六硼化鑭場(chǎng)發(fā)射特性研究.pdf

1、以場(chǎng)致發(fā)射理論為基礎(chǔ)的真空微電子器件(VMDs)，因其具有體積小、功耗低、電壓低、速度快、抗輻射及工作溫度范圍寬等顯著的特點(diǎn)而倍受人們的關(guān)注。場(chǎng)發(fā)射陰極是真空微電子器件的核心，其性能的好壞直接決定著場(chǎng)發(fā)射器件的總體性能。近年來，場(chǎng)發(fā)射冷陰極技術(shù)得到了快速發(fā)展，在場(chǎng)發(fā)射陣列陰極(FEAs)的結(jié)構(gòu)、材料和制備工藝等方面的研究都有長足的進(jìn)展。在各種冷陰極中，Spindt結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)是公認(rèn)的最重要的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陣列陰極

2、是由一系列微尖錐構(gòu)成，每個(gè)尖錐都有各自的柵極來控制尖錐的電子發(fā)射。Spindt結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陰極制備工藝成熟，是目前發(fā)射電流最大、性能最穩(wěn)定的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。鉬尖錐Spindt結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陣列陰極已經(jīng)在功率真空微電子器件如行波管中得到實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。 根據(jù)場(chǎng)發(fā)射理論，F(xiàn)EA的尖錐最好采用低逸出功材料制作，另外，尖錐材料還應(yīng)具有導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電能力強(qiáng)、熔點(diǎn)高和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而，目前Spindt結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射陰極通常采用鉬或硅材料制作發(fā)

3、射體尖錐，這些材料的逸出功偏高(硅：4.14eV，鉬：4.4eV)，抗離子轟擊濺射的能力較差，而且化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定。 與硅和鉬相比，六硼化鑭(LaB6)材料的逸出功低(2.3～2.8eV)，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較高的導(dǎo)電率、高熔點(diǎn)、以及抗離子轟擊濺射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是制備場(chǎng)發(fā)射陣列陰極發(fā)射體尖錐的理想材料。 本文詳細(xì)介紹了用LaB6材料制作Spindt結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射陣列陰極的研究工作，重點(diǎn)研究了LaB6材料的場(chǎng)發(fā)射

4、性能、電子束蒸發(fā)技術(shù)、陣列的制作技術(shù)，以及發(fā)射尖錐的制備工藝。 首先通過數(shù)值計(jì)算的方法，計(jì)算了場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)對(duì)LaB6場(chǎng)發(fā)射電流以及發(fā)射的電子束發(fā)散程度的影響，確定了合適的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)，為后續(xù)工作的開展奠定了理論依據(jù)。 研究了單晶LaB6單尖錐的場(chǎng)發(fā)射性能，揭示了LaB6材料在場(chǎng)發(fā)射應(yīng)用情況下的逸出功的變化情況。測(cè)試結(jié)果表明，LaB6的逸出功在不同的真空條件下保持不變，氣體分子的吸附和脫附是造成發(fā)射電流變化和波動(dòng)的

5、根本原因；讓尖錐在低真空下短時(shí)間工作幾分鐘，使能量低于1keV的離子流轟擊LaB6場(chǎng)發(fā)射陰極尖錐能夠起到清潔陰極的作用，提高其發(fā)射電流能力，起到激活陰極的作用。 LaB6獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性和抗離子濺射能力，同時(shí)也造成了LaB6材料蒸發(fā)困難。LaB6材料蒸發(fā)時(shí)以La、B原子形式蒸發(fā)的特點(diǎn)使得在薄膜沉積過程中薄膜極易被氧化。本文自制了電子束蒸發(fā)電子槍，利用蒸氣流吸收真空室內(nèi)有害的殘余氣體，實(shí)現(xiàn)了較高純度LaB

6、6薄膜的快速沉積，通過對(duì)薄膜的逸出功測(cè)量，證明了LaB6薄膜的逸出功與塊狀材料基本相同。 研究了使用硅的掩蔽氧化技術(shù)(LOCOS)制備場(chǎng)發(fā)射陰極柵極孔腔陣列的工藝條件，制作出了不同深度的孔腔陣列，并對(duì)其存在的問題進(jìn)行了初步分析； 犧牲層工藝是LaB6場(chǎng)發(fā)射陰極制備過程中特別需要關(guān)注的關(guān)鍵工藝之一，由于LaB6材料的逸出功遠(yuǎn)低于硅材料的逸出功，二者接觸后產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差造成LaB6尖錐在去除犧牲層的過程中被電化學(xué)腐蝕。本文

7、研究了鋁、NaCl、以及氧化鋅等不同的犧牲層材料，用氧化鋅制作犧牲層可以有效地解決LaB6尖錐的電化學(xué)腐蝕問題。 成功地制作出了點(diǎn)陣面積1mm2、點(diǎn)陣數(shù)量25000個(gè)的LaB6場(chǎng)發(fā)射陣列陰極。測(cè)試結(jié)果顯示陰極的發(fā)射特性符合FN場(chǎng)發(fā)射理論，發(fā)射電流達(dá)到0.6A/cm2，單尖錐平均發(fā)射電流0.24μA/tip，比文獻(xiàn)報(bào)道的發(fā)射電流高約3個(gè)數(shù)量級(jí)。若進(jìn)一步提高陣列的密度，發(fā)射電流密度可以達(dá)到1A/cm2以上，滿足中小功率冷陰極真空功率