CN102339704B

CN102339704B - 一种场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法

Info

Publication number: CN102339704B
Application number: CN201110299640.3A
Authority: CN
Inventors: 徐军; 袁明艺; 王朋博
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102339704A

Abstract

本发明公开了一种场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法。本发明的电化学腐蚀方法采用了交流信号源以及一定比例的碱性溶液构成一种新的电化学解腐蚀方法，这种方法通过控制单晶钨丝浸入腐蚀液液面的深度、腐蚀液的浓度、电压的幅值、信号的频率等参数优化腐蚀条件，获得腐蚀的最佳工艺参数，从而获得理想的针尖形状。这种腐蚀方法的优点是：操控简单，控制精确，稳定性好，一旦获得最佳条件，其成功率可以达到95％以上。

Description

一种场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法

技术领域

本发明涉及一种电化学腐蚀方法，具体是一种场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法。

背景技术

场发射电子显微镜作为人类探索微观世界的重要工具，以其独特的高分辨及分析性能，被广泛地应用于材料科学、生命科学、半导体工业以及地质、能源、医疗、制药等诸多领域，在人类科学研究和工业生产中发挥着巨大作用。

场发射电子源是场发射电子显微镜的核心部件之一，其性能决定着场发射电镜中主要的电子光学性能参数，它包括电子枪的发射角电流密度、电子束总发射电流、电子的能量分散、电子束的稳定度及电子源的使用寿命等。

目前，用于商用场发射电镜的电子源主要有两种，即：冷场发射电子源和氧化锆/钨肖特基场发射电子源(ZrO/W Schottky)场发射电子源，而ZrO/W Schottky场发射电子源以其亮度高、束流大、束稳定性好、电子能量分散小等优点，愈来愈受到电镜生产厂商和使用者的青睐。

ZrO/W Schottky场发射电子源的基本单元包括：带有两个电极的陶瓷座；焊接在陶瓷座的电极上的V型发叉钨丝；以及焊接在V型发叉钨丝的尖端的单晶钨丝。

为满足场发射电子源亮度高、束流大、束稳定性好、电子能量分散小等的要求，需要对ZrO/W Schottky场发射电子源的单晶钨丝的针尖做尖化处理，一般要求场发射电子源的单晶钨丝的针尖的曲率半径在0.5-1um之间。

为了获得曲率半径在0.5-1um左右的场发射电子源的针尖，通常采取的制作方法有：机械研磨、化学腐蚀、离子轰击及电化学腐蚀等。前三种方法由于工序复杂、费时费力、可控性差、尺寸精度不高，使得制备电子源尖端的成功率较低。而电化学腐蚀法以其可控参数多，腐蚀精度高，逐渐成为有效的方法被大家采纳。

目前，采用电化学腐蚀法制备场发射电子源的针尖的方法主要有两种，第一种是直流电化学腐蚀方法，第二种是交流电化学腐蚀方法。

电化学腐蚀方法制备场发射电子源的针尖的基本原理：

用碱性溶液作为电解液(如NaOH或KOH)，碳棒或粗金属丝做阴极，阳极为需制备成针尖的钨丝。阳极在腐蚀的过程中被逐渐溶解，最终形成具有特定形状的针尖。电化学腐蚀时溶液中发生的主要反应如下：

阴极6H₂O+6e^-→3H₂+6OH^-

阳极W+8OH^-→WO₄ ^2-+4H₂O+6e^-

总反应W+2OH^-+2H₂O→WO₄ ^2-+3H₂

针尖腐蚀形状与腐蚀时电路采用直流或交流有关，直流腐蚀时得到双曲面形的针尖，交流腐蚀时得到锥形的针尖，这两种形状的针尖均可以做为场发射阴极。

直流电化学腐蚀的特点是：腐蚀获得的双曲面形的针尖表面平滑，腐蚀尖端的曲率半径可以做到十几个纳米甚至更小。然而不足之处是：腐蚀控制电路复杂，控制程序麻烦，影响腐蚀控制的因素较多(腐蚀电流、腐蚀液浓度、钨丝浸入腐蚀液深度和垂直度、钨丝表面的洁净度及环境振动等)，而且非常敏感，不易控制，致使成功率较低。

而目前所采用的交流电化学腐蚀方法采用50Hz固定的交流电频率，而且两个电极放在广口腐蚀容器中(如：烧杯)，可调参数少，电极间相互干扰大，不易获得理想的针尖形状，且制备成功率不高。

发明内容

为了克服以上提到的电化学腐蚀方法中存在的问题，本发明提出一种交流电化学腐蚀方法。

本发明的目的在于提出一种场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法。

本发明的场发射电子源的单晶钨丝的交流电化学腐蚀方法的步骤如下：

1)将用天平称取一定量的NaHO或KHO的碱性粉末倒入烧杯，再用量杯量取一定量的纯净水，将纯净水缓慢倒入盛有碱性粉末的烧杯中，同时用玻璃棒缓缓搅拌，配制成溶液浓度为3-5mol/L的碱性腐蚀液；

2)将配好的腐蚀液从U型管的一端倒入U型管，使液面离U型管口3-5mm处；

3)将焊接有单晶钨丝的陶瓷座固定到带有测微头的固定架上，调节测微头，使单晶钨丝浸入盛有腐蚀液的U型管的一端的液面下一定距离，并将一个电极放入盛有腐蚀液U型管的另一端的液面下；

4)将带有电极夹和开关的连接导线与信号源连通，将一个电极夹与焊接单晶钨丝的陶瓷座上的电极连接，另一个电极夹与U型管的另一端的电极连接；

5)打开信号源，调节腐蚀需用的信号源参数，电压3-10V，频率5-1000Hz；

6)启动连接导线上的开关，开始腐蚀；

7)腐蚀结束后，断开开关；

8)调节测微头，使灯丝陶瓷座上的钨丝完全退出腐蚀液。

腐蚀过程结束。

本发明的优点与技术效果：

腐蚀控制电路简单(普通10V输出的信号源)，影响腐蚀因素的主要参数可用范围宽，控制容易。具体采用了交流信号源以及一定比例的碱性溶液构成一种新的电化学解腐蚀方法，这种方法通过控制单晶钨丝浸入腐蚀液液面的深度、腐蚀液的浓度、电压的幅值、信号的频率等参数优化腐蚀条件，获得腐蚀的最佳工艺参数。这种腐蚀方法的优点是：操控简单，控制精确，稳定性好，一旦获得最佳条件，其成功率可以达到95％以上。

附图说明

图1.本发明的交流电化学腐蚀方法所采用的电化学腐蚀装置的示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。

本发明的交流电化学腐蚀方法所采用的装置如图1所示，包括：固定架1，通过调节安装在其上的测微头控制单晶钨丝浸入溶液里的深度；U型管2，作为电解槽盛放腐蚀液；信号发生器3，作为交流电化学腐蚀的电源直接与U型管2的两个电极相连。

2)将配好的腐蚀液从U型管的一端倒入U型管，使液面离U型管口3-5mm处，并插入一个电极；

6)启动连接导线上的开关，开始腐蚀；

7)腐蚀结束后，断开开关；

8)调节测微头，使灯丝陶瓷座上的钨丝完全退出腐蚀液。

腐蚀过程结束。

对于交流腐蚀得到的针尖形状我们主要关注两点：一是整体形状是否平滑对称；二是尖端曲率半径。

影响交流电化学腐蚀针尖形状的因素有：单晶钨丝浸入液面深度、溶液浓度、腐蚀信号的电压以及腐蚀信号的频率等。以下对影响针尖形状的各种因素逐一进行分析。

对于交流电化学腐蚀钨丝浸入液面深度过短将使得腐蚀成功率和重复性下降，所以一般将深度取在1mm以上；另一方面，浸入液面过深，对针尖形状没有任何影响，反而造成资源的浪费，同时又增加了腐蚀时间，降低了工作效，因此在交流电化学腐蚀中将单晶钨丝浸入液面深度取定为1mm。

当溶液浓度较低如1mol/L时，整体形状较为平滑；而溶液浓度逐渐升高时，针尖上台阶状的棱逐渐变得明显。同时，针尖曲率半径随着溶液浓度的增加而减小。

当电压较高如20V时，整体形状较为平滑；随着腐蚀电压逐渐降低时，整体形状上台阶状的棱逐渐变得明显。而针尖曲率半径随着腐蚀信号的电压的增加而减小。

当信号频率较高如1000Hz时，整体形状较为平滑；腐蚀信号频率逐渐降低时，整体形状上台阶状的棱逐渐变得明显。而针尖曲率半径随着腐蚀信号频率的增加而减小。

因此，综合考虑针尖的整体形状和尖端的曲率半径要求，腐蚀出理想的场发射电子源的针尖形状，选择溶液浓度3mol/L的NaOH或KHO的碱性腐蚀液、浸入液面下1mm、腐蚀的电压10V、腐蚀信号的频率10Hz为最佳腐蚀条件。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种交流电化学腐蚀方法，用于制备场发射电子源的单晶钨丝，其特征在于，步骤如下：

6)启动连接导线上的开关，开始腐蚀；

7)腐蚀结束后，断开开关；

8）调节测微头，使灯丝陶瓷座上的钨丝完全退出腐蚀液。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中NaOH或KHO的碱性腐蚀液的溶液浓度为3mol/L。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）中单晶钨丝浸入液面深度为1mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）中腐蚀的电压为10V。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5）中腐蚀信号的频率为10Hz。