本发明属于阴极场发射技术领域，特别涉及一种场发射阵列阴极的制备方法。
背景技术
1897年，r.w.wood最早发现了场致电子发射(fee)现象。1923年，w.schottky对fee现象在理论上进行了深入的研究，提出以下假设：外加电场削弱了表面势垒，势垒高度降低，从而使得电子可以穿透势垒逸出。由场致电子发射相关理论可知，影响场发射性能的主要因素有：局域电场强度、材料功函数。在宏观电场一定的情况下，发射体表面的电场强度取决于发射体形状和表面微凸起引起的场增强效应；发射体材料的功函数取决于材料本身的性质和测试环境下的表面状态。因此，减小发射体表面曲率半径能有效提高场发射阵列阴极发射性能。基于上述理论，现已发展出金属钼尖spindt阴极，硅微尖场发射阵列阴极，六硼化镧场发射阵列阴极等。
spindt阴极是现目前在场发射微波管中研究最为成熟的阴极。spindt阴极的制备方法包括如下四个主要工艺步骤：(1)薄膜沉积：此步骤用于在基底上形成“基极-绝缘层-栅极”的三明治结构；(2)栅孔图形化：此步骤用于在栅极薄膜表面形成栅孔阵列，国内主要采用光学光刻技术制备栅孔阵列；(3)图形转移：此步骤用于将栅孔阵列图形转移至绝缘层，形成空腔阵列；(4)沉积形成锥尖。现目前图形转移的主要手段为刻蚀，掩膜上的图形转移至栅极上需要刻蚀栅极金属，而将栅孔图形转移到绝缘层上也需要刻蚀绝缘层。刻蚀方法主要包括干法刻蚀、湿法刻蚀。湿法刻蚀是各向同性的，会产生严重的侧向钻蚀，不适用集成度高的情况；干法刻蚀是各向异性的，适合集成度高的空腔阵列的制备。现目前干法刻蚀常用反应离子刻蚀(rie)技术。而湿法刻蚀对于金属钼尖spindt阴极而言，通常使用h2so4和hno3形成的混合溶液进行化学腐蚀。
硅微尖场发射阵列(si-fea)是另一类常用的场发射阵列阴极。制备硅微尖场发射阵列现有的方法主要有两种，其一为各向异性湿法腐蚀、氧化削尖及自对准工艺；其二为干法刻蚀。
近年来，六硼化镧场发射阵列阴极受到广泛关注，其制备方法主要是：采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术在六硼化镧基片上沉积非晶硅(a-si)薄膜作为体多晶六硼化镧刻蚀时的掩膜，然后再在a-si薄膜上形成光刻胶作为掩膜，经曝光、显影之后，采用rie法刻蚀a-si层，形成阵列图案，而后置于电解液中刻蚀出尖锥阵列。
通过如上制备流程可知，发射体锥尖的形貌受制于空腔阵列的形貌，而空腔阵列的形貌受制于制备过程的图形化手段和刻蚀技术。光刻技术作为场发射阵列阴极工艺流程中非常关键的环节对于场发射阵列阴极的锥尖良率具有重要影响。虽然光刻技术作为现目前图形化的重要手段，能够实现精细线宽，但是光刻工艺流程繁杂，包括光刻胶涂布、曝光、显影、套准精度和检测等，各个工序的把控对于光刻图形的成败和光刻重复图形失效有着直接的关系，因此工艺重复性较差。而且，光刻技术本质上是在光照的作用下，借助光致抗蚀剂将掩膜版上的图形转移至基片上的技术，由于光致抗蚀剂又称为光刻胶，是一类对光或射线敏感的混合聚合物材料，通常由成膜树脂、光敏剂、溶剂和一些添加剂组成，其中大部分的有机物的毒性较高具有一定挥发性，挥发性气体会对环境产生危害。因此，现有场发射阵列阴极制备方法不利于场发射阵列阴极的低成本、低污染推广应用。
在此背景下，为了能够低成本、低污染地实现场发射阵列阴极制备，寻找一种工艺流程简单、无需光刻工艺及有毒有害试剂使用、重复性好的场发射阵列阴极制备方法显得尤为重要。
技术实现要素：
针对现有技术场发射阵列阴极制备方法所存在过程繁杂、重复性差、高污染、高成本等缺陷，本发明提供了一种利用机械加工技术对阴极基片切割形成初始阵列，再利用刻蚀技术对初始阵列进行形貌优化，从而制备得到尖锥阵列。该方法工艺流程简单可控，在降低成本的同时也更加环保安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种场发射阵列阴极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：采用切割机将场发射阴极基片表面切割成初始场发射阵列，所述初始场发射阵列中每个初始场发射体的形状为棱形状；
步骤b：清洗步骤a所得初始场发射阵列，然后对初始场发射阵列进行刻蚀，使得初始场发射阵列的中每个初始场发射体的形状成为尖锥状，最终制得场发射阴极阵列。
进一步地，本发明在进行步骤a之前还包括对场发射阴极基片进行预处理。
根据本发明实施例，所述预处理的操作包括对场发射阴极基片进行抛磨和清洗。
进一步地，本发明中刻蚀采用电化学腐蚀、湿法腐蚀或干法刻蚀，其中现目前干法刻蚀主要为反应离子刻蚀(rie)技术。
进一步地，本发明中棱形发射体包括但不限于：棱柱状发射体、棱台状发射体刃型发射体或者楔型发射体。
本发明实质是采用机械加工实现图形转移并辅以刻蚀技术优化形貌进行场发射阵列阴极的制备。首先根据需求对阴极基片表面切割，形成初始发射体阵列，现有切割技术可精确控制阵列整体的边长(即阵列大小)、发射体单元的深度(即阵列高度)以及发射体之间的距离(即阵列间距)，而后再利用刻蚀技术对初始场发射阵列进行形貌优化，从而制备得到尖锥状的场发射阵列阴极。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明结合机械加工技术和刻蚀技术制备场发射阵列阴极，相比现有光刻技术结合刻蚀技术简化了工艺流程，降低了生产制作成本；同时通过得到调整机械加工参数及刻蚀工艺参数，能够得到不同阵列大小、阵列高度和阵列间距的场发射阵列阴极，制备工艺可控性强，同时避免使用有毒有害的试剂，顺应当代绿色、环保的理念；本发明制备方法重复性良好，有利于场发射阵列阴极的推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的场发射阵列阴极的制备工艺流程图。
图2为本发明棱形发射体的具体实施例的示意图。
图3为本发明实施例1制备得到多晶六硼化镧场发射阵列阴极的表面形貌图。
图4为本发明实施例1制备得到多晶六硼化镧场发射阵列阴极的i-v特性曲线。
图5为本发明实施例3制备得到多晶六硼化镧场发射阵列阴极的表面形貌图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细、完整的阐述：
如图1所示为场发射阵列阴极的工艺流程图，包括如下步骤：
步骤a：采用切割机将场发射阴极基片表面切割成初始场发射阵列，所述初始场发射阵列中每个初始场发射体的形状为棱形状，棱形发射体包括但不限于：棱柱状发射体、棱台状发射体、刃型发射体或者楔型发射体，如图2所示给出了棱柱状发射体(如图2a)、棱台状发射体(如图2b)和楔型发射体(如图2c)的结构示意图；
步骤b：清洗步骤a所得初始场发射阵列，然后对初始场发射阵列进行刻蚀，使得初始场发射阵列的中每个初始场发射体的形状成为尖锥状，最终制得场发射阴极阵列。
实施例1：
一种场发射阵列阴极的制备方法，本实施例选择多晶六硼化镧作为阴极材料，利用电火花线切割与电化学腐蚀法相结合进行场发射阵列阴极的制备，其工艺流程如图2所示：
(1).抛磨和清洗
对多晶六硼化镧基片进行抛磨后，采用去离子水超声清洗15分钟；
(2).线切割
使用电火花切割法在多晶六硼化镧基片上切割出棱柱状初始发射体阵列；
初始发射体阵列的结构参数主要如下：多晶六硼化镧基片的直径为8mm，多晶六硼化镧基片的厚度为2.5mm，发射体棱边的长度为0.25mm，发射体槽宽为0.25mm，柱状发射体的高度为0.7mm；
(3).清洗
将经切割处理得到的多晶六硼化镧基片依次放入naoh溶液中煮沸10分钟，浓度为10％的hcl溶液中煮沸5分钟，以及去离子水超声清洗10分钟；重复上述清洗操作两次；
采用扫描电子显微镜手段对本实施例得到的多晶六硼化镧场发射阵列进行形貌表征，得到如图3(a)所示结果，从图3(a)中可看出：场发射体高度约0.7mm，与设置参数相同，形貌均匀性较好。
(4).电化学腐蚀
电解液浓度和电解电流是影响电化学腐蚀速率和发射体形貌的关键因素。本实施例采用v(hcl)∶v(c2h5oh)∶v(h2o)＝1∶30∶30的比例配制电解液，将经清洗处理得到的多晶六硼化镧基片置于电解液中，将六硼化镧基片与阳极相接，将阴极与石墨棒相接；设定恒流为100ma，电化学腐蚀60分钟；腐蚀完成后取出多晶六硼化镧基片放入v(hcl)∶v(h2o)＝1∶3的溶液中静置10秒，再采用去离子水清洗至干净，即得到多晶六硼化镧场发射阵列阴极。
采用扫描电子显微镜对本实施例得到的多晶六硼化镧场发射阵列进行形貌表征，得到如图3(b)所示结果，从图3(b)中可看出：随着电解时间的增加，发射体棱柱锐化效果明显，当腐蚀时间为60min时，发射体尖锥高度达到0.5mm，发射体均匀性良好。如图4(a)所示为线切割得到初始发射体阵列的i-v特性曲线，如图4(b)所示为线切割后在进行电化学腐蚀后得到发射体阵列的i-v特性曲线，通过对比两张图可发现：经电化学腐蚀后，阴极场致发射性能有了明显提高。当阳极电压为1800v，阴极阳极间距为0.1mm时，阴极发射电流由腐蚀前的0.105ma增大到1.51ma。从图4(b)中可知，本实施例测试得到的发射电流已经能够满足诸如小卫星上面离子中和等小电流领域的要求。
实施例2：
一种场发射阵列阴极的制备方法，本实施例选择多晶六硼化镧作为阴极材料，利用金刚石线切割与湿法腐蚀相结合进行场发射阵列阴极的制备：
(1).抛磨和清洗
对多晶六硼化镧基片进行抛磨后，采用去离子水超声清洗15分钟；
(2).线切割
使用金刚石线切割机在多晶六硼化镧基片上切割出柱状阵列，切割时采用石蜡将六硼化镧基片固定在切割板上，再调整参数进行切割；
初始发射体阵列的结构参数主要如下：多晶六硼化镧基片的直径为8mm，多晶六硼化镧基片的厚度为2.5mm，发射体棱边的长度为0.15mm，发射体槽宽为0.25mm，柱状发射体的高度为1.0mm；
(3).清洗
将经切割处理得到的多晶六硼化镧基片采用甲苯超声清洗5分钟去除多晶六硼化镧基片表面的石蜡，然后再依次放入naoh溶液中煮沸10分钟，浓度为10％的hcl溶液中煮沸5分钟，以及去离子水超声清洗10分钟；重复上述清洗操作两次；
(4).湿法腐蚀
采用v(hno3)∶v(h2o)＝1∶2的比例配制化学腐蚀液，将清洗后的上述基片置于化学腐蚀液中处理1小时；腐蚀完成后取出多晶六硼化镧基片放入去离子水中清洗干净，即得到多晶六硼化镧场发射阵列阴极。
实施例3：
本实施例中使用金刚石线切割机在多晶六硼化镧基片表面切割出刃型阵列，切割得到的刃型阵列中每个场发射体的形状都如刀刃一般，自下而上逐渐变窄(即下宽上窄)，机械切割得到的刃型阵列如图5(a)所示，经rie刻蚀后，场发射体顶部会比较尖锐，如图5(b)。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种方式，其描较为具体和详细但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出是，于本领域普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进这些都属于保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权要求为准。