单晶六硼化镧场发射阵列阴极与特性地研究 (1)论文

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1、摘要场发射阵列阴极与热阴极相比，具有许多独特的优点，如无需加热，可以在室温下工作；电流密度比热阴极高几个数量级，并可工作在低电压调制下；功耗低；极好的开关特性：可瞬时启动等。目前，场致发射阴极的应用领域主要包括微波器件、平板显示器、电子显微镜及电子束刻蚀系统等。在各种结构和材料的场发射阵列阴极中，较为常用的是钼微尖场发射阵列和硅微尖场发射阵列。然而，这两种阴极材料逸出功偏高(硅：4．14eV，钼：4．4eV)，抗离子轰击溅射的能力较差，且化学性质不够稳定。因此，在改善制作工艺的基础上，寻找新型的阴极材料变得非常重要。经试验证明，单晶六硼化镧(LaB6)具有高导电率和良好的热稳定性、化

2、学稳定性、低功函数以及活性阴极表面，是制备场发射阴极的理想材料。然而，目前国际上关于LaB6场发射阴极的报道仅限于单尖、薄膜及纳米线领域，而对于单晶LaB6场发射阵列(fieldemissionarray，FEA)的制备工艺，还未见相关文献报道。针对上述问题，本论文在单晶LaB6场发射阵列阴极的制备及特性方面进行了一系列探索性和创新性的工作，具体包括：1．LaB6晶向和发射体结构是影响单晶LaB6．FEA发射性能的重要因素。论文对这两项参数进行了理论分析，并采用EBS软件模拟了发射体结构对尖端电场的影响，得到如下结论：制作LaB6．FEA的最优晶向是[111]向，它可以长时间地保证有

3、低逸出功发射面；LaB6发射体的最佳锥角约600，这是综合考虑阴极功函数和尖端场强的结果。同时论文提出了一种优化的场发射体结构，EBS模拟结果表明，该结构能有效提高阴极的场发射电流密度。在理论分析的基础上，论文还设计了LaB6一FEA的制备工艺流程，包括：掩膜沉积、掩膜图案化及LaB6场发射体刻蚀。2．采用等离子体增强化学气相沉积法制备单晶LaB6．FEA所需的氮化硅(SiNx)掩膜，考察沉积温度、射频功率、反应源气体(NH3和SiH4)的流量比、反应压强四个因素对SiNx薄膜性能的影响。得出的优化工艺参数为：沉积温度270℃，射频功率20W，NH3和SiH4的流量比40：5，反应压

4、强60Pa。按优化工艺参数制备出的SiNx薄膜致密度较好且颗粒细小，电阻率约6．5x1013Q·cm，Si、N的摩尔比约为3：4．3，接近于Si3N4的标准化学配比。3．采用传统的光刻工艺和反应离子刻蚀法对上述SiNx薄膜进行图案化。光刻工艺的具体参数为：匀胶转速3000rpm，匀胶时间30s，软烘温度100。C，软烘时摘要间lmin，曝光时间90s，显影时间30s，坚膜温度100℃，坚膜时间10min。反应离子刻蚀的具体参数为：刻蚀气体SF6，流量30SCCM，功率50W，刻蚀时间8min。最终形成的SiNx掩膜图案为圆形点阵，点阵直径49m，点阵间距101am。4．LaB6场发射

5、体刻蚀是制备单晶LaB6．FEA流程中最难、最关键的步骤，论文考虑了以下五种方案：硝酸湿法腐蚀、氩等离子体干法刻蚀、氧等离子体氧化与氩等离子体干法刻蚀氧化层相结合、氧等离子体氧化与盐酸湿法腐蚀氧化层相结合、电化学腐蚀。结果发现，在硝酸湿法腐蚀过程中，随着刻蚀时间的增加，掩膜出现破损，导致尖锥形貌发生改变；氩等离子体对LaB6基片没有任何的刻蚀效果：采用氧等离子体氧化与氩等离子体干法刻蚀氧化层工艺时，由于Ar离子轰击能量太强，在刻蚀LaB6氧化物的同时，也对掩膜材料形成了很强的刻蚀作用，导致掩膜提前脱落。因此，前三种方案均不适合制各单晶LaB6场发射阵列。在第四种方案中，论文考察了02

6、流量、极间电压、基片加热温度对发射体形貌的影响，最终成功制备出单晶LaB6场发射阵列，尖锥高度超过2¨m，基片底部和发射体侧面较光滑，且掩膜保护完好，表明该方案具有较强的可行性。而在电化学腐蚀方案中，论文考察了电解液成分、阴阳极间电压、电解液温度、电解液浓度、缓蚀剂及水溶剂对LaB6发射体形貌的影响，最终也成功制备出LaB6．FEA，尖锥阵列具有较好的均匀性，发射体高度超过39m，底面较平整。5．自行设计和制作LaB6场发射阵列二极管的场发射性能测试系统，对上述获得的LaB6场发射阴极进行性能测试。结果表明，在真空度6x10巧Pa下，单晶LaB6场发射阵列阴极表现出优良的发射稳定性，

7、开启电场和阈值电场分别为3．2V／／am和8V／pm，可同其它新型场发射阵列阴极(如硅纳米尖、碳纳米管)相比拟。在阳极电压为l500V时，获得最大发射电流32mA，折合单个尖锥0．1“A，超过文献报道的LaB6薄膜场发射阵列。阴极在低真空T(2x10刁Pa)的发射性能测试表明，LaB6场发射阵列阴极具有较佳的抗中毒能力，从而证实了将单晶LaB6作为场致发射阴极材料的优越性。关键词：场发射阵列(FEA)，单晶六硼化镧(LaB6)，氧等离子体氧化，电化学腐蚀，