(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出デバイスであって、
各素子が、アスペクト比が１０〜１０００で、寸法が１０ｎｍ〜１μｍの断面構造を有する、基板上に形成された１つ以上のエミッタ素子と、
各電極が前記１つ以上のエミッタ素子のうちの対応する１つを包囲する、１つ以上の分割電極であって、前記１つ以上の分割電極のそれぞれが、複数の電極板を含む、１つ以上の分割電極と、を備え、
複数の前記電極板は、前記基板上に形成されて前記エミッタ素子から生じる電子ビームの光学収差補正を行い、その数が前記光学収差補正される多重極モーメントの２倍であり、電圧が複数の前記電極板のそれぞれに独立して印加され得るように互いに電気的に絶縁され、絶縁材料によって前記基板から絶縁されている伝導性ビアを通じて独立した電圧が印加される、
電界放出デバイス。
【請求項２】
前記１つ以上の分割電極は、対応するエミッタ素子の延在方向に沿ってその先端部から離れる方向に提供される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記１つ以上の分割電極は、対応するエミッタ素子の延在方向に対して垂直な方向にエミッタ素子２つ分の長さの距離内で、対応するエミッタの先端部に近接して提供される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記１つ以上のエミッタ素子のそれぞれは、１００ｎｍ〜１ｍｍの長さであり、断面の寸法は１０ｎｍ〜１μｍである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記１つ以上のエミッタ素子は、ナノチューブである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記電極板は、互いに電気的に絶縁されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記１つ以上の分割電極は、４個、８個、１２個、または１６個の電極板を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
１つ以上のエミッタ素子を基板上に形成することであって、前記１つ以上のエミッタ素子のそれぞれが、アスペクト比が１０〜１０００で、寸法が１０ｎｍ〜１μｍの断面構造を有することと、
それぞれが前記１つ以上のエミッタ素子のうちの１つを包囲する１つ以上の分割電極を形成することであって、前記１つ以上の分割電極のそれぞれが、複数の電極板を有することと、を含み、
複数の前記電極板は、基板上に形成されて前記エミッタ素子から生じる電子ビームの光学収差補正を行い、その数が前記光学収差補正される多重極モーメントの２倍であり、電圧が複数の前記電極板のそれぞれに独立して印加され得るように互いに電気的に絶縁され、絶縁材料によって前記基板から絶縁されている伝導性ビアを通じて独立した電圧が印加される、
方法。
【請求項９】
前記１つ以上の分割電極は、前記１つ以上のエミッタ素子の延在方向に沿ってその先端部から離れる方向に形成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
対応するエミッタ素子の延在方向に対して垂直な方向にエミッタ素子２つ分の長さの距離内で、対応するエミッタの先端部に近接する前記１つ以上の分割電極を形成することである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
各素子が、アスペクト比が１０〜１０００で、寸法が１０ｎｍ〜１μｍの断面構造を有する、基板上に形成された１つ以上のエミッタ素子と、
各電極が前記１つ以上のエミッタ素子のうちの対応する１つを包囲する、１つ以上の分割電極であって、前記１つ以上の分割電極のそれぞれが、複数の電極板を含む、１つ以上の分割電極と、
前記１つ以上のエミッタ素子から出る電子を１つ以上の電子ビームに形成し、前記１つ以上の電子ビームを標的に映すように構成される、電子光学カラムと、を備え、
複数の前記電極板は、前記基板上に形成されて前記エミッタ素子から生じる電子ビームの光学収差補正を行い、その数が前記光学収差補正される多重極モーメントの２倍であり、電圧が複数の前記電極板のそれぞれに独立して印加され得るように互いに電気的に絶縁され、絶縁材料によって前記基板から絶縁されている伝導性ビアを通じて独立した電圧が印加される、
システム。
【請求項１２】
前記１つ以上の分割電極は、対応するエミッタの延在方向に沿ってその先端部から離れる方向に提供され、それによって、前記対応するエミッタの前記先端部が前記１つ以上の分割電極と前記先端部の下流の前記電子光学カラムの１つ以上の電子光学素子との間に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
二次粒子検出器であって、前記標的と前記１つ以上の電子ビームとの間の相互作用の結果として生成される二次粒子を検出し、前記二次粒子検出器において前記二次粒子に対応するシグナルを生成するように構成される、二次粒子検出器をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記二次粒子検出器において前記二次粒子に対応する前記シグナルから前記標的の１つ以上の画像を生成するように構成される、画像生成装置をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムは、走査型電子顕微鏡として機能するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
システムが、第１の方向に前記試料を横切って一次電子ビームの線形走査を行い、併せて前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記試料の移行を行うように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記二次粒子検出器によって生成される前記シグナルから前記試料の画像を生成し、併せて前記第１の方向とは異なる第２の方向に前記試料の移行を行うように構成される、画像生成装置をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記１つ以上のエミッタ素子は、ナノチューブである、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記１つ以上の分割電極は、４個、８個、１２個、または１６個の電極板を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記１つ以上の分割電極は、４個以上の電極板を有し、前記４個以上の電極板のそれぞれの電極板は、別個の電圧が各電極板に独立して印加され得るように構成される、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、譲渡人共通の同時係属中の２０１３年９月１６日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＧＵＮ  ＭＵＬＴＩ−ＰＯＬＥ  ＥＭＩＴＴＥＲ  ＧＡＴＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ」と題されるＴｏｍａｓ  Ｐｌｅｔｔｎｅｒらへの米国特許仮出願第６１／８７８，５４５号の通常出願であり、その優先権の利益を主張し、その全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、電界放出デバイス及びそれを製造するための方法に関し、より具体的には、軸補正ならびに偏向及び非点収差の補正のために分割電極がエミッタ付近に提供される電界放出デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
電界放出は、高強度の静電界によって誘導される電子の放出である。従来的な電界放出デバイスは、カソードと、カソードから離れたアノードとを備える。カソードは、１つ以上の電界エミッタ素子を含む電界エミッタアレイであり得る。アノードとカソードとの間に印加された電圧により、アノードに向かって電子の放出が誘導される。電界放出デバイスは、高解像度の電子顕微鏡のための明るい電子源として用いられている。
【０００４】
エミッタから電子を取り出すために高強度の電界（例えば、１センチメートル当たり１×１０７ボルト）を作り出すために、先端／針エミッタが開発されている。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、高アスペクト比のナノメートルサイズの微細構造を有する、先端部が鋭い炭素材料である。ＣＮＴは、それらの高い電気伝導性、最適な幾何学的電界増強のための高アスペクト比の「針のような」形状、及び顕著な熱安定性のため、電子電界エミッタとして用いられることが増えている。
【０００５】
ＣＮＴ等の先端／針エミッタを製造する従来的な方法は、カソードの好ましい位置で、パターン形成された触媒層上にＣＮＴを付着させることを伴う。ＣＮＴは、カソード上で、また理想的にはカソード基板表面に対して垂直に、直接成長するため、ゲート型電界放出構造で印加される電界に対して良好に整列している。しかしながら、先端／針エミッタは、必ずしもまっすぐにも同じ長さにも成長しない。これらの針をエミッタとして顕微鏡または他の電子ビームシステムで使用するためには、針エミッタから生じる電子ビームを補正する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１０５６９０号
【特許文献２】米国特許第６７２０５６９号
【特許文献３】特開平９−１３４６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来的な電界電子デバイスは、電子ビームを制御／補正するために複数の電極を含み得る。放出電流の制御は、エミッタ付近のサプレッサー電極によって行われ得る。いくつかのシステムでは、電流は、焦点を画像面に維持しながら、エクストラクター電極及びエミッタから比較的離れて提供される２つの静電レンズによって調節される。加えて、ブランキングが、通常、エミッタ領域の下流に配置される偏向素子によって行われる。非点補正（ｓｔｉｇｍａｔｉｏｎ）及びビーム指向もまた、エミッタ領域の下流で行われる。最適な光学収差のためのこれらの電極は、エミッタから離れて（例えば、１ｍｍ）提供されるため、ビームの指向、ブランキング操作の実行、またはビーム電流の調節のいずれかを行うためには、比較的大きな電圧が必要とされる。加えて、第１の可能なビーム指向及び非点補正制御は、ビーム集光の後に起こるため、エミッタ領域には個々のビームをエミッタアレイのアーキテクチャの集光レンズの光学的中心に集めるための制御が存在しない。
【０００８】
本開示の態様が生じるのはこの関連においてである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の態様によると、電界放出デバイスは、１つ以上のエミッタ素子を備える。各エミッタ素子は、高アスペクト比のナノメートルスケールの断面を伴う構造体である。１つ以上の分割電極が、それに対応して１つ以上のエミッタ素子を包囲する。各分割電極は、複数の電極板を含む。
【００１０】
いくつかの実装において、１つ以上の分割電極が、対応するエミッタの先端部の後方に提供される。
【００１１】
いくつかの実装において、１つ以上のエミッタ素子は、ナノチューブを含む。
【００１２】
いくつかの実装において、１つ以上の分割電極は、４個、８個、１２個、または１６個の電極板を有する。
【００１３】
いくつかの実装において、１つ以上のエミッタのそれぞれは、約１００ナノメートル〜約１ミリメートルの長さであり、断面の寸法は約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミクロン（μｍ）である。
【００１４】
本開示の態様によると、ある方法は、１つ以上のエミッタ素子のそれぞれが高アスペクト比のナノメートルスケールの断面を伴う構造を有する、１つ以上のエミッタ素子を基板上に形成することと、それぞれが１つ以上のエミッタのうちの１つを包囲する、１つ以上の分割電極を形成することと、を含む。１つ以上の分割電極のそれぞれは、複数の電極板を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の目的及び利点は、以下の発明を実施するための形態を読む際、及び添付の図面への参照の際に、明らかになるであろう。
【図１Ａ】本開示の態様よる、電界エミッタデバイスを含むように適合される荷電粒子ビームシステムのスキーム図である。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムのブロック図である。
【図２】本開示の態様による、エミッタ素子の周囲に分割電極を有する電界エミッタ素子を示す側面図である。
【図３Ａ】本開示の態様による、エミッタを包囲する分極電極を有する電界エミッタを示す上面図である。
【図３Ｂ】本開示の態様による、エミッタを包囲する分極電極を有する電界エミッタを示す上面図である。
【図４】本開示の態様による、エミッタを包囲する分割電極を有する電界エミッタの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の発明を実施するための形態において、参照が添付図面に対して行われ、それらの図面は、本明細書の一部を成し、それらの図面において、発明が実施され得る特定の実施形態が例示目的のために示される。図面は、本明細書において「実施例」とも称される実施形態の実施例に従って図解を示す。図面は、当業者が本発明の主題を実施することを可能にするように十分に詳細に記載される。本発明の実施形態の構成要素は、いくつかの異なる配向で位置付けられるため、方向上の用語は、例示目的で使用され、決して制限するものではない。他の実施形態が利用され得、構造上または論理上の変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることが理解されることになる。
【００１７】
本文書において、「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」という用語は、特許文書において一般的であるように、１つまたは１つよりも多くを含むように使用される。本文書において、「または」という用語は、排他的でない「または」を指して使用され、これにより、「ＡまたはＢ」が、別途示されない限り、「ＢではなくＡ」、「ＡではなくＢ」、ならびに「Ａ及びＢ」を含むことになる。以下の発明を実施するための形態には、したがって、限定する意味に取られるものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００１８】
本開示による電界放出デバイスは、高アスペクト比のナノメートルスケールの断面を伴う構造を有する１つ以上のエミッタと、光学収差補正（例えば、軸補正ならびに偏向もしくは非点収差の補正）のためにエミッタの先端部に近接して提供される分割電極と、を含む。本開示による電界放出デバイスにおける分割電極は、４個、８個、１２個、または１６個の電極板を有してもよく、それぞれが、他の板から電気的に絶縁されている。これらの板は、別個の電圧が各電極板に独立して印加され得るように構成される。電極板に印加される電圧に応じて、分割電極は、ゲート及び指向素子として機能して、放出を遮断するための高速ブランキング、ビームの高帯域幅サーボ制御及び高帯域幅非点補正、ならびにビーム指向制御を提供し得る。本明細書に使用されるとき、非点補正制御という用語は、一般に、ビーム軸に対して横向きの直角方向における異なる焦点特性に起因する、ビームの真円度の制御を指す。本開示による分割電極は、発光デバイスから独立して製造されてもよく、またはナノ加工／ＭＥＭＳ等の技法を通じて発光デバイスの組み込み部分として製造されてもよい。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｂは、本開示のある特定の態様を組み込む荷電粒子ビームシステム１００の実施例を図示する。この非限定的な実施例において、本システム１００は、電子源１１５、ビーム光学素子１３５、液浸レンズ１０４を伴う荷電粒子光学カラム１０２を有する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）として構成される。光学カラム１０２は、本明細書においてビームドライバと称される電子装置１３６によって制御され得る。ビームドライバ１３６は、電子源１１５、ビーム光学素子１３５、及び液浸レンズ１０４を制御することができる。この実施例において、ビーム光学素子１３５は、源１１５から電子を取り出し、それを標的１０１の方向に移動する一次ビーム１０３に形成する、電界を発生させる電圧で維持される２つ以上の電気伝導性シリンダを含む。液浸レンズ１０４は、一次ビームの焦点を標的表面の狭いスポットに合わせる。
【００２０】
電子源１１５は、電界放出デバイス２０１を含む。電界放出デバイスは、電界エミッタカソードと、カソードから離れたアノードとを備える。カソードは、先端部または針電界エミッタ素子２１０であり得る。先端／針エミッタは、まっすぐでも同じ長さでもない場合があるため、本開示による電界放出デバイス１１５は、本開示の態様に従って、電子光学収差の補正のために、エミッタ素子２１０の先端部に近接して、及び／またはその後方に、分割電極２２０を含む。図１Ａでは単一の電界放出デバイス２０１が示されているが、当業者であれば、電子源１１５が、独立して制御可能であり得る複数の電界放出デバイスを収容する電界エミッタアレイを含んでもよいことを理解するであろう。さらに、分割電極２２０は、エミッタ素子２１０の先端部の後方に配置されるように描かれているが、これは、限定的な特徴ではない。あるいは、選択されたセグメント２２０は、エミッタ素子２１０の先端部と一緒に、またはその前方にあってもよい。例えば、エミッタ素子２１０が基板の空洞内に形成されてもよく、分割電極が基板の表面の空洞の周囲に形成されてもよい。空洞の深さ及びエミッタ素子の長さに応じて、分割電極は、エミッタ先端部の後方、エミッタ先端部の前方、またはエミッタ先端部と同じ高さに配置され得る。
【００２１】
電子ビームカラム１０２からの電子ｅ−のビームの焦点は、集積回路ウエハまたは試験ウエハであり得る標的１０１の表面に合わせられる。標的１０１は、ステージ１１８によって支持されている。電子が、例えば、１つ以上の静電偏向板１０６により提供される磁力偏向電界によって、標的１０１の表面全体にわたって走査され得る。電圧が、ビーム走査装置ドライバ１０８を介して偏向板１０６に提供される。いくつかの実装において、ビーム走査装置ドライバ１０８は、電流を磁気コイルに印加して、標的１０１全体にわたって電子ビームを走査することができる。あるいは、ステージ１１８が、ステージ走査機序１１１と、標的を標的１０１の表面に平行なＸ−Ｙ平面に沿って光学カラム１０２に対して１つ以上の方向に動かすように構成されるステージ走査ドライバ１１９とを含み得る。いくつかの実装において、ステージ走査機序１１１及びステージ走査装置ドライバ１１９は、ビーム走査装置ドライバ１０８が線形走査でビームを異なる方向（例えば、Ｙ方向）に走査すると、ステージを一方向（例えば、Ｘ方向）に動かすことができる。
【００２２】
例としてであり、制限するものではなく、ビーム走査装置ドライバ１０８及びビーム走査装置コイル１０６（または偏向板）により一次ビームが試料１０１全体を走査するラスターパターンで、ビーム走査装置を駆動することによって画像が生成され得、ビーム位置の関数としての検出器シグナルが、当該技術分野で周知のように、一連の画像に変換される。一方向（例えば、Ｘ方向）でのビームの走査の終了時に、ビームの配置が、異なる方向（例えば、Ｙ方向）に少しだけ（例えば、試料へのビームスポットのサイズに相当する程度）調節され得、別の走査が行われて、別の一連の画像が生成され得る。このプロセスを繰り返すことによって、試料の一部の画像が生成され得る。
【００２３】
代替的な実装において、電子ｅ−のビームを線形走査で試料１０１全体にわたって一方向（例えば、Ｘ方向）に走査し、ビーム位置の関数として二次検出器シグナルを一連の画像に変換することによって、画像が生成され得る。ステージ走査装置ドライバ１１９及びステージ走査機序は、各線形走査の終了時に試料１０１を少しだけ異なる方向（例えば、Ｙ方向）に移行させ得る。
【００２４】
あるいは、ステージ走査装置ドライバ１１９は、標的全体にわたって走査するためにステージを光学カラム１０２に対してＸ方向及びＹ方向の両方に動かしてもよいが、一方でビームは光学カラムに対して固定のままである。
【００２５】
標的１０１にぶつかった電子ｅ−は、後方散乱するか、または二次放出を開始するかのいずれかである。電子ビームカラムは、標的１０１の表面から出るそのような後方散乱または二次電子１１７（または他の二次粒子、例えば、イオン、Ｘ線、もしくは紫外光子）の一部分を収集する。図示される実施例では、二次粒子検出器は、電子ビームカラム１０２を通じて戻り、二次粒子検出器１１０に衝突する、後方散乱した一次電子または二次電子を検出器するように構成され、この二次粒子検出器が、後方散乱または二次放出の量に比例する二次シグナルを生成する。シグナルは、増幅器１１２によって増幅されてもよい。増幅されたシグナルとビーム走査装置ドライバ１０８及び／またはステージ走査装置ドライバ１１９からのシグナルとが、画像生成装置１１４によって合わされて、標的１０１の表面の拡大画像が得られる。画像生成装置１１４によって生成される画像は、変化した表面の質または結果として得られる形成された構造体の形状及びサイズの尺度を決定するために、画像分析装置１１６によって分析され得る。代替的な実装において、二次粒子検出器１１０は、電子光学カラム１０２の外側に配置されてもよく、また二次粒子１１７を収集するために標的の付近に配置されてもよい。
【００２６】
二次粒子検出器１１０は、一般に、検出器に到達した二次粒子に応答して、シグナルを生成するように構成される。二次粒子検出器１１０の設計は、検出される粒子の種類に依存し得る。ある特定の実装において、二次粒子検出器１１０は、接合及び空乏領域を有するダイオードデバイスであり得る。例としてであり、制限するものではなく、検出器１１０は、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合であってもよい。代替的な実装において、検出器１１０は、ＣＭＯＳ検出器（例えば、ＣＣＤ）、シリコン系もしくはＩＩＩ−Ｖ検出器、多重チャネルプレート、フォトダイオードアレイ、アバランシェフォトダイオード、及び／またはショットキーダイオードであってもよい。一実施例において、検出器１１０は、正にドープしたＰ領域と負にドープしたＮ領域とを含む、ＰＮ接合ダイオードである。中性電荷の領域である空乏領域が、Ｐ領域とＮ領域との間に存在する。光子がデバイスに入ると、結晶構造内の電子が励起される。光子のエネルギーが材料の禁制帯エネルギーよりも大きい場合、電子は、伝導帯に移り、電子が存在していた価電子帯の正孔を埋めることになる。これらの電子正孔対は、デバイス全体に作られる。空乏領域に生成されたものは、それぞれの電子の方へと流れる。これにより、結果として、正電荷がＰ層に集積し、負電荷がＮ層に集積することになる。電荷の量は、検出器に当たる光の量に正比例する。
【００２７】
図１Ｂのブロック図に示されるように、画像生成装置１１４及び画像分析装置は、コントローラ１２０の一部であってもよい。コントローラ１２０は、自律型マイクロコントローラであってもよい。あるいは、コントローラ１２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２２、メモリ１２４（例えば、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＲＯＭ等）、及び制御システムバス１３０に連結される電源１２１、入力／出力（Ｉ／Ｏ）機能１２３、時計１２６、キャッシュ１３４等といった周知の支援回路を含むように構成される、汎用コンピュータであってもよい。メモリ１２４は、システム１００の性能を促進するためにＣＰＵ１２２が実行する命令を格納し得る。メモリ１２４内の命令は、プログラムコード１２５の形態であり得る。コード１２５は、例えば、源１１５によって発生される電子ビームの電圧及び電力、ビーム光学装置１３５及び液浸レンズ１０４によるビームの焦点、コイル１０６による電子ビームの走査、ステージ走査装置１１１によるステージ１１８の走査、ならびに二次粒子検出器１１０からのシグナルによる画像の形成を、従来的な方式で制御することができる。コード１２５はまた、画像の分析も実施することができる。
【００２８】
コード１２５は、Ａｓｓｅｍｂｌｙ、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ（登録商標）、または多数の他の言語等、多数の異なるプログラミング言語のうちのいずれか１つに従い得る。コントローラ１２０はまた、任意の大容量記憶デバイス１３２、例えば、ＣＤ−ＲＯＭハードディスク及び／または取り外し可能な記憶装置、フラッシュメモリ等を含んでもよく、これらは、制御システムバス１３０に連結され得る。コントローラ１２０は、場合によっては、操作者（示されない）からの入力を受容するためにＣＰＵ１２２に連結される、キーボード、マウス、またはライトペン等のユーザインターフェース１２７を含んでもよい。コントローラ１２０はまた、場合によっては、処理装置１２２の制御下で、グラフィック表示及び／または英数字の文字の形態で操作者に情報を提供するための表示ユニット１２９も含んでもよい。表示ユニット１２９は、例えば、陰極線管（ＣＲＴ）またはフラットスクリーンモニタであり得る。
【００２９】
コントローラ１２０は、メモリ１２４によって記憶及び取り出しが行われるデータ及びプログラムコード命令に応答して、撮像デバイス走査装置ドライバ１０８、電子ビームドライバ１３５、及び検出器１１０または増幅器１１２と、Ｉ／Ｏ機能１２３を通じてシグナルを交換し得る。コントローラ１２０の構成または選択に応じて、走査装置ドライバ１０８、検出器１１０、及び／または増幅器１１２は、調整回路を介してＩ／Ｏ機能１２３とインターフェース接続してもよい。調整回路は、ハードウェアまたはソフトウェアの形態で、例えば、コード１２５内に実装されてもよい。また、いくつかの実装では、シグナルプロセッサ１４４は、コード１２５内にソフトウェアで実装され得る。
【００３０】
図２は、本開示の態様による電子源１１５のための電界放出デバイス２０１の詳細を示す側面図である。電界放出デバイスは、エミッタ素子の周囲に分割電極２２０を有する１つ以上の電界エミッタ素子２１０を含む。電界エミッタ素子２１０は、高アスペクト比のナノメートルスケールの断面を伴う構造を有するエミッタ先端部を有する。アスペクト比（長さを特徴的な断面寸法で除したもの）は、約１０〜約１０００であり得る。エミッタ先端部としての実際の使用に関して、特徴的な断面寸法（例えば、直径）は、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜約１ミクロン（μｍ）の範囲に及び得る。
【００３１】
例としてであり、制限するものではなく、エミッタ素子２１０は、カーボンナノチューブまたはナノ構造化先端エミッタであり得る。カーボンナノチューブの代替としては、類似の寸法であり、類似の様式で製造された、他のナノエミッタ、例えば、タングステン−カーバイド先端部、シリコン先端部が挙げられる。例としてであり、制限するものではなく、エミッタ素子２１０の長さは、約１００ｎｍ〜約１ミリメートルの範囲に及び得る。従来的な閉鎖ゲートの概念とは対照的に、本開示の態様によるエミッタ２１０は、高い有効真空伝導性を保つために半開放の状態のままである。エミッタの大部分が包囲された（例えば、エミッタ素子が空洞内に形成された）場合には、エミッタ包囲をポンプ除去して高真空または超高真空を得ることは困難である。そのような場合には、開放された領域にエミッタ素子を形成することが有利である。しかしながら、これは、高真空または超高真空を伴わない用途ではとはならない。
【００３２】
分割電極２２０が、エミッタ２１０の先端部に近接して提供される。いくつかの実装において、分割電極は、エミッタの先端部の後方に提供される。いくつかの実装において、分割電極は、エミッタ約１〜２つ分の長さの距離内で、対応するエミッタの先端部に近接して提供される。分割電極２２０の内径は、約１ミクロンである。外径は、約数十ミクロンである。分割電極２２０は、複数の電極板２２２を有する。いくつかの実施形態において、電極板の数は、補正される多重極モーメントの２倍である。例えば、４個の電極板が、Ｘ−Ｙ偏向（すなわち、双極子モーメント）の補正に使用される。図３Ａに示されるように、非点収差（すなわち、四極子モーメント）を完全に制御するには８個の電極板が必要となる。すなわち、１つの四極子がＸ及びＹと整列し、もう１つの四極子がＸ及びＹに対して４５°に整列される。１２個の板が六極子モーメント（図３に示される）に用いられ、１６個の板が八極子モーメントに用いられる。したがって、いくつかの実装において、分割電極２２０は、４個、８個、１２個、または１６個の電極板２２２を有し得る。いくつかの実装では、作製され得る極の数は、リソグラフィーによって制限されることに留意されたい。電極板２２２は、電圧が板のそれぞれに独立して印加され得るように、互いに電気的に絶縁されている。板２２２に印加される電圧は、電子ビーム補正のためのコード１２５を通じてビームドライバ１３６によって別個に制御され得る。隣接する電極板の間の間隙は、安全に電界破壊を防ぐのに十分に大きい。例として、間隙は、約１ミクロンのものである。
【００３３】
ＳＥＭシステムに加えて、多数の他の荷電粒子システムが、本開示による電界放出デバイスを用いることができることに留意されたい。システムの例としては、電界エミッタディスプレイ、加速のためのアレイ型電子源もしくは遊離電子レーザ、小型宇宙船用途または電界エミッタアレイを利用する他の用途のための荷電粒子スラスタアレイを挙げることができる。
【００３４】
本開示による分割電極は、発光デバイスから独立して製造されてもよく、またはナノ加工／ＭＥＭＳ等の技法を通じて発光デバイスの組み込み部分として製造されてもよい。図４は、本開示の態様による、それぞれにエミッタ素子４５０を包囲する多重極の電極板４４０が組み込まれた、複数の電界エミッタデバイス４０１を格納するエミッタアレイデバイス４００を示す断面図である。図示される実施例において、エミッタアレイデバイス４００は、基板４１０を含む。一実装において、基板４１０は、軽くドープしたシリコンから作製され得る。いくつかの障壁島４２０が、基板４１０の上面に形成される。触媒構造体４３０が、障壁島４２０の上に形成される。電界放出デバイスにおいて、障壁層は、通常、基板４１０から触媒構造体４３０への材料の拡散を防ぐために提供される。一実装において、障壁島は、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、酸化インジウムチタン（ＩＴＯ）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作製され得る。障壁島４２０は、障壁層を全面蒸着した後、エッチングプロセスを行うことによって形成され得る。障壁島４２０は、デバイス特徴部（例えば、電界エミッタ）の位置に形成される。
【００３５】
カーボンナノチューブまたは他のナノ構造が電界エミッタとして使用される実施例では、金属層が、ナノチューブをその上に成長させるための触媒として使用される。触媒構造体４３０は、障壁島４２０の上に形成されるパターン形成された金属層から形成され得る。例としてであり、制限するものではなく、触媒構造体４３０を形成するために使用される金属層は、ナノチューブについてはニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）から、他のナノ構造体については金（Ａｕ）から作製され得る。一実施例において、触媒構造体４３０は、パターン形成及び障壁島４２０上に形成される酸化物層の選択的エッチングを伴うリソグラフィープロセスに続いて、金属蒸着及び化学機械的研磨（ＣＭＰ）によって、金属層から形成され得る。ナノチューブの形態のエミッタ素子４５０は、続いて、触媒構造体４３０上で成長し得る。隣接するエミッタは、通常、１００ミクロンを超える距離、例えば、約１００ミクロン〜約１ミリメートル（１０００ミクロン）離れている。
【００３６】
いくつかの電極板４４０が、各障壁島４２０を包囲して、かつ基板の上に、形成される。例としてであり、制限するものではなく、電極板４４０は、アルミニウムもしくは銅等の金属、またはドープしたポリシリコン等の他の電気伝導性材料から作製され得る。電極板４４０は、半導体集積回路デバイスの製造に用いられる従来的なリソグラフィー技法を用いて製造され得る。そのような技法は、金属を全面蒸着した後に、金属にパターン形成されたエッチングまたはパターン形成された蒸着を行うことを伴い得る。例えば、基板４１０を通じて形成され、絶縁材料４４４によって基板から、また互いに絶縁されている、伝導性ビア４４２を通じて、独立した電圧が電極板４４０に印加されてもよい。
【００３７】
ある特定の実装において、上述の電界放出デバイスは、先端／針エミッタを包囲する分割電極を含む。分割電極は、ビーム経路を補正する双極子電界を所望の方向に発生させるように電極電圧をプログラムすることによって、エミッタの任意のビーム指向または位置の変動を迅速または静電的に指向補正することを可能にする。加えて、それは、非点補正を行うのに必要な四極子電界を生成する分割電極に電圧を適用することによって、放出されるビームの楕円率における任意の変動の迅速または静電的な非点補正を提供することができる。さらに、それは、迅速または静電的な高次補正を可能にし得る。例えば、電極構造が十二極子である場合、それは、電子カラムにおける今後の高次光学収差補正のためにプログラム可能な六極子電界を可能にし得る。
【００３８】
エミッタ素子を包囲する分割電極は、エミッタに対する摂動をより大きな程度で補うこと、及び電子ビームの変調時におけるより多くのデカップリングを可能にする。従来的なデバイスは、銃内の摂動を補正するために、銃の下流のビーム光学装置において大幅な変調を必要とする。エミッタ素子を分割電極により包囲することで、エミッタでの摂動は、板に対して好適な組み合わせの電圧を印加することによって排除することができ、これにより、この電極は下流でのさらなる補正がほとんど必要ないか、または全く必要ないものとなる。加えて、分割電極は、エミッタの先端部付近に設置されるため、補正に必要とされる電圧がより小さい。本開示によるデバイスは、エミッタ面にビームブランキングを実装することも可能にする。
【００３９】
上記は、本発明の好適な実施形態の完全な記載を含むが、様々な代替形態、修正形態、及び均等物を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は、上記を参照してではなく、代わりに、添付の特許請求の範囲を、それらの均等物の全範囲と共に参照して、決定されるべきである。好ましいかどうかにかかわらず、いずれの特徴も、好ましいかどうかにかかわらず、任意の他の特徴と組み合わせることができる。
【００４０】
添付の特許請求の範囲は、「〜ための手段」という表現を使用してミーンズ・プラス・ファンクションの限定が所与の特許請求の範囲に明示的に記載されない限り、そのような限定を含むように解釈されるものではない。特定の機能を実行する「ための手段」を明示的に述べていない特許請求の範囲におけるいずれの要素も、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）に規定されるような「手段」または「ステップ」条項として解釈されるものではない。特に、本明細書における特許請求の範囲での「〜のステップ」の使用は、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）の規定を行使することを意図するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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