JP2007265639A

JP2007265639A - 電子波干渉電子源とその製造方法およびそれを用いた素子

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Publication number: JP2007265639A
Application number: JP2006085322A
Authority: JP
Inventors: Mikio Takai; 幹夫高井; Katsuhisa Murakami; 勝久村上
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】電子波の干渉を起こす電界放出冷陰極や電子源およびその作成方法を提供する。
【解決手段】電界電子放出冷陰極は、導電性の陰極基部と、前記陰極基部の上に形成され、細長い先端を備える導電体とを備える。前記導電体の先端が複数の突起部からなり、この複数の突起部は１０ｎｍ以下の間隔で配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子を放出する電子源に関する。

電子波干渉は、複数の放出サイトから放出された電子の干渉により起こる。電子波干渉パターンは、透過型電子顕微鏡に電子バイプリズムを組み合わせて電子ビームを干渉させる方法で観測され、また、カーボンナノチューブの５員環より放出される電子ビームにより観測されている。しかし、前者は、大型の装置が必要である。また、後者は、その制御が難しい。

電界放出（冷陰極放出）とは、真空中で、導体または半導体の針状試料の先端に強電場を印加することにより、電子が表面付近の薄いポテンシャル障壁をトンネル効果で透過し、放出される現象をいう。放出された電子は、位相をもつ電子波である。電界電子放出冷陰極は、たとえば非特許文献１に記載されているように、電子ビーム誘起堆積（ＥＢＩＤ)を用いて製造できる。この方法では、白金有機化合物などの吸着分子に対して、高エネルギー電子ビームにより解離を誘起して、細長い堆積を形成する。電子は、強電界下で、堆積の先端にある放出サイトから放出される。

電子波干渉の実現のため、細長い針状の電界電子放出冷陰極の先端に２つの突起部を放出サイトとして設けることが検討されている（非特許文献２）。電界電子放出冷陰極のエミッタの先端に５０、２５または１２ｎｍの間隙で２つの突起部を設けた。これらの冷陰極により得られた電子波のパターンは、単独の放出サイトにより生じる電子波パターンとは異なっていたが、明確な干渉パターンは観測されなかった。

H. Morimoto, T. Kishimoto, M, Takai, S. Yura, A. Hosono, S. Okuda, S. Lipp, L. Frey and H. Ryssel, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35(1996)6623 K. Murakami, N. Yamasaki, S. Abo, F. Wakaya and M. Takai, J. Vac. Sci. Technol. B23(2)(2005)735

本発明の目的は、電子波の干渉を起こす電界放出冷陰極や電子源およびその作成方法を提供することである。

本発明に係る第１の電界電子放出冷陰極は、導電性の陰極基部と、前記陰極基部の上に形成され、細長い先端を備える導電体とを備える。前記導電体の先端は複数の突起部からなり、この複数の突起部は１０ｎｍ以下の間隔で配置されている。前記陰極基部は、たとえば、シリコン基板、ガラス基板に金属膜を堆積した基板および金属基板のいずれかである。

本発明に係る第２の電界電子放出冷陰極は、前記陰極基部であるシリコン基板と、前記シリコン基板の上に形成された絶縁体層と、前記絶縁体層の上に形成されたゲート電極層と、前記ゲート電極層と前記絶縁体層に、前記シリコン基板表面を露出するまで設けられた開口部と、前記開口部において前記シリコン基板表面の上に設けられ、前記複数の突起部を先端に備える前記電子放出源とからなる。たとえば、前記陰極基部がタングステンワイヤであり、前記タングステンワイヤの先端に前記導電体が設けられる。

本発明に係る第３の電界電子放出電子源は、導電性の陰極基部と、前記陰極基部の上に形成され、細長い先端を備える導電体とからなる陰極と、前記陰極に対向して設けられる陽極と、前記陰極と前記陽極の間に配置されるゲート電極とからなる。前記導電体の先端が、１０ｎｍ以下の間隔で配置されている複数の突起部を備える。

本発明に係る第１の電界電子放出冷陰極の製造方法では、真空チャンバー内で、導電性の陰極基部の上で、有機金属ガス雰囲気中で電子ビームまたはイオンビームを照射して導電体を堆積する。さらに、前記導電体の上に、複数の照射中心の間隔を１０ｎｍ以下として、電子ビームを照射して、複数の突起部を堆積する。

本発明に係る第２の電界電子放出冷陰極の製造方法では、真空チャンバー内で、導電性の陰極基部の上で、有機金属ガス雰囲気中で電子ビームまたはイオンビームを照射して導電体を細長く堆積する。次に、前記の細長い導電体を窒素雰囲気で熱処理して、１０ｎｍ以下の間隙で複数の突起部を前記の導電体の先端に形成する。

本発明に係る露光装置は、基板上に電子線レジスト層を設けた基板を設置するためのステージと、上述の電界電子放出冷陰極と、前記電界電子放出冷陰極が固定され、三軸方向に位置制御可能な位置制御素子とからなる。ここで、前記電界電子放出冷陰極が前記ステージに対向して配置される。

本発明に係る磁気センサは、上述の電界電子放出冷陰極と、前記電界電子放出冷陰極の前記複数の突起部に対向して、前記の複数の突起部が並ぶ方向に配列された複数の陽極とからなる。

位相がそろった電子を複数の放出サイトから放出して電子波の干渉を起こす電界放出冷陰極や電子源が提供できる。

以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。

本発明の電子波干渉電子源は、陰極の細長い先端部に複数の突起部（放出サイト）を近接させて設けた電界電子放出冷陰極を用いる。放出サイトは、強電界が集中される形状を備える部分であり、それらの中心の間隔は１０ｎｍ以下とする。強電界を印加して電子源より直接に電子を放出させると、各突起部から放出される電子波の位相はそろっていて、複数の突起部からの電子波が相互に干渉して、干渉パターンが得られる。なお、複数の突起部の間隔は、原理的に、原子間距離（約０．３ｎｍ）近くまで短くできる。

図１は、電子波干渉電子源を図式的に示す。冷陰極（カソード）１０の先端に、複数（ここでは２個）の突起部（放出サイト）１２を１０ｎｍ以下の間隔で設ける。（放出サイトである突起部の形状は、図には図式的に示されている。）カソード１０に対向してアノード１４が位置される。さらに、２つの電極１０，１４の間に、放出電子を引き出すためのゲート電極１６が配置される。ゲート電極１６には、カソード１０に比べて高電位が印加され、アノード１４には、ゲート電極１６よりもさらに高い電位が印加される。各放出サイト１２から放出された電子は、アノード１４の方に進む。なお、いうまでもないが、電子源は、ゲート電極１６を設けない２極構造であってもよい。

図２は、シリコン基板の上に形成したゲート付き冷陰極を図式的に示す。導電性の半導体基板（たとえばシリコン基板）２０のうえに、絶縁体層（たとえば酸化シリコン層）２２を形成し、さらに、その上にたとえば金のゲート電極層２４を設ける。次に、ゲート電極層２４と絶縁体層２２を、半導体基板２０の表面が露出されるまで、エッチして、開口部２６を生成する。次に、開口部２６の中央に、有機金属化合物ガス雰囲気で、電子ビームまたはイオンビームを照射し、有機金属化合物を分解して、半導体基板２０の上に微細金属の針状の堆積２８を形成させる。さらに、後で説明するように、針状の堆積の先端に複数の放出サイトを１０ｎｍ以下の間隔で設ける。なお、半導体基板２０の代わりに、ガラス基板に金属膜を堆積した基板または金属基板を用いてもよい。

次に、電子波干渉電子源の製造について説明する。１例では、図３に示すような、集束イオンビームと電子ビームを用いるデュアルビームシステムを電界電子放出冷陰極の製造に用いる。ここで、真空チャンバー内で、ステージ４０の上に、シリコン基板２０を置き、電子コラム４２、イオンコラム４４およびガスノズル４６をその周囲に配置する。上部から電子ビームを放射する電子コラム４２は、たとえばビームエネルギー２〜３０keV、ビーム電流７０〜１００ｐＡ、ビームスポット径３ｎｍの条件で電子ビームを照射する。また、イオンコラム４４は、電子ビームと所定の角度をなして集束イオンビームを照射する。イオンコラム４４は、たとえばＧａ液体金属イオン源であり、たとえばビームエネルギー３０keV、ビーム電流１〜１１５００ｐＡ、ビームスポット径７〜５００ｎｍの条件で集束イオンビームを照射する。まず、Ｎ型シリコンウェハ（シリコン基板）２０を酸化して、たとえば厚さ０．５μｍの酸化リシコンの絶縁体層２２を生成する。次に、その上にたとえば厚さ０．３μｍの金の金属層２４（ゲート電極）を堆積する。次に、集束イオンビームを用いた物理的スパッタ（７０ｐＡの電流で）により、金属層２４に開口を設ける。さらに、開口に露出された酸化シリコン層２２をエッチングにより除去する。こうして、たとえば２.０μｍ径の開口部２６を生成する。

次に、開口部２６の近傍に配置されたガスノズル４６により、前駆体材料である反応ガス、たとえば白金有機化合物Ｃ_５Ｈ_５Ｐｔ(ＣＨ_３)_３の蒸気をたとえば１０^１８〜１０^１９mol/cm²sの流量で導入し、開口部２６の中央へ、集束イオンビームまたは電子ビームを同一焦点位置で照射する。ここで、集束イオンビームは、たとえば、ビームエネルギー３０ＫｅＶ、ビーム電流１〜１１５００ｐＡ、ビーム径７〜５００ｎｍであり、電子ビームは、たとえば、ビームエネルギー１５ＫｅＶ、ビーム電流２７０μＡ、ビームスポット径３ｎｍである。開口部２６に吸着された分子はビームにより分解され、堆積物が、たとえば約１μｍの高さまで、細長く形成される。なお、有機金属化合物としては他にＷＦ₆、Ｗ(ＣＯ)₆,Ｍｏ(ＣＯ)₆,Ｆｅ(ＣＯ)₆,Ｎｉ(ＣＯ)₄,Ｍｅ₂Ａｕ(ａｃａｃ)、Ｃｕ(ｈｆａｃ)_２，Ｃｒ(Ｃ₆Ｈ₆)₂等を用いてもよい。

続いて、電子ビームのみを用いて、生成された堆積物の上に、電子ビーム誘起により複数の突起部（放出サイト）を堆積する。ここで、有機金属ガス雰囲気中で、開口内の中心に照射する。たとえば、ビームエネルギーは１５kｅＶであり、ビーム電流は２７０μＡであり、ビームスポット径は３ｎｍである。照射は、図４の左側に示す照射パターンプログラムによって、２つの所望の点を中心として照射をおこなう。ここで、照射パターンプログラムにおいて、ビーム照射時間、滞在（dwell）時間および重複度（overlapping rate）を制御する。こうして、堆積物の先端に、隣接する２つの突起部（放出サイト）が形成される。２つの突起部の頂点の間隔は、１０ｎｍ以下である。なお、有機金属化合物の分解により得られる堆積物は、炭素C、白金Ptおよび酸素Oからなり、金属（白金）が炭素中にナノ結晶状に含まれる複合層である。

また、電界電子放出冷陰極の別の製造方法では、まず、前述のとおり集束イオンビームまたは電子ビームにより堆積物を細長く生成する。こうして、図５の走査電子顕微鏡写真において左側に示すような針状の堆積層が形成される。次に、その堆積層を熱処理して複数の突起部（放出サイト）を生成する。具体的には、堆積物を窒素雰囲気で熱処理することにより、図５の右側に示すように、１０ｎｍ以下の狭い間隙の２つの突起部が形成される。

ＩＶ測定による放出特性の測定により、電界電子放出特性を確認した。図６は、Ｉ−Ｖ特性の測定系の１例を示す。測定条件の１例では、ゲート付き電界電子放出冷陰極（カソード）５２と陽極(アノード)５４とを対向させて真空チャンバー５０内に置いた。アノード５４とカソード５２の間隔は１０ｍｍとした。カソード５２は、たとえば、ｎ−Ｓｉ基板２０の上に上述の２つの突起部を備えた白金堆積物２８とゲート電極２４を備える。一方、アノード５４は、ガラス基板５４ａのうえにＩＴＯ層５４ｂとリン層５４ｃを順次堆積したものである。図に示すように、陰極５２に保護抵抗（１０ＭΩ）５６、微小電流計５８と電圧源６０を接続し、陽極５４に微小電流計６２と電圧源６４を接続し、ゲート電極２４を接地する。コンピュータ６６は測定を制御し測定データを収集する。真空チャンバー５０内の圧力を約１０^−８Paとし、７７Ｋまたは３００Ｋの温度において、測定を行った。ここで、ゲート電極２４を接地し、アノード５４にたとえば１０００Ｖを印加し、カソード５２にたとえば０〜−８０Ｖを印加した。

電子波の干渉によるパターンは、図７に示すように生じる。すなわち、位相のそろったコヒーレント電子波が２つの放出サイトから放出されると、電子波の位相コヒーレンス長（電子の波がその位相情報を同じに保ったまま存在、伝播できる範囲）内では互いに干渉して、干渉パターンが発生する。

電子波のパターンは、蛍光面で観測した。１例として、図８は、１０ｎｍの間隔で２つの突起部を持つ電子源を用いて、１００Ｋで５００Ｖで蛍光面で観測された電子波のパターンを示す。７本の平行な縞が観測された。これに対して、単独の放出サイトからの電子波のパターンは、１つのスポットのみが観測された。したがって、図８のパターンは、単独の放出サイトからの電子波によるものではない。

図８のパターンが電子波干渉によるものであることを確認するため、１辺がａの２つの方形開口が距離Ｍａで隣接している場合のフラウンホーファ回折パターンの計算結果と比較した。フラウンホーファの回折は、光源および観測点が回折を起こす物体（たとえば開口）に対して無限遠にあって、入射波および回折波も平面波と見なせる場合の光の回折である。いまの場合、図９に示すように、２つの放出サイトを１辺の長さがａの方形開口で近似し、そのＸ方向での間隔をＭａ（Ｍは整数）として、フラウンホーファ回折パターンを計算した。この場合のフラウンホーファ回折パターンの強度は下記の式で表される。
放出サイトの大きさａを１ｎｍとし、Ｍ＝１，３，１０とすると、図１０〜図１２に示されるパターンが得られる。ここで、左側には３次元で、右側には２次元で強度が示される。

Ｍ＝１（図１０）は、単独の放出サイトの場合であり、１つの輝度の高いパターンと４つの輝度の低いパターンが生じる。これに対し、２つの放出サイトの間隙を１０ｎｍ（Ｍ＝１０）とすると（図１２）、Ｘ方向に７本の輝度の高い干渉縞と１０本の輝度の低い干渉縞が発生する。この計算結果は、図７の干渉パターンにおける７本の干渉縞に対応する。これは、図８の実験のパターンに対応しており、１０ｎｍのナノ間隙の電子源を用いることにより、ａ＝１ｎｍ、Ｍ＝１０の電子波の干渉パターンが発生したと推定される。なお、Ｍ＝３の場合は（図１１）、Ｘ方向に３本の輝度の高い干渉縞と４本の輝度の低い干渉縞が発生する。

以上では、シリコン基板に形成した電界放出冷陰極について説明したが、電界電子放出冷陰極は、電子顕微鏡において陰極として通常使用されているタングステンワイヤの上に形成してもよい。この場合、タングステンワイヤの先端に、有機金属ガス雰囲気で、電子ビームを照射して、上述の製造方法のいずれかにより、複数の放出サイトを形成する。

また、上述の電子波干渉冷陰極を用いて、種々の装置や素子が構成できる。図１３は、１例として、電子波干渉電子源を用いた超小型露光装置を示す。超高真空チャンバー（図示しない）内で、金属または半導体基板７０上に電子線レジスト７２を塗布した基板７４をステージ７６の上に載せ、陽極とする。一方、２つの突起部を備えた電子波干渉冷陰極７６（図１３では図式的に示す）を、三軸（xyz）方向に制御可能な圧電素子７８に取り付け、基板７４の表面に対してたとえば１nm程度の微小間隔に保つ。圧電素子７８は、外部の制御部（図示しない）から印加される電圧により、基板７４に相対的に位置が制御される。そして、陽極７４と陰極７６の間に電圧を印加することによって、電子線レジスト７２は、陰極７６から放出された電子波の干渉パターンに露光される。干渉縞の輝線の間隔Δｘは、Ｌλ／ｄで表される。ここで、Ｌは陰極陽極間距離であり、λは電子のフェルミ波長であり、ｄは陰極の突起部の間隔（ギャップ間隔）である。したがって、干渉縞の輝線の間隔Δｘは、Ｌとｄにより変わる。たとえば、陽極陰極間距離Ｌを１nmとし、フェルミ波長λを一般的な金属の１nmとし、電子波干渉冷陰極のギャップ間隔ｄを１０nmとすると、電子線レジスト７２上に図式的に示されているように、ピッチ（Δｘ）０．１nmの電子波の干渉パターンを露光することが可能となる。すなわち、電子線により０．１ｎｍのオーダーの微細加工が可能になる。

図１４は、上述の電子波干渉電子源を用いた素子の他の１例である磁気センサを示す。本磁気センサは、ゲート電極８２付きの電子波干渉冷陰極８０と、複数の等間隔で配置されたライン状の陽極（アノード）８４から構成されている。電子波干渉冷陰極８０から放出された電子波が、対向配置されているアノード８４の方向に加速されて移動するとき、外部磁場が印加されると電子はローレンツ力を受けて、その軌道が偏向される。このローレンツ力により電子波干渉パターンも移動する。このときの、それぞれのアノード８４上に到達する電子ビームの電流量を測定することによって磁界を検出できる。感度は、磁界が電場の方向と陽極が配置されている方向に垂直な場合に最も高くなる。なお、ゲート電極のない電子波干渉冷陰極を用いてもよい。

電界電子放出冷陰極を用いた電子波干渉電子源の図式的な図電界電子放出冷陰極の図式的な図収束イオンビームと電子ビームを用いた堆積装置の図式的な図電子ビームを用いた２つの放出サイトの堆積の図式的な図熱処理による２つの放出サイトの形成を示す電子顕微鏡写真Ｉ−Ｖ測定を説明するための図電子波の干渉パターンの回路図電子波の干渉縞の１例（５００Ｖ、１００Ｋ）の蛍光面の写真方形開口によるフラウンホーファ回折を説明するための図方形開口で放出サイトの間隔をＭ＝１としたときのフラウンホーファ回折によるパターンの計算結果の図方形開口で放出サイトの間隔をＭ＝３としたときのフラウンホーファ回折によるパターンの計算結果の図方形開口で放出サイトの間隔をＭ＝１０としたときのフラウンホーファ回折によるパターンの計算結果の図超小型露光装置の図式的な図磁気センサの図式的な図

符号の説明

１０陰極、１２突起部（放出サイト）、１４アノード、１６ゲート電極、２０導電性の半導体基板、２２絶縁体層、２４ゲート電極層、２８針状の堆積（エミッタ）。

Claims

導電性の陰極基部と、
前記陰極基部の上に形成され、細長い先端を備える導電体と
を備え、
前記導電体の先端が複数の突起部からなり、この複数の突起部は１０ｎｍ以下の間隔で配置されている
電界電子放出冷陰極。
前記陰極基部がシリコン基板、ガラス基板に金属膜を堆積した基板および金属基板のいずれかである、請求項１に記載された電界電子放出冷陰極。
前記陰極基部であるシリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された絶縁体層と、
前記絶縁体層の上に形成されたゲート電極層と、
前記ゲート電極層と前記絶縁体層に、前記シリコン基板表面を露出するまで設けられた開口部と、
前記開口部において前記シリコン基板表面の上に設けられ、前記複数の突起部を先端に備える前記電子放出源と
からなる電界電子放出冷陰極。
前記陰極基部がタングステンワイヤであり、前記タングステンワイヤの先端に前記導電体が設けられる、請求項１に記載された電界電子放出冷陰極。
導電性の陰極基部と、前記陰極基部の上に形成され、細長い先端を備える導電体とからなる陰極と、
前記陰極に対向して設けられる陽極と、
前記陰極と前記陽極の間に配置されるゲート電極と
からなり、
前記導電体の先端が、１０ｎｍ以下の間隔で配置されている複数の突起部を備える
電界電子放出電子源。
真空チャンバー内で、
導電性の陰極基部の上で、有機金属ガス雰囲気中で電子ビームまたはイオンビームを照射して導電体を堆積し、
さらに、前記導電体の上に、複数の照射中心の間隔を１０ｎｍ以下として、電子ビームを照射して、複数の突起部を堆積する
電界電子放出冷陰極の製造方法。
真空チャンバー内で、
導電性の陰極基部の上で、有機金属ガス雰囲気中で電子ビームまたはイオンビームを照射して導電体を細長く堆積し、
次に、前記の細長い導電体を窒素雰囲気で熱処理して、１０ｎｍ以下の間隙で複数の突起部を前記の導電体の先端に形成する
電界電子放出冷陰極の製造方法。
基板上に電子線レジスト層を設けた基板を設置するためのステージと、
請求項１〜５のいずれかに記載された電界電子放出冷陰極と、
前記電界電子放出冷陰極が固定され、三軸方向に位置制御可能な位置制御素子とからなり、
前記電界電子放出冷陰極が前記ステージに対向して配置される
露光装置。
請求項１〜５のいずれかに記載された電界電子放出冷陰極と、
前記電界電子放出冷陰極の前記複数の突起部に対向して、前記複数の突起部が並ぶ方向に配列された複数の陽極と
からなる磁気センサ。