(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電子陰極であって：
基板と；
放出層と；
前記基板と前記放出層との間に位置し、前記基板と放出層の間の相互作用を防止するように前記基板を変化させるバッファと；
を備えることを特徴とする熱電子陰極。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電子陰極において、前記バッファが、前記バッファと接触する前記基板の表面における前記粒子構造の結晶の方位をランダム化させることにより前記基板を変化させることを特徴とする熱電子陰極。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電子陰極において、前記バッファが、前記バッファと接触する前記基板の前記表面における粒子の粒径を小さく変化させることにより前記基板を変化させることを特徴とする熱電子陰極。
【請求項４】
請求項１に記載の熱電子陰極において、前記バッファが、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｉｒ、Ｒｈ、およびＴａから成る群のうち少なくとも２つを含むことを特徴とする熱電子陰極。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電子陰極において、前記バッファが、モリブデン、タングステン、およびタンタルを含むことを特徴とする熱電子陰極。
【請求項６】
請求項１に記載の熱電子陰極において、前記基板および前記放出層がタンタルから形成されていることを特徴とする熱電子陰極。
【請求項７】
請求項６に記載の熱電子陰極において、パターニングされたマスクへ投射される電子ビーム照射を用いて、そのパターンの像を基板上に形成したエネルギーに敏感な物質の層に転写する前記投射電子リソグラフィ・システムの一部を形成することを特徴とする熱電子陰極。
【請求項８】
請求項１に記載の熱電子陰極において、前記バッファが、粒子成長抑制多相構造から形成されていることを特徴とする熱電子陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム投射リソグラフィに用いる陰極およびこの陰極の製造方法に関し、更に特定すれば、仕事関数を改善させた陰極および仕事関数を改善させた陰極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
散乱角限定投射電子ビーム・リソグラフ（ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標））等の投射電子ビーム・リソグラフィは、電子ビームの照射を用いて、これをパターニングされたマスク上に投射し、そのパターンの像を、基板上に形成したエネルギに敏感な物質の層に転写する。この像を現像し、その後の処理で集積回路等のデバイスを形成するために用いる。
【０００３】
ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）マスクは、原子番号の小さい物質の膜を有し、この上に、原子番号の大きい物質の層が形成されている。原子番号が大きい物質の層には、パターンが描かれている。原子番号の小さい物質の膜および原子番号の大きい物質のパターニング層は、双方とも、その上に投射される電子（すなわち、約１００ＫｅＶのエネルギを有する電子）に対して透過性である。しかしながら、原子番号の小さい物質の膜は、小さい角度で弱く電子を散乱させる。原子番号の大きい物質のパターニング層は、大きい角度で強く電子を散乱させる。このため、原子番号の高いパターニング物質を介して送出される電子は、膜を介して送出される電子よりも散乱角が大きい。この散乱角の差によって、膜のみを介して送出される電子と、膜上に形成されたパターニング物質層を介して送出される電子との間にコントラストが生じる。
【０００４】
このコントラストを利用して、マスクとエネルギに敏感な物質層との間の投射光学部品に後部焦点平面フィルタを用いることによって、マスクから、エネルギに敏感な物質層に、パターンの像を転写する。後部焦点平面フィルタは、開口を有する。弱く散乱した電子はこの開口を介して送出され、強く散乱した電子は後部焦点平面フィルタによって遮断される。このため、弱く散乱した電子において規定されるパターンの像が、開口を介して、エネルギに敏感な物質層へと送出される。
【０００５】
図１は、従来のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムの概念を示す概略図である。電子１０のビームＢは、散乱マスク９に向かう。散乱マスク９は、約１，０００オングストロームないし２０，０００オングストローム（０．１μｍないし約２μｍの厚さ）間の厚さを有する薄い膜１１を含む。膜１１は、電子１０から成る電子ビームＢに対して実質的に透過性の物質から成る。すなわち、ビームＢ内の電子１０は、ビーム源から膜１１を通過する際に、ビームＢ内の電子１０の経路に障害物となる他の物体が何も無いので、膜１１を自由に通過する。
【０００６】
ビーム１０に対向する膜１１の側面に、コントラスト機構を提供する高密度散乱素子１２のパターンが形成されており、これによって目標面にマスク・パターンを再現することが可能となる。散乱素子１２は、複合形状にパターニングされており、これを被加工物１７（通常シリコン・ウエハである）上に露出させる。被加工物１７は、図１に示すようなパターン素子１８に加工された、電子ビームに敏感なレジストによって被覆されている。マスク９を通過した電子ビームＢの電子１０は、ビーム１４として示されており、電磁レンズ１５を通過する。電磁レンズ１５は、ビーム１４を集束させ、他の部分は不透明である後部焦点平面フィルタ１６内の開口１６’を通過させる。開口１６’は、小さい角度で散乱した電子のみを通過させ、被加工物１７に向かわせる。
【０００７】
図２に、従来のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）露出ツールを示す。露出ツール２０は、ソース２２（通常は電子銃である）、マスク・ステージ２４、撮像光学部品２６、およびウエハ・ステージ２８を含む。マスク・ステージ２４およびウエハ・ステージ２８は、計測プレート３０と呼ぶアルミニウム・ブロックの上部および下部に取り付けられている。計測プレート３０は、約３０００ｌｂであり、露出ルール２０全体のための熱および機械スタビライザとして機能する。
【０００８】
図３は、従来技術のソース２２を更に詳細に示す。ソース２２は、陰極４２、陽極４３、グリッド電極４４、集束プレート４５、およびフィラメント４６を含む。陰極４２、陽極４３、グリッド電極４４、および集束プレート４５の各々は、焦点５０の想像線を中心として、ほぼ円形および放射形対称を呈する。米国特許番号第５，４２６，６８６号における従来技術のシステムでは、陰極４２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、バイアルカリ陰極材料、セシウム・アンチモナイド（Ｃｓ3Ｓｂ）、または、タンタル（Ｔａ）、サマリウム（Ｓｍ）もしくはニッケル（Ｎｉ）等の低い仕事関数を有する純粋な物質から形成される。米国特許番号第５，４２６，６８６号に開示されている他の従来技術のシステムでは、光電陰極４２の材料は、スパッタリングまたはアニーリングによって混合または堆積することによって、半導体材料に金属を添加して形成される。この金属は、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、もしくは金（Ａｕ）、または、これらの金属の酸化物もしくはハロゲン化物であると好ましい。このような従来技術の光電陰極の例の１つに、ニッケル（Ｎｉ）の表面にタンタル（Ｔａ）をアニーリングして構成したものがある。
【０００９】
ほとんどの電子ビーム・リソグラフィ・システム（直接電子ビーム書き込み機械等）は、本来、高い電力密度のポイント電子ソースを必要とする。純粋な金属（タングステンまたはタンタル）、ランタン・ヘキサボライド（Ｌａ6Ｂ）陰極等の従来の熱電子陰極は、これらの用途には十分である。
【００１０】
これに対して、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムは、断面電流密度のばらつきが２％内の、１ｍｍ2のほぼ平行な電子ビームを必要とする。従来の熱電子陰極は、放出面全体における仕事関数のばらつきが、実質的に２％よりも大きく、例えば５ないし１０％である。しかしながら、１９９８  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ  １４（６）、Ｎｏｖ／Ｄｅｃ．１９９６、ｐｐ．３７６４〜３７６９の「Ｈｉｇｈｅｍｉｔｔａｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇｕｎ  ｆｏｒ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ（投射リソグラフィのための高発射力電子銃）」Ｗ．Ｄｅｖｏｒｅ等の３７６９ページに記されているように、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）プロセスは、仕事関数のばらつきが２％未満である熱電子陰極を必要とする。
【００１１】
発射の均一性、低い仕事関数、低い蒸発率、高電圧動作環境、および真空汚染復元力のような他のパラメータに対するＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）の要件に合致する従来の陰極は、ディスク型を有するタンタル（Ｔａ）陰極である。ディスク型タンタル（Ｔａ）陰極は、冷間圧延または熱間圧延を施したタンタル（Ｔａ）箔を微細多結晶物質へとホットプレスして形成される。その多結晶の性質のために、粒子は、互いに実質的に配向がずれている（約５ないし２０度）。また、従来のＴａ陰極は、制御できない粒径が５ないし４００μｍ間に分布する。タンタルの仕事関数は結晶の方位に影響を受けやすいので、従来の多結晶Ｔａ陰極の仕事関数の分布は、「ばらばら」であり（また、約５ないし４００μｍである）、粒子毎に変動し（方位が異なるため）、結果として、許容不可能なほどばらばらであるか、または放出パターンが非均一となる。配向ずれおよび高い動作温度における異なるサイズの粒子の成長によって、このばらつきの問題は更に深刻となる。粒子の配向ずれ、制御できない大きな粒径、および高い動作温度における陰極表面での粒子の成長によって生じる非均一性は、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）電子光学部品によって、整形開口（物体面）に伝わり、最終的にはウエハ表面（撮像面）にまで伝わる。
【００１２】
ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）陰極として用いる場合、従来の多結晶陰極の材料では、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）の高い動作温度（１２００ないし２０００℃）および長い時間間隔（１０００時間を超える）において、粒子の成長が起こり、粗い表面が生成される（これらを共に「再結晶」と呼ぶ）。合計放出電流は十分であるものの、陰極表面における構造的な生成物によって、暗い斑点が陰極表面に現れ、この陰極はＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）には許容できないものとなる。加えて、ＬａＢ6等の従来の陰極材料は、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）の動作環境によって容易に汚染されてしまう。これは、Ｗ．Ｋ．Ｗａｓｋｉｅｗｉｃｚ等のＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ，３１５５（１９９７）、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｌｏｗ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ，  ｈｉｇｈｌｙ  ｕｎｉｆｏｒｍ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ（ＳＣＡＬＰＥＬ）（投射電子ビーム・リソグラフィ（ＳＣＡＬＰＥＬ）のための低輝度、高均一性ソースの設計）」に記載されている。
【００１３】
本発明は、多結晶基板と放出層との間にバッファを有する陰極を提供することによって、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）および同様のシステムにおいて用いられる従来の陰極に伴うこれらの問題を解決する。
【００１４】
従来の多結晶基板表面の仕事関数は、基板物質表面の粒子の結晶が均一でないために、非均一である。これらの非均一性は、約５ないし２０度の粒子の配向ずれおよび５ないし４００μｍの粒径のばらつきを含む。また、時間と共に再結晶が起こり、その結果、粒径および配向ずれは増大する。バッファは、結晶学的な意味で、その下に配された基板から、放出層を変質させ、ランダム化し、小型化（好ましくは４μｍ未満の粒径に）し、および／または分離する。また、バッファは、基板および放出層が時間と共に再結晶化する率を低下させる。
【００１５】
陰極が耐熱金属または炭素陰極（例えばタンタル陰極）である例では、バッファも耐熱金属または炭素を含む。
【００１６】
一例では、基板はタンタルであり、バッファはモリブデンおよびタングステンの二重層であり、放出層はタンタルである。モリブデンは、基板内に溶解することによって、その下に配された基板内のタンタル構造を変化させ（格子定数および方位）、これによって粒子の配向ずれを低減させる。また、タングステンも基板内に溶解し、その高い融解温度の結果として、下に配されたタンタル基板および上に配されたタンタル放出層の双方の再結晶化率を低下させる。すなわち、バッファは、基板および放出層が時間と共に再結晶化する率を、少なくとも３０％、好ましくは５０％低下させる。
【００１７】
別の例では、レニウムおよびタンタルを共に堆積してバッファを形成する。共堆積によって、細かい粒子（４μｍ未満）の金属間相を形成し、これに続く基板および放出層の再結晶化を低減させる。共堆積は、基板から放出層への電子送出に悪影響を及ぼすことはなく、基板および放出層の熱膨張係数を近似する（３５％内、好ましくは２５％内）熱膨張係数を有する。
【００１８】
しかしながら、共堆積は、基板とモリブデンとの間の相互作用とは異なる方法で基板と相互作用を起こす。共堆積は、基板の元来の構造を溶解せず、変質させることもなく、むしろ元来の基板表面を遮断し抑制する。実際、共堆積の構造は、基板を抑制し、Ｒｅ−Ｔａ金属間相（４μｍ未満）のランダムに配向された細かい粒子から成るので、結果として、均一に分布し平均化した仕事関数が得られる。しかしながら、最終的な結果は同じである。放出層は、基板から効果的に分離され、基板表面の結晶構造による影響は受けない。
【００１９】
別の例では、基板はタンタルであり、バッファはレニウムであり、放出層はタンタルである。レニウムは、タンタルと反応して、Ｒｅ−Ｔａ共堆積によって得られるものと同様のＲｅ−Ｔａ金属間相を形成することによって、下に配された基板内のタンタル構造を変化させ、粒子の配向ずれを最小限に抑える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の陰極形成方法の概略的な実施形態を示す。図４に示すように、ステップ１００において、基板の表面に堆積のための処理を施す。ステップ２００において、基板上にバッファを堆積する。ステップ３００において、陰極を生成するため、バッファ上に放出層を堆積する。
【００２１】
更に具体的な実施形態では、基板の表面を、イオン・エッチングおよび真空アニーリングによって処理する。更に、バッファおよび／または放出層を、マグネトロン・スパッタ堆積によって堆積する。更に、好適な実施形態では、バッファおよび放出層の双方を堆積した後に、真空アニーリングを実行する。
【００２２】
他の好適な実施形態では、バッファおよび層は、スパッタリング、蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）等の多数の異なる方法によって堆積することができる。バッファの望ましい厚さは、典型的に０．１μｍないし１００μｍの範囲であり、好ましくは０．５ないし１０μｍの範囲である。
【００２３】
図５は、一実施形態における本発明の陰極を示す。すなわち、図５は、陰極１００が、図４に示すように構成した基板１１２、バッファ１１４、放出層１１６を含むことを図示している。
【００２４】
一実施形態では、バッファ１１４は、基板１１２の表面上で変質させた粒子構造であり、仕事関数の分布を更に均一にする。別の実施形態では、バッファ１１４は、それ自体が細かい粒子のランダム化構造であり、基板１１２を遮蔽し、これによって、得られる陰極１１０の仕事関数の分布の均一性を改善する。
【００２５】
本発明の更に具体的な実施形態では、バッファ１１４は、拡散、合金化、析出、または新しい相の形成によって、基板表面の粒子構造を変質させる。更にまた、バッファ１１４は、基板１１２の化学クラスと同様の化学クラスからの原子を含む。例えば、基板１１２が耐熱金属または炭素である場合、バッファ１１４も耐熱金属または炭素である。別の好適な実施形態では、陰極は、ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システム等の投射電子リソグラフィ・システムの一部である。
【００２６】
また、バッファ１１４は、熱伝導性および電気伝導性ならびに、２１００°Ｋまでの動作温度に耐える良好な付着力を呈する。図５に示す陰極１１０の更なる利点の１つは、かかる層状陰極は、電子ビーム集束に役立つ湾曲形状（凹状または凸状）に形成することが可能なことである。
【００２７】
実施例１
実施例１は、多結晶Ｔａ陰極表面上に、所望の構造的な均一性および仕事関数の均一性を生成するのに効果的な、第１の物質の組み合わせについて説明する。例１は、Ｔａ／Ｍｏ／Ｗ／Ｔａ構成であり、ここで、Ｔａは多結晶基板表面、Ｍｏ／Ｗは２つの連続付加バッファ層、Ｔａは放出層である。
【００２８】
Ｔａ／Ｍｏ／Ｗ／Ｔａ機構では、ＭｏおよびＷの双方は、Ｔａと同じ体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、固溶体を形成する。Ｍｏ原子のサイズが比較的小さいために、１６００℃でアニーリングを行うと、第１のバッファのＭｏ原子はＴａ基板内に拡散する。このＭｏの拡散は、既存のＴａ粒子の結晶構造を変質させる。これに続くＷ層が、拡散によって基板上の粒子構造を更に変質させ、Ｔａ−Ｍｏ−Ｗの固溶体を形成する。最後のＴａ層は、３つのうちで最低の仕事関数を有するので、放出層として機能する。
【００２９】
図６Ａにおいて、Ｔａ基板１１２にＭｏ層１１４２が付加されている。Ｍｏ原子のサイズが比較的小さいために、１６００℃でアニーリングを行うと、Ｍｏ原子はＴａ基板１１２内に拡散する。このＭｏの拡散は、既存のＴａ粒子の結晶構造を変質すなわち変形させて、Ｔａ／Ｍｏ領域１１４４を形成し、これによってＴａ基板の配向をランダム化する。次いで、図６Ｂに示すように、Ｗ層１１４８を付加する。Ｗ層１１４８は、拡散によって基板上の粒子構造を更にランダム化させて、１１５０におけるＴａ／Ｍｏ／Ｗの固溶体を形成する。最後に、図６Ｃに示すように、Ｔａ放出層１１６を付加する。最後のＴａ層は、３つのうちで最低の仕事関数を有するので、放出層として機能する。また、Ｔａ層１１６の粒子構造は、下に配されたＴａ／Ｍｏ／Ｗ領域１１５０のために、ランダム化する。
【００３０】
Ｍｏ層１１４２およびＷ層１１４８は、典型的に、０．５ないし１０μｍの厚さで付加する。他の好適な例では、Ｍｏ層１１４２およびＷ層１１４８は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｉｒ、Ｒｈ、またはそれらのいずれかの組み合わせを含む群から選択することができる。
【００３１】
実施例２
実施例２は、多結晶Ｔａ陰極表面上に、所望の構造的な均一性および仕事関数の均一性を生成するのに効果的な、第２の物質の組み合わせについて説明する。例２は、Ｔａ／Ｒｅ−Ｔａ／Ｔａ構成であり、ここで、図７に示すように、Ｔａは多結晶基板１１２、Ｒｅ−Ｔａは合金化バッファ・フィルム１１３、Ｔａは放出層１１６である。
【００３２】
Ｒｅは六方最密（ｈｃｐ）構造を有するので、Ｔａと共に様々な金属間化合物を形成する。このため、共にスパッタしたＲｅ−Ｔａ合金フィルム１１３は、細かい粒子（＜４μｍ）のランダムな配向を有する表面構造から成り、Ｔａ基板１１２の元来の多結晶粒子構造を遮蔽する。また、これに続く放射Ｔａ層１１６は、Ｒｅ−Ｔａ合金フィルム１１３のため、同じ細かい粒子構造を有する。金属間化合物の生成および得られた多相構造のために、基板１１２内の粒子は、境界においてバッファ１１３の新しい相によって十分に抑えられ、それらの成長は、動作温度（２１００°Ｋ）において抑制される。また、Ｒｅは、熱膨張係数がＴａとほぼ適合し、結果として、フィルムの剥離および亀裂を生じる熱応力の形成は低減する。
【００３３】
例２の金属間化合物はＲｅ−Ｔａ合金であるが、Ｃ−Ｔａ、Ｈｆ−Ｔａ、Ｏｓ−Ｔａ、およびＲｕ−Ｔａを含む他の組み合わせも有効である。
【００３４】
実施例３
実施例３は、多結晶Ｔａ陰極表面上に、所望の構造的な均一性および仕事関数の均一性を生成するのに効果的な、第３の物質の組み合わせについて説明する。例３は、Ｔａ／Ｒｅ／Ｔａ構成であり、ここで、図８に示すように、Ｔａは多結晶基板１１２、Ｒｅはバッファ層１１６０、Ｔａは放出層１１６である。
【００３５】
図８Ａにおいて、Ｔａ基板１１２にＲｅ層１１６０が付加されている。ＲｅはＴａと反応してＲｅ−Ｔａ金属間化合物を形成する。例２と同様に、これらのＲｅ−Ｔａ金属間化合物は、細かい粒子（＜４μｍ）のランダムに配向した表面構造から成り、Ｔａ基板１１２の元来の多結晶粒子構造を遮蔽する。最後に、図８Ｂに示すように、Ｔａ放出層１１６を付加する。最後のＴａ層は、３つのうちで最低の仕事関数を有するので、放出層として機能する。Ｔａ層１１６の粒子構造は、下に配されたＲｅ−Ｔａ合金１１６２のため、微細であり、ランダム化している。
【００３６】
実施例１ないし３における物質の構成は、従来のＴａ陰極に比べ、放射顕微鏡およびＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）機械において、均一放射特性が改善されたことが示されている。
【００３７】
本発明について記載したが、これは多くの方法で変更可能であることは明らかであろう。かかる変更は、本発明の精神および範囲からの逸脱として見なされるものではなく、当業者に明白なかかる変更は全て、請求の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）（散乱角限定投射電子ビーム・リソグラフィ）システムの概念を示す概略図である。
【図２】従来のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）露出ツールを示す。
【図３】図１のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムのための従来のソースを示す。
【図４】本発明の陰極を形成する概略的な方法を示す。
【図５】本発明の陰極の全体を示す。
【図６Ａ】固溶体バッファ領域を有する陰極を示す。
【図６Ｂ】固溶体バッファ領域を有する陰極を示す。
【図６Ｃ】固溶体バッファ領域を有する陰極を示す。
【図７】合金バッファ・フィルムを有する陰極を示す。
【図８Ａ】固溶体バッファ領域を有する別の陰極を示す。
【図８Ｂ】固溶体バッファ領域を有する別の陰極を示す。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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