АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОТРИОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FIELD EMISSION MICROTRIODE AND METHOD OF MANUFACTURE

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании тонкопленочных интегральных схем.
Известен автоэлектронный микротриод, содержащий сформированную на подложке многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из металлического катодного слоя с расположенным на его поверхности металлическим острийным эмиттером; металлической сетки (затвора) с отверстием (апертурой); изоляционного слоя между металлическими электродами катода и сетки, содержащего микрополость между острийным эмиттером и апертурой сетки; металлического анода; изоляционного слоя между металлическими электродами сетки и анода, содержащего микрополость между апертурой сетки и анодом [1].
Известен способ изготовления автоэлектронного микротриода [1], включающий нанесение на подложку проводящего металлического слоя из тугоплавкого металла (например, молибдена или вольфрама), осаждение на поверхность металлического слоя диэлектрического слоя из окиси алюминия, формирование в диэлектрическом слое методами фотолитографии ячеистой матрицы сквозных отверстий, осаждение на диэлектрический слой с ячеистой матрицей сквозных отверстий металлического слоя под углом касательной к поверхности подложки при вращении подложки вокруг оси, нормальной к ее поверхности, обеспечивая таким образом формирование управляющего электрода, термообработку полученной структуры в вакууме при температуре 1000°С, осаждение из сложного источника (смесь «молибден-окись алюминия») под углом касательной к поверхности при вращении подложки вокруг оси, нормальной к ее поверхности, технологического слоя для уменьшения диаметра отверстий в сформированных структурах; осаждение на поверхность слоя молибден-окись алюминия по нормали к поверхности подложки эмиттерного материала, например молибдена, в результате чего у основания отверстий непосредственно на проводящем металлическом слое образуется цилиндрический выступ; осуществление далее одновременного осаждения из двух источников смеси «молибден-окись алюминия» под углом касательной к поверхности и эмиттерного материала нормально к поверхности подложки для формирования на вершине выступа игловидного острия; последующее удаление поверхностных слоев из смеси «молибден-окись алюминия» и проведение термообработки полученной структуры в вакууме при температуре 1000°С, обеспечивая таким образом завершение процесса формирования многоэмиттерного острийного катода с расположением отдельных острийных эмиттеров в пределах каждого из отверстий диэлектрического слоя; осаждение на полученную структуру диэлектрического слоя, например окиси алюминия, под углом касательной к поверхности при вращении подложки вокруг оси, нормальной к ее поверхности; осаждение проводящего металлического слоя, например молибдена, под углом касательной к поверхности при вращении подложки вокруг оси, нормальной к ее поверхности, обеспечивая таким образом полное затягивание отверстий и формирование герметизирующего проводящего электрода-анода.
6
-2
Недостатком известного технического решения является большая технологическая сложность изготовления таких структур. Действительно, при формировании острийных эмиттеров необходимо очень точно выдерживать соотношения между углами и скоростями осаждения материалов из двух отдельных источников при вращающейся подложке. Трудноуправляемость этого процесса приводит к неоднородности острийных эмиттеров по высоте, диаметру, радиусам закругления и углам конуса, в результате чего возникают разные токовая и тепловая нагрузки и нестабильность эмиссии отдельных острийных эмиттеров. Достигаемая в соответствии с известным способом упаковочная плотность острийных эмиттеров составляет порядка 2,5·10 см при диаметре сквозных отверстий в диэлектрическом слое 2 мкм и расстоянии между центрами отверстий 6,4 мкм. Предельный минимальный размер цилиндрического канала, который может быть получен существующими технологиями изготовления автоэлектронных микроприборов, составляет порядка 0,7-1,0 мкм в диаметре и обусловлен физическими ограничениями многолучевой электронной литографии и изотропностью травления диэлектрических слоев. Кроме этого, другим основным недостатком вакуумных автоэлектронных микроприборов, изготовленных по известным технологиям, являются достаточно высокие (40-50 В) рабочие напряжения экстракции электронов, которые главным образом ответственны за возникновение эффектов, связанных с ионной бомбардировкой и катодным распылением эмиттера в атмосфере остаточных газов (вакуумной или газовой среде) прибора, приводящих к нестабильности автоэлектронной эмиссии. Для дальнейшего снижения рабочих напряжений автоэлектронных микротриодов должны быть существенно уменьшены радиусы острийных эмиттеров и цилиндрических микроканалов, а также междуэлектродное расстояние от вершины острийного эмиттера до анода.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является автоэлектронный микротриод, содержащий сформированную на подложке и защищенную герметизирующим слоем (для обеспечения постоянства физико-химических условий работы) многослойную тонкопленочную структуру, в которой катодный и анодный электроды разделены междуэлектродным диэлектрическим слоем из пористого анодного оксида алюминия со сквозными нанопорами (для обеспечения передвижения эмиттированных электронов) [2].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления автоэлектронного микротриода, включающий осаждение на подложку двухслойной тонкопленочночной структуры, состоящей из адгезионного подслоя вентильного тугоплавкого металла и проводникового металлического слоя, формирование нижнего электрода, формирование междуэлектродного диэлектрического слоя из пористого анодного оксида алюминия, сквозное пористое анодирование немаскированных участков слоя алюминия, сквозное анодное окисление подслоя вентильного тугоплавкого металла, термообработку в вакууме, ионно-плазменное травление, осаждение слоя материала верхнего электрода, формирование из него топологического рисунка верхнего электрода и контактных площадок к электродам прибора, осаждение слоя герметизирующего материала, термообработку в вакууме и вскрытие контактных окон в герметизирующем слое к электродам прибора [2].
Недостатки известного технического решения
1. Неоднородность геометрии эмиттерных нановыступов (образующихся в местах выхода пор при осаждении эмиттерного материала на поверхность неупорядоченной структуры пористого анодного оксида алюминия), а также отсутствие буферного резистивного слоя, который ограничивает резкий подъем тока автоэмиссии, приводят в процессе работы прибора к нестабильности автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) и, соответственно, к нестабильности его электрических характеристик.
i
2. Высокое подаваемое напряжение (необходимое для получения заметного автоэмиссионного тока) на анодный (экстрагирующий) электрод зачастую оказывается сопоставимо с напряжением пробоя междуэлектродного диэлектрика, и это приводит к низкой надежности прибора. Кроме этого, высокие значения напряжения экстракции (значительно превышающие напряжение первого ионизационного потенциала U=12,5 В) ионизируют молекулы остаточного газа, которые затем осуществляют бомбардировку и распыление эмиттерных нановыступов, что, в свою очередь, приводит к изменению конфигурации последних и, соответственно, к изменению тока эмиссии.
3. Практически одинаковые суммарные площади эмитирующих нановыступов и расположенных напротив них участков анодного (экстрагирующего) электрода приводят к симметрии получаемой вольт-амперной характеристики.
4. Отсутствие управляющего (экстрагирующего) электрода в непосредственной близости от вершин эмиттерных нановыступов не позволяет осуществлять модуляцию вызываемого автоэмиссионного тока.
Недостатки известного способа
1. Неупорядоченность структуры, получаемой на начальной стадии формирования пористого анодного оксида из верхнего слоя алюминия и используемой в последующем в конструкции прибора, не позволяет получать вертикально ориентированные сквозные поры. Это приводит в процессе работы прибора к экранированию электронных пучков при их движении в сформированных таким образом пролетных каналах.
2. Невозможность формирования данным способом управляющего (эктрагирующего) электрода в непосредственной близости от вершин эмиттерных нановыступов.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в улучшении качества изоляции и упорядоченности структуры междуэлектродных диэлектрических слоев, уменьшении рабочих напряжений, получении несимметричной вольт-амперной характеристики, обеспечении возможности модуляции вызываемого автоэмиссионного тока, повышении надежности и стабильности работы автоэлектронного микротриода.
Это достигается тем, что в известном автоэлектронном микротриоде, содержащем сформированную на подложке и защищенную герметизирующим слоем многослойную тонкопленочную структуру, в которой катодный и анодный электроды разделены междуэлектродным диэлектрическим слоем из пористого анодного оксида алюминия со сквозными нанопорами,
многослойная тонкопленочная структура содержит дополнительный междуэлектродный диэлектрический слой со сформированным на ее поверхности управляющим электродом, а катодный электрод расположен непосредственно на поверхности подложки и состоит из проводниковой структуры и эмиттерной области, содержащей расположенные на части поверхности проводниковой структуры буферный резистивный слой и эмиттерный слой с расположенными на его поверхности регулярными единообразными эмиттерными нановыступами, которые встроены в основания сквозных наноотверстий дополнительного междуэлектродного диэлектрического слоя, расположенного на части поверхности катодного электрода над эмиттерной областью, полностью ее накрывая, при этом длина дополнительного междуэлектродного диэлектрического слоя ограничивается изоляционными карманами, которые располагаются под управляющим электродом, перекрывают ширину последнего и отделяют область его пересечения с катодным электродом от остальной части топологического рисунка управляющего электрода, а сквозные нанопоры междуэлектродного диэлектрического слоя из пористого анодного оксида алюминия соосны и равны диаметрам нижележащих апертур в управляющем электроде и сквозных наноотверстиий дополнительного междуэлектродного диэлектрического слоя.
Технический результат достигается и тем, что в известном способе изготовления автоэлектронного микротриода, включающем осаждение на подложку двухслойной тонкопленочночной структуры, состоящей из адгезионного подслоя вентильного тугоплавкого металла и проводникового металлического слоя, формирование нижнего электрода, формирование междуэлектродного диэлектрического слоя из пористого анодного оксида алюминия, сквозное пористое анодирование немаскированных участков слоя алюминия, сквозное анодное окисление подслоя вентильного тугоплавкого металла, термообработку в вакууме, ионно-плазменное травление, осаждение слоя материала верхнего электрода, формирование из него топологического рисунка верхнего электрода и контактных площадок к электродам прибора, осаждение слоя герметизирующего материала, термообработку в вакууме и вскрытие контактных окон в герметизирующем слое к электродам прибора,
после осаждения на подложку двухслойной тонкопленочночной структуры, состоящей из адгезионного подслоя вентильного тугоплавкого металла и проводникового металлического слоя, дополнительно осаждают защитный слой вентильного металла, слой резистивного материала и слой эмиттерного материала, из которых методами литографии и селективного травления формируют топологический рисунок катодного электрода, на котором посредством последующей литографии и травления слоев эмиттерного и резистивного материалов формируют эмиттерную область, после чего, используя сформированные топологические рисунки эмиттерного слоя и защитного слоя вентильного металла как совмещенную маску, стравливают проводниковый металлический слой, затем осаждают первый слой алюминия и формируют изоляционные карманы путем локального сквозного анодного окисления первого слоя алюминия и адгезионного подслоя вентильного металла по топологическому рисунку изоляционных карманов, которые располагаются под топологическим рисунком будущего управляющего электрода, перекрывают ширину последнего и отделяют область его пересечения с катодным электродом от остальной части топологического рисунка управляющего электрода, затем формируют дополнительный междуэлектродный диэлектрический слой путем локального сквозного плотного анодирования первого слоя алюминия по топологическому рисунку дополнительного междуэлектродного диэлектрического слоя, который накрывает эмиттерную область катодного электрода, превышает ширину будущего управляющего электрода как минимум на удвоенную величину допуска совмещения топологических слоев и достигает областей изоляционных карманов, после чего осаждают проводниковый слой, формируют из него методами литографии и травления топологический рисунок управляющего электрода, осаждают второй слой алюминия, проводят пористое анодирование части толщины второго слоя алюминия, формируя таким образом технологический слой пористого анодного оксида алюминия, который затем удаляют путем селективного травления, осаждают технологический слой вентильного металла, из которого методами литографии и травления формируют защитную маску для контактных областей к катодному и управляющему электродам, проводят плотное анодирование вскрытой поверхности оставшейся части второго слоя алюминия, а формирование междуэлектродного диэлектрического слоя из пористого анодного оксида алюминия осуществляют в процессе сквозного пористого анодирования немаскированных участков оставшейся части второго слоя алюминия и первого слоя алюминия, после чего проводят электрохимическую полировку образовавшейся структуры пористого анодного оксида алюминия и, используя последнюю в качестве маски, осуществляют последовательное протравливание сквозь ее поры сквозных наноотверстий в управляющем электроде и нижележащем дополнительном междуэлектродном диэлектрическом слое, а в процессе сквозного анодного окисления адгезионного подслоя вентильного металла одновременно осуществляют и формирование нановыступов из анодного оксида материала эмиттерного слоя, затем удаляют защитную маску контактных областей к катодному и управляющему электродам, а после термообработки в вакууме перед осаждением слоя материала верхнего электрода осаждают анодный подслой вентильного металла и после осаждения слоя материала верхнего электрода из него формируют топологический рисунок анода и контактных площадок к электродам прибора, затем проводят сквозное окисление незащищенных участков анодного подслоя вентильного металла и термообработку в вакууме.
При этом сквозное пористое анодирование оставшейся части второго слоя алюминия и первого слоя алюминия проводят, используя те же режимы анодирования, что и при формировании технологического слоя пористого анодного оксида алюминия.
В качестве эмиттерных материалов используют вентильные тугоплавкие металлы или их сплавы.
На фиг.1-32 приведена предложенная технологическая последовательность изготовления автоэлектронного микротриода. На фиг.1 изображен фрагмент поперечного сечения подложки с нанесенной многослойной тонкопленочной структурой, состоящей из адгезионного подслоя вентильного металла, проводникового металлического слоя, защитного слоя вентильного металла, слоя резистивного материала и слоя эмиттерного материала. На фиг.2 показан вид сверху фрагмента первой литографической маски, защищающей топологический рисунок катодного электрода. На фиг.3, 4, 5, 6 изображены фрагменты поперечных сечений, взятых вдоль линии А-А на фиг.2, показывающих этапы изготовления катодного электрода. На фиг.7 изображен фрагмент поперечного сечения, взятый вдоль линии Б-Б на фиг.2, после нанесения на сформированную структуру катодного электрода первого слоя алюминия. На фиг.8 показан вид сверху фрагмента третьей литографической маски, формирующей топологический рисунок будущих изоляционных карманов. На фиг.9 изображен фрагмент поперечного сечения, взятый вдоль линии В-В на фиг.8, после формирования изоляционных карманов. На фиг.10 показан вид сверху фрагмента четвертой литографической маски, формирующей топологический рисунок дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя. На фиг.11, 12 изображены фрагменты поперечных сечений, взятых вдоль линии Г-Г на фиг.10, показывающих этапы изготовления дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя и осаждения слоя материала управляющего электрода. На фиг.13 показан вид сверху фрагмента пятой литографической маски, защищающей топологический рисунок управляющего электрода. На фиг.14, 15, 16, 17, 18 изображены фрагменты поперечных сечений, взятых вдоль линии Д-Д на фиг.13, показывающих этапы формирования управляющего электрода, упорядоченной матрицы вогнутостей на осажденном втором слое алюминия и осаждения технологического слоя вентильного металла. На фиг.19 показан вид сверху фрагмента шестой литографической маски, защищающей топологический рисунок будущих контактных областей к катодному и управляющему электродам. На фиг.20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 изображены фрагменты поперечных сечений, взятых вдоль линии Е-Е на фиг.19, показывающих этапы формирования межкомпонентного диэлектрического слоя пористого анодного оксида алюминия, междуэлектродного диэлектрического слоя из пористого анодного оксида алюминия, апертур в управляющем электроде, сквозных наноотверстий в дополнительном (первом) междуэлектродном диэлектрическом слое, сквозных наноканалов, эмиттерных нановыступов, межкомпонентного диэлектрика катодного слоя, контактных областей к катодному и управляющему электродам, а также анодного подслоя вентильного металла и анодного проводникового слоя. На фиг.27 показан вид сверху фрагмента седьмой литографической маски, защищающей топологический рисунок анодного электрода и контактных площадок к электродам автоэмиссионного микротриода. На фиг.28, 29, 30 изображены фрагменты поперечных сечений, взятых вдоль линии Ж-Ж на фиг.27, показывающих этапы формирования межкомпонентного диэлектрика анодного слоя, анодного электрода, межуровневых контактов и контактных площадок к электродам автоэмиссионного микротриода, а также слоя герметизирующего материала. На фиг.31 показан вид сверху фрагмента восьмой литографической маски, формирующей топологический рисунок будущих контактных окон в герметизирующем слое. На фиг.32 изображен фрагмент поперечного сечения, взятого вдоль линии З-З на фиг.31, показывающий сформированную структуру автоэлектронного микротриода.
На фиг.33 представлено изометрическое изображение сформированного автоэлектронного микротриода, а также схема подключения электропитания к его электродам.
2
10
2
я
к-c
c
c-a
На фиг.34 представлено семейство вольт-амперных характеристик для автоэлектронного микротриода с активной областью в 1 мкм, состоящего из автоэмиссионных ячеек, имеющих плотность упаковки λ=2,17·10 я/см, при следующих вертикальных размерах: толщине диэлектрического слоя между катодом и сеткой d=100 нм; толщине металлического сеточного электрода d=50 нм; толщине диэлектрического слоя между сеткой и анодом d=500 нм.
На фиг.1-33 приняты следующие обозначения: 1 - подложка; 2 - адгезионный подслой вентильного металла; 3 - проводниковый металлический слой; 4 - защитный слой вентильного металла; 5 - слой резистивного материала; 6 - слой эмиттерного материала; 7 - первая литографическая маска; 8 - вторая литографическая маска; 9 - катодный электрод; 10 - проводниковая структура катодного электрода; 11 - эмиттерная область; 12 - буферный резистивный слой; 13 - эмиттерный слой; 14 - первый слой алюминия; 15 - третья литографическая маска; 16 - изоляционный карман; 17 - локальный анодный оксид алюминия; 18 - локальный анодный оксид вентильного металла адгезионного подслоя; 19 - четвертая литографическая маска; 20 - дополнительный (первый) междуэлектродный диэлектрический слой; 21 - слой материала управляющего электрода; 22 - пятая литографическая маска; 23 - управляющий электрод; 24 - второй слой алюминия; 25 - технологический слой пористого анодного оксида алюминия; 26 - окисная ячейка пористого анодного оксида алюминия; 27 - боковая грань окисной ячейки пористого анодного оксида алюминия; 28 - нанопора окисной ячейки пористого анодного оксида алюминия; 29 - стенка окисной ячейки пористого анодного оксида алюминия; 30 - барьерный слой окисной ячейки пористого анодного оксида алюминия; 31 - упорядоченная матрица вогнутостей на поверхности слоя алюминия; 32 - технологический слой вентильного металла; 33 - шестая литографическая маска; 34 - защитная металлическая маска; 35 - упорядоченный ячеисто-образующий слой плотного анодного оксида алюминия; 36 - сквозная нанопора окисной ячейки пористого анодного оксида алюминия; 37 - межкомпонентный диэлектрический слой пористого анодного оксида алюминия; 38 - междуэлектродный диэлектрический слой (второй) из пористого анодного оксида алюминия; 39 - апертура управляющего электрода; 40 - сквозное наноотверстие в дополнительном (первом) междуэлектродном диэлектрическом слое; 41 - сквозной наноканал; 42 - нановыступ из анодного оксида материала эмиттерного слоя; 43 - нановыступ из анодного оксида вентильного металла адгезионного подслоя; 44 - межкомпонентный диэлектрик катодного слоя; 45 - нановыступ из анодного оксида вентильного металла защитного слоя; 46 - контактная область к катодному электроду; 47 - контактная область к управляющему электроду; 48 - эмиттерный нановыступ; 49 - анодный подслой вентильного металла; 50 - анодный проводниковый слой; 51 - седьмая литографическая маска; 52 - межкомпонентный диэлектрик анодного слоя; 53 - анодный электрод; 54 - контактная площадка к катодному электроду; 55 - контактная площадка к управляющему электроду; 56 - контактная площадка к анодному электроду; 57 - межуровневый контакт; 58 - слой герметизирующего материала; 59 - восьмая литографическая маска; 60 - контактное окно в герметизирующем слое.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
к
к
к
к
фт
фп
фт
фс
фт
-14
2
-14
2
8
12
-2
На подложку 1 последовательно осаждают адгезионный подслой вентильного металла 2, проводниковый металлический слой 3, который может быть выбран из группы вентильных металлов или других металлов, совместимых с процессами анодирования, защитный слой вентильного металла 4, слой резистивного материала 5 и слой эмиттерного материала 6 (фиг.1). В качестве эмиттерных материалов могут быть выбраны те вентильные материалы, теплота диссоциации (энергия разрушения) анодных оксидов которых меньше 13 ккал/моль при температуре 450°С и в анодных оксидах которых коэффициент диффузии кислорода D имеет достаточно высокое значение, например порядка D=(4÷13)·10 см/сек и более, для диапазона температур Т=350÷500°C. К таким материалам могут быть отнесены вентильные металлы следующего ряда: титан, вольфрам, ниобий. Напротив, для адгезионного подслоя 2 и защитного слоя 4 выбирают такие вентильные металлы, теплота диссоциации анодных оксидов которых более 26 ккал/моль при температуре 450°С и в анодных оксидах которых коэффициент диффузии кислорода D имеет малые значения, например порядка D=(0,5÷1)·10 см/сек и менее при температурах Т=650-700°С, типичным примером такого вентильного металла является тантал. Наиболее предпочтительным металлом для проводникового металлического слоя 3 является алюминий. Далее на поверхности слоя эмиттерного материала 6 формируют первую литографическую маску 7, защищая резистом топологический рисунок катодного электрода (фиг.2, вид сверху). Затем методом селективного травления удаляют немаскированные участки: слоя эмиттерного материала 6, слоя резистивного материала 5 и защитного слоя вентильного металла 4 (фиг.3). После чего удаляют первую литографическую маску и формируют вторую литографическую маску 8, защищая резистом топологический рисунок эмиттерной области катодного электрода (фиг.4). Затем методом селективного травления удаляют немаскированные участки слоев эмиттерного и резистивного материалов (фиг.5). После чего удаляют вторую литографическую маску 8 и, используя сформированные топологические рисунки эмиттерного слоя и защитного слоя вентильного металла как совмещенную маску, проводят стравливание проводникового металлического слоя 3 (фиг.6). Сформированный в результате проведения вышеуказанных операций катодный электрод 9 содержит проводниковую структуру 10 (состоящую из адгезионного подслоя вентильного металла, проводникового металлического слоя и защитного слоя вентильного металла) и расположенную на части ее поверхности эмиттерную область 11, состоящую из буферного резистивного слоя 12 и эмиттерного слоя 13 (фиг.6). Далее на сформированную структуру осаждают первый слой алюминия 14 (фиг.7). На поверхности первого слоя алюминия 14 формируют третью литографическую маску 15 путем удаления резиста по топологическому рисунку будущих изоляционных карманов 16, которые должны располагаться по обе стороны от эмиттерной области 11 катодного электрода 9 под топологическим рисунком будущего управляющего электрода и перекрывать ширину последнего (фиг.8, вид сверху, пунктиром показан топологический рисунок катодного электрода 9 с эмиттерной областью 11). Затем проводят сквозное анодное окисление первого слоя алюминия 14 и адгезионного подслоя вентильного металла 2, в результате которого по всей глубине этих слоев в немаскированных областях образуются соответственно локальный анодный оксид алюминия 17 и локальный анодный оксид 18 вентильного металла адгезионного подслоя, создавая в итоге изоляционные карманы 16 (фиг.9). После чего удаляют третью литографическую маску 15 и формируют четвертую литографическую маску 19 путем удаления резиста по топологическому рисунку будущего дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя, который должен накрывать эмиттерную область катодного электрода, превышать ширину будущего управляющего электрода как минимум на удвоенную величину допуска совмещения топологических слоев и достигать областей изоляционных карманов 16 (фиг.10, вид сверху, пунктиром показаны топологический рисунок катодного электрода 9 с эмиттерной областью 11, а также топологический рисунок изоляционных карманов 16). Затем проводят локальное сквозное плотное анодирование первого слоя алюминия 14, в результате которого по всей глубине этого слоя в немаскированных резистом областях образуется дополнительный (первый) междуэлектродный диэлектрический слой 20 из плотного анодного оксида алюминия (фиг.11). Далее удаляют четвертую литографическую маску  19 и осаждают слой материала управляющего электрода 21, который может быть выбран из группы вентильных металлов или других проводниковых материалов, совместимых с процессами анодирования (фиг.12). На поверхности осажденного слоя 21 формируют пятую литографическую маску 22, защищая резистом топологический рисунок управляющего электрода (фиг.13, вид сверху, пунктиром показан топологический рисунок сформированного ранее дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя 20). После чего удаляют травлением немаскированные резистом участки слоя 21, формируя таким образом из этого слоя управляющий электрод 23 (фиг.14). В результате проведения вышеописанной последовательности операций созданные изоляционные карманы 16 располагаются под топологическим рисунком управляющего электрода, перекрывают ширину последнего и отделяет область его пересечения с катодным электродом от остальной части топологического рисунка управляющего электрода. При этом сформированный дополнительный (первый) междуэлектродный диэлектрический слой 20 накрывает эмиттерную область катодного электрода, превышает ширину управляющего электрода как минимум на удвоенную величину допуска совмещения топологических слоев и достигает областей изоляционных карманов 16 (фиг.13-14). Далее удаляют пятую литографическую маску 22, осаждают второй слой алюминия 24 (фиг.15) и проводят пористое анодирование части его толщины в потенциостатическом режиме (то есть, при постоянном напряжении формовки U), формируя таким образом технологический слой пористого анодного оксида алюминия 25 (фиг.16). Необходимость формирования технологического слоя пористого анодного оксида алюминия (АОА) обусловлена тем, что на начальной стадии образования пористого АОА зарождение пор происходит хаотично и преимущественно в местах выхода межзеренных границ, дислокаций или дефектов на поверхность исходной пленки алюминия. В процессе дальнейшего анодирования происходит постепенное изменение конфигурации окисных ячеек - от почти произвольной на начальном этапе до упорядоченной при достижении стационарного режима роста пористого АОА. Известно [3],что упорядоченная ячеисто-пористая структура АОА состоит (как схематично показано на фиг.16) из плотной упаковки окисных ячеек 26, имеющих преимущественно вид гексагональных призм, соединенных боковыми гранями 27 и направленными по нормали к анодируемой поверхности. Каждая окисная ячейка 26 состоит из центрально расположенной нанопоры 28, окисных стенок 29 и барьерного окисного слоя 30 (основания окисной ячейки), имеющего вид полусферы, выступающей в нижележащий слой алюминия. Однако упорядоченная ячеисто-пористая структура АОА образуется при определенных условиях и после длительного времени анодирования, и, как результат, ее можно наблюдать лишь у основания технологического слоя пористого АОА. Поэтому в связи с вышеизложенным после формирования технологического слоя пористого анодного оксида алюминия 25 его удаляют путем жидкостного химического травления, в результате чего на поверхности оставшейся части второго слоя алюминия обнажается упорядоченная матрица вогнутостей 31 (фиг.17), которая является отпечатком оснований окисных ячеек. Затем на поверхность оставшейся части второго слоя алюминия осаждают технологический слой вентильного металла 32 (фиг.18) и формируют на его поверхности шестую литографическую маску 33, защищая резистом топологический рисунок будущих контактных областей к катодному и управляющему электродам, расширяя при этом зону защиты последнего до области изоляционных карманов 16 включительно (фиг.19, вид сверху, пунктиром обозначены области изоляционных карманов 16). После этого методом плазмохимического селективного травления удаляют немаскированные резистом участки технологического слоя вентильного металла 32, формируя таким образом из этого слоя топологический рисунок защитной металлической маски 34 (фиг.20). При этом для плазмохимического травления выбирают такой состав газовой среды, который не воздействует на алюминий. Далее проводят плотное анодирование вскрытой поверхности алюминия при напряжении формовки U, равном напряжению формовки U предыдущего процесса формирования технологического слоя пористого анодного оксида алюминия 25. В результате проведения процесса плотного анодирования на вскрытой поверхности оставшейся части второго слоя алюминия образуется упорядоченный ячеисто-образующий слой плотного анодного оксида алюминия 35 (фиг.21). После чего проводят сквозное пористое анодирование немаскированных участков второго и первого слоев алюминия, используя те же режимы анодирования (тип, концентрацию, температуру электролита и напряжение формовки), что и при формировании технологического слоя пористого анодного оксида алюминия 25. В этом случае при соблюдении условия, что напряжение формовки U процесса сквозного пористого анодирования второго и первого слоев алюминия будет равно напряжению формовки U предыдущего процесса формирования технологического слоя пористого анодного оксида алюминия, сформированный ячеисто-образующий слой плотного анодного оксида алюминия 35, представляющий собой регулярную матрицу вогнутостей, выполняет роль своеобразного шаблона и инициирует процесс образования и роста окисных ячеек с упорядоченной структурой. Известно, что линейные размеры окисных ячеек и их плотность упаковки могут легко управляться режимами пористого анодирования алюминия (выбранным составом электролита, его температурой и напряжением формовки), обеспечивая возможность формирования окисных ячеек с плотностью упаковки от 10 до 10 см и диаметром пор соответственно в диапазоне от 200 до 5 нм [3].
ф
Активный рост пористого АОА в отличие от плотного АОА происходит при постоянном напряжении формовки. В установившемся режиме за счет уравновешивания процессов образования анодного оксида на поверхности барьерного окисного слоя и его растворения на внутренней поверхности этого слоя у основания пор толщина барьерного окисного слоя δ, продвигающегося вглубь алюминиевой пленки, и напряженность электрического поля Е в этом слое остаются величинами постоянными, которые связаны с напряжением формовки U процесса пористого анодирования следующим соотношением:
-
ск
По мере превращения немаскированных участков второго слоя алюминия в пористый АОА наступает момент, когда передний фронт барьерного окисного слоя достигает поверхности материала управляющего электрода, последний препятствует дальнейшему росту барьерного окисного слоя пористого АОА вглубь нижележащей структуры и в то же время обеспечивает подвод потенциала к анодируемой поверхности через адгезионный подслой вентильного металла 2 и первый слой алюминия 14. В результате этого происходит преимущественно только электрохимическое растворение барьерного окисного слоя пористого АОА со стороны его внутренней поверхности у основания пор, приводя в конечном итоге к полному растворению барьерного слоя окисных ячеек и формированию в пористом АОА, расположенном над немаскированной областью управляющего электрода, упорядоченной матрицы сквозных нанопор 36, схематическое изображение которых представлено на фиг.22. При достижении же барьерным окисным слоем пористого АОА поверхности дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя 20 вне топологического рисунка управляющего электрода (см. фиг.13) диэлектрический слой 20 препятствует в этой области дальнейшему росту пористого АОА вглубь нижележащей структуры. Аналогичным образом ведут себя, естественно, и изоляционные карманы, не препятствуя при этом обеспечению токоподвода к управляющему электроду через адгезионный подслой вентильного металла 2 и первый слой алюминия 14. При этом изоляционные карманы 16 совместно с диэлектрическим слоем 20 надежно изолируют управляющий электрод от катодного электрода в области их пересечения. На этапе достижения барьерным окисным слоем пористого АОА поверхности защитного слоя вентильного металла 4, защищающего проводниковую структуру катодного электрода, он также препятствует в этой области дальнейшему росту пористого АОА вглубь нижележащей структуры. В процессе дальнейшего пористого анодирования первого слоя алюминия 14 за счет сохраняющегося токоподвода к анодируемой поверхности через адгезионный подслой вентильного металла 2 обеспечивается полное сквозное пористое анодное окисление немаскированных участков первого слоя алюминия по всей площади анодирования. Таким образом, в результате сквозного пористого анодного окисления второго и первого алюминиевых слоев в немаскированных областях на поверхностях дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя 20, изоляционных карманов 16, защитного 4 и адгезионного 2 слоев вентильных металлов образуется межкомпонентный диэлектрический слой пористого анодного оксида алюминия 37 с упорядоченной матрицей нанопор 28, а на поверхности управляющего электрода формируется (из второго слоя алюминия) второй междуэлектродный диэлектрический слой 38, представляющий собой упорядоченную структуру нанопористого анодного оксида алюминия, содержащую регулярную матрицу сквозных нанопор 36, которые достигают поверхности управляющего электрода (фиг.22). Далее проводят электрохимическую полировку образовавшейся структуры пористого АОА с целью расширения пор путем вытравливания рыхлой части окисного слоя (содержащего внедренные в него анионы электролита анодирования и ОН ионы), окружающего поры в окисных ячейках. Далее сформированную структуру подвергают ионно-плазменному травлению, в процессе которого через сквозные нанопоры 36 (второго) междуэлектродного диэлектрического слоя 38 осуществляют последовательное вытравливание сквозных наноотверстий (формирование апертур 39) в управляющем электроде и сквозных наноотверстий 40 в дополнительном (первом) междуэлектродном диэлектрическом слое 20, формируя таким образом упорядоченную матрицу сквозных наноканалов 41, достигающих поверхности эмиттерного слоя 13 и поверхности адгезионного подслоя вентильного металла 2 в зазорах между катодным электродом 9 и изоляционными карманами 16 (фиг.23). В зоне межкомпонентного диэлектрического слоя пористого анодного оксида алюминия 37 в результате проводимой ионно-плазменной обработки происходит лишь сквозное протравливание через регулярную матрицу нанопор барьерного слоя окисных ячеек и образование сквозных нанопор 36 (фиг.23). После выполнения вышеуказанных операций проводят сквозное анодное окисление адгезионного подслоя вентильного материала 2, увеличивая потенциал анодирования от нуля до напряжения, при котором обеспечивается его полное превращение в анодный оксид. Обозначим это напряжение как U, то есть напряжение сквозного анодного окисления. В процессе осуществления сквозного анодного окисления адгезионного подслоя вентильного материала достигаются две важнейшие цели.
в
ск
Первая - в результате поступления электролита через наноканалы 41 к поверхности эмиттерного слоя 13 и подачи к нему анодного потенциала через адгезионный подслой вентильного металла 2, проводниковую структуру 10 катодного электрода и буферный резистивный слой 12 происходит локальное анодное окисление материала эмиттерного слоя и, как следствие, образование (за счет объемного роста оксида) нановыступов 42 из анодного оксида материала эмиттерного слоя (АОЭ) и врастание их в основания сквозных наноотверстий 40 в дополнительном (первом) междуэлектродном диэлектрическом слое 20 (фиг.24). Высота образующихся нановыступов h связана с напряжением сквозного анодного окисления U адгезионного подслоя вентильного металла следующим соотношением:
э
э
где α - постоянная анодирования материала эмиттерного слоя (то есть толщина анодного оксида, образующаяся из этого материала при приложенном анодном напряжении в один вольт); k - коэффициент объемного роста анодного оксида материала эмиттерного слоя.
ск
Вторая - в результате поступления электролита через сквозные наноканалы и нанопоры АОА к поверхности адгезионного подслоя вентильного металла и подачи к нему анодного потенциала аналогичным образом происходит локальное анодное окисление адгезионного подслоя вентильного металла с образованием нановыступов 43 из анодного оксида этого металла (АОМ) и последующим их врастанием в основания сквозных наноканалов (в области зазоров между катодным электродом 9 и изоляционными карманами 16) и нанопор межкомпонентного диэлектрического слоя пористого анодного оксида алюминия 37, а при достижении потенциалом анодирования значения U обеспечивается полное превращение адгезионного подслоя вентильного металла в анодный оксид, образуя таким образом межкомпонентный диэлектрик 44 катодного слоя (фиг.24). Наряду с этим также происходит локальное анодное окисление защитного слоя вентильного металла 4 с образованием нановыступов 45 из анодного оксида этого металла (АОМ) и последующим их врастанием в основания сквозных нанопор межкомпонентного диэлектрического слоя пористого анодного оксида алюминия 37 (фиг.33). Таким образом, в результате сквозного анодного окисления адгезионного подслоя вентильного металла 2 сформированный межкомпонентный диэлектрик 44 катодного слоя совместно с ранее сформированными изоляционными карманами 16, первым междуэлектродным диэлектрическим слоем 20 и межкомпонентным диэлектрическим слоем пористого анодного оксида алюминия 37 образует надежную изоляцию проводниковых элементов катодного электрода от проводниковых элементов управляющего электрода (фиг.24). Вместе с этим окончательно формируются также и контактные области 46 и 47 соответственно к катодному и к управляющему электродам (см. фиг.24 и 33). При этом контактная область 46 к катодному электроду состоит из локальных участков первого 14 и второго 24 слоев алюминия (см. фиг.33), а контактная область 47 к управляющему электроду состоит из локального участка адгезионного подслоя вентильного металла 2, локального участка первого слоя алюминия 14, части управляющего электрода 23 и локального участка второго слоя алюминия 24 (фиг.24).
к
к
к
к
-14
2
-14
2
Далее удаляют шестую литографическую маску 33 и проводят плазмохимическое травление поверхности сформированной структуры для удаления защитной металлической маски 34. После удаления защитной металлической маски 34 (фиг.25) проводят термообработку полученной структуры в вакууме при температуре порядка 430°С в течение 90 минут. В процессе вакуумной термообработки в силу того, что коэффициент диффузии кислорода D при вышеуказанной температуре в сформированных анодно-оксидных нановыступах 42 имеет достаточно высокие значения (порядка D=(4÷13)·10см/сек и более), на границе системы анодный оксид эмиттерного материала (АОЭ) - эмиттерный материал (ЭМ) интенсивно развивается процесс разрушения АОЭ и растворения кислорода в нижележащем слое ЭМ. Этот процесс имеет диффузионный характер, и в результате этого происходит миграция кислорода из столбиковых анодно-оксидных нановыступов 42 в нижележащий эмиттерный слой 13. Исследования элементного состава матрицы столбиковых нановыступов с помощью оже-электронной спектроскопии показали, что после вакуумной термообработки в их основном объеме превалирующей становилась металлическая фаза, а кислород оказывался равномерно распределенным по всему объему системы АОЭ - ЭМ и составлял порядка 15-18%. Таким образом, в результате проведенного процесса вакуумной термообработки столбиковые анодно-оксидные нановыступы 42 преобразуются в проводниковую структуру столбиковых эмиттерных нановыступов 48 без изменения их геометрических размеров (фиг.25). В то же время вследствие малых значений коэффициента диффузии кислорода D (D=(0,5÷1)·10 м/сек и менее при температуре Т=650-700°С) в анодно-оксидных нановыступах 43 и 45 (образовавшихся соответственно на части поверхности адгезионного подслоя вентильного металла 2 и части поверхности защитного слоя вентильного металла 4) последние не трансформируются в проводниковую структуру. При этом в процессе вакуумной термообработки на границе системы анодный оксид адгезионного подслоя вентильного металла (АОМ) - диэлектрическая поверхность подложки (ДПП) происходит лишь термическое доокисление анодно-недоокисленных областей адгезионного подслоя вентильного металла без разрушения структуры АОМ. Это обусловлено тем, что рассматриваемая граница АОМ - ДПП является фактически границей двух диэлектриков, то есть в данном случае отсутствует граница раздела анодный оксид вентильного металла - вентильный металл. Последнее подтверждается также известными экспериментальными данными [4], показывающими, что отжиг в вакууме анодных оксидных пленок, отделенных от металла, даже при достаточно высоких температурах, вплоть до температуры их кристаллизации, не приводит к изменению их структуры. Следует также отметить, что в процессе вакуумной термообработки происходит улучшение качества контактных областей 46 и 47 соответственно к катодному и управляющему электродам за счет разрушения тонких (порядка 5 нм) окисных слоев, образовавшихся на границах раздела металлических слоев, из которых состоят эти области. Другим положительным эффектом, достигаемым в процессе вакуумного отжига, является удаление из пористого АОА остаточной влаги (адсорбированной молекулярной воды) и, как результат, существенное улучшение качества межкомпонентной и межуровневой изоляции.
Далее на полученную структуру испарением в вакууме осаждают анодный подслой вентильного металла 49 и анодный проводниковый слой 50 (фиг.26). На поверхности анодного проводникового слоя 50 формируют седьмую литографическую маску 51, защищая резистом топологический рисунок анодного электрода и контактных площадок к электродам прибора (фиг.27, вид сверху, пунктиром показаны топологические рисунки катодного и управляющего электродов). После чего удаляют травлением немаскированные резистом участки анодного проводникового слоя 50 (фиг.28) и проводят сквозное анодное окисление анодного подслоя вентильного металла 49, формируя таким образом из него межкомпонентный диэлектрик 52 анодного слоя (который одновременно выполняет и функцию защитного диэлектрика проводниковых структур управляющего электрода, см. фиг.29), а из металлических слоев 49 и 50 топологический рисунок анодного электрода 53 и контактных площадок к электродам прибора, а именно контактных площадок 54 к катодному электроду, контактных площадок 55 к управляющему электроду и контактных площадок 56 к анодному электроду (фиг.27 и 29). Затем удаляют седьмую литографическую маску 51 и проводят термообработку в вакууме с целью термического доокисления анодно-недоокисленных областей анодного подслоя вентильного металла, удаления влаги из сформированной структуры и улучшения в результате этого качества изоляции межкомпонентного диэлектрика 52, а также качества межуровневых контактов 57 создаваемого прибора за счет разрушения тонкого (порядка 5 нм) окисного слоя, образовавшегося на границе раздела контактная область - анодный подслой вентильного металла 49. После чего на сформированную структуру испарением в вакууме осаждают слой герметизирующего материала 58 и проводят термообработку в вакууме до его оплавления с целью схлопывания микропор, образовавшихся в слое герметизирующего материала при его осаждении (фиг.30). На поверхности слоя герметизирующего материала 58 формируют восьмую литографическую маску 59 путем удаления резиста с областей будущих контактных окон (фиг.31, вид сверху, пунктиром показаны топологические рисунки анодного электрода и контактных площадок к электродам прибора). После чего травлением вскрывают в герметизирующем слое контактные окна 60 к электродам прибора, а затем удаляют восьмую литографическую маску 59 (фиг.32), завершая таким образом формирование автоэлектронного микротриода.
c
c
c
а
a
Изометрическое изображение автоэлектронного микротриода, сформированного в результате проведения вышеописанной последовательности технологических операций, представлено на фиг.33. Автоэлектронный микротриод расположен на подложке 1 и содержит: катодный электрод 9, состоящий из проводниковой структуры 10 (включающей в себя адгезионный подслой вентильного металла 2, проводниковый металлический слой 3 и защитный слой вентильного металла 4) и эмиттерной области 11, содержащей расположенные на части поверхности проводниковой структуры 10 буферный резистивный слой 12 и эмиттерный слой 13 с расположенными на его поверхности регулярными единообразными эмиттерными нановыступами 48, которые встроены в основания сквозных наноотверстий 40 дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя 20, расположенного на поверхности катодного электрода над эмиттерной областью, полностью ее накрывая; изоляционные карманы 16, состоящие из локального анодного оксида вентильного металла 18 и локального анодного оксида алюминия 17; межкомпонентный диэлектрик 44 катодного слоя с анодно-оксидными нановыступами 43; межкомпонентный диэлектрический слой пористого анодного оксида алюминия 37; управляющий электрод 23, расположенный на поверхности дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя 20 и содержащий апертуры 39, которые соосны и равны диаметрам сквозных наноотверстиий 40 дополнительного междуэлектродного диэлектрического слоя 20 и сквозных нанопор 36 междуэлектродного диэлектрического слоя (второго) из пористого анодного оксида алюминия 38 (расположенного на поверхности управляющего электрода 23), образуя в результате упорядоченную матрицу сквозных наноканалов 41; анодный электрод 53, расположенный на поверхности междуэлектродного диэлектрического слоя (второго) из пористого анодного оксида алюминия 38 и состоящий из анодного подслоя вентильного металла 49 и анодного проводникового слоя 50; межкомпонентный диэлектрик 52 анодного слоя; контактную область 46 к катодному электроду, состоящую из локальных участков первого 14 и второго 24 слоев алюминия; контактную область 47 к управляющему электроду, состоящую из локального участка адгезионного подслоя вентильного металла 2, локального участка первого слоя алюминия 14, части управляющего электрода 23 и локального участка второго слоя алюминия 24; контактные площадки (состоящие из локальных участков металлических слоев 49 и 50) к электродам прибора, а именно контактные площадки 54 к катодному электроду, контактные площадки 55 к управляющему электроду и контактные площадки 56 к анодному электроду; слой герметизирующего материала 58 с контактными окнами 60 к электродам прибора. На фиг.33 также показана схема подключения электропитания к электродам автоэлектронного микротриода. В цепь управляющего электрода 23 включен источник постоянного напряжения Е, минус которого заземлен. Помимо постоянного положительного напряжения E, приложенного между управляющим и катодным электродами, которое называется напряжением смещения, в цепь управляющего электрода включают также источник (генератор) управляющего сигнала U. В анодной цепи автоэмиссионного микротриода имеется источник постоянного анодного напряжения Е и включенный последовательно с ним резистор нагрузки R.
Автоэлектронный микротриод работает следующим образом. На управляющий электрод 23 подается положительный потенциал относительно катодного электрода 9. При достижении на управляющем электроде достаточной величины напряжения из эмиттерных нановыступов 48 под воздействием приложенного внешнего электрического поля испускаются электроны, то есть возникает автоэлектронная эмиссия электронов. Для данной конструкции автоэмиссионного микротриода это происходит при напряжениях на управляющем электроде порядка единиц вольт. Эмитированные электроны, попадая в наноканалы 41, ускоряются в электрическом поле промежутка: эмиттерные нановыступы - управляющий электрод, проходят сквозь апертуры 39 управляющего электрода и оказываются в ускоряющем электрическом поле промежутка: управляющий электрод - анодный электрод, так как на анодный электрод 53 подается более высокий (на 3-5 вольт) положительный потенциал относительно управляющего электрода 23. Получив дополнительное ускорение в этом поле, электроны собираются анодным электродом - 53.
c
c
c
Автоэлектронный микротриод может функционировать как усилитель и как переключатель. В первом случае напряжение сигнала U накладывается на напряжение смещения Е, приложенное к управляющему электроду. Во втором случае управляющий сигнал U может включать и выключать прибор как в сочетании с напряжением смещения на управляющем электроде, так и без него. То есть, когда пиковая положительная величина управляющего переменного напряжения превышает напряжение, достаточное для возникновения автоэлектронной эмиссии, возникает импульс тока на выходе прибора (то есть происходит включение прибора) для каждой части положительного полупериода входного напряжения, превышающего пороговое значение напряжения включения. При уменьшении величины управляющего напряжения ниже порогового значения автоэмиссия электронов прекращается, в результате чего исчезает импульс тока на выходе прибора и происходит выключение прибора. На фиг.33 приведена схема включения автоэлектронного микротриода с общим заземленным катодом. Автоэлектронный микротриод можно включать и иным образом, приняв в качестве общего электрода управляющий электрод (схема с общей сеткой) или анод (схема с общим анодом). При любой схеме включения для работы автоэлектронного микротриода необходимо, чтобы потенциал на управляющем электроде был положительным относительно катодного электрода.
S
6
2
2
4
3
3
4
3
3
Пример. В вакуумной камере установки Оратория 5 на ситалловые подложки типа СТ-50-1, нагретые до 150°С, методом магнетронного распыления последовательно осаждают адгезионный подслой тантала толщиной порядка 20 нм, проводниковый алюминиевый слой толщиной порядка 150 нм, защитный слой тантала толщиной 150 нм, слой резистивного материала типа К-50С с ρ=500 Ом/ и слой титана толщиной порядка 300 нм. Далее на поверхности слоя титана, используя позитивный фоторезист марки ФП-383, формируют первую литографическую маску, защищая фоторезистом топологический рисунок катодного электрода. После чего методом плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме элегаза (SF) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 1,0 кВт последовательно удаляют немаскированные участки слоя титана, слоя резистивного материала К-50С и защитного слоя тантала (в этом процессе нижележащий проводниковый слой алюминия является стоп-слоем). Затем удаляют защитную фоторезистивную маску. Удаление фоторезиста осуществляют на установке «Плазма 1000» при давлении кислорода в рабочей камере 133÷239 Па и мощности ВЧ разряда 0,8 кВт, длительность обработки подложек составляет порядка 20 мин. Далее формируют вторую литографическую маску, защищая фоторезистом топологический рисунок эмиттерной области катодного электрода. Затем посредством селективного жидкостного химического травления в растворе следующего состава: НО 1 об. ч., HNOOH 1 об.ч., при Т=25°С стравливают немаскированные участки слоя титана. После этого методом селективного плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме хладона-13 (CFCl) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 0,8 кВт стравливают немаскированные участки слоя резистивного материала К-50С, после чего удаляют вторую литографическую маску. Затем посредством жидкостного химического травления в растворе следующего состава: НPO 6 об. ч., HNO 1 об. ч., СНСООН 3 об.ч., при Т=60°С стравливают проводниковый слой алюминия. Далее подложки со сформированной структурой помещают в вакуумную камеру установки Оратория 5, нагревают их до температуры 150°С и методом магнетронного распыления осаждают первый слой алюминия толщиной порядка 100 нм. На поверхности первого слоя алюминия формируют третью литографическую маску путем удаления фоторезиста по топологическому рисунку будущих изоляционных карманов.
CK
CA
6
3
4
3
2
6
3
CK
6
3
4
3
3
CT
6
-4
-4
Затем проводят локальное сквозное пористое анодирование первого слоя алюминия по фоторезистивной маске. Процесс локального сквозного пористого анодирования алюминия проводят в 0,4 М водном растворе ортофосфорной кислоты при температуре электролита 20°С и формующем напряжении 30 В. Далее проводят локальное сквозное анодное окисление адгезионного подслоя тантала по анодируемому рисунку в 3%-ном водном растворе лимонной кислоты при температуре электролита 15-18°С, линейно увеличивая потенциал анодирования со скоростью 0,1 В/сек от 0 до U - напряжения сквозного окисления адгезионного подслоя тантала. Процессы анодирования осуществляют в электрохимической ячейке, используя в качестве источника питания потенциостат П-5827М. После чего удаляют третью литографическую маску и формируют четвертую литографическую маску путем удаления фоторезиста по топологическому рисунку будущего дополнительного (первого) междуэлектродного диэлектрического слоя. Затем проводят локальное сквозное плотное анодирование первого слоя алюминия в 1%-ном водном растворе лимонной кислоты при температуре электролита 15-18°С, линейно увеличивая потенциал анодирования со скоростью 0,5 В/сек от 0 до U напряжения сквозного окисления первого слоя алюминия, в результате которого по всей глубине этого слоя в немаскированных фоторезистом областях образуется первый междуэлектродный диэлектрический слой из плотного анодного оксида алюминия. Далее удаляют четвертую литографическую маску и подложки со сформированной структурой помещают в вакуумную камеру установки Оратория 5, нагревают их до температуры 150°С и методом магнетронного распыления осаждают слой вольфрама толщиной порядка 50 нм. На поверхности осажденного слоя вольфрама формируют пятую литографическую маску, защищая фоторезистом топологический рисунок управляющего электрода. После чего методом плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме элегаза (SF) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 1,0 кВт удаляют немаскированные фоторезистом участки вольфрамового слоя, формируя таким образом из этого слоя управляющий электрод (в этом процессе нижележащий первый слой алюминия является стоп-слоем). Затем удаляют пятую литографическую маску, подложки со сформированной структурой помещают в вакуумную камеру установки Оратория 5, нагревают их до температуры 150°С и методом магнетронного распыления осаждают второй слой алюминия толщиной порядка 1,5 мкм. После чего проводят пористое анодирование второго слоя алюминия на глубину порядка 1,0 мкм в 0,6 М водном растворе щавелевой кислоты при температуре электролита 20°С в потенциостатическом режиме при формующем напряжении 30 В, формируя таким образом технологический слой пористого анодного оксида алюминия. Затем посредством селективного жидкостного химического травления в растворе следующего состава: НPO 10 мл, CrO 10 г, НО до 500 мл, при Т=70°С удаляют сформированный технологический слой пористого анодного оксида алюминия. Далее на поверхность оставшейся части второго слоя алюминия, представляющую собой упорядоченную матрицу вогнутостей, методом магнетронного распыления в вакуумной камере установки Оратория 5 осаждают технологический слой тантала толщиной порядка 150 нм. Затем формируют на его поверхности шестую литографическую маску, защищая фоторезистом топологический рисунок будущих контактных областей к катодному и управляющему электродам. После этого методом плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме элегаза (SF) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 1,0 кВт удаляют немаскированные фоторезистом участки технологического слоя тантала, формируя таким образом из этого слоя топологический рисунок защитной металлической маски (в этом процессе нижележащий второй слой алюминия является стоп-слоем). Далее проводят плотное анодирование вскрытой поверхности алюминия в 1%-ном водном растворе лимонной кислоты при температуре электролита 15-18°С, линейно увеличивая потенциал анодирования со скоростью 0,5 В/сек от 0 до 30 В, после чего достигнутый потенциал поддерживают постоянным в течение 15 минут. Затем проводят сквозное пористое анодирование немаскированных фоторезистом и технологическим слоем тантала участков второго и первого слоев алюминия в 0,6 М водном растворе щавелевой кислоты при температуре электролита 20°С в потенциостатическом режиме при формующем напряжении 30 В. После чего проводят электрохимическую полировку образовавшейся структуры пористого АОА в 0,5 М водном растворе ортофосфорной кислоты при температуре электролита 30°С и формующем напряжении 30 В в течение 10 минут. Далее сформированную структуру подвергают реактивному ионно-лучевому травлению на установке УРМ 3.279.029, оснащенной многопучковым ионным источником с холодным катодом «Радикал М-100», используя в качестве рабочего газа (BCl) при давлении 0,1 Па и напряжении разряда 1,2 кВ. В этом процессе в качестве маски используют междуэлектродный диэлектрический слой (второй) из пористого анодного оксида алюминия со сквозными нанопорами, через которые за время травления порядка 10÷15 минут осуществляют последовательное вытравливание сквозных наноотверстий (формирование апертур) в управляющем электроде и сквозных наноотверстий в первом междуэлектродном диэлектрическом слое, формируя таким образом упорядоченную матрицу сквозных наноканалов, достигающих поверхности эмиттерного слоя и поверхности адгезионного подслоя тантала в зазорах между катодным электродом и изоляционными карманами. Далее проводят локальное сквозное анодное окисление адгезионного подслоя тантала по анодируемому рисунку в 3%-ном водном растворе лимонной кислоты при температуре электролита 15-18°С, линейно увеличивая потенциал анодирования со скоростью 0,1 В/сек от 0 до U - напряжения сквозного окисления адгезионного подслоя тантала. Затем удаляют шестую литографическую маску и методом плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме элегаза (SF) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 1,0 кВт удаляют защитную металлическую (танталовую) маску. После удаления защитной танталовой маски проводят термообработку полученной структуры в вакуумной установке типа «ВУ-1А» при температуре 430°С в течение 90 минут, при этом давление остаточных газов в вакуумной камере составляет не хуже 5·10 Па. Далее подложки со сформированной структурой помещают в вакуумную камеру установки Оратория -9, нагревают их до температуры 200°С и методом электронно-лучевого испарения в вакууме осаждают анодный подслой из тантала толщиной порядка 60 нм и анодный проводниковый слой алюминия толщиной порядка 1,5 мкм. На поверхности нанесенного анодного проводникового слоя алюминия формируют седьмую литографическую маску, защищая фоторезистом топологический рисунок анодного электрода и контактных площадок к электродам прибора. После чего посредством жидкостного химического травления в растворе следующего состава: НРО 6 об. ч., HNO 1 об.ч., СНСООН 3 об.ч., при Т=60°С стравливают немаскированные фоторезистом участки анодного проводникового слоя алюминия и проводят сквозное анодное окисление анодного подслоя тантала в 3%-ном водном растворе лимонной кислоты при температуре электролита 15-18°С, линейно увеличивая потенциал анодирования со скоростью 0,1 В/сек от 0 до U - напряжения сквозного окисления анодного подслоя тантала. Затем удаляют седьмую литографическую маску. Подложки со сформированной структурой помещают в вакуумную камеру установки «ВУ-1А» и проводят термообработку в вакууме (давление остаточных газов в вакуумной камере составляет не хуже 5·10Па) при температуре 430°С в течение 90 минут, далее подложки охлаждают до температуры 230°С и методом термовакуумного испарения осаждают слой халькогенидного стекла ИКС-24 толщиной порядка 1,5 мкм, и после этого проводят заключительную термообработку (Т=400°С, t=90 мин) в вакууме до оплавления нанесенного герметизирующего слоя стекла. После охлаждения подложек в вакууме до 80°С производят разгерметизацию вакуумной камеры и охлаждают подложки на воздухе до комнатной температуры. Далее на поверхности сформированного герметизирующего слоя из халькогенидного стекла ИКС-24 формируют восьмую литографическую маску путем удаления фоторезиста с областей будущих контактных окон, после чего методом плазмохимического травления на установке 08ПХО-100Т-005 в плазме элегаза (SF) при давлении 100 Па и мощности ВЧ разряда 1,0 кВт удаляют незащищенные фоторезистом участки герметизирующего слоя халькогенидного стекла. Затем удаляют восьмую литографическую маску, завершая таким образом формирование автоэлектронного микротриода.
Использование предлагаемого способа изготовления автоэлектронного микротриода обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества.
1. Позволяет значительно улучшить качество изоляционных компонентов создаваемых автоэлектронных микротриодов, в частности определенные с помощью тестовых структур электрофизические характеристики изоляции:
a
2
- для междуэлектродного диэлектрического слоя катод-сетка при его толщине d=0,113 мкм и активной площади (площади пересечения катодного и сеточного электродов) S=(25×25) мкм имели следующие параметры: сопротивление изоляции
ИЗ
ПР
ПР
12
R=6·10 Ом, напряжение пробоя U=60 B, электрическая прочность изоляции Е=530 В/мкм, емкость С=1,8 пф, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,001;
a
ИЗ
ПР
2
12
- для междуэлектродного диэлектрического слоя сетка-анод при его толщине d=0,25 мкм и активной площади (площади пересечения сеточного и анодного электродов) S=(25×25) мкм имели следующие параметры: сопротивление изоляции R=9·10 Ом, напряжение пробоя U=110 В, электрическая прочность изоляции
ПР
Е=440 В/мкм, емкость С=0,5 пФ, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,004;
ИЗ
11
- для изоляционных карманов при ширине изоляционного зазора d=25 мкм и его длине L=20 мм имели следующие параметры: сопротивление изоляции R = 8·10 Ом, емкость С=1,5 пФ, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,007;
ИЗ
11
- для межкомпонентной изоляции катодного слоя при ширине изоляционного зазора d=25 мкм и его длине - L=20 мм имели следующие параметры: сопротивление изоляции R 7·10 Ом, емкость С=1,4 пф, тангенс угла диэлектрических потерь
tg δ=0,0085;
ИЗ
11
- для межкомпонентной изоляции анодного слоя при ширине изоляционного зазора d=25 мкм и его длине L=20 мм имели следующие параметры: сопротивление изоляции R=8·10 Ом, емкость С=1,6 пФ, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ=0,0035.
2. Позволяет улучшить упорядоченность структуры нанопористого анодного оксида алюминия, используемого в качестве междуэлектродной изоляции сетка-анод, за счет проведения предварительных процессов формирования технологического слоя пористого анодного оксида алюминия, последующего его стравливания и формирования на поверхности оставшегося слоя алюминия ячеисто-образующего слоя из плотного анодного оксида алюминия.
Ф
в
в
в
10
2
3. Позволяет создавать на поверхности эмиттерного слоя упорядоченную матрицу наноэмиттеров с регулярной и воспроизводимой геометрией, например, при проведении процесса сквозного пористого анодирования второго и первого слоев алюминия в 0,6 М водном растворе щавелевой кислоты при напряжении формовки U=30 В и дальнейшем осуществлении последующих операций (см. фиг.22÷25) была получена матрица наноэмиттеров, имеющая следующие характерные параметры: диаметр эмиттерного цилиндрического выступа D=57,5 нм; высота эмиттерного выступа h=70 нм; плотность упаковки эмиттерных выступов λ=2,17·10 выст/см, при этом плотность упаковки эмиттерных выступов соответствовала плотности пор (диаметром ~ 30 нм) упорядоченной структуры пористого анодного оксида алюминия.
Использование предлагаемой конструкции автоэлектронного микротриода (АЭМТ) обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества.
2
10
2
я
к-с
c
c-a
a
c
i
a
c
1. Позволяет уменьшить рабочие напряжения, как это видно из типовых вольт-амперных характеристик, приведенных на фиг.34, на сетке до 1,5 В, а на аноде до 5 В. На фиг.34 представлены вольт-амперные характеристики для автоэлектронного микротриода с активной областью в 1 мкм, состоящего из автоэмиссионных ячеек, имеющих внешний диаметр ~ 75 нм, а диаметр наноканала ~ 30 нм при плотности их упаковки λ=2,17·10 я/см. Другие характерные геометрические параметры для этого микротриода имели следующие значения: толщина диэлектрического слоя между катодом и сеткой d= 100 нм; толщина металлического сеточного электрода d=50 нм; толщина диэлектрического слоя между сеткой и анодом d=500 нм. Как видно из фиг.34, при U≥4,8 В изменение U от 1,52 до 1,6 В приводит к изменению анодных токов в рассматриваемых АЭМТ от 1,25 до 4,8 нА. Эти данные показывают, что наноструктурные АЭМТ рассматриваемой здесь конструкции могут управляться напряжением сигнала в сотые доли вольта. При этом рабочее анодное напряжение АЭМТ не превышает 6 В, это значительно меньше, чем самое низшее значение первого ионизационного потенциала U=12,5 В для молекул, присутствующих в атмосфере остаточного газа вакуумного прибора [5]. В результате этого ионная бомбардировка и катодное распыление эмиттерных нановыступов становятся в принципе невозможными, что тем самым устраняет одну из главных причин нестабильности автоэлектронной эмиссии. Как видно из фиг.34, для данного типа АЭМТ оптимальными рабочими напряжениями являются: U=(5-7) В, U=(1,34-2) В, то есть эффективная работа прибора происходит, когда напряженность электрического поля в междуэлектродных диэлектрических слоях составляет порядка Е=(15-20) В/мкм, что значительно меньше их электрической прочности Е=(440-530) В/мкм, в результате чего и обеспечивается высокая надежность наноструктурных автоэлектронных микротриодов.
Источники информации
1. Spidt C.A., Shoulders K.R., Heynick L.N. Field emission cathode structures, devices utilizing such structures, and methods of producing such structures // United States Patent №3789471, Int. C1. H 01 j 9/02, Feb.5, 1974.
2. Лабунов В.А., Сокол В.А., Татаренко Н.И. Электровакуумный прибор. // Авт. свид. СССР №713386. МКИ H 01 J 21/10 от 05.10.1979.
3. Masuda H., Nakao M., Tamamura T., Asoh H. Fabrication of ordered nanostructure based on anodic porous alumina // The SPIE Conference on Micromachining and Microfabrication Process Technology IV. - SPIE Vol.3511, 1998. - P.74-81.
4. Юнг Л. Анодные оксидные пленки. / Пер. с английского под ред. Закгейма Л.И. и Одынца Л.Л. - Л.: Энергия. 1967.
5. Brodie I. Physical consideration in vacuum microelectronic devices. // IEEE Transactions on Electron Devices 1989. V.36, №11. P.2641-2644.