CN1518033A - 具有宽透镜且用于小发射点尺寸的电子装置 - Google Patents

具有宽透镜且用于小发射点尺寸的电子装置 Download PDF

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CN1518033A CNA2003101202816A CN200310120281A CN1518033A CN 1518033 A CN1518033 A CN 1518033A CN A2003101202816 A CNA2003101202816 A CN A2003101202816A CN 200310120281 A CN200310120281 A CN 200310120281A CN 1518033 A CN1518033 A CN 1518033A
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P·本宁
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H·－P·霩
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Abstract

本发明的电子装置包括在衬底(8)中定义的阱(12)中形成的一尖端发射体(10)。在阱周围设置的一提取器(14)提取来自尖端发射体(10)的发射，一宽透镜(16)通过它的开口聚焦该发射，该开口足够大并且隔开足够远以便能包围该发射的大部分发散角，该发射被聚焦成一点。

Description

具有宽透镜且用于小发射点尺寸的电子装置
技术领域
本发明属于微电子领域，具体说涉及利用来自发射体的聚焦发射的装置。
背景技术
在计算技术提供更高性能的同时计算技术将继续变得更加便宜，实际尺寸已经缩小到满足可携带的目的，特别是在需要提供便携式电源如电池的便携式装置中必须要将功率损耗减到最小。
传统存储器装置如硬盘驱动器的高功率需求限制了电池的长期作业，和这些辅助装置相比，微处理器消耗少量功率，在更高速的装置中也同样如此。在行业刊物中有关于海量存储装置不能跟上微处理器发展速度的指责声，这些海量存储装置能举出许多，例如磁盘驱动器、CD-ROM、DVD驱动器。
产生电子束的电子发射体为存储器、电子芯片制造设备和其他装置的可能可选解决方案提供了基础。电子束技术在消费产品如电视(TV)管和计算机监视器中出现已经许多年了，这些装置使用众所周知的热阴极电极来产生指向并聚焦到荧光屏的电子源。这些热阴极发射体由于其尺寸大、温度高和功率损耗大所以对于计算机规模的装置是不适当的，趋势是倾向于更紧密的解决方案，甚至于在电视中也如此，等离子电视和LCD电视就是偏离那种笨重的、热阴极技术趋势的实例。
虽然在许多新技术领域已经开展了研究，但冷阴极电子发射体领域如尖端发射体(tip emitter)和平面发射体(flat emitter)已吸引了许多制造商的注意。将这种冷阴极技术转化为产品还存在一些问题。其中一问题就是建立能用于要求高密度发射装置的多种应用的电子聚焦结构，这些发射装置如具有海量存储的装置。
典型的尖端或平面发射体驱动存储装置是基于对来自发射体的电子发射进行受控使用。发射体响应电信号而发射电子。受控发射形成产生有用电学效应和光学效应的基础。聚焦的发射能影响各种介质产生例如存储和光刻的效应。这些应用和其他应用要求使用受控的和聚焦的电子束，产生这些电子束涉及制作发射体和聚焦结构，该聚焦结构典型地是静电透镜。
各种发射体驱动装置使用靶阳极介质，该靶阳极介质是用于受控发射的聚焦点，靶阳极介质保持在与发射体/阴极结构相差几百伏的电压。在发射体驱动装置中对准和聚焦长度是重要的因素。在发射体芯片上制作透镜要求发射体和聚焦元件精确对准，为了实现对准，对于微制作发射体的标准惯例是在单次自对准拍照步骤(photostep)中形成全部透镜和发射体结构。这样可实现良好的透镜/发射体对准，但固定了透镜离发射体的距离并且还限制了该透镜的厚度。通常该透镜离提取器的距离与提取器离在阱中形成的尖端发射体距离相同。该聚焦长度相应地限制了由在发射体/聚焦透镜芯片中的各种金属层的间距决定的短距离。
该单次自对准拍照步骤过程还将透镜的直径设定为阱的直径；因为这两个都是在同一刻蚀中形成的。由于提取器和透镜的共同尺寸和它们的相对位置，来自发射体的发射束的发散角比透镜要宽，这些不利地影响了从该发射产生紧密聚焦点的能力。紧密的聚焦点尺寸(spotsize)，例如小于35nm，对于增加存储器密度是理想的并且窄的发散束对于科学仪器或光刻工具也是理想的。有些传统装置通过使用孔径(aperture)来阻挡相当数量的杂散发射从而得到的点尺寸大约是40nm，这样通过用于产生聚焦点的电子发射的百分比而测量到的效率相应也低，减少点尺寸的有效孔径作用能减小发射效率100x-10000x。其他减小点尺寸的方法包括使用多个透镜和高加速电压。高电压与功率损耗有冲突并且在某些便携式装置中可能是不可取的。复杂透镜会增加制造成本，而且在大批量制造过程中难以实现。
含有尖端发射体的传统阱也是深的。标准小透镜尺寸要求尖端/提取器和透镜之间极其精确的对准，～0.04um。如提到的，单次刻蚀产生阱和透镜以便实现对准，并且该阱的纵横比(深度比直径)一般是较高的，大约是2∶1。这些将造成工艺复杂，因为很难在深阱中沉积尖端发射体而在形成该发射体尖端时避免涂覆该阱的内部。这可能需要更复杂的工具，例如更大的蒸发器。深阱还能造成发射体尖端质量差和低成品率。
发明内容
本发明的电子装置包括在衬底中定义的阱中形成的尖端发射体。在阱周围设置的提取器从该尖端发射体提取发射。一宽透镜通过其开口聚焦该发射，该开口足够大且间隔足够远以便包围该发射的大部分发散角，该发射被聚焦为一点。
附图说明
图1是一优选实施例电子装置的示意性横截面侧视图；
图2是图1电子装置的发射体和阱的示意性横截面侧视图；
图3是图1类型优选实施例的示意性横截面侧视图，该图说明由于靠近透镜开口边缘的畸变场而造成的聚焦效应；
图4是一具有图1电子装置可用孔径的优选实施例发射体和阱的示意性横截面侧视图；
图5是说明用于形成图4孔径的优选方法的示意性横截面侧视图；
图6是优选实施例电子装置的示意性横截面侧视图；
图7是图6中电子装置的发射体和阱的示意性横截面侧视图；
图8是可用于图6电子装置中另一可选实施例发射体和阱阵列的示意性横截面侧视图；
图9说明形成电子装置的优选方法和通过最优化减小点尺寸的优选方法；
图10A是说明本发明一优选存储器装置的示意性透视图；
图10B是说明用于图10A存储器装置的优选实施例阅读器电路；
图11是说明本发明的一优选实施例光刻装置的示意性框图；以及
图12是说明本发明的一优选实施例计算机装置的框图。
具体实施方式
本发明的电子装置将使用聚焦透镜来实现，该聚焦透镜在发射体装置形成后是作为位于发射体装置的提取器上的结构形成的。制作的该透镜比提取器要明显的宽以便包围发散的电子，该透镜与提取器还相距相当大的距离从而与传统的装置相比延长了电子的飞行路程，并且允许单个透镜就能得到小的聚焦点尺寸。在一些实施例中，没有使用孔径。在可选的实施例中，在提取器使用孔径以便进一步减小点尺寸。根据本发明使用独立形成的聚焦透镜允许与提取器/尖端阱的大小无关地决定透镜的相对尺寸，该独立形成的聚焦透镜能在离提取器期望的距离处放置，例如该聚焦透镜可以在厚电介质上形成从而将它移离提取器。当发射体和它的阱首先形成时，可以使用小的纵横比而简化其阱中的尖端发射体的形成。
本发明的优选电子装置包括与一尖端发射体隔开的一聚焦透镜。由于间隔开的透镜是与发射体分开形成并且阱可被独立定义，所以在一优选实施例中发射体阱的深度与直径的纵横比可能大约在0.75∶1-1.25∶1的范围。在本发明的实施例中，该透镜离开足够远且足够宽从而包围发射的大部分发散角，并且在特殊的优选实施例中包围了该发射的整个发散角。一优选实施例具有一种关系，该关系是透镜的直径与透镜从发射体提取器隔开的距离之比在1∶1-6∶1之间。
将参照优选实施例的电子装置和包括该优选实施例电子装置的代表装置来说明本发明。在说明本发明时，出于说明的目的将使用特殊的实例装置、形成过程和装置的应用。出于说明和理解本发明的目的，装置的尺寸和说明的装置可能被放大，附图中的元件彼此不一定是按比例的，相反，重点是放在清楚地说明本发明。此外，相同的参考数字表明对应相似部分，尽管在几个视图中不一定是精确的部分。技术人员将理解对于在传统方式中通过二维示意层结构说明的单个电子装置，从而为三维电子装置结构提供教导。使用传统的集成电路制造设备可以实现本发明的装置和工艺，这些技术人员也将理解。
图1说明本发明的一电子装置。衬底8包括一位于阱12中的尖端发射体10，例如Spindt尖端。该衬底8还可以包括附加的发射体，并且可以形成包括控制电子线路、电源等的集成装置的一部分。该发射体10在提取器14的控制下发射电子，在宽且远隔的静电透镜16聚焦该发射之前，电子飞行路程其基本长度为L1(～2-～10um)。该透镜16足够宽以便至少包围来自尖端发射体10的发射的大部分发散角，并且透镜16足够远以便在介质18上得到发射的紧密点聚焦。在优选实施例中，该靶介质18相对于透镜/提取器/发射体结构是可移动的，例如给靶介质18配置微发动机(micromover)19，该微发动机19作为定子而靶介质18作为转子。示例性微发动机包括，例如弹簧、压电、螺钉和梳状微发动机组件。可选的是，可以给透镜/提取器/发射体结构配置该发动机(mover)。
靶介质18可被选择来制作不同类型的装置。例如，该靶介质18可以是使用相变材料的存储器介质，一示例性材料是In2Se3。其他相变材料对本领域的技术人员是众所周知的。另一可能是光刻的应用，在这种情况下电子束抗蚀剂材料，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，对于靶介质是适当的，该靶介质可以包括涂覆有电子束抗蚀剂材料的晶片。靶介质18保持在例如700V的电压来帮助加速朝向它的电子发射。
优选的是，该透镜的开口能包围来自尖端发射体10的发射的整个发散角。直径DL的范围在～3-～10um是适当的，DL与L1的比例可以位于1∶1-6∶1的范围，介质18在发射的聚焦点，其距离是L2例如1-10um。当发射的发散角被全部包围时，可以实现100％的发射效率。另外，与介质18充分隔离的宽透镜可以实现非常小的～35nm和更小尺寸的点大小，并且更优选的是小于～10nm。
透镜16是在发射体10和提取器形成之后在该发射体/提取器结构上形成的。用于电子提供层22(图2)、提取器14和透镜16的适当材料包括能经受所使用制作工艺考验的任意导体和使用的其他材料，优选的导体包括TiN、Au、Al和Ta。由一厚电介质层20得到距离L1。低应力电介质20可以用于层20，优选的实例包括TEOS(硅-氧化物)、SiN和SiC。
现在参考图2，在其阱12中示出了尖端发射体10。适当的示例性尖端发射体包括由Mo、Nb、NbC和Pt形成的尖端发射体。因为发射体/提取器结构是与透镜分别形成的，因此可以避免深阱。阱12的深度(L3)与直径(直径DE)的比例大概范围是0.75∶1-1.25∶1，并且最好是1∶1。在浅阱中形成尖端发射体10与具有普通2∶1纵横比的阱的工艺相比应当能提高制作产量，该浅阱例如直径～0.3um-～0.5um和阱深～0.4-～0.6um，而普通2∶1纵横比的阱是由自对准形成工艺即在单一步骤中发射体阱与透镜开口一起刻蚀而得到的。在浅阱中，在尖端形成时尖端材料更少趋向涂覆该阱的壁。根据图1和2的示意优选实施例具有下列参数：DL～7.5um、DE～0.5um、L1～5um、L2～3um和L3～0.4um，电子提供金属层22和提取器金属层14都是～0.1um。电介质层24将电子提供层与提取器金属层14分开。
优选使用半导体装置技术制作发射体/提取器/透镜结构。本发明的装置可应用于广范围的半导体装置技术并且能由多种半导体材料制作。优选的装置可在硅材料体系中实现，也可以使用III-V族材料。因此本发明意图不在于局限在用硅半导体材料制作的这些装置，而是还将包括对于那些本领域的技术人员用一种或多种可用的半导体材料和可用的技术制作的那些装置。另一实例是使用玻璃衬底上的多晶硅的薄膜晶体管(TFT)技术，其意图不在于限制本发明。
在图2中示出发射的发散角θ。正如提到的，优选透镜16足够宽以包围发射的整个发散角θ，较小的发散角将有助于获得较小点尺寸。
参考图3，在靠近透镜开口边缘产生的场将不能聚焦电子。对于本发明，大直径透镜能实现聚焦，允许例如点尺寸至少小到～35nm，并且优选最优化到～10nm。远离透镜16边缘区域的动发射将减小或消除不聚焦的畸变发射，在电子飞行路程靠近透镜边缘处发生该畸变发射。
本发明的一可选实施例，虽然损失了一些电子发射效率，但通过在提取器14上加一孔径26可将发散角变窄(见图4)。该孔径26可以是金属或任一其他适合于阻挡超出该孔径的开口所允许的发散角的发射的材料，该孔径材料应当是具有高熔点的良导体，示意的优选材料包括Mo、Ta、Nb和这些材料的碳化物。
用于形成孔径26的优选方法是在完成的提取器层上采用低角度沉积，如图5所示。例如，在离垂直方向角度为50-85°例如75°处配置一溅射靶30。沉积角度低并且发射体/提取器衬底在沉积时相对于靶30旋转，以便均匀涂覆阱开口处的所有侧面。
图6中示出为了改善点尺寸的另一可选实施例。该实施例包括一传统透镜32作为准直透镜。图7中说明了该透镜32，它是在提取器14上形成的电介质34上形成的。来自透镜32的发射朝着中心准直，宽透镜16的最强聚焦部分被间隔在离透镜32相当大距离处。当透镜32靠近提取器时表现就如同没有宽且远隔透镜16的装置一样，图6和7实施例中发射效率将处于传统发射体装置的范围。然而图6和7的实施例将比图1实施例获得更小的最佳点尺寸且提高了空间稳定性。由于初始的透镜化或孔径化而减少的输出可以通过用发射体阵列代替单个发射体来处理，即每个宽且远隔的透镜16接收来自一发射体10阵列的输出。
在图8中说明了这种实施例的发射体10、提取器14和初始透镜32部分。每个发射体将其发射准直成发射图形36，并且多个发射图形被宽且远隔透镜16聚焦成一个点。
上面说明的优选实施例指明一种用于减小聚焦电子发射束点尺寸的常用方法。参考图9，其中说明了一种减小点尺寸的方法和形成本发明一电子装置的方法。优选在浅纵横比的阱中形成尖端发射体(步骤40)。作为一单独步骤或作为发射体形成的一部分，在尖端发射体附近形成一提取器层(步骤42)。任意地可以在该提取器上形成孔径和透镜或者透镜结构(步骤44)，例如作为一自对准形成工艺的一部分来形成透镜。作为另一实例，形成一孔径，该孔径最好是使用关于图5中讨论的低角度沉积工艺来完成。根据上面讨论的直径和间隔，然后用一与提取器/尖端/阱的形成独立的工艺步骤中，形成一宽且远隔的透镜(步骤46)。该宽且远隔透镜的直径和距离与任一孔径化和初始透镜化一道将影响点尺寸和功率，并且该点尺寸可以通过调整这些参数中任一参数而最优化(步骤48)。最优化能够包括，例如通过调整各种参数(步骤52)而模型化和测试原型装置(步骤50)。在这个工艺中发射效率和点尺寸的竟争目标能够得到平衡。虽然原理上透镜16的直径可以做的任意宽，但存在对其直径的实际限制，该限制包括增加该透镜直径将影响每单元面积透镜/发射体装置结构的数量。此外，对于更大的开口要增加操作该透镜所需要的电压。根据使用具体的传统步骤，然后完成装置(步骤54)。至少，靶介质18被放置在聚焦发射点，介质的类型和附加步骤数量将取决于具体的应用。此外，图9中的任一步骤也可以作为形成其他完全一样结构的过程的一部分而完成。该步骤还可以作为半导体装置集成工艺的一部分而完成，例如，提取器和透镜结构可能是大规模集成形成工艺的一部分。
根据本发明电子装置的具体应用将使用不同的靶介质。该靶介质18可被选择来制作不同类型的装置。例如通过给靶介质配置微发动机或给宽透镜/发射体结构配置微发动机，可产生靶介质和聚焦发射之间的相对运动。该靶介质18可以是利用相变材料的存储器介质，一实例的材料是In2Se3。其他相变材料对于那些本领域的技术人员是公知的。对于光刻技术，电子束抗蚀剂材料例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是合适的。现在将讨论一些优选实施例的应用，但意图不是将本发明限于特殊的应用。
图10A和10B中示出的是一优选存储器装置。该实施例一般具有图1结构，该结构有复制的发射体阵列和对应的透镜。明确地说，该存储器装置包括在发射体衬底62上的阱中形成的多个集成尖端发射体60。该衬底62优选地包括一集成电路(IC)，该集成电路包括一个被电介质64将其与聚焦阵列66隔开的多个更小集成发射体60，聚焦阵列66具有宽且远隔的聚焦透镜68。每个聚焦透镜68能可控地发射用于影响记录表面即介质72的聚焦束70。给介质72配置发动机74以便介质72参照聚焦阵列衬底66的聚焦透镜68定位。优选的是，该发动机74内部集成有阅读器电路76。该阅读器76是当作一放大器78示出的，该放大器制作有到介质72的第一欧姆接触80和到发动机74的第二欧姆接触82，优选是半导体或导体衬底。发动机74是与定子衬底83相互作用的转子衬底，该发动机包括用于参照定子92而定位发动机衬底74的相对的电极(关于发动机衬底74上对应的电极)。当聚焦束70打在介质72时，如果该聚焦束的电流密度足够高，那么介质72相变从而产生受影响的介质区域84。当一低电流密度聚焦束70打在介质72表面时，放大器78探测到电流流动的不同速率而产生阅读器输出。这样通过使用来自发射体60的能量影响介质72，从而利用介质的结构相变性质而将信息存储在该介质中。一示意相变材料是In2Se3。一优选的光刻装置具有如图10A中的相同的一般结构，但是省略了阅读器电路并且用准备用于光刻图形化的一个或多个晶片代替了相变材料。
图11说明了另一优选光刻方案，其中多个键合的发射体芯片和聚焦阵列构成电子束发生器阵列94，并且晶片96是作为靶介质。每个电子束发生器阵列94用它的微发动机或毫微操作装置在晶片96的正确区域上定位束阵列，然后晶片92能被定位在阵列94的下面从而能写几种图形。一可替换方案是制作足够大的发射体阵列以便分别作用大到全部晶片的情况来对位于发射体阵列下的晶片进行完整6英寸(或更大)加工。另一实例是使用多个具有普通运动装置的阵列来加工许多平行的晶片，对每个晶片上写相同的图形。
图12是一计算机装置110的实例框图，计算机装置例如计算机、视频游戏机、因特网设备、终端、MP3播放器或个人数据助理等许多。该计算机装置110包括微处理器112，例如Intel奔腾处理器PentiumProcessorTM或兼容的处理器，尽管存在其他处理器且对于本领域的技术人员是众所周知的。微处理器112与存储器装置114相连，存储器装置114包括能保持有计算机可执行命令的计算机可读存储器，而该计算机可执行命令是被微处理器112用来控制数据和/或输入/输出功能的。存储器114还能存储由微处理器112操作的数据。微处理器112还与存储装置116相连或与显示器装置118相连或者与两者都相连。该存储器装置包括作为示意而在较早说明的附图和正文中示出的发射装置的本发明一实施例，该发射装置是被本发明的宽且远隔的透镜结构聚焦的发射装置。优选地是，本发明的发射体装置与微处理器112和存储器装置114被集成在共同的衬底上。
虽然已经示出并且说明了本发明的具体实施例，但应当能理解对实施例的明显的其他修改、替换和变更对本领域的普通技术人员是明了的。在不背离本发明的精神和范围下能够进行这些修改、替换和变更，本发明的精神和范围将由所附权利要求书决定。
在所附权利要求书中阐明了本发明的各种特征。

Claims (20)

1.一种电子装置，包括：
一衬底(8)；
在所述衬底中定义的一阱(12)；
在所述阱中形成的一尖端发射体(10)；
在所述阱周围设置一提取器(14)，该提取器从所述的尖端发射体提取发射；以及
一宽透镜(16)，用于通过在所述宽透镜中限定的开口而聚焦所述发射，所述开口具有足够大直径并且与所述提取器隔开足够远以便所述足够大的直径包围所述发射的大部分发散角，并且所述宽透镜聚焦所述发射而成一点。
2.根据权利要求1的电子装置，还包括在布置在与所述宽透镜隔开一距离处的一靶介质(18，72，96)，以接收所述聚焦的发射。
3.权利要求2的电子装置，其中所述足够大直径包围所述发射的整个发散角。
4.权利要求3的电子装置，其中所述足够大直径范围在～3um-～10um。
5.权利要求4的电子装置，其中所述宽透镜与所述提取器之间距离范围是～3um-～10um并且所述足够大直径和所述宽透镜与所述提取器之间距离的比例是1∶1-6∶1之间。
6.权利要求5的电子装置，其中电介质层(20)产生了所述宽透镜与所述提取器之间的所述距离。
7.权利要求5的电子装置，其中所述靶介质相对于所述宽透镜是可移动的。
8.权利要求7的电子装置，其中所述靶介质包括光刻介质。
9.权利要求7的电子装置，其中所述靶介质包括一存储器介质。
10.权利要求2的电子装置，其中在所述衬底中定义的所述阱其深度与直径的纵横比范围大约是0.75∶1至1.25∶1。
11.权利要求10的电子装置，其中所述阱其深度是～0.5um。
12.权利要求2的电子装置，其中所述宽透镜被远隔足够远以便将所述发射聚焦到所述介质上形成小于～35nm点尺寸。
13.权利要求2的电子装置，还包括在所述提取器上形成的一孔径层以限制所述发射的发散角。
14.权利要求13的电子装置，其中所述孔径层均匀地涂覆在所述提取器中限定的所述开口的侧面。
15.权利要求2的电子装置，还包括一具有初始透镜的初始透镜结构，该初始透镜直径和所述阱的直径相同，所述初始透镜将所述发射朝向在所述宽透镜中限定的所述开口的中心聚焦。
16.权利要求15的电子装置，其中复制所述阱、所述尖端发射体、所述提取器和所述初始透镜结构为一个阵列，以便在由所述宽透镜中限定的所述开口内将来自多个尖端发射体的发射准直。
17.权利要求2的电子装置，其中所述靶介质和所述宽透镜中的一个相对于另一个是可移动的。
18.权利要求17的电子装置，还包括一发动机(19，74，92)，所述发动机用来相对于所述宽透镜而移动所述靶介质。
19.一种用于形成电子装置的方法，该方法的步骤包括有：
在衬底中定义的阱中形成一尖端发射体；
在所述阱周围形成一提取器；
与所述形成尖端发射体和形成所述提取器的所述步骤独立地形成一宽且远隔的透镜，该透镜相对于所述的阱而放置以便聚焦来自所述尖端发射体的发射。
20.权利要求19的方法，其中形成所述宽且远隔透镜的所述步骤包括在所述提取器上形成一电介质并且然后在所述提取器上形成所述宽且远隔的透镜。
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