(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出面が半球状である電子ビームを放出するカソードと、前記カソードに対向して配置され前記電子ビームの光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きい第二のアパーチャを前記電子ビームの光軸上に具備する第一のバイアス電極と、前記電子ビームの光軸方向において前記カソード側に前記第一のバイアス電極と隣合って配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きい第三のアパーチャを前記電子ビームの光軸上に具備する第二のバイアス電極と、前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを制御するバイアス制御手段と、を備え、
前記カソードの電子放出面の先端が、前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上か又は前記球殻の外側に配置され、
前記電子ビームの光軸に垂直な断面内における前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの半径をＲ１、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内における前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの半径をＲ２、前記電子ビームの光軸方向における前記カソードの電子放出面の先端と前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの中心との距離をＤ１、前記電子ビームの光軸方向における前記第一バイアス電極の第二のアパーチャの中心と前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの中心との距離をＤ２としたとき、Ｒ１とＲ２との間に０．８Ｒ１≦Ｒ２≦１．２Ｒ１なる関係を有し、かつＤ１とＤ２との間に０．８Ｄ１≦Ｄ２≦１．２Ｄ１なる関係を有し、
前記バイアス制御手段は、前記第一のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてＥ１、前記第二のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてＥ２としたとき、ｋを正の定数としてＥ１とＥ２との間に０．９ｋ≦｜Ｅ１＋Ｅ２｜≦１．１ｋなる関係を維持するように前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを変化させることにより、前記電子ビームの電流密度を変化させることを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
前記第一のバイアス電極と前記第二のバイアス電極との間に、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きいアパーチャを光軸上に具備する一つ又は複数のバイアス電極をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の電子線装置と、前記電子線装置からの電子ビームを成形するための成形系と、前記成形系からの電子ビームを偏向するための偏向系と、前記成形系からの電子ビームを基板上に投影するための投影系とを有することを特徴とする電子線描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線装置、ならびにこの電子線装置を有する電子線描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子線描画装置は、ＤＲＡＭやＭＰＵ等の半導体デバイスの原版であるマスクを作成するために長く用いられてきた。近年、その解像力の高さから微細化が進む半導体製造プロセスのなかで、リソグラフィ工程で用いられる露光装置への応用がなされている。現在、４ＧビットＤＲＡＭ以降のデザインルールに適用可能な装置として、電子銃から放出される電子ビームを収束させて、その収束位置を偏向器、電磁レンズ等で制御して半導体基板上に描画する、所謂直接描画タイプの電子線露光装置が考案されている。
【０００３】
しかしながら、半導体デバイスの量産プロセスに、これらの装置を適用するには幾つかの問題点がある。そのなかで最も重要なものは描画速度であり、所謂マスク描画機の数十倍〜数百倍の高スループットが要求される。この問題を解決する一手段として、電子銃から放出される電子ビームを複数本に分割して、例えば電子ビームを数千本に分割してマトリックス状に並べ、各々のビームで同時にパターンを描画するマルチビーム方式の電子線描画装置がある。この装置は複数の電子ビームでより広い視野に同時にパターンを描画するので、スループットを飛躍的に向上させることができる。
【０００４】
このような装置、すなわち、より広視野にビーム強度の揃った複数の電子ビームを用いて直接描画するような装置の電子銃に要求される特性は、分割された各電子ビームで直接パターンを描画するために、ある程度高輝度である必要がある。かつ、ひとつの電子ビームから広い視野に渡って複数の電子ビームに分割するのでビームの角度電流密度分布が平坦でなければならず、そのためにはエミッタンスも大きくなければならない。一般に輝度及びエミッタンスは保存量であってそれらの値は光源である電子銃によって決定される。
【０００５】
従来の電子線描画装置に使用されている電子銃の基本的な構成は、輝度を高くするために先端を凸形状或いは鋭く尖らせたカソードと、カソードに印加する電圧よりも低い電位を与えられカソードから射出される電子を収束させるためのウェーネルトと、アース電極を持つアノードからなっている。このような三極タイプの電子銃は構造が簡単で扱いやすいので、広く一般に用いられている。しかしながらこうした電子銃は輝度を高くすることに主眼が置かれており、その角度電流密度分布は、広い視野に渡って平坦でなければならいという、上述のような要求を満たすことは非常に困難である。
【０００６】
こういった問題を解決するために、例えば特許文献１では、電子放出面が半球状であるカソードと、バイアス電極及びアノードを光軸上に並べた三極構造とし、バイアス電極のアパーチャの中心とカソードの電子放出面の先端との距離をバイアス電極のアパーチャの半径に略同一かそれよりも少し大きくすることで、比較的高い輝度を維持しながら角度電流密度分布を平坦化している。図６はそうした電子銃と一般的な三極構造の電子銃の角度電流密度分布を比較した一例である。同図で１０１は一般的な三極構造の、１０２は半球状カソードを用いた電子銃の、其々角度電流密度分布である。これらからわかるように、一般的な三極構造の電子銃に比べて半球状カソードを用いた電子銃は角度電流密度の平坦な部分が広く、この平坦化された部分を光学的な処理過程を経た後に空間分割することにより、先述したような強度の揃った複数の電子ビームを提供することができる。
【０００７】
なお、電子銃に関する先行技術としては、他に特許文献２〜４に記載されたものが知られている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２８５８４０号公報
【特許文献２】
特開平９−１２９１６６号公報
【特許文献３】
特開平９−１８０６６３号公報
【特許文献４】
特開平９−２６０２３７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
実際のリソグラフィにおいて特に精度を重視する場合には、装置諸特性のドリフトを抑制しながら描画すると同時に諸パラメータの分解能を上げておく必要がある。上述電子銃においては角度電流密度分布の平坦な部分のみを使用し、残りの部分は適切な位置で絞り等によって遮蔽することになる。その際、遮蔽された電流が絞りを流れ発熱源となるので、種々の方法で冷却を行い、温度変化を抑制している。一方、この世代の装置に求められる描画精度は、僅かな温度変化による電子光学系の諸性能の変動を許さない状況にある。このため遮蔽される電流の絶対量が少ない方が好ましい。
【００１０】
また、パターンの微細化に伴って近接効果補正、エッジ効果補正、形状補正のための補助露光、などパターン描画に際して種々の微調整の精度が重要になっている。例えば、露光エネルギーを細かく調整してパターンや補助パターンを描画し形状精度をさらに向上させる必要がある。この目的を達成するためには描画装置の露光エネルギー量の制御分解能をできるだけ高めておく必要がある。こうした観点から電子銃の輝度は、プロセス等、描画の諸条件に適した輝度に逐次変更設定できることが好ましい。
【００１１】
ところで、先述した三極構造の電子銃の輝度調整はアノード電圧やバイアス電圧を微調整して実施する。このうちアノード電圧を調整する方法は最終的に得られる電子のエネルギーが変化するためリソグラフィ装置には適用しにくい。
またバイアス電圧を調整する方法では、通常、輝度の変化にともなって角度電流密度分布も変化する。図７は球状カソードを有する三極構造の電子銃において、バイアス電圧Ｖ１と角度電流密度分布の関係を示した一例である。同図からわかるように、バイアス電圧Ｖ１の変化とともに輝度が変わり、同時に角度電流密度分布も変化して平坦度が変わっているのがわかる。この状況でビームを分割すると、得られる各ビームの強度にバラツキが生じ描画特性を劣化させてしまう。
本発明は上記の問題点に着目し、電流密度の角度分布の平坦性を維持しながら輝度（電流密度）を変えることのできる電子線装置、さらにその電子線装置を有する電子線描画装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記の課題を達成するために本発明の電子線装置は、電子放出面が半球状である電子ビームを放出するカソードと、前記カソードに対向して配置され前記電子ビームの光軸上に第一のアパーチャを有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きい第二のアパーチャを前記電子ビームの光軸上に具備する第一のバイアス電極と、前記電子ビームの光軸方向において前記カソード側に前記第一のバイアス電極と隣合って配置され、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きい第三のアパーチャを前記電子ビームの光軸上に具備する第二のバイアス電極と、前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを制御するバイアス制御手段と、を備え、
前記カソードの電子放出面の先端が、前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの内径を直径とする球殻上か又は前記球殻の外側に配置され、
前記電子ビームの光軸に垂直な断面内における前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの半径をＲ１、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内における前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの半径をＲ２、前記電子ビームの光軸方向における前記カソードの電子放出面の先端と前記第一のバイアス電極の第二のアパーチャの中心との距離をＤ１、前記電子ビームの光軸方向における前記第一バイアス電極の第二のアパーチャの中心と前記第二のバイアス電極の第三のアパーチャの中心との距離をＤ２としたとき、Ｒ１とＲ２との間に０．８Ｒ１≦Ｒ２≦１．２Ｒ１なる関係を有し、かつＤ１とＤ２との間に０．８Ｄ１≦Ｄ２≦１．２Ｄ１なる関係を有し、
前記バイアス制御手段は、前記第一のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてＥ１、前記第二のバイアス電極に印加される電位を前記カソードの電位に対する相対電位としてＥ２としたとき、ｋを正の定数としてＥ１とＥ２との間に０．９ｋ≦｜Ｅ１＋Ｅ２｜≦１．１ｋなる関係を維持するように前記第一のバイアス電極に印加される電位と前記第二のバイアス電極に印加される電位とを変化させることにより、前記電子ビームの電流密度を変化させることを特徴とする。
【００１３】
上記のごとく、本発明では第一のバイアス電極とそれに隣合った第二のバイアス電極を個別独立に制御することで角度電流密度分布を維持しながら輝度を連続的に変えることのできる電子線装置を得ることができる。
【００１６】
また、前記第一のバイアス電極と前記第二のバイアス電極との間に、前記カソードに印加される電位よりも低い電位が印加され、前記電子ビームの光軸に垂直な断面内において前記カソードの電子放出面より大きいアパーチャを光軸上に具備する一つ又は複数のバイアス電極をさらに設けてもよい。
これにより、クロスオーバの位置やクロスオーバ径、等の諸特性を調整することが容易になる。
【００１７】
さらに、本発明によれば、前述何れかの電子線装置と、前記電子線装置からの電子ビームを成形するための成形系と、前記成形系からの電子ビームを偏向するための偏向系と、前記成形系からの電子ビームを基板上に投影するための投影系とを有することを特徴とする電子線描画装置が得られる。
電流密度（輝度）を変化させても電流密度の角度分布の平坦性の維持が良好であるという特徴を種々の電子線応用装置に適用することができる。
【００１８】
【発明の実施形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施例に係る電子線装置の構成を示す。同図において、１は電子を放出するカソード、２及び３はカソード１を加熱するためのヒータ、４及び５はカソード１とヒータ２及び３を挟み込んで固定するとともに、カソード１に電位を印加し、かつヒータ２及び３に電流を流すための支持電極、６は第一のバイアス電極、７は第二のアパーチャ、８は第二のバイアス電極、９は第三のアパーチャ、１０はカソード１から放出された電子を加速して所望のエネルギーにするためのアノード、１１は第一のアパーチャ、１２は第四のアパーチャである。１３は支持電極４及び５とバイアス電極６を絶縁するための絶縁体、１４、１５、１６及び１７はカソード１及び二つのバイアス電極６、８に所望の電位を与えるためのバイアス制御回路、１８はバイアス制御回路１４、１５、１６、１７を介してカソード１に電位を印加するための高圧電源、１９はヒータ２及び３に電流を供給しカソード１を加熱するための加熱電源である。なお、カソード１及び第一のバイアス電極６及び第二のバイアス電極８及びアノード１０及びそれらの各アパーチャは電子ビームの光軸を中心軸とする同軸構造である。
【００１９】
カソード１は、円柱状の六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）の単結晶の先端を半球状に加工してある。カソード１の側面は前記円柱の軸を挟んで対称となるように平坦な切り欠きを設け、その切り欠き部分をグラファイトのヒータ２及び３で挟み込み、さらにその外側から支持電極４及び５で挟み込んで固定してある。カソード１には高圧電源１８によって、バイアス制御回路１４、１５、１６及び１７を介して負の高電位が与えられていて、本例では−５０ｋＶである。第一のバイアス電極６及び第二のバイアス電極８は、前記バイアス制御回路によってカソード１に与える電位と同じか、それより低い電位を其々個別に印加できるようにしてある。カソード１はヒータ２、３に加熱電源１９から電流を供給することで加熱されると電子を放出する。放出された電子ビーム２７は、アノード１０によって加速されると同時に、第一のバイアス電極６及び第二のバイアス電極８による電界レンズの効果で収束し、アノード１０の第一のアパーチャ１１付近でクロスオーバ２８を形成する。アノード１０の第四のアパーチャ１２は制限開口として作用し、電子ビーム２７の周辺部分を遮蔽して角度電流密度分布の平坦なビーム中心部分だけが通過するようになっている。
【００２０】
図２は、図１の電子線装置におけるカソード１と第一のバイアス電極６、第二のバイアス電極８、及びアノード１０との幾何学的配置を示している。同図において、第一のバイアス電極６の第二のアパーチャ７の半径はＲ１であり、第二のアパーチャの中心とカソード１の電子放出面の先端との距離はＤ１であり、Ｒ１とＤ１の関係において１．０Ｒ１≦Ｄ１≦１．５Ｒ１の範囲でＤ１を調整できるようになっている。また、第二のバイアス電極８の第三のアパーチャ９の半径Ｒ２は０．８Ｒ１≦Ｒ２≦１．２Ｒ１としたときに特に良好な特性が得られるので、本実施形態ではＲ１＝Ｒ２とした。半球状電子放出面の半径ｒは第一のバイアス電極６の第二のアパーチャ７の半径Ｒ１の二分の一以下が望ましいのでｒ＝Ｒ１／６とした。第一のバイアス電極６の第二のアパーチャ７の中心と第二のバイアス電極８の第三のアパーチャ９の中心との距離Ｄ２は０．８Ｄ１≦Ｄ２≦１．２Ｄ１の範囲で第二のバイアス電極の光軸方向の位置を調整できるようにしてある。さらにアノード１０の第一のアパーチャ１１の半径Ｒ３は、第一のバイアス電極６の第二のアパーチャ７の半径Ｒ１よりも小さく本実施形態ではＲ３＝Ｒ１／２とした。
【００２１】
ここで第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極８には前記バイアス制御回路内の１７によって前記カソード１の電位に対する相対電位として其々Ｅ１及びＥ２の電位を与える。すなわち第一のバイアス電極６及び第二のバイアス電極８とカソード１との間に電位差Ｅ１及びＥ２を与える。図３はＥ１とＥ２との間に、ｋ（単位はＶ）を正の定数として｜Ｅ１＋Ｅ２｜＝ｋ、となる関係を維持させたときの輝度とＥ１及びＥ２の関係を表したもので、本実施の形態ではｋ＝１０５０［Ｖ］である。同図からわかるように上式｜Ｅ１＋Ｅ２｜＝ｋを満足させながらＥ１及びＥ２を変化させると、全体の輝度を変えることができるのと同時に、輝度が変わっても電流密度の角度分布特性には変化のないことがわかる。実用上は｜Ｅ１＋Ｅ２｜のｋからの誤差にある程度の許容範囲があり、概ね０．９ｋ≦｜Ｅ１＋Ｅ２｜≦１．１ｋなる関係を維持していれば、所望の特性が得られることがわかった。
【００２２】
上述の実施の形態において、さらに図４に示す通り第一のバイアス電極６と前記第二のバイアス電極８の間の光軸上に、第五のアパーチャ２１をもつ第三のバイアス電極２０を追加し、これに対応してバイアス制御回路内の１７から第三のバイアス電極へ電位Ｅ３を与えられるようにして電位Ｅ３を変化させると、カソード１から射出された電子ビームが収束して形成されるクロスオーバの位置を容易に調整できることがわかった。本実施の形態では、第三のバイアス電極の電位Ｅ３はＥ１とＥ２に与えられる電位の間の値であり、第五のアパーチャ２１の半径Ｒ４は第二のアパーチャ７の半径Ｒ１及び第三のアパーチャ９の半径Ｒ２よりも大きくした。このとき、クロスオーバ位置の実用的な可動範囲はスパンで１ｍｍ程度であった。さらに、第五のアパーチャ２１の半径Ｒ４の値や第三のバイアス電極２０の光軸方向の位置を種々に変えることで、この可動量をさらに大きくすることもできるが、電流密度の角度分布特性に影響が出ない程度に留めるよう留意する必要がある。さらに第三のバイアス電極２０の軸対称方向の断面形状を例えば台形などにすれば、形成される電子ビームの諸特性をより細かく調整できるが、第一、第二のバイアス電極、それらのアパーチャの半径、及びそれらの位置関係及びＥ１、Ｅ２、Ｅ３の各電位との関係が相互に影響し合うため、前記断面形状は各々の場合に合わせて決定する必要がある。
なお、本実施形態では電子源として六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）の単結晶を用いているが、他の電子源例えば、タングステン（Ｗ）などの高融点金属を用いても同様な結果が得られている。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に図１の電子線装置を用いた電子線描画装置の一実施形態を図５をもとに説明する。図５は図１の電子線装置を光源として試料に所望のパターンを直接描画する電子線描画装置を表す図である。同図において、１は上記第１の実施形態における電子線装置で、本描画装置の光源であり、本描画装置の運用状態あるいは加工対象のプロセス条件によって電子ビームの輝度を先述した方法で制御している。ここで光源の位置は、ほぼ図１におけるクロスオーバ２８の位置である。この光源から放射された電子ビームはその前側焦点位置が前記光源位置であるコンデンサーレンズ３０によって略平行の電子ビームとなる。この略平行の電子ビームは複数の要素電子光学系３２が配列された、成形系３１に入射する。ブランキング電極を有する要素電子光学系３２は複数の光源の中間像３３をブランキングアパーチャ３５の開口付近に形成すると同時に、複数のブランキング電極を各々個別に作動させてブランキングアパーチャ３５で複数の電子ビームを個別に遮蔽することができる。
【００２４】
次に、磁界レンズ３７と磁界レンズ３８は磁気対称ダブレットで投影系を構成しており、制限開口４２を有している。ここで、磁界レンズ３７と磁界レンズ３８との距離は各々のレンズの焦点距離の和に等しく、前記光源の中間像３３は磁界レンズ３７の焦点位置にあって、それらの像は磁界レンズ３８の焦点位置に形成される。このとき磁界レンズ３７と磁界レンズ３８の焦点距離の比が投影倍率となる。さらに、磁界レンズ３７と磁界レンズ３８の磁界が互いに逆方向に作用するように設定されているため、球面収差、非点収差、コマ収差、像面彎曲、軸上色収差の所謂五つの収差を除く他のサイデル収差、回転と倍率の色収差が打ち消されている。
【００２５】
４０は収束磁界とＭＯＬ条件を満足する磁界偏向器、４１は電界によって偏向を行う静電偏向器で、これら二つの偏向器を用いて複数の中間像３３からの電子ビームを偏向させて、複数の中間像３３の像を試料４３の上で平面的に移動させるようになっている。ここで磁界偏向器４０と静電偏向器４１は、光源像の移動距離によって使い分けている。３９は偏向器を作動させた際に発生する偏向収差によるフォーカス位置のずれを補正するためのダイナミックフォーカスコイル、３６は同様な過程で発生する非点収差を補正するダイナミックスティグコイルである。また、４４は試料４３をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動するためのＸＹＺステージであり、複数のレーザ干渉計によって位置や移動速度が正確に制御されている。
【００２６】
実際の描画は、パターンデータに基づいて、複数の中間像３３の像を投影系によって試料４３上に投影し、複数の要素電子光学系３２のブランキング電極を作動させて複数の電子ビームをオン・オフさせながら、磁界偏向器４０と静電偏向器４１を用いて試料４３上を走査し且つＸＹＺステージ４４を協動せしめ所望の露光パターンを得ている。
【００２７】
なお、本例は実施形態の一例であり、広い視野にわたって所望のパターンを高解像度で描画する場合には、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採り得るものである。さらに、本実施形態は本発明の電子線装置を電子線描画装置に適用したものであるが、高輝度、高エミッタンス、或いは広視野に対する電子ビームの照射が要求される場合、なかでも一つの電子ビームを複数の電子ビームに分割して用いる、所謂マルチビーム系の電子線応用装置にも直ちに適用できることは明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子線装置は、電流密度の角度分布の平坦性を維持しながら輝度（電流密度）を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る電子線装置の構成図である。
【図２】  図１の電子線装置における電子銃の各要素の幾何学的配置を示した図である。
【図３】  図１の電子線装置におけるバイアス電圧と角度電流密度分布を表す図である。
【図４】  図２の電子銃の各要素に第三のバイアス電極を追加した場合の幾何学的配置を示した図である。
【図５】  図１の電子線装置を用いた本発明の第２の実施形態に係る電子線描画装置の概略構成図である。
【図６】  従来の一般的な従来の電子銃と高輝度高エミタッンス電子銃の代表的な角度電流密度分布を表す図である。
【図７】  従来の電子銃においてバイアス電圧を変えた場合の角度電流密度分布を表す図である。
【符号の説明】
１：カソード、２，３：ヒータ、４，５：支持電極、６：第一のバイアス電極、７：第二のアパーチャ、８：第二のバイアス電極、９：第三のアパーチャ、１０：アノード、１１：第一のアパーチャ、１２：第四のアパーチャ、１３：絶縁体、１４，１５，１６，１７：バイアス制御回路、１８：高圧電源、１９：加熱電源、２０：第三のバイアス電極、２１：第五のアパーチャ、２７：電子ビーム、２８：クロスオーバ、３０：コンデンサーレンズ、３１：成形系、３２：要素電子光学系、３６：ダイナミックスティグコイル、３７，３８：磁気対称ダブレット、３９：ダイナミックフォーカスコイル、４０：磁界偏向器、４１：静電偏向器、４４：ＸＹＺステージ。
【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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【図６】
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【図７】
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