CN102709142B - 基于纳米孔的电子束场发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于纳米孔的电子束场发射装置，包括：固定层结构，固定层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的通孔，固定层结构的上表面设有覆盖在通孔上方的石墨烯层；纳米孔层结构，纳米孔层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的纳米孔，且纳米孔层结构的下表面上设有用于与固定层结构的上表面连接的第一键合金属层；和场发射层结构，场发射层结构上表面的中心位置处设有电场负极金属板，场发射层结构下表面的中心位置处设有相互配合的场发射栅极正极和场发射栅极负极，场发射层结构的下表面外沿设有用于与纳米孔层结构的上表面连接的第二键合金属层。根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置，石墨烯层可减小电子碰撞率，进而提高电子的穿透率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子加工技术领域，具体而言，涉及一种基于纳米孔的电子束场发射装置。
背景技术
采用各种粒子束（包括光子、离子、电子、原子）进行材料的加工或图形化是现代微纳米加工的基本思路。目前集成电路技术已经进入纳米领域，32nm工艺技术已经在实际中得到广泛的应用，在传统光刻、电子束加工等领域赶超世界先进技术视乎越来越困难。传统紫外线光学光刻由于其性能稳定、技术成熟、成本低的特点，一直是加工技术的主流，但当进入深纳米级后，由于固有的波长衍射极限的限制，已达到其光刻能力的极限。虽然通过波前工程、浸没式、两次曝光等技术方法，使其光刻能力有一定程度的提升，但面对的问题终将不可避免，极紫外光刻最终会取代这一技术。由于极紫外光刻系统中需要引进一系列新技术，包括光源、光学系统、掩膜、材料等，使设备的拥有成本将非常高，很难得到大规模的应用，这也是该技术不断推迟的原因。
电子束曝光一直是纳米加工的重要技术手段，通常采用的是直写电子束曝光方式，因此很难大规模批量或生产中得到应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
有鉴于此，本发明需要提供一种基于纳米孔的电子束场发射装置，所述电子束场发射装置可以通过纳米孔而产生纳米孔径级的极细电子束。
根据本发明的一种基于纳米孔的电子束场发射装置，包括：固定层结构，所述固定层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的通孔，所述固定层结构的上表面设有覆盖在所述通孔上方的石墨烯层；纳米孔层结构，所述纳米孔层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的纳米孔，且所述纳米孔层结构的下表面上设有用于与所述固定层结构的上表面连接的第一键合金属层；和场发射层结构，所述场发射层结构上表面的中心位置处设有电场负极金属板，所述场发射层结构下表面的中心位置处设有相互配合的场发射栅极正极和场发射栅极负极，所述场发射层结构的下表面外沿设有用于与所述纳米孔层结构的上表面连接的第二键合金属层。
根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置，采用整体键合结构设计，场发射层结构上设有场发射栅正极、场发射栅负极及电场负极金属板，固定层结构层上具有石墨烯层，场发射层结构、纳米孔层结构及固定层结构通过第一键合金属层和第二键合金属层牢固粘结，使整个装置结构简单紧凑，易于高密度集成，采用的纳米孔可有效将电子约束至纳米孔径大小，所采用的石墨烯层不但实现了键合后的空间为真空腔，而且碳单原子厚度的石墨烯层可减小电子碰撞率，进而提高电子的穿透率。
根据本发明的一个实施例，所述场发射层结构的上表面设有与所述电场负极金属板连接的电场负极焊盘、与所述场发射栅极正极连接的场发射正极焊盘和与所述场发射栅极负极连接的场发射负极焊盘。
根据本发明的一个实施例，所述场发射层结构的上表面上还具有电场正极焊盘，所述电场正极焊盘与所述石墨烯层连接。
根据本发明的一个实施例，所述场发射层结构和纳米孔层结构上分别设有贯通所述场发射层结构和纳米孔层结构且供将所述电场正极焊盘与所述石墨烯层连接正极连线通过的电场正极连线孔。
根据本发明的一个实施例，所述场发射层结构具有分别贯通所述场发射层结构的第一引线孔和第二引线孔，所述场发射正极焊盘通过穿过所述第一引线孔的引线与所述场发射栅极正极连接，所述场发射负极焊盘通过穿过所述第二引线孔的引线与所述场发射栅极负极连接。
根据本发明的一个实施例，所述场发射栅极正极和所述场发射栅极负极均为梳状，所述场发射栅极正极的每个齿插入到所述场发射栅极负极的相邻两个齿之间，所述场发射层结构的下表面上设有与所述场发射栅极正极相连的场发射栅极正极引线区和与所述场发射栅极负极相连的场发射栅极负极引线区。
根据本发明的一个实施例，所述场发射栅极正极和所述场发射栅极负极的下表面上具有碳纳米管涂层。
根据本发明的一个实施例，所述纳米孔为倒锥形孔。
根据本发明的一个实施例，所述石墨烯层的形状为矩形，且所述石墨烯层的大小与所述纳米孔下端的尺寸相同。
根据本发明的一个实施例，所述石墨烯层的厚度与所述第二键合金属层的厚度相等。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的整体结构示意图；
图2显示了根据本发明实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的场发射层结构的立体结构示意图；
图3显示了根据本发明实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的场发射层结构的俯视示意图；
图4显示了根据本发明实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的场发射结构层的仰视示意图；
图5显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的场发射结构层沿图3A-A剖线截面图；
图6显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的为纳米孔层结构的立体结构示意图；
图7显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的纳米孔层结构的俯视示意图；
图8显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的纳米孔层结构沿图7B-B剖线截面图；
图9显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的固定结构层立体结构示意图；
图10显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的固定层结构的俯视示意图；
图11显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的固定层结构沿图10的C-C剖线截面图；和
图12显示了根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置的扩展示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置100，包括：固定层结构10、纳米孔层结构20和场发射层结构30。
具体而言，参见图9-11，固定层结构10的中心位置处设有沿上下方向贯通的通孔11，固定层结构10的上表面设有覆盖在通孔11上方的石墨烯层12。例如，石墨烯层12只覆盖在通孔11的上方，固定层结构10的周边并未覆盖有石墨烯层12。
参见图6-8，纳米孔层结构20的中心位置处设有沿上下方向贯通的纳米孔21，且纳米孔层结构20的下表面上设有用于与固定层结构10的上表面连接的第一键合金属层30，纳米孔层结构20的下表面可以通过第一金属键合层30与固定层结构10的上表面牢固键合。
参见图1-5，场发射层结构40上表面的中心位置处设有电场负极金属板41，场发射层结构40下表面的中心位置处设有相互配合的场发射栅极正极42和场发射栅极负极43，场发射层结构40的下表面外沿设有用于与纳米孔层结构20的上表面连接的第二键合金属层50，场发射层结构40的下表面可以通过第二金属键合层50与纳米孔层结构20的上表面牢固键合。
根据本发明的实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置100，采用整体键合结构设计，场发射层结构40上设有场发射栅正极42、场发射栅负极43及电场负极金属板41，固定层结构10层上具有石墨烯层12，场发射层结构40、纳米孔层结构20及固定层结构10通过第一键合金属层30和第二键合金属层50牢固粘结，使整个装置结构简单紧凑，易于高密度集成，采用的纳米孔可有效将电子约束至纳米孔径大小，所采用的石墨烯层12不但实现了键合后的空间为真空腔，而且碳单原子厚度的石墨烯层可减小电子碰撞率，进而提高电子的穿透率。
如图1-3、图5所示，根据本发明的一个实施例，场发射层结构40的上表面设有与电场负极金属板41连接的电场负极焊盘411、与场发射栅极正极42连接的场发射正极焊盘421和与场发射栅极负极43连接的场发射负极焊盘431。电场负极金属板41与电场负极焊盘411可以通过连接线4111连接。电场负极金属板41可以为矩形，且石墨烯层12的大小与纳米孔21下端的尺寸相同，电场负极金属板41的一侧的边缘与电场负极焊盘411连接。将电场负极焊盘411、场发射正极焊盘421和场发射负极焊盘431设在场发射层结构40的上表面可以方便供电器件与电子束场发射装置连接，使电子束场发射装置100结构更加简单紧凑，易于高密度集成。
进一步地，场发射层结构40的上表面上还具有电场正极焊盘441，电场正极焊盘441与石墨烯层12连接。由此，可以通过设在场发射层结构40的上表面的电场正极焊盘44将石墨烯层12与供电器件连接，且所有与供电器件的连接的焊盘都被设置在场发射层结构40的上表面上，由此，可以使电子束场发射装置的结构更加简单紧凑，易于高密度集成。
参见图5、图6和图8所示，根据本发明的一个实施例，场发射层结构40和纳米孔层结构20上分别设有贯通场发射层结构40和纳米孔层结构20且供将电场正极焊盘441与石墨烯层12连接正极连线442通过的电场正极连线孔443。由此，可以将电场正极焊盘441与石墨烯层12连接，且使正极引线442位于整个装置的内部，使电子束场发射装置100的结构更加简单紧凑。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，场发射层结构40具有分别贯通场发射层结构40的第一引线孔401和第二引线孔402，场发射正极焊盘421通过穿过第一引线孔401的引线与场发射栅极正极42连接，场发射负极焊盘431通过穿过第二引线孔402的引线与场发射栅极负极43连接。由此，可以使电子束场发射装置100的结构更加简单紧凑。
如图4所示，根据本发明的一个实施例，场发射栅极正极42和场发射栅极负极43均为梳状，场发射栅极正极42的每个齿插入到场发射栅极负极43的相邻两个齿之间，场发射层结构40的下表面上设有与场发射栅极正极42相连的场发射栅极正极引线区420和与场发射栅极负极43相连的场发射栅极负极引线区430。需要说明的是，场发射栅极正极42与场发射栅极负极43栅形梳齿的个数可根据工艺的条件灵活决定，它们之间的间隙可根据场发射栅极正极42和场发射栅极负极43所加载的电压值决定，即电压值高，间隙设计值可适当宽些，电压值低，间隙设计值可适当窄些。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，场发射栅极正极42和场发射栅极负极43的下表面上具有碳纳米管涂层70。碳纳米管具有纳米级尖端，大的长径比，由此，碳纳米管涂层70可以提供更强的场增强因子，电子逸出功率低，发射电流大、工作电压低、发射性能稳定、使用寿命长、制备工艺简单和易于批量生产的优点。
如图6-8所示，根据本发明的一个实施例，纳米孔21为倒锥形孔。该纳米孔21的结构可以采用硅基湿法工艺制作而成，纳米孔21可通过掩膜结构的设计制作出各种尺寸的孔径大小。
根据本发明的一个实施例，石墨烯层12的厚度可以与第二键合金属层50的厚度相等。由此，可以电子束场发射装置的结构更加紧凑。
下面参照附图1-12描述根据本发明实施例的基于纳米孔的电子束场发射装置。
场发射栅极正极42和场发射栅极负极43上加载预定的电压，场发射栅极正极42和场发射栅极负极43的表面上的碳纳米管涂层70形成隧道电流，产生电子。在石墨烯层12和电场负极金属板41上加载电压形成电场，在电场力的作用下，电子会逸出碳纳米管涂层70，在电场持续的作用下会加速贯穿纳米孔21、穿透石墨烯层12而形成纳米孔径级的极细电子束。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于,包括：
固定层结构，所述固定层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的通孔，所述固定层结构的上表面设有覆盖在所述通孔上方的石墨烯层；
纳米孔层结构，所述纳米孔层结构的中心位置处设有沿上下方向贯通的纳米孔，且所述纳米孔层结构的下表面上设有用于与所述固定层结构的上表面连接的第一键合金属层；和
场发射层结构，所述场发射层结构上表面的中心位置处设有电场负极金属板，所述场发射层结构下表面的中心位置处设有相互配合的场发射栅极正极和场发射栅极负极，所述场发射层结构的下表面外沿设有用于与所述纳米孔层结构的上表面连接的第二键合金属层；
所述场发射层结构的上表面设有与所述电场负极金属板连接的电场负极焊盘、与所述场发射栅极正极连接的场发射正极焊盘和与所述场发射栅极负极连接的场发射负极焊盘；
所述场发射层结构的上表面上还具有电场正极焊盘，所述电场正极焊盘与所述石墨烯层连接。
2.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述场发射层结构和纳米孔层结构上分别设有贯通所述场发射层结构和纳米孔层结构的电场正极连线孔，所述电场正极连线孔供将所述电场正极焊盘与所述石墨烯层连接的正极连线通过。
3.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述场发射层结构具有分别贯通所述场发射层结构的第一引线孔和第二引线孔，所述场发射正极焊盘通过穿过所述第一引线孔的引线与所述场发射栅极正极连接，所述场发射负极焊盘通过穿过所述第二引线孔的引线与所述场发射栅极负极连接。
4.根据权利要求3所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述场发射栅极正极和所述场发射栅极负极均为梳状，所述场发射栅极正极的每个齿插入到所述场发射栅极负极的相邻两个齿之间，所述场发射层结构的下表面上设有与所述场发射栅极正极相连的场发射栅极正极引线区和与所述场发射栅极负极相连的场发射栅极负极引线区。
5.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述场发射栅极正极和所述场发射栅极负极的下表面上具有碳纳米管涂层。
6.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述纳米孔为倒锥形孔。
7.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述石墨烯层的形状为矩形，且所述石墨烯层的大小与所述纳米孔下端的尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的基于纳米孔的电子束场发射装置，其特征在于，所述石墨烯层的厚度与所述第二键合金属层的厚度相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |