CN1222832C - 使用图案化发射体的电子光刻设备 - Google Patents

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CN1222832C CNB031311717A CN03131171A CN1222832C CN 1222832 C CN1222832 C CN 1222832C CN B031311717 A CNB031311717 A CN B031311717A CN 03131171 A CN03131171 A CN 03131171A CN 1222832 C CN1222832 C CN 1222832C
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Abstract

本发明公开了一种使用图案化发射体的电子光刻设备。该电子光刻设备包括将图案化金属薄层用作掩模来发射电子的热电发射体。当发射体受热时，电子自发射体的覆盖有图案化介电层的部分发射出，而不从发射体的覆盖有图案化金属薄层的部分发射出来，从而将发射体的图案投影到衬底上。为了防止所发射的电子束发散，电子束通过磁体、DC磁场发生器或偏转器来控制。因此，可以容易地在衬底上获得所需图案的一比一或x比一的投影。

Description

使用图案化发射体的电子光刻设备
技术领域
本发明涉及一种使用图案化发射体的电子光刻(electron lithography)设备，更具体地，涉及一种使用热电板的电子光刻设备，在该热电板上形成有作为电子束源的图案化金属薄膜层。
背景技术
利用图案化发射体进行铁电转换光刻(ferroelectric switching lithography)的设备通过转换图案化的铁电发射体来发生电子，以对衬底上的电子抗蚀剂(electron resist)进行曝光，形成与发射体图案相同的所需图案。然而，此铁电转换发射的缺点在于，通过掩模形成在发射体上的电极吸收电子。此外，发射体在其不与该电极相连时不能可靠地发射电子。
采用热电子源的光刻设备利用电和磁场控制电子束。然而，为了使用大尺寸的电子源，该光刻设备还需要包括用于使径向发散的电子束准直的装置。此时，光刻设备的结构复杂化。
同时，利用大尺寸电子源的光电阴极发射型光刻对空气污染非常敏感，因此不能商业化应用。
发明内容
本发明提供一种电子光刻设备，其能利用电子束源发射电子而无需施加高电压。
本发明还提供一种制造电子光刻设备的方法和一种制造电子束源的方法，该设备在低温下加热电子束源来发射电子。
根据本发明的一个方面，提供一种用于提供图案的一比一投影(projection)的电子光刻设备，该设备包括：设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化介电层的热电板，其中，热电板表面的由图案化介电层露出的部分形成有金属薄层；加热发射体的热源；以及磁体或DC磁场发生器，其设置在发射体和衬底夹具之外，以改变自发射体发射的电子的路径。
优选地，金属薄层形成在被图案化介电层露出的热电板上。
预定厚度的粘接层可形成在热电板与介电层和金属薄层之间。
介电层和热电板可顺序地形成在金属薄层之下。
热源是利用电阻加热的接触型加热板，或产生红外线的遥控的加热器。
热电板由自LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3组成的组中选出的热电材料形成。
介电层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
优选的是，金属薄层由自Ti、Au、Pt、Ta和Al构成的组中选出的金属形成。
为了实现本发明的另一方面，还提供一种用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备，该设备包括：设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化介电层的热电板，其中，热电板表面的由图案化介电层露出的部分形成有金属薄层；加热发射体的热源；以及偏转器，其设置在发射体和衬底夹具之间，以改变自发射体发射的电子的路径。
优选的是，偏转器包括：使自发射体发射的电子偏转的偏转板；以及，使偏转的电子准直的至少一个磁透镜。
根据本发明的另一方面，提供一种用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备，该设备包括：设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化金属薄层的热电板，其中，介电层形成在金属薄层之下且覆盖该热电板的所述表面；加热发射体的热源；以及磁体或DC磁场发生器，其设置在发射体和衬底夹具之外，以改变自发射体发射的电子的路径。
根据本发明的另一方面，提供一种用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备，该设备包括：设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化金属薄层的热电板，其中，介电层形成在金属薄层之下且覆盖该热电板的所述表面；加热发射体的热源；以及偏转器，其设置在发射体和衬底夹具之间，以改变自发射体发射的电子的路径。
附图说明
本发明的以上方面和优点将通过参照附图详细说明其优选实施例而变得更清楚，其中：
图1是根据本发明一实施例的用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备的示意性横截面视图；
图2是曲线图，示出涂覆或未涂覆金属薄层的LiNbO3热电板发出的电流值的变化；
图3是曲线图，示出发射体被加热到120℃和冷却到室温时热电板发出的电流值的变化，在该发射体中，在LiNbO3板上沉积有SiO2薄层；
图4是根据本发明另一实施例的用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备的示意性横截面视图；
图5A至5E是示出根据本发明一实施例的图案化热电发射体的制造过程的横截面视图，该发射体是电子束源；
图6是示出LiNbO3板阵列的图片，在该板上形成有Ti金属薄层和SiO2薄层；
图7是在本发明以上实施例中使用的电子束源的一个修改例子的横截面视图；
图8A至8E是示出图7的作为电子束源的图案化热电发射体的制造过程的横截面视图；
图9是本发明以上实施例中所用的电子束源的另一修改例子的横截面视图；以及
图10A至10D是示出图9的电子束源的制造过程的横截面视图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地说明本发明，其中，示出本发明的优选实施例。为了清晰起见，附图中示出的元件的诸如形状和厚度的特征将被夸大。不同附图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是根据本发明一实施例的用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备的示意性横截面视图。参见图1，涂覆有电子抗蚀剂24的衬底20设置在衬底夹具22上。热电发射体10安装在发射体支架12上，距离衬底20一预定距离，并在其被外部热源18加热时发射电子束17。发射体10包括热电板11、形成在热电板11上具有预定图案的介电层16、以及形成在热电板11上被介电层16露出的区域上的金属薄层14。接触型加热板(未示出)安装在与面对衬底20的表面相反的表面上，从而向热电板11供热。电磁体或永磁体30和30′设置在热电板11和衬底夹具22之外，以控制从发射体10发射的电子的路径。
热电板11由诸如LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3的热电材料制造，并在热电板11被外热源18加热时发射电子。
图2是曲线图，示出被加热的热电板11发出的电流的变化，该热电板由LiNbO3形成至1mm厚，并涂覆或未涂覆金属薄层。参见图2，LiNbO3热电板11自20℃加热到120℃，然后冷却到室温。在LiNbO3板11未涂覆金属薄层(裸LN)的情形下，10-14A的电流在约120℃自LiNbO3板11发射，并对衬底20上的电子抗蚀剂24构图。然而，在LiNbO3板11涂覆金属薄层，诸如约500埃的铂(Pt)薄层或钛(Ti)薄层的情形下，电子难以从被加热的LiNbO3板11发出。因此，金属薄层阻挡了来自涂覆有金属薄层的区域的电子发射。
图3是曲线图，说明了由1mm厚的LiNbO3板和LiNbO3板上约1000埃的SiO2薄层构成的发射体在LiNbO3板被从室温加热到120℃并冷却到室温时发出的电流的变化。参见图3，在将LiNbO3板从室温(例如20℃)加热到60℃时不发射电子，但是在60℃时开始发射电子，并在120℃时发射用于构图电子抗蚀剂所需的电子。
介电层16以预定间隔构图在板11上，从而构图热电板11上的金属层14。因此，优选地，介电层16由诸如SiO2、Si3N4或TiO2的能以纳米大小的单元构图的材料形成。
以下，将参照图1说明根据本发明一实施例的用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备的操作。首先，涂覆电子抗蚀剂24的衬底20设置在衬底夹具22上，并向发射体10施加热。在加热发射体10的过程中，当热电板11利用热源18在例如2×10-5乇或更小的压力下的真空状态下加热到预定温度，例如120℃时，电子束17从图案化的介电层16中发出。由于0.8特斯拉DC磁场，电子束17直线行进以构图衬底20上的电子抗蚀剂24。发射体10的通过金属薄层14构图的图案以1∶1的比例投影到衬底20上。为了图案的反复投影，对发射体10的加热和冷却反复进行。
在根据本发明一实施例的电子光刻设备中，热电板11安装在发射体支架12上，但是发射体支架12可以用加热板代替。
此外，热源18可以是产生红外线的遥控的加热器(未示出)。
图4是根据本发明另一实施例的用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备的示意性横截面视图。相同的附图标记用于与本发明前述实施例中的元件相同的元件，因此其说明略去。
参见图4，在衬底夹具22上设置涂覆有电子抗蚀剂24的衬底20。热电发射体10安装在发射体支架12上，离衬底20一预定距离，并在其被外部热源18加热时发射电子束17。发射体10包括热电板11、热电板11上具有预定图案的介电层16，该预定图案形成在由介电层16露出的区域上。接触型加热板(未示出)安装在与面对衬底20的表面相反的表面上，从而向热电板11供热。偏转板52、磁透镜54以及光圈56设置在热电板11和衬底夹具22之间。偏转板52偏转自发射体10发出的电子束17。磁透镜54使偏转的电子束17准直。光圈56过滤该准直化的电子束17。
热电板11由诸如LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3的热电材料制造，并在热电板11被热源18加热时发射电子。
构图介电层16以在热电板11上构图金属薄层14，且优选的是，介电层16由诸如SiO2、Si3N4或TiO2的能以纳米大小的单元构图的材料形成。
现在将参照图4说明用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备的操作。首先，涂覆电子抗蚀剂24的衬底20设置在衬底夹具22上，并向发射体10施加热。当热电板11利用热源18在例如2×10-5乇或更小的压力下的真空状态下加热到预定温度，例如120℃时，电子束17从图案化的介电层16中发出。电子束17被偏转板52和磁透镜54偏转和准直，从而缩小发射体10的图案的尺寸。
优选的是，发射体10被加热到120℃，以获得所发射的电子束的充足剂量。此外，为了图案的反复投影，反复进行发射体10的加热和冷却。此时，为了高产量，发射体10被冷却到约60℃并被加热到120℃。
在根据本发明另一实施例的电子光刻设备中，用于发射电子束的发射体10安装在发射体支架12上，但是发射体支架12可用加热板代替。
图5A至5E是横截面视图，示出根据本发明一实施例的作为电子束源的图案化热电发射体的制造过程。相同的附图标记用于与前述实施例的元件相同的元件，因此其说明略去。
如图5A所示，约1000埃厚的介电层16沉积在1mm厚的热电板11上。热电板11由诸如LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3的热电材料制造，且介电层16利用诸如SiO2、Si3N4或TiO2的能以纳米大小的单元构图的材料，通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)沉积。接着，在介电层16上涂覆光致抗蚀剂(photosensitive resist)R。
其后，利用光刻和电子束光刻通过曝光和显影构图光致抗蚀剂R(见图5B)。
接着，参见图5C，介电层16通过反应离子蚀刻(RIE)利用图案化的光致抗蚀剂R作为掩模来构图介电层16。
接着，在热电板11的被图案化的介电层16露出的部分上沉积金属薄层14(见图5D)。优选地，金属薄层14的沉积通过具有较低台阶覆盖性的真空蒸发来进行。图5D显示了金属薄层14在热电板11上的沉积。此处，金属薄层14可以由厚约500埃的Ti、Au、Pt、Ta或Al形成。
接着，将剩余的光致抗蚀剂图案R除去，以获得热电发射体，在该发射体中，在热电板11上形成有图案化的介电层16和图案化的金属薄层14，如图5E所示。
图6是显示LiNbO3板的阵列的照片，其上形成有Ti金属薄层和SiO2薄层。
图7是根据本发明以上实施例的在电子光刻设备中使用的电子束源的修改例子的横截面视图。
参见图7，在热电板111上形成约500埃厚的粘接层112。由SiO2、Si3N4或TiO2形成的图案化介电薄层116沉积在粘接层112上。金属薄层114形成在粘接层112的被图案化介电薄层116暴露的部分上。粘接层112具有高的耐久性，于是增加了金属薄层114和介电层116之间的粘接强度。粘接层112由诸如SiO2、Si3N4或TiO2的材料形成，也即介电薄层116的材料。图7所示的电子束源具有稳定的结构和与本发明的以上实施例相同的操作。
图8A至8E是示出图7的图案化热电发射体的制造过程的横截面视图。
首先，如图8A所示，厚约500埃的粘接层112和厚约1000埃的介电层116顺序沉积在具有预定厚度，例如1mm厚度的热电板111上。热电板111由诸如LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3的热电材料制造。介电层116利用诸如SiO2、Si3N4和TiO2的可按纳米大小的单元构图的材料，通过CVD或PVD沉积。接着，光致抗蚀剂R涂覆在介电层116上。如果粘接层112和介电层116由相同的材料形成，则优选的是，它们一起形成至约1000-1500埃的厚度。
其后，通过光刻和电子束光刻，借助曝光和显影来构图光致抗蚀剂R(见图8B)。
接着，参见图8C，介电层16通过反应例子蚀刻(RIE)，将图案化的光致抗蚀剂R用作掩模来构图介电层16。此处，如果介电层116和粘接层112由相同材料形成，则优选的是，蚀刻后的层116和112通过控制蚀刻时间而具有与粘接层112的厚度相同的厚度，例如500埃。
接着，金属薄层114沉积在热电板111上(参见图8D)。优选地，金属薄层114通过具有较差台阶覆盖性的真空蒸发形成。此处，金属薄层由Ti、Au、Pt、Ta或Al形成至约500埃厚。
在沉积金属薄层114后，除去剩余的光致抗蚀剂R以获得电子光刻设备，其中，形成图案化的金属薄层114和图案化的介电层，如图8E所示。
图9是根据本发明以上实施例的在电子光刻设备中使用的电子束源的另一修改例子的横截面视图。
参见图9，由SiO2、Si3N4或TiO2形成的、厚约1000埃的介电薄层216沉积在热电板211上，且图案化的金属薄层214形成在介电薄层216上。介电薄层216具有与图7的粘接层112相同的功能，即，其具有高的耐久性，并提高了形成在介电薄层216上的金属薄层214与热电板211之间的粘接强度。
当热电板211受热时，电子束从介电薄层216的被热电板211上的图案化金属薄层214露出的部分发射出。图9所示的电子束源执行与前述实施例中的相同的操作，因此，此处略去其详细描述。
图10A至10D是示出图9的电子束源的制造过程的横截面视图。
首先，如图10A所示，介电层216在具有例如1mm厚度的预定厚度的热电板211上沉积至约1000埃厚。热电板211由诸如LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3的热电材料制造。介电层216利用诸如SiO2、Si3N4和TiO2的可按纳米大小的单元构图的材料，通过CVD或PVD沉积。接着，光致抗蚀剂R涂覆在介电层216上。
接着，光致抗蚀剂R通过光刻和电子束光刻，借助曝光和显影来构图(见图10B)。此时，LOR抗蚀剂(未示出)和光致抗蚀剂R可顺序地沉积在介电层216上，用于顺序抬高工序(lift-off process)。
接着，优选的是，在热电板211上进行具有较差台阶覆盖性的真空蒸发，以在热电板211上形成金属薄层214，如图10C所示。金属薄层214可由Ti、Au、Pt、Ta或Al形成至约500埃厚。其后，剥除剩余光致抗蚀剂R以获得图案化的金属薄层214。
在抬高工序后，剩余的光致抗蚀剂R通过灰化完全去除。
如上所述，在采用图案化发射体的电子光刻设备中，热电发射体利用图案化的金属薄层作为掩模。当发射体受热时，电子从发射体的涂覆有图案化介电层的部分发射出来，而不从发射体的覆盖有图案化金属薄层的部分发射出来。因此，可以精确地将发射体的图案投影到衬底上。为了防止自发射体发射的电子束发散，可利用磁体、DC磁场发生器、或偏转器来控制电子束，从而使得能进行所需图案的一比一投影或x比一投影。此外，即使在诸如120℃的低温下，热电发射体也能够发射电子，而无需向热电发射体施加DC电压。
虽然本发明已经参照其优选实施例得以具体显示和说明，但是本领域技术人员将要理解的是，在不脱离本发明的如所附权利要求所定义的精神和范围的情形下，可对其作各种形式和细节上的改变。

Claims (31)

1.一种用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备，该设备包括：
设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化介电层的热电板，其中，热电板表面的由图案化介电层露出的部分形成有金属薄层；
加热发射体的热源；以及
磁体或DC磁场发生器，其设置在发射体和衬底夹具之外，以改变自发射体发射的电子的路径。
2.如权利要求1所述的设备，还包括热电板与介电层和金属薄层之间预定厚度的粘接层。
3.如权利要求2所述的设备，其中，粘接层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
4.如权利要求1所述的设备，其中，热源是利用电阻加热的接触型加热板。
5.如权利要求1所述的设备，其中，热源是产生红外线的遥控的加热器。
6.如权利要求1所述的设备，其中，热电板由自LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3组成的组中选出的热电材料形成。
7.如权利要求1所述的设备，其中，介电层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
8.如权利要求1所述的设备，其中，金属薄层由自Ti、Au、Pt、Ta和Al构成的组中选出的金属形成。
9.一种用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备，该设备包括：
设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化介电层的热电板，其中，热电板表面的由图案化介电层露出的部分形成有金属薄层；
加热发射体的热源；以及
偏转器，其设置在发射体和衬底夹具之间，以改变自发射体发射的电子的路径。
10.如权利要求9所述的设备，还包括热电板与介电层和金属薄层之间预定厚度的粘接层。
11.如权利要求10所述的设备，其中，粘接层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
12.如权利要求10所述的设备，其中，偏转器包括：
使自发射体发射的电子偏转的偏转板；以及
使所偏转的电子准直的至少一个磁透镜。
13.如权利要求10所述的设备，其中，热源是利用电阻加热的接触型加热板。
14.如权利要求10所述的设备，其中，热源是产生红外线的遥控的加热器。
15.如权利要求10所述的设备，其中，热电板由自LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3组成的组中选出的热电材料形成。
16.如权利要求10所述的设备，其中，介电层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
17.如权利要求10所述的设备，其中，金属薄层由自Ti、Au、Pt、Ta和Al构成的组中选出的金属形成。
18.一种用于提供图案的一比一投影的电子光刻设备，该设备包括：
设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化金属薄层的热电板，其中，介电层形成在金属薄层之下且覆盖该热电板的所述表面；
加热发射体的热源；以及
磁体或DC磁场发生器，其设置在发射体和衬底夹具之外，以改变自发射体发射的电子的路径。
19.如权利要求18所述的设备，热源是利用电阻加热的接触型加热板。
20.如权利要求18所述的设备，其中，热源是产生红外线的遥控的加热器。
21.如权利要求18所述的设备，其中，热电板由自LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3组成的组中选出的热电材料形成。
22.如权利要求18所述的设备，其中，介电层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电材料形成。
23.如权利要求18所述的设备，其中，金属薄层由自Ti、Au、Pt、Ta和Al构成的组中选出的金属形成。
24.一种用于提供图案的x比一投影的电子光刻设备，该设备包括：
设置得距离衬底夹具一预定距离的热电发射体，该发射体包括在其面对衬底夹具的表面上具有图案化金属薄层的热电板，其中，介电层形成在金属薄层之下且覆盖该热电板的所述表面；
加热发射体的热源；以及
偏转器，其设置在发射体和衬底夹具之间，以改变自发射体发射的电子的路径。
25.如权利要求24所述的设备，还包括热电板与介电层和金属薄层之间预定厚度的粘接层。
26.如权利要求24所述的设备，其中，偏转器包括：
使自发射体发射的电子偏转的偏转板；以及
使所偏转的电子准直的至少一个磁透镜。
27.如权利要求24所述的设备，其中，热源是利用电阻加热的接触型加热板。
28.如权利要求24所述的设备，其中，热源是产生红外线的遥控的加热器。
29.如权利要求24所述的设备，其中，热电板由自LiNbO3、LiTaO3和BaTiO3组成的组中选出的热电材料形成。
30.如权利要求24所述的设备，其中，介电层由自SiO2、Si3N4和TiO2构成的组中选出的介电层形成。
31.如权利要求24所述的设备，其中，金属薄层由自Ti、Au、Pt、Ta和Al构成的组中选出的金属形成。
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