[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2784410C1 - Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films - Google Patents

Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films Download PDF

Info

Publication number
RU2784410C1
RU2784410C1 RU2022107001A RU2022107001A RU2784410C1 RU 2784410 C1 RU2784410 C1 RU 2784410C1 RU 2022107001 A RU2022107001 A RU 2022107001A RU 2022107001 A RU2022107001 A RU 2022107001A RU 2784410 C1 RU2784410 C1 RU 2784410C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanocrystalline diamond
doped
etching
film
cathodes
Prior art date
Application number
RU2022107001A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Леонтьевич Вихарев
Сергей Александрович Богданов
Андрей Игоревич Охапкин
Антон Николаевич Ухов
Евгений Александрович Филатов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Application granted granted Critical
Publication of RU2784410C1 publication Critical patent/RU2784410C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: cathodes production.
SUBSTANCE: invention relates to a technology for the manufacture of pointy field emission cathodes based on nanocrystalline (NCD) diamond films with high emission characteristics, which are widely used in vacuum microelectronic devices. In the method for manufacturing a matrix of field-emission point cathodes based on NCD films, each cathode is made in the form of a thin-walled tube with walls made of a doped NCD film by forming vertical cylindrical columns on the surface of a conductive silicon substrate using photolithography and plasma-chemical etching, then seeding the resulting structure with nanodiamond particles with a size less than 5 nm in an ultrasonic bath and deposition of a doped conductive NCD film by the NCD method in an H2/CH4 gas mixture with the addition of a dopant gas, further maskless anisotropic etching of the NCD film at the top of the columns using inductively coupled plasma in a mixture of O2+Ar+He and etching of silicon in SF6 plasma inside the pillars.
EFFECT: high degree of accuracy in the reproduction of geometric characteristics in the manufacture of pointed tubular field emission cathodes with high emission characteristics, current stability and a long service life.
7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления острийных автоэмиссионных катодов на основе нанокристаллических алмазных пленок с высокими эмиссионными характеристиками, которые находят широкое применение в приборах вакуумной микроэлектроники, в частности, диодах и триодах, а также устройствах на их основе: автоэмиссионных дисплеях, вакуумных микроэлектронных переключателях тока, приборах вакуумной СВЧ электроники и др.The invention relates to a technology for manufacturing pointed field emission cathodes based on nanocrystalline diamond films with high emission characteristics, which are widely used in vacuum microelectronic devices, in particular, diodes and triodes, as well as devices based on them: field emission displays, vacuum microelectronic current switches, devices vacuum microwave electronics, etc.

Принцип работы холодных катодов основан на явлении авто электронной эмиссии; то есть эмиссии электронов с поверхности твердого тела под воздействием приложенного электрического поля. Для увеличения плотности эмиссионного тока, поверхность катода выполняется шероховатой, а в качестве материала катода используют материалы с низкой работой выхода (в частности, покрытия на основе алмазных пленок). Вблизи вершин микроострий реализуется локальное усиление напряженности электрического поля, что позволяет получить высокие плотности автоэмиссионного тока при относительно низкой величине прикладываемого к электродам напряжения.The principle of operation of cold cathodes is based on the phenomenon of field emission; that is, the emission of electrons from the surface of a solid under the influence of an applied electric field. To increase the emission current density, the cathode surface is made rough, and materials with a low work function are used as the cathode material (in particular, coatings based on diamond films). Near the tops of the micropoints, a local increase in the electric field strength is realized, which makes it possible to obtain high field emission current densities at a relatively low voltage applied to the electrodes.

Катоды для автоэмиссионной электроники, как правило, представляют собой регулярные и контролируемые с высокой точностью массивы микроострий (столбиков, пирамид, конусов; на кремнии создаваемых хорошо известными и повсеместно применяемыми в микроэлектронике методами фотолитографии, травления, напыления через маску и т.д. Например, в статьях [Takeuti D.F.. Tirolli M.N., Danieli C.L.. de Faria P.H.L. Fabrication of silicon field-emission arrays using masks of amorphous hydrogenated carbon films electronics // Microelectron. J. V. 38. P. 31-34, (1996): Cichy В.,

Figure 00000001
Electron field emission from microtip arrays //Vacuum. V. 82. P. 1062-1068. (2008)] детально описывается последовательность всех технологических операций, позволяющих структурировать кремниевую подложку и получить на исходной подложке регулярные массивы кремниевых микроострий, пригодных для использования в качестве автоэмиссионного катода. Недостатком микроострийных катодов на основе кремния или металла является то, что при большом эмиссионном токе бомбардировка ионами остаточного газа приводит к разрушению острия и. тем самым, к уменьшению локальной напряженности электрического поля и падению тока эмиссии. Одним из наиболее перспективных и активно исследуемых материалов для автоэмиссионных катодов являются покрытия на основе, алмазных и алмазоподобных пленок [Kang W.P., Davidson J.L.. Wisitsora-at A., Kerns D.V., Kerns S. Recent development of diamond microtip field emitter cathodes and devices // J. Vac. Sci. Technol. B. V. 19. №3. P. 936-941, (2001): O.A. Ivanov, S.A. Bogdanov, A.L. Vikharev. et. al., Emission properties of undoped and boron-doped nanocrystalline diamond films coated silicon carbide field emitter arrays. J. Vac. Sci. Technol. В 36(2), 021204 (2018)].Cathodes for field emission electronics, as a rule, are regular arrays of micropoints (pillars, pyramids, cones; on silicon) created by well-known and widely used in microelectronics methods of photolithography, etching, deposition through a mask, etc. in [Takeuti DF. Tirolli MN, Danieli CL. de Faria PHL Fabrication of silicon field-emission arrays using masks of amorphous hydrogenated carbon films electronics // Microelectron. JV 38. P. 31-34, (1996): Cichy B. ,
Figure 00000001
Electron field emission from microtip arrays //Vacuum. V. 82. P. 1062-1068. (2008)] describes in detail the sequence of all technological operations that make it possible to structure a silicon substrate and obtain regular arrays of silicon micropoints suitable for use as a field emission cathode on the original substrate. The disadvantage of microtip cathodes based on silicon or metal is that at a high emission current, bombardment with residual gas ions leads to the destruction of the tip and. thereby, to a decrease in the local electric field strength and a drop in the emission current. One of the most promising and actively studied materials for field emission cathodes are coatings based on diamond and diamond-like films [Kang WP, Davidson JL. Wisitsora-at A., Kerns DV, Kerns S. Recent development of diamond microtip field emitter cathodes and devices // J. Vac. sci. Technol. BV 19. No. 3. P. 936-941, (2001): OA Ivanov, SA Bogdanov, AL Vikharev. et. al., Emission properties of undoped and boron-doped nanocrystalline diamond films coated silicon carbide field emitter arrays. J. Vac. sci. Technol. B 36(2), 021204 (2018)].

Известен способ изготовления острийных алмазных катодов (патенты US 6132278 и US 7256535) двухстадийным методом, когда на кремниевой пластине создается матрица из углублений в виде перевернутых пирамид, а потом в плазме СВЧ газового разряда происходит их заращивание путем осаждения алмазной пленки. Затем происходит стравливание кремния и формирование на подложке катодов в форме алмазных заостренных пирамид высотой несколько микрон. К недостатком таких катодов следует отнести высокие требования к кончику пирамиды (радиусу его кривизны) определяющему коэффициент усиления поля, которые не всегда удается выдержать в таком способе изготовления, матую площадь эмитирующей поверхности (острый кончик) и относительно низкое качество пленки на поверхности пирамид, связанное с тем, что поверхность фактически представляет переходный слой от кремния к алмазу поэтому может содержать карбид кремния, образующийся на начальной стадии роста пленки.There is a known method for manufacturing pointed diamond cathodes (patents US 6132278 and US 7256535) by a two-stage method, when a matrix of depressions in the form of inverted pyramids is created on a silicon wafer, and then they are overgrown in a microwave gas discharge plasma by deposition of a diamond film. Then silicon is etched and cathodes are formed on the substrate in the form of pointed diamond pyramids several microns high. The disadvantage of such cathodes is the high requirements for the pyramid tip (the radius of its curvature), which determines the field amplification factor, which are not always possible to withstand in such a manufacturing method, the dull area of the emitting surface (sharp tip) and the relatively low quality of the film on the surface of the pyramids, associated with The fact that the surface actually represents a transition layer from silicon to diamond can therefore contain silicon carbide, which is formed at the initial stage of film growth.

Известен способ изготовления многоострийных автоэмиссионных катодов (патент RU 2486625 С2, опубл. 27.06.2013, Бюл. №18), в котором при выполнении предлагаемой последовательности технологических процессов, включающих полировку, очистку, поверхности углеродной подложки, с помощью фотолитографии и термохимического травления, создается монолитная углеродная структура с заданной высотой микроразмерных столбиков, которые, в свою очередь, подвергают групповому наноразмерному заострению в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовой среде, с получением периодической матрицы из равновысоких острий монолитного углерода. Недостатком таких катодов является их низкая деградиционная стойкость по сравнению с катодами на основе алмазоподобных материалов.A known method for the manufacture of multipoint field emission cathodes (patent RU 2486625 C2, publ. 27.06.2013, bull. No. 18), in which when performing the proposed sequence of technological processes, including polishing, cleaning, the surface of the carbon substrate, using photolithography and thermochemical etching, creates a monolithic carbon structure with a given height of microsized columns, which, in turn, are subjected to group nano-sized sharpening in a low-temperature plasma of an RF discharge in oxygen or in an oxygen-inert gas medium, to obtain a periodic matrix of equally high tips of monolithic carbon. The disadvantage of such cathodes is their low degradation resistance compared to cathodes based on diamond-like materials.

Для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения, тем самым, рабочих напряжений алмазные пленки осаждаются на острийные структуры, которые получают анизотропным травлением кремниевых пластин с использованием масочного покрытия.To increase the electric field amplification factor and thereby reduce the operating voltage, diamond films are deposited on pointed structures, which are obtained by anisotropic etching of silicon wafers using a mask coating.

Известны способы (патенты RU 2653843, опубл. 15.05.2018, Бюл. №14, и RU 2654522, опубл. 21.05.2018, Бюл. №15) изготовления автокатодов на основе кремниевой микроструктурированной столбчатой структуры с относительно невысоким аспектным соотношением, формируемой методом реактивно ионного травления планарной подложки, покрытой автоэмиссионнон пленкой нанокристаллического углерода (наноалмаза) или наноалмазным порошком. При этом изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния в плазме СВЧ газового разряда осаждением из паров этанола, с использованием явлений самоорганизации и структурирования субмонослойных углеродных покрытий в наноостровковые образования.There are known methods (patents RU 2653843, publ. 05/15/2018, Bull. No. 14, and RU 2654522, publ. 05.21.2018, Bull. No. 15) for manufacturing field-cathodes based on a silicon microstructured columnar structure with a relatively low aspect ratio formed by the reactive method. ion etching of a planar substrate coated with a field emission film of nanocrystalline carbon (nanodiamond) or nanodiamond powder. At the same time, the manufacture of a matrix of a multipoint field emission cathode is carried out on single-crystal silicon plates in a microwave gas discharge plasma by deposition from ethanol vapor, using the phenomena of self-organization and structuring of submonolayer carbon coatings into nanoisland formations.

В статье [Т.K. Ku. S.H. Chen. CD. Yang, et. al., Enhanced electron emission from phosphorus- and boron-doped diamond-clad Si field emitter arrays. Thin Solid Films 290-291, 176-180, (1996)] описан острийный катод с алмазным покрытием и способ его изготовления. Катод имел форму пирамиды с размерами 3×3 мкм (высота и длина основания пирамиды) и изготавливался путем травления пластины монокристаллического кремния (100) через предварительно сформированную маску. Затем с помощью плазмохимического СВЧ реактора CVD методом на поверхность катода осаждалась поликрпсталлическая алмазная пленка. Для осаждения использовалась газовая смесь Н2/СО2=18/30 при давлении 25 Тор. Для легирования пленок фосфором или бором в смесь вводились добавки триметилфосфата или триметилбората. Осаждаемые пленки полностью покрывали пирамиду, закрывая острие и изменяя его форму.In the article [T.K. Ku. S.H. Chen. CD. Yang, et. al., Enhanced electron emission from phosphorus- and boron-doped diamond-clad Si field emitter arrays. Thin Solid Films 290-291, 176-180, (1996)] describes a diamond-coated pointed cathode and a method for manufacturing the same. The cathode had the shape of a pyramid with dimensions of 3×3 μm (the height and length of the base of the pyramid) and was made by etching a single-crystal silicon wafer (100) through a preformed mask. Then, a polycrystalline diamond film was deposited on the cathode surface using a plasma-chemical microwave reactor by the CVD method. For deposition, a gas mixture of H 2 /CO 2 =18/30 was used at a pressure of 25 Torr. To dope the films with phosphorus or boron, additions of trimethyl phosphate or trimethyl borate were introduced into the mixture. The deposited films completely covered the pyramid, covering the tip and changing its shape.

Наиболее близкий к предлагаемому техническому решению способ изготовления автоэмиссионного катода предложен в статье [J. Vacuum Science & Technology В 28, 3 016 (2010)] - (прототип). В статье описан автоэмиссионный катод на основе кремниевых столбиков квадратного сечения (10×10 мкм) и высотой до 60 мкм, формируемый методом реактивного ионного травления планарной подложки, предварительно покрытой с помощью CVD метода нанокристаллической алмазной (НКА) пленкой. При этом на первом этапе, путем нанесения тонкого алюминиевого слоя и его травления, формируется микроструктура на НКА пленке, которая, в свою очередь, служит маской для травления поверхности кремниевой подложки, В результате получаемая структура представляет собой массив столбиков, с высоким (более 5) аспектным соотношением, и НКА пленкой, покрывающей только плоскую вершину столбика, что недостаточно для получения автокатода с высокими эмиссионными характеристиками.Closest to the proposed technical solution, a method for manufacturing a field emission cathode is proposed in the article [J. Vacuum Science & Technology B 28, 3 016 (2010)] - (prototype). The article describes a field emission cathode based on silicon pillars of square cross section (10 × 10 μm) and up to 60 μm in height, formed by reactive ion etching of a planar substrate preliminarily coated with a nanocrystalline diamond (NCD) film using the CVD method. At the same time, at the first stage, by applying a thin aluminum layer and etching it, a microstructure is formed on the NCA film, which, in turn, serves as a mask for etching the surface of the silicon substrate. As a result, the resulting structure is an array of columns with a high (more than 5) aspect ratio, and NCA with a film covering only the flat top of the column, which is not enough to obtain a field cathode with high emission characteristics.

Техническим результатом предлагаемого решения является высокая степень точности воспроизведения геометрических характеристик при изготовлении острийных трубчатых автоэмиссионных катодов, обладающих высокими эмиссионными характеристиками, стабильностью тока при продолжительном ресурсе службы, пригодных для использования в приборах вакуумной электроники.The technical result of the proposed solution is a high degree of accuracy in the reproduction of geometric characteristics in the manufacture of pointed tubular field emission cathodes with high emission characteristics, current stability with a long service life, suitable for use in vacuum electronics devices.

Технический результат достигается, что в способе изготовления матрицы автоэмиссионных острийных катодов на основе нанокристаллических алмазных пленок, каждый катод выполняют в форме тонкостенной трубки со стенками из легированной нанокристаллической алмазной пленки путем формирования на поверхности проводящей кремниевой подложки с помощью фотолитографии и плазмохимического травления вертикальных цилиндрических столбиков, затем засева полученной структуры частицами наноалмаза с размером менее 5 нм в ультразвуковой ванне и осаждения легированной проводящей нанокристаллической алмазной пленки CVD методом в газовой смеси Н2/СН4 с добавкой легирующего газа, дальнейшего безмасочного анизотропного травления нанокристаллической алмазной пленки на вершине столбиков с использованием индуктивно-связанной плазмы в смеси O2+Ar+Не и вытравливания кремния в SF6- плазме внутри столбиков.The technical result is achieved that in the method of manufacturing a matrix of field-emission point cathodes based on nanocrystalline diamond films, each cathode is made in the form of a thin-walled tube with walls made of a doped nanocrystalline diamond film by forming vertical cylindrical columns on the surface of a conductive silicon substrate using photolithography and plasma-chemical etching, then seeding the resulting structure with nanodiamond particles with a size of less than 5 nm in an ultrasonic bath and deposition of a doped conducting nanocrystalline diamond film by the CVD method in an H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of a dopant gas, further maskless anisotropic etching of the nanocrystalline diamond film at the top of the columns using an inductively coupled plasma in a mixture of O 2 +Ar+He and silicon etching in SF 6 - plasma inside the columns.

Кроме того стенки катода выполняют толщиной от 10 нм до 500 нм.In addition, the cathode walls are made with a thickness of 10 nm to 500 nm.

Кроме того после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную фосфором проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.In addition, after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a phosphorus-doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited.

Кроме того после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную бором проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.In addition, after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a boron-doped conducting nanocrystalline diamond film is deposited.

Кроме того после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную азотом проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.In addition, after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a nitrogen-doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited.

Кроме того легированную проводящую нанокристаллическую алмазную пленку осаждают CVD методом в газовой смеси Н2/CH4 с добавкой легирующего газа при давлении газовой смеси 10-100 Тор и температуре 400-800°С.In addition, the doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited by the CVD method in the H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of a dopant gas at a gas mixture pressure of 10-100 Torr and a temperature of 400-800°C.

Кроме того вытравливание кремния в SF6- плазме внутри столбиков осуществляют на глубину 2-4 мкм.In addition, silicon etching in SF 6 - plasma inside the columns is carried out to a depth of 2-4 μm.

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

На фиг. 1 представлен технологический маршрут изготовления матрицы трубчатых катодов со стенками из легированной НКА пленки: а - формирование маски из фоторезиста на проводящей кремниевой подложке; b - формирование матрицы из вертикальных столбиков на кремниевой подложке: с - осаждение легированной НКА пленки на полученную кремниевую структуру; d - плазмохимическое травление НКА пленки; е - травление кремния внутри столбиков и формирование трубчатого катода из НКА пленки.In FIG. Figure 1 shows the technological route for manufacturing a matrix of tubular cathodes with walls from a doped NCA film: a - formation of a mask from a photoresist on a conductive silicon substrate; b - formation of a matrix of vertical columns on a silicon substrate; c - deposition of a doped NCA film on the resulting silicon structure; d - plasma-chemical etching of NCA film; (f) silicon etching inside the columns and the formation of a tubular cathode from an NCA film.

На фиг. 2 приведен вид трубчатых автоэмиссионных катодов на различных стадиях технологического маршрута: (а) - кремниевые столбики, формируемые с помощью фотолитографии и последующего травления (стадия 1): (b) - кремниевые столбики с осажденной на них CVD методом легированной НКА пленкой (стадия 3); (с) - трубчатые катоды со стенками из НКА пленки, образованные из столбиков после процессов плазмохимического травления (стадия 5).In FIG. Figure 2 shows a view of tubular field emission cathodes at various stages of the technological route: (a) - silicon columns formed using photolithography and subsequent etching (stage 1): (b) - silicon columns with a CVD-doped NCA film deposited on them by the CVD method (stage 3) ; (c) - tubular cathodes with NCA film walls formed from columns after plasma-chemical etching processes (stage 5).

На фиг. 3 представлен вид части матрицы автоэмиссионных трубчатых катодов,In FIG. 3 shows a view of a part of the array of field emission tubular cathodes,

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 adopted the following designations:

1 - пластина из проводящего кремния;1 - conductive silicon plate;

2 - маска из фоторезиста;2 - photoresist mask;

3 - НКА пленка.3 - NCA film.

Способ изготовления матрицы автоэмиссионных трубчатых катодов (фиг. 1, 2) на основе НКА пленки, в форме стаканов со стенками из тонкой легированной НКА пленки обладающей высокой проводимостью и теплопроводностью, включает пять основных стадий: 1 - формирование матрицы из вертикальных столбиков из пластины проводящего кремния методом фотолитографии и травления (фиг. 1а, b); 2 - засев полученной структуры наночастицами детонационного алмаза в ультразвуковой ванне: 3 - осаждение нанокристаллической алмазной пленки толщиной 10-500 им CVD методом в режиме, позволяющем наносить покрытие с высокой однородностью и низкой (менее 20 нм) шероховатостью (фиг. 1с); 4 - анизотропное безмасочное ICP травление алмазной осажденной пленки в кислородсодержащей плазме (фиг. 1d): 5 - вытравливание кремния внутри цилиндрических столбиков, боковые стенки которых защищены алмазной пленкой и формирование тонкостенных трубчатых катодов в форме стаканов заданной глубины (фиг. 1е).The method for manufacturing a matrix of field emission tubular cathodes (Fig. 1, 2) based on NCA film, in the form of cups with walls made of thin doped NCA film with high conductivity and thermal conductivity, includes five main stages: 1 - formation of a matrix of vertical columns from a conductive silicon wafer by photolithography and etching (Fig. 1a, b); 2 - seeding of the resulting structure with detonation diamond nanoparticles in an ultrasonic bath: 3 - deposition of a nanocrystalline diamond film with a thickness of 10-500 nm by the CVD method in a mode that allows coating with high uniformity and low (less than 20 nm) roughness (Fig. 1c); 4 - anisotropic maskless ICP etching of a diamond deposited film in an oxygen-containing plasma (Fig. 1d): 5 - etching of silicon inside cylindrical columns, the side walls of which are protected by a diamond film and the formation of thin-walled tubular cathodes in the form of glasses of a given depth (Fig. 1f).

На первой стадии происходит формирование вертикальных столбиков из пластины монокристаллического проводящего кремния 1 под маской фоторезиста или металла (Ni, Al) 2 (фиг. 1а, b). Для этого используется травитель SF6 в сочетании с пассивирующими агентами CHF3 или C4F8. Путем чередования циклов травления и пассивации удается формировать вертикальные столбики из Si высотой 2-20 мкм.At the first stage, vertical columns are formed from a plate of single-crystal conductive silicon 1 under a mask of photoresist or metal (Ni, Al) 2 (Fig. 1a, b). For this, the SF 6 etchant is used in combination with CHF 3 or C 4 F 8 passivating agents. By alternating cycles of etching and passivation, it is possible to form vertical columns of Si with a height of 2–20 μm.

На второй стадии проводится обработка подложки в ультразвуковой ванне для создания центров нуклеации алмаза на ее поверхности с использованием суспензии детонационного наноалмазного порошка размером менее 5 нм. Длительность этого процесса составляет 20-30 минут, которая позволяет достичь однородного засева кремниевой структуры с вертикальными столбиками частицами наноалмаза при плотности нуклеации до 10 м11 см-2.At the second stage, the substrate is processed in an ultrasonic bath to create diamond nucleation centers on its surface using a suspension of detonation nanodiamond powder with a size of less than 5 nm. The duration of this process is 20-30 minutes, which makes it possible to achieve uniform seeding of a silicon structure with vertical columns of nanodiamond particles at a nucleation density of up to 10 m 11 cm -2 .

На третьей стадии реализуется процесс осаждения легированной НКА пленки 3 CVD методом (с использованием СВЧ разряда или накаленной нити) в газовой смеси Н2/CH4 с добавкой легирующего газа (В2Н6, В(OCH3)3, N2, PH3 и т.д.) (фиг. 1с). Процесс проводится при давлениях газовой смеси 10-100 Тор и температуре подложки 400-800°С, что позволяет осаждать однородные НКА пленки толщиной 10-500 нм с высокой однородностью и низкой (менее 20 нм) шероховатостью. Необходимая толщина пленки регулируется временем осаждения, а степень легирования - долей легирующего газа в смеси. Режим позволяет получать НКА пленки с проводимостью р-типа или n-типа в зависимости от типа используемой примеси и концентрацией примеси в пленке в диапазоне 1017-1021 см-3. Возможно также осаждение многослойных пленок с различным типом и уровнем легирования в одном процессе, путем быстрой замены поступающей в реактор газовой смеси.At the third stage, the process of deposition of the doped NCA film 3 by the CVD method (using a microwave discharge or an incandescent filament) in an H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of doping gas (B 2 H 6 , B (OCH 3 ) 3 , N 2 , PH 3 , etc.) (Fig. 1c). The process is carried out at a gas mixture pressure of 10–100 Torr and a substrate temperature of 400–800°C, which makes it possible to deposit homogeneous NCA films 10–500 nm thick with high uniformity and low (less than 20 nm) roughness. The required film thickness is controlled by the deposition time, and the degree of doping is controlled by the proportion of the doping gas in the mixture. The mode makes it possible to obtain NCA films with p-type or n-type conductivity, depending on the type of impurity used and the impurity concentration in the film in the range of 10 17 -10 21 cm -3 . It is also possible to deposit multilayer films with different types and levels of doping in one process by rapidly replacing the gas mixture entering the reactor.

На четвертой стадии происходит безмасочное анизотропное удаление алмазной пленки 3 с поверхности столбиков, не затрагивая при этом его боковые стенки (фиг. 1d). Данный процесс возможен благодаря использованию индуктивно-связанной кислородсодержащей плазмы O2+Ar-Не. Подбором соотношения газов в смеси, общего потока реагентов, рабочего давления в реакторе и мощности емкостного и индуктивного разряда обеспечивается высокая анизотропия травления. При этом необходимое время процесса меняется в зависимости от толщины алмазной пленки.At the fourth stage, the maskless anisotropic removal of the diamond film 3 from the surface of the pillars occurs without affecting its side walls (Fig. 1d). This process is possible due to the use of inductively coupled oxygen-containing plasma O 2 +Ar-He. By selecting the ratio of gases in the mixture, the total flow of reagents, the operating pressure in the reactor, and the power of the capacitive and inductive discharges, high etching anisotropy is ensured. In this case, the required process time varies depending on the thickness of the diamond film.

На заключительной стадии в SF6- плазме вытравливается кремний внутри цилиндрических столбиков, боковые стенки которых защищены алмазной пленкой и формирование тонкостенных трубчатых автоэмиссионных катодов в форме стаканов заданной глубины (фиг. 1е). При этом глубина стаканов определяется временем травления. Отметим, что предлагаемый выше способ изготовления обеспечивает высокую воспроизводимость геометрических характеристик катодов.At the final stage, silicon is etched in SF 6 plasma inside cylindrical columns, the side walls of which are protected by a diamond film, and thin-walled tubular field emission cathodes are formed in the form of cups of a given depth (Fig. 1f). In this case, the depth of the glasses is determined by the etching time. It should be noted that the manufacturing method proposed above ensures high reproducibility of the geometric characteristics of the cathodes.

На фиг. 2 представлена эволюция катодной структуры на различных стадиях реализации способа изготовления тонкостенных трубчатых автоэмиссионных катодов из нанокристаллической алмазной пленки. Микрофотография части матрицы с трубчатыми катодами на основе НКА пленок, изготовленные предлагаемым способом приведены на фиг. 3.In FIG. Figure 2 shows the evolution of the cathode structure at various stages of the implementation of the method for manufacturing thin-walled tubular field emission cathodes from a nanocrystalline diamond film. A micrograph of a part of a matrix with tubular cathodes based on NCA films, produced by the proposed method, is shown in Fig. 3.

Таким образом, отличительными признаками изобретения по сравнению с аналогами и прототипом являются:Thus, the distinguishing features of the invention in comparison with analogues and prototype are:

- способ изготовления автоэмиссионных катодов оригинальной формы, позволяющий с высокой степенью воспроизведения геометрических характеристик изготавливать трубчатые катоды в виде стакана с острыми краями образованными тонкими легированными НКА пленками, на которых происходит усиление электрического поля, что позволяет сочетать высокое аспектное отношение, с развитой эмиссионной поверхностью кончика эмиттера.- a method for manufacturing field-emission cathodes of an original shape, which allows, with a high degree of reproduction of geometric characteristics, to manufacture tubular cathodes in the form of a glass with sharp edges formed by thin doped NCA films, on which the electric field is amplified, which makes it possible to combine a high aspect ratio with a developed emission surface of the emitter tip .

- способ позволяет регулировать глубину стакана и толщину его стенок (радиус кривизны торцевой стенки) и таким образом изменять аспектное отношение катода, в значительной мере определяющих порог эмиссии.- the method allows you to adjust the depth of the glass and the thickness of its walls (the radius of curvature of the end wall) and thus change the aspect ratio of the cathode, which largely determine the emission threshold.

- способ позволяет осаждать многослойные легированные НКА пленки с высокой однородность и низкой шероховатостью, разным типом проводимости и работой выхода, влияющие на эмиссионные характеристики эмиттера, в одном технологическом цикле без вскрытия реактора.- the method makes it possible to deposit multilayer doped NCA films with high uniformity and low roughness, different types of conductivity and work function, which affect the emission characteristics of the emitter, in one technological cycle without opening the reactor.

- в отличие от прототипа, в котором эмитирующая электроны НКА пленка покрывает только вершину столбика. НКА пленка являющаяся стенкой стакана и обладающая высокой, присущей алмазу, теплопроводностью и имеющая обширный контакт с подложкой обеспечивает более хороший теплоотвод, что способствует увеличению времени жизни эмиттера.- in contrast to the prototype, in which the electron-emitting NCA film covers only the top of the column. The NCA film, which is the glass wall and has a high thermal conductivity inherent in diamond and has extensive contact with the substrate, provides better heat removal, which increases the lifetime of the emitter.

Claims (7)

1. Способ изготовления матрицы автоэмиссионных острийных катодов на основе нанокристаллических алмазных пленок, отличающийся тем, что каждый катод выполняют в форме тонкостенной трубки со стенками из легированной нанокристаллической алмазной пленки путем формирования на поверхности проводящей кремниевой подложки с помощью фотолитографии и плазмохимического травления вертикальных цилиндрических столбиков, затем засева полученной структуры частицами наноалмаза с размером менее 5 нм в ультразвуковой ванне и осаждения легированной проводящей нанокристаллической алмазной пленки CVD методом в газовой смеси H2/CH4 с добавкой легирующего газа, дальнейшего безмасочного анизотропного травления нанокристаллической алмазной пленки на вершине столбиков с использованием индуктивно-связанной плазмы в смеси O2+Ar+Не и вытравливания кремния в SF6-плазме внутри столбиков.1. A method for manufacturing a matrix of field-emission point cathodes based on nanocrystalline diamond films, characterized in that each cathode is made in the form of a thin-walled tube with walls made of a doped nanocrystalline diamond film by forming vertical cylindrical columns on the surface of a conductive silicon substrate using photolithography and plasma-chemical etching, then seeding the resulting structure with nanodiamond particles with a size of less than 5 nm in an ultrasonic bath and deposition of a doped conducting nanocrystalline diamond film by the CVD method in an H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of a dopant gas, further maskless anisotropic etching of the nanocrystalline diamond film at the top of the columns using an inductively coupled plasma in a mixture of O 2 +Ar+He and silicon etching in SF 6 plasma inside the pillars. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стенки катода выполняют толщиной от 10 до 500 нм.2. The method according to p. 1, characterized in that the walls of the cathode are made with a thickness of 10 to 500 nm. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную фосфором проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.3. The method according to claim 1, characterized in that after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a phosphorus-doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную бором проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.4. The method according to claim 1, characterized in that after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a boron-doped conducting nanocrystalline diamond film is deposited. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после засева полученной структуры частицами наноалмаза осаждают легированную азотом проводящую нанокристаллическую алмазную пленку.5. The method according to claim 1, characterized in that after seeding the resulting structure with nanodiamond particles, a nitrogen-doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что легированную проводящую нанокристаллическую алмазную пленку осаждают CVD методом в газовой смеси H2/CH4 с добавкой легирующего газа при давлении газовой смеси 10-100 Торр и температуре 400-800°С.6. The method according to claim 1, characterized in that the doped conductive nanocrystalline diamond film is deposited by the CVD method in an H 2 /CH 4 gas mixture with the addition of a doping gas at a gas mixture pressure of 10-100 Torr and a temperature of 400-800 ° C. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вытравливание кремния в SF6-плазме внутри столбиков осуществляют на глубину 2-4 мкм.7. The method according to p. 1, characterized in that the etching of silicon in SF 6 plasma inside the columns is carried out to a depth of 2-4 microns.
RU2022107001A 2022-03-16 Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films RU2784410C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784410C1 true RU2784410C1 (en) 2022-11-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132278A (en) * 1996-06-25 2000-10-17 Vanderbilt University Mold method for forming vacuum field emitters and method for forming diamond emitters
RU2486625C2 (en) * 2011-06-08 2013-06-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (ОАО "НПП "Алмаз") Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes
RU159227U1 (en) * 2015-08-26 2016-02-10 Закрытое акционерное общество "Межрегиональное производственное объединение технического комплектования "ТЕХНОКОМПЛЕКТ" (ЗАО "МПОТК "ТЕХНОКОМПЛЕКТ") AUTO EMISSION TRIOD
RU2654522C1 (en) * 2016-06-22 2018-05-21 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" (АО "НИИМЭ") Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132278A (en) * 1996-06-25 2000-10-17 Vanderbilt University Mold method for forming vacuum field emitters and method for forming diamond emitters
US7256535B2 (en) * 1996-06-25 2007-08-14 Vanderbilt University Diamond triode devices with a diamond microtip emitter
RU2486625C2 (en) * 2011-06-08 2013-06-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (ОАО "НПП "Алмаз") Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes
RU159227U1 (en) * 2015-08-26 2016-02-10 Закрытое акционерное общество "Межрегиональное производственное объединение технического комплектования "ТЕХНОКОМПЛЕКТ" (ЗАО "МПОТК "ТЕХНОКОМПЛЕКТ") AUTO EMISSION TRIOD
RU2654522C1 (en) * 2016-06-22 2018-05-21 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" (АО "НИИМЭ") Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5562516A (en) Field-emitter fabrication using charged-particle tracks
US5564959A (en) Use of charged-particle tracks in fabricating gated electron-emitting devices
US6204596B1 (en) Filamentary electron-emission device having self-aligned gate or/and lower conductive/resistive region
US9058954B2 (en) Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
CN100593015C (en) Surface nano tip array and its preparing method
JP4792625B2 (en) Method for manufacturing electron-emitting device and electronic device
JP2001167721A (en) Electric field discharge display element and manufacturing method of the same
JP3903577B2 (en) Diamond member for electron-emitting device, manufacturing method thereof, and electronic device
RU2784410C1 (en) Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films
CN101497991B (en) Method for manufacturing aluminum nitride silicon tip and grids structure
US5556530A (en) Flat panel display having improved electrode array
CN104934275B (en) Field Electron Emission cathode array based on metal molybdenum substrate and preparation method thereof
RU2794423C1 (en) Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments)
RU2794423C9 (en) Method for manufacturing a microtriode cathode unit with a tubular cathode from a nanocrystalline diamond film (embodiments)
Van Quy et al. The use of anodic aluminium oxide templates for triode-type carbon nanotube fieldemission structures toward mass-production technology
RU2524353C2 (en) Three-dimensionally structured semiconductor substrate for field-emission cathode, method for its obtaining, and field-emission cathode
Wisitsora-At et al. High current diamond field emission diode
Huq et al. Fabrication of sub‐10 nm silicon tips: A new approach
RU2666784C1 (en) Matrix auto emission cathode and method for manufacture thereof
Shandyba et al. Field emission cell with a W-cathode formed by local ion-stimulated deposition
RU2763046C1 (en) Field emission emitter with nanocrystalline diamond film
KR100480745B1 (en) Method of manufacturing of diamond field emitter
Sawada et al. Field Electron Emission from Silicon Nanoprotrusions
US20050051764A1 (en) Anodizing process for improving electron emission in electronic devices
Bespalov et al. Investigating the formation of nanostructured emission mediums for high-current radio-frequency electronics