一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備方法與流程

本發明涉及真空電子
技術領域：
。更具體地，涉及一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備方法。
背景技術：
：場發射陰極可以實現瞬時啟動和室溫工作，而且其電子引出無需外能，功耗小，電流密度大。傳統真空電子器件使用場發射陰極作為電子源，有助于降低功耗，提高頻率，實現器件小型化、集成化。場發射陰極潛在應用涉及顯示器，微波功率放大器，傳感器，x射線管，高能粒子加速器，以及各種顯微鏡、離子槍和質量分析器。研制高性能場發射陰極，對真空電子器件的發展和進步，具有積極的意義。傳統集成柵控尖錐陣列場發射陰極如spindt陰極，因其工作電壓低，電子束易于成型而廣受關注。然而集成柵控場發射陰極，由于發射體和柵極距離很近，容易因為陰柵短路導致器件失效，工作可靠性較差。近年來非集成柵控的場發射陰極的研究更受關注。非集成柵控的場發射陰極包括薄膜型，無序管線型，簇叢陣列型和尖錐陣列型，其中尖錐陣列型最容易實現規則制作，得到良好的陰極發射均勻性。制作無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，可以使用化學腐蝕法，聚焦離子束刻蝕法，倒模成型法和spindt陰極去柵法。然而化學腐蝕法制作尖錐僅限于硅系等半導體材料，但硅并非很好的發射材料；聚焦離子束刻蝕法成本高昂，在制造大面積陣列時候尤為如此；倒模成型法存在均勻性，以及陣列需要二次轉移問題；spindt陰極本身制造已經非常復雜高難，再次加工則繁復加劇。因此無論從科學研究，或是實用化的角度，都迫切需要一種簡便易行、成本較低的制造無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制造方法。技術實現要素：本發明的一個目的在于提供一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備方法，以期解決化學腐蝕法僅限于制作硅系等半導體材料尖錐、聚焦離子束刻蝕法成本高昂、倒模成型法需二次轉移以及spindt陰極去柵法工藝繁復等問題。為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備方法，包括如下步驟：1)在擬制作尖錐陣列場發射陰極的基片表面涂覆光刻膠。2)將步驟1)中涂有光刻膠的基片進行曝光，對曝光后的基片進行顯影，得到圓形孔洞陣列光刻膠基片；這些圓孔將作為制作尖錐的承載孔。3)令步驟2)得到的基片沿自身法線方向自轉，同時相對基片表面以傾斜角度蒸鍍一層犧牲層材料，從而使蒸鍍的犧牲層包覆于光刻膠表面，減小光刻形成的光刻膠圓孔頂部開口的尺寸。用該方法蒸鍍材料，令材料不斷沉積在圓孔開口，形成小口徑大空腔結構，以利于后續尖錐成型。由于為直線蒸發角度，所以犧牲層材料并不會進入到光刻膠孔下部和底部。4)保持步驟3)中的基片自轉，同時相對基片表面以垂直角度蒸鍍發射材料，從而在膠孔內形成發射材料尖錐。這些蒸發材料一部分沉積在犧牲層上，一部分透過光刻膠頂部小孔進入到光刻膠孔內部，沉積在基底上。由于發射材料也不斷沉積在光刻膠圓孔頂部的犧牲層圓孔處，沉積材料使得圓孔頂部口徑持續縮小，進入光刻膠圓孔內部的發射材料不斷減少，最終蒸發的發射材料就會在在膠孔內形成底部大頂部小的圓錐形狀。鍍膜結束后，頂部圓孔幾乎封閉或完全封閉，從而最終形成小曲率半徑尖錐。5)鍍膜結束后，取出步驟4)得到的基片，剝離光刻膠，同時去除光刻膠上的犧牲層及多余的發射材料，得到包括基片和形成于基片上表面的場發射尖錐陣列的無集成柵極尖錐陣列場發射陰極。隨著光刻膠的去除，光刻膠上方所有材料包括犧牲層，以及犧牲層上方的發射材料由于沒有承載，也隨之被去除，只保留了原本在光刻膠圓孔內部基底上形成的發射材料尖錐。優選地，步驟1)中所述場陰極基片為拋光導電基片(即拋光處理的導電基片)，或包括拋光基片和形成于拋光基片表面的導電薄膜的復合基片。基片的材料是本領域人員根據現有技術和實際需要可以做出選擇的材料，所述導電基片材料包括但不僅限于金屬單質，拋光基片材料包括但不僅限于石英、藍寶石和硅，導電薄膜材料包括但不僅限于金屬單質。優選地，步驟1)中所述光刻膠使用shipleys1813，光刻膠的厚度為0.8～1.2μm。優選地，步驟2)中所述圓形孔洞的孔徑為0.8～1.2μm。優選地，步驟2)中所述曝光和顯影采用的方法是本領域人員根據實際需要采用的常規技術方法。優選地，步驟3)中所述犧牲層材料包括而不限于氧化鋁，所述犧牲層材料的厚度為0.1～0.2μm。優選地，步驟3)中所述傾斜角度為30°～60°。優選地，步驟4)中所述場發射陰極的發射材料為任何適合蒸發鍍膜的材料，所述材料具有高熔點，同時具有低功函數，所述高熔點為≥2000度，所述低功函數為≤5ev；優選地，所述發射材料為金屬鉬、鉭、鎢或金屬碳化物如碳化鋯，但并不僅限定于這些材料。本發明的方法適用于任何適合蒸發鍍膜的金屬和非金屬場發射材料，克服了化學腐蝕法制作尖錐僅限于硅系等半導體材料的缺點。優選地，如果設備條件允許，步驟3)和步驟4)可同時進行，從而根據需求方便地調整所形成尖錐的形狀。優選地，步驟3)和步驟4)中所述蒸鍍方法為真空蒸發方法。優選地，步驟5)中所述去膠劑為本領域人員根據實際需要采用的常規去膠劑，所述去膠劑包括但不限于nmp和dmso。優選地，制備得到的無集成柵極尖錐陣列場發射陰極包括基片和形成于基片上表面的場發射尖錐陣列；所述基片為拋光處理的導電基片，或包括拋光基片和形成于拋光基片表面的導電薄膜的復合基片。優選地，所述尖端的曲率半徑≤50nm，以保證尖錐的發射效率。優選地，沿矩形陣列線，相鄰兩個尖錐大端面中心點的直線距離為4.5～5.5μm。一種用于真空電子器件的電子源，包括所述無集成柵極尖錐陣列場發射陰極和外加非集成引出柵極。傳統集成柵極spindt陰極的發射尖錐和集成柵極之間距離較短，為微米或亞微米級，因此在真空電子器件中使用時，常常由于陰柵極間漏電或者真空電弧產生，引起整個器件失效。而本發明制作的無集成柵極spindt陰極，其使用的外加非集成引出柵極和發射尖錐距離較遠，為幾十微米至幾百微米量級，陰柵極間基本不會漏電，即使有電弧產生，一般也不會短路失效，因此提高了陰極使用以及整個器件的可靠性。本發明在制備工藝上進行了明顯的簡化，即通過在基片上直接涂覆光刻膠，光刻得到陣列孔洞，再通過雙向鍍膜工藝在光刻膠之間的陣列孔洞內形成發射材料尖錐，去除多余材料后，制備得到無集成柵極尖錐陣列場發射陰極。本發明僅依靠光刻、鍍膜等微加工工藝，工藝簡單、成本低，適用于任何適合蒸發鍍膜的金屬和非金屬場發射材料，此外，尖錐陣列直接制造在適合的基底上，克服了二次轉移的問題。本發明的有益效果如下：(1)本發明通過在基片上直接制備發射材料尖錐，僅依靠光刻、鍍膜等微加工工藝完成無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備，適用于任何適合蒸發鍍膜的金屬和非金屬場發射材料，克服了化學腐蝕法制作尖錐僅限于硅系等半導體材料的缺點；(2)本發明的方法僅依靠光刻、鍍膜等微加工工藝，克服了聚焦離子束刻蝕法成本高昂的缺點；(3)本發明提出將尖錐陣列直接制造在適合基底上，不存在倒模成型法二次轉移問題；(4)本發明提出的方法相對于spindt陰極制造，簡化了多個工藝步驟，流程繁復程度大大降低；(5)本發明提出的方法簡便易行、成本較低，適應科學研究和實用化的迫切需要。附圖說明下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。圖1示出本發明實施例1中無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的結構示意圖，其中，101-拋光基片、102-導電薄膜、103-尖錐陣列。圖2a～2g示出本發明實施例1中無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備工藝流程圖，其中，201-拋光基片、202-導電薄膜、203-尖錐陣列、204-光刻膠、205-犧牲層、206-發射材料。圖3a～3j示出對比例2中無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備工藝流程圖，其中，301-拋光基片、302-導電薄膜、303-尖錐陣列、304-光刻膠、305-犧牲層、306-發射材料、307-絕緣層、308-金屬柵極。具體實施方式為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上；術語“上”、“下”、“左”、“右”、“內”、“外”、“前端”、“后端”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。實施例1一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，如圖1所示，包括拋光基片101、蒸鍍于拋光基片101上表面的導電薄膜102和形成于導電薄膜102上表面的場發射尖錐陣列103。其制備方法包括如下步驟：1)選用復合基片作為尖錐陣列場陰極基底，所述復合基片包括拋光基片201和形成于拋光基片201上的導電薄膜202，在導電薄膜202表面涂敷光刻膠204，光刻膠的厚度為1.2μm，如圖2a所示；2)將步驟1)中涂有光刻膠的基片利用紫外曝光系統進行曝光，對曝光后的基片進行顯影，用氮氣吹干，得到孔徑為1.2μm的圓形孔洞陣列光刻膠基片，如圖2b所示；3)將步驟2)得到的基片放入真空鍍膜機中，使基片沿自身法線方向自轉，同時相對基片表面以30°傾斜角度用真空蒸發方法蒸鍍一層犧牲層205，如圖2c所示，從而使蒸鍍的犧牲層205包覆于光刻膠204表面，如圖2d所示，減小光刻形成的光刻膠圓孔頂部開口的尺寸，其中犧牲層205的材料為氧化鋁；4)保持步驟3)中的基片自轉，同時相對基片表面以垂直角度用真空蒸發方法蒸鍍發射材料206，如圖2e所示，隨著光刻膠204圓孔頂部口徑持續減小，在膠孔內形成發射材料尖錐203，如圖2f所示；其中發射材料206使用金屬鉬；5)鍍膜結束后，取出步驟4)得到的基片，對基片去除光刻膠，去膠劑采用nmp，剝離光刻膠204，同時去除光刻膠上的犧牲層205及多余的發射材料206，最終制備得到包括拋光基片201、蒸鍍于拋光基片201上表面的導電薄膜202和形成于導電薄膜202上表面的場發射尖錐陣列203的無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，如圖2g所示。實施例2一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，包括拋光處理后的導電基片和形成于拋光處理后的導電基片上表面的場發射尖錐陣列。其制備方法同實施例1，不同之處在于：步驟1)中選用拋光處理后的導電基片作為尖錐陣列場陰極基底。對比例1采用成熟半導體微加工工藝，制備得到硅尖錐陣列陰極。傳統成熟半導體微加工工藝，主要采用光刻和刻蝕技術，它是基于硅材料開發的加工技術，可以方便硅材料成型，但是對于其他場發射材質如金屬和化合物的微細結構加工并不適用。半導體微加工制作硅材質的場發射陣列陰極工藝成熟，然而就硅本身而言它并不是理想的場發射材料，其逸出功較大，表面化學性能不穩定并且很容易形成氧化層影響發射、導電導熱性能差，并且發射噪聲較大，不易得到大電流密度，而金屬材料場發射性能則相對優越，下表對比可清晰表明二者區別：表1不同金屬材料場發射性能尖錐材料鉬鉬鉬硅硅制作單位srimitmitmcncmcnc尖錐數目10000600070300330028074尖錐密度(tips/cm2)1.3×1061091093×1063×105最大電流(ma)180(直流)15(脈沖)22(脈沖)6(直流)21.5(直流)電流密度(a/cm2)23240031062.1發射體曲率半徑25nm10nm10nm5nm5nmsri：美國斯坦福研究所；mit：美國麻省理工學院；mcnc：美國北卡羅來納微電子中心而本發明通過在基片上直接涂覆光刻膠，在光刻后得到的陣列孔洞內通過鍍膜工藝形成發射材料尖錐，無集成柵極尖錐陣列場發射陰極的制備僅依靠鍍膜工藝完成，不涉及使用刻蝕技術進行場發射材料成型，因此克服了上述方法僅限于采用硅系等半導體材料的缺陷，適用于制造任何適合蒸發鍍膜的金屬和非金屬場發射材料，如鉬材料等。對比例2一種無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，結構同實施例1，不同之處在于，制備方法采用成熟的spindt陰極制作工藝流程。其制備方法包括如下步驟：1)選用復合基片作為尖錐陣列場陰極基底，所述復合基片包括拋光基片301和形成于拋光基片301上的導電薄膜302；在導電薄膜302表面，利用化學氣相沉積方法制作一層絕緣層307，絕緣層307材料使用二氧化硅，如圖3a所示；2)在絕緣層307表面，利用磁控濺射方法，沉積一層金屬柵極308；金屬柵極308材料使用鉬，如圖3b所示；3)在金屬柵極308表面涂敷光刻膠304，將涂有光刻膠的基片進行曝光，對曝光后的基片進行顯影，在樣片上形成光刻膠304的圓孔陣列圖形，如圖3c所示；4)以光刻膠304為掩膜，利用反應離子刻蝕工藝，刻蝕金屬柵極308，形成金屬柵極308圓孔陣列，如圖3d所示；5)以光刻膠304和金屬柵極308為掩膜，利用反應離子刻蝕結合濕法腐蝕，刻蝕絕緣層307，在每個金屬柵極308小孔下方形成一個自對準的小空腔；如圖3e所示；6)去除光刻膠304，形成柵控絕緣空腔結構；如圖3f所示；7)將步驟6)得到的基片放入真空鍍膜機中，使基片沿自身法線方向自轉，同時相對基片表面以傾斜角度蒸鍍一層犧牲層305，使蒸鍍的犧牲層305包覆于金屬柵極308表面，減小金屬柵極308圓孔頂部開口的尺寸；犧牲層305材料使用三氧化二鋁；如圖3g所示；8)保持步驟7)中的基片自轉，同時相對基片表面以垂直角度蒸鍍發射材料306，隨著金屬柵極308圓孔頂部開口的尺寸持續減小，在圓孔下方空腔內形成發射材料尖錐303，發射材料306使用金屬鉬，如圖3h所示；9)鍍膜結束后，取出步驟8)得到的基片，對基片的表面進行化學腐蝕，剝離犧牲層305，同時連帶去除犧牲層305上方的發射材料306；這樣就得到了標準的spindt陰極，如圖3i所示；10)對步驟9)得到的spindt陰極的表面進行化學腐蝕，剝離絕緣層307，同時連帶去除絕緣層307上方的金屬柵極308，如圖3j所示，最終制備得到包括拋光基片301、蒸鍍于拋光基片301上表面的導電薄膜302和形成于導電薄膜302上表面的場發射尖錐陣列303的無集成柵極尖錐陣列場發射陰極.將上述流程工藝同實施例1進行對比，該方法先在基底上制備金屬柵，再將金屬柵去除，工藝上更為繁瑣，采用的方法主要有化學氣相沉積方法、磁控濺射方法、反應離子刻蝕工藝等，因此制造難度大，成本高。而本發明直接在基底上制備尖錐陣列，工藝更簡單，且采用的工藝手段僅有光刻、鍍膜工藝，因此制造難度低、成本低。結論：本發明在制備工藝上進行了明顯的簡化，直接在基底上制備尖錐陣列，僅采用光刻、鍍膜等微加工工藝制備無集成柵極尖錐陣列場發射陰極，本發明的制備方法不僅工藝簡單、成本低，而且適用于任何適合蒸發鍍膜的金屬和非金屬場發射材料，此外，尖錐陣列直接制造在適合的基底上，克服了二次轉移的問題。本發明提出的方法簡便易行、成本較低，適應科學研究和實用化的迫切需要。顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。當前第1頁12