JP3929877B2 - 電子線描画装置およびその要部の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、記録メディア、光導波路などの製造に用いる電界放出電子線を利用した微細加工技術に係わり、特に、カーボンナノチューブ製の陰極チップを有した電子電界エミッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路や超微細光学素子（例えば、波長分割多重光通信用デバイスなど）のマイクロ加工プロセス分野では、０．１μｍ以下の溝幅で高アスペクト比（１０〜６０）を狙った開発が進められてきた。つまり、数ｎｍオ−ダのビ−ム径の電子線と５０ＫｅＶ以上の高加速電圧条件を組み合わせて、レジスト厚みとしてはミクロンオ−ダ（１μｍ〜３μｍ）を対象としてきたのである。２００６年頃をタ−ゲットにした国家プロジェクトにおいてもノードデザインは７０ｎｍ（０．０７μｍ）であり、レジスト厚みは１μｍ以上の領域である。したがって、この場合では、入射電子線がレジスト層を透過して基板面からの後方散乱電子がレジスト表面近傍まで影響を与える現象は考慮する必要がなかったが、近年、薄膜レジストを用いる工程が要求されるようになり、この散乱電子の影響が問題視されるようになってきた。
一方、書き換え可能型ＤＶＤ（光ディスク）以降の大容量メディア用原盤作成においては、従来からのレーザ波長とレンズ特性により制約される光絞り径では対応困難になってきている。そのため、各メーカーとも、様々な工夫を凝らして開発を進めており、近年は、微細パターン形成において圧倒的な加工マージンを有する電子線描画技術を利用する試みが始められている。しかし、この分野においても前記した問題を含む様々な問題が発生し始めている。
例えば、書き換え可能型光メディアや光ピックアップガイド用溝部を有するハードディスクでは、３０ｎｍ以下のパターン深さが要求されているが、この値は従来、電子線描画分野では殆ど経験のない領域である。なお、浅いパタ−ンを形成する従来技術としては、厚めのレジスト層に開口パターンを設け、それをマスクにして基板をエッチングすることによりパターンを作る手法がある（ＩＳＯＭ２００１，パイオニア社・飯田「電子線露光装置による高密度マスタリング技術の進展」）。これはシリコン基板表面の数十ｎｍのＳｉＯ_２層とレジスト材のエッチングレートの差を利用する工法であるが、プラズマエッチング装置やイオンビームエッチング装置など高価な設備を必要とする。また、経済性の面から、既存の光ディスク用原盤製造設備やプロセス条件などの変更を極力抑える工法が望ましい。その意味で、エッチング工程を使わずに、サブミクロン以下の浅いパターンを形成する方法が望まれる。
【０００３】
また、２５ＧＢ／５”以上の記録密度の原盤の場合、溝ピッチは０．３μｍ以下であり、溝幅は０．１５μｍ以下かつ深さ０．０２５μｍ（２５ｎｍ）が要求され、このような密度で、かつ一筆書きモード（連続描画）で連続的に描画せねばならないが、電子線によるこのような連続描画は難しい作業である。
その理由は、従来の電子線描画は数十ｎｍオ−ダのビ−ムを用いて所定の領域内をベクタースキャン、ベクタースキャンモードといった塗り重ね方式でおこなうのが一般的で、この場合、１００ｍｍ／ｓオーダの描画速度が限界であるので、１枚の描画を完了するのに１００時間以上を費やさざるを得ないということにある。少なくても１ｍ／ｓ以上の速度、つまり１０時間以下で露光が完了するためには、ワ−クの高速度回転と前記した一筆書きモ−ドは回避できないのである。しかも、溝の内壁荒れやランド部の表面荒さやうねりはすべて信号ノイズ成分を助長し、Ｃ／Ｎの低減をもたらす。したがって、レジスト層内での電子散乱領域生成の細かな制御も必要となる。
しかし、高速化のために大電流でかつ高エネルギ−（高加速電圧）を適用すると、基板からの一次電子の後方散乱の影響がでてくる。この影響はレジスト厚みが薄くなればなるほど顕著になるという厄介な問題を抱えているのである。
【非特許文献１】
ＩＳＯＭ２００１，パイオニア社・飯田「電子線露光装置による高密度マスタリング技術の進展」
【特許文献１】
特開２０００−２０３８２０公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来技術の帰結として、従来の電子線描画装置は大型で高価な装置構成となった。電子放出角度は、エミッタ先端の曲率半径ｒに依存しており、電子放出角度を縮小する縮小系の光学系をとらざるを得なかった。そのため、行路長は長くなり、電子ビームの収差を抑えるべく種々の電子レンズを配する必要があった。その上、微小なビーム径を得るために途中に数十μｍ径の貫通穴を有するアパーチャを介しており、その結果、放出電子の初期エネルギーの７０パーセント以上を遮蔽することになり、微小ビーム径（数十ｎｍ）で大電流を得ることが困難であった。市販装置では５０ｎＡ＠５０ｎｍくらいが限界とされている。磁界重畳型の電子銃ユニットもあるが高価である。
本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決することにあり、具体的には、カーボンナノチューブ製の針状陰極チップをエミッタに用いてエミッタ先端の曲率半径を飛躍的に小さくすることにより、高性能・小型・安価な電子線描画装置を提供することにある。さらに具体的には、照射電流は可変とし、加速電圧は低減して低電力としつつ従来の高加速ビームの性能を得ることができ、複雑な電子光学系を省略可能にすることにより装置を小型化することができるし、カーボンナノチューブ製の複数本の針状陰極チップから成るチップセットを選択することもできる電子線描画装置を提供することにある。
なお、特開２０００−２０３８２０公報に示された従来技術では、前記したようなカーボンナノチューブを効率よく製造できる方法を提案している。密閉容器中を所定の真空度とした状態で、その密閉容器中にガスを導入し、そのような密閉容器中に対向して配置した２つの炭素電極を加熱し、その状態において炭素電極間でアーク放電を発生させ、カーボンナノチューブを製造するのである。しかし、この従来技術はカーボンナノチューブ製の針状陰極チップを有した電子電界エミッタに関するものではない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、パターンを描画する、電子電界エミッタを備えた電子線描画装置において、カーボンナノチューブ製の針状陰極チップの本数が異なっている複数のチップセットのなかから用いるチップセットを選択可能とすべく該各チップセットを共通の回転可能円盤上に配した構成の電子電界エミッタと、選択されたチップセットの針状陰極チップの本数に従って照射電流値を自動的に設定する制御部とを備えた。
また、請求項２記載の発明では、請求項１に記載の発明において、選択されたチップセットへ電界を印加する、前記複数のチップセットが共有化する共通通電部材を備えた。
また、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の発明において、電子電界エミッタから放出する電子流を制御する電子光学構造が等倍系である構成にした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す、電子銃と呼ばれる電子線描画装置要部の構成図である。図示したように、この実施例の電子銃は、絶縁体基台１、導電性のチップホルダ２、カーボンナノチューブ製針状チップ（以下、ＣＮＴチップと称する）３、電子流を引き出したり抑制したりするウエネルト（グリッド含む）４、電子の加速性を制御する陽極５などを備えている。なお、電子放出部材（電子電界エミッタ：以下、エミッタと略す）としての前記ＣＮＴチップ３は、シリコンやモリブデン製などのマイクロエミッタに比べ真空の制約が緩いこと、高い電流密度が得られること、強度が高いなど種々の優れた特性を有している。
【０００７】
次に、ＣＮＴチップ３からの電界放出について説明する。
カーボンファイバの先に付けた１本の多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）チップ３からの電界放出では、８０Ｖ以下の電圧で（チップ先端（エミッタ先端）〜陽極間の距離：１ｍｍ）、０．１〜１ｕＡの放出電流が得られる。このような低い印加電圧で電界放出が起きるのは、「原子ワイヤモデル」で説明づけられる。ＣＮＴチップ先端から炭素原子の鎖がとけて電界方向にワイヤが引き伸ばされ、そのワイヤ先端から電子放出が起きるのである。この放出電子のエネルギー幅も０．１１〜０．２５ｅＶと非常に狭い。Ｌａｂ６やショットキー型のＺｒＯ／Ｗなどでは約１ｅＶであり、それに比べると極めてシャープなエネルギー分布を示す電子放出源である。
図２は前記したことを説明したものである。図中の左側の従来型電子銃では先端Ｒが１〜５μｍのチップから電子が放出される様子を示している。市販のタングステンチップ、Ｌａｂ６製チップ、ＴＦＥ（サーマルフィールドエミッション型）のＺｒＯ／Ｗ製チップがこれに当たる。一般的にガウシアン型の電子ビームと呼ばれている。
電子の放出角度はチップ先端Ｒで決定されるので先端の先鋭化が必須であるが、特殊加工により先鋭化を図っても１μｍ程度が現時点における限界とされている。
一方、図２の右側に示したこの実施例で採用するＣＮＴ型電子銃は、先端Ｒが２０〜２００ｎｍであり、従来型の１／５〜１／５０という超先鋭なチップを実現することができる。したがって、図２に示したように放出角度が圧倒的に狭いビーム形状を示す。ガウシアンビームのように裾野を引くことがなく、長い行路長の電子光学系では収差の面でも有利である。
【０００８】
図３および図４に、前記したようなＣＮＴ型電子銃の電子光学系を示す。なお、この図は光ディスク原盤露光装置を例にしているので、Ｘ−θテーブル２０を備えているが、Ｘ−Ｙ−Ｚテーブルの載物台の構成でも構わない。
図３は従来型の電子ビーム光学系であり、図示したように、この電子ビーム光学系は、ＣＮＴチップ３を搭載したエミッタ１１、コンデンサレンズ１２、第１偏向電極１３、第２偏向電極１４、微小な貫通穴を有するアパーチャ１５、フォーカスレンズ１６、対物レンズ１７から構成されている。
このような構成で、電子ビームは、エミッタ１１から放出後、コンデンサレンズ１２によって集光され、偏向作用を有する第１偏向電極１３内を通過する。そして、偏向された電子はアパーチャ１５に照射され、直径４０〜１５０μｍの貫通穴を通りながらビーム整形が実施される。したがって、この過程で相当量の電子ビームが遮蔽されることになる。なお、フォーカスレンズ１６および対物レンズ１７はレジスト面（被加工物）上への集光や集光スポット径の調整などのために配置されている。
【０００９】
一方、図４はＣＮＴチップ３の特徴を生かした等倍系（拡がった電子ビームを元に戻す縮小系ではないという意味である）構成の電子光学系である。この構成では、ＣＮＴチップ３から放出される電子ビームは指向性が極端に高く、そのため、ビーム幅（エネルギー拡がり幅ｅＶ）が従来の電子銃に比べて小さく、したがって、集光のためのコンデンサレンズやアパーチャを設置する必要はないと判断し、省略している。つまり、ＣＮＴチップ３からの電子ビームは微小なビーム径の平行光と考えてよいので、フォーカスレンズは必要なく、ビーム径の微調整のための簡易な対物レンズ１８、および低加速条件でも十分な電流密度を有する電子ビームであるという特徴を生かした簡易な偏向電極１９のみを搭載している。このような構成では、図４から明らかなように、従来の電子カラム（鏡筒）よりも小型で簡単になる。
【００１０】
次に、所望のパターン幅を得るための描画条件制御について説明する。
従来技術においては、照射するビーム径と照射電流値とを制御することにより所望のパターン幅を得ていた。ビーム径は全ての電子光学系の総合的な精度により決まり、電子銃の電源ノイズやレンズの非点収差や球面収差の影響が大きく、設計者の高度な技術が要求されていた。さらに、大電流密度の条件で描画するときには電子相互間のクーロン効果によるビームのぼけ現象も難度の高い技術課題である。
それに対して、この実施例では前記したように、電子ビームの指向性が高いことからビーム径制御は簡単でよいし、比較的低加速（数ＫＶ以下）の電子ビームを使用するので、前記したような課題を回避することが可能である。つまり、この実施例では、パターン幅の調整は、針状チップの本数を選択することにより２倍、３倍というようにおこなう。
図５に、この実施例における描画パターン幅制御の方法を示す。図５（ａ）は１本のチップ３を有する電子銃、図５（ｂ）は３本のチップ３を有する電子銃である。チップ本数、チップ間隔、チップの傾斜角度などを工夫することによりビーム径および照射電流値を制御することができる。図５（ａ）では、ビーム径が細く、したがって、Ｘ−θテーブル２０上の被加工物に形成されるパターン幅が狭くなることを示し、図５（ｂ）では、ビーム径が太く、したがって、Ｘ−θテーブル２０上の被加工物に形成されるパターン幅が広くなることを示している。
【００１１】
図６および図７に、複数のチップセット（１本または複数本の針状陰極チップと導電路と絶縁基板からなる部材）のなかから一つのチップセットを選択できるようにした回転タレット方式の電極構造を示す。図６は回転タレット盤２１の模式図である。回転タレット盤２１をその中心を回転軸として回転させることにより所望のチップ群を選択するのである。回転タレット盤２１の片面には、同一円周に沿って本数の異なるチップ（群）３が配置されているため、回転タレット盤２１の回転角度を調整することにより、所望のチップ群を選択することが可能となる。
図７は電極構造の断面図である。図示したように、回転軸２３を有する絶縁材のベース台２２上に、電気的に導通可能なばね付き球面座２４を配している。また、回転軸２３を軸として回転する絶縁体の回転タレット盤２１に配置された、底面に４角錐のくぼみ（ばね付き球面座２４に嵌合する）を有するチップ埋め込み台２５には、チップセット２６を挿入している。このような構成により、球面座電極を介してチップセット２６には数百ボルトの電圧が印加される。さらに、チップセット２６の上方に配置されたグリッド／陽極部材２７は、チップ電位に対して正の電位を保つよう設計してある。この電位を変化させることにより、レジストに作用させる電子エネルギーを調整することが可能になっている。
また、前記したような、針状陰極チップの本数を選択可能にした構成では、チップ本数に比例させてエミッタから放出する電子流の量を変えられるようにしている。図示していない制御部は選択されたチップセットの針状陰極チップの本数を認識し、その本数に比例させて段階的に電子流の量を設定・制御するのである。
【００１２】
次に、これまで説明してきたこの実施例の電子銃の要部を作成する手順について説明する。
まず、バルク材または複雑に絡み合う繊維状の形態で提供されるＣＮＴ原材料から１本〜数本の針状チップを選別し、所定のユニットとして組み上げる技術が必要である。現在のところそれに関して確立された手法は皆無であるが、例えば図８および図９に示した電気泳動方式により、ＣＮＴ原材料から単体ＣＮＴを粗選別し、チップ基板に配列する。
図８は、ＣＮＴ原材料を分散させた液（電解質）から電気泳動現象を利用してＣＮＴを採取する概念図である。なお、電気泳動とは、分散媒体に加えられた電界を駆動力として、荷電体が分散媒体中を泳動する現象で、ここではＣＮＴが荷電体である。
前記において、泳動速度ｕは、電界の強さＥ［Ｖ／ｃｍ］、分散媒体の特性（粘性係数η、誘電率ε）、荷電体の特性などに依存して決まる。泳動粒子の運動に対する分散媒体の粘性による制止力を、Ｓｔｏｋｅｓの法則によって考慮し、かつ荷電体が円柱状と仮定すると、ｕ＝εＥζ／４πη となる。ここで、ζはゼータ電位または界面動電位と呼ばれる電位であり、ＣＮＴのサイズ（径、長さ）に応じて変化する。界面動電位がＣＮＴのサイズにより異なるのは、荷電状態の粒子表面には溶液中のイオンが強く吸着するが、この吸着量がＣＮＴのサイズにより異なるからである。この差で各ＣＮＴの移動速度ｕに差が生じる。つまり、ある経過時間後の粒子の存在する相対場所が異なる。
図８に示したように、ＣＮＴ分散液は格納箱３１から細い管を介して極少量ずつ滴下する。そして、所定の時間経過後、図示のようにＥ１、Ｅ２、Ｅ３など正の電荷をＣＮＴに与えて近傍の粒子をクーロン引力で捕捉する。なお、基板３２の表面には、図９（ａ）に示したようにμｍサイズのピラミッド状の突起３３を設けておく。このような構造では、電界は突起３３の先端に集中しやすくＣＮＴは選択的に突起３３の先端に付着する。サイズが小さく、したがって移動速度ｕが小さいＣＮＴほど下方（重力方向での下方）の突起３３に付着するのである。また、図９（ｂ）に示したように、基板３２には予め微細な刻み線３４を設けておき、処理後、更に微小なブロックに分割できるようにしておく。
【００１３】
その後の電子銃要部の作成手順を図１０に示す。電子顕微鏡など観察手段と超精密なＸ−Ｙ−Ｚテーブルを用い、図１０に示したようにして、チップセット本体２９（図７参照）に所望の長さ・径・本数のＣＮＴチップを装着する。なお、この作業をおこなう場所は真空装置内である。
まず、図１０（１）に示したように、ＣＮＴチップの着いた基板３２とチップセット本体２９を対向させる。Ｘ−Ｙ−Ｚテーブルにセットした基板３２をＸ−Ｙ−Ｚテーブルにより移動させて対向させるのである。そして、引き続き、基板３２をＸ−Ｙ−Ｚテーブルにより移動させて、所望のＣＮＴチップをチップセット本体２９に機械的に嵌合させる（図１０（２）参照）。続いて、基板３２とチップセット本体２９を引き離すと、ＣＮＴチップは基板３２から抜ける。
この後は、電子ビームを照射してＣＮＴチップとチップセット本体２９とを溶着させることによりチップセット２６が完成する。
なお、前記において、チップセット本体２９の表面は予め無数のマイクロボイドが形成されており、複数のＣＮＴチップを適宜嵌合させることができる。
こうして、この製造方法によれば、所望のチップサイズのチップセットを容易に製造することができる。
また、上記した製造方法では、カーボンナノチューブ製の針状陰極チップを有したチップセットを組み立てる際、電気泳動工程で、陽極部に与えた電位を液中のチップ材に対して所定の時間作用させることによりチップ材のサイズが分別されるので、所望のサイズのＣＮＴチップを得ることができ、電子銃の特性ばらつきを抑えることができる。
また、上記した製造方法では、陰極部へ泳動したチップ材が、陰極部上でチップ材のサイズに応じて重力方向に並ぶので、所望のサイズのＣＮＴチップを容易に得ることができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、請求項１記載の発明では、パターンを描画する、電子電界エミッタを備えた電子線描画装置において、電子電界エミッタがカーボンナノチューブ製の針状陰極チップであるので、エミッタ先端の曲率半径を飛躍的に小さくすることができ、これにより集光のための電子光学系を簡単にでき、且つエネルギー効率が良くなり、高性能・小型・安価な電子線描画装置を実現することができる。
また、電子電界エミッタはそれぞれ針状陰極チップの本数の異なっているチップセットが共通の回転可能円盤上に複数配された構成であり、その複数のチップセットのなかから用いるチップセットを選択できるので、照射電流値や照射ビーム径を容易に変更することができる。
また、選択されたチップセットの針状陰極チップの本数に従って照射電流値が自動的に設定されるので、同様に、エネルギー効率を向上させることができるし、適切な照射電流値を容易に設定することができる。
また、請求項２記載の発明では、請求項１に記載の発明において、選択されたチップセットへ電界を印加する通電部材を複数のチップセットが共有できるので、複数のチップセットを備えても装置が大きくならないで済む。
また、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の発明において、電子電界エミッタから放出する電子流を制御する電子光学構造が等倍系であるので、エネルギー効率を向上させることができるし、集光系を簡略化でき、小型・低コストを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の構成図である。
【図２】従来技術および本発明の電子線描画装置要部を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の他の構成図である。
【図４】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の他の構成図である。
【図５】本発明の一実施例を示す描画パターン幅制御方法の説明図である。
【図６】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の他の構成図である。
【図７】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の他の構成図である。
【図８】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の製造方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の製造方法の他の説明図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す電子線描画装置要部の製造方法の他の説明図である。
【符号の説明】
２ チップホルダ、３ カーボンナノチューブ製針状チップ、５ 陽極、１１エミッタ、１２ コンデンサレンズ、１３ 第１偏向電極、１４ 第２偏向電極、１５ アパーチャ、１６ フォーカスレンズ、１７ 対物レンズ、１８ 対物レンズ、１９ 偏向電極、２０ Ｘ−θテーブル、２１ 回転タレット盤、２３ 回転軸、２４ ばね付き球面座、２５ チップ埋め込み台、２６ チップセット、３１ 格納箱、３２ 基板、３３ 突起

Claims (3)

1. パターンを描画する、電子電界エミッタを備えた電子線描画装置において、
   カーボンナノチューブ製の針状陰極チップの本数が異なっている複数のチップセットのなかから用いるチップセットを選択可能とすべく該各チップセットを共通の回転可能円盤上に配した構成の電子電界エミッタと、
   選択されたチップセットの針状陰極チップの本数に従って照射電流値を自動的に設定する制御部とを備えたことを特徴とする電子線描画装置。
2. 請求項１に記載の電子線描画装置において、選択されたチップセットへ電界を印加する、前記複数のチップセットが共有化する共通通電部材を備えたことを特徴とする電子線描画装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子線描画装置において、電子電界エミッタから放出する電子流を制御する電子光学構造が等倍系であることを特徴とする電子線描画装置。

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