JP4416148B2

JP4416148B2 - Field emission electron source and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4416148B2
Application number: JP2001096904A
Authority: JP
Inventors: 浩一相澤; 卓哉菰田; 康嗣岩田
Original assignee: Panasonic Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002298728A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、導電性基板の一表面側に酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている（例えば、特開平８−２５０７６６号公報、特開平９−２５９７９５号公報、特開平１０−３２６５５７号公報、特許第２９６６８４２号、特許第２９８７１４０号など参照）。なお、導電性基板としては、例えば、抵抗率が導体の導電率に比較的近い半導体基板、金属基板、ガラス基板（絶縁性基板）の一表面に導電性層を形成したものなどが用いられている。
【０００３】
ところで、上述の強電界ドリフト層は、例えば半導体単結晶や半導体多結晶を陽極酸化処理にて多孔質化した後、酸化若しくは窒化することにより形成されており、結晶粒径がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と半導体微結晶の表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さい膜厚の絶縁膜とを少なくとも含むと考えられる。
【０００４】
この種の電界放射型電子源は、例えば、図９に示すように導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ドリフト層６’が形成され、強電界ドリフト層６’上に表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されている。なお、図９に示す例では、ｎ形シリコン基板１と強電界ドリフト層６’との間に例えばノンドープの多結晶シリコンからなる半導体層３を介在させてあるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面上に強電界ドリフト層６’を形成した構成も提案されている。
【０００５】
図９に示す構成の電界放射型電子源１０’から電子を放出させるには、図１０に示すように、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７がｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）に対して高電位側（正極）となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、ｎ形シリコン基板１から注入された電子が強電界ドリフト層６’をドリフトし表面電極７を通して放出される（なお、図１０中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流れを示す）。表面電極７には仕事関数の小さな材料（例えば、金）が採用され、表面電極７の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００６】
ここにおいて、強電界ドリフト層６’に印加された電界の大部分は上記絶縁膜を集中的に通り、注入された電子は上記絶縁膜を通る強電界により加速されｎ形シリコン基板１の主表面の法線方向（図１０の上向き）にドリフトする。なお、強電界ドリフト層６’の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【０００７】
上述の構成を有する電界放射型電子源１０’では、表面電極７とオーミック電極２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１０参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率が高くなる。
【０００８】
なお、強電界ドリフト層６’が多結晶シリコンを陽極酸化処理により多孔質化した後に酸化することにより形成された電界放射型電子源１０’では、直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、陽極酸化処理により半導体微結晶を形成したものでは、強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズや配列、半導体微結晶の充填率などの制御が難しく、図１１に示すように強電界ドリフト層６’中の半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の結晶粒径（サイズ）がばらついている場合、シリコン微結晶６３の結晶粒径のばらつきに起因した配列の乱れによる電子の散乱や散乱確率の増大によって、強電界ドリフト層６’内での電子のエネルギ損失が増えて電子のエネルギが低減され、十分なエミッション電流および十分な電子放出効率が得られない、温度が上昇しやすくなるなどの不具合があった。ただし、特許第２９６６８４２号、特許第２９８７１４０号に記載の電界放射型電子源では強電界ドリフト層中に多結晶シリコンのグレインを有しており、多結晶シリコンのグレインを通して熱が放熱されることで温度上昇が抑制されていると考えられる。
【００１０】
また、上述の電界放射型電子源では放出される電子のエネルギ分布の広がりが例えば図１２に示すように比較的大きいので、電子線描画装置、電子顕微鏡、電子線回折装置のように電子線を用いた分析装置などへ応用するのが難しいという不具合があった。ここに、図１２は、上述の強電界ドリフト層６’が多結晶シリコンを陽極酸化処理により多孔質化した後に酸化することにより形成された電界放射型電子源１０’から放射される電子のエネルギＮ（Ｅ）のエネルギ分布を示し、同図においてイは直流電圧Ｖpsを１２Ｖとした場合、ロは直流電圧Ｖpsを１４Ｖとした場合、ハは直流電圧Ｖpsを１６Ｖとした場合の測定結果である。図１２に示した各エネルギ分布では、エネルギの平均値をＥ、反値幅（ＦＷＨＭ）をΔＥとするとき、ΔＥ／Ｅが０．６〜０．７という比較的大きな値になっている。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く、放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源およびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極として電圧を印加することにより導電性基板から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリフト層は、ナノメータオーダの結晶粒径の分布が規定範囲に制限されている半導体微結晶と半導体微結晶よりもバンドギャップが大きいバリア用原子とで構成される多数のクラスタからなり、隣り合う半導体微結晶間にバリア用原子が介在する形で連続的に繋がって形成されてなることを特徴とするものであり、半導体微結晶のサイズとしての結晶粒径を量子効果が起こる程度に小さくすることにより、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている場合に比べて、エミッション電流を大きくできるとともに電子放出効率を高めることができ、さらに、放出電子エネルギ分布の広がりを小さくすることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体微結晶がシリコン微結晶なので、半導体微結晶を形成するための材料として一般的に広く用いられている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図ることが可能になる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記半導体微結晶の結晶粒径が１０ｎｍを超えないので、前記半導体微結晶がシリコン微結晶であっても量子サイズ効果が起こる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記バリア用原子が、酸素原子と窒素原子との少なくとも一方からなるので、前記半導体微結晶がシリコン微結晶であっても確実にポテンシャルバリアを形成することができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないので、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図れる。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置への応用が可能となる。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置への応用が可能となり、請求項６の発明に比べて電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などの分解能を高めることができるとともに、高分解能であることを必要とする新規な装置への応用が可能となる。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト層を形成するにあたっては、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビームを前記導電性基板の一表面側に照射することによって多数の半導体微結晶からなる層状の微結晶層を形成した後に、酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うことを特徴とし、半導体クラスタのサイズを上記規定範囲に制限することによって強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズを規定範囲に制限することが可能になって、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリフト層を形成することができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放射型電子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することが可能となる。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビームを酸化種と窒化種との少なくとも一方を含む雰囲気中で前記導電性基板の一表面側に照射することによって前記強電界ドリフト層を形成することを特徴とし、半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリフト層を形成することができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放射型電子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することが可能となる。また、請求項８の発明のようにクラスタビームを照射した後に酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うプロセスを採用する場合に比べて工程数を削減できるとともに、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方をより確実に介在させることができる。なお、酸化種としては、原子状酸素、酸素分子、オゾン、酸素ラジカル、酸素イオンなどがあり、窒化種としては、原子状窒素、窒素分子、窒素ラジカル、窒素イオンなどがある。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの分布が規定範囲に制限されているので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズのばらつきを小さくすることができる。
【００２２】
請求項１１の発明は、請求項８ないし請求項１０の発明において、前記半導体クラスタは、シリコン原子の集合体からなるので、前記半導体クラスタを形成するための原料として一般的に広く用いられている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図ることが可能になる。
【００２３】
請求項１２の発明は、請求項８ないし請求項１１の発明において、前記クラスタビームは、半導体クラスタのサイズが１０ｎｍを超えないので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶の結晶粒径を１０ｎｍ以下にすることができ、半導体微結晶がシリコン微結晶であっても量子サイズ効果が起こる。
【００２４】
請求項１３の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図れる電界放射型電子源を提供できる。
【００２５】
請求項１４の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ’、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放射型電子源を提供できる。
【００２６】
請求項１５の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放射型電子源を提供でき、請求項１４の発明に比べて応用する装置の分解能をより高めることができる。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項８ないし請求項１５の発明において、前記クラスタビームは、希ガス雰囲気中で前記半導体微結晶の材料となるターゲットにレーザ光を照射して蒸発させることによって発生した衝撃波を反射させることで発生した反衝撃波を利用してターゲットからの蒸発ガスを一時的に滞留させて半導体クラスタを生成するクラスタビーム銃から出射されるので、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないようなクラスタビームを容易に生成することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１（ａ）に本実施形態の電界放射型電子源１０の概略断面図を、図３（ａ）〜（ｄ）に電界放射型電子源１０の製造方法における主要工程断面図を示す。なお、本実施形態では、導電性基板としてガラス基板からなる絶縁性基板１１の一表面上に導電性層（例えば、クロム膜などの金属膜やＩＴＯ膜など）１２を設けたものを用いている。このように絶縁性基板１１の一表面側に導電性層１２を形成した基板を用いる場合には、導電性基板として半導体基板を用いる場合に比べて、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【００２９】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図１に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２上にノンドープのシリコン層からなる半導体層３が形成され、半導体層３上に電子のドリフトする強電界ドリフト層６が形成され、該強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成されている。表面電極７には仕事関数の小さな材料（例えば、金）が採用され、表面電極７の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。強電界ドリフト層６の構造については後述する。
【００３０】
図１（ａ）に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、図２に示すように、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が導電性層１２に対して高電位側（正極）となるように表面電極７と導電性層１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、導電性層１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図２中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００３１】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、表面電極７と導電性層１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率が高くなる。
【００３２】
以下、製造方法について図３を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッタ法などによって導電性層１２を形成して導電性基板を構成した後、導電性基板上（つまり、導電性層１２上）に半導体層３を形成することにより、図３（ａ）に示すような構造が得られる。なお、半導体層３の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法（例えば、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Continuous Grain Silicon）法などを採用すればよい。
【００３４】
半導体層３を形成した後、後述のクラスタビーム堆積法（cluster beam deposition）によってナノメータオーダのシリコン微結晶を形成する半導体クラスタたるシリコンクラスタからなるクラスタビームを照射して半導体層３上に多数のシリコン微結晶からなる層状の微結晶層４を形成することにより、図３（ｂ）に示す構造が得られる。ここにおいて、クラスタビームとしては、シリコンクラスタのサイズ（ここではシリコンクラスタの原子数によって決まるシリコンクラスタの径）の分布が規定範囲に制限されたクラスタビーム（つまり、シリコンクラスタを構成するシリコン原子の数の分布が規定範囲に制限されたクラスタビーム）を照射する。なお、クラスタビームのクラスタは中性のクラスタでもイオン化されたクラスタでもよい。
【００３５】
上述の微結晶層４を形成した後、酸化処理にて微結晶層４を酸化して強電界ドリフト層６を形成することにより、図３（ｃ）に示す構造が得られる。なお、酸化処理としては、酸素やオゾンなどを含むガス中で熱酸化する工程、酸素やオゾンを含むガスを用いたプラズマにさらすことにより酸化する工程、酸素やオゾンを含むガス中で紫外線を照射することにより酸化する工程、液体中での化学反応を利用して酸化する工程（電気化学的に酸化する工程）など種々の工程から適宜選択すればよい。
【００３６】
強電界ドリフト層６を形成した後は、強電界ドリフト層６上に金薄膜よりなる表面電極７を例えば蒸着により形成することによって、図３（ｄ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得られる。なお、表面電極７の形成方法は蒸着法に限定されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【００３７】
図４に上記微結晶層４を形成する際にクラスタビーム堆積法で用いるクラスタビーム銃の一例を示す。シリコンクラスタの材料としてはシリコンからなるターゲット７１を用いる。ターゲット７１を保持したホルダ７２はチャンバ７０内に収納される。ターゲット７１には、図示しないレーザ光源（例えば、ＹＡＧレーザ）からのレーザ光がレンズ７４およびミラー７５を介して間欠的に照射される。チャンバ７０には内部を真空に排気するための排気口（図示せず）と、希ガス（例えば、Ｈｅガス）を導入するガス導入口７３とが設けられている。なお、クラスタ生成室７６は液体窒素を利用して冷却されている。ガス導入口７３には希ガスの流量を調整する流量調整手段（図示せず）が設けられている。
【００３８】
このクラスタビーム銃では、チャンバ７０内にガス導入口７３から希ガスを導入してから上記レーザ光をターゲット７１に照射して蒸発させることによってクラスタ生成室７６内に衝撃波が発生し衝撃波が反射板７７にて反射されることで反衝撃波が発生する。これにより、クラスタ生成室７６内では蒸発ガスと希ガスとの境界と反衝撃波とが干渉して滞留し上記境界近傍で蒸発ガスと希ガスとの混合領域が形成され、蒸発ガスが急激に冷却されて比較的サイズの揃ったシリコンクラスタが生成されると考えられる。要するに、クラスタは反衝撃波と蒸発ガスとが混合される領域で生成されると考えられる。クラスタ生成室７６で発生したシリコンクラスタは反射板７７に形成された小孔７７ａを通して出射されスキマー７８を通して半導体層３上に堆積される。ここに、半導体層３の表面側に到達したシリコンクラスタはクラスタ状態を保ったままシリコン微結晶を形成すると考えられる。したがって、半導体層３上に形成される層状の微結晶層４は、シリコン微結晶の結晶粒径の分布が上記規定範囲に制限されていると考えられる。なお、図４中のＡは半導体層３が形成された導電性基板を示す。
【００３９】
しかして、本実施形態の電界放射型電子源１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、強電界ドリフト層６は、図１（ｂ）に示すように、ナノメータオーダの結晶粒径の分布が規定範囲に制限されているシリコン微結晶６３とシリコン微結晶６３よりもバンドギャップが大きいバリア用原子たる酸素原子８１とで構成される多数のクラスタ６０からなり、隣り合うシリコン微結晶６３間に酸素原子８１が介在する形で連続的に繋がって形成されていると考えられる（なお、図１（ｂ）には隣り合うシリコン微結晶６３間に１個の酸素原子８１を介在させた形で表してあるが、隣り合う酸素原子８１の数は１個に限定するものではない）。したがって、シリコン微結晶６３のサイズとしての結晶粒径を量子効果が起こる程度に小さくすることにより、図５に示すようにバンドギャップの大きな酸素原子８１のポテンシャルバリアＢ，Ｂによって挟まれたシリコン微結晶６３内には当該シリコン微結晶６３のサイズで決まる量子化されたエネルギ準位である共鳴準位Ｅ１，Ｅ２が生じ、表面電極７と導電性層１２との間に直流電圧Ｖpsを印加する（つまり、電界を印加する）と、導電性層１２から半導体層３を通って強電界ドリフト層６へ電子ｅ^-が注入され共鳴準位Ｅ１，Ｅ２と上記クラスタ６０への電子ｅ^-の入射エネルギとが一致した場合に電子ｅ^-の透過確率が大きくなってトンネル効果で電子ｅ^-が通り抜け、共鳴準位に一致するエネルギの電子ｅ^-のみがシリコン微結晶６３を通り抜ける共鳴トンネリングが起こる。つまり、共鳴トンネリングが起こることにより、ある特定のエネルギの電子のみがシリコン微結晶６３を通り抜け、最終的にエネルギの揃った電子が表面電極７の表面から放出されることになる。
【００４０】
したがって、シリコン微結晶６３の結晶粒径の分布を規定範囲に制限することによって表面電極７を通して放出される放出電子のエネルギ分布を小さくすることができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成され半導体微結晶の結晶粒径がばらついている場合に比べて、強電界ドリフト層６中での散乱確率を低減でき、エミッション電流を大きくできるとともに電子放出効率を高めることができる。また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが可能になり、電子線描画装置、電子顕微鏡、電子線回折装置のように電子線を用いた分析装置などへの応用が可能となる。
【００４１】
なお、強電界ドリフト層６に注入された電子がシリコン微結晶６３で散乱されることなく強電界ドリフト層６の表面に到達するためには、シリコン微結晶６３の結晶粒径を単結晶シリコン中の電子の平均自由行程である約５０ｎｍよりも小さくする必要があり、シリコンで量子サイズ効果を実現するためには１０ｎｍを超えないようにし、好ましくは５ｎｍよりも小さいものがよい。
【００４２】
また、上述のクラスタビーム銃から出射されるシリコンクラスタのサイズ（原子数）は希ガスの流量やチャンバ７０内の圧力などを適宜調整することにより制御できると考えられ、シリコンクラスタのサイズ（原子数）の平均値をＮ’、シリコンクラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とし、シリコン微結晶６３のサイズ（原子数）の平均値をＮ、シリコン微結晶６３のサイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないようなクラスタビームを利用して強電界ドリフト層６を形成することにより、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないようにすることができ（つまり、ΔＮ／Ｎを０．５以下にでき）、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図れる電界放射型電子源１０を提供できる。また、ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないようなクラスタビームを利用して強電界ドリフト層６を形成することにより、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないようにすることができ従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、しかも単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる。また、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないようなクラスタビームを利用して強電界ドリフト層６を形成することにより、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないようにすることができ電子線描画装置、電子顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などの分解能をより向上できる。ここに、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないようにすれば、従来例で説明したΔＥ／Ｅを０．０１以下にできるから、電子線描画装置、電子顕微鏡や電子線回折装置などの高分解能が要求される装置の分解能を向上でき、ΔＥ／Ｅとして０．０１以下が要求されるような新規な分析装置へも応用も可能となる。なお、上述したようにＥは電界放射型電子源１０から放出される電子のエネルギ分布における平均値、ΔＥは半値幅である。
【００４３】
ところで、本実施形態では、上述の層状の微結晶層４に酸化処理を施すことにより強電界ドリフト層６を形成しているが、窒化処理を施すことにより強電界ドリフト層６を形成してもよく、この場合には上述のバリア用原子が窒素原子になる。また、酸窒化処理を施すことにより強電界ドリフト層６を形成してもよく、この場合には上述のバリア用原子が酸素原子および窒素原子になる。上記酸素原子８１および窒素原子はシリコン微結晶６３に対して確実にポテンシャルバリアＢを形成できる。なお、本実施形態では、半導体微結晶としてシリコン微結晶を採用しているが、シリコン微結晶以外の半導体微結晶でもよい。ただし、本実施形態では、シリコン微結晶を採用していることで、一般的な半導体材料であるシリコンを上記ターゲットと７１して用いることができ、低コスト化を図れる。
【００４４】
（実施形態２）
本実施形態の基本構成および基本動作は実施形態１と略同じであって、実施形態１とは製造方法が相違する。以下、製造方法について図６を参照しながら説明する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して簡単に説明する。
【００４５】
まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッタ法などによって導電性層１２を形成して導電性基板を構成した後、導電性基板上（つまり、導電性層１２上）に半導体層３を形成することにより、図６（ａ）に示すような構造が得られる。
【００４６】
半導体層３を形成した後、実施形態１で説明したクラスタビーム銃で生成したナノメータオーダのシリコンクラスタからなるクラスタビームを照射する際に、半導体層３が形成されている導電性基板Ａの収納されている空間にあらかじめ酸素ガスを導入しておくことにより、半導体層３上に強電界ドリフト層６が形成されて図６（ｂ）に示す構造が得られる。
【００４７】
強電界ドリフト層６を形成した後は、強電界ドリフト層６上に金薄膜よりなる表面電極７を例えば蒸着により形成することによって、図６（ｃ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得られる。
【００４８】
本実施形態における強電界ドリフト層６は次のようなモデルで形成されると考えられる。すなわち、導電性基板の収納されている空間は酸素ガス雰囲気となっているから、クラスタビームが照射されることにより上記空間には図７に示すようにシリコン微結晶６３を形成するシリコンクラスタ６３ａ、酸素分子８０、酸素原子８１などが混在し、半導体層３の表面側には、シリコン微結晶６３とシリコン微結晶６３の表面に結合された酸素原子８１とからなる多数のクラスタ６０（図１（ｂ）参照）が配列されていくと考えられる。したがって、本実施形態の電界放射型電子源１０でも実施形態１と同様のモデルで電子放出が起こると考えられる。
【００４９】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、実施形態１と同様、シリコン微結晶６３の結晶粒径の分布を規定範囲に制限することによって表面電極７を通して放出される放出電子のエネルギ分布を小さくすることができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成され半導体微結晶の結晶粒径がばらついている場合に比べて、強電界ドリフト層６中での散乱確率を低減でき、エミッション電流を大きくできるとともに電子放出効率を高めることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、導電性基板の収納されている空間を酸素ガス雰囲気としているが、酸化種雰囲気であればよく、酸化種は酸素分子に限らず、原子状酸素、オゾン、酸素イオン、酸素ラジカルなどでもよい。また、上記空間を窒化種雰囲気として実施形態１で説明したバリア用原子を窒素原子としてもよい。なお、窒化種としては、窒素分子、原子状窒素、窒素イオン、窒素ラジカルなどがある。また、上記空間を酸化種と窒化種との両方の雰囲気としてもよく、この場合にはバリア用原子が酸素原子および窒素原子となる。
【００５１】
ところで、上記各実施形態では、導電性基板としてガラス基板からなる絶縁性基板１１の一表面に導電性層１２を形成したものを用いているが、導電性基板としては、クロムなどの金属基板を用いてもよいし、半導体基板（例えば、抵抗率が導体の抵抗率に比較的近いｎ形シリコン基板や、一表面側に導電性層としてｎ形領域が形成されたｐ形シリコン基板など）などを用いてもよい。絶縁性基板１１もガラス基板の他ににセラミック基板などを用いることができる。
【００５２】
例えば、導電性基板としてｎ形シリコン基板１を用いた場合には、図８に示すように、導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面上に半導体層３が形成され、半導体層３上に強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成され、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形成される。なお、図８に示す例では、ｎ形シリコン基板１と強電界ドリフト層６との間に半導体層３を介在させてあるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面上に強電界ドリフト層６を形成してもよい。
【００５３】
図８に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７がｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）に対して高電位側（正極）となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、ｎ形シリコン基板１から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（なお、図８中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流れを示す）。
【００５４】
また、上記各実施形態においては、表面電極７の材料として金を採用しているが、表面電極７の材料は金に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、クロム、タングステン、ニッケル、白金などを用いてもよい。
【００５５】
また、表面電極７を厚み方向に積層された少なくとも２層の薄膜層で構成してもよい。表面電極７が２層の薄膜層で構成される場合には、上層の薄膜層の材料としては、例えば金などを用いることができる。また、下層の薄膜層（強電界ドリフト層６側の薄膜層）の材料としては、例えば、クロム、ニッケル、白金、チタン、イリジウムなどを用いることができる。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、導電性基板と、導電性基板の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極として電圧を印加することにより導電性基板から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリフト層は、ナノメータオーダの結晶粒径の分布が規定範囲に制限されている半導体微結晶と半導体微結晶よりもバンドギャップが大きいバリア用原子とで構成される多数のクラスタからなり、隣り合う半導体微結晶間にバリア用原子が介在する形で連続的に繋がって形成されてなるものであり、半導体微結晶のサイズとしての結晶粒径を量子効果が起こる程度に小さくすることにより、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている場合に比べて、エミッション電流を大きくできるとともに電子放出効率を高めることができ、さらに、放出電子エネルギ分布の広がりを小さくすることができるという効果がある。
【００５７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体微結晶がシリコン微結晶なので、半導体微結晶を形成するための材料として一般的に広く用いられている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図ることが可能になるという効果がある。
【００５８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記半導体微結晶の結晶粒径が１０ｎｍを超えないので、前記半導体微結晶がシリコン微結晶であっても量子サイズ効果が起こるという効果がある。
【００５９】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記バリア用原子が、酸素原子と窒素原子との少なくとも一方からなるので、前記半導体微結晶がシリコン微結晶であっても確実にポテンシャルバリアを形成することができるという効果がある。
【００６０】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないので、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図れるという効果がある。
【００６１】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置への応用が可能となるという効果がある。
【００６２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置への応用が可能となり、請求項６の発明に比べて電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などの分解能を高めることができるとともに、高分解能であることを必要とする新規な装置への応用が可能となるという効果がある。
【００６３】
請求項８の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト層を形成するにあたっては、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビームを前記導電性基板の一表面側に照射することによって多数の半導体微結晶からなる層状の微結晶層を形成した後に、酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うので、半導体クラスタのサイズを上記規定範囲に制限することによって強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズを規定範囲に制限することが可能になって、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリフト層を形成することができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放射型電子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することが可能となるという効果がある。
【００６４】
請求項９の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビームを酸化種と窒化種との少なくとも一方を含む雰囲気中で前記導電性基板の一表面側に照射することによって前記強電界ドリフト層を形成するので、半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリフト層を形成することができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放射型電子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することが可能となるという効果がある。また、請求項８の発明のようにクラスタビームを照射した後に酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うプロセスを採用する場合に比べて工程数を削減できるとともに、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方をより確実に介在させることができるという効果がある。なお、酸化種としては、原子状酸素、酸素分子、オゾン、酸素ラジカル、酸素イオンなどがあり、窒化種としては、原子状窒素、窒素分子、窒素ラジカル、窒素イオンなどがある。
【００６５】
請求項１０の発明は、請求項８または請求項９の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの分布が規定範囲に制限されているので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズのばらつきを小さくすることができるという効果がある。
【００６６】
請求項１１の発明は、請求項８ないし請求項１０の発明において、前記半導体クラスタは、シリコン原子の集合体からなるので、前記半導体クラスタを形成するための原料として一般的に広く用いられている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図ることが可能になるという効果がある。
【００６７】
請求項１２の発明は、請求項８ないし請求項１１の発明において、前記クラスタビームは、半導体クラスタのサイズが１０ｎｍを超えないので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶の結晶粒径を１０ｎｍ以下にすることができ、半導体微結晶がシリコン微結晶であっても量子サイズ効果が起こるという効果がある。
【００６８】
請求項１３の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図れる電界放射型電子源を提供できるという効果がある。
【００６９】
請求項１４の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ’、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放射型電子源を提供できるという効果がある。
【００７０】
請求項１５の発明は、請求項８ないし請求項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないので、前記強電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないように前記強電界ドリフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放射型電子源を提供でき、請求項１４の発明に比べて応用する装置の分解能をより高めることができるという効果がある。
【００７１】
請求項１６の発明は、請求項８ないし請求項１５の発明において、前記クラスタビームは、希ガス雰囲気中で前記半導体微結晶の材料となるターゲットにレーザ光を照射して蒸発させることによって発生した衝撃波を反射させることで発生した反衝撃波を利用してターゲットからの蒸発ガスを一時的に滞留させて半導体クラスタを生成するクラスタビーム銃から出射されるので、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないようなクラスタビームを容易に生成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は強電界ドリフト層の構造モデル図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図４】同上の製造に用いる製造装置の概略構成図である。
【図５】同上の電子放出原理の説明図である。
【図６】実施形態２の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図７】同上における強電界ドリフト層の形成モデル図である。
【図８】本発明の他の構成例を示す概略断面図である。
【図９】従来例を示す概略断面図である。
【図１０】同上の動作説明図である。
【図１１】同上における強電界ドリフト層の構造モデル図である。
【図１２】同上の放出電子のエネルギ分布の説明図である。
【符号の説明】
３半導体層
６強電界ドリフト層
７表面電極
１０電界放射型電子源
１１絶縁性基板
１２導電性層
６０クラスタ
６３シリコン微結晶
８１酸素原子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission electron source which emits an electron beam by field emission and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a field emission electron source has been proposed in which a strong electric field drift layer made of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer is formed on one surface side of a conductive substrate, and a surface electrode is formed on the strong electric field drift layer. (For example, refer to JP-A-8-250766, JP-A-9-259795, JP-A-10-326557, JP2996642, JP2987140, etc.). As the conductive substrate, for example, a semiconductor substrate having a resistivity relatively close to the conductivity of the conductor, a metal substrate, or a glass substrate (insulating substrate) having a conductive layer formed on one surface is used. Yes.
[0003]
By the way, the above-mentioned strong electric field drift layer is formed by, for example, making a semiconductor single crystal or semiconductor polycrystal porous by anodic oxidation, and then oxidizing or nitriding, and the crystal grain size is many in nanometer order. It is considered to include at least a semiconductor microcrystal and an insulating film formed on the surface of the semiconductor microcrystal and having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystal.
[0004]
In this type of field emission electron source, for example, as shown in FIG. 9, a strong electric field drift layer 6 ′ is formed on the main surface side of an n-type silicon substrate 1 as a conductive substrate, and on the strong electric field drift layer 6 ′. A surface electrode 7 is formed on the surface. An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1. In the example shown in FIG. 9, the semiconductor layer 3 made of, for example, non-doped polycrystalline silicon is interposed between the n-type silicon substrate 1 and the strong electric field drift layer 6 ′, but the semiconductor layer 3 is not interposed. In addition, a configuration in which a strong electric field drift layer 6 ′ is formed on the main surface of the n-type silicon substrate 1 has also been proposed.
[0005]
In order to emit electrons from the field emission electron source 10 ′ having the configuration shown in FIG. 9, a collector electrode 21 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided as shown in FIG. In a state where the space between the surface electrode 7 and the n-type silicon substrate 1 is set so that the surface electrode 7 is on the high potential side (positive electrode) with respect to the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2). A voltage Vps is applied, and a DC voltage Vc is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 so that the collector electrode 21 is on the high potential side with respect to the surface electrode 7. If the DC voltages Vps and Vc are set appropriately, electrons injected from the n-type silicon substrate 1 drift through the strong electric field drift layer 6 'and are emitted through the surface electrode 7 (note that the one-dot chain line in FIG. Electrons e emitted through the surface electrode 7 ^- Shows the flow). The surface electrode 7 is made of a material having a small work function (for example, gold), and the film thickness of the surface electrode 7 is set to about 10 to 15 nm.
[0006]
Here, most of the electric field applied to the strong electric field drift layer 6 ′ intensively passes through the insulating film, and the injected electrons are accelerated by the strong electric field passing through the insulating film and are accelerated by the main surface of the n-type silicon substrate 1. Drift in the normal direction (upward in FIG. 10). The electrons that reach the surface of the strong electric field drift layer 6 ′ are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the surface electrode 7 and released into the vacuum.
[0007]
In the field emission electron source 10 ′ having the above-described configuration, the current flowing between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is called a diode current Ips, and the current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is an emission current. If referred to as (emitted electron current) Ie (see FIG. 10), the larger the ratio of the emission current Ie to the diode current Ips (= Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency.
[0008]
In the field emission electron source 10 ′ formed by oxidizing the strong electric field drift layer 6 ′ after making polycrystalline silicon porous by anodizing, the DC voltage Vps is set to a low voltage of about 10 to 20V. Can also emit electrons.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where semiconductor microcrystals are formed by anodic oxidation, it is difficult to control the size and arrangement of the semiconductor microcrystals in the strong electric field drift layer, the filling rate of the semiconductor microcrystals, etc., and as shown in FIG. When the crystal grain size (size) of the silicon microcrystal 63 as the semiconductor microcrystal in the layer 6 ′ varies, the scattering of electrons and the scattering probability due to the disorder of the arrangement due to the variation in the crystal grain size of the silicon microcrystal 63. Due to the increase, the energy loss of the electrons in the strong electric field drift layer 6 ′ increases, the energy of the electrons is reduced, a sufficient emission current and sufficient electron emission efficiency cannot be obtained, and the temperature tends to rise. was there. However, the field emission electron sources described in Japanese Patent Nos. 2966842 and 2987140 have polycrystalline silicon grains in the strong electric field drift layer, and heat is dissipated through the polycrystalline silicon grains. It is considered that the temperature rise is suppressed.
[0010]
In the field emission electron source described above, since the spread of the energy distribution of emitted electrons is relatively large as shown in FIG. 12, for example, an electron beam is used like an electron beam drawing apparatus, an electron microscope, or an electron beam diffraction apparatus. There was a problem that it was difficult to apply to the analyzers used. FIG. 12 shows the energy of electrons emitted from the field emission electron source 10 ′ formed by oxidizing the strong electric field drift layer 6 ′ after making polycrystalline silicon porous by anodizing. N (E) shows the energy distribution. In the figure, A is the measurement result when the DC voltage Vps is 12V, B is the measurement result when the DC voltage Vps is 14V, and C is the measurement result when the DC voltage Vps is 16V. . In each energy distribution shown in FIG. 12, when the average value of energy is E and the inverse width (FWHM) is ΔE, ΔE / E is a relatively large value of 0.6 to 0.7.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object thereof is to provide a field emission electron source having a large emission current, a high electron emission efficiency, and a small spread of energy distribution of emitted electrons, and a manufacturing method thereof. There is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is directed to a conductive substrate, a strong electric field drift layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer. A field emission electron source in which electrons injected from the conductive substrate drift through the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode serving as a positive electrode with respect to the conductive substrate. The strong electric field drift layer is composed of a large number of clusters composed of semiconductor microcrystals whose distribution of crystal grain size on the nanometer order is limited to a specified range and barrier atoms having a larger band gap than the semiconductor microcrystals, It is characterized by being formed by continuously connecting adjacent semiconductor microcrystals in the form of barrier atoms, and the crystal grain size as the size of the semiconductor microcrystal is determined by the quantum effect. As compared with the conventional case where the strong electric field drift layer is formed using anodizing treatment, the emission current can be increased and the electron emission efficiency can be increased. The spread of the emitted electron energy distribution can be reduced.
[0013]
Since the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal in the invention of the first aspect, the invention of claim 2 can use silicon which is a semiconductor material generally widely used as a material for forming the semiconductor microcrystal. It is possible to reduce the cost.
[0014]
In the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or claim 2, since the crystal grain size of the semiconductor microcrystal does not exceed 10 nm, a quantum size effect occurs even if the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal. .
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, since the barrier atom is composed of at least one of an oxygen atom and a nitrogen atom, the semiconductor microcrystal is surely a silicon microcrystal. A potential barrier can be formed.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN in the first to fourth aspects of the invention, Since ΔN / N does not exceed 0.5, when used in applications such as displays, etc., where the electron emission efficiency is high and a relatively large emission current is required, the brightness can be improved compared to the conventional case. Energy saving can be achieved.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, Since ΔN / N does not exceed 0.1, the electron emission efficiency can be greatly improved as compared to the conventional case, and electrons having energy within a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength can be emitted. It can be applied to required analyzers such as electron beam drawing apparatuses, electron beam microscopes, and electron beam diffractometers.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N, and the half width in the size distribution curve is ΔN, Since ΔN / N does not exceed 0.01, the electron emission efficiency can be greatly improved compared to the conventional case, and electrons having energy within a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength can be emitted. It can be applied to required analysis devices such as electron beam drawing devices, electron beam microscopes and electron beam diffractometers. Compared with the invention of claim 6, such as electron beam drawing devices, electron beam microscopes and electron beam diffraction devices, etc. The resolution of an analysis apparatus or the like can be increased, and application to a new apparatus that requires high resolution becomes possible.
[0019]
The invention according to claim 8 is the method of manufacturing the field emission electron source according to claim 1, wherein the strong electric field drift layer is formed by forming a cluster beam composed of semiconductor clusters forming a semiconductor microcrystal of nanometer order. Irradiating one surface side of the conductive substrate to form a layered microcrystalline layer made of a large number of semiconductor microcrystals, and then performing an oxidation treatment, a nitridation treatment, or an oxynitridation treatment. By limiting the size to the specified range, it is possible to limit the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer to the specified range, and at least one of oxygen atoms and nitrogen atoms between adjacent semiconductor microcrystals. Thus, a strong electric field drift layer having a structure intervening as barrier atoms can be formed. It is possible to provide a field emission electron source that has a large emission current, a high electron emission efficiency, and a small spread of energy distribution of emitted electrons compared to a field emission electron source formed by using .
[0020]
A ninth aspect of the present invention is a method of manufacturing a field emission electron source according to the first aspect, wherein a cluster beam comprising semiconductor clusters forming a semiconductor microcrystal of nanometer order is subjected to at least one of an oxidizing species and a nitriding species. The strong electric field drift layer is formed by irradiating one surface side of the conductive substrate in an atmosphere containing at least one of oxygen atoms and nitrogen atoms as barrier atoms between semiconductor microcrystals. A strong electric field drift layer with the above structure can be formed, and the emission current is larger and the electron emission is higher than the field emission electron source in which the strong electric field drift layer is formed by using anodizing treatment as in the past. It is possible to provide a field emission electron source having high efficiency and a small spread of energy distribution of emitted electrons. In addition, the number of steps can be reduced as compared with the case where the process of performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment after irradiating the cluster beam as in the invention of claim 8 and oxygen oxygen between adjacent semiconductor microcrystals. At least one of an atom and a nitrogen atom can be interposed more reliably. The oxidizing species include atomic oxygen, oxygen molecules, ozone, oxygen radicals, and oxygen ions, and the nitriding species include atomic nitrogen, nitrogen molecules, nitrogen radicals, and nitrogen ions.
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to the eighth or ninth aspect, the size distribution of the semiconductor cluster is limited to a specified range in the cluster beam, so that the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is formed. Variation in size of the image can be reduced.
[0022]
The invention of claim 11 is generally used widely as a raw material for forming the semiconductor cluster in the inventions of claims 8 to 10 because the semiconductor cluster is composed of an aggregate of silicon atoms. Silicon, which is a semiconductor material, can be used, and the cost can be reduced.
[0023]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of the eighth to eleventh aspects, since the cluster beam has a semiconductor cluster size not exceeding 10 nm, the crystal grain size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is set to 10 nm. The quantum size effect occurs even if the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal.
[0024]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the inventions of the eighth to twelfth aspects, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.5, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN / The strong electric field drift layer can be formed so that N does not exceed 0.5, and when used for applications that require a relatively large emission current, such as displays, etc. It is possible to provide a field emission type electron source capable of improving luminance and saving energy as compared with the prior art.
[0025]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the eighth to twelfth aspects, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.1, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N ′ and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN The strong electric field drift layer can be formed so that / N does not exceed 0.1, and the electron emission efficiency can be greatly improved compared to the conventional one, and it is included in a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength. It is possible to provide a field emission electron source that can be applied to an electron beam drawing apparatus, an electron beam microscope, an electron beam diffractometer, and other analyzers that are required to emit electrons having the required energy.
[0026]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the eighth to twelfth aspects of the present invention, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.01, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN / The strong electric field drift layer can be formed so that N does not exceed 0.01, and the electron emission efficiency can be greatly improved as compared with the conventional one, and it is included in a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength. 15. A field emission electron source that can be applied to an electron beam drawing apparatus that is required to emit energy electrons, an analysis apparatus such as an electron beam microscope or an electron beam diffraction apparatus, and the like. Resolution of the apparatus compared to applications can be further enhanced.
[0027]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the inventions according to the eighth to fifteenth aspects, the cluster beam is generated by irradiating a target, which is a material of the semiconductor microcrystal, with a laser beam in a rare gas atmosphere and evaporating the target. Since the anti-shock wave generated by reflecting the shock wave is used to temporarily evaporate the evaporated gas from the target and exit from the cluster beam gun that generates the semiconductor cluster, the average value of the size of the semiconductor cluster is expressed as N ', When a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster is ΔN', it is possible to easily generate a cluster beam such that ΔN '/ N' does not exceed 0.01.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the field emission electron source 10 of the present embodiment, and FIGS. 3A to 3D are main process cross-sectional views in the method of manufacturing the field emission electron source 10. In the present embodiment, a conductive substrate provided with a conductive layer (for example, a metal film such as a chromium film or an ITO film) 12 on one surface of an insulating substrate 11 made of a glass substrate is used. . As described above, when the substrate having the conductive layer 12 formed on one surface side of the insulating substrate 11 is used, the area of the electron source and the cost can be reduced as compared with the case where the semiconductor substrate is used as the conductive substrate. It becomes possible.
[0029]
As shown in FIG. 1, the field emission electron source 10 of this embodiment includes a semiconductor layer 3 made of a non-doped silicon layer on a conductive layer 12 on an insulating substrate 11, and an electron on the semiconductor layer 3. The drifting strong electric field drift layer 6 is formed, and the surface electrode 7 is formed on the strong electric field drift layer 6. The surface electrode 7 is made of a material having a small work function (for example, gold), and the film thickness of the surface electrode 7 is set to about 10 to 15 nm. The structure of the strong electric field drift layer 6 will be described later.
[0030]
In order to emit electrons from the field emission electron source 10 having the configuration shown in FIG. 1A, as shown in FIG. 2, a collector electrode 21 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided, and the surface electrode 7 and the collector electrode are provided. A DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the conductive layer 12 so that the surface electrode 7 is on the high potential side (positive electrode) with respect to the conductive layer 12 in a vacuum state between the surface electrode 21 and the conductive layer 12. At the same time, a DC voltage Vc is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 so that the collector electrode 21 is on the high potential side with respect to the surface electrode 7. If the DC voltages Vps and Vc are appropriately set, electrons injected from the conductive layer 12 drift through the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the one-dot chain line in FIG. Emitted electrons e ^- Shows the flow). The electrons reaching the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the surface electrode 7 and emitted into the vacuum.
[0031]
In the field emission electron source 10 of the present embodiment, the current flowing between the surface electrode 7 and the conductive layer 12 is called a diode current Ips, and the current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is an emission current ( If it is called emission electron current (Ie) (see FIG. 2), the larger the ratio of emission current Ie to diode current Ips (= Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency.
[0032]
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
[0033]
First, the conductive layer 12 is formed on one surface side of the insulating substrate 11 by sputtering or the like to form the conductive substrate, and then the semiconductor layer 3 is formed on the conductive substrate (that is, on the conductive layer 12). By doing so, a structure as shown in FIG. As a method for forming the semiconductor layer 3, for example, a CVD method (for example, LPCVD method, plasma CVD method, catalytic CVD method, etc.), a sputtering method, a CGS (Continuous Grain Silicon) method, or the like may be employed.
[0034]
After the semiconductor layer 3 is formed, a large number of silicon is formed on the semiconductor layer 3 by irradiating a cluster beam composed of silicon clusters as semiconductor clusters for forming nanometer-order silicon microcrystals by a cluster beam deposition method to be described later. By forming a layered microcrystalline layer 4 made of microcrystals, the structure shown in FIG. 3B is obtained. Here, the cluster beam is a cluster beam in which the distribution of the size of the silicon cluster (here, the diameter of the silicon cluster determined by the number of silicon cluster atoms) is limited to a specified range (that is, the number of silicon atoms constituting the silicon cluster). (Cluster beam whose distribution is limited to a specified range). The cluster of the cluster beam may be a neutral cluster or an ionized cluster.
[0035]
After forming the microcrystalline layer 4 described above, the strong crystal drift layer 6 is formed by oxidizing the microcrystalline layer 4 by an oxidation treatment, whereby the structure shown in FIG. 3C is obtained. The oxidation treatment includes a process of thermal oxidation in a gas containing oxygen or ozone, a process of oxidation by exposure to plasma using a gas containing oxygen or ozone, or irradiation with ultraviolet rays in a gas containing oxygen or ozone. The process may be appropriately selected from various processes such as a process of oxidizing by performing a process and a process of oxidizing using a chemical reaction in a liquid (a process of electrochemically oxidizing).
[0036]
After the strong electric field drift layer 6 is formed, a surface electrode 7 made of a gold thin film is formed on the strong electric field drift layer 6 by, for example, vapor deposition, so that the field emission electron source 10 having the structure shown in FIG. can get. In addition, the formation method of the surface electrode 7 is not limited to a vapor deposition method, For example, you may use a sputtering method.
[0037]
FIG. 4 shows an example of a cluster beam gun used in the cluster beam deposition method when the microcrystalline layer 4 is formed. As a material of the silicon cluster, a target 71 made of silicon is used. The holder 72 holding the target 71 is accommodated in the chamber 70. The target 71 is intermittently irradiated with laser light from a laser light source (not shown) (for example, YAG laser) through a lens 74 and a mirror 75. The chamber 70 is provided with an exhaust port (not shown) for exhausting the inside to a vacuum and a gas introduction port 73 for introducing a rare gas (for example, He gas). The cluster generation chamber 76 is cooled using liquid nitrogen. The gas inlet 73 is provided with a flow rate adjusting means (not shown) for adjusting the flow rate of the rare gas.
[0038]
In this cluster beam gun, a shock wave is generated in the cluster generation chamber 76 by introducing a rare gas from the gas inlet 73 into the chamber 70 and then irradiating the target 71 with the laser light to evaporate the shock wave. The anti-shock wave is generated by being reflected at 77. As a result, the boundary between the evaporative gas and the rare gas interferes with the anti-shock wave in the cluster generation chamber 76, and a mixed region of the evaporative gas and the rare gas is formed in the vicinity of the boundary, so that the evaporative gas is rapidly cooled. Thus, it is considered that silicon clusters having a relatively uniform size are generated. In short, it is considered that the cluster is generated in a region where the anti-shock wave and the evaporation gas are mixed. Silicon clusters generated in the cluster generation chamber 76 are emitted through the small holes 77 a formed in the reflector 77 and are deposited on the semiconductor layer 3 through the skimmer 78. Here, it is considered that the silicon clusters that have reached the surface side of the semiconductor layer 3 form silicon microcrystals while maintaining the cluster state. Therefore, in the layered microcrystalline layer 4 formed on the semiconductor layer 3, it is considered that the crystal grain size distribution of the silicon microcrystals is limited to the specified range. 4A shows a conductive substrate on which the semiconductor layer 3 is formed.
[0039]
Therefore, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, it is considered that electron emission occurs in the following model. That is, as shown in FIG. 1B, the strong electric field drift layer 6 has a larger band gap than the silicon microcrystal 63 and the silicon microcrystal 63 in which the distribution of crystal grain size in the nanometer order is limited to a specified range. It is considered to be formed of a large number of clusters 60 composed of oxygen atoms 81 serving as barrier atoms and continuously connected in a form in which oxygen atoms 81 are interposed between adjacent silicon microcrystals 63 (note that In FIG. 1B, one oxygen atom 81 is interposed between adjacent silicon microcrystals 63, but the number of adjacent oxygen atoms 81 is not limited to one). Therefore, by reducing the crystal grain size as the size of the silicon microcrystal 63 to such an extent that the quantum effect occurs, the silicon microcrystal sandwiched between the potential barriers B and B of the oxygen atoms 81 having a large band gap as shown in FIG. Resonance levels E1 and E2 which are quantized energy levels determined by the size of the silicon microcrystal 63 are generated in the crystal 63, and a DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the conductive layer 12. (That is, when an electric field is applied), electrons e e from the conductive layer 12 through the semiconductor layer 3 to the strong electric field drift layer 6 ^- Are injected and the resonance levels E1 and E2 and the electrons e to the cluster 60 are ^- If the incident energy of the electron coincides with the electron e ^- The transmission probability of the electron e increases due to the tunnel effect ^- Passes through and has an electron e whose energy matches the resonance level e ^- Resonant tunneling occurs only through the silicon microcrystals 63. In other words, when resonance tunneling occurs, only electrons having a specific energy pass through the silicon microcrystal 63, and finally electrons with uniform energy are emitted from the surface of the surface electrode 7.
[0040]
Therefore, the energy distribution of the emitted electrons emitted through the surface electrode 7 can be reduced by limiting the crystal grain size distribution of the silicon microcrystal 63 to a specified range, and the strong electric field drift layer can be anodized as in the prior art. Compared to the case where the crystal grain size of the semiconductor microcrystals formed by using the process varies, the scattering probability in the strong electric field drift layer 6 can be reduced, the emission current can be increased, and the electron emission efficiency can be increased. it can. Also, it becomes possible to emit electrons with energy within a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength, and analysis using an electron beam such as an electron beam drawing device, an electron microscope, and an electron beam diffraction device. Application to devices and the like becomes possible.
[0041]
In order for the electrons injected into the strong electric field drift layer 6 to reach the surface of the strong electric field drift layer 6 without being scattered by the silicon microcrystal 63, the crystal grain size of the silicon microcrystal 63 is set in the single crystal silicon. In order to realize the quantum size effect with silicon, it should not exceed 10 nm, and preferably less than 5 nm.
[0042]
Further, it is considered that the size (number of atoms) of the silicon cluster emitted from the above cluster beam gun can be controlled by appropriately adjusting the flow rate of the rare gas, the pressure in the chamber 70, and the like. ) Is N ′, the half-value width in the distribution curve of the silicon cluster size is ΔN ′, the average value of the size (number of atoms) of the silicon microcrystal 63 is N, and the half-value in the size distribution curve of the silicon microcrystal 63 is When the value width is ΔN, the strong electric field drift layer 6 is formed using a cluster beam such that ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.5 so that ΔN / N does not exceed 0.5. (That is, ΔN / N can be reduced to 0.5 or less), and it requires high emission current with high electron emission efficiency for applications such as displays. When used in applications can provide a field emission electron source 10 can be improved and energy saving of luminance as compared with the prior art. Further, by forming the strong electric field drift layer 6 using a cluster beam such that ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.1, ΔN / N can be prevented from exceeding 0.1. Compared with electron beam lithography, electron beam lithography equipment, electron microscopes and electron beam diffraction are required to emit electrons with energy in a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength. Application to analyzers such as devices becomes possible. Further, by forming the strong electric field drift layer 6 using a cluster beam such that ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.01, it is possible to prevent ΔN / N from exceeding 0.01. The resolution of line drawing devices, analyzers such as electron microscopes and electron beam diffractometers can be further improved. Here, if ΔN / N does not exceed 0.01, ΔE / E described in the conventional example can be made 0.01 or less, so that the electron beam lithography apparatus, the electron microscope, the electron beam diffraction apparatus, etc. The resolution of an apparatus that requires resolution can be improved, and application to a new analyzer that requires 0.01 or less as ΔE / E is also possible. As described above, E is an average value in the energy distribution of electrons emitted from the field emission electron source 10, and ΔE is a half width.
[0043]
By the way, in the present embodiment, the strong electric field drift layer 6 is formed by subjecting the above-described layered microcrystalline layer 4 to oxidation, but even if the strong electric field drift layer 6 is formed by performing nitriding treatment. In this case, the above-mentioned barrier atom is a nitrogen atom. Further, the strong electric field drift layer 6 may be formed by performing an oxynitriding process. In this case, the above-mentioned barrier atoms become oxygen atoms and nitrogen atoms. The oxygen atom 81 and the nitrogen atom can surely form the potential barrier B with respect to the silicon microcrystal 63. In the present embodiment, silicon microcrystals are employed as the semiconductor microcrystals, but semiconductor microcrystals other than silicon microcrystals may be used. However, in the present embodiment, since silicon microcrystals are used, silicon, which is a general semiconductor material, can be used as the target 71, and the cost can be reduced.
[0044]
(Embodiment 2)
The basic configuration and basic operation of the present embodiment are substantially the same as those of the first embodiment, and the manufacturing method is different from that of the first embodiment. Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and it demonstrates easily.
[0045]
First, the conductive layer 12 is formed on one surface side of the insulating substrate 11 by sputtering or the like to form the conductive substrate, and then the semiconductor layer 3 is formed on the conductive substrate (that is, on the conductive layer 12). By doing so, a structure as shown in FIG. 6A is obtained.
[0046]
After the semiconductor layer 3 is formed, the conductive substrate A on which the semiconductor layer 3 is formed is accommodated when irradiating a cluster beam composed of nanometer-order silicon clusters generated by the cluster beam gun described in the first embodiment. By introducing oxygen gas into the space in advance, the strong electric field drift layer 6 is formed on the semiconductor layer 3, and the structure shown in FIG. 6B is obtained.
[0047]
After the strong electric field drift layer 6 is formed, a surface electrode 7 made of a gold thin film is formed on the strong electric field drift layer 6 by, for example, vapor deposition, so that the field emission electron source 10 having the structure shown in FIG. can get.
[0048]
The strong electric field drift layer 6 in this embodiment is considered to be formed by the following model. That is, since the space in which the conductive substrate is housed is an oxygen gas atmosphere, a silicon cluster 63a that forms silicon microcrystals 63 as shown in FIG. Oxygen molecules 80, oxygen atoms 81, and the like are mixed, and on the surface side of the semiconductor layer 3, a large number of clusters 60 composed of silicon microcrystals 63 and oxygen atoms 81 bonded to the surface of the silicon microcrystals 63 (FIG. 1 ( b) is considered to be arranged. Therefore, it is considered that electron emission occurs in the field emission electron source 10 of the present embodiment using the same model as that of the first embodiment.
[0049]
In the field emission electron source 10 of the present embodiment, as in the first embodiment, the energy distribution of emitted electrons emitted through the surface electrode 7 is reduced by limiting the crystal grain size distribution of the silicon microcrystal 63 to a specified range. Compared to the case where the strong electric field drift layer is formed by using anodizing treatment and the crystal grain size of the semiconductor microcrystal varies as in the conventional case, the scattering probability in the strong electric field drift layer 6 is increased. The emission current can be increased and the electron emission efficiency can be increased.
[0050]
In this embodiment, the space in which the conductive substrate is housed is an oxygen gas atmosphere. However, it may be an oxidizing species atmosphere, and the oxidizing species is not limited to oxygen molecules. Atomic oxygen, ozone, oxygen ions, Oxygen radicals may be used. Moreover, it is good also considering the atom for barriers demonstrated in Embodiment 1 as a nitrogen atom by making the said space into nitriding seed atmosphere. Nitrogen species include nitrogen molecules, atomic nitrogen, nitrogen ions, nitrogen radicals, and the like. The space may be an atmosphere of both oxidizing species and nitriding species. In this case, the barrier atoms are oxygen atoms and nitrogen atoms.
[0051]
By the way, in each said embodiment, what formed the conductive layer 12 on one surface of the insulating substrate 11 which consists of a glass substrate as a conductive substrate is used, However, As a conductive substrate, metal substrates, such as chromium, are used. A semiconductor substrate (for example, an n-type silicon substrate whose resistivity is relatively close to the resistivity of a conductor, a p-type silicon substrate in which an n-type region is formed as a conductive layer on one surface side, etc.) May be used. As the insulating substrate 11, a ceramic substrate or the like can be used in addition to the glass substrate.
[0052]
For example, when the n-type silicon substrate 1 is used as the conductive substrate, the semiconductor layer 3 is formed on the main surface of the n-type silicon substrate 1 as the conductive substrate, as shown in FIG. A strong electric field drift layer 6 is formed thereon, a surface electrode 7 is formed on the strong electric field drift layer 6, and an ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1. In the example shown in FIG. 8, the semiconductor layer 3 is interposed between the n-type silicon substrate 1 and the strong electric field drift layer 6, but the main surface of the n-type silicon substrate 1 without the semiconductor layer 3 being interposed. A strong electric field drift layer 6 may be formed thereon.
[0053]
In order to emit electrons from the field emission type electron source 10 having the configuration shown in FIG. 8, a collector electrode 21 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided, and a vacuum is applied between the surface electrode 7 and the collector electrode 21. The DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the n-type silicon substrate 1 so that the surface electrode 7 is on the high potential side (positive electrode) with respect to the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2), and the collector A DC voltage Vc is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 so that the electrode 21 is on the high potential side with respect to the surface electrode 7. If the DC voltages Vps and Vc are set appropriately, electrons injected from the n-type silicon substrate 1 drift through the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (note that the one-dot chain line in FIG. Electrons e emitted through the electrode 7 ^- Shows the flow).
[0054]
Moreover, in each said embodiment, although gold | metal | money is employ | adopted as a material of the surface electrode 7, the material of the surface electrode 7 is not limited to gold, For example, aluminum, chromium, tungsten, nickel, platinum, etc. May be used.
[0055]
Further, the surface electrode 7 may be composed of at least two thin film layers laminated in the thickness direction. When the surface electrode 7 is composed of two thin film layers, the material of the upper thin film layer can be gold, for example. Moreover, as a material of the lower thin film layer (thin film layer on the strong electric field drift layer 6 side), for example, chromium, nickel, platinum, titanium, iridium, or the like can be used.
[0056]
【The invention's effect】
The invention of claim 1 includes a conductive substrate, a strong electric field drift layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and the surface electrode is made conductive. A field emission electron source in which electrons injected from a conductive substrate by drifting a strong electric field drift layer by applying a voltage as a positive electrode to the substrate are emitted through a surface electrode, and the strong electric field drift layer has a nanometer It consists of a large number of clusters composed of semiconductor microcrystals whose order crystal grain size distribution is limited to a specified range and barrier atoms having a band gap larger than that of semiconductor microcrystals. It is formed by continuous connection in the form of intervening atoms, and by reducing the crystal grain size as the size of the semiconductor microcrystal to such an extent that the quantum effect occurs, As compared with the case where the strong electric field drift layer is formed by using anodization, the emission current can be increased, the electron emission efficiency can be increased, and the spread of the emission electron energy distribution can be reduced. There is an effect that can be.
[0057]
Since the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal in the invention of the first aspect, the invention of claim 2 can use silicon which is a semiconductor material generally widely used as a material for forming the semiconductor microcrystal. There is an effect that the cost can be reduced.
[0058]
In the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or claim 2, since the crystal grain size of the semiconductor microcrystal does not exceed 10 nm, a quantum size effect occurs even if the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal. There is an effect.
[0059]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, since the barrier atom is composed of at least one of an oxygen atom and a nitrogen atom, the semiconductor microcrystal is surely a silicon microcrystal. Thus, there is an effect that a potential barrier can be formed.
[0060]
According to a fifth aspect of the present invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN in the first to fourth aspects of the invention, Since ΔN / N does not exceed 0.5, when used in applications such as displays, etc., where the electron emission efficiency is high and a relatively large emission current is required, the brightness can be improved compared to the conventional case. There is an effect that energy saving can be achieved.
[0061]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, Since ΔN / N does not exceed 0.1, the electron emission efficiency can be greatly improved as compared to the conventional case, and electrons having energy within a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength can be emitted. There is an effect that it can be applied to an analysis apparatus such as an electron beam drawing apparatus, an electron beam microscope, and an electron diffraction apparatus.
[0062]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N, and the half width in the size distribution curve is ΔN, Since ΔN / N does not exceed 0.01, the electron emission efficiency can be greatly improved compared to the conventional case, and electrons having energy within a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength can be emitted. It can be applied to required analysis devices such as electron beam drawing devices, electron beam microscopes and electron beam diffractometers. Compared with the invention of claim 6, such as electron beam drawing devices, electron beam microscopes and electron beam diffraction devices, etc. There is an effect that it is possible to increase the resolution of an analysis apparatus and the like and to apply to a new apparatus that requires high resolution.
[0063]
The invention according to claim 8 is the method of manufacturing the field emission electron source according to claim 1, wherein the strong electric field drift layer is formed by forming a cluster beam composed of semiconductor clusters forming a semiconductor microcrystal of nanometer order. Is applied to one surface side of the conductive substrate to form a layered microcrystalline layer composed of a large number of semiconductor microcrystals, and then an oxidation treatment, a nitriding treatment, or an oxynitriding treatment is performed. By limiting to the specified range, the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer can be limited to the specified range, and at least one of oxygen atoms and nitrogen atoms is used as a barrier between adjacent semiconductor microcrystals. A strong electric field drift layer with a structure intervening as atoms can be formed. There is an effect that it is possible to provide a field emission electron source that has a large emission current, high electron emission efficiency, and a small spread of energy distribution of emitted electrons compared to the field emission electron source that is formed. .
[0064]
A ninth aspect of the present invention is a method of manufacturing a field emission electron source according to the first aspect, wherein a cluster beam comprising semiconductor clusters forming a semiconductor microcrystal of nanometer order is subjected to at least one of an oxidizing species and a nitriding species. Since the strong electric field drift layer is formed by irradiating one surface side of the conductive substrate in an atmosphere including the above, at least one of oxygen atoms and nitrogen atoms is interposed as a barrier atom between semiconductor microcrystals. A strong electric field drift layer can be formed, and the emission current is large and the electron emission efficiency is high compared to a field emission electron source in which the strong electric field drift layer is formed by using anodization as in the prior art. In addition, there is an effect that it is possible to provide a field emission electron source in which the spread of the energy distribution of emitted electrons is small. In addition, the number of steps can be reduced as compared with the case where the process of performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment after irradiating the cluster beam as in the invention of claim 8 and oxygen oxygen between adjacent semiconductor microcrystals. There is an effect that at least one of an atom and a nitrogen atom can be interposed more reliably. The oxidizing species include atomic oxygen, oxygen molecules, ozone, oxygen radicals, and oxygen ions, and the nitriding species include atomic nitrogen, nitrogen molecules, nitrogen radicals, and nitrogen ions.
[0065]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to the eighth or ninth aspect, the size distribution of the semiconductor cluster is limited to a specified range in the cluster beam, so that the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is formed. There is an effect that it is possible to reduce the variation of the size.
[0066]
The invention of claim 11 is generally used widely as a raw material for forming the semiconductor cluster in the inventions of claims 8 to 10 because the semiconductor cluster is composed of an aggregate of silicon atoms. Silicon, which is a semiconductor material, can be used, and the cost can be reduced.
[0067]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of the eighth to eleventh aspects, since the cluster beam has a semiconductor cluster size not exceeding 10 nm, the crystal grain size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is set to 10 nm. There is an effect that the quantum size effect occurs even if the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal.
[0068]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the inventions of the eighth to twelfth aspects, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.5, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN / The strong electric field drift layer can be formed so that N does not exceed 0.5, and when used for applications that require a relatively large emission current, such as displays, etc. There is an effect that it is possible to provide a field emission type electron source capable of improving luminance and saving energy as compared with the prior art.
[0069]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the eighth to twelfth aspects, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.1, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N ′ and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN The strong electric field drift layer can be formed so that / N does not exceed 0.1, and the electron emission efficiency can be greatly improved compared to the conventional one, and it is included in a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength. Therefore, there is an effect that it is possible to provide a field emission electron source that can be applied to an electron beam lithography apparatus, an electron beam microscope, an electron beam diffraction apparatus, and the like that are required to emit electrons having the required energy.
[0070]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the eighth to twelfth aspects of the present invention, the cluster beam has an average value of the size of the semiconductor cluster as N ′, and a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor cluster as ΔN ′. Since ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.01, when the average value of the size of the semiconductor microcrystal in the strong electric field drift layer is N and the half width in the size distribution curve is ΔN, ΔN / The strong electric field drift layer can be formed so that N does not exceed 0.01, and the electron emission efficiency can be greatly improved as compared with the conventional one, and it is included in a narrow wavelength range that can be represented by a single wavelength. 15. A field emission electron source that can be applied to an electron beam drawing apparatus that is required to emit energy electrons, an analysis apparatus such as an electron beam microscope or an electron beam diffraction apparatus, and the like. There is an effect that it is possible to enhance the resolution of the device to be compared to application.
[0071]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the inventions according to the eighth to fifteenth aspects, the cluster beam is generated by irradiating a target, which is a material of the semiconductor microcrystal, with a laser beam in a rare gas atmosphere and evaporating the target. Since the anti-shock wave generated by reflecting the shock wave is used to temporarily evaporate the evaporated gas from the target and exit from the cluster beam gun that generates the semiconductor cluster, the average value of the size of the semiconductor cluster is expressed as N ', When the half-value width in the distribution curve of the semiconductor cluster size is ΔN', there is an effect that a cluster beam can be easily generated such that ΔN '/ N' does not exceed 0.01.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a first embodiment, in which FIG. 1A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 1B is a structural model diagram of a strong electric field drift layer;
FIG. 2 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 3 is a sectional view of main steps for explaining the manufacturing method according to the embodiment.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a production apparatus used for the production.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the principle of electron emission.
6 is a main process sectional view for explaining the manufacturing method according to the second embodiment; FIG.
FIG. 7 is a formation model diagram of a strong electric field drift layer in the same as above.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a conventional example.
FIG. 10 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 11 is a structural model diagram of the strong electric field drift layer in the same as above.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the energy distribution of emitted electrons according to the above.
[Explanation of symbols]
3 Semiconductor layer
6 Strong electric field drift layer
7 Surface electrode
10 Field emission electron source
11 Insulating substrate
12 Conductive layer
60 clusters
63 Silicon microcrystal
81 oxygen atom

Claims

A conductive substrate, a strong electric field drift layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate Is a field emission electron source in which electrons injected from a conductive substrate drift through a strong electric field drift layer and are emitted through a surface electrode, and the strong electric field drift layer has a distribution of crystal grain size on the order of nanometers. Is composed of a number of clusters composed of semiconductor microcrystals with a limited range and barrier atoms having a larger band gap than semiconductor microcrystals, and barrier atoms are interposed between adjacent semiconductor microcrystals. A field emission electron source characterized by being formed by continuous connection.

2. The field emission electron source according to claim 1, wherein the semiconductor microcrystal is a silicon microcrystal.

3. The field emission electron source according to claim 1, wherein a crystal grain size of the semiconductor microcrystal does not exceed 10 nm.

The field emission electron source according to any one of claims 1 to 3, wherein the barrier atom is composed of at least one of an oxygen atom and a nitrogen atom.

2. The N / N does not exceed 0.5, where N is an average size of the semiconductor microcrystals in the strong electric field drift layer and ΔN is a half width in the size distribution curve. The field emission electron source according to claim 4.

2. The N / N does not exceed 0.1, where N is the average size of the semiconductor microcrystals in the strong electric field drift layer, and ΔN is the half width in the size distribution curve. The field emission electron source according to claim 4.

2. The N / N does not exceed 0.01, where N is the average size of the semiconductor microcrystals in the strong electric field drift layer and ΔN is the half-value width in the size distribution curve. The field emission electron source according to claim 4.

2. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 1, wherein the strong electric field drift layer is formed by applying a cluster beam composed of semiconductor clusters forming semiconductor nanocrystals on the order of nanometers to the conductive substrate. A method of manufacturing a field emission electron source, comprising forming a layered microcrystalline layer made of a large number of semiconductor microcrystals by irradiating the surface side, and then performing oxidation treatment, nitriding treatment, or oxynitriding treatment.

2. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 1, wherein a cluster beam composed of a semiconductor cluster forming a semiconductor microcrystal on the order of nanometers is applied in an atmosphere containing at least one of an oxidizing species and a nitriding species. A method of manufacturing a field emission electron source, wherein the strong electric field drift layer is formed by irradiating one surface side of a substrate.

10. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 8, wherein the cluster beam has a size distribution of the semiconductor cluster limited to a specified range.

11. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 8, wherein the semiconductor cluster is made of an aggregate of silicon atoms.

12. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 8, wherein the size of the semiconductor cluster of the cluster beam does not exceed 10 nm.

The cluster beam is characterized in that ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.5, where N ′ is an average value of the size of the semiconductor clusters and ΔN ′ is a half width of the distribution curve of the size of the semiconductor clusters. A method for manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 8 to 12.

In the cluster beam, ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.1, where N ′ is an average value of the size of the semiconductor clusters and ΔN ′ is a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor clusters. A method for manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 8 to 12.

In the cluster beam, ΔN ′ / N ′ does not exceed 0.01, where N ′ is an average value of the size of the semiconductor clusters and ΔN ′ is a half-value width in the distribution curve of the size of the semiconductor clusters. A method for manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 8 to 12.

The cluster beam evaporates from the target using anti-shock waves generated by reflecting shock waves generated by irradiating the target, which is the material of the semiconductor microcrystal, with a laser beam in a rare gas atmosphere and evaporating the target. The method of manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 8 to 15, wherein the gas is emitted from a cluster beam gun that temporarily retains gas to generate a semiconductor cluster.