一种场发射阴极超薄难熔金属栅网及其制备方法

摘要

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。

说明书

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

基于以上事实，本发明的第一个目的在于提供一种场发射阴极超薄难熔金属栅网，该金属栅网可具有超薄的厚度，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。

本发明的第二个目的在于提供一种场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法，该制备方法很好的解决了现有技术中还难以很好的制备得到厚度超薄的场发射阴极难熔金属栅网的问题。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种场发射阴极超薄难熔金属栅网，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。

进一步地，所述栅网基片的材质选自钨、钼、钽中的一种。

进一步地，所述栅网基片的厚度为40微米至5个微米。

进一步地，所述的栅网支撑环位于栅网基片边缘，避开栅极透孔阵列。

进一步地，所述栅网支撑环的内环具有30-70度倾角。

进一步地，所述栅网支撑环的材质为难熔金属。

进一步地，所述栅网支撑环的材质为钨。

进一步地，所述栅极透孔阵列的透光率为70％-90％。

进一步地，所述栅极透孔阵列中，栅极透孔的形状为密排方形、圆形、三角形、正六边形或轮辐栅形。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法，包括如下步骤：

提供包含硅器件层的复合基底；

在硅器件层上涂覆光刻胶；

对光刻胶进行曝光、显影，形成位于硅器件层中心区域的、图形与所需栅极透孔阵列图形一一对应的光刻胶模具；

刻蚀暴露出来的硅器件层，再去除所述光刻胶模具，得硅模具；

在所述硅模具表面沉积难熔金属；

减薄上述硅模具与难熔金属形成的混合层，至难熔金属的厚度达到所需栅网基片的厚度；

将栅网支撑环焊接在所述难熔金属上；

去除剩余的硅模具及复合基底残留，得所述场发射阴极超薄难熔金属栅网。

进一步地，所述复合基底为SOI片，结构为硅支撑层/绝缘层/硅器件层，或所述复合基底为非硅支撑层/硅器件层结构。

进一步地，所述硅支撑层或非硅支撑层的厚度为400微米-1000微米。

进一步地，所述绝缘层的厚度为1微米-2微米。

进一步地，所述硅器件层的厚度大于所需栅网基片的厚度，且所述硅模具的厚度大于所述栅网基片的厚度。

进一步地，所述硅器件层的厚度为45微米至5微米。

进一步地，所述光刻胶为MEMS技术中使用的光刻厚胶，优选为AZ4620光刻胶或KMPR光刻胶。

进一步地，所述刻蚀的方法为电感耦合等离子体刻蚀技术。

进一步地，所述沉积的方法为化学气相沉积法。

进一步地，所述焊接的方式为真空扩散焊。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的场发射阴极超薄难熔金属栅网，实现了厚度几十微米至几微米超薄栅网基片结构，栅网支撑环有效保持超薄栅网基片不易变形，并可依靠内环倾角实现对引出电子束的聚焦。超薄栅网结合尺寸相应减小的栅孔孔径以及栅网丝径，能够适应频率不断升高的器件的需求。栅网采用难熔金属材料，可以耐受更高电子轰击导致的温度不易变形损坏，能更好适用于毫米波和太赫兹真空电子器件冷阴极。

本发明提供的制备方法中，超薄的栅网基片通过在近似理想平整基底上化学气相沉积完成，基片在整个工艺流程中，始终牢靠依附于基底上，高度平整保障了微加工图形的高质量；栅网基片在和栅网支撑环牢靠焊接后才从基底脱离，其平整性在转移过程中以及后续装配过程中都得以高度保留。

本发明提供的制备方法中，栅网的通孔阵列通过在电感耦合等离子体刻蚀硅模型直接沉积成型，能够形成陡直的特征尺寸精确控制的高质量栅极透孔，不会产生激光加工工艺导致的边缘毛刺，以及光刻刻蚀工艺导致的各向同性侧腐蚀倾角，同时得到UV-LIGA所不能实现的难熔金属结构。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出集成式自对准栅极Spindt阴极结构示意图。

图2示出非集成金属栅网式场发射冷阴极结构示意图。

图3示出本发明场发射阴极超薄难熔金属栅网结构示意图，

图3A-3G示出本发明场发射阴极超薄难熔金属栅网制备流程示意图：3A-提供一含硅器件层的复合基底，3B-在硅器件层上涂敷光刻胶并曝光、显影，3C-刻蚀硅器件层并去胶形成硅模具，3D-在模具表面沉积难熔金属栅网材料，3E-磨平、抛光沉积层/硅模具混合层得到栅网基片，3F-将机械加工的栅网支撑环置于栅网基片上并焊接一体，3G-腐蚀去除支撑层/绝缘层和硅模具残留得到栅网。

图1中，各部件标号分别表示为：101-阴极基底，102-阴极尖锥，103-绝缘层，104-栅极基片，105-栅极透孔。

图2中，各部件标号分别表示为：201-阴极基底，202-阴极阵列，203-绝缘层，204-栅极基片，205-栅极透孔。

图3、图3A-3G中，各部件标号分别表示为：300-场发射阴极超薄难熔金属栅网，301-支撑层，302-绝缘层，303-硅器件层，304-光刻胶，305-硅模具，306-栅极沉积层，307-栅网基片，308-栅网支撑环，309-栅极透孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图3所示，本实施例提供一种场发射阴极超薄难熔金属栅网300，其包括：栅网基片307，在所述栅网基片307中心区域包含栅极透孔阵列309；栅网支撑环308，位于所述栅网基片307上，二者焊接一体；其中，所述栅网基片307的材质为难熔金属。

示例性的，适用于本实施例中栅网基片307的难熔金属包括但不限于钨、钼、钽等，本实施例中，优选为钼。

本实施例中，所述栅网基片307厚度，根据毫米波和太赫兹器件频段不同，范围为40微米至5微米。示例性的厚度包括但不限于为35微米至5微米、35微米至10微米、35微米至15微米、35微米至20微米、30微米至5微米、30微米至10微米、所述栅极透孔阵列309，为达最佳电子引出效果，透孔形状选自密排方形、圆形、三角形、正六边形或轮辐栅形，透光率为70％-90％。结合栅网基片307优选厚度为20微米，本实施例中，优选正六边形透孔，优选六边形边长60微米，优选栅网丝径20微米，相应透光率70％。栅极透孔阵列309所占面积，是根据实际应用的冷阴极面积决定，本实施例中，优选面积为半径2mm的圆形区域。

所述的栅网支撑环308位于栅网基片307边缘，避开栅极透孔阵列309。栅网支撑环308和栅网基片307焊接一体，其主要作用是稳固支撑栅网基片307保持其平整不变形，协助耗散热量并对引出电子束进行聚焦。典型地，栅网支撑环308尺寸在毫米量级。本实施例中，优选栅网支撑环308底部内径5毫米，底部外径9毫米，支撑环高度2毫米。

所述的栅网支撑环308优选选自钨、钼、钽和不锈钢等真空器件适用材料，本实施例中，优选钨或钼。

所述的栅网支撑环308内环倾斜角度能够影响电场分布，从而会聚引出电子束。典型地，栅网支撑环308内环倾角30-70度范围。本实施例中，优选内环倾角60度。

如图3A-3G所示，本发明实施例还提供一种场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1)提供一含硅器件层303的复合基底301/302/303。

所述复合基底301/302/303作为整个工艺流程的基础，要求具有高平整度、高平行度和高光洁度。复合基底301/302/303中支撑层301是整个工艺承载层，符合要求的材料包括硅片、氧化硅片、玻璃片以及部分经过精密抛光加工的金属基片；硅器件层303用于形成硅模具305，其位于该复合基底的表层；绝缘层302用于隔离支撑层301和硅器件层303，当支撑层301采用非硅材料时，绝缘层302可省略。本实施例中，复合基底301/302/303优选商用可得标准SOI基片，即支撑层301和硅器件层303均为硅，绝缘层302为二氧化硅。

典型的SOI基片支撑层301厚度为400微米-1000微米，本实施例中，优选500微米；典型的SOI基片绝缘层302厚度为1微米-2微米，本实施例中，优选1微米；硅器件层303的厚度应当略大于所需栅网基片307厚度，本实施例中，优选为45微米，更优选22微米。

步骤2)在硅器件层303上涂敷光刻胶304并曝光、显影。

在硅器件层303中心区域上涂敷光刻胶304并曝光、显影，形成光刻胶304图形，也即形成光刻胶模具，作为后续刻蚀硅工艺的掩蔽，以形成供沉积栅极金属层306的硅模具305。其中，光刻胶304图形的形状、位置与后续的硅模具305以及所述栅极透孔阵列309一一对应。本实施例中，光刻胶304优选Clariant公司商用可得AZ4620正性光刻胶。AZ4620正性光刻胶一次旋转涂敷厚度典型范围为3微米-10微米，可以耐受厚度300微米-1000微米的硅刻蚀工艺，本实施例中，光刻胶304厚度优选5微米。

光刻胶304曝光过程采用典型的紫外曝光技术，通过掩膜掩蔽对光刻胶304特定部分曝光，并通过后续显影过程，使用AZ4620光刻胶配套显影剂AZ400K去除曝光部分，保留未曝光部分从而形成光刻胶304图形。光刻胶304图形是和栅极透孔阵列309图形一一对应，本实施例中光刻胶304图形为正六边形柱体阵列，六边形边长60微米，柱体高度5微米，各柱体之间间距20微米，等同于栅极透孔阵列309的丝径宽度。

步骤3)刻蚀硅器件层303并去光刻胶形成硅模具305。

所述刻蚀硅器件层303并去光刻胶形成硅模具305，是以光刻胶304图形为掩蔽，刻蚀硅器件层303直至绝缘层302，而后去除光刻胶304图形，得到硅模具305(也即刻蚀后剩余的硅器件层，可知，硅模具305的厚度与硅器件层303的厚度相同)。硅的刻蚀可采用各向同性湿法腐蚀，各向异性湿法腐蚀和各向异性干法刻蚀。考虑为得到侧壁陡直的栅网透孔阵列309，本实施例中，硅器件层303的刻蚀优选各向异性干法刻蚀的电感耦合等离子体刻蚀技术。该刻蚀过程以光刻胶304图形为掩蔽，通过六氟化硫气氛刻蚀及八氟环丁烷气氛保护的交替作用，刻蚀穿透硅器件层303精准终止于绝缘层302，形成侧壁陡直、高度一致的硅模具305。

本实施例中，光刻胶304掩蔽层的去除优选AZ4620光刻胶配套去胶剂AZ400T，常温浸泡直至完全去除。

本实施例中，硅模具305图形是和栅极透孔阵列309图形一一对应，硅模具305的厚度高于所需栅网基片307的厚度。硅模具305优选为正六边形柱体阵列，六边形边长60微米，柱体高度22微米，各柱体之间间距20微米，等同于栅极透孔阵列309的丝径宽度。

步骤4)在硅模具305表面沉积难熔金属形成栅极沉积层306。

所述在硅模具305表面沉积难熔金属形成栅极沉积层306，是以硅模具305为基底，进行难熔金属材料沉积，形成的栅极沉积层306存在于硅模具305的图形间隙及表面，用以后续构成栅网基片307。本实施例中，栅极沉积层306优选钼，沉积工艺优选化学气相沉积方法，通过六氟化钼气氛和氢气氛在500℃左右高温下发生反应，生成金属钼沉积层。难熔金属的化学气相沉积过程需要较高温度，使得沉积模具不能使用MEMS工艺中更为典型的光刻胶材料，这也是本发明制备方法中不能采用UV-LIGA工艺的原因。

为保障栅网基片307优选的整体厚度(例如20微米)，本实施例中优选过度沉积(也即使得沉积的厚度高于所需栅网基片307的厚度)，保障栅极沉积层306厚度约高于所需栅网基片307的厚度(例如为23微米)，完全包覆硅模具305。

步骤5)减薄栅极沉积层306/硅模具305混合层得到栅网基片307。

减薄的方式优选为磨平、抛光。所述磨平工艺是快速减薄膜层厚度，得到平行、平整基片表面，所述抛光工艺是通过对材料轻微去除，得到无微凸毛刺、高光洁度基片表面，高光洁度表面是场发射冷阴极应用所必需的。本实施例中，磨平、抛光工艺优选MEMS技术中典型的化学机械抛光方法，依靠大研磨颗粒和高磨盘转速实施磨平，小研磨颗粒和低磨盘转速实施抛光。

本实施例中，首先优选通过化学机械磨平，将栅极沉积层306/硅模具305混合层厚度减至略高于所需栅网基片307的厚度，优选为21微米；而后通过化学机械抛光，得到光洁栅极沉积层306/硅模具305混合层表面，并将厚度控制在所需栅网基片307所需的厚度，优选为20微米，即得到夹杂硅模具305残留的栅网基片307。

步骤6)将栅网支撑环308和栅网基片307焊接一体。

所述将栅网支撑环308和栅网基片307焊接一体，目的是用栅网支撑环308稳固栅网基片307，确保其在后续工艺以及封装应用过程中保持不变形。所述栅网支撑环308，本实施例中通过传统机械加工制备。所述焊接方法，典型地可选用真空器件工艺成熟的钎焊、激光焊和扩散焊。本实施例中，考虑栅网支撑环308和栅网基片307为同一材质钼，焊接工艺优选真空扩散焊。和栅极透孔阵列309中心对位，将栅网支撑环308放置于栅网基片307，使用夹具固定后，共同放置于真空中施加压力和高温，将栅网支撑环308和栅网基片307焊接一体。

步骤7)腐蚀去除支撑层301/绝缘层302和硅模具305残留得到栅网300。

所述腐蚀去除支撑层301/绝缘层302和硅模具305残留得到栅网300，是将完成制备的栅网300从基体脱离。所述的去除方法，是通过湿法腐蚀将支撑层301/绝缘层302和硅模具305溶解，或者在该过程中只溶解绝缘层302和硅模具305残留，使得支撑层301从栅网300剥离。

腐蚀液的选择，考虑能够快速反应，并且不伤及栅网300。本实施例中，优选浓度30％的氢氧化钾溶液腐蚀支撑层301和硅模具305残留，优选标准BOE溶液腐蚀绝缘层302，完成栅网300制备。

由此实施例得到由栅网支撑环和栅网基片形成一体的太赫兹真空电子器件冷阴极栅网，栅网支撑环保障超薄栅网基片不变形，同时协助栅网散热，并依靠60度内倾角影响电场对引出电子束产生会聚。栅网基片厚度为20微米，基片中心直径4毫米区域密布透孔阵列，透孔形状为边长60微米正六边形，栅网丝径20微米，相应透光率70％。该栅网可用于阴极面积直径4毫米及以下场发射冷阴极。

实施例2

重复实施例1，区别在于，步骤2)中，曝光、显影形成光刻胶304图形为正方柱形，边长80微米，各柱体之间间距10微米；步骤3)中，光刻刻蚀硅器件层303形成硅模具305图形为正方柱形，边长80微米，各柱体之间间距10微米，其它条件不变，本实施例得到栅网300结果和实施例1相似，区别在于栅极透阵列孔309为正方形孔阵列，透光率80％。

实施例3

重复实施例1，区别在于，步骤1)中，将硅器件层303厚度改为12微米；步骤4)中，将栅极沉积层306厚度改为13微米；步骤5)中，将栅极沉积层306/硅模具305混合层磨平厚度改为11微米，抛光厚度改为10微米，其它条件不变，本实施例得到栅网300结果和实施例1相似，区别在于栅网基片307厚度为10微米。

本发明方法突破了常规激光加工或光刻刻蚀方法只能实现厚度超过50微米栅网，以及UV-LIGA工艺只能制作电镀相关金属材料的限制，能够实现5-50微米范围内任意厚度(例如5-20微米)的超薄难熔金属栅网，并且栅网平面不易变形，表面光洁度优于100nm，透孔阵列边缘陡直光滑无毛刺，能满足超高频直至太赫兹真空电子器件冷阴极的需求。

由该方法制作的栅网，和碳纳米管冷阴极以及金属阳极组成三极管进行电子发射测试。结果表明，对于阴极直径4毫米，栅网厚度20微米、透光率80％的结构配置，在直流状态阴极表面引出电场强度5V/μm时，阳极收集电流9.4mA，栅网截获电流3.7mA，实际有效输出电流比率可达71.8％，表明该栅网可用于阴极面积直径4毫米及以下场发射冷阴极。其他实施例所得栅网也能得到相近的效果，可用于阴极面积直径4毫米及以下场发射冷阴极。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。