JP5657229B2 - 電子ビーム源および電子ビーム源を作製する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電子ビーム源、特により高い輝度および／または小さいエネルギ幅を有する電子ビームを生成することのできる電子ビーム源および電子ビーム源を作製するための方法に関する。
従来の電子ビーム源は、電位、熱励起、光子励起または複合的に電位、熱励起および光子励起に電極をさらすことにより、電子ビームを抽出することのできる電極を備える。幾つかの用途では、生成された電子ビームは小さいエネルギ幅を有することが好ましい。すなわち、生成されたビームの電子は動的エネルギに関しわずかにしか異ならないことが好ましい。比較的小さいエネルギ幅を有する電子ビーム源のための実施例は、ショットキー・エミッタおよび冷電界放出源である。
このようなビーム源のカソードは終端部に向けてテーパ状となるチップ形状を有していてもよい。なぜなら、チップの曲率半径が小さい場合、チップからの電界電子放出が容易となるからである。国際公開第９５／２３４２４号パンフレットにより、電子ビーム源のチップとして炭素ナノチューブを用いることが公知である。さらに米国特許第７，２８８，７７３号明細書により、電子ビーム源のチップとして半導体材料で作られたナノワイヤを用いることが公知である。
表面半径が小さい電極チップは、炭素ナノチューブおよびナノワイヤから作製することができるが、これらは取扱性、取付易さおよび耐用寿命に関し動作性が不十分である。
本発明の実施形態は、半径が比較的小さい電極チップを含む電子ビーム源を提案する。
本発明の別の実施形態は、容易に作製することができ、簡単に取り扱うことができる電子ビーム源を提案する。
本発明の別の実施形態は、耐用寿命が長い電子ビーム源を提案する。
本発明の実施形態によれば、コアを備えるチップを有する電子ビーム源を提案し、コアに少なくとも部分的に導電性被覆層を設ける。
本発明の実施形態によれば、コア表面を被覆材料よりも電気伝導率が低い材料により形成する。電子ビーム源のチップは微小なので、チップを形成する材料の導電性をチップ自体で測定することは難しい場合がある。それ故、本発明に関しては、チップを形成するために用いる材料の導電率または弾性係数の値は、それぞれの材料の全体で測定することもできる抵抗値および弾性係数の値に関連している。
本発明の実施形態によれば、電気伝導率の比較的低い別の材料を、チップ表面を少なくとも部分的に提供する比較的導電性のある材料からなる被覆層の下方に設ける。より導電率の高い材料からなる被覆層を導電率のより低い材料からなる表面に直接に塗布し、両材料を相互に直接に接触させることも可能である。しかしながら、別の材料からなる層を２つの材料の間に配置し、これにより、例えば導電率のより低い材料における導電率のより高い材料からなる被覆層の付着性を改善することも可能である。
本発明の実施形態によれば、コアの表面は導電率がより低い材料により形成され、コアには導電率がより高い材料から形成された被覆層が塗布される。コアは、内部コアと、内部コアに塗布された導電率がより低い材料の層とからなる。内部コアは、導電率がより低い材料とは異なり、特にこれよりも導電率が高い第３材料から形成される。
本発明の実施形態によれば、内部コアを形成する第３材料は、１５０ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、３００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、６００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、または７００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きい弾性係数のうち少なくともいずれかの弾性係数を有する。
物体の弾性係数は、弾性変形領域における応力・歪み曲線の勾配として、すなわち、力が加えられた面積により割った、変形を生じさせる力と、物体の初期状態に加えられた応力により生じる変化と間の比率として定義される。材料の弾性係数は、軸線に沿って圧力を加え、この軸線に沿った材料の相対変形を決定することにより測定してもよい。
特に第３材料の弾性係数は、プラスチック材料の弾性係数よりも大きくてもよい。特に第３材料の剛性は、プラスチック材料の剛性よりも高い。このように、チップは、電界発生時にチップに作用する抵抗力に対して堅固である。このようにして、チップの形状および電子ビーム源全体の形状を保持し、発生した電界の分布を実質的に維持し、好ましい形で電子が放出される。
本発明の実施形態によれば、内部コアを形成する第３材料は、１１００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さいか、１０００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さいか、または８００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さい弾性係数のうち少なくともいずれかの弾性係数を有する。第３材料は、約７７０ｋＮ／ｍｍ２の弾性係数を有するダイアモンド状炭素であってもよい。
本発明の例示的な実施形態によれば、コアの中心は、１５０ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、３００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、６００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きいか、または７００ｋＮ／ｍｍ２よりも大きい弾性係数のうち少なくともいずれかの弾性係数を有する第１材料から形成される。第１材料は、１１００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さいか、１０００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さいか、または８００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さいか弾性係数のうち少なくともいずれかの弾性係数を有していてもよい。
本発明の例示的な実施形態によれば、第１材料により内部コア上に形成された層は、層材料からなる単層よりも厚い。例示的な厚さは、０．１ｎｍ〜１００ｎｍ、特に１ｎｍ〜５０ｎｍ、または１ｎｍ〜３０ｎｍである。
コアに塗布された導電率がより高い材料からなる層は、２ｎｍ〜５０ｎｍ、特に２ｎｍ〜３０ｎｍ、または２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有していてよい。本発明の実施形態によれば、チップはベースに固定され、ベースから離れて延在する終端部表面の曲率半径は小さい。本発明の実施形態によれば、この曲率半径は、１００ｎｍよりも小さいか、８０ｎｍよりも小さいか、または６０ｎｍよりも小さい。例示的な実施形態によれば、曲率半径は５ｎｍよりも大きく、特に１０ｎｍよりも大きい。
本発明の別の実施形態によれば、チップの縦方向最大寸法は、５０ｎｍよりも大きく、特に１００ｎｍよりも大きいか、または３００ｎｍよりも大きい。別の例示的な実施形態によれば、チップの横方向最大寸法は、５００ｎｍよりも小さく、特に２００ｎｍよりも小さいか、１００ｎｍよりも小さいか、または５０ｎｍよりも小さくてもよい。
さらに別の例示的な実施形態によれば、チップの縦方向寸法とチップの横方向寸法との比率（アスペクト比）は、２：１よりも大きいか、５：１よりも大きいか、１０：１よりも大きいか、またはこれよりも大きい。さらにチップは終端部に向けてテーパしていてもよい。
本発明の実施形態によれば、少なくとも部分的にチップ表面を提供する材料の電気伝導率は、１０−７Ｓ／ｍよりも高いか、１０−５Ｓ／ｍよりも高いか、１０−３Ｓ／ｍよりも高いか、１０−１Ｓ／ｍよりも高いか、１０２Ｓ／ｍよりも高いか、１０４Ｓ／ｍよりも高いか、または１０６Ｓ／ｍよりも高くてもよい。
本発明の実施形態によれば、電気伝導率が比較的高い材料からなる被覆層が塗布されるチップのコア表面を提供する材料は、１０５Ｓ／ｍよりも低いか、１０３Ｓ／ｍよりも低いか、１０Ｓ／ｍよりも低いか、１０−１Ｓ／ｍよりも低いか、１０−３Ｓ／ｍよりも低いか、１０−５Ｓ／ｍよりも低いか、または１０−７Ｓ／ｍよりも低い電気伝導率を有していてもよい。
別の実施形態によれば、電子ビーム源のチップのコアに塗布される被覆材料の電気伝導率と、被覆層が塗布される材料の電気伝導率との間の比率は、１０：１よりも大きいか、１００：１よりも大きいか１０４よりも大きいか、１０６よりも大きいか、または１０８よりも大きい。
本発明の別の実施形態によれば、電子ビーム源のチップの被覆材を塗布される材料はダイアモンド状炭素から形成される。ダイアモンド状炭素は、天然ダイアモンドの幾つかの特性を有する非晶質炭素材である。特にダイアモンド状炭素は、ｓｐ３混成の炭素原子を相当量含む。現在、ダイアモンド状炭素の７種の形態が知られている。これらの７種の形態に関し、３種の水素を含まない形態が存在し、ａ−Ｃ、ｐａ−Ｃおよびａ−Ｃ：Ｍｅで表され、後者はドーパントとして金属（Ｍｅ）を含む。７種の形態のうちさらに４種の水素化され、水素を含む形態が存在し、これらはａ−Ｃ：Ｈ、ｔａ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅおよびａ−Ｃ：Ｈ：Ｘで表され、後者２種はドーパントとして金属（Ｍｅ）および他の元素（Ｘ）をそれぞれ含む。金属Ｍｅは、特にタングステン、チタン、金、モリブデン、鉄およびクロムを含んでいてもよく、他の元素Ｘは、特にシリコン、酸素、窒素、フッ素およびホウ素を含んでいてもよい。
ダイアモンド状炭素を作製するための異なる方法が知られている。これらの方法では共通して材料を基板に蒸着させ、圧力、運動量、触媒作用、またはこれらを複合的に蒸着原子に加え、これにより、これらの原子はかなりの確率で既に蒸着された炭素原子と共にｓｐ３結合を形成する。
本発明の実施形態によれば、ダイアモンド状炭素からなる材料に異なった元素をドーピングすることができ、特にＡｕ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒなどをドーパントとして用いることができる。
本発明の実施形態によれば、電子ビーム源のチップのコアに被覆材として塗布され、コア表面の少なくとも一部を形成する形成する材料は金属である。金属は、場合によっては電子の放出作用を低減する酸化層を有していてもよい。本発明の例示的な実施形態によれば、金属は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗ、ＷＴｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒなど、およびこれらの酸化物、例えばＴｉＯｘ，ＶＯｘ、ＨｆＯｘ、ＺｒＯｘなどを含む。
本発明の代替的な実施形態によれば、この材料は半導体材料である。本発明の例示的な実施形態によれば、半導体材料はＧｅおよび／またはＧａＡｓを含んでいてもよい。
本発明の実施形態によれば、電子ビーム源は、ベースに固定され、ベースから離れる方向に延在するチップであって、第１材料により形成された表面を有し、第２材料により形成された被覆層を塗布されたコアを備え、第２材料が少なくとも部分的にチップの表面を提供しているチップと、被覆層に電気的に接続された第１電気端子と、抽出電極に電気的に接続された第２電気端子とを備える。
本発明の例示的な実施形態によれば、ベースの表面は、チップにおけるベースに隣接した終端部付近に延在する凸面部を含む。凸面部は、好ましくはチップから電子を放出するための電界を形成するための役割を果たす。
本発明の実施形態によれば、ベースの凸面部に関連した曲率半径は、１０μｍ〜０．１μｍ、３μｍ〜０．３μｍまたは０．６μｍ〜０．４μｍである。
本発明の実施形態によれば、ベースは対称軸線に対して軸線対称の表面形状を有する表面部を有し、対称軸線とチップの縦方向との間の角度は１０°よりも小さい。これにより、適宜な電位がベースおよび抽出電極に印加された場合に生じるチップの周囲の電界が、好ましくは電子ビーム源から電子を放出するために形成されることがさらに確実となる。
本発明の実施形態によれば、コアに被覆層を備えるチップは電子ビーム源のチップとして用いてもよい。電子ビーム源は、１つ以上のビーム形成部材、例えば開口部、電子光学系、ビームディフレクタなどを備える電子ビームシステムに組み込まれている。上記チップは、さらに電子を用いて物体の像を生成するために用いることもできる。特にチップは、電子顕微鏡システムの１本以上の一次ビームを生成するために用いることができる。
別の実施形態によれば、１本以上の書込みビームを生成するためにチップを用いて所定パターンにより感光性層を露光してもよい。特にチップは電子リソグラフィシステムで用いることもできる。
本発明の実施形態によれば、電子ビーム源を作製するための方法が提供され、この方法は、蒸着法を用いて第１材料によりベースにコアを成長させ、第２材料からなる被覆材をコアに塗布するステップを含む。本発明の例示的な実施形態によれば、蒸着法は、電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法、例えばリソグラフィ法またはイオン蒸着法を用いて塗布される非晶質炭素、局所的触媒からベースを成長させる方法またはその他の方法を含む。またはその他の方法を含んでいてもよい。
本発明により、半径が比較的小さい電極チップを含み、容易に作製することができ、取扱いが簡単で耐用寿命の長い電子ビーム源が提案され、取扱性、取付易さおよび耐用寿命に関する動作性の不十分さを克服した電子ビーム源および電子ビーム源を作製するための方法が得られる。
以下に本発明の実施形態を図面に基づき説明する。構成および機能に関して対応する構成部材には同じ参照数字を付すが、区別するために付加的な符号を付している。それ故、構成部材を説明するためには、それぞれの前後説明も全て参照する。
図１は、本発明の実施形態による電子ビームシステムの概略図である。電子ビームシステム３は電子ビーム源５を備え、電子ビーム源５は、以下に詳述するカソード７と、連続して配置され、それぞれ間隙９を設けた２つのアノード開口もしくは電極６および８とを有している。２つの電極６および８はカソードに隣接して配置されており、間隙９はカソードの先端に向かい合わせとなるように配置されており、ビーム源５が作動した場合に電子ビーム１３は間隙９を横断する。ビーム源５により生成された電子ビーム１３はコンデンサレンズ１１および第２電子検出器１７の間隙１５を横断し、さらなる電子光学系１９により物体２５の表面２３における所定位置２１に向けられる。図１の概略図では、電子光学系１９は、磁気式対物レンズ２７を備え、図１には示していない磁界または静電レンズをさらに備えていてもよい。さらに光学系１９は、電子ビーム１３を直線的な伝搬方向から偏向させるディフレクタ２９を備え、これにより、物体２５の表面２３における拡大領域３１内の選択可能な位置２１に電子ビームを向けることができる。
電子ビーム１３の電子は、物体２５に衝突する位置２１で２次電子を放出する。２次電子は、適宜な電圧を印加された電極２２により物体２５の表面２３から離れて加速され、２次電子は対物レンズ２７に入り込む。２次電子の例示的な軌跡が図１の参照符号３７により示されている。２次電子の一部はディフレクタ１７に衝突し、そこで検出される。
コントローラ３３は、ライン３５，３６により電子源５のカソード７を介して、必要に応じてこれを加熱するために電流を供給する。一般にカソードは加熱することなしに作動させることができる。ライン３５，３６はさらに所定の電位、例えば地電位をカソード７の先端に印加する役割を果たす。ライン３７，３８は、カソード７の先端に関してそれぞれの所定電位を２つの電極６および８に印加する役割を果たし、これにより、先端からの電子放出が支援され、先端領域における電界分布により、好ましくは先端から放出された電子からビーム１３が形成される。ライン３９を介して、アノード７に関して所定の電位が、コントローラ３３によって物体２３のためのホルダ２４、ひいては物体２３そのものに印加され、ビーム１３の電子は所定の動的エネルギにより物体２５に衝突する。これにより、放出されて検出器１７に衝突する２次電子は検出器において信号を発信し、これらの信号はライン４１を介してコントローラ３３から読み出される。制御ライン４２を介して、コントローラ３３はディフレクタ２９を制御して電子ビーム１３が物体２５に衝突する位置２１をシフトさせる。電子ビーム１３の偏向に応じて検出器１７により供給された信号を記録することにより、物体２５から電子顕微鏡画像情報を得ることが可能である。
上記においては、電子ビームシステム３はＳＥＭ（走査電子顕微鏡）タイプの電子顕微鏡の機能を有する。しかしながら、本発明の実施形態は、他のタイプの電子ビームシステム、例えばＬＥＥＭ（low electron emission microscope:低エネルギー電子顕微鏡）タイプおよびＴＥＭ（transmission electron microscope:透過電子顕微鏡）タイプの電子顕微鏡システムをも含む。本発明の実施形態はさらにリソグラフィシステムを含み、リソグラフィシステムでは、１本以上の電子ビームが所定パターンを有する感光性層（レジスト）を露光するために用いられる。これにより、電子ビームは図１の関して説明したように感光性層を横断して系統的にスキャンされ、強度を制御され、感光性層の選択領域を衝突電子エネルギにより露光する。層に衝突するビームの強度をビーム源の制御により変化させてもよいし、または別個のビームブランカをビームをオン・オフ切換するために設けてもよい。このようにして露光された感光性層は、次いで現像することができ、次いでさらなるリソグラフィステップ、例えばイオン注入、スパッタリングまたは材料蒸着などで処理され、微小構成部材が作製される。
図２Ａは、電子ビーム源５の詳細を断面図で示している。ここに示す実施形態の電子ビーム源はキャリアプレート５１を備え、キャリアプレート５１は金属から形成されていてもよく、この金属を介してカソードを加熱するために電流が流れることもできる。キャリアプレート５１は制御ラインのための端子を有し、電子ビームシステムのほかの構成部材に対して規定された電位をカソードに印加する。
ベース５３がプレート５１に固定されており、ベース５３には円筒状凹部５５が設けられている。ベース５３のための材料は、例えばシリコンであってもよく、凹部５５は、例えばベース５３の本体にエッチングを施すことにより設けてもよい。カソード７のチップ６０のコア５７は凹部５５に固定されている。コアは、実質的に電気的に非伝導性の材料から形成されていてもよい。例えば、コアの電気伝導率は１０−６Ｓ／ｍより低くてもよい。ここの示す実施形態では、コアはダイアモンド状炭素から形成されている。ダイアモンド状炭素からなるコア５７を作製するための一つの可能性は、電子ビームによる蒸着である。この方法ではベースは真空チャンバに配置され、真空チャンバには、例えば炭素化合物を用いることもできる所定のプロセスガス雰囲気が充填されている。この方法では、さらにもう１本の電子ビームが凹部５５の底に向けられ、この位置でダイアモンド状炭素の蒸着が開始される。プロセスにおける所定の時点で炭素材料を蒸着させたい位置に電子ビームを選択的に向けることにより、プロセスガスが活性化され、表面に炭素原子が蒸着され、これらの炭素原子は、この位置に既に蒸着されている炭素原子と少なくとも部分的にｓｐ３結合を形成する。ここで、蒸着材料が炭素の他に不純物、例えば水素を含むようにプロセスガスを選択することも可能である。
ここに示す実施例では、蒸着は、コア５７がベース５３から離れる延在方向に約５６０ｎｍの寸法ｌを有するように制御される。さらに蒸着は、コアが実質的に円形横断面を有し、ベースに隣接して縦方向に対して直交方向に約１５０ｎｍの最大寸法ｂを有するように設計されており、コア５７の横断面は、ベース５３から離れた終端部に向けて連続的にテーパしている。ベース５３から離れた終端部においてコアの表面は約１３ｎｍの曲率半径ｒ１を有している。
上記方法を用いて速い角速度でチップをベースに成長させることができる。チップの縦方向軸線は、例えばベースの対称軸線と０．５°未満の角度をなすように配向し、ベースの対称軸線から０．１ｍｍ未満離間させてもよい。
コア５７の表面は、ＴｉおよびＴｉＯｘよりなる導電性被覆層５９により被覆されている。この被覆層は、１０ｎｍの厚さｃを有し、例えばスパッタ被覆または電子ビーム蒸着によりコア５７に塗布される。この被覆層はベース５３の表面にわたってプレート５１まで延在し、これにより、比較的良好な電気接続がプレート５１と、ベース５３から離れた先端７との間に形成される。図２Ａに概略的に示した状態では、ベース５３から離れる方向に向いたコア５７の終端部も、カソード７の外面が終端部に約２３ｎｍの曲率半径ｒ２を有するように、被覆層５９により被覆されている。
図２Ｂは、図２Ａの電子ビーム源５のさらなる幾何学特性を示している。ベース５３は表面５３′を露出しており、この露出された表面５３′は導電性被覆層５９により形成されている。ベース５３の他の表面領域、例えばチップ６０を固定する凹部５５は電子ビーム源の作製時には露出されてもよい。しかしながら、凹部５５は完成した電子源では露出されない。領域５２は、ベース５３の露出される表面５３′の一部を規定している。この表面部分は、ベースの露出される表面５３′全体の少なくとも５０％、特に少なくとも８０％に達してもよい。このように規定された表面部分は、ベース５３に近接したチップ６０の終端部周辺に延在している。しかしながら、ベースの露出した表面５３′全体が凸状でなくてもよい。
図２Ｂに示すように、ベース５３の表面５３′の凸面形状は、中心Ｃおよび凸面部に適宜な半径Ｒを有する球の球面に近くてもよい。図示の実施例では、最適な球は半径Ｒ＝０．５μｍを有し、これは露出された表面５３′の表面部の曲率半径に相当する。他の実施形態では、曲率半径Ｒは０．１μｍ〜１０μｍであってもよい。
図示の実施例では、チップ６０の周囲におけるベース５３の表面形状は、対称軸線５４に関して軸線対称的に形成されている。対称軸線は、チップ６０の縦軸線６１と一致する。他の実施形態では、ベースは対称軸線に関して回転対称的に形成されていてもよい。他の実施形態では、チップ６０の縦軸線６１とベース５３の対称軸線５４とは１０°未満の角度をなす。
図３は、図２に関して前述したカソード７の写真を示す。
図３に示す構成のカソードは、かなり長時間にわたり比較的強度の高い電子ビームを生成することができる。実施した実験では、３μＡのビーム電流が得られ、１５００時間にわたって保持することができる。これにより、ビーム電流は比較的一定に保たれ、最大で１０％の電流振動が生じるが、電流振動は数分間にわたって３％未満である。
発明者は、電子ビーム源としての図２の構成の可能性を完全に説明することはまだできない。推量によれば、作製された構成では長さと幅との比率が比較的大きく、チップの半径は小さく、これにより、電界の好ましい振幅が生じることで説明がつく。別の理由は、コアの材料は耐性が高く、長時間にわたり真空チャンバ内のチップの周囲に存在する残留ガスのイオンによる作動中の衝撃に抵抗することにある。チップの終端部の被覆層５９がこのような衝撃により損なわれた場合であっても良好な電子放出が行われる場合がある。なぜなら、チップは、チップの終端部までコア５７の周囲に円筒状に延在する被覆層５９を横断して電子を誘導するからである。さらなる考察によれば、チップから放出された電子は円形リング面の形状を有する導電性被覆層内を移動し、そこで電子の状態は量子化される。これにより生じる被覆層内における電子のためのエネルギ準位は占有され、被覆層からの放出作用は、占有されたより高いエネルギ準位のいずれかに存在する電子については比較的低いか、またはチップから電子が通り抜ける可能性が比較的高い。
図４は、電子ビーム源７ａのためのチップ６０ａの別の実施形態を示している。図４に示すチップ６０ａは、図２を参照して説明したチップと類似の構成および機能を有している。しかしながら、図２とは異なりコア５７ａは唯一の材料片により一体的に形成されてはいない。コア５７ａは内部コア６５を備え、内部コア６５は、縦方向に延在する形状を有し、ベース５３ａから離れた終端部に円形表面を有する。内部コア６５は、非導電性材料よりなる層５７ａにより被覆されている。層５７ａは、さらに導電性材料よりなる層５９ａにより被覆されており、層５９ａは、ベース５３ａから離れたコア５７ａの終端部まで延在し、さらにプレート５１ａまで延在しており、プレート５１ａでは、ベース５３ａがプレート５１ａと、ベース５３ａから離れたコア５７ａの終端部との間に導電接続をもたらすように保持される。
図２を参照して説明した実施形態と同様に、チップ６０ａは少なくとも部分的に表面に設けた導電性の被覆層５９ａを備え、被覆層５９ａは、チップ領域で非導電性材料６３に塗布される。それ故、内部コア６５をそれ自体導電性または非導電性の材料から形成することも可能である。
内部コアのための例示的な材料はダイアモンド状炭素であり、層５７ａのための例示的な材料はＳｉＯ２であり、外側被覆層５９ａのための例示的な材料はＴｉおよびＴｉＯｘである。
図５を参照して電子ビーム源を作製するための方法の実施形態を以下に説明する。方法はステップ１０１で始まる。ステップ１０１ではベースを設け、ベースには後続ステップで適宜なチップを固定する。それ故、ステップ１０３では、チップのコアをベースに成長させる。図２および図４を参照して説明した実施形態では、ベースは、成長するコアを固定する凹部を備える。しかしながら、コアがベースに十分に固定されるように、コアをベースの凹部にではなく、ベースの平滑な表面に直接に成長させることも可能である。望ましい長さ、望ましい横断面およびベースから離れた終端部に向けた望ましいテーパ部を備えるようにチップのコアを成長させた後に、必要に応じてステップ１０５でコアを導電性材料により被覆する。ステップ１０５により、本発明の実施形態による電子ビーム源のためのチップを製造する方法が完了する。
ここに説明した発明の実施形態により電子源を作製するための方法は、さらに続くステップ１０７を含む。ステップ１０７では、ベースを備えるチップを電子ビーム源の形に組み立てる。ここで開口部がチップに向かい合わせとなるように1つ以上の開口部をベースに対して配置し、開口部とベースとの間に電圧を印加した場合に開口部とチップとの間の電界分布が生じ、チップから電子を取り出し、ビームを形成することができる。ステップ１０７における電子ビーム源の組立てにより、電子ビーム源を作製するための方法の実施形態は完了する。
これとは異なり、電子ビームシステムを作製するための実施形態は、さらなるステップ１０９を備える。ステップ１０９では、電子ビーム源を電子ビームシステムに組み込む。電子ビームシステムは、例えば電子顕微鏡システムまたは電子リソグラフィシステムであってもよい。
コアは、電子ビーム蒸着によりベースに蒸着させてもよい。しかしながら、ベースに蒸着させるための別の方法、例えば、触媒作用による非晶質炭素の成長法を用いることも可能である。さらに初期には大きいブランクの寸法を方向性アブレーションにより減じ、チップ半径が小さいチップを有するコアを作製することも可能である。このような方法のための実施例は、ガリウムイオンまたはアルゴンイオンを用いたフライス加工法である。
さらに走査型トンネル顕微鏡または原子間力型顕微鏡のために用いるチップを本発明の実施形態による電子ビーム源のチップのためのコアとして使用することも可能である。一例は、ドイツ国ミュンヘン８０４６９のナノツールズ社（Nanotools GmbH, 80469 Munich, Germany） により市販のＡＦＭプローブである。次いで、本発明の実施形態による電子ビーム源のためのチップを形成するために、得られたコアに導電性材料による被覆を施すステップ１０５を実施する。
本発明の実施形態によれば、電子ビーム源のチップは、被覆層を有するコアを備える。被覆層は、コア表面を形成する材料よりも導電率の高い材料により形成される。
３ 電子ビームシステム
５ 電子ビーム源
６，８ 電極
７ カソード（チップ）
９ 開口部
１１ コンデンサレンズ
１３ 電子ビーム
１５ 開口部
１７ 二次電子検出器
１９ 電子光学系
２１ 位置
２３ 表面
２５ 物体
２７ レンズ
２９ ディフレクタ
３１ 拡大領域
３３ コントローラ
３５，３６，３７，３８，３９,４１ ライン
４２ 制御ライン
５１ キャリアプレート
５２ 領域
５３ ベース
５３′ 表面
５４ 対称軸線
５５ 凹部
５７,５７ａ コア
５９ａ 被覆材
６０,６０ａ チップ
６１ 縦方向軸線
６３ 非導電性材料
６５ 内部コア
１０３，１０５，１０７ ステップ
ｌ 寸法
ｂ 最大寸法
ｃ 厚さ
５ 電子ビーム源
６，８ 電極
７ カソード（チップ）
９ 開口部
１１ コンデンサレンズ
１３ 電子ビーム
１５ 開口部
１７ 二次電子検出器
１９ 電子光学系
２１ 位置
２３ 表面
２５ 物体
２７ レンズ
２９ ディフレクタ
３１ 拡大領域
３３ コントローラ
３５，３６，３７，３８，３９,４１ ライン
４２ 制御ライン
５１ キャリアプレート
５２ 領域
５３ ベース
５３′ 表面
５４ 対称軸線
５５ 凹部
５７,５７ａ コア
５９ａ 被覆材
６０,６０ａ チップ
６１ 縦方向軸線
６３ 非導電性材料
６５ 内部コア
１０３，１０５，１０７ ステップ
ｌ 寸法
ｂ 最大寸法
ｃ 厚さ
Claims (44)
- 凸面形状の表面を有するベースと、
ベースに固定され、前記ベースから離れる方向に延在する１つのチップであって、第１材料からなるコア表面を有し、第２材料からなる被覆層を塗布されたコアを備え、前記第２材料がチップの表面を提供するチップと、
前記被覆層に電気的に接続された第１電気端子と、
前記チップに向かい合って配置された間隙を有する抽出電極と、
該抽出電極に電気的に接続された第２電気端子とを備えるビーム電子源において、
前記第１材料の電気伝導率が、１０５Ｓ／ｍよりも低いという条件、
前記第２材料の電気伝導率が、１０−７Ｓ／ｍよりも高いという条件、
前記第２材料の電気伝導率と前記第１材料の電気伝導率との間の比率が、１０：１よりも大きいという条件のうち、少なくとも１つの条件を満たすことを特徴とする電子ビーム源。 - 請求項１に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料の電気伝導率が、１０ −７ Ｓ／ｍよりも低いという条件、
前記第２材料の電気伝導率が、１０ ６ Ｓ／ｍよりも高いという条件、
前記第２材料の電気伝導率と前記第１材料の電気伝導率との間の比率が、１０ ８ よりも大きいという条件のうち、少なくとも１つの条件を満たすことを特徴とする電子ビーム源。 - 請求項１または２に記載の電子ビーム源において、
前記チップにおける前記ベースから離れた終端部の表面の曲率半径が、１００ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項３に記載の電子ビーム源において、
前記チップにおける前記ベースから離れた終端部の表面の曲率半径が、６０ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１から４までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記ベースから離れて縦方向に延在するチップ寸法が、縦方向に直交する横方向に延在するチップ最大寸法よりも少なくとも２倍大きい電子ビーム源。 - 請求項５に記載の電子ビーム源において、
前記ベースから離れて縦方向に延在するチップ寸法が、縦方向に直交する横方向に延在するチップ最大寸法よりも少なくとも１０倍大きい電子ビーム源。 - 請求項１から６までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記チップの縦方向最大寸法が、５０ｎｍよりも大きい電子ビーム源。 - 請求項７に記載の電子ビーム源において、
前記チップの縦方向最大寸法が、３００ｎｍよりも大きい電子ビーム源。 - 請求項１から８までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記チップの横方向寸法が、５００ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項９に記載の電子ビーム源において、
前記チップの横方向寸法が、５０ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料からなる前記被覆層の厚さが、２ｎｍよりも大きい電子ビーム源。 - 請求項１１に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料からなる前記被覆層の厚さが、１０ｎｍよりも大きい電子ビーム源。 - 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料からなる前記被覆層の厚さが、５０ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１３に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料からなる前記被覆層の厚さが、２０ｎｍよりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記コアの中心が前記第１材料からなっている電子ビーム源。 - 請求項１５に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料の弾性係数が、１５０ｋＮ／ｍｍ２よりも大きい電子ビーム源。 - 請求項１６に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料の弾性係数が、７００ｋＮ／ｍｍ ２ よりも大きい電子ビーム源。 - 請求項１５から１７までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料の弾性係数が、１１００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１８に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料の弾性係数が、８００ｋＮ／ｍｍ ２ よりも小さい電子ビーム源。 - 請求項１から１９までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第１材料が実質的に電気的に非伝導性の材料であるか、又はダイアモンド状炭素である電子ビーム源。 - 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記チップの前記コアが、第１材料とは異なる第３材料からなる内部コアを備え、第１材料から形成された層が前記内部コアに塗布されている電子ビーム源。 - 請求項２１に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料の弾性係数が、１５０ｋＮ／ｍｍ２よりも大きい電子ビーム源。 - 請求項２２に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料の弾性係数が、７００ｋＮ／ｍｍ ２ よりも大きい電子ビーム源。 - 請求項２１から２３までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料の弾性係数が、１１００ｋＮ／ｍｍ２よりも小さい電子ビーム源。 - 請求項２４に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料の弾性係数が、８００ｋＮ／ｍｍ ２ よりも小さい電子ビーム源。 - 請求項２１から２５までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料がダイアモンド状炭素である電子ビーム源。 - 請求項２１から２６までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料がｓｐ３結合炭素を含む電子ビーム源。 - 請求項２７に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料が、ｓｐ２結合炭素、水素、窒素、フッ素、ホウ素からなる群の少なくともいずれか１種の添加剤を含む電子ビーム源。 - 請求項２１から２５までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第３材料が、実質的にダイアモンド状炭素からなる電子ビーム源。 - 請求項１から２９までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料が金属を含む電子ビーム源。 - 請求項３０に記載の電子ビーム源において、
前記金属が、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗ、Ｖ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群の少なくともいずれか１種の元素を含む電子ビーム源。 - 請求項１から２９までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第２材料が、半導体材料を含む電子ビーム源。 - 請求項３２に記載の電子ビーム源において、
前記半導体材料が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓ、Ｐ、Ｓｂからなる群の少なくともいずれか１種を含む電子ビーム源。 - 請求項１から３３までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記第１電気端子および前記第２電気端子に電気的な供給電圧を供給するための電圧供給器をさらに備える電子ビーム源。 - 請求項１から３４までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記ベースの前記凸面部に関連した曲率半径が、１０μｍ〜０．１μｍである電子ビーム源。 - 請求項３５に記載の電子ビーム源において、
前記ベースの前記凸面部に関連した曲率半径が、０．６μｍ〜０．４μｍである電子ビーム源。 - 請求項１から３６までのいずれか一項に記載の電子ビーム源において、
前記ベースが、対称軸線に対して軸線対称の表面形状を有する表面部を有し、対称軸線と前記チップの縦方向との間の角度が１０°未満である電子ビーム源。 - 電子ビーム源を作製するための方法、特に請求項１から３７までのいずれか一項に記載の電子ビーム源を作製するための方法において、該方法が、
電子ビーム蒸着またはイオンビーム蒸着の少なくともいずれかを用いてベースに第１材料のコアを成長させるステップと、
第２材料の被覆層を前記コアに塗布するステップと、
該コアを抽出電極の間隙に向かい合わせに配置するステップとを含むことを特徴とする方法。 - 電子ビームシステムにおいて、
請求項１から３７までのいずれか一項に記載の電子ビーム源または請求項３８に記載の方法により作製された電子ビーム源を備えることを特徴とする電子ビームシステム。 - ベースと、
ベースに固定され、前記ベースから離れる方向に延在する１つのチップであって、第１材料からなるコア表面を有し、第２材料からなる被覆層を塗布されたコアを備え、前記第２材料がチップの表面を提供するチップと、
前記被覆層に電気的に接続された第１電気端子と、
前記チップに向かい合って配置された間隙を有する抽出電極と、
該抽出電極に電気的に接続された第２電気端子とを備えるビーム電子源であって、
前記第１材料の電気伝導率が、１０ ５ Ｓ／ｍよりも低いという条件、
前記第２材料の電気伝導率が、１０ −７ Ｓ／ｍよりも高いという条件、
前記第２材料の電気伝導率と前記第１材料の電気伝導率との間の比率が、１０：１よりも大きいという条件のうち、少なくとも１つの条件を満たすことを特徴とする電子ビーム源の使用法において、
０．１μＡよりも大きい電子ビーム電流を有する電子ビームを生成するために使用することを特徴とする使用法。 - 請求項４０に記載の電子ビーム源の使用法において、１μＡよりも大きい電子ビーム電流を有する電子ビームを生成するために使用することを特徴とする使用法。
- 請求項４０または４１に記載の電子ビーム源の使用法において、前記ベースが凸面形状の表面を有することを特徴とする使用法。
- 請求項１から３７までのいずれか一項に記載の電子ビーム源、または請求項３８に記載の方法により作製された電子ビーム源の使用法において、
物体の電子顕微鏡画像を生成するために使用することを特徴とする使用法。 - 請求項１から３７までのいずれか一項に記載の電子ビーム源、または請求項３８に記載の方法により作製された電子ビーム源の使用法において、
所定パターンにより感光性層を露光するために使用することを特徴とする使用法。
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