CN206877963U - 一种场发射阴极和真空电子器件用电子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种场发射阴极和真空电子器件用电子源，该场发射阴极为无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，包括导电基片和形成于基片上表面的场发射尖锥阵列；所述场发射阴极的发射材料为高熔点且低功函数的材料。本实用新型在基片上直接制备发射材料尖锥，仅依靠光刻、镀膜等微加工工艺，工艺简单、成本低，适用于任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料。

Description

一种场发射阴极和真空电子器件用电子源

技术领域

本实用新型涉及真空电子技术领域。更具体地，涉及一种场发射阴极和真空电子器件用电子源。

背景技术

场发射阴极可以实现瞬时启动和室温工作，而且其电子引出无需外能，功耗小，电流密度大。传统真空电子器件使用场发射阴极作为电子源，有助于降低功耗，提高频率，实现器件小型化、集成化。场发射阴极潜在应用涉及显示器，微波功率放大器，传感器，X射线管，高能粒子加速器，以及各种显微镜、离子枪和质量分析器。研制高性能场发射阴极，对真空电子器件的发展和进步，具有积极的意义。

传统集成栅控尖锥阵列场发射阴极如Spindt阴极，因其工作电压低，电子束易于成型而广受关注。然而集成栅控场发射阴极，由于发射体和栅极距离很近，容易因为阴栅短路导致器件失效，工作可靠性较差。近年来非集成栅控的场发射阴极的研究更受关注。

非集成栅控的场发射阴极包括薄膜型，无序管线型，簇丛阵列型和尖锥阵列型，其中尖锥阵列型最容易实现规则制作，得到良好的阴极发射均匀性。制作无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，可以使用化学腐蚀法，聚焦离子束刻蚀法，倒模成型法和Spindt阴极去栅法。然而化学腐蚀法制作尖锥仅限于硅系等半导体材料，但硅并非很好的发射材料；聚焦离子束刻蚀法成本高昂，在制造大面积阵列时候尤为如此；倒模成型法存在均匀性，以及阵列需要二次转移问题；Spindt阴极本身制造已经非常复杂高难，再次加工则繁复加剧。

因此无论从科学研究，或是实用化的角度，都迫切需要一种简便易行、成本较低的制造无集成栅极尖锥阵列场发射阴极。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的在于提供一种场发射阴极。

本实用新型的第二个目的在于提供一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法，以期解决化学腐蚀法仅限于制作硅系等半导体材料尖锥、聚焦离子束刻蚀法成本高昂、倒模成型法需二次转移以及Spindt阴极去栅法工艺繁复等问题。

本实用新型的第三个目的在于提供一种真空电子器件用电子源。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种场发射阴极，该场发射阴极为无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，包括导电基片和形成于基片上表面的场发射尖锥阵列。

优选地，所述场发射阴极的发射材料为任何适合蒸发镀膜的材料，所述材料具有高熔点，同时具有低功函数，所述高熔点为≥2000℃，所述低功函数为≤5eV；优选地，所述发射材料为金属钼、钽、钨或金属碳化物如碳化锆，但并不仅限定于这些材料。本实用新型的方法适用于任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料，克服了化学腐蚀法制作尖锥仅限于硅系等半导体材料的缺点。

优选地，所述阴极沿矩形阵列线，相邻两个金属尖锥大端面中心点的直线距离为4.5～5.5μm；所述尖端的曲率半径≤50nm。

优选地，所述场发射阴极的导电基片为抛光导电基片，或包括抛光基片和形成于抛光基片表面的导电薄膜的复合基片。基片的材料是本领域人员根据现有技术和实际需要可以做出选择的材料，所述导电基片材料包括但不仅限于金属单质，抛光基片材料包括但不仅限于石英、蓝宝石和硅，导电薄膜材料包括但不仅限于金属单质。

一种真空电子器件用电子源，其特征在于，包括如权利要求1～4任一所述的无集成栅极尖锥阵列场发射阴极和外加非集成引出栅极。传统集成栅极Spindt阴极的发射尖锥和集成栅极之间距离较短，为微米或亚微米级，因此在真空电子器件中使用时，常常由于阴栅极间漏电或者真空电弧产生，引起整个器件失效。而本实用新型制作的无集成栅极Spindt阴极，其使用的外加非集成引出栅极和发射尖锥距离较远，为几十微米至几百微米量级，阴栅极间基本不会漏电，即使有电弧产生，一般也不会短路失效，因此提高了阴极使用以及整个器件的可靠性。

一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法，包括如下步骤：

1)在拟制作尖锥阵列场发射阴极的基片表面涂覆光刻胶。

2)将步骤1)中涂有光刻胶的基片进行曝光，对曝光后的基片进行显影，得到圆形孔洞阵列光刻胶基片；这些圆孔将作为制作尖锥的承载孔。

3)令步骤2)得到的基片沿自身法线方向自转，同时相对基片表面以倾斜角度蒸镀一层牺牲层材料，从而使蒸镀的牺牲层包覆于光刻胶表面，减小光刻形成的光刻胶圆孔顶部开口的尺寸。用该方法蒸镀材料，令材料不断沉积在圆孔开口，形成小口径大空腔结构，以利于后续尖锥成型。由于为直线蒸发角度，所以牺牲层材料并不会进入到光刻胶孔下部和底部。

4)保持步骤3)中的基片自转，同时相对基片表面以垂直角度蒸镀发射材料，从而在胶孔内形成发射材料尖锥。这些蒸发材料一部分沉积在牺牲层上，一部分透过光刻胶顶部小孔进入到光刻胶孔内部，沉积在基底上。由于发射材料也不断沉积在光刻胶圆孔顶部的牺牲层圆孔处，沉积材料使得圆孔顶部口径持续缩小，进入光刻胶圆孔内部的发射材料不断减少，最终蒸发的发射材料就会在在胶孔内形成底部大顶部小的圆锥形状。镀膜结束后，顶部圆孔几乎封闭或完全封闭，从而最终形成小曲率半径尖锥。

5)镀膜结束后，取出步骤4)得到的基片，剥离光刻胶，同时去除光刻胶上的牺牲层及多余的发射材料，得到包括基片和形成于基片上表面的场发射尖锥阵列的无集成栅极尖锥阵列场发射阴极。随着光刻胶的去除，光刻胶上方所有材料包括牺牲层，以及牺牲层上方的发射材料由于没有承载，也随之被去除，只保留了原本在光刻胶圆孔内部基底上形成的发射材料尖锥。

优选地，步骤1)中所述场阴极基片为抛光导电基片(即抛光处理的导电基片)，或包括抛光基片和形成于抛光基片表面的导电薄膜的复合基片。

优选地，步骤1)中所述光刻胶使用Shipley S1813，光刻胶的厚度为0.8～1.2μm。

优选地，步骤2)中所述圆形孔洞的孔径为0.8～1.2μm。

优选地，步骤2)中所述曝光和显影采用的方法是本领域人员根据实际需要采用的常规技术方法。

优选地，步骤3)中所述牺牲层材料包括而不限于氧化铝，所述牺牲层材料的厚度为0.1～0.2μm。

优选地，步骤3)中所述倾斜角度为30°～60°。

优选地，如果设备条件允许，步骤3)和步骤4)可同时进行，从而根据需求方便地调整所形成尖锥的形状。

优选地，步骤3)和步骤4)中所述蒸镀方法为真空蒸发方法。

优选地，步骤5)中所述去胶剂为本领域人员根据实际需要采用的常规去胶剂，所述去胶剂包括但不限于NMP和DMSO。

本实用新型在制备工艺上进行了明显的简化，即通过在基片上直接涂覆光刻胶，光刻得到阵列孔洞，再通过双向镀膜工艺在光刻胶之间的阵列孔洞内形成发射材料尖锥，去除多余材料后，制备得到无集成栅极尖锥阵列场发射阴极。本实用新型仅依靠光刻、镀膜等微加工工艺，工艺简单、成本低，适用于任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料，此外，尖锥阵列直接制造在适合的基底上，克服了二次转移的问题。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型通过在基片上直接制备发射材料尖锥，仅依靠光刻、镀膜等微加工工艺完成无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备，适用于任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料，克服了化学腐蚀法制作尖锥仅限于硅系等半导体材料的缺点；

(2)本实用新型的方法仅依靠光刻、镀膜等微加工工艺，克服了聚焦离子束刻蚀法成本高昂的缺点；

(3)本实用新型提出将尖锥阵列直接制造在适合基底上，不存在倒模成型法二次转移问题；

(4)本实用新型提出的方法相对于Spindt阴极制造，简化了多个工艺步骤，流程繁复程度大大降低；

(5)本实用新型提出的方法简便易行、成本较低，适应科学研究和实用化的迫切需要。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实用新型实施例1中无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的结构示意图，其中，101-抛光基片、102-导电薄膜、103-尖锥阵列。

图2A～2G示出本实用新型实施例1中无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备工艺流程图，其中，201-抛光基片、202-导电薄膜、203-尖锥阵列、204-光刻胶、205-牺牲层、206-发射材料。

图3A～3J示出对比例2中无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备工艺流程图，其中，301-抛光基片、302-导电薄膜、303-尖锥阵列、304-光刻胶、305-牺牲层、306-发射材料、307-绝缘层、308-金属栅极。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

实施例1

一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，如图1所示，包括抛光基片101、蒸镀于抛光基片101上表面的导电薄膜102和形成于导电薄膜102上表面的场发射尖锥阵列103。

其制备方法包括如下步骤：

1)选用复合基片作为尖锥阵列场阴极基底，所述复合基片包括抛光基片201和形成于抛光基片201上的导电薄膜202，在导电薄膜202表面涂敷光刻胶204，光刻胶的厚度为1.2μm，如图2A所示；

2)将步骤1)中涂有光刻胶的基片利用紫外曝光系统进行曝光，对曝光后的基片进行显影，用氮气吹干，得到孔径为1.2μm的圆形孔洞阵列光刻胶基片，如图2B所示；

3)将步骤2)得到的基片放入真空镀膜机中，使基片沿自身法线方向自转，同时相对基片表面以30°倾斜角度用真空蒸发方法蒸镀一层牺牲层205，如图2C所示，从而使蒸镀的牺牲层205包覆于光刻胶204表面，如图2D所示，减小光刻形成的光刻胶圆孔顶部开口的尺寸，其中牺牲层205的材料为氧化铝；

4)保持步骤3)中的基片自转，同时相对基片表面以垂直角度用真空蒸发方法蒸镀发射材料206，如图2E所示，随着光刻胶204圆孔顶部口径持续减小，在胶孔内形成发射材料尖锥203，如图2F所示；其中发射材料206使用金属钼；

5)镀膜结束后，取出步骤4)得到的基片，对基片去除光刻胶，去胶剂采用NMP，剥离光刻胶204，同时去除光刻胶上的牺牲层205及多余的发射材料206，最终制备得到包括抛光基片201、蒸镀于抛光基片201上表面的导电薄膜202和形成于导电薄膜202上表面的场发射尖锥阵列203的无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，如图2G所示。

实施例2

一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，包括抛光处理后的导电基片和形成于抛光处理后的导电基片上表面的场发射尖锥阵列。

其制备方法同实施例1，不同之处在于：

步骤1)中选用抛光处理后的导电基片作为尖锥阵列场阴极基底。

对比例1

采用成熟半导体微加工工艺，制备得到硅尖锥阵列阴极。

传统成熟半导体微加工工艺，主要采用光刻和刻蚀技术，它是基于硅材料开发的加工技术，可以方便硅材料成型，但是对于其他场发射材质如金属和化合物的微细结构加工并不适用。半导体微加工制作硅材质的场发射阵列阴极工艺成熟，然而就硅本身而言它并不是理想的场发射材料，其逸出功较大，表面化学性能不稳定并且很容易形成氧化层影响发射、导电导热性能差，并且发射噪声较大，不易得到大电流密度，而金属材料场发射性能则相对优越，下表对比可清晰表明二者区别：

表1不同金属材料场发射性能

尖锥材料	钼	钼	钼	硅	硅
						制作单位	SRI	MIT	MIT	MCNC	MCNC
尖锥数目	10000	6000	70300	3300	28074
						尖锥密度(Tips/cm2)	1.3×106	109	109	3×106	3×105
最大电流(mA)	180(直流)	15(脉冲)	22(脉冲)	6(直流)	21.5(直流)
						电流密度(A/cm2)	23	2400	310	6	2.1
发射体曲率半径	25nm	10nm	10nm	5nm	5nm

SRI：美国斯坦福研究所；MIT：美国麻省理工学院；MCNC：美国北卡罗来纳微电子中心

而本实用新型通过在基片上直接涂覆光刻胶，在光刻后得到的阵列孔洞内通过镀膜工艺形成发射材料尖锥，无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备仅依靠镀膜工艺完成，不涉及使用刻蚀技术进行场发射材料成型，因此克服了上述方法仅限于采用硅系等半导体材料的缺陷，适用于制造任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料，如钼材料等。

对比例2

一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，结构同实施例1，不同之处在于，制备方法采用成熟的Spindt阴极制作工艺流程。

其制备方法包括如下步骤：

1)选用复合基片作为尖锥阵列场阴极基底，所述复合基片包括抛光基片301和形成于抛光基片301上的导电薄膜302；在导电薄膜302表面，利用化学气相沉积方法制作一层绝缘层307，绝缘层307材料使用二氧化硅，如图3A所示；

2)在绝缘层307表面，利用磁控溅射方法，沉积一层金属栅极308；金属栅极308材料使用钼，如图3B所示；

3)在金属栅极308表面涂敷光刻胶304，将涂有光刻胶的基片进行曝光，对曝光后的基片进行显影，在样片上形成光刻胶304的圆孔阵列图形，如图3C所示；

4)以光刻胶304为掩膜，利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀金属栅极308，形成金属栅极308圆孔阵列，如图3D所示；

5)以光刻胶304和金属栅极308为掩膜，利用反应离子刻蚀结合湿法腐蚀，刻蚀绝缘层307，在每个金属栅极308小孔下方形成一个自对准的小空腔；如图3E所示；

6)去除光刻胶304，形成栅控绝缘空腔结构；如图3F所示；

7)将步骤6)得到的基片放入真空镀膜机中，使基片沿自身法线方向自转，同时相对基片表面以倾斜角度蒸镀一层牺牲层305，使蒸镀的牺牲层305包覆于金属栅极308表面，减小金属栅极308圆孔顶部开口的尺寸；牺牲层305材料使用三氧化二铝；如图3G所示；

8)保持步骤7)中的基片自转，同时相对基片表面以垂直角度蒸镀发射材料306，随着金属栅极308圆孔顶部开口的尺寸持续减小，在圆孔下方空腔内形成发射材料尖锥303，发射材料306使用金属钼，如图3H所示；

9)镀膜结束后，取出步骤8)得到的基片，对基片的表面进行化学腐蚀，剥离牺牲层305，同时连带去除牺牲层305上方的发射材料306；这样就得到了标准的Spindt阴极，如图3I所示；

10)对步骤9)得到的Spindt阴极的表面进行化学腐蚀，剥离绝缘层307，同时连带去除绝缘层307上方的金属栅极308，如图3J所示，最终制备得到包括抛光基片301、蒸镀于抛光基片301上表面的导电薄膜302和形成于导电薄膜302上表面的场发射尖锥阵列303的无集成栅极尖锥阵列场发射阴极.

将上述流程工艺同实施例1进行对比，该方法先在基底上制备金属栅，再将金属栅去除，工艺上更为繁琐，采用的方法主要有化学气相沉积方法、磁控溅射方法、反应离子刻蚀工艺等，因此制造难度大，成本高。而本实用新型直接在基底上制备尖锥阵列，工艺更简单，且采用的工艺手段仅有光刻、镀膜工艺，因此制造难度低、成本低。

结论：本实用新型在制备工艺上进行了明显的简化，直接在基底上制备尖锥阵列，仅采用光刻、镀膜等微加工工艺制备无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，本实用新型的制备方法不仅工艺简单、成本低，而且适用于任何适合蒸发镀膜的金属和非金属场发射材料，此外，尖锥阵列直接制造在适合的基底上，克服了二次转移的问题。本实用新型提出的方法简便易行、成本较低，适应科学研究和实用化的迫切需要。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种场发射阴极，其特征在于，该场发射阴极为无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，包括导电基片和形成于基片上表面的场发射尖锥阵列；所述场发射阴极的发射材料为具有高熔点和低功函数的材料。

2.根据权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述阴极沿矩形阵列线，相邻两个金属尖锥大端面中心点的直线距离为4.5～5.5μm；所述金属尖锥的尖端的曲率半径≤50nm。

3.根据权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述场发射阴极的导电基片为抛光导电基片，或包括抛光基片和形成于抛光基片表面的导电薄膜的复合基片。

4.一种真空电子器件用电子源，其特征在于，包括如权利要求1~3任一所述的场发射阴极和外加非集成引出栅极。