RU2794423C9 - Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) - Google Patents
Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794423C9 RU2794423C9 RU2022128913A RU2022128913A RU2794423C9 RU 2794423 C9 RU2794423 C9 RU 2794423C9 RU 2022128913 A RU2022128913 A RU 2022128913A RU 2022128913 A RU2022128913 A RU 2022128913A RU 2794423 C9 RU2794423 C9 RU 2794423C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- layer
- diamond film
- nanocrystalline diamond
- manufacturing
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии изготовления элементов вакуумной микроэлектроники с автоэмиссионными катодами.The invention relates to a technology for manufacturing vacuum microelectronics elements with field emission cathodes.
Обычно в состав катодного узла входят автоэмиссионный катод, управляющий электрод (сетка) и изолирующий слой между ними. Эффективность работы катодного узла управляемого автоэмиссионного элемента (микротриода) определяется током эмиссии, который в свою очередь зависит от материала или покрытия катода, рабочего напряжения и расстояния между электродами. Наиболее высокими эмиссионными свойствами обладают углеродные материалы и, в частности, покрытия на основе нанокристадлических алмазных (НКА) пленок [Lee Y.C., Lin S.J., Chia С.Т., Cheng H.F., Lin I.N. Synthesis and electron field emission properties of nanodiamond films // Diamond Related Mat., 13, P. 2100-2104, (2004), Subramanian K., Kang W.P., Davidson J.L., Hofmeister W.H., Growth aspects of nanocrystalline diamond films and their effects on electron field emissions // J. Vac. Sci. Technol. B. 23, No.2, P. 786, (2005)]. При этом отмечается, что легированные бором, азотом или фосфором покрытия обладают более низким порогом эмиссии [Ku Т.K., Chen S.H,, Yang C.D., et. al. Enhanced electron emission from phosphorus- and boron-doped diamond-clad Si field emitter arrays // Thin Solid Films. 290-291. P. 176-180 (1996)].Typically, the cathode assembly includes a field emission cathode, a control electrode (grid) and an insulating layer between them. The efficiency of the cathode assembly of a controlled field emission element (microtriode) is determined by the emission current, which in turn depends on the material or coating of the cathode, the operating voltage, and the distance between the electrodes. Carbon materials and, in particular, coatings based on nanocrystalline diamond (NCD) films have the highest emissive properties [Lee Y.C., Lin S.J., Chia S.T., Cheng H.F., Lin I.N. Synthesis and electron field emission properties of nanodiamond films // Diamond Related Mat., 13, P. 2100-2104, (2004), Subramanian K., Kang W.P., Davidson J.L., Hofmeister W.H., Growth aspects of nanocrystalline diamond films and their effects on electron field emissions // J. Vac. sci. Technol. B. 23, No. 2, P. 786, (2005)]. It is noted that coatings doped with boron, nitrogen or phosphorus have a lower emission threshold [Ku T.K., Chen S.H,, Yang C.D., et. al. Enhanced electron emission from phosphorus- and boron-doped diamond-clad Si field emitter arrays // Thin Solid Films. 290-291. P. 176-180 (1996)].
Катодные узлы на основе НКА пленок могут входить в состав триода, состоящего из катода, проводящей сетки с управляющим напряжением и анода, или в виде диода, состоящего из катода и анода, разделенных диэлектрическим слоем [Н.Н. Татаренко, В.Ф. Кравченко, Автоэмиссионные наноструктуры и приборы, на их основе. М:. ФИЗМАТЛИТ, (2006), 192 с.].Cathode nodes based on NCA films can be part of a triode consisting of a cathode, a conductive grid with a control voltage and an anode, or in the form of a diode consisting of a cathode and an anode separated by a dielectric layer [N.N. Tatarenko, V.F. Kravchenko, Field emission nanostructures and devices based on them. M:. FIZMATLIT, (2006), 192 p.].
В настоящее время в автоэмиссионных элементах (диодах, триодах и т.д.), как правило, используются катодные узлы с катодами, представляющими собой регулярные, контролируемые с высокой точностью массивы микроострий (столбиков, пирамид, конусов) на кремнии, создаваемые хорошо известными и часто применяемыми в микроэлектронике методами фотолитографии, травления, напыления через маску и т.д. Для улучшения эмиссионных характеристик в качестве материала катодов все чаще используются углеродсодержащие материалы, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ) или НКА пленки.Currently, in field emission elements (diodes, triodes, etc.), as a rule, cathode assemblies are used with cathodes, which are regular arrays of micropoints (pillars, pyramids, cones) on silicon, created by well-known and commonly used in microelectronics methods of photolithography, etching, sputtering through a mask, etc. To improve the emission characteristics, carbon-containing materials, in particular, carbon nanotubes (CNTs) or NCA films, are increasingly used as cathode materials.
Известен способ изготовления катодных узлов микротриодов [N. Tatsumi, A. Ueda, Y. Seki, et.al., Fabrication of Highly Uniform Diamond Electron Emitter Devices, // SEI Technical Review, No.64, 15-20, (2007)] методом самовыравнивания, при котором первоначально на пластине из монокристаллического алмаза с помощью фотолитографии и травления формируется матрица из конусных острий высотой несколько мкм, затем на эти острия последовательно осаждаются тонкие слои диэлектрика (SiO2), молибдена и фоторезиста, при этом слой фоторезиста имеет наименьшую толщину вблизи кончика острия. В дальнейшем происходит вытравливание фоторезиста, молибдена и SiO2 вокруг острия с образованием колодца, стенками которого является изолятор, а верхняя поверхность покрыта металлом, играющим роль сетки. Недостатком этого метода является то, что он разработан только для острийных пирамидальных катодов из монокристаллического алмаза, и не позволяет одновременно регулировать диаметр колодца (задающий расстояние между кончиком катода и сеткой) и его глубину, определяемые временем травления.A known method of manufacturing cathode nodes of microtriodes [N. Tatsumi, A. Ueda, Y. Seki, et.al., Fabrication of Highly Uniform Diamond Electron Emitter Devices, // SEI Technical Review, No.64, 15-20, (2007)] by a self-alignment method in which initially on the wafer single-crystal diamond is formed by photolithography and etching into a matrix of cone points a few microns high, then thin layers of dielectric (SiO 2 ), molybdenum and photoresist are successively deposited on these points, while the photoresist layer has the smallest thickness near the tip of the point. Subsequently, the photoresist, molybdenum, and SiO 2 are etched around the tip to form a well, the walls of which are an insulator, and the upper surface is covered with metal, which plays the role of a grid. The disadvantage of this method is that it is developed only for pointy pyramidal single-crystal diamond cathodes, and does not allow simultaneous control of the well diameter (setting the distance between the cathode tip and the grid) and its depth, determined by the etching time.
В работе [M.R. Rakhshandehroo, Design, Fabrication, and Characterization of Self-aligned Gated Field Emission Devices, // Dissertation for Ph.D at The University of Michigan, Tech. Rep.No. SSEL-284, (1998)] описан получивший широкое распространение способ изготовления катодных узлов (диодов Спиндта) на основе кремниевых микроострий. При этом способе первоначально на кремниевой пластине под маской из SiO2 методом анизотропного травления формируется матрица из острий, в дальнейшем на сформированную структуру, включая маску, наносится слой изолятора SiO2, затем через маску из фоторезиста осаждается тонкий слой металла. На следующем этапе "lift-off методом удаляется маска с острия катода и вытравливается изолятор вокруг катода с формированием колодца с сеточным электродом. В дальнейшем на кончик кремниевого катода может быть осаждена алмазная пленка. Данный способ также пригоден только для острийных катодов.In [MR Rakhshandehroo, Design, Fabrication, and Characterization of Self-aligned Gated Field Emission Devices, // Dissertation for Ph.D at The University of Michigan, Tech. Rep. No. SSEL-284, (1998)] describes a widely used method for manufacturing cathode assemblies (Spindt diodes) based on silicon micropoints. With this method, a matrix of points is initially formed on a silicon wafer under a mask of SiO 2 by anisotropic etching, then a SiO 2 insulator layer is deposited on the formed structure, including the mask, then a thin layer of metal is deposited through the photoresist mask. At the next stage, the "lift-off" method removes the mask from the cathode tip and etches the insulator around the cathode to form a well with a grid electrode. Subsequently, a diamond film can be deposited on the tip of the silicon cathode. This method is also suitable only for pointed cathodes.
В патенте RU 2391.738, опубл. 10.06.2010, бюл. №16, описан способ изготовления эмиссионного элемента (микротриода), включающего подложку, катодный узел, состоящий из одного или нескольких слоев электропроводящего материала, и расположенную на нем опорную структуру, состоящую из диэлектрического и электропроводящих слоев, расположенную на поверхности катодного узла и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются эмиссионные катоды из УНТ, расположенных на внешней поверхности катодного узла перпендикулярно его поверхности, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре. При этом катод формируется методом (MPCVD) плазмохимического селективного осаждения УНТ через микроразмерные технологические отверстия, что не позволяет достичь высокой воспроизводимости геометрических параметров катодов.In the patent RU 2391.738, publ. 06/10/2010, bul. No. 16, a method for manufacturing an emission element (microtriode) is described, including a substrate, a cathode assembly consisting of one or more layers of electrically conductive material, and a support structure located on it, consisting of dielectric and electrically conductive layers, located on the surface of the cathode assembly and containing through holes , inside which emission cathodes are formed from CNTs located on the outer surface of the cathode assembly perpendicular to its surface, an anode layer of electrically conductive material located on the outer surface of said support structure and containing technological holes aligned with the said holes in the support structure. In this case, the cathode is formed by the method (MPCVD) of plasma-chemical selective deposition of CNTs through microsized technological holes, which does not allow achieving high reproducibility of the geometric parameters of the cathodes.
В патенте RU 2455724, отмечены существенные недостатки использования углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве автоэмиссионного катода, связанные с нестабильностью эмиссионных характеристик и быстрым, снижением плотности тока эмиссии от времени. Это связано с разрушением торцов эмитирующих УНТ под действием ионов остаточного газа и их перегревом. Этот недостаток приводит к снижению продолжительности ресурса катодов. С целью исключения отмеченных недостатков авторы патента предлагают заменить автоэмиссионный катод на основе УНТ на катоды с наноалмазным покрытием.In patent RU 2455724, there are significant disadvantages of using carbon nanotubes (CNTs) as a field emission cathode, associated with the instability of the emission characteristics and a rapid decrease in the emission current density with time. This is due to the destruction of the ends of emitting CNTs under the action of residual gas ions and their overheating. This disadvantage leads to a decrease in the duration of the resource of the cathodes. In order to eliminate the noted shortcomings, the authors of the patent propose to replace the field emission cathode based on CNTs with cathodes with a nanodiamond coating.
В патенте RU 2455724, опубл. 10.07,20.12, бюл. №19, предложен способ изготовления автоэмиссионного элемента (триода) с катодным узлом на основе НКА пленок, содержащий следующие технологические этапы: формирование на поверхности подложки, покрытой диэлектрическим слоем, катодной структуры, из слоев электропроводящего материала; формирование на поверхности катодной структуры опорной структуры, состоящей из первого изолирующего слоя, расположенного на поверхности катодной структуры, затворного электропроводящего слоя, расположенного на поверхности первого изолирующего слоя, второго изолирующего слоя, расположенного на поверхности затворного электропроводящего слоя; формирование анодного слоя, расположенного на поверхности опорной структуры; формирование технологических отверстий в анодном слое; формирование сквозных отверстий в слоях опорной структуры, совмещенных с технологическими отверстиями в анодном слое; травление первого и второго изолирующих слоев жидкостным химическим методом при поступлении раствора через отверстия в анодном слое: формирование катода с НКА покрытием на поверхности токопроводящего слоя внутри упомянутых отверстий в опорной структуре. Существенным недостатком способа является отсутствие высокой повторяемости результатов, из-за трудности контроля процесса осаждения НКА покрытия через микронные отверстия в аноде, особенно при наличии легирования.In the patent RU 2455724, publ. 10.07.20.12, bul. No. 19, a method for manufacturing a field emission element (triode) with a cathode assembly based on NCA films is proposed, comprising the following technological steps: forming a cathode structure on the surface of a substrate coated with a dielectric layer from layers of an electrically conductive material; forming a support structure on the surface of the cathode structure, consisting of a first insulating layer located on the surface of the cathode structure, a gate electrically conductive layer located on the surface of the first insulating layer, a second insulating layer located on the surface of the gate electrically conductive layer; forming an anode layer located on the surface of the support structure; formation of technological holes in the anode layer; formation of through holes in the layers of the support structure, combined with technological holes in the anode layer; etching the first and second insulating layers by a liquid chemical method when the solution enters through the holes in the anode layer: forming a cathode with an NCA coating on the surface of the conductive layer inside the said holes in the support structure. A significant disadvantage of this method is the lack of high repeatability of results, due to the difficulty of controlling the process of deposition of NCA coating through micron holes in the anode, especially in the presence of doping.
В патенте RU 2763046, опубл. 27,12.2021, бюл. №36 описан способ изготовления автоэмиссионного эмиттера (катода) с нанокристаллической алмазной пленкой (прототип). Катод выполняют в виде вертикально расположенной трубки диаметром от 1 до 50 мкм и длиной до 5 мкм, размещенной на подложке из проводящего кремния, со стенками из однослойной тонкой (5-500 нм) легированной бором, азотом или фосфором НКА пленки или двухслойной НКА пленки, первый слой которой является тонким (5-50 нм) легированным бором, азотом или: фосфором проводящим слоем, а второй слой толщиной 300-500 нм, осаждаемый на первый слой для создания опорной структуры, является непроводящей НКА пленкой. Дня образования трубки НКА пленка осаждена из газовой фазы (CVD методом) на боковую стенку цилиндра из кремния с любым типом проводимости, обеспечивающим омический контакт между кремнием и алмазом. Верхняя кромка трубки совпадает с торцом кремниевого цилиндра или превышает его на высоту до 5 мкм. Эмиттер соосно помещается в колодец с диаметром на 1-3 мкм превышающим диаметр эмиттера. Колодец формируется изолирующим слоем с нанесенной на этот слой металлической пленкой, играющей роль сетки в случае триода или анода в случае диода. Солирующий слой между катодом и сеткой выполняется из SiO2 или нелегированной НКА пленки, осаждаемых на легированную НКА пленку или непосредственно на проводящую подложку. Анод располагается на расстоянии 2-100 мкм над катодным узлом.In the patent RU 2763046, publ. 27.12.2021, bul. No. 36 describes a method for manufacturing a field emission emitter (cathode) with a nanocrystalline diamond film (prototype). The cathode is made in the form of a vertical tube with a diameter of 1 to 50 microns and a length of up to 5 microns, placed on a conductive silicon substrate, with walls made of a single-layer thin (5-500 nm) NCA film doped with boron, nitrogen or phosphorus or a two-layer NCA film, the first layer of which is a thin (5-50 nm) conductive layer doped with boron, nitrogen or: phosphorus, and the second layer 300-500 nm thick, deposited on the first layer to create a support structure, is a non-conductive NCA film. During the formation of the NCA tube, the film is deposited from the gas phase (CVD method) on the side wall of a silicon cylinder with any type of conductivity that provides ohmic contact between silicon and diamond. The upper edge of the tube coincides with the end face of the silicon cylinder or exceeds it by a height of up to 5 μm. The emitter is coaxially placed in a well with a diameter of 1-3 microns greater than the diameter of the emitter. The well is formed by an insulating layer with a metal film deposited on this layer, which plays the role of a grid in the case of a triode or an anode in the case of a diode. The solo layer between the cathode and the grid is made of SiO 2 or an undoped NCA film deposited onto a doped NCA film or directly onto a conductive substrate. The anode is located at a distance of 2-100 microns above the cathode node.
В способе-прототипе при формировании колодца с помощью изолирующего слоя с нанесенной на этот слой металлической пленкой в последующей за созданием эмиттера технологической операцией затруднительно обеспечить (с помощью толщины слоя) воспроизводимые с высокой степенью точности геометрические размеры катодного узла, что является недостатком способа-прототипа.In the prototype method, when forming a well using an insulating layer with a metal film deposited on this layer, it is difficult to ensure (using the layer thickness) the geometric dimensions of the cathode assembly that are reproducible with a high degree of accuracy, which is a disadvantage of the prototype method.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является разработка способа, позволяющего с высокой степенью воспроизведения геометрических параметров изготавливать управляемые сеточным напряжением катодные узлы для автоэмиссионных элементов (триодов) с трубчатыми острийными катодами из легированных НКА пленок, обладающими высокими эмиссионными характеристиками, стабильностью тока и продолжительным ресурсом работы при техническом вакууме.The task to be solved by the proposed solution is the development of a method that allows, with a high degree of reproduction of geometric parameters, to manufacture grid-voltage-controlled cathode assemblies for field emission elements (triodes) with tubular pointed cathodes from doped NCA films, which have high emission characteristics, current stability and long a resource of work at technical vacuum.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности воспроизведения геометрических размеров катодного узла, высокие эмиссионными характеристиками, стабильность тока и продолжительный ресурс работы катодного узла при техническом вакууме.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of reproduction of the geometric dimensions of the cathode assembly, high emission characteristics, current stability and long service life of the cathode assembly in a technical vacuum.
Технический результат достигается тем. что в способе изготовления катодного узла микротриода с трубчатым катодом из нанокристаллической алмазной пленки, включающем формирование трубчатого катода в виде тонкостенной трубки со стенками из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, внутренний слой которой является непроводящим, а внешний проводящим, на поверхности проводящей кремниевой подложки формируют цилиндрическое углубление. На обратную сторону подложки наносят токоведущий слой. Внутри углубления соосно выполняют второе цилиндрическое углубление меньшего диаметра, глубина которого определяет высоту трубчатого катода. Полученную структуру подвергают обработке в ультразвуковой ванне с использованием суспензии детонационного наноалмазного порошка. Далее на структуру в едином технологическом процессе осаждают двухслойную нанокристаллическую алмазную пленку. Осаждают слой алюминия, проводят травление алюминия в углублениях, формируют сеточный электрод. Далее последовательным травлением нанокристаллической алмазной пленки и кремния внутри углублений формируют трубчатый катод.The technical result is achieved by that in the method of manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film, including the formation of a tubular cathode in the form of a thin-walled tube with walls made of a two-layer nanocrystalline diamond film, the inner layer of which is non-conductive, and the outer layer is conductive, a cylindrical recess is formed on the surface of the conductive silicon substrate. A conductive layer is applied to the reverse side of the substrate. Inside the recess, a second cylindrical recess of smaller diameter is made coaxially, the depth of which determines the height of the tubular cathode. The resulting structure is treated in an ultrasonic bath using a suspension of detonation nanodiamond powder. Next, a two-layer nanocrystalline diamond film is deposited onto the structure in a single technological process. A layer of aluminum is deposited, aluminum is etched in the recesses, and a grid electrode is formed. Further, by successive etching of the nanocrystalline diamond film and silicon, a tubular cathode is formed inside the recesses.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления катодного узла микротриода с трубчатым катодом из нанокристаллической алмазной пленки, включающем формирование трубчатого катода в виде тонкостенной трубки со стенками из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, внутренний слой которой является непроводящим, а внешний проводящим, на поверхности проводящей кремниевой подложки формируют цилиндрический выступ. На обратную сторону подложки наносят токоведущий слой. В области выступа соосно выполняют цилиндрическое углубление меньшего диаметра, чем диаметр выступа, глубина которого определяет высоту трубчатого катода. Полученную структуру подвергают обработке в ультразвуковой ванне с использованием суспензии детонационного наноалмазного порошка. На структуру в едином технологическом процессе осаждают двухслойную нанокристаллическую алмазную пленку. Осаждают слой алюминия, проводят травление алюминия на выступе и в углублении, формируют сеточный электрод. Далее последовательным травлением нанокристаллической алмазной пленки и кремния внутри углубления формируют трубчатый катод.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a microtriode cathode assembly with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film, including the formation of a tubular cathode in the form of a thin-walled tube with walls made of a two-layer nanocrystalline diamond film, the inner layer of which is non-conductive, and the outer layer is conductive, on the surface of a conductive silicon the substrates form a cylindrical ledge. A conductive layer is applied to the reverse side of the substrate. In the region of the protrusion, a cylindrical recess is made coaxially with a smaller diameter than the diameter of the protrusion, the depth of which determines the height of the tubular cathode. The resulting structure is treated in an ultrasonic bath using a suspension of detonation nanodiamond powder. A two-layer nanocrystalline diamond film is deposited onto the structure in a single technological process. A layer of aluminum is deposited, aluminum is etched on the ledge and in the recess, and a grid electrode is formed. Further, by successive etching of the nanocrystalline diamond film and silicon, a tubular cathode is formed inside the recess.
Кроме того стенки катода выполняют из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, причем внешний слой выполняют из легированной азотом нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.In addition, the walls of the cathode are made of a two-layer nanocrystalline diamond film, and the outer layer is made of a nitrogen-doped nanocrystalline diamond film with n-type conductivity.
Кроме того стенки катода выполняют из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, причем внешний слой выполняют из легированной фосфором нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.In addition, the cathode walls are made of a two-layer nanocrystalline diamond film, and the outer layer is made of a phosphorus-doped nanocrystalline diamond film with n-type conductivity.
Кроме того стенки катода выполняют из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, причем внешний слой выполняют из легированной одновременно фосфором и азотом нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.In addition, the cathode walls are made of a two-layer nanocrystalline diamond film, and the outer layer is made of an n-type nanocrystalline diamond film doped simultaneously with phosphorus and nitrogen.
Кроме того стенки катода выполняют из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, причем внешний слой выполняют из легированной бором нанокристаллической алмазной пленки с p-типом проводимости.In addition, the cathode walls are made of a two-layer nanocrystalline diamond film, and the outer layer is made of a boron-doped p-type nanocrystalline diamond film.
Кроме того подложку с цилиндрическими углублениями подвергают обработке в ультразвуковой ванне с использованием суспензии: детонационного наноалмазного порошка размером менее 5 нм от 20 до 30 минут.In addition, the substrate with cylindrical recesses is subjected to treatment in an ultrasonic bath using a suspension of detonation nanodiamond powder less than 5 nm in size from 20 to 30 minutes.
Кроме того подложку с цилиндрическим выступом и углублением в нем подвергают обработке в ультразвуковой ванне с использованием суспензии детонационного наноалмазного порошка размером менее 5 нм от 20 до 30 минут.In addition, the substrate with a cylindrical protrusion and a recess in it is subjected to treatment in an ultrasonic bath using a suspension of detonation nanodiamond powder less than 5 nm in size from 20 to 30 minutes.
Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
Фиг. 1. Технологический маршрут изготовления катодного узла с трубчатым катодом из проводящей НКА пленки, изолирующим слоем из непроводящей НКА пленки и сеточным электродом из алюминия; а - формирование цилиндрического углубления в кремниевой пластине; б - нанесение тонкого слоя титана на обратную сторону кремниевой пластины: в - формирование внутри цилиндрического углубления соосно второго цилиндрического углубления меньшего диаметра (колодца); г - осаждение двухслойной (проводящей и непроводящей) НКА пленки; д - осаждение алюминиевого слоя: е - травление алюминия и формирование сеточного электрода; ж - травление НКА пленки и кремния внутри колодца и формирование трубчатого катода.Fig. 1. Technological route for the manufacture of a cathode unit with a tubular cathode made of a conductive NCA film, an insulating layer of a non-conductive NCA film, and an aluminum grid electrode; a - formation of a cylindrical recess in a silicon wafer; b - deposition of a thin layer of titanium on the reverse side of the silicon wafer: c - formation inside the cylindrical recess coaxially of the second cylindrical recess of smaller diameter (well); d - deposition of a two-layer (conductive and non-conductive) NCA film; e - deposition of the aluminum layer: e - etching of aluminum and the formation of a grid electrode; g - etching of the NCA film and silicon inside the well and the formation of a tubular cathode.
Фиг. 2. Технологический маршрут изготовления катодного узла с верхним краем катода, расположенным на уровне сеточного электрода: а - формирование цилиндрического выступа (пьедестала) на кремниевой пластине; б - нанесение тонкого слоя титана на обратную сторону кремниевой пластины; в - формирование в пьедестале соосно цилиндрического углубления (колодца); г - осаждение двухслойной (проводящей и непроводящей) НКА пленки; д - осаждение алюминиевого слоя; е - травление алюминия и формирование сеточного электрода; ж - травление НКА пленки и кремния внутри колодца и формирование трубчатого катода расположенного вровень с сеточным электродом.Fig. Fig. 2. Technological route for manufacturing a cathode unit with the upper edge of the cathode located at the level of the grid electrode: a - formation of a cylindrical protrusion (pedestal) on a silicon wafer; b - deposition of a thin layer of titanium on the reverse side of the silicon wafer; c - formation of a coaxially cylindrical recess (well) in the pedestal; d - deposition of a two-layer (conductive and non-conductive) NCA film; e - deposition of the aluminum layer; e - etching of aluminum and the formation of a grid electrode; g - etching of the NCA film and silicon inside the well and the formation of a tubular cathode located flush with the grid electrode.
На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения: 1 - подложка из проводящего кремния; 2 - токоведущий слой; 3 - проводящая НКА пленка; 4 - непроводящая НКА пленка; 5 - слой алюминия.In FIG. 1, 2, the following designations are adopted: 1 - conductive silicon substrate; 2 - current-carrying layer; 3 - conductive NCA film; 4 - non-conductive NCA film; 5 - aluminum layer.
В первом варианте реализации способа изготовления катодного узла с трубчатым катодом из НКА пленки (фиг. 1.) технологический маршрут включает следующие основные стадии: а - формирование на поверхности подложки из проводящего кремния 1 цилиндрического углубления: б - нанесение токоведущего слоя 2 на обратную сторону пластины; в - формирование соосно в цилиндрическом углублении колодца; г - осаждение двухслойной (проводящей 3 и непроводящей 4) НКА пленки на поверхность подложки с расположенными на ней цилиндрическим углублением и колодцем; д - осаждение на НКА пленку слоя алюминия 5; е - травление алюминия в цилиндрическом углублении и колодце и формирование сеточного электрода; ж - последовательное травление НКА пленки и кремния внутри цилиндрического углубления и колодца, формирование трубчатого катода.In the first embodiment of the method for manufacturing a cathode unit with a tubular cathode from an NCA film (Fig. 1), the technological route includes the following main stages: a - formation of a cylindrical recess on the surface of the substrate from conductive silicon 1: b - application of a current-carrying
На первой стадии (фиг. 1а) на проводящей кремниевой подложке диаметром 100 мм с помощью фотолитографии и плазмохимического травления формируется матрица из неглубоких ~ 200-500 нм цилиндрических углублений диаметром до 50 мкм и заданным расстоянием между углублениями.At the first stage (Fig. 1a), on a conductive silicon substrate 100 mm in diameter, a matrix of shallow ~200–500 nm cylindrical depressions up to 50 µm in diameter and a given distance between the depressions is formed using photolithography and plasma-chemical etching.
На второй стадии (фиг. 1б) на обратную сторону подложки с помощью магнетронного напыления наносится тонкий ~ 100-200 нм токопроводящий слой титана, служащий в качестве катодного электрода.At the second stage (Fig. 1b), a thin ~100–200 nm conductive titanium layer is deposited on the reverse side of the substrate using magnetron sputtering, which serves as a cathode electrode.
На третьей стадии (фиг. 1в) в центре каждого цилиндрического углубления путем совмещения фотолитографической маски и последующего плазмохимического травления формируется внутренний колодец с диаметром на 0,5-4 мкм меньшим, чем диаметр цилиндрического углубления, и глубиной 1-4 мкм. При этом разница радиусов цилиндрического углубления и колодца в значительной мере определяет зазор между сеточным электродом и катодом, а глубина внутреннего колодца определяет высоту трубчатого катода.At the third stage (Fig. 1c), in the center of each cylindrical recess, by combining the photolithographic mask and subsequent plasma-chemical etching, an internal well is formed with a diameter of 0.5–4 μm smaller than the diameter of the cylindrical recess and a depth of 1–4 μm. In this case, the difference between the radii of the cylindrical recess and the well largely determines the gap between the grid electrode and the cathode, and the depth of the inner well determines the height of the tubular cathode.
На четвертой стадии сначала проводится обработка полученной структуры в ультразвуковой ванне для создания центров нуклеации алмаза на ее поверхности с использованием суспензии детонационного наноалмазного порошка размером менее 5 нм. Длительность этого процесса составляет 20-30 минут, которая позволяет достичь однородного засева при плотности нуклеации до 1011 см-2. Затем на подложку осаждается двухслойная НКА пленка (первый слой - проводящий, легированный фосфором, азотом, одновременно фосфором и азотом или бором толщиной 50-500 нм, второй -непроводящий (диэлектрический) слой толщиной 500-1000 нм, (фиг. 1г). Осаждение НКА пленки проводится CVD методом (с использованием СВЧ разряда или накаленной нити) в газовой смеси Н2/СН4 с добавкой легирующего газа (В2Н6, B(OCH3)3, N2, РН3 и т.д.). Процесс проводится при давлениях газовой смеси 10-100 Тор и температуре подложки 400-800°С, что позволяет осаждать однородные НКА пленки толщиной 10-1000 нм с высокой однородностью и низкой (менее 20 нм) шероховатостью. Необходимая толщина пленки регулируется временем осаждения, а степень легирования долей легирующего газа в смеси. Режим позволяет получать НКА пленки с проводимостью р-типа или n-типа в зависимости от типа легирующей добавки и концентрацией примеси в пленке в диапазоне 1017-1021 см-3. При этом осаждение двухслойных пленок с различным типом и уровнем легирования осуществляется в едином технологическом процессе, путем быстрой замены состава поступающей в реактор газовой смеси.At the fourth stage, the resulting structure is first processed in an ultrasonic bath to create diamond nucleation centers on its surface using a suspension of detonation nanodiamond powder with a size of less than 5 nm. The duration of this process is 20-30 minutes, which makes it possible to achieve uniform seeding at a nucleation density of up to 10 11 cm -2 . Then a two-layer NCA film is deposited on the substrate (the first layer is a conductive layer doped with phosphorus, nitrogen, simultaneously with phosphorus and nitrogen or boron with a thickness of 50-500 nm, the second is a non-conductive (dielectric) layer with a thickness of 500-1000 nm, (Fig. 1d). Deposition The NCA of the film is carried out by the CVD method (using a microwave discharge or an incandescent filament) in an H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of a dopant gas (B 2 H 6 , B(OCH 3 ) 3 , N 2 , PH 3 , etc.) The process is carried out at a gas mixture pressure of 10–100 Torr and a substrate temperature of 400–800°C, which makes it possible to deposit homogeneous NCA films 10–1000 nm thick with high uniformity and low (less than 20 nm) roughness.The required film thickness is controlled by the deposition time, and the degree of doping is the proportion of the doping gas in the mixture.The mode makes it possible to obtain NCA films with p-type or n-type conductivity, depending on the type of dopant, and the impurity concentration in the film in the range of 10 17 -10 21 cm -3 . with different types and levels of doping is carried out in a single technological process by quickly changing the composition of the gas mixture entering the reactor.
На следующей стадии (фиг. 1д) на полученную структуру методом магнетронного распыления наносится тонкий (0,2-2 мкм) слой алюминия, в дальнейшем играющий роль сеточного электрода.At the next stage (Fig. 1e), a thin (0.2–2 μm) aluminum layer is applied to the resulting structure by magnetron sputtering, which later plays the role of a grid electrode.
На шестой стадии (фиг. 1е) с помощью масочного покрытия и последующего плазмохимического травления происходит удаление алюминия с внутренних стенок цилиндрического углубления и колодца (до НКА покрытия), при этом оставшийся на поверхности подложки вокруг цилиндрического углубления слой алюминия образует сеточный электрод катодного узла.At the sixth stage (Fig. 1f), aluminum is removed from the inner walls of the cylindrical recess and the well (up to the LCA of the coating) using a mask coating and subsequent plasma-chemical etching, while the aluminum layer remaining on the substrate surface around the cylindrical recess forms the grid electrode of the cathode assembly.
На заключительной стадии (фиг. 1ж) первоначально осуществляется безмасочное анизотропное травление НКА пленки в цилиндрическом углублении и колодце, не затрагивающее его боковые стенки. Данный процесс возможен благодаря использованию индуктивно-связанной кислородсодержащей плазмы О2+Ar+Не. Подбором соотношения газов в смеси, общего потока реагентов, рабочего давления в реакторе и мощности емкостного и индуктивного разряда обеспечивается высокая анизотропия травления. При этом необходимое время процесса определяется толщиной алмазной пленки. Затем осуществляется травление кремния внутри цилиндрического углубления и колодца, боковые стенки которого защищены алмазной пленкой, и формирование тонкостенных трубчатых катодов заданной высоты.At the final stage (Fig. 1g), maskless anisotropic etching of the NCA of the film is initially carried out in a cylindrical recess and well, which does not affect its side walls. This process is possible due to the use of inductively coupled oxygen-containing plasma O 2 +Ar+He. By selecting the ratio of gases in the mixture, the total flow of reagents, the operating pressure in the reactor, and the power of the capacitive and inductive discharges, high etching anisotropy is ensured. In this case, the required process time is determined by the thickness of the diamond film. Then silicon is etched inside a cylindrical recess and a well, the side walls of which are protected by a diamond film, and thin-walled tubular cathodes of a given height are formed.
Последовательность операций для второго варианта реализации разработанного способа приведена на фиг. 2. На первой стадии на поверхности кремниевой подложки формируется пьедестал (фиг. 2а).The sequence of operations for the second embodiment of the developed method is shown in Fig. 2. At the first stage, a pedestal is formed on the surface of the silicon substrate (Fig. 2a).
На второй стадии (фиг. 2б) на обратную сторону подложки с помощью магнетронного напыления наносится тонкий ~ 100-200 нм токопроводящий слой титана, служащий в качестве катодного электрода.At the second stage (Fig. 2b), a thin ~100–200 nm conductive titanium layer is deposited on the reverse side of the substrate using magnetron sputtering, which serves as a cathode electrode.
На третьей стадии (фиг. 2в) в центре пьедестала, путем совмещения фотолитографической маски и последующего плазмохимического травления формируется колодец глубиной 2-5 мкм и диаметром на 0,5-4 мкм меньшим, чем диаметр пьедестала. При этом разница радиусов пьедестала и колодца определяет зазор между сеточным электродом и катодом, а глубина колодца определяет высоту трубчатого катода. Дальнейшие стадии процесса осуществляются по аналогии с описанным выше способом изготовления катодного узла.At the third stage (Fig. 2c), in the center of the pedestal, by combining the photolithographic mask and subsequent plasma-chemical etching, a well is formed with a depth of 2–5 µm and a diameter 0.5–4 µm smaller than the diameter of the pedestal. In this case, the difference between the radii of the pedestal and the well determines the gap between the grid electrode and the cathode, and the depth of the well determines the height of the tubular cathode. Further stages of the process are carried out by analogy with the method described above for the manufacture of the cathode assembly.
Таким образом, с помощью предлагаемого способа формируется структура катодного узла микротриода (фиг. 1, 2). Характерной особенностью данного катодного узла является то, что автоэмиссия электронов осуществляется из проводящей (легированной) НКА пленки, обладающей высокой проводимостью, долговечностью и низкой работой выхода, а в качестве диэлектрического слоя используются тонкая непроводящая (нелегированная) НКА пленка, имеющие высокие пробойные характеристики. Кроме того, предлагаемый способ изготовления обеспечивает высокую воспроизводимость геометрических параметров катодных узла.Thus, using the proposed method, the structure of the cathode node of the microtriode is formed (Fig. 1, 2). A characteristic feature of this cathode assembly is that the field emission of electrons is carried out from a conductive (doped) NCA film, which has high conductivity, durability and low work function, and a thin non-conductive (undoped) NCA film with high breakdown characteristics is used as a dielectric layer. In addition, the proposed manufacturing method provides high reproducibility of the geometric parameters of the cathode assembly.
Таким образом, отличительными признаками изобретения по сравнению с прототипом являются:Thus, the distinguishing features of the invention in comparison with the prototype are:
- в отличие от прототипа, в котором трубчатый катод создается на внешней стороне предварительно созданного вертикального кремниевого цилиндрического столбика, а структура катодного узла формируется путем создания вокруг столбика изоляционного слоя, предлагается создание структуры катодного узла на основе соосных цилиндрических углублений в кремниевой подложке,- unlike the prototype, in which a tubular cathode is created on the outside of a pre-created vertical silicon cylindrical column, and the structure of the cathode assembly is formed by creating an insulating layer around the column, it is proposed to create the structure of the cathode assembly based on coaxial cylindrical recesses in the silicon substrate,
- способ позволяет создавать трубчатый катод из легированной нанокристаллической алмазной (НКА) пленки на внутренней стороне цилиндрического углубления, который одновременно задает с высокой точностью и положение сеточного электрода в структуре катодного узла,- the method makes it possible to create a tubular cathode from a doped nanocrystalline diamond (NCD) film on the inner side of a cylindrical recess, which simultaneously sets the position of the grid electrode in the structure of the cathode unit with high accuracy,
- нанесение НКА пленки на внутреннюю сторону цилиндрического углубления в кремниевой подложке позволяет с высокой точностью воспроизводить структуру катода и зазоры между электродами.- deposition of the NCA film on the inner side of the cylindrical cavity in the silicon substrate makes it possible to reproduce the structure of the cathode and the gaps between the electrodes with high accuracy.
Claims (12)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794423C1 RU2794423C1 (en) | 2023-04-18 |
| RU2794423C9 true RU2794423C9 (en) | 2023-05-26 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6882094B2 (en) * | 2000-02-16 | 2005-04-19 | Fullerene International Corporation | Diamond/diamond-like carbon coated nanotube structures for efficient electron field emission |
| RU2332745C1 (en) * | 2006-11-22 | 2008-08-27 | Геннадий Яковлевич Красников | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof |
| RU2391738C2 (en) * | 2008-02-11 | 2010-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes |
| EP2520707A1 (en) * | 2007-04-28 | 2012-11-07 | Q-Flo Limited | Method of increasing the density of carbon nanotube fibres or films |
| CN103045999A (en) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 青岛润鑫伟业科贸有限公司 | Preparation method of field emission cathode |
| US8692226B2 (en) * | 2011-12-29 | 2014-04-08 | Elwha Llc | Materials and configurations of a field emission device |
| RU2763046C1 (en) * | 2021-02-15 | 2021-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Field emission emitter with nanocrystalline diamond film |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6882094B2 (en) * | 2000-02-16 | 2005-04-19 | Fullerene International Corporation | Diamond/diamond-like carbon coated nanotube structures for efficient electron field emission |
| RU2332745C1 (en) * | 2006-11-22 | 2008-08-27 | Геннадий Яковлевич Красников | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof |
| EP2520707A1 (en) * | 2007-04-28 | 2012-11-07 | Q-Flo Limited | Method of increasing the density of carbon nanotube fibres or films |
| RU2391738C2 (en) * | 2008-02-11 | 2010-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes |
| US8692226B2 (en) * | 2011-12-29 | 2014-04-08 | Elwha Llc | Materials and configurations of a field emission device |
| CN103045999A (en) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 青岛润鑫伟业科贸有限公司 | Preparation method of field emission cathode |
| RU2763046C1 (en) * | 2021-02-15 | 2021-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Field emission emitter with nanocrystalline diamond film |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3699114B2 (en) | Structure of electron-emitting device with high packing density | |
| KR100366191B1 (en) | How to manufacture flat panel display system and components | |
| US6075315A (en) | Field-emission cold cathode having improved insulating characteristic and manufacturing method of the same | |
| US5150192A (en) | Field emitter array | |
| RU2455724C1 (en) | Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters | |
| US20030059968A1 (en) | Method of producing field emission display | |
| JP2000215788A (en) | Carbon material and its manufacture and field emission type cold cathode by using it | |
| KR100449071B1 (en) | Cathode for field emission device | |
| RU2391738C2 (en) | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes | |
| RU2794423C9 (en) | Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) | |
| RU2794423C1 (en) | Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments) | |
| CN101497991A (en) | Method for manufacturing aluminum nitride silicon tip and grids structure | |
| Rakhshandehroo et al. | High current density Si field emission devices with plasma passivation and HfC coating | |
| RU2784410C1 (en) | Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films | |
| US5665421A (en) | Method for creating gated filament structures for field emission displays | |
| JP3832840B2 (en) | Method of manufacturing a gated filament structure for a field emission display | |
| Jessing et al. | Porous silicon field emission cathode development | |
| KR20010029763A (en) | Method for manufacturing field emission display device using carbon nanotube | |
| EP1003196A1 (en) | Carbon material, method for manufacturing the same material, field-emission type cold cathode using the same material and method for manufacturing the same cathode | |
| KR100767417B1 (en) | Field Emission Display Device and Method of Driving the sme | |
| KR100322611B1 (en) | Fabrication Method of Field Emission Device Using Carbon Nanotube | |
| RU2763046C1 (en) | Field emission emitter with nanocrystalline diamond film | |
| KR20010055227A (en) | Field Emission Device Using Carbon Nanotube And Fabrication Method Thereof | |
| US7025892B1 (en) | Method for creating gated filament structures for field emission displays | |
| RU2678192C1 (en) | Method of manufacturing of a field emission element |