰極が前記電極で確定された開口部内
   で広がる請求項１に記載の電子ビームコラム。
8. 【請求項８】前記集束電極が前記陰極と前記電極を電気
   的に保護する請求項１に記載の電子ビームコラム。
9. 【請求項９】前記集束電極が約２mmの厚さである請求項
   １に記載の電子ビームコラム。
10. 【請求項１０】前記集束電極がモリブデンで作られてい
    る請求項１に記載の電子ビームコラム。
11. 【請求項１１】前記集束電極が前記電子ビームを通過す
    る孔を確定し、前記孔が約５mmの径である請求項１に記
    載の電子ビームコラム。
12. 【請求項１２】前記集束電極が前記電極から約２mm離れ
    て配設されている請求項１に記載の電子ビームコラム。
13. 【請求項１３】前記集束電極が前記陽極から約１０mm離
    れて配設されている請求項１に記載の電子ビームコラ
    ム。
14. 【請求項１４】電子ビームコラム内に電子ビームを供給
    する方法であって、 電子ビームを放出するステップと、 前記放出されたビームを放出点と共軸の第１電界にさら
    すステップと、 前記放出されたビームを前記第１電界下流の第２電界に
    さらすステップと、 前記電子ビームを前記第２電界下流の第３電界に集束す
    るステップと、 前記集束された電子ビームを成形するために開口に通過
    させるステップと、 成形された電子ビームを前記電子ビームにそれぞれ共軸
    の複数の電子ビームレンズに通過させるステップとを備
    える電子ビームコラム内に電子ビームを供給する方法。