Спосіб виготовлення мікровакуумного автоемісійного випромінювача з планарно-торцевим катодом

1. Спосіб виготовлення мікровакуумного автоемісійного випромінювача з планарноторцевим емісійним катодом, утвореним круглим отвором в тонкому шарі провідного матеріалу і циліндричним екстракційним електродом, який розміщується нижче емісійного катода на підкладці так, що бокова поверхня циліндра співпадає з краєм отвору емісійного катода по вертикалі, який відрізняється тим, що формується планарноторцевий екстракційний електрод, утворений круглим отвором, з діаметром, як і в емісійному катоді, в тонкому шарі провідного матеріалу, для зменшення локальної неоднорідності потенціалу, додатково формується фокусуючий електрод з U МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 3 Основним недоліком прототипу є локально розподілений мінімум потенціалу у формі яру між емісійним катодом і екстракційним електродом. Локальна неоднорідність потенціалу вносить асиметрію в траєкторії руху емісійних електронів та іонів залишкових газів і спричиняє нерівномірність розподілу заряду по експонованій поверхні. Необхідність центрування циліндричного екстракційного електроду відносно отвору емісійного катоду ускладнює технологію виготовлення. Крок катодів в 20 мкм, ширина катоду і екстракційного електроду в 10мкм визначають роздільну здатність пристрою і обмежують його область використання, наприклад плоскими вакуумними катодолюмінісцентними дисплеями. Вказані недоліки не дозволяють використати прототип у процесі літографії для експонування топографічних зображень із нано- і мікрометровими розмірами елементів. В основу корисної моделі поставлено завдання збільшити роздільну здатність пристрою, зменшити локальну неоднорідність потенціалу в області "електрод-катод-анод", зменшити асиметрію в траєкторії руху емісійних електронів та іонів залишкових газів, покращити рівномірність розподілу заряду по експонованій поверхні. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі виготовлення мікровакуумного автоемісійного випромінювача з планарноторцевим катодом за аналогією із способом виготовлення прототипу, який включає формування планарно-торцевого емісійного катоду і екстракційного циліндричного катоду, який відрізняється тим, що згідно із корисною моделлю формується планарно-торцевий екстракційний електрод, утворений круглим отвором, з діаметром як і в емісійному катоді, в тонкому шарі провідного матеріалу. Для зменшення локальної неоднорідності потенціалу додатково формується фокусуючий електрод, з діаметром майже в 2 рази більшим від діаметру емісійного катоду, лійкоподібноїрозміщення іполікремнію.отриманих Схема форми в шарі форми електродів показані на Фіг.1. Корисна модель може бути виготовлена по стандартному технологічному процесу метал-окиселнапівпровідник (МОН) з використанням наступних технологічних операцій: 1. Осадження низькотемпературного піролітичного шару SiO2 (6) товщиною 0,15мкм на підкладку Si (7). 2. Осадження шару молібдену Мо (5) товщиною 0,05мкм. 3. Осадження шару Si (4). 4. Термічне окислення шару Si в середовищі газу окислювача з добавками хлоридів лантаноїдів для отримання шару SiO2 (4) товщиною 0,1мкм з великим пробивним полем . 5. Осадження шару Мо (3) товщиною 0,05мкм. 6. Осадження низькотемпературного піролітичного шару SiO2 (2) товщиною 0,25мкм. 7. Осадження шару полі-Si (І) товщиною 0,2мкм. 8. Осадження шару Si3N4 товщиною 0,05мкм. 9. Фотолітографія і формування маскуючих зображень апертури фокусуючого електроду. 32528 4 10. Покрокове анізотропне травлення полі-Si для утворення лійкоподібної форми (з кутом 9 градусів до нормалі поверхні) фокусуючого електроду. 11. Фотолітографія і створення маскуючих зображень в шарі Si3N4 для формування апертури в надкатодному шарі SiO2 (2). 12. Анізотропне травлення апертури в надкатодному шарі SiO2 (2) на товщину 0,2 мкм. 13. Фотолітографія і формування маскуючих зображень в шарі S13N4 для формування апертури емісійного катоду і екстракційного електроду.Анізотропне 14. реактивно-іонне (АРІ) травлення шару SiO2 (2) над емісійним катодом. 15. АРІ травлення шару Мо (3) емісійного катоду. 16. АРІ травлення шару SiO2 (4) над екстракційним електродом. 17. АРІ травлення шару Мо (5) екстракційного електроду. 18. АРІ травлення шару SiO2 (6) під екстракційним електродом на товщину 0,03мкм/ 19. Ізотропне травлення шару SiO2 (6) на товщину 0,05мкм для формування торцевих країв емісійного катоду і екстракційного електроду. 20. Травлення маскуючого шару Si3N4. В шарі 5 сформований планарно-торцевий екстракційний електрод на який подається позитивний потенціал. В шарі 3 сформований планарно-торцевий емісійнийкатод на який подається нульовий потенціал. Так як напруженість електричного поля між емісійним катодом і екстракційним електродом повинна бути не менш 109В/м, що перевищує величину пробивного поля 9´10В/м для плівок SiO2 [8], то шар 4 формується з одночасним гетеруванням лантаноїдами, що дозволяє на порядок збільшити величину пробивного поля [9, 10]. В шарі 1 сформований лійкоподібний фокусуючий електрод, де товщина шару, кут нахилу поверхні і величина негативного потенціалу визначаються з умови зменшення локальної неоднорідності потенціалу в області "електрод-катод-анод" і фокусування траєкторій руху емісійних електронів на експонованій поверхні. Таким чином, запропонований спосіб виготовлення мікровакуумного автоемісійного випромінювача з планарно-торцевим екстракційним електродом дозволяє підвищити роздільну здатність пристрою, зменшити локальну неоднорідність потенціалу в області "електродкатод-анод", зменшити асиметрію в траєкторіях руху емісійних електронів, покращити рівномірність розподілу заряду по експонованій поверхні кремнієвої пластини з фоторезистом, зменшити ерозію емісійної поверхні і збільшити стабільність фігур креслення Перелік автоемісійного струму. Фіг.1. Поперечний перетин мікровакуумного автоемісійного випромінювача: 1 - шар полі-Si фокусуючої лінзи; 2 - ізоляційний шар SiO2; 3 - Мо шар емісійного катоду; 4 - ізоляційний шар SiO2 з підвищеним значенням пробивного поля; 5 - Мо шар екстракційного електроду; 6 -ізоляційний шар SiО2; 7 - кремнієва підкладка Фіг.2. Електричне поле мікровакуумного автоемісійного випромінювача: 1 -еквіпотенціальні 5 лінії електричного поля; 2 - силові лінії електричного поля; 3 - фокусуючий електрод з прикладеним потенціалом -10В; 4 - емісійний катод з прикладеним потенціалом 0В; 5 екстракційний електрод з прикладеним потенціалом 80В. Фіг.3. Траєкторії руху емісійних електронів автоемісійного випромінювача: 1 - екстракційний електрод; 2 - емісійний катод; 3 - фокусуючий електрод; 4 - траєкторії руху емісійних електронів; 5 - експонована область на кремнієвій пластині Спосіб конкретного виконання Для експериментальної перевірки запропонованого способу було використано кремнієву пластину марки КДБ-40. На пластину осаджено шари 1-6 з використанням описаних операцій МОН технологічного процесу. Підкладка з тестовим набором 10´10 випромінювачів поміщалась у вакуумну камеру з розрідженням 107 Тор. Емісійні катоди заземлялися, на екстракційні електроди подавався потенціал 80В, на фокусуючі електроди - мінус 10В, а на анод - 80В. Середній, за результатами вимірювань, автоемісійний струм становив 452нА з двократними піковими значеннями. Можливість зменшення локальної неоднорідності потенціалу в області "електродкатод-анод" та усунення асиметрії в траєкторіях руху емісійних електронів перевірялася за допомогою комп'ютерного моделювання. Отриманий розподіл еквіпотенціальних і силових ліній електричного поля, траєкторії емісійних електронів для заданих значень прикладених потенціалів показані на Фіг.2, Фіг.3. Результати експериментальної перевірки підтверджують переваги запропонованої конструкції порівняно з прототипом, щодо збільшення роздільної здатності пристрою до 0,5мкм, зменшення локальної неоднорідності потенціалу в області "електрод-катод-анод", зменшення асиметрії в траєкторіях руху емісійних електронів, покращення рівномірності розподілу заряду по експонованій поверхні кремнієвої пластини з фоторезистом, підвищення стабільності автоемісійного струму. Даний спосіб може використовуватися як у промисловому виробництві, так і в науководослідних роботах при виготовленні пристроїв для 32528 6 експонування топографічних зображень інтегральних схем із нано- і мікрометровими розмірами топологічних елементів. Використані джерела інформації: 1. L.Dvorson, A.I. Akinwande. Double-gated silicon field emitters // J. of Vac. Sci. and Technol. В Microelectronics and Nanometer Structures. - Vol. 20, No. 1.-2002.-P.53-62. 2. Y.Toma, S.Kanemaru, Y. Itoh. Electron beam characteristics of double-gated Si field emitter arrays // J. of Vac. Sci. and Technol. В Vol. 14, No. 3, 1996. -P.1902-1907. 3. Albin S., Varghese A., Lavarias A.C. Diamond coated silicon field emitter array. J. of Vac. Sci. and technol. Vol. 14, No. 4. - 1999. - P.2104-2108. 4. A. van Zuuk et al. Fabrication and chatacterization of silicon carbide field emitter array // Microelectronic Engineering. Vol. 73-74. - 2004. P.106-110. 5. Гаврилов С.А., Ильичев 3.A., Полторацкий 3.A., Рычков Г.С., Дворкин В.В., Дзбановский Н.Н., Суетин Н.В. Эмиттеры из углеродных нанотрубок для планарной эмиссионной вакуумной микро- и наноэлектроники. Письма в ЖТФ. Т. 30, вып. 14.2004. - С.75-81. 6. S-B Lee, A.S. Tech et al. Fabrication of carbon nanotube lateral field emitters. Nanotechnology Vol. 14, 2003. - P.192-195. 7. Горфинкель Б.И., Абаньшин Н.П. // Патент на изобретение RU №2162662 С1 7Н01Л/62, 29/18 с приор. от 23.02.1999г. 8. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. С англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456с. 9. Новосядлий С.П. Технологія затворного окислення ВІС // Тези доповідей IV міжнародної конференції "Фізика і технологія тонких плівок". Івано-Франківськ: - 1997. - С.161-162. 10. Новосядлий С.П. Оксинітридний гетер в субмікронній технології ВІС // Матеріали міжнародної конференції "Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях" (Славпром) - Славсько. - 2002. - С.93. 7 32528 8 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 32528 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601