(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子エミッタを形成する方法であって、
タングステンを含むエミッタを提供する第１のステップと、
チップの末端半径が０．４μｍ未満で円錐角が１５度未満となるように、前記エミッタ上に前記チップを電気化学的にエッチングする第２のステップと、
前記チップから離れた前記エミッタの一部分にジルコニウム酸化物を含む材料を堆積する第３のステップと、
前記エミッタを、前記ジルコニウム酸化物が前記チップから離れた前記エミッタの部分から前記チップに拡散するには十分で、しかし放射特性が大きく悪化する程前記チップの形状を変化させるには十分でないように加熱する第４のステップと、
前記第２のステップと前記第３のステップの間および前記第４のステップの後の少なくとも一方において、仕事関数における不安定性を取り除くために、酸素を含む高真空下で、幾何形状の変化を低減あるいは回避可能な温度、時間で前記エミッタを加熱する第５のステップとを含み、
前記エミッタ上の前記チップを電気化学的にエッチングし、前記エミッタを十分加熱して前記ジルコニウム酸化物を拡散し、７５０μＡ未満の全放射電流を用いて１．５ｍＡ／ｓｒ以上の高角強度を生成する前記エミッタを製造する方法。
【請求項２】
前記第１のステップから前記第５のステップのそれぞれを実施することが、７５０μＡ未満の全放射電流を用いて３ｍＡ／ｓｒ以上の高角強度を生成する前記エミッタを製造することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のステップから前記第５のステップのそれぞれを実施することが、６５０μＡ未満の全放射電流を用いて１．５ｍＡ／ｓｒ以上の高角強度を生成可能な前記エミッタを製造することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のステップが、直流を用いて、０．３μｍ未満の末端半径および１５度未満の円錐角を有する前記チップを電子エッチングすることを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のステップが、直流を用いて、０．２μｍ未満の末端半径および１０度未満の円錐角を有する前記チップを電子エッチングすることを含む請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第４のステップにおいて前記エミッタを加熱することが、前記エミッタを１，４００Ｋ以上の温度で３時間未満の間加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第４のステップにおいて前記エミッタを十分加熱して前記ジルコニウム酸化物を拡散させることが、真空中で抽出電圧を印加して前記エミッタを加熱することを含む請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記第５のステップが前記第２のステップと前記第３のステップの間に行われる場合に、前記第５のステップにおいて前記酸素を含む高真空雰囲気で前記エミッタを加熱することが、１，０００Ｋ〜１，９００Ｋの温度で前記エミッタを加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第５のステップにおいて前記酸素を含む高真空雰囲気で前記エミッタを加熱することが、２時間未満前記エミッタを加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子エミッタの分野に関し、詳細には高透過率を有するショットキ電子エミッタとその形成方法および電子ビームシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
集束させた電子ビームは、微小形態の観察または加工のために多くの用途で使用される。電子は電子ソースから放射され、次いで、光に使用される光学素子と似ているが、湾曲したガラス面の代わりに電界あるいは磁界を使用する電子光学素子によってビームの形に形成される。ビーム中の電子は加工物に衝突し、衝突点の加工物内で電荷を誘発する。ビームはまた、衝突点で加工物から二次電子を放射させ、二次電子を集めて加工物の像を形成するのに使用される。
【０００３】
特定の点を毎秒通過するビーム中の電子数をビーム電流と呼ぶ。集束した電子ビーム（ｅビーム）には、ｅビーム・リトグラフおよび欠陥検出など、ある種の用途があり、これには非常に高いビーム電流が望ましい。高ビーム電流はスループット、即ち所定の時間内に加工できる加工物数の顕著な増加をもたらす。加工物数が大きく増加することは現行世代のｅビーム工具にとって望ましく、この増加は次世代の電子ビーム工具に必要なことであろう。
【０００４】
理想的な高電流電子ソースは、全てほぼ等しいエネルギーを有する多数の電子を光学軸の周りに小さな円錐角で放射するものである。理想的なソースからの電子の数、角度、およびエネルギーは長期間にわたって安定に保たれる。しかし現実の電子ソースは光学軸に対して様々な角度で電子を放射する。電子光学では、光学軸の周りの小さな円錐内にビーム状に放射された電子のみをビーム電子に集束することができ、従って放射された電子の全てがビームの部分とはならない。ビーム状に透過しない電子は有用とならないままシステムの電力消費に加算される。エミッタによって生成された全電子流に対するビーム電子流の比をエミッタの「透過率」と呼び、通常数千分の１である。
【０００５】
透過率は電子放射をビーム軸の回りの小さな立体角に集中させることによって向上させることができる。通常、ソースからの電子の角集中の測定は、立体角当たり毎秒放射される電子数で定義される角強度Ｉが用いられ、通常ステラジアン当たりのミリアンペア（ｍＡ／ｓｒ）で測定される。従って角強度は放射された電子数を表すだけではなく、電子の角濃度も表す。
【０００６】
現在、微細焦点に使用される最も普通の高角強度電子ソースはショットキ・エミッタである。ショットキ・エッミッタは通常ジルコニウムおよび酸素で被覆されたタングステンからなるエミッタ・チップから電子を放射する。ジルコニウムおよび酸素はエミッタ・チップ表面から電子を抽出するのに必要な「仕事関数」と呼ばれるエネルギー量を減少させる。電子を抽出するエネルギーは、一部はチップを加熱する電子流によって与えられ、および一部は、加熱されたチップから電子を引き出す追加のエネルギーを与える抽出電界（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ）と呼ばれる電界によって与えられる。ショットキ・エッミタはエネルギーの分散が小さく、安定性が高く、ノイズが少なく、長寿命である。現代の市場のシステムにおける従来のショットキ・エッミタは最大角強度１．０ｍＡ／ｓｒで作動する。
【０００７】
図１に示したように、現代のショットキ・エミッタ・ソースの角強度は放射電子の数を増加することによって、例えば抽出電界を増加することによって増加することができ、放射電子の数は指数関数的に増加する。しかし、図２に示したように、抽出電界が増加するにつれて透過率は減少する。図１と図２は共に、抽出電界の増加はより多くの放射電子をもたらすが、これらの追加電子の割合が減少するのは実際には中央の電子ビームにおいてであることを示している。従って、角強度の増加は効率の低下という損失を招く。
【０００８】
全放射電流は、それがエミッタの実際に作動できる最大角強度を制限するので、信頼性のあるエミッタで実際に得られる最大角強度を決定付ける。ソースによって発生する出力は指数関数的に増加する放射電流に抽出電圧を乗じたものと等しいので、発生する出力は全放射電流とともに指数関数的に増加する。過剰の電流および／または出力は、電子カラムの性能と安定性に有害な効果を与えるので、全放射電流は７５０μＡ以下であることが好ましい。従って、高角強度で運転するには高透過率であることが必要である。
【０００９】
旧来からショットキ・エミッタ（ほぼ同じ円錐角の）の透過率を増加する方法はエミッタ・チップの半径を増やすことである。図３はエミッタ・チップの半径に対する透過率のグラフである。図３は約１．１μｍの半径を用いることによって透過率を最大にできることを示している。透過率が約１．１μｍでピークに達するので従来のショットキ・エミッタの半径を増加または減少させても透過率をさらに増加することはできない。従って、従来のショットキ・エミッタ・ソースは半径を最適化しても全角強度は約１．４ｍＡ／ｓｒ未満に制限される。
【００１０】
現在、市場には入手可能な高透過率のＺｒ／Ｏ／Ｗショットキ・エミッタがある。これらの高透過率ソースは従来のショットキ・エミッタと類似しているが、チップの形状およびおそらくＺｒ／Ｏ被覆が異なる。Ｚｒ／Ｏ被覆の相違は確定することは難しいが仕事関数に影響を及ぼす。従来のショットキ・エミッタ・チップは図４Ａに示すように、通常交流を用いた電気化学的なエッチングで製造され、半径０．３μｍ〜２．０μｍ、円錐角１７〜２５度のエミッタ・チップを形成する（例えば、特許文献１、２参照。）。これらの文献では、従来のショットキ・エミッタを製造するプロセスが記載されている。
【００１１】
通常市場で入手可能な高透過率ソースは末端半径０．５μｍ未満、円錐角１１〜２０度で、直流電気化学的エッチングの形状の特徴を有している。長く狭い円錐角と小さな半径の組み合わせは、所定の抽出電圧およびチップ幾何形状で、従来のショットキ・エミッタ・ソースよりもエミッタ・チップにおける高い電界強度とより小さな放射面積をもたらす。局在化した高電界および小さな放射面積によって、これらのエミッタは従来のショットキ・エミッタ・ソースよりも数倍大きな透過率で作動するようになる。市場で入手可能ないくつかのエミッタは、６００μＡ未満の全電流で角強度８．０ｍＡ／ｓｒまで可能としているが、使用者は市場で入手可能なソースをその製造者が主張する全電流で使用してこの高い角強度を発生させることはできなかった。
【００１２】
さらに、市場で入手可能な高角強度エミッタはその放射特性が極度に不安定であることが判明している。極度な不安定性によって、通常これらのエミッタは高透過率ではなく、従来のショットキ・エミッタ・ソースと同様な透過率で作動する。高透過率を有するエミッタでさえ、ビーム電流および／または全電流の変動、時間単位での短期間の電流の不安定性、日単位での長期間の電流の変化、角放射分布の非対称性を含むしばしば他の問題を抱えている。透過率の顕著な不安定さは、高透過率を有するとされるエミッタの顕著なそして頻発する性能上の問題とともに、現在入手可能な市場の高「Ｉ」エミッタを市場の集束ｅビーム・システムに使用することを非現実的なものにしている。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第５，４４９，９６８号明細書（第５−９頁、図１−５）
【特許文献２】
特開平６−７６７３１号公報（第３−７頁、図１−５）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、正確に製造したチップ形状および適切な仕事関数を有する電子ソースを製造する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、正確に製造したチップ形状および適切な仕事関数を有する電子エミッタを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、正確に製造したチップ形状および適切な仕事関数を有する電子エミッタを使用する電子ビーム・システムを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は電子ソースを製造する方法、それによって製造した電子ソース、そのソースを使用する電子ビーム装置、それによって製造した電子ソース、およびそのソースを使用する電子ビーム装置を製造する方法を提供する。出願人は従来技術の電子ソースの問題の原因が、しばしばエミッタ・チップ表面の仕事関数を低下させるための製造ステップ中に生じる、不安定なエミッタ幾何形状および仕事関数であることを見出した。所望の幾何形状特性を有するチップを製造するチップ成形プロセス、およびチップ幾何形状を悪化させないで仕事関数を低下させるステップを用いることによって、出願人は改善された電子ソースを製造する。
【００１７】
好ましい実施形態では、出願人は、チップを電子エッチングすること、エミッタ上に仕事関数を下げる材料を堆積すること、次いでエミッタ・チップ上に仕事関数を下げる材料を拡散することによって所望のエミッタ・チップ幾何形状を製造する。従来技術では、堆積した材料が仕事関数を下げる材料として働く前に、化学的な変化を誘導するための長期加熱サイクルが必要であった。好ましい実施形態では、堆積された材料は、主としてそれをエミッタ・チップに拡散させるために、しかし主として化学変化を発しないように加熱し、それによって加熱ステップの期間および／または温度、したがってエミッタ・チップの幾何形状の変化を減少させる。エミッタ・チップに印加する電界とともに任意選択的に拡散ステップを実施し、電界は加熱期間中のチップ幾何形状の変形をさらに少なくする。
【００１８】
前述するところでは、以下の発明の詳細な説明がより良く理解されるように、本発明の特徴と技術的な利点をむしろ広範囲に概説した。本発明のさらなる特徴と技術的な利点は以下に説明する。当業者であれば開示された概念および特定の実施形態が、本発明の同じ目的を実施するために他の構造を変更しまたは設計する基盤として容易に使用できることを認識するはずである。また、当業者であればそのような同等の構造が付随する請求範囲に記載された発明の精神および範囲から逸脱しないことを認識するはずである。
【００１９】
本発明およびその利点を完全に理解するために、以下の説明に、付属の図面に関する参照を加える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
出願人は高電流電子エミッタに関する多くの問題がエミッタ・チップの不安定な形状および仕事関数から発生していることを見出した。出願人は、市場で入手可能なエミッタ・チップは半径、対称性、形状、円錐角において大きく変動していることを見出した。図５Ａ〜図５Ｄは市場で入手可能な高角強度エミッタのサンプリング中に見つけた変形品を拡大して示す顕微鏡写真である。従来のショットキ・エミッタと異なり、これらの高角強度エミッタのチップは円形から針状のものまで変化している。それぞれの異なる末端形状は放射特性が大きく異なる。
【００２１】
場合によっては、類似した末端形状を有するエミッタでさえ大きく異なる放射特性を示す。出願人はこれらの変化が、おそらく不安定なＺｒ／Ｏ被覆による、またおそらくチップの幾何形状による仕事関数の相違に起因するものであるとしている。これらの不安定さは、エミッタ毎に不安定な性能を招き、また性能を最高にするための形状および／または半径を最適化する試みを阻害する。
【００２２】
出願人は、形状の不安定さの主な原因として、従来のショットキ・エミッタの製造プロセスが小さな半径、即ち約０．３０μｍ未満、および小さな円錐角、即ち約１０度未満のエミッタを製造するのが難しいことにあると認めている。従来のショットキ・エミッタ・ソースは通常ＺｒＨまたは純粋なＺｒの貯蔵器をエミッタのシャンクまたはフィラメント頂点に加えることによって作られる。ＺｒＨを用いる場合、エミッタを真空中で加熱することによって先ずＺｒに還元する。次いでエミッタを酸素の分圧下で長時間加熱して貯蔵器内にＺｒ酸化物を形成し、同時にＺｒはエミッタ表面に拡散してチップを被覆する。例えば、Ｔｅｒｕｉ等の米国特許第５，４４９，９６８号はエミッタを酸素分圧１×１０-7Ｔｏｒｒで２０時間１，２００℃〜１，５００℃に加熱することを記載している。或る従来のプロセスではエミッタを４０時間加熱する。Ｔｅｒｕｉ等はまた、一実施形態の中でＺｒＯ2をＺｒＨに加えることを述べているが、残留ジルコニウムを酸化するためにやはり高温で長期の過熱サイクルを用いている。
【００２３】
酸素に高温で長期間露出する間に、基板材料がチップ領域にかなりバルク拡散する。バルク拡散はチップの形状を大きく変化させる。従来の交流エッチングした、円錐角１７〜２５度、半径０．３μｍ〜１．０μｍを有するショットキ・エミッタはネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）および半径の或る程度の減少の双方が観察される。しかし、長く狭い円錐角および小さな半径を有するエッチングされたエミッタ・チップは、チップの材料の量が極めて少ないので形状の変化は通常もっと顕著である。図６Ａ〜６Ｆは狭い円錐角と小半径を有するエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間にネッキングによって変形する順序を示す。極端な場合には、ネックの領域がエミッタのチップを支持するにはあまりにも小さくなってチップが破壊し（図６Ｅに示す）、しばしば鋭い不規則な形状のチップになる（図６Ｆ）。変形が図６Ｂおよび図６Ｃに示される形状までしか進行しない、あまり極端ではない場合でも、チップの形状および円錐角は出発形状から大きく変化する。移動する材料の量およびマイグレーション速度は予測できず、またチップの出発形状、チップの温度、加工中のＯ2 分圧に極めて敏感である。
【００２４】
ショットキ・エミッタを作る従来の方法では、エミッタはエミッタの末端に平坦で四角いスポットを形成する「ファセット」プロセスを受け、電子を放射する（１００）結晶面が露出する。エミッタは蛍光スクリーン上に表示すると四角い放射パターンを呈する。エミッタ末端の平坦なスポットはソースからの均一で安定した放射に貢献し、放射が光学軸に沿うことを確実にする。市場で入手可能な従来技術の高角強度ソースに見られるさらなる問題はエミッタ末端がチップ上に常に安定して平坦な（１００）ファセットを形成しないことである。或る高角強度放射チップは平坦なスポットを形成し、他は丸い末端形状を保持する。四角く平坦なファセットがないと、光学軸上に沿わない、従って中心ビーム内に取り込まれないかなりの電子放射を招く。
【００２５】
上述のように、エミッタを作る従来の方法は第１に所望の形状のエミッタを形成し、次いで形成したエミッタを加工してその仕事関数を下げることを含む。仕事関数を下げるプロセスは、通常エミッタをやや高い酸素分圧中で長時間高温に維持することを必要とし、これはエミッタの形状をその放射特性が予測できないほど低下するように変化させる。長期の加熱サイクルは貯蔵器中のジルコニウムを真空チャンバ内でガス状酸素と化学的に結合させるために必要である。エミッタはそれが酸素と結合しない限りチップの低仕事関数を形成しないだろう。
【００２６】
本発明はチップ幾何形状への仕事関数を下げるプロセスの影響を実質上取り除くのでチップは所望の形状を維持することができる。発明の好ましい発明の実施形態によれば、ＺｒＯ2の貯蔵器はシャンク・エミッタへスラリーの形で適用される。エミッタは次いで真空中で加熱され、ＺｒおよびＯがチップに拡散して数時間以下で低仕事関数の表面を形成する。電気エッチング法を用いてエミッタを形成した後、従来のプロセスの酸素暴露ステップで起きたネッキングと形状変化は本発明のプロセスを用いると発生しないことが判った。
【００２７】
図７Ａは本発明によって作った典型的なショットキ・エミッタ（電子エミッタ）７１０を示す。図７Ｂは図７Ａの一部の詳細図である。ショットキ・エミッタ７１０は従来の方法で作ったエミッタと同じように見えるが、チップの幾何形状はより正確であり、エミッタ毎に一定である。ショットキ・エミッタ７１０はジルコニウムおよび酸素でコーティングされた単結晶のタングステン・エミッタ７１２、エミッタ７１２を支持し加熱するフィラメント７１４、エミッタ７１２の側面からの放射を減少させるサプレッサ・キャップ７１６、フィラメントを加熱する電流を供給し放射される電子を供給する電極７２０、および電極を保持しサプレッサ・キャップ７１６を支持する絶縁体７２２を含む。ポンピング穴７２４（１個を示す）はショットキ・エミッタの周囲領域内からのガス排出を容易にする。図７Ｂは、エミッタ７１０がエミッタ・チップ７３０、およびジルコニウムと酸素が気化によってエミッタ・チップ７３０が失われるので、それらの元素を再供給するジルコニウムと酸素の貯蔵器７３２を含むことを示している。ソースを駆動するにはエミッタを通常１８００Ｋの高温に加熱するために十分な電流をフィラメントに加え、次いで真空中でエミッタに高電界を加えて電子の放射を起こさせる。本発明の一実施形態によって製造した高透過率ショットキ・エミッタは、全電流７５０μＡ未満で３ｍＡ／ｓｒ以上の高角強度で、より好ましくは全電流６５０μＡ未満で２ｍＡ／ｓｒ〜６ｍＡ／ｓｒの高角強度で作動するであろう。本発明の一実施形態によって製造した他の高透過率ショットキ・エミッタは、通常全電流７５０μＡ未満、より好ましくは全電流６５０μＡ未満で１ｍＡ／ｓｒまたは１．５ｍＡ／ｓｒの高角強度で作動するであろう。本発明は特定のより高い角強度の値には制限されない。
【００２８】
図８は本発明を実施してショットキ・エミッタを製造する好ましい方法のステップを示すフロー図である。ステップ８１０では単結晶Ｗ＜１００＞タングステン・エミッタを、好ましくはやはりタングステンのフィラメントに加熱および支持のために搭載（提供）する。このチップは、仕事関数を下げる材料で被覆したときに、１．０ｍＡ／ｓｒ以上の角強度を生成するために十分小さな半径を有する必要がある。ステップ８１２では、エミッタの末端を好ましくは直流エッチング法を用いて電気化学的にエッチングし、半径０．４μｍ未満で１５度未満の円錐角、好ましくは半径０．２μｍ未満、および好ましくは１２度未満の円錐角を形成する。別法としてＡ．  Ｊ．  Ｍｅｌｍｅｄ，  ”Ｔｈｅ  Ａｒｔ  ＡｎｄＳｃｉｅｎｃｅ  Ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ａｓｐｅｃｔｓ  Ｏｆ  ＭａｋｉｎｇＳｈａｒｐ  Ｔｉｐｓ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ：  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  Ｖｏｌ．  ９，  Ｉｓｓｕｅ  ２，  ｐｐ．  ６０１−６０８  （１９９１）に教示されている、ループ法またはエミッタ引き上げ法を用いる交流エッチング法がある。この方法によれば、エミッタに対するループの相対位置を調節し、またはエミッタをエッチング中に必要に応じてエッチング液から引き上げて好ましくは０．２μｍ未満の半径、好ましくは１２度未満の円錐角を得る。ステップ８１４ではＺｒＯ2 の小さな貯蔵器をエミッタのシャンク上にスラリーとして堆積する。
【００２９】
ステップ８１６では、エミッタ・シャンクおよびチップを加熱してジルコニウムと酸素を貯蔵器から拡散させ、エミッタ・チップを被覆する。ジルコニウムと酸素の拡散速度はエミッタの温度に依存するため、拡散ステップは比較的低温で長期間行うか、または高温でもっと急速に行うことができる。拡散ステップはエミッタに抽出電圧を印加して実施するのが好ましいが、しかし必ずしも必要ではない。抽出電圧はエミッタ・チップの変形を減少させ、加えた抽出電圧で、拡散プロセス完了の合図を与えるエミッタ電流の特性を観察することができる。エミッタ電流は拡散ステップの始めには非常に低いが、ジルコニウムと酸素がエミッタ・チップに拡散するにつれて増加し、その仕事関数を低下させる。エミッタ電流が比較的高いレベルで安定したとき、拡散ステップが完了する。
【００３０】
拡散ステップ８１６は真空中で、好ましくは１，４００Ｋ以上の高温で、さらに好ましくは約１，６００Ｋ〜約２，０００Ｋで実施する。エミッタは好ましくは約３時間未満、さらに好ましくは２時間未満、最も好ましくは約１時間未満高温に保持する。ジルコニウムと酸素の拡散に必要な時間は温度によって変化する。例えば、拡散は約１，８００Ｋでは約６０分を要する。
【００３１】
ステップ８１６の間にエミッタに印加する好ましい電圧はエミッタ・チップの半径によって変わる。例えば、半径約０．５μｍのエミッタ・チップには通常約４または５キロボルトの電圧が用いられる。半径約１．０μｍのエミッタ・チップには通常約６キロボルトの電圧が用いられる。拡散ステップは、通常エミッタ電流が全電流約６５０ｍＡ未満で、１ｍＡ／ｓｒ〜６ｍＡ／ｓｒの高角強度に安定したときに完了する。ジルコニウムと酸素が拡散し、チップの仕事関数が低下し、電流が増加するときは、印加する電圧はエミッタ電流が過剰になる程高くしてはならない。
【００３２】
ステップ８１６の間エミッタに電圧を印加すれば、仕事関数の低下する点を過ぎてエミッタの加熱を継続することから生じる有害な影響はない。従って、加熱サイクルの正確な期間は、それがジルコニウムと酸素が拡散するのに十分の長さである限り重要ではない。電圧を印加しなくても、拡散ステップはチップの幾何形状が大きく変形するのを回避するために通常十分短くする。特定の温度でのステップ８１６の概略の期間を決定した後、エミッタは決定した期間加熱することができ、加工する各エミッタの電流を監視して仕事関数が低下したときに直ちにプロセスを停止する必要はない。
【００３３】
ステップ８１６は、ジルコニウムを酸化するために酸素雰囲気中でエミッタを加熱する従来技術のステップと対照的である。酸素雰囲気はチップの変形を防止または減少させる高電圧の印加を妨げる。さらに、本発明の拡散ステップは従来技術の方法で要求される酸化ステップよりも短い期間および／または低い温度で実施することができるので、ステップ８１６でのチップの変形が少なくなる。ある期間中に起きる変形は、温度とは非線形に増加するので、１６００Ｋでの長期加熱は１８００Ｋでの同じ加熱期間よりもはるかに変形が少ない。
【００３４】
低仕事関数表面を形成する本発明の方法は、チップ形状を、半径および円錐角を含めて前段のプロセスで形成したまま維持することができる。従って、小さな半径と狭い円錐角が維持される。拡散ステップの期間および温度は、温度と期間の組み合わせが、仕事関数を低下させる材料を拡散してエミッタ・チップを被覆するのに十分であり、放射特性を大きく損なわせる程エミッタ・チップを変形させない限り、重要ではない。
【００３５】
ステップ８１０、８１２、８１４、８１６は、多くの場合、均一に成形された末端と安定した低仕事関数を有するエミッタを製造することが判った。しかし、少数のエミッタはやはり不満足であった。出願人は少数のエミッタは適切な低仕事関数層が形成されなかったために失敗したものと信じている。出願人は２つの追加の任意選択的なステップを単独あるいは一緒に用いて、満足のいく動作を行うエミッタの割合を増やすことができることを見出した。
【００３６】
任意選択的なステップ８３０では、エミッタ・シャンクにＺｒＯ2 を加える前に、少量の酸素を真空チャンバ内に漏洩させて真空チャンバ内の酸素分圧が約１×１０-9Ｔｏｒｒ〜約２×１０-9Ｔｏｒｒになるようにした真空中で、約３０分間〜約１時間、約１，０００Ｋ〜１，９００Ｋまで、好ましくは約１，８００Ｋまでエミッタを加熱する。任意選択的なステップ８３２では、ＺｒＯ2 をエミッタ・シャンクに加えて拡散させた後、通常約１×１０-8Ｔｏｒｒ〜約１×１０-5Ｔｏｒｒの酸素分圧中で約１０分間エミッタ・チップを好ましくは約１７００Ｋまで加熱する。ステップ８３０または８３２のいずれも単独で用いることができ、あるいは両ステップを用いることもできる。
【００３７】
出願人はエミッタの仕事関数における不安定性が、ステップ８３０または８３２のいずれかあるいは両方によって、即ち、ＺｒＯ2 をチップ・シャンクに加える前、もしくはＺｒＯ2 を加えてそれを拡散してチップを被覆した後のいずれかに、少量の酸素を真空チャンバ内に漏洩させ、エミッタ・チップを加熱することによって除くことができることを見出した。
【００３８】
任意選択的なステップ８３０または８３２におけるエミッタ加熱は通常電界を印加することなく実施され、このプロセス・ステップの間にエミッタの形状を変化させることがある。エミッタの幾何形状の変化量は加熱ステップの期間および温度によって変わる。温度を低くするかあるいは時間を短くすることで、幾何形状が大きく変化するのを少なくする、あるいは回避することができる。ステップ８３０および８３２は、低圧の環境、即ち酸素を含んで高真空度の中でどちらも好ましくは２時間未満実施される。ＺｒＯ2 を加える前の約１，８００Ｋでの好ましい加熱期間は約１時間未満であり、より好ましくは約３０分間以下である。ＺｒＯ2 を加えた後の約１，７００Ｋでの好ましい加熱期間は約３０分間未満であり、より好ましくは約１０分間、またはそれ以下である。時間および温度はチップの幾何形状への影響を少なくするために最小にすべきである。異なる時間および温度を用いることができ、当分野の技術者であれば時間と温度を変えて所望の放射特性を得ることができ、また幾何形状の変化を最小にすることができる。ステップ８３０および８３２に起因して起きる可能性のある幾何形状の変化を少なくする、あるいは除きたければ、少しの割合のエミッタが最低の仕事関数を形成しない可能性があるというリスクを負って酸素処理のステップを除くことができ、あるいは、電界を印加して、但しアークを避けるのに十分低い電界を保ってそのステップを実施することができる。
【００３９】
本発明は、小さな半径と長く狭い円錐形の末端形状を提供することができ、なお一方では、仕事関数を低くするプロセスがチップ形状に悪影響を及ぼさないので、仕事関数の低い表面を提供することができる。好ましい実施形態では、ＺｒまたはＺｒＨを使用し、エミッタを高温で長期間酸素に暴露してジルコニウムを酸化する従来の方法の代わりに、ＺｒＯ2 を使用することによってエミッタの仕事関数を下げる。ジルコニウムを酸化する長いプロセスを省き、ＺｒＯ2 の仕事関数低下プロセス・ステップを用いることによって、エッチングしたエミッタの元の小さな半径と狭い円錐形が保たれ、それによって仕事関数低下プロセスの間あらゆる形状変化が少なくなりまたは省かれる。
【００４０】
本発明によって製造したエミッタの仕事関数は、加工温度と期間がＺｒ／Ｏの拡散を完了するのに十分であれば一定している。従って本発明はエミッタの不安定な性能という主な問題を解決し、高角強度ソースを市場の用途に使用することが可能になる。エミッタの形状はエッチング段階で容易に制御可能で、エミッタの形状がエッチング段階から最終段階まで維持されるので、エミッタを所定の用途に向けて最適の性能に成形することができる。また、このプロセスで作ったエミッタがエミッタのチップ上に所望の平坦なファセットを形成するので、本発明は不安定な放射パターンと角分布の問題を解決する。図９Ａおよび図９Ｂは本発明によって作ったエミッタの顕微鏡写真を示す。
【００４１】
本発明は形状形成プロセスを仕事関数形成プロセスから有効に分離する。２つのプロセスは互いに独立しているので、それぞれは独立に制御できる。この独立性によってこれらの重要な各プロセス、およびプロセスとプロセスの最終製品の双方を効果的に最適化する十分な制御が可能になる。
【００４２】
小さな半径およびファセット末端形状を有する狭い円錐角をＺｒＯ2 仕事関数低下方法と結びつけることによって、安定した高いエミッタ透過率が得られる。本発明は現在入手可能な高角強度ショットキ・エミッタ・ソースの不安定なエミッタ性能の問題を少なくし、あるいは取り除く。図１０は上述の好ましい実施形態のショットキ・エミッタでの角強度に関する透過率と放射電流を示す。
【００４３】
図１１は本発明によるエミッタ１３０４を組み込んだｅビーム・リトグラフまたは検査システムなどの電子ビーム・システム１３０２のブロック図を示す。エミッタ１３０４は真空チャンバー１３０８内に保持され、また電子光学カラム１３１４、二次粒子（電子）検出器１３１６、およびターゲット１３２０がチャンバー内に含まれる。コントローラ１３２２はシステム内の要素を制御して電子ビームをターゲット１３２０に向け、検出器１３１６で検出された二次粒子を用いてターゲットを表示器１３２６上に表示する。
【００４４】
本発明は、低仕事関数表面を形成する金属としてジルコニウムを用いて説明したが、ジルコニウムはジルコニウム、ハフニウム、チタン、スカンジウム、イットリウム、バナジウムまたはランタンの各酸化物、またはジルコニウム、チタン、ニオブ、スカンジウム、バナジウムまたはランタンの各窒化物と置き換えることができる。これらの材料はジルコニウムについて上述したのと同じように使用して低仕事関数の表面を形成することができる。
【００４５】
ショットキ・エミッタの他の改良は同時係属共願の２０００年８月１５日出願の米国特許出願０９／６３９，４５１号（発明の名称：長寿命のショットキ・エミッタ（Schottky Emitter Having Extended Life））および２００１年１０月１６日出願の米国特許出願０９／９８１，６６３号（発明の名称：ローパワー・ショットキ・エミッタ（Low Power Schottky Emitter））に記載されており、両方とも本明細書に参照により組み込まれている。これらの改良のどちらか、あるいは両方とも本出願の技術と共に用いることができる。
【００４６】
本発明およびその利点を詳細に説明したが、付随する請求の範囲によって明確にされる発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変形、置き換えおよび変更が可能であることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲は本明細書に述べたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法およびステップの特定の実施形態に制限されることを意図するものではない。当技術分野の通常の技術者であれば、本発明の開示から、現在存在している、あるいは後で開発され実質上同じ機能を示す、あるいは本明細書に記載した対応する実施形態と実質上同じ結果を得るプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを、本発明によって用いることができることを容易に認識するであろう。従って、付随する請求の範囲はそのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップをその範囲に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来通りに作られたジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの角電流強度と全電流の関係を示すグラフである。
【図２】従来通りに作られたジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの角電流強度と透過率の関係を示すグラフである。
【図３】従来通りに作ったジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースのエミッタ・チップ半径と透過率の関係を示すグラフである。
【図４Ａ】従来通りに作ったジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの通常の末端幾何形状の顕微鏡写真を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａのチップをさらに拡大した図である。
【図５Ａ】通常入手可能な高角強度のジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの多様な末端幾何形状を示す図である。
【図５Ｂ】通常入手可能な高角強度のジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの多様な末端幾何形状を示す図である。
【図５Ｃ】通常入手可能な高角強度のジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの多様な末端幾何形状を示す図である。
【図５Ｄ】通常入手可能な高角強度のジルコニウム／酸素／タングステン・ショットキ・放射電子ソースの多様な末端幾何形状を示す図である。
【図６Ａ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図６Ｂ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図６Ｃ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図６Ｄ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図６Ｅ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図６Ｆ】従来技術のエミッタ・チップが長期加熱サイクルの間に、低い仕事関数の表面を形成するに至る変化の過程を示す図である。
【図７Ａ】通常のショットキ・エミッタを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａのショットキ・エミッタのエミッタ・チップを拡大した図である。
【図８】本発明で実施される好ましいショットキ・エミッタを製造するステップを示すフロー図である。
【図９Ａ】本発明によって製造されたエミッタを示す図である。
【図９Ｂ】本発明によって製造されたエミッタを示す図である。
【図１０】本発明によって製造したエミッタの電流と透過率を示す図である。
【図１１】本発明によるエミッタを組み込んだ電子ビーム・システムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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