[发明专利]一种氮化铝锥尖及栅极结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化铝锥尖材料及其制作方法，特别是涉及一种既具有高长径比和小的尖部曲率半径，又具有可控的长径比和可控的形状的氮化铝锥尖的制作方法，同时在此基础上构造了具有spindt型结构的氮化铝锥尖场发射结构的制作方法。

背景技术

氮化铝由于其具有负的电子亲和势，良好的化学稳定性和热稳定性，因而成为一个重要的场发射冷阴极材料。通常情况下决定场发射材料发射特性的主要因素包括材料本身的功函数和材料的几何形态，对于纳米材料来说，常见的纳米管、纳米线或棒和纳米锥等几何形状都是由于具有小尖端半径和高长径比因而具有较高的场增强因子，非常有利于提高材料的场发射特性。在这些有利于提高场发射特性的发射体几何形状中，锥形结构是理想的选择，它可以将材料的场发射特性得到充分的发挥，这是因为锥状不但比柱状或线状具有更好力学稳定性及径向刚性，而且有利于形成合适的发射密度从而避免通常纳米管或线等由于密度太大而产生的场屏蔽效应导致材料场发射能力的削弱。对于氮化铝材料来说，锥形结构阵列不但可以其提高场发射特性，同时单个锥尖也可以作为点电子发射源应用在真空微纳电子学领域，而且也可以作为纳米探针在原子力显微镜和扫描隧道显微镜领域有着广泛应用潜力，因此如何获得具有较高长径比的氮化铝尖端结构对其在相关领域的应用至关重要。

目前锥形结构的制备方法大致可以分为两种：

第一种是自下而上的方法：主要采用化学汽相合成的方法。参见对比文件1，“氮化铝纳米锥阵列的场发射”(Field emission from quasi-aligned aluminum nitride nanotips)，载于《Appl.Phys.Lett.》2005，Vol.87，073109(1-3)上。这种方法利用铝粉和氨水作为反应源制备得到了氮化铝纳米锥尖阵列，并研究了不同基底对场发射的影响。由于纳米锥在合成生长过程中的随机性，这种化学汽相方法合成的氮化铝锥尖结构存在一致性和可控性差、成功率低以及附着力差的缺点，使其在场发射领域的应用受到限制。

第二种是自上而下的方法：主要采用化学汽相等离子体刻蚀体材料的方法。这种直接采用等离子体刻蚀的方法被应用到金刚石薄膜上制备了金刚石锥阵列，参见对比文件2，“等离子刻蚀金刚石纳米锥的生长与表征”(The growth and characterization of diamond cone arrays formed by plasma etching)，载于《Diamond and Related Materials》2006，Vol.15，866-869上。但是在这种方法制备锥阵列的过程中，由于等离子体放电的不稳定性使得锥尖角度和高度一致性比较差，长径比较小和顶端曲率半径比较大，控制起来较为困难，虽然对于大面积制备纳米锥阵列有些优势，但并不适合制备规则的微纳器件。

此外，锥形结构在微电子器件中有广泛的应用，其中最典型的就是Spindt型场发射结构(参见图1)，其详细制作过程参见对比文件3(“钼锥薄膜的场发射阴极的物理特性”(Physical properties of thin-film fieldemission cathodes with molybdenum cones)，载于《Journal of Applied Physics》1976，Vol.47，5248-5263)。这种制作Spindt结构的方法，由于制备流程较多，因此存在工序复杂和效率低的缺点，所以发展受到了一定的限制，而如何解决这个问题则引起大家的广泛关注。

随着微纳米加工技术的发展，尤其是聚焦离子束刻蚀技术(以下简称FIB)的发展，利用聚焦离子束刻蚀获得高长径比锥尖结构是一条非常有效的途径，利用这种技术制作的氮化铝锥尖，不仅可以控制锥尖的形状和长径比，而且可以制作规则的氮化铝锥尖阵列，同时还容易构造spindt型结构的栅极氮化铝场发射结构，具有制备工艺简单和效率高的特点。测试结果表明利用这种方法制作的氮化铝锥尖具有很好的场发射特性，同时利用氮化铝锥尖制作的栅极场发射结构也表现出良好的场发射性能。

发明内容