[发明专利]基于SOI工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法

说明书

本发明公开了一种基于SOI工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法，包括以下步骤：(1)准备表面抛光的SOI衬底；(2)使用光刻和刻蚀工艺去除目标区域的顶层硅及二氧化硅绝缘层，暴露底层硅；(3)在底层硅上得到阵列式的光刻胶图案，并沉积缓冲层和催化剂层，形成缓冲层‑催化剂层阵列；(4)形成碳纳米管阵列得到阴极部分；(5)采用硅片作为栅极基底制备阵列式的透孔结构；(6)在透孔结构上沉积金属薄膜，得到阳极部分；(7)将阴极部分与阳极部分两者键合，得到场发射离子中和器芯片。本发明通过对制备方法整体流程工艺的设计等进行改进，得到的器件能有效克服场屏蔽效应与热效应，具有发射效率佳、功耗低和寿命长的优点。

技术领域

本发明属于航空航天器电推进技术领域，更具体地，涉及一种基于SOI工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法。

背景技术

航空航天领域的发展离不开推进技术的突破，目前国家提出的一系列航天探测实验对电推进技术提出了更高的要求，电推进已成为提升航天器整体性能与技术水平的重要手段。针对目前大量应用的微型卫星来说，需要具有高精度微牛级推力的微型电推系统来实现卫星的轨道定位和姿态调控。微型电推进系统和传统电推进系统一样可分为以下三个部分：高压电离系统、离子加速系统和离子中和系统。高压电离系统的主要作用是使工作物质离子化；离子加速系统的主要功能是使得离子得以高速喷出；离子中和系统则将同步发射电子，均衡电荷。空间电推进器在工作时，通过改变电压可以产生毫牛甚至微牛级的精确推力，这对于微型卫星的姿态调整和轨道控制具有重大意义。其中，离子中和器对于整个微型卫星的寿命和稳定性有主要影响，在电推进系统工作时，会产生大量带正电离子，如果正离子长期聚集在电推进系统周围，会影响其稳定性和使用寿命。离子中和器的主要功能是发射相对应的电子束，中和由电推进系统喷出的正电荷离子流，以保持离子流的准中性，从而消除电荷聚集和瞬间高压对航天器的性能影响。

大多数电推进系统都至少需要一个中和器，而一般电推进系统中采用的中和器有两种，一种是传统的空心热阴极中和器，一般都需要把热电子发射材料加热到较高温度，使材料表面电子获得较高能量；同时材料的功函数要足够低，这样当电子垂直于表面的动能大于发射材料功函数时，就能克服表面逸出功限制，以热电子的形式脱离材料表面，来中和电推进系统中所产生的大量正离子，常用的活性材料有金属、氧化物、钡钨、合金基钡钨等。空间阴极中和器工作时需要消耗大量的工作物质，较高的工作温度，复杂的存储装置和较高的功耗，因此空心热阴极离子中和器并不十分适用于微小型电推进系统。另一种离子中和器——场发射阴极，凭借启动速度快，功耗小和低温工作等特点，在微型电推进系统的制造中展现出不错的应用前景。其原理是在栅网结构金属阳极和基于一维纳米结构阵列的阴极之间施加高压偏置，利用纳米尺寸的尖端放电优势，提升发射电流密度，增强了场发射性能，高效地产生电子流，中和电推进器喷射出的正电荷离子团。目前场发射离子中和器多采用微纳加工技术，可以制备面积可调控的场发射阵列，从而精确地调控中和电流的大小，有效地满足了微牛级电推进系统的需求。然而，场发射中和器有几个关键技术问题目前仍未解决：第一，场屏蔽效应——纳米材料因为其不均匀性，在强电场下，只有部分区域有效发射，而由于局部电流密度过大，容易损毁，影响其稳定性和寿命；第二，热效应——现在比较常用的阴极基底是导热性并不好的硅基底，纳米材料在持续工作过程中因为接触电阻和电阻率较高，会产生持续的热量累积，从而损坏发射体结构。对空间电推进系统来说，器件的长期稳定性是一个重要指标，因此研制一种具有良好发射效率，功耗低和寿命长的场发射中和器是目前微型电推技术发展的关键。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于SOI工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法，其中通过对制备方法整体流程工艺的设计，以及相应组件的内部结构包括形貌设置等进行改进，采用半导体微纳加工工艺，得到主要由SOI硅片上的阴极基底、发射体材料和薄膜金属包覆的硅基栅网组成的场发射离子中和器芯片，一方面可有效兼容现有的半导体微纳加工工艺，另一方面得到的器件能有效克服场屏蔽效应与热效应，具有发射效率佳、功耗低和寿命长的优点。