JP2019164920A

JP2019164920A - 電子銃

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Publication number: JP2019164920A
Application number: JP2018051579A
Authority: JP
Inventors: 安田　洋; Hiroshi Yasuda; 洋安田; 義久大饗; Yoshihisa Daikyo; 達哉柴岡; Tatsuya SHIBAOKA; 英一村田; Hidekazu Murata
Original assignee: PARAM CO Ltd
Current assignee: PARAM CO Ltd
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-19
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Abstract

【課題】電子銃の高輝度化と長寿命化を達成する。【解決手段】主としてＬａＢ６またはＣｅＢ６を元にした電子銃陰極材料１０５を用いた電子銃に関する。電子銃陰極材料１０５を保持する真空室内部に、メタンガスまたはエタンガスを１×１０−４ｐａｓｃａｌ以下の真空分圧となるように流入せしめて、１０００℃から１５００℃の温度範囲で加熱する。【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム描画装置などに用いられる電子銃に関する。

半導体リソグラフィ技術は従来、元図となるマスクを電子ビーム描画装置で作成し、そのマスク画像を光によって半導体基板（ウェハ）に転写する写真製版技術（光リソグラフィ）が主に使われてきた。光リソグラフィ技術では、光の波長が短くなることで解像性が向上する原理から、光の波長は微細化の進展とともに短波長化が進み、ｇ線（波長４３６ｎｍ）からｉ線（波長３６５ｎｍ）と変遷し、微細化、高集積化、コスト低減を果たしてきた。現在は波長が１９３ｎｍのエキシマレーザー光が使われている。今後さらに短波長の１３．４ｎｍの極短紫外線を用いたリソグラフィ技術が開発されている。

一方、マスクは、半導体の微細化の進展に伴って開発コストが増大の一途をたどり、１品種のＬＳＩ当り数億円までになって来ている。電子ビーム描画装置はパターン発生機能を有する特徴からマスク開発に使われてきた。しかし、光の波長以下の転写性を実現する超解像技術の導入や、高集積化に伴うマスクデータの肥大など、光リソグラフィ技術の進展に伴って処理時間が増大し、マスク１層当り数十時間を要するようになってきている。

電子ビーム描画方式は、細く絞った電子ビームによる一筆書きと呼ばれる方式にはじまり、可変矩形方式と呼ばれる、数平方ミクロンを一括描画する方式など、描画方式を発展させてきた。しかし、現行の可変矩形ビームでは、近年マスクパターンがますます微細化するのに同期して、使用できる可変矩形ビームの縦幅と横幅は小さくなっていく。そのためにショット数は加速度的に厖大化し、マスク一層あたり２００時間（８日）以上かかるものも出現している。

そこで、マスク描画処理時間の短縮を通じて、マスク価格の高騰を抑える目的や、高価なマスクを介さないで、電子ビーム描画装置によるウェハへの直接描画を実現する、マスクレスリソグラフィ技術が注目されるようになり、複数の電子ビームを用いて並列に描画処理するマルチビーム型の装置が提案され、処理能力を数十倍以上にすることが期待されている。

マスクレスリソグラフィ技術では、産業上有益な処理能力は、３００ｍｍ直径のウェハを１時間当たり１０枚以上描画処理することが必要とされている。そのためには、電子ビーム１本当たりの処理能力から、略１００本ほどの電子ビームによるマルチ電子ビーム描画装置の実現が求められる。したがって、３００ｍｍウェハ上に１００（１０×１０）本の電子ビームを発生させるには、３０ｍｍピッチ以下で電子ビームを同時に複数発生させる技術が求められる。３０ｍｍピッチ以下で電子ビームを同時に発生させると、隣接する電子銃の電界が電子銃間で互いに影響しあうので、電子銃のサイズは２０ｍｍ以下であることが望ましい。

電子ビーム描画装置の処理能力は、電子ビーム強度に比例し、感光物質であるレジストの感度に反比例する。電子ビーム描画装置では、電子間相互作用のために、大きな電流でビームがぼけてしまうので、電子ビーム１本あたり略１μＡの電流値に制限しなければならない事情がある。

一方、極微細（１５ｎｍから１０ｎｍの線幅）なＬＳＩパターンは、感度が低いレジスト（１００μＣ／ｃｍ^２前後）によらないと、意図した描画精度が得られないと考えられる。これらの制約から、略６００ｃｍ^２ある３００ｍｍウェハは、６０，０００秒以上の描画時間がかかる計算になる。略１００本のマルチコラムではこれを６００秒以下とすることができる。

このような電子ビーム描画装置の電子銃として、従来使用されてきたものはＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の円錐台形形状の熱電子放出型電子銃であった。先端の円錐台形部の直径は５０μｍφであって、円錐台形の傾斜角度は、６０度程度であった。この電子銃は、１×１０^−６ｐａｓｃａｌ以上の真空下において１６００℃程度で加熱をして用いていた。この時の輝度は５０ｋＶで１×１０⁷Ａ／ｃｍ^２ｓｔｅｒａｄｉａｎであり、かなり大きな輝度であったが、１６００℃では、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の昇華によって、７０μｍ／７００時間（１ヶ月）の減耗が発生した。そこで、先端の円錐台形部の直径が最初５０μｍであったものが１０μｍから２０μｍに先鋭化されるので、輝度はさらに大きくなるが、照射均一性が劣化する。すなわち、狭い範囲しか均一に照射されなくなるので、パターン精度が劣化する。このために、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６を使用した電子銃の寿命は１ヶ月程度しかなく、通常半年から１年の寿命が必要である電子ビーム描画装置では、基本的に不十分であった。このために、１０個のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットなどを使用しているシステムもあった。

しかしながら、前項に記載する１０個のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットでも、電子銃使用時間に追従して先端の形状がどんどん変化する事が大きな課題であった。

このような状況下において、従来のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６よりも数十倍以上の高い輝度と、６ヶ月以上の長寿命性を同時に具備している電子銃が産業界で必要とされていた。

特許公開平８−２１２９５２号公報特許公開平６−１８１０２９号公報

電子・イオンビームハンドブック第３版日本学術振興会第１３２委員会編編集委員長裏克己日刊工業新聞社平成１０年１０月２８日Ｐ１１９図４．

電子銃の高輝度と長寿命を同時に成立させる。

本発明にかかる電子銃は、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６をもとにした熱電子放射材料を用いて、加熱し、熱電子を放出する状態において、メタンガスまたはエタンガスを電子銃室の内部に真空内部のガス分圧が１×１０^−４ｐａｓｃａｌ以下の流量を流して使用することを特徴とする電子銃である。このことによって、連続的に大きなエミッション電流を得ることができる。なぜこのように大きなエミッション電流を得ることができるようになるかという原理については後述するのでここでは詳述しないが、高輝度の電子銃が得られる。

ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６に炭化水素系のガスを流して、１０００℃から１５００℃に加熱すると、ガスを流さない場合の放出電子量の３０倍から１００倍のエミッション電流が得られるようになる。炭化水素系のガスには、メタン、エタン、プロパン、ブタンがある。電子銃室に流した場合に、ＬａＢ_６のエミッション電流値を大きくする効果はこの４種類のガスには共通した性質であることが実験的に判っている。

しかし、プロパンガスでは、４×１０^−４ｐａｓｃａｌ以上のガス分圧が必要となる。ブタンではさらに１×１０^−３ｐａｓｃａｌ以上のガス分圧が必要となる。原因は不明だが、ガス分圧とＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の蒸発量の間には概略の比例関係があるために、これらのガスではＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の蒸発量が大きくなり、電子銃の寿命が短くなるので炭素数が３または４であるプロパンガスまたはブタンガスは不適切である。従って、炭化水素ガスは分圧を低くできるメタンガスが最適であるが、エタンガスでも十分使用できる。

本発明によれば、電子銃の高輝度化と長寿命を同時に成立させることができる。

本発明の実施形態の１について示す図である。本発明の電子銃にガスを入れた状態を示す図である。本発明の実施形態の２について示す図である。微小ガス流量制御機構の実施形態１の動作説明図である。微小ガス流量制御機構の実施形態２の動作説明図である。本実施形態でのエミッション電流増大の原理説明図である。本実施形態でのエミッション電流増大の原理説明図の２である。レニウムカバー電子銃の説明図である。

本発明を実施する形態（実施形態）について、図を参照しながら説明する。

「実施形態の特徴」
半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを描画するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム描画技術において、処理能力を飛躍的に高めるために熱電子銃の熱電子放出電流強度の強い高輝度かつ長寿命の電子銃の実現を可能とする。現状において、電子ビーム描画装置では、処理速度を高速化するために、電子銃を多数個搭載したマルチコラム型電子ビーム描画装置を必要としているが、マルチコラム化する前に１個の電子銃の輝度と寿命の積を最大限高めることが望ましい。

電子銃が高輝度であるためには、いわゆる仕事関数が小さいか、リチャードソンダッシュマン係数が大きい必要がある。仕事関数は、物質内部から真空中に電子を放出するためのエネルギーをｅＶ単位で表した値である。この値が小さいほど電子を放出しやすい。
リチャードソンダッシュマン係数は、電子放出面の電子発生効率を示すもので、この値が大きいほど、電子放出が大きい。この両者のつり合いによって、エミッション電流が最大となる。本実施形態では、主に仕事関数は小さくせず、リチャードソンダッシュマン係数を飛躍的に大きくすることを意図するものとする。

従来使用されているＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃はリチャードソンダッシュマン係数が１００程度と小さいので、高輝度で使用する場合、高温化し温度を１６００℃付近に昇温して使用するために、蒸発量が多大であり寿命は７００時間程度しかなかった。１６００℃付近の使用では、一時間に約０．１μｍの蒸発量があり、約１ヵ月に相当する７００時間では７０μｍの蒸発量となる。このため、高圧電界印加の為、ＬａＢ_６の先端を角度６０度の円錐台形で、先端平面は直径５０μｍの円形平坦面にした従来型の電子銃では、１６００℃で７００時間使用すると、先端が減耗して先端平面の直径が小さくなる、また、減耗した分、先端部の高さが低くなり、電子が出るための高圧電界が印加しにくくなる。本実施形態ではリチャードソンダッシュマン係数が従来の３０倍から１００倍であるために温度を１０００℃から１５００℃とでき、１６００℃と比較して１００℃から５００℃低く使用できるので、蒸発量が１０分の１から、１００分の１と小さく、高輝度であっても寿命が６ヶ月程度と長く安定である。なお、温度は、１３００℃〜１４００℃の範囲が特に好適であり、その場合、従来と比較して、２００〜３００℃低い温度にできる。

「実施形態の構成」
以下の文においてメタンガスとエタンガスの説明はほぼ同様であるためにメタンガスのみで説明するが、実施形態と効用においてメタンガスとエタンガスは、ほとんど同様である。また、ＬａＢ_６とＣｅＢ_６は説明がほぼ同様であるためにＬａＢ_６のみで説明するが、実施形態と効用においてＬａＢ_６とＣｅＢ_６は、ほぼ同様である。

図１は、本実施形態の電子銃の実施形態の１を説明する図である。
メタンガスボンベ１０１からメタンガスが臨機的または連続的に供給される。メタンガスはガス圧力調整器１０２をとおして、微小ガス流量制御機構１０３を用いて電子銃室に接続する真空室１０８（電子銃室側よりもガス分圧が高い下流側の真空室）に流入させられる。電子銃からエミッション電子流が出ている状態で、メタンガスに電子が当たると、メタンガスは電離してイオン化し、ＣＨ_４ ^＋，またはＣＨ_３ ^＋というイオンとなる、このイオンは陰極である電子銃にぶつかりＬａＢ_６と反応する。供給するガスの量は、電子銃からの電子の放出量が大きいほど多くするとよい。

ＬａＢ_６は硼素とランタンが結晶を形成している。炭化水素であるＣＨ_４ ^＋またはＣＨ_３ ^＋中の水素原子は硼素原子と反応し、モノボランＢＨ_３、ジボランＢ_２Ｈ_６の形で真空中に蒸発していく。その結果ＬａＢ_６結晶表面近傍の硼素格子は破壊してランタン原子が液滴となってＬａＢ_６結晶表面に析出し、付着した状態になる。

上記の反応で余った炭素原子はランタン原子液滴層に取り込まれ炭素原子がランタン原子同士を強力に結合せしめる。ランタン原子は融点が９２０℃であり、１２００℃以上では有限の蒸気圧を有しているので、真空中へ蒸発しようとするが、炭素原子がランタン原子同士を結合せしめているので蒸発速度は著しく低くなっている。

図１に戻ると、真空チャンバーは隔壁１０４ｂで電子銃室１０６、電子銃室に隣接する真空室１０８に分離され、隔壁１０４ａで、電子ビーム描画装置の電子レンズおよび偏向器を具備する真空室１０９の真空室に分離されている。なお、隔壁１０４ｂは電子銃陰極材料１０５の先端に対面する位置に中心微細孔が形成され、さらに隔壁１０４ａにも対応する部分に中心微細孔が形成されることで、電子銃陰極材料１０５の先端部分からのエミッション電子流（電子ビーム１１１）が下方に向けて放出される。メタンガスは真空室１０８に入り、隔壁１０４ｂの中心微細孔約１ｍｍΦを通過して電子銃室１０６に入る。

電子銃室１０６にはＬａＢ_６結晶からなる電子銃陰極材料１０５が中心軸上に設置されている。電子銃室１０６はターボ分子ポンプ１０７ａで真空引きされている。電子銃室１０６に隣接する真空室１０８はターボ分子ポンプ１０７ｂで真空引きされている。電子ビーム１１１は３つの真空室である、電子銃室１０６、真空室１０８、真空室１０９を順次通過する。静電偏向器１１２と電磁レンズまたは磁界偏向器１１３を格納する真空室１０９で電子ビーム１１１は収束及び偏向され、描画に使用される。真空室１０９はターボ分子ポンプ１０７ｃにて真空引きされる。３つのターボ分子ポンプ１０７ａ、１０７ｂ，１０７ｃは粗引きポンプ１１０にて真空引きされる。

電子銃陰極材料１０５に所定の負の電圧を印加した状態で、電子銃陰極材料１０５の温度が１０００℃から１５００℃に維持する。これによって、電子銃陰極材料１０５から電子（熱電子）ビームが射出される。

図２は本実施形態の電子銃にガスを入れた状態を示す図である。真空室１０８内に導入されたメタンガス２０２は電子ビーム２０１によってイオン化しＣＨ_４ ^＋、ＣＨ_３ ^＋となる。イオン２０３は電子銃陰極材料１０５が負の電位を有するために電子銃に向かって引き寄せられる。

図３は実施形態の２について示す図である。本図は実施形態１と比較して酸素ガスボンベ系統が一つ追加されている。すなわち、酸素ガスボンベ３０１から出た酸素はガス圧力調整器３０２を通して微小ガス流量制御機構３０３を通して流量及び分圧が微妙に調整される。メタンガスと酸素ガスを併用する理由はランタン原子液滴層の結合力を強めるためである。なお、メタンガスまたはエタンガスとともに酸素ガスを内部のガス分圧が２×１０^−５ｐａｓｃａｌ以下となる流量で臨機的または連続的に流すとよい。また、これらガス流量は、電子銃陰極材料１０５からの電子の放出量に応じて変化させることが好ましい。すなわち、電子の放出量が大きいほどガス量を多くするとよい。

図４は微小ガス流量制御機構１０３の実施形態の１を示す。微小ガス流量制御機構に流入するガス４０１は最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微小ガス流路４０２のみを通過して、微小ガス流量制御機構を流れ出ていくガス４０６となる。ここで微小ガス流路４０２の最小断面積Ｓ０は、３０平方μｍであり、長さＬは２０ｍｍである。図の４０３は電気信号によって駆動される微細開口４０３の流量を遮断または通過せしめる駆動弁４０８によって遮断されている。同様に図の４０４は電気信号によって駆動される微細開口４０４の流量を遮断または通過せしめる駆動弁４０９によって遮断されている。同様に図の４０５は電気信号によって駆動される微細開口４０５の流量を遮断または通過せしめる駆動弁４１０によって遮断されている。

図の４０３の微小開口の断面積は６０平方μｍであり、４０４の微小開口の断面積は１２０平方μｍであり４０５の微小開口の断面積は２４０平方μｍである。これによって、４つの微小開口断面積は０から４５０平方μｍまで３０平方μｍ毎に１倍、２倍、３倍、４倍、５倍、６倍、７倍、８倍、９倍、１０倍、１１倍、１２倍、１３倍、１４倍、１５倍まで１６種類の流量を選択できるので、微小流量が電気的に制御できる。ここで全ての微細流路の長さは共通のＬ＝２０ｍｍである。図の４の上図では、メタンガスが流れることのできる微細流路の総断面積は３０平方μｍである。図４の下図では、メタンガスが流れることのできる微細流路の総面積は２１０平方μｍである。このように図４では３０平方μｍの整数倍、すなわち２進数表示された整数倍の流量が選択出来る。

図５は、微小ガス流量制御機構の実施形態２の動作説明図である。実施形態１と異なる点について述べる。微細流路は５０１から５１０まで全て断面積Ｓ０は同一断面積であって、流路の長さはＬ＝２０ｍｍで全てのガス流路の通過流量は等しい。図の５１１は電気的に可働する併進駆動による弁であり、全ての流路を遮断すると完全遮断となる。最小流量を１とすると、１から単位１で１０通りの流量が制御できる。単位流量の７倍の流量を通過させることができるのが併進駆動による弁５１２の状態である。微細流路５０１から５０７まではガス（気体）を通過せしめ、５０８から５１０の微細流路は全て遮断する併進駆動弁は５１２である。

図６は本実施形態でのエミッション電流増大の原理説明図である。通常のＬａＢ_６結晶６０１は電気陰性度２．０４の硼素原子６個からなる正八面体が８個で一つの空間的立方体を構成した格子結晶を形成している。この格子結晶の中心に一つのランタン原子が存在する。ランタン原子の電気陰性度は１．１である。電気陰性度が大きいほど電子が引き寄せられるので、ランタン原子は電子を周囲の硼素に渡してプラスの電荷を持ちやすく熱電子放射がしやすい。しかしながら、硼素による結晶格子が存在するために端面から平面的に見た電子の放出しやすさであるリチャードソンダッシュマン係数は８０〜１００程度に留まっている。もしもランタン原子の液滴のみであれば、このリチャードソンダッシュマン係数は、さらに数十倍から１００倍程度に大きくなることが予測されていた。我々はＬａＢ_６結晶にメタンガスを作用させることによりＬａＢ_６結晶の硼素結晶格子が完全に破壊し、ランタン原子液滴が剥き出しになることを実験的に確かめた。また、これによりリチャードソンダッシュマン係数が１００倍程度に向上することも実験的に確認した。

ＬａＢ_６結晶６０１にメタン分子６０６がイオン化したものが引き寄せられ硼素原子がメタンガス内の水素原子と反応しモノボラン６０７、ジボラン６０８として真空内に飛散していく。この事でＬａＢ_６結晶の表面付近の硼素結晶格子は破壊され、ランタン原子液滴が剥き出しになる。これが６０２であり、ＬａＢ_６結晶から析出したランタン原子液滴６０２はＬａＢ_６の表面に付着している６０９と同一のものである。次に余剰の炭素原子がランタン原子液滴内に留まってランタン原子同士の結合力を強め、また、ＬａＢ_６結晶表面への結合を強める。これは図の６１０であり、図の６０３と同一のものである。

さらに酸素原子を導入するとランタン原子液滴内の結合能力が強くなる。そこで酸素分子６１１を電子銃室１０６に導入し、ランタン原子液滴層に吸収しランタン原子同士の結合力を強め酸素原子と炭素原子が協力してランタン原子液滴層をＬａＢ_６結晶表面に固定している。このことは、図の６１２と６０４に示されている。

図７は本実施形態のエミッション電流増大の原理説明図の２である。電子銃陰極材料１０５の先端部に着目すると、ＬａＢ_６結晶７０１の表面はメタンガスイオン７０４によって硼素原子による結晶格子が破壊され、ランタン原子液滴が露出している。このランタン原子７０２液滴層は炭素原子７０３によってランタン原子同士の結合力が強くなる。また、ＬａＢ_６結晶への付着力も強くなる。これによってエミッション電流が通常ＬａＢ_６の１００倍の強度を持つようになる。

図８はレニウムカバー電子銃の説明図である。通常のＬａＢ_６結晶全体からＬａＢ_６が蒸発するので、ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター８０３ａ、８０３ｂの上に降り積もりヒーター抵抗が時間と共に低くなり、一定電流を流し続ける場合に温度が時間経過と共に段々低くなる。そこでＬａＢ_６結晶が直接ヒーターに蒸着しないように、ＬａＢ_６と直接反応しない高融点金属であるレニウムで構成したレニウムカバー８０２がＬａＢ_６結晶を覆っている。すなわち、電子銃材料の実質的な先端部分（電子がエミッションされる部分）以外の部分をレニウムカバー８０２が覆う。また、ＬａＢ_６結晶の先端のみから熱電子が放出されるようにＬａＢ_６結晶の側面と底面はレニウムカバー８０２とレニウムからできた裏蓋８０５によって被覆されている。８０４ａ、８０４ｂは把持具でありセラミック円板８０６に設置されている。本実施形態は図８のような形態でも使用でき、その場合には、ＬａＢ_６結晶８０１の先端部のみで主たる目的を達成する。すなわちエミッション電流の著しい増加はＬａＢ_６結晶８０１の先端面とわずかに見える先端側壁のみで起こりレニウムカバー８０２に被覆されたＬａＢ_６結晶８０１の円筒側面の大部分ではこの反応は起きずエミッション電流の増大もない。

この電子銃は、高輝度かつ長寿命で、安定に電子放出を行うために、通常電子ビーム描画装置に使用できる。また、電子銃交換をしないで寿命６ヶ月以上を達成できるために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。また、低真空度で使用しても寿命６ヶ月以上を確保できるため、低真空度で稼働するエックス線源電子銃にも使用できる。また、軸の直径を１０μｍ以下として使用すれば、高輝度長寿命の走査型電子顕微鏡または、透過型電子顕微鏡の電子銃として使用できる。なお、低真空度でも使用できるので、電子ビームを用いた三次元電子ビーム溶接造形機でも電子銃として使用できる。
また、電子銃先端部は先鋭にとがらせてもよく、超微細パターンの描画装置や観察用電子顕微鏡に使用することも好適である。

以上により、電子銃として高輝度かつ長寿命を達成するので、本実施形態による電子銃は、電子ビーム描画装置、電子線顕微鏡、電子ビーム検査装置、エックス線発生機などを含んで、電子銃を元にした電子ビーム応用装置産業分野全般において多大な貢献をなす。

電子ビーム描画装置では１本の電子銃から従来のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃の１０倍以上の高輝度化が必要とされている。５０ｋＶで１０^７Ａ／ｃｍ²ｓｔｅｒａｄｉａｎの輝度が必要である。このために、従来のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃の通常使用温度１５００℃であったものを、１６００℃まで高温化して使用する必要がある。このようにすると電子銃の寿命は短くなり、１ヶ月で７０μｍ程度昇華し消耗してしまう。このために１ヶ月に一度程度の頻度で真空チャンバーを大気リークし電子銃の交換を必要としていた。しかし、本実施形態の１においてはメタンガスを１×１０^−５ｐａｓｃａｌを流し使用温度を１２００℃とし、通常ＬａＢ_６結晶の１６００℃相当の高輝度が得られていた。この事から高輝度かつ６ヶ月の寿命を達成できることが分かった。

従来の電子銃では、電子ビーム描画装置の保守に１ヶ月に１日の保守時間が必要とされていたが、本発明の電子銃では６ヶ月に１日の保守時間とできるため、保守費用を安く済ませることができる。

これをマルチコラム化し、マルチビーム化することによって、１０ｎｍから５ｎｍの半導体製造の微細化が可能となる。さらに集積度が上がる事で微細パターンを持つ人工知能およびニューロン模倣に基づいた脳型コンピューター産業と自動運転車、各種ロボット、危険箇所作業用ロボット、介護用ロボット、対話型共存ロボット、大規模建築物と大規模工事を迅速に作業するロボット、人間の意識をアップロードしてその時点における人間の記憶意識、思考過程を写し取り、それ以降はその人間の思考方法と記憶を引き継いで生きる意識的に無限の生命を有する不老不死の人工脳など、将来の人工知能の巨大産業となる半導体産業を構築するために使用できる。

また、本実施形態の電子銃はエックス線放射装置にも使用でき、高輝度大電流長寿命の電子銃として全Ｘ線用電子銃として大きな力を発揮する。エックス線放射装置は交通機関における危険物発見用装置ならびに癌、脳出血、脳梗塞などを診断する健康診断用の用途で非常に巨大な市場を有している。以上を見たように本実施形態の電子銃は五兆円以上の巨大産業の中核を成すものとして貢献する。

１０１メタンガスボンベ
１０２ガス圧力調整器
１０３微小ガス流量制御機構
１０４ａ、１０４ｂ真空室仕切り板
１０５電子銃陰極材料
１０６電子銃真空室
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、ターボ分子ポンプ
１０８電子銃室に隣接する真空室
１０９電子ビーム描画装置の電子レンズおよび偏向器を具備する真空室
１１０粗引きポンプ
１１１電子ビーム
１１２静電偏向器
１１３電子レンズまたは電磁偏向器
２０１エミッションされた電子ビーム
２０２メタンガスまたはエタンガス
２０３メタンガスまたはエタンガスが分解してできたイオンでＣＨ_４ ^＋またはＣＨ_３ ^＋
３０１酸素ガスボンベ
３０２ガス圧力調整器
３０３微小ガス流量調整機構
４０１微小ガス流量制御機構に流入するガスの流れ
４０２最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
４０３最小断面積Ｓ０の２倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０４最小断面積Ｓ０の４倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０５最小断面積Ｓ０の８倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０６微小ガス流量制御機構から排出されるガスの流れ
４０７電気信号によって駆動される微細開口４０２の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４０８電気信号によって駆動される微細開口４０３の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４０９電気信号によって駆動される微細開口４０４の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１０電気信号によって駆動される微細開口４０５の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１１電気信号によって駆動される微細開口４０２の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１２電気信号によって駆動される微細開口４０３の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１３電気信号によって駆動される微細開口４０４の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１４電気信号によって駆動される微細開口４０５の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
５０１最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０２最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０３最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０４最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０５最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０６最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０７最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０８最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０９最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５１０最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５１１併進駆動による弁であり、微細流路５０１はガスを通過せしめ、５０２から５１０の微細流路は全て遮断する併進駆動弁
５１２併進駆動による弁であり、微細流路５０１から５０７まではガスを通過せしめ、５０８から５１０の微細流路は全て遮断する併進駆動弁
６０１ＬａＢ_６結晶
６０２ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層
６０３ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６０４ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子と酸素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６０５ＬａＢ_６結晶
６０６メタン分子
６０７モノボラン
６０８ジボラン
６０９ＬａＢ_６結晶の硼素格子が水素原子と反応しモノボラン・ジボランを生成して蒸発し硼素格子が破壊したために、ＬａＢ_６結晶の表面に析出したランタン原子液滴層
６１０ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６１１酸素分子
６１２酸素分子がランタン原子液滴層に衝突し酸素原子に分解し、炭素原子と酸素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
７０１ＬａＢ_６結晶
７０２ランタン原子
７０３炭素原子
７０４ＣＨ_４ ^＋イオン
８０１ＬａＢ_６結晶で半径の異なる円柱からなる電子陰極材料
８０２レニウムカバー
８０３ａ、８０３ｂＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター
８０４ａ，８０４ｂ把持具
８０５レニウムカバーにＬａＢ_６結晶を固定するレニウムでできた裏蓋のめねじ
８０６セラミック円板

マスクレスリソグラフィ技術では、産業上有益な処理能力は、３００ｍｍ直径のウェハを１時間当たり１０枚以上描画処理することが必要とされている。そのためには、電子ビーム１本当たりの処理能力から、略１００本ほどの電子ビームによるマルチ電子ビーム描画装置の実現が求められる。したがって、３００ｍｍウェハ上に１００（１０×１０）本の電子ビームを発生させるには、３０ｍｍピッチ以下で電子ビームを同時に複数発生させる技術が求められる。３０ｍｍピッチ以下で電子ビームを同時に発生させると、隣接する電子銃陰極の電界が電子銃陰極間で互いに影響しあうので、電子銃陰極のサイズは２０ｍｍ以下であることが望ましい。

このような電子ビーム描画装置の電子銃陰極として、従来使用されてきたものはＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の円錐台形形状の熱電子放出型電子銃陰極であった。先端の円錐台形部の直径は５０μｍφであって、円錐台形の傾斜角度は、６０度程度であった。この電子銃陰極は、１×１０^−６ｐａｓｃａｌ以上の真空下において１６００℃程度で加熱をして用いていた。この時の輝度は５０ｋＶで１×１０⁷Ａ／ｃｍ^２ｓｔｅｒａｄｉａｎであり、かなり大きな輝度であったが、１６００℃では、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の昇華によって、７０μｍ／７００時間（１ヶ月）の減耗が発生した。そこで、先端の円錐台形部の直径が最初５０μｍであったものが１０μｍから２０μｍに先鋭化されるので、輝度はさらに大きくなるが、照射均一性が劣化する。すなわち、狭い範囲しか均一に照射されなくなるので、パターン精度が劣化する。このために、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６を使用した電子銃陰極の寿命は１ヶ月程度しかなく、通常半年から１年の寿命が必要である電子ビーム描画装置では、基本的に不十分であった。このために、１０個のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃陰極を回転交換可能な、ターレット電子銃陰極ユニットなどを使用しているシステムもあった。

しかしながら、前項に記載する１０個のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃陰極を回転交換可能な、ターレット電子銃陰極ユニットでも、電子銃陰極使用時間に追従して先端の形状がどんどん変化する事が大きな課題であった。

電子銃陰極が高輝度であるためには、いわゆる仕事関数が小さいか、リチャードソンダッシュマン係数が大きい必要がある。仕事関数は、物質内部から真空中に電子を放出するためのエネルギーをｅＶ単位で表した値である。この値が小さいほど電子を放出しやすい。
リチャードソンダッシュマン係数は、電子放出面の電子発生効率を示すもので、この値が大きいほど、電子放出が大きい。この両者のつり合いによって、エミッション電流が最大となる。本実施形態では、主に仕事関数は小さくせず、リチャードソンダッシュマン係数を飛躍的に大きくすることを意図するものとする。

従来使用されているＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃陰極はリチャードソンダッシュマン係数が１００程度と小さいので、高輝度で使用する場合、高温化し温度を１６００℃付近に昇温して使用するために、蒸発量が多大であり寿命は７００時間程度しかなかった。１６００℃付近の使用では、一時間に約０．１μｍの蒸発量があり、約１ヵ月に相当する７００時間では７０μｍの蒸発量となる。このため、高圧電界印加の為、ＬａＢ_６の先端を角度６０度の円錐台形で、先端平面は直径５０μｍの円形平坦面にした従来型の電子銃陰極では、１６００℃で７００時間使用すると、先端が減耗して先端平面の直径が小さくなる、また、減耗した分、先端部の高さが低くなり、電子が出るための高圧電界が印加しにくくなる。本実施形態ではリチャードソンダッシュマン係数が従来の３０倍から１００倍であるために温度を１０００℃から１５００℃とでき、１６００℃と比較して１００℃から５００℃低く使用できるので、蒸発量が１０分の１から、１００分の１と小さく、高輝度であっても寿命が６ヶ月程度と長く安定である。なお、温度は、１３００℃〜１４００℃の範囲が特に好適であり、その場合、従来と比較して、２００〜３００℃低い温度にできる。

図１は、本実施形態の電子銃の実施形態の１を説明する図である。
メタンガスボンベ１０１からメタンガスが臨機的または連続的に供給される。メタンガスはガス圧力調整器１０２をとおして、微小ガス流量制御機構１０３を用いて電子銃陰極室に接続する真空室１０８（電子銃陰極室側よりもガス分圧が高い下流側の真空室）に流入させられる。電子銃陰極からエミッション電子流が出ている状態で、メタンガスに電子が当たると、メタンガスは電離してイオン化し、ＣＨ_４ ^＋，またはＣＨ_３ ^＋というイオンとなる、このイオンは陰極である電子銃陰極にぶつかりＬａＢ_６と反応する。供給するガスの量は、電子銃陰極からの電子の放出量が大きいほど多くするとよい。

図１に戻ると、真空チャンバーは隔壁１０４ｂで電子銃陰極室１０６、電子銃陰極室に隣接する真空室１０８に分離され、隔壁１０４ａで、電子ビーム描画装置の電子レンズおよび偏向器を具備する真空室１０９の真空室に分離されている。なお、隔壁１０４ｂは電子銃陰極材料１０５の先端に対面する位置に中心微細孔が形成され、さらに隔壁１０４ａにも対応する部分に中心微細孔が形成されることで、電子銃陰極材料１０５の先端部分からのエミッション電子流（電子ビーム１１１）が下方に向けて放出される。メタンガスは真空室１０８に入り、隔壁１０４ｂの中心微細孔約１ｍｍΦを通過して電子銃陰極室１０６に入る。

電子銃陰極室１０６にはＬａＢ_６結晶からなる電子銃陰極材料１０５が中心軸上に設置されている。電子銃陰極室１０６はターボ分子ポンプ１０７ａで真空引きされている。電子銃陰極室１０６に隣接する真空室１０８はターボ分子ポンプ１０７ｂで真空引きされている。電子ビーム１１１は３つの真空室である、電子銃陰極室１０６、真空室１０８、真空室１０９を順次通過する。静電偏向器１１２と電磁レンズまたは磁界偏向器１１３を格納する真空室１０９で電子ビーム１１１は収束及び偏向され、描画に使用される。真空室１０９はターボ分子ポンプ１０７ｃにて真空引きされる。３つのターボ分子ポンプ１０７ａ、１０７ｂ，１０７ｃは粗引きポンプ１１０にて真空引きされる。

図２は本実施形態の電子銃にガスを入れた状態を示す図である。真空室１０８内に導入されたメタンガス２０２は電子ビーム２０１によってイオン化しＣＨ_４ ^＋、ＣＨ_３ ^＋となる。イオン２０３は電子銃陰極材料１０５が負の電位を有するために電子銃陰極に向かって引き寄せられる。

さらに酸素原子を導入するとランタン原子液滴内の結合能力が強くなる。そこで酸素分子６１１を電子銃陰極室１０６に導入し、ランタン原子液滴層に吸収しランタン原子同士の結合力を強め酸素原子と炭素原子が協力してランタン原子液滴層をＬａＢ_６結晶表面に固定している。このことは、図の６１２と６０４に示されている。

図８はレニウムカバー電子銃の説明図である。通常のＬａＢ_６結晶全体からＬａＢ_６が蒸発するので、ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター８０３ａ、８０３ｂの上に降り積もりヒーター抵抗が時間と共に低くなり、一定電流を流し続ける場合に温度が時間経過と共に段々低くなる。そこでＬａＢ_６結晶が直接ヒーターに蒸着しないように、ＬａＢ_６と直接反応しない高融点金属であるレニウムで構成したレニウムカバー８０２がＬａＢ_６結晶を覆っている。すなわち、電子銃陰極材料の実質的な先端部分（電子がエミッションされる部分）以外の部分をレニウムカバー８０２が覆う。また、ＬａＢ_６結晶の先端のみから熱電子が放出されるようにＬａＢ_６結晶の側面と底面はレニウムカバー８０２とレニウムからできた裏蓋８０５によって被覆されている。８０４ａ、８０４ｂは把持具でありセラミック円板８０６に設置されている。本実施形態は図８のような形態でも使用でき、その場合には、ＬａＢ_６結晶８０１の先端部のみで主たる目的を達成する。すなわちエミッション電流の著しい増加はＬａＢ_６結晶８０１の先端面とわずかに見える先端側壁のみで起こりレニウムカバー８０２に被覆されたＬａＢ_６結晶８０１の円筒側面の大部分ではこの反応は起きずエミッション電流の増大もない。

この電子銃陰極は、高輝度かつ長寿命で、安定に電子放出を行うために、通常電子ビーム描画装置に使用できる。また、電子銃陰極交換をしないで寿命６ヶ月以上を達成できるために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。また、低真空度で使用しても寿命６ヶ月以上を確保できるため、低真空度で稼働するエックス線源電子銃にも使用できる。また、軸の直径を１０μｍ以下として使用すれば、高輝度長寿命の走査型電子顕微鏡または、透過型電子顕微鏡の電子銃として使用できる。なお、低真空度でも使用できるので、電子ビームを用いた三次元電子ビーム溶接造形機でも電子銃として使用できる。
また、電子銃陰極先端部は先鋭にとがらせてもよく、超微細パターンの描画装置や観察用電子顕微鏡に使用することも好適である。

電子ビーム描画装置では１本の電子銃から従来のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃陰極の１０倍以上の高輝度化が必要とされている。５０ｋＶで１０^７Ａ／ｃｍ²ｓｔｅｒａｄｉａｎの輝度が必要である。このために、従来のＬａＢ_６またはＣｅＢ_６電子銃陰極の通常使用温度１５００℃であったものを、１６００℃まで高温化して使用する必要がある。このようにすると電子銃陰極の寿命は短くなり、１ヶ月で７０μｍ程度昇華し消耗してしまう。このために１ヶ月に一度程度の頻度で真空チャンバーを大気リークし電子銃陰極の交換を必要としていた。しかし、本実施形態の１においてはメタンガスを１×１０^−５ｐａｓｃａｌを流し使用温度を１２００℃とし、通常ＬａＢ_６結晶の１６００℃相当の高輝度が得られていた。この事から高輝度かつ６ヶ月の寿命を達成できることが分かった。

１０１メタンガスボンベ
１０２ガス圧力調整器
１０３微小ガス流量制御機構
１０４ａ、１０４ｂ真空室仕切り板
１０５電子銃陰極材料
１０６電子銃陰極室
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、ターボ分子ポンプ
１０８電子銃陰極室に隣接する真空室
１０９電子ビーム描画装置の電子レンズおよび偏向器を具備する真空室
１１０粗引きポンプ
１１１電子ビーム
１１２静電偏向器
１１３電子レンズまたは電磁偏向器
２０１エミッションされた電子ビーム
２０２メタンガスまたはエタンガス
２０３メタンガスまたはエタンガスが分解してできたイオンでＣＨ_４ ^＋またはＣＨ_３ ^＋
３０１酸素ガスボンベ
３０２ガス圧力調整器
３０３微小ガス流量調整機構
４０１微小ガス流量制御機構に流入するガスの流れ
４０２最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
４０３最小断面積Ｓ０の２倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０４最小断面積Ｓ０の４倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０５最小断面積Ｓ０の８倍の微細開口を具備した長さがＬの微細流路
４０６微小ガス流量制御機構から排出されるガスの流れ
４０７電気信号によって駆動される微細開口４０２の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４０８電気信号によって駆動される微細開口４０３の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４０９電気信号によって駆動される微細開口４０４の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１０電気信号によって駆動される微細開口４０５の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１１電気信号によって駆動される微細開口４０２の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１２電気信号によって駆動される微細開口４０３の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１３電気信号によって駆動される微細開口４０４の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
４１４電気信号によって駆動される微細開口４０５の流量を遮断または通過せしめる駆動弁
５０１最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０２最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０３最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０４最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０５最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０６最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０７最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０８最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５０９最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５１０最小断面積Ｓ０を具備した微細開口で長さがＬの微細流路
５１１併進駆動による弁であり、微細流路５０１はガスを通過せしめ、５０２から５１０の微細流路は全て遮断する併進駆動弁
５１２併進駆動による弁であり、微細流路５０１から５０７まではガスを通過せしめ、５０８から５１０の微細流路は全て遮断する併進駆動弁
６０１ＬａＢ_６結晶
６０２ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層
６０３ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６０４ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子と酸素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６０５ＬａＢ_６結晶
６０６メタン分子
６０７モノボラン
６０８ジボラン
６０９ＬａＢ_６結晶の硼素格子が水素原子と反応しモノボラン・ジボランを生成して蒸発し硼素格子が破壊したために、ＬａＢ_６結晶の表面に析出したランタン原子液滴層
６１０ＬａＢ_６結晶上のランタン原子液滴層内で炭素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
６１１酸素分子
６１２酸素分子がランタン原子液滴層に衝突し酸素原子に分解し、炭素原子と酸素原子がランタン原子同士を相互に結合している様子
７０１ＬａＢ_６結晶
７０２ランタン原子
７０３炭素原子
７０４ＣＨ_４ ^＋イオン
８０１ＬａＢ_６結晶で半径の異なる円柱からなる電子陰極材料
８０２レニウムカバー
８０３ａ、８０３ｂＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター
８０４ａ，８０４ｂ把持具
８０５レニウムカバーにＬａＢ_６結晶を固定するレニウムでできた裏蓋のめねじ
８０６セラミック円板

Claims

ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６を含む電子銃陰極材料を用いて、加熱し、熱電子を放出する電子銃において、
電子銃陰極材料の温度が１０００℃から１５００℃に維持された状態において、
電子銃の存在する電子銃室と真空でつながれた真空室の内部に、メタンガスまたはエタンガスを真空室内部のガス分圧で１×１０^−４ｐａｓｃａｌ以下の流量を臨機的または連続的に、流すことを特徴とする電子銃。
請求項１に記載の電子銃であって、
電子銃陰極材料に対面する微細開口で電子銃室に接続され、電子銃室側よりもガス分圧が高い下流側の真空室側から、メタンガスまたはエタンガスを流入せしめて、電子銃陰極材料に負電位を印加し、電子銃陰極材料の先端からのエミッション電流によって、メタンガスまたはエタンガスの気体を＋の電荷を有するイオンとし、電子銃陰極材料と結合しやすくすることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載の電子銃であって、
電子銃陰極材料を温度１０００℃から１５００℃の範囲の温度でメタンガスまたはエタンガスとともに酸素ガスを真空内部のガス分圧が２×１０^−５ｐａｓｃａｌ以下となる流量で臨機的または連続的に、流すことを特徴とする電子銃。
請求項１に記載の電子銃であって、
電子を放出する先端部において、電子放出面側から見た実質的な先端部分以外の面の大部分をカバーする金属からなり、カバーが電子銃陰極材料であるＬａＢ_６またはＣｅＢ_６と直接反応しない高融点金属からなることを特徴とする電子銃。
請求項４に記載の電子銃であって、
カバーを構成する高融点金属がレニウムであることを特徴とする電子銃。
請求項１に記載の電子銃であって、
電子銃の電子放出量に応じて、電子銃室の内部に流れるガス分圧を変化せしめることを特徴とする電子銃。
請求項１から請求項６に記載の電子銃であって、元となるＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の結晶の表面近傍の硼素原子格子をメタンガスまたはエタンガスで破壊し、ランタン原子液滴またはセリウム原子液滴を、ＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の結晶の表面に析出せしめて、炭素原子もしくは酸素原子もしくは炭素原子と酸素原子の両者を用いて、ランタン原子またはセリウム原子の融点を超えて温度を上げても、ランタン原子同士またはセリウム原子同士を強力に結合せしめ、さらにＬａＢ_６またはＣｅＢ_６の結晶の表面に強力に付着せしめ、蒸発を抑えた状態でエミッション電流を放出させることを特徴とする電子銃。