Реферат: Катод Спиндта
Саратовскийгосударственный университет
Им. Н.Г.Чернышевского
Курсовая работаКатод Спиндта.
Кафедра Прикладной физики
Научный руководитель:
Мухамедов Р.Ф.
Выполнил студент 5 курса
535гр. Физ. Факультета:
Ярославкин Ю.А.
САРАТОВ 2001.
Содержание:
1. Введение.
2. Автоэлектронная эмиссия.
3. Тонкоплёночныеавтоэмиссионные катоды. Технология и особенности протекания эмиссионныхпроцессов.
4. Технология изготовлениякатодов Спиндта.
5. Плотность упаковкиэмиттеров.
6. Время жизни.
7. Заключение.
8. Список литературы.
Введение:
Стремительное развитие деловой жизни и появление новейшихцифровых информационных технологий и устройств отображения информациизаставляют разработчиков третьего тысячелетия совер-шенствовать способы отображения и передачи информации .
Вакуумная микроэлектроника во многом определила путиреализации самых смелых идей в использовании информационного пространства.Современного пользователя невозможно представить без компьютера и программ, набазе которых строятся современные исследования, разработки и использованиемирового информационного пространства, позволяющего двигатьнауку .
Конечно, историю науки пишут сами людинауки. Поэтому никак не избежать субъективного подхода к изложению дате одних итех же фактов, к подбору «значительных событий», к оценке значительности тогоили иного специалиста, той или иной работы для развития научного направления:ведь есть пророни своем отечестве
о которых не знают в отечествах других .
Основной доклад на первой международнойконференции по вакуумной микроэлектроники сделал Айвор Броди – один из основоположниковэтого направления. По мнению Броди вакуумная микроэлектроника приобрелабольшое значение благодаря двум факторам общего характера:
1. Возрослитребования, которым уже не могут удовлетворить твёрдотельные приборы, дажепосле огромных исследовательских затрат, и, кроме того,
2. Специалистыпришли к выводу, что отнюдь не будет непрактичным делать вакуумные лампымикронных и субмикронных размеров.
Как же по Айвору Броди развивалась вакуумная микроэлектроника?Он выделяет четыре основных пути её развития, которые привели к сегодняшнемусостоянию.
В начале 20-х годов нашего столетия пробой заявил о себев периодических срывах трансатлантических радиопередач, осуществляемых спомощью высоко мощных ламп Маркони. Госслинг, работавший у Маркони, исследовалэтот эффект и в 1926 году опубликовал работу, в которой высказал гипотезу, чтопробой вызывается электронами с выпуклостями на вольфрамовом стержневом катоде.Эти выпуклые неоднородности взрывались, вызывая пробой. Как пишет Броди,обсуждение этих результатов с профессором Фаулером из Кембриджскогоуниверситета привело к Нордгейму, получившему средства на исследования, и, вконечном счете, к уравнению Фаулера – Норд гейма. Открытие того, что электронымогут вылетать с холодных катодов под действием электрических полей с высокойнапряжённостью, вызвало множество проектов приборов, но прошло более сорокалет, прежде чем что-то получилось.
Настоящая работа посвящена особенностям технологииизготовления катодов Спиндта, основанная на методе создания решетокавтокатодов, с использованием тонкопленочной технологии и электронно-пучковойлитографии.
Решетки автоэмиссионных катодов, изготовленных измонокристаллов кремния с применением тонких металлических пленок, обладаюттехническими характеристиками, позволяющими их широкое применение в плоскихдисплеях, сканирующих микроскопах и т.п.
Автоэлектронная эмиссия.
Автоэлектронная эмиссия (АЭ) — физическое явление,состоящее в том, что электроны покидают твёрдое тело, в котором они находятся вкачестве свободных носителей заряда (это может быть металл или полупроводник),под действием сильного электрического поля, приложенного к поверхности. Вслучае автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер наповерхности тела не за счет кинетической энергии теплового движения, а путемспецифического квантового явления – туннельного эффекта.
В простейшем случаетуннельный эффект заключается в том, что микроскопическая частица,первоначально находившаяся по одну сторону потенциального барьера (то естьобласти пространства, для которой полная энергия частицы e превышает её потенциальную энергию Uсх), может сконечной вероятностью быть обнаружена по другую сторону барьера.
Туннельный эффектявляется чисто квантовым феноменом и для него отсутствует аналог в классическоймеханике. Согласно Ньютновской механике частица с массой m неможет находиться внутри потенциального барьера, поскольку из уравнения дляполной энергии следует,
/> (1)
что соотношение />выполняетсятолько для мнимых значений импульса р. Объяснение туннельного эффекта, вконечном счёте, связано с соотношением неопределённости Гейзенберга, согласнокоторому квантовая частица находиться в состоянии с одновременно точноопределёнными координатой и импульсом.
Неопределённости /> и/>всегдаудовлетворяют соотношению
/>, (2)
где /> эрг/>с– постоянная Планка.
Согласно этому принципу, слагаемые в правой частиуравнения (1) не имеют одновременно определённых значений и могут отличаться отсвоих средних значений. Поэтому имеется конечная вероятность обнаружитьквантовую частицу в запрещённой зоне с точки зрения классической механикиобласти.
Туннельный эффект был одним из первых квантовыхявлений, предсказанных после создания в 1926 году Э. Шредингером волновоймеханики. По всей видимости, первое свидетельство его существования можно найтив статье Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича, которые рассматривали решениеуравнения Шредингера для
модельного потенциала ангармонического осциллятора вида
/> при/>и/>при/>.
Волновая функция, описывающая свободное движение частицыслева от потенциала (при x>a).При этом, когда энергия частицы близка к значениям дискретных уровней энергиивнутри потенциальной ямы, амплитуда волновой функции справа от нее резковозрастает. Это явление на современном языке носит название резонансногопрохождения через потенциальный барьер.
В 1928 году Г. Гамов с помощью туннельного эффектаобъяснил явление /> -радиоактивности тяжёлых ядер, и в том же году Фаулер и Норд гейм построилитеорию холодной эмиссии из поверхности металлов. Туннельный эффект лежит воснове объяснения таких явлений, как слияние лёгких ядер при термоядерныхреакциях, работы сверхпроводящего перехода Джозефсона и туннельного диода.Именно Фаулер вместе с Нордгеймом в том же 1928 году построили теорию холоднойэмиссии (автоэлектронной эмиссии) с поверхности металлов.
На рис.1 приведен график потенциальной энергииэлектрона вблизи границы металл – вакуум при отсутствии внешнего поля и приналичии слабого и сильного внешних полей в зависимости от расстояния отповерхности металла.
/> <td/>
U(x)
x
Уровень Ферми. 1
2
Энергетические урони, d
заполненные электро-
нами. 3
металл вакуум
/>Кривые1,2 и 3 соответствуют
случаям отсутствия внешнего
поля, слабому полю и
сильному полю: d-ширина
барьера. По мере увеличения
внешнего положительного
/>поляпонижается
/>высотапотенциального
/>/>барьеранад уровнем Ферми
/>/>иуменьшается его ширина.
/>/>/>/>/>/>/>Следовательно,увеличивается
/>вероятностьпроникновения
/>через барьер электронов,
подлетающих к нему со
стороны металла.
Иными словами,
увеличивается число Рис.1 Поверхностныйпотенциальный барьер на границе
раздела металл–вакуум.
электронов, проходящих через барьер, то есть токавтоэмиссии. Подчеркнем, что в случае автоэмиссии с поверхности металла, электрическоеполе не проникает в глубь него и не влияет на движение электронов в металле.Роль внешнего поля сводиться только к изменению формы потенциального барьера,уменьшению его высоты и ширины.
Тонкопленочныеавтоэмиссионные катоды
Технология иособенности протекания эмиссионных
процессов.
Исключительно важной для всего развития вакуумноймикроэлектроники стала статья Спиндта с сотрудниками из Стэндфордскогоисследовательского института, опубликованная в 1976 году в журнале Journal of Applied Physics. В ней был описан метод создания решёток автокатодовс молибденовыми остриями с использованием тонкоплёночной технологии иэлектронно-пучковой микролитографии, а также были приведены результатыподробного экспериментального исследования полученных автокатодов. Разработаннаятехнология позволяла изготавливать катоды, содержавшие до 5000 острий с радиусомскругления около 500 A и плотностью упаковки примерно />
Тонкоплёночный катод с полевой эмиссией представляет собойсэндвич: проводник-изолятор (рис.2). Верхний проводник или сетка имеетотверстие от 1 до 3 мкм в диаметре, сквозь которое протравлено отверстие донижнего проводника. На подложке находится конусообразный эмиттер, его вершинарасполагается в отверстии сеточной пленки. Размеры для одного из изготовленныхкатодов приведены на рисунке.
/>
Рис. 2 Схематическоеизображение тонкоплёночного автоэмиссионного катода Спиндта.
1. Молибденовый конус
2. Изолирующий слой из диоксидакремния
3. Молибденовая управляющая плёнка
4. Кремневая подложка.
Перспективнымприменением изделий вакуумной микроэлектроники представляется разработка плоскихпанельных дисплеев. Обеспечивающих высокое качество изображения и яркости ( втом числе и для цветного телевидения). Кремний –очень удобный материал дляизготовления автоэмиссионных катодов. Поиск новых материалов, подходящих длясоздания автокатодов, ведется непрерывно.
Технологияизготовления катодов Спиндта заслуживает
особоговнимания. Она состоит из нескольких этапов.
1. Получениестандартной высокопроводящей подложки из кремния. Эта подложка покрываетсязатем оксидной плёнкой кремния требуемой толщины (1,5мкм) с помощью техникиокисления.
2. Методомэлектронно-лучевого напыления на окисел наносится тонкая плёнка молибденатолщиной 0,4мкм.
3. Этаструктура покрывается полиметилметакрилатом (ПММ) – высокополимерным соединением,которое представляет собой электронночувствительное сопротивление. Толщинапленки (ПММ) примерно 1мкм.
4. ПоверхностьПММ экспонируется в вакууме сфокусированными электронными пучками, формируя наней пятна нужного диаметра и необходимой конфигурации. Пятна обычно имелидиаметр около 1мкм и располагались в узлах квадратной решётки с шагом 25,4мкмили 12,4 мкм.
5. Экспонированныеучастки растворяются в изопропиловом спирте, а затем происходит травлениележащего ниже этих участков слоя молибдена до диэлектрика.
6. Удаляютсяостатки ПММ, и слой диэлектрика травится плавиковой кислотой до кремневойподложки. В результате образуется структура, показанная на рис.3.1. Плёнкамолибдена слегка нависает над отверстием в диэлектрике, так как кислота недействует на молибден.
7. Методомвакуумного напыления на молибден наносится плёнка алюминия. При этом образецнепрерывно вращается вокруг вертикальной оси, и напыление происходит подбольшим углом к ней. Это делается, чтобы предотвратить попадание алюминия всетке. Размер отверстия уменьшается до необходимой величины (рис. 3.2.).
8. Черезчастично закрытое отверстия производится напыление молибдена, при этом внутриотверстия вырастает конус необходимого размера и высоты. Вершина конусаформируется, когда отверстие полностью закрывается. Эта стадия процессапоказана на рис. 3.3.
9. Вспомогательныйслой алюминия растворяется, находящийся на нем молибденовая пленка удаляется(рис. 3.4.). После термической тренировки в вакууме катод готов к применению.
/>
2мкм
2 2
Рис.3. Технология изготовлениятонкоплёночного катода./>
Рис.3.1. Исходнаяструктура для формирования конуса.
/>
Рис.3.2. Формированиеизолирующего слоя.
/>
Рис.3.3. Формированиеконуса напылением.
/>
Рис.3.4. Удалениеизолирующего слоя.
1-металическая плёнка; 2-диэлектрик; 3-кремневаяподложка;
4-ось вращения; 5-направление напыления
Используя такую технологию, были изготовлены катоды с1,100 и 5000 эмиттерами. Решётка со 100 эмиттерами имела вид матрицы
10 на 10 с шагом 25,4мкм, так что полная область эмиссиипредставляла собой квадрат со стороной 0,25мм. Решётка с 5000 эмиттерамизаполняла круглую область диаметром 1мм с расстоянием между конусами 12,7мкм.Таким образом, плотность упаковки эмиттеров достигла />.Фотография поверхности тонкоплёночного катода под большим увеличением приведенана рис.4.
Рис.4Поверхность тонкоплёночного катода.
/> /> /> /> /> /> <td/> />
Рис.4.1. Решёткаострий под Рис.4.2.Одиночное остриё.
большимувеличением.
Область рабочих напряжений для катодов составляла от100до 300В. Они работали при давлении />мм.рт.ст.,которое обеспечивалось непрерывной откачкой. Ток эмиссии одного острия находилсяв пределах от 50 до 150 мкА. Полный ток с 100-острийного катода достигал 5 мА,что соответствует средней плотности тока с катода 8 А//>.Для катода с 5000 острий в импульсном режиме был получен ток до 100 мА(плотность тока достигла 12 А//>.).Дальнейшее увеличение тока с катода было невозможно, поскольку анод не былприспособлен для диссипации соответствующего количества энергии.
Помимо технологии создания тонкоплёночных катодов, былиприведены результаты подробного исследования их характеристик; прежде всегоэмиссионных характеристик, стабильности работы, шумовых свойств.
Важнейшими параметрами автоэмиссионных катодов являютсякоэффициент усиления поля на поверхности острия и эффективная площадь эмиссии.Коэффициент усиления поля β связывает напряжённость электростатическогополя на поверхности острия с приложенным напряжением. /> (*)
Если пренебречь влиянием пространственного заряда эмитированныхэлектронов, то такая связь должна быть линейной, поэтому коэффициент βзависит от геометрии системы и от положения точки наблюдения на поверхностиострия. Для расчёта β можно использовать приближённые аналитическиеформулы или численные методы. В качестве примера на рис.5. приведенарассчитанная численно зависимость коэффициента усиления β от полярногоугла /> длягеометрических размеров, соответствующих катоду Спиндта. Как следует изрисунка, поле на поверхности острия практически не уменьшается вплоть до угла />иуменьшается примерно на 10% для угла />.
/> I//>
/> 2.5 1.0
2.0 />0.8
/>
1.5 0.6
/>
1.0 0.4
/>
0.5 0.2
0.0 30 60 90 />
Рис.5. Распределение коэффициента усиленияполя /> иплотности тока эмиссии по поверхности острия.
Кривые 1 и 2 соответствуют напряжению 150 – 300В науправляющем электроде.
На этом рисунке приведены, рассчитанные с использованиемзакона Фаулера – Норд гейма, где плотности тока эмиссии от угла /> длянапряжений V=150 и 300В. Видно, что основной вклад вавтоэмиссионный ток дают точки поверхности, для которых />.Угол /> можноиспользовать для определения эффективной площади эмиссии:
/> (3)
где r– радиус скругленияострия.
Полный ток е острияравен:
/> (4)
где />-плотность тока, даваемая формулой Фаулера – Норд гейма
для напряжённости поля на поверхности острия />.
Формулы (3) и (4) совместно определяют эффективнуюплощадь эмиссии и предельный угол />.Для корректного определения /> необходимонайти />-зависимость коэффициента усиления от угла, затем интегрированием вычислитьполный ток с острия и воспользоваться формулой (4).
Определённая таким способом эффективная площадь эмиссиизависит от напряжения. Представление о порядке величины площади эмиссии можнополучить более просто, если считать, что угол автоэмиссии /> соответствуетуменьшению коэффициента усиления поля на 10%. Тогда следует определить изграфика /> такоезначение /> ивоспользоваться формулой (3). В этом случае оценка для эффективной площади,очевидно, не зависит от напряжений. Полученная оценка для />обычноне более чем в 2 раза отличается от более строгого расчёта.
Данные рассуждения справедливы в случае атомарно гладкой поверхностиострия. Если же на нем существуют микронеоднородности более мелких масштабов,чем радиус скругления острия, то вблизи них электрическое поле дополнительноусиливается. Из-за очень резкой зависимости плотности тока от напряжённостиполя, полный ток полностью определяется эмиссией с микро неоднородностями.Эффективная площадь эмиссии в соответствии с формулой (3) имеет порядок />,где />-характерный масштаб неоднородности.
Плотностьупаковки эмиттеров.
Сообщается о том, что достигнута плотность упаковкиоколо />.Дальнейшее увеличение этого числа связанно с одновременным уменьшением диаметраотверстия в управляющем электроде и расстоянием между ними. Минимальный диаметротверстия, полученный ранее равен 0,5мкм и его уменьшение затруднено аберрациямив электронно-оптической системе, используемой для формирования много пучковогоэлектронного потока в установке для электронно-лучевой литографии. Приведёмтипичные значения физических параметров для катода с 300-ми отверстиями ирасстояниями между ними 6.35мкм (плотность острий />).Максимально достигнуто значение тока 12,5мА, при напряжении 130В и среднем токес острия 40мкА. Это соответствует плотности тока 130А//>.Дальнейшее увеличение тока требовало бы специального охлаждения анода.Используя катод с малым числом острий, можно продемонстрировать, что автоэмиссионныекатоды способны обеспечить на порядок большую плотность тока. Так, для катода с16-ю остриями при переменном напряжении с частотой 60Гц, была полученаплотность тока в максимуме около 1000А//>.Катод работал в таком режиме 100 часов, после чего исследование его поверхностис помощью сканирующего электронного микроскопа показало отсутствие каких-либовидимых изменений и повреждений.
Время жизни.
Приведённые данные свидетельствуют о большойдолговечности автоэмиссионных катодов. Непрерывное испытание в вакуумной камерекатода со100 остриями продолжалось в течении более чем 8 лет при уровне эмиссииот 20мкА до 50мкА с остриями, и было прервано из-за неисправности ионногонасоса. Дальнейшее развитие тонкопленочных катодов связанно, прежде всего, суменьшением их геометрических размеров и увеличением плотности упаковки, чтопозволяет достигнуть сразу несколько целей. Уменьшение расстояниеостриё-управляющий электрод и уменьшение радиуса острия понижает рабочеенапряжение. Одновременно снижаются требования к вакууму, поскольку уменьшаетсявероятность ионизации и энергия ионов, бомбардирующих катод. Увеличениеплотности упаковки эмиттеров увеличивают среднюю плотность тока, которуюспособен обеспечить автоэмиссионный катод. Увеличиваются такая предельнаяработа приборов, созданных на основе технологий тонкоплёночного катода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изготовление катодов Спиндта представляетсобой достаточно сложный технологический процесс формирования тонких металлическихпленок на базе кремниевой подложки. Автоэмиссионные, катоды с полевойэмиссией могут быть использованы для создания плоских дисплеев и экранов,которые широко применяются для портативных компьютеров и в качестветелевизионных трубок. Однако последние требуют совершенствования методовуправления сигналами, которые обеспечиваются быстродействующими микросхемами.Вопрос о том, как сделать приборы и компоненты, имеющие микронныегеометрические размеры ( с нанометрическими допусками на эти размеры) продолжаетмучить исследователей- разработчиков.
Современный процесс изготовления микросхем включает многочисленныесверхточные операции формирования сложного рисунка разводки компьютерныхмикросхем.
В последнее время появились сообщения оразработках миниатюрных и быстродействующих чипах с низким энергопотреблением.Проводятся исследования в области нанотехнологий. Большинство экспертовсчитают, что примерно в 2012 году технология кремниевых микросхем достигнетфизических и экономических пределов своего развития. Изобретение компании Hewlett-Packard и Калифорнийскогоуниверситета UCLA предлагает использование простойрешетки проводников, размеры которых сравнимы с несколькими атомами,соединенными электронными коммутаторами толщиной в одну молекулу. В проведенныхэкспериментах ученые «упаковали» решетку в слой толщиной в одну молекулу изэлектрически коммутируемых молекул под названием «ротаксаны». Затем при подачеэлектронного сигнала на молекулы, размещенные между проводниками решетки,открылся простой логический вентиль. Это изобретение было названо журналом Technology Review одним из пяти наиболее важных патентов 2000 года. Результаты таких работдоказывают, что в будущем программирование может заменить используемые сейчасточные методы производства компьютерных микросхем. После сборки базовой решеткис помощью программирования можно реализовать очень сложную логическую схему, выставивэлектронными сигналами нужные коммутаторы в молекулярной структуре.
Так в августе прошлого года появилисьсообщения корпорации IBM (компания Intel)о создании самой маленькой логической схемы на основе двух транзисторов, построенныхиз отдельной молекулы углерода. Новый транзистор с шириной затвора 15 нанометрови напряжением питания 0,8В изготавливается по CMOS-технологии, имеет время срабатывания 0.38 пикосекунды, то есть может совершать2,63трлн. Переключений в секунду. Как ожидается, новый 0,15 –нм транзисторстанет основным элементом при разработке высокоскоростных микросхем.
При конструировании этой схемы использовалась нанотрубкауглерода — материал, который в 100 раз тоньше человеческого волоса. «Эта работавпервые продемонстрировала возможность использования молекул в качествеэлектронных устройств, для логической схемы компьютера», — заявил господин Хит,профессор химии университета UCLA и директорКалифорнийского института наносистем.
Углерод, по мнению исследователей IBM,позволит заменить кремний и даже сможет выполнить больше функций, однакокомпания пока не планирует использовать нанотехнологии в собственных устройствах.Многообещающими областями применения углеродных нанотехнологий в ближайшембудущем прогнозируется электромагнитная экранировка, а также производствоплоских дисплеев для телевизоров, компьютеров и других высокотехнологичныхустройств. Помимо сложности создания нанотранзисторов, использование их вмассовом производстве пока не выгодно из-за значительной дешевизны кремниевыханалогов. В целом исследователи склоняются к тому, что кремниевые и нанотехнологиине конкурируют, а скорее дополняют друг друга.
Списоклитературы:
1. МандельштамЛ.И. Лекции по теории колебаний.
М.: Наука, 1972.
2. Коржуев А.В. // Физика в школе. 1995.№3.С.66.
3. Гамов Г.А. Моя мировая линия: Неформальная автобиография.М.: Наука, 1994
4. Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике.Трубецков Д.И., Рожнев А.Г… 1996.
5. Электронно-оптическиесистемы с сеточным управлением. Григорьев Ю.А., Правдин Б.С. 1987.
6. Лабораторныйпрактикум по физике. Барсуков К.А., Ухамов Ю.И. 1988.
7. Адресв Internet www.CNews.ru