DE3011979A1

DE3011979A1 - Elektronenrohr fuer ein richtstrahl- elektronenstrahlbegrenzungssystem

Info

Publication number: DE3011979A1
Application number: DE19803011979
Authority: DE
Inventors: Mamoru Nakasuji; Hirotsugu Wada
Original assignee: VLSI Technology Research Association
Current assignee: VLSI Technology Research Association
Priority date: 1979-03-31
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1980-10-02
Also published as: US4346325A; GB2049270B; JPS55131946A; JPS6343859B2; GB2049270A

Description

27. März 1980

Elektronenrohr für ein Richtstrahl-Elektronenstrahlbegrenzungssystem

Die Erfindung betrifft ein Elektronenrohr für ein sog. Richtstrahl-Elektronenstrahlbegrenzungssystem (shaped beam type electron beam delineating system), bei dem der Querschnitt eines Elektronenstrahls beim Durchgang durch eine begrenzende Blende (Apertur) geformt wird und welches ein an der Blende geformtes Bild in einer durch eine Elektronenlinse verengten (contracted) Form auf eine Zielfläche projiziert.

Bei einer Elektronenstrahlvorrichtung der vorstehend angegebenen Art, die ein von der Formung des Querschnitts (Profils) eines Elektronenstrahls bei seinem Durchgang durch die genannte begrenzende Blende(nöffnung) resultierendes Bild in der durch eine Elektronenlinse verengten oder eingeschnürten Form auf eine Zielfläche wirft, muß ein von einem Elektronenrohr emittierter Elektronenstrahl mit gleichförmiger Intensität oder Stromdichte auf die begrenzende Blende gerichtet werden. Wenn beispielsweise ein Belichtungsvorgang mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt wird, dessen Querschnittsform durch die genannte begrenzende Blende geformt worden ist, muß zur Erhöhung der Stromdichte auf der Zielfläche ein Elektronenrohr großer Helligkeit verwendet werden.

Bisherige Elektronenstrahlvorrichtungen sind im allgemeinen mit einem Elektronenrohr mit Wolframfadenkathode versehen. Da-

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bei besitzt das auf eine Zielfläche projizierte Bild eine ge-

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ringe Helligkeit von höchstens etwa 1 χ 10 (A/cm str), obgleich dabei eine gleichmäßige Stromdichte erzielt wird. Zudem besitzt die Wolframfadenkathode eine kurze effektive Betriebslebensdauer von etwa 100 Stunden, so daß sich Schwierigkeiten bezüglich der Erzeugung eines stabilen Elektronenstrahls über lange Zeiträume hinweg ergeben.

Eine andere, bisherige Elektronenstrahlvorrichtung ist das sog. Überlappungsreduktions-Elektronenstrahlprojektionssystem (crossover reduction type electron beam projecting system), bei dem ein an einem Überlappungs- oder Überkreuzungspunkt erzeugtes Bild in der durch eine Elektronenlinse verengten Form auf eine Zielfläche projiziert wird und welches mit einem Elektronenrohr versehen ist, das eine aus einem Einkristall aus Lanthanhexaborid (LaB,) geformte Kathode aufweist. Bei diesem Elektronenrohr ist der Kathodenspitzenradius mit weniger als 10/Um gewählt, um die Stromdichte eines auf die Zielfläche projizierten Elektronenstrahls zu vergrössern. Bei einem so kleinen Kathodenspitzenradius kann allerdings ein Elektronenstrahl nicht mit gleichmäßiger Stromdichte auf die begrenzende Blende geworfen werden. Ein solches Elektronenrohr eignet sich also nicht für ein Richtstrahl-Elektronenstrahlbegrenzungssystem. Infolgedessen ergaben sich bisher große Schwierigkeiten bei der Herstellung einer Elektronenstrahlvorrichtung unter vollständiger Ausnutzung der Vorteile des zuletzt genannten Systems, welche eine freie bzw. beliebige Formung des Querschnitts eines Elektronenstrahls erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines eine lange Betriebslebensdauer besitzenden Elektronenrohrs zur Verwendung bei einem Richtstrahl-Elektronenstrahlprojektionssystem in solcher Anordnung, daß die Querschnittsform eines Elektronenstrahls durch eine begrenzende Blende(nöffnung)

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geformt wird, wobei der Elektronenstrahl mit gleichmäßiger Stromdichte auf diese Blende geworfen und ein Elektronenstrahlbild mit zufriedenstellend großer Helligkeit auf eine Zielfläche projiziert wird. Dieses Elektronenrohr soll dabei über einen langen Zeitraum hinweg einen stabilen Elektronenstrahl liefern.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektronenrohr für ein Richtstrahl-Elektronenstrahlbegrenzungssystem (shaped beam type electron beam delineating system) erfindungsgemäß gelöst durch eine Kathode aus einem Einkristall aus Lanthanhexaborid (LaB,), deren konvexer Endabschnitt einen Spitzenradius im Bereich von 260 - 1000,Um besitzt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene schematische Darstellung eines Richtstrahl-Elektronenstrahlbegrenzungssystems,

Fig. 2 eine Darstellung einer beim System nach Fig.1 verwendeten Kathode,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Vorspannungswiderstands-Abhängigkeit der Helligkeit eines Elektronenstrahlbilds, des Strahldivergenzwinkels und des Überkreuzungsdurchmessers beim erfindungsgemäßen Elektronenrohr und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit von Helligkeit des Elektronenstrahlbilds, des Strahldivergenzwinkels und der Änderungen des Überkreuzungsdurchmessers beim erfindungsgemäßen Elektronenrohr vom Spitzenradius des konvexen Endabschnitts der Kathode.

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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es ratsam ist, eine Kathode zu verwenden, die aus einem Einkristall aus Lanthanhexaborid (LaB,) hergestellt ist und einen Elektronenstrahl mit großem Strahldivergenzwinkel und großem Überlappungsbzw. Überkreuzungsdurchmesser (crossover diameter) abzugeben vermag, um den Elektronenstrahl auf die begrenzende Blende und die Zielfläche eines Richtstrahl-Elektronenstrahlprojektionssystems mit gleichmäßiger und großer Stromdichte zu werfen. Zu diesem Zweck sollte der Spitzenradius des konvexen Endabschnitts der genannten Kathode im Bereich von 260 - 1000 ,um gewählt werden.

Im folgenden ist das Elektronenrohr gemäß der Erfindung anhand von Fig. 1 erläutert.

Ein Elektronenrohr 1 enthält eine Kathode 11, die aus einem Einkristall aus Lanthanhexaborid (LaB,) hergestellt ist und die eine konvex gekrümmte Endfläche aufweist, ein Heizelement 12 zum Beheizen der Kathode 11, eine Anode 13 und eine Wehnelt-Elektrode 14. Die vom Elektronenrohr 1 emittierten Elektronenstrahlen werden über einen Überkreuzungspunkt A auf eine begrenzende Blende 3 geworfen, die konzentrisch zu einer Kondensorlinse 2 angeordnet ist. Ein an der Blende oder Apertur 3 geformtes Bild wird in verengter bzw. fokussierter Form über ein Elektronenlinsensystem aus einer Kondensorlinse 5 und eine Objektivlinse 6 auf eine Zielfläche (target) 4 projiziert. Im Strahlengang der das Elektronenlinsensystem durchlaufenden Elektronenstrahlen befindet sich ein Ablenksteuersystem aus einer Austastablenkplatte 7 und Abtastablenkplatten 8a, 8b. Das Ablenksteuersystem tastet die Bereiche der Zielfläche 4 ab, auf welche die abgelenkten Elektronenstrahlen auftreffen. Der konvexe Endabschnitt der Kathode 11 besitzt eine Kristallorientierung von <110>und einen Spitzenradius von 260 - 1000,um und vorzugsweise von 300 - 600,um. Bei einer solchen Kathode 11 aus einem Einkristall aus LaB,

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steigt der Strahldivergenzwinkel auf über 3 mrad an, während der Überkreuzungsdurchmesser bei etwa 15,um am Überkreuzungspunkt A liegt, so daß ein Elektronenstrahlbild mit einer

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Helligkeit von etwa 2x10 -7x10 A/cm str auf die Zielfläche projiziert werden kann. Außerdem gewährleistet eine solche Kathode 11 ein Elektronenrohr mit stabilen Eigenschaften insofern, als Strahldivergenzwinkel und überkreuzungsdurchmesser mit dem Vorspannungswiderstand (bias resistance) nur wenig variieren und sich nur die Helligkeit des auf die Zielfläche projizierten Elektronenstrahlbilds mit dem Vorspannungswiderstand ändert. Darüber hinaus ändern sich bei einer solchen Kathode 11 die genannten Eigenschaften nur wenig in Abhängigkeit von der Wehnelt-Elektrode 14 und dem Abstand zwischen letzterer und der Anode 13, so daß ein stabiler Elektronenstrahl erzeugt wird. Die erfindungsgemäße LaB,-

Kathode 11 ermöglicht die Projektion eines Elektronenstrahlbilds auf eine Zielfläche mit wesentlich größerer Helligkeit als mit der bisherigen Wolframfadenkathode, so daß ohne weiteres ein ausreichend hoher Zielflächenstrom für Elektronen-Strahlbelichtung erzeugt werden kann. Eine Elektronenstrahlvorrichtung, bei welcher der Vorteil der Formung des Querschnitts eines Elektronenstrahls mittels einer begrenzenden Blende voll ausgenutzt wird, kann somit mit einem Elektronenrohr gemäß der Erfindung hergestellt werden, das speziell mit der genannten LaB^-Einkristallkathode versehen ist.

Die erfindungsgemäße LaBg-Einkristallkathode besitzt außerdem im Vergleich zur bisherigen Wolframfadenkathode eine um etwa das 50-fache längere Betriebslebensdauer. Die Erfindung bietet den weiteren Vorteil, daß eine solche Kathode, deren konvexer Endabschnitt eine <1I0>-Kristallorientierung besitzt, weniger Heizleistung benötigt als eine solche mit der <100>-Kristallorientierung, so daß sich ein Elektronenrohr mit den geforderten Eigenschaften einfacher herstellen läßt.

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Die Vorteile und günstigen Wirkungen der Erfindung werden durch die nachstehend beschriebenen Versuche belegt.

Fig. 3 veranschaulicht graphisch die Abhängigkeit der Helligkeit, des Strahldivergenzwinkels und des Überkreuzungsdurchmessers vom Vorspannungswiderstand bei einem Elektronenrohr mit einer stabförmigen LaB ,--Einkristallkathode, die eine Länge von 1,5 mm und eine Querschnittsfläche von 0,6 χ 0,8 mm besitzt und deren konvexer Endabschnitt eine <110> -Kristallorientierung und einen Spitzenradius von 500 ,um aufweist. In Fig. 3 stehen die Kurven A, B und C für die Helligkeit, den Strahldivergenzwinkel bzw. den überkreuzungsdurchmesser. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, bleiben der Strahldivergenzwinkel (Kurve B) und der überkreuzungsdurchmesser (Kurve C) bei Änderungen des Vorspannungswiderstands praktisch gleich. Die Helligkeit kann (dagegen) gegenüber einem Vorspannungswider-

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stand von unter 2 Μ-Π. auf über 2x10 A/cm str erhöht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Elektronenrohr werden somit Elektronenstrahlen mit gleichmäßiger Stromdichte und hoher Helligkeit auf die begrenzende Blende (Apertur) geworfen.

Fig. 4 veranschaulicht graphisch die Abhängigkeit der Helligkeit des Elektronenstrahlbilds, des Strahldivergenzwinkels und der Änderung des Überkreuzungsdurchmessers vom Spitzenradius der Kathode bei Elektronenrohren, die jeweils mit gleichen Kathoden, jedoch mit unterschiedlichen Spitzenradien, versehen sind. In Fig. 4 stehen die Kurven D, E und F für die Helligkeit des Elektronenstrahls, die Änderungen des Überkreuzungsdurchmessers bzw. den Strahldivergenzwinkel. Wenn der Spitzenradius am spitzen bzw. konvexen Endabschnitt der Kathode im Bereich von 260 - 1000,um liegt, wird gemäß Fig. ein Elektronenstrahl erzeugt, der einen großen Strahldivergenzwinkel von etwa 5 mrad und einen in einem engen Bereich von etwa 5 ,um variierenden überkreuzungsdurchmesser besitzt. Die

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Daten gemäß Fig. 4 wurden mit einem Vorspannungswiderstand von 2,24 MΏ. ermittelt; es zeigte sich, daß diese Daten praktisch gleich bleiben, obgleich sie sich mit dem Vorspannungswiders tand geringfügig ändern. Aus Fig. 4 geht auch hervor, daß bei einem Spitzenradius des konvexen Endabschnitts im Bereich von 300 - 600,Um ein Elektronenstrahl erzeugt wird, der einen besonders großen Strahldivergenzwinkel und einen sich in einem engen Bereich ändernden überkreuzungsdurchmesser besitzt.

Die vorstehenden Versuchsergebnisse belegen, daß mit dem erfindungsgemäßen Elektronenrohr ein Elektronenstrahl mit einem ausreichend großen Strahldivergenzwinkel mit gleichmäßiger Stromdichte auf die begrenzende Blende geworfen werden kann. Außerdem kann die Helligkeit des Elektronenstrahlbilds auf bis zu etwa die zehnfache Größe eingestellt werden, indem einfach der VorSpannungswiderstand geändert wird, während überkreuzungsdurchmesser und Strahldivergenzwinkel unverändert bleiben. Das erfindüngsgemäße Elektronenrohr besitzt eine erheblich längere Betriebslebensdauer als die bisherige Konstruktion mit Wolframfadenkathode, und es liefert über einen langen Zeitraum hinweg einen stabilen Elektronenstrahl unter Gewährleistung einer großen Helligkeit des Elektronenstrahlbilds und eines großen Zielflächenstroms.

Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, bei welcher der konvexe Endabschnitt der LaB,.-

Kathode eine Kristallorientierung von <11O> besitzt. Erfindungsgemäß werden auch dann zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, wenn der spitze bzw. konvexe Endabschnitt der Kathode eine Kristallorientierung von <1OO> zeigt. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Elektronenrohr auch auf ein mit variabel geformtem Strahl arbeitendes Elektronenstrahlprojektionssystem (variable shaped beam type electron beam projecting

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system) mit mehreren begrenzenden Blenden (Aperturen) anwendbar. Die Erfindung ist mithin verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Leerseite

Claims

Henkel Kern, feuer fr HSnzal Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Möhlstraße 37

VLSI Technology Research Association, D-8000München80

Kawasaki-shi, Japan

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

^ MA-55PO1O-3

27 . März 1980

PATENTANSPRÜCHE

. Elektronenrohr für ein Richtstrahl-Elektronenstrahlbegren-, zungssystem (shaped beam type electron beam delineating system), gekennzeichnet durch eine Kathode aus einem Einkristall aus Lanthanhexaborid (LaB,), deren konvexer Endabschnitt einen Spitzenradius im Bereich von 260 - 1000,um besitzt.
2. Elektronenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Endabschnitt der Kathode einen Spitzenradius im Bereich von 300 - 600 ,um besitzt.
3. Elektronenrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Endabschnitt der Kathode eine Kristallorientierung von <11O> besitzt.

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