(57)【要約】【課題】仕切り用の窓材を無くし、面状の電子源から放出され、エネルギーの揃った低速電子線を一括して試料に照射することが可能な電子線照射装置を提供する。【解決手段】真空容器と、前記真空容器中に配置され、面状の電子ビームを放出する電子源アレイと、前記真空容器中に配置され、前記電子源アレイと直接対向する試料台とを有し、前記電子源アレイの電子放出電極に、前記試料台に対して負電圧を印加し、前記電子源アレイから放出される電子線を試料に向かって加速して照射する。前記負電圧は、−１０ｋeＶ以下で、電圧値が可変な電圧であり、超低速電子線を照射可能である。前記電子源アレイは、前記試料台より大きく、電子ビームを試料に一括照射可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器中に配置され、面状の電子ビームを放出する電子源アレイと、
前記真空容器中に配置され、前記電子源アレイと直接対向する試料台とを有し、
前記電子源アレイの電子放出電極に、前記試料台に対して負電圧を印加し、前記電子源アレイから放出される電子線を試料に向かって加速して照射することを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
前記負電圧は、−１０ｋeＶ以下で、電圧値が可変な電圧であり、超低速電子線を照射可能であることを特徴とする請求項１に記載の電子線照射装置。
【請求項３】
前記電子源アレイは、前記試料台より大きく、電子ビームを試料に一括照射可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子線照射装置。
【請求項４】
前記真空容器は、前記電源アレイと前記試料台との間に配置され、電子ビーム照射時のみ開き、非照射時は前記電子源アレイを遮蔽し、試料からの揮発物付着を防止するシャッターを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電子線照射装置。
【請求項５】
前記電子源アレイは、面状の下部電極と、
前記面状の下部電極上に、マトリクス状に設けられる複数の電子加速層と
前記複数の電子加速層の間に格子状に設けられ、電子加速層を制限する保護絶縁層と、
前記保護絶縁層上に格子状に設けられる上部バス電極と、
前記複数の電子加速層と前記上部バス電極上に設けられる上部電極とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に電子線を照射して、試料を改質する電子線照射装置に係り、特に、面状でエネルギーの揃った超低速電子線を薄膜試料に照射し、薄膜の機械強度等を改質する電子線照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線照射装置は、一般に、図１、図２に示すように、試料室１１０とは完全に仕切られた別の電子源室１１１や電子管１２０で発生させた高速の電子ビーム１１２を、仕切り用の窓材１１３を透過させて、窓材１１３の下に配置、あるいは搬送した試料１１４に照射して、試料１１４の架橋、重合による硬化や機械強度改善、高エネルギー線照射による滅菌等を行う装置である。なお、図２に示す電子線照射装置は、例えば、下記、非特許文献１に開示されている。
電子源１１５は通常、点状あるいはライン状の熱電子源が用いられ、放出電子を数１０ｋＶ〜数ＭｅＶに加速し、金属箔等の薄い窓材１１３を透過させて大気中、あるいは別の真空容器に電子を取り出す。
点状電子源の場合は偏向走査回路１１６により、ライン状電子源の場合は、電子線のカーテンシャワーの下を試料搬送して、また電子管の場合は複数の電子管１２０を２次元的に並べて、試料１１４全体に電子線を照射する。
試料１１４としては、電子線照射で硬化するゴムや接着材など、滅菌を目的とする食品、医療関係など様々なものが適用されている。最近では、半導体素子の低誘電率膜の機械強度改善にも適用が検討されている。
【０００３】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【非特許文献１】依田  孝他２名 “高性能配線技術” 東芝レビュー Vol.59 No.8（2004） pp17-21
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の半導体素子では、多層配線の層間絶縁膜の低誘電率化（Ｌｏｗ―Ｋ化）が、半導体素子の高速、高性能化のため必須の技術となりつつある。低誘電率膜（Ｌｏｗ―Ｋ膜）は比誘電率を２〜３程度と低く抑えるため、膜構造を疎にしており従来の層間絶縁膜に比べ膜の強度が脆弱な欠点を持つ。そのため、ＣＭＰ（化学機械研磨）を用いた層間絶縁膜の平坦化工程に耐えられるように、ＣＶＤや塗布法を用いた成膜後、電子線照射や紫外線照射を用いた硬化処理（キュア）が行われる。
これら半導体用の電子線照射装置としては、ウェハサイズの面積を一括、均一に照射可能であること、電子線照射による帯電損傷を抑制するため、できるだけ低速の電子線を照射することが求められている。
また、低誘電率膜は多層配線の層間絶縁膜として多層にして用いられるため、上層の低誘電率膜に電子線を照射する際に、すでに電子線を照射済みの下層の低誘電率膜にも電子線が透過して多重照射されることによる性能低下（比誘電率上昇）を避けるため、各層の低誘電率膜の膜厚分のみ侵入するエネルギーの揃った低速電子源が望ましい。
現在は、図２に示したような比較的小サイズの電子管を複数配置することで擬似的に面状の電子ビームを得ており、また比較的透過率の高いＳｉ（厚さ３μｍ程度）箔を用いることで、電子エネルギー損失を低減し、加速電圧１３ｋＶ〜２５ｋＶ程度に抑制した装置が用いられている。
【０００５】
しかしながら、電子管を並べて配置する方法は、完全な面状電子源とは言えず、面内不均一が発生しやすい。また、従来用いられている熱電子源は高真空環境化でしか安定に動作しないため、試料の出し入れが頻繁に行われ高真空の維持ができない真空容器に直結するのは難しく、電子管の真空を試料室とは仕切る窓材の使用が避けられない。
窓材は窓材内や、窓材外の大気中での電子ビームの拡散により面状の電子ビームを得るためにも必要である。しかしながら、窓材を用いる限り、窓材を透過させるための加速電圧は必要であり、また窓材内での電子線の散乱のため、加速電圧をさらに低減したり、エネルギーを揃えることは困難である。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、仕切り用の窓材を無くし、面状の電子源から放出され、エネルギーの揃った低速電子線を一括して試料に照射することが可能な電子線照射装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の目的を達成するために、本発明の電子線照射装置では、真空容器中で面状の電子ビームを放出する電子源アレイと、該電子源アレイと直接対向して配置される試料台を有し、該電子源アレイを試料台に対し負電圧を印加することで、該電子源アレイから放出される電子を試料に向かって加速して照射する。
前述の負電圧は可変であり、特に、負電圧を−１０ｋeＶ以下の超低速でエネルギー半値幅が１０eＶ以下と揃った電子線を照射する。
また、電子源アレイは、試料台より大きく、電子ビームを試料に一括照射可能であり、真空容器は、電子ビーム照射時のみ開き、非照射時は電子源アレイを遮蔽し、試料からの揮発物付着を防止するシャッターを有している。
さらに、電子源アレイは、面状の下部電極上に、複数の電子加速層と上部電極からなる電子放出部を２次元配置し、各電子放出部の間隙には、電子加速層を制限する保護絶縁層と、上部電極への給電線となる上部バス電極を格子状に設けて構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明の電子線照射装置によれば、仕切り用の窓材を無くし、面状の電子源から放出され、エネルギーの揃った低速電子線を一括して試料に照射することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図３は、本発明の実施例の電子線照射装置の構成を示す模式図である。
本実施例の電子線照射装置は、電子源アレイ１３０と試料台１３１とを対向配置した真空容器１３２とで構成される。真空容器１３２中では、電子源アレイ１３０は容器上壁面上に、真空容器から絶縁材１３３を介して配置され、電子源アレイ全体に真空容器に対し負電圧を印加することが可能となっている。
一方、試料台１３１は、電子源アレイ１３０と直接対向し、真空容器１３２と同電位、あるいは接地になっており、電子源アレイ１３０に対して正の電位に保たれる。
電子源アレイ１３０に印加する負電圧１３４は可変であり、任意の電圧を印加することが可能である。
本実施例では、電子源アレイ１３０と試料台１３１が同一の真空容器１３２に収められており、窓材は存在しないため、電子線のエネルギー損失は発生しない。従って、負電圧は、試料の厚さを電子線が侵入するのに必要な電圧に抑えることが可能であり、たとえば１０ｋｅＶ以下の低速の電子線を照射することが可能である。
試料台１３１は加熱できるヒータ機構１３５が内蔵されており、試料に含まれる溶剤成分を揮発させることができるようになっている。
また、電子源アレイ１３０と試料台１３１との間には、真空内部で可動するシャッター１３６が設けられており、電子線照射時以外は、試料台１３１と電子源アレイ１３０が正対しないようにすることで、溶剤成分で電子源アレイ１３０が汚染されるのを防ぐ構造になっている。
【０００９】
本実施例の電子源アレイ１３０は、従来の熱電子源とは異なり、面状の電子ビームを発生されることが可能な冷陰極アレイが適する。そのなかでも特に、高真空を必要とせず、下部電極−電子加速層−上部電極を有し、電子加速層で発生させたホットエレクトロンを上部電極を透過させて放出することで、低真空（１Ｐａ程度以下）でも安定した電子放出が可能な薄膜型電子源が適する。
ここでは、電子加速層に絶縁層を用いた金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ；Metal-Insulator-Metal）型電子源の実施例を述べるが、電子加速層としてはこのほか、半導体や、絶縁層と半導体の積層膜、混合膜等が可能である。
図４は、ＭＩＭ型電子源の原理を説明するための図である。
ＭＩＭ形電子源は、上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧Ｖｄを印加して、電子加速層１２内の電界を１〜１０ＭＶ／ｃｍ程度にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、電子加速層である絶縁層１２の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなり、上部電極１３の伝導帯へ流入する。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極１３の仕事関数φｓ以上のエネルギーを持って上部電極１３表面に達したものが真空中２２に放出される。
【００１０】
このようにホットエレクトロンを放出する薄膜型電子源は素子内部の障壁に高電界を印加して電子放出を制御するため、素子表面に高電界を印加して電子放出を制御するフィールドエミッション型の冷陰極に比べ表面の汚染に鈍感であり、低真空でも安定動作させやすい利点を有する。
そのため、図３に示す本実施例の電子線照射装置のように、同一の真空容器内に電子源アレイ１３０と試料台１３１を収めることが可能であり、低速の電子線を試料に照射することが可能である。また、頻繁に試料を真空容器１３２に出し入れする場合でも短時間で排気することが可能であり、生産性に優れている。
さらに、放出される電子線のエネルギー幅は、図４から分かるように駆動電圧Ｖｄと仕事関数φｓの差（Ｖｄ−φｓ）の差以上には広がらない。仕事関数φｓは通常５ｅＶ程度であり、駆動電圧を１０から１５Ｖとすれば、エネルギー半値幅は５〜１０ｅＶ以下となり、エネルギーの揃った電子線を放出することが可能であり、試料への電子線の侵入長を精密に制御するのに適する。
【００１１】
次に、本実施例の電子源アレイ１３０の構造について説明する。
電子線照射装置では、面状の電子ビームを一括照射することが量産性の点で望ましい。従って、電子源アレイ１３０は、図３に示すように試料台１３１より大きくする。しかしながら薄膜型電子源はホットエレクトロンを透過する薄い上部電極１３を用いるため、このままでは電圧降下が大きく、中央部で印加電圧が不十分となるため大面積の面状電子ビームを得ることが出来ない。
そこで、図５に示すように、試料台より大きな絶縁性基板１０上に面状の下部電極１１に、複数の電子加速層１２と上部電極１３からなる１００μｍ角程度の微細な電子放出部１４を２次元配置し、各電子放出部１４の間隙には、電子加速層を制限する保護絶縁層１５と、上部電極への給電線となる上部バス電極１６を格子状に設ける。
これにより、微細な電子ビームを複数放出することができる。これらの電子ビームは直進性が一般に高いが１°程度の発散角は有するので、電子源アレイ１３０と試料台１３１の間を１ｃｍ以上とすることで平均化され、均一な面状電子ビームを得ることが可能である。
なお、図５は、本実施例の電子源アレイ１３０の構造を示す図であり、図５（ａ）は本実施例の電子源アレイ１３０の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ｂ切断線に沿った断面構造を示す断面図である。
【００１２】
次に、図５に示す電子源アレイの製造法について説明する。
先ず、ソーダガラス等の絶縁性基板１０上を用意し、この絶縁性基板１０上に下部電極用の金属膜を形成する。下部電極用の材料としては、アルミニウム（Ａｌ；以下、単に、Ａｌと称する。）やアルミニウム合金（以下、単に、Ａｌ合金と称する。）を用いる。ここでは、Ａｌ−ネオジム（Ｎｄ；以下、単に、Ｎｄと称する。）合金を用いた。また、金属膜の形成には、例えば、スパッタリング法を用い、その膜厚は３００ｎｍとした。
次に、下部電極１１上の電子放出部１４となる部分をレジスト膜でマスクし、化成液中で下部電極１１を陽極として、下部電極１１上の電子放出部１４となる部分以外の部分を選択的に厚く陽極酸化し、保護絶縁層１５を形成する。このとき、化成電圧を１００Ｖとすれば、厚さ約１３６ｎｍの保護絶縁層１５が形成される。
次に、保護絶縁層１５を形成した後、レジスト膜を除去し、化成液中で再度下部電極１１を陽極として、陽極酸化を行い、下部電極１１上に電子加速層（トンネル絶縁層）１２を形成する。例えば、化成電圧を６Ｖとすれば、下部電極１１上に厚さ約１０ｎｍの電子加速層１２が形成される。
次に、上部電極１３への給電線となる上部バス電極用の電極をスパッタリング法で形成する。ここでは、上部バス電極用の電極の材料として、例えば、Ａｌ−Ｎｄ合金を用いた。
次に、上部バス電極用の電極をエッチングして、上部バス電極１６を形成する。
最後に、上部電極１３の金属膜をスパッタ法で形成する。上部電極１３としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の積層膜を用い、膜厚は数ｎｍ（本実施の形態では３ｎｍ）である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の電子線照射装置の構造を示す図である。
【図２】従来の電子線照射装置の構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例の電子線照射装置の構造を示す模式図である
【図４】本発明の実施例の電子線照射装置に用いられる薄膜型電子源の動作原理を示す図である。
【図５】本発明の実施例の電子線照射装置に用いる電子源アレイの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１０  絶縁性基板
１１  下部電極
１２  電子加速層
１３  上部電極
１４  電子放出部
１５  保護絶縁層
１６  上部バス電極
２２  真空
１１０  試料室
１１１  電子源室
１１２  電子ビーム
１１３  窓材
１１４  試料
１１５  電子源
１１６  偏向走査回路
１２０  電子管
１３０  電子源アレイ
１３１  試料台
１３２  真空容器
１３３  絶縁材
１３４  負電圧
１３５  ヒータ機構
１３６  シャッター
【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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