[发明专利]金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的阴极结构及其制作方法，特别涉及一种金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极及其制作方法。

背景技术

利用高性能场发射材料作为冷阴极电子发射源的场发射显示装置具有显示质量高和低功耗的优点，有望成为新一代的图像显示装置。作为最具潜力的场发射材料之一，碳纳米管/碳纤维以其高长径比，良好化学稳定性和优越的导电能力获得了广泛的认可。

经对现有技术的文献检索发现，Jung Inn Sohn等在《Current AppliedPhysics》1(2001)，61-65上发表的文章“large field emission current densityfrom well-aligned carbon nanotube field emitter arrays”(定向碳纳米管场发射阵列的高密度场发射电流研究)中提出了直接生长法，该方法使用化学气相沉积(CVD)或其他方法在图形化的催化剂图形表面生长碳纳米管薄膜，用以制备出纳米管定向排列的薄膜。检索中还发现，Yahachi Saito等在《Carbon》38(2000)169-182上发表的文章“Field emission from carbon nanotubes andits application to electron sources”(碳纳米管的场发射效应及在电子发射源中的应用)中提出了丝网印刷法，该方法使用丝网印刷的方法将碳纳米管粉体与有机或无机粘合剂的混合溶液印刷在阴极极板上，后去除溶剂并将粘合物材料烧结、硬化处理形成所需要的场发射阴极阵列结构。在普通的真空微电子器件中，通常采用上述的丝网印刷法和直接生长法制作碳纳米管/碳纤维场发射阴极。但是直接生长法中所需的高温处理以及丝网印刷法中需要使用丝网等限制，使得这两种方法很难与微加工工艺集成形成具有优化功能的复杂的场发射阴极阵列结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极及其制作方法，本发明基于碳纳米管或碳纤维的复合电镀工艺，使用与之可集成的微细加工技术和薄膜技术，将栅极、聚焦极、碳纳米管或碳纤维发射阴极以及与之相关联的结构集成制作，形成了具有金属和碳纳米管或碳纤维复合薄膜发射极的复杂结构特征和多种优化功能的场发射阴极结构。这种结构在工艺上实现了上下集成，具有非常强的结构适应性，并且具有多样化栅极和聚焦电子束的优化功能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明所涉及的金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极，包括基片、底电极、电阻层、发射极、支撑墙、绝缘层、栅极以及聚焦极，在基片上面首先有底电极层，层面上有一层电阻层，金属和碳纳米管或碳纤维的复合薄膜沉积在电阻层上作为发射极，底电极在平面具有图形化结构，在其间隙部位设有支撑墙结构，在支撑墙结构上设置绝缘层，而栅极结构悬空制作在绝缘层上，聚焦极在整体结构的最上层，上述的结构层都经过图形化处理。

所述栅极结构是圆形孔、方形孔、多边形孔以及不规则图形孔，其中栅极孔之间的线条宽度在1μm～1000μm之间，栅极孔的尺寸在1μm～5000μm之间。

所述聚焦极结构采用光刻过曝光工艺制作，具有倾斜表面，其中倾斜表面相对于基片表面的倾斜角度在5°～50°之间。

所述的电阻层，是经过精确控制溅射获得的具有一定电阻率的多晶硅薄膜，电阻率值在100Ωcm～2000Ωcm之间。

所述的金属和碳纳米管或碳纤维复合薄膜，其中金属材料可以是Zn、Ag、Cu、Ni金属单质或合金中一种，而纳米管则包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米碳纤维中的至少一种。

本发明所涉及的金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极的制作方法，按照以下步骤进行：

A，在基片上沉积金属种子层，厚度在之间；

B，在A所得种子层上旋涂光刻胶，厚度在2μm～5μm之间，利用光刻工艺将其图形化，形成底电极图形化阵列；

C，使用常规电镀工艺在图形化的底电极阵列上电镀底电极金属，厚度在1μm～5μm之间；去除光刻胶，形成底电极阵列结构；

D，在C得到的结构上溅射多晶硅薄膜，厚度在50nm～3000nm之间；

E，重复B中的旋涂光刻胶和光刻图形化工艺，光刻胶厚度在2μm～5μm之间，在D中所溅射的多晶硅薄膜上形成电阻层图形化阵列，采用反应离子刻蚀刻蚀多晶硅薄膜，去除光刻胶，形成电阻层结构；