單晶六硼化鑭場發(fā)射陣列陰極及特性研究.pdf

1、場發(fā)射陣列陰極與熱陰極相比，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如無需加熱，可以在室溫下工作；電流密度比熱陰極高幾個(gè)數(shù)量級，并可工作在低電壓調(diào)制下；功耗低；極好的開關(guān)特性：可瞬時(shí)啟動(dòng)等。目前，場致發(fā)射陰極的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括微波器件、平板顯示器、電子顯微鏡及電子束刻蝕系統(tǒng)等。在各種結(jié)構(gòu)和材料的場發(fā)射陣列陰極中，較為常用的是鉬微尖場發(fā)射陣列和硅微尖場發(fā)射陣列。然而，這兩種陰極材料逸出功偏高(硅：4.14eV，鉬：4.4eV)，抗離子轟擊濺射的能力較差，且化

2、學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定。因此，在改善制作工藝的基礎(chǔ)上，尋找新型的陰極材料變得非常重要。經(jīng)試驗(yàn)證明，單晶六硼化鑭(LaB6)具有高導(dǎo)電率和良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、低功函數(shù)以及活性陰極表面，是制備場發(fā)射陰極的理想材料。然而，目前國際上關(guān)于LaB6場發(fā)射陰極的報(bào)道僅限于單尖、薄膜及納米線領(lǐng)域，而對于單晶LaB6場發(fā)射陣列(fieldemissionarray，F(xiàn)EA)的制備工藝，還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。針對上述問題，本論文在單晶LaB6場發(fā)射陣列陰極

3、的制備及特性方面進(jìn)行了一系列探索性和創(chuàng)新性的工作，具體包括： 1．LaB6晶向和發(fā)射體結(jié)構(gòu)是影響單晶LaB6-FEA發(fā)射性能的重要因素。論文對這兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了理論分析，并采用EBS軟件模擬了發(fā)射體結(jié)構(gòu)對尖端電場的影響，得到如下結(jié)論：制作LaB6-FEA的最優(yōu)晶向是[111]向，它可以長時(shí)間地保證有低逸出功發(fā)射面；LaB6發(fā)射體的最佳錐角約60°，這是綜合考慮陰極功函數(shù)和尖端場強(qiáng)的結(jié)果。同時(shí)論文提出了一種優(yōu)化的場發(fā)射體結(jié)構(gòu)，EBS

4、模擬結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能有效提高陰極的場發(fā)射電流密度。在理論分析的基礎(chǔ)上，論文還設(shè)計(jì)了LaB6-FEA的制備工藝流程，包括：掩膜沉積、掩膜圖案化及LaB6場發(fā)射體刻蝕。 2．采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備單晶LaB6-FEA所需的氮化硅(SiNx)掩膜，考察沉積溫度、射頻功率、反應(yīng)源氣體(NH3和SiH4)的流量比、反應(yīng)壓強(qiáng)四個(gè)因素對SiNx薄膜性能的影響。得出的優(yōu)化工藝參數(shù)為：沉積溫度270℃，射頻功率20W，NH3和SiH

5、4的流量比40：5，反應(yīng)壓強(qiáng)60Pa。按優(yōu)化工藝參數(shù)制備出的SiNx薄膜致密度較好且顆粒細(xì)小，電阻率約6.5×1013Ω·cm，Si、N的摩爾比約為3：4.3，接近于Si3N4的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)配比。 3．采用傳統(tǒng)的光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕法對上述SiNx薄膜進(jìn)行圖案化。光刻工藝的具體參數(shù)為：勻膠轉(zhuǎn)速3000rpm，勻膠時(shí)間30s，軟烘溫度100℃，軟烘時(shí)間1min，曝光時(shí)間90s，顯影時(shí)間30s，堅(jiān)膜溫度100℃，堅(jiān)膜時(shí)間10min。反

6、應(yīng)離子刻蝕的具體參數(shù)為：刻蝕氣體SF6，流量30SCCM，功率50W，刻蝕時(shí)間8min。最終形成的SiNx掩膜圖案為圓形點(diǎn)陣，點(diǎn)陣直徑4μm，點(diǎn)陣間距10μm。 4．LaB6場發(fā)射體刻蝕是制備單晶LaB6-FEA流程中最難、最關(guān)鍵的步驟，論文考慮了以下五種方案：硝酸濕法腐蝕、氬等離子體干法刻蝕、氧等離子體氧化與氬等離子體干法刻蝕氧化層相結(jié)合、氧等離子體氧化與鹽酸濕法腐蝕氧化層相結(jié)合、電化學(xué)腐蝕。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在硝酸濕法腐蝕過程中，隨

7、著刻蝕時(shí)間的增加，掩膜出現(xiàn)破損，導(dǎo)致尖錐形貌發(fā)生改變；氬等離子體對LaB6基片沒有任何的刻蝕效果；采用氧等離子體氧化與氬等離子體干法刻蝕氧化層工藝時(shí)，由于Ar離子轟擊能量太強(qiáng)，在刻蝕LaB6氧化物的同時(shí)，也對掩膜材料形成了很強(qiáng)的刻蝕作用，導(dǎo)致掩膜提前脫落。因此，前三種方案均不適合制備單晶LaB6場發(fā)射陣列。在第四種方案中，論文考察了O2流量、極間電壓、基片加熱溫度對發(fā)射體形貌的影響，最終成功制備出單晶LaB6場發(fā)射陣列，尖錐高度超過2μ

8、m，基片底部和發(fā)射體側(cè)面較光滑，且掩膜保護(hù)完好，表明該方案具有較強(qiáng)的可行性。而在電化學(xué)腐蝕方案中，論文考察了電解液成分、陰陽極間電壓、電解液溫度、電解液濃度、緩蝕劑及水溶劑對LaB6發(fā)射體形貌的影響，最終也成功制備出LaB6-FEA，尖錐陣列具有較好的均勻性，發(fā)射體高度超過3μm，底面較平整。 5．自行設(shè)計(jì)和制作LaB6場發(fā)射陣列二極管的場發(fā)射性能測試系統(tǒng)，對上述獲得的LaB6場發(fā)射陰極進(jìn)行性能測試。結(jié)果表明，在真空度6×10-