FR2517470A1 - LASER STIMULATED HIGH-DENSITY CURRENT ELECTRON GENERATOR AND METHOD OF MANUFACTURING SAME - Google Patents
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Abstract
GENERATEUR DE FAISCEAUX D'ELECTRONS CONCU PARTICULIEREMENT POUR DES APPLICATIONS EN LITHOGRAPHIE SUR SEMI-CONDUCTEUR EN ECRITURE DIRECTE COMPRENANT UNE CATHODE PHOTO-EMISSIVE, UN LASER MODULABLE POUR ECLAIRER LA CATHODE ET UNE OPTIQUE POUR CREER UN DESSIN OPTIQUE SUR LA CATHODE. LA CATHODE 16 EST COMPOSEE D'UN SUBSTRAT 40 TRANSPARENT SUR LEQUEL EST DEPOSE UN FILM 46 SEMI-TRANSPARENT ELECTRIQUEMENT CONDUCTEUR. CE FILM EST REVETU PAR UNE FINE COUCHE D'UNE SUBSTANCE PHOTO-EMISSIVE 48 TELLE QUE DE L'ANTIMONIURE DE CESIUM, DE SORTE QUE LA CATHODE EMET UN FAISCEAU D'ELECTRONS SENSIBLEMENT MONOCHROMATIQUE LORS DE SON ECLAIREMENT PAR LE LASER. LE FAISCEAU D'ELECTRONS EST MIS EN FORME SELON LE DESSIN OPTIQUE CREE SUR LA CATHODE ET, EN TRAVERSANT DES DISPOSITIFS D'OPTIQUE ELECTRONIQUE SUCCESSIFS, EST DE NOUVEAU CONFORME ET DIMENSIONNE POUR ETRE UTILISE PAR EXEMPLE DANS LA FABRICATION PAR LITHOGRAPHIE DE SEMI-CONDUCTEURS OU CIRCUITS VLSI.ELECTRON BEAM GENERATOR DESIGNED PARTICULARLY FOR LITHOGRAPHY APPLICATIONS ON SEMICONDUCTOR IN DIRECT WRITING INCLUDING A PHOTOEMISSIVE CATHODE, A MODULAR LASER TO LIGHT THE CATHODE AND AN OPTICAL TO CREATE AN OPTICAL DRAWING ON THE CATHOD. CATHODE 16 IS COMPOSED OF A TRANSPARENT SUBSTRATE 40 ON WHICH AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE SEMI-TRANSPARENT FILM 46 IS DEPOSITED. THIS FILM IS COATED WITH A THIN LAYER OF A PHOTO-EMISSIVE SUBSTANCE 48 SUCH AS CESIUM ANTIMONIDE, SO THAT THE CATHODE EMITS A SENSITIVELY MONOCHROMATIC BEAM OF ELECTRONS WHEN ITS LASER ILLUMINATION. THE ELECTRON BEAM IS SHAPED ACCORDING TO THE OPTICAL DRAWING CREATED ON THE CATHODE AND, THROUGH SUCCESSIVE ELECTRONIC OPTICAL DEVICES, IS AGAIN CONFORM AND DIMENSIONED FOR USE FOR EXAMPLE IN LITHOGRAPHY MANUFACTURING OF SEMI-CONDUCTIONS OR VLSI CIRCUITS.
Description
L'invention concerne des générateurs de faisceaux d'élec trons àThe invention relates to beam generators for electrons to
photoémission qui émettent des faisceaux d'électrons de densité de courant élevée lors de leur éclairement par un laser d E photoemission that emit electron beams of high current density when illuminated by a laser d E
longueur d'onde et d'énergie appropriées, et qui conviennent par- appropriate wavelength and energy, and which are particularly suitable
ticulièrement comme sources d'électrons pour la lithographie par especially as sources of electrons for lithography by
faisceau électronique sur semiconducteur. electron beam on semiconductor.
Comme de plus en plus d'éléments sont placés sur les pastilles semiconductrices, il est nécessaire de développer les systèmes lithographiques possédant une résolution toujours plus grande afin d'engendrer un plus grand nombre d'éléments sur les As more and more elements are placed on the semiconductor wafers, it is necessary to develop the lithographic systems with an ever greater resolution in order to generate a greater number of elements on the
pastilles Les systèmes lithographiques optiques opérant aux lon- pellets Optical lithographic systems operating at long
gueurs d'ondes visibles possèdent des limites de résolution d'en- visible wavelengths have resolution limits
viron 1,25 micron On a proposé et utilisé avec succès des faiscez d'électrons pour réduire les dimensions des éléments en dessous d E cette limite -De tels systèmes peuvent avoir des résolutions très inférieures à 1 micron du fait des longueurs d'ondes plus courtes 1.25 micron Viron Electron beams have been proposed and successfully used to reduce the dimensions of elements below this limit. Such systems may have resolutions much less than 1 micron because of longer wavelengths. short
associées aux électrons à haute énergie. associated with high energy electrons.
Du fait que les systèmes lithographiques modernes doiver avoir des temps d'écriture rapide (sortie élevée) en plus de leur résolution élevée, leurs faisceaux d'électrons doivent également Because modern lithographic systems must have fast write times (high output) in addition to their high resolution, their electron beams must also
avoir une luminosité élevée ce qui, dans le cas d'un faisceau d'é- have a high brightness which, in the case of a beam of
lectrons, nécessite une densité de courant élevée Cette propriété est particulièrement importante pour des applications en écriture directe dans lesquelles le faisceau d'électrons est dirigé et modt rapidement afin d'effectuer une exposition du schéma de circuit ti complexe directement sur une pastille semiconductrice Les procédé d'écriture directe s'opposent aux techniques litographiques en projection conventionnelles, dans lesquelles un masque est utilisÉ This property is particularly important for direct-write applications in which the electron beam is directed and modt quickly to effect complex circuit diagram exposure directly onto a semiconductor chip. directly opposed conventional projection techniques in which a mask is used
pour définir le schéma dans son ensemble pour une exposition si- to define the scheme as a whole for a similar exhibition
multanée de tous les éléments sur la pastille. multanée of all the elements on the pellet.
Des sources d'électrons lumineuses susceptibles d'être utilisées en lithographie sont connues Par exemple, les cathodes thermioniques à tungstène et La B 6, les cathodes compensées au bars Light sources of electrons that can be used in lithography are known for example thermionic tungsten cathodes and La B 6, compensated cathodes at the bars.
et les émetteurs W/O/Zr par champ électrique chauffés ont été uti- and W / O / Zr emitters by heated electric field were used.
lisées De tels émetteurs par champ électrique ont atteint une luminosité nominale de 5 x 107 A/cm 2/sr (ampères/centimètres carrés, steradian). Chacune de ces sources d'électrons présente toutefois quelques caractéristiques défavorables Le filament de tungstène Such emitters by electric field have reached a nominal brightness of 5 × 10 7 A / cm 2 / sr (amperes / square centimeters, steradian). Each of these electron sources, however, has some unfavorable characteristics. The tungsten filament
souffre d'un taux d'évaporation élevé à la température de fonc- suffers from a high evaporation rate at the operating temperature
tionnement Le La B 6 est facilement contaminé par des impuretés La 6 is easily contaminated by impurities
environnantes, reste difficilement lié de façon stable aux tempé- surrounding areas, remains difficult to link stably to the temperatures
ratures de fonctionnement et forme des lobes d'intensité de courant indésirables Les cathodes compensées tendent à s'évaporer aux températures de fonctionnement et sont en outre facilement conta- minées En outre, les systèmes de support des cathodes chauffées sont sujets à des distorsions aux températures élevées De telles distorsions risquent de causer des modifications de configuration dans les faisceaux électroniques Enfin, les émetteurs par champ électrique sont également facilement contaminés, peuvent souffrir de The compensation cathodes tend to evaporate at operating temperatures and are also easily contaminated. In addition, the support systems of heated cathodes are subject to distortion at high temperatures. Such distortions may cause configuration changes in electron beams. Finally, electric field transmitters are also easily contaminated, may suffer from
flou ou de migration ponctuelle, nécessitent un retraitement fré- fuzziness or occasional migration, require frequent reprocessing
quent non prévisible et, s'ils sont chauffés, peuvent également not foreseeable and, if heated, may also
introduire des erreurs de faisceau du fait de distorsions géomé- introduce beam errors due to geometric distortions
triques provoquées par le système de support chaud Les émetteurs chauds sont en outre limités par le temps nécessaire à les chauffer empochant ainsi une modulation d'intensité rapide de telles sources The hot transmitters are further limited by the time required to heat them, thus punctuating rapid modulation of such sources.
d'électrons Pour des systèmes lithographiques possédant des émet- of electrons For lithographic systems with
teurs chauffés la modulation de faisceau au plan cible est produite heaters the beam modulation at the target plane is produced
électrostatiquement et nécessite la complexité additionnelle d'élec- electrostatically and requires the additional complexity of
trodes de suppression disposées dans la colonne lithographique. removal trodes arranged in the lithographic column.
Des émetteurs froids d'électrons sont connus, tels que les cathodes stables vis-à-vis de l'environnement au iodure de cesium et de palladium Ces photocathodes ont été irradiées par une lumière Cold electron emitters are known, such as cesium and palladium iodide environment stable cathodes. These photocathodes have been irradiated with a light.
ultra-violette pour obtenir les électrons pour des colonnes litho- ultraviolet to obtain the electrons for lithographic columns
graphiques fonctionnant dans des conditions de vide basses du graphs running in low vacuum conditions the
domaine de 104 à 10 5 torr mais la faible luminosité (approxima- range from 104 to 10 5 torr but the low luminosity (approx.
tivement 10-50 A/cm /sr) de ces cathodes ont limité leur usage à la 10-50 A / cm / sec) of these cathodes limited their use to the
lithographie par projection.projection lithography.
Un autre critère pour la lithographie à haute résolution Another criterion for high resolution lithography
est que la source d'électrons possède une émission uniforme sensi- is that the electron source has a uniform emission
blement monochromatique (faible dispersion dans l'énergie des élec- monochromatic (low dispersion in the energy of electri-
trons) Une faible dispersion dans l'énergie des électrons est nécessaire pour fournir une image de haute résolution en permettant au faisceau électronique d'être focalisé sur un point de dimension trons) A low dispersion in the electron energy is needed to provide a high resolution image by allowing the electron beam to be focused on a dimension point
minimale.minimal.
Un des buts de la présente invention, par conséquent, est de fournir un générateur de faisceau électronique qui produit un faisceau d'électrons de densité de courant élevée à partir d'une One of the objects of the present invention, therefore, is to provide an electron beam generator that produces a high current density electron beam from a
source photoémissive utilisée à basse température. photoemissive source used at low temperature.
-3 - Un autre but de l'invention est de fournir une telle Another object of the invention is to provide such
source d'électrons dans laquelle les électrons du faisceau élec- source of electrons in which the electrons of the electron beam
tronique produit sont sensiblement monochromatiques (monoénergé- tronic product are substantially monochromatic (monoenergetic)
tiques), permettant ainsi une telle image de résolution élevée en permettant au faisceau électronique d'être focalisé sur un point de ticks), thus enabling such a high resolution image by allowing the electron beam to be focused on a point of
dimension minimale.minimum dimension.
Un autre but de l'invention est de fournir une cathode photoémissive dont la réponse spectrale est compatible avec les lasers (CW) à émission continue de lumière visible optiquement Another object of the invention is to provide a photoemissive cathode whose spectral response is compatible with lasers (CW) with continuous emission of optically visible light
monochromatique.monochromatic.
Un autre but de l'invention est de fournir une surface Another object of the invention is to provide a surface
photoémissive qui est facile à la fois à préparer et à réparer. photoemissive that is easy to both prepare and repair.
Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif apte à être utilisé comme une source d'électrons lithographique qui forme un faisceau électronique dont la densité peut être modulée en modulant le faisceau laser d'activation, fournissant ainsi une Another object of the invention is to provide a device suitable for use as a lithographic electron source which forms an electron beam whose density can be modulated by modulating the activation laser beam, thus providing a
suppression de faisceau et réduisant les effets de proximité. beam suppression and reducing proximity effects.
Un autre but de l'invention est de fournir une source d'électrons dont le faisceau émis est spatialement uniforme et peut Another object of the invention is to provide a source of electrons whose emitted beam is spatially uniform and can
être conformé en conformant le faisceau optique d'éclairement. be shaped by shaping the illumination optical beam.
La présente invention prévoit une cathode photoémissive apte à émettre un faisceau d'électrons de densité de courant élevee lors de son éclairement par une énergie laser appropriée, et un The present invention provides a light emitting cathode capable of emitting an electron beam of high current density when illuminated by a suitable laser energy, and a
générateur de faisceau d'électrons qui comprend la cathode photo- electron beam generator which includes the photodecode
émissive et qui est utilisable pour un système de lithographie de semiconducteur Le générateur de faisceau d'électrons comprend, outre la cathode photoémissive, un laser a émission continue, un modulateur pour défléchir et modifier l'intensité du faisceau de sortie du laser et un ensemble optique pour la lumière pour créer un dessin avec le faisceau laser sur la cathode de sorte que la cathode The electron beam generator comprises, in addition to the light emitting cathode, a continuous emitting laser, a modulator for deflecting and modifying the intensity of the laser output beam and a set of emissive electrodes which can be used for a semiconductor lithography system. optics for light to create a drawing with the laser beam on the cathode so the cathode
émet un faisceau d'électrons utilisable pour la lithographie. emits an electron beam that can be used for lithography.
Dans un mode de réalisation préféré, la cathode photo- In a preferred embodiment, the photo cathode
émissive pour engendrer un faisceau d'électrons lors de son éclai- emissive to generate an electron beam during its illumination.
rement par une lumière laser comprend un substrat optiquement by a laser light comprises an optically
transparent à la longueur d'onde du laser, un film optiquement semi- transparent to the wavelength of the laser, an optically semi-
transparent électriquement conducteur déposé sur le substrat et un film de surface semi-transparent photoémissif déposé sur le film électriquement conducteur La cathode photoémissive est mise en oeuvre dans un environnement de vide élevé et est orientée de telle sorte que la surface émette des électrons lors de son éclairement -4 - par l'arrière par une lumière laser Bien que la cathode susceptible d'être éclairée par l'arrière soit utilisée de préférence pour les electrically conductive transparent film deposited on the substrate and a photoemissive semi-transparent surface film deposited on the electrically conductive film The photoemissive cathode is implemented in a high vacuum environment and is oriented so that the surface emits electrons during its illumination -4 - from the rear by a laser light Although the cathode may be illuminated by the rear is preferably used for
applications lithographiques, une cathode susceptible d'être éclai- lithographic applications, a cathode likely to be illuminated
rée par l'avant formée par déposition d'un film de surface photo- formed by deposition of a photo-surface film
émissif sur un substrat opaque, électriquement conducteur, peut emissive on an opaque, electrically conductive substrate, can
constituer une variante.constitute a variant.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le laser est un laser à argon ionisé à émission continue susceptible de fonctionner à des longueurs d'ondes discrètes entre 454,5 et 514,5 nanomètres Un substrat convenable pour la cathode photoémissive est constitué de quartz, de verre ou de saphir La couche transparente électriquement conductrice est formée en déposant un film d'un According to a preferred embodiment of the invention, the laser is a continuous emission argon ion laser capable of operating at discrete wavelengths between 454.5 and 514.5 nanometers. A substrate suitable for the photoemissive cathode is constituted quartz, glass or sapphire The transparent electrically conductive layer is formed by depositing a film of a
matériau électriquement conducteur tel que du chrome sur le subs- electrically conductive material such as chromium on the
trat Un film de surface photoémissif préféré est l'antimoniure de cesium (Cs 3 Sb) formé par des dépôts successifs d'antimoine et de cesium D'autres films de surface photoémissifs convenables pour la cathode peuvent être formés d'antimoniure de sodium et de potassium (Na 2 K Sb), ou de composés monocristallins composés de gallium, de The preferred photoemissive surface film is cesium antimonide (Cs 3 Sb) formed by successive depositions of antimony and cesium. Other photoemissive surface films suitable for the cathode may be formed from sodium antimonide and potassium (Na 2 K Sb), or monocrystalline compounds composed of gallium,
phosphore et d'arsenic revêtu de cesium ou de cesium et d'oxygène. phosphorus and arsenic coated with cesium or cesium and oxygen.
Un procédé préféré pour réaliser une cathode photoémissive A preferred method for producing a photoemissive cathode
à Cs 3 Sb selon la présente invention comprend la formation de con- Cs 3 Sb according to the present invention comprises the formation of
nexions électriques à la cathode par le dépôt sur le substrat transparent d'un revêtement épais électriquement conducteur, par exemple de chrome Le revêtement de chrome couvre la surface du susbstrat à l'exception d'une partie de celle-ci telle qu'une petite electrical connections to the cathode by deposition on the transparent substrate of a thick electrically conductive coating, for example of chromium The chromium coating covers the surface of the susbstrate except for a part thereof such as a small
zone centrale qui est masquée avant le dépôt pour exclure le chrome. central area that is masked before filing to exclude chromium.
Cette zone contient par conséquent la surface photoémissive Le masque est retiré après dépôt de la couche de chrome épaisse et une couche de chrome plus mince semi-transparente à la longueur d'onde This area therefore contains the photoemissive surface The mask is removed after deposition of the thick chromium layer and a thinner semitransparent chromium layer at the wavelength
du laser d'éclairement est déposée sur toute la surface du substrat. illumination laser is deposited on the entire surface of the substrate.
Une couche mince d'antimoine est ensuite déposée par vapeur sur le A thin layer of antimony is then vapor deposited on the
revêtement de chrome et le cesium est déposé par vapeur sur l'anti- chromium coating and the cesium is vapor deposited on the anti-
moine pour terminer la fabrication de la cathode photoémissive monk to complete the manufacture of the light-emitting cathode
Cs 35 b.Cs 35 b.
On décrira maintenant un mode de réalisation de la pré- An embodiment of the present invention will now be described.
sente invention en référence aux dessins annexés dans lesquels invention with reference to the accompanying drawings in which
La figure 1 est une représentation schématique des com- Figure 1 is a schematic representation of
posants essentiels d'un système lithographique à faisceau d'élec- essential components of a lithographic system with an electron beam
trons utilisant la cathode photoémissive selon l'invention, trons using the photoemissive cathode according to the invention,
D 2517470D 2517470
La figure 2 est un graphique représentant la réponse Figure 2 is a graph showing the answer
spectrale de divers matériaux photoémisssifs sensibles au rayon- spectrum of various radiation-sensitive photoemissive materials
nement visible et au proche infra-rouge en fonction de la longueur d'onde incidente avec l'indication des longueurs d'onde laser de stimulation appropriées, La figure 3 est une vue de côté en coupe de la cathode photoémissive de l'invention, et La figure 4 représente un procédé de fabrication de la visible and near infra-red depending on the incident wavelength with the indication of the appropriate stimulation laser wavelengths; FIG. 3 is a sectional side view of the light emitting cathode of the invention, and Figure 4 shows a method of manufacturing the
cathode photoémissive de la figure 3 pour les applications lithogra. Photoemissive cathode of Figure 3 for lithogra applications.
phiques.cal.
La figure 1 est une représentation schématique d'un système lithographique à faisceau d'électrons utilisant une source d'électron photoémissive-susceptible d'être éclairée par l'arrière et stimulée par laser, selon l'invention Ce système comprend un laser 10 tel qu'un laser à argon ionisé qui peut être utilisé pour engendrer un faisceau de lumière cohérente à l'une des diverses fréquences de rayonnement de 454,5; 457,9; 465,8; 472,7; 476,5 488,0; 496,5; 501,7; et 514,5 nanomètres Les fréquences de rayonnement les plus fortes sont 488,0 et 514,5 nanomètres Un lase convenable est un laser à argon ionisé de la série 550 de la Sociét FIG. 1 is a schematic representation of an electron beam lithographic system using a laser-stimulated back-illuminated electron-emitting light source according to the invention. This system comprises a laser 10 such an argon ion laser which can be used to generate a coherent light beam at one of the various 454.5 radiation frequencies; 457.9; 465.8; 472.7; 476.5488.0; 496.5; 501.7; and 514.5 nanometers The highest radiation frequencies are 488.0 and 514.5 nanometers A suitable lase is a 550 series Argon ion laser of the Company.
Control Laser Corporation d'Orlando, Floride. Control Laser Corporation of Orlando, Florida.
Un modulateur de faisceau il est disposé dans la cavité d A beam modulator is arranged in the cavity of
laser 10 ou à un autre emplacement à proximité du laser Le modu- laser 10 or at another location near the laser.
lateur 11 peut être tout dispositif optique, électro-optique ou acoustooptique convenable pour réguler l'intensité du faisceau ou 11 may be any optical device, electro-optical or acoustooptic suitable for regulating the intensity of the beam or
le défléchir.deflect it.
Le faisceau de lumière rayonnant du laser 10 est guidé pa un ensemble optique de lumière 12 comprenant une plaque 13 ayant un ouverture 14 de géométrie prédéterminée, par exemple carrée Une lentille 15 focalise la lumière laser sous forme d'une image de l'ouverture 14 sur une cathode photoémissive 16 qui sera décrite en détail ci-après La cathode photoémissive 16 et des composants d'optique électronique pour traiter les électrons émis par la The beam of light radiating from the laser 10 is guided by an optical light assembly 12 comprising a plate 13 having an aperture 14 of predetermined geometry, for example square. A lens 15 focuses the laser light in the form of an image of the aperture 14. on a light-emitting cathode 16 which will be described in detail below The light-emitting cathode 16 and electronic optical components for treating the electrons emitted by the
cathode 16 sont logés dans une chambre à vide illustrée schémati- 16 are housed in a vacuum chamber illustrated schematically
quement par l'enceinte en trait interrompu 18 Un vide élevé tel qu'une pression de 109 torr ou moins est maintenue dans la chambre The high vacuum, such as a pressure of 109 torr or less, is maintained in the chamber.
à vide 18.empty 18.
Du côté opposé par rapport à la cathode photoémissive 16 du laser 10 se trouve une anode 20 qui a pour fonction d'accélérer les électrons émis par la cathode 16 Une électrode de Wehnelt (nor -6- représentée) additionnelle chargée négativement peut être disposée entre la cathode photoémissive 16 et l'anode 20 A partir de l'anode 20, le faisceau d'électrons traverse ensuite les divers On the opposite side with respect to the light emitting cathode 16 of the laser 10 is an anode 20 whose function is to accelerate the electrons emitted by the cathode 16. An additional Wehnelt electrode (nor-represented) negatively charged can be arranged between the photoemissive cathode 16 and the anode 20 from the anode 20, the electron beam then passes through the various
composants connus d'optique électronique qui conforment et posi- known components of electronic optics that conform and posi-
tionnent le faisceau d'électrons alors qu'il se dirige vers une cible 21 Après avoir été accéléré par l'anode 20, le faisceau the electron beam as it moves towards a target 21 After being accelerated by the anode 20, the beam
d'électrons traverse une lentille électronique 22 puis un déflec- of electrons passes through an electronic lens 22 and then a deflec-
teur électrostatique 26 de conformation de faisceau et une ouver- electrostatic beam generator 26 and an opening
ture de conformation de faisceau 28 Le déflecteur 26 de confor- The deflector 26 of conformation 28
mation de faisceau a pour effet de modifier la position de l'image Beam effect has the effect of changing the position of the image
électronique de la source d'électrons photoémissive sur l'ouver- electron source of the light emitting electron source on the opening
ture de conformation de faisceau 28 pour créer un faisceau d'élec- beam conformation 28 to create a beam of elec-
trons de forme et de dimensions variables Le faisceau traverse ensuite une lentille de dégrossissement 29 puis une ouverture de limitation de faisceau 30 Disposés dans un objectif de projection final 32 se trouvent des bobines de mise au point dynamiques 34 The beam then passes through a raster lens 29 and then a beam-limiting aperture 30 disposed in a final projection lens 32 are dynamic focusing coils 34
qui focalisent le faisceau sur la cible 21, des dispositifs dyna- which focus the beam on the target 21, dynamic devices
miques 36 qui fournissent une correction astigmatique au faisceau et un collier de déviation 38 qui provoque le balayage de la cible 36 which provide an astigmatic correction to the beam and a deflection collar 38 which causes the target to be scanned.
par le faisceau.by the beam.
Du fait que la cathode photoémissive 16 répond instan- Since the photoemissive cathode 16 responds instantaneously
tanément à un éclairement par le laser 10, la densité du faisceau d'électrons peut être modulée en modulant l'intensité du faisceau laser La modulation de ce faisceau optique est rendue possible par le placement du modulateur de faisceau 11 à l'extérieur de la chambre à vide 18 Dans les dispositifs lithographiques connus à faisceau d'électrons, la modulation de faisceau est réalisée par des électrodes de suppression spéciales qui doivent être disposées entre une source d'électrons et une cible dans une enceinte à vide Le système lithographique selon la présente invention tire avantage de l'idée générale que le remplacement de tout composant At the time of illumination by the laser 10, the density of the electron beam can be modulated by modulating the intensity of the laser beam. The modulation of this optical beam is made possible by the placement of the beam modulator 11 outside the beam. vacuum chamber 18 In known electron beam lithographic devices, the beam modulation is performed by special suppression electrodes which must be arranged between an electron source and a target in a vacuum chamber. The lithographic system according to the present invention takes advantage of the general idea that replacing any component
situé dans l'enceinte à vide par un élément similaire fonctionnel- located in the vacuum chamber by a similar functional element
lement disposé à l'extérieur de l'enceinte à vide simplifie l'en- arranged outside the vacuum chamber simplifies the
semble de la fabrication et de la mise en oeuvre de la colonne seems from the manufacture and implementation of the column
lithographique.lithographic.
Comme cela sera décrit plus en détail ci-après la cathode photoémissive 16 comprend une surface photoémissive formée par exemple d'antimoniure de cesium Cs 3 Sb, qui émet des électrons As will be described in more detail below, the light emitting cathode 16 comprises a photoemissive surface formed, for example, of cesium antimonide Cs 3 Sb, which emits electrons.
lorsqu'elle est éclairée par la lumière d'un laser à argon ionisé. when illuminated by the light of an argon ion laser.
La figure 2 est un graphique de la réponse spectrale (milliampères de courant électronique par watt de rayonnement éclairant) de divers matériaux photoémissifs en fonction de la longueur d'onde de l'éclairement On notera qu'aux plus fortes longueurs d'ondes d'éclairement par un laser à argon ionisé de 488,0 et 514,5 nano- mètres, l'antimoniure de cesium possède une sensibilité élevée avec des rendements quantiques de 6 % ou supérieurs La combinaison de la forte émission optique monochromatique d'un laser à argon ionisé et d'une bonne adaptation des longueurs d'ondes du laser à argon ionisé à la réponse spectrale de l'antimoniure de cesium aboutit à une émission à densité de courant élevée à partir de la photocathode D'autres lasers fonctionnant à des longueurs d'ondes inférieures à environ 520 nanomètres conviendraient également pour FIG. 2 is a graph of the spectral response (milliamps of electronic current per watt of illuminating radiation) of various photoemissive materials as a function of the wavelength of illumination. It will be noted that at the highest wavelengths of illuminated by a 488.0 and 514.5 nm argon ion laser, cesium antimonide has high sensitivity with quantum efficiencies of 6% or higher. The combination of high monochromatic optical emission from ionized argon and a good adaptation of argon laser wavelengths to the spectral response of cesium antimonide results in high current density emission from the photocathode Other lasers operating at lengths waves below about 520 nanometers would also be suitable for
cette application.this application.
Une autre surface photoémissive convenable pour la cathode 16 est constituée de l'antimoniure bialkalin de sodium et de potassium (Na 2 K Sb) Bien que cette surface soit plus difficile à réaliser que le Cs-Sb du fait qu'un rapport bien défini de sodium au potassium est nécessaire, cette cathode n'utilise pas de cesium hautement volatile et est parfaitement stable Un procédé préféré pour réaliser le Na K Sb est sensiblement similaire-à celui qui sera décrit ci-après pour Cs 3 Sb, et la réponse spectrale de ces deux surfaces est similaire comme cela est représenté à la figure 2 Par conséquent, le Na 2 K Sb est également sensible au Another suitable photoemissive surface for cathode 16 is sodium and potassium bialkalin antimonide (Na 2 K Sb). Although this surface is more difficult to achieve than Cs-Sb because a well defined ratio of It is necessary to use sodium-potassium, this cathode does not use highly volatile cesium and is perfectly stable. A preferred method for producing Na K Sb is substantially similar to that which will be described hereinafter for Cs 3 Sb, and the spectral response. of these two surfaces is similar as shown in Figure 2 Therefore, Na 2 K Sb is also sensitive to
rayonnement du laser à argon ionisé. Argon ion laser radiation.
D'autres surfaces photoémissives convenables peuvent être réalisées à partir de monocristaux composés d'éléments des groupes III et V de la Table Périodique tel que le gallium, le phosphore et l'arsenic, revêtus soit avec du cesium, soit avec du cesium et de l'oxygène De telles surfaces peuvent être réalisées pour avoir une affinité électronique négative et par conséquent Other suitable photoemissive surfaces can be made from monocrystals composed of elements of groups III and V of the Periodic Table such as gallium, phosphorus and arsenic, coated with either cesium or with cesium and such surfaces can be made to have a negative electron affinity and therefore
des profondeurs d'échappement d'électrons sensiblement augmentées. substantially increased electron escape depths.
Cette caractéristique a pour conséquence une émission d'électrons d'énergie particulièrement peu dispersée Ceux de ces composés qui This characteristic results in an emission of electrons of energy which is not particularly dispersed. Those of these compounds which
sont les plus faciles à fabriquer sous forme de surfaces photoémis- are the easiest to manufacture as photoemissive surfaces
sives pour les applications lithographiques sont le phosphure de gallium (Ga P), ou l'arséniure phosphure de gallium (Ga(Asx Pl x)) sive for lithographic applications are gallium phosphide (Ga P), or gallium phosphide arsenide (Ga (Asx Pl x))
qui ne nécessite que du cesium (à la place du cesium et de l'oxy- which requires only cesium (instead of cesium and oxy-
gène) pour l'activation Dans un mode de fabrication de ces surfaces, une couche transparente de Ga P est tout d'abord déposée sur un substrat optiquement transparent, la surface photoémissive étant déposée sur cette couche Soit un laser à argon ionisé, soit un laser d'injection à semiconducteur approprié, peut être utilisé pour stimuler l'émission électronique Le laser à argon ionisé émet de l'énergie à une longueur d'onde de rayonnement proche du rendement quantique optimal pour les surfaces photoémissives de phosphure de gallium et d'arséniure phosphure de gallium, ce qui maximalise l'émission d'électrons Un laser d'injection émet une énergie à des niveaux de puissance bien inférieurs mais peut être construit pour fonctionner à proximité du seuil de grande longueur gene) for activation In a mode of manufacture of these surfaces, a transparent layer of Ga P is first deposited on an optically transparent substrate, the photoemissive surface being deposited on this layer Either an argon ion laser, or a suitable semiconductor injection laser, can be used to stimulate electron emission The argon ion laser emits energy at a radiation wavelength close to the optimum quantum yield for photoemissive phosphide phosphide Gallium phosphide arsenide, which maximizes electron emission An injection laser emits energy at much lower power levels but can be built to operate near the long-term threshold
d'onde de ces matériaux photoémissifs-ce qui minimise la dis- of these photoemissive materials-which minimizes the
persion énergétique des électrons émis Les caractéristiques supé- energetic persion of emitted electrons.
rieures des cathodes possédant des surfaces photoémissives compo- cathodes with photoemissive surfaces composed of
sées de composés des éléments des groupes III et V sont cependant contrebalancées par des difficultés accrues dans la fabrication de Group III and V compounds are, however, offset by increased difficulties in the manufacture of
telles surfaces pour leur utilisation en mode de transmission. such surfaces for their use in transmission mode.
La cathode photoémissive susceptible d'être éclairée par l'arrière décrite ici et un procédé préféré de fabrication de cette cathode sont maintenant décrits en référence aux figures 3 et 4 Si l'on se réfère tout d'abord à la figure 3, la cathode photoémissive 16 comprend un substrat transparent à la lumière 40 The rear-illuminable light-emitting cathode described herein and a preferred method of manufacturing the cathode are now described with reference to Figs. 3 and 4. Referring first to Fig. 3, the cathode Photoemissive 16 comprises a substrate transparent to light 40
qui est de préférence du quartz ou du saphir mais qui peut égale- which is preferably quartz or sapphire but which can also
ment être du verre Comme cela sera décrit plus complètement en référence à la figure 4, un revêtement métallique épais 42 est déposé sur un des côtés du substrat 40 Des matériaux convenables sont par exemple le chrome, le tungstène et l'aluminium Comme on peut le voir sur ces figures, la couche 42 ne s'étend pas dans une zone centrale 44 ce qui est obtenu en conservant la zone 44 As will be described more fully with reference to FIG. 4, a thick metal coating 42 is deposited on one side of the substrate 40. Suitable materials are, for example, chromium, tungsten and aluminum. see in these figures, the layer 42 does not extend in a central zone 44 which is obtained by keeping the zone 44
masquée lors du dépôt du revêtement 42 Une couche mince semitrans- masked during the deposition of the coating 42 A thin layer semitrans-
parente et électriquement conductrice 46 par exemple en chrome est parent and electrically conductive 46 for example chromium is
ensuite déposée sur le dessus de la couche 42 et sur la zone 44. then deposited on the top of the layer 42 and on the zone 44.
(Cette couche électriquement conductrice peut ne pas être néces- (This electrically conductive layer may not be necessary
saire pour des cathodes qui utilisent le phosphure de gallium ou for cathodes that use gallium phosphide or
l'arsénure phosphure de gallium comme surfaces photoémissives). gallium phosphide arsenide as photoemissive surfaces).
Finalement, une couche 48 de matériau photoémissif, tel que Finally, a layer 48 of photoemissive material, such as
l'antimoniure de cesium, est produite dans la zone 44. Cesium antimonide is produced in Zone 44.
On décrira maintenant la fabrication de la cathode 16 en We will now describe the manufacture of the cathode 16 in
référence à la figure 4 Tout d'abord un substrat transparent con- Figure 4 First of all, a transparent substrate con-
venable 40 tel que du quartz, du saphir ou du verre est choisi. Viable 40 such as quartz, sapphire or glass is chosen.
Sur un côté choisi du substrat 40, on dépose sous vide un revête- On a selected side of the substrate 40, a coating is deposited under vacuum.
-9- ment par exemple de chrome, suffisamment épais pour permettre la fixation des conducteurs électriques externes et pour servir de trajet électrique à faible résistance vers la zone centrale 44 Ce dépôt-peut être réalisé par évaporation de chrome à partir d'un fil en nickel chrome 52 chauffé par résistance La zone centrale 44, qui peut avoir une surface d'environ 0,02 millimètre carré ou plus, est masquée pour éviter à la couche de chrome épaisse d'être déposée dans la zone 44 Le masque est ensuite retiré et une For example chromium, sufficiently thick to allow the attachment of external electrical conductors and to serve as a low resistance electrical path to the central zone 44 This deposit can be achieved by evaporation of chromium from a wire. The central zone 44, which may have an area of about 0.02 square millimeters or more, is masked to prevent the thick chromium layer from being deposited in the zone 44. The mask is then removed. and an
couche mince 46 électriquement conductrice et optiquement semitrans- thin layer 46 electrically conductive and optically semitransparent
parente de chrome est déposée sous vide sur tout le côté choisi du substrat y compris la zone centrale 44 précédemment masquée Ce chrome peut également être fourni par le fil en nickel chrome 52 The parent chromium is deposited under vacuum over the entire selected side of the substrate including the previously masked central zone 44. This chromium can also be provided by the chrome nickel wire 52.
chauffé par résistance pour évaporer du chrome sur le substrat 40. heated by resistance to evaporate chromium on the substrate 40.
Le fil en nickel chrome 52 est chauffé jusqu'à ce que la couche de The nickel-chromium wire 52 is heated until the
chrome 46 électriquement conductrice et optiquement semitranspa- chromium 46 electrically conductive and optically semitransparent
rente soit déposée dans la zone 44 Une épaisseur convenable pour cette couche mince de chrome est d'environ 100 angstroms ou moins une telle couche 46 réduit la transmission de la lumière visible à travers la zone centrale 44 de, par exemple, 40 à 50 % de la lumière qui traverse le substrat transparent 40 La couche mince de chrome 46 sert de trajet électrique entre le revêtement annulaire épais 42 et la zone centrale 44 Ensuite une goutte d'antimoine 54 fondue sur un fil de support en nickel chrome est chauffé par résistance sous vide afin d'évaporer une mince couche d'antimoine The thickness of this thin layer of chromium is about 100 Angstroms or less. Such a layer 46 reduces the transmission of visible light through the central zone 44 of, for example, 40 to 50%. The thin layer of chromium 46 serves as an electrical path between the thick annular coating 42 and the central zone 44. Then a drop of antimony 54 melted on a nickel chromium support wire is heated by resistance. under vacuum to evaporate a thin layer of antimony
sur la partie de la couche de chrome 46 dans la zone 44 L'évapo- on the part of chromium layer 46 in zone 44 The evapo-
ration d'antimoine sur la partie de la couche de chrome 46 à l'extérieur de la zone centrale 44 n'affecte pas le comportement photoémissif du système L'épaisseur du film d'antimoine doit être telle qu'il réduit la transmission totale de lumière visible dans la zone centrale 44 à, par exemple, 30 à 40 % de la lumière qui traverse le substrat transparent 40 Ensuite le substrat 40 avec ce revêtement de chrome et d'antimoine conservé sous vide est antimony on the portion of the chromium layer 46 outside the central zone 44 does not affect the system's photoemissive behavior The thickness of the antimony film must be such as to reduce the total transmission of visible light in the central zone 44 to, for example, 30 to 40% of the light passing through the transparent substrate 40 Then the substrate 40 with this coating of chromium and antimony stored under vacuum is
disposé dans une chambre à vide élevé 50 avec une pression infé- disposed in a high vacuum chamber 50 with a lower pressure
rieure à 2 xl Q 9 torr qui est ou deviendra le composant de la colonne lithographique contenant la cathode photoémissive 16 Le substrat 4 Q dans la chambre à vide élevé 50 est ensuite chauffé jusqu'à environ 1000 C au moyen d'un fil de chauffage en nickel The substrate 4 Q in the high vacuum chamber 50 is then heated to about 1000 C by means of a heating wire. in nickel
chrome 58 enroulé autour de la périphérie du substrat 40 Egale- chromium 58 wrapped around the periphery of the substrate 40 Egale-
ment dans la chambre à vide 50 est disposée une source de cesium 'canal" 60 qui contient par exemple un mélange de chromate de -10- cesium et un agent réducteur tel que du silicium Le canal 60 est chauffé par résistance au moyen d'un fil de connexion électrique 62 pour évaporer du cesium pur sur le film d'antimoine chauffé dans la zone 44 L'évaporation du cesium sur le film d'antimoine et sur la couche de chrome extérieure à la zone 44 n'affecte pas le comportement photoémissif du système Ainsi, une couche mince In the vacuum chamber 50 there is disposed a source of cesium 'channel' 60 which contains, for example, a mixture of cesium chromate and a reducing agent such as silicon. Channel 60 is heated by resistance by means of a electrical connection wire 62 for evaporating pure cesium on the antimony film heated in zone 44 The evaporation of cesium on the antimony film and on the chromium layer outside zone 44 does not affect the photoemissive behavior of the system Thus, a thin layer
ou film 48 d'antimoniure de cesium est formée dans la zone 44. or cesium antimonide film 48 is formed in zone 44.
Pendant le processus précédent d'évaporation de cesium, la cathode photoémissive 16 est éclairée par exemple par le laser à argon ionisé et le courant engendré par photo-émission est mesuré en During the previous cesium evaporation process, the light emitting cathode 16 is illuminated by, for example, the argon ion laser and the photogenerated current is measured in
recueillant les électrons émis avec le fil 52 de nickel chrome. collecting the electrons emitted with the nickel chromium wire 52.
Lorsque ce courant atteint une valeur maximale, le courant dans le fil 62 et dans le fil de chauffage de nickel chrome 58 pour le chauffage du substrat sont coupés de sorte que le cesium n'est plus déposé dans la zone 44 Si le courant chute pendant le refroidissement du substrat, du cesium supplémentaire est évaporé sur la surface froide 44 Si le cesium supplémentaire évaporé sur la zone 44 ne provoque pas le retour du courant à sa valeur maximale on peut évaporer plus d'antimoine sur le substrat-et déposer du cesïum supplémentaire jusqu'à ce que la valeur maximale When this current reaches a maximum value, the current in the wire 62 and in the nickel chromium heating wire 58 for heating the substrate are cut off so that the cesium is no longer deposited in the zone 44. the cooling of the substrate, the additional cesium is evaporated on the cold surface 44 If the additional cesium evaporated on the zone 44 does not cause the return of the current to its maximum value can evaporate more antimony on the substrate-and deposit of the cesium additional until the maximum value
soit réatteinte.be reappeared.
Après une certaine période à la fois avec et sans photo- After a certain period of time both with and without
émission de sa surface, la cathode de Cs 3 Sb peut se dégrader du fait de la perte du cesîum ou de la contamination de l'antimoine par des impuretés Une telle dégradation peut être inversée par une évaporation supplémentaire d'antimoine et de cesium sur la emission of its surface, the cathode of Cs 3 Sb can degrade due to the loss of cesium or contamination of antimony by impurities Such degradation can be reversed by a further evaporation of antimony and cesium on the
zone 44 comme expliqué ci-dessus.zone 44 as explained above.
Lorsque le dispositif fonctionne, un faisceau laser provenant du laser 10 tel qu'un laser à argon ionisé traverse le substrat transparent 40 et la couche de chrome semitransparente 46 et pénètre dans la couche d'antimoniure de cesium 48 provoquant l'émission d'électrons depuis l'antimoniure de cesium Le faisceau d'électrons ainsi émis par la cathode photoémissive 16 a une densité de courant élevée dans la gamme de 1 à 100 milliampères par centimètre carré Les densités de courant dans le faisceau au plan de la cible 28 sont de-plusieurs centaines d'ampères par centimètre carré Les valeurs de cette gamme sont bien adaptées à des systèmes lithographiques d'écriture directe dans lesquels le faisceau électronique est dirigé pour former un dessin complexe When the device operates, a laser beam from the laser such as an argon ion laser passes through the transparent substrate 40 and the semitransparent chromium layer 46 and enters the cesium antimonide layer 48 causing the emission of electrons The electron beam thus emitted by the light emitting cathode 16 has a high current density in the range of 1 to 100 milliamps per square centimeter. The current densities in the beam at the plane of the target 28 are - several hundred amperes per square centimeter The values in this range are well suited to direct writing lithographic systems in which the electron beam is directed to form a complex pattern
sur les pastilles semiconductrices De tels faisceaux électroni- semiconductor wafers Such electron beams
-11- ques peuvent également être utilisés pour former des masques pour They can also be used to form masks for
la lithographie par projection et dans les applications non litho- projection lithography and in non-lithographic applications
graphiques telles que dans la microscopie à faisceau d'électrons. graphics such as in electron beam microscopy.
On voit par conséquent que les buts de la présente invention sont atteints en ce que la cathode photoémissive 16, lorsqu'elle est éclairée par l'arrière à travers une couche de chrome avec moins de 50 à 60 % de pertes optiques, possède un rendement quantique de 3 % ou plus et lorsqu'elle est détériorée peut être facilement réparée in situ par le dépôt de cesium ou de cesium et d'antimoine supplémentaire La cathode photoémissive 16 est capable d'engendrer une densité de courant élevée dans la gamme de 1 à 100 milliampères par centimètre carré pour fournir des densités de courant à la cible 21 de plusieurs centaines d'ampères par centimêtre carré En outre, on constate une faible dispersion d'énergie parmi les électrons dans la gamme de quelques dizièmes ou moins d'électron-volt Cette faible dispersion est une conséquence directe de la faible énergie des électrons émis une fois qu'ils ont perdu l'essentiel de leur énergie initiale lors de leur transition depuis les états de valence liés à leur niveau de vide La grandeur maximale de l'énergie des électrons émis dépend de la différence de l'énergie de photon du laser et de l'énergie de seuil de l'émission d'électrons définie par une transition électronique entre le haut de la bande de valence du matériau photodmissif et son niveau de vide Pour les lumières de laser à argon ionisé de 514,5 nanomètres ( 2,43 électron-volts) et un seuil de photoeémission du Cs Sb d'environ 2,0 électronvolts, l'énergie d'émission maximale des électrons est de 0,43électron-volt, ce qui est par conséquent la dispersion énergétique maximale des électrons La dispersion énergétique nominale communément basée sur la demi-largeur de la courbe de distribution d'un grand nombre d'électrons émis en fonction de leur énergie est sensiblement It is therefore seen that the objects of the present invention are achieved in that the light-emitting cathode 16, when illuminated from the rear through a chromium layer with less than 50 to 60% optical losses, has a performance 3% quantum or more and when deteriorated can be easily repaired in situ by the deposition of cesium or cesium and additional antimony The photoemissive cathode 16 is capable of generating a high current density in the range of 1 to 100 milliamps per square centimeter to provide current densities to the target 21 of several hundred amperes per square centimeter In addition, there is a low energy scattering among the electrons in the range of a few tenths or less of electron -volt This low dispersion is a direct consequence of the low energy of the electrons emitted once they have lost most of their initial energy when they are trans ition from the valence states related to their vacuum level The maximum energy magnitude of the emitted electrons depends on the difference of the laser photon energy and the threshold energy of the electron emission defined by an electron transition between the top of the valence band of the photodmissive material and its vacuum level For the 514.5 nanometer (2.43 electron-volts) argon ion laser lights and a photoemission threshold of the Cs Sb of about 2.0 electronvolts, the maximum emission energy of electrons is 0.43 electronvolt, which is therefore the maximum energy dispersion of electrons The nominal energy dispersion commonly based on the half-width of the distribution curve of a large number of electrons emitted according to their energy is substantially
inférieure à celle-ci.less than this.
La cathode fonctionne à faible température telle que la température ambiante de sorte qu'il ne se pose aucun problème de support comme cela serait le cas avec une cathode chaude En outre, aucun temps de chauffage n'est nécessaire du fait que les électrons sont engendrés instantanément en réponse à l'éclairement par la lumière laser La modulation du faisceau électronique peut The cathode operates at a low temperature such that the ambient temperature so that there is no problem of support as would be the case with a hot cathode In addition, no heating time is necessary because the electrons are generated instantly in response to illumination by laser light The modulation of the electron beam can
facilement être accomplie en modulant le faisceau laser à l'exté- easily be accomplished by modulating the laser beam externally
rieur de la chambre à vide 18 En outre, la conformation du -12- faisceau selon des formes complexes est facilement réalisée par des ouvertures ou des masques dans l'ensemble optique entre le In addition, the conformation of the beam into complex shapes is easily achieved by openings or masks in the optical assembly between the
laser 10 et la cathode photoémissive 16 à l'extérieur de l'encein- laser 10 and the light emitting cathode 16 outside the
te à vide 18.to empty 18.
On comprendra que diverses variantes et modifications de la cathode photoémissive en combinaison avec une source laser modulée décrite cidessus peuvent être réalisées sans sortir du It will be understood that various variations and modifications of the light emitting cathode in combination with a modulated laser source described above can be carried out without departing from the
cadre de la présente invention.of the present invention.
-13--13-
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