JP2004503061A

JP2004503061A - 電子ビームフォトリソグラフィ用ホット電子放出アレイ及び表示スクリーン

Info

Publication number: JP2004503061A
Application number: JP2002508819A
Authority: JP
Inventors: ブルーネ，ハラルド; グリュツマヒェル，デートレフ
Original assignee: エコル　ポリテクニック　フェデラル　ドゥ　ローザンヌ; パウル　シェーレル　インスティトゥート
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US20040135518A1; EP1299892A1; WO2002005305A1; US6956333B2

Abstract

本発明は、複数の平行かつ離間した第２導体（１１）に交差する複数の平行かつ離間した第１導体（１０）を含むアドレス可能な位置の放出デバイスに関する。交差する第１及び第２導体は、エナジャイジング電圧の印加に応えて電子（１２）が放出されるアドレス可能な位置を画定する。第２導体（１１）が施されるのに抗して第１導体の一面は絶縁層（１３）で被覆される。衝撃的に通過しかつエナジャイジング電圧の印加に応えて第２導体から放出されるホット電子（１２）のためのトンネル障壁をこの絶縁層（１３）は形成する。放出された電子は、フラットパネルディスプレイの光放出用スクリーンになり得るターゲット（３０，４０，５０）に当たる。ターゲットには例えばフラットパネルスクリーンの電界発光ポリマー、電界発光の蛍光スクリーン又は可撓性のある電子ビームリソグラフィマスクから発せられる電子によって衝撃を受けるウェーハターゲットがある。交差する導体（１０，１１）はＡｌワイヤか、或いはＣ−ＭＯＳ技術で作製可能である。

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、アドレス可能な位置に電子を放出するためのデバイスに関するものである。このデバイスは、衝撃電子を有機発光層に効率的に注入するための、或いは発光蛍光スクリーンに向けてこうした電子を放出し続いてこれを加速するためのフラットパネルスクリーンの裏側電極として考えられる。このデバイスはまた電子ビームリソグラフィにおけるアドレス可能な電子源としても用いられる。
【０００２】
【発明の背景】
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のフラットパネルスクリーンを実現する上での基本的な問題の１つは、界面でショットキー障壁によって阻止される裏側電極から有機層への荷電キャリアの輸送である。カーボンナノチューブのような点源からのＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ電子放出に基づいた、電界放出ディスプレイデバイスは均一な放出電流の問題に直面している。現在利用可能な薄膜技術（ＴＦＴ）の液晶ディスプレイと同じく、両デバイスは画素をアドレス指定するために用いられる数多くのトランジスタ、即ち白黒表示のために画素毎に少なくとも１つのトランジスタの必要性に苦しんでいる。
【０００３】
フラットパネルスクリーンに基づいたポリマーＬＥＤを実現する上でのもう１つの基本的な問題は荷電キャリアのアドレス指定された注入である。
【０００４】
Ｂ．Ｌｉｓｃｈｋｅの米国特許第４，６０１，９７１号は、電子ビームリソグラフィマスク用の電子源としてトンネル陰極の基本原理を利用することを提唱した。これら公知の電子ビームマスクは、電子ビームリソグラフィにおけるコスト減少のために多くのターゲット上に投じ得る電子の静的パターンをマスターが提供するように、マスターウェーハを電子ビームリソグラフィで組織化することにより作製される。こうした電子ビームマスクは半導体−絶縁体−金属（ＳＩＭ）技術において最近実現された。Ｒ．Ｔｒｏｍｐｅｔａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３，２８３５（１９９８）参照。この原理は、電子が２つの電極を分離している酸化物層を通り抜けるところである、トンネル冷陰極に依拠する。陽極は、トンネル電子がこの電極を衝撃的に通過するように、電極物質における電子の平均自由行程に比較して薄い。もし印加されたトンネル電圧によって付与される運動エネルギーが電極物質の仕事関数より大きければ、衝撃電子は真空中に放出される。しかしながら、これら公知の電子ビームリソグラフィマスクは、それらが「静的」であるという限定に苦しんでいる。
【０００５】
【発明の要約】
本発明の目的はホット電子放出器の画素アレイを提供することにある。有利には、電子のターゲットへのアドレス可能な注入用のソースとして役立ち得る、適切にナノ構造化された半導体−絶縁体−金属（ＳＩＭ）又は金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）のトンネリングデバイスに基づいている。
【０００６】
この新しいアイデアは、平行に働く多くの電子放出器を有する、任意のパターンを電子ビームレジスト中に描くための動的マスクに至らしめる画素アレイを提供することにある。リソグラフィに加えて、画素アレイの最も有望な利用は電子をポリマーに注入するフラットパネルディスプレイ用のエミッタとしてである。従来の蛍光スクリーン上への電子加速も可能である。
【０００７】
本発明によれば、アドレス可能な位置に電子を放出するためのデバイスは、複数の平行かつ離間した第２導体に交差する複数の平行かつ離間した第１導体を含む。交差する第１及び第２導体は、エナジャイジング（ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）電圧の印加に応えて電子が放出されるアドレス可能な位置を画定する。第２導体が施されるのに抗して、第１導体の一面は絶縁層により、少なくとも第１及び第２導体の交点で被覆される。衝撃的に通過しかつエナジャイジング電圧の印加に応えて第２導体から放出されるホット電子のためのトンネル障壁をこの絶縁層は形成する。
【０００８】
この提案されたデバイスは前述した全ての問題に関してかなりの改良をなし遂げる。即ちこのデバイスは十分な電子注入、均一な電流密度及び平易なアドレス可能性を可能にする。
【０００９】
従来の金属電極上のこのホット電子放出アレイにおける主たる有利な点は、衝撃電子の注入／放出を通しての低電力消費とビルトインされた平易なアドレス可能性である。選択された画素はトンネル電圧で与えられる運動エネルギーで電子を放出する。電流密度は酸化物厚さ（典型的には２−７ｎｍ）によって与えられたトンネル電圧で調整し得る。画素はそれらの行（ライン）と列（コラム）をアドレス指定することによりアドレス指定され、これはｎ×ｍの解像度を有するディスプレイにｎ×ｍ個要求されたトランジスタの数を減少させる。
【００１０】
ＬｉｓｃｈｋｅやＴｒｏｍｐ（上記参照）により提唱された電子ビームリソグラフィ用の公知の静的トンネル陰極マスクに対して、我々の発明は、選択された画素におけるホット電子を生成するための、またフラットパネルディスプレイ技術に利用するための平易なアドレス可能なトンネル陰極のアレイである。
【００１１】
具体的な利用として、このデバイスは、第１及び第２導体間で選択的にエナジャイジング電圧を印加するための手段、並びに第２導体及びターゲット間で電子の加速又は注入電圧を印加する手段に加えて、更に第２導体から離間しかつ放出した電子が当たるターゲットを含んでもよい。
【００１２】
１つの実施の形態では、ターゲットはフラットパネルディスプレイの発光スクリーンであって、例えば発光スクリーンは電界発光ポリマー及び透明な対向電極からなるか、或いはこの発光スクリーンは蛍光スクリーンである。
【００１３】
各別に制御された小さなホット電子放出器の画素アレイを有機ポリマーＬＥＤ技術に組合せることは、フラットパネルスクリーンの成長するマーケットに影響を与えるフラットパネルディスプレイの実現に新しい道を切り開く。高空間画素密度（ｈｉｇｈｓｐａｔｉａｌｐｉｘｅｌｄｅｎｓｉｔｉｅｓ）が確実に実現される。控えめな評価で１００画素／ｍｍである。現在のＬＣＤ技術が写真の解像度（５０００画素×４０００行）に達する専門的なＣＣＤカメラの新しい基準を示すことができないのに対して、フラットディスプレイの高解像度の目的は、経済的に重要になりつつある。
【００１４】
ポリマーに基づいたフラットパネルスクリーンを実現するために、交差するワイヤのグリッドは、トンネル電子が所望の画素に効率的に注入されるＯＬＥＤ層で被覆される。ホールは、トップからこのＬＥＤ層を覆っている、構造化されていない透明な電極、例えばＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）から供給される。ホット電子放出アレイの選択された画素から放出された電子は、蛍光スクリーン上の真空を通過して均一に加速され得る。このホット電子放出アレイは、標準的なＣ−ＭＯＳ技術において、半導体−絶縁体−金属（ＳＩＭ）のトンネリングデバイスとしても、或いは低コストの金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）のトンネリングデバイスとしても実現し得る。
【００１５】
使用を考慮すると、ピッチサイズ（即ち平行な導体間の間隙）は、大規模なディスプレイのスクリーン用の１００μｍから高解像度のコンパクトなディスプレイ（デジタルカメラや他の携帯用実用品）用の１０μｍに変化して、最終的にアドレス可能な電子ビームリソグラフィマスク用の１μｍ以下になり得る。
【００１６】
後者の使用では、ターゲットが可撓性のある電子ビームリソグラフィマスクのウェーハである場合には、主流のＳｉエレクトロニクスにおけるより小型でより高速なデバイスへの需要が、１００ｎｍ未満の構造を要求するデザインルールを備えた無数のデバイスを製造し得るリソグラフィプロセスへの集中的な探求へ導いてきた。本発明のデバイスは、高解像度と高処理量の電子ビームリソグラフィプロセスを可能にする、直径１００ｎｍ未満の可能な画素サイズで書込む平行な電子ビーム用の可撓性のあるマスクを提供する。このデバイスは、標準的な電子ビーム、Ｘ線、ＡＦＭ又は焦点を合わせたイオンビームリソグラフィのような、現用の又は開発中のリソグラフィ法に代わって製造することが、低コストで、速く、かつ合理的に容易である。
【００１７】
ホット電子放出リソグラフィは、１６０ｎｍ以下の特別サイズで静的なウェーハからウェーハの露出のために既に用いられている（上述のＲ．Ｔｒｏｍｐ参照）。しかしながら、本発明は、こうしたリソグラフィのアプローチに対して、更に高い可撓性を提供し、その結果主流のＳｉ技術における商業的な潜在能力を有している。
【００１８】
どのような使用でも、電子放出デバイスは、第１系列の複数の平行なワイヤで形成された第１導体と、この第１系列のワイヤと交差する複数の第２系列の平行なワイヤで形成された第２導体から作り得る。典型的には、こうしたワイヤはアルミニウム又は他の適当な金属で作られ、以下に詳細に説明するように、蒸着技術で製造し得る。
【００１９】
代わるべきものとして、このデバイスはＣ−ＭＯＳ技術を用いても作り得る。この場合、第１導体はシリコンウェーハにおける複数の平行なｐドープされたラインであって、絶縁層はこれらのｐドープされたラインと交差するシリコンウェーハ上の複数の平行な薄い酸化物ストリップ（ｓｔｒｉｐｓ）で形成され、以下に詳細に説明するように、第２導体は酸化物ストリップ上に施された複数の金属ストリップである。
【００２０】
本発明の電子放出デバイスは、また携帯用デバイスのような非常に小さなディスプレイ及び上述したものに加えた他の実用品にも使用され得る。いくつかの光化学的な実用品において、光子が金属基体中で、光化学的反応を起こすホット電子を生成する程度だけ、光子が必要とされるという観察に基づくと、本発明のトンネルデバイスによって作られるホット電子は、金属電極の頂部に吸収される分子の光化学反応を引き起こすために直接使用し得る。光子のない光化学上の利点は、電子エネルギーの同調可能性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）である。このことは、運動電子エネルギーを越えた制御で、電子の有機分子への注入と、注入の横方向位置を許容する。更に、本発明のデバイスにおける電子放出電流は酸化物の厚さに幾何級数的に依存する。この結果、ポリマーで被覆されたＳＩＭデバイスは、超薄い酸化膜における僅かな厚さの変化と欠陥を、単にルミノシティ（ｌｕｍｉｎｏｓｉｔｙ）における横方向変化によって、確認するために、使用され得る。
【００２１】
【詳細な説明】
図１に示すように、電子放出デバイスは、複数の平行かつ離間した第２導体１１に交差する複数の平行かつ離間した第１導体１０を含み、交差する第１及び第２導体１０，１１は電極を形成し、かつ例えば５Ｖのエナジャイジング電圧Ｖの印加に応えて電子１２が放出されるアドレス可能な位置をそれらの交点で画定する。第２導体１１が施されるのに抗して第１導体１０の頂面は絶縁層１３で被覆される。この絶縁層１３は、衝撃的に通過しかつエナジャイジング電圧Ｖの印加に応えて第２導体１１から１２で放出されるホット電子のためのトンネル障壁を形成する。
【００２２】
この例では、デバイスは、両電極１０，１１に対してＡｌを用いることにより作られる。複数の平行なＡｌワイヤ１０は、（図示しない）絶縁体上にＡｌを蒸着することにより作製され、次いで酸化性雰囲気での適当な熱処理によって、酸化物障壁としての均質なＡｌ_２Ｏ_３層１３で被覆される。次にこれらのワイヤ１０を酸化物層１３上に置かれた、例えば２−４ｎｍ厚の複数の平行な比較的薄い第２組のＡｌワイヤ１２が交差する。
【００２３】
ワイヤ１０は都合の良いどんな厚さにでもなり得る。複数の平行なワイヤ１０と１１のピッチや間隔は約１μｍと１００μｍの間から用途に応じて選ばれる。これらのワイヤ１０，１１の各々の幅は、それらの交点での所望の画素のサイズを提供することに従って決められる。
【００２４】
このデバイスは、また図２に示されるように、主流のＣ−ＭＯＳ技術を用いても作り得る。Ｓｉ（１００）ウェーハ２０はストライプ（ｓｔｒｉｐｅ）パターンで高濃度にドープされ、第１組の導体１０となる一連の複数の平行なｐドープされたラインを形成する。ウェーハ２０の頂面には、２０ｎｍ以上の厚さを有する熱的ＳｉＯ_２の膜２１が成長する。次いでこの酸化膜２１は、ストライプ１３を形成することになっている指示された位置で、複数の平行なラインに沿って酸化膜２１を完全に除去することによって、導体１０に対して９０度で、複数の平行なストライプのパターンを生じるように構造化される。
【００２５】
ウェーハ２０は、２０ｎｍ以上の厚い酸化膜２１で分離された２−７ｎｍの厚い酸化物のストライプ１３を生じる２−７ｎｍの薄い熱酸化膜２１で覆われる。この結果酸化物ストライプ１３のパターンは、ｐドープされたライン１０の基礎となるドーパントパターンに対して９０度になる。薄い酸化物ストライプ１３は続いてチャネル状の金属ストライプ２２で被覆される。これは、ストライプ１３の間の厚い酸化物領域２１上にフォトレジストを形成し、次いで全ウェーハを金属で被覆し、フォトレジストで覆われた領域上でこの金属を選択的にリフトオフする工程で除去し、酸化物ストライプ１３上のチャネル状の金属ストライプ２２を残存させることにより、図示するように、なし遂げられる。
【００２６】
電極材料としてＡｌの場合、バルクのＡｌにおける電子にとっての減衰長は２ｎｍのオーダーであり、この結果電極（金属ストライプ２２の部分１１）が２−４ｎｍ厚であれば、金属１１を通過しての衝撃的な電子輸送による電子伝達が可能になる。Ａｌは電極材料として良く適合する一方、Ａｌは純酸素に晒されると、空気中で安定な、僅かな原子層からなる自己制限的な酸化物層に発展する。画素をアドレス指定するためのトランジスタは、交差する第１及び第２導体１０，１１によって形成される各々の行／列の縁でＳｉ（１００）ウェーハ上に位置する。電子トンネリングの可能性は酸化物厚さに応じて幾何級数的に減少する。チャネル状の電極２２の上縁によって部分的に覆われる厚い酸化膜２１の領域上で、トンネル電流が複数桁小さいのに対して、こうした電子は、アドレス指定された薄い酸化物パッチを通して良好に位置決めされて通り抜ける。約５Ｖの電圧でアドレス指定された画素の酸化物１３を通り抜けた電子は金属電極１１を通って進み、ここで電子は更に蛍光スクリーン上に加速され得るか、或いは以下に述べるように、単にポリマー膜か他の発光性の材料中に注入される。
【００２７】
図３は、発光蛍光スクリーン３０に関連した本発明デバイスによる電子放出デバイスを示す。このデバイスは、トンネル障壁を形成する酸化絶縁層１３によってそれぞれの交点が分離された互いに交差する複数の平行な第１導体１０と第２導体１２を含む。印加されたエナジャイジング電圧、例えば５Ｖによって、電子１２は交点で選択的に放出される。
【００２８】
蛍光スクリーン３０はこのデバイスの電子放出面から離間し、その間隙は真空に維持される。放出された電子をスクリーン３０に加速するように、加速電圧、例えば５００Ｖが導体１１とスクリーン２２に印加される。スクリーンにおいてエナジャイジング電圧が選択的に印加される導体１０，１１の交点に相応した画素で、電子は光子３２を解放する。これにより選択的にアドレス可能なフラットパネルディスプレイが形成される。
【００２９】
図４は、透明なＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）電極層４２で覆われたポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）のような電界発光ポリマー４１の層で作られたポリマーフラットパネルスクリーン４０に関連したデバイスを示す。ここでは、電界発光ポリマー４１はデバイスの電子放出側、即ち導体１１に対して直接施される。注入電圧、例えば５Ｖが導体１１とＩＴＯ層４２の間に、放出された電子１２をポリマー４１を通ってＩＴＯ４２に注入するように印加される。ＩＴＯで電子は光子３２を解放する。上述のように、光はエナジャイジング電圧が選択的に印加される導体１０，１１の交点に相応する画素で発せられ、選択的にアドレス可能なフラットパネルディスプレイが形成される。
【００３０】
図５は電子ビームリソグラフィ用の可撓性のあるマスクを構成するデバイスを示す。ここでターゲットは、例えば電子ビームレジストでコーティングされた半導体ウェーハのような、電子ビームリソグラフィ用のマスクのウェーハ５０である。デバイス１０，１１，１３は、ソースウェーハとして電子放出アレイを形成する。導体１１から放出された電子３２は導体１１とウェーハ５０の間に印加された電圧、例えば１０ｋＶにさらされ、印加された磁場の制御の下でターゲットウェーハ５０に当たる。放出された電子３２はエナジャイジング電圧が選択的に印加される導体１０，１１の交点に相応する画素でマスク５０に衝突する。これにより選択的にアドレス可能な電子ビームリソグラフィマスクが形成される。
【００３１】
上述した例の変形や応用は請求の範囲内で予期される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、アドレス可能なトンネル陰極の原理を示す本発明によるデバイスの第１実施の形態の斜視図である。
【図２】
図２は、標準的なＣ−ＭＯＳ技術を用いてなされた本発明によるデバイスの第２実施の形態の斜視図である。
【図３】
図３は、蛍光スクリーンに関連したデバイスの断面図である。
【図４】
図４は、ポリマーフラットパネルスクリーンに関連したデバイスの断面図である。
【図５】
図５は、電子ビームリソグラフィ用の可撓性のあるマスクを構成するデバイスの断面図である。

Claims

複数の平行かつ離間した第２導体に交差する複数の平行かつ離間した第１導体を含み、前記交差する第１及び第２導体は、エナジャイジング電圧の印加に応えて電子が放出されるアドレス可能な位置を画定し、前記第１導体の一面は前記第２導体が施されるのに抗して、少なくとも前記第１及び第２導体の交点で絶縁層により被覆され、前記絶縁層は衝撃的に通過しかつエナジャイジング電圧の印加に応えて前記第２導体から放出されるホット電子のためのトンネル障壁を形成する、アドレス可能な位置で電子を放出する電子放出デバイス。
第２導体から離間したターゲットと、前記第１及び第２導体の間に選択的にエナジャイジング電圧を印加する手段と、前記第２導体と前記ターゲットの間に電子を加速する電圧を印加する手段とを更に含む請求項１記載のデバイス。
ターゲットがフラットパネルディスプレイの発光スクリーンである請求項２記載のデバイス。
発光スクリーンが電界発光ポリマー及び透明な対向電極により構成される請求項３記載のデバイス。
発光スクリーンが蛍光スクリーンである請求項３記載のデバイス。
ターゲットが可撓性のある電子ビームリソグラフィマスクのウェーハである請求項２記載のデバイス。
第１導体が第１系列の複数の平行な金属ワイヤにより形成され、第２導体が前記第１系列のワイヤと交差する第２系列の複数の平行な金属ワイヤにより形成された請求項１記載のデバイス。
第１導体がシリコンウェーハにおいてｐドープされた複数の平行なラインであり、絶縁層が前記ｐドープされたラインに交差するシリコンウェーハ上の複数の平行な薄い酸化物ストリップで形成され、第２導体が前記薄い酸化物ストリップ上に施された複数の平行な金属ストリップである請求項１記載のデバイス。