JPS61193346A - 半導体電子放出体を有する電子ビ−ム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、真空排気可能なハウジング内に配設さた比較
的大きなエミッション電流密度を有する電子ビームを発
生する電子放出体と電子光学レンズ系とを有する電子ビ
ーム装置に関するものである。

例えば電子顕微鏡、電子ビーム書込み装置および同様装
置のような電子ビーム装置では、高い電流密度、十分な
安定性および装置の電子光学系に対して好ましい特性を
有する電子ビームを供給することのできる電子放出体を
得るのが望ましいことが屡々ある。

通常の熱陰極または米国一特許第３．６３１．２９０号
に記載されたようなＬ　ａ　Ｂ　ｓ’−の陰極は、その
明るさが多くの用途に十分な電子ビームを供給する。こ
れに関して得られる最大電流密度は例えば夫々５Ａ／ｃ
ｍ２または３０Ａ／ｃｍ２であるす電子光学系に関係し
たこのような電子源の放出面は装置の電子光学特性に関
して余りに大きいので、最適なビーム形成、スポット形
□成またはイメージを得ることができｉよい。　　　　
　　　　　′ 米国特許第３．６３１．２９１号に記載されたような電
界放射形電子源は比較的高い電流′密度あ電子ビームを
供給することができるが、このような放出源は、放出体
の放出電力、位置決めおよび幾何学的形の不安定の欠点
を有する。更に、このような電子源は、屡々必要とされ
る大きな全ビーム電流の供給に適しない。゛電子光学の
観点からすると、陰極の寸法したがってこの場合にはこ
のような電子′　　　源の実際の物体寸法は非常に小さ
いので、十分に高い電流密度を得ることができない、こ
れは主として放出体のやむなく制限された幾何学的配置
によるものである。更に、電子源より発生された電子ビ
ーム内のエネルギーの拡散が比較的大きいので、電子光
学イメージに許容限度以上の大きな色誤差（ｃｈｒｏｍ
ａｔｉｃ’　ｅｒｒ’ｏｒ）が生じ易い。

米国特許第４．４１９．５６１号に記載されたような電
子源は前記の電界放射形の放出面の欠点の幾つかを除く
ことができるが、寸法、位置決めおよびエネルギー拡散
はやはりこの電子源を多くの用途に対して適しないもの
にしている。この電子源の放出ワイヤの加熱およびその
位置決めにかんしての欠点は、オランダ国特許願第８３
０２２７５号に記載された電子源によって部分的に解決
されている。けれども、温度の保守管理、陰極ワイヤの
比較的早い蒸発およびこれによる装置のよごれ、並びに
適合しない物体寸法および大きなエネルギー拡散は依然
としてこの電子源の欠点である。

本発明の目的は前記の欠点を除くことにあるもので、こ
の目的を達成するために、冒頭に記載した種類の電子ビ
ーム装置において、電子放出体には、放出面に平行にｐ
−ｎ接合が設けられ、このｐ−ｎ接合は逆方向に接続、
され、このｐ−ｎ接合の寸法が装置の光学特性に対する
放出面の面寸法を規定し、放出される電子ビームの電流
密度および電流強さが同時に最適にされるようにしたこ
とを特徴とするものである。

本発明の電子ビーム装置は電子放出体として冷陰極を用
いるので、公知の熱陰極の問題はこの装置では除かれる
。この電子放出体を用いろことによって、十分に高い電
流密度と電流の強さを有する電子ビームが容易に得られ
、Ｐ−Ｎ接合の横方向寸法によって規定される放出面は
、最適なビームとスポットの形成および電子光学イメー
ジを可能とする。半導体電子放出体は、逆方向に接続さ
れたｐ−ｎ接合で働くように構成される。逆方向に接続
されたｐ−ｎ接合を有する電子源を利用するので、所謂
熱い電子が放出される。このことは、放出される電子は
、これ等電子が放出面より出る時に電位こう配に打勝た
ねばならないことを意味する。所謂冷たい電子の発生の
ため負の電子親和力（ＮＥＡ）有ずろ電子放出体の使用
による公知の欠点はこの場合避けられる。これ等の欠点
のうちの重要な１つは放出の外部妨害に対して放出面が
非常に敏感でしるということである。熱い電子を放出し
また逆方向に接続された半導体素子の特性については「
フィジカル　レビュー（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｒｖｉｅｗ
）　Ｊ　１９６３年５月、第１３０巻、第１３号の９７
２−９８５頁のバーチリンク（Ｂａｒｔｅｌ　１ｎｋ）
外の記事が参考になる。

本発明の好ましい実施例では、連続した放出面の最大横
方向寸法は例えば１０μｍを限度とする。

例えばイオン注入のような半導体技法を使用すれば、こ
のような寸法のｐ−ｎ接合を得ることは比較的容易であ
る。これは電子ビーム装置に対して大きな利点を与える
、というのは、放出面の寸法が、装置の電子光学系に課
せられる電子光学的な要件に適合するからである。驚く
べきことには、通常程度の大きさの寸法を用いて極めて
有効な放出体を実際に実現できることがわかった。十分
に高い電流密度でもこの寸法の電子源には非放出電子の
放電に関して何等の問題はないので、半導体素子に何等
の妨害内部加熱が発生せず、放出される電子ビームの電
流密度分布に悪影響を与える電位分布も生じない。成る
用途例えば電子ビーム書込み装置に対しては、例えば５
：１から１０：１の縦／横比を有する細長い放出面を使
用するのが好ましいこともある。この場合、細長い断面
を有するビームをつくることができ、空間電荷問題を少
なくすることができる。更に、線形ビーム分割システム
を用いることにより、例えば１０個の一列に並んだ個別
のスポットを形成することができる。

イメージを最適にするために、若し所望ならば、非回転
対称的な電子光学レンズを用いてもよい。

このような細長い放出面は方形であるのが好ましいが、
例えば特に狭いスポットをつくるのに対しでは例えば楕
円形であってもよい（米国特許第３、８８１．１３６号
参照）。方形の放出面は、例えばビーム書込み装置に対
しては特に正方形とするのが好ましい。集積回路をつく
るためのこの種の装置においでは、製造特性の観点から
正多角形を使用するのが有利であろう。この場合、例え
ば米国特許第４．４１９．５６１号に記載されたような
公知の技法を用いてビーム整形を行うことも可能である
。電子顕微鏡のような装置においては、通常の回転対称
形電子光学レッズ系の観点から、円い放出面を用いるの
が有利であろう。これ等のすべての場合において、放出
面の寸法を電子光学系に最適に適合させることができる
。好ましい実施例では、単一の放出面の横方向寸法は例
えば最大１０μｍに制限され、通常は例えば０．５　μ
ｍと５μｍの間に制限されるのが好ましい。

環状の第２放出面で取囲まれた中心放出面または幾つか
の放出面の列或いはマトリックスのような複合放出面を
形成するのも比較的有利である。

複合放出面の個々の副放出面間に十分大きな距離をとる
と、これ等放出面の夫々の放出を簡単に独立して制御す
ることができる。

電子放出体のｐ”Ｔ’ｌ接合は、放出面下方略々０、旧
μｍから０．０５μｍの深さにあるのが好ましい。

表面では、半導体材料内に放出面材料と周囲の陰極面の
材料間に相違が生じないので、エツジ問題は起きない。

好ましい実施例の半導法素子はＳ・より成る。この材料
によって、耐用寿命に関し極めて良好な結果が得られた
。けれども代わりに、例えばＳｉＣ，５ｉ＝８１０化合
物、ＧａＡｓまたは同様な３−５族化合物を用いること
もできる二実際に、装置に適合した放出面寸法と高い電
流密度に関する要件が満たされまた十分に長い耐用寿命
が得られる限り、材料の選択は本発明に関係ない。

エミッション密度を更に増加するために、本発明の別の
実施例では半導体素子の放出面の区域にｃｓ、’　Ｂａ
、　Ａｇｏ’、’　ＰｔＯ，−’ＭｉＯ，ＣＤ２．　　
Ｃ等のような適当な材料の実質的に単分子の層が設けら
れる。特にＣｓとＢａで良好な結果が得られた。

半導体電子放出体の製法は、放出体を放出素子のマトリ
ックスまたは列、例えば１０個の素子の列または１（Ｉ
ＸＩＯ素子のマ）　ＩＪソックス構成するのを比較的簡
単にする。米国特許第３．４９１．２３６号に記載され
た多重システムを用いると、少なくともビ一ム電流の直
接な陰極制御がこの場合可能なので、これ等の素子の夫
々のビームを別々に制御することは比較的簡単であり、
前記の装置のビーム分割システムの大部分はこの場合無
くてすむ。このような多重ビーム装置は、例えば集積回
路、特に電子ビームが直接に即ち中間マスクなしに半導
体材料に書込む場合の回路の製造に極めて適している。

以下に本発明を図面の実施例によって更に詳しく説明す
る。

第１図の走査電子顕微鏡は、電子源２、陽極４、制御電
極６、コンデンサレンズ系８、ビーム走査コイル系１０
、対物レンズ系１２および試料テーブル１４を有する。

前記の電子源で発生された電子ビーム１６は、試料テー
ブル１４上の試料１８に入射する。

検出器２０．２２および２４は、電子ビームと試料の相
互作用により生じる異なるタイプの放射線を検出するこ
とができる。信号は、信号セレクタ２５と信号処理装置
２６を経てモニタ２８に加えられる。走査電子顕微鏡内
のモニタは、ビーム走査系よりの信号で同期化され、ビ
ニムブランキングのために例えば制御装置３０にも接続
される。ここで本発明を走査顕微鏡によって説明するが
、本発明は決してとれに限定されるものではｆＬ　’＜
、”例えば電子ビーム書込み装置、（走査）透過電子顕
微鏡右よび同様装置にも使用で門るものであることは萌
ムかである。走査電子顕微鏡の列は、例えば米国特許第
３．４９１，２３６号に記載されたビーム書込み装置の
列、　　　　　　　８して役立てることができる。

−第２図に示した電子源は基板４４と電子ビーム１６を
通すダイヤフラム孔４６とをそなえたハウジング４２に
収納された半導体素子４０を電子る。前記の基板は電子
放出体の給電リード５０の通路ｊ８を着する。

半導体素子４０は、例えばＳ’ｉ、”’　ＧａＡ”ｓ、
”　Ｓ”ｉＣ等より成る結晶半導体材料５２より成る。

自由表面へ□４がち少し離れて、前記の結島内にはｐ−
ｎ接合５６が設けられ、この接合の横方向寸法すなわち
その面の寸法は十分に規定さてい流。通常のように結晶
の一部は例えば酸化物層５８で被覆され、この被覆の上
に導電層６０を設けることができる。この導電層６０は
枦−ト楡極として働くことができる。このような素子の
詳細については米国特許第４．３０３．９３０号が参考
になる。ｐ’ｎ倭合は逆方向に接続されているので、帷
子はｐ−ｎ接合に対向して位置する放出面６２より放出
され、この電子は、ダイヤフラム孔４６を経て働く正電
位の影響下で電子−光学系に到達する。若し必−ムらば
、半導体素子の自由面上に電芋出日電位を減少する材料
例えばＣｓまたはＦ３．ａの好ましくは実質的に単結晶
の層を設け、゛電子源の効率を増すようにしてもよい。

この種の層は、例えば所望の材料をハウジング４２内の
空間で気相よりデボジッーすることによって設けること
がセきる。

第３図は放出面の幾つかの好ましシ゛）実施例を線図的
に示す。放出面の幾何形配列はこの場合ｐ−ｎ７合の幾
何学的−列によって決まる。すべての表面は、装置の電
子光学特性に対して最適な適合が得られるように選ばれ
る。関係した用途に応じて、円形の放出面７０゛は例え
ば略々０．５から５μｍの直径を有し、かくして、装置
内モの以後のイメージジグに最適の寸法を有する。この
寸法の選択によって、横方向に逃げる電子すなわち故意
でなく放出される電子は、この区域において半導体素子
の妨害電界または妨害加熱を生じない。円形放出面は、
例えば電子顕微鏡のようなイメージング装置に適してい
る。主として一方向に鮮明に形成される電子スポットを
必要とする用途に対しては、放出面７２を用いることが
できる。このように幾何学的配列の利点は米国特許第３
．８８Ｌ　１３６号に記載されている。この放出面は１
例えば主に一方向に高分解能が所望されるイメージの形
成に極めて申し分なく用いることができる。この場合寸
法は例えば１×５μｍ２でもよい。特に、２つの側が鮮
明に形成される電子スポットが所望される電子ビーム書
込み装置での使用に対しては、例えば０．５〜５μｍの
辺を有する正方形放出面７４がある。このような幾何学
的配列はビーム整形ならびに電子スポットを幾何的に規
定された部分に分けるのにも極めて適している。既に述
べたように、正多角形を用いることもできる。放出面７
６と７８は複合放−出面である。放出面７６は、例えば
この場合には１０個の同じ副放出面の直線配列より成る
。この場合装装置は出願公開された欧州特許出願第８７
１９６号同じく第９２８７３号に記載されたような多重
ビームで動作し、各副ビームを個々に制御することが可
能である。副放出面のマ）　ＩＪフックス形の放出面７
８にたいしても同じ考察が当嵌る。複合放出面は特に電
子ビーム書込み装置に好適で、特にこの種装置が集積回
路の直接的なすなわちマスクを用いない製造に使用され
る場合にそうである。複合放出面７８は放出面として中
心の副放出面８０と環状の副放出面８２を有し、非放出
面としてリング８４を有する。このような放出面は、例
えばダークフィールド（ｄａｒｋ　ｆｉｅｌｄ）照明等
に関する測定方法に有用である。このような複合放出面
は代わりに長方形、正方形またはその他の形を有しても
よい。

本願発明の発明者の２名が１フイリツプスジヤーナルオ
ブ　リサーチ（Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｊ、Ｒｅｓ、）　Ｊ１
９８４年１０月、３９号の５１−６０頁に発表した記事
「アン　エフィシェント　シリコン　コールド　カソー
ド　フォー　ハイ　カレント　デンシティーズ（Ａｎ　
ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　５ｉｌｉｃｏｎ　ｃｏｌｄ　ｃａ
ｔｈｏｄｅ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈｃｕｒｒｅｎｔ　ｄ、ｅ
ｎｓｉｔｉｅｓ）　Ｊに半導体装置自体の幾つかの特性
が記載されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は走査電子顕微鏡の形の本発明の電子ビーム装置
の線図、 第２図は電子放出体の詳細を示す断面図、第３図は放出
体の放出面の幾つかの実施例を示す線図である。 ２・・・電子源　　　　　　４・・・陽極６・・・制御
電極　　　　　訃・・コンデンサレンズ系１０・・・ビ
ーム走査コイル系 １２・・・対物レンズ系　　　１６・・・電子ビーム２
０、２２．２４・・・検出器　　　４０・・・半導体素
子５２・・・結晶半導体材料　　５６・・・ｐ、　−ｎ
接合５８・・・酸化物層　　　　　６０・・・導電層６
２・・・放出面　　　　　　８０・・・中心副放出面８
２・・・環状副放出面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空排気可能なハウジング内に配設された比較的大
   きなエミッション電流密度を有する電子ビームを発生す
   る電子放出体と電子光学レンズ系とを有する電子ビーム
   装置において、電子放出体には、放出面に平行にｐ−ｎ
   接合が設けられ、このｐ−ｎ接合は逆方向に接続され、
   このｐ−ｎ接合の寸法が装置の光学特性に対する放出面
   の面寸法を規定し、放出される電子ビームの電流密度お
   よび電流強さが同時に最適にされるようにしたことを特
   徴とする電子ビーム装置。 ２、放出面の最大横方向寸法は略々１０μｍを限度とす
   る特許請求の範囲第１項記載の電子ビーム装置。 ３、放出面は細長い形を有し、レンズ系は非対称的な電
   子光学素子を有する特許請求の範囲第２項記載の電子ビ
   ーム装置。 ４、放出面は略々円形である特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の電子ビーム装置。 ５、放出面は略々正多角形である特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の電子ビーム装置。 ６、放出面の横方向寸法は略々０．５μｍから１０μｍ
   である特許請求の範囲第１項から第５項の何れか１項記
   載の電子ビーム装置。 ７、放出面は中心部と周囲の環状部とより成る特許請求
   の範囲第１項、第２項または第３項記載の電子ビーム装
   置。 ８、放出面は互いに分離した１列の副放出面を有する特
   許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の電子ビ
   ーム装置。 ９、放出面は互いに分離した副放出面のマトリックスを
   有する特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載
   の電子ビーム装置。 １０、放出面の副放出面は、各副放出面の互いに独立し
   た制御が可能であるような距離で相互に位置された特許
   請求の範囲第１項、第２項、第３項、第７項または第８
   個の何れか１項記載の電子ビーム装置。 １１、半導体材料はＳｉで、ｐ−ｎ接合は最大でも放出
   面下方略々０．０５μｍに位置される特許請求の範囲第
   １項から第１０項の何れか１項記載の電子ビーム装置。 １２、半導体材料はＳｉＣである特許請求の範囲第１項
   から第１０項の何れか１項記載の電子ビーム装置。 １３、半導体材料はＧａＡｓのような３−５族化合物よ
   り成る特許請求の範囲第１項から第１０項の何れか１項
   記載の電子ビーム装置。 １４、半導体素子は金属間（ｍｅｔａｌ−ｔｏ−ｍｅｔ
   ａｌ）酸化物境界面を有する特許請求の範囲第１項から
   第１３項の何れか１項記載の電子ビーム装置。 １５、放出面は、出口電位を減少する実質的に単分子の
   層で被覆された特許請求の範囲第１項から第１４項記載
   の電子ビーム装置。 １６、放出面は、該放出面の表面において少なくとも１
   ０００Ａ／ｃｍ＾２の電流密度を有する電子ビームの放
   出に適した特許請求の範囲第１項から第１５項の何れか
   １項記載の電子ビーム装置。 １７、電子源はゲート電極を有する特許請求の範囲第１
   項から第１６項の何れか１項記載の電子ビーム装置。 １８、ゲート電極は、互いに電気的に絶縁されまた独立
   した制御可能な幾つかの副電極に分けられた特許請求の
   範囲第１７項記載の電子ビーム装置。