JPS63185025A - 電子放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子放出装置ｆｔＫ関し、特に電圧印加により
電子放出が誘起される電子放出装置に関する。

この様な電子放出装置はたとえば電子ビーム露光装置等
の電子ビーム応用装置の電子ビーム発生源として好適に
利用される。

〔従来の技術及びその問題点〕

電子発生源としては従来熱陰極からの熱電子放出が用い
られていた。この様な熱陰極を利用した電子放出は、加
熱によるエネルギーロスが大きい点、加熱手段の形成が
必要である点、及び予備加熱にかなりの時間を要する点
や熱により系が不安定化しやすいという点で問題があっ
た。

そこで、加熱によらない電子放出素子の研究が進められ
、いくつかの型の素子が提案されている。

たとえば、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し電子なだ
れ降伏現象を生せしめ素子外へと電子を放出する型のも
のや、金属−絶縁体層−金属層の構成を有し該２つの金
属の間に電圧を印加することによりトンネル効果で絶縁
体層を通過してきた電子を金属層から素子外へと放出す
るＷ　ＣＭＩＭ型）のものや、高抵抗薄ＭＫその膜厚方
向と直交する方向に電圧を印加し該薄膜表面から素子外
へと電子を放出させる表面伝導型のものや、電界集中の
生じ易い形状の金属に対し電圧を印加して局所的に高密
度の電界を発生させ該金属から素子外へと電子を放出さ
せる電界効果型（ＦＥ型）のものや、その他のものが提
案されている。

これら電子放出素子の応用例として、該素子を複数配列
し、各素子からの電子放出のＯＮ　−ＯＦＦを制御する
ことによシ所望のｔ４ターンに合わせて電子放出を行な
い被加工物表面に電子ビーム描画することが考えられる
。

そして、この電子ビーム描画においてはビームスポット
径０．１μｍ程度で且つスポット位置種度０．１μｒ１
１８度以下であることが要求される様になっているが、
従来上記の様な電子放出素子においてはこの様０な微小
なスポットを形成し且つ高位１ｉｔＳ度を実現すること
は回部でめった。

本ｈ＠１の発明の目的は、微小なス／、）を形成し且つ
高位置精度を実現させる電子放出装置を提供することに
あシ、本願第２の発明の目的は上記第１の発明の目的に
加えて、所望の位置に微小なスポットを移動可能な電子
放出装置を提供しようとすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本願第１の発明の電子放出装置は、電子放出側のＰ型半
導体層に接合させた略環形状の仕事関数低下材領域を有
する電子放出素子と、該仕事関数低下材領域の内側に設
けられた第１の偏向電極と。

該仕事関数低下材領域の外側に設けられた略環形状をな
す第２の偏向電極と、前記第１の偏向電極と前記第２の
偏向電極との間に電圧を印加する手段とを有することを
特徴とする。

本願第２の発明の電子放出装置は、電子放出側のＰ型半
導体層に接合させた略環形状の仕事関数低下材領域を有
する電子放出素子と、該仕事関数低下材領域の内側に設
けられ九ｇ１の偏向電極と。

該仕事関数低下材領域の外側に設けられた略環形状をな
す第２の偏向電極と、前記第１の偏向１を極と前記第２
の偏向電極との間に電圧を印加する手段とを有するユニ
、トを複数配列してなることを特徴とする。

〔作用〕

本願第１の発明は、電子放出側のＰ型半導体層に略環状
の仕事関数低下材領域を接合させて電子放出素子を構成
し、また仕事関数低下材領域とＰ型半導体領域との接合
を逆バイアスすることによりて、真空準位をＰ型半導体
領域の伝導帯より低いエネルギー準位とし、アバランシ
ェ効果により電子をホット化するか、あるいはＰ型半導
体層を極めて薄く作ることで、Ｐ型半導体層下部に形成
したＮ型半導体から注入された電子がＰＷＩで散乱され
ずにホット化されることによシミ子放出効率を高めよう
とするものである。

さらに、仕事関数低下材領域の内側に設けられた第１の
偏向電極と、咳仕事関数低下材領域の外８１１に設けら
れた環形状をなす第２の偏向電極と。

前記第１の偏向電極と前記第２の偏向電極との間に電圧
を印加する手段とくよシ仕事関数低下材領域から放出さ
れた電子ビームを電界制御して、集束又は発散させよう
とするものである。

本願１ｇ２の発明は、上記本願筒１の発明の電子放出装
置をユニットとし、該ユニットを１列状または複数列状
（２次元的）に配列し、各ユニットからの電子放出のＯ
Ｎ　−ＯＦＦを適宜制御して所望の・９ターンの電子ビ
ームを作ろうとするものである。

なお本願筒１の発明及び本願筒２の発明において、第１
の偏向電極を第２の偏向電極の対称中心位置に配置すれ
ば、電界の対象性を乱すことなく、電子ビームを制御す
ることができる。

また本願筒１の発明及び本願筒２の発明において、ｔａ
ｌの偏向電極と第２の偏向電極とが対応して同数に分割
されており、電圧印加手段がｗｃｌの偏向電極と第２の
偏向電極との各対応分割部分間ごとにそれぞれ独立に電
圧を印加し得るものであれば、対応して分割された両偏
向電極によって挟まれた仕事関数低下材領域から放出さ
れる電子ビームを部分的に独立して制御することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図（Ａ）は本発明による電子放出装置の第１の実施
例を示す底面図であり、第１図（Ｂ）はそのＸ−Ｘ断面
図である。

第１図において、２はＮ型半導体基板であり、たとえば
シリコンからなる。該基板２は円形をなしておシ、その
上には同じく円形の２層３が設けられており、この２層
３の中央部にイオン打込み等によってオーミックコンタ
クト用のＰｌｉ！４及びＰ＋１層５が形成され、このＰ
＋層層上上は内側偏向電極９が形成される。２層３の端
部には５ｉ０２　ｅＳ　ｉ　Ｎ　＋　Ｓ　ｉ　ｓＮａ等
の絶縁層６が形成され、この絶縁層６を介して環状に外
側偏向電極８が形成される。

外９１偏向′電極８と内側偏向電極９との間の２層３上
には環状の低仕事関数材料膜７が形成される。

Ｎ型半導体基板２の反対面にはオーミックコンタクト層
を介してＸ他１が形成される。

外５ＩＩＩ偏向１ＪＬ憔８と内側偏向電極９は、Ａｔ、
Ｐｔ＊Ａｕ　、　Ａｇ　、　Ｍｏ　＋　Ｗ等の金属やポ
リシリコン、シリサイＶ等からなる一般的な薄膜電極に
よりて構成される。低仕事関数材料膜７としては、仕事
関数が約２．５０Ｖ以下の金属材料が好適に用いられ１
例えばＬｉ　、　Ｎａ　、　Ｋ　、　Ｒｂ　、　Ｓｒ　
、　Ｃｓ　、　Ｂａ　、　Ｅｕ　、　Ｙｂ　、　Ｆｒ等
を用いることができる。また、金属電極６の安定化を考
慮すれば、　Ｃ＠ｓｔ　（”Ｒｂ８１等のアルカリ金属
シリサイドや金属の炭化物、ホウ化物等を使用してもよ
い。

なお、本実施例においてＮｍ、半導体基板２に５１（１
００）面を使用すれば、シリコンでは（Ｚｏｏ）面の場
合に電子親和力が小さくな〕、この電子親和力が小さく
なることで電子が放出され易くなる。

１０は電極１と内側偏向電極９とに電圧を印加するため
の電源であシ、Ｎｕ半導体基板２と２層３とのＰＮ接合
部に順方向電圧が加えられる。１１は内側偏向電極９と
低仕事関数材料［７とに電圧を印加するための電源であ
り、ＰＭ１３と低仕事関数材料膜７との接合部に電圧を
加えて低仕事関数材料膜７から電子を放出させるもので
ある。

１２は内側偏向電極９と外側偏向電極８との間に電位差
を与えるための電源であり、低仕事関数材料膜７から放
出された電子を偏向させるものである。

上記低仕事関数材料膜７は仕事関数を低下させて、電子
放出効率を向上させるとともに、Ｐ型半導体領域との接
合を逆バイアスすることによって。

さらに電子放出効率を向上させる効果を有する。

この効果について次に説明する。

第２回国は、本実施例の平衡状態の時のエネルギーバン
ド図、ｉ２図（Ｂ）は１本実施例の動作時のエネルギー
バンド図である。

第１図（Ｂ）に示すように、ＰＮ接合に順方向バイアス
電圧、２層３および低仕事関数材料膜７間に逆方向バイ
アス電圧が印加されると、第２図（Ｂ）に示すようにエ
ネルギーバンドが変化し、２層３の伝”導帯ＢｅよりΔ
Ｅだけ低い準位に真空準位ＥｖａｃがくるＮＩＪ　（負
の電子親和力）状態となる。このために、Ｎ型半導体基
板２から２層３へ注入された電子は、極めて薄いＰ型中
導体層中を散乱されずに進むことで、低仕事関数材料膜
界面でホット化し、低仕事関数材料膜７０表面から放出
される。このときΔＥが従来より大きいために大きな電
子放出効率が得られる。

また、逆バイアスによってΔＥを増大させるために、金
属材料として従来のように仕事関数の小さいＣｍやＣｍ
　−０等に限定されることなく、上述したようなアルカ
リ金属やアルカリ土類金属等の広い範囲の材料を選択す
ることが可能となり、よシ安定した埜科を用いることが
できる。

第１図（Ｂ）には本実施例装置の使用状態における被加
工物の配置も示されている。１４は被加工物たとえばシ
リコンウェハであり、該ウェハと基板２のＮ＋層との間
にはウェハ側が正となる様な電子ビーム加速電圧を印加
するための電源１３が接続されている。

以上の様な本実施例装置において、″ＩＪＬ源１ｏによ
シＰＮ接合に順方向電圧を加え、電源１１により２層３
と低仕事関数材料膜７との接合部に低仕事関数材料膜７
を高電位とする電圧を加えると、Ｎ壓半導体基板２から
２層３へ電子が注入され、さらに仕事関数低下材料から
なる低仕事関数材料から電子が放出される。このように
して放出された電子は内側偏向電極９又は外側偏向電極
８によシ吸引され更にウェハ１４がよシ高い電位である
ことから加速されて該ウニへ面に衝突する。

ここで、上記電源１２を挿入せず両偏向電極の電位を同
電位とする場合には、円環形状の・り一ンにて放出され
た電子ビームは１図において点線で示される様にそのま
ま直進し、ウェハ１４ｔ−円環形状の／４ターンにて露
光する。−万、電源１２によって両偏向電極間に電圧が
加えられる場合には、電子ビームは内側または外側へと
偏向される。

即ち、内側偏向電極９を高電位とする電圧が加えられる
と、図において実線で示される様に、を子ビームは内側
へと偏向せしめられ、これら電源１２の電圧を適宜設定
することにより集束せしめられてウェハ１４をスポット
状パターンにて露光する様にできる。更に、外側偏向電
極８を高電位とする電圧が加えられると、電子ビームを
発散させることもできる。

以上の様に１本実施例によれば、必要に応じて電子ビー
ムを集束または発散させて電子ビーム密度を変化させる
ことができる。

なお、内側偏向電極９のためのり−ド＠　９　ａ　ｔｉ
低仕事関数材料膜７及び外側偏向電極８に切れ目を設け
て配線を行っているが、後述する第２の実施例のように
、Ｎ型半導体基板２及び２層３にスルーホールを設け、
このスルーホールの内壁に絶縁層を設けて配線を行って
よい。低仕事関数材料膜７の配線については図示されて
いないが、絶縁４６を配線をはさんだ積層構造とするこ
と等によシ配＋１１１Ｐを行うことができる。

第３図体）は本発明による電子放出装置の第２の実施例
を示す底面図であり、第３図（Ｂ）はそのＸ−Ｘ断面・
図である。

本実施例は、内側偏向電極が複数（図では８個）に分割
されておシ、これに対応して外側偏向電極も複数に分割
されている点が上記第１の実施例と異なる。そして、こ
れら内側及び外側の偏向電極の対応する分割部分の間に
はそれぞれ独立に電圧を印加し得る様になっている。即
ち、内側偏向電極の各分割部分９−１〜９−８にはそれ
ぞれ電源１３−ｌ−１３−８（１３−１及び１３−５の
み図示されている）により電圧Ｖ、〜ｖ８が印加され。

外側偏向電極の各分割部分８−１〜８−８にはそれぞれ
電源１２−１〜１２−８（１２−１及び１２−５のみ図
示されている）によｐ電圧Ｖ１／〜Ｖｓ　ｔが印加され
る様になっている。

かくして、本実施例装置においては、上記電圧Ｖ　−Ｖ
　　Ｖ　ｔ〜Ｖ８／を適宜設定することにより、第１　
　　８　＃　　１ ３図（Ｂ）に示される様に電子ビームのウェハ１４上に
おける集束露光位置を所望の位置とすることができる。

以上の実施例においては内側偏向１１極のリード線を基
板側から引いているので電子ビーム偏向のための電界を
乱すことがない。

以上の様な電子放出装置をユニットとして、該ユニット
を１列状または複数列状（２次元的）に配列し、谷ユニ
ットからの電子放出のＯＮ　−ＯＦＦを適宜制御するこ
とにより、全体として所望のノ母ターンにて電子ビーム
露光を行なうことができる。

この場合において、上記第２の実施例のユニ。

トを用いることにより、各ユニットの配列精度を厳密に
することなしにウェハ１４上における電子ビーム集束露
光位置の配列精度を＾めることかできる。即ち、予め谷
ユニットの配列ずれを測定（−ておき、当該ユニットに
関する電子ビーム集束露光位置を上記配列ずれを打消す
位置とする様に谷電憔分割部分に印加する電圧を適宜補
正すればよい。

上記実施例においてはＰＮ接合を用いた電子放出素子の
電子放出パターンが円環形状であり、内側及び外側の偏
向電極がこれに対応した形状を有する場合が示されてい
るが１本発明においては′電子放出Ｉ母ターンは円環形
状以外のたとえば多角環形状であってもよく、偏向電極
もそれに応じた適宜の形状が可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本願第１の発明によれば、特
性を安定化させ、電子放出効率を向上させることができ
る。さらに、電子ビーム密度を変化させることができ、
その結果として、電子ビームを極めて小さいスデット状
に集束させることができるので、ＳｉＭ度にて十分に細
かい電子ビーム描＠を行なうことが可能となる。

また、本願第２の発明によれば、所望のパターンの電子
ビームを作ることが可能となる。

なお本願第１の発明及び本願第２の発明において、第１
の偏向１１１他を第２の偏向′ｌ１ｌＬ他の対称中心位
置に配置すれば、電界の対象性を乱すことなく。

電子ビームを制御することができる。

また本願第１の発明及び本願第２の発明において、第１
の偏向′ｗｔ極と第２の偏向電極とが対応して同数に分
割されており、電圧印加平波が第１の偏向電極と第２の
偏向’ｉ［極との各対応分割部分間ごとにそれぞれ独立
に電圧を印加し得るものであれば、対応して分割された
両偏向電極によって挟まれた仕事関数低下材領域から放
出される電子ビームを部分的に独立して制御することが
できる。

【図面の簡単な説明】

８１１図（４）は本発明による電子放出装置の第１の実
施例を示す底面図であ〕、第１図（Ｂ）はそのＸ−Ｘ断
面図である。 ＠２図（Ａ）は、本実施例の平衡状態の時のエネルギー
バンド図、第２図（Ｂ）は、本実施例の動作時のエネル
ギーバンド図である。 ｗ、３図囚は本発明による電子放出装置の第２の″実施
例を示す底面図であり、第３図（Ｂ）はそのＸ−Ｘ断面
図である。 １・・・電極、２・・・Ｎ型半導体一基板、３・・・Ｐ
層、４・・・Ｐ”Ｊｊｊｌ、５・・・Ｐ＋＋層ン争・・
・絶縁層、７・・・低仕事関数材料膜、８・・・外側偏
向□電極、９・・・内側偏向電極。 代理人　弁理士　　山　下　砿　半 筒１図 （Ｂ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子放出側のＰ型半導体層に接合させた略環形状
   の仕事関数低下材領域を有する電子放出素子と、該仕事
   関数低下材領域の内側に設けられた第１の偏向電極と、
   該仕事関数低下材領域の外側に設けられた略環形状をな
   す第２の偏向電極と、前記第１の偏向電極と前記第２の
   偏向電極との間に電圧を印加する手段とを有する電子放
   出装置。
2. （２）第１の偏向電極が第２の偏向電極の対称中心位置
   に配置されている特許請求の範囲第１項の電子放出装置
   。
3. （３）第１の偏向電極と第２の偏向電極とが対応して同
   数に分割されており、電圧印加手段が上記第１の偏向電
   極と第２の偏向電極との各対応分割部分間ごとにそれぞ
   れ独立に電圧を印加し得るものである特許請求の範囲第
   １項の電子放出装置。
4. （４）電子放出側のＰ型半導体層に接合させた略環形状
   の仕事関数低下材領域を有する電子放出素子と、該仕事
   関数低下材領域の内側に設けられた第１の偏向電極と、
   該仕事関数低下材領域の外側に設けられた略環形状をな
   す第２の偏向電極と、前記第１の偏向電極と前記第２の
   偏向電極との間に電圧を印加する手段とを有するユニッ
   トを複数配列してなることを特徴とする電子放出装置。
5. （５）各ユニットにおいて、第１の偏向電極が第２の偏
   向電極の対称中心位置に配置されている特許請求の範囲
   第４項記載の電子放出装置。
6. （６）各ユニットにおいて、第１の偏向電極と第２の偏
   向電極とが対応して同数に分割されており、電圧印加手
   段が上記第１の偏向電極と第２の偏向電極との各対応分
   割部分間ごとにそれぞれ独立に電圧を印加し得るもので
   ある特許請求の範囲第４項の電子放出装置。