(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧電源から電子ビーム装置のカソードに高圧電流を供給するカソード側配線部を有する高圧電源回路において、
前記カソード側配線部にコンデンサを介して接続された電流源を備え、該電流源は、電子ビームのＯＦＦ時には前記カソード側配線部へ電流を流入させ、電子ビームのＯＮ時には前記カソード側配線部から電流を逆流させて、前記カソードの電位を一定に保つようにすることを特徴とする高圧電源回路。
【請求項２】
前記電流源は差動増幅器であり、該差動増幅器は、入力側の一端がコンデンサを介して前記カソード側配線部に接続され、入力側の他端が基準電位発生器に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の高圧電源回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム露光装置等の電子ビーム装置に高圧電流を供給する高圧電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子ビームを照射して微細な加工を行う電子ビーム露光装置等においては、図３に示したような電子ビーム装置が用いられていた。
【０００３】
このような電子ビーム装置は、図示しない高圧電源の負極に接続されたカソード１と、図示しないバイアス電源に接続されたウェネルト２と、高圧電源の正極に接続されたアノード３とを有する電子銃を備えている。高圧電源は、コッククロフトウォルトン回路が使用され、正極側がアースされている。
【０００４】
ここで、カソード１から飛び出した電子は、アノード３によって引き出され、ウェネルト２とアノード３に設けられた孔を通過した後に加速された電子ビーム４となり、さらに、電磁レンズ７、８によって収束されて、試料９上の一点を照射するようになっている。また、カソード１とウェネルト２間に印加されたバイアス電圧を調整することにより、電子ビームの強さを調節できるようになっている。さらに、電子ビーム４は、通常はアパーチャー６の孔を通過するようになっているが、試料９を照射しない期間は、ブランキングコイル５に電流を流し、電子ビーム４を偏向させてアパチャー６の孔を通過できないようにして、電子ビーム４を遮断できるようになっている。
【０００５】
このような電子ビーム露光装置は、電子ビーム４が試料９上の一点に照射されると、この部分に塗布されたレジストを感光させ、それを現像することにより、微細な加工を行うことができるので、たとえばＬＳＩの基板となるウェハの加工等によく用いられている。
【０００６】
ウェハ等の加工を行うためには、ウェハ等に描かれている原点位置を正確に知る必要がある。このためには、電子ビーム４が、試料９上の原点を照射したときと、他の部分を照射したときでは、試料９から飛び出してくる二次電子の状態が異なるので、図示しない偏向コイルにより電子ビーム４を走査し、試料９から飛び出してきた二次電子を二次電子検出器２４で検出し、この検出信号から観測系により画像を得ることで原点位置を求めていた。
【０００７】
この検出信号を増幅するためには、電源電圧や温度等の影響による増幅器の動作状態の変化すなわちドリフトを少なくするためや、ノイズに対して強くするため、ロックインアンプ２７が用いられる。ロックインアンプとは、交流の入力信号に対して、入力信号と同じ周波数で同期した信号を乗算することにより、ノイズに埋もれた入力信号から、目的の入力信号のみを取り出し、この周波数付近の狭帯域を増幅するものである。二次電子検出器２４からの検出信号は、コンデンサ２５によって直流成分が阻止され交流成分のみにされ、プリアンプ２６で増幅されて、ロックインアンプ２７に入力されるようになっている。
【０００８】
そこで、ロックインアンプ２７を動作させるために、従来は、発振器２２からブランキングコイル５とロックインアンプ２７に高周波の矩形波または正弦波を加えていた。すると、ブランキングコイル５に電流が流れないときには、電子ビーム４は、直進してアパチャー６の孔を通過し、試料９を照射して、試料９から二次電子を飛び出させ、ブランキングコイル５に電流が流れたときには、電子ビーム４は、偏向されてアパチャー６の孔を通過できず、試料９を照射しなくなり、試料９から二次電子が飛び出さないようになる。このため、二次電子検出器２４は、発振器２２から出力される高周波と同じ周波数で同期した高周波の検出信号を発生する。そして、ロックインアンプ２７は、二次電子検出器２４からの検出信号に対して、この検出信号と同じ周波数で同期した発振器２２からの高周波出力を乗算することにより、ノイズに埋もれた検出信号から、目的の検出信号のみを増幅して出力する。ロックインアンプ２７の出力から観測系により画像を得て、ウェハ等に描かれている原点位置を正確に求めることができる。
【０００９】
しかし、電子ビーム４を揺らすと、この原点位置も揺れることになり、原点位置の精度に限界があった。しかも、電子ビーム４を偏向させてアパーチャー６で遮断すると、電子ビーム４によりアパーチャー６が加熱されて溶融するという問題もあった。このような問題を解決するため、本出願人は、特願平１１−３４７６２３号において、次に述べるような発明（以下、先願発明という。）を開示している。
【００１０】
この先願発明の電子ビーム装置について、図４により説明する。図４において、図３と同じ符号を付された部分は、従来の電子ビーム装置と同じでものであるから、説明を省略する。
【００１１】
先願発明では、発振器２２からの高周波出力と同じ周波数でかつ同期して電子ビームの強さを変えるようにするため、発振器２２から出力された高周波の交番電圧をカソード１とウェネルト２の間に印加する回路を設けたことが、図３に示した従来の電子ビーム装置と異なっている。
【００１２】
先願発明では、高圧電源１１の負極は、バイアス抵抗１３を介してカソ−ド１に接続されており、高圧電源１１の正極はアースされている。バイアス抵抗１３の両端には、バイアス電源１２の正極とバイパスコンデンサ１４の一端が結合されており、バイアス電源１２の負極とバイパスコンデンサ１４の他端は、昇圧トランス１５の二次巻線の一端と結合している。昇圧トランス１５の二次巻線の他端は、ウェネルト２に接続されている。バイアス抵抗１３は、これを流れる電流により自己バイアス電圧を発生して、自己バイアス電圧をバイアス電源１２による固定バイアス電圧に加えることにより、電子ビーム４の強さを安定させる働きがある。
昇圧トランス１５の一次巻線の両端は、絶縁トランス１６の二次巻線である同軸ケーブルの芯線１７の両端に接続されている。絶縁トランス１６は、リング状コア２１に挿通された一本の同軸ケーブルを略Ｕ字状に曲げたものであり、シールド１９が一次巻線になっており、芯線１７が二次巻線となっている。シールド１９と芯線１７の間には、絶縁体１８が介在されており、シールド１９の外側は絶縁被覆体２０で覆われている。リング状コア２１の数を変えることにより、絶縁トランス１６の相互インダクタンスを変えることができるようになっている。絶縁トランス１６の一次巻線であるシールド１９の両端は、発振器２２に接続されている。
【００１３】
ここで、カソード１とウェネルト２間にかける交番電圧の周波数は１ＭＨｚ程度の高周波であり、絶縁トランス１６に要求される昇圧比は約１程度の小さな値であるから、このような絶縁トランス１６でも充分に働く。昇圧トランス１５は、昇圧比が数１０−１００程度のもので、カソード１とウェネルト２に近接して配置する。すると、大振幅の高周波（約５０−１００Ｖ程度）が流れる昇圧トランス１５の二次側配線部分は極力短かくなるとともに、比較的配線が長くなる昇圧トランス１５の一次側配線部分は小振幅の高周波（約１Ｖ程度）が流れることになるので、発振器２２からの高周波出力が、電子ビーム４の加速電圧に影響を及ぼしにくく、安定した動作をさせることができる。
【００１４】
また、絶縁トランス１６の二次巻線である芯線１７と接続された昇圧トランス１５の一次巻線の一端は、カソード１と接続され、絶縁トランス１６の一次巻線であるシールド１９の一端はアースされている。このため、絶縁トランス１６の芯線１７とシールド１９間には高電圧がかかる。しかし、絶縁トランス１６に用いた同軸ケーブルの絶縁体１８は、高圧でも非常に絶縁性がよいため、芯線１７とシールド１９間のかかる高電圧に充分に耐えることができる。したがって、発振器２２を高圧電源１１から完全に絶縁でき、かつ、昇圧トランス１５の一次巻線と二次巻線の間には高圧電圧がかからないようにでき、特別な昇圧トランス１５と発振器２２を用いる必要がなく、安価な昇圧トランス１５と発振器２２を用いることが可能となる。
【００１５】
ここで、先願発明の電子ビーム装置の動作について説明する。発振器２２から出力された高周波は、絶縁トランス１６と昇圧トランス１５を介して、ウェネルト２とバイアス電源１２の負極に加えられる。すると、カソード１とウェネルト２の間には、バイアス電圧と、昇圧トランス１５から出力される高周波の交番電圧を加えた電圧が印加されることになる。すると、カソード１とウェネルト２の間に印加される電圧が、発振器２２から出力された高周波と同じ波形で変動するため、電子ビーム４の強さと、電子ビーム４の照射により試料９から飛び出す二次電子の数と、二次電子検出器２４からの検出出力は、発振器２２から出力された高周波の交番電圧によって変調されることになる。したがって、ロックインアンプ２７は、二次電子検出器２４からの検出出力と、この検出出力と同じ周波数で同期した発振器２２から出力された高周波が入力されるため、ノイズに埋もれた入力信号から目的の検出出力だけを増幅して取り出すことができる。このさい、従来のもののように、電子ビーム４を揺らさないから、二次電子検出により得られる画像が揺れることがなく、試料９等に描かれた原点位置を正確に検出でき、高精度の加工ができる。そして、従来の電子ビーム装置の構造を変えることもなく、しかも、電子ビーム４がアパーチャー６を照射しないため、アパーチャー６が溶融することもない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示した先願発明の電子ビーム装置において、カソード１とウェネルト２の間に交番電圧を印加することにより、電子ビーム４をＯＮ、ＯＦＦしている。たとえば、電位が１００ｋＶのカソード１から１．６ｍＡのパルス化された電子ビーム４を、６０μ秒のブランキング期間を含み、６００μ秒の周期で発射しているとすると、５４０μ秒は電子ビーム４がＯＮとなり、６０μ秒は電子ビーム４がＯＦＦとなる。
【００１７】
ここで、高圧電源１１の内部抵抗を１８０ｋΩ、バイアス抵抗を１００ｋΩ、高圧電源１１のカソード側配線部３１の静電容量は、ケーブル自体で３０００ｐＦ，その他に１３００ｐＦほどの静電容量もち、全体で４３００ｐＦの静電容量をもつとすると、高圧電源１１と抵抗ＲとコンデンサＣと負荷Ｌ（電子ビーム４）からなる図５のような等価回路が得られる。
【００１８】
さて、電子ビーム４がＯＮのとき、カソード電流が１．６ｍＡ、カソード電位が−１００ｋＶであったとすると、抵抗Ｒでは４４８Ｖの電圧降下が生じ、高圧電源１１の負極の電位は−１００．４４８ｋＶとなる。この状態から急に電子ビーム４をＯＦＦにすると、高圧電源１１の負極とコンデンサＣの負極側の電位差Ｅ＝４４８Ｖにより、コンデンサＣは高圧電源１１により抵抗Ｒを介して充電されることになり、カソード電位が変化していく。電子ビーム４をＯＦＦとしたときからｔ秒後のカソード電位の変化ΔＥは、
ΔＥ＝Ｅ＊（１−ｅｘｐ（−ｔ／（ＣＲ）））    （１）
であるから、Ｅ＝４４８、ｔ＝６０＊１０-6、Ｒ＝２８０＊１０3、Ｃ＝４３００＊１０-12を（１）式に代入すると、ΔＥ＝２２．４Ｖとなる。
【００１９】
このように、電子ビーム４をＯＮ、ＯＦＦするたびに、カソード１の電位が２２Ｖ程度変化することになるが、カソード１の電位が変動すると、電子ビーム４のエネルギー幅が広くなるので、電子ビーム装置によりウェハー等を照射したときにピンボケを生じ、微細なパターンの描画が不可能になるという問題が考えられる。
【００２０】
そこで、電子ビーム装置等において、電子ビームをＯＮ、ＯＦＦすることにより、電流を断続してもカソードの電位が変動しないような高圧電源回路を提供する。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明では、高圧電源から電子ビーム装置のカソードに高圧電流を供給するカソード側配線部を有する高圧電源回路において、前記カソード側配線部にコンデンサを介して接続された電流源を備え、該電流源は、電子ビームのＯＦＦ時には前記カソード側配線部へ電流を流入させ、電子ビームのＯＮ時には前記カソード側配線部から電流を逆流させて、前記カソードの電位を一定に保つようにした。
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、前記電流源は差動増幅器とされ、該差動増幅器は、入力側の一端がコンデンサを介して前記カソード側配線部に接続され、入力側の他端が基準電位発生器に接続されている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理を図２に示した回路により説明する。カソード１の電位が変動しないようにするためには、図２において、抵抗Ｒに常に一定電流が流れて、抵抗Ｒでの電圧降下が常に一定になるようにすればよい。このため、図２の回路は、カソード側配線部３１に電流を供給する電流源５２’を設けている。また、カソード側配線部３１は、ケーブル自体の静電容量に相当するコンデンサ５６と、その他の静電容量に相当するコンデンサ５４に分けてあり、電流源５２’はコンデンサ５４を介してカソード側配線部３１に接続されている。コンデンサ５４は、高圧直流が電流源５２’へ直接流れ込むことを防いでいる。その他は、図５の回路と同じであるから、説明を省略する。
【００２３】
コンデンサ５４の容量を１３００ｐＦとし、電流源５２’からコンデンサ５４を経てカソード側配線部３１に１．６ｍＡの電流ｉを流入させると、この電流ｉによりコンデンサ５４は充電されていく。容量Ｃのコンデンサに電流ｉを流入させ始めてからｔ秒後のコンデンサの両端の電位差の増加ΔＥは、
ΔＥ＝ｉ＊ｔ／Ｃ          （２）
であるから、（２）式に、ｉ＝１．６＊１０-3、ｔ＝６０＊１０-6、Ｃ＝１３００＊１０-12を代入すると、（２）式から、６０μ秒後にはコンデンサ５４の両端の電位差が７３．８５Ｖ上昇することになる。
【００２４】
しかし、ブランキング毎にこれだけの電位差を限りなく上昇させ続けることはできない。そこで、電子ビーム４がＯＮの５４０μ秒間に、コンデンサ５４を放電させ、すなわち、カソード側配線部３１から電流源５２’へ電流を逆流させ、コンデンサ５４の両端の電位差が７３．８５Ｖ下がるようにすればよい。このさい、電流源５２’の出力電流は、電子ビーム４のＯＮ時とＯＦＦ時で夫々、電子ビーム４のＯＮとＯＦＦの時間の逆比になるようにする。すなわち、電子ビーム４のＯＦＦ時の電流源５２’の出力電流をｉとすると、電子ビーム４のＯＮ時の電流源５２’の出力電流は−ｉ／９となる。さて、高圧電源１１の出力電流をＩ、カソード電流をＩ’とすると、
電子ビーム４がＯＮ時    Ｉ＝Ｉ’−ｉ／９    （３）
電子ビーム４がＯＦＦ時    Ｉ＝ｉ            （４）
であるから、
Ｉ’＝（１０／９）＊ｉ＝（１０／９）＊Ｉ      （５）
となる。ここで、高圧電源１１の出力電流Ｉを１．６ｍＡとすると、電子ビーム４のＯＦＦ時には、電流源５２’の出力電流ｉは１．６ｍＡ、電子ビーム４のＯＮ時には、電流源５２’の出力電流−ｉ／９は−０．１８ｍＡとすればよく、このときのカソード電流Ｉ’は１．７８ｍＡ、となる。
【００２５】
このように、電流源５２’が電流を供給すると、高圧電源１１と抵抗Ｒには常に一定の出力電流Ｉが流れ、抵抗Ｒによる電圧降下は一定にされるから、カソード１の電位も常に一定に保つことができる。このような電流源５２としては、定電流特性を有するものであればどのようなものでもよいが、特に増幅器が適している。この理由は、電子ビーム４のＯＮ、ＯＦＦを適当なセンサにより検出して、このセンサからの信号を増幅器に入力することにより、電子ビーム４のＯＮ、ＯＦＦに応じて、増幅器の出力電流を高速に切り替えることができるからである。なお、以上述べた各種の数値は、単に例として挙げただけであり、実際の電子ビーム装置では、その仕様によって、これらの数値が変わることは言うまでもない。
【００２６】
さて、本発明の高圧電源装置の好ましい実施例を図１に示す。本実施例では、図２の回路における電流源５２’として差動増幅器５２を用いる。差動増幅器５２は、電圧増幅部６０と、相補性を有する２つのトランジスタ６１、６２と負荷抵抗６３からなる出力段６４を有しており、この出力段６４は、コンデンサ５４を介してカソード側配線部３１に接続されるとともに、＋電源Ｖ＋と−電源Ｖ−に接続されている。差動増幅器５２の入力側の一方はコンデンサ５１を介してカソード側配線部３１に接続され、差動増幅器５２の入力側の他方は基準電位発生器５８に接続されている。このコンデンサ５１も、コンデンサ５４と同じくカソード側配線部３１から高圧直流が差動増幅器５２に直接流れ込むことを防ぎ、充分に低下した電圧を差動増幅器５２に入力させるためのものである。その他は、図４に示された先願発明と同じであるから説明を省略する。
【００２７】
ここで、本実施例の電子ビーム装置の動作について説明する。電子ビーム４がＯＮのとき、バイアス抵抗１３及び高圧電源１１の内部抵抗による電圧降下のため、カソード１の電位は高圧電源１１の負極よりも所定電位高くなっている。そして、基準電位発生器５８から差動増幅器５２へ入力される基準電位と、カソード側配線部３１から差動増幅器５２へ入力される電位が等しくなっていて、カソード１の電位は設定値に正確に制御されているとする。
【００２８】
ここで、電子ビーム４がＯＦＦとなってカソード電流が遮断されると、バイアス抵抗１３及び高圧電源１１の内部抵抗による電圧降下が小さくなり、カソード１の電位が高圧電源１１の負極の電位に近づき低くなる。すると、差動増幅器５２の入力側では、カソード側配線部３１からの入力される電位が基準電位よりも低くなり、両者の電位差に応じて、差動増幅器５２はカソード側配線部３１へ電流を流入させる。そして、カソード側配線部３１から差動増幅器５２へ入力される電位と基準電位が等しくなると、差動増幅器５２は電流を出力しなくなるので、カソード１の電位を設定値に制御することができる。
【００２９】
次に、電子ビーム４がＯＮとなってカソード電流が流れると、バイアス抵抗１３及び高圧電源１１の内部抵抗による電圧降下が大きくなり、カソード１の電位が上昇する。すると、差動増幅器５２の入力側では、カソード側配線部３１からの入力が基準電位よりも大きくなり、両者の電位差に応じて、差動増幅器５２はカソード側配線部３１から電流を逆流させる。そして、カソード側配線部３１から差動増幅器５２へ入力される電位と基準電位が等しくなると、差動増幅器５２は電流を出力しなくなるので、カソード１の電位を設定値に制御することができる。
【００３０】
このように、本実施例では、差動増幅器５２とコンデンサ５１、５４とからなるフィードバック回路により、カソード１の電位を常に安定に設定値に保つことができるので、カソード１の電位変動による電子ビームのエネルギー幅の広がりをなくすことができる。したがって、本実施例の高圧電源回路を用いることにより、電子ビーム装置によりウェハー等を照射したときにピンボケを生じることがなく、微細なパターンの描画が可能な電子ビーム露光装置が安価に得られる。
【００３１】
なお、本発明の高圧電源回路は、先願発明の電子ビーム装置以外にも、従来の電子ビーム装置はもちろん、電子顕微鏡等電子ビームを利用する電子ビーム装置一般に広く採用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明によれば、電子ビームのＯＮ時とＯＦＦ時で、高圧電源からの出力電流が変化しないようにしたから、カソードの電位を常に一定に保つことができて、カソードの電位変動による電子ビームのエネルギー幅の広がりをなくすことができる。したがって、本発明の高圧電源回路を備えた電子ビーム装置により、ウェハー等を照射したときにはピンボケを生じず、微細なパターンの描画が可能になる。
請求項２に係る発明によれば、差動増幅器とコンデンサとからなるフィードバック回路を備えたので、さらに安定にカソードの電位を設定値に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例を示す図である。
【図２】本発明の原理を示す回路図である。
【図３】従来の電子ビーム発生装置の主要部を示す図である。
【図４】本出願人による先願発明の電子ビーム発生装置の主要部を示す図である。
【図５】図４に示した電子ビーム発生装置の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１  カソード
２  ウェネルト
４  電子ビーム
１１  高圧電源
３１  カソード側配線部
５１  コンデンサ
５２  差動増幅器
５２’電流源
５４  コンデンサ
【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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