CN104091743A - 一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，通过一次光刻定位栅极槽和纳米冷阴极的生长区域，实现纳米线冷阴极与栅极电极和阴栅极之间的绝缘层的对准，并自动形成可以防止阴极和栅极之间短路和电学击穿的绝缘层台阶。本方法可以降低工艺难度，提高器件的制作成品率，并提高栅极结构纳米线冷阴极电子源的工作特性。

Description

一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法及其结构

技术领域

本发明涉及真空微电子技术领域，特别是一种带栅极结构的纳米冷阴极阵列结构及其制作技术。。

背景技术

带栅结构冷阴极电子源阵列由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在X射线源、平面光源、背光源、场发射显示器等真空微电子器件上有重要应用前景。

早期研究的冷阴极电子源阵列主要采用微尖锥、金刚石薄膜和类金刚石薄膜、或碳纳米管等准一维纳米材料冷阴极。采用Spindt型尖锥的冷阴极电子源虽然可以实现较大的电流密度，但这种冷阴极在氧化性环境和离子轰击作用下容易受损，场发射稳定性不高，而且制备工艺复杂，大面积制备的技术难度和成本高。金刚石薄膜和类金刚石薄膜虽有较低的发射阈值电场，但是这类冷阴极发射的不均匀性使得这类材料未达到实用要求。1991年日本的Iijima等人对碳纳米管(CNT)材料进行了报道引起了广大研究者的关注，CNT具有较大的高径比，因此其场发射的开启电场相对较低，有利于降低栅极驱动电压，而且可以用自组织生长的方法制备要比Spindt型尖锥简单，有利于降低成本，但是，CNT生长条件难控制，电学性质不单一，不利于器件的重复性制备。印刷型碳纳米管冷阴极在发射均匀性和稳定性等方面存在问题，需要引入复杂的后处理工艺；化学气相沉积制作碳纳米管方法中，需要催化剂并需要较高的生长温度，不利于大面积制备。近些年纳米线冷阴极引起了研究者的兴趣，因为其具有可低温生长的特点以及优越的场致电子发射性能，并且可通过直接生长(如热氧化)方法集成到带栅结构冷阴极电子源阵列中。在制作带栅结构纳米线冷阴极电子源阵列过程中，实现纳米线冷阴极与栅极电极对准并防止阴极和栅极之间的短路是一个难题，本发明提出了一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，通过一次光刻定位栅极槽和纳米冷阴极的生长区域，实现纳米线冷阴极与栅极电极和阴栅极之间的绝缘层的对准，并自动形成可以防止阴极和栅极之间短路和电学击穿的绝缘层台阶。。该方法可以降低工艺难度，提高器件的制作成品率，并提高栅极结构纳米线冷阴极电子源的工作特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法。

该制作方法依次包括步骤：

a)清洁衬底；

b)在衬底上制作阴极电极条；

c)在阴极电极条上制作绝缘层；

d)在绝缘层上制作若干列与阴极电极条交叉垂直的栅极电极条；

e)在栅极电极条外覆盖一层光刻胶后利用一次光刻定位纳米冷阴极生长区域；

f)在生长区域内刻蚀绝缘层以暴露出底部阴极电极条；

g)保留刻蚀后剩余光刻胶层，然后镀起始生长源薄膜；

h)采用剥离方法得到用于纳米线冷阴极生长的生长源薄膜；

i)采用直接氧化法从生长源薄膜阵列生长得到纳米线冷阴极。

电子源阵列中各层薄膜的制作采用光刻，真空镀膜，剥离和刻蚀等工艺技术。其中，光刻可采用紫外或电子束光刻，真空镀膜技术采用通用的镀膜方法，如电子束蒸发、溅射、化学气相沉积等；刻蚀技术采用通用的薄膜刻蚀方法，如湿法刻蚀、反应离子刻蚀等方法，纳米冷阴极采用无需催化剂的直接热氧化法。

在上述的纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法中，阴极电极条和栅极电极条由一层或多层金属薄膜组成，多层金属薄膜用于提高电极的导电性，而且最上层的金属薄膜可用于清除刻蚀残留的牺牲层。薄膜的材料为Cr、Al、Ti、W、Mo、Ni、ITO等。

本发明在刻蚀绝缘层过程中通过一次光刻定位栅极槽和纳米冷阴极的生长区域，刻蚀绝缘层暴露出底部阴极电极条，实现纳米线冷阴极与栅极电极和阴栅极之间的绝缘层的对准，本方法可以降低工艺难度，提高器件的制作成品率。刻蚀技术采用湿法刻蚀、反应离子刻蚀等方法。

本发明在栅极电极条和纳米线冷阴极之间形成绝缘层台阶，可避免栅极和纳米线冷阴极短路，并且可提高栅极和阴极之间的绝缘特性从而提高器件工作的稳定性和寿命。绝缘层可由多层绝缘材料薄膜组成，多层绝缘层薄膜可由二氧化硅、氮化硅或氧化铝等组成，其制备方法为真空镀膜方法，包括电子束蒸发方法和等离子体增强化学气相沉积等方法。

制备纳米线冷阴极的生长源薄膜材料过程中为了提高生长源薄膜的粘附性，可引入过渡层薄膜，过渡层薄膜材料为铬、铝、钛、钨、钼或铌中的一种或几种。生长源薄膜材料为铜、铁、锌、钨、钼、铬、钛或镍。通过直接氧化，可以生成氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化钨、氧化钼、氧化铬、氧化钛或氧化镍纳米线。

直接氧化法是指在含氧的气氛下将上述步骤制备的结构加热至200～650℃，并保温0.5～12小时，最后自然冷却。

本发明的电子源阵列结构包括衬底1，制作在衬底1之上的相互交叉排列的阴极电极条2和栅极电极条4，阴极和栅极之间的绝缘层3，以及制作在阴极电极条上的纳米线冷阴极阵列7。在上述结构中，在栅极电极条和纳米线冷阴极之间形成绝缘层台阶8。绝缘层台阶用于防止阴极和栅极之间短路并提高栅极和阴极之间绝缘特性，从而增加器件工作的稳定性和延长工作寿命。

本发明的有益效果是：通过一次光刻定位栅极槽和纳米冷阴极的生长区域，实现纳米线冷阴极与栅极电极和阴栅极之间的绝缘层的对准。本方法可以降低工艺难度，提高器件的制作成品率，并提高栅极结构纳米线冷阴极电子源的工作特性。该自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列具有电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在X射线源、平面光源、背光源、场发射显示器等其它真空微电子器件上有重要应用前景。

附图说明

图1是带栅结构纳米线冷阴极电子源阵列的结构示意图。图中，1:衬底；2：阴极电极条；3：绝缘层；4：栅极电极条；7：纳米线冷阴极；8：绝缘台阶。

图2是自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作流程图。图中，1:衬底；2：阴极电极条；3：绝缘层；4：栅极电极条；5：光刻胶；6：生长源薄膜阵列；7：纳米线冷阴极。

图3是本发明自对准工艺用于电子源阵列制作的制作流程图。图中，1:衬底；2：阴极电极条；3：绝缘层；4：栅极电极条；5：光刻胶；6：生长源薄膜阵列；7：纳米线冷阴极。

图4是刻蚀绝缘层后器件的截面扫描电子显微镜照片。

图5是实际制作的自对准栅极结构的ZnO纳米线冷阴极电子源阵列的低放大倍数扫描电子显微镜照片，内嵌图为截面高放大倍数扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

为了更好地描述上述自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1给出了带栅结构纳米线冷阴极电子源阵列的结构示意图。如图1所示，该电子源阵列的基本结构，包括衬底1、制作在衬底1之上的下层阴极电极2和与其交叉排列的上层栅极电极4、上下层电极之间的绝缘层3、以及制作在阴极电极条2上的纳米线冷阴极阵列7。

图2是自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作流程图。首先在衬底1上制作具有图形的阴极电极条2，阴极电极条2可以是由ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌等一种或多种材料的薄膜组成；阴极电极条薄膜的制备可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法。接着在阴极电极2上沉积绝缘层薄膜3。绝缘层薄膜3是由二氧化硅、氮化硅或氧化铝等多层绝缘薄膜组成；绝缘薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，如化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发等方法制备。然后在绝缘层薄膜3上制作与阴极电极条2方向垂直的栅极电极条4，栅极电极条4可以是由ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌等一种或多种材料的薄膜组成栅；极电极条薄膜的制备可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法。接着对绝缘层薄膜3进行刻蚀，露出底部阴极电极条2。刻蚀绝缘层的方法可以是湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。然后在刻蚀后基板上沉积生长源薄膜。生长源薄膜可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法来制作；接着采用剥离(lift-off)工艺得到用于纳米线冷阴极生长的生长源薄膜阵列6。最后将制作的基板在含氧的气氛下加热至200～650℃，并保温30分钟～12小时，最后降温，就可以制得采用纳米线阵列7作为冷阴极材料的电子源阵列。

图3是自对准工艺用于电子源阵列制作的制作流程图。完成栅极电极条4的制作后通过一次光刻定位栅极槽和纳米冷阴极的生长区域(如图3(b))，刻蚀绝缘层3暴露出底部阴极电极条2(如图3(c))；保留刻蚀后剩余光刻胶，然后镀生长源薄膜，采用剥离技术得到纳米线冷阴极生长源薄膜阵列6(如图3(d))，最后将制作的基板在含氧的气氛下加热至200～650℃，并保温30分钟～12小时，降温，就可以制得采用纳米线阵列7作为冷阴极材料的电子源阵列(如图3(e))。

需要特别指出的是，实际制作过程并不仅仅局限于上述所举的例子，还可以采用其它相类似的微加工方法。

实施例

本实施例给出了采用氧化锌纳米线作为冷阴极材料的平栅结构电子源阵列的制作过程。具体的制作工艺步骤参见附图2。首先将玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，用氮气吹干。在玻璃基板上，采用直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备阴极电极条。阴极电极条材料为铬，其厚度为150nm。接着用等离子体增强气相沉积的方法制备氮化硅和二氧化硅复合的绝缘层薄膜，其总厚度为1.88μm。然后采用直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备栅极电极条。栅极电极条为铬薄膜，其厚度分别为520nm。接着做光刻定位纳米冷阴极生长区域，采用反应离子刻蚀技术刻蚀绝缘层薄膜，露出底部阴极电极条；保留刻蚀后剩余光刻胶层，然后采用电子束蒸发真空镀膜技术镀生长源薄膜锌膜；采用剥离(lift-off)工艺方法得到生长源锌薄膜阵列。最后将玻璃基板放入至管式炉中进行氧化。先从室温升高至500℃，然后在500℃下保温2小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。

附图4刻蚀绝缘层后器件的截面扫描电子显微镜照片，从图中可以看到绝缘层厚度约为1.9μm，栅极电极条和纳米线冷阴极之间形成绝缘层台阶，可避免栅极和纳米线冷阴极短路，并且可提高栅极和阴极之间的绝缘特性从而提高器件工作的稳定性和寿命。

对制备的氧化锌纳米线电子源阵列进行扫描电子显微镜(SEM)观察。附图5是扫描电子显微镜(SEM)观察到的电子源阵列的电镜图片，可以发现氧化锌纳米线集成在栅极结构中，形成了氧化锌纳米线电子源阵列，其中氧化锌纳米线的直径约为20nm，高度为0.3～1.0μm。

Claims (8)

1.一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其制作步骤依次包括：

a)清洁衬底；

b)在衬底上制作阴极电极条；

c)在阴极电极条上制作绝缘层；

d)在绝缘层上制作若干列与阴极电极条交叉垂直的栅极电极条；

e)在栅极电极条外覆盖一层光刻胶后利用一次光刻定位纳米冷阴极生长区域；

f)在生长区域内刻蚀绝缘层以暴露出底部阴极电极条；

g)保留刻蚀后剩余光刻胶层，然后镀起始生长源薄膜；

h)采用剥离方法得到用于纳米线冷阴极生长的生长源薄膜；

i)采用直接氧化法从生长源薄膜阵列生长得到纳米线冷阴极。

2.如权利要求1所述的一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其特征是：所述一次光刻定位后栅极电极条的长度和宽度均小于其下方的绝缘层的长度和宽度从而形成绝缘层台阶，绝缘层台阶的宽度与光刻胶的宽度一致。

3.如权利要求1所述的一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其特征是：所述阴极和栅极电极材料为Cr、Al、Ti、W、Mo、Ni、ITO中的一种或其任意组合；阴极和栅极的厚度范围在100nm～600nm。

4.如权利要求1或2所述的一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其特征是：所述绝缘层材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铝中的一种或其任意组合。

5.如权利要求4所述的一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其特征是：所述绝缘层的制备方法为真空镀膜方法，包括电子束蒸发方法和等离子体增强化学气相沉积方法；绝缘层的厚度范围在1.5μm～2μm。

6.如权利要求1或2所述的一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法，其特征是：所述直接氧化法是指在含氧的气氛下将上述步骤制备的结构加热至200～650℃，并保温0.5～12小时，最后自然冷却。

7.一种根据权利要求1所制备的冷阴极电子源阵列结构，其特征在于：包括衬底、制备在衬底之上的下层阴极电极条及与下层阴极电极条交叉垂直排列的上层栅极电极条，位于上下层电极之间的绝缘层以及生长于下层阴极电极上的纳米线冷阴极阵列。

8.如权利要求7所述的一种冷阴极电子源阵列结构，其特征是：所述绝缘层的长度和宽度大于上层栅极电极而形成用于防止阴极和栅极之间短路并提高栅极和阴极之间绝缘特性的绝缘层台阶，从而增加器件工作的稳定性和延长工作寿命。