電子銃用のエミッタ使用方法
【課題】寿命を短縮することなく輝度の向上が可能な電子銃用のエミッタ使用方法を提供する。
【解決手段】電子銃用のエミッタ使用方法において、エミッタ１４は、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面２が平面であるとともに、円錐台端面２が（３１０）結晶面であるように構成されており、そのエミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させるようにする。エミッタは、１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることが好ましい。
【解決手段】電子銃用のエミッタ使用方法において、エミッタ１４は、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面２が平面であるとともに、円錐台端面２が（３１０）結晶面であるように構成されており、そのエミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させるようにする。エミッタは、１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃用のエミッタ使用方法に関し、例えば、電子ビーム描画装置に用いられる電子銃用のエミッタ使用方法に関する。特に、熱電子放出エミッタの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅は益々狭く微細なものとなっている。半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。こうした微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細パターンを描画可能な電子ビーム描画装置が用いられる。また、レーザビームを用いて描画するレーザビーム描画装置の開発も試みられている。尚、電子ビーム描画装置は、ウェハに直接パターン回路を描画する場合にも用いられる。
【０００３】
電子ビームリソグラフィ技術は、利用する電子ビームが荷電粒子ビームであるために、本質的に優れた解像度を有している。このため、ウェハにＬＳＩパターンを転写する際の原版となるマスクまたはレチクルの製造現場においても、電子ビームリソグラフィ技術が広く一般に使われている。さらに、電子ビームリソグラフィ技術を用いて、ウェハ上にパターンを直接描画する電子ビーム描画装置がＤＲＡＭを代表とする最先端デバイスの開発に適用されている他、一部ＡＳＩＣの生産にも用いられている。
【０００４】
電子ビームリソグラフィ技術を用いる電子ビーム描画装置では、電子ビームを発するための、熱電子放出エミッタを搭載した電子銃を有する。
電子銃は、電子源であるカソードと、アース電極をもつアノードを備える。また、カソードは、電子を放出するエミッタと、上記エミッタよりも低い電位を与えられてエミッタから出射される電子を収束させるウェネルトを有する。
【０００５】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、電子銃の周囲は高真空となるようにされる。この状態で、カソードとアノードの間に高電圧（加速電圧）を印加するとともにエミッタを加熱する。すると、エミッタから熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【０００６】
エミッタを構成する材料としては、従来より六硼化ランタン（ＬａＢ６）が知られている。この材料は、高い融点と低い仕事関数（例えば、２．６８ｅＶが知られている。）を持ち、また、残留ガスに対して比較的安定で、他の材料を使用した場合に比べ長寿命でもあり、さらに優れたイオン衝撃性を有することから、電子ビーム描画装置だけでなく、電子顕微鏡などの熱電子放出エミッタにも使用されている。
【０００７】
図６は、従来のＬａＢ６エミッタの先端部５０１の形状を模式的に示す斜視図である。
通常のＬａＢ６エミッタは、図６に斜視図で示すとおり、所定の円錐角を有し、円錐台端部を有する円錐状の形状を備える。円錐台端面５０２は平面状である。尚、この円錐台端面５０２は球面状である場合もある。この平面状の端面の直径は、通常５μｍ〜１００μｍ程度である。
【０００８】
このＬａＢ６エミッタの先端部５０１の平面状の端面からの電子放出特性ついては、例えば、非特許文献１が知られ、この先端部５０１の端面５０２を（１００）結晶面とする技術が開示されている。
【０００９】
そして、この非特許文献１においては、（１）先端部端面が（１００）面のエミッタは、輝度が高く、かつ、安定であること、および、（２）先端部端面が（３１０）面のエミッタは、輝度は高いが不安定であることが示されている。それら理由としては、ＬａＢ６エミッタ先端の平面状の端面において、先端部端面が（１００）面のエミッタは、経時変化が小さく、（３１０）面のエミッタは、経時変化が大きいことが挙げられていた。
尚、非特許文献１においてこうした知見を得るための実験は、カソード周囲の真空圧力を３×１０−５Ｐａ（パスカル）とし、カソード温度を約１７８０Ｋ（ケルビン）とする条件のもとで行われた。
【００１０】
したがって、非特許文献１において開示された知見に基づき、従来の電子ビーム描画装置では、先端部の平面状の端面を（１００）結晶面とするＬａＢ６エミッタ（以下、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと称する。）が使用されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｔａｄａｈｉｒｏ Ｔａｋｉｇａｗａ ａｎｄ Ｉｓａｏ Ｓａｓａｋｉ（タダヒロ・タキガワおよびイサオ・ササキ）、「電子ビームリソグラフィー用単結晶ＬａＢ６銃」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｎｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌｕｍｅ ８３−２，ｐｐ１３５−１４８，Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｉｎｃ．， １０ Ｓｏｕｔｈ Ｍａｉｎ Ｓｔ．， Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ， ＮＪ ０８５３４−２８９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
電子ビーム描画作業の効率を向上させ、電子ビーム描画装置のスループットを向上させるためには、電子ビーム描画装置の描画速度を増大させることが求められる。そして、その描画速度を上げるためには、エミッタにおいては、輝度の向上が求められる。
【００１３】
ＬａＢ６エミッタなど、熱電子放出エミッタの輝度Ｂ（Ａ・ｃｍ−２・ｓｒ−１）は、カソード温度Ｔ（Ｋ）、加速電圧Ｕ（Ｖ）、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ定数（Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−２）、仕事関数ＷＦ（ｅＶ）、Ｂｏｒｔｚｕｍａｎ定数によって定まり、式１、すなわち、
[式１] Ｂ＝３７００×Ａ×Ｔ×Ｕ×Ｅｘｐ（−ＷＦ／ｋＴ）
で与えられる。
【００１４】
（１００）平面型ＬａＢ６エミッタの輝度を向上させるためには、上記式１より、カソード温度Ｔを増大させる必要がある。しかしながら、カソード温度を高くするとエミッタを構成するＬａＢ６の蒸発速度が大きくなるため、カソード寿命が短くなるという問題があった。
【００１５】
ＬａＢ６結晶材料は、電子ビーム描画装置のエミッタに用いられた場合、動作温度（１６５０〜１９００Ｋ）で使用しようとした場合、１００時間あたり数μｍの割合で蒸発してしまう。最終的には、その陰極端部は突端となり陰極の寿命が尽きる。すなわち、使用開始前の陰極の端部は、図６に示すとおり、平面状であり、使用がある程度進んだ段階では、寸法のより小さい平面状となり、寿命の末期には突端となってしまう。
【００１６】
現状、電子ビーム描画装置では、９０日以上の連続運転が求められているため、カソード寿命は、対応して９０日以上が必要となる。このため、カソード寿命に影響する、カソード温度の上限は１７８０Ｋ程度に抑えられており、輝度は１０＋６Ａ・ｃｍ−２・ｓｒ−１（加速電圧Ｕ＝５０ｋＶ）程度が上限となっていた。
したがって、カソード寿命を短くすること無く、エミッタの輝度を向上することが急務となっていた。
【００１７】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、カソード寿命を短くすること無く、エミッタの輝度を向上することのできる電子銃用のエミッタ使用方法を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、電子銃用のエミッタ使用方法であって、
エミッタは、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面が平面であるとともに、その端面が（３１０）結晶面であるように構成されており、
そのエミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させることを特徴とするものである。
【００２０】
その金属六硼化物は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）および六硼化イットリウム（ＹＢ６）よりなる群から選ばれることが好ましい。
【００２１】
そして、エミッタを１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることが好ましい。
【００２２】
また、エミッタは、端面を除く側面部分が、構成材である金属六硼化物より仕事関数が大きい被覆材料で被覆されて構成されることが好ましい。
【００２３】
そして、その被服材料はカーボン（Ｃ）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来と同じカソード温度で、エミッタの輝度をより高く、例えば、２〜３倍にすることができる。したがって、カソード寿命を従来と同等に保ちながら電子ビーム描画の描画速度を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態のエミッタの模式的断面図である。
【図２】本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。
【図３】本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。
【図４】本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。
【図５】本発明の別の実施形態であるエミッタの模式的断面図である。
【図６】従来のＬａＢ６エミッタの先端部形状を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
電子ビーム描画装置のエミッタに用いられるＬａＢ６結晶において、（１００）結晶面の仕事関数（ＷＦ）は、１６００Ｋの条件下、２．５７ｅＶであること、そして、（３１０）結晶面の仕事関数（ＷＦ）は、２．４２ｅＶであることが、技術文献（Ｍ．Ｇｅｓｌｅｙ ａｎｄ Ｌ． Ｗ． Ｓｗａｎｓｏｎ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ １４５（１９８４）、ｐ５８３）により明らかにされている。
【００２７】
すなわち、（１００）結晶面より（３１０）結晶面のほうが、仕事関数は小さい。したがって、上記式１に従うと、先端部の平面状の端面を（３１０）結晶面とするＬａＢ６エミッタ（以下、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタと称する。）では、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタに比べて、その輝度を３倍程度大きくすることができることがわかる。
【００２８】
しかしながら、上述のように、非特許文献１においては、（１）先端部端面が（１００）面のエミッタは、輝度が高く、かつ、形状の経時変化が小さくて安定であることが示されている。そして、（２）先端部端面が（３１０）面のエミッタは、輝度は高いが形状の経時変化が大きく不安定であることが示されている。
【００２９】
そこで本発明者は、高輝度を可能とする（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタに注目し、その寿命を増大させる使用方法について鋭意検討を行った。そして、その際には特に、非特許文献１における実験が３×１０−５Ｐａ（パスカル）という大きな真空圧力の下でなされたことに着目した。
【００３０】
図１は、本実施の形態のエミッタの模式的断面図である。
図１に示すエミッタ１４は、図６に示された従来のＬａＢ６エミッタと同様の先端部分の形状を有する（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタである。そして、図１に示すとおり、エミッタ１４は断面円形の円柱体または断面矩形の角柱体からなり、その先端部分は、所望の円錐角を有し、円錐台端部を有する円錐状の形状を備える。そして、円錐台端面２は平面状である。尚、この端面２の直径は、通常５μｍ〜１００μｍ程度とするよう選択することが可能である。また、円錐角は６０度〜１２０度とするよう選択することが可能である。
【００３１】
すなわち、カソード周囲の真空圧力を最適化することについて注力して、本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタについて、蒸発速度を評価する実験を行った。
【００３２】
そして、発明者は、真空圧力９×１０−６Ｐａ、カソード温度１７５０〜１７７０Ｋという条件において、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタは、蒸発速度（μｍ／１００時間）が０．５〜０．８（μｍ／１００時間）であることがわかった。一方、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタにおいては、真空圧力１．５０×１０−５Ｐａ、カソード温度１７５０〜１７７０Ｋという条件において、蒸発速度（μｍ／１００時間）が０．７〜０．８（μｍ／１００時間）であることがわかった。
【００３３】
これらの実験を通して、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタにおいても、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくするならば、（３１０）結晶面の形状変化が小さく抑えられ、カソード寿命を（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同程度にできることがわかった。
【００３４】
したがって、本実施の形態のエミッタ使用方法であって、電子ビーム描画装置に用いる電子銃用のエミッタ使用方法においては、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくして使用することで、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同等の寿命を保ったまま、輝度を３倍程度まで向上させることができる。
【００３５】
そこで、図１に示す本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、新たに電子ビーム描画装置を構成し、それを電子ビーム描画に使用した。
図２は、本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。
【００３６】
この図に示すように、電子銃は、電子源であるカソード１１と、アース電極をもつアノード１６とを備える。また、カソード１１は、電子を放出するエミッタ１４と、エミッタ１４の電位よりも低い電位を与えられてエミッタ１４から出射される電子を収束させるウェネルト１５と、支持電極１７、１８を支持するベース２２とを有する。
【００３７】
このとき、エミッタ１４は、上述した本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタであり、図１に示されたエミッタ１４の下方先端に位置する円錐台端面２の直径は７０μｍ、先端角の角度は６０度である。
【００３８】
ウェネルト１５はエミッタ１４から射出される電子ビームが通過する開口部分を具備し、この開口部分は電子ビームを収束させるのに適当なように径が選択されている。そして、エミッタ１４は、支持電極１７と支持電極１８に支持され、ヒータ１９およびヒータ２０によって加熱可能な構成となっている。
【００３９】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、電子銃の周囲は高真空となる。本実施の形態においては、エミッタ１４を最適環境で使用するため、真空圧力は１×１０−５Ｐａ以下に設定され、具体的には５×１０−６Ｐａとする。この状態で、エミッタ１４とアノード１６の間に、５０ｋＶの高電圧（加速電圧）を、加速電源２１を用いて印加する。
【００４０】
また、加熱電源１３を用いて支持電極１７、１８の間に加熱電圧を印加することにより、ヒータ１９、２０を通電加熱してエミッタ１４を１７５０Ｋに加熱する。すると、エミッタ１４から熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、後述するように、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【００４１】
このとき、アノード１６は接地されており、エミッタ１４には支持電極１７、１８を介して負の高電圧が印加されていることになる。そして、ウェネルト１５の電位は、バイアス電源１２の作用によりカソード電位よりもさらに１００Ｖ〜１０００Ｖ程度低い。これにより、エミッタ１４から放出される電子ビームが制限されると同時に、収束作用を有するレンズとして動作し、ウェネルト１５の開口部分を通過する電子ビームにおいては、焦点、すなわち、クロスオーバが形成される。
【００４２】
本実施の形態の電子銃用のエミッタ使用方法により、エミッタ１４では、同様の電子ビーム描画装置に（１００）平面型ＬａＢ６エミッタを組み込んだ従来の場合に比べ、輝度が２倍以上になることがわかった。そして、後述するように、本実施の形態の電子ビーム描画装置では、９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ１４におけるＬａＢ６蒸発量は１１μｍと小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００４３】
次に、本実施の形態の電子銃を用いた電子ビーム描画装置について説明する。
図３は、本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。この図において、電子ビーム描画装置３０の試料室３１内には、試料であるマスク基板３２が設置されたステージ３３が設けられている。ステージ３３は、ステージ駆動回路３４によりＸ方向（紙面における左右方向）とＹ方向（紙面における垂直方向）に駆動される。ステージ３３の移動位置は、レーザ測長計等を用いた位置回路３５により測定される。
【００４４】
試料室３１の上方には、電子ビーム光学系４０が設置されている。この電子ビーム光学系４０は、本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用いた電子銃１００、各種レンズ３７、３８、３９、４１、４２、ブランキング用偏向器４３、成形偏向器４４、ビーム走査用の主偏向器４５、ビーム走査用の副偏向器４６、および、２個のビーム成形用アパーチャである第１のアパーチャ４７と第２のアパーチャ４８等から構成されている。
【００４５】
電子銃１００では、上記したように本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用いている。そして、１×１０−５Ｐａ以下など、真空圧力を小さくして上述のように（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタにとっての使用条件の最適化を図り、本実施形態であるエミッタ使用方法を実施している。したがって、高輝度が実現され、また、電子ビーム描画装置３０の動作段階で、エミッタから放出される電子の放出面積が大きく変動することはない。したがって、高輝度を実現しながら、電子ビーム８４の電流密度に大きな変動が生じないようにすることができ、電子ビーム描画装置３０のスループットを従来に比べて大幅に向上することができる。
【００４６】
図４は、本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。この描画方法は、エミッタの輝度が向上された本実施の形態の電子ビーム描画装置３０を使用することにより実現される。すなわち、図４に示す電子ビーム８４は、本実施の形態の電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出された電子ビームである。
【００４７】
図４に示すように、マスク基板３２上に描画されるパターン８１は、短冊状のフレーム領域８２に分割されている。電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出される電子ビーム８４による描画は、ステージ３３が一方向（例えば、Ｘ方向）に連続移動しながら、フレーム領域８２毎に行われる。フレーム領域８２は、さらに副偏向領域８３に分割されており、電子ビーム８４は、副偏向領域８３内の必要な部分のみを描画する。尚、フレーム領域８２は、主偏向器４５の偏向幅で決まる短冊状の描画領域であり、副偏向領域８３は、副偏向器４６の偏向幅で決まる単位描画領域である。
【００４８】
副偏向領域８３内での電子ビーム８４の位置決めは、副偏向器４６で行われる。副偏向領域８３の位置制御は、主偏向器４５によってなされる。すなわち、主偏向器４５によって、副偏向領域８３の位置決めがされ、副偏向器４６によって、副偏向領域８３内でのビーム位置が決められる。さらに、成形偏向器４４とビーム成形用アパーチャ４７、４８によって、電子ビーム８４の形状と寸法が決められる。そして、ステージ３３を一方向に連続移動させながら、副偏向領域８３内を描画し、１つの副偏向領域８３の描画が終了したら、次の副偏向領域８３を描画する。フレーム領域８２内の全ての副偏向領域８３の描画が終了したら、ステージ３３を連続移動させる方向と直交する方向（例えば、Ｙ方向）にステップ移動させる。その後、同様の処理を繰り返して、フレーム領域８２を順次描画して行く。
【００４９】
電子ビームによる描画を行う際には、まず、ＣＡＤシステムを用いて設計された半導体集積回路などのパターンデータ（ＣＡＤデータ）が、電子ビーム描画装置３０に入力することのできる形式のデータ（レイアウトデータ）に変換される。次いで、レイアウトデータが変換されて描画データが作成された後、描画データは実際に電子ビーム８４がショットされるサイズに分割された後、ショットサイズ毎に描画が行われる。
【００５０】
レイアウトデータから変換された描画データは、記憶媒体である入力部５１に記録された後、制御計算機５０によって読み出され、フレーム領域８２毎にパターンメモリ５２に一時的に格納される。パターンメモリ５２に格納されたフレーム領域８２毎のパターンデータ、すなわち、描画位置や描画図形データ等で構成されるフレーム情報は、データ解析部であるパターンデータデコーダ５３と描画データデコーダ５４に送られる。次いで、これらを介して、副偏向領域偏向量算出部６０、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８に送られる。
【００５１】
また、制御計算機５０には、偏向制御部６２が接続している。偏向制御部６２は、セトリング時間決定部６１に接続し、セトリング時間決定部６１は、副偏向領域偏向量算出部６０に接続し、副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３に接続している。また、偏向制御部６２は、ブランキング回路５５と、ビーム成形器ドライバ５６と、主偏向器ドライバ５７と、副偏向器ドライバ５８とに接続している。
【００５２】
パターンデータデコーダ５３からの情報は、ブランキング回路５５とビーム成形器ドライバ５６に送られる。具体的には、パターンデータデコーダ５３で描画データに基づいてブランキングデータが作成され、ブランキング回路５５に送られる。また、描画データに基づいて所望とするビーム寸法データも作成されて、副偏向領域偏向量算出部６０とビーム成形器ドライバ５６に送られる。そして、ビーム成形器ドライバ５６から、電子ビーム光学系４０の成形偏向器４４に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４の形状と寸法が制御される。
【００５３】
副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３で作成したビーム形状データから、副偏向領域８３における、１ショット毎の電子ビームの偏向量（移動距離）を算出する。算出された情報は、セトリング時間決定部６１に送られ、副偏向による移動距離に対応したセトリング時間が決定される。
【００５４】
セトリング時間決定部６１で決定されたセトリング時間は、偏向制御部６２へ送られた後、パターンの描画のタイミングを計りながら、偏向制御部６２より、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８のいずれかに適宜送られる。
【００５５】
描画データデコーダ５４では、描画データに基づいて副偏向領域８３の位置決めデータが作成され、このデータは、主偏向器ドライバ５７と副偏向器ドライバ５８に送られる。そして、主偏向器ドライバ５７から、電子ビーム光学系４０の主偏向器４５に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４が所定の主偏向位置に偏向走査される。また、副偏向器ドライバ５８から、副偏向器４６に所定の副偏向信号が印加されて、副偏向領域８３内での描画が行われる。この描画は、具体的には、設定されたセトリング時間が経過した後、電子ビーム８４を繰り返し照射することによって行われる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態のエミッタ使用方法であって、電子ビーム描画装置に用いる電子銃用のエミッタ使用方法においては、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくして使用することで、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同等の寿命を保ったまま、輝度を３倍程度まで向上させることができる。その結果、本実施の形態のエミッタ使用方法を適用した電子ビーム描画装置の描画速度を上げることがで、電子ビーム描画作業の効率を向上させ、電子ビーム描画装置のスループットを向上させることができる。そして、本実施の形態の電子ビーム描画装置の９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ１４におけるＬａＢ６蒸発量は１１μｍと小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００５７】
また、電子銃では、エミッタにおいて輝度を向上させるために、エミッタを構成する材料の表面をこの材料より仕事関数の大きい材料で被覆して、エミッタからの電子の放出面積を制限することも可能である。例えば、六硼化ランタン（ＬａＢ６）をカーボン（Ｃ）で被覆することが可能である。具体的な被覆方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりカーボン（Ｃ）を六硼化ランタン（ＬａＢ６）の表面に蒸着したり、この表面にカーボン（Ｃ）を含む液を塗布したり、あるいは、この液の中に六硼化ランタン（ＬａＢ６）を浸漬したりすることが挙げられる。被覆後は、機械加工によってカーボン（Ｃ）の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）を露出させ、この部分を通じて電子が放出されるようにする。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態であるエミッタの模式的断面図である。
図５に示すエミッタ２０４は、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタである、図１に示したエミッタ１４と同様の形状を有する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層２０３を有し、この側面部分をカーボン（Ｃ）層２０５で被覆するとともに、電子を放出するための円錐台端面２０２が露出するようにして構成されている。
このとき、端面２０２の直径は７０μｍ、先端角の角度は６０度である。
【００５９】
このような電子銃に用いられるエミッタの製造方法においては、上記したように、例えば、六硼化ランタン（ＬａＢ６）をカーボン（Ｃ）で被覆した後、機械加工によってカーボン（Ｃ）の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）を露出させることが行われる。機械加工には、機械研削または機械研磨などが用いられる。カーボン層２０５の厚さは２μｍ〜２０μｍが好ましく、５μｍ〜１０μｍとするのがより好ましい。カーボン層２０５にはピンホールが生じないようにしなければならない。
【００６０】
尚、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料は、カーボン（Ｃ）以外の材料によって被覆されてもよい。別の被覆材料としてはルビジウムや炭化珪素（ＳｉＣ）などの使用が可能である。すなわち、電子ビーム描画装置の動作時において機械的にも化学的にも安定であって、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料に比べて仕事関数の大きいもの、例えば、１．５〜２倍程度の大きさの仕事関数を有する材料を用いることが好ましい。
【００６１】
このようなエミッタ２０４を用いて公知の方法によりカソードを製造し、図２に示すのと同様の構造の電子ビーム描画装置の電子銃に組み込むことが可能である。そして、公知の方法を適用し、得られた電子銃を組込んで用いて図３に示すのと同様の構成の電子ビーム描画装置を製造することができる。
【００６２】
そして、この電子ビーム描画装置を使用して電子ビーム描画を行うに際しては、電子銃の周囲は、エミッタ２０４を最適な環境で使用するため、真空圧力は１×１０−５Ｐａ以下に設定され、具体的には５×１０−６Ｐａとする。この状態で、カソード温度を１７５０Ｋに設定して、エミッタ２０４とアノードの間に５０ｋＶの高電圧（加速電圧）を印加する。
【００６３】
その結果、本発明の別の実施形態であるエミッタ２０４を用いたエミッタ使用方法においては、エミッタ２０４では側面を被覆する効果により、エミッタ２０４の側面から電子が放出されず、同様の電子ビーム描画装置にエミッタ１４を組み込んだ上述の場合に比べ、約半分のエミッション電流でエミッタ１４を組み込んだ上述の場合と同等の輝度が得られる。そして、本発明の別の実施形態である電子ビーム描画装置では、９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ２０４におけるＬａＢ６蒸発量は小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００６４】
したがって、本発明の別の実施形態では、エミッタ２０４の高輝度が実現される。また、それを組み込んだ電子ビーム描画装置の動作段階で、エミッタ２０４から放出される電子の放出面積が大きく変動することはない。したがって、高輝度を実現しながら、電子ビームの電流密度に大きな変動が生じないようにすることができ、電子ビーム描画装置のスループットを向上することができる。
【００６５】
尚、本発明の実施の形態においては、エミッタを構成する材料として六硼化ランタン（ＬａＢ６）以外のものを用いることができる。エミッタの構成材料には、高い電気伝導、高温における機械的強度と化学的安定性が求められる。ここで、高温における機械的強度と化学的安定性は、高い融点を有することによって実現可能である。尚、高い融点とは、具体的には、電子ビーム描画装置の動作温度より高い融点を言う。こうした特性を満たし、さらに六硼化ランタン（ＬａＢ６）と同程度に低い仕事関数を有する材料としては、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）、六硼化イットリウム（ＹＢ６）などの金属六硼化物が挙げられる。また、タングステン（Ｗ）などをエミッタの構成材料として用いることも可能である。タングステン（Ｗ）は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）や六硼化セリウム（ＣｅＢ６）に比べて融点が高いので、例えば、２０００Ｋ程度の温度で使用することも可能である。
【００６６】
以上のような材料をエミッタ構成材料として選択し、図１に示すようなエミッタ形状を構成し、先端部分の円錐台端面に適当な結晶面を選択するとともに、電子銃に組み込まれてそれを使用する際の真空圧力を最適な値に設定することにより、エミッタの高い輝度とビームの長期間の安定が確保され、高いスループットを実現する電子ビーム描画装置の提供が可能となる。
【００６７】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００６８】
また、本実施の形態のエミッタ使用方法は、電子ビーム描画装置の電子銃に限られるものではなく、電子顕微鏡などにも好適である。
【符号の説明】
【００６９】
２、２０２、５０２ 円錐台端面
１１ カソード
１２ バイアス電源
１３ 加熱電源
１４、２０４ エミッタ
１５ ウェネルト
１６ アノード
１７、１８ 支持電極
１９、２０ ヒータ
２１ 加速電源
２２ ベース
３０ 電子ビーム描画装置
３１ 試料室
３２ マスク基板
３３ ステージ
３４ ステージ駆動回路
３５ 位置回路
３７、３８、３９、４１、４２ 各種レンズ
４０ 電子ビーム光学系
４３ ブランキング用偏向器
４４ 成形偏向器
４５ 主偏向器
４６ 副偏向器
４７ 第１のアパーチャ
４８ 第２のアパーチャ
５０ 制御計算機
５１ 入力部
５２ パターンメモリ
５３ パターンデータデコーダ
５４ 描画データデコーダ
５５ ブランキング回路
５６ ビーム成形器ドライバ
５７ 主偏向器ドライバ
５８ 副偏向器ドライバ
６０ 副偏向領域偏向量算出部
６１ セトリング時間決定部
６２ 偏向制御部
８１ 描画されるパターン
８２ フレーム領域
８３ 副偏向領域
８４ 電子ビーム
１００ 電子銃
２０３ 六硼化ランタン（ＬａＢ６）層
２０５ カーボン（Ｃ）層
５０１ エミッタの先端部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃用のエミッタ使用方法に関し、例えば、電子ビーム描画装置に用いられる電子銃用のエミッタ使用方法に関する。特に、熱電子放出エミッタの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅は益々狭く微細なものとなっている。半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。こうした微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細パターンを描画可能な電子ビーム描画装置が用いられる。また、レーザビームを用いて描画するレーザビーム描画装置の開発も試みられている。尚、電子ビーム描画装置は、ウェハに直接パターン回路を描画する場合にも用いられる。
【０００３】
電子ビームリソグラフィ技術は、利用する電子ビームが荷電粒子ビームであるために、本質的に優れた解像度を有している。このため、ウェハにＬＳＩパターンを転写する際の原版となるマスクまたはレチクルの製造現場においても、電子ビームリソグラフィ技術が広く一般に使われている。さらに、電子ビームリソグラフィ技術を用いて、ウェハ上にパターンを直接描画する電子ビーム描画装置がＤＲＡＭを代表とする最先端デバイスの開発に適用されている他、一部ＡＳＩＣの生産にも用いられている。
【０００４】
電子ビームリソグラフィ技術を用いる電子ビーム描画装置では、電子ビームを発するための、熱電子放出エミッタを搭載した電子銃を有する。
電子銃は、電子源であるカソードと、アース電極をもつアノードを備える。また、カソードは、電子を放出するエミッタと、上記エミッタよりも低い電位を与えられてエミッタから出射される電子を収束させるウェネルトを有する。
【０００５】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、電子銃の周囲は高真空となるようにされる。この状態で、カソードとアノードの間に高電圧（加速電圧）を印加するとともにエミッタを加熱する。すると、エミッタから熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【０００６】
エミッタを構成する材料としては、従来より六硼化ランタン（ＬａＢ６）が知られている。この材料は、高い融点と低い仕事関数（例えば、２．６８ｅＶが知られている。）を持ち、また、残留ガスに対して比較的安定で、他の材料を使用した場合に比べ長寿命でもあり、さらに優れたイオン衝撃性を有することから、電子ビーム描画装置だけでなく、電子顕微鏡などの熱電子放出エミッタにも使用されている。
【０００７】
図６は、従来のＬａＢ６エミッタの先端部５０１の形状を模式的に示す斜視図である。
通常のＬａＢ６エミッタは、図６に斜視図で示すとおり、所定の円錐角を有し、円錐台端部を有する円錐状の形状を備える。円錐台端面５０２は平面状である。尚、この円錐台端面５０２は球面状である場合もある。この平面状の端面の直径は、通常５μｍ〜１００μｍ程度である。
【０００８】
このＬａＢ６エミッタの先端部５０１の平面状の端面からの電子放出特性ついては、例えば、非特許文献１が知られ、この先端部５０１の端面５０２を（１００）結晶面とする技術が開示されている。
【０００９】
そして、この非特許文献１においては、（１）先端部端面が（１００）面のエミッタは、輝度が高く、かつ、安定であること、および、（２）先端部端面が（３１０）面のエミッタは、輝度は高いが不安定であることが示されている。それら理由としては、ＬａＢ６エミッタ先端の平面状の端面において、先端部端面が（１００）面のエミッタは、経時変化が小さく、（３１０）面のエミッタは、経時変化が大きいことが挙げられていた。
尚、非特許文献１においてこうした知見を得るための実験は、カソード周囲の真空圧力を３×１０−５Ｐａ（パスカル）とし、カソード温度を約１７８０Ｋ（ケルビン）とする条件のもとで行われた。
【００１０】
したがって、非特許文献１において開示された知見に基づき、従来の電子ビーム描画装置では、先端部の平面状の端面を（１００）結晶面とするＬａＢ６エミッタ（以下、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと称する。）が使用されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｔａｄａｈｉｒｏ Ｔａｋｉｇａｗａ ａｎｄ Ｉｓａｏ Ｓａｓａｋｉ（タダヒロ・タキガワおよびイサオ・ササキ）、「電子ビームリソグラフィー用単結晶ＬａＢ６銃」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｎｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌｕｍｅ ８３−２，ｐｐ１３５−１４８，Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｉｎｃ．， １０ Ｓｏｕｔｈ Ｍａｉｎ Ｓｔ．， Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ， ＮＪ ０８５３４−２８９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
電子ビーム描画作業の効率を向上させ、電子ビーム描画装置のスループットを向上させるためには、電子ビーム描画装置の描画速度を増大させることが求められる。そして、その描画速度を上げるためには、エミッタにおいては、輝度の向上が求められる。
【００１３】
ＬａＢ６エミッタなど、熱電子放出エミッタの輝度Ｂ（Ａ・ｃｍ−２・ｓｒ−１）は、カソード温度Ｔ（Ｋ）、加速電圧Ｕ（Ｖ）、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ定数（Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−２）、仕事関数ＷＦ（ｅＶ）、Ｂｏｒｔｚｕｍａｎ定数によって定まり、式１、すなわち、
[式１] Ｂ＝３７００×Ａ×Ｔ×Ｕ×Ｅｘｐ（−ＷＦ／ｋＴ）
で与えられる。
【００１４】
（１００）平面型ＬａＢ６エミッタの輝度を向上させるためには、上記式１より、カソード温度Ｔを増大させる必要がある。しかしながら、カソード温度を高くするとエミッタを構成するＬａＢ６の蒸発速度が大きくなるため、カソード寿命が短くなるという問題があった。
【００１５】
ＬａＢ６結晶材料は、電子ビーム描画装置のエミッタに用いられた場合、動作温度（１６５０〜１９００Ｋ）で使用しようとした場合、１００時間あたり数μｍの割合で蒸発してしまう。最終的には、その陰極端部は突端となり陰極の寿命が尽きる。すなわち、使用開始前の陰極の端部は、図６に示すとおり、平面状であり、使用がある程度進んだ段階では、寸法のより小さい平面状となり、寿命の末期には突端となってしまう。
【００１６】
現状、電子ビーム描画装置では、９０日以上の連続運転が求められているため、カソード寿命は、対応して９０日以上が必要となる。このため、カソード寿命に影響する、カソード温度の上限は１７８０Ｋ程度に抑えられており、輝度は１０＋６Ａ・ｃｍ−２・ｓｒ−１（加速電圧Ｕ＝５０ｋＶ）程度が上限となっていた。
したがって、カソード寿命を短くすること無く、エミッタの輝度を向上することが急務となっていた。
【００１７】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、カソード寿命を短くすること無く、エミッタの輝度を向上することのできる電子銃用のエミッタ使用方法を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、電子銃用のエミッタ使用方法であって、
エミッタは、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面が平面であるとともに、その端面が（３１０）結晶面であるように構成されており、
そのエミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させることを特徴とするものである。
【００２０】
その金属六硼化物は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）および六硼化イットリウム（ＹＢ６）よりなる群から選ばれることが好ましい。
【００２１】
そして、エミッタを１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることが好ましい。
【００２２】
また、エミッタは、端面を除く側面部分が、構成材である金属六硼化物より仕事関数が大きい被覆材料で被覆されて構成されることが好ましい。
【００２３】
そして、その被服材料はカーボン（Ｃ）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来と同じカソード温度で、エミッタの輝度をより高く、例えば、２〜３倍にすることができる。したがって、カソード寿命を従来と同等に保ちながら電子ビーム描画の描画速度を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態のエミッタの模式的断面図である。
【図２】本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。
【図３】本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。
【図４】本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。
【図５】本発明の別の実施形態であるエミッタの模式的断面図である。
【図６】従来のＬａＢ６エミッタの先端部形状を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
電子ビーム描画装置のエミッタに用いられるＬａＢ６結晶において、（１００）結晶面の仕事関数（ＷＦ）は、１６００Ｋの条件下、２．５７ｅＶであること、そして、（３１０）結晶面の仕事関数（ＷＦ）は、２．４２ｅＶであることが、技術文献（Ｍ．Ｇｅｓｌｅｙ ａｎｄ Ｌ． Ｗ． Ｓｗａｎｓｏｎ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ １４５（１９８４）、ｐ５８３）により明らかにされている。
【００２７】
すなわち、（１００）結晶面より（３１０）結晶面のほうが、仕事関数は小さい。したがって、上記式１に従うと、先端部の平面状の端面を（３１０）結晶面とするＬａＢ６エミッタ（以下、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタと称する。）では、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタに比べて、その輝度を３倍程度大きくすることができることがわかる。
【００２８】
しかしながら、上述のように、非特許文献１においては、（１）先端部端面が（１００）面のエミッタは、輝度が高く、かつ、形状の経時変化が小さくて安定であることが示されている。そして、（２）先端部端面が（３１０）面のエミッタは、輝度は高いが形状の経時変化が大きく不安定であることが示されている。
【００２９】
そこで本発明者は、高輝度を可能とする（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタに注目し、その寿命を増大させる使用方法について鋭意検討を行った。そして、その際には特に、非特許文献１における実験が３×１０−５Ｐａ（パスカル）という大きな真空圧力の下でなされたことに着目した。
【００３０】
図１は、本実施の形態のエミッタの模式的断面図である。
図１に示すエミッタ１４は、図６に示された従来のＬａＢ６エミッタと同様の先端部分の形状を有する（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタである。そして、図１に示すとおり、エミッタ１４は断面円形の円柱体または断面矩形の角柱体からなり、その先端部分は、所望の円錐角を有し、円錐台端部を有する円錐状の形状を備える。そして、円錐台端面２は平面状である。尚、この端面２の直径は、通常５μｍ〜１００μｍ程度とするよう選択することが可能である。また、円錐角は６０度〜１２０度とするよう選択することが可能である。
【００３１】
すなわち、カソード周囲の真空圧力を最適化することについて注力して、本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタについて、蒸発速度を評価する実験を行った。
【００３２】
そして、発明者は、真空圧力９×１０−６Ｐａ、カソード温度１７５０〜１７７０Ｋという条件において、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタは、蒸発速度（μｍ／１００時間）が０．５〜０．８（μｍ／１００時間）であることがわかった。一方、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタにおいては、真空圧力１．５０×１０−５Ｐａ、カソード温度１７５０〜１７７０Ｋという条件において、蒸発速度（μｍ／１００時間）が０．７〜０．８（μｍ／１００時間）であることがわかった。
【００３３】
これらの実験を通して、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタにおいても、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくするならば、（３１０）結晶面の形状変化が小さく抑えられ、カソード寿命を（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同程度にできることがわかった。
【００３４】
したがって、本実施の形態のエミッタ使用方法であって、電子ビーム描画装置に用いる電子銃用のエミッタ使用方法においては、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくして使用することで、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同等の寿命を保ったまま、輝度を３倍程度まで向上させることができる。
【００３５】
そこで、図１に示す本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、新たに電子ビーム描画装置を構成し、それを電子ビーム描画に使用した。
図２は、本実施の形態の電子ビーム描画装置における熱電子放射陰極型の電子銃の概略構成を示す図である。
【００３６】
この図に示すように、電子銃は、電子源であるカソード１１と、アース電極をもつアノード１６とを備える。また、カソード１１は、電子を放出するエミッタ１４と、エミッタ１４の電位よりも低い電位を与えられてエミッタ１４から出射される電子を収束させるウェネルト１５と、支持電極１７、１８を支持するベース２２とを有する。
【００３７】
このとき、エミッタ１４は、上述した本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタであり、図１に示されたエミッタ１４の下方先端に位置する円錐台端面２の直径は７０μｍ、先端角の角度は６０度である。
【００３８】
ウェネルト１５はエミッタ１４から射出される電子ビームが通過する開口部分を具備し、この開口部分は電子ビームを収束させるのに適当なように径が選択されている。そして、エミッタ１４は、支持電極１７と支持電極１８に支持され、ヒータ１９およびヒータ２０によって加熱可能な構成となっている。
【００３９】
電子ビーム描画装置の描画動作時において、電子銃の周囲は高真空となる。本実施の形態においては、エミッタ１４を最適環境で使用するため、真空圧力は１×１０−５Ｐａ以下に設定され、具体的には５×１０−６Ｐａとする。この状態で、エミッタ１４とアノード１６の間に、５０ｋＶの高電圧（加速電圧）を、加速電源２１を用いて印加する。
【００４０】
また、加熱電源１３を用いて支持電極１７、１８の間に加熱電圧を印加することにより、ヒータ１９、２０を通電加熱してエミッタ１４を１７５０Ｋに加熱する。すると、エミッタ１４から熱電子が出射し、この熱電子が加速電圧により加速されて電子ビームとして放出される。電子ビームは、後述するように、電子ビーム描画装置内に設けられた各種レンズ、各種偏向器、ビーム成形用アパーチャ等により所要の形状に成形される。成形された電子ビームは、電子ビーム描画装置の下部に配置された試料室内の試料に照射され、これにより試料にパターンが描画される。
【００４１】
このとき、アノード１６は接地されており、エミッタ１４には支持電極１７、１８を介して負の高電圧が印加されていることになる。そして、ウェネルト１５の電位は、バイアス電源１２の作用によりカソード電位よりもさらに１００Ｖ〜１０００Ｖ程度低い。これにより、エミッタ１４から放出される電子ビームが制限されると同時に、収束作用を有するレンズとして動作し、ウェネルト１５の開口部分を通過する電子ビームにおいては、焦点、すなわち、クロスオーバが形成される。
【００４２】
本実施の形態の電子銃用のエミッタ使用方法により、エミッタ１４では、同様の電子ビーム描画装置に（１００）平面型ＬａＢ６エミッタを組み込んだ従来の場合に比べ、輝度が２倍以上になることがわかった。そして、後述するように、本実施の形態の電子ビーム描画装置では、９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ１４におけるＬａＢ６蒸発量は１１μｍと小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００４３】
次に、本実施の形態の電子銃を用いた電子ビーム描画装置について説明する。
図３は、本実施の形態の電子ビーム描画装置の構成図である。この図において、電子ビーム描画装置３０の試料室３１内には、試料であるマスク基板３２が設置されたステージ３３が設けられている。ステージ３３は、ステージ駆動回路３４によりＸ方向（紙面における左右方向）とＹ方向（紙面における垂直方向）に駆動される。ステージ３３の移動位置は、レーザ測長計等を用いた位置回路３５により測定される。
【００４４】
試料室３１の上方には、電子ビーム光学系４０が設置されている。この電子ビーム光学系４０は、本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用いた電子銃１００、各種レンズ３７、３８、３９、４１、４２、ブランキング用偏向器４３、成形偏向器４４、ビーム走査用の主偏向器４５、ビーム走査用の副偏向器４６、および、２個のビーム成形用アパーチャである第１のアパーチャ４７と第２のアパーチャ４８等から構成されている。
【００４５】
電子銃１００では、上記したように本実施の形態の（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用いている。そして、１×１０−５Ｐａ以下など、真空圧力を小さくして上述のように（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタにとっての使用条件の最適化を図り、本実施形態であるエミッタ使用方法を実施している。したがって、高輝度が実現され、また、電子ビーム描画装置３０の動作段階で、エミッタから放出される電子の放出面積が大きく変動することはない。したがって、高輝度を実現しながら、電子ビーム８４の電流密度に大きな変動が生じないようにすることができ、電子ビーム描画装置３０のスループットを従来に比べて大幅に向上することができる。
【００４６】
図４は、本実施の形態における電子ビーム描画方法の説明図である。この描画方法は、エミッタの輝度が向上された本実施の形態の電子ビーム描画装置３０を使用することにより実現される。すなわち、図４に示す電子ビーム８４は、本実施の形態の電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出された電子ビームである。
【００４７】
図４に示すように、マスク基板３２上に描画されるパターン８１は、短冊状のフレーム領域８２に分割されている。電子ビーム描画装置３０の電子銃１００によって放出される電子ビーム８４による描画は、ステージ３３が一方向（例えば、Ｘ方向）に連続移動しながら、フレーム領域８２毎に行われる。フレーム領域８２は、さらに副偏向領域８３に分割されており、電子ビーム８４は、副偏向領域８３内の必要な部分のみを描画する。尚、フレーム領域８２は、主偏向器４５の偏向幅で決まる短冊状の描画領域であり、副偏向領域８３は、副偏向器４６の偏向幅で決まる単位描画領域である。
【００４８】
副偏向領域８３内での電子ビーム８４の位置決めは、副偏向器４６で行われる。副偏向領域８３の位置制御は、主偏向器４５によってなされる。すなわち、主偏向器４５によって、副偏向領域８３の位置決めがされ、副偏向器４６によって、副偏向領域８３内でのビーム位置が決められる。さらに、成形偏向器４４とビーム成形用アパーチャ４７、４８によって、電子ビーム８４の形状と寸法が決められる。そして、ステージ３３を一方向に連続移動させながら、副偏向領域８３内を描画し、１つの副偏向領域８３の描画が終了したら、次の副偏向領域８３を描画する。フレーム領域８２内の全ての副偏向領域８３の描画が終了したら、ステージ３３を連続移動させる方向と直交する方向（例えば、Ｙ方向）にステップ移動させる。その後、同様の処理を繰り返して、フレーム領域８２を順次描画して行く。
【００４９】
電子ビームによる描画を行う際には、まず、ＣＡＤシステムを用いて設計された半導体集積回路などのパターンデータ（ＣＡＤデータ）が、電子ビーム描画装置３０に入力することのできる形式のデータ（レイアウトデータ）に変換される。次いで、レイアウトデータが変換されて描画データが作成された後、描画データは実際に電子ビーム８４がショットされるサイズに分割された後、ショットサイズ毎に描画が行われる。
【００５０】
レイアウトデータから変換された描画データは、記憶媒体である入力部５１に記録された後、制御計算機５０によって読み出され、フレーム領域８２毎にパターンメモリ５２に一時的に格納される。パターンメモリ５２に格納されたフレーム領域８２毎のパターンデータ、すなわち、描画位置や描画図形データ等で構成されるフレーム情報は、データ解析部であるパターンデータデコーダ５３と描画データデコーダ５４に送られる。次いで、これらを介して、副偏向領域偏向量算出部６０、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８に送られる。
【００５１】
また、制御計算機５０には、偏向制御部６２が接続している。偏向制御部６２は、セトリング時間決定部６１に接続し、セトリング時間決定部６１は、副偏向領域偏向量算出部６０に接続し、副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３に接続している。また、偏向制御部６２は、ブランキング回路５５と、ビーム成形器ドライバ５６と、主偏向器ドライバ５７と、副偏向器ドライバ５８とに接続している。
【００５２】
パターンデータデコーダ５３からの情報は、ブランキング回路５５とビーム成形器ドライバ５６に送られる。具体的には、パターンデータデコーダ５３で描画データに基づいてブランキングデータが作成され、ブランキング回路５５に送られる。また、描画データに基づいて所望とするビーム寸法データも作成されて、副偏向領域偏向量算出部６０とビーム成形器ドライバ５６に送られる。そして、ビーム成形器ドライバ５６から、電子ビーム光学系４０の成形偏向器４４に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４の形状と寸法が制御される。
【００５３】
副偏向領域偏向量算出部６０は、パターンデータデコーダ５３で作成したビーム形状データから、副偏向領域８３における、１ショット毎の電子ビームの偏向量（移動距離）を算出する。算出された情報は、セトリング時間決定部６１に送られ、副偏向による移動距離に対応したセトリング時間が決定される。
【００５４】
セトリング時間決定部６１で決定されたセトリング時間は、偏向制御部６２へ送られた後、パターンの描画のタイミングを計りながら、偏向制御部６２より、ブランキング回路５５、ビーム成形器ドライバ５６、主偏向器ドライバ５７、副偏向器ドライバ５８のいずれかに適宜送られる。
【００５５】
描画データデコーダ５４では、描画データに基づいて副偏向領域８３の位置決めデータが作成され、このデータは、主偏向器ドライバ５７と副偏向器ドライバ５８に送られる。そして、主偏向器ドライバ５７から、電子ビーム光学系４０の主偏向器４５に所定の偏向信号が印加されて、電子ビーム８４が所定の主偏向位置に偏向走査される。また、副偏向器ドライバ５８から、副偏向器４６に所定の副偏向信号が印加されて、副偏向領域８３内での描画が行われる。この描画は、具体的には、設定されたセトリング時間が経過した後、電子ビーム８４を繰り返し照射することによって行われる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態のエミッタ使用方法であって、電子ビーム描画装置に用いる電子銃用のエミッタ使用方法においては、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタを用い、真空圧力を、例えば、１×１０−５Ｐａ以下など、小さくして使用することで、（１００）平面型ＬａＢ６エミッタと同等の寿命を保ったまま、輝度を３倍程度まで向上させることができる。その結果、本実施の形態のエミッタ使用方法を適用した電子ビーム描画装置の描画速度を上げることがで、電子ビーム描画作業の効率を向上させ、電子ビーム描画装置のスループットを向上させることができる。そして、本実施の形態の電子ビーム描画装置の９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ１４におけるＬａＢ６蒸発量は１１μｍと小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００５７】
また、電子銃では、エミッタにおいて輝度を向上させるために、エミッタを構成する材料の表面をこの材料より仕事関数の大きい材料で被覆して、エミッタからの電子の放出面積を制限することも可能である。例えば、六硼化ランタン（ＬａＢ６）をカーボン（Ｃ）で被覆することが可能である。具体的な被覆方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりカーボン（Ｃ）を六硼化ランタン（ＬａＢ６）の表面に蒸着したり、この表面にカーボン（Ｃ）を含む液を塗布したり、あるいは、この液の中に六硼化ランタン（ＬａＢ６）を浸漬したりすることが挙げられる。被覆後は、機械加工によってカーボン（Ｃ）の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）を露出させ、この部分を通じて電子が放出されるようにする。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態であるエミッタの模式的断面図である。
図５に示すエミッタ２０４は、（３１０）平面型ＬａＢ６エミッタである、図１に示したエミッタ１４と同様の形状を有する六硼化ランタン（ＬａＢ６）層２０３を有し、この側面部分をカーボン（Ｃ）層２０５で被覆するとともに、電子を放出するための円錐台端面２０２が露出するようにして構成されている。
このとき、端面２０２の直径は７０μｍ、先端角の角度は６０度である。
【００５９】
このような電子銃に用いられるエミッタの製造方法においては、上記したように、例えば、六硼化ランタン（ＬａＢ６）をカーボン（Ｃ）で被覆した後、機械加工によってカーボン（Ｃ）の一部から六硼化ランタン（ＬａＢ６）を露出させることが行われる。機械加工には、機械研削または機械研磨などが用いられる。カーボン層２０５の厚さは２μｍ〜２０μｍが好ましく、５μｍ〜１０μｍとするのがより好ましい。カーボン層２０５にはピンホールが生じないようにしなければならない。
【００６０】
尚、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料は、カーボン（Ｃ）以外の材料によって被覆されてもよい。別の被覆材料としてはルビジウムや炭化珪素（ＳｉＣ）などの使用が可能である。すなわち、電子ビーム描画装置の動作時において機械的にも化学的にも安定であって、六硼化ランタン（ＬａＢ６）などの電子を放出する材料に比べて仕事関数の大きいもの、例えば、１．５〜２倍程度の大きさの仕事関数を有する材料を用いることが好ましい。
【００６１】
このようなエミッタ２０４を用いて公知の方法によりカソードを製造し、図２に示すのと同様の構造の電子ビーム描画装置の電子銃に組み込むことが可能である。そして、公知の方法を適用し、得られた電子銃を組込んで用いて図３に示すのと同様の構成の電子ビーム描画装置を製造することができる。
【００６２】
そして、この電子ビーム描画装置を使用して電子ビーム描画を行うに際しては、電子銃の周囲は、エミッタ２０４を最適な環境で使用するため、真空圧力は１×１０−５Ｐａ以下に設定され、具体的には５×１０−６Ｐａとする。この状態で、カソード温度を１７５０Ｋに設定して、エミッタ２０４とアノードの間に５０ｋＶの高電圧（加速電圧）を印加する。
【００６３】
その結果、本発明の別の実施形態であるエミッタ２０４を用いたエミッタ使用方法においては、エミッタ２０４では側面を被覆する効果により、エミッタ２０４の側面から電子が放出されず、同様の電子ビーム描画装置にエミッタ１４を組み込んだ上述の場合に比べ、約半分のエミッション電流でエミッタ１４を組み込んだ上述の場合と同等の輝度が得られる。そして、本発明の別の実施形態である電子ビーム描画装置では、９０日の連続運転の後、組み込まれたエミッタ２０４におけるＬａＢ６蒸発量は小さく、電子ビームも初期状態と変わらずに安定していた。
【００６４】
したがって、本発明の別の実施形態では、エミッタ２０４の高輝度が実現される。また、それを組み込んだ電子ビーム描画装置の動作段階で、エミッタ２０４から放出される電子の放出面積が大きく変動することはない。したがって、高輝度を実現しながら、電子ビームの電流密度に大きな変動が生じないようにすることができ、電子ビーム描画装置のスループットを向上することができる。
【００６５】
尚、本発明の実施の形態においては、エミッタを構成する材料として六硼化ランタン（ＬａＢ６）以外のものを用いることができる。エミッタの構成材料には、高い電気伝導、高温における機械的強度と化学的安定性が求められる。ここで、高温における機械的強度と化学的安定性は、高い融点を有することによって実現可能である。尚、高い融点とは、具体的には、電子ビーム描画装置の動作温度より高い融点を言う。こうした特性を満たし、さらに六硼化ランタン（ＬａＢ６）と同程度に低い仕事関数を有する材料としては、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）、六硼化イットリウム（ＹＢ６）などの金属六硼化物が挙げられる。また、タングステン（Ｗ）などをエミッタの構成材料として用いることも可能である。タングステン（Ｗ）は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）や六硼化セリウム（ＣｅＢ６）に比べて融点が高いので、例えば、２０００Ｋ程度の温度で使用することも可能である。
【００６６】
以上のような材料をエミッタ構成材料として選択し、図１に示すようなエミッタ形状を構成し、先端部分の円錐台端面に適当な結晶面を選択するとともに、電子銃に組み込まれてそれを使用する際の真空圧力を最適な値に設定することにより、エミッタの高い輝度とビームの長期間の安定が確保され、高いスループットを実現する電子ビーム描画装置の提供が可能となる。
【００６７】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００６８】
また、本実施の形態のエミッタ使用方法は、電子ビーム描画装置の電子銃に限られるものではなく、電子顕微鏡などにも好適である。
【符号の説明】
【００６９】
２、２０２、５０２ 円錐台端面
１１ カソード
１２ バイアス電源
１３ 加熱電源
１４、２０４ エミッタ
１５ ウェネルト
１６ アノード
１７、１８ 支持電極
１９、２０ ヒータ
２１ 加速電源
２２ ベース
３０ 電子ビーム描画装置
３１ 試料室
３２ マスク基板
３３ ステージ
３４ ステージ駆動回路
３５ 位置回路
３７、３８、３９、４１、４２ 各種レンズ
４０ 電子ビーム光学系
４３ ブランキング用偏向器
４４ 成形偏向器
４５ 主偏向器
４６ 副偏向器
４７ 第１のアパーチャ
４８ 第２のアパーチャ
５０ 制御計算機
５１ 入力部
５２ パターンメモリ
５３ パターンデータデコーダ
５４ 描画データデコーダ
５５ ブランキング回路
５６ ビーム成形器ドライバ
５７ 主偏向器ドライバ
５８ 副偏向器ドライバ
６０ 副偏向領域偏向量算出部
６１ セトリング時間決定部
６２ 偏向制御部
８１ 描画されるパターン
８２ フレーム領域
８３ 副偏向領域
８４ 電子ビーム
１００ 電子銃
２０３ 六硼化ランタン（ＬａＢ６）層
２０５ カーボン（Ｃ）層
５０１ エミッタの先端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃用のエミッタ使用方法であって、
前記エミッタは、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面が平面であるとともに、前記端面が（３１０）結晶面であるように構成されており、
前記エミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させることを特徴とする電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項２】
前記金属六硼化物は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）および六硼化イットリウム（ＹＢ６）よりなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項３】
前記エミッタを１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることを特徴とする請求項１または２に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項４】
前記エミッタは、前記端面を除く側面部分が、構成材である前記金属六硼化物より仕事関数が大きい被覆材料で被覆されて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項５】
前記被服材料はカーボン（Ｃ）であることを特徴とする請求項４に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項１】
電子銃用のエミッタ使用方法であって、
前記エミッタは、結晶質の金属六硼化物を用いて構成され、形状が円柱体の先端側を円錐台に形成して端面が平面であるとともに、前記端面が（３１０）結晶面であるように構成されており、
前記エミッタを１×１０−５Ｐａ以下の真空圧力で動作させることを特徴とする電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項２】
前記金属六硼化物は、六硼化ランタン（ＬａＢ６）、六硼化セリウム（ＣｅＢ６）、六硼化ガドリニウム（ＧｄＢ６）および六硼化イットリウム（ＹＢ６）よりなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項３】
前記エミッタを１６５０Ｋ〜１９００Ｋの動作温度で動作させることを特徴とする請求項１または２に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項４】
前記エミッタは、前記端面を除く側面部分が、構成材である前記金属六硼化物より仕事関数が大きい被覆材料で被覆されて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【請求項５】
前記被服材料はカーボン（Ｃ）であることを特徴とする請求項４に記載の電子銃用のエミッタ使用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１４６２５０（Ｐ２０１１−１４６２５０Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６１５０（Ｐ２０１０−６１５０）
【出願日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【出願人】（５０４１６２９５８）株式会社ニューフレアテクノロジー (669)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【出願人】（５０４１６２９５８）株式会社ニューフレアテクノロジー (669)
【Ｆターム（参考）】
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