基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体是一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源及其制造方法。

背景技术

光刻系统在半导体集成电路的制造工艺中起着至关重要的作用。随着集成度越来越高，元器件的尺寸越来越小，对光刻系统分辨率的要求也越来越高。利用电子的波动性，以电子为照明光源的电子束光刻理论上可以获得极高的分辨率。例如20kV加速的电子即可获得0.0086nm的波长。

电子束光刻分为直写式电子束光刻和投影式电子束光刻。直写式电子束光刻的工作原理与扫描电子显微镜类似，通过控制电子束在目标衬底上扫描以曝光。它分辨率高，且不需要掩模板，然而扫描的工作模式注定其生产率低下，远不能满足需要。投影式电子束光刻的工作原理与光光刻类似，可以大范围同时曝光，大大提高生产率，但掩模板成本高昂，以及临近效应、空间电荷效应等问题限制了它的发展和应用。

本发明的电子光源以阳极氧化铝模板中沉积的光电材料纳米电极阵列为电子发射器，利用光投影照射纳米光电极阵列发射器，以控制发射器按预设图案局部发射，从而达到电子光源图案化的目的。发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源及其制造方法，本电子光源可根据预设图案实时控制发射阵列局部发射，使电子光源图案化，无需掩模板，将缩小的预设图案投影在目标衬底上。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源，包括：

电子发射器，其包括发射电极层和基电极层，所述发射电极层包括多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积光电材料，且所述光电材料为外光电效应材料，所述基电极层包括在所述发射电极层背面形成的一层金属导电层；

光投影照射系统，其用于将编辑好的图案投影照射到所述电子发射器上，以使所述电子发射器则按照预设图案的投影、局部发射包含预设图案信息的电子束。

作为本发明进一步的方案：所述光投影照射系统为普通光光刻的投影系统。

作为本发明进一步的方案：所述光投影照射系统包括普通掩模板以及光学透镜，以利用普通掩模板以及光学透镜完成图案的编辑以及投影。

作为本发明进一步的方案：所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞通过水热法或者电化学沉积法在氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积光电材料。

作为本发明进一步的方案：所述外光电效应材料为Zn或Pt。

上述基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源的制造方法，上述所述的光投影照射系统为普通光光刻的投影系统，上述所述的电子发射器的制造方法，包括如下步骤：

S1：制备发射电极层；

S11：合成阳极氧化铝模板：采用二次阳极氧化法，以获得形状和排列更整齐的孔洞结构；

S12：在所述阳极氧化铝模板的纳米孔洞中填充外光电效应材料，以形成具有纳米光电极阵列的发射电极层；

S2：形成基电极层：在所述发射电极层的背面形成一层金属导电层，以作为基电极层。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S11的阳极氧化铝模板制造方法，包括如下步骤：

S111：准备一片高纯铝片，进行机械压平、退火、清洗、抛光等预处理；

S112：处理后的高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，二次阳极氧化，获得孔洞排列整齐的多孔阳极氧化铝模板。

作为本发明进一步的方案：所述孔洞直径2-90纳米之间。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S12具体为：

利用水热法或者电化学沉积法在纳米孔洞中填充外光电效应材料，形成垂直纳米电极阵列的发射电极层。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S2具体为：

去除阳极氧化铝模板背面的铝，利用磁控溅射、蒸镀或者旋涂等方法在背面镀上一层金属导电材料，形成基电极层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源，该电子光源以阳极氧化铝模板为基础，在其纳米孔洞中填充外光电效应材料作为光电子发射纳米电极阵列，通过光投影照射纳米电极阵列来控制局部的纳米电极发射电子；被光照射的纳米光电极将会发射电子，而没有被光照射的纳米光电极将不会发射电子；如此即可实现按预设图案改变电子光源发射的电子束的形状，大面积发射。本电子光源发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。本发明可通过改变光投影的图案，方便快捷的编辑最后电子投影的图案，也就是电子光刻图案。

附图说明

图1为本发明实施例1电子光源截面图；

图2a-d为本发明实施例电子发射器制造方法的简单示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明实施例中，一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源，包括电子发射器和光投影照射系统；光投影照射系统负责编辑预设图案，并将编辑好的图案投影照射到电子发射器上。电子发射器则按照预设图案的投影，局部发射电子，形成包含预设图案信息的电子束。

电子发射器包括发射电极层和基电极层，所述发射电极层包括多孔阳极氧化铝模板，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积光电材料，且所述光电材料为外光电效应材料，所述基电极层包括在所述发射电极层背面形成的一层金属导电层。利用阳极氧化铝模板作为场发射阴极，具有开启电压低、方法工艺简单、易于实现大面积发射，且发射均匀等优点。

当填充的光电材料为外光电效应材料时，背面的基电极层可以采用金属导电层，具有预设图案的光束从发射电极层的侧前面照射电子光源，被照射的纳米电极阵列将发射电子，而没被照射的则不会。

在本实施例中，所述光投影照射系统为普通光光刻的投影系统；所述光投影照射系统包括普通掩模板以及光学透镜，以利用普通掩模板以及光学透镜完成图案的编辑以及投影。

在本实施例中，所述多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞通过水热法或者电化学沉积法等方法在氧化铝模板的纳米孔洞中生长或沉积光电材料；所述外光电效应材料为Zn或Pt。

上述基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源的制造方法，上述所述的光投影照射系统为普通光光刻的投影系统，上述所述的电子发射器的制造方法，包括如下步骤：

(1)制备发射电极层；

(11)合成阳极氧化铝模板：采用二次阳极氧化法，以获得形状和排列更整齐的孔洞结构；

(12)在所述阳极氧化铝模板的纳米孔洞中填充外光电效应材料，以形成具有纳米光电极阵列的发射电极层；

(2)形成基电极层：在所述发射电极层的背面形成一层金属导电层，以作为基电极层。

具体实施例：

一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源，包括电子发射器和光投影照射系统两部分。光投影照射系统采用普通光光刻的投影系统。电子发射器的截面图如图1所示。发射器包括两个部分：基电极层，为导电金属层，可选用金、铜、铝等；发射电极层，黑色部分为沉积外光电效应材料的纳米电极阵列，白色部分为氧化铝模板骨架。

当光投影照射系统将预设图案投影到电子发射器表面时，由于发射器中含有外光电效应材料的纳米电极阵列，被照射到的纳米电极就会发射光电子，而没被照射到的纳米电极就不会发射电子，如此达到按预设图案发射电子束的目的。发射出的光电子可通过基电极接通电源来补偿。发射的光电子的密度可以通过纳米电极的密度以及光照的强度控制。

基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源的制造方法，由于光投影照射系统采用普通光光刻的投影系统，因此这里只介绍电子发射器的制造方法，其具体步骤如图2a-d所示。

(1)如图2a，准备一片高纯铝片，进行机械压平、退火、清洗、抛光等预处理。

(2)处理后的高纯铝片经过一次阳极氧化，去除氧化层，二次阳极氧化，获得孔洞排列整齐的多孔阳极氧化铝模板，如图2b。孔洞直径以及孔间距都不宜过大，应控制在几纳米至几十纳米范围之间。

(3)经扩孔处理后，利用水热法或者电化学沉积等方法在纳米孔洞中填充外光电效应材料，形成垂直纳米电极阵列，如图2c所示。

(4)去除背面的铝，利用磁控溅射、蒸镀或者旋涂等方法在背面镀上一层金属导电材料，形成基电极层，如图2d。

本发明提供了一种基于阳极氧化铝模板的图案化电子光源，该电子光源以阳极氧化铝模板为基础，在其纳米孔洞中填充外光电效应材料作为光电子发射纳米电极阵列，通过光投影照射纳米电极阵列来控制局部的纳米电极发射电子；被光照射的纳米光电极将会发射电子，而没有被光照射的纳米光电极将不会发射电子；如此即可实现按预设图案改变电子光源发射的电子束的形状，大面积发射。本电子光源发射的电子束无需掩模板，在经过加速、光阑、磁透镜等组件后，可形成缩小的电子光源像，投影在目标衬底上。本发明可通过改变光投影的图案，方便快捷的编辑最后电子投影的图案，也就是电子光刻图案。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。