RU2656150C1 - Field emission element and method of its manufacture - Google Patents
Field emission element and method of its manufacture Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 50
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 50
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 155
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 9
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 2
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 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
- H01J1/304—Field-emissive cathodes
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
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,
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 (
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 (
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
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)
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)
| 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)
| 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 |
-
2017
- 2017-02-21 RU RU2017105501A patent/RU2656150C1/en active
Patent Citations (5)
| 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)
| 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 | |
| WO1996008028A1 (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 | |
| JPH08329824A (en) | Field emission type cold cathode device and its manufacture | |
| 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 | |
| KR100278502B1 (en) | Manufacturing method of volcanic metal FEA with double gate |