特許 6738067 電子ビーム発生装置、電子ビーム露光装置、および製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6738067

(24)【登録日】2020年7月21日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】電子ビーム発生装置、電子ビーム露光装置、および製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/027 20060101AFI20200730BHJP

   H01J 37/305 20060101ALI20200730BHJP

   H01J 37/073 20060101ALI20200730BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20200730BHJP

   H01J 1/308 20060101ALI20200730BHJP

   H01J 1/48 20060101ALI20200730BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/30 541B

   H01L21/30 541W

   H01J37/305 B

   H01J37/073

   G03F7/20 504

   H01J1/308

   H01J1/48

【請求項の数】12

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-37623(P2017-37623)

(22)【出願日】2017年2月28日

(65)【公開番号】特開2018-142679(P2018-142679A)

(43)【公開日】2018年9月13日

【審査請求日】2019年4月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】小島 明

(72)【発明者】

【氏名】宮口 裕

(72)【発明者】

【氏名】池上 尚克

(72)【発明者】

【氏名】江刺 正喜

(72)【発明者】

【氏名】越田 信義

(72)【発明者】

【氏名】須田 隆太郎

【審査官】 植木 隆和

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２４３４６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−０４０７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２９２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０２５０４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−３３２１６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／０２７

Ｇ０３Ｆ ７／２０

Ｈ０１Ｊ ３７／３０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面から電子を放出する電子放出部と、
前記電子放出部の前記第１面側に設けられ、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層と
を備え、
前記グラフェン層は、前記電子放出部から放出された電子の回折波を出力する電子ビーム発生装置。

【請求項2】

第１面から電子を放出する電子放出部と、
前記電子放出部の前記第１面側に設けられ、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層と
を備え、
前記グラフェン層における前記電子放出部とは反対側の面に設けられた電極層を更に備える電子ビーム発生装置。

【請求項3】

前記グラフェン層には、前記電子放出部に印加される駆動電圧と、前記電極層に印加される電圧との間の電圧が印加される請求項２に記載の電子ビーム発生装置。

【請求項4】

第１面から電子を放出する電子放出部と、
前記電子放出部の前記第１面側に設けられ、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層と
を備え、
前記電子放出部は、
前記電子放出部の前記第１面側に電子を放出する基板と、
前記基板における電子を放出する面上に形成され、前記基板により放出された電子を前記第１面の表面側へと伝搬するナノ結晶層と
を有し、
前記基板は、独立して駆動電圧を印加可能な複数のｎ型不純物領域を有する電子ビーム発生装置。

【請求項5】

前記基板は、前記複数のｎ型不純物領域のそれぞれ同士間の少なくとも一部にそれぞれ設けられ、同電位に接続される複数のガード領域を有する請求項４に記載の電子ビーム発生装置。

【請求項6】

前記グラフェン層は、単原子層のグラフェンを１または複数重ねて形成される請求項１から５の何れか一項に記載の電子ビーム発生装置。

【請求項7】

前記グラフェン層は、単原子層のグラフェンを１以上１０以下の数重ねて形成される請求項６に記載の電子ビーム発生装置。

【請求項8】

電子ビーム露光装置であって、
第１面から電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部の前記第１面側に設けられ、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層とを有する電子ビーム発生装置と、
前記電子ビーム発生装置から出力される電子ビームを屈折させる電子レンズと、
前記電子ビームを照射する対象物を載置するステージ部と
を備え、
前記電子ビーム発生装置の前記グラフェン層は、前記電子放出部から放出された電子の複数次の回折波を出力し、
当該電子ビーム露光装置は、
前記電子レンズのレンズ系に干渉しない位置に配置され、前記複数次の回折波のうち、前記対象物に照射される第１回折波とは次数が異なる第２回折波を受光する受光部と、
前記受光部の受光結果を示す信号と、基準信号との比較によって前記対象物に対する前記第１回折波の照射位置のずれを判断し、当該照射位置を調整する位置調整部と
を更に備える電子ビーム露光装置。

【請求項9】

第１面から電子を放出する電子放出部を形成する段階と、
前記電子放出部の前記第１面側に、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層を貼り付ける段階と
を備え、
前記グラフェン層は、前記電子放出部から放出された電子の回折波を出力する電子ビーム発生装置の製造方法。

【請求項10】

第１面から電子を放出する電子放出部を形成する段階と、
前記電子放出部の前記第１面側に、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層を貼り付ける段階と、
前記グラフェン層における前記電子放出部とは反対側の面に電極層を設ける段階と、
を備える電子ビーム発生装置の製造方法。

【請求項11】

第１面から電子を放出する電子放出部を形成する段階と、
前記電子放出部の前記第１面側に、前記電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層を貼り付ける段階と
を備え、
前記電子放出部は、
前記電子放出部の前記第１面側に電子を放出する基板と、
前記基板における電子を放出する面上に形成され、前記基板により放出された電子を前記第１面の表面側へと伝搬するナノ結晶層と
を有し、
前記基板は、独立して駆動電圧を印加可能な複数のｎ型不純物領域を有する電子ビーム発生装置の製造方法。

【請求項12】

前記グラフェン層を貼り付ける段階において、前記電子放出部の前記第１面側にグラフェンを転写する請求項９から１１の何れか一項に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子ビーム発生装置、電子ビーム露光装置、および製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、微細パターンが設けられる半導体集積回路は、電子ビーム露光装置を用い、パターンデータに応じて電子ビームを半導体基板に直接描画して当該微細パターンを形成していた（例えば、特許文献１および２参照）。
特許文献１ 特開２００７−３２９２２０号公報
特許文献２ 特開平９−２４５７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、描画するパターンの微細化と、半導体ウェハの大口径化が進むことにより、電子ビーム露光装置のスループットが低下していた。例えば、描画すべき画素数が３０年程度で２万倍程度に増加し、１枚の半導体ウェハを１０時間以上かけて描画する場合も生じていた。そこで、複数の電子ビームを用いることで、スループットを改善することが考えられていた。即ち、複数の電子ビームを効率よく、また、高精度に出力できる電子ビーム発生源が望まれていた。また、このような電子ビーム発生源を、簡便な方法で作製できることが望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、第１面から電子を放出する電子放出部と、電子放出部の第１面側に設けられ、電子放出部から放出された電子を通過させるグラフェン層とを備える電子ビーム発生装置および電子ビーム発生装置の製造方法を提供する。

【0005】

本発明の第２の態様においては、第１の態様の電子ビーム発生装置と、電子ビーム発生装置から出力される電子ビームを屈折させる電子レンズと、電子ビームを照射する対象物を載置するステージ部とを備える電子ビーム露光装置を提供する。

【0006】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の構成例を示す。

【図2】本実施形態に係るグラフェン層１２０の構成例を示す。

【図3】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００のエミッション効率の一例を示す。

【図4】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００のダイオード電流およびエミッション電流の一例を示す。

【図5】比較対象の試料Ａの放出電子エネルギー分布の一例を示す。

【図6】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の放出電子エネルギー分布の一例を示す。

【図7】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の変形例を示す。

【図8】本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００を形成する製造フローの一例を示す。

【図9】本実施形態に係る電子ビーム露光装置１０００の構成例を半導体ウェハ３０と共に示す。

【図10】本実施形態に係る電子ビーム照射装置４０の構成例を半導体ウェハ３０と共に示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0009】

図１は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の構成例を示す。電子ビーム発生装置１００は、外部から電圧が印加されることにより電子ビームを発生して放出する。電子ビーム発生装置１００は、電子放出部から放出される電子を、グラフェン層を通過させてから放出して、放出する電子ビームの放出角分散を低減させる。図１は、＋Ｚ方向に電子ビームを放出する電子ビーム発生装置１００の、ＸＺ面と略平行な面における断面図の一例を示す。電子ビーム発生装置１００は、電子放出部１１０と、グラフェン層１２０と、電極層１３０と、を備える。

【0010】

電子放出部１１０は、第１面から電子を放出する。ここで、図１は、ＸＹ平面と略平行な面を第１面の例とした。本実施形態において、電子放出部１１０がナノ結晶を有する例を説明する。なお、電子放出部１１０は、ナノ結晶を有する例に限定されることはない。電子放出部１１０は、平面上に形成され、電子ビーム源として機能するものであればよい。電子放出部１１０は、基板１０およびナノ結晶層２０を有する。

【0011】

基板１０は、電子放出部１１０の第１面側に電子を放出する。基板１０は、例えば、ｎ型半導体および金属等の導電性基板である。基板１０は、電圧が印加されることにより、ナノ結晶層２０に電子を放出する。基板１０は、図１におけるＸＹ平面と略平行な面から＋Ｚ方向に向けて、即ち、ナノ結晶層２０に向けて電子を放出する。なお、基板１０は、略一定の電位となる電極としての機能を有してよい。

【0012】

ナノ結晶層２０は、基板１０における電子を放出する面上に形成され、基板１０により放出された電子を電子放出部１１０の第１面の表面側へと伝搬する。ナノ結晶層２０は、基板１０上において＋Ｚ方向に積層されてよい。ナノ結晶層２０は、例えば、ナノ結晶シリコン２２を有する。ナノ結晶シリコン２２は、電子トンネル障壁として機能する表面酸化膜２４を形成し、当該ナノ結晶シリコン２２が複数並ぶことにより、電子トンネル障壁を接続した列が形成される。

【0013】

このような電子トンネル障壁の列は、当該障壁に電圧を印加することで、当該障壁を通過させる電子を、例えば数個の単位といった極微量な単位で制御することができる。したがって、電子放出部１１０は、ナノ結晶層２０を有することで、電子の放出量を精密に、かつ、再現性よく制御することができる。ナノ結晶層２０の厚さは、数百ｎｍから数μｍ程度でよい。ナノ結晶層２０の厚さは、１μｍから２μｍ程度が好ましい。

【0014】

グラフェン層１２０は、電子放出部１１０の第１面側に設けられ、電子放出部１１０から放出された電子を通過させる。グラフェン層１２０は、電子放出部１１０上に形成される。グラフェン層１２０は、例えば、電子放出部１１０上に転写されて形成される。グラフェン層１２０は、数原子層程度に形成されることが望ましい。グラフェン層１２０は、単原子層に形成されることがより望ましい。グラフェン層１２０は、単原子層のグラフェンを１または複数重ねて形成されてよい。グラフェン層１２０は、例えば、単原子層のグラフェンを１以上１０以下の数重ねて形成される。

【0015】

層状のグラフェンを複数重ねる場合、当該層状のグラフェン毎に、電子放出部１１０上にそれぞれ転写されてグラフェン層１２０が形成されてよい。図１は、グラフェン層１２０が単層グラフェンを２層有する例を示す。なお、このように層状のグラフェンを複数重ねて接触させた場合、グラフェン間に電位障壁が発生することがある。そこで、グラフェンの各層は、当該電位障壁を打ち消す程度の電圧が印加されてよい。

【0016】

図１は、２層のグラフェンのうち、電子放出部１１０から離間している側のグラフェンに電圧Ｖ_０１が印加され、電子放出部１１０に隣接する側のグラフェンに電圧Ｖ_０２が印加される例を示す。これにより、２層のグラフェンの間にはＶ_０１−Ｖ_０２の電位差が電位障壁を低減させるように印加される。なお、電位障壁は、例えば、０．１から０．２Ｖ程度である。２つのグラフェンの間に印加される電位差Ｖ_０１−Ｖ_０２の絶対値は、当該２つのグラフェンの間に生じる電位障壁の最大値の絶対値よりも大きい値にすることが望ましい。

【0017】

電極層１３０は、グラフェン層１２０における電子放出部１１０とは反対側の面に設けられる。電極層１３０は、金属等の導電性材料を含んでよい。また、電極層１３０は、ＬａＢ６等の仕事関数の低い材料を有してもよい。また、電極層１３０は、グラフェン層１２０自身であってもよい。なお、グラフェン層１２０が複数の単層グラフェンを有する場合、電子放出部１１０から最も離間して配置される単層グラフェンが、電極層１３０として機能してよい。

【0018】

図１は、電極層１３０がＸＹ平面と略平行な面に形成された例を示す。電子ビーム発生装置１００は、電極層１３０および基板１０の間に閾値Ｖ_ｔｈ以上の電圧が印加されることにより、電子ビームを＋Ｚ方向に向けて放出する。電極層１３０は、電極パッド１３２を有する。

【0019】

電極パッド１３２は、外部から基板１０よりも大きい電圧が印加される。電極パッド１３２に電圧が印加されることに応じて、電極層１３０および電極層１３０が設けられるグラフェン層１２０が、略一定の電位となる。図１は、電極パッド１３２に電圧Ｖ_０１が印加される例を示す。

【0020】

以上の本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、電子放出部１１０が発生した弾道電子を、グラフェン層１２０を介して放出する。ここで、グラフェン層１２０は、電子放出部１１０から放出された電子の回折波を出力するので、電子ビーム発生装置１００は、放出角分散を低減させた電子ビームを出力することができる。このような弾道電子の回折波を出力させるグラフェン層１２０について、次に説明する。

【0021】

図２は、本実施形態に係るグラフェン層１２０の構成例を示す。図２は、グラフェン層１２０が第１グラフェン層１２２および第２グラフェン層１２４を有する例を示す。第２グラフェン層１２４には電極層の電圧Ｖ_０１が、印加されてよい。また、グラフェン層１２０には、電子放出部１１０に印加される駆動電圧と、電極層１３０に印加される電圧との間の電圧が印加されてよい。即ち、図１で説明したように、第１グラフェン層１２２には電圧Ｖ_０２が印加されてよい。

【0022】

図２は、第１グラフェン層１２２および第２グラフェン層１２４がそれぞれ単層のグラフェンを有し、それぞれのグラフェン層の６員環を模式的に示した例を示す。グラフェンの６員環の原子格子間隔は、０．５ｎｍ程度である。したがって、電子放出部１１０が、略０．５ｎｍ程度の波長の電子波を有する弾道電子を発生することにより、グラフェン層１２０は、回折格子のように機能し、弾道電子を回折することができる。

【0023】

例えば、電子放出部１１０がナノシリコンを有する場合、弾道電子および準弾道電子のエネルギーは、５ｅＶから１０ｅＶ程度となり、電子波の波長は０．５ｎｍ程度以下となる。したがって、電子ビーム発生装置１００は、弾道電子をグラフェン層１２０に通過させることにより、効率よく強い回折効果を得ることができる。例えば、弾道電子が第１グラフェン層１２２に入力すると、複数の次数の回折波が、当該第１グラフェン層１２２を通過して放出される。即ち、電子ビーム発生装置１００は、放出する電子ビームの指向性を向上させ、放出角分散を低減させることができる。

【0024】

以上のように、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、複数の次数の回折波を、電子ビームとしてそれぞれ出力することができる。したがって、例えば、電子ビーム発生装置１００が放出する複数時の回折波のうち、ｎ次の第１回折波を対象物に照射して露光に用い、第１回折波とは次数の異なるｍ次の第２回折波を用いて第１回折波の露光位置をアライメントすることができる。これに代えて、電子ビーム発生装置１００が放出する複数時の回折波のうち、ｎ次の第１回折波を対象物に照射して露光に用い、第１回折波とは放出角が異なる−ｎ次の第２回折波を用いて第１回折波の露光位置をアライメントしてもよい。

【0025】

ここで、露光位置のアライメントは、第１回折波の露光位置とは異なる位置に設けられたアライメントマーカに第２回折波を照射し、発生する反射電子および／または２次電子を検出することで、実行されてよい。また、第１回折波の露光する方向に対応するように、アライメントマーカ列が設けられ、第２回折波の照射による反射電子および／または２次電子を検出強度が略一定に保たれるように、露光動作を制御してよい。このように、電子ビーム発生装置１００を用いることで、アライメント動作を実行させつつ、露光動作を実行することができるので、より正確な微細パターンを形成できる。

【0026】

また、電子ビーム発生装置１００は、例えば、面放出型の電子放出部１１０を備えてもよい。この場合、電子放出部１１０は、１つが直径略５ｎｍ程度の点電子源の集まりとなるので、電子ビーム発生装置１００は、グラフェン層１２０の回折格子が回折した点列を対象物に照射することになる。したがって、電子ビーム発生装置１００は、複数の次数の回折波を対象物の結像面に照射することにより、微細パターンの複数のコピーを対象物に描画することができる。

【0027】

また、例えば、弾道電子が第１グラフェン層１２２および第２グラフェン層１２４といった複数のグラフェン層に入力すると、当該複数のグラフェン層を通過して放出される複数の次数の回折波を選択することができる。即ち、多層の回折格子により、複数の次数の回折波のうち特定の角度の回折波を選択して放出することができる。図２は、グラフェン層１２０が弾道電子２６を複数の方向に回折する例を示す。例えば、第１面に対して略垂直方向に放出される電子ビームを第１電子ビーム３２とした。また、第１電子ビーム３２に対してＸ方向に予め定められた角度をそれぞれ有する電子ビームを第２電子ビーム３４とした。また、第２電子ビーム３４とは回折方向が逆の、次数の符号が反転する電子ビームを第３電子ビーム３６とした。

【0028】

なお、第１グラフェン層１２２および第２グラフェン層１２４は、電子放出部１１０上において、それぞれ予め定められた特定の方位に積層されるものとする。これにより、電子ビーム発生装置１００は、放出する電子ビームの放出角分散を低減させた複数の次数の電子ビームを放出することができる。

【0029】

図３は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００のエミッション効率の一例を示す。図３は、横軸が印加電圧、縦軸が電流密度およびエミッション効率である。なお、横軸の印加電圧は、基板１０に印加される駆動電圧と、電極層１３０に印加される電圧との電位差を示す。例えば、基板１０に−５Ｖが印加され、電極層１３０に０Ｖが印加された場合、電子ビーム発生装置１００の印加電圧は５Ｖとなる。

【0030】

また、基板１０および電極層１３０にそれぞれ電圧が印加された場合に、基板１０および電極層１３０の間に流れる電流の電流密度をダイオード電流とした。また、基板１０および電極層１３０にそれぞれ電圧が印加された場合に、電子ビーム発生装置１００から出力する電子ビームを電流密度に換算した値をエミッション電流とした。図３より、印加電圧が略５Ｖを超えることにより、電子ビームの放出が開始されることがわかる。

【0031】

また、エミッション電流をダイオード電流で割った値を、エミッション効率とした。図３は、実際に作製した３つの試料に対して、ダイオード電流およびエミッション電流を測定し、エミッション効率を評価した結果を示す。「試料Ａ」は、電子放出部１１０にグラフェン層１２０を設けずに、直接電極層１３０を積層させた比較対象の電子ビーム発生装置である。「試料Ａ」は、３つの試料のうち、印加電圧の上昇に伴って、ダイオード電流が最も高くなり、エミッション電流が最も低くなったので、エミッション効率は最も低い値となった。

【0032】

「試料Ｂ」は、グラフェン層１２０が単層グラフェンを５層有する電子ビーム発生装置１００である。即ち、試料Ｂは、電子放出部１１０から数えて５層目の単層グラフェンが、電極層１３０として機能する、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の例を示す。このような構成であっても、エミッション効率は、試料Ａと比較して数倍から十数倍に向上することがわかる。

【0033】

ここで、電子放出部１１０の表面は、ナノ結晶層２０等を形成させるので、微細な凹凸が形成されることがある。試料Ａは、このような表面形状の電子放出部１１０上にスパッタおよびメッキ等により金属を積層させて電極層１３０を形成させるので、電子放出部１１０および電極層１３０の間等に、欠陥等が生じやすくなる。

【0034】

これに対して、本実施形態に係るグラフェン層１２０は、電子放出部１１０とは異なる銅基板等に単層のグラフェンを形成させてから、電子放出部１１０に転写することができる。即ち、欠陥がより少ない状態のグラフェン層１２０を形成してから電子放出部１１０上に積層させることができるので、電子放出部１１０およびグラフェン層１２０の間等に欠陥等が発生することを防止できる。したがって、電子放出部１１０上にグラフェン層１２０を設けただけの構成であっても、エミッション効率を向上させることができる。

【0035】

また、「試料Ｃ」は、グラフェン層１２０が単層グラフェン層を１層有し、当該グラフェン層１２０に電極層１３０が設けられた、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の例を示す。試料Ｃのエミッション効率は、試料Ａと比較して、数十倍に向上することがわかる。

【0036】

試料Ｃは、試料Ｂと同様に、グラフェン層１２０を転写するので、電子放出部１１０およびグラフェン層１２０の間等に生じる欠陥等を低減できる。また、試料Ｃは、グラフェン層１２０に金属等による低抵抗かつ高導電率の電極層１３０を形成するので、グラフェン層１２０全体を略一定の電圧に保ち、効率的に電子ビームを放出することができる。

【0037】

なお、当該電極層１３０を金属に代えて、ＬａＢ６等にすることで、低い仕事関数の電子ビームを放出できる。即ち、より低い印加電圧で電子ビームを放出することができる。この場合、ＬａＢ６等は、金属と比較して高抵抗かつ低導電率なので、金属膜と比較して同程度またはより薄い膜で形成されることが望ましい。

【0038】

図４は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００のダイオード電流およびエミッション電流の一例を示す。図４は、横軸が印加電圧の逆数、縦軸が電流密度を電圧の２乗で割った値の自然対数である。図４は、ファウラー・ノルドハイム・プロットと呼ばれ、ナノシリコン中の強電界効果に基づくトンネル伝導を評価する図である。図４において、測定結果のプロットが直線状になっていれば、ナノシリコン層において電子のトンネル伝導が生じていることを示す。作製した試料は、いずれも、印加電圧が略５Ｖ程度を超えることにより、電子のトンネル伝導が生じていることが図４からわかる。

【0039】

図５は、比較対象の試料Ａの放出電子エネルギー分布の一例を示す。図５は、横軸が放出電子のエネルギー、縦軸が放出電子の数である。図５は、印加電圧を７Ｖ、８Ｖ、および９Ｖとした場合に試料Ａから放出される電子ビームのエネルギー分布をそれぞれ示す。印加電圧が７Ｖおよび８Ｖの場合、印加電圧が９Ｖの結果と比較して、電子ビームの放出量が少ないことがわかる。また、印加電圧が７Ｖから９Ｖに増加するに伴い、放出電子エネルギー分布の幅が徐々に広くなっていくことがわかる。

【0040】

図６は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の放出電子エネルギー分布の一例を示す。図６は、図３で説明した試料Ｂの放出電子エネルギー分布の一例を示す。図６は、横軸が放出電子のエネルギー、縦軸が放出電子の数である。図６は、印加電圧を７Ｖ、８Ｖ、および９Ｖとした場合に電子ビーム発生装置１００から放出される電子ビームのエネルギー分布をそれぞれ示す。

【0041】

図６より、印加電圧が７Ｖから９Ｖに増加しても、放出電子エネルギー分布の幅がほとんど変化せず、安定な電子ビームが放出されていることがわかる。また、図５および図６より、電子ビーム発生装置１００の放出電子エネルギー分布の幅は、試料Ｂの放出電子エネルギー分布の幅と比較して狭く、エネルギー分散を低減させた電子ビームを放出できることがわかる。

【0042】

図７は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の変形例を示す。本変形例の電子ビーム発生装置１００において、図１に示された本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。本変形例の電子ビーム発生装置１００は、基板１０の一部の領域に駆動電圧を供給する電圧供給回路１４０を更に備え、当該一部の領域から弾道電子を放出させるか否かを制御する。

【0043】

図７は、グラフェン層１２０が単層グラフェンを１層有し、当該グラフェン層１２０に電極層１３０が形成された例を示す。また、本変形例の電子ビーム発生装置１００は、電子放出部１１０の基板１０が複数の領域に分割される。基板１０は、例えば、独立して駆動電圧を印加可能な複数のｎ型不純物領域１２を有する。図７は、基板１０がｎ型不純物領域１２ａ、ｎ型不純物領域１２ｂ、ｎ型不純物領域１２ｃ、およびｎ型不純物領域１２ｄの４つの領域を有する例を示す。

【0044】

また、基板１０は、複数のｎ型不純物領域１２のそれぞれ同士間の少なくとも一部にそれぞれ設けられ、同電位に接続される複数のガード領域１４を有する。即ち、基板１０において、ｎ型不純物領域１２のそれぞれは、ガード領域１４に囲まれ、他のｎ型不純物領域１２とは電気的に絶縁される。ガード領域１４は、ｎ型不純物領域でよい。ガード領域１４は、略一定のガード電圧Ｖ_ｂがそれぞれ印加されてよい。ここで、ガード電圧Ｖ_ｂは、電子放出部１１０が電子の放出を開始する閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも低い電圧でよい。

【0045】

このように、ｎ型不純物領域１２が、他のｎ型不純物領域１２とは別個に駆動電圧を受け取ることができるので、電子放出部１１０は、駆動電圧を受け取ったｎ型不純物領域１２から、対応する弾道電子をそれぞれ放出することができる。即ち、本変形例の電子ビーム発生装置１００は、ｎ型不純物領域１２の数に応じた数の電子ビームを放出することができる。また、本変形例の電子ビーム発生装置１００は、ｎ型不純物領域１２に供給される駆動電圧に応じて、対応する電子ビームをそれぞれ放出することができる。図７は、電子ビーム発生装置１００が４つの電子ビームを放出することができる例を示す。

【0046】

電圧供給回路１４０は、基板１０に設けられたｎ型不純物領域１２に駆動電圧を供給する電圧供給素子１４２を有する。電圧供給素子１４２は、ｎ型不純物領域１２に対応して、ｎ型不純物領域１２の数と少なくとも同じ数だけ基板１０に設けられてよい。電圧供給素子１４２は、外部の制御信号等に応じて、駆動電圧を対応するｎ型不純物領域１２に供給してよい。

【0047】

例えば、電圧供給素子１４２は、ＦＥＴでよい。この場合、電圧供給素子１４２は、ゲート端子に入力する制御信号に応じて、ソース端子に接続された駆動電圧Ｖ_０を、ドレイン端子に接続されたｎ型不純物領域１２に供給する。なお、駆動電圧Ｖ_０は、電極層１３０に供給される電圧Ｖ_０１よりも低電圧で、略５Ｖ以上の電位差を有する電圧でよい。図７は、電圧供給素子１４２ａから電圧供給素子１４２ｄの４つの素子が、ゲート端子にそれぞれ入力する制御信号に応じて、対応するｎ型不純物領域１２にそれぞれ駆動電圧Ｖ_０を供給する例を示す。

【0048】

以上のように、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、駆動電圧Ｖ_０が印加されたｎ型不純物領域１２から弾道電子を放出させ、複数の電子ビームの放出を別個独立に制御することができる。また、電子ビーム発生装置１００は、グラフェン層１２０を通過させてから電子ビームを照射することができるので、それぞれの電子ビームを効率よく放出することができ、また、それぞれの電子ビームの放出角分散を低減させることができる。

【0049】

以上のように、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、複数の電子ビームを効率よく、また、高精度に出力できる。また、電子ビーム発生装置１００は、簡便な構成なので、簡便な方法で作製できる。このような電子ビーム発生装置１００の製造フローについて次に述べる。

【0050】

図８は、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００を形成する製造フローの一例を示す。まず、第１面から電子を放出する電子放出部１１０を形成する（Ｓ８１０）。一例として、基板１０上にナノ結晶層２０を形成させることで、電子放出部１１０を形成してよい。ナノ結晶層２０は、自己組織的な電気化学的製法により、ナノ結晶シリコン２２および表面酸化膜２４が基板１０上に配列される。ナノ結晶シリコン２２は、略５ｎｍ間隔に形成されてよい。

【0051】

なお、電子放出部１１０は、ナノ結晶層２０に代えて、放出する電子をトンネリングさせる絶縁膜が形成されてもよい。このような絶縁膜は、放出する電子の量をトンネルする確率によって調整することができるので、当該絶縁膜の材質、膜厚および絶縁膜に印加する電圧によって、電子の放出量を制御することができる。

【0052】

次に、グラフェン層１２０を形成する（Ｓ８２０）。グラフェン層１２０は、電子放出部１１０とは別個に形成されてよい。グラフェン層１２０は、例えば、銅等の成長用基板の上に単原子層程度に形成される。グラフェン層１２０は、レジスト等が塗布された後に、成長用基板と分離されてよい。グラフェン層１２０は、エッチング等により、成長用基板と分離されてよい。

【0053】

次に、電子放出部１１０の第１面側に、電子放出部１１０から放出された電子を通過させるグラフェン層１２０を貼り付ける（Ｓ８３０）。なお、グラフェン層１２０を貼り付ける段階Ｓ８３０において、電子放出部１１０の第１面側にグラフェン層１２０を転写してよい。グラフェン層１２０およびナノ結晶層２０は、ファンデルワールス力によって固定されるので、転写することによって電子放出部１１０にグラフェン層１２０を貼り付けることができる。

【0054】

なお、グラフェン層１２０に電圧を印加する場合は、当該グラフェン層１２０に電極パッドを形成してよい。また、ここで、グラフェン層１２０のレジストを除去してよい。また、グラフェン単層を複数層形成する場合は、グラフェン層１２０の転写を繰り返して積層させてよい。

【0055】

次に、グラフェン層１２０の電子放出部１１０とは反対側の面に電極層１３０を形成する（Ｓ８４０）。電極層１３０は、金属等をスパッタおよびメッキ等により堆積させて形成してよい。電極層１３０としてグラフェンを用いる場合は、グラフェン層を転写して電極層１３０を形成してよい。そして、電極層１３０に電極パッド１３２を形成することで、電子ビーム発生装置１００を形成することができる。

【0056】

以上のように、複数の電子ビームを効率よく、また、高精度に出力できる電子ビーム発生装置１００を、簡便な方法で作製できる。このような電子ビーム発生装置１００を用いることにより、複数の電子ビームを対象物に照射して露光する電子ビーム露光装置を容易に実現できる。このような電子ビーム露光装置について、次に説明する。

【0057】

図９は、本実施形態に係る電子ビーム露光装置１０００の構成例を半導体ウェハ３０と共に示す。電子ビーム露光装置１０００は、複数の電子ビームを照射する電子ビーム照射装置４０を備える。電子ビーム露光装置１０００は、当該電子ビーム照射装置４０を用いて半導体ウェハ３０等に微細パターンを描画する。

【0058】

ここで半導体ウェハ３０は、シリコン、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ガリウム燐、またはインジウム燐等の半導体材料の結晶を加工して形成された板状の基板でよい。電子ビーム露光装置１０００は、電子ビーム照射装置４０と、ステージ部５０と、記憶部６０と、制御部７０と、通信部８０と、計算機部９０とを備える。

【0059】

電子ビーム照射装置４０は、複数の電子ビームを照射する電子カラムである。電子ビーム照射装置４０は、半導体ウェハ３０の表面に複数の電子ビームを照射して予め定められた描画パターンを描画する。電子ビーム照射装置４０は後に説明する。

【0060】

ステージ部５０は、電子ビームを照射する対象物を載置する。図中において、当該対象物を半導体ウェハ３０とした例を示す。ステージ部５０は、載置した半導体ウェハ３０を水平方向に移動させ、電子ビーム照射装置４０によって半導体ウェハ３０の一方の面に予め定められた微細パターンを予め定められた位置に描画させる。

【0061】

ステージ部５０は、例えば、ステージの水平平面を移動するＸＹステージを有する。また、ステージ部５０は、予め定められた回転軸を中心として回転移動するθステージを有してよい。また、ステージ部５０は、ステージの水平位置を調整するチルトステージを更に有してよい。また、ステージ部５０は、半導体ウェハ３０を垂直方向に移動させ、半導体ウェハ３０および電子ビーム照射装置４０の間の距離を調節するＺステージを更に有してよい。

【0062】

記憶部６０は、電子ビーム照射装置４０が描画する描画パターン情報を記憶する。ここで、描画パターン情報は、半導体ウェハ３０の一方の面上の位置情報、および電子ビームを照射するか否かの情報等でよい。記憶部６０は、予め定められた描画パターン情報を予め記憶してよい。

【0063】

制御部７０は、電子ビーム照射装置４０および記憶部６０にそれぞれ接続され、記憶部６０に記憶された描画パターン情報に応じて、電子ビーム照射装置４０に複数の電子ビームを出力させる制御信号を送信する。また、制御部７０は、ステージ部５０にそれぞれ接続され、記憶部６０に記憶された描画パターン情報に応じて、ステージ部５０を移動させる制御信号を送信してよい。また、制御部７０は、通信部８０を介して受け取った指示信号に応じて、電子ビーム照射装置４０および／またはステージ部５０に制御信号を送信してよい。

【0064】

通信部８０は、制御部７０と計算機部９０とを接続する。通信部８０は、汎用または専用のインターフェイスを有して、制御部７０と計算機部９０とを接続して通信させてよい。通信部８０は、Ethernet（登録商標）、ＵＳＢ、Serial RapidIO等の汎用の高速シリアルインターフェースまたはパラレルインターフェースを用いてよい。また、通信部８０は、無線で制御部７０と計算機部９０とを接続してよい。

【0065】

計算機部９０は、制御部７０に電子ビーム照射装置４０および／またはステージ部５０を動作させる指示信号を送信する。計算機部９０は、電子ビーム露光装置１０００を動作させる動作プログラムを実行して、当該動作プログラムに応じて指示信号を送信してよい。また、計算機部９０は、ユーザの指示を入力させる入力デバイスを有し、ユーザの指示に応じて指示信号を送信してよい。計算機部９０は、パーソナルコンピュータまたはサーバマシンでよい。

【0066】

図１０は、本実施形態に係る電子ビーム照射装置４０の構成例を半導体ウェハ３０と共に示す。図１０は、電子ビーム照射装置４０の縦断面の構成例を示す。電子ビーム照射装置４０は、電子ビーム発生装置１００と、加速電極２３０と、電子レンズ２４０とを備える。

【0067】

電子ビーム発生装置１００は、制御信号に応じて、複数の電子ビームを発生させる。電子ビーム発生装置１００は、図７で説明したように、電子ビームを発生させる領域が放出面に複数配列された面電子ビーム源である。電子ビーム発生装置１００は、当該電子ビームを発生させる領域が、放出面にマトリクス状に配列されてよく、これに代えて、面電子ビーム源の中心に対して同心円状に配置されてもよい。

【0068】

電子ビーム発生装置１００の電圧供給回路１４０は、制御部７０から制御信号を受け取り、描画パターン情報に応じて、対応するｎ型不純物領域１２に駆動電圧を供給する。これにより、電子ビーム発生装置１００は、描画パターン情報に応じた電子ビームを出力させる。

【0069】

加速電極２３０は、電子ビーム発生装置１００の電子ビームを出力する側に備わり、電子ビーム発生装置１００の電子ビームを出力させる電極よりも高い電圧が印加され、当該電子ビームを加速する。加速電極２３０は、電子ビーム発生装置１００が電子ビームを発生する領域にそれぞれ対応する複数の貫通孔が形成され、複数の電子ビームをそれぞれ通過させる。加速電極２３０は、電子ビーム発生装置１００に対応して、複数の貫通孔がマトリクス状に配列されてよく、これに代えて、同心円状に配置されてもよい。加速電極２３０は、略一定の電圧が印加される。

【0070】

電子レンズ２４０は、電子ビーム発生装置１００から出力される電子ビームを屈折させる。電子レンズ２４０は、電子ビーム発生装置１００から出力される複数の電子ビームによる描画パターンを予め定められた倍率に縮小して、対象物である半導体ウェハ３０に照射する。例えば、電子レンズ２４０は、複数の電子ビームが描画する描画パターンを１／１００以下に縮小する。電子レンズ２４０は、コイル部２４２と、レンズ部２４４と、収束部２４６とを有する。

【0071】

コイル部２４２は、複数の電子ビームのＸＹ方向の偏向を制御する。即ち、コイル部２４２は、半導体ウェハ３０の電子ビームが照射される表面における当該電子ビームのビーム形状を制御する。コイル部２４２は、電子ビーム照射装置４０のＸ軸またはＹ軸と、半導体ウェハ３０の表面上のＸ軸またはＹ軸との対応を補正するローテーションコイルでよい。また、コイル部２４２は、半導体ウェハ３０の表面上のビーム径のＸおよびＹ方向の振幅を補正してもよい。

【0072】

レンズ部２４４は、半導体ウェハ３０の表面上に複数の電子ビームを結像させる。レンズ部２４４は、テレセントリックレンズ系を構成してよく、電子ビーム発生装置１００の対物レンズとして機能する。

【0073】

収束部２４６は、加速電界および／または減速電界を複数の電子ビームに印加する。収束部２４６は、複数の電子ビームの太さおよび束を絞って収束させて、予め定められたエネルギーの電子ビームを対象物である半導体ウェハ３０に照射する。

【0074】

以上の本実施形態に係る電子ビーム照射装置４０は、面電子ビーム源等の複数の電子ビームを発生させる電子ビーム発生装置１００を有し、１つの電子カラムから複数の電子ビームを試料に照射してスループットを向上させる。従来、このような複数の電子ビームを発生させる電子ビーム発生装置１００を製造することは困難であったが、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、以上の説明のように、半導体製造プロセス等の製造工程により、簡便に製造することができる。

【0075】

また、電子ビーム発生装置１００は、複数の方向に回折波を放出することができるので、露光用の電子ビームの照射位置のアライメントを、回折波を用いて実行することができる。図１０は、電子ビーム照射装置４０が受光部３００および位置調整部３１０を更に備えることで、このようなアライメントを実行する例を示す。

【0076】

この場合、電子ビーム発生装置１００のグラフェン層１２０は、電子放出部１１０から放出された電子の複数次の回折波を出力する。即ち、電子ビーム発生装置１００は、少なくとも、半導体ウェハ３０の方向と、半導体ウェハ３０とは異なる方向とに、それぞれ異なる次数の回折波を放出する。ここで、対象物である半導体ウェハ３０に照射される回折波を、第１回折波とする。

【0077】

受光部３００は、複数次の回折波のうち、第１回折波とは次数が異なる第２回折波を受光する。受光部３００は、電子レンズ２４０のレンズ系に干渉しない位置に配置されることが望ましい。

【0078】

位置調整部３１０は、受光部３００の受光結果に基づいて、対象物に対する第１回折波の照射位置を調整する。位置調整部３１０は、予め定められた基準信号と、受光部３００の受光信号とを比較することにより、第１回折波の照射位置のズレを判断してよい。ここで、予め定められた基準信号は、第１回折波が正しい照射位置に調整された場合に、受光部３００が第２回折波を受光した信号を予め測定した結果でよい。

【0079】

これにより、位置調整部３１０は、照射位置のズレに応じた調整量を判断することができる。位置調整部３１０は、照射位置の調整量を制御部７０に送信してよい。これに代えて、位置調整部３１０は、通信部８０を介して、計算機部９０に調整量を送信してよい。制御部７０または計算機部９０は、このような調整量を照射位置のオフセットとして加味することにより、第１回折波の照射位置をより正確に調整することができる。

【0080】

なお、図１０は、電子ビーム発生装置１００から放出される一の電子ビームの回折波を受光部３００が受光する例を示したが、これに限定されることはない。受光部３００は、電子ビーム発生装置１００から放出される複数の電子ビームの複数の回折波を受光して、複数の電子ビームの照射位置をアライメントしてよい。

【0081】

また、図１０は、受光部３００が電子ビーム照射装置４０の電子カラムの内部に配置される例を示したが、これに限定されることはない。受光部３００は、電子カラムの外部に設けられ、第２回折波を受光してよい。また、受光部３００は、第２回折波を直接受光しなくてもよい。例えば、対象物にアライメントマーク等が形成されている場合、受光部３００は、当該アライメントマークに第２回折波が照射して発生する反射波または２次電子等を検出してもよい。

【0082】

以上のように、本実施形態に係る電子ビーム発生装置１００は、複数次数の回折波を放出することができるので、電子ビーム露光装置１０００は、露光動作を実行しつつ、露光位置のアライメントを実行できる。

【0083】

以上の本発明の様々な実施形態は、フローチャート及びブロック図を参照して記載されてよい。フローチャート及びブロック図におけるブロックは、（１）オペレーションが実行されるプロセスの段階又は（２）オペレーションを実行する役割を持つ装置の「部」として表現されてよい。特定の段階及び「部」が、専用回路、コンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、及び／又はコンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。

【0084】

特定の段階及び「部」が、専用回路、コンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、及び／又はコンピュータ可読記憶媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。なお、専用回路は、デジタル及び／又はアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路（ＩＣ）及び／又はディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及びプログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）等のような、論理積、論理和、排他的論理和、否定論理積、否定論理和、及び他の論理演算、フリップフロップ、レジスタ、並びにメモリエレメントを含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。

【0085】

コンピュータ可読記憶媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよい。これにより、当該有形なデバイスに格納される命令を有するコンピュータ可読記憶媒体は、フローチャート又はブロック図で指定されたオペレーションを実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。

【0086】

コンピュータ可読記憶媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ-ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ（登録商標）ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。

【0087】

コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ等を含んでよい。また、コンピュータ可読命令は、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ＋＋等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、及び「Ｃ」プログラミング言語又は同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、１又は複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコード又はオブジェクトコードを含んでよい。

【0088】

コンピュータ可読命令は、ローカルに又はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を介して、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサ、又はプログラマブル回路に提供されてよい。これにより、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサ、又はプログラマブル回路は、フローチャート又はブロック図で指定されたオペレーションを実行するための手段を生成するために、当該コンピュータ可読命令を実行できる。なお、プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。

【0089】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0090】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0091】

１０ 基板、１２ ｎ型不純物領域、１４ ガード領域、２０ ナノ結晶層、２２ ナノ結晶シリコン、２４ 表面酸化膜、２６ 弾道電子、３０ 半導体ウェハ、３２ 第１電子ビーム、３４ 第２電子ビーム、３６ 第３電子ビーム、４０ 電子ビーム照射装置、５０ ステージ部、６０ 記憶部、７０ 制御部、８０ 通信部、９０ 計算機部、１００ 電子ビーム発生装置、１１０ 電子放出部、１２０ グラフェン層、１２２ 第１グラフェン層、１２４ 第２グラフェン層、１３０ 電極層、１３２ 電極パッド、１４０ 電圧供給回路、１４２ 電圧供給素子、２３０ 加速電極、２４０ 電子レンズ、２４２ コイル部、２４４ レンズ部、２４６ 収束部、３００ 受光部、３１０ 位置調整部、１０００ 電子ビーム露光装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】