CN111613499B - 一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，在该方法中，衬底被分为器件区和对准区。其中，在器件区内铺设碳纳米管，并在器件区内铺设碳纳米管，制备第二电极对阵列，其中所述第二电极对阵列用于固定所述碳纳米管并给所述碳纳米管提供电压，除去预设范围外的碳纳米管，在器件区内制备第一电极对阵列，其中所述第一电极对阵列与所述第二电极对阵列对应设置并连接所述第二电极对阵列，最后在所述碳纳米管相对区域的所述衬底上制备沟槽，其中所述碳纳米管悬浮于所述沟槽上。通过应用本申请的技术方案，可以实现一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，解决了相关技术中存在的制备电子源失败率过高的问题。
Description
技术领域
本申请中涉及电子源技术领域，尤其涉及一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法。
背景技术
电子源是一种能够提供真空中自由电子束的基本电子器件，是诸多真空电子器件和电子设备(如X射线管、微波管、阴极射线管等)的关键元件，广泛应用于X射线设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件等重要领域。但也面临体积大、功耗高等一系列问题，解决这些问题的方案之一是将这些器件微型化。
本申请申请人最近发明了一种基于碳纳米管的热发射片上微型电子源(中国专利申请号：2019109875035，Nanoscale,2017,9,17814-17820，IEEE Transactions onElectron Devices,vol.66,no.2,pp.1069-1074,Feb.2019)。该电子源是基于碳纳米管的片上微型电子源，包括一衬底，在衬底表面具有第一电极、第二电极和碳纳米管，其中所述碳纳米管悬浮在第二电极之间并连接第二电极。在工作时，所述第一电极和所述第二电极给所述碳纳米管施加电压，加热所述碳纳米管进而能够在碳纳米管表面有效地发射出电子。
这种片上微型热电子源具有制备工艺简单、发射电流大、真空度要求低、功耗低、成本低、携带方便等优点，比较适合晶圆级的制备。但也在制备过程中，发现其存在一些问题：例如在传统工艺中，在铺设完成所述碳纳米管后，先直接把预设范围外的所述碳纳米管刻蚀掉，然后再形成所述第二电极。但是所述碳纳米管往往不能很好地黏附在所述衬底上，这样在刻蚀完成后，会导致预设范围内的所述碳纳米管容易移动，使得所述第二电极压不到碳管或者只能压住部分碳管，导致失败率过高。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，以解决这些问题，方案如下：
一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，包括衬底，所述衬底为晶圆级衬底，所述衬底上设有对准区和器件区，所述对准区设于器件区的两端，其特征在于：
在所述器件区内铺设碳纳米管；
在所述器件区内制备第二电极对阵列，所述第二电极对阵列用于固定所述碳纳米管；
除去预设范围外的碳纳米管，所述预设范围是指所述碳纳米管出射电子的区域；
在所述器件区内制备第一电极对阵列，所述第一电极对阵列与所述第二电极对阵列对应设置并与所述第二电极对阵列相连；
在所述碳纳米管相对区域的所述衬底上制备沟槽，所述碳纳米管悬浮于所述沟槽上。
优选的，所述衬底经过丙酮、异丙醇和去离子水中的一种或多种溶剂的清洗，以除去黏附在所述衬底上的杂质和污染物。
优选的，在所述衬底器件区的所述预设范围附近设有至少两组标志，所述标志用于铺设所述碳纳米管，使得所述标志之间的所述碳纳米管铺设密致均匀。
优选的，所述碳纳米管铺设完成后，在所述衬底上依次滴上水和酒精，以使得所述碳纳米管和所述衬底黏附的更牢。
优选的，所述第二电极对阵列间隔设置，其中所述每个第二电极对阵列中至少包含两个第二电极，多个所述第二电极间隔平行设置，且所述多个第二电极均压在所述碳纳米管上，以固定所述碳纳米管。
优选的，所述沟槽设于所述第二电极之间，所述碳纳米管悬浮于所述第二电极之间。
优选的，所述衬底为绝缘衬底，或表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底；
当所述衬底为绝缘衬底时，所述衬底是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、以及金刚石衬底中的任一种；
当所述衬底为所述表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底时，所述绝缘导热薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、氮化铝薄膜和金刚石薄膜中的任一种。
优选的，所述第一电极对阵列和所述第二电极对阵列有部分重叠接触，以形成良好的欧姆接触。
优选的，所述第二电极对阵列的组成材料为金属，所述第一电极对阵列的组成材料为金属、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
本申请中，衬底被分为器件区和对准区。其中，在器件区内铺设碳纳米管，并在器件区内铺设碳纳米管，制备第二电极对阵列，其中所述第二电极对阵列用于固定所述碳纳米管并给所述碳纳米管提供电压，除去预设范围外的碳纳米管，在器件区内制备第一电极对阵列，其中所述第一电极对阵列与所述第二电极对阵列对应设置并连接所述第二电极对阵列，最后在所述碳纳米管相对区域的所述衬底上制备沟槽，其中所述碳纳米管悬浮于所述沟槽上。通过应用本申请的技术方案，可以实现一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，解决了相关技术中存在的制备电子源失败率过高的问题。
附图说明
为了使本申请的技术方案能够更加明白易懂，下面通过附图和实施例对本申请的具体实施方式做进一步的详细描述。
图1为本申请提出的一种晶圆级片上微型热电子源的制备版图；
图2-图8为本申请提出的一种晶圆级片上微型热电子源的制备过程示意图；
其中图7又是所述片上微型热电子源的立体结构示意图，图8为图7的沿虚线位置的切面图。
其中，1为衬底，2为第一电极对阵列，3为第二电极对阵列，4为碳纳米管，5为沟槽，6为标志。
具体实施例
现在将参照附图来详细描述本申请的实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，不作为对本申请的应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
下面结合图1-图8来描述根据本申请示例性实施例中的晶圆级片上微型热电子源的制备方法。需要注意的是，下述应用场景仅是为了便于理解本申请的精神和原理而示出，本申请的实施例中在此方面不受任何限制。相反，本申请的实施例中可以应用于适用的任何场景。
参考图1，图1为本申请提出的一种晶圆级片上微型热电子源的制备版图，分为器件区和对准区。在本实施例中，器件区包括48个片上微型热电子源器件，其中的小图为一个片上电子源的局部放大图，其中包括：第一电极2，第二电极3，碳纳米管4和标志6。在本实施例中，对准区位于器件区两侧，一个对准区包括六组对准标志，每组的对准标志都一样。
参考图2-图8，为本申请实施例提供的一种晶圆级片上微型热电子源的制备过程示意图，其中图7又是所述片上微型热电子源的立体结构示意图，图8为图7的沿虚线位置的切面图。所述片上微型热电子源包括：衬底1，以及设置在所述衬底1表面的碳纳米管4、第一电极对阵列2、第二电极对阵列3、沟槽5和标志6。所述碳纳米管4两端分别连接着第二电极3，第二电极3与第一电极2相连，外部电路通过所述第一电极2和所述第二电极3向所述碳纳米管4提供电压，以使得所述碳纳米管4因为焦耳效应发热出射电子。
其中，所述衬底1与所述碳纳米管4相对区域具有所述沟槽5，所述沟槽5位于所述第二电极3之间，这样可以使得所述碳纳米管4部分或全部悬空在所述第二电极3之间，从而减小所述碳纳米管4通过所述衬底1的热量耗散，提高所述碳纳米管4的加热效率，进而提升该制备的晶圆级片上微型热电子源的工作性能。
在本实施例中，晶圆级片上微型热电子源制备步骤包括：
步骤一：清洗晶圆衬底1。
所述衬底1为绝缘衬底，或表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底：
当所述衬底1为绝缘衬底时，所述衬底1是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、以及金刚石衬底中的任一种；
当所述衬底1为所述表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底时，所述绝缘导热薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、氮化铝薄膜和金刚石薄膜中的任一种。
在该步骤中，取一晶圆衬底1，然后用丙酮、异丙醇和去离子水中的一种或多种溶剂超声清洗所述衬底1，以除去黏附在所述衬底1上的杂质和污染物。
步骤二：在所述衬底1表面制作所述标志6。
参考图2，在该步骤中，在预设范围附近制作至少两组所述标志6，以方便后续铺设所述碳纳米管4，使得在所述标志6之间的所述碳纳米管4排布密致均匀，且不歪不斜。在该步骤中，也可同时制作对准区的对准标志，以方便后续步骤中的套刻工艺。
在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在所述衬底1表面制作所述标志6。该所述标志6可以是任何形状，在本实施例中，该所述标志6为十字形。
步骤三：在所述衬底1表面铺设所述碳纳米管4。
参考图3和步骤二，在做好所述标志6的衬底1上铺设所述碳纳米管4。在该步骤中，位于所述标志6之间的所述碳纳米管4铺设密致均匀，不歪不斜，且铺设的所述碳纳米管4可以是一层也可以是多层，在铺设完成后，在所述衬底1上依次滴上水和酒精，以使所述碳纳米管4和所述衬底1黏附的更牢。
步骤四：在所述衬底1表面形成所述第二电极对阵列3
参考图4，所述第二电极对阵列3间隔设置，其中所述每个第二电极对阵列3中至少包含两个第二电极3，多个所述第二电极3间隔平行设置，且多个所述第二电极3均压在所述碳纳米管4上，以固定所述碳纳米管4。
在该步骤中，形成的所述第二电极对阵列3是为了固定所述碳纳米管4，防止所述碳纳米管4在后续的工艺步骤中的移动，除此之外，所述第二电极对阵列3还用于为所述碳纳米管4提供电压，以使得所述碳纳米管4因为焦耳效应发热出射电子。所述第二电极对阵列3与对应的所述碳纳米管4应形成良好的欧姆接触。
在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在所述碳纳米管4单元上制备所述第二电极对阵列3。
在溶脱剥离的过程中，所述第二电极对阵列3范围外的部分所述碳纳米管4由于没有电极固定而会随着光刻胶一起剥离，还有部分所述碳纳米管4由于有电极固定而会被光刻胶扯断继而随之剥离。所述第二电极对阵列3范围内的所述碳纳米管4因为有电极固定而不会剥离掉，也不会随意移动。
在该实施例中，所述第二电极对阵列3的组成材料为金属，所述第二电极对阵列3中的电极宽度为10μm-200μm，电极厚度为100nm以上，电极间距为10μm-200μm，较宽且较厚的电极能够增强片上微型热电子源的耐热性能，从而延长使用寿命。电极宽度、厚度和间距可以基于需求设定，本申请实施例对此不做具体限定。
步骤五：除去预设范围外的碳纳米管4。
参考图5，所述预设范围是指所述碳纳米管4出射电子的区域，在所述第二电极对阵列3范围内还有一部分所述碳纳米管4是属于所述预设范围外的，这部分所述碳纳米管4与所述衬底1之间没有沟槽5，也不会发射出电子，会造成加热效率低；还有，这部分所述碳纳米管4还有可能造成电极之间的短路，故应除去。
在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、干法刻蚀、溶脱剥离等工艺步骤，除去预设范围外的所述碳纳米管4，只剩下预设范围内的所述碳纳米管4。
步骤六：在所述衬底1表面形成所述第一电极对阵列2。
参考图6，所述第一电极对阵列2与所述第二电极对阵列3相对应并与所述第二电极对阵列3相连，用于向所述第二电极对阵列3提供电压。在制作过程中，所述第一电极对阵列2和所述第二电极对阵列3可有一部分重叠，以在相连部分形成良好的欧姆接触。
在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在所述衬底1表面形成所述第一电极2，所述第一电极2的厚度在10nm以上，太厚的所述第一电极2会造成封装过程中漏气，在不影响电子源工作的前提下，尽量用较薄的第一电极2，所述第一电极对阵列2的组成材料为金属、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种，所述第一电极2的形状可以根据需求设定，本申请实施例中不做具体限定。
步骤七：在所述衬底1与所述碳纳米管4的相对区域形成沟槽5，以降低所述碳纳米管4通过所述衬底1的热量耗散，提高加热效率。
参考图7，通过刻蚀溶液，对所述碳纳米管4下方的所述衬底1进行刻蚀，以形成所述沟槽5，使得所述碳纳米管4部分或全部悬空。所有悬浮的所述碳纳米管4都要基本一样长，以使得所有所述碳纳米管4的开启电压一致。
在该步骤中，可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、湿法腐蚀、溶脱去胶等工艺步骤，将所述第二电极3之间的所述碳纳米管4下方的所述衬底1腐蚀，使得所述碳纳米管4悬连浮接于所述第二电极3之间。
本申请实施例所述的晶圆级片上微型热电子源采用微加工方法，可以直接在衬底1上形成碳纳米管4及其对应的第一电极对阵列2和第二电极对阵列3，从而实现所述晶圆级片上微型热电子源的制备，具有方法简单、成本低等优点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法，包括衬底，所述衬底为晶圆级衬底，所述衬底上设有对准区和器件区，所述对准区设于器件区的两端，其特征在于：
在所述器件区内铺设碳纳米管；
在所述器件区内制备第二电极对阵列，所述第二电极对阵列压住所述碳纳米管，所述第二电极对阵列至少包含两个第二电极，多个所述第二电极间隔平行设置；
除去预设范围外的碳纳米管，所述预设范围是指所述碳纳米管出射电子的区域；
在所述器件区内制备第一电极对阵列，所述第一电极对阵列与所述第二电极对阵列对应设置并与所述第二电极对阵列相连；
在所述碳纳米管相对区域的所述衬底上制备沟槽，所述碳纳米管悬浮于所述沟槽上，所述沟槽设于所述第二电极之间，所述碳纳米管悬浮于所述第二电极之间。
2.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述衬底经过丙酮、异丙醇和去离子水中的一种或多种溶剂的清洗，以除去黏附在所述衬底上的杂质和污染物。
3.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述衬底器件区的所述预设范围附近设有至少两组标志，所述标志用于铺设所述碳纳米管，使得所述标志之间的所述碳纳米管铺设密致均匀。
4.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管铺设完成后，在所述衬底上依次滴上水和酒精，以使得所述碳纳米管和所述衬底黏附的更牢。
5.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述第二电极对阵列间隔设置，其中每个第二电极对阵列中至少包含两个第二电极，多个所述第二电极间隔平行设置，且所述多个第二电极均压在所述碳纳米管上，以固定所述碳纳米管。
6.根据权利要求1或5所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述沟槽设于所述第二电极之间，所述碳纳米管悬浮于所述第二电极之间。
7.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底，或表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底；
当所述衬底为绝缘衬底时，所述衬底是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、以及金刚石衬底中的任一种；
当所述衬底为所述表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底时，所述绝缘导热薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、氮化铝薄膜和金刚石薄膜中的任一种。
8.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述第一电极对阵列和所述第二电极对阵列有部分重叠接触，以形成良好的欧姆接触。
9.根据权利要求1所述的晶圆级片上微型热电子源的制备方法，其特征在于，所述第二电极对阵列的组成材料为金属，所述第一电极对阵列的组成材料为金属、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
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