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発明の名称 電子線露光装置及び電子線露光方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−236840
公開日 平成6年(1994)8月23日
出願番号 特願平4−222518
出願日 平成4年(1992)8月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】薄田 利幸
発明者 品田 博之 / 黒田 勝広 / 横川 賢悦 / 佐々木 進 / 会田 敏之 / 矢口 富雄
要約 目的
スループットが高く、しかも個々のパターンに対応したマスク作製の必要のない電子線露光装置を提供すること。

構成
半導体電子放出材1を格子状に区切った面状の電子放出源を、それぞれの画素ごとにオン/オフできるようにし、これに集積回路等のパターン信号を送ることで所望のパターンの電子線8を自由に作ることができる。また、面状の電子放出源として光電子カソードを用い、このカソードに照射する光を液晶等の電気的に制御可能なシャッタにより任意の形状に成型しても所望のパターンの電子線を得ることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する面状の電子放出源と、パターンデータからパターン信号を発生し、該電子放出源に出力するためのパターン発生器と、該電子放出源から放出された所望のパターンの電子ビームを被露光面に投射するための電子光学系とよりなることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項2】請求項1記載の電子線露光装置において、上記電子放出源は、絶縁体薄膜と、電圧が印加され、真空中に電子を放出するために該絶縁体薄膜を挾んでその両側に配置された金属薄膜電極とよりなる素子であることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項3】請求項2記載の電子線露光装置において、上記金属薄膜電極は、互いに絶縁された複数のストライプ状の形状であり、上記絶縁体薄膜の両側では、それぞれストライプの方向が直交するように配置されたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項4】請求項2又は3記載の電子線露光装置において、上記金属薄膜電極は、その周辺部から放出された電子が上記電子光学系の中心軸から離れた部分を通ることにより生じる歪を相殺する構造としたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項5】請求項3記載の電子線露光装置において、上記金属薄膜電極は、その周辺部から放出された電子が上記電子光学系の中心軸から離れた部分を通ることにより生じる歪を相殺するように、ストライプの形状を周辺部で湾曲させたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項6】光源と、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する構造の液晶装置と、パターンデータからパターン信号を発生し、該液晶装置に出力するためのパターン発生器と、光源からの光が液晶装置を透過して形成されたパターンの像が投射される位置に配置された光電子カソードと、該光電子カソードから放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射するための電子光学系とよりなることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項7】請求項6記載の電子線露光装置において、上記液晶装置のセルの間隔は、投射された光電子カソード上で投射像の解像度以下になる寸法であることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項8】請求項6記載の電子線露光装置において、上記液晶装置の上記複数のセルは、4層に配置されたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項9】請求項8記載の電子線露光装置において、上記複数のセルは、それぞれ正方形状の液晶駆動用電極を有し、それぞれの液晶駆動用電極の間隔は、該正方形の一辺の長さに実質的に等しいことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項10】請求項9記載の電子線露光装置において、上記液晶駆動用電極は、上記光源からの光の進行方向から見て、各層ごとに一列づつ若しくは1行づつ又はその両方に順次ずれて配置されていることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項11】請求項6から10のいずれか一に記載の電子線露光装置において、上記液晶装置を透過した光が光電子カソード上に縮小して投射されるための光学系を有することを特徴とする電子線露光装置。
【請求項12】請求項6から11のいずれか一に記載の電子線露光装置において、上記光電子カソードは、絶縁体薄膜と、該絶縁体薄膜を挾んでその両側に配置され、所望の電圧が印加され、かつ光の照射を受けて電子を放出するための金属薄膜電極とよりなる素子であることを特徴とする電子線露光装置。
【請求項13】請求項6から12のいずれか一に記載の電子線露光装置において、上記液晶装置は、上記光電子カソードの周辺部から放出された電子が上記電子光学系の中心軸から離れた部分を通ることにより生じる歪を相殺するように、そのセルの形状を周辺部でゆがませたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項14】複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する面状の電子放出源に、所望のパターン信号を与え、該電子放出源から所望のパターンの電子ビームを放出させ、放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射することを特徴とする電子線露光方法。
【請求項15】複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する構造の液晶装置に、所望のパターン信号を与え、光源から放出された光を該液晶装置により所望のパターンとして光電子カソードに照射し、光電子カソードから放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射することを特徴とする電子線露光方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを用いて集積回路又はプリント基盤配線等の露光を行う電子線露光装置及びそのような露光を行う電子線露光方法に関する。
【0002】
【従来の技術】集積回路等のパターンの露光には光、紫外線、X線、電子線等を利用した方法がある。そのうちの電子線による方法は、波長による微細化の限界が光よりはるかに小さいために、X線と並んで今後の描画技術として注目されている。電子線露光方法は、点状あるいは矩形状の断面を持つ電子線を偏向し、位置を移動しながらウェハ上に照射し、さらにステージも移動させて全ウェハ上に微細パタンを描画しようとするものである。この方法は解像度の向上を望むことが出来るが、膨大なパタンデータを元にしたいわゆる一筆書きの露光のため、露光に時間がかかり、スループットが低く量産には向かない。
【0003】また、近年スループット向上のために2個の穴開きマスク間で電子ビームを偏向し、投射される電子ビームの断面形状を、描画すべきパターンに適合するように変化させる可変成型方式の電子線露光装置(特公昭53−20391)が実用化されている。さらに、二個の穴開きマスクのうち一方に集積回路のパターンを持った穴を作り、その集積回路のパターン形状を持った電子線を形成し、ウェハに露光する方法(特開昭54−29981)も提唱されている。しかし、これらの方法ではマスクを空中に保持しないかぎり、島状の孤立パターンは描けない。従って、一回の投射で露光できる面積は限られており、スループットが低いという問題はやはり残る。
【0004】一方、ジャーナル オブ バキューム サイエンス テクノロジー B7(6)巻、1422〜1425頁(1989)(J.Vac.Sci.Technol.B7(6),p1422〜1425(1989))に記載のように、集積回路のパターンに相当する光電子が面状に発生するよう製作された光電子マスクを紫外線等で照射し、光電子を発生させ、それを加工面状に投影する方式の装置も試みられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の光電子マスクを用いる方法は、光電膜自体を所望のパターン形状に製作する必要があり、個々の転写パターンに対応した光電面を製作しなければならないという問題があった。
【0006】本発明の目的は、スループットが向上し、しかも、転写方式でありながら、個々のパターンに応じて光電面を製作することの不要な、量産用として実用となりうる電子線露光装置及び電子線露光方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の電子線露光装置は、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する面状の電子放出源と、パターンデータからパターン信号を発生し、電子放出源に出力するためのパターン発生器と、電子放出源から放出された所望のパターンの電子ビームを被露光面に投射するための電子光学系とにより構成される。
【0008】さらに本発明の電子線露光装置は、光源と、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する構造の液晶装置と、パターンデータからパターン信号を発生し、液晶装置に出力するためのパターン発生器と、光源からの光が液晶装置を透過して形成されたパターンの像が投射される位置に配置された光電子カソードと、光電子カソードから放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射するための電子光学系とにより構成される。
【0009】いずれの場合も、画素ごとに、すなわち、複数のセルごとに、オン/オフできるように構成される。これにより、所望のパターンの電子ビームを得ることができる。
【0010】また、本発明の電子線露光方法は、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する面状の電子放出源に、所望のパターン信号を与え、電子放出源から所望のパターンの電子ビームを放出させ、放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射する方法である。さらにまた、本発明の電子線露光方法は、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動作する構造の液晶装置に、所望のパターン信号を与え、光源から放出された光を液晶装置により所望のパターンとして光電子カソードに照射し、光電子カソードから放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面に投射する方法である。
【0011】
【作用】半導体電子放出材を用いた面状の電子源を格子状に区切り、それぞれの画素ごとにオン/オフできるようにする。この面状電子源に集積回路等のパターンデータを送ることで所望のパターンの電子ビームを自由に作ることができる。また、面状電子源として光電子カソードを用い、このカソードに照射する光を液晶等の電気的に制御可能なシャッタにより任意の形状に成型しても、所望のパターンの電子ビームを自由に作ることができる。
【0012】画素の大きさはウェハ上に露光される最小のパターン寸法より数倍から数10倍大きくすることができる。従って、半導体電子放出材や液晶装置の加工、製作に特別の微細性は不要であり、安価に製作できる。放出された面状の電子線はウェハ上に露光する大きさより拡大されたものとなっているため、磁界又は電界による電子レンズにより所望の大きさに縮小してウェハ上に露光することが好ましい。これにより、電子線露光の特徴である微細性を維持しながら、高スループットの描画装置が実現できる。
【0013】
【実施例】本発明の実施例を図1により説明する。半導体電子放出材1は多数の格子状に細分化されたセルによって構成されている。各セルは独立に動作し、電子を放出する。集積回路のパターンを発生するパターン発生器2から各セルに信号を送るようになっている。この半導体電子放出材1から放出された集積回路のパターン形状を持った電子線はブランカ3を通った後、電子レンズ4により縮小され、偏向器5を通過し、ウェハ6に照射される。ウェハ6はステージ7に乗っている。このステージ7を移動することでウェハ6上の電子線8の露光位置を広い範囲で移動させることができる。偏向器5は露光位置の狭い範囲の移動又はウェハ6上の所定の位置に露光位置を正確に合わせるときに用いられる。ブランカ3は電子線8を偏向器で移動中又はウェハ6をステージ7で移動中に電子線8がウェハ6上に照射されないようにブランキングするために用いられる。以上が基本的な構成である。半導体電子放出材に関し詳細な説明を以下に述べる。
【0014】半導体電子放出材1には、絶縁体薄膜を金属で挾んだ構造のMIM(メタル・インシュレータ・メタル)型カソードを用いる。このカソードは金属膜間に電圧を印加することで金属膜間に強電界を発生させ、このとき金属から放出されるトンネル電流を真空中に取りだすものである。これについてはジャーナル オブアプライドフィジックス、ボリューム32、ナンバー4、646頁(1961)(Journal of Applied Physics volume32,No.4,P646(1961))等に記載されている。
【0015】本発明の装置では、金属膜の構造を図2に示すようにストライプ状にする。図2(a)は上部からこのカソードを透過して見た図、図2(b)はこのカソードを横から見た断面図である。絶縁膜11はAl23の厚さ10nm程度の薄膜とする。上部金属電極12、下部金属電極13は共にストライプ状に設けられ、各ストライプ間はSiO2膜14により絶縁されている。絶縁膜11はSiO2等であってもよく、また、SiO2膜14はAl23膜等であってもよい。この金属電極のストライプの方向は上部電極12と下部電極13で直交させる。
【0016】いま、i列とj列の交差する部分から電子を放出させる場合は、上部電極i列に加速電位Vaより数Vから数10V低い電位を、下部電極j列には加速電位Vaより数Vから数10V高い電位をかける。その他の電極は加速電圧電位Vaとする。上部と下部の金属間の電界がある一定の強度になると電子放出が始まる。従って、i列とj列の交差する部分のみからVa+10[eV]程度のエネルギーの電子が放出される。
【0017】また、電子レンズの収差によりウェハ上に投射するパターンの周辺部がひずむ場合がある。この電子放出材のストライプ状電極を図3に示すように周辺部を湾曲させ、このレンズの周辺部の歪を相殺するような構造とすることで精度の良いパターンを投射することが可能となる。
【0018】次に、半導体電子放出材の代わりに光電子カソードと液晶を用いた実施例について図4を用いて説明する。光源21から発せられた光22は光学系23に入り、均一化及び平行化される。光学系23を出た光は透過型の液晶装置24を透過する。このとき液晶装置24にパターン発生器2より集積回路のパターン信号を与えることで、液晶部にパターンの明暗が発生する。この液晶装置24の明暗を透過した光22は光学レンズ25により縮小されて光電子カソード26に照射される。この光電子カソードは石英ガラス等の表面に光電子放出材の薄膜を形成したもので光は石英ガラス側から入射し、これによって電子線が反対側から放出される。これ以後は第一の実施例と同様で、所定のパターンの電子線は、ブランカ3、電子レンズ4、偏向器5を通過した後、ウェハ6上に投影される。これにより、パターン信号発生器2により液晶回路24に発生させた集積回路のパターンが縮小されてウェハ6上に露光される。
【0019】ここで、液晶装置24について詳しく説明する。通常液晶装置は液晶を透明電極で挾み、その電極間に適当な電位差を与えることで光の透過特性を変化させることで動作する。この際、一方の電極を適当な形状にしておけば、その形状に対応する透過光が得られる。本発明では、任意の形状を形成する必要があるので、マトリクス上にドットを無数に並べたパターンが必要となる。しかし、ドット間には、絶縁のためにすきまを設ける必要があり、連続した線状のパターンを形成することが出来ない。
【0020】これを解決するために次の二つの例について説明する。第一は、電極のすきまが光電子カソード上の像の解像度以下になるよう縮小する方法である。これにより、液晶上では隙間のあるパターンが、光電子カソード上では連続したパターンとして得られる。第二は、特殊な液晶装置を用いる方法である。これを図5で説明する。この図は液晶部の一部を拡大したものである。この図のように液晶は4層構造となっている。各液晶基板33、34、35、36の液晶駆動部31は正方形のドット上(図5中の斜線部)に電極が形成されており、他の部分(ドット間の間隙32)は絶縁のための部分で光は透過してしまう。ドット間の間隙32はドットの正方形の一辺の長さに等しい。各層ともに同一な形状に電極が形成されているが、その相対的な位置が図5に示されるように1ドットづつずれている。これにより、4層分で全面に隙間なく電極を配置したのと同様な作用をするわけである。
【0021】また、電子レンズの収差によりウェハ状に投射するパターンの周辺部が歪む場合がある。この液晶装置の電極の形状を図3に示した半導体電子放出材と同様に周辺部を湾曲させ、このレンズの周辺部の歪を相殺するような構造とすることで精度の良いパターンを投射することが可能となる。
【0022】また、この実施例で光電子カソードとして、MIM構造の一様な面状カソードを使用することもできる。これについて詳しく説明する。MIM構造の光電子カソードのポテンシャル図を図6に示す。41は上部金属膜、42は絶縁膜、43は下部金属膜、44は真空のポテンシャルを表す。上部金属膜41と下部金属膜43の間に電圧をかけるとポテンシャルは図6(a)の状態から図6(b)の状態になる。このとき、上部金属膜41中の電子はトンネル電流として絶縁膜42のポテンシャル壁を通過し下部金属膜43に達する。下部金属膜43は非常に薄いため、上部金属膜41、下部金属膜43間の電位差で加速された電子は下部金属膜43を通過し、真空44中に放出される。このとき上部金属膜41と下部金属膜43間に、電子が真空中に放出される寸前の電圧を印加しておく。ここで、上部金属膜41に光を照射すると電子は励起され、励起された電子はポテンシャル障壁が十分薄い部分をトンネル電流として通りぬけ真空中に放出される。
【0023】このMIM型の光電子カソードが前記の光電子カソードより有利な点は、放出される電子の方向が法線方向に揃っているという点である。この理由を説明する。光電子カソードからの光電子放出は、入射した光により励起されて真空エネルギ準位を超えた電子が真空中に放出される現象である。従って、放出電子の方向を揃える要因はなく、一般にcosine分布になると言われている。一方、MIM型の光電子カソードでは電界が電子放出面に垂直に印加されており、電子の放出強度は電界強度の増加によって急速に増加する。この関係は(1)式に示したファウラーノルドハイムの式と呼ばれる関係で良く知られている。
【0024】
【数1】

【0025】ここで、Jは放出電子の電流密度、Eは電界、φは仕事関数である。MIM型の光電子カソードでは電界Eは電子放出面の法線方向から離れるほど弱い。従って法線方向から離れるほど放出される電子が減少する。この関係と絶縁膜、金属膜を電子が透過するときの減衰を考慮して放出電子の角度分布を計算したものが図7である。横軸は放出角度のラジアン表示である。比較のためにcosine分布を図8に示す。図7の方が図8より方向が集中しているのが分かる。このように電子の放出角が揃っていると、電子レンズの中心付近のみを利用することが出来る。電子レンズの中心ほどレンズ収差は小さいため、歪の小さい電子光学系が実現できる。
【0026】
【発明の効果】本発明により従来の電子線露光方法の欠点であった、スループットの向上を達成し、しかも、転写方式でありながら、個々のパターンに応じて光電面を製作することの不要な、量産用として実用となりうる露光装置が実現できる。これにより電子線の微細性を活かしながら、製造コストの低い集積回路が実現できる。




 

 


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