DE60113245T2

DE60113245T2 - Elektronenemissionsapparat

Info

Publication number: DE60113245T2
Application number: DE60113245T
Authority: DE
Inventors: Pavel Adamec; Dieter Winkler
Original assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: DE60113245D1; US7268361B2; EP1274111B1; WO2003005398A1; EP1274111A1; US20040238809A1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf Feldemissionskathoden oder Felder von Feldemissionskathoden. Sie bezieht sich auch auf Elektronenstrahlapparate mit Feldemissionskathoden oder mit Feldern von Feldemissionskathoden sowie Methoden, um Elektronenstrahlen zu erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Feldemissionskathoden und Felder von Feldemissionskathoden sind wohlbekannte Elektronenstrahlquellen für Elektronenstrahlapparate für Anwendungen, die so verschieden sein können wie zum Beispiel Elektronenstrahlmikroskopie, Elektronenmustergeneratoren oder Flachbildschirme.
Feldemissionskathoden emittieren Elektronen in den freien Raum durch Anwendung eines hohen elektrischen Feldes an der Oberfläche der Emitterspitze der Feldemissionskathode. Ohne elektrisches Feld besteht gewöhnlich eine Potenzialbarriere an der Grenze zwischen Emitterspitze und dem freien Raum (oder Vakuum) von theoretisch unendlich großer Dicke. Die Höhe der Potenzialbarriere hängt von dem Oberflächenmaterial der Emitterspitze ab. Wenn ein externes elektrisches Feld auf die Emitterspitze angewandt wird, das Elektronen anzieht, reduziert sich die Potenzialbarrierendicke. Wenn das elektrische Feld an der Oberfläche der Emitterspitze größer als ca. 10⁸ V/m ist, reduziert sich die Potenzialbarrierendicke auf ein Niveau, bei dem die Elektronen der Emitterspitze mittels Tunneln durch die Potenzialbarriere in den freien Raum emittiert werden können. Dieses Phänomen ist wohlbekannt als Feldemission im Gegensatz zu Elektronenemission, die zum Beispiel durch thermische Anregung, Fotoeffekt, etc. verursacht ist.
Gewöhnlich wird das hohe elektrische Feld durch Anlegen einer Spannung zwischen der Emitterspitze und einer Extraktionselektrode, die der Emitterspitze gegenüberliegt, generiert. Um eine ausreichende Feldstärke an der Emitterspitze zu erzeugen, hat die Elektronen emittierende Oberfläche des Emitters die Form einer scharfen Spitze (Spitzenradius typischerweise 1 nm bis 100 nm). Typischerweise ist die Emitterspitze aus Metall oder einem Halbleitermaterial hergestellt.
Zu den vielen Vorteilen einer Feldemissionskathode, im Unterschied zu den mehr traditionellen Elektronenstrahlquellen wie zum Beispiel den Wolfram Haarnadeldrähten, zählt ihre kleine Emissionsquellengröße, was für Elektronenstrahlen für präzisionsfokussierende Anwendungen wichtig ist, ihre überlegene Helligkeit, ihre kleine Energieverteilung der Elektronen innerhalb des Elektronenstrahls und ihre längere Lebensdauer. Feldemissionskathoden haben jedoch auch Nachteile aufgrund ihres Bedarfs nach hohem Vakuum und aufgrund ihrer schlechten Elektronenemissionsstromstabilität.
Bisher geht man davon aus, dass die Elektronenemissionsstrominstabilität durch die extreme Empfindlichkeit des Elektronenemissionsstroms von chemischen oder physikalischen Veränderungen an der Oberfläche der Emitterspitze her kommt. Da die Emitterspitze einen Spitzenradius von typischerweise nur wenigen Nanometer hat, verursacht die Ablagerung von wenigen Atomlagen oder kleinste Deformationen der Spitze während des Betriebs signifikante Elektronenemissionsstromänderungen. Jedoch verlangen viele Anwendungen, wie zum Beispiel Elektronenmikroskopie, Elektronenstrahlmustergeneratoren (electron pattern generators) und andere Präzisionsgeräte, eine hohe Elektronenstrahlstromstabilität.
Um einen bessere Elektronemissionsstrom zu erhalten, sind einige Anstrengungen unternommen worden, um aktiv den Elektronenemissionsstrom durch Anpassung der Spannung zwischen Spitze und Extraktionselektrode entsprechend der Änderungen des Elektronenemissionsstroms zu regulieren. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, dass für Elektronenstrahlpräzisionsgeräte, wie zum Beispiel Elektronenmikroskope, die Spannungsänderungen zwischen Extraktionselektrode und Emitterspitze mit dem elektrischen Feld der Elektronenstrahloptik interferieren. Solche Interferenzen können die Fokussierungsfähigkeit eines Präzisions-Elektronenstrahlapparates beeinträchtigen.
Seit einiger Zeit werden mit Hilfe von Halbleiter-Mikroprozessierungstechniken große Felder von Feldemissionskathoden (arrays of field emission cathodes) auf Halbleitersubstrate integriert. Halbleiter-Mikroprozessierungstechniken ermöglichen die Fabrikation von großen Feldern von mikrometer-großen Feldemissionskathoden auf einer minimalen Oberfläche. Zusätzlich können in einer kosteneffektiven Art Extraktionselektroden und/oder elektronische Steuerschaltungen für jede Feldemissionskathode auf die Halbleitersubstrate integriert werden. Man geht davon aus, dass Felder von Feldemissionskathoden ein großes kommerzielles Potenzial für viele Anwendungen haben, zum Beispiel für Flachbildschirme genauso wie für Elektronenmikroskope oder Elektronenstrahlmustergeneratoren, bei denen parallel betriebene Elektronenstrahlen den Prozessierungsdurchsatz dramatisch verbessern können.
Die Herstellung von Feldemissionskathoden auf Halbleitermaterial hat verschiedene Vorteile. Einer davon ist, dass die Herstellung von Emitterspitzen aus einem Halbleitersubstrat, insbesondere von Siliziumsubstrat, direkt und einfach herstellbar ist. Weiterhin können Halbleiter-Emitterspitzen dotiert werden, um ihre elektronischen Eigenschaften auf eine vorgegebene Anwendung anzupassen. Es ist insbesondere herausgefunden worden, dass die Wahl der Polarität der Majoritätsträger des entsprechenden Halbleitermaterials einen tiefgreifenden Einfluss auf die Emissionsverhalten der Emitterspitzen hat: n-dotierte Halbleiteremitter, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, emittieren genauso wie metallische Emitter Elektronen gemäß der Fowler-Nordheim-Formel; im Gegensatz dazu weichen p-dotierte Emitter, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, deutlich von der Fowler-Nordheim-Formel ab.
Man geht davon aus, dass das unterschiedliche Elektronenemissionsstromverhalten von p-dotierten Emittern durch die Abwesenheit eines Elektronenüberflusses in p- dotierten Emittern verursacht wird. Daher kann der Emissionsstrom durch die Anzahl von freien Elektronen im p-dotierten Material begrenzt werden und nicht durch das Potenzialbarriere an der Oberfläche der Emitterspitze. Dies ist im Unterschied zu dem Modell nach Fowler-Nordheim, bei dem der Elektronenemissionsstrom durch die Potenzialbarriere an der Emitterspitze limitiert wird.
Eine detaillierte Untersuchung der verschiedenen Verhalten von p-dotierten Emittern und n-dotierten Emittern ist zum Beispiel durchgeführt worden im „Control of Emission currents from silicon field emitter arrays using a built-in MOSFET" von Seigo Kanemaru et. al., Applied Surface Science 111, (1997), Seite 218–223, oder in „The Semiconductor Field Emission Photocathode" von Dieter K. Schroder et. al., IEEE Trans. Electr. Dev., Vol. ED-21, Nr. 12, Dezember 1974.
In „The Semiconductor Field Emission Photocathode" von Dieter K. Schroder et. al. wurde der elektronenemissionsstromlimitierende Effekt dazu verwendet, eine p-dotierte Feldemissionskathode zu entwerfen, bei der die Emissionsrate durch externes Licht gesteuert wird, das Elektronenlochpaare in der p-dotierten Emitterregion mittels Fotoeffekt erzeugt. Die erzeugten Elektronen diffundieren, bis sie rekombinieren oder an der Emitteroberfläche ankommen, wo sie mittels eines externen elektrischen Feldes emittiert werden. Die externe Feldstärke ist so hoch, dass in diesem Modell der Emissionsstrom durch die Zahl der freien Elektronen, die durch die externe Lichtintensität erzeugt werden, und nicht durch die Tunnelwahrscheinlichkeit durch die Potenzialbarriere bestimmt wird.
Ein wichtiger Vorteil für die Erzeugung von Elektronenstrahlströmen durch Lichtanregung ist, dass der Elektronenstrahlstrom durch die externe Lichtintensität gesteuert wird, ohne dass die Spannung zwischen externer Elektrode und Emitterspitze verändert werden muss. Dadurch wird das besagte Interferenzproblem mit dem elektrischen Feld der Elektronenstrahloptik, das für die Hochpräzisions-Elektronenstrahlanlage verwendet wird, umgangen.
Die p-dotierte Feldemissionskathode mit Lichtanregung hat jedoch auch große Nachteile. Zum einen ist es teuer, eine Lichtquelle in der Nähe der Feldemissionskathode mit einem Strahl einzubauen, der in die kleine Emitterspitzenregion gerichtet ist.
Selbst, wenn das Licht wie in dem o.g. Dokument von D. Schroder gezeigt von einem Bereich hinter dem Substrat herkommt, ist es schwierig, die Stabilität der Lichtleistung in dem Masse zu steuern, wie es für einen präzise gesteuerten Elektronenstrahlstrom erforderlich ist. Schließlich scheint es auch nicht möglich zu sein, den Emissionsstrom für ein großes Feld von Feldemissionskathoden, die auf einem Substrat integriert sind, individuell durch die Verwendung von externen Lichtquellen zu steuern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, verbesserte Elektronenstrahleinrichtungen, verbesserte Feldemissionskathoden, verbesserte Felder von Feldemissionskathoden sowie verbesserte Methoden zur Steuerung von Elektronenstrahlen bereit zu stellen.
Entsprechend eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird daher ein Elektronenstrahlapparat bereitgestellt, wie sie im unabhängigen Anspruch 15 spezifiziert ist.
Entsprechend eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronenstrahlapparat bereitgestellt, wie sie im unabhängigen Anspruch 26 spezifiziert ist.
Entsprechend eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Methode zur Steuerung von mindestens einem Elektronenstrahl bereitgestellt, wie sie im unabhängigen Anspruch 32 spezifiziert ist.
Entsprechend eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Feldemissionskathode bereitgestellt, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt ist.
Entsprechend eines sechsten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Feld von Feldemissionskathoden bereitgestellt, wie sie im unabhängigen Anspruch 10 spezifiziert ist.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche, die Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Die Ansprüche sind zu verstehen als eine erste, nicht limitierende Weise, die Erfindung in allgemeiner Sprache zu definieren.
Die Erfindung entsprechend Anspruch 15 und 26 stellt einen Elektronenstrahlapparat mit mindestens einer Feldemissionskathode und mindestens einer Extraktionselektrode bereit, bei der der Elektronenstrahlstrom durch die zweite Spannung V2 über den pn-Diodenübergang gesteuert wird. Indem eine p-dotierte Halbleiterregion mit der Emitterspitze verbunden wird und indem ein ausreichend hohes elektrisches Feld an der Oberfläche der Emitterspitze bereitgestellt wird, kann der Elektronenstrahlapparat in einem Modus betrieben werden, bei dem der Elektronenemissionsstrom durch den über den pn-Diodenübergang in die Emitterspitze injizierten Strom limitiert wird. Dieser Modus wird Saturationsmodus genannt.
Im Saturationsmodus ist der Emissionsstrom überwiegend durch die Elektronen gegeben, die in die p-dotierte-Halbleiterregion injiziert werden, was vorzugsweise durch die zweite Spannung V2 über die pn-Diode gesteuert wird.
Erfindungsgemäß ist die p-dotierte Halbleiterregion an die Emitterspitze angeschlossen, wobei der Elektronenstrom, der in die Emitterspitze eintritt, durch die p-dotierte Halbleiterregion hindurch fließt. Dies impliziert, dass der Strom, der in die Emitterspitze eintritt, durch den Strom, den die p-dotierte Halbleiterregion an die Emitterspitze liefert, bestimmt ist. Da das p-dotierte Halbleitermaterial selbst im Wesentlichen keine freien Elektronen hat (ausgenommen ein Leckstrom), hängt der Elektronenstrom, den die p-dotierte Halbleiterregion an die Emitterspitze liefern kann, vorzugsweise von dem Elektronenstrom, den die n-dotierte Halbleiterregion in die p-dotierte Halbleiterregion über eine vorwärtsgeschaltete pn-Diode injiziert. Der Elektronenstrom, der der Emitterspitze für Elektronenemission geliefert wird, hängt daher von der in Vorwärtsrichtung geschalteten Spannung über den pn-Diodenübergang ab.
Die p-dotierte Halbleiterregion hat einen ersten elektrischen Kontakt während der die n-dotierte Halbleiterregion einen zweiten elektrischen Kontakt hat. Beide elektrischen Kontakte dienen dazu, dass eine zweite Spannung V2 über die pn-Diodenübergang angewandt werden kann, um eine kontrollierte Strominjektion zu steuern. Bevorzugt sind beide elektrischen Kontakte Ohm'sche Kontakte mit einem niedrigen Widerstand, damit eine gute Spannungskontrolle über den pn-Übergang möglich ist. Der erste elektrische Kontakt dient auch dazu, eine erste Spannung V1 zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode anzulegen, die das elektrische Feld an der Emitterspitze während des Betriebs steuert.
Bevorzugt fließt der Elektronenstrom, der in die Emitterspitze eintritt, durch eine nicht-verarmte p-dotierte Region (non-depleted p-type region). Bevorzugt ist die nicht-verarmte p-dotierte Region der p-dotierten Halbleiterregion in Ohm'schem Kontakt mit dem ersten elektrischen Kontakt. Auf diese Weise kann die Spannung des nicht-verarmten p-dotierten Bereichs der p-dotierten Halbleiterregion durch die Spannung des ersten elektrischen Kontakts gesteuert werden. Dies ermöglicht es, dass der Elektronenstrom zwischen der n-dotierten Halbleiterregion und der p-dotierten Halbleiterregion durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden kann. Im Saturationsmodus ist die erste Spannung V1 so hoch, dass der Elektronenemissionsstrom durch den pn-Dioden-Übergangsstrom limitiert ist. Bevorzugt ist der Elektronenstrom durch den pn-Diodenübergang durch die zweite Spannung V2 über die pn-Diode bestimmt. Der Saturationsmodus bietet daher vier Vorteile gegenüber früheren bekannten Feldemissionskathoden: Erstens, Emissionstrom-Instabilitäten aufgrund von Oberflächenzustandsänderungen und Form von scharfen Emitterspitzen während des Betriebes sind unterdrückt; dies kommt daher, dass im Saturationsmodus das elektrische Feld an der Oberfläche der Emitterspitze so hoch ist, dass die injizierten Elektronen in den freien Raum unabhängig davon emittiert werden, ob der Oberflächenzustand oder die Form der Emitterspitze sich während des Betriebes ändert oder nicht. Stattdessen ist der Elektronenstrahlstrom durch den Elektronenstrom bestimmt, der in die p-dotierten Halbleiterregion injiziert wird, und bevorzugt durch die zweite Spannung V2 über die pn-Diode, die mit einer sehr hohe Präzision gesteuert werden kann.
Zweitens kann der Elektronenemissionsstrom gesteuert werden, ohne dass die Spannung zwischen Extraktionselektrode und Emitter geändert werden muss, was für Anwendungen wie zum Beispiel der Elektronenmikroskopie oder für Elektronenstrahlmustergeneratoren wichtig ist. Die fokussierenden Eigenschaften von hochpräzisen Elektronenstrahloptiksystemen würden sich verschlechtern, wenn Spannungsänderungen der Extraktionselektrode oder Emitterspitze mit der elektrostatischen Feldverteilung der Elektronenstrahloptiksysteme interferieren.
Drittens, pn-Dioden können leicht auf integrierte Feldemissionskathoden integriert werden, wenn sie unter Verwendung von Mikroprozessierendungstechnologie auf einem Halbleitersubstrat hergestellt werden. Schließlich ist die Implementierung von pn-Dioden zu Feldern von Feldemissionskathoden, die auf einem Halbleitersubstrat integriert sind, auf einfache Weise machbar.
Die Extraktionselektrode dient dazu, ein starkes externes elektrisches Feld an der Emitterspitze zu erzeugen, was notwendig ist, um es Elektronen zu ermöglichen, in den freien Raum zu tunneln. Bevorzugt ist die Extraktionselektrode gegenüber der Emitterspitze der Feldemissionskathode angeordnet. Bevorzugt ist die Extraktionselektrode der Spitze der Emitterspitze gegenüber angeordnet, um dort das höchste elektrische Feld zu erzeugen. Die Spitze ist daher bevorzugt der einzige Ort der Feldemissionskathode, der Elektronen emittiert. Ihre Größe kann nur wenige Nanometer im Durchmesser betragen. Dabei wächst das elektrische Feld an der Emitteroberfläche mit wachsender positiver erster Spannung V1 zwischen Extraktionselektrode und Emitterspitze an, während die Dicke der Potenzialbarriere abnimmt. Eine abnehmende Dicke der Potenzialbarriere erhöht demzufolge die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Elektronen von der Emitterspitze in den freien Raum tunneln können.
Bevorzugt liegt bezüglich des Emitter an der Extraktionselektrode ein elektrisches Potenzial an, das groß genug ist, damit Elektronen durch die Potenzialbarriere bei einer Rate, die viel größer ist als die Rate, bei der Elektronen in die Emitterspitze injiziert werden, hindurch tunneln können. Je höher die Emissionswahrscheinlichkeit, die durch die Potenzialbarriere zwischen der Oberfläche der Emitterspitze und dem freien Raum gegen ist, desto kleiner der Einfluss von Veränderungen der Oberflächenzustände oder der Form der Emitterspitze auf Instabilitäten des Elektronenstrahlstroms während des Betriebes. Mit anderen Worten, je höher die Emissionswahrscheinlichkeit, die durch die Potenzialbarriere zwischen der Oberfläche der Emitterspitze und dem freien Raum gegeben ist, umso besser die Steuerung des Elektronenstrahlstroms durch die Spannung über die pn-Diode. Aus diesem Grund ist an der Extraktionselektrode eine Spannung bezüglich des Emitters angelegt, die ein elektrisches Feld an der Emitterspitze erzeugt, das bevorzugt größer als 10⁷ V/m und bevorzugt größer als 10⁸ V/m ist.
Der Elektronenstrahl besteht aus Elektronen, die von der Emitterspitze in den freien Raum emittiert werden. Während der Elektronenemissionsstrom der Strom ist, der vom Emitter in den freien Raum emittiert wird, repräsentiert der Elektronenstrahl die emittierten Elektronen, die in Richtung des elektrischen Feldes laufen. Gewöhnlich laufen die emittierten Elektronen in Richtung der Extraktionselektrode außer, wenn andere Anoden mit noch höherem Potenzial in Reichweite sind. Für einige Elektronenstrahlapparate wird der Elektronenstrahl in einer Weise aufgespaltet, dass einige Elektronen in Richtung der Extraktionselektrode und andere Elektronen in Richtung der anderen Anoden laufen. In diesem Fall unterscheidet sich der an der Anode gemessene Elektronenstrahlstrom von dem Elektronenemissionsstrom an der Emitterspitze.
Die p-dotierte Halbleiterregion der Feldemissionskathode dient mehreren Absichten. Erstens soll sie in Verbindung mit der Emitterspitze Elektronen für die Elektrodenemission in den freien Raum zu liefern. Im Saturationsmodus ist der Elektronenemissionsstrom mit Ausnahme des Leckstroms gleich dem Elektronenstrom, der in die Emitterspitze durch den p-dotierten Halbleiter geliefert wird. Zweitens dient die p-dotierte Halbleiterregion als Material, bei dem Elektronen Minoritätenträger sind. Daher schneidet die p-dotierte Halbleiterregion, welche die Emitterspitze umgibt, die Emitterspitze von den Elektronenquellen ab, die nicht vom pn-Diodenübergang kommen. Im Saturationsmodus ermöglicht es diese Eigenschaft der pn-Diode, volle Kontrolle über den Elektronenemissionsstrom zu haben (wobei der Leckstrom ignoriert wird). Drittens repräsentiert die p-dotierte Halbleiterregion den p-dotierten Bereich der pn-Diode, welchen die p-dotierte Halbleiterregion mit der n-dotierten Halbleiterregion bildet. Infolgedessen wird die pn-Diode bevorzugt als Elektronenquelle dazu verwendet, einen Elektronenstrom in die p-dotierte Emitterregion zu injizieren. Viertens umfasst die p-dotierte Halbleiterregion den ersten elektrischen Kontakt, der a) die Emitterspitze bei einer ersten Spannung V1 bezüglich der Extraktionselektrode hält, und der b) den nicht-verarmten p-dotierten Bereich bei einer definierten zweiten Spannung in Bezug auf die n-dotierte Halbleiterregion hält, und fünftens, ist die p-dotierte Halbleiterregion bevorzugt in Kontakt mit dem nicht-verarmten p-dotierten Bereich, über den die die injizierten Elektronen diffundieren müssen, um die Emitterspitzenoberfläche für eine Emission in den freien Raum zu erreichen.
Die Emitterspitze ist das Gebilde, das mit der p-dotierten Halbleiterregion verbunden ist und die Elektronen emittiert, wenn freie Elektronen vorhanden sind und wenn eine ausreichende erste Spannung zwischen der p-dotierten Halbleiterregion und der gegenüberliegenden Extraktionselektrode angelegt wird. Bevorzugt ist das Halbleitermaterial Silizium. Die Emitterspitze kann mit p- oder n-dotierendem Material dotiert werden, je nach dem, welches Elektronenemissionsverhalten und andere Eigenschaften der Feldemissionskathode gewünscht sind. Zum Beispiel bestimmt die Polarität des Dotierungstyps die Ladungspolarität der Majoritätsträger der Emitterspitze. Wenn die Emitterspitze p-dotiert ist, sind die Majoritätsträger positive Löcher, so dass nur wenige Elektronen für eine Elektronenemission zur Verfügung stehen und vice versa. Weiterhin bestimmt das Dotierungsniveau der Emitterspitze den Widerstand der Emitterspitze. Weiterhin bestimmt, wenn die Spitze der Emitterspitze p-dotiert ist, das Dotierungsniveau die Größe der Verarmungsregion. Ein niedriges p-Dotierungsniveau bewirkt eine große Verarmungsregion an der Spitze der Emitterspitze, wenn ein externes Feld angelegt ist. Eine große Verarmungsregion kann daher zu einem großen Leckstrom beitragen, der einen Emissionsstrom erzeugt, der nicht durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden kann. Schließlich hat die Emitterspitze bevorzugt keine elektrische Verbindung zu Regionen der Feldemissionskathode außer der zu der p-dotierten Halbleiterregion. Auf diese Weise können Elektronenströme zur Emitterspitze ausgeschlossen werden, die nicht durch die p-dotierte Halbleiterregion hindurchgehen.
Bevorzugt ist die Emitterspitze ein nach außen zeigender Körper auf der Oberfläche der p-dotierten Halbleiterregion. Bevorzugt hat die Emitterspitze eine Form, die ähnlich eines runden Kegels oder einer Nadel ist, die in den freien Raum mit einer scharfen Spitze zeigt. Um bei vorgegebener Spannung zwischen p-dotierter Halbleiterregion und gegenüberliegender Extraktionselektrode eine höchstmögliche elektrische Feldstärke zu generieren, ist das Verhältnis zwischen der Länge der Emitterspitze zum Radius der Spitze bevorzugt maximiert. Bevorzugt ist der Spitzenradius der Emitterspitze kleiner als 200 nm und bevorzugt kleiner als 20 nm. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen der Emitterspitzenlänge zum Emitterspitzenradius größer als 50 und bevorzugt größer als 500. Die Länge des Emitters ist typischerweise gegeben durch den Abstand zwischen der Spitze zu der Basis der Emitterspitze, wobei Letztere gewöhnlich in einer Ebene mit der Hauptoberfläche des Substrates liegt.
Obwohl die Emitterspitze aus einem Halbleitermaterial gemacht ist, schließt dies nicht aus, dass es ein Beschichtungsmaterial auf der Emitterspitzenoberfläche gibt, das aus einem anderen Material als Halbleitermaterial gemacht ist, zum Beispiel einem Metall oder einem Isolator. Bevorzugt ist die Dicke des Beschichtungsmaterials kleiner als 100 nm und bevorzugt kleiner 20 nm, damit die Elektronen durch die Metallschicht für eine Elektronenemission hindurch tunneln können.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Beschichtungsmaterial auf der Emitterspitze eine Schicht aus einem Isolationsmaterial. Solch ein Isolationsmaterial kann z. B. dazu dienen, die Emitterspitzenoberfläche zu passivieren, um den Leckstrom zu reduzieren. Wieder ist die Dicke der Isolationsschicht bevorzugt kleiner als 100 nm und bevorzugt kleiner als 20 nm, damit die Elektronen durch die Isolationsschicht für eine Elektronenemission hindurch tunneln können.
Der erste elektrische Kontakt auf der p-dotierten Halbleiterregion stellt eine elektrische Verbindung zwischen der p-dotierten Halbleiterregion mit externen Spannungsquellen her. Die externen Spannungsquellen dienen dazu, eine erste Spannung V1 zwischen Emitterspitze und Extraktionselektrode und eine zweite Spannung V2 zwischen der p-dotierten Region der pn-Diode und der n-dotierten Region der pn-Diode bereitzustellen.
Bevorzugt ist der erste elektrische Kontakt ein Ohm'scher Kontakt. Ein Ohm'scher Kontakt ist ein elektrischer Kontakt, dessen Widerstand unabhängig von der Stromrichtung ist. Bevorzugt ist der Widerstand des Ohm'schen Kontaktes so klein, dass er das Potenzial der angeschlossenen Region während des Betriebes der Elektronenstrahleinrichtung nicht signifikant ändert. Auf Halbleitermaterialelementen werden Ohm'sche Kontakte typischerweise durch eine Metallhalbleiterschichtstruktur realisiert, bei denen der Halbleiter in der Kontaktregion hoch dotiert ist, um den Widerstand des Überganges zwischen Metall und Halbleiter zu reduzieren. Mit einem Ohm'scher Kontakt kann die p-dotierte Halbleiterregion durch eine externe Spannungsquelle auf eine wohldefinierte Spannung eingestellt werden. Insbesondere ist mit einer Ohm'schen Verbindung der Widerstand zwischen externer Spannungsquelle und der p-dotierten Halbleiterregion weitgehend unabhängig von der Stromrichtung.
Die n-dotierte Halbleiterregion grenzt an die p-dotierte Halbleiterregion an, um einen pn-Diodenübergang mit der p-dotierten Halbleiterregion zu bilden. Weiterhin ist ein zweiter elektrischer Kontakt auf der n-dotierten Halbleiterregion angeordnet, der bevorzugt ein Ohm'scher Kontakt ist. Daher ist das elektrische Potenzial der n-dotierten Halbleiterregion definiert durch eine Spannung, die an den zweiten elektrischen Kontakt angelegt wird. Eine zweite Spannung V2 zwischen dem ersten elektrischen Kontakt auf der p-dotierten Halbleiterregion und dem zweiten elektrischen Kontakt auf der n-dotierten Halbleiterregion definiert die Spannung über die pn-Diode. Die zweite Spannung V2 bestimmt daher den elektrischen Strom, den die n-dotierte Halbleiterregion in die p-dotierte Halbleiterregion injiziert. Der injizierte Elektronenstrom bestimmt daher den Elektronenstrom, den die p-dotierte Halbleiterregion an die Emitterspitze für Elektronenemission in den freien Raum liefern kann. Daher wird, um einen konstanten Elektronemissionsstrom bereitzustellen, die zweite Spannung V2 über den pn-Diodenübergang bevorzugt gut kontrolliert.
Bevorzugt ist der zweite elektrische Kontakt auch ein Ohm'scher Kontakt, der unabhängig von der Richtung des Stromes ist und der die n-dotierte Halbleiterregion während der Standardbetriebs auf einem wohldefinierten Potenzial hält. Eine stabile Spannung ist sowohl für die p-dotierte Halbleiterregion als auch für die n-dotierte Halbleiterregion extrem wichtig, um die pn-Diode genau anzusteuern, damit die Strominjektion in die p-dotierte Halbleiterregion mit hoher Präzision geregelt ist. Die strenge Kontrolle der Strominjektion in die p-dotierte Halbleiterregion ermöglicht einen genau definierten Elektronenstrahlstrom.
Bevorzugt ist die Emitterspitze aus einem p-dotierten Material gemacht. Auf diese Weise ist der nicht-verarmte p-dotierte Bereich der Emitterspitze während des Betriebes in Ohm'scher Verbindung mit der p-dotierten Halbleiterregion. Dies impliziert, dass die Spannung des nicht-verarmten p-dotierten Bereichs der Emitterspitze anstatt durch das durch die Extraktionselektrode erzeugte externe elektrische Feld durch die Spannung der p-dotierten Halbleiterregion bestimmt ist. Eine konstante Spannung am ersten elektrischen Kontakt sorgt auch für eine konstante Spannung im nicht-verarmten p-dotierten Bereich der Emitterspitze, das heißt, sie hängt nicht von den Änderungen des externen elektrischen Feldes an der Emitterspitze aufgrund vom chemischen Zustand oder Form der Emitterspitzen während des Betriebes ab. Dies ist vorteilhaft für Elekt ronenstrahlapparate, bei denen elektrische Feldinterferenz in der Elektronenstrahlregion aufgrund von Fluktuationen des Emitterspitzenpotenzial eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens der Elektronenstrahleinrichtung verursacht.
Damit die injizierten Elektronen die Emitterspitzenoberfläche zur Elektronenemission erreichen, müssen sie bevorzugt den nicht-verarmten p-dotierten Bereich der p-dotierten Halbleiterregion und möglicherweise den nicht-verarmten p-dotierten Bereich der Emitterspitze durchlaufen. Der Weg der Elektronen durch den nicht-verarmten p-dotierten Bereich ist kritisch, da in dieser Region aufgrund der hohen Zahl von vorhandenen Löchern die Rekombinationsrate von Elektronen mit Löchern hoch ist. Daher passieren die meisten Elektronen durch die nicht-verarmte p-dotierte Region dort, wo die Distanz durch die nicht-verarmte p-dotierte Region minimal ist. Der Prozentsatz der Elektronen, die durch die nicht verarmte p-dotierte Region passieren können, ist durch die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D charakterisiert. Um eine hohe Elektronentransporteffizienz zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D so kurz wie möglich ist.
Der Wunsch nach einer hohen Elektronentransporteffizienz ist vergleichbar mit dem Wunsch, einen bipolaren npn-Transistor mit einem hohen Stromtransportfaktor zu entwerfen. Der Transportfaktor eines bipolaren npn-Transistors mit einem Basiskontakt, einem Emitterkontakt und einem Kollektorkontakt ist durch das Verhältnis des Kollektorstroms zum Emitterstrom gegeben. Auch dort werden Elektronen von dem n-dotierten Emitter in eine p-dotierte Basis injiziert, wo die injizierten Elektronen mit Löchern rekombinieren oder in den Kollektor diffundieren können. Um einen großen Anteil der injizierten Elektronen von der p-dotierten Basis zu dem n-dotierten Kollektor zu transportieren, sollte die Dicke der Basis wesentlich kleiner sein als die Diffusionslänge L_n der Elektronen in der p-dotierten Basis. Sonst rekombinieren viele oder eine Mehrzahl der injizierten Elektronen in der p-dotierten Basis aufgrund des Überschusses vorhandener Löcher, bevor sie den Kollektor erreichen.
Dasselbe gilt für die vorliegende Erfindung, wo die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D (d. h. die „Basisschichtdicke") bevorzugt kürzer als die Diffusionslänge L_n der Elektronen in der p-dotierten Halbleiterregion ist. Bevorzugt ist die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D sogar zehn Mal kleiner als die Diffusionslänge L_n. Dies reduziert signifikant den Verlust von injizierten Elektronen aufgrund von Rekombination mit Löchern, es reduziert Elektronenemissionsrauschfluktuationen und es reduziert den Strom durch den ersten elektrischen Kontakt, der die Stabilität für die Operation der Feldemissionskathode erhöht.
Eine hohe Elektronentransporteffizienz erfordert eine lange Diffusionslänge L_n. Dabei ist die Diffusionslänge L_n gegeben durch: Ln = √(kT × μn × τn/q),wobei

k: die Boltzmannkonstante,
T: die Temperatur des Halbleiters,
μ_n: die Elektronenmobilität in p-dotiertem Material,
τ_n: die Elektronenlebensdauer in p-dotiertem Material, und
q: die elektrische Ladung ist.

Die Mobilität μ_n der Elektronen in p-dotiertem Material verhält sich zu der Dotierungskonzentration des Halbleitermaterials folgendermaßen: Je niedriger die Dotierung desto höher die Mobilität μ_n. Die Elektronenlebensdauer τ_n in nicht-verarmtem p-dotiertem Material verhält sich direkt zu der Rekombinationsrate von Elektronen mit Löchern. Dieser Parameter ist auch durch das p-dotierte Halbleitermaterial definiert. Wie man aus der Formel sehen kann, hängt die Diffusionslänge L_n deutlich von der Wahl des Materials der p-dotierten Halbleiterregion ab. Daher kann durch Wahl des geeigneten p-dotierten Halbleitermaterials der p-dotierten Halbleiterregion oder Emitterspitze die Diffusionslänge L_n über einen weiten Bereich variiert werden. Typischerweise variiert die Diffusionslänge L_n des verwendeten p-dotierten Materials für p-dotierte Emitterspitzen zwischen einem Mikrometer bis hin zu Hunderten von Mikrometern.
In dem bipolaren npn-Transistormodell korrespondiert die n-dotierte Halbleiterregion zu dem Emitter, die p-doitierte Halbleiterregion zu der Basis und die Extraktionselektrode zu dem Kollektor. Unter Verwendung dieser Analogie wird der erfindungsgemäße Elektronenstrahlapparat bevorzugt im „Saturationsmodus" betrieben, wo sowohl die pn-Diode (Emitterdiode) und die Extraktionselektrode (Kollektordiode) in Vorwärtsrichtung geschaltet sind. Die erste Spannung V1 zwischen p-dotierter Halbleiterregion und Ex traktionselektrode ist bevorzugt so hoch, dass der Elektronenemissionsstrom nur leicht oder überhaupt nicht von Änderungen der ersten Spannung V1 abhängt. Im Saturationsmodus zeigt der Emissionsstrom daher eine verbesserte Emissionsstromstabilität, selbst wenn sich das elektrische Feld an der Emitterspitze aufgrund von Änderungen der Form oder Oberflächenzustands der Emitterspitze während des Betriebes ändert. Die vorliegende Erfindung überwindet daher das altbekannte Problem von großen Emissionsstrominstabilitäten von Feldemissionskathoden.
Bevorzugt wird die erste Spannung V1 zwischen der Extraktionselektrode und dem ersten elektrischen Kontakt angelegt. Die Höhe der positiven ersten Spannung V1 hängt von der Geometrie der Extraktionselektrode und der Emitterspitze ab. Zu den wichtigsten Parametern zählen dabei die Emitterspitzenhöhe H von der Basis zur Spitze der Emitterspitze, der Radius der Spitze der Emitterspitze, die Länge der Emitterspitze und das Material der Emitterspitze. Für eine Emitterspitze aus Silizium beträgt die erforderliche Feldstärke für signifikante Elektronenemission bevorzugt mehr als 10⁹ V/m. In diesem Fall ist die Dicke der Potentialbarriere T, durch die Elektronen für eine Elektronenemissionen tunneln müssen, kleiner als einige zehn Nanometer. Wenn die Extraktionselektrode bis auf ungefähr 500 nm bis 2 μm an die Emitterspitze herankommt, kann die positive erste Spannung so niedrig wie z. B. 20 bis 200 V sein.
Bevorzugt wird eine in Vorwärtsrichtung geschaltete zweite Spannung V2 über die durch die p-dotierte Halbleiterregion und n-dotierte Halbleiterregion gebildete pn-Diode angelegt. Die zweite Spannung V2 steuert den pn-Diodenstrom, das heißt, den Elektronenstrom, der in die p-dotierte Halbleiterregion injiziert wird. Bevorzugt ist die zweite Spannung V2 sehr stabil, um einen stabilen Elektronenemissionsstrom zu generieren, da im Saturationsmodus der injizierte Elektronenstrom den Elektronenemissionsstrom bestimmt. Für Feldemissionskathoden aus Silizium beträgt die zweite Spannung bevorzugt zwischen –1 V bis +1 V, wobei in dem Bereich die pn-Diode an- oder ausgeschaltet werden kann. Für pn-Dioden aus anderen Halbleitermaterialien kann die für ein An- oder Ausschalten erforderliche Spannung etwas abweichen.
Bevorzugt ist die Feldemissionskathode auf ein Halbleitersubstrat integriert. Die Technik für ein Integrieren einer p-dotierten Halbleiterregion mit Emitterspitze und einer n-dotierten Halbleiterregion auf einen Halbleiter ist im Bereich der Halbleitermikroprozes sierungstechnik wohlbekannt. Sie ermöglicht eine einfache und kosteneffektive Herstellung von Feldemissionskathoden mit hoher geometrischer Präzision. Bevorzugt ist das Halbleitersubstrat aus demselben Material wie die p-dotierte Halbleiterregion und Emitterspitze. Bevorzugt ist das Halbleitersubstrat aufgrund der einfachen Erhältlichkeit des Materials und der Vielzahl von Prozessierungstechniken aus Silizium. Jedoch bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf alle anderen Halbleitermaterialien, die p-dotiert und n-dotiert werden können, eine ausreichende Diffusionslänge haben, und die in die erforderliche Form strukturiert werden können.
Bevorzugt ist auch die Extraktionselektrode auf das Halbleitersubstrat integriert. Unter Verwendung von Mikroprozessierungstechniken für die Integration der Extraktionselektrode auf das Halbleitersubstrat ist es möglich, die Extraktionselektrode so nahe wie einen Mikrometer, oder sogar einen Bruchteil eines Mikrometers, an der Emitterspitze anzuordnen. Dies erlaubt wiederum extrem hohe elektrische Felder an der Emitterspitze bei einem moderaten erste Spannungswert. Darüber hinaus ist das Design von Feldemissionskathoden mit einer integrierten Extraktionselektrode kompakter und genauer.
Bevorzugt hat die Extraktionselektrode eine Öffnung, durch die hindurch die emittierten Elektronen des Elektronenstrahls zu einer Anode passieren können. In dieser Ausführungsform dient die Extraktionselektrode dazu, Elektronen von der Emitterspitze zu extrahieren, während die Anode dazu dient, die emittierten Elektronen auf ein Ziel hin zu richten. Auf diese Weise kann die Steuerung der Elektronenemissionsrate unabhängig von der Richtungsgebung des Elektronenstrahlkontrolle durchgeführt werden. Die Trennung der zwei Prozeduren ist wichtig für Elektronenstrahlapparate wie z. B. dem Elektronenmikroskop oder Elektronenstrahlmustergenerator, bei denen der Elektronenstrahl bei konstantem Elektronenemissionsstromwert in unterschiedliche Richtungen gerichtet werden muss.
Das Design einer Extraktionselektrode mit einer Öffnung ist besonders bevorzugt für Feldemissionskathoden mit integrierter Extraktionselektrode. Dort ist die Extraktionselektrode so nahe am Emitter, dass die emittierten Elektronen nicht verwendet werden könnten, wenn sie nicht durch ein Loch der Extraktionselektrode zur Anode hin passieren könnten.
Bevorzugt umfasst der Elektronenstrahlapparat fokussierende Komponenten, um den Strahl in eine Richtung zu lenken und zu fokussieren. Die fokussierenden Komponenten können magnetische Linsen, Ablenkspulen, Anoden und andere Komponenten, die für Elektronenablenkung und Strahlfokussierung nützlich sind, sein. Für Präzisionsgeräte wie z. B. Elektronenmikroskope und Elektronenstrahlmustergeneratoren, ist es wichtig, den Elektronenemissionsstrom zu justieren, ohne die elektrostatischen Felder in der Elektronenstrahlregion zu verändern. Da im Saturationsmodus der Elektronenemissionsstrom eingestellt werden kann, ohne die erste Spannung V1 zwischen Extraktionselektrode und Emitterspitze zu verändern, kann eine elektrische Feldinterferenz aufgrund von fluktuierendem Extraktionselektrodenpotenzial im elektrischen Feld der Elektronenstrahloptik nicht vorkommen.
Bevorzugt ist die Emitterspitze mit einem Beschichtungsmaterial bedeckt. Das Beschichtungsmaterial kann wegen der Herstellungsprozedur oder für eine bessere Emitterspitzenstabilität auf der Emitterspitze sein. Das Beschichtungsmaterial kann auch dazu dienen, den Leckstrom aufgrund von Oberflächengenerationszentren an der Oberfläche der Emitterspitze zu reduzieren. Der Leckstrom generiert Elektronen, die emittiert werden können, ohne dass sie durch die p-dotierte Halbleiterregion gelaufen sind. Der Leckstrom umgeht daher die Elektronenemissionskontrolle durch die zweite Spannung V2 über die pn-Diode. Es ist daher im Interesse einer guten Elektronenemissionsstromkontrolle, den Leckstrom zu minimieren.
Um die Erzeugung von Oberflächengenerationszentren zu reduzieren, ist das Beschichtungsmaterial bevorzugt eine Passivierungsschicht, z. B. Siliziumoxid für einen Emitter aus Silizium. Auf der anderen Seite muss die Schicht des Beschichtungsmaterials dünn genug sein, um nicht die Elektronenemission durch eine zu hohe Potenzialbarrierendicke T zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist die Dicke des Beschichtungsmaterials an der Spitze der Emitterspitze bevorzugt nicht dicker als einige 10 nanometer.
Die Erfindung gemäß Anspruch 26 stellt eine Elektronenstrahleinrichtung bereit, die ein Feldemissionskathoden mit einem Feld von Extraktionselektroden umfasst. Ein Feld von Feldemissionskathoden ermöglicht ein Feld von Elektronenstrahlen. Elektronen strahlfelder sind nützlich für viele Anwendungen. Für Flachbildschirme sind sie eine Vorbedingung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes auf einem Bildschirm. In Anwendungen wie einem Elektronenmikroskop oder einem Elektronenstrahlmustergenerators ermöglichen sie parallele Inspektion oder parallele Prozessierung zur Verbesserung des Produktionsdurchsatzes. Dies sind jedoch nur einige von den vielen anderen Anwendungen, für die Felder von Feldemissionskathoden nützlich sind.
Bevorzugt ist das Feld von Feldemissionskathoden auf einem Substrat integriert, bevorzugt einem Halbleitersubstrat. Die Integration von Feldern von Feldemissionskathoden auf einem Substrat wird durch die Verwendung von Mikroprozessierungsherstellungsmethoden ermöglicht. Mit der Verwendung von Mikroprozessierungsherstellungsmethoden können Felder von Feldemissionskathoden mit hoher geometrischer und elektronischer Präzision hergestellt werden, was hilft, das Feld von Feldemissionskathoden homogen in Funktionalität und Positionierung zu machen. Weiterhin macht es die Mikroprozessierungsherstellungstechnologie möglich, Felder von bis zu Tausend oder Millionen von Feldemissionskathoden auf einem siliziumgroßen Chip herzustellen. Die Distanz zwischen benachbarten Feldemissionskathoden von solchen Feldern (Arrays) kann im Bereich von Millimetern bis hinunter von weniger als einem Mikrometer sein.
Bevorzugt sind die Extraktionselektroden des Feldes von Extraktionselektroden elektrisch miteinander verbunden. Bevorzugt sind sie über niederohmige Verbindungen miteinander verbunden. Bevorzugt liegen die Extraktionselektroden auf einem gemeinsamen elektrischen Potenzial, was es ermöglicht, alle Extraktionselektroden mit nur einem externen elektrischen Kontakt zu verbinden. Dies ist ein wichtiger Vorteil im Vergleich zu der Situation, bei der große Felder von Extraktionselektroden individuell angeschlossen werden müssen. Auf diese Weise können Tausende oder sogar Millionen von Verbindungslinien oder Kontakten eingespart werden. Für viele Anwendungen ist es ausreichend, die Extraktionselektroden des Feldes von Extraktionselektroden auf eine solche Weise anzuschließen, dass das Feld von Extraktionselektroden einfach eine leitende Platte oder eine leitende Schicht ist.
Es ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung, dass im Saturationsmodus, bei dem die Extraktionselektroden das gleiche Potenzial haben, die Elektronenstrahlströ me trotzdem individuell eingestellt werden können. Im Saturationsmodus hängt der Emissionsstrom nur leicht oder gar nicht von der ersten Spannung ab. Dies impliziert, dass ein Feld von vielen Feldemissionskathoden, die innerhalb eines gewissen Grades alle die gleiche geometrische Form haben, mit derselben ersten Spannung V1 betrieben werden können und dabei gleichzeitig ein homogenes Feld von Elektronenstrahlen liefern.
Bevorzugt sind auch die n-dotierte Halbleiterregionen des Feldes von Feldemissionskathoden elektrisch miteinander verbunden. Bevorzugt ist die elektrische Verbindung niederohmig, damit die n-dotierte Halbleiterregionen auf dem gleichen Potenzial liegen. Diese Ausführungsform erspart viele Leitungen, die anderenfalls nötig wären, um die n-dotierte Halbleiterregionen individuell zu kontaktieren. Bevorzugt ist die elektrische Verbindung dadurch erzeugt, dass die n-dotierte Halbleiterregionen sich miteinander berühren. Bevorzugt berühren sich die n-dotierte Halbleiterregionen miteinander auf eine Weise, dass die vielen n-dotierten Halbleiterregionen eine n-dotierte Halbleiterregion darstellen. In dieser Ausführungsform kann die Strukturierung der n-dotierten Halbleiterregionen auf dem Substrat eingespart werden, um Kosten zu reduzieren.
Bevorzugt sind die p-dotierten Halbleiterregionen des Feldes von Feldemissionskathoden miteinander elektrisch verbunden. Bevorzugt sind die elektrischen Verbindungen niederohmig, um an den p-dotierten Halbleiterregionen das gleiche Potenzial anzulegen. Diese Ausführungsform spart viele Leitungen ein, die anderenfalls nötig wären, um die p-dotierten Halbleiterregionen individuell zu kontaktieren. Bevorzugt sind die elektrischen Verbindungen dadurch hergestellt, dass die p-dotierten Halbleiterregionen sich miteinander berühren. Bevorzugt berühren sich die p-dotierten Halbleiterregionen miteinander auf eine Weise, dass viele p-dotierten Halbleiterregionen eine p-dotierte Halbleiterregion bilden. Auf diese Weise kann eine Strukturierung der p-dotierten Halbleiterregion auf dem Substrat eingespart werden und Kosten reduziert werden.
Es hängt von der Anwendung ab, welche der drei elektrischen Verbindungen, Extraktionselektrode, p-dotierte Halbleiterregion oder n-dotierte Halbleiterregion, für alle Feldemissionskathoden des Feldes von Feldemissionskathoden auf dem gleichen Potenzial liegen sollen. Wenn alle drei Verbindungen für alle Feldemissionskathoden des Feldes von Feldemissionskathoden auf gleichem Potenzial liegen, werden bloß zwei Spannungsquellen benötigt, um ein beliebig großes Feld von Feldemissionskathoden anzusteuern. In diesem Fall können jedoch die Elektronenstrahlströme nicht individuell eingestellt werden.
Wenn die Extraktionselektroden von allen Feldemissionskathoden auf einem gemeinsamen Potenzial liegen, und wenn die p-dotierte Halbleiterregionen von allen Feldemissionskathoden auf einem gemeinsamen Potenzial liegen, sind die n-dotierten Halbleiterregionen bevorzugt individuell an Spannungsversorgungen angeschlossen. In diesem Fall können die Elektronenstrahlströme durch Regelung der zweiten Spannung V2 individuell eingestellt werden, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das elektrische Potenzial in der Elektronenstrahlregion unbeeinflusst bleibt, wenn die elektrischen Strahlströme eingestellt werden, da eine Änderung des n-dotierten Halbleiterregionpotenzials keinen Einfluss hat auf die externen elektrischen Felder der Region zwischen Emitterspitze hat. Das Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Elektronenstrahlstroms mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinrichtung umfasst die Schritte: Anwenden einer positiven ersten Spannung V1 an die Extraktionselektrode bezüglich der p-dotierten Halbleiterregion sowie Anwenden einer zweiten Spannung V2 an den pn-Diodenübergang, der durch die p-dotierte Halbleiterregion und die n-dotierte Halbleiterregion gebildet ist.
Bevorzugt ist die zweite Spannung V2 eine Spannung, die den pn-Diodenübergang in Vorwärtsrichtung schaltet. In diesem Fall treten Elektronen von der n-dotierten Halbleiterregion durch den pn-Diodenübergang in die p-dotierte Halbleiterregion, von wo aus sie zu der Spitze der Emitterspitze für eine Elektronenemission in den freien Raum austreten können.
Bevorzugt wird der freie Raum zwischen Emitter- und der Extraktionselektrode bei einem Vakuum besser als 10^–6 mbar und bevorzugt besser als 10^–9 mbar betrieben. Ein gutes Vakuum reduziert die Kollisionsrate zwischen dem Elektronenstrahl und dem übriggebliebenen Gas, was den Elektronenstrahl auf seinem Weg zum Ziel stören kann. Ein gutes Vakuum verhindert auch chemische Reaktionen an der Emitterspitze, die die Form oder den Oberflächenzustand der scharten Spitze deformieren können. Wenn solche Veränderungen zu stark sind, können sie die Betriebslebensdauer einer Feldemissionskathode beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung reduziert jedoch die durch schlechtes Vakuum verursachten Emissionsstrominstabilitäten, da der Elektronenstrahlstrom im Saturationsmodus weniger empfindlich auf Variationen des elektrischen Feldes an der Emitterspitze reagiert. Das Vakuum kann jedes Mal, wenn der Elektronenstrahlapparat in Betrieb genommen wird, erzeugt werden, z. B. durch eine Vakuumpumpe, oder permanent vorliegen, indem z.B. das Volumen zwischen Extraktionselektrode und Emitterspitze einmal evakuiert und in einem vakuumsicheren Behälter versiegelt wird.
Bevorzugt wird die positive erste Spannung V1 auf ein Niveau angehoben, an dem der Elektronenstrahlstrom einen Saturationsstromwert erreicht. Wie die Saturationsregion eines bipolaren npn-Transistors wird ein Saturationsstromwert einer Feldemissionskathode dann erreicht, wenn die erste Spannung V1 oberhalb der Saturationsschwelle ist, bei der die Stromverstärkung pro Spannungseinheit deutlich heruntergeht.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Feldemissionskathode bei, die mit einer Emitterspitze aus p-dotiertem Halbleitermaterial verbunden ist, wobei im Wesentlichen alle Elektronen, die in die Emitterspitze eintreten, durch die p-dotierte Halbleiterregion fließen. Das p-dotierte Halbleitermaterial der Emitterspitze sorgt dafür, dass es nur wenige oder überhaupt keine freien Elektronen innerhalb der Emitterspitze gibt (Minoritätsträger). Die Tatsache, dass im wesentlichen alle Elektronen, die in die Emitterspitze eintreten, durch die p-dotierte Halbleiterregion fließen, impliziert, dass es außer der Durchquerung der p-dotierten Halbleiterregion keine anderen Wege für Elektronen gibt, zu der Emitterspitze zu gelangen. Das hat den Vorteil, dass der Elektronenstrom, der zu der Emitterspitze fließt, vollständig durch die zweite Spannung V2 zwischen der p-dotierten Halbleiterregion und der n-dotierten Halbleiterregion gesteuert werden kann.
In einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die pn-Diode eine Tunneldiode sein. Eine Tunneldiode ist eine Diode, bei der die p-dotierte Region und die n-dotierte Region so stark dotiert sind, dass im thermischen Gleichgewicht das Fermi-Niveau des p-dotierten Materials innerhalb der Energieregion des Leitungsbandes der n-dotierten Region liegt. Diese Eigenschaft produziert die wohlbekannten Strom-Spannungskurven von Tunneldioden mit einer Region mit negativem differentiellem Widerstand. Wenn die zweite Spannung V2 in einer Region mit negativem diffe renziellem Widerstand ist, kann der Elektronenstrahlapparat so gesteuert werden, dass ein Ansteigen der zweiten Spannung V2 den Elektronenemissionsstrom reduziert.
In einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die pn-Diode die Kollektordiode eines bipolaren pnp-Transistors sein. In diesem Fall bilden die p-dotierte Halbleiterregion, die n-dotierte Halbleiterregion und eine zweite p-dotierte Halbleiterregion einen bipolaren pnp-Transistor, bei dem die p-dotierte Halbleiterregion der Kollektor, die n-dotierte Halbleiterregion die Basis und die zweite p-dotierte Halbleiterregion der Emitter ist. Bevorzugt wird der Elektronenstrom, der in die pn-dotierte Halbleiterregion injiziert wird, durch die Spannung zwischen den Emitter und der Basis bestimmt. In diesem Fall kann die Elektronenemissionsstrom durch die Emitterbasisspannung unabhängig von der Spannung der p-doterten Halbleiterregion, bestimmt werden, so lange die erste Spannung V1 in Saturation ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Einige der oben angedeuteten oder andere mehr detaillierte Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und teilweise dargestellt unter Bezug auf die Figuren. Dabei ist:
1a–b zeigen schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Feldemissionskathode mit und ohne externem elektrischen Feld.
2a–b zeigen schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Feldemissionskathode mit und ohne externem elektrischen Feld.
3a–b zeigen schematisch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldemissionskathode mit und ohne externem elektrischen Feld.
4a–b zeigen schematisch eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektrischen Feldemissionskathode mit und ohne externem elektrischen Feld.
5a–b zeigen schematisch eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektrischen Feldemissionskathode mit und ohne externem elektrischen Feld.
6a–c zeigen schematisch verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Elektronenstrahlapparates mit einer Feldemissionskathode und einer Extraktionselektrode.
7a–c zeigen schematisch eine Methode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einem erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparat, wobei die Emitterspitze aus p-dotiertem Material ist.
8a–c zeigen schematisch eine Methode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einem erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparat, wobei ein Teil der Emitterspitze aus n-dotiertem Material ist.
9 zeigt ein Feld von Strom-Spannungskurven eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparates.
10a–d zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparaten mit Feldern von Feldemissionskathoden und mindestens einer Extraktionselektrode.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den 1a–b, 2a–b, 3a–b, 4a–b und 5a–b werden fünf erfindungsgemäße Ausführungsformen von Feldemissionskathoden schematisch gezeigt. 1a, 2a, 3a, 4a und 5a beziehen sich auf Ausführungsformen ohne externes elektrisches Feld, währen die 1b, 2b, 3b, 4b und 5b sich auf die gleichen Ausführungsformen mit externen elektrischen Feld beziehen. Die Figuren mit dem eingeschalteten externen elektrischen Feld beziehen sich auf die Situation, bei der die externe elektrische Feldstärke an der Nadelspitze der Emitterspitze hoch genug ist, um die Feldemissionskathode im Saturati onsmodus zu betrieben, das heißt, in dem Modus, bei dem der Elektronenemissionsstrom durch die Elektroneninjektion in die p-dotierte Halbleiterregion begrenzt ist.
Bevorzugt sind die Feldemissionskathoden aus einem Siliziumsubstrat gemacht, weil die Prozessierungstechnologie zur Herstellung der gewünschten elektrischen und physischen Strukturen auf Silizium wohlbekannt ist. Jedoch können Substrate aus anderen Halbleitermaterialien genauso gut funktionieren.
In 1a ist eine Feldemissionskathode 3 ohne externes elektrisches Feld gezeigt. Es umfasst eine n-dotierte Halbleiterregion 11 mit einer p-dotierten Halbleiterregion 7, die einen pn-Diodenübergang 13 mit einer pn-Diodenverarmungszone 14 bilden. Die p-dotierte Halbleiterregion 7 ist weiterhin mit Emitterspitze 9, die in den freien Raum 27 zeigt, verbunden. Die Emitterspitze 9 in 1a und 1b ist aus p-dotiertem Halbleitermaterial gemacht. Der nicht-verarmte p-dotierte Bereich, die Emitterspitze 9 und der nicht-verarmte p-dotierte Bereich der p-dotierten Halbleiterregion 7 bilden daher einen nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18. Daher ist die p-dotierte Halbleiterregion 7 in Ohm'schem Kontakt mit der Emitterspitze 9, das heißt, das Potenzial der Emitterspitze 9 ist durch die Spannung der p-dotierte Halbleiterregion 7 gesteuert.
Die Emitterspitze 9 hat eine Höhe H, die durch den Abstand von der Emitterspitzenbasis 16 zu der Spitze der Emitterspitze 10 reicht. Die Emitterspitzenbasis 16 ist die Linie, die das Halbleitersubstrat 37 von der Emitterspitze 9 trennt. Die p-dotierte Halbleiterregion 7 ist mit der Emitterspitze auf eine Weise verbunden, dass ein Elektronenstrom, der in die Emitterspitze 9 hineinfließt, durch den nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18 hindurchfließen muss. Ohne externes elektrisches Feld reicht die Minimaldicke, die die Elektronen durch nicht-verarmtes p-dotiertes Material hindurchfließen müssen, das heißt, die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D, von dem pn-Diodenübergang 13 zu der Spitze 10 der Emitterspitze 9.
Die p-dotierte Halbleiterregion 7 umfasst weiterhin einen ersten elektrischen Kontakt 15, um eine externe Spannung an die p-dotierte Halbleiterregion 7 anzuschließen. Bevorzugt ist der erste elektrische Kontakt ein Ohm'scher Kontakt. Bevorzugt umfasst der erste elektrische Kontakt ein leitendes Schichtelement, das an eine Leitung angeschlossen ist und einen Kontakt zu einer Spannungsquelle herstellt. Um einen niedri gen Kontaktwiderstand zu haben, ist die p-dotierte Halbleiterregion 7 in der Region, in der das leitende Schichtelement Kontakt mit der p-dotierten Halbleiterregion 7 macht, bevorzugt hoch dotiert. Die vertikale Ausdehnung der p-dotierten Halbleiterregion 7 ist bevorzugt klein, um die minimale nicht-verarmte p-dotierten Distanz D zu minimieren. Bevorzugt ist die vertikale Ausdehnung der p-dotierten Halbleiterregion 7 kleiner als ein Mikrometer.
Die n-dotierte Halbleiterregion 11 umfasst einen zweiten elektrischen Kontakt 17, um eine externe Spannung an die n-dotierte Halbleiterregion 11 anlegen zu können. Bevorzugt ist der zweite elektrische Kontakt 17 ein Ohm'scher Kontakt. Bevorzugt umfasst der zweite elektrische Kontakt 17 ebenfalls ein leitendes Schichtelement, das mit einer Leitung verbunden ist, die einen Kontakt zu einer Spannungsquelle herstellt. Um einen niedrigen Kontaktwiderstand zu haben, ist die n-dotierte Halbleiterregion 11 in der Region, in der das leitende Schichtelement in Kontakt mit der n-dotierten Halbleiterregion 11 ist, bevorzugt hoch dotiert.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um eine wie in 1a gezeigte Struktur herzustellen. Um ein Beispiel zu geben, kann ein n-dotiertes Halbleitersubstrat selektiv geätzt werden, um eine scharfe Spitze mit einem Spitzenradius von wenigen Nanometern und einer Länge von einigen Mikrometern herzustellen. Die scharfe Spitze dient als Emitterspitze 9, die Elektronen bevorzugt an der Spitze emittiert. Die Methoden zur Erzeugung von scharfen Spitzen aus Halbleitermaterial mit Mikroprozessierungstechniken sind wohlbekannt. Nachdem die scharfen Spitzen erzeugt worden sind, wird das n-dotierte Halbleitersubstrat in der Region der scharten Spitzen selektiv mit p-dotiertem Material dotiert, um eine p-dotierte Halbleiterregion 7 und eine p-dotierte Emitterspitze 9 zu erzeugen. Die laterale Ausdehnung der p-dotierten Halbleiterregion 7 ist bevorzugt groß genug, um die Emitterspitzenbasis 16 vollständig innerhalb der Oberfläche der p-dotierte Halbleiterregion 7 zu umfassen und einen ersten elektrischen Kontakt 15 an die p-dotierte Halbleiterregion 7 anzuschliessen.
Nach Erzeugung der p-dotierten Halbleiterregion 7 werden die ersten und zweiten elektrischen Kontakte 15 und 17 auf der p-dotierten Halbleiterregion 7 und der n-dotierten Halbleiterregion 11 erzeugt. Beide elektrischen Kontakte werden bevorzugt als Ohm'sche Kontakte mit niedrigem Widerstand verwirklicht. Der erste elektrische Kontakt 15 kann z.B. aus einem Aluminiumkontakt sein, der in Kontakt mit der p-dotierten Halbleiterregion 7 ist, wobei die p-dotierte Halbleiterregion 7 in der Region, in der der Kontakt besteht, bevorzugt hoch dotiert ist.
Analog kann der zweite elektrische Kontakt 17 z. B. aus einem Aluminiumschichtelement bestehen, das in Kontakt mit der n-dotierten Halbleiterregion ist, wobei die n-dotierte Halbleiterregion in der Region, in der Kontakt gemacht ist, bevorzugt hoch n-dotiert ist. Die Details zur Erzeugung von Ohm'schen Kontakten auf Halbleitern sind wohlbekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
1b zeigt die gleiche Feldemissionskathode 3 wie in 1a, jedoch mit positivem externen elektrischen Feld 28 eingeschaltet. Mit anwachsender externer elektrischer Feldstärke wird der Leckstrom, der in der Emitterspitze 9 generiert wird, zunehmend in den freien Raum 27 emittiert. Die Region um die Spitze 10 der Emitterspitze 9 ist daher zunehmend verarmt von freien Elektronen und freien Löchern, um eine verarmte p-dotierte Halbleiterregion 20 zu bilden.
Mit wachsender verarmter p-dotierten Emitterregion 20 wird die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D kürzer. Eine kurze nicht-verarmte p-dotierte Distanz D wiederum erhöht die Elektronentransporteffizienz durch den nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18. Wenn das externe elektrische Feld 28 an der Oberfläche der Emitterspitze 9 größer als 10⁶ V/cm ist, können an der Oberfläche ankommenden Elektronen in den freien Raum 27 emittiert werden.
Vorzugsweise ist die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D so kurz wie möglich. Bevorzugt ist die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D kürzer als die Diffusionslänge L_n und bevorzugt zehn Mal kürzer als die Diffusionslänge L_n. Um diese Bedingungen zu erfüllen, wird die Diffusionslänge L_n vorzugsweise so lang wie möglich gewählt. Dies kann man dadurch erreichen, dass das p-dotierte Material niedrig dotiert ist, dass das p-dotierte Material so prozessiert wird, dass es nur wenige Rekombinationszentren besitzt, oder die Temperatur der Feldemissionskathode 3 erhöht wird.
Die Größe der verarmten p-dotierten Emitterregion 20 kann kleiner oder sogar verschwinden, wenn die Leckstromgeneration in der Emitterspitze 9 signifikant ist. Wenn die Leckstromgeneration so groß oder sogar größer ist als der Elektronenemissionsstrom, können die Elektronen die Emitterspitze 9 vom externen elektrischen Feld abschirmen, was wiederum die Größe der verarmten p-dotierten Emitterregion 20 verkleinert. Damit die Steuerung des Elektronenemissionsstroms durch die zweite Spannung V2 nicht durch Leckstromgeneration umgangen wird, wird die Emitterspitze vorzugsweise so prozessiert, dass die Dichte von Leckstromzentren in der Emitterspitze 9 minimiert ist.
In 2a ist eine andere Feldemissionskathode 3 ohne externes elektrisches Feld gezeigt. In 2a sind die Dotierungsniveaus innerhalb der p-dotierten Halbleiterregion 7 unterschiedlich. Die zwei p⁺-dotierten Halbleiterregionen sind hoch dotiert, um einen ersten elektrischen Kontakt mit niedrigem Widerstand zu der p-dotierten Halbleiterregion 7 herzustellen. Die hohen Dotierungsniveaus sorgen auch für einen niedrigen Ohm'schen Kontakt zu der Emitterspitze 9, um die p-dotierte Region auf einem wohldefinierten elektrischen Potenzial zu halten. In dieser Ausführungsform haben die p⁺-dotierten Halbleiterregionen eine Dotierungskonzentration von bevorzugt größer als 10¹⁶ 1/cm³, bevorzugt größer als 10¹⁸ 1/cm³ und noch mehr bevorzugt größer als 10¹⁹ 1/cm³.
Die zwei p^–-dotierten Halbleiterregionen in der p-dotierten Halbleiterregion 7 und in der Emitterspitze 9 sind niedrig dotiert, um für eine große Diffusionslänge L_n zu sorgen, damit eine große Elektronentransporteffizienz ermöglicht ist. Eine hohe Elektronentransporteffizienz ermöglicht einen Betrieb der Feldemissionskathode 3 bei niedriger pn-Diodenstrominjektion bei gegebenem elektrischen Emissionsstrom. Ein niedriger Injektionsstrom reduziert die Rauschfluktuationen des Elektronenemissionsstroms, erhöht die Stabilität der Feldemissionskathodebetrieb und reduziert Erhitzung. Erhitzung kann ein wichtiger Aspekt für große Felder von Feldemissionskathoden sein. Die niedrige p^–-Dotierung reduziert auch die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D, weil die pn-Diodenverarmungszone 14 vergrößert ist. In dieser Ausführungsform hat die p dotierte Halbleiterregion eine Dotierungskonzentration, die bevorzugt kleiner als 10¹⁶ 1/cm³, bevorzugt kleiner als 10¹⁵ 1/cm³ und noch mehr bevorzugt kleiner als 10¹⁴ 1/cm³.
2b zeigt eine Feldemissionskathode 3 wie in 2a mit einem externen elektrischen Feld 28 eingeschaltet. Aufgrund der niedrigen Dotierung in der Emitterspitze 9 ist die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 größer als in 1b. Dies wiederum reduziert die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D, um die Elektronentransporteffizienz zu verbessern.
Gleichzeitig helfen die hoch dotierten p⁺-Regionen der p-dotierten Halbleiterregion 7 zu verhindern, dass die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 durch den nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18 bis zu dem Punkt verarmt wird, dass die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 die pn-Diodenverarmungszone 14 berührt. In diesem Fall wäre die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D Null. Dies kann passieren, wenn die p^–-Dotierung sehr niedrig, das externe elektrische Feld 28 sehr hoch ist oder die Emitterspitzenhöhe H sehr klein ist. Wenn die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D Null ist, können die Elektronen, die in die p-dotierte Halbleiterregion injiziert werden, durch die p-dotierte Halbleiterregion ohne Rekombination hindurchtreten. In diesem Fall würde jedoch der Elektronenemissionsstrom nicht mehr durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden können.
Die Feldemissionskathode 3 von 2a und b wird bevorzugt dort verwendet, wo ein hoher Elektronenemissionsstrom, das heißt mehr als 10 nA, bevorzugt mehr als 100 nA, benötigt wird. In diesem Fall ist eine hohe Transporteffizienz wichtig. Als Nachteil ergibt sich jedoch, dass das niedrige Dotierungsniveau der Emitterspitze 9 zu einem großen Volumen der verarmten p^–-dotierten Emitterregion 20 führt, wenn ein externes elektrisches Feld 28 angelegt wird. Das große Volumen der verarmten p^–-dotierten Emitterregion 20 verursacht einen hohen Leckstrom, der sich zu dem Emissionsstrom addiert. Da der Leckstrom nicht durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden kann, ist der Leckstrom, der in der Emitterspitze 9 erzeugt wird, vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner als der Elektronenstrom, der durch die pn-Diodenübergang 13 fließt.
Zusätzlich führt das niedrige Dotierungsniveau der p-dotierten Emitterspitze 9 auch zu einem größeren Widerstand der Emitterspitze. Obwohl ein großer Emitterwiderstand den Emitterstrom in einer selbst regulierenden Weise stabilisieren kann, kann er auch zu hoch sein, wenn für eine gegebene Anwendung ein großer Emissionsstrom gewünscht ist.
Die 3a und 3b zeigen erfindungsgemäße Ausführungsformen wie in 2a und 2b mit dem Unterschied, dass die Emitterspitze 9 eine hochdotierte p⁺-dotierte Region ist. Die hohe p-Dotierung bewirkt im Vergleich mit 2b ein reduziertes Volumen der verarmten p-dotierten Emitterregion 20, wenn das externe Feld 28 angeschaltet ist. Das kleinere Volumen der verarmten p-dotierten Emitterregion 20 führt wiederum zu einem reduzierten Leckstrom. Damit ein großer Teil des emittierten Stroms durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden kann, ist es wichtig, dass der Leckstrom deutlich kleiner als der gesamte Emissionsstrom ist. Daher ist eine hohe p-Dotierung der Emitterspitze 9 wichtig, wenn der gesamte Emissionsstrom der Feldemissionskathode 3 klein ist, das heißt, kleiner als 50 nA und bevorzugt kleiner als 10 nA. Nachteilig ist, dass die hohe Dotierung der Emitterspitze 9 die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D erhöht, was wiederum die Elektronentransporteffizienz reduziert. Bevorzugt ist die p⁺-Dotierung der Emitterspitze größer als 10¹⁶ 1/cm³, bevorzugt größer als 10¹⁸ 1/cm³ und noch mehr bevorzugt größer als 10¹⁹ 1/cm³.
In 4a ist eine vierte Ausführungsform einer Feldemissionskathode 3 ohne externes elektrisches Feld gezeigt, die sich von 1a, 2a oder 3a dadurch unterscheidet, dass die Emitterspitze zwei Regionen umfasst. Die erste Emitterspitzenregion ist die Emitter p-dotierte Region 9a, die mit der p-dotierten Halbleiterregion 7 verbunden ist. Die zweite Region ist die Emitter n-dotierte Region 9b, die nicht mit der p-dotierten Halbleiterregion 7 verbunden ist, aber die Spitze 10 der Emitterspitze 9 umfasst. Mit diesem Design kann die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D viel kürzer gemacht werden als für eine Emitterspitze 9, die nur aus p-dotiertem Material gemacht ist, um die Elektronentransporteffizienz zu erhöhen. Jedoch ist der obere Teil der Emitterspitze 9, das heißt die Emitter n-dotierte Region 9b, nicht in Ohm'schen Kontakt mit der p-dotierten Halbleiterregion 7, weil ein zweiter pn-Diodenübergang 81 zwischen Emitter p-dotierter Region 9a und Emitter n-dotierten Region 9b liegt. Als Konsequenz kann das elektrische Potenzial der Emitter n-dotierten Region 9b nicht durch eine zweite Spannung V2 kontrolliert werden, das heißt die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt, 15 und 17. Das elektrische Potenzial hängt also auch von den externen Feld 28 an der Oberfläche der Emitterspitze 9 ab. Dies impliziert, dass die Energie der Elektronen, die von der Emitterspitze 9 emittiert werden, nicht nur von der zweiten Spannung V2 sondern auch von der ersten Spannung V1 abhängt. Die zweite pn-Diodenübergangverarmungszone 80 an der zweiten pn-Diodenübergang 81 ist nicht in 4a gezeigt.
4b zeigt die Feldemissionkathode 3 von 4a mit dem externen elektrischen Feld 28 eingeschaltet. In diesem Fall reduziert sich die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D aufgrund einer expandierenden zweiten pn-Diodenübergangsverarmungszone 80. Im Saturationsmodus, d.h. wenn die Potenzialbarriere an der Oberfläche der Emitterspitze so klein ist, dass der Elektronenemissionsstrom durch die Elektroneninjektion in die p-dotierte Halbleiter-Region bestimmt ist, ist die Emitter-n-dotierte Region 9b vollständig verarmt.
5a zeigt eine Feldemissionskathode 3 wie in 1a, wobei die Emitterspitze 10 mit einem Beschichtungsmaterial 8 beschichtet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform dient das Beschichtungsmaterial 8 dazu, die Dichte der leckstromerzeugenden Zentren an der Oberfläche der Emitterspitze 9 zu reduzieren. Ein kleiner Leckstrom ist wünschenswert aus zwei Gründen: Erstens, der Leckstrom addiert sich zu dem Elektronenemissionsstrom, ohne dass er direkt durch die Spannung über den pn-Dioden-Übergang 13 gesteuert werden kann. Insbesondere kann der Elektronenemissionsstrom nicht abgeschaltet werden, wenn ein permanenter Leckstrom fließt. Zweitens, die externe elektrische Feldstärke an der Emitterspitze 28, die erforderlich ist, um einen Elektronenemissionsstrom unabhängig von der Stärke des externen elektrischen Feldes 28 zu erzeugen, ist höher (Saturationsmodus). Dies ist deshalb so, weil die Dicke der Potenzialbarriere an der Oberfläche der Emitterspitze kleiner sein muss, damit die Elektronen durch den Leckstrom durch den Tunnel ohne wesentliche Verzögerung hindurch fließen können.
Wenn die Emitterspitze aus Silizium ist, ist das Beschichtungsmaterial bevorzugt aus Siliziumoxyd. Die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials 8 ist dünn, damit die Emitterspitze 9 nicht zu groß wird. Bevorzugt ist die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials 8 der Emitterspitze 9 unterhalb von 100 nm und bevorzugt unterhalb von 10 nm, damit das externe elektrische Feld in der Region der Spitze 10 der Emitterspitze nicht zu klein wird. Bevorzugt ist die Spitze 10 nicht mit Beschichtungsmaterial beschichtet, damit die Potenzialbarriere an der Oberfläche der Emitterspitze im Bereich der Spitze 10 klein ist.
5b zeigt die Feldemissionskathode 3 von 5a mit dem externen elektrischen Feld 28 angeschaltet. Das Beschichtungsmaterial 8 auf der Emitterspitze 8 hält den Leckstromgenerationsstrom klein. Daher kann das externe elektrische Feld 28 an der Emitterspitze 9, das für einen Betrieb im Saturationsmodus erforderlich ist, niedriger sein.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die in den 1a bis 5a gezeigt worden sind, stellen nur einige Beispiele für viele andere Modifikationen der Erfindung dar. Insbesondere können die Dotierungsprofile oder das geometrische Layout der Emitterspitze 9, der p-dotierten Halbleiter-Region 7 oder der n-dotierten Halbleiter-Region 11 auf vielfältige Weise variiert werden, um das Bauelement auf eine vorgegebene Anwendung hin zu optimieren. Solche Änderungen sind einem Fachmann jedoch vom Lesen dieser Beschreibung offensichtlich. Solche Modifikationen und Änderungen können auch äquivalente Merkmale oder Merkmale, die bereits bekannt sind und die anstelle eines anderen Merkmals oder zusätzlich zu einem anderen Merkmal verwendet werden, beinhalten.
6a zeigt eine erste Ausführungsform eines Elektronenstrahlapparates 1 entsprechend der Erfindung. Der Elektronenstrahlapparat 1 umfasst eine Feldemissionskathode 3 und eine Extraktionselektrode 5. Die Feldemissionskathode 3 kann eine von den in der Beschreibung beschriebenen sein. Die Feldemissionskathode 3 von 6a ist die gleiche Feldemissionskathode 3, die in 1a gezeigt ist. Die Feldemissionskathode 3 umfasst eine p-dotierte Halbleiterregion 7 mit einer Emitterspitze 9 und einer n-dotierten Halbleiterregion 11. Die n-dotierte Halbleiterregion 11 und die p-dotierte Halbleiterregion 7 bilden zusammen den pn-Diodenübergang 13. Weiterhin ist eine erste Spannungsquelle 21 gezeigt, die in der Lage ist, eine positive erste Spannung V1 bezüglich der p-dotierten Halbleiterregion 7 zu erzeugen, und eine zweite Spannungsquelle 23, die in der Lage ist, eine vorwärts geschaltete Spannung V2 über die pn-Diodenübergang 13 zu erzeugen.
Durch Anwendung einer ausreichend großen ersten Spannung V1 zwischen der Extraktionselektrode 5 und der p-dotierten Halbleiterregion 7 kann ein hohes externes elektrisches Feld 28 an der Emitterspitze 9 erzeugt werden. Die maximale Feldstärke des externen elektrischen Feldes wird an der Spitze der Emitterspitze 9 erzeugt. Entsprechend werden freie Elektronen bevorzugt an der Spitze 10 der Emitterspitze 9 erzeugt. Wenn die erste Spannung V1 so hoch ist, dass die Potenzialbarriere an der Oberfläche der Emitterspitze 9 dünn genug ist, dass alle die Spitze 10 der Emitterspitze 9 erreichenden Elektronen ohne Verzögerung hindurch tunneln können, dringt das externe elektrische Feld in die Emitterspitze ein und formt die verarmte p-dotierte Emitterregion 20. Der Elektronenstrahlapparat 1 arbeitet dann in dem Saturationsmodus.
Die Extraktionselektrode 5 dient dazu, ein hohes elektrisches Feld an der Emitterspitze 9, insbesondere an der Spitze der Emitterspitze 9, zu erzeugen. Das minimale Feld, das für eine Elektronenemission von der Emitterspitze 9 im Bereich von Nano-Ampere erforderlich ist, beträgt ungefähr 10⁸ V/m bis 10⁹ V/m. Um solche hohen elektrischen Felder an der Spitze 10 der Emitterspitze 9 bei vernünftigen Spannungen zu erreichen, muss der Spitzenradius sehr klein (z. B. im Nanometerbereich) und das Verhältnis von der Länge der Emitterspitze zu dem Spitzenradius groß sein (einige Hundert). Wenn die Extraktionselektrode ungefähr bis auf einen Mikrometer an die Emitterspitze 10 heranreicht, ist es möglich, einen signifikanten Emissionsstrahlstrom mit Spannungen von nur 20–100 V zu erzielen. Wenn höhere Spannungen V1 zwischen Emitterspitze 9 und Extraktionselektrode 5 möglich sind, kann die Extraktionselektrode 5 weiter weg von der Emitterspitze angeordnet werden. Die erste Spannung V1 zwischen der Extraktionselektrode 5 und dem ersten elektrischen Kontakt 15 wird durch die erste Spannungsquelle 21 bereitgestellt.
Die zweite Spannungsquelle 23 liefert die Spannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 15 und dem zweiten elektrischen Kontakt 17, die wiederum die Spannung bereitstellen, um die pn-Diode, die aus der p-dotierten Halbleiterregion 7 und der n-dotierten Halbleiterregion 11 gebildet ist, zu betreiben. Wenn die Spannung an der n-dotierten Halbleiterregion 11 positiver ist als die Spannung an der p-dotierten Halbleiterregion 7, ist die pn-Diode in Vorwärtsrichtung geschaltet. Dies impliziert, dass Elektronen von der n-dotierten Halbleiterregion 11 durch den pn-Diodenübergang 13 in den nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18 übertreten, wo sie sich richtungslos bewegen bis sie entweder die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 erreicht haben oder mit den im Überfluss vorhandenen Löchern in der p-dotierten Halbleiterregion 7 rekombinieren. Bevorzugt wird der Elektronenemissionsstrom 19 durch die zweite Spannung V2 gesteuert, indem die erste Spannung V1 konstant gehalten wird. Auf diese Weise ist das elektrische Feld im freien Raum 27 nicht durch das Schalten oder Änderungen des Elektronenemissionsstrom 19 beeinflusst.
Diejenigen Elektronen, die die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 erreichen, sehen das externe elektrische Feld, das durch die Extraktionselektrode 5 erzeugt ist, und bewegen sich auf die Spitze 10 der Emitterspitze 9 zu. An der Oberfläche der Spitze 10 ist die Potenzialbarriere bevorzugt so dünn, dass die Elektronen durch diese hindurch tunneln können. Sobald diese von der Oberfläche der Emitterspitze in den freien Raum 27 emittiert sind, driften die Elektronen zu der Extraktionselektrode 5. Da der freie Raum 27 zwischen Emitterspitze 9 und Extraktionselektrode 5 bevorzugt evakuiert ist, driften die Elektronen zur Extraktionselektrode 5 mit wenig oder überhaupt keinen Kollisionen mit den verbliebenen Gasatomen oder Molekülen.
Die in 6a gezeigten verbindenden Linien können einfache Kabel sein, aber sie können auch Leiterbahnen sein, die auf eine Leiterbahnplatte gedruckt oder auf ein Substrat strukturiert worden sind.
In 6b ist ein Elektronenstrahlapparat 1 mit einer Feldemissionskathode 3 gezeigt, die mit der in 1b identisch ist. Jedoch unterscheidet sich die Extraktionselektrode 5 dadurch, dass die Extraktionselektrode 5 eine Öffnung 6 hat, durch die der Elektronenstrahl 19 passieren kann, wenn eine andere Anode 32 vorhanden ist, um die Elektronen anzuziehen. In 6b ist die Anode auf eine Spannung gelegt, die durch die dritte Spannungsquelle 30 gegeben ist, wobei das Potenzial der Anode bevorzugt positiver ist als das Potenzial der Extraktionselektrode 5. Die Öffnung 6 in der Extraktionselektrode hat den Vorteil, dass die Extraktionselektrode 5 sehr dicht an der Emitterspitze angeordnet sein kann, wobei die Elektronenstrahl 19 weiterhin eine gewisse Distanz überwinden kann, um Funktionen auszuführen, wie z. B. das Abscannen einer Probe für ein Elektronenmikroskop, das Abscannen einer Wafer-Oberfläche auf einem Elektronenstrahlmustergenerator oder Erzeugung von Licht auf einem Phosphorbildschirm. Weiterhin kann die Extraktionselektrode 5 nur wenige Mikrometer oder näher an der Emitterspitze 9 angeordnet werden. Für ein solches Design ist es möglich, die Extraktionselektrode unter Verwendung von Mikroprozessierungstechniken, welche eine kompakte und kostengünstige Herstellungsmethode darstellt, zu integrieren. Zusätzlich ermöglichen eine kleine Distanz zwischen der Extraktionselektrode 5 und der Emitterspitze 9 bei moderaten ersten Spannung V1, z. B. unterhalb von 100 V, eine ausreichende elektrische Feldstärke für Elektronenemission an der Emitterspitze 9. Die Verwendung von niedrigen Spannungen eliminiert die vielen bekannten Probleme, die bei der Verwendung von hohen Spannungen von z. B. 1 kV oder oberhalb von 10 kV, aufkommen können.
In 6c ist ein Elektronenstrahlapparat 1 wie in 6b gezeigt. Der einzige Unterschied ist die Einführung von fokussierenden Komponenten 34 entlang dem Elektronenstrahl 19. Die fokussierenden Komponenten 34 in 6c stehen für elektrische oder magnetische Bauteile oder eine Kombination von solchen Bauteilen, die den Elektronenstrahl 19 fokussieren oder auf eine Position lenken. Fokussierende Komponenten 34 werden z. B. für Elektronenmikroskope oder Elektronenstrahlmustergeneratoren verwendet. Der Elektronenstrahlapparat 1 von 6c bietet hohe Stabilität des Elektronenstrahlstroms, da der Emissionsstrom bevorzugt durch den pn-Diodenstrom gesteuert wird, der wiederum durch die zweite Spannung V2 gesteuert ist. Zusätzlich wird, selbst wenn eine Justierung des Elektronenstrahlstromwertes notwendig ist, die Korrektur bevorzugt durch eine Einstellung der zweiten Spannung V2 über den pn-Diodenübergang 13 durchgeführt, die gewöhnlich um weniger als 1 V geändert werden muss. Solch eine Spannungsänderung wird durch die fokussierenden Komponenten 34 kaum gespürt. Als Resultat ist es mit einer Vorrichtung wie in 6c möglich, den Elektronenstrahlstrom ohne signifikante Interferenz mit den elektrischen oder magnetischen Feldern, die den Weg des Elektronenstrahls 19 festlegen, zu steuern. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Elektronenstrahlapparaten, bei denen der Emitterstromwert durch die Spannung zwischen Emitterspitze und Extraktionselektrode gesteuert ist. Solche Spannungen würden eine Interferenz zwischen den elektrischen Feldern, die den Pfad des Elektronenstrahls steuern, verursachen.
In den 7a bis 7c sind Position-Energie-Diagramme gezeigt, die schematisch das zugrunde liegende physikalische Modell für die Elektronenemission von den in 1a gezeigten Elektronenstrahlapparaten mit Feldemissionskathoden zeigen. Das physika lische Modell in 7a bis 7c dient als Versuch, die Erfindung zu beschreiben. Jedoch sind die 7a bis 7c nicht dazu geeignet, die erfindungsgemäßen Vorrichtungen vollständig zu erklären.
Die horizontale Achse X stellt die Position entlang der Achse einer Emitterspitze 9 von der n-dotierten Halbleiterregion 11 zu der Spitze der Emitterspitze 9 bis zur Extraktionselektrode 5 dar. Die vertikale Richtung stellt die Elektronenenergieniveaus mit der Fermi-Energie 60, der unteren Kante des Leitungsbandes 62, der oberen Kante des Valenzbandes 63 und des Vakuumenergieniveaus 61, die zusammen den Emissionsstrom des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparates definieren.
Auf der linken Seite des Position-Energie-Diagramms ist die n-dotierte Halbleiterregion 11, die bis zum pn-Diodenübergang 13 reicht. In der n-dotierten Halbleiterregion 11 sind die Elektronen Majoritätsträger, wie durch die freien Elektronen 56 an der oberen Kante der Leitungsbandlinie 62 angedeutet ist. Auf den pn-Diodenübergang 13 folgt die p-dotierte Halbleiterregion 7, die bis zu der Position der Spitze 10 der Emitterspitze 9 reicht. In der p-dotierten Halbleiterregion 7 sind Löcher die Majoritätsträger, wie durch die freien Löcher 57 unterhalb der oberen Kante der Valenzbandeslinie 63 angedeutet. Auf der rechten Seite der Spitzenposition 10 ist der freie Raum 27, der bevorzugt ein gutes Vakuum ist und bis zu der Extraktionselektrode 5 reicht. Zwischen Spitze 10 und Extraktionselektrode 5 ist die Potenzialbarriere 25 mit der Potenzialbarrierendicke T und einer Höhe, die durch den Vakuumeneregieniveau 61 gegeben ist, angedeutet.
Die untere Kante der Leitungsbandlinie 62 gibt den Energiebereich an, in dem freie Elektronen 56 sich bewegen dürfen. Elektronen sind dann frei, wenn sie oberhalb der unteren Kante der Leitungsbandeslinie 62 sind. Ohne externe Kräfte tendieren freie Elektronen 56 dazu, sich auf die Position mit dem niedrigsten Wert der unteren Kante der Leitungsbandlinie 62 zu bewegen. Dies ist der Grund, warum es einen Überfluss an freien Elektronen 56 in der n-dotierten Halbleiterregion 11 außerhalb der pn-Diodenverarmungszone 14 gibt. Diese Region wird daher nicht-verarmte p-dotierte Halbleiterregion genannt.
Bis auf die Polarität gilt das Gleiche auch für Löcher. Die obere Kante der Valenzbandlinie 63 zeigt den Energiebereich an, in dem Löcher 57 sich bewegen dürfen. Ohne externe Kräfte tendieren Löcher 57 dazu, sich in eine Position mit dem höchsten Wert der oberen Kante der Valenzbandlinie 63 zu bewegen. Dies ist der Grund, warum es einen Überfluss von Löchern 57 in der p-dotierten Halbleiterregion 7 außerhalb der pn-Diodenverarmungszone 14 gibt. Diese Region wird daher auch nicht-verarmte n-dotierte Halbleiterregion genannt.
Der Buchstabe E_g gibt schließlich die Energiedifferenz zwischen der oberen Kante der Valenzbandlinie 63 und der unteren Kante des Leitungsbandes 62 an. Die Region zwischen den beiden Bändern wird auch verbotene Zone genannt, weil sich in diesem Energiebereich keine Elektronen oder Löcher aufhalten dürfen. Die Energiedifferenz ist eine Konstante, die von dem Halbleitermaterial abhängt. Für Silizium ist die Energiedifferenz E_g z. B. ca. 1,1 eV bei Raumtemperatur.
Die Folge der 7a bis 7c zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Methode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 19. In 7a ist keine externe Spannung angelegt, das heißt die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2 sind Null. Dementsprechend ist der Fermi-Energieniveau 60 auf einem konstanten Energiewert. Die untere Kante des Leitungsbandes 62 und die obere Kante des Valenzbandes 63 ordnen sich entsprechend ihrem Blockierungsniveaus selbständig um die Fermi-Energieniveau 60 an: Für n-dotierte Halbleiterregion 11 ist die Fermi-Energieniveau 60 näher am Leitungsband 62, während in der p-dotierten Halbleiterregion 7 das Fermi-Energieniveau 60 näher zu dem Valenzband 63 ist.
In dem Übergangsbereich des pn-Diodenübergangs 13 sind das Leitungsband 62 und das Valenzband 63 gebogen, um einen kontinuierlichen Übergang zwischen der linken Hälfte des Leitungsbandes (oder Valenzbandes) und der rechten Hälfte des Leitungsbandes (oder Valenzbandes) zu ermöglichen. Die gebogenen Leitungsbandlinien 62 stellen eine Potenzialbarriere dar, die verhindert, dass sich Elektronen in die p-dotierten Halbleiterregion 7 bewegen, während die gebogene Valenzbandlinie 63 eine Potenzialbarriere darstellt, die verhindert, dass sich die entgegengesetzt geladenen Löcher in die n-dotierte Halbleiterregion 11 bewegen. Die Region, in der das Leitungsband 62 und das Valenzband 63 von einer horizontalen Linie abweichen, ist von freien Elektronen verarmt, so dass sich eine pn-Diodenverarmungszone 14 bildet.
Die Höhe der Potenzialbarriere 65 bezüglich des Leitungsbands 62 repräsentiert die Energie, die erforderlich ist, damit ein Elektron in den freien Raum entkommen kann, wobei der freie Raum bevorzugt ein Vakuum ist. Die Höhe der Potenzialbarriere hängt von dem Halbleitermaterial und dem Dotierungsniveau ab. Ohne externe Spannung, das heißt im thermischen Gleichgewicht, reicht die Potenzialbarriere 65 von der Spitze der Emitterspitze 9 bis zur Extraktionselektrode 5. Dies ist gewöhnlich eine makroskopische Distanz, die zu dick ist, damit ein Elektron hindurch tunneln kann.
7b zeigt das gleiche Position-Energie-Diagramm wie in 7a mit dem Unterschied, dass eine externe erste Spannung V1 zwischen der p-dotierten Halbleiterregion 7 und einer Extraktionselektrode 5 angelegt wird, die positiv bezüglich der p-dotierten Halbleiterregion 7 ist. Die erste Spannung V1 generiert ein elektrisches Feld im freien Raum 27, so dass sich die Potenzialbarriere 65 nach unten hin biegt. Während sich die Potenzialbarriere 65 nach unten biegt, nimmt die Potenzialbarriere 65 die Form einer Potenzialbarriere mit kleiner werdender Dicke T an.
Wenn die erste Spannung V1 angelegt wird, bewegt das externe elektrische Feld freie Elektronen 57 weg von der Spitzenregion 10, wenn keine Elektronen innerhalb der p-dotierten Halbleiterregion 7 gebildet werden, die die p-dotierte Halbleiterregion 7 von dem externen Feld abschirmen. In diesem Fall verarmt das externe elektrische Feld die Region um die Spitze 10 der Emittterspitze 9 herum, um eine verarmte p-dotierte Emitterregion 20 zu bilden. Aus diesem Grund wird der nicht-verarmte p-dotierte Bereich mit den freien Löchern 57 dünner und die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D wird kleiner.
Wenn die erste Spannung V1 auf ein Niveau erhöht wird, bei dem die elektrische Feldstärke an der Spitze der Emitterspitze 9 größer als 10⁸ V/m bis 10⁹ V/m wird, ist die Potenzialbarrierendicke T so klein, dass freie Elektronen hindurch tunneln können. Jedoch, wenn nur die erste Spannung V1 angelegt ist, kann es sein, dass keine freien Elektronen mehr in der Nähe der Spitze 10 der Emitterspitze 9 sind.
Die einzigen freien Elektronen, die für eine Elektronenemission zur Verfügung stehen, sind Elektronen, die innerhalb des nicht-verarmten p-dotierten Bereiches 18 oder innerhalb der verarmten p-dotierten Emitterregion 20, das heißt, der Leckstrom, erzeugt worden sind. Wenn jedoch gewünscht wird, dass die zweite Spannung V2 volle Kontrolle über den Elektronenemissionsstrom ausübt, muss der Leckstrom klein sein, weil er nicht durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden kann. Wenn es möglich ist, die Elektronenemissionsstrom durch sowohl die erste als auch die zweite Spannung V1 und V2 zu steuern, kann die erste Spannung V1 auch dazu verwendet werden, den Leckstrom zu steuern. Jedoch kann eine Änderung der ersten Spannung V1 eine elektrostatische Interferenz mit der Elektronenstrahloptik des entsprechenden Elektronenstrahlapparates bewirken.
In 7c ist das gleiche Diagramm wie in 7b gezeigt, mit dem Unterschied, dass zusätzlich zu der ersten Spannung V1 auch die zweite Spannung V2 von Null auf einen Wert angehoben worden ist, der die pn-Diode an der pn-Diodenübergang 13 in Vorwärtsrichtung ansteuert. Der Spannungshub der zweiten Spannung V2 hebt die Niveaus der Fermi-Energie 60, des Leitungsbandes 62 und des Valenzbandes 63 in der n-dotierte Halbleiterregion 11 bezüglich dem Niveau der p-dotierten Halbleiterregion 7 an. Als Resultat ist die Potenzialbarriere in der pn-Diodenverarmungszone 14 reduziert, so dass ein Elektronenstrom, der von der n-dotierten Halbleiterregion 11 zu der p-dotierten Halbleiterregion 7 und ein Lochstrom, der von der p-dotierten Region 7 zu der n-dotierten Halbleiterregion 11 fließt, in Gang gesetzt ist. Dieser Ladungstransport ist identisch zu einem Ladungsfluss einer in Vorwärtsrichtung angesteuerten pn-Diode.
Die Elektronen, die durch die pn-Diodenverarmungsregion 14 fließen, treten in den nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18 ein, wo sie richtungslos diffundieren, bis sie entweder mit einem Loch rekombinieren oder die verarmte p-dotierte Emitterregion 20 erreichen. Das elektrische Feld in der verarmten p-dotierten Emitterregion 20 beschleunigt die Elektronen in Richtung der Spitze 10 der Emitterspitze 9, wo sie durch die Potenzialbarriere 65 mit der Potenzialbarrierendicke T hindurch tunneln können. Nachdem die Elektronen durch die Potenzialbarriere 65 hindurch getunnelt sind, werden die Elektronen in den freien Raum 27, der bevorzugt ein Vakuum ist, emittiert und in Richtung der Extraktionselektrode 5 beschleunigt.
Bevorzugt ist die erste Spannung V1 so hoch, dass die Elektronentunnelrate durch die Potenzialbarriere 65 viel größer ist als die Rate, mit der Elektronen durch die pn-Diodenverarmungsregion 14 hindurchgehen. Bevorzugt ist die erste Spannung V1 auch so hoch, dass die Elektronentunnelrate durch die Potenzialbarriere viel höher ist als die Rate, mit der Elektronen in dem nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18 oder in der verarmten p-dotierten Emitterregion 20 generiert werden. In diesem Fall ist die Elektronenstrahleinrichtung im Saturationsmodus betrieben. Der Vorteil eines Elektronenstrahlapparatbetriebs im Saturationsmodus ist, dass der Emissionsstrom durch den Elektronenstrom limitiert ist, der durch die in Vorwärtsrichtung angesteuerte Spannung initiiert ist. Auf diese Weise haben kleine Fluktuationen im Potenzialbarrierenniveau 65 aufgrund von chemischen oder physikalischen Änderungen der sehr empfindlichen Spitze 10 der Emitterspitze 9 keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf den Elektronenemissionsstrom. Da es viel einfacher ist, die Potenzialbarriere eines pn-Diodenüberganges 13 elektrisch zu steuern als eine Potenzialbarriere eines Vakuumniveaus 61 an der Oberfläche einer Spitze eines sehr hohen Feldes, ist es viel einfacher, den Strom der emittierten Elektronen durch eine zweite Spannung V2 zu steuern.
Dazu kommt, dass die Einstellung des Elektronemissionsstrom 65 mit nur kleinen Änderungen der Spannung durchgeführt werden kann, z. B. im Bereich von –1V bis +1V, während die gleiche Einstellung des Elektronenemissionsstromes 65 durch die erste Spannung V1 nur mit einer viel größeren Spannungsänderung durchgeführt werden kann. Solch hohe Spannungsänderungen zwischen der Extraktionselektrode 5 und der Emitterspitze 9 können die Elektronenstrahloptik einer Elektronenstrahleinrichtung, welche den Elektronenstrahl genau steuert und fokussiert, wie z. B. für ein Elektronenmikroskop oder einen Elektronenstrahlmustergenerator, schwer stören.
In den 8a bis 8c ist ein zweites Set von Position-Energie-Diagrammen gezeigt, welches schematisch das zu Grunde liegende physikalische Modell für die Elektronenemission eines Elektronenstrahlapparates unter Verwendung der in 4a gezeigten Feldemissionskathode zeigt. Das in 8a bis 8c gezeigte physikalische Modell dient dazu, einige Merkmale der Erfindung zu beschreiben. Jedoch sind die 8a bis 8c nicht dazu geeignet, die Erfindung in vollem Umfang zu beschreiben.
Auf der linken Seite des Position-Energie-Diagramms von 8a ist die n-dotierte Halbleiterregion 11 angeordnet, die sich bis zum pn-Diodenübergang 13 erstreckt. Nach dem pn-Diodenübergang 13 folgt die p-dotierte Halbleiterregion 7, die sich bis zur Basis der Emitterspitze 16 erstreckt. Die p- Dotierungsniveaus reichen jedoch in die Emitter p-dotierte Region 9a bis zum zweiten pn-Diodenübergang 81. Nach der zweiten pn-Diodenverarmungszone 80 bis zur Spitze der Emitterspitze 9 folgt die Emitter n-dotierte Region 9b. Ohne externes elektrisches Feld sind die Elektronen Majoritätsträger in der n-dotierten Halbleiterregion 11 und in der Emitter n-dotierten Region 9b, wie durch die freien Elektronen 56 gezeigt, die oberhalb der unteren Kante des Leitungsbandes 62 eingezeichnet sind. Währendessen sind die Löcher Majoritätsträger im nicht-verarmten p-dotierten Bereich 18. Auf der rechten Seite der Spitzenposition 10 ist der freie Raum 27, der bevorzugt ein gutes Vakuum ist und der bis zur Extraktionselektrode 5 reicht. Zwischen der Spitze 10 und der Extraktionselektrode 5 ist die Potenzialbarriere 65 mit einer Potenzialbarrierendicke T angedeutet. Die Potenzialbarrierendicke T ist durch die Distanz zwischen der Spitze 10 und der Extraktionselektrode 5 gegeben. Aufgrund der Abwesenheit einer ersten Spannung V1 und der Dicke T der Potenzialbarriere 65 gibt es keine Elektronen, die durch die Potenzialbarriere 65 von der Spitze der Emitterspitze 10 bis zur Extraktionselektrode 5 hindurch tunneln.
8b zeigt das Positions-Energie-Diagramm von 8a, wobei die erste Spannung V1 eingeschaltet ist. Der Spannungshub der ersten Spannung V1, der bezüglich der Emitterspitze positiv ist, vergrößert die zweite pn-Diodenverarmungszone 80. Bevorzugt ist die zweite pn-Diodenverarmungszone 80 bis zur Spitze der Emitterspitze 10 verarmt. In diesem Fall ist die Energie der Elektronen, die durch die Potenzialbarriere hindurch passieren, im Wesentlichen durch die erste Spannung V1 gegeben. Wenn die zweite pn-Diodenverarmungszone 80 wie in 8b vollständig bis zu der Spitze 10 verarmt ist, kann der maximale Wert der Potenzialbarriere 65 bezüglich der Spannung der p-dotierten Halbleiterregion 7 aufgrund des Spannungsabfalls über die zweite pn-Diodenverarmungszone 80 deutlich gesenkt werden. Der Spannungsabfall kann jedoch minimiert werden entweder durch eine sehr dünne Emitter-n-dotierte Region, bevorzugt weniger als einige 10 nm dick, oder durch sehr niedrige n-Dotierung, bevorzugt weniger als 10¹⁴ 1/cm². Wie in 7a oder 7b reduziert die starke erste Spannung V1 die Dicke T der Potenzialbarriere 65 auf ein Niveau, so dass freie Elektronen in der Nähe der Spitze 10 einfach in den freien Raum 27 hindurch tunneln können. Dies entspricht einer externen elektrischen Feldstärke von mehr als 10⁶ V/m. Bevorzugt ist die erste Spannung V1 so hoch, dass die Emitter n-dotierte Region 9b komplett von freien Elektronen 56 verarmt ist.
Um eine vollständige Verarmung zu gewährleisten, muss die Potenzialbarrierendicke T dünn genug sein, damit die Elektronenemissionsrate größer als der Leckstrom in der zweiten pn-Diodenübergangszone 80 ist. Sonst würden die freien Elektronen 56, die in der zweiten pn-Diodenübergangszone 80 erzeugt werden, eine vollständige Verarmung dieser Region verhindern.
8c zeigt ein Position-Energie-Diagramm von 8b, wobei eine zweite Spannung V2 in Vorwärtsrichtung an den pn-Diodenübergang 13, der durch die n-dotierte Halbleiterregion 11 und die p-dotierte Haltleiterregion 7 gebildet ist, angelegt wird. Als Folge davon können die freien Elektronen 56 die Potenzialbarriere der pn-Diodenverarmungszone 14 überwinden, um in den nicht verarmten p-dotierten Bereich 18 injiziert zu werden. Dort bewegen sich die Elektronen richtungslos, bis sie die verarmte Emitter-n-dotierte Region 9b erreichen und zu der Spitze 10 der Emitterspitze 9 driften. Wenn die Rate der Elektronenemission durch die Potenzialbarriere 65 größer ist als der Elektronenstrom, der in den nicht verarmten p-dotierten Bereich 80 injiziert wird, kann der Elektronenemissionsstrom vollständig durch die zweite Spannung V2 gesteuert werden (Saturationsmodus).
In 9 ist eine Strom-Spannungskurve einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinrichtung gezeigt. Die Kurven ähneln in vielerlei Hinsicht den Strom-Spannungskurven bipolarer npn-Transistoren. In vertikaler Richtung ist der Elektronenemissionsstrom J gezeigt. In horizontaler Richtung ist die erste Spannung V1 zwischen der Extraktionselektrode 5 und der p-dotierten Halbleiterregion 7 mit Emitterspitze 9 gezeigt. Die fünf Kurven, die durch (1), (2), (3), (4) und (5) gekennzeichnet sind, entsprechen den Strom-Spannungskurven bei wachsenden zweiten Spannungswerten, die ungefähr zwischen 0 und 0,6 Volt liegen.
Das Feld der fünf Strom-Spannungskurven kann aufgeteilt werden in eine lineare Region L, die links zu der Saturationsschwelle 75 liegt, und der saturierten Region S, die rechts von der Saturationsschwelle 75 liegt. In der linearen Region L hängt der Elektronenemissionsstrom J stark von der ersten Spannung V1 ab. In dieser Region ist der Elektronenstrahlstrom durch die Rate begrenzt, mit der freie Elektronen durch die Vakuumpotenzialbarriere 60 hindurch tunneln. Selbst kleine Änderungen der Form der Vakuumpotenzialbarriere 65, z.B. durch kleine chemische Verunreinigungen oder Emit terspitzendeformationen an der Spitze 10, können den Elektronenemissiortsstrom J stark ändern. Der lineare Bereich L ist daher problematisch, wenn eine hohe Stabilität eines Elektronenemissionsstroms benötigt wird.
In der Saturationsregion S ist die erste Spannung V1 so hoch, dass die Potenzialbarrierendicke T auf einen Wert reduziert ist, bei dem Elektronen durch die Potenzialbarriere mit einer hohen Rate hindurch tunneln können. Im Saturationsmodus ist die Elektronentunnelrate größer als der Leckstrom und größer als der Elektronenstrom, der in den nicht-verarmten p-dotierten Bereich injiziert worden ist. Im Saturationsmodus ist der Elektronenstrahlstrom daher limitiert durch die Rate, mit der freie Elektronen dem p-dotierten Halbleiterregion 7 durch Elektroneninjektion mittels pn-Diodenübergang 13 zur Verfügung gestellt werden. Als Konsequenz daraus haben Veränderungen der Form der Vakuumpotenzialbarriere 65 nur wenig Einfluss auf den Elektronenemissionsstrom. Da es viel leichter ist, den Elektronenstrom durch eine pn-Diode als durch den Strom durch eine Vakuumpotenzialbarriere einer winzigen Emitterspitze zu steuern, kann eine wesentlich höhere Elektronenemissionsstromstabilität erreicht werden kann.
Zusätzlich kann im Saturationsmodus die erste Spannung V1 zwischen Extraktionselektrode 5 und p-dotierter Halbleiterregion 7 auf einem konstanten Wert gehalten werden, weil Vakuumpotenzialbarrierenänderungen aufgrund von Verschmutzung oder Deformation der Spitze 10 des Emitters 9 nur wenig oder gar keine Wirkung auf die Elektronenemissionsrate haben. Eine konstante erste Spannung V1 ist wichtig für Elektronenstrahlapparate mit Präzisionsstrahloptiken, weil selbst kleinste Änderungen der Spannungen zwischen Extraktionselektrode 5 und Emitterspitze 9 Einfluss auf die Elektronenstrahloptik haben. Eine konstante erste Spannung V1 ist wichtig für Elektronenstrahlapparate mit einem großen Feld von Feldemissionskathoden, weil sie alle mit der gleichen Spannung V1 betrieben werden können.
Der Grund, warum die Strom-Spannungskurven eines Elektronenstrahlapparats selbst im Saturationsmodus anwachsen, ist, dass mit Anwachsen der ersten Spannung V1 die verarmten Regionen in der Emitterspitze um die Spitze herum wachsen. Eine wachsende Verarmungszone um die Spitze der Emitterspitze erhöht auch den Leckstrom, der sich im Saturationsmodus zu dem Elektronenemissionsstrom addiert.
In den 10a bis 10d werden verschiedene Ausführungsformen von Elektronenstrahlapparaten mit Feldern von Feldemissionskathoden gemäß der Erfindung gezeigt.
In 10a ist ein Segment eines Elektronenstrahlapparates 1 mit einem Ausschnitt aus einem Feld („array") von Feldemissionskathoden 3 gezeigt, die auf einem Halbleitersubstrat 37 integriert sind. Bevorzugt ist das Halbleitersubstrat 37 aus Silizium. Um gute elektrische Isolation zwischen den individuellen n-dotierten Halbleiterregionen 11 zu haben, ist das Halbleitersubstrat 37 ein p-dotierter Halbleiter und bevorzugt ist das elektrische Potenzial negativer als jedes der n-dotierten Halbleiterregionen 11. In 10a wird das elektrische Potenzial für das p-dotierte Halbleitersubstrat 37 durch eine vierte Spannungsquelle 31 bereitgestellt.
Jede Feldemissionskathode 3 aus dem Feld von Feldemissionskathoden umfasst eine n-dotierte Halbleiterregion 11 mit einem zweiten elektrischen Kontakt 17 und eine p-dotierte Halbleiterregion 7, die eine Emitterspitze 9 und einen ersten elektrischen Kontakt 15 umfasst. Beide elektrische Kontakte 15 und 17 sind bevorzugt Ohm'sche Kontakte mit einem niedrigen Widerstand. Geometrie und Dotierungsprofile der Emitter, die p-dotierte Halbleiterregion 7 und die n-dotierte Halbleiterregion 11 sind bevorzugt vergleichbar zu denen, die in den 1a, 2a, 3a, 4a gezeigt sind. In dieser erfindungsgemäßen Ausführung sind die Größe und Dotierungsprofile der p-dotierten Halbleiterregionen 7 und der n-dotierten Halbleiterregionen 11 bevorzugt gleich oder einander sehr ähnlich, damit für die selben Spannungen V1 und V2 dieselben Elektronenstrahlstromwerte erzeugt werden. Bevorzugt ist die Region zwischen den Emitterspitzen 9 und der Extraktionselektrode 5 in einem guten Vakuum 27, damit die Leistungsfähigkeit der Emitterspitzen 9 nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt ist das Vakuum 27 besser als 10^–6 mbar und bevorzugt besser als 10^–8 mbar.
Der Elektronenstrahlapparat 1 umfasst weiterhin eine Extraktionselektrode 5, die als Extraktionselektrode für die Feldemissionskathode 3 dient. Daher sehen in dieser Ausführungsform alle Emitterspitzen 9 die gleiche Spannung an der Extraktionselektrode 5. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform die erste Spannung V1 zwischen Extraktionselektrode 5 und der p-dotierten Halbleiterregion 7 die Gleiche für alle Feldemissionskathoden 3. Dafür sorgt die erste Spannungsquelle 21, die elektrisch mit der p-dotierten Halbleiterregion 7 und der Extraktionselektrode durch die Verbindungsleitung 25 verbunden ist.
Bevorzugt ist die erste Spannung V1 so hoch, dass die Feldemissionskathoden im Saturationsmodus betrieben werden. Im Saturationsmodus ist der Elektronenstrahlstrom 19 beinahe unabhängig von Änderungen der Spannung zwischen Emitterspitze 9 und Extraktionselektrode 5. Dies erhöht die Stabilität der Elektronenstrahlströme 19.
Im Saturationsmodus wird die Stromsteuerung durch die zweite Spannung V2 zwischen p-dotierter Halbleiterregion 7 und n-dotierter Halbleiterregion 11 gesteuert. Aus den gleichen Gründen hängt der Strom des Elektronenstrahls nur wenig oder gar nicht von den detaillierten Strukturen der Emitterspitzen 9 ab. Diese Tatsache ist eine bemerkenswerte Verbesserung über herkömmliche Felder von Feldemissionsapparaten. Im Saturationsmodus hat der Effekt von unvermeidlichen Variationen in der Herstellung von Emitterspitzen keinen großen Einfluss auf das Elektronenemissionsratenverhalten. Dies ermöglicht es zum Beispiel, große Felder von Feldemissionskathoden 3 mit nur einer ersten Spannungsversorgung 21 bei einer hohen Elektronenemissionsratenhomogenität zu betreiben.
Der Elektronenstrahlapparat 1 von 10a umfasst weiterhin zweite Spannungsquellen 23 für jede Feldemissionskathode 3, um individuelle zweite Spannungen V2 über jeden pn-Diodenübergang 13 zu ermöglichen. Auf diese Weise können im Saturationsmodus die Ströme der Elektronenstrahlen 19 individuell gesteuert werden. Mit diesem Konzept kann jede Feldemissionskathode individuell adressiert werden, um zum Beispiel die Elektronenstrahlen 19 von jeder Feldemissionskathode 3 entweder an- oder auszuschalten oder zu erhöhen oder zu erniedrigen. Solche Elektronenstrahlapparate können für Elektronenstrahlmustergeneratoren nützlich sein, wo Felder von Elektronenstrahlen 19 verwendet werden, um Oberflächen von Proben mit hohem Durchsatz zu strukturieren. Es kann auch nützlich sein für Flachbildschirme, wo eine Struktur verschiedener Helligkeiten durch Elektronenstrahlen auf einem Bildschirm generiert werden kann.
Die Leitungen 25 und die zweiten Spannungsquellen 23 sind bevorzugt auf dem Halbleitersubstrat 37 unter Verwendung von mikromechanischen Techniken integriert. Be vorzugt sind die zweiten Spannungsquellen 23 gleich neben der entsprechenden Feldemissionskathode 3 integriert. Dies spart Platz und vermeidet lange Leitungen. Wenn jedoch der Raum zwischen benachbarten Feldemissionskathoden 3 zu klein ist, zum Beispiel kleiner als einige Mikrometer, kann es sein, dass nicht genügend Fläche übrig bleibt, um die zweiten Spannungsquellen 23 gleich neben der entsprechenden Feldemissionskathode 3 zu integrieren. In diesem Fall sind die zweiten Spannungsquellen V2 bevorzugt auf dem Halbleitersubstrat 37 außerhalb des Feldes von Feldemissionskathoden oder sogar außerhalb des Substrates 37 angeordnet. In diesem Fall müssen die Leitungen 25 für jede Feldemissionskathode 3 außerhalb des Feldes von Feldemissionskathoden geführt werden, um elektronische Verbindung mit den zweiten Spannungsquellen 23 zu ermöglichen.
In 10b ist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlapparates gezeigt, die der von 10a ähnlich ist. Der Hauptunterschied zu dem Elektronenstrahlapparat in 10a ist das Weglassen von individuellen n-dotierten Halbleiterregionen L, die stattdessen zu einem n-dotierten Halbleitersubstrat zusammengeführt worden sind. Als Konsequenz daraus sind die n-dotierten Halbleiterregionen 11 elektrisch miteinander verbunden und haben daher das gleiche elektrische Potenzial bezüglich der p-dotierten Halbleiterregion 7. Diese Ausführungsform vereinfacht die Komplexität von Feldern von Feldemissionskathoden beachtlich, weil nur eine zweite Spannungsquelle 23 bereitgestellt werden muss anstatt einer für jede Feldemissionskathode einzeln. Für Tausende oder sogar Millionen von Feldemissionskathoden 3 auf einem Halbleitersubstrat kann eine solche Vereinfachung entscheidend für eine erfolgreiche Anwendung sein.
Auf der anderen Seite, wenn nur eine zweite Spannungsquelle 23 für alle Feldemissionskathoden vorhanden ist, ist eine individuelle Elektronenemissionssteuerung nicht mehr möglich. Das kann einige Anwendungen für diesen Elektronenstrahlapparat ausschließen. Jedoch für Elektronenstrahlapparate wie zum Beispiel ein Elektronenmikroskop, die parallele Elektronenstrahlen 19 mit konstanten und möglicherweise homogenen Elektronenstrahlströmen benötigen, ist diese Vereinfachung nützlich. Die Vereinfachung ist auch wichtig, wenn eine hohe Packungsdichte von Feldemissionskathoden 3 benötigt wird, die Schaltungen zwischen benachbarten Feldemissionskathoden 3 nicht zulassen.
In 10b ist ein zusätzliches Merkmal gezeigt, das für einige Elektronenstrahlapparate 1 nützlich sein kann. In einer der Feldemissionskathoden, zum Beispiel der Feldemissionskathode 3a, ist die p-dotierte Halbleiterregion 7 vergrößert worden, um die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D (siehe 1a) zu vergrößern. Wie bereits gesagt bestimmt die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D den Bruchteil der injizierten Elektronen, der in den freien Raum emittiert werden kann. Durch Vergrößerung der minimalen nicht-verarmten p-dotierten Distanz D ist der Strom des Elektronenstrahls 19 der Feldemissionskathode 3 auf einen Elektronenstrahlstrom 19a reduziert. Daher ist es möglich, unter Verwendung von Layout-Techniken individuelle Elektronenstrahlstromwerte mit nur einer zweiten Spannungsquelle zu haben. Jedoch können die Elektronenstrahlstromwerte nicht während des Betriebes individuell gesteuert werden.
In 10c ist eine weitere Ausführung eines Elektronenstrahlapparates entsprechend der Erfindung gezeigt, die der in 10b ähnlich ist. Der Hauptunterschied zu dem Elektronenstrahlapparat von 10b ist die Zusammenführung der verschiedenen p-dotierten Halbleiterregionen 7 zu einer p-dotierten Schicht 7. Da die p-dotierten Halbleiterregionen nur eine elektrisch leitende p-dotierte Halbleiterschicht 7 sind, brauchen nur ein erster elektrischer Kontakt 15 und nur ein zweiter elektrischer Kontakt 17 zum Ansteuern aller pn-Dioden eines Feldes von Feldemissionskathoden verwendet werden. Dieses Layout erhöht das Potenzial für erhöhte Packungsdichte für Feldemissionskathoden, da keine Leitungen 25 innerhalb des Feldes von Feldemissionskathoden mehr benötigt werden. Mit diesem Design ist es möglich, eine Beabstandung zwischen benachbarten Feldemissionskathoden von weniger als 1 Mikrometer zu erreichen.
Zusätzlich braucht ein Feld von Feldemissionskathoden wie in 10c weniger Herstellungsschritte, da das Strukturieren der p-dotierten Halbleiterregionen oder n-dotierten Halbleiterregionen weggelassen werden kann. Dies hilft, Kosten zu reduzieren und die Herstellungsausbeute zu erhöhen.
In 10d ist ein Elektronenstrahlapparat mit einem Feld von Feldemissionskathoden 3 gezeigt, das zur Illustration viele der Merkmale, die in dieser Beschreibung genannt worden sind, kombiniert. Solch ein Apparat kann zum Beispiel für Elektronenmikrosko pe mit hohem Durchsatz verwendet werden, bei dem Felder von Elektronenstrahlen 19 mit einem wohl bestimmten Elektronenstrahlstromwert durch fokussierende und steuernde Komponenten 34 auf zum Beispiel eine Probe gesteuert werden müssen. Für solche Anwendungen ist individuelle Elektronenstrahlstromkontrolle nicht nötig. Stattdessen wird eine hohe Homogenität der Elektronenstrahlströme und eine gute Stromstabilität gewünscht.
In 10d ist ein Feld von Feldemissionskathoden 3 gezeigt, bei dem die n-dotierten Halbleiterregionen 11 zu einem n-dotierten Halbleitersubstrat und die p-dotierten Halbleiterregionen 7 zu einer p-dotierten Halbleiterschicht 7 zusammengeführt worden sind. Dieses Design ist bereits in 10c beschrieben worden. Damit kann ein Feld von Elektronenstrahlen 19 mit einer über das Feld verteilten hohen Stromhomogenität erzeugt werden, ohne dass individuelle Stromkontrolle erforderlich ist. Mit einer solchen Ausführung kann ein Feld von pn-Dioden der Feldemissionskathoden 3 mit nur einer zweiten Spannungsquelle 23 angesteuert werden.
Zusätzlich sind die Extraktionselektroden 5, bevorzugt unter Verwendung von Mikroprozessortechniken, auf das Substrat integriert worden. Unter Verwendung von Mikroprozessortechniken sind die Extraktionselektroden 5 auf eine strukturierte Isolierungsschicht 40 aufgetragen. Die Mikroprozessierungstechniken ermöglichen es, dass die Extraktionselektroden 5 sehr nahe an die Emitterspitzen 9 mit hoher Präzision angeordnet werden können. Die Verwendung von Mikroprozessierungstechniken ermöglicht Abstände zwischen der Spitze der Emitterspitzen 9 und Extraktionselektroden 5 von einem Mikrometer oder weniger. Dadurch können Feldemissionskathoden 3 im Saturationsmodus bei einer mittleren moderaten ersten Spannung V1, zum Beispiel weniger als 100 V, betrieben werden können. Zusätzlich ermöglicht es die hohe Präzision der Mikroprozessierungstechniken, dass die Feldemissionskathoden 3 und Extraktionselektroden 5 mit einer über das Feld verteilten hohen geometrischen Homogenität der Feldemissionskathoden hergestellt werden können.
Bevorzugt sind die Extraktionselektroden 5 elektrisch miteinander in einer Weise verbunden, dass sie auf dem gleichen elektronischen Potenzial liegen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zum Beispiel Verbindungsleitungen zwischen benachbarten Extraktionselektroden bereitgestellt werden. In einer anderen bevorzugten Ausführung sind die Extraktionselektroden aus einer leitenden Schicht mit Öffnungen 6 an Positionen der Emitterspitzen 98 gemacht. Auf diese Weise kann die erste Spannung V1 zwischen den Extraktionselektroden 5 und den p-dotierten Halbleiterregionen 7 durch eine einzige erste Spannungsquelle 21 versorgt werden.
Zusätzlich zu den Extraktionselektroden 5 ist eine Anode 32 bereitgestellt, die bevorzugt auf einem elektrisch positiverem Potenzial liegt als das elektrische Potenzial der Extraktionselektroden 5. Die Anode 32 dient dazu, das Feld von Elektronenstrahlen 19 durch die Öffnungen 6 der Extraktionselektroden 5 in Richtung zum Beispiel der Anode 32 zu steuern. Das elektrische Potenzial an der Anode wird durch die dritte Spannungsquelle 30, die eine dritte Spannung V3 zwischen der Extraktionselektrode 5 und der Anode 32 liefert, bereitgestellt.
Zusätzlich zu der Anode sind fokussierende Komponenten 34 gezeigt, die ein optisches System für die Elektronenstrahlen 19 repräsentieren. Die fokussierenden Komponenten 34 umfassen gewöhnlich elektrische oder magnetische Komponenten, um die Elektronenstrahlen 90 zu steuern oder zu fokussieren. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Feld von Elektronenstrahlen 19 auf ein Feld von Fokuspositionen 35 fokussiert, die in dieser Ausführungsform auf einer Ebene mit der Anode 32 liegen. Es ist ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass mit einem Feld von Feldemissionskathoden 3 wie in 10d eine hohe Stromhomogenität erreicht werden kann. Zusätzlich werden Anpassungen der Elektronenstrahlströme durch Veränderungen der zweiten Spannung V2 durchgeführt, die keine Wirkung auf das Leistungsverhalten des optischen Systems, das durch die fokussierenden Komponenten 34 repräsentiert ist, ausübt.

Claims

Eine Feldemissionskathode (3) umfassend: eine p-dotierte Halbleiterregion (7), die mit einer Emitterspitze (9) aus einem Halbleitermaterial verbunden ist; wobei ein in die Emitterspitze (9) eintretender Elektronenstrom durch die p-dotierte Halbleiterregion (7) fließt; eine n-dotierte Halbleiterregion (11), die mit der p-dotierten Halbleiterregion (7) einen pn-Diodenübergang (13) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass es einen ersten elektrischen Kontakt (15) auf der p-dotierten Halbleiterregion (7) und einen zweiten elektrischen Kontakt (17) auf der n-dotierten Halbleiterregion (11) gibt.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß Anspruch 1, wobei im wesentlichen alle Elektonen des in die Emitterspitze (9) eintretenden Elektronenstroms durch die p-dotierte Region fließen.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der in die Emitterspitze (9) eintretende Elektronenstrom durch einen nicht-verarmten p-dotierten Bereich (18) fließt.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Betriebs die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D kürzer ist als die Diffusionslänge L_n und bevorzugt 10 mal kürzer als die Diffusionslänge L_n des p-dotierten Halbleitermaterials ist.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Emitterspitze (9) aus p-dotiertem Halbleitermaterial ist.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Feldemissionskathode (3) auf einem Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß Anspruch 6, wobei eine Extraktionselektrode (5) auf dem Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß Anspruch 7, wobei die Extraktionselektrode (5) eine Öffnung (6) aufweist, durch die ein emittierter Elektronenstrahl (19) hindurch treten kann.
Die Feldemissionskathode (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Emitterspitze (9) mit einem Beschichtungsmaterial (8) beschichtet ist.
Eine Anordnung von Feldemissionskathoden umfassend Feldemissionskathoden (3) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Die Anordnung von Feldemissionskathoden gemäß Anspruch 10, wobei die Anordnung der Feldemissionskathoden auf einem Substrat (37) integriert ist.
Die Anordnung von Feldemissionskathoden gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Extraktionselektroden (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Anordnung von Feldemissionskathoden gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die n-dotierten Halbleiterregionen (11) elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Anordnung von Feldemissionskathoden gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die p-dotierten Halbleiterregionen (7) elektrisch miteinander verbunden sind.
Ein Elektronenstrahlapparat (1) mit einer Extraktionselektrode (5) und einer Feldemissionskathode (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß Anspruch 15, wobei der in die Emitterspitze (9) eintretende Elektronenstrom durch einen nicht-verarmten, p-dotierten Bereich (18) fließt.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die maximale Länge der minimalen nicht-verarmten p-dotierten Distanz D während des Betriebs kürzer ist als die Diffusionslänge Ln und, bevorzugt, 10 mal kürzer als die Diffusionslänge Ln des p-dotierten Halbleitermaterials ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Emitterspitze (9) aus p-dotiertem Material ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei zwischen der Extraktionselektrode (5) und dem ersten elektrischen Kontakt (15) eine positive erste Spannung (V1) angelegt ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (15) und dem zweiten elektrischen Kontakt (17) eine in Vorwärtsrichtung geschaltete zweite Spannung (V2) angelegt ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Feldemissionskathode (3) auf einem Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß Anspruch 21, wobei die Extraktionselektrode (5) auf einem Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Extraktionselektrode (5) eine Öffnung aufweist, durch die ein emittierter Electronenstrahl (19) hindurch treten kann.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei fokussierende Bauteile (35) den Elektronenstrahl (19) fokussieren.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die Emitterspitze (9) mit einem Beschichtungsmaterial (8) beschichtet ist.
Ein Elektronenstrahlapparat (1) umfassend eine Anordnung von Feldemissionskathoden (3) mit einer Anordnung von Extraktionselektroden (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß Anspruch 26, wobei die Anordnung von Feldemissionskathoden (3) auf einem Substrat (37) integriert ist.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 26 bis 27, wobei die Extraktionselektroden (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die n-dotierten Halbleiterregionen (11) elektrisch miteinander verbunden sind.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei die p-dotierten Halbleiterregionen (7) elektrisch miteinander verbunden sind.
Der Elektronenstrahlapparat (1) gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei die p-dotierten Halbleiterregionen (7) dotiertes Siliziummaterial sind.
Eine Methode zur Erzeugung mindestens eines Elektronenstrahls (19) mit den Schritten: Bereitstellen einer Extraktionselektrode (5) und einer Feldemissionskathode (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; Anlegen einer positiven ersten Spannung (V1) an die Extraktionselektrode (5) bezüglich der Emitterspitze (9); und Anlegen einer zweiten Spannung (V2) an den pn-Diodenübergang (13).
Die Methode gemäß Anspruch 32, wobei die zweite Spannung (V2) den pn-Diodenübergang in Vorwärtsrichtung schaltet.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 33, wobei zwischen der Extraktionselektrode (5) und der Emitterspitze (9) ein Vakuum erzeugt wird.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 34, wobei der in die Emitterspitze (9) eintretende Elektronenstrom durch einen nicht-verarmten p-dotierten Bereich (18) fließt.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 35, wobei die erste Spannung (V1) eine Höhe hat, bei der die Feldemissionskathode (3) im Saturationsmodus arbeitet.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 36, wobei die minimale nicht-verarmte p-dotierte Distanz D während des Betriebs kürzer als die Diffusionslänge Ln und, bevorzugt, 10 mal kürzer als die Diffusionslänge Ln des p-dotierten Halbleitermaterials ist.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 37, wobei die Emitterspitze (9) aus p-dotiertem Material ist.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 38, wobei die Feldemissionskathode (3) auf einer Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Die Methode gemäß Anspruch 39, wobei Extraktionselektrode (5) auf dem Halbleitersubstrat (37) integriert ist.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 40, wobei eine Anordnung von Feldemissionskathoden (3) auf dem Halbleitersubstrat integriert ist, um eine Anordnung von Elektronenstrahlen (19) zu erzeugen.
Die Methode gemäß Anspruch 41, wobei die zweiten Spannungen (V2) individuell gesteuert werden.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 42, wobei die p-dotierten Halbleiterregionen (7) aus dotiertem Siliziummaterial sind.
Die Methode gemäß einem der Ansprüche 32 bis 43, wobei Emitterspitze (9) mit Beschichtungsmaterial (8) beschichtet ist.