[发明专利]自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于真空微电子技术领域，特别是一种带聚焦结构逐行寻址的纳米线冷阴极电子源阵列的结构及其制作方法。

背景技术

X射线在医学诊断和治疗、生物研究、工业探伤、安检及科学研究方面发挥着重要作用，尤其在医学诊断方面，X射线诊断已经成为医院普遍使用的诊断技术之一。目前绝大多数商用的X射线管均为热阴极X射线管，虽然热阴极X射线管已经非常成熟，但仍然存在一些缺点：(1)热阴极X射线管中的灯丝需要加热，功耗大，工作温度高，需要配备额外的冷却装置，不利于降低其能耗和减小其体积。(2)由于工作在高温条件下，灯丝往往更容易与管内的剩余气体反应并挥发，缩短其寿命。(3)灯丝出射电子随机分布，而且电子能量分布范围广，使得电子难以被聚焦，限制了其空间分辨率的提高。(4)响应速度慢，束流不易控制，限制了其时间分辨率的提高。

针对传统热阴极X射线管的不足，人们提出了用冷阴极代替X射线管中热阴极。相比于热阴极X射线管，冷阴极X射线管具有以下优势：(1)冷阴极可在室温下工作，故冷阴极X射线管不需要复杂的加热和冷却装置，有利于X射线管的小型化。(2)冷阴极电子出射位置比较集中，而且能量分布窄，有利于电子束聚焦，提高X射线管的空间分辨率。(3)冷阴极电子发射响应速度快，原则上是瞬时响应，而且束流受电压调控，有利于提高X射线管的时间分辨率。

近年来，采用纳米冷阴极的X射线管受到人们的重视。2001年，日本名古屋工业大学的F.Okuyama等人最先在科技论文中报导了以碳纳米管作为电子源的冷阴极X射线管。相比于热阴极X射线源，该CNT冷阴极X射线源展现了很高的X射线成像分辨率，能够清晰分辨大规模集成电路中直径为30微米的导线。美国北卡罗来纳大学的O.Zhou小组开展了CNT冷阴极X射线源的研究，研制出冷阴极X射线管器件并探索它们在医学成像的应用。

无论是热阴极X射线管还是冷阴极X射线管，X射线的出射点(即焦斑)只有一个，对物体进行成像时，X射线束呈放射锥束状。因此X射线管需要放置在离目标物体较远的位置才能对其进行全局成像，占地面积大，而且放射式的X射线束容易引起成像失真。此外，在医疗诊断应用时，受检者可能会摄入不必要的X射线辐射，而且操作者也可能会暴露在X射线辐射环境中。为了克服单出射点X射线管的不足，人们提出了大面积、多点发射的平板X射线源。相比于X射线管，平板X射线源有着更多的优点。X射线出射点呈二维阵列分布，出射X射线束为准平行束，工作距离大大减小，且成像不容易失真；阳极面积大，能量密度小，散热效率高，降低了阳极热负荷，冷却需求降低甚至无须冷却设备，使用灵活且携带方便；而且与抗散射线的光子计数探测器相结合，可以实现低剂量和高质量的X射线成像。

若平板X射线源采用可寻址的冷阴极阵列作为电子源，则出射X射线束的形状和强度可调制，可以选择感兴趣的区域进行照射，避免受检者摄入不必要X射线辐射。因此，可寻址平板X射线源在医学X射线诊断领域有着重要的应用前景，可以在更小的成像空间内获得更高质量的X射线图像，同时大大降低X射线成像剂量。

此外，平板X射线源在大面积X射线辐照方面也有潜在应用，比如X射线光刻、生物危害净化及消毒和静电消除等。由于具有工作空间窄和便携性好的特点，平板X射线源可以在各种环境中发挥着重要的作用，比如野外救护、野外生物危害净化和日常办公环境消毒等。

平板X射线源的关键技术之一是大面积可寻址冷阴极电子源阵列。在早期的研究中，我们发现采用低温热氧化法制备的大面积金属氧化物纳米线(如CuO纳米线、ZnO纳米线和WO₃纳米线等)阵列具有良好的场发射特性，发射电流大，大面积发射均匀性以及稳定性好，可满足平板X射线源的应用要求。但如何实现具有小焦斑的可寻址冷阴极电子源阵列是亟待解决的关键问题。本发明提供了一种带有聚焦极的纳米线冷阴极电子源阵列结构及其制作方法，该纳米冷阴极电子源阵列在平板X射线源方面有重要应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种制作工艺简单、具有好的调控电子发射能力以及聚焦电子束能力的带聚焦结构的逐行寻址的纳米线冷阴极电子源阵列的结构。

本发明采用以下技术方案解决该上述技术问题：

一种自对准聚焦极结构可逐行寻址的纳米线冷阴极电子源阵列的结构，包括：

a)衬底；

b)制作在该衬底上且平行排列的底部阴极电极条和底部栅极电极条；