Spindt阴极制作中剥离层的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)微波电真空器件国家级重点实验室 作者:李兴辉

  在Spindt 场发射阴极制作工艺流程中, 剥离层对于形成良好的发射尖锥形状至关重要, 同时它也是实现阴极阵列中尖锥均匀性的关键因素。本文研究了几种常用的剥离层材料包括金属铜, Al2O3 以及水溶性的NaCl 和Na2CO3。实验表明NaCl 和Na2CO3 用作剥离层, 可以被去离子水迅速、容易地去除, 并同时实现很好的腐蚀选择性。但用这些水溶性材料得到的发射尖锥形状不很规则且表面粗糙, 由此也会带来整个阴极阵列上尖锥的不均匀性。使用Al2O3 作为剥离层则较为理想, 可以得到光滑的栅极收口和很好的尖锥阵列。但传统用来腐蚀Al2O3 的热H3PO4 , 对于加热制作的Al2O3 剥离层腐蚀较为困难。尝试了使用基于NaOH 的腐蚀液来剥离加热Al2O3 层, 通过严格的工艺参数控制, 如腐蚀液浓度和刻蚀时间, 可以制作出质量较好尖锥发射体阵列。

  场致发射是电子通过强电场下的隧道效应, 克服材料的表面势垒而产生逸出。因而场发射阴极不需外加热量, 能够实现瞬时启动, 并且理论上可以达到很高的电流密度, 是一种很具发展潜力的阴极类型。

  Spindt 阴极作为研发最早的场发射阴极, 它的特点是能够在较小面积上同时实现很高的电流密度和很大的总电流, 特别适合大电流强发射冷阴极器件的使用要求。Spindt 阴极结构如图1 所示, 是由基片上成千上万个包含微发射体尖锥、绝缘层和其上自对准栅极的基本发射单元组成的阵列式阴极。由于微发射体尖端的曲率半径一般只有几十纳米,发射体和栅极间距离也很小, 只需在两者之间加上很低的偏压( 小于200 V) , 就可由于尖端效应在微尖锥顶部产生很强的电场, 从而诱导表面产生电子发射。Spindt 阴极制作中, 可以通过工艺控制, 使得封装密度高达每平方厘米上百万个发射单元中的各尖锥具有基本相同的场增强因子。大量集成微尖锥的共同发射, 使得整个阴极具有很大的电流密度和总电流。

Spindt 阴极示意图

图1  Spindt 阴极示意图

  要实现阵列中数量众多的微发射体阵列的共同发射, 依据场致发射原理, 就要求阵列中各微发射体之间达到很好的形状一致性, 这包括微加工的栅孔一致性和发射尖锥一致性。栅孔一致性主要取决于微加工的设备条件; 影响发射尖锥一致性的因素则有很多, 不仅包括前期加工栅孔的质量, 还包括在发射尖锥形成过程中一系列工艺参数和条件选择, 这其中剥离层控制是一个关键。

  剥离层的选择要考虑两个因素: 既要倾向于形成光滑平整的薄膜和栅孔收口, 又要在剥离过程中对阴极其它部分材料具有良好的腐蚀选择性。历史上在制作典型的基于Si/ SiO2/ Mo 材料的Spindt 阴极时, 剥离材料常使用Al2O3 和热H3PO4 组合, 以得到比较理想的场发射尖锥阵列。然而热H3PO4 对于加热形成Al2O3 的腐蚀存在困难, 随Al2O3 形成温度的升高, 腐蚀速度会明显变慢, 直至达到完全不能腐蚀。Spindt 阴极制作中, 出于缓解膜层应力的原因, 往往会在沉积剥离层时进行加热, 在某些特殊工艺要求情况下温度还会加得较高, 这就给剥离过程带来很大的难度, 有时还会带来对阴极质量的影响。

  基于上述原因, 本文进行了Spindt 阴极制作中剥离层的研究, 分析了金属材料和一些水溶性材料作为剥离层的情况, 同时对于加热Al2O3 剥离层的腐蚀技术也做了一些新尝试。

  本文研究了一些Spindt 阴极制作中使用的牺牲层。水溶性NaCl 和Na2CO3 腐蚀选择性好, 去除快速, 然而制作尖锥的质量只和使用金属牺牲层如Cu类似, 由它们得到的Spindt 阴极阵列很难实现理想的个体形状和阵列均匀性。Al2O3 是可以制作较理想尖锥的剥离层材料, 当使用传统热H3PO4 去除加热形成Al2O3 存在困难时, 使用强碱性腐蚀液许是一种好的选择, 通过严格工艺控制也能达到制作要求。

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