JPH07192682A

JPH07192682A - 多重電子ビーム照射装置および照射方法

Info

Publication number: JPH07192682A
Application number: JP5354236A
Authority: JP
Inventors: Keizo Shimizu; 啓三清水; Junji Ito; 順司伊藤; Masatake Kanamaru; 正剛金丸
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JP2615411B2

Abstract

(57)【要約】【目的】パターンの微細化による処理速度の低下を改
善し、微細で複雑なパターンを効率よく形成することを
可能とする。【構成】電界放出型のエミッタ９を用いた複数の微小
電子銃２０を同一の基板１上に集積化して形成し、電子
ビーム１２の放出を個々の微小電子銃２０もしくはその
ブロック毎に制限して、試料面上に線状パターン３０を
分割して並列的に形成する構成を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路やマイ
クロマシンなどの製造工程において、きわめて微細で複
雑なパターン形成を効率よく行うために用いられる多重
電子ビーム照射装置および照射方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】現在の半導体集積回路などの製造工程に
おいて、微細構造作製の中心となっているのは光でパタ
ーンを転写する技術である。この光リソグラフィにおい
ては、感光レジストを塗布した加工表面上に、通常はス
テッパーを用いてマスクの縮小像を焼き付け、以後の加
工のための微細レジストパターンを形成する。

【０００３】その他にも、光をＸ線に変えてパターン転
写を行うＸ線リソグラフィや、集束した電子ビームやイ
オンビームを用いてパターンを直接描く方法も行われて
いる。特に、電子ビームを用いたリソグラフィは、原理
的にはナノメータ程度までのマスクレスのパターン形成
が可能であり、コンピュータ制御の組み合わせが容易な
どの利点も有している。

【０００４】そのために電子ビームリソグラフィは、今
後さらに構造が微細化し複雑な構成となることが予想さ
れる半導体集積回路や、同じく、きわめて微細で複雑な
形状が要求されるマイクロマシンなどの製造において、
光リソグラフィに代わる技術となることが期待される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電子ビームソリグラフィは、パターンが微細化するにし
たがって処理速度が低下することが最大の問題点であっ
た。

【０００６】この欠点を改善するためにこれまでもさま
ざまな工夫がなされているが、電子ビームリソグラフィ
は基本的には細く絞った電子ビームによってパターンを
塗りつぶしていく方法であるから、パターンが微細化す
るにしたがって一定面積を処理する時間が長くなること
は避けられない。電子ビームを用いた場合でも、マスク
を用いた一括転写によれば上述の問題は原理的には解消
するが、それでは光やＸ線に比べて電子ビームの最大の
特徴である部分的な変更が容易なため柔軟なパターン形
成が可能という利点が失われる。

【０００７】そこで、電子ビームの断面を複数のスリッ
トで整形し、パターンを部分的に一括形成する方法も行
われている。しかしながら、パターンが微細化・複雑化
するにしたがって矩形に分割する数が多くなり効果が失
われ、さらに、電子ビームを単純に細く絞る場合に比べ
て収差や散乱の影響が大きいのできわめて微細なパター
ンを描くことには問題が多い。

【０００８】電子ビームリソグラフィの処理速度に関し
てさらに深刻なことは、パターンがきわめて微細になる
とレジストの感度をむしろ低くする必要が出てくること
である。電子ビーム光学系の収差の影響や電子ビーム源
の輝度の限界により、パターンが微細になるほど到達ビ
ーム電流は小さくなる。それによる処理速度の低下を補
うため、従来はレジストの感度を高くして、小さい電子
照射量でパターンが形成できるよう努力が続けられてい
た。しかしながら、局部的に見た電子の入射は離散的・
確率的であるから、パターンがきわめて微細になると、
入射電子数のばらつきを小さくするために単位面積あた
りの照射量は逆に大きくすることが要求され、原理的に
処理速度の低下は避けられなくなる。

【０００９】その他、パターンの微細化にしたがって、
レジストを用いないで電子ビームで直接加工する技術の
要求が高まっているが、このためにも従来より大きな電
子照射量が要求されるので処理速度の低下の原因とな
る。

【００１０】そこで、上述の課題を解決する手段として
考えられるのは、１本の集束電子ビームではなく、多数
の電子ビームを同時に用いる方法である。例えて言え
ば、従来の電子ビームリソグラフィが１本の細い筆をで
きるだけ早く動かしてパターンを描こうとしたのに対
し、多数の細い筆を同時に動かしてパターンを分割して
描こうとするものである。１本の電子ビームを速く動か
すのには限界があるのに対し、電子ビームを複数にすれ
ば原理的にはビームの数を増やすほど処理速度が向上す
るから、上記の課題は根本的に解決する。

【００１１】このようなアイデアとしては、既に線状も
しくは大面積の電子源を用いて絞りなどによってビーム
を分割し、得られた複数の電子ビームを用いて並列的に
パターンを形成する方法が提案されている。しかしなが
ら、線状もしくは大面積の電子源は輝度が低く、さら
に、絞りなどによって分割してもビームのソースサイズ
は大きいため、それによって得られた電子ビームを細く
絞ることは困難である。さらに、線状もしくは大面積の
電子源は一般に熱電子源であるから、熱の影響によるビ
ーム放出位置のドリフトや電子光学系の狂いが生じやす
く、きわめて微細なパターン形成には適していない。

【００１２】同様なアイデアとしては、高輝度な冷電子
源である電界放出型エミッタを多数並べ、各々にビーム
引き出し電極，電子レンズ，静電偏向系から形成される
微小電子光学系を組み合わせて、走査型トンネル顕微鏡
と類似の方法で軸合わせを行う方式が提案されている。
この方式は独立した電子ビーム照射系を多数並べたもの
と考えてよいから、個々の電子ビーム照射系を小型化し
ても、互いに接近できるのは数ミリメータ程度が限界と
推定される。そのため、半導体集積回路などの微細パタ
ーンを分割して描くのではなく、半導体ウェーハ上のチ
ップパターンを個々の電子ビームが１つずつ並列して描
くことを想定している。したがって、個々のパターンは
短時間で描くことができ１枚のウェーハから多数のチッ
プが作成される場合には有効であるが、パターンが微細
化・複雑化して一つを描くにも１本の電子ビームでは時
間が長すぎたり、１枚のウェーハから少数のチップしか
作製されないような場合には有効ではない。さらに、こ
のように独立した多数の電子ビーム照射系などには多く
の技術的困難が予想される。

【００１３】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
電子ビームリソグラフィの微細パターン形成速度が飛躍
的に改善されるとともに、微細で複雑なパターン形成が
容易で、かつ小型，軽量化できる多重電子ビーム照射装
置および照射方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる多重電子
ビーム照射装置は、同一の基板上に集積化して形成され
た電界放出型のエミッタと電子ビーム引出し電極とから
なる複数の微小電子銃と、電子ビームの放出を個々の微
小電子銃もしくは特定のブロック毎に制御する制御手段
を備えたものである。

【００１５】また、各微小電子銃がそれぞれ電子ビーム
集束系を備えたものである。

【００１６】また、電子ビーム放出の制御を行うマトリ
クス状の外部引き出し線と、さらに電子ビーム放出は一
時に１本の列または行の上にある微小電子銃のみとし、
該当する列または行を順次切り替えて全面を走査するこ
とにより、試料基板面上に微細パターンを形成する制御
手段を備えたものである。

【００１７】さらに、電子ビーム放出を切り替えるため
の制御手段の電子回路を微小電子銃が設けられている基
板と一体に設けたものである。

【００１８】さらに、基板と試料基板を相対的に移動さ
せる移動手段を備えたものである。

【００１９】また、集積化された微小電子銃によって真
空中に形成された微細パターンを、縮小，拡大，偏向，
加速あるいは局部的走査の一部もしくはすべてを行い、
試料基板面上に微細パターン形成を行わせる電子光学系
を備えたものである。

【００２０】さらに、本発明にかかる多重電子ビーム照
射方法は、分割した走査範囲を拡大して互いに重複さ
せ、集積した微小電子銃の状態に応じて電子ビーム放出
位置を変えることにより、微細パターンを形成するよう
にしたものである。

【００２１】

【作用】本発明にかかる多重電子ビーム照射装置によれ
ば、微小電子銃を集積した数だけの異なった場所に同時
に電子ビームを照射して並列的に微細パターン形成を行
うことができる。

【００２２】また、各微小電子銃がそれぞれ電子ビーム
集束系を備えることにより、装置全体の電子ビーム光学
系の収差を小さくできるとともに簡略化が可能となる。

【００２３】さらに、電子ビーム放出の制御をマトリク
ス状の外部引き出し線によって行うことにより、微小電
子銃の集積数が大きくなった場合にも必要な外部引き出
し線の増大が軽減される。

【００２４】また、電子ビーム放出を切り替えるための
電子回路を微小電子銃が設けられている基板と一体に設
けることにより、さらに少ない外部引き出し線で制御が
可能になると共に、電子ビーム放出を走査しないで全面
から一時に必要な電子ビーム放出をすることができる。

【００２５】また、基板と試料基板を相対的に移動手段
により移動させて電子ビームの局部的並列走査を行った
場合には、電子光学的な電子ビーム走査系が不要とな
る。

【００２６】また、集積化された微小電子銃によって真
空中に形成された微細パターンを、別の電子光学系を用
いてさらに縮小，拡大，偏向，加速あるいは局部的走査
の一部もしくは全てを行うことにより、設計や電子ビー
ムの各種パラメータの設定の自由度を大きくすることが
できる。

【００２７】さらに、分割した走査範囲を拡大して重複
させることにより一部に動作不良の微小電子銃があって
もカバーすることができる。

【００２８】

【実施例】はじめに図１を用いて、集積微小電子銃の作
製例を述べる。工程（１）図１（ａ）に示すように、
Ｓｉ（シリコン）等の基板１上にＳｉＯ_X （酸化シリコ
ン）の薄膜を形成し、通常のソリグラフィの手法を用い
てディスク状マスク２を作製する。

【００２９】工程（２）図１（ｂ）に示すように、Ｓ
ｉＯ_X はほとんどエッチングされない条件でＳｉの異方
性ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）を行う。横
方向からマスクに覆われた部分にも次第にエッチングが
進むので、Ｓｉ表面は上部が狭く下に裾を引いた断面形
状の突起部分３となる。

【００３０】工程（３）Ｓｉが安定にＳｉＯ_X のマス
クを支えられる限界付近でＲＩＥを中止し、表面の熱酸
化を行う。酸化はＳｉの露出した部分からほぼ均等に進
むので、熱酸化膜４の下に残されたＳｉの上に突き出た
部分は、図１（ｃ）に示すように電界放出型のエミッタ
に適した先端がきわめて尖った断面形状となる。

【００３１】工程（４）図１（ｄ）に示すように、上
部から蒸着によって、第１絶縁膜５のＳｉＯ_X と引き出
し電極（第１電極）６のＮｂ（ニオブ）薄膜を形成す
る。さらに、全面にレジストを塗布し、通常のリソグラ
フィの手法により引き出し電極パターンを形成する。

【００３２】工程（５）図１（ｅ）に示すように、同
様に、第２絶縁膜７と集束電極８を蒸着し、リソグラフ
ィにより集束電極（第２電極）８のパターン形成を行
う。

【００３３】工程（６）図１（ｆ）に示すように、デ
ィスク状マスク２のＳｉＯ_X を溶かすエッチング液（Ｂ
ＨＦ）によって、ディスク状マスク２の中央の上に載っ
ている部分を除去するリフトオフを行う。これによって
工程（３）で形成された熱酸化膜４も除去され、先端が
尖ったＳｉのエミッタ９が露出する。同時に工程（４）
および（５）で形成された第１，第２絶縁膜５，７もエ
ッチングされるが、エッチング液に触れる面積が少ない
ので側面が電極の内側に後退するのみである。これによ
り微小電子銃２０が形成される。図１では微小電子銃２
０が１個示されているが、実際には同時に多数の微小電
子銃２０が形成され、集積微小電子銃が構成される。

【００３４】上に述べた工程では、最初に形成するディ
スク状マスク２の大きさによって電極の孔径がほぼ決ま
るので、現在のリソグラフィ技術を用いて孔径０．１ミ
クロン程度の微小電子銃２０を１ミクロン以下の接近距
離で集積化することが可能である。ここでは集積微小電
子銃に集束電極を有する例を述べたが、工程（５）を省
略すれば電子ビーム集束系を備えない微小電子銃の作成
が可能である。また、工程（４）および工程（５）と同
様な工程を重ねることにより、電極の数をさらに増やす
こともできる。

【００３５】また、集積微小電子銃の作製方法は、ここ
に述べた例に限るものではない。

【００３６】例えば、マーク検出やレーザ測長系などを
用いてリソグラフィの工程毎に位置合わせを行えば、必
ずしもリフトオフを用いる必要はない。あるいは、エミ
ッタの作製に斜め蒸着法や集束イオンビームによる成形
などを採用することもできる。さらに、材料も、例えば
基板をＳｉからＧａＡｓやタングステンを蒸着した石英
基板などに、あるいは電極をＮｂからニッケルなどのほ
かの適当な金属に代えることができる。いずれの方法を
用いても、先に述べた例と同様な集積微小電子銃の作製
が可能である。

【００３７】図１に示した例では、簡単のため各エミッ
タ９の電気的分離に触れていないが、これは、例えば基
板をＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）構造に
して、表面のＳｉ層をエッチングにより他の部分と切り
放すことにより実現できる。ＳＯＩ構造は、張り合せや
ＳＩＭＯＸとも呼ばれる酸素イオン注入、あるいはレー
ザ結晶再成長などにより作製される。また、ＳＯＩ構造
以外にもＰＮ接合による分離や、基板をＧａＡｓにして
イオン照射により周囲の結晶性を破壊するなどの方法も
有効であり、これらはいづれも従来の半導体デバイスの
分野で用いられている技術と同様である。また、各金属
電極の電気的分離が必要な場合には、工程（４）または
（５）において通常のリソグラフィとエッチングの手法
を用いて実現できる。

【００３８】次に、上に述べた集積微小電子銃からの電
子ビームの放出を、個々の電子銃もしくはそのブロック
毎に制御する手段について述べる。これは、基本的には
供給する電圧の値もしくは極性を個々の微小電子銃２０
もしくはそのブロック毎に変えればよいわけであるが、
そのために必要な配線を個々の電子銃もしくはそのブロ
ック毎に引き出す制御手段は、集積化した電子銃が多数
の場合には実際的ではない。

【００３９】そこで、電子銃をアレイ状に配列し、各々
の行と列から１本の配線を引き出して、これにその行ま
たは列に対する微小電子銃２０からの配線を並列につな
ぐことにより、少ない配線数で電子ビームの放出を個別
もしくはブロック毎に制御する。この原理は、通常の半
導体メモリなどのアドレス指定と似ているが、集積微小
電子銃の場合にはメモリと異なり同時に複数の位置を指
定することが要求される。そこで、本発明においては、
次の二つの手段でこれを可能とする。

【００４０】第１の手段は、ビームの放出を一つの行ま
たは列の上に限定し、その行または列を電気的に逐次切
り替えていく構成である。具体的には、エミッタ９と引
き出し電極６を個別もしくはブロック毎に電気的に分離
した状態に作製し、例えば、各行にその行に属する微小
電子銃２０の電界放出型のエミッタ９、同様に各列に引
き出し電極６を接続し、最初の行をマイナスの電位、最
初の行の電子ビームを放出させるべき微小電子銃２０の
列をプラスの電位とする。さらに、他の行と列には逆の
電位を与えれば、最初の行の指定された微小電子銃２０
のみがエミッタ９がマイナス、引き出し電極６がプラス
となり電子ビームが放出される。そして、行を逐次切り
替え、それに応じて列の電位も変えれば、全面に必要な
電子ビームが放出される。

【００４１】この手段は、ビームが全面に一時に放出可
能とする場合に比べて、原理的にパターン形成時間が行
または列に逐次切り替える倍数だけ長くなるが、集積微
小電子銃の構造は簡単である。また、従来の単一の電子
ビームを用いる場合に比べて、パターン形成時間は行ま
たは列の微小電子銃２０の数だけ短縮される。さらに、
電子ビーム放出を逐次切り替える方向にも、個々の電子
ビームの描く面積は分割されるから、後に述べる走査範
囲の縮小による利点は保持される。

【００４２】第２の手段は、集積微小電子銃の基板にシ
リコンなどの半導体を用いて、信号を一時記憶して電子
ビーム放出を制御する電子回路（制御手段）も同一基板
上に形成する構成である。この場合、電気的分離はエミ
ッタ９もしくは引き出し電極６の一方だけでよい。パタ
ーン信号はマトリクス状の外部引き出し線から逐次与え
られ、全面が記憶されるとトリガ信号が発生するように
電子回路を作製すれば、電子ビームを指定された位置か
ら一時に放出することが可能となる。一般に、電子回路
の動作時間は必要な電子ビームの照射時間よりはるかに
短いから、パターン信号の記憶に要する時間は全体の時
間に比べてほとんど無視できる。既に述べた通り、集積
微小電子銃は基本的には半導体集積回路と同様な方法に
よって作製されるから、同一基板上に必要な電子回路を
集積することは容易である。また、電子回路に信号を時
分割で受ける機能を持たせれば、さらに少ない外部引き
出し線で電子ビームの放出を全面に制御することもでき
る。

【００４３】図２に、電子ビーム集束系の無い集積微小
電子銃を用いた場合の、本発明の一実施例の原理図を示
す。図２において、１は微小電子銃のＳｉ等の基板、
５，６，９は図１と同じものを示し、１１は前記基板１
に設けられたエミッタ９を電気的に分離するための絶縁
部、１００は集積微小電子銃、１２は電子ビーム、１３
はこの電子ビーム１２のスポット、３０は試料面上に形
成されつつある線状パターン、４０は電子ビーム１２を
集束・偏向走査するための電子光学系、１０は制御手段
で、エミッタ９の電位を個別に変えてそれぞれのエミッ
タ９から電子ビーム１２を引き出したり止めたりするも
のである。

【００４４】本実施例においては、各微小電子銃２０か
ら放出される電子ビーム１２を、その後に設けた電子光
学系４０で集束および並列に偏向走査して微細パターン
を形成する。単純化すると本実施例は、集積微小電子銃
１００の電子ビーム放出パターンを後に設けた電子光学
系４０で投影，偏向走査するものと考えることができ
る。

【００４５】なお、図２では基板１に横方向に３個の微
小電子銃２０が示され、それに対応して線状パターン３
０が３分割で形成されつつある状態が示されているが、
微小電子銃２０の集積数を増やし二次元的に配列すれ
ば、複雑なパターンを細かく分割して並列的に形成でき
ることは容易に理解できる。

【００４６】先に述べたように、集積微小電子銃１００
は基本的には半導体集積回路と同様な方法によって作製
されるから、その相互の距離はミクロンからサブミクロ
ンのオーダーまで近接させることができ、半導体集積回
路のチップ程度の面積にきわめて多数の微小電子銃２０
を集積することが可能である。また、同一基板上に一体
として作製されるため各エミッタ９の相互の位置はきわ
めて精度よく決まり、温度変化や振動などによる変動も
少ない。さらに、引き出し電極６や場合によっては電子
ビーム集束系も一体として形成できるので、位置合わせ
や精度の維持に問題が少なく装置の作成も容易である。

【００４７】したがって、集積微小電子銃１００から放
出される電子ビーム１２を等倍に照射すれば、半導体集
積回路のチップ程度のパターンを集積化した微小電子銃
２０の数に分割して並行して描くことができ、飛躍的な
処理速度の向上が可能となる。もちろん、ステップアン
ドリピートを併用すれば、さらに、大面積のパターンを
得ることができる。また、原理的には集積微小電子銃１
００を大面積にして、ステップアンドリピートなしで液
晶等の大面積のパターンや、複数の半導体集積回路のパ
ターンを同時に形成することも可能である。さらに、別
に電子光学系４０を設けて、集積微小電子銃によって形
成された電子ビーム放出パターンを、縮小，拡大，加
速，偏向あるいは局部的に走査する構成とすることもで
きる。

【００４８】また、集積微小電子銃１００を用いること
により、隣合う微小電子銃２０からの電子ビームスポッ
トが部分的に重なり合う場合、あるいは電子ビーム１２
の照射が断続的でよい場合には、電子ビーム１２の走査
は不要となる。しかし、一般的には連続的なパターンを
形成するために電子ビーム１２の走査が必要であるが、
この場合でも各々の電子ビーム１２に必要な走査範囲は
単一ビームに比べてきわめて小さくてよい。

【００４９】従来の電子ビーム照射装置においては、電
子ビームの走査範囲を大きくするために集束レンズの焦
点距離を長くする必要があるが、上述のように電子ビー
ム走査系の省略あるいは走査範囲の縮小が可能であれ
ば、集束レンズの焦点距離を短くして収差の小さい電子
光学系の設計が可能となる。この結果、電子ビーム１２
のスポット１３は小さくなり、従来より微細なパターン
が形成できる。あるいは、電子ビームスポットが同じと
すれば到達ビーム電流が増大し、先に述べた複数の電子
ビームによる並列処理とは別にパターン形成の処理速度
が向上する。

【００５０】この他、走査面積が小さければ、電子光学
的なビーム偏向に代えて機械的方法によっても、十分な
速度や精度を持つ電子ビーム走査が可能となる。さら
に、電子光学系４０を簡略化して電子ビーム装置を小
型，軽量とすることが可能となり、同時に超高真空装置
とすることも容易となる。

【００５１】図３に、各微小電子銃におのおの集束系を
備えた集積微小電子銃を用い、さらに、機械的方法によ
って電子ビーム走査を行う構成の本発明の多重電子ビー
ム照射装置の他の実施例の原理図を示す。図３におい
て、図１，図２と同一符号は同じ部分を示し、１４は第
３絶縁膜、１５は第３電極、１６は図３に示した線状パ
ターン３０を形成するための試料基板の集積微小電子銃
１００に対する相対的な移動の方向を示す矢印である。

【００５２】なお、図３では図２と同様に３個の微小電
子銃２０を示しているが、実際にはマトリクス状に多数
の微小電子銃２０が形成され、集積微小電子銃１００が
構成されている。

【００５３】本実施例においては、集積微小電子銃１０
０の電子ビーム放出面と試料表面を近接して向き合わ
せ、相互の位置を機械的に並行移動してパターンを形成
する。

【００５４】なお、図３では線状パターン３０に対応し
て試料基板が横方向に移動する矢印１６が示されている
が、実際には試料平面内で横方向の移動を繰り返しつつ
直角方向に少しずつ移動させることにより、各電子ビー
ム１２が分割した面積の走査を行う。

【００５５】各々の微小電子銃２０は、電界放出型のエ
ミッタ９と電子ビーム１２の引き出し電極６、およびビ
ームを集束するための微小電子レンズ系からなる。電子
光学的な本実施例ではビーム集束は微小電子銃２０に備
えられた微小レンズのみで行い、さらにビーム走査は行
わず、機械的な方法によって電子ビーム１２の局部的並
列走査を行う。このため、電子光学系全体はきわめて簡
略化され、先に図１に述べたのと同様な方法で一体化し
て作製することが可能である。ビーム集束系は等しい開
孔を持つ３枚の平板電極で構成され、エミッタ９からも
っとも近い電極は電子ビーム１２の引き出し電極６を兼
ねている。以下、各電極をエミッタ９に近い順に第１電
極６，第２電極８，第３電極１５と呼ぶ。

【００５６】先に述べたように、電子ビーム放出を個々
の微小電子銃２０もしくはそのブロック毎に制御するた
めには、エミッタ９と引き出し電極（第１電極）６の少
なくとも一方が電気的に分離していて電圧を独立に変え
られるようにする必要がある。一方、本実施例において
は集積された微小電子銃２０の各電極の位置のばらつき
が少ないので、第２電極８と第３電極１５は電気的に共
通した電極とすることができる。

【００５７】ここで、電子ビーム１２が放出される状態
の第１電極６の電位を第３電極１５と同電位にすると、
ビーム集束系は静電レンズとして代表的なアイツェルレ
ンズになる。例として、各電極厚さを０．３μｍ、電極
間距離を１．２μｍ，各電極の孔径を１．２μｍとし
て、第２電極８にエミッタ９と同じ電圧を供給した場合
の静電レンズ特性は、焦点距離役１．５μｍ，球面収差
約１４μｍ、色収差約７．９μｍである。（ K. Simizu
and H. Kawakatsu ; Journal of Physics E vol. 7 p.
472 〜476,1974年参照）図１に述べた作製方法でのエミッタ９と第１電極６の距
離は０〜０．１μｍ程度であるから、上に述べた焦点距
離はエミッタ９と第２電極８の中心（すなわちアインツ
ェルレンズの中心）との距離にかなり近い値である。し
たがって、第２電極８にエミッタ９に近い電圧を供給し
てその値を調整することにより、焦点距離をエミッタ位
置に合わせて電子ビーム１２を平行ビームにしたり、あ
るいは電子ビーム１２が集束する位置を広範囲に変える
ことができる。

【００５８】また、上に述べたレンズの収差は、通常の
電子ビーム露光装置などに比べてきわめて小さい。ただ
し、エミッタ９とレンズの距離が近いため、微小電子銃
２０のみによる集束は一般に拡大系となる。そのため、
試料面上に電子ビーム１２のスポット１３を小さくする
ためには、微小電子銃２０と試料を近接させる必要があ
るが、本実施例においては電子光学的なビーム走査が不
要なためそれが可能である。

【００５９】本実施例においては、集束系に電子ビーム
１２の制限絞りがないので、この点は電子ビーム１２を
細く集束するのに不利となる。しかしながら、第２電極
８に電子ビーム１２を減速させる電圧を与えると、エミ
ッタ９が近接しているので、レンズ作用の他に電子ビー
ム１２の引き出し角が狭くなり、制限絞りと同様の効果
が得られる。また、上に述べた電極間距離では電子のエ
ネルギーは最大１００〜２００ｅＶ程度であるが、微小
電子銃２０と試料表面の間に電圧を与えて電子をさらに
加速することができる。

【００６０】先に述べた例は図１で述べた方法により作
製が比較的容易な寸法・形状としたが、作製方法を変更
することにより様々な変形が可能である。例えば、シン
クロトロン放射光を利用したリソグラフィやＥＣＲエッ
チングを使えばアスペクト比のさらに高い三次元微細構
造が作製できるから、集積微小電子銃１００の電子ビー
ム１２の引き出し部分と静電レンズの間を離して相互の
電界の影響をなくしたり、本実施例よりも複雑な電子光
学系を構成することが可能である。

【００６１】上に述べたように各電極６，８，１５の孔
径を１〜２μｍとすると、これを２０μｍ程度の間隔で
同一基板１上に作製するのは、電気的な分離を考えても
現状の技術で可能である。したがって、単純に考えると
２０ｍｍ平方程度の面積に１，０００×１，０００の微
小電子銃２０のアレイが集積でき、これを用いればパタ
ーン形成の処理速度は通常の場合の１００万倍に改善さ
れることになる。また、この場合に必要な各電子ビーム
１２の走査範囲は、アレイの数で分割すると２０μｍ×
２０μｍ，先に述べた歩留り向上のための走査範囲の拡
大を考慮してもその数倍程度であるから、機械的方法に
よっても十分な速さと精度でもってビーム走査が可能で
ある。また、電子光学系の主要部分の大きさは２０ｍｍ
平方×数１０μｍ程度であるから、すでに述べたように
全体が小型軽量にできるとともに振動や温度などの変化
にも影響を受けにくくなる。

【００６２】さらに、本実施例は、微小電子銃２０の集
積を一方向のみとしてそれに直角方向の電子ビーム１２
の移動は機械的方法のみとしたり、ステップアンドリピ
ートによってもっと小さい規模の集積微小電子銃１００
でパターンを形成するなどの、様々な変形が可能であ
る。

【００６３】図４は、本発明の他の実施例を示す一部を
破断して示した斜視図である。図４において、図３と同
一符号は同一部分を示し、３１は形成された電子ビーム
放出のパターン、３２は偏向投影された微細パターン、
３３は試料、４０は前記集積微小電子銃１００の後に設
けた電子光学系を示す。

【００６４】本実施例においては、集積微小電子銃１０
０で形成された電子ビーム放出のパターン３１を、その
後に設けた電子光学系４０で縮小，拡大，加速あるいは
局部的走査を行い、偏向投影することにより微細パター
ン３２を形成する。単純化すると本実施例は、先に述べ
た２つの実施例を組み合わせたものと考えることができ
る。

【００６５】そのため、先に述べた実施例に比べると全
体の電子光学系４０は複雑化・大型化するが、設計や電
子ビーム１２の各種パラメータの設定の自由度が大き
く、機械走査やステップアンドリピートなしで比較的大
面積のパターンや複数のチップパターンを形成すること
ができる。特に最初の実施例に比較して、電子ビーム１
２のパターン形成の分解能を上げることが容易である。
さらに、２番目の実施例では電子ビーム１２を数ｋＶ以
上に加速するのは困難であるのに対して、本実施例では
後の電子光学系４０で加速を行うことにより、従来の電
子ビーム装置と同様な広範囲の加速エネルギーを選ぶこ
とができる。

【００６６】次に、集積する微小電子銃２０の数が増え
た場合の、集積微小電子銃１００作製の際の、いわゆる
歩留りの低下を軽減する方法について述べる。

【００６７】パターンを単純に集積化した微小電子銃２
０の数に分割して描くと、集積化した微小電子銃２０は
すべて完全に動作することが要求される。さらに、ビー
ム放出特性のバラツキも許容される範囲にならなければ
ならない。したがって、微小電子銃２０の集積度が大き
くなると、作製した集積微小電子銃１００の中で使用で
きる割合が低下することが問題となってくる。

【００６８】この歩留りの低下は、動作不良な微小電子
銃２０がある場合には走査範囲の一部分を拡大して、近
接した完全に動作する微小電子銃２０が補う方法により
改善される。具体的には、あらかじめ集積微小電子銃１
００の動作を検査して不良箇所を求めておき、近接した
微小電子銃２０がこの部分を重複して走査するように走
査範囲を拡大する。その結果、動作良好な部分の走査範
囲も重なるが、個々の微小電子銃２０もしくはそのブロ
ック毎に電子ビームの放出を制御して重複した電子ビー
ム照射は起きないようにすることができる。さらに、動
作不十分の部分からも電子ビームを放出しないようにす
れば、部分的に動作不良な微小電子銃２０があっても、
求める微細パターン３２を描くことができる。

【００６９】あるいは、最初から近接した各走査範囲が
重なり合うように分割した走査範囲を大きくして不良部
分の出現に応じて電子ビームの放出を変えるようにする
こともできる。例えば、図５に示すように全体のパター
ンを一辺Ｄの正方形に分割して分割区分Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．９として描く場合に、各走査範囲を３Ｄの正方形に
拡大して、分割区分Ｎｏ．３は太い破線で、分割区分Ｎ
ｏ．７は太い点線で示すようにすれば、分割区分Ｎｏ．
１〜９のどの微小電子銃２０からのビームによっても分
割区分Ｎｏ．５のパターンを描くことができる。そこ
で、分割区分Ｎｏ．５の微小電子銃２０が動作不良でな
ければ分割区分Ｎｏ．５を走査している間に電子ビーム
を放出するのは分割区分Ｎｏ．５のみとし、動作不良な
ら他の一つが補うようにすれば、９分割区分Ｎｏ．１〜
Ｎｏ．９のうちのどれか一つの微小電子銃２０が動作す
れば、分割区分Ｎｏ．５のパターンは描かれることにな
る。

【００７０】同様にして、微小電子銃２０の位置のずれ
を補正することができる。例えば、作製した集積微小電
子銃の中に設計より位置がΔＤだけずれている微小電子
銃２０があった場合に、各走査範囲をΔＤだけ拡大し
て、該当する微小電子銃２０の電子ビーム１２の放出を
位置の狂いに応じて逆方向にずらせば、全体の正しいパ
ターンを描くことができる。

【００７１】さらに、特になめらかな変化が要求される
など多数の微小電子銃２０で分割して描くとつなぎ目の
部分が問題となる部分が含まれるような場合には、走査
を拡大することにより本発明の方法によっても局部的に
一つの微小電子銃２０による長いパターンを描くことが
できる。

【００７２】いずれの場合も、走査範囲の拡大によって
余分な領域を走査している間の、他の微小電子銃２０の
電子ビーム放出が抑えられるのは同様である。

【００７３】上に述べた集積微小電子銃の不良箇所の検
出は、簡単には微小電子銃２０を個別もしくはブロック
毎に一つずつ動作させて、ビーム電流を測定することに
より可能である。また、位置のずれは、あらかじめ例え
ば走査を行わないでレジストのスポット露光を行うこと
により検出できる。

【００７４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる多重電子ビーム照射装置は、同一の基板上に電界放
出型のエミッタと電子ビーム引き出し電極とからなる複
数の微小電子銃が集積化して形成された集積微小電子銃
と、電子ビームの放出を個々の微小電子銃もしくは特定
のブロック毎に制御する制御手段を備えたので、集積し
た微小電子銃の数だけの電子ビームを照射でき、並列的
に微細パターンの形成ができる。したがって電子ビーム
リソグラフィの微細パターン形成速度が飛躍的に改善さ
れ、将来のより微細で複雑な半導体集積回路の多様なパ
ターン形成が容易となる。また、マイクロマシンの微細
構造作製技術としても有効である。

【００７５】さらに、同一基板上に一体として作製され
るための各エミッタの相互の位置はきわめて精度よく決
まり、温度変化や振動などによる変動も少なくなり、位
置合わせや精度の維持に問題が少なく装置の作製も容易
となる。

【００７６】また、各微小電子銃がそれぞれ電子ビーム
集束系を備えることにより、装置全体の電子ビーム光学
系の収差を小さくできるので、電子ビームを絞り解像度
を上げることができる。さらに、電子ビーム照射装置が
小型・軽量化され、超高真空装置とすることが容易とな
る。

【００７７】さらに、電子ビーム放出の制御をマトリク
ス状の外部引き出し線によって行うことにより、少ない
数の外部引き出し線で制御することができるので、配線
が容易になる。

【００７８】また、電子ビーム放出を切り替えるための
電子回路を微小電子銃が設けられている基板と一体に設
けることにより、さらに、外部引き出し線を少なくして
配線を容易にできると共に、電子ビームを集積微小電子
銃の全面から一時に放出して、効率よく微細パターンを
形成できる。

【００７９】また、基板と試料基板を相対的に移動させ
て電子ビームの局部的並列走査を行った場合には、電子
光学的な電子ビーム走査系が不要となるので、電子ビー
ム照射装置の構成を簡略化できる。

【００８０】また、集積化された微小電子銃によって真
空中に形成された微細パターンを、別の電子光学系を用
いてさらに縮小，拡大，偏向，加速あるいは局部的走査
の一部もしくは全てを行うことにより、電子ビーム照射
装置の各種パラメータの設定の自由度を大きくすること
ができる。

【００８１】さらに、分割した走査範囲を拡大して互い
に重複させ、集積した微小電子銃の状態に応じて電子ビ
ーム放出位置を変えることにより、動作不良の微小電子
銃をカバーして試料基板面上に目的とする微細パターン
を形成するようにしたので、一部に動作不良の微小電子
銃があっても支障なく目的の微細パターンを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる集積微小電子銃の作製例を示す
工程図である。

【図２】走査範囲が重なり合うようにして、不良な部分
であっても使用可能とする本発明の実施例の方法の説明
図である。

【図３】本発明の一実施例の構成を示す一部を破断して
示した斜視図である。

【図４】本発明の他の実施例の構成を示す一部を破断し
て示した斜視図である。

【図５】本発明にかかる多重電子ビーム照射方法の一実
施例を説明するための図である。

【符号の説明】

１基板２ディスク状マスク３断面形状の突起部分４熱酸化膜５第１絶縁膜６引き出し電極７第２絶縁膜８集束電極９エミッタ１０制御手段１１絶縁部１２電子ビーム１３スポット１４第３絶縁膜１５第３電極１６基板の相対的移動方向２０微小電子銃３０線状パターン３１電子ビーム放出のパターン３２微細パターン３３試料３４走査範囲３５走査範囲４０電子光学系１００集積微小電子銃

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の基板上に電界放出型のエミッタと
電子ビーム引き出し電極とからなる複数の微小電子銃が
集積化して形成された集積微小電子銃と、電子ビームの
放出を前記個々の微小電子銃もしくは特定のブロック毎
に制御する制御手段とを備えたことを特徴とする多重電
子ビーム照射装置。
【請求項２】各微小電子銃はそれぞれ電子ビーム集束
系を備えたことを特徴とする請求項１記載の多重電子ビ
ーム照射装置。
【請求項３】電子ビーム放出の制御を行うマトリクス
状の外部引き出し線と、さらに電子ビーム放出は一時に
１本の列または行の上にある微小電子銃のみとし、該当
する列または行を順次切り替えて全面を操作することに
より、試料基板面上に微細パターンを形成させる制御手
段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載
の多重電子ビーム照射装置。
【請求項４】集積化した複数の微小電子銃が設けられ
ている基板上に各々の電子ビーム放出を切り替えるため
の制御手段の電子回路を一体として形成したことを特徴
とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多重電子ビー
ム照射装置。
【請求項５】複数の微小電子銃を集積化した基板と試
料基板を相対的に移動させる移動手段を備えたことを特
徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の多重電子ビ
ーム照射装置。
【請求項６】集積化された微小電子銃によって真空中
に形成された微細パターンを縮小，拡大，偏向，加速あ
るいは局部的走査の一部もしくはすべてを行い、試料基
板面上に微細パターン形成を行わせる電子光学系を備え
たことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の
多重電子ビーム照射装置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の多重
電子ビーム照射装置を用い、分割した走査範囲を拡大し
て互いに重複させ、集積した微小電子銃の状態に応じて
電子ビーム放出位置を変えることにより、動作不良の微
小電子銃をカバーして試料基板面上に目的とする微細パ
ターンを形成することを特徴とする多重電子ビーム照射
方法。