JP2005317657A

JP2005317657A - 電子線露光装置

Info

Publication number: JP2005317657A
Application number: JP2004131696A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Takegawa; 宜志竹川; Tsutomu Ichihara; 勉櫟原; Takuya Komoda; 卓哉菰田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】従来に比べてスループットの向上を図れるとともに、電子線レジスト層に対する露光領域の大面積化を図れる電子線露光装置を提供する。
【解決手段】電子線を放出する電子源１０を備え所望の転写パターンに応じた領域から電子線を放出させるマスクプレート１と、マスクプレート１と電子線レジスト層４が塗布された被転写基板３との間に配置され電子源１０から放出された電子を集束する電子レンズ２とを備える。電子源１０の強電界ドリフト層１６は、少なくとも、下部電極１２の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線露光装置に関するものである。

従来より、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）型の電子源から真空中に放出される電子線を電子レンズを利用して集束してウェハ表面の電子線レジスト層に照射するようにした電子線露光装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−１７７０２０号公報

ところで、上記特許文献１に開示された電子線露光装置では、電子源としてＭＩＭ型の電子源を用いているが、ＭＩＭ型の電子源の電子放出効率を高めるには上部電極と下部電極との間に介在する絶縁層の膜厚を薄くする必要がある一方で絶縁層の膜厚を薄くし過ぎると絶縁破壊を起こすので、電子源の大面積化が難しくて電子線レジスト層に対する露光領域の大面積化が難しく、スループットのより一層の向上が望まれるとともに、大面積のデバイスの製造時に当該デバイスに対する転写パターンの露光を１度で行える電子線露光装置の開発が望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べてスループットの向上を図れるとともに、電子線レジスト層に対する露光領域の大面積化を図れる電子線露光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、電子線を放出する電子源を備え所望の転写パターンに応じた領域から電子線を放出させるマスクプレートと、マスクプレートと電子線レジスト層が塗布された被転写基板との間に配置される電子レンズとを備えた電子線露光装置であって、電子源が、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子通過層が下部電極と表面電極との間に設けられ、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加された時に表面電極を通して電子を放出する弾道電子面放出型の電子源からなり、被転写基板と表面電極との間に被転写基板を高電位側として電圧を印加する第１の電圧印加手段と、電子源の表面電極と下部電極との間に駆動電圧を印加する第２の電圧印加手段とが設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、比較的高い電圧を印加する第１の電圧印加手段とは独立して電子源へ比較的低い電圧を印加する第２の電圧印加手段が設けられていることにより電子源からの電子放出電流を容易に制御することができ、電子源として弾道電子面放出型の電子源を用いているので、従来に比べて電子源の大面積化が容易となり、電子線レジスト層に対する露光領域の大面積化を図れるから、スループットを向上させることが可能となるという利点や、大面積のデバイスの製造時に当該デバイスに対する転写パターンの露光を１度で行えるように転写パターンを形成することにより処理時間の短縮およびパターン精度の向上を図ることも可能となるという利点がある。また、弾道電子面放出型の電子源はＭＩＭ型の電子源に比べて電子放出角が小さいとともに電子放出特性の再現性が良いので、露光特性が安定するという利点がある。また、弾道電子面放出型の電子源はＭＩＭ型の電子源に比べて電子放出特性の真空度依存性が小さいので、電子線露光装置をより低真空で使用することが可能となり、電子線露光装置の低コスト化を図ることができるとともに、取り扱いやメンテナンスが容易になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記マスクプレートは、前記電子源において前記表面電極と前記電子通過層と前記下部電極とが重なる領域が前記転写パターンを規定する形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記表面電極と前記電子通過層と前記下部電極とが重なる領域のパターンによって前記転写パターンを規定することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記マスクプレートは、前記電子源における前記表面電極が前記転写パターンを規定する形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記表面電極のパターンによって前記転写パターンを規定することができ、前記転写パターンを簡単に規定することができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記マスクプレートは、前記電子源における前記表面電極の表面に前記転写パターンを規定する電子吸収層が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、電子吸収層のパターンによって前記転写パターンを規定することができ、前記転写パターンを簡単に規定することができる。

請求項１の発明では、電子源として弾道電子面放出型の電子源を用いているので、従来に比べて電子線レジスト層に対する露光領域の大面積化を図れるから、スループットを向上させることが可能となるという効果や、大面積のデバイスの製造時に当該デバイスに対する転写パターンの露光を１度で行えるように転写パターンを形成することにより処理時間の短縮およびパターン精度の向上を図ることも可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の電子線露光装置は、図１（ａ）に示すように、電子線を放出する電子源１０を備え所望の転写パターンに応じた領域から電子線を放出させるマスクプレート１と、マスクプレート１と電子線レジスト層４が塗布された被転写基板（例えば、ウェハ）３との間に配置され電子源１０から放出された電子を集束する電子レンズ２とを備えている。要するに、本実施形態の電子線露光装置は、電子線レジスト層４を塗布した被転写基板３が真空中において電子源１０に対向して配置され、電子源１０から放出させた電子を電子レンズ２により集束して被転写基板３の電子線レジスト層４へ照射する。なお、電子線レジスト層４には電子源１０から放出されて後述の加速電圧により加速された電子線が照射される。電子レンズ２としては、電子線を電界によって集束させる静電型の電子レンズ（電界レンズ）を用いてもよいし、電子線を磁界によって集束させる電磁型の電子レンズ（磁界レンズ）を用いてもよい。

電子源１０は、下部電極１２と、下部電極１２上に形成された強電界ドリフト層１６と、強電界ドリフト層１６上に形成された単層構造ないし多層構造の金属薄膜からなる表面電極１７とで構成されている。ここに、表面電極１７の厚さは１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定されている。なお、本実施形態では、強電界ドリフト層１６が電子が通過する電子通過層を構成しているが、下部電極１２と強電界ドリフト層１６との間にノンドープの多結晶シリコン層を介在させて当該多結晶シリコン層と強電界ドリフト層１６とで電子通過層を構成してもよい。また、下部電極１２は、絶縁性基板の一表面側に形成した導電性層により構成してもよいし、半導体基板（例えば、ｎ形シリコン基板など）と半導体基板の裏面に形成したオーミック電極とにより構成してもよい。

電子源１０の強電界ドリフト層１６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、下部電極１２の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。

上述の電子源１０から電子を放出させるには、表面電極１７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極１７と下部電極１２との間に駆動電源Ｖpsから駆動電圧を印加すれば、下部電極１２から強電界ドリフト層１６へ注入された電子が強電界ドリフト層１６をドリフトし表面電極１７を通して放出される（図１（ｂ）中の下向きの矢印は表面電極１７を通して放出される電子ｅ⁻の流れを示す）。ここに、強電界ドリフト層１６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極１７を容易にトンネルし真空中に放出される。なお、本実施形態における電子源１０では、上記駆動電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、駆動電圧が大きいほど放出電子電流（エミッション電流）が大きくなる。

本実施形態における電子源１０の基本構成は弾道電子面放出型の電子源として周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極１７と下部電極１２との間に表面電極１７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１２から強電界ドリフト層１６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層１６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層１６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１（ｂ）中の矢印の向き（図１（ｂ）における下向き）へドリフトし、表面電極１７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層１６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極１７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層１６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。また、本実施形態における電子源１０では、従来のＭＩＭ型の電子源に比べて、大面積化が容易であるという利点や、電子放出特性の真空度依存性が小さいという利点や、電子放出角が小さい（電子の直進性が優れている）という利点を有している。

上述の強電界ドリフト層１６の形成方法の一例について説明する。

強電界ドリフト層６の形成にあたっては、まず、下部電極１２上にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図１（ｂ）参照）と多数のシリコン微結晶６３（図１（ｂ）参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。

ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスを行うことで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図１（ｂ）のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる強電界ドリフト層１６を形成する。酸化プロセスでは、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる強電界ドリフト層１６を形成するようになっている。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。

なお、上述の強電界ドリフト層１６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。

本実施形態の電子線露光装置は、電子源１０が上述のような弾道電子面放出型の電子源からなり、被転写基板３と表面電極１７との間に被転写基板３を高電位側として加速電圧を印加する電源Ｖｃと、電子源１０の表面電極１７と下部電極１２との間に表面電極１７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動電源Ｖpsとが設けられている。なお、本実施形態では、加速用電源Ｖｃが第１の電圧印加手段を構成し、駆動電源Ｖpsが第２の電圧印加手段を構成しており、比較的高い電圧を印加する加速用電源Ｖｃと比較的低い電圧（３０Ｖ以下）を印加する駆動電源Ｖpsとが独立して設けられているので、駆動電源Ｖpsによって電子源１０の放出電子電流（放出電子電流密度）を制御性良く制御することができる。

ところで、マスクプレート１は、上述のように所望の転写パターンに応じた領域から電子線を放出させるものであり、例えば、図２に示すように、電子源１０において表面電極１７と電子通過層たる強電界ドリフト層１６と下部電極１２とが重なる領域が転写パターンを規定する形状に形成されていてもよいし、図３に示すように、電子源１０における表面電極１７が転写パターンを規定する形状に形成されていてもよい。要するに、表面電極１７と電子通過層たる強電界ドリフト層１６と下部電極１２とが重なる領域のパターンによって転写パターンを規定してもよいし、表面電極７のパターンによて転写パターンを規定してもよい。

ここにおいて、図２に示した電子源１０は、絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数の強電界ドリフト層１６と、隣り合う強電界ドリフト層１６間および隣り合う下部電極１２間を埋めるノンドープの多結晶シリコン層よりなる分離層１３と、強電界ドリフト層１６および分離層１３の上で強電界ドリフト層１６および分離層１３に跨って下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電極１７とを備えており、絶縁性基板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電極１７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層１６の一部が挟まれているから、表面電極１７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極１７の群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極１７とからなる電子源素子１０ａを配置したことに相当し、マトリクスの格子点に対応する部分のみから電子を放出させることが可能となる。

図２に示す構成の電子源１０の製造にあたっては、例えば、絶縁性基板１１の一表面上に複数の下部電極１２を形成した後、絶縁性基板１１の上記一表面側の全面にプラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法などによって４００℃以上（例えば、４００℃〜６００℃）の基板温度でノンドープの多結晶シリコン層３を成膜し、その後、多結晶シリコン層３のうち下部電極１２に重なる部分にナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを施すことにより強電界ドリフト層１６を形成し、その後、表面電極７を形成すればよい。

また、図３に示した電子源１０は、強電界ドリフト層６上に複数本の表面電極７を並設してあるので、所謂ラインアンドスペースの転写パターンを形成することが可能となる。

以上説明した本実施形態の電子線露光装置では、電子源として弾道電子面放出型の電子源１０を用いているので、従来に比べて電子源１０の大面積化が容易となり、電子線レジスト層４に対する露光領域の大面積化を図れるから、スループットを向上させることが可能となるという利点や、大面積のデバイスの製造時に当該デバイスに対する転写パターンの露光を１度で行えるように転写パターンを形成することにより処理時間の短縮およびパターン精度の向上を図ることも可能となるという利点がある。また、弾道電子面放出型の電子源１０はＭＩＭ型の電子源に比べて電子放出角が小さいとともに電子放出特性の再現性が良いので、露光特性が安定するという利点がある。また、弾道電子面放出型の電子源１０はＭＩＭ型の電子源に比べて電子放出特性の真空度依存性が小さいので、電子線露光装置をより低真空で使用することが可能となり、電子線露光装置の低コスト化を図ることができるとともに、取り扱いやメンテナンスが容易になる。

（実施形態２）
本実施形態の電子線露光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、マスクプレート１の構造が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態でのマスクプレート１は、電子源１０における表面電極７の表面に転写パターンを規定する電子吸収層１８が形成されている。電子吸収層１８は、電子を吸収する機能を有していればよく、Ｃｒ，Ａｌなどの金属膜、金属以外の導電性材料からなる導電性膜、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などの絶縁膜などにより形成することが考えられるが、電子吸収層１８を上記絶縁膜により形成した場合には吸収された電子によりチャージアップすることが予測されるので、上記金属膜あるいは上記導電性膜により形成するのが望ましい。

しかして、本実施形態の電子線露光装置では、電子吸収層１８のパターンによって転写パターンを規定することができ、転写パターンを簡単に規定することができる。

実施形態１を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は要部説明図である。同上におけるマスクプレートの構成例を示す概略斜視図である。同上におけるマスクプレートの他の構成例を示す概略斜視図である。実施形態２を示す概略構成図である。

符号の説明

１マスクプレート
２電子レンズ
３被転写基板
４電子線レジスト層
１０電子源
１２下部電極
１６強電界ドリフト層
１７表面電極

Claims

電子線を放出する電子源を備え所望の転写パターンに応じた領域から電子線を放出させるマスクプレートと、マスクプレートと電子線レジスト層が塗布された被転写基板との間に配置される電子レンズとを備えた電子線露光装置であって、電子源が、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子通過層が下部電極と表面電極との間に設けられ、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加された時に表面電極を通して電子を放出する弾道電子面放出型の電子源からなり、被転写基板と表面電極との間に被転写基板を高電位側として電圧を印加する第１の電圧印加手段と、電子源の表面電極と下部電極との間に駆動電圧を印加する第２の電圧印加手段とが設けられてなることを特徴とする電子線露光装置。
前記マスクプレートは、前記電子源において前記表面電極と前記電子通過層と前記下部電極とが重なる領域が前記転写パターンを規定する形状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の電子線露光装置。
前記マスクプレートは、前記電子源における前記表面電極が前記転写パターンを規定する形状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の電子線露光装置。
前記マスクプレートは、前記電子源における前記表面電極の表面に前記転写パターンを規定する電子吸収層が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の電子線露光装置。