[發明專利]一種場發射陣列陰極的制備方法

有效

• 申請號: 201810589022.4
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108807109B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 王小菊;韓欣延;李茂想;祁康成;曹貴川;季子頡
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01J9/02
• 分類號: H01J9/02;H01J1/304
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種場發射陣列陰極的制備方法，屬于陰極場發射技術領域。本發明將場發射陰極基片安裝在切割機上，并設定切割參數得到棱形發射體形成的初始發射體陣列，再進一步對所得發射體進行刻蝕，形成尖錐狀發射體，從而制得場發射陰極尖錐陣列。本發明結合機械加工技術和刻蝕技術制備場發射陣列陰極，相比現有光刻技術結合刻蝕技術簡化了工藝流程，降低了生產制作成本；同時通過得到調整機械加工參數及刻蝕工藝參數，能夠得到不同陣列大小、陣列高度和陣列間距的場發射陣列陰極，制備工藝可控性強，同時避免使用有毒有害的試劑，順應當代綠色、環保的理念；本發明制備方法重復性良好，有利于場發射陣列陰極的推廣應用。

技術領域

本發明屬于陰極場發射技術領域，特別涉及一種場發射陣列陰極的制備方法。

背景技術

1897年，R.W.Wood最早發現了場致電子發射(FEE)現象。1923年，W.Schottky對FEE現象在理論上進行了深入的研究，提出以下假設：外加電場削弱了表面勢壘，勢壘高度降低，從而使得電子可以穿透勢壘逸出。由場致電子發射相關理論可知，影響場發射性能的主要因素有：局域電場強度、材料功函數。在宏觀電場一定的情況下，發射體表面的電場強度取決于發射體形狀和表面微凸起引起的場增強效應；發射體材料的功函數取決于材料本身的性質和測試環境下的表面狀態。因此，減小發射體表面曲率半徑能有效提高場發射陣列陰極發射性能。基于上述理論，現已發展出金屬鉬尖Spindt陰極，硅微尖場發射陣列陰極，六硼化鑭場發射陣列陰極等。

Spindt陰極是現目前在場發射微波管中研究最為成熟的陰極。Spindt陰極的制備方法包括如下四個主要工藝步驟：(1)薄膜沉積：此步驟用于在基底上形成“基極-絕緣層-柵極”的三明治結構；(2)柵孔圖形化：此步驟用于在柵極薄膜表面形成柵孔陣列，國內主要采用光學光刻技術制備柵孔陣列；(3)圖形轉移：此步驟用于將柵孔陣列圖形轉移至絕緣層，形成空腔陣列；(4)沉積形成錐尖。現目前圖形轉移的主要手段為刻蝕，掩膜上的圖形轉移至柵極上需要刻蝕柵極金屬，而將柵孔圖形轉移到絕緣層上也需要刻蝕絕緣層。刻蝕方法主要包括干法刻蝕、濕法刻蝕。濕法刻蝕是各向同性的，會產生嚴重的側向鉆蝕，不適用集成度高的情況；干法刻蝕是各向異性的，適合集成度高的空腔陣列的制備。現目前干法刻蝕常用反應離子刻蝕(RIE)技術。而濕法刻蝕對于金屬鉬尖Spindt陰極而言，通常使用H₂SO₄和HNO₃形成的混合溶液進行化學腐蝕。

硅微尖場發射陣列(Si-FEA)是另一類常用的場發射陣列陰極。制備硅微尖場發射陣列現有的方法主要有兩種，其一為各向異性濕法腐蝕、氧化削尖及自對準工藝；其二為干法刻蝕。

近年來，六硼化鑭場發射陣列陰極受到廣泛關注，其制備方法主要是：采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術在六硼化鑭基片上沉積非晶硅(a-Si)薄膜作為體多晶六硼化鑭刻蝕時的掩膜，然后再在a-Si薄膜上形成光刻膠作為掩膜，經曝光、顯影之后，采用RIE法刻蝕a-Si層，形成陣列圖案，而后置于電解液中刻蝕出尖錐陣列。

通過如上制備流程可知，發射體錐尖的形貌受制于空腔陣列的形貌，而空腔陣列的形貌受制于制備過程的圖形化手段和刻蝕技術。光刻技術作為場發射陣列陰極工藝流程中非常關鍵的環節對于場發射陣列陰極的錐尖良率具有重要影響。雖然光刻技術作為現目前圖形化的重要手段，能夠實現精細線寬，但是光刻工藝流程繁雜，包括光刻膠涂布、曝光、顯影、套準精度和檢測等，各個工序的把控對于光刻圖形的成敗和光刻重復圖形失效有著直接的關系，因此工藝重復性較差。而且，光刻技術本質上是在光照的作用下，借助光致抗蝕劑將掩膜版上的圖形轉移至基片上的技術，由于光致抗蝕劑又稱為光刻膠，是一類對光或射線敏感的混合聚合物材料，通常由成膜樹脂、光敏劑、溶劑和一些添加劑組成，其中大部分的有機物的毒性較高具有一定揮發性，揮發性氣體會對環境產生危害。因此，現有場發射陣列陰極制備方法不利于場發射陣列陰極的低成本、低污染推廣應用。