JP6404998B2 - 電子ビームを採用する加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトリソグラフィ方法に関する。

電子ビーム加工（ＥＢＭ）は、高い出力密度を有する電子ビームが生成した熱によって加工物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）を処理する方法である。電子ビーム加工は、表面熱処理、溶接、エッチング、穿孔、溶融、または材料の昇華に用いることができる。

フィラメントの陰極から真空で放出された電子は高電圧（３０ＫＶ〜２００ＫＶ）で加速され、電磁レンズによって集束され、高い出力密度（１０^５Ｗ/ｃｍ^２〜１０^９Ｗ/ｃｍ^２）を有する電子ビームを形成する。電子ビームは高温で熱を発生させて、加工物を溶融または昇華させ、加工物に対して溶接、エッチング、または穿孔を行うことができる。従来の電子ビーム加工装置では、電子銃は一つしかなく、１本の電子ビームのみ射出する。 これにより、従来の電子ビーム加工システムの効率は低い。複数の電子銃を使用すると、電子ビーム加工システムが複雑になり、コストが高くなる。

本発明の目的は、前記課題を解決するコストが低く、且つ効率が高いフォトリソグラフィ方法を提供することである。

本発明のフォトリソグラフィ方法は入射電子ビームを提供する第一ステップと、入射電子ビームに二次元ナノ材料を透過させて、透過電子ビーム及び複数の回折電子ビームを形成する第二ステップと、透過電子ビームを遮蔽する第三ステップと、複数の回折電子ビームに加工物の表面を照射させて、複数の回折スポットを形成する第四ステップと、を含む。

従来の技術に比べて、本発明のフォトリソグラフィ方法は以下の優れる点がある。フォトリソグラフィ方法には、二次元ナノ材料１８４によって、一つの入射電子ビーム２２を回折して、複数の回折電子ビーム２４を形成できる。複数の回折電子ビーム２４を採用して、加工物２０の表面を同時に照射して、フォトリソグラフィの効率を高めることができる。

本発明の実施例１における電子ビーム加工システムの構造を示す図である。 本発明の実施例１における電子ビーム加工システムの電子ビームの回折スポット及び透過スポットの構造を示す図である。 本発明の実施例１における電子ビーム加工システムの回折装置の構造を示す図である。 図４ａは本発明の実施例１における電子ビームが二次元ナノ材料を透過する電子回折及び電子透過の原理図であり、図４ｂは本発明の実施例１における電子ビームが三次元ナノ材料を透過する電子回折及び電子透過の原理図である。 本発明の実施例１における電子ビームが単層単結晶グラフェンを完全に覆った後に形成する回折スポットのイメージ及び透過スポットのイメージである。 本発明の実施例１における電子ビームが三つの単層単結晶グラフェンを完全に覆った後に形成する回折スポットのイメージ及び透過スポットのイメージである。 本発明の実施例１における電子ビームが連続な多結晶グラフェン膜を完全に覆った後に形成する回折スポットのイメージ及び透過スポットのイメージである。 本発明の実施例１における電子ビームがＭｏＳ_２薄片を完全に覆った後に形成する回折スポットのイメージ及び透過スポットのイメージである。 本発明の実施例２における電子ビーム加工システムを利用するフォトリソグラフィ方法のフローチャートである。 本発明の実施例２における電子ビーム加工システムの構造を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１及び図２を参照すると、実施例１は電子ビーム加工システム１０を提供する。電子ビーム加工システム１０は電子ビーム・リソグラフィ・システムである。電子ビーム加工システム１０は、真空装置１１と、電子エミッタ１２と、制御ゲート１３と、加速電極１４と、集束電極１５と、試料ホルダ１６と、制御コンピュータ１７と、回折装置１８と、を含む。

電子エミッタ１２と、制御ゲート１３と、加速電極１４と、集束電極１５と、試料ホルダ１６と、制御コンピュータ１７と、回折装置１８とは真空装置１１の真空チャンバーに設置される。電子エミッタ１２は電子ビームを放出することに用いる。 電子ビームは加速電極1４によって加速され、集束電極1５によって集束されて、入射電子ビーム２２を形成する。入射電子ビーム２２は回折装置に照射し且つ透過して、透過電子ビーム２６及び複数の回折電子ビーム２４を形成する。透過電子ビーム２６及び複数の回折電子ビーム２４は試料ホルダ１６に設置された加工物２０の表面を照射し、一つの透過スポット２９及び複数の回折スポット２７を形成する。図２を参照すると、複数の回折スポット２７は一つの回折リングを形成する。制御コンピュータ１７は電子ビーム加工システム１０の動作を制御することに用いる。

真空装置１１は真空チャンバーと、真空チャンバーと接続する真空ポンプ装置を含む。真空チャンバー及び真空ポンプ装置の構造は制限されず、必要に応じて設けることができる。本実施例において、真空ポンプ装置は、イオンポンプと、第一分子ポンプと、第二分子ポンプと、機械式ポンプと、制御装置と、を含む。イオンポンプと第二分子ポンプはそれぞれ真空チャンバーと直接に接続される。第一分子ポンプは、予備真空室によって真空チャンバーと接続される。機械式ポンプは第一分子ポンプ及び第二分子ポンプとそれぞれ接続されている。制御装置は真空ポンプ装置の動作を制御できる。真空チャンバーの圧力は１０^−３Ｐａ〜１０^−６Ｐａである。１０^−３Ｐａ〜１０^−６Ｐａの圧力範囲で、透過電子の回折スポット及び回折イメージを観察できる。

電子エミッタ１２及び試料ホルダ１６は、真空チャンバーの対向する両端に間隔をあけて設置される。制御ゲート１３、加速電極１４、集束電極１５及び回折装置１８は、電子エミッタ１２と試料ホルダ１６との間には相互に間隔をあけて設置される。電子エミッタ１２は、熱陰極電子源或いは電界放出冷陰極電子源であってもよい。

電子エミッタ１２、制御ゲート１３、加速電極１４及び集束電極１５は電子銃を形成する。電子銃から放出される入射電子ビーム２２のエネルギーは０．２ＫｅＶ〜２００ＫｅＶであり、入射電子ビーム２２の電流は０．０１マイクロアンペア〜１０ミリアンペアであり、入射電子ビーム２２のスポットの直径は１マイクロメートル〜６ミリメートルである。電子ビーム・リソグラフィ・システムでは、電子銃によって提供される入射電子ビーム２２のエネルギーは低く、入射電子ビーム２２のスポットの直径は小さい。例えば、入射電子ビーム２２のスポットの直径は１ナノメートル〜１００マイクロメートルである。電子ビーム溶接システム、電子ビーム穴あけシステム、電子ビーム溶融システム、或いは電子ビーム熱処理システムでは、電子銃によって提供される入射電子ビーム２２のエネルギーは高く、入射電子ビーム２２のスポットの直径は大きい。電子銃の種類は制限されない。電子銃は層状銃であってもよい。層状銃はより均一なスポット及びより大きな電流密度を有して、イメージング回折品質を向上させることができる。

さらに、電子ビーム加工システム１０は移動プラットフォーム（図示せず）を含むことができる。移動プラットフォームは電子銃を移動させて、電子ビームが加工物２０を走査することを実現できる。電子ビーム加工システム１０は偏向電極（図示せず）を含むことができる。偏向電極によって入射電子ビーム２２を移動させて加工物２０を走査することを実現できる。

回折装置１８は電源に接続され、回折装置１８に電位が供給された後に、入射電子ビーム２２を加速できる。これにより、回折装置１８は電子銃の加速電極１４として用いることができる。この際、加速電極１４を省略できる。二次元ナノ材料１８４は外部回路と接続され、二次元ナノ材料１８４によって吸収された電子が外部回路に流れることができる。

図３を参照すると、回折装置１８は、支持体１８０と、グリッド１８２と、二次元ナノ材料１８４と、を含む。支持体１８０は、グリッド１８２及び二次元ナノ材料１８４を支持して固定することに用いる。支持体１８０の形状及び寸法は制限されず、必要に応じて選択できる。支持体１８０は、貫通孔１８１を有する金属シートであってもよい。貫通孔１８１は金属シートの中心に設置される。金属シートは銅板であってもよい。貫通孔１８１のサイズはグリッド１８２のサイズより小さい。グリッド１８２は支持体１８０に設置され、貫通孔１８１を覆っている。これにより、貫通孔１８１によって、グリッド１８２は懸架される。グリッド１８２の形状及び寸法は制限されず、必要に応じて設計することができる。グリッド１８２は銅メッシュ或いはカーボンナノチューブ構造体であってもよい。カーボンナノチューブ構造体は相互に交差して且つ積層される少なくとも二つのドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む。カーボンナノチューブ構造体はネット構造体である。ドローン構造カーボンナノチューブフィルムは複数のカーボンナノチューブを含む。複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列され且つ分子間力で端と端とが接続されている。カーボンナノチューブ構造体が超薄で疎な多孔質構造であるので、試料にほとんど影響を与えない。さらに、ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの回折スポットは、主に隣接するカーボンナノチューブの壁の間に発生し、低角度を有し、試料の回折スポットに影響を与えない。二次元ナノ材料１８４はグリッド１８２と積層されて設置される。貫通孔１８１の少なくとも一部は二次元ナノ材料１８４に被覆される。好ましくは、貫通孔１８１は二次元ナノ材料１８４に完全に被覆される。二次元ナノ材料１８４はグラフェン或いはＭｏＳ_２であってもよい。グラフェンは単層グラフェン或いは多層グラフェンであってよい。本実施例において、支持体１８０は円形の銅板であり、貫通孔１８１は銅板の中心に設置される。カーボンナノチューブ構造体は交差して設置されるカーボンナノチューブフィルムからなる。

試料ホルダ１６は加工物２０を固定することに用いる。試料ホルダ１６の構造は制限されず、必要に応じて選択できる。

電子ビーム加工システム１０は、回折装置１８をＸＹＺ方向に沿って移動させる移動装置を含むことができる。これにより、二次元ナノ材料１８４と加工物２０との距離Ｄは調節できる。

制御コンピュータ１７は、計算モジュールと、距離制御モジュールと、を含む。計算モジュールは二次元ナノ材料１８４の格子周期ｄ及び回折リングの半径Ｒによって、二次元ナノ材料１８４と加工物２０の表面との距離Ｄを計算できる。距離制御モジュールは、二次元ナノ材料１８４と加工物２０との距離Ｄを調整できる。

さらに、電子ビーム加工システム１０は導電体１９を含むことができる。導電体１９によって、透過スポット２９或いは少なくとも一つの回折スポット２７を遮蔽できる。透過スポット２９或いは少なくとも一つの回折スポット２７を遮蔽し、且つ透過スポット２９或いは回折スポット２７に影響を与えなければ、導電体１９の構造及び形状は制限されない。本実施例において、導電体１９は導電性ロッドと、導電板と、を含む。導電性ロッドは、対向する第一端部及び第二端部を有する。導電性ロッドの第一端部は真空チャンバーの内壁に固定される。導電性ロッドの第一端部は回転できる。導電性ロッドの第二端部は導電板と接続される。導電体１９を使用する際、導電性ロッドを回折装置１８と加工物２０との間に回転させ、導電板によって回折スポット或いは透過スポットを遮蔽する。好ましくは、導電体１９は外部回路と電気的に接続される。これにより、導電体１９によって吸収された電子が外部回路に流れることができる。

二次元ナノ材料１８４、特に単原子層のみを有する二次元ナノ材料１８４の電子回折原理は、従来の三次元ナノ材料の電子回折原理と異なる。従来の三次元ナノ材料の電子回折原理と二次元ナノ材料の電子回折原理との違いは以下に説明する。

図４（ａ）を参照すると、二次元ナノ材料の電子回折は式dsinθ=λを満たす。ｄは二次元のナノ材料の格子周期を表す。θは回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６との角度を表す。図４（ｂ）を参照すると、三次元ナノ材料の電子回折は式2d’sinθ’=λを満たす。ｄ’は三次元ナノ材料の結晶面の面間隔を表す。θ’は入射電子ビーム２２と三次元ナノ材料の結晶表面２８との角度を表す。従来の三次元ナノ材料の電子回折において、回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６とがなす角度は２θ’である。通常に選択された区域の電子回折では、θまたはθ’は非常に小さく、式
または
を満たす。二次元ナノ材料の電子回折では、式
を満たす。従来の三次元ナノ材料の電子回折では、式
を満たす。

二次元ナノ材料１８４の格子周期ｄ及び入射電子ビーム２２の波長λは、制御コンピュータ１７によって獲得できる。回折リングの半径Ｒは、所望のエッチングパターンによって獲得できる。具体的に、図２を参照すると、同じ結晶方向には、回折電子ビーム２４は加工物２０の表面に複数の回折スポット２７を形成し、すなわち、回折リングを形成し、透過電子ビーム２６は加工物２０の表面に透過スポット２９を形成する。回折リングと透過スポットとの距離は回折リングの半径Ｒと同じである。二次元ナノ材料１８４と加工物２０の表面との距離はＤである。波長λは入射電子ビーム２２のエネルギーによって獲得できる。これにより、式
及び式sinθ=Ｒ/(Ｄ^２+Ｒ^２)^１/２によって、制御コンピュータ１７の計算モジュールは二次元ナノ材料１８４と加工物２０の表面との距離Ｄを計算できる。

入射電子ビーム２２が二次元ナノ材料１８４を透過した後に形成する回折電子ビーム２４の数及び回折電子ビーム２４が加工物２０の表面に形成する回折リングのパターンは、二次元ナノ材料１８４の構造及び層数に関する。図５は、二次元ナノ材料１８４が単層単結晶グラフェンである際、入射電子ビーム２２は単層単結晶グラフェンを完全に覆った後に形成する回折イメージを示す。図６は、二次元ナノ材料１８４が三つの単層単結晶グラフェンである際、入射電子ビーム２２は三つの単層単結晶グラフェンを完全に覆った後に形成する回折イメージを示す。図７は、二次元ナノ材料１８４が連続な多結晶グラフェン膜である際、入射電子ビーム２２は連続な多結晶グラフェン膜を完全に覆った後に形成する回折イメージを示す。図８は、二次元ナノ材料１８４がＭｏＳ_２薄片である際、入射電子ビーム２２は一つの結晶配向のみを有するＭｏＳ_２薄片を完全に覆った後に形成する回折イメージを示す。

本発明の電子ビーム加工システムは以下の優れる点がある。電子ビーム加工システムは、回折装置によって、一つの電子ビームを回折して複数の電子ビームを形成できる。これにより、コストが低くなり、電子ビーム加工システムの効率を高めることができる。

図９を参照すると、実施例２は電子ビーム加工システム１０を利用するフォトリソグラフィ方法を提供する。フォトリソグラフィ方法は以下のステップを含む。
Ｓ１、入射電子ビーム２２を提供する。
Ｓ２、入射電子ビーム２２に二次元ナノ材料１８４を透過させて、透過電子ビーム２６及び複数の回折電子ビーム２４を形成する。
Ｓ３、透過電子ビーム２６を遮蔽する。
Ｓ４、複数の回折電子ビーム２４に加工物２０の表面を照射させて、複数の回折スポット２７を形成する。

Ｓ１では、入射電子ビーム２２は平行の電子ビームであってもよく、集束された電子ビームであってもよい。入射電子ビーム２２は電子銃に放出される。

Ｓ２では、入射電子ビーム２２は二次元ナノ材料１８４を垂直に入射できる。二次元ナノ材料１８４は、単層グラフェン、多層グラフェン或いはＭｏＳ_２であってもよい。二次元ナノ材料１８４の構造及び層数を選択することによって、複数の回折電子ビーム２４が加工物２０の表面に形成する回折リングのパターンを制御できる。

さらに、Ｓ３では、導電体１９によって少なくとも一つの回折電子ビーム２４を遮蔽するステップを含むことができる。好ましくは、導電体１９は二次元ナノ材料１８４と電気的に接続される。透過電子ビーム２６のエネルギーは回折電子ビーム２４のエネルギーと異なる。 すべての回折電子ビーム２４は同じエネルギーを有する。複数の回折電子ビーム２４のうちのいくつかも遮蔽される。こうして、Ｓ４において、複数の回折電子ビーム２４の残りの部分のみが被加工物２０の表面に照射し、複数の回折スポット２７を形成することができる。

さらに、Ｓ４では、電子銃或いは試料ホルダ１６を移動させることによって、複数の回折電子ビーム２４は加工物２０の表面を走査できる。二次元ナノ材料１８４と加工物２０の表面との距離Ｄを変えることによって、回折スポット２７の大きさ及び回折リングの半径Ｒを調整できる。

本実施例に提供するフォトリソグラフィ方法において、二次元ナノ材料１８４によって、一つの入射電子ビーム２２を回折して、複数の回折電子ビーム２４を形成できる。複数の回折電子ビーム２４を採用して、加工物２０の表面を同時に照射して、フォトリソグラフィの効率を高めることができる。

図１０を参照すると、実施例３は電子ビーム加工システム１０Ａを提供する。電子ビーム加工システム１０は電子ビーム溶接システム、電子ビーム穴あけシステム、電子ビーム溶融システム、或いは電子ビーム加熱システムであってもよい。電子ビーム加工システム１０Ａは、真空装置１１と、電子エミッタ１２と、制御ゲート１３と、加速電極１４と、複数の集束電極１５と、試料ホルダ１６と、制御コンピュータ１７と、回折装置１８と、を含む。

実施例３における電子ビーム加工システム１０Ａの構造は実施例１における電子ビーム加工システム１０の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下である。電子ビーム加工システム１０Ａは複数の集束電極１５を含む。複数の集束電極１５は試料ホルダ１６と回折装置１８との間に設置される。複数の集束電極１５は回折電子ビーム２４とそれぞれ対応する。電子ビーム加工システム１０は電子ビーム溶接システム、電子ビーム穴あけシステム、電子ビーム溶融システム、或いは電子ビーム加熱システムであるので、加工物２０の表面に照射する電子ビームは高いエネルギー及び温度を有する必要がある。入射電子ビーム２２が回折装置１８を透過して複数の回折電子ビーム２４を形成するので、複数の回折電子ビーム２４は入射電子ビーム２２よりも低いエネルギーを有する。複数の集束電極１５は複数の回折電子ビーム２４のエネルギーを増加して、電子ビーム溶接システム、電子 ビーム穿孔システム、電子ビーム溶融システム、或いは電子ビーム加熱システムの要求を満たすことができる。電子ビーム２４と対応するために、集束電極１５は移動できる。

電子ビーム加工システム１０Ａは複数の回折電子ビーム２４を採用して、加工物２０を処理する効率を高めることができる。例えば、六角形を有する回折リングを採用して、加工物２０の表面に六つの穴を一度に形成でき、効率を高める。

１０、１０Ａ 電子ビーム加工システム
１１ 真空装置
１２ 電子エミッタ
１３ 制御ゲート
１４ 加速電極
１５ 集束電極
１６ 試料ホルダ
１７ 制御コンピュータ
１８ 回折装置
１９ 導電体
２０ 加工物
２２ 入射電子ビーム
２４ 回折電子ビーム
２６ 透過電子ビーム
２７ 回折スポット
２８ 結晶表面
２９ 透過スポット

Claims (2)

1. 入射電子ビームを提供する第一ステップと、
   二次元ナノ材料に前記入射電子ビームを透過させて、透過電子ビーム及び複数の回折電子ビームを形成する第二ステップであって、前記二次元ナノ材料が多孔質構造であるカーボンナノチューブ構造体と積層されて設置される第二ステップと、
   前記透過電子ビームを遮蔽する第三ステップと、
   加工物の表面に前記複数の回折電子ビームを照射させて、複数の回折スポットを形成する第四ステップと、
   を含むことを特徴とする電子ビームを採用する加工方法。
2. 前記二次元ナノ材料はグラフェン或いはＭｏＳ_２であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームを採用する加工方法。