[发明专利]一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域。更具体地，涉及一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法。

背景技术

场发射阴极可以实现瞬时启动和室温工作，而且其电子引出无需外能，功耗小，电流密度大。传统真空电子器件使用场发射阴极作为电子源，有助于降低功耗，提高频率，实现器件小型化、集成化。场发射阴极潜在应用涉及显示器，微波功率放大器，传感器，X射线管，高能粒子加速器，以及各种显微镜、离子枪和质量分析器。研制高性能场发射阴极，对真空电子器件的发展和进步，具有积极的意义。

传统集成栅控尖锥阵列场发射阴极如Spindt阴极，因其工作电压低，电子束易于成型而广受关注。然而集成栅控场发射阴极，由于发射体和栅极距离很近，容易因为阴栅短路导致器件失效，工作可靠性较差。近年来非集成栅控的场发射阴极的研究更受关注。

非集成栅控的场发射阴极包括薄膜型，无序管线型，簇丛阵列型和尖锥阵列型，其中尖锥阵列型最容易实现规则制作，得到良好的阴极发射均匀性。制作无集成栅极尖锥阵列场发射阴极，可以使用化学腐蚀法，聚焦离子束刻蚀法，倒模成型法和Spindt阴极去栅法。然而化学腐蚀法制作尖锥仅限于硅系等半导体材料，但硅并非很好的发射材料；聚焦离子束刻蚀法成本高昂，在制造大面积阵列时候尤为如此；倒模成型法存在均匀性，以及阵列需要二次转移问题；Spindt阴极本身制造已经非常复杂高难，再次加工则繁复加剧。

因此无论从科学研究，或是实用化的角度，都迫切需要一种简便易行、成本较低的制造无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制造方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法，以期解决化学腐蚀法仅限于制作硅系等半导体材料尖锥、聚焦离子束刻蚀法成本高昂、倒模成型法需二次转移以及Spindt阴极去栅法工艺繁复等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种无集成栅极尖锥阵列场发射阴极的制备方法，包括如下步骤：

1)在拟制作尖锥阵列场发射阴极的基片表面涂覆光刻胶。

2)将步骤1)中涂有光刻胶的基片进行曝光，对曝光后的基片进行显影，得到圆形孔洞阵列光刻胶基片；这些圆孔将作为制作尖锥的承载孔。

3)令步骤2)得到的基片沿自身法线方向自转，同时相对基片表面以倾斜角度蒸镀一层牺牲层材料，从而使蒸镀的牺牲层包覆于光刻胶表面，减小光刻形成的光刻胶圆孔顶部开口的尺寸。用该方法蒸镀材料，令材料不断沉积在圆孔开口，形成小口径大空腔结构，以利于后续尖锥成型。由于为直线蒸发角度，所以牺牲层材料并不会进入到光刻胶孔下部和底部。

4)保持步骤3)中的基片自转，同时相对基片表面以垂直角度蒸镀发射材料，从而在胶孔内形成发射材料尖锥。这些蒸发材料一部分沉积在牺牲层上，一部分透过光刻胶顶部小孔进入到光刻胶孔内部，沉积在基底上。由于发射材料也不断沉积在光刻胶圆孔顶部的牺牲层圆孔处，沉积材料使得圆孔顶部口径持续缩小，进入光刻胶圆孔内部的发射材料不断减少，最终蒸发的发射材料就会在在胶孔内形成底部大顶部小的圆锥形状。镀膜结束后，顶部圆孔几乎封闭或完全封闭，从而最终形成小曲率半径尖锥。

5)镀膜结束后，取出步骤4)得到的基片，剥离光刻胶，同时去除光刻胶上的牺牲层及多余的发射材料，得到包括基片和形成于基片上表面的场发射尖锥阵列的无集成栅极尖锥阵列场发射阴极。随着光刻胶的去除，光刻胶上方所有材料包括牺牲层，以及牺牲层上方的发射材料由于没有承载，也随之被去除，只保留了原本在光刻胶圆孔内部基底上形成的发射材料尖锥。

优选地，步骤1)中所述场阴极基片为抛光导电基片(即抛光处理的导电基片)，或包括抛光基片和形成于抛光基片表面的导电薄膜的复合基片。基片的材料是本领域人员根据现有技术和实际需要可以做出选择的材料，所述导电基片材料包括但不仅限于金属单质，抛光基片材料包括但不仅限于石英、蓝宝石和硅，导电薄膜材料包括但不仅限于金属单质。

优选地，步骤1)中所述光刻胶使用Shipley S1813，光刻胶的厚度为0.8～1.2μm。

优选地，步骤2)中所述圆形孔洞的孔径为0.8～1.2μm。

优选地，步骤2)中所述曝光和显影采用的方法是本领域人员根据实际需要采用的常规技术方法。

优选地，步骤3)中所述牺牲层材料包括而不限于氧化铝，所述牺牲层材料的厚度为0.1～0.2μm。

优选地，步骤3)中所述倾斜角度为30°～60°。