TWI733920B - 電子束微影系統 - Google Patents
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Abstract
一種多行電子束裝置包含一電子源，該電子源包括製造於一矽基板之一表面上之多個場發射器。為防止該矽之氧化，將一薄的連續硼層直接安置在該等場發射器之該輸出表面上。該等場發射器可呈各種形狀，包含一錐體、一圓錐或一圓形晶鬚。可將選用閘極層放置於該等場發射器附近之該輸出表面上。該場發射器可經p型或n型摻雜。可將電路併入至晶圓中以控制發射電流。一光源可經組態以照射該電子源且控制該發射電流。該多行電子束裝置可為經組態以將一圖案書寫於一樣本上之一多行電子束微影系統。
Description
本發明係關於電子束微影(lithography)系統。
一微影程序包含一光阻之圖案化曝光，使得選用擇性地移除光阻之部分以使下伏區域曝光，以諸如藉由蝕刻、材料沈積、植入及類似者進行選擇性處理。傳統微影程序利用呈紫外光形式之電磁能來進行光阻之選擇性曝光。隨著程序節點持續收縮，光學微影(optical lithography)(或光微影(photolithography))已因其繞射極限而變得日益不足。波長減小、遮罩及照射最佳化、數值孔徑增大及近接校正可僅在一定程度上改良解析度。半導體產業正尋求光學蝕刻術之替代方案。帶電粒子束已用於高解析度微影光阻曝光。特定言之，已使用電子束，此係因為電子之低質量容許在相對較低電力下對一電子束進行相對準確控制。電子束微影系統可被分類為電子束直寫(electron beam direct write,EBDW)微影系統及電子束投影微影系統。
在EBDW微影中，基板藉由一聚焦電子束循序曝光，其中射束以線之形式在整個樣品上方掃描且藉由對應地遮沒射束而將所要結構書寫於目標上，或如在一向量掃描方法中，在待曝光之區上方引導聚焦電子束。可藉由一光闌整形射束點。EBDW因電路幾何結構經儲存於電腦中且可容易
變化而以高靈活性著稱。此外，由於可用電子光學成像系統獲得具有小直徑之電子焦點，故可藉由電子束書寫獲得高解析度。然而，歸因於循序、逐點書寫，該程序係費時的。因此，EBDW通常用於生產投影微影中所需之遮罩。甚至對於圖案化光罩(其等通常具有晶圓尺寸之4倍之尺寸)，電子束微影仍花費數小時來書寫一整個遮罩。
在電子束投影微影中，類似於光學蝕刻術，同時照射一遮罩之一較大部分且藉由投影光學器件按一縮減比例將其成像於一晶圓上。由於在電子束投影微影中同時成像一整個場，故與電子束書寫器(electron beam writer)相比，可獲得之處理量可明顯較高。然而，在一習知電子束投影微影系統中，一對應遮罩對於待曝光之各結構係必需的。由於與遮罩生產相關聯之高成本，少量製備客戶特定電路並不經濟。
基於上文論述，與電子束投影微影相比，EBDW微影可為低成本電子束微影之一更佳候選者。EBDW並未使用遮罩(即，其係無遮罩的)，此消除遮罩成本且加速半導體製程。EBDW微影亦可能達成經改良解析度。然而，EBDW具有與其低處理量相關之一問題。例如，使用EBDW微影可花費約10小時至100小時來將一圖案書寫於一整個晶圓上方。試圖增大處理量之一個先前方法係藉由增大射束電流。然而，當電流密度超過一特定臨限值時，電子間相互作用(例如，電子之間的排斥庫倫力(Coulomb force))引起射束模糊且使點大小增大。此限制進一步限制現有電子束微影系統之處理量。
降低電子間相互作用之一個解決方案係使用同時書寫之多個電子束以使電流在光罩、主光罩或晶圓上方散佈。多射束書寫藉由在基板上並行使用複數個電子束書寫而非一個單一電子束而改良EBDW微影之處理量。
此大規模並行處理可規避電子束微影系統之實體限制，且可使EBDW符合成本及擴展性需求。然而，多射束微影存在若干挑戰。一個挑戰係在個別射束放置、覆蓋區、劑量及模糊方面同時控制多個電子束。藉由使用現有市售龐大的電子源(諸如熱離子發射器，其等通常由鎢或六硼化鑭(LaB6)製成；或肖特基(Schottky)發射器，其等通常由具有塗佈有氧化鋯(ZrOx)層的一尖端之一鎢絲製成)達成一緊湊型多射束設計甚至更具挑戰性。
電子束微影系統需要一電子源以產生經引導朝向一樣本之一電子束。電子源可經劃分為兩個廣泛群組：熱離子源及場發射源。熱離子源係最常見的市售電子發射器，且通常由鎢或六硼化鑭(LaB6)製成。在熱離子發射中，當電子熱能足夠高以克服表面勢壘時，電子自材料表面蒸發(boiled off)。雖然熱離子發射器被廣泛使用，但其等通常需要高溫(>1300K)來操作且可具有若干缺點，諸如低效率之電力消耗、廣能量散佈、短壽命、低電流密度及有限亮度。對更高效的電子源之需求已驅使肖特基發射器及冷電子源(諸如電子場發射器)之研究與發展。
在肖特基發射器中，熱離子發射因有效勢壘在一經施加外部電場下歸因於影像電荷效應之降低而增強。肖特基發射器通常由具有塗佈有氧化鋯(ZrOx)層的一尖端之一鎢絲製成，其展現一遠較低的功函數(~2.9eV)。肖特基發射器當前用於一些電子束系統中。儘管其相當成功，然熱輔助肖特基發射器仍需要在高溫(>1000K)及高真空(~10-9mbar)下操作，且其歸因於高操作溫度而具有比所期望更高之電子發射能量散佈。與肖特基發射器相比，半導體晶圓及遮罩檢測、檢視及微影可期望具有較低能量散佈、較高亮度(例如，輻射輝度)及較高電流密度之一電子源，此係因為其將實現更快及因此更具成本效益的檢測、檢視及微影。
此項技術中已知冷電子源，尤其電子場發射器。此等發射器已用於場發射顯示器、氣體離子化器、x射線源、電子束微影及電子顯微鏡以及其他應用中。
場發射在經施加電場足夠高以降低尖端-真空界面上之勢壘，使得電子可在接近室溫之一溫度下隧穿此勢壘(例如，量子力學穿隧)時發生。一典型場發射器包括具有一圓形閘極孔隙之一圓錐形發射器尖端。在一經施加外場下，跨發射器陰極、閘極及陽極建立一電位差，而導致尖端之表面處的高電場。電子隧穿窄表面勢壘且行進朝向一陽極，該陽極被偏壓至高於閘極之一電位。可藉由福勒-諾德漢(Fowler-Nordheim)理論之一經修改版本估計發射電流密度，該理論考慮到歸因於場發射器之場增強因數。
因為場發射器可在室溫附近操作，所以其等具有低於肖特基及熱離子發射器之能量散佈，且可具有高於熱離子發射器之亮度及電子流。然而，在實際使用中，一場發射器之輸出電流較不穩定，此係因為污染物可容易黏附至發射器之尖端且提高其之功函數，且因此降低亮度及電流。需要週期性閃光(即，暫時提高尖端溫度)以移除該等污染物。當尖端正閃光時，儀器不可用於操作。在半導體產業中，需要儀器持續地且穩定地操作而無中斷，因此通常優先於冷場發射器使用肖特基發射器。
先前場發射器陣列(FEA)具有配置成一二維週期性陣列之多個圓錐形狀電子發射器。此等場發射器陣列可按用於製造之材料廣義地分類為兩個廣泛類別：金屬場發射器及半導體場發射器。
早期努力致力於發展金屬場發射器。例如，已經因為鉬具有一低電阻率(在20℃為53.4nΩ．m)及一高熔點(2896K)而發展出Spindt型鉬場發射器。然而，金屬發射器遭受若干缺點，諸如歸因於金屬沈積技術而缺乏
均勻性，且更嚴重的是發射電流主要歸因於氧化而降級。
隨著現代半導體製造技術之出現，已存在對半導體場發射器、尤其矽場發射器之研究。
單晶體(單晶)矽係用於場發射器之一有吸引力的材料。矽晶體可經生長而具有極高純度及極少晶體缺陷。可藉由摻雜及/或施加一電壓而更改矽之導電率。更重要的是，矽具有一發展良好的技術基礎。成熟的矽積體電路(IC)技術使製造矽場發射器陣列成為可能。
在圖8中展示一典型先前技術矽場發射器之結構。一矽基板61摻雜有雜質且其可經n型摻雜或p型摻雜。圓錐形發射器64形成於矽基板61上，其中一選用閘極層67附接至一介電層66，該介電層66包含一或多個絕緣層。選用閘極層67控制且引出發射電流。一第三電極(諸如陽極(未展示))面向閘極層67且與陰極分離一大的距離(例如，約數百微米)。此係典型矽場發射器三極體組態。應注意，在無閘極層67之情況下，場發射器可用作一二極體。電子之量子穿隧在跨發射器64之結構施加一偏壓電壓時發生。一大的電場產生於發射器64之尖端之表面上，且自尖端發射電子。
矽場發射器尚不可購得。使用矽來形成場發生器之一個嚴重問題在於矽相當活躍，且甚至在約10-10托之壓力下，其可在數小時內被污染。矽極其容易在其表面上形成一自然氧化物。甚至在一真空中，最終仍將形成一自然氧化物，此係因為真空中存在之少量氧氣且水將與矽之表面起反應。矽與二氧化矽之間的界面具有缺陷(歸因於懸鍵)，在缺陷中，一電子重組之概率較高。此外，二氧化矽之能帶隙較大(約9eV)，而產生高於一電子必須克服以逸出之功函數之一額外勢壘(即使氧化物極薄)。例如，一極其平滑的矽表面上之自然氧化物通常約為2nm厚。在一些情境中，氧
化亦可改變場發射器之形狀。此等前述問題可導致低亮度及電流、不穩定發射、低可靠性、不良可擴縮性及不良均勻性，此已阻礙矽場發射器之商業用途。
研究上作已擴展至尋找用於場發射器之表面處理及塗層，以針對較低接通電壓、較高發射電流密度、較低雜訊及改良的穩定性改良其等效能。此等處理可包含用耐火金屬、矽化物、碳化物及金剛石塗佈發射器尖端。然而，此等塗層材料在形成平滑的且均勻的塗層表面時通常受製程之限制，及/或通常受形成於塗層表面上的氧化物層之影響，而產生一額外能量勢壘。出於此等原因，經塗佈矽場發射器尚未實際變為冷電子源。
因此，需要一種克服先前技術之一些或全部限制之電子源。另外，需要一種克服先前系統之一些或全部不足之具有經改良處理量之多電子束微影系統。
本發明提供一種電子束微影系統。該電子束微影系統包括：複數個行；一電子源；一載台，其經組態以固持一樣本；一液浸透鏡，其用於該等行之各者且經組態以將一電子束聚焦於該樣本上；及一回散射電子偵測器，其經組態以偵測來自該樣本之一表面之回散射電子。該電子束微影系統經組態以用至少兩個電子束將一圖案書寫於該樣本上。該等行之各者具有電子光學器件。該等電子光學器件經組態以縮小一電子束且將其聚焦至該樣本上。該電子源經組態以產生經引導朝向該樣本之至少兩個該等電子束。該電子源包含具有一頂表面之一矽基板、直接形成於該矽基板之該頂表面上之至少兩個場發射器，及安置於各場發射器上之一硼層。各場發射器包括一錐體、一圓錐或一圓形晶鬚(rounded whisker)。該矽基板上之該
等場發射器之各者與該等行之一者對準，藉此該等場發射器各自經組態以將原電子束之一者發射至該等行之一者中。該硼層係大於90%之硼。
兩個該等場發射器可在該矽基板上隔開10μm至500μm。
在一例項中，至少四個該等場發射器直接形成於該矽基板之該頂表面上。該至少四個該等場發射器以一規則網格圖案安置在該矽基板之該頂表面上。
該等行之各者中之該電子源可進一步包含：複數個引出及聚焦電極，其等經組態以引出且聚焦該行中之該原電子束；複數個孔隙；及對準偏轉器。
該等行之各者中之該等電子光學器件可進一步包含：一旋轉器；加速行板，其等經組態以增大該行中之該原電子束之能量；及主場及子場偏轉器。
該等行之各者可進一步包括一遮沒系統，其包含一遮沒電極及一遮沒孔隙。
該電子束可經組態以具有自1keV至5keV之一能量。
該兩個場發射器之各者可組態成一二極體或三極體組態。
該等場發射器可串聯連接至一驅動電路及兩個發射控制MOSFET。該兩個發射控制MOSFET可包含一資料輸入線及一掃描線。
該至少兩個場發射器可利用小於約1019cm-3之一摻雜位準經p型摻雜。在一例項中，該至少兩個場發射器經組態以在一反向偏壓模式中操作，其中一空乏層因該發射器表面處之一電場而產生。
該至少兩個場發射器可利用小於約1014cm-3之一摻雜位準經p型摻雜。在一例項中，該至少兩個場發射器經組態以在一反向偏壓模式中操
作，其中一空乏層因該發射器表面處之一電場而產生。在另一例項中，該電子源進一步包括經組態以照射該至少兩個場發射器且控制來自該至少兩個場發射器之發射電流之光源。
該至少兩個場發射器可利用大於約1016cm-3之一摻雜位準經n型摻雜。
該硼層可具有在大約2nm至6nm之範圍內之一厚度。
該電子源可進一步包括：一介電層，其安置於該矽之該頂表面上而鄰近於該場發射器；及一導電閘極安置於該介電層之頂部上。該介電層之一厚度可近似等於或小於該場發射器之一高度。
該電子源可進一步包括經組態以控制該發射電流之場效電晶體(FET)。在一例項中，該電子源進一步包括：一第二介電層，其安置於一導電閘極之該頂表面上；及一聚焦電極，其安置於該第二介電層之頂部上。
該至少兩個場發射器之尖端可各自具有大於10nm且小於100nm之一橫向尺寸。
61:矽基板
64:發射器
66:介電層
67:閘極層
200a:電子源
200b:電子源
201:矽基板
203:輸出(頂)表面
204:場發射器
204a:場發射器
204b:場發射器/圓形晶鬚
205:硼層
210:場發射器陰極
212:光源/電子
214:光
300:電子源
306:介電層
307:閘極
310:場發射器陰極
400A:電子源
400B:電子源
401:矽基板
403:輸出(頂)表面
404:場發射器陣列(FEA)
405:硼層
406:介電層/介電質
407:閘極
410:場發射器陣列(FEA)陰極
500:能量圖
502:虛線/費米能階
503:線/價帶
504:線/導帶
505:點虛線
506:虛線
512:標記/場發射器陰極表面
520:箭頭
522:箭頭
523:下沉收集
700:多行電子束微影系統
701:源基板/基板
702:場發射尖端/場發射器陰極/場發射器
703:引出及聚焦電極
704:孔隙
705:對準偏轉器
706:遮沒電極
710:旋轉器
711:加速行板/加速板
712:主場及子場偏轉器/掃描偏轉器
721:遮沒孔隙/透鏡板
722:回散射電子(BSE)偵測器
723:液浸透鏡
724:樣本
725:載台
730:原電子束
731:回散射電子
740:電子源
741:加速及掃描區
742:液浸透鏡區
750:行
751:行
800:電子源
801:電子源陰極
802:場發射器
803:電子束
804:引出及聚焦電極
805:箭頭
901:場發射器
902:引出電極
903:聚焦電極
905:掃描線
906:發射控制金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)
910:資料輸入線
920:掃描驅動器/位移暫存器
921:DC電源
922:時脈
923:重設
924:連接
925:連接
930:陣列
931:晶片
1000A:基板與行之相對對準
1000B:基板向右位移一距離
1001:基板
1003:點
1004:發射器
1005:發射器
1006:虛線圓/行
Da:橫向尺寸
Db:橫向尺寸
T1:厚度
為更完全理解本發明之性質及目的，應參考結合隨附圖式進行之以下詳細描述，其中：圖1(A)繪示根據本發明之一實施例之併有當前揭示之電子源及電子光學器件的一例示性多行電子束微影系統；圖1(B)繪示多個發射器及多個行之一例示性佈局；圖2(A)及圖2(B)係繪示根據本發明之一例示性實施例之包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼的矽場發射器之呈一二極體組態的電子源之橫截
面側視圖；圖3係繪示根據本發明之一替代實施例之包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼的矽場發射器及一閘極層之呈一三極體組態的一電子源之一橫截面側視圖；圖4(A)及圖4(B)係繪示根據本發明之替代實施例之包含形成於一矽基板上之一塗佈有硼的矽場發射器陣列之呈二極體及三極體組態的多電子束源之橫截面側視圖；圖5係繪示根據本發明形成之一電子源之矽基板內部的例示性電子能階之一能量圖；圖6係繪示具有複數個電子束源之一電子源之一橫截面側視圖；圖7展示與驅動電路整合之一場發射器之一示意圖；及圖8係繪示包括一矽場發射器之一典型電子源之一橫截面側視圖。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2016年10月13日申請且讓與美國申請案第62/407,664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。
儘管將依據特定實施例描述所主張之標的，然其他實施例(包含未提供本文中闡述之全部優點及特徵之實施例)亦在本發明之範疇內。可在不脫離本發明之範疇之情況下進行各種結構、邏輯、程序步驟及電子改變。因此，僅參考隨附申請專利範圍定義本發明之範疇。呈現以下描述以使一般技術者能夠製造且使用如在一特定應用及其要求之內容背景中提供之本發明。如本文中使用，方向術語(諸如「頂部」、「底部」、「上方」、「下
方」、「上」、「向上」、「下」、「往下」及「向下」)意欲為描述之目的提供相對位置，且並不意欲指定一絕對參考系。
本發明係關於適用於微影系統中之電子場發射器(包含用以圖案化光罩、主光罩及半導體晶圓之發射器)及使用所揭示電子場發射器之高處理量電子束微影系統。
本發明之一實施例係關於一種使用一電子場發射器陣列作為電子源之具有經改良處理量之多行電子束微影系統。多行設計包含各別小型行，此可避免電子束之間的電子間相互作用。藉由緊密間隔之小型電子光學行之一陣列形成多個電子束。較佳地，電子束在相對較低能量(諸如介於約1keV與約5keV之間的能量)下操作，但行能夠在較高能量(諸如高達約50keV之能量)下操作。各行可含有一單一場發射器及一射束成形、遮沒及/或偏轉系統(包含引出、聚焦及/或偏轉器閘極)以產生一聚焦射束而執行曝光。可使用標準半導體製造技術及微機電系統(MEMS)技術來製造行。代替使用市售龐大的電子源(諸如鎢、LaB6及肖特基發射器)，場發射器陣列可達成一緊湊型多電子束設計。此外，場發射器陣列之各陰極甚至在低電子能量(諸如小於5keV之能量)下能夠產生高於前述市售源之一射束電流。再者，藉由在相對較低能量(諸如低於5keV或較佳低於約2keV)下操作，可消除近接性及光阻加熱問題。在一項實施例中，利用場效電晶體(FET)來同時地且個別地控制場發射器。多行電子束微影系統藉由使用多個電子束在樣本上並行書寫而改良EBDW微影之處理量。此大規模並行可克服電子束微影系統之實體限制，且可為未來程序節點提供一有利的成本效益及擴展性。
本發明之一項實施例係關於呈一二極體組態之一電子源，其包含一
場發射器陰極及面向陰極之一陽極。場發射器形成於一矽基板上，且一實質上純硼(第一)層至少形成於場發射器之輸出表面上。矽基板較佳為具有在約10nm至約100μm之範圍內之一厚度之基本上無缺陷的單晶(單晶體)矽。較佳依至少在輸出表面之發射區上方產生一無針孔、連續且實質上純硼層(其具有自2nm至6nm(較佳約2nm至5nm)之一厚度)之一方式使用一高溫沈積程序(例如，在約600℃與800℃之間)來將硼層形成於清潔矽上。硼層藉由至少氣密地密封矽表面之發射區以防氧化而規避矽之氧化問題。可藉由標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)製造技術製造場發射器。二氧化矽或氮化矽可用作遮罩材料且藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)而沈積，且微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如反應性離子蝕刻(RIE)、感應耦合電漿(ICP)或電子迴旋諧振(ECR))、濕式蝕刻或兩者之一組合可用以形成可呈各種形狀(諸如圓形晶鬚(具有圓形尖端之圓柱形支柱)、圓錐或錐體)之場發射器。場發射器之尖端可具有介於約1nm與100nm或約10nm與100nm之間的一橫向尺寸。場發射器藉由利用歸因於場發射器之場增強而規避矽之相對較高功函數。一第二電極(例如，陽極)定位成面向場發射器陰極。陽極可包括一金屬，諸如鎢、鉬或不鏽鋼。為防止崩潰，陽極可與陰極分離達一相對較大距離(約數百微米)。可利用一高電壓源(通常為千伏之數量級)來產生陰極與陽極之間的一外部電位差，以引起電子優先移動朝向發射器尖端。由於場發射取決於一場發射器之尖端附近的電場，故若尖端距陽極之距離較小則可使用較低電壓。例如，可配合小於50μm之距離使用較低電壓
場發射在經施加電場足夠高以降低矽-真空界面上之勢壘使得電子可隧穿此勢壘(例如，量子力學穿隧)時發生。在一半導體中，在電子濃度由
局部摻雜位準及電位判定時，可組態場發射器使其如在一p-n二極體中般在反向偏壓模式中操作，其中一空乏層歸因於發射器表面處之高電場而產生。真空與一塗佈有硼的p型摻雜場發射器之間的界面可形成一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最低能階低於費米(Fermi)能階，則發射器尖端之頂點處將存在大量電子且可產生在nA至μA數量級之一發射電流。可藉由福勒-諾德漢理論之一經修改版本估計發射電流密度，該理論考慮到歸因於場發射器之場增強因數。在一替代實施例中，p型摻雜物之濃度可小於約1014cm-3。可藉由一光源照射場發射器中或附近之矽以藉由調變光強度而產生且控制發射電流。在另一替代實施例中，矽可經n型摻雜。
因此，藉由產生具有形成於單晶體矽基板上之一硼層及一場發射器兩者之一電子發射器結構，本發明提供矽之有益品質(例如，高純度/低缺陷材料、長電子重組時間及成熟的矽基製程)，且實現場發射器之誘人特徵(例如，小發射器大小、低電力消耗、高亮度、高電流密度、高速度及長發射器壽命)，同時避免先前阻止矽基場發射器結構的廣泛商業用途之負面態樣。
根據本發明之各種替代實施例，可利用各種額外層及結構來進一步增強場發射器結構之有益品質。在一項實施例中，將一閘極層或控制電極放置成靠近或略低於場發射器尖端之高度以進一步增強發射器尖端處之電場且達成對發射電流之快速且準確控制。閘極層形成在沈積於基板上之一或若干絕緣層之頂部上。在另一實施例中，將額外閘極層放置於第一閘極層之頂部上，其等各自高於場發射器之高度且各自藉由絕緣層彼此分離。在其他實施例中，多電子束源包括複數個場發射器，其等配置成安置於發
射器表面上之一二維週期性圖案(場發射器陣列或FEA)以在存在一電場之情況下發射電子。
場發射器之額外細節描述於美國公開案第2017/0047207號中，該案之揭示內容特此以引用的方式併入。
圖1(A)繪示併有當前揭示之電子源及電子光學器件以將一圖案書寫於一樣本724(其可為一半導體晶圓、主光罩或光罩)上的一例示性多行電子束微影系統。微影系統700可包括場發射尖端702、源基板701、閘極及聚焦電極703、孔隙704、對準偏轉器705、遮沒電極706、旋轉器710、加速行板711、主場及子場偏轉器712、遮沒孔隙或透鏡板721、回散射電子(BSE)偵測器722、液浸透鏡723、樣本724及載台725。下文將描述此等電子光學組件之各者之功能性。
例示性微影系統700在圖1(A)中描繪為具有兩個行750及751，此用於說明本發明之重要態樣之目的而不使圖過度複雜。根據本發明之一微影系統之一實際實施方案通常將包含兩個以上行。微影系統700之各行通常包含一電子源、電子光學器件及一偵測器。如圖1(A)中描繪，各行包括三個部分。第一，一電子源740，其包含場發射尖端702、引出及聚焦電極703、孔隙704、對準偏轉器705及遮沒電極706。第二，一加速及掃描區741，其包含一旋轉器710、加速板711以及主場及子場偏轉器712。第三，一液浸透鏡區742，其包含遮沒孔隙或透鏡板721、液浸透鏡723及BSE偏轉器722。行750、751之各者將一原電子束730自一場發射尖端702聚焦且引導至樣本724。電子源740可併有如本文中揭示之呈一二極體、三極體或其他組態之一塗佈有硼的矽場發射器。電子自場發射器陰極702發射、行進穿過引出及聚焦電極703(其可包含一陽極)、孔隙704、對準
偏轉器705及遮沒電極706，以形成具有一所要射束能量及射束電流(通常在nA至μA之數量級)之一電子束730。電子源740可進一步包括一磁透鏡(未展示)。加速板711及掃描偏轉器712增大電子束730之能量且用電子束730在樣本724上掃描。此區741亦可用以校正機械及載台誤差且執行對電子束730之精細調焦。液浸透鏡723及透鏡板或遮沒孔隙721提供電子束730至樣本724上之初級聚焦。BSE偵測器722偵測自曝光表面發射之回散射電子731(用虛線展示)。BSE偵測器722可包含每行一單一BSE偵測器722或每行多個BSE偵測器722。在圖1(A)中，繪示每行750、751兩個BSE偵測器722。在一實施例中，BSE偵測器722包括一塗佈有硼的矽偵測器，此係因為此等偵測器具有用於偵測電子之高量子效率。BSE偵測器722用於對準標記偵測且將電子束730與樣本724對準。將樣本724放置於一載台725上以有利於樣本724之不同區相對於行750、751之移動。一微影系統中可包含多個行。例如，一微影系統中可包含有介於四個與二十個之間的行。一微影系統中亦可包含二十個以上行。
可在一單一基板701上製造場發射尖端702。場發射尖端702與行750、751之間的對準得以簡化。行750及751可隔開數釐米，而場發射尖端702可更靠在一起。行750、751與場發射尖端702之間的對準公差可在幾百奈米或更小之範圍內。
可基於基板之隅角或按在製程期間放置於基板上之特定對準標記而進行基板701及/或場發射尖端702與行750、751之間的對準。習知微影技術可確保發射器尖端702經良好界定且對準。
基板701可包含多於行750、751之場發射尖端702。若場發射尖端702之一者降級或變得不起作用，則基板701可在微影系統700內位移，使
得使用新的、功能性場發射尖端702。關於發射器之此態樣之更多細節參見例如下文對圖1(B)之描述。
多個行(諸如圖1(A)中描繪之兩個行750及751)操作以同時使樣本724之多個區域曝光，因此與一單一行相比減少在樣本724之一大的區域上書寫一圖案所需之時間。所揭示多行電子束微影系統700具有優於先前之多行及多射束電子束微影系統之若干優點。由於藉由微影及其他標準半導體製造技術在一單一基板701上製造場發射尖端702，故可準確地控制其等之間距，且其等形狀、塗層厚度以及其他尺寸及性質可彼此類似，因此簡化尖端替換及對準。在一單一基板701上形成場發射尖端702亦可實現在替換場發射尖端702時對基板701之簡單置換。與自一單一電子源產生多個射束之一多射束電子微影系統相比，針對各射束使用一各別電子源容許每射束更多之電流，且因此容許將一給定圖案書寫於樣本724上之一較短時間。與習知電子源或不具有硼塗層之矽場發射器相比，場發射器之發射區上的硼塗層確保更高亮度發射(每單位面積每單位立體角之發射電流)及更穩定發射電流。如下文(包含在對圖2(A)及圖2(B)之描述中)說明，本文中揭示之發射器之一個態樣在於：可藉由電信號來控制發射電流，藉由直接電連接或透過調變一光強度繼而控制發射電流。發射電流之此控制容許在將圖案書寫於樣本724上時從多行電子束微影系統700之各行控制曝光劑量。
圖1(A)中描繪之電子光學元件及其他組件僅繪示併有本文中揭示之電子源的一微影系統之組件。可包含額外電子光學元件及組件及/或可省略圖1(A)中描繪之一些元件及組件。例如，將更多或更少個孔隙放置於各射束之路徑中。此等孔隙可有助於界定樣本上之電子點之最終大小、限制
散射電子或離子之穿透及/或容許差分泵抽，使得在靠近場發射器702之處可維持一高真空度(即，較低壓力)。在另一實例中，加速板711可包括比圖1(A)中所描繪更多或更少之電極。在另一實例中，偏轉可包括除圖1(A)中所描繪之偏轉器外之磁性偏轉器及/或靜電偏轉器之其他組合。
微影系統700亦可包含用於監測例如載台725之位置及/或速度、及/或用於偵測樣本724上的已有圖案之光學感測器。可使用來自此等感測器之資訊來例如確保由微影系統700書寫於樣本724上之圖案與已有圖案準確對準。
圖1(B)繪示在從一微影系統上方觀看時一發射器陣列及多個行之一例示性佈局。1000A展示在操作期間之一個時間時包括一發射器(其等之位置由點(諸如標記為1003之一點)指示)陣列之基板1001與多個行(其等之位置由虛線圓(諸如標記為1006之一虛線圓)指示)之相對對準。在圖1(B)中，發射器展示為在基板1001上配置成一矩形網格圖案。發射器可具有一規則網格圖案。因此，發射器可在一第一方向上等距間隔且在一第二、垂直方向上等距間隔。在一替代實施例中，發射器可配置成任何規則圖案，包含但不限於一方形陣列或一六邊形陣列。在1000A中，發射器1004與行1006之中心(軸)對準。在此圖中，四個其他發射器與四個其他行對準(未標記)。在圖1(B)中展示五個行以繪示原理。在一實際微影系統中，行數可少於或大於五個，諸如十個、二十個或更多。行經配置成一規則網格圖案而使其間距係基板1001上的發射器之間距之整數倍。在圖1(B)中，行之水平間距被描繪為發射器之水平間距之四倍，且行之垂直間距被描繪為等於發射器之垂直間距。此等比僅為例示性的且不意欲為限制性的。在一較佳實施例中，發射器之間的間距將在幾十微米與幾百微米之間，而行之
間的間距將在幾毫米與幾釐米之間。因此，在兩個方向上，各行之間可存在數十個或數百個發射器。由於使用標準半導體製程(包含微影)在基板1001上製造發射器，故可將發射器之間的分離精確地控制在100nm或200nm內或更小，此取決於所使用之程序。在製造微影系統期間，行可與所要間距對準。基板1001可經安裝且調整至適當位置，使得與可機械地將個別發射器與個別行對準相比，發射器可遠更快地與各行對準。由於各行(如上文描述)含有電子光學器件，故可藉由調整至一個別行的電子光學器件之電信號(例如，藉由調整至一偏轉器之信號)而補償該行與一發射器之間的小對準差(諸如幾微米或幾十微米之對準差)。
在操作達一段時間(諸如數小時、數天或數週)之後，來自一或多個發射器之發射電流可歸因於例如發射器尖端之功函數的變化或發射器尖端之損害而減低。當至少一個行不再具有足以維持微影系統之書寫速度之電子束電流時，基板1001可移動至一新的位置，諸如圖1(B)中之1000B處所繪示之位置。1000B展示基板1001向右位移達等於兩個發射器尖端之水平分離之一距離。在1000B處展示之位置中，發射器1004不再與任何行對準且可被關閉。替代地，發射器1005與行1006對準。藉由該單一位移，同時全新的發射器與其他行對準。基板1001上之發射器的準確相對對準使一單一位移能夠一次改變全部操作中發射器。此遠比個別地改變且重新對準各發射器更快，且最大化微影系統操作且可用於書寫圖案之時間。基板1001可包含相對於發射器陣列具有已知位置之對準特徵部(未展示)。可藉由標準半導體製程與製造發射器同時製造此等對準特徵部。
圖2(A)以橫截面視圖繪示根據本發明之一例示性實施例之一電子源200a。電子源200大體上包含一場發射器陰極210及面向陰極210之一陽極
(未展示)。陽極可與陰極210分離達約1微米與幾百微米之間的一距離。在場發射器陰極210中，一矽基板201具有一面向上的輸出(頂)表面203，其中一場發射器204a安置於輸出表面203上，且一實質上純、連續硼層205安置於輸出表面203上以覆蓋場發射器204a。此圖中展示之場發射器204a具有可藉由各向異性蝕刻製成之一錐體形狀，其可具有接近54.7°之一傾斜角，此係因為該角度對應於單晶矽中之(100)平面與(111)平面之相交角。當期望尖銳的場發射器尖端時，可在沈積硼層205之前使用可在一中低溫度(例如，小於約950℃)下執行之氧化削尖。尖銳尖端之頂點在原子級長度下可包括一實質上平坦區域，諸如實質上平行於矽晶體之一晶面(諸如實質上平行於一(100)平面)之一表面。在圖2(A)中，藉由Da指示尖銳區之一特性橫向尺寸，諸如一直徑。在一較佳實施例中，Da可介於約1nm與約100nm之間，或介於約10nm與約100nm之間。一第二電極(諸如陽極(未展示))定位成面向場發射器陰極210。陽極可包括一金屬，諸如鎢、鉬或不鏽鋼。利用一電壓源來產生陰極與陽極之間的一外部電位差，以引起電子優先移動朝向場發射器204a之尖端。電子源200a與一典型冷電子源類似地操作，使得當將一強電場(諸如在約100V μm-1與約10kV μm-1之間的一場)施加至尖端時，電子高度可能自基板201發射、通常最可能自場發射器204a之尖端附近發射穿過場發射器之輸出表面203。尖端上之硼層205氣密地密封尖端以防氧化。為確保硼層205提供一良好氣密密封而不形成電子發射之一強勢壘，硼層205之厚度T1可介於約2nm與6nm之間。即使較少百分比之氧氣保留在矽與硼之間的界面處，但不會有更多氧氣可穿透且不會發生明顯的進一步氧化。由於電子發射自發射器之頂點附近的之一小的區(諸如圖2(A)中展示之具有一橫向尺寸Da之區域)
發生，故此區中之硼層205之品質可最為重要。在與此發射區相距幾百奈米以上的硼層205之覆蓋範圍內之少數針孔或間隙通常不會影響發射且可被容忍。
片語實質上純硼層暗指層之大部分係元素硼。一些雜質(諸如矽或碳)可存在於表面上或晶格中。例如，矽化硼可存在於硼層205與基板201之間的界面處。氧氣可存在於大部分之層中，但其量不容易被偵測到。因此，層可包括硼、由硼組成或基本上由硼組成。硼層205可為大於75%、大於80%、大於85%、大於90%、大於95%、大於96%、大於97%、大於98%，或大於99%之硼。
片語連續硼層暗指硼層205跨輸出表面203之部分未破損。輸出表面可僅為場發射器204之表面或可為至少包含場發射器204a之輸出表面203上之一較大區域。在一例項中，來自場發射器204a之大部分電子發射可來自半徑為數十奈米之一區，且此半徑可由硼層205以一未破損方式覆蓋。
硼層205可為例如5nm厚或可為硼之20個至25個原子層。硼層205可具有一均勻厚度或可與輸出表面203之剩餘部分不同地沈積於場發射器204a上。
根據本發明之一態樣，矽基板201可包括單晶矽(即，矽之一單一晶體)，其利用小於約1019cm-3之一摻雜位準(即，約0.005Ω．cm或更高之一電阻率)經p型摻雜。由於少數載子壽命及擴散長度隨著摻雜物濃度增大而減小，故當矽極薄(諸如薄於約1μm)時，可使用高於約1019cm-3之摻雜物濃度，而當矽厚於約1μm時，低於約1019cm-3之摻雜物濃度可較佳。對於厚於幾微米之矽(諸如10μm或更大之一厚度)，更低摻雜物濃度(諸如小於約1014cm-3)可較佳以確保長載子壽命及低暗電流。由於電子係p型摻
雜矽中之一少數載子，故使用p型矽之一項實施例包含一選用光源212以將光214照耀至場發射器上而在矽內產生電子-電洞對。光源212可為一高強度光源，諸如一雷射二極體或一高亮度LED，諸如具有約20nm或更小之頻寬之一光源。可將光源212放置在發射器204a後面使其前側與發射器204a對置以照射一背側(如所展示)，或其可自與此背側對置之前側照射發射器204a。當將光源212放置在發射器204a下面(如所展示)時，光源212可發射相對較深地穿透至矽中之一光波長(諸如長於約500nm之一波長)，以產生遠離矽之底表面之電子-電洞對。當光源212自頂側照射場發射器204a時，可使用更淺地穿透至矽中之一更短波長(諸如短於約450nm之一波長)來產生相對靠近場發射器204之電子-電洞對。
在一替代實施例中，矽可經n型摻雜具有約1016cm-3或更大之一摻雜物濃度。具有n型摻雜之矽具有在導帶中可得之許多電子，其等可被吸引朝向場發射器204a之尖端以形成發射電流。當使用n型摻雜矽時，可藉由調整一閘極電極(諸如引出及聚焦電極內之一電極或圖3中之閘極307)上之一電壓或藉由調整陽極與場發射器之間的電壓差而控制發射電流。當使用n型摻雜矽時，可省略選用光源212。
根據本發明之另一態樣，場發射器204a可呈各種幾何外形，諸如圓形晶鬚、圓錐或錐體。圖2(B)繪示包括一圓形晶鬚發射器204b之一電子源200b。與具有大於零度之一半角之圓錐或錐體相比，圓形晶鬚或具有零度半角之圓錐提供一更高場增強。然而，圓形晶鬚通常為比圓錐或錐體差之熱導體。因此，場增強與熱穩定性之間通常存在一權衡。場發射器204b可自基板201之一表面延伸達小於10μm或小於20μm。除場發射器結構之形狀外，電子源200b亦可與上文描述之電子源200a之各種實施例
類似地組態。可類似組態之對應特徵標記有與圖2(A)中相同之標記，且將不再進行詳述以避免不必要的重複。圓形晶鬚204b之頂點在原子級長度上可包括一實質上平坦區域，諸如實質上平行於矽晶體之一晶面(例如實質上平行於一(100)平面)之一表面。在圖2(B)中，藉由Db指示尖銳區之一特性橫向尺寸(諸如一直徑)。在一較佳實施例中，Db可介於約1nm與約100nm之間。類似於電子源200a，電子源200b可包括p型或n型摻雜矽且可包含一選用光源212。
根據本發明之另一態樣，可藉由標準CMOS製造技術製造場發射器204a或204b。二氧化矽或氮化矽可用作一遮罩材料且藉由例如PECVD沈積，且微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如RIE、ICP或ECR)、濕式蝕刻或兩者之一組合可用以形成場發射器。當期望尖銳的場發射器尖端時，可在沈積硼層205之前使用通常在中低溫度(例如，小於約950℃)下執行之氧化削尖。
根據本發明之另一態樣，場發射器經組態以如在一p-n二極體中般在反向偏壓模式中操作，其中一空乏層歸因於發射器表面處之高電場而產生。真空與一塗佈有硼的p型摻雜場發射器之間的界面可形成一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最低能階低於費米能階，則發射器尖端之頂點處將存在大量電子，且產生在nA至μA數量級之一電流。場發射在經施加電場足夠高以降低矽-真空界面上之勢壘使得電子可隧穿此勢壘(量子力學穿隧)時發生。可藉由福勒-諾德漢理論之一經修改版本估計發射電流密度，該理論考慮到歸因於場發射器之場增強因數。
根據本發明之另一態樣，硼層205包括直接安置於場發射器之輸出表
面上之基本上純硼。如本文中使用，結合硼與矽界面之片語「直接在...上」意欲意謂：除可形成於Si/B界面處之一可能SiBx薄層(例如，數個單分子層)外，不存在分離場發射器204a或204b之輸出表面與硼層205之連續介入層(例如，氧化物層或SiNx層)。亦應注意，片語「直接在...上」並不排除硼與矽之一些部分之間存在氧化物。在一高溫下(例如，在大於大約500℃，諸如介於約600℃與800℃之間之一溫度下)使用藉由F.Sarubbi等人在「Chemical Vapor Deposition of α-Boron Layers on Silicon for Controlled Nanometer-Deep p+n Junction Formation」(Journal of Electronic Materials(2010年2月)，第39卷、第2期，第162頁至第173頁)(其之全文以引用的方式併入)中教示之技術來使硼層生長於清潔平滑矽上。硼可形成具有在大約2nm至6nm、較佳大約2nm至4nm之範圍內(包含中間之全部範圍及精確至0.1nm之值)之一厚度T1之一無針孔塗層。塗層之其他部分可包含在場發射器204上之塗層外部的針孔缺陷，或塗層可完全無針孔。在一例項中，在場發射器204外部最小化針孔缺陷之存在。
在沈積硼之前藉由例如一濕式清潔其後接著一原位熱氫清潔自矽移除全部天然氧化物可為重要的。硼之較低溫沈積亦可行，但塗層可能較不均勻，且可需要厚於2nm之一塗層以確保塗層無針孔。硼層之一優點在於：此一無針孔塗層(在塗覆至一清潔矽表面時)防止場發射器之輸出表面上一天然氧化物之形成。如先前描述，二氧化矽層具有一高能帶隙且甚至薄層可阻止大部分電子離開矽。因此，硼層205甚至容許具有低能量之電子離開矽場發射器204a或204b。形成於矽基板201上之場發射器204a或204b規避先前技術電子發射器之限制，且尖銳的發射器提供場增強及更多發射電流。另外，即使矽層在被塗佈時無氧化物，先前技術矽裝置仍無
法避免二氧化矽界面層形成於矽與低功函數材料之間。即，在矽上不具有一防滲透的無針孔保護層之情況下，氧氣最終將遷移至矽表面且形成氧化物層。使用硼形成層205之一優點在於：甚至一薄的無針孔硼層不透氧氣且氣密地密封矽。由於大多數電子發射自場發射器之頂點附近的之一小的區發生，故可僅需要在場發射器之頂點之幾百奈米內沒有針孔。極其遠離尖端之硼塗層(諸如在場發射器204或204b之側上)可具有低於尖端處之硼塗層之品質。硼塗層之另一優點在於：矽與硼界面處之缺陷及界面陷阱之密度通常低於矽與二氧化矽界面處之密度，從而導致較高發射電流。
圖3以橫截面視圖繪示根據一第一替代實施例之一電子源300。類似於上文描述之結構，電子源300包含一場發射器陰極310及面向陰極310且與陰極310分離一大的距離(約數百微米)之一陽極(未展示)。在場發射器陰極310中，一矽基板201具有一面向上的輸出(頂)表面203，其中一場發射器204(類似於圖2(A)及圖2(B)中描繪之204a或204b)安置於輸出表面203上，且一實質上純硼層205安置於輸出表面203上以覆蓋場發射器204。一第二電極(諸如陽極(未展示))定位成面向場發射器陰極310。陽極可由一金屬(諸如鎢、鉬或不鏽鋼)製成。利用一電壓源來產生陰極與陽極之間的一外部電位差，以引起電子優先移動朝向發射器尖端。電子源300與先前描述之實施例之不同之處在於：其包含一閘極307或控制電極，其靠近或略低於場發射器尖端之高度且藉由一介電層306附接至場發射器以達成對發射電流之快速且準確控制。因此，介電層306近似等於或小於場發射器之高度。介電層306之厚度較佳與場發射器之高度相差不超過約1μm。介電層306可包括一或多個介電材料，諸如SiO2或Si3N4。介電層306安置於矽之頂表面上以包圍場發射器，但不必覆蓋場發射器204。在另一例項中，
介電層306部分覆蓋場發射器204。可藉由使用物理氣相沈積(PVD)、化學氣相沈積(CVD)或原子層沈積(ALD)沈積方法之標準CMOS製造技術來製造閘極層。閘極307可包括一金屬或多晶矽。最簡單的發射器設計之一者係其中僅使用一個閘極層之一三極體組態。此閘極層通常形成於沈積於基板201上之一介電質(其包括一或若干絕緣層)之頂部上。可在更複雜的發射器設計中利用兩個或更多個閘極層(未展示)，其中將多個介電層用作此等閘極層中間的間隔件。應注意，電子源300不限於錐體或圓錐形場發射器且可包括任何形狀之場發射器，諸如圖2(B)中繪示之圓形晶鬚形場發射器204b或另一形狀。在圖3之實施例中，從圖2(A)中之組態改變或除圖2(A)中之組態外之組態可行。
雖然將硼層205繪示為僅覆蓋場發射器204，但硼層205亦可在介電層306下方延伸。例如，硼層205可在形成介電層306之前形成於基板201及場發射器204上。
圖4(A)及圖4(B)以橫截面視圖繪示根據本發明之其他替代實施例之所揭示電子源，其中利用額外層及結構來進一步增強所揭示電子源結構之有益品質。所繪示之例示性實施例並不意欲為詳盡的，且包含下文描述之額外層及結構之組合之電子源被理解為可行。圖4(A)及圖4(B)之實施例可類似於呈一陣列之圖2(A)、圖2(B)或圖3之實施例。因此，硼層405可類似於硼層205。應注意，電子源400A及400B不限於錐體或圓錐形場發射器且可包括任何形狀之場發射器，諸如圖2(B)中繪示之圓形晶鬚形場發射器204b或另一形狀。在圖4(A)或圖4(B)之實施例中，從圖2(A)、圖2(B)或圖3中之組態改變或除圖2(A)、圖2(B)或圖3中之組態外之組態可行。
圖4(A)以橫截面視圖繪示根據一替代實施例之一電子源400A。電子
源400A包含一FEA陰極410與面向FEA陰極410之一陽極(未展示)。一FEA通常包括配置成一二維週期性陣列之複數個圓錐、錐體或圓形晶鬚電子發射器。可將可用作一單一發射器之任何形狀的矽場發射器複製為一陣列。
在FEA陰極410中，一矽基板401具有一面向上的輸出(頂)表面403，其中複數個場發射器配置成一二維週期性圖案，諸如FEA 404經安置於輸出表面403上。一實質上純硼層405安置於輸出表面403上以覆蓋FEA 404。此圖中展示之場發射器404具有可藉由各向異性蝕刻製成之一錐體形狀，其較佳具有接近54.7°之一傾斜角，此係因為該角度對應於單晶矽中之(100)平面與(111)平面之相交角。當期望尖銳的場發射器尖端時，可在沈積純硼層405之前使用可在一中低溫度(例如，小於約950℃)下執行之氧化削尖。一第二電極(諸如陽極(未展示))定位成面向場發射器陰極410。陽極可由一金屬(諸如鎢、鉬或不鏽鋼)製成。利用一電壓源來產生FEA陰極與陽極之間的一外部電位差，以引起電子優先移動朝向發射器尖端。電子源400A與一典型冷電子源類似地操作，當經適當定位時，電子412高度可能自基板401發射、通常最可能自場發射器之尖端附近發射穿過FEA 404之輸出表面403。
以類似於上文描述之場發射器204a及204b之一方式，可藉由標準CMOS製造技術製造複數個場發射器404。二氧化矽或氮化矽可用作一遮罩材料且藉由例如PECVD沈積，且微影可用於圖案化。乾式蝕刻(諸如RIE、ICP或ECR)、濕式蝕刻或乾式蝕刻與濕式蝕刻之一組合可用以形成場發射器。當期望尖銳的場發射器尖端時，可在沈積純硼層405之前使用可在一中低溫度(諸如小於約950℃之溫度)下執行之氧化削尖。例如，參
見J.Shaw及J.Itoh之「Silicon Field Emitter Arrays」(Vacuum Microelectronics，W.Zhu編輯，(Wiley,2001)，第187頁至第246頁)，其之全文以引用的方式併入。
影響場發射器性質之一參數係場發射器之間的間距。已知，歸因於導致個別發射器之間的不足電場穿透之屏蔽效應，緊密間隔之發射器減小場增強因數。因此，為最小化場屏蔽效應且最佳化場發射電流密度，垂直對準發射器之間的距離或發射器間距可實質上係大的，約為數十微米至幾釐米。在一例項中，場發射器隔開100μm至10cm，包含中間之全部範圍及精確至1μm之值。例如，場發射器可隔開10μm、50μm、100μm、200μm或500μm。發射器之間距可為一發射器之高度之至少三倍。一般而言，發射器之間距與其等併入至其中之系統之電子光學器件相匹配。為此，可選擇自100μm至若干釐米之一間距。然而，間距亦可自50μm至200μm，使得行之間可存在備用發射器。
圖4(B)以橫截面視圖繪示根據另一替代實施例之一電子源400B。類似於上文描述之結構，電子源400B包含一FEA陰極410及面向FEA陰極410之一陽極(未展示)。在電子源400B中，各個別發射器可類似於上文描述之發射器300且可經類似組態。在FEA中，電子源400B包括具有一面向上的輸出(頂)表面403之一矽基板401，其中複數個場發射器配置成一二維週期性圖案(例如，FEA 404經安置於輸出表面403上)，且一實質上純硼層405安置於輸出表面403上以覆蓋FEA 404。一第二電極(諸如陽極(未展示))定位成面向場發射器陰極410。該陽極可包括一金屬，諸如鎢、鉬或不鏽鋼。利用一電壓源來產生FEA陰極410與陽極之間的一外部電位差，以引起電子優先移動朝向發射器尖端。電子源400B與圖4(A)之先前描述
實施例之不同之處在於：其包含一閘極407或控制電極，其靠近或略低於場發射器尖端之高度且藉由一介電質406附接至場發射器以達成對發射電流之快速且準確控制。介電層406安置於矽之頂表面上以包圍場發射器，但不必覆蓋場發射器。在另一例項中，介電層406部分覆蓋場發射器之一或多者。可藉由使用PVD、CVD或ALD沈積方法之標準CMOS製造技術來製造閘極層。閘極407可包括一金屬或多晶矽。最簡單的發射器設計係其中僅使用一個閘極層之三極體組態，但其他組態亦係可行。閘極407通常形成於沈積於基板上之一絕緣層(介電質406)(其通常為氧化物層)之頂部上。可在更複雜的發射器設計中利用兩個或更多個閘極層(未展示)，其中絕緣層形成此等閘極層中間的間隔件。
圖5係繪示根據本文中描述之實施例形成之一例示性所揭示電子源結構的電子場發射之一例示性能量圖500。垂直方向表示能量。水平方向表示相對於一場發射器尖端表面之位置。藉由標記512指示場發射器尖端表面位置。標記512之左側展示發射器陰極內之位置，且標記512之右側展示尖端外部(例如，真空區)之位置。應注意，此圖未按比例繪製且經變形，且放大一些態樣以更清楚地繪示電子源之關鍵態樣。虛線502表示在其中僅一小電流流動通過尖端之條件下場發射器內之場發射器尖端附近的費米能階。線503表示半導體內之價帶之最高能階。線504表示導帶之最低能階。導帶之最低能階與價帶之最高能階之間的差被稱為能帶隙。對於矽，能帶隙係大約1.1eV，但在摻雜物濃度較高的情況下，能帶隙減小。點虛線505表示真空能階。真空區中之虛線506表示由施加至定位在距尖端之一距離(諸如大於約1μm之一距離)處之一陽極(未展示)的一相對正電位引起之僅在場發射器之尖端外部之電位分佈。
場發射器陰極之尖端可經重p型摻雜，此來自顯式摻雜、來自硼自一表面硼塗層(未展示，因為其僅為幾奈米厚)之擴散或來自兩者之一組合。由於表面附近之重p型摻雜，在無來自陽極之一外部施加之電場之情況下，費米能階將恰高於價帶之最高能階而引起價帶向上彎曲而接近表面。然而，來自陽極之經施加電場將穿透至矽中而引起導帶及價帶向下彎曲朝向尖端，如箭頭522所指示。
可藉由福勒-諾德漢穿隧描述來自矽場發射器之場發射。與經施加電場相比，發射器尖端處之局部場增強一場增強因數。在外部電場穿透至半導體中時，近表面區中之載子濃度改變，且導帶504及價帶503兩者在發射器表面處彎曲，如箭頭522所指示。
若導帶足夠彎曲以使導帶504之最低能階低於費米能階502，則電子下沉收集，如523處所描繪。收集之最高填充位準與費米能階502重合，當無電流或僅一小電流流動時，費米能階502在整個半導體中保持大致恆定。在電子移動朝向場發射器陰極表面512時，大的電場使電子加速且容許其等以足夠能量到達表面512以高度可能逃逸，如箭頭520所指示。
對於一高靜電偏壓場(諸如107V cm-1)，p型場發射器之導帶將在表面處簡併(degenerate)，且一空乏區(其中費米能階502位於能隙之中間)產生於p型內部與n型表面之間。此導致此區中之電子與電洞之一最小濃度，類似於一反向偏壓p-n接面之情況。
當陰極包括n型矽或將包括p型矽之一陰極操作為光陰極時，經施加靜電場之強度僅需要足以使導帶及價帶在尖端處向下彎曲，且無需使導帶彎曲至低於費米能階。運用此一經施加靜電場，少數電子將自發產生且大多數發射電流將來自從一n型矽基板注入至尖端附近的區中之電子或來自
由光吸收產生之電子-電洞對。
在先前矽場發射器中，矽表面上將存在氧化物層。此氧化物(即使僅約2nm厚)可表示試圖逃逸之任何電子之一實質勢壘。二氧化矽之能帶隙係大約9eV。此一大的能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。所揭示發射器陰極表面上之硼層阻止氧氣或水到達矽表面且防止氧化物層之生長，因此實現一高效電子源。在一實施例中，此矽場發射器在接近室溫之一溫度下操作以最小化經發射電子之能量散佈。在另一實施例中，當可容忍一較大能量散佈時，可有益地在一高溫(諸如在約400K與約1000K之間的一溫度)下操作矽場發射器以減少黏附至場發射器之表面的污染物且容許在一較不清潔的真空環境中操作矽場發射器。
圖6係繪示經組態以產生複數個電子束803之一電子源800之一橫截面側視圖。一電子源陰極801經展示為具有配置成一陣列之複數個場發射器802。複數個場發射器802產生複數個電子束803，該複數個電子束803行進穿過引出及聚焦電極804。校準電子束經引導向下，如箭頭805所指示。
圖7展示與驅動電路整合之當前場發射器陣列之一示意圖。FET可用以同時地及/或個別地控制場發射器，以例如控制射束放置、覆蓋區、劑量(發射電流)及/或模糊。將塗佈有硼的矽場發射器與相關聯控制電路之一陣列930(應注意，僅繪製一個發射器以詳細展示電連接及輸入)整合於一單一晶片931上。陣列包括塗佈有硼的矽場發射器901、具有連接924之引出電極902及具有連接925之聚焦電極903、發射控制金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)906，且可將驅動電路(包括DC電源921、時脈922及
重設923)整合於一單一晶片931上。由一掃描驅動器或一位移暫存器920構成之驅動電路之輸出經連接至發射控制MOSFET 906之閘極電極。場發射器陣列之各發射器901串聯連接至兩個發射控制MOSFET 906。一個用於一資料輸入線910且另一個用於一掃描線905。聚焦電極903不僅聚焦自場發射器發射之電子束，而且避免絕緣層在不良真空中藉由離子撞擊之充電。絕緣體上之電荷可形成下伏矽中之一反轉層，此可影響發射控制。在一項實施例中，將一些電路(諸如掃描驅動器或位移暫存器920之部分或全部)定位在該單一晶片外部。在另一實施例中，將電極902及903之一或多者定位在晶片外部而非整合於表面上。
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，額外電極可放置成靠近電子發射器以控制發射及/或在一特定方向上聚焦且引導經發射電子。儘管預期本文中揭示之矽場發射器將在各種種類之掃描電子顯微鏡及電子束微影系統中尤其有用，然亦可設想此等發射器可用於其中需要高輻射及/或高電流電子發射器之其他應用中，例如，用於一高亮度X射線產生器中。
因此，本文中描述之電子發射器及方法並不意欲限於所展示且描述之特定實施例，而是應被給予與本文中揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
儘管已關於一或多個特定實施例描述本發明，然將瞭解，可在不脫離本發明之範疇之情況下進行本發明之其他實施例。因此，本發明視為僅受限於隨附申請專利範圍及其合理解釋。
700:多行電子束微影系統
701:源基板/基板
702:場發射尖端/場發射器陰極/場發射器
703:引出及聚焦電極
704:孔隙
705:對準偏轉器
706:遮沒電極
710:旋轉器
711:加速行板/加速板
712:主場及子場偏轉器/掃描偏轉器
721:遮沒孔隙/透鏡板
722:回散射電子(BSE)偵測器
723:液浸透鏡
724:樣本
725:載台
730:原電子束
731:回散射電子
740:電子源
741:加速及掃描區
742:液浸透鏡區
750:行
751:行
1000A:基板與行之相對對準
1000B:基板向右位移一距離
1001:基板
1003:點
1004:發射器
1005:發射器
1006:虛線圓/行
Claims (20)
- 一種電子束微影系統，其包括：複數個行，該等行之各者具有電子光學器件，其中該等電子光學器件經組態以將縮小一電子束且將其聚焦至一樣本上；一電子源，其經組態以產生引導朝向該樣本之至少兩個該等電子束，其中該電子源包含：一矽基板，其具有一頂表面；至少兩個場發射器，其等直接形成於該矽基板之該頂表面上，其中各場發射器包括一錐體、一圓錐或一圓形晶鬚，其中該矽基板上之該等場發射器之各者與該等行之一者對準，藉此該等場發射器各自經組態以將該等電子束之一者發射至該等行之一者中；及一硼層，其經安置於各場發射器上以改善發射電流，其中該硼層係大於90%之硼；一載台，其經組態以固持該樣本，其中該電子束微影系統經組態以用該至少兩個電子束將一圖案書寫於該樣本上；一液浸透鏡，其用於該等行之各者且經組態以將一原電子束聚焦於該樣本上；及一回散射電子偵測器，其經組態以偵測來自該樣本之一表面之回散射電子。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中兩個該等場發射器在該矽基板上隔開10μm至500μm。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中至少四個該等場發射器直接形成於該矽基板之該頂表面上，且其中該至少四個該等場發射器以一規則網格圖案安置於該矽基板之該頂表面上。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該等行之各者中之該電子源進一步包含：複數個引出及聚焦電極，其等經組態以引出且聚焦該行中之該原電子束；複數個孔隙；及對準偏轉器。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該等行之各者中之該等電子光學器件包含：一旋轉器；加速行板，其等經組態以增大該行中之該原電子束之能量；及主場及子場偏轉器。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該等行之各者進一步包括一遮沒系統，該遮沒系統包含一遮沒電極及一遮沒孔隙。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該電子束經組態以具有自1keV至5keV之一能量。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該兩個場發射器之各者組態成一二極體或三極體組態。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該等場發射器串聯連接至一驅動電路及兩個發射控制MOSFET，其中該兩個發射控制MOSFET包含一資料輸入線及一掃描線。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器利用小於約1019cm-3之一摻雜位準經p型摻雜。
- 如請求項10之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器經組態以在一反向偏壓模式中操作，其中一空乏層因該發射器表面處之一電場而產生。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器利用小於約1014cm-3之一摻雜位準經p型摻雜。
- 如請求項12之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器經組態以在一反向偏壓模式中操作，其中一空乏層因該發射器表面處之一電場而產生。
- 如請求項12之電子束微影系統，其中該電子源進一步包括經組態以 照射該至少兩個場發射器且控制來自該至少兩個場發射器之發射電流之光源。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器利用大於約1016cm-3之一摻雜位準經n型摻雜。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該硼層具有在大約2nm至6nm之範圍內之一厚度。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該電子源進一步包括：一介電層，其經安置於該矽基板之該頂表面上而鄰近於該場發射器；及一導電閘極，其經安置於該介電層之頂部上，其中該介電層之一厚度近似等於或小於該場發射器之一高度以使該導電閘極靠近或略低於該場發射器之該高度。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該電子源進一步包括經組態以控制發射電流之場效電晶體(FET)。
- 如請求項18之電子束微影系統，其中該電子源進一步包括：一第二介電層，其經安置於一導電閘極之頂表面上；及一聚焦電極，其經安置於該第二介電層之頂部上。
- 如請求項1之電子束微影系統，其中該至少兩個場發射器之尖端各自具有大於10nm且小於100nm之一橫向尺寸。
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