DE69503774T2

DE69503774T2 - Mikroelektronische vakuumröhrenvorrichtung und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69503774T2
Application number: DE69503774T
Authority: DE
Inventors: David A. Scarborough Ny 10510 Cammack; Babar A. Ossining Ny 10562 Khan; Ronald Peekskill Ny 10566 Pinker
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: WO1996019009A1; DE69503774D1; EP0755568B1; JPH09509528A; EP0755568A1; US5919070A; KR100369910B1; US5598052A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikroelektronische Vakuumanordnung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Anordnung.
Als "Vakuummikroelektronik" wird die Technologie von mikroelektronischen "Vakuum"-Anordnungen bezeichnet. Da diese Anordnungen basieren auf Bewegung von Elektronen im Vakuum, wird erwartet, daß sie viel schneller sind als Halbleiteranordnungen, bei denen die Elektronentriftgeschwindigkeit niedriger ist. Außer einer höheren Geschwindigkeit wird von vakuum-mikroelektronischen Anordnungen erwartet, daß sie wesentlich strahlungsbeständiger sind. Bei der alten Vakuum- "Röhren"-Technologie bewegten sich die Elektronen im Vakuum, aber die Anordnungen waren viel größer und die Übertragungsabstände waren viel länger, so daß diese Technologie schnell durch die Halbleiterelektronik ersetzt wurde, da Halbleiteranordnungen die Leistungsanforderungen erflillen konnten. Deswegen wäre es ein großer Vorteil, wenn "Vakuumelektronik"-Anordnungen in ihren Abmessungen verringert werden könnten.
Die Basis-Vakuumröhrenanordnung, die herkömmliche Triode, basiert aber auf thermoionischer Emission und es wird allgemein vorausgesetzt, daß die hohen Temperaturen und die zum befriedigenden Funktionieren erforderliche hohe Verlustleitung nicht in jeder Mikroelektronikstruktur akzeptierbar ist. Deswegen basieren die bisher entwickelten Vakuummikroelektronikanordnungen auf einem "kalten" Emissionsprozeß: Emission mit Feldhilfe. Diese Anordnungen basieren auf Emission von schrafen Punkten aus geeignetem Material oder von umgekehrt vorgestannten Übergangsdioden. Das Äquivaltent der Kathode ist der spitze Emitter (kalte Kathode), die Elektronen ausstrahlt, die durch eine Anode gesammelt und durch ein Gitter moduliert werden. Diese Anordnungen befinden sich noch an der Schwelle der Forschung und sollen noch wesentliche Ergebnisse zeigen. Die hergestellten Strukturen sollen in einer zu testenden Vakuumkammer untergebracht werden. In EP-A-0 525 763 wird eine Vakuum-Mikroelektronikdioden- oder -triodenanordnung auf einem Substrat be schrieben, wobei die Anordnung zum Abschließen von Zugangsöffnungen mit einem Metall abgedichtet ist.
Diese Anmeldung bezieht sich auf einen neunen Typ von Vakuum- Mikroelektronikanordnungen. Eine erfindungsgemäße Anordnung ist in Anspruch 1 definiert und ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist in Anspruch 9 definiert.
Der neue Typ Vakuum-Mikroelektronikanordnungen hat ein erstes und ein zweites Substrat, die Hitze und Druck bestehen können; wobei wenigstens eines der Substrate wenigstens einen Hohlraum hat, in dem Elektroden vorgesehen sind; wobei der erste und der zweite Substratwafer derart miteinander verbunden sind, daß die Substrate an allen Kontaktstellen zusammengefügt sind.
Diese Anmeldung bezieht sich ebenfalls auf eine neue Technologie für Halbleiteranordnungen, wodurch nicht nur die Herstellung einzeln abgedichteter Vakuummikroanordnungen ermöglicht wird, wobei der Vakuumraum abgeschlossen und abgedichtet ist, so daß zwecks der Wirkung sich eine Vakuumkammer erübrigt, sondern auch die Herstellung von Vakuummikroanordnungen auf Basis thermoionischer Emission (heiße Kathoden), die bei hohen Temperaturen arbeiten, was nicht der Fall ist bei herkömmlicher Annäherung zu Vakuummikroelektronik.
Die neue Technologie basiert auf der Bildung von Hohlräumen in einem Teil eines Paares von Substraten oder in beiden Teilen des Paares, wonach eine Ausrichtung und Waferkontaktierung der Substrate folgt zum Abdichten der Hohlräume. Die Basisstruktur, welche das Äquivalent der herkömmlichen Triode ist, wird durch Anwendung einer Prozeßfolge, ähnlich der, die in unseren vorhergehenden Anmeldungen benutzt wurden zum Bilden von Leuchtdioden. Das Substrat kann aus jedem geeigneten Material für Waferkontaktierung bestehen, wie Quarz, Sapphir, Silizium oder Glas, je nach den Betriebsumständen der Anordnung. Der angewandte Waferkontaktierungsprozeß kann entweder ein Fusionskontaktierungsprozeß oder ein anodischer Kontaktierungsprozeß sein, auch je nach dem Substrat. Ähnliche Kontaktierungsprozesse werden im Bereich der Sonsortechnik oft angewandt.
Fusionswaferkontaktierung: Bei diesem Prozeß werden zwei flache Wafer (beispielsweise Quarz) mit hydrophilen Oberflächen vorbereitet und in Kontakt gebracht. Die van-der-Waals-Kräfte ziehen die zwei Wafer zusammen, was zu einer Kontaktierung an dem Übergang führt. Die zwei Wafer werden danach geglüht bei hoher Temperatur (beispielsweise 1000ºC), was zu einer chemischen Kontaktierung an dem Übergang führt, welche die Stärke des Massenmaterials hat. Sogar wenn die Temperatur gesteigert wird, erfolgt die Kontaktierung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Materials (Quarz etwa 1400ºC). Dies bedeutet, daß das Substrat während des Kontaktierungsprozesses sich nicht verformt. Bei diesem Prozeß werden zwei flache Wafer, wie bei dem Fusionswaferkontaktierungsprozeß, in Kontakt gebracht. Der Glühvorgang erfolgt aber bei niedrigeren Temperaturen und mit einem an die Wafer angelegten elektrischen Feld. Dieser Prozeß ist nützliche für Materialien, die bewegliche Ionen haben und nicht bei hohen Temperaturen geglüht werden können (wie Glas). Das elektrische feld fährt zu einen Ansammlung positiver und negativer Ladungen an dem Übergang, was zu hohen elektrischen Feldern führt, welche die Wafer zusammenzieht. Bei diesem Prozeß ist die Flachheit der Wafer nicht so wichtig, schwieriger ist aber die Implementierung und der Prozeß funktioniert nicht mit Materialien mit freien oder beweglichen Ionen.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine erste Elektrode aus einem elektronenemittierenden Material, wie Wiedergabeanordnung, Mo, oder aus einem feuerfesten Metall oder einem Silizid auf einem ersten Substrat abgelagert und mit einem Muster versehen. Danach wird eine Zwischenschicht aus Siliziumdioxid abgelagert (durch CVD, PECVD, SILOX oder nach anderen Verfahren) wonach eine andere Elektrode folgt, die abgelagert und bemustert wird. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kann auf einfache Weise dadurch eingestellt werden, daß die Dicke des Siliumdioxids geändert wird. Der Abstand wird beispielsweise der Abstand zwischen der Kathode und dem Gitter sein. Eine zweite Zwischenschicht wird danach abgelagert und die Wafer wird danach durch Überfließung der Schicht oder nach einem anderen Planierungsverfahren planiert. Daraufhin wird unter Anwendung der Photolithographie und eines selektiven Ätzverfahrens um die Elektroden herum ein Hohlraum geätzt.
Eine dritte Elektrode, beispielsweise die Anode, wird auf einem zweiten Substrat abgelagert. Das zweite Substrat wird danach planiert, ausgerichtet und mit dem ersten Substrat in einer Vakuumumgebung kontaktiert, was zu einem abgedichteten Hohlraum mit einer Vakuumumgebung führt. Die Fusion oder die anodischen Kontaktierung führt zu einer chemischen Bindung an der Schnittstelle, welche die Stärke des Bulkmaterials hat. Danach werden Kontaktlöcher der Elektroden geöffnet, entweder durch einen Ätzvorgang oder durch einen "Bohrvogang" mit einem Laser.
Vorzugsweise wird die dritte Elektrode abgelagert und innerhalb eines Grabens bemustert, der auf dem zweiten Substrat geätzt ist. Der Graben wird danach gefüllt und planiert, wonach, vor der Kontaktuierung, im photolithographischen Verfahren oder im Ätzverfahren ein die Elektrode umgebender Hohlraum gebildet wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A-1F eine Darstellung einer Vakuum-Mikroelektronikanordnung nach der Erfindung mit einem Schnitt links und einer Draufsicht rechts,
Fig. 2 eine Draufsicht eines Substrats mit mehrfachen Vakuum- Mikroelektronikanordnungen und zwischenliegenden Verbindungen;
Fig. 3 eine Darstellung einer punktförmigen Mikroelektronikanordnung nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4A-4E Abwandlungen der in den Fig. 1A-iF dargestellten Anordnungskonfiguration.
Wie in den Fig. 1A-1F dargestellt, beginnt die Konstruktion einer Vakuum-Mikroelektronikanordnung mit einem ersten Substrat 2, das die eine Hälfte der Anordnung bildet. Das Substrat 2 kann aus jedem geeigneten Material zum Gebrauch in einem Waferkontaktierungsverfahren bestehen. Es sei bemerkt, daß das Substrat 2 nicht transparent zu sein braucht, wie dies bei Leuchtdioden der Fall ist, das Transparenz zum Arbeiten einer Elektronenröhre irrelevant ist. Auf entsprechende Weise kann das Substrat 2 beispielsweise aus Quarz, Sapphir, Silizium oder Glas bestehen, je nach den herrschenden Betriebsumständen der Anordnung. Wie in Fig. 1A dargestellt, enthält die Kathode 4 Endkontaktstellen 6 und einen meanderförmigen aktiven Teil 8, der die Endkontaktstellen miteinander verbindet. Die Kathode 4 wird als einem geeigneten Elektronen emittierenden Material, beispielsweise einem Metall wie Wolfram, Molybdän oder aus einem feuerfesten Metall oder Silizid gebildet. Die meanderförmige Konfiguration des Teils 8 der Kathode 4 dient zum Steigern des Gebietes für Elektronenemission, sowie zum Bilden eines elektrischen Widerstandselementes zum Schaffen von Wärme zum Fördern der Elektronenemission. Nötigenfalls kann oben auf der Kathode 4 eine weitere Deckschicht vorgesehen werden zur Steigerung der Elektronenemission oder zur Ermöglichung deren Erwärmung.
Wie in Fig. 1B dargestellt ist über das Substrat 2 und die Kathode 4 eine Zwischenschicht 10 aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) vorgesehen, die nach jedem beliebigen geeigneten Ablagerungsverfahren, wie CVD, PECVD, SILOX und anderen verfahren abgelagert werden kann. Danach wird auf der Siliziumdioxidschicht 10 eine Metallschicht abgelagert, die bemustert wird, zum Bilden eines Gitters 12. Wie in der Drauf sicht nach Fig. 1B dargestellt, enthält das Gitter 12 einen im Allgemeinen rechteckigen Teil 14 mit Längsschlitzen 16 und 18 und mit einer mit dem Teil 14 durch ein Brückenelement 22 verbundenen Kontaktstelle 20. Diese spezielle Form des Gitters 12 kann in einem herkömmlichen Musterungsverfahren geschaffen werden, beispielsweise in einem photolithographischem und Ätzverfahren. Weiterhin kann das Gitter jede beliebige geeignete Form haben für den beabsichtigten Gebrauch der Anordnung. Es ist nur notwendig, daß das Gitter derart gestaltet ist, daß der Elektronenfluß ermöglicht wird, da es als Elektronenmodulationsstruktur in einer Vakuumanordnung wirksam ist. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht 10 definiert den Kathode-zu-Gitter-Abstand und kann entsprechend dem vorgeschlagenen Gebrauch und den elektrischen Anforderungen der Anordnung eingestellt werden.
Nach der Ablagerung des Gitters 12 werden das Substrat und die abgelagerten Elektroden planiert mit einer Schicht 24 aus Glas, geeignet für den Kontakttierungsverfahren, beispielsweise durch Ablagerung und Neubefließung einer zweiten Zwischenschicht 24 aus Borsilikatglas oder Phosphorsilikatglas, oder nach jedem anderen beliebigen Planierungsverfahren. Danach wird durch die Planierungsschicht 24 ein Hohlraum 26 hindurchgeätzt, wobei die Siliziumdioxidschicht 10 und das Substrat 2, wobei ein selektives Ätzmittel verwendet wird, das das Gitter 12 un die Kathode 4 nicht beeinträchtigt. Wie in Fig. 1C dargestellt, ist der Hohlraum 26 und dessen Zuge ordneten Elektroden derart bemessen, daß die äußeren Teile der Kathode 4 und der Gitters 12 sich bis in die laterale Oberfläche des Hohlraums erstrecken. Wie in der Fig. 1C dargestelt, sind der Hohlraum 26 und die zugeordneten Elektroden derart bemessen, daß die Außenteile der Kathode 4 und des Gitters 12 sich bis in die laterale Oberfläche des Hohlraums erstrecken. Der Hohlraum 26 und die zugeordneten Elektroden können in Größe von u-Größe zu vielen mm eingestellt werden, je nach dem Anwendungsbereich der Anordnung.
Ein zweites Substrat 30 bildet die andere Hälfte der Vakuum- Mikroelektronikanordnung. Das Substrat 30, das aus dem gleichen Material oder aus anderem Material als das des Substrats 2 bestehen kann (solange es nur geeignet ist für Waferkontaktierung mit dem ersten Substrat) hat einen Graben 32, der darin geätzt ist. In dem Graben 32 ist die Anode 34 bemustert und abgelagert, wobei diese Anode im Betrieb zum Ansammeln der von der Kathode 6 emittierten und durch das Gitter 12 modulierten Elektronen dient. Wie oben in Fig. 1E ersichtlich, enthält die Anorde 34 einen rechteckigen Teil 36 und eine Kontaktstelle 38, die durch eine Brücke 40 miteinander verbunden sind. Nach Ablagerung der Anode 34 in dem Graben 32 wird der Graben 32 mit einer Ablagerung aus Planierungsmaterial gefüllt und die obere Fläche des Substrats 30 wird wieder planiert. Danach wird in die Oberfläche des Substrats 30 und unterhalb der Anorde 34 ein Hohlraum 44 geätzt. Der Hohlraum 44 ist enger als der Graben 32, so daß die Anode 34 in den Seitenwänden des Hohlraums 44 eingebettet ist. Nach dem Ätzen des Hohlraums 44 wird das zweite Substrat 30 erscheinen, wie in Fig. 1E dargestellt.
Danach wird das Substrat umgekehrt, ausgerichtet und waferkontaktiert mit dem Substrat 2 in einer Vakuum-Umgebung. Der Waferkontaktierungsprozeß kann entweder eine Verschmelzungs- oder eine anodische Kontaktierung sein, wie oben beschrieben, und führt zu einer Kontaktierung über die ganze Schnittstelle 45 zwischen den Substraten 2, 30, wobei diese Kontaktierung eine Stärke hat, die vergleichbar ist mit der des Bulkmaterials. Zum Herstellen eines Kontaktes mit den nun eingebetteten Elektroden werden in den Substraten entweder in einem Ätzverfahren oder durch "Bohrung" mit einem Laser Kontaktlöcher gemacht. Wie in Fig. 1F dargestellt, erstrecken sich die Kontaktlöcher 48 zu den Kontaktstellen 6 der Kathode 4 hin.
Das Kontaktloch 50 (siehe die Draufsicht) erstreckt sich bis an die Kontaktstelle 20 des Gitters 12 und ein Kontaktloch 52 erstreckt sich bis an die Kontaktstelle 38 der Anode 34. Danach wird leitendes Material in die Öffnungen 48, 50, 52 gegeben zum Schaffen eines elektrischen Kontaktes mit den zugeordneten Elektroden.
Fig. 2 zeigt eine integrierte Schaltung aus vier Vakuum-Mikroelektronikanordnungen 62, 64, 66 und 68 auf einem einzigen Substrat 60. In dieser Figur sind nur vier einzelne Anorndungen dargestellt. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl Anordnungen auf einem einzigen Substrat angebracht werden, je nach der Notwendigkeit der betreffenden Schaltungsanordnung. Weiterhin können Leiterspuren 70 wie bei einer gedruckten Schaltung auf der Oberfläche des Substrats 60 angebracht werden um die Anonrdungen miteinander zu verbinden. Die Leiterspuren könnten auch auf einem der Substrate vorgesehen werden, bevor diese Substrate miteinander kontaktiert werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind von den Anordnungen 64, 66 die jeweiligen elektronischen Elemente miteinander verbunden. Die Anordnung 68 bleibt allein und kann separat von den Leiterspuren 72 kontaktiert werden, die zu den anderen Schaltungselementen der gesamten Anordnung führen. Auf diese Weise schafft die vorliegende Erfindung eine integrierte Vakuumanordnung, geeignet zum Gebrauch mit vielen elektronischen Schaltungsanordnungen. Die Größe, die Konfiguration und die Anzahl Vakuumanordnungen können variieren, damit sie die elektronischen Anforderungen der betreffenden Schaltungsanordnung erfüllen.
Durch Ablagerung weiterer metallischer und Planierungsschichten können Vakuumanordnungen mit mehr als nur einem Gitter (Tetroden, Pentoden usw.) konstruiert werden.
Fig. 3 zeigt eine Vakuum-Mikroelektronikanordnung 78 auf Basis von Feldemission statt thermischer Emission. Bei dieser Anordnung werden dieselben bezugszeigen verwendet zur Bezeichnung derselben Struktur wie in Fig. 1. Bei der Anordnung wird die Kathode 4 durch eine Kathode 80 ersetzt, die eine Reihe Punkte 82 zum Emittieren von Elektronen hat. Das Gitter und die Anode sind im Grunde gleich.
Die oben beschriebenen Strukturen und Methoden sind illustrativ für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Dem Fachmann dürften im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert, viele Ab wandlungen und Anpassungen einfallen. So kann beispielsweise die Kathode, die Anode oder beide Elektroden in Kontakt mit dem Boden des Hohlraums, wie in den Abwandlungen in den Fig. 4A-4E dargestellt, in Kontakt stehen; wobei in jeder Abwandlung das erste Substrat 100 mit dem zweiten Substrat 110 kontaktiert ist zum Bilden eines abgedichteten Hohlraums 120, in dem die Kathode 130, das Gitter 140 und die Anorde 150 sich befinden. Selbstverständlich kann Zugriff auf jede der Elektroden über den Boden des ersten Substrats erfolgen, sowie über die Spitze des zweiten Substrats. Zum Schluß dürfte es einleuchten, daß bei jeder dargestellen Konstruktion die Kathoden- und die Anodenpositionen umgekehrt werden können.

Claims

1. Vakuum-Elektronikanordnung mit:

- einem ersten und einem zweiten Substrat (2, 30) mit sich kontaktierenden Oberflächen

- wenigstens einem Hohlraum (26), vorgesehen in der kontaktierenden Oberfläche wenigstens eines der Substrate, wobei der genannte Hohlraum ein Vakuum aufweist;

- einer Elektronen emittierenden Elektrode (4, 80), vorgesehen innerhalb des Hohlraums;

- einer Elektronen empfangenden Elektrode (34), vorgesehen innerhalb des Hohlraums;

- wenigstens einer Elektronen modulierenden Elektrode (12), vorgesehen zwischen der Elektronen emittierenden Elektrode und der Elektronen empfangenen Elektrode zum Modulieren des Flusses von Elektronen zwischen denselben;

- wobei das erste und das zweite Substrat mittels Waferkontaktierung über deren betreffende Kontaktierungsoberflächen zum Abdichten des Hohlraums (26) miteinander verbunden sind.

2. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Elektroden sich bis jenseits der Wände des Hohlraums in wenigstens eines der Substrate erstreckt.

3. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektronen emittierende Elektrode in Draufsicht eine meanderförmige Konfiguration hat.

4. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektronen modulierende Elektrode wenigstens zwei Schlitze zum Hindurchlassen der Elektronen aufweist.

5. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Elektroden wenigstens eine Kontaktstelle aufweist, vorgesehen innerhalb wenigstens eines der Substrate zwecke einer elektrischen Verbindung damit.

6. Elektronische Anordnung nach Anspruch 5, wobei wenigstens eines der Substrate wenigstens eine Öffnung aufweist, die von der Oberfläche desselben zu einer oder mehreren Kontaktstellen führt.

7. Elektronische Anordnung nach Anspruch 6, weiterhin mit Leitermaterial, vorgesehen in der Öffnung zum Schafen einer elektrischen Verbindung mit der Kontaktstelle.

8. Elektronische Anordnung nach Anspruch 7, weiterhin mit Leiterspuren, vorgesehen auf der Oberfläche wenigstens eines der Substrate.

9. Verfahren zum herstellen einer Vakuum-Elektronikanordnung mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:

- das Anbringen eines ersten Substrats (2)

- das Ablagern einer ersten Elektrode (4, 80) auf dem ersten Substrat; das Schaffen einer ersten Zwischenschicht (10) aus einem Material auf der ersten Elektrode;

- das Ablagern einer zweiten Elektrode (12) auf der Zwischenschicht;

- das Ablagern einer zweiten Zwischenschicht (24) auf der zweiten Elektrode;

- das Bilden eines Hohlraums (26) durch die zweite Zchwischenschicht und die erste Zwischenschicht;

- das Schaffen eines zweiten Substrats (30);

- das Ablagern einer dritten Elektrode (34) auf dem zweiten Substrat;

- das Positionieren des ersten und des zweiten Substrats in Kontakt miteinander, so daß die abgelagerten Elektroden darin einander zugewandt liegen; und

- das Waferkontaktieren im Vakuum des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat zum Abdichten des Hohlraums (26).

10. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Verfahrensschritt, wobei in dem zweiten Substrat unterhalb der dritten Elektrode vor der Waferkontaktierung ein Hohlraum eingeätzt wird zum Abdichten der Hohlräume.

11. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Verfahrensschritt, wobei in wenigstens einem der Substrate eine Öffnung vorgesehen wird zur Ermöglichung eines externen elektrischen Kontaktes mit wenigstens einer der Elektroden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Verfahrensschritt der Bemusterung der zweiten Elektrode zum Bilden von Öffnungen um zu ermöglichen, daß Elektronen da hindurchgehen.

13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Elektrode aus einem Elektronen emittierenden material besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Hohlraum in der ersten und zweiten Zwischenschicht sich bis in das erste Substrat erstreckt.