8/12/2019 Us 5463269

1/16

l l l l l l | | | l | l | l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l | | | | I | | | I l | | | | l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l lUSOO5463269AUnited States Patent [ 1 9 1 [ 1 1 ] P a t e n t N u m b e r : 5 , 4 6 3 , 2 6 9Zimmerman { 4 5 ] Date o f P a t e n t : O c t . 3 1 , 1 9 9 5[ 5 4 ] PROCESS AND STRUCTURE O AN OTHER PUBLICATIONS

[ 7 5 ]

[ 7 3 1

[ 2 1 ][ 2 2 1

[ 6 3 ][ 5 1 ][ 5 2 1[ 5 8 ]

[ 5 6 ]

INTEGRATED VACUUMMICROELECTRONIC DEVICEI n v e n t o r . S t e v e n M. Zimmerman, P l e a s a n tV a l l e y , N . Y .A s s i g n e e : I n t e r n a t i o n a l B u s i n e s s M a c h i n e s

C o r p o r a t i o n , A r m o n k , N . Y .A p p l . N o . : 8 4 7 , 4 4 4F i l e d : M a r . 6 , 1 9 9 2

R e l a t e d US. A p p l i c a t i o n D a t aC o n t i n u a t i o n o f S e r . N o . 5 5 5 , 2 1 4 , J u l . 1 8 , 1 9 9 0 , a b a n d o n e d .I n t . Cl.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H01] 1100U . S . C l . 3 1 3 / 3 0 9Field of Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313/309, 336,

3 1 3 / 3 5 1R e f e r e n c e s C i t e d

U . S . PATENT DOCUMENTS3,453,478 7/1969 Shoulders e t a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313/3093,497,929 3/1970 Shoulders e t a 1 . . 29/25.173 665 241 5/1972 Spindt et a1. . . . . . . . . . .. 313/3513,753,022 8/1973 F r a s e r , J r . . . . . . . 313/336 X3 , 7 5 5 , 7 0 4 8 / 1 9 7 3 S p i n d t e t a 1 . . . 313/3093 , 8 5 5 , 4 9 9 1 2 / 1 9 7 4 Yamada e t a 1 . 3 1 5 / 1 6 9 R3 921 022 11/1975Levine . . . . . . . . . . . . . .. 313/3093 , 9 7 0 , 8 8 7 7 / 1 9 7 6 S m i t h e t a l . 3 1 3 / 3 0 93,998,678 12 / 1 9 7 6 Fukase et a 1 . . . . . . . 156/34,008,412 2/1977 Yito e t a l . . . . . . 313/3094 , 3 0 7 , 5 0 7 1 2 / 1 9 8 1 G r a y e t a 1 . 2 9 / 5 8 04,513,308 4 / 19 85 Greene et a 1 . . . . . . . . . . . . 3 57 / 5 54,721,885 l/1988 Brodie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 / 57 64 , 7 6 6 , 3 4 0 8 / 1 9 8 8 van d e r Mast e t a 1 . 3 1 3 / 3 6 64 857 799 8/1989 Spindt et a1 . . . . . . . . . . . . . . . . 313/4954 889 588 12/1989 Fior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156/6435,012,153 4/1991 Atkinson e t a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313/309 X

FOREIGN PATENT DOCUMENTS0150885 2/1984 European P a t . O f f .2 5 3 6 3 6 3 8/1974 Germany

2 9r \ wa t /

@ 8 ? s v e2

C . A . S p i n d t , A T h i n - F i l m F i e l d - E m i s s i o n C a t h o de , J .A p p l . P h y s , v o l . 3 9 , N o . 7 , p p . 3 5 0 4 - 3 5 0 5 1 9 6 8 ) .G . J . C a m p i s i , e t a l . , M i c r o f a b r i c a t i o n o f F i e l d E m i s s i o nD e v i c e s f o r Vacuum I n t e g r a t e d C i r c u i t s U s i n g O r i e n t a t i o nD e p e n d e n t E t c h i n g , M a t e r i a l R e s . S o c . S y m p . P r o c . v o l .7 6 , p p . 6 7 - 7 2 1 9 8 7 ) .1 . B r o d i e , P h y s i c a l C o n s i d e r a t i o n s i n Vacuum M i c r o e l e ct r o n i c s D e v i c e s , IEEE T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r o n D e v i c e s ,v o l . 3 6 , N o . 1 1 , p p . 2 6 4 1 - 2 6 4 4 N o v , 1 9 8 9 ) .N . A . C a d e , e t a l . , W e t E t c h i n g o f C u s p S t r u c t u r e s f o rF i e l d - E m i s s i o n D e v i c e s , IEEE T r a n s a c t i o n s on E l e c t r o nD e v i c e s , v o l . 3 6 , N o . 1 1 , p p . 2 7 0 9 - 2 7 1 4 N o v , 1 9 8 9 ) .R . B . M a c u s , e t a l . , F o r m a t i o n o f A t o m i c a l l y S h a r p S i l i c o nN e e d l e s , IEDM, p p . 8 8 4 - 8 8 6 1 9 8 9 ) .W. J . O r v i s , e t a l . , A P r o g r e s s R e p o r t o n t h e L i v e r m o r eM i n i a t u r e Vacuum T u b e P r o j e c t , I E E E , IEDM, p p .5 2 9 - 5 3 1 1 9 8 9 ) . B . Goodman, Retum o f t h e VacuumT u be , D i s c o v e r M a g a z i n e , p p . 5 5 - 5 8 M a r . , 1 9 9 0 ) .W . J . O r v i s , e t a l . , M o d e l i n g a n d F a b r i c a t i n gM i c r o - G r a v i t y I n t e g r a t e d Vacuum T u b e s , I E E E T r a n s a ct i o n s o n E l e c t r o n D e v i c e s , v o l . 3 6 , N o . 1 1 p p . 2651-2658N o v , 1 9 8 9 ) .H . H . B u s t a , e t a l . , F i e l d E m i s s i o n f r o m T u n g s t e n - C l a dS i l i c o n P y r a m i d s , IEEE T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r o n D e v i c e s ,v o l . 3 6 , N o . 1 1 , p p . 2 6 7 9 - 2 6 8 5 N o v . , 1 9 8 9 ) .R . A . L e e , e t a l . , S e m i c o n d u c t o r F a b r i c a t i o n T e c h n o l o g yA p p l i e d t o M i c r o m e t e r V a l v e s , IEEE r a n s a c t i o n s o n E l e ct r o n D e v i c e s , v o l . 3 6 , N o . 1 1 , p p . 2 7 0 3 - 2 7 0 8 N o v , 1 9 8 9 ) .P r i m a r y E x a m i n e r - S a n d r a L . O S h e aA t t o r n e y , A g e n t , o r F rm-Aziz M. Ahsan[ 5 7 ] ABSTRACTThe p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s g e n e r a l l y t o a new i n t e g r a t e dVacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e VMD) and a method f o rm a k i n g t h e s a m e . Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s r e q u i r es e v e r a l u n i q u e t h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s : a s h a r p ? e l de m i s s i o n t i p , a c c u r a t e a l i g n m e n t o f t h e t i p i n s i d e a c o n t r o lg r i d s t r u c t u r e i n a vacuum e n v i r o n m e n t , and an anode t oc o l l e c t e l e c t r o n s e m i t t e d b y t h e t i p . A l s o d i s c l o s e d i s a news t r u c t u r e a n d a p r o c e s s f o r f o r m i n g d i o d e s , t r i o d e s , t e t r o d e s ,p e n t o d e s a n d o t h e r s i m i l a r s t r u c t u r e s . The ? n a l s t r u c t u r emade c a n a l s o b e c o n n e c t e d t o o t h e r s i m i l a r VMD e v i c e so r t o o t h e r e l e c t r o n i c d e v i c e s .

2 9 C l a i m s , 6 Drawing S h e e t s

t o m

\\\\

2 ;

8/12/2019 Us 5463269

2/16

8/12/2019 Us 5463269

3/16

8/12/2019 Us 5463269

4/16

8/12/2019 Us 5463269

5/16

8/12/2019 Us 5463269

6/16

8/12/2019 Us 5463269

7/16

US Patent O c t . 3 1 , 1 9 9 5 S h e e t 6 o f 6 5,463,269

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII

1 1 7 5 3 0

F I G . 1 1

F I G . 1 3

8/12/2019 Us 5463269

8/16

5 , 4 6 3 , 2 6 91

PROCESS AND STRUCTURE OFANINTEGRATED VACUUM

MICROELECTRONIC DEVICET h i s p a t e n t a p p l i c a t i o n i s c o n t i n u a t i o n o f US. p a t e n t

a p p l i c a t i o n S e r . N o . 0 7 / 5 5 5 , 2 1 4 , ? l e d on u l . 1 8 , 1 9 9 0 nowa b a n d o n e d .

FIELD OF THE I N VENTIONThe p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s g e n e r a l l y t o a new i n t e

g r a t e d Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e VMD) a n d amethod f o r making t h e s a m e . Vacuum M i c r o e l e c t r o n i cD e v i c e s r e q u i r e s e v e r a l u n i q u e t h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s :a s h a r p ? e l d e m i s s i o n t i p , a c c u r a t e a l i g n m e n t o f t h e t i pi n s i d e a c o n t r o l g r i d s t r u c t u r e i n p r e f e r a b l y a vacuume n v i r o n m e n t , a n d a n a n o d e t o c o l l e c t e l e c t r o n s e m i t t e d byt h e t i p .

CROSS-REFERENCET h i s p a t e n t a p p l i c a t i o n r e l a t e s t o US. p a t e n t a p p l i c a t i o nS e r . N o . 5 5 5 , 2 1 3 , ? l e d c o n c u r r e n t l y o n J u l . 1 8 , 1 9 9 0 , t h e

d i s c l o s u r e o f w h i c h i s i n c o r p o r a t e d h e r e i n b y r e f e r e n c e .BACKGROUND O F THE I N VENTION

The d e s i g n e r s o f e l e c t r o n i c s y s t e m s h a v e f o r many y e a r st h o u g h t o f w a y s t o d e s i g n a n d i m p r o v e s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s . The v acuum u b e , o n c e t h e m a i n s t a y o f e l e c t r o n i c s ,had l i m i t a t i o n s s u c h a s t h e m e c h a n i c a l l y f a b r i c a t e d s t r u ct u r e s i n s i d e t h e g l a s s e n v e l o p e p r e v e n t i n g m i n i a t u r i z a t i o na n d i n t e g r a t i o n , a n d t h e t h e r m i o n i c c a t h o d e k e e p i n g t h ep o w e r d r a i n h i g h . T h e r e h a v e r e c e n t l y b e e n s i g n i ? c a n td e v e l o p m e n t s i n t h i s a r e a t h a t o f f e r t h e o p p o r t u n i t y o fe s c a p i n g t h e p r e v i o u s r e s t r a i n t s . S e m i c o n d u c t o r f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s c a n now be used t o d e v e l o p s t r u c t u r e s i n m i c r om i n i a t u r e f o r m a n d i n t e g r a t e many o f them t o g e t h e r . Comb i n i n g t h e s e r n i c r o rn i n i a t u r e s t r u c t u re s w i t h a ? e l d e m i s s i o ne l e c t r o n s o u r c e one can now produce r n i c r o m i n i a t u r evacuum t u b e s t r u c t u r e s which do n o t r e q u i r e h e a t e d c a t ho d e s . These s t r u c t u r e s b e i n g on t h e o r d e r o f m i c r o m e t e r s i ns i z e , p e r m i t t h e i n t e g r a t i o n o f many d e v i c e s o n a s i n g l es u b s t r a t e , j u s t a s many s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s a r e p r o d u c e don a s i n g l e c h i p .

The Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s p r e s e n t l y i n u s er e q u i r e s e v e r a l u n i q u e t h r e e - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s , w h i c hi n c l u d e , a vacuum s p a c e , a s h a r p , p r e f e r a b l y l e s s t h a n 1 0 0nm a d i u s ? e l d e m i s s i o n t i p , a n d t h e a c c u r a t e a l i g n m e n t o ft i p i n s i d e a n e x t r a c t i o n / c o n t r o l e l e c t r o d e s t r u c t u r e . VacuumM i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s i n c l u d e a ? e l d - e m i s s i o n c a t h o d eand add a d d i t i o n a l s t r u c t u r e s , s u c h a s , a n e x t e n s i o n o f t h evacuum s p a c e , a n a n o d e o p p o s i t e t h e c a t h o d e t i p , and t h e r emay o r may n o t b e a d d i t i o n a l a c c u r a t e l y a l i g n e d c o n t r o le l e c t r o d e s p l a c e d b e t w e e n t h e t i p a n d t h e a n o d e .

The ? e l d e m i s s i o n d i s p l a y e l e m e n t s t h a t u t i l i z e t h e s eVacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s u s e t h e b a s i c ? e l d e m i ss i o n s t r u c t u r e and add a d d i t i o n a l s t r u c t u r e s , such a s , ane x t e n s i o n o f t h e vacuum s p a c e , a p h o s p h o r s u r f a c e o p p o s i t et h e c a t h o d e t i p , a n d a d d i t i o n a l e l e c t r o d e s t o c o l l e c t a n d / o rc o n t r o l t h e e l e c t r o n c u r r e n t . G r o u p s o f i n d i v i d u a l VacuumM i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s a n d / o r d i s p l a y e l e m e n t s c a n b ee l e c t r i c a l l y i n t e r c o n n e c t e d d u r i n g f a b r i c a t i o n t o f o r m i n t eg r a t e d c i r c u i t s a n d / o r d i s p l a y s .

Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s h a v e s e v e r l u n i q u ef e a t u r e s . They a r e e x p e c t e d t o h a v e s u b p i c o s e c o n d s w i t c hi n g s p e e d s a n d a r e t h o u g h t by some t o b e t h e f a s t e s t

1O

20

25

30

35

45

50

5 5

60

6 5

2e l e c t r o n i c d e v i c e s p o s s i b l e . T h e y w i l l o p e r a t e a t t e m p e r at u r e s r a n g i n g from e a r a b s o l u t e z e r o t o h u n d r e d s o f d e g r e e sC e l s i u s l i m i t e d p r i n c i p a l l y b y t h e i r m a t e r i a l s o f c o n s t r u ct i o n . These s t r u c t u r e s c a n b e made o f a l m o s t a n y c o n d u c t o ra n d i n s u l a t o r m a t e r i a l . T h e y a r e i n t r i n s i c a l l y r a d i a t i o n h a r d .They a r e a l s o v e r y e ? i c i e n t b e c a u s e c o n t r o l i s b y c h a r g e a n dn o t b y c u r r e n t ? o w , a n d t h e u s e o f h i g h ? e l d e m i t t e r se l i m i n a t e s t he t h e r m i o n i c e m i s s i o n h e a t e r s o f t r a d i t i o n a lv ac uum d e v i c e s .

I n US. P a t . N o . 4 , 7 2 1 , 8 8 5 , a n d a l s o i n a n a r t i c l e publ i s h e d b y I v o r B r o d i e , P h y s i c a l C o n s i d e r a t i o n s i n VacuumM i c r o e l e c t r o n i c s D e v i c e s , IEEE T r a n s a c t i o n s on E l e c t r o nD e v i c e s , V o l . 3 6 , N o . 1 1 , p a g e s 2 6 4 1 - 2 6 4 4 N o v e m b e r1 9 8 9 ) , a ? e l d - e m i s s i o n m i c r o t r i o d e i s d e s c r i b e d . The t r i o d ec o n s i s t s of a metal cone a t t a c h e d t o a metal o r highc o n d u c t i v i t y s e m i c o n d u c t o r b a s e e l e c t r o d e . T h e h e i g h t o ft h e cone s g i v e n a s h t h e r a d i u s o f c u r v a t u r e a t t h e c a t h o d et i p i s A e t a l a n o d e i s h e l d a t a d i s t a n c e d from t h et i p o f t h e c o n e b y a s e c o n d i n s u l a t i n g l a y e r . The c o n e t i p i sa t t h e c e n t e r o f a c i r c u l a r h o l e having a r a d i u s a i n a g a t eo r ? r s t a n o d e ) e l e c t r o d e o f t h i c k n e s s t . When t h e a p p r op r i a t e p o s i t i v e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e i s a p p l i e d b e t w e e n t h eb a s e e l e c t r o d e a n d t h e g a t e e l e c t r o d e , a n e l e c t r i c ? e l d i sg e n e r a t e d a t t h e c a t h o d e t i p t h a t a l l o w s e l e c t r o n s t o t u n n e lt h r o u g h t h e t i p i n t o t h e vacuum s p a c e a n d move t o w a r d s t h ea n o d e . T h e ? e l d a t t h e t i p a n d , h e n c e , t h e q u a n t i t y o fe l e c t r o n s e m i t t e d c a n b e c o n t r o l l e d b y v a r y i n g t h e g a t ep o t e n t i a l .

While t h e s e Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s c a n bemade i n a l m o s t a n y s i z e a n d may h a v e a p p l i c a t i o n s a sd i s c r e t e d e v i c e s , t h e i r b e s t p e r f o r m a n c e a n d m a j o r p p l i ct i o n i s e x p e c t e d t o come f r o m e x t r e m e m i n i a t u r i z a t i o n , l a r g ea r r a y s , a n d c o m p l e x v e r y l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n o f c i r c u i t s .

N o n - t h e r m i o n i c ? e l d e m i t t e r s , ? e l d e m i s s i o n d e v i c e s , a n d? e l d e m i s s i o n d i s p l a y s a r e a l l known i n t h e a r t . S i n c e t h ef a b r i c a t i o n o f t h e ? e l d e m i s s i o n c a t h o d e s t r u c t u r e i s ac r i t i c a l element common o t h e d e v i c e s mentioned, i t s a r tw i l l b e a d d r e s s e d ? r s t . The m a t e r i a l i n s u l a t o r s a n d c o n d u c t o r s / ? e l d e m i t t e r s ) a r e a l l d e p o s i t e d a n d p r o c e s s e d b y r e l at i v e l y common d e p o s i t i o n a n d l i t h o g r a p h i c p r o c e s s i n g t e c hn i q u e s w i t h t h e s i n g l e e x c e p t i o n o f a s p e c i a l s h a r p e d g eb l a d e ) o r p o i n t t i p ) s t r u c t u r e which i s common t o a l l

? e l d - e m i s s i o n c a t h o d e s . The a r t c a n b e b r o a d l y c l a s s i ? e di n t o ? v e c a t e g o r i e s , a n d t h e s e c a t e g o r i e s a r e p r i m a r i l yc a t e g o r i z e d b y t h e m e t h o d s u s e d t o form h i s s h a r p b l a d e o rt i p .The ? r s t c a t e g o r y i s o n e o f t h e e a r l i e s t c a t e g o r i e s i n whicht h e c a t h o d e t i p s t r u c t u r e i s f o r m e d b y t h e d i r e c t d e p o s i t i o no f t h e m a t e r i a l . A n e x a m p l e o f t h i s t y p e i s e x e m p l i ? e d i n ap a p e r b y C . A . S p i n d t , A T h i n - F i l m F i e l d - E m i s s i o n C a t ho d e J . A p p l . P h y s . , V o l . 3 9 , N o . 7 , p a g e s 3 5 0 4 - 3 5 0 5 1 9 6 8 ) ,i n w h i c h s h a r p molybdenum c o n e - s h a p e d e m i t t e r s a r eformed i n s i d e h o l e s i n a molybdenum anode l a y e r a n d on am o l y b d e n u m c a t h o d e l a y e r . T h e t w o l a y e r s a r e s e p a r a t e d b ya n i n s u l a t i n g l a y e r which h a s b e e n e t c h e d away i n t h e a r e a so f t h e h o l e s i n t h e a n o d e l a y e r down t o t h e c a t h o d e l a y e r .The c o n e s a r e formed by s i m u l t a n e o u s normal and s t e e pa n g l e d e p o s i t i o n s o f t h e m o l y b d e n u m a n d a l u m i n a , r e s p e ct i v e l y , o n t o t h e r o t a t i n g s u b s t r a t e c o n t a i n i n g t h e a n o d e a n dc a t h o d e l a y e r s . T h e n e w l y d e p o s i t e d a l u m i n a i s s e l e c t i v e l yr e m o v e d . S i r r r i l a r work h a s a l s o been d i s c l o s e d i n US. P a t .N o . 3 , 7 5 5 , 7 0 4 .A e c o n d c a t e g o r y i s t h e u s e o f o r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t

e t c h i n g o f s i n g l e c r y s t a l m a t e r i a l s s u c h a s s i l i c o n . Thep r i n c i p l e o f t h e o r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t e t c h i n g i s t o p r e f e re n t i a l l y a t t a c k a p a r t i c u l a r c r y s t a l l o g r a p h i c f a c e o f a m a t e

8/12/2019 Us 5463269

9/16

5 , 4 6 3 , 2 6 93

r i a l . By u s i n g s i n g l e c r y s t a l m a t e r i a l s p a t t e r n e d w i t h am a s k i n g m a t e r i a l , t h e a n i s o t r o p i c a l l y e t c h e d a r e a s w i l l b eb o u n d e d b y - t h e s l o w e t c h i n g f a c e s w h i c h i n t e r s e c t a t w e l ld e ? n e d e d g e s a n d p o i n t s o f t h e m a t e r i a l s b a s i c c r y s t a l l og r a p h i c s h a p e . A u i t a b l e c o m b i n a t i o n o f e t c h , m a t e r i a l , a n do r i e n t a t i o n c a n r e s u l t i n v e r y s h a r p l y de?ned p o i n t s t h a t c a nb e u s e d a s ? e l d e m i t t e r s . U . S . P a t . No. 3 , 6 6 5 , 2 4 1 i s s u e d t oS p i n d t , e t a l . , i s a n example o f t h i s method i n which a n e t c hmask of one o r more i s l a n d s i s p l a c e d over a s i n g l e - c r y s t a lm a t e r i a l which s t h e n e t c h e d u s i n g a n e t c h a n t which a t t a c k ssome o f t h e c r y s t a l l o g r a p h i c p l a n e s o f t h e m a t e r i a l f a s t e rt h a n t h e o t h e r s c r e a t i n g e t c h p r o ? l e s b o u n d e d b y t h e s l o we t c h i n g p l a n e s a n o r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t e t c h ) . A s t h e s l o we t c h i n g p l a n e s c o n v e r g e u n d e r t h e c e n t e r o f t h e m a s k ,m u l t i f a c e t e d g e o m e t r i c f o r m s w i t h s h a r p e d g e s a n d p o i n t sa r e f o r m e d w h o s e s h a p e i s d e t e r m i n e d b y t h e e t c h a n t ,o r i e n t a t i o n o f t h e c r y s t a l , a n d s h a p e o f t h e m a s k . O r i e n t at i o n - d e p e n d e n t a n i s o t r o p i c e t c h i n g w h i l e a n e s t a b l i s h e dmethod t o c r e a t e t h e t i p s c a n a l s o have a n a d v e r s e e i f e c t bym a k i n g t h e s e s h a r p t i p s b l u n t o r r e d u c i n g t h e r a d i u s o f t h ec a t h o d e t i p ) , t h u s r e d u c i n g t h e i r e f f e c t i v e n e s s a s ? e l d e m i tt e r s , a s d i s c u s s e d b y C a d e , N . A . e t a l . , W e t E t c h i n g o f C u s pS t r u c t u r e s f o r F i e l d - E m i s s i o n D e v i c e s , IEEE T r a n s a c t i o n so n E l e c t r o n D e v i c e s , V o l . 3 6 , N o . 1 1 , p a g e s 2709-2714N o v e m b e r 1 9 8 9 ) .A h i r d c a t e g o r y u s e s i s o t r o p i c e t c h e s t o form t h e s t r u ct u r e . I s o t r o p i c e t c h e s e t c h u n i f o r m l y i n a l l d i r e c t i o n s . When

m a s k e d , t h e mask e d g e becomes t h e c e n t e r p o i n t o f a n a r ew h i c h o u t l i n e s t h e c l a s s i c i s o t r o p i c e t c h p r o ? l e u n d e r t h em a s k i n g m a t e r i a l . The r a d i u s o f t h e a r c i s e q u a l t o t h e e t c hd e p t h . E t c h i n g a r o u n d a n i s o l a t e d masked i s l a n d a l l o w s t h ee t c h p r o ? l e t o c o n v e r g e on t h e c e n t e r o f t h e mask l e a v i n g as h a r p t i p o f t h e u n e t c h e d m a t e r i a l w h i c h c a n b e u s e d a s a? e l d e m i t t e r . An e x a m p l e o f t h i s i s e x e m p l i ? e d i n U . S . P a t .N o . 3 , 9 9 8 , 6 7 8 , i s s u e d t o S h i g e o F u k a s e , e t a l . An e m i t t e rm a t e r i a l i s masked u s i n g i s l a n d s o f a l i t h o g r a p h i c a l l yformed a n d e t c h r e s i s t a n t m a t e r i a l . The e m i t t e r m a t e r i a l i se t c h e d w i t h a n i s o t r o p i c e t c h a n t w h i c h f o r m s a n i s o t r o p i ce t c h p r o ? l e c i r c u l a r v e r t i c a l p r o ? l e w i t h a r a d i u s e x t e n d i n gu n d e r t h e r e s i s t f r o m t h e e d g e ) . When t h e e t c h p r o ? l ec o n v e r g e s u n d e r t h e c e n t e r o f t h e mask from a l l s i d e s , as h a r p p o i n t o r t i p r e s u l t s .A o u r t h c a t e g o r y u s e s o x i d a t i o n p r o c e s s e s t o form t h e

Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e . O x i d a t i o n p r o c e s s e s forma t i p b y o x i d i z i n g t h e e m i t t e r m a t e r i a l . O x i d a t i o n p r o ? l e su n d e r o x i d a t i o n masks a r e v i r t u a l l y i d e n t i c a l t o i s o t r o p i ce t c h p r o ? l e s u n d e r masks and form t h e same i p s t r u c t u re a st h e p r o ? l e s c o n v e r g e u n d e r a c i r c u l a r m a s k . When t h eo x i d i z e d m a t e r i a l i s removed h e u n o x i d i z e d t i p c a n f u n c t i o na s a ? e l d e m i t t e r . U . S . P a t . No. 3 , 9 7 0 , 8 8 7 i s s u e d t o Smith e ta l . e x e m p l i ? e s t h i s p r o c e s s . A u b s t r a t e o f e l e c t r o n e m i s s i o nm a t e r i a l s u c h a s s i l i c o n i s u s e d . A h e r m a l l y grown o x i d el a y e r i s grown o n t h e s u b s t r a t e a n d i s t h e n l i t h o g r a p h i c a l l yf e a t u r e d and e t c h e d t o r e s u l t i n one o r more s l a n d s o f s i l i c o nd i o x i d e . The s u b s t r a t e i s t h e n r e o x i d i z e d d u r i n g w h i c h t h ei s l a n d s o f p r e v i o u s l y f o r m e d o x i d e a c t t o s i g n i ? c a n t l y r e t a r dt h e o x i d a t i o n o f t h e s i l i c o n u n d e r t h e m . The r e s u l t i n go x i d a t i o n p r o ? l e i s v e r y s i m i l a r t o t h e i s o t r o p i c e t c h p r o ? l ea n d s i m i l a r l y c o n v e r g e s u n d e r t h e i s l a n d s l e a v i n g a s h a r pp o i n t p r o ? l e i n t h e s i l i c o n w h i c h c a n b e e x p o s e d b y removi n g t h e o x i d e . O t h e r m a s k i n g m a t e r i a l s u c h a s s i l i c o n n i t r i d ec a n b e u s e d t o s i m i l a r l y r e t a r d t h e o x i d a t i o n a n d p r o d u c e t h ed e s i r e d s h a r p t i p p r o ? l e .A f t h c a t e g o r y e t c h e s a p i t which i s t h e i n v e r s e o f t h ed e s i r e d s h a r p l y p o i n t e d s h a p e i n a n e x p e n d a b l e m a t e r i a l

which i s u s e d a s a mold f o r t h e e m i t t e r m a t e r i a l and t h e nr e m o v e d b y e t c h i n g . U . S . P a t . N o . 4 , 3 0 7 , 5 0 7 i s s u e d t o G r a y

1 0

1 5

2 5

4 0

45

50

55

6 0

6 5

4e t a l e x e m p l i ? e s a l i m i t e d embodiment o f t h i s t e c h n i q u e .H o l e s i n a masking m a t e r i a l a r e l i t h o g r a p h i c a l l y formed ona s i n g l e c r y s t a l s i l i c o n s u b s t r a t e . The s u b s t r a t e i s o r i e n t a t i o nd e p e n d e n t e t c h e d t h r o u g h t h e m a s k h o l e s f o r m i n g e t c h p i t sw i t h t h e i n v e r s e o f t h e d e s i r e d p o i n t e d s h a p e . The mask sremoved a n d a l a y e r o f e m i s s i o n m a t e r i a l i s d e p o s i t e d o v e rt h e s u r f a c e ? l l i n g t h e p i t s . The s i l i c o n o f t h e m o l d i s t h e ne t c h e d a w a y f r e e i n g t h e p o i n t e d r e p l i c a s o f t h e p i t s w h o s es h a r p p o i n t s c a n b e u s e d a s ? e l d e m i t t e r s .

A l l o f t h e e m i t t e r f o r m a t i o n t e c h n i q u e s m e n t i o n e d a b o v eh a v e s e v e r a l l i m i t a t i o n s . O r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t e t c h i n gr e q u i r e s t h e u s e o f a s u b s t r a t e o f s i n g l e c r y s t a l e m i t t e rm a t e r i a l . Most a l l o f them r e q u i r e t h e s u b s t r a t e t o b e madeo f o r c o a t e d w i t h t h e e m i t t e r m a t e r i a l . Most l l o f them formt h e e m i t t e r ? r s t w h i c h c o m p l i c a t e s t h e f a b r i c a t i o n o f t h es u b s e q u e n t e l e c t r o d e l a y e r s a n d t h e vacuum s p a c e n e e d e df o r a f u l l y f u n c t i o n a l Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e .

S o m e t i m e s t h e m e t h o d u s e d o r t h e p a r t i c u l a r p r o c e s s i n gr e g i m e d o e s n o t p r o d u c e ? e l d e m i s s i o n t i p s o f s u f f i c i e n t l ys m a l l r a d i u s . The r t i n c l u d e s some m e t h o d s by w h i c h t h e t i pc a n - b e s h a r p e n e d t o f u r t h e r r e d u c e t h i s r a d i u s . I n a p a p e r byC a r n p i s i e t a l , M i c r o f a b r i c a t i o n Of i e l d E m i s s i o n D e v i c e sF o r Vacuum I n t e g r a t e d C i r c u i t s U s i n g O r i e n t a t i o n D e p e nd e n t E t c h i n g , M a t . R e s . S o c . S y m p . P r o c . , V o l . 7 6 , p a g e s6 7 - 7 2 1 9 8 7 ) , r e p o r t s t h e s h a r p e n i n g o f s i l i c o n t i p s b ys l o w l y e t c h i n g t h e m i n a n i s o t r o p i c e t c h . A n o t h e r p a p e re n t i t l e d A P r o g r e s s R e p o r t On The L i v e r m o r e M i n i a t u r eVacuum T u b e P r o j e c t , b y W . J . O r v i s e t a l , IEDM 9 , p a g e s5 2 9 - 5 3 1 1 9 8 9 ) , r e p o r t s t h e s h a r p e n i n g o f s i l i c o n t i p s b yt h e r m a l l y o x i d i z i n g t h e m a n d t h e n e t c h i n g a w a y t h e o x i d e .U . S . P a t . N o . 3 , 9 2 1 , 0 2 2 , a l s o d i s c l o s e s a n o v e l method o fp r o v i d i n g m u l t i p l e t i p s o r t i p l e t s a t t h e t i p o f a c o n i c a l o rp y r a r n i d i c a l s h a p e d ? e l d e m i t t e r .V a r i o u s p r o c e s s e s c r e a t i n g two o r t h r e e e l e c t r o d e VMDs t r u c t u r e s been r e p o r t e d i n t h e a r t . As a n example a p a p e re n t i t l e d A P r o g r e s s R e p o r t On The L i v e r r n o r e M i n i a t u r eVacuum T u b e P r o j e c t , b y O r v i s e t a l , IEDM, p a g e s529531 1 9 8 9 ) , d e s c r i b e s a p r o c e s s i n which s i l i c o n e m i tt e r s f o r m e d b y e i t h e r o r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t o r i s o t r o p i ce t c h i n g a r e u s e d . L i t h o g r a p h i c a l l y f e a t u r e d d o p e d p o l y s i l i ~c o n a n o d e a n d g r i d l a y e r s a r e s e p a r a t e d f r o m t h e e m i t t e r a n de a c h o t h e r b y l a y e r s o f l o w d e n s i t y g l a s s .

I t i s now p o s s i b l e a s e x e m p l i ? e d i n B u s t a , H . H . e t a l . F i e l d E m i s s i o n f r o m T u n g s t e n - C l a d S i l i c o n P y r a m i d s ,IEEE T r a n s a c t i o n s on E l e c t r o n D e v i c e s , V o l . 3 6 , N o . 1 1 ,p a g e s 2679-2685 November 1 9 8 9 ) , t o u s e c o a t i n g o r c l a dd i n g on t h e s e c a t h o d e t i p s o r p y r a m i d s t o e n h a n c e o r m o d i f yt h e c a t h o d e t i p p r o p e r t i e s .

I n t h i s d e v e l o p i n g ? e l d o f Vacuum M i c r o e l e c t r o n i cD e v i c e s t h e a r t h a s a l s o s t a r t e d t o show how t h e s e ? e l de m i s s i o n c a t h o d e s and e x t r a c t i o n e l e c t r o d e s c a n be used i na p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , s u c h a s , i n a d i s p l a y a p p l i c a t i o n s .U . S . P a t . N o . 4 , 8 5 7 , 7 9 9 i s s u e d t o S p i n d t e t a l i l l u s t r a t e s howa s u b s t r a t e c o n t a i n i n g ? e l d e m i t t e r s a n d e x t r a c t i o n e l e ct r o d e s c a n b e j o i n e d t o a s e p a r a t e t r a n s p a r e n t window whichc o n t a i n s a n o d e c o n d u c t o r s a n d p h o s p h o r s t r i p s , a l l o f w h i c hcan work i n c o n c e r t t o form a c o l o r d i s p l a y . Another c o l o rd i s p l a y d e v i c e u s i n g vacuum m i c r o e l e c t r o n i c t y p e s t r u c t u r ewas p a t e n t e d i n U . S . P a t . N o . 3 , 8 5 5 , 4 9 9 .

T h i s p a t e n t a p p l i c a t i o n a l s o d i s c l o s e s a n e t c h p r oc e s swhich c a n s i g n i ? c a n t l y r e d u c e t h e unwanted u n d e r c u t f o r aVacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e w h i l e s t i l l a l l o w i n g t h ef o r m a t i o n o f b r i d g e s t r u c t u r e s .

I n summary a t y p i c a l ? e l d e m i s s i o n Vacuum M i c r o e l e ct r o n i c D e v i c e s a r e made u p o f a s h a r p l y p o i n t e d c a t h o d e ,s u r r o u n d e d b y a c o n t r o l a n d / o r e x t r a c t i o n e l e c t r o de , a n d

8/12/2019 Us 5463269

10/16

5 , 4 6 3 , 2 6 95

p o i n t i n g t o w a r d a n a n o d e s u r f a c e . The c a t h o d e t i p c o u l dh a v e a p o i n t o r a b l a d e p r o ? l e . One o f t h e k e y t e c h n o l o g i e si n f a b r i c a t i n g t h e s e d e v i c e s i s t h e f o r m a t i o n o f t h e s h a r p ? e l de m i s s i o n c a t h o d e ) t i p w h i c h h a s p r e f e r a b l y a r a d i u s o n t h eo r d e r o f 10-1 00 mm. The most common methods o f format i o n i n c l u d e o r i e n t a t i o n - d e p e n d e n t e t c h i n g , i s o t r o p i c e t c hi n g , a n d t h e r m a l o x i d a t i o n .

SUMMARY AND OBJECT OF THEINVENTIONI n o n e a s p e c t t h i s i n v e n t i o n d i s c l o s e s a p r o c e s s o f making

a t l e a s t one i n t e g r a t e d vacuum m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e comp r i s i n g t h e s t e p s o f :a ) p r o v i d i n g a t l e a s t o n e h o l e i n a s u b s t r a t e h a v i n g a t l e a s t

o n e e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e m a t e r i a l ,b ) ? l l i n g a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e h o l e w i t h a t l e a s t o n e

m a t e r i a l s u f f i c i e n t l y t o form a c u s p ,c ) d e p o s i t i n g a t l e a s t One l a y e r o f a m a t e r i a l w h i c h i s

c a p a b l e o f e m i t t i n g e l e c t r o n s u n d e r t h e i n ? u e n c e o f a ne l e c t r i c a l ? e l d , a n d ? l l i n g a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e c u s pt o form a t i p ,

d ) p r o v i d i n g a t l e a s t o n e a c c e s s h o l e t o h e l p f a c i l i t a t e t h er e m o v a l o f m a t e r i a l u n d e r n e a t h t h e c u s p , and

e ) r e m o v i n g t h e m a t e r i a l u n d e r n e a t h t h e c u s p t o e x p o s e a tl e a s t a p o r t i o n o f t h e t i p o f t h e e l e c t r o n - e m i t t i n gm a t e r i a l a n d a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e e l e c t r i c a l l y cond u c t i v e m a t e r i a l i n t h e s u b s t r a t e , t h e r e b y f o r m i n g a tl e a s t one i n t e g r a t e d vacuum m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e .

I n a n o t h e r a s p e c t t h i s i n v e n t i o n d i s c l o s e s a p r o c e s s o fmaking a t l e a s t o n e i n t e g r a t e d vacuum m i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e c o m p r i s i n g t h e s t e p s o f :a ) p r o v i d i n g a t l e a s t o n e h o l e i n a s u b s t r a t e ,

b ) d e p o s i t i n g a t l e a s t o n e i n s u l a t i v e m a t e r i a l a n d ? l l i n gt h e h o l e t o form a c u s p ,

c ) d e p o s i t i n g a t l e a s t o n e l a y e r o f a m a t e r i a l which i sc a p a b l e o f e m i t t i n g e l e c t r o n s u n d e r t h e i n ? u e n c e o f a ne l e c t r i c a l ? e l d , a n d ? l l i n g a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e c u s pt o form a t i p ,

1 ) p r o v i d i n g a t l e a s t one a c c e s s h o l e t o h e l p f a c i l i t a t e t h er e m o v a l o f m a t e r i a l u n d e r n e a t h t h e c u s p , a n d

e ) t h r o u g h t h e a c c e s s h o l e r e m o v i n g a l l o f t h e m a t e r i a l i nt h e h o l e a n d e x p o s i n g a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e t i p o f t h ee l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l a n d a t l e a s t a p o r t i o n o f t h ee l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e m a t e r i a l i n t h e s u b s t r a t e ,t h e r e b y f o r m i n g a t l e a s t o n e i n t e g r a t e d vacuum m i c r oe l e c t r o n i c d e v i c e .

S t i l l a n o t h e r a s p e c t o f t h i s i n v e n t i o n d i s c l o s e s a n i n t eg r a t e d vacuum m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e c o m p r i s i n g a n e l e ct r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l h a v i n g a ? e l d e m i s s i o n t i p a n d a t l e a s tone a c c e s s h o l e t h a t l e a d s i n t o a chamber, wherein t h e ? e l de m i t t e r t i p f a c e a n a n o d e which i s i n t h e chamber a n ds e p a r a t e d b y a t l e a s t o n e m a t e r i a l .

The i n t e g r a t e d vacuum m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e o f t h i si n v e n t i o n c o u l d a l s o have a t l e a s t one e m i t t e r t i p which i se l e c t r i c a l l y i s o l a t e d from a n o t h e r t i p o r a t l e a s t o n e t i p c o u l db e e l e c t r i c a l l y c o n n e c t e d t o a n o t h e r e l e c t r o n i c c o m p o n e n t .S i m i l a r l y , t h e a n o d e c o u l d b e a p a r t o f a n e l e c t r o n i c d i s p l a yd e v i c e o r t h e d e v i c e i t s e l f c o u l d be a used i n an e l e c t r o n i cd i s p l a y d e v i c e .

Aproduct c a n a l s o b e made b y a n y o f t h e p r o c e s s e s o f t h i si n v e n t i o n .

One o b j e c t o f t h i s d i s c l o s u r e i s t o f a b r i c a t e one o r moreVacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s , c o n s i s t i n g o f a ? e l d e m i tt e r t i p c a t h o d e ) a l i g n e d i n s i d e a c o n t r o l e l e c t r o de o r g r i d o r

1 0

20

2 5

3 0

3 5

40

45

5 5

60

65

6e x t r a c t i o n e l e c t r o d e g a t e ) a n d d i a m e t r i c a l l y o p p o s e d t o ae l e c t r o n c o l l e c t i o n e l e c t r o d e a n o d e ) .

A n o t h e r o b j e c t i s t o m o d i f y t h e b a s i c p r o c e s s t o c r e a t es i m p l e r d i o d e s t r u c t u r e s w h i c h f u n c t i o n w i t h o u t g a t e s t r u c ~t u r e s .

S t i l l a n o t h e r o b j e c t i s t o a d d a d d i t i o n a l g a t e s t r u c t u r e s t of o r m more c o m p l e x d e v i c e s s u c h a s , f o r e x a m p l e , t e t r o d e st w o g a t e s ) , p e n t o d e s t h r e e g a t e s ) , t o name a f e w .

Y e t a n o t h e r o b j e c t i s t o l i m i t t h e n o n p r o d u c t i v e u n d e r c u to f t h i s p r o c e s s b y e m p l o y i n g a n o v e l t w o s t e p e t c h i n gs e q u e n c e .S t i l l y e t a n o t h e r o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n i s t o i n t e r c o n n e c ta t l e a s t one o f t h e VMD e v i c e i n t o i n t e g r a t e d c i r c u i t s .

Y e t a n o t h e r o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n i s t o i n t e r c o n n e c t a tl e a s t one o f t h e VMD e v i c e t o a n o t h e r e l e c t r o n i c d e v i c e .

The o b j e c t s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n c a n b e a c h i e v e d u s i n ga n o v e l f a b r i c a t i o n p r o c e s s i n which t h e c o n f o r m a l d e p o s it i o n o f a n i n s u l a t o r i n t o a h o l e p r o d u c e s a s y m m e t r i c c u s pt h a t can be used a s a mold t o form a p o i n t e d o r s h a r p ? e l de m i s s i o n t i p . S i n c e t i s o n l y t h e p h y s i c a l h o l e t h a t a l l o w s t h ec u s p t o f o r m , t h e h o l e c a n be c r e a t e d o u t o f a n y s t a b l em a t e r i a l i n c l u d i n g l a y e r e d a l t e r n a t i n g s t a c k s o f c o n d u c t o r sand i n s u l a t o r s which can a c t a s t h e e l e c t r o d e s o f t h e ?nishedd e v i c e . Two e l e c t r o d e s a n o d e a n d e m i t t e r ) f o r m a s i m p l ed i o d e w h i l e t h r e e , f o u r , a n d ? v e e l e c t r o d e s would f o r mr e s p e c t i v e l y a t r i o d e , t e t r o d e , a n d p e n t o d e f o r e x a m p l e .F u r t h e r , s i n c e t h e c u s p i s s e l f a l i g n e d w i t h i n t h e c e n t e r o f t h eh o l e i t i s a l s o a l i g n e d t o t h e c e n t e r o f t h e s e e l e c t r o d e s . Theb a s i c d e v i c e s t r u c t u r e i s c o m p l e t e d b y ? l l i n g t h e c u s p w i t ha m a t e r i a l c a p a b l e o f e m i t t i n g e l e c t r o n s u n d e r t h e i n ? u e n c eo f a n e l e c t r i c ? e l d o r a n e l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l . Accessh o l e s c r e a t e d i n t h e e l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l a l l o w t h er e m o v a l o f t h e i n s u l a t o r o f t h e c u s p f o r m i n g l a y e r from t h eh o l e a n d f r o m u n d e r n e a t h t h e e m i t t e r m a t e r i a l , t h u s f o r m i n ga s p a c e a n d f r e e i n g t h e s h a r p t i p o f t h e e m i t t e r ? e l de m i s s i o n c a t h o d e ) t h a t was molded by t h e c u s p .

The p r o c e s s i s n o t l i m i t e d t o a n y p a r t i c u l a r s e t o f e m i t t e r ,c o n d u c t o r , o r i n s u l a t o r m a t e r i a l s . Many d i ? e r e n t m a t e r i a l sa n d m a t e r i a l c o m b i n a t i o n s c a n e a s i l y b e u s e d w i t h t h i sp r o c e s s .

The removal o f t h e c u s p i n s u l a t o r m a t e r i a l t o p r o d u c e ac l e a n e m i t t e r t i p , r e s u l t s i n t h e r e m o v a l o f m a t e r i a l f r o mu n d e r t h e e m i t t e r t o f r e e t h e t i p , r e q u i r i n g t h e u s e o f f o re x a m p l e a n i s o t r o p i c e t c h . E x c l u s i v e u s e o f i s o t r o p i c e t c h i n gw o u l d p r o d u c e e x c e s s i v e n o n p r o d u c t i v e u n d e r c u t . T h i s n o np r o d u c t i v e u n d e r c u t o n l y s e r v e s t o weaken t h e s t r u c t u r e andoccupy u n n e c e s s a r y s p a c e . To e l i m i n a t e t h i s l i m i t a t i o n an o v e l two s t e p e t c h p r o c e s s i s used t o minimize t h i s nonp r o d u c t i v e u n d e r c u t . I n t h i s p r o c e s s , two a c c e s s h o l e s , oneon e a c h s i d e o f t h e e m i t t e r b r i d g e t h a t s p a n s t h e vacuums p a c e a r e m a d e . These a c c e s s h o l e s i n t e n t i o n a l l y o v e r l a p t h evacuum s p a c e h o l e . These a c c e s s h o l e s f u r t h e r a l l o w t h ecusp i n s u l a t o r e t c h a n t s t o empty t h e vacuum s p a c e . Ar e a c t i v e i o n e t c h R I E ) i s u s e d t o s e l e c t i v e l y e t c h t h ei n s u l a t o r a l l t h e way t o t h e bottom o f t h e vacuum s p a c e h o l ew i t h o u t u n d e r c u t . A e l e c t i v e i s o t r o p i c e t c h w e t o r p l a s m a )i s t h e n u s e d t o remove t h e i n s u l a t o r p a r t i t i o n from u n d e r t h eb r i d g e , t h u s f r e e i n g t h e e m i t t e r t i p a n d c r e a t i n g t h e o p e n i n gf o r t h e vacuum s p a c e o r f o r m i n g a c h a m b e r . The r e s u l t i n gu n d e r c u t on o t h e r e x p o s e d i n s u l a t o r e d g e s i s l i m i t e d t o a namount e q u a l t o h a l f t h e p a r t i t i o n t h i c k n e s s b e c a u s e i t i sb e i n g e t c h e d f r o m b o t h s i d e s .

S i n c e t h e e l e c t r o d e s a r e made o f s i m p l e c o n d u c t o r s ,d e v i c e i n t e r c o n n e c t i o n c a n b e a c c o m p l i s h e d u s i n g t h e samel a y e r s a n d v e r t i c a l l y t h r o u g h v i a s i n t h e i n s u l a t o r s . T h i se l i m i n a t e s t h e e x t r a w i r i n g l a y e r s a n d g r e a t l y s i m p l i ? e so v e r a l l f a b r i c a t i o n , t u r n a r o u n d t i m e , a n d d e v i c e a r e a b y

8/12/2019 Us 5463269

11/16

5 , 4 6 3 , 2 6 97

r e d u c i n g t h e a v e r a g e number o f d e v i c e c o n t a c t o p e n i n g s .P a s s i v e d e v i c e s a r e a l s o e a s i l y m a d e . F o r e x a m p l e ,

c a p a c i t o r s c a n b e made a c r o s s t h e n o r m a l i n s u l a t i n g l a y e r se v e n a l l o w i n g v e r t i c a l c o u p l i n g o f l a y e r s c a p a c i t i v e l y e . g .o n e d e v i c e s p l a t e t o a n o t h e r s g r i d l e v e l ) a n d c a n a l s o b ei n t e g r a t e d i n s u b s t r a t e u s i n g t r e n c h t e c h n i q u e s . The u s e o fm e t a l o x i d e s i s a good e x a m p l e o f r e s i s t o r e l e m e n t s a n d i t ,t o o , m a y be done b etween v e r t i c a l c o n d u c t o r l e v e l s o r a ss e p a r a t e e l e m e n t s .

A d d i t i o n a l a d v a n t a g e s a n d , f e a t u r e s w i l l b e c o m e a p p a r e n ta s t h e s u b j e c t i n v e n t i o n b e c o m e s b e t t e r u n d e r s t o o d b yr e f e r e n c e t o t h e f o l l o w i n g d e t a i l e d d e s c r i p t i o n when c o ns i d e r e d i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e a c c o m p a n y i n g d r a w i n g s .

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGSThe f e a t u r e s o f t h e i n v e n t i o n b e l i e v e d t o b e n o v e l a n d t h e

e l e m e n t s c h a r a c t e r i s t i c o f t h e i n v e n t i o n a r e s e t f o r t h w i t hp a r t i c u l a r i t y i n t h e a p p e n d e d c l a i m s . The d r a w i n g s a r e f o ri l l u s t r a t i o n o n l y and a r e n o t drawn t o s c a l e . The i n v e n t i o ni t s e l f , h o w e v e r , b o t h a s t o o r g a n i z a t i o n a n d method o fo p e r a t i o n , may b e s t b e u n d e r s t o o d b y r e f e r e n c e t o t h ed e t a i l e d d e s c r i p t i o n w h i c h f o l l o w s t a k e n i n c o n j u n c t i o n w i t ht h e a c c o m p a n y i n g d r a w i n g s i n w h i c h :

FIG. 1A, i s a c r o s s - s e c t i o n a l view o f a base o f a VMDh a v i n g an c o n d u c t i v e l a y e r o v e r a n i n s u l a t i v e s u b s t r a t e .

F I G . 1 B , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a n o t h e r embodimento f a b a s e o f a VMD a v i n g a n c o n d u c t i v e l a y e r , and a n i ni n s u l a t o r l a y e r o v e r a c o n d u c t i v e s u b s t r a t e .

F I G . 2 , show c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f t h e b a s e o f F I G . 1Ah a v i n g a g r i d i n s u l a t o r a n d a g r i d c o n d u c t o r o v e r i t .

F I G . 3 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w w i t h a p o r t i o n o f t h eVMD t r u c t u r e e t c h e d .F I G . 4 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w s h o w i n g t h e d e p o s i t i o n

o f a c u s p f o r m i n g m a t e r i a l .F I G . 5 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w s h o w i n g t h e d e p o s i t i o n

o f a n e l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l .F I G . 6 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w s h o w i n g t h e a c c e s s h o l e s

t h r o u g h t h e e l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l .F I G . 7 A , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a c o m p l e t e d VMD

t r i o d e a s a r e s u l t o f an i s o t r o p i c e t c h i n g .FIG. 7B, i s a c r o s s - s e c t i o n a l view of a VMD r i o d e a s ar e s u l t o f a n a n i s o t r o p i c e t c h i n g .F I G . 8 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a c o m p l e t e d VMD

t r i o d e a s a r e s u l t o f a n i s o t r o p i c e t c h i n g o f t h e s t r u c t u r e o fF I G . 7 B .

F I G . 9 A , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f VMD i o d e madea c c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g s o f t h i s i n v e n t i o n .

F I G . 9 B , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a n o t h e r embodimento f a VMD i o d e made a c c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g s o f t h i si n v e n t i o n .

F I G . 9 C , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f s t i l l a n o t h e r embodiment o f a VMD i o d e made a c c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g s o ft h i s i n v e n t i o n .

F I G . 9 D , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f y e t s t i l l a n o t h e rembodiment o f a VMD i o d e made a c c o r d i n g t o t h e t e a c hi n g s o f t h i s i n v e n t i o n .F I G . 1 0 , i s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a c o m p l e t e d p e n t o d eVMD made a c c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g s o f t h i s i n v e n t i o n .

F I G . 1 1 , s h o w s a c r o s s - s e c t i o n a l v i e w o f a n e m i t t e r l a y e rc o m p o s e d o f a p l u r a l i t y o f l a y e r s .

F I G . 1 2 , i l l u s t r a t e s a p e r s p e c t i v e a n d c u t - a w a y v i e w o f ap a r t i a l ? e l d e m i s s i o n s t r u c t u r e t h a t h a s b e e n i n t e r c o n n e c t e d .

20

2 5

3 0

3 5

4 0

5 0

5 5

60

6 5

8F I G . 1 3 , i l l u s t r a t e s a p e r s p e c t i v e and c u t - a w a y v i e w o f ap a r t i a l ? e l d e m i s s i o n s t r u c t u r e s h o w i n g t h e t i p w i t h a

b l a d e p r o ? l e .

DET A ILE D DESCRIPTION OF THEI N VENTIONT h i s i n v e n t i o n d e s c r i be s a n o v e l new t e c h n i q u e and

s t r u c t u r e f o r t h e i n t e g r a t e d f a b r i c a t i o n o f one o r morei n t e g r a t e d Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s .

One o f t h e m a j o r e l e m e n t s i n t h e f a b r i c a t i o n o f t h ei n t e g r a t e d Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e i s t h e u s e o f t h ec u s p which s f o r m e d b y t h e c o n f o r m a l d e p o s i t i o n i n a r o u n dh o l e . O t h e r s y m m e t r i c a l h o l e s h a p e s w i l l a l s o r e s u l t i n as i n g l e p o i n t e d c u s p , b u t a r o u n d s h a p e d h o l e w i l l r e s u l t i n a no p t i m u m c u s p .

The a y e r made o f c o n d u c t i v e m a t e r i a l c o u l d a l s o b e madeo f c o m p o s i t e l a y e r s o f c o n d u c t i v e m a t e r i a l , s o t h a t t h e t i pe n d s up a s b e i n g made o f a l a y e r e d o r c o m p o s i t e m a t e r i a l .O n c e t h i s t e m p l a t e i s e t c h e d a w a y u s i n g i s o t r o p i c e t c hwhich s i m u l t a n e o u s l y forms t h e vacuum s p a c e , a n e m i t t e rp o i n t w i l l r e s u l t . P r e f e r a b l y , t h i s t i p s h o u l d h a v e t h e r e q u i r e ds m a l l r a d i u s f o r e x a m p l e b e t w e e n l 0 1 0 0 n m ) , r e q u i r e d b yt h e d e v i c e , b u t i f n e c e s s a r y , t he t i p c a n b e f u r t h e r s h a r p e n e db y i s o t r o p i c e t c h i n g o r o x i d i z i n g a s m a l l a m o u n t o f t h ec o n d u c t o r t i p t o a c h i e v e a n y d e s i r e d t i p r a d i u s .

I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t many d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s o fm a t e r i a l s , d e p o s i t i o n t e c h n i q u e s s p u t t e r , C V D , p l a t i n g ,e t c . ) , a n d e t c h t e c h n i q u e s w e t , d r y , i o n , e t c . ) o r a d d i t i v ep a t t e r n f o r m a t i o n t e c h n i q u e s c a n b e u s e d i n t h e f a b r i c a t i o ns t e p s .

A n o t h e r m e t h o d o f v e r t i c a l i n t e g r a t i o n i s t h e s t a c k i n g o fwhole d e v i c e l a y e r s e t s one on t o p o f a n o t h e r . S i n c e t h e s ed e v i c e s a r e n o t d e p e n d e n t on s p e c i a l m a t e r i a l s s u c h a s s i n g l ec r y s t a l s i l i c o n , t h e s e d e v i c e l a y e r s e t s c a n a l s o b e i n t e g r a t e don t o p o f o t h e r t e c h n o l o g i e s s u c h a s s e m i c o n d u c t o r s andm u l t i l a y e r c e r a m i c p a c k a g e s .

The d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e Vacuum M i c r o e l e c t r o n i cD e v i c e s t r u c t u r e a n d t h e p r o c e s s f o r f a b r i c a t i n g i t , a sd e s c r i b e d b e l o w , h a s b e e n s i m p l i ? e d b y u s i n g s e v e r a l p r ede?ned and named p r o c e s s s e q u e n c e s o r d e ? n i t i o n s t h a t a r er e p e t i t i v e l y r e f e r e n c e d .

The term VMD r V acu u m M i c r o e l e c t r o n i c Device a su s e d h e r e i n , means n o t o n l y a d i o d e b u t a t r i o d e , t e t r o d e ,p e n t o d e o r a n y o t h e r d e v i c e t h a t i s made u s i n g t h i s p r o c e s s ,i n c l u d i n g t h e i n t e r c o n n e c t i o n t h e r e o f . B a s i c a l l y , a VMD sa n y d e v i c e w i t h a t l e a s t a s h a r p e m i t t e r c a t h o d e ) t i p , and ac o l l e c t o r a n o d e ) w i t h a n i n s u l a t o r s e p a r a t i n g t h e e m i t t e r a n dt h e r e i s a p r e f e r a b l y a d i r e c t t r a n s m i s s i o n o f e l e c t r o n s fromt h e e m i t t e r t o t h e c o l l e c t o r .

The t e r m l i t h o g r a p h i c a l l y de?ned r e f e r s t o a p r o c e s ss e q u e n c e o f t h e f o l l o w i n g p r o c e s s s t e p s . F i r s t a m a s k i n gl a y e r t h a t i s s e n s i t i v e i n a p o s i t i v e o r n e g a t i v e s e n s e t o somef o r m o f a c t i n i c r a d i a t i o n , f o r e x a m p l e , l i g h t , E - b e a m s ,a n d / o r X - r a y s , i s d e p o s i t e d on t h e s u r f a c e o f i n t e r e s t . S e co n d , t h i s l a y e r i s e x p o s e d p a t t e m w i s e t o t h e a p p r o p r i a t ea c t i n i c r a d i a t i o n a n d d e v e l o p e d t o s e l e c t i v e l y remove t h em a s k i n g l a y e r a n d e x p o s e t h e u n d e r l y i n g s u r f a c e i n t h ep a t t e r n s r e q u i r e d . T h i r d t h e e x p o s e d s u r f a c e i s e t c h e d t oremove a l l o r p a r t o f t h e u n d e r l y i n g m a t e r i a l a s r e q u i r e d .F o u r t h , t h e r e m a i n i n g a r e a s o f t h e m a s k i n g l a y e r a r er e m o v e d .

A l t e r n a t i v e l y , t h e t e r m l i t h o g r a p h i c a l l y d e ? n e d c a nr e f e r t o f o l l o w i n g l i f t o l f p r o c e s s . The same r e q u i r e dp a t t e r n s i n a m a t e r i a l l a y e r a s p r o d u c e d i n t h e p r e v i o u s l y

8/12/2019 Us 5463269

12/16

5 , 4 6 3 , 2 6 99

d e s c r i b e d p r o c e s s a r e c r e a t e d . T h i s p r o c e s s s t a r t s on t h es u r f a c e t h a t i s t o r e c e i v e t h e d e s i r e d p a t t e r n e d m a t e r i a l l a y e r .F i r s t , a m a s k i n g l a y e r t h a t i s s e n s i t i v e i n a p o s i t i v e o rn e g a t i v e s e n s e t o some c t i n i c r a d i a t i o n , f o r e x a m p l e , l i g h t ,E - b e a m s , a n d / o r X - r a y s , i s d e p o s i t e d o n t h e s u r f a c e . S e co n d l y , t h i s l a y e r i s e x p o s e d p a t t e m w i s e t o t h e a p p r o p r i a t ea c t i n i c r a d i a t i o n a n d d e v e l o p e d t o s e l e c t i v e l y remove t h em a s k i n g l a y e r a n d e x p o s e t h e u n d e r l y i n g s u r f a c e i n p a t t e r n sw h e r e t h e d e s i r e d m a t e r i a l l a y e r i s t o r e m a i n . The d e p o s it i o n , e x p o s u r e , a n d d e v e l o p m e n t p r o c e s s i s c o n t r o l l e d i ns u c h a way h a t t h e e d g e s o f t h e r e m a i n i n g mask i m a g e h a sa n e g a t i v e o r u n d e r c u t p r o ? l e . T h i r d l y , t h e d e s i r e d m a t e r i a li s d e p o s i t e d o v e r b o t h t h e open a n d mask c o v e r e d a r e a s b ya l i n e o f s i g h t d e p o s i t i o n p r o c e s s s u c h a s e v a p o r a t i o n .F i n a l l y , t h e m a s k m a t e r i a l i s r e m o v e d , f o r e x a m p l e , b yd i s s o l u t i o n a n d f r e e i n g a n y m a t e r i a l o v e r i t a n d a l l o w i n g i tt o be washed a w a y .

The t e r m c o n d u c t i v e m a t e r i a l o r c o n d u c t o r l a y e r o r c o n d u c t i v e s u b s t r a t e r e f e r s t o a n y o f a wide v a r i e t y o fm a t e r i a l s w h i c h a r e e l e c t r i c a l c o n d u c t o r s . T y p i c a l e x a m p l e si n c l u d e t h e e l e m e n t s M o , W , T a , R e , P t , A u , A g , A l , C u , N b ,N i , C r , T i , Z r , a n d H f , a l l o y s o r s o l i d s o l u t i o n s c o n t a i n i n gtwo o r more o f t h e s e e l e m e n t s , doped and undoped s e m ic o n d u c t o r s s u c h a s S i , G e , o r t h o s e commonly known a sI I I V c o m p o u n d s , a n d n o n - s e m i c o n d u c t i n g c o m p o u n d ss u c h a s v a r i o u s n i t r i d e s , b o r i d e s , c u b i d e s f o r e x a m p l eL a B g ) , a n d s o m e o x i d e s o f f o r e x a m p l e S n , A g , I n S n ) .

The t e r m i n s u l a t i v e m a t e r i a l o r i n s u l a t o r l a y e r o r i n s u l a t i v e s u b s t r a t e r e f e r s t o a w i d e v a r i e t y o f m a t e r i a l st h a t a r e e l e c t r i c a l i n s u l t o r s e s p e c i a l l y g l a s s e s , a n d c e r a m i c s .T y p i c a l e x a m p l e s i n c l u d e e l e m e n t s s u c h a s c a r b o n i n ad i a m o n d f o r m c r y s t a l l i n e o r a m o r p h o u s ) , s i n g l e c r y s t a lcompounds s u c h a s s a p p h i r e , g l a s s e s a n d p o l y c r y s t a l l i n e o ra m o r p h o u s compounds s u c h a s some o x i d e s o f S i , A l , - Mg,and C e , some ? u o r i d e s o f C a , and Mg, some c a r b i d e s andn i t r i d e s o f s i l i c o n , and c e r a m i c s s u c h a s a l u m i n a o r g l a s sc e r a m i c .

The t e r m e l e c t r o n ~ e m i t t i n g m a t e r i a l o r e m i t t e r l a y e r o r e m i t t e r ma t e r i a l r e f e r s t o a n y m a t e r i a l c a p a b l e o fe m i t t i n g e l e c t r o n s u n d e r t h e i n ? u e n c e o f a n e l e c t r i c ? e l d .T y p i c a l e x a m p l e s i n c l u d e a n y o f t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t o r s ,s u c h a s t h e e x a m p l e s l i s t e d a b o v e , a n d b o r i d e s o f t h e r a r ee a r t h e l e m e n t s , s o l i d s o l u t i o n s c o n s i s t i n g o f l ) a b o r i d e o f ar a r e e a r t h o r a n a l k a l i n e e a r t h s u c h a s C a , S r , o r B a ) , and 2 )a b o r i d e o f a t r a n s i t i o n m e t a l s u c h a s Hf r Z r ) . The e m i t t e rm a t e r i a l c a n be a s i n g l e l a y e r e d , a c o m p o s i t e o r a m u l t i l a ye r e d s t r u c t u r e . An e x a m p l e o f a m u l t i l a y e r e d e m i t t e r m i g h ti n c l u d e , t h e a d d i t i o n of one o r more o f t h e f o l l o w i n g , a workf u n c t i o n e n h a n c e m e n t l a y e r , a n r o b us t e m i t t e r l a y e r , a s p u tt e r r e s i s t a n t l a y e r , a h i g h p e r f o r m a n c e e l e c t r i c a l l y c o n d u ct i v e l a y e r , a t h e r m a l l y c o n d u c t i v e l a y e r , a p h y s i c a l l ys t r e n g t h e n i n g l a y e r o r a s t i f f e n i n g l a y e r . T h i s m u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e may c o n t a i n b o t h e m i t t e r a n d n o n - e m i t t e r m a t er i a l s , w h i c h c a n a l l a c t s y n e r g i s t i ca l l y t o g e t h e r t o o p t i m i z ee m i t t e r p e r f o r m a n c e . An e x a m p l e o f t h i s i s d i s c u s s e d i nB u s t a , H . H . e t a l . F i e l d E m i s s i o n f r o m T u n g s t e n ~ C l a dS i l i c o n P y r a m i d s , IEEE T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r o n D e v i c e s ,V o l . 3 6 , N o . 1 1 , p a g e s 2 6 7 9 - 2 6 8 5 N o v e m b e r 1 9 8 9 ) , w h e r et h e y show t h e u s e o f c o a t i n g o r c l a d d i n g on t h e s e c a t h o d et i p s o r p y r a m i d s t o e n h a n c e o r m o d i f y t h e c a t h o d e t i pp r o p e r t i e s .

T h i s c o a t i n g o r c l a d d i n g c a n a l s o b e u s e d i n s i t u a t i o n swhere one c a n n o t form t h e d e s i r e d t i p s t r u c t u r e o r i t i sd i f f i c u l t t o form t h e d e s i r e d t i p s t r u c t u r e f o r t h e c a t h o d ee m i t t e r .

The t e r m d e p o s i t e d r e f e r s t o a n y method o f l a y e r

1 5

20

2 5

3 0

35

40

45

55

65

1 0f o r m a t i o n t h a t i s s u i t a b l e t o t h e m a t e r i a l a s a r e g e n e r a l l yp r a c t i c e d t h r o u g h o u t t h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y . One o rm o r e o f t h e f o l l o w i n g e x a m p l e s o f d e p o s i t i o n t e c h n i q u e sc a n b e u s e d w i t h t h e p r e v i o u s l y m e n t i o n e d m a t e r i a l s , s u c ha s , s p u t t e r i n g , c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n , e l e c t r o o r e l e ct r o l e s s p l a t i n g , o x i d a t i o n , e v a p o r a t i o n , s u b l i m a t i o n , p l a s m ad e p o s i t i o n , a n o d i z a t i o n , a n o d i c d e p o s i t i o n , m o l e c u l a r beamd e p o s i t i o n o r p h o t o d e p o s i t i o n .

The term t i p a s used h e r e i n means n o t o n l y a p o i n t e dp r o j e c t i o n b u t a l s o a b l a d e . F i e l d e m i t t e r s h a p e s o t h e r t h a np o i n t s a r e sometimes u s e d , s u c h a s b l a d e s . B l a d e s a r eformed u s i n g t h e same methods e x c e p t t h a t t h e h o l e i s an a r r o w e l o n g a t e d s e g m e n t . T h e s h a p e o f t h e s h a r p e d g e o ft h e blade can be l i n e a r o r c i r c u l a r o r a l i n e a r segment o r acurved segment t o name a f e w .

The h o l e t h a t i s u s e d t o e v e n t u a l l y f o r r u t h e c u s p , f r o m t h ec u s p f o r m i n g m a t e r i a l , c a n b e f o r m e d b y a p r o c e s s s e l e c t e df r o m a g r o u p c o m p r i s i n g , a b l a t i o n , d r i l l i n g , e t c h i n g , i o nm i l l i n g o r m o l d i n g . The h o l e c a n a l s o b e e t c h e d , u s i n ge t c h i n g t e c h n i q u e s s e l e c t e d f r o m a g r o u p c o m p r i s i n g a n i s ot r o p i c e t c h i n g , i o n b e a m e t c h i n g , i s o t r o p i c e t c h i n g , r e a c t i v ei o n e t c h i n g , p l a s m a e t c h i n g o r w e t e t c h i n g . The h o l e c o u l dhave a p r o ? l e where t h e d i m e n s i o n s o f t h e h o l e a r e c o n s t a n tw i t h d e p t h o r t h e d i m e n s i o n s o f t h e h o l e c o u l d v a r y w i t hd e p t h .

T h e c u s p f o r m i n g m a t e r i a l i s p r e f e r a b l y c o n f o r r n a l l yd e p o s i t e d . T h e c u s p f o r m i n g m a t e r i a l c o u l d b e a n i n s u l a t i v e m a t e r i a l o r i t c o u l d c o m p r i s e o f m u l t i l a y e r s .

The a c c e s s h o l e t h a t i s formed t o remove t h e m a t e r i a lf r o m u n d e r n e a t h t h e e l e c t r o n - e m i t t e r t i p c o u l d b e f o r m e d b ya p r o c e s s s e l e c t e d from a g r o u p c o m p r i s i n g , a b l a t i o n , d r i l li n g , e t c h i n g o r i o n m i l l i n g . The a c c e s s h o l e c o u l d a l s o b ee t c h e d , u s i n g e t c h i n g t e c h n i q u e s s e l e c t e d f r o m a g r o u pc o m p r i s i n g a n i s o t r o p i c e t c h i n g , i o n b e a m e t c h i n g , i s o t r o p i ce t c h i n g , r e a c t i v e i o n e t c h i n g , p l a s m a e t c h i n g o r w e t e t c h i n g .S i m i l a r l y , t h e ma t e r i a l u n d e r t h e c u s p c o u l d b e removed b ya p r o c e s s s e l e c t e d from t h e g r o u p c o m p r i s i n g , d i s s o l u t i o n o re t c h i n g .

The s u b s t r a t e m a y be a n i n s u l a t o r and s e r v e a s p a r t o f t h ei s o l a t i o n b e t w e e n a d j a c e n t e l e c t r i c a l s t r u c t u r e s . I n s u l a t i n gs u b s t r a t e s a r e e s p e c i a l l y u s e f u l i n m i n i m i z i n g p a r a s i t i cc a p a c i t a n c e w h i c h c a n i n t u r n s i g n i ? c a n t l y i m p r o v e d e v i c ef r e q u e n c y r e s p o n s e . T r a n s p a r e n t i n s u l a t i n g s u b s t r a t e s a r ee s p e c i a l l y u s e f u l i n d i s p l a y a p p l i c a t i o n s w h e r e t h e s u b s t r a t ecan a l s o s e r v e a s t h e d i s p l a y window on which both l i g h te m i t t i n g s t r u c t u r e s a n d c o n t r o l c i r c u i t s c a n b e i n t e g r a t e dt o g e t h e r .

The s u b s t r a t e c o u l d be made o f a c o n d u c t i v e m a t e r i a l . Ac o n d u c t i v e s u b s t r a t e may s e r v e a s p a r t o f t h e f u n c t i o n i n gs t r u c t u r e such a s a common node p l a t e ) or a common i a sv o l t a g e c o n d u c t o r . A o n d u c t i v e s u b s t r a t e c a n a l s o b e i s ol a t e d f r o m t h e e l e c t r i c a l d e v i c e s w i t h t h e s i m p l e a d d i t i o n o fa n i n s u l a t i n g l a y e r .

The s u b s t r a t e whether made from a conductive m a t e r i a l o ra n i n s u l a t i v e m a t e r i a l s e r v e s p r i m a r i l y a s a p h y s i c a l s u p p o r tf o r s u b s e q u e n t f u n c t i o n a l l a y e r s a n d p r o c e s s i n g .

F I G S . 1A a n d 1 B , i l l u s t r a t e t h e d e v i c e b a s e s t r u c t u r e . I ft h e Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e , i s t o be formed on a ni n s u l a t i v e s u b s t r a t e 1 0 , t h e n a ?lm o r l a y e r o f c o n d u c t i v ea n o d e 1 3 , i s d e p o s i t e d d i r e c t l y o n t h e i n s u l a t i v e s u b s t r a t e 1 0 ,a s i l l u s t r a t e d i n F I G . 1 A . The i n s u l a t i v e s u b s t r a t e 1 0 , c o u l dbe made o f a s i l i c o n d i o x i d e m a t e r i a l , b u t o t h e r m a t e r i a l s a sd i s c u s s e d e a r l i e r c a n b e u s e d . Doped p o l y s i l i c o n i s a t y p i c a lm a t e r i a l f o r t h e a n o d e 1 3 , b u t o t h e r e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v em a t e r i a l a s d i s c u s s e d e l s e w h e r e c o ul d be u s e d .When conductive s u b s t r a t e i s used a s a common node,

8/12/2019 Us 5463269

13/16

5 , 4 6 3 , 2 6 91 1

o r i s a doped s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l w i t h a n y d e s i r e di s o l a t i o n s f o r m e d b y e l e c t r i c a l l y b i a s e d P - N j u n c t i o n s , t h a ts u b s t r a t e c a n b e u s e d d i r e c t l y . I f , a n o n - s e m i c o n d u c t o rc o n d u c t i v e s u b s t r a t e o r a d o p e d s e m i c o n d u c t o r s u b s t r a t ew i t h o u t P-N u n c t i o n s ) , i s t o b e i s o l a t e d f r o m t h e e l e c t r i c a ld e v i c e s , t h e n a n i n s u l a t i n g l a y e r i s d e p o s i t e d , f o l l o w e d b yt h e d e p o s i t i o n o f a n a n o d e c o n d u c t i v e l a y e r .

I f a n e l e c t r i c a l l y i s o l a t a b l e VMD e v i c e i s t o b e formedon c o n d u c t i v e s u b s t r a t e 1 1 , a s shown n F I G . 1 B , t h e n on t h ec o n d u c t i v e s u b s t r a t e 1 1 , a n i n s u l a t i v e ?lm o r l a y e r 1 2 i sd e p o s i t e d . A a y e r o r ?lm o f a c o n d u c t i v e a n o d e 1 3 , w h i c hc o u l d b e d o p e d p o l y s i l i c o n , i s t h e n d e p o s i t e d o n t h e i n s ul a t o r l a y e r 1 2 . The m a t e r i a l f o r t h e c o n d u c t i v e s u b s t r a t e 1 1 ,c o u l d b e a s i l i c o n m a t e r i a l . The i n s u l a t i v e l a y e r 1 2 , c a n bef o r m e d b y t h e o x i d i z i n g t h e s i l i c o n m a t e r i a l o f t h e s u b s t r a t e1 1 , o r b e d e p o s i t e d by o t h e r means known i n t h e a r t . O t h e rm a t e r i a l s t h a t a r e e q u a l l y a c c e p t a b l e f o r t h e c o n d u c t i v es u b s t r a t e 1 1 o r t h e i n s u l a t i v e l a y e r 1 2 , h a v e a l r e a d y b e e nd i s c u s s e d e a r l i e r .

Once t i s d e c i d e d on h e b a s i c s u b s t r a t e s t r u c t u r e t h e n t h es u b s e q u e n t s t e p s c a n be t h e s a m e . F o r t h e i l l u s t r a t i o n o f t h eb e s t mode t o c a r r y o u t t h i s i n v e n t i o n t h e s u b s t r a t e con?gur a t i o n o f F I G . 1 A , w i l l b e u s e d , e v e n t h o u g h s i m i l a r d e v i c ew o u l d r e s u l t i f t h e s u b s t r a t e c o n ? g u r a t i o n o f F I G . 1 B , i su s e d .

As shown i n F I G . 2 , on t h e a n o d e c o n d u c t i v e l a y e r 1 3 , al a y e r o f g r i d i n s u l a t o r 1 5 , c o u l d b e m a d e f o r e x a m p l e , b yo x i d i z i n g t h e d o p e d p o l y s i l i c o n o f l a y e r 1 3 , o r b y d e p o s i t i n ga n i n s u l a t i n g g l a s s l a y e r , t o name a f e w . On t o p o f g r i di n s u l a t o r 1 5 , i s d e p o s i t e d a l a y e r o f g r i d c o n d u c t o r 1 7 , b ya n y o f t h e m e t h o d s d i s c u s s e d e a r l i e r . The m a t e r i a l f o r t h eg r i d c o n d u c t o r 1 7 , f o r e x a m p l e , c o u l d b e d o p e d p o l y s i l i c o nb u t , o t h e r m a t e r i a l s d i s c u s s e d e l s e w h e r e c a n a l s o b e u s e d .

T h i s p r o c e s s o f f o r m i n g a d d i t i o n a l i n s u l a t i v e o r c o n d u c ~t i v e m a t e r i a l s i s r e p e a t e d f o r e a c h c o n t r o l e l e c t r o d e s t r u c t u r ed e s i r e d i n t h e ? n a l a c t i v e d e v i c e .

The n e x t s t e p i s t o c r e a t e t h e vacuum h o l e o r s p a c e 1 9 , a sshown i n F I G . 3 . The va cuum s p a c e 1 9 , i s l i t h o g r a p h i c a l l yde?ned a n d e t c h e d by m e t h o d s w e l l known i n t h e a r t . Thes h a p e o f t h e e t c h vacuum s p a c e 1 9 , c a n b e s q u a r e , r o u n d ,o v a l , e t c . The r a d i u s o r h a l f o f t h e maximum r o s s - s e c t i o n a lw i d t h o f t h e e t c h e d vacuum s p a c e 1 9 , s h o u l d b e s m a l l e r t h a nt h e t hi c k n e s s o f t h e sum o f t h e l a y e r s t h a t a r e d e p o s i t e d o rf o r m e d a b o v e t h e a n o d e g r i d c o n d u c t o r 1 7 . A n i s o t r o p i cr e a c t i v e i o n e t c h i n g RIE R e a c t i v e I o n E t c h i n g ) i s t h ep r e f e r r e d e t c h m e t h o d , b u t o t h e r m e t h o d s known i n t h e a r tc o u l d a l s o be u s e d . The v e r t i c a l o r n e a r v e r t i c a l h o l e w a l l sh a v e m i n i m a l l a t e r a l e t c h i n g . T h i s k e e p s e l e c t r o d e h o l e ss m a l l and u n i f o r m and a l s o m i n i m i z e s t h e o v e r a l l a r e ao c c u p i e d b y t h e d e v i c e . T h i s o p e r a t i o n c r e a t e s h o l e s t h r o u g ha l l o f t h e c o n t r o l e l e c t r o d e c o n d u c t o r a n d i n s u l a t o r l a y e r sa n d w i l l u l t i m a t e l y p r o v i d e t h e vacuum s p a c e s f o r e a c h o ft h e Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s . E t c h i n g i s c o n t i n u e dt h r o u g h t h e g r i d c o n d u c t i v e l a y e r 1 7 , a n d t h e g r i d i n s u l a t o rl a y e r 1 5 , u n t i l a t l e a s t a p o r t i o n o f t h e a n o d e l a y e r 1 3 , i se x p o s e d . The va cuum s p a c e 1 9 , d o e s n o t n e e d t o e x t e n d a l lt h e w a y t o t h e upper s u r f a c e o f t h e c o n d u c t i v e m a t e r i a l o ra n o d e 1 3 , i f a n y o f t h e l e f t - o v e r m a t e r i a l o f t h e g r i d m a t e r i a lo r i n s u l a t o r 1 5 , w i l l e t c h o u t i n t h e s u b s e q u e n t vacuum s p a c ee t c h i n g . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e b a s e l a y e r o r s u b s t r a t et h a t i s u s e d b e o f s u ? i c i e n t t h i c k n e s s t o a l l o w f o r t h e p r o p e rf o r m a t i o n o f h o l e o r vacuum s p a c e 1 9 .

As shown i n F I G . 4 , a n i n s u l a t i v e l a y e r 2 1 , o f s u ? i c i e n tt h i c k n e s s i s c o n f o r r n a l l y d e p o s i t e d t o c l o s e t h e e t c h vacuums p a c e 1 9 , i n F I G . 3 , a n d f o r m a c u s p 2 3 . The i n s u l a t i v e l a y e r2 1 , f o r t h e p u r p o s e o f i l l u s t r a t i o n i s a s i l i c o n d i o x i d e

2 0

2 5

3 5

45

50

5 5

6 5

1 2m a t e r i a l . The i n s u l a t i v e l a y e r 2 1 , c a n b e f o r m e d , f o re x a m p l e , b y c o n f o r m a l c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n C V D )p r o c e s s . C o n f o r m a l CVD e p o s i t i o n i s t y p i c a l l y u s e d b u to t h e r p r o c e s s e s s u c h a s a n o d i z a t i o n , a n d e v e n m a r g i n a l l yc o n f o r m a l p r o c e s s e s s u c h a s s p u t t e r i n g c a n p r o d u c e a c c e p ta b l e r e s u l t s . D e p o s i t i o n i s c o n t i n u e d u n t i l t h e s i d e w a l lc o a t i n g s c o n v e r g e a n d c l o s e t h e vacuum s p a c e h o l e 1 9 . T h i sc o n v e r g e n c e f o r m s t h e s y m m e t r i c a l c u s p 2 3 , w i t h a v e r y ?nec o n v e r g e n c e p o i n t a t t h e b o t t o m w h i c h i s s e l f - a l i g n e d t o t h ec e n t e r o f t h e vacuum s p a c e h o l e 1 9 .

An l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l o r l a y e r 2 5 , i s d e p o s i t e d b yany means t h a t w i l l a l l o w t h e m a t e r i a l t o ? l l t h e c u s p 2 3 .T h i s d e p o s i t i o n c o u l d b e d o n e a s shown i n F I G . 5 , f o re x a m p l e , b y C V D , e v a p o r a t i o n , s u b l i m a t i o n , s p u t t e r i n g ,e l e c t r o l e s s d e p o s i t i o n , o r p l a t i n g . T h e e l e c t r o n - e m i t t i n gl a y e r 2 5 , a c t s a s a c a t h o d e d u r i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e d e v i c e ,a n d t h e s h a r p t i p 2 7 , a c t s a s t h e c a t h o d e e m i t t e r . Thee l e c t r o n - e m i t t i n g m a t e r i a l 2 5 , c o u l d b e f o r m e d f o r e x a m p l eb y u s i n g d o p e d p o l y s i l i c o n o r t u n g s t e n , b u t o t h e r m a t e r i a l sa s d i s c u s s e d e l s e w h e r e c o u l d a l s o b e u s e d .

The e m i t t e r l a y e r 2 5 , i s now l i t h o g r a p h i c a l l y f e a t u r e dw i t h one o r more a c c e s s h o l e s 29 and 3 0 , e x p o s i n g t h ei n s u l a t o r l a y e r 2 1 , a s shown i n F I G . 6 . Two o r more h o l e s p e rd e v i c e a r e d e s i r a b l e t o improve e t c h i n g a c c e s s , and t oc o n t r o l u n d e r c u t a s w i l l be e x p l a i n e d b e l o w . The a c c e s sh o l e s ) a r e p o s i t i o n e d t o o v e r l a p t h e vacuum s p a c e h o l e 1 9 ,p a r t i a l l y b u t n o t t o o v e r l a p t h e c u s p 2 3 .

The i n s u l a t o r l a y e r 2 1 , i s now s e l e c t i v e l y e t c h e d comp l e t e l y o u t o f t h e vacuum s p a c e 1 9 , l e a v i n g c o n d u c t i v el a y e r s 2 5 , 1 7 a n d 1 3 , i n t a c t . T h i s l e a v e s a b r i d g e 3 7 , o fe m i t t e r l a y e r 2 5 , s p a n n i n g t h e n e w l y c r e a t e d vacuum s p a c eo r h o l e o r c h a m b e r 3 9 , a n d s u p p o r t i n g t h e s h a r p e m i t t e r t i p27 above t h e exposed anode 1 3 . The s e l e c t i v e e t c h can e t c hg r i d i n s u l a t o r 1 5 , w i t h o u t harm t o t h e ? n i s h e d d e v i c e . Thes e l e c t i v e e t c h c a n b e a s i n g l e s t e p i s o t r o p i c w e t o r p l a s m a )e t c h which w i l l r e s u l t i n a ? n i s h e d d e v i c e 4 5 , a s shown i nF I G . 7A.

D e v i c e 45 i n F I G . 7A s a f u n c t i o n a l l y a c c e p t a b l e t r i o d ed e v i c e w i t h e m i t t e r t i p 2 7 , s e l f - a l i g n e d i n g r i d e l e c t r o d e 1 7 ,a n d d i r e c t l y o p p o s e d t o a n o d e 1 3 . I t d o e s , h o w e v e r , e x h i b i te x c e s s i v e n o n f u n c t i o n a l u n d e r c u t 4 0 , w h i c h n o t o n l y weake n s t h e d e v i c e s t r u c t u r e , b u t a l s o e n l a r g e s t h e d e v i c e a n da d v e r s e l y a f f e c t s t h e c i r c u i t d e n s i t y .A w o - s t e p e t c h p r o c e s s m i n i m i z e s t h e s e u n n e c e s s a r ya t t r i b u t e s . A e l e c t i v e a n i s o t r o p i c e t c h i s ? r s t u s e d t o e t c h ,

w i t h o u t u n d e r c u t , l a y e r 2 1 , a l l t h e way o t h e b o t t o m o f t h evacuum h o l e 1 9 , a s shown i n F I G . 7 B . T h i s i s p o s s i b l eb e c a u s e t h e a c c e s s h o l e s 29 a n d 3 0 , o v e r l a p t h e vacuums p a c e o r h o l e 1 9 . T h i s l e a v e s o n l y a t h i n p a r t i t i o n o r a web3 1 , u n d e r t h e e m i t t e r b r i d g e 3 7 , when two a c c e s s h o l e s 2 9and 3 0 , one on e a c h s i d e o f t h e b r i d g e 3 7 , a r e u s e d . As e l e c t i v e i s o t r o p i c e t c h w e t o r p l a s m a ) i s t h e n u s e d t or e m o v e t h e i n s u l a t o r p a r t i t i o n 3 1 , f r o m u n d e r t h e b r i d g e 3 7 ,f r e e i n g t h e s h a r p e m i t t e r t i p 2 7 , a n d c o m p l e t i n g t h e o p e n i n go f vacuum s p a c e o r chamber 3 9 , a s shown i n F I G . 8 . Ther e s u l t i n g u n d e r c u t 4 1 , o n o t h e r e x p o s e d i n s u l a t o r e d g e s , i sl i m i t e d t o a n amount e q u a l t o h a l f t h e t h i c k n e s s o f p a r t i t i o n3 1 , b e c a u s e i t i s b e i n g e t c h e d f r o m b o t h s i d e s . The e s u l t i n g? n i s h e d d e v i c e 5 0 , i s shown i n F I G . 8 .

I t must be remembered t h a t t h e a c c e s s h o l e s 29 and 3 0 , a sshown i n F I G . 7 B , a r e i n two d i m e n s i o n s , a n d t h a t t h ee t c h i n g t o c r e a t e a c c e s s h o l e s 29 and 3 0 , was c a r r i e d o u tu s i n g i s o l a t e d h o l e s , a n d t h e r e f o r e b o t h t h e p a r t i t i o n s 3 1 a n db r i d g e 3 7 , a r e s t i l l a p a r t o f t h e i n s u l a t i n g l a y e r 2 1 a n d t h ec o n d u c t i v e l a y e r 2 5 , r e s p e c t i v e l y .

The r e m o v a l o f t h e m a t e r i a l u n d e r t h e b r i d g e 3 7 , i s

8/12/2019 Us 5463269

14/16

5 , 4 6 3 , 2 6 91 3

u s u a l l y t h e l a s t o p e r a t i o n d o n e i n o r d e r t o m i n i m i z e c o nt a m i n a t i o n o f h a t s p a c e o r t o a v o i d t h e p r o b l e m o f r e m o v i n gf u t u r e p r o c e s s i n g m a t e r i a l s from t h a t con?ned a r e a .

T h e s h a r p e m i t t e r t i p 2 7 , m o l d e d b y t h e c u s p 2 3 , c a ng e n e r a l l y b e c o n t r o l l e d t o h a v e t h e d e s i r e d s m a l l r a d i u s t i pw i t h o u t r e q u i r i n g f u r t h e r p r o c e s s i n g . I f , h o w e v e r , a s m a l l e rt i p r a d i u s i s d e s i r e d o r i f a p a r t i c u l a r s e t o f d e s i r a b l em a t e r i a l s , p r o c e s s t e c h n i q u e s , a n d / o r p r o c e s s c o n d i t i o n sp r o d u c e a l a r g e r t h e n d e s i r e d t i p r a d i u s , t h e n t h e t i p c a n b es h a r p e n e d . T h i s s ha r p e n i n g t h e r e d u c t i o n o f t h e t i p r a d i u s )c a n b e d o n e , f o r e x a m p l e , b y s l o w e t c h i n g o f t h e t i p w i t h a ni s o t r o p i c e t c h o r t h e o x i d a t i o n o f t h e t i p f o l l o w e d b y t h er e m o v a l o f t h e o x i d e l a y e r .

The r o c e s s a b o v e , w h i c h r e s u l t s i n t r i o d e Vacuum Microe l e c t r o n i c D e v i c e 45 o r 5 0 , c a n e a s i l y b e a d a p t e d t o formo t h e r c o n ? g u r a t i o n s . I n t h e ? g u r e s f o r t h e f o l l o w i n ge x a m p l e s t h e two s t e p e t c h p r o c e s s a s u s e d t o remove l a y e r2 1 , from h o l e 1 9 , t o c r e a t e vacuum s p a c e 3 9 , a s was u s e d t op r o d u c e t r i o d e d e v i c e 5 0 , w i l l b e i l l u s t r a t e d .F I G S . 9 A , 9 B , 9 C , a n d 9 D , i l l u s t r a t e a f e w e m b o d i m e n t so f a d i o d e made a c c o r d i n g t o t h e t e a c h i n g s o f t h i s i n v e n t i o n .An e x a m p l e o f a d i o d e p r o c e s s s e q u e n c e i s c r e a t e d s t a r t i n gw i t h t h e b a s i c t r i o d e p r o c e s s s e q u e n c e t h r o u g h g r i d i n s u l a t o r1 5 . The g r i d c o n d u c t o r l a y e r 1 7 , i s e l i m i n a t e d . T h e r e m a i ni n g p r o c e s s s t e p s t h a t w o u l d n o r m a l l y p r o d u c e t r i o d e 5 0 ,w i l l now r o d u c e VMD i o d e 6 0 , i l l u s t r a t e d i n F I G . 9 A . Thep h a n t o m b o u n d a r y o f vacuum s p a c e h o l e 1 9 , w o u l d b e s o l i di f t h e s e l e c t i v e e t c h f o r t h e c o n f o r m a l l a y e r 2 1 , d o e s n o ta t t a c k l a y e r 1 5 , o r would b e l o s t a s shown f i t i s a t t a c k e d byt h e s e l e c t i v e e t c h p r o c e s s .

F I G . 9 B , s h o w s t h e s i m p l e s t f o r m o f a d i o d e s t r u c t u r e t h a tc a n b e made by e t c h i n g a vacuum h o l e 7 9 , w h i c h i s s i m i l a rt o t h e h o l e 1 9 , d i r e c t l y i n t o a n e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v es u b s t r a t e 1 1 . The a y e r 1 1 , m u s t b e s u ? i c i e n t l y t h i c k t o a l l o wf o r t h e f o r m a t i o n o f t h e h o l e 7 9 . S t a r t i n g w i t h t h e d e p o s i t i o no f t h e c o n f o r m a l l a y e r 2 1 , t h e p r o c e s s i n g c o n t i n u e s a sd i s c u s s e d e a r l i e r . A VMD d i o d e 6 5 , w i l l r e s u l t o n c e t h ep r o c e s s i s c o m p l e t e d a s i l l u s t r a t e d i n F I G . 9 B .

S i m i l a r l y , a diode s t r u c t u r e t h a t can be produced on ani n s u l a t i v e s u b s t r a t e 1 0 , w h i c h h a s b e e n c o v e r e d w i t h t h ea n o d e l a y e r 1 3 , i s d i s c l o s e d i n F I G . 9 C . T h e l a y e r 1 3 , m u s tb e s u ? i c i e n t l y t h i c k t o a l l o w f o r t h e f o r m a t i o n o f t h e h o l e 7 9 ,which s s i m i l a r t o t h e h o l e 1 9 . The p r o c e s s i n g c o n t i n u e s a sd i s c u s s e d e a r l i e r a n d upon c o m p l e t i o n , t h e r e s u l t i s a VMDd i o d e 7 0 , a s shown i n F I G . 9 C .

A n o t h e r embodiment o f t h i s i n v e n t i o n i s i l l u s t r a t e d i nF I G . 9 D , w h e r e t h e i n s u l a t i v e s u b s t r a t e 1 0 , i s ? r s t f e a t u r e dw i t h h o l e 7 9 , a n d t h e n a n o d e c o n d u c t i v e m a t e r i a l o r l a y e r8 6 , i s c o n f o r m a l l y d e p o s i t e d . T h e b a s i c p r o c e s s s t a r t i n g w i t ht h e c o n f o r m a l d e p o s i t i o n o f i n s u l a t o r l a y e r 2 1 , a s d i s c u s s e de a r l i e r i s f o l l o w e d a n d t h e e n d r e s u l t i s a VMD i o d e 7 5 , a si l l u s t r a t e d i n F I G . 9 D .

Many v a r i a t i o n s o f m o r e c o m p l e x Vacuum M i c r o e l e ct r o n i c D e v i c e s c a n a l s o b e c r e a t e d b y e x t e n d i n g t h e b a s i ct r i o d e p r o c e s s . One example o f t h i s v a r i a t i o n i s a VMDp e n t o d e d e v i c e 9 0 , a s shown i n F I G . 1 0 . The d e v i c e 9 0 , c a nb e c r e a t e d f r o m t h e b a s i c t r i o d e p r o c e s s s e q u e n c e b y f o ll o w i n g t h e b a s i c t r i o d e d e v i c e s e q u e n c e t h ro u g h t h e d e p os i t i o n o f g r i d c o n d u c t o r l a y e r 1 7 , t h e n a d d i n g , s t e p s d e p o si t i n g g r i d i n s u l a t o r 9 3 , o n g r i d c o n d u c t o r 1 7 , d e p o s i t i n g g r i dc o n d u c t o r l a y e r 9 4 , o n l a y e r 9 3 , d e p o s i t i n g g r i d i n s u l a t o rl a y e r 9 5 , o n l a y e r 9 4 , a n d d e p o s i t i n g g r i d c o n d u c t o r l a y e r 9 6 ,o n l a y e r 9 5 . The b a s i c t r i o d e p r o c e s s i s resumed a t t h i s s t e pb y c r e a t i n g h o l e 1 9 . I n t h i s c a s e t h e h o l e 1 9 , i s e t c h e dt h r o u g h a l l t h e l a y e r s u n t i l t h e u p p e r s u r f a c e o f t h e c o n d u ct i v e m a t e r i a l o r l a y e r 1 3 , i s e x p o s e d . I f t h e b a s i c t r i o d e

1 0

1 5

2 5

40

45

55

60

65

1 4p r o c e s s s e q u e n c e t h a t would n o r m a l l y l e a d t o d e v i c e 5 0 , i sf o l l o w e d f r o m t h i s p o i n t , i t w i l l r e s u l t i n p e n t o d e d e v i c e 9 0 .

The i n s u l a t o r a n d c o n d u c t o r l a y e r s u s e d a b o v e t o c r e a t et h e Vacuum M i c r o e l e c t r o n i c D e v i c e s d e s c r i b e d c a n a l s o b eu s e d t o i s o l a t e a n d i n t e r c o n n e c t m u l t i p l e e l e c t r o n i c d e v i c e so r c o m p o n e n t s i n t h r e e d i m e n s i o n s , i n t e g r a t i n g c i r c u i t s o ft h e s e d e v i c e s a t t h e same t i m e t h a t t h e d e v i c e s a r e b e i n gf a b r i c a t e d . T h i s i s n o t i l l u s t r a t e d b u t c a n b e a c c o m p l i s h e d b yl i t h o g r a p h i c a l l y p a t t e r n i n g e a c h c o n d u c t i v e a n d i n s u l a t i v el a y e r a f t e r i t i s d e p o s i t e d a n d b e f o r e p r o c e e d i n g t o t h e n e x ts t e p . C o n d u c t o r m a t e r i a l i s removed w h e r e i s o l a t i o n s a r ed e s i r e d a n d f e a t u r e d i n t o i s l a n d s a n d p a t h s t o f o r m i n t e rc o n n e c t i o n s b e t w e e n d i i f e r e n t d e v i c e s , b e t w e e n d e v i c e s a n dv i a s , a n d b e t w e e n d i f f e r e n t v i a s . I n s u l a t o r l a y e r s c a n b ef e a t u r e d w i t h a p a t t e r n o f v i a o p e n i n g s t o t h e c o n d u c t i v el a y e r b e l o w . A c t u a l v i a c o n n e c t i o n s may b e made i t h e r b yt h e f o r m a t i o n o f a s t u d a c o n d u c t i v e p l u g f o r m e d b y anumber o f c o n v e n t i o n a l m e t h o d s ) o r ? l l e d b y t h e d i r e c tb l a n k e t d e p o s i t i o n o f t h e n e x t c o n d u c t i v e l a y e r t h u s c r e a t i n gv e r t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n p a t h w a y s t h r o u g h t h e s t r u c t u r e .

Any i n t e r c o n n e c t i o n p a t t e r n s c r e a t e d o n t h e e m i t t e r l e v e lcan be made a t t h e same time t h a t t h e a c c e s s h o l e s 29 a nd3 0 , a r e b e i n g m a d e , b u t s i n c e t h e i n s u l a t o r u n d e r them w i l lb e e t c h e d when t h e vacuum s p a c e i s e t c h e d t h e u n d e r c u t t i n go f t h e s e i n t e r c o n n e c t i o n s r e p r e s e n t s a l i m i t a t i o n on t h e s i z eo f t h e s e f e a t u r e s . The t w o s t e p e t c h w i l l s i g n i ? c a n t l y m i n imize t h i s u n d e r c u t j u s t a s i t d o e s i n t h e d e v i c e i t s e l f , b u t af u r t h e r enhancement o f t h i s p r o c e s s c a n e l i m i n a t e u n d e r c u te v e r y w h e r e e x c e p t t h e vacuum d e v i c e a r e a . To a c c o m p l i s ht h i s , a s e p a r a t e o r a s e c o n d l i t h o g r a p h i c s t e p i s u s e d t of e a t u r e a n y e m i t t e r l e v e l i s o l a t i o n s i n t e r c o n n e c t i o n s anda c c e s s h o l e s . The s e c o n d l i t h o g r a p hi c p a t t e r n i n g p r o t e c t s a l lo f t h e i n t e r c o n n e c t i o n a n d i s o l a t i o n f e a t u r e s a n d e x p o s e so n l y t h e a c c e s s h o l e s . The vacuum s p a c e e t c h i n g whichf o l l o w s u s e s t h e two s t e p e t c h p r e v i o u s l y d e s c r i b e d a n d t h es m a l l amount o f u n d e r c u t t h a t o c c u r s i s l i m i t e d t o t h evacuum space a r e a o n l y .

Many c o m b i n a t i o n s o f i n s u l a t o r s a n d c o n d u c t o r s may b eu s e d i n t h e f a b r i c a t i o n p r o c e d u r e s and d e v i c e s t r u c t u r e sd e s c r i b e d . S p e c i ? c a p p l i c a t i o n s may i c t a t e s p e c i a l m a t e r i a lp r o p e r t i e s s u c h a s r e s i s t i v i t y , d i e l e c t r i c c o n s t a n t , t h e r m a ls t a b i l i t y , p h y s i c a l s t r e n g t h , e t c . b u t i n g e n e r a l t h e r e a r e t h r e eb a s i c r e q u i r e m e n t s f o r c o m p a t i b i l i t y . F i r s t , t h e m a t e r i a l sm u s t b e c o m p a t i b l e w i t h t h e p r o c e s s i n g r e q u i r e d f o r f a b r ic a t i o n which may l i m i t some m a t e r i a l c o m b i n a t i o n s i np a r t i c u l a r f a b r i c a t i o n r e g i m e s . S e c o n d , t h e i r m u s t b ea d e q u a t e a d h e s i o n b e t w e e n a d j a c e n t l a y e r s . T h i r d , t h e m a t er i a l s must b e s t a b l e a n d n o t c o n t a m i n a t e t h e o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t o f t h e vacuum d e v i c e s which i s t y p i c a l l y am o d e r a t e t o h i g h v a c u u m . T h i s l a s t r e q u i r e m e n t i s somewhatopen b e c a u s e some o f t h e s e d e v i c e s may b e a b l e t o o p e r a t ei n up t o 1 a t m o s p h e r e o r more o f a h i g h i o n i z a t i o n p o t e n t i a lg a s s u c h a s H e . T h i s may b e p o s s i b l e b e c a u s e t h e i r m i c r os c o p i c d i m e n s i o n s p r o v i d e v e r y s m a l l p a t h l e n g t h s a n d a l l o wt h e u s e o f low e x t r a c t i o n v o l t a g e s .

F I G . 1 1 , i l l u s t r a t e s t h e s t r u c t u r a l d e t a i l s o f a c o m p o s i t e o rm u l t i l a y e r e d e m i t t e r 6 8 . To i n c o r p o r a t e t h i s s t r u c t u r e i n t o ad e v i c e , a l a y e r 6 5 , i s f o r m e d o v e r t h e i n s u l a t i v e l a y e r 2 1 , a n di n t o t h e p r i m a r y c u s p 2 3 , o f F I G . 4 . An n t e r m e d i a t e c u s p 6 6 ,o n t h e s u r f a c e 6 2 , i s u s u a l l y f o r m e d d u r i n g t h i s p r o c e s s . Thel a y e r 6 5 , m u s t b e o f a m a t e r i a l w h i c h i s c a p a b l e o f e m i t t i n ge l e c t r o n s u n d e r t h e i n ? u e n c e o f a n e l e c t r i c a l ? e l d . L a y e r 2 5 ,c a n now be formed o v e r t h e l a y e r 6 5 , and i n t o t h e intermed i a t e c u s p 6 6 . S i n c e t h e s u r f a c e o f t h e t i p 6 7 , now becomest h e ? e l d e m i s s i o n s u r f a c e i t i s c l e a r t h a t t h e l a y e r 2 5 , n e e dn o t be made o f a ? e l d e m i s s i o n m a t e r i a l , b u t can be made o fa n y m a t e r i a l c o m p a t i b l e w i t h t h e p r o c e s s a n d t h e o p e r a t i n g

8/12/2019 Us 5463269

15/16

5 , 4 6 3 , 2 6 91 5

e n v i r o n m e n t o f t h e d e v i c e a s l o n g a s i t a d h e r e s t o t h e s u r f a c e6 2 , o f l a y e r 6 5 . F u r t h e r m o r e , o n e o r more a d d i t i o n a l l a y e r s ,a s e x e m p l i ? e d b y l a y e r 5 5 , may b e f o r m e d o v e r l a y e r 2 5 , o ns u r f a c e 3 2 , a n d i n t o t h e s e c o n d a r y c u s p 5 7 . The l a y e r 5 5 ,may h a v e t e r t i a r y c u s p 8 7 . L a y e r 5 5 , h a s t h e s a m e c o m p a ti b i l i t y r e q u i r e m e n t s a s d i s c u s s e d a n d d e s c r i b e d f o r l a y e r 2 5 ,a n d i t m u s t a l s o a d h e r e t o t h e s u r f a c e 3 2 , o f t h e l a y e r 2 5 .A f t e r t h e f o r m a t i o n o f t h e c o m p o s i t e o r m u l t i l a y e r e d e m i t t e r6 8 , t h e d e v i c e s t r u c t u r e p r o c e s s i n g c o n t i n u e s s t a r t i n g w i t ht h e o p e r a t i o n s i l l u s t r a t e d i n F I G . 6 .

M e a n s o f i s o l a t i n g a n d i n t e r c o n n e c t i n g m u l t i p l e ? e l de m i t t e r s , e x t r a c t i o n e l e c t r o de s , a n d o t h e r e l e c t r o d e s i n u s e f u le l e c t r i c a l c o n ? g u r a t i o n s c a n a l s o be p r o v i d e d . T h i s c a n bed o n e b e c a u s e , t h e e l e c t r o d e l a y e r s i n c l u d i n g t h e e m i t t e rl a y e r a r e t y p i c a l l y good c o n d u c t o r s a n d a s s u c h , t h e y c a n b el i t h o g r a p h i c a l l y p a t t e r n e d b e f o r e t h e n e x t l a y e r i s a d d e d t oform i s o l a t i o n s and i n t e r c o n n e c t i o