(57)【要約】【課題】高精度の電子線装置に必要とされる照明一様性を確保できる電子銃を提供する。【解決手段】電界放出冷陰極方式の第２カソード１１はマルチカソード方式となっており、各部分から放出される電子の分布が、制御装置１４により制御される用になっている。これにより第１カソード１の熱電子放出面の温度を均一に保つことができ、照明一様性が向上する。さらに、ターゲット１３面で電子線の強度分布を測定し、それが一様となるように制御装置１４を制御することにより、照明一様性をより一層高くすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出体から放出される電子を加速してカソードに衝突させ、そのエネルギーでカソードを加熱する方式の電子銃であって、前記電子放出体は、複数の電子放出部を有しており、前記各電子放出部から放出される電子の量を、前記各電子放出部毎に制御可能とされていることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃から放出される電子量の分布を、電子受面において測定し、当該電子受面に入射する電子数の分布の一様性が許容範囲になるように、前記各電子放出部を制御することを特徴とする電子銃の制御方法。
【請求項３】
電子源として請求項１に記載の電子銃を有することを特徴とする電子線露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出体から放出される電子を加速してカソードに衝突させ、そのエネルギーでカソードを加熱する方式の電子銃、すなわちボンバードメント方式の電子銃、及びその制御方法、さらにはこの電子銃を使用した電子線露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高密度化に伴い、その製造工程においてレチクルからウエハに転写露光すべきパターンが微細化している。このような微細なパターンを露光転写するには、光学式露光転写装置ではその解像度が不足しており、光学式露光転写装置に代わるものとして、電子線等の荷電粒子線を使用した露光転写装置の開発が進められている。
【０００３】
荷電粒子線露光装置においては、荷電粒子線源から放出された荷電粒子を、照明光学系を介してレチクル上に照射して照明し、レチクルに形成されたパターンを、投影光学系を介してウエハ上に結像させることにより、露光転写を行っている。このような荷電粒子線露光装置の中でも、電子線を利用した電子線露光装置が最も一般的に使用されるようになってきている。
【０００４】
図３に電子線露光装置の１例の概要を示す。電子線源１から放出された電子線２は第１照射レンズ３によって成形開口４を照射する。成形開口４を通過した電子線２は第２照射レンズ５および第３照射レンズ６により成形開口像をレチクル７上に結ぶ。レチクル７上には転写すべきパターンが形成されており、レチクル７を通過した電子線２は第１投影レンズ８及び第２投影レンズ９によってウエハ上のレジストなどの被露光物１０上にレチクル７の像を結ぶ。電子線露光装置では通常、レチクルを１ｍｍ角程度に分割し、被露光物上には１／４程度に縮小して露光転写している。従って像の大きさは０．２５ｍｍ角程度になっている。このような１度に露光される露光領域をサブフィールドといい、サブフィールドをつなぎあわせて全体の像、例えば半導体デバイスのパターンを形成する。
【０００５】
このような電子線露光装置をはじめ、電子顕微鏡等の電子線を使用した装置の電子線源としては、一般的に電子銃が使用される。電子銃は、カソードを加熱して熱電子を放出させたり、仕事関数の小さい物質の表面近傍に電界を生成して電子を放出させ、放出された電子を加速電極（アノード）に印加された電圧により加速して、電子線として取り出すものである。
【０００６】
転写型の電子線露光装置が使用される場合は、照明する電子線強度が非一様な場合、レジスト上で結ばれたレチクル像の露光量が不均一になりレジストに蓄積されるエネルギー量が設計値から変化してしまう。すると、レジストを現像したときの線幅も設計値から変化してしまう。この線幅変化の許容範囲は設計線幅の±１Ｏ％程度とされており、線幅が微細化されるほど許容範囲が狭くって、製造された半導体装置の性能が悪化もしくは不良品となってしまう。したがって、照明する電子線の強度を一様にすることが要求される。
【０００７】
その場合、カゾカソードを加熱して熱電子を取り出す方式の電子銃においては、カソード表面を一様な温度に加熱することが必要とされる。そのため、カソードを直接加熱するのではなく、別のカソード（このカソードを「第２カソード」と呼び、電子線を取り出すカソードを「第１カソード」と呼ぶ）から取り出した電子を加速して第１カソードに衝突させ、その運動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって第１カソードを加熱する方式が用いられるようになり、このような方式の電子銃をボンバードメント方式の電子銃と呼んでいる。
【０００８】
図４に、従来のボンバードメント方式の電子銃の概要を示す。図４において、３１は第２カソードであり、フィラメント等からなる発熱体に電圧をかけることにより、その表面から熱電子を引き出しやすいような状態にする。３２は第１カソードであり、第２カソード３１と第１カソード３２との間には、３ｋＶ程度の電圧が印加されている。すると、第２カソード３１から引き出された熱電子は、この電圧により形成される電界により加速され、第１カソード３２に衝突する。そして、その際、運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて第１カソード３２を加熱する。
【０００９】
加熱された第１カソード３２からは熱電子が飛び出す。第１カソード３２とターゲット３３の間には、約１００ｋＶの高電圧が印加されており、第１カソード３２から飛び出した電子は、この高電圧によって形成された電界により加速され、ターゲット３３に衝突する。ターゲット３３は、電子線露光装置におけるレチクル、電子顕微鏡における試料等に相当するものである。通常、ターゲット３３の電位は接地電位とされ、第１カソード３２、第２カソード３１には負の電圧が印加される。
【００１０】
なお、図４においては、電子銃に当たる部分は第１カソード３２、第２カソード３１及びその印加電源部である。実際の電子銃には、この他にウエネルト電極、アノードが設けられているが、これらは図示を省略している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電子線装置の露光面積が大きくなると共に装置が精密化されるにつれて、ターゲット面での電子線の分布（電流分布）の一様性が益々要求されるようになってきた。単に電流分布の一様性を向上させるには、照明光学系を拡大系にすれば広い面積で一様な電流分布が得られるが、その場合は、照明電子線の開き角が狭くなってしまい、投影系でのクーロン効果の影響が非常に大きくなってしまうので、開き角を狭くすることは避けるべきである。開き角を狭くせず電流分布の一様性を保つには、第１カソード３２における熱電子放出面の温度を均一に保ってやればよい。
しかしながら、第１カソード３２には、第１カソード３２を保持する部材が必要であり、この保持部材を通して熱が逃げるため、保持部材の近辺では温度が下がることが避けられない。又、第１カソード３２周辺から熱が逃げるため、周縁部では中央部に比べて温度が低くなる傾向にある。さらに、第２カソード３１のフィラメント等から発生する電子の量そのものも、フィラメントの温度等のばらつきにより変化する。
【００１２】
このような様々の理由により、従来の電子銃においては、ターゲット面上での照明の一様性を、必要とされる程度にすることが困難となってきた。本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高精度の電子線装置に必要とされる照明一様性を確保できる電子銃、この電子銃の制御方法、及びこの電子銃を使用した電子線露光装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、電子放出体から放出される電子を加速してカソードに衝突させ、そのエネルギーでカソードを加熱する方式の電子銃であって、前記電子放出体は、複数の電子放出部を有しており、前記各電子放出部から放出される電子の量を、前記各電子放出部毎に制御可能とされていることを特徴とする電子銃（請求項１）である。
【００１４】
本手段においては、電子放出体が、複数の電子放出部を有しており、各電子放出部から放出される電子の量を、各電子放出部毎に制御可能とされているので、各電子放出部から放出される電子の量を制御することにより、カソードの温度分布を制御することが可能になる。よって、カソードから放出される電子量の分布を制御することが可能となる。
【００１５】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段である電子銃から放出される電子量の分布を、電子受面において測定し、当該電子受面に入射する電子数の分布の一様性が許容範囲になるように、前記各電子放出部を制御することを特徴とする電子銃の制御方法（請求項２）である。
【００１６】
本手段においては、電子銃から放出される電子量の分布を、電子受面において測定し、当該電子受面に入射する電子数の分布の一様性が許容範囲になるように、各電子放出部を制御するようにしているので、電子受面における照明一様性（電流密度分布の一様性）を高めることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための第３の手段は、電子源として前記第１の手段である電子銃を有することを特徴とする電子線露光装置（請求項３）である。
【００１８】
本手段においては、電子源として前記第１の手段である電子銃を有しているので、電子受面であるレチクル又はウエハ面での照明一様性を上げることができ、従来よりも微細なパターンを露光転写することも可能となる。特に、前記第２の手段である電子銃の制御方法を使用すると、照明一様性を確実に上げることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の１例である電子銃について、図１、図２を使用して説明する。図１は、本発明の実施の形態である電子銃の概略構成を示す図である。図１において、１１は第２カソード（電子放出体）であり、後に述べるような方法により、その表面から電子を引き出す。１２は第１カソードであり、第２カソード１１と第１カソード１２との間には、３ｋＶ程度の電圧が印加されている。すると、第２カソード１１から引き出された電子は、この電圧により形成される電界により加速され、第１カソード１２に衝突する。そして、その際、運動エネルギーが熱エネルギーに変換されて第１カソード１２を加熱する。
【００２０】
加熱された第１カソード１２からは熱電子が飛び出す。第１カソード１２とターゲット１３の間には、約１００ｋＶの高電圧が印加されており、第１カソード１２から飛び出した電子は、この高電圧によって形成された電界により加速され、ターゲット１３に衝突する。ターゲット１３は、電子線露光装置におけるレチクル、電子顕微鏡における試料等に相当するものである。通常、ターゲット１３の電位は接地電位とされ、第１カソード１２、第２カソード１１には負の電圧が印加される。
【００２１】
なお、図１においては、電子銃に当たる部分は第１カソード１２、第２カソード及びその印加電源部である。実際の電子銃には、この他にウエネルト電極、アノードが設けられているが、これらは図示を省略している。
【００２２】
以上のような基本構成は、図４に示した従来の電子銃と同じであるが、本実施の形態においては、第２カソード１１が図２に示すようなマルチカソード方式のカソードとなっており、複数の電子放出部が設けられていること、この複数の電子放出部から放出される電子の量を制御するため、制御装置１４が設けられていることが図４に示した従来例と異なる。
【００２３】
図２に、第２カソード１１の１例を示す。この第２カソード１１は電界放出冷陰極方式であり、（ａ）は、この第２カソードをグリッド電極面（（ｂ）のＢ−Ｂ断面）で切断した断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ間の拡大断面図である。ただし、（ａ）においては図を見やすくするために断面部分にハッチングを施していない。またエミッタ１６を黒塗りで表している。
【００２４】
図２において、絶縁体の基板１５の上には電子を放出する円錐状のエミッタ１６が形成され、基板１５とエミッタ１６との間には、エミッタ１６に給電するための配線層２１が設けられている。
【００２５】
絶縁層１７は配線層２１の上に、エミッタ１６の形成された付近を除いて積層されている。この絶縁層１７には、エミッタ１６の周りの位置に、円筒形の穴２３が設けられている。絶縁層１７の中間には、エミッタ１６の上側にグリッド電極１８が設けられている。グリッド電極１８は正方形の電極板からなり、エミッタ１６の上方には、円形の穴２４が開けられている。グリッド電極１８に給電するための配線１９が、絶縁層１７の中に埋め込まれ、グリッド電極１８につながっている。
【００２６】
絶縁層１７の上には、加速電極２０が設けられている。加速電極２０は１枚の板状の層であるが、エミッタ１６の上方には円形の穴２２が開けられている。なお、エミッタ１６はタングステン、モリブデン等により、グリッド電極１８はタングステン等の金属で作られ、基板１５、絶縁層１７には、たとえばシリコンの熱酸化膜が使用される。この構造により、各エミッタ１６には配線層２１を介して共通の電位が与えられ、各グリッド電極１８には、各々の配線１９を介して、別々の電位が与えられる。加速電極２０は１枚の層であるので、全てのエミッタ１６に対し、加速電極２０の円形の穴２２より下流に出た電子線の加速電圧は一定となる。
【００２７】
この陰極を動作させるには、エミッタ１６の電位を基準にして、加速電極２０に数十Ｖの電圧を印加し、グリッド電極１８にはたとえばエミッタ１６と加速電極２０の間の電圧を加える。各グリッド電極１８に与える電位を操作することにより、対応するエミッタ１６から放出される電子の量を制御することができ、これにより、第２カソードの面の各部から放出される電子の量の分布を制御することが可能になる。
【００２８】
この冷陰極を製作するには、通常の製作法（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４７，  Ｎｏ．１２，  ｐｐ．５２４８，  １９７６）  を少し変えればよい。
【００２９】
このような電界放出冷陰極方式の第２カソード１１は、ＮＥＡ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ：負電子親和性）カソードを用いて製造することもできるし、ＭＯＳＦＥＴ、カーボンナノチューブを用いて形成することもできる。
【００３０】
電子線光学系の鏡筒部すなわち、レチクルやウエハが設置される部分や試料が設置される部分と同電位になる部分を接地電位とすると、例えば、第２カソード１１のエミッタ１６の電位を−１０３ｋＶ、第２カソード１１の加速電極２０の電位を−１０３−数十Ｖ、第１カソード１２の電位を−１００ｋＶとする。第１カソード１２は第２カソード１１に対して加速電極であるアノードの役割を果たす。
【００３１】
本実施の形態においては、制御装置１４が、配線１９を介して、各エミッタに対応するグリッド電極１８に印加する電圧を独立に微調整できるようになっている。よって、この電圧の調整により、各エミッタ１６から放出される電子の量を調整可能となる。各エミッタ１６から放出される電子の量が調整可能であれば、第１カソード１２が受けるエネルギーの量をその部分毎に調整可能である。これにより、例えば第１カソード１２の支持部が形成される部分の近傍や、第１カソード１２の周縁部に与えるエネルギーを増やすことができ、第１カソード１２の電子放出面の温度を均一にできる。これにより、第１カソード１２面から放出される電子線の分布を均一にすることが可能となる。
【００３２】
また、実際に電子線を受ける部分での電子線の分布（電流分布）を測定し、それが均一になるように制御装置１４により、第２カソード１１の各エミッタ１６に印加する電圧を調整するようにすることもできる。電子線の分布を測定するには、電子線を受ける部分（レチクル面や試料面）上で電子線検出器を走査させ、又は、偏向器を使用して電子線検出器上で電子線を走査させ、それによって検出してもよいが、電子線露光装置の場合は、レチクルステージ、ウエハステージにピンホールが形成されており、このピンホールを通過する電子線を電子線検出器で検出できるようになっているのが普通である。よって、このような場合には、レチクルステージ、ウエハステージを駆動することにより、ピンホール位置を平面的に移動（走査）させ、又は、偏向器を使用して電子線検出器上で電子線を走査させ、各部分が受ける電子線の量を検出することができる。
【００３３】
なお、以上の例においては、ターゲット１３と第１カソード１２の間に高電圧を印加し、これによって電子を加速していたが、第１カソード１２の直近にアノードを設け、そのアノードをターゲット１３と同電位（接地電位）とすることにより、第１カソード１２とアノードの間で電子の加速を行い、アノードを出た電子が等エネルギー運動をしてターゲット１３に衝突するようにしてもよい。このような方式の電子銃においても、本発明を適用することができることは言うまでもない。
【００３４】
このような電子銃を、電子線露光装置の電子源として使用すれば、上記に説明したような理由により、レチクル面又はウエハ面での照明一様性に優れた電子線露光装置とすることができる。電子線露光装置そのものの構造や作用は、図３に示したものと変わるところがないので、その説明を省略する。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高精度の電子線装置に必要とされる照明一様性を確保できる電子銃、この電子銃の制御方法、及びこの電子銃を使用した電子線露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である電子銃の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における第２カソードの例の概要を示す図である。
【図３】電子線露光装置の１例の概要を示す図である。
【図４】従来のボンバードメント方式の電子銃の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…電子線源、２…電子線、３…第１照射レンズ、４…成形開口、５…第２照射レンズ、６…第３照射レンズ、７…レチクル７、８…第１投影レンズ、９…第２投影レンズ、１０…被露光物、１１…第２カソード、１２…第１カソード、１３…ターゲット、１４…制御装置、１５…基板、１６…エミッタ、１７…絶縁層、１８…グリッド電極、１９…配線、２０…加速電極、２１…配線層、２２…穴、２３…穴、２４…穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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