JP5413716B2 - Electron emission apparatus and electron emission method - Google Patents

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Description

本発明は、新規な電子放出装置に関する。
また、本発明は、前記電子放出装置を用いる新規な電子放出方法に関する。
The present invention relates to a novel electron emission device.
The present invention also relates to a novel electron emission method using the electron emission device.

近年の超微細加工技術の進歩は著しいものであり、未踏の技術が次々と実現されている。超微細加工とはμm以下の寸法を加工する技術の総称であり、原子サイズの加工の実現及び活用を目標としている(非特許文献1参照)。実際、超微細加工の技術は高精細、巨大表示を可能とするディスプレイの実現やデバイスの高密度化による高機能化・低価格化の実現等に大きく貢献している。中でも集積回路(IC)の高密度化は目覚ましいものであり、加えてICの多品種・少量生産化の傾向も強くなってきている。この傾向によって、IC製造の主流であるフォトリソグラフィ(光露光)が問題視され始めている。この問題は特にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)において顕著となっている。   Recent progress in ultra-fine processing technology is remarkable, and unexplored technologies have been realized one after another. Ultrafine processing is a general term for technologies for processing dimensions of μm or less, and aims to realize and utilize atomic size processing (see Non-Patent Document 1). In fact, the ultra-fine processing technology has greatly contributed to the realization of high-definition and large-display displays and the realization of high functionality and low prices by increasing the density of devices. In particular, the increase in the density of integrated circuits (ICs) is remarkable, and in addition, the trend toward high-mix and low-volume production of ICs has become stronger. Due to this tendency, photolithography (light exposure), which is the mainstream of IC manufacturing, has begun to be regarded as a problem. This problem is particularly noticeable in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

MEMSとはフォトリソグラフィによる半導体プロセス技術を利用した小型のデバイスや構造体であり、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に集積化してある(非特許文献2参照)。MEMSは自動車の加速度センサを始め、各種センサやデジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)、医療分野等にも利用されおり、更なる多分野の応用も期待されている。そのため、前述の多品種・少量生産化も一際目立つものとなっている。   MEMS is a small device or structure that uses semiconductor process technology by photolithography. Mechanical element parts, sensors, actuators, and electronic circuits are integrated on a single silicon substrate, glass substrate, organic material, etc. (See Non-Patent Document 2). MEMS is used in various types of sensors, digital micromirror devices (DMD), medical fields, etc., including automobile acceleration sensors, and is expected to be applied in various fields. For this reason, the above-mentioned multi-product / small-volume production is also conspicuous.

IC製造やMEMS作製の主流となっているフォトリソグラフィとは、光を用いたパターン転写技術である。微細なパターンの生成が可能であることに加えて、一括加工であるため機械加工に比べて短時間・低コストで大量生産することも可能であるので、IC製造の主流となっている。   Photolithography, which has become the mainstream in IC manufacturing and MEMS manufacturing, is a pattern transfer technology using light. In addition to being able to generate fine patterns, it is the mainstream of IC manufacturing because it can be mass-produced in a shorter time and at a lower cost than machining because it is a batch process.

しかし、前述の通り多品種なICが求められるようになり、原版製造にかかるコストの増加が大きな負担となっている。そこで、フォトリソグラフィに替わる新たな加工技術が求められるようになった。その一つに電子線リソグラフィがある。   However, as described above, a wide variety of ICs have been demanded, and the increase in cost for producing the original plate has become a great burden. Therefore, a new processing technique replacing photolithography has been demanded. One of them is electron beam lithography.

電子線リソグラフィとは電子源 (エミッタ)に電圧を印加することによって、電子線を放出させ、放出された電子線によって感光剤を露光させる技術である(非特許文献3参照)。電子線リソグラフィには、原版が不要であるという利点がある。露光に用いる電子線の大きさは約0.2 nmと超微細なのでフォトリソグラフィよりも微細な解像度を得られ、ステージの制御性にも優れている(非特許文献1参照)。   Electron beam lithography is a technique in which an electron beam is emitted by applying a voltage to an electron source (emitter), and a photosensitive agent is exposed by the emitted electron beam (see Non-Patent Document 3). Electron beam lithography has the advantage of not requiring an original. Since the size of the electron beam used for exposure is as ultra-fine as about 0.2 nm, a finer resolution than photolithography can be obtained and the controllability of the stage is excellent (see Non-Patent Document 1).

しかし、既存の電子線リソグラフィには大きな欠点がある。それは加工時間である(非特許文献3参照)。電子線リソグラフィは電子線が当たった部分のみが感光するため、被加工基板全体を走査する必要がある。そのため、一区画を一度に露光させるフォトリソグラフィに比べて遥かに時間がかかる。   However, existing electron beam lithography has major drawbacks. That is the processing time (see Non-Patent Document 3). In the electron beam lithography, only the portion irradiated with the electron beam is exposed, so that it is necessary to scan the entire substrate to be processed. Therefore, it takes much time compared to photolithography in which one section is exposed at a time.

この欠点を克服するためにビーム形状や基板のスキャン方式等の改善が行われ実用化されている(非特許文献1参照)。また、新たな方式としてエミッタの並列化が発案されている。これは、複数のエミッタを配置して同時あるいはスイッチングしながら走査・描画を行うものである。また、1本の電子線を複数に分ける手段も考案されている(非特許文献1,3参照)。この方法を用いれば加工時間を大幅に減少させることが可能である。   In order to overcome this drawback, improvements in the beam shape and the substrate scanning method have been made and put into practical use (see Non-Patent Document 1). In addition, parallel emitters have been proposed as a new method. In this method, a plurality of emitters are arranged and scanning / drawing is performed simultaneously or while switching. In addition, means for dividing one electron beam into a plurality of devices has been devised (see Non-Patent Documents 1 and 3). If this method is used, the processing time can be greatly reduced.

なお、P.Hommelhoffらによって、電子放出装置の研究が報告されている(非特許文献4参照)。彼らはTi:sapphireパルスレーザーをタングステン製エミッタに対して垂直に照射している。   In addition, P. Hommelhoff et al. Have reported research on electron emission devices (see Non-Patent Document 4). They irradiate a Ti: sapphire pulsed laser perpendicular to the tungsten emitter.

麻蒔立男 超微細加工の基礎第2版 日刊工業新聞社(2001)Tatsuo Mayo Basics of Ultra Fine Processing 2nd edition Nikkan Kogyo Shimbun (2001) 株式会社セイコーインスツル ウェブサイト http://www.sii.co.jp/Seiko Instruments Inc. Website http://www.sii.co.jp/ 横山浩・秋永広幸 電子線リソグラフィ教本 オーム社(2007)Hiroshi Yokoyama, Hiroyuki Akinaga Electron Lithography Textbook Ohmsha (2007) P. Hommelhoff, Y. van Sortais, A. Aghajani-Talesh, and M. A. Kasevich, “Field Emission Tip as a Nanometer Source of Free Electron Femtosecond Pulses”, Physical review letters, 96, 077401 (2006).P. Hommelhoff, Y. van Sortais, A. Aghajani-Talesh, and M. A. Kasevich, “Field Emission Tip as a Nanometer Source of Free Electron Femtosecond Pulses”, Physical review letters, 96, 077401 (2006).

上述したように、電子線リソグラフィがフォトリソグラフィに比べて遥かに時間がかかる欠点を克服するために、新たな方式としてエミッタの並列化が発案されている。しかし、エミッタの並列化には課題が残されている。エミッタに印加する電圧が非常に高いため、絶縁性の確保や配線の関係上、個々のエミッタへの電圧印加を制御するスイッチングデバイスの小型化が難しくなり、エミッタの配列間隔を狭めることに限度が生じる。その結果高密度なエミッタの配列が困難となる。   As described above, in order to overcome the disadvantage that electron beam lithography takes much longer than photolithography, parallel emitters have been proposed as a new method. However, problems remain in paralleling the emitters. Since the voltage applied to the emitter is very high, it is difficult to reduce the size of the switching device that controls the voltage application to each emitter because of insulation and wiring, and there is a limit to narrowing the emitter array interval. Arise. As a result, it becomes difficult to arrange high-density emitters.

また上述したように、P.Hommelhoffらによって、電子放出装置の研究が報告されている。彼らはTi:sapphireパルスレーザーをタングステン製エミッタに対して垂直に照射している。フェムト秒パルスレーザーという大型のレーザーをエミッタに照射することにより、エミッタ先端に電場を誘起させることで、印加電圧を下げることに成功している。しかし、P.Hommelhoffらが用いた方式では、ピーク強度が30 GW/cm2と極めて高出力であるフェムト秒パルスレーザーが必要であるという問題点がある。 Also, as described above, research on electron emission devices has been reported by P. Hommelhoff et al. They irradiate a Ti: sapphire pulsed laser perpendicular to the tungsten emitter. We have succeeded in lowering the applied voltage by inducing an electric field at the tip of the emitter by irradiating the emitter with a large laser called a femtosecond pulse laser. However, the method used by P. Hommelhoff et al. Has a problem that a femtosecond pulse laser with a peak intensity of 30 GW / cm 2 and an extremely high output is required.

そのため、このような課題を解決する、新規な電子放出装置および電子放出方法の開発が望まれている。   Therefore, development of a novel electron emission device and an electron emission method that solve such a problem is desired.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な電子放出装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記電子放出装置を用いる新規な電子放出方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a novel electron emission device.
Another object of the present invention is to provide a novel electron emission method using the electron emission device.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電子放出装置は、エミッタと、前記エミッタとの間に電圧が印加される引き出し電極と、前記エミッタの先端にレーザー光を照射するレーザー照射装置を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, an electron emission device of the present invention irradiates a laser beam to an emitter, an extraction electrode to which a voltage is applied between the emitters, and a tip of the emitter. It has the laser irradiation apparatus which performs.

ここで、限定されるわけではないが、エミッタは、金、銀、銅、アルミニウムまたは白金からなることが好ましい。また、限定されるわけではないが、エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にあることが好ましい。 Here, although not limited, the emitter is preferably made of gold, silver, copper, aluminum, or platinum. Although not limited, it is preferable that the emitter tip diameter is in the range of 1 to 400 nm. Although not limited, the distance between the emitter tip and the extraction electrode is preferably within a range of 10 nm to 5 mm. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the applied voltage exists in the range of 1mV-1000V. Although not limited, it is preferable that the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser be in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .

本発明の電子放出方法は、減圧下、エミッタと引き出し電極の間に電圧を印加し、レーザー光を前記エミッタの先端に照射することを特徴とする。   The electron emission method of the present invention is characterized in that a voltage is applied between the emitter and the extraction electrode under reduced pressure, and laser light is irradiated to the tip of the emitter.

ここで、限定されるわけではないが、エミッタは、金、銀、銅、アルミニウムまたは白金からなることが好ましい。また、限定されるわけではないが、エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にあることが好ましい。 Here, although not limited, the emitter is preferably made of gold, silver, copper, aluminum, or platinum. Although not limited, it is preferable that the emitter tip diameter is in the range of 1 to 400 nm. Although not limited, the distance between the emitter tip and the extraction electrode is preferably within a range of 10 nm to 5 mm. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the applied voltage exists in the range of 1mV-1000V. Although not limited, it is preferable that the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser be in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。   The present invention has the following effects.

本発明の電子放出装置は、エミッタと、前記エミッタとの間に電圧が印加される引き出し電極と、前記エミッタの先端にレーザー光を照射するレーザー照射装置を有するので、新規な電子放出装置を提供することができる。   The electron emission device of the present invention includes a emitter, an extraction electrode to which a voltage is applied between the emitter, and a laser irradiation device for irradiating laser light to the tip of the emitter, and thus provides a novel electron emission device can do.

本発明の電子放出方法は、減圧下、エミッタと引き出し電極の間に電圧を印加し、レーザー光を前記エミッタの先端に照射するので、新規な電子放出方法を提供することができる。   The electron emission method of the present invention can provide a novel electron emission method because a voltage is applied between the emitter and the extraction electrode under reduced pressure and the tip of the emitter is irradiated with laser light.

電解研磨したタングステン線の電子顕微鏡写真(印加電圧:交流2V)である。It is an electron micrograph (applied voltage: AC 2V) of an electropolished tungsten wire. 金スパッタの方向を示す図である。It is a figure which shows the direction of gold | metal | money sputter | spatter. 図2の方向から金をスパッタ成膜したタングステン線の電子顕微鏡写真である。FIG. 3 is an electron micrograph of a tungsten wire on which gold is sputtered from the direction of FIG. 2. 実験装置を示す図である。It is a figure which shows an experimental apparatus. 電子線放出の実験結果と近似曲線を示す図であり、(a)I-V特性、(b)F-Nプロットである。It is a figure which shows the experimental result of an electron beam emission, and an approximated curve, (a) IV characteristic, (b) FN plot. プラズモン共鳴による電場増強効果を用いた電界放出を示す図である。It is a figure which shows the field emission using the electric field enhancement effect by plasmon resonance. 金属エミッタ先端における電子に対するポテンシャル図である。It is a potential diagram for electrons at the tip of a metal emitter. プラズモン共鳴を用いた光制御電界放出実験のための実験装置を示す図である。It is a figure which shows the experimental apparatus for the optical control field emission experiment using plasmon resonance. 偏光方向を表わす角θの定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of angle (theta) showing a polarization direction. θ=90°(s偏光)の場合の実験値を示す図であり、(a)I-V特性、(b) F-Nプロットである。It is a figure which shows the experimental value in the case of (theta) = 90 degrees (s polarization | polarized-light), (a) I-V characteristic, (b) FN plot. θ=0°(p偏光)の場合の実験値を示す図であり、(a)I-V特性、(b)F-Nプロットである。It is a figure which shows the experimental value in the case of (theta) = 0 degree (p polarization | polarized-light), (a) I-V characteristic, (b) FN plot. レーザー照射なしの場合の実験値を示す図であり、(a)I-V特性、(b)F-Nプロットである。It is a figure which shows the experimental value in the case of no laser irradiation, (a) I-V characteristic, (b) FN plot. p偏光照射・s偏光照射・レーザーなしの場合のI=V特性の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the I = V characteristic in the case of p polarized light irradiation, s polarized light irradiation, and a laser absence. (a)5pAおよび(b)0.1pAの放出を得るのに必要な印加電圧の比較を示す図である(レーザー出力10mW)。(a) Comparison of applied voltages required to obtain 5 pA and (b) 0.1 pA emission (laser power 10 mW). 印加電圧(a)650Vおよび(b)700Vの場合における入射光出力に対する放出電流の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the emission current with respect to incident light output in the case of applied voltage (a) 650V and (b) 700V.

以下、電子放出装置および電子放出方法にかかる発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention according to an electron emission device and an electron emission method will be described.

電子放出装置は、エミッタと、前記エミッタとの間に電圧が印加される引き出し電極と、前記エミッタの先端にレーザー光を照射するレーザー照射装置を有するものである。
電子放出方法は、減圧下、エミッタと引き出し電極の間に電圧を印加し、レーザー光を前記エミッタの先端に照射する方法である。
The electron emission device includes an emitter, an extraction electrode to which a voltage is applied between the emitters, and a laser irradiation device that irradiates laser light onto the tip of the emitter.
The electron emission method is a method in which a voltage is applied between the emitter and the extraction electrode under reduced pressure, and laser light is applied to the tip of the emitter.

エミッタとしては、先鋭形状の金属単体、または先鋭形状の母材に金属薄膜を形成したものを使用できる。   As the emitter, it is possible to use a sharp metal single piece or a sharp base material formed with a metal thin film.

先鋭形状の金属単体としては、金、銀、銅、アルミニウム、白金などを採用することができる。   Gold, silver, copper, aluminum, platinum, or the like can be used as the pointed metal simple substance.

先鋭形状の母材としては、タングステン、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、石英ガラス、ニオブ酸リチウム、酸化アルミニウムなどを採用することができる。   As the sharp base material, tungsten, silicon, silicon oxide, silicon nitride, quartz glass, lithium niobate, aluminum oxide, or the like can be used.

金属薄膜としては、金、銀、銅、アルミニウム、白金などを採用することができる。   As the metal thin film, gold, silver, copper, aluminum, platinum or the like can be adopted.

金属薄膜の厚さは10〜400nmの範囲内にあることが好ましい。金属薄膜の厚さがこの範囲内であると、プラズモン共鳴を効率的に励起できるという利点がある。   The thickness of the metal thin film is preferably in the range of 10 to 400 nm. When the thickness of the metal thin film is within this range, there is an advantage that plasmon resonance can be efficiently excited.

エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にあることが好ましい。エミッタ先端直径が1nm以上であると、先端部に十分な強度を持つプラズモン共鳴を励起できるという利点がある。エミッタ先端直径が400nm以下であると、先端でプラズモン共鳴によって電場を増強できるという利点がある。   The emitter tip diameter is preferably in the range of 1 to 400 nm. When the emitter tip diameter is 1 nm or more, there is an advantage that plasmon resonance having sufficient intensity at the tip can be excited. When the emitter tip diameter is 400 nm or less, there is an advantage that the electric field can be enhanced by plasmon resonance at the tip.

引き出し電極としては、金、銀、銅、アルミニウム、白金、シリコン、クロム、ニッケルなどを採用することができる。   As the extraction electrode, gold, silver, copper, aluminum, platinum, silicon, chromium, nickel, or the like can be used.

エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にあることが好ましい。エミッタ先端と引き出し電極の距離が10nm以上であると、引き出し電極への直接トンネリングによる漏れ電流が防止できるという利点がある。エミッタ先端と引き出し電極の距離が5mm以下であると、1kV以下の電圧で電子線放出を行うことができるという利点がある。   The distance between the emitter tip and the extraction electrode is preferably in the range of 10 nm to 5 mm. When the distance between the emitter tip and the extraction electrode is 10 nm or more, there is an advantage that leakage current due to direct tunneling to the extraction electrode can be prevented. When the distance between the emitter tip and the extraction electrode is 5 mm or less, there is an advantage that electron beam emission can be performed at a voltage of 1 kV or less.

印加電圧は1mV〜1000Vの範囲内にあることが好ましい。印加電圧が1mV以上であると、エミッタと引き出し電極を10nm程度の距離で配置した時に十分な電界強度が得られるという利点がある。印加電圧が1000V以下であると、安価な電源装置で放出が可能であるという利点がある。   The applied voltage is preferably in the range of 1 mV to 1000 V. When the applied voltage is 1 mV or more, there is an advantage that sufficient electric field strength can be obtained when the emitter and the extraction electrode are arranged at a distance of about 10 nm. When the applied voltage is 1000 V or less, there is an advantage that discharge can be performed with an inexpensive power supply device.

真空チャンバー内の真空度は1×10-3Torr以下の範囲内にあることが好ましい。真空度が1×10-3Torr以下であると、電子の平均自由工程が大きくなることにより電子線を放出しやすくなるという利点がある。 The degree of vacuum in the vacuum chamber is preferably in the range of 1 × 10 −3 Torr or less. When the degree of vacuum is 1 × 10 −3 Torr or less, there is an advantage that an electron beam can be easily emitted by increasing the mean free path of electrons.

レーザーの波長は157〜900nmの範囲内にあることが好ましい。レーザーの波長が157nm以上であると、白金の孤立プラズモンを励起できるという利点がある。レーザーの波長が900nm以下であると、金属でもっとも長いプラズモン共鳴波長をもつ金の孤立プラズモンを励起できるという利点がある。   The wavelength of the laser is preferably in the range of 157 to 900 nm. When the laser wavelength is 157 nm or more, there is an advantage that an isolated plasmon of platinum can be excited. When the wavelength of the laser is 900 nm or less, there is an advantage that gold isolated plasmons having the longest plasmon resonance wavelength among metals can be excited.

レーザーの出力は0.001〜500mWの範囲内にあることが好ましい。レーザーの出力が0.001mW以上であると、十分なプラズモン共鳴を励起できるという利点がある。レーザーの出力が500mW以下であると、レーザー装置がクラス3以下に分類されるという利点がある。   The laser output is preferably in the range of 0.001 to 500 mW. If the laser output is 0.001 mW or more, there is an advantage that sufficient plasmon resonance can be excited. When the laser output is 500 mW or less, there is an advantage that the laser device is classified into class 3 or less.

パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にあることが好ましい。パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度が1W/cm2以上であると、十分なプラズモン共鳴を励起できるという利点がある。パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度が10GW/cm2以下であると、多光子吸収による電子のエネルギーの変化の影響が小さいまたは無視できるという利点がある。 The intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is preferably in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 . When the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is 1 W / cm 2 or more, there is an advantage that sufficient plasmon resonance can be excited. When the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is 10 GW / cm 2 or less, there is an advantage that the influence of the change in the energy of electrons due to multiphoton absorption is small or can be ignored.

レーザーのスポットサイズは20μm以下の範囲内にあることが好ましい。スポットサイズが20μm以下であると、入射レーザーのエネルギーの多くがプラズモン共鳴励起に寄与するという利点がある。   The laser spot size is preferably in the range of 20 μm or less. When the spot size is 20 μm or less, there is an advantage that much of the energy of the incident laser contributes to plasmon resonance excitation.

レーザーの偏光方向は0〜90°の範囲内にあることが好ましい。レーザーの偏光方向が0°以上であると、エミッタ根元側からの照射によりプラズモン共鳴を励起できるという利点がある。レーザーの偏光方向が90°以下であると、エミッタ側面からの照射によりエミッタ軸方向にプラズモンを励起できるという利点がある。   The polarization direction of the laser is preferably in the range of 0 to 90 °. When the polarization direction of the laser is 0 ° or more, there is an advantage that plasmon resonance can be excited by irradiation from the emitter base side. When the laser polarization direction is 90 ° or less, there is an advantage that plasmons can be excited in the emitter axis direction by irradiation from the side surface of the emitter.

電子放出装置または電子放出方法の用途としては、電子線リソグラフィ、X線源、テラヘルツ光源、赤外光源などがある。   Applications of the electron emission apparatus or the electron emission method include electron beam lithography, X-ray source, terahertz light source, infrared light source and the like.

電子放出装置および電子放出方法について、具体的な実験例を説明する。   Specific experimental examples of the electron emission apparatus and the electron emission method will be described.

電界放出電子源の作製と評価について説明する。本発明において、非常に重要な要素となるのが電子源(エミッタ)である。電界放出を生じさせるには電極間の電界を大きくする必要がある。そのため、エミッタには先鋭形状の金属が利用される。なぜなら、このような微小突起物の周辺には電場集中が起きるので、平板よりも容易に高電界を生じさせることが出来るためである。針状のエミッタの構造因子はエミッタ先端の曲率半径に依存している。そのため、曲率半径を小さくするほど、並行平板の電極よりも低い印加電圧で引き出し電極間の電界を大きくすることが出来る。   The production and evaluation of a field emission electron source will be described. In the present invention, a very important element is an electron source (emitter). In order to generate field emission, it is necessary to increase the electric field between the electrodes. Therefore, a sharp metal is used for the emitter. This is because an electric field is concentrated around such a fine protrusion, so that a high electric field can be generated more easily than a flat plate. The structure factor of the acicular emitter depends on the radius of curvature of the emitter tip. Therefore, the smaller the radius of curvature, the larger the electric field between the extraction electrodes can be applied with a lower applied voltage than the parallel plate electrodes.

更に、トンネル効果はポテンシャル障壁の厚さに依存しており、障壁の最も薄い場所からトンネリングする。電界放出において、障壁の厚さを決めるのは電界であり、高電界であるほど障壁は薄くなる。そのため、エミッタを先鋭化することで電界を高めている場合、電子のトンネリングはエミッタの先端半径領域のみで生じることがわかる。このことから、エミッタの先鋭化は高電界化に加えて電子の放出面積を減少させることにもつながる。放出面積の減少は電子線リソグラフィにおいて描画の解像度向上につながる。そのため、電子源は可能な限り鋭くする必要がある。   Furthermore, the tunnel effect depends on the thickness of the potential barrier and tunnels from the thinnest place of the barrier. In field emission, it is the electric field that determines the thickness of the barrier, and the higher the electric field, the thinner the barrier. Therefore, it can be seen that when the electric field is increased by sharpening the emitter, electron tunneling occurs only in the tip radius region of the emitter. From this, sharpening of the emitter leads to a reduction in the electron emission area in addition to an increase in electric field. The reduction of the emission area leads to an improvement in drawing resolution in electron beam lithography. Therefore, the electron source needs to be as sharp as possible.

電子源の作製法について説明する。金属を加工・研磨する方法の一つとして、電解研磨がある[8]。電解研磨は被研磨体を陽極として電解液中で浸漬し電圧を印加する。そして、その際の陽極溶解作用により陽極面を平滑化させる技術であり、この方法には、クリーンな表面に加工可能である、被加工物の変質が生じない、機械加工の難しい形状や大きさの金属も加工可能である、といった特徴がある[9]。そのため、本発明ではエミッタ作製手段として利用した。   A method for manufacturing the electron source will be described. One method of processing and polishing metal is electrolytic polishing [8]. In the electrolytic polishing, the object to be polished is immersed in an electrolytic solution as an anode and a voltage is applied. And it is a technology to smooth the anode surface by the anodic dissolution action at that time, and this method can be processed into a clean surface, does not cause deterioration of the work piece, difficult to machine shape and size It is characterized by the fact that other metals can be processed [9]. Therefore, in the present invention, it is used as an emitter manufacturing means.

電解研磨装置では商用交流電源を利用し、印加電圧は東京理工舎製のスライドトランスを用いて調整した。エミッタ母材の材料として直径0.15mmのタングステン線を用意し、電解液には10質量%の水酸化カリウム水溶液を用いた。また、対極としては鉄製ワッシャーを用いた。   In the electrolytic polishing apparatus, a commercial AC power supply was used, and the applied voltage was adjusted using a slide transformer manufactured by Tokyo Rikosha. A tungsten wire having a diameter of 0.15 mm was prepared as a material for the emitter base material, and a 10% by mass potassium hydroxide aqueous solution was used as the electrolyte. An iron washer was used as the counter electrode.

手順としてはまず、適度な長さに切ったタングステン線をクリップに挟み、溶液界面に固定したワッシャーに通す。つぎにスライドトランスを用いて任意の電圧を印加する。タングステン線から火花が生じ、切断したのを確認したら、素早く電圧の印加を止めて溶液内からタングステン線を引き上げる。最後に研磨したタングステン線を純水に浸して溶液を除去する。図1に、2Vで研磨したタングステン線のSEM画像を示す。   As a procedure, first, a tungsten wire cut to an appropriate length is sandwiched between clips and passed through a washer fixed at the solution interface. Next, an arbitrary voltage is applied using a slide transformer. When it is confirmed that a spark has been generated from the tungsten wire and it has been cut, the voltage application is quickly stopped and the tungsten wire is pulled up from the solution. Finally, the polished tungsten wire is immersed in pure water to remove the solution. FIG. 1 shows an SEM image of a tungsten wire polished at 2V.

プラズモン共鳴用電子源の作製と評価について説明する。プラズモン共鳴を利用するためには、エミッタの共鳴波長と照射光の波長を一致させる必要がある。エミッタの共鳴波長は、エミッタの先端形状や母材・金属薄膜の材質に依存する。本発明では参考文献に加え、共鳴波長が可視光にあるため比較的容易に励起光源が入手可能という点から、金薄膜を成膜した先鋭化タングステン線をエミッタとして使用する[4,5]。   The production and evaluation of an electron source for plasmon resonance will be described. In order to use plasmon resonance, it is necessary to make the resonance wavelength of the emitter coincide with the wavelength of irradiation light. The resonant wavelength of the emitter depends on the shape of the tip of the emitter and the material of the base material / metal thin film. In the present invention, in addition to the reference, a sharpened tungsten wire formed with a gold thin film is used as an emitter because the excitation light source is relatively easily available because the resonance wavelength is visible light [4, 5].

上述の方法によって作製した先鋭化タングステン製母材に対して金をスパッタした。スパッタにはサンユー電子社製の装置(SC-701H)を用いた。図2に示す方向からスパッタを行った。スパッタは、母材の先端に向けて一回のみ行った。   Gold was sputtered onto a sharpened tungsten base material produced by the method described above. An apparatus (SC-701H) manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd. was used for sputtering. Sputtering was performed from the direction shown in FIG. Sputtering was performed only once toward the tip of the base material.

スパッタしたエミッタのSEM画像を図3に示す。先端直径は200〜300nm程度であった。なお、同様の方法で蒸着したが、先端において蒸着した金が剥離し、タングステンが露出したものについて、この剥離部分から金の膜厚を間接的に測定した。その結果、約50nm程度の金薄膜が付着することが判明した。   A SEM image of the sputtered emitter is shown in FIG. The tip diameter was about 200 to 300 nm. In addition, although it vapor-deposited by the same method, about the gold | metal | money vapor-deposited in the front-end | tip and tungsten was exposed, the film thickness of gold was indirectly measured from this peeling part. As a result, it was found that a gold thin film of about 50 nm adhered.

電界放出の検出実験について説明する。最初に、実験装置について説明する。電界放出の光制御実験を行うにあたって、本発明において使用する実験装置で電界放出が生じることを初めに実証する必要がある。本発明における基礎的実験として、上述した要領で作製した先鋭化タングステン製母材に約50nmの金薄膜をスパッタしたものを用いて電界放出の検出を行った。   A field emission detection experiment will be described. First, the experimental apparatus will be described. In conducting a field emission light control experiment, it is necessary to first verify that field emission occurs in an experimental apparatus used in the present invention. As a basic experiment in the present invention, field emission was detected using a sharpened tungsten base material prepared in the manner described above and sputtered with a thin gold film of about 50 nm.

図4に使用した実験装置を示す。引き出し電極4には表面粗さを考慮して、カバーガラスに金の薄膜をスパッタした対向極板を用意した。   Fig. 4 shows the experimental apparatus used. In consideration of the surface roughness, the extraction electrode 4 was prepared with a counter electrode plate in which a gold thin film was sputtered on a cover glass.

Z軸ステージ5によってエミッタ3と対向極板のギャップを調整出来るようにしてある。なお、z軸ステージ5と対向極板の間にガラス板7とフッ素樹脂シート6を挟むことで絶縁性を確保している。電源と放出電流測定には、ADCMT社製微小電流計(8340A)を併用している。この装置は、印加電圧はDC 0VからDC 1000Vまで調整が可能で、検出電流の分解能は10 fAから20 mAまでとなっている。真空チャンバー2は、ベーキングすることによって約2.0×10-6 Torrの真空度まで到達することが出来る。 The gap between the emitter 3 and the counter electrode plate can be adjusted by the Z-axis stage 5. Insulating property is ensured by sandwiching the glass plate 7 and the fluororesin sheet 6 between the z-axis stage 5 and the counter electrode plate. The ADCMT microammeter (8340A) is used in combination for power supply and emission current measurement. This device can adjust the applied voltage from DC 0V to DC 1000V, and the detection current resolution is from 10 fA to 20 mA. The vacuum chamber 2 can reach a vacuum degree of about 2.0 × 10 −6 Torr by baking.

実験方法について説明する。最初に、真空チャンバー内を真空度が約2.0×10-6 Torrになるまで真空引きを行う。つぎに、自動ステージによって、エミッタと対向極板のギャップを小さくする。この際、エミッタが対向極板に接触しないようにCCDで接触しているか否かを確認しながら作業を行う。ギャップは1mmであった。つぎに、印加電圧を任意の範囲において10 V刻みで増加させ、各電圧における電流値を記録していく。なお、電流値は各電圧で15点ずつ取り、それらを平均化したものを検出値として用いる。つぎに、電圧と検出電流を用いてI-V特性を作成する。つぎに、同様にファウラー・ノルドハイムプロット(F-Nプロット)を作成する。 The experimental method will be described. First, the inside of the vacuum chamber is evacuated until the degree of vacuum is about 2.0 × 10 −6 Torr. Next, the gap between the emitter and the counter electrode plate is reduced by an automatic stage. At this time, the work is performed while checking whether the emitter is in contact with the CCD so that the emitter does not contact the counter electrode plate. The gap was 1 mm. Next, the applied voltage is increased in 10 V increments in an arbitrary range, and the current value at each voltage is recorded. The current value is 15 points for each voltage, and the averaged value is used as the detection value. Next, IV characteristics are created using the voltage and the detected current. Next, a Fowler-Nordheim plot (FN plot) is created in the same manner.

実験結果について説明する。電界放出で生じる電流Iは印加電圧Vに対して指数関数的に変動すると考えられる。そのため、以下のように表すことも出来る。   The experimental results will be described. The current I generated by field emission is considered to vary exponentially with the applied voltage V. Therefore, it can also be expressed as follows.

Figure 0005413716
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この式より、電界放出の検出実験を行う場合は、検出電流が印加電圧に対して指数関数的に増減するか否かで判断出来ると言える。更に、F-Nプロットで直線になる場合は電界放出によって生じた電流と判断出来るということがわかる。   From this equation, it can be said that when performing a field emission detection experiment, it can be determined whether or not the detected current increases or decreases exponentially with respect to the applied voltage. Furthermore, it can be seen that the current generated by the field emission can be determined when it becomes a straight line in the FN plot.

図5に実験から得られたI-V特性とF-Nプロットを示す。図中のI-V特性を見ると電圧の増加に対して電流が指数関数的に増加していることがわかる。また、F-Nプロットを見ると右肩下がりの直線に沿っていることが確認出来る。   Fig. 5 shows the IV characteristics and F-N plots obtained from the experiment. Looking at the IV characteristics in the figure, it can be seen that the current increases exponentially with increasing voltage. In addition, the F-N plot shows that it is along a straight line that descends to the right.

実験結果における考察について説明する。実験結果において、電流の指数関数的増加とF-Nプロットの線形近似が確認できた。これらのことから、本実験で検出した電流はファウラー・ノルドハイム型のトンネル電流であり、電界放出によって生じたものであると考えられる。   A discussion on the experimental results will be described. In the experimental results, an exponential increase in current and a linear approximation of the FN plot were confirmed. From these facts, the current detected in this experiment is a Fowler-Nordheim type tunnel current, which is considered to be generated by field emission.

プラズモン共鳴を用いた光制御電界放出実験について説明する。ここでは、図6に示すように、レーザー光を用いてプラズモン共鳴を励起して電場増強を発生させ、それによって電界放出を誘起する実験を行う。   An optically controlled field emission experiment using plasmon resonance will be described. Here, as shown in FIG. 6, an experiment is performed in which plasmon resonance is excited using laser light to generate electric field enhancement, thereby inducing field emission.

電界放出には高電界が必要なため、通常は印加電圧を高めたりエミッタと引き出し電極とのギャップを小さくしたりしている。光は電磁波の一種であるため、非常に強い光を照射すると電場の増強が起こり、図7のように印加電圧を高めずにギャップのポテンシャル障壁の厚さを狭くすることが可能となる。このことから、電界放出に必要な印加電圧の閾値を下げることが期待でき、このことはP.Hommelhoffらが確認している[2]。しかし、彼らの研究においては、電場を増強するために使用したレーザーの出力が大きすぎる上にコストも非常に高い、レーザー出力が大きいため電界放出と光電子放出の区別化が難しい、という欠点がある。光電子放出で飛び出した電子は電界放出によるそれに比べて高い準位で出てくるため、電子の持つエネルギーも大きくなる。電子線リソグラフィにおいて、電子線のエネルギーの分布は感光剤における散乱に影響を与えるため、描画解像度の要因ともなっている[1]。そのため、光制御電界放出を電子線リソグラフィに応用するに当たって、上記のように異なるエネルギーを持つ電子が混在するのは望ましくない。   Since field emission requires a high electric field, the applied voltage is usually increased or the gap between the emitter and the extraction electrode is reduced. Since light is a kind of electromagnetic wave, the electric field is enhanced when it is irradiated with very strong light, and the thickness of the potential barrier in the gap can be reduced without increasing the applied voltage as shown in FIG. From this, it can be expected that the threshold of the applied voltage required for field emission is lowered, and this is confirmed by P. Hommelhoff et al. [2]. However, their research has the disadvantages that the power of the laser used to enhance the electric field is too large and the cost is very high, and that it is difficult to differentiate between field emission and photoemission due to the large laser power. . Electrons that have jumped out by photoelectron emission come out at a higher level than that by field emission, so that the energy of the electrons also increases. In electron beam lithography, the energy distribution of the electron beam affects the scattering in the photosensitizer and is also a factor in drawing resolution [1]. For this reason, it is not desirable that electrons having different energies are mixed as described above when optically controlled field emission is applied to electron beam lithography.

一方、プラズモン共鳴には著しく電場を増強するという特徴がある[6,7]。そこで、本発明では容易に入手でき、かつ光電子放出の影響も少ない低出力レーザーにおいても、プラズモン共鳴によって電界放出のアシストが可能であることを確認する。そして、P.Hommelhoffらの研究よりも応用性の高い研究であることを実証する。   On the other hand, plasmon resonance has the characteristic of significantly enhancing the electric field [6,7]. Therefore, it is confirmed that field emission assistance can be achieved by plasmon resonance even in a low-power laser that is easily available in the present invention and is less affected by photoelectron emission. And it is proved that the research is more applicable than the research of P.Hommelhoff et al.

実験装置について説明する。ここで使用する装置を図8に示す。装置自体は図4と同様の物を使用する。また、エミッタ3の表面には上述した要領で、金を約50nmの厚さでスパッタしてある。励起光には、参考文献等から考慮してYAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザーの第二高調波(532nm)を使用する[6,7]。使用レーザーは連続波で、最大出力が10 mWである(日本レーザー社製SUWTECH LDC-1500)。但し、レーザーの出力はレンズ14手前の平面上において、レーザーパワーメータ(エドモンド社製LaserCheck)を用いて測定しており、以降もこの平面上におけるレーザー出力を実験条件として利用する。レーザーのスポットサイズは、焦点距離25.6mmのレンズ14を通すことによって約17μmまで絞っている。エミッタ先端に対するレーザーの偏光方向は、図9に示すθを用いて定義する。   The experimental apparatus will be described. The apparatus used here is shown in FIG. The apparatus itself uses the same thing as FIG. Further, gold is sputtered on the surface of the emitter 3 to a thickness of about 50 nm as described above. For the excitation light, the second harmonic (532 nm) of a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser is used in consideration of references and the like [6, 7]. The laser used is a continuous wave with a maximum output of 10 mW (SUWTECH LDC-1500 manufactured by Nippon Laser Corporation). However, the laser output is measured using a laser power meter (LaserCheck manufactured by Edmond) on the plane in front of the lens 14, and the laser output on this plane is used as an experimental condition thereafter. The laser spot size is reduced to about 17 μm by passing a lens 14 having a focal length of 25.6 mm. The direction of polarization of the laser with respect to the emitter tip is defined using θ shown in FIG.

実験方法について説明する。最初に、真空チャンバーが開いている状態において、CCDで確認しながらレーザーの光軸とエミッタ先端を合わせる。光軸を合わせたら真空チャンバーを閉める。つぎに、真空チャンバー内を真空度が約2.0×10-6Torrの状態にする。つぎに、自動ステージによって、エミッタと対向極板のギャップを小さくする。ギャップは1mmであった。つぎに、レーザーの偏光方向θ、及びレーザー出力Pを変化させていき、各条件における放出電流を上述したと同様の手段で記録していく。つぎに、レーザーを照射しない場合の電流値を同様に測定する。つぎに、各条件における電圧と検出電流を用いて、それぞれのI-V特性、F-Nプロットを作成する。 The experimental method will be described. First, in a state where the vacuum chamber is open, the optical axis of the laser and the tip of the emitter are aligned while checking with a CCD. After aligning the optical axis, close the vacuum chamber. Next, the inside of the vacuum chamber is brought into a state where the degree of vacuum is about 2.0 × 10 −6 Torr. Next, the gap between the emitter and the counter electrode plate is reduced by an automatic stage. The gap was 1 mm. Next, the laser polarization direction θ and the laser output P are changed, and the emission current under each condition is recorded by the same means as described above. Next, the current value when the laser is not irradiated is measured in the same manner. Next, using the voltage and detection current under each condition, each IV characteristic and FN plot are created.

実験結果について説明する。まず、実験結果を図10〜11に示す。図10はθ=90°(S偏光)、図11はθ=0°(P偏光)の偏光方向条件で実験を行い、その際に得られた実験結果をI-V特性とF-Nプロットにまとめたものである。また、それぞれの偏光方向においてレーザーの出力条件はP=1mW,5mW,10 mWの三つで実験を行っている。また、図12はレーザーを照射しなかった場合のI-V特性とF-Nプロットである。各図のI-V特性における近似式は上述した式を用いてフィッティングしており、各条件における定数A,Bは表1に示す。   The experimental results will be described. First, experimental results are shown in FIGS. Fig. 10 shows an experiment under the polarization direction condition of θ = 90 ° (S-polarized light) and Fig. 11 shows the polarization direction of θ = 0 ° (P-polarized light). It is. In each polarization direction, the experiment was conducted with three laser output conditions: P = 1 mW, 5 mW, and 10 mW. FIG. 12 shows IV characteristics and F-N plots when the laser is not irradiated. The approximate expression in the IV characteristics in each figure is fitted using the above-described expression, and constants A and B in each condition are shown in Table 1.

Figure 0005413716
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どの条件のI-V特性においても電流が指数関数的に増加しており、また、F-Nプロットにおいても直線に沿っていることが確認出来る。このことから、全条件での実験において、検出した電流は電界放出によって生じた電流であると言える。  It can be confirmed that the current increases exponentially in any of the I-V characteristics, and that the F-N plot is along a straight line. From this, it can be said that in the experiment under all conditions, the detected current is a current generated by field emission.

つぎに、P=5mW,10mWにおける各偏光方向の近似式とレーザー非照射の近似式の、低い電流値の領域における変動を図13に示す。図13より、同じ印加電圧ではP偏光でレーザーを照射した場合が最も電流値が増加していることがわかる。ついでS偏光、レーザー非照射となっている。P偏光の場合では、S偏光の場合に対して、最大約80%電流値が増加している。   Next, FIG. 13 shows the variation in the low current value region between the approximate expression for each polarization direction and the approximate expression for non-irradiation at P = 5 mW and 10 mW. FIG. 13 shows that the current value increases most when the laser is irradiated with P-polarized light at the same applied voltage. Next, it is S-polarized light and no laser irradiation. In the case of P-polarized light, the current value increases by about 80% at the maximum compared to the case of S-polarized light.

更に、P=10mWにおける各偏光方向条件とレーザー非照射のI-V特性における近似式を用いて、5pA, 0.1pAの電流を検出するのに必要な印加電圧をそれぞれ求めた。その結果を図14に示す。図14より、どちらの電流値においてもP偏光でレーザーを入射する条件が最も印加電圧が低く、レーザー非照射の場合に比べて最大約14%減少している。S偏光の条件においても、必要な印加電圧はレーザー非照射の場合に比べて最大約7%減少したことが確認できた。このように、離れた領域においても任意の電流値に要する印加電圧の減少が等しく確認できた。従って、この実験結果におけるどの放出電流領域においても、レーザーを照射することによって印加電圧の減少が生じると考えられる。   Furthermore, the applied voltages required to detect the currents of 5 pA and 0.1 pA were obtained using the respective polarization direction conditions at P = 10 mW and the approximate expression in the IV characteristics without laser irradiation. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 14, the applied voltage is the lowest under the condition where the laser beam is incident with P-polarized light at any current value, which is a maximum decrease of about 14% compared to the case of no laser irradiation. Even under the S-polarized condition, it was confirmed that the required applied voltage was reduced by about 7% at maximum compared to the case without laser irradiation. In this way, the decrease in the applied voltage required for an arbitrary current value can be confirmed equally even in a remote region. Therefore, it is considered that the applied voltage is reduced by irradiating the laser in any emission current region in this experimental result.

最後に、印加電圧が650V,700Vの際の放出電流−レーザー出力特性を図15に示す。図より、P偏光、S偏光共にレーザー出力に対する電流増加は1mW当たりで飽和していることがわかる。この値は多光子吸収や熱電子放出に必要な値に比べて著しく小さい[3]。   Finally, FIG. 15 shows emission current-laser output characteristics when applied voltages are 650 V and 700 V. FIG. From the figure, it can be seen that the increase in current with respect to laser output is saturated per mW for both P-polarized light and S-polarized light. This value is significantly smaller than that required for multiphoton absorption and thermionic emission [3].

以上の結果から、この実験で得られた電流に関して以下の点が言える。
(1)レーザーを照射することによって、電界放出電流の値が増加する。
(2)レーザーの偏光方向に依存性がある。
(3)値の違いはあるが、レーザーの照射によって印加電圧の閾値が減少する。
(4)レーザーの出力に対して電流の増加が1mW程度で飽和する。
From the above results, the following points can be said with respect to the current obtained in this experiment.
(1) The value of the field emission current increases by irradiating the laser.
(2) Depends on the laser polarization direction.
(3) Although there is a difference in value, the threshold value of the applied voltage decreases due to laser irradiation.
(4) The increase in current saturates at about 1 mW with respect to the laser output.

実験結果について考察する。最初に、実験値のレーザー出力に対する依存性について説明する。実験結果より、レーザーの出力に対する実験値の増加が1mW以降は無くなることがわかった。しかし、レーザーの照射によって、電流が増加していることからレーザーからエミッタに対して何らかの影響があったことが想像出来る。   Consider the experimental results. First, the dependence of experimental values on laser power will be described. From the experimental results, it was found that the increase in the experimental value with respect to the laser output disappeared after 1 mW. However, it can be imagined that there was some influence on the emitter from the laser because the current increased due to the laser irradiation.

もし、この影響が光電子放出によるものならば、P.Hommelhoffらの研究成果より、レーザーの出力に対して線形に電流値が増加することが考えられる[2]。しかし、図15に示すようにレーザー出力に対する電流の線形性は見受けられていない。   If this effect is due to photoemission, P.Hommelhoff et al. May suggest that the current value increases linearly with the laser output [2]. However, as shown in FIG. 15, no linearity of current with respect to the laser output is observed.

また、もしレーザーの出力がエミッタに当たった際に熱として変換され、その熱によって電子が放出したとするならば、この現象は熱電子放出のSchottky効果によるものと考えることが出来る[3]。しかし、熱電子放出もレーザーの出力即ちエネルギーに対して依存性がある。従って、図15より熱電子放出も要因とは考えられない。
以上のことから、光電子放出でも熱電子放出でも無く、電界放出のみによって電流値が増加したと言える。
If the laser output is converted into heat when it hits the emitter and the electrons are emitted by that heat, this phenomenon can be attributed to the Schottky effect of thermionic emission [3]. However, thermionic emission is also dependent on the laser output or energy. Therefore, thermionic emission is not considered to be a factor from FIG.
From the above, it can be said that the current value increased only by field emission, not photoelectron emission or thermal electron emission.

実験値とレーザーの偏光方向との依存性について説明する。実験値とレーザーの偏光方向には依存性があることがわかった。そのため、本実験ではプラズモン共鳴、あるいは光電子放出によってエミッタが励起され、それによって電流が増加したことが推定される[2,10]。しかし、光電子放出が要因では無いことは上述したように確認している。
以上のことから、本実験における検出電流の増加はプラズモン共鳴による電場増強によるものであると考えられる。
The dependence between the experimental value and the laser polarization direction will be described. It was found that there is a dependency between the experimental value and the polarization direction of the laser. Therefore, in this experiment, it is presumed that the emitter was excited by plasmon resonance or photoemission, and the current was increased [2,10]. However, as described above, it has been confirmed that photoemission is not a factor.
From the above, it is considered that the increase in the detected current in this experiment is due to the electric field enhancement by plasmon resonance.

先行研究との比較結果を説明する。本実験において確認した閾値の減少度は先行研究[2]に対して大きく下回っていた。しかし、先行研究に比べて以下の利点が挙げられる。
(1)P.Hommelhoffらが用いたフェムト秒パルスレーザーのピーク強度が30GW/cm2であるの対して、本発明で使用したYAG連続波レーザーの第二高調波の強度は4.4KW/cm2と極めて低出力であり、このことも利点として挙げられる。なお、本発明で使用したYAG連続波レーザーの第二高調波の強度は、つぎのように算出した。すなわち、レーザー出力10mWで、ビームスポットを直径17μmの円形とし、円状の断面内で強度が一様に分布していると仮定して算出した。
(2)光電子放出や熱電子放出といった電界放出以外の要因を排除して考察することができた。そのため、本実験における閾値の減少は純粋にプラズモン共鳴によるものである。
Explain the results of comparison with previous studies. The degree of threshold decrease confirmed in this experiment was significantly lower than in the previous study [2]. However, there are the following advantages compared to previous studies.
(1) The peak intensity of the femtosecond pulse laser used by P. Hommelhoff et al. Is 30 GW / cm 2 , whereas the intensity of the second harmonic of the YAG continuous wave laser used in the present invention is 4.4 KW / cm 2 The output is extremely low, and this is also an advantage. The intensity of the second harmonic of the YAG continuous wave laser used in the present invention was calculated as follows. That is, the calculation was performed assuming that the laser beam was 10 mW, the beam spot was a circle having a diameter of 17 μm, and the intensity was uniformly distributed in a circular cross section.
(2) It was possible to consider by eliminating factors other than field emission such as photoelectron emission and thermal electron emission. Therefore, the decrease in threshold in this experiment is purely due to plasmon resonance.

以上のことから、本実験の結論をまとめると以下の点が挙げられる。
(1)本実験で得られた電流増加現象は、プラズモン共鳴による電場増強アシストを受けた電界放出によって生じたものである。
(2)プラズモン共鳴を電界放出のアシストに利用することによって、印加電圧の閾値を最大14 %減少させることが可能である。
From the above, the conclusions of this experiment can be summarized as follows.
(1) The current increase phenomenon obtained in this experiment is caused by field emission with electric field enhancement assistance by plasmon resonance.
(2) By using plasmon resonance to assist field emission, the threshold of applied voltage can be reduced by up to 14%.

なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。   It is to be noted that the present invention is not limited to the embodiment for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

[参考文献]
[1]横山浩・秋永広幸 電子線リソグラフィ教本 オーム社 (2007)
[2]P. Hommelhoff, Y. van Sortais, A. Aghajani-Talesh, and M. A. Kasevich, “Field Emission Tip as a Nanometer Source of Free Electron Femtosecond Pulses”, Physical review letters, 96, 077401 (2006).
[3]宮入圭一・橋本佳男 やさしい電子物性 森北出版株式会社 (2006)
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1‥‥CCDカメラ、2‥‥真空チャンバー、3‥‥エミッタ、4‥‥引き出し電極、5‥‥Z軸ステージ、6‥‥フッ素樹脂シート、7‥‥ガラス板、8‥‥コネクタ、9‥‥電流電圧変換、10‥‥ディスプレイ、12‥‥プランズモン共鳴、13‥‥レーザー、14‥‥レンズ、15‥‥電子線、16‥‥バビネ−ソレイユ補償子、17‥‥偏光子、18‥‥偏光方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... CCD camera, 2 ... Vacuum chamber, 3 ... Emitter, 4 ... Lead-out electrode, 5 ... Z axis stage, 6 ... Fluororesin sheet, 7 ... Glass plate, 8 ... Connector, 9 ... Current-voltage conversion, 10 Display, 12 Plannsmon resonance, 13 Laser, 14 Lens, 15 Electron beam, 16 Babinet Soleil compensator, 17 Polarizer, 18 Polarization direction

Claims (12)

エミッタと、
前記エミッタとの間に電圧が印加される引き出し電極と、
前記エミッタの先端にレーザー光を照射するレーザー照射装置を有し、
前記エミッタは、金、銀、銅、アルミニウムまたは白金からなり、
前記レーザー光を、前記エミッタの根元側から照射するか、または前記エミッタの側面から照射する
電子放出装置。
An emitter,
An extraction electrode to which a voltage is applied between the emitter and
Have a laser irradiation apparatus for irradiating a laser beam on the tip of the emitter,
The emitter is made of gold, silver, copper, aluminum or platinum,
An electron-emitting device that irradiates the laser light from the base side of the emitter or from the side surface of the emitter .
エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にある
請求項1記載の電子放出装置。
The electron emitter according to claim 1, wherein the emitter tip diameter is in a range of 1 to 400 nm.
エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にある
請求項記載の電子放出装置。
The electron emission device according to claim 2 , wherein the distance between the emitter tip and the extraction electrode is in the range of 10 nm to 5 mm.
印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にある
請求項記載の電子放出装置。
The electron emission device according to claim 3 , wherein the applied voltage is in a range of 1 mV to 1000 V.
パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にある
請求項記載の電子放出装置。
The electron emission device according to claim 4 , wherein the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .
エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にあり、
エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にあり、
印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にあり、
パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にある
請求項1記載の電子放出装置。
The emitter tip diameter is in the range of 1 to 400 nm,
The distance between the emitter tip and the extraction electrode is in the range of 10 nm to 5 mm,
The applied voltage is in the range of 1mV to 1000V,
The electron emission apparatus according to claim 1, wherein the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .
減圧下、
エミッタと引き出し電極の間に電圧を印加し、
レーザー光を前記エミッタの先端に照射し、
前記エミッタは、金、銀、銅、アルミニウムまたは白金からなり、
前記レーザー光を、前記エミッタの根元側から照射するか、または前記エミッタの側面から照射する
電子放出方法。
Under reduced pressure,
Apply a voltage between the emitter and the extraction electrode,
Irradiate the tip of the emitter with laser light ,
The emitter is made of gold, silver, copper, aluminum or platinum,
An electron emission method in which the laser beam is irradiated from the base side of the emitter or from the side surface of the emitter .
エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にある
請求項記載の電子放出方法。
The electron emission method according to claim 7 , wherein an emitter tip diameter is in a range of 1 to 400 nm.
エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にある
請求項8記載の電子放出方法。
The electron emission method according to claim 8, wherein a distance between the emitter tip and the extraction electrode is in a range of 10 nm to 5 mm.
印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にある
請求項記載の電子放出方法。
The electron emission method according to claim 9 , wherein the applied voltage is in a range of 1 mV to 1000 V.
パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にある
請求項10記載の電子放出方法。
The electron emission method according to claim 10 , wherein the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .
エミッタ先端直径は1〜400nmの範囲内にあり、
エミッタ先端と引き出し電極の距離は10nm〜5mmの範囲内にあり、
印加される電圧は1mV〜1000Vの範囲内にあり、
パルスレーザーの強度尖頭値、または連続波レーザーの強度は1W/cm2〜10GW/cm2の範囲内にある
請求項記載の電子放出方法。

The emitter tip diameter is in the range of 1 to 400 nm,
The distance between the emitter tip and the extraction electrode is in the range of 10 nm to 5 mm,
The applied voltage is in the range of 1mV to 1000V,
The electron emission method according to claim 7 , wherein the intensity peak value of the pulse laser or the intensity of the continuous wave laser is in the range of 1 W / cm 2 to 10 GW / cm 2 .

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