JPH07134939A - 電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置 - Google Patents
電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置Info
- Publication number
- JPH07134939A JPH07134939A JP28305493A JP28305493A JPH07134939A JP H07134939 A JPH07134939 A JP H07134939A JP 28305493 A JP28305493 A JP 28305493A JP 28305493 A JP28305493 A JP 28305493A JP H07134939 A JPH07134939 A JP H07134939A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electron
- electron source
- upper electrode
- insulating layer
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/312—Cold cathodes having an electric field perpendicular to the surface thereof
- H01J2201/3125—Metal-insulator-Metal [MIM] emission type cathodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 エネルギー半値幅０．５ｅＶ以下の電子線を
放出するＭＩＭ型電子源を実現し、それを用いた電子線
放射装置を実現する。 【構成】 ６ｎｍの絶縁層を持つＭＩＭ型電子源を作製
し、それを上部電極の仕事関数で決定される電子放出し
きい値電圧に１．５Ｖ以下の電圧を加えた電圧で駆動す
る。
放出するＭＩＭ型電子源を実現し、それを用いた電子線
放射装置を実現する。 【構成】 ６ｎｍの絶縁層を持つＭＩＭ型電子源を作製
し、それを上部電極の仕事関数で決定される電子放出し
きい値電圧に１．５Ｖ以下の電圧を加えた電圧で駆動す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は金属−絶縁体−金属型の
電子源、及びそれを備えた電子線放射装置に関する。
電子源、及びそれを備えた電子線放射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁層のトンネル現象を利用する金属−
絶縁体−金属型電子源（以下ＭＩＭ型電子源と記す）
は、エネルギー分散の小さい面状電子線を取り出す有力
な候補と考えられてきた。図２のエネルギーダイアグラ
ムを用いてその電子放出の原理を示す。上部電極１１と
下部電極１３の間に駆動電圧１４を印加すると絶縁層１
２内の電界のため、下部電極１３中の電子は、トンネル
現象により障壁を透過し、絶縁層１２、上部電極１１の
伝導帯に出現する。これらの電子のうち、上部電極１１
の仕事関数φ以上のエネルギーを有する電子は真空中１
６に放出されることになる。例えばＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ａ
ｕ構造等によりこの電子放出が観測されている。しかし
ながら従来のＭＩＭ型電子源は、放出電子のエネルギー
分散の半値幅ΔＥが、通常１〜４ｅＶと大きく、最小で
も０．８ｅＶが報告されているにすぎない（バキューム
テクニック ２８巻、ナンバー８ （１９７８）６６
−７５ページ：Ｖａｋｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｉｋ ２８，
Ｈｅｆｔ ８（１９７８）ｐｐ６６−７５）。
絶縁体−金属型電子源（以下ＭＩＭ型電子源と記す）
は、エネルギー分散の小さい面状電子線を取り出す有力
な候補と考えられてきた。図２のエネルギーダイアグラ
ムを用いてその電子放出の原理を示す。上部電極１１と
下部電極１３の間に駆動電圧１４を印加すると絶縁層１
２内の電界のため、下部電極１３中の電子は、トンネル
現象により障壁を透過し、絶縁層１２、上部電極１１の
伝導帯に出現する。これらの電子のうち、上部電極１１
の仕事関数φ以上のエネルギーを有する電子は真空中１
６に放出されることになる。例えばＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−Ａ
ｕ構造等によりこの電子放出が観測されている。しかし
ながら従来のＭＩＭ型電子源は、放出電子のエネルギー
分散の半値幅ΔＥが、通常１〜４ｅＶと大きく、最小で
も０．８ｅＶが報告されているにすぎない（バキューム
テクニック ２８巻、ナンバー８ （１９７８）６６
−７５ページ：Ｖａｋｕｕｍ Ｔｅｃｈｎｉｋ ２８，
Ｈｅｆｔ ８（１９７８）ｐｐ６６−７５）。
【０００３】一方、ＭＩＭ型電子源の応用が期待される
電子線描画装置や電子線を利用した計測装置等では一般
に電子光学系を用いた電子線の収束や偏向などを行な
う。その際色収差による電子ビーム軌道のずれを防止す
るため、電子線のエネルギー分散の半値幅ΔＥは０．５
ｅＶ以下が求められる。
電子線描画装置や電子線を利用した計測装置等では一般
に電子光学系を用いた電子線の収束や偏向などを行な
う。その際色収差による電子ビーム軌道のずれを防止す
るため、電子線のエネルギー分散の半値幅ΔＥは０．５
ｅＶ以下が求められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ＭＩＭ型電子源は、素
子内部の絶縁層１２（以下図２を参照）をポテンシャル
障壁としているため、電子はトンネル現象による障壁の
透過後、絶縁層１２の伝導帯、さらには上部電極１１の
伝導帯を走行しなければならない。このような固体中を
電子が走行する場合、電子散乱の効果は避けられず、ト
ンネル電子は次々とエネルギーを失っていき、素子内部
で非常に広いエネルギー分散を持つようになる。そのた
め放出される電子線のエネルギー分散も非常に大きく、
ＭＩＭ型電子源の実用化の妨げとなってきた。
子内部の絶縁層１２（以下図２を参照）をポテンシャル
障壁としているため、電子はトンネル現象による障壁の
透過後、絶縁層１２の伝導帯、さらには上部電極１１の
伝導帯を走行しなければならない。このような固体中を
電子が走行する場合、電子散乱の効果は避けられず、ト
ンネル電子は次々とエネルギーを失っていき、素子内部
で非常に広いエネルギー分散を持つようになる。そのた
め放出される電子線のエネルギー分散も非常に大きく、
ＭＩＭ型電子源の実用化の妨げとなってきた。
【０００５】本発明の目的は、エネルギー半値幅ΔＥが
０．５ｅＶ以下の電子線を放出するＭＩＭ型電子源を可
能にし、それを用いた電子線描画装置等の電子線放射装
置を提供することにある。
０．５ｅＶ以下の電子線を放出するＭＩＭ型電子源を可
能にし、それを用いた電子線描画装置等の電子線放射装
置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、６ｎｍ以下
の絶縁層を持つＭＩＭ型電子源を、上部電極の仕事関数
で決定される電子放出しきい値電圧に１．５Ｖを加えた
電圧以下で駆動することにより達成できる。
の絶縁層を持つＭＩＭ型電子源を、上部電極の仕事関数
で決定される電子放出しきい値電圧に１．５Ｖを加えた
電圧以下で駆動することにより達成できる。
【０００７】具体的には、（１）上部電極と下部電極の
間に絶縁層を挟んだ構造を有し、両電極間に電圧を印加
することにより上部電極から電子を放出する電子源にお
いて、絶縁層の膜厚が６ｎｍ以下であり、上部電極の仕
事関数によって決定される電子放出しきい値電圧に１．
５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電子線
の放出が可能である電子源、（２）上部電極と下部電極
の間に絶縁層を挟んだ構造体がマトリクス状に２次元配
列した構造を有し、両電極間にマトリクス駆動電圧を印
加することにより上部電極から電子を放出する電子源に
おいて、絶縁層の膜厚が６ｎｍ以下であり、上部電極の
仕事関数によって決定される電子放出しきい値電圧に
１．５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電
子線の放出が可能である電子源、（３）電子源の絶縁層
を、０．０００１Ａ／ｍ2以上０．１Ａ／ｍ2以下の化成
電流密度による陽極酸化で形成する電子源の製造方法、
（４）上記（１）、（２）項等に記載された電子源と、
電子源から放出された電子線を縮小する電子光学系と、
電子光学系を通過した電子線を照射する試料を保持する
手段を有する電子線放射装置、等により達成できる。
間に絶縁層を挟んだ構造を有し、両電極間に電圧を印加
することにより上部電極から電子を放出する電子源にお
いて、絶縁層の膜厚が６ｎｍ以下であり、上部電極の仕
事関数によって決定される電子放出しきい値電圧に１．
５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電子線
の放出が可能である電子源、（２）上部電極と下部電極
の間に絶縁層を挟んだ構造体がマトリクス状に２次元配
列した構造を有し、両電極間にマトリクス駆動電圧を印
加することにより上部電極から電子を放出する電子源に
おいて、絶縁層の膜厚が６ｎｍ以下であり、上部電極の
仕事関数によって決定される電子放出しきい値電圧に
１．５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電
子線の放出が可能である電子源、（３）電子源の絶縁層
を、０．０００１Ａ／ｍ2以上０．１Ａ／ｍ2以下の化成
電流密度による陽極酸化で形成する電子源の製造方法、
（４）上記（１）、（２）項等に記載された電子源と、
電子源から放出された電子線を縮小する電子光学系と、
電子光学系を通過した電子線を照射する試料を保持する
手段を有する電子線放射装置、等により達成できる。
【０００８】
【作用】本発明の作用を図１のエネルギーダイアグラム
を用いて説明する。ＭＩＭ電子源の絶縁層１２をトンネ
ル現象により電子が透過する確率はファウラーノルドハ
イムの原理より絶縁層１２内の電界強度で決まる。この
電界強度は絶縁層１２に印加する駆動電圧１４に比例
し、絶縁層の膜厚ｄに反比例する。よって絶縁層１２を
薄くすればより低い駆動電圧１２でトンネル現象を発現
し、下部電極１３のフェルミ準位１７近傍から上部電極
１１へ向かって電子が透過する。例えば６ｎｍの絶縁層
１２の場合約４．５Ｖで電子が透過する。
を用いて説明する。ＭＩＭ電子源の絶縁層１２をトンネ
ル現象により電子が透過する確率はファウラーノルドハ
イムの原理より絶縁層１２内の電界強度で決まる。この
電界強度は絶縁層１２に印加する駆動電圧１４に比例
し、絶縁層の膜厚ｄに反比例する。よって絶縁層１２を
薄くすればより低い駆動電圧１２でトンネル現象を発現
し、下部電極１３のフェルミ準位１７近傍から上部電極
１１へ向かって電子が透過する。例えば６ｎｍの絶縁層
１２の場合約４．５Ｖで電子が透過する。
【０００９】一方、このトンネル電子が真空１６中に放
出されるのは透過してきた電子が上部電極中でとるエネ
ルギー準位が上部電極１１の真空準位１９以上の場合で
ある。真空準位１９は上部電極１１のフェルミ準位１８
より仕事関数φの分だけエネルギー準位が高い。よって
ＭＩＭ電子源が電子を放出するにはトンネル現象の起こ
る下部電極１３のフェルミ準位１７が上部電極１１のフ
ェルミ準位１８より少なくとも仕事関数φの分だけエネ
ルギーが高くなるように駆動電圧１４を印加しなければ
ならない。さもなければ透過電子の上部電極中でのエネ
ルギー準位は真空準位以上と成り得ないからである。こ
れが上部電極１１の仕事関数φによって決定されるＭＩ
Ｍ電子源の電子放出しきい値電圧であり、例えば上部電
極１１がＡｕの場合約４．７Ｖとなる。
出されるのは透過してきた電子が上部電極中でとるエネ
ルギー準位が上部電極１１の真空準位１９以上の場合で
ある。真空準位１９は上部電極１１のフェルミ準位１８
より仕事関数φの分だけエネルギー準位が高い。よって
ＭＩＭ電子源が電子を放出するにはトンネル現象の起こ
る下部電極１３のフェルミ準位１７が上部電極１１のフ
ェルミ準位１８より少なくとも仕事関数φの分だけエネ
ルギーが高くなるように駆動電圧１４を印加しなければ
ならない。さもなければ透過電子の上部電極中でのエネ
ルギー準位は真空準位以上と成り得ないからである。こ
れが上部電極１１の仕事関数φによって決定されるＭＩ
Ｍ電子源の電子放出しきい値電圧であり、例えば上部電
極１１がＡｕの場合約４．７Ｖとなる。
【００１０】先に述べたように膜厚ｄが６ｎｍ以下の絶
縁層１２を持つＭＩＭ電子源の場合、４．５Ｖ以下の駆
動電圧１４の印加で電子がトンネルしているので、４．
７Ｖを印加すればすぐ電子放出が開始される。これに対
し、膜厚ｄが６ｎｍより厚いとトンネル現象が発現する
のに必要な駆動電圧１４が高くなるので電子放出開始電
圧が高くなる。図３に様々な膜厚ｄのＡｌ2Ｏ3膜を用い
て電子放出開始電圧を求めた実験結果を示す。
縁層１２を持つＭＩＭ電子源の場合、４．５Ｖ以下の駆
動電圧１４の印加で電子がトンネルしているので、４．
７Ｖを印加すればすぐ電子放出が開始される。これに対
し、膜厚ｄが６ｎｍより厚いとトンネル現象が発現する
のに必要な駆動電圧１４が高くなるので電子放出開始電
圧が高くなる。図３に様々な膜厚ｄのＡｌ2Ｏ3膜を用い
て電子放出開始電圧を求めた実験結果を示す。
【００１１】従来のＭＩＭ型電子源から放出される電子
線のエネルギー分散が大きくなる原因であった固体中で
のトンネル電子の散乱の効果は、上記のような薄い絶縁
層１２を持つＭＩＭ型電子源でもやはり避けられない。
ところで上記のように膜厚ｄが６ｎｍ以下のＭＩＭ電子
源の場合、４．７Ｖの印加ですぐに電子放出が開始され
るので、例えば５．５Ｖと低い駆動電圧１４で十分な電
子放出強度が得られる。このような場合、放出される電
子のエネルギー分散は下部電極のフェルミ準位１７と上
部電極１１の真空準位１９のエネルギー差である０．８
ｅＶ以下しか持ち得ない。なぜなら散乱によって固体中
で真空準位１８以下のエネルギー準位に落ちた電子は仕
事関数φの障壁にさえぎられ放出されないからである。
このように薄い絶縁層１２を持つＭＩＭ電子源を作製
し、それを上部電極１１の仕事関数φから決定される電
子放出しきい値電圧の近傍の駆動電圧１２で動作させる
ことにより、仕事関数φの障壁を一種のフィルターとし
て利用して低いエネルギー準位に落ちた電子を取り除
き、電子線のエネルギー分散を狭めることが本発明の本
質である。
線のエネルギー分散が大きくなる原因であった固体中で
のトンネル電子の散乱の効果は、上記のような薄い絶縁
層１２を持つＭＩＭ型電子源でもやはり避けられない。
ところで上記のように膜厚ｄが６ｎｍ以下のＭＩＭ電子
源の場合、４．７Ｖの印加ですぐに電子放出が開始され
るので、例えば５．５Ｖと低い駆動電圧１４で十分な電
子放出強度が得られる。このような場合、放出される電
子のエネルギー分散は下部電極のフェルミ準位１７と上
部電極１１の真空準位１９のエネルギー差である０．８
ｅＶ以下しか持ち得ない。なぜなら散乱によって固体中
で真空準位１８以下のエネルギー準位に落ちた電子は仕
事関数φの障壁にさえぎられ放出されないからである。
このように薄い絶縁層１２を持つＭＩＭ電子源を作製
し、それを上部電極１１の仕事関数φから決定される電
子放出しきい値電圧の近傍の駆動電圧１２で動作させる
ことにより、仕事関数φの障壁を一種のフィルターとし
て利用して低いエネルギー準位に落ちた電子を取り除
き、電子線のエネルギー分散を狭めることが本発明の本
質である。
【００１２】次に、このように仕事関数φの障壁を利用
しエネルギー分散を狭めた電子のエネルギー半値幅を決
定する効果について説明する。放出される電子のエネル
ギー分散は次に述べる理由から偏った分布を持つ。ま
ず、素子内部のトンネル電子の散乱により、高エネルギ
ー準位から放出される電子は少なく、電子放出強度は低
エネルギー準位側ほど強くなる。しかし、一方で真空準
位１８から０．５ｅＶ程度のエネルギー範囲では、たと
え放出前に真空準位１８以上のエネルギーを有している
電子でも全て放出されるわけではなく、仕事関数φのポ
テンシャル障壁のしきいの影響で急速に減速されて量子
力学的放出確率が低くなるため電子放出強度が急激に弱
くなる。これは真空準位１８以上のエネルギーを有する
トンネル電子に対して、仕事関数φをポテンシャル障壁
として適用したシュレイディンガー方程式を解くと示せ
る。放出確率の計算結果を図４に示す。
しエネルギー分散を狭めた電子のエネルギー半値幅を決
定する効果について説明する。放出される電子のエネル
ギー分散は次に述べる理由から偏った分布を持つ。ま
ず、素子内部のトンネル電子の散乱により、高エネルギ
ー準位から放出される電子は少なく、電子放出強度は低
エネルギー準位側ほど強くなる。しかし、一方で真空準
位１８から０．５ｅＶ程度のエネルギー範囲では、たと
え放出前に真空準位１８以上のエネルギーを有している
電子でも全て放出されるわけではなく、仕事関数φのポ
テンシャル障壁のしきいの影響で急速に減速されて量子
力学的放出確率が低くなるため電子放出強度が急激に弱
くなる。これは真空準位１８以上のエネルギーを有する
トンネル電子に対して、仕事関数φをポテンシャル障壁
として適用したシュレイディンガー方程式を解くと示せ
る。放出確率の計算結果を図４に示す。
【００１３】この２つの効果から、放出電子のエネルギ
ー分散スペクトルは高エネルギー準位側、低エネルギー
準位側とも少ない分布を持ち、結果として半値幅は全エ
ネルギー分散に対しより狭くなる。図５に５．５ｎｍの
膜厚の絶縁層１２を有し、上部電極１１にＡｕを用いた
ＭＩＭ型電子源の駆動電圧１４とエネルギー半値幅ΔＥ
の関係を求めた実験結果を示す。これより駆動電圧１４
が６．３Ｖ、すなわち上部電極１１の電子放出しきい値
電圧４．７Ｖに１．５Ｖを加えた電圧以下で駆動すると
全エネルギー分散１．５ｅＶ以下でエネルギー半値幅Δ
Ｅは０．５ｅＶ以下の電子線が得られる。
ー分散スペクトルは高エネルギー準位側、低エネルギー
準位側とも少ない分布を持ち、結果として半値幅は全エ
ネルギー分散に対しより狭くなる。図５に５．５ｎｍの
膜厚の絶縁層１２を有し、上部電極１１にＡｕを用いた
ＭＩＭ型電子源の駆動電圧１４とエネルギー半値幅ΔＥ
の関係を求めた実験結果を示す。これより駆動電圧１４
が６．３Ｖ、すなわち上部電極１１の電子放出しきい値
電圧４．７Ｖに１．５Ｖを加えた電圧以下で駆動すると
全エネルギー分散１．５ｅＶ以下でエネルギー半値幅Δ
Ｅは０．５ｅＶ以下の電子線が得られる。
【００１４】これらの結果から一般に６ｎｍ以下の絶縁
層１２を持つＭＩＭ型電子源を、上部電極１１の仕事関
数φで決定される電子放出しきい値電圧に１．５Ｖを加
えた駆動電圧１２以下で動作することにより、放出電子
のエネルギー分散の半値幅を０．５ｅＶ以下とすること
が可能であることがわかる。絶縁層１２は薄いほどトン
ネル確率が向上し電子放出量が増大するので良いが、両
電極間には最低でも電子放出しきい値電圧を印加しなけ
ればならないので、膜厚の下限はこの電圧を印加しても
絶縁破壊しない値となる。
層１２を持つＭＩＭ型電子源を、上部電極１１の仕事関
数φで決定される電子放出しきい値電圧に１．５Ｖを加
えた駆動電圧１２以下で動作することにより、放出電子
のエネルギー分散の半値幅を０．５ｅＶ以下とすること
が可能であることがわかる。絶縁層１２は薄いほどトン
ネル確率が向上し電子放出量が増大するので良いが、両
電極間には最低でも電子放出しきい値電圧を印加しなけ
ればならないので、膜厚の下限はこの電圧を印加しても
絶縁破壊しない値となる。
【００１５】
【実施例】 実施例１ 本発明の実施例１のＭＩＭ型電子源を図６により説明す
る。下部電極１３にＡｌ、絶縁層１２にＡｌ2Ｏ3、上部
電極１１にＡｕ膜を用いた構造とした。下部電極１３と
してＴａ，Ｔｉ等を用い、絶縁膜１２をその陽極酸化膜
とすることも可能である。また、上部電極１１は、Ａｕ
以外の他の金属や高濃度ドープされた半導体でもよい。
る。下部電極１３にＡｌ、絶縁層１２にＡｌ2Ｏ3、上部
電極１１にＡｕ膜を用いた構造とした。下部電極１３と
してＴａ，Ｔｉ等を用い、絶縁膜１２をその陽極酸化膜
とすることも可能である。また、上部電極１１は、Ａｕ
以外の他の金属や高濃度ドープされた半導体でもよい。
【００１６】まず、熱酸化膜付きＳｉ基板等の絶縁性基
板１５にスパッタリング法により、Ａｌを２０ｎｍ形成
する。次に陽極酸化により例えば５．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3
を形成する。最後にＡｕを１０ｎｍ、スパッタリング法
により形成し、ＭＩＭ型電子源を完成した。ＭＩＭ型電
子源の放出面積は１ｍｍ2とした。Ａｌ，およびＡｕは
ＭＢＥ法等で単結晶成長させるのも有効である。
板１５にスパッタリング法により、Ａｌを２０ｎｍ形成
する。次に陽極酸化により例えば５．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3
を形成する。最後にＡｕを１０ｎｍ、スパッタリング法
により形成し、ＭＩＭ型電子源を完成した。ＭＩＭ型電
子源の放出面積は１ｍｍ2とした。Ａｌ，およびＡｕは
ＭＢＥ法等で単結晶成長させるのも有効である。
【００１７】本発明を実現するには、６ｎｍ以下のよう
な薄い膜厚の絶縁層でも電圧印加時に絶縁破壊や一種の
絶縁破壊に近いフォーミング現象が発現しない良質の絶
縁膜が必要である。従来のＭＩＭ型電子源は絶縁層の膜
質が悪く、絶縁破壊等を防止するため膜厚が１０から２
０ｎｍと厚かった。そのため電子をトンネルさせるため
に必要な駆動電圧１２が高く、放出電子のエネルギー分
散が大きくなる原因となってきた。そこで本実施例では
上記の陽極酸化を０．１Ａ／ｍ2以下の低化成電流密度
を用いて行なった。低化成電流密度を用いれば、６ｎｍ
以下の膜厚でも良質の絶縁特性を持つ陽極酸化膜を形成
できることは特願平０５−２１３７４４に述べた。
な薄い膜厚の絶縁層でも電圧印加時に絶縁破壊や一種の
絶縁破壊に近いフォーミング現象が発現しない良質の絶
縁膜が必要である。従来のＭＩＭ型電子源は絶縁層の膜
質が悪く、絶縁破壊等を防止するため膜厚が１０から２
０ｎｍと厚かった。そのため電子をトンネルさせるため
に必要な駆動電圧１２が高く、放出電子のエネルギー分
散が大きくなる原因となってきた。そこで本実施例では
上記の陽極酸化を０．１Ａ／ｍ2以下の低化成電流密度
を用いて行なった。低化成電流密度を用いれば、６ｎｍ
以下の膜厚でも良質の絶縁特性を持つ陽極酸化膜を形成
できることは特願平０５−２１３７４４に述べた。
【００１８】次に、本実施例のＭＩＭ型電子源が、上部
電極の仕事関数によって決定される電子放出しきい値電
圧に１．５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したとき
に電子線の放出が可能であることを示す。ＡｌおよびＡ
ｕ電極間に駆動電圧１４（以下図１も参照）を徐々に印
加した時のダイオード電流、放出電流特性を図７に示
す。ダイオード電流は駆動電圧１４が約４Ｖの時、放出
電流は約４．７Ｖの時に急激に立ち上がり、ＭＩＭ型電
子源にトンネル電流が流れていることがわかる。さらに
５．６Ｖまで印加すると７０μＡのダイオード電流、１
４ｎＡの放出電流が観測された。このように膜厚が６ｎ
ｍ以下の絶縁層１２を有するＭＩＭ型電子源の場合、電
子放出しきい値電圧（４．７Ｖ）以下でトンネル電流が
流れ、しきい値を越えると電子放出が開始されることが
わかる。
電極の仕事関数によって決定される電子放出しきい値電
圧に１．５Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したとき
に電子線の放出が可能であることを示す。ＡｌおよびＡ
ｕ電極間に駆動電圧１４（以下図１も参照）を徐々に印
加した時のダイオード電流、放出電流特性を図７に示
す。ダイオード電流は駆動電圧１４が約４Ｖの時、放出
電流は約４．７Ｖの時に急激に立ち上がり、ＭＩＭ型電
子源にトンネル電流が流れていることがわかる。さらに
５．６Ｖまで印加すると７０μＡのダイオード電流、１
４ｎＡの放出電流が観測された。このように膜厚が６ｎ
ｍ以下の絶縁層１２を有するＭＩＭ型電子源の場合、電
子放出しきい値電圧（４．７Ｖ）以下でトンネル電流が
流れ、しきい値を越えると電子放出が開始されることが
わかる。
【００１９】次に、本実施例のＭＩＭ型電子源から放出
される電子線のエネルギー半値幅ΔＥが０．５ｅＶ以下
となっていることを示す。ＭＩＭ型電子源の放出電子の
エネルギー分散スペクトルを、静電セクタ型エネルギー
アナライザを用いて測定した結果を図８に示す。駆動電
圧１４は５．３Ｖとした。全エネルギー幅は０．６ｅＶ
と駆動電圧１４と上部電極１１の仕事関数φとの差に対
応する。また半値幅ΔＥは０．３６ｅＶと非常に狭い。
される電子線のエネルギー半値幅ΔＥが０．５ｅＶ以下
となっていることを示す。ＭＩＭ型電子源の放出電子の
エネルギー分散スペクトルを、静電セクタ型エネルギー
アナライザを用いて測定した結果を図８に示す。駆動電
圧１４は５．３Ｖとした。全エネルギー幅は０．６ｅＶ
と駆動電圧１４と上部電極１１の仕事関数φとの差に対
応する。また半値幅ΔＥは０．３６ｅＶと非常に狭い。
【００２０】図９はさらに駆動電圧１４を印加し６．２
Ｖとしたときのエネルギー分散スペクトルである。低エ
ネルギー側、すなわち仕事関数φの障壁側ではスペクト
ルの立上りの傾斜は図８と変わらない。これは、駆動電
圧１４を上げても真空準位１８上のトンネル電子の量子
力学的放出確率は同じだからである。一方高エネルギー
側では、図８よりスペクトルは裾をひき、エネルギー分
散は広がる。これは駆動電圧１４の上昇に伴い、トンネ
ル現象が起きる下部電極１３のフェルミ準位１７のエネ
ルギー準位が、上部電極１１の真空準位１８に対し高く
なるためである。しかし、素子内部での電子の散乱効果
が大きいため、大部分のトンネル電子はエネルギーを失
い、より低いエネルギー準位から放出されるため、エネ
ルギー分散の半値幅ΔＥは駆動電圧１４の上昇には追随
せず急激には広がらない。そのため、６．２Ｖの印加で
も半値幅ΔＥは０．５ｅＶとなっている。
Ｖとしたときのエネルギー分散スペクトルである。低エ
ネルギー側、すなわち仕事関数φの障壁側ではスペクト
ルの立上りの傾斜は図８と変わらない。これは、駆動電
圧１４を上げても真空準位１８上のトンネル電子の量子
力学的放出確率は同じだからである。一方高エネルギー
側では、図８よりスペクトルは裾をひき、エネルギー分
散は広がる。これは駆動電圧１４の上昇に伴い、トンネ
ル現象が起きる下部電極１３のフェルミ準位１７のエネ
ルギー準位が、上部電極１１の真空準位１８に対し高く
なるためである。しかし、素子内部での電子の散乱効果
が大きいため、大部分のトンネル電子はエネルギーを失
い、より低いエネルギー準位から放出されるため、エネ
ルギー分散の半値幅ΔＥは駆動電圧１４の上昇には追随
せず急激には広がらない。そのため、６．２Ｖの印加で
も半値幅ΔＥは０．５ｅＶとなっている。
【００２１】実施例２ 本発明の実施例２の上部電極と下部電極の間に絶縁層を
挟んだＭＩＭ構造体をマトリクス状に２次元配列したマ
トリクス駆動のＭＩＭ型電子源を図１０により説明す
る。ＭＩＭ構造体は、６ｎｍ以下の絶縁層を有し、放出
面積５ｘ５μｍ2とする。放出面積はこれ以外にも任意
に選べるのは当然である。幅５μｍの下部電極１３を１
μｍ間隔で形成し、その上面を低化成電流密度で陽極酸
化し、絶縁層１２する。次に、これに直交する方向に上
部電極１１を幅５μｍ，間隔１μｍで形成し、ＭＩＭ型
電子放出群を作製する。これに電子放出させたい交点に
電圧が印加されるようマトリクス駆動し、任意形状の電
子線を放出させた。
挟んだＭＩＭ構造体をマトリクス状に２次元配列したマ
トリクス駆動のＭＩＭ型電子源を図１０により説明す
る。ＭＩＭ構造体は、６ｎｍ以下の絶縁層を有し、放出
面積５ｘ５μｍ2とする。放出面積はこれ以外にも任意
に選べるのは当然である。幅５μｍの下部電極１３を１
μｍ間隔で形成し、その上面を低化成電流密度で陽極酸
化し、絶縁層１２する。次に、これに直交する方向に上
部電極１１を幅５μｍ，間隔１μｍで形成し、ＭＩＭ型
電子放出群を作製する。これに電子放出させたい交点に
電圧が印加されるようマトリクス駆動し、任意形状の電
子線を放出させた。
【００２２】実施例３ 本発明の実施例３の電子線描画装置を図１１により説明
する。電子源として実施例２のＭＩＭ型電子源を用い
る。マトリクス駆動により得られた所望の集積回路パタ
ーン形状に対応する電子線は、ブランカ２０を通った
後、電子レンズ２１により１／１００に縮小され、偏向
器２２を通過して、ウェハ２３上に転写される。これに
より、０．０５μｍの解像度を持つ一括露光が可能な縮
小転写型電子線描画装置が可能となる。
する。電子源として実施例２のＭＩＭ型電子源を用い
る。マトリクス駆動により得られた所望の集積回路パタ
ーン形状に対応する電子線は、ブランカ２０を通った
後、電子レンズ２１により１／１００に縮小され、偏向
器２２を通過して、ウェハ２３上に転写される。これに
より、０．０５μｍの解像度を持つ一括露光が可能な縮
小転写型電子線描画装置が可能となる。
【００２３】
【発明の効果】本発明は、６ｎｍ以下の良質の絶縁層を
有するＭＩＭ型電子源を、上部電極の電子放出しきい値
電圧（仕事関数φ）＋１．５Ｖ以下の電圧の駆動電圧で
動作することにより、エネルギー半値幅０．５ｅＶ以下
の単色面状電子源が得られる。これにより電子光学系に
よる縮小が可能な電子線放射装置が実現する。
有するＭＩＭ型電子源を、上部電極の電子放出しきい値
電圧（仕事関数φ）＋１．５Ｖ以下の電圧の駆動電圧で
動作することにより、エネルギー半値幅０．５ｅＶ以下
の単色面状電子源が得られる。これにより電子光学系に
よる縮小が可能な電子線放射装置が実現する。
【図１】本発明のＭＩＭ型電子源の電子放出原理を説明
するためのエネルギーダイアグラムの図である。
するためのエネルギーダイアグラムの図である。
【図２】従来のＭＩＭ型電子源の電子放出原理を説明す
るためのエネルギーダイアグラムの図である。
るためのエネルギーダイアグラムの図である。
【図３】ＭＩＭ型電子源の絶縁膜厚と電子放出開始電圧
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図４】ＭＩＭ型電子源の上部電極の真空準位以上のエ
ネルギーを有するトンネル電子の真空中への量子力学的
放出確率を示す図である。
ネルギーを有するトンネル電子の真空中への量子力学的
放出確率を示す図である。
【図５】ＭＩＭ型電子源の駆動電圧とエネルギー半値幅
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例１のＭＩＭ型電子源の断面図で
ある。
ある。
【図７】本発明の実施例１のＭＩＭ型電子源の電子放出
特性図である。
特性図である。
【図８】本発明の実施例１のＭＩＭ型電子源を５．３Ｖ
で駆動した際のエネルギー分散スペクトル図である。
で駆動した際のエネルギー分散スペクトル図である。
【図９】本発明の実施例１のＭＩＭ型電子源を６．２Ｖ
で駆動した際のエネルギー分散スペクトル図である。
で駆動した際のエネルギー分散スペクトル図である。
【図１０】本発明の実施例２のマトリクス駆動ＭＩＭ型
電子源の平面図である。
電子源の平面図である。
【図１１】本発明の実施例３の電子線描画装置の斜視図
である。
である。
上部電極…１１、絶縁層…１２、下部電極…１３、駆動
電圧…１４、絶縁性基板…１５、真空…１６、下部電極
のフェルミ準位…１７、上部電極のフェルミ準位…１
８、真空準位…１９、ブランカ…２０，電子レンズ…２
１、偏向器…２２、ウェハ…２３。
電圧…１４、絶縁性基板…１５、真空…１６、下部電極
のフェルミ準位…１７、上部電極のフェルミ準位…１
８、真空準位…１９、ブランカ…２０，電子レンズ…２
１、偏向器…２２、ウェハ…２３。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢口 富雄 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 成清 正 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山田 絵実子 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (9)
- 【請求項１】上部電極と下部電極の間に絶縁層を挟んだ
構造を有し、上記両電極間に電圧を印加することにより
上記上部電極から電子を放出する電子源において、上記
絶縁層の膜厚は６ｎｍ以下であり、上記上部電極の仕事
関数によって決定される電子放出しきい値電圧に１．５
Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電子線の
放出が可能であることを特徴とする電子源。 - 【請求項２】上記絶縁層はＡｌの陽極酸化膜である請求
項１記載の電子源。 - 【請求項３】上記絶縁層はＴａの陽極酸化膜である請求
項１記載の電子源。 - 【請求項４】上記絶縁層はＴｉの陽極酸化膜である請求
項１記載の電子源。 - 【請求項５】上部電極と下部電極の間に絶縁層を挟んだ
構造体がマトリクス状に２次元配列した構造を有し、上
記両電極間にマトリクス駆動電圧を印加することにより
上記上部電極から電子を放出する電子源において、上記
絶縁層の膜厚は６ｎｍ以下であり、上記上部電極の仕事
関数によって決定される電子放出しきい値電圧に１．５
Ｖ以下の電圧を加算した電圧を印加したときに電子線の
放出が可能であることを特徴とする電子源。 - 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電
子源の両電極間に、上記上部電極の仕事関数によって決
定される電子放出しきい値電圧に１．５Ｖ以下の電圧を
加算した電圧を印加して駆動することを特徴とする電子
源の駆動方法。 - 【請求項７】請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電
子源の陽極酸化膜の形成を、０．０００１Ａ／ｍ2以上
０．１Ａ／ｍ2以下の化成電流密度を用いて陽極酸化す
ることにより行なうことを特徴とする電子源の製造方
法。 - 【請求項８】請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電
子源と、該電子源から放出された電子線を縮小する電子
光学系と、該電子光学系を通過した電子線を照射する試
料を保持する手段を有することを特徴とする電子線放射
装置。 - 【請求項９】上記電子光学系は電子レンズ、偏向器等で
構成されている請求項８記載の電子線放射装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28305493A JPH07134939A (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28305493A JPH07134939A (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07134939A true JPH07134939A (ja) | 1995-05-23 |
Family
ID=17660609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28305493A Pending JPH07134939A (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07134939A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003529183A (ja) * | 1999-07-29 | 2003-09-30 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | ダイヤモンドで支持された電子ソース用光電陰極 |
| WO2020225991A1 (ja) * | 2019-05-08 | 2020-11-12 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 電子放出素子及び電子顕微鏡 |
-
1993
- 1993-11-12 JP JP28305493A patent/JPH07134939A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003529183A (ja) * | 1999-07-29 | 2003-09-30 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | ダイヤモンドで支持された電子ソース用光電陰極 |
| WO2020225991A1 (ja) * | 2019-05-08 | 2020-11-12 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 電子放出素子及び電子顕微鏡 |
| JP2020184453A (ja) * | 2019-05-08 | 2020-11-12 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 電子放出素子及び電子顕微鏡 |
| CN113795902A (zh) * | 2019-05-08 | 2021-12-14 | 国立研究开发法人产业技术综合研究所 | 电子发射元件以及电子显微镜 |
| EP3968352A4 (en) * | 2019-05-08 | 2023-01-04 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | ELECTRON EMITTING ELEMENT AND ELECTRON MICROSCOPE |
| US12051557B2 (en) | 2019-05-08 | 2024-07-30 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Electron emission device and electron microscope |
| CN113795902B (zh) * | 2019-05-08 | 2025-02-25 | 国立研究开发法人产业技术综合研究所 | 电子发射元件以及电子显微镜 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6614169B2 (en) | Display device using thin film cathode and its process | |
| EP0290026B1 (en) | Electron emission device | |
| JP4227504B2 (ja) | ナノチューブを用いたメモリ素子 | |
| EP0865062A1 (en) | Electron emission device and display using the same | |
| DE60201748T2 (de) | Tunneleffekt-emitter | |
| JPH07134939A (ja) | 電子源、電子源の製造方法、電子源の駆動方法および電子線放射装置 | |
| Kusunoki et al. | Emission current enhancement of MIM cathodes by optimizing the tunneling insulator thickness | |
| JP3243471B2 (ja) | 電子放出素子の製造方法 | |
| CN114787959A (zh) | 闪烁器、测量装置、质量分析装置以及电子显微镜 | |
| JP4168989B2 (ja) | 電子線露光用電子源 | |
| US6787792B2 (en) | Emitter with filled zeolite emission layer | |
| DE4316855C1 (de) | Mikroelektronische Schaltungsstruktur und Verfahren zu deren Herstellung | |
| Nakagawa et al. | Resonant tunneling of holes in AlAs/GaAs triple barrier diodes | |
| Uehara et al. | Nanometer-scale characterization of surface materials by STM light emission spectroscopy | |
| EP0107004B1 (de) | Maske für die Korpuskularlithografie, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verfahren zu ihrem Betrieb | |
| JP2001283714A (ja) | 電界放出冷陰極素子、その製造方法、及び電界放出型表示装置 | |
| JPH08180794A (ja) | 面状冷陰極の構造，駆動方法、およびそれを用いた電子線放出装置 | |
| JPH07130282A (ja) | 電子放出素子及びそれを用いた電子機器 | |
| WO2003073480A2 (en) | Emission layer formed by rapid thermal formation process | |
| JP3603682B2 (ja) | 電界放射型電子源 | |
| JPH02306520A (ja) | 電子放出素子 | |
| JPH0697466A (ja) | 共鳴トンネルダイオード及びその製造方法 | |
| JPH02170327A (ja) | 電子放出素子 | |
| JPH0794103A (ja) | 金属−絶縁体−金属型電子放出素子およびそれを用いた電子線放出装置等の応用機器の駆動方法 | |
| JPH076687A (ja) | 薄膜冷陰極 |