(57)【要約】    【課題】  フィラメントとカソードを良好に電気的に絶縁できない。    【解決手段】  カソードとカソードを熱電子により加熱するためのフィラメントとを有する電子銃において、カソードとフィラメントとはボロンナイトライドを含むガイシで絶縁されていることを特徴とする電子銃。    【選択図】図１                                                           
2005235605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとカソードを熱電子により加熱するためのフィラメントとを有する電子銃において、前記カソードとフィラメントとはボロンナイトライドを含むガイシで絶縁されていることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記フィラメント及び前記カソード及び前記ガイシはユニット化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】
前記ユニットを脱着可能にマウントするマウントを更に備えることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子銃を備えた電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線露光装置等の電子線装置に用いられる電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、より微細な半導体集積回路を露光できる、電子線露光装置の研究、開発が盛んに行われている。特に、EB（電子線）レチクルと呼ばれるマスク上に形成された電子回路等のパターンを電子光学系の投影レンズによりウエハーに縮小転写する装置が注目されている。この装置の露光領域（フィールド）はウエハー上で250μm程度と、他のEB（電子線）露光装置と比べると非常に大きい。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。エミッタンスの高い銃として、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).）。この電子銃は図２に示すように、φ10mmのタンタル単結晶の(111)面を研磨したカソード１０１とカソード１０１の裏面を加熱し熱電子１０５を放出させるためのフィラメント１０３を有する。カソード１０１はカソードホルダ１０２に固定され、カソードホルダ１０２はガイシ１０７を介して鏡筒に固定されている。また、フィラメント１０３はフィラメント固定部１０８に固定され、固定部１０８はガイシ１１０を介してカソードホルダ１０２に固定されている。１１１，１１３はカソードホルダ１０２からの余分な熱電子をカットするための開口板である。
【０００３】
カソードの加熱方法としてまず、タングステンフィラメント１０３にVfの電圧をかけることにより通電加熱し、熱電子１０４を放出させる。この電圧は通常20V程度である。フィラメント１０３とカソード１０１裏面にVbの電圧をかけ、フィラメント１０３からの熱電子１０４をカソード１０１裏面に加速し、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１０１裏面に吸収される。カソード１０１には-100kVの加速電圧（Vacc）が印加されており、加熱されることによりカソードから放出された熱電子１０５はグランド電位である照明光学系１０６の方に向かい、下向きに加速される。その後不図示のレンズ系により、不図示のレチクルを照明する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記タンタルカソード１０１から十分なエミッション（熱電子の放出）を行わせるためには、タンタルを約2000℃程度に加熱しなければならない。また、タンタルを加熱するためにボンバードメント電子を発生させるフィラメント１０３も、十分な電子を得るため、同じく2000℃程度に加熱する。加熱されたもの同士は、一体にして機械的に保持すると、保持部分が１箇所となり、熱伝導による熱散逸が少ない。しかし、カソード１０１とフィラメント１０３間には、ボンバードメント電圧である３ｋＶが印加されている。そのため、両者を電気的に絶縁しなければならない。その理由で、両者はセラミック等のガイシ１１０を介して別々の機械構造で保持されていた。しかしながら、セラミックでは高温下で電気伝導性を示すため、良好に絶縁することが困難である。
【０００５】
また、カソード１０１とフィラメント１０３がそれぞれ１つずつ、計２つの機械接点を持つため、そこからの熱伝導による熱の散逸が大きく、熱の利用効率が悪いという問題がある。
【０００６】
別の問題として、カソード１０１と、フィラメント１０３との交換がある。フィラメン
ト１０３とカソード１０１はそれぞれ高温で使用されるため、熱による蒸発、変形、再結晶化等の問題を抱え、永久的に使えるものではなく、所定期間毎に交換しなければならない。その交換時、フィラメント１０３とカソード１０１が１つのユニットとなっていないため、交換作業に時間がかかる。つまり、装置のダウンタイムが長くなる。しかし、装置のダウンタイムが長くなると、装置のトータルとしての生産性が低下するため、メンテナンスは短時間に終了できるのが望ましい。
【０００７】
さらに、カソード１０１とフィラメント１０３とが予め位置決めされて固定されているのが理想である。フィラメント１０３がカソード１０１に対しオフセットして取り付けられると、フィラメント１０３からの加熱電子がカソード１０１に偏って当たってしまい、カソード１０１内で温度の偏りが生じる。温度の偏りは、それだけ電子の放出の偏りを生み、照明一様性が低下する。従来は、上述したように、電気的な絶縁を行うという観点から、フィラメント１０３とカソード１０１がそれぞれ独立して固定されていた。つまり、フィラメント１０３とカソード１０１とは、多数の機械部材を通してアライメントされることになり、それぞれの位置決め精度が悪かった。さらに、カソード１０１は静電レンズとして作用するアノード１１２に対し位置決めされなければならない。従来は、カソード１０１、フィラメント１０３、アノード１１２がそれぞれ独立して固定されていたため、それらを同軸上にアライメントするのが難しかった。
【０００８】
本発明は以上の問題を鑑みたものであり、フィラメントとカソードを良好に電気的に絶縁した電子銃及び電子線露光装置を提供することを第１の目的とする。また、ダウンタイムが短く、カソードとフィラメントとのアライメント精度の高い電子銃及び電子線露光装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため、本発明は第１に、カソードとカソードを熱電子により加熱するためのフィラメントとを有する電子銃において、前記カソードとフィラメントとはボロンナイトライドを含むガイシで絶縁されていることを特徴とする電子銃を提供する。
【００１０】
絶縁ガイシとして、アルミナなどのセラミックを使うことも考えられるが、一般にセラミックは、室温では絶縁体であるが、高温では電気伝導性を示し始めるため、高温下で用いられる部分の絶縁材料としては不適である。また、高温にも耐えうる他の材料として、アルミナなどのセラミックより焼結温度の高い（２０００℃〜２３００℃）ＳｉＣを用いることも考えられる。しかし、ＳｉＣは半導体であるため、室温でも若干の電気伝導があり、高温になればさらに体積抵抗率が減少する。体積抵抗率が減少すると、フィラメントからカソードへのリーク電流が増加するという問題がある。リークが起こると、ボンバードメント電流が正しく測定できなくなり、電子銃を正確に動作させることが困難となる。
【００１１】
これに対して、本発明では、フィラメントとカソードを電気的に絶縁するための材料としてボロンナイトライドを使用する。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。このため、高温のカソードやフィラメントからの熱伝導や熱輻射でガイシの温度が上昇しても、引き続き電気絶縁性を維持できる。
【００１２】
また、フィラメント及び前記カソード及び前記ガイシはユニット化されていることが好ましい。
【００１３】
ユニット化することにより、フィラメントとカソードとの位置関係を調整して固定することができる。従って、アノード等との位置あわせはユニットとアノードとの位置あわせを行えば良いため、位置決め精度が向上する。
【００１４】
また、ユニットを脱着可能にマウントするマウントを更に備えることは好ましい。
【００１５】
ユニットを脱着可能とすることにより、フィラメント及びカソードの交換を短時間で行うことができる。
また、上述の電子銃を備えた電子線装置を用いることにより、精度の高い装置を構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように本発明では、カソードとフィラメントをボロンナイトライド製のガイシで絶縁するため、高温となる電子銃においても良好に両者を絶縁しつつ固定することが可能となる。また、カソードとフィラメントをユニット化することにより、ダウンタイムが短く、カソードとフィラメントとのアライメント精度の高い電子銃を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の実施の形態を示す電子線露光装置に用いられる電子銃の概略構成図である。
【００１８】
カソード１はタングステン製のカソードホルダ２に固定され、カソードホルダ２はボロンナイトライド（ＢＮ）製のガイシ４にネジ１３によって固定されている。フィラメント３はその端部を２つの電極（レセプタクル）５に電気的に接続されて固定されており、レセプタクル５はガイシ４を貫通し、フィラメント３とは反対側の端部に各々ソケットを有する。２つの電極（プラグ）７はバナナプラグ等のプラグであり、各々のプラグがレセプタクル５のソケットに差し込まれることによって電気的に接続される。２つのプラグ７は高圧プラグ盤８に差し込まれており、ケーブル１７，１８に電気的に接続されている。プラグ７，プラグ盤８，後述するプラグ９でフィードスルーを構成する。ケーブル１７，１８は各々電圧源に接続されている。カソード１，カソードホルダ２，ガイシ４，フィラメント３，レセプタクル５がカソードユニットを構成しており、カソードユニットは金属製のカソードマウント１２に脱着可能に固定される。カソードマウント１２にはコネクタを介して電極（プラグ）９が接続されており、プラグ９の反対側の端部は高圧プラグ盤８を介してケーブル１９に接続され、ケーブル１９は電圧源に接続される。１０は真空隔壁であり、高圧プラグ盤８と共に電子銃の真空チャンバーを構成する。１１は排気ケーブルであり、電子銃内を排気する。カソードマウント１２はガイシ１４によってアノード１６と電気的に絶縁されている。６は照明光学系である。
【００１９】
電子線の放出原理は従来の技術と同様であり、タングステンフィラメント３にVf＝20Vの電圧が印加され、熱電子を放出させる。フィラメント３とカソード１間にはVb=3kVの電圧が印加され、熱電子がカソード１裏面にボンバードメントされることにより、カソードが加熱され、カソード１表面から熱電子が放出される。カソード１は加速電圧Vacc=-100kVが印加されており、また、アノード１６は接地電位である。従って、カソード１から放出された熱電子１５は照明光学系６に向かい下向きに加速される。
【００２０】
図１ではボロンナイトライド製のガイシ４により、カソード１とフィラメント３が固定されている。このようにすると、高温となるカソード１とフィラメント３が１つのキャビティー内に閉じ込められる。このようにすると、熱輻射がキャビティー内で閉じ込められ、熱輻射により熱が外部に逃げにくい。そのため、ユニットとすることは、メカ的な支持点を減らせるだけでなく、熱輻射を閉じ込めやすいという利点もある。
【００２１】
フィラメント３とカソード１の交換を行う場合、真空リーク後まず電極７をコネクタか
ら外し、その後フィラメント３とカソード１のユニットを上に引き出せばよい。カソード１とフィラメント３との位置関係はあらかじめ正確に位置決めした上でガイシ４に固定することが可能である。従って、電子銃のカソードマウント１２にカソードユニットを固定する際は、カソードユニットとアノード１６との位置関係だけをアライメントすればよく、交換時間も短くなり、かつ、トータルとしての位置決め精度も向上する。カソードユニットは１つの機械的な接点で保持されれば良く、その部分の接触面積を低減することにより、接触熱伝導による熱散逸は低減され、熱効率が向上する。また、フィラメントとカソードが少ない機械構造を介して位置決めされているため、アライメント精度が向上する。
【００２２】
本実施の形態における電子銃は、電子線露光装置、電子線顕微鏡をはじめとする電子線装置に適用することが可能であり、カソードやフィラメントが２０００℃以上の高温となる電子銃を用いる場合に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に関わる電子銃を示す概略図
【図２】従来の電子銃の構成を示す概略図
【符号の説明】
【００２４】
１・・・カソード
２・・・カソードホルダー
３・・・フィラメント
４・・・ガイシ                        
【図１】
2005235605.tif 000003
【図２】
2005235605.tif 000004