RU2652651C2 - Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon - Google Patents
Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652651C2 RU2652651C2 RU2016137063A RU2016137063A RU2652651C2 RU 2652651 C2 RU2652651 C2 RU 2652651C2 RU 2016137063 A RU2016137063 A RU 2016137063A RU 2016137063 A RU2016137063 A RU 2016137063A RU 2652651 C2 RU2652651 C2 RU 2652651C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emission
- carbon
- emission cathode
- matrix
- columnar
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 title abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 34
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 claims 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000002513 implantation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- -1 carbon ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000001344 confocal Raman microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000794 confocal Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of products of light-indicating equipment and emission electronics based on field emission of a multi-axis emitter matrix on single-crystal silicon wafers.
Известен способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода, в котором матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [А. св. СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.]. При изготовлении матрицы по этому способу все нити ткани ориентируют под острым углом к направлению эмиссии электронов, а рабочую поверхность, которая является эмиттером электронов и состоит из множества нитей, образующих волокна, полируют.A known method of manufacturing a matrix of a multi-tip field emission cathode, in which the matrix is formed by layers of woven fabric, impregnated with a high-temperature binder, for example pyrocarbon [A. St. USSR No. 767858, MKI H01J 1/30, 1978]. In the manufacture of the matrix by this method, all the threads of the fabric are oriented at an acute angle to the direction of electron emission, and the work surface, which is an emitter of electrons and consists of many fibers forming fibers, is polished.
Однако при таком способе изготовления матрицы происходит разрушение связующего вещества под действием ионной бомбардировки при работе катода в техническом вакууме. Это приводит к расслоению материала и существенно ограничивает срок службы катода.However, with this method of manufacturing the matrix, the binder is destroyed under the action of ion bombardment during cathode operation in a technical vacuum. This leads to delamination of the material and significantly limits the service life of the cathode.
Известен также термохимический способ формирования регулярной многоострийной матрицы автоэмиссионного катода из стеклоуглерода [Патент RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993]. Для этого на поверхности углеродной подложки формируется вспомогательный слой из переходного материала с необходимой топологией. В качестве переходного контактного материала при термохимическом травлении используется никель, хорошо растворяющий углерод при температуре 800-1000°С. В результате термохимического травления в водородной печи при Т=1000-1100°С и последующего удаления слоя никеля на углеродной подложке образуется многоострийная структура. Формирование слоя переходного металла с системой микроотверстий проводится с помощью технологий фотолитографии и гальванического наращивания. Плотность упаковки матричных стеклоуглеродных эмиттерных структур, изготовленных по данной технологии, достигает 106 см-2. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заострялись в кислородной плазме. После заострения их радиус составлял 0,3-0,5 мкм.Also known is a thermochemical method for forming a regular multi-tip matrix of a field emission cathode from glassy carbon [Patent RU 1738013, MKI H J 1/30, 1993]. For this, an auxiliary layer of a transition material with the necessary topology is formed on the surface of the carbon substrate. Nickel, which dissolves carbon well at a temperature of 800-1000 ° С, is used as a transition contact material during thermochemical etching. As a result of thermochemical etching in a hydrogen furnace at Т = 1000-1100 ° С and subsequent removal of the nickel layer, a multi-tip structure is formed on the carbon substrate. The formation of a transition metal layer with a system of microholes is carried out using photolithography and galvanic building technologies. The packing density of matrix glassy carbon emitter structures manufactured by this technology reaches 10 6 cm -2 . The points in the matrix have the shape of a truncated cone with a height of up to 15-20 microns. To increase the electric field gain, the tips of the tips were specially sharpened in the oxygen plasma. After sharpening, their radius was 0.3-0.5 μm.
Однако при таком способе формирования матрицы многоострийных катодов невозможно обеспечить их высокую плотность упаковки. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения, ионной бомбардировкой, и, как следствие, к деградации многоострийных катодов. Кроме того, многоэтапность и сложность технологии ограничивает ее применение и конкурентоспособность.However, with this method of forming a matrix of multi-tip cathodes, it is impossible to ensure their high packing density. This reduces the density of currents from emitters, and the application of high electric fields to enhance the field emission process leads to an increase in heat generation, ion bombardment, and, as a result, degradation of multi-tip cathodes. In addition, the multi-stage and complexity of the technology limits its application and competitiveness.
Известен также способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода, состоящего из однослойных нанотрубок [Bonard J. - М., Salvetat J. - P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. Трубки получали в дуговом разряде с графитовыми электродами, горящем при токе 100А и напряжении 25 В в атмосфере гелия при давлении около 0.5 атм. В аноде диаметром 5 мм предварительно высверливалось отверстие диаметром 3 мм, которое заполнялось смесью порошков графит-никель-иттрий в весовом отношении 2:1:1, используемой в качестве катализатора. Полученные однослойные нанотрубки составляли некую паутинообразную структуру с другими углеродными частицами и отделялись от них ультразвуковой обработкой в растворе. Образовавшаяся очищенная суспензия наносилась на подложку, на которой после сушки формировалась однородная пленка из случайно ориентированных одностенных нанотрубок, заполняющих поверхность подложки с плотностью 108 см-2. Коэффициент увеличения электрического поля на вершине трубки изменяется в диапазоне от 2500 до 10000 при среднем значении 3600, что примерно втрое выше соответствующего значения для многослойных нанотрубок.There is also known a method of manufacturing a matrix of a multi-tip field emission cathode, consisting of single-walled nanotubes [Bonard J. - M., Salvetat J. - P., Stockli T., Heer WA, Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. The tubes were obtained in an arc discharge with graphite electrodes burning at a current of 100 A and a voltage of 25 V in a helium atmosphere at a pressure of about 0.5 atm. A hole with a diameter of 3 mm was pre-drilled in the anode with a diameter of 5 mm, which was filled with a mixture of graphite-nickel-yttrium powders in a weight ratio of 2: 1: 1, used as a catalyst. The obtained single-walled nanotubes constituted a certain cobweb-like structure with other carbon particles and were separated from them by ultrasonic treatment in solution. The resulting purified suspension was deposited on a substrate, on which, after drying, a uniform film was formed from randomly oriented single-walled nanotubes filling the surface of the substrate with a density of 10 8 cm -2 . The coefficient of increase in the electric field at the top of the tube varies in the range from 2500 to 10000 with an average value of 3600, which is approximately three times higher than the corresponding value for multilayer nanotubes.
Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это, по-видимому, связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов. Кроме того, технология изготовления таких нанотрубных эмиттеров является многостадийной, сложной и затратной.However, the emission characteristics of such structures are unstable - for ten hours of continuous operation, the emission current density (at a constant applied voltage) decreases by about an order of magnitude. This, apparently, is associated with the destruction of nanotubes under the action of fast electrons. In addition, the manufacturing technology of such nanotube emitters is multi-stage, complex and costly.
Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному является способ получения многоострийных катодных матриц на монокристаллическом кремнии в виде интегральных столбчатых структур высотой до нескольких десятков нанометров [Патент на изобретение RU 2484548, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2013]. Получение столбчатых структур осуществляется в результате высокоанизатропного плазмохимического травления кремниевых пластин с использованием предварительно осажденных углеродных островковых нанообразований в качестве нелитографического маскового покрытия. Углеродные островковые нанообразования осаждают в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола, при температуре подложки в интервале от 200 до 350°С и давлении плазмообразующего газа в диапазоне от 0,05 до 0,08 Па при вводимой в разряд плотности мощности от 3 до 5 Вт/см2. Толщина осажденного углеродного покрытия не должна превышать 1-1,5 нм. Температура вакуумного отжига полученных углеродных покрытий на пластинах кремния ориентаций (100) и (111) составляет от 700 до 900°С. После отжига пластины кремния с осажденным углеродным покрытием подвергаются высокоанизотропному плазмохимическому травлению на определенную глубину, которая зависит от поверхностной плотности углеродных наноостровковых образований. Поверхностную плотность наноостровковых образований можно регулировать изменением температуры осаждения, причем большую плотность получают при большей температуре. Такие многоострийные катодные матрицы на кристаллическом кремнии позволяют получать стабильную автоэлектронную эмиссию в течение длительного времени работы прибора в условиях технического вакуума.The closest in technical essence and technical result to the proposed one is a method for producing multi-edge cathode matrices on single-crystal silicon in the form of integrated columnar structures up to several tens of nanometers high [Patent for the invention RU 2484548, IPC
Недостатком такого способа получения автоэмиссионных катодов на кристаллическом кремнии является относительно высокая температура вакуумного отжига полученных углеродных покрытий, которая составляет от 700 до 900°С и затрудняет интегрирование полученных катодных матриц с другими элементами кремниевых интегральных схем. Кроме того, при высоких плотностях автоэмиссионного токоотбора такие катодные матрицы не обеспечивают необходимой долговременной стабильности автоэмиссии.The disadvantage of this method of producing field emission cathodes on crystalline silicon is the relatively high temperature of vacuum annealing of the obtained carbon coatings, which ranges from 700 to 900 ° C and makes it difficult to integrate the obtained cathode matrices with other elements of silicon integrated circuits. In addition, at high field emission densities, such cathode arrays do not provide the necessary long-term field emission stability.
Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионного катода, которая при низкотемпературной технологии изготовления, совместимой с технологией производства кремниевых интегральных схем, обладала бы высокими эффективностью и долговременной стабильностью токоотбора (высокими стабильностью и рабочей плотностью тока при длительной эксплуатации в условиях технического вакуума).The aim of the invention is the creation of such a field emission cathode matrix, which, with a low-temperature manufacturing technology compatible with the silicon integrated circuit production technology, would have high efficiency and long-term current collector stability (high stability and operating current density during long-term operation under technical vacuum).
Поставленная цель достигается тем, что многоострийную катодную матрицу на монокристаллическом кремнии в виде интегральных столбчатых структур высотой до нескольких десятков нанометров получают в результате высокоанизатропного плазмохимического травления кремниевых пластин с использованием самоорганизованных углеродных масковых покрытий, осажденных в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола. В полученные интегральные столбчатые структуры для модификации фазового состава и улучшения эффективности и долговременной стабильности автоэмиссионных свойств осуществляют высокодозную ионную имплантацию углерода.This goal is achieved in that a multi-tip cathode matrix on single-crystal silicon in the form of integrated columnar structures up to several tens of nanometers high is obtained as a result of highly anisotropic plasma-chemical etching of silicon wafers using self-organized carbon mask coatings deposited in a non-equilibrium plasma of a microwave gas discharge in a magnetic field of carbon vapor for example ethanol. To obtain integrated columnar structures, high-dose ion implantation of carbon is carried out to modify the phase composition and improve the efficiency and long-term stability of field emission properties.
Исследования облученных образцов кремниевых интегральных столбчатых структур методами инфракрасной Фурье-спектроскопии и конфокальной рамановской микроскопии/спектроскопии показали существенную модификацию фазового состава приповерхностных слоев. Установлено, что при дозах в интервале 5⋅1017-1⋅1018 см-2 имплантированный слой представляет собой смесь аморфных фаз кремния, графита и алмазоподобного углерода, а также связанного с кремнием углерода. При увеличении дозы имплантированного углерода наблюдается относительный рост D-линии рамановского рассеяния, связанной с фазой алмазоподобного углерода, по сравнению с G-линией от графитоподобной фазы. Немаловажным фактором, определяющим соотношение алмазоподобной и графитоподобной фаз, является плотность ионного тока. Образование связей Si-C в имплантированном слое вполне естественно, так как при облучении происходит разрыв связей Si-Si и встраивание в решетку атомов углерода. При этом уже в отсутствие отжига может формироваться аморфная фаза карбида кремния, учитывая то, что решетка SiC в кубической модификации формируется из решетки Si путем простой замены половины атомов Si на атомы С, а гексагональная фаза SiC формируется из кубической путем сдвига атомных плоскостей.Studies of irradiated samples of silicon integrated columnar structures by infrared Fourier spectroscopy and confocal Raman microscopy / spectroscopy showed a significant modification of the phase composition of the surface layers. It was found that at doses in the range of 5⋅10 17 -1⋅10 18 cm -2, the implanted layer is a mixture of amorphous phases of silicon, graphite and diamond-like carbon, as well as carbon bound to silicon. With an increase in the dose of implanted carbon, a relative increase in the D-line of Raman scattering associated with the diamond-like carbon phase is observed, compared with the G-line from the graphite-like phase. An important factor determining the ratio of diamond-like and graphite-like phases is the ion current density. The formation of Si – C bonds in the implanted layer is quite natural, since upon irradiation, Si – Si bonds break and carbon atoms are embedded in the lattice. In this case, even in the absence of annealing, an amorphous phase of silicon carbide can form, taking into account the fact that the SiC lattice in the cubic modification is formed from the Si lattice by simply replacing half of the Si atoms with C atoms, and the hexagonal SiC phase is formed from the cubic one by the shift of atomic planes.
С практической точки зрения, для формирования многоострийных автоэмиссионных катодов на кристаллическом кремнии соотношение фаз алмазоподобного и графитоподобного углерода важно потому, что оно влияет на величину максимальной плотности тока и стабильность долговременной эмиссии благодаря различию удельного сопротивления и работы выхода этих фаз.From a practical point of view, for the formation of multi-pointed field emission cathodes on crystalline silicon, the ratio of the phases of diamond-like and graphite-like carbon is important because it affects the maximum current density and the stability of long-term emission due to the difference in resistivity and work function of these phases.
Способ получения таких матриц многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния состоит в осаждении субмонослойных углеродных покрытий в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола, при температуре подложки в интервале от 200 до 350°С, давлении в диапазоне от 0,05 до 0,08 Па и вводимой в разряд плотности мощности от 3 до 5 Вт/см2. Толщина осажденного углеродного покрытия не должна превышать 1-1,5 нм. Пластины кремния с осажденным углеродным покрытием подвергаются высокоанизотропному плазмохимическому травлению на определенную глубину, которая зависит от поверхностной плотности углеродных наноостровковых образований. Поверхностную плотность наноостровковых образований можно регулировать изменением температуры осаждения, причем большую плотность получают при большей температуре. В полученные интегральные столбчатые структуры на монокристаллическом кремнии осуществляют ионную имплантацию углерода с дозами в диапазоне 5⋅1017-1⋅1018 см-2 при ускоряющем напряжении 60-80 кВ и плотностях тока не менее 8-10 мкА/см2.A method for producing such arrays of multi-point emitters on single-crystal silicon wafers consists in the deposition of submonolayer carbon coatings in a nonequilibrium microwave gas discharge plasma in a magnetic field of vapors of carbon-containing substances, for example ethanol, at a substrate temperature in the range from 200 to 350 ° C, a pressure in the range of 0, 05 to 0.08 Pa and a power density introduced into the discharge from 3 to 5 W / cm 2 . The thickness of the deposited carbon coating should not exceed 1-1.5 nm. Carbon-deposited silicon wafers undergo highly anisotropic plasma-chemical etching to a certain depth, which depends on the surface density of carbon nanoisland formations. The surface density of nanoisland formations can be controlled by changing the deposition temperature, and a higher density is obtained at a higher temperature. Ion carbon implantation with doses in the range of 5 × 10 17 -1 × 10 18 cm -2 at an accelerating voltage of 60-80 kV and current densities of at least 8-10 μA / cm 2 is carried out in the obtained columnar integral structures on single-crystal silicon.
По описанному способу были получены матрицы многоострийных столбчатых структур на монокристаллическом кремнии КЭС (0,01-0,02) и КДБ (0,01-0,02) с предварительно сформированными выступами на поверхности кристаллов. Ионная имплантация углерода осуществлена с дозами в диапазоне 5⋅1017-1⋅1018 см-2 при ускоряющем напряжении 80 кВ и плотности тока 10 мкА/см2.According to the described method, matrices of multi-edge columnar structures on single-crystal silicon KES (0.01-0.02) and KDB (0.01-0.02) with preformed protrusions on the surface of the crystals were obtained. Ion implantation of carbon was carried out with doses in the
Из приведенных на фиг. 1 результатов экспериментальных исследований зависимостей от дозы облучения ионами углерода с энергией 80 кэВ максимальных плотностей токов полевой эмиссии электронов, полученных в стационарном режиме измерения на исходных (безострийных «гладких») (кривая 1) и поверхностно структурированных с использованием островковых углеродных покрытий (кривая 2) пластинах кремния p-типа, можно видеть, что в отсутствие предварительного поверхностного структурирования при одинаковых режимах ионного облучения влияние ионной имплантации на величину максимальных токов автоэмиссии более чем на порядок ниже. Причинами улучшения эмиссионных характеристик облученных ионами углерода структурированных кремниевых пластин могут быть повышенная концентрация внедренного углерода в верхних слоях столбчатых структур за счет дополнительного «вбивания» его из самоорганизованного масочного покрытия в процессе ионного облучении, а также более высокая локальная температура в верхних слоях столбчатых структур за счет уменьшения сечения теплотвода, которая способствует протеканию различных фазовых превращений.From those shown in FIG. 1 of the results of experimental studies of dose dependences of irradiation with carbon ions with an energy of 80 keV of the maximum electron field emission current densities obtained in the stationary measurement mode on the initial (pointless "smooth") (curve 1) and surface structured using island carbon coatings (curve 2) p-type silicon wafers, it can be seen that in the absence of preliminary surface structuring under identical ion irradiation conditions, the effect of ion implantation on the value of m The maximum field emission currents are more than an order of magnitude lower. The reasons for the improvement of the emission characteristics of structured silicon wafers irradiated with carbon ions may be an increased concentration of embedded carbon in the upper layers of columnar structures due to additional “driving” it from a self-organized mask coating during ion irradiation, as well as a higher local temperature in the upper layers of columnar structures due to reducing the cross section of the heat sink, which contributes to the flow of various phase transformations.
Полученные многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы на пластинах монокристаллического кремния с предварительно структурированной поверхностью в виде интегральных столбчатых эмиссионных центров высотой до нескольких десятков нанометров и высокодозной имплантацией углерода позволяют получать стабильную автоэлектронную эмиссию при повышенных плотностях токоотборов в течение длительного времени работы прибора в условиях технического вакуума. При испытаниях они показали хорошие характеристики, а именно, высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5%, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, а также высокую эффективность эмиссии. В стационарном режиме автоэмиссионных измерений максимальные плотности токов с таких катодных матриц более чем на порядок превосходили плотности токов с поверхностно неструктрированных аналогичных кремниевых пластин при одинаковых режимах высокодозного облучения ионами углерода.The obtained multi-edge field emission cathode matrices on single-crystal silicon wafers with a pre-structured surface in the form of integrated column emission centers with a height of several tens of nanometers and high-dose carbon implantation allow obtaining stable field emission at high current pick-up densities over a long operating time of the device under conditions of technical vacuum. During tests, they showed good characteristics, namely, high emission stability with a current fluctuation amplitude of less than 3.5%, which allows predicting the cathode life of at least 10,000 hours, as well as high emission efficiency. In the stationary mode of field emission measurements, the maximum current densities from such cathode arrays were more than an order of magnitude higher than the densities of currents from surface unstructured analogous silicon wafers under identical conditions of high-dose irradiation with carbon ions.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.1. USSR Copyright Certificate No. 767858, MKI
2. Патент на изобретение RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993 г.2. Patent for invention RU 1738013, MKI
3. Bonard J. - М., Salvetat J. - P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918.3. Bonard J. - M., Salvetat J. - P., Stockli T., Heer W. A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918.
4. Патент на изобретение RU 2484548, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2013 г.4. Patent for invention RU 2484548,
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016137063A RU2652651C2 (en) | 2016-09-15 | 2016-09-15 | Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016137063A RU2652651C2 (en) | 2016-09-15 | 2016-09-15 | Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016137063A3 RU2016137063A3 (en) | 2018-03-20 |
| RU2016137063A RU2016137063A (en) | 2018-03-20 |
| RU2652651C2 true RU2652651C2 (en) | 2018-04-28 |
Family
ID=61627233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016137063A RU2652651C2 (en) | 2016-09-15 | 2016-09-15 | Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2652651C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5211707A (en) * | 1991-07-11 | 1993-05-18 | Gte Laboratories Incorporated | Semiconductor metal composite field emission cathodes |
| WO2004005193A2 (en) * | 2002-07-03 | 2004-01-15 | Xintek, Inc. | Fabrication and activation processes for nanostructure composite field emission cathodes |
| RU2309480C2 (en) * | 2005-08-04 | 2007-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" | Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode |
| RU2474909C1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes |
| RU2484548C1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon |
-
2016
- 2016-09-15 RU RU2016137063A patent/RU2652651C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5211707A (en) * | 1991-07-11 | 1993-05-18 | Gte Laboratories Incorporated | Semiconductor metal composite field emission cathodes |
| WO2004005193A2 (en) * | 2002-07-03 | 2004-01-15 | Xintek, Inc. | Fabrication and activation processes for nanostructure composite field emission cathodes |
| RU2309480C2 (en) * | 2005-08-04 | 2007-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" | Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode |
| RU2474909C1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes |
| RU2484548C1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-06-10 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016137063A3 (en) | 2018-03-20 |
| RU2016137063A (en) | 2018-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Alexandrou et al. | Polymer–nanotube composites: Burying nanotubes improves their field emission properties | |
| Terranova et al. | Nanodiamonds for field emission: state of the art | |
| RU2309480C2 (en) | Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode | |
| JP2010212619A (en) | Graphene manufacturing method, graphene, graphene manufacturing device, and semiconductor device | |
| RU2474909C1 (en) | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes | |
| RU2484548C1 (en) | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon | |
| Egorov et al. | On the current state of field-emission electronics | |
| Diehl et al. | Narrow energy distributions of electrons emitted from clean graphene edges | |
| Ducati et al. | Influence of cluster-assembly parameters on the field emission properties of nanostructured carbon films | |
| RU2588611C1 (en) | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes | |
| RU171829U1 (en) | AUTO EMISSION CATHODE | |
| Smith et al. | Electron field emission from room temperature grown carbon nanofibers | |
| Gupta et al. | Field emission properties of highly ordered low-aspect ratio carbon nanocup arrays | |
| RU2652651C2 (en) | Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon | |
| Arkhipov et al. | Field-induced electron emission from nanoporous carbon of various types | |
| Lee et al. | Uniform field emission from aligned carbon nanotubes prepared by CO disproportionation | |
| JP2000268741A5 (en) | ||
| Chen et al. | Large current carbon nanotube emitter growth using nickel as a buffer layer | |
| Minh et al. | Selective growth of carbon nanotubes on Si microfabricated tips and application for electron field emitters | |
| Carey et al. | Carbon based electronic materials: applications in electron field emission | |
| RU2504858C2 (en) | Field-emission cathode | |
| JP5119457B2 (en) | Field emission electron source and manufacturing method thereof | |
| RU2692240C1 (en) | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes | |
| RU2654522C1 (en) | Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates | |
| RU2813858C1 (en) | Method of increasing efficiency of multi-tip electron field emission cathodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180916 |