(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出するエミッタを有する電子銃であって、
前記エミッタは、電子放射特性を有する第１の材料からなる第１の部材と、
前記第１の材料より仕事関数が大きい第２の材料からなり、前記第１の部材を被覆する第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に形成された溝とを有し、
前記第１の部材は、端面が前記第２の部材から露出し、
前記溝は、前記端面の周縁に形成され、前記周縁から前記第１の部材と前記第２の部材とが接する部分までの長さが５０μｍ以上であることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記第１の部材には、前記溝と接する部分の表面を荒らす処理がなされていることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記第１の部材は、円柱体の先端側に断面積のより小さい円柱体を形成した形状、または、円柱体の先端側を円錐台にした形状であり、
前記溝の断面形状が矩形または三角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子銃。
【請求項４】
電子ビームを発する電子銃を有する電子ビーム描画装置であって、
前記電子銃は、電子を放出するエミッタを有し、
前記エミッタは、電子放射特性を有する第１の材料からなる第１の部材と、
前記第１の材料より仕事関数が大きい第２の材料からなり、前記第１の部材を被覆する第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に形成された溝とを有し、
前記第１の部材は、端面が前記第２の部材から露出し、
前記溝は、前記端面の周縁に形成され、前記周縁から前記第１の部材と前記第２の部材とが接する部分までの長さが５０μｍ以上であることを特徴とする電子ビーム描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃および電子銃を用いた電子ビーム描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅は益々狭く、微細になっている。
半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。こうした微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細パターンを描画可能な電子ビーム描画装置が用いられる。また、レーザビームを用いて描画するレーザビーム描画装置の開発も試みられている。尚、電子ビーム描画装置は、ウェハに直接パターン回路を描画する場合にも用いられる。
【０００３】
電子ビームリソグラフィ技術は、利用する電子ビームが荷電粒子ビームであるために、本質的に優れた解像度を有している。このため、ウェハにＬＳＩパターンを転写する際の原版となるマスクまたはレチクルの製造現場においても、電子ビームリソグラフィ技術が広く一般に使われている。さらに、電子ビームリソグラフィ技術を用いて、ウェハ上にパターンを直接描画する電子ビーム描画装置が、ＤＲＡＭを代表とする最先端デバイスの開発に適用されている。他に、電子ビーム描画装置は、一部ＡＳＩＣの生産にも用いられている。
【０００４】
電子ビームリソグラフィ技術を用いる電子ビーム描画装置では電子ビームを発するための電子銃を有する。
電子銃は、電子源であるカソードと、アース電極をもつアノードを備える。また、カソードは、電子を放出するエミッタと、カソードに印加する電圧よりも低い電位を与えられてカソードから出射される電子を収束させるウェネルトを有する。
【０００５】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、電子銃の周囲は高真空となる。この状態で、カソードとアノードの間に高電圧（加速電圧）を印加するとともにエミッタを加熱する。すると、エミッタから熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【０００６】
エミッタを構成する材料としては、電子放射特性を有する六硼化ランタン（ＬａＢ６）が知られている。この材料は、高い融点と低い仕事関数（２．６８ｅＶ）を持つ。また、残留ガスに対して比較的安定で、長寿命でもある。さらに、優れたイオン衝撃性を有することから、電子ビーム描画装置だけでなく、電離真空計やオメガトロンのフィラメントなどの熱カソードにも使用されている。
【０００７】
ところで、電子銃では、輝度を向上させるために、電子放射特性を有するエミッタ構成材の表面を、その材料より仕事関数の大きい材料からなる被覆材で被覆して、エミッタからの電子の放出面積を制限することが行われる。例えば、非特許文献１には、六硼化ランタン（ＬａＢ６）をカーボン（Ｃ）で被覆することが記載されている。具体的な被覆方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃｈａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりカーボン（Ｃ）を六硼化ランタン（ＬａＢ６）の表面に蒸着したり、この表面にカーボン（Ｃ）を含む液を塗布したり、あるいは、この液の中に六硼化ランタン（ＬａＢ６）を浸漬したりすることが挙げられる。被覆後は、機械加工によってカーボン（Ｃ）の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）を露出させ、この部分を通じて電子が放出されるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐ．Ｂ．Ｓｅｗｅｌｌ  ｅｔ  ａｌ．（ピー・ビー・セウェルら）、「微細平面を有する六硼化ランタン単結晶における熱的エミッションの研究」、Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｐ．１６３−１７０、ＳＥＭ  Ｉｎｃ．，  ＡＭＦ  Ｏ’Ｈａｒｅ  （Ｃｈｉｃａｇｏ），  ＩＬ６０６６６−０５０７，Ｕ．Ｓ．Ａ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記エミッタを用いたカソードを組み込んだ電子銃では、一定時間の使用の後、電子銃から放出される電子ビームの電流密度分布の均一性に劣化が見られるという問題があった。
【００１０】
図１２は、この様子を示したものであり、ビーム成形用アパーチャ上に照射される電子ビームの電流密度分布を模式的に示す図である。図１２（ａ）では、電子銃の使用初期の状態を模式的に示しており、図１２（ｂ）では、一定時間経過後の状態を模式的に示している。
【００１１】
図１２（ａ）に示すように、ビーム成形用アパーチャ２０１上に照射される電子ビームは、電流密度の均一性を広い領域で実現している。そして、電流密度の均一性が１％以内である電子ビームの領域２０２がビーム成形アパーチャ２０１より大きな円形状を示す。
【００１２】
一方、図１２（ｂ）に示すように、電子銃の使用開始から一定時間の経過後では、電子ビームの電流密度分布の均一性が劣化している。すなわち、電流密度の均一性が１％以内である電子ビームの領域２１２は形状が乱れて円形ではなくなり、また、ビーム成形用アパーチャ２１１より小さくなる。このように電流密度分布の均一性が悪い状態で描画を行うと、ドーズ量分布の均一性が劣化し、描画精度を低下させる。
【００１３】
したがって、電子ビームにおいて電流密度の均一性が１％以内である領域が成形アパーチャより小さくなったときにカソードは交換される。このような、カソードの交換が頻繁に行われると、装置のダウンタイムは大きくなる。したがって、改善が急務となっていた。
【００１４】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、カソードの寿命を向上させることのできる電子銃およびその電子銃を使用した電子ビーム描画装置を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、電子を放出するエミッタを有する電子銃であって、
エミッタは、電子放射特性を有する第１の材料からなる第１の部材と、
第１の材料より仕事関数が大きい第２の材料からなり、第１の部材を被覆する第２の部材とを有するとともに、
第１の部材と第２の部材との間に形成された溝を有することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第１の態様において、第１の部材は、端面が第２の部材から露出し、
溝は、端面の周縁に形成され、周縁部分から第１の層と前記第２の層とが接する部分までの長さが５０μｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
本発明の第１の態様において、第１の部材は、溝と接する部分の表面を荒らす処理がなされていることが好ましい。
【００１９】
本発明の第１の態様において、第１の部材は、円柱体の先端側に断面積のより小さい円柱体を形成した形状であるか、または、円柱体の先端側を円錐台にした形状であり、
溝は、断面形状が、矩形または三角形であることが好ましい。
【００２０】
本発明の第２の態様は、電子ビームを発する電子銃を有する電子ビーム描画装置であって、
電子銃は、電子を放出するエミッタを有し、
エミッタは、電子放射特性を有する第１の材料からなる第１の部材と、
第１の材料より仕事関数が大きい第２の材料からなり、第１の部材を被覆する第２の部材とを有するとともに、
第１の部材と第２の部材との間に形成された溝を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、放出される電子ビームの電流密度の変動を抑え、寿命を長くすることができる電子銃およびそのような電子銃を用いた電子ビーム描画装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電子銃を一定時間使用した後のエミッタの模式的断面図である。
【図２】電子ビーム描画装置を動作させた後のエミッタの形状変化を説明する図である。
【図３】本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの模式的断面図である。
【図４】本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの製造方法を示すフローチャートである。
【図５】本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの別の例の模式的断面図である。
【図６】本実施の形態の電子銃の第２例に組み込まれるエミッタの模式的断面図である。
【図７】コーン角θと比（（溝幅Ｗ）／（電子放出面の直径Ｄ））との関係を示す図である。
【図８】本実施の形態の電子銃の第３例に組み込まれるエミッタの模式的断面図である。
【図９】本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。
【図１０】本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。
【図１１】本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、ビーム成形用アパーチャ上に照射される電子ビームの電流密度分布を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
電子銃では、輝度を向上させるために、エミッタ構成材の材料に六硼化ランタン（ＬａＢ６）を選択し、上述のように、この表面をそれより仕事関数の大きい材料、例えばカーボン（Ｃ)で被覆する。そして、エミッタの電子放出面を所望の円形状として露出させ、エミッタからの電子の放出面積を制限することが行われる。
こうした電子銃では、一定時間の使用により、放出される電子ビームの電流密度が変動してしまう。
そこで、本発明者は、鋭意検討を続けた結果、以下の現象を見出した。
【００２４】
図１は、電子銃を一定時間使用した後のエミッタの模式的断面図である。
電子銃の一定時間の使用の後に、エミッタ構成材である六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１では、被覆材であるカーボン層（Ｃ）２との境界付近に脆弱な層３が形成される。この六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１の脆弱な層３は、被覆材であるカーボン（Ｃ）が六硼化ランタン（ＬａＢ６）と反応することにより形成されたと考えられる。脆弱な層３は、カーボン（Ｃ）層２から六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１が露出しているエミッタの電子放出面４を侵食する。
【００２５】
図２は、電子ビーム描画装置を動作させた後のエミッタの形状変化を説明する図であり、エミッタの模式的断面図と、これに対応する模式的平面図である。
このような状態のエミッタをカソードに用い、電子ビーム描画装置の電子銃に組み込んだまま、電子ビーム描画装置を動作させてエミッタの加熱を続けると、脆弱な層３から蒸発または離脱が起こると考えられる。すると、図２に示すように、エミッタの電子放出面４ａの形状は変化する。そして、図２に示すように、エミッタの電子放出面４ａの形状は乱れて円形ではなくなる。このため電子放出面４ａから出た電子ビームの電流密度分布の均一な領域の形状も、上述した図１２（ｂ）に示すように円形でなくなり、電流密度の均一な領域が狭まる結果となる。
【００２６】
そこで、本実施の形態においては、エミッタの形状を改善する。そして、被覆材であるカーボン（Ｃ）の作用が、六硼化ランタン（ＬａＢ６）からなるエミッタの電子放出面におよぶことを制限する。
【００２７】
本実施の形態では、エミッタ構成材である六硼化ランタン（ＬａＢ６）層と、被覆材であるカーボン層との境界付近に溝を設ける。この溝は、エミッタの電子放出面の周縁部分から、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層とカーボン層とが接する部分までの長さが５０μｍ以上となるよう形成されている。
【００２８】
すなわち、溝の断面形状が矩形である場合、溝の長さは溝の深さと幅の合計したものとなり、その合計は５０μｍ以上であることが好ましい。また、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層の先端部が円錐台形状である場合、溝は断面形状が三角形となる。そして、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層の円錐台形状のコーン長が溝の長さとなり、それは５０μｍ以上であることが好ましい。
以下、本実施の形態を説明する。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの模式的断面図である。
【００３０】
図３に示すように、エミッタ１０は、エミッタ構成材である六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１１の表面が、被覆材であるカーボン層（Ｃ）１２によって被覆され構成されている。ＬａＢ６層１１は、円柱体である。ＬａＢ６層１１とカーボン層１２との境界付近には溝１５が設けられている。そのため、ＬａＢ６層１１は、円柱体の先端側に、断面積のより小さい円柱体を形成した形状を有する。その端面は、カーボン層１２から露出し、エミッタ１０の円形状の電子放出面１４を構成する。
【００３１】
電子放出面１４における結晶面はどのような面でもよいが、（１００）結晶面や（３１０）結晶面とすることが好ましい。電子放出面１４を（１００）面とすることによりエミッタ１０の高い安定性が得られる。そして、（３１０）結晶面とすることにより、高輝度のエミッタ１０を提供することができる。
そして、エミッタ１０では、ＬａＢ６層１１の先端部分から溝１５が形成された形状となっている。溝１５はＬａＢ６層１１の先端部および電子放出面１４の周囲を包囲し、断面形状は矩形となっている。
【００３２】
溝１５の長さは５０μｍ以上とすることが好ましい。具体的には、電子放出面１４の周縁の部分から、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層とカーボン層とが接する部分に至るまでの長さが５０μｍ以上であることが好ましい。図３のエミッタ１０では、溝１５は断面形状が矩形であり、溝１５の長さは、溝の深さ（Ｈ）と溝の幅（Ｗ）を合計した長さとなる。したがって、エミッタ１０では、溝の深さ（Ｈ）と溝の幅（Ｗ）を合計した長さが５０μｍ以上であることが好ましい。
【００３３】
このような形状のエミッタ１０を組み込んでカソードを構成した電子銃では、長時間使用しても、被覆材であるカーボン（Ｃ）の作用が電子放出面１４におよぶことは抑えられる。その結果、電子銃では、エミッタ１０の電子放出面１４の形状が変化することは抑えられ、その形状は円形に保たれる。このため、電子銃では、長時間使用した後でもエミッタ１０から放出される電子ビームの電流密度分布の均一な領域の形状は円形になり、カソードの寿命が向上する。そのため、電子ビーム描画装置のダウンタイムを従来に比べて大幅に短縮することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタ１０の製造方法について説明する。
【００３５】
図４は、本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの製造方法を示すフローチャートである。
【００３６】
図４に示すように、まず、エミッタ１０の構成材となる六硼化ランタン（ＬａＢ６）を準備する（Ｓ１０１）。六硼化ランタン（ＬａＢ６）は円柱状であり、先端部が加工され、円柱体の先端側に断面積のより小さい円柱体を形成した形状を有する。一方、六硼化ランタン（ＬａＢ６）の被覆材となるカーボン（Ｃ）については、所定の筒状形状となるよう予め加工しておく。
【００３７】
次に、筒状のカーボン（Ｃ）内に、先端部分が加工された円柱状の六硼化ランタン（ＬａＢ６）を挿入し、これを被覆する（Ｓ１０２）。
【００３８】
次に、カーボン（Ｃ）の先端側の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）の先端を露出させる。次いで、機械研削または機械研磨などによって、露出する六硼化ランタン（ＬａＢ６）を機械加工する。そして、カーボン（Ｃ）の上部端面と露出する六硼化ランタン（ＬａＢ６）の端面を合わせ、エミッタの電子放出面を形成する（Ｓ１０３）。
【００３９】
次に、このエミッタ１０を用いて公知の方法によりカソードを製造する（Ｓ１０４）。さらに、このカソードを用いて電子銃を製造し、得られた電子銃を組込んで用いて電子ビーム描画装置を製造することができる（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の電子銃および電子ビーム描画装置の製造方法には、それぞれ公知の方法が適用できる。
【００４０】
本実施の形態の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタのさらに別の例として、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層の溝と接する側面部分を荒らす処理をしたエミッタを用いることも可能である。
図５は、上記別の例となるエミッタの模式的断面図である。
【００４１】
図５に示すエミッタ２０は、溝２５の側面を構成する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層２１の表面が荒らされていること以外は、上述のエミッタ１０と同様の構造を有する。エミッタ２０において、ＬａＢ６層２１の端面には円形状の電子放出面２４が形成され、ＬａＢ６層２１とカーボン層２２との境界には、断面が矩形状の溝２５が設けられている。
【００４２】
ＬａＢ６層２１の溝２５の一つの側面と底面に接する側面部２６は、表面粗さが粗くなるよう処理されており、仕事関数の大きな結晶面が出てくるようになっている。そのため、エミッタ２０では、側面部２６の仕事関数が他の部分に比べ大きくなり、電子が放出され難くなる。したがって、エミッタ２０では、上述のエミッタ１０に比べ、電子放出面から放出される電子ビーム電流の、全エミッション電流に対する割合を大きくすることができる。その結果、エミッタ２０を用いたカソードを組み込んだ電子銃では輝度が高くなる。
【００４３】
エミッタ２０において、ＬａＢ６層２１の一部表面を粗くする処理方法としては、化学エッチングなどの方法を用いることができる。
すなわち、上述した図４に示すエミッタ１０の製造方法と同様の方法を用い、ステップＳ１０１で、ＬａＢ６層２１の表面を化学エッチングにより荒らしておき、その後、ステップＳ１０３で表面研磨し、エミッタ２０の電子放出面２４を形成し、エミッタ２０を製造することが可能である。
【００４４】
次に、図６を用いて、本実施の形態の電子銃の第２例に組み込まれるエミッタを説明する。
【００４５】
図６に示すように、エミッタ１３０は、エミッタ構成材である六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１３１の表面が、被覆材であるカーボン（Ｃ）層１３２によって被覆され構成されている。
【００４６】
ＬａＢ６層１３１とカーボン層１３２との境界付近には溝１３５が設けられている。そのため、ＬａＢ６層１３１は、円柱体の先端側が円錐台となるよう形成され、端面が平面となる形状を有する。その端面は、カーボン層１３２から露出し、エミッタ１３０の円形状の電子放出面１３４を構成する。
【００４７】
電子放出面１３４における結晶面はどんな面でもよいが、（１００）結晶面や（３１０）結晶面とすることが好ましい。電子放出面１３４を（１００）面とすることによりエミッタ１３０の高い安定性が得られる。そして、（３１０）結晶面とすることにより、高輝度のエミッタ１３０を提供することができる。
【００４８】
溝１３５は、ＬａＢ６層１３１の先端部および電子放出面１３４の周囲を包囲するとともに、断面形状が三角形となっている。
図６に示すように、溝１３５では、直径（Ｄ）の電子放出面１３４に対し、溝幅Ｗとコーン長Ｌとコーン角θとがそれぞれ定義される。
【００４９】
溝１３５の長さは５０μｍ以上とすることが好ましい。具体的には、電子放出面１３４の周縁の部分から、ＬａＢ６層１３１とカーボン層１３２とが接する部分に至るまでの長さが５０μｍ以上であることが好ましい。図６のエミッタ１３０では、ＬａＢ６層１３１の先端部が円錐台に形成されており、溝１３５の長さは、コーン長Ｌとなる。
こうしたエミッタ１３０の製造方法については、所望の形状に加工された六硼化ランタン（ＬａＢ６）を用い、上述の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタ１０と同様とすることが可能である。
【００５０】
そして、本実施の形態の電子銃の第２例では、溝幅Ｗとコーン角θとを様々に変化させた多様な形状のエミッタを準備し、それらカソードに組み込んで電子銃を構成し、その電子銃を電子ビーム描画装置に組み込んで動作させ、高効率なエミッタを構成する溝幅Ｗとコーン角θとの関係を明らかにした。
【００５１】
図７は、高い電子放出効率を実現する、コーン角θと、溝幅Ｄと電子放出面１３４の直径Ｄとの比（Ｗ／Ｄ）の関係を示す図である。
【００５２】
上述の電子ビーム描画装置の動作実験は、設定条件として、加速電圧を５０ｋＶとし、エミッタ１３０の電子放出面１３４を（１００）面、エミッタの温度を１８００Ｋとして行われた。
【００５３】
この実験の結果を示す図７は、全エミッション電流（Ｉｔｏｔａｌ）対する、エミッタ１３０の電子放出面１３４から放出されるビーム電流（Ｉｔｉｐ）の割合（Ｉｔｉｐ／Ｉｔｏｔａｌ）が、９０％となるコーン角θと比（Ｗ／Ｄ）の組み合わせについて、コーン角θをＸ軸、比（Ｗ／Ｄ）をＹ軸にしてプロットした図となる。
【００５４】
図７のプロットから、（Ｉｔｉｐ／Ｉｔｏｔａｌ）が９０％以上となるため、以下の関係を近似的に導出することができる。
Ｗ／Ｄ＜−０．０００８×２θ＋０．１７      式（１）
【００５５】
したがって、比（Ｗ／Ｄ）とコーン角θとの関係が、式（１）を満足するようにエミッタ１３０の溝１３５の溝幅Ｗとコーン角θとを選択することにより、高効率のエミッタを構成することができる。
具体的には、コーン角θを用いて算出される、（−０．０００８×２θ＋０．１７）の値が、溝幅Ｗと電子放出面１３４の直径Ｄとを用いて算出される比（Ｗ／Ｄ）より大きい場合、（Ｉｔｉｐ／Ｉｔｏｔａｌ）は９０％以上となる。
【００５６】
このような形状を有するエミッタ１３０を組み込んでカソードを構成した電子銃では、高い輝度が得られるとともに、長時間使用しても、被覆材であるカーボン（Ｃ）の作用が電子放出面１３４におよぶことは抑えられる。その結果、電子銃では、エミッタ１３０の電子放出面１３４の形状が変化することは抑えられ、その形状は円形に保たれる。このため、電子銃では、長時間使用した後でもエミッタ１３０から放出される電子ビームの電流密度分布の均一な領域の形状は円形になり、カソードの寿命が向上する。そして、電子ビーム描画装置のダウンタイムを従来に比べて大幅に短縮することができる。
【００５７】
また、エミッタ１３０では、電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの別の例（図５のエミッタ２０）と同様の、別の例を構成することも可能である。すなわち、溝と接する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層の表面を荒らすことが可能である。この別の例では、溝の側面と接する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層の表面が荒らされていること以外は、上述のエミッタ１３０と同様の構造を有する。
【００５８】
エミッタ１３０の別の例では、ＬａＢ６層の溝のテーパ面を形成する部分は、表面粗さが粗くなるよう処理されており、仕事関数の大きな結晶面が出てくるようになっている。そのため、このエミッタでは、その部分の仕事関数が他の部分に比べ大きくなり、電子が放出され難くなる。したがって、このエミッタでは、上述のエミッタ１３０に比べ、電子放出面から放出される電子ビーム電流の、全エミッション電流に対する割合を大きくすることができる。その結果、この例のエミッタを用いたカソードを組み込んだ電子銃では電子ビームの電流密度を高くすることができる。
【００５９】
次に、図８を用いて、本実施の形態の電子銃の第３例に組み込まれるエミッタを説明する。
【００６０】
図８に示すように、エミッタ１４０は、エミッタ構成材である六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１４１の表面が、被覆材であるカーボン層１４２によって被覆され構成されている。ＬａＢ６層１４１は、円柱体である。ＬａＢ６層１４１とカーボン層１４２との境界付近には溝１４５が設けられている。そして特に、エミッタ１４０では、カーボン層１４１の先端部分に溝１４５が形成されている。溝１４５は、ＬａＢ６層１４１の周囲を包囲する。
【００６１】
ＬａＢ６層１４１は円柱体である。ＬａＢ６層１４１の端面は、カーボン層１４２から露出し、エミッタ１４０の円形状の電子放出面１４４を構成する。
電子放出面１４４における結晶面はどんな面でもよいが、（１００）結晶面や（３１０）結晶面とすることが好ましい。電子放出面１４４を（１００）面とすることによりエミッタ１４０の高い安定性が得られる。そして、（３１０）結晶面とすることにより、高輝度のエミッタ１４０を提供することができる。
【００６２】
溝１４５はＬａＢ６層１４１の先端部および電子放出面１４４の周囲を包囲し、断面形状は矩形となっている。
溝１４５の長さは、５０μｍ以上とすることが好ましい。具体的には、エミッタ１４０の電子放出面１４４の周縁部から、カーボン層１４２とＬａＢ６層１４１との接触点までは、５０μｍ以上とすることが好ましい。図８のエミッタ１４０では、溝１４５は断面形状が矩形であり、溝１４５の長さは、溝１４５の深さ（Ｈ）となる。
尚、溝１４５の幅（Ｗ）については、溝１４５に包囲されるＬａＢ６層１４１の側面から電子が放出されない程度の幅（Ｗ）とすることが好ましい。
【００６３】
以上の形状を有するエミッタ１４０の製造方法については、所望の円柱状に加工された六硼化ランタン（ＬａＢ６）と、所定の溝が形成できるよう所望の筒状形状に加工されたカーボン（Ｃ）とを用い、上述の電子銃の第１例に組み込まれるエミッタ１０と同様とすることができる。
また、溝１４５と接する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１４１の表面を、電子銃の第１例に組み込まれるエミッタの別の例（図５のエミッタ２０）と同様に、荒らすことも可能である。その場合、六硼化ランタン（ＬａＢ６）層１４１の所定部分の表面が荒らされていること以外は、エミッタ１４０と同様の構造を有することが好ましい。
【００６４】
このような形状のエミッタ１４０を組み込んでカソードを構成した電子銃では、長時間使用しても、被覆材であるカーボン（Ｃ）の作用が電子放出面１４４におよぶことは抑えられる。その結果、電子銃では、エミッタ１４０の電子放出面１４４の形状が変化することが抑えられ、その形状は円形に保たれる。このため、電子銃では、長時間使用した後でもエミッタ１４０から放出される電子ビームの電流密度分布の均一な領域の形状は円形になり、カソードの寿命が向上する。そのため、電子ビーム描画装置のダウンタイムを従来に比べて大幅に短縮することができる。
【００６５】
尚、以上で説明した本発明の実施形態の電子銃では、エミッタを構成する材料として六硼化ランタン（ＬａＢ６）以外のものを用いることができる。エミッタの構成材料には、高い電気伝導、高温における機械的強度と化学的安定性が求められる。ここで、高温における機械的強度と化学的安定性は、高い融点を有することによって実現可能である。尚、高い融点とは、具体的には、電子ビーム描画装置の動作温度より高い融点を言う。こうした特性を満たし、さらに六硼化ランタン（ＬａＢ６）と同程度に低い仕事関数を有する材料としては、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）、六硼化イットリウム（ＹＢ６）などの金属六硼化物が挙げられる。また、タングステン（Ｗ）などをエミッタの構成材料として用いることも可能である。タングステン（Ｗ）は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）や六硼化セリウム（ＣｅＢ６）に比べて融点が高いので、例えば、２０００Ｋ程度の温度で加熱処理することも可能である。
【００６６】
一方、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料は、カーボン（Ｃ）以外の材料によって被覆されてもよい。但し、電子ビーム描画装置の動作時において機械的にも化学的にも安定であって、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料に比べて仕事関数の大きいもの、例えば、１．５〜２倍程度の大きさの仕事関数を有する材料を用いる。
【００６７】
また、以上で説明した本発明の実施形態における電子銃に組み込まれるエミッタでは、溝の断面形状が矩形または三角形となっている。すなわち、溝の断面は、電子放出面の周縁部からカーボン層とＬａＢ６層との接触点までの間に、２つまたは１つの辺を有して構成される形状とされている。
【００６８】
しかしながら、本実施の形態の電子銃のエミッタでは、溝について、そのような形状に限られるわけではない。溝の断面は、電子放出面の周縁部からカーボン層とＬａＢ６層との接触点までの間に３つ以上の辺を有して構成される多角形状とすることが可能である。
【００６９】
また、溝を、その断面において、電子放出面の周縁部からカーボン層とＬａＢ６層との接触点までの間が１つの辺である形状とするが、その辺が内側または外側に向かって丸みを帯びるように形状を選択することも可能である。その場合、ＬａＢ６層は、溝と接する側面部分が内側または外側に向かって丸みを帯びた形状を有することになる。
【００７０】
また、エミッタの電子放出面について、円形状の平面を有する例について説明したが、本発明の実施形態の電子銃ではそのような形状に限るわけではない。
エミッタの電子放出面を楕円形状とするなど、円でない形状を選択することが可能である。また、球面等の平面ではない形状を選択することも可能である。
【００７１】
次に、図９は、本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。この図に示すように、本発明の実施形態の電子銃は、電子源であるカソード１０１と、アース電極をもつアノード１０６とを備える。また、カソード１０１は、図３に示した上述のエミッタ１０と、エミッタ１０に印加する電圧よりも低い電位を与えられてエミッタ１０から出射される電子を収束させるウェネルト１０５と、支持電極１０７、１０８を支持するベース１１２とを有する。ウェネルト１０５はエミッタ１０から射出される電子ビームが通過する開口部分を具備し、この開口部分は電子ビームを収束させるのに適当なように径が選択されている。そして、エミッタ１０は、支持電極１０７と支持電極１０８に支持され、ヒータ１０９およびヒータ１１０によって加熱可能な構成となっている。
【００７２】
尚、本発明の実施形態の電子銃は、上述のように、電子を放出するエミッタ１０に代えてその別の例を用いることができる。また、エミッタ１０に代え、図６に示すエミッタ１３０およびその別の例、並びに、図８に示すエミッタ１４０を用いることも可能である。
【００７３】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、第１実施形態の電子銃の周囲は高真空となる。この状態で、カソード１０１とアノード１０６の間に、例えば５０ｋＶ程度の高電圧（加速電圧）を、加速電源１１１を用いて印加する。また、加熱電源１０３を用いて支持電極１０７、１０８の間に加熱電圧を印加することにより、ヒータ１０９、１１０を通電加熱してエミッタ１０を加熱する。すると、エミッタ１０から熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、後述するように、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【００７４】
このとき、アノード１０６は上述のように接地されているので、エミッタ１０には支持電極１０７、１０８を介して負の高電圧が印加されていることになる。そして、ウェネルト１０５の電位は、バイアス電源１０２の作用によりカソード電位よりもさらに１００Ｖ〜１０００Ｖ程度低い。これにより、エミッタ１０から放出される電子ビームが制限されると同時に、収束作用を有するレンズとして動作し、ウェネルト１０５の開口部分を通過する電子ビームにおいては、焦点、すなわち、クロスオーバが形成される。
【００７５】
尚、従来の電子銃では、描画動作時の加熱によりエミッタの構成材料が徐々に蒸発すると、これに伴って電子ビームの電流密度分布も徐々に劣化する。そして、電流密度の均一性が所定のレベル以下になったとき、カソードは交換が必要となる。このような、カソードの交換が頻繁に行われると、電子ビーム描画装置のダウンタイムは大きくなる。
本実施の形態の電子銃では、上述のエミッタ１０を使用し、カソード１０１の寿命が向上されている。したがって、装置のダウンタイムは小さい。
【００７６】
次に、本実施の形態の電子銃を用いた電子ビーム描画装置について説明する。
【００７７】
図１０は、本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。この図において、電子ビーム描画装置３０の試料室３１内には、試料であるマスク基板３２が設置されたステージ３３が設けられている。ステージ３３は、ステージ駆動回路３４によりＸ方向（紙面における左右方向）とＹ方向（紙面における垂直方向）に駆動される。ステージ３３の移動位置は、レーザ測長計等を用いた位置回路３５により測定される。
【００７８】
試料室３１の上方には、電子ビーム光学系４０が設置されている。この光学系４０は、上述のエミッタ１０が組み込まれた本発明の実施形態の電子銃１００、各種レンズ３７、３８、３９、４１、４２、ブランキング用偏向器４３、成形偏向器４４、ビーム走査用の主偏向器４５、ビーム走査用の副偏向器４６、および、２個のビーム成形用アパーチャ４７、４８等から構成されている。
尚、本実施の形態の電子ビーム描画装置３０においては、エミッタ１０を用いた電子銃１００以外に、エミッタ１０の別の例、図６に示すエミッタ１３０およびその別の例、ならびに図８に示すエミッタ１４０の中から適宜選択されたエミッタを用いた電子銃を使用することが可能である。
【００７９】
本実施の形態の電子銃１００では、図３に示したエミッタ１０（図１０中では図示されない）を使用し、カソード１０１（図１０中では図示されない）の寿命が向上されている。したがって、電子ビーム描画装置３０の動作時において、エミッタ１０から放出される電子ビームの電流密度分布の均一性が大きく劣化することはない。したがって、カソードの交換頻度を少なくすることができ、電子ビーム描画装置３０のダウンタイムを従来に比べて大幅に短縮することができる。
【００８０】
図１１は、本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。この描画方法は、本実施の形態の電子ビーム描画装置３０を使用することにより実現される。すなわち、図１１に示す電子ビーム８４は、本実施の形態の電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出された電子ビームである。
【００８１】
図１１に示すように、マスク基板３２上に描画されるパターン８１は、短冊状のフレーム領域８２に分割されている。電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出される電子ビーム８４による描画は、ステージ３３が一方向（例えば、Ｘ方向）に連続移動しながら、フレーム領域８２毎に行われる。フレーム領域８２は、さらに副偏向領域８３に分割されており、電子ビーム８４は、副偏向領域８３内の必要な部分のみを描画する。尚、フレーム領域８２は、主偏向器４５の偏向幅で決まる短冊状の描画領域であり、副偏向領域８３は、副偏向器４６の偏向幅で決まる単位描画領域である。
【００８２】
副偏向領域８３内での電子ビーム８４の位置決めは、副偏向器４６で行われる。副偏向領域８３の位置制御は、主偏向器４５によってなされる。すなわち、主偏向器４５によって、副偏向領域８３の位置決めがされ、副偏向器４６によって、副偏向領域８３内でのビーム位置が決められる。さらに、成形偏向器４４とビーム成形用アパーチャ４７、４８によって、電子ビーム８４の形状と寸法が決められる。そして、ステージ３３を一方向に連続移動させながら、副偏向領域８３内を描画し、１つの副偏向領域８３の描画が終了したら、次の副偏向領域８３を描画する。フレーム領域８２内の全ての副偏向領域８３の描画が終了したら、ステージ３３を連続移動させる方向と直交する方向（例えば、Ｙ方向）にステップ移動させる。その後、同様の処理を繰り返して、フレーム領域８２を順次描画して行く。
【００８３】
電子ビームによる描画を行う際には、まず、ＣＡＤシステムを用いて設計された半導体集積回路などのパターンデータ（ＣＡＤデータ）が、電子ビーム描画装置３０に入力することのできる形式のデータ（レイアウトデータ）に変換される。次いで、レイアウトデータが変換されて描画データが作成された後、描画データは実際に電子ビーム８４がショットされるサイズに分割された後、ショットサイズ毎に描画が行われる。
【００８４】
レイアウトデータから変換された描画データは、記憶媒体である入力部５１に記録された後、制御計算機５０によって読み出され、フレーム領域８２毎にパターンメモリ５２に一時的に格納される。パターンメモリ５２に格納されたフレーム領域８２毎のパターンデータ、すなわち、描画位置や描画図形データ等で構成されるフレーム情報は、データ解析部であるパターンデータデコーダ５３と描画データデコーダ５４に送られる。次いで、これらを介して、副偏向領域偏向量算出部６０、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８に送られる。
【００８５】
また、制御計算機５０には、偏向制御部６２が接続している。偏向制御部６２は、セトリング時間決定部６１に接続し、セトリング時間決定部６１は、副偏向領域偏向量算出部６０に接続し、副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３に接続している。また、偏向制御部６２は、ブランキング回路５５と、ビーム成形器ドライバ５６と、主偏向器ドライバ５７と、副偏向器ドライバ５８とに接続している。
【００８６】
パターンデータデコーダ５３からの情報は、ブランキング回路５５とビーム成形器ドライバ５６に送られる。具体的には、パターンデータデコーダ５３で描画データに基づいてブランキングデータが作成され、ブランキング回路５５に送られる。また、描画データに基づいて所望とするビーム寸法データも作成されて、副偏向領域偏向量算出部６０とビーム成形器ドライバ５６に送られる。そして、ビーム成形器ドライバ５６から、電子ビーム光学系４０の成形偏向器４４に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４の形状と寸法が制御される。
【００８７】
副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３で作成したビーム形状データから、副偏向領域８３における、１ショット毎の電子ビームの偏向量（移動距離）を算出する。算出された情報は、セトリング時間決定部６１に送られ、副偏向による移動距離に対応したセトリング時間が決定される。
【００８８】
セトリング時間決定部６１で決定されたセトリング時間は、偏向制御部６２へ送られた後、パターンの描画のタイミングを計りながら、偏向制御部６２より、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８のいずれかに適宜送られる。
【００８９】
描画データデコーダ５４では、描画データに基づいて副偏向領域８３の位置決めデータが作成され、このデータは、主偏向器ドライバ５７と副偏向器ドライバ５８に送られる。そして、主偏向器ドライバ５７から、電子光学系４０の主偏向器４５に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４が所定の主偏向位置に偏向走査される。また、副偏向器ドライバ５８から、副偏向器４６に所定の副偏向信号が印加されて、副偏向領域８３内での描画が行われる。この描画は、具体的には、設定されたセトリング時間が経過した後、電子ビーム８４を繰り返し照射することによって行われる。
【００９０】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００９１】
また、本実施の形態の電子銃に組み込むよう構成されたエミッタの適用例は、電子ビーム描画装置の電子銃に限られるものではなく、電子顕微鏡なども好適である。
【符号の説明】
【００９２】
１、１１、２１、１３１、１４１    六硼化ランタン（ＬａＢ６）層
２、１２、２２、１３２、１４２    カーボン（Ｃ）層
３    脆弱な層
４、４ａ、１４、２４、１３４、１４４    電子放出面
１０、２０、１３０、１４０    エミッタ
１５、２５、１３５、１４５    溝
２６    側面部
３０    電子ビーム描画装置
３１    試料室
３２    マスク基板
３３    ステージ
３４    ステージ駆動回路
３５    位置回路
３７、３８、３９、４１、４２    各種レンズ
４０    光学系
４３    ブランキング用偏向器
４４    成形偏向器
４５    主偏向器
４６    副偏向器
４７    第１のアパーチャ
４８    第２のアパーチャ
５０    制御計算機
５１    入力部
５２    パターンメモリ
５３    パターンデータデコーダ
５４    描画データデコーダ
５５    ブランキング回路
５６    ビーム成形器ドライバ
５７    主偏向器ドライバ
５８    副偏向器ドライバ
６０    副偏向領域偏向量算出部
６１    セトリング時間決定部
６２    偏向制御部
８１    描画されるパターン
８２    フレーム領域
８３    副偏向領域
８４    電子ビーム
１００    電子銃
１０１    カソード
１０２    バイアス電源
１０３    加熱電源
１０５    ウェネルト
１０６    アノード
１０７、１０８    支持電極
１０９、１１０    ヒータ
１１１    加速電源
１１２    ベース
２０１、２１１    ビーム成形用アパーチャ
２０２、２１２    電子ビーム領域
【図４】
0005595199.tif 000002
【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
0005595199.tif 000009
【図５】
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【図６】
0005595199.tif 000011
【図８】
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【図１２】
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