TW202232545A - 用於產生電離氣體或蒸氣材料的設備 - Google Patents

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Abstract

揭露一種用於產生電離氣體材料或電離蒸氣的設備(2)。該設備包括晶體材料的基板(4)、和具有位於該基板的第一表面的第一端和位於該基板內的第二端(12)的金屬電性導體(6)，其中該等導體係適於連接至電壓源，以藉由對該等導體施加電場來使電子從該等第二端發射至該基板內，並從該基板的第二表面發射出電子。流體流動通道(18)係貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面，以使氣體材料或蒸氣從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料或蒸氣電離化。電極(26)係對從該等導體的該等第二端所發射出的電子施加電場。

Description

用於產生電離氣體或蒸氣材料的設備
本發明係關於用於產生電離氣體材料或蒸氣的設備。
離子氣體物種的產生被用在許多應用上，該等應用包含但不限於：使用分光技術的氣體物種的分析、材料沉積、材料的蝕刻、和推進。在所有這樣的情況下，周圍壓力越低，離子氣體物種越難產生。
一種產生電離氣體物種的已知方法包括：提供分離的電子源，其可以是熱離子或是利用場發射、和電極及/或磁場的幾何配置以創造出受限的局部電磁環境，其有助於創造出造成目標氣體物種的電離化的崩瀉條件(avalanche condition)。然而，因為該電離化製程的初始源(initial source)(即該電子源)是分離的，因此這種源的效率變得取決於傳播(propagate)該初始崩瀉製程的初始拘束方法的效能。
在高壓下，因為該等氣體物種鄰近該電子源，因此該崩瀉製程相當容易傳播，這意味著電離化通常效率相當高，且能夠將整體設計最佳化以減少電離化的損失。然而，在較低壓下，通常是圖1所示的帕申(Paschen)曲線左手側的運作，平均自由徑長度指出了物種交互作用被減少且電離化效率非常低。這使得被設計成在此體系(regime)中運作的源的製作困難且所費不貲。
為了改進該電離化製程的效率，有人提出了Spindt型場發射冷陰極源，其提供被分配在整個較大面積上的複數個電子源，以最大限度地產生初始離子。能夠將它們與外部施加的電磁場耦合以進一步增加為達成目的所產生的電子的利用。然而，這種電子源有如下的缺點：所形成的離子物種會被吸引至該場發射結構周圍的高場區域(high field region)，這會造成該等源因濺鍍轟擊而逐漸降解(degradation)，並繼而會導致目標電離物種受到污染。
US 9194379揭露一種包括可透性基板(permeable substrate)的離子推進器，該可透性基板係由如下物質單獨或組合的陣列所構成：奈米碳管(CNTs)、W-奈米棒、β-siC奈米棒、Zn－O奈米鉛筆、其他奈米線、及/或其他奈米-材料，以實現藉由場致電離(field ionization)來從推進劑氣體產生正離子。在一個實施例中，可透性基板係由在奈米碳管之間具有開放間隔(spaces)或孔隙(apertures)的奈米碳管的陣列所構成。為了在頂端實現高場增強因子(β’s)，奈米碳管係以所選用的最佳高度和間隔(spacings)來成長。在一個實施例中，為了在整體間隙(overall gap)中的場(V/d)保持在真空破壞(vacuum breakdown)以下的同時，建立場致電離所需的高區域電場，而採用超過2000的βs。
這種方法有一些缺點，例如，該等奈米結構會因曝露於離子物種而遭到降解，該降解會因如下結構的幾何性質而加劇：在場發射點的非常高的電場也有使離子加速朝向它的作用而造成該結構明顯損害並逐漸侵蝕。和限制該源的有效壽命一樣，為了維持給定的電子束電流所需施加的電壓也需要隨著時間予以調整，因此增加了該電源設計的複雜度。
很多奈米結構都有的另一缺點，係因為它們都是在真空中運作，因此用於排除在電子發射點上所產生的熱的唯一有效散熱機制，係藉由通往與該源基板接觸的該基板的基底的熱傳導。這意味著奈米結構的發射頂點能比周圍環境溫度高出攝氏數百度，而這會加劇降解機制。由發射、或因在奈米結構內電流流動所造成的歐姆加熱所產生的熱，也會有增加奈米結構的電阻的作用，藉此將所發射的電子電流限定至低於理論上可達程度的級數。
國際專利申請案WO2019/020588揭露一種配置，其中場發射源係嵌入鑽石基板中。此配置可以例如藉由以下方式來形成：使用金屬催化劑來造成孔洞特徵(hole feature)產生，該孔洞特徵能夠用導電材料填充以創造出足以引發電子進入鑽石的場發射的高電場區域。該發射極(emitter)結構的效率可以透過加入額外的層和終端(terminations)來進一步增強以便產生出Fowler-Nordheim穿隧，如國際專利申請案WO2018/172029所記載。依此方式，使該場發射頂端免受離子轟擊。此嵌入式結構因而可以形成供離子源用的合適基礎，其克服了許多Spindt或其他曝露的奈米結構場發射極的問題，同時也順應(amenable)可高度再現的積體電路製造技術。
本發明的較佳實施例係謀求提供一種用於產生電離氣體材料或蒸氣的改進設備。
根據本揭露的態樣，提供一種用於產生電離氣體材料或電離蒸氣的設備，該設備包括： 晶體材料的基板； 至少一個長形電性導體，係具有位於該基板的第一表面的第一端和位於該基板內的第二端，其中該導體係適於連接至電壓源，以藉由對該導體施加電場來使電子從該第二端發射至該基板內，並從該基板的第二表面發射出電子； 至少一個孔隙，係貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面，以使氣體材料或蒸氣從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料或蒸氣電離化；及 至少一個電極，係對從至少一個該第二端所發射出的電子施加電場。
藉由提供至少一個孔隙，其貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面，以使氣體材料從該第二表面發射出，並可藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料電離化，這提供了如下的優點：藉由使該氣體材料和該所發射的電子彼此的位置非常接近來實現在較低壓下的電離化。同樣地，這也使電離化的效率得到改進，因為能夠將複數個導體和孔隙分配在整個基板。再者，藉由提供適於將電子發射至該基板的至少一個長形電性導體，這提供了如下的優點：使該導體的該第二端免於因與離子碰撞所造成的降解，並可將熱從貫穿該基板的該導體的該第二端導離。
至少一個該電極可適於增加電子從至少一個該第二端的發射。
至少一個該電極可適於對與至少一個該第一端相鄰的電子施加電場。
藉由具有適於對與至少一個該第二端相鄰的電子施加電場的至少一個該電極，則刺激電子發射所需施加的電壓被保持在最低限度且電場能被精確地控制。
至少一個該電極可適於將從該第二表面所發射出的電子加速。
這提供了如下的優點：改進以能量分配和分散兩方面控制所形成的從該第二表面所發射出的電子的分配的能力。
至少一個該電極可適於以電性的方式反抗(electrically oppose)電離氣體材料或蒸氣朝向該第二表面移動。
這提供了如下的進一步優點：如果在該設備附近所產生的離子朝向電子的負偏壓的長形源返回，便能阻止它們這麼做並減少它們的能量，藉此將由它們與該電子源碰撞所造成的損害降到最低。
至少一個該電極可被封裝在該設備內。
這提供了如下的優點：防止從第二端所發射出的該等電子流到該電極(因這樣的電子流動會形成洩漏路徑(leakage path))，且確保了將在該電極與該長形導體之間的電場完整地維持在固體介電質內，這確保了將可得到的最大場產生在該長形導體的該第二端。
這也提供了如下的優點：藉由進一步使該等電極免受雜散離子(stray ions)轟擊來減少降解。所提供的進一步優點為：能夠使該等封裝的電極更加接近電子產生點，從而在仍達到相同電場強度的同時，能夠大幅減少所施加的電壓的大小。該等電極也能夠提供將所發射的電子的分配集中的組合手段，藉此改進後續的電離化效率。也提供了如下的優點：將整體結構減少為使用半導體製造技術所生產的單一晶粒(die)。同樣地，將在該設備的製造期間內該等電極因電漿的作用所造成的潛在侵蝕降到最小，且藉由移除任何通往該等電極的漏電路徑(electrical leakage path)來改進該源的整體效率。
至少一個該電極可被封裝在該晶體材料內。
至少一個該電極可被封裝在摻雜氮的該晶體材料內。
該設備可進一步包括用於控制該氣體材料或蒸氣的溫度的溫度控制手段。
這提供了如下的優點：可擴大要被電離的材料的範圍。
該晶體材料可以是四族材料。
該四族材料可以是鑽石。
根據本揭露的另一態樣，提供一種形成如前述請求項中的任一項的設備的方法，該方法包括： 在晶體材料的基板中形成至少一個凹部，其中該凹部係延伸自該基板的第一表面； 在至少一個該凹部中形成各自的長形電性導體，其中該導體具有位於該基板的該第一表面的第一端和位於該基板內的第二端，其中該導體係適於連接至電壓源，以藉由對該導體施加電場來使電子從該第二端發射至該基板內，並從該基板的第二表面發射出電子； 形成貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面的至少一個孔隙以使氣體材料從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料電離化；及 形成用於對從至少一個該第二端所發射出的電子施加電場的至少一個電極。
至少一個該凹部可以藉由催化蝕刻(catalytic etching)來形成。
至少一個該孔隙可以藉由催化蝕刻來形成。
該方法可進一步包括將至少一個該電極封裝在該設備內。
根據本揭露的另一態樣，提供一種使用如上所定義的設備來產生電離氣體或蒸氣的方法，該方法包括： 對至少一個該長形電性導體施加電壓以使電子從該導體的該第二端發射至該基板內，並從該基板的該第二表面發射出電子； 對貫穿該基板的至少一個該孔隙供應氣體材料或蒸氣以使該氣體材料或蒸氣從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料或蒸氣電離化；及 對至少一個該電極施加控制訊號。
該方法可進一步包括控制該基板的溫度。
參照圖2，用於產生電離氣體材料的設備2包括晶體材料的基板4和受控的場發射電子源結構，在圖2所示的範例中該晶體材料為鑽石的形式，該受控的場發射電子源結構為複數個長形金屬電性導體6的形式，該等長形金屬電性導體6係以使該等導體6的末梢端12接近該基板4的第二表面14地嵌入該基板4的方式，形成在延伸自該基板4的第一表面10的長形凹部8中。該等導體6係連接於形成在該基板4的該第一表面10上的陰極16。本領域的具有通常知識者應意識到：該設備的整體電性構成將具有可能離該裝置相當遠的一個以上的額外電極或結構的特徵，以確保該電路完整。
該設備2也具有孔隙的微流體結構，該孔隙為目標氣體物種20能夠通過的流體流動通道18的形式。該流體流動通道18係貫穿該基板4地從該基板的該第一表面10延伸至該第二表面14。該流體流動通道18具有通常為3μm以下的直徑且該等場發射導體6具有1μm以上的直徑和大於5：1的高寬比。
如圖3所示，能夠以規則的陣列將該等導體6和流動通道18分配在整塊基板4中，這使自由電子22(圖2)產生在該基板4的該第二表面14的較大面積上，並使該等自由電子22與流動的氣體20進行交互作用，從而電離化和整體的方向性流動都會將所形成的電離氣體物種24移動成較大的面積並移離在該基板4的該第二表面14處的初始電離化源。
該等導體6能夠藉由以下方式形成：使用以微影方式圖案化的金屬催化劑，而使該鑽石進行受控的蝕刻以形成高寬比至少為5：1的該等凹部8。將諸如鎳、鈷或鐵的金屬的薄膜(未顯示)沉積在選擇性小區域中的該基板8的該第一表面10上，並接著以使該催化劑選擇性地攻擊該鑽石的某些結晶面(若為單晶的話)的方式，在還原氣體環境中加熱該鑽石基板4至約1,000℃至1,200℃。藉由謹慎地選擇該製程溫度和還原氣體化學，能夠使該催化劑成為優先與單晶面進行反應。例如，若該鑽石的起始結晶面為{100}的話，便能夠調整溫度來產生出孔洞特徵以便金屬催化劑優先與和其接觸的該{111}面進行反應，而使長形的方形側邊的孔洞特徵產生，其側邊係由{110}面界定而該孔洞的底係由{111}面界定。為了以導體6的形式創造出一個以上的有序場發射結構(ordered field emission structures)，本領域的具有通常知識者將能夠施加表面處理和使用合適的沉積技術來將該長形孔洞特徵金屬化。
供氣流穿過該基板4用的該微流體通道18，能夠藉由使用與用來形成供該等導體6用的該等凹部8的金屬催化劑蝕刻製程類似的製程來產生，但若是使用與已述的製程條件類似的製程條件的話，則是使該催化劑進行從該第一表面10到該第二表面14地完全貫穿該鑽石基板4的蝕刻，產生一般為方形截面的通道。或者是，本領域的具有通常知識者能夠利用組合了低壓反應性離子蝕刻製程的微影技術來產生微流體通道18。
連接於在該基板4的該第一表面10的該電性導體6的該等陰極16可使該等導體6連接於供對該等導體6施加電場用的電壓源。該陰極結構16可被封裝，這會提供如下的優點：在要被電離的該等物種20可沉澱在該陰極16表面及/或可在中性狀態下導電的情況下，保護該陰極16的電路路徑。
在運作中，要被電離的該等物種20係從該第一表面10通過該流動通道18而到該第二表面14。同時，以在該等長形導體6之間所形成的電場使電子從該等導體6的該等末梢端12被發射至該基板4內的方式，在該陰極16與發射控制電極26之間施加電性偏壓。使用相對於陰極16為正偏壓的額外的控制電極(未顯示)，電子22係從該基板4貫穿該表面14地發射至周圍氣體環境中，在該處它們與該目標物種20進行交互作用，導致離子24產生。
該流動通道18和場發射特徵6的典型配置係顯示於圖3。此指叉型方式具有如下的優點：由於在最近的電子源22(即該等導體6的該等末梢端12)附近的該等目標物種20的原子或分子數量密度較高，因此較大比例的離子24係產生在初始波(initial wave)中，其繼而導致較大的整體電離化效率。
圖4顯示圖2和3所描述的該結構的第二實施例的示範性裝置102，其中合併該設備2的基板8係安裝在組件(assembly)中，該組件能夠藉由使用如由32和36所例示的一個以上的外部控制柵格(其分別使用絕緣性間隔物34和38來做電性隔離)，來施加額外的電性偏壓，以增強該目標物種20的電離化而形成離子24。本領域的具有通常知識者應理解的是，這種柵格的設計將導致在該柵格與該設備2之間創造出廣泛均勻的電場，同時有充分的穿透性以使該目標物種20和所形成的離子24暢通無阻地通過。該第一外部控制柵格32係用於吸引和加速由該設備2所產生的電子以便確保它們具有充分的能量去將該目標物種20電離化。第二任選額外的外部控制柵格36可被用來接著加速離子24離開該設備102。在該等離子帶有正電荷的最典型情況下，此外部控制柵格36的電性偏壓將是相對於外部控制柵格32為負的，藉此將該電場的方向反轉。本領域的具有通常知識者應理解的是，取決於該目標物種20的性質和該所形成的離子24所期望的利用，可以使用不同體系的電性偏壓和複數個額外的電極36以及它們的間隔和形狀。
參照圖5，顯示第三實施例的設備202。圖5所示的該設備202與圖4的該設備102的差別在於該第一額外的電極32和該第二額外的電極36係整合於該鑽石基板結構中以及為多層控制電極結構40形式的該控制閘極26。因為要被電離的該氣體材料20在其通過該流體通道18的期間通常為電中性，因此對該等控制電極40施加各種偏壓應該不會對流過該結構202的氣體產生影響。
此第三實施例提供數個勝過該第二實施例的優點。第一，藉由使該等額外的控制電極更接近電子產生點22，從而在仍達到相同電場強度的同時，能夠大幅減少所施加的電壓的大小。第二，該等控制電極能夠提供將所發射的電子的分配集中的組合手段，其改進後續的電離化效率。第三，這提供了如下的優點：將整體結構減少為使用半導體製造技術所生產的單一晶粒。第四，它消除了該等外部閘極因電漿衝擊曝露的柵格的作用所造成的潛在侵蝕。第五，它藉由移除通往該等外部電極的漏電路徑來增加該源的整體效率。
圖5的配置也包含摻雜氮的鑽石材料的電流抑制區44，其用於抑制在該等長形電性導體6與該等電極26、32、36之間的電子流動。該電流抑制區的摻雜氮的層係少量摻雜(每cm 3有10 16至10 18個原子)，因此有一些(但很少)空位電子(vacancies electrons)被捕捉起來，因而電子移動度受到約束，藉此使得該等摻雜氮的層作為比未摻雜的鑽石還有效的絕緣體。
本領域的具有通常知識者應瞭解的是，這樣的結構能夠藉由使用傳統的半導體製造製程來達成，其中將諸如銅、銀或鋁的導電金屬和諸如二氧化矽或氮化矽的電性絕緣材料的以微影方式圖案化的交替層進行摻雜以達成所期望的結構。對要求較高堅固性的應用而言，該絕緣材料可以用摻雜氮的鑽石來替代，其氮濃度係在每cm -3有10 16至10 18個原子的範圍內，其係使用電漿輔助化學氣相沉積製程(PA-CVD)沉積。在此情況下，金屬的選擇將受到更多的限制以同時確保對該鑽石的接著性、與在該PA-CVD成長製程期間內所遇到的一般為750℃至850℃環境的相容性，並確保晶格相容性以便該沉積的摻雜氮的鑽石材料大部份為單晶。要達成此目的很可能需要沉積多種金屬來產生各電極，例如30nm鈦的初始層，其與該鑽石形成碳化物以確保接著性，後面接著有100nm~250nm的銀或銅來提供主要的導電性，且最後有5nm的銥來提供接近的晶格常數匹配以確保異質磊晶的單晶成長。
在運作中，該控制電極26將仍參照該陰極16而被施加偏壓以便刺激和調節電子的產生。下一個控制電極32將相對於該控制電極26而被施加正偏壓以便提供加速該等電子離開該鑽石的手段。最後一個控制電極36可以相對於該控制電極32而被施加正偏壓或負偏壓。這有如下的優點：提供較佳的以能量分配和分散兩方面控制所形成的從該結構202所發射出的電子22的分配的能力，藉此提供更有效的該等目標物種20的電離化。
參照圖6，顯示第四實施例的設備302，其與圖5的該設備202的差別在於為了實現該基板4的加熱或冷卻，而使熱管理系統42接近含有該電離化源結構的該基板4。這提供了如下的進一步優點：可擴大要被電離的候補物種的範圍，諸如金屬離子。
本領域的具有通常知識者應理解的是，上述實施例係以只是作為範例而沒有任何限制作用的方式說明，且可在不脫離如由隨附的申請專利範圍所定義的本揭露的範圍下，進行各種變更和修改，例如組合圖5和圖4的實施例的個別特徵。
2,102,202,302:設備 4:基板 6:金屬電性導體 8:凹部 10:第一表面 12:第二端 14:第二表面 16:陰極 18:流體流動通道 20:目標氣體物種 22:自由電子 24:電離氣體物種 26:電極 32:第一外部控制柵格 36:第二任選額外的外部控制柵格 34,38:絕緣性間隔物 40:控制電極結構 42:熱管理系統 44:電流抑制區
現在將參照附圖，以只是作為範例而沒有任何限制作用的方式說明本揭露的實施例。 圖1顯示各種氣體材料的帕申曲線； 圖2顯示第一實施例的用於產生電離氣體材料的設備； 圖3係沿著圖2中的III-III線的視圖； 圖4係第二實施例的設備； 圖5係第三實施例的設備；及 圖6係第四實施例的設備。
2:設備
4:基板
6:金屬電性導體
8:凹部
10:第一表面
12:第二端
14:第二表面
16:陰極
18:流體流動通道
20:目標氣體物種
22:自由電子
24:電離氣體物種
26:電極

Claims (17)

  1. 一種用於產生電離氣體材料或電離蒸氣的設備，該設備包括： 晶體材料的基板； 至少一個長形電性導體，係具有位於該基板的第一表面的第一端和位於該基板內的第二端，其中該導體係適於連接至電壓源，以藉由對該導體施加電場來使電子從該第二端發射至該基板內，並從該基板的第二表面發射出電子； 至少一個孔隙，係貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面，以使氣體材料或蒸氣從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些的該氣體材料或蒸氣電離化；及 至少一個電極，用於對從至少一個該第二端所發射出的電子施加電場。
  2. 如請求項1的設備，其中至少一個該電極係適於增加電子從至少一個該第二端的發射。
  3. 如請求項2的設備，其中至少一個該電極係適於對與至少一個該第一端相鄰的電子施加電場。
  4. 如請求項1至3中任一項的設備，其中至少一個該電極係適於將從該第二表面所發射出的電子加速。
  5. 如請求項1至4中任一項的設備，其中至少一個該電極係適於以電性的方式反抗(electrically oppose)電離氣體材料或蒸氣朝向該第二表面移動。
  6. 如請求項1至5中任一項的設備，其中至少一個該電極係封裝在該設備內。
  7. 如請求項6的設備，其中至少一個該電極係封裝在該晶體材料內。
  8. 如請求項7的設備，其中至少一個該電極係封裝在摻雜氮的該晶體材料內。
  9. 如請求項1至8中任一項的設備，其進一步包括用於控制該氣體材料或蒸氣的溫度的溫度控制手段。
  10. 如請求項1至9中任一項的設備，其中該晶體材料為四族材料。
  11. 如請求項10的設備，其中該四族材料為鑽石。
  12. 一種形成如請求項1至11中任一項的設備的方法，該方法包括： 在晶體材料的基板中形成至少一個凹部，其中該凹部係延伸自該基板的第一表面； 在至少一個該凹部中形成各自的長形電性導體，其中該導體具有位於該基板的該第一表面的第一端和位於該基板內的第二端，其中該導體係適於連接至電壓源，以藉由對該導體施加電場來使電子從該第二端發射至該基板內，並從該基板的第二表面發射出電子； 形成貫穿該基板延伸至該基板的該第二表面的至少一個孔隙以使氣體材料從該第二表面發射出，並可藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料電離化；及 形成用於對從至少一個該第二端所發射出的電子施加電場的至少一個電極。
  13. 如請求項12的方法，其中至少一個該凹部係藉由催化蝕刻(catalytic etching)來形成。
  14. 如請求項12或13的方法，其中至少一個該孔隙係藉由催化蝕刻來形成。
  15. 如請求項12至14中任一項的方法，其進一步包括將至少一個該電極封裝在該設備內。
  16. 一種使用如請求項1至11中任一項的設備來產生電離氣體或蒸氣的方法，該方法包括： 對至少一個該長形電性導體施加電壓以使電子從該導體的該第二端發射至該基板內，並從該基板的該第二表面發射出電子； 對貫穿該基板的至少一個該孔隙供應氣體材料或蒸氣，以使該氣體材料或蒸氣從該第二表面發射出，並藉由從該第二表面所發射出的電子來使至少一些該氣體材料或蒸氣電離化；及 對至少一個該電極施加控制訊號。
  17. 如請求項16的方法，其進一步包括控制該基板的溫度。
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