真空微电子器件制造中的无版光刻工艺

摘要

一种真空微电子器件制造中的无版光刻工艺，在已有阴极尖锥阵列的芯片表面制做一层绝缘层和一层栅金属层，使栅金属层按阴极尖锥形貌呈现凹凸不平的状态，然后在栅金属上涂一层光刻胶，彻底将凸起的栅金属埋入，使胶层表面光滑平整，接着整片无版曝光，并均匀地一层层剥离光刻胶，使金属层凸起的部分首先暴露出来，然后对露出的金属进行腐蚀，待露出阴极尖锥后，去胶即可，所制造的器件具有栅孔尺寸小，栅孔与阴极尖自对准，栅孔边缘状况良好的特点。

说明书

本发明涉及一种真空微电子器件的制造工艺，特别涉及一种场致发射微电子器件栅极制造的无版光刻工艺。

在半导体器件的生产上，一般光刻过程是用照相复印的方法，将光刻掩模版上的图形精确复印到涂在待刻蚀材料表面的光致抗蚀剂(亦称光刻胶)上面，然后，在抗蚀剂的保护下，对待刻蚀材料进行选择性刻蚀，用这种传统光刻方法制造场致发射器件却有明显的缺陷：场致发射器件的栅极孔洞与硅锥的配合及制造，是真空微电子器件的一个关键性技术，制造栅极时芯片上已有硅锥阵列而形成凹凸不平的表面，在这样凹凸不平的表面上，用常规掩膜光刻的方法，首先是难以形成直径3um或更小的栅孔；其次是栅孔难以与硅锥逐个套准；第三是形成的栅孔边缘状况极差，很容易引起栅孔边缘毛刺的场致发射，致使器件失效。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出了一种可适合在真空微电子场致发射器件的栅极制造、微机械加工、集成电路的制造等凹凸不平的表面上制造栅极的无版光刻工艺，工艺流程简单而且成本低，所制造的器件具有栅孔尺寸小，栅孔与硅尖自对准，栅孔边缘状况良好的特点。

本发明的无版光刻工艺的实质是利用了芯片表面凹凸不平这一特征，用光刻胶涂平表面，采用层剥光刻胶的办法制作栅孔。

图1是在有硅锥的表面淀积绝缘层(Si₃N₄)和蒸发栅金属(Al)后的示意图。

图2是在栅金属层上均匀涂胶后的示意图。

图3是整个芯片无版曝光后层剥光刻胶过程中的示意图。

图4是腐蚀栅孔后的示意图。

图5是蒸发栅金属铝后芯片表面的SEM照片。

图6是腐蚀好的栅孔的SEM照片。

图7是用该工艺制造的栅极的SEM照片。

下面结合附图对本发明的实现原理作详细的说明。

图1至图4是该发明的原理图。其中1是衬底材料(硅)，2是芯片表面的阴极尖锥阵列(硅锥)，3是绝缘层(Si₃N₄)，4是栅金属层(铝)，5是光刻胶层。在已有硅锥阵列2的芯片表面淀和Si₃N₄绝缘层3和蒸发栅金属铝层4后，由于芯片表面硅锥的存在，使得金属铝层４也按硅锥形貌呈现凹凸不平的特点，如图1所示；然后，在金属铝层4上涂一层光刻胶，彻底将凸起的铝埋入，使表面光滑平整，如图2所示；接着，整片无版曝光，由于铝的凸起部分距离胶的上平面比其他部位的铝要近得多，只要均匀地一层层剥离光刻胶，凸起的铝层就会首先暴露出来，如图3所示；只要适当控制层剥速率，就可以控制铝的暴露部分达到要求的程度；然后对露出的铝进行腐蚀，待露出硅锥以后，去胶即可完成无版光刻的栅极制造，如图4所示。无版光刻这个名称就是从工艺中不用掩膜版而采用整片曝光得来的。

本发明中阴极尖锥阵列2不仅可以是硅锥阵列，也同样适用于其他半导体材料和金属材料制做的阴极尖锥阵列。

本发明中绝缘层3不仅可以是氮化硅层，也可以是二氧化硅层和磷硅玻璃层或多层绝缘膜。

本发明中的栅金属层4不仅可以是蒸发而成的铝，也可以是溅射等方法淀积而成的一层金属膜或多层金属膜。

图5是蒸发金属铝后芯片表面的SEM照片，放大倍数3700倍，所加电压20KV。从该照片中可以看出金属铝层4确实按硅锥形貌呈现凹凸不平的特点。

图6是腐蚀好的栅孔的SEM照片，放大倍数10000倍，所加电压20KV。

图7是用该工艺制造的栅极的SEM照片，放大倍数550倍，所加电压20KV。

采用该工艺制作的栅极与传统工艺的产品比较，具有以下的优点：

1)栅孔尺寸小。从图6可以看出，栅孔尺寸约为3um。用该工艺制造的栅孔直径一般比硅锥根部直径(硅锥掩膜尺寸)小1um以上。若硅锥掩膜尺寸减小，所得到的栅孔尺寸会随之减小。

2)栅孔与硅尖的自对准。无版光刻工艺还具有自对准工艺的特点，所以栅孔与硅锥能逐个对应套准。

3)栅孔边缘状况良好。从图7可以看出，栅孔边缘整齐，均匀一致，从而提高了器件的成品率和可靠性。

4)由于不需要光刻掩膜版，所以大大简化了工艺流程，成本也相应降低。

本发明的实施例之一就是真空微电子场致发射器件阴极的制造。制成的样品的SEN照片如图5，图6，图7所示。具体制做工艺是：

①在已有硅锥阵列的芯片上淀积一层Si₃N₄绝缘层3，然后采用电子束蒸发一层栅金属铝４，平面铝层厚度1.4um。为了使蒸发的铝膜保持芯片表面原有的凹凸特点，应采用旋转蒸发(气相淀积，溅射均可)，这样既可保证芯片原有的特征，而且铝层厚度均匀，有利于无版光刻的实现。

②在芯片表面均匀涂胶，为了使胶层能将突起的铝埋入，胶层厚度至少要1.5um，匀胶台转速为2000转/分。

③前烘光刻胶后，整片无版曝光10秒。接着用等离子刻蚀的办法完成光刻胶的层剥。刻蚀条件为：板压Va＝1.9KV，板流Ia＝240mA，栅压Vg＝120V，栅流Ig＝35mA，氧流量50ml/分，真空度0.5帕，刻蚀时间为10分钟。

④将芯片置于腐蚀液中进行栅孔腐蚀。腐蚀液由磷酸和乙醇组成，体积比为60∶40。腐蚀温度80±2℃，腐蚀时间5～10分钟。

⑤将腐蚀好的芯片用等离子轻微刻蚀硅锥顶部的Si₃N₄薄层。刻蚀条件为：工作气体由CF₄和少量H₂组成，气体压强0.5Pa，射频功率400W，刻蚀时间6～7分钟。