DE112023000195T5

DE112023000195T5 - Elektronenkanone und elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE112023000195T5
Application number: DE112023000195.2T
Authority: DE
Inventors: Yung-Ho Alex Chuang; Yinying Xiao-Li; Edgardo Garcia-Berrios; John Fielden; Lavinia Ghirardini; Masayoshi Nagao
Original assignee: KLA Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2023-03-20
Publication date: 2024-05-23
Also published as: US20230298847A1; IL311355A; TW202338898A; WO2023177916A1

Abstract

Eine Elektronenkanone für ein Elektronenmikroskop oder eine ähnliche Vorrichtung umfasst eine Feldemitterkathode mit einem Feldemittervorsprung, der sich von der Ausgangsfläche eines monokristallinen Siliziumsubstrats aus erstreckt, und Elektroden, die so konfiguriert sind, dass sie die Emission von Elektronen von einem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs verstärken, um einen primären Elektronenstrahl zu erzeugen. Eine zusammenhängende TiN-Schicht ist direkt auf zumindest dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs unter Verwendung eines Verfahrens angeordnet, das die Oxidation und Defekte in der TiN-Schicht minimiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 18. März 2022 eingereichten vorläufigen Patentanmeldung mit der U.S. Anmelde-Nr. 63/321,112, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
BEREICH DER OFFENLEGUNG
Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf Elektronenkanonen, die zur Verwendung in Rasterelektronenmikroskopen, Elektronenstrahl-Lithografiesystemen und anderen Systemen geeignet sind, die zur Überprüfung und Inspektion von Proben (z. B. Fotomasken, Retikeln und Halbleiter-Wafern) eingesetzt werden. Insbesondere bezieht sich die Offenlegung auf Elektronenkanonen, die kalte Elektronenfeldemitter verwenden, und auf Prüf- und Inspektionssysteme, die diese Elektronenkanonen enthalten.
HINTERGRUND DER OFFENLEGUNG
Die Industrie für integrierte Schaltkreise (IC) benötigt Inspektionswerkzeuge mit immer höherer Empfindlichkeit, um immer kleinere Defekte und Partikel zu erkennen, deren Größe einige zehn Nanometer (nm) oder weniger betragen kann. Diese Inspektionswerkzeuge arbeiten mit hoher Geschwindigkeit, um zumindest einen großen Teil der Fläche einer Fotomaske, eines Retikels oder eines Wafers in kurzer Zeit zu inspizieren. So dauern beispielsweise Hochgeschwindigkeitsinspektionen in der IC-Produktion in der Regel eine Stunde oder weniger. Detailliertere Hochgeschwindigkeitsinspektionen, die zu Forschungs- und Entwicklungszwecken (F&E) oder zur Fehlersuche durchgeführt werden, können höchstens ein paar Stunden dauern. Werkzeuge für die Hochgeschwindigkeitsinspektion scannen Probenoberflächen mit einfallenden Energiestrahlen, deren Pixel- oder Spotgröße größer ist als die Abmessungen des interessierenden Oberflächendefekts oder Partikels, und überwachen die von der Probenoberfläche abgelenkte Energiemenge, wobei Oberflächendefekte oder unerwünschte Partikel durch kleine Veränderungen in der Menge der abgelenkten Energie erkannt werden. Die Hochgeschwindigkeitsinspektion wird in der Produktion meist mit Inspektionsgeräten durchgeführt, die mit ultravioletten (UV) Lichtquellen arbeiten. Eine detailliertere Hochgeschwindigkeitsinspektion in der Forschung und Entwicklung kann mit Elektronenkanonen durchgeführt werden.
Nachdem bei der Inspektion mit hoher Geschwindigkeit ein Fehler oder ein Partikel gefunden wurde, ist es oft notwendig, ein Bild mit höherer Auflösung zu erstellen und/oder eine Materialanalyse durchzuführen, um den Ursprung oder die Art des Partikels oder Fehlers zu bestimmen. Dieser Vorgang wird üblicherweise als Überprüfung (Review) bezeichnet. Die Überprüfung wird in der Regel mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) durchgeführt. Die in der Halbleiterfertigung eingesetzten SEMs müssen in der Regel viele Tausend potenzielle Defekte oder Partikel pro Tag überprüfen, wobei die SEMs mit Geschwindigkeiten arbeiten müssen, die höchstens ein paar Sekunden für die Überprüfung jedes Defekts/Partikels erlauben.
Elektronenmikroskope (z. B. SEMs) verwenden Elektronenkanonen (d.h. Elektronenquellen), um Elektronenstrahlen zu erzeugen und auf Zielproben zu richten. Thermionische Quellen enthalten normalerweise eine Kathode aus Wolfram oder Lanthanhexaborid (LaB₆). Bei der thermionischen Emission werden die Elektronen von der Materialoberfläche abgedampft, wenn die thermische Energie der Elektronen hoch genug ist, um die Oberflächenpotentialbarriere zu überwinden. Thermionische Emitter erfordern in der Regel hohe Temperaturen (z. B. über 1300 K) und haben mehrere Nachteile, wie z. B. einen ineffizienten Stromverbrauch, eine große Energiespanne, eine kurze Lebensdauer, eine geringe Stromdichte und eine begrenzte Helligkeit.
Obwohl thermionische Quellen derzeit die gängigste Art von Elektronenkanonen sind, hat die Nachfrage nach effizienteren Elektronenkanonen die Entwicklung von Schottky-Emittern und Elektronen-Feldemittern vorangetrieben.
Schottky-Emitter bestehen in der Regel aus einem Wolframdraht, dessen Spitze mit einer Schicht aus Zirkoniumoxid (ZrO_x) beschichtet ist, die eine viel niedrigere Austrittsarbeit (-2,9 eV) aufweist als herkömmliche thermionische Emitter. Schottky-Emitter zeigen eine verstärkte thermionische Emission durch eine effektive Absenkung der Potenzialbarriere aufgrund des Bildladungseffekts unter einem angelegten externen elektrischen Feld. Thermisch unterstützte Schottky-Emitter müssen jedoch bei hohen Temperaturen (>1000 K) und im Hochvakuum (~10^-7 Torr) betrieben werden und weisen aufgrund der hohen Betriebstemperatur eine größere Energiespanne bei der Elektronenemission auf als wünschenswert. Da die Größe der IC-Merkmale (und damit die Größe der Defekte bzw. der interessierenden Teilchen) weiter schrumpft, können Schottky-Emitter keine Elektronenkanone mit der geringeren Energiespanne, der höheren Helligkeit (Strahldichte) und der höheren Stromdichte liefern, die für die Inspektion, Überprüfung und Lithografie von Halbleiter-Wafern und -Masken wünschenswert ist.
Elektronenfeldemitter (hier als „Feldemitter“ bezeichnet) haben typischerweise eine konische Emitterspitze (Kathode), eine kreisförmige Gate-Öffnung und eine im Vakuum angeordnete Anode. Während des Betriebs wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Emitterkathode, dem Gate und der Anode unter einem angelegten externen Feld aufgebaut, was zu einem hohen elektrischen Feld an der Oberfläche der Spitze führt. Die Feldemission findet statt, wenn das angelegte elektrische Feld hoch genug ist, um die Potenzialbarriere an der Grenzfläche zwischen Spitze und Vakuum so zu verringern, dass die Elektronen diese Barriere bei Raumtemperatur durchtunneln und durch die Gate-Öffnung zur Anode wandern können, die auf ein positiveres Potenzial vorgespannt ist. Die Elektronen in einem Feldemitter befinden sich zunächst in einem internen thermodynamischen Gleichgewicht, und die meisten der emittierten Elektronen entkommen durch Fowler-Nordheim-Tunneln aus Elektronenzuständen nahe dem Fermi-Niveau des Emitters. Im Gegensatz dazu entkommen bei Schottky-Emittern die meisten Elektronen über die Oberkante einer feldreduzierten Barriere aus Zuständen weit oberhalb des Fermi-Niveaus.
Die frühen Bemühungen um die Entwicklung von Feldemittern konzentrierten sich auf die Entwicklung metallischer Feldemitter. Unter anderem sind die Molybdän-Feldemitter vom Typ Spindt vielleicht die bekanntesten metallischen Feldemitter, da Molybdän einen niedrigen spezifischen Widerstand (53,4 nΩ-m bei 20 °C) und einen hohen Schmelzpunkt (2896 K) hat. Dennoch haben metallische Emitter mehrere Nachteile, wie z. B. mangelnde Einheitlichkeit aufgrund der Metallabscheidungstechniken und, was noch schwerer wiegt, eine Verschlechterung des Emissionsstroms, hauptsächlich aufgrund von Oxidation.
Mit dem Aufkommen der modernen Halbleiterfertigungstechnologie wurden Halbleiter-Feldemitter, insbesondere Silizium-Feldemitter, untersucht. Einkristallines (monokristallines) Silizium ist ein attraktives Material für Feldemitter. Siliziumkristalle können mit hoher Reinheit und wenigen Kristalldefekten gezüchtet werden. Die Leitfähigkeit von Silizium kann durch Dotierung und/oder Anlegen einer Spannung verändert werden. Noch wichtiger ist, dass Silizium über eine gut entwickelte Technologiebasis verfügt.
Die Struktur eines typischen Silizium-Feldemitters aus dem Stand der Technik ist in 5 dargestellt. Ein Siliziumsubstrat 51 ist in der Regel n-dotiert. Auf dem Siliziumsubstrat 51 ist ein kegelförmiger Emitter 54 ausgebildet, mit einer optionalen Gate-Schicht 57, die an einer dielektrischen Schicht 56 befestigt ist, die eine oder mehrere isolierende Schichten enthält. Die optionale Gate-Schicht 57 steuert und extrahiert den Emissionsstrom. Eine dritte Elektrode (d. h. die Anode, nicht abgebildet) ist der Gate-Schicht 57 zugewandt und von der Kathode mit einem Abstand in einer Größenordnung von einigen hundert Mikrometern entfernt. Dies ist eine typische Silizium-Feldemitter-Trioden-Konfiguration. Man beachte, dass der Feldemitter ohne die Gate-Schicht 57 als Diode verwendet werden kann. Das Quantentunneln von Elektronen findet statt, wenn eine Vorspannung über der Emitterstruktur angelegt wird. An der Oberfläche der Emitterspitze wird ein großes elektrisches Feld erzeugt, und Elektronen werden aus der Spitze emittiert. Die Herstellung von kalten (d.h. bei Raumtemperatur emittierenden) Elektronenkanonen für SEM-Instrumente zur Inspektion/Überprüfung/Lithografie von Halbleitern, die Silizium-Feldemitter dieses Typs verwenden, würde viele der mit Schottky- und thermionischen Emittern verbundenen Probleme lösen.
Obwohl sich Silizium-Feldemitter in den letzten Jahren als vielversprechend erwiesen haben, sind sie noch nicht auf dem Markt erhältlich. Ein ernsthaftes Problem bei der Verwendung von Silizium zur Herstellung von Feldemittern ist, dass Silizium sehr reaktiv ist und innerhalb von Stunden verunreinigt werden kann, selbst bei Drücken um 10^-10 Torr. Silizium bildet auf seiner Oberfläche leicht ein natives Oxid. Selbst im Vakuum bildet sich schließlich ein natives Oxid, da die geringen Mengen an Sauerstoff und Wasser, die im Vakuum vorhanden sind, mit der Oberfläche des Siliziums reagieren. Die Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid weist Defekte auf (aufgrund von baumelnden Bindungen), bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Elektronenrekombination hoch ist. Außerdem ist die Bandlücke von Siliziumdioxid groß (ca. 9 eV), wodurch eine zusätzliche Barriere entsteht, die höher ist als die Austrittsarbeit, die ein Elektron überwinden muss, um zu entkommen, selbst wenn das Oxid dünn ist. So ist das native Oxid auf einer glatten Siliziumoberfläche in der Regel etwa 2 nm dick. Unter bestimmten Umständen kann die Oxidation auch die Form der Feldemitter verändern. Diese Probleme können zu geringer Helligkeit und Stromstärke sowie zu geringer Stabilität, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Gleichmäßigkeit führen und haben die kommerzielle Nutzung von Silizium-Feldemittern behindert. Um diese Verunreinigungen zu entfernen, ist ein regelmäßiges Flashen (d. h. eine vorübergehende Erhöhung der Spitzentemperatur) erforderlich, wobei das System/Instrument, in das die kalte Elektronenkanone eingebaut ist, während dieser Zeit nicht genutzt werden kann. Die Erfassung von Bildern mit höherer Auflösung und/oder die Durchführung von Materialanalysen wird unterbrochen, während die Spitze geflasht wird. Dies stellt ein Problem in der Halbleiterindustrie dar, wo von Inspektions-, Überprüfungs- und Lithografie-Instrumenten erwartet wird, dass sie kontinuierlich und stabil ohne Unterbrechung über lange Zeiträume arbeiten. Dementsprechend sind die meisten handelsüblichen SEM-Instrumente für die Inspektion, Überprüfung und Lithografie von Halbleitern mit Elektronenkanonen ausgestattet, die mit Schottky-Emittern arbeiten.
Die Forschungsanstrengungen wurden auf der Suche nach Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen für Feldemitter ausgeweitet, um deren Leistung im Hinblick auf niedrigere Einschaltspannungen, höhere Emissionsstromdichten, geringeres Rauschen und verbesserte Stabilität zu verbessern. Diese Behandlungen können die Beschichtung der Emitterspitzen mit hochschmelzenden Metallen, Siliziden, Karbiden, Diamant usw. umfassen. Diese Beschichtungsmaterialien sind jedoch in der Regel durch den Herstellungsprozess bei der Bildung glatter und gleichmäßiger Beschichtungsoberflächen eingeschränkt und/oder werden häufig durch die auf den Beschichtungsoberflächen gebildete Oxidschicht beeinträchtigt, was eine zusätzliche Energiebarriere darstellt. Aus diesen Gründen sind kalte Elektronenkanonen, die beschichtete Silizium-Feldemitter verwenden, noch nicht praktikabel geworden.
Es wird daher eine Elektronenkanone benötigt, die einige oder alle Beschränkungen des Standes der Technik überwindet, sowie ein Elektronenmikroskop, das eine solche Elektronenkanone enthält.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENLEGUNG
In einer ersten Ausführungsform wird eine Elektronenkanone bereitgestellt. Die Elektronenkanone enthält einen Feldemitter, der zur Erzeugung eines primären Elektronenstrahls konfiguriert ist. Der Feldemitter umfasst ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung. Der Feldemittervorsprung hat einen festen Abschnitt, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche bis zu einem Spitzenabschnitt erstreckt. Der Feldemitter enthält auch eine Titannitridschicht (TiN), die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass im Betrieb Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen. Die TiN-Schicht enthält mindestens 75 Atomprozent TiN.
In einem Fall enthält die TiN-Schicht mehr als 80 Atomprozent TiN.
In einem Fall kann das monokristalline Siliziumsubstrat p-dotiert sein mit einem Dotierungsgrad von weniger als etwa 10¹⁹ cm^-3. In einem anderen Fall kann das monokristalline Siliziumsubstrat n-dotiert sein mit einem Dotierungsniveau zwischen etwa 10¹⁵ cm^-3 und etwa 10¹⁹ cm^-3. In einem weiteren Fall hat das monokristalline Siliziumsubstrat eine Dicke von mehr als 10 µm und ist p-dotiert mit einem Dotierungsgrad von weniger als etwa 10¹⁴ cm^-3.
Die Elektronenkanone kann eine Lichtquelle enthalten, die so konfiguriert ist, dass sie die erste Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats beleuchtet. Die Lichtquelle kann eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode enthalten, die so konfiguriert ist, dass ein Emissionsstrom des primären Elektronenstrahls proportional zu einer von der Lichtquelle in das monokristalline Siliziumsubstrat übertragenen Lichtmenge steuerbar ist.
Die TiN-Schicht kann eine Dicke im Bereich von 2 nm bis 150 nm haben.
Ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm vom Spitzenabschnitt befindet, kann weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff enthalten.
Ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm vom Spitzenabschnitt befindet, kann weniger als 10 Atomprozent Kohlenstoff enthalten.
Der Feldemittervorsprung kann ein Kegel, eine Pyramide oder ein abgerundeter Whisker sein. Der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs kann eine seitliche Abmessung von weniger als 300 nm haben. In einem Fall hat der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs eine seitliche Abmessung von mehr als 10 nm.
Der Feldemittervorsprung kann ein Kegel, eine Pyramide oder ein abgerundeter Whisker sein. Der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs kann einen Durchmesser von weniger als 300 nm haben.
Der Feldemitter kann so konfiguriert werden, dass er in einem Modus mit umgekehrter Vorspannung arbeitet, in dem als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld eine Verarmungsschicht neben der zweiten Oberfläche erzeugt wird.
Der Feldemitter kann ferner eine erste dielektrische Schicht umfassen, die auf der zweiten Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats neben dem Feldemittervorsprung angeordnet ist; ein erstes leitendes Gate, das auf der ersten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass eine Kante des ersten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs um einen Abstand ungleich Null beabstandet ist; eine zweite dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des ersten leitenden Gates angeordnet ist; und ein zweites fokussierendes Gate, das auf der zweiten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass Kanten des zweiten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet sind. Jede der Dicken der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht liegt zwischen 500 nm und 3 µm, und die erste dielektrische Schicht ist ±300 nm von einer Höhe des Feldemittervorsprungs entfernt.
Die Elektronenkanone kann eine Vielzahl von Feldemittervorsprüngen enthalten, die in einem zweidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind. Jeder der Feldemittervorsprünge kann einen zugehörigen festen Abschnitt aufweisen, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzenabschnitt erstreckt. Die TiN-Schicht kann zumindest auf dem Spitzenabschnitt jedes der Vielzahl der Feldemittervorsprünge hermetisch angeordnet sein. In einem Fall umfasst der Feldemitter ferner eine erste dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats angrenzend an die Vielzahl der Feldemittervorsprünge angeordnet ist; ein erstes leitendes Gate, das auf der ersten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass Kanten des ersten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt jedes der Vielzahl von Feldemittervorsprüngen um einen Abstand ungleich Null beabstandet sind; eine zweite dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des ersten leitenden Gates angeordnet ist; und ein zweites fokussierendes Gate, das auf der zweiten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass Kanten des zweiten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt jedes der Vielzahl der Feldemittervorsprünge um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet sind. Jede der Dicken der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht liegt zwischen 500 nm und 3 µm, und die erste dielektrische Schicht ist ±200 nm einer nominalen Höhe der Vielzahl von Feldemittervorsprüngen.
In einer zweiten Ausführungsform wird ein SEM bereitgestellt. Das SEM umfasst eine Elektronenkanone mit einem Feldemitter, der so konfiguriert ist, dass er einen primären Elektronenstrahl erzeugt, eine Elektronenoptik, die so konfiguriert ist, dass sie den primären Elektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf eine Probe fokussiert, und einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er die rückgestreuten Elektronen und / oder die sekundären Elektronen erfasst, die von der Probe als Reaktion auf den primären Elektronenstrahl transmittiert werden. Der Feldemitter umfasst ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung. Der Feldemittervorsprung hat einen festen Abschnitt, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche bis zu einem Spitzenabschnitt erstreckt. Der Feldemitter umfasst auch eine Titannitridschicht (TiN), die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass im Betrieb Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen. Die TiN-Schicht besteht zu mindestens 75 Atomprozent aus TiN. Ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm um den Spitzenbereich befindet, enthält weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff.
In einer dritten Ausführungsform wird eine Vorrichtung mit einer Elektronenkanone bereitgestellt. Die Elektronenkanone enthält einen Feldemitter, der zur Erzeugung eines primären Elektronenstrahls konfiguriert ist. Der Feldemitter umfasst ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung. Der Feldemittervorsprung hat einen festen Abschnitt, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche bis zu einem Spitzenabschnitt erstreckt. Der Feldemitter enthält auch eine Titannitridschicht (TiN), die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass im Betrieb Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen. Die TiN-Schicht besteht zu mindestens 75 Atomprozent aus TiN. Ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm um den Spitzenbereich befindet, enthält weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff. Die Vorrichtung kann ein Rasterelektronenmikroskop-System (SEM) oder ein Elektronenstrahl-LithografieSystem umfassen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Art und der Gegenstände der Offenbarung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen:

1 ein beispielhaftes SEM zeigt, mit einer Elektronenkanone, einer Elektronenoptik, einem Detektor für rückgestreute Elektronen und einem Sekundärelektronendetektor gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Elektronenkanone in einer Diodenkonfiguration mit einem TiN-beschichteten Silizium-Feldemittervorsprung zeigt, der auf einem Siliziumsubstrat gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgebildet ist;
2A eine Querschnittsansicht der Elektronenkanone von 2 ist;
3 eine seitliche Querschnittsansicht ist, die eine Elektronenkanone in einer Triodenkonfiguration mit einem TiN-beschichteten Silizium-Feldemittervorsprung, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und einer Gate-Schicht gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4A und 4B Querschnittsdiagramme in Seitenansicht sind, die Elektronenkanonen mit mehreren Elektronenstrahlen darstellen, die TiN-beschichtete Silizium-Feldemittervorsprungs-Arrays enthalten, die auf Siliziumsubstraten in Dioden- und Triodenkonfigurationen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gebildet sind; und
5 eine seitliche Querschnittsansicht ist, die eine frühere Elektronenkanone mit einem Silizium-Feldemitter zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENLEGUNG
Obwohl der beanspruchte Gegenstand anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben wird, fallen auch andere Ausführungsformen, einschließlich solcher, die nicht alle hier dargelegten Vorteile und Merkmale bieten, in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung. Verschiedene strukturelle, logische, verfahrenstechnische und elektronische Änderungen können vorgenommen werden, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Dementsprechend wird der Umfang der Offenbarung nur durch Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche definiert.
Die hier offengelegten Ausführungsformen beziehen sich auf eine Elektronenkanone zur Verwendung in SEMs oder anderen Geräten/Instrumenten. Die Elektronenkanone enthält einen Feldemitter (Kathode) mit einem oder mehreren Feldemittervorsprüngen, die integral mit einem monokristallinen (Siliziumsubstrat (z.B. ein einziger Kristall) verbunden sind, so dass der Vorsprung / die Vorsprünge sich von einer (zweiten) Ausgangsfläche des Siliziumsubstrats aus erstrecken. Die Elektronenkanone enthält auch eine im Wesentlichen reine Titannitrid (TiN)-Schicht (d.h. mit oder bestehend aus mindestens 75 % TiN), die hermetisch auf mindestens einem Spitzenabschnitt (freies Ende) des Feldemittervorsprungs angeordnet ist. Die TiN-Schicht ist auf dem Vorsprung bzw. den Vorsprüngen so ausgebildet, dass im Betrieb Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen, bevor sie einen primären Elektronenstrahl bilden. Durch die integrale Verbindung des Feldemittervorsprungs mit dem Siliziumsubstrat (d. h. durch Ätzen von Teilen des einkristallinen Siliziumsubstrats, so dass ein verbleibender ungeätzter Teil des einkristallinen Siliziums den Vorsprung bildet) wird die relativ hohe Austrittsarbeit des Siliziumsubstrats umgangen, indem die Feldverstärkung ausgenutzt wird, die erzeugt wird, wenn das Substrat einem angelegten externen elektrischen Feld ausgesetzt wird, das stark genug ist, um die Potenzialbarriere außerhalb des Spitzenabschnitts zu verringern, wodurch Elektronen in der Lage sind, durch die verringerte Potenzialbarriere zu tunneln (d. h. durch quantenmechanisches Tunneln). Darüber hinaus bietet die Verwendung einer zusammenhängenden, im Wesentlichen reinen TiN-Schicht zur hermetischen Abdichtung des Feldemittervorsprungs mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen. Erstens sind verschiedene Techniken zur Bildung einer im Wesentlichen reinen TiN-Schicht als lochfreie Beschichtung bekannt, die die Bildung von nativem Oxid auf der Ausgangsfläche des Feldemittervorsprungs verhindert. Zweitens hat die im Wesentlichen reine TiN-Schicht eine geringere Bandlücke als herkömmliche Beschichtungen wie Siliziumdioxid, wodurch der Elektronenfluss während des Betriebs erhöht wird. Drittens zeigen die TiN-beschichteten Siliziumemitter eine thermisch stabile Elektronenemission im Vergleich zu unbeschichteten Siliziumemittern. Durch die Herstellung einer Elektronenkanone mit einem Feldemitter, der Feldemittervorsprünge enthält, die integral auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet und durch eine im Wesentlichen reine TiN-Schicht hermetisch geschützt sind, erleichtern die hierin offenbarten Ausführungsformen die Herstellung von kalten Elektronenkanonen mit den vorteilhaften Eigenschaften von Silizium (z. B. Absorption im Sub-1-pm-Wellenlängenbereich, hochreines Material mit geringer Anzahl an Defekten und lange Elektronenrekombinationszeiten), während die negativen Aspekte vermieden werden, die bisher die weit verbreitete kommerzielle Herstellung von kalten Elektronenkanonen mit beschichteten Siliziumfeldemittern verhindert haben.
Die Elektronenkanone der hier beschriebenen Ausführungsformen umgeht die relativ hohe Austrittsarbeit von Silizium, indem sie die Feldverstärkung aufgrund des Feldemittervorsprungs nutzt. Eine zweite Elektrode (d. h. die Anode) kann gegenüber der Feldemitterkathode angeordnet werden. Die Anode kann aus einem Metall wie Wolfram, Molybdän oder rostfreiem Stahl bestehen. Eine Hochspannungsquelle, typischerweise in der Größenordnung von Kilovolt, kann verwendet werden, um eine externe Potenzialdifferenz zwischen dem Feldemittervorsprung und der Anode zu erzeugen, um ein starkes elektrisches Feld in der Nähe der Spitze des Feldemittervorsprungs zu erzeugen, das die Elektronen veranlasst, sich bevorzugt zur Emitterspitze zu bewegen. Wenn eine hohe Potentialdifferenz zwischen dem Feldemittervorsprung und der Anode (z. B. eine Spannung von etwa 1 kV oder höher) verwendet wird, sollte die Anode etwa 50 µm vom Feldemittervorsprung entfernt sein. In einer Ausführungsform ist die Anode mindestens 50 µm von der Emitterspitze entfernt, bei einer positiven Spannung von mindestens 500 V relativ zum Feldemittervorsprung. In einer anderen Ausführungsform wird die Anode in der Nähe der Emitterspitze platziert, z. B. in einem Abstand von etwa 2 µm oder weniger, bei einem positiven Potential von weniger als 100 V gegenüber dem Emitter. Wenn die Anode näher an der Emitterspitze platziert wird, kann ein ausreichend starkes elektrisches Feld mit einer geringeren Spannung erzeugt werden, was den Vorteil hat, dass der Rückbeschuss des Emitters durch hochenergetische Ionen, der die Lebensdauer des Emitters verringern kann, minimiert wird. Die Anode näher an der Emitterspitze zu platzieren, kann jedoch eine genauere Ausrichtung der Anodenöffnung im Verhältnis zur Emitterspitze erfordern.
Feldemission findet statt, wenn das angelegte elektrische Feld groß genug ist, um die Potenzialbarriere an der Silizium-Vakuum-Grenzfläche zu verringern, so dass ein Elektron durch diese Barriere tunneln kann (d. h. quantenmechanisches Tunneln). Die Elektronenkonzentration wird durch das lokale Dotierungsniveau und Potenzial in einem Halbleiter bestimmt, und es ist möglich, Feldemitter so zu konfigurieren, dass sie wie eine p-n-Diode in Sperrrichtung betrieben werden, wobei aufgrund des hohen elektrischen Feldes an der Emitteroberfläche eine Verarmungsschicht erzeugt wird. Die Grenzfläche zwischen dem Vakuum und einem TiN-beschichteten, p-dotierten Feldemittervorsprung kann einen p-n-Übergang bilden, bei dem das Vakuum als n-Medium betrachtet wird. In diesem Fall biegen sich die Leitungs- und Valenzbänder an der Oberfläche nach unten. Wenn das elektrische Feld ausreicht, um die Unterseite des Leitungsbandes unter das Fermi-Energieniveau zu bringen, gibt es an der Spitze der Emitterspitze eine Fülle von Elektronen, und es wird ein elektrischer Strom in der Größenordnung von nA bis µA erzeugt. In einer anderen Ausführungsform kann das elektrische Feld auf einem etwas niedrigeren Niveau gehalten werden, so dass der untere Teil des Leitungsbandes knapp über dem Fermi-Niveau bleibt und nur ein geringer oder kein Emissionsstrom erzeugt wird. In dieser Ausführungsform kann Licht verwendet werden, um Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen. Die so erzeugten Elektronen werden stark von der Spitze angezogen, und viele von ihnen werden als Emissionsstrom aus der Spitze emittiert. In dieser Ausführungsform kann der Emissionsstrom durch Steuerung des Lichtpegels, der auf das Feldemitter-Substrat oder in dessen Nähe fällt, kontrolliert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Masse des Silizium-Wafers n-dotiert sein, so dass eine Fülle von Elektronen zur Bildung des Emissionsstroms zur Verfügung steht. Die Emissionsstromdichte kann durch eine modifizierte Version der Fowler-Nordheim-Theorie abgeschätzt werden, bei der der Feldverstärkungsfaktor aufgrund des Feldemittervorsprungs berücksichtigt wird. Durch die Herstellung einer Elektronenemitterstruktur, die sowohl eine TiN-Schicht als auch einen Feldemittervorsprung auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat aufweist, bieten die hierin offenbarten Ausführungsformen die vorteilhaften Eigenschaften von Silizium (z. B. Material hoher Reinheit und geringer Defektdichte, lange Elektronenrekombinationszeiten und ausgereifter Herstellungsprozess auf Siliziumbasis) und ermöglichen die verlockenden Merkmale von Feldemittern (z. B., kleine Emittergröße, geringer Stromverbrauch, hohe Helligkeit, hohe Stromdichte, hohe Geschwindigkeit und lange Emitterlebensdauer) und vermeidet gleichzeitig die negativen Aspekte, die bisher den weit verbreiteten kommerziellen Einsatz von Feldemitterstrukturen auf Siliziumbasis verhindert haben.
Zusätzliche Schichten und Strukturen können die vorteilhaften Eigenschaften der offengelegten Emitterstruktur weiter verbessern. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Gate-Schichten oder Steuerelektroden etwas niedriger als die Höhe des Feldemittervorsprungs (d. h. von der Basis bis zur Spitze) angeordnet werden, um das elektrische Feld an der Emitterspitze weiter zu verstärken und eine schnelle und genaue Steuerung des Emissionsstroms zu erreichen. Die Gate-Schicht wird in der Regel auf einer oder mehreren Isolierschichten gebildet, die auf dem Substrat aufgebracht sind. Bei mehreren Gate-Schichten dienen die Isolierschichten als Abstandshalter zwischen diesen Gate-Schichten. In einer anderen Ausführungsform werden eine oder mehrere Gate-Schichten oder Steuerelektroden etwas höher (100-200 nm) als die Höhe des Feldemittervorsprungs (d. h. von der Basis bis zur Spitze) angeordnet, um eine Stromverschlechterung zu unterdrücken, die Relaxation des elektrischen Feldes zu beseitigen und einen hohen Emissionsstrom aufrechtzuerhalten, wenn eine oder mehrere Fokussierungselektroden verwendet werden, die mindestens 400 nm tiefer als die Gate-Schichten angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform können mehrere Elektronenstrahlkanonen mit einer Vielzahl der offengelegten Feldemittervorsprünge in einem zweidimensionalen periodischen Muster (z. B. einem Feldemitter-Array (FEA)) angeordnet werden und auf der Emitteroberfläche zum Emittieren von Elektronen in Gegenwart eines elektrischen Feldes angeordnet werden.
Die hier beschriebenen Elektronenkanonen können in SEMs für Inspektion, Metrologie und Überprüfung eingebaut werden. Ein SEM umfasst in der Regel eine Elektronenkanone, eine Elektronenoptik und einen Detektor. Die Elektronenoptik kann so konfiguriert werden, dass sie den Primärelektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf die Probe fokussiert, und der Detektor kann so konfiguriert werden, dass er rückgestreute Elektronen und/oder Sekundärelektronen von der Probe erfasst. Die Elektronenkanone erzeugt einen Primärelektronenstrahl, der auf eine Probe gerichtet ist. Die Elektronenkanone enthält einen TiN-beschichteten Silizium-Feldemittervorsprung oder eine Vielzahl von TiN-beschichteten Silizium-Feldemittervorsprüngen. Die Elektronenkanone kann so konfiguriert sein, dass der auf Silizium basierende Feldemitter als Diode oder Triode betrieben wird. Die Elektronenoptik verringert den primären Elektronenstrahl im Durchmesser und fokussiert den primären Elektronenstrahl auf die Probe. Die Elektronenoptik kann auch Ablenker enthalten, die den Primärelektronenstrahl über einen Bereich der Probe scannen können. Wenn der Primärelektronenstrahl auf die Probe trifft, absorbiert die Probe viele der Elektronen aus dem Primärelektronenstrahl, streut aber auch einige der Elektronen (rückgestreute Elektronen). Die absorbierte Energie führt dazu, dass Sekundärelektronen zusammen mit Röntgenstrahlen und Auger-Elektronen aus der Probe emittiert werden. Die Sekundärelektronen werden von einem Sekundärelektronendetektor aufgefangen. Die rückgestreuten Elektronen können mit einem Detektor für rückgestreute Elektronen aufgefangen werden. Die Röntgenstrahlen können mit einem Röntgendetektor aufgefangen werden.
Eine Vorrichtung kann eine Ausführungsform der hier beschriebenen Elektronenkanone enthalten. Die Vorrichtung kann ein SEM sein, bei dem die Elektronenoptik so konfiguriert ist, dass sie den primären Elektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf die Probe fokussiert. Die Vorrichtung kann ferner einen Detektor zum Nachweis von rückgestreuten Elektronen und/oder Sekundärelektronen von der Probe umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung ein Elektronenstrahl-Lithografiesystem sein, bei dem die Elektronenoptik so konfiguriert ist, dass sie den primären Elektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf das Ziel fokussiert. Die Vorrichtung kann ferner einen Modulator zur Modulation der Intensität des Elektronenstrahls umfassen.
1 zeigt ein beispielhaftes SEM-System 100 zur Inspektion, Metrologie oder Überprüfung, das so konfiguriert ist, dass es eine Probe 131 inspiziert oder überprüft, z. B. einen Halbleiter-Wafer, ein Retikel, eine Fotomaske oder ein anderes Werkstück. Das SEM-System 100 umfasst eine Elektronenkanone 140, eine Elektronenoptik, die in einer oberen Säule 160 und einer unteren Säule 170 angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie den Primärelektronenstrahl 150 fokussiert und auf die Probe 131 richtet, einen oder mehrere Detektoren, die in der unteren Säule 170 angeordnet sind, um die von der Probe 131 abgelenkten Elektronen zu erfassen, und einen Computer 190.
Die Elektronenkanone 140 umfasst einen Silizium-Feldemitter (Kathode) 141 und Elektroden 142, die in einer Kammer 143 angeordnet sind. Der Feldemitter 141 ist in einer Dioden- oder Triodenkonfiguration konfiguriert, um Elektronen zu emittieren, die sich durch ein angelegtes elektrisches Feld bewegen, das von den Elektroden 142 (die eine Anode enthalten können) erzeugt wird, um einen primären Elektronenstrahl 150 mit einer gewünschten Strahlenergie und einem Strahlstrom zu bilden, der normalerweise in der Größenordnung von 1 nA bis 10 µA liegt und durch eine Öffnung 144 aus der Kammer 143 austritt. Die Elektronenkanone 140 kann ferner eine magnetische Linse (nicht dargestellt) umfassen. Das Innere der Kammer 143 wird während des Betriebs durch eine Pumpe 145 unter Hochvakuumbedingungen gehalten, um den Feldemitter 141 vor Verunreinigungen zu schützen und den Beschuss durch hochenergetische Ionen zu minimieren. Angemessene Vakuumbedingungen für die Elektronenkanone 140 können aufrechterhalten werden, während der Primärelektronenstrahl 150 durch die Öffnung 144 in die obere Säule 160 eintreten kann. Die Vakuumpumpe 145 kann zumindest eine lonenpumpe oder eine Getterpumpe umfassen. Die Öffnung 144 kann einen Durchmesser zwischen etwa 100 µm und etwa 2 mm haben. Die Öffnung 144 kann sowohl als Strahlbegrenzungsöffnung als auch als Differentialpumpöffnung dienen. In einer Ausführungsform sind die Kammer 143, die Öffnung 144 und die Vakuumpumpe 145 gemeinsam so konfiguriert, dass sie die Feldemitterkathode 141 während des Betriebs der Elektronenkanone 140 auf einem Vakuumniveau von weniger als etwa 10^-10 Torr halten.
Wie im oberen linken Teil von 1 dargestellt, umfasst die Feldemitterkathode 141 im Allgemeinen ein monokristallines Siliziumsubstrat 101 mit mindestens einem integral verbundenen Feldemittervorsprung 104. Das Siliziumsubstrat 101 ist im Wesentlichen defektfrei und hat eine Dicke T1 im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 800 µm, gemessen zwischen einer flachen (ersten) Oberfläche 102 und einer gegenüberliegenden (zweiten) Ausgangsoberfläche 103. In einer Ausführungsform ist das Siliziumsubstrat 101 p-dotiert mit einem Dotierungsniveau von weniger als etwa 10¹⁹ cm^-3. In einer anderen Ausführungsform ist das Siliziumsubstrat 101 vom n-dotiert mit einem Dotierungsgrad zwischen etwa 10¹⁵ und 10¹⁹ cm^-3. Der Feldemittervorsprung 104 hat einen festen Basisabschnitt 105, der integral mit dem Siliziumsubstrat 101 verbunden ist und sich von der Oberfläche 103 bis zum Spitzenabschnitt (freies Ende) 106 erstreckt. In einem Fall liegt die Höhe H1, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche 103 von der Basis 105 zum Spitzenabschnitt 106, im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm, beispielsweise nicht mehr als etwa 2 µm. In einer Ausführungsform wird der Feldemittervorsprung 104 unter Verwendung von Standard-CMOS-Fertigungstechniken hergestellt, indem Teile des einkristallinen Materials, das das Substrat 101 bildet, geätzt oder auf andere Weise entfernt werden (d. h. so, dass der Feldemittervorsprung 104 und der Rest des Substrats 101 verbleibende Teile derselben Einkristallstruktur sind). Der Feldemittervorsprung 104 kann beispielsweise gebildet werden durch Abscheiden einer Siliziumdioxid- oder Siliziumnitridmaske mittels plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf der Oberfläche 103 des Substrats 101, anschließendes Strukturieren der Maske auf einem Teil der Oberfläche 103 mittels Fotolithografie, wobei Teile der Oberfläche 103, die den maskierten Teil umgeben, freigelegt werden, und anschließendes Trockenätzen (z. B., reaktives Ionenätzen (RIE), Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) oder Elektronenzyklotronresonanz-Ätzen (ECR)), ein Nassätzverfahren oder eine Kombination aus Trocken- und Nassätzen, so dass Teile des einkristallinen Materials entfernt werden und der Vorsprung 104 von der Oberfläche 103 umgeben bleibt. In einer Ausführungsform kann der Feldemittervorsprung 104 mit verschiedenen Auslegerformen gebildet werden, wie z. B. abgerundete Whisker (z. B. ein dünner zylindrischer Pfosten mit einem abgerundeten Scheitel), abgerundete Kegel oder Pyramiden.
In einem Fall ist die zusammenhängende, im Wesentlichen reine TiN-Schicht 110 zumindest auf einem Spitzenabschnitt 106 des Feldemittervorsprungs 104 hermetisch angeordnet, so dass während des Betriebs Elektronen, die das Substrat 101 durch den Spitzenabschnitt 106 verlassen, um einen primären Elektronenstrahl 150 zu bilden, nur durch die zusammenhängende, im Wesentlichen reine TiN-Schicht 110 hindurchgehen (d. h., dass keine anderen Materialien/Schichten auf der TiN-Schicht 110 neben dem Spitzenabschnitt 106 gebildet werden). Hierin wird der Begriff „hermetisch angeordnet“ so definiert, dass er in nahezu vollständiger Abwesenheit von Sauerstoff gebildet wird und eine luftdichte Abdichtung zumindest auf dem Spitzenabschnitt (freies Ende) 106 des Feldemittervorsprungs 104 bildet. Der hier verwendete Begriff „zusammenhängend“ in Bezug auf die TiN-Schicht 110 bedeutet, dass die TiN-Schicht 110 ununterbrochen über einen bestimmten Teil des Substrats 101 verläuft, der zumindest den Bereich des Spitzenabschnitts 106 umfasst, von dem Elektronen emittiert werden. Das heißt, der Großteil der Elektronenemission vom Feldemittervorsprung 104 tritt aus einem Bereich des Spitzenabschnitts 106 aus, der beispielsweise eine Größe in der Größenordnung von einigen zehn Nanometern im Radius hat, und dieser Bereich ist durch die TiN-Schicht 110 zusammenhängend (ununterbrochen) bedeckt. In anderen Ausführungsformen ist die TiN-Schicht 110 über einen größeren Teil der Umfangsfläche des Feldemittervorsprungs 104, der den Spitzenabschnitt 106 einschließt, zusammenhängend oder kann über einen noch größeren Bereich zusammenhängend sein, der die gesamte Umfangsfläche des Feldemittervorsprungs 104 oder einen Teil der oder die gesamte Ausgangsfläche 103 umfasst, die den Basisabschnitt 105 des Feldemittervorsprungs 104 umgibt.
Zur Bildung einer zusammenhängenden, im Wesentlichen reinen TiN-Schicht 110 können verschiedene bekannte Verfahren eingesetzt werden. In einer Ausführungsform wird die TiN-Schicht 110 durch reaktives Magnetron-Sputtern mit einer geregelten Leistung von 2 kW, einem Kammerdruck von 3,4 mTorr, Durchflussraten von 10/16 sccm für Ar/N₂ und einer Drehgeschwindigkeit des Drehtellers von 20 U/min gebildet. In einer anderen Ausführungsform wird die TiN-Schicht 110 in einem zweistufigen schnellen thermischen Nitrierungsprozess in einer NH₃ Umgebung gebildet, bei dem eine Titanschicht thermisch in eine TiN/TiSi₂ Doppelschicht umgewandelt wurde. Bei der Bildung mit diesen Techniken umgeht die zusammenhängende, im Wesentlichen reine TiN-Schicht 110 das Oxidationsproblem des Siliziums, indem sie die Siliziumoberfläche zuverlässig und hermetisch gegen Oxidation abdichtet. Die TiN-Schicht 110 kann verschiedene Verunreinigungen enthalten, wie z. B. zusätzliche Titanatome. Sauerstoffatome können an der TiN-Si-Grenzfläche, an der Oberfläche der Außenschicht oder im Kristallgitter vorhanden sein. So kann beispielsweise das Verhältnis von Nitrid zu Titan an der Grenzfläche zwischen der TiN-Schicht 110 und dem Substrat 101 variieren. Es ist zu beachten, dass die TiN-Schicht 110 an der Grenzfläche zwischen der TiN-Schicht 110 und der Siliziumoberfläche des Vorsprungs 104 einige Atomprozent Sauerstoff enthalten kann (z. B. weniger als 10 % oder weniger als 5 %), dass sich dieser Sauerstoffgehalt jedoch aufgrund der hermetischen Versiegelung im Laufe der Zeit (z. B. über einen Zeitraum von einem Jahr) wahrscheinlich nicht wesentlich erhöht. Ein solch niedriges Sauerstoff-zu-Silizium-Verhältnis bedeutet, dass es keine zusammenhängende Siliziumdioxidschicht an der Grenzfläche gibt, so dass Elektronen die Siliziumoberfläche durch den Teil der TiN-Schicht 110, der den Spitzenabschnitt 106 bedeckt, leicht verlassen können. Ein solch niedriges Sauerstoff-Silizium-Verhältnis bedeutet auch, dass es keine zusammenhängende Titanoxidschicht (TiO₂) an der Grenzfläche gibt, so dass die Elektronen die TiN-Schicht 110 leicht verlassen können. So kann die TiN-Schicht 110 aus TiN-Material im Verhältnis 1:1 (Titan-Nitrid-Verhältnis) bestehen oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Die im Wesentlichen reine TiN-Schicht 110 kann zu mehr als 75 % aus 1:1-TiN-Material bestehen. In alternativen spezifischen Ausführungsformen kann die TiN-Schicht 110 beispielsweise mehr als 80 % 1:1-TiN-Material, mehr als 85 % 1:1-TiN-Material, mehr als 90 % 1:1-TiN-Material, mehr als 95 % 1:1-TiN-Material, mehr als 96 % 1:1-TiN-Material, mehr als 97 % 1:1-TiN-Material, mehr als 98 % 1:1 -TiN-Material oder mehr als 99 % 1:1 -TiN-Material enthalten, wobei alle Prozentwerte in Atomprozent angegeben sind.
Die TiN-Schicht 110 kann weniger als 10 % Sauerstoff und/oder weniger als 10 % Kohlenstoff enthalten, wobei die Prozentwerte in Atomprozent angegeben sind. Die TiN-Schicht 110 kann weniger als 5%, weniger als 4%, weniger als 3%, weniger als 2% oder weniger als 1% Sauerstoff enthalten. Ein Sauerstoffanteil von mehr als 10% in der TiN-Schicht 110 kann problematisch sein, da TiO₂ und SiO₂ dielektrische Materialien sind, die die Emission von Elektronen behindern. Die TiN-Schicht 110 kann weniger als 5%, weniger als 4%, weniger als 3%, weniger als 2% oder weniger als 1% Kohlenstoff enthalten. Diese Sauerstoff- und Kohlenstoffwerte können innerhalb eines Radius von 100 nm um den Spitzenbereich gemessen werden. Höhere Sauerstoff- und Kohlenstoffwerte als die hier aufgeführten oder an Positionen, die weiter als 100 nm Radius vom Spitzenabschnitt entfernt sind, können auftreten. Es kann möglich sein, einen höheren Kohlenstoffanteil in der TiN-Schicht 110 zu haben als einen Sauerstoffanteil bei akzeptabler Leistung.
Durch die Herstellung der Elektronenkanone 140 in der hier dargelegten Weise kann eine kalte Elektronenkanone mit beschichteten Silizium-Feldemittern die mit herkömmlichen Ansätzen verbundenen Einschränkungen überwinden. Die integrale Verbindung des Feldemittervorsprungs 104 umgeht die relativ hohe Austrittsarbeit des Siliziumsubstrats, indem sie sich die Feldverstärkung zunutze macht, die erzeugt wird, wenn das Siliziumsubstrat 101 einem externen elektrischen Feld EF ausgesetzt wird, das stark genug ist, um die Potenzialbarriere außerhalb des Spitzenabschnitts 106 zu verringern, wodurch die Elektronen E durch die verringerte Potenzialbarriere tunneln können (d. h. durch quantenmechanisches Tunneln). Die sich daraus ergebende Elektronenemissionsstromdichte kann durch eine modifizierte Version der Fowler-Nordheim-Theorie abgeschätzt werden. Darüber hinaus wird durch die Bildung einer zusammenhängenden, im Wesentlichen reinen TiN-Schicht 110, die den Spitzenabschnitt 106 hermetisch abschließt, die Oxidation der Feldemitter-Ausgangsoberfläche im Wesentlichen und vollständig verhindert, wodurch die erhebliche Barriere für das Entweichen von Elektronen vermieden wird, die bei herkömmlichen Ansätzen durch Oxidation verursacht wird. Durch die Herstellung einer Elektronenkanone 140 mit einer Feldemitterkathode 141, die einen Vorsprung 104 enthält, der integral auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 101 ausgebildet und durch eine zusammenhängende, im Wesentlichen reine TiN-Schicht 110 hermetisch geschützt ist, kann eine kalte Elektronenkanone die vorteilhaften Eigenschaften von Silizium aufweisen (d. h. Absorption im Sub-1-pm-Wellenlängenbereich, hochreines Material mit geringer Defektdichte und lange Elektronenrekombinationszeiten), während die negativen Aspekte vermieden werden, die bisher die weit verbreitete kommerzielle Produktion von kalten Elektronenkanonen verhindert haben, die beschichtete Siliziumfeldemitter verwenden.
Bezugnehmend auf den mittleren Teil von 1 enthält die obere Säule 160 des SEM 100 eine oder mehrere Kondensorlinsen 165, die den primären Elektronenstrahl 150 im Durchmesser verringern, so dass ein einfallender Teil des primären Elektronenstrahls 150 hauptsächlich in einen Bereich auf einer oberen Oberfläche der Probe 131 fällt, der einen Nenndurchmesser in der Größenordnung von 20 nm oder weniger hat. Ein oder mehrere optionale Deflektoren 167 können auf einer oder beiden Seiten der Kondensorlinse 165 angebracht werden, um den Primärelektronenstrahl 150 einzustellen (d. h. auszurichten, zu kippen und/oder zu verschieben).
Die untere Säule 170 enthält eine Endlinse 171, die so konfiguriert ist, dass der Primärelektronenstrahl 150 auf die Probe 131 fokussiert wird, so dass die einfallenden Elektronen innerhalb des gewünschten Bereichs auf die Probe 131 treffen, und sie enthält verschiedene Detektoren 181, 182a und 182b, die die von der Probe 131 umgelenkten Elektronen empfangen. Die untere Säule 170 umfasst auch einen oder mehrere Ablenker 172, die in Kombination mit den Ablenkern 167 (falls vorhanden) den primären Elektronenstrahl 150 über einen Bereich der Probe 131 scannen. In einer Ausführungsform wird die Probe 131 auf einem Tisch 130 platziert, um die Bewegung relativ zur Elektronenkanone 140 zu erleichtern (d. h., um verschiedene Oberflächenbereiche der Probe 131 unterhalb der Elektronensäule zu positionieren). Die einfallenden Elektronen des primären Elektronenstrahls 150 treffen auf die Oberfläche der Probe 131 und werden abgelenkt oder anderweitig in Richtungen gestreut, die durch die getroffenen Oberflächenmerkmale der Probe 131 bestimmt werden, wodurch Sekundärelektronen und rückgestreute Elektronen erzeugt werden, die sich von der Probe 131 wegbewegen (z. B. in der Aufwärtsrichtung in 1). Die Sekundärelektronen können von den Elektroden 180 gesammelt und beschleunigt und zum Sekundärelektronendetektor 181 zum Nachweis geleitet werden. Rückgestreute Elektronen können von den Rückstreuelektronendetektoren 182a und 182b erfasst werden. In einer Ausführungsform ist jeder Elektronendetektor 181, 182a und 182b eine Festkörpervorrichtung mit mindestens einem Analog-Digital-Wandler, der analoge Ausgangssignale, die in Übereinstimmung mit einer Anzahl empfangener Elektronen erzeugt werden, in eine digitale Form zur Übertragung als ein oder mehrere digitale Bilddatensignale an den Computer 190 umwandelt (d. h. das vom Sekundärelektronendetektor 181 erzeugte Bilddatensignal ID1 und/oder das von den Rückstreuelektronendetektoren 182a oder 182b erzeugte Signal ID2). Der Computer 190 ist so konfiguriert, dass er die Bilddatensignale ID1 und ID2 verarbeitet und ein Bild 191 des Bereichs der Probe 131 erzeugt, über den der Primärelektronenstrahl 150 gescannt wurde.
Während 1 die Konfiguration und den Betrieb einer Elektronenkanone 140 zeigt, die in ein SEM 100 integriert ist, können die hier offengelegten Elektronenkanonen auch in andere Geräte eingebaut werden, wie z. B. in ein Elektronenstrahl-Lithografiesystem mit einer Elektronenoptik, die so konfiguriert ist, dass sie den primären Elektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf ein Ziel fokussiert, und mit einem Modulator zur Modulation der Intensität des Elektronenstrahls.
2 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht den Kathodenteil einer Elektronenkanone 200 mit einem Feldemittervorsprung 204, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung integral mit einem Substrat 201 verbunden ist, und 2A zeigt den Kathodenteil der Elektronenkanone 200 in einer Querschnittsansicht entlang der Linien 2A-2A von 2. Die Elektronenkanone 200 kann in dem SEM-System 100 von 1 verwendet werden. Die Elektronenkanone 200 umfasst auch Elektroden wie eine Anode (z. B. die in der Elektronenkanone 140 in 1), die dem Vorsprung 204 gegenüberliegen. Die Anode kann in einem Abstand von etwa einem Mikrometer bis zu einigen hundert Mikrometern von einem Spitzenabschnitt 206 des Vorsprungs 204 entfernt sein. Wie in der vorherigen Ausführungsform ist die Feldemitterkathode auf einem Siliziumsubstrat 201 ausgebildet, das eine nach oben weisende Ausgangsfläche 203 aufweist, von der sich der Feldemittervorsprung 204 erstreckt, sowie eine zusammenhängende TiN-Schicht 210, die auf der Ausgangsfläche 203 angeordnet ist und den Feldemittervorsprung 204 vollständig bedeckt. Wie in 2 dargestellt, hat der Feldemittervorsprung 204 eine pyramidenförmige Form, die durch anisotropes Ätzen hergestellt werden kann, die einen Neigungswinkel α nahe 54,7° haben kann (siehe 2A), da dieser Winkel dem Schnittpunkt der (100)- und (111)-Ebenen in monokristallinem Silizium entspricht. Das Oxidationsschärfen, das bei einer niedrigen bis mäßigen Temperatur (weniger als etwa 950 °C) durchgeführt werden kann, kann vor der Bildung der TiN-Schicht 210 eingesetzt werden, wenn ein scharfer Feldemitter-Spitzenabschnitt 206 gewünscht wird. Der Scheitelpunkt des geschärften Spitzenabschnitts 206 kann bei Längen im atomaren Maßstab einen im Wesentlichen flachen Bereich umfassen, wie eine Oberfläche, die im Wesentlichen parallel zu einer Kristallebene des Siliziumkristalls verläuft, beispielsweise im Wesentlichen parallel zu einer (100)-Ebene. In 2A ist eine charakteristische seitliche Abmessung des Basisbereichs 205 durch die Abmessung D1 und die des Spitzenbereichs 206 durch die Abmessung D2 gekennzeichnet. In einer Ausführungsform liegt das Verhältnis der seitlichen Abmessung D1 zur Höhe H1 des Feldemittervorsprungs (siehe 3) in einem Bereich von etwa eins bis etwa drei, und der Durchmesser (oder eine andere spätere Abmessung) D2 kann in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 300 nm liegen. Die Anode (nicht dargestellt) kann aus einem Metall wie Wolfram, Molybdän, rostfreiem Stahl oder anderen Materialien bestehen. Eine Spannungsquelle wird verwendet, um eine externe Potenzialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode zu erzeugen, damit sich die Elektronen bevorzugt zum Spitzenabschnitt 206 des Feldemittervorsprungs 204 bewegen. Die Elektronenkanone 200 funktioniert ähnlich wie eine typische kalte Elektronenkanone: Wenn ein starkes elektrisches Feld (z. B. ein Feld zwischen ca. 100 V µm^-1 und ca. 10 kV µm^-1) an den Spitzenabschnitt 206 angelegt wird, werden die Elektronen mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Substrat 201 durch die Ausgangsfläche 203 des Feldemitters 204 emittiert, am häufigsten in der Nähe des Spitzenabschnitts 206 des Feldemitters 204. Wie oben erläutert, wird die TiN-Schicht 210 in einem Verfahren gebildet, das die Spitze 206 hermetisch gegen Oxidation abdichtet. Um sicherzustellen, dass die TiN-Schicht 210 eine gute hermetische Abdichtung bietet, ohne eine starke Barriere für die Elektronenemission zu bilden, kann die Dicke T2 der TiN-Schicht 205 zwischen etwa 2 nm und 150 nm betragen. Selbst wenn ein paar Prozent Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat 201 und der TiN-Schicht 210 verbleiben, kann kein weiterer Sauerstoff in die TiN-Schicht 210 eindringen, so dass keine nennenswerte weitere Oxidation in der Nähe der Silizium/TiN-Grenzfläche stattfinden kann. Da die Elektronenemission von einem kleinen Bereich in der Nähe des Scheitelpunkts des Spitzenabschnitts 206 ausgeht, kann die Qualität der TiN-Schicht 210 in der Nähe des Spitzenabschnitts 206 wichtig sein. Dementsprechend kann ein Abschnitt 210A der TiN-Schicht 210, der sich innerhalb eines Radius R des Spitzenabschnitts 206 befindet (dargestellt in 2A), ohne Pinholes ausgebildet werden, wobei der Radius ungefähr gleich oder größer als D2 ist. In Abschnitten 210B der TiN-Schicht 210, die sich außerhalb des Radius R befinden, beeinträchtigen einige Pinholes oder Lücken in der Abdeckung der TiN-Schicht 210 oder eine Änderung in der Zusammensetzung der TiN-Schicht 210 die Emission normalerweise nicht und können toleriert werden.
Der Durchmesser D2 oder eine andere seitliche Abmessung kann weniger als 300 nm betragen. Wenn der Spitzenabschnitt 206 zu stumpf ist, kann die Feldverstärkung für die Elektronenemission nicht ausreichen, ohne dass hohe Spannungen an einer Extraktionselektrode verwendet werden, was andere Auswirkungen haben kann. In einem Fall beträgt der Durchmesser D2 oder eine andere seitliche Abmessung etwa 100 nm.
Während des Betriebs der Kathode 200 erfolgt im Wesentlichen die gesamte Elektronenemission aus dem Bereich des Durchmessers D2 des Scheitelpunkts des Spitzenabschnitts 206. Jedes Pinhole in diesem Bereich oder in unmittelbarer Nähe dieses Bereichs könnte zu ungleichmäßiger Emission oder instabiler Emission führen, da die Austrittsarbeit der Oberfläche an der Stelle des Pinholes anders wäre als in den Bereichen, die vollständig von der TiN-Schicht 210 bedeckt sind. Daher können in einer Ausführungsform keine Pinholes im Emissionsbereich der Kathode 200 vorhanden sein.
Abgesehen davon, dass sie im Wesentlichen aus reinem TiN besteht, im Bereich des Spitzenabschnitts 206 zusammenhängend ist und eine hermetische Abdichtung bildet, wie oben unter Bezugnahme auf die TiN-Schicht 110 beschrieben, kann die TiN-Schicht 210 in einer Ausführungsform mit einer Dicke T2 in einem Bereich von 2 nm bis 150 nm gebildet werden, sie kann eine einheitliche Dicke aufweisen oder mit einer anderen Dicke auf dem Feldemittervorsprung 204 als auf der restlichen Ausgangsfläche 203 gebildet werden. Wenn die Dicke T2 dünner als 2 nm ist, kann die Anzahl der Pinholes zunehmen, was die Elektronenemission beeinträchtigen kann. Wenn die Dicke T2 dicker als 150 nm ist, kann der Durchmesser D2 größer als etwa 300 nm sein, und der Scheitel ist möglicherweise nicht scharf genug.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Siliziumsubstrat 201 monokristallines Silizium (d. h. einen Silizium-Einkristall) umfassen, das mit einem Dotierungsgrad von weniger als etwa 10¹⁹ cm^-3 (d. h. einem spezifischen Widerstand von etwa 0,005 Ω-cm oder höher) p-dotiert ist. Da die Lebensdauer von Minoritätsträgern und die Diffusionslänge mit zunehmender Dotierstoffkonzentration abnehmen, können Dotierstoffkonzentrationen von mehr als etwa 10¹⁹ cm^-3 verwendet werden, wenn das Silizium dünn ist, z. B. dünner als etwa 1 µm, während bei einer Siliziumdicke von mehr als etwa 1 µm Dotierstoffkonzentrationen von weniger als etwa 10¹⁹ cm^-3 verwendet werden können. Bei Silizium mit einer Dicke von mehr als einigen Mikrometern, z. B. 10 µm oder mehr, können niedrigere Dotierstoffkonzentrationen, z. B. weniger als etwa 10¹⁴ cm^-3, verwendet werden, um eine lange Ladungsträgerlebensdauer und einen niedrigen Dunkelstrom zu gewährleisten. Da Elektronen in p-dotiertem Silizium in der Minderheit sind, enthält eine Ausführungsform, bei der die p-Silizium-Elektronenkanone 200 verwendet wird, eine optionale Lichtquelle 220, die so konfiguriert ist, dass sie Licht 224 durch die Rückseitenoberfläche 202 strahlt, um Elektron-Loch-Paare im Siliziumsubstrat 201 zu erzeugen. Die Lichtquelle 220 kann eine Lichtquelle mit hoher Intensität sein, wie z. B. eine Laserdiode oder eine LED mit hoher Helligkeit, und kann eine Bandbreite von etwa 20 nm oder weniger haben. Die Lichtquelle 220 kann hinter dem Substrat 201 platziert werden, um die Rückseitenfläche 202 zu beleuchten (wie gezeigt), oder sie kann so positioniert werden, dass sie die Ausgangsfläche 203 beleuchtet (d.h. sie befindet sich oberhalb des Substrats 201 und nicht unterhalb des Substrats 201, wie in 2A gezeigt). Wenn die Lichtquelle 220 wie gezeigt unterhalb des Substrats 201 angeordnet ist, ist die Lichtquelle 220 so konfiguriert, dass sie eine Lichtwellenlänge emittiert, die relativ tief in das Silizium eindringt, z. B. eine Wellenlänge, die länger als etwa 500 nm ist, um Elektronen-Loch-Paare entfernt von der unteren Oberfläche 202 des Siliziumsubstrats 201 zu erzeugen. Wenn die Lichtquelle 220 den Feldemittervorsprung 204 von der Oberseite her beleuchtet, kann eine kürzere Wellenlänge verwendet werden, die weniger tief in das Silizium eindringt, beispielsweise eine Wellenlänge, die kürzer als etwa 550 nm ist, um Elektronen-Loch-Paare relativ nahe am Spitzenabschnitt 206 des Feldemittervorsprungs 204 zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die Lichtquelle 220 so konfiguriert, dass ein Emissionsstrom des von der Elektronenkanone 200 erzeugten Primärelektronenstrahls (siehe z. B. Strahl 150 in 1) proportional zu einer von der Lichtquelle 220 in das Siliziumsubstrat 201 übertragenen Lichtmenge 224 steuerbar ist.
In einer anderen Ausführungsform kann das Silizium n-dotiert sein mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ cm^-3 oder mehr. Beispielsweise kann das Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ cm^-3 und 10¹⁹ cm^-3 vom n-Typ dotiert sein. Silizium mit n-Typ-Dotierung verfügt über viele Elektronen im Leitungsband, die zum Spitzenabschnitt 206 des Feldemittervorsprungs 204 gezogen werden können, um den Emissionsstrom zu bilden. Bei der Verwendung von n-dotiertem Silizium kann der Emissionsstrom durch Einstellen einer Spannung an einer Gate-Elektrode (z. B. einer Elektrode innerhalb der Extraktions- und Fokussierungselektroden 142 in 1 oder Gate 307 in 3) oder durch Einstellen der Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Feldemitterkathode gesteuert werden. Bei der Verwendung von n-dotiertem Silizium kann die optionale Lichtquelle 220 weggelassen werden. In jedem Fall kann der Feldemittervorsprung 204 nach dem oben für die Bildung des Feldemittervorsprungs 104 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Feldemitter-Kathodenstruktur der Elektronenkanone 200 so konfiguriert werden, dass sie wie eine p-n-Diode in Sperrrichtung arbeitet, wobei aufgrund des hohen elektrischen Feldes an der Ausgangsfläche 203 eine Verarmungsschicht erzeugt wird. Die Grenzfläche zwischen dem Vakuum und einem TiN-beschichteten, p-dotierten Feldemitter kann einen p-n-Übergang bilden, bei dem das Vakuum als n-Medium betrachtet wird. In diesem Fall biegen sich die Leitungs- und Valenzbänder an der Oberfläche nach unten. Wenn das elektrische Feld ausreicht, um das untere Ende des Leitungsbandes unter das Fermi-Energieniveau zu bringen, gibt es am Scheitelpunkt des Spitzenabschnitts 206 eine Fülle von Elektronen, und es wird ein elektrischer Strom in der Größenordnung von 1 nA bis 1 µA erzeugt. Feldemission findet statt, wenn das angelegte elektrische Feld hoch genug ist, um die Potenzialbarriere an der Silizium-Vakuum-Grenzfläche zu verringern, so dass Elektronen durch diese Barriere tunneln können (quantenmechanisches Tunneln). Die Emissionsstromdichte kann durch eine modifizierte Version der Fowler-Nordheim-Theorie geschätzt werden, die den Feldverstärkungsfaktor aufgrund des Feldemitters berücksichtigt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht die TiN-Schicht 210 aus einem zusammenhängenden TiN-Film, der direkt auf der Ausgangsfläche des Feldemitters angeordnet ist. Der Ausdruck „direkt auf“ in Verbindung mit der TiN-Silizium-Grenzfläche soll bedeuten, dass es keine kontinuierlichen Zwischenschichten (z. B. Oxid- oder SiN_x -Schichten) gibt, die die Ausgangsfläche 203 der Feldemitterkathode und die TiN-Schicht 210 trennen, abgesehen von einer möglichen dünnen Schicht (d. h. ein paar Monoschichten), die Materialien wie TiN_x (x < 1) und Titansilicid enthält, die sich an der Si/TiN-Grenzfläche bilden können. Die Formulierung „direkt auf“ schließt nicht aus, dass sich zwischen einigen Teilen des TiN und des Siliziums eine geringe Menge Oxid befindet. Die TiN-Schicht 210 wird auf sauberem Silizium mit Hilfe bekannter Verfahren so aufgewachsen, dass das TiN eine pinholefreie Beschichtung zumindest auf dem Feldemittervorsprung 204 mit einer Dicke T2 im Bereich von etwa 2 nm bis 150 nm, einschließlich aller Bereiche und Werte bis auf 0,1 nm dazwischen, bildet. Andere Abschnitte der Beschichtung können außerhalb der Beschichtung auf dem Feldemittervorsprung 204 Pinholedefekte aufweisen, oder die Beschichtung kann völlig frei von Pinholes sein. In einem Fall ist das Vorhandensein von Pinholedefekten außerhalb des Feldemittervorsprungs 204 minimiert.
Das gesamte native Oxid kann vom Silizium entfernt werden, z. B. durch eine Nassreinigung, gefolgt von einer In-situ-Ätzung vor der Bildung der TiN-Schicht 210. Ein Vorteil der TiN-Schicht 210 ist, dass eine solche lochfreie Beschichtung, wenn sie auf eine saubere Siliziumoberfläche aufgebracht wird, die Bildung eines nativen Oxids auf der Ausgangsoberfläche des Feldemitters verhindert. Wie bereits beschrieben, hat eine Siliziumdioxidschicht eine hohe Bandlücke, und selbst dünne Schichten können einen erheblichen Teil der Elektronen daran hindern, das Silizium zu verlassen. Daher ermöglicht die TiN-Schicht 210 selbst Elektronen mit niedriger Energie, den Silizium-Feldemittervorsprung 204 zu verlassen. Der auf dem Siliziumsubstrat 201 gebildete Feldemittervorsprung 204 umgeht die Beschränkungen früherer Elektronenemitter, und der scharfe Emitter sorgt für eine Feldverstärkung und einen hohen Emissionsstrom. Darüber hinaus konnten frühere Siliziumvorrichtungen die Bildung einer Siliziumdioxid-Grenzschicht zwischen dem Silizium und dem Material mit niedriger Austrittsarbeit nicht vermeiden, selbst wenn die Siliziumschicht bei der Beschichtung frei von Oxid war. Das heißt, ohne eine undurchlässige, lochfreie Schutzschicht auf dem Silizium würde der Sauerstoff schließlich zur Siliziumoberfläche wandern und eine Oxidschicht bilden. Ein Vorteil der Bildung der Schicht 210 unter Verwendung von TiN besteht darin, dass selbst eine dünne pinholefreie TiN-Schicht undurchlässig für Sauerstoff ist und das Silizium hermetisch abschließt. Da der größte Teil der Elektronenemission von einem kleinen Bereich nahe der Spitze des Feldemittervorsprungs ausgeht, ist das Fehlen von Pinholes nur in einem Bereich von einigen hundert nm um die Spitze des Feldemitters erforderlich. Ein weiterer Vorteil der TiN-Schicht 210 besteht darin, dass die Dichte von Defekten und Grenzflächenfallen an der Grenzfläche zwischen Silizium und TiN in der Regel geringer ist als an der Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid, was zu einem höheren Emissionsstrom führt.
3 zeigt im Querschnitt eine Elektronenkanone 300 gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Elektronenkanone 300 kann in dem SEM-System 100 von 1 verwendet werden. Ähnlich wie die oben in 2 beschriebene Struktur umfasst die Elektronenkanone 300 eine Feldemitterkathode, die durch einen Feldemittervorsprung 204 gebildet wird, der integral mit einem Siliziumsubstrat 201 verbunden ist und sich von der Ausgangsfläche 203 nach oben erstreckt. Die Elektronenkanone 300 enthält ein Gate 307 oder eine Steuerelektrode, die auf einer oder mehreren dielektrischen Schichten 306 so angeordnet ist, dass eine Innenkante 307E des leitenden Gates 307 von dem Spitzenabschnitt 206 des Feldemittervorsprungs 204 um einen vorbestimmten Abstand D3 beabstandet ist. Um eine schnelle und genaue Steuerung des Emissionsstroms zu erreichen, wird die Dicke T3 der dielektrischen Schicht 306 so gesteuert, dass die Höhe H2 des Gates 307 der Höhe H1 des Spitzenabschnitts 206 des Feldemitters entspricht (d. h. gemessen relativ zur Ausgangsfläche 203, die sich außerhalb des Umfangs des Feldemittervorsprungs 204 befindet). Somit ist die Dicke T3 der dielektrischen Schicht 306 ungefähr gleich oder geringer als die Höhe H1 des Feldemittervorsprungs 204. Die Dicke T3 der dielektrischen Schicht 306 kann sich von der Höhe H1 des Feldemittervorsprungs 204 um nicht mehr als ein paar hundert nm unterscheiden (z. B. so, dass die Höhe H2 innerhalb eines Bereichs von ±300 nm der Höhe H1 liegt). Beispielsweise kann die Dicke T3 so gewählt werden, dass sich das Gate 307 ungefähr auf der gleichen Höhe wie oder etwa 200 nm höher oder etwa 200 nm niedriger als der Feldemitter-Spitzenabschnitt 206 befindet. Die dielektrische Schicht 306 kann aus einem oder mehreren dielektrischen Materialien bestehen, wie SiO₂ oder Si₃N₄. Die dielektrische Schicht 306 ist auf der Oberseite des Siliziums angeordnet, das den Feldemittervorsprung 204 umgibt, aber nicht unbedingt den Feldemittervorsprung 204 bedeckt. In einem anderen Fall bedeckt die dielektrische Schicht 306 den Feldemitter teilweise. Das Gate 307 und die dielektrische Schicht 306 können mit Standard-CMOS-Fertigungsverfahren hergestellt werden, z. B. mit PVD-, CVD- oder ALD-Abscheidungsverfahren. Das Gate 307 kann aus einem Metall oder Polysilizium bestehen. Das einfachste Emitterdesign ist die Triodenkonfiguration, bei der nur ein Gate 307 verwendet wird, aber auch andere Konfigurationen sind möglich. Dieses Gate 307 wird in der Regel auf der dielektrischen Schicht 306 gebildet, die aus einer oder mehreren Isolierschichten besteht und auf dem Substrat 201 aufgebracht ist. Zwei oder mehr Gate-Schichten (nicht dargestellt) können in komplexeren Emitter-Konstruktionen verwendet werden, bei denen mehrere dielektrische Schichten als Abstandshalter zwischen diesen Gate-Schichten eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass die Elektronenkanone 300 nicht auf pyramiden- oder kegelförmige Feldemitter beschränkt ist, sondern jede beliebige Form von Feldemitter umfassen kann, wie z. B. einen abgerundeten whiskerförmigen Feldemitter oder eine andere Form. Änderungen oder Konfigurationen, die sich von denen in 2 unterscheiden, sind in der Ausführungsform von 3 möglich.
Während die TiN-Schicht 210 in 3 nur den Feldemittervorsprung 204 bedeckt, kann sich die TiN-Schicht 205 auch unter die dielektrische Schicht 306 erstrecken. Zum Beispiel kann die TiN-Schicht 210 auf der Ausgangsoberfläche 203 des Substrats 201 und über dem Feldemittervorsprung 204 vor der Bildung der dielektrischen Schicht 306 gebildet werden.
4A und 4B zeigen in Querschnittsansichten offengelegte Elektronenkanonen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, bei denen zusätzliche Schichten und Strukturen verwendet werden, um die vorteilhaften Eigenschaften der offengelegten Elektronenkanonenstruktur weiter zu verbessern. Die dargestellten beispielhaften Ausführungsformen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, und Elektronenkanonen mit Kombinationen der unten beschriebenen zusätzlichen Schichten und Strukturen sind selbstverständlich möglich. Die Ausführungsformen von 4A und 4B können ähnlich wie die Ausführungsformen von 2 und 3 in einem Array angeordnet sein. So kann die TiN-Schicht 410 ähnlich sein wie die TiN-Schicht 210 (siehe oben). Es ist zu beachten, dass die Elektronenkanonen 400A und 400B nicht auf pyramidenförmige oder konische Feldemittervorsprünge beschränkt sind, sondern jede beliebige Form von Feldemittervorsprüngen aufweisen können, wie z. B. einen abgerundeten whiskerförmigen Feldemitter oder eine andere Form. Änderungen oder andere Konfigurationen als die in 2 und 3 gezeigten sind in den Ausführungsformen von 4A und 4B möglich.
4A zeigt eine Elektronenkanone 400A in einer Querschnittsansicht. Die Elektronenkanone 400A umfasst eine auf einem Siliziumsubstrat 401 gebildete Feldemitter-Array-(FEA)-Kathode und eine der FEA-Kathode gegenüberliegende Anode (nicht dargestellt). Das Siliziumsubstrat 401 hat eine nach oben weisende Ausgangsfläche (Oberseite) 403 mit einer Vielzahl von Feldemittervorsprüngen 404-1 und 404-2, die in einem zweidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind, und eine zusammenhängende TiN-Schicht 405, die auf der Ausgangsfläche 403 angeordnet ist und die Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2 bedeckt. Die Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2 haben eine pyramidenförmige Form, die durch anisotropes Ätzen hergestellt werden kann, wobei jeder Vorsprung 404-1 und 404-2 einen Basisabschnitt 405, der im Allgemeinen mit der Ausgangsfläche 403 ausgerichtet ist, und einen Spitzenabschnitt 406 aufweist. Ähnlich wie der oben beschriebene Feldemitter 204 können die Feldemitter 404-1 und 404-2 mit Standard-CMOS-Fertigungsverfahren hergestellt werden. Die Oxidationsschärfung, die bei einer niedrigen bis mittleren Temperatur (weniger als etwa 950 °C) durchgeführt werden kann, kann vor der Bildung der TiN-Schicht 410 erfolgen, wenn scharfe Feldemitter-Spitzenabschnitte 406 gewünscht sind. Eine zweite Elektrode (d. h. eine Anode, nicht dargestellt) wird gegenüber der Feldemitterkathode angeordnet. Die Anode kann aus Metallen wie Wolfram, Molybdän, Edelstahl und anderen bestehen. Eine Spannungsquelle wird verwendet, um eine externe Potenzialdifferenz zwischen der FEA-Kathode und der Anode zu erzeugen, damit sich die Elektronen bevorzugt zu den Emitterspitzen 406 bewegen. Die Elektronenkanone 400A funktioniert ähnlich wie eine typische kalte Elektronenkanone, da bei richtiger Positionierung die Elektronen mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Substrat 401 durch die Ausgangsfläche 403 der FEA emittiert werden, am häufigsten in der Nähe der Spitzenabschnitte 406 der Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2.
Ein Parameter, der die Eigenschaften der Feldemitter in einer FEA-Kathode beeinflusst, ist der Abstand S zwischen benachbarten Feldemittern 404-1 und 404-2. Eng beieinander liegende Emitter verringern den Feldverstärkungsfaktor aufgrund von Abschirmungseffekten, die zu einem unzureichenden Eindringen des elektrischen Feldes in die einzelnen Emitter führen. Um Feldabschirmungseffekte zu minimieren und die Feldemissionsstromdichte zu optimieren, kann der Abstand zwischen den vertikal ausgerichteten Emittervorsprüngen 404-1 und 404-2 oder der Emitterabstand S daher wesentlich größer sein, beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern bis hin zu Zentimetern. In einem Fall sind die Feldemitter in einem Abstand von 100 µm bis 10 cm angeordnet, einschließlich aller Bereiche und Werte bis auf 1 µm dazwischen. Beispielsweise können die Feldemitter in einem Abstand von 10 µm, 50 µm, 100 µm, 200 µm oder 500 µm voneinander angeordnet sein. Der Abstand der Emitter kann mindestens das Dreifache der Nennhöhe H1 der Emittervorsprünge 404-1 und 404-2 betragen. Im Allgemeinen ist der Abstand der Emitter auf die Elektronenoptik des Systems abgestimmt, in das sie eingebaut werden. Aus diesem Grund kann ein Abstand zwischen 100 µm und mehreren cm gewählt werden.
4B zeigt eine Elektronenkanone 400B in einer Querschnittsansicht. Ähnlich wie die oben beschriebene Struktur enthält Elektronenkanone 400B eine Feldemitter-Array-(FEA)-Kathode auf einem Siliziumsubstrat 401 mit einer nach oben gerichteten (oberen) Ausgangsoberfläche 403 mit einer Vielzahl von FeldemitterVorsprüngen 404-1 und 404-2, die in einem zweidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind, und eine zusammenhängende TiN-Schicht 405 auf der Ausgangsfläche 403, die zumindest über Spitzenabschnitten 406 der Vorsprünge 404-1 und 404-2 angeordnet ist. Die Elektronenkanone 400B unterscheidet sich von der Elektronenkanone 400A dadurch, dass sie ein Gate 427 (oder eine Steuerelektrode) enthält, das auf einer Höhe H2 angeordnet ist, die der Nennhöhe H1 der Spitzen der Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2 entspricht, und das über ein Dielektrikum 426 am Substrat 401 befestigt ist. Das Gate 427 ermöglicht eine schnelle und genaue Steuerung des Emissionsstroms. Die dielektrische Schicht 426 befindet sich auf der Oberseite des Siliziums, das die Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2 umgibt, bedeckt aber keinen Teil der Vorsprünge 404-1 und 404-2. In einem anderen Fall bedeckt die dielektrische Schicht 426 teilweise einen oder mehrere der Feldemittervorsprünge 404-1 und 404-2. Das Gate 427 oder die dielektrische Schicht 426 kann mit Standard-CMOS-Fertigungsverfahren hergestellt werden, z. B. mit PVD-, CVD- oder ALD-Abscheidungsverfahren. Das Gate 427 kann aus einem Metall oder Polysilizium bestehen. Das einfachste Emitterdesign ist die Triodenkonfiguration, bei der nur eine Gate-Schicht verwendet wird, aber auch andere Konfigurationen sind möglich. Dieses Gate 427 wird in der Regel auf einer Isolierschicht (Dielektrikum 426) gebildet, bei der es sich in der Regel um eine Oxidschicht handelt, die auf dem Substrat aufgebracht ist. Bei komplexeren Emitterkonstruktionen (nicht dargestellt) werden zwei oder mehr Gate-Schichten verwendet, wobei isolierende Schichten Abstandshalter zwischen diesen Gate-Schichten bilden. Die Innenkanten 427E der Gates 427 sind von den Spitzenabschnitten 406 der Feldemitter-Vorsprünge 404-1 und 404-2 jeweils um einen vorbestimmten Abstand D3 beabstandet.
Die Feldemission von Silizium-Feldemittern kann durch das bekannte Fowler-Nordheim-Tunneln beschrieben werden. Das lokale Feld an einer Emitterspitze wird um einen Feldverstärkungsfaktor im Vergleich zum angelegten elektrischen Feld verstärkt. Wenn das externe elektrische Feld in den Halbleiter eindringt, ändert sich die Ladungsträgerkonzentration im oberflächennahen Bereich.
Bei einem hohen elektrostatischen Vorspannungsfeld wie 10⁷ V cm^-1 ist das Leitungsband eines p-Typ-Feldemitters an der Oberfläche entartet, und zwischen dem p-Typ-Innenraum und der n-Typ-Oberfläche entsteht ein Verarmungsgebiet, in dem das Fermi-Niveau in der Mitte der Energielücke liegt. Dies führt zu einer minimalen Konzentration von Elektronen und Löchern in diesem Bereich, ähnlich wie bei einem in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergang.
Wenn die Kathode aus n-Typ-Silizium besteht oder wenn eine Kathode aus p-Typ-Silizium als Photokathode betrieben wird, muss das angelegte elektrostatische Feld nur stark genug sein, um die Leitungs- und Valenzbänder an der Spitze nach unten zu biegen, aber es ist nicht erforderlich, das Leitungsband unter das Fermi-Niveau zu biegen. Bei einem solchen elektrostatischen Feld werden nur wenige Elektronen spontan erzeugt, und der größte Teil des Emissionsstroms stammt von Elektronen, die aus dem n-Typ-Silizium in den Bereich nahe der Spitze injiziert werden, oder von Elektron-Loch-Paaren, die durch Absorption von Licht entstehen.
In früheren Silizium-Feldemittern befand sich zumindest eine dünne Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche. Dieses Oxid, auch wenn es nur etwa 2 nm dick ist, stellt eine erhebliche Barriere für alle Elektronen dar, die versuchen zu entkommen. Die Bandlücke von Siliziumdioxid beträgt etwa 9 eV. Eine so große Bandlücke führt zu einer lokalen Spitze im Leitungsband innerhalb des Oxids, die mehrere eV höher ist als das Leitungsband im Silizium. Die TiN-Schicht auf der Oberfläche des Feldemitters verhindert, dass Sauerstoff oder Wasser an die Siliziumoberfläche gelangen, und verhindert das Wachstum einer Oxidschicht, wodurch eine effiziente Elektronenkanone ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform wird dieser Silizium-Feldemitter bei einer Temperatur nahe der Raumtemperatur betrieben, um die Energiespanne der emittierten Elektronen zu minimieren. In einer anderen Ausführungsform, die nützlich ist, wenn eine größere Energiespanne toleriert werden kann, wird der Silizium-Feldemitter bei einer erhöhten Temperatur betrieben, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 400 K und etwa 1000 K, um die an der Oberfläche des Feldemitters anhaftende Verunreinigung zu verringern und den Betrieb des Silizium-Feldemitters in einer weniger sauberen Vakuumumgebung zu ermöglichen.
Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen werden dem Fachmann einleuchten, und die hier definierten allgemeinen Grundsätze können auch auf andere Ausführungsformen angewendet werden. So können beispielsweise zusätzliche Elektroden in der Nähe des Elektronenemitters angebracht werden, um die Emission zu steuern und/oder die emittierten Elektronen zu fokussieren und in eine bestimmte Richtung zu lenken. Obwohl zu erwarten ist, dass die hierin offenbarten Elektronenkanonen mit Silizium-Feldemittern in verschiedenen Arten von Rasterelektronenmikroskopen und Elektronenstrahl-Lithografiesystemen besonders nützlich sein werden, ist auch vorgesehen, dass diese Elektronenkanonen in anderen Anwendungen nützlich sein können, in denen Elektronenstrahlen mit hoher Strahlungsdichte und/oder hoher Stromstärke erforderlich sind.
Die hier beschriebenen Elektronenkanonen und Herstellungsverfahren sollen nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern haben den größtmöglichen Anwendungsbereich, der mit den hier offengelegten Grundsätzen und neuen Merkmalen vereinbar ist.
Obwohl die vorliegende Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, können auch andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwirklicht werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung beeinträchtigt wird. Daher wird die vorliegende Offenbarung nur durch die beigefügten Ansprüche und deren sinnvolle Auslegung als begrenzt angesehen.

Claims

Elektronenkanone mit einem Feldemitter, der so konfiguriert ist, dass er einen primären Elektronenstrahl erzeugt, wobei der Feldemitter umfasst: ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung, wobei der Feldemittervorsprung einen festen Abschnitt aufweist, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzenabschnitt erstreckt; und eine Titannitrid (TiN)-Schicht, die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass während des Betriebs Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen, wobei die TiN-Schicht mindestens 75 Atomprozent TiN umfasst.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei die TiN-Schicht mehr als 80 Atomprozent TiN enthält.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei das monokristalline Siliziumsubstrat p-dotiert ist mit einem Dotierungsniveau von weniger als etwa 10¹⁹ cm^-3.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei das monokristalline Siliziumsubstrat n-dotiert ist mit einem Dotierungsniveau zwischen etwa 10¹⁵ cm^-3 und etwa 10¹⁹ cm^-3 dotiert ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei das monokristalline Siliziumsubstrat eine Dicke von mehr als etwa 10 µm aufweist und p-dotiert ist mit einem Dotierungsniveau von weniger als etwa 10¹⁴ cm^-3.
Elektronenkanone nach Anspruch 1 ferner umfassend eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die erste Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats beleuchtet, wobei die Lichtquelle entweder eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode umfasst, die so konfiguriert ist, dass ein Emissionsstrom des primären Elektronenstrahls im Verhältnis zu einer von der Lichtquelle in das monokristalline Siliziumsubstrat übertragenen Lichtmenge steuerbar ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei die TiN-Schicht eine Dicke im Bereich von 2 nm bis 150 nm aufweist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm vom Spitzenabschnitt befindet, weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff enthält.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm vom Spitzenabschnitt befindet, weniger als 10 Atomprozent Kohlenstoff enthält.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei der Feldemittervorsprung entweder einen Kegel, eine Pyramide oder einen abgerundeten Whisker umfasst und wobei der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs eine seitliche Abmessung von weniger als 300 nm aufweist.
Elektronenkanone nach Anspruch 10, wobei der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs eine seitliche Abmessung von mehr als 10 nm aufweist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei der Feldemittervorsprung entweder einen Kegel, eine Pyramide oder einen abgerundeten Whisker umfasst und wobei der Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs einen Durchmesser von weniger als 300 nm aufweist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei der Feldemitter so konfiguriert ist, dass er in einem Sperrvorspannungsmodus arbeitet, in dem als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld eine Verarmungsschicht neben der zweiten Oberfläche erzeugt wird.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei der Feldemitter ferner umfasst: eine erste dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats angrenzend an den Feldemittervorsprung angeordnet ist; ein erstes leitendes Gate, das auf der ersten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass eine Kante des ersten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet ist; eine zweite dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des ersten leitenden Gates angeordnet ist; und ein zweites fokussierendes Gate, das auf der zweiten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass die Kanten des zweiten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet sind; wobei jede der Dicken der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht zwischen 500 nm und 3 µm liegt und die erste dielektrische Schicht ±300 nm von einer Höhe des Feldemittervorsprungs ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, die ferner eine Vielzahl von Feldemittervorsprüngen umfasst, die in einem zweidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind, wobei jeder der Feldemittervorsprünge einen der festen Abschnitte aufweist, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzenabschnitt erstreckt, wobei die TiN-Schicht zumindest auf dem Spitzenabschnitt jedes der Vielzahl von Feldemittervorsprüngen hermetisch angeordnet ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 15, wobei der Feldemitter weiterhin umfasst: eine erste dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats angrenzend an die Vielzahl der Feldemittervorsprünge angeordnet ist; ein erstes leitendes Gate, das auf der ersten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass Kanten des ersten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt jedes der mehreren Feldemittervorsprünge um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet sind; eine zweite dielektrische Schicht, die auf der zweiten Oberfläche des ersten leitenden Gates angeordnet ist; und ein zweites fokussierendes Gate, das auf der zweiten dielektrischen Schicht so angeordnet ist, dass Kanten des zweiten leitenden Gates von dem Spitzenabschnitt jedes der Vielzahl der Feldemittervorsprünge um einen von Null verschiedenen Abstand beabstandet sind; wobei jede der Dicken der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht zwischen 500 nm und 3 µm liegt und die erste dielektrische Schicht ±200 nm von einer nominalen Höhe der Vielzahl von Feldemittervorsprüngen ist.
Rasterelektronenmikroskop (SEM) umfassend: eine Elektronenkanone mit einem Feldemitter, der zur Erzeugung eines primären Elektronenstrahls konfiguriert ist; eine Elektronenoptik, die so konfiguriert ist, dass sie den primären Elektronenstrahl im Durchmesser verringert und auf eine Probe fokussiert; und einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er rückgestreute Elektronen und / oder Sekundärelektronen, die von der Probe als Antwort auf den primären Elektronenstrahl transmittiert werden, erfasst; wobei der Feldemitter umfasst: ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung, wobei der Feldemittervorsprung einen festen Abschnitt aufweist, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzenabschnitt erstreckt; und eine Titannitrid (TiN)-Schicht, die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass während des Betriebs Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen, wobei die TiN-Schicht mindestens 75 Atomprozent TiN umfasst, und wobei ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm von dem Spitzenabschnitt befindet, weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff enthält.
Vorrichtung mit einer Elektronenkanone, wobei die Elektronenkanone einen Feldemitter enthält, der so konfiguriert ist, dass er einen primären Elektronenstrahl erzeugt, wobei der Feldemitter umfasst: ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, und mit mindestens einem integrierten Feldemittervorsprung, wobei der Feldemittervorsprung einen festen Abschnitt aufweist, der integral mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und sich von der zweiten Oberfläche zu einem Spitzenabschnitt erstreckt; und eine Titannitrid (TiN)-Schicht, die zumindest auf dem Spitzenabschnitt des Feldemittervorsprungs hermetisch angeordnet ist, so dass während des Betriebs Elektronen, die das monokristalline Siliziumsubstrat durch den Spitzenabschnitt verlassen, um den primären Elektronenstrahl zu bilden, nur durch die TiN-Schicht hindurchgehen, wobei die TiN-Schicht mindestens 75 Atomprozent TiN umfasst, und wobei ein Teil der TiN-Schicht, der sich innerhalb eines Radius von 100 nm von dem Spitzenabschnitt befindet, weniger als 10 Atomprozent Sauerstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtung ein Rasterelektronenmikroskop-(SEM)-System oder ein Elektronenstrahl-Lithografiesystem umfasst.