(57)【要約】【課題】遮蔽電極の溶融問題、カラムの温度問題とチャージアップ問題を解消し、高精度且つ高スループット性能を備えた電子ビーム露光装置の提供。【解決手段】電子を放射するカソード電極１とその電子を加速するアノード電極３の間に放射電子の軌道を制御するバイアス電極２が設けられ、バイアス電極２は放射電子の軌道上に介在しない位置及び電位に保持され、アノード電極３の下方に放射電子の一部を遮蔽する遮蔽部１２と遮蔽部１２を冷却する冷却部１４とを設けた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放射するカソード部とその放射電子を加速するアノード部間に当該放射電子の軌道を制御するバイアス部を有する電子銃において、
前記アノード部の下方に前記放射電子の一部を遮蔽する遮蔽部と当該遮蔽部を冷却する冷却部とを設けたことを特徴とする電子銃。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造時におけるリソグラフィー工程で用いられる電子銃や電子銃を用いた露光や描画技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造の量産段階においては、高い生産性を持つ光ステッパが用いられてきたが、線幅が０．１μｍ以下の４ＧＤＲＡＭ以降のメモリデバイスなどの生産においては、光露光方式に代わる露光技術の１つとして、解像度が高く、生産性の優れた電子ビーム露光方法が期待されている。
【０００３】
従来の電子ビーム露光方法としては、単一ビームのガウシアン方式と可変成形方式が用いられている。
【０００４】
図９（ａ）は、その従来の電子ビーム露光方法を採用した露光装置の構成を示し、カソード電極２０１の先端から放射された電子ビームＥＢは、バイアス電極２０２のアパーチャ２０２ａを通過し、バイアス電極２０２とアノード電極２０３の間でクロスオーバＣＯを形成し、更に、アノード電極２０３及びそのアノードと一体に構成されたアパーチャ２０４ａを通過して、第１照明レンズ２０５ａ、第２照明レンズ２０５ｂに入射し、アパーチャ２０４ｂを通過して、投影レンズ２０７に入射した後、偏向器２０８で偏向されてウエハ２１０に到達する。２１１は、ウエハ２１０を載置して移動させるステージである。
【０００５】
また、近年、電子ビーム露光方法の生産性を向上させる方法として、部分一括転写方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式は、メモリデバイスなどの回路パターンの繰り返し部分を数μｍ領域に分割し、その分割したパターンを一括で露光する方式のことであり、生産性を向上することができる。なお、上記生産性と同時に重要なのが線幅精度であり、この性能を確保するために、露光領域の照射強度の一様性を全露光領域において１％以下にすることが要求されている。
【０００６】
上記の部分一括転写方式における一括で露光を行なえる面積は、約５μｍ２前後であり、また、投影レンズの収束半角は、レンズ収差による解像条件から数ｍｒａｄに設定されることから、一様照明に要求される条件として、電子銃のクロスオーバ径と照射ビームの取り出し半角との積で定義されるエミッタンスε、ε＞露光領域×収束半角（＝〜１０μｍ・ｍｒａｄ）のものが用いられる。
【０００７】
これらの電子銃のタイプとしては、電子ビームのエネルギーが５０ｋＶ程度の３極電子銃構造のものが一般的に用いられている。この電子銃から放射した放射電子ビームの中から一様性の高いビームを得るために、数１０ｍｒａｄの角度領域内に放射する放射電子ビームの中から特性の良い数ｍｒａｄの領域のビームを選択し、照射ビームとして用いている（例えば、図９（ｂ）の如く、アパーチャ２０４ａを用いてその選択を行なう。）。
【０００８】
このような電子ビーム露光装置には、六フッ化ホウ素（ＬａＢ６）の単結晶をカソード電極とした３電極構造の電子銃が用いられる。カソード電極のエミッション電流は１００〜２００μＡであり、そのビーム電流の中から数μＡを取り出して露光に寄与する電子ビームとしていることから、ここではエミッション電流の殆どが途中の遮蔽電極部で阻止される。これらの従来の電子銃の例では、加速電圧が５０ｋＶの時の電子ビームの全エネルギーは５〜１０ｍＷと比較的小さいために電子ビームを遮蔽することによる発熱問題がほとんど無いことから、そのほとんどの電子ビームのエネルギーはカラム内で放熱させており、強制冷却は行なわれていなかった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３３１６３２号公報。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すように、高スループットを実現するための電子銃特性として、輝度１．０〜１．５×１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒ、エミッタンス１５〜３０ｒａｄμｍ・ｍｒａｄを得ようとすると、電子銃の電流量は、電流＝（輝度）×（エミッタンス）２で導かれ、従来の電子銃に比して約１０倍以上の電流が要求される。
【００１１】
従って、従来の電子銃の図９（ａ）の様に電子銃のカソード電極２０１から発生する放射電子をアパーチャ２０４ａにより電子を遮蔽した場合には、そのアパーチャが溶解してしまうという問題や、アノード電極２０３で遮蔽した場合には、電極部が溶解してしまうという問題が発生する。また、カソード電極２０１からの放射電子をアノード電極２０３に照射せずに、露光装置のカラム内で遮蔽した場合、遮蔽部からの散乱電子のためにカラム内部でチャージアップ現象が発生すため、電子ビームの位置精度の劣化原因となる。
【００１２】
また、電子銃の電圧は５０ｋＶ、又は５０ｋＶ以上の高電圧で使われることから、放射電子がアノード電極２０３に照射されて発生する反射電子や２次電子が電子銃の加速空間に散乱されるために、微小放電の原因となっていた。
【００１３】
そのため、高輝度、大エミッタンスの条件を備えた大電流タイプの電子銃を備えた電子ビーム露光装置の高スループット化を実現することが困難であった。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、放射電子の発熱による周辺電極の溶融問題を解消して温度的に安定した電子銃を実現し、高精度かつ高スループットの露光装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の各態様を以下に列挙する。
【００１６】
［態様１］
電子を放射するカソード部とその放射電子を加速するアノード部間に当該放射電子の軌道を制御するバイアス部を有する電子銃において、前記アノード部の下方に前記放射電子の一部を遮蔽する遮蔽部と当該遮蔽部を冷却する冷却部とを設けた。
【００１７】
［態様２］
上記態様１において、前記カソード部の先端は半球若しくは半球状の部材からなる。
【００１８】
［態様３］
上記態様１において、前記遮蔽部は、前記放射電子を入射する入射部と、前記入射した放射電子の入射方向に対して傾斜した傾斜部とを備え、前記入射部には前記傾斜部に照射した放射電子を閉じ込める部材が設けられている。
【００１９】
［態様４］
上記態様１〜３のいずれかにおいて、前記遮蔽部と冷却部は分離可能であり、当該遮蔽部が高融点材料からなり、これら遮蔽部と冷却部の間に低融点材料を介在させる。
【００２０】
［態様５］
上記態様１〜４のいずれかにおいて、前記冷却部に絶縁体を設け、当該冷却部に所定抵抗の冷却媒体を通過させる。
【００２１】
［態様６］
上記態様５において、前記遮蔽部に入射する電子を検出する検出部と、当該検出部の検出結果に基づいて印加電圧を制御する制御部とを更に備える。
【００２２】
［態様７］
上記実施態様１〜５のいずれかにおいて、前記アノード部と遮蔽部との間に電極を備え、当該電極に電圧を印加する。
【００２３】
［態様８］
上記態様１〜７のいずれかにおいて、前記電子銃を同一雰囲気のチャンバー内に複数配列した。
【００２４】
［態様９］
上記態様８において、前記複数配列された電子銃の各々は、前記遮蔽部に入射する電子を検出する検出部と、当該検出部の検出結果に基づいて印加電圧を制御する制御部とを備え、前記各制御部は独立して制御される。
【００２５】
［態様１０］
上記態様１〜９のいずれかに記載の電子銃を備え、この電子銃から放射される電子ビームにより基板を露光する露光装置に適用される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明係る電子銃やこの電子銃を備える露光装置の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
尚、本発明は、本実施形態として例示する電子ビーム露光装置として、電子ビームによりマスクを照射し、そのマスクパターンをウエハ上に投影して露光する装置や、複数若しくは一つの電子ビームでウエハ上に直接描画する装置、或いは電子ビームでマスクブランクス上にマスクパターンを描画する装置などにも同様に適用できることは言うまでもない。
【００２８】
図７は、マルチビーム方式の一例で、単一の電子源１０１から放射された電子ビームＥＢは、コンデンサーレンズ１０２で平行光にコリメートされ、アパーチャ兼ブランカー１０３で電子ビームを複数のビームに分割した後、収差補正用のマルチレンズ１０４で縮小レンズ１０５の持つレンズ収差を補正し、それから縮小電子光学系１０５で縮小され、ウエハ上１０６に照射される。１０７は、ウエハ１０６を移動させるステージである。
【００２９】
この方式は、縮小電子光学系１０５の光軸に直交する方向に光源の中間像を複数形成し、各中間像が縮小電子光学系１０５によってウエハ１０６上に縮小投影される際に発生する収差、特に像面湾曲収差等を予め補正することができることから、電子光学系の解像度を落とすことなく、描画領域を広げて露光装置の生産性の高めることができる。
【００３０】
図１は、上記のような高スループットを実現するための本発明の代表的な実施の形態である電子銃の構成を示し、カソード電極１、バイアス電極２とアノード電極３、更に、遮蔽電極１１、冷却部１４からなる冷却ユニット１０を備える。カソード電極１は、六フッ化ホウ素（ＬａＢ６）からなり、カソード温度１５４０℃、電圧５０ｋＶに印加されている。またバイアス電極２は、数百Ｖから１ｋＶの間で輝度特性に見合った電圧が選択され印加される。カソード電極１の先端は半球状に形成され、その先端から放射した電子は、バイアス電極２のアパーチャ６を通過し、バイアス電極２とアノード電極３の間でクロスオーバＣＯを形成し、更に、アノード電極３に照射されることなくアパーチャ７を通過し、その先の遮蔽電極１１に入射する。遮蔽電極１１は電子ビーム露光に不要な電子ビームＥＢ２を遮蔽する構造をしており、ウエハ１０６の露光に使用する電子ビームＥＢ１のみがアパーチャ１３を通過する。
【００３１】
遮蔽電極１１には、電子ビームＥＢ２が入射するアパーチャ１２と、アパーチャ１２を介して入射する電子ビームＥＢ２の照射を受ける傾斜部１７とが設けられている。傾斜部１７には、電子ビーム露光に不要なビームＥＢ２がある程度斜めに入射するように、光軸に垂直な面から所定の角度θ（好ましくは、３０°＜θ＜６０°、本実施形態では、略４５°）傾いたすり鉢状の面（円錐面）が設けられ、反射電子の量を低減している。更に、アパーチャ１２は、傾斜部１７で反射した反射電子がアノード電極３のアパーチャ７を通過して放射電子の加速空間（カソード電極１とアノード電極３の間）に再入射するのを防止又は低減するように反射電子を遮蔽する閉塞部１２ａが設けられている。従って、カソード電極１から放射された電子ビームのうち、露光に不要な電子ビームＥＢ２がアノード電極３の下部の遮蔽電極１１内に閉じ込められる構造となっている。
【００３２】
高スループット性能を達成するために必要な電子ビーム電流は、従来の電子銃の１０倍以上の放射電流が必要で、その全電流は１ｍＡから数ｍＡを必要とし、その殆どの電流が遮蔽電極１１で遮蔽されるため、５０Ｗ以上、数百Ｗの熱量が遮蔽電極１１に投入されることになる。遮蔽電極１１は冷却水で冷却する冷却部１４と一体の構造になっており、遮蔽電極１１の温度上昇を防ぎ（若しくは低減し）、溶融問題を解決し、更に、冷却ユニット１０の周辺部品の発熱を防ぐ構造にもなっている。
【００３３】
図２は遮蔽電極１１と冷却部１４とを切り離し可能に別体に構成した例を示しており、遮蔽電極１１に使用する材料として、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａのような高融点材料を用いることが出来るが、更に、入射電子に対して反射効率の小さい軽元素からなる材料（例えば、グラファイトや窒化ホウ素など）を選択することもできる。また、冷却部１４にはＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉのような熱伝導係数の優れた金属材料が用いられる。ここで、遮蔽電極１１と冷却部１４の接触部１５において熱抵抗が生じて遮蔽電極１１を効率良く冷却することが難しくなるため、ここでは、その接触部１５に遮蔽電極１１よりも低融点の金属材料（例えは、Ｉｎ，Ｇａ，Ｐｂや低融点合金など）を介在させることで熱抵抗を下げて遮蔽電極１１の冷却効率を高める構造になっている。その他、図１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
図３は、電子銃を収容するチャンバー構成を例示している。このように電子銃をチャンバー２４内に配置した場合でも、上述したように遮蔽電極１１と冷却部１４を有する冷却ユニット１０により電子ビームＥＢ２を遮蔽された狭い空間内に閉じ込め、電子ビーム露光に有効な電子ビームＥＢ１のみをアパーチャ１３及びバルブ２５を介してチャンバー２４の外に出射させることができるため、チャンバー２４をコンパクトに構成できるという利点がある。その他、図１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図４は、冷却部１４の下部に絶縁体１６を設け、更に、冷却部１４を冷却する冷却媒体として絶縁性のある純水又はフレオン等を使用した構成を例示している。また、遮蔽電極１１に入射する電流を電流検出部３４で検出できるように構成し、更に、アノード電極３に入射する電子量を電流検出部３３で検出できるように構成されている。
【００３６】
カソード電極１は高電圧発生部３１により、バイアス電極２はバイアス電圧発生部３２によりそれぞれ所定の電圧が印加される。ここで、この電子銃はアノード電極３の溶融を避けるために、カソード電極１からの放射電子が照射されない構造となっているが、電子銃の調整段階やカソードの取り付け位置の問題、バイアス電圧の不適切な値で照射された場合の異常を検出することにより安全に高電圧発生部３１を動作させることができる。また、冷却ユニット１０は放射電子の略全電流に相当した電流を検出するファラデーカップの役割をすることから、入射する電流を基準として高電圧発生部３１及びバイアス電圧発生部３２を制御する。その他、図１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図５は、冷却ユニット１０から散乱される二次電子や反射電子を更に低減するための構造を例示し、アノード電極３と遮蔽電極１１との間に電極２６を設けている。遮蔽電極１１のアパーチャ１２から漏れる電子は負に印加された電極２６により遮蔽効果を向上することができる。その他、図１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図６は、上述した冷却ユニット１０を有する電子銃を複数（マルチ）配列した構成（ここでは、電子銃Ｇ１，Ｇ２）を例示し、複数配列したカソード電極１から放射する放射電子を各々の冷却ユニット１０で遮蔽及び冷却することで複数配列した電子銃の発熱の問題を解消できるため、全体をコンパクトに構成することができる。また、遮蔽電極１１を各々の冷却ユニット１０に独立に配置し、遮蔽電極１１の電流を図４の電流検出部３３により独立に検出できるようにし、更に図４の高電圧発生部３１とバイアス電圧発生部３２とを独立に制御するように構成することで、各カソード電極１からの放射電流を安定化させることができる。
【００３９】
上記実施形態によれば、冷却ユニット１０を備えた電子銃は、遮蔽電極１１で不要な電子が遮蔽され且つ冷却されるため、電子銃で発生する熱がカラム本体に伝達することがなく温度的に安定したカラムを構成できる。また、電子ビーム露光に必要な電子がカラムに入射するため、不要は電子による帯電問題を軽減することができ、安定且つ高速な電子ビーム露光装置が実現できる。
【００４０】
また、複数の電子銃を備えたマルチカラム方式の電子ビーム露光装置に用いることでより高いスループット性能を備えた電子ビーム露光装置を実現できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高輝度、大エミッタンス性能を備えた電子銃において、放射電子を遮蔽する遮蔽部と冷却部とを設けたことにより、放射電子の発熱による周辺電極の溶融問題が解消し、温度的に安定な電子銃となり、高精度で高スループット性能を備えた電子ビーム露光装置を実現できる。
【００４２】
また、遮蔽部で放射電子が遮蔽されるため、後段のカラム内部への不要な電子の入射を抑えることができるため、カラム内の帯電問題が解消できることから、帯電によるビーム位置変動の少ない安定且つ高精度の優れた電子ビーム露光装置を実現できる。
【００４３】
また、上記のように熱の問題が解消するため、高輝度、大エミッタンス特性を備えた大電流の電子銃をコンパクトに構成することができ、且つ、装置コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の電子銃の構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る実施形態の電子銃の構成であって、冷却ユニットを分離可能に構成した概略図である。
【図３】本発明に係る実施形態の電子銃の構成であって、冷却ユニットをチャンバー内に配置した構成を示す概略図である。
【図４】本発明に係る実施形態の電子銃の制御ブロックを含む概略図である。
【図５】本発明に係る実施形態の電子銃の構成であって、散乱電子を抑制する構成を示す概略図である。
【図６】本発明に係る実施形態の電子銃を複数配列した構成を示す概略図である。
【図７】マルチビーム露光方式の例を説明する図である。
【図８】輝度とエミッタンスの関係を説明する図である。
【図９】従来の電子ビーム露光装置の構成（ａ）と、電子銃の電子放射特性と照射ビーム領域との関係（ｂ）を説明する図である。
【符号の説明】
１  カソード電極
２  バイアス電極
３  アノード電極
６、７、８、９  アパーチャ
１０  冷却ユニット
１１  遮蔽電極
１２、１３  アパーチャ
１２ａ  閉塞部
１４  冷却部
１５  接触部
１６  絶縁体
１７  傾斜部
２１  加速電極
２２、２３  絶縁体
２４  チャンバー
２５  バルブ
２６  電極
３１  高電圧発生部
３２  ウエネルト電圧発生部
３３、３４  電流検出部
１０１  電子銃
１０２  コンデンサーレンズ
１０３  アパ―チャ兼ブランカー
１０４  マルチレンズ
１０５  縮小レンズ
１０６  ウエハ
１０７  ステージ
１０８  電子ビーム
２０１  カソード電極
２０２  バイアス電極
２０３  アノード電極
２０４ａ、２０４ｂ  アパーチャ
２０５ａ  第１照明レンズ
２０５ｂ  第２照明レンズ
２０６  投影レンズ
２０８  偏向器
２１０  ウエハ
２１１  ステージ
２４０  電子銃
ＥＢ、ＥＢ１、ＥＢ２  電子ビーム
ＣＯ  クロスオーバ
Ｇ１，Ｇ２  電子銃
【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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