CN114334582B - 场发射器件结构的制造方法及场发射器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种场发射器件结构的制造方法及场发射器件结构。该方法包括：提供作为阴极材料的N型单晶硅片；在N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层，光刻胶层包括多个彼此间隔且呈阵列排布的光刻胶遮盖单元；对光刻胶层暴露出的待刻蚀区域进行等离子体刻蚀，等离子体刻蚀的过程包括刻蚀步和保护步，刻蚀步用于通过六氟化硫对待刻蚀区域进行刻蚀，保护步用于通过氧气对刻蚀步形成的刻蚀形貌的侧壁进行保护，通过循环交替执行刻蚀步和保护步，在每个光刻胶遮盖单元下方的N型单晶硅片上形成用于发射电子的尖锥结构；去除光刻胶层，以暴露出呈阵列排布的多个尖锥结构。实现简化工艺步骤、降低制造成本。
Description
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，更具体地，涉及一种场发射器件结构的制造方法及场发射器件结构。
背景技术
场发射器件在真空微电子领域有广泛的应用，例如场发射显示器是一种利用大面积场发射电子源提供轰击彩色荧光粉的电子以制造彩色图像的平面显示设备，其中阴极射线管是其中的关键部件。除了场发射显示器以外，场发射器件还可以用于高速高频器件、微波放大器等。
如图1所示，现有技术一公开了一种集成离子收集电极的场发射器件结构及其制造方法，该器件结构包含由下往上依次层叠的阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3、第二绝缘层4和离子收集电极5；该器件的制造方法为：
S1：在阴极1及衬底上制备第一绝缘层2；
S2：在第一绝缘层2上沉积电子发射控制电极3；
S3：旋涂光刻胶，显影得到光刻胶图形；
S4：刻蚀减薄光刻胶至露出凸起的电子发射控制电极3，再去除未被光刻胶覆盖的电子发射控制电极3；
S5：在S4的结构上依次沉积第二绝缘层4和离子收集电极5；
S6：重复S3，刻蚀减薄光刻胶，至露出离子收集电极5，再去除未被光刻胶覆盖的离子收集电极5；
S7：刻蚀第二绝缘层4，直至阴极1顶端露出。
该种场发射器件结构的制备方法需要多次对光刻胶进行刻蚀减薄，还需要对第二绝缘层进行刻蚀，加工步骤复杂，工艺成本高。
发明内容
本发明的目的是提出一种场发射器件结构的制造方法及场发射器件结构，实现简化工艺步骤、降低制造成本。
本发明提出了一种场发射器件结构的制造方法，包括：
提供作为阴极材料的N型单晶硅片；
在所述N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层，所述光刻胶层包括多个彼此间隔且呈阵列排布的光刻胶遮盖单元；
对所述光刻胶层暴露出的待刻蚀区域进行等离子体刻蚀，所述等离子体刻蚀的过程包括刻蚀步和保护步，所述刻蚀步用于通过六氟化硫对所述待刻蚀区域进行刻蚀，所述保护步用于通过氧气对所述刻蚀步形成的刻蚀形貌的侧壁进行保护，通过循环交替执行所述刻蚀步和所述保护步，在每个所述光刻胶遮盖单元下方的所述N型单晶硅片上形成用于发射电子的尖锥结构；
去除所述光刻胶层，以暴露出呈阵列排布的多个所述尖锥结构。
可选地，在所述N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层之前，还包括：
采用离子注入工艺对所述N型单晶硅片的上表面进行N型重参杂，形成离子注入层，所述尖锥结构形成于所述离子注入层。
可选地，在形成所述离子注入层之前还包括：
去除所述N型单晶硅片下表面的氧化层，并在所述N型单晶硅片的下表面形成金属电极。
可选地，在形成所述离子注入层之前还包括：
去除所述N型单晶硅片下表面的氧化层，并在所述N型单晶硅片的下表面键合氧化铟锡玻璃衬底，所述氧化烟锡玻璃衬底包括玻璃层和形成于所述玻璃层一侧表面的氧化烟锡涂层，其中所述N型单晶硅片的下表面与所述氧化烟锡涂层的表面键合在一起。
可选地，所述刻蚀步的工艺参数包括：
腔室压力范围为5～500mTorr；
上电极中心功率范围为2100～2300W；
上电极边缘功率范围为550～650W；
下电极功率范围为45～55W；
所述六氟化硫的流量范围为90～110sccm；
所述刻蚀步的工艺时间范围为0.5～5s。
可选地，所述保护步的工艺参数包括：
腔室压力范围为5～500mTorr；
上电极中心功率范围为1700～1900W；
上电极边缘功率范围为450～550W；
下电极功率范围为25～35W；
所述氧气的流量范围为45～55sccm；
所述保护步的工艺时间范围为0.5～5s。
可选地，所述光刻胶遮盖单元的图案呈圆形，所述光刻胶遮盖单元的直径范围为1-100微米，相邻所述光刻胶遮盖单元之间的间距范围为1～100微米。
可选地，在所述去除所述光刻胶层之后还包括：
制备对电极，所述对电极包括氧化铟锡玻璃基底，所述氧化铟锡玻璃基底的一侧表面为氧化铟锡涂层，所述氧化铟锡涂层表面涂覆有荧光材料。
可选地，在所述制备对电极之后还包括：
将去除光刻胶层后形成的器件结构与所述对电极封装在一起，其中，所述器件结构中具有所述尖锥结构的一面与所述对电极具有荧光涂层的一面相对。
本发明还提出一种场发射器件结构，所述场发射器件结构由以上所述的场发射器件结构的制造方法制成。
本发明的有益效果在于：
本发明基于N型单晶硅片制备场发射器件结构，通过对图案化的光刻胶层暴露出的待刻蚀区域进行等离子体刻蚀，刻蚀的过程包括刻蚀步和保护步，其中刻蚀步用于通过六氟化硫对待刻蚀区域进行刻蚀，保护步用于通过氧气对刻蚀形貌形成侧壁保护，通过循环交替执行刻蚀步和保护步，能够在每个光刻胶遮盖单元下方的N型单晶硅片上形成用于发射电子的尖锥结构阵列，相较于现有技术，本发明的场发射器件结构制备方法仅需进行循环交替执行刻蚀步和保护步即可形成发射电子的尖锥结构，工艺步骤少，制备工艺简单，成本更低。
本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有的一种场发射器件的结构示意图。
图2示出了根据本发明一个实施例的一种场发射器件结构的制造方法中各步骤对应的器件结构示意图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的一种场发射器件结构的制造方法中各步骤对应的器件结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种场发射器件结构的制造方法中图案化的光刻胶层的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的一种场发射器件结构的制造方法中通过等离子体刻蚀工艺形成尖锥结构的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的一种场发射器件结构的制造方法中形成的尖锥结构的显微结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图2示出了根据本发明的一种场发射器件结构的制造方法的步骤图。
如图2所示，一种场发射器件结构的制造方法，包括：
步骤S101：提供作为阴极材料的N型单晶硅片；
具体地，N型单晶硅片为N型参杂的单晶硅片，N型单晶硅片为电子导电，因此采用N型单晶硅片作为阴极材料。
步骤S102：在N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层，光刻胶层包括多个彼此间隔且呈阵列排布的光刻胶遮盖单元；
具体地，在N型单晶硅片的上表面旋涂光刻胶，对光刻胶图案化(经曝光显影)形成光刻胶层，图案化后的光刻胶层如图4所示(其中黑色圆形部分为光刻胶遮盖单元)，包括多个彼此间隔且呈阵列排布的光刻胶遮盖单元，光刻胶遮盖单元的图案优选为圆形，光刻胶遮盖单元的直径为1-100微米，优选5微米，相邻光刻胶遮盖单元之间的间距为1～100微米，优选5微米。需要说明的是，光刻胶遮盖单元的数量和排列方式并无限定，可以根据实际的需求进行设计。
步骤S103：对光刻胶层暴露出的待刻蚀区域进行等离子体刻蚀，等离子体刻蚀的过程包括刻蚀步和保护步，刻蚀步用于通过六氟化硫(SF6)对待刻蚀区域进行刻蚀，保护步用于通过氧气(O2)对刻蚀步形成的刻蚀形貌的侧壁进行保护，通过循环交替执行刻蚀步和保护步，在每个光刻胶遮盖单元下方的N型单晶硅片上形成用于发射电子的尖锥结构；
可选地，等离子体刻蚀工艺采用的工艺参数包括：腔室压力范围为5～500mTorr，优选40mTorr；上电极中心功率范围为500～5000W；上电极边缘功率范围为500～3000W；下电极功率范围为5～500W；SF6流量范围为10～1000sccm；O2流量10～1000sccm。
优选地，刻蚀步的工艺参数包括：
上电极中心功率范围为2100～2300W；
上电极边缘功率范围为550～650W；
下电极功率范围为45～55W；
SF6流量为90～110sccm；
工艺时间范围为0.5～5s。
保护步的工艺参数包括：
上电极中心功率范围为1700～1900W；
上电极边缘功率范围为450～550W；
下电极功率范围为25～35W；
O2流量为45～55sccm；
工艺时间范围为0.5～5s。
本实施例中，刻蚀工艺可以按照表1中的刻蚀工艺配方执行。
表1 刻蚀工艺配方
具体地，形成尖锥结构形貌的关键在于采用氧气做侧壁保护，传统的Bosch工艺中，等离子体刻蚀尖锥形貌常采用C4F8做保护气体，传统C4F8的侧壁保护原理为：首先是碳氟自由基的形成
CxFy→CF3*+CF2*+CF*+F*+e-+光子
然后聚合形成碳氟聚合物保护侧壁
CFn→{CF2}n↓
而本发明采用氧气作为保护气体，侧壁保护的原理与现有技术不同，刻蚀过程中，在保护步通过氧气与单晶硅反应形成氧化硅，氧化硅与单晶硅的刻蚀选择比不同，氧化硅被刻蚀的速率相较于单晶硅更慢，因此能够形成一定的侧壁保护，随着刻蚀步与保护步的交替进行形成尖锥。
具体地侧壁保护机理为：
首先形成氧气等离子体
O2→O++O*+e-+光子
然后氧气与硅发生反应形成氧硅
Si+O*→SiOx
氧化硅相比于硅而言可以耐受SF6的刻蚀，从而达到侧壁保护的目的。
按照上述表1中的工艺配方，交替执行刻蚀步和保护步，并在保护步采用氧气做侧壁保护，保护效果较强，使得刻蚀往后进行时关键尺寸(CD)变小，从而形成尖锥结构，尖锥结构可供电子进行发射。等离子体刻蚀尖锥结构的过程如图5所示，能够在每个光刻胶遮盖单元下方的N型单晶硅片顶面(离子注入层中)形成一个用于发射电子的尖锥结构。
步骤S104：去除光刻胶层，以暴露出呈阵列排布的多个尖锥结构。
具体地，去除光刻胶层后得到的尖锥结构的显微结构如图6所示，图6中(a)图为刻蚀得到的尖锥阵列，(b)图为(a)图中虚线框内尖锥结构的局部放大图，可以看出形成的每个尖锥结构仅有一个尖端，可供电子进行发射。
如图2所示，本实施例中，优选地，在步骤S102之前还包括：
步骤S105：采用离子注入工艺对N型单晶硅片的上表面进行N型重参杂，形成离子注入层，尖锥结构形成于离子注入层。
具体地，单晶硅中N型掺磷越多则自由电子越多，导电能力越强，电阻率就越低。硅的电子亲和势为4.13eV，低于常见金属如铝(4.18eV)、金(5.20eV)和铂(5.43eV)等，且硅很容易实现重的N型掺杂，便于提高电子浓度。因此为了降低制成器件后的工作电压，本实施例利用离子注入对N型单晶硅片的上表面进行N型重掺杂，可以注入N、P、As、Sb等离子，形成一层离子注入层，后续在步骤S103通过等离子体刻蚀形成的尖锥结构形成于该离子注入层内，以此能够升高尖锥结构材料的费米能级，降低电子亲和势，使得电子更容易被发射出，也就可以降低工作电压，即使用较小的工作电压也可以将电子发射出。
本实施例中，发射器件结构为单面透明的器件结构，则在步骤S105之前还包括：
S106：去除N型单晶硅片下表面的氧化层，并在N型单晶硅片的下表面形成金属电极。
本实施例中，优选地，形成金属电极的方法为：首先通过PVD工艺直接在N型单晶硅片的下表面沉积一层导电的种子层，然后再通过电镀工艺，在种子层上形成一层金属层，作为金属电极，此方法形成金属电极的速度较快。可选地，形成金属电极的方法也可以采用PVD工艺直接在N型单晶硅片的下表面沉积出金属电极，或者，采用热蒸镀工艺形成金属电极。
在另一实施例中，如图3所示，当发射器件结构为双面透明的器件结构时，则在形成离子注入层之前还包括：
S107：去除N型单晶硅片下表面的氧化层，并在N型单晶硅片的下表面键合氧化铟锡玻璃衬底，氧化烟锡玻璃衬底包括玻璃层和形成于玻璃层一侧表面的氧化烟锡涂层，其中N型单晶硅片的下表面与氧化烟锡涂层的表面键合在一起。
具体地，氧化铟锡玻璃(ITO玻璃)是导电的，也是透明的，可以根据实际需求，选择做成单面出光或双面出光，若单面出光则选择金属电极，若双面出光类型则选择ITO玻璃。在N型单晶硅片的下表面键合氧化铟锡玻璃衬底的可以方法为：采用导电银胶将氧化铟锡玻璃衬底的氧化烟锡涂层的表面与N型单晶硅片的下表面键合在一起。
本实施例中，在去除光刻胶层之后还包括：
S108：制备对电极，对电极包括氧化铟玻璃基底，氧化铟锡玻璃基底的一侧表面为氧化铟玻涂层，氧化铟锡涂层表面涂覆有荧光材料。
具体地，如图2和图3所示，洗去光刻胶后，制备对电极，对电极由透明的ITO玻璃构成，下方涂有荧光材料，可以在受到电子轰击时发出荧光。
本实施例中，在制备对电极之后还包括：
S109：将去除光刻胶层后形成的器件结构与对电极封装在一起，其中，器件结构中具有尖锥结构的一面与对电极具有荧光涂层的一面相对。
具体地，将步骤S101-S107制备完成的器件结构与步骤S108制备的对电极封装在一个密闭环境中，中间抽真空，完成场发射器件的封装。
综上，本实施例场发射器件的制造方法只需循环交替执行刻蚀步和保护步即可形成具有明显阵列排布的场发射尖锥结构，制备方法简单，且单晶硅相比于SiC等材料也更便宜，成本更低。
本发明实施例还提出一种场发射器件结构，场发射器件结构由上述实施的场发射器件结构的制造方法制成。
本实施例的场发射器件结构具有更低的工艺成本，且该器件发射电子的工作电压较低，具有较好的性能。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种场发射器件结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供作为阴极材料的N型单晶硅片；
在所述N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层，所述光刻胶层包括多个彼此间隔且呈阵列排布的光刻胶遮盖单元；
对所述光刻胶层暴露出的待刻蚀区域进行等离子体刻蚀，所述等离子体刻蚀的过程包括刻蚀步和保护步，所述刻蚀步用于通过六氟化硫对所述待刻蚀区域进行刻蚀，所述保护步用于通过氧气对所述刻蚀步形成的刻蚀形貌的侧壁进行保护，通过循环交替执行所述刻蚀步和所述保护步，在每个所述光刻胶遮盖单元下方的所述N型单晶硅片上形成用于发射电子的尖锥结构；
去除所述光刻胶层，以暴露出呈阵列排布的多个所述尖锥结构。
2.根据权利要求1所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，在所述N型单晶硅片的上表面形成图案化的光刻胶层之前，还包括：
采用离子注入工艺对所述N型单晶硅片的上表面进行N型重参杂，形成离子注入层，所述尖锥结构形成于所述离子注入层。
3.根据权利要求2所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，在形成所述离子注入层之前还包括：
去除所述N型单晶硅片下表面的氧化层，并在所述N型单晶硅片的下表面形成金属电极。
4.根据权利要求2所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，在形成所述离子注入层之前还包括：
去除所述N型单晶硅片下表面的氧化层，并在所述N型单晶硅片的下表面键合氧化铟锡玻璃衬底，所述氧化铟锡玻璃衬底包括玻璃层和形成于所述玻璃层一侧表面的氧化烟锡涂层，其中所述N型单晶硅片的下表面与所述氧化铟锡涂层的表面键合在一起。
5.根据权利要求1所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，所述刻蚀步的工艺参数包括：
腔室压力范围为5～500mTorr；
上电极中心功率范围为2100～2300W；
上电极边缘功率范围为550～650W；
下电极功率范围为45～55W；
所述六氟化硫的流量范围为90～110sccm；
所述刻蚀步的工艺时间范围为0.5～5s。
6.根据权利要求1所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，所述保护步的工艺参数包括：
腔室压力范围为5～500mTorr；
上电极中心功率范围为1700～1900W；
上电极边缘功率范围为450～550W；
下电极功率范围为25～35W；
所述氧气的流量范围为45～55sccm；
所述保护步的工艺时间范围为0.5～5s。
7.根据权利要求1所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，所述光刻胶遮盖单元的图案呈圆形，所述光刻胶遮盖单元的直径范围为1-100微米，相邻所述光刻胶遮盖单元之间的间距范围为1～100微米。
8.根据权利要求3所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，在所述去除所述光刻胶层之后还包括：
制备对电极，所述对电极包括氧化铟锡玻璃基底，所述氧化铟锡玻璃基底的一侧表面为氧化铟锡涂层，所述氧化铟锡涂层表面涂覆有荧光材料。
9.根据权利要求8所述的场发射器件结构的制造方法，其特征在于，在所述制备对电极之后还包括：
将去除光刻胶层后形成的器件结构与所述对电极封装在一起，其中，所述器件结构中具有所述尖锥结构的一面与所述对电极具有荧光涂层的一面相对。
10.一种场发射器件结构，其特征在于，所述场发射器件结构由权利要求1-9任意一项所述的场发射器件结构的制造方法制成。
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