两种场发射锥尖的制备工艺及电学特性分析

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1、第27卷第6期东南大学学报V01．27No．61997年n月JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITYNov．1997L．／两种场发射锥尖的制备工艺及电学特性分析(东南上学般攀电子中睢手一，南京210018)摘要研究了倒空字塔填充型锥尖及正向剡蚀硅尖的制喜方法、工艺及封装方法等．并分别剥试了这两种场发射锥尖阵列的电子发射特性，分析表明倒金字塔填充型锥尖适用于制备高频微波器件，正向刻蚀的硅尖适用于制备高速开头器件．侬电弓辱关键词兰兰苎望兰+些皇；高频+龟耍差中图法分类号TN4尖自1968年C．A．Spindt等提出场致发射阵列的概念以来，真空微电子学从材料、工艺．结构到应

2、用都有很大的发展_1．真空微电子微波器件是其中的一个重要研究方向．现利用微带传输理论预测该类器件的频率能达到300GHz以上]，但目前实际只能达到数十GHzs]．主要原因是器件的栅阴极间电容不能做得太小．器件的跨导g也有待提高．目前虽已有通过挖空栅阴极间绝缘介质、采用空气桥]、或按比例缩小器件尺寸等方法减小电容，但从阴极结构上考虑的还比较少．本文制备了场致发射阵列，着重研究了不同加工工艺对器件性能的影响，并用静电键合和硅片键合(SDB)工艺，尝试用这些方法来减小器件结构电容或缩小器件尺寸，以提高器件的高频特性，为今后研制高频器件积累一些经验．1场致发射锥尖的制备工艺我们选择了两种不同

3、的锥尖制作方法，其一是倒金字塔填充型锥尖的制备；其二是正向刻蚀硅微锥尖制各工艺．两种方法都是以硅片为基片．利用半导体选择腐蚀技术来实现的．(1)倒金字塔填充型锥尖的制备该工艺除了各向异性腐蚀与静电键合技术之外，其他都是标准的集成电路制造工艺．本实验中选用电阻率为8～100·cm的N型(1oo)硅片作模片，具体工艺如下(流程见图1)：1)硅片清洗后t进行高温氧化，氧化温度为l100℃、厚度为3000^左右；2)光刻腐蚀窗I=1，窗IZl尺寸为4vm×4m，单元间距为6,um；3)采用EI】w腐蚀掖进行各向异·}生腐蚀，腐蚀温度95℃．腐蚀时间约30min(图1(a))；4)用稀HF溶液

4、漂去硅片上残留的SiO膜，进行第二次氧化，氧化厚度为1500Ai国家自然科学基金资助项Ig(69476031)和国防科技预研基金资助项目收穑日期：1997一O1—21．修改稿收到日期：1997—05—03．l1O东南大学学报第27卷5)溅射一层约5000A厚的钨膜，用等离子刻蚀技术将表面的钨膜刻成网状结构，并保持每个钨尖之间的连通，然后淀积多晶硅填平表面区域(图1(b))；6)将上述硅片和表面清洗光洁的平扳玻璃(#7740)静电键合，玻璃接正极，硅片接负极，外加电压为1500V，键合衬底温度约300℃，时间约1h(图1(c))；7)采用适当的保护将键合片放入EPW溶液或KOH溶液中腐

5、蚀掉衬底硅片，然后用稀ttF溶液漂去剩下的S

6、(]膜，就露出了金属钨尖(图1(d))．二氧化硅多晶硅钨(b)N-$i(100)。玻璃tcj[d)圈1倒金字塔填充型鹤尖制鼻工艺(2)正向各向异性腐蚀制备硅尖选用N型(100)硅片作衬底材料，其电阻率为8～10n·cm，具体加工工艺如下t1)氧化生成2000A厚的SiO；2)化学气相淀积si：N，厚度为1000A，作为复合掩蔽膜；3)光刻出4ptm×4ptm正方形掩膜小岛，阵列数为4O×40；4)采用EPW腐蚀液各向异性腐蚀硅，实验观测到SiO帽即将脱落为止；5)将腐蚀好的硅片清洗后进行锐化处理，氧化温度950"C，厚度3000A以上；6

7、)在稀HF溶液中漂去si，即形成锐化处理后的硅尖．2场发射阴极的封装为了能测试并比较上述工艺制备的锥尖的发射特性，需要将其装在一定的体积内，而且要有一定的真空度为此，我们选择了真空管封接、硅片直接键合两种不同的封装方法(1)真空管封接将带有钨尖的芯片经清洗烘干后利用银浆粘接在半导体金属管座上，并通过压焊使阴极与外管脚相连由于银浆经高温烘烤(约300℃)后析出银，而银能耐600℃以上的高温，剐后面的处理不会产生影响用一表面光洁的铜片做阳极，固定在锥尖上方O1～0．2mm处；将半导体管基座与玻璃芯柱点焊装架连接后，套上封装用的玻璃罩并封口．然后抽真空至1．33mPa并烘烤300℃去气实际

8、封装样品如图2所示．(2)硅片直接键台封装硅尖利用硅片直接键合方法，可以较容易地将两片不同的硅片相互贴合在一起而且这种方法可控性较好．封装后的硅尖阴极与阳极硅片间距很小，只有数第6期秦明等：两种场发射锥尖的制备工艺及电学特性分析111微米甚至亚微米范围．因此利用此技术制造的器件对真空度的要求不高．器件的阴极能正常发射电子至5日极．另外此技术在封装过程中还会形成一定的真空度．围此我们采用如图3(a)所示的结构进行封装．其步骤如下：首先选用一N高电导率的硅片预