JP2016197503A - 電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【目的】電子銃から放出された電子ビームのビーム成形面上における電流密度分布の一様性を向上させることが可能な電子ビーム装置を提供する。【構成】本発明の一態様の電子ビーム装置は、電子放出面が平面に限定されたカソード１０と、カソードの材料よりも仕事関数の大きい材料を用いた、かかる平面の電子放出面を残して、電子放出面の周囲を覆うように配置されたカソードカバー１６と、カソードから放出された電子ビームを通過させる第１の開口部が形成され、電子ビームの電位に対して相対的に正側の電位に保持されたアノード１４と、カソードとアノードとの間に配置されたウェネルト１２と、アノード電極を通過した電子ビームを屈折させる照明レンズ２０２と、アノード電極とコリメータレンズとの間に配置され、カソードとウェネルト電極とアノード電極とによって形成されるレンズ作用を及ぼす電界の球面収差を補正する球面収差補正装置２１２と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム装置に係り、例えば、ステージ上の試料にマルチ荷電粒子ビームを照射することによりパターンを描画するマルチビーム描画装置に関する。

半導体デバイスの微細化の進展を担うリソグラフィ技術は半導体製造プロセスのなかでも唯一パターンを生成する極めて重要なプロセスである。近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体デバイスに要求される回路線幅は年々微細化されてきている。ここで、電子線（電子ビーム）描画技術は本質的に優れた解像性を有しており、ウェハ等へ電子線を使って描画することが行われている。

例えば、マルチビームを使った描画装置がある。１本の電子ビームで描画する場合に比べて、マルチビームを用いることで一度に多くのビームを照射できるのでスループットを大幅に向上させることができる。かかるマルチビーム方式の描画装置では、例えば、電子銃から放出された電子ビームを複数の穴を持ったマスクに通してマルチビームを形成し、各々、ブランキング制御され、遮蔽されなかった各ビームが試料上の所望の位置へと照射される（例えば、特許文献１参照）。

電子ビーム描画装置や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子ビーム装置では、ビーム形状を成形するビーム成形面上の電流密度分布の一様性が高いことが望まれる。電流密度分布の一様性が高ければ、その分、利用可能なビーム領域を大きくできるからである。かかる問題は、シングルビームを用いる装置およびマルチビームを用いる装置において共に問題となる。そして、シングルビームよりも多数のビームを用いるマルチビーム装置においてより深刻な問題となる。例えば、マルチ電子ビーム描画装置では、マルチビームを形成するマスク面（ビーム成形面）上の電流密度分布の一様性が高いことが望まれる。電流密度分布が一定ではない電子ビームからマルチビームを形成すると、中央部と端部とで電流密度が異なるので、同じ照射量のビームを照射する場合でも照射時間が異なってしまう。よって、電流密度分布が一定なビーム領域部分を利用することになる。従来の電子銃では、マスク面上の電流密度分布がガウス分布になるため、電流密度分布の一様性が低い。よって、マルチビーム形成に利用できるビームの電流は、電子銃から放出されるエミッション電流に比べて非常に小さいといった問題があった。そのため、マルチビーム描画装置でのスループットを向上させるためには、電子銃駆動電源の出力電流を大きくしなければならないといった問題があった。

特許第４９７５０９５号公報

"Ｄｅｌｔａ型新球面収差補正装置"，沢田英敬他著，社団法人日本顕微鏡学会，顕微鏡Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３（２０１０）

そこで、本発明の一態用は、電子銃から放出された電子ビームのビーム成形面上における電流密度分布の一様性を向上させることが可能な電子ビーム装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の電子ビーム装置は、
電子放出面が平面に限定されたカソードと、
カソードの材料よりも仕事関数の大きい材料を用いた、かかる平面の電子放出面を残して、電子放出面の周囲のカソードの表面を覆うように配置されたカバー部材と、
カソードから放出された電子ビームを通過させる第１の開口部が形成され、電子ビームの電位に対して相対的に正側の電位に保持されたアノード電極と、
カソードとアノードとの間に配置されたウェネルト電極と、
アノード電極を通過した電子ビームを屈折させるコリメータレンズと、
アノード電極とコリメータレンズとの間に配置され、カソードとウェネルト電極とアノード電極とによって形成されるレンズ作用を及ぼす電界の球面収差を補正する球面収差補正装置と、
を備えたことを特徴とする。

また、球面収差補正装置による結像点の位置が、コリメータレンズの焦点位置になるように、球面収差補正装置とコリメータレンズとが配置されると好適である。

また、複数の第２の開口部が形成され、複数の第２の開口部全体が含まれる領域にコリメータレンズを通過した電子ビームの照射を受け、複数の第２の開口部を電子ビームの一部がそれぞれ通過することによりマルチビームを形成する成形アパーチャアレイ部材と、
複数の第２の開口部を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームのブランキング偏向を行う複数のブランカーが配置されたブランキングアパーチャアレイ部と、
第３の開口部が形成され、マルチビームのうち複数のブランカーによってビームＯＦＦの状態になるように偏向された各ビームを第３の開口部から外れた位置にて遮蔽し、ビームＯＮの状態になる各ビームを第３の開口部から通過させる制限アパーチャ部材と、
をさらに備えると好適である。

また、空間電荷制限領域になるカソード温度とバイアス電圧との組合せに、カソード温度とバイアス電圧とを制御する制御部をさらに備えると好適である。

また、球面収差補正装置として、デルタ型球面収差補正装置を用いると好適である。

本発明の一態様によれば、電子銃から放出された電子ビームのビーム成形面上における電流密度分布の一様性を向上させることができる。

実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。 実施の形態１における電子銃と高圧電源回路の回路構成の一例を示す図である。 実施の形態１の比較例におけるカソードと電子軌道の一例を示す図である。 実施の形態１の比較例となる従来の電子軌道と理想的な電子軌道とを説明するための図である。 実施の形態１におけるカソードと電子軌道の一例を示す図である。 実施の形態１の構成による電子軌道を説明するための図である。 実施の形態１におけるカソード温度とバイアス電圧との関係の一例を示す図である。 実施の形態１における温度制限領域と空間電荷領域とを説明するための概念図である。 実施の形態１におけるカソードとカソードカバーの他の一例を示す図である。 実施の形態１における成形アパーチャアレイ部材の構成を示す概念図である。 実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ部の構成を示す断面図である。 実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ部のメンブレン領域内の構成の一部を示す上面概念図である。 実施の形態１における描画順序を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における描画装置の構成を示す概念図である。図１において、描画装置１００は、描画部１５０と制御部１６０を備えている。描画装置１００（電子ビーム装置の一例）は、マルチ電子ビーム描画装置の一例である。描画部１５０は、電子鏡筒１０２と描画室１０３を備えている。電子鏡筒１０２内には、電子銃２０１、球面収差補正装置２１２、照明レンズ２０２（コリメータレンズ）、成形アパーチャアレイ部材２０３、ブランキングアパーチャアレイ部２０４、縮小レンズ２０５、制限アパーチャ部材２０６、対物レンズ２０７、及び、偏向器２０８が配置されている。描画室１０３内には、ＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、描画時には描画対象基板となるマスク等の試料１０１が配置される。試料１０１には、半導体装置を製造する際の露光用マスク、或いは、半導体装置が製造される半導体基板（シリコンウェハ）等が含まれる。また、試料１０１には、レジストが塗布された、まだ何も描画されていないマスクブランクスが含まれる。ＸＹステージ１０５上には、さらに、ＸＹステージ１０５の位置測定用のミラー２１０が配置される。

また、縮小レンズ２０５と対物レンズ２０７は、共に、電磁レンズで構成され、磁場が逆方向で励磁の大きさが例えば等しくなるように配置される。縮小レンズ２０５と対物レンズ２０７によって縮小光学系が構成される。

電子銃２０１は、熱電子放出型のカソード１０と、ウェネルト１２（ウェネルト電極）と、アノード１４（アノード電極）と、カソードカバー１６と、を有する。ウェネルト１２は、カソード１０とアノード１４との間に配置される。また、アノード１４には、カソード１０から放出された電子ビーム２００を通過させる開口部１５（第１の開口部）が形成されている。アノード１４は、接地され、電位がグランド電位に設定されている。言い換えれば、アノード１４は、電子ビーム２００の電位に対して相対的に正側の電位に保持される。電子銃２０１には、高圧電源回路１２０が接続される。高圧電源回路１２０は、カソード１０とアノード１４間に加速電圧を印加することになる。加速電圧は、カソード１０に、グランド電位のアノード１４に対して負の電位を印加する。また、高圧電源回路１２０は、ウェネルト１２に負のバイアス電圧を印加することになる。

制御部１６０は、制御計算機１１０、メモリ１１２、高圧電源回路１２０、収差補正制御回路１２２、レンズ制御回路１２４、偏向制御回路１３０、ステージ位置検出器１３９及び磁気ディスク装置等の記憶装置１４０を有している。制御計算機１１０、メモリ１１２、高圧電源回路１２０、収差補正制御回路１２２、レンズ制御回路１２４、偏向制御回路１３０、ステージ位置検出器１３９及び記憶装置１４０は、図示しないバスを介して互いに接続されている。高圧電源回路１２０、収差補正制御回路１２２、レンズ制御回路１２４、及び偏向制御回路１３０は、制御計算機１１０によって制御される。また、制御計算機１１０に入力された情報、及び制御計算機１１０内で演算された情報は、メモリ１１２に格納される。また、複数の図形パターンを含むチップのチップデータ（描画データ）が外部から描画装置１００に入力され、記憶装置１４０に格納される。制御計算機１１０は、かかる描画データを記憶装置１４０から読み出し、複数段のデータ処理を行うと共に、描画シーケンスに沿って高圧電源回路１２０、収差補正制御回路１２２、レンズ制御回路１２４、及び偏向制御回路１３０を制御する。

ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。描画装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。例えば、ステージ駆動系の制御回路や、偏向器２０８用のアンプを含む制御回路等の図示が省略されているが、制御部１６０がこれらを備えていることは言うまでもない。

図２は、実施の形態１における電子銃と高圧電源回路の回路構成の一例を示す図である。高圧電源回路１２０内では、加速電圧電源６２とウェネルト用電源６４とヒータ用電源６６とが配置される。加速電圧電源６２の陰極（−）側が、電子銃２０１内でヒータ５９を介してカソード１０に接続される。加速電圧電源６２の陽極（＋）側は、電子銃２０１内のアノード１４（アノード電極）に接続されると共にグランド接続されている。また、加速電圧電源６２の陽極（＋）とアノード１４との間に電流計７０が直列に接続されている。また、加速電圧電源６２の陰極（−）は、ウェネルト用電源６４の陽極（＋）にも分岐して接続され、ウェネルト用電源６４の陰極（−）は、カソード１０とアノード１４との間に配置されたウェネルト１２（ウェネルト電極）に接続される。ヒータ用電源６６は、ヒータ５９に接続される。そして、電子ビーム放出時には、電子銃２０１の配置雰囲気が図示しない真空ポンプによって所定の圧力の真空状態に維持された後、ウェネルト１２にウェネルト用電源６４から一定の負のウェネルト電圧（バイアス電圧）が印加され、カソード１０に加速電圧電源６２から一定の負の加速電圧が印加された状態で、ヒータ５９によりカソード１０を加熱すると、カソード１０から電子（電子群）が放出され、放出電子（電子群）は加速電圧によって加速されて電子ビームとなってアノード１４に向かって進む。

図３は、実施の形態１の比較例におけるカソードと電子軌道の一例を示す図である。カソード１０の形状は、例えば、頂点が下に向かった円錐形の途中を水平面で切り取った円錐台形状に形成される。そのため、カソード１０は、例えば水平面と円錐面となる斜面とを備える。実施の形態１の比較例では、熱放出型カソードの下面の平面部（水平面）の他に、かかる下面につながる側面（斜面）が電子放出面となる。このようなカソード形状では、カソード中心（光軸）から離れるほどカソード表面に印加される電界が急激に小さくなる。よって、比較例に示すカソードでは、電子の放出段階において電流密度の一様性がそもそも低くなってしまう。

これに対して、実施の形態１のカソード１０は、図２に示すように、円筒形の上部と円錐形の頂部を水平に切り取って下面を平面とした円錐台形状の下部とを組み合わせた形状に形成されている。そして、円錐台形状のカソード１０の下面（平面）を残して、下面（平面）の周囲のカソード１０の表面（側面の斜面）と円筒形の上部の側面とがカソードカバー１６（カバー部材）によって覆われている。カソードカバー１６は、下面が平面の導体であって、カソード１０の材料よりも仕事関数の大きい材料を用いればよい。カソード１０、及びカソードカバー１６の下面は、同一平面になっている。このようにカソード１０、及びカソードカバー１６を一体構造とし、その下面を平面としているので、カソード面に印加される電界は、カソード中心(光軸)から離れた位置でも大きく減少せず、カソード中心とほぼ同じ電界になる。このためカソードから放出される電流密度分布は、ほぼ一様になる。

なお、カソード１０の材料は、一般に単結晶であり、焼結されてもよい、或いは焼結されなくてもよい幾つかの適した種類の結晶材料のうちのいずれかから形成されてもよく、またはそのような材料を含んでもよい。使用されてもよい典型的な材料としては、単結晶六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）、単結晶六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）、単結晶炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、焼結ＬａＢ_６、焼結ＣｅＢ_６、焼結ＨｆＣ、焼結タングステン−バリウム−酸素−Ａｌ（Ｗ−Ｂａ−Ａｌ−Ｏ）、焼結スカンデート（Ｂａ−Ｓｃ−Ｗ−Ｏ）などが挙げられるが、これらに限定されない。なお、「焼結」材料は、熱および／または圧力に晒されることにより結合される粒子から形成される材料である。そして、カソードカバー１６の材料には、導体であって、これらのカソード１０の材料よりも仕事関数の大きい材料として、例えば、カーボン材を用いると好適である。よって、実施の形態１のカソード１０では、電子放出面が光軸方向に直交する平面（下面）に限定されることになる。よって、電子の放出段階において電流密度の一様性を保つことができる。

図４は、実施の形態１の比較例となる従来の電子軌道と理想的な電子軌道とを説明するための図である。図４（ａ）では、従来の電子銃から放出される電子の電子軌道の一例を示している。従来のカソードでは、上述したように電子の放出段階（放出時点）から電流密度が一様ではない。よって、図４（ａ）に示すように、光軸からの距離ｒに対して電流密度Ｊが一様ではない。また、カソードとウェネルト電極とアノード電極とによってレンズ作用を及ぼす電界が形成される。かかる電界の作用によって、カソードから放出された電子はクロスオーバーを形成する。上記レンズ作用を及ぼす電界には、球面収差を発生させる電界の歪みが存在するので、rが大きい位置から放出された電子の電子軌道（例えば電子軌道２）と光軸との交点は、rが小さい位置から放出された電子の電子軌道（例えば電子軌道１）と光軸との交点よりもカソード側（上流側）に位置することになる。すなわち、電子軌道が光軸上の１点で交わらない。よって、図４（ａ）に示すように、クロスオーバー後は、電子軌道の光軸から角度αによって、電子数が大きく異なる。これらの影響によって、従来の電子銃から放出される電子ビームは、コリメータレンズによって平行光に屈折させられて例えば成形アパーチャアレイ部材２０３面上に照射された場合に、電流密度分布がガウス分布に近い状態となる。言い換えれば、電子の放出段階よりもさらに電流密度分布は大きく変化することになる。

マルチ電子ビーム描画装置では、成形アパーチャアレイ部材２０３面上の電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）の一様性が良いことが要求される。Ｒは、成形アパーチャアレイ部材２０３面における光軸からの距離を示す。たとえば、ガウス分布で定義される電流密度の一様性を表わす量ｎが、成形アパーチャアレイ部材２０３面上で例えば０．９以上であることが要求される。成形アパーチャアレイ部材２０３面上の電流密度分布（Ｊ−ｒ分布）がガウス分布に近い形状の場合、電流密度の一様性が良い領域を通過するビームの電流が、カソードから放出される全電子の電流（以下、エミッション電流と呼ぶ）に比べて非常に小さくなる。例えば、電流密度分布がガウス分布の場合、ｎ以上の一様性を持つビーム領域の電流Ｉ（ｎ）と、エミッション電流Ｉｔの関係は次の式（１）で表わされる。
（１） Ｉ（ｎ）＝Ｉｔ（１−ｎ）

例えば、ｎ＝０．９の場合、Ｉ（ｎ）＝０．１×Ｉｔとなる。すなわちエミッション電流の１０％の電流のみを成形アパーチャアレイ部材２０３面を通過するビームとして使用し、残りの９０％の電流は使用しないことになる。そのため、従来の電子銃を用いたマルチ電子ビーム描画装置では、加速電圧電源の出力電流が非常に大きくなる。例えば、成形アパーチャアレイ部材２０３面を通過するマルチビーム全体のビーム電流として５００μＡが必要な場合、加速電圧電源の出力電流は５ｍＡとなる。一般に出力電流が大きいほど、短期電圧変動が小さく、かつ、長期電圧ドリフトが小さい加速電圧電源（安定性の良い加速電圧電源）を製作することが難しい。出力電流が５ｍＡと大きくなると、マルチ電子ビーム描画装置に要求される高い安定性をもつ加速電圧電源の製作は困難となるという問題があった。

理想的には、図４（ｂ）に示すように、カソードから電子が放出される放出段階での電流密度分布を一様にでき、かつ各電子の電子軌道が光軸上の１点で交わるようにできれば、成形アパーチャアレイ部材２０３面上の電流密度分布（Ｊ−ｒ分布）を一様にできる。言い換えれば、図４（ｂ）に示すように、カソードの電子放出面上における光軸からの距離ｒに対して電流密度が一様になるように電子を放出させる。そして、クロスオーバー後は、電子軌道の光軸からの角度αによらず電子数を一定にさせる。これらができれば、成形アパーチャアレイ部材２０３面上の電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）を一様にできる。そこで、実施の形態１では、カソード１０から電子が放出される放出段階での電流密度分布の一様性を高めると共に、カソード１０とウェネルト１２とアノード１４とによって形成されるレンズ作用を及ぼす電界で生じる球面収差の作用の低減を図る。

図５は、実施の形態１におけるカソードと電子軌道の一例を示す図である。カソード１０とウェネルト１２とアノード１４とによってレンズ作用を及ぼす電界１８が形成される。カソード１０の下面（平面）から放出された電子は、点線で示す等電位線に、できるだけ直交するように進む。そのため、カソード１０の下面（平面）の光軸に近い位置から放出された電子の軌道１７ｂよりも光軸から離れた位置から放出された電子の軌道１７ａの方が大きく曲げられることになる。よって、電子の軌道１７ａの方が電子の軌道１７ｂよりもカソード１０側（上流側）で光軸と交わることになる。すなわち、電子軌道が光軸上の１点で交わらない。すなわち、かかる電界１８レンズ作用によって球面収差が生じている。しかしながら、実施の形態１のカソード１０は、図５に示すように、カソード１０の下面（平面）を残して、下面（平面）の周囲の表面（側面の斜面）がカソードカバー１６（カバー部材）によって覆われている。カソード１０とカソードカバー１６の作る下面は同一平面になっているため、カソード１０の下面に近い領域の等電位線１９は、カソード１０の下面とほぼ平行になっている。このため、カソード１０の下面（平面）に印加される電界はほぼ一様となり、カソード１０から放出される電子の電流密度分布はほぼ一様にとなる。これらにより、電子の放出段階（放出時点）では、電流密度分布（Ｊ−ｒ分布）を実質的に一様にできる。よって、電界１８のレンズ作用による球面収差が解消できれば、成形アパーチャアレイ部材２０３面上の電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）を一様にできる。

図６は、実施の形態１の構成による電子軌道を説明するための図である。図６（ａ）に示すように、カソード１０の下面（平面）を残して、下面（平面）の周囲の表面（側面の斜面）がカソードカバー１６（カバー部材）によって覆われている。よって、図６（ｂ）に示すように電子の放出段階（放出時点）では、電流密度分布（Ｊ−ｒ分布）を実質的に一様にできる。しかし、カソード１０とウェネルト１２とアノード１４とによってレンズ作用を及ぼす電界１８のレンズ作用によってクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．１）が１点で形成されず、球面収差が生じる。よって、図６（ｂ）に示すように、Ｃ．Ｏ．１形成後は光軸との角度α１によって電子数が異なり、電流密度分布（放出角分布）が一様ではなくなる。

そこで、実施の形態１では、図６（ａ）に示すように、アノード１４と照明レンズ（コリメータレンズ）２０２との間に球面収差補正装置２１２を配置する。球面収差補正装置として、例えばデルタ型球面収差補正装置を用いると好適である。或いは、その他の球面収差補正装置を用いてもよい。例えば、二段ヘキサポール型球面収差補正装置を用いても好適である。球面収差補正装置２１２の構成は、既に知られている技術を用いた構成で構わない。収差補正制御回路１２２によって球面収差補正装置２１２を構成するレンズ等に流す電流等が制御されることによって、球面収差補正装置２１２は、カソード１０とウェネルト１２とアノード１４とによって形成されるレンズ作用を及ぼす電界１８の球面収差を補正する。そして、球面収差補正装置２１２による結像点で電子ビームにクロスオーバー（Ｃ．Ｏ．２）を形成させる。球面収差補正装置２１２によって球面収差が補正されるので、Ｃ．Ｏ．２を１点で形成させることができる。これにより、図６（ｂ）に示すように、Ｃ．Ｏ．２形成後は光軸との角度α２に対する電子数（放出角分布）を一定に近づけることができる。そして、球面収差補正装置２１２による結像点の位置が、照明レンズ（コリメータレンズ）２０２の焦点位置になるように、球面収差補正装置２１２と照明レンズ（コリメータレンズ）２０２とを配置する。言い換えれば、レンズ制御回路１２４によって、照明レンズ（コリメータレンズ）２０２の焦点位置を球面収差補正装置２１２による結像点の位置に合わせるように照明レンズ（コリメータレンズ）２０２に流す電流値を制御する。或いは、収差補正制御回路１２２とレンズ制御回路１２４とにより、球面収差補正装置２１２による結像点の位置が、照明レンズ（コリメータレンズ）２０２の焦点位置になるように調整すればよい。そして、照明レンズ（コリメータレンズ）２０２がアノード１４を通過した電子ビームを平行光に屈折させ、成形アパーチャアレイ部材２０３面に電子ビームを照射する。これにより、図６（ｂ）に示すように、成形アパーチャアレイ部材２０３面（ＢＡＡ面）上に照射される電子ビーム２００の電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）を一様に近づけることができる。

以上のように、実施の形態１では、光軸方向に直交する平面にカソード１０の電子放出面を限定し、球面収差補正装置２１２により電界１８の球面収差を補正させる。これらの相乗効果により、照明レンズ（コリメータレンズ）２０２が、電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）が一様の電子ビームを成形アパーチャアレイ部材２０３面に照射できる。

例えばｎ＝０．９以上の均一性を有する円形領域のビーム電流が、成形アパーチャアレイ部材２０３面を通過するマルチビーム全体のビーム電流として、例えば５００μＡ必要であるとする。ガウス分布に沿った電流密度分布であった従来の手法では、加速電圧電源６２の出力電流が例えば５ｍＡ必要であったのに対して、実施の形態１によれば、１ｍＡで済ますことができる。言い換えれば、実施の形態１によれば、描画装置１００で使用可能な電流密度分布（Ｊ−Ｒ分布）が一様の電子ビームの割合を例えば１０％から５０％に増加させることができる。

なお、電子銃２０１が電子を放出する場合に、高圧電源回路１２０（制御部）は、空間電荷制限領域になるカソード温度とバイアス電圧との組合せになるように、カソード温度とバイアス電圧とを制御する。

図７は、実施の形態１におけるカソード温度とバイアス電圧との関係の一例を示す図である。高圧電源回路１２０（制御部）は、エミッション電流を一定に保つために、カソード温度とバイアス電圧とを制御する。エミッション電流が一定であれば、カソード温度が変化してもバイアス電圧が一定になる空間電荷制限領域が存在する。ある仕事関数φを持ったカソード１０では、電子放出面の面積Ｓが固定されているので、カソード温度Ｔを上昇させていくと、全放出電流Ｉは、例えばリチャードソン・ダッシマンの式に従って増加する。しかし、カソード温度Ｔをさらに増加させると、温度制限領域から空間電荷領域へと移行し、空間電荷領域では、エミッション電流（全放出電流Ｉ）は、一定値となる。

図８は、実施の形態１における温度制限領域と空間電荷領域とを説明するための概念図である。カソード温度がある制限値より低い場合、図８（ａ）に示すように、カソード１０から放出された電子８０はすべてアノード１４方向に進む。かかる状態では、放出される電子数はカソード温度の関数となる。かかる状態のカソード温度領域が温度制限領域となる。これに対して、カソード温度が高くなり、制限値を超えると、カソード１０から放出された電子の数が増え、カソード１０の前面に空間電荷８２と呼ばれる電子雲が形成される。空間電荷８２はカソード１０からの電子放出現象に負のフィードバック効果をもたらす。かかる状態では、放出される電子数はカソード温度に依存しなくなる。かかる状態のカソード温度領域が空間電荷領域となる。

図９は、実施の形態１におけるカソードとカソードカバーの他の一例を示す図である。図１では、円筒形の上部と円錐形の頂部を水平に切り取って下面を平面とした円錐台形状の下部とを組み合わせたカソード１０と円錐側面となる斜面と円筒側面とを覆った外周部が円筒状のカソードカバー１６を示したが、これに限るものではない。図９（ａ）では、円筒状のカソード１０ａと円筒の側面側の曲面をカソードカバー１６ａで覆った場合を示している。また、円筒状のカソード１０ａの下面（平面）が電子放出面Ｓとなる。図９（ｂ）では、カソード１０ｂの形状は図１と同様であるが、カソードカバー１６ｂでは、図１に示したカソードカバー１６のうち、円錐面となる斜面部分の外周部が内周側と同様に円錐形になった形状を示している。図９（ｃ）では、直径が大きい円筒状の上部部材の下に直径が小さい円筒状の下部部材を繋げた直径の異なる２段の円筒状のカソード１０ｂを２段の各円筒の側面側の曲面をカソードカバー１６ｂで覆った場合を示している。また、カソード１０ｂの直径が小さい円筒の下面（平面）が電子放出面Ｓとなる。図９（ｄ）では、カソード１０ｄの形状は図１と同様であるが、カソードカバー１６ｄでは、図１に示したカソードカバー１６のうち、円錐側面となる斜面部分にカソード１０ｄとカソードカバー１６ｄとの間に隙間Ｇを形成した形状を示している。かかる構成では、カソード１０ｄの円錐側面からも電子が放出されることになるが、下面（平面）の電子放出面Ｓの面積の割合がかかる下面（平面）上での隙間Ｇの面積に比べて十分大きければ電流密度分布への影響を無視できる。かかる割合については、適宜調整すればよい。

次に、かかる電子銃２０１及び球面収差補正装置２１２によって、電流密度分布が一様の電子ビームが照明レンズ（コリメータレンズ）２０２によって成形アパーチャアレイ部材２０３面に照射された後の動作について重点をおいて説明する。

図１０は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ部材の構成を示す概念図である。図１０（ａ）において、成形アパーチャアレイ部材２０３には、縦（ｙ方向）ｍ列×横（ｘ方向）ｎ列（ｍ，ｎ≧２）の穴（開口部）２２が所定の配列ピッチでマトリクス状に形成されている。図１０（ａ）では、例えば、５１２×８列の穴２２が形成される。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。ここでは、ｙ方向の各列について、ｘ方向にＡからＨまでの８つの穴２２がそれぞれ形成される例が示されている。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチビーム２０が形成されることになる。ここでは、縦横（ｘ，ｙ方向）が共に２列以上の穴２２が配置された例を示したが、これに限るものではない。その他、例えば、縦横（ｘ，ｙ方向）どちらか一方が複数列で他方は１列だけであっても構わない。また、穴２２の配列の仕方は、図１０（ａ）のように、縦横が格子状に配置される場合に限るものではない。図１０（ｂ）に示すように、例えば、縦方向（ｙ方向）１段目の列と、２段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ａだけずれて配置されてもよい。同様に、縦方向（ｙ方向）２段目の列と、３段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ｂだけずれて配置されてもよい。

図１１は、実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ部の構成を示す断面図である。
図１２は、実施の形態１におけるブランキングアパーチャアレイ部のメンブレン領域内の構成の一部を示す上面概念図である。なお、図１１と図１２において、制御電極２４と対向電極２６と制御回路４１，４３の位置関係は一致させて記載していない。ブランキングアパーチャアレイ部２０４は、図１１に示すように、支持台３３上にシリコン等からなる半導体基板３１が配置される。基板３１の中央部は、例えば裏面側から薄く削られ、薄い膜厚ｈのメンブレン領域３０（第１の領域）に加工されている。メンブレン領域３０を取り囲む周囲は、厚い膜厚Ｈの外周領域３２（第２の領域）となる。メンブレン領域３０の上面と外周領域３２の上面とは、同じ高さ位置、或いは、実質的に高さ位置になるように形成される。基板３１は、外周領域３２の裏面で支持台３３上に保持される。支持台３３の中央部は開口しており、メンブレン領域３０の位置は、支持台３３の開口した領域に位置している。

メンブレン領域３０には、図１０に示した成形アパーチャアレイ部材２０３の各穴２２に対応する位置にマルチビームのそれぞれのビームの通過用の通過孔２５（開口部）が開口される。そして、メンブレン領域３０上には、図１１及び図１２に示すように、各通過孔２５の近傍位置に該当する通過孔２５を挟んでブランキング偏向用の制御電極２４と対向電極２６の組（ブランカー：ブランキング偏向器）がそれぞれ配置される。また、メンブレン領域３０上の各通過孔２５の近傍には、各通過孔２５用の制御電極２４に偏向電圧を印加する制御回路４１（ロジック回路）が配置される。各ビーム用の対向電極２６は、グランド接続される。

また、図１２に示すように、各制御回路４１は、制御信号用の例えば１０ビットのパラレル配線が接続される。各制御回路４１は、制御信号用の例えば１０ビットのパラレル配線の他、クロック信号線および電源用の配線が接続される。クロック信号線および電源用の配線はパラレル配線の一部の配線を流用しても構わない。マルチビームを構成するそれぞれのビーム毎に、制御電極２４と対向電極２６と制御回路４１とによる個別ブランキング機構４７が構成される。また、図３の例では、制御電極２４と対向電極２６と制御回路４１とが基板３１の膜厚が薄いメンブレン領域３０に配置される。但し、これに限るものではない。

各通過孔２５を通過する電子ビーム２０は、それぞれ独立にかかる対となる２つの電極２４，２６に印加される電圧によって偏向される。かかる偏向によってブランキング制御される。言い換えれば、制御電極２４と対向電極２６の組は、成形アパーチャアレイ部材２０３の複数の穴２２（開口部）を通過したマルチビームのうちの対応ビームをそれぞれブランキング偏向する。

次に描画装置１００における描画部１５０の動作について説明する。電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２によりほぼ垂直に成形アパーチャアレイ部材２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ部材２０３には、矩形の複数の穴（第２の開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴が含まれる領域を照明する。複数の穴の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ部材２０３の複数の穴をそれぞれ通過することによって、例えば矩形形状の複数の電子ビーム（マルチビーム）２０ａ〜ｅが形成される。かかるマルチビーム２０ａ〜ｅは、ブランキングアパーチャアレイ部２０４のそれぞれ対応するブランカー（第１の偏向器：個別ブランキング機構）内を通過する。偏向制御回路１３０によってブランキング偏向が制御されたブランキングアパーチャアレイ部２０４内の各ブランカーは、それぞれ、個別に通過する電子ビーム２０を偏向する（ブランキング偏向を行う）。

ブランキングアパーチャアレイ部２０４を通過したマルチビーム２０ａ〜ｅは、縮小レンズ２０５によって、縮小され、制限アパーチャ部材２０６に形成された中心の穴（第３の開口部）に向かって進む。ここで、ブランキングアパーチャアレイ部２０４のブランカーによって偏向された電子ビーム２０は、制限アパーチャ部材２０６の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ部材２０６によって遮蔽される。一方、ブランキングアパーチャアレイ部２０４のブランカーによって偏向されなかった電子ビーム２０は、図１に示すように制限アパーチャ部材２０６の中心の穴を通過する。かかる個別ブランキング機構のＯＮ／ＯＦＦによって、ブランキング制御が行われ、ビームのＯＮ／ＯＦＦが制御される。このように、制限アパーチャ部材２０６は、個別ブランキング機構によってビームＯＦＦの状態になるように偏向された各ビームを遮蔽する。そして、ビーム毎に、ビームＯＮになってからビームＯＦＦになるまでに形成された、制限アパーチャ部材２０６を通過したビームにより、１回分のショットのビームが形成される。制限アパーチャ部材２０６を通過したマルチビーム２０は、対物レンズ２０７により焦点が合わされ、所望の縮小率のパターン像となり、偏向器２０８によって、制限アパーチャ部材２０６を通過した各ビーム（マルチビーム２０全体）が同方向に一括して偏向され、各ビームの試料１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。また、例えばＸＹステージ１０５が連続移動している時、ビームの照射位置がＸＹステージ１０５の移動に追従（トラッキング）するように偏向器２０８によって制御される。ＸＹステージ１０５の位置は、ステージ位置検出器１３９からレーザをＸＹステージ１０５上のミラー２１０に向けて照射し、その反射光を用いて測定される。一度に照射されるマルチビーム２０は、理想的には成形アパーチャアレイ部材２０３の複数の穴の配列ピッチに上述した所望の縮小率を乗じたピッチで並ぶことになる。描画装置１００は、各回のトラッキング動作中にＸＹステージ１０５の移動に追従しながらショットビームとなるマルチビーム２０を偏向器２０８によるビーム偏向位置の移動によって１画素ずつ描画制御部７０により制御された描画シーケンスに沿って照射していく描画動作を行う。所望のパターンを描画する際、パターンに応じて必要なビームがブランキング制御によりビームＯＮに制御される。

図１３は、実施の形態１における描画順序を説明するための図である。試料１０１の描画領域３７（或いは描画されるチップ領域）は、所定の幅で短冊上のストライプ領域３５に分割される。そして、各ストライプ領域３５は、複数のメッシュ状の画素領域３６（画素）に仮想分割される。画素領域３６（画素）のサイズは、例えば、ビームサイズ、或いは、それ以下のサイズであると好適である。例えば、１０ｎｍ程度のサイズにすると好適である。画素領域３６（画素）は、マルチビームの１つのビームあたりの照射単位領域となる。

マルチビーム２０で試料１０１を描画する際、マルチビーム２０による１回の照射によって照射領域３４を照射することになる。上述したように、トラッキング動作中にＸＹステージ１０５の移動に追従しながらショットビームとなるマルチビーム２０全体を一括して偏向器２０８によるビーム偏向位置の移動によって１画素ずつ順に連続して照射していく。そして、試料１０１上のどの画素をマルチビームのどのビームが照射するのかは描画シーケンスによって決まる。マルチビームのｘ，ｙ方向にそれぞれ隣り合うビーム間のビームピッチを用いて、試料１０１面上におけるｘ，ｙ方向にそれぞれ隣り合うビーム間のビームピッチ（ｘ方向）×ビームピッチ（ｙ方向）の領域はｎ×ｎ画素の領域（サブピッチ領域）で構成される。例えば、１回のトラッキング動作で、ＸＹステージ１０５が−ｘ方向にビームピッチ（ｘ方向）だけ移動する場合、ｘ方向或いはｙ方向（或いは斜め方向）に１つのビームによって照射位置をシフトしながらｎ画素が描画される。同じｎ×ｎ画素の領域内の他のｎ画素が次回のトラッキング動作で上述したビームとは異なるビームによって同様にｎ画素が描画される。このようにｎ回のトラッキング動作でそれぞれ異なるビームによってｎ画素ずつ描画されることにより、１つのｎ×ｎ画素の領域内のすべての画素が描画される。マルチビームの照射領域内の他のｎ×ｎ画素の領域についても同時期に同様の動作が実施され、同様に描画される。かかる動作によって、照射領域３４内の全画素が描画可能となる。これらの動作を繰り返すことで、対応するストライプ領域３５全体を描画することができる。そして、描画装置１００では、必要な画素に必要な照射量のビームを照射することにより形成される画素パターン（ビットパターン）の組み合わせにより、所望のパターンを描画することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、電子銃から放出された電子ビームのビーム成形面上における電流密度分布の一様性を向上させることができる。よって、加速電圧電源６２を小さくできる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、描画装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての荷電粒子ビーム描画方法及び荷電粒子ビーム描画装置は、本発明の範囲に包含される。

１０ カソード
１２ ウェネルト
１４ アノード
１５ 開口部
１６ カソードカバー
２０ マルチビーム
２０ マルチビーム
２２ 穴
２４ 制御電極
２５ 通過孔
２６ 対向電極
３０ メンブレン領域
３１ 半導体基板
３２ 外周領域
３３ 支持台
３４ 照射領域
３５ ストライプ領域
３６ 画素
３７ 描画領域
４１ 制御回路
４７ 個別ブランキング機構
５９ ヒータ
６２ 加速電圧電源
６４ ウェネルト用電源
６６ ヒータ用電源
７０ 電流計
８０ 電子
８２ 空間電荷
１００ 描画装置
１０１ 試料
１０２ 電子鏡筒
１０３ 描画室
１０５ ＸＹステージ
１１０ 制御計算機
１１２ メモリ
１２０ 高圧電源回路
１２２ 収差補正制御回路
１２４ レンズ制御回路
１３０ 偏向制御回路
１３９ ステージ位置検出器
１４０ 記憶装置
１５０ 描画部
１６０ 制御部
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ部材
２０４ ブランキングアパーチャアレイ部
２０５ 縮小レンズ
２０６ 制限アパーチャ部材
２０７ 対物レンズ
２０８ 偏向器
２１２ 球面収差補正装置
２１０ ミラー

Claims (5)

1. 電子放出面が平面に限定されたカソードと、
   前記カソードの材料よりも仕事関数の大きい材料を用いた、前記平面の前記電子放出面を残して、前記電子放出面の周囲の前記カソードの表面を覆うように配置されたカバー部材と、
   前記カソードから放出された電子ビームを通過させる第１の開口部が形成され、前記電子ビームの電位に対して相対的に正側の電位に保持されたアノード電極と、
   前記カソードと前記アノードとの間に配置されたウェネルト電極と、
   前記アノード電極を通過した電子ビームを屈折させるコリメータレンズと、
   前記アノード電極と前記コリメータレンズとの間に配置され、前記カソードと前記ウェネルト電極と前記アノード電極とによって形成されるレンズ作用を及ぼす電界の球面収差を補正する球面収差補正装置と、
   を備えたことを特徴とする電子ビーム装置。
2. 前記球面収差補正装置による結像点の位置が、前記コリメータレンズの焦点位置になるように、前記球面収差補正装置と前記コリメータレンズとが配置されることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム装置。
3. 複数の第２の開口部が形成され、前記複数の第２の開口部全体が含まれる領域に前記コリメータレンズを通過した電子ビームの照射を受け、前記複数の第２の開口部を前記電子ビームの一部がそれぞれ通過することによりマルチビームを形成する成形アパーチャアレイ部材と、
   前記複数の第２の開口部を通過したマルチビームのうち、それぞれ対応するビームのブランキング偏向を行う複数のブランカーが配置されたブランキングアパーチャアレイ部と、
   第３の開口部が形成され、前記マルチビームのうち前記複数のブランカーによってビームＯＦＦの状態になるように偏向された各ビームを前記第３の開口部から外れた位置にて遮蔽し、ビームＯＮの状態になる各ビームを前記第３の開口部から通過させる制限アパーチャ部材と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の電子ビーム装置。
4. 空間電荷制限領域になるカソード温度とバイアス電圧との組合せに、前記カソード温度と前記バイアス電圧とを制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の電子ビーム装置。
5. 前記球面収差補正装置として、デルタ型球面収差補正装置を用いることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の電子ビーム装置。

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