(57)【要約】【課題】電子放出器の構造を簡略化すると共に、ターゲット媒体（陽極）と放出器スタック（陰極）との間の静電的な相互作用を低減すること。【解決手段】放出器素子(10)は、１つまたは複数の放出器(28)からターゲット媒体上に放出電子を集束するための複数の集束用柱状体(24)を備える集束アレイ(20)を含む。ターゲット媒体と集束される放出電子との間の相対的な移動によって、各集束用柱状体が、その移動の範囲内にあるターゲット媒体の領域にわたって放出電子を集束することが可能になる。好適な一実施形態では、別個の放出器基板、集束アレイ基板およびターゲット媒体基板が用いられる。【選択図】図１
2004127936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放出器素子（１０）であって、
　１つまたは複数の放出器（２８）と、
　前記１つまたは複数の放出器からの放出電子を複数の集束ビームに集束するための複数の集束用柱状体（２４）を含む静電集束アレイ（２０）と、および
　前記集束ビームを受け取るためのターゲット媒体（２２）とを含み、前記ターゲット媒体および前記静電集束アレイのうちの一方が、前記ターゲット媒体と、前記複数の集束ビームのうちの１つまたは複数のビームとの間で制御された相対的な動きを生み出すことができる、放出器素子。
【請求項２】
前記ターゲット媒体および前記静電集束アレイのうちの一方が、前記ターゲット媒体と前記静電集束アレイとの間で相対的に移動できるように移動可能である、請求項１に記載の放出器素子。
【請求項３】
前記静電集束アレイが、前記ターゲット媒体および前記１つまたは複数の放出器に対して移動することができる、請求項２に記載の放出器素子。
【請求項４】
前記アレイが、前記集束用柱状体のうちの１つまたは複数の集束用柱状体の周りに配置された電極（Ｖ１−Ｖ４）を含み、その電極に対して電圧を印加することにより、集束ビームの方向を制御できるようになる、請求項１に記載の放出器素子。
【請求項５】
前記静電集束アレイが、
　アパーチャ、単一レンズ、二重レンズ、アパーチャ／レンズ構造、アパーチャ／レンズ構造およびビーム方向制御のうちの少なくとも１つをそれぞれ有するビーム入口セクション（Ｉ）およびビーム出口セクション（ＩＩ）と、および
　前記ビーム入口セクションと前記ビーム出口セクションとの間にある交差セクション（ＩＩＩ）とを含み、前記交差セクションがコリメーションアパーチャおよびビーム方向制御装置のうちの少なくとも１つを有する、請求項４に記載の放出器素子。
【請求項６】
前記静電集束アレイが、前記ターゲット媒体と前記静電集束アレイとの間に低い電位を生成するための電圧障壁を含む、請求項５に記載の放出器素子。
【請求項７】
前記ビーム方向制御装置が、前記複数の集束用柱状体の円周の周りに対称に配置された電極（Ｖ１−Ｖ４）を含む、請求項５に記載の放出器素子。
【請求項８】
前記ターゲット媒体が前記静電集束アレイに対して移動可能であり、前記静電集束アレイが、前記１つまたは複数の放出器を含む構造体に取り付けられる、請求項１に記載の放出器素子。
【請求項９】
前記ターゲット媒体がメモリ媒体（７２）を含み、前記放出器素子が放出器メモリ素子である、請求項１に記載の放出器素子。
【請求項１０】
前記ターゲット媒体が、１つまたは複数のウェーハ（８２）を含み、前記放出器素子が電子ビームリソグラフィ素子である、請求項１に記載の放出器素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、マイクロエレクトロニクス分野に関し、特に電子放出器からの集束された放出電子を利用する素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
　放出器は、電気信号に応答して電子を放出する。これらの放出を制御することにより、有用な電気的および光学的効果を生み出すための基礎が形成される。たとえば、放出電子は、種々の媒体に影響を及ぼし、記憶および表示作用を生じることができるか、または電子ビームリソグラフィに使用されて、ウェーハにサブミクロンの機構を生成し、マイクロエレクトロニクス回路を形成することができる。集束されたビームの生成は、放出器と、集束構造体、通常は静電レンズとを製作することを含む。
【０００３】
　放出器表面は、表面状態、および放出器表面の処理または放出器表面上での処理に影響されやすい。これによる影響は、熱電子放出器、ポリシリコン放出器のようなフラット放出器、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）放出器、ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）放出器、およびＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）放出器を含む種々のタイプの電子放出器のスペクトルに及ぶ。このリストは、種々のタイプの炭素膜（ナノ分散カーボン、ダイヤモンドライクフィルム、カーボンナノチューブ）に基づく放出器、ならびにシリコン先端構造体およびスピント（spindt）先端構造放出器も含む。放出器基板上にレンズおよび他の構造体を製作することにより、その表面が損傷を受けるか、または清浄な状態に保てなくなる可能性がある。損傷または余分な材料は、所与の領域上の放出の均一性、または所与の放出器からの放出の量のような、放出器性能の特性に害を与える可能性がある。供給される電流および放出の均一性は、全ての種類の真空電子供給源にとって重要なパラメータであり、高周波数および／または精密な電子ビーム装置においては極めて重要なパラメータである。放出の均一性は、記憶装置およびリソグラフィのような用途の場合に特に重要であり、得られる放出の量は、記憶装置の場合に特に重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　メモリおよびディスプレイのような、放出器によって駆動される種々の装置は、ターゲット陽極媒体を利用する。ターゲット陽極媒体は、制御された電子放出のための集束点である。ターゲット陽極媒体は、放出器／陰極構造体から数百ボルトの電位差に保持される。それゆえ、ターゲット陽極と放出器陰極との間には、強い「引下げ」引力が存在する。この現象は、媒体−放出器間の距離が短い素子において顕著に現れ、特にこの場合、大きい面積と印加される大きな電位差が関係している。
【０００５】
　放出器によって駆動される装置では、位置合わせおよび集束長も重要な問題である。放出器基板上にレンズを製作するには、放出器と集束素子とを正確に位置合わせする必要がある。集束レンズと放出器を適切に位置合わせするためには、多くの高精度の位置合わせが必要とされる。放出器基板上に各集束素子を追加する場合、処理も複雑になり、たとえば、放出器の表面を損傷または変更せずに、深いエッチングを放出器において停止させなければならない。また集束長は、放出器／集束レンズ基板内の種々の金属層の分離によってもたらされる短い距離に制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　本発明の放出器素子は、１つまたは複数の放出器からターゲット媒体上に放出電子を集束するために複数の集束用柱状体を備える集束アレイを含む。ターゲット媒体と集束される放出電子との間の相対的な移動によって、各集束用柱状体が、その移動の範囲内にあるターゲット媒体の領域にわたって放出電子を集束することが可能になる。
【０００７】
　好ましい一実施形態では、好ましい素子を製造するために、別個の放出器基板、集束アレイ基板およびターゲット媒体基板が用いられる。
【発明の効果】
【０００８】
　本発明による別個の集束アレイを用いることにより、放出器の構造を簡略化することが可能になり、集束用柱状体の複雑性を増すための能力が与えられ（電子ビームをより良好に集束することが可能になり）、ターゲット媒体（陽極）と放出器スタック（陰極）との間の静電的な相互作用が低減され、電子ビームの非点収差補正が可能になり、媒体の種々の領域を照射するか、または電子ビームを消去するためにビームを再配向するための能力が提供される。さらに、本発明は、単一の放出器か、またはグループとしてアドレス指定される放出器のアレイのいずれかで動作することにより種々の装置に対して自由度を提供し、集束アレイを支持する基板上に集積電子回路および制御装置を配置できるようにし、放出器または放出器のグループを連続して動作させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　本発明は、１つまたは複数の放出器からの電子放出をターゲット媒体上に集束するための複数の集束用柱状体を含む集束アレイを有する放出器素子に関する。ターゲット媒体と集束される放出電子との間の相対的な移動によって、各集束用柱状体が、その移動範囲内にあるターゲット媒体の領域にわたって放出電子を集束することが可能になる。本発明による別個の集束アレイを用いることにより、放出器の構造を簡略化することが可能になり、集束用柱状体の複雑性を増すための能力が与えられ（電子ビームをより良好に集束することが可能になり）、ターゲット媒体（陽極）と放出器スタック（陰極）との間の静電的な相互作用が低減され、電子ビームの非点収差補正が可能になり、媒体の種々の領域を照射するか、または電子ビームを消去するためにビームを再配向するための能力が提供される。また、本発明は、単一の放出器か、またはグループとしてアドレス指定される放出器のアレイのいずれかで動作することにより種々の装置に対して自由度を提供し、集束アレイを支持する基板上に集積電子回路および制御装置を配置できるようにし、放出器または放出器のグループを連続して動作させることが可能になる。さらに、本発明の方法は、放出器アレイおよび集束アレイを形成するために別々の基板を使用することにより、デリケートな放出器および媒体表面上での処理が削減されることが可能になる。
【００１０】
　本発明の好ましい方法では、放出器アレイおよび集束アレイを形成するために別々の基板が使用される。このようにして、個別の集束アレイによって、デリケートな放出器および媒体表面上での処理が削減されることが可能になる。素子の一部が集積化されるとき、たとえば、形成された集束アレイ基板を個別に形成された放出器基板に結合するために放出器および媒体表面に対して行われる処理は、最小限に抑えられる。大部分の処理は、デリケートでない表面上で行われ、媒体および放出器基板の汚染が回避される。その際、１つの幅広の放出器または放出器のアレイにわたる電子放出の均一性は、集束構造体が放出器基板上に形成される場合に比べてより容易に得られることができる。
【００１１】
　個別の集束アレイを用いる場合、その集束アレイは、素子の電子回路のための集積化を容易にするための表面および領域を提供することができる。その集束アレイ自体は、表面処理のための厳密な要件が少なくなり、集束アレイ基板上の表面積が増加することに起因して、より複雑にすることができる。
【００１２】
　集束アレイ基板上に導入され得る機構の１つは、ターゲット媒体と放出器との間の大きな電位差から生じる引下げ力を低減または排除するための能力である。放出器とターゲット媒体との間に集束アレイを配置する行為自体が、特に集束アレイがある厚み、すなわち少なくとも５〜１０μｍの誘電体材料上に構成されるときに、２つの基板間のこの引下げの相互作用力を大きく低減する。集束用柱状体のいずれかの表面上にシールドを配置することにより、そのシールドが面する表面の電位を「一致させる」ことにより、引下げ力をなくすことができる（放出器については、負の側にバイアスをかけられたシールドであり、ターゲット媒体については、正のシールドである）。
【００１３】
　また、集束アレイを用いて、ビームの消去、非点収差補正およびビームの再配向のために、駆動電子回路を制御することもできる。本発明は、特定の素子の応用形態に対して電流密度の目標値を達成するために、たとえばスピント先端構造放出器または電界放出アレイを含む種々のタイプの放出器とともに使用され得る。放出器の性能を高めるために放出器基板からの放出を刺激するのに必要とされる要素以外の要素を集積化することは、避けることが好ましい。しかしながら、本発明の実施形態は、集束アレイを、放出器基板レンズ構造体を有する第２のレンズとして用いることを含む。さらに別の実施形態は、放出器とターゲットとの間に多数の集束アレイを含む。
【００１４】
　好ましい一実施形態では、独立した放出器基板、集束アレイ基板およびターゲット媒体基板が使用される。集束アレイ基板は、素子制御用の集積回路を含むことが好ましい。集束アレイは移動可能とすることができ、または特定の好ましい実施形態では、放出器基板に固定され、その場合、ターゲット媒体基板が移動可能であるか、またはビームが集束アレイ基板上に配置された回路および集束機構を通して誘導される。
【００１５】
　ここで本発明は、好ましい実施形態の放出器素子、およびその好ましい実施形態の放出器素子を組み込む代表的な素子に関して例示される。本発明の説明において、例示するために、特定の例示的な素子、形成プロセス、および素子の応用形態が使用される。その寸法および図示される素子は、本発明の例示と理解のために誇張されている場合がある。２次元の概略的な層構造によって従来の様式で示される単一の放出器素子が、３次元放出器素子構造の教示を与えることは、当業者には理解されよう。本発明の素子およびプロセスを、従来の集積回路製造装置で実施することができることも当業者には理解されよう。
【００１６】
　ここで図１〜図４を参照すると、本発明の好ましい実施形態による放出器素子１０、１２、１４および１６が、２次元の概略的な断面で示される。それらの実施形態は、同じ参照番号で表記された共通の要素を共有するものとして、ともに扱われる。好ましい実施形態では、放出器基板１８からの放出電子が、静電集束アレイ基板２０によって、ターゲット媒体２２上に集束される。ターゲット媒体２２と集束アレイ基板２０との間の相対的な移動によって、複数の集束用柱状体２４がそれぞれ、相対的な移動の範囲内にあるターゲット媒体の領域にわたって放出電子を集束することが可能になる。図１〜図４のそれぞれにおいて、示される集束用柱状体は、柱状体のアレイ内の各集束用柱状体を誇張したものである。図１および図２では、集束アレイ基板２０がマイクロムーバ（図示せず）によって移動可能であり、一方、図３および図４では、ターゲット媒体２２がマイクロムーバ２３ａ、２３ｂによって移動可能である。例示的なマイクロムーバは、たとえば、ばね式、圧電式、ねじ式および櫛形マイクロムーバセンブリを含む。
【００１７】
　本発明の別個の集束アレイ基板２０は、図１および図２の場合のように可動ロータを形成しても、または図３および図４の場合のようにボンド２６を介して放出器基板１８に結合されても有利である。放出器または放出器アレイの一方と比較して、放出器または放出器アレイの他方において一様な放出を提供する放出器基板を備えることが望ましい。これは別個の集束アレイ基板によって容易になる。その理由は、アパーチャまたはレンズを放出器基板１８上に配置することに悩む必要がないからである。係る構造体を基板上に形成することは、デリケートな放出器表面を汚染する可能性がある。放出器の制御も、好ましい実施形態による集束アレイ基板２０に移される。集束アレイ基板２０を用いて、放出器信号を消去し、１つまたは複数の放出器がパルス動作または連続オン動作することを可能にし、放出器を個々にアドレス指定するための回路を設ける必要性をなくすことができる。集束アレイ基板２０は、処理から放出器表面を保護することとは別の利点を有する。具体的には、たとえば、より精巧な集束が可能になり、放出器品質検出システムを実現できる。したがって、本発明の実施形態は、放出器が従来の基板上のレンズ動作および組み合わせられた制御装置を有し、本発明の集束アレイによってさらに集束される、放出器素子を含む。
【００１８】
　たとえば、マイクロムーバ２３ａ、２３ｂは、ロータとして媒体２２と相互作用するステータ２３ａを含む。移動範囲は、たとえば±５０μｍであり、電界または磁界の制御によって移動が可能になり、ばね２３ｂの力によって制限される。図１および図２では、集束アレイ基板２０がロータであり、媒体２２が相互作用のための電界および／または磁界を与えるステータであることが好ましい。ばねは、基板の側面において集束アレイ基板２０に取り付けられることが好ましい。しかしながら、集束アレイ基板２０が可動ロータの一部であるときにマイクロムーバを制御するための電界および／または磁界は、ターゲット媒体２２上か、または放出器基板１８上にまとめられることができる。マイクロムーバ２３ａ、２３ｂおよび／またはそのロータアセンブリは、ターゲット媒体２２と一体化されることが好ましい。
【００１９】
　図１〜図４には全般的にフラット放出器が示されるが、放出器基板１８は種々のタイプの放出器を利用することができる。たとえば、図１では、大きなフラット放出器２８（たとえば、＞４０μｍ×４０μｍ）が示されており、集束用柱状体２４はそれより狭く、フラット放出器２８からの幅広い放出電子を集束されたビームに変換する。フラット放出器２８は、たとえばＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）、またはＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）放出器とすることができる。大型スピント先端構造アレイ、シリコンナノチップアレイ、または炭素膜放出器はさらなる例であり、デリケートな先端構造体は、さらに別の構造体を共通の基板上に一体化するために必要な処理を避けることから利益を得るであろう。使用され得る他の放出器は、熱電子放出器およびショットキー放出器を含む。放出器は、性能パラメータ、たとえば、所望の電流量、必要とされる放出の安定性、および放出器の寿命に基づいて選択され得る。動作モードも、放出器のタイプの選択に影響を及ぼす可能性がある。図１〜図４のいずれの実施形態においても、放出器（単数または複数）は、連続電子放出からパルス放出までの多数の異なるモードにおいて動作することができる。これは、任意のＲＣ定数の制限よりも優れた制御を与え、放出素子の寿命の要件に最も適合するモードを選択することにより、放出器の寿命を改善することに役立つ。また、それらの放出器は単独でアドレス指定される必要はなく、パルス動作または連続動作においてグループとして制御され得る。好ましい一実施形態では、放出器基板１８のパルス式のグループ制御は、集束アレイ基板２０（図１および図２の場合）またはターゲット媒体２２（図３および図４の場合）の動きと同期される。
【００２０】
　大部分の応用形態では、放出器基板１８は簡素なままであることが好ましい。しかしながら、本発明は、一体化されたレンズを有する放出器とともに使用されることもでき、その場合、集束アレイ基板２０が電子ビームのさらなる改善を提供するであろう。同様に、集束された電子ビームをさらに高精度にするために、多数の集束アレイ基板２０を順次に用いることもできる。
【００２１】
　集束アレイ基板２０と放出器基板１８との間の位置合わせは、放出器／レンズ基板が一体化される場合の位置合わせに必要な厳密性よりも低い。図１および図３のそれぞれにおいて、集束用柱状体２４は放出器２８よりも狭く、複数の集束用柱状体２４が放出電子を複数のビームに分割する。図２および図４では、集束用柱状体は、アレイに編成された１つまたは複数の放出器２８を含み、受け取った放出電子を集束する。
【００２２】
　ターゲット媒体２２は、種々のタイプの素子を形成するように選択され得る。ターゲット媒体２２は、相変化材料を用いるメモリ媒体とすることができ、例示的な材料はＩｎ２Ｓｅ３である。当業者には他の相変化材料も知られている。放出電子に応答して視覚的な放射を生成する媒体は、ディスプレイを形成する。リソグラフィへの応用形態の場合、電子ビームレジスト材料は、たとえばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）が適している。ターゲット媒体２２または集束アレイ２０の動きは、所望のリソグラフィパターンに従って制御される。放出器のパルス動作または集束アレイ基板２０上で消去機能を用いることにより、所望のパターンを得るために、リソグラフィパターンがＰＭＭＡまたは任意の他の適切な電子ビームレジストを通して描画され、現像され得る。複数の集束用柱状体２４が並列なリソグラフィアプリケーションを実行し、共通のパターンで、多数のターゲット媒体または同じ媒体の複数の領域をパターニングすることができる。たとえば、集束用柱状体２４が個別に制御され、ある特定の柱状体がリソグラフィを達成するために必要な集束を実施し、同時に他の柱状体が放出電子を消去することができるので、異なるパターンまたは同じパターン内の変化も実現可能である。
【００２３】
　消去は集束アレイ基板２０の実現可能な動作の１つにすぎない。本明細書において用いられるような集束は、たとえば単にアパーチャを用いることを含む、ある範囲の実現可能性を含む。集束アレイ基板２０が放出器基板１８から分離されている場合、簡素なアパーチャから、電子ビームをさらに良好に集束するための複雑なレンズシステムまでの範囲のレンズシステムを実施することができる。好ましい実施形態では、集束された電子ビームのみが集束アレイ基板２０のレンズシステムを通過するか、または高度にコリメートされたビームがレンズシステムを通過するので、発散制御は比較的重要ではない。発散は、レンズシステムを通して、または予め構成され得るアパーチャを用いて、またはレンズシステムの長さを通して排除（制御）され得る。
【００２４】
　集束アレイ基板２０上に電子回路を集積化するための可能性は、さらなる機能を提供する。たとえば、電流検出素子を集束アレイ基板２０上に配置し、放出器２８の状態および寿命を監視することができる。センシング素子は、熱状態を監視して、パルス動作（熱の上昇の問題を抑えるため）を開始するために、または所与の放出器アレイが障害を起こし、データの完全性を保証するために予防措置を開始していることを示す信号として、実施され得る。集束アレイは厚い基板として形成されるので、放出器基板１８および媒体基板２２の電位差による引力が低減される。厚い基板は、５〜１０μｍの最小誘電体厚を有する基板のことを指す。誘電体厚は、その最小値から数百マイクロメートルまでの範囲を有することができる。好ましい例は、厚みが２００、４７５または６２５μｍの一般的なシリコンウェーハである。さらに、集束アレイ基板表面上にシールド２５を効果的に配置して、放出器基板２０上のシールド層の電位と、それが面している表面の電位とを一致させることにより、引下げ力をなくすことができる。シールド２５（図１を参照）および誘電体はいずれも、引下げを低減するための電圧障壁としての役割を果たす。シールドが最も有効であろう。ここで、集束アレイのいくつかの好ましい実施形態について検討する。
【００２５】
　図５は、集束アレイ基板２０の集束用柱状体２４の簡単な一実施形態を示す。図５の構造は単一のレンズ構造であり、レンズ自体がアパーチャとして機能する。ウェーハ、たとえばシリコンまたはガラスウェーハ３４がエッチングされて貫通され、穴３６が形成される。電極３８が静電レンズを形成し、そのレンズは、ターゲット媒体２２上にスポットを生成する細いビーム３９へと放出電子を集束するための電界を生成する。電極３８に適した材料は、屈折性金属および導電性セラミックを含む。図１〜図４の実施形態では、ターゲット媒体２２と集束用柱状体２４との間の相対的な移動および位置決めに起因して、ターゲット媒体上に、各集束用柱状体２４に対して１つの集束領域が存在する。図５には集束用柱状体２４だけが示されるが、当業者は、シリコンウェーハ３４または他の適切な基板によって、他の素子および回路を集積化するための土台が提供されることは理解されよう。図５では、電極３８内に画定された開口部は、集束用柱状体２４と同じ幅を有するアパーチャとしても機能する。図６には動作上の変形形態が示されており、電極３８は、電極にバイアスがかけられないときに、単に幅が狭いアパーチャを形成する。
【００２６】
　ここで図７Ａを参照すると、３つのセクションＩ、ＩＩ、およびＩＩＩを含むような代替の好ましい集束アレイ構造が示されており、セクションＩは放出器基板１８に最も近く、セクションＩＩは媒体２２に最も近く、セクションＩＩＩは集束用柱状体アレイ基板２０の中央部にある。図７Ａの実施形態の全体構造は図３に基づいており、同じ参照番号を用いている。３つの別個のセクションを指定することに関するこの規則は、好ましい実施形態を制限するものとしてではなく、集束アレイ基板２０のためのいくつかの好ましいレンズ構造を例示するための助けとして採用されている。種々のセクションに関する機能は、特定の用途に適合するように調整され得る。図７Ｂ〜図７Ｅは、概して図７Ａの構造を用いて特定の応用形態に適合させることにより達成され得る、いくつかの好ましい例示的な集束機能を示す。図７Ｂおよび図７Ｃは、それぞれ１つまたは２つのレンズを有する、交差しない方式を示す。図７Ｄは、２つのレンズを有する、交差する方式を示す。最後に、図７Ｅは３つのレンズを有する、複数回交差する方式を示す。図７Ｅの構造は、図７Ａの構造による多数の集束アレイ構造によって実現され得る。
【００２７】
　図８は、２つ以上の集束アレイ基板２０を組み込み、図７Ａに示されるような３つ全てのセクションを利用するための好ましい構造を示す。この概略図を用いて、多数の集束アレイ基板２０の実現可能な利用および各集束用柱状体内の集束要素の様々な組み合わせの用途を例示する。
【００２８】
　放出器基板１８は放出器２８を含み、放出器２８はフラット放出器または先端構造放出器から構成することができ、放出器のアレイまたは単に大面積のタイプの放出器から構成することもできる。放出器２８から放出される電子は、最初の電極４２によって予備的に集束される。最初の電極４２は、負のバイアスをかけられ（それにより、ターゲット媒体２２と放出器基板１８との間の相互作用を低減し、かつ集束能力を提供する）、最初の集束レンズとして用いられることが好ましい。交差領域４４では、アパーチャ４６がビームからの発散または漂遊電子を排除する。電極４２とアパーチャ４６との間、およびアパーチャ４６と第２の（出口）電極５０との間には誘電体材料４８が用いられ、２つの材料が短絡するのを防ぐとともに、静電的に相互作用するのを防ぐ。そのビームは、第２の電極５０によって第２の集束用柱状体内へ集束される。
【００２９】
　図８のアレイは、少なくとも２つの態様のうちの１つにおいて実施され得る。第１の実施形態は、図７Ａに示されるような領域Ｉによって画定されるような第１の集束用柱状体と、図７Ａの領域ＩＩか、または領域ＩＩＩになるように画定される第２の集束用柱状体とから構成される。この場合、必要とされる基板は１つだけであり、その上に集束アレイ基板が形成される。第２の実施形態は、１つのウェーハとしての第１の集束用柱状体から構成され、電極４２が領域Ｉにあり、アパーチャ４６が領域ＩＩにあり、出口電極５０が領域ＩＩＩにある。その後、これが、第１のウェーハと類似した第２のウェーハに結合される。第２のウェーハの配置が図８に示される。この構造からの多くの逸脱は明らかであり、この例示が別個の集束レンズ構造で実施され得る多くの実現可能な構造の代表的なものにすぎないことは明らかであろう。
【００３０】
　図８に既に与えられている説明の逸脱を表すいくつかの例を示すために、以下のことを想定することができる。すなわち、電極４２が、レンズシステムを流れる電子を制御するための消去機構として使用され得るか、または電極５０が、図９に示されるシステムのようなレンズシステムを用いることにより、方向制御のために使用され得る。ここで認識すべきことは、本発明が多数の集束技術を用いて、高度にコリメートされ、集束された放出電子を、ターゲット媒体２２上の所望の領域に対して制御された態様で生成できることである。
【００３１】
　好ましい実施形態の任意の電極層を用いて電位パターンを生成するために、方向集束、たとえばビーム方向制御を利用することができる。好ましい例の電極パターンが図９に示される。集束用柱状体の周りにある電極層が、４つの別個の電極Ｖ１〜Ｖ４を含むものとして図９に示される。電極またはレンズの数は４、６、または８にすることができる。使用される電極の数を増やすと、実現できるビーム制御の精度が高くなることは明らかであろう。電極／レンズの相対的な電圧は、生成され集束されたビームの集束点を調整するために、またはビームと関連付けられ得る任意の非点収差を補正するようにビームを調整するために変更され得る。この効果を制御しながら用いることは、集束アレイ基板２０とターゲット媒体２２との間の相対的な移動の制限された範囲に追加することができるか、またはその制限された範囲の代わりとして機能することができる。電極パターンは、好ましい実施形態の任意の集束アレイ構造とともに用いることができる。
【００３２】
　好ましいメモリ素子が図１０Ａおよび図１０Ｂに示される。その実施形態は概して図４の集束アレイ構造を有する。そのメモリ素子は、放出器基板６２上に複数の集積された放出器６０を含む。この例示的な実施形態では、１つの大きな電界放出器または複数のより小型の集積された放出器６０を含む集積回路（ＩＣ）６２が、ボンド６４によって、集束用柱状体６８を有する集束アレイ基板６６に結合される。各集束用柱状体６８は、記録表面、すなわち媒体７２に影響を及ぼすために用いられる集束されたビーム７０を制御可能に放出することができる。媒体７２は、集束アレイ基板６６の集束用柱状体６８に対して媒体７２を位置決めするムーバ７４に付着される。ムーバ７４には、リーダ回路７６が一体化されていることが好ましい。リーダ７６は、媒体７２への第１のオーミックコンタクト８０と、ムーバ７４、好ましくは半導体または導体基板への第２のオーミックコンタクト８２とを形成する増幅器７８として示される。ムーバ７４は、ステータ基板８３と相互作用するロータ基板であり、ステータ基板８３は、ステータ８３に対してムーバ基板７４を位置決めするための対向する（ムーバ基板７４上の対応する電極に対する）電極を含む。集束されたビーム７０が媒体７２に衝突するとき、集束されたビームの電流密度が十分に高い場合には、媒体７２は相変化を生じ、影響を受けた媒体領域８４が形成される。電流密度の小さい集束されたビーム７０が媒体７２の表面に加えられるとき、増幅器７８によって異なる量の電流が検出され、リーダ出力が生成される。こうして、放出器６０からのエネルギーで媒体７２に影響を及ぼすことにより、媒体の構造的に相変化する特性を用いて、媒体に情報が格納される。例示的な相変化材料はＩｎ２Ｓｅ３である。好ましいリソグラフィ装置は、図１０Ａの場合と同じ全体構造を有するが、リーダ回路が省略され、相変化材料の代わりに、リソグラフィパターニング用に準備された１つまたは複数のウェーハが用いられる。
【００３３】
　図１１は代替の好ましい集束アレイ６６を示しており、それは、集束アレイ６６が媒体７２の代わりに移動することができる一実施形態を構成するために図１０Ａにおいて使用され得る。柱状体６８が放出器アレイ６０上に位置合わせされる。放出器６０およびターゲット媒体に関する位置合わせは、ムーバ７４によって達成される。この同じ基本構成は、たとえば電子ビームリソグラフィおよびディスプレイの場合も有効である。放出器アレイ６０、集束アレイ６６、および媒体７２のサイズは、応用形態によってのみ制限される。単一の集束アレイ６６を、単一のウェーハまたはその一部の上で位置合わせすることができる。例示的な２集束アレイ６６は、ターゲットとなる媒体ウェーハ７２上で位置決めされ得る。
【００３４】
　図１２は、本発明の好ましいデュアル集束アレイ放出器素子の概略的な断面図である。２つの集束アレイ２０がボンド２６を介して互いに、かつ放出器チップ１８に結合される。マイクロムーバ７４が、ターゲット媒体２２に対する放出器チップ／集束アレイ構造の相対的な動きを生成することができる。集束アレイチップ２０は、図８のデュアルレンズ構成を有することができる。代案として、たとえば限定はしないが、コリメーション、集束、消去、選択、変調、ビーム方向制御、ビーム制限（たとえばアパーチャによる）、および／または信号検出を含む磁気的および静電的機能からなる任意の構成が実現可能である。図１２の構造は一般的に、先に述べたディスプレイ、メモリおよびリソグラフィ装置を含む任意のタイプの素子に適用することができる。図１２の構造は、図３および図４の実施形態の変形を表す。集束アレイ２０は、ボンド２６で互いに結合され、放出器チップ１８にも結合される。この場合、放出器チップ１８および集束アレイはともにロータを形成し、ターゲット媒体２２がステータを形成する。マイクロムーバ７４は放出器チップに付着され、ばね２３ｂが、たとえば放出器チップ１８の背面を通って一体化される。
【００３５】
　図１３は、例示的なリソグラフィ構成を示しており、複数の結合された放出器チップおよび集束アレイが電子ビーム発生器アレイ８０を形成し、ウェーハ８２がターゲット媒体として機能する。各電子ビーム発生器アレイ８０は、その上に、ウェーハ８２の正確な領域上にビームのアレイを位置決めするためのマイクロムーバまたはナノマニピュレータを有する。したがって、ウェーハ８２をアレイ８０の下に位置決めすることができ、いくつかのパターンが書き込まれることが可能になる。代替の実施形態は、その下にある全部で６個（またはそれより多い）のウェーハを処理するために、放出器アレイをそれぞれウェーハ全体と同じ大きさのものとして機能するのに十分な大きさに形成することである。別の例は、共通の動きを有する多数のアレイを用いて、多数のウェーハを並列に処理し、各ウェーハに同じパターンを書き込むことである。
【００３６】
　図１４Ａ〜図１４Ｃは、例示的なディスプレイ装置を示す。図１４Ａを参照すると、表示生成電子ビーム８４が、本発明の放出器素子８６によって生成される。放出器素子８６はたとえば、複数の結合された放出器チップと集束アレイチップとを含む。個々の電子ビームは、放出器素子８６において具現化される各集束用柱状体から選択的に放射される。電子ビーム８４は、放出器素子８６内の各集束アレイの柱状体によって個別に変調され、表示媒体８８に衝突することができる。表示媒体８８は種々のカラー表示媒体、たとえば有色の燐光物質の画素９０を含むことができる。各電子ビームの移動範囲内には複数の画素が含まれており、各電子ビーム８４が、表示媒体８８上の動作範囲内にある種々の色のうちの１つに衝突できることを可能にする。これは、所望の色の視認可能な画像を生成する。その際、各集束アレイの柱状体は個々にアドレス指定され、必要な画像を表示することができる。このプロセスは個々にアドレス指定される放出器を用いるので、表示の更新は非常に迅速である。
【００３７】
　ディスプレイの実施形態において個々の電子ビームの移動範囲は、小さくすることができ、ビームの動きをビーム方向制御方法に制限することにより速度を速めることができる。さらに、ディスプレイにおいて可動部品を避けることが有利である。図１４Ｂおよび図１４Ｃは、マイクロムーバまたはナノマニピュレータを使用せずに、各電子ビーム８４に対して、ある範囲の位置を達成するための好ましい構造を示す。
【００３８】
　図１４Ｂでは、２つの集束アレイ２０が互いに対して、放出器チップ１８に対して、および表示媒体８８に対してボンド２６によって結合される。表示媒体８８に最も近い集束アレイ２０は、アレイ内の各集束用柱状体２４が、ビームの方向性制御を達成するために図９に従って多数の電極レンズ、言い換えると、ビーム方向制御を有するように構成されることが好ましい。これは図９に関連して説明されている。図１４Ｃに示される好ましい実施形態では、各集束用柱状体２４は８個の電極９０を含む。集束用柱状体２４の周りにある電極９０に対して種々の電圧を印加することにより、電子ビームの方向が変更される。電圧状態のバランスをとることにより、ビームが集束用柱状体２４の中央から放出されることが好ましい。ビームの位置の変化、およびその結果的な表示作用は、集束用柱状体の周りにある電極の電圧の変化と同じように迅速である。放出器２８のパルス動作は表示速度を設定することができる。表示媒体から最も離れた集束アレイによって用いられる消去作用は、特定の画素を迅速にオンまたはオフするために使用され得る。ビームの変調または方向性制御も、ある特定の表示画素の輝度を変更するために使用され得る。当業者は、全範囲の他の効果が同様に可能となることは理解されよう。
【００３９】
　図１５は、本発明の好ましい実施形態の形成方法を示す。上記の種々の装置および構造に関して説明された概念および利点は、その方法にも当てはまる。概して、本発明の形成方法は、集束アレイと放出器とを別々に形成し、その後、２つの要素を配列することを含む。これは、デリケートな放出器表面上での処理を減らす。図１５を参照すると、本発明の方法のある特定の実施形態が、第１の基板上に１つまたは複数の放出器を形成することから開始する（ステップ１００）。その後、１つまたは複数の集束用柱状体を含む集束アレイが第２の基板上に形成される（ステップ１０２）。ターゲット媒体は第３の基板上に形成されることが好ましい（ステップ１０４）。別々に形成した後に、放出器基板、集束アレイ基板および媒体基板は、たとえば、集束アレイが集束用柱状体を通して１つまたは複数の放出器からの放出電子をターゲット媒体上に集束するように結合することにより、構成される（ステップ１０６）。
【００４０】
　本発明の特定の実施形態を図示および説明してきたが、他の変更形態、置換形態および代替形態が当業者には明らかであることは理解されるべきである。そのような変更、置換および代替は、添付の特許請求の範囲から決定されることになる本発明の思想および範囲から逸脱することなく行われ得る。
【００４１】
　本発明の種々の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】好ましい実施形態の放出器素子を示す図である。
【図２】好ましい実施形態の放出器素子を示す図である。
【図３】好ましい実施形態の放出器素子を示す図である。
【図４】好ましい実施形態の放出器素子を示す図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態の放出器素子内における集束アレイのための単一レンズ構造を示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態の放出器素子内における集束アレイのための単一レンズおよびアパーチャ構造を示す図である。
【図７Ａ】代替の好ましい実施形態の集束アレイ構造を構成するための全体的なフレーム構造を示す図である。
【図７Ｂ】代替の実施形態の集束アレイ構造の例示的な集束機構を示す概略図である。
【図７Ｃ】代替の実施形態の集束アレイ構造の例示的な集束機構を示す概略図である。
【図７Ｄ】代替の実施形態の集束アレイ構造の例示的な集束機構を示す概略図である。
【図７Ｅ】代替の実施形態の集束アレイ構造の例示的な集束機構を示す概略図である。
【図８】好ましい一実施形態のレンズおよびデュアルアパーチャ集束アレイ構造を示す図である。
【図９】ビーム方向制御のための好ましい一実施形態の電極レンズ構造を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の好ましい一実施形態のメモリ素子を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の好ましい一実施形態のメモリ素子を示す図である。
【図１１】好ましい一実施形態の集束アレイおよびマイクロムーバの概略的な平面図である。
【図１２】本発明の好ましい実施形態のデュアル集束アレイ放出器素子の概略的な断面図である。
【図１３】本発明の好ましい一実施形態のリソグラフィ装置の概略図である。
【図１４Ａ】本発明の好ましい一実施形態のディスプレイ装置の概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａのディスプレイ装置のために利用することができる、好ましい一実施形態のデュアル集束アレイ素子構造の概略的な断面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａのディスプレイ装置のために利用することができる、好ましい実施形態のビーム移動制御のための好ましい集束アレイの概略的な平面図である。
【図１５】放出器素子を形成する好ましい一実施形態の方法を示す流れ図である。
【符合の説明】
【００４３】
10　放出器素子
20　静電集束アレイ
22　ターゲット媒体
24　集束用柱状体
28　放出器
72　メモリ媒体
82　ウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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