JPH06177020A - 薄膜冷陰極及びそれを用いた電子線露光装置 - Google Patents

薄膜冷陰極及びそれを用いた電子線露光装置

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JPH06177020A
JPH06177020A JP32914992A JP32914992A JPH06177020A JP H06177020 A JPH06177020 A JP H06177020A JP 32914992 A JP32914992 A JP 32914992A JP 32914992 A JP32914992 A JP 32914992A JP H06177020 A JPH06177020 A JP H06177020A
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single crystal
cold cathode
thin film
electron beam
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JP32914992A
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English (en)
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Toshiyuki Aida
敏之 会田
Taku Oshima
卓 大嶋
Susumu Sasaki
進 佐々木
Tomio Yaguchi
富雄 矢口
Toshiaki Kusunoki
敏明 楠
Tadashi Narisei
正 成清
Emiko Yamada
絵実子 山田
Hiroyuki Shinada
博之 品田
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30Cold cathodes
    • H01J2201/312Cold cathodes having an electric field perpendicular to the surface thereof
    • H01J2201/3125Metal-insulator-Metal [MIM] emission type cathodes

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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 単色の電子線で、かつ面状の電子線源および
それを用いた露光装置を提供する。 【構成】 MIM構造の薄膜冷陰極の絶縁薄膜に単結晶
あるいは高配向のアルミニウム酸化膜を用いる

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子ビ−ムを用いて集
積回路あるいはファイルメモリ−などの微細パタ−ンを
作製する電子線露光装置およびその電子源に関する。
【0002】
【従来の技術】集積回路などのパタ−ンの露光には光、
レ−ザ、X線、電子線などを利用した方法がある。その
中で、電子線による露光は波長による微細化の限界が光
より、はるかに小さいため、X線と並んで今後の描画技
術として注目されている。電子線露光方法は、点状ある
いは矩形状の断面を持つ電子線を偏光し位置を移動しな
がらウェハ上に照射し、さらにステ−ジも移動させて微
細パタ−ンを描画しようとするものである。しかし、こ
の方法には解像度の向上を望むことができるが、一本書
きの露光のため、ウェハ−全面露光には時間がかかり、
スル−プットが低く量産には向かない問題があった。
【0003】これに対して、面状電子源を作製し、その
表面に、特定パタ−ン発生回路を設けるか、あるいは電
子源の前に、集積回路のパタ−ンと同じ形状のマスクを
設けて、電子線を成形し、これを対象とする感光剤で被
覆された半導体の上に一括転写すれば従来のスル−プッ
トの低さが克服できる(例えば、電子・イオンビ−ムハ
ンドブック、日刊工業新聞社、昭和61年、P415〜
417参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記面状電子源として
は、数mmの大きさの面状で、かつ、エネルギ−の揃っ
た単色の電子線が得られる必要がある。その為には、
0.5eV程度の単色の電子線が得られる薄膜型冷陰極
が必要である。
【0005】しかし、現在の薄膜型冷陰極のエネルギ−
は、最も低いものでも1.5eV止まりである(例え
ば、ジャ−ナル オブ アプライド フィジックス 第
45巻1号(1974年)119頁から125頁(Jour
nal of Applied Physics, Vol.45, No.1, (1974)pp119-
125)参照)。
【0006】図2に従来の薄膜型冷陰極のMIM構造の
模式的なエネルギ−バンド図を示す。SiO2基板1に
電子供給源の下部金属電極M1、トンネル電流を通す絶
縁薄膜I、電子引出用の上部金属電極M2からなるMI
M構造の模式的なエネルギ−バンド図を示す。SiO2
基板1上に、電子供給源の下部金属電極M1として働く
厚さ200nmのAl膜、トンネル電流を通す絶縁薄膜
Iとして働く厚さ約10nmのAl23膜(Al膜の表
面を陽極酸化法で酸化して形成する)、および電子引出
用の上部金属電極M2として働く厚さ約10nmのAu
膜を設けたものである。ここで、下部金属電極M1と上
部金属電極M2の間に、直流電源2を接続し約10V電
圧を印加すると、下部金属電極M1のフェルミレベル近
傍の電子(iT)が絶縁薄膜I中を流れ,真空中に電子
放出(iE)される。
【0007】従来の電子線のエネルギ−幅は1.5eV
と高いが、これは絶縁薄膜Iの厚さ制御が精度良くなさ
れていないため、膜中の電界分布の不均一が生じるこ
と、および絶縁薄膜Iの結晶性に対する配慮がなされて
いないため、膜中での不均一な格子振動による電子散乱
で電子放出(iE)のエネルギ−広がりを生じているこ
とが原因と考えられる。
【0008】本発明の目的は、単色の電子線で、かつ面
状の電子線源およびそれを用いた露光装置を提供するこ
とにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は絶縁薄膜に単
結晶あるいは高配向のアルミニウム酸化膜を用いること
で解決できる。この絶縁薄膜は以下のプロセスで作製で
きる。(1)MIM構造の下部金属電極として、ガリウ
ム砒素基板上に単結晶成長させたアルミニウムを用い
る。その場合、ガリウム砒素基板として、(001)面
方位の単結晶基板を用いることが好ましい。(2)ま
た、下部金属電極として、サファイア基板上に、ニオビ
ウム単結晶を成長させ、その上にアルミニウムを被覆し
たのを用いても良い。その場合、サファイア基板とし
て、(1102)のR面方位の単結晶基板を用いること
が好ましい。(3)アルミニウム酸化膜は陽極酸化法、
あるいは減圧酸素雰囲気下で作製する方法で達成でき
る。
【0010】
【作用】基板としてGaAs単結晶を用いることで、そ
の上にMBE法でAl単結晶を成長させることができ
る。そのため、Al下部金属電極に多結晶の粒界による
表面の荒れがなくなり、結果としてAl23縁薄膜が均
一の厚さで生成し、膜内の電界強度分布が均一となる。
さらに、Al単結晶の上に成長するAl23膜は結晶学
的に配向しやすいので、トンネル電流は不規則な格子振
動による散乱を受けにくいので、真空中に単色化された
電子線が放出される。同様な効果は基板にAl23単結
晶を用い、その上にNb単結晶を成長させ、その上にA
lとAl23,高配向膜を作製しても得られる。この場
合、薄膜陰極全体をNbの超伝導臨界温度9K以下、例
えばHeの液化温度4.2Kにすると、下部金属電極M
1のフェルミレベル近傍の電子は強く凝縮するので、さ
らに電子線の単色化に有効である。
【0011】
【実施例】
実施例1 本発明の実施例1の薄膜冷陰極を図1により説明する。
表面を清浄化したGaAs(001)基板3にAl4を
室温〜400℃の基板温度、10-9Torrの真空雰囲
気、0.05nm/sの蒸着速度、の条件下で200n
m付着した。電子線回折によると、(001)面のAl
単結晶膜が基板方位に対して、45度回転して、成長し
ていた。表面は10万倍の走査型電子顕微鏡で凹凸が確
認できないほど平坦であった。Al23膜5は陽極酸化
法で3%クエン酸アンモニウム水溶液、10Vの化成電
圧、1分の酸化時間の条件下でAl単結晶の上に10n
m成長させた。Al23膜厚のバラツキは数%以下に抑
えられていた。結晶性もX線回折によるとc軸が膜面に
垂直な方位を持つ単結晶に近い高配向膜であった。な
お、Al23膜5の形成は陽極酸化法に限らず、10-2
Torr程度の減圧酸素中で300から600℃の低温
で加熱して作製する方法でも良い。結晶性はc軸が膜面
に垂直な単結晶膜であった。次に、Al23膜のうえ
に、10nmのAu膜6を上部電極として、抵抗加熱蒸
着法で形成した。
【0012】この本素子を超高真空容器の中にセット
し、電子放出を行なわさせる図1の電圧印加をした。電
圧V1はAlの下部電極とAuの上部電極の間に加わ
り、9Vとした。これにより、Al23の絶縁膜には9
V/10nm=9x107V/cmの高電圧がかかり、
図2の原理で真空中への電子放出を生じた。電圧V2
100Vをかけ、10kΩの抵抗体に流れる電流値を読
み取ると、0.5μA/cm2であった。さらに、別の
超高真空容器の中で、retarding potential法で、電子線
のエネルギ−幅を求めると、0.5eVであった。さら
に、図1に示すように、上部電極のAu膜6に、10μ
2のマトリクス駆動可能な微細回路パタ−ンを設け、
外部回路のスイッチング、例えば9Vのパルス状の電圧
印加Qで、特定の微細素子からのみの電子放出を行うこ
とができた。本発明の電子源の前に、集積回路のパタ−
ンと同じ形状の金属マスクを設けても、電子線を成形す
ることができた。
【0013】実施例2 本発明の実施例2の薄膜冷陰極を図3により説明する。
基板に(1102)Al237を用い、その上にNb8
とAl4の下部電極を設ける。Nbの成膜は電子線加熱
蒸着法で、基板温度800℃、真空度2x10-6Pa,
成膜速度0.1nm/sの条件下で50nmの厚さとし
た。電子線回折によると、Nbの(100)単結晶膜で
あった。この上に、図1と同様にAlとAl23の障壁
層5、上部電極のAu膜6を設けた。Alは(111)
面が成長した単結晶体で、Al23膜はc軸の高配向膜
であった。本構成陰極の放出電流密度と、エネルギ−分
布を求めると、0.3μA/cm2と0.6eVであっ
た。しかし、薄膜陰極全体を低温ステ−ジにマウント
し、Nbの超伝導臨界温度9K以下、たとえばHeの液
化温度4.2Kにすると、エネルギ−分布の広がりは小
さくなり、0.2eVであった。これは下部金属電極M
1のフェルミレベル近傍の電子は超伝導状態になると、
特定レベルに凝縮するので電子線の単色化を強くするた
めである。
【0014】実施例3 本発明の電子線源を用いた電子線露光装置の一実施例を
図4に示す。LSIパタ−ン発生器と本発明の面状電子
源9の組合せで発生した成形された電子線をブランカ1
0と電子レンズ11で縮小し、偏向器12で対象とする
感光剤で被覆された半導体ウェハ13の上に縮小して、
一括転写することにより従来の一本書きの露光方法に比
べて、スル−プットを一桁以上低減できることが可能に
なった。
【0015】
【発明の効果】本発明によれば、膜厚が均一で、かつ結
晶性の良い絶縁膜が得られるので、エネルギ−の揃った
単色の電子線が得られ、スル−プットの大きい転写方式
の電子線露光装置を可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MIM型薄膜冷陰極の動作原理を示す図であ
る。
【図2】本発明の実施例1の薄膜冷陰極の断面図であ
る。
【図3】本発明の実施例2の薄膜冷陰極の断面図であ
る。
【図4】本発明の実施例3の電子線露光装置の概略図で
ある。
【符号の説明】
1:SiO2基板、2:直流電源、3:GaAs基板、
4:Al単結晶膜、5:Al23高配向膜、6:Au
膜、7:Al23基板、8:Nb単結晶膜 9:面状電子源、10:ブランカ、11:電子レンズ、
12:偏向器、13:半導体ウェハ、14:ステ−ジ、
1:下部電極、M2:上部電極、I:絶縁膜、V1:引
出電圧、V2:加速電圧、R:抵抗、Q:パルス電圧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/305 9172−5E (72)発明者 矢口 富雄 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 楠 敏明 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 成清 正 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山田 絵実子 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 品田 博之 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空中に電子放出させる上部金属電極
    (M)、トンネル電流を通す絶縁薄膜(I)、電子供給
    源の下部金属電極(M)からなるMIM構造の薄膜冷陰
    極において、上記絶縁膜は単結晶あるいは高配向のアル
    ミニウム酸化膜を有することを特徴とする薄膜冷陰極。
  2. 【請求項2】上記下部電極はガリウム砒素単結晶基板上
    に形成された単結晶アルミニウム膜で構成された部分を
    有する請求項1記載の薄膜冷陰極。
  3. 【請求項3】上記下部電極はサファイア単結晶基板上に
    形成された単結晶ニオビウム膜および該単結晶ニオビウ
    ム膜上に形成されたアルミニウム膜で構成された部分を
    有する請求項1記載の薄膜冷陰極。
  4. 【請求項4】上部電極はAu膜を有している請求項1乃
    至3のいずれか一項に記載の薄膜冷陰極。
  5. 【請求項5】上部電極はマトリクス駆動可能なパタ−ン
    形状をしている請求項1乃至4のいずれか一項に記載の
    薄膜冷陰極。
  6. 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか一項に記載の薄
    膜冷陰極と、該陰極を駆動する回路を有することを特徴
    とする電子線露光装置。
JP32914992A 1992-12-09 1992-12-09 薄膜冷陰極及びそれを用いた電子線露光装置 Pending JPH06177020A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024108A1 (fr) * 1996-11-28 1998-06-04 Sugihara, Shinichi Element et procede de decharge d'electrons
WO2000070642A1 (fr) * 1999-05-17 2000-11-23 Hitachi, Ltd. Dispositif d'affichage
JP2007518223A (ja) * 2003-12-30 2007-07-05 コミツサリア タ レネルジー アトミーク 発散制御機能を有したハイブリッド型マルチビーム電子放出デバイス

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