[發明專利]一種場發射陰極超薄難熔金屬柵網及其制備方法

在審

• 申請號: 202011015831.8
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112289665A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 李興輝;韓攀陽;杜婷;姜琪;楊金生;蔡軍;馮進軍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十二研究所
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J9/02
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 鄒歡

本發明公開了一種場發射陰極超薄難熔金屬柵網，其包括：柵網基片，在所述柵網基片中心區域包含柵極透孔陣列；柵網支撐環，位于所述柵網基片上，二者焊接一體；其中，所述柵網基片的材質為難熔金屬。該柵網具有超薄的厚度，且能夠適用于毫米波和太赫茲真空電子器件冷陰極，實現器件良好的綜合性能。本發明還提供了該場發射陰極超薄難熔金屬柵網的制備方法。

技術領域

本發明涉及真空微電子領域。更具體地，涉及一種場發射陰極超薄難熔金屬柵網及其制備方法。

背景技術

場發射陰極不需要外加熱能量和光能量，僅通過施加強電場抑制陰極表面勢壘，就可降低勢壘高度和寬度，使得發射體內的電子通過隧道效應而逸出。與傳統的熱發射陰極相比，微加工技術兼容的場發射冷陰極具有功耗低、尺寸小、響應速度快、室溫工作、電流密度大的特點，有望用于傳統真空電子器件實現更好性能。

場發射陰極引出電子的柵極主要有兩種結構形式：自對準集成結構或非集成外加結構。自對準集成結構以Spindt陰極或其它類似結構陰極為代表，公開號為US 6369496B1的美國發明專利描述如圖1所示，其柵極都是微加工工藝制備，距離陰極發射面間距在微米或亞微米，陰極發射陣列單元和微柵極一一對應。然而集成式柵極的結構，由于工藝原因，很難實現大面積均勻，非均勻發射會限制陰極總電流提升；并且由于陰柵間距很近，容易產生極間打火，導致發射體和柵極短路失效，整體可靠性不高。

公開號為CN105428185A和CN105551911A的發明專利，描述了非集成式柵控陰極結構，如圖2所示，其引出柵網是厚度幾十至幾百微米的金屬薄片，距離陰極小于1毫米，柵網陣列孔徑為幾十到幾百微米，絲徑為幾十微米。精準對應的柵網與陰極發射體陣列，可有效降低柵極截獲電子，降低柵極熱耗散，提高了電子利用效率。較遠的陰極發射體和柵極間距，可極大降低陰柵極間短路風險。非集成式柵控場發射陰極用于真空電子器件，具有較好的綜合優勢。

鑒于高頻電磁波具有輻射頻率高、發散角小、信噪比高的特點，高頻率真空電子器件在國民經濟發展、安保防護、科技創新方面，以及雷達探測、星間高速通信、高分辨率成像和電子對抗等國防領域應用明顯優勢，真空電子器件向毫米波、亞毫米波直至太赫茲波等高頻端發展趨勢十分明顯。

毫米波和太赫茲真空電子器件尺寸非常小，這不僅要求微小零件的高加工精度和表面光潔度，并且要求聚焦良好的非常細的電子束，也即希望小發射面、高電流密度的陰極。對于非集成柵極場發射陰極而言，較小陰極發射面要求柵網孔徑，柵網絲徑和柵網厚度都要大幅減小。例如對于一個220GHz真空電子器件器件，其陰極引出柵網的典型設計值為柵孔孔徑80-120微米，柵網絲徑和厚度均為20微米。隨著器件頻率的增加，柵網厚度會從幾十微米進一步降低至幾微米量級。隨著柵網尺寸及厚度的大幅降低，其相應熱容量隨之減小，柵網抵御電子轟擊能力減弱，因而柵網材料傾向于耐高溫的難熔金屬。

當前金屬柵網的典型加工技術，是采用激光打孔或光刻刻蝕。然而當金屬片厚度降低為幾十至幾微米時候其強度已經較差，強度不足引起的平面度變形，在全程無支撐情況下，很難保障高質量的平面光刻刻蝕工藝。激光打孔方法即便可以采用先加固后加工方式，然而高溫依然會導致局部形變，這種形變以及工藝導致的邊緣毛刺和汽化蒸發物再沉積，在這種尺度下已然不可忽略。因而目前成熟制備的柵網，其厚度基本都不會低于50微米。

采用最新的UV-LIGA工藝，以及濕法腐蝕硅模金屬涂敷技術，可實現微米至毫米級的金屬薄膜結構。然而由于應力和光刻膠高溫承受的限制，UV-LIGA工藝制備的金屬只能采用電鍍方法，加工材料只限于銅、鉻、鎳等電鍍適用材料，很難涉及難熔金屬。而濕法腐蝕硅模由于腐蝕傾角的原因，不能實現完全各向異性，也即不能實現陡直柵孔側壁。

有鑒于此，確有必要提供一種實現厚度超薄難熔金屬柵網的穩固結構，以及一種實現這種柵網的制備方法，能夠適用于毫米波和太赫茲真空電子器件冷陰極，實現器件良好的綜合性能。

發明內容