CN104934275B - 基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及其制备方法。该场致电子发射阴极阵列包含形貌一致且规则排列的若干金属钼尖锥，采用金属钼基底工艺的方法对金属钼进行平面工艺，使尖锥阵列的形貌具有很高的一致性。通过金属钼基底工艺加工工艺参数的调整，便于改变针尖的形貌，能够按照场发射电流需求制造出相应的尖锥阵列，加工适合大规模制备。本发明通过金属钼基底加工工艺使尖锥阵列的形貌具有很高的一致性，增加了工作时同时发射针尖的数量，进一步增大了场发射电流密度，可以得到形状一致性良好的大面积的尖锥阵列。

Description

基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于真空微电子学技术领域，具体涉及一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及制备方法。

背景技术

随着电真空技术、微纳加工技术、微机电系统MEMS技术和表面封装技术的迅速发展，国际上将各种不同学科进行融合，逐渐形成了真空微电子学。场致电子发射阴极阵列可应用于微波、传感器、离子源和显示光源等等领域，具有十分重要的科学意义和应用价值。

场致电子发射阴极通过强电场将已吸附在发射体表面的气体原子吸附并电离，进而获得近似100％单原子离子比例的离子电流。目前，国内外利用微纳加工技术已获得了用于场致电子发射的冷阴极阵列，并得到实际应用，较为常见的有金属阴极、硅微针尖阵列阴极和碳纳米管阴极等。

其中半导体硅微针尖阵列阴极拥有成熟的加工工艺，因此其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构上。传统的方法是采用热氧化法来制作微尖，但单晶硅本身的表面功函数高达4.5eV，而且其导电、导热性都较差，这就必然导致硅尖锥阴极阵列场发射阈值电压较高、散热性能较差、容易吸附残留气体而受到污染，并产生发射电流不稳定、发射电流密度较低等问题[富笑男,李新建.硅基场发射阴极材料研究进展[J].科学技术与工程,2005,5(3):165.]。

碳纳米管具有长径比大、强度高、工作电压低、发射电流大、功函数低、使用寿命长、可靠性高等特点，而且原材料来源广泛，制备工艺相对简单，易于大批量生产，国内外已有关于碳纳米管FED阴极研究的报道[XuNS,EjazHS.Novel cold cathode materials andapplications[J].MaterSciEngR,2005,48:4]。但目前对碳纳米管的生长机理尚无定论，碳纳米管薄膜的制备还处于实验阶段，控制碳纳米管形状、方向及密度工艺还不完善，而且碳纳米管在大电流下容易烧断而失效，场发射性能尚不理想。

金属阴极结构主要用难熔金属尖端作为阴极，主要有钨和钼等。金属场致发射材料抗干扰性强，目前存在的主要限制是阴极发射电流密度低等问题，因此金属场致发射材料的制备工艺和后处理显得尤为重要。比如Seo等采用激光辐射的方法去除Mo尖锥的氧化层(SeoD,KimCO,HongJP,etal.Laser induced surface cleaning of molybdenum fieldemitter arrays for enhanced electron emission[J].ApplPhysLett,2003,82:32995)。Lee等对Mo尖锥加强电场而使发射电流稳定(LeeJD,OhCW,ParkBG.Electrical aging ofmolybdenum field emitters[J].JVacSciTechnB,2003,21:440)。目前制备金属场致发射阵列(Field Emission Array)常用的方法是斯坦福的Spindt等人开发的Spindt工艺方法，该方法采用多层膜、光刻、刻蚀与角蒸发技术在硅片上形成钼尖锥阵列。在蒸发钼尖锥时，衬底与蒸发束流方向垂直，并以一定的速度匀速旋转，蒸发过程中，栅极孔不断缩小，直至最后封闭，使发射体从圆台变为圆锥体。Spindt工艺由于是在硅基底上蒸镀形成的针尖，使得针尖与基底的粘附性较差；在制备大面积阵列时尖锥形状的一致性也较差，阵列规模难以做大；另外Spindt工艺所需设备的成本也过高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列，利用先进的微纳加工工艺制造出形貌均一的场致电子发射阴极阵列，令其针对传统金属阴极发射电流密度低的问题有比较明显改善。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列，包含形貌一致且规则排列的若干金属钼尖锥。

优选地，相邻钼尖锥尖部之间的间距通常在1～100微米，单个钼尖锥高度通常在1～20微米，底面半径通常在0.5～10微米。

进一步优选地，形貌一致的各个金属钼尖锥等距排列。

一种制备上述基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的方法，其步骤包括：

1)在金属钼材料上形成刻蚀掩膜；

2)利用所述刻蚀掩膜对金属钼材料进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥。

步骤1)中刻蚀金属钼材料的刻蚀掩膜可以是光刻胶掩膜或硬掩膜。相比于正性光刻胶(如AZ4620胶)，负性光刻胶(如SU-8胶)的掩蔽能力较强，特别是在刻蚀气体中O₂气体流量较大的情况下，正性光刻胶难以起到掩蔽作用，需要采用负性光刻胶作为掩膜材料。为实现高深度的刻蚀，负性光刻胶掩膜的厚度一般在20微米以上。

适用于本发明的硬掩膜材料包括Al薄膜、AlN薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜、Ti薄膜等，为实现高深度的刻蚀，硬掩膜的厚度一般采用0.5微米以上。通过物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)方法在金属钼材料表面形成硬掩膜层，然后经涂覆光刻胶以及光刻定义刻蚀图形，再采用干法刻蚀或者湿法腐蚀手段将刻蚀图形转移到硬掩膜上，形成刻蚀掩膜。

步骤2)采用高密度等离子体(如感应耦合等离子体(ICP)，变压器耦合等离子体(TCP)等)干法刻蚀工艺，产生高密度、高能量离子和自由基，实现了对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀，刻蚀速率可达0.5微米每分钟。基于本发明的方法，可利用表面抛光的金属钼基片制作场发射阴极阵列。

采用ICP对金属钼体材料进行刻蚀时，具体刻蚀参数是：用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为100～2000瓦；用于增加等离子体能量的射频功率为10～100瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤100mTorr(约6.65Pa)；结构刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10sccm～200sccm，O₂气体流量占结构刻蚀气体总流量(SF₆和O₂气体流量总和)的60％～80％。

采用TCP对金属钼体材料进行刻蚀时，具体刻蚀参数是：用于产生变压耦合式等离子体的线圈功率为100瓦～2000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为10瓦～200瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤50mTorr(约6.65Pa)；结构刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10sccm～200sccm，O₂气体流量占结构刻蚀气体总流量(SF₆和O₂气体流量总和)的40％～80％。另外也可以在刻蚀气体中添加Cl₂，Cl₂气体流量为5sccm～50sccm。

本发明涉及的基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1)在小面积的局域集成了等距密布的钼尖锥，使工作时的场发射电流密度大幅度增加；

2)通过金属钼基底加工工艺使尖锥阵列的形貌具有很高的一致性，增加了工作时同时发射针尖的数量，进一步增大了场发射电流密度；

3)通过金属钼基底加工工艺参数的调整，便于改变针尖的形貌，能够按照场发射电流需求制造出相应的尖锥阵列，加工适合大规模制备；

4)与现有的Spindt工艺相比，本发明方法工艺简单，解决了衬底粘附性的问题，能够承受较大电流，并且可以得到形状一致性良好的大面积的尖锥阵列。

附图说明

图1是基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的扫描电子显微镜图；

图2是基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列由形貌一致性极高的单个尖锥等距密布而成。相邻钼尖锥尖部之间的间距通常在1～100微米，单个钼尖锥高度通常在1～20微米，底面半径通常在0.5～10微米。本实施例中，相邻尖锥尖部之间的间距为10微米，单个尖锥高6微米，底面半径为2.5微米。

图2是本实施例的基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列的工艺流程图，该场致电子发射阴极阵列由金属钼基底工艺方法制造，在金属钼材料上形成刻蚀掩膜，然后对金属钼材料进行高密度离子体干法刻蚀直接成型。下面结合图2对该工艺方法的各步骤进行详细说明：

1)在钼片(图2中(a)图所示)上面溅射铝，用铝作为刻蚀的硬掩膜，如图2中(b)图所示。可以通过物理气相沉积或者化学气相沉积方法形成该硬掩膜层。

2)在溅射的铝上进行甩胶光刻，形成刻蚀图形，如图2中(c)图和(d)图所示。

3)采用ICP(感应耦合等离子体)方法刻蚀铝，形成刻蚀铝掩膜，如图2中(e)图所示。

4)用铝做掩膜，采用ICP方法各项同性刻蚀出钼针尖，如图2中(f)图和(g)图所示。该步骤采用的工艺参数是：ICP功率在100-2000W之间，RF在10w-100w之间；刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量在10-200sccm，O₂气体流量占刻蚀气体总流量(SF₆和O₂气体流量总和)的60％～80％；刻蚀温度在0℃-50℃。

除上述采用硬掩膜的方式外，本发明刻蚀金属钼材料的刻蚀掩膜也可以是光刻胶掩膜。相比于正性光刻胶(如AZ4620胶)，负性光刻胶(如SU-8胶)的掩蔽能力较强，特别是在刻蚀气体中O₂气体流量较大的情况下，正性光刻胶难以起到掩蔽作用，因此需要采用负性光刻胶作为掩膜材料。为实现高深度的刻蚀，负性光刻胶掩膜的厚度一般在20微米以上。

除上述采用ICP干法刻蚀方法外，本发明也可以采用TCP(变压器耦合等离子体)等干法刻蚀工艺，产生高密度、高能量离子和自由基，实现对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀。

本发明直接基于钼基底上用硬掩膜进行各项同性刻蚀形成钼针尖。而现有技术中的Spindt工艺是在硅基底上蒸镀形成的钼针尖，用这种方法做出的针尖与基底的粘附性不好，且大面积一致性较差，阵列规模难以做大。与其相比，本发明方法工艺简单，解决了衬底粘附性的问题，能够承受较大电流，并且可以得到较大面积的场致电子发射阴极阵列。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (8)

1.一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列，其特征在于，包含形貌一致且规则排列的若干金属钼尖锥，其通过以下方法形成：首先在金属钼材料上形成刻蚀掩膜，然后利用所述刻蚀掩膜对金属钼材料进行高密度等离子体干法刻蚀，形成形貌一致且规则排列的金属钼尖锥；

所述高密度等离子体为感应耦合等离子体，采用感应耦合等离子体对金属钼体材料进行刻蚀的刻蚀参数是：用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为100～2000瓦；用于增加等离子体能量的射频功率为10～100瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤100mTorr；刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10～200sccm，O₂气体流量占刻蚀气体总流量的60％～80％；

或者，所述高密度等离子体为变压器耦合等离子体，采用变压器耦合等离子体对金属钼体材料进行刻蚀的刻蚀参数是：用于产生变压耦合等离子体的线圈功率为100～2000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为10～200瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤50mTorr；刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10～200sccm，O₂气体流量占结构刻蚀气体总流量的40％～80％。

2.如权利要求1所述的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列，其特征在于：相邻钼尖锥之间的距离为1～100微米；单个钼尖锥的高度为1～20微米，底面半径为0.5～10微米。

3.如权利要求1或2所述的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列，其特征在于：各个钼尖锥等距排列。

4.一种制备权利要求1所述基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的方法，其特征在于，首先在金属钼材料上形成刻蚀掩膜，然后利用所述刻蚀掩膜对金属钼材料进行高密度等离子体干法刻蚀，形成形貌一致且规则排列的金属钼尖锥；

所述高密度等离子体为感应耦合等离子体，采用感应耦合等离子体对金属钼体材料进行刻蚀的刻蚀参数是：用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为100～2000瓦；用于增加等离子体能量的射频功率为10～100瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤100mTorr；刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10～200sccm，O₂气体流量占刻蚀气体总流量的60％～80％；

或者，所述高密度等离子体为变压器耦合等离子体，采用变压器耦合等离子体对金属钼体材料进行刻蚀的刻蚀参数是：用于产生变压耦合等离子体的线圈功率为100～2000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为10～200瓦；下电极托盘设置温度≤50℃；腔体气压≤50mTorr；刻蚀气体是SF₆和O₂，其中SF₆气体流量为10～200sccm，O₂气体流量占结构刻蚀气体总流量的40％～80％。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述刻蚀掩膜是光刻胶掩膜。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光刻胶掩膜为负性光刻胶掩膜，其厚度在20微米以上。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述刻蚀掩膜是硬掩膜，首先通过物理气相沉积或者化学气相沉积方法在金属钼材料表面形成硬掩膜层，然后经涂覆光刻胶以及光刻定义刻蚀图形，再采用干法刻蚀或者湿法腐蚀手段将刻蚀图形转移到硬掩膜上，形成刻蚀掩膜。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硬掩膜为Al薄膜、AlN薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜、或者Ti薄膜，硬掩膜的厚度在0.5微米以上。