CN115513017B - 一种Spindt阴极电子源及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Spindt阴极电子源及其制备方法和应用，该阴极电子源其结构中包含：从下到上依次设置的硅基底、绝缘层和栅极，所述硅基底、绝缘层和栅极透孔间形成绝缘层空腔；设置于硅基底上的位于绝缘层空腔中的发射尖锥，所述发射尖锥与栅极透孔相对应；以及，设置于硅基底上的包被层，所述包被层位于绝缘层空腔中且完全覆盖所述绝缘层空腔中暴露的硅基底；位于包被层与发射尖锥之间的、且包覆在发射尖锥下侧面的附带氧化层；所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外。该阴极电子源结构杜绝了三结合点非期望电子发射，进而有效防止常见的沿络放电及其导致的空间电弧失效。

Description

一种Spindt阴极电子源及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域。更具体地，涉及一种Spindt阴极电子源及其制备方法和应用。

背景技术

基于强电场诱发电子逸出原理的场发射电子源，具有无需外能，室温工作，瞬时启动以及大电流密度优势，在真空电子器件中替代传统热阴极电子源，有望保留器件高频率、大功率、耐高温、耐辐射的优点，同时还能实现更小的体积和更轻的重量，具有很好的综合优势。场发射电子源潜在应用，包括各种高端分析仪器、显示器件、X射线发射器、微波功率器件、高能粒子加速器件、空间推进器件等诸多场景。研制高性能场发射电子源，对真空电子器件的发展和进步，具有十分重要的意义。

Spindt阴极是开发最早，发展和应用最为成熟的场发射电子源，后期很多场发射电子源研究都曾以此为借鉴。Spindt阴极是一种大量集成微发射单元的阵列式阴极，图1示出了一个其典型单元的结构，图1中各部件标号分别表示为：101-硅基底，201-绝缘层，301-栅极和401-发射尖锥。正常工作时，在101-硅基底和301-栅极施加正向偏压，即可在401-发射尖锥表面产生强电场，导致电子发射。随着栅极偏压的升高，单元发射电流能够呈指数形式迅速增长。微发射单元大量集成，使得Spindt阴极能够同时维持很大电流密度和总电流。

然而Spindt阴极电子源，在大电流应用时常会出现电弧失效，影响器件可靠性。相关研究表明，出现电弧失效的最主要诱因，是当301-栅极和101-硅基底之间施加很高电压时，在101-硅基底、201-绝缘层和真空三结合点部位会产生非期望的电子发射，非期望的发射电子在电场作用下，沿201-绝缘层边壁向301-栅极爬升，期间不断碰撞产生电子倍增，继而形成沿络放电，并最终在301-栅极和401-发射尖锥诱发电弧导致损毁。对于这种电弧失效，前期已有两类相关的应对专利技术。

一类技术是力图阻断电子沿络放电的路径。日本专利JP-A8-321255结构，如图2所示，引入第二种绝缘层材料，这两种绝缘材料构建3层交替的绝缘层201，202和203，实际上也可以构建5层、7层或者更多层结构，利用两种材料不同腐蚀选择比导致的横向腐蚀差异，能够实现总体褶皱结构的绝缘侧壁。这种褶皱结构绝缘侧壁，使得从101-硅基底、201-绝缘层和真空三结合点部位产生电子，沿壁向301-栅极运动及产生沿络放电难度大大增加。美国专利US6075315A结构，如图3所示，同样引入另一种绝缘层材料，但只用其在201-绝缘层和301-栅极之间构建了204-屏蔽层。专门结构设计，使得301-栅极适度回缩，用204-屏蔽层隔绝101-硅基底、201-绝缘层和真空三结合点部位至301-栅极的空间直视，从而使得非期望发射电子难以产生沿络放电到达301-栅极。然而该类技术，并未阻止非期望电子发射，虽然增加了电子沿络放电难度，但未解决根本问题。并且美国专利结构，由于301-栅极回缩，大大降低了相同工作电压下401-发射尖锥表面电场强度，削弱了Spindt阴极电子发射能力。

另一类技术是力图阻断产生空间电弧的通道。美国专利US6369496B1结构，如图4所示，利用另一种绝缘材料构建205-绝缘环柱，用以包围401-发射尖锥，将其与201-绝缘层和301-栅极隔离，避免空间电弧产生。美国专利US005442193A结构，如图5所示，利用另一种绝缘材料构建206-遮盖层，将201-绝缘层和301-栅极完全敷形遮盖，以期阻断其和401-发射尖锥产生空间电弧。然而这类技术，也未从根本上阻止非期望电子发射，并且前者隔离不彻底，后者由于绝缘遮盖原因会要求更高工作电压，也会导致绝缘击穿以及空间电弧。

发明内容

基于以上事实，本发明的目的在于提供一种Spindt阴极电子源及其制备方法和应用，解决了现有技术中不能完全克服非期望电子发射的问题，进而可以有效防止传统结构电子源常见的沿络放电和空间电弧失效。

一方面，本发明提供一种Spindt阴极电子源，其结构中包含：

从下到上依次设置的硅基底、绝缘层和栅极，所述硅基底、绝缘层和栅极透孔间形成绝缘层空腔；

设置于硅基底上的位于绝缘层空腔中的发射尖锥，所述发射尖锥与栅极透孔相对应；以及，

设置于硅基底上的包被层，所述包被层位于绝缘层空腔中且完全覆盖所述绝缘层空腔中暴露的硅基底；

位于包被层与发射尖锥之间的、且包覆在发射尖锥下侧面的附带氧化层；所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外。

进一步地，所述包被层为由所述硅基底表面经热氧化得到的二氧化硅。

进一步地，所述包被层厚度为30-100nm。

进一步地，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为0.3-0.4μm。

进一步地，所述发射尖锥的材料选自高熔点、低功函数的纯金属，优选为W或Mo。

进一步地，所述发射尖锥底部直径为0.6-1μm，高度为0.8-2.2μm，顶部曲率半径为20-50nm。

进一步地，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为发射尖锥整体高度的15-50％。

进一步地，所述附带氧化层的材质为由发射尖锥下侧面的表面经热氧化得到。

进一步地，所述硅基底选自半导体工艺标准N型掺杂硅片。

进一步地，所述硅基底电阻率为0.005-5Ω·cm。

进一步地，所述绝缘层材料选自二氧化硅或氮化硅。

进一步地，所述绝缘层材料厚度为0.8-2μm。

进一步地，所述栅极的材料选自高熔点纯金属，优选为W或Mo；优选地，所述栅极的厚度为100-200nm，所述栅极透孔直径为0.8-1.2μm。

又一方面，本发明提供如上所述的Spindt阴极电子源的制备方法，包括如下步骤：

在硅基底上形成绝缘层；

真空镀膜，在所述绝缘层上形成栅极层；

通过光刻，并依次刻蚀栅极层和绝缘层直至硅基底，形成含有栅极透孔的栅极和绝缘层空腔；

旋转基片，采用表面小倾角的方法仅在栅极表面真空镀膜一层牺牲层，缩小栅极透孔；

表面垂直真空镀膜一层发射尖锥材料，在空腔内形成发射尖锥；

去除牺牲层及沉积在牺牲层上的发射尖锥材料；

旋转基片，采用表面大倾角的方法仅在栅极表面和发射尖锥上侧面真空镀膜一层保护层；

热氧化硅基底，空腔内硅基底表面形成所述包被层，发射尖锥未保护部分附带受氧化，形成附带氧化层；

腐蚀去除所述保护层，露出栅极以及发射尖锥上侧面，得到所述Spindt阴极电子源。

又一方面，本发明提供如上所述的Spindt阴极电子源在真空电子用器件中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的Spindt阴极电子源，其包被层完全覆盖硅基底，消除了硅基底、绝缘层和真空形成的三结合点结构，杜绝了该结构点产生非期望电子发射。相对于前期阻断电子沿络放电传输路径或者电弧放电路径技术，本发明消除了产生放电和电弧的电子发射源头，可以有效防止传统结构电子源在高电压、大电流工作状态容易出现沿络放电和空间电弧失效，有效提高电子源工作可靠性。

本发明提供的Spindt阴极电子源的制作方法，只是在完成传统结构以后，实施发射尖锥保护层制作和基底包被层制作两步工艺，整个制作方法工艺流程简单易实施，兼容性强。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出示出现有技术中典型结构的Spindt阴极电子源的结构示意图。

图2示出现有技术中多绝缘层褶皱侧壁结构Spindt阴极电子源的结构示意图。

图3示出现有技术中带栅极屏蔽层Spindt阴极电子源的结构示意图。

图4示出现有技术中带发射尖锥绝缘环柱隔离Spindt阴极电子源的结构示意图。

图5示出现有技术中带遮盖层Spindt阴极电子源的结构示意图。

图6示出本发明一种基底包被的Spindt阴极电子源的结构示意图。

图7a-图7h示出本发明一种基底包被的Spindt阴极电子源的制作流程图。

图8a和图8b示出本发明一种带基底包被层的常规高宽比Spindt阴极电子源照片及局部放大照片。

图9a-图9c示出本发明一种带基底包被层的较大高宽比Spindt阴极电子源一次、二次循环制作发射尖锥阵列及最终局部放大发射单元的扫描电子照片。

图10a-图10b分别示出本发明实施例1、实施例2所得Spindt阴极电子源发射性能测试曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

针对现有技术中Spindt阴极电子源，在大电流应用时常会出现电弧失效，影响器件可靠性，以及并没有相关技术能很好的克服该不足的问题，本发明的一个具体实施方式提供了一种Spindt阴极电子源，如图6所示，其结构中包含：

从下到上依次设置的硅基底101、绝缘层201和栅极301，所述硅基底101、绝缘层201和栅极透孔间形成绝缘层空腔；

设置于硅基底101上的位于绝缘层空腔中的发射尖锥401，所述发射尖锥401与栅极透孔相对应；以及，

设置于硅基底101上的包被层207，所述包被层207位于绝缘层空腔中且完全覆盖所述绝缘层空腔中暴露的硅基底101；

位于包被层207与发射尖锥401之间的、且包覆在发射尖锥401下侧面的附带氧化层402；所述发射尖锥401的上侧面暴露于所述附带氧化层402外。

本实施方式中，栅极透孔的直径小于绝缘层空腔的直径。

通过构建包被层207，消除了传统Spindt阴极电子源由所述硅基底、绝缘层和真空形成的三结合点结构，杜绝了该处产生非期望电子发射，以及由此带来的沿络放电和空间电弧，从而提高了Spindt阴极电子源在高电压、大电流下工作可靠性。

包被层207作用是有效遮盖所述硅基底101，要求一定的厚度以耐受电场击穿。所述包被层207位于由所述硅基底101、发射尖锥401和绝缘层201构成的空腔中，完全覆盖所述硅基底101隔离真空，消除了传统结构中硅基底、绝缘层和真空构成的三结合点。综合考量包被层位置及工艺实现，所述207-包被层材料选用热氧化二氧化硅。为有效形成阻隔，所述包被层207厚度优选为30-100nm。

在一些优选示例中，所述包被层为由所述硅基底表面经热氧化得到的二氧化硅。

发射尖锥的功能是发射电子，在一个优选示例中，所述发射尖锥401的材料选自高熔点、低功函数的纯金属，以实现对电子的有效发射。例如，发射尖锥401材料可优选为钼(熔点2620℃，功函数4.2eV)或钨(熔点3420℃，功函数4.5eV)，相对于半导体工艺常用硅材料，可以克服逸出功大，化学不稳定，导电、导热差等问题，从而提供大电流稳定电子发射。

所述发射尖锥401形状，影响其表面电场强度进而影响场电子发射。尖锥高度优化位置在栅极上下表面之间，具体由所述绝缘层201和栅极301厚度确定，范围优选在0.8-2.2μm；尖锥顶端曲率半径，具体由所述发射尖锥401高度、栅极301透孔直径以及制作尖锥双方向沉积膜层厚度确定，优化范围在20-50nm；发射尖锥底部直径，由所述栅极301孔直径以及制作尖锥倾斜方向沉积厚度确定，范围在0.6-1μm。

Spindt阴极场发射电子源原理认为，场致电子发射仅存在于发射尖锥401顶端很小面积范围。示例性的，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为发射尖锥整体高度的15-50％。此条件下，发射尖锥401上侧面(上半部分)保持了原有材料特性，使Spindt阴极电子源保持应有的电子发射性能。发射尖锥401被附带氧化层包覆的下侧面(下半部分)由于位置原因，不影响电子源性能。

在又一些优选实例中，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为0.3-0.4μm。

示例性的，所述附带氧化层的材质为由发射尖锥下侧面的表面经热氧化得到。硅基底同时起承载结构作用，以及适用微加工工艺特点，选用微电子标准尺寸硅片；所述硅基底101承担提供发射电子及阴极导电功能，优选选用半导体工艺标准N型掺杂硅片，电阻率优选为0.005-5Ω·cm。

绝缘层201的作用是抵御所述硅基底101和栅极301之间的高工作电压，需要所述绝缘层201有较高的击穿场强和厚度。绝缘层厚度，根据击穿场强以及所述栅极透孔直径和所述发射尖锥401形状综合影响而定，优选范围为0.8-2μm；绝缘层201材料优选自工艺兼容二氧化硅或氮化硅，更优选地，根据工艺实现方法，所述绝缘层201厚度为0.8-1.2μm时，材料选自综合性能更优的热氧化二氧化硅，厚度为1.2-2μm时，材料选自制备工艺更优的化学气相沉积氮化硅。

栅极的作用是通过加载的高电压，在所述发射尖锥401表面形成强电场以引出电子，本身要承载结构强度以及一定的漏电热功率耗散。所述栅极301的材料，选自高熔点的金属材料，在一个优选示例中，栅极301材料选自钼或钨。所述栅极301厚度，受结构强度和微加工工艺影响，根据实际应用情况，优选为100-200nm。所述栅极透孔直径，在施加电压情况下，影响所述发射尖锥401表面电场强度以及电子发射性能，根据实际应用情况，优选为0.8-1.2μm。

根据本发明的又一个具体实施方式，提供一种Spindt阴极电子源的制备方法，其包括如下步骤：

1)在硅基底101上形成绝缘层201。

绝缘层材料优选热氧化二氧化硅，它由硅片材料直接氧化形成，和硅片具有最佳结合效果；但二氧化硅超过一定厚度后热氧化生长极为缓慢，因而绝缘层较薄时选用热氧化二氧化硅，超过一定厚度后选用化学气相沉积方法的氮化硅。在一个示例中，热氧化二氧化硅绝缘层，厚度范围为0.8-1.2μm；在另一个示例中，化学气相沉积二氧化硅绝缘层，厚度范围为1.2-2μm。化学气相沉积方法，也可沉积氮化硅材料作为绝缘层。

2)真空镀膜，在所述绝缘层201上形成栅极层，如图7a所示。

栅极材料选自高熔点的金属材料，优选W或Mo。栅极301通过真空镀膜技术形成，优选磁控溅射镀膜方法，相对其他镀膜工艺，溅射镀膜能够得到较好的膜层结合力。栅极301厚度可根据实际应用情况进行调整，优选为100-200nm。

3)通过光刻，并依次刻蚀栅极层和绝缘层201直至硅基底101，形成含有栅极透孔的栅极301和绝缘层空腔，如图7b所示。

半导体工艺常规光刻技术，用于形成栅极透孔图形的掩蔽层，并可通过后续刻蚀工艺将该掩蔽层上图形复制转移到结构层，本发明中结构层为栅极层。

透过图形掩蔽层刻蚀栅极301，形成栅极透孔，刻蚀优选反应离子刻蚀方法；反应离子刻蚀是高度各向异性的干法刻蚀方法，能在产生深度方向刻蚀同时基本保持宽度方向尺寸不变。对于本发明中栅极透孔刻蚀，能够完成301-栅极100-200nm深度方向刻蚀，同时维持光刻掩蔽层定义的0.8-1.2μm栅极透孔直径基本不变，得到近似陡直的侧壁。

透过栅极透孔刻蚀绝缘层，形成绝缘层栅控空腔，刻蚀优选反应离子刻蚀和湿法化学腐蚀结合方法；首先反应离子刻蚀实现绝缘层0.8-2μm基本全部深度刻蚀，确保过程中不产生横向的钻蚀，从而避免栅极空悬和绝缘层结合不牢；湿法化学腐蚀用作短时间漂洗刻蚀，确保绝缘层空腔刻蚀直达硅基底。由于湿法化学腐蚀方法具有很好的腐蚀选择比，可以保证该过程只基本针对绝缘层材料，而不伤害硅基底。短时间湿法化学腐蚀过程，会产生轻微的横向钻蚀，使得绝缘空腔横向尺寸略大于0.8-1.2μm栅极透孔直径。

4)旋转基片，采用表面小倾角的方法仅在栅极表面真空镀膜一层牺牲层，缩小栅极透孔，如图7c所示。

小倾角沉积牺牲层目的，其一在于通过缩小栅极301的孔直径，进而控制发射尖锥401的底部大小；其二在于完全包裹栅极301，使得后续工艺中制作发射尖锥401所沉积膜层和栅极301形成有效隔离。

牺牲层501材料，选自和硅基底101，绝缘层201，栅极301和发射尖锥401具有腐蚀选择比的材料，优选地选自金属氧化物材料以利于形成晶粒细小均匀膜层。在一个优选例中，选自三氧化二铝。

牺牲层501选自小倾角沉积，目的是为牺牲层501材料仅存在栅极301表面，包括上表面和栅极透孔边缘，但不会视线角度进入硅基底101和201-绝缘层形成的空腔内部。优选地，小倾角范围选自和栅极平面夹角15-30度。

牺牲层501真空镀膜，优选自平行束流入射的真空蒸发镀膜。平行束流入射，以保证Spindt阴极阵列上各个单元的栅极收口一致性；真空蒸发，保证沉积材料颗粒细小以便在栅极透孔形成光滑边缘。在一个优选例中，真空镀膜选自电子束蒸发镀膜。

牺牲层501沉积厚度，主要取决于栅极301透孔的开孔缩小程度，和沉积材料束流入射角度相关。优选地，栅极透孔的开孔直径缩小约为0.2μm，相应地牺牲层501沉积厚度范围100-200nm。

5)表面垂直真空镀膜一层发射尖锥材料，在空腔内形成发射尖锥401，如图7d所示。

表面垂直沉积目的，在于形成发射尖锥401。垂直沉积的材料，部分堆积在牺牲层501上面，形成附带沉积层403；部分透过经牺牲层501缩小的栅极透孔，堆积在硅基底101上，由于该过程中不断沉积的材料也会收缩栅极透孔，致使堆积在硅基底101上材料范围不断缩小，从而形成圆锥形状发射尖锥401。

发射尖锥材料选自高熔点、低功函数的纯金属，例如优选钼或钨，以实现对电子的有效发射。在另一个优选示例中，还可以在发射尖锥401表面沉积高熔点、低功函数的导电非金属材料，如碳化锆作为电子发射材料。

发射尖锥材料沉积，选自真空蒸发，保证沉积材料颗粒细小、均匀，以便形成结构致密、表面光滑的发射尖锥；适应高熔点材料沉积要求，发射尖锥材料沉积选自电子束蒸发镀膜。

发射尖锥材料沉积厚度，取决于所要求形成的发射尖锥401高度，二者基本为(1-1.2):1比例关系。对于高度范围在0.8-1μm尖锥的形成，优选沉积厚度为1-1.2μm。鉴于优选结构中，小角度沉积牺牲层501已将栅极透孔缩小至0.6-1μm，发射尖锥401材料沉积过程中，由于栅极透孔会不断缩小直至完全封闭，导致沉积材料不能再进入空腔增高发射尖锥401，一次材料沉积形成的发射尖锥401高度不会超过1μm。因而对于高度范围在1-2.2μm尖锥的形成，需要进行多次发射尖锥材料沉积工艺。

6)去除牺牲层501及沉积在牺牲层上的发射尖锥材料，如图7e所示。

牺牲层501的材料，选自和硅基底101，绝缘层201，栅极301，发射尖锥401以及后续包被层207具有腐蚀选择比的材料，以便在腐蚀去除牺牲层材料时，腐蚀液不会损伤其他材料。在一个优选例中，牺牲层材料选自三氧化二铝，相应地腐蚀液选自120℃热磷酸，或者浓度20％的氢氧化钾溶液。

7)旋转基片，采用表面大倾角的方法仅在栅极301表面和发射尖锥401上侧面真空镀膜一层保护层601和602，如图7f所示。

大倾角沉积保护层目的，在于在栅极301和发射尖锥401表面形成一层临时保护，使得在后续形成包被层207工艺中，栅极301表面和发射尖锥401部分表面状态不受影响。

保护层材料，选自和硅基底101，绝缘层201，栅极301和发射尖锥401具有腐蚀选择比的材料，并且不受后续形成包被层207工艺影响，优选地选自金属氧化物材料以利于形成晶粒细小均匀膜层。在一个优选例中，选自三氧化二铝。

保护层选自大倾角沉积，是相对于前述牺牲层的小倾角沉积而言，目的是为保护层材料存在栅极301表面，包括上表面和栅极透孔边缘，以及发射尖锥401的上半部分表面；附带地，保护层材料还可能存在于绝缘层201侧壁的上半部分，这部分材料并无实际用途；但保护层材料应确保不会视线角度到达硅基底101表面，避免影响后续包被层207的形成。优选地，大倾角范围选自和栅极301平面夹角30-60度。

保护层真空镀膜，优选自平行束流入射的真空蒸发镀膜。平行束流入射，保证在倾角蒸镀时没有乱向粒子进入空腔到达硅基底101表面；真空蒸发，保证沉积材料颗粒细小以形成均匀保护。在一个优选例中，真空镀膜选自电子束蒸发镀膜。

保护层沉积厚度，以在栅极301和发射尖锥401表面形成连续致密薄膜为基准，优选地，沉积厚度范围50-100nm。

8)热氧化硅基底101，空腔内硅基底101表面形成所述包被层207，发射尖锥401未保护部分附带受氧化，形成附带氧化层402，如图7g所示。

热氧化硅基底101的目的，是将硅材料直接氧化，形成的二氧化硅在空腔内硅基底101表面形成包被层207，完全覆盖硅基底，以消除由硅基底101、绝缘层201和空腔内真空形成的三结合点。包被层207要求一定的厚度以耐受电场击穿，以及有效形成电子发射阻隔，厚度优选为30-100nm。

常温下硅片即可自然氧化，但其氧化层厚度一般不超过20nm，不能满足所述包被层207要求，因而使用高温氧化方法。优选地，硅基底101热氧化使用较低温度700-800℃，既保证实现所需氧化层厚度，又不过度影响发射尖锥401和硅基底101结合。更优选地，热氧化可以使用干氧热氧化或水汽热氧化，前者速率慢可以得到致密氧化层，后者速率快可以缩短工艺时间。

9)腐蚀去除所述保护层601，602和603，露出栅极301以及发射尖锥401上侧面，得到所述Spindt阴极电子源，如图7h所示。

发射尖锥保护层601和栅极保护602材料，选自和硅基底101，绝缘层201，栅极301，发射尖锥401以及包被层207具有腐蚀选择比的材料，腐蚀去除保护层材料时，腐蚀液不会损伤其他材料。在一个优选例中，牺牲层材料选自三氧化二铝，相应地腐蚀液选自120℃热磷酸，或者浓度20％的氢氧化钾溶液。

以下，结合具体实施例进行说明：

实施例1

一种带基底包被层的Spindt阴极电子源，发射尖锥常规高宽比接近1：1，其结构如图6所示，包括从下到上依次设置的硅基底101、发射尖锥401及附带氧化层402、包被层207、绝缘层201和栅极301。其制作方法包括如下步骤：

1)硅基底101选用N型掺杂，<100>晶向、电阻率0.01Ω·cm硅片，在1200℃热氧化16小时，生长一层厚度0.8μm二氧化硅作为绝缘层201。

2)使用射频磁控溅射真空镀膜方法，600W功率下溅射3分钟，在绝缘层201上沉积一层厚度0.2μm钼作为栅极301，如图7a所示。

3)在栅极301涂敷厚度1.4μm的Shipley S1818光刻胶，用紫外光刻在光刻胶层形成直径1μm圆孔阵列作为掩蔽层；透过光刻胶掩蔽层，通过感应耦合等离子体方法，使用六氟化硫工艺气氛刻蚀栅极301，放电功率500W，刻蚀功率300W，4分钟完全刻透，得到栅极301开孔(透孔)；透过栅极开孔，通过感应耦合等离子体方法，使用三氟甲烷工艺气氛刻蚀绝缘层201，放电功率500W，刻蚀功率300W，6分钟刻蚀大约0.6μm深度，而后使用BOE缓冲液(氢氟酸：氟化铵：水＝3ml：6g：10ml)继续腐蚀，5分钟完全腐蚀二氧化硅绝缘层直至硅基底101，同时产生一定程度的横向钻蚀；去除残余Shipley S1818光刻胶，形成栅极控制的空腔结构，如图7b所示。

4)上述基片沿平面法向，以30RPM自旋转，同时在平面夹角20度方向，用电子束蒸发三氧化二铝，2kW功率沉积10分钟，在栅极301平面上形成200nm厚度三氧化二铝作为牺牲层501；该牺牲层完全包裹栅极301上表面和开孔侧面，并将栅极开孔由1μm缩减至0.8μm，如图7c所示。

5)上述基片沿垂直方向，用电子束蒸发钼，沉积材料透过301-栅极301开孔到达101-硅基底101，随着栅极开孔不断缩小，在硅基底101上逐渐形成发射尖锥401。4kW功率沉积40分钟，沉积钼层厚度1.1μm，得到发射尖锥401高度约0.9μm，同时在牺牲层501平面上形成厚度1.1μm的附带沉积层403，如图7d所示。

6)使用浓度85％温度120℃热磷酸，腐蚀牺牲层501，1分钟完全溶解，牺牲层501上的附带沉积层403随之从基体剥离，留下硅基底101、发射尖锥401、绝缘层201和栅极301构成的传统结构Spindt阴极电子源，如图7e所示。

7)上述基片沿平面法向，以30RPM自旋转，同时在平面夹角45度方向，用电子束蒸发三氧化二铝，2kW功率沉积2分钟，在栅极301平面上形成50nm厚度栅极保护层602，完全包裹栅极301上表面和开孔侧面，在发射尖锥401上半部分形成50nm厚度发射尖锥保护层601，完全包裹发射尖锥401顶端电子发射部分；同时在绝缘层201侧壁形成附带保护层，如图7f所示。

8)进行热氧化，在800℃下干氧氧化5小时，在空腔内101-硅基底101表面形成厚度30nm的二氧化硅207-包被层207，同时401-发射尖锥下半部分未受保护部分附带形成氧化表面附带氧化层402，如图7g所示。

9)使用浓度85％温度120℃热磷酸，腐蚀发射尖锥保护层601、栅极保护层602和附带保护层603，1分钟完全溶解，露出栅极301以及发射尖锥401上半部分，得到基底包被的Spindt阴极电子源，如图7h所示。

由上述流程得到基底包被的Spindt阴极电子源，发射阵列单元栅极开孔直径1μm，绝缘层厚度0.8μm，栅极厚度0.2μm，发射尖锥高度0.9μm，发射尖锥的尖端曲率半径50nm，包被层厚度30nm，该Spindt阴极电子源阵列及局部放大发射单元的扫描电子照片分别如图8a和8b所示。

实施例2

一种带基底包被层的Spindt阴极电子源，发射尖锥常规高宽比接近1.5：1，其结构如图6所示，包括从下到上依次设置的硅基底101、发射尖锥401及附带氧化层402、包被层207、绝缘层201和栅极301。其制作方法包括重复实施例1，区别在于：

步骤1中，201-绝缘层201生长采用化学气相沉积方法，四乙基原硅酸盐(TEOS)640度分解120分钟，得到厚度1.2μm二氧化硅绝缘层。

步骤3中，使用三氟甲烷工艺气氛刻蚀绝缘层201，工艺参数不变，15分钟刻蚀大约1μm深度二氧化硅。

步骤4-6需循环做两次：第一次循环，步骤5中沉积钼层厚度0.6μm，得到发射尖锥401高度约0.5μm。第二次循环，步骤4中电子束蒸发三氧化二铝，在栅极301平面上形成250nm厚度牺牲层501，将栅极开孔由1μm缩减至0.7μm；步骤5中沉积钼层厚度1μm，在发射尖锥401已有0.5μm高度上叠加0.8μm。

步骤8中，在800℃下水汽热氧化2小时，在空腔内硅基底101表面形成厚度100nm的二氧化硅包被层207。

由上述流程得到基底包被的Spindt阴极电子源，发射阵列单元栅极开孔直径1μm，绝缘层厚度1.2μm，栅极厚度0.2μm，发射尖锥高度1.3μm，发射尖锥的尖端曲率半径40nm，包被层厚度100nm，该Spindt阴极电子源一次、二次循环制作发射尖锥阵列及最终局部放大发射单元的扫描电子照片分别如图9a、9b和9c所示。

上述各实施例验证结果表明，本发明提出的基底包被的Spindt阴极电子源，可以有效消除硅基底、绝缘层和真空三结合点产生非期望电子发射，进而避免由之导致的真空电弧电子源失效问题。

以实施例结构参数(主要是栅极孔直径、发射尖锥高度和尖锥顶端曲率半径)和材料为例，不带有基底包被层结构的Spindt阴极电子源，产生电子发射的栅极电压阈值70-80V，发射电流随栅极电压升高而增大，但在栅极电压超过120-130V时，就可会产生明显真空电弧，导致阴极电子源损毁。而本实施例1中带有基底包被结构的Spindt阴极电子源，产生电子发射的栅极电压阈值基本不变，在栅极电压超过130V以上时仍能够稳定工作，保持大电流可靠发射。实施例2及其它实施例验证显示了相似的结果，表明了本发明能够较好解决Spindt阴极电子源三结合点非期望电子导致的真空电弧失效问题。

图10给出了两个带有基底包被结构的Spindt阴极电子源发射性能测试曲线，测试环境真空度2×10^-7Pa。测试采用外加阳极的三极式测试，外加阳极施加固定高压，逐步升高栅极电压测试发射电流，发射总电流包括阳极电流和栅极截获电流。图10a对应实施例1得到的包含11000个发射单元阵列、单元中心间距5μm的Spindt阴极，其在70V栅极电压下开始产生电子发射，在148V时得到24.62mA的稳定发射电流，相应发射电流密度8.7A/cm²。图10b对应实施例2得到的包含25个发射单元阵列、单元中心间距5μm的Spindt阴极，其在80V栅极电压下开始产生电子发射，在160V时得到159μA的稳定发射电流，相应发射电流密度25.4A/cm²。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (18)

1.一种Spindt阴极电子源，其特征在于，其结构中包含：

从下到上依次设置的硅基底、绝缘层和栅极，所述硅基底、绝缘层和栅极透孔间形成绝缘层空腔；

设置于硅基底上的位于绝缘层空腔中的发射尖锥，所述发射尖锥与栅极透孔相对应；以及，

设置于硅基底上的包被层，所述包被层位于绝缘层空腔中且完全覆盖所述绝缘层空腔中暴露的硅基底；

位于包被层与发射尖锥之间的、且包覆在发射尖锥下侧面的附带氧化层；所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外。

2.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述包被层为由所述硅基底表面经热氧化得到的二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述包被层厚度为30-100nm。

4.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为0.3-0.4μm。

5.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述发射尖锥的材料选自高熔点、低功函数的纯金属。

6.根据权利要求5所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述发射尖锥的材料选自W或Mo。

7.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述发射尖锥底部直径为0.6-1μm，高度为0.8-2.2μm，顶部曲率半径为20-50nm。

8.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述发射尖锥的上侧面暴露于所述附带氧化层外的高度为发射尖锥整体高度的15-50％。

9.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述附带氧化层为由发射尖锥下侧面的表面经热氧化得到。

10.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述硅基底选自半导体工艺标准N型掺杂硅片。

11.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述硅基底电阻率为0.005-5Ω·cm。

12.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述绝缘层材料选自二氧化硅或氮化硅。

13.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述绝缘层材料厚度为0.8-2μm。

14.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述栅极的材料选自高熔点纯金属。

15.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述栅极的材料选自W或Mo。

16.根据权利要求1所述的Spindt阴极电子源，其特征在于，所述栅极的厚度为100-200nm，所述栅极透孔直径为0.8-1.2μm。

17.如权利要求1-16任一项所述的Spindt阴极电子源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在硅基底上形成绝缘层；

真空镀膜，在所述绝缘层上形成栅极层；

通过光刻，并依次刻蚀栅极层和绝缘层直至硅基底，形成含有栅极透孔的栅极和绝缘层空腔；

旋转基片，采用表面小倾角的方法仅在栅极表面真空镀膜一层牺牲层，缩小栅极透孔；

表面垂直真空镀膜一层发射尖锥材料，在空腔内形成发射尖锥；

去除牺牲层及沉积在牺牲层上的发射尖锥材料；

旋转基片，采用表面大倾角的方法仅在栅极表面和发射尖锥上侧面真空镀膜一层保护层；

热氧化硅基底，空腔内硅基底表面形成所述包被层，发射尖锥未保护部分附带受氧化，形成附带氧化层；

腐蚀去除所述保护层，露出栅极以及发射尖锥上侧面，得到所述Spindt阴极电子源。

18.如权利要求1-16任一项所述的Spindt阴极电子源在真空电子用器件中的应用。