DE69324560T2 - Elektronenstrahl-lithographie unter Verwendung von einer Photokathode - Google Patents

Description

Allgemeiner Stand der Technik Erfindungsgebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bauelementfertigung, wie im ersten Teil von Anspruch 1 beschrieben. Ein derartiges Verfahren ist aus Dokument EP-A-0321147 bekannt, in dem eine Kathode mit einer metallischen Struktur (Ta) zwischen dem Substrat und dem Platin-Photoelektronenemitter beschrieben wird.
• Das angesprochene Gebiet betrifft die Submikrometerbilderzeugung - nämlich die Bilderzeugung auf der Grundlage kleinster Abmessungen von unter 0,3 um. Eine Hauptaufgabe ist die lithographische Bilderzeugung bei der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen (LSI = Large Scale Integration).
• Verfahren der Erfindung hängen von der Anregung von Elektronen aus einer strukturierten Photokathode durch Verwendung elektromagnetischer Strahlung ab - allgemein Strahlung im ultravioletten Spektrum (mit Energien über 5 eV).
Beschreibung des Standes der Technik
• Es ist weithin anerkannt, daß eine anhaltende Miniaturisierung der LSI von den gegenwärtig verwendeten Entwurfsregeln 1,0-0,9 bald einen anderen Ansatz zur Strukturierung erfordern wird. Die gegenwärtig verwendete Strahlung im Nah-UV-Spektrum (λ = 0,4-0,5 um) wird als wellenlängenbegrenzend betrachtet. Bei der gegenwärtigen Ausübung ist die allgemeine Ansicht, daß Tief-UV dafür eingesetzt werden wird, was wiederum bei einer Entwurfsregel von 0,25 um begrenzend sein wird.
• Beträchtliche Arbeit wird auf die Erweiterung von UV auf Entwurfsregeln konzentriert, die nach herkömmlicher Ansicht zu klein sind. Bei der Entwicklung und der Verwendung von Phasenmasken sind Fortschritte erzielt worden. Die Grundlage ist die Phasenauslöschung von an der Kante gestreuter Strahlung. Die Entwicklung dieses Ansatzes befindet sich nun in einem fortgeschrittenen Stadium und berücksichtigt Veränderungen der Bezugsphase, z. B. aufgrund von Proximity-Effekten für eng beabstandete Strukturen, wobei weiterhin eine Phasenverschiebung von 180º erzeugt wird. Es wird erwartet, daß die Verwendung von Phasenmaskierung die Ausweitung auf Entwurfsregeln gestatten wird, die möglicherweise halb so groß sind wie die angenommene Wellenlängengrenze.
• Die Realisierung, daß für nachfolgende LSI-Generationen - aller Wahrscheinlichkeit nach auf der Stufe der 256 mbit-Chips - eine andere Form der Strahlung erforderlich sein wird, ist für den hohen Grad an weltweiter Aktivität verantwortlich.
• Zum größten Teil erfordert die weltweite Aktivität den Einsatz elektromagnetischer Strahlung mit kürzerer Wellenlänge - nämlich weichen Röntgenstrahlen. Die Röntgenstrahlenprojizierung hat schnelle Fortschritte gemacht, wobei experimentelle Systeme zufriedenstellende 0,1 um-Strukturen erzeugen (siehe J. E. Bjorkholm et al., J. Vac. Sci. Tech., Band B8, S. 1509 (1990)).
• Die Elektronenbilderzeugung ist nicht übersehen worden. Die Entwicklung eines Maskenprojektionssystems hat aus den Erfahrungen mit dem Belichtungssystem durch direktschreibenden Elektronenstrahl (EBES = Electron Beam Exposure System) gewonnen (siehe "E-beam Technology", Brewer, Hrsg., Kapitel von J. Trotel und B. Fay, S. 325-335 (1980). Es ist gezeigt worden, daß die Projektionselektronenstrahllithographie mit winkelbegrenzter Streuung (SCALPEL = SCattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography) in Form einer Projektion mit Verkleinerung einer Struktur mit einer Entwurfsregel von 0,1 um ergibt. (siehe S. D. Berger et al., J. Vac. Sci. Technol., B9 (6), S. 2996 (1991).)
• Trotz der offensichtlichen Vorteile der Projektion mit Verkleinerung hinsichtlich Kosten und Herstellung der Maske werden beträchtliche Bemühungen auf die 1 : 1-Röntgenstrahlen-Bilderzeugung gerichtet (siehe G. K. Celler et al., App. Phys. Lett., Band 59, S. 3105 (1991)). Es besteht der weitverbreitete Glaube, daß die mit 1 : 1 verbundenen gestiegenen Maskenkosten durch die Entwurfsvereinfachung und reduzierten Vorrichtungskosten bezüglich der Projektion mit Verkleinerung wettgemacht werden. Experimentelle Systeme haben die Durchführbarkeit einer Maskenkonstruktion und der Proximitybelichtung bei einer Entwurfsregel von 0,2 um und darunter gezeigt. Es gibt die Meinung, daß dieser Ansatz lediglich ein letzter Ausweg sein wird. Die Zerbrechlichkeit der Maske, die immer ein Problem darstellt, wird durch die zwischen Maske und Wafer erforderliche sehr kurze Entfernung erschwert. Ein Hauptfeld bei den Bemühungen beschäftigt sich mit der Maskenreparatur. Die Röntgenstrahlenquelle ist weiterhin ein Problem - die Bemühungen basieren größtenteils auf einer Synchrotronquelle, aller Wahrscheinlichkeit nach mit Kosten in Höhe von mindestens zehn Millionen Dollar.
• Ein inzwischen aufgegebener Versuch von vor einigen Jahren basierte auf der Verwendung einer Photokathode. In ihrer am weitesten fortgeschrittenen Form bestand die Photokathode bei dem Ersetzen der Maske aus einem UV-transparenten Substrat, in der Regel Quarzglas, wobei eine Oberfläche mit einer strukturierten Schicht aus einem guten Photoelektronenemitter, beispielsweise Caesiumiodid CsI, beschichtet war. Die "blockierenden" Bereiche bestanden aus einem schlechten Photoelektronen emittierenden Material, in der Regel Chrom (siehe J. Vac. Sci. Technol., oben angeführt). Die Struktur wurde beschrieben, indem die rückwärtige Fläche mit UV-Strahlung bestrahlt wurde (siehe Trotel und Fay, oben angeführt).
• Das Aufgeben muß einer Reihe von Nachteilen zugeschrieben werden, wobei einige als inhärent angesehen werden, einige möglicherweise auf Begrenzungen bei den damals verfügbaren Bedingungen und Materialien zurückzuführen sind. Jedenfalls bestand die Meinung, daß die Photokathode selber kurzlebig war und oft ausgetauscht werden mußte. In der Erkenntnis, daß die kurze Lebensdauer wahrscheinlich auf Verunreinigung zurückzuführen war - auf eine Reaktion trotz Verwendung des besten, praktisch verfügbaren Vakuums -, wurde offensichtlich versucht, weniger reagierendes Material zu suchen. Auf Seite 330 berichten Trotel und Fay die Verwendung eines Edelmetalls - insbesondere Gold. Die Photokathode nahm die Form einer sehr dünnen Schicht an - einer 5 na (50 Å) dicken Schicht -, um die benötigte Oberflächenemission von der stark absorbierenden Goldschicht zu optimieren. Die Bemühungen waren erfolglos - die Kathode hielt bei Betrieb nicht lange, und der Ansatz wurde aufgegeben.
• Mit dem Entwurf des Photokathodenprojektionssystems verbundene Probleme werden in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-22, Nr. 7 (Juli 1975) erörtert. Der Autor, der zuerst derartige Systeme als eine übermäßige Bildverzerrung aufweisend charakterisiert, kommt dann zu der Schlußfolgerung, daß strukturelle Höhenunterschiede an der Anode - in der Bildebene - signifikant sein können. Zahlenmäßig kommt man zu der Schlußfolgerung, daß man eine Anodenflachheit von ±2 um braucht, um eine Präzision von ±0,3 um zu erreichen. Strukturen mit einer kleineren Entwurfsregel zu erzielen, würde vermutlich eine größere Flachheit erfordern.
• Ein neuerer Artikel J. Vac. Sci. Technol., B4(1), S. 89-93, (Januar/Februar 1986) beschäftigt sich mit den Anforderungen in der Zukunft. Von der Voraussetzung ausgehend, daß der Strukturbereich begrenzend sein wird, verwerfen die Verfasser zuerst Röntgenstrahlen-Ausrichtjustiermarkan als unzureichend - vermutlich als unnötig platzverbrauchend - und schlagen dann je nach den Rückstreu-Ausrichtmarken ein Step-und-Repeat-System vor. Da anerkannt wird, daß das Erfassungssystem bei Vorliegen des für die Auflösung (für eine ausreichend kurze de-Broglie- Wellenlänge) erforderlichen starken elektrischen Felds nicht funktioniert, wird ein feldfreier Bereich vorgesehen. Die Feldeliminierung ist die Folge eines am ersten magnetischen Brennpunkt angeordneten beweglichen Gitters, also der Entfernung, die der ersten 360º- Cyclotron-Periode entspricht. Natürlich ist das Vorliegen des Gitters, obwohl es in dieser Position nur minimale Folgen hat, weiterhin ein Hindernis und erfordert wiederum eine bedeutende Komplexität hinsichtlich Vorrichtung/Prozeß, um zu verhindern, daß das Bild durch das Gitter verzerrt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.
• Es werden ein Photokathodenprojektionssystem und seine Verwendung bei der Bildung von Submikrometerbildern beschrieben. Das System kann einer Reihe von Aufgaben dienen. Es kann als einfache Anzeige dienen. Die Verwendung kann auf der Verbesserung oder dem Abschrecken von Elektronen basieren, um zum Beispiel zu einem selektiven Kristallwachstum auf der Grundlage von elektronenstimulierter Desorption zu führen. Es wird erwartet, daß die bedeutendste kurzfristige Verwendung die Form von Bauelementherstellung im Submikrometerbereich auf der Basis der Resist-Strukturierung durch die Photokathode annimmt. Das System kann zwar, wie in der ausführlichen Beschreibung erörtert, auf der Projektion durch Verkleinerung von einem großen Kathodenmuster basieren, doch wird die erste kommerzielle Verwendung aller Wahrscheinlichkeit nach 1 : 1 sein. Die folgende Beschreibung erfolgt der Zweckmäßigkeit halber hinsichtlich einer 1 : 1-Bauelementherstellung mit Projektion auf einen gegenüber Elektronen empfindlichen, mit einem Resist beschichteten Wafer, es sei denn, etwas anderes ist angegeben.
• Implizite Charakteristiken eines derartigen Systems werden beibehalten. Die Kathodenstruktur besteht aus einer strukturierten Beschichtung aus Photoelektronen emittierendem Material auf einem UV-transparenten Substrat. Ein inhärenter Vorteil ist die gute Wärmeleitfähigkeit der relativ dicken Kathodenstruktur. Probleme mit bei Übertragungssystemen - sowohl Röntgenstrahlen als auch Elektronen - verwendeten Masken hinsichtlich Wärmeausdehnung werden verringert. Die hintere Fläche des Substrats wird mit UV bestrahlt, um abgebildete Elektronen von der strukturierten Beschichtung zu emittieren. Durch ein elektronisches Feld werden Elektronen in Richtung einer Anode beschleunigt, die sich in der Bildebene oder dahinter befinden kann. Ein gleichförmiges Magnetfeld zwischen der Photokathode und der Bildebene führt zusammen mit einem derartigen parallelen elektrischen Beschleunigungsfeld zu einer Cyclotronfokussierung auf die Bildebene. Ein Abstand zwischen Kathode und Bild von Millimetern bis Zentimetern entspricht einer oder wenigen Cyclotronresonanzperioden von der Photoelektronen emittierenden Oberfläche zu der Bildebene.
• Dadurch, daß die Bereiche mit hoher Raumladung vermieden werden, die bei der Überkreuzung in herkömmlichen Fokussiersystemen entstehen, kann in zwei Betriebszuständen gearbeitet werden. In dem Betriebszustand mit hoher Spannung, z. B. 25 kV und darüber - 25 kV/cm für die in Betracht gezogene Zentimeter-Größenordnung des Abstands Kathode-Wafer -, wird die auf die willkürliche Elektronenbewegung in dem Resist zurückzuführende Unschärfe auf ein Minimum reduziert. Bei dem Betriebszustand mit niedriger Spannung, z. B. zwei oder einige wenige kV - als der Bereich definiert, in dem die meisten der Elektronen innerhalb des Resists absorbiert werden - so daß wenige das Substrat erreichen -, wird auf die Rückstreuung von Elektronen von dem Substrat zurückzuführende Unschärfe vermieden. Die Feldwerte zwischen den beiden Betriebszuständen zu wählen, ist möglicherweise angebracht.
• Der anerkannte Mangel des Standes der Technik - kurzlebige Photokathoden - wird angesprochen. Es besteht Einverständnis, daß ein bedeutender Teil des Problems die "Verunreinigung" ist, und daß das Aufrechterhalten eines entsprechenden Vakuumniveaus schwierig ist, und sei es nur wegen der Freisetzung von Kohlenwasserstoffen oder einer anderen Verunreinigung aus dem mit dem Resist beschichteten Wafer. In Übereinstimmung mit einem früheren Ansatz bestehen die Photokathoden der Erfindung aus Edelmetall. Wenn Photoelektronenemitter mit einem derartig niedrigen Wirkungsgrad verwendet werden, erfordert dies die Aktivierung mit Photonenenergien, die bedeutend über der Metallaustrittsarbeit liegen, um wiederum für die emittierten Elektronen eine große Energieverbreiterung zu erhalten. Wenn große, homogene Magnetfelder zur Verfügung stehen, wie sie sich beispielsweise aus der Verwendung von Windungen aus supraleitendem Draht ergeben, wird der Effekt der Energieverbreiterung verringert. Die Ursache für früheres Versagen von Edelmetallkathoden von Fachleuten im Stand der Technik konnte nicht identifiziert werden. Experimentell ist ein Erfolg mit Schichtdicken von 10 nm (100 Å) und darüber, zusammen mit entsprechendem darunterliegendem Material zur Sicherstellung der Adhäsion des Films, erzielt worden. Es ist möglich, daß frühere Ausfälle auf berichtete Unstetigkeiten in den dünneren 5 nm (50 Å)-Filmen zurückgingen.
• Die Sorgen von Fachleuten des Standes der Technik hinsichtlich der Waferglattheit erscheinen unbegründet. In gewissem Maß ist dies möglicherweise auch den recht geringen Magnetfeldstärken (weniger als 1 Tesla) zuzuschreiben, die in der Vergangenheit zum Fokussieren verwendet wurden. Jedenfalls besteht dieses Problem bei magnetischen Fokussierfeldern von 2 bis 10 (Tesla) nicht. Die Oberflächenrauheit der serienmäßigen Siliciumwafers mit örtlichen Höhenschwankungen von 1 um hat auf die Auflösung keine wahrnehmbare Auswirkung.
• Ein bedeutender Vorteil der Elektronenstrukturierung ist die inhärente Fähigkeit, die Brennweite magnetisch zu variieren. Eine erfindungsgemäße Spezies nutzt dies aus, indem sie für ein ausgleichendes Feld sorgt. Die großen Felder für die grundlegende Fokussierung hängen im allgemeinen von supraleitenden Magneten ab. Für die Feinfokussierung können einfach zu steuernde, herkömmliche Magnetspulen in der Brennebene oder in der Nähe verwendet werden. Für radial abhängige Aberrationen kann ein symmetrisch geformtes Feld verwendet werden. Örtliche Störungen der Feldstärke sowie Höhenveränderungen auf der abzubildenden Oberfläche, wie sie durch die vorausgegangene Bearbeitung des Wafers hervorgerufen werden, können durch unabhängig gesteuerte, kleine Magnetspulen angegangen werden.
• Das Strukturieren mit geladenen Teilchen gestattet eine Vergrößerung oder Verkleinerung des projizierten Bilds durch Anpassen der Magnetfeldstärke. Die anfängliche Verwendung wird zwar als 1 : 1 erwartet, doch kann die zukünftige Verwendung eine Verkleinerung von einer 4x-5x-Maske auf die Weise von Röntgenstrahlen- und Elektronenstrahlenprojektionssystemen beinhalten. Dies kann durch Erhöhen der Felddichte in Richtung von dem Photoelektronenemitter zu dem Wafer geschehen. Eine Feldverdichtung, um diesen bildverkleinernden "Trichter" zu erhalten, ist besonders für die Verwendung mit der Photokathode der Erfindung wertvoll, kann aber auch allgemeiner angewendet werden. Sie kann sogar von der Richtung her umgekehrt werden, um das Bild zu vergrößern.
• Durch Röntgenstrahlen stimulierte fluoreszierende Markierungen können sowohl die Registrierung aufeinanderfolgender Bearbeitungsschritte, wie bei der LSI-Fertigung üblich, und für die Registrierung aufeinanderfolgender Bereiche bei Step- und-Repeat sorgen. Die Röntgenstrahlen werden durch das sich beschleunigende elektrische Feld (das E-Feld) nicht beeinträchtigt, wodurch die Notwendigkeit für einen Nullfeldbereich für diesen Zweck vermieden wird. Ein alternativer Ausrichtmechanismus hängt von der Elektronenemission von Ausrichtwegen auf der Photokathode ab. Pads können sich in Eckenpositionen befinden und können charakteristische Röntgenstrahlen von entsprechend plazierten Metallmarkierungen auf dem Wafer erzeugen. Durch eine richtige Wahl der Metallzusammensetzung, die sich von den Materialien unterscheidet, die in dem zu konstruierenden Bauelement verwendet werden, wird eine Verwechslung mit etwaiger Störemission vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Kathodenstruktur der Erfindung mit einer Vorkehrung für Aktivierung, Elektronenemission und Cyclotronfokussierung aufweist. Die gezeigte Kathodenstruktur wird durch UV-blockierende Bereiche unter einer insgesamt emittierenden Oberfläche strukturiert. Hierbei handelt es sich um ein Beispiel einer "Dick- Dünn"-Kathode.
• Fig. 2 zeigt eine alternative Struktur - eine "Dünn-Dünn"-Kathode. Die Photoelektronenemission wird hier durch die Oberfläche blockierende Bereiche mit höherer Austrittsarbeit strukturiert.
• Fig. 3 zeigt noch eine weitere, andere Form der Struktur, bei der das Photoelektronen emittierende Material selbst strukturiert wird, wobei freigelegte Bereiche darunterliegendes, nichtemittierendes Material offenlegen. Bei der Erörterung sowohl der Kathodenstrukturen/-materialien als auch der Bearbeitung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Struktur zur "Trichter"-Projektion - unter Verwendung einer veränderlichen Magnetfelddichte, um die Größe des projizierten Bilds zu reduzieren.
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen "Trichter"-Struktur.
Ausführliche Beschreibung Allgemeines
• Der Gedanke der Erfindung ist in den vorausgegangenen Abschnitten beschrieben worden. Die Ansprüche befassen sich mit einem Verfahren, das frühere Schwierigkeiten bei der Photokathodenstrukturierung nicht zeigt. Durch die Kathodenstrukturen und die Betriebsparameter wird eine kritische Abhängigkeit von der Oberflächenrauheit und anderen Fehlern vermieden. Die mehrstufige Bearbeitung und Step-und-Repeat sowie fortwährendes Abtasten wird durch Verwendung der oben beschriebenen, durch Röntgenstrahlen angeregten Justiermarkierungen vorangetrieben. Eine optimale Auflösung kann durch "Feinabstimmung" des Magnetfelds sichergestellt werden, vorzugsweise durch die Verwendung eines überlagerten kleineren Felds, das möglicherweise sogar so geformt ist, daß es örtliche sowie auch systematische Aberrationen berichtigt.
• Für die beschriebenen Maskenstrukturen sind die zur Verfügung stehenden Materialien und Prozeduren angemessen. Das EBES-Direktschreibsystem, das zur Maskenfertigung weltweit verwendet wird, kann direkt angewendet werden. Resiststrukturen werden, nachdem sie auf übliche Weise definiert und entwickelt worden sind, bei der Fertigung der Photokathode verwendet. Abscheidungsverfahren für die in Betracht gezogenen Maskenmaterialien sind wohlbekannt.
Kathodenstruktur/Materialien
• Die erfindungsgemäßen Strukturen basieren auf der Verwendung von Edelmetallphotoelektronenemittern. Die in Betracht gezogenen Materialien sind elementar oder legiert. Während die erfindungsgemäße Lehre sich möglicherweise für andere Materialarten als nützlich erweist, diktieren die Versuchsergebnisse den ausschließlichen Einsatz von Elementen mit den Ordnungszahlen 44-47 und 75-79 des Periodensystems nach Mendelejew, d. h. Ru, Rh, Pd, Ag, Re, Os, Ir, Pt, Au sowie Legierungen derartiger Elemente. Die Wahl wird durch verschiedene Überlegungen diktiert. Eine ist die Leichtigkeit der Bildung - der Bildung wahrscheinlich einer dünnen Schicht auf einem transparenten Substrat. Noch eine weitere betrifft die Reaktivität - auf dieser Basis wird Au gegenüber Ag bevorzugt, usw. Eine weitere betrifft die Austrittsarbeit. So wird unter diesem Gesichtspunkt beispielsweise Au mit seiner Austrittsarbeit von 5,1 eV (für seine am meisten bevorzugte Kristallebene) gegenüber Pt mit seiner Austrittsarbeit von 5,65 oder 5,7 eV bevorzugt. Ein anfänglicher Vorteil von Au ist die gestattete Verwendung von Pt-Maskierung mit einer zwischen den Austrittsarbeiten von Au und Pt liegenden Anregung. Als Faustregel ist die Anzahl der austretenden Elektronen proportional zu dem Quadrat der Energiedifferenz zwischen der Austrittsarbeit und der Mittenfrequenz der anregenden Quelle, ausgedrückt als Prozentsatz. Aus der Verwendung von Gold mit seiner niedrigeren Austrittsarbeit kann sich ein schmaleres Energiespektrum für emittierte Elektronen ergeben.
• Aus praktischen Gründen allerdings ist Gold als Emittermaterial möglicherweise nicht bevorzugt. Eine Verunreinigung von Silicium mit Gold kann die Fertigung von Siliciumbauelementen ausschließen. Aus diesem Grund kann Platin trotz seiner anderen Nachteile möglicherweise bevorzugt sein. Bei Beispiel 1 wird eine Pt-Photokathode verwendet.
• Verwendete Photoelektronen emittierende Materialien haben für anregende Energie kurze Eindringtiefen. Die Edelmaterialien haben kurze UV- Eindringtiefen. Eine Emissionswahrscheinlichkeit erfordert eine Elektronenerzeugung in der Nähe der emittierenden Oberfläche. Praktische Überlegungen legen dicke Schichten nahe. Die wirksamste Emission ist ein Kompromiß zwischen Schichtkontinuität und Eindringtiefe. Die Versuchsarbeit unterstützt einen festgelegten Schichtdickenbereich von 100 Å bis mehrere 100 Å - bis 500 Å (1 Å = 10-10m) oder darüber. Eine noch größere Dicke funktioniert zwar, ist aber unrationell.
• Fig. 1 zeigt eine "Dick-Dünn"-Struktur 1. Sie wird durch Abscheiden von emittierendem Material auf der Vorderfläche der Kathode hergestellt. Die Emission in blockierenden Bereichen wird durch darunterliegendes Material verhindert, das anregende Strahlung absorbiert und/oder reflektiert. Die Struktur 1 besteht aus einem Substrat 2, das für den Fall eines Beispiels aus Saphir besteht. Allgemeiner wird das Substratmaterial hinsichtlich der Leistungseigenschaften einschließlich Transparenz gegenüber der anregenden Strahlung Dauerhaftigkeit gegenüber der Behandlung und Wärmeleitfähigkeit, um thermische Beanspruchung zu verhindern, gewählt. Das Saphirsubstrat wird mit einer dünnen - z. B. einer 10 nm (100 Å)-"Haft"-Schicht 3 beschichtet. Durch die Verwendung von Chrom wird Haftvermögen und Kontinuität von nachträglich abgeschiedenem Material sichergestellt.
• Es hat sich herausgestellt, daß die Adhäsion durch Verwendung von "Haft"-Metallen sichergestellt wird, die Oxide mit einer Bildungswärme über der von SiO&sub2; bilden. Beispiele sind Al, Ti, Ta, Cr. Ti, ein besonders guter Adhäsionsförderer, reduziert SiO&sub2; bei relativ niedriger Temperatur und geht eine starke Bindung ein. Metalle wie beispielsweise Au, Pt, W und Mo reduzieren SiO&sub2; nicht - bilden Oxide mit einer niedrigeren Bildungswärme als SiO&sub2;. Diese Metalle weisen eine schlechte Adhäsion an SiO&sub2; auf und sie profitieren von einer "Haft"-Schicht. Die gezeigte Struktur wird hergestellt, indem zuerst die gesamte "Haft"-Schicht 3 mit einer Schicht aus blockierendem Material 4 beschichtet wird, das danach strukturiert wird, um Restbereiche aus Material 4 zurückzulassen. Die Bereiche 4 dienen dazu, anregende Strahlung 5 zu löschen - zu absorbieren und/oder zu reflektieren - und eine Anregung von darüberliegendem Photoelektronen emittierendem Material zu verhindern. Das Photoelektronen emittierende Material wird nach der Strukturierung abgeschieden und führt zu den Bereichen 6 und 7. Bei einem Beispiel dient Gold als das Material der Bereiche 6 und 7. Die Dicke derartiger Bereiche beträgt in der Regel mindestens 10 nm (100 Å), z. B. 25 nm (250 Å). Bei einem Beispiel ist das blockierende Material Wolfram. Eine 70 nm (700 Å) Wolframschicht reicht aus, um eine bedeutende Photoelektronenemission aus den Bereichen 7 zu verhindern. Das blockierende Material wird unter dem Gesichtspunkt der erforderlichen Adhäsion an der darunterliegenden Oberfläche - an der "Haft"-Schicht 3 - und der erforderlichen Adhäsion für die darüberliegende Oberfläche - für das emittierende Material 7 gewählt.
• Eine alternative Struktur basiert auf der Verwendung einer kontinuierlichen Schicht aus Photoelektronen emittierendem Material, wobei blockierende Bereiche dazu dienen, die Emission aus gleichförmig bestrahltem emittierendem Material zu verhindern. Abgeschiedene Bereiche aus nichtemittierendem Material auf der vorderen Fläche der emittierenden Oberfläche dienen zur Strukturierung der Emission. Da das blockierende Material eine Dicke aufweisen kann, die der der Emitterschicht vergleichbar ist, werden derartige Strukturen hier als "dünn-dünn" bezeichnet. Fig. 2 veranschaulicht eine derartige Struktur.
• Die Struktur von Fig. 2 enthält ein transparentes Substrat 20, bei dem es sich, wie in Fig. 1, um Saphir handeln kann. Die Emission geschieht von freiliegenden Bereichen der Schicht 21, eine Edelmetallschicht mit einer den dargelegten Kriterien genügenden Dicke - wobei Absorption anregender Energie in der Nähe der emittierenden Oberfläche sichergestellt wird, und um zuverlässig eine porenfreie (eine kontinuierliche) Schicht zu ergeben. Es hat sich im Fall eines Gold-Photoelektronenemitters als extrem hilfreich herausgestellt, eine "Haft"-Schicht 22 mit aufzunehmen. Eine 10 nm (100 Å) dicke Schicht aus Chrom hat sich zur Verwendung mit einer 25 nm (250 Å) Schicht 21 aus Gold als wirksam herausgestellt. Blockierende Bereiche 23 aus einem Material mit einer höheren Austrittsarbeit dienen zur Strukturierung. 10 nm (100 Å) dickes Pt über der "Haft"-Schicht 24, - z. B. über einer 10 nm (100 Å) dicken Cr-Schicht, ist wirksam. Allgemein gesagt wird durch das Weglassen der "Haft"- Schicht möglicherweise nicht eine kontinuierliche, anhaftende Schicht aus emittierendem Material ausgeschlossen, jedoch wird, insbesondere für Gold, durch ihre Verwendung die strukturelle Integrität an besten sichergestellt.
• Die Struktur von Fig. 3 basiert auf einer Photoelektronen emittierenden Schicht 32, die durch Ätzen strukturiert wird, um Bereiche einer darunterliegenden, nichtemittierenden Schicht 33 freizulegen. Die Schicht 33 ist mit Hilfe einer "Haft"-Schicht 35 an das Substrat 34 gebondet. Bei dem Material der Schichten 32-35 kann es sich um Gold, Platin, Quarzglas bzw. Chrom handeln.
• Die Photoelektronenemission gemäß der Erfindung ist das ausschließliche Gebiet eines bzw. mehrerer Edelmetalle. Die Bezugnahme auf "Edelmetall"-Kathode usw. soll allerdings nicht die emittierende Oberfläche auf eine beschränken, die ausschließlich aus einem oder mehreren Edelmetallen besteht. Das emittierende Material kann zugemischt sein, um entweder eine homogene oder inhomogene Oberfläche zu erzeugen. Ein derartiges zusätzliches Material sollte den Emissionswirkungsgrad nicht "verunreinigen" oder auf irgendeine Weise beeinträchtigen.
Bearbeitungsbedingungen
• Wegen einer Beschreibung des Vorgangs wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Bestrahlung 5 hat ihren Spitzenwert bei einer Photonenenergie zur Anregung des Photoelektronenemitters. Wirksame Emission erfordert Photonenenergie über der Austrittsarbeit des Emitters - über mindestens vielleicht 10%. Gleichzeitig darf sie nicht zu groß sein und beträchtliche Emission aus zu blockierenden Bereichen hervorrufen. Die Dick-Dünn- Struktur von Fig. 1 genügt dieser Anforderung einfach durch ausreichende Löschung von Ultraviolett. Die Kriterien betreffen in erster Linie Materialeigenschaften und die Dicke der blockierenden Schicht. Die Vorkehrung von die Oberfläche blockierenden Gebieten, um die Elektronenemission von gleichförmig angeregtem emittierendem Material zu verhindern, wie in der Dünn-Dünn-Struktur von Fig. 2, unterliegt wieder Material- und Dickekriterien. Andere Strukturen sorgen möglicherweise für eine gleichförmige Anregung von ansonsten nicht blockierten Gebieten von freiliegendem Material - von emittierendem und von nichtemittierendem Material. Unter diesen Umständen sind Kriterien lediglich diejenigen der relativen Austrittsarbeiten von Bereichen, die emittierende und nichtemittierende Teile der Kathode darstellen.
• Die Anregungsstrahlung kann durch einen Filter geführt werden, um für die emittierten Elektronen eine angemessen schmale Energieverbreiterung sicherzustellen, z. B. ±10%. Durch die Verwendung eines großen beschleunigenden Feldes wird zwar der Effekt verringert, doch führt eine Verbreiterung der Energien der emittierten Elektronen, z. B. entsprechend einer Verbreiterung der Photonenenergien, zu einer Verbreiterung der Brennweite. Eine mit einem Spitzenwert von 6,5 ev arbeitende Kryptonlampe regt Pt mit seiner Austrittsarbeit von 5, 6 eV wirksam an. Alternative Quellen sind Deuteriumlampen mit einem Spitzenwert von 7 eV und Quecksilberlampen mit einem Spitzenwert von 6 ev. Dies sind alles Beispiele für Hochdrucklampen, die als Plasmaentladungsröhren arbeiten.
• Bei einer angemessenen Anregungsquelle gestattet die Energieverbreiterung der Elektronen 9 eine gute Auflösung bei Überlagerung des Magnetfelds B, um diese Elektronen dahinzubringen, daß sie periodisch fokussiert werden, beispielsweise bei Knoten 11. Über den effektiven Elektronenemissionsquerschnitt hinweg ist das B-Feld gleichförmig - über einen Bereich, der mindestens so groß ist wie das auf der Schicht 12 zu strukturierende Gebiet. B-Felder mit einer Stärke bis zu mehreren Tesla werden zweckmäßigerweise durch den Einsatz eines supraleitenden Magneten erzeugt.
• Supraleitende Magnetspulen, um eine Gleichförmigkeit von besser als 1% über ein Volumen von 1000 cm³ zu erzielen, reichen leicht aus für die angestrebten Bildbereiche von einigen wenigen cm². Die hier gezeigte Bildebene entspricht der Oberfläche einer Resistschicht 12 auf dem Siliciumwafer 13. In einem derartigen Fall ist der Einsatz des wohlbekannten Positivresists PMMA nützlich. Alternativen, einschließlich dem Negativresist COP, können verwendet werden. Ein von einer Spannungsquelle Va erzeugtes elektrisches Feld E beschleunigt die Elektronen 9 auf die gewünschte Geschwindigkeit. Die Größe der Beschleunigungsspannungen ist ein Kompromiß zwischen der Zeilenauflösung in dem Resist und Verschmieren aufgrund von Rückstreuung von dem darunterliegenden Substrat. Durch niedrigere Spannungen wird die Rückstreuung auf ein Minimum reduziert. Durch höhere Spannungen wird das Bildverschmieren in dem Resist auf ein Minimum reduziert, gleichzeitig aber die Absorption durch den Resist reduziert und mehr Rückstreuung von dem Substrat erzeugt. Die Wahl hinsichtlich optimaler Auflösung bzw. optimalem Kontrast kann von der Art der Struktur abhängen. Beispielsweise wird der Kontrastverlust aufgrund von Rückstreuung durch große, eng beabstandete Strukturelemente verschlimmert. Unter in den Beispielen dargelegten Versuchsbedingungen haben sich Spannungen von 2 kV - 100 kV als nützlich herausgestellt.
• Fig. 1 enthält eine schematische Darstellung eines Magnetfelds B'. Ein derartiges wahlweises Ausgleichsfeld kann Aberrationen in der Stärke des Magnetfelds B, die entweder regelmäßig oder unregelmäßig sind, über die Bilderzeugungsoberfläche der Schicht 12 hinweg korrigieren. Wie erörtert, wird dieses Ausgleichsfeld, das wahrscheinlich einen Maximalwert von 2 Kilogauß und eine von zwei Polaritäten aufweist, zweckmäßigerweise von einer oder mehreren herkömmlichen drahtgewickelten Magnetspulen unter dem Wafer 13 erzeugt. Regelmäßige Abweichung von der Gleichförmigkeit des B-Felds kann durch ein Feld mit einer einzigen Form kompensiert werden, das möglicherweise von einer einzigen Magnetspule erzeugt wird. Aberrationen bei der Brennweite aufgrund von örtlichen Störungen, z. B. aufgrund von Höhenveränderungen auf der abzubildenden Ebene, können am besten durch getrennte Magnete berücksichtigt werden.
• Bei der anspruchsvollsten Arbeitsweise ist möglicherweise für jede Maskenebene ein Feinausgleich wünschenswert. Bei weniger anspruchsvoller Bearbeitung ist die erwartete Veränderung bei der Brennweite aufgrund mechanischer Bewegung, Temperaturveränderungen usw. möglicherweise unkritisch, wobei dann möglicherweise eine Feinfokussierung nur beim täglichen Anlauf erforderlich ist.
• Fig. 1 stellt schematisch eine Anordnung dar, bei der der Abstand L so eingestellt ist, daß das Bild auf den Resist 12 fokussiert wird, der sich von der Kathode 1 in einer Entfernung von einer Cyclotronresonanzperiode befindet. Die Verwendung einer Beabstandung in Größe einer einzigen Periode, entsprechend einem Abstand von 0,2 cm (unter Bedingungen, wie sie in den Beispielen verwendet werden), ist eine ausreichende Trennung, um die Wahrscheinlichkeit, daß die Kathode beschädigt wird, zu reduzieren. Es lassen sich noch größere Beabstandungen erzielen, die einer größeren Anzahl von Perioden entsprechen, möglicherweise mit einer gewissen Verschlechterung, aber einer immer noch akzeptablen Auflösung. Diese gestattete Beabstandung stellt einen der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Ansatzes bezüglich der 1 : 1-Röntgenstrahlung dar.
• Felder von 2 bis 5 Tesla sorgen zusammen mit einer Beschleunigungsspannung von 2 kV bis 100 kV bei der Bildebene für eine Auflösung von 50 nm (500 Å) oder besser. Die Beschleunigung innerhalb des erwähnten Bereichs führt bei einer Stromdichte von 1 bis 10 Mikroampere pro Quadratzentimeter (1-10 pA/cm²) zu einer PMMA-Belichtungszeit von einigen zehn Sekunden.
• Der größte Teil der Beschreibung ist hinsichtlich einer sofortigen Belichtung von einer 1 : 1-Maske erfolgt. Der Ansatz bietet Vorteile sowohl hinsichtlich des Abtastens, z. B. Step-und-Repeat, und hinsichtlich der Bildverkleinerung, z. B. durch die Verwendung einer 4x-5x-Maske, wie sie in den in Frage kommenden Elektronenstrahl- und Röntgenstrahlprojektionssystemen eingesetzt wird. Durch das Abtasten kleinerer Teilbilder werden die Anforderungen sowohl an das Magnetfeld als auch an das elektrische Feld hinsichtlich Feldgleichförmigkeit gelockert. Das Problem nach dem Stand der Technik, das sich aus der Verwendung von Justiermarken auf der Grundlage von Rückstreuung ergibt, wird durch den Einsatz von durch Röntgenstrahlen stimulierter Fluoreszenz vermieden. Markierungen, beispielsweise mit einer Fläche von cm, sind ausreichend und umgehen die Notwendigkeit, für die Strukturierung optimierte Bedingungen zu verändern.
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines "Trichter"-Mittels zum Verkleinern bzw. Vergrößern des projizierten Bilds bezüglich der Photokathode. Es enthält eine Photokathode 40, wie die von Fig. 1, die aus einem Saphirsubstrat 41 besteht, das mit einer "Haft"-Schicht 42 aus Chrom, blockierenden Bereichen 43 aus Wolfram und Schichtbereichen 44 und 45 versehen ist. Die UV-Strahlung 46 regt die Bereiche 44 an und wird durch die Bereiche 43 daran gehindert, die Bereiche 45 anzuregen.
• Ein supraleitender Magnet aus einzelnen oder in Reihe geschalteten Windungen 47, 48 und 49 erzeugt ein gleichförmiges Magnetfeld von z. B. 2 Tesla, wie es durch die Feldlinien 50 dargestellt ist. Ein aus Wicklungen 51, 52, 53, 54 und 55 bestehender zweiter supraleitender Magnet komprimiert das Magnetfeld, um seine Querschnittsfläche zu reduzieren, wie dies nun durch die Feldlinien 56 dargestellt ist, und um seine Stärke auf vielleicht 10 Tesla zu erhöhen. Das nun verkleinerte Bild wird auf die von dem Substrat 58 getragene Schicht 57 projiziert. Eine angelegte Spannung Va von z. B. 50 kV macht die Struktur 40 bezüglich der Schicht 57 kathodisch.
• Am wünschenswertesten ist, wenn die Richtung des beschleunigenden Felds parallel zu den Magnetfeldlinien 50 und 56 verläuft. Bei der in Fig. 4 gezeigten besonderen Ausführungsform wird die Komplexität der Vorrichtung verringert, indem zwischen den elektrisch leitenden Gittern 59 und 60, die durch Nebenschlüsse 61 verbunden sind, ein feldfreier Bereich vorgesehen wird - ein Bereich ohne elektrisches Feld. Bei anderen Anordnungen kann ein getrenntes beschleunigendes Feld zwischen den Gittern 59 und 60 mit einer Richtung parallel zu den Magnetfeldlinien zum Einsatz kommen.
• Fig. 5 zeigt einen "Trichter" mit einer Vorkehrung, um radial abhängige Unterschiede bei der Elektronenweglänge im Bereich der Magnetfeldkomprimierung zu berücksichtigen. Zu Veranschaulichungszwecken ist die gezeigte Struktur identisch mit der von Fig. 4, mit der Ausnahme der Beschleunigungsgitter 89, 90 und 91 und der damit verbundenen Vorspannung. Die vergrößerte Weglänge für extreme Elektronen wird durch die Gitter 89 und 90 kompensiert, die so geformt sind, daß sie zwecks einer größeren Entfernung von dem Zentralstrahl enger beabstandet sind. Dies erhöht das beschleunigende Feld, um die ansteigende Weglänge auszugleichen und die Flachheit der Brennebene zu verbessern. Bei dieser Darstellung sind auf beiden Seiten des Komprimierungsbereichs feldfreie Bereiche beibehalten. Die Beschleunigung wird auf die Bereiche 74-91 und 89-90 durch die Spannungsquellen Va bzw. V'a beschränkt.
• Der "Trichter"-Ansatz eignet sich am besten zur Abbildung von Elektronen mit fast gleichen Energien. Dies ist implizit in der photokathodischen Bilderzeugung. Andere Formen der Bilderzeugung gestatten möglicherweise eine schmale Energieverbreiterung. Der "Trichter" ist möglicherweise bei Systemen nützlich, die Absorptions-Transparenz-Masken verwenden. Er eignet sich wegen energiereduzierender Stöße, die die Energieverbreiterung der Elektronen erhöhen, wahrscheinlich nicht für Streu-Nichtstreu-Maskierung.
Beispiele
• Beispiel 1 - Für eine 1 : 1-Strukturierung wird eine Dünn-Dünn-Kathode verwendet. Das Photoelektronen emittierende Material ist eine 20 nm (200 Å) dicke Schicht aus elementarem Pt (mit einer Austrittsarbeit von 5,6 eV). Das Blockieren geschieht durch Bereiche aus 20 nm (200 Å) dickem Wolfram, das oxidiert ist, um eine 10 nm (100 Å) dicke Schicht aus W&sub2;O&sub3; zu gewinnen. Die Austrittsarbeit seines Oxids beträgt 7,5 eV. Die Struktur ist ähnlich der von Fig. 2 und besteht aus einem Saphirsubstrat mit einer Dicke von 0,1 um, wobei eine 10 nm (100 Å) dicke "Haft"-Schicht aus Cr das Anhaften sowohl von Pt als auch von W sicherstellt.
• Die Rückseite der Kathode wird durch eine Kryptonlampe bestrahlt. Ein Magnetfeld von 2 Tesla mit einer Gleichförmigkeit von 10&supmin;³ wird angelegt. Das beschleunigende Feld beträgt 50 kV/cm bzw. 25 kV für den Kathoden-Wafer-Abstand von 0,5 cm. Die Strukturierung von 30 nm (300 Å) Strukturelementen in PMMA erfordert über einen Waferbereich von 10 cm² zwischen 5 und 10 Sekunden.
• Beispiel 2 - Eine Dick-Dünn-Struktur, wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet 20 nm (200) Å dickes Pt für die Photoelektronenemission und 100 nm (1000 Å) dickes W zum Blockieren - für UV-Absorption und/oder -Reflexion. Für die Anregung wird eine Kryptonlampe verwendet. Der Kathoden-Wafer-Abstand beträgt 1,5 cm. Ein Magnetfeld von 4 Tesla und eine Beschleunigungsspannung von 70 kV führt innerhalb von 20 Sekunden zu einer PMMA- Belichtungsstruktur von 20 nm (200 Å) Strukturelementen.
• Beispiel 3 - Die Vorrichtung und die Bedingungen von Beispiel 2, allerdings mit einem Kathoden-Wafer-Abstand von 0,1 cm und durch Verwendung einer Beschleunigungsspannung von 2 kv, wird zum Strukturieren von 150 nm (1500 Å) Strukturelementen auf einem PMMA-beschichteten Siliciumwafer verwendet, dessen Oberfläche sensibilisiert worden ist, indem sie Silan ausgesetzt worden ist. Eine Belichtungszeit von etwa 20 Sekunden ist angemessen.
• Beispiel 4 - Eine Kathode der Struktur von Fig. 3 verwendet ein 0,1 mm dickes Saphirsubstrat, das eine 10 nm (100 Å) Chromschicht und eine 10 na (100 Å) Endschicht aus Platin trägt. Das Platin wird durch Direktschreiben mit Elektronenstrahl (durch EBES) auf PMMA mit nachfolgender Entwicklung strukturiert. Die Struktur wird auf die Platinschicht übertragen durch Plasmaätzen auf bloßes Chrom. Die Verbundoberfläche wird oxidiert, um eine 10 nm (100 Å) dicke Schicht aus Cr&sub2;O&sub3; zu erzeugen. Mit der strukturierten Photokathode wird dann unter den Bedingungen von Beispiel 2 in PMMA eine Struktur mit einer Entwurfsregel von 20 nm (200 Å) erzeugt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bauelementfertigung mit Strukturieren einer kleinsten Strukturelementgröße von unter 0,25 um, wobei diese Strukturierung das Bestrahlen eines Resists mit strukturierter Elektronenstrahlung umfaßt,

wobei derartige strukturierte Strahlung von einer UV-angeregten Photokathode gewonnen wird, die von einem UV-transparenten Substrat getragenes, Photoelektronen emittierendes Edelmetallmaterial mit freier Oberfläche umfaßt,

wobei die Strahlung auf einen derartigen Resist fokussiert wird, der ein ganzzahliges Vielfaches von Zyklotronresonanzperioden von der Photokathode beabstandet ist, wobei Fokussieren und Beschleunigen der Elektronen das Ergebnis von angelegten magnetischen und elektrischen Feldern sind, die über den ganzen Querschnitt der strukturierten Elektronenstrahlung hinweg weitgehend gleichförmig sind,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Edelmetall und dem Substrat eine Metallhaftschicht zur Förderung der Adhäsion vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die freie Oberfläche eine Oberfläche einer Schicht ist, die im wesentlichen aus mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Elementen mit den Ordnungszahlen 44-47 und 75-79 in dem Periodensystem nach Mendelejew besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die freie Oberfläche die Oberfläche einer Photoelektronen emittierenden Schicht mit einer Dicke von mindestens 10 nm (100 Å) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine derartige Schicht unstrukturiert ist und bei dem emittierte Elektronenstrahlung durch darüberliegendes blockierendes Schichtmaterial strukuriert wird, das eine freie Oberfläche mit einer Austrittsarbeit bietet, die größer ist als die des emittierenden Materials.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das blockierende Schichtmaterial Edelmetall mit einer Austrittsarbeit ist, die über der des Photoelektronen emittierenden Materials liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das blockierende Schichtmaterial aus Pt besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Schicht unstrukturiert ist und bei dem emittierte Elektronenstrahlung mit Hilfe von darunterliegenden blockierenden Bereichen strukturiert wird, die UV-Anregungsenergie absorbieren und/oder reflektieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die darunterliegenden blockierenden Bereiche aus Wolfram bestehen.

9. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das emittierende Schichtmaterial durch Ätzen strukturiert wird, um darunterliegendes Material mit einer höheren Austrittsarbeit freizulegen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Magnetfeld eine Stärke von mindestens 1 Tesla aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das elektrische Feld mindestens 10 kV/cm beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen der Bildebene und der Kathode einer einzelnen Zyklotronresonanzperioden entspricht.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strukturregistrierung das Anordnen mit Hilfe von Justiermarken erfordert, die bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlen fluoreszieren.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stärke des Magnetfelds erhöht und sein Querschnitt in Richtung der Elektronenbewegung reduziert wird, wodurch die Größe des Bilds auf dem Resist relativ zu dem Bild auf der Photokathode reduziert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fokussieren auf die Bildebene mit Hilfe eines feinabstimmenden Magnetfelds verbessert wird.