(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源に熱電子源を用いた電子線描画装置において、
前記電子源の仮想光源の大きさまたはその像の大きさを測定する手段と、
該測定結果を電子光学系にフィードバックする手段を備えることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項２】
電子銃部内に熱電子源及びアノードを備えた電子線描画装置において、
前記電子源の先端から前記アノードと反対方向に０.５mm以上離れた位置に電極を有することを特徴とする電子線描画装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子線描画装置において、
前記電子源は電子を放出する電子放出領域を有する電子放出部材と該電子放出部材の周囲を被覆する電子非放出部材を備え、
電子放出領域の大きさが０.１mmφから１mmφの間であることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電子線描画装置において、
前記電子源の先端経が０.２mmから２mmの間であることを特徴とする電子線描画。
【請求項５】
請求項１または２に記載の電子線描画装置において、
前記電子源は電子を放出する電子放出領域を有する電子放出部材と該電子放出部材の周囲を被覆する電子非放出部材を備え、
前記電子放出部材と電子非放出部材との高さの差が１０μｍ以下であることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の電子線描画装置において、
前記電子放出領域の１０％以下の面積から放出された電子のみ描画に使用することを特徴とする電子線描画装置。
【請求項７】
請求項４から６のいずれかに記載の電子線描画装置において、
前記電子放出領域を規定する際に収束された荷電粒子線を用いることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項８】
請求項４から６のいずれかに記載の電子線描画装置において、
前記電子非放出部材を化学反応により除去することを特徴とする電子線描画装置。
【請求項９】
請求項１または２に記載の電子線描画装置において、
前記電子源の動作温度を１６５０Kから１７５０Kの間で使用することを特徴とする電子線描画装置。
【請求項１０】
電子源に熱電子源を用いた電子線描画装置において、
前記電子源の仮想光源の大きさまたはその像の大きさを測定する手段を備えることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子線描画装置において、
前記測定された結果を電子光学系にフィードバックする手段を備えることを特徴とする電子線描画装置。
【請求項１２】
電子源に熱電子源を用いた電子線描画装置において、
前記電子源の先端径が０.２mmから２mmの間であることを特徴とする電子線描画。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の電子線描画装置において、
前記熱電子源は領域限定型熱電子源であることを特徴とする電子線描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子線源、電子銃、電子線描画装置及びそれを用いたパターン形成方法に係わり、特にマスク像を試料上に転写するのに適した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線応用装置の性能はその電子源に大きく依存する。例えば、工業用電子線描画装置では大きな電流を安定に得られる３極熱電子銃が用いられている。一方、電子顕微鏡では仮想光源径の小さい電界放射型電子銃が用いられている。これに対して新しい電子源として仕事関数の大きな物質と小さな物質からなる領域限定型熱電子源の研究が行われている。これらの仕事はピー、ビー、スエル等が、プロシーディング  オブ  サード、ファーファーコン、コンファレンス（１９８４年）１６３頁で、また、ジェー、ディー、ペハウシェク等がジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジー、ビー６（１９８８年）１９８９頁で発表されている。この電子源の特徴は３極熱電子銃より電子のエネルギ幅が小さいことにある。しかしながら、このタイプの電子源は未だに実用化されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
その理由は、今までは、この電子源をポイントソース型の電子線応用装置への適用を試みていたためと考えられる。ポイントソース型の電子線応用装置では電界放射型電子源がエネルギ幅、光源径の点でより優れた電子源であるため、これが実用化を阻んでいた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
我々が、この型の電子源のより有効な使用法を探究した結果、この電子源を、マスク像を試料上に形成する型の電子線応用装置に適用することが非常に有効であることが明らかとなった。マスク像を試料上に形成する型の電子線応用装置の例としては、早田等がジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジー、ビー９（１９９１年）２９４０頁で述べている。このシステムでは１０μAの電流が１０５A/cm2srの輝度と５％以内の均一性で得られる必要がある。この均一な分布（電子放出の角度依存性）がマスク像を用いる電子線描画装置では重要である。領域限定型熱電子源はこの要求を満たす特性を持っているため、利点である小さいエネルギ幅の分、従来より性能の良い電子線応用装置を作ることが出来る。さらに、マスク像を試料上に形成する型の電子線応用装置では電子源の仮想光源経が拡大されるために、ポイントソース型の電子線応用装置での問題となるベルシェ効果が小さい。このことは領域限定型熱電子源の小さいエネルギ幅を有効に利用できることを意味する。
【０００５】
より多くの均一な電流を得るためには、更に以下の構造それぞれが好ましい。
【０００６】
１．被覆されていない仕事関数の小さい部分の大きさが０.１ｍｍφから１ｍｍφの間であること。
【０００７】
２．電子源の先端経が０.２mmから２mmの間であること。
【０００８】
３．仕事関数の大きな物質の仕事関数の小さな物質の高さの差が１０μｍ以下であること。
【０００９】
４．電子源の側面が仕事関数の大きな物質で構成されていること。
【００１０】
また、電子銃の構成としては、以下の構造が効果的である。
【００１１】
５．電子源の先端からアノードと反対方向に０.５mｍ以上離れたところに電極を有すること。
【００１２】
さらに、使用方法としては、
６．１６５０Kから１７５０Kの間の温度で使用する。
【００１３】
７．被覆されていない仕事関数の小さい部分の１０％以下の所から放出された電子のみ描画に使用する。
【００１４】
電子源の作り方として有効な方法は、
８．被覆されていない仕事関数の小さい部分を規定する際に収束された荷電粒子線を用いる。
【００１５】
９．仕事関数の小さい物質を被覆した仕事関数の大きな物質を化学反応により除去する。
【００１６】
また、システムへの応用としては、
１０．仮想光源の大きさもしくはその像の大きさを測定する機能とそれを電子光学系にフィードバックする機能を設けたシステムが考えられる。
【００１７】
以下、これらについて詳しく述べる。
【００１８】
図１に本発明の概念図を示す。この電子光学系は早田等がジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジー、ビー９（１９９１年）２９４０頁で述べているものと同様である。電子源１０２は２つの物質から構成されている。中心の物質は仕事関数の低い物質からなる電子放出物質１００である。適切な電場と温度が電子源に与えられればこの仕事関数の低い物質からのみ熱電子放出が生じる。従って、実際に使用する電子以外に生じる電子の放出を抑制することが出来る。放出された電子は第１マスク１０３を照射する。第１マスクの像は２つの転写レンズ１０４によって第２マスク１０５内のアパーチャー上に形成される。可変矩型描画装置の場合、２つのマスクはそれぞれ矩型の開口を有しており、セルプロジェクション描画装置の場合、第２マスクが多種の開口を有している。第１マスク上の開口の像の第２マスク上の位置は２つのレンズの間の偏向器１１３により決められる。第２マスクを通過した電子は２つの縮小レンズにより縮小され、最終的にはステージ１１０上の試料１０９上に投影される。対物レンズにある偏向器１１４は試料上の電子線の位置を規定する。ステージ上には電子線計測用のマーク１１２も設けられている。本発明はこの特定な電子光学系に限定されず、種々のマスク転写用の電子光学系でも可能である。
【００１９】
領域限定型熱電子源は均一な電流の角度分布を持つために、この様なマスク照射用の光源に使用することが可能である。更に、エネルギー幅が従来の３極熱電子銃と比較して狭く、従来以上の高解像性が実現できる。エネルギー幅は１ｅＶ以下であり、従来の２から３ｅＶと比較してかなり小さい。
【００２０】
より特性の良い電子線を得るためにはいくつかの方法が考えられる。まず、被覆されていない仕事関数の小さい部分（電子放出領域）の大きさが０．１ｍｍφから１ｍｍφの間であること、が有効である。もし、仕事関数の低い電子放出領域が狭すぎると、図２のように中心付近での静電ポテンシャルが電子を放出しない被覆物質の段差により影響を受ける。これは、軸外の電子を内側に曲げる力が働き、電流の角度分布が角度とともに増大する。逆に、電子放出領域が広すぎると、使用する電流に対して全放出電流が大きすぎてしまい、放電や鏡体の汚染の原因となる。典型的には２０μｍφ程度の領域から放出される電子のみ使用するために、１桁近い、０．１ｍｍφが必要となる。言い方を変えると電子放出領域の１０％程度の面積から放出された電子のみを使用することが好ましい。電子源の先端径も大きなパラメータである。先端径が小さくなれば先端の中心が段差から遠くなり図２の段差の影響を受けにくくなる。その効果は２ｍｍより顕著になる。一方、径を０.２mm以下とするとマスク上での電流密度角度分布が電子源表面での電流密度分布の影響を受けやすくなってしまう。マスク上での電流密度角度分布は電子源表面での電流密度分布と各点からの電子放出の広がりとの積分となる。これは材料の不均一性による電子源表面での電流密度分布の不均一性の影響を緩和する。しかし、先端径が０.２μｍとなると電子表面での距離に対する電子の放出角が大きくなり、この緩和効果が期待できない。したがって０．２ｍｍと２ｍｍの間が先端径を設ける際に効果的である。また、段差は１０μｍ以下に押えると良い。
【００２１】
動作条件も重要である。熱電子源は高温で動作させるために電子放出物質が蒸発する。これにより非電子放出物質との段差が生じ、電流角度分布を不均一にする。例えば、ＬａＢ６は１７５０Kで使用すると１年で８μｍ蒸発する。従ってこの条件より低温で使用することが望ましい。但し、動作温度に関しては、電子源に加えうる電場が放電を考慮すると限界があるために、十分な輝度を得るためには１６５０Kは必要となる。
【００２２】
電子源の蒸発によるもう１つの問題点は仮想光源径（クロスオーバ径）の変化である。従って、これに伴い電子光学パラメータの調整が必要となる。そのために電子線描画装置に仮想光源径を計測する機能と電子光学パラメターにフィードバックさせる機能を付加することが望ましい。変化させパラメターはレンズの励磁や電圧である。フィードバックのためのコンデンサレンズを電子銃と転写レンズの間に設ける方法もあるが、図３の様に電子源の先端から０.５mm以上離れたところに電極を設置し、その電圧を変化させることにより調整する方法も有力である。０.５mm以上離す理由は追加する電極が電流の均一性を損なわない様にするためである。従って、この電極に加える電圧は電子源の電圧に対して正のこともあり負のこともある。クロスオーバ径が大きくなる時は正の電圧を付加することが有効である。この電極の電圧の変化は全電流の変化の原因ともなるので、アノード電圧の調整や動作温度の調整も必要となる。この電極は電子源の支持体による非回転対称な静電ポテンシャルを遮蔽する効果も有している。もし、この遮蔽効果のみを目的とするのであれば電極と電子源を短絡しても良い。
【００２３】
電子源の製作方法も工夫が必要となる。最も重要なことは如何に電子の放出領域を定義するかにある。ピー、ビー、スエル等は機械的にこれを行っていたが、機械的な方法では電子放出領域の表面に損傷を与える恐れがある。さらに、彼等の方法では有限な径を持つ電子源の製作が困難である。そこで新しい方法として収束イオン線と化学反応を用いたエッチングが有効である。収束イオン線は電子源のような３次元の試料上でのリソグラフィが可能である。簡単な方法は電子放出材料に電子放出の起こりにくい仕事関数の大きな物質を堆積し、電子放出を得たい所のみイオン線によるスパッタリングで除去するものである。もう１つの方法を、図４に示す。電子放出材料４０２に電子非放出材料４０１を被覆する。更にその上にエッチングのマスク材料４０３を被覆する。マスク材料を収束イオン線（ＦＩＢ）で選択的に除去する。マスク材料４０３をマスクとして電子非放出材料をエッチングする。最後にマスク材料を除去する。この方法は電子非放出材料を化学的に除去出来るために、電子放出材料表面の損傷が最も少ない。また、最も単純な製作方法は以下の通りである。この方法では電子源の側面のみ被覆される。まず、電子放出材料上に電子非放出材料を堆積する。このときは化学気相法のような被覆性の良い堆積法を用いる。次に反応性ドライエッティングのような異方性の強い除去方法で主に上面のみ電子非放出材料を除去する。この手法はマスク材料の除去法にも応用可能であり、化学気相法のような被覆性の良い堆積法でマスク材料を堆積し、異方性の強い除去方法で主に上面のみマスク材料を除去する。この方法では電子源の太さで電子放出領域の大きさが決まってしますが、リソグラプィを用いずに済むため、プロセスが簡単になる。
【００２４】
実施例１
図５に領域限定型熱電子源の構造図を示す。電子放出材料としてＬａＢ６５００を用い、電子非放出材料として炭素５０１を用いた。電子放出領域は０．１５ｍｍφであり、先端は平面である。電子非放出材料の厚さは１μｍであるため、電子放出材料との段差は１μｍとなる。電極５０３が先端から０．５ｍｍ後方に置かれている。図６に電流の角度依存性と角度内の全電流を示す。図から１５μＡが５％以下の均一性で得られるのが分かる。動作温度は１７００K、加速電圧は５０kVである。さらに、仮想クロスオーバは５μｍ、輝度は５*１０５A/cm2srである。
【００２５】
図７に電子源の製作方法を示す。初めに、１μｍ厚の炭素７００をＬａＢ６７０１の上にプラズマ化学気相法により堆積した。次に０.２μｍ厚のシリコン酸化膜７０３をやはりプラズマ化学気相法により堆積した。プラズマ化学気相法は接着性の悪い炭素表面にも問題なく堆積できる。その他、熱化学気相法やスパッタリング等の方法でも可能である。次に、収束イオン線を用いて限られた領域のシリコン酸化膜のみ除去する。更に酸素プラズマによってシリコン酸化膜をマスクとし、炭素をエッティングする。最後にシリコン酸化膜は沸酸により除去する。この２段方式の利点は収束イオン線のＬａＢ６への打ち込みやＬａＢ６のスパッタリングを避けることが出来ることにある。更に炭素の堆積の後に真空中で高温加熱することが効果的である。これにより、炭素をグラファイト化し、仕事関数を大きくする。
【００２６】
図８にこの電子源を用いた電子光学鏡体を示す。この鏡体はセルプロジェクション機能を持ったリソグラフィシステムのためのものである。電子線は１５０μｍ角の開口を有する第１マスク１０３を直接照射する。この矩型の像は第２マスク１０５上に結像される。第２マスク１０５上の配置を図９に示す。可変矩型用の１２５μｍ角開口９０１と多くのセル開口９０２が配置されている。偏向器により第１マスク開口の像の位置を変えることが出来る。像は１／２５に縮小され、最終的にステージ１１０上のウエハ８０２に投影される。電子のエネルギ幅は０.７ｅＶである。これは従来の２から３ｅＶに比べて小さい。従って、色収差が低減される。０.５μｍ厚のＳＡＬ６０１レジストを用いると、０.０９μｍラインアンドスペースと０.０７μｍホールを描画することが出来た。従来の電子銃を用いるとそれぞれ、０.１５μｍ、０.１４μｍである。さらに、ドライエッティングとセルプロジェクションの組み合わせにより、０.１μｍレベルのＬＳＩのホール、配線パターンを作成することが出来た。特にホールパターンは電流が少ないために色収差が主にビームのボケを決める。従ってこの電子源はホールパターンに特に有効である。
【００２７】
電子源の動作中にＬａＢ６は蒸発するが炭素はほとんど蒸発しない。従って両者の境界の段差は大きくなる。これはクロスオーバサイズを大きくして電子を内側に収束する。これらの現象はステージ上のマーク１１２からの反射電子を検出すること、レンズ条件を変えマーク上に焦点を合わせることにより観測される。電子源の後方にある電極の電圧を変化させることによりクロスオーバサイズを調整出来る。電圧をプラスに大きくすれば クロスオーバサイズ は小さくなる。例えば、０Vで５μｍの クロスオーバサイズが２００Vで４μｍのクロスオーバサイズとなる。６っ月後は段差が１０μｍ以上となり一様性が劣化した。
【００２８】
実施例２
図１０に別の構造の領域限定型熱電子源を示す。電子放出領域は０.１ｍｍφである。先端径は０.２mmである。電子非放出材料の段差は４μｍである。この場合でも５％の誤差で１５μＡの電流は容易に得られる。０.１ｍｍφ、４μｍの条件でも良い結果が得られる理由は０.２mmの先端径にある。これにより段差の位置が電子源先端より後退し、その影響が低減する。１方、ＬａＢ６結晶の一様性がマスク上での電流分布により影響しやすくなる。電子源の先端径を０.１mmとすると、５％以内の均一性は得られない。このような構造の電子源では収束イオン線が製作方法として特に有効である。
【００２９】
図１１はこの例での電子光学系である。この光学系ではコンデンサレンズ１２００が電子源１０２と第１マスク１０３の間にある。このレンズはマスクへの電子の照射条件をコントロールできる。また、この例では第２マスクが３角形開口１２０１を有している。実施例１と同じく、ＳＡＬ６０１レジストを用いて０.３μｍのラインアンドスペースをクロム上に形成した。クロムをエッチングすることにより精度の良いレチクルを製作することが出来た。寸法精度は０.０２μｍであり、従来の０.０３５μｍと比較して小さい。
【００３０】
実施例３
図１２に側面被覆型電子源の製作方法を示す。初めにアモルファスカーボン１３００を堆積する。次に１８００Kで真空中で加熱する。この温度は装置内での動作温度より少し高い。従って、動作中での更なる変化を防ぐことが出来る。更に、シリコン酸化膜１３０３を堆積した後に異方性エッチングでシリコン酸化膜を除去する。次にシリコン酸化膜をマスクとしてカーボンをエッチングすることにより側面被覆型電子源が得られる。電子源の直径は２００μｍであり、電子放出領域は十分に小さい。
【００３１】
本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、実施例ではＬａＢ６と炭素のみ使用したが、他の仕事関数の異なる物質の組み合わせでも良い。ＬａＢ６とＲｅ，Ｉｒを混入させたＷとW、等も有効である。同様に光学系やレシスト等も種々の実施方法が考えられる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように領域限定型熱電子源をマスク像を試料上に形成する型の電子線応用装置に適用することにより、装置の性能を大きく向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電子線描画装置図。
【図２】段差の影響を説明するための図。
【図３】後方の電極の図。
【図４】電子源の製作工程図。
【図５】実施例１の電子源の構造図。
【図６】実施例１の電子放出特性図。
【図７】実施例１の電子源の製作工程図。
【図８】実施例１の電子線描画装置図。
【図９】実施例１のマスク図。
【図１０】実施例２の 電子源 の構造図。
【図１１】実施例２の 電子線描画装置図。
【図１２】実施例３の電子源の製作工程図。
【符号の説明】
１００ーー電子放出材料、１０１ーー電子非放出材料、１０２ーー電子源、１０３ーー第１マスク、１０４ーー転写レンズ、１０５ーー第２マスク、１０６ーー縮小レンズ、１０７ーー対物レンズ、１０８ーー対物絞り、１０９ーーウエハ、１１０ーーステージ、１１１ーー電子検出器、１１２ーーマーク、１１３ーー偏向器、１１４ーー対物偏向器、２００ーー電子放出材料、２０１ーー電子非放出材料、２０２ーーアノード電極、２０３ーー静電ポテンシャル、３０１ーー後方の電極、４０１ーー電子非放出材料、４０２ーー電子放出材料、４０３ーーマスク材料、７００ーーアモルファスカーボン、７０１ーーＬａＢ６、７０２ーーグラファイト状、７０３ーーシリコン酸化膜、８００ーーレジスト、８０１ーー堆積膜、９００ーー第１開口像、９０１ーー１２５μｍ角開口、９０２ーーセル開口１、１０００ーーＬａＢ６、１００１ーー炭素、１００２ーー電子軌道、１２００ーー調整用レンズ、１２０１ーー第２マスク、１２０２ーーレジスト、１２０３ーークロム、１２０４ーーレチクルプレート、１３００ーーアモルファスカーボン、１３０１ーーＬａＢ６、１３０２ーーグラファイト状、１３０３ーーシリコン酸化膜。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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