JP2013239514A - 電子銃、その駆動装置、およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変成形電子ビーム描画装置において、カソードの消耗に関わらず電流密度均一性を高く保つ電子銃、その駆動装置、およびその制御方法を提供する。
【解決手段】電子を放出するためのカソード１と、カソード１から放出された電子を加速するためのアノード２と、カソード１から流れるエミッション電流を制限するためのグリッド３と、カソード１を加熱するためのカソード加熱電源４と、グリッド３とカソード１間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧発生部であって、自己バイアス電圧を発生させるための自己バイアス抵抗器６と、固定バイアス電圧を発生させるための固定バイアス電圧源９とを備えたバイアス電圧発生部と、からなる電子銃およびその駆動装置であって、カソード１の消耗に伴うエミッション電流の変化によりバイアス電圧を変化させ電子ビームの電流密度均一性を保つように電子銃およびその駆動装置を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は可変成形電子ビーム描画装置に用いられる電子銃、その駆動装置、およびその制御方法に関し、更に詳しくはカソード形状および寸法が変化しても電流密度均一性が低下しない電子銃、その駆動装置、およびその制御方法に関する。

可変成形電子ビーム描画装置は、断面積が大きく、かつ断面形状および寸法が可変のビームを用いた電子ビーム描画装置である。同装置は、主に半導体素子製造用フォトマスクの描画に用いられる。近年における半導体素子の微細化等に伴い、同装置に要求される描画精度は年々高くなっている。

同装置の描画精度を向上させるには、被描画材料すなわちレジスト（感光剤）の塗布された材料に与えられる露光量（電流密度と露光時間の積）を、精度良く制御することが要求される。これは、露光の結果レジストに転写される図形の寸法が、同露光量に依存するためである。

上記要求のためには、被描画材料を露光する電子ビームの電流密度安定性および均一性を高く保つことが必要となる。これは、同安定性が低くなれば、レジストに転写される図形の寸法の時間的な変動が大きくなり、同均一性が低くなれば、同図形の部分的な露光過多あるいは不足に起因する寸法誤差が大きくなることによる。

上記安定性および均一性は、電子ビームを発生する電子銃およびその制御方法に依存する。可変成形電子ビーム描画装置に向けた電子銃およびその駆動装置として、従来から用いられているものを図１に示す。同図の電子銃は、熱電子放出型の電子銃である。その制御は、自己バイアス方式と呼ばれる制御方式に基づく。

図１の電子銃およびその駆動装置は、同図に示すように、カソード１、アノード２、グリッド３、カソード加熱電源４、加速電圧源５、および自己（セルフ）バイアス抵抗器６から構成される。

同電子銃および駆動装置は、上記構成のもと、電子ビーム７を生成し、同ビームをアノード２の開口から放出する。その際、同電子銃は、図１に示すように、その内部において同ビームを収束し、クロスオーバー８（ビーム径が最小となる部分）を結ぶ。

同電子銃および駆動装置の上記動作は、第一に、カソード１からの熱電子の発生、第二に、加速電圧による同電子の加速、第三に、バイアス電圧によるエミッション電流の制限という動作原理に基づく。ここで、加速電圧およびバイアス電圧とは、それぞれカソード１とアノード２間およびカソード１とグリッド３間の電圧を指す。また、エミッション電流とは、カソード１からアノード２の向きに流れる電流を指す。

上記原理のうち、まず、熱電子の発生は、カソード１に接触させた発熱体（図示せず）にカソード加熱電源４の出力電流を供給することによる。第二に、同電子の加速は、加速電圧源５の出力電圧を、自己バイアス抵抗器６を介してカソード１とアノード２間に印加することによる。ただし、アノード２の電位は、それ以降の光学系および被描画材料の電位と同様にグランド電位とされるため、カソード１の電位の符号は負となる。第三に、エミッション電流の制限は、同電流が自己バイアス抵抗器６に流れることで同抵抗器の両端間に発生する電圧を、バイアス電圧として利用することによる。すなわち、上記構成におけるバイアス電圧はエミッション電流に比例する。ただし、上記エミッション電流の符号は負であるため、グリッド３の電位はカソード１の電位より低くなる。

上記バイアス電圧のようにエミッション電流に依存するバイアス電圧は、自己バイアス電圧と呼ばれる。これに対し、エミッション電流に依存しないバイアス電圧は、固定バイアス電圧と呼ばれる。

上記バイアス電圧すなわち自己バイアス電圧は、上記性質のため、エミッション電流に対し負の帰還を与える。従って、同電流を変動させうる何らかの因子が発生しても、自己バイアス電圧のこの作用により、同電流の変動は小さく抑えられる。従来の電子ビーム描画装置はこのことを利用し、エミッション電流を、ひいては電子ビームの電流密度を、安定化させていた。

ただし、上記構成において自己バイアス電圧を発生させると、図１から分かるように、加速電圧源４の負側の電位は、グリッド３の電位とは等しくなるが、カソード１の電位とは等しくなくなる。すなわち、エミッション電流が零でない限り、カソード１とアノード２間の電圧すなわち加速電圧は、加速電圧源４の出力電圧と等しくなく、エミッション電流に依存する。

そこで、実際には、上記構成に対し、エミッション電流によらず加速電圧が一定に保たれるような制御（図示せず）が施される。具体的には、同制御は、カソード１の電位を検出し、その変化を補償すべく加速電圧源４の出力電圧を変化させることによる。

特開２００５−２６２４１

従来の可変成形電子ビーム描画装置における電子ビーム、すなわち図１の電子銃および駆動装置の生成する電子ビーム７に対しその電流密度安定性を高くするには、以上で示したように、同電子銃に対し自己バイアス方式に基づく制御を実施すればよい。一方、同ビームに対しその電流密度均一性を高くするには、同電子銃に対しバイアス電圧を適正に設定することが求められる。これは、同均一性がバイアスの深さに依存するためである。ここで、バイアスの深さとは、バイアス電圧がエミッション電流を制限する度合いを表す。つまり、バイアスが深いとき、エミッション電流は強く制限され、小さくなる。

電子ビーム７の電流密度均一性がバイアスの深さに依存するのは、上記構成においてバイアス電圧によりエミッション電流が制限される際、同電圧によりカソード１におけるエミッション領域（熱電子放出領域）が制限されることによる。同領域は、上記電子銃の通常の使用状態においては、カソード１の先端付近に局在している。

ただし、上記領域の大きさは、カソード１の先端径に依存する。カソード１の先端は、図１から分かるように、平坦に加工されている。同先端がこのように平坦とされるのは、電子ビーム７の被描画材料上における断面積すなわち露光領域をできるだけ大きくする（下記成形開口板の照射領域を大きくする）という要求からである。

電子ビーム７の電流密度分布を図２に示す。図２（ａ）は図１の電子銃に対しバイアスが浅すぎる場合、図２（ｂ）はバイアスが深すぎる場合、図２（ｃ）はバイアスが適正な場合の電流密度分布を表す。

ただし、これらの表す電流密度は、電子ビーム７の成形開口板上における電流密度分布である。ここで、成形開口板とは、被描画材料上における同ビームによる露光領域の形状および寸法を決定するための開口（絞り）を有する板状部材を指す。また、各図にて２本の破線間に限定された領域は、同開口板の開口に相当する。つまり、同領域内の電流密度分布が被描画材料上の露光量分布に反映される。

上記電子銃に対しバイアスが浅すぎる場合には、図２（ａ）に示すように、電流密度分布は凹型になる。この場合、カソード１におけるエミッション領域は大きく、同カソードの平坦部より根元側の領域にまで及んでいる。逆にバイアスが深すぎる場合には、図２（ｂ）に示すように、凸型になる。この場合、カソード１におけるエミッション領域は小さく、同平坦部の中央付近に収まっている。これらのいずれの場合においても、電流密度均一性は低い。

しかし、バイアスが適正な場合には、このような凹凸が中和され、図２（ｃ）に示すように、電流密度分布は平坦となる。すなわち、電流密度均一性は高くなる。厳密には、同分布は完全には平坦ではないが、上記領域すなわち成形開口板の開口においては、実質的に平坦と見なせる。

電子ビーム７の電流密度均一性はこのようにバイアスを適正とすることで高くなるが、同均一性は、時間とともに変化しうる。これは、カソード１が、その加熱の結果、時間とともに消耗し、その形状・寸法を変えることによる。従って、上記電子銃の使用開始時点において、バイアスが適正であり、電子ビーム７の電流密度均一性が高かったとしても、同均一性は、その後、同電子銃の使用時間とともに低下しうる。

カソード１がその消耗とともに形状・寸法を変える様子を、図３に示す。図３（ａ）はカソード１の先端角が大きい場合の、図３（ｂ）は同先端角が小さい場合の形状・寸法変化を表す。

図３から分かるように、カソード１の消耗とともに、その先端は後退（根元側に移動）し、それと同時に先端径は小さくなる。ただし、図３において、ｔは同カソードの先端の後退量、ｄおよびｄ’はそれぞれ同カソードの消耗前および消耗後の先端径を表す。

このようにカソード１の先端が後退すると、同カソードの先端からグリッド３の開口までの距離が増加する。その結果、カソード１の先端付近の電位が下がり、エミッション領域が小さくなる。このことは、バイアスが深くなることに相当する。

しかし、それと同時にカソード１の先端径が小さくなると、バイアスはその分だけ浅くなる。これは、同先端径の減少とともにカソード１におけるエミッション領域が小さくなり、エミッション電流が減少する（自己バイアスが浅くなる）ことによる。

後者のメカニズムに基づくバイアス変化は、カソード１の先端角が小さい場合（図３（ｂ））に顕著になる。これは、同先端角が小さいと、先端後退量ｔに対する先端径減少量Δｄ＝ｄ−ｄ’の比が大きくなることによる。

請求項１記載の発明は、電子を放出するカソードと、
該カソードから放出された電子を加速するためのアノードと、
前記カソードから生じた電子ビームのクロスオーバーを結ぶとともに前記カソードから流れるエミッション電流を制限するためのグリッドと、
前記カソードを加熱するためのカソード加熱電源と、
前記グリッドと前記カソード間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧発生部であって、自己バイアス抵抗器と、固定バイアス電圧を印加するための固定バイアス電圧印加手段とを備え、
前記自己バイアス抵抗器の抵抗すなわち自己バイアス抵抗と前記エミッション電流との積を自己バイアス電圧とし、
該自己バイアス電圧と前記固定バイアス電圧との和を前記バイアス電圧としたバイアス電圧発生部と、
からなる電子銃およびその駆動装置であって、
前記クロスオーバーから発散する電子ビームの電流密度均一性を最高とするバイアス電圧の値を前記バイアス電圧Ｖｂの最適値とし、
前記バイアス電圧を前記最適値に一致させたときに流れるエミッション電流の値を前記エミッション電流Ｉｅの最適値とし、
前記カソードの消耗の度合いの異なる複数の時点におけるこれらの最適値に対する回帰直線Ｉｅ＝Ｖｂ／Ｃ−Ｄ／ＣすなわちＶｂ＝Ｃ・Ｉｅ＋Ｄの一次項の係数Ｃおよび定数項Ｄと前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧とを各々一致させたことを特徴とする電子銃およびその駆動装置である。

請求項２記載の発明は、前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧を可変とした請求項１記載の電子銃およびその駆動装置である。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の電子銃およびその駆動装置に対する制御方法であって、
前記カソードの消耗の度合いの異なる複数の時点において前記電子ビームの電流密度均一性を測定する第１の工程と、
前記複数の時点における前記バイアス電圧およびエミッション電流の最適値を特定し該最適値を記憶する第２の工程と、
前記最適値に対する前記回帰直線を決定する第３の工程と、
前記一次項の係数Ｃおよび定数項Ｄに前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧を各々一致させる第４の工程と、
からなる電子銃およびその駆動装置の制御方法である。

請求項１記載の発明によれば、所定の形状・寸法のカソードを用いた電子銃に対し、同カソードの消耗に関わらず、同電子銃の生成する電子ビームの電流密度均一性を高く保つことができる。

請求項２記載の発明によれば、用いられるカソードの形状・寸法が変わり、それに伴い前記回帰直線の一次項の係数Ｃおよび定数項Ｄの値が変わっても、これらの値に前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧をそれぞれ一致させることができる。すなわち、異なる形状・寸法のカソードに対応することができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明において採用すべき自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧の値を決定することができる。

従来の可変成形電子ビーム描画装置に用いられる一般的な電子銃を表す図である。 電子ビーム７の電流密度分布を表す図である。 カソード１の消耗に伴うその形状・寸法の変化を表す図である。 本発明を実施するための代表的な形態の図である。 自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧の設定の流れを表すフローチャートである。 電子ビーム７により第１の成形開口板１２が走査される様子を表す図である。 カソード１の消耗に伴うバイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅの最適値の推移を説明する図である。 カソード１の消耗の度合いの異なる複数の時点におけるバイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅの最適値に対する回帰直線Ｖｂ＝Ｃ・Ｉｅ＋Ｄを説明する図である。

以下に、本発明を実施するための代表的な形態として、本発明を適用した可変成形電子ビーム描画装置の例について説明する。同装置の構成を図４に示す。

本装置は、図４に示すように、本発明による電子銃およびその駆動装置、照射光学系（アノード２から第１の成形開口板１２まで）、成形光学系（第１の成形開口板１２から第２の成形開口板１９まで）、縮小投影光学系（第２の成形開口板１９から被描画材料１６まで）、およびこれらに対する制御系からなる。

本装置の電子銃およびその駆動装置は、図４に示すように、カソード１、アノード２、グリッド３、カソード加熱電源４、加速電圧源５、自己バイアス抵抗器６、固定バイアス電圧源９、およびエミッション電流計１０から構成される。

上記構成要素のうち、カソード１、アノード２、グリッド３、カソード加熱電源４、加速電圧源５、および自己バイアス抵抗器６は、図１の電子銃および駆動装置におけるそれらと同じである。ただし、自己バイアス抵抗器６の抵抗は可変とする。

すなわち、本装置の電子銃およびその駆動装置は、図１の電子銃および駆動装置に対し、固定バイアス電圧源９およびエミッション電流計１０を追加したものである。

これらのうち、固定バイアス電圧源９は、自己バイアス抵抗器６によるバイアス電圧すなわち自己バイアス電圧とは別に、固定バイアス電圧を、カソード１とグリッド３間に印加する。すなわち、本装置の電子銃におけるバイアス電圧は、自己バイアス抵抗器６による自己バイアス電圧と、固定バイアス電圧源９による固定バイアス電圧との和である。ただし、同電圧源の出力電圧は可変とする。一方、エミッション電流計１０は、上記構成において流れるエミッション電流を測定する。

上記構成における固定バイアス電圧の発生は、固定バイアス電圧源９を用いる代わりに、自己バイアス抵抗器６の両端部間あるいは同抵抗器のカソード１側端部とグランド間に電流源を設け、同電流源の出力電流をエミッション電流とともに同抵抗器に流すことによってもよい。そのようにすれば、同抵抗器の両端部間に、バイアス電圧として、自己バイアス電圧と固定バイアス電圧の和が発生する。

本装置の電子銃およびその駆動装置の動作は、バイアス電圧が上記のように自己バイアス電圧と固定バイアス電圧の和となることを除いては、図１のそれらの動作と基本的に同じである。すなわち、カソード１から発生した電子が加速電圧により加速された結果、アノード２の開口から電子ビーム７が放出される。その際、エミッション電流はバイアス電圧により制限される。

本装置の照射光学系は、上記電子銃から供給された電子ビーム７を照射レンズ１１により収束し、同ビームにより第１の成形開口板１２を照射する。その際、照射レンズ１１は、同開口板の下に第１の光源の像（図示せず）を結ぶ。

同光学系には、上記構成要素のほか、ブランカー１３および照射アライナー１４が備えられる。これらのうち、ブランカー１３は静電型の偏向器である。同ブランカーは、露光時間を制御する。同ブランカーにはブランカー電源（図示せず）が接続されている。同電源が同ブランカーに電圧を印加すると、電子ビーム７は同ブランカーにより偏向され、ブランキング開口板１５の非開口部に遮られる。その結果、電子ビーム７は被描画材料１６に到達しなくなる。一方、照射アライナー１４は、磁界型の偏向器である。同アライナーは、第１の成型開口板１２の開口に対する電子ビーム７の入射位置を制御する。同アライナーにはアライナー駆動アンプ１７が接続されている。同アンプは同アライナーに必要に応じた電流を供給する。

本装置の成形光学系は、電子ビーム７により照射された第１の成形開口板１２の開口の像を、成形レンズ１８により、第２の成形開口板１９上に投影する。その際、成形レンズ１８は、ブランキング開口板１５の高さ位置に第２の光源の像（図示せず）を結ぶ。

同光学系には上記構成要素のほか、成形偏向器２０が備えられる。同偏向器は静電型の偏向器である。同偏向器は、上記開口の像を第２の成形開口板１９の開口に対し移動させることで、同像と同開口との重なり（論理積）により生じる図形の形状および寸法を制御する。同偏向器には偏向器駆動アンプ（図示せず）が接続されている。同アンプは同偏向器に必要に応じた電圧を印加する。

同光学系にはさらに、第２の成形開口板１９に入射する電子ビーム７の電流を測定する機能が備えられている。その測定のため、第２の成形開口板１９には、第１の電子ビーム電流計２１が接続されている。

本装置の縮小投影光学系は、第１の成形開口板１２の開口像と第２の成形開口板１９の開口との重なりにより生じる上記図形の像を、縮小レンズ２２と対物レンズ２３により、被描画材料１６上に投影する。その結果、被描画材料１６が露光される。その際、縮小レンズ２２は、対物レンズ２３の高さ位置に第３の光源の像（図示せず）を結ぶ。

同光学系には上記構成要素のほか、対物偏向器２４が備えられる。同偏向器は静電型の偏向器である。同偏向器は、上記図形の像を被描画材料１６上の任意の位置に移動させることで、同材料上に所望の図形を描画する。同偏向器には偏向器駆動アンプ（図示せず）が接続されている。同アンプは同偏向器に必要に応じた電圧を印加する。

ただし、対物偏向器２４により同像が移動する範囲には限りがある（一般には１ｍｍ四方程度）ため、被描画材料１６上の広い範囲に渡り所望の図形を描画するには、同偏向器と材料ステージ２５を併用する。

材料ステージ２５には、ファラデーカップ２６が設けられる。ファラデーカップ２６には第２の電子ビーム電流計２７が接続されている。従って、材料ステージ２５によりファラデーカップ２６を移動させ、それに電子ビームを入射させれば、描画中に被描画材料１６に入射する電子ビーム７の電流を測定することができる。そして、同電流と被描画材料１６上における電子ビーム７の断面積とから同ビームの電流密度が計算でき、同電流密度と必要な露光量とから必要な露光時間が計算できる。

本装置の制御系は、制御装置２８、記憶装置２９、および演算装置３０からなる。制御装置２８は、レンズ、偏向器、およびアライナー類に加え、自己バイアス抵抗器６および固定バイアス電圧源９を設定および制御するほか、エミッション電流計１０をはじめとする電流計の測定値を読み取る。記憶装置２９は、上記要素に関する設定値、測定値、および演算結果を記憶する。演算装置３０は、上記測定値や、記憶装置２９により記憶されているデータを用いて、上記設定および制御に必要な演算を行う。

本装置の電子銃およびその駆動装置において自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧を設定する流れを、以下に説明する。そのため、同流れを表すフローチャートを図５に示す。

まず、メインルーチン（図５（ａ））について説明する。同ルーチンの制御は制御装置２８により、同ルーチンに関わる数値の記憶は記憶装置２９に、それらに関する演算は演算装置３０による。

工程Ｍ１：自己バイアス抵抗を使用上の最小値に設定する。
工程Ｍ２：ループ変数ｉを初期化する。すなわちｉ＝０とする。
工程Ｍ３：サブルーチンを実行する。同ルーチンは、固定バイアス電圧を振りながら電流密度むらＵを測定し、固定バイアス電圧の最適値、すなわち電流密度むらＵの値が最小となる固定バイアス電圧の値を特定する。

工程Ｍ４：固定バイアス電圧を上記最適値に設定した場合に、電流密度均一性Ｕがその基準ε未満となるか、すなわちＵ＜εが満たせるかどうか判定する。これが満たせなければメインルーチンを終了させるが、満たせれば工程Ｍ５に進む。

工程Ｍ５：固定バイアス電圧を上記最適値Ｖｆ_ｉに設定する。このとき、電流密度均一性は最も高くなる。

工程Ｍ６：エミッション電流Ｉｅ_ｉを測定し、記憶する。以降では、Ｉｅ_ｉはエミッション電流の最適値とする。

工程Ｍ７：バイアス電圧の最適値Ｖｂ_ｉ＝Ｒｂ_ｉ・Ｉｅ_ｉ＋Ｖｆ_ｉを計算し、記憶する。ここで、Ｒｂ_ｉは自己バイアス抵抗の値を表すが、この時点ではまだその最適値ではない。

工程Ｍ８：ｉ＝０かどうか判定する。ｉ＝０でなければ工程Ｍ１６に進むが、ｉ＝０であれば工程Ｍ９に進む。

工程Ｍ９：制御装置２８に備えられたタイマーを初期化する。

工程Ｍ１０：本装置を本来の目的のために運用する。すなわち、被描画材料１６に対し描画を実施する。その際、電子ビーム７の電流をファラデーカップ２６で適宜測定し、その都度、必要な露光時間を計算する。

工程Ｍ１１：工程Ｍ１０が完了するたびに上記タイマーを参照し、所定の時間（たとえば１週間）が経過したかどうか判定する。所定の時間が経過していなければ工程Ｍ１０に戻り、本装置の運用を続けるが、経過していれば工程Ｍ１２に進む。

工程Ｍ１２：電流密度Ｊの分布を測定する。そのため、アライナー駆動アンプ１７に偏向信号を送り、同アンプを介して照射アライナー１４により電子ビーム７を偏向し、図６に示すように同ビームにより第１の成形開口板１２を走査する。そして、その際に第１の成形開口１２の開口を通過した電子ビーム７を第２の成形開口板１９の非開口部に入射させ、同ビームの電流を第１の電子ビーム電流計２１により測定する。（必要があれば、成形偏向器２０により同ビームを偏向し、同ビームが第２の成形開口板１９の開口を通過しないようにする。）同電流の測定値は、上記偏向信号とともに、すなわち照射アライナー１４による電子ビーム７の偏向量とともに記憶する。

工程Ｍ１３：電流密度むらＵを計算する。同むらＵは、工程Ｍ１２で得られた電流密度の最大値をＪｍａｘ、最小値をＪｍｉｎとし、
Ｕ＝｜（Ｊｍａｘ−Ｊｍｉｎ）／Ｊｍａｘ｜ （式１）
により計算する。

工程Ｍ１４：電流密度均一性Ｕがその基準ε未満となるか、すなわちＵ＜εが満たされるかどうか判定する。これが満たされれば工程Ｍ９に戻るが、満たされなければ工程Ｍ１５に進む。

工程Ｍ１５：ループ変数ｉの値を１だけ増加させる。

工程Ｍ１６：工程Ｍ８にてｉ＝０でなければ、自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧の最適値Ｒｂ_ｉおよびＶｆ_ｉを計算する。同最適値Ｒｂ_ｉおよびＶｆ_ｉは、
Ｖｂ_ｉ−１＝Ｒｂ_ｉ・Ｉｅ_ｉ−１＋Ｖｆ_ｉ−１ （式２）
Ｖｂ_ｉ＝Ｒｂ_ｉ・Ｉｅ_ｉ＋Ｖｆ_ｉ （式３）
を連立させて解く。すなわち、２点（Ｖｂ_ｉ−１，Ｉｅ_ｉ−１）および（Ｖｂ_ｉ，Ｉｅ_ｉ）を通る直線Ｖｂ＝Ｒｂ_ｉ・Ｉｅ＋Ｖｆ_ｉを決定する。

工程Ｍ１７：自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧をこれらの最適値Ｒｂ_ｉおよびＶｆ_ｉに設定する。

以上がメインルーチンの全工程である。これらの工程により、カソードの消耗に関わらず、電子ビーム７の電流密度むらを小さく、すなわち電流密度均一性を高く保つことができる。

次に、サブルーチン（図５（ｂ））について説明する。同ルーチンの制御は制御装置２８により、同ルーチンに関わる数値の記憶は記憶装置２９に、それらに関する演算は演算装置３０による。

工程Ｓ１：固定バイアス電圧を使用上の最大値に設定する。

工程Ｓ２：電流密度Ｊの分布を測定する。その測定は工程Ｍ１２の方法と同じ方法による。

工程Ｓ３：上記分布から電流密度むらＵを計算し、固定バイアス電圧の値とともに記憶する。その計算は工程Ｍ１３の方法と同じ方法による。

工程Ｓ４：固定バイアス電圧が使用上の最小値かどうか判定する。最小値でなければ工程Ｓ５に進むが、最小値であれば工程Ｓ６に進む。

工程Ｓ５：固定バイアス電圧を1ステップだけ減ずる。

工程Ｓ６：工程Ｓ３にて記憶された電流密度むらＵと固定バイアス電圧のデータから、固定バイアス電圧の最適値、すなわち電流密度むらＵが最小となる固定バイアス電圧の値を特定する。

以上がサブルーチンの全工程である。これらの工程により、固定バイアス電圧を振りながら電子ビーム７の電流密度むらＵを測定し、固定バイアス電圧の最適値、すなわち同ビームの電流密度むらＵが最小となる固定バイアス電圧の値を特定することができる。

上記メインルーチンおよびサブルーチンの実行により上記バイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅが変化する様子を、図７に示す。ただし、便宜上、バイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅの符号は正とする。すなわち、バイアス電圧Ｖｂの値が正の向きに大きいとき、バイアスが深い。

図７中、３点（Ｖｂ_０，Ｉｅ_０）、（Ｖｂ_０’，Ｉｅ_０’）、および（Ｖｂ_１，Ｉｅ_１）は、それぞれ、上記バイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅを表す点（Ｖｂ，Ｉｅ）の、工程Ｍ５（ｉ＝０）の直後、工程Ｍ１７（ｉ＝１）の直前、工程Ｍ１７（ｉ＝１）の直後における座標を表す。また、２点（Ｖｂ_０，Ｉｅ_０）および（Ｖｂ_１，Ｉｅ_１）を通る直線は、工程Ｍ１６で決定される直線Ｖｂ＝Ｒｂ_１・Ｉｅ＋Ｖｆ_１に相当する。同直線は、自己バイアス電圧の最適値Ｒｂ_１・Ｉｅと固定バイアス電圧の最適値Ｖｆ_１の和を表すと解釈できる。

上記点（Ｖｂ，Ｉｅ）は、まず、カソード１の消耗とともに点（Ｖｂ_０，Ｉｅ_０）から点（Ｖｂ_０’，Ｉｅ_０’）に移動する。図７から分かるようにＶｂ_０’＜Ｖｂ_１であるから、点（Ｖｂ_０’，Ｉｅ_０’）においては、バイアスが浅い。従って、この点における電流密度分布は凹型となる（図２（ａ）参照）。

上記点（Ｖｂ，Ｉｅ）は次に、自己バイアス抵抗と固定バイアス抵抗が最適値に設定された結果、点（Ｖｂ_０’，Ｉｅ_０’）から点（Ｖｂ_１，Ｉｅ_１）に移動する。ただし、その移動は、図７中の左側の破線に沿う。同図中の破線は、エミッション電流のバイアス電圧依存性を表す。

上記点（Ｖｂ_０’ ，Ｉｅ_０’）が点（Ｖｂ_１，Ｉｅ_１）に一致しないのは、工程Ｍ１から工程Ｍ１７の直前までは、自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧の値がそれぞれこれらの最適値Ｒｂ_１およびＶｆ_１に一致していないことによる。

しかし、もし工程Ｍ５以前にＲｂ_０がＲｂ_１に一致していたとすれば、カソード１の消耗に伴う上記点（Ｖｂ，Ｉｅ）の移動は、近似的に上記直線Ｖｂ＝Ｒｂ_１・Ｉｅ＋Ｖｆ_１に沿うはずである。そしてこのことは、工程Ｍ１５以降にも当てはまるはずである。これが、工程Ｍ１６にて決定される自己バイアス抵抗および固定バイアス電圧の値Ｒｂ_１およびＶｆ_１がそれぞれの最適値となる所以である。

上記ルーチンにおいては、Ｒｂ_０は自己バイアス抵抗の使用上の最小値（工程Ｍ１）としたが、その代わりに、経験的に得られた自己バイアス抵抗の最適値としてもよい。そのようにすれば、上記点（Ｖｂ_０’ ，Ｉｅ_０’ ）は点（Ｖｂ_１ ，Ｉｅ_１）に近づく。すなわち、工程Ｍ５以降、電流密度均一性の高い状態が長く続く。

自己バイアス抵抗のこのような最適値としては、過去に得られたバイアス電圧およびエミッション電流の最適値Ｖｂ_ｉおよびＩｅ_ｉ（ｉ＝０、１、２、・・・）に対する回帰直線Ｉｅ＝Ｖｂ／Ｃ−Ｄ／Ｃすなわち
Ｖｂ＝Ｃ・Ｉｅ＋Ｄ （式４）
の一次項の係数Ｃを選択すればよい。これは、（式４）の第１項および第２項が、それぞれ、自己バイアス電圧の最適値、および固定バイアス抵抗の最適値に相当することによる。同直線を、バイアス電圧およびエミッション電流の最適値Ｖｂ_ｉおよびＩｅ_ｉ（ｉ＝０、１、２、・・・）とともに、図８に示す。ただし、便宜上、バイアス電圧Ｖｂおよびエミッション電流Ｉｅの符号は正とする。

もし上記最適値の標本数を２に限定すれば、上記手法は、工程Ｍ１６の手法すなわち２点（Ｖｆ_ｉ−１，Ｉｅ_ｉ−１）および（Ｖｆ_ｉ，Ｉｅ_ｉ）を通る直線Ｖｂ＝Ｒｂ_ｉ・Ｉｅ＋Ｖｆ_ｉを決定する手法と等価である。つまり、工程Ｍ１６で決定される直線は、上記回帰直線の特別な例である。

以上で示したように、本発明においては、自己バイアス抵抗と固定バイアス電圧を、カソード１の消耗の度合いの異なる複数の時点におけるバイアス電圧とエミッション電流の最適値に対する回帰直線から得られる最適値に設定する。そのため、カソード１の消耗に関わらず、電子ビーム７の電流密度均一性を高く保つことができる。

１…カソード
２…アノード
３…グリッド
４…カソード加熱電源
５…加速電圧源
６…自己バイアス抵抗器
７…電子ビーム
８…クロスオーバー
９…固定バイアス電圧源
１０…エミッション電流計
１１…照射レンズ
１２…第１の成形開口板
１３…ブランカー
１４…照射アライナー
１５…ブランキング開口板
１６…被描画材料
１７…アライナー駆動アンプ
１８…成形レンズ
１９…第２の成形開口板
２０…成形偏向器
２１…第１の電子ビーム電流計
２２…縮小レンズ、
２３…対物レンズ
２４…対物偏向器
２５…材料ステージ
２６…ファラデーカップ
２７…第２の電子ビーム電流計
２８…制御装置
２９…記憶装置
３０…演算装置

Claims (3)

1. 電子を放出するカソードと、
   該カソードから放出された電子を加速するためのアノードと、
   前記カソードから生じた電子ビームのクロスオーバーを結ぶとともに前記カソードから流れるエミッション電流を制限するためのグリッドと、
   前記カソードを加熱するためのカソード加熱電源と、
   前記グリッドと前記カソード間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧発生部であって、自己バイアス抵抗器と、固定バイアス電圧を印加するための固定バイアス電圧印加手段とを備え、
   前記自己バイアス抵抗器の抵抗すなわち自己バイアス抵抗と前記エミッション電流との積を自己バイアス電圧とし、
   該自己バイアス電圧と前記固定バイアス電圧との和を前記バイアス電圧としたバイアス電圧発生部と、
   からなる電子銃およびその駆動装置であって、
   前記クロスオーバーから発散する電子ビームの電流密度均一性を最高とするバイアス電圧の値を前記バイアス電圧Ｖｂの最適値とし、
   前記バイアス電圧を前記最適値に一致させたときに流れるエミッション電流の値を前記エミッション電流Ｉｅの最適値とし、
   前記カソードの消耗の度合いの異なる複数の時点におけるこれらの最適値に対する回帰直線Ｉｅ＝Ｖｂ／Ｃ−Ｄ／ＣすなわちＶｂ＝Ｃ・Ｉｅ＋Ｄの一次項の係数Ｃおよび定数項Ｄと前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧とを各々一致させたことを特徴とする電子銃およびその駆動装置。
2. 前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧を可変とした請求項１記載の電子銃およびその駆動装置。
3. 請求項２記載の電子銃およびその駆動装置に対する制御方法であって、
   前記カソードの消耗の度合いの異なる複数の時点において前記電子ビームの電流密度均一性を測定する第１の工程と、
   前記複数の時点における前記バイアス電圧およびエミッション電流の最適値を特定し該最適値を記憶する第２の工程と、
   前記最適値に対する前記回帰直線を決定する第３の工程と、
   前記一次項の係数Ｃおよび定数項Ｄに前記自己バイアス抵抗および前記固定バイアス電圧を各々一致させる第４の工程と、
   からなる電子銃およびその駆動装置の制御方法。

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