[发明专利]一种场发射阵列阴极的制备方法

说明书

一种场发射阵列阴极的制备方法，属于阴极场发射技术领域。本发明将场发射阴极基片安装在切割机上，并设定切割参数得到棱形发射体形成的初始发射体阵列，再进一步对所得发射体进行刻蚀，形成尖锥状发射体，从而制得场发射阴极尖锥阵列。本发明结合机械加工技术和刻蚀技术制备场发射阵列阴极，相比现有光刻技术结合刻蚀技术简化了工艺流程，降低了生产制作成本；同时通过得到调整机械加工参数及刻蚀工艺参数，能够得到不同阵列大小、阵列高度和阵列间距的场发射阵列阴极，制备工艺可控性强，同时避免使用有毒有害的试剂，顺应当代绿色、环保的理念；本发明制备方法重复性良好，有利于场发射阵列阴极的推广应用。

技术领域

本发明属于阴极场发射技术领域，特别涉及一种场发射阵列阴极的制备方法。

背景技术

1897年，R.W.Wood最早发现了场致电子发射(FEE)现象。1923年，W.Schottky对FEE现象在理论上进行了深入的研究，提出以下假设：外加电场削弱了表面势垒，势垒高度降低，从而使得电子可以穿透势垒逸出。由场致电子发射相关理论可知，影响场发射性能的主要因素有：局域电场强度、材料功函数。在宏观电场一定的情况下，发射体表面的电场强度取决于发射体形状和表面微凸起引起的场增强效应；发射体材料的功函数取决于材料本身的性质和测试环境下的表面状态。因此，减小发射体表面曲率半径能有效提高场发射阵列阴极发射性能。基于上述理论，现已发展出金属钼尖Spindt阴极，硅微尖场发射阵列阴极，六硼化镧场发射阵列阴极等。

Spindt阴极是现目前在场发射微波管中研究最为成熟的阴极。Spindt阴极的制备方法包括如下四个主要工艺步骤：(1)薄膜沉积：此步骤用于在基底上形成“基极-绝缘层-栅极”的三明治结构；(2)栅孔图形化：此步骤用于在栅极薄膜表面形成栅孔阵列，国内主要采用光学光刻技术制备栅孔阵列；(3)图形转移：此步骤用于将栅孔阵列图形转移至绝缘层，形成空腔阵列；(4)沉积形成锥尖。现目前图形转移的主要手段为刻蚀，掩膜上的图形转移至栅极上需要刻蚀栅极金属，而将栅孔图形转移到绝缘层上也需要刻蚀绝缘层。刻蚀方法主要包括干法刻蚀、湿法刻蚀。湿法刻蚀是各向同性的，会产生严重的侧向钻蚀，不适用集成度高的情况；干法刻蚀是各向异性的，适合集成度高的空腔阵列的制备。现目前干法刻蚀常用反应离子刻蚀(RIE)技术。而湿法刻蚀对于金属钼尖Spindt阴极而言，通常使用H₂SO₄和HNO₃形成的混合溶液进行化学腐蚀。

硅微尖场发射阵列(Si-FEA)是另一类常用的场发射阵列阴极。制备硅微尖场发射阵列现有的方法主要有两种，其一为各向异性湿法腐蚀、氧化削尖及自对准工艺；其二为干法刻蚀。

近年来，六硼化镧场发射阵列阴极受到广泛关注，其制备方法主要是：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在六硼化镧基片上沉积非晶硅(a-Si)薄膜作为体多晶六硼化镧刻蚀时的掩膜，然后再在a-Si薄膜上形成光刻胶作为掩膜，经曝光、显影之后，采用RIE法刻蚀a-Si层，形成阵列图案，而后置于电解液中刻蚀出尖锥阵列。

通过如上制备流程可知，发射体锥尖的形貌受制于空腔阵列的形貌，而空腔阵列的形貌受制于制备过程的图形化手段和刻蚀技术。光刻技术作为场发射阵列阴极工艺流程中非常关键的环节对于场发射阵列阴极的锥尖良率具有重要影响。虽然光刻技术作为现目前图形化的重要手段，能够实现精细线宽，但是光刻工艺流程繁杂，包括光刻胶涂布、曝光、显影、套准精度和检测等，各个工序的把控对于光刻图形的成败和光刻重复图形失效有着直接的关系，因此工艺重复性较差。而且，光刻技术本质上是在光照的作用下，借助光致抗蚀剂将掩膜版上的图形转移至基片上的技术，由于光致抗蚀剂又称为光刻胶，是一类对光或射线敏感的混合聚合物材料，通常由成膜树脂、光敏剂、溶剂和一些添加剂组成，其中大部分的有机物的毒性较高具有一定挥发性，挥发性气体会对环境产生危害。因此，现有场发射阵列阴极制备方法不利于场发射阵列阴极的低成本、低污染推广应用。