KR20020026532A

KR20020026532A - 전자 빔 소스용의 패터닝된 열전도 포토캐소드

Info

Publication number: KR20020026532A
Application number: KR1020027000341A
Authority: KR
Inventors: 페르난데즈안드레스; 만코스마리안; 창타이-혼필립; 리킴; 코일스티븐티
Original assignee: 조셉 제이. 스위니; 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-04-10
Also published as: US6376984B1; WO2001009913A3; WO2001009913A2; JP2003506823A; EP1200977A2; AU6238000A

Abstract

돌출부를 정의하도록 패터닝된 투광성 기판, 돌출부를 포위하는 공간을 점유하는 열전도 재료, 및 돌출부 상의 포토이미터층을 갖는, 전자 빔의 소스로서의 포토캐소드 이미터. 단일의 방출 영역을 갖는 포토캐소드는 단일의 전자 빔을 제공하며, 다중의 방출 영역을 갖는 포토캐소드는 다중의 전자 빔을 제공한다. 포토이미터는 조광이 입사하는 표면에 마주하는 기판면 상에 위치하고, 기판 상에 패터닝된 돌출부의 상단과 접촉하는 조사 영역 및 조사 영역에 마주하는 방출 영역을 가지며, 이들 영역은 조광의 경로에 의해 범위가 한정된다. 돌출부 주위의 열전도 재료는 포토캐소드상의 이러한 조광 집광 영역으로부터 열을 전도한다. 금, 구리 및 플라티늄과 같은 열전도 재료의 열전도율은 포토캐소드에서 일반적으로 이용되는 기판 재료인 용융 실리카의 열전도율보다 적어도 200배 이상이다. 이는 조사 영역/방출 영역 경계면으로부터 열을 효율적으로 전도하고, 따라서 높은 전류를 포토캐소드로부터 획득할 수 있다. 따라서, 이는 전자 빔 리소그래피를 포함하는 애플리케이션에서 더 높은 스루풋 레이트를 가능하게 한다. 포토캐소드가 마이크로패브리케이션 기술을 이용하여 제조되기 때문에, 매우 작은 방출 스폿 사이즈 (1 ㎛ 이하, 대략적으로는 기판으로부터의 돌출부의 팁의 직경에 대응하는) 를 획득할 수 있다. 결과적으로, 더 낮은 칼럼 축소가 타깃에서 주어진 빔 사이즈를 획득하는 데 필요하다. 더 낮은 칼럼 축소는 더 짧은 칼럼에서 획득할 수 있고, 전자-전자 상호작용으로 인한 흐림을 감소시킨다. 이는 더 큰 전류가 칼럼에서 이용될 수 있게 하며, 또한 스루풋 레이트를 증가시킨다.

Description

전자 빔 소스용의 패터닝된 열전도 포토캐소드 {PATTERNED HEAT CONDUCTING PHOTOCATHODE FOR ELECTRON BEAM SOURCE}

주사형 전자 현미경, 결함 검출 장치, VLSI 검사 장비, 및 전자 빔 (e-빔) 리소그래피를 포함하는 여러 분야에서, 전자 빔 (e-빔) 소스를 이용한다. 일반적으로, e-빔 시스템은 전자 빔 소스와 전자 광학 기기로 이루어진다. 소스로부터 전자를 가속, 집광시켜서 타깃 (target) 에 이미지를 정의한다. 일반적으로, 이 시스템은 고휘도를 갖는 물리적으로 소형인 전자 소스를 이용한다.

최근 수 년 동안의 광 리소그래피 기술의 향상으로 인해 집적회로에서 회로 소자의 라인폭이 상당히 감소하였다. 머지 않아, 광학적 방법은 그 분해능 한계에 도달할 것이다. 더 작은 라인폭을 갖는 집적회로 소자 (예를 들어, 약 0.1 ㎛ 보다 작은 라인폭을 갖는 소자) 를 제조하는 데, X-레이 또는 전자와 관련되는 더 짧은 파장 때문에 1 ㎛ 보다 훨씬 작은 분해능을 제공할 수 있는 X-레이 리소그래피 또는 e-빔 리소그래피와 같은 새로운 기술이 요청되고 있다.

e-빔 리소그래피 (하전 입자빔 리소그래피라고도 함) 에서는, 예를 들어 전자 소스로부터의 전자 빔을 기판을 조사한다. 전자는 그 기판 표면 상의 레지스트층 (이 경우에, 전자 감지성 레지스트) 을 노출시킨다. 전자 빔 리소그래피는 전자 빔을 집광하기 위해 소위 "전자 렌즈" 를 이용한다. 이는 광학 (광) 렌즈가 아니고, 정전 렌즈 (electrostatic lens) 또는 자기 렌즈 (magnetic lens) 이다. 일반적으로, 전자 빔 리소그래피는 마스크를 제조하는 데 이용하지만, 반도체 웨이퍼의 직접 노광 (direct exposure) 에도 이용할 수 있다.

현대의 리소그래피 시스템들은 고분해능 뿐만 아니라 고속 기록 시간 (높은 스루풋 레이트) 을 획득해야 하므로, 그들의 전자 빔은 고휘도를 가져야하며, 전자 빔의 경우에 높은 전류밀도를 요구한다. 특히, 이 특성은, 전자 빔이 고속으로 주사되고 변조되어 반도체 칩 기판 상에 고도로 복잡한 회로의 이미지를 직접 투사 (投射) 할 수 있는, 소위 직접 기록 애플리케이션에서 중요하다.

전자-빔 리소그래피 시스템에서 다중 빔을 이용하는 주 동기는, 각 빔에 공간 전하 효과를 최소화하면서 전달될 수 있는 전체 전류를 증가시키는 것이다. 도 1 은 각각의 강도를 독립적으로 조절하는 광 빔의 어레이를 집광하여, 전송 모드에서 포토캐소드 (포토캐소드는 광전자 방출층 상에 집광되는 광 빔에 의해 배면조광 (back-illuminate) 된다) 상으로 다중의 전자 빔을 생성하는, 소위 "하이브리드" 다중 e-빔 리소그래피의 한 타입의 측면을 도시한다. 광전자 방출층으로부터 방출된 전자 빔을 가속시켜, 집광한 후, 종래의 전자-광학 칼럼 (electron-optical column) 을 이용하여 마스크 또는 웨이퍼에 걸쳐서 주사한다.

포토 리소그래피 서브 시스템의 타입에 따라서, 도시된 x 축 및 y 축의 하나또는 양쪽을 따라서 이동하거나 이동하지 않는 종래의 스테이지 (124) 상에 포토 리소그래피에 현재 이용하고 있는 타입의 종래의 마스크 (118; 망선(網線)) 를 배치한다. 광 소스는, 예를 들어 포토리소그래피에 현재 이용되는 타입의, 종래의 UV 광 소스 또는 레이저 조광 시스템 (laser illumination system ; 114) 으로서, 마스크 (118) 의 투명 부분을 통과하는 레이저 조광 광 (laser illumination light) 의 상대적으로 대구경의 빔 (116) 을 제공한다. 마스크는, 불투명한 영역이 위치하는 입사광 (116) 에 대해 투명한 기판이다. 기판의 투명 부분은 마스크 (118) 에 의해 전사할 이미지를 정의한다. 일반적으로, 이러한 마스크는 1 층의 단일의 집적회로 다이의 전체 패턴으로 이루어진다. 일반적으로, 마스크는 그 X, Y 치수에 있어, 이미징할 실제 다이 사이즈의 수배이다.

광-광학 렌즈 시스템 (128; 실제로 다수의 개별 렌즈 구성을 포함하는 렌즈 시스템) 은 마스크 (118) 을 통과한 광 (126) 을 집광한다. 광-광학 렌즈 시스템 (128) 은 1 : 1 렌즈 시스템이거나, 또는 입사 이미지 (126) 를 예를 들어 1/4 또는 1/5 로 축소하여 대상물 (object) 에 입사하는 이미지 (130) 를 형성하는 축소 렌즈 시스템이다. 마스크 사이즈가 제한되는 경우, 1 : 1 비율이 보다 유리하다. 이 경우에, 대상은 반도체 기판이 아니라 광전자 방출 캐소드 (132) 의 감광성 배면 (photosensitive backside) 이다. 예를 들어, 광전자 방출 캐소드 (132) 는 0.5 마이크로 미터 이하의 최소 배선폭을 정의하며 최소 배선폭은 시스템의 파라미터에 좌우된다. 예를 들어, 광전자 방출 캐소드 (132) 는 투명 기판 상에 디포지션 (deposition) 한 금층 (gold layer) (또는 다른 금속층) 이다.

광전자 방출 캐소드 (132) (여기서는, 다른 구성요소들과 같이 단순화된 형태로 도시함) 는 입사 광자 (126) 를 흡수하는 광전자 방출 캐소드층 (134) 을 포함하고, 광전자 방출층 (134) 에 존재하는 전자를 진공 레벨 위로 여기한다. 광전자 방출층 (134) 에서 탈출하기에 충분한 에너지를 보유하는 전자 (138) 의 일부는 광전자 방출층 (134) 으로부터 광전자 방출 캐소드 하류의 진공 부분 (140) 으로 방출한다. 전기 전압 (일반적으로 수 킬로 볼트 내지 수십 킬로 볼트) 을 광전자 방출 캐소드 (132) 와 관련되는 추출 전극 (142; extraction electrode) 에 인가한다. 추출 전극 (142) 은 광전자 방출층 (134) 으로부터 탈출한 전자 (138) 를 추출하고 그들을 가속한다. 따라서, 가속된 전자 (146) 는 입사 광자 (130) 의 가상 이미지를 형성한다. 실제로, 광전자 방출 캐소드 (132) 및 추출 전극 (142) 은 발산 렌즈 (divergent lens) 를 형성한다.

또한, 추출 전극 (142) 의 바로 하류측에는 수차 (aberration) 를 감소하는 자기 (또는 정전) 렌즈 (미도시) 가 있을 수 있다 (통상적으로 자기 렌즈는 코일과 자기막대의 세트, 및 전자 빔을 집광하는 요크 (yoke) 이다). 이러한 전자 빔 시스템은 10 nm 이하의 분해능을 제공한다. 시스템의 이 부분의 바로 다음 (하류측) 에는, 하나 이상의 전자 렌즈 및 정렬, 편향 및 귀선 소거 시스템 (152; alignment, deflection and blanking system; 도 1 에서는 개략적으로만 도시함) 으로 이루어지는 종래의 전자 광학 렌즈 시스템 (150) 이 위치한다.

또한, 이 렌즈 시스템은 소정의 최소 배선폭을 획득하도록 결정된 계수로 웨이퍼 (158) 의 주 표면의 면인 기록 평면에 가상 이미지 (146) 를 축소한다.예를 들어, 광전자 방출 캐소드에서 0.5 ㎛ 의 최소 배선폭이 분해될 경우, 웨이퍼 (158) 의 100 나노미터의 최소 배선폭에 대해 5 배의 전자빔 축소율이 필요하다. 이는 웨이퍼 (158) 상에서 대략 1 mm × 1 mm 의 전체 영역이 노출될 때, 광전자 방출 캐소드층 (134) 상에는 5 mm × 5 mm 의 전체 조광 영역이 요구되는 것을 의미한다. 유사하게, 4 : 1 의 축소율에 대해, 마스크 (18) 상에는 20 mm × 20 mm 의 영역이 노광되고, 1 : 1 비율에 대해 5 mm × 5 mm 영역이 노출광다. 물론, 이들은 단지 예시적인 파라미터이다.

전체 축소율 및 노광된 웨이퍼 영역을 변경하여 원하는 최소 배선폭 및 스루풋을 획득할 수 있다. 일반적으로, 종래와 같이, 전자 빔 레지스트 층 (160) 을 포함하는 웨이퍼 (158) 는 x, y, 및 z 축으로 이동할 수 있는 스테이지 (164) 상에 지지된다. 공지된 광 빔 서브시스템 및 전자 빔 서브 시스템의 다른 구성요소들은 미도시되었으나, 모두 리소그래피 분야에서 공지된, 예를 들어, 스테이지 상의 마스크 및 웨이퍼의 정확한 위치를 결정하는 레이저 간섭계를 이용하는 위치 측정 시스템, 진공 시스템, 스테이지를 지지하기 위한 에어 베이링 지지체 (air bearing support), 외부 영향을 감소하는 다양한 진동 흡수 메카니즘과 아이솔레이션 메카니즘, 및 적절한 제어 시스템을 포함한다.

편향 시스템 (152) 은 마스크/웨이퍼 오정렬 (misalignment), 진동, 열 및 다른 영향으로 인한 위치 에러를 보상하는 데 이용할 수 있으며, 매우 작은 편향 진폭만을 이용한다.

도 2 는 투광성 기판 (201) 및 광전자 방출층 (202) 을 갖는 포토캐소드의일부분의 측단면을 도시한다. 포토캐소드 어레이 (200) 는 조사 영역 (205; irradiation region) 에서 광전자 방출층 (202) 상에 집광되는 광 (레이저) 빔 (203) (도시된 바와 같이 정의된 인벨로프를 갖는) 에 의해 배면 조광 (back-illuminate) 된다. 광전자 방출층 (202) 상으로의 배면 조광의 결과, 각각의 조사 영역 (205) 에 마주하는 방출 영역 (208; emission region) 에서 전자 빔 (204) 이 발생한다. 포토이미터가 전면 조광 (front-illuminate) 되는, 즉 전자 빔이 방출되는 포토이미터의 표면상에 광 빔이 입사하는 다른 시스템들이 공지되어 있다.

광전자 방출층 (202) 은, 광으로 조사할 때 전자를 방출하는 임의의 재료로 제조한다. 이러한 재료로는 금속막 (금, 알루미늄, 등) 을 포함하며, 네가티브형 친화 (NEA) 포토캐소드의 경우에는, 반도체 재료 (특히, 갈륨 비화물 같은 III 족 및 그룹 Ⅴ족 화합물) 를 포함한다. Baum (미국 특허 번호 제 5,684,360 호) 는, 네가티브 전자 친화 포토캐소드 (negative electron affinity photocathode) 의 광전자 방출층을 개시하고 있다.

재료의 일함수보다 큰 에너지를 갖는 광자로 조사할 때, 광전자 방출층 (202) 은 전자를 방출한다. 이렇게 생성된 전자 빔은 영역 (208) 아래에 나타나며, 영역 (208) 에서 교차하는 라인들으로 나타낸 측면 범위를 갖는다. 일반적으로, 광전자 방출층 (202) 은 접지되어, 전자가 보충 (replenish) 된다. 또한, 광전자 방출층 (202) 은, 방출영역 (208) 으로부터 방출된 전자 빔의 조사를 보다 우수하게 제어하기 위해 방출영역 (208) 에 형성될 수 있다.

광 빔 (203) 내의 광자는 적어도 광전자 방출층 (202) 의 일함수의 에너지를 갖는다. 방출 전자의 개수는 광 빔의 강도에 직접 비례한다. 조사 영역 (205) 에서 발생한 다수의 전자가 이동하여 결국에는 방출영역 (208) 으로부터 방출할 수 있을 만큼, 광전자 방출층 (202) 은 얇고, 광 빔 (203) 내의 광자 에너지는 크다.

투명 기판 (201) 은 광 빔에 대하여 투명하고, 종래의 칼럼 또는 마이크로 칼럼인 전자 빔 칼럼 내에서 포토캐소드 장치를 지지한다. 또한, 광 빔 (203) 에 대해 집광 렌즈를 제공하기 위하여 광 빔 (203) 이 입사하는 표면에 투명 기판 (201) 을 형성할 수 있다. 사파이어 또는 용융 실리카와 같은 다른 기판 재료도 이용할 수 있지만, 일반적으로 투명 기판 (201) 은 유리이다.

고전류를 특징으로 하는 다중 전자 빔 리소그래피에서의 전자 빔 소스로서 포토캐소드를 개발하는 데 중요한 과제 중의 하나는 포토캐소드 상에 집광된 조광 영역으로부터 열을 전도하는 능력에 있다. 어떤 빔 전류를 발생시키는 데 필요한 레이저 전력은 포토캐소드 재료의 변환 효율에 의존한다. 광전자 방출 과정의 상대적으로 낮은 변환 효율로 인해, 단위 면적당 상당한 양의 에너지가 이러한 영역에서 소멸한다. 예를 들어, 두께가 대략 15 nm 인 금박 (gold film) 을 광전자 방출층 (202) 으로 이용할 경우, 효율은 약 5 × 10^-5이고, 이는 100 nA 의 전자빔을 생성하는 데 5 mW 의 레이저 빔 전력이 필요하다는 것을 의미한다.

이러한 양의 전력이 박막 상에 작은 스폿 (대략 1 ㎛ 직경) 으로 집광될 때캐소드 지지 재료를 통한 전도에 의해 열 흐름이 제한된다. 이 전도 경로는 일반적으로 용융 실리카 (유리) 와 같은 통상의 투광성 기판 재표의 일반적으로 낮은 열전도율 때문에 비능률적이다. 따라서, 포토캐소드에서 상당한 온도 상승이 발생하게 된다. 용융 실리카 기판 및 1 ㎛ 의 스폿 사이즈에 대해, 15 nm 의 금박 (포토이미터로 이용됨) 은 1000 ℃ 의 온도로 가열된다. 적절히 냉각하지 않을 경우, 그로 인한 온도 상승은 포토캐소드를 저하시키거나 심지어는 파괴할 수 있다. 이는 각 빔에 발생할 수 있는 전체 전류에 심각한 제한을 가하므로써, 리소그래피 시스템의 전체 스루풋을 제한할 수 있다. 명백하게, 포토캐소드의 적절한 냉각이 필요하다.

포토캐소드를 냉각하기 위해 열전 장치의 이용을 시고려으나 (포토캐소드에 열전장치를 직접 고정하거나, 열전장치 및 포토캐소드사이에 전기 절연성이나 열 전도성인 재료의 층을 삽입된다 - Ace, 미국특허 3,757,151 호 참조), 이러한 장치들은 물리적인 사이즈로 인해 e-빔 리소그래피에서 이용이 제한된다.

본 발명은 전자 빔 소스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전자 빔을 발생하는 포토캐소드에 관한 것이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 전자 빔 리소그래피 시스템을 도시한다.

도 2 는 종래 기술에 따른 다중의 방출 영역을 갖는 포토캐소드를 도시한다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 포토캐소드의 측면을 도시한다.

도 4 는 도 3 에 따른 포토캐소드의 평면을 도시한다.

도 5 는 다중의 방출 영역을 갖는 도 3 에 따른 포토캐소드를 도시한다.

도 6A-6E 는 도 3 에 따른 포토캐소드를 제조하는 단계들을 도시한다.

본 발명에 따르면, 포토캐소드 장치는 적절한 광으로 조광할 때, 다중의 고전류밀도 전자빔을 방출하도록 동작하고, 광전자 방출 캐소드를 포함하며 반도체 리소그래피 시스템에 적합한 대응 전자 빔 발생기가 제공된다. 포토캐소드 장치는 돌출부를 갖도록 패터닝된 투광성 기판 재료를 포함한다. 돌출부들 사이의 공간들은 적어도 부분적으로, 높은 열전도율을 갖는 재료 (예를 들어, 구리, 금, 또는 플라티늄) 로 충전한다. 그 돌출부 상에 포토이미터가 디포지션된다.

포토이미터는 조광을 수광하는 표면에 마주하는 기판의 표면 상에 위치하며, 투광성 기판과의 접촉 영역에 조사 영역을 갖고, 조사 영역에 마주하는 방출 영역을 가지며, 이들 영역은 광 빔의 축에 의해 범위가 한정된다. 이러한 경계면에 입사하는 광 빔에 의해 열이 발생한다. 일 실시예에서는, 돌출부의 팁의 직경은 방출 영역의 영역 범위를 정의한다.

이 구조의 이점은 돌출부들 사이의 공간이 높은 열전도율을 갖는 재료 (예를 들어, 구리, 금 또는 플라티늄) 에 의해 점유된다는 것이다. 열전도성 재료의 두께가 기판상의 돌출부의 직경에 비해 클 경우, 조사 영역/방출 영역 경계면으로부터의 열전도는 전도 재료내의 열의 측면 흐름이 좌우한다. 구리, 금 및 백금의 열전도율은, 포토캐소드용의 다른 기판 재료인 용융 실리카의 열전도율보다 적어도 200배 이상 크다. 따라서, 주어진 입사 전력 및 레이저 스폿 사이즈에 대해, 광전자 방출층의 조사 영역에서는 비례적으로 낮은 온도 상승이 예상된다. 이는 조사 영역/방출 영역 경계면으로부터 열을 효율적으로 전도하고, 따라서 포토캐소드로부터 더 높은 동작 전류를 획득할 수 있다. 그 결과, 전자 빔 리소그래피를 포함하는 애플리케이션에서 더 높은 스루풋이 가능하게 된다.

바람직하기로는, 본 발명은 표준 마이크로 제조 기술을 이용하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 기판 돌출부는 반응성 이온 에칭이 후속하는 종래의 마이크로리소그래피에 의해 패터닝할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링 (sputtering) 또는 열 증착 (thermal evaporation) 에 의해 열전도 재료를 디포지션할 수 있다. 화학적 기계적 연마가 돌출부의 팁으로부터 열 전도 재료를 제거하는 데 이용될 수있다. 다른 방법으로는, 전기도금으로 열전도 재료를 디포지션할 수도 있다. 최종 단계는 포토이미터를 디포지션하는 것이다. 종래의 마이크로 제조기술을 이용하여, 방출 스폿 사이즈 (기판 상의 돌출부의 팁과 일치함) 는 1 ㎛ 미만으로 감소시킬 수 있다. 이러한 작은 방출 스폿 사이즈 때문에, 타깃 웨이퍼 (target wafer) 에서 주어진 빔 사이즈를 획득하기 위해 더 낮은 칼럼 축소가 필요하다. 더 낮은 칼럼 축소는 더 짧은 칼럼에서 획득할 수 있으며, 이는 전자-전자 상호작용으로 인한 전체 흐림 (blur) 을 상당히 감소시킨다. 따라서, 더 많은 개수의 방출 포인트들을 이용할 때, 더 높은 스루풋을 실현하거나, 더 큰 타깃 웨이퍼상의 영역을 한번에 기록할 수 있다.

본 발명과 그 다양한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 포토캐소드 (300) 의 단일의 이미터의 실시예의 측단면을 도시한다 (종래의 관련 지지체, 진공 하우징, 전기 리드선 등은 미도시). 하나의 포토캐소드로 다수의 이러한 이미터들을 가질 수 있다. 포토 이미터 (302) 를 지지하는 기판 (301) 은 팁 (312) 을 갖는 돌출부 (310) 를 정의하도록 패터닝된다. 돌출부를 포위하는 공간은 열전도 재료 (306) 에 의해 점유된다. 포토이미터 (302) 는 돌출부 (310) 위에 놓여진다. 돌출부는 예를 들어 평면으로 볼 때 원형이다 (도 4 참조). 광 빔 (303) 은 투명 기판 (301) 의 상단면에 입사하고, 조사 영역 (305) 에서 포토이미터 (302) 에 의해 흡수된다. 레이저 및 관련된 빔 분할, 집광, 변조 광학 기기가 종래의 광 빔의 소스이다. 예를 들어, 주파수 배가 Ar 레이저 (frequency doubled Ar laser) 및 257 nm의 레이징 파장 (lasing wavelength) 을 이용할 수 있지만 다른 구성도 가능하다. 광 빔 (303) 이 조사 영역 (305) 에 입사할 때, 포토이미터 (302) 는 조사 영역 (305) 에 마주하는 포토이미터 (302) 의 표면인 방출영역 (308) 으로부터 전자 (304) 를 방출한다. 조사 영역 (305) 및 방출 영역 (308) 은 경계면에서 만나고, 열은 이 경계면에서 입사하는 광 빔에 의해 발생한다. 기판 (310) 의 돌출부의 원형 팁 (312) 의 직경은 방출 영역의 영역 범위를 정의한다.

기판 (301) 은 광 빔 (303) 에 대해 투광성이므로, 가능한 최대 양의 광이 조사 영역 (305) 에 입사한다. 기판 (301) 의 두께는 예를 들어 0.2 ㎛ 내지 1 mm 의 범위이거나 더 두껍다. 일 실시예에서는 기판 (310) 의 돌출부의 팁 (312) 는 통상 1 ㎛ 의 직경을 가지며 원형이다. 적절한 기판 재료로는 유리, 용융 실리카 또는 사파이어이지만, 이에 한하지 않는다.

열전도 재료 (306) 는 기판 (301) 상에 패터닝된 원뿔형의 돌출부 사이의 공간을 점유한다. 바람직하기로는, 열전도 재료 (306) 는 구리, 금, 또는 백금, 또는 다이아몬드와 같이 높은 투광성을 갖는 다른 재료 (금속 또는 다른 것) 로 구성된다 (공동 계류 출원 "Diamond Supported Photocathode for Electron Sources", 관리 번호 M-5488, 발명자 Andres Fernadez, Tim Thomas, Xiaolan Chen, Steven T. Coyle, Ming Yu, Marian M. Mankos 를 참조). 열전도 재료 (306) 의 두께는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위이거나 더 두꺼우나, 기판의 돌출부 (310) 의 팁 (312) 의 직경의 적어도 10 배가 바람직하다. 이 치수 비율로, 전도 재료 (306) 내의 열의 측면 흐름에 의해 조사 영역/방출 영역 경계면으로부터의 열전도가 좌우된다. 따라서, 조사 영역/방출 영역 경계면에서 온도 상승이 상당히 작게 된다. 예를 들어, 금은 e-빔 리소그래피 포토캐소드에 대한 다른 기판 재료인 용융 실리카의 열전도율 보다 200 배 이상의 열전도율을 갖는다. 조사 영역으로부터 전도된 열의 양이 기판 재료의 열전도율에 비례하기 때문에, 주어진 입사 전력 및 레이저 스폿 사이즈에 대해 포토캐소드에서 비례적으로 낮은 온도 상승이 예상된다. 기판 상에 패터닝된 돌출부는 단면이 원뿔형 또는 원형일 필요는 없다.

포토이미터 (302) 는 조광될 때 전자를 방출하는 임의의 재료이다. 광전자 방출 재료의 예로는 금 및 카바이드 재료를 포함한다. 또한, GaAs 와 같은, III 족 및 Ⅴ 족의 원소의 여러 화합물이 포토이미터 재료로 적당하다.

포토이미터 (302) 는 포토이미터 (302) 재료에 의해 결정되는 일함수를 갖는다. 일함수는 재료로부터 전자를 방출하는 데 요구되는 최소의 에너지이다.포토이미터 (302) 가 전자를 방출하도록, 광 빔 (303) 내의 광자는 적어도 일함수 만큼의 에너지를 가져야 한다.

광 빔 (303) 은 기판에서 진공 표면까지 조사 영역 (305) 에 걸쳐서 포토이미터 (302) 에 의해 흡수된다. 그 점에서, 방출된 전자는 광자 에너지에서 일함수를 감산한 값과 같은 운동 에너지를 갖는다. 전자가 포토이미터 (302) 재료 내에서 충돌에 너무 큰 에너지를 손실하지 않는다면, 전자는 조사 영역 (305) 으로부터 방출영역 (305) 으로 이동하고 조사영역 (308) 에서 방출된다. 이와 같이, 포토이미터 (302) 의 두께는 광 빔 (303) 을 흡수하기에 충분해야하고, 생성된 다수의 전자를 재흡수할만큼의 두께이면 안된다. 바람직하기로는, 포토이미터 (302) 는 금이고, 약 15 나노미터의 두께를 갖는다. 그러나, 포토이미터는 그 두께가 예를 들어 1 nm 내지 1 mm 의 범위이다. 본 발명은 임의의 특정한 광전자 방출 재료 또는 치수에 제한되지는 않는다.

도 4 는 도 3 에 도시된 타입의 포토캐소드의 평면을 도시한다. 열전도 재료 (406) 는 기판 (401) 에서 원뿔형 돌출부를 수용한다. 돌출부는 원형의 팁에서 종결된다. 포토이미터 (402) 는 이 팁의 바로 아래에 위치한다. 광 (레이저) 빔 (403) 은 조사 영역 (405) 상에 입사하고 원형의 방출 영역 (408) 으로부터 전자가 방출된다. 바람직하게는, 방출 영역은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위의 직경을 갖는다. 물론, 이 방출 영역은 다른 형상도 가능하다.

도 5 는 다중의 방출 영역 (508) 을 갖는 도 3 에 도시된 타입의 포토캐소드 (500) 의 측단면을 도시한다. 다중의 조사 영역 (505) 이 조광될 때, 각각의방출 영역 (508) 은 전자 빔을 발생한다.

도 6A-6E 는 도 3 에 도시된 포토캐소드를 제조하는 단계들을 도시한다. 도 6A에서, 투광성 기판 (601) 은 그 표면 상에 돌출부를 패터닝하기 위해 공지된 포토리소그래피 및 에칭 기술로 가공된다. 돌출부를 패터닝하기 위해, 다크 필드 마스크 (dark-field mask) 를 네가티브형 포토레지스트 (negative photoresist) 와 함께 이용하거나, 클리어 필드 마스크 (clear-field mask) 및 포지티브형 포토레지스트를 이용할 수도 있다. 기판의 선택된 표면의 일부분 (601a) 에 포토레지스트층 (600) 이 형성될 수 있다. 기판 (601) 의 주 표면 (601a) 은 마스크를 통해 자외선에 노출된다. 도 6B 는 노출된 포토레지스트의 성장 후의 후속 에칭 단계를 도시하며, 여기서 에천트 (etchant) 는 성장한 포토레지스트로 커버되지 않는 기판의 상단면의 일부분을 제거한다. 이는 기판 (601) 의 선택된 표면 (601a) 상에, 팁 (603)을 갖는 돌출부 (602) 를 형성한다. 이 에칭 단계는 예를 들어 반응성 이온 에칭이다.

도 6C 는 기판 (601) 의 주 표면상에 열전도 재료 (605) 을 적절히 디포지션하는 다음 단계를 나타낸다. 예를 들어, 열전도 재료는 스퍼터링 또는 열증착에 의해 디포지션한다. 다른 방법으로는, 열전도 재료을 도 6D 에 도시된 단계가 불필요한 전기도금에 의해 디포지션할 수도 있다.

도 6D 는 열전도 재료 (605) 및 기판 (601) 을 평탄화하고 돌출부 (602) 의 팁 (603) 을 열전도 재료 (605) 와 평탄화 하는 다음 단계를 나타낸다. 예를 들어, 이 평탄화 단계는 화학적 기계적 연마이다.

도 6E 는 기판 (601) 상의 돌출부 (602) 의 팁 (603) 및 열전도층 (605) 상에 예를 들어 열증착 또는 스퍼터링에 의해 포토이미터 (610) 를 형성하는 최종 단계를 나타낸다.

이러한 개시는 예시적인 것으로,ㄹ 제한되지 않으며, 또한 첨부된 청구항의 범위 내에 속하는 다른 변형들이 당업자에게 자명하다.

Claims

입사 조광을 수광하는 배면 및 마주하는 전면을 갖고, 조광에 투광성인 기판;

팁에서 종결하는 상기 기판의 돌출부를 수용하는, 상기 전면 상의 열전도 재료; 및

상기 기판에 조사 영역 및 상기 조사 영역에 마주하는 방출 영역을 가지며, 상기 조광에 노출될 때 전자 빔을 방출하는, 상기 팁 상의 포토이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 포토이미터의 두께는 1 nm 내지 1 ㎛ 의 범위인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기판의 두께는 1 ㎛ 내지 1 mm 의 범위인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 포토이미터는 금인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 포토이미터는 약 15 nm 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 열전도 재료의 두께는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 범위인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 열전도 재료는 구리, 금, 백금 또는 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 방출 영역은 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 방출 영역은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부의 상기 팁의 직경에 대한 상기 열전도 재료의 두께의 비율은 적어도 1 내지 10 인 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 포토이미터는 레이저빔에 노출 시, 전자를 방출하는 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
제 1 항에 있어서,

평탄하게 같이 위치하는 복수의 상기 조사 영역 및 상기 방출 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토캐소드 장치.
투광성 기판을 제공하는 단계;

상기 기판의 주 표면을 에칭하여 상기 기판 상에, 팁에서 종결하는 돌출부를 한정하는 단계;

상기 기판의 상기 주 표면 상에 열전도 재료를 형성하는 단계;

상기 팁을 상기 열전도 재료와 평탄화 하는 단계; 및

상기 돌출부의 상기 팁 상에 포토이미터 재료를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 포토이미터가 상기 열전도 재료 상에도 형성되는 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 에칭 단계는 반응성 이온 에칭인 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 형성 단계는 스퍼터링 및 평탄화에 의해 완결되는 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 형성 단계는 열증착 및 평탄화에 의해 완결되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 형성 단계는 전기 도금에 의해 완결되는 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 평탄화 단계는 화학적 기계적 연마인 것을 특징으로 하는 포토캐소드의 제조 방법.
조광 소스;

상기 조광 소스에 의해 조광될, 부분적으로 불투명한 마스크를 고정하는 지지체;

상기 마스크를 통과하는 조광을 집광하도록 위치하는 광학 렌즈;

집광된 조광을 수광하도록 위치하며 조광을 전자 스트림으로 변환하는 포토 캐소드 장치;

전자 스트림을 빔으로 집광하도록 위치하는 전자 렌즈; 및

전자 빔이 기판의 표면상에 입사하도록 위치하는 기판용 지지체를 포함하되,

상기 포토캐소드 장치는:

입사 조광을 수광하는 배면 및 마주하는 전면을 가지며, 조광에 투광성인 기판;

팁에서 종결하는 상기 기판의 돌출부를 수용하는, 상기 전면 상의 열전도 재료; 및

상기 기판에 조사 영역 및 상기 조사 영역에 마주하는 방출 영역을 가지며 상기 조광에 노출될 때 전자 빔을 방출하는, 상기 팁 상의 포토이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 발생기.