CN1058294A - 集成真空微电子器件的结构与制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及一新的集成真空微电子器件及 其制造方法。真空微电子器件需要几个独特的三维 结构：锐利的场发射尖端。该尖端在真空环境中在控 制栅极结构内的精确对准，和收集由尖端发射出的电 子的阳极。还公开了一个新结构和形成二极管、三极 管、四极管、五极管和其它类似结构的工艺方法。最 终制得的结构还可以与其它类似的VMD器件或其 它电子器件相连。

Description

本发明涉及一种新的集成微电子器件（VMD）及其制造方法。真空微电子器件需要有几个独特的三维结构：一个锐利的尖端、该尖端在控制栅极结构内的精确对准（最好是在真空环境内），以及一个收集由此尖端发射出电子的阳极。

本专利申请与美国专利申请第07/555，213号有关，此项申请为IBM代理文件号No.FI9-90-023，是于1990年7月18日同时提交的，其公开的内容可作为本申请的参考文献。

电子系统的设计者们多年来一直在考虑设计和改进半导体器件的方法。

一度成为电子学主要支柱的真空管存在着诸多局限性，如，用机械方法制造在玻璃外壳内的结构防碍器件的小型化和集成化，而且热电子阴极一直有高的电能消耗。近来，在这一领域已有了显著的发展，这为脱离上述限制提供了机会。半导体制造工艺能被用于发展微型的结构并把许多微型结构集成在一起，把这些微型结构与场发射电子源结合在一起，就能生产不需要热阴极的微型真空管结构。这些结构的大小为微米数量级，因而可以把许多器件集成在一个衬底上，就象把许多半导体器件制造在一个芯片上一样。

近来所用的真空微电子器件需要几个独特的三维结构，包括一个真空空间，一个锐利的、最好是半径小于100毫微米的场发射尖端，和此尖端在引出/控制电极结构内的精确对准，真空微电子器件包括一场发射阴极并增加了辅助结构，如，真空空间的延伸区域，与阴极尖端相对的阳极、以及设置在该尖端和阳极间的附加的精确对准的控制电极（该电极可有可无）。

利用这些真空微电子器件的场发射显示元件使用基本的场发射结构和附加的辅助结构，诸如真空空间的延伸区域、与阴极尖端相对的荧光表面，以及用来收集和/或控制电子电流的辅助电极。多组独立的真空微电子器件和/或显示元件能够在制造过程中互相电连接，从而形成集成电路和/或显示器。

真空微电子器件有几个独特的特性。预期它们有亚微微秒的开关速度，有些人认为它们可能是最快的电子器件。这些器件能在从绝对零度到摄氏几百度的范围内工作，该范围原则上由材料的结构所限制。这些微电子器件的结构几乎能够用任何导体和绝缘材料制成。这些器件本征幅射很强。由于它们是由电荷而不是由电流控制，所以非常有效，而使用高场发射体也排除了传统真空器件的热离子发射热丝。

在美国专利第4，721，885号，以及由Ivor  Brodie在IEEE电子器件学报Vol.36，No.11，第2641-2644页上（1989年11月）发表的文章“真空微电子器件的物理条件”中描述了一种场发射微三极管。该三极管由附在一个金属或高导半导体基极电极上的金属锥形物构成。该锥形物的高度为“h”，阴极尖端的曲率半径为“r”。金属阳极由第二绝缘层固定在离锥形物尖端距离为“d”处。锥形尖端位于半径为“a”的圆环中心，此圆环是厚度为“t”的栅极（或第一阳极）。在基极电极和栅电极之间加一合适的正电位差，就在阴极尖端处产生一电场，使电子隧穿通过此尖端进入真空空间而向阳极运动。尖端处的电场和发射出的电子数量可通过改变栅极电位来进行控制。

这些真空微电子器件几乎可以按任何尺寸制造，而且可以作为分立器件使用，不过，它们最好的性能和主要的应用预期是来自极其小型化、大的阵列，以及电路复杂的超大规模集成。

非热离子场发射体、场发射器件和场发射显示器在本领域已为人所共知。由于场发射阴极结构的制造是上述器件共同的关键元件，所以首先论述其工艺。所有材料（绝缘体和导体/场发射体）都是用相当通用的淀积和光刻工艺淀积和制造的，只有特殊的锐利边缘（刃）或点（尖端）结构除外，该结构是所有场发射阴极所共有的。该工艺可大致分为五类。这五类主要按形成锐利的刃或尖端所用的方法来分类。

第一种是最早使用的种类之一，这种方法是靠材料的直接淀积来形成阴极尖端结构的。C.A.Spindt在应用物理杂志第39卷，第7期，3504-3505页（1968）上的论文“薄膜场发射阴极”中给出了这类方法的一个例子。其中，锐利的锥形钼发射体形成在钼阴极层之上、钼阳极层之中的孔内。这两层由一绝缘层分开，该绝缘层在阳极的孔区域内已被腐蚀掉，直到阴极层。锥形物通过同时分别进行钼和铝的垂直和斜角淀积形成在包含阳极和阴极层的旋转着的衬底上。有选择地除去新淀积的铝。美国专利第3，755，704号也公开了类似的内容。

第二类利用硅之类单晶材料的与方向有关的腐蚀。与取向有关的腐蚀原理是优先腐蚀材料的某特定品面。通过使用有由掩蔽材料制成图形的单晶材料，各向异性地腐蚀后的区域就会被腐蚀慢的面围起来，这些面相交于材料基本结晶形状的、很确定的边和尖端。腐蚀材料和取向适当的结合能够产生轮廓非常锐利的尖端，这些尖端可以用作为场发射体。Spindt等人的美国专利第3，665，241号是这种方法的一个例子。把具有一个或多个岛的腐蚀掩模盖在单晶材料上，然后用腐蚀剂腐蚀此材料，腐蚀剂腐蚀该材料的某些晶面比另一些快，从而产生了由腐蚀慢的面围成的腐蚀轮廓（与取向有关的腐蚀）。由于腐蚀慢的面会聚在掩模的中心，就形成具有锐利边缘和尖端的有多个小平面的几何形状。这些边缘和尖端的形状是由腐蚀剂、晶体的取向以及掩膜的形状所决定的。与取向有关的各向异性腐蚀虽然是既定的产生尖端的方法，但它也有使这些锐利尖端变秃（或减少阴极尖端的半径）的有害作用，因而降低了这些尖端作为场发射极的效果。这点由Cade，N.A.等在IEEE电子器件学报，Vol.36，No.11，2709-2714页（1989年11月）题为“场发射器件尖槽结构的湿法腐蚀”中作了讨论。

第三类用各向同性腐蚀形成这种结构。各向同性腐蚀在所有方向上均匀腐蚀。在使用掩模时，掩模边缘成为一根弧的中心点，此弧是掩模材料下的典型各向同性腐蚀外形的轮廓线。该弧的半径等于腐蚀深度。环绕一个孤立的被掩蔽了的岛的腐蚀使腐蚀轮廓收缩到该掩模的中心，留下一个能作为场发射体的未腐蚀材料形成的锐利尖端。Shigeo  Fukase等人的美国专利3，998，678给出了这种方法的一个例子，发射体材料用一个光刻形成的抗腐蚀材料掩蔽住。用一各向同性腐蚀剂腐蚀发射体材料。该腐蚀剂形成一个各向同性的腐蚀轮廓（圆形垂直断面具有从抗蚀剂边缘延伸出来的一个半径）。当此腐蚀剖面从各侧会聚到掩模的中心处时，就产生了一个锐利的点或尖端。

第4类利用氧化工艺形成真空微电子器件。氧化工艺通过将发射体材料氧化而形成一个尖端。氧化掩模下的氧化轮廓实际上与掩模下的各向同性腐蚀轮廓完全一样，随着圆形掩模下轮廓线的收缩形成了同样的尖端。除去氧化了的材料，就形成了能作场发射体用的未氧化的尖端。Smith等的美国专利第3，970887号例示了这一工艺。使用硅之类的电子发射材料作衬底。在衬底上生长热氧化层，然后光刻形成图形，并将其腐蚀，结果得到一个或多个二氧化硅的岛。其后，使衬底再氧化，这时，预先形成的氧化物的岛明显地延缓了其下的硅的氧化。如此形成的氧化轮廓与各向同性腐蚀形成的轮廓非常相似，并同样会聚在岛的下方，在硅中留下一个锐利的尖端轮廓，该尖端可通过除去氧化物而暴露出来。可以用其它的掩模材料，如氮化硅，类似地延缓氧化作用和产生所需要的锐利尖端轮廓。

第5类是在一个一次性使用的材料上腐蚀出一个与所需的锐利尖端形状相反的凹坑，该材料用作发射体材料的模具，然后通过腐蚀将其除去。Gray等人的第4，307，507号专利给出了该工艺一个有限的实施例。在单晶硅材料上光刻形成掩模材料中的孔。通过掩膜孔作与取向有关地腐蚀衬底，形成与所需的尖端形状相反的腐蚀凹坑。除去掩膜，并在整个表面上淀积一层发射材料填满凹坑。然后，将作模具用的硅腐蚀去，留下了这些凹坑的尖角的复制品，它们锐利的尖端能用作场发射体。

上面所述的这些发射体形成工艺都有几个局限性。与取向相关的腐蚀需要用单晶发射体材料作衬底。这些方法大多需要由发射体材料制成的或用发射体材料覆盖的衬底。这些方法还大多首先形成发射体，这使一个完整功能的真空微电子器件所需的其后的电极层及真空空间的制备变得复杂化了。

有时，所用的方法或特殊的工艺方法制造不出半径充分小的场发射尖端。该领域包括某些方法。用这些方法能使该尖端变尖，进一步减小其半径。在Mat.Rymp.Proc.Vol.76，67-72页（1987）由Campisi等所著的论文“用定向腐蚀法进行真空集成电路的场发射器件的微加”中报道了用各向同性腐蚀慢腐蚀硅而使硅尖端变尖的作法。另一篇由W.J.Orvis等人发表在IEDM89，529-531页（1989年）上的题为“关于Livermore小型真空管设计的进展报告”的论文中论述了通过将硅热氧化然后腐蚀掉氧化物而使硅尖端变尖的方法。第3，921，022号美国专利也披露了一种在圆锥形或角锥形的场发射体的尖端上提供多个尖端或小尖头的新方法。

在本领域已报道了制造两或三电极VMD结构的各种工艺方法。作为例子，Orvis等人的上述论文描述了一种工艺方法，这种工艺方法用与取向相关或各向同性腐蚀来形成硅发射体。用光刻方法形成掺杂多晶硅阳极和栅极层由低密度的玻璃层与发射极隔开，并互相隔开。

现在可以用Busta，H.H.等人在IEEE电子器件学报，Vol.36，No.11，2679-2685页（1989年11月）上发表的文章“从包覆钨的硅棱锥体来的场发射”作为例子。此例介绍了利用阴极尖端或锥形体上的包覆层来增进或改善阴极尖端的特性。

真空微电子器件的发展领域也已开始显示这些场发射阴极和引出电极如何能用于实际应用，如显示应用方面。Spindt等人的第4，857，799号美国专利说明一个包括有场发射体和引出电极的衬底如何能与一分离的透明窗口相连，该窗口包含多个阳极导体和荧光条，所有这些部分一齐工作就形成了一个彩色显示器。另一个利用真空微电子型结构的彩色显示装置由美国专利第3，855，499号获得了专利权。

本专利申请也公开了一种腐蚀工艺，这种工艺能显著减少真空微电子器件不希望有的掏蚀，同时仍能形成桥形结构。

总之，典型的场发射真空微电子器件由一锐利削尖的阴极构成，该阴极由一控制和/或引出电极围绕着，并朝向着阳极表面。此阴极尖端可以有点状或刃形截面。制造这些器件的关键技术之一是形成锐利的场发射（阴极）尖端，该尖端的半径最好为10-100毫米数量级。最常见的制造方法包括与取向相关的腐蚀，各向同性腐蚀和热氧化。

本发明一个构思公开了一种至少制造一个集成真空微电子器件的工艺过程，它包括下列步骤：

1）在至少有一种导电材料的衬底上提供至少一个孔，

2）至少用一种材料填充该孔至少一个部分，足以形成一个尖槽，

3）至少淀积一层能在电场作用下发射电子的材料，并至少填充此尖槽的一部分以形成一尖端，

4）至少提供一通孔，以使有助于除去尖槽下面的材料，和

5）除去尖槽下面的材料至少露出电子发射材料的尖端的一部分，以及衬底中导电材料的至少一部分，从而至少形成一个集成真空微电子器件。

本发明的另一构思公开了一种至少制造一个集成真空微电子器件的工艺过程，它包括下列步骤：

1）在衬底上至少提供一个孔，

2）至少淀积一种绝缘材料并填充该孔，以形成一个尖槽，

3）至少淀积一层能在电场作用下发射电子的材料，并至少填充此尖槽的一部分以形成一尖端，

4）至少提供一通孔，以便有助于除去尖槽下面的材料，和

5）通过该通孔除去孔中的所有材料，至少露出电子发射材料形成的尖端的一部分以及衬底上导电材料的至少一部分，从而形成至少一个集成真空微电子器件。

本发明又一个构思是披露一种集成真空微电子器件，包括具有场发射尖端和至少一个通孔的电子发射材料，上述通孔通向一个腔室，其中，场发射体尖端面对一至少由一种材料与之隔开的阳极，该阳极在该腔室中。

本发明的集成真空微电子器件至少还有一个发射体尖端，此尖端与另一尖端电绝缘，或至少一个尖端与另一电子元件电连接。同样的，该阳极可以是一个电子显示器件的一部分，或该器件本身可以用作一电子显示器件。

用本发明的任何工艺过程都能够制造出一个产品。

本发明的一个目的是制造一个或多个真空微电子器件，该器件由一场发射体尖端构成，此尖端在控制电极（栅极）内对准，正好面对着电子收集电极（阳极）。

本发明的另一目的是改进制造无栅极结构功能的较简单的二极管结构的基本工艺过程。

本发明又一目的是增加辅助的栅极结构以形成较复杂的器件，举出几个如，四极管（两个栅极）、五极管（三个栅极）。

本发明还有一个目的是通过使用一个新颖的两步腐蚀步骤来限制该工艺方法的非生产性掏蚀。

本发明再一个目的是把至少一个VMD器件连接到集成电路。

本发明另外一个目的是至少把一个VMD器件与另一个电子器件相连。

本发明的目的可以利用一个新颖的制造工艺来实现，该方法将一绝缘体共形淀积入一个孔内，产生一对称的尖槽，此尖槽可被用作模具来形成一个尖的或锐利的场发射尖端。由于上述孔只是一个使尖槽得以形成的有形的孔，所以它可以用任何稳定的材料制造出来，该材料包括互相交替层叠的、能起到器件电极作用的导体和绝缘体。两个电极（阳极和发射极）形成一个简单的二极管，而三、四、五个电极就分别形成三极管、四极管和五极管。此外，由于尖槽自对准在孔的中心，所以它也与这些电极的中心对准。基本的器件结构是通过用能在电场作用下发射电子的材料或电子发射材料填充此尖槽而完成的。在电子发射材料上产生的通孔使得能从孔内和发射极材料下面除去尖槽形成层的绝缘体，从而形成一个空间并使发射极的锐利尖端露出来（场发射阴极），这一尖端是以尖槽作模具形成的。

该工艺不受任何特殊的一组发射极、导体或绝缘材料的限制。许多不同的材料和材料组合均可方便地用于此工艺方法。

要除去尖槽绝缘材料而产生一规则的发射极尖端，就要从发射极下面除去材料，使尖端露出来。这需要使用，例如，各向同性腐蚀。只用各向同性腐蚀将产生大量的非生产性掏蚀。这种非生产性掏蚀只起到减弱结构的作用，并占据不必要的空间。为了消除这一局限性，使用一种新颖的两步腐蚀工艺来使这种非生产性掏蚀减到最小，在这种工艺方法中，于横跨真空空间的发射极桥的两侧各制造出一个通孔。这些通孔故意与形成真空空间的孔重叠。这些通孔使腐蚀尖槽绝缘的腐蚀剂能把真空区域弄空。反应离子腐蚀（RIE）被用来有选择地腐蚀绝缘，直到真空区域孔的底部而没有掏蚀。然后用选择性各向民性腐蚀（湿法或等离子）来除去桥下面的绝缘材料隔层。这样就露出了发射极尖端，和产生了真空区的窗口或形成一个空腔。在其它暴露出的绝缘体边缘上形成的掏蚀被限制在隔层厚度一半的数量上，因为腐蚀是从两侧进行的。

由于电极是由单一的导体构成的，用同一的导体层垂直通过绝缘体就能实现器件的互连。这就消除了额外的引线层，并大大简化了重复的制造工序、加工周期，并因减少了器件接触孔的平均数而减少了器件的面积。

用此法也容易制造无源器件。能跨接绝缘层制造电容器，甚至允许层与层之间电容性地垂直耦合（例如，一个器件的极板与另一器件的栅极平面），这些电容器也可以用开槽技术集成在一个衬底上。使用金属氧化物是电阻元件的一个好的实例，这也可以在垂直的导体层之间制造出来，或者作为分立的元件制造出来。

本发明的其它优点和特征通过参考下面结合附图所作的详细描述将得到更好的了解，从而变得显而易见。

我们认为本发明的特征是新颖的，本发明的元件的特征在前面已提到，特别是在所附的权利要求中作了清楚表达。附图仅用作说明，因而没有按比例画出。不过，参考下面结合附图的描述可以更好地理解本发明的结构和操作方法。

图1A为具有一覆盖在一绝缘衬底上的导体层的VMD的一基片的剖面图。

图1B为另一个VMD的基片实施例的剖面图，该基片具有一导体层和覆盖在导电衬底上的绝缘层。

图2表示其上具有一栅极绝缘体和栅极导体的图1A所示基片的剖面图。

图3为蚀刻了的部分VMD结构的剖面图。

图4为说明尖槽形成材料淀积情况的剖面图。

图5为说明电子发射材料淀积情况的剖面图。

图6是表示穿过电子发射材料的通孔的剖面图。

图7A为各向同性腐蚀所得到的已完成的VMD三极管的剖面图。

图7B为各向异性腐蚀所得到的VMD三极管的剖面图。

图8是对图7B所示结构进行各向同性腐蚀所得到的已完成的VMD三极管的剖面图。

图9A是根据本发明的教导制造的VMD二极管的剖面图。

图9B是根据本发明的教导制造的VMD二极管另一实施例的剖面图。

图9C是根据本发明的教导制造的VMD二极管又一实施例的剖面图。

图9D是根据本发明教导制造的VMD二极管再一实施例的剖面图。

图10为根据本发明的教导制造的已完成的五极管VMD的剖面图。

本发明描述了一种集成制备一个或多个集成真空微电子器件的新颖工艺和结构。

本发明制造集成真空电子器件的主要环节之一是使用在一个圆形孔内由共形淀积形成的尖槽。

其它形状对称的孔也能得到单调变尖的尖槽，但圆形孔能得到最佳的尖槽。

由导电材料构成的层也可以由导电材料的组合层构成，以便尖端在由层叠的或混合的材料制成过程中直立着。

一旦用各向同性腐蚀将该模板腐蚀掉，就得到了一个发射极尖端，同时形成真空空间。

该尖端最好应有所需的小半径（如在10-100毫微米之间），即由此器件所需要的半径，但如果需要，还可以通过将导体尖端各向同性腐蚀或氧化，去掉一个很小的量，从而达到任何所需的半径。

注意到在制造步骤可以使用材料、淀积技术（溅射、CVD、电镀等）和各种腐蚀技术（湿法、干法、离子法等等）或辅助的成型技术的许多不同的组合。

纵向集成的另一种方法是把整个装置的各材料层组一个堆叠在另一个之上。由于这些器件不依赖于单晶硅这样的特殊材料，所以这些器件层组还能集成在其它的半导体和多层陶瓷组件之类装置的上部。

如下所述，对真空微电子器件结构及其制造工艺的详细描述已被用几个预先定义和提出的工序或定义所简化，这些定义将被重复提到。

这里所用的术语VMD或真空微电子器件不仅指二极管，也可指三极管、四极管、五极管，或任何其它用此工艺制造的器件，包括它们的互相连接。基本上，一个VMD是任何具有至少一个锐利的发射体（阴极）尖端和一个收集极（阳极）的器件，其阳极由一绝缘体与发射极隔开，最好有从发射体到收集极的直接的电子传输。

术语“用光刻方法限定”指的是由下列工艺步骤的一系列加工过程。首先，在所研究的表面上淀积一层掩膜，此掩膜层是对某些形式的光辐射（如光、电子束，和/或x射线）正性或负性敏感材料。其次，将该掩膜层对适当的光辐射作图形曝光、显影，选择性地除去掩模层，按所需图形暴露出下面的表面。第三步是腐蚀暴露出的表面，按需要除去所有或部分下面的材料。第四步是除去掩模层保留的部分。

另外，术语“用光刻方法限定”可以指称下面的“剥离（liftoff）工艺”。在用上面提到的方法制得的材料层上制备出同样的所需图形。该工艺在接收所需形成图形的材料层的表面上开始。首先，在此表面上淀积一层掩蔽层，此掩蔽层是对某些形式的光辐射（如光、电子束，和/或x射线）正性或负性敏感材料。其次，用适当的光辐射对该层作图形曝光、显影、选择性地除去掩蔽层，按图形暴露出下面的表面，这里是要保留的所需的材料层。控制淀积、曝光和显影过程，使留下的掩模图象的边缘有一个负的或下陷的轮廓。第三步，通过一系列常见淀积工艺（如蒸发之类的工艺）在开孔和掩模覆盖区上都淀积上所需的材料。最后，除去掩模材料，利用例如，溶解和使覆盖于其上的材料与其分开，并使掩模材料能被洗掉。

术语“导电材料”或“导体层”或“导电衬底”指的是为电导体的任一种种类繁多的材料。典型的例子包括元素Mo、W、Ta、Re、Pt、Au、Ag、Al、Cu、Nb、Ni、Cr、Ti、Zr和Hf，包含两种或多种上述元素的合金或固溶体，掺杂或未掺杂的半导体（如Si、Ce或那些人所公知的Ⅲ-Ⅴ族化合物），以及非半导体化合物（如各种氮化物、硼化物、Cubides（如LaB₆），还有一些氧化物（如Sn、Ag、InSn的氧化物）。

术语“绝缘材料”或绝缘层或“绝缘衬底”指的是很多电绝缘体材料，特别是指玻璃和陶瓷。典型的例子包括金刚石型的碳（结晶或非晶的）之类的元素、蓝宝石之类的单晶化合物、玻璃状的和多晶或非晶化合物（如Si、Al、Mg和Ce的某些氧化物、Ca和Mg的某些氟化物、硅的某些氮化物和碳化物）和刚玉或玻璃陶瓷之类的陶瓷。

术语“电子发射材料”或“发射体材料”或“发射体层”指的是任一种能在电场作用下发射电子的材料。典型的例子包括任何一种上面列举出的导电体，稀土元素的硼化物、由下述①组和②组物质组成的固溶体：①稀土或碱土元素（如Ca、Sr或Ba）的硼化物，②过渡金属（如Hf或Zr）的硼化物。该发射体材料可以是单层结构，也可以是组合或多层结构。多层发射体的例子可以包括下列一层或多层的附加层：功函数强层、耐用的发射体层、防溅射层、高性能导电层、导热层、物理加强层或增强层。该多层组合物可包含发射体和非发射体材料两者，这些材料共同起作用，使发射体性能优化。IEEE电子器件学报Vol.36，No.11，2679-2685（1989年11月）上Busta  H.H.等人的论文“从包覆钨的硅棱锥体来的场发射”讨论了这方面的一个例子。他们指出利用在这些阴极尖端或棱锥体上的涂覆或包覆层能增强或改进阴极尖端的特性。

在不能形成所需的尖端结构或难以形成所需的阴极发射极尖端结构时，也可以用这种涂覆层或包覆层。

术语“淀积”指的是任一种适于半导体界通常使用的材料的层形成方法。对于上面提到的材料可以用下列一种或多种淀积工艺，如溅射、化学汽相淀积、电镀或化学镀、氧化、蒸发、凝华、等离子淀积、阳极氧化、阳极淀积、分子束淀积或光淀积。

术语“尖端”不仅指一个变尖的突起，而且也指变尖的刃形物。有时也用尖端之外的其它场发射极形状，如刃形。制造刃形物时，除了用一窄长的弓形孔外，其余方法均与上面相同。刃的锐利边缘的形状可是列举几个，如线状的、环形的、线状的弓形或弯曲的弓形。

最终由尖槽形成材料形成该尖槽所用的孔可以通过从下面一组方法中选出的一种工艺来制得，这组方法包括：磨削、、钻孔、腐蚀、离子铣削或模制。若用腐蚀方法，可以下列一组方法中选出的一种来形成孔：各向异性腐蚀、离子来腐蚀、各向同性腐蚀、反应离子腐蚀、等离子体腐蚀或湿法腐蚀。孔的断面可以是尺寸不随深度改变或尺寸随深度改变。

最好保形淀积尖槽形成材料。尖槽形成材料可以是绝缘材料或可以由多层构成。

用于从电子发射尖端下面除去材料的通孔可以由下列一组方法中选出的方法来形成。磨削、钻孔、腐蚀或离子铣削。腐蚀通孔可以用下列腐蚀工艺：各向异性异腐蚀、离子束腐蚀、各向同性异腐蚀、反应离子腐蚀、等离子体腐蚀。同样的，尖槽下面的材料可以用包括溶解或腐蚀的那组方法中选出的方法来除去。

衬底可以是绝缘体并起到相邻的电结构之间的绝缘部件的作用。绝缘衬底在减小寄生电容方面特别有用，这能够显著地改进器件的频率响应。透明绝缘衬底在显示应用方面特别有用，这里的衬底起到显示器窗口的作用，发光结构和控制电路均可以集成在该衬底上。

衬底可以由导电材料构成。导电衬底可以起到功能性结构的部件，如公有的阳极（板）或公用的偏压导体。导电衬底也可以简单地加一个绝缘层与电子器件隔离开来。

不管衬底是由导电材料或绝缘材料构成的，主要都作为相继的功能性材料层和工艺过程的物理支撑。

图1A和1B示出了器件的基底结构。如果真空微电子器件形成在一绝缘衬底10上，那么如图1A所示，导电的阳极薄膜或层13就直接淀积在绝缘衬底10上。绝缘衬底10可以由二氧化硅材料构成，但前面讨论过的其它材料也可以使用。掺杂的多晶硅是典型制造阳极13的材料，不过，前面讨论过的导电材料也可以使用。

当用导电衬底作为公用的阳极时，或导电衬底是带有任何所需的由偏置p-n结形成成隔离的掺杂半导体材料时，该衬底可直接使用。如果要把非半导体导电材料（或掺杂的无p-n结半导体衬底）和电学器件隔开，就要在淀积阳极导电层之后淀积一绝缘层。

若要在导电衬底11上形成能够电绝缘的VMD器件，如图1B所示，就要淀积一绝缘薄膜或绝缘层。然后在绝缘层12上淀积一层导电阳极13或薄膜，阳极13可以是掺杂的多晶硅。导电材料11所用的材料可以是硅材料。绝缘层12可以通过将衬底的硅材料氧化而形成，或用本领域所公知的其它方法形成。前面讨论过的其它材料同样可以用作导电衬底11或绝缘层12。

一旦决定了基本的衬底结构，以后的步骤就都相同了。说明实施本发明最好的模式用的是图1A所示的衬底结构。如果用图1B所示的结构亦将得到同样的器件。

如图2所示，可用，例如，氧化掺杂的多晶硅层13或淀积一绝缘玻璃层的方法，在阳极导电层13上制造栅极绝缘层15。在栅极层15的顶部用前面所述的任一种方法淀积一栅极导体层17。栅极导体17的材料可以是掺杂多晶硅，不过其它提到过的材料也可以使用。

为形成最终有效器件所需的各控制电极，重复形成附加的绝缘或导电材料的工艺。

下一步骤是制造如图3所示的真空孔或空间19。该真空空间是用本领域非常公知的方法光刻限定和腐蚀出的。腐蚀出的真空空间19的形状可以是方形、圆形、椭圆形等。腐蚀得到的真空空间19的半径或最大横截宽度的一半应该小于在阳极栅极导体17上面形成或淀积的那些层的总和的厚度。各向异性反应离子腐蚀RIE是较好的腐蚀方法，不过本领域其它已知的方法亦可以使用。垂直或近乎垂直的孔壁，其横向腐蚀很小。这可保持电极孔小而且均匀，还使器件所占的总面积减到最小。这一操作制成穿过所有控制电极导体和绝缘层的孔，并最终为各真空微电子器件提供真空空间。继续腐蚀穿栅极导电层17、栅极绝缘层15、直到至少暴露出阳极层13的一部分。若在接下来的真空空间腐蚀过程中要腐蚀去留下的栅极材料或绝缘体15中任一种，则真空空间19不必一直延伸到导电材料的上表面。应该注意到，所用的基层或衬底的厚度要足以能够形成适当的孔或真空空间19。

如图4所示，保形淀积充分厚的绝缘层21以填塞图3所示的腐蚀真空空间19，并形成尖槽23。绝缘层21可以是二氧化硅材料，但不限于此。绝缘层21可以通过，例如，保形化学汽相淀积（CVD）工艺形成。保形化学汽相淀积是常用的，但其它工艺，如阳极氧化，甚至或多或少保形的工艺（如溅射）也能产生可以接受的效果。继续淀积，直到侧壁的覆盖层相互会聚到一起，将真空空间孔19封闭。覆盖层的会聚形成了对称的尖槽23，该尖槽在底部有一非常细微的会聚点，它与真空空间孔19的中心自对准。

电子发射材料或层25用能使材料填入尖槽23的任何方法来淀积。例如，用CVD、蒸发、凝华、溅射、化学镀或电镀进行图5所示的淀积。该电子发射层25在器件工作过程中起阴极的作用，其锐利的尖端27起阴极发射体的作用。该电子发射材料可以由，例如，掺杂的多晶硅或钨形成，其它讨论过的材料刀可以使用。

接着在发射层25上光刻形成一个或多个通孔29和30，露出绝缘层21，如图6所示。每一器件需要两个或更多的孔来改善腐蚀通道，并控制掏蚀。通孔的位置与真空空间19相叠，但不与尖槽23相叠。

有选择地将真空空间19中的绝缘层21完全腐蚀掉，原封不动地留下导电层25、17和13。这样就留下了一个发射体层25的桥37，该桥横跨在新形成的真空空间或孔或腔室39上，把锐利的发射极尖端27支撑在露出的阳极13之上，该选择性腐蚀可以腐蚀栅极绝缘体15，但不要损害完成的器件。此选择性腐蚀可以是一步各向同性（湿法或等离子体）腐蚀，从而产生最终器件45，如图7A所示。

图7A中的器件45是功能上可以接受的三极管器件，它有发射极尖端27，该尖端在栅极电极17中自对准，并直对着阳极13。不过，它也呈现出过多的没用的掏蚀40，这不仅减弱了器件的结构，而且加大了器件的面积，相反影响电路密度。

两步腐蚀工艺把这些不需要的属性减到最小。首先用各向异性腐蚀在没有掏蚀的情况下腐蚀层21一直到真空孔19的底部，如图7B所示。由于通孔29和30重叠在真空空间或孔19上，所以可以做到这一点。第一步仅留下发射极桥37下面的一片薄隔板或垂直板31，如果用两个各在桥37两侧的通孔29和30的话。然后用选择性各向同性腐蚀（湿法或等离子体）除去桥37下的绝缘隔板31，如图8所示那样露出锐利的发射极尖端27，并完成了真空空间或腔室39的开口。在其它露出的绝缘体边缘上把掏蚀41的是限制在等于隔板31厚度的一半，因为该板是从两边腐蚀的。如此得到的器件50示于图8。

应记住图7B所示的通孔29和30有两个锥度，而形成通孔29和30的腐蚀是用互相隔开的孔进行，所以隔板31和桥37仍分别是绝缘层12和导电层25的一部分。

除去桥37下的材料通常是最后做的一道工作，其目的是要把该空间的沾污减到最小或避免从有限的区域除去以后加工材料的问题。

一役能控制由尖槽23模制出的锐利的发射极尖端27具有所需的小半径的尖端，而不需要再加工了。不过，如果需要更小有尖端半径，或如果一组特殊的所需材料、工艺技术、和/或工艺条件产生了比所需的尖端半径大，然后还能把尖端弄尖。这种减小尖端半径或将其弄尖可通过，例如，用各向同性腐蚀法，慢腐蚀该尖端，或将尖端氧化再除去氧化层而进行。

上述得到三极真空微电子器件45或50的工艺可以简单地用来形成其它的构形。以下例子的附图中，可以说明从孔19中除去层21产生真空空间39所用的两步腐蚀工艺，就象产生三极管器件50所用的工艺一样。

图9A、9B、9C和9D说明由本发明的教导所制造的二极管的几个实施例。二极管工序的例子是以通过栅极绝缘体15的基本三极管工艺工序开始的。去掉栅极导电层17。余下的正常产生三极管50的工艺步骤可以得到VMD二极管60，这示于图9A中。如果对保形层21的选择性腐蚀，不浸蚀层15的话，真空空间孔19的虚线边界就应该是实线，而若选择性腐蚀工艺浸蚀层15，它就如图中所示那样没有了。

图9B示出了最简单的二极管结构的形式，该结构可以通过腐蚀真空孔79而制出。该真空孔直接进入导电衬底11，与孔19类似。层11必须足够厚，以允许形成孔79。从淀积保形层21开始，继续进行的加工步骤与前面讨论过的相同。一旦完成了工艺过程，就可得到如图9B所示的VMD二极管65。

同样的，如图9C所示，可以在已覆盖有阳极层13的绝缘衬底10上形成二极管结构。层13必须厚到足以允许形成与孔19类似的孔79，接下来继续象前面讨论过的那样进行加工，直至完成工艺步骤，得到的是如图9C所示的VMD二极管70。

本发明另一个实施例示于图9D，先在绝缘衬底10上开出孔79，然后保形淀积导电材料或层86。接着进行以前讨论过的绝缘层21的保形淀积开始的基本工艺，最后得到图9D所示的VMD二极管75。

将基本的三极管工艺扩展一下还可以制造各式各样的更复杂的真空微电子器件。其中一个例子是如图10所示的VMD五极器件90。在基本的三极管器件工序经过淀积栅极导体层17之后再加上下列步骤与基本的三极管工艺工序就可以得到器件90，这些后加的工序是：在栅极导体层17上淀积栅极绝缘层93，在层93上淀积栅极导体层84，在层94上淀积栅极绝缘层95，在层95上淀积栅极导体层96。在这一步开始恢复基本三极管工艺，制造出孔19。在这种情况下，腐蚀孔19穿过所有的材料层，直至导电材料或层13的上表面露出来为止。如果从这一步开始接着进行正常地导致产生器件50的基本三极管工艺工序，就可得到五极管器件90。

上面用来制造所述真空微电子器件的绝缘层和导体层也可以在三维空间上与我个电子器件或元件隔离和连接，在制造这些器件的同时将这些器件的电路集成。这一点没有作图示说明，但在每个导电层和绝缘层淀积之后和进行下一步骤之前经过光刻制出图形就可以完成。在需要绝缘的地方除去导体材料形成不岛和通路，以形成在不同的器件之间，器件和通路之间以及不同的通路之间的互连。可以在绝缘层上形成通到下面导电层的通孔图形。实际的通路连接可以通过形成一个电栓（stud）（用许多常规的方法形成导电柱塞来实现），也可以通接覆盖淀积下一导电层来填充通孔而形成，这样就产生了贯穿结构的垂直互连通路。

发射极平面上形成的任何互连图形成都可以在制造通孔29和30的同时制造，但由于通孔下面的绝缘体要在腐蚀真空空间时被腐蚀掉，所以这些互连通路的掏蚀意味着对这些图形的尺寸有所限制。两步腐蚀将显著减小这些掏蚀，就象制造器件时那样，不过，进一步改进此工艺可以消除除真空器件区域之外的掏蚀。为实现这一点，用一单独的第二光刻步骤来形成任何发射体平面隔离互连和通孔。第二次光刻形成的图形保护所有的互连和隔离区的轮廓，只露出通孔。接下去的真空空间腐蚀利用前面叙述过的两步腐蚀方法，所发生的少量掏蚀被局限在真空空间区域内。

在前述制造步骤及器件结构中可以用绝缘体和导体的许多组合。特殊的应用可能要求特殊的材料特性，如电阻率、介电常数、热稳定性、物理强度等，不过一般来说，对兼容性有三个基本要求。首先，材料必须与制造工艺所需的工艺相兼容，特殊的制造方法可能限制某些材料的组合。其次，相邻层之间必须能适当粘合。第三，材料必须稳定、不污染真空器件的工作环境，该环境一般是中等的高真空。该最后的要求有时可以是松动的，因为这些器件中有些可能可以在直至一个或更高的大气压的高电离电位气体（如氦）中工作。由于这些器件的微细尺寸提供了很小的通路长度并允许使用低的抽取电压，所以使这点成为可能。

本发明已结合具体的最佳实施例做了具体的描述，显然，对于本领域的普通技术人员来说，根据前面的叙述可以得到很多替换、改进和变化。因此，可以认为所附权利要求书可包含落入本发明的实际范围和精神之内的任何替换、改进和变化。

Claims (42)

1、制造至少一个集成真空微电子器件的工艺方法，其特征在于：

①在至少具有一种导电材料的衬底上提供至少一个孔，

②用至少一种材料填充至少所述孔的一部分足以形成尖槽，

③至少淀积一层能在电场的作用下发射电子的材料，至少填充所述尖槽的一部分以形成尖端，

④至少提供一个通孔，以利于除去尖槽下面的材料，以及

⑤除去所述尖槽下面的材料，至少暴露出所述电子发射材料所述的尖端的一部分和所述衬底上所述导电材料的一部分，从而形成至少一个集成真空微电子器件。

2、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底至少包括一个绝缘层，所述绝缘层将所述导电材料与所述电子发射材料隔开。

3、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括一多层结构。

4、如权利要求3所述的工艺方法，其特征在于;所述多层结构包括交替的绝缘和导电材料层。

5、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤①中的所述孔是从包括下述方法的一组方法中选出的一种方法形成的：磨削、钻孔、腐蚀、离子铣削、剥离或模制。

6、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤①中的所述孔是用下面一组方法中选出的一种腐蚀方法腐蚀的：各向异性腐蚀、离子束腐蚀、各向同性腐蚀、反应离子腐蚀、等离子腐蚀或湿法腐蚀。

7、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述孔的断面不随深度改变。

8、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述孔的断面随深度改变。

9、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述尖槽形成材料是保形淀积的。

10、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述尖槽的形成材料是一绝缘材料。

11、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述尖槽形成材料由多层组成。

12、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述电子发射材料是单层材料。

13、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述电子发射材料是多层的。

14、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤④中的通孔是下组方法中选出的一种方法形成的：磨削、钻孔、腐蚀、剥离或离子铣削。

15、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤④中的通孔是从下面一组方法中选出的腐蚀方法腐蚀的：各向异性腐蚀、离子束腐蚀、各向同性腐蚀、反应离子腐蚀、等离子体腐蚀或湿法腐蚀。

16、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于;所述步骤⑤中，尖槽下部的所述材料是用溶解或腐蚀方法除去的。

17、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：在淀积所述电子发射材料之前形成了阻挡层。

18、如权利要求17所述的工艺方法，其特征在于：所述阻挡层是有选择地除去的。

19、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：用电子发射材料包覆所述尖端。

20、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述尖端通过各向同性慢腐蚀或氧化工艺有选择地弄尖。

21、制造至少一个真空微电子器件的工艺方法，其特征包括下列步骤：

①在衬底上至少提供一个孔，

②至少淀积一种绝缘材料并填充所述孔以形成一尖槽，

③至少淀积一层能在电场作用下发射电子的材料，并至少填充所述尖槽的一部分以形成一尖端，

④至少提供一个通孔以有助于除去尖槽之下的材料，以及

⑤经过所述通孔除去所述孔中的所有所述材料，并至少暴露出所述电子发射材料的所述尖端的一部分以及所述衬底上所述导电材料的至少一部分，从而形成所述一个集成真空微电子器件。

22、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底由导电材料构成。

23、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括覆盖在一绝缘材料上的导电材料，以便所述导电材料厚得足以包含所述孔。

24、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括两层由一导电材料隔开的绝缘材料，其中所述绝缘材料之一的厚度足以形成所述孔，且所述孔至少暴露出一部分所述导电材料。

25、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底由一绝缘材料构成，该材料厚得足以形成所述孔，所述导电材料在淀积所述步骤②中的绝缘材料前保形淀积在所述孔内。

26、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括至少两层由至少一层绝缘材料隔开的导电材料，所述孔穿透一层导电材料和一层绝缘材料，并至少暴露出一部分第二导电材料。

27、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括一绝缘基底材料并至少有两层由一绝缘材料隔开的导电材料，所述孔穿透一导电材料和一绝缘材料，并至少暴露出一部分第二导电材料。

28、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括一导电基底材料，并旱一步具有多层盖在所述衬底上的导电材料，所述各导电材料由一绝缘材料隔开，所述孔穿透所有导电材料和所述绝缘材料，并至少暴露出所述基底导电材料的一部分。

29、如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于：所述衬底包括一覆盖在绝缘基底材料上的导电基底材料，并进一步包括盖在所述衬底上的我层导电材料，所述各导电材料由一绝缘材料隔开，所述孔穿透所有所述导电材料和所述绝缘材料，并至少暴露出所述基底导电材料的一部分。

30、一种集成真空微电子器件，其特征在于：电子发射材料有一场发射尖端和至少一个通入腔室的通孔，所述场发射尖端对着所述腔室中的阳极，并至少由一种材料隔开。

31、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述材料为一绝缘材料。

32、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述材料有两层或更多层由至少一种导电材料隔开的绝缘材料。

33、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述电子发射材料层为多层的。

34、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：至少一个所述电子发射层的尖端为多层的。

35、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：在所述电子发射层的尖端一侧至少有一阻挡层，有选择地除去该阻挡层而露出该尖端。

36、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述尖端有一电子发射材料形成的覆盖层。

37、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述尖端是被弄尖了的。

38、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：至少一个尖端与另一尖端电绝缘。

39、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：至少一个尖端与另一电子元件电连接。

40、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述阳极为电子显示器件的一部分。

41、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述器件被用于电子显示器件中。

42、如权利要求30的集成真空微电子器件，其特征在于：所述尖端有一点状或一刃状截面。

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