JPH0721953A

JPH0721953A - 電子線源及びそれを用いた電子線応用装置と電子装置

Info

Publication number: JPH0721953A
Application number: JP16162193A
Authority: JP
Inventors: Taku Oshima; 卓大嶋; Katsuhiro Kuroda; 勝広黒田; Mitsuhiro Mori; 光廣森; Kiyokazu Nakagawa; 清和中川; Tomoyoshi Mishima; 友義三島; Takeyuki Hiruma; 健之比留間; Masakuni Okamoto; 政邦岡本; Masanobu Miyao; 正信宮尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24
Also published as: EP0633593A1

Abstract

(57)【要約】【目的】エネルギー幅の狭い電子線を発生する電子線源
を提供する。【構成】導電体の針１１の表面に膜厚が電子波の浸透長
程度以下のバリア層１２と量子井戸層１３を備え、対向
する電極に対し負の電圧を印加して電子線を発生する電
子線源。【効果】極めてエネルギー幅の狭い電子線を放出する電
子線源が得られ、高分解能の電子顕微鏡や高性能の電子
分光装置、電子線回折装置を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子線源及び電子線応用
装置に係わり、特に電子顕微鏡の高分解能化や、エネル
ギー分析による材料評価を行う分析装置に好適な、極単
色電子線源及びそれを用いた電子線応用装置と電子装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の狭ネルギー幅を有する電子線源と
して一般に広く使用されているものとしては、電界放出
型電子銃があり、この原理について記載されたものとし
ては、例えば、日本学術振興会第１３２委員会編、電子
・イオンビームハンドブック第２版（昭和６１年日刊工
業新聞社）、１４５〜１５１ページ、がある。この電子
線源においては、タングステン（Ｗ）陰極の先端を１０
０ｎｍ径程度に鋭く尖らせることによって先端部分に電
界を集中させ、その結果、先端部分から真空中に電界放
出される電子を用いている。

【０００３】また、単色化した電子線を用いる分析装置
等においては、狭エネルギー幅の電子線を得るために、
従来の電子線源から発生させた電子線をエネルギーアナ
ライザに通し、磁界や電界によってエネルギー分散さ
せ、スリット等によってその内の極く一部を取り出して
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｗ内部の電子と真空中
の自由電子との間には仕事関数と呼ばれるポテンシャル
エネルギー差があり、常温ではＷ内部の電子は外に出る
ことはない。従来例においては、高電界をかけることに
よって真空準位を曲げ、図２（ａ）のような薄い三角形
のポテンシャル障壁とすると、Ｗ中の電子の一部はこの
ポテンシャル障壁をトンネル効果によって透過し、真空
中に放出される。この場合の電子線のエネルギー分布
は、Ｗ内部の電子のエネルギー分布とポテンシャル障壁
の透過率との積となり、図２（ｂ）に示される分布とな
る。この結果、放出される電子のエネルギー半値幅は室
温で０．２６ｅＶ程度となる。温度を下げれば電子のフ
ェルミ分布が急峻となるために高エネルギー側の拡がり
は小さくなるが、絶対零度においても半値幅は０．２ｅ
Ｖ程度である。これは、ピークより低エネルギー側の拡
がりがポテンシャル障壁の透過率で決まっており、この
透過率は低温にしても変化しないことに起因している。
従って、従来例ではこれ以上の単色化は望めず、顕微鏡
の分解能の大幅な向上は望めないという問題があった。

【０００５】また、単色化した電子線を用いる分析装置
等においては、電子光学系にエネルギーアナライザを用
いるために、電子線量が減少する、装置の小型化が難し
い、等の問題があった。特に高分解能の電子エネルギー
損失分光（ＥＥＬＳ）装置の場合、数十ｍｅＶ程度以下
のエネルギー幅の電子線を得るために高分解能のエネル
ギーアナライザを用いており、電子線量が大きく減少す
る結果、測定には長時間を要していた。またこの場合、
高分解能のエネルギーアナライザの組み立て、位置合わ
せ、電子線の調整等のために多くの労力を必要とすると
いう問題があった。さらに、この場合、アナライザの焦
点距離を長くとるとアナライザが大きくなるために試料
や電子線源等の配置の自由度が少なく、装置の小型化が
困難で他の装置と組み合せて多機能化することが困難で
ある等の問題があった。

【０００６】本発明の主眼は、上記の問題を解決し、新
しい原理により、エネルギー幅の狭い電子線を発生する
電子線源を提供すること、及び単色化した電子線を用い
た高性能の電子線応用装置と電子装置を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】エネルギー分布の狭い電
子線源を形成するためには、固体中にある電子のうち特
定のエネルギー準位の電子のみを選択的に取り出すよう
にすればよい。この選択の幅が狭ければ狭いほどエネル
ギー幅の小さな電子線を得ることができる。

【０００８】また、単色化した電子線を用いる高性能、
多機能の装置を形成するためには、エネルギーの分布の
狭い電子線源を用いれば良い。これにより使用上の制約
の多い高分解能のエネルギーアナライザを不用とするこ
とができる。

【０００９】

【作用】上記の、固体中にある電子のうち特定のエネル
ギー準位の電子のみを選択的に取り出す手段を達成する
ために、電子が放出される経路中に、電子に対するエネ
ルギー障壁層２個とその二重障壁に囲まれてできた量子
井戸層を形成し、この二重障壁構造による共鳴トンネル
現象を利用する。すなわち、量子井戸内の量子準位に一
致したエネルギーの電子がこの二重障壁層に入射する
と、きわめて高い確率で透過する。この共鳴条件は量子
準位にしたがいとびとびに存在し、しかも透過確率の高
いエネルギー帯域は極めて狭い、いわば、電子波干渉フ
ィルターとなる。ここで、完全に透過確率が１となる共
鳴条件とするには、量子井戸を中心に対称な構造とすれ
ばよく、特に、二つの障壁はバリア高さ、電子の有効質
量、厚さ共に同一にすれば実現できる。これに関して、
従来の金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ）構造の陰極の代わ
りに半導体／絶縁体／半導体（ＳＩＳ）多層構造として
共鳴トンネル現象を用いるというアイディアが、、武
内、御子柴共編「トンネル現象の物理と応用」培風館
（１９８７年）刊の中の横尾、小野著「第６章トンネル
エミッションの課題」の８８〜９０ページに記載されて
いる。しかしながら、具体的な構造及び電圧印加方法は
記載されていない。従来のＭＩＭ構造にＳＩＳ多層膜を
用いて二重障壁構造を形成する例として容易に類推され
るものを図１２（ａ）に示す。ＭＩＭ陰極では、基板と
上部電極の間に電圧をかけ基板の電子をトンネル効果に
よって上部電極を引き出す。そして、この電位差が仕事
関数よりも大きくなると、引き出された電子は容易に真
空中に放出される。ところが、このような条件を達成し
た場合、図１２（ｂ）に示されるように、絶縁体中は高
電界となるために、二重障壁のエネルギー構造が対称で
なくなり、完全に透過確率が１となる共鳴条件は得られ
ない。また、上部電極付近ではホットエレクトロンと呼
ばれる運動エネルギーが大きな電子となり、固体中で散
乱によってエネルギーを失い易く、放出電子のエネルギ
ー分布を広げるという問題がある。

【００１０】本発明においては、この共鳴トンネル現象
を電子線源に応用するために、固体と真空との間に二重
障壁構造を設ける。図３（ａ）に示すように高電界下で
の真空準位より形成される三角形のポテンシャル障壁３
１を二重障壁の一つとし、もう一つの障壁を電子線源内
部に形成した薄膜１２とする。量子井戸は薄膜１３であ
る。この電子線源の場合、障壁の一方が真空でもう一方
が固体であり二つの障壁が同じ材料となることはないた
め、理想的な共鳴条件は得られないが、それに近い条件
は選ぶことができる。

【００１１】一つのポテンシャル障壁に対する電子の透
過率ＤはＷＫＢ近似を用いて次のように書ける。

【００１２】Ｄ＝ｅｘｐ｛−２∫ｋ（ｘ）ｄｘ｝（式１）ここでｘは位置を表わす変数、積分はバリア層の膜厚全
体にわたる定積分、ｋ（ｘ）は次式で表わされる。

【００１３】ｋ（ｘ）＝〔√｛２ｍ（Ｖ（ｘ）−Ｅ）｝〕２π／ｈ（式２）ここでｍは電子の有効質量、Ｖ（ｘ）はバリア高さ、Ｅ
は電子のエネルギー、ｈはプランク定数である。

【００１４】このｋ（ｘ）の逆数は電子波がバリア内に
浸透する長さに対応しており、Ｄの値は膜厚が薄くかつ
その浸透長が長いほうが大きくなる。そして、理想的な
共鳴状態に近い条件を得るにはＤの値が両方の障壁で同
程度で、かつ１００分の１オーダーより大きくすること
が望ましい。この条件は、真空中にできるポテンシャル
障壁３１に関しては外部からの電界で制御することによ
って達成される。また、電子線源中に設けられたバリア
層１２に関しては、電子の有効質量ｍ、バリア高さＶ、
電子エネルギーＥ、で決まる浸透長に対して、膜厚を同
程度以下にすることで条件を達成することができる。す
なわち、本発明の目的であるエネルギー幅の極めて小さ
な単色の電子線源を提供することができる。以上説明し
たように本発明では、固体と真空の間で共鳴トンネル現
象を起こすため、図１２に示した例と異なり、電子が固
体中で大きな運動エネルギーを持つことが無く、散乱に
よるエネルギー分布の拡がりが無いという利点がある。

【００１５】エネルギー分布の極めて狭い電子線源を用
いることにより、従来の電子線単色化装置で用いていた
高分解能のエネルギーアナライザが不用となり、より簡
便な構造で、かつ電子線量が減少することなしに試料表
面に到達するため、短時間で測定できる分析装置を提供
することができる。

【００１６】以下に実施例を用いて本発明の詳細な説明
を行なう。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の実施例の１つを示す。試料
として（１１１）方向にのびたｎ+型ＧａＡｓ単結晶の
針１１を第１の材料として用い、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法により、この先端付近に１．４ｎｍの単結
晶ＡｌＡｓ膜１２を第２の材料とし、さらにその上に７
ｎｍの単結晶ＧａＡｓ膜１３を第３の材料として成長さ
せる。この結果、図１ｂに示されるエネルギー構造が形
成される。これを真空装置に導入し、５４０℃５分間の
加熱により表面を清浄化した後、対向する陽極に対して
先端付近の電界が１０Ｖ／ｎｍ程度になるまで負の電圧
をかけると、図３ａに示される構造となり、トンネル放
出する電子が増加する。しかも、電子の透過率は図３ｂ
に示されるようなエネルギー依存性を持つため、極めて
エネルギー幅の狭い電子線が得られる。室温において
は、熱エネルギーの２６ｍｅＶ程度の幅となる。さら
に、この電子線源にクライオスタットを装着することに
よって、液体窒素温度（７７Ｋ）で７ｍｅＶ、液体ヘリ
ウム温度（４Ｋ）で１ｍｅＶ程度のエネルギー幅の電子
線が得られる。

【００１８】本実施例においては、外側の第３の材料で
あるＧａＡｓ量子井戸層１３は不純物ドーピングを施し
てはいないが、表面準位の存在によって動作条件が不安
定になる場合は、ＧａＡｓ量子井戸層１３内にｎ型不純
物であるＳｉを１平方センチメートル当り１０の１２乗
個程度ドーピングすると、表面の電位を固定し、安定し
た動作が得られるという利点がある。

【００１９】なお、本実施例においては、電子線源の母
材１１の第１の材料、バリア層１２の第２の材料、量子
井戸層１３の第３の材料としてそれぞれｎ+型ＧａＡ
ｓ、１．４ｎｍのＡｌＡｓ、７ｎｍのＧａＡｓを用いて
いるが、この他にもｎ+型ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｓの組み合せ、あるいは他のIII−Ｖ族化合物半導
体、例えばＩｎＧａＡｓＰ混晶等の格子不整合系の組み
合せ、あるいはII−VI族化合物半導体、例えばｎ+型Ｚ
ｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅの組み合せ、あるいはIV族半
導体、例えばｎ+型Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ，Ｇｅの組み合せ
を用いても、バリア層と量子井戸層の厚みを各材料の有
効質量、電子ポテンシャルによって調節すれば、同様の
物性を持つ材料の組み合せであるから同様の効果が得ら
れる。なお、Ｇｅのような間接遷移型の半導体の場合、
有効質量の小さい方位を電子の走行方向に選ぶとより効
果的である。また、電子の走行方向を表面の材料の仕事
関数の小さい結晶方位に選ぶと、拡がり角が小さく収束
性の良い電子線が得られ、電子顕微鏡等に応用する際の
高分解能化に有利となる。

【００２０】また、本実施例においては、材料の組み合
せとして半導体を用いたが、電子線源の母材として第１
の材料を金属、半金属等を用いると電子密度が半導体よ
りも高いためにより電流量の多い電子線源が得られる。
例えば、単結晶ＮｉＡｌを用いると、この上に第２、第
３の材料としてｎ+型ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡ
ｓ系が単結晶成長でき、単結晶ＣｏＳｉ₂を用いるとＳ
ｉ、Ｇｅ系が単結晶成長できる。また、バリア層として
第２の材料に１ｎｍ程度以下の絶縁体を用いても実施例
と同様の効果が得られる。例えば、単結晶ＣａＦ₂はＳ
ｉ及びＧａＡｓと組み合せて、また、単結晶Ａｌ₂Ｏ₃は
Ｓｉと組み合せて、単結晶成長可能であり、この場合半
導体に比べて耐熱性が高く、大きな電流密度でも動作す
るという利点がある。したがって、これらの金属と絶縁
体と半導体を組み合せて用いるとより一層効果的であ
る。

【００２１】なおここでは、結晶成長方法としてＭＢＥ
法を用いたが、この他にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成
長）法やＣＶＤ（気相成長）法等、単結晶薄膜を成長で
きる方法であれば同様の効果が得られる。

【００２２】また、本実施例においては、材料として単
結晶を用いたが、１ｎｍ程度以下の非晶質を用いても同
様の効果があり、この場合、既存の針状Ｗ電子線源上に
プラズマＣＶＤ法や低温蒸着法等により簡便に形成でき
るという利点がある。非晶質材料として例えば、ａ−Ｓ
ｉ、ａ−Ｓｉ−Ｃ、ａ−Ｓｉ−Ｎ、ａ−Ｓｉ−Ｇｅ等の
IV族系あるいはＳ−Ｓｅ−Ｔｅ系のカルコゲン等の組み
合せが用いられる。

【００２３】また、本実施例においては、一組のバリア
層と量子井戸層を用いたが、複数組形成しても同様の効
果がある。その場合、外側のバリア層と量子井戸層の材
料を内側のものよりも電子ポテンシャルの高いすなわち
仕事関数の小さいものにすると、より低い引き出し電圧
で電子線を得ることができるという利点がある。また、
外側のバリア層と量子井戸層で形成される電子波干渉フ
ィルターに対して、内側の量子井戸層にできる極めてエ
ネルギー幅の狭い状態密度のピークエネルギーを電圧印
加等により一致させると、いっそうエネルギー幅が狭
く、かつ大電流の電子線が得られるという利点がある。

【００２４】本実施例においては、先端を針状にして電
界集中させ、真空中に薄いポテンシャル障壁３１を形成
しているが、刃状にしても同様の効果があり、その場合
線状の電子線源が得られる。また、先端を尖らせずと
も、引き出し電極を十分に近付け、所望の領域に必要な
電界を与えれば同様の効果がある。

【００２５】（実施例２）本発明の電子線源を分析装置
に応用した一実施例を図４に示す。

【００２６】加速レンズ４３の第１陽極４３１に印加さ
れた電圧Ｖ１（約２．５ｋＶ）により、電子線源４１か
ら電子線４２が放出される。次に第２陽極４３２に電圧
Ｖ₀（＝１００Ｖ）を印加し、所望の加速電圧の電子線
を得る。加速レンズ４３を通過した電子線４２はコンデ
ンサレンズ４４や対物レンズ４５により細く絞られて、
試料４７を照射する。このとき発生する２次電子４８０
を２次電子検出器４８で検出し、その検出信号強度を、
電子線４２を試料４７の表面上で２次元的に走査する偏
向器４６の偏向信号と同期してＣＲＴ上に表示すれば、
ＳＥＭ像が得られる。本実施例では、試料４７から反射
して出てくる反射電子４９０をエネルギー分析できるよ
うに静電型のエネルギー分析器４９を配置した。これ
は、試料４７で電子線４２が損失したエネルギーを測定
することにより、試料４７の表面状態を知るためであ
る。例えば、損失エネルギー数ｅＶから数百ｍｅＶの範
囲で表面化学種の電子状態を知ることができ、さらに損
失エネルギー数十ｍｅＶの領域で表面化学種の振動状態
を知ることができる。これにより、例えば、試料表面第
１層の元素や吸着分子の種類や吸着状態の分析が局所的
に行なえるという利点がある。また、従来の高分解能の
エネルギーアナライザを用いた単色電子線装置に比べ
て、簡便な構造で、かつ電子線量が減少することなしに
試料表面に到達するため、短時間で測定できるという利
点がある。

【００２７】本実施例においては、電子線４２のエネル
ギー幅は約２５ｍｅＶと小さいために、加速電圧Ｖ₀が
１００Ｖと低くても、色収差を小さくおさえることがで
き、試料４７上で電子線４２を約２０ｎｍに絞ることが
できた。すなわち、従来の電界放出型電子線源ではこの
ような加速電圧では約０．１μｍ程度であることから判
断しても、本発明の電子線源は高空間分解能化に適した
電子線源であることが分かる。一方、エネルギー分析に
関しても、エネルギー幅が約２５ｍｅＶと小さかったた
めに、約３０ｍｅＶまでの損失エネルギーを正確に測定
することができた。この分析を従来の電界放出型電子線
源で行なうと、約０．５ｅＶの損失エネルギーまでしか
測定できなかったことから、本発明の電子線源は、この
ような分析装置において高エネルギー分解能化に極めて
有効であることが分かる。

【００２８】なお、試料４７とエネルギー分析器４９の
回転機構を付加し、電子の入射角を変化させて測定すれ
ば、特定の化学結合の向きをも知ることができる。ま
た、エネルギー分析器４９の入口に電子レンズを付加
し、より広範囲からの電子を測定する配置にすれば、表
面化学状態の２次元像を得ることができる。

【００２９】以上、本電子線源の一利用装置例を示し
た。本実施例において、レンズや偏向器の数や配置は本
実施例に限らず、また分析器も静電型に限らず、本発明
を実施できることはいうまでもない。

【００３０】なお、本実施例においては、単色性の良い
電子線源の利点に着目して高分解能走査電子顕微鏡と電
子分光装置とを組み合せた構成としたが、単独で用いて
もそれぞれ有用であることはいうまでもない。電子分光
装置として用いる場合、電子線源と試料との間にエネル
ギー分析器を入れるとさらに高エネルギー分解能の分析
装置が得られる。また、本実施例においては、単色性の
良い電子線源を高空間分解と高エネルギー分解のために
用いたが、高干渉性に着目し、例えば、反射電子線回折
装置に応用すると原子列の間隔の精密測定が行なえると
いう利点もある。

【００３１】また、本実施例において走査電子顕微鏡を
例にとり、電子線のエネルギー幅が狭いと、加速電圧が
低くても色収差を小さくおさえることができ、試料上で
電子線を絞ることができる事を示したが、この電子銃を
半導体生産工程で用いられている電子線描画装置に応用
しても有用である。電子線描画法においては、基板表面
に塗布した有機物のレジスト膜に電子線を照射し、局部
的にレジスト膜を化学変化させて微細パターンを形成す
る。従来の電子線源では、色収差を小さくし電子線を絞
るために数ｋ〜数十ｋｅＶ以上の加速電圧を必要として
いた。この高速電子が、基板中で多量の二次電子を発生
しレジスト膜を化学変化させ、出来上がるレジストのパ
ターンが電子線径よりも太くなるため、微細化には限界
があった。また、高速電子はレジスト材料に対して散乱
断面積が小さいため、高速で描画するために電子線源の
放射角電流密度にして約１ｍＡ／ｓｒ程度の大電流密度
を必要としており、電子線源の不安定化や劣化を招くと
いう問題があった。本発明による電子線源を用いれば、
低加速電圧化することができるため、これらの問題は、
容易に解決される。特に、加速電圧数ｅＶ〜数十ｅＶの
領域で用いると、レジスト材料の化学結合に直接作用す
るため散乱断面積が極めて大きくなり、放射角電流密度
が極めて低くても高速で描画することができるという利
点がある。さらに、二次電子の発生がほとんど抑えられ
るために、より微細なパターンを形成することができる
という利点がある。

【００３２】（実施例３）図５に本発明の実施例の１つ
を示す。第１の材料であるｎ+型ＧａＡｓ（１１１）Ｂ
面基板５１上に、ＭＢＥ法によって第２の材料の１．４
ｎｍのＡｌＡｓ層５２と第３の材料の７ｎｍのＧａＡｓ
層５３を単結晶成長する（図５ａ）。次に２００ｎｍの
ＳｉＯ₂層５４をＣＶＤ法により堆積する（図５ｂ）。
表面の所望の領域に直径１００μｍ程度のホトレジスト
膜５５を形成する（図５ｃ）。ホトレジスト膜５５をマ
スクとしてＨＦ−ＮＨ₄ＯＦ混合水溶液によりＳｉＯ₂層
５４をエッチングする（図５ｄ）。成形されたＳｉＯ₂
層５４をマスクとして、６０℃に保ったＨ₂ＳＯ₄−Ｈ₂
Ｏ₂混合水溶液中でＧａＡｓ層５３、ＡｌＡｓ層５２、
ｎ+型ＧａＡｓ（１００）基板５１をエッチングする。
この液はＧａＡｓを等方的にエッチングするため、基板
を下方向にエッチングすると同時にＳｉＯ₂層下のＧａ
Ａｓを横方向にエッチングし、適当な時間でエッチング
を停止すると先端にＧａＡｓ／ＡｌＡｓ薄膜のついた針
状の構造が得られる（図５ｅ）。この後、超音波洗浄な
どによって、上部に残ったＳｉＯ₂層５４を除去し、実
施例１と同様の構造の電子線源が得られる。本実施例に
よれば、一度に多数の電子線源が再現性良く得られると
いう利点がある。

【００３３】これを単独で用いる場合には基板５１裏面
を薄く削り、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ膜等のオーミック接触層
と、ハンダ、Ａｕ等の接着層を形成した後、一個ずつ切
り離し、金属台に加熱接着する。

【００３４】本実施例においては材料の例としてＧａＡ
ｓとＡｌＡｓを用いたが、同様の工程を行なえば、実施
例１で示したような他の材料系を用いても同様の効果が
ある。

【００３５】（実施例４）図６に本発明の実施例の１つ
を示す。ｎ+型ＧａＡｓ（１１１）基板５１上に、２μ
ｍのＳｉＯ₂層５４と５００ｎｍのＷ層６０をＣＶＤ法
で堆積する（図６ａ）。次に直径２μｍ程度の穴を開け
たホトレジスト膜をマスクとしてＮＨ₄０Ｈ−Ｈ₂Ｏ₂水
溶液によりＷ層６０に穴を開け、さらに、ＨＦ−ＮＨ₄
ＯＦ混合水溶液によりＳｉＯ₂層５４をエッチングす
る。このとき、エッチング時間を長くとりＷ層６０より
大きな穴とする（図６ｂ）。ホトレジスト膜を除去、洗
浄後、超高真空中に導入し、５４０℃５分程度の加熱で
ＧａＡｓ基板表面を清浄化し、基板温度を４５０℃程度
に保ちＮｉＡｌを０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度の速度で１．
５μｍ程度蒸着する。この結果、Ｗ層上に多結晶ＮｉＡ
ｌ膜６２が、ＧａＡｓ基板５１上に円錐状の単結晶Ｎｉ
Ａｌ６１が第１の材料として形成される（図６ｃ）。
さらに続けて１．４ｎｍＡｌＡｓ−７ｎｍＧａＡｓ多層
膜を第２の材料、第３の材料として蒸着し、単結晶Ｎｉ
Ａｌ６１表面を単結晶ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ多層膜６３
で覆う（図６ｄ）。他の領域は多結晶体６４となる。こ
の結果、実施例１と同様の構造の電子線源が得られる。
本実施例によれば、一度に多数の電子線源が再現性良く
得られるという利点がある。また、Ｗ層６０を電子引き
出し電極として使用すると、陰極と陽極が１μｍ程度と
近いため、小さな引き出し電圧で単色電子線が得られ、
しかも小型の単色電子線源装置が得られるという利点が
ある。

【００３６】本実施例においては材料の例としてＮｉＡ
ｌ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓを用いたが、同様の工程を行な
えば、実施例１で示したような他の材料系を用いても同
様の効果がある。

【００３７】また、本実施例で用いた形成工程以外の方
法を用いても同様の構造が得られれば、同様の効果があ
る。

【００３８】なお、本実施例の、基板上に多数形成され
た電子線源を用いると、単色電子線のマルチビームが得
られ、電子線描画装置の高スループット化、ＣＲＴディ
スプレーの高速化あるいは高精細化あるいは小型化等に
効果がある。

【００３９】（実施例５）図７に本発明の実施例の一つ
を示す。

【００４０】Ｗ針７１は、Ｗ単結晶線をＫＯＨ水溶液中
で電解エッチして得られる。このＷ針７１を走査トンネ
ル顕微鏡の探針とし、Ａｕ基板７３に対して１ｎｍ程度
の距離に近付け、針に−７Ｖ〜−１５Ｖのパルスを加え
る。これにより、図７（ａ）に示されるようにＷ針先端
の極めて狭い領域に１原子層程度のＡｕの吸着層７２が
形成される。次に、このＷ針７１を第１の材料として反
応容器中に入れ、４００℃〜５００℃に加熱し、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ），アルシン（ＡｓＨ₃）をそれぞれ流量１０の−
６乗モル／秒程度導入すると、Ａｕの吸着層７２がある
部分にのみ２ｎｍのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ膜７４が第２の
材料として成長する。続いて、ＴＭＧとＡｓＨ₃を導入
し、８ｎｍのＧａＡｓ膜７５を第３の材料として成長さ
せ、図７（ｂ）の構造を得た。この針を陰極として用い
ると、針先端の極めて狭い領域のみから電子線を得るこ
とができ、単色化のみならず線源の高輝度化が達成され
た。従って、本実施例を用いることによって電子顕微鏡
のさらなる高分解能化が達成される。

【００４１】なお、本実施例においてはエッチングによ
り形成されたＷ針の上に半導体を成長しているが、一度
高真空中で１０００℃程度以上の加熱をする等の工程に
よって先端に結晶学的に安定な面を形成してから半導体
を成長させると、トンネル効果の条件をそろえることに
なり、いっそう効果的である。

【００４２】また、本実施例においてはバリア層と量子
井戸層の例として、Ａｕ吸着層があると選択的に成長す
るようなガスソースによるＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ系を
用いたが、同様の構造が得られれば、実施例１で示した
各種の材料系を用いても同様の効果がある。

【００４３】また、本実施例においはバリア層と量子井
戸層を針先端に選択的に成長させるための例として、走
査トンネル顕微鏡によって先端に付けたＡｕによるサー
ファクタント（界面活性剤）効果を用いたが、同様の効
果を示す他の材料を用いても良く、さらに、走査トンネ
ル顕微鏡によらずとも、Ｗ針に電圧をかけ先端の高電界
で材料ガスを解離させる等の方法によってＷ針先端に選
択的に成長させれば本実施例と同様の効果がある。

【００４４】（実施例６）図８に本発明を表面分析装置
に応用した一実施例を示す。

【００４５】超高真空中におかれた試料４７表面に電子
銃８４からの電子線４２が照射され、試料４７から反射
して出てくる反射電子４９０を静電型のエネルギー分析
器４９により電子線４２が損失したエネルギーを測定す
る。電子銃８４においては、単色性の良い電子線源８２
と加速レンズ４３によって発生した電子線４２とを静電
型電子レンズ８１によって試料表面上に収束させ、静電
型偏向器８３によって収束する位置を調整する。これに
より、試料の表面状態を知ることができる。実施例２に
おいては、単色化電子線源を用いることにより走査型電
子顕微鏡に同様の表面分析機能が付加できることを示し
た。本実施例では、高分解能のエネルギーアナライザ無
しでも単色化電子線が得られることにより、極めて小型
の電子銃で表面分析が行なえるため、超高真空中で試料
の表面状態を問題とする装置、例えば、分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）装置内に表面モニター装置として備え付
けられるという利点がある。なお、単色性の良い電子線
源８２としては、必要とする情報に応じたエネルギー幅
のものを用いる。例えば、表面の元素を知りたければ、
損失エネルギー数ｅＶから数百ｍｅＶの範囲であるか
ら、針状のＷの電界放出型電子線源を用いれば良く、さ
らに詳しく、吸着分子の種類や吸着状態等を知りたい場
合には、損失エネルギーは数十ｍｅＶの領域であるか
ら、実施例１で示したような共鳴トンネル効果を用いた
電子線源を用いれば良い。

【００４６】本実施例では、電子線４２が損失したエネ
ルギーを測定する手段として静電型のエネルギー分析器
４９を用いているが、他の手段を用いても良く、ショッ
トキダイオード型エネルギー分析器等を用いるといっそ
う小型化可能である。

【００４７】また、高精度の測定をする場合、共鳴トン
ネル効果を用いた電子線源を応用して、図９に示される
ようなエネルギー分析器を用いると小型化が可能とな
る。このエネルギー分析器は、電子線源４１と第１陽極
４３１第２陽極４３２及び静電型電子レンズ８１によっ
て構成され、試料４７表面で反射した電子４９０は静電
型電子レンズ８１によって収束され、電子線源４１に到
達する。電子線源４１と第１陽極４３１に印加された一
定電圧（約２．５ｋＶ）により、図３に示されるような
共鳴トンネル効果による電子波干渉フィルターが形成さ
れているが、電子波干渉フィルターは、電子の運動方向
に依存せずに機能する。この場合、真空中から固体中に
入る電子も量子井戸（図３中１３）内の量子準位に一致
した電子のみが許される。従って、電子線源４１の電位
を、反射した電子４９０エネルギーの近傍で掃引し、電
流変化を測定することによって、反射した電子４９０の
エネルギー分布を高精度で測定することができる。な
お、電子線源４１の量子井戸幅は、実施例１のものより
も狭くする、例えば、実施例１で７ｎｍであったＧａＡ
ｓ層を４ｎｍとすると、量子井戸内の量子準位のエネル
ギーが上がり、電子線源４１からの電子放出を抑えて、
入射する電子を測定できるため、効果的である。

【００４８】なお、上記の電子波干渉フィルターを応用
したエネルギー分析器は、図８に示した単色化電子銃と
同じ構造となっていることに着目すると、両者を直接対
向させ図１０のような電子線の共鳴器を形成することが
できる。この場合、両電子線源の電位を調整して放出電
子エネルギーを一致させると、損失の無い場合には両者
間の電流が０になり、真空中に電子の定在波を容易に形
成することができる。

【００４９】（実施例７）本発明の電子線源を分析装置
に応用した一実施例を図１１に示す。

【００５０】実施例１と同様に第１の材料として（１１
１）方向にのびたｎ+型ＧａＡｓ単結晶の針１１を用
い、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、この先端
付近に第２の材料として１．４ｎｍの単結晶ＡｌＡｓ膜
１２を、さらにその上に第３の材料として２ｎｍの単結
晶ＧａＡｓ膜１３を成長したものを、走査トンネル顕微
鏡の探針として用いる。１ｎｍ程度の距離に近付ける
と、図１１（ｂ）に示されるようなエネルギー準位が形
成される。ここで電圧を掃引すると、試料１１０表面の
エネルギー準位とＧａＡｓ膜１３中の量子準位１４とが
一致する所で共鳴トンネル効果により、電子の透過率が
大きくなり、電流が増加するために、表面の電子状態を
知ることができる。実施例２及び実施例６で示した反射
電子のエネルギー損失分光と同様に、表面の元素の種
類、吸着分子の種類や吸着状態等を知ることができる。
また、探針を基板に対して負電位にすると、試料１１０
表面のエネルギー準位中、電子の空席のある準位が測定
され、正電位にすると電子の存在する準位が測定される
ため、表面電位や表面のバンド構造等を知ることができ
る。さらに、走査トンネル顕微鏡は横方向の空間分解能
が極めて高いため、組み合せて測定することにより、個
々の原子、分子を直接測定することができるという利点
がある。

【００５１】本実施例では、走査トンネル顕微鏡を用い
たが、表面近傍に針を近付ける方法であれば、この他に
も原子間力顕微鏡等を用いても同様の効果がある。

【００５２】

【発明の効果】以上実施例を用いて説明してきたよう
に、本発明を用いることによって、極めてエネルギー幅
の狭い電子線を放出する電子線源が得られる。この結
果、高分解能の電子顕微鏡や高性能の電子分光装置、電
子線回折装置および電子装置を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の構造（ａ）とエネルギー構
造（ｂ）を示す図。

【図２】従来例のエネルギー構造（ａ）と放出電子のエ
ネルギー分布の説明（ｂ）を示す図。

【図３】本発明の実施例１の動作原理の説明（ａ）と放
出電子のエネルギー分布の説明（ｂ）を示す図。

【図４】本発明の実施例２の構造を示す図。

【図５】本発明の実施例３の形成工程図。

【図６】本発明の実施例４の形成工程図。

【図７】本発明の実施例５の形成工程図。

【図８】本発明の実施例６の構造を示す図。

【図９】本発明の実施例６の構造を示す図。

【図１０】本発明の実施例６の構造を示す図。

【図１１】本発明の実施例７の構造（ａ）とエネルギー
構造（ｂ）を示す図。

【図１２】従来のＭＩＭ構造にＳＩＳ多層膜を用いて二
重障壁構造を形成する例として容易に類推される構造
の、電圧を印加していないときのエネルギー構造（ａ）
と、電圧印加時のエネルギー構造（ｂ）を示す図。

【符号の説明】

１１第１の材料１２第２の材料によるバリア層１３第３の材料による量子井戸層１４量子井戸層中の量子準位３１真空準位より形成される三角形のポテンシャル
障壁４１本発明による電子線源４２電子線４３加速レンズ４４コンデンサレンズ４５対物レンズ４６偏向器４８２次電子検出器４９エネルギー分析器５１ｎ+型ＧａＡｓ（１００）基板５２ＡｌＡｓ層５３ＧａＡｓ層５４ＳｉＯ₂層６０Ｗ層６１円錐状の単結晶ＮｉＡｌ６３単結晶ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ多層膜７１Ｗ針７２Ａｕの吸着層７４Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ膜７５ＧａＡｓ膜８１静電型電子レンズ８２単色性の良い電子線源８３静電型偏向器８４単色電子銃１１０試料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中川清和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)発明者三島友義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)発明者比留間健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 (72)発明者岡本政邦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)発明者宮尾正信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

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電体である第１の材料の表面に、少なく
とも一組の、第３の材料よりなる量子井戸層と、上記導
電体と上記量子井戸層との間に第２の材料よりなる電子
に対する障壁層とが存在し、該障壁層の厚さが電子波の
浸透長程度以下の構造を有し、対向する電極である陽極
に対して負の電圧を印加し、陰極として電子線を放出さ
せることを特徴とする電子線源。
【請求項２】上記陰極の構造を針状に形成し、該陰極の
電子を放出する先端部分の構造が、導電体である上記第
１の材料の表面に、少なくとも一組の上記第２の材料と
上記第３の材料とが順に積層被覆され、上記第１の材料
はフェルミ準位付近に状態密度を有する材料であり、上
記第２の材料は上記第１の材料に接したときに上記第１
の材料のフェルミ準位に対して±３０ｍｅＶ以内に電子
の準位を有しない材料であり、かつ膜厚が電子波の浸透
長程度以下であり、上記第３の材料は上記第２の材料に
接したときに上記第２の材料の電子が入っていない最低
の準位よりも３０ｍｅＶ以上も低いエネルギーのところ
に伝導電子の準位を有する材料であり、かつ膜厚が伝導
電子のド・ブロイ波長程度である構造であることを特徴
とする請求項１に記載の電子線源。
【請求項３】上記導電体である第１の材料の表面に、上
記第２及び第３の材料を順に積層被覆する構造が二組以
上存在する系において、２組目以降の上記積層被覆構造
を構成する材料のうち、少なくとも１種類が１組目と異
なることを特徴とする請求項１または２に記載の電子線
源。
【請求項４】上記電子線源を構成する第１、第２および
第３の材料の全てがそれぞれ半導体の単結晶であり、上
記第２の材料の結晶は母材である上記第１の材料の結晶
の上にエピタクシャル成長し、さらに、上記第３の材料
の結晶は上記第２の材料の結晶の上にエピタクシャル成
長したものであることを特徴とする請求項１、２または
３に記載の電子線源。
【請求項５】上記導電体である第１の材料は単結晶の金
属または半金属であり、上記第２の材料の結晶は母材で
ある上記第１の材料の結晶の上にエピタクシャル成長
し、さらに、上記第３の材料の結晶は上記第２の材料の
結晶の上にエピタクシャル成長したものであることを特
徴とする請求項１、２または３に記載の電子線源。
【請求項６】上記電子線源を構成する第１、第２及び第
３の材料のうち、少なくとも１つの材料は非晶質体、あ
るいは微結晶体であることを特徴とする請求項１、２ま
たは３に記載の電子線源。
【請求項７】上記請求項１から６までに記載された電子
線源のうちの少なくとも１種類の電子線源が、複数個、
同一基板上に形成され、該複数個の電子線源に対応する
陽極も同一基板上に形成されたことを特徴とする電子線
源。
【請求項８】上記第２及び第３の材料を基板である上記
第１の材料上に積層被覆し、その後、溶液、ガス、プラ
ズマなどを用いてエッチングにより、全体構造を針状に
形成したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、
６または７に記載の電子線源。
【請求項９】針状に形成された上記第１の材料の上に、
上記第２及び第３の材料よりなる薄膜を層状に形成した
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または
７に記載の電子線源。
【請求項１０】上記第２及び第３の材料として、ＧａＡ
ｓ−ＡｌＡｓ系などのIII−Ｖ族の化合物半導体の組み
合せを用いたことを特徴とする請求項１、２、３、４ま
たは５に記載の電子線源。
【請求項１１】上記半導体として、ＧａＡｓと、Ａｌ_x
Ｇａ_(1-x)Ａｓのｘが０．４以下の混晶系などの直接遷
移型材料とを用いたことを特徴とする請求項１０に記載
の電子線源。
【請求項１２】上記請求項１から１１までに記載された
電子線源のうちの少なくとも１種の電子線源を電子線源
として用いたことを特徴とする電子線応用装置。
【請求項１３】上記電子線源と、電子レンズ、偏向器な
どよりなる電子光学系と、さらに、電子線エネルギー分
析器とにより構成され、試料表面に上記電子線源より放
出された電子線を照射し、上記試料表面から反射してく
る電子を上記電子線エネルギー分析器によりエネルギー
分析することを特徴とする請求項１２に記載の電子線応
用装置。
【請求項１４】上記請求項１から７までと請求項１０及
び１１とに記載の電子線源のうちの少なくとも１つと同
一の構造と、外部より飛来する電子線を上記構造内の上
記量子井戸層及び上記第２の材料よりなる積層被覆層に
収束、照射する手段とを有し、上記構造の電位を変える
ことにより、上記電子線のうちの特定のエネルギーを有
する電子のみを上記構造内に吸収して計測することを特
徴とする電子線応用装置。
【請求項１５】上記請求項１から７までと請求項１０及
び１１とに記載の電子線源のうちの少なくとも１つと同
一の構成で、かつ、先端径が５００ｎｍ以下の針状構造
をなし、該針状構造の先端を試料表面の１０ｎｍ以下に
近付ける手段を有し、該試料表面に対して上記針状構造
の電位を変化させる手段と、上記針状構造に流れる電流
変化を測定する手段とを有することを特徴とする電子装
置。