Способ изготовления полевого эмиссионного элемента

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полевым эмиссионным элементам, содержащим углеродные нанотрубки, используемые в качестве катодов, а также способу их изготовления. Изобретение может быть использовано в диодах, триодах, электронных пушках, источниках рентгеновского излучения, полевых эмиссионных дисплеях и других изделиях микроэлектроники.

Высокими эмиссионными свойствами обладают углеродные материалы, в частности, углеродные нанотрубки. Известен полевой эмиссионный элемент и способ его изготовления, где углеродные нанотрубки используются в качестве катодов [1]. Способ изготовления такого полевого эмиссионного элемента содержит технологические этапы: формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, катодной структуры, составленной из токоведущего слоя, расположенного на поверхности диэлектрической подложки, адгезионного слоя, расположенного на поверхности токоведущего слоя, каталитического слоя, расположенного на поверхности адгезионного слоя, опорной структуры, расположенной на поверхности каталитического слоя и составленной из первого изолирующего слоя, расположенного на поверхности каталитического слоя, затворного электропроводящего слоя, расположенного на поверхности первого изолирующего слоя, второго изолирующего слоя, расположенного на поверхности затворного электропроводящего слоя; формирование отверстий во втором изолирующем слое; формирование отверстий в затворном электропроводящем слое; формирование отверстий в первом изолирующем слое; нанесение жертвенного слоя; формирование структуры жертвенного слоя; нанесение анодного слоя; формирование технологических отверстий и структуры проводников в анодном слое; травление жертвенного слоя жидкостным химическим методом при поступлении раствора через технологические отверстия в анодном слое; активизация поверхности каталитического слоя при термической обработке; формирование углеродных нанотрубок на поверхности каталитического слоя внутри упомянутых отверстий в первом изолирующем слое при поступлении активной газовой среды к поверхности каталитического слоя через технологические отверстия в анодном слое.

Недостатком данного способа изготовления является то, что массив нанотрубок покрывает всю поверхность катода и это приводит к их взаимному экранированию, что снижает интенсивность эмиссии.

Известен источник электронов с полевыми эмиттерами, содержащий множество управляемых эмиссионных элементов [2], сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки, на последней в каждом из таких отверстий размещен полевой эмиттер, причем каждый управляемый эмиссионный элемент образован указанным полевым эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом полевого эмиссионного элемента, и ее управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя, в подложке вокруг полевого эмиттера каждого полевого эмиссионного элемента указанного множества выполнено кольцеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхности, при этом, по меньшей мере, боковая поверхность этого углубления покрыта изоляционным материалом или окислена.

Недостатком данного решения является то, что полевой эмиттер находится на возвышении, затрудняющем теплоотвод, при этом отсутствует надежная электрическая изоляция между управляющим электродом и автоэлектронным эмиттером.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков, принятом за прототип изобретения для изготовления устройства является техническое решение, изложенное в патенте [3], согласно которому полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, в котором выполнена матрица сквозных отверстий, над которым расположен вытягивающий слой, в отверстиях вдоль стенок которых сформирован изолирующий слой и сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя, но больше толщины изолирующего слоя. Способ формирования полевого эмиссионного элемента состоит из следующих шагов: формирование проводящего слоя или выбор электропроводящей подложки, формирование каталитического слоя на вышеуказанной подложке, формирование диэлектрического слоя на поверхности каталитического слоя, формирование проводящего вытягивающего слоя, проведение как минимум одной перфорации через вытягивающий слой, проходящей через диэлектрический слой, таким образом формируя отверстие в вытягивающем слое, содержащее боковые стенки, до вскрытия катализатора или подложки, формирование второго диэлектрического слоя на вытягивающем слое, боковых стенках отверстия, катализаторе или подложке, удаление части второго диэлектрического слоя на вытягивающем слое, катализаторе или подложке с сохранением второго диэлектрического слоя на боковых стенках отверстий, и рост электрически проводящей группы наноструктур на каталитическом слое, электрически связанном с подложкой, так, что наноструктуры будут электрически изолированы от вытягивающего слоя.

Недостатком данного способа является уменьшение диаметра пучка синтезируемых углеродных нанотрубок (УНТ) и слабая защита от замыкания УНТ с вытягивающим слоем, что приводит к ухудшению теплоотвода, уменьшению срока службы и снижению надежности источника электронов.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением является создание источника электронов, обеспечивающего высокую плотность тока эмиссии.

Для решения задачи способ изготовления полевого эмиссионного элемента включает формирование каталитического слоя на электропроводящей подложке, формирование диэлектрического слоя на поверхности каталитического слоя, формирование проводящего вытягивающего слоя, формирование отверстия в вытягивающем слое, проходящего через диэлектрический слой до вскрытия каталитического слоя, и рост УНТ на каталитическом слое, электрически связанном с подложкой, так, что УНТ будут электрически изолированы от вытягивающего слоя, отличающийся тем, что перед формированием каталитического слоя на проводящей подложке проводится формирование диэлектрического слоя, формирование отверстия в диэлектрическом слое с изотропным растравом в подложке, формирование каталитического слоя проводится на дне углубления в электропроводящей подложке методом напыления металлов, формирования маски и жидкостного травления, формирование второго диэлектрического слоя проводится с образованием полости в электропроводящей подложке до формирования проводящего вытягивающего слоя, формирование отверстия в проводящем вытягивающем слое и втором диэлектрическом слое проводится методом анизотропного реактивно-ионного травления до вскрытия катализатора, образуя во втором диэлектрическом слое зауженное отверстие по сравнению с отверстием в проводящем вытягивающем слое, диэлектрическом слое и электропроводящей подложке, окончательное вскрытие катализатора проводится газофазным методом.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг. 1 - полевой эмиссионный элемент;

фиг. 2 - формирование катализатора на дне отверстий в электропроводящей подложке

фиг. 3 - формирование второго диэлектрического и электропроводящего вытягивающего слоев;

фиг. 4 - плазмохимическое травление матрицы отверстий в вытягивающем электропроводящем и втором диэлектрическом слое;

Полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку 1, диэлектрический слой 2, второй диэлектрический слой 3, электропроводящий вытягивающий слой 4, каталитический слой 5, массивы углеродных нанотрубок 6, изотропное углубление в подложке 7, отверстие в диэлектрическом и втором диэлектрическом слое 8, отверстие в вытягивающем слое 9 (фиг. 1). Каталитический слой 5 расположен в углублениях 7, выполненных в электропроводящей подложке. На каталитическом слое 5 расположен массив углеродных нанотрубок 6, высота которого меньше высоты второго диэлектрического слоя 3.

Полевой эмиссионный элемент изготавливают следующим способом. Проводят окисление кремниевой пластины диаметром 100 мм для образования диэлектрического слоя из оксида кремния толщиной 0,5 мкм. Формируют маску для травления диэлектрического слоя и подложки. Проводят анизотропное плазмохимическое травление слоя оксида кремния и изотропное плазмохимическое травление кремниевой подложки. Удаляют маску. Проводят электронно-лучевое напыление каталитических слоев Ti толщиной 0,01 мкм и Ni толщиной 0,002 мкм. Наносят фоторезист с учетом сформированных углублений в подложке. Формируют маску при проведении проекционной фотолитографии для травления катализатора. Проводят формирование структуры каталитического слоя и жидкостное химическое травление пленки Ti (0,01 мкм) и Ni (0,002 мкм), удаляют маску (фиг. 2). Таким образом формируют на подложке отдельные области катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок в углублениях в кремнии. Проводят плазмохимическое осаждение второго диэлектрического слоя SiO₂ толщиной 1,5 мкм. Проводят магнетронное напыление электропроводящего вытягивающего слоя Ti толщиной 0,2 мкм (фиг. 3). Формируют структуру матрицы отверстий в электропроводящем (вытягивающем) слое и втором диэлектрическом слое путем проекционной фотолитографии и плазмохимического травления. При этом проводят формирование маски для травления структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, над ранее сформированными областями катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, затем проводят плазмохимическое анизотропное травление с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях до слоя катализатора, удаляют маску. Проводят газофазное травление слоя SiO₂, осадившегося внутри углублений в кремнии, до вскрытия катализатора (фиг. 4) Проводят селективный плазмостимулированный химический парофазный синтез углеродных нанотрубок на каталитическом слое высотой 2,5-3,0 мкм при температуре 550°С (фиг. 1).

От прототипа указанный способ отличается тем, что формирование сужения диэлектрического слоя проводится в верхней части массива, обеспечивая улучшенный электрический контакт УНТ с подложкой, сохранность катализатора при проведении операций травления и повышение надежности структуры за счет направления роста УНТ в центр структуры эмиссионного элемента. Выбор способов формирования слоев обеспечивает повышение технологичности изготовления полевого эмиссионного элемента и увеличение выхода годных. Использование при формировании второго диэлектрического слоя технологии, заключающейся в анизотропности осаждения диэлектрика в отверстиях, приводящей к смыканию второго диэлектрического слоя в верхней части отверстий, сформированных в слое диэлектрика, и формированию пустот внутри углублений в проводящей подложке, позволяет формировать структуру с ограничением свободы синтезируемых УНТ в отверстиях, приводящим к формированию конусов из УНТ в центре полевых эмиссионных элементов. Удаление диэлектрика, успевшего осесть внутри углублений в проводящей подложке, проводится селективным методом газофазного травления до вскрытия всего слоя катализатора. Первый диэлектрик представляет собой слой, сформированный окислением кремния, что обеспечивает его высокие диэлектрические свойства, отсутствие дефектов, равномерность по толщине и меньшую скорость травления газофазным методом по сравнению со вторым диэлектрическим слоем, формируемым методом плазмохимического осаждения, и состоящем также из оксида кремния. Использование при формировании изолирующего слоя технологии самосовмещения, когда после изотропного нанесения второго диэлектрического слоя проводится его анизотропное удаление, обеспечивает формирование отверстий во втором диэлектрическом слое точно в центре относительно углублений в подложке, что в свою очередь обеспечивает расположение концов синтезированных УНТ ровно в центре формируемого эмиссионного элемента, снижая вероятность электрического контакта между УНТ и вытягивающим слоем и снижая токи утечки структуры.

В предлагаемом источнике электронов в каждом элементе выполнено заужение диэлектрического слоя в верхней части синтезируемого массива УНТ.

За счет формирования массива углеродных нанотрубок в виде конуса достигается предотвращение замыкания между УНТ и вытягивающим электродом, уменьшение токов утечки, повышение тока эмиссии, повышение теплоотвода с углеродных нанотрубок, повышение технологичности изготовления, надежности и увеличение выхода годных.

Источники информации:

1. Патент РФ 2391738

2. Патент РФ 2586628

3. Патент США 64440763 - прототип.