（精密仪器及机械专业论文）基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 本文在目前基于场发射原理的真空传感器研究得较少，尚无成熟的、可靠 的产品问世的情况下，将m e m s 技术和真空微电子技术相结合，提出了一种基 于纳米硅尖场发射的微真空传感器原型方案。 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器是一种以真空微电子学中的场发射现 象作为输出敏感方式，利用m e m s 技术制作的，用于测量真空度大小的传感器。 其结构简单，具有灵敏度高、信号易检测、易于集成、便于批量化生产等优点， 在诸如真空设备、航空航天装置、医疗器械等等需要真空测量的领域中都具有 巨大的市场潜力，特别是集成在真空封装的微器件里用作微器件可靠性检测方 面，具有广泛的应用前景。 本文的研究工作主要包含以下几个方面： ( 1 ) 在查阅了大量文献、资料的基础上，提出一种基于纳米硅尖场发射的微 真空传感器原型方案； ( 2 ) 设计场发射真空传感器的结构以及完整的制作工艺流程，并在此基础 上，设计与之相配套的掩膜图形，制作实验所需的掩模版；通过实验系 统地对传感器的加工工艺进行研究，优化工艺参数，刻蚀出曲率半径达 7 0 r i m 的硅尖阵列，制作出传感器的样机； ( 3 ) 研究带栅极的硅尖阵列的制备方法，采用自对准技术制备出了孔径约 3 1 t m 的带栅极硅尖阵列，为场发射真空传感器的进一步研究打下了基 础： ( 4 ) 测试传感器样机在常压下的i - v 特性，观察到阳极电压大约在1 0 v 左右 开始有明显的场发射现象，单尖平均场发射电流可高达8 3 肛a ；搭建测 试系统，测试场发射电流的迟滞与衰减现象以及传感器在不同真空度下 的输入输出特性，分析得出场发射真空传感器的输出电流与真空度之间 的关系式，在1 0 v - 1 5 v 的输入电压范围内，最大误差不超过1 0 。 关键词：场发射硅尖阵列真空传感器 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s t h em e m sv a c u u ms e n s o rb a s e do nf i e l de m i s s i o no fs i l i c o nt i p s a r r a yi sb r o u g h tf o r w a r df i r s t l yb yi n t e g r a t i o no f t h em e m st e c h n o l o g ya n dv a c u u m m i c r o c l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya tt h es i t u a t i o n so ff e wr e s e a r c h e sa n dn ou s a b l e p r o d u c ta tp r e s e n t t h i sv a c u u ms e n s o rf a b r i c a t e db ym e m s t e c h n i q u e su t i l i z e st h ef i e l de m i s s i o n p h e n o m e n aa si t ss e n s i n gm e c h a n i s m i tc o n s i s t so fc a t h o d es i l i c o nt i p sa r r a y , b r a c e a n da n o d e ，a n di sc h a r a c t e r i z e do fh i g hs e n s i t i v i t y , e a s i n e s sf o ri n t e g r a t i o na n dm a s s p r o d u c t i o ne t c t h i sv a c u u ms e n s o rh a sv e r yp r o m i s i n gm a r k e tp o t e n t i a la n dw i d e a p p l i c a t i o n s ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nv a c u u me q u i p m e n t s ，a e r o s p a c ee q u i p m e n t s ， m e d i c a li n s t r u m e n t se t c o ra n yp l a c ew h e r ev a c u u mt e s t i n gi sr e q u i r e d ，e s p e c i a l l y u s e di nr e l i a b i l i t yt e s tb yi n t e g r a t i n gi n t ot h o s ev a c u u mp a c k a g e dm i c r od e v i c e s t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gs i xa s p e c t s ： ( 1 ) b r i n gf o r w a r dap r o t o t y p eo ft h em e m sv a c u u ms e n s o rb a s e do nf i e l d e m i s s i o no fs i l i c o nt i p sa r r a y ( 2 ) d e s i g nt h ev a c u u ms e n s o r ss t r u c t u r ea n dc o m p l e t ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e t h em a s k ss h a p e sa n dt e m p l a t e su s e df o re x p e r i m e n ta r ca l s od e s i g n e d b a s e do nt h es e n s o r ss t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e a f t e ra n a l y z i n gt h e r e q u i r e m e n t sa n dk e yp o i n t so fs e n s o rf a b r i c a t i o n , t h ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r s w e r eo p t i m i z e db ys y s t e m a t i ce x p e r i m e n t so ns e n s o r sf a b r i c a t i o np r o c e s s e s ， a n dg e tt h es a m p l es e n s o rw i t hs i l i c o nt i pw h i c hd i a m e t e ri s7 0 n m ( 3 ) s t u d yt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h eg a t e ds i l i c o nt i p sa r r a ya n dg e ti t w i t h 3 p ma p e r t u r eb ym e a n so fs e l f - a l i g nt e c h n o l o g y , l a y i n gf o u n d a t i o n s f o r f u r t h e rr e s e a r c h e so nt h ef i e l de m i s s i o nv a c u u ms e n s o r ( 4 ) i vc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l eu n d e ro r d i n a r yp r e s s u r ec o n d i t i o nw e r e t e s t e d i tc a nb eo b s e r v e dt h a tt h i ss e n s o rh a sai n i t i a le m i s s i o nv o l t a g eo f 10 va n daa v e r a g ec u r r e n to f8 3 1 x af o re v e r ys i l i c o nt i p t h ei n p u t o u t p u t m 一 薹王垫鲞壁叁堑垄壁塑丝墨至堡壁墨塑塑垄堡壅 一 - _ _ l _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ - _ - - - l _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一一 c h a r a c t e r i s t i c s ，h y s t e r e s i sa n dd e g r e ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l es e n s o r a t d i f f e r e n td e g r e eo ft h ep r e s s u r ew e r et e s t e d ，w h e nt h er e l a t i o n s h p sb e t w e e n t h eo u t p u tc u r r e n ta n dd e g r e eo ft h ep r e s s u r ew e r ea n a l y z e d ，t h ee q u a t i o n b e t w e e nt h e mw a ss e tu p ，w h e r eal o w e re r r o rl e s st h a n10p e r c e n tw i t ht h e r a n g eo f1 0 v - 1 5 v c 觚b ea c h i e v e d k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o n ；s i l i c o nt i p sa r r a y ；v a c u u ms e n s o r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果6 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：么因鸣 搠年6 月6e l ， 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。 厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编 入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密( i ) ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：文对经 导师签名：五够 日期：湖年铜石e 1 日期：凇严汨厂日 第一章前言 第一章前言 1 1 微型真空传感器的发展概况 从1 9 6 2 年第一个硅微型传感器问世以来，微型传感器因其尺寸小，测量 精度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物和航空等各个领域。随着m e m s 技术的深入发展，m e m s 技术在真空测量领域也得到了广泛应用，它使得微型真 空传感器的制作成为了可能。微型真空传感器具有体积小、重量轻、成本低、 可批量化生产和单片集成等优点，代表了真空传感器发展的新趋势。因此可以 预测微型真空传感器在真空微电子和m e m s 领域有着广泛的应用前景。 国外早在二十世纪八十年代就已经开始了对微型真空传感器的研究，最开 始研究得比较多的是热传导式的微型真空传感器嗍圈阅，随着m e m s 技术的飞速 发展，越来越多重要的测量原理在微型真空传感器的研制中得到了应用，薄膜 式司旧、力摩擦式口1 、离子式嗍、真空微电子式叫等类型的微型真空传感器相继 问世。下面就几种主要的微型真空传感器的工作原理及其发展概况作一简要介 绍。 一微型热传导式真空传感器 热传导式真空传感器是依据气体分子平均自由程长于特征尺寸时，气体热 传导现象与气体压强有关这一原理，通过测量物体温度的变化可以得出该物体 所处环境的真空度的变化。由于测量原理的原因，使得热传导式真空传感器的 测量上下限会有所限制，而且环境温度对它的影响也比较大。 1 9 8 6 年荷兰代夫特大学的a w v a nh c r w a a r d e n 心1 等人利用标准双极i c 技术 研制成功低补偿双悬臂梁集成热传导式真空传感器，该真空计结构如图1 1 所 示。 它中间是两个不同长度的悬臂梁，每个悬臂梁上串联了二十个灵敏度为 1 3 5 m v k 的热电偶，悬臂梁的项部制作有加热电阻。其工作原理是通过加热电 阻对两个悬臂梁加热，由于气体热传导的原因，悬臂梁的温度和加热的温度会 有差异，悬臂梁的温度由热电偶测出，通过计算这个温度差可以计算出气体的 蔫于蚺米硅兜局发射的徽真空传$ 矗的韧步研览 热传导牢，而气体的热传导率与其真空度相关，这样就能间接测量真空度。其 测量范围在o0 3 1 0 0 p a 之间。 图1 1 双悬臂粱集成热传导式真空传感器结构图 1 9 9 5 年w ja v e s t e f f e r 等人研制的薄膜热传导真空传感器，测量范围为 1 3 3 x 1 0 4 。1 3 3 x 1 0 3 p a 由于用仅l p m 厚的薄膜代替了悬臂粱，因此获得了较 高的灵敏度和较快的响应速度，响应速度低于8 m s ，而且很规则( 普通的热传 导真空计的响应时间都在5 0 0 m s 左右，且极不规则) 。 1 9 9 6 年台湾的b r a c ecsc h o u 等人研制了一种高灵敏度的皮拉尼式的真 空传感器。利用恒温输出电路和温度补偿技术有效地抑制了周围的温度漂移， 测量范围在1 3 3 l _ 3 3 1 0 p a 之间。 二微型薄膜式真空传鏖器 薄膜式的微型真空传感器是根据弹性元件在气体分子的静压力下产生变 形，然后用机械、光学或者电气的方法将这种压变效应检测出来，以此来测量 气体的压强。 微薄膜技术在微电子和微机械系统中应用得非常广泛，工艺比较成熟，便 于批量化生产，因此在微型真空传感器的研究中，薄膜式的微型真空传感器也 是研究的较普遍的一种。 1 9 9 3 年hh e m a l 。1 等人研制的微型薄膜真空传感器结构如图1 2 所示。 上下两块玻璃片作为基底形成一个腔体，腔体有一个出口出口处制作一个 5 3 0 a 厚，面积大约2 n u n 2 r a m 到4 r r a n x 4 n r r a 之间的硅薄膜将其密封住， 使腔内形成真空状态。该薄膜下端最射有金属铝，正对着该薄膜的腔体下端 第一章前言 也溅射有铝电极，这样就形成一个铝平板电容。腔体外部的环境压力通过上 端的出口作用到硅薄膜上，由于腔内外的压力差，该薄膜就会随之下降或则 上升，这样就会引起铝平板电容的变化，通过测量这个电容值的变化可以间 接得出环境的压力。当然由于两个铝电极之间距离仅有3 0 p r o 左右，所以其 测量范围比较有限，但是它为微型真空计的发展提供了一个新的思路。 图1 2 微型薄膜式真空传感器结构示意图 在此基础上由浙江大学的王跃林和日本的m e s a s m “等人研制了一种新 型的力平衡式的薄膜微型真空传感器，其结构如图1 3 所示。 图1 3 力平衡式的薄膜微型真空传感器结构示意图 基本结构和图1 2 一样，但是在硅薄膜的上下两面都有金属电极，与其对 应的上下端的玻璃基底也有金属电极，这样就形成了两个平板电容，上面的电 容是驱动电容，下面的是敏感电容。其工作原理就是当薄膜被压向敏蓐电极时， 敏感电窑就会有一个输出信号，该信号通过一个c v 转换电路转换成电压信号 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 去驱动驱动电容产生静电力，使得薄膜受到向上的力而回到原位保持在平衡位 置，此时驱动电压的大小就与外部环境的真空度大小相关，通过对驱动电压的 测量就可以得到外部环境的真空度。通过力平衡的方法大大拓展了薄膜式微型 真空计的测量范围，而且极大地提高了其灵敏度。理论上只要驱动电压足够高， 该传感器的测量范围就没有限制，在实际测量中得到的测量范围为o 1 0 3 p a 三微型谐振式真空传感器 谐振式真空传感器的工作原理是：由于气体分子的阻尼作用，使得振动物 体在不同的真空度下的共振频率不同，通过对频率变化的测量可以间接测量出 真空度。由于悬臂梁的共振频率会受到温度的影响，所以谐振式真空传感器其 测量精度受温度影响比较大。 1 9 9 9 年浙江大学的金心宇伽等人研制了一种硅微机械谐振真空传感器，结 构如图1 4 所示。 图1 4 硅微机械谐振真空传感器结构示意图 该硅微机械谐振真空传感器是以在单晶硅片上通过各向异性腐蚀形成的悬 臂梁作为谐振子，以悬臂梁自由端的质量块底面为上电极，以硅硅直接键合 的衬底硅片为下电极。组成静电激励器。而在悬臂梁的后部制作有压阻器件，将 悬臂梁的振动转换为电阻信号输出。当在上下电极间加一交变电压时，将产生一 交变电场力。当电场力的频率与悬臂梁的固有频率接近时，将产生共振。振动 信号由在悬臂梁根部的横向压阻器件输出，其输出频率和品质因数与悬臂梁所 处的环境气压有关。由于具有精密的微细结构，在一定的真空范围内( 1 0 2 1 0 p a ) ， 该传感器具有较高的灵敏度。 4 第一章翦肓 四微型电离式真空传患器 电离式真空传感器的工作原理是利用荷能粒子将真空中的气体分子电离， 所产生的离子流与真空度有关，通过测量离子流从而计算出真空度的大小。一 般荷能粒子多为电子，根据产生的机理不同又进一步分为热阴极电离真空计和 冷明极电离真空计。热阴极指得是电子的发射是由于发射体温度升高获得逸出 能而冷阴极的电子发射是由于外加电场的作用获得逸出能，发射体本身温度 保持不变。 1 9 9 8 年日本的n i c o l c a s c u 等人在理论上提出了一种微米级的微型冷阴极 电离式真空传感器，其结构如图1 5 所示。 圈中l 为硅尖阴极，2 为栅极电极，3 为阳极电极，4 接地，5 为收集电极， 2 到5 的距离大约2 0 0 u m ，3 到4 的距离大约5 0 0 u m 。3 加正电压吸引电子往右 边移动，而向上的磁场则使得电子的运动估计呈螺旋形，两者都加大了电子的 飞行距离从而提高了电离的效率。不过由于在硅微加工工艺上的一些困难，该 结构比较难以实现，因此也没有后续的文章发表。 圜$ 1 - s u e s p a t e 口i n m 制 毋 自p 州w n r m r g i r l y ；4 r 曲d 0 r e l y 坤1 i o h 坩t 曲蝴i - 峨av o 0 豳嘶c u t l r k o 由f v 0 i o t a 咖啪肌柚l 图1 5 微型冷阴极电离式真空传癌器结构示意图 五真空微电子真空传感器 必 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 真空微电子真空传感器是结合微电子技术、m e m s 技术和真空电子技术，出 现的一种新型的真空传感器。目前研究的较多的主要是真空微电子二极管式的 真空传感器，它以f o w l e r - n o r d h e i m 场发射理论为基础，由阳极膜、场致发射 阴极锥尖、阴阳极之间的真空微腔、绝缘层等几部分组成，其结构如图1 6 所 示。 图1 6 二极管式真空微电子真空传感器结构示意图 使用时，在阴阳极间加上正向电压，只要强度足够大，阴极锥尖就会发射 电子形成正向电流。在电压不变的情况下，当弹性膜受力而发生形变时，阴阳 两极间的距离就会改变，从而使阴极锥尖的表面场强发生显著的变化，使得阴 极发射电流变大或变小，通过测量发射电流的变化就能间接得到弹性膜受力的 大小。 1 9 9 1 年澳大利亚n e ws o u t hw a l e s 大学h c l e e 等首次报道了这种新型的 场致发射阵列真空传感器嗍，由于这类真空微电子传感器集真空电子器件和固 体器件的优点于一身，具有温度稳定性好、抗辐射、响应快、体积小等优点， 而广受重视。 1 2 本研究课题的提出背景 随着真空微电子技术和m e m s 技术的飞速发展，真空微电子器件和m e m s 器 件的应用越来越广泛，越来越多的真空微电子器件和m e m s 器件需要在真空环境 下工作，而且对真空度的要求也越来越高。现在的真空封装技术存在一定的残 6 第一章前言 余压力，而且时间一长也会有密封失效的问题n 邮，封装内部的真空度又无法 测量，这样就将无法判断这些微电子器件和微机械系统是否工作在其设计的工 作环境中。如果能将一种真空传感器集成到这些微器件中，就可以随时监控这 些微器件工作环境的真空度，检验出这些微器件是否工作在其最佳工作状态， 达到提高其工作性能和可靠性的目的。 传统的真空传感器由于其体积过大很难满足上述的要求，现在研究较多的 微型真空传感器有些本身就有密封腔结构，也会存在残余压力与密封失效的问 题，如薄膜式、真空微电子式的微型真空传感器；有些结构较复杂制作难度较 大，不易于与其他微器件集成，如电离式、谐振式、热传导式的微型真空传感 器。 为了解决上述问题，在查阅了大量文献资料的基础上，将真空微电子技术 与m e m s 技术相结合，提出了研制一种基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的课 题。 它与真空微电子式真空传感器的区别在于输出敏感方式的不同。真空微电 子式真空传感器的敏感方式是利用阳极薄膜在气体分子压力的作用下产生弹性 形变，使得场发射极间距改变，导致场发射电流的变化；而场发射真空传感器 的敏感方式是发射体实际功函数受真空度变化的影响而改变，导致场发射电流 的变化。 1 3 本文的研究目标与主要工作 一研究目标 本文的研究目标是以半导体场发射原理为依据，利用m e m s 加工技术，设计 并制作一种基于纳米硅尖场发射的微真空传感器。 二主要工作 1对场发射真空传感器进行理论分析、结构尺寸、制作工艺流程以及实验用掩 膜版的设计 对场发射真空传感器进行理论分析，用a n s y s 软件作了电场模拟仿真，根 据仿真结果再进行结构尺寸的优化设计，最后根据确定的结构尺寸设计传感器 7 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 的制作工艺流程和实验用掩膜版。 2 制作工艺的研究 场发射真空传感器的制作工艺包括有清洗、氧化、光刻、湿法腐蚀、等离 子体刻蚀、淀积、溅射、键合等等，其中等离子体刻蚀硅尖阵列的工艺是研究 的重点。 由场发射原理可知，硅尖阵列的一致性、硅尖的形状以及曲率半径是影响 硅尖阵列场发射性能的主要因素，因此在硅尖阵列的刻蚀过程中，需要研究采 用不同的刻蚀参数来制备硅尖阵列，以获得最优的场发射性能。 在此基础上，研究带栅极硅尖阵列的制作工艺。 3 真空传感器的测试 测试常压下传感器样机的l - v 特性，分析其场发射性能；搭建测试平台， 测试传感器样机的迟滞特性以及电流衰减现象，同时测试在不同真空度条件下 传感器样机输入( v ) 一输出( i ) 特性，根据测试结果分析传感器输出电流与真 空度之间的关系；。 8 第二章场发射真空传感器的设计 第二章场发射真空传感器的设计 本章简要介绍了场发射真空传感器的工作原理；对传感器进行了结构设计， 并通过仿真对结构参数进行了优化。 2 1 场致发射原理与传感器工作机制 场致发射也叫场发射，是指在强电场作用下发射电子的现象，它不同于热 电子发射、光电子发射和次级电子发射，后三种都属于固体内部的电子获得热 能、光能和初次电子能量激发后，有较大的动能而逸出表面的现象：而场致发 射则是由于外加电场时固体表面势垒降低并使其宽度变窄，使得固体内部电子 不需另外增加能量就可以穿透表面势垒而逸出表面，也被称之而冷发射n 羽。 0夏xf 髓( 图2 1 在加速场下金属表面的势能曲线 场致发射的发射机理主要金属场致发射、半导体场致发射和内场致发射。 其中应用的最广泛的是金属场致发射，这种电子发射的隧道效应可由图2 1 做 定性说明。由图可见，在加速电场的作用下，金属表面势垒形状和宽度由经典 镜像力和外加电场共同决定，外加电场越强，表面势垒不仅高度降低，而且宽 9 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 度也变窄。当势垒宽度窄到可以与电子波长相比拟的程度时，电子就可以穿过 势垒逸出，从而在真空中形成场致电子发射。决定场致发射电流密度大小的主 要参数有三个：逸出功、电场强度和温度。 金属的场致发射可以用f o w l e r - n o r d h e i m 方程来描述，对于高掺杂的硅材 料来说，由于其导电性接近于金属，因此也可以用该方程来描述。 假定： ( 1 ) 考虑一个简单能带的电子，其分布按费米能级- 狄拉克统计； ( 2 ) 考虑金属平板的表面是光滑的，忽略其原子尺度的不规则； ( 3 ) 考虑经典镜像力； ( 4 ) 考虑逸出功分布均匀。 在这样的假定条件线下，= - 0 时的金属场发射电流密度可由下式表述： ，刊九y ) ) ) p ( - b 矽( ) ( 2 ，) 式中，卜电流密度( a c m 2 ) ； 乒一尖发射区域的电场强度( v c m ) ： 痧功函数( e v ) ； i l 功函数势垒的肖特基降低； 詹1 5 4 1 0 - 6 ，b - = - 6 8 4 1 0 7 ； 间7 9 x 1 0 4 e o 5 痧； 1 ，( y ) 、r ( y ) 诺德海姆椭圆函数，在大多数情况下，1 ，( y ) o 9 5 - 少， 产( y ) 1 1 。 当发射体温度升高至中温范围时，场发射电流密度可由下式得出n 羽： 坩h ( o ) 端i n7 ( 2 2 ) si尼口，r 一 ，、 式中，七为波耳兹曼常数，丁是温度( 肋，d = 竺型窖盟。 7 2 t ( y ) 在高温下： 坩= 百e ( 掣) cx p 【一寺+ 署等】( 2 1 0 第二章场发射真空传感器的设计 如果发射体温度不超过1 0 0 0 k ，对于功函数在4 - - - 6 e v 之间的金属阴极而言， 采用式( 2 1 ) 计算的场发射电流密度精度是足够的。 一般情况下，都是根据给定的电压v 来测试场发射电流，的大小，而电流 密度，和锥尖发射区域的电场强度占又可以用以下两个式子表示： 卜i q 、2 4 、) 庐v ( 2 5 ) 式中，a 锥尖发射区域面积( c 一) ； 夕屯场增强因子： 将式6 2 、6 3 以及尸3 7 9 x 1 0 4 e o 5 矽，1 ，( y ) o 9 5 ，产( j ，) 1 1 ， 代入式( 2 1 ) 可得： i - - a v 2 e x p ( - b v ) ( 2 6 ) 两边取对数得，1 1 l ( v 2 ) = l m b v ( 2 7 ) 舯，口= ( 州夕名痧) e xp ( b 1 44 l 。- 0 5 ) ( 2 8 ) 6 = 0 9 5b ( 2 9 ) 将式( 2 6 ) 微分可得， 塑= 土( 2 + 刍 ( 2 1 0 ) d y yy 由此可见，对于i v 特性的给定点，如果测量出 y 和d l i d v , 就可以通过 公式( 2 1 0 ) 求出对应的b 值，代入公式( 2 6 ) 即可算得a 的值。 由式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 可见，在相同的阳极电压下，场发射电流的大 小，主要跟发射材料的功函数妒、电场增大因子夕以及场发射面积a 有关。电 场放大因子主要与硅尖的形状、曲率半径以及极间距有关，而场发射面积又主 要与曲率半径以及电场放大因子有关。因此，一个给定了极间距、硅尖形状、 硅尖曲率半径以及阳极电压的场发射结构，其场发射电流的大小就取决于发射 材料的功函数。 发射体材料功函数理论上是一个固定值，但是在实际的场发射过程中，由 于材料表面气体分子吸附与解吸附现象的存在会影响电子最终的实际逸出功。 一苎王垫鲞堡叁堑垄塾塑丝塞窒堡堕堡堕塑垄堑壅 一 - - - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - _ - - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ 一一 材料表面单位面积气体分子吸附量仃( 分子数c i n 2 ) 与发射体功函数有如下关 系式1 羽n 阳： 破= c c r + 矽 ( 2 1 1 ) 式中，识表面有分子吸附时的功函数： 矽表面干净( 0 - = 0 ) 时的功函数； c 常数。 真空技术中的吸附现象，可以用亨利定律来解释n 7 1 ： 仃= 一矽 o exp(qrl-oe x p ( d 丁) ( 2 1 2 ) 仃= 下 个j l z 上z ， x 2 z m k t 式中，p 真空度( p a ) ： m 气体分子质量( k g ) t 后波尔兹曼常数； 吸附态分子垂直于表面的振动周期( 一般约为1 0 - 1 2 1 0 秒) ； g 吸附热( 千卡克分子) ； r 气体普适常数。 由公式( 2 1 2 ) 可知，当温度t 不变时，物体表面单位面积分子吸附量与 真空度大小成正比，代入公式( 2 1 1 ) 可以得到发射材料实际功函数与真空度 之间的关系式2 1 3 ： 破= 毛尸+ 矽 ( 2 1 3 ) 其中，毛为与温度有关的常数。 可见随着真空度的提高，发射材料实际功函数将减小，实际场发射电流将 会增大。 将公式( 2 1 3 ) 、( 2 4 ) 代入公式( 2 1 ) ，可以得到： j = ( 吲m 岔州) ) 唧啡冉) m 5 乇( 州= 4 - ) l 5 ) ( 2 1 4 ) 1 2 第二章场发射真空传感器的设计 式中，乞= 1 4 4 1 0 - t b ，屯= 一o 9 5 。 3 - 5 3 2 5 萎q 藤二 篓1 5 粼 l o 。5 o 2468l o1 21 41 61 82 0 ( a ) 不同k 值仿真图 24681 01 21 41 61 82 0 真空嘶 ( b ) 不同e 值仿真图 图2 2 场发射电流与真空度之间关系仿真图 公式( 2 1 4 ) 中，只有e 、矽、口以及岔未知，其中毛为一个与温度有关 的常数。因为硅材料的功函数为4 5 e v ，即矽= 4 5 c v ，在假定场发射的面积 口= l o 7 c m 2 的条件下，利用m a t l a b 软件仿真得到，兰ie = 1 0 7 v e m ，轰分别为 0 0 5 、0 1 和o 5 时，场发射电流与真空度之间的关系曲线，见图2 2 ( a ) 。由图 1 3 5 5 5 5 o 3 2 l 1 瓯 (v曩)1熙皿杂弼 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 可见当鬼较大( 幺= o 5 ) 时，真空度高于2 p a 时场发射电流几乎不受真空度变 化的影响；当尼较小( a = o 0 5 ) 时，在真空度低于1 6 p a 的范围内，场发射电 流随真空度变化规律明显。图2 2 ( b ) 是在假定a = o 0 5 ，e 分别为1 0 5 v c m 、 1 0 7 v c m 以及1 0 8 讹m 的条件下，利用m a t l a b 软件仿真得到的仿真图。由图可 见，当e 小于1 0 7 v c m 时，电场场强的改变对场发射电流与真空度之间的关系 影响不明显；当e 在大于1 0 7 v c m 的范围内变化时，电场强度增大，场发射电 流增加迅速。 通过仿真结果可见，场发射电流随着真空度的提高有增加的趋势，在一定 的幺值范围内( o 0 5 0 1 ) 该趋势有较广的量程覆盖范围，随着电场强度e 的提 高，场发射电流增加明显，量程范围也有扩大的趋势。 2 2 场发射真空传感器的结构设计 2 2 1 场发射真空传感器的结构 本课题场发射真空传感器的基本结构如图2 3 所示，是一个二极管式的结 构，由阳极、阴极锥尖阵列和支撑台三部分构成，支撑台的作用就是将阳极与 阴极锥尖阵列分隔开一段距离d ，叫极间距。当在阴阳两极间加上一定的电压 时，阴极尖端将产生局部尖端电场，当这个电场达到一定的强度时( 大约 1 0 7 v c m ) ，电子将克服表面势垒溢出阴极锥尖被阳极收集，从而形成场发射电 流。当施加的电场固定不变时，由于真空度大小对发射体表面气体分子的吸附 与解吸附作用，使得场发射电流的大小也会受到真空度的影响，在这种情况下 就可以通过测量场发射电流的大小来间接得出真空度的大小。 在场发射真空传感器的结构设计中，传感器输出电流和起始发射电压的大 小是影响传感器的灵敏度和稳定性的主要因素。传感器较高的输出电流不仅可 以简化测试电路，而且也可以极大地提高传感器的灵敏度；较低的起始发射电 压有利于获得较稳定的场发射电流，提高传感器的稳定性。这些问题的解决主 要涉及以下几个方面的问题：阴极发射材料的选择、阴极锥尖的形状、曲率半 1 4 第= 掌场发射真空传感嚣的设计 径的大小、阴阳两极之b j 的距离和加工的工艺条件 阳极 阴极锥尖 国2 3 场发射真空传感器基本结构示意图 2 22 阴极发射材料以及阳极衬底材料的选取 单晶硅由于其良好的电学性能和机械性能，被广泛地应用于集成电路和各 种电子元件的制造，同时也被广泛应用于场发射器件的发射体材料”。 本课题选用电阻率为2 8 q m 的n 型硅片作为传感器的阴极发射材料。单 晶硅根据掺杂浓度的不同，具有不| 司的电阻率，掺杂浓度越高电阻率越低。而 对于场发射而言则希望电阻率越低越好，这样可以获得较高的场发射电流和较 好的场发射性能。但是掺杂浓度过高的硅片，完整性差，缺陷多，最后会导致 制作的硅尖表面形貌不理想，影响其场发射性能。综合考虑，选用电阻率在2 8 0 m 之间的硅片较为适当。硅片分为n 型和p 型，由于n 型硅片的逸出功要 比p 型硅片低，相对而言更容易发生场发射现象，因此选用n 型硅片。 金属必须通过溅射工艺溅射到一定的衬底上才能实现如图23 所示的结 构。m e m s 器件的加工中常用作衬底材料的主要有硅和玻璃，由于阴极材料为单 晶硅，考虑到键舍工艺中硅一玻键合的优异性能，选择玻璃作为阳极的衬底材料。 223 硅尖阵列的设计 硅尖阵列是本课题设计的场发射真空传感器的核心部件，是传感器灵敏度 和稳定性的关键所在。设计中主要是要考虑合适的硅尖曲率半径、硅尖形状和 硅尖的数目。 基于蚺米硅尖场发射的微真空传感的韧步研究 一硅尖的曲率半径 由式( 25 ) 可知硅尖处电场强度可由乒口v 表示，其中卢为电场增强因子， 对于抛物面口可由下式近似公式表示： 肛山磁2 ) ( 21 5 ) 式中，r 硅尖曲率半径； 毋一阴阳极间距。 由上式可见，电场增强因子引埴硅尖曲率半径r 和阴阳极间距d 的减少而 增大。 比较低的工作电压对于场发射真空传感器而言尤为重要，一方面可以防止 电压过高导致击穿，另一方面也町以避免因功率过高导致的加热现象，降低硅 尖阵列场发射的性能。为了保证传感器在施加较低电压时能够获得场发射所需 的电场强度( 约为1 0 7 v c m ) ，硅尖阵列应具有较大的电场增强因子，为此，必 须控制硅尖与阳极的极间距以及硅尖曲率半径的太小。 二硅尖的形状 由于尖端效应的存在，硅尖阵列的场发射特性与硅尖的几何形状密切相关 z 。i 2 1 i 为了研究硅尖形状对于硅尖场发射特性的影响，利用a n s y s 软件对如图 2 4 所示的四种形状的硅尖进行了仿真，其中硅尖随率半径均设为5 0 r m a ，阳极 电压设为6 v ，极间距设为l g m ，硅尖高度设为4 叫1 。 r 自率半 ( a ) 嘲柱形( b ) 埃菲尔塔形( c ) 半球形( d ) 金字塔形 图2 4 四种硅尖形状图 仿真结果如图2 5 所示，在相同的硅尖高度以及阳极电压下，不同形状的 1 6 第= 章焉挠付真空传喀器的设计 硅尖在尖端处场强的最大值分别为：( a ) 圆柱形：2 73 6 1 v m n 、彻埃菲尔铁塔形： 2 61 6 7v p r n 、( c ) 半球形：2 50 8 5v 仙n 、( d ) 金字塔形；2 31 4 5w i i i n 。硅尖尖端 处场强越大则越容易激发场发射电流，因此可以得出以下结论：( a ) 圆柱形的 形状场发射特性最好，( b ) 埃菲尔塔形的次之，( d ) 金字塔形状的最差。 但是结合硅微加工工艺来看，圆柱形的硅尖无法加工，金字塔形的硅尖加 工最容易但是其场发射性能却很差，一般通过控制刻蚀工艺的参数加工出来的 硅尖形状是半球形的，而埃菲尔塔形形状的硅尖则可以在半球形硅尖的基础上 再进行氧化锐化工艺而获得。 “) 圆拄形 壤暮尔苍形 基于纳米尖场发射的锻真空传癌署的韧步研究 一 ( n 】e4 塔m 图z 5 硅尖形状对尖端场强的影响仿真图 三硅尖的数目 太大的发射电流会导致尖端被破坏，影响发射体寿命，因此传感器中单个 硅尖的电流不宜过大。但是为了便于测量，以及提高传感器的灵敏度，总是希 望有较高的输出电流，那么就需要通过增加硅尖的数目来解决这一问题。现在 研究得较多的硅尖阵列单个硅尖的平均稳定场发射电流普遍小于0 2 u a ， 假定单个硅尖场发射电流平均为0 1n a 结合现实工艺条件，初步将硅尖数目 定为8 0 0 0 个左右，这样可以获得大约8 0 0 u a 的稳定场发射电流，确保传感器 有足够大的输出电流。 第二章嚣技肘真空传巷嚣的设计 2 2 4 两阳极问距的设计 由式( 2 1 5 ) 可见电场增大因子的影响因素主要是硅尖曲率半径和阴阳极 间距，硅尖曲率半径的大小由于受工艺条件的限制，一般只能达到几十纳米。 所以为了获得较高的电场增大因子，除了要研究制各小曲率半径的硅尖外还 需要设计合理的极间距以 利用m l s y s 软件对极间距分别为l l u n 、5 岫、l o l l i m 的情况进行了仿真，其 中曲率半径均设为5 0 a m ，阳极电压设为6 v ，硅尖形状设为半球形，硅尖高度 设为4 p m ，底面直径设为2 p m 。 零 |ii ：辫夕10 lll e 重囊垂量垂量垂蠹至 ( b ) # l 圈2 6 不同撮间距尖端放大效应仿真图 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究 极间距为l i m a 的情况见图2 5 ( c ) ，极间距为5 i n n 、l o l m a 的情况，见图 2 6 。可见d 越小尖端附近的电场线就越密集，其场强也就越大，尖端处最大场 强分别为：2 5 0 8 5 w l u n ( d = l r u n ) 、8 9 9 3 v 1 t m ( d = - 5 r t r n ) 、5 5 6 4 v p a r l ( d = - l o i m a ) 。 可见在其他条件相同的情况下，d = 1 1 u n 时硅尖尖端处的最大场强是d = l o p r n 时 的约4 8 倍，增强效应很明显。 为了获得较低的场发射开启电压，将传感器的极间距设计为l i m a 。 第三章场发射真空传感器的制作工艺 第三章场发射真空传感器的制作工艺 场发射真空传感器的研制，涉及的工艺主要有：氧化、光刻、等离子体刻 蚀、溅射、腐蚀、键合等，键合完毕之后还要焊线与封装。这些工艺的整合需 要设计合理的制作工艺流程来实现，通过实验研究最佳的工艺参数。本章主要 包含以下两方面的内容： ( 1 ) 针对场发射真空传感器工作和结构的特点，并在考虑所涉及工艺前后兼 容性的基础上，设计一套完整的工艺流程方案和对应的实验用掩模版； ( 2 ) 通过实验对传感器的制作工艺进行研究，成功地制作出场发射真空传感 器的样机，并探讨了带栅极硅尖阵列的制备方法，为场发射真空传感器 的进一步研究打下基础。 3 1 工艺流程的设计 在设计整个器件的工艺流程时，必须根据器件各个主要功能元件的结构特 征以及m e m s 加工工艺的特点，将它们分成几个独立单元，对各独立单元设计各 自的加工流程。在考虑前后工艺的兼容性的基础上进行一定的调整，将各个单 独的流程整合起来形成一套整体的工艺流程方案。 场发射真空传感器主要由三部分组成：金属阳极、阴极硅尖阵列和支撑台。 但是结合m e m s 加工工艺分析，则可分为以下两部分：一是在硅衬底上刻蚀的支 撑台和阴极硅尖阵列；二是在玻璃衬底上溅射的阳极金属。因此，在设计工艺 流程时，可以分成阴极硅尖阵列和金属阳极两个部分来分别设计，最后再通过 阳极键合工艺将两者整合在一起，最终形成一套总体的流程方案。 一阴极硅尖阵列工艺流程方案设计 由传感器的结构可知，阴极硅尖阵列的工艺流程包含有两个部分的内容： 支撑台以及阴极硅尖阵列的制作，两部分工艺都是以硅片为衬底，涉及的工艺 主要以硅微加工工艺为主。该工艺流程的主要步骤如示意图3 1 所示： ( 1 ) 涂胶； 2 1 ( 2 ) 光刻出支撑台图形 ( 3 ) 以光刻胶做掩膜，利用等离子体刻蚀工艺刻蚀出支撑台： “) 在已经刻蚀有支撑台的硅片上第二次涂胶； ( 5 ) 进行第二次光刻，光刻出支撑台以及硅尖掩膜阵列图形； ( 6 ) 溅射a l 作为下一步硅尖阵列刻蚀的掩膜： ( 7 ) 剥离，得到硅尖阵列以及支撑台的a l 掩膜，此处支撑台a l 掩膜的作用 是保护支撑台不被下一步的刻蚀工艺破坏： ( 8 ) 利用等离子体刻蚀工艺刻蚀出硅尖阵列。 其中，( 1