TW202338898A - 電子槍及電子顯微鏡 - Google Patents

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寅瑩 肖
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Abstract

一種用於一電子顯微鏡或類似裝置之電子槍包含具有自一單晶矽基板之輸出表面延伸之一場發射體突部之一場發射體陰極及經組態以增強來自該場發射體突部之一尖端部分之電子之發射以產生一初級電子束之電極。一連續TiN層使用最小化該TiN層中之氧化及缺陷之一程序至少直接安置於該場發射體突部之該尖端部分上。

Description

電子槍及電子顯微鏡
本發明大體上係關於適合用於掃描電子顯微鏡、電子束微影系統及適用於檢視且檢測樣本(例如，光罩、倍縮光罩及半導體晶圓)之其他系統中之電子槍。特定言之，本發明係關於利用冷電子場發射體之電子槍，且係關於包含此等電子槍之檢視及檢測系統。
積體電路(IC)行業需要具有愈來愈高之靈敏度之檢測工具來偵測不斷變小之缺陷及其大小可為數十奈米(nm)或更小之粒子。此等檢測工具以高速操作以便在一短時段內檢測一光罩、倍縮光罩或晶圓之至少大部分區域。例如，在IC生產期間執行之高速檢測通常耗費一小時或更少。為了研發(R&D)或故障排除目的而執行之更詳細高速檢測可耗費至多數小時。高速檢測工具使用具有大於所關注表面缺陷或粒子之尺寸之像素或光點大小之入射能量束掃描樣本表面且監測自樣本表面偏轉之能量之量，藉此藉由經偏轉能量之量之小改變偵測表面缺陷或非所要粒子。高速檢測最常在生產中使用以紫外(UV)光源操作之檢測工具執行。可使用電子槍執行在R&D中執行之更詳細高速檢測。
在已藉由高速檢測發現一缺陷或粒子之後，通常需要製成一更高解析度影像及/或執行材料分析以判定粒子或缺陷之起源或類型。此程序通常被稱為檢視。通常使用一掃描電子顯微鏡(SEM)執行檢視。通常需要在半導體製造中使用之檢視SEM以每天檢視數千個潛在缺陷或粒子，藉此需要檢視SEM以至多容許數秒之速度操作以可操作地掃描各缺陷/粒子。
電子顯微鏡(例如，SEM)利用電子槍(即，電子源)以產生並引導電子束朝向目標樣本。熱離子源通常包含由鎢或六硼化鑭(LaB 6)製成之一陰極。在熱離子發射期間，當電子熱能足夠高以克服表面電位障壁時，電子自材料表面蒸發。熱離子發射體通常需要高溫(例如，大於1300 K)來操作，且具有諸如低效功率消耗、寬能散度、短壽命、低電流密度及有限亮度之若干缺點。
雖然熱離子源係當前最常見類型之電子槍，但對更有效電子槍之需求已驅動肖特基發射體及電子場發射體之開發。
肖特基發射體通常由具有塗佈有氧化鋯(ZrO x)層之一尖端之鎢絲製成，其展現遠低於習知熱離子發射體之一功函數(~2.9 eV)。歸因於在一經施加外部電場下之影像電荷效應，肖特基發射體藉由有效電位障壁降低而展現經增強熱離子發射。然而，熱輔助肖特基發射體不需要在高溫(＞1000 K)及高真空(~10 -7托)下操作且歸因於高操作溫度而具有寬於可期望之電子發射能量。因此，隨著IC特徵大小(且因此，具有所關注大小之缺陷/顆粒)繼續縮小，肖特基發射體未能提供半導體晶圓及遮罩檢測、檢視及微影可期望之具有更低能散度、更高亮度(輻射率)及更高電流密度之一電子槍。
電子場發射體(在本文中被稱為「場發射體」)通常具有安置於一真空中之一錐形發射體尖端(陰極)、一圓形閘極孔徑及一陽極。在操作期間，在一經施加外部場下跨發射體陰極、閘極及陽極建立一電位差，從而導致尖端之表面處之高電場。當經施加電場足夠高以降低尖端-真空界面上之電位障壁時發生場發射，使得電子可在室溫下穿隧通過此障壁且行進穿過閘極孔徑朝向在一更正電位下偏壓之陽極。在一場發射體中之電子最初處於內部熱力學平衡，且大多數經發射電子藉由福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim)穿隧自接近發射體費米(Fermi)能階之電子狀態逸出。相比之下，在肖特基發射體中，大多數電子自遠高於費米能階之狀態在一場降低障壁之頂部上方逸出。
早期場發射體設計努力集中在開發金屬場發射體。其中，Spindt型鉬場發射體可能係最熟知的金屬場發射體，此係因為鉬具有一低電阻率(在20°C下，53.4 nΩ·m)及一高熔點(2896 K)。然而，金屬發射體具有若干缺點，諸如歸因於金屬沈積技術而缺乏均勻性且更嚴重地，主要歸因於氧化之發射電流之降級。
隨著現代半導體製造技術之出現，已存在半導體場發射體(尤其矽場發射體)之調查。單晶(single-crystal)(單晶(monocrystalline))矽係用於場發射體之一具吸引力的材料。可生長具有高純度及較少晶體缺陷之矽晶體。可藉由摻雜及/或施加一電壓而更改矽之導電性。更重要地，矽具有一完備技術基礎。
在圖5中展示一典型先前技術矽場發射體之結構。一矽基板51通常經n型摻雜。一錐形發射體54形成於矽基板51上，其中一選用閘極層57附接至包含一或多個絕緣層之一介電層56。選用閘極層57控制且提取發射電流。一第三電極(即，陽極，未展示)面向閘極層57且與陰極分離達大約數百微米之一距離。此係一典型矽場發射體三極體組態。應注意，在無閘極層57之情況下，場發射體可用作二極體。當跨發射體結構施加一偏壓電壓時發生電子之量子穿隧。在發射體尖端之表面上產生一大電場，且自尖端發射電子。生產用於使用此類型之矽場發射體之半導體檢測/檢視/微影儀器之SEM儀器之冷(即，室溫發射)電子槍將解決與肖特基及熱離子發射體相關聯之許多問題。
即使矽場發射體近年來已展示前景，然其等尚未市售。使用矽以形成場發射體之一個嚴重問題在於：矽相當具反應性且即使在約10 -10托之壓力下，亦可在數小時內被污染。矽容易在其表面上形成原生氧化物。甚至在一真空中，原生氧化物仍將最終形成，此係因為存在於真空中之少量氧及水將與矽之表面反應。矽與二氧化矽之間之界面具有缺陷(歸因於懸鍵)，其中一電子重組之概率係高的。此外，即使氧化物係薄的，二氧化矽之帶隙較大(約9 eV)仍產生高於一電子為了逸出必須克服之功函數之一額外障壁。例如，一平滑矽表面上之原生氧化物通常約2 nm厚。在一些境況中，氧化亦可改變場發射體之形狀。此等問題可導致低亮度及電流以及不良穩定性、可靠性、可擴縮性及均勻性，且已阻礙矽場發射體之商業使用。需要週期性閃爍(即，暫時升高尖端溫度)以移除該等污染物，在此期間，其中實施冷電子槍之系統/儀器保持無法使用。在尖端閃爍時，暫停收集更高解析度影像及/或執行材料分析。此在其中預期檢測、檢視及微影儀器在長時段內連續且穩定地操作而不中斷之半導體行業中提出一問題。因此，用於半導體檢測、檢視及微影之大多數市售SEM儀器包含實施肖特基發射體之電子槍。
已擴展研究工作來尋找場發射體之表面處理及塗層以針對較低接通電壓、較高發射電流密度、較低雜訊及改良穩定性來改良其等效能。此等處理可包含：使用耐火金屬、矽化物、碳化物及鑽石等塗佈發射體尖端。然而，此等塗佈材料在形成平滑且均勻塗層表面時通常受製造程序限制及/或通常受形成於塗層表面上之氧化物層影響，從而產生一額外能量障壁。出於此等原因，利用經塗佈矽場發射體之冷電子槍尚未變得實用。
因此，需要一種克服先前技術之一些或全部限制之電子槍及一種併入此一電子槍之電子顯微鏡。
在一第一實施例中提供一種電子槍。該電子槍包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體。該場發射體包含具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部之一單晶矽基板。該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分。該場發射體亦包含氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層。該TiN層包含至少75原子百分比之TiN。
在一例項中，該TiN層包含大於80原子百分比之TiN。
在一例項中，該單晶矽基板可以小於約10 19cm -3之一摻雜位準進行p型摻雜。在另一例項中，該單晶矽基板可以約10 15cm -3與約10 19cm -3之間之一摻雜位準進行n型摻雜。在又一例項中，該單晶矽基板具有大於約10 µm之一厚度且以小於約10 14cm -3之一摻雜位準進行p型摻雜。
該電子槍可包含經組態以照明該單晶矽基板之該第一表面之一光源。該光源可包含經組態使得可控制該初級電子束之一發射電流使其與自該光源透射至該單晶矽基板中之光之一量成比例的一雷射二極體及一發光二極體之一者。
該TiN層可具有在2 nm至150 nm之範圍中之一厚度。
該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分可包含小於10原子百分比之氧。
該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分可包含小於10原子百分比之碳。
該場發射體突部可包含一圓錐、一稜錐或一圓形晶鬚之一者。該場發射體突部之該尖端部分可具有小於300 nm之一橫向尺寸。在一例項中，該場發射體突部之該尖端部分具有大於10 nm之一橫向尺寸。
該場發射體突部可包含一圓錐、一稜錐或一圓形晶鬚之一者。該場發射體突部之該尖端部分可具有小於300 nm之一直徑。
該場發射體可經組態以在其中回應於一經施加電場而鄰近該第二表面產生一空乏層之一反向偏壓模式中操作。
該場發射體可進一步包含一第一介電層，其安置於該單晶矽基板之該第二表面上鄰近該場發射體突部；一第一導電閘極，其安置於該第一介電層上使得該第一導電閘極之一邊緣與該場發射體突部之該尖端部分間隔一非零距離；一第二介電層，其安置於該第一導電閘極之該第二表面上；及一第二聚焦閘極，其安置於該第二介電層上使得該第二導電閘極之邊緣與該場發射體突部之該尖端部分間隔一非零距離。該等第一及第二介電層之該等厚度之各者係自500 nm至3 µm，且該第一介電層係該場發射體突部之一高度之±300 nm。
該電子槍可包含以一二維週期性圖案配置之複數個場發射體突部。該等場發射體突部之各者可具有一體地連接至該矽基板之一相關聯固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分。該TiN層可至少氣密地安置於該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分上。在一例項中，該場發射體進一步包含一第一介電層，其安置於該單晶矽基板之該第二表面上鄰近該複數個場發射體突部；一第一導電閘極，其安置於該第一介電層上使得該第一導電閘極之邊緣與該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分間隔一非零距離；一第二介電層，其安置於該第一導電閘極之該第二表面上；及一第二聚焦閘極，其安置於該第二介電層上使得該第二導電閘極之邊緣與該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分間隔一非零距離。該等第一及第二介電層之該等厚度之各者係自500 nm至3 µm，且該第一介電層係該複數個場發射體突部之一標稱高度之±200 nm。
在一第二實施例中提供一種SEM。該SEM包含一電子槍，其包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體；電子光學器件，其經組態以縮小且聚焦該初級電子束至一樣本上；及一偵測器，其經組態以偵測回應於該初級電子束而自該樣本傳輸之反向散射電子及二次電子之至少一者。該場發射體包含具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部之一單晶矽基板。該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分。該場發射體亦包含氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層。該TiN層包括至少75原子百分比之TiN。該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分包括小於10原子百分比之氧。
在一第三實施例中提供一種包含一電子槍之裝置。該電子槍包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體。該場發射體包含具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部之一單晶矽基板。該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分。該場發射體亦包含氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層。該TiN層包括至少75原子百分比之TiN。該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分包括小於10原子百分比之氧。該裝置可包含一掃描電子顯微鏡(SEM)系統或一電子束微影系統之一者。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2022年3月18日申請且轉讓給美國申請案第63/321,112號之臨時專利申請案之優先權，該案之揭示內容藉此以引用的方式併入。
儘管將依據某些實施例來描述所主張標的物，但其他實施例(包含不提供本文中闡述之全部益處及特徵之實施例)亦在本發明之範疇內。可做出各種結構、邏輯、程序步驟及電子改變而不脫離本發明之範疇。因此，本發明之範疇僅藉由參考隨附發明申請專利範圍來定義。
本文中揭示之實施例係關於一種用於SEM或其他裝置/儀器中之電子槍。電子槍包含具有一或多個場發射體突部之一場發射體(陰極)，該一或多個場發射體突部一體地連接至一單晶(monocrystalline)(例如，單晶(single crystal))矽基板使得(若干)突部自矽基板之一輸出(第二)表面延伸。電子槍亦包含氣密地安置於場發射體突部之至少一尖端(自由端)部分上之一實質上純氮化鈦(TiN)層(即，包含至少75%之TiN或由至少75%之TiN組成)。TiN層形成於(若干)突部上使得在操作期間，透過尖端部分離開單晶矽基板之電子在形成一初級電子束之前僅行進通過TiN層。場發射體突部至矽基板之一體連接(即，藉由單晶矽基板之蝕刻部分使得單晶矽之一剩餘未蝕刻部分形成突部)藉由利用在基板經受一經施加外部電場時產生之場增強而規避矽基板之相對高功函數，該經施加外部電場足夠強以降低尖端部分外部之電位障壁，藉此電子能夠穿隧通過經降低電位障壁(即，藉由量子機械穿隧)。再者，使用一連續實質上純TiN層以氣密地密封場發射體突部提供優於習知表面處理及塗層之若干優點。首先，已知用於形成一實質上純TiN層作為防止原生氧化物在場發射體突部之輸出表面上之形成之一無針孔塗層之各種技術。第二，實質上純TiN層具有低於習知塗層(諸如二氧化矽)之帶隙，藉此增加電子在操作期間之流動。第三，塗佈TiN之矽發射體證實相較於未塗佈矽發射體之熱穩定電子發射。因此，藉由生產具有包含一體地形成於一單晶矽基板上且由一實質上純TiN層氣密地保護之場發射體突部之一場發射體之一電子槍，本文中揭示之實施例促進生產冷電子槍，該等冷電子槍具有矽之有益品質(例如，亞1 µm波長吸收、高純度/低缺陷材料及長電子重組時間)，同時避免先前阻止使用經塗佈矽場發射體之冷電子槍之廣泛商業生產之負面態樣。
本文中揭示之實施例之電子槍藉由利用歸因於場發射體突部之場增強而規避矽之相對高功函數。一第二電極(即，陽極)可定位成面向場發射體陰極。陽極可由一金屬(諸如鎢、鉬或不鏽鋼)製成。通常為大約千伏特之一高電壓源可用於產生場發射體突部與陽極之間之一外部電位差以便在場發射體突部之尖端附近產生一強電場，從而引起電子優先移動朝向發射體尖端。當使用場發射體突部與陽極之間之一高電位差(諸如約1 kV或更高之一電壓)時，陽極應遠離場發射體突部約50 µm。在一項實施例中，陽極在相對於場發射體突部至少500 V之一正電壓下放置成與發射體尖端相距至少50 µm。在一替代實施例中，在對發射體小於100 V之一正電位下，將陽極放置成接近發射體尖端(諸如約2 µm或更小之一距離)。將陽極放置成更接近發射體尖端容許自一較小電壓產生一足夠強電場，此具有最小化發射體由可降低發射體之壽命之高能離子之反向轟擊之優點。然而，將陽極放置成更接近發射體尖端可需要陽極中之孔徑相對於發射體尖端之更精確對準。
當經施加電場足夠大以降低矽-真空界面上之電位障壁時發生場發射，使得一電子可穿隧通過此障壁(即，量子機械穿隧)。電子濃度由一半導體中之局部摻雜位準及電位判定且可組態場發射體以如在一p-n二極體中在反向偏壓模式中操作，其中歸因於在發射體表面處之高電場而產生一空乏層。真空與一塗佈TiN之經p型摻雜場發射體突部之間之界面可形成一p-n接面，其中真空被視為一n型介質。在此情況中，導帶及價帶將在表面處向下彎曲。若電場不足以使導帶之底部低於費米能階，則在發射體尖端之頂點處將存在大量電子，且產生nA至μA之數量級之一電流。在另一實施例中，電場可保持在一稍微較低位準使得導帶之底部恰好保持高於費米能階且產生極少發射電流或不產生發射電流。在此實施例中，可使用光以產生電子-電洞對。如此產生之電子將被強烈吸引朝向尖端且許多電子將自尖端發射作為一發射電流。在此實施例中，可藉由控制入射於場發射體基板上或附近之光位準而控制發射電流。在又一實施例中，矽晶圓之主體可經n型摻雜，使得大量電子可用以形成發射電流。可藉由考量歸因於場發射體突部之場增強因數之福勒-諾德漢理論之一經修改版本估計發射電流密度。因此，藉由產生具有形成於單晶矽基板上之一TiN層及一場發射體突部兩者之一電子發射體結構，本文中揭示之實施例提供矽之有益品質(例如，高純度/低缺陷材料、長電子重組時間及成熟的基於矽之製造程序)，且實現場發射體之誘人特徵(例如，小發射體大小、低功率消耗、高亮度、高電流密度、高速度及長發射體壽命)，同時避免先前阻止基於矽之場發射體結構之廣泛商業使用之負面態樣。
額外層及結構可進一步增強所揭示發射體結構之有益品質。在一實施例中，一個或若干閘極層或控制電極可放置於稍微低於場發射體突部之高度(即，自基底至尖端)處以便進一步增強發射體尖端處之電場，且達成發射電流之快速且準確控制。閘極層通常形成於安置於基板上之一個或若干絕緣層之頂部上。若存在若干閘極層，則絕緣層係此等閘極層之間之間隔件。在另一實施例中，一個或若干閘極層或控制電極放置於稍微高於場發射體突部(100至200 nm)之高度(即，自基底至尖端)處以在與放置於比閘極層低至少400 nm處之一個或若干聚焦電極一起使用時抑制電流降級，移除電場鬆弛，且維持高發射電流。在又一實施例中，具有複數個所揭示場發射體突部之多個電子束槍可以二維週期性圖案(例如，一場發射體陣列(FEA))配置且可安置於發射體表面上以在存在一電場之情況下發射電子。
本文中揭示之電子槍可併入檢測、度量衡及檢視SEM中。一SEM通常包含一電子槍、電子光學器件及一偵測器。電子光學器件可經組態以縮小且聚焦初級電子束至樣本上且偵測器可經組態以偵測來自樣本之反向散射電子及二次電子之至少一者。電子槍產生經引導朝向一樣本之一初級電子束。電子槍包含一塗佈TiN之矽場發射體突部或複數個塗佈TiN之矽場發射體突部。電子槍可經組態以將基於矽之場發射體作為二極體或三極體操作。電子光學器件縮小且聚焦初級電子束至樣本上。電子光學器件亦可包含可使初級電子束掃描遍及樣本之一區域之偏轉器。當初級電子束撞擊樣本時，樣本吸收來自初級電子束之許多電子，但散射一些電子(反向散射電子)。經吸收能量引起二次電子連同X射線及歐傑(Auger)電子一起自樣本發射。二次電子由二次電子偵測器收集。反向散射電子由一反向散射電子偵測器收集。X射線可由一X射線偵測器收集。
一裝置可併入本文中描述之電子槍之一實施例。裝置可為一SEM，其中電子光學器件經組態以縮小且聚焦初級電子束至樣本上。裝置可進一步包括用於偵測來自樣本之反向散射電子及二次電子之至少一者之一偵測器。在另一實施例中，裝置可為一電子束微影系統，其中電子光學器件經組態以縮小且聚焦初級電子束至目標上。裝置可進一步包括用於調變電子束之強度之一調變器。
圖1繪示經組態以檢測或檢視一樣本131 (諸如一半導體晶圓、倍縮光罩、光罩或其他工件)之一例示性檢測、度量衡或檢視SEM系統100。SEM系統100包含一電子槍140、安置於一上柱160及一下柱170中且經組態以將初級電子束150聚焦且引導至樣本131之電子光學器件及安置於下柱170中以偵測自樣本131偏轉之電子之一或多個偵測器及一電腦190。
電子槍140包含安置於一腔室143內部之矽場發射體(陰極) 141及電極142。場發射體141經組態成二極體或三極體組態以發射電子，該等電子行進通過由電極142 (其可包含一陽極)產生之一經施加電場以形成具有一所要射束能量及射束電流(通常大約1 nA至10 μA)之行進通過一孔徑144而離開腔室143之一初級電子束150。電子槍140可進一步包括一磁性透鏡(未展示)。腔室143之內部在一泵145之操作期間維持在高真空條件下以便保護場發射體141免受污染物且最小化高能離子之轟擊。可維持電子槍140之適當真空條件同時容許初級電子束150藉由孔徑144行進至上柱160中。真空泵145可包含一離子泵及一吸氣泵之至少一者。孔徑144可具有介於約100 µm與約2 mm之間之一直徑。孔徑144可用作一限束孔徑及一差動泵送孔徑兩者。在一實施例中，腔室143、孔徑144及真空泵145共同經組態以在電子槍140之操作期間將場發射體陰極141維持於小於約10 -10托之一真空位準。
參考圖1之左上部分，場發射體陰極141通常包含含有至少一個一體地連接之場發射體突部104之一單晶矽基板101。矽基板101基本上無缺陷且具有如在一平坦(第一)表面102與一相對輸出(第二)表面103之間量測之在約10 nm至約800 μm之範圍中之一厚度T1。在一實施例中，矽基板101以小於約10 19cm -3之一摻雜位準進行p型摻雜。在另一實施例中，矽基板101以在約10 15與10 19cm -3之間之一摻雜位準進行n型摻雜。場發射體突部104具有一體地連接至矽基板101之一固定基底部分105且遠離表面103延伸至尖端(自由端)部分106。在一例項中，在垂直於表面103之一方向上自基底105至尖端部分106量測之一高度H1在自0.5 µm至5 µm之範圍中，諸如不多於約2 µm。在一項實施例中，使用標準CMOS製造技術藉由蝕刻或以其他方式移除形成基板101之單晶材料之部分(即，使得場發射體突部104及基板101之剩餘部分係相同單晶結構之剩餘部分)而製造場發射體突部104。例如，可藉由以下各者形成場發射體突部104：使用電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)在基板101之表面103上方沈積二氧化矽或氮化矽遮罩，接著使用光微影在表面103之一部分上方圖案化遮罩同時使表面103之包圍經遮蔽部分之部分曝光，且接著利用一乾式蝕刻程序(例如，反應性離子蝕刻(RIE)、感應耦合電漿(ICP)蝕刻或電子迴旋共振(ECR)蝕刻)、一濕式蝕刻程序或乾式與濕式蝕刻之一組合使得單晶材料之部分被移除，從而留下由表面103包圍之突部104。在一實施例中，場發射體突部104可形成為具有各種懸臂形狀，諸如圓形晶鬚(例如，具有一圓形頂點之一薄圓柱形支柱)、圓錐或稜錐。
在一例項中，連續實質上純TiN層110至少氣密地安置於場發射體突部104之一尖端部分106上，使得在操作期間，透過尖端部分106離開基板101以形成初級電子束150之電子僅行進通過連續實質上純TiN層110 (即，無其他材料/層鄰近尖端部分106形成於TiN層110上)。如本文中使用，片語「氣密地安置」被定義為在幾乎不存在氧之情況下形成且至少在場發射體突部104之尖端(自由端)部分106上形成一氣密密封件。如本文中使用，與TiN層110相關之術語「連續」被定義為意謂TiN層110跨基板101之一指定部分係完整的，該指定部分至少包含自其發射電子之尖端部分106之區域。亦即，來自場發射體突部104之大部分電子發射離開具有(例如)半徑為大約數十nm之一大小之尖端部分106之一區域，且此區域由TiN層110以一連續(完整)方式覆蓋。在其他實施例中，TiN層110在包含尖端部分106之場發射體突部104之周邊表面之一較大部分上方係連續的，或在包含場發射體突部104之整個周邊表面或包圍場發射體突部104之基底部分105之一些或全部輸出表面103之一甚至更大區域上方可係連續的。
可使用各種已知技術以形成連續實質上純TiN層110。在一實施例中，TiN層110藉由反應性磁控濺鍍使用2 kW穩壓功率、3.4毫托腔室壓力、針對Ar/N 2之10/16 sccm流速及20 rpm轉盤旋轉速率形成。在另一實施例中，在NH 3環境中使用藉由其將鈦層熱轉換為一TiN/TiSi 2雙層之雙步驟快速熱氮化程序形成TiN層110。當使用此等技術形成時，連續實質上純TiN層110藉由可靠地且氣密地密封矽表面以抵抗氧化而規避矽之氧化問題。TiN層110可包含各種雜質，諸如額外鈦原子。氧原子可存在於TiN-Si界面、外層表面之任何者上或晶格內。例如，氮化物對鈦比率可在TiN層110與基板101之間之界面處變化。應注意，TiN層110可包含TiN層110與突部104之矽表面之間之界面處所剩餘之數原子百分比之氧(諸如小於10%或小於5%)，但由於氣密密封，此氧含量可能不會隨著時間(諸如在一年之一時間段內)顯著地增加。此一低氧對矽比率意謂在界面處不存在連續二氧化矽層，使得電子能夠容易地透過TiN層110之覆蓋尖端部分106之部分離開矽表面。又，此一低氧對矽比率意謂在界面處不存在連續二氧化鈦(TiO 2)層，使得電子能夠容易地離開TiN層110。因此，TiN層110可包括1:1 (鈦對氮化物比率) TiN材料、由或基本上由1:1 (鈦對氮化物比率) TiN材料組成。實質上純TiN層110可包括大於75%之1:1 TiN材料。例如，在替代特定實施例中，TiN層110可包含大於80%之1:1 TiN材料，大於85%之1:1 TiN材料，大於90%之1:1 TiN材料，大於95%之1:1 TiN材料，大於96%之1:1 TiN材料，大於97%之1:1 TiN材料，大於98%之1:1 TiN材料或大於99%之1:1 TiN材料，其中全部百分比值係原子百分比。
TiN層110可包含小於10%之氧及/或小於10%之碳，其中百分比值係以原子百分比表示。TiN層110可包含小於5%、小於4%、小於3%、小於2%或小於1%之氧。在TiN層110中大於10%之氧可係有問題的，此係因為TiO 2及SiO 2係阻礙電子之發射之介電材料。TiN層110可包含小於5%、小於4%、小於3%、小於2%或小於1%之碳。此等氧及碳值可在距尖端部分100 nm之一半徑內量測。可出現高於本文中列舉之氧及碳值之氧及碳值或較高氧及碳值可出現在距尖端部分大於100 nm半徑之位置處。在TiN層110中可具有比具有可接受效能之氧百分比更高之碳百分比。
藉由以本文中闡述之方式產生電子槍140，具有經塗佈矽場發射體之一冷電子槍可克服與習知方法相關聯之限制。場發射體突部104之一體連接藉由利用在矽基板101經受一經施加外部電場EF時產生之場增強而規避矽基板之相對高功函數，該經施加外部電場EF足夠強以降低尖端部分106外部之電位障壁，藉此電子E能夠穿隧通過經降低電位障壁(即，藉由量子機械穿隧)。可藉由福勒-諾德漢理論之一經修改版本估計所得電子發射電流密度。再者，藉由形成連續實質上純TiN層110使得其氣密地密封尖端部分106，實質上且完全防止場發射體輸出表面之氧化，藉此避免在習知方法中對由氧化引起之電子逸出之顯著障壁。因此，藉由產生具有包含一體地形成於單晶矽基板101上且由連續實質上純TiN層110氣密地保護之突部104之一場發射體陰極141之電子槍140，一冷電子槍可具有矽之有益品質(即，亞1 µm波長吸收、高純度/低缺陷材料及長電子重組時間)，同時避免先前阻止利用經塗佈矽場發射體之冷電子槍之廣泛商業生產之負面態樣。
參考圖1之中間部分，SEM 100之上柱160包含縮小初級電子束150使得初級電子束150之一入射部分主要落在樣本131之一上表面上具有大約20 nm或更小之一標稱直徑之一區域內之一或多個聚光透鏡165。一或多個選用偏轉器167可放置於聚光透鏡165之一側或兩側上以調整(即，對準、傾斜及/或移位)初級電子束150。
下柱170包含經組態以將初級電子束150聚焦至樣本131上使得入射電子在所要區域內撞擊樣本131之一最終透鏡171，且包含接收來自樣本131之經重導引電子之各種偵測器181、182a及182b。下柱170亦包含與偏轉器167 (若存在)組合工作以使初級電子束150跨樣本131之一區域掃描之一或多個偏轉器172。在一實施例中，樣本131放置於一載物台130上以便促進相對於電子槍140之移動(即，將樣本131之不同表面區域定位於電子柱下方)。初級電子束150之入射電子撞擊樣本131之表面且在由樣本131之經撞擊表面特徵判定之方向上偏轉或以其他方式散射，藉此產生(例如，在圖1中之向上方向上)移動遠離樣本131之二次電子及反向散射電子。二次電子可由電極180收集並加速且經引導至二次電子偵測器181以供偵測。反向散射電子可由一反向散射電子偵測器182a及182b偵測。在一實施例中，各電子偵測器181、182a及182b係一固態裝置，該固態裝置包含將根據數個經接收電子產生之類比輸出信號轉換為一數位形式以作為一或多個數位影像資料信號(即，藉由二次電子偵測器181產生之影像資料信號ID1及/或藉由反向散射電子偵測器182a或182b產生之信號ID2)傳輸至電腦190之至少一個類比轉數位轉換器。電腦190經組態以處理影像資料信號ID1及ID2，且經組態以產生使初級電子束150掃描遍及之樣本131之區域之一影像191。
雖然圖1描繪整合至一SEM 100中之一電子槍140之組態及操作，但本文中揭示之電子槍亦可併入其他裝置中，諸如(例如)包含經組態以縮小並聚焦初級電子束至一目標上之電子光學器件及用於調變電子束之強度之一調變器之一電子束微影系統。
圖2以部分透視圖繪示根據本發明之一實施例之包含一體地連接至一基板201之一場發射體突部204之一電子槍200之陰極部分，且圖2A以沿著圖2之線2A-2A獲取之一橫截面視圖展示電子槍200之陰極部分。電子槍200可用於圖1之SEM系統100中。電子槍200亦包含電極，諸如面向突部204之一陽極(例如，在圖1中之電子槍140中之陽極)。陽極可與突部204之一尖端部分206分離達自約一微米與數百微米之一距離。如在先前實施例中，場發射體陰極形成於一矽基板201上，矽基板201具有場發射體突部204自其延伸之一面向上輸出表面203及安置於輸出表面203上且完全覆蓋場發射體突部204之一連續TiN層210。如圖2中指示，場發射體突部204具有可藉由各向異性蝕刻製成之一稜錐形狀，該稜錐形狀可具有接近54.7°之一傾斜角α (參見圖2A)，此係因為該角度對應於單晶矽中之(100)與(111)平面之相交點。當期望一尖銳場發射體尖端部分206時，可在形成TiN層210之前使用可在一低至中等溫度(小於約950°C)下執行之氧化銳化。經銳化尖端部分206之頂點可包括原子級長度之一實質上平坦區域，諸如實質上平行於矽晶體(例如實質上平行於一(100)平面)之一晶體平面之一表面。在圖2A中，基底區域205之一特性橫向尺寸由尺寸D1指示且尖端區域206之特性橫向尺寸由尺寸D2指示。在一實施例中，橫向尺寸D1對場發射體突部之高度H1 (參見圖3)之比率在自約一至約三之一範圍中，且直徑(或另一橫向尺寸) D2可在自約10 nm至約300 nm之一範圍中。陽極(未展示)可由一金屬(諸如鎢、鉬、不鏽鋼或其他材料)製成。使用一電壓源以產生陰極與陽極之間之一外部電位差以便引起電子優先移動朝向場發射體突部204之尖端部分206。電子槍200類似地操作至一典型冷電子槍，其中當將一強電場(諸如介於約100 V µm -1與約10 kV µm -1之間之一場)施加至尖端部分206時，電子具有透過場發射體204之輸出表面203自基板201發射(大多數通常來自場發射體204之尖端部分206附近)之一高概率。如上文解釋，使用氣密地密封尖端206以抵抗氧化之一程序形成TiN層210。為了確保TiN層210提供一良好氣密密封而無需形成對電子發射之一強障壁，TiN層210之厚度T2可為自約2 nm與150 nm。即使數百分比之氧保留在矽基板201與TiN層210之間之界面處，仍無更多氧可穿透TiN層210，因此無顯著進一步氧化可在矽/TiN界面附近發生。由於電子發射自尖端部分206之頂點附近之一小區域發生，故尖端部分206附近之TiN層210之品質可係重要的。因此，TiN層210之在尖端部分206之一半徑R內之一部分210A (圖2A中展示)可形成為無針孔，其中半徑約等於或大於D2。在TiN層210之定位於半徑R外部之部分210B中，TiN層210之覆蓋範圍中之數個針孔或間隙或TiN層210之組合物之一改變通常將不影響發射且可被容忍。
直徑D2或另一橫向尺寸可小於300 nm。若尖端部分206太鈍，則在不對一提取器電極使用高電壓之情況下可不存在足以用於電子發射之場增強，此可具有其他效應。在一例項中，直徑D2或另一橫向尺寸係約100 nm。
在陰極200之操作期間，實質上全部電子發射自尖端部分206之頂點之具有直徑D2之區域發生。在此區域中或緊鄰此區域之任何針孔可導致非均勻發射或不穩定發射，此係因為表面之功函數在針孔位置處與在由TiN層210完全覆蓋之區域中將係不同的。因此，在一實施例中，無針孔可存在於陰極200之發射區域中。
除如上文參考TiN層110描述之係實質上純TiN，在尖端部分206之區域中係連續的且形成一氣密密封之外，在一實施例中，TiN層210亦可形成為具有在自2 nm至150 nm之一範圍中之一厚度T2，可具有一均勻厚度，或可形成為在場發射體突部204上具有不同於輸出表面203之其餘部分上之一厚度。若厚度T2薄於2 nm，則針孔之數目可增加，此可影響電子發射。若厚度T2厚於150 nm，則直徑D2可大於約300 nm且頂點可不夠尖銳。
根據本發明之一態樣，矽基板201可包括以小於約10 19cm -3之一摻雜位準(即，約0.005 Ω·cm或更高之一電阻率)進行p型摻雜之單晶矽(即，矽之一單晶體)。由於少數載子壽命及擴散長度隨著摻雜劑濃度增加而降低，故當矽薄(諸如薄於約1 μm)時，可使用高於約10 19cm -3之摻雜劑濃度，而當矽厚於約1 μm時，可使用低於約10 19cm -3之摻雜劑濃度。針對厚於數微米(諸如10 µm或更大之一厚度)之矽，可使用諸如小於約10 14cm -3之較低摻雜劑濃度以確保長載子壽命及低暗電流。由於電子係p型摻雜矽中之少數載子，故使用p型矽電子槍200之一項實施例包含經組態以透過背側表面202照射光224以在矽基板201內產生電子-電洞對之一選用光源220。光源220可包含一高強度光源(諸如一雷射二極體或一高亮度LED)且可具有約20 nm或更小之一頻寬。光源220可如展示般放置於基板201後方以照明後側表面202或可經定位以照明輸出表面203 (即，定位於基板201上方而非如圖2A中展示般在基板201下方)。當光源220如展示般放置於基板201下方時，光源220經組態以發射穿透至矽中相對深之一光波長(諸如長於約500 nm之一波長)以便遠離矽基板201之底表面202產生電子-電洞對。當光源220自頂側照明場發射體突部204時，可使用較淺地穿透至矽中之一較短波長(諸如短於約550 nm之一波長)以便相對接近場發射體突部204之尖端部分206產生電子-電洞對。在一實施例中，光源220經組態使得可控制藉由電子槍200產生之初級電子束(例如，參見圖1中之射束150)之一發射電流使其與自光源220透射至矽基板201中之光224之一量成比例。
在另一實施例中，矽可以約10 15cm -3或更大之一摻雜劑濃度進行n型摻雜。例如，矽可以自約10 15cm -3與10 19cm -3之一摻雜劑濃度進行n型摻雜。具有n型摻雜之矽具有在導帶中可用之許多電子，該等電子可經汲取朝向場發射體突部204之尖端部分206以形成發射電流。當使用經n型摻雜矽時，可藉由調整一閘極電極(諸如圖1中之提取及聚焦電極142內之一電極，或圖3中之閘極307)上之一電壓或藉由調整陽極與場發射體陰極之間之電壓差而控制發射電流。當使用經n型摻雜矽時，可省略選用光源220。在任一情況中，可使用上文針對場發射體突部104之形成描述之程序形成場發射體突部204。
根據本發明之另一態樣，電子槍200之場發射體陰極結構可經組態以如在一p-n二極體中在反向偏壓模式中操作，其中歸因於在輸出表面203處之高電場而產生一空乏層。真空與一塗佈TiN之經p型摻雜場發射體之間之界面可形成一p-n接面，其中真空被視為一n型介質。在此情況中，導帶及價帶將在表面處向下彎曲。若電場足以使導帶之底部低於費米能階，則在尖端部分206之頂點處將存在大量電子，且產生大約1 nA至1 μA之一電流。當經施加電場足夠高以降低矽-真空界面上之電位障壁使得電子可穿隧通過此障壁(量子機械穿隧)時，發生場發射。可藉由考量歸因於場發射體之場增強因數之福勒-諾德漢理論之一經修改版本估計發射電流密度。
根據本發明之另一態樣，TiN層210包括直接安置於場發射體之輸出表面上之一連續TiN膜。如本文中使用，結合TiN與矽界面之片語「直接在...上」旨在意謂除可形成於Si/TiN界面處之包含諸如TiN x(x ＜ 1)及矽化鈦之材料之一可能薄層(即，數個單層)之外，不存在分離場發射體陰極之輸出表面203與TiN層210之連續中介層(例如，氧化物或SiN x層)。亦應注意，片語「直接在...上」不排除在TiN與矽之某些部分之間存在少量氧化物。使用已知技術在乾淨矽上生長TiN層210使得TiN至少在場發射體突部204上形成具有在自約2 nm至150 nm之範圍中(包含其間之全部範圍及精確至0.1 nm之值)之一厚度T2之一無針孔塗層。塗層之其他區段可包含在場發射體突部204上之塗層外部之針孔缺陷或塗層可完全無針孔。在一例項中，最小化場發射體突部204外部之針孔缺陷之存在。
例如，可藉由在形成TiN層210之前進行一濕式清潔，接著進行一原位蝕刻而自矽移除全部原生氧化物。TiN層210之一優點係，此一無針孔塗層在施覆至一乾淨矽表面時防止在場發射體之輸出表面上形成一原生氧化物。如先前描述，二氧化矽層具有一高帶隙且甚至薄層可阻擋大部分電子離開矽。因此，TiN層210容許甚至具有低能量之電子離開矽場發射體突部204。形成於矽基板201上之場發射體突部204規避先前電子發射體之限制且尖銳發射體提供場增強及高發射電流。另外，即使矽層在經塗佈時無氧，先前矽裝置仍可未避免二氧化矽界面層形成於矽與低功函數材料之間。亦即，在矽上無一不可滲透無針孔保護層之情況下，氧將最終遷移至矽表面且形成氧化物層。使用TiN層形成層210之一優點係甚至一薄無針孔TiN層不透氧且氣密地密封矽。由於大多數電子發射自場發射體突部之頂點附近之一小區域發生，故可僅在場發射體之頂點之數百nm內需要不存在針孔。TiN層210之另一優點係，矽與TiN界面處之缺陷密度及界面陷阱通常低於矽與二氧化矽界面處，從而導致較高發射電流。
圖3以橫截面視圖繪示根據另一實施例之一電子槍300。電子槍300可用於圖1之SEM系統100中。類似於上文在圖2中描述之結構，電子槍300包含藉由一體地連接至一矽基板201且自輸出表面203向上延伸之一場發射體突部204形成之一場發射體陰極。電子槍300包含一閘極307或控制電極，該閘極307或控制電極安置於一或多個介電層306上使得導電閘極307之一內部邊緣307E與場發射體突部204之尖端部分206隔開一預定距離D3。為了達成發射電流之快速且準確的控制，控制介電層306之一厚度T3使得閘極307之一高度H2類似於場發射體尖端部分206之高度H1 (即，相對於定位於場發射體突部204之周邊外部之輸出表面203量測)。因此，介電層306之一厚度T3約等於或小於場發射體突部204之高度H1。介電層306之厚度T3可與場發射體突部204之高度H1相差不多於數百nm (例如，使得高度H2在高度H1 ±300 nm之一範圍內)。例如，厚度T3可經選取使得閘極307在與場發射體尖端部分206近似相同之高度處，或比場發射體尖端部分206高約200 nm或比場發射體尖端部分206低約200 nm。介電層306可包括一或多個介電材料，諸如SiO 2或Si 3N 4。介電層306安置於包圍場發射體突部204之矽之頂表面上但不一定覆蓋場發射體突部204。在另一例項中，介電層306部分覆蓋場發射體。閘極307及介電層306可藉由標準CMOS製造技術(諸如使用PVD、CVD或ALD沈積方法)製造。閘極307可包括一金屬或多晶矽。最簡單發射體設計係其中僅使用一個閘極307之三極體組態，但其他組態係可行的。此閘極307通常形成於包括沈積於基板201上之一個或若干個絕緣層之介電層306之頂部上。在更複雜發射體設計中可利用兩個或更多個閘極層(未展示)，其中多個介電層被用作此等閘極層之間之間隔件。應注意，電子槍300不限於稜錐或圓錐形場發射體，且可包括任何形狀之場發射體，諸如一圓形晶鬚形場發射體或另一形狀。不同於圖2中之改變或組態之改變或組態在圖3之實施例中係可行的。
雖然TiN層210在圖3中被繪示為僅覆蓋場發射體突部204，但TiN層210亦可在介電層306下方延伸。例如，可在形成介電層306之前在基板201之輸出表面203上且在場發射體突部204上方形成TiN層210。
圖4A及圖4B以橫截面視圖繪示根據本發明之實施例之所揭示電子槍，其中利用額外層及結構以進一步增強所揭示電子槍結構之有益品質。所繪示例示性實施例不旨在為窮舉性，且應理解，包含上文描述之額外層及結構之組合之電子槍係可行的。圖4A及圖4B之實施例可類似於以一陣列配置之圖2及圖3之實施例。因此，TiN層410可類似於TiN層210 (上文描述)。應注意，電子槍400A及400B不限於稜錐或圓錐形場發射體突部，其等可包括任何形狀之場發射體突部，諸如一圓形晶鬚形場發射體或另一形狀。自圖2及圖3中展示之組態之改變或除圖2及圖3中展示之組態之外之組態在圖4A及圖4B之實施例中係可行的。
圖4A以一橫截面視圖繪示一電子槍400A。電子槍400A包含形成於矽基板401上之一場發射體陣列(FEA)陰極及面向FEA陰極之一陽極(未展示)。矽基板401具有具備以二維週期性圖案配置之複數個場發射體突部404-1及404-2之一面向上輸出(頂)表面403，及安置於輸出表面403上之覆蓋場發射體突部404-1及404-2之一連續TiN層410。場發射體突部404-1及404-2具有可藉由各向異性蝕刻製成之一稜錐形狀，藉此各突部404-1及404-2具有通常對準輸出表面403之一基底部分405及一尖端部分406。以類似於上文描述之場發射體204之一方式，可藉由標準CMOS製造技術製造場發射體404-1及404-2。當期望尖銳場發射體尖端部分406時，可在形成TiN層410之前使用可在一低至中等溫度(小於約950°C)下執行之氧化銳化。一第二電極(即，一陽極，未展示)定位成面向場發射體陰極。陽極可由金屬(諸如鎢、鉬及不鏽鋼等等)製成。利用一電壓源以產生FEA陰極與陽極之間之一外部電位差以便引起電子優先移動朝向發射體尖端部分406。電子槍400A類似於一典型冷電子槍操作，其中當經適當定位時，電子具有透過FEA之輸出表面403自基板401 (最通常自場發射體突部404-1及404-2之尖端部分406附近)發射之一高概率。
影響一FEA陰極中之場發射體性質之一參數係鄰近場發射體404-1與404-2之間之一間距S。歸因於屏蔽效應，緊密間隔之發射體降低場增強因數，從而導致不足電場穿透至個別發射體中。因此，為了最小化場屏蔽效應且最佳化場發射電流密度，經垂直對準發射體突部404-1與404-2之間之距離或發射體間距S可實質上為大，諸如大約數十微米至甚至釐米。在一例項中，場發射體隔開自100 µm至10 cm，包含其間之全部範圍及精確至1 µm之值。例如，場發射體可隔開10 µm、50 µm、100 µm、200 µm或500 µm。發射體之間距可為發射體突部404-1及404-2之標稱高度H1之至少3倍。一般言之，發射體之間距匹配其等併入其中之系統之電子光學器件。出於該原因，可選取100 µm與數cm之間之一間距。
圖4B以一橫截面視圖繪示一電子槍400B。類似於上文描述之結構，電子槍400B包含形成於矽基板401上之一場發射體陣列(FEA)陰極，矽基板401具有具備以二維週期性圖案配置之複數個場發射體突部404-1及404-2之一面向上輸出(頂)表面403，及安置於輸出表面403上之至少在突部404-1及404-2之尖端部分406上方之一連續TiN層410。電子槍400B與電子槍400A不同之處在於：其包含安置於類似於場發射體突部404-1及404-2之尖端之標稱高度H1之一高度H2處且藉由一介電質426附接至基板401之一閘極427 (或控制電極)。閘極427容許發射電流之快速且準確控制。介電層426安置於包圍場發射體突部404-1及404-2之矽之頂表面上但不覆蓋突部404-1及404-2之任何部分。在另一例項中，介電層426部分覆蓋場發射體突部404-1及404-2之一或多者。閘極427或介電層426可藉由標準CMOS製造技術(諸如使用PVD、CVD或ALD沈積方法)製造。閘極427可包括一金屬或多晶矽。最簡單發射體設計係其中僅使用一個閘極層之三極體組態，但其他組態係可行的。此閘極427通常形成於安置於基板上之一絕緣層(介電質426) (其通常係氧化物層)之頂部上。在更複雜發射體設計(未展示)中利用兩個或更多個閘極層，其中絕緣層在此等閘極層之間形成間隔件。閘極427之內部邊緣427E分別與場發射體突部404-1及404-2之尖端部分406間隔一預定距離D3。
來自矽場發射體之場發射可由熟知福勒-諾德漢穿隧描述。相較於經施加電場，一發射體尖端處之局部場藉由一場增強因數增強。隨著外部電場穿透至半導體中，近表面區域中之載子濃度改變。
針對諸如10 7V cm -1之一高靜電偏壓場，一p型場發射體之導帶將在表面處退化，且一空乏區域(其中費米能階位於能隙之中間)將在p型內部與n型表面之間產生。類似於一經反向偏壓p-n接面之情況，此導致此區域中之電子及電洞之一最小濃度。
當陰極包括n型矽時，或當包括p型矽之一陰極作為一光陰極操作時，經施加靜電場僅需要足夠強以將導帶及價帶在尖端處向下彎曲，而不需要將導帶彎曲至低於費米能階。使用此一經施加靜電場，少數電子將自發地產生且大多數發射電流將來自在尖端附近自n型矽注入至區域中之電子或來自藉由光之吸收產生之電子-電洞對。
在先前矽場發射體中，將至少存在矽表面上之薄氧化物層。此氧化物即使僅約2 nm厚仍表示對嘗試逸出之任何電子之一實質障壁。二氧化矽之帶隙係約9 eV。此一大帶隙導致氧化物內之導帶之一局部峰值，其比矽內之導帶高數eV。所揭示場發射體表面上之TiN層阻擋氧或水到達矽表面且防止氧化物層之生長，因此實現一有效電子槍。
在一實施例中，此矽場發射體在接近室溫之一溫度下操作以最小化經發射電子之能散度。在可容忍一較大能散度時有用之另一實施例中，矽場發射體在一高溫(諸如在約400 K與約1000 K之間之一溫度)下操作以便減少黏附至場發射體之表面之污染且容許矽場發射體在一較不乾淨真空環境中操作。
熟習此項技術者將明白對所描述實施例之各種修改，且本文中定義之一般原理可應用於其他實施例。例如，額外電極可放置成接近電子發射體以控制發射及/或在一特定方向上聚焦且引導經發射電子。雖然預期本文中揭示之包括矽場發射體之電子槍在各種種類之掃描電子顯微鏡及電子束微影系統中將尤其有用，但亦預想此等電子槍在其中需要高輻射率及/或高電流電子束之其他應用中可係有用的。
本文中描述之電子槍及製造方法不旨在限於所展示及描述之特定實施例，而是應符合與本文中揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
雖然已關於一或多個特定實施例描述本發明，但應理解，可製成本發明之其他實施例而不脫離本發明之範疇。因此，將本發明視為僅由隨附發明申請專利範圍及其等之合理解釋限制。
51:矽基板 54:圓錐形發射體 56:介電層 57:選用閘極層 100:掃描電子顯微鏡(SEM)系統 101:單晶矽基板 102:平坦(第一)表面 103:輸出(第二)表面 104:場發射體突部 105:固定基底部分 106:尖端(自由端)部分 110:連續實質上純TiN層 130:載物台 131:樣本 140:電子槍 141:矽場發射體 142:電極 143:腔室 144:孔徑 145:真空泵 150:初級電子束 160:上柱 165:聚光透鏡 167:偏轉器 170:下柱 171:最終透鏡 172:偏轉器 180:電極 181:二次電子偵測器 182a:反向散射電子偵測器 182b:反向散射電子偵測器 190:電腦 191:影像 200:電子槍/陰極 201:基板/矽基板 202:背側表面 203:面向上輸出表面 204:場發射體突部 205:基底區域 206:尖端部分 210:TiN層 210A:部分 210B:部分 220:光源 224:光 300:電子槍 306:介電層 307:閘極/導電閘極 307E:內部邊緣 400A:電子槍 400B:電子槍 401:矽基板 403:面向上輸出(頂)表面 404-1:場發射體突部 404-2:場發射體突部 405:基底部分 406:發射體尖端部分 410:TiN層 426:介電質 427:閘極 427E:內部邊緣 D1:尺寸/橫向尺寸 D2:尺寸/直徑/另一橫向尺寸 D3:預定距離 E:電子 EF:經施加外部電場 H1:高度 H2:高度 ID1:影像資料信號 ID2:影像資料信號 R:半徑 S:間距 T1:厚度 T2:厚度 T3:厚度 α:傾斜角
為了更全面理解本發明之性質及目標，應參考結合隨附圖式進行之以下詳細描述，其中： 圖1繪示根據本發明之併入一電子槍、電子光學器件、一反向散射電子偵測器及二次電子偵測器之一例示性SEM； 圖2係繪示根據本發明之一例示性實施例之呈包含形成於一矽基板上之一塗佈TiN之矽場發射體突部之二極體組態之一電子槍之一透視圖； 圖2A係展示圖2之電子槍之一橫截面視圖； 圖3係繪示根據本發明之另一實施例之呈包含形成於一矽基板上之一塗佈TiN之矽場發射體突部及一閘極層之三極體組態之一電子槍之一橫截面側視圖； 圖4A及圖4B係繪示根據本發明之實施例之呈二極體及三極體組態之包含形成於矽基板上之塗佈TiN之矽場發射體突部陣列之多電子束電子槍之橫截面側視圖；及 圖5係繪示包括一矽場發射體之一先前電子槍之一橫截面側視圖。
100:掃描電子顯微鏡(SEM)系統
101:單晶矽基板
102:平坦(第一)表面
103:輸出(第二)表面
104:場發射體突部
105:固定基底部分
106:尖端(自由端)部分
110:連續實質上純TiN層
130:載物台
131:樣本
140:電子槍
141:矽場發射體
142:電極
143:腔室
144:孔徑
145:真空泵
150:初級電子束
160:上柱
165:聚光透鏡
167:偏轉器
170:下柱
171:最終透鏡
172:偏轉器
180:電極
181:二次電子偵測器
182a:反向散射電子偵測器
182b:反向散射電子偵測器
190:電腦
191:影像
E:電子
EF:經施加外部電場
H1:高度
ID1:影像資料信號
ID2:影像資料信號
T1:厚度
T2:厚度

Claims (19)

  1. 一種電子槍，其包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體，其中該場發射體包括： 一單晶矽基板，其具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部，該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分；及 氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層，其中該TiN層包括至少75原子百分比之TiN。
  2. 如請求項1之電子槍，其中該TiN層包括大於80原子百分比之TiN。
  3. 如請求項1之電子槍，其中該單晶矽基板以小於約10 19cm -3之一摻雜位準進行p型摻雜。
  4. 如請求項1之電子槍，其中該單晶矽基板以約10 15cm -3與約10 19cm -3之間之一摻雜位準進行n型摻雜。
  5. 如請求項1之電子槍，其中該單晶矽基板具有大於約10 µm之一厚度且以小於約10 14cm -3之一摻雜位準進行p型摻雜。
  6. 如請求項1之電子槍，其進一步包括經組態以照明該單晶矽基板之該第一表面之一光源，其中該光源包括經組態使得可控制該初級電子束之一發射電流使其與自該光源透射至該單晶矽基板中之光之一量成比例的一雷射二極體及一發光二極體之一者。
  7. 如請求項1之電子槍，其中該TiN層具有在2 nm至150 nm之範圍中之一厚度。
  8. 如請求項1之電子槍，其中該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分包括小於10原子百分比之氧。
  9. 如請求項1之電子槍，其中該TiN層之定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之一部分包括小於10原子百分比之碳。
  10. 如請求項1之電子槍，其中該場發射體突部包括一圓錐、一稜錐或一圓形晶鬚之一者，且其中該場發射體突部之該尖端部分具有小於300 nm之一橫向尺寸。
  11. 如請求項10之電子槍，其中該場發射體突部之該尖端部分具有大於10 nm之一橫向尺寸。
  12. 如請求項1之電子槍，其中該場發射體突部包括一圓錐、一稜錐或一圓形晶鬚之一者，且其中該場發射體突部之該尖端部分具有小於300 nm之一直徑。
  13. 如請求項1之電子槍，其中該場發射體經組態以在其中回應於一經施加電場而鄰近該第二表面產生一空乏層之一反向偏壓模式中操作。
  14. 如請求項1之電子槍，其中該場發射體進一步包括： 一第一介電層，其安置於該單晶矽基板之該第二表面上鄰近該場發射體突部； 一第一導電閘極，其安置於該第一介電層上使得該第一導電閘極之一邊緣與該場發射體突部之該尖端部分間隔一非零距離； 一第二介電層，其安置於該第一導電閘極之該第二表面上；及 一第二聚焦閘極，其安置於該第二介電層上使得該第二導電閘極之邊緣與該場發射體突部之該尖端部分間隔一非零距離； 其中該等第一及第二介電層之該等厚度之各者係自500 nm至3 µm，且該第一介電層係該場發射體突部之一高度之±300 nm。
  15. 如請求項1之電子槍，其進一步包括以一二維週期性圖案配置之複數個該等場發射體突部，該等場發射體突部之各者具有一體地連接至該矽基板之該等固定部分之一者且自該第二表面延伸至一尖端部分，其中該TiN層至少氣密地安置於該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分上。
  16. 如請求項15之電子槍，其中該場發射體進一步包括： 一第一介電層，其安置於該單晶矽基板之該第二表面上鄰近該複數個該等場發射體突部； 一第一導電閘極，其安置於該第一介電層上使得該第一導電閘極之邊緣與該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分間隔一非零距離； 一第二介電層，其安置於該第一導電閘極之該第二表面上；及 一第二聚焦閘極，其安置於該第二介電層上使得該第二導電閘極之邊緣與該複數個場發射體突部之各者之該尖端部分間隔一非零距離； 其中該等第一及第二介電層之該厚度之各者係自500 nm至3 µm，且該第一介電層係該複數個場發射體突部之一標稱高度之±200 nm。
  17. 一種掃描電子顯微鏡(SEM)，其包括： 一電子槍，其包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體； 電子光學器件，其經組態以縮小且聚焦該初級電子束至一樣本上；及 一偵測器，其經組態以偵測回應於該初級電子束而自該樣本傳輸之反向散射電子及二次電子之至少一者； 其中該場發射體包括： 一單晶矽基板，其具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部，該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分；及 氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層，其中該TiN層包括至少75原子百分比之TiN，且其中定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之該TiN層之一部分包括小於10原子百分比之氧。
  18. 一種包含一電子槍之裝置，該電子槍包含經組態以產生一初級電子束之一場發射體，其中該場發射體包括： 一單晶矽基板，其具有相對第一及第二表面且包含至少一個整合式場發射體突部，該場發射體突部具有一體地連接至該矽基板之一固定部分且自該第二表面延伸至一尖端部分；及 氮化鈦(TiN)層，其至少氣密地安置於該場發射體突部之該尖端部分上使得在操作期間，透過該尖端部分離開該單晶矽基板以形成該初級電子束之電子僅行進通過該TiN層，其中該TiN層包括至少75原子百分比之TiN，且其中定位於距該尖端部分100 nm之一半徑內之該TiN層之一部分包括小於10原子百分比之氧。
  19. 如請求項18之裝置，其中該裝置包括一掃描電子顯微鏡(SEM)系統或一電子束微影系統之一者。
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