電子銃
【課題】Langmuir limitを超える高輝度と高エミッタンスを同時に得る。
【解決手段】円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗとし、カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【解決手段】円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗとし、カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線描画装置に使用される長寿命・高輝度・高エミッタンス電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいて、デザインルールは45ｎｍの時代を迎えようとしており、また生産形態はＤＲＡＭに代表される少品種大量生産からＳＯＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｃｈｉｐ）のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、微細なＩＣパターンを転写する為のレチクル或いはマスクの需要が増加し、電子線描画装置がフル稼働し、この装置に必要な電子銃の高輝度化と長寿命化が重要になる。
電子線描画装置では高輝度は勿論、高エミッタンスの電子銃が要求される。従ってこの電子銃ではＬａＢ６、W−ZrOやＣｅＢｉｘカソード等の熱カソード電子銃に限定される。電子銃を長寿命にするには比較的低い温度で動作させる必要があり、カソード電流密度を大きく出来ない制限がある。その制限で高輝度にするにはLangmuir limitを越える必要がある。
Langmuir limitを越える提案は下記の文献がある。
【特許文献１】特願２００６−１１９８００
【特許文献２】特願２００６−２２４６９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来の特許文献１あるいは特許文献２における電子銃は、高輝度が得られる条件ではエミッタンスが極端に小さい事、と僅かな電子銃電流変化で輝度が大きく変化する問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためのもので、Langmuir limitを越える高輝度を可能にし、同じ条件でエミッタンスも大きい電子銃を提供する事を目的とする。更に電子線描画装置では輝度の長時間安定性が要求されるので例えば電子銃電流が変化したときの輝度変化は小さい事が必要である。また輝度の値は空間電荷効果の問題があり、最適値が存在し、高すぎても問題がある。
従って、輝度は２ｘ１０５〜８ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒの範囲の任意の値に、Langmuir 限界から要求される値より小さいカソード電流密度で調整出来る事が必要である。また、エミッタンスは可変成型ビームの場合は３μmmrad以上、キャラクタープロジェションタイプでは１０μmmrad以上が得られるのが最適である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した目的を達成するために、本発明に係る電子銃においては、加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθw（度）とし、 カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【０００５】
上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最適である。
【０００６】
さらに、上記第１の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
【０００７】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
63.9 ≦θｗ ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
【０００８】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
68.9 ≦θｗ ≦ 80
の範囲内の値にすると最適である。
【０００９】
CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で良い。
【００１０】
LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１８００Ｋで良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子銃では、Langmuir limit を超える輝度と適度のエミッタンスが同時に得られるので、電子線描画装置を容易に高スループット化が実現できる。また、カソード電流密度を小さくでき、カソード温度を低くできるので、電子銃の長寿命化と高信頼性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係る電子銃のモデル図である。形状は光軸６の回りに回転対称形である。カソード１は電子線放出面が平面円板状で、LaB６，CeB６（又はCeBix），W−ZrO等の低仕事関数材料あるいは光陰極である。ウエーネルト電極２は、円錐台の内面の一部の形状であるのは従来の電子銃と共通である。ウエーネルト円錐の直径はカソード側で小さく、アノード側で大きくアノード側から見て凹型ウエーネルトである。従来、ウエーネルトは、高輝度にする場合はアノード側から見て凸型ウエーネルト、高エミッタンスにする場合は平面形状が良いとされていた。円筒３は場合によって用いても良い。電子銃外囲器４はアノードと同電位である。アノード電極５はビームが通る穴は光軸と平行な半径0.28 ｍｍの穴とした。
【００１３】
図１のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図２に示した。アノード電圧：50 kＶ, カソード：０V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流：Ieを変化させた。電子銃電流：Ieを変えて輝度Ｂを変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流Ieにし、縦軸に輝度BとエミッタンスEとカソード電流密度Jcを3本の曲線で表示している。
図２で横軸は電子銃電流Ie（μA）, 縦軸は輝度B（x１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒ），エミッタンスE(μmmrad)、及びカソード電流密度Jc（Ａ／ｃｍ２）である。図１で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線２１はカソード半径５０μm、曲線２２はカソード半径７５μｍ、曲線２３は、カソード半径１００μｍ、曲線２４はカソード半径１５０μm、曲線２５は２００μm、曲線２６はカソード半径２５０μm、そして曲線２７はカソード半径３００μｍ、の場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが１５０μmに対応する２４の実線の輝度は3x105 A/cm2srから6.7x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。２４の破線のエミッタンスEは４０〜１４(μmmrad)で１０(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは1.8〜8.1Ａ／ｃｍ２であり、低い値である。曲線２３と２４は最適である、即ちカソード半径は１５０〜２００μmが最適である。実線２２はIeが800μＡ以上で輝度 Bが１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、良い特性である。実線２５も電子銃電流Ieが650μＡ以上で輝度Ｂは１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、やはり良い特性である。カソード半径：２５０μmの実線２６はIeが1700μＡ以上で１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、カソード電流密度（点線）が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径５０μmの実線２１は輝度がIeの減少関数であり、良くない。またカソード半径３００μmの実線２１は輝度が小さく良くない。
結局、カソード半径は７５から２５０μｍで良く、１００から２００μmで更に良く、１５０〜２００μｍが最適である。
【００１４】
図３は図２の計算結果から横軸を輝度Ｂ、縦軸をエミッタンスＥあるいはカソード電流密度Ｊｃで表示した図である。これは輝度とエミッタンスの関係（破線）や輝度とカソード電流密度（実線）との関係がすぐに分かる様にこの様な表示をした。輝度―エミッタンス曲線では、図の右あるいは上の曲線の性能が良く、輝度―カソード電流密度特性では図の右、あるいは下の曲線が高性能である。
曲線31、32、33、34、３５、36,及び３７はそれぞれカソード半径が50, 75, 100, 150, 200、250、300μmに対応する。直線30はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界で、従来の理論ではこの直線の右側には輝度―カソード電流密度曲線（実線）は存在しない。実線３７（カソード半径３００μｍ）以外は直線３０の右側に実線があり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、３２と３３のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmradより小さくなっている以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。エミッタンスが１０μmmrad より小さくな場合も３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。
【００１５】
図４は、カソード・アノード間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcは１５０μmに固定させた。
曲線４１，４２，４３，４４，４５，４６、及び４７はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが１１，１３，１５，１７，１９，２１、及び23ｍｍである。図２と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。実線を比較すれば、曲線４３と４４は非常に広い電子銃電流Ｉｅで大きい輝度を与え、最適である。実線４２は電子銃電流Ieの大きい場合、輝度が４３や４４に少し劣るが良い特性である。逆に実線４５はIeの小さい場合、輝度が４３や４４に少し劣るがやはり良い特性である。実線４１はIeの大きい場合、輝度が実線４３や４４に劣るが使用可能な特性である。逆に実線４６はIeの小さい場合、輝度が実線４３や４４に劣るがやはり使用可能な特性である。実線４７はIeが１１００μＡでやっと１ｘ１０６A/cm2srに達するので良くない。従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、１１〜２１ｍｍの範囲で使用可能であり、１３から１９ｍｍでは良い特性を示し、１５から１７ｍｍが最適である。カソード電流密度（点線）はＤａｃが１１ｍｍ(点線４１)では、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス（破線）はDacが２１ｍｍの高輝度条件で１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１６】
図５は図４の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。５０はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界である。曲線５１，５２，５３，５４，５５，５６、及び５７はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが１１，１３，１５，１７，１９，２１、及び23ｍｍである。実線は全てどこかで直線５０の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、５５と５６のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmrad より小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１７】
図６は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線６１、６２、６３、６４，６５，６６，６７，６８はウエーネルト円錐の半角: θwがそれぞれ59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90及び95.9度である。θwが９０度は平面ウエーネルトであり、９５．９度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図４と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線を比較すれば、曲線６３、６４と６５は非常に広い電子銃電流で大きい輝度を与え、最適である。実線６２は、輝度が実線６３、６４や６５に少し劣るが良い特性である。実線６６は電子銃電流Ieの小さい場合、輝度が６３、６４や６５に少し劣るがやはり良い特性である。実線６１は輝度が小さく良くない。曲線６７はIeの小さい場合、輝度が実線６３や６４に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。６８はIeが１７００μＡでも2x10６A/cm2srに達しないので良くない。
従って、ウエーネルト円錐の半角: θw に関しては、63.9〜90度の範囲で使用可能であり、63.9から85.8度では良い特性を示し、68.9から85.8度が最適である。カソード電流密度（点線）はウエーネルト円錐の半角: θw が小さい場合は小さく、ウエーネルト円錐の半角: θw が大きいと、同じIeで大きくなる。エミッタンス（破線）はウエーネルト円錐の半角: θw が63.9，85.8度の高輝度条件でのみ１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
図７は図６の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。７０はビームエネルギーが50 keV Tcが1700KでのLangmuir 限界である。曲線７１，７２，７３，７４，７５，７６、７７及び７８はそれぞれウエーネルト円錐の半角: θw が59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90,及び95.9度である。θwが９０度は平面ウエーネルトであり、95.9度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図４と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線は全てどこかで直線５０の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、７６と７７のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmrad より小さいが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１８】
図８は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を７４．３度に固定し、カソード温度を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線（２本以上が重なっている場合は実線に見える）はカソード電流密度である。曲線８１、８２、８３、８４，８５はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。カソード温度Ｔｃが１６００度ＫではIeが６８０μＡ、１６２０度ＫではIeが１０６０μＡ、１６４０度ＫではIeが１８５０μＡ、１６６０度ＫではIeが２５５０μＡまで空間電荷制限条件であるのが実線の輝度特性あるいは点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が３．１ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が４．７ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が６．６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が８．５ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で良く、この様な低いカソード温度でＣｅＢｉｘカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で使用可能である。
図９は図８の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線９０はビームエネルギーが50 keV カソード温度：Tcが１７００ＫでのLangmuir 限界である。曲線９１，９２，９３，９４及び９５はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは１０mradμmを越えているので問題はない。
【００１９】
図１０は加速電圧３０ｋＶで、カソード・アノード電極間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θwは７８．２度に固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定した。 実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線１０、１１、１２、１３、１４，１５，１６，及び１７はカソード・アノード電極間距離: Dacはそれぞれ１０、１３、１５、１７、１９、２１、２３及び２５mmである。
実線を比較すれば、曲線１２と１３は非常に広い電子銃電流Ieで大きい輝度を与え、最適である。実線１１は、輝度が実線１２や１３に少し劣るが良い特性である。実線１４はIeの小さい場合、輝度が実線１２や１３に少し劣るがやはり良い特性である。実線１０は輝度が小さく良くない。曲線１５はIeの小さい場合、輝度が１２や１３に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。実線１６はIeが１４００μＡでやっと1ｘ１０６A/cm2srに達するのみで良くない。１７は全く良くない。
従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、５０ｋＶの場合と同じく１３〜２１ｍｍの範囲で使用可能であり、１３から１９ｍｍでは良い特性を示し、１５から１７ｍｍが最適である。カソード電流密度（点線）はＤａｃが１０ｍｍでは、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス（破線）はDacが２１ｍｍの場合部分的にのみ１０μmmradより小さくなるのと、Dacが１７ｍｍの場合、高輝度条件で１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００２０】
図１１は加速電圧１００ｋＶでの電子銃モデルである。アノード１１７に１００ｋＶ，引き出し電極１１５に５０ｋＶを印加する条件にした。１１１はカソード、１１２はウエーネルト、１１４は電子銃室、１１６は光軸である。この様な引き出し電極を用いることによりカソード・アノード間の放電の心配を回避し、しかも５０ｋＶでの特性をほぼ有効利用できる。
図１１のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図１２に示した。アノード電圧：100 kＶ, カソード：０V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流を変化させた。電子銃電流を変えて輝度を変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流にし、縦軸に輝度とエミッタンスとカソード電流密度を3本の曲線で表示している。
図１２で横軸は電子銃電流Ie（μA）, 縦軸は輝度Ｂ（１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒ），エミッタンスＥ(μmmrad)、及びカソード電流密度Ｊｃ（Ａ／ｃｍ２）である。図１２で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線１２１はカソード半径５０μm、曲線１２２はカソード半径７５μm、曲線１２３は、カソード半径１００μm、曲線１２４はカソード半径１５０μm、曲線１２５はカソード半径２００μm、そして曲線１２６はカソード半径２５０μmの場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが１５０μmに対応する１２４の実線の輝度は6.8x105 A/cm2srから8x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。１２４の破線のエミッタンスは５４〜１９(μmmrad)で１０(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは2〜9.1Ａ／ｃｍ２であり、低い値である。曲線１２３と１２４は最適である、即ちカソード半径は１５０〜２００μmが最適である。実線１２２は輝度が少し高めだが条件によっては使用可能である。実線１２５も電子銃電流Ieが220μＡ以上で１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、やはり使用可能である。カソード半径：２５０μmの実線１２６は電子銃電流Ieが920μＡ以上で輝度Ｂが１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、カソード電流密度（点線）が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径:Rcが５０μmの実線１２１は輝度がIeの減少関数になる条件があり、良くない。
結局、１００ｋＶの場合も、５０ｋＶの場合と同様、カソード半径は７５から２５０μmで使用可能で、１００から２００μmで良く、１５０〜２００μmが最適である。
【００２１】
図13は図12の計算結果から横軸を輝度Ｂ、縦軸をエミッタンスＥあるいはカソード電流密度Ｊｃで表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線１３０はビームエネルギーが100 keV , Tcが１７００ＫでのLangmuir 限界である。曲線１３１，１３２，１３３，１３４及び１３５はカソード半径Rcがそれぞれ50, 75, 100, 150, 200, 及び250μmである。表示されたすべての実線はどこかの条件でLangmuir 限界を越えている。エミッタンスは大部分の条件で１０mradμmを越えているので良い特性である。
【００２２】
図１４は、カソード材料をCeBixからLaB6に変えた場合である。カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μm、ウエーネルト円錐の半角: θw を７４．３度に固定し、カソード温度：Tcを変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線140、141、142, 143、144， 145及び146はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。カソード温度Ｔｃが１６８０度Ｋでは電子銃電流Ieが１５０μＡ、１７００度Ｋでは電子銃電流Ieが２００μＡ、１７２０Ｋでは電子銃電流Ieが４００μＡ，１７４０度Ｋでは電子銃電流Ieが６００μＡ、１７６０度Ｋでは電子銃電流Ieが９００μＡ, 1780Kでは電子銃電流１２００μＡまで空間電荷制限条件であるのが点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が１ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が４ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で使用できる。
図１５は図１４の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。１５０はビームエネルギーが50 keV、カソード温度１８００Ｋ でのLangmuir 限界である。曲線１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，１５６及び１５７はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは１０mradμmを越えているので問題はない。
【００２３】
以上纏めると、加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗとし、カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【００２４】
上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２５】
また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最高である。
【００２６】
さらに、上記第１の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２７】
また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
【００２８】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
63.9 ≦θｗ ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２９】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
68.9 ≦θｗ ≦ 80
の範囲内の値にすると最高である。
【００３０】
CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で使用可能である。この様な低いカソード温度でＣｅＢｉｘカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。
【００３１】
LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で使用できる。LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上、本発明に係る電子線装置の発明を実施するための最良の形態を説明したところから理解されるように、本発明は、輝度が大きく、同時にエミッタンスも大きい電子銃を利用可能にし、電子線描画装置用に適した電子銃が得られる。更に輝度が電子銃電流の単調増加関数になり、しかも電子銃電流の変化に対して輝度の変化量が小さいので安定動作が期待できる。最適輝度を選べるので空間電荷効果によるボケも小さくできる。
さらに、輝度はLangmuir Limit をこえるのでカソード電流密度を小さくできるので、長寿命の電子銃が得られる事が分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る電子銃のモデル図である。
【図２】図１に示した電子銃でのカソード半径:Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図３】図２の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図。
【図４】図１に示した電子銃でのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図５】図４の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図６】図１に示した電子銃でのウエーネルト角：θwを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図７】図６の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図８】図１に示した電子銃でのカソード温度：Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはCeBixである。
【図９】図８の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図１０】図１に示した電子銃で、ビームエネルギー３０keVでのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図１１】本発明の引き出し電極を用いた他の実施の形態の電子銃モデルである。
【図１２】図１１に示した電子銃で、ビームエネルギー１００keVでのカソード半径：Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図１３】図１２の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。
【図１４】図１に示した電子銃でのカソード温度：Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはLaB6である。
【図１５】図１４の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。
【符号の説明】
【００３４】
１，１１１：カソード、２、１１２：ウエーネルト、３：ウエーネルトの円筒部分、４，１１４：電子銃室、５：アノード、１１６、６：光軸、７，１１７：評価面、１１５：引き出し電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線描画装置に使用される長寿命・高輝度・高エミッタンス電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいて、デザインルールは45ｎｍの時代を迎えようとしており、また生産形態はＤＲＡＭに代表される少品種大量生産からＳＯＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｃｈｉｐ）のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、微細なＩＣパターンを転写する為のレチクル或いはマスクの需要が増加し、電子線描画装置がフル稼働し、この装置に必要な電子銃の高輝度化と長寿命化が重要になる。
電子線描画装置では高輝度は勿論、高エミッタンスの電子銃が要求される。従ってこの電子銃ではＬａＢ６、W−ZrOやＣｅＢｉｘカソード等の熱カソード電子銃に限定される。電子銃を長寿命にするには比較的低い温度で動作させる必要があり、カソード電流密度を大きく出来ない制限がある。その制限で高輝度にするにはLangmuir limitを越える必要がある。
Langmuir limitを越える提案は下記の文献がある。
【特許文献１】特願２００６−１１９８００
【特許文献２】特願２００６−２２４６９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来の特許文献１あるいは特許文献２における電子銃は、高輝度が得られる条件ではエミッタンスが極端に小さい事、と僅かな電子銃電流変化で輝度が大きく変化する問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためのもので、Langmuir limitを越える高輝度を可能にし、同じ条件でエミッタンスも大きい電子銃を提供する事を目的とする。更に電子線描画装置では輝度の長時間安定性が要求されるので例えば電子銃電流が変化したときの輝度変化は小さい事が必要である。また輝度の値は空間電荷効果の問題があり、最適値が存在し、高すぎても問題がある。
従って、輝度は２ｘ１０５〜８ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒの範囲の任意の値に、Langmuir 限界から要求される値より小さいカソード電流密度で調整出来る事が必要である。また、エミッタンスは可変成型ビームの場合は３μmmrad以上、キャラクタープロジェションタイプでは１０μmmrad以上が得られるのが最適である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した目的を達成するために、本発明に係る電子銃においては、加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθw（度）とし、 カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【０００５】
上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最適である。
【０００６】
さらに、上記第１の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
【０００７】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
63.9 ≦θｗ ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
【０００８】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
68.9 ≦θｗ ≦ 80
の範囲内の値にすると最適である。
【０００９】
CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で良い。
【００１０】
LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１８００Ｋで良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子銃では、Langmuir limit を超える輝度と適度のエミッタンスが同時に得られるので、電子線描画装置を容易に高スループット化が実現できる。また、カソード電流密度を小さくでき、カソード温度を低くできるので、電子銃の長寿命化と高信頼性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係る電子銃のモデル図である。形状は光軸６の回りに回転対称形である。カソード１は電子線放出面が平面円板状で、LaB６，CeB６（又はCeBix），W−ZrO等の低仕事関数材料あるいは光陰極である。ウエーネルト電極２は、円錐台の内面の一部の形状であるのは従来の電子銃と共通である。ウエーネルト円錐の直径はカソード側で小さく、アノード側で大きくアノード側から見て凹型ウエーネルトである。従来、ウエーネルトは、高輝度にする場合はアノード側から見て凸型ウエーネルト、高エミッタンスにする場合は平面形状が良いとされていた。円筒３は場合によって用いても良い。電子銃外囲器４はアノードと同電位である。アノード電極５はビームが通る穴は光軸と平行な半径0.28 ｍｍの穴とした。
【００１３】
図１のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図２に示した。アノード電圧：50 kＶ, カソード：０V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流：Ieを変化させた。電子銃電流：Ieを変えて輝度Ｂを変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流Ieにし、縦軸に輝度BとエミッタンスEとカソード電流密度Jcを3本の曲線で表示している。
図２で横軸は電子銃電流Ie（μA）, 縦軸は輝度B（x１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒ），エミッタンスE(μmmrad)、及びカソード電流密度Jc（Ａ／ｃｍ２）である。図１で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線２１はカソード半径５０μm、曲線２２はカソード半径７５μｍ、曲線２３は、カソード半径１００μｍ、曲線２４はカソード半径１５０μm、曲線２５は２００μm、曲線２６はカソード半径２５０μm、そして曲線２７はカソード半径３００μｍ、の場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが１５０μmに対応する２４の実線の輝度は3x105 A/cm2srから6.7x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。２４の破線のエミッタンスEは４０〜１４(μmmrad)で１０(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは1.8〜8.1Ａ／ｃｍ２であり、低い値である。曲線２３と２４は最適である、即ちカソード半径は１５０〜２００μmが最適である。実線２２はIeが800μＡ以上で輝度 Bが１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、良い特性である。実線２５も電子銃電流Ieが650μＡ以上で輝度Ｂは１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、やはり良い特性である。カソード半径：２５０μmの実線２６はIeが1700μＡ以上で１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、カソード電流密度（点線）が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径５０μmの実線２１は輝度がIeの減少関数であり、良くない。またカソード半径３００μmの実線２１は輝度が小さく良くない。
結局、カソード半径は７５から２５０μｍで良く、１００から２００μmで更に良く、１５０〜２００μｍが最適である。
【００１４】
図３は図２の計算結果から横軸を輝度Ｂ、縦軸をエミッタンスＥあるいはカソード電流密度Ｊｃで表示した図である。これは輝度とエミッタンスの関係（破線）や輝度とカソード電流密度（実線）との関係がすぐに分かる様にこの様な表示をした。輝度―エミッタンス曲線では、図の右あるいは上の曲線の性能が良く、輝度―カソード電流密度特性では図の右、あるいは下の曲線が高性能である。
曲線31、32、33、34、３５、36,及び３７はそれぞれカソード半径が50, 75, 100, 150, 200、250、300μmに対応する。直線30はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界で、従来の理論ではこの直線の右側には輝度―カソード電流密度曲線（実線）は存在しない。実線３７（カソード半径３００μｍ）以外は直線３０の右側に実線があり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、３２と３３のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmradより小さくなっている以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。エミッタンスが１０μmmrad より小さくな場合も３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。
【００１５】
図４は、カソード・アノード間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcは１５０μmに固定させた。
曲線４１，４２，４３，４４，４５，４６、及び４７はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが１１，１３，１５，１７，１９，２１、及び23ｍｍである。図２と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。実線を比較すれば、曲線４３と４４は非常に広い電子銃電流Ｉｅで大きい輝度を与え、最適である。実線４２は電子銃電流Ieの大きい場合、輝度が４３や４４に少し劣るが良い特性である。逆に実線４５はIeの小さい場合、輝度が４３や４４に少し劣るがやはり良い特性である。実線４１はIeの大きい場合、輝度が実線４３や４４に劣るが使用可能な特性である。逆に実線４６はIeの小さい場合、輝度が実線４３や４４に劣るがやはり使用可能な特性である。実線４７はIeが１１００μＡでやっと１ｘ１０６A/cm2srに達するので良くない。従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、１１〜２１ｍｍの範囲で使用可能であり、１３から１９ｍｍでは良い特性を示し、１５から１７ｍｍが最適である。カソード電流密度（点線）はＤａｃが１１ｍｍ(点線４１)では、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス（破線）はDacが２１ｍｍの高輝度条件で１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１６】
図５は図４の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。５０はビームエネルギーが50 keV でのLangmuir 限界である。曲線５１，５２，５３，５４，５５，５６、及び５７はそれぞれカソード・アノード間距離: Dacが１１，１３，１５，１７，１９，２１、及び23ｍｍである。実線は全てどこかで直線５０の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、５５と５６のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmrad より小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１７】
図６は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線６１、６２、６３、６４，６５，６６，６７，６８はウエーネルト円錐の半角: θwがそれぞれ59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90及び95.9度である。θwが９０度は平面ウエーネルトであり、９５．９度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図４と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線を比較すれば、曲線６３、６４と６５は非常に広い電子銃電流で大きい輝度を与え、最適である。実線６２は、輝度が実線６３、６４や６５に少し劣るが良い特性である。実線６６は電子銃電流Ieの小さい場合、輝度が６３、６４や６５に少し劣るがやはり良い特性である。実線６１は輝度が小さく良くない。曲線６７はIeの小さい場合、輝度が実線６３や６４に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。６８はIeが１７００μＡでも2x10６A/cm2srに達しないので良くない。
従って、ウエーネルト円錐の半角: θw に関しては、63.9〜90度の範囲で使用可能であり、63.9から85.8度では良い特性を示し、68.9から85.8度が最適である。カソード電流密度（点線）はウエーネルト円錐の半角: θw が小さい場合は小さく、ウエーネルト円錐の半角: θw が大きいと、同じIeで大きくなる。エミッタンス（破線）はウエーネルト円錐の半角: θw が63.9，85.8度の高輝度条件でのみ１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
図７は図６の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。７０はビームエネルギーが50 keV Tcが1700KでのLangmuir 限界である。曲線７１，７２，７３，７４，７５，７６、７７及び７８はそれぞれウエーネルト円錐の半角: θw が59.3, 63.9, 68.9, 74.3, 80, 85.8, 90,及び95.9度である。θwが９０度は平面ウエーネルトであり、95.9度はアノード側から見て凸型ウエーネルトであり、その他はアノード側から見て凹型ウエーネルトである。図４と同様で、実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。
実線は全てどこかで直線５０の右側にあり、Langmuir 限界を越えている。破線を見れば、７６と７７のみ高輝度でエミッタンスが１０μmmrad より小さいが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００１８】
図８は、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定し、ウエーネルト円錐の半角: θw を７４．３度に固定し、カソード温度を変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線（２本以上が重なっている場合は実線に見える）はカソード電流密度である。曲線８１、８２、８３、８４，８５はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。カソード温度Ｔｃが１６００度ＫではIeが６８０μＡ、１６２０度ＫではIeが１０６０μＡ、１６４０度ＫではIeが１８５０μＡ、１６６０度ＫではIeが２５５０μＡまで空間電荷制限条件であるのが実線の輝度特性あるいは点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が３．１ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が４．７ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が６．６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が８．５ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で良く、この様な低いカソード温度でＣｅＢｉｘカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で使用可能である。
図９は図８の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線９０はビームエネルギーが50 keV カソード温度：Tcが１７００ＫでのLangmuir 限界である。曲線９１，９２，９３，９４及び９５はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1600, 1620, 1640, 1660及び1680度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは１０mradμmを越えているので問題はない。
【００１９】
図１０は加速電圧３０ｋＶで、カソード・アノード電極間距離: Dacを変化させた結果である。ウエーネルト円錐の半角: θwは７８．２度に固定、カソード半径: Rcを１５０μmに固定した。 実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線１０、１１、１２、１３、１４，１５，１６，及び１７はカソード・アノード電極間距離: Dacはそれぞれ１０、１３、１５、１７、１９、２１、２３及び２５mmである。
実線を比較すれば、曲線１２と１３は非常に広い電子銃電流Ieで大きい輝度を与え、最適である。実線１１は、輝度が実線１２や１３に少し劣るが良い特性である。実線１４はIeの小さい場合、輝度が実線１２や１３に少し劣るがやはり良い特性である。実線１０は輝度が小さく良くない。曲線１５はIeの小さい場合、輝度が１２や１３に劣るがIeの増加関数であり使用可能な特性である。実線１６はIeが１４００μＡでやっと1ｘ１０６A/cm2srに達するのみで良くない。１７は全く良くない。
従って、カソード・アノード間距離: Dacに関しては、５０ｋＶの場合と同じく１３〜２１ｍｍの範囲で使用可能であり、１３から１９ｍｍでは良い特性を示し、１５から１７ｍｍが最適である。カソード電流密度（点線）はＤａｃが１０ｍｍでは、やや大きく、他はほとんど差が無い。エミッタンス（破線）はDacが２１ｍｍの場合部分的にのみ１０μmmradより小さくなるのと、Dacが１７ｍｍの場合、高輝度条件で１０μmmradより小さくなるが、３μmmrad より大きいので可変成型ビーム用には問題が無い。この条件以外は１０μmmradを越えているので良い特性であるのが判る。
【００２０】
図１１は加速電圧１００ｋＶでの電子銃モデルである。アノード１１７に１００ｋＶ，引き出し電極１１５に５０ｋＶを印加する条件にした。１１１はカソード、１１２はウエーネルト、１１４は電子銃室、１１６は光軸である。この様な引き出し電極を用いることによりカソード・アノード間の放電の心配を回避し、しかも５０ｋＶでの特性をほぼ有効利用できる。
図１１のモデルでの電子銃での代表的なシミュレーション結果を図１２に示した。アノード電圧：100 kＶ, カソード：０V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流を変化させた。電子銃電流を変えて輝度を変化させた。通常の電子銃特性の表示と同じく横軸を電子銃電流にし、縦軸に輝度とエミッタンスとカソード電流密度を3本の曲線で表示している。
図１２で横軸は電子銃電流Ie（μA）, 縦軸は輝度Ｂ（１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒ），エミッタンスＥ(μmmrad)、及びカソード電流密度Ｊｃ（Ａ／ｃｍ２）である。図１２で、カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmである。ウエーネルト円錐の半角: θw は７４．３度であり、カソード半径: Rcを変化させた結果である。
曲線１２１はカソード半径５０μm、曲線１２２はカソード半径７５μm、曲線１２３は、カソード半径１００μm、曲線１２４はカソード半径１５０μm、曲線１２５はカソード半径２００μm、そして曲線１２６はカソード半径２５０μmの場合である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度特性である。
カソード半径Rcが１５０μmに対応する１２４の実線の輝度は6.8x105 A/cm2srから8x106 A/cm2srの範囲で電子銃電流の単調増加関数になり、理想的な特性である。１２４の破線のエミッタンスは５４〜１９(μmmrad)で１０(μmmrad)以上を保っている。点線のカソード電流密度: Jcは2〜9.1Ａ／ｃｍ２であり、低い値である。曲線１２３と１２４は最適である、即ちカソード半径は１５０〜２００μmが最適である。実線１２２は輝度が少し高めだが条件によっては使用可能である。実線１２５も電子銃電流Ieが220μＡ以上で１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、やはり使用可能である。カソード半径：２５０μmの実線１２６は電子銃電流Ieが920μＡ以上で輝度Ｂが１ｘ１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒを越え、カソード電流密度（点線）が小さいことを考慮すれば良い特性である。カソード半径:Rcが５０μmの実線１２１は輝度がIeの減少関数になる条件があり、良くない。
結局、１００ｋＶの場合も、５０ｋＶの場合と同様、カソード半径は７５から２５０μmで使用可能で、１００から２００μmで良く、１５０〜２００μmが最適である。
【００２１】
図13は図12の計算結果から横軸を輝度Ｂ、縦軸をエミッタンスＥあるいはカソード電流密度Ｊｃで表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。直線１３０はビームエネルギーが100 keV , Tcが１７００ＫでのLangmuir 限界である。曲線１３１，１３２，１３３，１３４及び１３５はカソード半径Rcがそれぞれ50, 75, 100, 150, 200, 及び250μmである。表示されたすべての実線はどこかの条件でLangmuir 限界を越えている。エミッタンスは大部分の条件で１０mradμmを越えているので良い特性である。
【００２２】
図１４は、カソード材料をCeBixからLaB6に変えた場合である。カソード・アノード電極間距離: Dacは17 mmに固定、カソード半径: Rcを１５０μm、ウエーネルト円錐の半角: θw を７４．３度に固定し、カソード温度：Tcを変化させた結果である。実線は輝度、破線はエミッタンス、点線はカソード電流密度である。曲線140、141、142, 143、144， 145及び146はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。カソード温度Ｔｃが１６８０度Ｋでは電子銃電流Ieが１５０μＡ、１７００度Ｋでは電子銃電流Ieが２００μＡ、１７２０Ｋでは電子銃電流Ieが４００μＡ，１７４０度Ｋでは電子銃電流Ieが６００μＡ、１７６０度Ｋでは電子銃電流Ieが９００μＡ, 1780Kでは電子銃電流１２００μＡまで空間電荷制限条件であるのが点線のカソード電流密度特性から判る。
実線を見れば、輝度が１ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が４ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で良く、LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
以上の結果を実用の輝度範囲で纏めると、LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で使用できる。
図１５は図１４の計算結果から横軸を輝度、縦軸をエミッタンスあるいはカソード電流密度で表示した図である。実線は輝度―カソード電流密度曲線であり、破線は輝度―エミッタンス曲線である。１５０はビームエネルギーが50 keV、カソード温度１８００Ｋ でのLangmuir 限界である。曲線１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，１５６及び１５７はカソード温度Ｔｃがそれぞれ1680, 1700, 1720, 1740, 1760, 1780及び1800度Kである。表示されたすべての条件でLangmuir 限界を越えている。塊になった実線から外れている部分は空間電荷制限条件を外れているので好ましくない。エミッタンスは１０mradμmを越えているので問題はない。
【００２３】
以上纏めると、加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗとし、カソード半径Rcをμmとし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
75 ≦ Rc ≦ 250,
11 ≦ Dac ≦ 21及び
62 ≦θｗ ≦ 90
の範囲内の値にすると良い。
【００２４】
上記手段において、
更に、カソード半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 200
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２５】
また、上記手段において
更に、半径Rcが
100 ≦ Rc ≦ 150
の範囲内の値にすると最高である。
【００２６】
さらに、上記第１の手段において、
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
13 ≦ Dac ≦ 19
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２７】
また、上記手段において
更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)を
15 ≦ Dac ≦ 17
の範囲内の値にすると最適である。
【００２８】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
63.9 ≦θｗ ≦ 85.5
の範囲内の値にすると更に良い。
【００２９】
また、上記手段において
更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)を
68.9 ≦θｗ ≦ 80
の範囲内の値にすると最高である。
【００３０】
CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下で良く、輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの範囲にする場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下で使用可能である。この様な低いカソード温度でＣｅＢｉｘカソードを使用した場合非常に長寿命のカソードが得られる。
【００３１】
LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７２０Ｋ以下で良く、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７４０Ｋ以下で良く、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの範囲の場合は、カソード温度は１７８０Ｋ以下で良く、輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の範囲の場合は、カソード温度は１８００Ｋ以下で使用できる。LaB6カソードでも比較的低いカソード温度で使えるので長寿命のカソードが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上、本発明に係る電子線装置の発明を実施するための最良の形態を説明したところから理解されるように、本発明は、輝度が大きく、同時にエミッタンスも大きい電子銃を利用可能にし、電子線描画装置用に適した電子銃が得られる。更に輝度が電子銃電流の単調増加関数になり、しかも電子銃電流の変化に対して輝度の変化量が小さいので安定動作が期待できる。最適輝度を選べるので空間電荷効果によるボケも小さくできる。
さらに、輝度はLangmuir Limit をこえるのでカソード電流密度を小さくできるので、長寿命の電子銃が得られる事が分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る電子銃のモデル図である。
【図２】図１に示した電子銃でのカソード半径:Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図３】図２の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図。
【図４】図１に示した電子銃でのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図５】図４の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図６】図１に示した電子銃でのウエーネルト角：θwを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図７】図６の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図８】図１に示した電子銃でのカソード温度：Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはCeBixである。
【図９】図８の結果を輝度（横軸）−エミッタンスあるいはカソード電流密度（縦軸）表示した図である。
【図１０】図１に示した電子銃で、ビームエネルギー３０keVでのカソードとアノード間距離Dacを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図１１】本発明の引き出し電極を用いた他の実施の形態の電子銃モデルである。
【図１２】図１１に示した電子銃で、ビームエネルギー１００keVでのカソード半径：Rcを変化させた場合のシミュレーション例である。
【図１３】図１２の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。
【図１４】図１に示した電子銃でのカソード温度：Tcを変化させた場合のシミュレーション例であり、カソードはLaB6である。
【図１５】図１４の結果を横軸に輝度、縦軸にエミッタンス及びカソード電流密度で表示した結果である。
【符号の説明】
【００３４】
１，１１１：カソード、２、１１２：ウエーネルト、３：ウエーネルトの円筒部分、４，１１４：電子銃室、５：アノード、１１６、６：光軸、７，１１７：評価面、１１５：引き出し電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗ（度）とし、カソード半径をRc（μm）とし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
７５ ≦ Rc ≦ ２５０,
１１ ≦ Dac ≦ ２１及び
６２ ≦θｗ ≦ ９０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に於いて、更に、カソード半径Rcが
１００ ≦ Rc ≦ ２００
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に於いて、更に、半径Rcが
１００ ≦ Rc ≦ １５０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項１に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
１３ ≦ Dac ≦ １９
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項４に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
１５ ≦ Dac ≦ １７
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項６】
請求項１に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)が
６３．９ ≦θｗ ≦ ８５．５
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項６に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)が
６８．９ ≦θｗ ≦ ８０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１に於いて、CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下、あるいは輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項９】
請求項１に於いて、LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７２０Ｋ以下、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７４０Ｋ以下、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７８０Ｋ以下、あるいは輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合のカソード温度は１８００Ｋ以下の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項１】
加速電圧が３０から１００ｋＶの範囲で、電子線描画装置に用いられる電子銃であって、円形のカソード、引出し電極又はアノード、及びウエーネルト電極を有し、ウエーネルト電極は円錐台の側面の形状を少なくとも有し、その半径はカソード側で小さく、アノード側で大きく、上記円錐の半角をθｗ（度）とし、カソード半径をRc（μm）とし、カソードと引出し電極又はアノード間距離をDac (mm)とした時、
７５ ≦ Rc ≦ ２５０,
１１ ≦ Dac ≦ ２１及び
６２ ≦θｗ ≦ ９０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に於いて、更に、カソード半径Rcが
１００ ≦ Rc ≦ ２００
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に於いて、更に、半径Rcが
１００ ≦ Rc ≦ １５０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項１に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
１３ ≦ Dac ≦ １９
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項４に於いて、更に、カソードと引出し電極又はアノード間距離Dac (mm)が
１５ ≦ Dac ≦ １７
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項６】
請求項１に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)が
６３．９ ≦θｗ ≦ ８５．５
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項６に於いて、更に、上記ウエーネルト円錐の半角θｗ(度)が
６８．９ ≦θｗ ≦ ８０
の範囲内の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１に於いて、CeBix カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が３ｘ１０５〜３．１ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６００Ｋ以下、輝度が１ｘ１０６〜４．７ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６２０Ｋ以下、輝度が２ｘ１０６〜６．６ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６４０Ｋ以下、あるいは輝度が３ｘ１０６〜８．５ｘ１０６A/cm2srの場合は、カソード温度は１６６０Ｋ以下の値である事を特徴とする電子銃。
【請求項９】
請求項１に於いて、LaB6カソードを用い、５０keVのビームエネルギーで輝度が２ｘ１０５〜１ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７２０Ｋ以下、輝度が５ｘ１０５〜２ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７４０Ｋ以下、輝度が１ｘ１０６〜４ｘ１０６A/cm2srの場合のカソード温度は１７８０Ｋ以下、あるいは輝度が２ｘ１０６〜６ｘ１０６A/cm2sr以下の場合のカソード温度は１８００Ｋ以下の値である事を特徴とする電子銃。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２７２０８４（Ｐ２００９−２７２０８４Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２０１０３（Ｐ２００８−１２０１０３）
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（５００１５９７７２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（５００１５９７７２）
【Ｆターム（参考）】
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