DE60122747T2

DE60122747T2 - Feldemissionsvorrichtung mit kohlenstoffhaltigen spitzen

Info

Publication number: DE60122747T2
Application number: DE60122747T
Authority: DE
Inventors: I. Vladimir Knoxville MERKULOV; H. Douglas Knoxville LOWNDES; A. Michael Knoxville GUILLORN; L. Michael Knoxville SIMPSON; L. Charles Alcoa BRITTON
Original assignee: UT Battelle LLC
Current assignee: UT Battelle LLC
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: US6692324B2; DE60122747D1; ATE338340T1; WO2002019372A3; AU2001283323A1; US20020024279A1; EP1314176B1; WO2002019372A2; EP1314176A2

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der kohlenstoffhaltigen Spitzen. Noch genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters, eine Apparatur, die einen Feldemitter umfasst, und einen Elektronenemitter.
Viele Jahre lang waren thermionische Vakuumröhren die dominierenden Vorrichtungen in elektronischen Schaltkreisen und Systemen. Die Vakuumröhrentechnik wurde jedoch in den später 1950er Jahren fast vollständig durch die Halbleitertechnik ersetzt, und zwar aufgrund von vier wesentlichen Nachteilen im Zusammenhang mit der Vakuumröhrentechnik. Erstens wurde Strom zum Heizen der Elektronenquelle verbraucht, um die thermionische Elektronenemission zu bewirken. Zweitens wurden hohe Betriebsspannungen benötigt. Drittens waren die Stromdichten extrem niedrig (~0,5 A/cm²). Viertens konnten keine hohen Integrationsgrade (z.B. integrierte Schaltkreise) erzielt werden.
Obgleich mehr als 40 Jahre seit dem Niedergang der Vakuumröhre vergangen sind, ist kürzlich ein großes Interesse und aktive Forschung in der Vakuum-Mikroelektronik wieder entstanden (Brodie und Schwoebel, 1994; Temple, 1999). Es wurde eine praktische Vakuum-Mikroelektroniktechnik verfolgt, um die folgenden Vorteile zu erzielen. Ein erster Vorteil ist der Hochfrequenzbetrieb. Der ballistische Transport von Elektronen im Vakuum ist inhärent schneller als der Zusammenstoß und hat den Vorteil der Temperaturunempfindlichkeit: Vorrichtungen auf der Grundlage der Feldemission können im Vergleich zu Halbleitervorrichtungen über einen großen Temperaturbereich arbeiten. Der dritte Vorteil betrifft die Strahlungshärte. Vakuumvorrichtungen sind inhärent strahlungshart, da sie nicht vom Transport durch ein Niedrigeffektgitter abhängen. Der vierte Vorteil ist der, dass einfache Materialien verwendet werden können; es werden keine hochreinen, einkristallinen Materialien benötigt. Der fünfte Vorteil besteht in einer kleinen Größe und Integration mit hoher Dichte: einzelne VME-Vorrichtungen können Abmessungen praktisch im Submikrometerbereich haben, was zu Vorrichtungsdichten > 10⁸/cm² führt, und im starken Gegensatz zu den Einschränkungen bei den Vakuumröhren steht.
Das erneute Interesse an der Vakuum-Mikroelektronik wurde verstärkt durch die Entwicklung einer Feldemissionsspitze durch Spindt (derzeit bekannt als die Spindt-Spitze), die bei Drücken arbeitet, die für praktische Vorrichtungen leicht erreichbar sind, und die durch moderne Mikrofabrikationstechniken herstellbar ist (Spindt, 1968). Spindt-Spitzen sind metallische Kegel mit einem Krümmungsradius an der Spitze von ~300 Å, die eine große geometrische Verstärkung des lokalen elektrischen Felds und eine relativ niedrige Schaltspannung ermöglichen (Brodie und Schwoebel, 1994). 1 zeigt ein mikrogefertigtes Feldemissionselement Spindt Tip 100.
Aus verschiedenen Gründen haben Spindt-Spitzen-Emitter jedoch keine weit verbreitete Verwendung in der Vakuum-Mikroelektronik gefunden. Erstens müssen sie lithographisch definiert werden, und demzufolge ist es kostspielig, sie in großen Feldern zu fertigen. Zweitens hat man inzwischen erkannt, dass metallische Emitter (oder metallbeschichtete Spindt-Spitzen) intrinsisch instabil sind. Restgase mit hoher Masse ätzen metallische Emitter durch Sputtern, während leichte Gase (H₂, He) Sputter-assistierte Atomdiffusion verursachen, die im hohen lokalen elektrischen Feld zum Wachstum von nanometergroßen Vorsprüngen führt (Dyke und Dolan, 1956; Cavaille und Dechster, 1978). Die Vorsprünge können im Gegenzug einen erhöhten Emissionsstrom und noch schnelleres Wachstum der Vorsprünge verursachen, was zu unkontrollierter Emission und Zerstörung des Emitters durch einen Vakuumbogen führt (Dean und Chalamala, 1999). (Der Effekt dieser intrinsischen Instabilität kann reduziert werden, indem man einen Serienwiderstand in den Emitterschaltkreis einführt (Ghis et al., 1991), um negative Rückkopplung und extrinsische Stabilität einzuführen, die die Lebensdauer verlängert).
Elektronenemitter werden für eine Anzahl von Vorrichtungen benötigt, einschließlich Vakuumröhren, Displays und Elektronenlithographiesysteme. Elektronen können aus einem Emitter herausgelöst werden durch Heizen des Emitters auf eine hohe Temperatur (thermische Emission). Bei der thermischen Emission gibt es jedoch viele Nachteile. Erstens wird Energie benötigt, um den Emitter zu heizen. Zweitens ist die Stromdichte gering. Drittens ist der Emissionsstrom empfindlich gegenüber Veränderungen in der Umgebungstemperatur. Wegen der hohen Austrittsarbeit des Elektronenemittermaterials werden thermische Elektronenemitter in den meisten Vorrichtungen verwendet. Bevorzugt werden jedoch stabile, reproduzierbare und in Massen erzeugbare Feldemitter.
Kürzlich wurde über eine Feldemissionsröhre im Nanometerbereich (d.h. eine "Nanotriode") berichtet, die Metall-Nanokissen als Feldemitter verwendet (Driskill-Smith und Hasko, 1999; Driskill-Smith et al., 1997). Diese Vorrichtung stellt einen wesentlichen Schritt nach vorne dar, da sie eine elektronische Vorrichtung im Nanometerbereich zeigt, die prinzipiell auf Packungsdichten bis zu 10¹⁰ Vorrichtungen/cm² skaliert werden könnte (Driskill-Smith und Hasko, 1999; Driskill-Smith et al., 1997). Auf diese Weise hergestellte Metall-Nanokissen sind jedoch aus verschiedenen Gründen nur marginale Feldemitter. Obwohl sie einen kleinen Durchmesser haben, können sie schlecht zugespitzt werden, so dass sie ein niedriges Seitenverhältnis (aspect ratio, AR = Höhe/Spitzendurchmesser) und infolgedessen einen niedrigen geometrischen Verstärkungsfaktor GEF (= geometrical enhancement factor) für das lokale elektrische Feld haben. Darüber hinaus ist die resultierende Schwellenfeldstärke für signifikante Nanokissen-Emission ziemlich hoch (geschätzt > 150 V/μm, aus den Daten in Driskill-Smith und Hasko, 1999, und Driskill-Smith et al., 1997), und sehr nahe am Durchschlagsfeld des benachbarten Dielektrikums (Spindt, 1968). Die Nanokissen lassen sich nur schwierig reproduzierbar herstellen (in jedem Emitterschacht können ein oder mehrere Nanokissen vorhanden sein; sie sind nicht zentriert, und möglicherweise emittiert nur das höchste Nanokissen Strom).
Die Erfordernisse für Feldemitter, die nicht lithographisch definiert werden müssen, nicht metallisch sind, ein hohes Seitenverhältnis und demzufolge einen hohen geometrischen Verstärkungsfaktor haben, eine niedrige Schwellenfeldstärke haben und, wie oben beschrieben, leicht herzustellen sind, wurden nicht vollständig erfüllt. Benötigt wird eine Lösung, die auf alle diese Erfordernisse eingeht.
US-A-572422 beschreibt Feldemissionsvorrichtungen auf der Basis von Kohlenstofffasern, die kalte Kathoden umfassen. Vorrichtungen mit kalten Kathoden umfassen elektronenemittierende Strukturen, die direkt auf dem Substratmaterial aufgewachsen sind. Dieses Dokument beschreibt auch strukturierte Vorstufensubstrate zur Verwendung bei der Herstellung von Feldemissionsvorrichtungen und das katalytische Wachsen anderer elektronischer Strukturen, wie beispielsweise Filme, Kegel, Zylinder, Pyramiden oder ähnliches, direkt auf den Substraten.
US-A-6062931 beschreibt einen kalten Kathodenemitter auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhren, entwickelt durch Einfügen eines Extraschritts in das konventionelle Verfahren, indem der Durchmesser der Gate-Öffnung durch eine konform abgeschiedene Opferschicht temporär reduziert wird. Diese Öffnung wird dann als Maske für die Abscheidung einer katalytischen Schicht verwendet. Aus der katalytischen Schicht lässt man nach oben Kohlenstoff-Nanoröhren aufwachsen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters: Bereitstellen eines Substrats; Abscheiden eines Katalysators, wobei der Katalysator mit dem Substrat verbunden ist, Abscheiden einer dielektrischen Schicht, wobei die dielektrische Schicht mit dem Substrat verbunden ist; Abscheiden einer Extraktorschicht, wobei die Extraktorschicht mit der dielektrischen Schicht verbunden ist; Bilden einer Extraktoröffnung in der Extraktorschicht; Bilden einer dielektrischen Vertiefung in der dielektrischen Schicht, um mindestens einen Teil des Katalysators freizulegen; und anschließend Herstellen einer kohlenstoffhaltigen Spitze i) mit einer Grundfläche, die im wesentlichen auf dem Boden der dielektrischen Vertiefung angeordnet ist und ii) die sich im wesentlichen vom Substrat weg erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass I) das Abscheiden des Katalysators das Abscheiden eines Katalysatorpartikels umfasst, das durch lithographische Definition deterministisch platziert wird, II) die Bildung der dielektrischen Vertiefung das Katalysatorteilchen am Boden der dielektrischen Vertiefung freilegt, wenn die dielektrische Vertiefung gebildet wird, und III) die Herstellung der kohlenstoffhaltigen Spitze das deterministische Aufwachsen einer einzelnen, selbstausgerichteten kohlenstoffhaltigen Spitze anstelle des Katalysatorteilchens unter Verwendung von plasmaverstärkter, chemischer Dampfabscheidung umfasst.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, nicht Teil der beanspruchten Erfindung, wird eine Apparatur bereitgestellt, die einen Feldemitter umfasst, einschließlich:
einem Substrat; einer Elektrodenstruktur, die mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Elektrodenstruktur eine dielektrische Schicht umfasst, die mit dem Substrat verbunden ist, und wobei die dielektrische Schicht eine dielektrische Vertiefung umfasst, die in der dielektrischen Schicht gebildet wird, nachdem die dielektrische Schicht abgeschieden wurde; und
eine Extraktorschicht, die mit der dielektrischen Schicht verbunden ist, wobei die Extraktorschicht eine Extraktoröffnung umfasst; und
eine kohlenstoffhaltige Spitze, die mit dem Substrat verbunden ist, wobei die kohlenstoffhaltige Spitze eine Grundfläche hat, die im wesentlichen am Boden der dielektrischen Vertiefung angeordnet ist und sich im wesentlichen vom Substrat weg erstreckt, wobei die kohlenstoffhaltige Spitze vom Boden der dielektrischen Vertiefung unter Verwendung eines Katalysators aufgewachsen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass I) der Katalysator ein Katalysatorteilchen umfasst, das mittels lithographischer Definition deterministisch platziert wird, das Katalysatorteilchen am Boden der dielektrischen Vertiefung freigelegt wird, wenn die dielektrische Vertiefung gebildet wird, und II) die kohlenstoffhaltige Spitze eine einzelne, selbstausgerichtete kohlenstoffhaltige Spitze umfasst, die in der dielektrischen Vertiefung angeordnet ist und am Ort des Katalysatorteilchen und in der dielektrischen Vertiefung unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung deterministisch gewachsen ist.
In dieser Beschreibung wird auch ein Verfahren beschrieben, das umfasst: Bereitstellen eines Substrats auf einer Heizplatte in einer Vakuumkammer; Bereitstellen eines Kohlenstoffquellgases und eines Ätzgases; Erhitzen des Substrats mit der Heizplatte; und anschließende Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Spitze mit dem Substrat mit dem Kohlenstoffquellgas und dem ätzenden Gas unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei erwähnt, dass die Gegenstände, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.
1 zeigt eine Raster-Elektronenmikroskopaufnahme eines auf herkömmliche Weise mikrogefertigen Feldemissionselements (Spindt-Spitze), entsprechend als "Stand der Technik" gekennzeichnet.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines integrierten Emitters, aufgewachsen in einer Prozesskammer für plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
3A–3G zeigen schematische Ansichten eines Herstellungsverfahrens für einen Elektrodenemitter als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Raster-Elektronenmikroskopaufnahme von mehrwändigen Nanoröhren, aufgewachsen in einer vorgefertigten Elektrodenstruktur, als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine einzelne, isolierte Kohlenstoff-Nanofaser im Zentrum einer Vertiefung als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt Feldemissionsmessungen für einzelne, vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofasern als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
7A und 7B zeigen einen Teil einer Matrix von Öffnungen und den korrespondierenden Strom als Funktion der Spannungsergebnisse als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
8A und 8B zeigen eine Gruppe von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern, sowie eine vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofaser im Detail, als Beispiele für die Ausführungsformen der Erfindung.
9A, 9B, 9C und 9D zeigen vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofasern als Beispiele für die Ausführungsformen der Erfindung.
10A, 10B, 10C, 10D, 10E und 10F zeigen die Bildung von Nickeltropfen und das nachfolgende Wachsen von vertikal ausgerichteten Nanofasern für die Ausführungsformen der Erfindung.
11A, 11B und 11C zeigen Anordnungen von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern als Beispiele für die Ausführungsformen der Erfindung.
12 zeigt das Messsystem, das verwendet wurde, um die in 6 gezeigten Daten zu erhalten.
13 zeigt eine optische Konstruktion als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
In dieser Anmeldung wird auf verschiedene Publikationen durch den Namen des Autors in Klammern Bezug genommen. Vollständige Zitate dieser und anderer Veröffentlichungen finden sich am Ende der Beschreibung direkt vor den Ansprüchen unter der Überschrift Literatur. Die Beschreibung aller dieser Veröffentlichungen zeigt den Hintergrund der Erfindung und veranschaulicht den Stand der Technik.
Das US-Patent Nr. 6 078 392 und das US-Patent Nr. 6 498 349 beschreiben Ausführungsformen, die für die beabsichtigen Zwecke ausreichend waren. Gleiches gilt für das US-Patent Nr. 6 649 431.
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) bilden eine neuartige Klasse von nanometergroßen Materialien, die für die Verwendung als Elektronenquellen (kalte Kathoden) in unterschiedlichen Vorrichtungen sehr vielversprechend sind. Die außergewöhnliche Eignung von CNTs für Elektronenfeldemission(FE)-Anwendungen beruht zumindest auf den folgenden Gründen.
Erstens haben CNTs ein intrinsisch hohes Seitenverhältnis. Im Ergebnis wird das angelegte elektrische Feld größtenteils an den Enden von CNTs stark verstärkt (der geometrische Verstärkungsfaktor ist annähernd proportional zum AR), was Elektronenemission bei niedrigen angelegten Feldern ermöglicht. Dies ist sehr wichtig, da für ausreichend hohes AR das resultierende Schwellenfeld niedrig genug sein kann, um gegenwärtig erhältliche kommerzielle Niederspannungselektronik mit integrierten Schaltkreisen verwenden zu können, um den Strom zu gewinnen und zu kontrollieren.
Zweitens ist Kohlenstoff chemisch inert und sehr beständig gegen Sputtern, was es zu einem widerstandsfähigen Material für Feldemissionsanwendungen macht. Neuere Untersuchungen unter Verwendung zufällig orientierter, kommerziell erhältlicher, einwändiger Nanoröhren (SWNTs, = single-walled nanotubes) ohne einen Serienwiderstand zeigen überzeugend, dass Nanoröhren viel weniger empfindlich gegenüber der Betriebsumgebung sind und eine viel bessere Langzeitstabilität haben als herkömmliche metallische Emitter (Dean und Chalamala, 1999). Vorsprungswachstum und unkontrollierte Emission wurden bei SWNTs nicht beobachtet. Tatsächlich wurden SWNTs kontinuierlich über 100 Stunden bei 1,333 × 10-S Pa (10^–7 Torr) H₂O ohne Stromabfall betrieben (Dean und Chalamala, 1999). Dies entspricht mehr als 10 000 Stunden Betrieb bei einem typischen Emitterauslastungsgrad von < 1%. Es wurde vorgeschlagen, dass der Grund dafür, dass Nanoröhren kein Vorsprungswachstum zeigen, der ist, dass Kohlenstoffatome sowohl eine sehr niedrige Sputterausbeute als auch niedrige Beweglichkeit haben und dass MWNTs sogar noch langsamer als SWNTs abgebaut werden (Bonard et al., 1998). Die Widerstandsfähigkeit und Umgebungsstabilität von Nanoröhren gehört zu den besten aller Materialien (Dean und Chalamala, 1999), was zu einer guten Emissionsstabilität und langer Lebensdauer führt, welches lebensnotwendige Parameter für die tatsächlich funktionierenden Vorrichtungen sind (Achmed et al., 1999).
Feldemissionstests von zufällig orientierten, spaghettiartigen CNT-"Matten" wurden am ORNL (Lowndes et al., 1999) und von anderen Forschungsgruppen durchgeführt (de Heer et al., 1995; Lee et al., 1999). Die Tests zeigen, dass CNTs sehr gute Feldemitter mit einem ziemlich niedrigen Emissionschwellenfeld sind. E_th unter 10 V/μm. Unglücklicherweise macht das Fehlen jeglicher Ausrichtungskontrolle und eine sehr begrenzte Kontrolle der CNT-Abmessungen (Länge und Durchmesser), kombiniert mit der Unfähigkeit, ihre Anordnung (Lokalisierung) zu kontrollieren, die Verwendung solcher CVD-gewachsener Matten in vakuumelektronischen Vorrichtungen ziemlich schwierig. Darüber hinaus ist klar, dass die niedrige E_th-Emission, die für zufällig orientierte Nanoröhrenmatten beobachtet wurde, nur einer sehr niedrigen Dichte (~100/cm²) der am besten emittierenden Stellen entspricht (Lee et al., 1999), was keinen nahezu identischen Emittern entspricht, deren Lokalisierung im Nanomaßstab kontrolliert ist.
Um das große Potential des Nanotriodenkonzepts zu realisieren, ist ein robustes, kontrollierbares und reproduzierbares Verfahren erforderlich, um das Feldemissionselement am Ort in der nanometergroßen Vorrichtungsstruktur herzustellen. Die Erfindung umfasst das plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidungs(PE-CVD)-Wachstum von isolierten, vertikal orientierten, mehrwändigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWNTs) am Ort innerhalb einer vordefinierten Elektrodenstruktur. Somit ist die Erfindung ein wichtiger nächster Schritt in der Entwicklung von integrierter Vakuum-Mikro-/Nanoelektronik.
Die Erfindung umfasst die Herstellung von Feldemissionsvorrichtungen, die Kohlenstoff-Nanofasern (CNFs) als Elektronenemitter verwenden. Alternativ umfasst die Erfindung die Herstellung von Feldemissionsvorrichtungen, die einwändige Kohlenstoff-Nanoröhren oder mehrwändige Kohlenstoff-Nanoröhren verwenden. Die Erfindung hat Anwendungen in einer Vielzahl von Gebieten mit großer ökonomischer Wirkung, einschließlich Mikro-/Nanoelektronik für die Kommunikation, Flachbildschirme und Lithographie für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Die Herstellung ist kompatibel mit der Massenproduktion von Mikroelektronik.
Die Erfindung kombiniert Schlüsselelemente der Materialforschung und Geräteforschung zur Entwicklung von neuen, Feldemissions-basierten Vakuum-Nanoelektronikvorrichtungen für die Breitbandkommunikationstechnik; für Hochtemperatur- und Hochstrahlungs-Schaltkreise, -sensoren oder -systeme; und für andere Vakuum-Elektronikanwendungen im Submikrometerbereich. Weitere Anwendungen für diese Vorrichtungen mit großer ökonomischer Wirkung umfassen Flachbildschirme und hochparallele Elektronenstrahllithographie. Zusammengefasst kann man alle diese Technologien als Vakuum-Mikro- oder -Nanoelektronik bezeichnen.
Die Erfindung umfasst Vakuum-Mikroelektronik- oder -Nanoelektronikvorrichtungen auf der Basis einer deterministisch gewachsenen Kohlenstoff-Nanofaser (CNF, = carbon nano fiber) als Feldemissionselement. Alternativ umfasst die Erfindung Vakuum-Mikroelektronik- oder -Nanoelektronikvorrichtungen auf der Basis einer deterministisch gewachsenen einwändigen Kohlenstoff-Nanoröhre oder mehrwändigen Kohlenstoff-Nanoröhre als Feldemissionselement. Darüber hinaus kann man dieses Element am Ort (in situ) unter Verwendung eines Verfahrens mit relativ niedrigen Temperatur in einer vorgefertigten Elektrodenstruktur wachsen lassen.
Die Erfindung umfasst das katalytisch kontrollierte Wachstum von vertikal ausgerichteten (d.h. im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche), mehrwändigen CNTs (Merkulov et al., 2000). In 2 ist ein PE-CVD-Verfahren zum Wachsenlassen von MWNT am Ort in einer vorgefertigten Elektrodenstruktur gezeigt. Eine Vakuumkammer 200 umfasst eine Anode 210 und eine Kathode 220. Ein Substrat 230 ist auf der Kathode 220 angeordnet. Eine Barriereschicht 235 ist auf dem Substrat 230 gebildet. Eine Vielzahl von dielektrischen Schichten 240, die mit einer Vielzahl von Extraktorschichten 245 abwechseln, bilden eine Elektrodenstruktur 250. Das Verfahren verwendet plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PE-CVD), in Zusammenhang mit Verdampfung und präziser Platzierung eines Metallkatalysatorpunkts 255. Der Katalysatorpunkt 255 kann ein Nickelkatalysatorteilchen sein, das mittels lithographischer Definition deterministisch platziert wird. Ein Gemisch aus Acetylen (C₂H₂) und Ammoniak (NH₃) wird als Quellengas im PE-CVD-Verfahren verwendet. Das Substrat 230 wird auf über ~600°C erhitzt. Nach Einschalten des Plasmas wachsen die MWNTs an den Stellen, wo vorher Katalysatorpunkte (z.B. Ni, Fe, Co) abgeschieden wurden. Eine einzelne, selbstausgerichtete MWNT 260 kann am Ort (in situ) durch den Katalysatorpunkt 255 wachsen. Die MWNT 260 kann kohlenstoffhaltig sein oder aus praktisch reinem Kohlenstoff bestehen. Das in 2 gezeigte Verfahren kann auch verwendet werden, um selbstausgerichtete einwändige, kohlenstoffhaltige Nanoröhren und/oder selbstausgerichtete kohlenstoffhaltige Nanofasern herzustellen. In gleicher Weise können diese SWNTs und/oder NFs kohlenstoffhaltig sein oder aus praktisch reinem Kohlenstoff bestehen.
In dem in 2 gezeigten Verfahren gibt es keinen Heizfaden, und das Substrat 230 wird erhitzt, indem es direkt auf einer Heizplatte platziert wird (z.B. der Kathode 220). Diese Technik hat die Vorteile der Wachstumstemperaturkontrolle und großflächigen Abscheidung (was mit einem Heizfaden nicht möglich ist) und bietet somit die Möglichkeit der Herstellung einer Vorrichtung im industriellen Maßstab.
Die 3A–3G zeigen ein Fabrikationsverfahren für eine MWNT-basierte Vakuum-Nanoelektronikvorrichtung. Die in den 3A–3G gezeigte Vorrichtung ist eine einfache torgesteuerte Elektronenemitterstruktur, die die Grundlage für komplexere Vakuum-Nanoelektronikvorrichtungen legen kann. In den 3A–3F wird eine Elektrodenstruktur durch lithographische Schritte definiert. In 3A ist eine Pufferschicht 305 auf einem Substrat 300 abgeschieden. Das Substrat 300 kann 10,16 cm (4'') n-Si sein, und die Pufferschicht 305 kann eine Titan-Wolframlegierung sein. In 3B sind Ausrichtungspunkte 310 auf der Pufferschicht 305 gebildet. Die Ausrichtungspunkte 310 können Gold umfassen und leitfähige Spuren sein. Die Ausrichtungspunkte dienen der nachfolgenden Fotolithographie und Messungen der kritischen Abmessung (CD, = critical dimension). Mit Bezug auf 3C ist einer der Schritte in diesem Verfahren die Definition eines Katalysatorteilchens 320. Das Katalysatorteilchen kann eines oder mehrere aus Nickel, Eisen oder Cobalt umfassen. Der Katalysator kann ein runder Punkt von ungefähr 100 nm Durchmesser im Abstand von 50 μm sein. Das Katalysatorteilchen kann ein Mitglied auf einer Anordnung sein, wo die Punkte im Abstand von ungefähr 50 μm angeordnet sind. 3D zeigt eine dielektrische Schicht 330, die auf dem Katalysatorteilchen 320, den Spuren 310 und der Pufferschicht 305 abgeschieden ist. Die dielektrische Schicht kann Siliciumdioxid umfassen. In diesem Fall kann das Siliciumdioxid unter Anwendung von PECVD bei einer Temperatur von ungefähr 275°C abgeschieden werden. 3E zeigt eine Extraktorschicht 340, die auf der dielektrischen Schicht 330 abgeschieden ist. Die Extraktorschicht 340 kann als Steuerelektrode bezeichnet werden. Die Extraktorschicht 340 kann eine Chromschicht von ungefähr 150 nm Dicke sein. Es gibt eine Extraktoröffnung 345, die in der Extraktorschicht 340 gebildet ist. Die Extraktoröffnung 345 kann unter Verwendung eines aufgeschleuderten Fotowiderstands gebildet werden. 3F zeigt eine dielektrische Vertiefung 350, die in der dielektrischen Schicht 330 gebildet ist. Die dielektrische Vertiefung kann unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen unter Verwendung der Extraktorschicht 340 als Ätzmaske gebildet werden. Die Bildung der dielektrischen Vertiefung soll das Katalysatorteilchen 320 freilegen, um das Wachstum zu katalysieren. Die dielektrische Vertiefung kann mit der Extraktoröffnung 345 zusammenfallen. In Bezug auf 3G wird eine MWNT 360 am Ort (in situ) in der Elektrodenstruktur aufgewachsen, nachdem die gesamte Elektrodenstruktur hergestellt und der Katalysator freigelegt wurde. Das Wachstum kann mittels PECVD bei einer Temperatur von ungefähr 660 bis ungefähr 700°C erfolgen.
Durch Trennen der Emitter kann ein schwächeres Feld verwendet werden, um die Emission anzuschalten. Darüber hinaus wird die Bogenbildung reduziert. Durch Herstellen der Emitter am Boden der dielektrischen Vertiefung kann jeder Emitter (und wahlweise dessen Strahl) individuell elektrostatisch mit Leiterplattengittern kontrolliert werden.
Die Erfindung kann eine Extraktions-, Beschleunigungs- und optische Fokussierungsanordnung umfassen. Mit Bezug auf 13 wird eine optische Einrichtung für eine Punktquelle mit 10 nm Durchmesser gezeigt. Eine Anordnung von Emittern kann durch paralleles Duplizieren dieser Anordnung, wahlweise auf einem einzelnen Chip, zusammengesetzt werden. Es sei erwähnt, dass die LMCD (Logik, Speichersteuerung und Detektor)-Schaltungen unter dem Emitter nicht gezeigt sind, und auch nicht der Spaltringdetektor am oberen Ende einer jeden Fokussierbaugruppe (um, wie nachstehend erläutert, die in situ-SEM-Funktion zu implementieren). Die Anordnung umfasst eine Punktquelle 1310, die ungefähr 70 nm hoch ist und einen Radius von ungefähr 5 nm hat. Dieses spezielle Design umfasst vier Gitter 1320. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in 13 gezeigten Abmessungen eingeschränkt.
Die Erfindung umfasst eine digital ansteuerbare Feldemitteranordnung. Die Erfindung umfasst eine hohe Dichte von Emitterkathoden. Die Erfindung umfasst eine elektrostatische Linse auf einem Chip. Das Erfordernis für magnetische Linsen, Strahlendeflektoren und/oder separate Beam blanks kann entfallen.
Auch massiv parallele, digitale elektrostatische Elektronenstrahl-Feldlithographie ist möglich. Dieser Ansatz ermöglicht eine maskenlose Mikroelektronik-Herstellungstechnik mit hohem Durchsatz und minimaler Waferbewegung. Diese Herstellungstechnik kann praktisch absolute Verlässlichkeit beim Schreiben und Verifizieren von Pixeln bereitstellen. Diese Herstellungstechnik kann auf einen Maßstab von ungefähr 10 nm Objektgröße bei 5 nm Pixel skaliert werden.
Die Erfindung umfasst das Bereitstellen eines Feldes von kohlenstoffhaltigen Spitzen mit einem Spaltringdetektor für rückgestreute Elektronen. In gleicher Weise kann eine Vielzahl von Feldern bereitgestellt werden mit einer entsprechenden Vielzahl von Detektoren. Eine solche Struktur kann für ein integriertes Hochgeschwindigkeits-Rasterelektronenmikroskop verwendet werden. Auch massiv parallele Wafermetrologie und -inspektion ist möglich.
Es können Datenverarbeitungsverfahren, die Signale aus den aufwachsenden kohlenstoffhaltigen Spitzen transformieren, verwendet werden, um das Aufwachsverfahren zu kontrollieren. Es ist beispielsweise möglich, die Verfahren mit einer Instrumentenausrüstung zu kombinieren, um zustandsvariable Informationen zu erhalten und die einzelnen, miteinander verbundenen Hardware-Elemente zu betätigen. Daten, die durch Nachweis eines Laserstrahls erhalten werden, die an den Spitzen reflektiert werden, können zur Kontrolle des Wachstums der Spitzen verwendet werden. In gleicher Weise können Nachweisdaten der Elektronenemission verwendet werden, um das Wachstum der Spitzen zu kontrollieren.
Wie hier verwendet, ist der Begriff "ungefähr" als mindestens nahe einem gegebenen Wert definiert (z.B. vorzugsweise innerhalb von 10%, noch bevorzugter innerhalb von 1%, und am bevorzugtesten innerhalb von 0,1%). Wie hier verwendet, ist der Begriff "im wesentlichen" als mindestens angenähert an einen gegebenen Zustand definiert (z.B. vorzugsweise innerhalb von 10%, noch bevorzugter innerhalb von 1%, und am bevorzugtesten innerhalb von 0,1%). Wie hier verwendet, ist der Begriff "gebunden" als verbunden definiert, obgleich nicht notwendigerweise direkt und nicht notwendigerweise mechanisch. Wie hier verwendet, ist der Begriff "entwickeln" als konstruieren, bauen, versenden, installieren und/oder betreiben definiert. Wie hier verwendet ist der Begriff "Mittel" als Hardware, Firmware und/oder Software zum Erzielen eines Ergebnisses definiert. Wie hier verwendet, ist der Begriff "Programm" oder der Ausdruck "Computerprogramm" als eine Folge von Anweisungen zum Ausführen eines Computersystems definiert. Ein Programm oder ein Computerprogramm kann eine Subroutine, eine Funktion, eine Prozedur, eine Objektmethode, eine Objektimplementation, eine ausführbare Anwendung, ein Applet, ein Servlet, einen Quellcode, einen Objektcode, eine shared library/dynamic load library und/oder eine andere Folge von Anweisungen umfassen, die zur Ausführung eines Computersystems dienen. Wie hier verwendet, sind die Begriffe "einschließen" und/oder "haben" als umfassend definiert (d.h. offene Sprache). Wie hier verwendet, sind die Begriffe "eine" oder "ein" als ein oder mehr als ein definiert. Wie hier verwendet, ist der Begriff "andere" als mindestens ein Zweites oder mehr definiert.
Das spezielle Herstellungsverfahren, das zur Herstellung der kohlenstoffhaltigen Spitzen angewendet wird, sollte kostengünstig und reproduzierbar sein. Das Verfahren zur Herstellung der kohlenstoffhaltigen Spitzen der Erfindung kann günstig unter Verwendung eines Vakuumabscheidungsverfahrens durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, dass das Verfahren eine chemische Dampfabscheidung ist. Für die Durchführung der Herstellung ist es ein Vorteil, eine plasmaverstärkte Technik anzuwenden.
Das spezielle Herstellungsverfahren, das für die kohlenstoffhaltigen Spitzen angewendet wird, kann jedoch variiert werden, solange es die beschriebene Funktionalität bereitstellt. Diejenigen, die die Erfindung anwenden, werden normalerweise das Herstellungsverfahren auf der Grundlage der Geräte- und Energieerfordernisse, der erwarteten Anwendungserfordernisse für das Endprodukt und der Erfordernisse für das gesamte Herstellungsverfahren auswählen.
Das spezielle Material, das für die kohlenstoffhaltigen Spitzen verwendet wird, sollte im wesentlichen rein sein. Die kohlenstoffhaltigen Spitzen der Erfindung können geeignet aus irgendeiner Quelle von Kohlenstoffmaterial hergestellt werden. Es ist bevorzugt, dass das Material gasförmig ist. Für den Herstellungsvorgang ist es ein Vorteil, ein Alken- oder Alkinmaterial einzusetzen.
Das spezielle Material, das zur Herstellung der kohlenstoffhaltigen Spitzen verwendet wird, ist jedoch für die Erfindung nicht entscheidend, solange es die beschriebene Funktion bereitstellt. Normalerweise werden diejenigen, die die Erfindung ausführen, das beste kommerziell erhältliche Material auf Grundlage der Ökonomie von Kosten und Verfügbarkeit, der erwarteten Anwendungserfordernisse des Endprodukts und der Erfordernisse des gesamten Herstellungsverfahrens auswählen.
Die beschriebenen Ausführungsformen zeigen eine Plasmaentladungs-Vakuumkammer als Struktur zur Durchführung der Funktion der Herstellung von kohlenstoffhaltigen Spitzen, aber die Struktur für die Herstellung der Spitzen kann irgendeine andere Struktur sein, die zur Durchführung der Funktion der Herstellung geeignet ist, einschließlich beispielsweise eine einfache chemische Dampfabscheidungskammer oder eine physikalische Dampfabscheidungskammer.
Die beschriebenen Ausführungsformen zeigen eine kreisförmige Öffnung als Struktur zur Durchführung der Funktion der Extraktion, aber die Struktur zur Extraktion kann irgendeine andere Struktur sein, die in der Lage ist, die Funktion der Extraktion durchzuführen, einschließlich beispielsweise ein reguläres Viereck, eine Ellipse oder sogar ein Kanal oder ein Spalt.
Während sie nicht auf irgendwelche speziellen Leistungsindikatoren oder Identifikatoren eingeschränkt ist, können einzelne Ausführungsformen der Erfindung einzeln identifiziert werden, indem sie auf das Vorhandensein gleichmäßig geformter Emitter getestet werden. Der Test für das Vorhandensein von Gleichmäßigkeit kann ohne unnötige Experimente durchgeführt werden, indem ein einfaches und bequemes Imaging-Experiment durchgeführt wird. Andere Möglichkeiten, Ausführungsformen mit dem Attribut der Gleichmäßigkeit zu suchen, die zur nächsten bevorzugten Ausführungsform führen, können auf dem Vorhandensein von präzisen elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise Feldemission, basieren.
BEISPIELE
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der folgenden, nicht einschränkenden Beispiele weiter beschrieben, die dazu dienen, verschiedene Merkmale genauer zu veranschaulichen. Die folgenden Beispiele sind eingeschlossen, um das Verständnis der Möglichkeiten zu erleichtern, nach denen die Erfindung durchgeführt werden kann. Es sollte klar sein, dass die folgenden Beispiele Ausführungsformen darstellen, bei denen festgestellt wurde, dass sie bei der Durchführung der Erfindung gut funktionieren, und sie sollten daher als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden.
Beispiel 1
Mehrwändige Kohlenstoff-Nanoröhren können nach dem in den 3A–3G gezeigten Schritten unter Verwendung von Acetylen als gasförmiger Kohlenstoffquelle und Ammoniak als Ätzmittel hergestellt werden. 4 zeigt ein SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Bild einer Vielzahl von mehrwändigen Kohlenstoff-Nanoröhren 410, die in einer vorgefertigten Elektrodenvertiefungsstruktur 420 aufgewachsen wurden. Man ließ die Röhren absichtlich über die obere Metallelektrode 430 wachsen, um eine leichte Abbildung zu ermöglichen.
Beispiel 2
Die Erfindung kann zum Wachstum vertikal ausgerichteter Kohlenstoff-Nanofasern verwendet werden, die in Elektrodenstrukturvertiefungen (Vertiefungen in der dielektrischen Schicht) zentriert sind. Zwei Lithographieschritte platzierten einen Nickelkatalysatorpunkt nahe dem Zentrum des Bodens einer Vertiefung. Reaktives Ionenätzen wurde angewendet, um den Nickelpunkt aus dem PECVD-Oxid freizusetzen, um das Wachstum einer einzelnen, isolierten Kohlenstoff-Nanofaser 510 zu katalysieren. 5 zeigt die einzelne, isolierte Kohlenstoff-Nanofaser 510, die im wesentlichen im Zentrum der Vertiefung lokalisiert ist und eine Höhe von ungefähr 950 nm und einen Radius von weniger oder gleich ungefähr 17 nm hat.
Beispiel 3
Feldemissionsmessungen an einzelnen, vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern (VACNFs) sind in 6 gezeigt. Rastersondenmessungen zeigen Fowler-Nordheim-ähnliche I-V(Strom-Spannungs)-Charakteristiken. Feldemissionsströme von mehr als ungefähr 5 uA wurden erhalten (z.B. ungefähr 500 kA/cm² für einen 30 nm-Spitzendurchmesser). Das Messsystem, mit dem die Daten in 6 erhalten wurden, ist in 12 gezeigt. Mit Bezug auf 12 wird eine Stromsonde 1210 auf einem X-Y-Z-Positionierer 1220 in einer Vakuumkammer 1230 montiert. Die Stromsonde funktionierte als Anode und wurde mit einem wählbaren Spitzendurchmesser von ungefähr 0,4 Mikrometer bis ungefähr 1 mm gescannt. Die Sondenstufe wurde in 75 nm-Schritten (X-, Y- und Z-) bewegt.
Beispiel 4
Das elektrische Durchschlagsfeld einer PECVD-Elektrodenstruktur aus Siliciumdioxid wurde gemessen. Ein Teil einer 5×5-Matrix von 1 Mikrometer-Öffnungen vor dem VACNF-Wachstum ist in 7A gezeigt. Der Test wurde mit ansteigendem/abnehmendem Sweep und einer 100 nA-Stromgrenze durchgeführt. 7B zeigt, dass die Oxidschicht ungefähr 150 Volt/Mikrometer widersteht, bevor eine signifikante Leckage auftritt. Es wurde gezeigt, dass beispielsweise gesputtertes Siliciumdioxid unter den gleichen Bedingungen bei ungefähr 600 Volt/Mikrometer durchbricht.
Beispiel 5
Ein Feld von individuellen, vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern wurde mittels eines PECVD-Verfahrens aufgewachsen. Elektronenstrahllithographie wurde verwendet, um Metallkatalysatorstellen von ungefähr 100 nm Durchmesser in einem Abdecklack zu definieren. Physikalische Dampfabscheidung wurde verwendet, um eine Metallpufferschicht und eine Dünnfilmschicht aus Katalysatorpunkten (mittels Elektronenstrahllithographie strukturiert) abzuscheiden. Die Anwendung von PECVD führte zu einzelnen, isolierten, vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern (VACNFs), die im Abstand von 10 Mikrometern bis 50 Mikrometern aufgewachsen sind. 8A zeigt eine Gruppe von VACNFs, die im 10 Mikrometer-Abstand aus dem EBL (Elektronenstrahllithographie, = electron beam lithography)-strukturierten Katalysatorpunktfeld gewachsen sind. Die Region mit den meisten Defekten (2/20) ist in 8A gezeigt. 8B zeigt eine VACNF in größerem Detail. Das VACNF-Wachstum ist im wesentlichen defektfrei.
Beispiel 6
Öffnungen von ungefähr 1 um und ungefähr 600 nm wurden hergestellt. Ein Elektronenemitterfeld verwendete Öffnungen im Durchmesser von ungefähr 500 nm oder größer in einem Abstand von ungefähr 4 um × ungefähr 8 um. Ein solches Elektronenemitterfeld umfasste bis zu ungefähr 4 leitfähige Strahlen-Extraktions-/Beschleunigungs-/Fokussiergitter, getrennt durch dielektrische Schichten (z.B. isolierendes Siliciumdioxid). Das gesamte Feld konnte durch eine erste Gitterspannung an/aus geschaltet werden. Einzelne Emitter konnten an/aus programmiert und unter Verwendung von LMC (logic, memory and control)-Schaltungen ausbalanciert werden. Es ist wünschenswert, dass die gesamte Dicke der Gitterstufe ungefähr 5 Mikrometer nicht überschreitet. Die elektrische Feldstärke sollte durch dielektrische Durchschlagsbeschränkungen auf ungefähr 100 Volt/Mikrometer begrenzt werden. Die entsprechenden fokussierten Elektronenstrahl-Punktgrößen sollten in einem Schreibabstand von ungefähr 100 Mikrometern ungefähr 5 nm bis ungefähr 20 nm betragen, da Gegenstandsgrößen von ungefähr 10 nm bis ungefähr 40 nm erforderlich sind. Die entsprechende Elektronenstrahlenergie sollte ungefähr 200 eV bis ungefähr 300 eV betragen, um den Nachbarschaftseffekt im wesentlichen auszuschließen.
Beispiel 7
Nicht-deterministisch vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofasern wurden unter Verwendung von PECVD und einem geheizten Substrathalter aufgewachsen. Ein dünner Film aus einem Nickelkatalysator wurde unter Verwendung eines ex situ-Elekronenstrahlverdampfers auf einem Substrat abgeschieden. Der Katalysatorfilm wurde unter Verwendung eines DC-Glimmentladungsplasmas bei mäßiger Temperatur (Tg ungefähr 700°C) plasmageätzt. Während des Aufheizens auf Tg wurden Katalysator-Nanotröpfchen mit zufälliger Verteilung gebildet. Die Nanofasern wurden aus der Spitze aufgewachsen, was zu einem chaotischen (unstrukturierten) Wald von VACNFs führte. 9A zeigt kurze, gerade VACNFs, die in weniger als 5 Minuten oder ungefähr 5 Minuten aufgewachsen wurden. 9B zeigt VACNFs, die gut am Substrat haften. Die 9C–9D zeigen, dass die Durchmesser der Nanofaserspitzen der Größe der Katalysator-Nanoteilchen entsprechen. 9C zeigt VACNFs, die aus Katalysatorteilchen von größer oder ungefähr gleich 100 nm Durchmesser gewachsen waren. Im Gegensatz dazu zeigt 9D VACNFs, die aus Katalysatorteilchen von ungefähr 30 nm Durchmesser gewachsen waren.
Beispiel 8
Deterministisch vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanofasern wurden aus einem einzeln verdampften Katalysatordünnschichtpunkt unter Verwendung von PECVD und einem geheizten Substrathalter aufgewachsen. Es wurde ein verdampfter Nickel-Dünnschichtpunkt eines Katalysators auf einem Titanpuffer bereitgestellt, der ein Siliciumsubstrat bedeckte. Beim Heizen auf ungefähr 700°C brach der Nickelkatalysatorpunkt zu nanometergroßen Tröpfchen auf. (Oberhalb eines kritischen Anfangsdurchmessers des Punkts brechen mehrere Nickeltröpfchen aus dem ursprünglichen Punkt auf, was zu mehrfachen VACNFs führt; unterhalb des kritischen Anfangsdurchmessers des Punkts gibt es kein Aufbrechen, das zu einer einzelnen VACF führt.) In jedem Fall wandert das Nickel-Nanotröpfchen auf der wachsenden Faser nach oben, wodurch es fortgesetztes katalytisches Wachstum ermöglicht. Die 10A–10F zeigen die Bildung von mehrfachen (10A–10B) und einzelnen (10C) Nickeltröpfchen aus den strukturierten Tröpfchen und das nachfolgende Wachstum von mehrfachen (10D–10E) und einzelnen (10F) VACNFs. Die Nickeltröpfchen wurden beim NH₃/He-Plasmavorätzen und Aufheizen auf 600–700°C gebildet. Die SEM-Bilder in den 10A–10C wurden bei 15 kV und 0° Neigung aufgenommen. Die SEM-Bilder in den 10D–10F wurden bei 15 kV und 50° Neigung aufgenommen.
Beispiel 9
Deterministische Felder von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanofasern wurden unter Verwendung von PECVD und einem geheizten Substrathalter aus Katalysatorpunkten aufgewachsen. Die 11A–11C zeigen Felder, die mit hochdeterministischem Wachstum von VACNFs hergestellt wurden. Die VACNF-Plätze sind eine Funktion des Katalysatorpunktmusters. Der VACNF-Spitzendurchmesser ist eine Funktion der Katalysator-Nanotröpfchengröße. Die VACNF-Höhe ist eine Funktion der Aufwachszeit.
Praktische Anwendungen der beschriebenen Methoden und Apparaturen
Praktische Anwendungen der oben genannten Verfahren, die auf dem Gebiet der Technik einen Wert haben, umfassen die Herstellung eines elektrischen Feldes mit hoher Dichte. Andere Anwendungen, die im Zusammenhang mit Vakuum-Mikro-/Nanoelektronik nützlich sind, umfassen: Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochstrahlungselektronik; Flachbildschirme; massiv parallele, digitale, elektrostatische Elektronenstrahl-Feldlithographie und/oder Elektronenmikroskopie. Für solche Verfahren gibt es nahezu unzählige Verwendungen, die hier nicht alle genau aufgeführt werden müssen.
Vorteile der beschriebenen Verfahren und Apparaturen
Ein Elektronenemitter, wie er hier beschrieben wird, kann aus mindestens den folgenden Gründen kosteneffektiv und vorteilhaft sein. Der Feldemitter kann eine katalytisch gewachsene mehrwändige Kohlenstoff-Nanoröhre (oder Nanofaser) sein. Der Emitter kann deterministisch gewachsen sein (d.h. gewachsen bis zu der Länge und bis zu dem Durchmesser, den die Erfinder ausgewählt haben, an der Stelle, die die Erfinder ausgewählt haben). Der Emitter kann am Ort in einer vorgefertigten Elektrodenstruktur aufgewachsen werden – leicht kompatibel mit Massenproduktion. Der Emitter kann hochwiderstandsfähig gegenüber Sputtern und Vorsprungswachstum sein und damit intrinsisch stabil sein. Da Feldemission verwendet wird, können die Vorrichtungen inhärent unempfindlich gegenüber Temperatur sein. Vorrichtungen, die mit Kohlenstoff-Nanofasern hergestellt wurden, sind inhärent strahlungstolerant. Die Qualität wird verbessert, und die Kosten im Vergleich zu früheren Ansätzen werden reduziert.
Die beschriebenen Verfahren und Apparaturen können im Lichte der Beschreibung ohne unnötige Experimente hergestellt und verwendet werden.
Weiterhin müssen die einzelnen Komponenten nicht in den beschriebenen Formen gebildet oder in den beschriebenen Konfigurationen kombiniert werden, sondern können in praktisch allen Formen bereitgestellt und/oder in praktisch jeder Konfiguration kombiniert werden. Darüber hinaus müssen die einzelnen Komponenten nicht aus den beschriebenen Materialien hergestellt werden, sondern können aus praktisch jedem geeigneten Material hergestellt werden.
Weiterhin können die hier beschriebenen Substanzen durch homologen Ersatz substituiert werden. Weiterhin können die hier beschriebenen Mittel durch Mittel substituiert werden, die sowohl chemisch als auch physiologisch verwandt sind, wobei die gleichen oder ähnliche Resultate erzielt werden. Weiterhin können Variationen durchgeführt werden bei den Schritten oder in der Folge der Schritte, die die hier beschriebenen Verfahren ausmachen.
Obgleich die hier beschriebenen kohlenstoffhaltigen Spitzen ein separates Modul sein können, ist klar, dass die kohlenstoffhaltigen Spitzen in das System, mit dem sie verbunden sind, integriert werden können. Darüber hinaus können alle beschriebenen Elemente und Merkmale jeder beschriebenen Ausführungsform mit den beschriebenen Elementen und Merkmalen jeder anderen beschriebenen Ausführungsform kombiniert oder dadurch substituiert werden, außer in den Fällen, wo sich solche Elemente oder Merkmale gegenseitig ausschließen.
LITERATUR

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Claims

Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters, umfassend: Bereitstellen eines Substrats (230, 300) Abscheiden eines Katalysators, wobei der Katalysator mit dem Substrat verbunden ist; Abscheiden einer dielektrischen Schicht (240, 330), wobei die dielektrische Schicht mit dem Substrat verbunden ist; Abscheiden einer Extraktorschicht (245, 340), wobei die Extraktorschicht mit der dielektrischen Schicht verbunden ist; Bilden einer Extraktoröffnung (345) in der Extraktorschicht; Bilden einer dielektrischen Vertiefung (350) in der dielektrischen Schicht, um mindestens einen Teil des Katalysators freizulegen; und dann Herstellen einer kohlenstoffhaltigen Spitze i) mit einer Grundfläche, die im wesentlichen am Boden der dielektrischen Vertiefung lokalisiert ist und ii), die sich im wesentlichen vom Substrat weg erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass I) das Abscheiden des Katalysators das Abscheiden eines Katalysatorteilchen (255, 320) umfasst, das durch lithographische Definition deterministisch platziert wird, II) das Bilden der dielektrischen Vertiefung das Katalysatorpartikel am Boden der dielektrischen Vertiefung freilegt, wenn die dielektrische Vertiefung gebildet wird, und III) das Herstellen der kohlenstoffhaltigen Spitze das deterministische Aufwachsen einer einzelnen, selbstausgerichteten, kohlenstoffhaltigen Spitze (260, 360) am Ort des Katalysatorteilchen und in der dielektrischen Vertiefung unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne, selbstausgerichtete, kohlenstoffhaltige Spitze aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer kohlenstoffhaltigen Nanofaser, einer kohlenstoffhaltigen, einwändigen Nanoröhre und einer kohlenstoffhaltigen, mehrwändigen Nanoröhre besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der kohlenstoffhaltigen Spitze die Bereitstellung eines Kohlenstoffquellgases und eines Ätzgases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffquellgas Acetylen umfasst und das Ätzgas Ammoniak umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Vertiefung im wesentlichen mit der Extraktoröffnung zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Abscheidung einer Pufferschicht (235, 305) vor der Abscheidung der dielektrischen Schicht, wobei die Pufferschicht zwischen dem Substrat und der dielektrischen Schicht angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht Titan umfasst.