CN1808683A - 电子源、以及包括这种电子源的带电粒子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供适于用在带电粒子设备中的电子源，在该电子源中，可从受到电势、热激励和光子激励中的至少一个的电极提取电子束，由此至少部分电极包括量化为分立能级的传导带的半导体材料。这种电子源具有相对低的能量扩展度，通常比冷场致发射枪(CFEG)的能量扩展度小得多。所述半导体材料可例如包括半导体毫微线。用于这种毫微线的适当半导体材料的实例包括InAs和GaInAs。

Description

电子源、以及包括这种电子源的带电粒子设备
技术领域
本发明涉及适于在带电粒子设备中使用的电子源，在该电子源中，可从受到电势、热激励和光子激励中的至少一个的电极提取电子束。
本发明还涉及粒子光学设备，它包括电子源、承载对象的支架、以及用于将电子束从电子源引导到对象上的部件。
背景技术
电子源传统上用于各种型式带电粒子设备，比如电子显微镜、电子束平版印刷设备(直接写入或者投射式)、(医学的)诊断设备电子辅助沉积设备等等。根据所涉及的应用，电子源一般要求达到某些特定的规范，例如有关通量密度、发射稳定性、电子束的方向性、电子能量和能量扩展(色度)。在色度方面，特别是电子显微镜检术方面，例如，在扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)两者中的能量分辨光谱学的能量分辨率，以及空间分辨率，将受到采用的电子源的能量扩展的限制。类似的，在电子束平版印刷术工具中，过度的色度将显著地限制能够在半导体衬底上令人满意地成像/写入的最小谱线宽度。
在采用肖特基发射极的传统源的情况下(即热辅助场发射源)，能量扩展度δE一般大约为0.8eV。另一方面，冷场发射枪(CFEG)的能量扩展度一般较低-一般大约为0.3eV-但是CFEG常常具有不能令人满意的发射稳定性，这一点往往使它们在许多应用中不适合用作电子源。例如在实际中可用于电子显微镜检术的具有较低能量扩展度的电子源在当今不存在。在尝试减轻电子源中能量扩展度效应时，可能会设想利用能量滤波器(单色仪)或者色差校正器，两者本身都是已知的(能量滤波器扇出可用能谱，然后仅仅允许它的一部分透过选择器；校正器利用例如八极和/或六极镜头，以建立用于带电粒子中负光焦度透镜元件，相当于消色差双合透镜)。但是，这种选择一般涉及利用相当复杂和昂贵的设备，并且因此非常不吸引人。另外，能量滤波器会非常浪费可用电子通量。
发明内容
本发明的一个目的是缓和这些问题。更具体地说，本发明的一个目的是提供一个具有降低的能量扩展度的新颖电子源。具体地说，本发明的一个目的是，这样一个源适合用于例如电子显微镜或者电子束平版印刷设备中。
这些和其它目的在根据本发明的电子源中实现，其特征在于，至少部分电极包括具有量化为分立能级的传导带的半导体材料。
支持本发明的基本途径是在电极中/上结合一种半导体材料，该半导体材料对于传导带中的电子具有一组量化的能级。有利的是，这些能级具有小的宽度(例如几十毫电子伏特(meV)左右的半高宽(FWHM))，并且以至少kT的间隔相互分离(能量)，其中k是玻耳兹曼常数，而T是所述材料的绝对温度(这种分离有助于阻止环境温度下多于一个能级的填充，并因此有助于阻止散射和干涉效应)。当这些能级中的至少一些填充时，并且(例如)施加相对强的电场时，发生电子发射(到真空)，并且能获得能量扩展度比传统的CFEG较低的电子束。
发明人发现，这种方案能在一定条件下在所谓的毫微线中实现，该毫微线由适当的半导体材料组成。毫微线是一段一般包括有限数量的原子(例如大约1012个原子)的晶体材料。它的直径一般大约为10-100nm，取决于用于其生产中的催化剂(例如金)的尺寸。另一方面，它的长度一般可随其生产中采用的生长时间而设置，从几个μm到几百个μm(通过长度一般为约10-15μm的实际毫微线)。因此，毫微线基本上可被认为是一维晶体，由此它们能显示与本发明相关的依赖于尺寸的量子效应。在例如Nature  409(2001年1月)第66-69页的Duan等人的文章中对毫微线的生长以及后续的研究进行了描述(它不涉及电子发射源)。注意，术语毫微线不应与术语毫微管混淆，毫微管指的是凹的纵长构造，并且表示不同的物理特性；在例如Applied Physics Letters 80，No.12(2002年3月)第2225-2227页的Yenilmeg等人的文章中对碳毫微管进行了描述。
上述量化效应因此导致从连续到分立能级的状态密度改变。发明人发现，在半导体毫微线中，这些级之间的能差取决于毫微线的半径和线中的有效电子质量m*等因素。实践中(为了方便制造、处理、以及随后将毫微线附着到肉眼可见的电极)，一般偏好相对大的半径；因此要求相对小的有效电子质量m*。
发明人进行各种研究来确定用于本发明的特别适当的半导体材料。更具体地说，毫微线中能级在径向的量化通过解半径为R并具有无穷大长度的圆柱体的薛定谔方程来计算，并假定无穷大范围的电位。能级的值是限制面εm，n中能量的本征值，由普朗克常数h、材料的有效电子质量m*、以及m，nth贝塞耳函数Jm，n的解确定。
其中解Jm，n由下表给出：
  (m，n)   (0，0)     (1，0)   (2，0)   (0，1)   (3，0)
  Jm，n   2.4     3.8   5.1   5.5   6.4
                             表1
举例来说，在有效质量比为50并且半径为20nm时，此模型给出第一级为28meV的能量，并且第二级为70meV(参见图3)(有效质量比是自由电子的质量me与所讨论的材料中电子的有效质量m*之比)。此模型的真实性进一步通过执行考虑位垒的有限特性的数值计算来确认。
在本发明优选实施例中，论述的半导体材料包括从包括InAs和GaInAs的组中选出的物质。在InAs的情况下，发明人观察到第一和第二量化级之间相对大的能差ΔE。此外，InAs具有其它良好的电子参数，比如比较高的电子迁移率和低的本征电阻率。此外，InAs与例如钨电极电阻接触，并且具有相对小的带隙(大约0.35eV)；因此，在材料接触时电子已经在传导带中了。这些良好的特性能通过在InAs中结合(小量的)Ga而进一步细调。InAs中(例如)大约1-4％的Ga的存在还可以便于毫微线的生长。
论述的半导体材料还可以包括其它物质，比如，GaAs、CdSe、GaN、GaP和InP。各种其它的例如III-V族和/或II-VI族的半导体物质也是适合的。如果期望，所选物质的毫微线中相对小的AE值的效应可通过降低毫微线的半径R来调节。在采用的材料中，少量的N掺杂能具有降低场穿透的有利效果，场穿透是所谓的能带弯曲所引起的，并导致传导带中一些较低能极的电子填充-一种还可以通过热激励(例如用电丝加热)或者光子激励(例如用激光照射)实现的效应。但是，过多的掺杂能通过引起更高的能带的增殖而导致获得的能量扩展度δE的提高，这是不希望的。
发明人在具有锥形末端(诸如传统上用于电子显微镜、AFM(原子力显微镜)、STM(扫描隧道显微镜)等等的细丝尖)的电极(例如包括掺杂的Si、诸如钨或者金等金属)上提供了适当的材料和尺寸的各个半导体毫微线(例如InAs或者GaInAs，半径R为20-25nm并且长度L为10-15μm)，从而产生点电子源；作为细丝尖的替代，还可用在例如电极的类似刀的边缘上安装毫微线。当这种电子源进行它们的发射特性测试时，发现它们具有格外低的能量扩展度δE(在下面的对照实例中更详细地阐明)。此外，可以看出，它们在低接通电压下(与采用的毫微线的大纵横比相当)发射电子。如果在使用之前清洁毫微线的表面(例如在真空中加热)，那么观察到发射电流随时间是稳定的(参见例如图6)。另一优点是发出的电子限制在相对狭窄的、圆形束中(图6中最右边插入的)。这一点对于例如电子显微镜中的应用来说是有吸引力的特性。
可以代替在电极上安装具有锥形末端的半导体毫微线的，还可以考虑将其安装在一个基本上扁平的电极表面。常常可在这种方案中实现较低电场，例如可以通过适当的光子激励(例如激光注入)和/或热激励(加热电极)补偿。
尽管上述结果是在单个的半导体毫微线的情况下获得的，但在一束半导体毫微线的情况下可以获得类似结果，其中一个毫微线向外突出超过其它毫微线、或者也可以在相对大量的半导体毫微线并列以阵列形式布置在电极上的矩阵源的情况下获得(因此给出比单个毫微线显著增大的电流/密度)。
存在如上所述用于本发明中的半导体毫微线提供给电极的各种方式。单独生长的毫微线可以例如通过借助于电子(或者光学的)显微镜和精密控制器来将其附着到电极上；因此，在这种情况下，附着毫微线到电极可以经过Wan De Waals力进行，或者借助于例如碳条的导电粘合剂。或者，毫微线能就地在所讨论的电极上生长，而在这样情况下，采用的催化剂必须事前存在于电极上。另一备选方案是将电极浸入在悬挂毫微线的液体中；在这种情况下，(疏水的)毫微线将容易地将其自身附着到电极的表面(再经Wan De Waals力)。当毫微线安装在具有横轴Ztip的尖上时，前者最好定向为使它自己的横轴Znanowire基本上与Ztip平行。在反复试验中，发明人一致地实现这种大约5-10°内的平行。诸如本文所述的技术在技术文献的各种出版物中都有描述，并且是本领域技术人员所熟知的。
附图说明
本发明及其附属的优点根据说明性实例、实施例以及附图进行描述，其中：
图1涉及现有技术方案，并且给出了电位曲线图Upot，作为通过金属和周围的真空环境之间的界面的位置x的函数。
图2是两种温度下从图1所属的金属发射到真空中的电子的理论电流密度对能量的曲线图；
图3显示在半导体毫微线适用于根据本发明的电子源的实施例中时计算的作为能量的函数的状态密度；
图4是由不同的半导体材料组成的毫微线中第一和第二量化的电子级之间能差的图形解释；
图5显示在InAs毫微线适用于根据本发明的电子源的实施例中的情况下不同温度T下的能谱；
图6显示根据本发明的例示性的特定实施例的发射性能。
图7是根据本发明的特定实施例的电子源的一部分的SEM图片。
图8再现采用根据本发明的电子源的粒子光学设备的正视图；
图9A、图9B、图9C显示用电子束照射的半导体晶片。
在图中，对应元件用对应的附图标记表示。
具体实施方式
在0K温度下的金属具有连续的电子能级，填充直到费米能级Ef。费米能级和真空中的电子之间的能差是所谓的材料的功函数Φ。当电场F施加在金属表面上时，电子在发散到真空中时受到某一宽度的势垒。对于强电场F(例如3-7×109V/m)，这个宽度变得小到足以允许使电子隧穿势垒。这种情形在图1中示出，图1是电位能量Upot作为通过金属(M)/真空(V)界面的位置x的函数。在图中，BP表示势垒电位，EP表示在存在电场F时的有效电位，EB表示越过势垒的发射，以及TB表示隧穿势垒。
所需的F值比一般能在平面电极之间获得的大得多(在这样情况下，存在大约5×107V/m的实际极限，以避免击穿)。因此，采用了具有锥形末端、比如边缘或者锋利的尖的电极。在这样一个电极的情况下，发生场增强，并且F可以用F＝V/(5r)的关系式近似计算，其中V是提取电压并且r是所述末端的曲率半径。因此，例如具有r＝50nm的发射器尖要求大约1.3kV的提取电压来实现发射。
发射电子的理论能量分布如图2所示，其中横轴表示相对于费米能级E＝的能量不足额/剩余E(单位为eV)。大多数发射的电子具有能量Ef(即E＝0)。隧穿概率随着能量的降低按指数规律地降低，并且因此，发射的电流密度J(以任意单位绘图(a.u.))是E的幂函数-因此解释了能谱的指数形状[实线曲线]。在更高的温度T下，Ef之上的能级也将填满；在这种情况下得到的能谱(具体地说T＝300K)也显示在图2中“虚线曲线”。
所述能谱中的能量扩展度，用半高宽(FWHM)量化，在T＝300K时大约为0.22eV。在实际金属中，这个值由于例如库伦相互作用的原因将会增加，并且将得到大约0.3eV的值。
实施例1
发明人在无穷大圆的电位阱的近似下对半导体毫微线公式化并且求解薛定谔方程。图3显示了获得的半径为20nm并且有效质量比为50的毫微线的状态密度(DOS)的实例，其中能量E(eV)沿横轴绘制。DOS的量化清晰可见。
实施例2
图4给出了半径为25nm并且由不同材料M构成的半导体毫微线的第一和第二量化的电子级之间的能差ΔE(单位为meV)。可以看出，尽管存在各种其它材料显示出ΔE的实质值，但测试材料之中最大的这种能差出现在InAs上。
实施例3
发明人从InAs毫微线建立电子隧道行为的模型，计算InAs中分立的电子能级是如何装填的，并且作为发射电子的能量的函数确定隧道效应电流。这个工作的结果显示在图5和表2中，它涉及仅仅假定一个能级被填充的情况。
图5给出InAs毫微线在不同温度T下的能谱，施加的电场F＝5.5V/nm。纵轴刻度为任意单位(a.u.)，而横轴表示沿毫微线的横向(发射)轴测量的电子能量(Ez，单位为eV)。毫微线半径是R＝35nm，并且费米能量是Ef＝20meV。注意，在所有的能谱中，半宽度(显著地)小于0.3eV(一般可利用CFEG获得的值)。
表2给出不同温度T下的FWHM(单位meV)的值，并且为两个不同的施加电场F的值(单位V/nm)。注意，所有的FWHM值(显著地)小于0.3eV(一般可利用CFEG获得的值)。
  FWHM[meV]   T＝100K   T＝300K   T＝500K   T＝700K   T＝1000K
  F＝3.5V/nm   28   65   113   174   296
  F＝5.5V/nm   27   62   104   151   235
                                      表2
实施例4
图6显示根据本发明的电子源的特定实施例的发射性能，并且作为经过的时间t(单位分钟)的函数给出了发射电流J(单位nA)。图的左手部分(直到大约55分钟的经过时间)显示相当不稳定的发射性能，这是由于采用的毫微线表面上分子的吸附层的存在引起的(这些分子干扰本发明使用的隧道效应)。通过在真空中加热对毫微线进行处理，以便除掉这些分子，在这之后，观察到更恒定的发射性能(图的中部和右手部分)。这种热处理的有效性受到它的持续时间和采用的温度的影响；图的左手部分中引用的值表示发明人进行观测的各种温度。注意，在约145分钟和180分钟附近可以看见的台阶，是由于提供电势给采用的电极的电压电源中的波动引起的。
图中的插画显示沿采用的毫微线的横轴观察的发射图样。左边的插画对应于清洁之前的情况，并且显示了几个“热点”，它们以不稳定的方式随时间移动位置。右侧的插画显示清洁之后的情况，具有单个稳定的源。
实施例5
发明人能够利用例如下列技术制造适用于根据本发明的电子源中的半导体毫微线。提供由毫微线的候选材料构成的靶(比如，例如InAs、InGaAs、GaP、GaAs或者InP)。如果期望，这个靶被掺杂。
配置在其上生长所需毫微线的衬底，衬底例如包括金属(比如Au、Ag、Pt、W等)、或者半导体物质(比如Si、SiO2、InP、InAs等等)。在金属的情况下，厚度例如为0.2-10nm的金属膜配置在非金属的衬底(比如硅)上。
用诸如波长为193nm，脉冲频率为1-10Hz并且脉冲能量为每脉冲30-200J的准分子激光器的激光器照射靶。典型的生长时期涉及利用例如2000-20000个脉冲。
生长在首先被抽空到大约10-7毫巴压力下的真空室中执行。然后提供大约100-200毫巴的Ar作为背景气(如果期望，也包含H2来调节氧化)。使背景气以大约100-300sccm/s流过室。室温度保持在600-900℃范围中的某个值，并且衬底的温度保持在400-800℃范围中的某个值。
实施例6
图7是根据本发明的特定实施例的电子源的一部分的SEM图片。图片显示末端已经以电阻方式附上了N掺杂的InAs毫微线(中央)的基本上圆锥形的点状钨尖电极(右方)。所述毫微线的半径大约为30nm，并且其长度大约为2μm(其中仅仅部分突出超过尖电极)。当大约1.5kV的电势施加到钨电极下(在300k的温度下)时，从毫微线突出的末端发生非常低能量扩展度δE的电子发射(即远离钨尖)
实施例7
图8显示电子显微镜形式的粒子光学设备。设备包括电子源1、光束校直系统3以及束光阑4、聚光透镜6、物镜8、射束扫描系统10、具有样本夹13的对象空间11、衍射透镜12、中间透镜14、聚光透镜16以及电子探测器18。物镜8、中间透镜14和聚光透镜16一起构成成像透镜系统。这些元件装入在具有用于电子源、观察窗7和抽真空装置17的供电导线2的外壳中。用于物镜8的励磁线圈连接到控制部件15，配置为控制成像透镜系统的激励。电子显微镜还包括具有电子探测器18、图像处理单元5和用于观察形成的像的视频显示9的记录装置。
图8给出的特定设备是TEM。TEM的典型加速电压为300kV，而SEM的典型加速电压为30kV。TEM的这个更高的加速电压是必需的，以便确保电子束中的电子至少部分地照射穿过试验的对象。为此，同样必需的是利用TEM实验的对象具有某一最大的厚度，通常大约为100nm。SEM或者TEM的混合替代是能透射的扫描电子显微镜(TSEM)，其中，在SEM环境下(特征为相对低的加速电压)，在样本夹13上的样本的下方配置电子检测板，该板允许获得样本的成像。在此方案中，使用的是如下的事实：在辐射穿过样本期间电子引起的偏转度取决于电子在照射期间穿过的单元的质量。由此建立的对比机构产生样本的图像。
图8中的设备采用根据本发明的电子源1，例如如上在实施例6中所述的。
实施例8
图9A、图9B、图9C显示用电子束照射的半导体晶片。在用于制造装置98的方法中，根据本发明的一个或多个电子源用于电子束平版印刷设备中。装置可以是诸如集成电路或者液晶显示装置的电气装置。
在方法的实施例中，提供诸如半导体晶片100的衬底99，例如单晶硅晶片、绝缘体晶片或者GaAs晶片上的硅。衬底99可以是预制造的集成电路并且可包括其它材料的形成了图案和/或未形成图案的层101，比如绝缘体，如二氧化硅，或者导电体、例如铜。衬底99具有抗蚀层102，它具有可由电子冲击改变的可溶性。可以使用用于电子束平版印刷术的抗蚀层。用从根据本发明的电子源提取的电子104冲击抗蚀层102。利用可以具有几个并行操作地根据本发明的电子源的电子束平版印刷设备，抗蚀层102的可溶性局部改变。因此，由此获得抗蚀层生长从而暴露衬底99的一部分103，同时衬底99的剩余部分仍然由抗蚀层102的剩余部分102’覆盖。由此获得的形成了图案的抗蚀层102’用作诸如湿蚀刻或者干蚀刻过程的材料去除处理中的掩模，即掩模102’所暴露的衬底99的材料被去除。以这种方式形成衬底99的图案。在衬底包括两层或更多层的情况下，仅仅上层101、即靠近抗蚀层的层以这种方式形成图案，得到形成了图案的层101’。这样，可以使用选择蚀刻法。

Claims (12)

1.一种电子源，适用于带电粒子设备中，在该电子源中，从经受电势、热激励和光子激励中的至少一种的电极提取电子束，其特征在于，至少一部分所述电极包括具有量化为分立能级的传导带的半导体材料。
2.如权利要求1所述的电子源，其中所述能级通过至少kT的间隔相互分离，其中k是玻耳兹曼常数而T是所述材料的绝对温度。
3.一种电子源，适用于带电粒子设备中，在该电子源中，从经受电势、热激励和光子激励中的至少一种的电极提取电子束，其特征在于，所述电极包括至少一个毫微线，该毫微线由半导体材料构成并且附着到肉眼可见的支撑架上。
4.如权利要求3所述的电子源，其中所述毫微线与所述支架形成电阻性接触。
5.一种电子源，适用于带电粒子设备中，在该电子源中，从经受电势、热激励和光子激励中的至少一种的电极提取电子束，其特征在于，所述源包括能够发射电子束的半导体材料，其中在300K的温度下，能量扩展度最大到0.2eV。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的电子源，其中所述半导体材料包括从包括InAs和GaInAs的组中选择的物质。
7.如权利要求1-6中任何一项所述的电子源，其中所述半导体材料是N掺杂的。
8.如以上任一权利要求所述的电子源，其中所述电极包括具有锥形末端的部分，并且所述半导体材料配置在所述末端上。
9.一种粒子光学设备，包括电子源、承载对象的支架、以及用于将电子束从所述电子源引导到所述对象的部件，其特征在于，所述电子源是根据以上任一权利要求所述的源。
10.如权利要求9所述的粒子光学设备，其中除了所述电子束之外，所述设备还包括用于制造至少一个其它带电粒子束的部件。
11.如权利要求9或10所述的粒子光学设备，其特征在于，所述设备从包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、传导式扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜、以及电子束平版印刷设备的组中选出。
12.一种用于制造装置(98)的方法，包括如下步骤：
-提供用抗蚀层(102)涂覆的衬底(99)，该抗蚀层(102)具有可用电子冲击改变的可溶性，
-用来自电子源的电子冲击所述抗蚀层(102)，
-在冲击步骤之后显影抗蚀层(102)，从而暴露所述衬底(99)的一部分(103)，同时所述衬底(99)的剩余部分保持由所述抗蚀层的剩余部分(102’)覆盖，并且对所述衬底(99)的暴露部分(103)进行材料去除处理，同时所述抗蚀层的剩余部分(102’)用作掩模，
其特征在于，
-所述电子源为如权利要求1-8中的任何一项所述的类型。
CN200510108934.8A 2004-09-24 2005-09-23 电子源、以及包括这种电子源的带电粒子设备 Expired - Fee Related CN1808683B (zh)

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