KR100223201B1 - 전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법 - Google Patents

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Abstract

나노메타급으로 임의의 피치를 갖는 패턴을 얻을 수 있는 전자선 묘화 장치 및 방법을 제공한다.
전자선 홀로그라피를 사용한 신규한 리소그라피 수단을 제공하는 것으로, 전자선(1)이 입사되는 적어도 2장의 단결정 박막(2a,2b)과, 이들 단결정 박막(2a,2b)를 투과한 투과 전자선(1a) 및 이들 단결정 박막에서 회절된 회절 전자선(1b)를 마스크 기판의 표면등에 집속시키는 집속 수단(3)을 구비하고, 투과 전자선(1a)와 회절 전자선(1b)를 간섭시켜 이것에 의해 형성된 소정의 피치를 갖는 프린지 패턴의 묘화를 행한다.

Description

전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법
제1도는 본 발명의 제1 실시예에 관한 전자선 묘화 장치의 구성의 개략을 나타내는 모식도.
제2도는 2장의 단결정 박막의 구체적인 구조를 나타내는 부분 절단 모식 사시도.
제3도는 2장의 단결정 박막의 구체적인 구조를 나타내는 모식 단면 설명도.
제4도는 2장의 단결정 박막을 각각 독립적으로 또는 일체적으로 전자선의 중심축 주변에서 회전시키는 회전 기구를 설명하기 위한 도면.
제5도는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전자선 묘화 장치의 구성의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전자선 2a,2b : 박막
3 : 전자 렌즈 4 : 조리개
5 : 시료(상면) 6 : 프린지 패턴
11,13 : 편향 코일 12 : 결상 렌즈
본 발명은 전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자선의 파(波)로서의 간섭 효과를 이용하여 나노메타급의 패턴의 묘화를 행하는 전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법에 관한 것이다.
근년, 1 GDRAM의 시제품의 발표에서 볼 수 있는 바와 같은 LSI의 고집적화에 수반하여 요구되는 디자인 룰(design rule)은 서브미크론(submicrion) 영역에서 디프 서브미크론(deep submicron) 영역으로 돌입하고 있고, 16 GDRAM에서는 70nm의 디자인 룰이 요구되고 있다. 따라서, LSI의 패턴 형성을 위한 리소그라피 기술도 급속한 진전을 보여주고 있고 이와 같은 디프 서브미크론으로부터 나노메타급의 미세화의 요구에 대응하기 위해서는 획기적인 진전이 필요하게 된다. 리소그라피 기술에는 포토리소그라피, X선 리소그라피, 전자선 리소그라피 등이 기존의 기술로서 존재하고 있다.
광을 이용하여 마스크에 제작된 패턴을 투영함으로써 묘화를 행하는 포토리소그라피에서소위 축소 노광 시스템을 사용한 스테퍼(stepper)에 의한 일괄 전사가 주류가 된다. 일반적으로, 포토리소그라피의 해상도 R은
R = βλ/NA … (1)
(여기서, β는 공정 인자(process factor), λ는 노광 시스템의 광원의 파장, 그리고 NA는 사용한 렌즈의 개구수임)로 된다. 이 (1)식에 의해 파장을 짧게 하는 것이 해상도의 향상에 관련이 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 현 단계에서는 예를 들어 엑시마 레이저(eximer laser) 등의 단파장의 광을 이용하여도 200nm정도의 해상도가 한계이다.
또한, X선을 아용하는 X선 리소그라피에서는 포토리소그라피와는 달리 등배 노광이 원칙이기 때문에 마스크의 제작이 어렵다는 등의 문제점이 있고, 100nm 이하의 해상도는 얻을 수 없다.
한편, 전자선을 이용하는 전자선 리소그라피에서는 전자 렌즈에 의해 집속된 전자선 비임을 편향 장치에 의해 이동시킴으로써 패턴의 묘화를 행하고 있다. 그러나, 종래의 전자선을 이용하는 묘화 방법에 있어서는, 전자를 입자로 다루어 묘화를 행하고 있다. 이 경우, 일반적으로는 패턴의 최소선폭의 1/4 이하의 비임 직경으로 하는 것이 대부분이고, 또한 근접 효과 등의 문제가 있어 비임 직경 이하의 해상도, 즉 100nm 이하의 해상도는 얻을 수 없다. 더욱이, 전자선 리소그라피에서는 소위 처리능력(throughput)이 낮아지는 문제점이 있었다.
이상과 같이, 종래의 포토리소그라피, X선 리소그라피, 전자 리소그라피 등의 리소그라피에 있어서도 100nm 이하의 해상도를 얻는 것이 곤란하고, 이것은 보다 높은 집적도의 디바이스 제작에 있어서 큰 장해로 되고 있다.
이와 같은 반도체 디바이스의 미세화로의 요구는 집적 회로뿐만아니라 개별 디바이스(discrete device)에서도 마찬가지이며, 테라헤르쯔 대역에서 동작하는 트랜지스터에서는 전자의 평균 자유 행정보다도 작은 크기가 요구되어 양자 역학에 의해 설계되고 있다. 이와 같은 메소스코픽 스케일(mesoscopic scale)을 갖는 양자·반도체 디바이스의 제작에 있어서는 일차원 방향, 즉 두께 방향의 미세화는 MBE 및 ALE(Atomic Layer Epitaxy), MLE(Molecular Layer Epotaxy)라고 하는 적층 기술로 대응할 수 있지만, 2차원, 3차원의 소위 양자 세선(quantum wire) 및 양자 상자(quantum box)의 제조시에는 나노메타 스케일(nanometer scale), 메소스코픽 스케일의 평면 패턴이 요구된다.
본 발명은 원자 크기에 가까운 소위 메소스코픽 스케일, 또는 나노메타급(nanometer order)의 크기를 갖는 패턴의 소망의 피치로 얻을 수 있는 전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 나노메타급의 피치를 갖는 패턴을 얻을 수 있으며, 이 패턴의 피치를 임의로 변화시킬 수 있거나 패턴의 방향을 임의로 변화시킬 수 있는 전자선 묘화 장치 및 전자선 묘화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전자선 묘화 장치는, 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선이 입사되는 적어도 2장의 단결정 박막과, 이들 단결정 박막을 투과한 전자선 및 이들 단결정 박막에서 회절된 전자선을 집속시키는 집속 수단을 구비하여, 이 집속 수단을 통과하여 간섭하는 전자선에 의해 상면(像面)에 패턴을 묘화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전자선 묘화 방법은, 전자선을 적어도 2장의 단결정 박막에 입사하여 이들 단결정 박막을 투과한 전자선 및 이들 단결정 박막에서 회절된 전자선을 집속시켜, 이 투과 및 회절된 전자선이 상호 간섭하여 발생된 패턴을 묘화하는 방법인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전자선의 파로서의 성질을 이용하여 홀로그라픽(holographic)한 간섭 효과를 이용한 것으로, 상기 구성 및 방법에 의하면, 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선(전자파)는 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 통과하게 되면 이들 단결정 박막을 구성하는 결정의 격자면에 의해 산란되어 서로 간섭하여 2개 이상의 회절된 전자파, 즉 회절파로 된다. 이 회절파는 집속 수단, 예를 들어 전자 렌즈에 의해 그의 후초점면(back focal plane) 상에 집속된다. 이 집속 후, 투과파 및 회절파가 되는 전자파는 상호 간섭하기 때문에 규칙적인 주기를 갖는 프린지 패턴(fringe pattern)이 형성되어, 이 프린지 패턴을 그대로 레지스트(resist) 등의 상면에 감광시킴으로써 미세한 패턴을 묘화할 수 있다.
여기에서, 상기 단결정 박막과 전자 렌즈 간의 거리를 x, 전자 렌즈와 묘화 패턴을 형성하는 상면과의 거리를 y로 하면, 얻어지는 패턴의 확대율 M은
M = y / x … (2)
로 표시된다. 그리고, 예를 들어 단결정 박막을 2장 사용한 경우 각각의 단결정 박막의 결정 격자 간격을 d1, d2라고 하고, 단결정 박막의 상대적인 회전각을 θ(0)이라고 하면, 나타나는 프린지 패턴의 피치, 즉 간격 D는
D = Md1 d2/(d12+ d22- 2d1 d2 · cosθ)1/2… (3)
로 된다. 여기서, 식(3)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소망의 간격 D를 얻기 위해서는 상기 각 단결정 박막의 결정 격자 간격 d1, d2는 각 단결정 박막을 형성하는 물질을 선택함으로써 임의로 선택할 수 있고, 또한 패턴의 확대율 및 단결정 박막 상호의 각도 θ를 선택함으로써 선택할 수 있다.
또한, 얻어진 화상을 뚜렷하게(sharp) 하기 위해서는 상기 전자 렌즈의 초점거리 f가
1/f = 1/x + 1/y … (4)
를 만족하는 것을 이용하는 것이 바람직하지만, 예를 들어 f 및 x를 설정한 때의 y의 값은 식(4)의 y의 값에서 ±0.5% 정도 달라도 괜찮다. 상기 단결정 박막으로서 적당한 결정을 이용하고, 또한 f가 수 nm의 통상의 전자 렌즈를 이용한 경우, y/x, 즉 M 값이 10 정도라고 하면, D 값을 수 나노메타의 값으로 할 수 있고, 메소스코픽 스케일의 묘화가 가능하게 된다.
여기서, 상기 식(3)에 표시된 바와 같이 프린지 패턴의 간격(피치) D를 결정하는 파라메타에는 전자선의 가속 전압이 포함되어 있지 않기 때문에, 예를 들어 전자선의 가속 전압에 변동이 발생한 경우에도 묘화 위치는 부동이고 안정한 묘화를 달성할 수 있다.
또한, 전자선 공급원으로서는 예를 들어 열전자 방출형 필라멘트 또는 전계 방출형 필라멘트 등을 이용할 수 있다.
상기 박막을 형성하는 단결정으로서는 상기 식(3)에서 얻어지는 프린지 패턴의 간격 D를 소망의 크기로 선택할 수 있도록 식(3)에서의 d1, d2의 적절한 조합을 실현할 수 있는 것이면, 전혀 특정의 것으로 한정되지 않는다. 따라서 박막을 형성하는 각 단결정은 단일 물질의 단결정이라도 좋고 화합물의 단결정이라도 좋으며, 또한 각각 같은 물질로 제조되어도 좋고 각각 다른 물질로 제조되어도 좋다. 단, 단결정을 구성하는 물질의 선택에 있어서는 밀도가 큰 물질은 전자선이 투과하기 어렵다는 것을 고려하는 것이 좋다. 또한, 박막을 형성하는 단결정은 상온 내지 상온 부근에서 결정화하는 것이 바람직하다.
또한, 박막을 형성하는 단결정으로서, 되도록 d1, d2에 대응하는 면으로부터의 회절 강도가 크게 되는 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 박막을 Si (110) 의 단결정으로 한 경우, d1 = d2 = 0.314nm 대응하는 회절파가 발생한다. 이들 회절파는 각각의 Si결정의 (111)면으로부터의 것으로 큰 강도를 갖고 있기 때문에 본 발명의 실시에 적당한 예라고 말할 수 있다. 이 경우, 2장의 박막의 회전각 θ를 임의로 선택함으로써 임의의 간격 D의 프린지 패턴을 묘화가능하게 된다.
또한, 박막의 두께로서는, 될 수 있는 한 얇은 쪽이 전자선을 투과시키기 용이하게 때문에 바람직하다. 예를 들여, 10nm 정도까지 얇은 것이 바람직하다.
또한, 박막간의 간격으로서는, 상측의 박막에서 회절된 전자선이 하측의 박막으로 조사되기만 하면 특히 한정되지 않지만, 독립의 회전 기구를 구비함과 동시에 될 수 있는 한 서로 근접하여 있는 것이 바람직하다.
또한, 박막의 두께와 관련하여 상기 전자선 공급원의 능력이 고려되어야 한다. 즉, 10nm 정도까지 얇은 박막이면 가속 전압 100kV 정도, 상측의 박막 상에서의 전류 밀도 10A/cm2정도의 것을 선택할 수 있다.
그런데, 상기 접속 수단에 의해 접속된 전자선 중 임의의 전자선만을 투과시켜, 그외의 전자선의 통과를 저지하는 선택 통과 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 선택 통과 수단을 설치함으로써 초점면 상에 집속된 복수의 회절파 중에서 임의의 것을 선택할 수 있다. 결국, 접속 수단에 의해 초점면 상에 집속된 전자파는 복수로 되고 상호 간섭하여 형성되는 프린지 패턴도 복수로 되지만, 상기 선택 통과 수단에 의해 임의의 전자선만을 통과시켜 그외의 전자선의 통과를 저지함으로써 유일한 프린지 패턴을 묘화할 수 있다.
또한, 상기 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선의 광축 주변에 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 각각 독립적으로 또는 일체적으로 회전시키는 회전 수단을 더 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이 회전 수단에 의해 패턴의 피치 또는 방향을 임의로 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 회전 수단에 의해 상기 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선의 광축 주변에 각각 독립적으로 회전시킴으로써, 상면 상의 패턴의 피치를 연속적으로 변화시킬 수 있게 된다. 또한, 2장의 단결정 박막을 동시에, 즉 일체적으로 광축 주변에서 회전시키게 되면 패턴의 피치는 고정된 채로 감광면상에 나타나는 패턴의 전체 영상을 회전시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 전자선 공급원과 상기 집속 수단의 사이에 설치되어 전자선 공급원으로부터 집속 수단으로 향하는 전자선을 편향시키는 제1 편향 수단, 예를 들어 편향 코일을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 제1 편향 수단에 의해 전자선 공급원으로부터 집속 수단으로 향하는 전자선을 집속 수단(전자 렌즈)의 광축 중심을 향하여 용이하게 시프트할 수 있다. 이것에 의해 집속 수단(전자 렌즈)의 수차의 영향을 저감할 수 있고 상면 상의 패턴의 화질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 집속 수단과 상면과의 사이에 설치되어, 집속된 후에 간섭하는 전자선을 상면을 향해 결상시키는 결상 광학계 부재, 예를 들면 결상 렌즈를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 경우, 프린지 패턴의 간격 D는 상기 식(3) 대신에
D = M1 M2 d1 d2 / (d12+d22-2d1 d2·cosθ)1/2… (5)
로 된다. 여기서, M1은 전자 렌즈(집속 수단)의 배율, M2는 결상 렌즈(결상 광학계 부재)의 배율이다.
이 식에 나타낸 바와 같이, 결상 광학계 부재의 배율을 변화시킴으로써 상면상의 패턴의 배율, 즉 프린지 패턴의 간격(피치) D를 임의로 변화시킬 수 있고 피치 D의 선택 자유도가 증가하게 된다.
또한, 상기 집속 수단과 상면 사이에 설치되어, 집속 수단으로부터 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단, 양호하게는 편향 코일을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 제2 편향 수단에 의해 집속 수단으로부터 상면으로 향하는 전자선을 편향시켜 상면의 패턴의 위치를 일광하여 임의로 변하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 이용하면서 설명한다.
우선, 제1 실시 형태에 대해서 제1도를 이용하면서 설명한다.
제1도에 도시된 바와 같이, 이 형태에 따른 전자선 묘화 장치는 전자선 공급원(도시안됨)과, 2장의 단결정 박막(2a, 2b)와, 전자 렌즈(3)과, 조리개(4)를 구비하고 있다. 여기서, 전자렌즈(3)은 전자선을 집속시키는 집속 수단으로 사용되고 있다. 또한 조리개(4)는 전자 렌즈(3)에 의해 집속된 전자선 중 임의의 전자선만을 통과시키고 그외의 전자선의 통과를 저지하는 선택 통과 수단으로 사용되고 있다. 또한 제1도에 도시된 바와 같이, PMMA 등의 전자선 레지스트를 도포한 레티클(reticle)등의 시료(상면)(5)가 도시를 생략한 시료대 위에 위치하고 있다. 직접 묘화의 경우는 레지스트를 도포한 Si 웨이퍼나 GaAs 웨이퍼를 시료(5)로서 사용하면 된다.
또한 후술하는 바와 같이, 상기 전자선의 공급원으로부터 방출된 전자선의 광축(7)의 주변에 상기 박막(2a, 2b)을 각각 독립시켜 또는 일체적으로 회전시키는 회전 기구가 구비되어 있다.
그런데, 전자선 묘화 장치는 전자선 공급원(전자총)의 크로스오버(crossover)를 전자 광학계에서 결상 투영하여 얻는 가우스 분포형 비임 방식과, 구형, 원형 등의 개구(정형창)상(像)을 전자 광학계에서 축소 투영하여 얻는 정형 비임 방식으로 분류된다. 이 정형 비임 방식은 또한 1개의 정형창(개구)(aperture)를 이용하는 고정정형 비임 방식과, 2개의 정형창(개구)를 이용하고 제1 개구상의 제2 개구상으로의 투영 위치를 전자 비임의 편향으로 제어하여 비임 크기를 가변하는 가변 정형 비임 방식으로 분류된다. 제1도에서 도시된 이 실시 형태에 있어서는, 고정 정형 비임 방식을 채용하여 원형의 정형창(개구)(102)를 전자선 공급원과 박막(2a) 사이에 설치되어 있다. 그러나, 가변 정형 비임 방식 등 다른 방식에 있어서도 본 발명을 실시 할 수 있음은 물론이다. 또한, 고정 정형 비임 방식을 채용하는 경우에서도 제1도에 도시된 바와 같이 원형의 정형창(102)에 한정하지 않고 방형 및 그 이외의 여러 가지 형태의 정형창을 이용할 수 있다.
상기 전자선의 공급원으로서는 단결정 란탄헥사보라이드(LaB6) 등의 열전자 방출형 필라멘트가 이용된다. 또한, 고해상도 저감도의 전자선 레지스트를 사용하는 경우는 전계 방출형 전자총을 사용하는 것도 유효하다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 상기 박막(2a, 2b)를 형성하는 단결정으로서 프린지 패턴(6)(후술)의 간격 D를 나노메타급으로 선택할 수 있도록 하는 단결정, 즉 식(3)에서의 d1, d2(각각의 박막(2a, 2b)의 면 간격(결정 격자 간격))의 적절한 조합을 실현할 수 있는 단결정이고, 또한 d1, d2에 대응하는 면으로부터의 회절 강도가 크게 되는 단결정인 Si (110)의 단결정을 선택하고 있다. 이 Si (110)의 단결정에 의해 Si (110)면의 결정 격자면 간격인 d1 = d2 = 0.314 nm에 대응하는 회절파가 발생한다. 이들 Si (111)으로부터의 회절파는 큰 강도를 갖는다.
그러나, 박막(2a, 2b)를 형성하는 각 단결정으로서의 Si에 한정되지 않고 Ge등의 단일 원소의 단결정이라도 좋고 GaAs 등의 화합물의 단결정이라도 좋다. 또한, 박막(2a, 2b)가 각각 같은 물질로 제조되어도 좋고 각각 다른 물질로 제조되어도 좋다. 단, 단결정을 구성하는 물질의 선택에 있어서는 밀도가 큰 물질은 전자선이 투과하기 어렵다는 것을 고려하는 것이 좋다. 또한, 박막을 형성하는 단결정은 상온 내지 상온 부근에서 결정화하고 있고 결정 결함 등이 존재하지 않는 결정의 완전성이 높은 것이 바람직하다.
단, 후술하는 바와 같이, 박막의 두께를 10 nm 정도로 한 경우의 기계적 강도, 또는 베어링 볼(201)을 배치하기 위한 베어링 홀의 가공의 용이성 등을 고려하면 현재로서는 Si 단결정이 양호하다고 생각된다.
박막(2a, 2b)의 두께는 될 수 있는 한 얇은 쪽이 전자선을 투과시키시기에 용이하기 때문에 양호하다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는 제3도에 도시된 바와 같이 전자선이 통과하는 중앙부만을 에칭(etching)에 의해 얇게 하여 10 nm 정도로 가공한 두께 300∼600 μm의 박막(2a, 2b)를 사용하고 있다. 주변 부분은 기계적 강도를 가지기 위해 두껍게 하며, 본 형태에서는 450 μm이다. 그리고, 이 박막(2a, 2b)의 두께와 관련하여 전자선 공급원으로서 가속 전압 100kV 정도, 박막(2a) 상에서의 전류 밀도 10A/cm2정도의 것이 선택된다.
또한, 박막(2a, 2b) 간의 간격은 될 수 있는 한 서로 근접시켜, 박막(2a, 2b)의 상대적인 회전각 θ를 θ = 60°가 되도록 배치시킨다.
전자 렌즈(3)은 박막(2b)와의 간격 x = 2 mm가 되도록 배치되어 있는 것과 함께 시료(5) 표면의 전자선 레지스트의 감광면(상면)과 전자 렌즈(3)과의 간격 y = 20 mm가 되도록 배치되어 있다. 즉, 식(2)에 의해 최종적으로 얻어지는 패턴의 확대율 M을 10 정도록 선택하고 있다. 이 경우, 식(3)에 의해 전자 렌즈의 초점 거리 f = 20/11 mm로 된다.
다음은, 제2도 및 제3도에 도시된 바와 같이, 중앙부를 얇게 한 박막(2a, 2b) 각각은 주변이 두꺼운 부분에 원형으로 파내어지 베어링 홀을 가지고 있다. 그리고, 이 베어링 홀에 직경 2.5mmφ의 스텐레스제 볼(201)이 조립되어 있고, 2 mm의 거리로 서로 회전할 수 있도록 되어 있다. 박막(2a, 2b)는 주변에 기어가 파내어진 제4도에 도시된 바와 같은 턴 테이블(232, 233)에 각각 보유되어, 전자선 묘화 장치의 경통이 되는 진공조의 외벽(210)에 부착되어 있는 회전 도입 기구(251, 252)를 거쳐 경통의 외부에 의해 이 턴 테이블을 회전시킬 수 있도록 되어 있다. 제4도에 도시된 바와 같이, 박막(2a, 2b)용의 회전 도입 기구(251, 252)를 각각 독립적으로 설치함으로써, 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선의 광축(7)의 주변에 2장의 박막(2a, 2b)를 각각 독립시켜 또는 일체적으로 회전시킬 수 있다.
또한, 박막(2a, 2b)간의 간격으로서는, 제3도에서는 2mm의 경우를 나타냈지만, 상측의 박막(2a)에서 회절된 전자선이 하측의 박막(2b)에 조사되기만 하면 되고, 제3도에 도시한 2 mm 등의 값에 특히 한정되지 않는다. 즉, 독립의 회전이 가능한 기구를 위한 공간이 확보될 수 있으면, 2 mm보다도 작은 간격으로 될 수 있는 한 서로 근접하여 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의한 동작을 구체적으로 설명한다.
전자선 공급원으로부터 방출된 전자선(전자 비임)(101)을 정형창(102)를 거쳐 원형의 전자선(1)에 정형하여, 이 원형의 전자선(1)을 θ = 60°가 되도록 배치된 2장의 실리콘 단결정의 박막(2a, 2b)에 입사시킨다(d1 = d2 = 0.314 nm). 전자선(1)은 박막(2a, 2b)를 통과하면, 투과된 전자파(전자선)(1a)와 박막(2a)에서 회절된 후에 또한 박막(2b)에서 회절된 전자파(전자선)(1b)로 나누어진다. 이들 전자파(1a, 1b)는 전자 렌즈(3)에 의해 전자 렌즈(3)의 후초점면은 종래의 전자선 묘화 장치의 전자선 레지스트의 감광면에 상당한다. 본 발명에 있어서는, 시료(5)의 표면의 감광면은 종래의 전자선 묘화 장치의 감광면의 위치보다도 내려서 배치되어 있게 된다. 그후, 전자파(1a, 1b)는 상호 간섭되면서 진행하여 감광면(상면)(5) 상에 입사하여, 제1도에 도시한 바와 같이 원형 영역의 내부에 3.14 nm 피치의 프린지 패턴(6)을 형성한다.
즉, 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 Si (111)면의 면 간격 d = d1 = d2 = 0.314 nm를 사용하고 있기 때문에, 확대율 M = 10의 경우 θ = 60°에서는 식(3)으로부터 프린지 패턴의 피치 D는 D = 3.14nm가 된다. 이 프린지 패턴의 선폭(라인) L과 선과 선의 간격(공간)(space) S와의 비율은 전자선 레지스트의 감도와 전자선의 조사 전하 밀도에 의해 결정되며, PMMA 등의 포지티브형(positive) 레지스트에서는 전자선 레지스트의 감도가 조사 전하 밀도에 비해 상대적으로 높게 되며, 선폭 L은 보다 미세하게 된다.
즉, 시료(5)의 감광면 상에 나타나는 프린지 패턴의 간격 D는 상기 식(3)에서 표시되는 바와 같이 확대율 M을 결정하는 전자 렌즈(3)의 초점 거리와, 각각의 박막(2a, 2b)의 결정 격자의 면 간격 d1, d2 (즉, 박막(2a, 2b)를 형성하는 결정 재료)와, 이들 박막(2a, 2b) 배향의 상대적인 회전각 θ를 적당히 선택함으로써, 수 나노메타, 즉 나노메타급으로 임의의 피치 D를 갖는 패턴의 묘화를 행할 수 있다.
또한, 상기 전자 렌즈(3)과 감광면(5)와의 사이에 설치한 조리개(4)는 전자 렌즈(3)에 의해 집속된 복수의 전자파 중에서 임의의 것을 선택하기 위한 것이다. 즉, Si의 박막(2a, 2b)에 의해 회절된 전자파는 소망의 (111)면에 의한 것 이외에(220)면 등 다른 결정 격자면에 의한 회절파도 포함되어 있기 때문에, 전자 렌즈(3)의 후초점면에 집속되고나서 감광면(5)에 이르는 사이에 간섭하는 중에 복수의 방향을 따라 프린지 패턴이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 직경 수 μm∼10μm의 구멍이 열려있는 조리개(4)에 의해 상기 전자 렌즈(3)에 의해 집속된 회절파 중 소망의 회절파만이 통과되고 그 이외의 회절파의 통과가 저지되도록 함으로써, 감광면(5)에 일방향만을 따른 프린지 패턴(6)을 얻을 수 있다.
이상과 같이 하여 얻어진 프린지 패턴(6)을 그대로 시료(5)의 표면의 전자선 레지스트에 조사하여 전자선 레지스트(5)를 감광시킴으로써 프린지 패턴(6)의 묘화가 달성된다.
여기서, 회전 기구에 의해 박막(2a, 2b)를 각각 독립적으로 광축(7) 주변에서 회전시킴으로써, 감광면(5) 상의 패턴 피치를 연속적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 회전 기구에 의해 2장의 박막(2a, 2b)를 동시에, 즉 일체적으로 광축(7)주변에 회전시키게 되면, 패턴 피치는 고정한채로 감광면(5) 상에 나타나는 프린지 패턴(6)의 전체 상(像)을 회전시킬 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 박막(2a, 2b)를 각각 독립적으로 또는 일체적으로 회전시킴으로써 전자선 레지스트가 도포된 시료(5) 상에 임의의 피치를 갖는 프린지 패턴을 임의의 방향으로 묘화 가능하게 된다. 이와 같이 함으로써 전자선 묘화의 처리능력을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 전자선의 묘화 장치 밀 방법을 LSI 등의 반도체 장치의 패턴 형성을 위한 리소그라피 기술에 적용하면, 종래 기술에서는 불가능하였던 0.1μm 이하의 크기를 갖는 16 GDRAM, 64 GDRAM 등의 기가비트 집적 회로(GSI)의 제조가 가능하게 된다. 또한, 3차원 초격자·양자 디바이스 등의 개별 디바이스, 또는 테라헤르쯔 대역 통신 소자 등 여러 가지 메소스코픽 스케일 디바이스의 제작이 가능하게 된다.
종래의 2차원 초격자 디바이스들의 양자 세선의 제조에 있어서는, 두께 방향으로는 MLE법 등을 이용하여 분자층 급의 크기를 갖는 다층 구조를 형성하는 기술이 확립되고 있는 중이다. 그러나. 평면 패턴에 대해서는 이방성 에칭을 이용하여 V홈 형상의 미세한 스트라이프(stripe)를 형성하고, 이것을 이용하여 나노메타 패턴을 얻도록 한 복잡한 공정이 행해지고 있다. 그러나, 본 발명에 의하면 직접적으로 메소스코픽 스케일의 평면 스트라이프 패턴이 얻어지며 양자 세선의 제조도 용이하게 된다.
또한, 회전 기구에 의한 박막(2a, 2b)의 회전에 의해 프린지 패턴(6)을 회전시킬 수 있기 때문에, 직교(90°) 방향으로 2회 노광하면 구형 패턴도 형성될 수 있다. 1회째의 노광과 2회셉의 노광의 전자선 강도를 변화시키면 장방형 패턴도 형성될 수 있다. 또한, 이와 같은 직교 방향의 2회 노광의 경우, 산화막 상에 전자선 레지스트를 도포하여 최초의 노광에서 이 레지스트에 스트라이프 패턴을 형성하고, 레지스트 마스크로 산환막을 에칭하여, 우선 소정 방향의 나노메타 스트라이프 패턴을 형성한다. 다음에, 이 레지스트를 제거한 후 또한 다른 전자선 레지스트를 스트라이프 패턴으로 된 산화막 상에 형성하며, 2회째의 노광을 행하여도 된다. 이와 같이 하면, 3차원 초격자 디바이스 등의 양자 상자가 용이하게 제조될 수 있다.
또한, 상기 식(3)에서 표시된 바와 같이, 프린지 패턴의 간격(피치)D를 결정하는 파라메타에는 전자선의 가속 전압이 포함되어 있지 않기 때문에, 예를 들어 전자선의 가속 전압에 변동이 발생하는 경우에도 묘화 위치는 부동으로 되고 안정한 묘화를 달성할 수 있다.
또한, 상기 형태에서는 단결정의 박막을 2장 사용한 경우에 대해서 서술하고 있지만, 단결정의 박막 수는 2장에 한정되지 않고, 3장 이상에서도 사용할 수 있다.
다음에, 제2 실시 형태에 대해서 제5도를 사용하면서 설명한다, 이 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태에 사용된 것과 동등한 요소, 부재를 같은 부호로 표시하여 설명을 생략한다.
이 형태에 있어서는, 전자선 공급원과 전자 렌즈(3)과의 사이에 특히, 전자선공급원(전자총)과 2장의 박막(2)와의 사이에 전자선 공급원으로부터 전자 렌즈(3)으로 향하는 전자선을 편향시키는 편향 코일(11)(제1 편향 수단)이 설치되어 있다.
이 편향 코일(11)에 의해 전자선 공급원으로부터 전자 렌즈(3)으로 향하는 전자선을 전자 렌즈(3)의 광축 중심을 향하여 용이하게 이동할 수 있다. 또한, 편광 코일(11)의 작용은 다음과 같다. 전자 렌즈에 있어서는 전자파의 수속 작용이 있지만, 이 때에 렌즈의 외측을 회전한 전자파는 렌즈 자신이 갖는 수차의 악영향을 크게 받는다. 이를 저감시키기 위해서는, 되도록 렌즈의 중심에 가까운 부분을 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 전자 렌즈(3)의 수차의 영향을 저감할 수 있고 감광면(5)의 프린지 패턴(6)의 화질을 향상시킬 수 있다.
또한, 전자 렌즈(3)과 감광면(5)와의 사이에, 특히 조리개(4)와 감광면(5)와의 사이에, 전자 렌즈(3)에 의해 집속된 후 간섭하고 있는 전자선을 감광면(5)를 향하여 결상시키는 결상 렌즈(12)가 설치되어 있다.
구체적으로는, 상기 수속 수단과 마찬가지로 전자 렌즈를 이용하여 결상 렌즈(12)의 배율을 변화시킴으로써, 식(4)에 근거하여 감광면(5)에 있어서의 프린지 패턴(6)의 간격 D를 임의로 변화시킬 수 있다.
또한, 전자 렌즈(3)과 감광면(5)와의 사이에, 특히 상기 결상 렌즈(12)와 감광면(5)와의 사이에, 전자 렌즈(3)으로부터 감광면(5)로 향하는 전자선을 편향시키는 편향 코일(13)(제2 편향 수단)이 설치되어 있다. 이 편향 코일(13)도 편향 코일(11)과 마찬가지로 하여 전자선의 주위에 배치된다.
이 편향 코일(13)에 의해 감광면(5)에 있어서의 프린지 패턴(6)의 위치를 일괄하여 임의로 변화시킬 수 있다. 이것에 의해 처리능력을 한층 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자선 묘화 장치 및 방법에 의하면, 전자선을 파로 취급하여 그 간섭 효과를 홀로그라픽적으로 이용하고, 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선을 적어도 2장의 단결정 박막을 통과시켜 2개 이상의 회절된 전자파를 만들고, 이 전자파를 집속 수단에 의해 집속시켜 상호 간섭시켜, 패턴의 묘화를 행하는 중에 단결정 박막의 면 간격 내지 회전각, 또는 확대율 등을 적당히 선택함으로써, 나노메타급으로 임의의 피치를 갖는 패턴을 얻을 수 있다.
또한, 전자선 공급원으로부터 방출된 전자선의 광축 주변에, 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 각각 독립적으로 회전시킴으로써, 패턴의 피치를 연속적으로 인의로 변화시킬 수 있으며, 또한 2장의 단결정 박막을 일체적으로 광축 주변에 회전시킴으로써, 패턴의 전체 상을 회전시켜 임의의 방향에 묘화시킬 수 있다.
또한, 집속 수단과 상면과의 사이에, 전자선을 상면을 향하여 결상시키는 결상 광학계 부재를 설치해도 패턴의 피치를 임의로 변화시킬 수 있다.
또한, 집속 수단과 상면과의 사이에, 집속 수단으로부터 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단을 설치해도 패턴의 방향을 임의로 변화시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 전자선 묘화 장치에 있어서,
    전자선 공급원으로부터 방출된 전자선이 입사되는 적어도 2장의 단결정 박막과, 이들 단결정 박막을 투과한 전자선 및 이들 단결정 박막에서 회절된 전자선을 집속시키는 집속 수단과,
    패턴의 피치 또는 방향을 변화시키기 위하여, 상기 전자선 공급원으로부터 방출되는 전자선의 광축 주변에, 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 각각 독립시켜 또는 일체적으로 회전시키는 회전 수단을 포함하며,
    상기 집속 수단을 통과하여 간섭하는 전자선에 의해 상면(像面)에 패턴을 묘화하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집속 수단에 의해 집속되는 전자선 중 임의의 전자선만을 통과시키고, 그외의 전자선의 통과를 저지하는 선택 통과 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집속 수단은 전자 렌즈인 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자선 공급원과 상기 집속 수단과의 사이에 설치되어, 상기 전자선 공급원으로부터 상기 집속 수단으로 향하는 전자선을 편향시키는 제1 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전자선 공급원과 상기 집속 수단과의 사이에 설치되어, 상기 전자선 공급원으로부터 상기 집속 수단으로 향하는 전자선을 편향시키는 제1 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  6. 제1항, 제2항, 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 집속된 후에 간섭하는 전자선을 상기 상면을 향해 결상 시키는 결상 광학계 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 집속된 후에 간섭하는 전자선을 상기 상면을 향해 결상시키는 결상 광학계 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 집속된 후에 간섭하는 전자선을 상기 상면을 향해 결상시키는 결상 광학계 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  9. 제1항, 제2항, 제5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 상기 집속 수단으로부터 상기 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  10. 제3항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 상기 집속 수단으로부터 상기 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 상기 집속 수단으로부터 상기 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  12. 제6항에 있어서, 상기 집속 수단과 상기 상면과의 사이에 설치되어, 상기 집속 수단으로부터 상기 상면으로 향하는 전자선을 편향시키는 제2 편향 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
  13. 전자선 묘화 방법에 있어서,
    전자선을 적어도 2장의 단결정 박막에 입사하여, 이들 단결정 박막을 투과한 전자선 및 이들 단결정 박막에서 회절된 전자선을 집속시켜, 이 투과 및 회절된 전자선이 상호 간섭하여 발생되는 패턴을 묘화하고,
    패턴의 피치 또는 방향을 변화시키기 위하여, 전자선 공급원으로부터 방출되는 전자선의 광축 주변에, 상기 적어도 2장의 단결정 박막을 각각 독립시켜 또는 일체적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 방법.
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