CN1058295A - 用于制造场致发射阴极的结构及方法 - Google Patents

Abstract

一种制造至少一个场致发射阴极结构的方法，其 特征在于：a)在基片上提供至少一个孔，b)淀积至少 一种第一材料以及填充至少所说孔的一部分足以形 成尖头，c)淀积至少一层在电场作用下能发射电子的 材料层，并且填充至少所说尖头的尖端的部分，以及 d)除去该尖头底下的所说第一材料，至少使所说电子 发射材料尖端的一部分露出，于是形成所说的至少一 个场致发射阴极结构。

Description

本发明通常涉及单个的或阵列的场致发射阴极的结构及其制造方法。这种单个的或阵列的场致发射阴极都可以带有或没有集成的引出电极和/或控制电极。更具体地说，本发明涉及场致发射阴极的结构及制造该结构的工艺方法。

本专利申请涉及同时于1990年7月18日递交的美国专利申请系列NO.07/555，214号（IBM  Attorney  Docket  NO.FI9-90-018），因此，本文将参考结合其所披露的内容。

电子源或阴极对各种电子器件来说，具有必不可少的功用。惯常，真空器件，例如真空管和阴极射线管的阴极就利用热离子发射产生所需的电子。这就要求直接传导电流或借助于辅助加热器使阴极材料升高到很高温度，这种方法需要相当大的电流，并作为废热。消耗许多能量，效率很低。

近年来，已增长用高场致发射阴极来取代低效的热离子阴极的兴趣。因场致发射阴极消除了加热阴极材料的必要，这种阴极效率很高。作为扫描电子显微镜的电子源已使用好些年了，而如今正试验用作真空微电子器件、平板显示器，以及高性能高频真空管的电子源。

场致发射阴极包括场致发射材料的很尖锐的尖端（典型半径小于100nm）。加负电位时，这种尖端在端头处会集聚电场。这样的高电场可使电子“隧穿”顶端进入周围通常保持高真空状态的空间。产生足够强度的电场所需的电位大小正比于尖端与主引出电极间的距离。这个主引出电极将称之为引出极。只要这种引出极可以是一个物理上的分主结构，通过物理上直接集成场致发射阴极尖端与引出极便能极方便地达到最小的引出电位。这就制造出很小的物理上适当对准固定的引出极一阴极距离。无论有或没有集成引出极的场致发射阴极结构在种种电流和电位应用下，如显示器、真空微电子器件以及各种电子显微镜都是有用的电子源。

利用这些阴极的场致发射显示元件采用基本的场致发射结构并添加辅助的结构，诸如，一个真空空间的延伸部、与阴极尖端对置的荧光面层、以及收集和/或控制电子流的辅助电极。当制造形成集成电路和/或显示器时，要把一组分立的真空微电子器件和/或显示元件加以电的互连。

只要能将这些场致发射阴极结构制作成几乎任意的大小并可作为分离电子源，那末，它们的最佳性能和主要应用之希望所在将来自最大程度的微型化，以及密集的阵列。

非热离子的场致发射器、场致发射器件以及场致发射显示器在现有技术中已众所周知。制造场致发射阴极结构是上述器件的一种共同的关键元件。采用相当常见的淀积和光刻加工技术全都可以淀积和加工各种材料（绝缘体和导体/场致发射体），唯独所有场致发射阴极通用的一种特别尖锐的刃口（刀刃）或尖头（尖端）的结构除外。

制造尖锐的场致发射尖端或刀刃的现有技术通常可分成五种类型。形成引出极的方法在这些类型的实例中也有所提示。

第一种类型是最早期的类型之一，其中阴极尖端结构经直接淀积材料形成。举一个这种型式的实例为C.A.Spindt的一篇论文：“一种薄膜场致发射阴极”（J.Apple.Phys.，Vol.39，NO.7，pp3504-3505，1968），其中将尖锐的锥形钼发射体形成在一钼阳极层之孔内且在一钼阴极层之上。用绝缘层来分隔这两层，该绝缘层在阳极层的孔区内已蚀刻除去直至阴极层部。同时通过正常的和陡直角的分别淀积钼和氧化铝于包括有阳极和阴极层的转动着的基片上而形成锥体，有选择地除去重新淀积的氧化铝。类似的工作也已在美国专利3，755，704号作了公开。

第二种类型是利用蚀刻与单晶材料（例如硅）取向有关的蚀刻。与取向相关蚀刻的原理在于优先腐蚀一种材料的一特定晶面。利用带有掩蔽材料图案的单晶材料，各向异性蚀刻区域将由慢蚀刻面约束，该慢蚀刻面交切在材料的基本晶形确定的边与点的凹处。适当配合蚀刻、材料以及取向就能产生可用作场致发射体的很尖锐的规定的尖端。发给Spindt等的美国专利3665241号就是该方法的一个实例，其中一个以上岛状蚀刻掩膜设置于一单晶材料之上，然后用一种蚀刻剂加以腐蚀，蚀刻剂浸蚀材料的某些晶体平面快于其他平面，由于慢蚀刻平面（一种与取向相关的蚀刻）造成的有界蚀刻外形。如果慢蚀刻平面收缩于掩模中心之下，那就会形成具有尖锐刃缘和尖端的多个小平面的几何外形，它的形状取决于蚀刻剂，晶体取向，以及掩模的形状。一旦确定了造就尖端的方法，与取向相关的各向异性蚀刻也可能有有害的作用，将这些尖锐的尖端做成圆钝（或减小阴极尖端的半径），因而降低作为场致发射体的效用，正如Cade，N.A.等，“用于场致发射器件的尖顶结构的湿法腐蚀”，IEEE  Trans，onElectron  Devices，Vol.36，No.11，pp2709-2714（1989年11月），所论述的那样。

第三种类型采用各向同性蚀刻法形成结构。各向同性蚀刻就是在所有的方向都受均匀地腐蚀。当掩蔽着时，该掩模的边缘成为一段弧的中心点，在掩模材料下刻画出典型的各向同性蚀刻的外形。该圆弧的半径等于蚀刻的深度。环绕孤立掩蔽着的岛进行腐蚀，会使蚀刻的断面向保留下来可用作场致发射体的不受腐蚀的材料的尖端的掩模中心收缩。这是颁发给Shigeo  Fukase等的美国专利3，998，678号中举出的一个实施例。通常，用光刻形成且抗腐蚀的材料的岛来掩蔽发射体材料。用形成各向同性蚀刻断面（圆形垂直有一在光刻胶下伸向边缘的半径的断面）的各向同性蚀刻剂腐蚀该发射体材料。当蚀刻断面从各边向掩模中心收缩时，结果是一尖点或小端。随后的工序，有时将引出极加到结构上。

第四种类型利用氧化工艺，通过发射体材氧化形成尖端。在氧化掩模下氧化的断面实际上与在掩模下各向同性蚀刻的断面一样，而且形成同样的尖端结构，宛如一种圆形掩模下断面收缩集中于一点。除去氧化了的材料时，不受氧化的尖端便能起场致发射体的作用。授予Smith等美国专利3，970，887号就举出这种工艺方法。该类型的工艺与各向同性蚀刻类型很相似。电子发射材料的基片，例如用硅。热生长的氧化层生长在基片上面，然后是光刻印刷成图面并蚀刻出一个或更多的二氧化硅岛。随后，将基片再氧化，此时，先前形成氧化物的这些岛便有显著减缓其下硅的氧化作用。所得到的氧化物断面与各向同性蚀刻的断面很相似，并且同样地收缩于岛下，经除去氧化物可露出硅留下尖锐顶点断面。在本实例中，将在形成了尖端之后添加引出极到结构上。其他掩蔽材料，例如氮化硅也可同样用来减缓氧化和制作所期望的尖端断面。

第五种类型是腐蚀一凹坑，在消耗性的材料中腐蚀出与所需尖端形状相反的坑用作发射体材料的一个模具而后通过腐蚀除去。授予Gray等的美国专利4，307，507号举出一个这种技术的特例。掩蔽材料中的孔由光刻形成在单晶硅基片上。该基片通过掩模孔作与取向相关蚀刻，形成与所需尖端形状相反的腐蚀坑。除去掩模并在整个表面淀积一层发射材料填满该凹坑。然后腐蚀除去硅模具，分离出凹坑的尖端复制品，可用作场致发射体。这篇专利没有披露采用一种集成引出极。

上述所有的发射体形成技术都有一些局限性。取向相关蚀刻需要使用一种单晶发射材料的基片。它们大都需要发射材料制作或涂覆基片。它们大都首先形成发射体，复杂了后继的电极层的制造工艺。

有时，采用的这些方法或专用的加工规范也生产不出足够小半径的场致发射尖端。现有技术包括一些能把尖端进一步减小其半径、变尖的方法。Campisi等的一篇论文：“采用与取向相关的蚀刻法微加工用于真空集成电路的场致发射器件”，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.76，pp67～72（1987），报告了在各向同性腐蚀下经慢腐蚀硅尖端而使之变锐。另一篇题为：“Livermore小型真空管课题进展报告”，W.J.Orvis等，IEDM89，pp529-531（1988），报导了通过热氧化硅尖端而后腐蚀剥离该氧化物使之变锐的方法。美国专利3.921，022号还公开了一种提供圆锥或角锥形场致发射体尖端的多尖头或小头的新方法。如Busta，H.H.等在“钨包复硅角锥的场致发射”，IEEE  Trans.on  Electron  Devices，Vol.36，No.11，pp2679-2685（1989年11月），一文的举例说明，现在可以采用在这些阴极尖端或角锥上涂复层或包复物来增强或改善阴极尖端的性能。

在本开发领域中，现有技术也已初露端睨，在实际应用，如在显示器应用中如何运用这些场致发射阴极和引出极。授予Spindt等的美国专利4，857，799号已举例说明，如何将包含有场致发射体和引出极的基片联结到分立的有阳极导体与荧光粉条的透明窗口上，所有这些协同作用形成了彩色显示器。另一种使用真空微电子型结构的彩色显示器件是取得专利的美国专利3，855，499号。

总而言之，一种典型的场致发射阴极结构是由一端头锐利的尖端或刀刃构成。该阴极尖端或刀刃还可绕以一控制极和/或引出极。制造这类器件的关键技术之一在于要制成半径最好为10-100nm量级的尖锐的场致发射（阴极）尖端。最公用的制成尖端的方法包括与取向相关的蚀刻法、各向同性蚀刻法，以及热氧化法。

一方面，本发明包括至少一个场致发射阴极制作的一种工艺方法，包括这些步骤;

a）一基片上至少设置一个孔;

b）至少淀积一第一材料，并且至少填充该孔一部份，使之足以形成一尖头;

c）至少淀积一层在电场影响下能发射电子的材料层，并且至少填充尖头的尖端部分，以及

d）除去尖头正下方的第一材料，至少露出电子发射材料的尖端部分，于是形成至少一个场致发射阴极结构。

另一方面，本发明制作至少一个场致发射阴极结构的一种工艺方法包括步骤：

a）至少形成一层导电材料层在一基层上;

b）至少形成一个孔，至少穿过至少一层导电层;

c）至少淀积一种绝缘材料于至少一层导电层上，并且至少填满该孔的一部分，使之足以形成一尖头;

d）至少淀积一层在电场影响下能发射电子的材料层，它盖在步骤c）所说的绝缘材料上，并且至少填充该尖头的尖端部分，以及

e）除去尖头正下方的材料，至少露出电子发射材料的部分，于是，形成至少一个场致发射阴极结构。

本发明制作至少一个场致发射阴极结构的一种工艺方法还包括步骤：

a）形成多个导电材料层于一基层之上，而各导电材料层用绝缘材料层隔离;

b）至少形成一个孔，至少穿过这些导电层;

c）至少淀积一绝缘材料盖在这些导电材料层上，并至少填充孔的一部分，使之足以形成一尖头;

d）至少淀积一层在电场影响下能发射电子的材料层，它盖在步骤c）的绝缘材料上，且至少填充该尖头的尖端部分，以及

e）除去尖头正下方的材料，至少露出发射电子的部分，于是，形成至少一个场发射阴极结构。

本发明的又一个方面由一种场致发射阴极结构组成，包括一层在电场影响下能发射电子的材料层，而且至少有一个按本发明的方法形成的用来发射电子的尖端。

本发明的场致发射阴极结构还包括，在电子发射层的该尖端侧边至少有一导电材料层，它至少用一绝缘材料层隔开，以便露出该发射体尖端。

本发明的场致发射阴极结构进一步包括，在电子发射层的该尖端侧边有多个导电材料层，各各彼此以及与电子发射层都用至少一种绝缘材料隔开，以便使发射体尖端露出。

本发明的场致发射阴极结构另外可包括，在电子发射层的尖端侧边至少有一阻档层，它可有选择地被除去，用来露出该尖端。

本发明的任何一种方法都能制作一种产品。

本发明的一个目的在于形成单个的或阵列的场致发射尖端。

本发明的另一个目的在于消除对单晶材料的少依赖，而能保持对场致发射材料选用的高度灵活性。

又一个目的在于制造一种集成引出电极，既自对准又是构成作为尖端形成工艺的部分，而不必添加后继工序，这样就大大简化了总的制造工艺过程。

还有个目的，采用公用的微小型集成电路制造技术去造成这些结构。

又一个目的在于提供一种在使用的电气构件中的隔离的和互连的多个场致发射体、引出电极以及其他电极的装置。

本发明的这些目的是这样达到的，采用共形层的淀积或形成技术，填充基片上的孔来形成使用的那种尖头。该尖头用作一种模具，以能在电场影响下发射电子的任何一种材料（发射层）填充之。在该模具通过一些公用的释放机构或通过选择性腐蚀基片和尖头的形成层之后，一种该尖头的复制品的尖锐尖端便被露出来。

这种尖端希望形成足够小的半径，以便起场致发射阴极的作用。由于种种原因，需要一种较尖的尖端，可以运用现有技术中已知的加工方法将尖端变尖，例如慢速各向同性尖端蚀刻法，或氧化并除去氧化物法。

本方法不限于使用一些特定的材料。许多材料和材料的组合物都可用作基片、共形层、以及发射体材料。

通过先把导电的电极层淀积在支承的基片上，可以将引出极附加到基本的结构上。随后用做形成尖头的那个孔，要蚀刻穿过该导电电极层并到或进入基片内。淀积或接着通过淀积发射体层来形成共形尖头的形成层。分离或用不会浸蚀导电电极的腐蚀剂有选择性地蚀刻掉基片。然后，用既不会浸蚀导电电极（引出极）也不浸蚀发射体材料的腐蚀剂有选择性地除去共形层，直到将尖端露出到所要求的程度。

当把这种结构安置在，例如真空中，并且加一足够高的电位，跨接于引出极为正，而场致发射尖端为负时，在尖端上由此产生的高电场会使电子隧穿尖端进入真空空间区域。

这样的工艺方法还许可附加更多的电极，象在阵列这样的结构中可以用于引出、控制或选取特定的发射体结构。这些附加的电极应从复盖基片的电极开始增加。淀积一层绝缘层，接着再淀积一附加电极层。每重复淀积这样的一对新层就产生一附加的电极。稍后将要用以形成尖头的孔，现在则要蚀刻穿透所有的电极和绝缘层直至或进入基层本身。而此后，工艺如同完成单引出极结构的那样，继续进行下去。

多电极结构展示了电极间绝缘物受非生产性的掏蚀的可能性。如果使用各向同性蚀刻来浸蚀共形尖头的形成材料和电极绝缘物，就会出现这种掏蚀。采用各向异性蚀刻就不会明显浸蚀最靠近基片的那个第一电极的材料或发射体层。

释放或阻档层可用于工艺过程的各步中，以保证模具或基片能容易地与完成的或局部完成的结构分离，或者如蚀刻阻挡层，或者如保护层，来辅助控制工艺过程。举例来说，如果有人希望使用在共形淀积硅中形成的尖头来制作一硅发射体尖端，那么，硅-硅界面就不容许这样的选择性除去尖头而使尖端露出。这种障碍可通过外加一层很薄的氮化硅膜层到该尖头层上，接着把硅淀积填充于尖头上而得到消除。现在，由于氮化硅的阻挡，这种外加层将许可对尖头硅作蚀刻。随后，可用不会浸蚀保留下来的硅，也就是露出的尖端的蚀刻剂，如沸腾的磷酸来除去氮化硅。

各电极层，包括发射体层一般用良导体，而因此，在增加下一层去形成绝缘和发射体结构之间的互连之前可以将它光刻成图案。同样，毗连的绝缘层也可光刻形成通孔用于垂直互连。这种光刻图案的一种用处是形成X与Y地址线，显示器应用中可用之于选择启动单个的或一组发射体。

参照下面的详细说明并结合附图将可更好地理解本发明的主题，更多的优点和特征会变得更明确。

本发明的这些特征相信是新的，并且将本发明的元件特性详细地在附加的各权利要求中加以展示。这些附图只作为图解说明的目的，而未按尺寸画出。本发明本身，无论构造方面还是作业方法都可参照下述的详细说明并结合附图得到更好地理解。其中：

图1A是一单层基片的截面图，至少有一个孔随后用于形成发射体尖端。

图1B是表示基片上的淀积一尖头形成层和一发射体层的截面图。

图1C表示发射体尖端已露出后的悬空状态的发射体层的截面图。

图1D表示该发射体尖端已被覆盖且该发射体层设有支承层之后的一个悬空状态的发射体层的截面图。

图2A是表示基片包括在电极层下有一消耗层及至少有一个孔的本发明的另一个实施例的截面图。

图2B是表示图2A结构覆盖了尖头形成层及发射材料层后的截面图。

图2C是表示图2B结构已除去消耗层后的截面图。

图2D是集成引出极内的尖头形成层局部除去后，露出发射体尖端的截面图。

图3A表示本发明又一个实施例的截面图，所示基片包括由一在基层上的绝缘层隔开的两层电极层，以及至少有一个孔。

图3B是表示图3A结构在发射体尖端已露出后的截面图。

图4A是表示本发明还有另一个实施例的截面图，这里该发射体层有一阻档层与多个电极一起用绝缘材料隔开。

图4B表示图4A结构中该阻档层材料存在和环绕发射体尖端处已被露出的截面图。

图4C表示图4B结构中阻挡层材料存在和环绕发射体尖端处的阻挡层材料已除去、且发射体尖端已露出的截面图。

图5A是表示共形填充一尺寸不随深度而变的孔所得到的尖头的截面图。

图5B表示用另一个方法制作尖头的截面图，窗孔具有不等的断面，因此，能够调整尖头的位置。

图5C表示又一个制作尖头方法的截面图，窗孔也具有不等的断面。

图6表示在一尺寸不随深度而变的孔，一定程度上按共形工艺方法制作尖头的截面图。

图7A、7B和7C用图解说明一种场致发射阴极的截面图，该阴极具有变尖了的钝头。

图8图解表示出有互连的一种场致发射阴极的透视及局部剖视图。

本发明描述了用于集成制造场致发射阴极，且场致发射阴极可带有必要的单个或多个引出极和/或控制极的新颖技术与结构。这些结构都可单个或成组制作。

利用几个预定与下文指名的方法或反复提到的解说已详细介绍了这些场致发射阴极的结构及其制造方法。

本发明的场致发射阴极可用作真空微电子器件的电子源。术语VMD或这里称作真空微电子器件，不仅只意指一种二极管，而且是指三极管、四极管、五极管或用这种方法制造的任何其他器件，包括它们的互连在内。本质上，VMD是具有至少一个尖锐发射体（阴极）尖端，以及一个集电极（阳极），用绝缘物将发射体与阳极分开，并且最好电子从发射体直线或直接传送到集电极（阳极）。

术语“光刻限定的”是指下面工艺步骤的一系列处理过程。首先将对某些光化辐射方式，例如光、电子束、和/或X-射线正性或负性敏感的掩蔽层淀积于所考虑的表面上。其次，以图案仿制的方式，将该层曝露于适当的光化辐射下及显影，选择性地除去掩蔽层与露出所需图案下的表面。第三，如有必要，蚀刻露出的表面，除去其底下材料的全部或部分。第四，除去掩蔽层的保留区。

换言之，术语“光刻限定的”也可指称为下面的“剥离工艺”。由前面所叙述的工艺制成的材料层上形成相同的所要的图案。这种工艺着眼于得到所要刻了图案的材料层的表面。首先，将对某些光化辐射，如光、电子束、和/或X-射线的正性或负性敏感的掩蔽层淀积在表面上。其次，以图案仿制方式，使该层在适当光化辐射下曝光及显影，有选择性地除去掩蔽层并使之露出在图案下的表面，留下所要的材料层。淀积、曝光和显影的过程是这样控制的，使留下的掩模图象的边缘具有一相反的或下陷的布图。第三，通过一系列看到过的淀积工艺，如蒸发，在窗口和覆盖着掩模的整个区域都淀积上所要的材料。最后，除去掩模材料，例如通过分解和分离盖在它上的任何材料并使之被冲洗掉。

术语“导电材料”或“导体层”或“导电基片”是指任何种类繁多的电的导体材料。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，含有二种或更多种这些元素的合金或固溶体，掺杂或非掺杂的半导体如Si、Ge，那些周知的Ⅲ-Ⅴ的化合物，以及非半导化合物如各种氮化物、硼化物、六面体化合物（例如LaB₆）和某些氧化物（如Sn、Ag、InSn的）。

术语“绝缘的材料”或“绝缘体层”或“绝缘基片”系指各种各样的电的绝缘体材料，特别是玻璃与陶瓷。典型的例子包括：元素诸如金刚石型（结晶或无定形）碳，单晶化合物如兰宝石、玻璃与多晶或非晶化合物如一些Si、Al、Mg及Ce的氧化物、一些Ca或Mg的氟化物、一些硅的碳化物或氮化物，以及陶瓷如铝土或玻璃陶瓷。

术语：电子发射材料”或“发射体层”或“发射体材料”系指在电场作用下，任何能发射电子的材料。典型的例子包括;任何电的导体，诸如上述列举的，以及稀土元素的硼化物，包含1）一种稀土或一种碱土（如Ca、Sr或Ba）元素的硼化物，和2）一种过渡金属（如Hf或Zr）元素的硼化物的固溶体。该发射体材料可以是一单层的、组合的或多层结构。作为举例，多层发射体可以含有附加的一层或多层下面的材料层：逸出功增强层、耐用的发射层、高性能电传导层、热导层、物理上强化层或加强层。这种多层的组合物可以包含有发射的与非发射的材料，所有的协同一起可以优化发射功能。Busta，H.H等：“钨包盖的硅锥形物的场致发射”，IEEE  Trans.on  Electron  Drvices，Vol.36，No.11，pp2679-2685（1989年11月），该文讨论过这个例子，该文中，他们证明在这些阴极尖端或锥形物上采用涂覆或包盖层，能增强或改善阴极尖端的性能。

这种涂覆层或包盖层也可用于不能形成所要求的阴极发射体尖端结构或难以形成所要求的阴极发射体尖端结构的场合。

术语“淀积的”，指的是任何适于材料形成膜层的方法，一般应用于整个半导体工业。一些下面举出的淀积技术都可用于前面说过的材料，例如，溅射、化学汽相淀积、电镀或无电镀、氧化、蒸发、凝华作用、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”，如在这里所用的，不只指削尖的凸出部分，也是指刀刃。不是针状的场致发射体形状有时要用，例如刀刃。除孔改成狭长的片段外，也采用同样的方法形成刃口。刀刃锐缘的形状举几个例可以是直线形的或圆形的或直线段或曲线段。

制作本发明场致发射阴极结构的孔最好选自一组包括磨削、钻孔、蚀刻、离子铣或压制的工艺形成。利用选自一组包括各向异性蚀刻、离子束蚀刻、各向同性蚀刻、反应离子蚀刻、等离子蚀刻或显法蚀刻法的蚀刻技术，也都能蚀刻出孔。该孔的断面或尺寸随深度不变或随深度改变。

发射体尖端形成之后，在尖头形成层或材料中该尖端底下的材料，最好用选自一组包括溶解、腐蚀、蒸发、熔化或升华的工艺来除去。正如别处讨论过的那样，电子发射材料层底下的整个基片也可以完全被除去。在有些情况下，电子发射材料底下的整个材料可以完全除去。

阻挡层或材料还可以在淀积电子发射材料之前形成。随后，该阻挡层可以有选择地除去。

本发明的场致发射阴极结构可用作电子源。正如别处已讨论过的那样，至少这种阴极结构的一个尖端能与另一个尖端电绝缘，或至少一个尖端能够与另一电子元件电连接。当然，本发明的场致发射阴极结构可以使用在或成为一电子显示器的一部分。

下述制造工序与相应的图形阐明单个结构的产生。虽然没有任何空间图案来特别地显示出多个结构，但还是可以同时制造多个结构。

图1A到1C，显示出最简单的场致发射结构35的制造过程，一场致发射层30上有场致发射尖端31。以消耗性的基片或基层5开始，它可以是任何适合继续加工过程的材料，形成一个孔或窗口15，例如借助于光刻技术。基片或基底5可以是个单层或多层结构。该孔15的形状可为方形、圆形、椭圆形等，而且孔15可以用本领域技术人员已知的任何方法来产生，举例说，孔15可以用反应离子蚀刻法腐蚀，其典型结果可得到图1A所示的断面。为获得最佳结果，孔15的深度应大于孔径的一半。所以，该基底或基片5应足够厚，可供孔15适合生成。孔断面变化的影响在后面将予以讨论。

一层第二消耗性材料层20保形淀积到基片5上，直至孔15侧壁上的生长厚度，会聚到孔15的中心处，以造成一尖头21。把发射体层30淀积充填于尖头21以及其他要求的区域，如图1B所示。

现在，基片5被有选择性地腐蚀去掉。该发射层30的顶部或表面32，即远离发射尖端31的面，如有必要，可用机械装置或以后可去除的掩蔽层或敷层的临时性淀积加以保护。然后，有选择性地除去层20，使尖端31露出，如图1C所示。

另一方面，如果层30和20之间的粘附力弱，或者采用释放剂或薄释放层于层20与30之间，旨在把粘附力做小，那么，层30就能从层20剥下，以免需要腐蚀基片5及层20，也会得到图1C所示结构的结果。用于层30与20之间的释放剂或薄释放层，这要取决于用作层20与30的材料。

如图10所展示的，场致发射阴极35还可涂覆或包覆一层29，而结果会是一种涂覆或包覆的场致发射阴极38。该层29必须是一种在电场作用下能发射电子的材料。所以，显然，如果“发射体尖端”可以涂覆或包覆一层电子发射材料，那么，发射体层30就可以由任何材料制做，只要随后能允许用电子发射材料29来涂覆或包覆该“发射体尖端”即可。发射体尖端37将归之于有层29涂覆或包覆“发射体尖端”31。如图1D所示，在发射体层30的背面32，人们还可以设置一敷层或支承层26。

上述基本工艺方法可推广到产生阴极40，形成的一个发射体尖端41与集成引出电极10的内部自对准。为制造电极40，把电极层10淀积在消耗性的基层或基片5上。孔15有一开口或窗口38，一般采用反应离子蚀刻穿通电极层10，进入基片5深度大于孔15直径的一半而光刻形成，如图2A所示。当然，基片5应足够厚，以供孔15适合形成。

一绝缘体层25，共形被淀积在电极层10上，且填充基层或基片5上的孔15，形成尖头26。然后，把发射体层30淀积充填于尖头26，如图2B所示。

该消耗性的基层或基片5从结构后面，选择性地加以腐蚀剥除，如图2C所示。

于是，将绝缘体25选择性腐蚀穿透电极10中的开口或窗口38。图2D表示得到的阴极结构40，具有一个与集成的引出极10内部自对准的阴极尖端41。对各向同性蚀刻32来说，腐蚀的断面表示在图2D中，这时剖视线34就是画出所得的腐蚀断面，只要不使用选择性的各向异性蚀刻法去腐蚀绝缘体层25，就会得到这个结果。

进一步开发该基本工艺，使形成的一个发射体尖端在多个可用用作电子流引出和控制的电极内自对准。结构45表明，一阴极带有两个引/出控制电极。正如图3A所示，该结构还是在消耗性基片5上淀积电极层10开始制作起，在已淀积了电极层10上淀积绝缘层12，而后淀积电极层14于该绝缘层12上。腐蚀穿透层14、12和10，到或伸入消耗性基片5，光刻形成了孔或窗口15。

此外，如前工艺继续进行下去，共形淀积绝缘层25形成一尖头（未示出）、淀积发射层30，填充尖头，通过剥离或腐蚀除去消耗性基片5，以及此后，选择性地腐蚀绝缘层25，从下部露出发射体尖端51，如图3B所示。露出的程度可以按需要加以改变，这只要改变腐蚀时间。图3B示出用各向同性腐蚀曾填满孔15的层25得到腐蚀断面32。采用各向同性腐蚀时，一部分绝缘层12也受到蚀刻。显著的掏蚀不合于使用的目的，而实际上因削弱该结构，且又要占用更多的空间范围，也许有害。这种掏蚀，采用各向异性蚀刻，如反应离子蚀刻法，可消除。只要用各向异性蚀刻来代替去蚀刻层25，就应得到剖视线34给出的腐蚀断面。

反应离子蚀刻有利于它们的各向异性与全干法加工，但并不总是全都有选择，而决定于不同材料间蚀刻速率的显著差别。有些希望反应离子蚀刻加工处理的要依赖于材料，如制造结构45提出的那种方法，去除掉绝缘物25而露出发射体尖端51，不会有掏蚀，实际上浸蚀发射体材料很缓慢，但足以不合乎需要地减小尖端51的半径。如果发生这样的问题，补偿的一种方法正如别处已叙述过的那样，把尖端弄尖。

另一个办法是，图4A到4C表明这种危害如何体能够避免，而且也表达如何使用阻挡层的一个例子。双电极（加上发射体）场致发射阴极结构45被用来作说明。直到形成尖头的所有工序都与前面那些段落叙述一样。形成尖头后，用来防护该尖头外形的一层很薄的阻挡层28被淀积覆盖在层25上。该阻挡层可以是任何能形成薄膜，能防护尖头结构、可选择性地除去而不会损伤其他阴极结构、以及稳定得足以与完成的结构并存的材料。举一个可以和掺杂硅电极、掺杂硅发射体、及二氧化硅绝缘物一起使用的这样一种材料是氮化硅，它可选择性地溶于热磷酸。把发射体层30淀积在阻挡层28上而填充尖头，如图4A所示。

此后经剥离或腐蚀除去基片5。而绝缘层25用反应离子蚀刻工艺蚀刻，使阻挡层28露出，如图4B所示，也没有掏蚀电极10或14。

现在可以对阻挡层28作选择性蚀刻使发射体尖端51露出，并完成该结构55，如图4C所示。

所有的上述实例都已阐明孔15带有传统的、各向异性蚀刻的、大致垂直的侧壁断面。虽然这样的断面会产生起作用的结构，但这样的断面可以有许多变化，同样也会产生起作用的结构以及有其他用途的特性。

图5A说明一种典型的形成尖头的孔的断面，而图5B和5C说明一些别的造成尖头的孔的断面。孔15、16和17正表现在简单的连续的基片上，但无论如何它们不限于这些例子而且通常也可以制作在前面讨论过的多电极或多层基片或组合物上。

图5A表示出垂直侧壁的孔15，它已用在上述的工艺中。它具有占用最小空间表面积的优点。它的特点之一是，该尖头的尖端21最初形成在基片表面62的水平面上，而且如果继续进行共形淀积，尖端21会垂直向上移动，如剖视线22所示，到高于该表面的位置，其高度则由附加淀积的总量来控制。在有些淀积的条件下，在孔15区可能形成少数空洞23。因为孔15中的这些材料，以后要除去，现出发射体尖端（未示出），这些空洞不会损害本发明。

许多应用场合，如场致发射阴极35（图1C所示），发射体尖端31的位置可能是无关紧要的，但是，使用附加电极的应用中却要求有更佳的发射体尖端的位置。有些电场模式提议，该发射体尖端的最佳位置要在最靠近发射体层的电极层的顶与底高度之间的一个高度上。

调整这个位置的一种方法是调整真空区域孔的断面。这样的断面的实例表示在图5B中，这里该孔断面的尺寸随深度改变或变化。孔16具有倾斜的侧壁，使得共形薄膜20垂直于倾斜的侧壁生长，迫使最初交会在距侧壁与底部等距离的点，该点低于基片5的顶面很多。附加的淀积，如剖视线22所示，会使尖头向上移动并且可以选择尖头的位置，使尖头的标称安置垂直于所要求的位置。这就容许加工的变动，上下移动尖头直到所希望的范围。借助于适当选取标称的位置和真空区域孔壁的角度，累积的工差可以被吸收，而且该尖头就会留在它的最佳位置范围内。

图5C说明复杂的孔形也能用以制造出有用的尖头结构来。本实施例中，电极层10在基片5上，由光刻形成孔17，首先，通过各向异性蚀刻电极10，接着选用各向同性蚀刻基片5。淀积共形层20，产生尖头21，且可能产生空洞23。应该注意到，这种空洞23不会影响成功的使用这个结构去形成发射体尖端（未示出），因为，后续的工艺会除去空洞，以便露出发射体尖端。

图6是多大曲折程度共形加工还能用以形成有用的尖头结构的一个例子。本实施例中，标称垂直壁的孔15位于基片5上，溅射涂覆上层27。产生的该尖头会有下面的特征。首先，尖头必有开口且因而较易填满。其次，尖头自然会形成比电极表面低，而不需要专用的真空区的孔形。

虽然溅射淀积只是一种不完全共形淀积枝，象溅射石英这些材料是很好又是很稳定的绝缘物，而因此会形成有用的尖头结构28。溅射带来的一个惯常问题是它有留下空洞或“鼠洞”29的可能性。因而这些空洞对体现半导体加工工艺来说潜伏着很大的危害，对本发明来说，它们却是无害的，因为层27在形成了发射体尖端（未示出）之后，将要从该处被除去。

弄得很尖锐的尖头用作场致发射体模子是理想的形状，但构形不全的模子也能利用。图7A示出共形薄膜凹槽71的形状，在侧壁会聚形成尖头之前便已造成。尽管该凹槽71不是弄得很尖锐，还可以用作模子，把发射体材料淀积进去。在除去基片5与尖头形成层或薄膜20后，如前节所述，发射体材料30具有近似尖端72的形状，更尖似于圆纯的尖顶，如图7B所示。这种近似形状可应用“本发明的技术背景”一节已叙述过的弄尖技术来弄尖锐，造成所希望的尖锐的发射体73，如图7C所示。

还可给使用的电构造中提供隔离和互连多个场致发射体、引出极，以及其他电极的装置。这是可以做到的，因为电极层包括发射体层通常是良导体。而因此在增加下一层形成发射体结构之间绝缘和互连之前，可以将它们光刻制成图案。同样，相关的绝缘层可光刻形成以提供通孔做垂直互连。一种使用这样的制成图案是构成X和Y地址线，它可用于显示器应用时选取单个或一组发射体工作。当制造构成集成电路和/或显示器时，要把一组单个的真空微电子器件和/或显示元件电连结在一起。

场致发射阴极互连的一个实施例为图8所示。在场致发射体互连80中，发射体层已光刻形成为互连各个发射体84的线，沿“X”方向并构成“X”发射体线94。空隙88使一条“X”发射体线94与另一“X”发射体线94分隔开。同样，引出电极层也是光刻形成的“Y”电极线92，用空隙87使一条“Y”电极线92与另一条“Y”电极线92隔开。在那里，人们可以用绝缘材料取代空隙开口87和88。绝缘的或尖头形成层85把各个引出极82或“Y”电极线92与各发射体电极84或“X”发射体线94隔开。亦即，看到的是再生的尖头86，那是从形成发射体尖端81得到的结果。当然，本领域技术人员都会明白，这种结构在发射体电极与阳极（未示出）之间有一个或多个电极。这个连接装置允许把一负电位加在“X”发射体线94上的一特定的发射体84上，再把一正电位加到一特定的引出极82或“Y”电极线92上而启动一特定的发射体。

尽管联系一个具体的优选的实施例已经详细地描述了本发明，显然，根据前面的叙述，众多的替换、修改和变更对本领域的技术人员来说一定都是明白的。所以，可以预料，附加的各权利要求将包括任何这样的替换、修改和变更，因而落入本发明的实际范围和精神之中。

Claims (50)

1、一种制造至少一个场致发射阴极结构的方法，其特征在于：

a)在基片上提供至少一个孔，

b)淀积至少一种第一材料以及填充至少所说孔的一部分足以形成尖头，

c)淀积至少一层在电场作用下能发射电子的材料层，并且填充至少所说尖头的尖端的部分，以及

d)除去该尖头底下的所说第一材料，至少使所说电子发射材料尖端的一部分露出，于是形成所说的至少一个场致发射阴极结构。

2、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的基片是一单层的结构。

3、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的基片是一多层的结构。

4、按照权利要求3的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的多层结构是由绝缘的和电传导的材料层交替组成。

5、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的孔是由选自一组包括磨削、钻孔法、蚀刻法、离子铣法、剥离法或模注法的一种工艺形成。

6、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的孔由蚀刻形成的，采用的蚀刻技术选自一组包括各向异性蚀刻法、离子束蚀刻法、各向同性蚀刻法、反应离子蚀刻法、等离子蚀刻法或湿式蚀刻法。

7、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料是共形淀积的。

8、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料是一种绝缘材料。

9、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料是一种半导体材料。

10、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料是一种导电材料。

11、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料由多层组成。

12、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的第一材料由一释放层组成。

13、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的电子发射材料是一单层的材料。

14、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的电子发射材料是多层的。

15、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的在尖头下的第一材料是用选自一组包括溶解、蚀刻法、蒸发、熔化法或升华法的一种方法除去的。

16、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，在电子发射材料层下的整个基片全都除去。

17、按照权利要求16的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，在电子发射材料下的整个所说的第一材料全都除去。

18、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的孔具有一断面，该孔的尺寸随深度不变。

19、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的孔具有一断面，该孔的尺寸随深度改变。

20、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，在所说电子发射材料淀积之前，形成一阻挡层。

21、按照权利要求20的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，选择性地除去所说的阻挡层。

22、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的尖端涂覆以一种电子发射材料。

23、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，所说的尖端是用选自一组包括慢速各向同性蚀刻或氧化的一种方法有选择地弄锐。

24、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，在所说结构的背面形成一支承层。

25、按照权利要求1的制造场致发射阴极结构的方法，其特征在于，在所说电子发射材料淀积之前，形成释放层。

26、一种制造至少一个场致发射阴极结构的方法，其特征在于下列步骤：

a）整个一基层上形成至少一层导电材料层，

b）至少穿过所说至少一层导电材料层，形成至少一个孔，

c）淀积至少一种绝缘材料盖在至少一层所说的导电层上，且填充至少所说孔的一部分，足以形成一尖头，

d）淀积至少一层在电场作用下能发射电子的材料，盖在步骤c）所说的绝缘材料上，且填充至少所说尖头的尖端之一部分，以及

e）除去该尖头下的材料，露出至少所说电子发射材料的一部分，因而形成所说至少一个场致发射阴极结构。

27、一种制造至少一个场致发射阴极结构的方法，其特征在于下列步骤：

a）形成多个导电材料层盖在一基层上，各个所说的导电材料层用一绝缘材料隔开，

b）形成至少一个孔，至少穿过所说的各导电层，

c）淀积至少一种绝缘材料盖在所说各导电材料层上，且填充至少所说孔的一部分，足以形成一尖头，

d）淀积至少一层在电场作用下能发射电子的材料层，盖在步骤c）所说的绝缘材料上，且填充至少所说尖头的尖端部分，以及

e）除去该尖头下的材料，露出至少该电子发射材料的一部分，因而形成所说的至少一个场致发射阴极结构。

28、一种场致发射阴极结构，其特征在于，包括一层在电场作用下能发射电子的材料层，以及具有至少一个用权利要求1的方法形成的发射电子的尖端。

29、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层是一种多层结构。

30、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，至少一个所说电子发射层尖端是一种多层结构。

31、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层还包括一支承层。

32、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，在该电子发射层的尖端侧边，用至少一种绝缘材料将至少一层导电材料与所说的电子发射层隔开，这样以便至少露出一个所说的发射体尖端。

33、一种按照权利要求32的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层是一种多层结构。

34、一种按照权利要求32的场致发射阴极结构，其特征在于，至少一个所说电子发射层的尖端是一种多层结构。

35、一种按照权利要求32的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层还包括一支承层。

36、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，在该电子发射层的尖端侧边，用至少一种绝缘材料将多个导电材料层，相互彼此以及与所说电子发射层各各隔开，这样以便于露出至少一个所说的发射体尖端。

37、一种按照权利要求36的场致发射阴极结构，其特征在于，所说电子发射层是一种多层结构。

38、一种按照权利要求36的场致发射阴极结构，其特征在于，至少所说电子发射层的一个尖端是一种多层结构。

39、一种按照权利要求36的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层还包括一支承层。

40、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，在电子发射层的尖端侧边，选择地除去至少一层阻挡层，使所说的尖端露出。

41、一种按照权利要求40的场致发射阴极结构，其特征在于，所说电子发射层是一种多层结构。

42、一种按照权利要求40的场致发射阴极结构，其特征在于，至少所说电子发射层的一个尖端是一种多层结构。

43、一种按照权利要求40的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的电子发射层还包括一支承层。

44、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的尖端具有电子发射材料的涂覆层。

45、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的尖端是被锐化了的。

46、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的尖端用作电子源。

47、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，至少一个尖端与另一个尖端是电隔离的。

48、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，至少一个尖端与别的电子元件是电连接的。

49、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的尖端用于电子显示器。

50、一种按照权利要求28的场致发射阴极结构，其特征在于，所说的尖端具有一针尖或刀刃断面。

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