(57)【要約】【課題】照明一様性を向上させ、開口絞りの熱負荷を軽減させ、しかもカソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できるようにした電子銃を提供する。【解決手段】カソード１を保持するホルダ７として、絶縁体の一種であるセラミクスを使用する。特にセラミクスの一種であるボロンナイトライドを使用することが好ましい。ボロンナイトライドは特に電気絶縁性に優れた材料である。ボロンナイトライドの他に、高温に強い材料として炭化珪素がある。炭化珪素はセラミクスの中では比較的大きな電気伝導性を有するため、電子のエミッションを抑えながら、電荷の蓄積もなく、理想的な材料である。窒化珪素も同様に使用できる。これにより、照明一様性が良好であり、しかもカソードホルダから放出される無駄な電子ビームを少なくして、カソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードの温度が１０００℃以上となる電子銃であって、前記カソードが、絶縁体により保持されていることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記絶縁体が、ボロンナイトライド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】
前記絶縁体が、炭化ケイ素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４】
前記絶縁体が、窒化ケイ素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５】
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の電子銃を、電子線源として用いてい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、電子銃、および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】
近年、従来の可視光や紫外線を使用した露光装置に比べて微細なパターンを露光できる電子線露光装置の開発が盛んに行われている。図３は、このような電子露光装置の光学系の１例の概要図である。図３において、１１は電子線源、１２は照明用レンズ、１３はビーム成形アパーチャ、１４は開口絞り、１５はレチクル、１６は投影用レンズ、１７は散乱アパーチャ、１８はウエハである。
【０００３】
電子線源１１から放出された電子ビームは、照明用レンズ１２によりレチクル１５上を均一に照明する。レチクル１５上に形成されたパターンの像は、投影用レンズ１６によりウエハ１８上に結像し、ウエハ１８上のレジストを感光させる。レチクルを照明する電子ビームの開き角を制限するために開口絞り１４が、ウエハに入射する電子ビームの開き角を制限し、かつ、レチクル１５で散乱された散乱線をカットするために散乱アパーチャ１７が設けられている。
【０００４】
このような電子線露光装置のうち、特に有望視されている分割転写方式と呼ばれる方式を使用するものにおいては、サブフィールドと呼ばれる約２５０μｍ角（レチクル面で約１ｍｍ角）の領域を一括露光する。よって、一括露光される面積が、従来の電子線露光装置に比べて非常に大きい。そのため、そのフィールド内を均一に照明できるエミッタンスの高い電子銃が必要となる。
【０００５】
エミッタンスの高い電子銃として、直径の大きなタンタル単結晶を電子のボンバードメントにより加熱する技術が提案されている（Ｈｉｇｈ  ｅｍｉｔｔａｎｃｅ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ＰＲＥＶＡＩＬ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｓｙｓｔｅｍ，  Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  １７（６），  ２８５６  （１９９９）．）。この技術は図１（ａ）に示すように、カソード１として、直径約１０ｍｍのタンタル単結晶の（１１１）面を研磨したものを使用し、その裏面を加熱して熱電子を放出させるものである。
【０００６】
加熱方法としては、まず、タングステンのフィラメント２にＶｆの電圧をかけることにより通電加熱し、熱電子を放出させる。この電圧は通常２０Ｖ程度である。そのフィラメント２とカソード１の裏面間にＶｂの電圧をかけ、フィラメント２からの熱電子３を加速して、カソード１の裏面にボンバードメントする。ボンバードメント電圧Ｖｂは通常３ｋＶ程度である。ボンバードメントされた電子は運動エネルギーを熱エネルギーに変換しながら、最終的にカソード１の裏面に吸収される。カソード１には−１００ｋＶの加速電圧（Ｖａｃｃ）が印加されており、カソード１から放出された電子ビーム４はグランド電位である照明光学系の方に向かい、下向きに加速される。その後レンズ系５により集光される。この集光点をクロスオーバーと呼んでいる。この部分には開口絞り６が設けられており、照明の開き角を決定する。その後次第に広がりながら、前述のビーム成形アパーチャ１３の位置に、カソード１の像を結像する。ビーム成形アパーチャ１３は、電子ビームを、レチクルを照明するに都合のよいサイズに成形する。
【０００７】
カソード１面から放出される電子ビームの分布が一様であれば、図１（ｂ）に示すように、ビーム成形アパーチャ１３を通過する電子ビームの分布、すなわち、レチクルを照明する電子ビームの分布は一様となる。
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  １７（６），  ２８５６  （１９９９）．
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようなタンタル製のカソード１から十分な熱電子を放出させるためには、カソード１を約２０００Ｋに加熱しなければならない。一方、カソード１は機械的に保持されていなければならない。よって、高温のカソード１を保持するホルダ７も、同時に高温となる。そのためそのホルダ７を構成する部材には、高温に耐えうる高融点金属が使われる。高融点金属としては、カソード材としても使われているタンタルの他、タングステン、モリブデン、レニウムなどがある。
【００１０】
一方、ホルダ７用の部材には、仕事関数が高いことが要求される。ホルダ７用の部材の仕事関数が十分に高くないと、高温となるホルダ７からも電子が放出されてしまう。ホルダ７から放出された電子は、光軸から離れ、レンズに近い位置を通るため、レンズの強い球面収差を受ける。球面収差とは、光軸から離れた電子ビームほどレンズ効果で強く内側に曲げられる現象である。図１において、ホルダ７から放出された電子ビーム８（破線）は、カソード１から放出された電子ビーム４（実線）より早く光軸を横切っているのが分かる。これが球面収差であり、光軸から離れた電子ビームほどフォーカス面が上に移動する。
【００１１】
開口絞り６を使用して電子ビームを調整する際、まずクロスオーバー位置を開口絞り６の位置に合わせる。この調整は、開口絞り６の位置に、電子ビームが最も絞られた位置がくるようにレンズ系５を調整することによって行われる。この場合、ホルダ７からも電子ビームが放出されていると、開口絞り６上ではビームはぼんやりと広がって観測される。そのためあたかもクロスオーバーが開口絞り６の位置に形成されていないように見える。
【００１２】
このような状態で、開口絞り６の位置に、電子ビームが最も絞られた位置がくるようにレンズ系５を調整した状態を図２（ａ）に示す。すなわち、電子ビーム４に電子ビーム８が加わったものが、一番絞られる位置が、開口絞り６の位置になるように調整が行われる。このとき、電子ビーム４だけで構成されるクロスオーバーの位置は符号９で示される位置となり、開口絞り６の位置よりも下側になる。
【００１３】
よって、カソード１から放出される電子ビーム４の一部が開口絞り６で遮られることになり（遮られた電子ビームを破線で示す）、その結果、図２（ｂ）に示すように、ビーム成形アパーチャ１３を通過する電子ビームの分布、すなわち、レチクルを照明する電子ビームの分布が一様とならなくなる。このような状態になると、レチクルを照明する照明光が、中央で強くなり、周辺で弱くなる。つまり照明一様性が低下することとなり、同じパターンを露光した場合でも、露光領域の中央部分と端部分で、露光されるパターンの幅が変化し、問題となる。
【００１４】
また、ホルダ７から電子が放出されると、その電子ビームは主に開口絞り６で吸収される。そのため、開口絞り６の発熱量が増え、開口絞り６の温度が上昇し、熱膨張、熱変形、熱ドリフトが発生し、また最悪の場合、開口絞り６自身が溶けてしまうという問題がある。
【００１５】
さらに、ホルダ７から無駄な電子の放出があると、その電流は電子銃に高電圧を供給している高圧電源から供給されることとなる。高圧電源はリップルやドリフトを小さく抑えなければならないため、供給できる電流量も必要最小限に設計されている。この場合、その供給量の一部がホルダ７からの電子の放出に費やされてしまうと、本来のカソード１からの電子の放出量が減少し、露光に必要な電流密度が確保できなくなってしまう。
【００１６】
ホルダ７に使用できる高融点金属の仕事関数は、カソードであるタンタルが４．２ｅＶ程度であるのに比べ、タングステンは４．６ｅＶ、モリブデンは４．１〜４．３ｅＶ、レニウムは４．９６ｅＶである。例えば高融点金属の中でも最も融点の高いタングステンをホルダ７の材料として使用した場合、タンタルカソードと同じ２０００Ｋに加熱されたとすると、単位面積あたりの電子の放出量は、タンタルが０．１９５ｍＡ／ｃｍ２なのに対し、タングステンは０．０１ｍＡ／ｃｍ２であり、タンタルに対し約１／２０と小さい。しかし、カソード１をその外側から保持するホルダであるため、熱電子放出面となる面の面積がカソードの１０倍程度大きくならざるを得ず、結局電子放出量としてはカソード本体からの電子放出量の半分程度の大きさとなってしまう。
【００１７】
ホルダ７の面積を小さくしようとすると、今度はその外側を別の金属で保持しなければならない。別の金属としては、仕事関数が大きい金属を使用しなければ意味がないが、すると融点が低くなってしまい、金属の溶融や蒸発の問題が発生する。そのため、ホルダ７の大きさを小さくするのにも限度がある。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ホルダ部分からの電子の放出を抑えることにより、照明一様性を向上させ、開口絞りの熱負荷を軽減させ、しかもカソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できるようにした電子銃、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。
【００１９】
【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、カソードの温度が１０００℃以上となる電子銃であって、前記カソードが、絶縁体により保持されていることを特徴とするもの（請求項１）である。
【００２０】
従来のカソードのホルダの材質の選定は、仕事関数に注目して行われていた。しかしながら、ホルダ部からの熱電子の放出量は仕事関数のみでは決まらず、ホルダを構成する物質の体積抵抗率によっても左右される。すなわち、たとえ仕事関数が小さい物質であっても、体積抵抗率が著しく高ければ、電源から熱電子放出面に至るまでの電圧降下が大きくなり、大きな電流を流すことができなくなって、その結果熱電子の放出が抑えられることになる。
【００２１】
本手段は、このような事象に着目して、体積抵抗率が高い絶縁体をカソードのホルダとして使用している。絶縁体は高温に耐えうるものが容易に得られるので、この面でもホルダとして優れている。
【００２２】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記絶縁体が、ボロンナイトライドであることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２３】
ボロンナイトライドは焼結温度が３０００℃と高く、真空中では２２００℃程度の温度でも使用可能である。高温でもアウトガスが少なく、高い真空度を維持できる。又、ボロンナイトライドは特に電気絶縁性に優れた材料である。しかし一方、あまりに電気絶縁性の大きな材料を電子銃に使用すると、運転中に表面に電荷が蓄積されたり、またそれが不定期に放電を起こしたりすることによって、電子銃付近の電場が変動し、ビームに悪影響を与える。ボロンナイトライドは、高温では若干の電気伝導性を有するため、電子を徐々にリークさせる。よって、電荷の蓄積による電場の変化や放電による急激な電場の変化は起きない。また、カーボン等を微量添加することもでき、これにより、絶縁性の程度を適当なものとすることができる。
【００２４】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記１第の手段であって、前記絶縁体が、炭化ケイ素であることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００２５】
炭化ケイ素は、ボロンナイトライドに比べて絶縁性は落ちるが、ボロンナイトライドと同様、ホルダ用の絶縁体として使用するのに好適である。
【００２６】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記１第の手段であって、前記絶縁体が、窒化ケイ素であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２７】
窒化ケイ素は、ボロンナイトライドに比べて絶縁性は落ちるが、ボロンナイトライドと同様、ホルダ用の絶縁体として使用するのに好適である。
【００２８】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれか電子銃を、電子線源として用いていることを特徴とする電子線露光装置（請求項５）である。
【００２９】
本手段においては、前記第１の手段から第４の手段のいずれか電子銃を、電子線源として用いているので、照明一様性が良好であり、しかもカソードホルダから放出される無駄な電子ビームを少なくして、カソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できる電子線露光装置とすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について説明する。図１に示すような電子銃において、カソード１を保持するホルダ７として、絶縁体の一種であるセラミクスを使用する。特にセラミクスの一種であるボロンナイトライドを使用することが好ましい。ボロンナイトライドは特に電気絶縁性に優れた材料である。
【００３１】
ボロンナイトライドの他に、高温に強い材料として炭化珪素がある。炭化珪素はセラミクスの中では比較的大きな電気伝導性を有するため、電子のエミッションを抑えながら、電荷の蓄積もなく、理想的な材料である。窒化珪素も同様に使用できる。
【００３２】
本発明の実施の形態である電子線露光装置は図３に示したものと変わるところはない。ただし、電子線源１１として図１に示したような電子銃を使用し、カソード１のホルダ７として絶縁体を使用している。よって、照明一様性が良好であり、しかもカソードホルダから放出される無駄な電子ビームを少なくして、カソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ホルダ部分からの電子の放出を抑えることにより、照明一様性を向上させ、開口絞りの熱負荷を軽減させ、しかもカソードからの十分な電子ビームの放出量を確保できるようにした電子銃、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】電子銃の構成の概要を示す図である。
【図２】ホルダからの電子ビームの放出がある場合の問題点を説明するための図である。
【図３】電子露光装置の光学系の１例の概要図である。
【符号の説明】
１…カソード
２…フィラメント
３…熱電子
４…電子ビーム
５…レンズ系
６…開口絞り
７…ホルダ
８…電子ビーム
９…クロスオーバー位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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