CN112882351A - 用于电子束投影光刻系统的图案化发射器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器及其制造方法，其中，所述发射器包括发射电极层、图案电极层和基电极层。当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，发射电极层中的纳米电极便分为两部分：一部分与图案电极层中预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与预设图案不接触，由绝缘体隔开，这些纳米电极便不会接通电源；当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。本发明可以实现电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体是一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器及其制造方法。
背景技术
半导体集成电路在人类社会的发展和科技的进步中起着至关重要的作用。随着集成度越来越高，元器件的尺寸越来越小，对其制造技术特别是光刻系统的要求也越来越高，普通的光刻系统由于衍射极限等原因已不能满足要求，于是人们将目光转向了具有更短工作波长的光刻系统，如X射线光刻、紫外光刻、极紫外光刻以及浸入式光刻等，并实现了应用。然而随着分辨率的提高，光刻系统的成本以及操作难度也越来越高，限制了其应用的广泛性。
利用电子的波动性，以电子为照明光源的电子束光刻理论上可以获得极高的分辨率。例如20kV加速的电子即可获得0.0086nm的波长。电子束光刻分为直写式电子束光刻和投影式电子束光刻。直写式电子束光刻的工作原理与扫描电子显微镜类似，通过控制电子束在目标衬底上扫描以曝光。它分辨率高，且不需要掩模板，然而扫描的工作模式注定其生产率低下，远不能满足需要。投影式电子束光刻的工作原理与光光刻类似，可以大范围同时曝光，大大提高生产率，但掩模板成本高昂，以及临近效应、空间电荷效应等问题限制了它的发展和应用。
本发明公开的发射器以阳极氧化铝模板中沉积的纳米电极阵列为发射电极，以图案电极和基电极控制发射电极中在预设图案中的局部纳米电极发射，从而达到电子光源图案化的目的。发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器及其制造方法，本发射器将电子光源图案化，其发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上，进而实现电子投影光刻的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，包括：
发射电极层，其包括多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积电极材料；利用阳极氧化铝模板作为场发射阴极，具有开启电压低、方法工艺简单、易于实现大面积发射，且发射均匀等优点；
图案电极层，其形成在所述发射电极层的背面，所述图案电极层为由绝缘体间隔的、具有预设金属图案的平面电极层；
基电极层，其形成在所述图案电极层的背面。
作为本发明进一步的方案，所述电极材料包括金属或者炭材料。
作为本发明进一步的方案，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞通过水热法或者电化学沉积法中在所述纳米孔洞中生长或沉积电极材料。
当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，发射电极层中的纳米电极便分为两部分：一部分与图案电极层中预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与预设图案不接触，由绝缘体隔开，这些纳米电极便不会接通电源；当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。
上述用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，该方法具体步骤包括：
S1：制备发射电极层；
S2：在所述发射电极层的背面形成图案电极层；
S3：在所述图案电极层的背面形成基电极层。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S1包括如下子步骤：
S11：将高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，并采用二次阳极氧化法，以获得形状和排列更整齐的孔洞结构；
S12：在多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中填充金属或者炭材料作为纳米电极，形成具有纳米电极阵列的发射电极层。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成绝缘层，再在所述绝缘层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，在所述绝缘层上刻蚀形成具有预设图案的孔洞结构，之后在孔洞中填充金属，形成图案电极层。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成金属层，再在所述金属层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，根据预设图案，去除不需要的部分，填充绝缘体，形成图案电极层。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S3具体为：
在所述图案电极层的背面涂覆一层金属，形成基电极层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，发射电极层中的纳米电极便分为两部分：一部分与图案电极层中预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与预设图案不接触，由绝缘体隔开，这些纳米电极便不会接通电源；当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。本发明公开的发射器以阳极氧化铝模板中沉积的纳米电极阵列为发射电极，以图案电极和基电极控制发射电极中在预设图案中的局部纳米电极发射，从而达到电子光源图案化的目的。发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的截面图；
图2a-g为具体实施例1的简单示意图；
图3a-d为具体实施例2的简单示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明实施例中，用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，包括发射电极层、图案电极层和基电极层。
发射电极层包括多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积电极材料；利用阳极氧化铝模板作为场发射阴极，具有开启电压低、方法工艺简单、易于实现大面积发射，且发射均匀等优点；
图案电极层形成在所述发射电极层的背面，所述图案电极层为由绝缘体间隔的、具有预设金属图案的平面电极层；
基电极层形成在所述图案电极层的背面。
在本实施例中，所述电极材料包括金属或者炭材料；所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞通过水热法或者电化学沉积法中在所述纳米孔洞中生长或沉积电极材料。
当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，发射电极层中的纳米电极便分为两部分：一部分与图案电极层中预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与预设图案不接触，由绝缘体隔开，这些纳米电极便不会接通电源；当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。
上述用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，该方法具体步骤包括：
(1)制备发射电极层；
(2)在所述发射电极层的背面形成图案电极层；
(3)在所述图案电极层的背面形成基电极层。
在本实施例中，所述步骤(1)包括如下子步骤：
(11)将高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，并采用二次阳极氧化法，以获得形状和排列更整齐的孔洞结构；
(12)在多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中填充金属或者炭材料作为纳米电极，形成具有纳米电极阵列的发射电极层。
在本实施例中，所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成绝缘层，再在所述绝缘层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，在所述绝缘层上刻蚀形成具有预设图案的孔洞结构，之后在孔洞中填充金属，形成图案电极层。
在另一种实施例中，所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成金属层，再在所述金属层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，根据预设图案，去除不需要的部分，填充绝缘体，形成图案电极层。
在本实施例中，所述步骤S3具体为：
在所述图案电极层的背面涂覆一层金属，形成基电极层。
具体实施例
具体实施例1：
一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，其截面图如图1所示。发射器包括三个部分：基电极层1，为导电金属层，可选用金、铜、铝等；图案电极层2，黑色部分为金属，白色部分为绝缘体；发射电极层3，黑色部分为沉积的纳米电极，白色部分为不导电的氧化铝模板。
当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，此时发射电极层中的纳米电极分为两部分：一部分与图案电极层中金属预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与金属预设图案不接触，这部分纳米电极便不会接通电源。当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。
由图案化的电子光源发射的电子束，无需掩模板，在经过加速装置、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。
一种用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其具体步骤如图2a-g所示。
(1)如图2a，准备一片高纯铝片，进行机械压平、退火、清洗、抛光等预处理。
(2)处理后的高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，二次阳极氧化，获得孔洞排列整齐的多孔阳极氧化铝模板，如图2b。孔洞直径以及孔间距都不宜过大，应控制在几纳米至几十纳米范围之间。
(3)经扩孔处理后，利用电化学沉积等方法在孔洞中填充金属，形成垂直纳米电极阵列，如图2c所示。
(4)去除背面的铝，利用磁控溅射或者旋涂等方法在背面镀上一层绝缘体材料，之后再覆盖一层光刻胶，如图2d。
(5)采用常规的光光刻法，将预设图案投影到光刻胶上，再经刻蚀等工艺，将绝缘层刻蚀成具有预设图案的孔洞结构，如图2e。这一步所形成的孔洞图案，对孔洞大小要求不高，最小在微米量级亦可。
(6)去除光刻胶，在孔洞中填充金属材料，形成金属图案电极，如图2f。由于孔洞较大，可采用蒸镀、溅射等气相沉积法。
(7)在图案电极背面再蒸镀一层金属，形成基电极层，如图2g。这一步可与上一步一起完成。
具体实施例2：
在实施例1步骤(4)中,去除背面的铝后，镀上一层金属材料再覆盖一层光刻胶，或者不去除铝，直接覆盖一层光刻胶，如图3a。之后根据预设图案，采用常规的光光刻法，刻蚀去除不需要的金属，形成预设金属图案，如图3b。然后再利用溶胶-凝胶法或气相沉积法填充绝缘材料，形成图案电极层，如图3c。最后再蒸镀一层金属，形成基电极层，如图3d。其他完全与实施例1相同。
当基电极层接通电源时，图案电极层中的金属图案也会接通电源，发射电极层中的纳米电极便分为两部分：一部分与图案电极层中预设图案相接触，这些纳米电极也会接通电源；另一部分与预设图案不接触，由绝缘体隔开，这些纳米电极便不会接通电源；当电压达到开启电压时，接通电源的纳米电极便会发射电子，从而达到图案化电子光源的目的。本发明公开的发射器以阳极氧化铝模板中沉积的纳米电极阵列为发射电极，以图案电极和基电极控制发射电极中在预设图案中的局部纳米电极发射，从而达到电子光源图案化的目的。发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，其特征在于，包括：
发射电极层，其包括多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积电极材料；
图案电极层，其形成在所述发射电极层的背面，所述图案电极层为由绝缘体间隔的、具有预设金属图案的平面电极层；
基电极层，其形成在所述图案电极层的背面。
2.根据权利要求1所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，其特征在于，所述电极材料包括金属或者炭材料。
3.根据权利要求1所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器，其特征在于，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞通过水热法或者电化学沉积法中在所述纳米孔洞中生长或沉积电极材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备发射电极层；
S2：在所述发射电极层的背面形成图案电极层；
S3：在所述图案电极层的背面形成基电极层。
5.根据权利要求4所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下子步骤：
S11：将高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，并采用二次阳极氧化法，以获得形状和排列更整齐的孔洞结构；
S12：在多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中填充金属或者炭材料作为纳米电极，形成具有纳米电极阵列的发射电极层。
6.根据权利要求4所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成绝缘层，再在所述绝缘层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，在所述绝缘层上刻蚀形成具有预设图案的孔洞结构，之后在孔洞中填充金属，形成图案电极层。
7.根据权利要求4所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
在所述发射电极层的背面形成金属层，再在所述金属层上涂覆光刻胶，通过常规光刻的方法，根据预设图案，去除不需要的部分，填充绝缘体，形成图案电极层。
8.根据权利要求4所述的用于电子束投影光刻系统的图案化发射器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
在所述图案电极层的背面涂覆一层金属，形成基电极层。
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