基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于真空微电子学技术领域，具体涉及一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及制备方法。
【背景技术】
[0002]随着电真空技术、微纳加工技术、微机电系统MEMS技术和表面封装技术的迅速发展，国际上将各种不同学科进行融合，逐渐形成了真空微电子学。场致电子发射阴极阵列可应用于微波、传感器、离子源和显示光源等等领域，具有十分重要的科学意义和应用价值。
[0003]场致电子发射阴极通过强电场将已吸附在发射体表面的气体原子吸附并电离，进而获得近似100%单原子离子比例的离子电流。目前，国内外利用微纳加工技术已获得了用于场致电子发射的冷阴极阵列，并得到实际应用，较为常见的有金属阴极、硅微针尖阵列阴极和碳纳米管阴极等。
[0004]其中半导体硅微针尖阵列阴极拥有成熟的加工工艺，因此其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构上。传统的方法是采用热氧化法来制作微尖，但单晶硅本身的表面功函数高达4.5eV，而且其导电、导热性都较差，这就必然导致硅尖锥阴极阵列场发射阈值电压较高、散热性能较差、容易吸附残留气体而受到污染，并产生发射电流不稳定、发射电流密度较低等问题[富笑男，李新建.硅基场发射阴极材料研宄进展[J].科学技术与工程，2005，5 (3): 165.]。
[0005]碳纳米管具有长径比大、强度高、工作电压低、发射电流大、功函数低、使用寿命长、可靠性高等特点，而且原材料来源广泛，制备工艺相对简单，易于大批量生产，国内外已有关于碳纳米管 FED 阴极研宄的报道[XuNS, EjazHS.Novel cold cathode materials andapplicat1ns [J].MaterSciEngR, 2005, 48:4]。但目前对碳纳米管的生长机理尚无定论，碳纳米管薄膜的制备还处于实验阶段，控制碳纳米管形状、方向及密度工艺还不完善，而且碳纳米管在大电流下容易烧断而失效，场发射性能尚不理想。
[0006]金属阴极结构主要用难熔金属尖端作为阴极，主要有钨和钼等。金属场致发射材料抗干扰性强，目前存在的主要限制是阴极发射电流密度低等问题，因此金属场致发射材料的制备工艺和后处理显得尤为重要。比如Seo等采用激光辐射的方法去除Mo尖锥的氧化层(SeoD, KimCO, HongJP, etal.Laser induced surface cleaning of molybdenum fieldemitter arrays for enhanced electron emiss1n [J].ApplPhysLett, 2003，82:32995)。Lee等对Mo尖锥加强电场而使发射电流稳定(LeeJD, OhCW, ParkBG.Electrical aging ofmolybdenum field emitters [J].JVacSciTechnB, 2003，21:440)。目前制备金属场致发射阵列(Field Emiss1n Array)常用的方法是斯坦福的Spindt等人开发的Spindt工艺方法，该方法采用多层膜、光刻、刻蚀与角蒸发技术在硅片上形成钼尖锥阵列。在蒸发钼尖锥时，衬底与蒸发束流方向垂直，并以一定的速度匀速旋转，蒸发过程中，栅极孔不断缩小，直至最后封闭，使发射体从圆台变为圆锥体。Spindt工艺由于是在硅基底上蒸镀形成的针尖，使得针尖与基底的粘附性较差；在制备大面积阵列时尖锥形状的一致性也较差，阵列规模难以做大；另外Spindt工艺所需设备的成本也过高。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列，利用先进的微纳加工工艺制造出形貌均一的场致电子发射阴极阵列，令其针对传统金属阴极发射电流密度低的问题有比较明显改善。
[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0009]一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列，包含形貌一致且规则排列的若干金属钥尖维。
[0010]优选地，相邻钼尖锥尖部之间的间距通常在I?100微米，单个钼尖锥高度通常在I?20微米，底面半径通常在0.5?10微米。
[0011]进一步优选地，形貌一致的各个金属钼尖锥等距排列。
[0012]一种制备上述基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的方法，其步骤包括:
[0013]I)在金属钼材料上形成刻蚀掩膜；
[0014]2)利用所述刻蚀掩膜对金属钼材料进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥。
[0015]步骤I)中刻蚀金属钼材料的刻蚀掩膜可以是光刻胶掩膜或硬掩膜。相比于正性光刻胶(如AZ4620胶)，负性光刻胶(如SU-8胶)的掩蔽能力较强，特别是在刻蚀气体中O2气体流量较大的情况下，正性光刻胶难以起到掩蔽作用，需要采用负性光刻胶作为掩膜材料。为实现高深度的刻蚀，负性光刻胶掩膜的厚度一般在20微米以上。
[0016]适用于本发明的硬掩膜材料包括Al薄膜、AlN薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜、Ti薄膜等，为实现高深度的刻蚀，硬掩膜的厚度一般采用0.5微米以上。通过物理气相沉积(PVD)或者化学气相沉积(CVD)方法在金属钼材料表面形成硬掩膜层，然后经涂覆光刻胶以及光刻定义刻蚀图形，再采用干法刻蚀或者湿法腐蚀手段将刻蚀图形转移到硬掩膜上，形成刻蚀掩膜。
[0017]步骤2)采用高密度等离子体(如感应耦合等离子体(ICP)，变压器耦合等离子体(TCP)等)干法刻蚀工艺，产生高密度、高能量离子和自由基，实现了对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀，刻蚀速率可达0.5微米每分钟。基于本发明的方法，可利用表面抛光的金属钼基片制作场发射阴极阵列。
[0018]采用ICP对金属钼体材料进行刻蚀时，具体刻蚀参数是:用于产生感应耦合等离子体的线圈功率为100?2000瓦；用于增加等离子体能量的射频功率为10?100瓦；下电极托盘设置温度< 50°c ;腔体气压< 10mTorr (约6.65Pa);结构刻蚀气体是SFf^P O2，其中SF6气体流量为1sccm?200sccm，O 2气体流量占结构刻蚀气体总流量(SFf^P O2气体流量总和)的60%?80%。
[0019]采用TCP对金属钼体材料进行刻蚀时，具体刻蚀参数是:用于产生变压耦合式等离子体的线圈功率为100瓦?2000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为10瓦?200瓦；下电极托盘设置温度< 50°C;腔体气压< 50mTorr (约6.65Pa);结构刻蚀气体是SF6*O2，其中SF6气体流量为1sccm?200sccm，O2气体流量占结构刻蚀气体总流量(SFf^P O 2气体流量总和)的40%?80%。另外也可以在刻蚀气体中添加C12，C12气体流量为5sccm?50sccmo
[0020]本发明涉及的基于金属钼基底工艺的场致电子发射阴极阵列由于采取以上技术方案，具有以下优点:
[0021]I)在小面积的局域集成了等距密布的钼尖锥，使