專利名稱：高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種采用場(chǎng)致發(fā)射陣列為陰極發(fā)射源的攝像管，屬于真空微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
攝像器件從結(jié)構(gòu)上可分成真空型攝像器件和非真空型攝像器件兩大類，真空攝像器件以光電發(fā)射型和光電導(dǎo)型器件為主，非真空型攝像器件有電荷耦合型器件(CCD)和斗鏈?zhǔn)狡骷?BBD)。真空型攝像器件采用電子束掃描方式讀取信號(hào)，具有分辨率和靈敏度高、噪聲和成本低、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但存在惰性大、怕強(qiáng)光照、抗振性差、體積大和重量重等問(wèn)題。非真空型攝像器件即固體攝像器件不采用電子束掃描方式讀取信號(hào)，而是采用電荷耦合和電荷轉(zhuǎn)移原理讀取信號(hào)，具有無(wú)圖像畸變、低惰性、無(wú)余像、不怕強(qiáng)光照、耐振動(dòng)、體積小、重量輕、低電耗、長(zhǎng)壽命和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但存在分辨率和靈敏度不高、工作溫度范圍窄、易受靜電和輻射干擾等問(wèn)題。
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高性能的場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，可以綜合真空器件和固體器件兩者的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型可以由基底、陰極和靶面裝置組成，其特點(diǎn)是陰極采用場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列結(jié)構(gòu)，靶面裝置由靶面、透明導(dǎo)電膜和玻璃構(gòu)成，陰極與靶面裝置之間設(shè)有由絕緣體支撐的多孔狀場(chǎng)網(wǎng)。場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列的發(fā)射體可以為金屬錐體或半導(dǎo)體錐體，也可以采用平面薄膜材料(例如金剛石薄膜)。場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列可采用雙門極結(jié)構(gòu)，也可以采用薄膜二極管結(jié)構(gòu)。在雙門極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列的陰極中，陰極由發(fā)射體、下門極(柵極)和上門極(聚焦極)構(gòu)成，下門極和上門極均由絕緣體支撐。當(dāng)下門極加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，錐體頂端形成高場(chǎng)強(qiáng)而產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，在上門極加上合適的電壓可以起到調(diào)節(jié)電子束聚焦的作用，故將上門極稱為聚焦極。如果沒(méi)有上門極的作用，從錐體頂部發(fā)射的電子將近貼聚焦上屏，這樣，門極與靶之間間距的大小將使得電子束擴(kuò)散開(kāi)，并且不能保證電子束垂直上靶。因此，上門極對(duì)器件性能的影響是很大的。如果上門極加上合適電壓使電子束聚焦，形成層流特性，則可保證電子束垂直上靶。在薄膜二極管結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列中，發(fā)射體金剛石薄膜與孔狀電極(場(chǎng)網(wǎng))結(jié)合形成二極管結(jié)構(gòu)，場(chǎng)網(wǎng)既相當(dāng)于柵極起到了產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射的作用，又起到了矩陣選址的作用。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，既有分辨率和靈敏度高、噪聲和成本低、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)，又有功耗低、體積小、重量輕、抗振性好和抗靜電、抗輻射能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。采用場(chǎng)致發(fā)射冷陰極來(lái)代替熱陰極，利用場(chǎng)致發(fā)射電子速度零散小的特點(diǎn)，可以大大降低惰性和功耗；采用雙門極結(jié)構(gòu)，形成電子束層流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電子束垂直上靶讀取信號(hào)，可以大大減弱交叉點(diǎn)的影響，同時(shí)又保留了原攝像管分辨率和靈敏度高、響應(yīng)速度快、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)；采用矩陣選址技術(shù)，大大減少了攝像管的體積和重量，簡(jiǎn)化了攝像管的制備工藝過(guò)程，具有抗振動(dòng)、抗靜電和抗輻射的特點(diǎn)；對(duì)金剛石薄膜陰極，采用二極管結(jié)構(gòu)和場(chǎng)網(wǎng)輔助選址技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了制備工藝難度，實(shí)現(xiàn)了真空型微電子器件的一體化。


圖1為本實(shí)用新型的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙門極場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3.為雙門極場(chǎng)致發(fā)射陣列單個(gè)陰極結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為錐體結(jié)構(gòu)發(fā)射體，(b)為薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)射體；圖4為矩陣選址原理示意圖；圖5為金剛石薄膜場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為單元二極管結(jié)構(gòu)和場(chǎng)網(wǎng)輔助選址原理示意圖。
本實(shí)用新型可按附圖所示的方案實(shí)現(xiàn)。圖1中的靶面1位于基底2的中心部位，即有效陣列范圍，其有效面積與陰極陣列相對(duì)應(yīng)；排氣孔3開(kāi)在基底2的邊緣無(wú)效部位。雙門極場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，靶面裝置由透明玻璃4、透明導(dǎo)電膜5、靶材料層6構(gòu)成；透明導(dǎo)電膜5、靶材料層6和場(chǎng)網(wǎng)膜8均可采用薄膜工藝制備而成，例如場(chǎng)網(wǎng)膜8可采用在靶材料層6上沉積SiO2絕緣層7，再濺射一層金屬薄膜，通過(guò)光刻腐蝕形成孔狀電極場(chǎng)網(wǎng)膜8，絕緣層7既起到電絕緣作用又起到了防止電子束的擴(kuò)散影響，支撐體9采用密封材料制作而成，例如采用低熔點(diǎn)玻璃，既起到密封作用，又起到控制靶面與陰極陣列間距的作用。排氣孔3開(kāi)在基底2的背面，基底2的正面有一層金屬膜10，金屬膜10上的雙門極陰極陣列11的單個(gè)陰極可采用圖3所示的結(jié)構(gòu)。圖3中的(a)為錐體結(jié)構(gòu)，發(fā)射體16可采用金屬錐體或半導(dǎo)體錐體，發(fā)射體16的上方有下門極(柵極)14和上門極(聚焦極)12，金屬膜10、下門極14和上門極12之間分別隔有絕緣體15和13；金屬錐體(例如Mo材料)的單尖發(fā)射電流可達(dá)10μA，如果采用4×4個(gè)陰極對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，最大電流為160μA，考慮到50％的電流被柵極和場(chǎng)網(wǎng)截獲，發(fā)射的電流完全可以達(dá)到讀取信號(hào)的需要；半導(dǎo)體錐體(例如Si材料)的單尖發(fā)射電流可達(dá)0.5～10μA，采用陣列集束，同樣可使發(fā)射的電流達(dá)到讀取信號(hào)的需要；如果柵孔直徑為1μm，間距為3μm，靶上對(duì)應(yīng)的像素尺寸的大小限于12μm×12μm之內(nèi)。圖3中的(b)為薄膜結(jié)構(gòu)，發(fā)射體由金屬層17和金剛石薄膜18構(gòu)成，由于金剛石薄膜的(111)面具有負(fù)電子親和勢(shì)，在20～40V/μm的場(chǎng)強(qiáng)下，電流密度可達(dá)0.5～1mA/μm2。為了實(shí)現(xiàn)電子束掃描功能，可采用矩陣選址技術(shù)，其原理如圖4所示。陰極陣列19根據(jù)像素大小的要求按塊分布并且水平分條；下門極20的柵孔相對(duì)應(yīng)于陰極呈現(xiàn)塊狀分布，按垂直方向分條與陰極水平分條垂直交叉，當(dāng)陰極某一條和下門極某一條施加適當(dāng)電壓后，其交叉點(diǎn)處的塊狀陰極陣列產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，并通過(guò)上門極21聚焦，在場(chǎng)網(wǎng)22的作用下，電子束垂直打到靶面23，使靶面受掃描的位置電位降至為零。二極管場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管的結(jié)構(gòu)如圖5所示，在基底24上有金屬膜25，發(fā)射體由金屬層26和金剛石薄膜27構(gòu)成，靶面裝置由透明玻璃33、透明導(dǎo)電膜32和靶面材料層31構(gòu)成，靶面材料層31與多孔狀場(chǎng)網(wǎng)29之間有絕緣層30，場(chǎng)網(wǎng)29與金屬膜25之間有絕緣支撐體28，既可起到密封作用，又可起到控制陰極與靶面間距的作用。場(chǎng)網(wǎng)29與金剛石薄膜27組成二極管結(jié)構(gòu)，場(chǎng)網(wǎng)29既起到了產(chǎn)生場(chǎng)致電子發(fā)射的作用，又起到矩陣選址的作用。如圖6所示，陰極陣列34根據(jù)像素大小的要求按塊狀分布并且水平分條，場(chǎng)網(wǎng)36的矩形場(chǎng)網(wǎng)37相對(duì)應(yīng)于陰極呈塊狀分布，按垂直方向分條與陰極水平分條垂直交叉。根據(jù)金剛石薄膜35的場(chǎng)致發(fā)射要求，場(chǎng)網(wǎng)36與金剛石薄膜35之間的絕緣層厚度約為10～25μm，場(chǎng)網(wǎng)電壓約為200～400V之間，當(dāng)陰極某一水平條和場(chǎng)網(wǎng)某一垂直條施加適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，其交叉處的金剛石薄膜陰極產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電子，并在場(chǎng)網(wǎng)電壓的作用下，近貼聚焦垂直上靶，使靶面受掃描位置的電位降至為零。
權(quán)利要求1.一種高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，由基底、陰極和靶面裝置組成，其特征在于陰極采用場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，靶面裝置由靶面、透明導(dǎo)電膜和玻璃構(gòu)成，陰極與靶面裝置之間設(shè)有由絕緣體支撐的多孔狀場(chǎng)網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列的發(fā)射體采用金屬錐體、半導(dǎo)體錐體或金剛石薄膜結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于電子束掃描采用矩陣選址。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列采用雙門極結(jié)構(gòu)，每個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極都由發(fā)射體、下門極(柵極)和上門極(聚焦極)構(gòu)成，下門極和上門極均由絕緣體支撐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于場(chǎng)致發(fā)射陰極陣列采用二極管結(jié)構(gòu)，二極管結(jié)構(gòu)由發(fā)射體金剛石薄膜與孔狀電極(場(chǎng)網(wǎng))結(jié)合形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于透明導(dǎo)電膜、靶面和場(chǎng)網(wǎng)均采用工藝制備而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于陰極陣列根據(jù)像素大小按塊分布并且水平分條，下門極(柵極)的柵孔對(duì)應(yīng)于陰極呈塊狀分布，按垂直方向分條與陰極水平分條垂直交叉。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管，其特征在于陰極陣列根據(jù)像素大小按塊分布并且水平分條，場(chǎng)網(wǎng)的矩形場(chǎng)網(wǎng)孔對(duì)應(yīng)于陰極呈塊狀分布，按垂直方向分條與陰極水平分條垂直交叉。
專利摘要高性能場(chǎng)致發(fā)射陣列攝像管采用場(chǎng)致發(fā)射陣列為陰極發(fā)射源，靶面裝置由靶面、透明導(dǎo)電膜和玻璃構(gòu)成，陰極與靶面裝置間設(shè)有絕緣體支撐的多孔狀場(chǎng)網(wǎng)，陰極發(fā)射體為金屬錐體、半導(dǎo)體錐體或金剛石薄膜，可采用雙門極結(jié)構(gòu)或二極管結(jié)構(gòu)，電子束掃描采用矩陣選址技術(shù)，既具有分辨率和靈敏度高、噪聲和成本低、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)，又有功耗低、體積小、重量輕、抗振性好、抗靜電和抗輻射能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK2253051SQ9623156
公開(kāi)日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1996年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月3日
發(fā)明者王保平, 李曉華, 鄭姚生 申請(qǐng)人:東南大學(xué)