KR20010089522A - Array of multiple charged particle beamlet emitting columns - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그 각각이 타겟을 다수의 대전된 입자 빔들에 선택적으로 노출시키는 다수의 대전된 입자 빔 칼럼들을 포함하는 대전된 입자(전자) 칼럼들의 어레이를 사용하는 리소그래피 장치에 관한 것이다. 각 대전된 입자 빔 칼럼은 다수의 대전된 입자 빔들을 선택적으로 발생시키는 빔 소스; 다수의 대전된 입자 빔들을 빔 소스로부터 가속시키고 대전된 입자 빔들과 동축인 양극; 및 대전된 입자 빔들과 동축이고 대전된 입자 빔들을 축소시키는 렌즈를 포함한다. 빔 소스는 조사될 때 다중 전자 빔들을 선택적으로 공급하는 광전 음극 어레이이다.The present invention relates to a lithographic apparatus using an array of charged particle (electron) columns, each comprising a plurality of charged particle beam columns that selectively expose a target to a plurality of charged particle beams. Each charged particle beam column includes a beam source for selectively generating a plurality of charged particle beams; An anode that accelerates the plurality of charged particle beams from the beam source and is coaxial with the charged particle beams; And a lens coaxial with the charged particle beams and reducing the charged particle beams. The beam source is a photocathode array that selectively supplies multiple electron beams when irradiated.
Description
고해상도(high resolution) 전자 빔 소스들은 주사 전자 현미경, 결함(defect) 검출 기계, VLSI 테스트 장비 및 전자 빔(e-beam) 리소그래피(lithography)와 같은 시스템들에서 사용된다. 일반적으로, 전자 빔 시스템들은 전자 빔 소스 및 전자 광학을 포함한다. 전자들은 소스로부터 가속되고 타겟에 이미지를 형성하기 위해 집중된다. 이러한 시스템들은 전형적으로 고광도(high brightness)를 가지는 물리적으로 작은 전자 소스를 사용한다.High resolution electron beam sources are used in systems such as scanning electron microscopy, defect detection machines, VLSI test equipment and electron beam lithography. In general, electron beam systems include an electron beam source and electron optics. Electrons are accelerated from the source and concentrated to form an image on the target. Such systems typically use a physically small electron source with high brightness.
광 리소그래피 기술들에서의 최근의 발전들은 집적 회로에서의 회로 엘리먼트들의 선폭들(linewidths)의 상당한 감소를 가능케 했다. 그러나, 광 방법들은 곧 그 해상도 한계에 도달할 것이다. 더 작은 선폭 회로 엘리먼트들의 생산(즉, .1㎛보다 작은 것)은 X-레이 또는 전자 빔 리소그래피와 같은 새로운 기술들을 필요로 할 것이다.Recent developments in optical lithography techniques have allowed for a significant reduction in the linewidths of circuit elements in integrated circuits. However, optical methods will soon reach their resolution limit. The production of smaller linewidth circuit elements (ie smaller than .1 μm) will require new techniques such as X-ray or electron beam lithography.
전자 빔 리소그래피에서, 전자들을 제어 가능한 소스가 필요하다. 패턴된 전자-빔들의 어레이를 생산하기 위하여 사용되는 광전 음극(photocathode)이 도 1에 나타난다. 바움(Baum) 등에게 부여되고 그 전체가 여기에 참조로 포함된 미국 특허 제5,684,360호, "초소형 방출 영역들을 갖는 마이너스 전자 친화력 광전 음극들을 사용하는 전자 소스들(Electron Sources Utilizing Negative Electron Affinity Photocathodes with Ultra-small Emission Areas"은 이 타입의 패턴된 광전 음극 시스템을 설명한다.In electron beam lithography, a source that can control the electrons is needed. A photocathode used to produce an array of patterned electron-beams is shown in FIG. 1. US Patent No. 5,684,360, entitled "Electron Sources Utilizing Negative Electron Affinity Photocathodes with Ultra," which is incorporated by reference in its entirety and incorporated herein by reference in its entirety. -small emission areas "describes this type of patterned photocathode system.
도 1은 투명 기판(101) 및 광방출층(102)을 포함하는 세 개의 광전 음극들(110)을 갖는 광전 음극 어레이(100)를 나타낸다. 광전 음극은 조사 영역(irradiation region;105)에서 광방출층 상에 집중되는 광 빔들(103)로 후방-조사(back-illuminate)된다. 광방출층(102) 상으로의 후방-조사의 결과로, 전자 빔들(104)은 각 조사 영역(105)에 대향인 방출 영역(108)에서 발생된다. 포토이미터(photoemitter)가 전방-조사(front-illuminate)되는, 즉, 광 빔이 전자 빔이 방출되는 포토이미터의 동일한 면 상에 빛이 입사하는 다른 시스템들이 디자인 되어왔다.1 shows a photovoltaic cathode array 100 having three photovoltaic cathodes 110 including a transparent substrate 101 and a light emitting layer 102. The photocathode is back-illuminated with light beams 103 that are concentrated on the light emitting layer in an irradiation region 105. As a result of back-irradiation onto the light emitting layer 102, the electron beams 104 are generated in the emitting region 108 opposite each irradiation region 105. Other systems have been designed in which photoemitters are front-illuminated, that is, light is incident on the same side of the photo emitter from which the electron beam is emitted.
때때로, 광 빔들(103) 또는 전자 빔들(104)은 마스크(mask)된다. 도 1에서, 광 빔(103)은 빛을 조사 스팟들(spots)(108) 상에 빛을 허용하지만 광방출층(102)의 다른 영역들 상에 빛이 입사되는 것은 막는 마스크(106)를 사용하여 마스크된다. 도 1은 또한 방출 영역들(105)에 상응하는 일부 표면 스팟들에서만 전자들이 광방출층(102)을 나가도록 허용하는 마스크(107)를 나타낸다. 광전 음극은 또한 조사 스팟들(105)에만 광 빔이 입사하도록 광 빔을 막기 위하여 투명한 기판(101)과광방출층(102) 사이에 마스크를 가질 수 있다. 일반적으로, 광전 음극(110)은 어떤 마스크 층들도 가지지 않거나 하나 또는 그 이상의 마스킹 층을 가질 수도 있다.Sometimes the light beams 103 or electron beams 104 are masked. In FIG. 1, the light beam 103 irradiates light with a mask 106 that allows light on spots 108 but prevents light from being incident on other areas of the light emitting layer 102. Are masked using. 1 also shows a mask 107 that allows electrons to exit the light emitting layer 102 only at some surface spots corresponding to the emitting regions 105. The photocathode may also have a mask between the transparent substrate 101 and the light emitting layer 102 to block the light beam such that the light beam is incident only on the irradiation spots 105. In general, the photocathode cathode 110 may have no mask layers or may have one or more masking layers.
각 방출 영역(105)은 더 큰 형상의 픽셀을 나타내는 단일 원형 스팟일 것인데, 더 큰 형상은 광전 음극 어레이(100)의 다수의 광전 음극들(110)의 집합체에 의해 형성된다. 그 경우, 조사 영역(105)은 광전 음극(100)으로 입사되는 광 빔의 가능한 주어진 파장만큼 작아질 수 있다. 전형적으로, 픽셀 조사 영역들의 집합은100-200㎛의 크기들을 가진다. 각 픽셀은 0.1㎛만큼 작은 크기(즉, 직경)들을 가질 수 있다. 대안으로, 조사 스팟(105) 및 방출 영역(108)은 더 큰 형상일 수 있다. 어느 경우에서나, 방출 영역(108)에 의해 형성된 이미지는 조사 영역(105)의 전체가 광 빔(103)에 의해 조사되는 한 전자 빔으로 전달될 것이다.Each emission region 105 will be a single circular spot representing a larger shaped pixel, which is formed by the collection of a plurality of photocathode cathodes 110 of the photovoltaic cathode array 100. In that case, the irradiation area 105 can be as small as possible given the wavelength of the light beam incident on the photocathode cathode 100. Typically, the set of pixel irradiation areas has sizes of 100-200 μm. Each pixel may have sizes as small as 0.1 μm (ie, diameters). Alternatively, irradiation spot 105 and emitting region 108 may be of a larger shape. In either case, the image formed by the emitting area 108 will be transferred to the electron beam as long as the entirety of the irradiation area 105 is irradiated by the light beam 103.
광방출층(102)은 빛이 조사될 때 전자들을 방출하는 어떤 물질로도 만들어진다. 이러한 물질들은 금속 막들(금, 알루미늄, 등) 및, 마이너스 친화도(NEA) 광전 음극들의 경우에서는, 반도체 물질들(특히 갈륨 비소와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물들)을 포함한다. 마이너스 전자 친화도 광전 음극들의 광방출층들은 바움(Baum)(미국 특허 5,684,360)에서 설명된다.The light emitting layer 102 is made of any material that emits electrons when light is irradiated. Such materials include metal films (gold, aluminum, etc.) and semiconductor materials (particularly III-V compounds such as gallium arsenide) in the case of negative affinity (NEA) photoelectric cathodes. Light emitting layers of negative electron affinity photocathode are described in Baum (US Pat. No. 5,684,360).
물질의 일함수보다 큰 에너지를 가지는 광자들로 조사될 때, 광방출층(102)은 전자들을 방출한다. 전형적으로, 광방출층(102)은 전자들이 보충되도록 접지된다. 광방출층(102)은 방출 영역(108)으로부터 방출된 전자들의 빔의 조사 제어를 더 잘 제공하기 위하여 방출 영역(108)에서 형상이 형성될 수 있다. 전자 빔의 더한 제어는 도 2에서 나타난 진공 칼럼에서 제공된다.When irradiated with photons with energy greater than the work function of the material, the light emitting layer 102 emits electrons. Typically, the light emitting layer 102 is grounded to replenish electrons. The light emitting layer 102 may be shaped in the emitting region 108 to provide better control of the irradiation of the beam of electrons emitted from the emitting region 108. Further control of the electron beam is provided in the vacuum column shown in FIG.
광 빔들(103)은 통상적으로 레이저에서 시작되지만, 또한 UV 램프와 같은 램프에서 시작될 수도 있다. 레이저 또는 램프 출력은 각 초점들(105)을 조사하기 위하여 전형적으로 몇 개의 빔들로 분할된다. 한 세트의 평행한 광 빔들(103)이 단일 레이저 및 빔 스플리터(splitter)를 사용하여 생성될 수 있다. 평행 광 빔들은 또한 단일 UV 소스에서 시작될 수 있다. 대안으로, 광 소스가 충분한 강도를 가진다면 전체 광방출 어레이(100)가 조사될 수 있다.The light beams 103 typically start with a laser, but may also start with a lamp, such as a UV lamp. The laser or lamp output is typically split into several beams to irradiate the respective focal points 105. A set of parallel light beams 103 can be generated using a single laser and beam splitter. Parallel light beams can also originate from a single UV source. Alternatively, the entire light emitting array 100 can be irradiated if the light source has sufficient intensity.
광 빔(103)의 광자들은 적어도 광방출층(102)의 일함수 이상의 에너지를 가진다. 광 빔(103)의 강도는 초점(105)에서 발생되는 전자들의 숫자에 관계되고 그러므로 방출 영역(108)으로부터 방출된 전자들의 숫자에 관계된다. 방출 영역(103)에서 발생한 상당한 수의 전자들이 이동하고 결국 방출층(108)으로부터 방출될 정도로 광방출층(102)은 충분히 얇고 광 빔(103)에서의 광자들의 에너지는 충분히 크다.Photons of the light beam 103 have at least energy of the work function of the light emitting layer 102. The intensity of the light beam 103 is related to the number of electrons generated at the focal point 105 and therefore to the number of electrons emitted from the emission region 108. The light emitting layer 102 is thin enough and the energy of photons in the light beam 103 is large enough so that a significant number of electrons generated in the emitting region 103 move and eventually emit from the emitting layer 108.
투명한 기판(101)은 광 빔에 투명하고 통상의 칼럼 또는 마이크로칼럼일 수 있는 전자 빔 칼럼 내의 광전 음극 디바이스를 지지하기에 충분할 정도로 구조적으로 견고하다. 투명한 기판(101)은 광 빔들(103)을 위한 초점 렌즈(focusoing lens)들을 제공하기 위해 또한 광 빔들(103)이 입사하는 표면에서 형상이 형성될 수 있다. 비록 사파이어나 용융 실리카와 같은 다른 기판 물질들도 역시 사용되지만 전형적으로 투명 기판(101)은 유리로 이루어진다.The transparent substrate 101 is structurally rigid enough to support a photocathode cathode device in an electron beam column, which is transparent to the light beam and can be a conventional column or a microcolumn. The transparent substrate 101 may also be shaped at the surface on which the light beams 103 enter to provide focusing lenses for the light beams 103. Although other substrate materials such as sapphire or fused silica are also used, typically the transparent substrate 101 is made of glass.
마스크(106)가 투명 기판(101)의 표면 상에 위치하거나 투명 기판(101)과 광방출층(102) 사이에 증착되면, 그것은 광 빔(103)에 불투명하다. 마스크(107)가 존재하면, 그것은 전자들을 흡수하고 그것에 의해 방출 영역(108)으로부터의 방출을 막는다. 마스크(107)가 도전성이라면 마스크(107)는 또한 광방출층(102)을 위한 전기적 접지를 제공할 수 있다.If the mask 106 is located on the surface of the transparent substrate 101 or deposited between the transparent substrate 101 and the light emitting layer 102, it is opaque to the light beam 103. If mask 107 is present, it absorbs electrons and thereby prevents emission from emission region 108. Mask 107 may also provide an electrical ground for light emitting layer 102 if mask 107 is conductive.
광전 음극(100)은 통상의 전자 빔 칼럼 또는 마이크로 칼럼 내에 포함될 수 있다. 마이크로칼럼의 작용들(workings)에 대한 정보는 일반적으로, 아래에서 아티클(article) 및 특허들에서 주어지는데: "크라츄머(E. Kratschmer) 등에 의한20x20 mm 풋프린트 마이크로칼럼의 실험적 평가(Experimental Evaluation of a 20x20 mm Footprint Microcolumn), 저널 오브 베큐엄 사이언스 테크놀러지 불러틴(Journal of Vacuum Science Technology Bulletin) 14(6), pp. 3792-96, Nov./Dec. 1996; 창(T.H.P Chang) 등에 의한 "전자 빔 기술 - SEM에서 마이크로칼럼까지(Electron Beam Technology - SEM to Microcolumn)," 마이크로전자 공학(Microelectronic Engineering) 32, pp. 113-130, 1996; 창(T.H.P Chang) 등에 의한 ("전자 빔 마이크로칼럼 기술 및 적용들(Electron Beam Microcolumn Technology And Applications)," , 전자 빔 소스들 및 대전된 입자 광학(Electron-Beam Sources and Charged-Particle Optics), SPIE Vol. 2522, pp. 4-12, 1995; 톰슨 및 창(M.C.R. Thomson and T.H.P Chang)에 의한 "마이크로칼럼들을 위한 렌즈 및 편향기 디자인(Lens and Deflector Design for Microcolumns,", 저널 오브 베큐엄 사이언스 테크놀러지 불러틴(Journal of Vacuum Science Technology Bulletin) 13(6), pp. 2445-49, Nov./Dec. 1995; 킴(H.S.Kim) 등에 의한 "미니어쳐 쇼트키 전자 소스(Miniature Schottky Electron Source,", 저널 오브 베큐엄 사이언스 테크놀러지 불러틴(Journal of Vacuum Science Technology Bulletin) 13(6), pp. 2468-72, Nov./Dec. 1995; 창(T.H.P Chang) 등에 의한 "리소그래피를 위한 전자 빔 마이크로칼럼들 및 관련 적용들(Electron-beam Microcolumns for Lithography and Related Applications", 저널 오브 베큐엄 사이언스 테크놀러지 불러틴(Journal of Vacuum Science Technology Bulletin) 14(6), pp. 3774-80, Nov./Dec. 1996; 및 창 등에게 부여된 미국 특허 제 5,155,412호, 이들 모두는 전체로서 여기에 참조로서 포함된다.The photocathode cathode 100 may be included in a conventional electron beam column or micro column. Information on the workings of microcolumns is generally given in articles and patents below: "Experimental Evaluation of 20x20 mm Footprint Microcolumns by E. Kratschmer et al. of a 20x20 mm Footprint Microcolumn, Journal of Vacuum Science Technology Bulletin 14 (6), pp. 3792-96, Nov./Dec. 1996; by THP Chang et al. Electron Beam Technology-SEM to Microcolumn, "Microelectronic Engineering 32, pp. 113-130, 1996; by THP Chang et al (" Electron Beam Microcolumns "). Electron Beam Microcolumn Technology And Applications, ", Electron-Beam Sources and Charged-Particle Optics, SPIE Vol. 2522, pp. 4-12, 1995; Thomson And MCR Thomson and THP Chang "Lens and Deflector Design for Microcolumns," Journal of Vacuum Science Technology Bulletin 13 (6), pp. 2445-49, Nov. / Dec. 1995; "Miniature Schottky Electron Source," by HSKim et al., Journal of Vacuum Science Technology Bulletin 13 (6), pp. 2468-72, Nov./Dec. 1995; "Electron-beam Microcolumns for Lithography and Related Applications" by THP Chang et al., Journal of Vacuum Science Technology Bulletin 14 ( 6), pp. 3774-80, Nov./Dec. 1996; and US Pat. No. 5,155,412 to Chang et al., All of which are incorporated herein by reference in their entirety.
도 2는 광전 음극 어레이(100)를 전자 소스로서 사용하는 전형적인 전자 빔 칼럼(200)을 나타낸다. 칼럼(200)은 진공 칼럼 챔버(미도시) 내에서 둘러싸인다. 광전 음극 어레이(100)가 잔공 칼럼 챔버 내에 완전히 닫히거나 투명한 기판(101)이 광 빔들(103)이 진공 챔버 외부로부터 접근하는 진공 챔버로의 윈도우를 형성할 수 있다. 전자 빔들(104)은 방출 영역(108)으로부터 진공 칼럼 챔버로 방출되고 방출 영역(108)의 이미지를 운반한다. 전자 빔(104)은 칼럼(200)의 다른 구성 요소들에 의해 형상이 더 형성될 수 있다.2 shows a typical electron beam column 200 using a photocathode array 100 as the electron source. Column 200 is enclosed in a vacuum column chamber (not shown). The photocathode cathode array 100 may be completely closed in the remnant column chamber or the transparent substrate 101 may form a window into the vacuum chamber where the light beams 103 approach from outside the vacuum chamber. The electron beams 104 are emitted from the emission region 108 into the vacuum column chamber and carry an image of the emission region 108. The electron beam 104 may be further shaped by other components of the column 200.
전자 빔들(104)은 광전 음극 어레이(100)와 양극(201) 사이에서 양극(201)과 광방출층(102) 사이에 공급된 전압에 의해 가속된다. (진공 챔버의 외부에 수용되는)전원(208)에 의해 생성되는 광전 음극 어레이(100)와 양극(201) 사이의 전압은 전형적으로 수 킬로볼트에서 수십 킬로볼트이다. 전자 빔은 이때 전자 빔을 제한 애퍼쳐(limiting aperture;202)로 집중시키는 전자 렌즈(204)를 관통한다. 제한 애퍼쳐(202)는 목적하는 것보다 더 큰 방출 입체각을 가지는 전자 빔들의 성분들을막는다. 전자 렌즈(205)는 전자 빔을 다시 집중시킨다. 전자 렌즈들(204, 205)은 전자 빔에 의해 운반된 이미지를 타겟(207) 상으로 집중시키고 축소시킨다. 편향기(deflector;203)는 타겟(207) 상의 전자 빔에 의해 운반된 이미지의 위치에 대한 제어를 허용하면서 전자 빔을 옆으로 이동시킨다. 0.1㎛ 리소그래피 시스템들에서, 타겟(207) 상에 입사되는 원형 픽셀의 크기는 0.05㎛의 오더(order)이다. 그러므로, 방출 영역(108)의 이미지는 방출 영역(108)의 크기에 따라 대략 2에서 10의 팩터로 감소될 필요가 있다. 타겟(207)은 반도체 웨이퍼 또는 마스크 블랭크(blank)로 이루어질 수 있다.The electron beams 104 are accelerated by the voltage supplied between the anode 201 and the light emitting layer 102 between the photocathode array 100 and the anode 201. The voltage between photovoltaic cathode array 100 and anode 201 produced by power source 208 (received outside of the vacuum chamber) is typically several kilovolts to several tens of kilovolts. The electron beam then passes through an electron lens 204 which concentrates the electron beam into a limiting aperture 202. The limiting aperture 202 blocks the components of the electron beams having an emission solidarity larger than desired. The electron lens 205 refocuses the electron beam. The electron lenses 204 and 205 focus and reduce the image carried by the electron beam onto the target 207. Deflector 203 moves the electron beam laterally while allowing control of the position of the image carried by the electron beam on target 207. In 0.1 μm lithography systems, the size of the circular pixel incident on the target 207 is an order of 0.05 μm. Therefore, the image of the emitting area 108 needs to be reduced to a factor of approximately 2 to 10 depending on the size of the emitting area 108. The target 207 may be made of a semiconductor wafer or mask blank.
통상의 가변 형상 전자 빔 리소그래피 칼럼들은 전자빔을 하나 이상의 형상 형성 애퍼쳐들을 가로질러 편향시킴으로써 전자빔의 형상을 형성한다. 형상이 형성된 전자 빔 내의 결과의 이미지는 큰 전체 선형 칼럼 축소와 함께 이때 타겟(207)으로 전달된다. (전자 렌즈들(204 및 205)에 의해 공급된) 큰 전체 선형 축소의 요구는 결국 칼럼의 전류 밀도를 제한하는 전자-전자 상호작용들을 증가시키면서 큰 칼럼 길이들을 야기한다. 낮은 전자 전류 밀도는 리소그래피에서 칼럼이 사용될 때 낮은 수율을 야기한다. 알려진 전자 빔 시스템들을 사용하는데 있어서 다른 주요 약점은 통상적으로 레이저인 광 소스 자신을 조정(modulate)하지 않고는 전자 빔을 조정할 수 없는 것을 포함한다. 레이저의 조정은 많은 양의 공간을 필요로 하면서 전형적으로 많은 양의 제어 회로를 수반하고 속도가 저하될 수 있다. 또한, 광전 음극들의 패턴된 어레이에서, 어레이에서의 개별 광전 음극들의 조정은 극히 어렵다. 마지막으로, 반도체 물질 프로세싱의 미래의 요구들을 만족시키기 위해 리소그래피 시스템들에 더 높은 해상도가 요구된다.Conventional variable shape electron beam lithography columns form the shape of an electron beam by deflecting the electron beam across one or more shape forming apertures. The resulting image in the shaped electron beam is then delivered to the target 207 with a large overall linear column reduction. The need for large overall linear reduction (supplied by the electron lenses 204 and 205) results in large column lengths while increasing electron-electron interactions that limit the current density of the column. Low electron current densities result in low yields when columns are used in lithography. Another major drawback in using known electron beam systems is the inability to adjust the electron beam without modulating the light source itself, which is typically a laser. The adjustment of the laser requires a large amount of space and typically involves a large amount of control circuitry and can be slowed down. In addition, in a patterned array of photoelectric cathodes, the adjustment of the individual photoelectric cathodes in the array is extremely difficult. Finally, higher resolution is required for lithographic systems to meet future needs of semiconductor material processing.
본 발명은 전자 빔 소스들 및, 더 상세하게는, 다중 전자 빔들의 발생에 관한 것이다.The present invention relates to electron beam sources and, more particularly, to the generation of multiple electron beams.
도 1은 종래 기술에 따른 패턴된 광전 음극을 나타낸다.1 shows a patterned photoelectric cathode according to the prior art.
도 2는 도 1에 나타난 광전 음극을 사용하는 통상의 전자 빔 기둥을 나타낸다.FIG. 2 shows a typical electron beam pillar using the photocathode shown in FIG. 1.
도 3A 및 3B는 본 발명에 따른 광전 음극을 나타낸다.3A and 3B show a photoelectric cathode according to the invention.
도 4는 본 발명에 따른 두 개의 광전 음극을 가지는 광전 음극 어레이의 부분을 나타낸다.4 shows a part of a photovoltaic cathode array having two photovoltaic cathodes according to the invention.
도 5는 다중 세그먼트들을 갖는 게이트 전극을 가지는 본 발명에 따른 광전 음극을 나타낸다.5 shows a photoelectric cathode according to the invention having a gate electrode with multiple segments.
도 6A는 다중 독립 세그먼트들을 가지는 본 발명에 따른 광전 음극을 나타낸다.6A shows a photovoltaic cathode according to the invention with multiple independent segments.
도 6B 및 6C는 도 6A의 게이트 전극에 나타난 세그먼트들을 선택적으로 동작시킴으로써 야기되는 샘플 패턴된 전자 빔들을 나타낸다.6B and 6C show sample patterned electron beams caused by selectively operating the segments shown in the gate electrode of FIG. 6A.
도 7A-7F는 도 4에서 나타난 본 발명의 실시예에 따른 광전 음극을 형성하는 프로세스를 나타낸다.7A-7F illustrate a process of forming a photovoltaic cathode according to an embodiment of the invention shown in FIG. 4.
도 8은 본 발명에 따른 광전 음극 어레이를 나타낸다.8 shows a photocathode array according to the invention.
도 9는 본 발명에 따른 광전 음극을 사용하는 마이크로-칼럼을 나타낸다.9 shows a micro-column using a photocathode according to the invention.
도 10은 광전 음극에서 빔 형상이 형성되는 전자 빔 기둥에서 사용된 다중 세그먼트 게이트된 광전 음극을 나타낸다.10 shows a multi-segment gated photovoltaic cathode used in an electron beam column in which a beam shape is formed in the photoelectric cathode.
도 11은 다중 형상 구성 요소들을 가지는 통상의 가변 형상 빔 전자 빔 기둥을 나타낸다.11 shows a typical variable shape beam electron beam column having multiple shape components.
도 12A는 일 실시예에 따라 어레이에 배열된 다중 마이크로 칼럼들을 나타낸다.12A illustrates multiple micro columns arranged in an array according to one embodiment.
도 12B는 일 실시예에 따라 도 12A의 어레이의 평면도를 간략하게 나타낸다.12B briefly illustrates a top view of the array of FIG. 12A, according to one embodiment.
도면들에서, 동일 또는 유사한 기능들을 가지는 구성 요소들은 동일한 참조 번호가 부여된다.In the figures, components having the same or similar functions are given the same reference numerals.
본 발명의 일 실시예는 각 대전된 입자 빔 칼럼이 선택적으로 타겟을 다중 대전된 입자 빔들에 노출시키는 대전된 입자 빔 칼럼들의 어레이를 포함한다. 각 대전된 입자 빔 칼럼은 다수의 대전된 입자 빔들을 선택적으로 발생시키는 빔 소스; 다수의 대전된 입자 빔들을 빔 소스로부터 가속시키는 대전된 입자 빔들과 동축인 양극; 및 대전된 입자 빔들을 축소시키는 대전된 입자 빔들과 동축인 렌즈를 포함한다.One embodiment of the invention includes an array of charged particle beam columns in which each charged particle beam column selectively exposes a target to multiple charged particle beams. Each charged particle beam column includes a beam source for selectively generating a plurality of charged particle beams; An anode coaxial with the charged particle beams for accelerating a plurality of charged particle beams from the beam source; And a lens coaxial with the charged particle beams for reducing the charged particle beams.
한 실시예에서, 빔 소스는 조사될 때 선택적으로 다중 전자 빔들을 공급하는 광전 음극 어레이이다. 이 실시예에서, 광전 음극 어레이는, 게이트 전극에 인가된 전압에 응답하여 전자 빔을 조정하는 게이트 전극을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전 음극 및 인터커넥트 라인에 의해 적어도 하나 이상의 광전 음극의 게이트 전극에 전기적으로 연결되고 적어도 하나 이상의 게이트 전극의 외부 제어를 허용하는 적어도 하나 이상의 패드(pad)를 포함한다.In one embodiment, the beam source is a photocathode array that selectively supplies multiple electron beams when irradiated. In this embodiment, the photocathode array is electrically connected to the gate electrode of the at least one photocathode by at least one photocathode and interconnect line comprising a gate electrode that adjusts the electron beam in response to a voltage applied to the gate electrode. At least one pad connected and allowing external control of the at least one gate electrode.
그것에 의하여, 본 발명의 일 실시예는 타겟 상으로 패턴을 이미징하는 방법을 포함하고, 상기 방법은: 다수의 대전된 입자 빔들을 발생시키는 단계; 상기 빔들을 그룹들로 모으는 단계; 대전된 입자 빔들의 각 그룹들을 선택적으로 제어하는 단계; 및 상기 각 그룹들을 타겟 상으로 향하게 하는 단계를 포함한다. 이 실시예에서, 각 그룹들은 하나의 대전된 입자 빔 칼럼에 포함된다.Thereby, an embodiment of the present invention includes a method of imaging a pattern onto a target, the method comprising: generating a plurality of charged particle beams; Gathering the beams into groups; Selectively controlling each group of charged particle beams; And directing each of the groups onto a target. In this embodiment, each group is included in one charged particle beam column.
본 발명 및 본 발명의 다양한 변형들은 다음의 도면들 및 글들과 함께 더 설명될 것이다.The invention and various variations of the invention will be further explained with the following figures and articles.
도 3A 및 3B는 본 발명에 따른 광전 음극 (300)의 실시예를 측면에서 나타낸다(통상적인 관련된 하우징, 전기 리드들 등은 미도시). 도 3A에서, 포토이미터(302)는 투명한 기판(301) 상에 증착된다. 비록 지지를 위해 충분한 구조 강도를 가지는 다른 투명한 물질들도 사용될 수 있지만, 투명 기판(301)은 통상적으로, 용융 실리카 또는 사파이어이다.3A and 3B show an embodiment of a photovoltaic cathode 300 according to the present invention in a side view (typically related housings, electrical leads, etc. are not shown). In FIG. 3A, photoemitter 302 is deposited on a transparent substrate 301. Although other transparent materials with sufficient structural strength may be used for support, the transparent substrate 301 is typically fused silica or sapphire.
광 빔(light beam;303)이 투명한 기판(301)으로 입사되고, 투명한 기판(301)을 통과하며, 조사(irradiation) 영역(308)에서 포토이미터(302)에 의해 흡수된다. 포토이미터(302)는 방출 영역(305)으로부터 전자들을 방출하고, 광 빔(303)이 조사 영역(308) 상에 입사될 때 조사 영역(308)의 대향의 포토이미터(302)의 표면 상에 위치된다.A light beam 303 is incident on the transparent substrate 301, passes through the transparent substrate 301, and is absorbed by the photo emitter 302 in the irradiation region 308. Photo emitter 302 emits electrons from emitting region 305 and on the surface of opposing photo emitter 302 of irradiation region 308 when light beam 303 is incident on irradiation region 308. Is located.
방출 영역(305)은 일반적으로 게이트 전극(307)이 전계를 결정하는 어떤 형상 및 크기로 될 수 있다. 일부 유용한 형상들은 원, 정사각형, 직사각형, 육각형및 팔각형을 포함한다. 조사 영역(308)은 적어도 하나 이상의 방출 영역(305)을 덮어야 된다.The emission region 305 may generally be of any shape and size at which the gate electrode 307 determines the electric field. Some useful shapes include circles, squares, rectangles, hexagons, and octagons. Irradiation area 308 should cover at least one emission area 305.
게이트 절연체(306)는 방출 영역(305)이 둘러싸이도록 포토이미터(302) 상에 증착되지만 게이트 절연체(306)에 의해 덮이지 않는다. 게이트 절연체(306)는 어느 전기적 절연 물질로 만들어질 수 있고, 바람직하게는 SiO2로 만들어진다. 게이트 전극(307)은 방출 영역(305)으로부터 떨어져서 게이트 절연체(306)의 측면 상에 증착된다. 게이트 전극(307)은 어느 전도성 물질로도 만들어질 수 있다.The gate insulator 306 is deposited on the photo emitter 302 so that the emission region 305 is surrounded, but not covered by the gate insulator 306. Gate insulator 306 may be made of any electrically insulating material, and is preferably made of SiO 2 . Gate electrode 307 is deposited on the side of gate insulator 306 away from emission region 305. The gate electrode 307 may be made of any conductive material.
포토이미터(302)는 조사될 때 전자들을 방출하는 어느 물질로도 만들어질 수 있다. 가장 효과적인 광전자 방출 물질들은 세슘 텔루르(Cs2Te)와 같은 반도체들 및 금, 알루미늄 및 카바이드 물질들과 같은 금속들을 포함한다. 부가하여, 갈륨 비소(GaAs)와 같은 많은 Ⅲ-Ⅴ 반도체들이 적절한 포토이미터 물질들이다. 바람직하게는, 포토이미터(302)는 약 100Å의 두께를 가진다.Photo emitter 302 may be made of any material that emits electrons when irradiated. The most effective photoelectron emitting materials include semiconductors such as cesium tellurium (Cs 2 Te) and metals such as gold, aluminum and carbide materials. In addition, many III-V semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) are suitable photo emitter materials. Preferably, the photo emitter 302 has a thickness of about 100 GPa.
포토이미터(302)는 실제 포토이미터 물질에 의해 결정되는 일함수를 가질 것이다. 일함수는 물질로부터 전자를 방출시키기 위해 필요한 최소 에너지이다. 포토이미터(302)가 전자들을 방출하도록 하기 위해서는 광 빔(303)의 광자들은 적어도 일함수만큼의 에너지를 가져야 한다.Photo emitter 302 will have a work function that is determined by the actual photo emitter material. The work function is the minimum energy required to release electrons from the material. In order for the photo emitter 302 to emit electrons, the photons of the light beam 303 must have at least as much work function as energy.
광 빔(303)은 조사 영역(308)에 상응하는 포토이미터(302)의 표면 또는 그 근처에서 포토이미터(302)에 의해 흡수된다. 그 지점에서, 전자들은 광자 에너지에서 일함수를 뺀 것과 동일한 운동 에너지를 가질 것이다. 이러한 전자들은, 포토이미터 물질 내에서의 충돌들에 너무 많은 에너지를 손실하지 않았다면 전자들은 조사 영역(308)에서 방출 영역(305)까지 이동하고 방출 영역(305)에서 물질로부터 방출된다. 이와 같이, 포토이미터(302)의 두께는 광 빔(303)을 흡수하기에 충분해야 하지만 생성된 자유 전자들의 상당한 숫자를 재흡수할 정도로 두꺼워서는 안된다.The light beam 303 is absorbed by the photo emitter 302 at or near the surface of the photo emitter 302 corresponding to the irradiation area 308. At that point, the electrons will have the same kinetic energy as the photon energy minus the work function. These electrons move from the irradiation region 308 to the emission region 305 and are released from the material in the emission region 305 if they have not lost too much energy to collisions in the photoemitter material. As such, the thickness of the photo emitter 302 should be sufficient to absorb the light beam 303 but should not be thick enough to reabsorb a significant number of generated free electrons.
본 발명의 실시예들에서, 방출된 전자들의 운동 에너지들이 너무 크지 않는 것, 바람직하게는 0.5eV보다 작은 것이 역시 바람직하지만, 방출된 전자들이 게이트 전극(307)에 인가된 전압에 의해 반사될 수 있도록 수 eV만큼 커질 수도 있다. 포토이미터(302)가 3.5에서 4.5eV의 일함수를 가진다면, 적절한 광자 에너지를 가지는 광자들을 생산하기 위하여 257㎚ 또는 그 이하의 광자 파장을 가지는 광 빔이 필요하다.In embodiments of the present invention, it is also preferred that the kinetic energies of the emitted electrons are not too large, preferably less than 0.5 eV, but the emitted electrons can be reflected by the voltage applied to the gate electrode 307. It can be as large as eV. If the photoemitter 302 has a work function of 3.5 to 4.5 eV, a light beam with a photon wavelength of 257 nm or less is needed to produce photons with the appropriate photon energy.
투명한 기판(301)은 가능한 최대량의 빛이 조사 영역(308) 상에 입사하도록 광 빔(303)에 투명해야만 한다. 투명한 기판(301)은 어떤 두께이어도 되지만, 바람직하게는 수 밀리미터의 두께를 가진다. 부가적으로, 광 빔(303)은 방출 영역(305)에 상응하는 영역에서 조사 스팟(irradiation spot;308)을 덮기 위해 집중될 수 있다.The transparent substrate 301 must be transparent to the light beam 303 such that the maximum amount of light is incident on the irradiation area 308. The transparent substrate 301 may be any thickness, but preferably has a thickness of several millimeters. Additionally, the light beam 303 may be concentrated to cover the irradiation spot 308 in the region corresponding to the emitting region 305.
광 빔(303)의 강도 분포는 일반적으로 가우스형이어서 광 빔(303)은 그 가장자리보다 그 중심에서 더 강할 것이다. 광 빔(303)은 바람직하게는 전자 빔(304)이 거의 균일한 강도를 가지도록, 그 강도가 조사 영역(308) 전체에서 거의 균일하도록 집중된다. 그러나, 일반적으로 광 빔(303)은 목적하는대로 집중될 수 있다.The intensity distribution of the light beam 303 is generally Gaussian such that the light beam 303 will be stronger at its center than its edge. The light beam 303 is preferably concentrated such that the intensity is almost uniform throughout the irradiation area 308 such that the electron beam 304 has an almost uniform intensity. In general, however, the light beam 303 may be focused as desired.
게이트 전극들(307)은 절연체들 상에 제작되고 어느 전도성 물질로도 제작될 수 있다. 게이트 절연체(306)의 두께는 바람직하게는 약 1000에서 5000Å이다. 한 실시예에서, 포토이미터(302)는 접지로 유지되고 게이트 전극(307)은 포토이미터(302)로부터 방출된 전자들을 가속시키기 위하여 접지보다 높은 전압으로, 약 +10V, 바이어스된다. 게이트 전극(307)이 접지보다 낮은 전압들로, 약 -10V, 바이어스될 때, 방출된 전자들은 포토이미터(302)를 향해 뒤로 반사된다. 더욱이, 안정한 방출은 포토이미터(302)와 게이트 전극(307) 사이에 저항(311)을 결합시키고 피드백을 위한 방출 강도를 사용함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들어, 전자 방출이 증가할 때, 게이트 전압은 상응하게 감소하여 다시 방출 강도를 낮춘다.The gate electrodes 307 may be fabricated on the insulators and made of any conductive material. The thickness of the gate insulator 306 is preferably about 1000 to 5000 kPa. In one embodiment, photoemitter 302 is maintained at ground and gate electrode 307 is biased, about + 10V, to a voltage above ground to accelerate electrons emitted from photoemitter 302. When the gate electrode 307 is biased at voltages lower than ground, about −10 V, the emitted electrons are reflected back toward the photo emitter 302. Moreover, stable emission can be obtained by coupling the resistor 311 between the photo emitter 302 and the gate electrode 307 and using the emission intensity for feedback. For example, as electron emission increases, the gate voltage decreases correspondingly, again lowering the emission intensity.
양 전극 (310)은 수 킬로볼트에서 수십 킬로볼트로 유지되고 전자들을 광전 음극(300) 밖으로 그리고 진공 전자 빔 칼럼으로 가속시킨다. 대안으로, 포토이미터(302)는 높은 마이너스 전압으로 유지되고, 게이트 전극들(307)은 포토이미터(302)에 비해 ±10V로 바이어스되며, 양 전극(310)은 접지된다.Positive electrode 310 is maintained at several kilovolts to tens of kilovolts and accelerates electrons out of photoelectric cathode 300 and into a vacuum electron beam column. Alternatively, the photo emitter 302 is maintained at a high negative voltage, the gate electrodes 307 are biased at ± 10 V relative to the photo emitter 302, and both electrodes 310 are grounded.
도 3A에서, 게이트 전극(307)은+10V로 유지된다. 이 전압은, 절연체(306) 및 게이트 전극(307)이 없는 경우, 양 전극(310)과 포토이미터(302) 사이에 설립될 양전계와 일치하도록 선택된다. 게이트 전극의 전압이 10V일 때, 방출 영역(305)의 이미지를 가지는 전자 빔(304)은 방출 영역(305) 밖으로 가속된다. 절연체들(306) 및 게이트 전극(307)은 또한 전자 빔(304)에 포함된 방출 영역(305)의 이미지를 더 잘 형성하기 위해 마스크로서의 역할을 한다.In Fig. 3A, the gate electrode 307 is maintained at + 10V. This voltage is selected to match the positive field to be established between the positive electrode 310 and the photo emitter 302 in the absence of the insulator 306 and the gate electrode 307. When the voltage of the gate electrode is 10V, the electron beam 304 having the image of the emission region 305 is accelerated out of the emission region 305. The insulators 306 and the gate electrode 307 also serve as masks to better form an image of the emission region 305 included in the electron beam 304.
도 3B에서, 게이트 전극(307)은 -10V로 유지된다. 이 전압에서, 방출영역(305)에 의해 방출된 전자들은 게이트 전극(307)과 포토이미터(302) 사이에 생성된 전계에 의해 방출 영역(305)을 향해 뒤로 가속된다. 방출 영역(305)으로부터 방출된 전자들이 포토이미터(302)로부터 멀리 가속되기보다는 포토이미터(302)로 뒤로 반사되기 때문에 어떤 전자 빔(304)도 생성되지 않는다. 전자 빔 대신에, 포토이미터(302) 밖으로 전자들이 방출되고 바로 포토이미터(302)로 뒤로 가속되는 곳에 전자 구름(309)이 생성된다.In Fig. 3B, the gate electrode 307 is maintained at -10V. At this voltage, electrons emitted by the emission region 305 are accelerated back toward the emission region 305 by an electric field generated between the gate electrode 307 and the photoemitter 302. No electron beam 304 is generated because electrons emitted from the emission region 305 are reflected back to the photo emitter 302 rather than accelerated away from the photo emitter 302. Instead of an electron beam, an electron cloud 309 is created where electrons are emitted out of the photo emitter 302 and accelerated directly back to the photo emitter 302.
본 발명의 일부 실시예들에서, 게이트 전극(307)의 전압은 전자 빔의 강도를 제어하기 위해 변한다. 게이트 전극(307)과 포토이미터(302) 사이의 전압 차가 커질수록 광전 음극(300)을 떠나는 전자들의 수는 많아진다. 광 빔(303)으로 인해 방출 영역(305)으로부터 방출된 가능한 전자들의 최대 수는 게이트 전극들이 최대(약 10V)로 설정될 때 얻어진다.In some embodiments of the invention, the voltage of the gate electrode 307 is varied to control the intensity of the electron beam. As the voltage difference between the gate electrode 307 and the photo emitter 302 increases, the number of electrons leaving the photocathode cathode 300 increases. The maximum number of possible electrons emitted from the emission region 305 due to the light beam 303 is obtained when the gate electrodes are set to the maximum (about 10V).
여기에서 나타난 예들이 비록 최대 온(on) 동작을 위해 +10V, 최대 오프(off) 동작을 위해 -10V의 게이트 바이어스 전압을 가지지만, 게이트 전압들을 위한 다른 파라미터들도 가능하다. 최대 온 바이어스 전압 및 양 전극(310)에 인가된 전압은, 최대 온 바이어스 전압에서 게이트 전극(307)에 의해 생성된 전계가 게이트 전극(307) 및 게이트 절연체(306)의 부재시에 존재할 전계와 일치해야 하기 때문에, 절연체(306)의 두께를 결정한다. 최대 오프 동작에서 방출 영역(308)으로부터 방출된 전자들이 포토이미터(302)로 뒤로 반사되어야 하기 때문에 최대 오프 바이어스 전압은 입사 광 빔 광자 에너지를 제한한다. 더욱이, 게이트 전극(307)은 방출 영역(308) 부근의 전계들을 결정하는 지배적인 소자여야한다. 그러므로, 방출영역(308)의 크기는 게이트 전극들(306)과 양 전극(310) 사이의 거리들과 상대적 크기들에 의해 제한된다.Although the examples shown here have a gate bias voltage of + 10V for maximum on operation and -10V for maximum off operation, other parameters for gate voltages are possible. The maximum on bias voltage and the voltage applied to the positive electrode 310 coincide with the electric field present at the maximum on bias voltage in the absence of the gate electrode 307 and the gate insulator 306 at the maximum on bias voltage. Since it should be, the thickness of the insulator 306 is determined. The maximum off bias voltage limits the incident light beam photon energy because electrons emitted from the emitting region 308 must be reflected back to the photoemitter 302 in the maximum off operation. Moreover, the gate electrode 307 should be a dominant element that determines the electric fields near the emission region 308. Therefore, the size of the emission region 308 is limited by the distances and relative sizes between the gate electrodes 306 and the positive electrode 310.
스위칭 시간이 중요한 실시예들에서, 게이트 전극(307)의 RC 시정수는 비교적 작아야 한다. 게이트 전극과 포토이미터 사이의 간격 및 전극들의 두께는 RC 시정수를 결정하고 그리하여 스위칭의 최대 속도를 결정한다.In embodiments where switching time is important, the RC time constant of the gate electrode 307 should be relatively small. The spacing between the gate electrode and the photoemitter and the thickness of the electrodes determine the RC time constant and thus the maximum speed of the switching.
도 4는 광전 음극 어레이(400)의 일 실시예를 나타낸다. 도 4에서, 광전 음극 어레이(400)의 두 방출 지역들(402)이 나타나고, 양쪽 방출 영역은 나타난 광전 음극 어레이(400)의 전 부분을 동시에 조사하는 광 빔(403)에 의해 조사된다. 개별 방출 영역(402) 상에 각각의 빔이 집중되는 대신 평행한 광 빔들(403)이 사용될 수 있다. 광전 음극 어레이(400)는 투명한 기판(401), 도전체(408), 게이트 절연체(406), 게이트 전극들(407), 및 포토이미터들(402)을 포함한다.4 illustrates one embodiment of a photovoltaic cathode array 400. In FIG. 4, two emission regions 402 of the photocathode array 400 are shown, both emitting regions being irradiated by a light beam 403 which simultaneously irradiates the entire portion of the photovoltaic cathode array 400 shown. Instead of concentrating each beam on a separate emission area 402, parallel light beams 403 may be used. The photovoltaic cathode array 400 includes a transparent substrate 401, a conductor 408, a gate insulator 406, gate electrodes 407, and photo emitters 402.
어떤 도전 물질로 만들어질 수 있지만 바람직하게는 알루미늄인 도전체(408)는 투명한 기판(401) 상에 증착되고 포토이미터(402)가 그 안에 제작될 수 있는 개구를 가진다. 앞에서 논의된 바와 같이, 포토이미터(402)는 광자들로 조사될 때 전자들을 방출하는 어떤 물질로도 이루어질 수 있다. 다시, 포토이미터(402)는 일함수를 가지고 광 빔(403) 속의 광자들은 전자들이 방출 영역(405)으로부터 방출되도록 하기 위하여 적어도 일함수만큼 큰 에너지를 가져야만 한다. 투명한 기판(401)은 바람직하게는 유리이지만 사파이어나 용융(fused) 실리카와 같이 광 빔(403)에 투명한 어떤 물질로도 만들어질 수 있다. 도전체(408)는 광 빔(403)에 불투명하고 광 빔(403)에 의해 후방으로부터 조사될 때 그 전방에서 전자들을 방출하지 않는다. 그러므로, 도전체(408)는 마스크로서의 역할을 하고, 조사 영역(408)을 형성한다. 방출 영역(405)은 포토이미터 상에서 조사 영역(408)의 바로 대향으로 위치하고 게이트 전극들(407)이 전계를 결정하는 어떤 모양이나 크기를 가질 수 있다.Conductor 408, which may be made of any conductive material but is preferably aluminum, is deposited on transparent substrate 401 and has an opening within which photoemitter 402 can be fabricated. As discussed above, the photoemitter 402 can be made of any material that emits electrons when irradiated with photons. Again, the photo emitter 402 has a work function and the photons in the light beam 403 must have at least as much energy as the work function in order for the electrons to be emitted from the emission region 405. The transparent substrate 401 is preferably glass but may be made of any material that is transparent to the light beam 403, such as sapphire or fused silica. Conductor 408 is opaque to light beam 403 and does not emit electrons in front of it when irradiated from the back by light beam 403. Therefore, the conductor 408 acts as a mask and forms the irradiation area 408. The emission region 405 may be located directly opposite the irradiation region 408 on the photo emitter and may have any shape or size in which the gate electrodes 407 determine the electric field.
게이트 절연체(406)는 도전체(408) 상에 제작되고 포토이미터들(402)이 절연체들(406)에 의해 덮이지 않도록 개구(410)를 가진다. 게이트 전극들(407)은 게이트 절연체(406) 상에 증착된다. 이 실시예에서, 게이트 전극들(407)은 방출 영역(405)에서 생성된 전계들을 게이트 절연체(406)에 의해 실질적으로 왜곡되지 않도록 하기에 충분한 양만큼 개구(410) 위로 돌출한다. 도 3A 및 3B에서 처럼, 게이트 전극(407)은 게이트 전극(407)에 인가된 전압으로 전자 빔(404)을 켜고 끌 수 있다. 온(on) 및 오프(off) 전압은 대략 +10V 및 -10V와 각각 일치한다. 부가하여, 최대 전자 빔 강도는 게이트 전극 전압을 변화시킴으로써 조절된다. 셀프-바이어싱(self-biasing) 저항(411)은 셀프-바이어싱에 의해 전자 빔(404)의 강도를 제어하기 위한 피드백을 제공하기 위해 또한 게이트 전극(407)과 도전체(408) 사이에서 연결될 수 있다.The gate insulator 406 is fabricated on the conductor 408 and has an opening 410 such that the photoemitters 402 are not covered by the insulators 406. Gate electrodes 407 are deposited on gate insulator 406. In this embodiment, the gate electrodes 407 protrude above the opening 410 in an amount sufficient to ensure that the electric fields generated in the emission region 405 are not substantially distorted by the gate insulator 406. As in FIGS. 3A and 3B, the gate electrode 407 can turn the electron beam 404 on and off with the voltage applied to the gate electrode 407. The on and off voltages correspond approximately to + 10V and -10V, respectively. In addition, the maximum electron beam intensity is adjusted by varying the gate electrode voltage. Self-biasing resistor 411 is also provided between gate electrode 407 and conductor 408 to provide feedback for controlling the strength of electron beam 404 by self-biasing. Can be connected.
도 3A, 3B 및 4에 나타난 광전 음극들에서, 전자 빔들의 강도는 게이트 전극과 포토이미터 사이의 실제 전압을 제어함으로써 제어될 수 있다. 더 적은 수의 전자들이 전자 빔이 전파되는 방향으로 통계적 속도 분포를 가지는 전자 구름을 빠져나갈 것이기 때문에 전압이 낮을수록 전자 빔들은 더 낮은 강도를 가질 것이다. 또한, 게이트 전극들이 야기되는 전자 빔의 강도를 조절하기 위하여 사용될 것이다. 일부 실시예들에서, 셀프-바이어싱 피드백이 생기도록 게이트 전극과 포토이미터사이에 저항이 위치되는데, 그것은 방출이 증가되면, 게이트 전압이 따라서 낮아진다는 것이다.In the photoelectric cathodes shown in FIGS. 3A, 3B and 4, the intensity of the electron beams can be controlled by controlling the actual voltage between the gate electrode and the photoemitter. The lower the voltage the electron beams will have lower intensity because fewer electrons will exit the electron cloud having a statistical velocity distribution in the direction in which the electron beam propagates. Also, gate electrodes will be used to adjust the intensity of the electron beam caused. In some embodiments, a resistor is placed between the gate electrode and the photoemitter so that self-biasing feedback occurs, which means that as emission increases, the gate voltage decreases accordingly.
도 4에서, 게이트 전극(407)이 각 방출 영역(405)에 대해 동일하게 나타난다. 그러나 일반적으로 각 방출 영역(405)은 전기적으로 다른 게이트 전극들로부터 격리된 게이트 전극(407)을 가진다. 또한, 특정 방출 영역을 위한 게이트 전극은 그 각각이 다른 모든 것들로부터 전기적으로 격리된 몇 개의 세그먼트들을 포함할 수 있다.In FIG. 4, the gate electrode 407 appears the same for each emission region 405. In general, however, each emission region 405 has a gate electrode 407 that is electrically isolated from other gate electrodes. In addition, the gate electrode for a particular emission region may include several segments, each of which is electrically isolated from all others.
일부 실시예들에서, 방출 영역을 둘러싸는 게이트 전극은 다중 세그먼트들을 가진다. 다중 세그먼트들은 전자 빔(404)에 의해 운반되는 이미지를 형성하면서 방출 영역의 다른 부분들을 오프시키는 동안 방출 영역의 일부 부분들을 온시킬 수 있도록 한다.In some embodiments, the gate electrode surrounding the emission region has multiple segments. The multiple segments make it possible to turn on some parts of the emission area while turning off other parts of the emission area while forming an image carried by the electron beam 404.
도 5는 단일 세그먼트 게이트 전극(307) 대신에 우측 게이트 세그먼트(510)와 좌측 세그먼트(511)를 가지는 도 3에서 나타난 광전 음극을 보여준다. 이 구조의 결과는 전자 빔이 선택적으로 스위치 온 될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 5에서 우측 게이트 세그먼트(510)는 10V의 바이어스 전압에서 최대 온으로 유지되고 좌측세그먼트(511)는 -10V의 바이어스 전압에서 최대 오프로 유지된다. 결과의 전계는, 가속 전자들이 광전 음극(500)의 우측 게이트 세그먼트(510) 부근의 방출 영역으로부터 방출되는 동안, 좌측 게이트 세그먼트(511) 부근의 방출 영역(305)에 의해 방출된 전자들을 반사한다. 결과의 전자 빔(504)은, 이 예에서는, 방출 영역(305)의 절반의 이미지이다. 결과의 전자 빔(504) 분포는 균일하지 않고 우측게이트 세그먼트(510) 부근에서 가장 강하고 두 세그먼트들(510 및 511) 사이의 가운데 지점에서 본질적으로 오프이다.FIG. 5 shows the photocathode shown in FIG. 3 with a right gate segment 510 and a left segment 511 instead of a single segment gate electrode 307. The result of this structure is that the electron beam can be switched on selectively. For example, in FIG. 5, the right gate segment 510 is kept at maximum on a bias voltage of 10V and the left segment 511 is at maximum off at a bias voltage of -10V. The resulting electric field reflects electrons emitted by the emission region 305 near the left gate segment 511 while the accelerated electrons are emitted from the emission region near the right gate segment 510 of the photocathode 500. . The resulting electron beam 504 is in this example an image of half of the emission area 305. The resulting electron beam 504 distribution is not uniform and is strongest near the right gate segment 510 and essentially off at the middle point between the two segments 510 and 511.
도 6A는 네 개의 세그먼트 게이트 전극 구성의 평면도를 나타낸다. 게이트 세그먼트들은 세그먼트 A(601), B(602), C(603) 및 D(604)이다. 이 예에서 방출 영역(305)은 정사각형이다. 방출 영역(305)은 어떤 모양일 수도 있지만 바람직하게는 정사각형이다. 다른 유용한 모양들은 원, 정사각형, 팔각형, 및 육각형을 포함한다.6A shows a top view of a four segment gate electrode configuration. Gate segments are segments A 601, B 602, C 603 and D 604. In this example the emitting region 305 is square. The emission area 305 may be of any shape but is preferably square. Other useful shapes include circles, squares, octagons, and hexagons.
도 6B는 게이트 세그먼트들 A(601), C(603), 및 D(604)가 온(즉, +10V로 유지)되고 게이트 세그먼트 B(602)가 오프(즉, -10V로 유지)될 때 발생하는 전자 빔(504)의 평면도를 나타낸다. 도 6C는 게이트 세그먼트들 B(602) 및 C(603)가 오프되고 게이트 세그먼트 A(601) 및 D(604)가 온 될 때 발생하는 전자 빔(504)의 평면도를 나타낸다. 다른 형상의 전자 빔들도 게이트 전극들의 세그먼트들의 전압을 선택적으로 제어함으로써 형성될 수 있다. 이 능력은 다양한 다른 작업들을 위한 유용한 광전 음극 어레이들을 제작하는데 큰 융통성을 제공한다. 도 10은 전자 빔 리소그래피(lithography)를 위한 전자 빔 기둥에서 사용되는 분할된 게이트 전극을 가지는 광전 음극을 나타낸다.6B shows when gate segments A 601, C 603, and D 604 are on (i.e., maintained at + 10V) and gate segment B 602 is off (i.e., maintained at -10V). A plan view of the generated electron beam 504 is shown. 6C shows a top view of the electron beam 504 that occurs when gate segments B 602 and C 603 are off and gate segments A 601 and D 604 are on. Other shaped electron beams can also be formed by selectively controlling the voltage of the segments of the gate electrodes. This ability provides great flexibility in making useful photocathode arrays for a variety of different tasks. 10 shows a photocathode having a split gate electrode used in an electron beam pillar for electron beam lithography.
일반적으로, 어떤 수의 게이트 세그먼트들도 사용될 수 있다. 게이트 세그먼트들이 더 많을수록, 광전 음극의 사용자는 주어진 방출 영역으로부터 생성된 전자 빔에 대한 더 많은 제어를 가질 수 있다. 이 능력은 반도체 기판들 상으로 소자들을 효과적으로 기록하는데 있어서 매우 중요할 수 있다. 또한, 저항들이 위에서설명된 바와 같이, 전자 빔 강도에 대한 셀프 바이어싱 제어를 제공하기 위해 게이트 전극의 개별 세그먼트들과 포토이미터 사이에서 결합될 수 있다.In general, any number of gate segments may be used. The more gate segments there are, the more users of the photocathode can have more control over the electron beam generated from a given emission region. This ability can be very important in effectively writing devices onto semiconductor substrates. In addition, resistors may be coupled between the photometer and the individual segments of the gate electrode to provide self biasing control for the electron beam intensity, as described above.
위에서 설명된 광전 음극들은 소형화 및 다중 광전음극 소스들로의 정밀 집적에 대해 도전성이다. 광전 음극 어레이는 광전 음극들을 정확하게 위치시킴으로써 단일 기판 상에 제작될 수 있다. 특히, 도 7A-7F는 종래의 반도체 프로세싱 단계들을 사용하여 도 4에 예시된 광전음극을 제조하는 프로세스를 도시한다. 예시된 프로세스는 광전 음극 어레이의 단지 단일 광전 음극만을 나타낸다. 그러나, 당업자는 이 예시로부터 다양한 방출 영역 형상 및 게이트 구조들을 갖는 정확하게 위치된 광전 음극을 가지는 광전 음극 어레이를 생산할 수 있다. 또한, 당업자는 본 발명에 따른 다른 광전 음극들을 제조하기 위하여 이 프로세스를 수정하거나 동일한 광전 음극 제조를 야기하는 방식으로 이 프로세스를 변경할 수 있다.The photovoltaic cathodes described above are conductive for miniaturization and precision integration into multiple photocathode sources. The photocathode array can be fabricated on a single substrate by accurately positioning the photocathode cathodes. In particular, FIGS. 7A-7F illustrate a process of manufacturing the photocathode illustrated in FIG. 4 using conventional semiconductor processing steps. The illustrated process shows only a single photoelectric cathode of the photocathode array. However, one of ordinary skill in the art can produce a photocathode array with accurately positioned photocathode cathodes having various emission region shapes and gate structures from this example. In addition, those skilled in the art can modify this process to produce other photocathode cathodes according to the present invention or alter this process in a way that results in the same photocathode production.
도 7A는 도전성 막의 불투명 층이 유리 용융 실리카, 또는 사파이어와 같은 투명한 기판(401) 상에 증착되는 프로세스의 제 1 단계를 나타내는 단면도이다. 바람직하게는, 투명 기판(401)은 유리 기판이다. 도 7B에서 나타난 바와 같이, 도전성 막은 마스크되고 방출 영역(410)을 형성하기 위한 적절한 크기와 형상을 가지는 윈도우가 도전성 막을 통하여 에치된다. 게이트 절연체(406)는 이때 도전성 막(408) 상에 증착되고 또한 방출 영역(410)의 윈도우를 매입(fill)한다. 게이트 절연체(406)는 어떤 전기적 절연체일 수 있지만 바람직하게는 SiO2이다. 게이트 전극 층(407)은 도 7D에 나타난 바와 같이 이때 게이트 절연체(406)의 상부 상에 증착된다.7A is a cross-sectional view illustrating a first step of a process in which an opaque layer of a conductive film is deposited on a transparent substrate 401 such as glass fused silica or sapphire. Preferably, the transparent substrate 401 is a glass substrate. As shown in Figure 7B, the conductive film is masked and a window having a suitable size and shape for forming the emission region 410 is etched through the conductive film. Gate insulator 406 is then deposited on conductive film 408 and also fills the window of emission region 410. Gate insulator 406 may be any electrical insulator but is preferably SiO 2 . Gate electrode layer 407 is then deposited on top of gate insulator 406 as shown in FIG. 7D.
게이트 절연체(406)는 이때 마스크되고 도 7E에서 나타난 바와 같이 구멍(hole;411)이 게이트 전극 층(407) 및 절연체 막(406)을 통하여 에치된다. 구멍(411)은 방출 영역(410)과 정렬되고 방출 영역(410)보다 약간 크다. 또한, 모든 절연체 막(406)이 이 에치에 의해 방출 영역(410)의 윈도우로부터 제거된다.The gate insulator 406 is then masked and a hole 411 is etched through the gate electrode layer 407 and insulator film 406 as shown in FIG. 7E. The hole 411 is aligned with the emission area 410 and is slightly larger than the emission area 410. In addition, all of the insulator film 406 is removed from the window of the emission region 410 by this etch.
도 7F에서, 선택적 등방성 에치는 게이트 전극(407)이 구멍(411)에서 형성된 개구 및 리세스된 구멍(412) 위로 돌출하도록 절연체 막(406)의 리세스된 구멍(412)들을 생성한다. 마지막으로, 광전 음극 물질(402)이 열 이베포레이션(thermal evaporation)와 같은 직접 증착 기술을 이용하여 포인트 소스나 이온화된 스퍼터 증착으로부터 증착된다. 이 최종 증착은 광전 음극(400)을 자기-정렬된(self-aligned) 게이트 애퍼쳐(aperture)로 형성하고 광전 음극이 도전층(408)과 전기적으로 연결되지만 게이트 전극들(407)로부터 전기적인 격리를 유지하도록 형성된다.In FIG. 7F, the selective isotropic etch creates recessed holes 412 in the insulator film 406 such that the gate electrode 407 protrudes over the openings formed in the holes 411 and the recessed holes 412. Finally, photocathode cathode 402 is deposited from point source or ionized sputter deposition using a direct deposition technique such as thermal evaporation. This final deposition forms the photovoltaic cathode 400 into a self-aligned gate aperture and the photocathode is electrically connected to the conductive layer 408 but electrically from the gate electrodes 407. It is formed to maintain isolation.
부가하여, 이 프로세스에 의해 제조된 광전 음극들의 어레이에서, 각 광전 음극들을 둘러싸는 각 게이트 전극 세그먼트들은 게이트 전극 층(407)이 증착될 동안 게이트 전극(406)을 적절히 마스킹함으로써 형성될 수 있다. 대안으로, 게이트 전극 층(407)은 개별 게이트 세그먼트들을 형성하기 위하여 개별적으로 에치될 수 있다. 또한, 게이트 전극 세그먼트들을 패드(pad)들에 연결한 인터커넥트(interconnect) 라인들은 게이트 전극 세그먼트들을 따라 형성되거나 후속 프로세스 단계에서 증착될 수 있다.In addition, in the array of photoelectric cathodes fabricated by this process, each gate electrode segment surrounding each photoelectric cathode can be formed by appropriately masking the gate electrode 406 while the gate electrode layer 407 is being deposited. Alternatively, gate electrode layer 407 may be individually etched to form individual gate segments. In addition, interconnect lines connecting the gate electrode segments to the pads may be formed along the gate electrode segments or deposited in a subsequent process step.
대안의 제조 방법에서, 기판은 도전층(408), 게이트 절연체(406) 및 게이트 전극(407)으로 우선 코팅될 수 있다. 윈도우(411)가 이때 모든 막들을 통하여 투명 기판(401)까지 에치된다. 선택적 등방성 에치를 사용하여, 게이트 전극(407)의 개구는 도전층(408)의 상응하는 윈도우(410)에 대해 약간 확대될 수 있다. 또한 대안으로, 게이트 전극들의 다중 세그먼트들은 게이트 전극(407)의 절연 틈들(breaks)을 등방성으로 에칭함으로써 구멍들 각각의 주위에 생성된다.In an alternative manufacturing method, the substrate may first be coated with a conductive layer 408, a gate insulator 406, and a gate electrode 407. The window 411 is then etched through all the films to the transparent substrate 401. Using an optional isotropic etch, the opening of the gate electrode 407 can be slightly enlarged relative to the corresponding window 410 of the conductive layer 408. Also alternatively, multiple segments of the gate electrodes are created around each of the holes by isotropically etching the insulating breaks of the gate electrode 407.
일부 실시예들에서, 기판(401)의 표면은 광 빔을 포토이미터(402)의 방출 영역(410)에 상응하는 조사 지역 상으로 집중시키기 위한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 포토이미터(402) 자신도 광전 음극으로부터 방출된 결과의 전자 빔을 더 잘 집중시키기 위한 형상으로 형성될 수 있다.In some embodiments, the surface of the substrate 401 may be formed into a shape for concentrating the light beam onto an irradiation area corresponding to the emitting area 410 of the photoemitter 402. In addition, in some embodiments, photoemitter 402 itself may be formed in a shape to better focus the resulting electron beam emitted from the photocathode.
도 8은 패턴된 광전음극들의 4 X 4 어레이의 평면도를 나타낸다. 원, 직사각형, 육각형, 팔각형을 포함하는 어떤 형상도 제조될 수 있지만, 이 예의 방출 영역들(801)은 정사각형이다. 게이트 전극(804)은 각 방출 영역(801)을 완전히 둘러싼다. 비록 도 8에서는 단일 세그먼트 게이트 전극이 나타나지만, 게이트 전극(804)은 방출 영역(801)으로부터의 전자 방출을 더 제어하기 위하여 일반적으로 다중 전극 세그먼트들로 제작된다. 게이트 전극(804)은 인터커넥트 라인(802)에 의하여 본딩 패드(bonding pad;803)에 연결된다. 본딩 패드(803) 및 인터커넥트(802) 모두는 바람직하게는 게이트 전극(804)과 동일한 물질로 만들어지지만, 게이트 전극(804)과 전기적 접촉을 만드는 어떤 도전체라도 사용될 수 있다. 일반적으로, 리소그래피 시스템들에서 어레이가 정사각형이 되도록 두 인접한 방출 영역들 사이의 물리적으로 분리되는 것이 바람직하다. 방출 영역들 사이의 최소 분리는 방출 영역의 물리적 크기들의 약 네 배 정도이다. 도 8에서, 현재의 미세 제조(microfabrication) 기술에 의한 정사각형 방출 영역의 크기는 0.1㎛만큼 작을 수 있다. 바람직하게는, 방출 영역의 측면 크기는 0.1㎛이다. 그러므로, 도 8에서 나타난 전체 4 X 4 어레이는 측면이 1.6㎛인 정사각형 내에서 제작될 수 있는데, 이것은 종래의 미세 제조 기술의 한계 내에 있다.8 shows a top view of a 4 × 4 array of patterned photocathodes. Any shape can be made, including circles, rectangles, hexagons, and octagons, but the emission regions 801 in this example are square. Gate electrode 804 completely surrounds each emission region 801. Although a single segment gate electrode is shown in FIG. 8, the gate electrode 804 is typically fabricated with multiple electrode segments to further control electron emission from the emission region 801. Gate electrode 804 is connected to bonding pad 803 by interconnect line 802. Both the bonding pads 803 and interconnects 802 are preferably made of the same material as the gate electrode 804, but any conductor that makes electrical contact with the gate electrode 804 can be used. In general, in lithographic systems, it is desirable to physically separate between two adjacent emission regions such that the array is square. The minimum separation between the emitting regions is about four times the physical sizes of the emitting regions. In FIG. 8, the size of the square emission region by current microfabrication techniques can be as small as 0.1 μm. Preferably, the side size of the emission area is 0.1 μm. Therefore, the entire 4 × 4 array shown in FIG. 8 can be fabricated in a square with sides 1.6 μm, which is within the limits of conventional microfabrication techniques.
도 9는 본 발명에 따라 마이크로칼럼(microcolumn;900) 내에 장착된 광전 음극 어레이의 측면도를 나타낸다. 마이크로 칼럼(900)은 배기된 챔버(미도시) 내에 포함된다. 광전 음극 어레이(910)의 기판은 레이저 광 소스를 광전 음극 어레이(910)의 조사 영역들 상으로 허용하는 진공 윈도우로서 충분하거나 대안으로, 광전 음극 어레이(910)는 챔버 내에서 완전히 둘러싸일 것이다. 전자 빔들(911)은 광전 음극 어레이(910)의 방출 영역들로부터 방출되고, 광전 음극 어레이(910)의 게이트 전극들(909)로의 제어 입력들에 의존하면서, 양극(901)을 통하여 가속된다. 양극(901)은 광전 음극(910)의 포토이미터들의 전압에 대해 일 킬로볼트에서 수십 킬로까지의 전압으로 유지된다. 제한 애퍼쳐(limiting aperture;902)는 목적하는 것보다 큰 방출 입체각(solid angle)을 가지는 빔들(911)의 부분을 막는다. 편향기(903)는 전자 빔들(911)에 포함된 방출 영역들의 이미지가 기판 전체에서 스캔(scan)되고 옆으로 이동되는 것을 허용한다. 전극(904, 905, 및 906)을 가지는 아인젤 렌즈는 이미지를 타겟(907)에 집중시키고 축소한다. 타겟(907)은 반도체 웨이퍼나 전자 빔 리소그래피를 위한 마스크 블랭크중의 하나이다.9 shows a side view of a photocathode array mounted within a microcolumn 900 in accordance with the present invention. The micro column 900 is included in an evacuated chamber (not shown). The substrate of the photovoltaic cathode array 910 is sufficient or alternatively a vacuum window that allows a laser light source onto the irradiation areas of the photovoltaic cathode array 910, so that the photovoltaic cathode array 910 will be completely enclosed within the chamber. The electron beams 911 are emitted from the emission regions of the photocathode array 910 and are accelerated through the anode 901, depending on the control inputs to the gate electrodes 909 of the photocathode array 910. The anode 901 is maintained at a voltage from one kilovolt to tens of kilos with respect to the voltage of the photo emitters of the photoelectric cathode 910. Limiting aperture 902 blocks a portion of beams 911 that have an emission solid angle greater than desired. The deflector 903 allows an image of the emission regions included in the electron beams 911 to be scanned and moved laterally throughout the substrate. Einzel lenses with electrodes 904, 905, and 906 focus and shrink the image on the target 907. The target 907 is one of a mask blank for semiconductor wafers or electron beam lithography.
광전 음극 어레이(910)는 어떤 수의 개별 광전 음극들도 포함할 수 있다. 각 개별 광전 음극들은 단일 세그먼트 게이트 또는 다중 세그먼트 게이트를 포함할 수 있다. 전자 빔(911)에서 형성된 이미지는 각 개별 광전 음극들의 방출 영역들 및 각 개별 광전 음극들의 게이트 전극들의 상태들에 의존한다. 예를 들어, 단일 세그먼트 게이트를 갖는 하나의 광전 음극을 가지는 광전 음극 어레이(910)는 오직 광전 음극의 방출 영역의 이미지만을 생산할 수 있다. 각각 개별적으로 제어되는 단일 세그먼트 게이트를 갖는 다중 광전 음극들을 가지는 광전 음극 어레이(910)에서는, "온"인 각 광전 음극들의 방출 영역들의 이미지들의 집합체들(conglomerates)을 형성하기 위하여, 개별적으로 제어되는 광전 음극들을 선택적으로 온 시킴으로써 다양한 이미지들이 형성될 수 있다. 일부 광전 음극들이 다중 분할된 게이트 전극들을 가지는 광전 음극 어레이(910)는 이미지들이 개별 광전 음극들의 방출 영역들의 부분들을 사용하여 형성될 수 있기 때문에 가장 융통성 있다.The photovoltaic cathode array 910 can include any number of individual photovoltaic cathodes. Each individual photocathode may comprise a single segment gate or multiple segment gates. The image formed in the electron beam 911 depends on the emission regions of each individual photocathode and the states of the gate electrodes of each individual photocathode. For example, a photocathode array 910 having one photocathode with a single segment gate can only produce an image of the emission region of the photocathode. In a photocathode array 910 having multiple photovoltaic cathodes with a single segment gate each individually controlled, individually controlled to form conglomerates of the emission regions of the respective photocathode cathodes that are "on". Various images can be formed by selectively turning on the photocathode cathodes. The photovoltaic cathode array 910, where some photocathodes have multiple divided gate electrodes, is most flexible because images can be formed using portions of the emission regions of the individual photocathodes.
한 실시예에서, 빔(911)의 전체 방출된 입체각이 사용되도록 제한 애퍼쳐(902)는 사용되지 않는다. 대신, 빔(911)을 블랭크(blank)하기 위해, 즉, 빔(911)으로부터 타겟의 노출을 방지하기 위해 게이트 전극들(909)이 사용된다. 따라서, 마이크로칼럼(900)의 길이는 감소되고 그러므로 전자-전자 상호 작용들이 감소된다. 그러한 전자-전자 상호 작용들은 타겟(907)상에 빔들(911)에 의해 형성된 이미지를 흐리게 한다.In one embodiment, the limiting aperture 902 is not used so that the full emitted solid angle of the beam 911 is used. Instead, gate electrodes 909 are used to blank the beam 911, that is, to prevent exposure of the target from the beam 911. Thus, the length of the microcolumn 900 is reduced and therefore the electron-electronic interactions are reduced. Such electron-electronic interactions blur the image formed by the beams 911 on the target 907.
도 10은 단일 광전 음극(1004)을 가지는 전자 소스(1001)를 나타낸다. 광전음극(1004)은 방출 영역(1002) 및 네 개의 세그먼트 게이트 구조(1003)를 가진다. 네 개의 세그먼트 게이트 구조는 방출 영역(1002)을 선택적으로 이미징할 수 있다. 도 10의 예에서, 네 개의 세그먼트 게이트 구조(1003)는 방출 영역(1002)의 절반에 해당하는 전자 빔 이미지의 형상을 형성하기 위해 사용된다. 전자 빔 이미지를 운반하는 전자 빔은 익스트랙션(extraction) 전극(1005)에 의해 광전 음극(1004)에서 뽑아진다. 축소 렌즈(1006)는 최종 형상의 빔 이미지를 형성하기 위해 전자 빔 이미지를 웨이퍼 또는 마스크 블랭크(1008) 상으로 축소한다. 최소 수의 구성 요소들을 가지는 도 10에서 나타난 시스템은 형상이 형성된 전자 빔 칼럼들이 최소량의 공간 및 특히 길이를 사용하여 제작되도록 하고, 그리하여 전자-전자 상호 작용들의 효과를 감소시킨다.10 shows an electron source 1001 with a single photoelectric cathode 1004. The photocathode 1004 has an emission region 1002 and a four segment gate structure 1003. The four segment gate structure can selectively image the emission region 1002. In the example of FIG. 10, four segment gate structures 1003 are used to form the shape of an electron beam image that corresponds to half of the emission region 1002. The electron beam carrying the electron beam image is drawn from the photocathode cathode 1004 by the extraction electrode 1005. The reduction lens 1006 reduces the electron beam image onto the wafer or mask blank 1008 to form a beam image of the final shape. The system shown in FIG. 10 with a minimum number of components allows shaped electron beam columns to be fabricated using a minimum amount of space and in particular lengths, thereby reducing the effect of electron-electronic interactions.
도 11은 도 10에 나타난 전자 빔 칼럼에 대비하여, 통상의 가변 형상 전자 빔 칼럼을 나타낸다. 전자 빔은 전자 소스(1101)에서 형성된다. 전자 빔은 헥사보로나이드 란탄, LaB6,과 같은 열이온 음극이거나 도 3에서 나타난 것에 유사한 단일 게이트된 광전 음극일 수 있다. 전자 빔은 형상 전자 빔을 형성하기 위해 정사각형 애퍼쳐(1102)에 의해 형상이 형성된다. 형상 전자 빔은 전자 렌즈(1103)에 의해 영역(1110)으로 집중된다. 스팟 형상 편향기(1104)는 형상 전자 빔이 이동되도록 초점 영역(1110)에서 전자 빔을 편향시킨다. 형상 전자 빔은 이때 중간 형상 전자 빔을 형성하기 위해 정사각형 애퍼쳐(1105)를 관통한다. 정사각형 애퍼쳐(1102)에 의해 형성되는 이미지의 일부만이 중간 형상 빔 이미지로 통과되도록 정사각형 애퍼쳐(1105)는 애퍼쳐와 겹치는 전자 빔의 부분은 통과시키고 애퍼쳐 외부의 전자 빔의 부분은 막는다. 축소 렌즈(1106)는 이미지를 축소하고 웨이퍼 또는 블랭크(1109) 상의 최종 형상 빔 이미지(1108) 상으로 이미지를 집중시킨다. 리소그래피 시스템들의 수율은 일반적으로 전체 빔 전류에 의해 제한된다. 전체 빔 전류가 증가될 때, 빔에서의 전자-전자 상호 작용들이 번짐(blur)을 야기하고, 그것은 타겟 상에 기록된 패턴의 해상도를 저하시킨다. 전체 빔 전류가 몇 개의 칼럼들 사이에서 균일하게 분포된다면, 각 칼럼들은 더 낮은 빔 전류를 발생시킨다. 따라서, 각 칼럼은 더 적은 번짐 및 이로 인한 더 높은 해상도를 가지는 이미지들을 발생시킨다. 또한, 빔 전류의 분포는 더 높은 전자 전류 밀도를 허용하는데, 이는 칼럼들이 리소그래피에서 사용될 때 더 높은 수율을 허용한다.FIG. 11 shows a typical variable shape electron beam column, compared to the electron beam column shown in FIG. 10. The electron beam is formed at the electron source 1101. The electron beam may be a thermal ion cathode , such as hexaboronide lanthanum, LaB 6, or a single gated photoelectric cathode similar to that shown in FIG. 3. The electron beam is shaped by the square aperture 1102 to form a shaped electron beam. The shape electron beam is concentrated in the area 1110 by the electron lens 1103. The spot shape deflector 1104 deflects the electron beam in the focus region 1110 such that the shape electron beam is moved. The shaped electron beam then penetrates through the square aperture 1105 to form an intermediate shaped electron beam. Square aperture 1105 passes a portion of the electron beam that overlaps the aperture and blocks a portion of the electron beam outside the aperture so that only a portion of the image formed by square aperture 1102 passes through the intermediate shape beam image. The reduction lens 1106 shrinks the image and focuses the image onto the final shape beam image 1108 on the wafer or blank 1109. The yield of lithographic systems is generally limited by the total beam current. When the total beam current is increased, electron-electron interactions in the beam cause blur, which lowers the resolution of the pattern recorded on the target. If the total beam current is distributed evenly among several columns, each column generates a lower beam current. Thus, each column produces images with less blurring and hence higher resolution. In addition, the distribution of beam currents allows for higher electron current densities, which allows higher yields when the columns are used in lithography.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 12A에서 간략하게 묘사된 바와 같이, 다중 마이크로칼럼들(1201-1에서 1201-4)은 어레이(1200)에서 배열된다. 광전 음극 어레이(910) 및 게이트 전극들(909)(도 9)의 조합을 대전된 입자 빔들의 소스로서 사용하는 어떤 마이크로칼럼도 적절하다. 예를 들어, 마이크로칼럼(900)(도 9)은 마이크로 칼럼들(1201-1에서 1201-4) 중 어느 것의 예시적 실시예이다. 도 12A에서, 빔 소스(1202-1)는 광전 음극 어레이(910) 및 게이트 전극들(909)의 조합을 가리킨다. 빔 소스들(1202-2에서 1202-4)은 1202-1에 유사하다. 어레이(1200)의 마이크로칼럼들(1201-1에서 1201-4)은 각각의 빔들(1204-1에서 1204-4)을 반도체 웨이퍼 또는 전자 빔 리소그래피를 위한 마스크 블랭크 중 하나인 타겟(1206)으로 선택적으로 방출한다.In accordance with one embodiment of the present invention, as depicted briefly in FIG. 12A, multiple microcolums 1201-1 through 1201-4 are arranged in array 1200. Any microcolumn using a combination of photoelectric cathode array 910 and gate electrodes 909 (FIG. 9) as a source of charged particle beams is suitable. For example, microcolumn 900 (FIG. 9) is an exemplary embodiment of any of microcolums 1201-1 through 1201-4. In FIG. 12A, beam source 1202-1 indicates a combination of photoelectric cathode array 910 and gate electrodes 909. Beam sources 1202-2 through 1202-4 are similar to 1202-1. The microcolums 1201-1 through 1201-4 of the array 1200 selectively select each of the beams 1204-1 through 1204-4 as a target 1206 which is either a semiconductor wafer or a mask blank for electron beam lithography. To emit.
어레이의 양쪽 크기들에 있어 어레이(1200)에서 인접한 마이크로칼럼들 사이의 핏치(중심에서 중심까지의 거리)는, 예를 들어, 2㎝인데, 이것은 각 마이크로칼럼들의 하우징(housing)을 포함하는 개별 마이크로칼럼들의 전형적인 직경이다. 단일 마이크로칼럼의 "풋프린트(footprint)", 즉, 직경은 2㎝이하 이고, 그러므로, 많은 마이크로칼럼들이, 예를 들어 통상의 9인치 또는 12인치 직경 반도체 웨이퍼의 풋프린트(영역)를 차지하는 어레이에 배열될 수 있다.For both sizes of the array, the pitch (distance from center to center) between adjacent microcolumns in the array 1200 is, for example, 2 cm, which is an individual comprising a housing of each microcolumn. Typical diameter of microcolumns. The "footprint" of a single microcolumn, i.e., 2 cm or less in diameter, therefore, an array in which many microcolumns occupy the footprint (area) of a typical 9 "or 12" diameter semiconductor wafer, for example. Can be arranged to.
물론, 어레이(1200)의 마이크로 칼럼들의 배열이, 예를 들어, M과 N이 각각 X 및 Y 방향으로의 마이크로칼럼들의 숫자를 나타내는 M X N 크기의 2 방향 어레이 중 어떤 것으로도 변할 수 있다. 도 12B는 N X M 어레이의 평면도를 묘사한다. 이 배열은 제한적인 것이 아니다.Of course, the arrangement of the micro columns of the array 1200 can vary, for example, into any of the two-way arrays of size M X N where M and N represent the number of microcolumns in the X and Y directions, respectively. 12B depicts a top view of an N X M array. This array is not limiting.
다중 빔렛들(beamlets)을 발생시키기 위하여 광전 음극 어레이(910)를 사용함으로써, 각 마이크로 칼럼의 빔 전류는 다중 빔렛들로 분할되는데, 이것은 전자-전자 상호 작용들로 인한 번짐을 감소시키고 따라서 각 마이크로칼럼에 더 높은 전체 빔 전류를 허용한다. 결과적으로, 기록된 패턴의 수율이 증가한다.By using the photoelectric cathode array 910 to generate multiple beamlets, the beam current of each micro column is divided into multiple beamlets, which reduces bleeding due to electron-electronic interactions and thus each micro Allow higher total beam current in the column. As a result, the yield of the recorded pattern increases.
한 실시예에서, 어레이(1200)의 마이크로칼럼들은 단일 전자 빔 칼럼으로 마스크들을 만들기 위해 현재 사용되는 잘 알려진 MEBES 래스터 스캔(raster scan) 기록 접근과 같은 기록 방법들을 사용한다. 예를 들어, 이 MEBERS 기록 접근 방법전체를 개시하고 여기에 참조로서 포함된 IBM 미국 특허 제 4,818,885 및 Bell Labs 미국 특허 제 4,668,083호와 제 3,900,737호를 보라. 그러므로 마이크로칼럼들의 어레이(1200)를 사용하는 시스템 아키텍쳐(system architecture)는, 한 실시예에서, 기초 데이터 경로 및 다중 경로와 다중 픽셀(pixel) 기술들과 같은 MEBES를 위해 개발된 많은 다른 기술들 포함한다. 여기에 참조로서 전체가 포함된 IBM 미국 특허 제 5,393,987호 및 제 5,103,101호를 보라. 또한, 그레이 스케일(gray scale) 또는 형상 빔과 같이 다른 잘 알려진 전자 빔 리소그래피 기술들이 어레이(1200)와 함께 사용될 수 있다; 예로, 전체가 참조로서 여기에 포함된 IBM 미국 특허 제 5,213,916호, 제 5,334,467호, 제 4,568,861호, 및 제 4,423,305호를 보라.In one embodiment, the microcolumns of array 1200 use recording methods, such as the well known MEBES raster scan write approach currently used to make masks into a single electron beam column. See, for example, IBM US Pat. Nos. 4,818,885 and Bell Labs US Pat. Nos. 4,668,083 and 3,900,737, which disclose the entirety of this MEBERS recording approach and are incorporated herein by reference. Thus, a system architecture using an array of microcolumns 1200 includes, in one embodiment, many other techniques developed for MEBES, such as the underlying data path and multipath and multipixel technologies. do. See IBM US Pat. Nos. 5,393,987 and 5,103,101, which are incorporated by reference in their entirety. In addition, other well-known electron beam lithography techniques, such as gray scale or shape beams, can be used with the array 1200; See, for example, IBM US Pat. Nos. 5,213,916, 5,334,467, 4,568,861, and 4,423,305, which are incorporated by reference in their entirety.
위에서 설명된 예들은 단지 예증적인 것이다. 당업자에게 명백한 변형들은 본 발명의 범위에 속한다. 이와 같이, 이 출원은 오직 다음의 청구 범위에 의해서만 한정된다.The examples described above are merely illustrative. Modifications apparent to those skilled in the art are within the scope of the present invention. As such, this application is limited only by the following claims.
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