TW200924008A - Electron emitter having nano-structure tip and electron column using the same - Google Patents

Description

200924008 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種呈有奈平级播^ ,κ + 利用該電子發射體之電子柱有豆;針子發射體、以及 構針尖的電子發射體，$大+δ ’係關於—種包括奈米結 奈米的管狀、柱十甘尖具有從數個奈米到數十個 氧化鋅奈米管、氧化鋅奈米棒°、氧化鋅^管（CNT)、 氧化鋅奈米粒子、或其類似物所組、;：施:二士米線、 尖時’因為在奈米結構針尖的末二，ί奈ΐ、结構針 對準、以及輕易地卡結構針尖能夠輕易地與其它電子透鏡 此外，本發明係有關於 而該電子發射體可以輕易地製造成單一 的電電子子 =， 【先前技術】 有關本發明的一種用來發射電子命 用具或設備的電子束來、;射體，被用來當作 (m1CrocoIumn)。电子束末源’例如微型化電子束枉或微柱 一微子基f —電子發射體及 :本顧。藉_確地製造微透鏡 像差，可以以微柱的性能；且藉由將複數=光學 排列，其可用來當作陣列式多重電子柱。旻数电子柱亚列或串列地 圖1係一顯示微柱結構的剖面圖式。電子 偏轉器、轉透鏡係排列在—個軸上 源讀、 瞄。 电于果錯由偏轉器而被掃 通常’在微柱的一個典型例子中，微才 來發射電子)、來源繼(用來使電子 200924008 子形成電子束B)、偏轉II 3Q ( 透鏡=ϊ;4°，用來使電 -，柱錢子顯微鏡巾，電子發射體係基本組件之 體（Sch禮y emi㈣發射體（则的蕭特基發射 定的電子發射、古*L及其類似物。理想的電子發射體應具有穩 低能pi際射束尺寸、高電流密度發射、 括一 以::電子柱及气重電子柱。單-電子柱包 射出來的電子束。=重電透鏡絲控制從電子發射體發 的電子透籍，辞陆=重電子柱包括一陣列的電子發射體及一陣列 發射出來之列的m透鏡用來控制從該陣列的電子發射體 裝型電子柱、組合型電子柱、及安 及複數電子透鏡^複數電子發射體 鏡層’該^鏡層具有形成在電子透鏡具有一透 電子柱利用—透鏡# 板中之—陣列的開口。組合型 發射體發射出來的it 口）控制從每-個電子 子柱設有—殼架，可 ^ = 中—樣。安裝型電 使用，可n门 于柱文裝在其中。組合型電子杠沾 _個別地^開的^日f式電子柱相同的方式，除了該些電子發射 (FEDs)、掃目苗式場發射顯示y f顯微鏡、場發射顯示器 的應用，以作為電子束來源。°° s)、或其類似物有很重要 只有當電子二或設備之領域中， 了早在电子透鏡（特別是來源透鏡） 200924008 的光軸中心時，電子枝或使用電 最大的效能。為此，電评射μ fU或讀才⑨夠展現出 或形成時，要校Μ它已制子透鏡的絲而相應地製造 校正已製^⑽树而為了 面積=:顯:器領域中，元件的結‘得細小， 確及快賴處理、3 有其需求，以作為精 地，多重電子柱“ 或裝置;伴隨 發射體也更有其需求。 匕/、有夕重電子柱的電子 因此’需要一種電子發射轉 功能，而且能_當地鮮，還適’ ！ ^射體的必要基本 柱中。 遇此適用在早一電子柱與多重電子 【發明内容】 因此，將先前技術中所發生的前述問、 ΐ:明即在於提出-種具有^ 及使用，而和使用於電子子’且繼易地加以製造 有所不同。、包子柱或电子束照射裝置的習知電子發射體 本發明的另一目的在於提出—錄 =積電子發射體的奈米結構針尖、以及 射體具有容易排列發^ ’藉由使電子發 易地形成電子柱。/、、σ冓、十大，5亥電子發射體能夠輕 為達成前述目的，本發明梧屮—無― 板，其包括形成在該綱忿Li:;體，包括:一基 丁其疋位置之—盲孔（凹面或井）或 200924008 :ΐί=:觸媒層或一附著層，附著於該盲孔或突出部；及〆 不不'、，。構針大，成長及附著於該觸媒層或附著層上。 ,a，本《月中，奈来結構針尖係由選自於碳（C )、鋅（Zn")、令 !二夕㈤、鑛(w)、氧(ο)、及其類似物其中 之成太。此外’奈米結構針尖係製造成具有奈米等級 者f A帝;/、L不米棒、奈米柱、奈米線、或奈米粒子之形式。 ^ 的奈米結構’在奈米結構的頂端會形成高電 為奈出來。也就是說，因 ;料=;直接_:米結=== ;樣=的^;子發射體中。 化鋅奈米棒、=iCNT)'乳化鋅奈米管、氧 氧化石夕奈米棒、全太米線、氧化鋅奈米粒子、 奈米管、及H子物。嫩（v)奈米管及奈米柱， 以形歧積-基板 尖。在此例中，該孔或突出n或犬出部上形成奈米結構針 係-薄膜，且光線ΐ雷由鄕處理而形成一膜，該嫉 只要該奈米結構針尖可此處，膜的厚度並無限制’ 透鏡孔之形成能夠經由通^透鏡、且位於該膜下端的 可。此膜可藉由_或研磨而形】加以識別即 地，該孔或突出部的形狀，十個奈米之間的範圍。較佳 例如圓形。該孔或突出部係承：^毛子透鏡的孔或開口之形狀， 或成長於該觸媒上。利用ϋ有觸媒’而奈米結構針尖係附著 成。 心處理’奈綠構針尖可以準確地形 奈米結構針尖可利用复 /、大、似的方法沉積在該孔或突出部 200924008 上。例如，藉由只打開奈米結 保護材料來保護其它不會被沉儿積的部分、並且利用 習知的方法可被用作為成以構^、2積奈米結構針尖。 綱奈米大小的材料之習知方。此外，成長或 孤Ucmg)、_、沉積、或類似^ :乳相沉積（CVD)、電 構針尖的成長方法。 此ί，=也可以用來當作奈米、: =孔或突出部是可能的，但 結構針尖附著到 ί 準、直接成長奈米結騎尖缝米結構針尖之對 奈米結構針尖係由一個以上的您已長成或已附著的 子' 或其類似物所組成。不” S、不米棒、奈米柱、奈求粒 圍，該孔可以輕易地在基板中形成。=外，個微米之間的範 的成長長度加以考慮。 卜取好將奈米結構針尖 因此，當矽基板被蝕刻以形成電子 刻部分形成了膜的形狀。本發 :射發基板的被餘 ，將透鏡孔彼此結合的方法’在將°因此’ ^•，可直接利用對準透鏡的方法。&射版〃、电子透鏡對準 因此，當使用根據本發明的電子發射 =透鏡之對準方法，而輕易地製造 板上 ^射脰’進而輕易地控制電子柱。也可 电子 線可以通過它們 為金屬膜或—般的膜係非常薄，所以光 料2 ί π 子發射體储㈣奈•結構針纽積細著到薄的 成’所以湘顯微鏡而讓光線通麟膜，可直户 200924008 此外，當奈米結構針尖設置於高摻雜矽部分（盆係 步地蝕刻或沉積金屬膜或高摻雜矽膜而形成）之中:^社 ΐίΐίΓ夕基板ίU形孔的中央、並被周圍環境所ί蓋:或設 時’，也被施加於高摻詩部分，因此在奈結構末二 板的U形孔之例子中，電壓係平均地施加於每個地方 ς Γ:ϊ㈣壓用來防止從奈米結構針尖發射出的電子ΐ外ί 射，因而減少了電子束的發射角。 卜^ 供ί米管或奈米結構針尖的基板可能由金屬或半導體 尖以及基板的U形或⑽部分。此處貝因== 、亚且常常被用於烟處理中係眾所皆知的，所Ξ石夕 被使用於本發明的實施例中。 料iit發㈣中’若奈米結構針尖_端在錢方向上並未 ^害也對準，從奈米結構針尖發射出的電子將盖法通 ΐ=1、ΓΓ，因為奈_尖能夠利用離⑶ 子柱的相同方法而加以製造。在使用i子ί對t 力透f 直地運用於電子透鏡 '然後施 離子亲/大ίΐΐ $子透痛如同聚焦透鏡般操作，以致於 針尖在垂直方向上以 針尖在垂直扣餘奈米結構針尖上，也可以將奈㈣構 準方ί本發明提出—種電子發射體的奈米結構針尖之對 的開口 f+i〜ϊ具有奈米結構針尖的電子發射體與電子透鏡声 的開口對準，從電子發射體發射_子通過該電子透2= 10 200924008 i構ΐί!"由該電子透鏡層_"，將離子束垂舰照射於奈米 與:透以奈奈: :置因為使用半S 尖之ΙΠ=;ΪΓ,的電子 體，所以具有= 夕上形成複數電子發射 時，其被獨立地切割成為一電子透於石夕晶圓上 發射體，以_-電子柱其絲㈣成一電子 體能夠很容易地用來當作多重電_^中的電子m的電子發射 【實施方式】 地說ΐ了文中，參考伴隨的圖式’本發明的較佳實施例將被詳細 r 处’俯視圖在圖2的左侧，而剖面圖在圖2的右側。 首先，圖2⑷係-剖面圖，顯示一盤狀的石夕晶圓11〇。以帶電 11 200924008 石夕晶圓1KM乍為基板，藉由在石夕晶圓11〇中形成奈米 奈米結構針尖被用作電子發㈣的針尖。#圓= 微米（μηι)到數百微米的厚度。可以製造成膜（membr:、 式之金屬板或一般的薄板可以用來當作基板，以取代石夕晶‘ 於非導電基板，只有針尖所在的部分可能用導體處理、』 金屬線。這樣的基板是有_，因為其是以多重射束結^的 而加以使用。 v八 圖2(b)顯示矽晶圓110，在其中心形成一個孔13〇。孔丨 利用半導刻處理而形成’孔⑽的深度必紐適當地設定:、 使得孔130不會貫穿矽晶圓110。位於孔130底部之;ς曰鬥 130之部分’其厚度必須像膜（membrane) 一樣薄。亦即，值於 孔130底部之下的矽晶圓13〇之部分，其厚度係不同於矽晶圓 的其餘部分之厚度。因此，當雷射光穿透矽晶圓11〇時，穿透位 ^孔130底部之下的石夕晶圓1;3〇部分之雷射光，與穿透石夕晶 其餘部分之雷射光是可區別的。 在圖2⑹中，觸媒140被放在孔13〇之中，以使奈来結構針 大被放置在孔130的底部131上。奈米結構針尖係沉積在觸媒14〇 上。此處，假設奈米結構針尖是奈米粒子針尖，而奈米粒子只能 夠利用沈積法製造。在此例中，除了放置觸媒的部分以外，矽曰^ 圓係完全被保護膜所覆蓋;而奈米粒子針尖被沉積在觸媒上曰: 然後從矽晶圓110移除保護膜，便可製造出奈米粒子針尖。” 圖2(d)顯示一矽晶圓110,其中奈米結構針尖15〇係沉積在觸 媒U0上。在此例中，奈米結構針尖的高度係等於或低於矽基板 =的高度是較佳的。在圖2中，繪示有一個奈米結構針尖；^如 ，有需要，可使用超過一個的奈米結構針尖。一個奈米結構針尖 可以使用於電子顯微鏡、奈米微影術（nan〇lith〇graphy)、或其類 ，物；數個奈米結構針尖可以使用於掃瞄式場發射顯示器或 上物。也就是說，較佳地，奈米結構針尖的數目，係取決於 發射體的使用範^壽之特性。 12 200924008 “此外’孔130的形狀是圓形，但也可以採用各種的多邊形。 猎由將祕板110钱刻成這些形狀可形成孔13〇。較佳地，孔13〇 ，形狀係與電子透鏡之開π的形狀_，且孔13G的大小係等於 電子透^之開口的大小。在圖2⑷中，顯示了沉積在觸媒 ϋίίJ也可以利用已製成的奈米結構針尖，使其 附者於如圖2(c)所不的孔130之底部。 圖3係數個剖面圖，用來解釋具有本 電子發射體之結構。圖3(a)顯示圖2的 卡二構針大的 3_示的電子發射體:Ϊ；因發射ΓΓ圖 ίίΞΜ二ίίίί兩個階層中。圖3(躺示的電子發射 組和圖2的一般电子發射體100不同，其中 形成在突出部上。圖3(d)顯示另一個^a身触、、口 、斗大 ’、 構針尖係形成在突出部i。 ‘子發射體，其中奈米結 中的領和⑼ 器的開口。奈米結構針尖係設置於孔二突出透鏡轉 準時，要確認夺米社構針構針炎與電子透鏡的開口對 i. 奈米結構針尖的孔或突出部來對準=!=此’利用設置有 奈米結騎尖與電子透鏡二可輕易地使 精確地置放在孔或突出部的中央，不米、'，°構針尖亚未 偏差的數據（其係《相對於孔或突出I的^^偏差，·考慮定值 針尖與電子透鏡的開口加以對準。柄，可將奈米結構 考慮奈米結構針尖從孔或突出部的 ^ =偏差的數據， 構針2準;Γ置放在電子透鏡或偏 之門ί ?3(a)及3(b)中’解釋了孔13° *夺米+1 ;〇 之4的關係，如果可能，小尺寸的 :卞π構針大150 構針尖150會被經由孔13〇 仏的，因為奈米結 響。 U 131及侧壁所傳送的電屢所影 13 200924008 ,因此，孔13〇的大小取決於奈米結構針尖15〇的大小，而奈 来結構針大150係利用沉積、附著或侧而形成於孔13〇或内孔 132的中央。為了確保奈来結構針尖的準確定位以及孔⑽ 的合適大小，可_電子束鄕；而#孔13Q的大小是在微米等 級，、可利用光學微影（optical lith〇graphy)。藉由在孔13〇的中央 Σί:微影ί案’ _只在該微影圖案上沉積觸媒、僅钱刻該微 =圖案、紐將針尖附著於該微影_，可在孔13Q的中央形成 不米結構針尖150,以保持奈来結構針尖15〇與孔13〇的側壁之間 =離。在此例中’奈米結構針尖15〇的高度等於孔13〇的高度 米結構針尖150的高度可以等於或小於所使用基 板（例如石夕基板110)的高度。 ^處^根據孔13()的大小’若有f要，孔13G可形成於兩階 i使孔二13G形成於三或更多階層之中係可能的，但通 吊使孔130形成於兩階層之中是足夠的。 λα 士3(C)及3(Φ中，奈米結構針尖150係形成於突出部湖 2中ΐ ^不是孔13G的巾央。也就是說，奈米結構針尖150 係形成於突出部160之底部161的中央上。特別是，在 孔搬形成於突出部16〇之相對側上，其 f ⑽之相_狀。使孔162形成於突 是，使突出部_厚度減少到和孔13〇之底部厚度 利用和孔=所使__方法可形成孔162。子」目⑽私度 構針其在電子柱中使用了具有本發明的奈米結 圖4的左侧係電子發射體的俯視圖，該電 子叙射脰5又在具有奈米結構針尖的最底層； 4 子發射體❺彳_。 α 4的右側係该電 之上在係設置在本發明的電子發射體1⑻ 分，、勝260，爾層210、23〇、25〇。電以部 上同度I雜，以形成一膜（membrane)，而開口 222 ^形成在^ 14 200924008 的中央’使得電子束穿透該膜。最底下的電極層250及260，在電 子柱中被稱為引出器（extractor)，用來使電子發射體1〇〇的奈米 結構針尖150能夠輕易地發射出電子。中間的電極層230及240， 在黾子挺中被稱為加速器（accelerator )，用來使從奈米結構針尖 150發射出來的電子加速。最上層的電極層21〇及22〇，在電子柱 中被稱為限制開口（ limiting aperture)，用來使發射出來的電子形 成有效電子束。也就是說，來源透鏡200主要用來將電子發射體 10^發射出來的電子轉換成電子束，並且也用來執行聚焦等等。若 有需要’可以移除矽層21〇、230、250。 π体ί來源透鏡20〇中，絕緣層300係分別插設在電極層之間， ，，,:彖層例如由派熱司玻璃（Pyrex)製成。此外，絕緣層300 C例如由派熱司玻璃製成）也插設在引出器與電子發射體之間。 鐘太使用本發明的電子發射體之一範例。因此，來源透 由半，體結合’但構成來源透鏡的電極層可能藉 及__⑽練上，嘯關於對準 去米從膜（membrane)的底下照射光線或雷射，可使 二S二真'+大50與來源透鏡20〇的開口 222對準；戋者，去從 遷鏡200的開口 222，可使奈来結構 口 222對準。特別是，可能利 的開 米結構針尖150盘來親鏡·^^ (ahgmnemkey)來使奈 法，可以酿恥。細這種方 彼此^ 尖針尖150與來源透鏡2〇〇 可對準奈米結構針尖'15G冓+ /、來源透鏡·的光軸對準， '圖4顯不結合電子發射體與來源透 . =輕易地使電子發射體與其它電極層對準'、而也可 使咖4 _，電極層與電子發射體對準。 15 200924008 沾<3^/ α示夕重私子柱。圖5的多重電子柱可#P1问 的毛子柱所使用的相同方法而加以 工使用如同圓4 中，因為其孔中可能設置有—陣列的奈米‘的n十體⑽ =圖3中所使用的相同方法而與㈣^ =-個組件。在圖”，電子發射_所有ίΪ;:Ϊ;子 成在一板子上，並且被施以相同的電墨。該 緣材料製成。當板子由絕緣材料製成時，只有體或絕 尖的部分可能利用導體加以處理，然後連接全 的石夕層或金屬層當作板子是較佳的。在此例中2二，摻雜 針尖發射到樣品的電子束具有相同的能量。因此由結構 ==地分割開來、或將鄰近於電子發 子個別地分觸來，_能夠侧地施加電_ 的板 針尖；因此，利用在每-個奈米結構針尖與周雜=米結構 電壓差可控制電壓的施加。 、電極層之間的 圖6顯示另一個多重電子柱。 和圖5不同，圖6顯示的多重電子柱中，每—一 射體_基板是被隔絕的。因此’石夕基板 ，而具有絕緣性。此外，如圖6如示，摻二=2q 母個奈米結構針尖15〇附近的基板中。在圖6 於： 單元Θ電子柱:其摻雜部分12G與來源透鏡·的電極個 260疋分別咼摻雜的、及分別形成的。此外，在圖6曰 陣列229係經由導線223形成於摻雜部们2〇 2以=琶極 ===元電子柱。至於電子發射體， 了此疋部分地被形成，而導線與電子陣列可如同 刀^ 多重電子柱中，圖6的電子發㈣是具有優勢的，因為其 16 200924008 個別地施加電壓到奈米結構針尖而加以控制。 圖6的多重電子柱額外設置 子柱的電極（例如奈米結構針尖卜“ 個^元電 器、及其類似物也可以被控制。頂構針火的引出 每一=或，上的多重電子柱係以晶圓的形式製造，缺後切⑹ 狀’而矽基板的形狀也可“變:二以』文二成二種多邊形的形 正方形、或類似的形狀。 夕邊形的形狀，例如矩形， 發明子束賴射，《重新對準本 於電；射中裝； 發射體的奈米結構針尖之初步舌用來在電子 結構針尖。當太半处 /対+後，於垂直方向重新對準奈米 準、或處於一;偏'離。在垂±直方向上並未被準確地重新對 離子束的方向喊變.湘、絲結構針尖賴角會根據 加不同的電屋，也可^使極層及下電極層接地或施 此例中具有—個優 A f⑴聚焦在奈米結構針尖上。在 準。 ^其中奈料構針尖係完全地與聚紐鏡對 沉積對準及黏著(或 用於採用電子電子柱。電子發射體可 17 200924008 界尺寸掃瞒式電子顯微鏡（CD-SEMs)、用 陣ϋι·Μ眷、用於檢查微電路的短路及斷路的設備、 需要控制電子束形成的類似裝置。 °業7頁域中 【圖式簡單說明】 ,1係-顯示微柱結構的剖面圖式。 造流;。)〜嶋—赋’顯示根據本發_電子發射體丨⑻之製 圖3(a)〜(d)係—剖面圖，用 之電子發射體的結構。 木解釋具有本發明的奈米結構針尖 具有，在電子柱中，使用了 圖5係顧；, 电于I射體。 昱右糸頦 乾例的俯視圖鱼立ij面图六干 二本查明的奈采結 子口 ^ ’在电子柱中，使用了 重電子柱。 子發㈣，其巾該電子柱係-多 圖6係顯示圖5的矽基板 — 本發以;S圖，概念地1 員示離 子發射體之奈米結構針尖了果的知射’用來重新對準 【主要元件符號說明】 10電子發射體 2〇來源透鏡 30偏轉器 40聚焦透鏡 100電子發射體 110矽晶圓 12〇摻雜部分 130孔 18 200924008 131 底部 132 内孔 140觸媒 150奈米結構針尖 160突出部 161底部 162 孔 200 來源透鏡 210、230、250 矽層 220、240、260 高摻雜部分 222 開口 223 導線 229 電極陣列 300絕緣層 600離子束照射裝置 19

Claims (1)

1. 200924008 十、申請專利範圍： ^ —種電子發射體，包括： 一基板，其#技_亡7丨二、 位置；及 目3突出部，形成於該基板的一預定 米。構針大，形成於讀盲孔或突出部的一表面。 2·如申請專利範圍第丨 部的形狀係對應於1子、子發射體，財該盲孔或突出 係與該電子發射體對準以1 口或孔之形狀，該電子透鏡 該電子透鏡的該開π或孔之=孔或突出部的大小係等於或小於 ...3·如申請專利範圍第1或）κ 導體層、一半導體層、或—非項之電子發射體，其中，採用一 層由非導體矽製成時，該興體層作為該基板；而當該半導體 結構針尖，而該非導體屉ι右―®·層係部分高摻雜的以覆蓋該奈米 曰”韦一導體部分以包圍該奈米結構針尖。 4.如申請專利範圍第3項 該高摻雜部分或該非導體犀％子發射體，其中該半導體層的 個別施加於其上。 θ、δΛ導體部分係配線成使得外部電壓 5. 如申請專利範圍第丨 構針尖係形成於該盲孔中，日/項之電子發射體，其中該奈米 的上表面處，而得以施純^奈紐麟尖餘在低於該基; 相同电壓在該奈米結構針尖的周圍。 6. 如申請專利範圍第 突出部具有10«，之電子發雜，其中該盲孔 的尽度，並且形成一膜（membrane, 7.如申請專利範圍第丄 孔或突出部上形成一觸媒層 或2項之電子發射體，其中，於該盲 、一附著層、或一蝕刻層，且該奈米 20 200924008 附著層、或钱刻層 Ϊ構針尖係成長、附著、或突出於該觸媒層、 8.如申請專利範圍第1 括兩個以上的盲孔或突 項之電子發射體，其中該基板包 分別設有奈米結構針尖。 在該兩個以上的盲孔或突出部上 H子裝置’包括如申請專利 中任一項之電子發射體。 範圍第1到8項其 10. 透鏡及專鄕奴電子束照 射裝置，更包括一電子 其中該電子透鏡及偏轉哭 於該電子發射體的一盲孔或:該電子柱具有對應 透鏡駐束騎m包括—來源 V,... 口，對應於從該電子麵發射出二;以J具有減開 子發t 對準^法，朗1子束照職置來使電 對準，其中該電子透鏡的一開口或 5 μ &的一開口 ’係根據如申請專利範 任— 項之輕子發射體的該盲孔或突出部之形狀而加以對準: 13.如申請專利範圍第12項之電子發射體的對準方法，其中 ^奈米結構針尖並非位於該盲孔或突出部的中央時，即量測其偏 差值，然後根據該量測的偏差值對準該奈米結構針尖，以使得該 21 200924008 奈米結構針尖位於該電子束照射裝置的一光軸上。 十一、圖式： 22