一種準集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及真空微電子領域。更具體地，涉及一種準集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極的制作方法。
【背景技術】
[0002]場發射陰極不需要加熱，功耗小，電流密度大，可以瞬時啟動及室溫工作。使用場發射陰極的真空微電子器件，結合了傳統真空電子器件和固態器件的特點，具有很好的性能優勢。場發射陰極潛在應用涉及顯示器件，微波功率放大器，傳感器，存儲器，X射線管，高能粒子加速器，電子束光刻光源，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，對國防武器裝備的發展和進步，具有積極的意義。
[0003]碳納米管/納米線以其優良的材料性能，成為近年來場發射陰極研究的熱點。然而典型工藝制作的碳納米管/納米線場發射陣列陰極，是通過生長或印刷的方法直接將發射材料沉積在陰極基底上，陰極結構本身大都沒有控制柵極，因而不能有效地引出電子束流，使其實際應用受到極大限制。
[0004]英國Cambridge研究團隊和中國電子科技集團公司第十二研究所利用不同的微加工方法，分別實現了集成式微柵控結構的碳納米管場發射陣列陰極，申報專利并獲授權，如:公開號為1417825的中國發明專利。集成式微柵控結構陰極都包含大量ym/亞μπι尺度的微發射單元，每個微發射單元都各自包含發射體和控制柵極，其間以絕緣體隔離。然而這種結構陰極實用化需要克服兩個障礙:其一是μπι/亞μπι尺度碳納米管/納米線柵控發射體工藝要求極高，很難實現大面積陣列的均勻性，這種陣列內微單元的發射不均勻性，導致陰極的發射能力很難提高；其二是陰極工作過程中，發射體由于場蒸發或陰柵打火蒸散的材料，很容易沉積在絕緣體側壁上形成“掛壁”現象，這種μ m/亞μ m尺度間的“掛壁”材料，極易引起發射體和柵極間短路，導致整個陰極的報廢。如圖1所示，圖1中，各部件標號分別表示為:101-陰極基底，102-絕緣體，103-柵極，104-柵極透孔，105-發射體，105’-蒸散“掛壁”材料。
[0005]為克服集成式微柵控結構場發射陣列加工難度大和容易短路的缺點，往往使用非集成式柵控陰極結構。非集成式柵控結構的柵極，是厚度幾十μπι的金屬薄片。薄片上有經光刻刻蝕或激光加工形成的網孔陣列，孔徑一般為幾十到幾百μπι，孔間距也即柵極絲徑為幾十μm，相應透光率約為50-70%。金屬柵極，通過機械裝配置于陰極平面上方，發射體和柵極之間為真空隔離，二者間距，通過遠離發射區域的絕緣體隔離確定。間距下限，考慮絕緣體的加工難度一般為μπι;間距上限，理論上可以很大，但考慮柵極引出電壓不能過高，一般不超過1mm。前期研究的非集成式柵控場發射陰極結構，其陰極發射體往往是未經圖形化的整片區域，結構如圖2所示，圖2中，各部件標號分別表示為:201-陰極基底，202-絕緣體，203-柵極，204-柵極透孔，205-發射體。陰極面上被柵極高壓引出的很多電子，會直接向上轟擊在柵網絲徑上，只有和柵極透孔相對應區域發射的電子才會穿出，形成實用電子流，因而其有效電子發射率通常和柵極透光率相當或更低。柵極截獲較多電子，一方面降低了陰極總發射效率，一方面會在柵極形成可觀的熱功率耗散，發射電流較大時可能會燒毀柵極。
[0006]解決非集成式柵控陰極發射電子透過率低的方法，是使用圖形化發射體的陰極，也即只在和柵極透孔部分相對應的陰極平面上制作、生長場發射材料，而和柵極陰影對應的區域保持空白，這樣可以大大降低直接撞上柵極絲徑的“無用”電子。
[0007]然而目前的加工制備方法，是首先分別通過微加工工藝，制作金屬柵極以及和柵極透孔對應的陰極發射面，而后再將二者隔離對準，并實施固定封裝，結構如圖3所示，圖3中，各部件標號分別表示為:301-陰極基底，302-絕緣體，303-柵極，304-柵極透孔，305-發射體。由于微加工工藝，和手工機械對準過程不兼容，該方法操作難度極大，重復性低，可靠性差，且難以保證裝配完成后柵極透孔和陰極的嚴格對準，仍導致較高的柵極電子截獲，因而這種工藝流程急需改進。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題在于提供一種準集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極的制作方法，該制作方法可有效的解決現有柵控場發射陰極制作中非集成式柵極和圖形化陰極裝配工藝難度大、對準精度差的問題。
[0009]為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案:
[0010]一種準集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極的制作方法，包括如下步驟:
[0011]在陰極基底擬發射區上，依次沉積緩沖層和催化劑層；
[0012]在柵極金屬片上制作透孔陣列，得到有柵極透孔的柵極；
[0013]將柵極與陰極基底擬發射區表面平行對置，位于陰極基底擬發射區外的絕緣體將柵極與陰極基底隔離，得到組裝結構；
[0014]在陰極基底擬發射區的催化劑層上再涂覆負性光刻膠；
[0015]以柵極為掩膜，對陰極基底上與柵極透孔對應位置的負性光刻膠進行曝光；
[0016]顯影，去除陰極基底上未曝光的負性光刻膠；
[0017]腐蝕去除未曝光的負性光刻膠下的催化劑層和緩沖層；
[0018]去除曝光的負性光刻膠；
[0019]在直流等離子體中，透過柵極透孔，在催化劑層上自對準生長場發射體。
[0020]優選地，所述緩沖層選自Cr層、Ti層或TiN層中的一種或幾種；所述催化劑層選自Ni層、Fe層、Co層或Pd層。
[0021]優選地，所述制作通孔陣列的方法，是微加工工藝中常規的光刻刻蝕工藝或激光打孔工藝。光刻刻蝕工藝或激光打孔工藝可為微加工工藝中的常規方法。
[0022]優選地，所述柵極金屬片選自高熔點的純金屬W片或Mo片；柵極的厚度一般為25 μ m-200 μ m 范圍。
[0023]優選地，所述組裝結構組裝的方法為封接或焊接。
[0024]優選地，陰極基底與柵極的距離為50 μ m-1000 μ m。
[0025]優選地，所述負性光刻膠選自傳統微電子技術中使用的普通負性光刻膠或MEMS技術中使用的光刻厚膠；所述普通負性光刻膠可選自購自蘇州瑞紅電子化學品有限公司的RFJ-220負性光刻膠；所述MEMS技術中使用的光刻厚膠包括KMPR光刻膠，或SU8負性光刻膠，其中KMPR光刻膠可購自MicroChem公司，SU8負性光刻膠可購自MicroChem公司。
[0026]優選地，步驟“將柵極與陰極基底擬發射區表面平行對置，位于陰極基底擬發射區外的絕緣體將柵極與陰極基底隔離，得到組裝結構”與步驟“在陰極基底擬發射區的催化劑層上再涂覆負性光刻膠”可以根據具體工藝互換順序。
[0027]優選地，所述場發射體選自碳納米管或具有場發生性能的納米線。
[0028]優選地，腐蝕可為濕法腐蝕，且如果緩沖層不易去除，則可保留。
[0029]優選地，形成組裝結構的組裝過程只需要保證平行度，絕緣體遠離發射區域，無對準要求。
[0030]優選地，緩沖層一般厚5nm-40nm，催化劑厚5nm_30nm。
[0031]本發明中的場發射陰極包括陰極基底、場發射體、絕緣體和柵極。陰極基底給予碳納米管/納米線場發射材料支撐和電極引出，如果金屬表面平整度和粗糙度能滿足光刻工藝和發射材料生長的要求，陰極基底可直接采用W，Mo等純金屬；如果不能，則使用高導電、拋光硅片基底，在硅片上制作發射材料，拋光硅片置于金屬板表面上，通過金屬實現封裝和電極引出。
[0032]催化劑層的作用為生長碳納米管/納米線，納米線根據其材料不同，選用的催化劑材料也不相同。
[0033]緩沖層在陰極基底和催化劑層之間起隔離作用，防止二者發生反應使得催化作用喪失，緩沖層可選自Cr層、Ti層或TiN層中的一種或幾種。
[0034]柵極的作用是通過加載的高電壓，從陰極發射體引出電子，因其要承載一定的熱功率耗散，需選自高熔點的純金屬。
[0035]本發明中碳納米管/納米線作為場發射材料，其功能是發射電子。
[0036]本發明的有益效果如下:
[0037]本發明的制作方法中，省略了非集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極常規制作流程中，圖形化陰極和引出柵極之間所需的復雜對準及裝配步驟。并且按本制造方法所得到的準集成柵控碳納米管/納米線場發射陰極，擁有理論上完全一致的對準效果，最大程度降低了柵控場發射陰極工作時柵極截獲電子情況，一方面提高了電子利用效率，一方面降低了柵極熱耗散的壓力。
[0038]同時，和制作工藝相近的集成式柵控碳納米管/納米線場發射陰極相比，本發明的制作方法中，由于陰極基底和柵極距離較遠，并且絕緣體遠離陰極發射區域，也即發射體和柵極之間是真空隔離狀態，沒有靠近微發射體陣列和對應柵孔的絕緣體，也極大降低了發射材料蒸散引起的“爬壁”短路。
[0039]本發明的制作方法工藝簡單，制作的陰極可以提供高于柵極透光率的電子輸出效率，并且降低了由于柵極過多截獲電子導致的熔毀失效，理論上可以完全避免發射體打火導致的陰柵極間短路失效，具有優良的綜合特性。