(57)【要約】  本発明は、電子銃に関して、電子を放出する電子源の熱による昇華量を削減し、長期間安定に使用することを課題とする。  本発明の電子銃は、電子源（２０）の電子放出面と対向して配置され電子を加速する加速電極（２５）と、電子放出面と加速電極との間に配置され電子放出面に向かって光軸上に中心を持つ球状の凹面を有し当該電子放出面から電子を引き出す引き出し電極（２１）と、電子放出面の引き出し電極と反対側に配置され電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極（２４）とを有し、電子源の材料の昇華が発生しない程度の低い温度に保ちながら電子放出面に電界を印加して熱電界放射電子を放出させる。
2008102435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出する電子源と、
前記電子源の電子放出面と対向して配置され前記電子を加速する加速電極と、
前記電子放出面と前記加速電極との間に配置され、前記電子放出面に向かって光軸上に中心を持つ球状の凹面を有し、当該電子放出面から電子を引き出す引き出し電極と、
前記電子放出面の前記引き出し電極と反対側に配置され、前記電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極と、
を有する電子銃において、
前記電子源の材料の昇華が発生しない程度の低い温度に保ちながら前記電子放出面に電界を印加して熱電界放射電子を放出させることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記電子源の材料は六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）又は六ホウ化セリウム（ＣｅＢ6）であることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記電子源の先端部の電子放出面以外の電子源の側面は前記電子源と異なる仕事関数の大きな物質で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子銃。
【請求項４】
前記異なる物質は、カーボンであることを特徴とする請求項３に記載の電子銃。
【請求項５】
前記温度は、１１００℃から１４５０℃であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項６】
前記引き出し電極は、前記電子放出面から２ｍｍ以下の距離に設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項７】
前記引き出し電極と前記加速電極との間に、静電レンズ電極が設置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項８】
前記電子放出面は、直径が１μｍから２００μｍの平坦部分を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電子銃。
【請求項９】
前記電子源の先端部は略円錐形であり、円錐角が５０度以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電子銃
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の電子銃を有することを特徴とする電子ビーム露光装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子ビーム露光装置を用いた電子ビーム露光方法において、
所定の時間の間、前記引き出し電極の電位が前記電子源の先端部の電位よりも低くなるように電圧を印加し、電子源全体に通常の使用電圧値よりも絶対値の大きな電圧を印加した後、
前記電子源電圧を通常の使用電圧値に戻し、
その後、前記引き出し電極の電位が前記電子源の先端部の電位よりも高くなるように電圧を印加して露光を行うことを特徴とする露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス製造のリソグラフィ工程において用いられる電子銃、該電子銃を備えた電子ビーム露光装置及び露光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子ビーム露光装置において、スループットの向上を図るために、マスクに可変矩形開口又は複数のマスクパターンを用意し、ビーム偏向によりそれらを選択してウエハに転写露光している。このような複数のマスクパターンを用いる露光方法の一つとして、部分一括露光をする電子ビーム露光装置が提案されている。部分一括露光では次のようにしてパターンを試料面に転写している。すなわち、マスク上に配置した複数個のパターンからビーム偏向により選択した一つのパターン領域にビームを照射してビーム断面をパターンの形状に成形する。さらにマスクを通過したビームを後段の偏向器で偏向振り戻し、電子光学系で決まる一定の縮小率に縮小して試料面に転写する。【０００３】
また、このような露光装置においては、線幅精度を確保することも、スループットを向上させるために重要となる。線幅精度を確保するためには、電子銃から放射される電子ビームの強さに経時変化がないことが要求される。電子ビームの強度が経時変化して弱くなると、露光の程度が漸次低下する。これを補うために、露光時間を増やそうとすると、制御が面倒になるばかりではなく、スループットが低下してしまうからである。【０００４】
電子銃から電子を放出させる方法として、一般に、熱電子放射型と電界放射型に大別される。このうち、熱電子放射型電子銃は、加熱することにより電子を放射するカソードと、カソードから放出した電子を収束して電子線束を作り出すウェーネルト及び収束した電子線を加速するアノードから構成される。【０００５】
上記の熱電子放射型電子銃を使用すると、電子銃に使用されている電子源（チップ）が電子を放出するに伴い、チップを構成する物質が昇華、蒸発し、量が減るので、電子放出部が変形する現象が発生する。この現象を防止するために種々の対策が検討されている。例えば、特許文献１には、チップの表面をタングステン（Ｗ）及びレニウム（Ｒｅ）からなる二層構造膜で覆い、チップの消耗を少なくするようにした電子銃が開示されている。【０００６】
上述したように、熱電子放射型電子銃を使用すると、電子銃を構成するチップは電子を放出するだけでなくチップ物質自体が昇華する場合がある。これは、熱電子放射の場合には電子発生物質の昇華開始温度以上に温度を高くして電子を放出するために、チップにおいて昇華が起こるためであると考えられている。【０００７】
この昇華により、電子を放出するチップの形状が変化し、可変矩形ビームや部分一括パターンビームが均一に照射できなくなり、放射される電子ビームの強度が低下していく。例えば、チップとして六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）を使用し、温度を１５００℃とした熱電子放射型電子銃の場合、１ヶ月の使用で１０μｍの昇華が発生していた。【０００８】
また、上述した昇華により、チップ物質、例えば、ＬａＢ6や六ホウ化セリウム（ＣｅＢ6）がグリッドの裏面に付着する。この付着物がウィスカになり、この上に電子がチャージされ、微小放電を起こす場合がある。このような微小放電が発生すると、電子ビームの量と照射位置が安定しないという現象が起こり、電子ビーム露光装置が正常に使用できなくなる。また、調整等に時間がかかり、スループットが低下してしまう。最大の問題点は微小放電発生時に描画されたパターンでは信頼度が損なわれると言うことであるので、電子銃付近の微小放電の撲滅が電子ビーム露光装置の高信頼度化には不可欠のことになる。即ち電子銃材料の昇華量をいかに削減するかが、高信頼度化・高安定化には不可欠な開発要件となる。【０００９】
なお、特許文献１ではチップの表面をタングステンとレニウムからなる二層構造で覆うことにより、チップの消耗を少なくしているが、二層構造で覆われていない電子放出面の昇華による形状の変化を防止することはできない。
【特許文献１】特開平８−１８４６９９号公報
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、電子を放出する電子源の熱による昇華量を削減し、長期間安定に使用することのできる電子銃、その電子銃を用いた電子ビーム露光装置及び露光方法を提供することを目的とする。
【００１１】
上記した課題は、電子を放出する電子源と、前記電子源の電子放出面と対向して配置され前記電子を加速する加速電極と、前記電子放出面と前記加速電極との間に配置され、前記電子放出面に向かって光軸上に中心を持つ球状の凹面を有し、当該電子放出面から電子を引き出す引き出し電極と、前記電子放出面の前記引き出し電極と反対側に配置され、前記電子源の側面からの電子放出を抑制するサプレッサー電極と、を有する電子銃において、前記電子源の材料の昇華が発生しない程度の低い温度に保ちながら前記電子放出面に電界を印加して熱電界放射電子を放出させることを特徴とする電子銃により解決する。
【００１２】
この形態に係る電子銃において、前記電子源の材料は六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）又は六ホウ化セリウム（ＣｅＢ6）であっても良く、前記電子源の先端部の電子放出面以外の電子源の側面は前記電子源と異なる仕事関数の大きな物質で覆われているようにしても良い。また、前記異なる物質は、カーボンであっても良く、前記温度は、１１００℃から１４５０℃としてもよい。
【００１３】
また、この形態に係る電子銃において、前記引き出し電極は、前記電子放出面から２ｍｍ以下の距離に設置されるようにしても良く、前記引き出し電極と前記加速電極との間に、静電レンズ電極が設置されるようにしても良い。
【００１４】
本発明では、引き出し電極の電子放出面に対向する部分を球状凹面にしている。これにより、引き出し電極と電子放出面との間の電位分布を球面状にすることができ、電子放出面近傍の電位を極めて大きくすることができる。従って、熱電界放射型の電子銃を使用して低温で動作させても、電子ビームの輝度を大きくすることが可能となる。
【００１５】
また、本発明では、電子源のチップの先端部の電子放出面のみを露出させ、その他の側面部分は異種物質でカバーしている。例えば、電子発生材料としてＬａＢ6を使用した場合、この異種物質は例えばカーボン（Ｃ）である。このような電子源を有する電子銃を低温で動作させるため、チップの昇華がほとんど起こらない。これにより、電子源の電子放出面が変形することなく、電子銃を長期間安定して使用することができる。
【００１６】
また、チップの昇華が起こらない温度で電子銃を動作させるために強電界をかけても、カーボンで電子源の側面を覆っているため、電子源の側面から電子が放出されることはない。これにより、電子ビームの形状が変わることがなく、不必要な箇所が高温になって真空度が下がるという現象を防止することができる。
【００１７】
また、上記した課題は、前記いずれかの電子銃を有する電子ビーム露光装置を用いた電子ビーム露光方法において、所定の時間の間、前記引き出し電極の電位が前記電子源の先端部の電位よりも低くなるように電圧を印加し、電子源全体に通常の使用電圧値よりも絶対値の大きな電圧を印加した後、前記電子源電圧を通常の使用電圧値に戻し、その後、前記引き出し電極の電位が前記電子源の先端部の電位よりも高くなるように電圧を印加して露光を行うことを特徴とする露光方法により解決する。
【００１８】
システムの信頼性を著しく低下させる要因として、電子銃のウェーネルト及び電子銃の碍子に付着するゴミに帯電しゴミを媒介として放電が発生することが挙げられる。これに対して、一般的にコンディショニングと呼ばれる手法を取り入れることが多い。
【００１９】
本発明では、露光を行う前のコンディショニング時に、引き出し電極の電位を電子源の電位より低い電位になるようにしている。これにより、電子源から電子が引き出されることがなく、コンディショニングを実施しても電子源の溶解や破損を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る電子ビーム露光装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明に係る電子銃の構成図である。
【図３】図３は、電子銃を構成する電極間の電位分布の一例を示す図である。
【図４】図４は、引き出し電極の形状を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、電子放出面と引き出し電極との間の電位分布の一例を示す図である。
【図６】図６は、電子放出面からの距離と電界強度との関係を示す図である。
【図７】図７は、図２の電子銃に係る電子源及び電極の構成図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、電子源の先端部の形状を示す断面図である。
【図９】図９は、図２の電子銃に係る他の実施例の電子源及び電極の構成図である。
【図１０】図１０は、電子の放出を制限する領域を説明する電子源の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。【００２２】
はじめに、電子ビーム露光装置の構成について説明する。次に、電子銃の構成について説明し、電子銃のうち本発明の特徴部分の電子源の構成について説明する。次に、本発明の電子銃を使用した露光装置の露光方法について説明する。次に、電子源の表面に電子放出を制限する領域を形成する方法について説明する。最後に、本実施形態の電子銃を使用した場合の効果について説明する。
（電子ビーム露光装置の構成）
図１に、本実施形態に係る電子ビーム露光装置の構成図を示す。【００２３】
この電子ビーム露光装置は、電子光学系コラム１００と、電子光学系コラム１００の各部を制御する制御部２００とに大別される。このうち、電子光学系コラム１００は、電子ビーム生成部１３０、マスク偏向部１４０及び基板偏向部１５０によって構成され、その内部が減圧される。【００２４】
電子ビーム生成部１３０では、電子銃１０１から生成した電子ビームＥＢが第１電磁レンズ１０２で収束作用を受けた後、ビーム整形用マスク１０３の矩形アパーチャ１０３ａを透過し、電子ビームＥＢの断面が矩形に整形される。【００２５】
その後、電子ビームＥＢは、マスク偏向部１４０の第２電磁レンズ１０５によって露光マスク１１０上に結像される。そして、電子ビームＥＢは、第１、第２静電偏向器１０４、１０６により、露光マスク１１０に形成された特定のパターンＳｉに偏向され、その断面形状がパターンＳｉの形状に整形される。【００２６】
なお、露光マスク１１０はマスクステージ１２３に固定されるが、そのマスクステージ１２３は水平面内において移動可能であって、第１、第２静電偏向器１０４、１０６の偏向範囲（ビーム偏向領域）を超える部分にあるパターンＳを使用する場合、マスクステージ１２３を移動することにより、そのパターンＳをビーム偏向領域内に移動させる。【００２７】
露光マスク１１０の上下に配された第３、第４電磁レンズ１０８、１１１は、それらの電流量を調節することにより、電子ビームＥＢを露光マスク１１０上に収束させた上で、更に基板Ｗ上に結像させる役割を担う。【００２８】
露光マスク１１０を通った電子ビームＥＢは、第３、第４静電偏向器１１２、１１３の偏向作用によって光軸Ｃに振り戻された後、第５電磁レンズ１１４によってそのサイズが縮小される。【００２９】
マスク偏向部１４０には、第１、第２補正コイル１０７、１０９が設けられており、それらにより、第１〜第４静電偏向器１０４、１０６、１１２、１１３で発生するビーム偏向収差が補正される。【００３０】
その後、電子ビームＥＢは、基板偏向部１５０を構成する遮蔽板１１５のアパーチャ１１５ａを通過し、第１、第２投影用電磁レンズ１１６、１２１によって基板Ｗ上に投影される。これにより、露光マスク１１０のパターンの像が、所定の縮小率、例えば１／１０の縮小率で基板Ｗに転写されることになる。【００３１】
基板偏向部１５０には、第５静電偏向器１１９と電磁偏向器１２０とが設けられており、これらの偏向器１１９、１２０によって電子ビームＥＢが偏向され、基板Ｗの所定の位置に露光マスクのパターンの像が投影される。【００３２】
更に、基板偏向部１５０には、基板Ｗ上における電子ビームＥＢの偏向収差を補正するための第３、第４補正コイル１１７、１１８が設けられる。【００３３】
基板Ｗは、モータ等の駆動部１２５により水平方向に移動可能なウエハステージ１２４に固定されており、ウエハステージ１２４を移動させることで、基板Ｗの全面に露光を行うことが可能となる。【００３４】
一方、制御部２００は、電子銃制御部２０２、電子光学系制御部２０３、マスク偏向制御部２０４、マスクステージ制御部２０５、ブランキング制御部２０６、基板偏向制御部２０７及びウエハステージ制御部２０８を有する。これらのうち、電子銃制御部２０２は電子銃１０１を制御して、電子ビームＥＢの加速電圧やビーム放射条件等を制御する。また、電子光学系制御部２０３は、電磁レンズ１０２、１０５、１０８、１１１、１１４、１１６及び１２１への電流量等を制御して、これらの電磁レンズが構成される電子光学系の倍率や焦点位置等を調節する。ブランキング制御部２０６は、ブランキング電極１２７への印加電圧を制御することにより、露光開始前から発生している電子ビームＥＢを遮蔽板１１５上に偏向し、露光前に基板上に電子ビームＥＢが照射されるのを防ぐ。【００３５】
基板偏向制御部２０７は、第５静電偏向器１１９への印加電圧と、電磁偏向器１２０への電流量を制御することにより、基板Ｗの所定の位置上に電子ビームＥＢが偏向されるようにする。ウエハステージ制御部２０８は、駆動部１２５の駆動量を調節して、基板Ｗを水平方向に移動させ、基板Ｗの所望の位置に電子ビームＥＢが照射されるようにする。上記の各部２０２〜２０８は、ワークステーション等の統合制御系２０１によって統合的に制御される。
（電子銃の構成）
図２に、電子銃１０１の構成図を示す。本実施形態において、電子銃１０１は熱電界放射型を使用する。電子銃１０１は、電子源２０と、引き出し電極２１と、引き出し電極２１の下方に配置される加速電極２５と、電子源２０の両側に配されたカーボン製の電子源加熱用発熱体２２と、電子源２０と電子源加熱用発熱体２２とを支持する支持具２３と、支持具２３を支持して囲んでいるサプレッサー電極２４とを有している。電子源は、例えば単結晶のＬａＢ6またはＣｅＢ6を用いる。【００３６】
引き出し電極２１は、電子源２０の先端に強い電界を作り電子源２０から電子を放射させるための電圧が印加される電極であり、例えば、電子源２０の電子放出面から２ｍｍ以下の距離に設置される。【００３７】
加速電極２５は、電子源２０から放射された電子を加速させるための電圧が印加される電極であり、例えば、引き出し電極２１から２０ｍｍの距離に設置される。【００３８】
このように構成された電子銃１０１において、電子銃制御部２０２は電子源加熱用電流を電子源加熱用発熱体２２に加え続けて電子源２０を１３００℃に加熱し、電子源２０を一定温度に保った状態で、サプレッサー電極２４と引き出し電極２１の間に強電界を印加して電子源２０から電子を引き出す。さらに、引き出し電極２１の下方に配した加速電極２５に電圧を印加して、所定のエネルギーの電子ビーム２９を取り出し、電子ビーム２９をウエハステージ１２４上に固定されているレジストが塗布された基板Ｗに照射させることによって電子ビーム露光がなされる。【００３９】
ここで、サプレッサー電極２４にかける電圧は−０．１〜−０．５ｋＶであり、引き出し電極２１にかける電圧は２．０〜４．０ｋＶである。これらの電圧は電子源２０の電位に対する値であって、通常は真のアースグランドに対しては電子源２０が−５０ｋＶであるので、−５０ｋＶを加算した値になる。【００４０】
なお、本実施形態では、電子源２０を加熱しながら強電界をかけて電子放射させている。このため、電子源２０の表面にガス分子が吸着することを防止でき、電子ビームの輝度の低下を防止することができる。【００４１】
また、上記した電極に加えて、引き出し電極２１と加速電極２５の間に、静電レンズ電極２６を設置するようにしてもよい。静電レンズ電極２６は、電子源２０から照射される電子照射の開き角度を調整するための電極であり、加速電極２５に電子が照射されないようにするような電圧が印加される。【００４２】
図３は、電子銃を構成する電極間の電位分布の一例を示す図である。図３の横軸は電子源２０の電子放出面からの距離を示し、縦軸は電位を示している。図３のｘ１は引き出し電極２１の位置、ｘ２は静電レンズ電極２６の位置を示している。また、図３では、加速電極２５の電位を０[ｋＶ]とし、電子源２０の電子放出面の電位を−５０[ｋＶ]とした場合について示している。【００４３】
図３に示すように、静電レンズ電極２６の位置に、電圧が電子放出面のカソード電圧よりごくわずか高い電位を持つような電子レンズを形成することにより、電子照射の開き角度が小さくなり、加速電極２５に電子があたらないようにすることができる。これにより、加速電極２５に電子ビームが照射されて熱が発生することがなくなり、露光装置内の真空度の低下を防御することが可能となる。
（引き出し電極の構成）
次に、本実施形態で使用する引き出し電極２１の構成について図４を参照して説明する。【００４４】
電子ビーム露光装置では、電子ビームの輝度を大きくすることが、スループット向上のために重要となる。【００４５】
電子ビームの輝度を大きくするために、電子源２０の電子放出面２０ａに強電界をかけるようにする。導電体の表面に強電界をかけることによって、電子を表面内に閉じ込めているポテンシャル障壁が引き下げられて、電子のトンネル現象が起こり、表面から電子を放出させることができる。従って、負の電界強度を電子放出面２０ａ近傍で大きくすることができれば、電子放出面２０ａから多量の電子を放出させることが可能となる。【００４６】
通常、引き出し電極２１を使用して、電子源から電子を放射させているが、本発明者等は、電子放出面２０ａ近傍の電界強度をより強くするために、引き出し電極２１の形状に着目した。【００４７】
図４は、引き出し電極２１の形状を示す断面図である。図４に示すように、引き出し電極２１は、中央に開口部２１ａを有し、光軸を中心として電子源２０に向かって球状凹面２１ｂを有している。電子放出面２０ａは、例えば、直径５０μｍ、引き出し電極２１の開口部２１ａの直径は１００μｍである。また、引き出し電極２１の球状凹面２１ｂは光軸上に中心を持ち半径２００μｍの球面の一部である。また、電子放出面２０ａと引き出し電極２１の下面までの距離は２００μｍである。【００４８】
以下に、引き出し電極２１に球状凹面２１ｂを設けることにより、電子放出面２０ａ近傍の電界強度を強くできることについて説明する。【００４９】
図５は、電子源２０の電子放出面２０ａと引き出し電極２１との間の電界による電位分布を示している。図５において、破線は等電位面を示している。図５（ａ）は引き出し電極２１の形状が平板状のときの電位分布を示しており、図５（ｂ）は、図４に示す引き出し電極２１を使用したときの電位分布を示している。図５（ａ）に示すように、引き出し電極２１の形状が平板の場合、引き出し電極２１の近傍では等電位面はほぼ電極に平行であり、電子放出面２０ａとの間の等電位面もほぼ平行になっている。図５（ｂ）は引き出し電極２１の球状凹面２１ｂはその球の中心に向かって電界がかかるため、等電位面は球状になる。【００５０】
このように、電子源２０の電子放出面２０ａに対向する引き出し電極２１の形状を球状凹面にすることによって、その間の等電位分布を球状にすることができる。特に、電子放出面２０ａを球面とすることにより、見かけ上１点から電子が出るようにすることができる。１点から電子がでるようにすることにより、電子ビームの輝度を極めて大きくすることができる。【００５１】
図６は、電子放出面２０ａからの距離と電界強度との関係を示したグラフである。図６の破線は引き出し電極２１の形状を平板状にしたときの電界強度を示し、図６の実線は引き出し電極２１の形状を図４に示した形状にしたときの電界強度を示している。【００５２】
図６に示すように、引き出し電極２１の形状を平板状にしたときは、電子放出面２０ａに向かうほど距離に比例して電界強度が大きくなっている。また、図４に示す引き出し電極２１の形状にしたときは、電界強度は電子放出面からの距離と反比例の関係になる。このように、引き出し電極２１に球状凹面２１ｂを設けることにより、電子放出面２０ａ近傍での電界強度を極めて大きくすることが可能となる。【００５３】
なお、電子放出面２０ａを球面ではなく平面とする場合には、１点から電子がでるようにすることはできないが、電子は最小錯乱円から出るように振舞う。従って、最小錯乱円の大きさに依存するものの、平板の引き出し電極の場合よりも電子ビームの輝度を大きくすることができる。【００５４】
このように、本実施形態の引き出し電極を使用すると、電子放出面２０ａ近傍の電界強度を従来よりも大きくすることができ、電子源２０から多量の電子を放出させることが可能になる。【００５５】
従って、引き出し電極２１の電子源２０に向かう面を球状凹面２１ｂにすることによって、従来と同じ電圧を引き出し電極２１に印加した場合に電子放出面２０ａ近傍の電界強度を従来よりも大きな値とすることが可能になる。また、引き出し電極２１に印加する電圧を従来よりも小さくした場合でも、電子放出面２０ａ近傍の電界強度を従来と同等か又は従来よりも大きな値とすることが可能となる。例えば、従来の引き出し電極２１には３．０ｋＶ〜６．０ｋＶの電圧を印加していたが、本実施形態の引き出し電極２１では、２．０ｋＶ〜４．０ｋＶの電圧を印加すればよい。
（電子源の構成）
次に、本実施形態で使用する電子源２０の構成について説明する。【００５６】
図７は電子銃１０１を構成する電子源２０の部分及び電極を示す断面図である。【００５７】
電子源２０は先端部が円錐状に形成され、周囲はカーボン３０で覆われている。このカーボン３０は、例えばＣＶＤ法により電子源２０上表面に形成される。電子源２０の先端は、電子源２０の材料が露出し、露出部分は平坦化される。【００５８】
電子源２０の先端は、サプレッサー電極２４と引き出し電極２１の間に位置するように配置される。サプレッサー電極２４には０又はマイナスの電圧が印加され、電子源２０の先端以外の部分から放出される電子を遮蔽する働きをする。電界強度は、引き出し電極２１とサプレッサー電極２４との間の電圧差と、電子源２０の先端の高さ、角度及び先端の平坦部の直径で決定される。電子源２０の先端平坦部はサプレッサー電極２４と引き出し電極２１と平行になるように配置される。【００５９】
電子源２０は先端が円錐状になっており、電子を放出する電子放出面２０ａは平坦になっている。円錐状の電子源２０の周囲には電子源２０を構成する材料とは異なる材料で覆われている。円錐状の部分は円錐角が５０度以下であることが望ましい。電子を放出する面は直径１０μｍから１００μｍが望ましく、通常は４０μｍが望ましい。また、電子源２０の周囲を覆う材料の厚さは１０μｍが望ましい。ただし、この異なる材料による被覆は、（１）電子源２０から電子が放出されないようにすること、及び、（２）基体の電子源２０の材料の昇華・蒸発を抑えることの２つの目的のためのものであり、被覆材料の厚さの値は、電界強度、使用する材料に依存する。被覆材料が使用温度で蒸発して消耗することが少なければ、電界強度を上げるためには薄い方が良い。【００６０】
電子源２０に加えられる温度は、電子源２０を構成する材料が昇華する温度よりも低い温度としている。この温度は例えば１１００℃から１４５０℃である。これは、電子源２０から熱電子を放出させるために高温を与えた場合には、電子源２０が昇華を起こし、電子放出面２０ａが減耗し、変形してしまうので、昇華を起こさない程度の温度にしているためである。温度を下げた場合であっても、高温を与えた場合に得られた電流密度及び輝度を達成する必要がある。このために、強電界を電子源２０の先端部にかけて、電子を引き出すようにしている。例えば、温度を１５００℃から２００℃落とした場合に、仕事関数を０．３ｅＶ低減することができれば、１５００℃で温度を落とさず、熱電子放射によって得られるのと同じ電子ビームの輝度を得ることができる。仕事関数を０．３ｅＶ低減しても電子を放出させるために、電子源２０に高電界を印加して電子を放出させている。【００６１】
このとき、高い電界をかけるため、電子放出部分となる電子源２０の先端部分だけでなく、円錐状に形成した電子源２０の側面部分からも電子が引き出されてしまうことになる。このため、所望の電子ビームの量及び形状が得られなくなったり、周辺からの余分な電子による空間電荷効果の発生により中心部から発生する電子ビームの輝度が低くなったりすることがある。これを防ぐために、電子源２０の電子放出部分以外を電子源２０の材料とは異なる材料で覆うようにする。この異なる材料としては、電子源２０を構成する材料よりも仕事関数が大きい物質を選択する。【００６２】
なお、電子源２０としてＬａＢ6を使用した場合には、ＬａＢ6と反応を起こさず、ＬａＢ6よりも仕事関数の大きなカーボン（Ｃ）を用いることが好ましい。このカーボンは酸素と反応するため、カーボン膜の厚さが薄いと二酸化炭素（ＣＯ2）として蒸発してなくなることが予想される。このため、カーボン膜の厚さは、２μｍから１０μｍにすることが好ましい。ＬａＢ6と似た性質を有するＣｅＢ6についても同様のカーボン材料が被覆物質として有効である。【００６３】
図８は電子源２０の先端部分の円錐角の大きさを変えた電子源２０の断面図を示している。一般的に、円錐形状の電子源２０の先端半径が小さいほど、また、先端角度が小さいほど先端部分に強い電界集中が起こり、電子源２０内の電子が表面の仕事関数障壁をトンネル現象により通過しやすくなる。しかし、極端に先端部分を細くすると、電子源２０自体の強度が弱くなってしまう。そこで、電子源２０の強度及び電界強度を考慮して、電子源２０の先端の角度を決定している。【００６４】
図８（ａ）は、電子源２０の先端部分の円錐角を９０度程度にした場合である。図８（ｂ）は図８（ａ）よりも電子源２０の先端部分の円錐角を小さくした場合である。従来、図８（ａ）のように、電子源２０の先端部分の円錐角は９０度程度で使用していた。図８（ｂ）のように先端角度を小さくするほど、強い電界になり電子を容易に放出することが可能になる。さらに、鏡筒内に存在するイオン等の微粒子が電子源の先端部分に衝突しにくくなるため、イオン等による電子源表面の消耗と変形効果を低減することが可能となる。【００６５】
本実施形態では、電子源２０の先端部の角度を３０度程度にしている。電子源２０の材質、電子源２０の長さや幅等のサイズにも依存するが、従来使用されてきたものよりも長期間安定して使用することができる。
（電子源の表面に電子放出を制限する領域を形成する方法）
次に、上記の電子放出を制限する領域を電子源２０に形成する方法について説明する。【００６６】
ここでは、図８に示した構造の電子源を例とし、電子源２０としてＬａＢ6の単結晶を用いた場合について説明する。【００６７】
まず、ＬａＢ6単結晶を先端が円錐状になるように加工する。【００６８】
次に、電子放出を制限する領域を形成するために、カーボン３０をＬａＢ6単結晶の表面にコーティングする。このコーティングは、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、真空蒸着法、スパッタリング法等いずれの方法であっても良い。このとき、コーティングする膜の厚さは、電子放出表面の仕事関数を十分変える（ＬａＢ6よりも大きくする）こととＬａＢ6材料の蒸発を防ぐことができる厚さであればよい。なお、カーボンを使用する場合は、カーボンが酸素と反応してＣＯ2となって蒸発することを考慮し、カーボンの厚さは２μｍから１０μｍにすることが好ましい。【００６９】
次に、電子源２０の先端部を直径１μｍから２００μｍの平坦になるように、コーティングした膜とともに研磨する。
（露光方法）
次に、本実施形態の電子銃を使用した露光装置の露光方法について説明する。【００７０】
一般に、電子ビーム露光装置においては、電子銃１０１やサプレッサー電極２４、引き出し電極２１、静電レンズ電極２６、加速電極２５が格納される電子銃室（不図示）内のクリーニングをするために、使用開始時にコンディショニングを実施している。コンディショニングでは、電子銃１０１を構成する電極（電子源２０、サプレッサー電極２４、引き出し電極２１、静電レンズ電極２６）と加速電極２５間に高電圧、例えば通常使用時の電圧（５０ｋＶ）の１．６倍程度の電圧（８０ｋＶ）を印加して放電を起こさせ、電子銃室内のごみを除去している。【００７１】
このコンディショニングにおいて、もし、引き出し電極２１、静電レンズ電極２６が省略され、これらの電極が設置されておらず、電子源２０と加速電極２５が直接相対する構造である場合には、電子源２０から放電が起こり、電子源２０が溶解したり破損したりするおそれがある。【００７２】
これを防止するため、コンディショニング時には、引き出し電極２１を設置するとともに、この引き出し電極２１の電位を電子源２０の電位よりも低い電位になるようにして、電子源２０から電子を引き出さないようにしている。【００７３】
所定の時間、例えば１から数十時間のコンディショニングが終了した後は、電子源全体に印加する電圧を通常の使用電圧値に戻し、引き出し電極２１の電位を電子源２０の電位よりも高い電位にして通常の使用状態にする。【００７４】
このように、高電圧を電極に印加するコンディショニングにおいて、引き出し電極２１の電位を電子源２０の電位よりも低くしているため、電子源２０から電子が引き出されることを抑制でき、電子源２０の溶解を防ぐことができる。【００７５】
なお、本実施形態では、電子銃１０１の先端部を平坦にし、かつ、電子放出面２０ａと電子源２０の側面を覆う異種物質とを同一の平面上になるように形成した。上記実施形態では、電子源２０に加える熱は電子源２０を構成する材料が昇華を起こさない程度であるため、電子ビームを放射しても電子源２０が変形することはないものとみなして、上記のような構造とした。【００７６】
しかしながら、昇華が発生しない所定の温度の熱を加えたとしても、何らかの原因で所定の温度以上になることも考えられ、実際上予測の範囲を超えて電子源材料の消耗が起こり平坦面が維持できなくなり、時間とともに中心が陥没していくことが予測されうる。そこで、このような場合も考慮して、電子源２０の先端の電子放出面２０ａと周囲の異種物質面とを同一平面上に形成しないで、図９に示すように、電子放出面２０ａを含む先端部分が異種物質面よりも突出するように形成してもよい。【００７７】
また、本実施形態では、電子源の側面を電子の放出を制限する領域として説明したが、図１０に示すように、電子放出面６０ａおよび通電して加熱するカーボンチップ６２で挟まれる部分を除いた電子源６０の側面（６１、６１ａ）、及び裏面６１ｂを異種物質で覆うようにしても良い。このようにすることにより、電子源６０の昇華を削減してウェーネルト等への付着物の量を削減することが可能となる。
（効果）
以上説明したように、本実施形態では、引き出し電極２１の電子放出面２０ａに対向する部分を球状凹面にしている。これにより、引き出し電極２１と電子放出面２０ａとの間の電位分布を球面状にすることができ、電子放出面近傍の電位を極めて大きくすることができる。従って、熱電界放射型の電子銃を使用して低温で動作させても、電子ビームの輝度を大きくすることが可能となる。【００７８】
また、電子源２０のチップの先端部の電子放出面２０ａのみを露出させ、その他の側面部分は異種物質でカバーしている。このような電子源２０を有する電子銃１０１を低温で動作させるため、チップの昇華がほとんど起こらない。これにより、電子源２０の電子放出面２０ａが変形することなく、電子銃１０１を長期間安定して使用することができる。【００７９】
また、チップの昇華が起こらない温度で電子銃１０１を動作させるため、電子放出面２０ａ近傍の電位を大きくする強電界をかけている。このように強電界をかけても、カーボン３０で電子源２０の側面を覆っているため、電子源２０の側面から電子が放出されることはない。これにより、電子ビームの形状が変わることがなく、不必要な箇所が高温になって真空度が下がるという現象を防止することができる。【００８０】
また、事実上ＬａＢ6の露出表面が電子銃先端中心部のみであるので、従来のように、側壁部分や裏面などの大きな面積部分からの昇華・蒸発によるウェーネルトの内面へのＬａＢ6の付着を防止することができる。【００８１】
本実施形態の電子銃１０１を使用すると、電子源２０の昇華の発生を抑え、電子源２０を構成するＬａＢ6やＣｅＢ6の物質がグリッドの裏面に付着することを防ぐことが出来る。もし、これらの物質がグリッドの裏面に付着すると、この付着物がウィスカとなり、この上に電子がたまり、微小放電を起こすおそれがある。その場合には、電子ビーム露光装置を使用したときに、電子ビームの量と照射位置が安定しないという現象が起こってしまう。従って、たとえ、電子銃１０１の電子源２０の変形が小さくとも、微小放電を起こす状態になった場合には、電子ビーム露光装置は安定した使用ができないことになる。【００８２】
従来の電子銃では、このような微小放電が起こるまでの期間は１００ｈから５００ｈと考えられていた。これに対し、本実施形態の電子銃１０１を用いると、上述したように電子源２０の昇華がほとんど発生しないようになるため、微小放電が起こるまでの期間も従来に比べて数倍以上長くすることが可能になる。これは、従来よりも温度を５０℃から２００℃下げて使用するため、電子源の昇華が数分の１から１００分の１になるためである。これにより、安定して電子ビーム露光装置を使用できる期間を長くすることが可能となる。【００８３】
さらに、電子銃１０１を複数使用して一つのウエハ上に露光するマルチコラム型電子ビーム露光装置において、本実施形態の電子銃１０１を使用することにより、安定して使用できる期間が従来に比べて格段に延びることになる。従来の電子銃を使用すると、上記のように１００ｈから５００ｈで微小放電が起こるため、短期間の使用ごとに調整が必要となる。そのため、複数の電子銃を使用した場合であっても、一つの電子銃が不安定になれば装置全体を停止しなければならず、稼働率が低下し、スループットを向上させることができない。これに対し、本実施形態の電子銃をマルチコラム型電子ビーム露光装置に使用することにより、稼働率が低下せず、実質的に露光処理のスループットを向上させることが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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