一种场发射阴极超薄难熔金属栅网及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术还提供了该场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法。该场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法。该场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种场发射阴极超薄难熔金属栅网及其制备方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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的美国专利技术专利描述如图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。
[0004]公开号为CN105428185A和CN105551911A的专利技术专利，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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。

技术实现思路

[0010]基于以上事实，本专利技术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。
[0011]本专利技术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。
[0012]为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0013]一种场发射阴极超薄难熔金属栅网，包括：
[0014]栅网基片，在所述栅网基片中心区域包含栅极透孔阵列；
[0015]栅网支撑环，位于所述栅网基片上，二者焊接一体；
[0016]其中，所述栅网基片的材质为难熔金属。
[0017]进一步地，所述栅网基片的材质选自钨、钼、钽中的一种。
[0018]进一步地，所述栅网基片的厚度为40微米至5个微米。
[0019]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。
[0020]进一步地，所述栅网支撑环的内环具有30-70度倾角。
[0021]进一步地，所述栅网支撑环的材质为难熔金属。
[0022]进一步地，所述栅网支撑环的材质为钨。
[0023]进一步地，所述栅极透孔阵列的透光率为70％-90％。
[0024]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。
[0025]为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0026]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：
[0027]提供包含硅器件层的复合基底；
[0028]在硅器件层上涂覆光刻胶；
[0029]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；
[0030]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；
[0031]在所述硅模具表面沉积难熔金属；
[0032]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；
[0033]将栅网支撑环焊接在所述难熔金属上；
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]进一步地，所述绝缘层的厚度为1微米-2微米。
[0038]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。
[0039]进一步地，所述硅器件层的厚度为45微米至5微米。
[0040]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。
[0041]进一步地，所述刻蚀的方法为电感耦合等离子体刻蚀技术。
[0042]进一步地，所述沉积的方法为化学气相沉积法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种场发射阴极超薄难熔金属栅网，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的场发射阴极超薄难熔金属栅网，其特征在于，所述栅网基片的材质选自钨、钼、钽中的一种；优选地，所述栅网基片的厚度为40微米至5微米。3.根据权利要求1所述的场发射阴极超薄难熔金属栅网，其特征在于，所述的栅网支撑环位于栅网基片边缘，避开栅极透孔阵列；优选地，所述栅网支撑环的内环具有30-70度倾角；优选地，所述栅网支撑环的材质选自难熔金属、不锈钢中的一种或几种；更优选地，所述栅网支撑环的材质为钨或钼。4.根据权利要求1所述的场发射阴极超薄难熔金属栅网，其特征在于，所述栅极透孔阵列的透光率为70％-90％；优选地，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。5.如权利要求1-4任一项所述的场发射阴极超薄难熔金属栅网的制备方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴辉，韩攀阳，杜婷，姜琪，杨金生，蔡军，冯进军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十二研究所，
类型：发明
国别省市：