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横向MEMS型场致发射电子源

Tomasz Grzebyk, Piotr Szyszka, Anna Goacute;recka-Drzazga, and Jan A. Dziuban

摘要:本文描述了一种微机电系统型场致发射电子源，是用玻璃为基底的平面硅结构。它由碳纳米管阴极、电子束形成电极和硅玻璃真空室组成，均采用统一的工艺流程。已经提出了用于两电极、三电极和四电极配置的参考真空室内获得的电流--电压特性。已经研究了产生聚焦电子束以及气体电离的可能性。另外，横向电子源已经与微型离子吸附真空泵集成在芯片上并且被密封。微型泵的使用显著改善了场发射电流的稳定性。

关键词:电子源，场发射，离子吸收微型泵，微机电系统（MEMS）。

1．引言

大多数真空纳米电子器件由三个主要元素组成：（1）电子源;（2）束形成电极系统;（3）一个真空室。在微型器件中，热阴极已被冷阴极取代，冷阴极通常采用微电子技术和微工程技术制造。最近，它们也经常由不同种类的纳米材料制成，例如碳纳米管（CNTs）。提取栅极和聚焦电极可以与同一芯片上的阴极集成，或者可以单独制造并放置在电子源的正上方。一些复杂的真空仪器，如小型质谱仪，自由电子激光和太赫兹光源，需要大量的附加电极，这些电极是专门设计的，例如能够实现气体的电离或产生电磁信号。对于一个完整的真空电子装置，最后但是最重要的元素之一是真空密封的外壳。由于场发射阴极非常脆弱且对残余气体的存在敏感，所以它们需要高稳定的真空才能正常工作。

在许多科学论文中，作者集中讨论了三个要素中的一个，并且没有考虑到他们应该共同创造一个完整的真空系统。在本文中，我们提出了一种利用微机电系统（MEMS）技术制造真空纳米电子器件的方法，该技术允许场致发射阴极，电子束形成电极和真空外壳集成在一个芯片上。

2. 设计与构造

最近，我们已经展示了实现这一概念的第一种方法，并展示了一种自封装的MEMS型场发射电子源。它被制造成通过使用阳极键合工艺连接的垂直排列的硅电极和玻璃间隔物的堆叠。

这次，我们介绍了一个场致发射电子源（阴极，引出电极，聚焦电极和阳极）的所有电极形成在与玻璃基板（图1）阳极结合的单个硅片中的装置。

独立于电极的数量，制造过程仅需要一个光刻步骤。电极之间的尺寸和间隔仅取决于光刻掩模的图案和所施加的硅蚀刻工艺（湿法或干法）。在这个项目中，我们使用了硅的湿法各向异性刻蚀，电极之间的最小距离等于100mu;m。为了确保器件良好的场发射性能，将CNT沉积到硅阴极的顶端（没有CNT层，在2000V以下观察不到发射电流）。

硅电极的背面接触是通过在玻璃衬底中制成的金属化孔来实现的。电子源通过使用顶部玻璃盖被密封封装。

所提出的方法非常灵活并且允许以相对简单的方式制造不同类型的真空纳米电子器件。

图1 横向场发射电子源（a）设备的横截面（b）三维可视化（c）制造结构的照片

3. 技术

测试结构使用3英寸（100）导向的400微米厚的双面抛光的高导电（0.001-0.01厘米）N型硅晶片（波兰电子材料技术研究所）和一个1.1毫米厚的硼硅酸盐玻璃基板（德国Schott Borofloat 3.3）制造。首先，对硅进行热氧化（2），并在衬底（3）的两侧排列在一起的两个SiO2掩模通过光刻形成（4）（图2）。 接下来，在80℃下在10M KOH水溶液中从两侧蚀刻硅晶片（5）。 当支撑所有元件的膜是50mu;m厚时，停止蚀刻工艺，并去除底部氧化物层（6）。 接下来，将硅芯片与玻璃基板阳极接合（V = 1500V，T = 400℃，t = 15分钟）（7）。继续硅的蚀刻过程直到电极完全分离（8）。阴极、聚焦电极和阳极形成与玻璃基板连接的完全独立的岛（9）。提取门形成围绕其他电极的框架。

在制造过程的这个阶段，在玻璃衬底（10）中制造直径为0.7mm的孔，并且将0.5mu;m厚的铝层磁控溅射到玻璃衬底的底侧上，以制造背面电接触到电极（11）。通过使用电泳工艺（200V，3分钟）将市售的单壁CNT（CheapTubes，USA，1-2nm宽和30mu;m长）沉积到阴极的尖端（12）。这种方法确保了单个纳米管的随机分布和取向。将顶部玻璃盖在40％HF中蚀刻，亲水化，并在真空条件下与硅框阳极键合以获得密封封装（13）。

图2 横向场发射电子源制造过程的基本步骤

4. 结果与讨论

首先，在参考真空室（p = 3times;10 ^-5 hPa）中已经检查了没有顶部玻璃盖的电子源的两个、三个和四个电极配置的性质。 = 1000V时，从阴极流向栅极的场发射电流达到65mu;A（阳极未被极化）[图3(a)]。对于阳极--阴极电压升高的三电极结构，栅极电流下降，阳极开始捕获发射的电子[图3(b)]。当阳极--阴极电压高于栅极--阴极电压时，传输比（ / ）达到84％。

图3 双电极和三电极配置的场发射特性

（a）阴极电流（）与栅极--阴极电压的关系

（b）栅极电流（）和阳极电流（）与阳极--阴极电压 = 800V

第四电极的添加允许更精确地控制发射的电子束。首先，它的电位影响阴极和阳极电流，随着VFC的增加而显着增加[图4(a)]。而且，可以控制发射电子束的宽度。SIMION模拟和测量证实了这一点。对于 lt;700 V（= 1200 V和 = 1500 V），电子被推离聚焦电极[图4(b)]。在测量之后，在玻璃基板上留下的彩色痕迹上也可以注意到[图4(c)]。在这种情况下，如果电流有一个负值，这意味着聚焦电极吸引着电子与残余气体碰撞产生的正离子。当gt; 700 V时，聚焦电极吸收一部分电子，作为附加的栅极，增加阴极尖端附近的电位。

图4 四电极配置的测量

（a）作为焦点--阴极电压的函数的场发射电流

（b）模拟= 1500 V， = 1200 V， = 400 V的电场线分布

（c）测量结构照片

在进一步的实验阶段，密封封装后对场发射电子源进行了检测。从文献[15][17]以及我们以前的研究[16][18]可知，真空条件对场发射性质有重要影响。此外，证明了阳极键合虽然可靠，密封的硅和玻璃层之间的渗漏量非常小，但是这个过程不足以在长时间内确保结构内的稳定的高真空条件。这主要与高温下阳极键合时强烈的脱气作用，之后从内部表面脱气，以及轻气体通过材料渗透的存在有关。为了减少这些现象，非蒸散型吸气剂常用于不同的真空微系统。同样在该实验中，在真空阳极键合之前，将吸气剂（SEAS Getters，St 212）引入到硅玻璃结构中。密封过程在p = 1times;10^3 hPa，450℃下进行45分钟。这些条件应足以激活吸气剂并改善真空度。然而，事实表明，封装器件内部的真空度太低。在 = 500V，观察到残余气体的辉光放电（图5），而不是场发射电流。压力高达1—10times;10^2hPa时，在参考真空室中，获得类似的效果。这意味着吸气剂不允许产生高真空。

图5 （a）真空封装电子源（b）辉光放电器内部（p~ 0.1 hPa）

似乎在MEMS结构内产生高真空的唯一可能的方法是使用最近在[22]中详细阐述的微型真空泵。随着其应用，压力可以降低到低于1times;10^-5 hPa的值。

微型泵可以单独制造，并与电子源一起放置在一个外部真空密封的外壳中，但在这项研究中，提出了将两个器件集成在同一芯片上的方法(图6)。

图6 与微型真空泵集成的横向场致发射电子源

（a）示意横截面（b）没有磁铁的集成设备的照片

一个新的硅芯片被设计出来。在电子源电极旁边的硅层上加一个方形窗口。该电极用作微型泵的阳极。另外，必须制造出形成微型泵腔的底部和顶部玻璃晶片的开口。两个附加的硅衬底已被用作微型泵的阴极。两个外部钕磁体将把磁场引入到微型泵结构中。先前，在真空条件下，将所有层逐步粘合，并且执行最后一个过程以确保初始真空可以打开微型泵。

当在微型泵的阴极和阳极之间施加600V时，微型腔内部的辉光放电被点燃。此时，离子电流的值为43mu;A。根据校准曲线（放电电流与压力的关系），相当于9times;10^3 hPa。在泵送期间，放电电流很快（2s后）下降到4mu;A，这相当于1times;10^3hPa的压力。电压进一步升高到700V，可将压力降低到5times;10^4 hPa（5秒后）和2times;10 ^-4 hPa（1分钟后）。最后，当施加1200V时，5分钟后达到6times;10 ^-6 hPa的压力。

在这个阶段，微型泵关闭，场发射电流测量开始。没有观察到辉光，但电子电流稳定性差。波动达到50％，10分钟后，电流下降到初始值的20％（图7，橙色线）。

为了改善电流稳定性，进行了下一步——在微型泵操作期间测量发射电流。当微型泵再次打开时，测得的放电电流相当于约1times;10^3hPa的内部压力。这是一个原位证据，表明电子源操作过程中的压力逐渐增加，可能是由于发射层脱气，还有电子和离子轰击电极表面。接下来，将集成装置泵送至6times;10^6hPa（约5分钟），并且在泵打开的情况下继续研究电子源（图7，蓝线）。这次电流波动显着降低到10％，运行10分钟后几乎没有观察到降解效应。在这种情况下，唯一的缺点是，在电子束微泵中使用的磁铁可能会产生这种效应的事实。如果是这样，有一个简单的方法来防止它——使用由磁性材料制成的夹子，连接外部磁极并将磁场限制在泵区域。

图7 当微型泵关闭（橙色线）和打开（蓝色线）时，

集成装置的场发射电子电流与时间操作的稳定性

5. 结论

横向CNT场致发射电子源已使用MEMS技术制造。与之前报道的结构相比，有一些积极的和消极的方面。工艺过程稍微复杂一些（例如，制作电馈通的必要性），但另一方面更具可扩展性。技术复杂性对于具有两个和十个电极的结构是相同的。单个电极的排列和多阳极键合过程也不存在问题，因为它在垂直源中。

在参考真空室的测量过程中，侧面源表现出令人满意的场发射特性。已经证明了在高真空下转向电子束的可能性以及在低真空下的气体电离的能力。真空封装后的电子源没有表现出良好的性能。发现即使吸气剂被施加，由于微腔中的压力太高，不能使场致发射电子。在电子源与小型离子吸附真空泵集成后，取得了显着的进步。实验显示，为确保集成器件内部的稳定真空条件，微型泵在电子源操作期间必须连续工作。MEMS器件集成的详细方法可以应用于不同的真空纳电子器件的构造，例如微型质谱仪。

参考文献

[1] W. Zhu, “Field emission flat panel displays,” in Vacuum Microelectronics. New York, NY, USA: Wiley, 2001, pp. 289–348.

[2] C. A. Spindt, “A thin-film field-emission cathode,” J. Appl. Phys., vol. 39, no. 7, pp. 3504–3505, Feb. 1968.

[3] D. Temple, W. D. Palmer, L. N. Yadon, J. E. Mancusi, D. Vellenga, and G. E. McGuire, “Silicon field emitter cathodes: Fabrication, performance, and applications,” J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 16, no. 3, pp. 1980–1990, 1998.

[4] N. S. Xua and S. E. Huq, “Novel cold cathode materials and applications,” Mater. Sci. Eng. R, Rep., vol. 48, nos. 2–5, pp. 47–189, 2005.

[5] M. Yumura et al., “Synthesis and purification of multi-walled carbon nanotubes for field emitter applications,” Diamond Rel. Mater., vol. 8, nos. 2–5, pp. 785–791, 1999.

[6] C. Li et al., “Structural, photoluminescence, and field emission properties of vertically well-aligned ZnO nanorod arrays,” J. Phys. Chem. C, vol. 111, no. 34, pp. 12566–12571, 2007.

[7] W. I. Milne et al., “Carbon nanotubes as field emission sources,” J. Mater. Chem., vol. 14, no. 6, pp. 933–943, 2004.

[8] G. S. Bocharov and A. V. Eletskii, “Theory of carbon nanotube (CNT)-based electron field emitters,” Nanomaterials, vol. 3, no. 3, pp. 393–442, 2013. 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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