六硼化镧场发射阵列阴极制备工艺与测试

论文摘要

以场致发射理论为基础的真空微电子器件,因其具有体积小、功耗小、电压低、速度快、抗辐射及工作温度范围宽等显著的特点而倍受人们的关注。场发射阴极是真空微电子器件的核心,其性能的好坏将直接决定着场发射器件的总体性能。近些年通过众多研究者的不断努力,场发射阵列阴极的结构,阴极材料和制备工艺等方面都有长足的进步。场发射阵列阴极中应用最为广泛的是场发射尖锥阵列,在制备场发射阵列阴极时,必须考虑到材料的功函数、电导率、密度、热稳定性、化学稳定性等因素对其发射性能的影响,同时要考虑材料对加工工艺上的要求。目前,场发射阴极材料多种多样,但都存在逸出功大,稳定性及均匀性不理想,发射性能低等方面的问题。与之相比,六硼化镧(LaB6)材料由于具有良好的热稳定性和化学稳定性,具有较低的功函数、较高的导电率以及活性阴极表面,因而成为制备场发射阵列阴极的理想材料。在场发射阵列阴极制备方面,现阶段比较成熟的有Spindt实验室制作的钼尖锥场发射阵列,和采用氧化削尖工艺的硅尖锥场发射阵列,两种场发射阵列阴极的制备各有特点但不尽相同。他们的共同点是都采用硅作为基底材料,具有工艺相对简单且与大规模集成电路技术兼容,可以大规模生产等特点。实验首先采用在常规Spindt型阴极制备工艺的基础上制作具有亚微米栅极孔径的鸟嘴型六硼化镧尖锥场发射阵列阴极,这一工艺采用硅的局部氧化工艺来制备栅极绝缘层,并利用硅的侧向氧化使栅极孔径降到亚微米级别,通过固定角度蒸发金属铝来制备牺牲层,电子束垂直蒸发多晶六硼化镧形成尖锥阴极,成功的制备出了尖锥曲率半径为25nm的六硼化镧尖锥场发射阵列阴极,实验中发现这一工艺中存在最大的问题是栅阴极之间的短路问题,为解决这一问题,在结构不变的情况下进行了大量的实验,实验虽能制备出栅阴极之间绝缘性好的场发射阵列阴极,但实验可重复性差,并且在测试中很容易短路。因此实验随后采用另一种方案来制备场发射阵列阴极,它是采用常规Spindt型阴极的制备工艺来制备亚微米栅孔孔径的六硼化镧场发射阵列阴极,并将制备得到的场发射阵列阴极进行封装和测试。论文主要围绕两种结构的场发射阵列阴极制备工艺,并对刻蚀工艺,真空镀膜工艺,场发射阵列阴极的封装、老炼和测试进行了重点研究。设计制作了场发射测试装置,测试电路,对六硼化镧场场发射阵列阴极进行了测试,对实验现象和数据进行了详细的分析和讨论,指出了存在的问题,并提出了改进方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 场致发射技术的发展历史
• 1.2 场发射阵列阴极应用
• 1.2.1 场发射平板显示
• 1.2.2 在微波管中的应用
• 1.2.3 场发射传感器
• 1.3 六硼化镧场发射阵列阴极研究的目的和意义
• 1.4 课题研究的内容
• 第二章 场致发射理论
• 2.1 场致发射原理
• 2.1.1 表面势垒与电子发射
• 2.1.2 金属表面的场发射方程
• 2.1.3 半导体场致发射
• 2.1.4 内场致发射
• 2.2 场发射理论的精确性
• 2.3 空间电荷效应
• 2.4 微尖发射体参数与场发射的关系
• 第三章 六硼化镧材料特性与场发射阵列阴极制备工艺
• 3.1 六硼化镧的材料特性
• 3.1.1 硼化物的性质与特点
• 3.1.2 六硼化镧材料的物理化学特性
• 3.2 场发射阵列阴极制备工艺原理
• 3.2.1 硅片的选择与清洗
• 3.2.2 氧化工艺
• 3.2.3 光刻工艺
• 3.2.4 刻蚀工艺
• 3.2.5 蒸发镀膜工艺
• 3.2.6 溅射镀膜工艺
• 第四章 六硼化镧场发射阵列阴极制作
• 4.1 鸟嘴型六硼化镧场发射阵列制备工艺
• 4.1.1 空腔刻蚀工艺
• 4.1.2 真空镀膜实验装置
• 4.1.3 栅极的制作
• 4.1.4 牺牲层工艺
• 4.1.5 沉积的六硼化镧薄膜特性
• 4.1.6 六硼化镧尖锥阵列的沉积工艺
• 4.1.7 鸟嘴型场发射阵列阴极测试
• 4.2 Spindt 型六硼化镧场发射阵列制备工艺
• 4.2.1 溅射镀膜制备栅极工艺
• 4.2.2 RIE 空腔刻蚀工艺
• 4.2.3 六硼化镧尖锥阵列的沉积
• 4.2.4 场发射阵列阴极激活工艺
• 第五章 六硼化镧场发射阵列阴极发射性能的测试
• 5.1 场发射阵列阴极的封装
• 5.2 场发射阵列阴极测试电路设计
• 5.3 测试结果及分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本论文的总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士研究生期间发表的论文