CN111681934A - 一种Si-LaB6复合型纳米场发射阵列阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阴极场发射技术领域，特别涉及一种Si‑LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极及其制备方法。由本发明提供的制备方法制备得到的Si‑LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，阵列密度为2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²。本发明提供的Si‑LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极中纳米阵列密度达到10⁷～10⁹量级，有利于提高场发射电流密度。实施例测试结果表明，本发明提供的Si‑LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的纳米阵列密度达到10的7次方量级，发射电流密度达到106～113mA/cm²，阈值场为7.6～8.9V/μm，开启场为2.4～3.8V/μm，具有优异的场致发射性能。

Description

一种Si-LaB6复合型纳米场发射阵列阴极及其制备方法

技术领域

本发明属于阴极场发射技术领域，特别涉及一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极及其制备方法。

背景技术

场发射阵列阴极(Field emission arrays，FEA)作为真空微电子学的核心内容，其性能的好坏直接影响着场发射器件的总体性能。场发射性能主要是由场发射电流密度大小和场发射稳定性来评估。人们通常选择物理和化学性能稳定的场发射阴极材料来提高场发射稳定性。单晶六硼化镧(LaB₆)具有高熔点、高导电率和良好的热稳定性、化学稳定性、低功函数以及活性阴极表面，因此，单晶六硼化镧(LaB₆)是一种非常理想的场发射阴极材料。其应用在硅尖锥FEAs上可以解决硅尖锥FEAs逸出功高、发射不稳定的缺点。现在关于LaB₆-FEA的研究主要集中在单晶LaB₆-FEA的制备、LaB₆纳米线的制备或将LaB₆与CNTs、石墨烯进行掺杂制备以提高场发射性能，而Si-LaB₆复合FEA的报道较少。

提升场发射电流密度的途径主要是：提高单根阴极发射体的发射电流或提高阴极发射体密度即提高阵列密度，其中，阵列密度主要由掩模图案密度决定，与选择的表面图形化技术相关。目前，现有的Si-LaB₆复合场发射阵列阴极的制备流程包括：(1)单晶硅热氧化形成掩膜；(2)采用光刻技术掩膜图案化；(3)图案转移至硅基底；(4)去除掩膜后氧化削尖硅；(5)在第(4)步获得的硅尖锥场发射阵列上沉积LaB₆薄膜形成Si-LaB₆阵列薄膜阴极(XiaojuWang,Zulun Lin,Kangcheng Qi,Zexiang Chen,Zhigang Wang,YadongJiang.Field emission characteristics of lanthanum hexaboride coated siliconfield emitters.J.Phys.D:Appl.Phys.,2007,40:4775-4778)。上述流程最主要问题是掩膜图案化采用普通光刻技术，受限于光刻设备，制备出来的阵列密度一般仅10⁵～10⁶units/cm²且难以实现规模化，因此场发射电流密度提升不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴及其制备方法，本发明提供的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极具有规模面积大、阵列密度高的特点。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法，包括以下步骤：

将纳米球在硅片上进行纳米球自组装，在所述硅片表面形成自组装层，得到初级硅片-纳米球基片；

对所述初级硅片-纳米球基片依次进行第一反应离子刻蚀处理和烘烤处理，得到次级硅片-纳米球基片；

在所述次级硅片-纳米球基片表面沉积牺牲层后，去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

在所述牺牲层图案化基片表面沉积LaB₆后，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述六硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述基于纳米球自组装的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极。

优选的，所述纳米球的材质为聚苯乙烯或二氧化硅；所述纳米球的直径为1.8～2.2μm。

优选的，所述纳米球自组装的方法为提拉法、电泳法、电化学沉积法、模板法、浮动转移法或旋涂法。

优选的，所述第一反应离子刻蚀处理的条件包括：刻蚀气体为氧气，功率为60～80W，流量为40～50sccm，时间为3～5min。

优选的，所述烘烤处理的温度为160～200℃，时间为3～5min。

优选的，所述牺牲层的材质为氧化锌。

优选的，所述纳米球的去除方法为在有机溶剂中浸泡；所述有机溶剂为甲苯、氯仿或四氢呋喃；所述浸泡的时间为20～25min；

所述有机溶剂浸泡在超声的条件下进行；所述超声的频率为50～70Hz。

优选的，所述LaB₆的沉积厚度为180～220nm。

优选的，所述第二反应离子刻蚀处理的条件包括：刻蚀气体为CF₄，功率为100～140W，流量为15～20sccm，时间为25～35min。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，阵列密度为2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²。

本发明提供了一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法，包括以下步骤：将纳米球在硅片上进行纳米球自组装，在所述硅片表面形成自组装层，得到初级硅片-纳米球基片；对所述初级硅片-纳米球基片依次进行第一反应离子刻蚀处理和烘烤处理，得到次级硅片-纳米球基片；在所述次级硅片-纳米球基片表面沉积牺牲层后，去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；在所述牺牲层图案化基片表面沉积LaB₆后，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；对所述六硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述基于纳米球自组装的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极。本发明提供的制备方法是基于纳米球自组装的刻蚀方法，相比传统光刻方法，可以显著提高纳米阵列密度，有利于提高场发射电流密度；同时，本发明通过制备方法中各工艺的协调设置，避免了纳米球光刻用于Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极时可能出现的重复性差的问题，使所制备的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极具有可规模化制备、面积大的特点。

本发明提供了一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，阵列密度为2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²。本发明提供的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极中纳米阵列密度达到10⁷～10⁹量级，有利于提高场发射电流密度。

实施例测试结果表明，本发明提供的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的纳米阵列密度达到2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²，发射电流密度达到106～113mA/cm²，阈值场为7.6～8.9V/μm，开启场为2.4～3.8V/μm，具有优异的场致发射性能。

附图说明

图1为本发明Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法的流程图；

图2为实施例1制备过程中初级硅片-纳米球基片的光学显微照片；

图3为实施例1所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的SEM图；

图4为实施例1所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的I-V曲线图；

图5为实施例1所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的F-N曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法，包括以下步骤：

将纳米球在硅片上进行纳米球自组装，在所述硅片表面形成自组装层，得到初级硅片-纳米球基片；

对所述初级硅片-纳米球基片依次进行第一反应离子刻蚀处理和烘烤处理，得到次级硅片-纳米球基片；

在所述次级硅片-纳米球基片表面沉积牺牲层后，去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

在所述牺牲层图案化基片表面沉积LaB₆后，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述六硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述基于纳米球自组装的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极。

在本发明中，若无特殊说明，所述制备方法中各物质均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明将纳米球在硅片上进行纳米球自组装，在所述硅片表面形成自组装层，得到初级硅片-纳米球基片。

在本发明中，所述硅片优选为P型轻掺杂硅片；所述硅片的电阻率优选为3～25Ω·cm，晶向优选为110。

在本发明中，所述硅片在使用前，优选进行亲水预处理；所述亲水预处理包括依次进行的标准RCA清洗和十二烷基硫酸钠溶液浸泡。在本发明中，所述十二烷基硫酸钠(SDS)溶液的浓度优选为10wt.％。本发明通过亲水预处理，增加硅片的亲水性。

在本发明中，所述纳米球的材质优选为聚苯乙烯或二氧化硅。在本发明中，所述纳米球的直径优选为1.8～2.2μm，更优选为1.9～2.1μm，最优选为2μm。本发明对所说纳米球的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可，具体的，如市售购买。

在本发明中，所述纳米球自组装的方法优选为提拉法、电泳法、模板法、浮动转移法或旋涂法。本发明对所述提拉法、电泳法、模板法、浮动转移法或旋涂法的具体方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的提拉法、电泳法、电化学沉积法、模板法、浮动转移法或旋涂法方法即可。

具体的，如浮动转移法包括以下步骤：首先把纳米球分散液分散在水面上，在水面完成单层膜的自组装，得到单层膜；然后把水面的单层膜转移到硅片上。在本发明中，所述纳米球分散液中的溶剂优选为水，纳米球分散液的浓度优选为3～7wt.％，更优选为4～6wt.％，最优选为5wt.％。所述纳米球自组装前，本发明对所述纳米球分散液进行超声处理；所述超声处理的频率优选为50～70Hz，更优选为55～65Hz，最优选为59Hz；时间优选为5～15min，更优选为8～12min，最优选为10min。本发明通过对纳米球分散液进行超声处理，促进纳米球分散均匀性。在本发明中，所述自组装层为硅片上的单面自组装层。

得到初级硅片-纳米球基片后，本发明对所述初级硅片-纳米球基片依次进行第一反应离子刻蚀处理和烘烤处理，得到次级硅片-纳米球基片。

在本发明中，所述第一反应离子刻蚀处理中刻蚀气体优选为氧气，功率优选为60～80W，更优选为65～75W，最优选为70W；流量优选为40～50Sccm，更优选为40～45sccm，最优选为40sccm；时间优选为3～5min，更优选为3～4min，最优选为3min。本发明通过第一反应离子刻蚀处理，缩小纳米球直径。在本发明中，所述纳米球直径优选缩小至0.8～1.2μm。在本发明中，所述第一反应离子刻蚀处理的设备优选为中科微ME-3型多功能磁增强反应离子刻蚀机。

在本发明中，所述烘烤的温度优选为160～200℃，更优选为170～190℃，最优选为180℃；时间优选为3～5min，更优选为3～4min，最优选为3min。本发明通过烘烤处理，促进纳米球变形，增加纳米球与硅片的接触面积。

得到次级硅片-纳米球基片后，本发明在所述次级硅片-纳米球基片表面沉积牺牲层后，去除纳米球，得到牺牲层图案化基片。在本发明中，所述纳米球为间隙排列于硅片表面形成自组装层，使得所述牺牲层沉积填充到自组装层间隙，形成牺牲层的图案化。

在本发明中，所述牺牲层的材质优选为氧化锌。在本发明中，所述牺牲层的沉积方法优选为磁控溅射，更优选为直流溅射。在本发明中，所述磁控溅射的靶材优选为锌。在本发明中，所述磁控溅射中随靶材溅射同时通入氧气和氩气；所述氧气的流量优选为25sccm；所述氩气的流量优选为25sccm。在本发明中，所述磁控溅射中氩气为保护性气体；氧气为氧等离子体气源。在本发明中，所述磁控溅射的本底真空度优选为1×10^-3Pa，镀膜时真空度优选为1.3Pa，电流优选为0.3A，电压优选为200～300V，预溅射时间优选为5min，溅射时间优选为40min。本发明通过预溅射，将溅射靶材表面的的杂质除净。在本发明中，所述溅射的工艺操作具体为：1)开启磁控溅射工艺系统，公转开，将基片移至靶材中心，关公转，关舱门；2)真空达到1×10^-3Pa后，开启烘烤；3)开启真空系统，靶位使用选择，电源选择，关抽速阀，挡板关，开充气阀，设定反应气体流量，设定电压以及溅射时间；4)开启DC电源，预溅射；5)待预溅射完成后，点击挡板开，开始溅射；6)溅射完成后，依次关闭各项功能，关机。

在本发明中，所述牺牲层的厚度优选为750～850μm，更优选为770～830μm，最优选为800μm。

在本发明中，所述纳米球的去除法优选为有机溶剂浸泡。在本发明中，所述有机溶剂浸泡中的有机溶剂优选为甲苯、氯仿或四氢呋喃。在本发明中，所述有机溶剂浸泡的时间优选为20～25min，更优选为20～23min，最优选为20min。在本发明中，所述有机溶剂浸泡优选在超声的条件下进行；所述超声的频率优选为50～70Hz，更优选为55～65Hz，最优选为59Hz。

得到牺牲层图案化基片后，本发明在所述牺牲层图案化基片表面沉积LaB₆后，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模。

在本发明中，所述LaB₆的沉积厚度优选为180～220nm，更优选为190～210nm，最优选为200nm。

在本发明中，所述LaB₆的沉积方法优选为电子束蒸发镀膜。在本发明中，所述电子束蒸发镀膜中烘烤温度优选为160～200℃，更优选为170～190℃，最优选为180℃；烘烤时间优选为2～2.5h，更优选为2～2.3h，最优选为2h；烘烤后真空度优选为1.5×10^-4～3×10^-4Pa，更优选为1.7×10^-4～2.5×10^-4Pa，最优选为2×10^-4Pa。在本发明中，所述电子束蒸发镀膜中工转转速优选为2～6rpm，更优选为2～4rpm，最优选为2rpm；蒸镀转速优选为10～15rpm，更优选为10～13rpm，最优选为10rpm；电子枪束流优选为0.024～0.026A，更优选为0.024～0.025A，最优选为0.024A；模拟光斑优选为2.5～3格，更优选为2.5～2.8格，最优选为2.5格；蒸镀温度优选为150～180℃，更优选为150～170℃，最优选为150℃；蒸镀时真空度优选为1.8×10^-4～3×10^-4Pa，更优选为2×10^-4～2.5×10^-4Pa，最优选为2.10×10^-4Pa；蒸镀时间优选为5～5.5min，更优选为5～5.3min，最优选为5min；镀膜速率优选为50～55nm/min，更优选为20～53nm/min，最优选为50nm/min。

在本发明中，所述牺牲层的去除方法优选为盐酸浸泡，具体的为将镀膜得到的产品直接浸泡到盐酸中。在本发明中，所述盐酸的浓度优选为10～20wt.％，更优选为10～15wt.％，最优选为10wt.％；所述盐酸浸泡的时间优选为18～30s，更优选为25～30s，最优选为30s。

得到六硼化镧点阵掩模后，本发明对所述六硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述基于纳米球自组装的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极。

在本发明中，所述第二反应离子刻蚀处理中刻蚀气体优选为CF₄，功率优选为100～140W，更优选为100～120W，最优选为100W；流量优选为15～20sccm，更优选为15～18sccm，最优选为15sccm；时间优选为25～35min，更优选为27～32min，最优选为30min。在本发明中，所述第二反应离子刻蚀处理的设备优选为中科微ME-3型多功能磁增强反应离子刻蚀机。本发明通过第二反应离子刻蚀，有利于使附着在基底上的小球直径缩小，降低纳米阵列中单个发射阴极的尺寸，有利于提高发射效率。

在本发明中，所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法的流程图见图1。

本发明提供了一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，阵列密度为2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²。在本发明中，所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极中柱的高度优选为1.1～1.2μm，更优选为1.12～1.18μm，最优选为1.16μm，直径优选为780～830nm，更优选为790～815nm，最优选为800nm。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将P型轻掺杂硅片(电阻率为10Ω·cm，晶向为100)，依次使用去离子水、乙醇、丙酮、SC-1、SC-2和去离子水超声清洗，然后用10wt.％的SDS溶液浸泡硅片进行预处理；

对直径为2μm的聚苯乙烯纳米球的水分散液进行超声处理，得到5wt.％的纳米球分散液；

采用浮动转移法在硅片上进行纳米球的自组装，得到初级硅片-纳米球基片：首先把纳米球分散液分散在水面上，在水面完成单层膜的自组装，再把水面的单层膜转移到基片上；所得初级硅片-纳米球基片的光学显微照片见图2，由图2可见，纳米球在硅基底表面分布致密均匀；

使用中科微ME-3功能磁增强反应离子刻蚀机，对所得初级硅片-纳米球基片进行第一反应离子刻蚀处理，其中反应气体为氧气，氧气流量为40sccm，功率为70W，反应时间为3min；然后将所得第一反应离子刻蚀的产物在180℃、大气条件下烘烤3min，得到次级硅片-纳米球基片；

采用磁控溅射的方法在所得次级硅片-纳米球基片上沉积氧化锌牺牲层，其中磁控溅射条件为：直流溅射，靶材为锌，磁控溅射同时通入氧气和氩气，流量均为25sccm；本底真空度1×10^-3pa，镀膜时真空度1.3pa，不开烘烤，电流设为0.3A，电压为267V，预溅射时间为5min，镀膜时间为40min，得到沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片；

然后将所得沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片置于甲苯中在59Hz频率条件下超声20min，以去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

使用电子束蒸发镀膜机在所得牺牲层图案化基片上蒸镀硼化镧，其中，电子束蒸发镀膜的条件为：烘烤温度优选为180℃，烘烤时间优选为2h，烘烤后真空度优选为2.00×10^-4Pa，工转转速优选为2rpm，蒸镀转速优选为10rpm，电子枪束流优选为0.024A，模拟光斑优选为2.5格，蒸镀温度优选为150℃，蒸镀时真空度优选为2.10×10^-4Pa，蒸镀时间优选为5min，镀膜速率优选为50nm/min，在牺牲层图案化基片表面得到厚度为200μm的六硼化镧薄膜层；

然后将产物置于浓度为10wt.％的稀盐酸中浸泡30s，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，其中第二反应离子刻蚀处理的条件为：刻蚀气体为CF₄，功率为100W，流量为15sccm，时间为30min。

对实施例1所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极进行电镜观察，所得SEM图见图3。

由图3可见，本发明提供的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的阴极柱排列紧密。

对实施例1所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极进行I-V测试，测试仪器为QX-300超高真空测试系统。

测试结果见表1，所得I-V曲线见图4。

表1实施例1所得I-V测试结果

由表1和图4可见，本发明制备所得基于纳米球自组装的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极在场强10V/um下发射电流为113mA/cm²，远远超过文献报道水平(Lv S,Li Z,SuS,et al.Tunable field emission properties of well-aligned silicon nanowireswith controlled aspect ratio andproximity[J].RSC Advances,2014,4(60):31729-31734)。

基于表1中的I-V测试数据，对实施例1所得的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极进行F-N测试拟合。

测试拟合结果见表2，所得F-N曲线见图5。

表2实施例1所得F-N测试结果

由表2和图5可见，本发明制备所得的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极具有良好的场发射特性。

实施例2

将P型轻掺杂硅片(电阻率为10Ω·cm，晶向为100)，依次使用去离子水、乙醇、丙酮、SC-1、SC-2和去离子水超声清洗，然后用10wt.％的SDS溶液浸泡硅片进行预处理；

对直径为2μm的聚苯乙烯纳米球的水分散液进行超声处理，得到5wt.％的纳米球分散液；

采用浮动转移法在硅片上进行纳米球的自组装，得到初级硅片-纳米球基片：首先把纳米球分散液分散在水面上，在水面完成单层膜的自组装，再把水面的单层膜转移到基片上；

使用中科微ME-3功能磁增强反应离子刻蚀机，对所得初级硅片-纳米球基片进行第一反应离子刻蚀处理，其中反应气体为氧气，氧气流量为40sccm，功率为70W，反应时间为3min；然后将所得第一反应离子刻蚀的产物在180℃、大气条件下烘烤3min，得到次级硅片-纳米球基片；

采用磁控溅射的方法在所得次级硅片-纳米球基片上沉积氧化锌牺牲层，其中磁控溅射条件为：直流溅射，靶材为锌，磁控溅射同时通入氧气和氩气，流量均为25sccm；本底真空度1×10^-3pa，镀膜时真空度1.3pa，不开烘烤，电流设为0.3A，电压为273V，预溅射时间为5min，镀膜时间为40min，得到沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片；

然后将所得沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片置于甲苯中在59Hz频率条件下超声20min，以去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

使用电子束蒸发镀膜机在所得牺牲层图案化基片上蒸镀硼化镧，其中，电子束蒸发镀膜的条件为：烘烤温度优选为180℃，烘烤时间优选为2h，烘烤后真空度优选为2.00×10^-4Pa，工转转速优选为2rpm，蒸镀转速优选为10rpm，电子枪束流优选为0.024A，模拟光斑优选为2.5格，蒸镀温度优选为150℃，蒸镀时真空度优选为2.10×10^-4Pa，蒸镀时间优选为5min，镀膜速率优选为50nm/min，在牺牲层图案化基片表面得到厚度为200μm的六硼化镧薄膜层；

然后将产物置于浓度为10wt.％的稀盐酸中浸泡30s，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，其中第二反应离子刻蚀处理的条件为：刻蚀气体为CF₄，功率为100W，流量为15sccm，时间为30min。

实施例3

将P型轻掺杂硅片(电阻率为10Ω·cm，晶向为100)，依次使用去离子水、乙醇、丙酮、SC-1、SC-2和去离子水超声清洗，然后用10wt.％的SDS溶液浸泡硅片进行预处理；

对直径为2μm的聚苯乙烯纳米球的水分散液进行超声处理，得到5wt.％的纳米球分散液；

采用浮动转移法在硅片上进行纳米球的自组装，得到初级硅片-纳米球基片：首先把纳米球分散液分散在水面上，在水面完成单层膜的自组装，再把水面的单层膜转移到基片上；所得初级硅片-纳米球基片的光学显微照片见图2，由图2可见，纳米球在硅基底表面分布致密均匀；

使用中科微ME-3功能磁增强反应离子刻蚀机，对所得初级硅片-纳米球基片进行第一反应离子刻蚀处理，其中反应气体为氧气，氧气流量为40sccm，功率为70W，反应时间为3min；然后将所得第一反应离子刻蚀的产物在180℃、大气条件下烘烤3min，得到次级硅片-纳米球基片；

采用磁控溅射的方法在所得次级硅片-纳米球基片上沉积氧化锌牺牲层，其中磁控溅射条件为：直流溅射，靶材为锌，磁控溅射同时通入氧气和氩气，流量均为25sccm；本底真空度1×10^-3pa，镀膜时真空度1.5pa，不开烘烤，电流设为0.3A，电压为289V，预溅射时间为5min，镀膜时间为40min，得到沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片；

然后将所得沉积了牺牲层的次级硅片-纳米球基片置于甲苯中在59Hz频率条件下超声20min，以去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

使用电子束蒸发镀膜机在所得牺牲层图案化基片上蒸镀硼化镧，其中，电子束蒸发镀膜的条件为：烘烤温度优选为180℃，烘烤时间优选为2h，烘烤后真空度优选为2.00×10^-4Pa，工转转速优选为2rpm，蒸镀转速优选为10rpm，电子枪束流优选为0.024A，模拟光斑优选为2.5格，蒸镀温度优选为150℃，蒸镀时真空度优选为2.10×10^-4Pa，蒸镀时间优选为5min，镀膜速率优选为50nm/min，在牺牲层图案化基片表面得到厚度为200μm的六硼化镧薄膜层；

然后将产物置于浓度为10wt.％的稀盐酸中浸泡30s，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，其中第二反应离子刻蚀处理的条件为：刻蚀气体为CF₄，功率为100W，流量为15sccm，时间为30min。

对实施例1～3所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的指标性能进行测试，测试结果见表3。

表3实施例1～3所得Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极指标性能结果

	实施例1	实施例2	实施例3
				阵列密度/(units/cm<sup>2</sup>)	2.5×10<sup>7</sup>	2.49×10<sup>7</sup>	2.52×10<sup>7</sup>
发射电流密度/(mA/cm<sup>2</sup>)	113	110	106
				阈值场/(V/μm)	8.4	8.9	7.6
开启场/(V/μm)	2.4	3.1	3.8

由表3可见，本发明提供的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极具有高的阵列密度和良好的电学特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极的制备方法，包括以下步骤：

将纳米球在硅片上进行纳米球自组装，在所述硅片表面形成自组装层，得到初级硅片-纳米球基片；

对所述初级硅片-纳米球基片依次进行第一反应离子刻蚀处理和烘烤处理，得到次级硅片-纳米球基片；

在所述次级硅片-纳米球基片表面沉积牺牲层后，去除纳米球，得到牺牲层图案化基片；

在所述牺牲层图案化基片表面沉积LaB₆后，去除牺牲层，得到六硼化镧点阵掩模；

对所述六硼化镧点阵掩模进行第二反应离子刻蚀处理，得到所述Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米球的材质为聚苯乙烯或二氧化硅；所述纳米球的直径为1.8～2.2μm。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米球自组装的方法为提拉法、电化学沉积法、模板法、浮动转移法或旋涂法。

4.根据权利要求1所的制备方法，其特征在于，所述第一反应离子刻蚀处理的条件包括：刻蚀气体为氧气，功率为60～80W，流量为40～50sccm，时间为3～5min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘烤处理的温度为160～200℃，时间为3～5min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为氧化锌。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米球的去除方法为在有机溶剂中浸泡；所述有机溶剂为甲苯、氯仿或四氢呋喃；所述浸泡的时间为20～25min；

所述浸泡在超声的条件下进行；所述超声的频率为50～70Hz。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述LaB₆的沉积厚度为180～220nm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二反应离子刻蚀处理的条件包括：刻蚀气体为CF₄，功率为100～140W，流量为15～20sccm，时间为25～35min。

10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的Si-LaB₆复合型纳米场发射阵列阴极，阵列密度为2.49×10⁷～2.52×10⁷units/cm²。

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