JP5590485B2 - 光スイッチング電子源及びそれを用いた電子線描画装置 - Google Patents
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図22に示すように、従来の電子線描画装置50は、真空容器51と、真空容器51の上部に配設される電子源52と、電子源52の下部に配設される電子レンズ53と、電子レンズ53の下部に配設されるブランカ54と、ブランカ54の下部に配設されるスキャナ55と、スキャナ55の下部に配設されるレジスト付き基板56と、レジスト付き基板56の下部に配設され、かつレジスト付き基板56が載置されるステージ57等を含んで構成されている。
電子源は、好ましくはpn接合又はpin接合からなり、pn接合又はpin接合のp層又はn層が突起形状を有している。
pn接合又はpin接合がアレイ状に配設されていてもよい。
pn接合又はpin接合のアレイが基板上に配設され、pn接合又はpin接合の近傍には光照射用の開口部が配設されていてもよい。
前記pn接合又はpin接合のp層又はn層には、さらにカーボンナノチューブが配設されていてもよい。
電界レンズは、好ましくは、アインツェルレンズと、アインツェルレンズ用電源と、からなる。
光源と電子発生部との間に、光源スイッチ部が配設されていてもよい。
光源スイッチ部は、デジタルミラー素子又はレーザスキャンナを備えていてもよい。さらに、この光源スイッチ部は、光変調器を備えていてもよい。
電子線整形部は、好ましくは電界レンズ又は磁気レンズからなる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光スイッチング電子源1の構成を示す模式図である。
図1に示すように、光スイッチング電子源1は、光源2と、電子発生部3と、電子線整形部4と、を含んで構成されている。電子発生部3及び電子線整形部4は、図示しない真空容器に収容されている。
図2に示すように、電子発生部3は、アレイ状に配設された各種の光を励起源として電子を発生する電子源9と、電子引き出し用電極7と、電子引き出し用電源8と、から構成されている。図示の電子発生部3は、電子源9がアレイ状に配設されたpn接合、又はpin接合から構成されている。電子源9のpn接合9aは基板6上に形成されている。基板6の表面側にはp層6aが形成され、このp層6aには選択的にn層6bが形成されている。つまり、基板6上には、二次元状に上記のpn接合9aが形成されている。
図4に示すように、アインツェルレンズアレイ41は、第1〜3の電極4a,4b,4cと、第1の電極4aと第2の電極4bとの間に挿入され第1の絶縁板4dと、第2の電極4bと第3の電極4cとの間に挿入される第2の絶縁板4eと、から構成されている。第1〜3の電極4a,4b,4cは、電子発生部3のpnダイオード9アレイの位置に対応して、多数の孔、つまりアインツェルレンズアレイ41の開口部5が配設されている。
ここで、第1〜3の電極4a,4b,4cは、導電性のSi基板を用いて形成することができる。第1〜3の電極4a,4b,4cを互いに絶縁する第1の絶縁板4d及び第2の絶縁板4eは、絶縁物、例えばガラスを用いて形成することができる。
図5に示すように、アインツェルレンズ41には、直流のアインツェルレンズ用電源11が接続される。第1及び第3の電極4a,4cには正電圧が印加され、第2の電極4bには負電圧が印加される。第1の電極4aには正電圧が印加され、第2の電極4bには負電圧が印加されるので、第1の電極4aと第2の電極4b間には、図5の上部から入射される入射電子線12に対して減速電界が形成される。第2の電極4bには負電圧が印加され、第3の電極4cには正電圧が印加されるので、第2の電極4bと第3の電極4c間には、第2の電極4bを通過する電子線12に対しては加速電界が形成される。これにより、図5の上部から、つまり電子発生部3の入射電子線12aは、上記減速電界及び加速電界によって、レンズ通過前後で電子の運動エネルギーが変化しないで収束され、出射電子線12bとなる。
先ず、電子発生部3の作製について説明する。
図6は、電子発生部3の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
図6(A)に示すように、SOI(Silicon on Insulator)基板6を用意する。このSOI基板6は、上側から順に、p型のSiデバイス層6a,SiO2層6c,Siハンドル層6dから構成されている。Siデバイス層6a,SiO2層6c,Siハンドル層6dの厚さは、例えば、それぞれ10μm、1μm、300〜350μm程度である。
上記Siデバイス層6aの表面に、図6(B)に示すように熱酸化膜13を形成する。次に、p型のSiデバイス層6aにn型の不純物を選択拡散するためのパターンを形成する。このパターンは所謂リソグラフィ法や熱酸化膜13のエッチングによって形成することができる。このパターンを使用して、p型のSiデバイス層6aへn型不純物の拡散を行い、n層6bを形成する。
n層6bを形成した後、図6(C)に示すように、Siデバイス層6aの表面の熱酸化膜13を除去し、n層6b上を被覆するマスクパターンをレジスト14で形成する。
次に、図6(D)に示すように、Siデバイス層6aに形成されたn層6bのエッチングを行い、n層6bを錘状の突起形状とする。このエッチングには、Siの等方性エッチングを使用することが好ましい。
次工程として、図6(E)に示すように、Siデバイス層6a上のレジスト14を除去し、Siハンドル層6dに開口部10を形成するためのマスクパターンをレジスト14で形成する。
最後に、図6(F)に示すように、Siハンドル層6dのSiエッチングを行い、次に、SiO2層6cを反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等によってエッチングして開口部10を形成し、レジスト14を除去する。これにより、電子発生部3に用いるpn接合アレイ9aが完成する。
図7(A)に示すように、Siデバイス層6aにレジスト14を選択マスクとして形成した後、Siの等方性エッチングを行うと、最初は選択マスクとなるレジスト14で被覆されていないSiデバイス層6aがエッチングされ、次にレジスト14の下部が徐々にエッチングされるようになる。このため、レジスト14で被覆されたSiデバイス層6aはテーパ状、所謂メサ形状にエッチングされる(図7(B)参照)。レジスト14で被覆されたSiデバイス層6aがさらにエッチングされると、選択マスク下部14のサイドエッチングが進行し、レジスト14で被覆されたSiデバイス層6aが突起状から針状となる(図7(C)参照)。レジスト14を除去すると、Siデバイス層6aには、n層6bが針状となったpn接合9aがアレイ状に形成される(図7(D)参照)。
厚さが10μmのp型のSiデバイス層6aと、厚さが10μmのSiO2層6cと、厚さが325μmのSiハンドル層6dとを有するSOI基板6を用いて、図7で説明した製作工程によって電子発生部3を作製した。p層からなるSiデバイス層6aとSiデバイス層6a上に選択的に形成したpn接合9aを、XeF2ガスを用いたRIEでエッチングした。RIEは下記条件で行った。
XeF2ガス圧力:0.15Torr、
待機時間30秒、
1パルス20ns、148回
図8から明らかなように、レジスト14の下部に形成されるpn接合9aは錘状の突起形状であることが分かる。
図9(A)から明らかなように、レジスト14が剥離され、pn接合9aは錘状の突起形状を有しており、pn接合9aの突起の高さは5μmであり、n層6bの厚さが1.24μmであることが分かる(図9(B)参照)。
図10は、本発明の光スイッチング電子源1aの構成を模式的に示す図である。
図10に示すように、光スイッチング電子源1aは、電子発生部3と、電子発生部3を収容する真空容器15と、真空容器15を真空に排気するための真空排気部16と、電子発生部3へ光スイッチングを行う光源2と、電子発生部3へ電圧を印加する電子引き出し用電源8と電子引き出し用電極7と、を含んで構成されている。
図11(A)から明らかなように、エミッション電流測定用抵抗(R)が1MΩの場合にはスイッチング光2aがオン状態では約5μAの出射電子線12bが得られることが分かる。図11(B)に示すように、エミッション電流測定用抵抗(R)が10kΩの場合にはスイッチング光2aがオン状態では約35μAの出射電子線12bが得られることが分かる。つまり、スイッチング光2aに同期して出射電子線12bが発生している。
図12から明らかなように、電子引き出し用電源8の電圧が38V〜42Vと大きくなると共に、電子発生部3から発生する出射電子線12bの電流が増大することが分かった。
図13から明らかなように、log(I/V2)が1/Vに対して直線関係となることからファウラ−ノルトハイム則を満たす、即ち電子発生部3で発生する電流は、ファウラ−ノルトハイム−トンネル効果による電界放出電流であることが分かった。
図14は、アインツェルレンズ41の製造方法の一例を順次に示す概略断面図である。
最初に、図14(A)に示すようにガラス基板21を用意する。このガラス基板21の厚さは200μm程度である。
図14(B)に示すように、第1のガラス基板21に電子の通路となる領域つまり開口部5をエッチング等の方法を用いて形成する。電子の通路となる開口部5をサンドブラストで形成してもよい。このようなガラス基板21を2枚作成し、これらを第1のガラス基板21aと、第2のSi基板22bと呼ぶ。
次に、図14(C)に示すように、第1のSi基板22aと、第1のガラス基板21aと、第2のSi基板22bと、第2のガラス基板21bと、第3のSi基板22cとの順に重ね合わせ、陽極接合を施す。
そして、図14(D)に示すように、第1のSi基板22aの表面にAl(アルミニウム)層を堆積し、第3のSi基板22cの表面にはSi基板をエッチングするためのレジスト23のパターンを形成する。このエッチングには、Siの等方性エッチングを使用することが好ましい。
続いて、図14(E)に示すように、第1〜3のSi基板22a、22b、22cをエッチングして、電子の通路となる領域を形成する。
電子の通路を形成した後、図14(E)に示す点線箇所に沿って第1〜3のSi基板22a、22b、22c及び第1〜2のガラス基板21a,21bの切断を行う。
最後に、図14(F)に示すように、第1〜3のSi基板22a、22b、22cの表面にAl層を堆積し、アインツェルレンズ41の電極24を形成する。これにより、アインツェルレンズ41が完成する。アインツェルレンズ41への給電は、アインツェルレンズ用電源11から第1〜3のSi基板22a、22b、22cのアインツェルレンズ41の電極24へボンディングワイヤ25をボンディングによって接続して行うことができる。
図16(A)から明らかなように、各アインツェルレンズアレイ41の開口部5の直径は400μmであり、図16(B)から、第1〜第3のSi電極22a、22b、22cに形成される各アインツェルレンズアレイ41の開口部5との間に絶縁板となるガラス基板22が挿入されていることが分かる。このようなアインツェルレンズ41は、マイクロマシンの製造方法を適用することによって、電子線12が入射する方向(軸方向とも呼ぶ)で5μm以下の精度を得ることができた。
図2に示した電子発生部3は、アレイ状に配設されたpn接合9a等からなる電子源9として説明したが、以下で説明するように他の構成の電子源も使用することができる。
図17は、電子発生部3の構成の変形例を模式的に示し、それぞれ(A)はフォトダイオード27と電子放出素子28との組み合わせを、(B)は光導電セル29と電子放出素子28との組み合わせを、(C)は電子放出素子28が光導電効果を有する材料から構成されている場合を示すものである。
図17(A)では、電子発生部3aにおいて、フォトダイオード27の一端に電子放出素子28の一端を接続した構造を有している。電子放出素子28の他端は原子オーダーの針状として電子放出ができるように形成されている。これにより、フォトダイオード27への励起光2aの照射で発生した電子を、電子放出素子28からの先端から放出することができる。電子放出素子28の材料としては金属又は半導体等を用いることができる。
次に、本発明の第2の実施形態として、光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置について説明する。
図18は、本発明の電子線描画装置30の構成を示す模式図である。
図18に示すように、電子線描画装置30は、電子発生部3と、電子発生部3に励起光を照射する光源2と、光源2と電子発生部3との間に配設され光のオンオフを行う光スイッチング部2bと、電子線整形部4として電子レンズと、露光する基板32を載置するステージ33を含んで構成されている。
ここで、光源2が連続波の場合には、光スイッチング部2bとしては、2次元の画像を電子放出素子の裏面に投影できればよいので、シャッター作用を有している後述するデジタルミラー素子や液晶素子を用いることができる。
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例30aについて説明する。
図19は、本発明の電子線描画装置の変形例30aの構成を示す模式図である。
図19に示すように、電子線描画装置30aは、電子線整形部4が磁気レンズ35から構成されている点が、図18に示す電子線整形部4とは異なっている。電子線描画装置の変形例30aの他の構成は、図18の電子線描画装置30と同様の構成を有しているので説明は省略する。
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例30bについて説明する。
図20は、本発明の電子線描画装置の変形例30bの構成を示す模式図である。
図20に示すように、電子線描画装置30bは、電子発生部3と、電子発生部3にパルス励起光を照射する光源2と、光源2と電子発生部3との間に配設され電子発生部3にパルス励起光を反射し、かつ走査するレーザスキャナ2cと、電子線整形部4として電子レンズと、露光する基板32を載置するステージ33と、を含んで構成されている。電子線描画装置30bの光スイッチング部2cは、図18に示した電子線描画装置30で用いたデジタルミラー素子2bの替わりにポリゴンミラーやガルバノミラーを用いたレーザスキャナ2cを用いている。他の構成は、図18の電子線描画装置30と同様の構成を有しているので説明は省略する。
次に、本発明の光スイッチング電子源を用いた電子線描画装置の変形例30cについて説明する。
図21は、本発明の電子線描画装置の変形例30cの構成を示す模式図である。
図21に示すように、電子線描画装置30cは、電子線整形部4が磁気レンズ35から構成されている点が、図20に示す電子線整形部4とは異なっている。電子線描画装置の変形例30cの他の構成は、図20の電子線描画装置30bと同様の構成を有しているので説明は省略する。
2:光源
2a:スイッチング光
2b:光スイッチング部
2c:レーザスキャナ
2d:光変調器
3,3a,3b,3c:電子発生部
4:電子線整形部
4a:第1の電極
4b:第2の電極
4c:第3の電極
4d:第1の絶縁板
4e:第2の絶縁板
4g:ボールレンズ
5:アインツェルレンズの開口部
6:基板
6a:p層
6b:n層
6c:SiO2層
6d:Siハンドル層
6f:溝部
7:電子引き出し用電極
8:電子引き出し用電源
9:電子源
9a:pn接合
10:開口部
11:アインツェルレンズ用電源
12:電子線
12a:入射電子線
12b:出射電子線
13:熱酸化膜
14,23:レジスト
15:真空容器
15a:窓
15b:ミラー
16:真空排気部
16a:ゲートバルブ
16b:ロータリーポンプ
16c:ターボ分子ポンプ
17:オシロスコープ
21:ガラス基板
21a:第1のガラス基板
21b:第2のガラス基板
21c:第3のガラス基板
22:Si基板
22a:第1のSi基板
22b:第2のSi基板
22c:第3のSi基板
24:アインツェルレンズの電極
25:ボンディングワイヤ
27:フォトダイオード
28:電子放出素子
29:光導電セル
30,30a,30b,30c:電子線描画装置
32:基板
33:ステージ
35:磁気レンズ
41:アインツェルレンズ
Claims (11)
- 光源と、該光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、該電子発生部の電子出射側に配設されるアインツェルレンズと、を備え、
上記電子発生部が、
Si基板とSiO 2 層とデバイス層とからなるSOI基板にpn接合又はpin接合をアレイ状に形成して成っており、上記pn接合又は上記pin接合の上記Si基板側に開口部を備え、上記開口部によって上記pn接合又は上記pin接合に光が照射されて電子を発生する電子源と、
上記電子源によって発生した電子を引き出すための電極と、
上記pn接合又は上記pin接合におけるp層又はn層と上記電極との間に電圧を印加する電源と、
を備え、
上記SOI基板に溝が形成され、該溝にボールレンズを介在して上記アインツェルレンズの開口部と上記電子源における上記p層又は上記n層との位置合わせがなされる、光スイッチング電子源。 - 前記pn接合又は前記pin接合のp層又はn層が突起形状を有する、請求項1に記載の光スイッチング電子源。
- 前記pn接合又はpin接合に電子放出素子が接続された、請求項1又は2に記載の光スイッチング電子源。
- 前記pn接合又はpin接合のp層又はn層には、さらにカーボンナノチューブが配設されている、請求項1又は2に記載の光スイッチング電子源。
- 光源と、該光源からの断続光が照射されることで電子を発生する電子発生部と、該電子発生部の電子出射側に配設されるアインツェルレンズと、を備え、
上記電子発生部が、
Si基板とSiO 2 層とデバイス層とからなるSOI基板にpn接合又はpin接合をアレイ状に形成して成っており、上記pn接合又は上記pin接合の上記Si基板側に開口部を備え、上記開口部によって上記pn接合又は上記pin接合に光が照射されて電子を発生する電子源と、
上記電子源によって発生した電子を引き出すための電極と、
上記pn接合又は上記pin接合におけるp層又はn層と上記電極との間に電圧を印加する電源と、
を備え、
上記SOI基板に溝が形成されており、該溝にボールレンズを介在して上記アインツェルレンズの開口部と上記電子源における上記p層又は上記n層との位置合わせがなされる、電子線描画装置。 - 前記pn接合又は前記pin接合のp層又はn層が突起形状を有している、請求項5に記載の電子線描画装置。
- 前記pn接合又はpin接合に電子放出素子が接続された、請求項5又は6に記載の電子線描画装置。
- 前記pn接合又はpin接合のp層又はn層には、さらにカーボンナノチューブが配設されている、請求項5又は6に記載の電子線描画装置。
- 前記光源と前記電子発生部との間に配設される光源スイッチ部を備えている、請求項5〜8の何れかに記載の電子線描画装置。
- 前記光源スイッチ部は、デジタルミラー素子又はレーザスキャンナを備えている、請求項9に記載の電子線描画装置。
- 前記光源スイッチ部は、光変調器を備えている、請求項9又は10に記載の電子線描画装置。
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