KR100686294B1 - 카본 나노튜브를 갖는 전자원과 그것을 이용한 전자현미경 및 전자선 묘화 장치 - Google Patents

Abstract

카본 나노튜브와 도전성 베이스의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있고 충분한 접합 강도를 갖는 동시에, 빔축 조정이 용이한 고신뢰성 전자원과, 그것을 이용함으로써 종래 기종과 비교하여 고분해능화, 고휘도화, 저가속 전압화에 의한 시료 손상의 저감화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자 현미경 및 고정세화, 고효율화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자선 묘화 장치를 제공한다.

도전성 베이스의 선단 중앙부에 도전성 접합 재료를 거치거나, 혹은 유기 재료를 거쳐서 카본 나노튜브를 부착한 후, 열처리에 의해 상기 유기 재료를 탄화 처리하거나, 또는 확산 접합에 의해 카본 나노튜브를 오오믹 콘택트 접합한 전자원을 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치에 적용한다.

카본 나노튜브, 전자원, 전자총, 전자 렌즈, 대물 렌즈

Description

카본 나노튜브를 갖는 전자원과 그것을 이용한 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치{EMISSION SOURCE HAVING CARBON NANOTUBE, ELECTRONIC MICROSCOPE AND ELECTRONIC BEAM LITHOGRAPHIC DEVICE USING THE SAME}

도1은 종래 카본 나노튜브와 도전성 베이스의 접합 방법을 도시한 도면.

도2는 제1 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도3은 제1 실시예에 관한 전자원의 다른 일예를 도시한 도면.

도4는 제2 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도5는 제3 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도6의 (a)는 제4 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면이고, 도6의 (b)는 제4 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도7은 제4 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도8의 (a)는 제6 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면이고, 도8의 (b)는 제6 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도9는 제7 실시예에 관한 전자원을 도시한 도면.

도10의 (a)는 제8 실시예에 관한 전자 현미경을 나타낸 도면이고, 도10의 (b)는 제8 실시예에 관한 전자 현미경을 나타낸 도면.

도11은 제8 실시예에 관한 전자선 묘화 장치를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 카본 나노튜브

2 : 카본 협잡물

3 : 텅스텐 침

4 : 도전성 접합 재료

5 : 도전성 침

6 : 도전성 베이스

7 : 도전성 접합 재료

8 : 제1 금속 피복층

9 : 제2 금속 피복층

10 : 금속 피복층

11 : 융점이 1500 ℃ 이상의 도전성 재료

12 : 전자원

13 : 지지 기둥

14 : 절연 재료

15 : 제1 양극

16 : 제2 양극

17 : 전자총

18 : 얼라인먼트(배열) 코일

19 : 콘덴서 렌즈

20 : 편향, 주사 코일

21 : 대물 렌즈

22 : 이차 전자 검출기

23 : 시료

24 : 대물 조리개

25 : 시료 스테이지

26 : 배기계

27 : 전자빔

28 : 전극 구동 회로

29 : 블랭커

30 : 전자 렌즈

31 : 편광기

32 : 카본 나노튜브와 탄화물을 생성하기 쉬운 도전성 침

33 : 탄화물

본 발명은 카본 나노튜브를 갖는 전자원과 그것을 이용한 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치에 관한 것이다.

전자 현미경의 한층 고분해능화 및 고휘도화에는 ① 전자원 사이즈를 작게 하는 것, ② 전자원을 고휘도화하는 것, ③ 색 수차의 영향을 저감하기 위해 전자원으로부터의 전자 에너지 폭을 작게 하는 것, ④ 방출 전자빔을 안정화하는 것이 필요하다. 그리고 전자원으로서 LaB₆으로 이루어지는 열전자 방출형, ZrO/W로 이루어지는 쇼트키형, 침 선단부를 전계 연마에 의해 뾰족하게 한 텅스텐으로 이루어지는 전계 방출형이 있다. 고분해능화 및 고휘도화인 점에서는 전계 방출형 전자원이 가장 우수하지만, 이하와 같은 문제점도 있다. ① 10^-8 Pa 이상의 초고진공 상태로 하지 않으면 전계 방출이 일어나지 않으므로, 배기계가 거대한 것으로 되어, 장치의 소형화가 곤란해지는 동시에, 비용 상승으로 이어진다. ② 인출 전압을 수 kV 정도로 매우 크게 하지 않으면 전계 방출을 하지 않기 때문에, 앞으로 급속한 성장이 예상되는 유기물 및 생물 관련 시료에 대해서는, 큰 손상을 부여하고 충분한 고정밀도 관찰을 할 수 없다. ③ 에미터 표면에서 흡착 및 이탈하는 잔류 가스 분자의 영향이나 잔류 가스 이온 충격에 의한 에미터 선단부 형상 변화에 의한 방출 전류의 시간 변동이 크다.

또한, 반도체 프로세스 등에서 이용되고 있는 측장 SEM에 있어서는, 현상 쇼트키형 전자원이 이용되고 있지만, 관찰 시료 상에서의 대전 방지 및 시료 손상 저감을 위해, 저가속 전압 하에서의 더 한층의 고분해능화가 중요한 과제로 되어 있다.

또한, 전자선에 감응하는 레지스트를 도포한 시료 기판에 전자선을 조사하고, 각종 회로 패턴을 형성하는 전자선 묘화 장치에 있어서는 각종 회로 패턴의 고 정세화에 수반하여, 극세 프루브 직경을 얻을 수 있는 전자원이 필요해지고 있다. 종래, 텅스텐이나 LaB₆으로 이루어지는 열전자 방출형 전자원이 사용되어 왔지만, 이들의 전자원은 빔 전류를 많이 얻는다는 이점이 있지만, 절대적인 에미터 선단 반경의 크기에 기인하는 비점 수차가 커, 20 ㎚ 이하의 묘화를 행할 수 없다. 그로 인해, 최근 전계 방출형 전자원을 사용하게 되었지만, 빔 전류가 적다는 점과 상기한 바와 같은 원인에 의해, 빔 전류의 불안정함이라는 새로운 문제가 있으며, 확실한 묘화를 행하기 위해 전자선의 노광량 즉 노광 시간을 늘려야만 하여 효율이 악화된다는 과제가 있다.

한편, 최근, 표시 장치용 신전자원으로서 카본 나노튜브를 다수 평면 기판에 배열시킨 전자원이 활발하게 검토되고 있다. 이것은 카본 나노튜브의 선단부 직경이 나노레벨로 매우 작으므로, 저전압에서도 전계 방출이 가능하고, 또한 탄소 원자간 결합이 금속에 비해 매우 견고하기 때문에, 상기 이온 충격에도 강하고 방출 전류의 안정성이 우수하고, 또한 비교적 저진공에서도 전자 방출한다는 특징을 갖고 있기 때문이다.

그래서, 단일 카본 나노튜브, 혹은 복수개의 카본 나노튜브가 외관상 1개의 다발로 된 번들형 카본 나노튜브를 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치의 전자원에 적용하면, 전자 방출 사이트가 나노레벨이기 때문에 전자 방출각이 작고, 또한 방출되는 전자의 에너지 폭도 작기 때문에 종래에 비해, 고분해능화 및 고정세 가공이 가능해진다.

그러나 단일 카본 나노튜브, 혹은 복수의 카본 나노튜브가 외관상 1개의 다발로 된 번들형 카본 나노튜브를 전자 현미경이나 전자선 묘화 장치의 전자원에 적용한 검토예는 거의 없고, 단일 카본 나노튜브의 전계 방출 특성에 관해서는 예를 들어, M.J.Fransen, Th.L.vanRooy, P.Kruit, App1.Surface Sci. 146(1999) 312-327 등의 보고가 있는 정도이다.

상기 보고에서 사용되고 있는 카본 나노튜브 전자원의 구조는, 도1에 도시한 바와 같이 베이스인 텅스텐 침 선단부 측면에 카본 협잡물로 고정한 구조로 되어 있다. 이러한 구조로서는 텅스텐 침과 카본 나노튜브의 접촉 면적이 매우 작아져 버리기 때문에, 이를 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치의 전자원에 적용한 경우에는 다음과 같은 문제가 해결되어 있지 않다. ① 카본 나노튜브와 텅스텐 침의 오오믹 콘택트가 이루어지지 않으며, 접합부에서의 전기 저항이 커지고, 카본 나노튜브 선단부에 있어서의 전계 강도가 인가된 전압에 비해 상당히 저하되어 버려, 전계 방출 임계 전압이 커져 버린다. ② 어느 정도 전류가 흐른 상태에서는 상기 이유에 의해, 전자 방출 사이트에의 전자의 공급이 저해되고, 그 이상 큰 전압을 인가해도 전류가 포화되어 버려 큰 전류를 얻을 수 없다. ③ 상기 이유에 의해, 접합부에서의 발열량이 커져 베이스인 텅스텐 침이 용해된다. ④ 접합 강도가 작기 때문에, 정전기의 대전 및 충격 등에 의해 용이하게 박리한다. ⑤ 텅스텐 침 측면에 카본 나노튜브가 부착되어 있으므로, 전자총에 조립한 후의 전자빔 축 조정이 곤란해진다.

또한, 도전성 침 선단부에 촉매 금속 입자를 도포하여 CVD법 등으로 촉매 금속 입자로부터 카본 나노튜브를 직접 성장시키는 방법이 알려져 있지만, 성장한 카본 나노튜브의 결정성, 순도, 세말성을 동시에 만족하는 전자 방출 특성이 우수한 카본 나노튜브를 제조한 예는 없다. 또한, 성장하는 카본 나노튜브의 직경은 촉매 금속 입자의 입자경에 의존하고, 촉매 금속 나노 입자 1개를 도전성 침 선단부에 배치할 필요가 있어 제조상도 상당히 어렵다. 가령 촉매 금속 나노 입자로부터 1개의 카본 나노튜브를 성장시킬 수 있었다고 해도, 촉매 금속 입자는 카본 나노튜브의 성장과 함께, 카본 나노튜브 성장 방향으로 이동해 버리므로 도전성 침과 카본 나노튜브와의 접합부에 촉매 금속 입자가 없어져 버리고, 상기와 같은 접합 불량에 기인하는 여러 문제를 해결하는 것은 불가능하다. 또한, 촉매 금속 입자가 남겨진 경우에는, 거기에서 복수개의 카본 나노튜브가 랜덤하게 성장하여 버린다고 하는 과제도 있다.

이상 본 발명의 목적은, 카본 나노튜브와 도전성 기재의 오오믹 콘택트를 충분히 확보할 수 있어 충분한 접합 강도를 갖는 동시에, 빔축 조정이 용이한 고신뢰성 전자원을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단 중 하나는, 카본 나노튜브를 갖는 전자원이며, 도전성 베이스와, 상기 도전성 베이스와 오오믹 콘택트하는 카본 나노튜브를 갖는 것을 특징으로 한다.

혹은, 상기 도전성 기재와 오오믹 콘택트하는 카본 나노튜브는 상기 도전성 베이스에 접합되는 도전성 접합 재료와, 상기 도전성 접합 재료에 접합된 카본 나노튜브를 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 접합부에서의 전기 저항을 작게 할 수 있고 전계 방출 임계치 전압의 증대를 방지하여, 전자 방출 사이트에의 전자의 공급량을 많게 하고, 또한 접합부에서의 발열량을 억제하고 도전성 기재의 용융 등을 방지하여, 전자원으로서의 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또, 본 명세서에 있어서의 도전성 침 및 도전성 플레이트는 도전성 베이스의 일례라고 한다.

(제1 실시예)

도2는 본 실시예에 관한 전자원을 도시한다. 본 실시예에 관한 전자원은, 선단부에 미세 구멍을 갖는 도전성 침과, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브를 구비하여 구성된다. 이에 의해, 전자원에 있어서의 카본 나노튜브와 도전성 침과의 접합성에 관한 과제를 해결할 수 있고, 또한 카본 나노튜브와 도전성 침을 안정적으로 오오믹 접촉시킬 수 있다.

카본 나노튜브를 부착하는 도전성 침의 재료로서는, 도전성, 열전도성, 내 산화성이 우수하고, 비교적 고융점의 금속 혹은 카본이 바람직하고, 금속으로서는 텅스텐, 몰리브덴, 티탄, 백금, 금 혹은 이들을 갖는 합금을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.

도전성 침에 도포하는 도전성 접합 재료로서는 카본 나노튜브 및 도전성 베 이스와의 습윤성이 비교적 좋고, 더욱 바람직하게는 도전성 베이스와의 열팽창 계수가 가까운 것으로, 도전성 베이스의 융점 이하의 온도로 용융하고, 또한 카본 나노튜브가 진공 가열되어도 분해되지 않는 온도 이하에 용융하는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 제조성의 관점으로부터 말하면 융점이 1500 ℃ 이하의 금속이 바람직하고, 리튬, 베릴륨, 마그네슘, 알루미늄, 칼륨, 칼슘, 망간, 코발트, 니켈, 루비듐, 스트론튬, 텔루르, 세슘, 바륨, 란탄, 비스무스, 납, 주석, 인듐, 카드뮴, 동, 유황, 셀렌, 갈륨 중 적어도 어느 하나로 구성되는 금속 혹은 합금을 들 수 있다.

또 본 실시예에 관한 전자원에 있어서, 미세 구멍을 형성하지 않은 도전성 침의 선단부에 그것보다도 저융점인 도전성 접합 재료를 도포하고, 카본 나노튜브를 부착하는 구성으로 해도 좋지만, 도2에 도시한 바와 같이 도전성 침의 선단 중앙부에 미세 구멍을 마련한 쪽이 접합 신뢰성인 점에서 보다 바람직하다. 또한, 도전성 침의 선단 중앙부에 미세 구멍이 아니라 도3에서 도시한 바와 같이 도전성 침 일부에 오목부를 형성하고, 그 오목부에 도전성 접합 재료를 설치하여 카본 나노튜브를 부착하는 구성으로 해도 좋다.

다음에 본 실시예에 관한 전자원의 제조 방법을 도시한다. 우선 에칭 등으로 선단부를 뾰족하게 한 도전성 침의 선단 중앙부에, FIB 가공 혹은 포토 리소그래프법 등으로 미세 구멍(혹은 오목부 등)을 형성한 후, 도전성 침의 선단부에 그것보다도 저융점인 도전성 접합 재료를 스패터, 증착 혹은 침지 등으로 도포한다. 이것은 카본 나노튜브를 부착하는 재료가 된다. 그리고 도전성 접합 재료가 도포 된 미세 구멍에 1개의 카본 나노튜브를 삽입하고, 상기 도전성 접합 재료의 응고 온도까지 베이스를 냉각하여 고화한다. 이에 의해 도2에 도시한 전자원을 제조할 수 있다.

이상, 카본 나노튜브와 도전성 베이스와의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있어, 충분한 접합 강도를 갖는 고신뢰성의 전자원을 제공할 수 있다. 또한 이 전자원을 전자 현미경에 이용함으로써, 종래 기종과 비교하여 고분해능화, 고휘도화, 저가속 전압화에 의한 시료 손상의 저감화가 가능해진다. 또한 전자 방출각이 작기 때문에 콘덴서 렌즈에 의해 전자빔을 교축하는 정도가 저감되므로, 콘덴서 렌즈의 일부 혹은 모두를 생략할 수 있는 동시에, 종래 전자원과 비교하여 저진공도에서도 전자 방출하기 때문에 진공 배기계를 간략화할 수 있고, 또는 종래 기종과 비교하여 저가속 전압화할 수 있기 때문에 전자총 주위의 열발생이 저감되고, 종래 기종과 같이 전자총 주위를 냉각수에 의해 냉각하지 않아도 공냉으로 충분해지며, 냉각계를 생략 혹은 간략화할 수 있으므로, 저비용화 및 소형화를 실현하는 전자 현미경 및 고정세화, 고효율화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자선 묘화 장치를 제공할 수 있다. 또, 본 실시예에서 설명을 위해 이용한 도전성 침은 도전성 베이스의 일예이며, 가장 효율적으로 전자를 방출할 수 있는 형태로서 설명한 것이다.

(제2 실시예)

도4는 본 실시예에 관한 전자원을 도시한다. 본 실시예에 관한 전자원은, 제1 실시예에 기재한 전자원의 카본 나노튜브에 도전성 접합 재료보다도 고융점의 도전성 재료를 수층 피복한(피복층을 설치한) 구성으로 되어 있다. 이 구성으로 함으로써, 도전성 접합 재료가 카본 나노튜브와 습윤성이 그다지 좋지 않은 경우라도 도전성 접합 재료와 카본 나노튜브 쌍방과 습윤성이 좋은 재료를 협지함으로써, 전체적으로 습윤성을 좋게 하여 접합 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 카본 나노튜브의 주위에 피복층을 설치함으로써 한층 내이온 충격성 향상을 도모할 수 있다. 단, 카본 나노튜브를 피복하는 층(피복층)이 지나치게 두꺼우면 직경이 작다는 카본 나노튜브의 이점이 희석되어 버리므로, 각 피복층의 두께는 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도가 좋다.

여기서, 본 실시예에 관한 전자원에 대해 도4를 이용하여 구체예를 설명한다. 도전성 침은 텅스텐, 도전성 접합 재료는 주석계 저융점 합금이다. 주석계 저융점 금속 합금과 카본 나노튜브라 함은 나머지 습윤성이 좋지 않으므로, 우선 카본 나노튜브와 습윤성이 좋은 금속, 예를 들어 탄화물을 형성하기 쉬운 티탄, 하프늄, 지르코늄, 탄탈, 니오븀, 크롬, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 칼슘, 철, 니켈, 코발트, 텅스텐, 실리콘 등을 제1 금속 피복층으로 하여 형성하고, 또한 그 외측으로 제1 금속 피복층과 주석계 저융점 합금의 양쪽에 습윤성이 좋고 주석계 저융점 합금보다도 고융점인 금속인 동, 니켈, 은, 금 등을 제2 금속 피복층으로 하여 형성한다. 이에 의해 카본 나노튜브측으로부터 서서히 도전성 접합 재료와의 습윤성을 높일 수 있어, 재료 선택의 여유도를 높일 수 있고, 또한 내이온 충격성 향상을 도모할 수 있다.

또한, 도전성 침인 텅스텐과 주석계 저융점 합금도 별로 습윤성이 좋지 않기 때문에, 도전성 침 전체 혹은 선단부(미세 구멍 내부 혹은 오목부)에 텅스텐과 주 석계 저융점 합금의 양쪽에 습윤성이 좋고, 주석계 저융점 합금보다도 고융점인 금속, 예를 들어, 동, 니켈, 은, 금 등을 금속 피복층으로 하여 형성해 두는 것도 좋다. 또 물론 습윤성에 따라서 금속 피복층을 설치할 것인지의 여부는 자유이다. 또한, 카본 나노튜브 전체에 금속 피복층을 설치하는 것 혹은 접합에 관한 부분에만 금속 피복층을 설치하는 것은 필요에 따라서 선택 가능하다. 이 의미에 있어서 금속 피복층에 의해 피복된다고 함은, 전체에 피복되어 있는 경우 뿐만 아니라, 접합에 관한 부분에만 금속 피복층이 설치되어 있는 것도 포함된다는 것으로 한다.

또한, 카본 나노튜브는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전자원 사이즈 면에서 말하자면, 1개인 것이 바람직하다. 다만, 전자선 묘화 장치 등과 같이 대전류가 필요한 경우에는, 전체의 직경이 100 ㎚ 이하이면, 복수개의 카본 나노튜브(금속 피복층도 포함)가 외관상 1개의 다발로 된 번들형 카본 나노튜브라도 좋다.

이들 금속 피복층의 제조 방법으로서는 증착법, CVD법, 스퍼터법 등이 있다.

이상, 카본 나노튜브와 도전성 베이스와의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있어 충분한 접합 강도를 갖고, 각 재료간의 습윤성이 좋고, 또한 내이온 충격성이 높은 고신뢰성의 전자원을 제공할 수 있다. 또한 이 전자원을 전자 현미경에 이용함으로써, 종래 기종과 비교하여 고분해능화, 고휘도화, 저가속 전압화에 의한 시료 손상의 저감화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자 현미경 및 고정세화, 고효율화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자선 묘화 장치를 제공할 수 있다.

(제3 실시예)

본 실시예에 관한 전자원을 도5에 도시한다.

도5에 관한 전자원은, 예리한 선단부 형상(선단부) 및 그 선단부에 미세 구멍을 갖는 도전성 플레이트와, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브를 구비하여 구성된다. 카본 나노튜브를 부착하는 도전성 베이스의 형상으로서는, 선단부 형상이 예리할수록 전계 집중되기 쉬우므로, 도전성 플레이트의 선단부는 어느 정도 예리한 것이 바람직하다.

(제4 실시예)

본 실시예에 관한 전자원을 도6의 (a), (b)에 도시한다.

도6의 (a)에 관한 전자원은 V자 부분(선단부 부분)에 미세 구멍이 마련된 V자형 필라멘트 형상의 도전성 베이스와, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브 구비하여 구성된다.

도6의 (b)에 관한 전자원은, V자형의 필라멘트 형상을 갖는 도전성 베이스와, V자형의 필라멘트 형상을 갖는 도전성 베이스의 V자 부분(선단 부분)에 부착되고, 선단부에 미세 구멍을 갖는 도전성 침과, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브를 구비하여 구성된다.

카본 나노튜브를 부착하는 도전성 베이스의 형상으로서는 선단부 형상이 예리할수록 전계 집중되기 쉬우므로, 어느 정도 예리한 플레이트로 함으로써 전계를 집중시켜 고출력 및 고신뢰성의 전자원을 실현할 수 있고, 또한 본 실시예에 관한 전자원에서는 도전성 베이스가 V자형의 필라멘트 형상이기 때문에, 필라멘트에 전류를 흐르게 함으로써 부착된 카본 나노튜브를 용이하게 가열할 수 있어, 카본 나노튜브 표면의 흡착 가스를 제거하는 것이 가능해진다.

이상, 카본 나노튜브와 도전성 베이스와의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있어, 충분한 접합 강도를 갖고, 카본 나노튜브 표면의 흡착 가스도 제거할 수 있는 고신뢰성의 전자원을 제공할 수 있다.

(제5 실시예)

본 실시예에 관한 전자원을 도7을 이용하여 설명한다. 본 실시예에 관한 전자원은 제1 실시예에 있어서 제작된 전자원에 있어서의 카본 나노튜브와 도전성 접합 재료와의 접합부 주변에 고융점 금속 혹은 카본을 도포하고, 도전성 접합 재료를 밀봉하는 피복재를 설치한 구성으로 되어 있다. 달리 말하면, 피복재를 갖고 피복재와 도전성 베이스로 도전성 접합 재료를 밀봉한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 피복재를 설치함으로써 전자원이 도전성 접합 재료의 융점 이상의 온도가 된 경우라도 접합 상태를 확보할 수 있다. 또 이 경우의 고융점 금속이라 함은 도전성 접합 재료보다도 융점이 높은 금속을 의미하고, 1500 ℃ 이상의 융점인 것이 바람직하다. 또한 이 경우, 도전성 접합 재료를 생략하는 것도 가능하지만, 제조제의 관점으로부터는 도전성 접합 재료를 이용하는 편이 보다 바람직하다.

이 전자원은, 제1 실시예에 기재된 방법에 의해 제작된 전자원의 접합부 주변에 예를 들어 갈륨 이온 대신에 전자선을 이용하는 FIB 가공 장치 등으로 상관찰 중인 카본 나노튜브 자체의 조사 손상을 최소한으로 하면서 접합부 주변에만 텅스 텐이나 카본 등을 국소 증착함으로써 제작할 수 있다.

또 본 실시예에서는 제1 실시예에서 제작된 전자원을 근본으로서 제작하였지만, 상기 효과를 발휘하는 동안에 있어서 제1 실시예에 의해 제작된 전자원에 한정되는 일은 없으며, 제1 실시예 내지 제4 실시예 어느 하나에 기재된 전자원에 있어서도 제작 가능하다.

이상, 카본 나노튜브와 도전성 베이스와의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있어 충분한 접합 강도를 갖고, 또한 전자원이 저융점 금속의 융점 이상의 온도에 노출되어도 접합 상태의 확보가 가능한 고신뢰성의 전자원을 제공할 수 있다.

(제6 실시예)

본 실시예에서는 제4 실시예 및 제5 실시예에 있어서 개시된 전자원을 이용한 전자원의 운전 방법에 대해 도8의 (a) 및 (b)를 이용하여 설명한다.

즉, 도8의 (a)에 관한 전자원은 V자 부분(선단부 부분)에 미세 구멍이 설치된 V자형 필라멘트 형상의 도전성 베이스와, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브와, 카본 나노튜브와 상기 도전성 접합 재료와의 접합부 주변에 상기 도전성 접합 재료를 밀봉하기 위해 설치된 피복재를 구비하여 구성되고, 도8의 (b)에 관한 전자원은 V자형의 필라멘트 형상을 갖는 도전성 베이스와, V자형의 필라멘트 형상을 갖는 도전성 베이스의 V자 부분(선단부 부분)에 부착되고, 선단부에 미세 구멍을 갖는 도전성 침과, 미세 구멍에 마련되는 도전성 침보다도 저융점의 도전성 접합 재료와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나노튜브와, 도전성 접합 재료에 부착된 카본 나 노튜브와, 카본 나노튜브와 상기 도전성 접합 재료와의 접합부 주변에 상기 도전성 접합 재료를 밀봉하기 위해 설치된 피복재를 구비하여 구성된다. 이를 이용하여 플러싱 자유로운 운전 방법이 가능하다. 이하, 구체적으로 설명한다.

이 구성을 갖는 전자원은, 전자원이 저융점인 도전성 접합 재료 이상의 온도에 노출되어도 접합 상태를 확보할 수 있기 때문에, 예를 들어 카본 나노튜브로부터 열전계 전자 방출이 일어나는 임계 온도를 T₁, 카본 나노튜브 표면의 흡착 가스가 이탈되는 온도를 T₂, 카본 나노튜브의 가열 온도를 T라 한 경우, 필라멘트에의 전류량을 조절함으로써 T₂ < T < T₁로서 운전함으로써 종래의 전계 방출형 전자원에서 필요한 진공도보다도 상당히 낮은 진공도에 있어서도, 종래 필수로 되어 있었던 플러싱을 하지 않아도 장기간에 걸쳐 안정되면서 또한 협에너지 폭의 전자빔을 얻는 것이 가능해진다. 여기서, 상기 T₂는 500 내지 1000 ℃이지만, 사용하는 카본 나노튜브가 가열에 의해 분해하지 않는 온도 범위이면, 이 이상의 온도 범위에서도 상관없다. 특히 현재, 반도체 관련에서 사용되는 측장 SEM에서는 플러싱 필요없을 것이 필수이므로 전계 방출형에 비해 분해능이 떨어지는 쇼트키형 전자원이 오로지 사용되고 있지만, 본 실시예에 관한 전자원을 상기 운전 방법으로 실시함으로써 플러싱이 필요없는 고분해능 관찰이 가능해진다.

(제7 실시예)

본 실시예에서는 제1 실시예에 기재하는 전자원의 제조 방법에 대한 다른 일예를 도시한다. 단, 제1 실시예라 함은 도전성 접합 재료가 그라파가트화한 유기 재료인 점에서 다르다.

본 실시예에 관한 전자원의 제조 방법은, 예를 들어 제1 실시예에 기재된 전자원을 작성하는 방법이며, 에칭 등으로 선단부를 뾰족하게 한 도전성 침의 선단 중앙부에 FIB 가공 혹은 포토 리소그래프법 등으로 미세 구멍을 형성하고, 도전성 선단부에 미세 구멍을 갖는 도전성 침에 미리 유기 재료를 도포하고, 유기 재료가 도포된 미세 구멍에 한 자루의 카본 나노튜브를 삽입하여 임시 멈춤을 행하고, 이를 진공 중 혹은 불활성 가스 분위기 속에서 유기 재료가 탄화되는 온도까지 가열하여 유기 재료를 그라파이트화시킨다. 즉 이 공정에 의해 유기 재료는 도전성을 갖는 그라파가트로 되기 때문에, 카본 나노튜브와 도전성 침이 오오믹 콘택트 접합된 전자원을 제작할 수 있다. 특히 이 경우 도전성 침을 카본으로 하면, 전자원을 구성하는 재료가 전부 카본이 되므로, 열팽창 차이에 기인하는 접합부에서의 계면 박리 혹은 각 재료 사이의 습윤성 등 이종 재료 접합에 관계되는 문제를 해결할 수 있어 매우 적합해진다.

또, 본 실시예에서는 제1 실시예에 기재한 전자원을 바탕으로 설명하였지만, 상기한 제조 공정이 가능한 동안에 있어서, 제2 실시예 내지 제6 실시예에 관한 전자원의 제조 방법에 응용하는 것도 가능하다(그 경우, 미세 구멍은 오목부로 하는 등 적절하게 판독함으로써 대응할 수 있다).

또한, 실시 형태로서 도3에 도시한 바와 같은 선단 중앙부에 오목부가 형성된 도전성 베이스 혹은 도9에 도시한 바와 같은 선단부 단면부를 평탄화한 도전성 베이스에 카본 나노튜브를 카본 협잡물 등으로 임시 정지한 후, 진공 중 혹은 불활 성 가스 속에서 가열함으로써, 카본 나노튜브와 도전성 베이스를 확산 접합할 수 있다. 도전성 베이스로서는 카본 나노튜브와 도전성 탄화물 등의 중간 생성물을 형성하기 쉬운 금속이 바람직하고, 예를 들어 Ti 및 W 등을 들 수 있다. 이 경우의 가열 온도는, 500 내지 1000 ℃가 바람직하다. 또한 동시에, 접합부에만 이온이나 전자선 등의 입자선 조사를 행하면, 카본 나노튜브와 도전성 베이스 사이의 확산이 촉진되므로, 보다 저온이면서 단시간에 확산 접합할 수 있다.

(제8 실시예)

본 실시예는 제1 실시예에 관한 전자원을 전자총에 이용한 예이다. 도10의 (a)는 그 구성을 도시한 것이며, 도10의 (b)는 또한 그 전자총을 주사형 현미경에 이용한 예를 도시한다.

도10의 (a)에 도시되는 전자총은 전자원과, 전자원을 지지하는 지지 기둥과, 지지 기둥을 고정하는 절연 기판과, 제1 양극과, 제2 양극을 구비하여 구성된다.

도10의 (b)에 도시되는 주사형 현미경은, 전자총으로부터 방출된 전자빔을 전자 렌즈로 축소하여 시료면 상에 미소한 전자 프로브를 결상시키는 동시에, 편향기에 의해 시료 상의 전자 프로브의 이동 및 주사를 행하기 위한 전자 광학계와 시료실과, 이들을 진공에 유지하기 위한 배기계로 구성되어 있다. 또, 반도체 프로세스에 있어서의 미세 가공 패턴의 관찰이나 치수 측장을 행하는 측장 SEM 및 전자선에 감응하는 레지스트를 도포한 시료 기판에 전자빔을 조사하여 각종 회로 패턴을 형성하는 전자선 묘화 장치에 있어서의 전자 광학계의 구성도 기본적으로는 도10과 동일하다.

이상, 제1 실시예에 관한 전계 방출형 전자원을 이들 장치의 전자총에 적용함으로써, 종래 기종과 비교하여 고분해능화, 고휘도화, 저가속 전압화에 의한 시료 손상의 저감화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자 현미경 및 고정세화, 고효율화, 저비용화, 소형화를 실현하는 전자 현미경 및 전자선 묘화 장치를 실현할 수 있다.

또한, 전자선 묘화 장치에 관해서는, 최근 금속 - 절연체 - 금속의 삼층 구조로 이루어지는 박막형 전자원(MIM)을 격자형으로 이차원 배열하여 제작한 멀티 전자선원 탑재형 전자선 묘화 장치가 고안되어 있다. 이에 의해 패턴을 일괄 전사할 수 있고, 전자원이 하나인 경우에 비해 작업 처리량이 대폭 개선될 수 있다. 그러나, 이 경우 MIM의 전자 방출 임계치 전계가 1 내지 10 MV/㎝ 이상으로 매우 높고, MIM을 구성하는 절연체 혹은 구동 회로 부품의 절연 파괴 등이 일어난다는 문제가 있어, 저전압에서 고전류 밀도를 달성할 수 있는 전자원이 요구되고 있다. 그래서, 도10에 도시한 바와 같이 본 발명의 전자원을 탑재함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있다.

또한, 주사형 전자 현미경과 같이 전자원으로부터 방출된 전자빔을 복수의 전자 렌즈로 가늘게 교축하고, 이 전자빔을 주사 코일을 이용하여 직사각 형상으로 주사하여 상을 얻는 주사 투과 전자 현미경이나 전자원으로부터 방출된 전자빔을 가속하고, 복수단의 전자 렌즈를 통해서 시료에 조사하고, 시료를 투과한 전자빔을 대물 렌즈를 포함하는 복수의 전자 렌즈로 확대하고, 형광 스크린에 상을 나타내는 투과형 전자 현미경에 있어서도 전자 광학계의 기본 원리는 동일하기 때문에, 본 발명의 전자원을 이용함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상, 카본 나노튜브와 도전성 베이스와의 오오믹 콘택트를 확보할 수 있고 충분한 접합 강도를 갖는 동시에, 빔축 조정이 용이한 고신뢰성 전자원을 제공할 수 있다.

Claims (20)

1. 미세 구멍 또는 오목부를 갖는 도전성 침과,

   상기 도전성 침의 미세 구멍에 마련되는 도전성 접합 재료와,

   상기 도전성 접합 재료에 접합되는 카본 나노튜브를 갖고,

   도전성 접합 재료는 상기 도전성 침보다도 저융점의 금속 또는 유기 재료를 탄화 처리한 것임을 특징으로 하는 전자원.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 피복재를 갖고,

   상기 피복재와 상기 도전성 침으로 상기 도전성 접합 재료를 밀봉한 것을 특징으로 하는 전자원.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 카본 나노튜브는 상기 도전성 접합 재료보다도 고융점인 제1 금속 피복층에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전자원.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제4항에 있어서, 상기 카본 나노튜브는 상기 도전성 접합 재료보다도 고융점이면서 또한 상기 제1 금속 피복층을 피복하는 제2 금속 피복층을 갖는 것을 특징으로 하는 전자원.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 도전성 침과 도전성 접합 재료 사이에 상기 도전성 접합 재료보다도 고융점의 금속 피복층을 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 전자원.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 도전성 침은 V자형의 필라멘트 형상의 도전성 베이스에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전자원.
11. 제1항 또는 제3항에 기재된 전자원을 이용한 것을 특징으로 하는 전자 현미경.
12. 제1항 또는 제3항에 기재된 전자원을 이용한 것을 특징으로 하는 전자선 묘화 장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images