(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、該電子発生部の電子出射側に配設されるアインツェルレンズと、を備え、
上記電子発生部が、
Ｓｉ基板とＳｉＯ２層とデバイス層とからなるＳＯＩ基板にｐｎ接合又はｐｉｎ接合をアレイ状に形成して成っており、上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合の上記Ｓｉ基板側に開口部を備え、上記開口部によって上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合に光が照射されて電子を発生する電子源と、
上記電子源によって発生した電子を引き出すための電極と、
上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合におけるｐ層又はｎ層と上記電極との間に電圧を印加する電源と、
を備え、
上記ＳＯＩ基板に溝が形成され、該溝にボールレンズを介在して上記アインツェルレンズの開口部と上記電子源における上記ｐ層又は上記ｎ層との位置合わせがなされる、光スイッチング電子源。
【請求項２】
前記ｐｎ接合又は前記ｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層が突起形状を有する、請求項１に記載の光スイッチング電子源。
【請求項３】
前記ｐｎ接合又はｐｉｎ接合に電子放出素子が接続された、請求項１又は２に記載の光スイッチング電子源。
【請求項４】
前記ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層には、さらにカーボンナノチューブが配設されている、請求項１又は２に記載の光スイッチング電子源。
【請求項５】
光源と、該光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、該電子発生部の電子出射側に配設されるアインツェルレンズと、を備え、
上記電子発生部が、
Ｓｉ基板とＳｉＯ２層とデバイス層とからなるＳＯＩ基板にｐｎ接合又はｐｉｎ接合をアレイ状に形成して成っており、上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合の上記Ｓｉ基板側に開口部を備え、上記開口部によって上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合に光が照射されて電子を発生する電子源と、
上記電子源によって発生した電子を引き出すための電極と、
上記ｐｎ接合又は上記ｐｉｎ接合におけるｐ層又はｎ層と上記電極との間に電圧を印加する電源と、
を備え、
上記ＳＯＩ基板に溝が形成されており、該溝にボールレンズを介在して上記アインツェルレンズの開口部と上記電子源における上記ｐ層又は上記ｎ層との位置合わせがなされる、電子線描画装置。
【請求項６】
前記ｐｎ接合又は前記ｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層が突起形状を有している、請求項５に記載の電子線描画装置。
【請求項７】
前記ｐｎ接合又はｐｉｎ接合に電子放出素子が接続された、請求項５又は６に記載の電子線描画装置。
【請求項８】
前記ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層には、さらにカーボンナノチューブが配設されている、請求項５又は６に記載の電子線描画装置。
【請求項９】
前記光源と前記電子発生部との間に配設される光源スイッチ部を備えている、請求項５〜８の何れかに記載の電子線描画装置。
【請求項１０】
前記光源スイッチ部は、デジタルミラー素子又はレーザスキャンナを備えている、請求項９に記載の電子線描画装置。
【請求項１１】
前記光源スイッチ部は、光変調器を備えている、請求項９又は１０に記載の電子線描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチング電子源及びそれを用いた電子線描画装置に関する。さらに詳しくは、本発明は半導体装置の製造に使用される電子線描画装置等に用いられる光スイッチング電子源とこの電子源を用いた電子線描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置やマイクロマシンの製造においては、微細なパターンを形成するためにリソグラフィ工程が使用されている。リソグラフィ工程は、例えば、酸化膜が形成された半導体基板上にレジストを被覆し、前加熱を行った後、ステッパ等の紫外線露光装置から出力された光が、半導体基板と光源の間に載置されるマスクを介して照射されることで露光される。光露光用のレジストはフォトレジストと呼ばれている。光を用いたリソグラフィ工程は、フォトリソグラフィと呼ばれている。マスクは、石英ガラス基板上に形成されたクロム（Ｃｒ）等の金属層を電子線描画装置を用いたリソグラフィ工程によって作製している。フォトリソグラフィの最小加工寸法は、紫外線露光装置の光源の波長で決まる（非特許文献１参照）。最先端の加工寸法であるマスクの最小線幅を４５ｎｍとした場合、集積回路を製造するために必要な１組のマスクの価格は例えば約２億円掛かり、納期は２〜３週間を要する。
【０００３】
電子線描画装置は、電子線をレジストに照射することによってマスクを使用しないで直接基板上に形成したレジストに描画することができ、１０ｎｍ程度までの線幅が得られる。しかしながら、電子線描画装置による場合には、フォトリソグラフィのように一括露光ができないので、単位時間当たりの基板処理枚数が少ない、つまり生産性（スループット）が低いという欠点がある。
【０００４】
図２２は、従来の電子線描画装置の構成を示す模式的な断面図である。
図２２に示すように、従来の電子線描画装置５０は、真空容器５１と、真空容器５１の上部に配設される電子源５２と、電子源５２の下部に配設される電子レンズ５３と、電子レンズ５３の下部に配設されるブランカ５４と、ブランカ５４の下部に配設されるスキャナ５５と、スキャナ５５の下部に配設されるレジスト付き基板５６と、レジスト付き基板５６の下部に配設され、かつレジスト付き基板５６が載置されるステージ５７等を含んで構成されている。
【０００５】
ブランカ５４は、電子源５２から照射される電子線の開口部となるアパーチャ５４ａと電子線を曲げる電極５４ｂとから構成されている。電子線を曲げる電極５４ｂに電圧をかけ電子線をアパーチャ５４ａから外すことで電子線をレジスト付き基板５６に照射しない状態とすることができる。逆に電子線を曲げる電極５４ｂに電圧を印加しない場合にはレジスト付き基板５６に電子線を照射することができる。つまり、ブランカ５４は、レジスト付き基板５６への電子線の照射をオンオフするスイッチ作用を有している。図２２に示す電子線描画装置５０のブランカ５４以外の構成は、走査型電子顕微鏡と同様の構成であるので説明は省略する。
【０００６】
従来の電子線描画装置５０は、電子源５２から一つの電子線でレジスト付き基板５６上のレジストの描画を行うので、一括露光はできない。このため、従来の電子線描画装置５０では生産性（スループット）が低いという欠点がある。
【０００７】
従来の電子線描画装置５０のスループットを向上させるために、電子線描画装置５０は種々の改良がされている。例えば、電子線の並列化が非特許文献１で報告され、さらに、単一の電子源を磁気プリズムやパターンジェネレータと組み合わせた電子線描画装置が研究されている（非特許文献２参照）。図２３に示すように、従来の並列型の電子線描画装置６０は、複数の電子源６２を備えており、この複数の電子源６２に対応する何れも複数からなる電子レンズ６３と、ブランカ６４と、スキャナ６５と、から構成されている。並列型の電子線描画装置６０は、複数の電子源６２を備えているので、図２２の電子線描画装置５０よりもスループットは向上する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】羽入勇、「４５ｎｍ以降に向けたリソグラフィ技術−ＡｒＦ液浸への期待とその後の展開−」、STRJWS, March 4, 2005,リソグラフィ
【非特許文献２】Semiconductor INTERNATIONAL,1267529433547_0.html,２００９年９月１５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２２に示す従来の電子線描画装置５０は、電子線を高速でオンオフするためのブランカ５４が必要である。ブランカ５４を高速で切り替えるためには、電子線を曲げる電極に印加する電圧が一定にならず、後段の電子光学系での集光に悪影響を与えてしまい、ビームを小さく絞ることが難しくなることや、機構が複雑になるという課題がある。さらに、図２３に示す従来の並列型の電子線描画装置６０は、スループットは向上するものの、複数のブランカ６４が必要となり、ビームを小さく絞ること及び機構がさらに複雑になるという課題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、ブランカを用いない光スイッチング電子源及びそれを用いた電子線描画装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記第１の目的を達成するため、本発明の光スイッチング電子源は、光源と、光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、を備え、電子発生部は、光励起によって電子を発生する電子源と、電子源から電子を引き出す電極と、電子を引き出す電源と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成において、好ましくは、電子源は、フォトダイオード、光導電セル、光導電効果を有する素子、及びフォトダイオード又は光導電セルに電子放出素子が接続された素子の何れかである。
電子源は、好ましくはｐｎ接合又はｐｉｎ接合からなり、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層が突起形状を有している。
ｐｎ接合又はｐｉｎ接合がアレイ状に配設されていてもよい。
ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のアレイが基板上に配設され、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の近傍には光照射用の開口部が配設されていてもよい。
前記ｐｎ接合又はｐｉｎ接合のｐ層又はｎ層には、さらにカーボンナノチューブが配設されていてもよい。
【００１３】
上記構成において、好ましくは、さらに、電子発生部の電子出射側に電子線整形部が配設されている。電子線整形部として、好ましくは電界レンズ又は磁気レンズからなる。
電界レンズは、好ましくは、アインツェルレンズと、アインツェルレンズ用電源と、からなる。
【００１４】
上記第２の目的を達成するため、本発明の電子線描画装置は、光源と、光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、電子発生部の電子出射側に配設される電子線整形部と、を含み、電子発生部は、光励起によって電子を発生する電子源と、電子源から電子を引き出す電極と、電子を引き出す電源と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
上記構成において、電子源は、好ましくはフォトダイオード、光導電セル、光導電効果を有する素子、及びフォトダイオード又は光導電セルに電子放出素子が接続された素子の何れかである。
光源と電子発生部との間に、光源スイッチ部が配設されていてもよい。
光源スイッチ部は、デジタルミラー素子又はレーザスキャンナを備えていてもよい。さらに、この光源スイッチ部は、光変調器を備えていてもよい。
電子線整形部は、好ましくは電界レンズ又は磁気レンズからなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光スイッチング電子源によれば、光源からの光の断続により電子線のオンオフを行うことが可能となり、並列した電子源を容易に発生することができ、ブランカを使用しない簡便な光スイッチング電子源を提供することができる。
【００１７】
本発明の電子線描画装置によれば、電子線の発生にブランカが不要な光スイッチング電子源を用いるので、ブランカに用いる電子光学系が一つ不要となり、レンズ収差などの問題が軽減され、電子線描画装置全体の光学精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光スイッチング電子源の構成を示す模式図である。
【図２】電子発生部の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】電子発生部から電子を発生させる機構を説明する模式図である。
【図４】図１のアインツェルレンズの断面図である。
【図５】アインツェルレンズの動作を説明する模式図である。
【図６】電子発生部の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
【図７】Ｓｉデバイス層に形成したレジストを用いたＳｉの等方性エッチングを説明する模式的な断面図であり、それぞれ（Ａ）がエッチング前、（Ｂ）及び（Ｃ）がエッチングの途中状態を、（Ｄ）がエッチング終了時を示している。
【図８】作製したｐｎ接合のレジスト除去前の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。
【図９】作製した電子発生部のｐｎ接合において、レジスト除去後の形状を示すもので、（Ａ）は査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図、（Ｂ）は等方性エッチングで形成されたｐｎ接合の寸法を示す断面図である。
【図１０】本発明の別の光スイッチング電子源の構成を模式的に示す図である。
【図１１】電子発生部へ照射されるスイッチング光と、電子発生部から発生した出射電子線の電流を示す図であり、それぞれ（Ａ）がエミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１ＭΩの場合、（Ｂ）がエミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１０ｋΩの場合を示している。
【図１２】電子発生部へ印加される電子引き出し用電源の電圧と発生する出射電子線の電流の関係を示す図であり、それぞれ電圧が（Ａ）３８Ｖ、（Ｂ）３９Ｖ、（Ｃ）４０Ｖ、（Ｄ）４１Ｖ、（Ｅ）４２Ｖの場合を示している。
【図１３】電子発生部に印加される電圧（Ｖ）の逆数（Ｖ―１）とＩ／Ｖ２の関係を示す図である。
【図１４】アインツェルレンズの製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
【図１５】作製したアインツェルレンズの斜視形状を示す光学顕微鏡像である。
【図１６】作製したアインツェルレンズにおいて、（Ａ）が開口部を観察した走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を、（Ｂ）が図１５のＩ−Ｉ線に沿う断面の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。
【図１７】電子発生部の構成の変形例を模式的に示すもので、それぞれ（Ａ）がフォトダイオードと電子放出素子との組み合わせを、（Ｂ）が光導電セルと電子放出素子との組み合わせを、（Ｃ）が電子放出素子を光導電効果を有する材料から構成した場合を示している。
【図１８】本発明の電子線描画装置の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の電子線描画装置の変形例の構成を示す模式図である。
【図２０】本発明の電子線描画装置の変形例２の構成を示す模式図である。
【図２１】本発明の電子線描画装置の変形例３の構成を示す模式図である。
【図２２】従来の電子線描画装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２３】従来の並列型の電子線描画装置を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチング電子源１の構成を示す模式図である。
図１に示すように、光スイッチング電子源１は、光源２と、電子発生部３と、電子線整形部４と、を含んで構成されている。電子発生部３及び電子線整形部４は、図示しない真空容器に収容されている。
【００２０】
光源２は、例えばレーザ光源からなり、オンオフする断続した光、すなわち、スイッチング光２ａを電子発生部３へ照射する機能を有している。
【００２１】
図２は、電子発生部３の構成を模式的に示す断面図であり、図３は、電子発生部３から電子を発生させる機構を説明する模式図である。
図２に示すように、電子発生部３は、アレイ状に配設された各種の光を励起源として電子を発生する電子源９と、電子引き出し用電極７と、電子引き出し用電源８と、から構成されている。図示の電子発生部３は、電子源９がアレイ状に配設されたｐｎ接合、又はｐｉｎ接合から構成されている。電子源９のｐｎ接合９ａは基板６上に形成されている。基板６の表面側にはｐ層６ａが形成され、このｐ層６ａには選択的にｎ層６ｂが形成されている。つまり、基板６上には、二次元状に上記のｐｎ接合９ａが形成されている。
【００２２】
ｐｎ接合で成る電子源９の下部の基板６は除去されて開口部１０が形成されている。この開口部１０に、光源２からのスイッチング光２ａが照射される。電子引き出し用電源８は直流電源である。この直流電源８の正電圧が電子引き出し用電極７に印加され、負電圧がｐｎ接合９ａのｐ層６ａ側に印加される。開口部１０は、ｐｎ接合９ａの真下である必要はなく、開口部１０はｐｎ接合で成る電子源９に光が照射される位置に形成されていればよい。光源２からのスイッチング光２ａが、ｐｎ接合９ａ又はｐｉｎ接合９ａに照射されることによって電子を発生する。
【００２３】
図３に示すように、基板６の開口部１０にスイッチング光２ａが照射されると、電子源９としてのｐｎ接合ａ又はｐｉｎ接合９ａ中で電子及び正孔が生じ、電子引き出し用電極７に印加されている正電圧によってｐｎ接合９ａで生じた電子（ｅ−）が真空中に放出される。ｐｎ接合９ａがアレイ状に形成されている場合には、複数の電子線１２を発生させることができる。ここで、ｐｎ接合９ａは、Ｓｉや化合物半導体からなる所謂フォトダイオードや光導電セルを用いることができる。
【００２４】
電子発生部３において、ｐｎ接合９ａの突起の先端に、カーボンナノチューブを成長させて電子部９を構成してもよい。さらに、このような電子部９から成るアレイ構造としてもよい。この場合には、カーボンナノチューブは電界集中によって電子放出が容易なために、電子発生部３から発生する電流を増大させることができる。
【００２５】
図１において、電子線整形部４は、電子発生部３から放出された電子線１２を試料（図示しない）へ収束させる機能を有している。電子線整形部４は、例えば電界レンズから構成することができる。図１に示す電子線整形部４は、所謂アインツェルレンズからなるアレイ（アインツェルレンズアレイとも呼ぶ）から構成されている。
【００２６】
図４は、図１の電子線整形部４としてのアインツェルレンズ４１の断面図である。
図４に示すように、アインツェルレンズアレイ４１は、第１〜３の電極４ａ，４ｂ，４ｃと、第１の電極４ａと第２の電極４ｂとの間に挿入され第１の絶縁板４ｄと、第２の電極４ｂと第３の電極４ｃとの間に挿入される第２の絶縁板４ｅと、から構成されている。第１〜３の電極４ａ，４ｂ，４ｃは、電子発生部３のｐｎダイオード９アレイの位置に対応して、多数の孔、つまりアインツェルレンズアレイ４１の開口部５が配設されている。
ここで、第１〜３の電極４ａ，４ｂ，４ｃは、導電性のＳｉ基板を用いて形成することができる。第１〜３の電極４ａ，４ｂ，４ｃを互いに絶縁する第１の絶縁板４ｄ及び第２の絶縁板４ｅは、絶縁物、例えばガラスを用いて形成することができる。
【００２７】
図５は、電子線整形部４としてのアインツェルレンズ４１の動作を説明する模式図である。
図５に示すように、アインツェルレンズ４１には、直流のアインツェルレンズ用電源１１が接続される。第１及び第３の電極４ａ，４ｃには正電圧が印加され、第２の電極４ｂには負電圧が印加される。第１の電極４ａには正電圧が印加され、第２の電極４ｂには負電圧が印加されるので、第１の電極４ａと第２の電極４ｂ間には、図５の上部から入射される入射電子線１２に対して減速電界が形成される。第２の電極４ｂには負電圧が印加され、第３の電極４ｃには正電圧が印加されるので、第２の電極４ｂと第３の電極４ｃ間には、第２の電極４ｂを通過する電子線１２に対しては加速電界が形成される。これにより、図５の上部から、つまり電子発生部３の入射電子線１２ａは、上記減速電界及び加速電界によって、レンズ通過前後で電子の運動エネルギーが変化しないで収束され、出射電子線１２ｂとなる。
【００２８】
本発明の光スイッチング電子源１によれば、電子線１２のオン，オフをスイッチング光２ａによって制御して、複数の電子線１２を発生することができる。さらに、例えば３つの電極４ａ，４ｂ，４ｃからなるアインツェル型の電界レンズアレイにより、電子発生部３からの出射した電子線１２を収束させることができる。
【００２９】
本発明の光スイッチング電子源１によれば、光源２からの光の断続により電子線１２のオンオフを行うことが可能となり、従来の電子源で必要であったブランカが不要となり、簡便な光スイッチング電子源１を提供することができる。ブランカが不要となるので、例えば電子線描画装置に用いれば、ブランカに用いる電子光学系が一つ不要となる。これにより、レンズ収差などの問題が無くなり、電子線描画装置全体の光学精度を上げることができる。
【００３０】
電子発生部３及び電子線整形部４は、大規模集積回路（ＬＳＩ）や微小機械システム（マイクロマシンやＭＥＭＳとも呼ばれている）の製作技術を用いて製造することができる。
先ず、電子発生部３の作製について説明する。
図６は、電子発生部３の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
図６（Ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板６を用意する。このＳＯＩ基板６は、上側から順に、ｐ型のＳｉデバイス層６ａ，ＳｉＯ２層６ｃ，Ｓｉハンドル層６ｄから構成されている。Ｓｉデバイス層６ａ，ＳｉＯ２層６ｃ，Ｓｉハンドル層６ｄの厚さは、例えば、それぞれ１０μｍ、１μｍ、３００〜３５０μｍ程度である。
上記Ｓｉデバイス層６ａの表面に、図６（Ｂ）に示すように熱酸化膜１３を形成する。次に、ｐ型のＳｉデバイス層６ａにｎ型の不純物を選択拡散するためのパターンを形成する。このパターンは所謂リソグラフィ法や熱酸化膜１３のエッチングによって形成することができる。このパターンを使用して、ｐ型のＳｉデバイス層６ａへｎ型不純物の拡散を行い、ｎ層６ｂを形成する。
ｎ層６ｂを形成した後、図６（Ｃ）に示すように、Ｓｉデバイス層６ａの表面の熱酸化膜１３を除去し、ｎ層６ｂ上を被覆するマスクパターンをレジスト１４で形成する。
次に、図６（Ｄ）に示すように、Ｓｉデバイス層６ａに形成されたｎ層６ｂのエッチングを行い、ｎ層６ｂを錘状の突起形状とする。このエッチングには、Ｓｉの等方性エッチングを使用することが好ましい。
次工程として、図６（Ｅ）に示すように、Ｓｉデバイス層６ａ上のレジスト１４を除去し、Ｓｉハンドル層６ｄに開口部１０を形成するためのマスクパターンをレジスト１４で形成する。
最後に、図６（Ｆ）に示すように、Ｓｉハンドル層６ｄのＳｉエッチングを行い、次に、ＳｉＯ２層６ｃを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等によってエッチングして開口部１０を形成し、レジスト１４を除去する。これにより、電子発生部３に用いるｐｎ接合アレイ９ａが完成する。
【００３１】
図７は、Ｓｉデバイス層６ａに形成したレジスト１４を用いたＳｉの等方性エッチングを説明する模式的な断面図であり、それぞれ（Ａ）がエッチング前、（Ｂ）及び（Ｃ）がエッチングの途中状態を、（Ｄ）がエッチング終了時を示している。
図７（Ａ）に示すように、Ｓｉデバイス層６ａにレジスト１４を選択マスクとして形成した後、Ｓｉの等方性エッチングを行うと、最初は選択マスクとなるレジスト１４で被覆されていないＳｉデバイス層６ａがエッチングされ、次にレジスト１４の下部が徐々にエッチングされるようになる。このため、レジスト１４で被覆されたＳｉデバイス層６ａはテーパ状、所謂メサ形状にエッチングされる（図７（Ｂ）参照）。レジスト１４で被覆されたＳｉデバイス層６ａがさらにエッチングされると、選択マスク下部１４のサイドエッチングが進行し、レジスト１４で被覆されたＳｉデバイス層６ａが突起状から針状となる（図７（Ｃ）参照）。レジスト１４を除去すると、Ｓｉデバイス層６ａには、ｎ層６ｂが針状となったｐｎ接合９ａがアレイ状に形成される（図７（Ｄ）参照）。
【００３２】
次に、電子発生部３の製作例について説明する。
厚さが１０μｍのｐ型のＳｉデバイス層６ａと、厚さが１０μｍのＳｉＯ２層６ｃと、厚さが３２５μｍのＳｉハンドル層６ｄとを有するＳＯＩ基板６を用いて、図７で説明した製作工程によって電子発生部３を作製した。ｐ層からなるＳｉデバイス層６ａとＳｉデバイス層６ａ上に選択的に形成したｐｎ接合９ａを、ＸｅＦ２ガスを用いたＲＩＥでエッチングした。ＲＩＥは下記条件で行った。
ＸｅＦ２ガス圧力：０．１５Ｔｏｒｒ、
待機時間３０秒、
１パルス２０ｎｓ、１４８回
【００３３】
図８は、上記した条件で作製したｐｎ接合９ａのレジスト１４の除去前の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。電子の加速電圧は２０ｋＶであり、倍率は６０００倍である。
図８から明らかなように、レジスト１４の下部に形成されるｐｎ接合９ａは錘状の突起形状であることが分かる。
【００３４】
図９は、作製した電子発生部３のｐｎ接合９ａにおいて、レジスト１４の除去後の形状を示すもので、（Ａ）は査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図、（Ｂ）は等方性エッチングで形成されたｐｎ接合９ａの寸法を示す断面図である。図９（Ａ）において、電子の加速電圧は２０ｋＶであり、倍率は６０００倍である。
図９（Ａ）から明らかなように、レジスト１４が剥離され、ｐｎ接合９ａは錘状の突起形状を有しており、ｐｎ接合９ａの突起の高さは５μｍであり、ｎ層６ｂの厚さが１．２４μｍであることが分かる（図９（Ｂ）参照）。
【００３５】
次に作製した電子発生部３からの電子線１２の発生について説明する。
図１０は、本発明の光スイッチング電子源１ａの構成を模式的に示す図である。
図１０に示すように、光スイッチング電子源１ａは、電子発生部３と、電子発生部３を収容する真空容器１５と、真空容器１５を真空に排気するための真空排気部１６と、電子発生部３へ光スイッチングを行う光源２と、電子発生部３へ電圧を印加する電子引き出し用電源８と電子引き出し用電極７と、を含んで構成されている。
【００３６】
光源２は、パルスレーザ光源を使用することができる。光源２からのスイッチング光２ａは、電子発生部３の光スイッチングを行う。このスイッチング光２ａは、真空容器１５に設けた光を透過する窓１５ａとミラー１５ｂとを介して、ｐｎ接合９ａの開口部１０に照射される。
【００３７】
真空容器１５は、真空排気部１６のゲートバルブ１６ａを介して真空ポンプに接続され真空引きされる。真空ポンプは、例えばロータリーポンプ１６ｂとターボ分子ポンプ１６ｃとの組み合わせにより、１０−５Ｐａ以下に真空引きされる。
【００３８】
ｐｎ接合９ａのｐ層６ａには抵抗Ｒを介して電子引き出し用電源８の負側に接続され、電子引き出し用電源８の正側が電子引き出し用電極７に接続されている。これにより、ｐｎ接合９ａは逆方向にバイアスされる。
【００３９】
ｐｎ接合９ａへスイッチング光２ａが照射された場合、電子発生部３から電子引き出し用電極７に流れる電子線１２は、抵抗Ｒに流れる電流Ｉによる電圧降下で測定することができる。図１０では、オシロスコープ１７を使用して、抵抗Ｒに流れる電流Ｉによる電圧降下と、光源２となるレーザの光スイッチング部２ｂから発生される制御信号（Ｖ’（ｔ））とを測定している。
【００４０】
ｐｎ接合９ａのｎ層６ｂの先端部と電子引き出し用電極７との間隔を２０μｍに設定してから、真空容器１５を２．７×１０―６Ｐａまで排気した。次に、電子引き出し用電源８によってｐｎ接合９ａに逆方向バイアスを印加し、ｐｎ接合９ａの裏面の開口部１０へスイッチング光２ａを照射することによってｐｎ接合９ａ中の空乏層内の電子を、真空中へ励起した。
【００４１】
図１１は、電子発生部３へ照射されるスイッチング光２ａと、電子発生部３から発生した出射電子線１２ｂの電流を示すもので、それぞれ（Ａ）はエミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１ＭΩの場合を、（Ｂ）はエミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１０ｋΩの場合を示している。図１１の横軸は時間であり、上の縦軸はレーザのオンオフを制御する制御信号（Ｖ）であり、下の縦軸は電子発生部３で発生した出射電子線１２ｂの電流（μＡ）である。スイッチング光２ａのオンオフの繰り返し周波数は１０Ｈｚである。従って、オンオフの１周期は０．１秒（１００ｍｓ）である。
図１１（Ａ）から明らかなように、エミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１ＭΩの場合にはスイッチング光２ａがオン状態では約５μＡの出射電子線１２ｂが得られることが分かる。図１１（Ｂ）に示すように、エミッション電流測定用抵抗（Ｒ）が１０ｋΩの場合にはスイッチング光２ａがオン状態では約３５μＡの出射電子線１２ｂが得られることが分かる。つまり、スイッチング光２ａに同期して出射電子線１２ｂが発生している。
【００４２】
図１２は、電子発生部３へ印加される電子引き出し用電源８の電圧と発生する出射電子線１２ｂの電流の関係を示し、電圧がそれぞれ、（Ａ）３８Ｖ、（Ｂ）３９Ｖ、（Ｃ）４０Ｖ、（Ｄ）４１Ｖ、（Ｅ）４２Ｖの場合を示している。図８の横軸は時間であり、縦軸は発生した出射電子線１２ｂの電流（任意目盛り）である。
図１２から明らかなように、電子引き出し用電源８の電圧が３８Ｖ〜４２Ｖと大きくなると共に、電子発生部３から発生する出射電子線１２ｂの電流が増大することが分かった。
【００４３】
図１３は、電子発生部３へ印加される電圧（Ｖ）の逆数（Ｖ―１）とＩ／Ｖ２の関係を示す図である。Ｉは出射電子線１２ｂの電流（Ａ）である。図１３は片対数グラフであり、横軸は（１／Ｖ）（Ｖ―１）、縦軸は対数表示のＩ／Ｖ２（Ａ／Ｖ２）である。
図１３から明らかなように、ｌｏｇ（Ｉ／Ｖ２）が１／Ｖに対して直線関係となることからファウラ−ノルトハイム則を満たす、即ち電子発生部３で発生する電流は、ファウラ−ノルトハイム−トンネル効果による電界放出電流であることが分かった。
【００４４】
次に、電子線整形部４に使用するアインツェルレンズ４１の作製について説明する。
図１４は、アインツェルレンズ４１の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
最初に、図１４（Ａ）に示すようにガラス基板２１を用意する。このガラス基板２１の厚さは２００μｍ程度である。
図１４（Ｂ）に示すように、第１のガラス基板２１に電子の通路となる領域つまり開口部５をエッチング等の方法を用いて形成する。電子の通路となる開口部５をサンドブラストで形成してもよい。このようなガラス基板２１を２枚作成し、これらを第１のガラス基板２１ａと、第２のＳｉ基板２２ｂと呼ぶ。
次に、図１４（Ｃ）に示すように、第１のＳｉ基板２２ａと、第１のガラス基板２１ａと、第２のＳｉ基板２２ｂと、第２のガラス基板２１ｂと、第３のＳｉ基板２２ｃとの順に重ね合わせ、陽極接合を施す。
そして、図１４（Ｄ）に示すように、第１のＳｉ基板２２ａの表面にＡｌ（アルミニウム）層を堆積し、第３のＳｉ基板２２ｃの表面にはＳｉ基板をエッチングするためのレジスト２３のパターンを形成する。このエッチングには、Ｓｉの等方性エッチングを使用することが好ましい。
続いて、図１４（Ｅ）に示すように、第１〜３のＳｉ基板２２ａ、２２ｂ、２２ｃをエッチングして、電子の通路となる領域を形成する。
電子の通路を形成した後、図１４（Ｅ）に示す点線箇所に沿って第１〜３のＳｉ基板２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び第１〜２のガラス基板２１ａ，２１ｂの切断を行う。
最後に、図１４（Ｆ）に示すように、第１〜３のＳｉ基板２２ａ、２２ｂ、２２ｃの表面にＡｌ層を堆積し、アインツェルレンズ４１の電極２４を形成する。これにより、アインツェルレンズ４１が完成する。アインツェルレンズ４１への給電は、アインツェルレンズ用電源１１から第１〜３のＳｉ基板２２ａ、２２ｂ、２２ｃのアインツェルレンズ４１の電極２４へボンディングワイヤ２５をボンディングによって接続して行うことができる。
【００４５】
図１５は、作製したアインツェルレンズ４１の斜視形状を示す図である。図１５から明らかなように、電極となるＳｉ基板２２には、６×６のマトリクス状にアインツェルレンズアレイ４１の開口部５が形成されていることが分かる。
【００４６】
図１６は、作製したアインツェルレンズ４１において、（Ａ）がアインツェルレンズアレイ４１の開口部５を観察した走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）で、（Ｂ）は図１５のＩ−Ｉ線に沿う断面の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）である。電子の加速電圧は５ｋＶであり、倍率は６００倍である。
図１６（Ａ）から明らかなように、各アインツェルレンズアレイ４１の開口部５の直径は４００μｍであり、図１６（Ｂ）から、第１〜第３のＳｉ電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃに形成される各アインツェルレンズアレイ４１の開口部５との間に絶縁板となるガラス基板２２が挿入されていることが分かる。このようなアインツェルレンズ４１は、マイクロマシンの製造方法を適用することによって、電子線１２が入射する方向（軸方向とも呼ぶ）で５μｍ以下の精度を得ることができた。
【００４７】
上記したように、ｐｎ接合アレイ９ａとアインツェルレンズ４１とは別々に作製することができる。図１に示すように、電子線１２の収差を少なくするために，ｐｎ接合アレイ９ａとアインツェルレンズ４１は、ボールレンズ４ｇを介して精密に位置合わせをすることができる。ボールレンズ４ｇは、ｐｎ接合アレイ９ａ内において、例えばＳｉの異方性エッチングによって形成される溝部６ｆに配設することができる。
【００４８】
（電子発生部３の変形例）
図２に示した電子発生部３は、アレイ状に配設されたｐｎ接合９ａ等からなる電子源９として説明したが、以下で説明するように他の構成の電子源も使用することができる。
図１７は、電子発生部３の構成の変形例を模式的に示し、それぞれ（Ａ）はフォトダイオード２７と電子放出素子２８との組み合わせを、（Ｂ）は光導電セル２９と電子放出素子２８との組み合わせを、（Ｃ）は電子放出素子２８が光導電効果を有する材料から構成されている場合を示すものである。
図１７（Ａ）では、電子発生部３ａにおいて、フォトダイオード２７の一端に電子放出素子２８の一端を接続した構造を有している。電子放出素子２８の他端は原子オーダーの針状として電子放出ができるように形成されている。これにより、フォトダイオード２７への励起光２ａの照射で発生した電子を、電子放出素子２８からの先端から放出することができる。電子放出素子２８の材料としては金属又は半導体等を用いることができる。
【００４９】
図１７（Ｂ）では、電子発生部３ｂにおいて、フォトダイオード２７の代わりに光導電セル２９を用いた以外は、図１７（Ａ）の電子発生部３ａと同様の構成を有しているので説明は省略する。
【００５０】
図１７（Ｃ）では、電子発生部３ｃは、電子放出素子２８が光導電効果を有する材料から構成されている。電子放出素子２８の先端は原子オーダーの針状として電子放出ができるように形成されている。電子放出素子２８の材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンド、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＳｂのような化合物半導体や、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンドを用いることができる。これにより、電子放出素子２８への励起光２ａの照射で発生した電子を、電子放出素子２８の先端から放出することができる。
【００５１】
（電子線描画装置）
次に、本発明の第２の実施形態として、光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置について説明する。
図１８は、本発明の電子線描画装置３０の構成を示す模式図である。
図１８に示すように、電子線描画装置３０は、電子発生部３と、電子発生部３に励起光を照射する光源２と、光源２と電子発生部３との間に配設され光のオンオフを行う光スイッチング部２ｂと、電子線整形部４として電子レンズと、露光する基板３２を載置するステージ３３を含んで構成されている。
ここで、光源２が連続波の場合には、光スイッチング部２ｂとしては、２次元の画像を電子放出素子の裏面に投影できればよいので、シャッター作用を有している後述するデジタルミラー素子や液晶素子を用いることができる。
【００５２】
デジタルミラー素子（ＤＭＤ又はＤＬＰ素子とも呼ばれている）２ｂは、Ｓｉ基板上に多数の鏡が形成され、個々の鏡が光のオンオフを制御することができるＭＥＭＳ素子である。例えば、図１８の光スイッチング部２ｂは、ＴＩ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社製の＊１０７６Ｎ６３１ｃＷ、＊１０７６Ｎ７３２ｃ、＊１０７６Ｎ７３２（ＵＶ）等のＤＬＰ素子を使用することができる。これらのＤＬＰ素子は、ＸＧＡ（１０２４×７６８）表示に対応し、ミラー面は１１ｍｍ×８ｍｍ(１ミラーは、１０μｍ×１０μｍ)であり、外形はおよそ５０ｍｍ×２５ｍｍである。
【００５３】
本発明の電子線描画装置３０によれば、発生する出射電子線１２ｂのビームサイズの半値幅を、数ｎｍ〜数十ｎｍとすることができる。例えば５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００５４】
（電子線描画装置の変形例１）
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例３０ａについて説明する。
図１９は、本発明の電子線描画装置の変形例３０ａの構成を示す模式図である。
図１９に示すように、電子線描画装置３０ａは、電子線整形部４が磁気レンズ３５から構成されている点が、図１８に示す電子線整形部４とは異なっている。電子線描画装置の変形例３０ａの他の構成は、図１８の電子線描画装置３０と同様の構成を有しているので説明は省略する。
【００５５】
（電子線描画装置の変形例２）
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例３０ｂについて説明する。
図２０は、本発明の電子線描画装置の変形例３０ｂの構成を示す模式図である。
図２０に示すように、電子線描画装置３０ｂは、電子発生部３と、電子発生部３にパルス励起光を照射する光源２と、光源２と電子発生部３との間に配設され電子発生部３にパルス励起光を反射し、かつ走査するレーザスキャナ２ｃと、電子線整形部４として電子レンズと、露光する基板３２を載置するステージ３３と、を含んで構成されている。電子線描画装置３０ｂの光スイッチング部２ｃは、図１８に示した電子線描画装置３０で用いたデジタルミラー素子２ｂの替わりにポリゴンミラーやガルバノミラーを用いたレーザスキャナ２ｃを用いている。他の構成は、図１８の電子線描画装置３０と同様の構成を有しているので説明は省略する。
【００５６】
レーザスキャナ２ｃは、光源２から出射されるレーザ光を反射し走査することができるガルバノミラーやポリゴンミラーから構成される。ガルバノミラーでは、小型の鏡をモーターにより駆動し、光源２から照射されるレーザ光の反射方向を一次元や二次元方向に変えることによって電子発生部３の任意の位置にレーザ光を照射することができる。ガルバノミラーの替わりに、４角形や６角形の多角形の形状を有しているポリゴンミラーを用いてもよい。
【００５７】
上記のパルス励起光を照射する光源２のオンやオフの時間が遅い場合や、光源２が連続波の場合には、電子線描画装置３０ｂは、さらに図２０に図示するように光変調器２ｄを設けてもよい。光変調器２ｄは、光源２とレーザスキャナ２ｃとの間に配設される。光源２からの励起光を高速にオンオフするために、光変調器２ｄとしては、電気光学結晶からなる光変調器等を用いることができる。
【００５８】
（電子線描画装置の変形例３）
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例３０ｃについて説明する。
図２１は、本発明の電子線描画装置の変形例３０ｃの構成を示す模式図である。
図２１に示すように、電子線描画装置３０ｃは、電子線整形部４が磁気レンズ３５から構成されている点が、図２０に示す電子線整形部４とは異なっている。電子線描画装置の変形例３０ｃの他の構成は、図２０の電子線描画装置３０ｂと同様の構成を有しているので説明は省略する。
【００５９】
本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃによれば、何れも光源２からの光の断続により電子線１２のオンオフを行うことが可能となり、ブランカが不要となる。ブランカが不要となるので、ブランカに用いる電子光学系が一つ不要となる。これにより、レンズ収差などの問題が低減され、電子線描画装置３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ全体の光学精度を上げることができる。
【００６０】
本発明は上記した実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。例えば、上記実施の形態では、ｐｎ接合９ａやアインツェルレンズ４１の作製にＳｉを基板６，２２に使用した例を説明したが、基板６，２２はＳｉに限らず、各種基板に適用することができ、ｐｎ接合９ａのアレイの寸法等も目的とする光スイッチング電子源１，１ａの性能に応じて適宜に選定し得る。
【符号の説明】
【００６１】
１，１ａ：光スイッチング電子源
２：光源
２ａ：スイッチング光
２ｂ：光スイッチング部
２ｃ：レーザスキャナ
２ｄ：光変調器
３，３ａ，３ｂ，３ｃ：電子発生部
４：電子線整形部
４ａ：第１の電極
４ｂ：第２の電極
４ｃ：第３の電極
４ｄ：第１の絶縁板
４ｅ：第２の絶縁板
４ｇ：ボールレンズ
５：アインツェルレンズの開口部
６：基板
６ａ：ｐ層
６ｂ：ｎ層
６ｃ：ＳｉＯ２層
６ｄ：Ｓｉハンドル層
６ｆ：溝部
７：電子引き出し用電極
８：電子引き出し用電源
９：電子源
９ａ：ｐｎ接合
１０：開口部
１１：アインツェルレンズ用電源
１２：電子線
１２ａ：入射電子線
１２ｂ：出射電子線
１３：熱酸化膜
１４，２３：レジスト
１５：真空容器
１５ａ：窓
１５ｂ：ミラー
１６：真空排気部
１６ａ：ゲートバルブ
１６ｂ：ロータリーポンプ
１６ｃ：ターボ分子ポンプ
１７：オシロスコープ
２１：ガラス基板
２１ａ：第１のガラス基板
２１ｂ：第２のガラス基板
２１ｃ：第３のガラス基板
２２：Ｓｉ基板
２２ａ：第１のＳｉ基板
２２ｂ：第２のＳｉ基板
２２ｃ：第３のＳｉ基板
２４：アインツェルレンズの電極
２５：ボンディングワイヤ
２７：フォトダイオード
２８：電子放出素子
２９：光導電セル
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ：電子線描画装置
３２：基板
３３：ステージ
３５：磁気レンズ
４１：アインツェルレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１６】
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