[发明专利]一种场发射阴极超薄难熔金属栅网及其制备方法

说明书

本发明公开了一种场发射阴极超薄难熔金属栅网，其包括：栅网基片，在所述栅网基片中心区域包含栅极透孔阵列；栅网支撑环，位于所述栅网基片上，二者焊接一体；其中，所述栅网基片的材质为难熔金属。该栅网具有超薄的厚度，且能够适用于毫米波和太赫兹真空电子器件冷阴极，实现器件良好的综合性能。本发明还提供了该场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法。

技术领域

本发明涉及真空微电子领域。更具体地，涉及一种场发射阴极超薄难熔金属栅网及其制备方法。

背景技术

场发射阴极不需要外加热能量和光能量，仅通过施加强电场抑制阴极表面势垒，就可降低势垒高度和宽度，使得发射体内的电子通过隧道效应而逸出。与传统的热发射阴极相比，微加工技术兼容的场发射冷阴极具有功耗低、尺寸小、响应速度快、室温工作、电流密度大的特点，有望用于传统真空电子器件实现更好性能。

场发射阴极引出电子的栅极主要有两种结构形式：自对准集成结构或非集成外加结构。自对准集成结构以Spindt阴极或其它类似结构阴极为代表，公开号为US 6369496B1的美国发明专利描述如图1所示，其栅极都是微加工工艺制备，距离阴极发射面间距在微米或亚微米，阴极发射阵列单元和微栅极一一对应。然而集成式栅极的结构，由于工艺原因，很难实现大面积均匀，非均匀发射会限制阴极总电流提升；并且由于阴栅间距很近，容易产生极间打火，导致发射体和栅极短路失效，整体可靠性不高。

公开号为CN105428185A和CN105551911A的发明专利，描述了非集成式栅控阴极结构，如图2所示，其引出栅网是厚度几十至几百微米的金属薄片，距离阴极小于1毫米，栅网阵列孔径为几十到几百微米，丝径为几十微米。精准对应的栅网与阴极发射体阵列，可有效降低栅极截获电子，降低栅极热耗散，提高了电子利用效率。较远的阴极发射体和栅极间距，可极大降低阴栅极间短路风险。非集成式栅控场发射阴极用于真空电子器件，具有较好的综合优势。

鉴于高频电磁波具有辐射频率高、发散角小、信噪比高的特点，高频率真空电子器件在国民经济发展、安保防护、科技创新方面，以及雷达探测、星间高速通信、高分辨率成像和电子对抗等国防领域应用明显优势，真空电子器件向毫米波、亚毫米波直至太赫兹波等高频端发展趋势十分明显。

毫米波和太赫兹真空电子器件尺寸非常小，这不仅要求微小零件的高加工精度和表面光洁度，并且要求聚焦良好的非常细的电子束，也即希望小发射面、高电流密度的阴极。对于非集成栅极场发射阴极而言，较小阴极发射面要求栅网孔径，栅网丝径和栅网厚度都要大幅减小。例如对于一个220GHz真空电子器件器件，其阴极引出栅网的典型设计值为栅孔孔径80-120微米，栅网丝径和厚度均为20微米。随着器件频率的增加，栅网厚度会从几十微米进一步降低至几微米量级。随着栅网尺寸及厚度的大幅降低，其相应热容量随之减小，栅网抵御电子轰击能力减弱，因而栅网材料倾向于耐高温的难熔金属。

当前金属栅网的典型加工技术，是采用激光打孔或光刻刻蚀。然而当金属片厚度降低为几十至几微米时候其强度已经较差，强度不足引起的平面度变形，在全程无支撑情况下，很难保障高质量的平面光刻刻蚀工艺。激光打孔方法即便可以采用先加固后加工方式，然而高温依然会导致局部形变，这种形变以及工艺导致的边缘毛刺和汽化蒸发物再沉积，在这种尺度下已然不可忽略。因而目前成熟制备的栅网，其厚度基本都不会低于50微米。

采用最新的UV-LIGA工艺，以及湿法腐蚀硅模金属涂敷技术，可实现微米至毫米级的金属薄膜结构。然而由于应力和光刻胶高温承受的限制，UV-LIGA工艺制备的金属只能采用电镀方法，加工材料只限于铜、铬、镍等电镀适用材料，很难涉及难熔金属。而湿法腐蚀硅模由于腐蚀倾角的原因，不能实现完全各向异性，也即不能实现陡直栅孔侧壁。

有鉴于此，确有必要提供一种实现厚度超薄难熔金属栅网的稳固结构，以及一种实现这种栅网的制备方法，能够适用于毫米波和太赫兹真空电子器件冷阴极，实现器件良好的综合性能。

发明内容