RU2332745C1 - Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof - Google Patents
Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2332745C1 RU2332745C1 RU2006141291/28A RU2006141291A RU2332745C1 RU 2332745 C1 RU2332745 C1 RU 2332745C1 RU 2006141291/28 A RU2006141291/28 A RU 2006141291/28A RU 2006141291 A RU2006141291 A RU 2006141291A RU 2332745 C1 RU2332745 C1 RU 2332745C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- cathode
- microelectronic device
- integrated microelectronic
- vacuum integrated
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Изобретение относится к приборам вакуумной микроэлектроники, в частности к интегральным микроэлектронным приборам, содержащим полевые эмиссионные катоды, управляющие электроды и анод. Такие приборы обычно имеют диодную или триодную структуру (катод-затвор-анод), но могут содержать также несколько управляющих электродов (затворов).The invention relates to devices for vacuum microelectronics, in particular to integrated microelectronic devices containing field emission cathodes, control electrodes and anode. Such devices usually have a diode or triode structure (cathode-gate-anode), but may also contain several control electrodes (gates).
Уровень техники.The level of technology.
Достоинства интегральных микроэлектронных приборов с полевыми эмиссионными катодами и триодной структурой хорошо известны и представлены в различных работах, например US Patent №4,994,708, US Patent №5,173,634, US Patent №5,714,837, EP 0525763 B1. Обычная конструкция приборов с полевыми эмиссионными катодами имеет следующий порядок расположения электродов по вертикали на подложке: подложка-катод-затвор-анод. То есть на подложке формируются сначала катод или катоды, которые могут иметь различную форму: конусообразные, в форме лезвия, пленочного типа и другие. Далее формируется затвор или затворы и затем анод отдельный или общий. Такая конструкция широко используется в приборах вакуумной микроэлектроники. Однако при использовании указанной конструкции в полевых эмиссионных дисплеях или в вакуумных интегральных микросхемах возникают известные дополнительные технологические трудности, связанные с формированием спейсеров, поддерживающих анод на определенном расстоянии от подложки, и герметизацией всей структуры прибора.The advantages of integrated microelectronic devices with field emission cathodes and a triode structure are well known and presented in various works, for example, US Patent No. 4,994,708, US Patent No. 5,173,634, US Patent No. 5,714,837, EP 0525763 B1. The usual design of devices with field emission cathodes has the following vertical arrangement of the electrodes on the substrate: substrate-cathode-gate-anode. That is, the cathode or cathodes are first formed on the substrate, which can have a different shape: cone-shaped, in the form of a blade, a film type, and others. Next, a gate or gates is formed and then the anode is separate or common. This design is widely used in vacuum microelectronics devices. However, when using this design in field emission displays or in vacuum integrated circuits, there are known additional technological difficulties associated with the formation of spacers supporting the anode at a certain distance from the substrate, and sealing the entire structure of the device.
Известны конструкции приборов с полевыми эмиссионными катодами, которые имеют обратный порядок расположения электродов по вертикали на подложке: подложка-анод-затвор-катод, US Patent №5,140,219, WO 94/17546, RU 2097869 C1, МКИ Н01J 21/10, 31/12, 1/30. В указанных работах на подложке формируют сначала анод, затем затвор и катод. Анод, затвор и катод выполнены из пленки проводящего материала и разделены между собой пленкой диэлектрика. В пленках катода, затвора, диэлектрика сформированы отверстия. Эмиссионной поверхностью служит торец катодной пленки. Структура прибора имеет латеральный тип и очень компактна по вертикали. В рассмотренной конструкции между анодом и подложкой отсутствуют спейсеры и, следовательно, отсутствуют проблемы, связанные с их формированием. Кроме того, в такой конструкции технология герметизации прибора значительно упрощается. Однако приборы латерального типа имеют недостаток, который существенно ограничивает их использование - это относительно высокая величина затворного тока.Known are the designs of devices with field emission cathodes, which have the reverse order of electrode placement vertically on the substrate: substrate-anode-gate-cathode, US Patent No. 5,140,219, WO 94/17546, RU 2097869 C1, MKI H01J 21/10, 31/12 1/30. In these works, the anode is first formed on the substrate, then the gate and cathode. The anode, gate, and cathode are made of a film of conductive material and are separated by a dielectric film. Holes are formed in the films of the cathode, gate, dielectric. The emission surface is the end face of the cathode film. The structure of the device has a lateral type and is very compact vertically. In the considered construction, there are no spacers between the anode and the substrate and, therefore, there are no problems associated with their formation. In addition, in this design, the technology of sealing the device is greatly simplified. However, lateral type devices have a drawback that significantly limits their use - this is a relatively high value of the gate current.
Известна конструкция и метод формирования прибора с полевыми эмиссионными катодами вертикального типа, которая имеет обратный порядок расположения электродов на подложке и которая свободна от вышеупомянутого недостатка, WO 92/02030, МКИ H01J 1/30, 9/02. Данная структура является прототипом патентуемого изобретения. Основные технологические этапы изготовления этой структуры изображены на фиг.1 - 4. Исходная многослойная структура содержит подложку 1, анодный слой 2 из проводящего материала, разделительный слой 3, содержащий одно или несколько отверстий 4, сформированных с помощью фотолитографии и реактивного ионного травления. С использованием процесса конформного химического осаждения из газовой фазы (CVD) формируют изолирующий слой 5 так, чтобы в точке сходимости поверхностного слоя в отверстии 4 образовалась остроконечная впадина 6, как показано на фиг.2. После этого на изолирующий слой 5 осаждают катодный слой 7 из проводящего материала с низкой работой выхода электронов. При этом в точке 6 образуется эмиссионная поверхность катода с острой вершиной, которая может иметь форму либо точки, либо лезвия. В катодном слое 7, применяя литографию и реактивное ионное травление, вытравливают проходные отверстия 8 и 9 (фиг.3). После селективного травления изолирующего слоя 5 через проходные отверстия 8 и 9 получают катодное отверстие 10, в котором расположен катод 11 с острым эмиссионным конусом (или лезвием) 12. В результате имеют диодную вертикальную структуру, изображенную на фиг.3. При использовании вместо однослойного разделительного слоя 3 двухслойного, у которого один слой диэлектрик 13, а другой - проводящий материал 14 (фиг.4), получают триодную структуру вакуумного интегрального микроэлектронного прибора. При этом во время процесса травления изолирующего слоя 5 через проходные отверстия 8, 9 частично травится диэлектрический слой 13, образуя отверстие 15.A known design and method of forming a device with field emission cathodes of a vertical type, which has the reverse order of the electrodes on the substrate and which is free from the aforementioned drawback, WO 92/02030, MKI H01J 1/30, 9/02. This structure is the prototype of the patented invention. The main technological stages of manufacturing this structure are shown in figures 1 - 4. The initial multilayer structure contains a substrate 1, an
Достоинством рассмотренных структур с катодами вертикального типа и с обратным порядком расположения электродов на подложке (фиг.3, 4) является то, что вершина полевого эмиссионного катода 12 самосовмещена с центром отверстия 4. Однако рассмотренная конструкция полевого эмиссионного прибора имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. Вершина катода 12 самосовмещена с центром отверстия 4 только по горизонтали. В вертикальном направлении позиция вершины катода 12 может иметь значительные отклонения. Эти отклонения обусловлены изменениями толщины изолирующего слоя 5, которые возникают в результате изменения физических свойств материала (например, вязкости), а также изменения параметров технологического процесса формирования изолирующего слоя 5. Отклонения в позиционировании вершины катода в вертикальном направлении вызывают изменения критических параметров структуры (расстояние анод-катод, расстояние затвор-катод), что приводит к значительному разбросу величины эмиссионного тока от прибора к прибору и, в конечном счете, к ухудшению воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов при их изготовлении. Кроме того, конструкция и способ изготовления вакуумных интегральных микроэлектронных приборов в рассмотренном прототипе не рассчитаны на большую плотность интеграции приборов, так как ограничиваются разрешением фотолитографических процессов, используемых для реализации структуры прибора. Так, формирование проходных отверстий 8, 9 в катодном слое 7 с использованием фотолитографии вызывает увеличение площади прибора и, следовательно, уменьшение плотности интеграции.The advantage of the considered structures with vertical cathodes and with the reverse order of the electrodes on the substrate (Figs. 3, 4) is that the top of the
Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.
Целью патентуемого изобретения является создание вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки, конструкция которого по сравнению с существующим уровнем позволяет улучшить воспроизводимость электрических характеристик приборов при их изготовлении и увеличить плотность интеграции приборов.The aim of the patented invention is to create a vacuum integrated microelectronic device with vertical-type cathodes and the reverse arrangement of electrodes relative to the substrate, the design of which, compared to the existing level, can improve the reproducibility of the electrical characteristics of devices in their manufacture and increase the density of integration of devices.
Поставленная задача решается за счет того, чтоThe problem is solved due to the fact that
- вакуумный интегральный микроэлектронный прибор, содержащий подложку (1), анодный слой (2) из электропроводящего материала на верхней поверхности упомянутой подложки, разделительный слой (3), расположенный на верхней поверхности анодного слоя (2) и содержащий одно или несколько отверстий (16), изолирующий слой (5), расположенный на верхней поверхности упомянутого разделительного слоя и содержащий одно или несколько катодных отверстий (17), совмещенных по вертикали с упомянутыми отверстиями в разделительном слое, катодный слой (18) на верхней поверхности упомянутого изолирующего слоя, выполненный из материала, способного эмитировать электроны под воздействием электрического поля, эмиссионные катоды, расположенные в упомянутых отверстиях разделительного и изолирующего слоев, отличается тем, что упомянутые эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра (19), внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью упомянутого изолирующего слоя или с верхней поверхностью упомянутого разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с упомянутым катодным слоем, при этом в упомянутом изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем упомянутого отверстия в разделительном слое имеется полость (20), глубина которой равна или меньше толщины упомянутого изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;- a vacuum integrated microelectronic device containing a substrate (1), an anode layer (2) of electrically conductive material on the upper surface of said substrate, a separation layer (3) located on the upper surface of the anode layer (2) and containing one or more holes (16) , an insulating layer (5) located on the upper surface of the said separation layer and containing one or more cathode holes (17) vertically aligned with the holes in the separation layer, the cathode layer (18) on the upper surface The surfaces of said insulating layer made of a material capable of emitting electrons under the influence of an electric field, the emission cathodes located in said openings of the separation and insulating layers, characterized in that said emission cathodes have a geometric cylinder shape (19), the outer surface of which is aligned with the inner the surface of said cathode hole so that the lower edge of the cylinder wall is flush with the lower surface of said insulating layer or with the upper surface of said separation layer, and the upper edge of the cylinder wall is in electrical contact with said cathode layer, while in said insulation layer there is a cavity (20) in the gap between the cylinder wall of the emission cathode and the edge of said hole in the separation layer, the depth of which is equal to or less than the thickness of said insulating layer, and the width is greater than or equal to the width of said gap;
- подложка (1) выполнена из оптически прозрачного материала;- the substrate (1) is made of optically transparent material;
- анодный слой (2) выполнен из материала с высокой работой выхода электронов;- the anode layer (2) is made of a material with a high electron work function;
- анодный слой (2) выполнен из оптически прозрачного электропроводящего материала;- the anode layer (2) is made of an optically transparent electrically conductive material;
- анодный слой (2) выполнен из материала с высоким коэффициентом отражения;- the anode layer (2) is made of a material with a high reflection coefficient;
- разделительный слой (3) выполнен из диэлектрического материала;- the separation layer (3) is made of dielectric material;
- разделительный слой (3) выполнен из электропроводящего материала;- the separation layer (3) is made of an electrically conductive material;
- разделительный слой (3) и анодный слой (2) выполнены из одного материала;- the separation layer (3) and the anode layer (2) are made of the same material;
- разделительный слой (3) выполнен из многослойного материала, каждый слой которого имеет одно или несколько отверстий, совмещенных по вертикали друг с другом соответственно;- the separation layer (3) is made of a multilayer material, each layer of which has one or more holes, vertically aligned with each other, respectively;
- упомянутый многослойный материал состоит по крайней мере из одного электропроводящего слоя (25) и одного диэлектрического слоя (23), при этом электропроводящие слои выполняют роль управляющих электродов-затворов;- said multilayer material consists of at least one electrically conductive layer (25) and one dielectric layer (23), while the electrically conductive layers act as gate gate electrodes;
- изолирующий слой (5) выполнен из диэлектрического материала группы: оксиды кремния, нитриды кремния;- the insulating layer (5) is made of a dielectric material of the group: silicon oxides, silicon nitrides;
- в качестве изолирующего слоя (5) используется пленка анодного оксида алюминия, при этом самоформирующиеся наноотверстия в упомянутой пленке анодного оксида алюминия используются в качестве катодных отверстий;- an anodic alumina film is used as an insulating layer (5), while the self-forming nanoholes in said anodic alumina film are used as cathode holes;
- стенки цилиндра эмиссионного катода выполнены из многослойного материала (29, 30), при этом по крайней мере один слой имеет низкую работу выхода электронов;- the walls of the cylinder of the emission cathode are made of a multilayer material (29, 30), while at least one layer has a low electron work function;
- верхняя поверхность анодного слоя (2) покрыта слоем люминофора (31).- the upper surface of the anode layer (2) is covered with a phosphor layer (31).
Поставленная задача решается также за счет того, чтоThe problem is also solved due to the fact that
- способ изготовления вакуумного интегрального микроэлектронного прибора содержит технологические этапы:- a method of manufacturing a vacuum integrated microelectronic device contains the technological steps:
- формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, анодного слоя, разделительного слоя, изолирующего слоя;- the formation of a multilayer structure consisting of a substrate, an anode layer, a separation layer, an insulating layer;
- формирование отверстий в упомянутом разделительном слое и упомянутом изолирующем слое соответственно;- forming holes in said separation layer and said insulating layer, respectively;
- формирование катодного слоя;- the formation of the cathode layer;
- формирование эмиссионных катодов;- formation of emission cathodes;
упомянутый технологический этап - формирование эмиссионных катодов - осуществляют путем осаждения материала катода на стенки катодных отверстий в изолирующем слое;said technological step — the formation of emission cathodes — is carried out by depositing the cathode material on the walls of the cathode holes in the insulating layer;
- для осаждения материала катода на стенки катодных отверстий используют отдельно или совместно методы осаждения из группы: магнетронное распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение;- for deposition of the cathode material on the walls of the cathode holes using separately or jointly deposition methods from the group: magnetron sputtering, electrochemical deposition, chemical deposition;
- после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое для создания полости (20);- after the technological stage of formation of the emission cathodes, the etching of the insulating layer in the gap between the cylinder wall of the emission cathode and the edge of the hole in the separation layer is performed to create a cavity (20);
- после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию удаления остаточной пленки (22) материала катода на анодном слое;- after the technological stage of formation of the emission cathodes, an operation is performed to remove the residual film (22) of the cathode material on the anode layer;
- операцию удаления остаточной пленки выполняют с использованием отдельно или совместно методов: жидкостного травления, реактивно-ионного травления, электрохимического травления;- the operation of removing the residual film is performed using separately or jointly methods: liquid etching, reactive ion etching, electrochemical etching;
- после создания полости (20) выполняют операцию формирования пленки люминофора (31) на верхней поверхности анодного слоя.- after creating the cavity (20), the operation of forming the phosphor film (31) on the upper surface of the anode layer is performed.
Таким образом, отличительными признаками патентуемого изобретения в соответствииThus, the hallmarks of the patented invention in accordance
- с п.1 формулы является то, что эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра (19), внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью упомянутого изолирующего слоя или с верхней поверхностью упомянутого разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с упомянутым катодным слоем, при этом в упомянутом изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем упомянутого отверстия в разделительном слое имеется полость (20), глубина которой равна или меньше толщины упомянутого изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;- with claim 1, the emission cathodes have the geometric shape of a cylinder (19), the outer surface of which is aligned with the inner surface of said cathode hole so that the lower edge of the cylinder wall is flush with the lower surface of the said insulating layer or with the upper the surface of said separation layer, and the upper edge of the cylinder wall has electrical contact with said cathode layer, while in the said insulating layer in the gap between the cylinder wall is emission about the cathode and the edge of the said hole in the separation layer there is a cavity (20), the depth of which is equal to or less than the thickness of the said insulating layer, and the width is greater than or equal to the width of the said gap;
- с п.2 формулы является то, что подложка (1) выполнена из оптически прозрачного материала;- with
- с п.3 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из материала с высокой работой выхода электронов;- with
- с п.4 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из оптически прозрачного электропроводящего материала;- with
- с п.5 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из материала с высоким коэффициентом отражения;- with
- с п.6 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из диэлектрического материала;- with
- с п.7 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из электропроводящего материала;- with
- с п.8 формулы является то, что разделительный слой (3) и анодный слой (2) выполнены из одного материала;- with
- с п.9 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из многослойного материала, каждый слой которого имеет одно или несколько отверстий, совмещенных по вертикали друг с другом соответственно;- with
- с п.10 формулы является то, что упомянутый многослойный материал состоит по крайней мере из одного электропроводящего слоя (25) и одного диэлектрического слоя (23), при этом электропроводящие слои выполняют роль управляющих электродов-затворов;- with
- с п.11 формулы является то, что изолирующий слой (5) выполнен из диэлектрического материала группы: оксиды кремния, нитриды кремния;- with
- с п.12 формулы является то, что в качестве изолирующего слоя (5) используется пленка анодного оксида алюминия, при этом самоформирующиеся наноотверстия в упомянутой пленке анодного оксида алюминия используются в качестве катодных отверстий;- with
- с п.13 формулы является то, что стенки цилиндра эмиссионного катода выполнены из многослойного материала (29, 30), при этом по крайней мере один слой имеет низкую работу выхода электронов;- with clause 13 of the formula, it is that the walls of the cylinder of the emission cathode are made of a multilayer material (29, 30), while at least one layer has a low electron work function;
- с п.14 формулы является то, что верхняя поверхность анодного слоя (2) покрыта слоем люминофора (31).- with
- с п.15 формулы является то, что технологический этап - формирование эмиссионных катодов - осуществляют путем осаждения материала катода на стенки катодных отверстий в изолирующем слое;- with
- с п.16 формулы является то, что для осаждения материала катода на стенки катодных отверстий используют отдельно или совместно методы осаждения из группы: магнетронное распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение;- with
- с п.17 формулы является то, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое для создания полости (20);- with
- с п.18 формулы является то, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию удаления остаточной пленки (26) материала катода на анодном слое;- with p.18 of the formula is that after the technological stage of formation of the emission cathodes, the operation of removing the residual film (26) of the cathode material on the anode layer is performed;
- с п.19 формулы является то, что операцию удаления остаточной пленки выполняют с использованием отдельно или совместно методов: жидкостного травления, реактивно-ионного травления, электрохимического травления;- with
- с п.20 формулы является то, что после создания полости (20) выполняют операцию формирования пленки люминофора (31) на верхней поверхности анодного слоя.- with
Использование отличительных признаков в п.1 и в п.15 в совокупности с признаками ограничительной части формулы позволяет решить поставленную задачу создания вакуумных интегральных микроэлектронных приборов, которые обладают высокой воспроизводимостью электрических характеристик приборов и высокой плотностью эмиссионного тока.The use of the distinguishing features in paragraph 1 and
Как было указано выше, в прототипе позиция вершины катода может иметь значительные отклонения в вертикальном направлении. Эти отклонения обусловлены изменениями толщины изолирующего слоя, которые возникают в результате изменения физических свойств материала (например вязкости), а также изменения параметров технологического процесса формирования изолирующего слоя. Отклонения в позиционировании вершины катода в вертикальном направлении вызывают изменения критических параметров структуры (расстояние анод-катод, расстояние затвор-катод), что приводит к значительному разбросу величины эмиссионного тока от прибора к прибору и, в конечном счете, к ухудшению воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов при их изготовлении. В отличие от прототипа в патентуемом изобретении конструкция прибора и технологический процесс формирования эмиссионной острой кромки катода в соответствии с п.1 и п.15 формулы обеспечивают самосовмещение этой кромки с элементами структуры прибора (разделительные слои, электроды) и позволяют получить высокую точность позиционирования вершины катода в вертикальном направлении и, следовательно, высокую воспроизводимость электрических характеристик.As mentioned above, in the prototype, the position of the top of the cathode can have significant deviations in the vertical direction. These deviations are due to changes in the thickness of the insulating layer that occur as a result of changes in the physical properties of the material (for example, viscosity), as well as changes in the parameters of the technological process of formation of the insulating layer. Deviations in the vertical positioning of the cathode tip cause changes in critical structure parameters (anode-cathode distance, gate-cathode distance), which leads to a significant spread in the emission current from device to device and, ultimately, to a deterioration in the reproducibility of the electrical characteristics of vacuum integrated microelectronic devices in their manufacture. In contrast to the prototype in the patented invention, the design of the device and the process of forming the emission sharp edge of the cathode in accordance with claim 1 and claim 15 of the formula provide self-alignment of this edge with the structure elements of the device (separation layers, electrodes) and allow high accuracy of positioning of the cathode vertex in the vertical direction and, therefore, high reproducibility of electrical characteristics.
Кроме того, конструкция и способ изготовления вакуумных интегральных микроэлектронных приборов в рассмотренном прототипе не рассчитаны на большую плотность интеграции приборов, так как ограничиваются разрешением используемых фотолитографических процессов. В патентуемом изобретении для увеличения плотности интеграции приборов в соответствии с п.1, п.12 и п.15 в качестве изолирующего слоя используют пленку анодного оксида алюминия с самоформирующимися отверстиями диаметром 50-100 нм (наноотверстия), которые служат в качестве катодных отверстий для формирования эмиссионных катодов. Такая структура вакуумных интегральных микроэлектронных приборов обеспечивает более высокую плотность упаковки приборов (более 109 см-2) и, значит, более высокую плотность тока.In addition, the design and method of manufacturing vacuum integrated microelectronic devices in the considered prototype are not designed for high density integration of devices, as they are limited by the resolution of the used photolithographic processes. In the patented invention, to increase the density of integration of devices in accordance with claim 1, claim 12 and
Таким образом, патентуемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.Thus, the patented invention allows to solve the problem.
Проведенные патентные исследования подтвердили новизну изобретения, а также показали, что в литературе отсутствуют данные, указывающие на влияние отличительных признаков патентуемого изобретения на достижение технического результата. Поэтому следует считать, что патентуемое изобретение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.Conducted patent research confirmed the novelty of the invention, and also showed that in the literature there are no data indicating the influence of the distinguishing features of the patented invention on the achievement of a technical result. Therefore, it should be considered that the patented invention meets the criteria of novelty and inventive step.
Краткое описание фигур чертежей.A brief description of the figures of the drawings.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
фиг.1 - поперечное сечение исходной многослойной структуры прототипа после формирования отверстий в разделительном слое.figure 1 is a cross section of the original multilayer structure of the prototype after the formation of holes in the separation layer.
Фиг.2 - поперечное сечение структуры фиг.1 после конформного осаждения изолирующего слоя и катодного слоя.Figure 2 is a cross section of the structure of figure 1 after conformal deposition of the insulating layer and the cathode layer.
Фиг.3 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода прототипа.Figure 3 is a cross section of the structure of the vacuum integrated microelectronic device-diode of the prototype.
Фиг.4 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода прототипа.Figure 4 is a cross section of the structure of the vacuum integrated microelectronic device-triode of the prototype.
Фиг.5 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода патентуемого изобретения.5 is a cross section of the structure of the vacuum integrated microelectronic device-diode of the patented invention.
Фиг.6 - поперечное сечение исходной многослойной структуры.6 is a cross section of the original multilayer structure.
Фиг.7 - поперечное сечение исходной многослойной структуры после формирования отверстий в изолирующем и разделительном слое.7 is a cross section of the original multilayer structure after the formation of holes in the insulating and separation layer.
Фиг.8 - поперечное сечение структуры фиг.7 после дополнительного травления разделительного слоя.Fig.8 is a cross section of the structure of Fig.7 after additional etching of the separation layer.
Фиг.9 - поперечное сечение структуры фиг.8 после осаждения катодного слоя.Fig.9 is a cross section of the structure of Fig.8 after deposition of the cathode layer.
Фиг.10 - поперечное сечение структуры фиг.9 после травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое.Figure 10 is a cross section of the structure of figure 9 after etching of the insulating layer in the gap between the cylinder wall of the emission cathode and the edge of the hole in the separation layer.
Фиг.11 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода патентуемого изобретения.11 is a cross section of the structure of the vacuum integrated microelectronic device-triode of the patented invention.
Фиг.12 - поперечное сечение исходной многослойной структуры с разделительным слоем, состоящим из двух слоев, один из которых диэлектрик, второй выполнен из проводящего материала.Fig - cross section of the original multilayer structure with a separation layer consisting of two layers, one of which is a dielectric, the second is made of conductive material.
Фиг.13 - поперечное сечение структуры фиг.12 после формирования отверстий в изолирующем и разделительных слоях.Fig. 13 is a cross-sectional view of the structure of Fig. 12 after forming holes in the insulating and separation layers.
Фиг.14 - поперечное сечение структуры фиг.13 после дополнительного травления разделительных слоев.Fig. 14 is a cross-sectional view of the structure of Fig. 13 after additional etching of the separation layers.
Фиг.15 - поперечное сечение структуры фиг.14 после осаждения материала катода на стенки катодных отверстий изолирующего слоя и на поверхность изолирующего слоя.Fig - cross section of the structure of Fig after deposition of the cathode material on the walls of the cathode holes of the insulating layer and on the surface of the insulating layer.
Фиг.16 - поперечное сечение структуры фиг.15 после травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое, а также диэлектрика разделительного слоя.Fig. 16 is a cross-sectional view of the structure of Fig. 15 after etching of the insulating layer in the gap between the cylinder wall of the emission cathode and the edge of the hole in the separation layer, as well as the dielectric of the separation layer.
Фиг.17 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с двухслойным катодом.17 is a cross section of the structure of a vacuum integrated microelectronic device with a two-layer cathode.
Фиг.18 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора со слоем люминофора на анодном слое.Fig. 18 is a cross-sectional view of the structure of a vacuum integrated microelectronic device with a phosphor layer on the anode layer.
Фиг.19 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора, у которого разделительный слой и анодный слой выполнены из одного материала.Fig. 19 is a cross-sectional view of the structure of a vacuum integrated microelectronic device in which the separation layer and the anode layer are made of the same material.
Фиг.20 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора, у которого разделительный слой выполнен из многослойного материала, состоящего из проводящих слоев, разделенных слоями диэлектрика.Fig. 20 is a cross-sectional view of the structure of a vacuum integrated microelectronic device in which the separation layer is made of a multilayer material consisting of conductive layers separated by dielectric layers.
Фиг.21 - поперечное сечение исходной многослойной структуры триода с анодизированной пленкой алюминия, используемой в качестве изолирующего слоя.Fig - cross section of the original multilayer structure of the triode with anodized aluminum film used as an insulating layer.
Фиг.22 - поперечное сечение структуры вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами, сформированными в самоформирующихся отверстиях анодного оксида алюминия.Fig is a cross section of the structure of the vacuum integrated microelectronic devices with cathodes formed in the self-forming holes of the anodic aluminum oxide.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Пример 1.Example 1
Пример 1 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи улучшения воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки при их изготовлении за счет улучшения точности позиционирования эмиссионной части катода относительно анода и управляющих электродов. В этом примере рассматривают двухэлектродную или диодную структуру прибора.Example 1 describes the implementation of the invention in terms of solving the problem of improving the reproducibility of the electrical characteristics of vacuum integrated microelectronic devices with vertical-type cathodes and the reverse location of the electrodes relative to the substrate during their manufacture by improving the accuracy of positioning the emission part of the cathode relative to the anode and control electrodes. In this example, a two-electrode or diode structure of a device is considered.
На фиг.5 представлено поперечное сечение конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода, выполненной согласно патентуемому изобретению. Конструкция содержит подложку 1, анодный слой 2 из электропроводящего материала, разделительный слой 3, содержащий отверстия 16, изолирующий слой 5 с катодными отверстиями 17, совмещенными по вертикали с отверстиями 16, катодный слой 18, выполненный из материала, способного эмитировать электроны под воздействием электрического поля, эмиссионные катоды 19, расположенные в отверстиях 17 изолирующего слоя 5 и выполненные в форме цилиндра. Эмиссионные катоды и катодный слой изготавливаются из одного материала. Верхний край стенки цилиндра 19 контактирует с катодным слоем 18, а нижний острый край стенки цилиндра является эмиссионной поверхностью катода, которая при приложении напряжения более 106-107 В/см испускает электроны. В промежутке между стенкой цилиндра 19 и краем отверстия 16 в разделительном слое сформирована (протравлена) полость 20. Объем полости выбирается таким, чтобы обеспечить минимальные токи утечки между катодом и анодом. Обычно глубина полости меньше толщины изолирующего слоя 5, а глубина равна или больше ширины промежутка между стенкой цилиндра катода и отверстием 16. Преимуществом данной конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с обратным расположением электродов является то, что нижний край стенки цилиндра эмиссионного катода 19 самосовмещен по уровню с нижней поверхностью изолирующего слоя 5 или верхней поверхностью разделительного слоя 3. Такая конструкция позволяет получить более высокую точность позиционирования эмиссионной поверхности катода относительно анода по сравнению с прототипом и значительно уменьшить разброс критических размеров прибора (расстояние анод-катод) при изготовлении. В результате это обеспечивает более высокую воспроизводимость электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов.Figure 5 presents a cross section of the design of a vacuum integrated microelectronic device-diode, made according to the patented invention. The design includes a substrate 1, an
Способ изготовления рассмотренного вакуумного интегрального микроэлектронного прибора иллюстрируется на фиг.6-10. На фиг.6 представлено поперечное сечение исходной многослойной структуры. В качестве подложки 1 применяют кремний, стекло или керамику. На подложку 1, используя осаждение или распыление, последовательно наносят анодный слой 2 из проводящего материала (Pt, Re, Nb, Al или Si*), разделительный слой 3 и изолирующий слой 5. Разделительный слой может быть выполнен из материала диэлектрика (SiO2, Si3N4) или из проводящего материала (Ti, материал анода). Изолирующий слой 5 из диэлектрического материала (Si3N4, SiO2,) посредством CVD (химическое осаждение из газовой фазы), осаждают на разделительный слой. Применяя фотолитографию и плазмохимическое травление, формируют отверстия 17 и 21 (фиг.7). Используя жидкостное травление, селективно травят разделительный слой 3, формируя отверстие 16 (фиг.8). Катодный слой 18 (фиг.9) из материала, способного под воздействием электрического поля эмитировать электроны (Ti, Nb, TiN, Hf, Mo), наносят на поверхность изолирующего слоя 5 и на стенки катодного отверстия 17, используя отдельно или совместно процесс вакуумного осаждения под углом и химическое осаждение. При этом на поверхности анодного слоя 2 формируется тонкая пленка 22 из материала катода. Для улучшения эмиссии катода методом жидкостного травления в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода 19 и краем отверстия 16 селективно удаляют часть материала изолирующего слоя, формируя полость 20 (фиг.10). При необходимости пленку 22 удаляют, применяя электрохимическое травление. В этом случае анодный слой 2 служит в качестве одного из электродов электрохимической ячейки.A method of manufacturing the considered vacuum integrated microelectronic device is illustrated in Fig.6-10. Figure 6 presents a cross section of the original multilayer structure. As the substrate 1, silicon, glass or ceramic is used. On the substrate 1, using deposition or sputtering, an
Рассмотренный способ формирования цилиндрического катода позволяет в результате получить острое эмиссионное лезвие цилиндрической формы, которое самосовмещено с нижней поверхностью изолирующего слоя (или с верхней поверхностью разделительного слоя), что обеспечивает высокую точность позиционирования катода относительно других электродов прибора в данном случае - анода.The considered method of forming a cylindrical cathode allows one to obtain a sharp cylindrical emission blade that is self-aligned with the lower surface of the insulating layer (or with the upper surface of the separation layer), which ensures high accuracy of cathode positioning relative to other electrodes of the device in this case, the anode.
ПРИМЕР 2.EXAMPLE 2
Пример 2 так же, как и пример 1, характеризует осуществление изобретения в части решения задачи улучшения воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки за счет улучшения точности позиционирования эмиссионной части катода относительно анода и управляющих электродов. В этом примере рассматривают трехэлектродную или триодную структуру прибора.Example 2, as well as example 1, characterizes the implementation of the invention in terms of solving the problem of improving the reproducibility of the electrical characteristics of vacuum integrated microelectronic devices with vertical cathodes and the reverse location of the electrodes relative to the substrate by improving the accuracy of positioning the emission part of the cathode relative to the anode and control electrodes. In this example, a three-electrode or triode structure of a device is considered.
На фиг.11 представлено поперечное сечение конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода, выполненной согласно патентуемому изобретению. Конструкция фиг.11 так же, как и конструкция фиг.5, содержит подложку 1, анодный слой 2. Но в отличие от диода в триоде используется разделительный слой, состоящий из двух слоев, один из которых 23 с отверстиями 24 выполнен из диэлектрического материала, другой слой 25 с отверстиями 26 выполнен из электропроводящего материала. Отверстия 24 и 26 совмещены друг с другом по вертикали. Слой 25 в этой структуре выполняет роль затвора (управляющего электрода). Остальная часть структуры прибора-триода: изолирующий слой 5 с катодными отверстиями 17, катодный слой 18 с цилиндрическими эмиссионными катодами 19, полость 20 - выполнены и играют такую же роль, как в предыдущем примере. В рассмотренной конструкции прибора-триода важным критическим параметром, влияющим на величину эмиссионного тока, является точность позиционирования эмиссионного острия катода относительно края отверстия 26 затвора 25. В данной структуре нижний острый край стенки цилиндра эмиссионного катода 19 самосовмещен по уровню с нижней поверхностью изолирующего слоя 5 и, следовательно, с верхней поверхностью затворного слоя 25. Такая конструкция позволяет получить более высокую точность позиционирования эмиссионной поверхности катода относительно затвора и анода по сравнению с прототипом и позволяет значительно уменьшить разброс критических размеров прибора при изготовлении. В результате это обеспечивает более высокую воспроизводимость электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов.11 shows a cross section of the design of a vacuum integrated microelectronic device-triode, made according to the patented invention. The construction of FIG. 11, like the construction of FIG. 5, contains a substrate 1, an
Способ изготовления рассмотренного вакуумного интегрального микроэлектронного триода аналогичен диоду и иллюстрируется на фиг.12-16. На фиг.12 представлено поперечное сечение исходной многослойной структуры, состоящей из подложки 1, анодного слоя 2, разделительного слоя, содержащего диэлектрический слой 23 и проводящий слой 25, изолирующий слой 5. Слой 25 выполняет роль затвора в триодной структуре и может быть изготовлен из проводящего материала например: Ti, Nb, TiN, Hf, Mo. Слой 23 изготавливают из диэлектрического материала, например: SiO2 или Si3N4. Применяя фотолитографию и плазмохимическое травление, получают совмещенные отверстия 17, 27 и 28 (фиг.13). Используя жидкостное травление, селективно травят затворный слой 25 и слой 23, формируя соответственно отверстие 26 и 24 (фиг.14). Аналогично рассмотренному в примере 1 формируют катодный слой 18, катоды 19 и полость 20 (фиг.15 и фиг.16) и при необходимости удаляют пленку 22.A method of manufacturing the considered vacuum integrated microelectronic triode is similar to the diode and is illustrated in Fig.12-16. On Fig presents a cross section of the original multilayer structure consisting of a substrate 1, the
Пример 3.Example 3
Пример 3 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи формирования двухслойного (или многослойного) катода. Необходимость такой структуры катода возникает в случае появления требований защиты основного материала катода от внешних воздействий, повышения прочности катода или необходимости составного катода из материалов с различной работой выхода. На фиг.17 изображено поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного триода с катодом, состоящим из двух слоев 29 и 30, выполненных из различных материалов. Методы нанесения упомянутых слоев могут быть либо одинаковыми, либо различными.Example 3 describes the implementation of the invention in terms of solving the problem of forming a two-layer (or multilayer) cathode. The need for such a cathode structure arises in the event of the emergence of requirements for protecting the cathode base material from external influences, increasing the strength of the cathode or the need for a composite cathode from materials with different work function. On Fig shows a cross section of the structure of a vacuum integrated microelectronic triode with a cathode consisting of two
Пример 4.Example 4
Пример 4 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора для использования в полевых эмиссионных дисплеях. На фиг.18 изображена конструкция прибора с тонким слоем люминофора 31 на верхней поверхности анодного слоя 2. Слой низковольтного люминофора наносится методом катодофореза.Example 4 describes the implementation of the invention in terms of creating the design of the device for use in field emission displays. On Fig shows the design of the device with a thin layer of
Пример 5.Example 5
Пример 5 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора с использованием одного материала для анодного слоя 2 и разделительного слоя 3. Поперечное сечение конструкции такого прибора приведено на фиг.19.Example 5 describes the implementation of the invention in terms of creating the design of the device using one material for the
Пример 6.Example 6
Пример 6 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора с несколькими управляющими электродами. На фиг.20 изображена конструкция прибора с разделительным слоем, состоящим из трех диэлектрических слоев 32, 33, 34 и трех управляющих электродов 35, 36, 37. Для изготовления такой конструкции используют способ, рассмотренный в примере 2.Example 6 describes the implementation of the invention in terms of creating the design of the device with several control electrodes. In Fig.20 shows the design of the device with a separation layer consisting of three
Пример 7.Example 7
Пример 7 характеризует осуществление изобретения в части увеличения плотности интеграции вакуумных интегральных микроэлектронных приборов. С этой целью в исходной многослойной структуре фиг.12 вместо изолирующего слоя 5 используют пленку анодного оксида алюминия 38 с наноотверстиями 39 (фиг.21), которые формируются в процессе анодирования пленки алюминия и в дальнейшем используются как катодные отверстия. Последующий технологический маршрут вплоть до изготовления окончательной структуры прибора (фиг.22) аналогичен маршруту, рассмотренному в примере 2. Использование анодного оксида алюминия с наноотверстиями позволяет получить очень высокую плотность катодных отверстий и, следовательно, увеличить плотность интеграции приборов до более 109 м-2.Example 7 describes the implementation of the invention in terms of increasing the density of integration of vacuum integrated microelectronic devices. To this end, in the original multilayer structure of Fig. 12, instead of an insulating
Промышленная применимость.Industrial applicability.
Данное изобретение может найти применение в вакуумных интегральных схемах, в частности в ключевых схемах с большими токами переключения, а также в приборах визуального отображения информации в телевизионной и компьютерной технике.This invention may find application in vacuum integrated circuits, in particular in key circuits with high switching currents, as well as in devices for visual display of information in television and computer technology.
Claims (20)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006141291/28A RU2332745C1 (en) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006141291/28A RU2332745C1 (en) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006141291A RU2006141291A (en) | 2008-05-27 |
| RU2332745C1 true RU2332745C1 (en) | 2008-08-27 |
Family
ID=39586307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006141291/28A RU2332745C1 (en) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2332745C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3171387A1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-05-24 | STMicroelectronics Srl | Improved vacuum integrated electronic device and manufacturing process thereof |
| RU2794423C1 (en) * | 2022-11-07 | 2023-04-18 | Российская Федерация, он имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) |
-
2006
- 2006-11-22 RU RU2006141291/28A patent/RU2332745C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3171387A1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-05-24 | STMicroelectronics Srl | Improved vacuum integrated electronic device and manufacturing process thereof |
| CN106783474A (en) * | 2015-11-23 | 2017-05-31 | 意法半导体股份有限公司 | The vacuum integrated-optic device and its manufacturing process of improvement |
| US9754756B2 (en) | 2015-11-23 | 2017-09-05 | Stmicroelectronics S.R.L. | Vacuum integrated electronic device and manufacturing process thereof |
| CN106783474B (en) * | 2015-11-23 | 2019-03-29 | 意法半导体股份有限公司 | The vacuum integrated-optic device and its manufacturing process of improvement |
| RU2794423C1 (en) * | 2022-11-07 | 2023-04-18 | Российская Федерация, он имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) |
| RU2794423C9 (en) * | 2022-11-07 | 2023-05-26 | Российская Федерация, он имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006141291A (en) | 2008-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6224447B1 (en) | Electrode structures, display devices containing the same, and methods for making the same | |
| US6632114B2 (en) | Method for manufacturing field emission device | |
| US5378182A (en) | Self-aligned process for gated field emitters | |
| US6004830A (en) | Fabrication process for confined electron field emission device | |
| KR20050086230A (en) | Electron emission display and method for fabricating thereof | |
| JP4611228B2 (en) | Field electron emission device and manufacturing method thereof | |
| RU2332745C1 (en) | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof | |
| US6809464B2 (en) | Field emission device and method for fabricating the same | |
| JPH04167326A (en) | Field emission type emitter and manufacture thereof | |
| KR100415597B1 (en) | Field Emission Display and Fabricating Method Thereof | |
| US20130342098A1 (en) | Corrugated Dielectric for Reliable High-current Charge-emission Devices | |
| KR100469398B1 (en) | Field emission device and manufacturing method thereof | |
| KR20010045181A (en) | Field emitter of field emission display device and manufacturing method thereof | |
| JP2000123713A (en) | Electron emitting element, its manufacture and display device using it | |
| KR100511257B1 (en) | Field emission device and manufacturing method thereof | |
| JPH04284325A (en) | Electric field emission type cathode device | |
| KR100504791B1 (en) | Field emission device and manufacturing method thereof | |
| KR100469400B1 (en) | Field emission device and manufacturing method thereof | |
| WO1999040604A1 (en) | Confined electron field emission device and fabrication process | |
| KR100511263B1 (en) | Field emission device manufacturing method | |
| JPH07220619A (en) | Cold cathode electrode structure and its manufacture | |
| KR0154562B1 (en) | Method of manufacturing field emitter having diamond-type carbon tip for field emission display | |
| KR100292829B1 (en) | Method for fabrication a tripolar mo tip emission display | |
| RU2299488C2 (en) | Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process | |
| KR960005331B1 (en) | Electron emission substrate manufacturing method using side-wall |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121123 |