本发明专利技术公开了一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列及其制作方法，本发明专利技术在金属钼基底上首先形成刻蚀掩膜，之后利用刻蚀掩膜对金属钼基底进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥，本发明专利技术通过在基底上直接形成钼尖锥，彻底解决了与衬底粘附性差的问题，能够承受大电流和强电场。通过高密度离子体干法刻蚀法可以实现对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀，从而可以同时得到大面积形貌一致的钼尖锥阵列，利于实现大面积的均匀发射。本发明专利技术的场致电子发射阴极阵列的制作工艺中仅包含一次光刻，实现了尖锥中心和栅孔中心的无偏差自对准。与现有工艺相比，本发明专利技术的技术方案工序少，具有高效、简单和低成本的特点，适合大规模制备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及真空微电子学领域，更具体涉及一种。
技术介绍
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。其中的场致电子发射是通过外部强电场来压抑发射表面势皇，使势皇的高度降低，宽度变窄，使得物体内部自由电子通过隧道效应进入真空，进而获得极高单原子离子比例的离子电流。场发射阴极不需外加能量，能够实现瞬时启动，理论上可以达到很高的电流密度，极具发展潜力。用场致电子发射阴极替代传统真空电子器件中的热阴极，例如将场致电子发射阴极应用在微波器件、摄像显示器件、传感器、质谱分析用场离子源、真空场效应晶体管、真空集成电路、新型发光光源、真空高压开关、X射线管或太赫兹器件等场景，能够获得更优异的性能，具有十分重要的科学意义和应用价值。场致电子发射在形式上可分为尖端外场致电子发射，介质薄膜(介质涂层)内场致电子发射和半导体内场致电子发射。其中尖端外场致电子发射不用很高的电压就可在尖端处得到高电场，因此受到广泛的青睐。目前，国内外利用微纳加工技术已获得了尖端外场致电子发射冷阴极阵列，其中以金属阴极最为典型。金属阴极是最早依靠现代微加工手段制作的场致电子发射阴极，利用微加工工艺制作的金属阴极引出电压低，发射能力强，阵列发射体间基本没有屏蔽效应影响，可以实现很高的电流密度和总电流，且材料可靠性高，具有极大的竞争力。斯坦福的Spindt等人开发的Spindt工艺方法是制备金属阴极的经典方法，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。由于Spindt工艺是在硅基底上蒸镀形成的尖锥，使得尖锥与基底的粘附性较差。同时Spindt工艺无法保证钼尖锥形貌的高度均一性，从而无法保证大面积的均匀发射。另外，该方法工艺复杂，成本高。金属阴极尖锥与衬底的粘附性，场发射均匀稳定性和加工复杂度(即成本)成为制约其进一步发展的关键因素。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何解决金属阴极与衬底粘附性差、金属阴极发射不均匀以及制作复杂的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制作方法，所述方法包括以下步骤:在金属钼基底上形成刻蚀掩膜，并利用所述刻蚀掩膜对所述金属钼基底进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥，之后将所述金属钼尖锥的尖部上的所述刻蚀掩膜去除；其中所述刻蚀掩膜包括形成在所述金属钼基底上的绝缘层以及形成在所述绝缘层上的栅极层。优选地，所述在金属钼基底上形成刻蚀掩膜包括以下步骤:在所述金属钼基底上沉积所述绝缘层；在所述绝缘层上沉积所述栅极层；在所述栅极层上旋涂光刻胶，并对所述光刻胶进行图像化处理形成栅极阵列结构的光刻胶图形；刻蚀掉无光刻胶区域的所述绝缘层以及栅极层；去除所述光刻胶图形，形成包括所述绝缘层以及栅极层的所述刻蚀掩膜。优选地，刻蚀掉所述绝缘层以及所述栅极层利用反应离子刻蚀的方法进行刻蚀。优选地，所述绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层或包括二氧化硅层和氮化硅层的层状结构，厚度为0.1微米至5微米。优选地，在金属钼基底上形成刻蚀掩膜之前，所述方法还包括对所述金属钼基底进行两面抛光的步骤。优选地，所述栅极层的材料为々1^故、祖、(:11或11，厚度大于0.1微米。优选地，所述高密度离子体干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀或变压器耦合等离子体刻蚀。优选地，所述变压器耦合等离子体刻蚀的刻蚀参数是:用于产生变压耦合等离子体的线圈功率为100瓦至2000瓦；用于增加等离子体能量的平板功率为10瓦至200瓦；下电极托盘设置温度< 50°C;腔体气压< 50mTorr；刻蚀气体是SF6或SF6、O2以及C12组成的混合气体，气体总流量为1 s c cm至200sccmo上述方法适用于一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制备，该阵列包括形貌一致且规则排列的金属钼尖锥以及位于预定区域的若干个刻蚀掩膜;其中所述刻蚀掩膜包括形成在所述金属钼基底上的绝缘层以及形成在所述绝缘层上的栅极层，所述预定区域为所述金属钼尖锥的非尖部的上方。各个所述钼尖锥非等距排列。(三)有益效果本专利技术提供了一种，本专利技术在金属钼基底上首先形成刻蚀掩膜，之后利用刻蚀掩膜对金属钼基底进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥，本专利技术通过在基底上直接形成钼尖锥与现有的Spindt工艺相比，彻底解决了衬底粘附性差的问题，能够承受大电流和强电场。通过高密度离子体干法刻蚀法可以实现对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀，从而可以同时得到大面积形貌一致的钼尖锥阵列，利于实现大面积的均匀发射，增大整体钼尖锥阵列场致电发射电流。本专利技术的刻蚀掩膜包括形成在金属钼基底上的绝缘层以及形成在绝缘层上的栅极层，在制作时可以根据实际场发射阴极的应用需求，通过调节绝缘层沉积参数改变绝缘层厚度，从而控制钼尖锥顶端与栅极的距离。也可以通过调节高密度离子体干法刻蚀工艺参数的优化钼尖锥形貌，因此本专利技术的技术方案可以实现灵活有效的控制钼尖锥形貌，工艺实用性强。另夕卜，本专利技术的场致电子发射阴极阵列的制作工艺中仅包含一次光刻，实现了尖锥中心和栅孔中心的无偏差自对准。与现有工艺相比，本专利技术的技术方案工序少，具有高效、简单和低成本的特点，适合大规模制备。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制作方法的流程图；图2A、2B是本专利技术的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的结构示意图；图3是本专利技术的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的扫描电子显微镜图；图4是制作本专利技术的基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的流程图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。本专利技术公开了一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制作方法，如图1所示，该方法包括以下步骤:S1、在金属钼基底上形成刻蚀掩膜，并利用所述刻蚀掩膜对所述金属钼基底进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥;其中所述刻蚀掩膜包括形成在所述金属钼基底上的绝缘层以及形成在所述绝缘层上的栅极层；S2、将所述金属钼尖锥的尖部上的所述刻蚀掩膜去除。本专利技术通过在基底上直接形成钼尖锥与现有的Spindt工艺相比，彻底解决了衬底粘附性差的问题，能够承受大电流和强电场。通过高密度离子体干法刻蚀法可以实现对金属钼体材料的高速率、各向同性刻蚀，从而可以同时得到大面积形貌一致的钼尖锥阵列，利于实现大面积的均匀发射，增大整体钼尖锥阵列场致电发射电流。进一步地，上述在金属钼基底上形成刻蚀掩膜包括以下步骤: SI 1、在所述金属钼基底上沉积所述绝缘层；S12、在所述绝缘层上沉积所述栅极层；S13、在所述栅极层上旋涂光刻胶，并对所述光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于金属钼基底的场致电子发射阴极阵列的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在金属钼基底上形成刻蚀掩膜，并利用所述刻蚀掩膜对所述金属钼基底进行高密度离子体干法刻蚀，形成金属钼尖锥，之后将所述金属钼尖锥的尖部上的所述刻蚀掩膜去除；其中所述刻蚀掩膜包括形成在所述金属钼基底上的绝缘层以及形成在所述绝缘层上的栅极层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱宁莉，徐楷斯，陈兢，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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