JPH06236840A

JPH06236840A - 電子線露光装置及び電子線露光方法

Info

Publication number: JPH06236840A
Application number: JP22251892A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinada; 博之品田; Katsuhiro Kuroda; 勝広黒田; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川; Susumu Sasaki; 進佐々木; Toshiyuki Aida; 敏之会田; Tomio Yaguchi; 富雄矢口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1992-08-21
Publication date: 1994-08-23
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JP3340468B2

Abstract

(57)【要約】【目的】スループットが高く、しかも個々のパターンに
対応したマスク作製の必要のない電子線露光装置を提供
すること。【構成】半導体電子放出材１を格子状に区切った面状の
電子放出源を、それぞれの画素ごとにオン／オフできる
ようにし、これに集積回路等のパターン信号を送ること
で所望のパターンの電子線８を自由に作ることができ
る。また、面状の電子放出源として光電子カソードを用
い、このカソードに照射する光を液晶等の電気的に制御
可能なシャッタにより任意の形状に成型しても所望のパ
ターンの電子線を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを用いて集
積回路又はプリント基盤配線等の露光を行う電子線露光
装置及びそのような露光を行う電子線露光方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】集積回路等のパターンの露光には光、紫
外線、Ｘ線、電子線等を利用した方法がある。そのうち
の電子線による方法は、波長による微細化の限界が光よ
りはるかに小さいために、Ｘ線と並んで今後の描画技術
として注目されている。電子線露光方法は、点状あるい
は矩形状の断面を持つ電子線を偏向し、位置を移動しな
がらウェハ上に照射し、さらにステージも移動させて全
ウェハ上に微細パタンを描画しようとするものである。
この方法は解像度の向上を望むことが出来るが、膨大な
パタンデータを元にしたいわゆる一筆書きの露光のた
め、露光に時間がかかり、スループットが低く量産には
向かない。

【０００３】また、近年スループット向上のために２個
の穴開きマスク間で電子ビームを偏向し、投射される電
子ビームの断面形状を、描画すべきパターンに適合する
ように変化させる可変成型方式の電子線露光装置（特公
昭５３−２０３９１）が実用化されている。さらに、二
個の穴開きマスクのうち一方に集積回路のパターンを持
った穴を作り、その集積回路のパターン形状を持った電
子線を形成し、ウェハに露光する方法（特開昭５４−２
９９８１）も提唱されている。しかし、これらの方法で
はマスクを空中に保持しないかぎり、島状の孤立パター
ンは描けない。従って、一回の投射で露光できる面積は
限られており、スループットが低いという問題はやはり
残る。

【０００４】一方、ジャーナルオブバキュームサ
イエンステクノロジーＢ７（６）巻、１４２２〜１
４２５頁（１９８９）（J.Vac.Sci.Technol.B7(6),p142
2〜1425(1989)）に記載のように、集積回路のパターン
に相当する光電子が面状に発生するよう製作された光電
子マスクを紫外線等で照射し、光電子を発生させ、それ
を加工面状に投影する方式の装置も試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の光電子マス
クを用いる方法は、光電膜自体を所望のパターン形状に
製作する必要があり、個々の転写パターンに対応した光
電面を製作しなければならないという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、スループットが向上し、
しかも、転写方式でありながら、個々のパターンに応じ
て光電面を製作することの不要な、量産用として実用と
なりうる電子線露光装置及び電子線露光方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電子線露光装置は、複数のセルがマトリク
ス状に配列され、それぞれが独立して動作する面状の電
子放出源と、パターンデータからパターン信号を発生
し、電子放出源に出力するためのパターン発生器と、電
子放出源から放出された所望のパターンの電子ビームを
被露光面に投射するための電子光学系とにより構成され
る。

【０００８】さらに本発明の電子線露光装置は、光源
と、複数のセルがマトリクス状に配列され、それぞれが
独立して動作する構造の液晶装置と、パターンデータか
らパターン信号を発生し、液晶装置に出力するためのパ
ターン発生器と、光源からの光が液晶装置を透過して形
成されたパターンの像が投射される位置に配置された光
電子カソードと、光電子カソードから放出されたパター
ンを持った電子ビームを被露光面に投射するための電子
光学系とにより構成される。

【０００９】いずれの場合も、画素ごとに、すなわち、
複数のセルごとに、オン／オフできるように構成され
る。これにより、所望のパターンの電子ビームを得るこ
とができる。

【００１０】また、本発明の電子線露光方法は、複数の
セルがマトリクス状に配列され、それぞれが独立して動
作する面状の電子放出源に、所望のパターン信号を与
え、電子放出源から所望のパターンの電子ビームを放出
させ、放出されたパターンを持った電子ビームを被露光
面に投射する方法である。さらにまた、本発明の電子線
露光方法は、複数のセルがマトリクス状に配列され、そ
れぞれが独立して動作する構造の液晶装置に、所望のパ
ターン信号を与え、光源から放出された光を液晶装置に
より所望のパターンとして光電子カソードに照射し、光
電子カソードから放出されたパターンを持った電子ビー
ムを被露光面に投射する方法である。

【００１１】

【作用】半導体電子放出材を用いた面状の電子源を格子
状に区切り、それぞれの画素ごとにオン／オフできるよ
うにする。この面状電子源に集積回路等のパターンデー
タを送ることで所望のパターンの電子ビームを自由に作
ることができる。また、面状電子源として光電子カソー
ドを用い、このカソードに照射する光を液晶等の電気的
に制御可能なシャッタにより任意の形状に成型しても、
所望のパターンの電子ビームを自由に作ることができ
る。

【００１２】画素の大きさはウェハ上に露光される最小
のパターン寸法より数倍から数１０倍大きくすることが
できる。従って、半導体電子放出材や液晶装置の加工、
製作に特別の微細性は不要であり、安価に製作できる。
放出された面状の電子線はウェハ上に露光する大きさよ
り拡大されたものとなっているため、磁界又は電界によ
る電子レンズにより所望の大きさに縮小してウェハ上に
露光することが好ましい。これにより、電子線露光の特
徴である微細性を維持しながら、高スループットの描画
装置が実現できる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を図１により説明する。半導
体電子放出材１は多数の格子状に細分化されたセルによ
って構成されている。各セルは独立に動作し、電子を放
出する。集積回路のパターンを発生するパターン発生器
２から各セルに信号を送るようになっている。この半導
体電子放出材１から放出された集積回路のパターン形状
を持った電子線はブランカ３を通った後、電子レンズ４
により縮小され、偏向器５を通過し、ウェハ６に照射さ
れる。ウェハ６はステージ７に乗っている。このステー
ジ７を移動することでウェハ６上の電子線８の露光位置
を広い範囲で移動させることができる。偏向器５は露光
位置の狭い範囲の移動又はウェハ６上の所定の位置に露
光位置を正確に合わせるときに用いられる。ブランカ３
は電子線８を偏向器で移動中又はウェハ６をステージ７
で移動中に電子線８がウェハ６上に照射されないように
ブランキングするために用いられる。以上が基本的な構
成である。半導体電子放出材に関し詳細な説明を以下に
述べる。

【００１４】半導体電子放出材１には、絶縁体薄膜を金
属で挾んだ構造のＭＩＭ（メタル・インシュレータ・メ
タル）型カソードを用いる。このカソードは金属膜間に
電圧を印加することで金属膜間に強電界を発生させ、こ
のとき金属から放出されるトンネル電流を真空中に取り
だすものである。これについてはジャーナルオブアプ
ライドフィジックス、ボリューム３２、ナンバー４、６
４６頁（１９６１）（Journal of Applied Physics vol
ume32，No．4，P646(1961)）等に記載されている。

【００１５】本発明の装置では、金属膜の構造を図２に
示すようにストライプ状にする。図２（ａ）は上部から
このカソードを透過して見た図、図２（ｂ）はこのカソ
ードを横から見た断面図である。絶縁膜１１はＡｌ₂Ｏ₃
の厚さ１０ｎｍ程度の薄膜とする。上部金属電極１２、
下部金属電極１３は共にストライプ状に設けられ、各ス
トライプ間はＳｉＯ₂膜１４により絶縁されている。絶
縁膜１１はＳｉＯ₂等であってもよく、また、ＳｉＯ₂膜
１４はＡｌ₂Ｏ₃膜等であってもよい。この金属電極のス
トライプの方向は上部電極１２と下部電極１３で直交さ
せる。

【００１６】いま、ｉ列とｊ列の交差する部分から電子
を放出させる場合は、上部電極ｉ列に加速電位Ｖａより
数Ｖから数１０Ｖ低い電位を、下部電極ｊ列には加速電
位Ｖａより数Ｖから数１０Ｖ高い電位をかける。その他
の電極は加速電圧電位Ｖａとする。上部と下部の金属間
の電界がある一定の強度になると電子放出が始まる。従
って、ｉ列とｊ列の交差する部分のみからＶａ＋１０
［ｅＶ］程度のエネルギーの電子が放出される。

【００１７】また、電子レンズの収差によりウェハ上に
投射するパターンの周辺部がひずむ場合がある。この電
子放出材のストライプ状電極を図３に示すように周辺部
を湾曲させ、このレンズの周辺部の歪を相殺するような
構造とすることで精度の良いパターンを投射することが
可能となる。

【００１８】次に、半導体電子放出材の代わりに光電子
カソードと液晶を用いた実施例について図４を用いて説
明する。光源２１から発せられた光２２は光学系２３に
入り、均一化及び平行化される。光学系２３を出た光は
透過型の液晶装置２４を透過する。このとき液晶装置２
４にパターン発生器２より集積回路のパターン信号を与
えることで、液晶部にパターンの明暗が発生する。この
液晶装置２４の明暗を透過した光２２は光学レンズ２５
により縮小されて光電子カソード２６に照射される。こ
の光電子カソードは石英ガラス等の表面に光電子放出材
の薄膜を形成したもので光は石英ガラス側から入射し、
これによって電子線が反対側から放出される。これ以後
は第一の実施例と同様で、所定のパターンの電子線は、
ブランカ３、電子レンズ４、偏向器５を通過した後、ウ
ェハ６上に投影される。これにより、パターン信号発生
器２により液晶回路２４に発生させた集積回路のパター
ンが縮小されてウェハ６上に露光される。

【００１９】ここで、液晶装置２４について詳しく説明
する。通常液晶装置は液晶を透明電極で挾み、その電極
間に適当な電位差を与えることで光の透過特性を変化さ
せることで動作する。この際、一方の電極を適当な形状
にしておけば、その形状に対応する透過光が得られる。
本発明では、任意の形状を形成する必要があるので、マ
トリクス上にドットを無数に並べたパターンが必要とな
る。しかし、ドット間には、絶縁のためにすきまを設け
る必要があり、連続した線状のパターンを形成すること
が出来ない。

【００２０】これを解決するために次の二つの例につい
て説明する。第一は、電極のすきまが光電子カソード上
の像の解像度以下になるよう縮小する方法である。これ
により、液晶上では隙間のあるパターンが、光電子カソ
ード上では連続したパターンとして得られる。第二は、
特殊な液晶装置を用いる方法である。これを図５で説明
する。この図は液晶部の一部を拡大したものである。こ
の図のように液晶は４層構造となっている。各液晶基板
３３、３４、３５、３６の液晶駆動部３１は正方形のド
ット上（図５中の斜線部）に電極が形成されており、他
の部分（ドット間の間隙３２）は絶縁のための部分で光
は透過してしまう。ドット間の間隙３２はドットの正方
形の一辺の長さに等しい。各層ともに同一な形状に電極
が形成されているが、その相対的な位置が図５に示され
るように１ドットづつずれている。これにより、４層分
で全面に隙間なく電極を配置したのと同様な作用をする
わけである。

【００２１】また、電子レンズの収差によりウェハ状に
投射するパターンの周辺部が歪む場合がある。この液晶
装置の電極の形状を図３に示した半導体電子放出材と同
様に周辺部を湾曲させ、このレンズの周辺部の歪を相殺
するような構造とすることで精度の良いパターンを投射
することが可能となる。

【００２２】また、この実施例で光電子カソードとし
て、ＭＩＭ構造の一様な面状カソードを使用することも
できる。これについて詳しく説明する。ＭＩＭ構造の光
電子カソードのポテンシャル図を図６に示す。４１は上
部金属膜、４２は絶縁膜、４３は下部金属膜、４４は真
空のポテンシャルを表す。上部金属膜４１と下部金属膜
４３の間に電圧をかけるとポテンシャルは図６（ａ）の
状態から図６（ｂ）の状態になる。このとき、上部金属
膜４１中の電子はトンネル電流として絶縁膜４２のポテ
ンシャル壁を通過し下部金属膜４３に達する。下部金属
膜４３は非常に薄いため、上部金属膜４１、下部金属膜
４３間の電位差で加速された電子は下部金属膜４３を通
過し、真空４４中に放出される。このとき上部金属膜４
１と下部金属膜４３間に、電子が真空中に放出される寸
前の電圧を印加しておく。ここで、上部金属膜４１に光
を照射すると電子は励起され、励起された電子はポテン
シャル障壁が十分薄い部分をトンネル電流として通りぬ
け真空中に放出される。

【００２３】このＭＩＭ型の光電子カソードが前記の光
電子カソードより有利な点は、放出される電子の方向が
法線方向に揃っているという点である。この理由を説明
する。光電子カソードからの光電子放出は、入射した光
により励起されて真空エネルギ準位を超えた電子が真空
中に放出される現象である。従って、放出電子の方向を
揃える要因はなく、一般にｃｏｓｉｎｅ分布になると言
われている。一方、ＭＩＭ型の光電子カソードでは電界
が電子放出面に垂直に印加されており、電子の放出強度
は電界強度の増加によって急速に増加する。この関係は
（１）式に示したファウラーノルドハイムの式と呼ばれ
る関係で良く知られている。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、Ｊは放出電子の電流密度、Ｅは電
界、φは仕事関数である。ＭＩＭ型の光電子カソードで
は電界Ｅは電子放出面の法線方向から離れるほど弱い。
従って法線方向から離れるほど放出される電子が減少す
る。この関係と絶縁膜、金属膜を電子が透過するときの
減衰を考慮して放出電子の角度分布を計算したものが図
７である。横軸は放出角度のラジアン表示である。比較
のためにｃｏｓｉｎｅ分布を図８に示す。図７の方が図
８より方向が集中しているのが分かる。このように電子
の放出角が揃っていると、電子レンズの中心付近のみを
利用することが出来る。電子レンズの中心ほどレンズ収
差は小さいため、歪の小さい電子光学系が実現できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明により従来の電子線露光方法の欠
点であった、スループットの向上を達成し、しかも、転
写方式でありながら、個々のパターンに応じて光電面を
製作することの不要な、量産用として実用となりうる露
光装置が実現できる。これにより電子線の微細性を活か
しながら、製造コストの低い集積回路が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電子線露光装置の構成図で
ある。

【図２】本発明の一実施例の電子線露光装置に用いる半
導体電子放出材の平面及び断面模式図である。

【図３】本発明の一実施例の電子線露光装置に用いる半
導体電子放出材の金属電極の配列を示す模式図である。

【図４】本発明の他の実施例の電子線露光装置の構成図
である。

【図５】本発明の他の実施例の電子線露光装置に用いる
液晶装置の説明図である。

【図６】金属−絶縁体−金属構造光電子カソードのポテ
ンシャルを説明する図である。

【図７】金属−絶縁体−金属構造電子放出材の放出電子
の角度分布を説明する図である。

【図８】光電子カソードから放出される電子の角度分布
を説明する図である。

【符号の説明】

１…半導体電子放出材２…パターン発生器３…ブランカ４…電子レンズ５…偏向器６…ウェハ７…ステージ８…電子線１１…絶縁膜１２…上部金属電極１３…下部金属電極１４…ＳｉＯ₂膜２１…光源２２…光２３…光学系２４…液晶装置２５…光学レンズ２６…光電子カソード３１…液晶駆動部３２…ドット間の間隙３３、３４、３５、３６…液晶基板４１…上部金属膜４２…絶縁膜４３…下部金属膜４４…真空

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木進東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者会田敏之東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者矢口富雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のセルがマトリクス状に配列され、そ
れぞれが独立して動作する面状の電子放出源と、パター
ンデータからパターン信号を発生し、該電子放出源に出
力するためのパターン発生器と、該電子放出源から放出
された所望のパターンの電子ビームを被露光面に投射す
るための電子光学系とよりなることを特徴とする電子線
露光装置。
【請求項２】請求項１記載の電子線露光装置において、
上記電子放出源は、絶縁体薄膜と、電圧が印加され、真
空中に電子を放出するために該絶縁体薄膜を挾んでその
両側に配置された金属薄膜電極とよりなる素子であるこ
とを特徴とする電子線露光装置。
【請求項３】請求項２記載の電子線露光装置において、
上記金属薄膜電極は、互いに絶縁された複数のストライ
プ状の形状であり、上記絶縁体薄膜の両側では、それぞ
れストライプの方向が直交するように配置されたことを
特徴とする電子線露光装置。
【請求項４】請求項２又は３記載の電子線露光装置にお
いて、上記金属薄膜電極は、その周辺部から放出された
電子が上記電子光学系の中心軸から離れた部分を通るこ
とにより生じる歪を相殺する構造としたことを特徴とす
る電子線露光装置。
【請求項５】請求項３記載の電子線露光装置において、
上記金属薄膜電極は、その周辺部から放出された電子が
上記電子光学系の中心軸から離れた部分を通ることによ
り生じる歪を相殺するように、ストライプの形状を周辺
部で湾曲させたことを特徴とする電子線露光装置。
【請求項６】光源と、複数のセルがマトリクス状に配列
され、それぞれが独立して動作する構造の液晶装置と、
パターンデータからパターン信号を発生し、該液晶装置
に出力するためのパターン発生器と、光源からの光が液
晶装置を透過して形成されたパターンの像が投射される
位置に配置された光電子カソードと、該光電子カソード
から放出されたパターンを持った電子ビームを被露光面
に投射するための電子光学系とよりなることを特徴とす
る電子線露光装置。
【請求項７】請求項６記載の電子線露光装置において、
上記液晶装置のセルの間隔は、投射された光電子カソー
ド上で投射像の解像度以下になる寸法であることを特徴
とする電子線露光装置。
【請求項８】請求項６記載の電子線露光装置において、
上記液晶装置の上記複数のセルは、４層に配置されたこ
とを特徴とする電子線露光装置。
【請求項９】請求項８記載の電子線露光装置において、
上記複数のセルは、それぞれ正方形状の液晶駆動用電極
を有し、それぞれの液晶駆動用電極の間隔は、該正方形
の一辺の長さに実質的に等しいことを特徴とする電子線
露光装置。
【請求項１０】請求項９記載の電子線露光装置におい
て、上記液晶駆動用電極は、上記光源からの光の進行方
向から見て、各層ごとに一列づつ若しくは１行づつ又は
その両方に順次ずれて配置されていることを特徴とする
電子線露光装置。
【請求項１１】請求項６から１０のいずれか一に記載の
電子線露光装置において、上記液晶装置を透過した光が
光電子カソード上に縮小して投射されるための光学系を
有することを特徴とする電子線露光装置。
【請求項１２】請求項６から１１のいずれか一に記載の
電子線露光装置において、上記光電子カソードは、絶縁
体薄膜と、該絶縁体薄膜を挾んでその両側に配置され、
所望の電圧が印加され、かつ光の照射を受けて電子を放
出するための金属薄膜電極とよりなる素子であることを
特徴とする電子線露光装置。
【請求項１３】請求項６から１２のいずれか一に記載の
電子線露光装置において、上記液晶装置は、上記光電子
カソードの周辺部から放出された電子が上記電子光学系
の中心軸から離れた部分を通ることにより生じる歪を相
殺するように、そのセルの形状を周辺部でゆがませたこ
とを特徴とする電子線露光装置。
【請求項１４】複数のセルがマトリクス状に配列され、
それぞれが独立して動作する面状の電子放出源に、所望
のパターン信号を与え、該電子放出源から所望のパター
ンの電子ビームを放出させ、放出されたパターンを持っ
た電子ビームを被露光面に投射することを特徴とする電
子線露光方法。
【請求項１５】複数のセルがマトリクス状に配列され、
それぞれが独立して動作する構造の液晶装置に、所望の
パターン信号を与え、光源から放出された光を該液晶装
置により所望のパターンとして光電子カソードに照射
し、光電子カソードから放出されたパターンを持った電
子ビームを被露光面に投射することを特徴とする電子線
露光方法。