在Spindt 場發射陰極制作工藝流程中, 剝離層對于形成良好的發射尖錐形狀至關重要, 同時它也是實現陰極陣列中尖錐均勻性的關鍵因素。本文研究了幾種常用的剝離層材料包括金屬銅, Al2O3 以及水溶性的NaCl 和Na2CO3。實驗表明NaCl 和Na2CO3 用作剝離層, 可以被去離子水迅速、容易地去除, 并同時實現很好的腐蝕選擇性。但用這些水溶性材料得到的發射尖錐形狀不很規則且表面粗糙, 由此也會帶來整個陰極陣列上尖錐的不均勻性。使用Al2O3 作為剝離層則較為理想, 可以得到光滑的柵極收口和很好的尖錐陣列。但傳統用來腐蝕Al2O3 的熱H3PO4 , 對于加熱制作的Al2O3 剝離層腐蝕較為困難。嘗試了使用基于NaOH 的腐蝕液來剝離加熱Al2O3 層, 通過嚴格的工藝參數控制, 如腐蝕液濃度和刻蝕時間, 可以制作出質量較好尖錐發射體陣列。

　　場致發射是電子通過強電場下的隧道效應, 克服材料的表面勢壘而產生逸出。因而場發射陰極不需外加熱量, 能夠實現瞬時啟動, 并且理論上可以達到很高的電流密度, 是一種很具發展潛力的陰極類型。

　　Spindt 陰極作為研發最早的場發射陰極, 它的特點是能夠在較小面積上同時實現很高的電流密度和很大的總電流, 特別適合大電流強發射冷陰極器件的使用要求。Spindt 陰極結構如圖1 所示, 是由基片上成千上萬個包含微發射體尖錐、絕緣層和其上自對準柵極的基本發射單元組成的陣列式陰極。由于微發射體尖端的曲率半徑一般只有幾十納米,發射體和柵極間距離也很小, 只需在兩者之間加上很低的偏壓( 小于200 V) , 就可由于尖端效應在微尖錐頂部產生很強的電場, 從而誘導表面產生電子發射。Spindt 陰極制作中, 可以通過工藝控制, 使得封裝密度高達每平方厘米上百萬個發射單元中的各尖錐具有基本相同的場增強因子。大量集成微尖錐的共同發射, 使得整個陰極具有很大的電流密度和總電流。

圖1  Spindt 陰極示意圖

　　要實現陣列中數量眾多的微發射體陣列的共同發射, 依據場致發射原理, 就要求陣列中各微發射體之間達到很好的形狀一致性, 這包括微加工的柵孔一致性和發射尖錐一致性。柵孔一致性主要取決于微加工的設備條件; 影響發射尖錐一致性的因素則有很多, 不僅包括前期加工柵孔的質量, 還包括在發射尖錐形成過程中一系列工藝參數和條件選擇, 這其中剝離層控制是一個關鍵。

　　剝離層的選擇要考慮兩個因素: 既要傾向于形成光滑平整的薄膜和柵孔收口, 又要在剝離過程中對陰極其它部分材料具有良好的腐蝕選擇性。歷史上在制作典型的基于Si/ SiO2/ Mo 材料的Spindt 陰極時, 剝離材料常使用Al2O3 和熱H3PO4 組合, 以得到比較理想的場發射尖錐陣列。然而熱H3PO4 對于加熱形成Al2O3 的腐蝕存在困難, 隨Al2O3 形成溫度的升高, 腐蝕速度會明顯變慢, 直至達到完全不能腐蝕。Spindt 陰極制作中, 出于緩解膜層應力的原因, 往往會在沉積剝離層時進行加熱, 在某些特殊工藝要求情況下溫度還會加得較高, 這就給剝離過程帶來很大的難度, 有時還會帶來對陰極質量的影響。

　　基于上述原因, 本文進行了Spindt 陰極制作中剝離層的研究, 分析了金屬材料和一些水溶性材料作為剝離層的情況, 同時對于加熱Al2O3 剝離層的腐蝕技術也做了一些新嘗試。

　　本文研究了一些Spindt 陰極制作中使用的犧牲層。水溶性NaCl 和Na2CO3 腐蝕選擇性好, 去除快速, 然而制作尖錐的質量只和使用金屬犧牲層如Cu類似, 由它們得到的Spindt 陰極陣列很難實現理想的個體形狀和陣列均勻性。Al2O3 是可以制作較理想尖錐的剝離層材料, 當使用傳統熱H3PO4 去除加熱形成Al2O3 存在困難時, 使用強堿性腐蝕液許是一種好的選擇, 通過嚴格工藝控制也能達到制作要求。