DE68925898T2

DE68925898T2 - Grossflächige uniforme elektronenquelle

Info

Publication number: DE68925898T2
Application number: DE68925898T
Authority: DE
Inventors: William Livesay
Original assignee: Electron Vision Corp
Current assignee: Electron Vision Corp
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2009-11-15
Also published as: EP0395752B1; US5003178A; WO1990005990A1; DE68925898D1; JP2895619B2; EP0395752A1; EP0395752A4; JPH03503337A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein Elektronenbestrahlungssysterne zur Bestrahlung, Behandlung und Verarbeitung von Beschichtungen und Materialien. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektronenemissionseinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Elektronenstrahls mit relativ großer Querschnittsfläche.
Es besteht eine Forderung nach einer großflächigen Elektronenstrahlquelle, die steuerbar ist, gleichförmig, unempfindlich gegen unzureichenden Unterdruck und langlebig ist. Es wurden viele Verfahren zur Materialbehandlung und bei der Halbleitervorrichtungsverarbeitung entwickelt, die eine großflächige Elektronenbestrahlung erfordern. Viele dieser Prozesse erfordern eine Elektronenstrahlquelle, die hinsichtlich der Spannung und des Stroms gesteuert werden kann und dem Ausgasen des bestrahlten Materials widerstehen kann. Elektronenstrahlquellen, die zur Behandlung großer Materialvolumina verwendet werden, wurden typischerweise mittels eines Unterdruckfensters isoliert, um die Elektronenemissionskathode von Ausgasen des behandelten Materials zu schützen. Aufgrund der Schwierigkeit bei der Herstellung von Unterdruck- oder Vakuumfenstern, die großflächig für Elektronen durchlässig sind, haben diese Systeme einen kleinen Abtaststrahl eingesetzt, der in Rasterabtastung verwendet wurde, um größere Flächen gleichformig zu bestrahlen. Um höhere Durchsätze zu erreichen, ist es vorteilhaft, großflächige oder Flutstrahlungselektronenquellen zu verwenden, um das gesamte Substrat gleichzeitig zu bestrahlen. Ohne ein Vakuumfenster müssen jedoch diese größeren Elektronenquellen undurchlassig für Ausgase aus den zu behandelnden Materialien sein.
Viele großflächige thermionische Kathoden wurden entwickelt. Derartige Quellen benötigen jedoch eine gute Unterdruckumgebung, damit die Lebensdauer lang ist, und erzeugen des weiteren viel Wärme, was das zu verarbeitende Material negativ beeinflußt. Für Verfahren, bei denen das Substrat temperaturempfindlich ist, ist eine kalte Kathode wünschenswert. Verschiedene Kaltkathodenelektronenquellen wurden umgesetzt. Ein Elektronenstrahlsystem, das eine großflächige Gasentladungsquelle verwendet, wurde durch Rocca im Patent der Vereinigten Staaten Nr. 4,496,449 beschrieben. Ein weiteres großflächiges Elektronenbestrahlungssystern (mit Verwendung einer kalten Kathode) ist Hiroaka, US- Patent Nr. 4,119,688, in dem eine gepulste Glimmentladung beschrieben ist, um eine Schattenmaske zu bestrahlen. Bei der gepulsten Glimmentladung ist es jedoch schwierig, gleichförmige Bestrahlungen und präzise Dosissteuerung zu erzielen. Konventionelle Glimmentladungsquellen erfordern einen Ballastwiderstand und sind sehr vom Betriebsunterdruck abhängig. Eine weitere, auf Photoemission beruhende großflächige Kathode ist im US-Patent Nr. 4,554,458 beschrieben und verwendet eine unstrukturierte Photokathode zur Beleuchtung einer Schattenmaske. Photokathoden werden jedoch schnell verunreinigt und erfordern eine hochreine Hochvakuumumgebung.
Bei konventionellen Glimmentladungsprozessen werden die Beschleunigungsspannung und der Druck eingestellt, um die Entladung zu steuern. Man kann nicht eine große Änderung der Beschleunigungspannung erzielen, ohne den Strom deutlich zu ändern oder den Druck einzustellen oder beides, um die Entladung stabil zu halten. Falls das Zielsubstrat ausgast, steigt der Druck und der Strahlstrom steigt unsteuerbar. In dem US-Patent Nr. 3,852,596 wird dieses Problem dadurch überwunden, daß die Kathode entfernt vom zu bestrahlenden Ziel angeordnet ist und die Kathode durch Differenzpumpen der zwei Einschlüsse geschützt wird. Differenzpumpen wird durch physikalisches Trennen der beiden Volumina mit Ausnahme einer kleinen Öffnung, durch die der Strahl passiert, erreicht. Die Öffnung ist klein genug, um die Vakuumleitfähigkeit ausreichend zu beschränken, 50 daß eine große Druckdifferenz zwischen den beiden aufrechterhalten wird. Diese Technik kann nicht für einen großflächigen Elektronenstrahl verwendet werden, der erfordert, daß der Raum zwischen der Kathode und dem Ziel offen und relativ frei von Hindernissen ist.
Bei einer anderen bekannten Umsetzung, die Differenzpumpen zur Steuerung einer Glimmentladungselektronenquelle verwendet, hat Induni (Helv. Phys. Acta 20, 463, 1947) eine Einrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen monoenergetischen Elektronenstrahls ersonnen. Induni separierte den Ionisations- und den Beschleunigungsbereich einer Gasentladungselektronenquelle durch Einschließen der Kathode in ein Rohr mit einer Anode mit kleiner Öffnung, die nahe der Kathode angeordnet ist. Die Anode mit kleiner Öffnung ist in einem Abstand angeordnet, der geringer ist als die mittlere freie Weglänge der Elektronen (die in Richtung auf die Anode beschleunigt werden). Aufgrunddessen tritt im Beschleunigungsbereich keine Ionisation auf. Elektronen, die die Anodenöffnung passieren, gelangen in eine größere Kammer und erzeugen in diesem feldfreien Raum Ionen. Solche Ionen, die nahe genug an die kleine Anodenöffnung driften, werden durch die Öffnung in das Beschleunigungsfeld gezogen. Die Elektronenemission wird durch Einstellen des Druckes in dem feldfreien Raum gesteuert. Da eine kleine Öffnung verwendet wird, können die Unterdruckpegel zwischen dem Beschleunigungs- und dem Ionisationsbereich differieren. Dies ermöglicht es, daß ein hohes Vakuum in dem Beschleunigungsfeldbereich aufrechterhalten wird, was die Anfälligkeit gegen Hochspannungsdurchbruch bei Betrieb mit hoher Elektonenenergie vermindert. Obwohl Indunis Elektronenkanone viele der Probleme einer Gasentladungselektronenquelle löst, erzeugt sie einen Strahl mit sehr kleinem Durchmesser und kleinem Winkel, der zum schnellen Bestrahlen großflächiger Ziele nicht geeignet ist. Ein weiterer Nachteil dieser speziellen Quelle besteht darin, daß zur Änderung des Emissionsstrahls eine Anderung des Druckes im Vakuumbehälter (Ionisationsbereich) erforderlich ist. Zur Erzielung einer großen Änderung des Emissionsstrahls ist eine große Änderung des Druckes erforderlich. Dies ist ein ernster Nachteil, da es sehr schwierig ist, den Druck in einem Vakuumsystem schnell und genau zu variieren und zu steuern. Ein weiterer Nachteil der Kathode von Induni besteht darin, daß sie zum Betrieb mit einer fixierten Beschleunigungsspannung ausgelegt ist, wohingegen es bei einigen Verfahren wünschenswert ist, die Beschleunigungsspannung und damit die Energie des Elektronenstrahl, der auf das Ziel trifft, kontinuierlich variieren zu können. Bei der Induni-Vorrichtung wäre dies nicht ohne eine große und genau gesteuerte Druckänderung möglich, um einen konstanten Emissionsstrom zu erhalten.
Aus dem vorstehenden wird deutlich, daß eine wesentliche Nachfrage nach einer verbesserten Elektronenquelle besteht, die viele der Nachteile der vorgenannten früheren Elektronenquellen überwindet. Was insbesondere erforderlich ist, ist eine großflächige, gleichförmige, kalte Elektronenstrahlquelle mit kontinuierlich veränderbarer Spannung, die in einem leichten Vakuum betrieben werden kann. Idealerweise sollte die Elektronenquelle ferner eine kontinuierlich varuerbare Beschleunigungsspannung aufweisen, die zum schnellen bearbeiten großflächiger Substrate bei der Halbleitervorrichtungsherstellung für hochauflösende Schattenmasken, Lithographie, Photoresist aushärten oder härten, Gesamtbestrahlung von Resists zum Unterstützen von Liftoff- Prozessen, der Erhöhung von Resistkontrasten oder zum Steuern von Resiststrukturdimensionen oder Strukturkantenprofilen verwendbar ist. Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine kontinuierlich varuerbare Strahlspannung von 1 bis 30 keV (tausend Elektronenvolt) zu schaffen, während der Unterdruck innerhalb eines leicht steuerbaren und schmalen Bereichs verbleibt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer verbesserten Kaltkathoden-Gasentladungsquelle mit einer großen Emissionsfläche, beispielsweise von 2,5 bis 20 cm (1 bis 8 Inches) Durchmesser. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Elektronenquelle, die schnell und genau mit einer leicht einstellbaren geringen Vorspannung steuerbar ist, beispielsweise von 0 bis 10 Volt, zur Schaffung einer Vorrichtung, die hinsichtlich der Beschleunigungsspannung kontinuierlich vanierbar ist, ohne große Variationen des Betriebsunterdrucks zu erfordern. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine großflächige Kathode mit im wesentlichen gleichförmiger Emission über ihre gesamte Oberfläche zu schaffen, deren Emissionsfläche nicht kontaminiert wird, verunreinigt wird, abbrennt oder oxidiert und im wesentlichen undurchdringlich für Gasarten ist, die von dem durch den Elektronenstrahl bestrahlten Ziel ausgasen. Es ist schließlich eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine breitstrahlige Elektronenquelle zu schaffen, die in einem kontinuierlichen, nicht in einem gepulsten Emissionsmodus arbeitet, in einer schlechten oder geringen Vakuumumgebung und in großer Nähe zum Ziel, das sie bestrahlt.
Alle diese Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die im folgenden summarisch beschrieben wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine großflächige Elektronenquelle und ein Betriebsverfahren dafür gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 und 10. Die abhängigen Ansprüche offenbaren bestimmte Ausführungsformen der Erfindung. Die Elektronenquelle kann kontinuierlich, stabil und langzeitig in einer schlechten Vakuumumgebung arbeiten. Sie verwendet eine Glimmentladungskathode mit einer Zwischengitteranode zwischen der Kathode und einem Ziel, auf das die Elektronen gerichtet sind. Das Gitter ist in einem Abstand von der Kathode angeordnet, der geringer ist als die mittlere freie Weglänge der durch die Kathode emittierten Elektronen. Die Elektronenemission von der Kathode kann mit einer geringen Spannung gesteuert werden, die dem Gitter angelegt wird, und die Beschleunigungsspannung der Kathode kann kontinuierlich von einigen wenigen hundert Volt bis 30 kV oder mehr verändert werden. Des weiteren ist die Gitteranode vorzugsweise ein feinvernetztes Drahtmaterial mit ausreichend geringen Dimensionen, 50 daß es in der Zielebene nicht aufgelöst wird. Dies liefert eine kostengünstige, robuste und gleichförmige großflächige Elektronenstrahlquelle, deren Spannung und Strom zur Behandlung verschiedener Materialien und Beschichtungen variiert werden können. Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung verwendet Abtastspulen, um zusätzliche Uniformität des einfallenden Strahls in der Zielebene zu erreichen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel verwendet eine bewegbare Bühne, auf der das Ziel oder Substrat schrittweise hinter einer Strahlformöffnung bewegt werden kann. Dies schafft zusammen mit einem elektronischen Integrator ein einfaches und präzises System zur Charakterisierung der Empfindlichkeit von Materialien gegen Elektronenstrahlbestrahlung. In einer weiteren Anwendung dieser robusten Elektronenstrahlquelle kann sie als Aushärtwerkzeug zum Kreuzverbinden und Stabilisieren von Photoresist verwendet werden. Das System kann ferner als Hilfe zum Liftoff-Verarbeiten zur Zerstörung eines Unterlagefilmes, der vom Substrat entfernt wird, verwendet werden.
Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, daß die vorliegende Erfindung einen wesentlichen Fortschritt bei Glimmentladungselektronenquellen darstellt. Insbesondere liefert die Erfindung eine genaue und bequeme Steuerung des Emissionsstroms&sub1; unabhängig von der Beschleunigungsspannung oder dem Druck. Des weiteren schafft die Erfindung eine genauere und gleichförmigere Steuerung des Emissionsstroms bei geringen Emissionsströmen als irgendeine bekannte Glimmentladungselektronenvorrichtung. Obwohl in anderen Kontexten vorgespannte Gitter zum Steuern von Elektronenemissionsstrom verwendet wurden, wird angenommen, daß die Verwendung eines vorgespannten Gitters, das außerhalb des Ionisationsbereichs angeordnet ist, zur Steuerung der Emission durch Steuerung des Flusses von Ionen zur Kathode vollständig neu ist.
Das US-Patent 3970892 beschreibt ein Elektronenemissionsgerät mit einer kalten Kathode und einer Gitteranode, die in einer Unterdruckkammer angeordnet ist, wobei die Anode nahe der Kathode angeordnet ist. Eine dünne Drahtzündelektrode ist an einer Seite des Gitters, entgegengesetzt zu der der Kathode angeordnet und ermöglicht, daß die Entladung bei einem geringeren Gasdruck als andererseits möglich einsetzt, und sie erleichtert des weiteren die Aufrechterhaltung einer stabilen Entladung. Die Kathode liegt auf einer Spannung von -150 kV, die Anode liegt auf einer Spannung von +500 bis +1000 Wund die Zündelektrode liegt auf einer Spannung von +3000 V (Volt). Die Offenbarung der WO 86/00465 ist entsprechend.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine vereinfachte vergrößerte Darstellung eines Elektronenbestrahlungsgerätes mit dem derzeitig bevorzugten Ausführungsbeispiel der neuen Elektronenquelle,
Fig. 2 ist eine Teildarstellung entsprechend Fig. 1, wobei jedoch schematisch einige Betriebsdetails dargestellt sind,
Fig. 3 ist eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht, zeigt jedoch des weiteren die Verwendung der Erfindung bei der Schattenmasken-Lithographie,
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, die als ein Belichtungswerkzeug zur Bestimmung von Resistempfindlichkeit verwendet wird,
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Gebrauchs der Erfindung in einem Abschälprozeß (lift-off), und
Fig. 6 ist ein der Fig. 1 entsprechende Darstellung und zeigt die Verwendung von Rückkopplung zur Steuerung des Strahlstroms.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie zur Erläuterung in den Zeichnungen dargestellt ist, betrifft die Erfindung Verbesserungen im Gebiet der Elektronenquellen, die zur Bestrahlung, Behandlung und Verarbeitung von Beschichtungen und Materialien eingesetzt werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine neue Kaltkathoden- Gasentladungselektronenquelle mit einer breiten Emissionsfläche, die einen Elektronenstrahl liefert, der bequem hinsichtlich der Spannung und des Stroms zur Behandlung verschiedener Materialien einstellbar ist.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Kaltkathoden-Gasentladungselektronenquelle eine Unterdruckkammer, die durch die Bezugsziffer 20 bezeichnet ist, eine großflächige Kathode 22, ein Ziel (target) oder Substrat 30, das in einem feldfreien Bereich 38 angeordnet ist, und eine Gitteranode 26 (Feinmaschenabschirmung), die zwischen dem Ziel 30 und der Kathode 22 in einem Abstand von der Kathode angeordnet ist, der geringer ist als die mittlere freie weglänge der von der Kathode emittierten Elektronen. Wie beschrieben werden wird, kann der Elektronenstrahlstrom über einen weiten Bereich durch Ändern der an das Gitter 26 angelegten Vorspannung variiert werden.
Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt ferner einen Hochspannungsisolator 24, der das Gitter 26 von der großflächigen Kathode 22 isoliert, einen Kathodenabdeckisolator 28, der außerhalb des Unterdrucks angeordnet ist, ein variables Leckventil 32 zum Steuern des Druckes innerhalb der Unterdruckkammer 20, eine variable Hochspannungsversorgung 29, die mit der Kathode 22 verbunden ist, und eine Niederspannungsversorgung 31 für Spannungen von 0 bis 100 V (Volt), die mit dem Gitter 26 verbunden ist.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Gerätes wird das mit dem Elektronenstrahl zu bestrahlenden Substrat auf einer Zielebene 30 angeordnet, und die Unterdruckkammer 20 wird von Atmosphärendruck auf einen Druck im Bereich von 100 bis 20.000 Pa (1 bis 200 Millibar) gepumpt. Der genaue Druck wird über eine Leckventil 32 mit variabler Rate gesteuert, das den Druck auf ±100 Pa (± 1 Millibar) steuern kann. Die Hochspannung (negative Spannung) zwischen 500 V (Volt) und 30.000 V (Volt) (oder höher), bei der die Bestrahlung stattfinden soll, wird der Kathode 22 über die Hochspannungsversorgung 29 zugeführt. Eine variable Spannungsquelle 31 (beispielsweise eine Gleichspannungsversorgung zur Zuführung oder zum Entnehmen von Strom) wird ebenfalls an die Gitteranode 26 angelegt. Die Spannung am Gitter wird zum Steuern von Elektronenemission von der Kathode verwendet, wie im folgenden mit Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.
Zum Initiieren der Elektronenemission muß das Gas im Raum zwischen der Kathode 22 und dem Ziel 30 ionisiert werden. Dies ereignet sich als Folge von natürlich auftretenden Gammastrahlen, oder die Emission kann stattdessen durch eine Hochspannungs-Funkenlücke innerhalb der Kammer künstlich ausgelöst werden. Wenn einmal diese Anfangsionisation stattfindet, werden positive Ionen 43 durch eine schwach negative Spannung (0 bis -80 V (Volt)), die dem Gitter 26 angelegt wird, angezogen. Diese positiven Ionen 42 passieren den Beschleunigungsfeldbereich 36 zwischen der Kathode 22 und der Gitteranode 26 und werden in Richtung auf die Kathodenoberfläche 22 als Ergebnis der Hochspannung (-500 bis -30.000 V (Volt)), die der Kathode angelegt wird, beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Kathodenfläche erzeugen diese hochenergetischen Ionen Sekundärelektronen 44, die in Richtung auf das Gitter 26 zurückbeschleunigt werden. Einige dieser Elektronen, die nun im wesentlichen senkrecht zur Kathodenoberfläche fliegen, treffen auf die Gitterstruktur 26 (Anode), aber viele passieren das Gitter und bewegen sich weiter zum Ziel 30. Diese hochenergetischen Elektronen ionisieren die Gasmoleküle im Raum zwischen dem Gitter 26 und dem Ziel 30.
Das feinmaschige Gitter 26 ist in einem Abstand angeordnet, der geringer ist als die mittlere freie Weglänge der von der Kathode emittierten Elektronen. Aufgrunddessen tritt keine wesentliche Ionisation im Beschleunigungsfeldbereich 36 zwischen dem Gitter und der Kathode auf. (Bei einer konventionellen Gasentladungsvorrichtung würden die emittierten Elektronen weitere positive Ionen im Beschleunigungsfeldbereich erzeugen, und alle diese Ionen würden zur Kathode rückbeschleunigt und würden noch mehr Elektronenemission erzeugen, und die Entladung könnte leicht in einen instabilen Hochspannungsdurchbruch ausufern.) Bei der Erfindung werden jedoch die außerhalb des Gitters erzeugten Ionen 42 durch die dem Gitter 26 angelegte Spannung gesteuert (angezogen oder abgestoßen). Aufgrunddessen kann durch Variieren der Spannung am Gitter die Emission (Elektronenstrahlstrom) kontinuierlich gesteuert werden (von sehr kleinen Strömen bis zu sehr großen Strömen). Alternativ kann die Elektronenemission mittels des variablen Leckventils 32 gesteuert werden, das die Anzahl der Moleküle im Ionisationsbereich zwischen dem Ziel und der Kathode erhöhen oder vermindern kann. Aufgrund der langsamen Ansprechzeit zur Einstellung des Druckes in der Kammer ist es jedoch vorteilhaft, den Druck anfänglich einzustellen, um einen nominellen Emissionsstrom zu erzeugen und die Vorspannung am Gitter 26 einzusetzen, um den Emissionsstrom präzise und schnell zu ändern.
Die Elektronenemission kann vollständig durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gitter 26 derart ausgeschaltet werden, daß die positive Gitterspannung die Energie jeder positiven Ionenspezies überschreitet, die im Raum zwischen dem Gitter 26 und dem Ziel 30 erzeugt wird. Es wurde herausgefunden, daß das Gitter in einem geringeren Abstand als 4 mm von der Kathode angeordnet werden kann. Dieser Abstand ist weniger als die mittlere freie Weglänge von Elektronen für die geringste interessierende Spannung (500 V (Volt)) und dem bevorzugten Betriebsunterdruckpegel. Bei dem von Induni vorgeschlagenen Stand der Technik bemühte er sich um ein Hochvakuum im Beschleunigungsfeldbereich, um einen Durchbruch zu verhindern.
Zufällig ist der bevorzugte Betriebsunterdruckpegel der Erfindung im Bereich höchster elektrischer Dielektrikstärke. Selbst obwohl die Gitter-Kathode-Lücke notwendigerweise sehr klein sein muß, damit sie kleiner ist als die mittlere freie Weglänge, die durch die niedrigst gewünschte Betriebsbeschleunigungsspannung bestimmt ist, wird somit das System in einem Unterdruckpegel betrieben, in dem die Durchbruchstärke des Unterdrucks das Feld überschreitet, das durch die höchste Betriebsspannung, die über den ausgewählten Gitter-Kathode-Abstand angelegt wird. Dieser geringe oder sanfte Unterdruckpegel (2,6 bis 10,7 Pa; 20 bis 80 Millitorr) wird leicht durch kostengünstige mechanische Vakuumpumpen erreicht und ermöglicht es, die Kathode 22 und das Ziel 30 nahe einander in derselben Unterdruckumgebung anzuordnen.
Des weiteren ermöglicht dieser Mechanismus der durch Ioneneinschlag induzierten Elektronenemission eine reine und gleichförmige Emissionskathodenfläche. Obwohl dieser fortgesetzte Ioneneinschlag Erosion der Kathodenfläche aufgrund von Sputtern verursacht, kann durch Einsatz eines Kathodenmaterials mit geringer Sputterausbeute, wie Aluminium, die Kathode für viele tausend Stunden kontinuierlich betrieben werden, ohne daß Ersatz erforderlich ist.
Die von der Kathode 22 emittierten Elektronen werden zum Gitter 26 beschleunigt und bewegen sich meist senkrecht zum Gitter und zur Kathodenfläche. Einige der emittierten Elektroden werden vom Gitter blockiert, und einige werden durch das Gitter gestreut. Falls das Ziel 30 innerhalb einiger weniger Millimeter vom Gitter entfernt ist, bilden die Elektroden ein Bild des Gitters auf dem Ziel. Falls jedoch das Ziel in einem großen Abstand 46 wie 10 bis 20 cm (Zentimeter) vom Gitter angeordnet ist, wird der Elektronenstrahl diffus (aufgrund von anfänglichen Quergeschwindigkeiten und Streuung) bis zu einer im wesentlichen gleichförmigen Stromdichte über die gesamte Emissionsfläche. Die Bestrahlung des Ziels kann noch gleichförmiger gestaltet werden durch Überstreichen des Ziels durch den Elektronenstrahl vor und zurück mittels eines zeitvariablen Magnetfeldes, das durch Ablenkungsspulen 34 erzeugt wird, die die Bestrahlungskammer umgeben, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann für Schattenmaskenlithographie verwendet werden. Eine Öffnungsplatte oder Maske 48 ist zwischen dem Gitter 26 und in Kontakt oder in großer Nähe zum Ziel 30 angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Da die sich in Richtung auf das Ziel 30 bewegenden Elektronen durch das Beschleunigungsfeld nahezu kollimiert sind, wie durch 50 dargestellt ist, und relativ geringe Quergeschwindigkeiten aufweisen, wird eine Schattenmaske, wie die Platte 48, die in großer Nähe zum Ziel angeordnet ist, durch den Elektronenstrahl 52, der die Maske oder Öffnungsplatte passieren kann, genau reproduziert. Auf diese Weise kann Strukturlithographie unter Verwendung des Erfindungsprinzips durchgeführt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der Verwendung als Resistempfindlichkeitswerkzeug, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird eine strukturierte Öffnung 54 zwischen dem Gitter und dem Ziel angeordnet. Diese Öffnung kann einen kleinen geformten Elektronenstrahl mit einer gleichförmigen Stromdichte bilden. Das Zielmaterial wird dann abgetastet oder schrittweise unter dem Strahl bewegt, um mehrere Strukturen in einem elektronenempfindlichen Resist zu erzeugen, der das Substrat oder Ziel bedeckt. Der Elektronenstrahl passiert die geformte Öffnung 54 und trifft auf ein Zielsubstrat, durch 56 in Fig. 4 bezeichnet, das auf einem bewegbaren Schlitten 58 montiert ist. Nach der Bestrahlung eines quadratischen Bereichs 59 des Substrats 56 wird der Schlitten 58 mittels einer Treiberspindel 60 und einer Kurbel 62 bewegt. Die Kurbelbewegung wird durch eine geeignete mechanische Vakuurndrehdurchführung (nicht dargestellt) in das Unterdrucksystern geleitet. Das Substrat 56 wird genügend bewegt, um einen anderen Bereich des Resists 61 zu bestrahlen. Verschiedene Bestrahlungen werden bei unterschiedlich ausgewählten Bestrahlungsdosen und Beschleunigungsspannungen durchgeführt. Diese Technik hat sich als ein sehr nützliches Werkzeug bei der Bewertung der Resistempfindlichkeit erwiesen. Durch Bestrahlung einer Reihe von Quadratstrukturen auf dem Substrat, wobei jedes Quadrat einen gering unterschiedlichen Pegel der Bestrahlung aufweist, können Resistempfindlichkeitskurven schnell erstellt werden. Vor der Erfindung konnte dies nur mit einem sehr kostenaufwendigen Elektronenstrahl-Lithographiesystern durchgeführt werden. Bei dieser Anwendung ist es wichtig, eine sehr präzise und gleichförmige Bestrahlung in jedem bestrahlten Bereich durchzuführen. Durch Ablenkung des Strahls oberhalb der Öffnung durch Verwendung von magnetischen Ablenkungsspulen 34 wurde herausgefunden, daß eine gleichförmigere Bestrahlung erreicht werden kann. Die Ablenkungsspulen tasten verschiedene Bereiche der Kathodenemissionsfläche über der musterbildenden Öffnung ab, wodurch Nichtgleichförmigkeiten bei der Kathodenemission ausgemittelt werden. Da die Öffnungsgröße bekannt ist, wird die Bestrahlungsdosis mit einem einfachen elektronischen Integrator 66 bestimmt, der den gesamten integrierten Strom, der das Substrat erreicht, mißt. Das Substrat ist elektrisch mit dem Integrator verbunden, der aus einem Kondensator 68, einem Operationsverstärker 70 und einem Voltmeter 72 besteht. Der durch das Substrat gesammelte Strom tendiert dazu, den Kondensator 68 über eine Rückkopplungsschleife zu laden. Der invertierende Eingang 74 des Operationsverstärkers 70 ist eine virtuelle Masse bezüglich des nichtinvertierenden Eingangs 78. Die Spannung am Verstärkerausgang 76 bezieht sich aufgrund des Ausdrucks D = EC/A auf die Dosis, wobei D die Bestrahlungsdosis in Coulomb pro Quadratzentimeter ist, E die Spannung am Ausgang 76, C die Kapazität des Kondensators 78 in Farad und A die Fläche in Quadratzentimetern der Öffnung 54 sind. Der Vorteil dieses Verfahrens der Dosissteuerung besteht darin, daß die aktuelle Dosis in Echtzeit gemessen wird. Bei konventionellen Elektronenstrahl-Lithographiesystemen wird die Bestrahlungsdosis indirekt durch die Bestrahlungszeit und unabhängige Messung des Strahlstroms vor oder nach der tatsächlichen Bestrahlung gemessen.
Eine andere Anwendung dieser Erfindung liegt beim Aushärten von Resist. Nachdem bei der Halbleiterfabrikation Strukturlithographie durchgeführt wurde, muß eine Resistschicht vor dem Ätzen ausgehärtet oder gehärtet werden. Die konventionelle Praxis verwendet Brennen des Resists bei hoher Temperatur. Bei diesen erhöhten Temperaturen schmilzt jedoch der Resist, und die Strukturflächen werden verzerrt. Elektronenbestrahlung des Resists liefert ein nichtthermisches Mittel zur Kreuzverbindung und zum Aushärten des Resists. Das Substrat verbleibt bei Raumtemperatur, und der bestrahlte Resist ist vollständig kreuzverbunden ohne Musterzerfließen. Mit dieser Erfindung kann das Resistaushärten schneller als Ultraviolettaushärten oder Brennen durchgeführt werden, und es führt zu einem beständigeren Resistfilm. Des weiteren kann Elektronenbestrahlung sehr dicke Resists aushärten, bis zu 20 µm (Mikrometer) bei 30 keV, die nicht unter Verwendung von Ultraviolettaushärtsystemen ausgehärtet werden können. Die Ultraviolettstrahlung wird in Oberschichtenlagen des Resists absorbiert. Vor dieser Erfindung war das Elektronenstrahlaushärten von Resists aufgrund der Kosten und der Zeit, die bei bekannten Elektronenstrahl-Lithographiesystemen erforderlich waren, nicht weit verbreitet. Mit diesem neuen Ansatz wird unter Verwendung der beschriebenen kostengünstigen Elektronenquelle das Elektronenstrahlaushärten eine vorzuziehende Alternative zum Brennen oder zum Ultraviolettaushärten.
Eine weitere Anwendung der beschriebenen Erfindung liegt in der Schaffung einer leicht zu modulierenden Elektronenstrahiquelle für Lithographie. In den meisten Elektronenstrahl-Lithographiesystemen hat der Elektronenstrahl eine hohe Energie und kann nicht leicht eingeschaltet (nicht abgedeckt) und ausgeschaltet (abgedeckt) werden. Um das Abdecken in bekannten Systemen durchzuführen, wird der Elektronenstrahl von einer Öffnung in einem elektronenoptischen Spalt abgelenkt. Es gibt jedoch Nachteile bei diesem Ansatz: Der Strahl bewegt sich an der Zielebene, während Abdecken auftritt, was zu unerwünschten Anomalien in den zu schreibenden Mustern führt. Des weiteren führt das fortgesetzte Auftreffen des Strahls auf die Abdecköffnung zu einer Kontaminierung und Aufladung der Öffnung, die den Strahl ablenkt, und zu Fehlern hinsichtlich der Positionierung der geschriebenen Muster. Durch Umsetzen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß bei niedrigeren Vakuumpegeln als in bekannten Systemen Elektronenemission durch Vorspannen der Anodenöffnung oder des Gitters 26 erreicht wurde und daß weiterhin ein hochenergetischer Strahl > 30 keV mit gerade einigen wenigen (1 bis 5) Volt Variationen am Gitter ein- und ausgeschaltet werden kann. Diese geringe Spannung an der Ausgangsöffnung oder der Gitteranode hat tatsächlich keinen Effekt hinsichtlich der Strahlauftreffposition. Dies ermöglicht den Einsatz dieser Elektronenquelle bei hochauflösender Elektronenstrahllithographie und Mustererzeugung sowie bei anderen Anwendungen, die einen modulierten Elektronenstrahl erfordern, wie Elektronenstrahltesten und -inspizieren von integrierten Schaltungsvorrichtungen.
Eine weitere sehr nützliche Anwendung der Erfindung ist eine Hilfe bei Abschälprozessen, die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden. Abschältechniken (Lift-off) beim Abscheiden strukturierter Metallfilme ist bei der Halbleiterbearbeitung weit verbreitet. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein zu strukturierendes Substrat 82 mit einem Photoresist 84 beschichtet und wird bestrahlt und unter Verwendung konventioneller Photolithographie entwickelt. Das auf dem Substrat abzuscheidende Material wird auf die Oberfläche des Resistfilms 84 verdampft oder abgeschieden, wie durch 86 bezeichnet ist, und direkt auf das Substrat 82 in entwickelten Fenstern des Resists, wie durch 88 angezeigt ist.
An diesem Punkt des Prozesse ist alles, was noch zu tun ist, die Auflösung des verbleibenden Resists, d.h. in Bereichen unter dem Metall bei 86, was den Metallfilm in Bereichen 88, d.h. nur den ausgewählten Strukturflächen, beläßt. Dies ist jedoch der schwierigste Schritt bei Abschälprozessen, weil der Metallfilm den Resist bedeckt und das Lösungsmittel vom Auflösen des unterliegenden Resists abhält. Eine vorgeschlagene Lösung dieses Problems ist der Einsatz eines Hochleistungslasers, um den Metallfilm über dem Resist aufzubrechen. Eine bessere Technik ist jedoch der Einsatz der neuen Elektronenquelle gemäß der Erfindung. Durch Einsatz eines großflächigen Elektronenstrahls 80 ist es möglich, den unterliegenden Resist 84 durch Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl bei einer angemessen hohen Energie wie 30 keV löslicher zu gestalten. Zusätzlich dazu, daß der unterliegende Resist löslicher gestaltet wird, neigt bei großen Bestrahlungsdosen (200 µC/cm² (Mikrocoulomb pro Quadratzentimeter)) der Metallfilm 86 dazu, aufzusputtern, was es dem Lösungsmittel erlaubt, in dem folgenden Auflösungsprozeßschritt den unterliegenden Resist 84 zu erreichen. Obwohl diese Technik durch Einsatz bekannter Elektronenstrahlmustererzeugungssysteme möglich gewesen sein mag, war es wegen der über das gesamte Substrat erforderlichen großen Belichtungsdosis nicht praktikabel.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, einen konstanten Strahlstrom bei verschiedenen Elektronenstrahlenergien zu haben. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, die obere Resistschicht auf einem mit Resist beschichteten Substrat zu bestrahlen oder auszuhärten, nicht jedoch die Bodenschicht. Dies kann durch Einsatz einer Elektronenstrahlenergie erfolgen, die gering genug ist, daß die meisten der Elektronen in der oberen Lage des Resists absorbiert werden. Anschließend an das Aushärten der oberen Lage kann es wünschenswert sein, die vollständige Dicke der Resistschicht auszuhärten. Dies kann durch Anheben der Beschleunigungspannung des Elektronenstrahls erfolgen, 50 daß er vollständig durch die Resistschicht bis zum Substrat dringt. Um diese Belichtungen durchführen zu können, wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Beschleunigungsspannung ohne eine Änderung des Emissionsstroms zu ändern. Falls jedoch die Beschleunigungsspannung erhöht wird, verursacht sie mehr Ionisation und somit einen Anstieg des Strahlstroms. Falls die Beschleunigungsspannung vermindert wird, vermindert sich entsprechend die Ionisation, und der Strahlstrom nimmt ab. Eine Maßnahme zum Aufrechterhalten eines konstanten Strahlstroms, unabhängig von Änderungen der Beschleunigungsspannung, ist in Fig. 6 dargestellt. Der Strahlstrom wird über einen Sensorwiderstand 90 abgetastet, der zwischen dem Ziel und dem Integrator 66 liegt. (Alternativ könnte der Strahlstrom am Gitter abgetastet werden, da ein Teil des Strahls dort blockiert wird.) Zwei Einheitsverstärkungsspannungsfolger 92 puffern das über den Sensorwiderstand 90 erhaltene Signal und führen es einem Verstärker 86 mit einstellbarern Verstärkungsfaktor 94 zu. Der Ausgang dieses Verstärkers steuert die Spannung an der Gitteranode 26 derart, daß ein Ansteigen des Strahlstroms ein Vermindern der Vorspannung am Gitter und eine Abnahme des Emissionsstroms von der Kathode 26 verursacht.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 96 wird mittels des variablen Widerstandes 94 derart eingestellt, daß jede Änderung des Stroms aufgrund einer Änderung der Beschleunigungsspannung durch eine Änderung der Vorspannung entgegengewirkt wird, um den Strahlstrom, der das Ziel erreicht, konstant zu halten. Alternativ kann der Ausgang des Verstärkers 96 mit einem spannungsgesteuerten variablen Leckventil 98 verbunden sein, um einer Anderung des Emissionsstroms durch Anheben oder Absenken des Drucks im Ionisationsbereich 38 entgegenzuwirken. Des weiteren kann ein größerer Bereich der Strahlstromsteuerung durch Einsatz von Rückkopplungssignalen sowohl zu dem variablen Leckventil 98 als auch zu dem Gitter 26 erreicht werden.
Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, stellt die Erfindung eine deutliche Verbesserung hinsichtlich anderen Elektronenquellen dar. Insbesondere liefert die Elektronenquelle gemäß der Erfindung einen gleichförmigen, großflächigen Elektronenstrahl mit einem leicht steuerbaren Strompegel. Des weiteren ist die Steuerung der Strahlgleichförmigkeit und des Strahlstroms über einen weiten Bereich von Strahlbeschleunigungsspannungen und unter relativ schlechten Vakuumbedingungen effektiv.
Es ist ferner klar, daß, obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail zum Zweck der Erläuterung beschrieben wurden, verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen. Dementsprechend ist, mit Ausnahme durch die beigefügten Ansprüche, die Erfindung nicht beschränkt.

Claims

1. Elektronen-Emissionseinrichtung mit einer Unterdruckkammer (20), einer Kathode (22), von der zumindest eine Oberfläche mit relativ großer Fläche zum Unterdruck in der Kammer freiliegt und die Elektronen (44, Fig. 2) emittiert, die von der Kathode (22) beschleunigt werden, als Resultat von Ionen (42, 43) in der Unterdruckkammer, die in die Kathode beschleunigt werden, Mittel zum Anlegen einer ausgewählten negativen Spannung an die Kathode (22) zum Beschleunigen der Elektronen in Richtung auf ein Ziel (30), das ebenfalls in der Unterdruckkammer (28) angeordnet ist, und ein Gitter (26), das von der Kathode (22) in einem Abstand entfernt steht, der die mittlere freie Weglänge von Elektronen, die die Kathode bei der niedrigsten ausgewählten Spannung, die zwischen der Kathode (22) und das Gitter (26) angelegt wird, verlassen, nicht überschreitet, und Mittel (31) zum Anlegen einer Spannung an das Gitter (26), wobei

(a) Mittel (31) vorgesehen sind zum negativen Vorspannen des Gitters (26), um die Emission von Elektronen dadurch einzuschalten, daß ermöglicht wird, daß positive Ionen die Kathode (22) erreichen, und

(b) der Abstand zwischen dem Gitter (26) und dem Ziel (30) groß genug ist, um sicherzustellen, daß Ionisationskollisionen in dem Bereich (38) der Kammer zwischen dem Gitter (26) ünd dem Ziel (30) auftreten, um ein Ionenplasma in dem Bereich grundsätzlich durch Kollisionen zwischen residuellen Gasatomen und Elektronen, die durch das Gitter (26) beschleunigt wurden, aufrechtzuerhalten, wobei Ionisationskollisionen in dem Bereich (38) die einzige wesentliche Quelle von Ionen sind, die in die Kathode (22) beschleunigt werden.

2. Elektronen-Emissionseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gitter (26) so geringe Abmessungen aufweist und das Ziel (30) davon in einem so großen Abstand angeordnet ist, daß die Struktur des Gitters (26) nicht auf dem Ziel (30) abgebildet wird.

3. Elektronen-Emissionseinrichtung nach Anspruch 2, mit weiterhin:

elektromagnetischen Mitteln (34, Fig. 3) zum Ablenken der von der Kathode (22) emittierten Elektronen in einem Abtastmuster, um jede Abbildung des Gitters (26) auf dem Ziel (30) zu reduzieren.

4. Elektronen-Emissionseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit weiterhin:

Mitteln (32) zum Steuern des Druckes in der Unterdruckkammer (20), um die Elektronenemissionsrate der Kathode (22) weiter zu steuern.

5. Elektronen-Ernissionseinrichtung nach Anspruch 4 mit ferner Mitteln (Fig. 6) zum Steuern des Unterdruckkammerdrucks zur Steuerung des Elektronenstrahlstroms aufgrund von Messungen des Strahlstroms.

6. Elektronen-Emissionseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit weiterhin:

Mitteln (Fig. 6) zum Variieren der Gitter-Anoden-Spannung, um den Elektronenstrahlstrom basierend auf Messungen des Strahlstroms zu steuern.

7. Elektronen-Emissionseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel (31) zum Anlegen einer Spannung an das Gitter (26) Mittel zum Anlegen einer Spannung aufweisen, die den Elektronenstrahl vollständig dadurch abschneiden, daß verhindert wird, daß positive Ionen (43) die Kathode (22) erreichen.

8. Elektronen-Emissionseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit ferner:

einer Aperturmaskenplatte (48, Fig. 3), die zwischen dem Gitter (26) und dem Ziel (30) angeordnet ist, um ein Muster der Elektronenstrahlung auf ausgewählten Bereichen des Ziels zu erzeugen.

9. Elektronen-Emissionseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Anlegen einer ausgewählten Spannung zwischen die Kathode (22) und das Gitter (36) in der Lage sind, eine Spannung anzulegen, die gering wie etwa 500 Volt bis zumindest 50 hoch wie 30.000 Volt ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Elektronenstrahls mit relativ großer Querschnittsfläche, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Anlegen einer ausgewählten negativen Spannung an eine großflächige Kathode (22), die in einer Unterdruckkammer (20) angeordnet ist, um Elektronen auf ein Ziel (30), das ebenfalls innerhalb der Unterdruckkammer angeordnet ist, zu beschleunigen, Anlegen einer Spannung an ein Gitter (26), das von der Elektrode (30) in einem Abstand entfernt liegt, der die mittlere freie Weglänge von Elektronen, die die Kathode bei der niedrigst ausgewählten Spannung zwischen Kathode und Gitter verlassen, nicht überschreitet, und Initialisieren von Iönisation von residuellen Gasen in der Unterdruckkammer, wodurch positive Ionen (42, 43; Fig. 2) zur Kathodenoberfläche hingezogen werden und die Emission von Elektronen aus der Kathode bewirken, Aufrechterhalten eines Ionenplasmas in der Unterdruckkarnmer in einem Raum (38) zwischen dem Gitter (26) und dem Ziel (30) im wesentlichen als Ergebnis von Kollisionen zwischen residuellen Gaspartikeln und Elektronen (45), die durch das Gitter (26) in Richtung auf das Ziel (30) beschleunigt wurden, wodurch ein hoch gleichförmiger Elektronenstrahl erhalten wird, und Steuern der Elektronenemissionsrate durch Variieren einer negativen Spannung, die dem Gitter (26) angelegt wird, wobei eine negativere Gitteranodenspannung mehr positive Ionen durch das Gitter in die Kathode anzieht, um mehr Elektronen zu erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 10 mit weiterhin dem Ablenken des Elektronenstrahls in einem Abtastmuster zum Reduzieren jedes Bildeffektes des Gitters (26) auf dem Ziel (30).

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 mit weiterhin dem Steuern des Druckes in der Unterdruckkammer zum weiteren Steuern der Elektronen-Emissionsrate aus der Kathode (22)

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit weiterhin dem Erfassen des Elektronenstrahlstroms und dem Steuern des Stromes basierend auf der erfaßten Messung des Stromes.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit weiterhin:

Aushärten einer Resistschicht, die auf dem Ziel angeordnet ist, mit dem Elektronenstrahl von der Kathode.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 mit weiterhin:

Anordnen einer Aperturmaskenplatte zwischen dem Gitter und dem Ziel, um nur ausgewählte Bereiche des Ziels dem Elektronenstrahl auszusetzen.

16. Verfahren nach Anspruch 15 mit weiterhin dem Bewegen der Platte rechtwinklig zum Elektronenstahl, um aufeinanderfolgende Bereiche des Ziels verschiedenen Bestrahlungsdosen oder Beschleunigungsspannungen auszusetzen, um die Resistempfindlichkeit zu messen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16 mit weiterhin:

Anlegen einer ausreichend positiven Spannung an das Gitter, um den Elektronenstrahl vollständig abzuschneiden.

18. Verfahren nach Anspruch 17 mit weiterhin dem abwechselnden Ein- und Ausschalten des Elektronenstrorns unter Steuerung der an das Gitter angelegten Spannung, um ein gewünschtes Bestrahlungsmuster auf dem Ziel zu erhalten.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei der Elektronenstrahl zum Bestrahlen einer Metalischicht vor der Verwendung eines Lösungsmittels in einem Abschälprozeß verwendet wird.