RU2656150C1 - Field emission element and method of its manufacture - Google Patents

Field emission element and method of its manufacture Download PDF

Info

Publication number
RU2656150C1
RU2656150C1 RU2017105501A RU2017105501A RU2656150C1 RU 2656150 C1 RU2656150 C1 RU 2656150C1 RU 2017105501 A RU2017105501 A RU 2017105501A RU 2017105501 A RU2017105501 A RU 2017105501A RU 2656150 C1 RU2656150 C1 RU 2656150C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
catalyst
field emission
carbon nanotubes
holes
Prior art date
Application number
RU2017105501A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Козлов
Алексей Васильевич Живихин
Александр Александрович Павлов
Александр Николаевич Сауров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук
Priority to RU2017105501A priority Critical patent/RU2656150C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2656150C1 publication Critical patent/RU2656150C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details 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
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/30Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304Field-emissive cathodes

Abstract

FIELD: electronic equipment.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, in particular to field emission elements containing carbon nanotubes used as cathodes, and also to a method for manufacturing them. Field emission element comprises electrically conductive substrate 1, dielectric layer 3 disposed thereon, above which is drawing layer 5, in a structure consisting of pulling 5 and dielectric 3 layers, matrix of through holes 7 is made, on their walls insulating layer 6 is located, and on the bottom of the holes there is layer of catalyst 4, where array of carbon nanotubes 2 is formed. Method of manufacturing the field emission element comprises the formation of a catalyst layer on an electrically conductive substrate for growing carbon nanotubes, forming a mask for etching the catalyst layer, liquid chemical etching of the catalyst layer to form catalyst sections for the subsequent growth of carbon nanotubes, removing the mask, plasma-chemical deposition of the dielectric layer, magnetron deposition of the drawing layer, forming a mask for etching the structure consisting of a pulling and dielectric layers, above the previously formed sections of the catalyst for the subsequent growth of carbon nanotubes, plasma-chemical anisotropic etching with the formation of holes in the drawing and dielectric layers up to the catalyst bed, removal of the mask, isotropic deposition of the insulating layer, anisotropic plasma-chemical etching of the insulating layer on the drawing layer and in the bottom of the holes to the catalyst layer with the formation of an insulating layer on the lateral surfaces of the holes, vapor phase synthesis of carbon nanotubes on a catalyst.
EFFECT: technical result is prevention of short circuits, reduction of leakage currents, increase of emission current, reliability and increase in yield.
12 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полевым эмиссионным элементам, содержащим углеродные нанотрубки, используемые в качестве катодов, а также способу их изготовления. Изобретение может быть использовано в триодах, диодах, полевых эмиссионных дисплеях, вакуумных микроэлектронных переключателях токов, электронных пушках и других изделиях микроэлектроники.The invention relates to electronic equipment, in particular to field emission elements containing carbon nanotubes used as cathodes, as well as to a method for their manufacture. The invention can be used in triodes, diodes, field emission displays, vacuum microelectronic current switches, electron guns and other microelectronic products.

Высокими эмиссионными свойствами обладают углеродные материалы, в частности углеродные нанотрубки. Известен полевой эмиссионный элемент и способ его изготовления, где углеродные нанотрубки используются в качестве катодов (патент России 2391738, МПК H01J 9/02, В82В 3/00, опубликован 10.06.2010 г.). Полевой эмиссионный элемент содержит подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой диэлектрической подложки, опорную структуру, состоящую из одного диэлектрического слоя или нескольких диэлектрических и электропроводящих слоев, расположенную на верхней поверхности упомянутой катодной структуры и содержащую сквозные отверстия для формирования эмиссионных катодов, выполненных в виде углеродных нанотрубок, расположенных в упомянутых отверстиях опорной структуры на внешней поверхности катодной структуры перпендикулярно данной поверхности, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре. Способ изготовления такого полевого эмиссионного элемента, содержит технологические этапы: формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, катодной структуры, составленной из токоведущего слоя, расположенного на поверхности диэлектрической подложки, адгезионного слоя, расположенного на поверхности токоведущего слоя, каталитического слоя, расположенного на поверхности адгезионного слоя, опорной структуры, расположенной на поверхности каталитического слоя и составленной из первого изолирующего слоя, расположенного на поверхности каталитического слоя, затворного электропроводящего слоя, расположенного на поверхности первого изолирующего слоя, второго изолирующего слоя, расположенного на поверхности затворного электропроводящего слоя; формирование отверстий во втором изолирующем слое; формирование отверстий в затворном электропроводящем слое; формирование отверстий в первом изолирующем слое; нанесение жертвенного слоя; формирование структуры жертвенного слоя; нанесение анодного слоя; формирование технологических отверстий и структуры проводников в анодном слое; травление жертвенного слоя жидкостным химическим методом при поступлении раствора через технологические отверстия в анодном слое; активизация поверхности каталитического слоя при термической обработке; формирование углеродных нанотрубок на поверхности каталитического слоя внутри упомянутых отверстий в первом изолирующем слое при поступлении активной газовой среды к поверхности каталитического слоя через технологические отверстия в анодном слое.Carbon materials, in particular carbon nanotubes, possess high emission properties. A known field emission element and a method for its manufacture, where carbon nanotubes are used as cathodes (Russian patent 2391738, IPC H01J 9/02, B82B 3/00, published June 10, 2010). The field emission element comprises a substrate, a cathode structure consisting of one or more layers of electrically conductive material and located on the outer surface of said dielectric substrate, a support structure consisting of one dielectric layer or several dielectric and electrically conductive layers, located on the upper surface of said cathode structure and containing through holes for the formation of emission cathodes made in the form of carbon nanotubes located in the aforementioned utyh openings of the support structure on the outer surface of the cathode structure perpendicularly to the surface of the anode layer of electrically conductive material disposed on the outer surface of said support structure and comprising a technological opening aligned with said openings in the supporting structure. A method of manufacturing such a field emission element, comprises technological steps: forming a multilayer structure consisting of a substrate, a cathode structure composed of a current-carrying layer located on the surface of the dielectric substrate, an adhesive layer located on the surface of the current-carrying layer, a catalytic layer located on the surface of the adhesive layer support structure located on the surface of the catalytic layer and composed of a first insulating layer located on the surface of the catalytic layer, the gate conductive layer located on the surface of the first insulating layer, the second insulating layer located on the surface of the gate conductive layer; forming holes in the second insulating layer; the formation of holes in the gate conductive layer; forming holes in the first insulating layer; applying a sacrificial layer; the formation of the structure of the sacrificial layer; drawing an anode layer; the formation of technological holes and the structure of conductors in the anode layer; etching of the sacrificial layer by a liquid chemical method when the solution enters through technological holes in the anode layer; activation of the surface of the catalytic layer during heat treatment; the formation of carbon nanotubes on the surface of the catalytic layer inside the aforementioned holes in the first insulating layer when the active gas medium enters the surface of the catalytic layer through technological holes in the anode layer.

Недостатком данного устройства и способа его изготовления является то что массив нанотрубок покрывает всю поверхность катода и это приводит к их взаимному экранированию, что снижает интенсивность эмиссииThe disadvantage of this device and its manufacturing method is that the array of nanotubes covers the entire surface of the cathode and this leads to their mutual shielding, which reduces the emission intensity

Известно техническое решение по заявке США US 20110005191 (МПК F03H 1/00, Н01J 1/02, опубликовано 13.06.2011 г.), согласно которому катод содержит множество пучков вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Все пучки нанотрубок электрически соединены, и пространственно разделены диэлектрическим материалом, на поверхности которого находится проводящий слой, выполняющий роль вытягивающего электрода. Недостатком данного способа является трудность изготовления таких устройств. Так как один катод может содержать до миллиона пучков нанотрубок, а рост каждой из них трудно контролируем, то замыкание хотя бы одной на вытягивающий электрод приводит к неработоспособности всего источника.A technical solution is known according to the application of US US 20110005191 (IPC F03H 1/00, H01J 1/02, published June 13, 2011), according to which the cathode contains many bundles of vertically oriented carbon nanotubes. All bundles of nanotubes are electrically connected, and spatially separated by a dielectric material, on the surface of which there is a conductive layer acting as a pulling electrode. The disadvantage of this method is the difficulty of manufacturing such devices. Since one cathode can contain up to a million bundles of nanotubes, and the growth of each of them is difficult to control, the closure of at least one to the extraction electrode leads to inoperability of the entire source.

В этой конструкции, как и во всех описанных ранее нет защиты от естественного распыления углерода под действием высокой напряженности электрического поля, которое происходит в процессе эксплуатации источника и его осаждения на боковые станки отверстий в изолирующем слое. Это приводит к возникновению электрических утечек между вытягивающим электродом и катодом что сокращает эффективность и скок работы источника.In this design, as in all previously described, there is no protection against the natural dispersion of carbon under the action of high electric field strength that occurs during operation of the source and its deposition on the side lathes of the holes in the insulating layer. This leads to electrical leakage between the extracting electrode and the cathode, which reduces the efficiency and spike of the source.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения для устройства является техническое решение, изложенное в заявке США US 2014270087 (А1) (МПК Н01J 35/06, опубликовано 18.09.2014 г.), согласно которому полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, в котором выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках которых расположен изолирующий слой, над которым расположен вытягивающий слой, в отверстиях сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.The closest set of essential features (prototype) of the invention for the device is the technical solution set forth in US application US 2014270087 (A1) (IPC H01J 35/06, published September 18, 2014), according to which the field emission element contains an electrically conductive substrate located there is a dielectric layer on it, in which a matrix of through holes is made, on the walls of which there is an insulating layer, over which the stretching layer is located, an array of carbon nanotubes is formed in the holes, the array height carbon nanotubes are less than the thickness of the dielectric layer.

Известен источник электронов, предназначенный для использования в автоэмиссионных электронных приборах, по патенту РФ №2586628 (МПК Н01J 1/10 82В 3/00, опубликован 10.06.2010 г.). Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами содержит множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изолирующим и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки, на последней в каждом из таких отверстий размещен автоэлектронный эмиттер на основе углеродной наноструктуры, причем каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указанным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и ее управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя. В одном из вариантов выполнения изобретения выполнено дополнительное покрытие на боковых стенках отверстий, выполненных в изолирующем слое. При этом в каждой автоэмиссионной ячейке выполнено кольцеобразное углубление в подложке, имеющее боковую и донную поверхности и, по меньшей мере, боковые поверхности этого углубления покрыты изолирующим материалом или окислены. На рабочей поверхности кремниевой подложки формируют слой термического окисла, а затем методом вакуумного напыления наносят слой Si3N4. Для формирования управляющего электрода на образованный в результате предыдущих операций изолирующий слой напыляют слой проводящего материала. Затем с помощью контактной, проекционной или электронной литографий формируют маску из фоторезиста и методом химического или плазмохимического травления формируют сквозные цилиндрические отверстия в указанных выше изолирующем и проводящем слоях полученной на предыдущих стадиях пластины с такими слоями. Далее осуществляют еще один литографический процесс и методом плазмохимического травления вокруг предназначенных для формирования автоэлектронных эмиттеров площадок на подложке получают кольцеобразные углубления. Боковые стенки углублений или эти стенки совместно с донными частями углублений покрывают диэлектриком или окисляют. С предназначенных для формирования эмиттеров частей поверхности подложки, окруженных полученными углублениями, диэлектрическое покрытие или пленку окисла удаляют. Сформированные описанным выше образом углубления на поверхности подложки очищают стандартными методами химической обработки и на упомянутых окруженных углублениями частях поверхности подложки плазмохимическим осаждением формируют автоэлектронные эмиттеры из нанокристаллического графита.A known source of electrons intended for use in field emission electronic devices, according to the patent of the Russian Federation No. 2586628 (IPC Н01J 1/10 82В 3/00, published June 10, 2010). An electron source with field-emitting emitters contains a plurality of controllable field-emission cells formed on a substrate with sequentially deposited insulating and conducting layers in which holes are made that reach the substrate, the last in each of these holes is a field-emitter based on a carbon nanostructure, each controlled the field emission cell is formed by the specified field emission emitter, which, together with the cathode portion of the substrate occupied by it, is field emission th cell, and its control electrode, which is adjacent to the opening in the conductive layer of this layer. In one embodiment of the invention, an additional coating is provided on the side walls of the holes made in the insulating layer. Moreover, in each field emission cell, an annular depression in the substrate is made, having side and bottom surfaces and at least the side surfaces of this depression are coated with an insulating material or oxidized. A layer of thermal oxide is formed on the working surface of the silicon substrate, and then a layer of Si 3 N 4 is applied by vacuum deposition. To form a control electrode, a layer of conductive material is sprayed onto the insulating layer formed as a result of previous operations. Then, using a contact, projection, or electronic lithography, a mask is formed from a photoresist, and through cylindrical holes are formed by chemical or plasma-chemical etching in the aforementioned insulating and conductive layers of a plate with such layers obtained in the previous stages. Then, another lithographic process is carried out and, by plasma-chemical etching, around the areas intended for the formation of field emitters, ring-shaped depressions are obtained on the substrate. The side walls of the recesses or these walls together with the bottom parts of the recesses are coated with a dielectric or oxidized. From intended for the formation of emitters parts of the surface of the substrate, surrounded by the obtained recesses, the dielectric coating or oxide film is removed. The depressions formed in the manner described above on the substrate surface are cleaned by standard chemical treatment methods and on the above-mentioned parts of the substrate surface surrounded by depressions by plasma-chemical deposition auto-electronic emitters of nanocrystalline graphite are formed.

Вышеуказанный способ изготовления устройства является наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения для заявляемого способа. Существенными признаками, совпадающими с признаками заявляемого способа изготовления полевого эмиссионного элемента, являются: осаждение диэлектрического слоя, формирование проводящего слоя, травления структуры, состоящей из проводящего и диэлектрического слоев, с образованием отверстий, покрытие боковых стенок отверстий изолирующим слоем, формирование углеродных наноструктур, высотой менее толщины диэлектрического слоя.The above method of manufacturing the device is the closest in the set of essential features (prototype) of the invention for the proposed method. The essential features that coincide with the features of the proposed method for manufacturing a field emission element are: deposition of a dielectric layer, formation of a conductive layer, etching of a structure consisting of a conductive and dielectric layers, with the formation of holes, coating of the side walls of the holes with an insulating layer, the formation of carbon nanostructures with a height of less than thickness of the dielectric layer.

Технической проблемой настоящего изобретения является создание полевого эмиссионного элемента, обеспечивающего высокий ток эмиссии.The technical problem of the present invention is the creation of a field emission element that provides a high emission current.

Технический результат заключается в предотвращении замыкания между углеродными нанотрубками и вытягивающим электродом, уменьшении токов утечки, повышении тока эмиссии, повышении технологичности изготовления, повышении надежности и увеличении выхода годных.The technical result consists in preventing a short circuit between carbon nanotubes and a pulling electrode, reducing leakage currents, increasing the emission current, increasing the manufacturability of manufacturing, increasing reliability and increasing yield.

Для достижения вышеуказанных технических результатов полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, над которым расположен вытягивающий слой, в структуре, состоящем из вытягивающего и диэлектрического слоев, выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках отверстий расположен изолирующий слой, а на дне отверстий расположен слой катализатора, на котором сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.To achieve the above technical results, the field emission element contains an electrically conductive substrate, a dielectric layer located on it, over which the extrusion layer is located, a matrix of through holes is made in the structure consisting of the extrusion and dielectric layers, an insulating layer is located on the walls of the holes, and at the bottom of the holes a catalyst layer is located on which an array of carbon nanotubes is formed, and the height of the array of carbon nanotubes is less than the thickness of the dielectric layer.

В частном случае выполнения изобретения вытягивающий слой выполнен толщиной 0,3-0,7 мкм.In the particular case of carrying out the invention, the pulling layer is made 0.3-0.7 microns thick.

В частном случае выполнения изобретения диэлектрический слой и изолирующий слой выполнены из оксида кремния.In the particular case of the invention, the dielectric layer and the insulating layer are made of silicon oxide.

В частном случае выполнения изобретения массив углеродных нанотрубок сформирован вертикально ориентированным путем парофазного синтеза.In the particular case of the invention, an array of carbon nanotubes is formed vertically oriented by vapor-phase synthesis.

В частном случае выполнения изобретения высота массива углеродных нанотрубок составляет 0,8-1 мкмIn the particular case of carrying out the invention, the height of the array of carbon nanotubes is 0.8-1 microns

От прототипа предлагаемое устройство отличается тем, что на стенках сквозных отверстий структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, расположен изолирующий слой, что обеспечивает диэлектрическое покрытие боковой стенки полностью, включая торцевую часть вытягивающего слоя. Изоляция торцов вытягивающего слоя обеспечивает защиту от возникновения токов утечки между катодом и вытягивающим электродом, которые возникают из-за осаждения на боковые стенки углублений углерода, образующегося за счет естественного распыления углерода под действием высокой напряженности электрического поля в процессе эксплуатации полевого эмиссионного элемента. Возникновение токов утечки сокращает эффективность и срок работы источника.The proposed device differs from the prototype in that an insulating layer is located on the walls of the through holes of the structure consisting of the drawing and dielectric layers, which provides a dielectric coating of the side wall completely, including the end part of the drawing layer. The insulation of the ends of the extracting layer provides protection against the occurrence of leakage currents between the cathode and the extraction electrode, which arise due to the deposition of carbon cavities on the side walls, which is formed due to the natural atomization of carbon under the action of high electric field during operation of the field emission element. The occurrence of leakage currents reduces the efficiency and life of the source.

Для достижения вышеуказанных технических результатов способ изготовления полевого эмиссионного элемента включает формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора для выращивания углеродных нанотрубок, формирование маски для травления слоя катализатора, жидкостное химическое травление слоя катализатора с образованием областей катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, удаление маски, плазмохимическое осаждение диэлектрического слоя, магнетронное осаждение вытягивающего слоя, формирование маски для травления структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, над ранее сформированными областями катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, плазмохимическое анизотропное травление с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях до слоя катализатора, удаление маски, изотропное осаждение изолирующего слоя, анизотропное плазмохимическое травление изолирующего слоя на вытягивающем слое и в на дне отверстий до слоя катализатора с формированием изолирующего слоя на боковых поверхностях отверстий, парофазный синтез углеродных нанотрубок на катализаторе, высотой менее толщины диэлектрического слоя.To achieve the above technical results, a method for manufacturing a field emission element includes forming a catalyst layer for growing carbon nanotubes on an electrically conductive substrate, forming a mask for etching the catalyst layer, liquid chemical etching of the catalyst layer with the formation of catalyst regions for subsequent growing of carbon nanotubes, removing the mask, plasma-chemical deposition of dielectric layer, magnetron deposition of the stretching layer, the formation of mass kits for etching a structure consisting of an extrusion and dielectric layers over previously formed regions of the catalyst for subsequent growth of carbon nanotubes, plasma-chemical anisotropic etching to form holes in the extrusion and dielectric layers to the catalyst layer, mask removal, isotropic deposition of the insulating layer, anisotropic plasma-chemical etching of the insulating layer on the stretching layer and in the bottom of the holes to the catalyst layer with the formation of an insulating layer on the side surfaces surface of holes, vapor-phase synthesis of carbon nanotubes on a catalyst with a height less than the thickness of the dielectric layer.

В частном случае выполнения изобретения вытягивающий слой выполнен толщиной 0,3-0,7 мкм.In the particular case of carrying out the invention, the pulling layer is made 0.3-0.7 microns thick.

В частном случае выполнения изобретения диэлектрический слой выполнен толщиной 0,7-1 мкм, а изолирующий слой толщиной 0,15-0,2 мкм, причем диэлектрический и изолирующий слои выполнены из оксида кремния.In the particular case of the invention, the dielectric layer is made with a thickness of 0.7-1 μm, and the insulating layer is 0.15-0.2 μm thick, the dielectric and insulating layers being made of silicon oxide.

В частном случае выполнения изобретения массив углеродных нанотрубок сформирован вертикально ориентированным путем парофазного синтеза.In the particular case of the invention, an array of carbon nanotubes is formed vertically oriented by vapor-phase synthesis.

В частном случае выполнения изобретения высота массива углеродных нанотрубок составляет 0,8-1 мкм.In the particular case of carrying out the invention, the height of the array of carbon nanotubes is 0.8-1 microns.

В частном случае выполнения изобретения формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора включает первоначально формирование адгезионного слоя на поверхности электропроводящей подложки.In the particular case of the invention, the formation of a catalyst layer on an electrically conductive substrate includes the initial formation of an adhesive layer on the surface of the electrically conductive substrate.

В частном случае выполнения изобретения парофазный синтез углеродных нанотрубок проводят при температуре 500-600°С.In the particular case of the invention, the vapor-phase synthesis of carbon nanotubes is carried out at a temperature of 500-600 ° C.

В частном случае выполнения изобретения формирование углеродных нанотрубок проводят вертикально ориентированными относительно подложки.In the particular case of the invention, the formation of carbon nanotubes is carried out vertically oriented relative to the substrate.

От прототипа указанный способ отличается тем, что формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора для выращивания углеродных нанотрубок, формирование маски для травления слоя катализатора, жидкостное химическое травление слоя катализатора с образованием областей катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, проводят в начале формирования структуры полевого эмиссионного элемента, что снимает проблемы связанные с формированием фоторезистивного слоя для обеспечения анизотропного напыления катализатора и обеспечивает высокую адгезию катализатора к подложке. Выбор способов формирования слоев обеспечивает повышение технологичности изготовления полевого эмиссионного элемента и увеличения выхода годных. Использование при формировании изолирующего слоя технологии самосовмещения, когда после изотропного нанесения изолирующего слоя проводится его анизотропное удаление. Нанесенный изотропно диэлектрик покрывает тонким слоем все поверхности, тем самым маскируя загрязнения, в том числе загрязнения катализатором, которые могли возникнуть при проведении плазмохимического процесса по травлению металла вытягивающего слоя и толстого диэлектрического слоя. Анизотропное травление тонкого изолирующего слоя проводится при мягких режимах, которые удаляют диэлектрик с горизонтальных поверхностей, не приводят к распылению катализатора, а лишь зачищают и активируют его поверхность перед проведением селективного синтеза углеродных нанотрубок. Активация катализатора анизотропным травлением обеспечивает наименьшее отклонение от вертикальной ориентации при выращивании углеродных нанотрубок. Загрязнение углеродом торцевой поверхности вытягивающего электрода и изолирующего слоя приводит к возникновению электрических утечек между вытягивающим электродом и катодом, что сокращает эффективность и срок работы источника. Изолирующий слой расположен вертикально и практически не влияет на плотность расположения пучков нанотрубок и тем самым не приводит к уменьшению результирующего тока источника электронов.This method differs from the prototype in that the formation of a catalyst layer on the electrically conductive substrate for growing carbon nanotubes, the formation of a mask for etching the catalyst layer, the liquid chemical etching of the catalyst layer with the formation of catalyst regions for the subsequent growth of carbon nanotubes, is carried out at the beginning of the formation of the field emission element structure, which removes the problems associated with the formation of a photoresistive layer to ensure anisotropic deposition of catalysis torus and provides high adhesion of the catalyst to the substrate. The choice of methods for the formation of layers provides an increase in the manufacturability of manufacturing a field emission element and an increase in yield. The use of self-alignment technology in the formation of the insulating layer, when its anisotropic removal is carried out after isotropic deposition of the insulating layer. A dielectric deposited isotropically covers all surfaces with a thin layer, thereby masking contaminants, including catalyst contaminants, which could occur during the plasma-chemical process of etching the metal of the stretching layer and the thick dielectric layer. Anisotropic etching of a thin insulating layer is carried out under soft conditions, which remove the dielectric from horizontal surfaces, do not lead to atomization of the catalyst, but merely clean and activate its surface before conducting selective synthesis of carbon nanotubes. Activation of the catalyst by anisotropic etching provides the smallest deviation from the vertical orientation when growing carbon nanotubes. The carbon contamination of the end surface of the pulling electrode and the insulating layer leads to electrical leakage between the pulling electrode and the cathode, which reduces the efficiency and life of the source. The insulating layer is located vertically and practically does not affect the density of the arrangement of the bundles of nanotubes and thereby does not reduce the resulting current of the electron source.

Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

фиг. 1 - полевой эмиссионный элемент;FIG. 1 - field emission element;

фиг. 2 - формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора для выращивания углеродных нанотрубок;FIG. 2 - formation of a catalyst layer for growing carbon nanotubes on an electrically conductive substrate;

фиг. 3 - формирование маски для травления слоя катализатора;FIG. 3 - formation of a mask for etching the catalyst layer;

фиг. 4 - сформированные области катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок;FIG. 4 - formed areas of the catalyst for subsequent growth of carbon nanotubes;

фиг. 5 - осаждение диэлектрического слоя;FIG. 5 - deposition of the dielectric layer;

фиг. 6 - осаждение вытягивающего слоя;FIG. 6 - deposition of the stretching layer;

фиг. 7 - формирование маски для травления структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, над ранее сформированными областями катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок;FIG. 7 shows the formation of a mask for etching a structure consisting of stretching and dielectric layers over previously formed regions of the catalyst for subsequent growth of carbon nanotubes;

фиг. 8 - плазмохимическое анизотропное травление с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях до слоя катализатораFIG. 8 - plasma-chemical anisotropic etching with the formation of holes in the stretching and dielectric layers to the catalyst layer

фиг. 9 - удаление маски фоторезиста;FIG. 9 - removal of the photoresist mask;

фиг. 10 - изотропное осаждение изолирующего слоя;FIG. 10 - isotropic deposition of an insulating layer;

фиг. 11 - анизотропное плазмо-химическое травление изолирующего, слоя на вытягивающем слое и в на дне отверстий до слоя катализатора с формированием изолирующего слоя на боковых поверхностях отверстий;FIG. 11 - anisotropic plasma-chemical etching of the insulating layer on the stretching layer and in the bottom of the holes to the catalyst layer with the formation of an insulating layer on the side surfaces of the holes;

фиг. 12 - синтез углеродных нанотрубок на катализаторе.FIG. 12 - synthesis of carbon nanotubes on a catalyst.

Полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку 1, массивы углеродных нанотрубок 2, диэлектрический слой 3, слой катализатора 4, вытягивающий слой 5, изолирующий слой 6 (фи. 1). Слой катализатора 6 расположен в отверстиях 7, выполненных в структуре, состоящей из вытягивающего 5 и диэлектрического 3 слоев. На катализаторе 4 расположен массив углеродных нанотрубок 2, высота которого меньше толщины диэлектрического слоя 3.The field emission element comprises an electrically conductive substrate 1, arrays of carbon nanotubes 2, a dielectric layer 3, a catalyst layer 4, an extension layer 5, an insulating layer 6 (fi. 1). The catalyst layer 6 is located in the holes 7, made in a structure consisting of a pulling 5 and a dielectric 3 layers. On the catalyst 4 is an array of carbon nanotubes 2, the height of which is less than the thickness of the dielectric layer 3.

Полевой эмиссионный элемент изготавливают следующим способом. На поверхности кремниевой пластины диаметром 100 мм проводят электронно-лучевое напыление каталитических слоев Ti толщиной 0,01 мкм и Ni толщиной 0,002 мкм (фиг. 2). Формируют маску для травления катализатора (фиг. 3).Field emission element is made as follows. On the surface of a silicon wafer with a diameter of 100 mm, electron-beam sputtering of catalytic Ti layers with a thickness of 0.01 μm and Ni with a thickness of 0.002 μm is carried out (Fig. 2). A mask is formed to etch the catalyst (FIG. 3).

Проводят формирование структуры каталитического слоя при проведении проекционной фотолитографии и жидкостного химического травления пленки Ti (0,01 мкм) и Ni (0,002 мкм), удаляют маску (фиг. 4). Таким образом формируют на подложке отдельные области катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок. Проводят плазмохимическое осаждение диэлектрического слоя слоя SiO2 толщиной 1 мкм (фиг. 5). Проводят магнетронное напыление электропроводящего (вытягивающего) слоя Ti толщиной 0,5 мкм (фиг. 6). Формируют структуру матрицы отверстий в электропроводящем (вытягивающем) слое и диэлектрическом слое путем проекционной фотолитографии и плазмохимического травления. При этом проводят формирование маски для травления структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, над ранее сформированными областями катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок (фиг. 7), затем проводят плазмохимическое анизотропное травление с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях до слоя катализатора (фиг. 8), удаляют маску (фиг. 9). Проводят плазмохимическое осаждение изолирующего слоя SiO2 толщиной 0,2 мкм (фиг. 10), затем проводят плазмохимическое анизотропное травление до слоя катализатора с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях (фиг. 11). Проводят селективный плазмостимулированный химический парофазный синтез углеродных нанотрубок на каталитическом слое высотой 0,8-1,0 мкм при температуре 550°С.The structure of the catalytic layer is formed during projection photolithography and liquid chemical etching of a Ti (0.01 μm) and Ni (0.002 μm) film, and the mask is removed (Fig. 4). Thus, separate regions of the catalyst are formed on the substrate for the subsequent growth of carbon nanotubes. Plasma-chemical deposition of the dielectric layer of a SiO 2 layer with a thickness of 1 μm is carried out (Fig. 5). Magnetron sputtering of the electrically conductive (pulling) Ti layer 0.5 μm thick is carried out (Fig. 6). The structure of the matrix of holes in the electrically conductive (pulling) layer and the dielectric layer is formed by projection photolithography and plasma-chemical etching. In this case, a mask is formed to etch the structure consisting of the extrusion and dielectric layers over previously formed regions of the catalyst for the subsequent growth of carbon nanotubes (Fig. 7), then plasma-chemical anisotropic etching is performed with the formation of holes in the extrusion and dielectric layers to the catalyst layer (Fig. . 8), remove the mask (Fig. 9). Plasma-chemical deposition of an insulating SiO 2 layer with a thickness of 0.2 μm is carried out (Fig. 10), then plasma-chemical anisotropic etching is carried out to the catalyst layer with the formation of holes in the stretching and dielectric layers (Fig. 11). A selective plasma-stimulated chemical vapor-phase synthesis of carbon nanotubes on a catalytic layer with a height of 0.8-1.0 μm at a temperature of 550 ° C is carried out.

Claims (12)

1. Полевой эмиссионный элемент, содержащий электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, над которым расположен вытягивающий слой, в структуре, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках отверстий расположен изолирующий слой, а на дне отверстий расположен слой катализатора, на котором сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.1. A field emission element containing an electrically conductive substrate, a dielectric layer located on it, over which an extraction layer is located, in a structure consisting of an extraction and dielectric layers, a matrix of through holes is made, an insulating layer is located on the walls of the holes, and a layer is located at the bottom of the holes the catalyst on which the carbon nanotube array is formed, the height of the carbon nanotube array being less than the thickness of the dielectric layer. 2. Полевой эмиссионный элемент по п. 1, отличающийся тем, что вытягивающий слой выполнен толщиной 0,3-0,7 мкм.2. The field emission element according to claim 1, characterized in that the stretching layer is made with a thickness of 0.3-0.7 microns. 3. Полевой эмиссионный элемент по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический слой выполнен толщиной 0,7-1 мкм, а изолирующий слой - толщиной 0,15-0,2 мкм, причем диэлектрический и изолирующий слои выполнены из оксида кремния.3. The field emission element according to claim 1, characterized in that the dielectric layer is made with a thickness of 0.7-1 μm, and the insulating layer is 0.15-0.2 μm thick, the dielectric and insulating layers being made of silicon oxide. 4. Полевой эмиссионный элемент по п. 1, отличающийся тем, что массив углеродных нанотрубок сформирован вертикально ориентированным путем парофазного синтеза.4. The field emission element according to claim 1, characterized in that the array of carbon nanotubes is formed vertically oriented by vapor-phase synthesis. 5. Полевой эмиссионный элемент по п. 1, отличающийся тем, что высота массива углеродных нанотрубок составляет 0,8-1 мкм.5. The field emission element according to claim 1, characterized in that the height of the carbon nanotube array is 0.8-1 μm. 6. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента, включающий формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора для выращивания углеродных нанотрубок, формирование маски для травления слоя катализатора, жидкостное химическое травление слоя катализатора с образованием областей катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, удаление маски, плазмохимическое осаждение диэлектрического слоя, магнетронное осаждение вытягивающего слоя, формирование маски для травления структуры, состоящей из вытягивающего и диэлектрического слоев, над ранее сформированными областями катализатора для последующего выращивания углеродных нанотрубок, плазмохимическое анизотропное травление с образованием отверстий в вытягивающем и диэлектрическом слоях до слоя катализатора, удаление маски, изотропное осаждение изолирующего слоя, анизотропное плазмохимическое травление изолирующего слоя на вытягивающем слое и на дне отверстий до слоя катализатора с формированием изолирующего слоя на боковых поверхностях отверстий, парофазный синтез углеродных нанотрубок на катализаторе высотой менее толщины диэлектрического слоя.6. A method of manufacturing a field emission element, comprising forming a catalyst layer on an electrically conductive substrate for growing carbon nanotubes, forming a mask for etching the catalyst layer, liquid chemical etching of the catalyst layer with the formation of catalyst regions for subsequent growing carbon nanotubes, removing the mask, plasma-chemical deposition of the dielectric layer, magnetron deposition of an extruding layer, the formation of a mask for etching a structure consisting of extruding of the substrate and dielectric layers, above the previously formed regions of the catalyst for the subsequent growth of carbon nanotubes, plasma-chemical anisotropic etching with the formation of holes in the stretching and dielectric layers to the catalyst layer, mask removal, isotropic deposition of the insulating layer, anisotropic plasma-chemical etching of the insulating layer on the stretching layer and on the bottom holes to the catalyst layer with the formation of an insulating layer on the side surfaces of the holes, vapor-phase synthesis of carbon on Notebook on a catalyst less than the thickness of the dielectric layer. 7. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 6, отличающийся тем, что вытягивающий слой выполнен из титана толщиной 0,3-0,7 мкм.7. A method of manufacturing a field emission element according to claim 6, characterized in that the pulling layer is made of titanium with a thickness of 0.3-0.7 microns. 8. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 6, отличающийся тем, что диэлектрический слой и изолирующий слой выполнены из оксида кремния.8. A method of manufacturing a field emission element according to claim 6, characterized in that the dielectric layer and the insulating layer are made of silicon oxide. 9. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 6, отличающийся тем, что формирование на электропроводящей подложке слоя катализатора включает первоначально формирование адгезионного слоя на поверхности электропроводящей подложки.9. A method of manufacturing a field emission element according to claim 6, characterized in that the formation of a catalyst layer on an electrically conductive substrate includes initially forming an adhesive layer on the surface of the electrically conductive substrate. 10. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 6, отличающийся тем, что парофазный синтез углеродных нанотрубок проводят при температуре 500-600°C.10. A method of manufacturing a field emission element according to claim 6, characterized in that the vapor-phase synthesis of carbon nanotubes is carried out at a temperature of 500-600 ° C. 11. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 10, отличающийся тем, что формирование углеродных нанотрубок проводят вертикально ориентированными относительно подложки.11. A method of manufacturing a field emission element according to claim 10, characterized in that the formation of carbon nanotubes is carried out vertically oriented relative to the substrate. 12. Способ изготовления полевого эмиссионного элемента по п. 6, отличающийся тем, что высота массива углеродных нанотрубок составляет 0,8-1 мкм.12. A method of manufacturing a field emission element according to claim 6, characterized in that the height of the carbon nanotube array is 0.8-1 microns.
RU2017105501A 2017-02-21 2017-02-21 Field emission element and method of its manufacture RU2656150C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017105501A RU2656150C1 (en) 2017-02-21 2017-02-21 Field emission element and method of its manufacture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017105501A RU2656150C1 (en) 2017-02-21 2017-02-21 Field emission element and method of its manufacture

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2656150C1 true RU2656150C1 (en) 2018-05-31

Family

ID=62560289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017105501A RU2656150C1 (en) 2017-02-21 2017-02-21 Field emission element and method of its manufacture

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2656150C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792040C1 (en) * 2022-03-29 2023-03-16 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Method for manufacturing cathode-grid unit with field-emission cathodes

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110005191A1 (en) * 2008-03-05 2011-01-13 Georgia Tech Research Corporation Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same
US20130214244A1 (en) * 2012-02-20 2013-08-22 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
US20140270087A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Sri International X-ray generator including heat sink block
US9194379B1 (en) * 2010-02-10 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate
RU2586628C1 (en) * 2014-12-12 2016-06-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Source of electrons with field-emission emitters

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110005191A1 (en) * 2008-03-05 2011-01-13 Georgia Tech Research Corporation Cold cathodes and ion thrusters and methods of making and using same
US9194379B1 (en) * 2010-02-10 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate
US20130214244A1 (en) * 2012-02-20 2013-08-22 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
US20140270087A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Sri International X-ray generator including heat sink block
RU2586628C1 (en) * 2014-12-12 2016-06-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Source of electrons with field-emission emitters

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792040C1 (en) * 2022-03-29 2023-03-16 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Method for manufacturing cathode-grid unit with field-emission cathodes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7501146B2 (en) Carbon nanotube emitter and its fabrication method and field emission device (FED) using the carbon nanotube emitter and its fabrication method
US20040043219A1 (en) Pattern forming method for carbon nanotube, and field emission cold cathode and method of manufacturing the cold cathode
CN101086940B (en) Making method of field radiation cathode device
US20070247048A1 (en) Gated nanorod field emitters
EP0780022A1 (en) Field emission display device
RU2455724C1 (en) Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters
RU2391738C2 (en) Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes
RU2656150C1 (en) Field emission element and method of its manufacture
JP3246137B2 (en) Field emission cathode and method of manufacturing field emission cathode
CN100541700C (en) Use the electric field emission with audion and the manufacture method thereof of anode oxidation process manufacturing
CN104078293A (en) Field emission electron source and preparation method thereof
JPH04167326A (en) Field emission type emitter and manufacture thereof
RU2678192C1 (en) Method of manufacturing of a field emission element
JPH04206123A (en) Electron emission element and its manufacture
JP2000243247A (en) Manufacture of electron emission element
KR100762590B1 (en) FED using carbon nanotube and manufacturing method thereof
JP4568090B2 (en) Electron emitting device, cathode, electron source substrate, display device, and manufacturing method thereof
KR100767417B1 (en) Field Emission Display Device and Method of Driving the sme
KR20010104960A (en) Cathode for field emission device and its fabrication method
JP4831009B2 (en) Focused field emission cathode and field emission display
KR100586740B1 (en) E-Beam Micro-Source Using CNT tip, E-Beam Microcoulum module and method thereof
JP4371976B2 (en) Field electron emission device
TWI385697B (en) Method for fabricating cathode planes for field emission
JP4206480B2 (en) Field emission electron source
KR100246254B1 (en) Manufacturing method of field emission device having silicide as emitter and gate