(57)【要約】    【課題】  カソードから熱が散逸する。    【解決手段】  カソードと、カソードを加熱する手段と、カソードを保持するカソードホルダとを有し、カソードホルダは少なくともカソードと接触する部分に接触面積の小さい支持体を有することを特徴とする電子銃。    【選択図】図１
2005235604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダとを有し、前記カソードホルダは少なくとも前記カソードと接触する部分に接触面積の小さい支持体を有することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃であって、前記支持体は、高融点物質の繊維からなるペーパーである事を特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の電子銃であって、前記高融点物質の繊維はカーボンからなる事を特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項２に記載の電子銃であって、前記高融点物質の繊維はセラミックからなる事を特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子銃であって、前記カソードと前記カソードホルダとを電気的に接続する手段を更に有することを特徴とする電子銃。
【請求項６】
カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダと、前記カソードホルダに機械的接触をするホルダ接触部材と、を有し、前記カソードホルダと前記ホルダ接触部材とは接触面積の小さい支持体を介して機械的に接続されることを特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項６に記載の電子銃であって、前記支持体は、高融点物質の繊維からなるペーパーである事を特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項７に記載の電子銃であって、前記高融点物質の繊維はカーボンからなる事を特徴とする電子銃。
【請求項９】
請求項７に記載の電子銃であって、前記高融点物質の繊維はセラミックからなる事を特徴とする電子銃。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電子銃を用いた電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線露光装置や電子顕微鏡等の電子線装置に用いられる電子銃及びそれを用いた電子線装置に関する。
【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から十分なエミッションをさせるためには、タンタルを約1700℃に加熱しなければならない。一方、タンタルカソードはメカ的にカソードホルダ１０２に保持されている。従って、カソード保持部分から熱伝導により、熱が周囲に散逸する。熱の散逸が大きいと、より大きなボンバードメントエネルギー、つまりより大量の熱電子をカソードに与えなければならず、熱の利用効率が悪くなる。真空中で大きな発熱を与えると、局所的にカソードホルダが高温化し、溶解したり、また熱膨張、熱による軟化や再結晶による部材の変形、部材の熱劣化の問題が生じる。また、熱散逸が大きいと、より広い部分を加熱しなければならず、加熱部分の容積増加から、熱容量の増大を招き、それを加熱、冷却するまでの時間が長く必要となる。つまり熱時定数が増大する。これは、装置を稼動させるまでに時間がかかる、あるいは装置をメンテナンスでダウンするまでに時間がかかることを意味し（例えば、半日程度）、トータルな生産性が低下する。また、カソードの広い部分を加熱すると、それに応じて熱がカソードホルダに伝わるため、カソードホルダの温度が上昇する。従って、カソードホルダの温度が高くなる部分は高融点金属等の熱に強い材料を使用しなければならず、また、カソードホルダの大きさも大きくしなけれ
ばならなくなる可能性があり、機械設計の制約となる。また、タングステン等の高融点金属は材料が高価であり、しかも機械加工が非常に難しく、部品の高コスト化を招く。更に、大きな発熱を与えるためには、加熱用の電源の負荷も大きくなり、電源の大型化、ノイズの増大、コストの増大を招く。
【０００５】
本発明は以上の問題を鑑みたものであり、カソードからの熱散逸を低減した電子銃及びそれを用いた電子線装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための第１の手段は、カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダとを有し、前記カソードホルダは少なくとも前記カソードと接触する部分に接触面積の小さい支持体を有することを特徴とする電子銃である。
【０００７】
本手段ではカソードとカソードホルダとが接触する部分に接触面積の小さい支持体を配置するため、接触熱伝導率が小さくなり、その部分を介しての熱散逸を少なくすることができる。真空中の熱の散逸は接触熱伝導と、輻射による熱伝達だけであり、その１つのファクターを小さく抑えることは、熱の利用効率の向上に有効である。そのため、少ないボンバードメントエネルギーで、カソードを効率的に加熱できる。また、加熱が少ないため、部材に対する熱負荷を軽減でき、部材の熱膨張、熱変形、熱による劣化を防げる。また、カソードホルダを小さくすることが可能となり、高融点金属の使用量を削減でき、大幅なコストダウンが図れる。また、加熱部分を小型化でき、熱時定数を短縮でき、装置の生産性を向上できる。更に、電源負荷を低減でき、コスト削減、ノイズの低減ができる。
【０００８】
なお、支持体はカソードホルダと一体にしても構わないし、後述するように、カソードホルダ本体とカソードとの間に別体として配置しても構わない。
【０００９】
この場合に、支持体は、高融点物質の繊維からなるペーパーである事は好ましい。
【００１０】
繊維からなるペーパーは糸状であるため、接触面積が少ないため、カソードからの熱散逸を低減することが可能である。
【００１１】
この場合に、高融点物質の繊維はカーボンからなる事は好ましい。
【００１２】
カーボンは良好な電気伝導性があり、カソード裏面に入射するボンバードメント電子（熱電子）のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子（熱電子）をホルダーから供給することが可能である。
【００１３】
この場合に、高融点物質の繊維はセラミックからなる事は好ましい。
【００１４】
セラミックは絶縁体であるが、高温になると電気伝導を持つため、同様にカソード裏面に入射するボンバードメント電子（熱電子）のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子（熱電子）をホルダーから供給することが可能である。
【００１５】
なおカソードと前記カソードホルダとを電気的に接続する手段を更に有することは好ましい。カソードホルダとカソードは電気的に接続されなければならない場合がある。このような場合に、支持体８の電気伝導率が悪い場合には、別途電気的に接続すればよい。
【００１６】
前記課題を解決するための第２の手段は、カソードと、カソードを加熱する手段と、前記カソードを保持するカソードホルダと、前記カソードホルダに機械的接触をするホルダ
接触部材と、を有し、前記カソードホルダと前記ホルダ接触部材とは接触面積の小さい支持体を介して機械的に接続されることを特徴とする電子銃である。
カソードやフィラメントからの熱によってカソードホルダも加熱される。従って、カソードホルダからカソードホルダと機械的に接触する部材（例えば、絶縁ガイシ等）に熱が伝搬することも低減させる必要がある。この場合に、接触面積の小さい支持体を配置することにより、熱散逸を防ぐことが可能となる。この支持体として、高融点物質の繊維からなるペーパーを使うことが可能であり、材料としては、カーボンやセラミックを使うことが可能である。
また、これらの電子銃を電子線装置に用いると、精度が高く、コストの低い装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上述の通り、本発明によれば、接触面積の小さい支持体をカソードに接触させるため、カソードからの熱散逸を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態による電子線装置に用いられる電子銃の概略構成を示す図である。なお、電子銃の構成としては図２に示す従来の電子銃とほぼ同様であるが、説明の便宜上、フィラメント固定部１０８やガイシ１１０は省略してある。
【００１９】
カソード１は支持体８を介してカソードホルダ２に固定されており、カソードホルダ２は支持体１０を介してガイシ７に固定されている。６は照明光学系であり、３はフィラメント、４はフィラメントから放出された熱電子であり、カソードを暖めるためのボンバードメント電子である。フィラメントに印可する電圧Vf、フィラメントとカソード間に印可する電圧Vb及びカソードとアノード１１間に印可する電圧Vaccは従来の技術で説明したものと同様である。
【００２０】
カーボンファイバーを紙状にしたカーボンペーパーや、セラミック繊維を紙状にしたセラミックペーパーが、接触熱伝導率を低減することは知られている（C. V. Madhusudana,
Thermal Contact Conductance, P94, Springer）。カーボンペーパーは最近自動車の燃料として研究されている燃料電池の電極材料として注目を浴びている。その理由はカーボンペーパーの表面積の多さである。表面積が大きいのは、表面の凹凸が非常に大きいことを意味し、逆に接触面積が小さいことを意味する。そのため、接触熱伝導率を低減できるのである。図１ではこのカーボンペーパーを支持体８として用いることにより、接触による熱の散逸を低減できる。なお、カソードホルダー２は周辺電極をかねているため、カソード１と電気的に接続される必要がある。その点でも、カーボンは良好な電気伝導性があるため、カソード裏面に入射するボンバードメント電子のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子をホルダーから供給するのに都合が良い。さらにカーボンの融点は3500℃以上と高く、カソードが熱電子を十分放出する温度である1800℃よりはるかに高く、熱による溶解の心配もない。
【００２１】
同様に、支持体８としてセラミックペーパーを熱絶縁に使用することが可能である。セラミックは絶縁体であるが、高温になると電気伝導を示し始める。そのため、カソード裏面に入射するボンバードメント電子のドレインとしたり、カソード表面から放出されるエミッション電子をホルダーから供給するのに都合が良い。なお、更なる電気伝導を必要とする場合、図１に示すように、カソードを金属製のネジ９でホルダー２に固定すれば、金属製のネジ９を介して電子が流入流出できる。しかしこの場合、ネジ９を介して熱が散逸するため、熱絶縁は悪化する。従って、電子の流入、流出させるべき量と熱伝導の量を考慮して、ネジ９の材料や形状を決めることが好ましい。なお、固定するという機能を必要とせず、電気的に接続するだけであれば、ネジではなく、単にカソード１とカソードホル
ダ２とを電気的に接続する手段（ワイヤ等）でも構わない。
【００２２】
なお、セラミックの耐熱は1000℃程度であるため、例えば、カソードの中心付近の温度が1800℃と高温になる電子銃に用いる場合には、耐熱が低い。そのため、カソードのサイズをある程度大きくし、温度が低下した部分（つまり、耐熱性が十分に保たれる部分）に適応することも可能である。実際の電子銃はより複雑な形状をしており、カソードから遠い部分にも、いくつもの機械的な接触個所があり、電流の流入流出もさほど起こらない部分がある。従って、例えば図１に示すように、ホルダーをグランド電位から電気的に絶縁している絶縁ガイシ７と、ホルダー２との間にセラミックペーパーからなる支持体１０を用いることが可能である。このような位置はカソード１から遠いため、耐熱可能な温度で使用可能である。支持体１０の材料としては上述のカーボンペーパーや他の接触面積の小さい材料を用いることが可能である。
【００２３】
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、カソードが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】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態による電子銃の概略を示す図である。
【図２】従来の電子銃を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・カソード
２・・・カソードホルダ
３・・・フィラメント
７・・・ガイシ
８・・・支持体
９・・・金属製ネジ                                                              
【図１】
2005235604.tif 000003
【図２】
2005235604.tif 000004