JP2006120410A

JP2006120410A - 電子ビーム発生装置

Info

Publication number: JP2006120410A
Application number: JP2004305660A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Murao; 幸信村尾; Wikuramanayaka Snil; ウィクラマナヤカスニル
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【発明の課題】 nc-P-Siから放出される擬似バリスティック電子を使用し、ホット電子の電子エネルギ分布を制御でき、電子エネルギを所望の値に強めることができる電子ビーム発生装置を提供すること。
【解決手段】電子ビーム発生装置１０は、nc-P-Si物質に基づいて高エネルギ電子ビームを発生するためのものである。この装置は、共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続的な層によって構成される。電子ビーム発生装置において、積層構造の一端であるnc-P-Si層は電気的に接地され、または他のポリシリコン電極に関して低い電位に維持され、他方、積層構造の他端であるドープ・ポリシリコン層は大気、真空に開放され、または他の物質と接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は電子ビーム発生装置に関し、特に、固体技術を用いることによって高エネルギの電子ビームを発生する装置であり、この電子ビームは、電子ビームリソグラフィ、電界効果型ディスプレイのごとき多くの異なる応用で用いられ、特に非常に小さな体積で発生されかつ用いられる。

電子ビームは半導体産業において非常に多く応用されており、例えば、リソグラフィのためのイオンビーム支援物質堆積における電荷中和器として、および他の産業において例えばイオン支援ロケット推進技術における電荷中和器として応用される。現在、電子ビームは、広く、加熱フィラメントを用いることによって発生され、適当にエネルギを与えられ、電磁界を用いることによって曲げられ、修正される。電子を発生させるための加熱フィラメントの使用は、相当に大きな体積部分を要し、このため、この技術の応用が制限されている。

最近、幾人かの研究者は、ナノ結晶ポーラス・シリコン（nc-P-Si）物質からの電子放出現象、nc-P-Si層に適当な電圧が供給される時に生じる電子放出現象を観察した（非特許文献１）。nc-P-Si層から放出されたこれらの電子は「擬似バリスティック電子（quasi-ballistic electron）」または「ホット電子（hot-electron）」と呼ばれている。擬似バリスティック電子のエネルギは基本的にnc-P-Si層に与えられた電界に基づいて決定される。

さらに、基本的なnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層からなる基本的な多層構造は、例えば、次の特許文献１，２に記述されている。

これらの擬似バリスティック電子はフラットパネル・ディスプレイのごとき光放出装置に応用することが報告されている（非特許文献１）。これはさらに図９を参照して説明され、図９では光放出構造の概略構造図が示されている、この構造はnc-P-Si層１０１、蛍光物質の層１０２、および金属の薄い層１０４から構成されている、一般的に、nc-P-Si層はポリシリコン層１０４の上に作られ、nc-P-Si層はポリシリコン層１０４の背面に堆積された金属層１０５を介して電気的に接地されている。

薄い金属層１０３は、ＤＣ電源１０６からnc-P-Si層１０２に関して、正のＤＣ電圧を供給されている。この電界の下で、擬似バリスティック電子またはホット電子がnc-P-Siで生成され、薄い金属電極１０３に向かって加速される。これらのホット電子は、それから蛍光物質の層１０２に入り、その分子を励起し、その結果、励起分子の不活性作用に基づいて光を放出させる。

前述した装置において、電子エネルギは広いエネルギ領域に渡って分布し、例えば１ｅＶから６ｅＶの範囲で分布する。最大の電子エネルギは薄い金属層１０３に与えられた電圧に依存する。しかしながら、これらの装置は次のような困難を有する。

第１に、nc-P-Si層から放出されるホット電子の電子エネルギ分布は全く制御されていないことである。第２に、電子のエネルギを所望な値、例えば２０ｅＶまで強めるメカニズムが全くないことである。第３に、所望のエネルギを持った電子を選択することが、簡単な構造を用いて実行できないことである。

前述した装置において、最大の電子エネルギは、或る程度、印加電圧の増加によって増大させることができる。しかしながら、この方法は非常に高いエネルギの電子を得るのには採用することはできない。何故ならば、電子の加速の深さがnc-P-Si層の厚みに制限を与えるからである。
日本特許第３１１２４５６号公報日本特許第３２２６７４５号公報 Y.Nakajima, A.Kojima, H.Toyama, N.Koshida（ナノ結晶ポーラス・ポリシリコン膜から生成されるバリスティック電子の励起に基づく固体光放出装置）日本応用物理学会、Ｂ、４１巻、２７０７から２７０９ページ、２００２

ポーラス・シリコンから放出される擬似バリスティック電子に基づく高エネルギ電子ビーム発生技術において、前述した３つの困難性、すなわち、ホット電子の電子エネルギ分布の非制御性、所望の値に電子エネルギを強める非メカニズム性、および所望のエネルギを有する電子の選択不可能性は改善されるべきものである。

本発明の目的は、nc-P-Siとnc-P-Siから放出される擬似バリスティック電子とに基づく高エネルギ電子ビーム発生技術を使用し、ホット電子の電子エネルギ分布を制御することができ、電子エネルギを所望の値に強めることができ、および所望のエネルギを有する電子の選択を行うことができる電子ビーム発生装置を提供することにある。

本発明に係る電子ビーム発生装置は、上記の目的を発生するため、次のように構成される。

本発明に係る電子ビーム発生装置は、nc-P-Si物質に基づいて高エネルギ電子ビームを発生するためのものである。この装置は、共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続的な層によって構成される。電子ビーム発生装置において、積層構造の一端であるnc-P-Si層は電気的に接地され、または他のポリシリコン電極に関して低い電位に維持され、他方、積層構造の他端であるドープ・ポリシリコン層は大気、真空に開放され、または他の物質と接触している。複数のドープ・ポリシリコン層のそれぞれは次第に増加する正のＤＣ電圧を供給されており、ドープ・ポリシリコンの１つの層に最も高い電圧が印加され、このドープ・ポリシリコン層は、真空、大気に開放され、または他の物質に接触している。さらにnc-P-Si層から放出された電子は、ドープ・ポリシリコン層の各々によって生成された連続的に次第に増加する電界によって加速されることになる。

上記の電子ビーム発生装置によれば、非常に薄いポリシリコン層の間に挟まれたいくつかのnc-P-Si層が存在し、当該薄いポリシリコン層はnc-P-Si層に関して正電圧を加えられており、新しい技術は、擬似バリスティック電子エネルギをいかなる所望の値にも増加し、所望の電子エネルギを有するよう選択するように発明されている。

上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、nc-P-Si層、ドープ・ポリシリコン層、および非ドープ・ポリシリコン層の各々の数、および各ドープ・ポリシリコン層に与えられる電圧は任意に制御され、最後のドープ・ポリシリコン層から電子が放出するとき、所望のエネルギを有した電子を得ることが可能となる。

上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層および非ドープ・ポリシリコン層のいずれか１つの層の厚み、または２つの層の厚み、またはすべての層の厚みは、低エネルギ電子の伝送を防止するように選択され、その結果、当該最後のドープ・ポリシリコン層から電子を放出するときすべての電子はほとんど同じエネルギを有することになる。

上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、nc-P-Si層は他のポーラスまたは非ポーラスの物質で置き換えられ、十分なバイアス電圧が他のポーラスまたは非ポーラスの層に与えられるとき真空に対して電子を放出する。

上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層は金属層で置き換えられることができる。

上記の電子ビーム発生装置において、好ましくは、ドープ・ポリシリコン層は金属メッシュで置き換えられることができる、

上気の電子ビーム発生装置において、好ましくは、非ドープ・ポリシリコン層は絶縁層で置き換えられることができる。

本発明によれば、ポーラスシリコン層に基づく固体技術は所望の電子エネルギを有し、かつ、より小さい体積の中での所望の電子エネルギ分布を有する高エネルギ電子の発生を容易にする。それ故に、これらの高エネルギ電子は、マクロでの電子工学技術の応用と同様にミクロでの電子工学技術の応用も可能である。

以下に、好適な実施形態を添付図面に従って説明する。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
［実施形態１］

本発明の第１実施形態は図１〜図３を参照して説明される。図１は、第１実施形態に係る電子ビーム発生装置における基本的部分の断面図を示す。電子ビーム発生装置１０において、互いに積み重ねられた、多量にドープされたナノ結晶ポリシリコン、多量にドープされたポリシリコン（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）、および非ドープ・ポリシリコン（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，．．．）で作られたナノ結晶ポーラス・シリコン、すなわちnc-P-Si（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）のいくつかの層が存在している。ポーラス・シリコン層のポーラス表面は、酸化され、非常に薄いＳｉＯ₂の層を形成している。通常、このプロセスのためには高速熱酸化が望ましい。

最も下に位置するnc-P-Si層１１ａの背面上には金属層１４が存在している。この金属層１４は、通常、電気的に接地されている。nc-P-Si層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの厚みは、通常、シリコン（Ｓｉ）におけるポーラスの高さの程度であり、例えばおよそ１０ｎｍである。ドープされた、および非ドープのポリシリコン層１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃの厚みは可能な限り薄く作られており、例えば１ｎｍよりも小さいものである。これは、低いエネルギを有した電子がポリシリコン層を通過しなければならないからである。

多量にドープされたポリシリコン層（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の各々は、正の電圧（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃）が、ＤＣ電源１８ａ，１８ｂ，１８ｃと適当な電気回路（図示されず）とを用いて印加されている。多量にドープされたポリシリコン層１２ａ，１２ｂ，１２ｃに印加された正の電圧（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃）の値はＶ₁＜Ｖ₂＜Ｖ₃＜．．．の順序で次第に増加される。

図１に示された構成を備える装置の作り方にはいくつかの作り方が存在する。可能な技術の１つが以下に説明される。

第１に、金属電極１４がシリコン基板（図示されず）の上に堆積される。この金属電極１４は、図１に示されるベース金属電極として働く。それから、ポリシリコン１１ａの層が金属電極１４上に堆積される。通常、このポリシリコン層１１ａはｎ型ポリシリコンまたはｐ型ポリシリコンになるように多量のドープが行われる。このポリシリコン層１１ａの上にポーラスが形成され、これはエタノール（ethanic）のＨＦ（フッ化水素）水溶液内に配置することに基づく陽極酸化方法によって形成される。陽極酸化方法に関する詳細な情報は、例えば前述した非特許文献１に与えられている。その後、試料は乾燥され、nc-P-Si層１１ａの上に非ドープ・ポリシリコン層１３ａの他の層が堆積される。このポリシリコン層１３ａがより高い抵抗を持たなければならないことは重要である。

高抵抗の非ドープ・ポリシリコン層１３ａを堆積した後、ドープ・ポリシリコン層１２ａが堆積される。ドープ・ポリシリコン層１２ａの上側部分、例えば９０％の部分は、非ドープ・ポリシリコン層１３ａ上のドープ・ポリシリコン層１２ａの非常に薄い層を保持しながら、陽極酸化を受ける。nc-P-Si-Siの領域は１１ｂであり、ドープ・ポリシリコン層の残存する薄い層は１２ａである。しかしながら、１２ａの符号を付されたドープ・ポリシリコン層は本質的なことではない。このドープ・ポリシリコン層１２ａの目的はＤＣ電圧Ｖ₁を印加するための電気的接触を作ることにあり、それ故、それは「ポリシリコン電極」と呼ぶことができる。しかしながら、適当な構成を有するデバイスを作った後にnc-P-Si層１１ｂに直接的にＤＣ電圧を印加することもできる。非ドープ・ポリシリコン層１３ａの目的は、下側および上側のnc-P-Si層１１ａ，１１ｂから電気的に絶縁させることである。さらに、この非ドープ・ポリシリコン層のため上側と下側のnc-P-Si層１１ａ，１１ｂはオーバーラップしない。nc-P-Si層１１ａ，１２ｂの境界分における拡大した図は図２に示される。図２において、図１に示した要素と実質的に同一の要素は、それぞれ、同じ参照符号が付されている。加えてnc-P-Si層１１ａ，１１ｂの各々はポーラスの構造を有しており、参照番号２１は小さな穴を示している。

上記の手続は、所望の数のnc-P-Si層（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）が形成されるまで繰り返される。

このようなデバイスの実際の配列は、多くの異なる構成を持つことができる。例えば、図３はＤＣ電圧の供給方法についての可能な構成を示している。図３によれば、最も下側の金属電極１４は、通常、電気的に接地されている。第１のポリシリコン電極１２ａは最も下側の金属電極１４に関してＤＣ電源１８ａによって正の電圧が与えられている。同様にして、第２、第３等のポリシリコン電極１２ｂ〜１２ｈは、それぞれ、それらの下側のポリシリコン電極１２ａ〜１２ｈに関して、ＤＣ電源１８ｂ〜１８ｈによって正の電圧を与えられている。

次に、電子ビーム発生装置１０の作用が説明される。最も下側の金属電極１４は、通常、電気的に接地されている。しかしながら、最も下側の電極１４に対して正の（または負の）電圧を与えることもできる。最初のポリシリコン電極１２ａは、最も下側の金属電極１４に関して、ＤＣ電源１８によって正の電圧が与えられる。同様にして、第２、第３等のポリシリコン電極は、それぞれ、それらの下側のポリシリコン電極に関してＤＣ電源によって正の電圧が与えられる。

nc-P-Si層に対して静電界が適用されるとき、図１に示すごとく擬似バリスティック電子１７は、それは同様に「ホット電子」と呼ばれるものであり、nc-P-Si層から放出される。これらの電子１７は、その後、ポリシリコン電極（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）に印加されたＤＣ電圧が原因で生じた静電界によって加速される。もし電子のエネルギが十分に大きく、かつもしポリシリコン電極の厚み、薄いＳｉＯ₂層の厚み、非ドープ・ポリシリコン１３ａの厚みが十分に薄いのであるならば、いくらかの電子は、ポリシリコン層１３ａ，１２ａを通り抜け、上部のnc-P-Si-Si層１１ｂに至ることができる。伝送されるこれらの電子は、もし電子の最初のエネルギが大きいものであるならば、エネルギの一部を残す。これらの伝送された電子は、再び、nc-P-Si層１１ｂ上のポリシリコン電極１２ｂによって生じた電界によって加速を受け、より大きなエネルギを得て、ポリシリコン層１３ｂ，１２ｂを通り抜け、次のnc-P-Si層１１ｃに伝送される。このプロセスはnc-P-Si層のすべてに渡って繰り返され、その結果、非常に高いエネルギ電子の発生をもたらし、そのことは最後に電子を真空、大気、または他の物質に対して、最後のポリシリコン電極を乗り越えて放出する。ポリシリコン電極（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，．．．）への正電圧の印加後の可能なエネルギバンド図を図４において示す。非ドープ・ポリシリコン層（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，．．．）は、説明の容易のため、図４に示されていない。

各nc-P-Si層（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，．．．）の内部での電子１７の加速によって電子１７はより多くのエネルギを得てその移動速度は速くなる。これらの高エネルギ電子１７のいくらかはポリシリコン層内のシリコン原子によって分散されるようになり、その結果、多くの高エネルギ電子１７はnc-P-Si層の各番号が増加するにつれて次第に少なくなる。電子エネルギの関数としての電子の個数の仮想的な変化１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが図５にプロットされている。
［実施形態２］

本発明の第２実施形態は図６を参照して説明される。第２実施形態によれば、複合された構成の可能なエネルギバンド図が示される。第２実施形態による電子ビーム発生装置の構成において、第１実施形態で説明された非ドープ・ポリシリコン層（１３ａ，１３ｂ，．．．）は非常に薄い絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄによって置き換えられる。これらの絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの役割は第１実施形態で説明された非ドープ・ポリシリコン層の役割と同じである。非ドープ・ポリシリコン層の代わりに絶縁層を用いることは、隣り合うポーラス・シリコン層（１１ａ〜１１ｅ）の間の電気的絶縁を改善する。電子１７は絶縁層１６ａ〜１６ｄを機構的に量子トンネル効果作用で通過するので、絶縁層１６ａ〜１６ｄを用いることは電子の加速プロセスを変更しない。それ故に、この構成も同様にまた第１実施形態で説明したものと同じ結果を作り出す。
［実施形態３］

本発明の第３実施形態は図７および図８を参照して説明される。第３実施形態は前述した実施形態を拡張したものである。それ故に、説明を容易にするため、上記第２実施形態が比較として考察される。

第３実施形態の構成において、第２実施形態に関して、図６で示された絶縁層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの厚みは次第に増加される。作用原理は、第１実施形態および第２実施形態で説明されたそれと同じである。動作の間、最初の電子１７は第１のnc-P-Si層１１ａ内での加速を通してエネルギを得る。それ後、十分なエネルギを有した電子は絶縁層１６ａとポリシリコン電極１２ａを通してトンネル効果作用で抜ける。これらの電子１７は再び加速し、より大きなエネルギを得て、第２の絶縁層１６ｂおよびポリシリコン電極１２ｂを通り抜ける。

しかしながら、この場合において、絶縁層１６ｂの厚みは第１絶縁層１６よりも厚いので、最も高いエネルギを有する電子１７のみが絶縁層１６ｂを通り抜ける。絶縁層の各々の厚みは最も高いエネルギを有した電子のみが絶縁層を通り抜けることができるように制御される。同様にまた、第３、第４等の絶縁層を通り抜けた後、最も高い電子エネルギを有する電子１７のみが最後のポリシリコン電極１２ｅから放出することができる。電子のエネルギおよび数の変化は図８に概略的に示されている。電子の数は次第に低下し、電子のエネルギは次第に増加し、電子エネルギの分布（２０ａ〜２０ｄ）は次第に小さくなり幅が狭くなる。それ故に、この構成および動作の方法は狭いエネルギ幅にわたって分布された非常に高いエネルギの電子を作り出すことができる。

本発明は、固体技術を用いることによって電子ビームリソグラフィ、電界効果ディスプレイ等のための高エネルギ電子ビームを発生させるのに用いられる。

この図は、本発明の第１実施形態に係る電子ビーム発生装置の基本部分としての膜構成の部分断面構成図である。この図は、ポーラス・シリコン、非ドープ・ポリシリコン、ドープ・ポリシリコンの各層のインターフェイスを示す膜構成の拡大断面図である。この図は、本発明の第１実施形態の可能なデバイス構成を示す図である。この図は、ドープ・ポリシリコン層にＤＣ電圧を与えた後の予期されるエネルギバンド構造を示す図である。この図は、電子の数およびエネルギの予期される変化を示す図である。この図は、本発明の第２実施形態のための予期されるエネルギバンド構造を示す図である。この図は、第３実施形態のための予期されるエネルギバンド構造を示す図である。この図は、電子の数およびエネルギの予期される変化を示す図である。この図は、従来の電子加速装置に用いられる膜構成を示す断面図である。

符号の説明

１１ａ〜１１ｈナノ結晶ポーラス・シリコン（nc-P-Si）層
１２ａ〜１２ｈドープ・ポリシリコン層
１３ａ〜１３ｃ非ドープ・ポリシリコン層
１４金属電極
１６ａ〜１６ｄ絶縁層
１７電子
１８ａ〜１８ｈＤＣ電圧源

Claims

共に積み重ねられたnc-P-Si層、非ドープ・ポリシリコン層、およびドープ・ポリシリコン層の少なくとも３つの連続した層を有し、
当該積層構造の一端にある前記nc-P-Si層は、電気的に接地される、または他のポリ・シリコン電極に関してより低い電位にあり、他方、当該積層構造の他の端にあるドープ・ポリシリコン層は、大気もしくは真空に開放される、または他の物質に接触しており、
複数の前記ドープ・ポリシリコン層のそれぞれは次第に増加する正のＤＣ電圧を供給され、真空もしくは大気に開放され、または他の物質に接触している前記ドープ・ポリシリコン層の１つに最も高い電圧が与えられており、
前記nc-P-Si層から放出された電子は前記ドープ・ポリシリコン層の各々によって生成された連続的に次第に増加する電界によって加速される、
nc-P-Si物質に基づき高エネルギ電子ビームを発生させるための電子ビーム発生装置。
前記nc-P-Si層、前記ドープ・ポリシリコン層、および前記非ドープ・ポリシリコン層の各個数と、各ドープ・ポリシリコン層に与えられる電圧とは、電子が最後のドープ・ポリシリコン層から放出されるときに所望のエネルギを持つように任意に制御される請求項１記載の電子ビーム発生装置。
前記ドープ・ポリシリコン層および前記非ドープ・ポリシリコン層のいずれか１つの層の厚み、または２つ層の厚み、またはすべての層の厚みは、前記最後のドープ・ポリシリコン層から電子を放出するとき、すべての電子がほとんど同じエネルギを有するように、低エネルギの電子の伝送を防止するように選択される請求項１または２記載の電子ビーム発生装置。
前記nc-P-Si層を他のポーラスまたは非ポーラスの物質の層で置き換え、他のポーラスまたは非ポーラスの物質による前記層に十分なバイアス電圧が印加されるとき前記層は電子を真空に放出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
前記ドープ・ポリシリコン層を金属層で置き換える請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
前記ドープ・ポリシリコン層を金属メッシュで置き換える請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。
前記非ドープ・ポリシリコン層を絶縁層で置き換える請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子ビーム発生装置。