Катод Спиндта

Содержание : 1. Введение. 2. Автоэлектр онная эмиссия. 3. Тонкоплёночн ые автоэмиссионные катоды . Технология и особе нн о сти пр отекания эмиссионных процессов. 4. Технология изготовления катодов Спиндта. 5. Плотность упаковки эмиттеров. 6. Время жи зни. 7. Заключение. 8. Список л итературы. Введение : Стремительное развитие деловой жизни и появление новейших цифровых информационных технологий и устройств отображения информац ии заста в ляют разработчиков третьего тысячелетия совер-шенствовать способы ото б ражения и пер едачи информации . Вакуумная микроэлектроника во мно гом определила пути реализации самых смелых идей в использовании информационного простр анства . Современн о го пользователя невозможно представить бе з компьютера и программ , на б а зе которых стро ятся современные исследования , разработки и использование мирового информационного простра нства , позволяющего двигать науку . Конечно , историю науки пишут сами люди науки . Поэтому никак не избежа ть субъективного подхода к изложению дате одних и тех же фактов , к подбору «з начительных событий» , к оценке значительности того или иного специалиста , той или иной работы для развития научного направления : ведь есть пророни своем отечестве о которых не знают в отечествах других . Основной доклад на первой м еждународной конференции по вак у умной микроэлектроники сдела л Айвор Броди – один из основополо жников этого направления . По мнению Броди вакуумная микроэлектроника приобр е ла большое значение благодаря двум факторам общего характера : 1. Возросли требования , которым уже не могут удовлетворить твёрдотел ь ные приборы , даже после огро мных исследовательских затрат , и , кроме того, 2. Специалисты пришли к выводу , что отнюдь не будет непрактичным д е лать вакуу мные лампы микронных и субмикронных размеров. Как же по Айвору Броди развивалась вакуумная микроэл ектроника ? Он выделяет четыре основных п ути её развития , которые привели к сегодня ш нему состоянию . В начале 20-х годов нашего столетия пробой заявил о себе в периодических срывах трансатлантических радиопередач , осуществля емых с помощью в ы соко мощных ламп Маркони . Госслинг , ра ботавши й у Маркони , исследовал этот эф фект и в 1926 году опубликовал работу , в к оторой высказал гипотезу , что пробой вызывает ся электронами с выпуклостями на вольфрамовом стержневом катоде . Эти выпуклые неоднороднос ти взрывались , вызывая пробой . Как пишет Б роди, обсуждение этих результатов с профессором Фа у лером из Кембриджского университета привело к Нордгейму , получившему средства на исследова ния , и , в конечном счете , к уравнению Ф аулера – Норд гейма . Открытие того , что электроны могут вылетать с холодных катодо в под действием электрических полей с высокой напряжённостью , вызвало множ е ство проектов прибор ов , но прошло более сорока лет , прежде чем что-то п о л училось. Настоящая работа посвящена особенностям технологии изготовления к а тодов Спиндта , основанна я на методе создания решеток автокатодов , с и с пользованием то нкопленочной технологии и электронно-пучковой лит огр а фии. Решетки автоэмиссионных катодов , изготовленны х из монокристаллов кре м ния с применением тонких металличе ских пленок , обладают техническими характери стиками , позволяющими их широкое применение в плоских ди с п леях , сканирующих микроскопах и т.п. Автоэл ектронная эмиссия. Автоэлектронная эмиссия (АЭ ) - физич еское явление , состоящее в том , что электр оны покидают т вёрдое тело , в котором они находятся в качестве св о бодных носителей заряда ( это может быть металл или полупроводник ), под действием сильного электрического поля , п риложенного к поверхности . В случае автоэлект ронной эмиссии электроны преодолевают потенциаль ный барьер на поверхности тела не за счет кинетической энергии теплового дв и жения , а путем специфического квантового явления – туннель ного эффекта. В простейшем случае туннельный эффект заключается в том , что микр о скопическая части ца , первоначально нахо дившаяся по одну сторону поте н циального барьера (то есть области пр остранства , для которой полная эне р гия частицы превышает её потенциальную энергию U сх ), может с конечной вероятностью быть обнаружена по другую сто рону барь ера. Туннельный эффект является чисто кван товым феноменом и для него о т сутствует аналог в классической механике . Согласно Ньютновской механике частица с массой m не может н аходиться внутри потенциального барьера , поскольк у из уравнения для полной энерг ии следует, (1) что соотношени е выполняется только для мнимых значе ний импульса р . Объяснение туннельного эффект а , в конечном счёте , связано с соотнош е нием неопределённости Гейзенберга , согласно которому квантовая час тица находиться в состоянии с одновременно точно определёнными координатой и импульсом. Неопределённости и всегда удовлетворяют соотношению , (2) где эрг с – постоянная Планка. Согласно этому принципу , слагаемые в п равой части уравнения (1) не имеют одновременно определённых значений и могут отличаться от своих средних значений . Поэтому имеется коне чная вероятность обнаружить квантову ю ч а стицу в запрещённой зоне с точки зрения классическ ой механики области. Туннельный эффект был одним из пер вых квантовых явлений , предсказа н ных после создания в 1926 году Э . Шредингером волновой механики . По всей ви димости , первое свидетельство его существования можно найти в ст а тье Л . И . Мандельш тама и М . А . Леонтовича , которые рассматрив али реш е ние у равнения Шредингера для модельного потенциала ангармонического осцил лятора вида при и при . Волновая функция , описывающая свободное д вижение частицы слева от п о тенциала (при x > a ). При этом , когда энерги я частицы близка к значениям дис кретн ых уровней энергии внутри потенциальной ямы , амплитуда волн о вой функции справа от нее резко в озрастает . Это явление на современном языке носит название резонансного прохождения через потенциальный бар ь ер. В 1928 году Г . Гамов с помощью тунн ельного эффекта объяснил явление - радиоактивности тяжёлых ядер , и в том же году Фаулер и Норд гейм п о строили теорию холодной эмиссии из поверхности металлов . Т уннель ный эффект лежит в основе объяс нения таких явлений , как слияние лёгких яд ер при термоядерных реакциях , работы сверхпро водящего перехода Джозефс о на и туннельного диода . Именно Фаулер вместе с Нордгеймом в том же 1928 году построили теорию холодной эмиссии ( автоэлектронной эмиссии ) с п о верхности металлов . На рис .1 приведен график потенциальной энергии электрона вблизи гран и цы металл – вакуум при отсутствии внешнего поля и при наличи и слабого и сильного внешних полей в зависимости от расстояния от поверхн ости мета л ла . Кривые 1,2 и 3 соотве тствуют случаям отсутствия внешнего поля , слабому полю и сильному полю : d -ширина барьера . По мере увеличения внешнего положительного поля понижается высота потенциа льного барьера над уровнем Ферми и уменьшается его ширина . Следовательно , увеличивается вероятность проникновения через барьер электронов, подлетающих к нему со стороны металла. Иными словами , увеличивается число Рис .1 Поверхност ный потенциальный барьер на границе раздела металл– ваку ум. электронов , проходящих через барь ер , то есть ток автоэмиссии . По дчеркне м , что в случае автоэмиссии с поверхности металла , электрическое поле не пр о никает в глубь н его и не влияет на движение электронов в металле . Роль внешнего поля сводиться только к изменению формы потенциального ба рь е ра , уменьшению его высоты и ширин ы . Тонкопленочные автоэмиссионные катоды Технология и особенности протекания эмисс ионных процессов. Исключительно важной для всего развития вакуумной микроэ лектроники стала статья Спиндта с сотрудникам и из Стэндфордского исследовательского института , опубликованная в 1976 году в журнале Journal of Applied Physics . В ней был описан метод созд ания решёток автокатодов с молибденовыми остр иями с использованием тонкоплёночной технологии и электронно-пучковой микролитографии , а такж е были приведены результ аты подробного экспериментального исследования полученных автокат одов . Разработанная технология позволяла изготавл ивать катоды , содержавшие до 5000 острий с ра диусом скругления около 500 A и плотностью упаковки примерно Тонкоплёночный катод с полевой эмиссией представляет собой сэндвич : проводник-изолятор (рис .2) . Верхний проводник или сетка имеет отверстие от 1 до 3 мкм в диаметре , сквозь которое протравлено отверстие до нижне го проводника . На подложке находится конусооб разный эмиттер , его вершина располагается в отверстии сеточной пленки . Размеры для одно го из изгото в ленных катодов приведены на рисунке. Рис . 2 Схематическое изображение тонкоплёночного автоэмиссионного ка тода Спинд та. 1. Молибденовый конус 2. Изолирующий слой из диоксида кремния 3. Молибденовая управляющая плёнка 4. Кремневая подложка. Перспективным применением изделий вакуумной микроэлектроники представляется разработка плоских панельных дисплеев . Обеспечивающи х высокое качество изобр а жения и яркости ( в том числе и для цветного телевидения ). Кремний – очень удобный материа л для изготовления автоэмиссионных катодов . П оиск новых материалов , по д ходящих для создания автокатод ов , ведется непрерывно. Техноло гия изготовления катодов Спинд та заслуживает особого внимания . Она состоит из неско льких этапов. 1. Получение ст андартной высокопроводящей подложки из кремния . Эта подложка покрывается затем оксидной пл ёнкой кремния требуемой то л щины (1,5мкм ) с помощью т ехники окисления. 2. Методом элек тронно-лучевого напыления на окисел наносится тонкая плёнка молибдена толщиной 0,4мкм. 3. Эта структур а покрывается полиметилметакрилатом (ПММ ) – в ысокоп о лимерным с оединением , которое представляет собой электронно чувств и т ельно е сопротивление . Толщина пленки (ПММ ) примерно 1мкм. 4. Поверхность ПММ экспонируется в вакууме сфокусированными эле к тронными пучк ами , формируя на ней пятна нужного диаметр а и необх о дим ой конфигурации . Пятна обычно имели диаметр около 1мкм и расп о лаг ались в узлах квадратной р ешётки с шагом 25,4мкм или 12,4 мкм. 5. Экспонированные участки растворяются в изопропиловом спирте , а затем происходит травление лежащего ни же этих участков слоя молибдена до диэлек трика. 6. Удаляются ос татки ПММ , и слой диэлек трика травится плавиковой ки с лотой до кремневой подложки . В результ ате образуется структура , пок а занная на рис .3.1. Плёнка молибде на слегка нависает над отверстием в д и электрике , так ка к кислота не действует на молибден. 7. Методом ваку умного напыления на молибден наносится плёнка алюм и ния . При этом образец непрерывно вращается вокр уг вертикальной оси , и напыление происходит под большим углом к ней . Это делается , чтобы предотвратить попадание алюминия в с етке . Размер отверстия уменьшае т ся до необходимой ве личины (рис . 3.2.). 8. Через частич но закрытое отверстия производится напыление молибдена , при этом внутри отверстия вырастае т конус необходимого размера и в ы соты . Вершина конуса формируется , когда отверстие полностью закры в а ется . Эта ст адия процесса пока зана на рис . 3.3. 9. Вспомогательный слой алюминия растворяется , находящийся на нем м о либденова я пленка удаляется (рис . 3.4.). После термической тренировки в вакууме катод готов к при менению. Рис .3. Технология изготовлени я тонкоплёночного катода. Рис .3.1. Исходн ая структура для формирования конуса. Рис .3.2. Фор мирование изолирующего слоя. Рис .3.3. Фор мирование конуса напылением. Рис .3.4. Уд аление изолирующего слоя. 1-металическая плёнка ; 2-диэлектрик ; 3-кремневая подложка ; 4-ось вращения ; 5-направление напыления Используя та кую технологию , были изготовлены катоды с 1,100 и 5000 эмиттерами . Решётка со 100 эмиттерами имела вид матрицы 10 на 10 с шагом 25,4мкм , так что полна я область эмиссии представляла с о бой квадрат со стороной 0,25мм . Решётка с 500 0 эмиттерами заполняла кру г лую обла сть диаметром 1мм с расстоянием между кону сами 12,7мкм . Таким образом , плотность упаковки эмиттеров достигла . Фотография п овер хности тонкоплёночного катода под большим уве личением приведена на рис .4. Рис .4 Поверхнос ть тонкоплёночного катода. Рис .4.1. Решётка острий под Рис .4.2.Одиночное остриё. больши м увеличением. Область рабочих напряжений для катодов составляла от 100 до 300В . Они раб отали при давлении мм.рт.ст ., которое обеспечивал ось непрерывной от качкой . Ток эмиссии одного острия находился в пределах от 50 до 150 мкА . Полный ток с 100-острийного катода достигал 5 мА , что соответствует средней пло тности тока с катода 8 А / . Для катода с 5000 острий в и м пульсном режиме был получен ток до 100 мА (плотно сть тока достигла 12 А / .). Дальнейшее увеличение то ка с кат ода было невозможно , поскольку анод не был приспособлен для диссипации соответствующего количества энергии. Помимо технологии создания тонкоплёночных катодов , были приведены результаты подробног о исследования их характеристик ; прежде всего эми с сионных х арактеристик , стабильности работы , шумовых свойств. Важнейшими параметрами автоэмиссионных ка тодов являются коэффиц и ент усиления поля на поверхности острия и эффективная площадь эмиссии . Коэффиц иент усиления поля в связывает напряжённость электростатиче ск о го пол я на поверхности острия с приложенным нап ряжением . (*) Если пренебреч ь влиянием пространственного заряда эмитированны х эле к тронов , то такая связь должна быть линейной , поэтому коэффициент в зав и сит о т геометрии системы и от положения точки наблюдения на поверхности острия . Для рас чёта в можно и спользовать приближённые аналитические формулы и ли численные методы . В качестве примера на рис .5. приведена рассчитанная численно з ависимость коэффициента усиления в от полярного угла для геометрических размеров , соответств ующих катоду Спиндта . Как сл едует из рисунка , поле на поверхности острия практ ически не уменьшается вплоть до угла и уменьшается примерно на 10% для угла . I / 2.5 1.0 2.0 0.8 1.5 0.6 1.0 0.4 0.5 0.2 0.0 30 60 90 Рис .5. Распределение коэффициента усиления поля и плотности ток а эмиссии п о поверхности острия. Кривые 1 и 2 соответствуют напряжению 150 – 300В на управля ющем электроде. На этом рисунке приведены , рас считанные с использованием закона Фаул е ра – Норд гейма , где плотности тока эмиссии от угла для напряжений V =150 и 300В . Видно , что основной вклад в автоэмиссионный ток дают то ч ки поверхности , дл я которых . Угол можно использовать для определения эффективной площади эмиссии : (3) где r – радиус скругления острия . Полный ток е острия раве н : (4) где - плотность тока , даваемая форму лой Фаулера – Норд гейма для напряжённости поля на поверхности острия . Формулы (3) и (4) совместно определяют эффективную площадь эм иссии и предельный угол . Для корректного определения необходимо найти - зависимость коэффициента усиления от угла , затем инт егрировани ем вычислить полный ток с острия и во спользоваться формулой (4). Определённая таким способом эффективная п лощадь эмиссии зависит от напряжения . Предста вление о порядке величины площади эмиссии можно получить более просто , если считать , что угол а втоэмиссии соответствует уменьшению коэффициента усиления поля на 10%. Тогда следует определи ть из графика такое значение и воспользоваться формулой (3). В этом случае оценка для эффективной площади , очевидно , не зави сит от напряж е ний . Полученная оценк а для обычно не более чем в 2 раза отличается от более строгого расчёта. Данные рассуждения справедливы в случае атомарно гл адкой поверхности острия . Если же на нем существуют микронеоднородности более мелких масштабов , чем радиус скругл ения острия , то вблизи них электрическое п оле дополнительно усиливается . Из-за очень рез кой зависимости плотности тока от напряжённос ти поля , п олный ток полностью оп ределяется эмиссией с микро неоднородностями . Эффективная площадь эмиссии в соответствии с формулой (3) имеет порядок , где - характерный масштаб неод норо д ности. Плотность упа ковки эмиттеров. Сообщается о том , что достигнута плотность упаковки о коло . Дальнейшее увеличение этого числа связанно с одновременным уменьшен и ем диаметра отверстия в управляющем электроде и расстоянием между ними . Минимальный диаметр отверстия , полученный ранее равен 0, 5мкм и его уменьшени е затруднено аберрациями в электронно-оптической системе , и с по льзуемой для формирования много пучкового эле ктронного потока в уст а новке для электронно-лучевой литографи и . Приведём типичные значения физических пара метров для катода с 300 -ми отверстиями и расстояниями между ними 6.35мкм (плотность острий ). Максимально достигн у то значение тока 12,5мА , при напряжении 130В и среднем токе с остри я 40мкА . Это соответствует плотн ости тока 130А / . Дальнейшее увеличение то ка требовало бы специального охлаждения анода . Используя катод с м а лым числом острий , можно про демонстрировать , что автоэмиссионные кат о ды способны обеспечи ть на порядок большую плотность тока . Так , для кат о да с 16-ю остриями при переменном напряжении с частотой 60Гц , была п о лучена плотность тока в макси муме около 1000А / . Катод работал в таком режиме 100 часов , после чего исследование ег о поверхности с помощью ск а нирующего электронного микро скопа показало отсутствие каких-либо вид и мых изменений и повреждений. Время жизни. Приведённые данные свидетельствуют о большой долговечности авт о эмиссионных катодов . Непрерывное испытание в вакуумной камере катода со 100 остриями продолжалось в течении более чем 8 лет при уровне эмисс ии от 20мкА до 50мк А с остриями , и было прервано из-за неисправности ионн о го насоса . Дальней шее развитие тонкопленочных катодов связанно , прежде всего , с уменьшением их геометрических размеров и увеличением плотности упаковки , что позволяет достигнуть сразу несколько ц елей . Уменьшение ра с стояние остриё-управляющий электрод и уменьшение радиуса острия пон и жает рабочее напряжение . Одновре менно снижаются требования к вакууму , посколь ку уменьшается вероятность ионизации и энерги я ионов , бомбард и рующих катод . Увеличение плотности у паковки эмиттеров увеличивают среднюю плотность тока , которую способен обеспечить автоэмисси онный катод . Увеличиваются такая предельная р абота приборов , созданных на о с нове технологий тонкоплёночн ого катода. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изготовление катодов Спиндта предс тавляет собой достаточно сло ж ный технологический процесс форми рования тонких металлических пленок на базе кремниевой подложки . Автоэмиссионные , катоды с полевой эми с сией могут быть использованы для созд ания плоских дисплеев и экранов , к о т орые широко применяются для портативных компьютеров и в качестве т е левизионных трубок . Однако последние требуют совершенствования мет о дов управления сигналами , которые обеспеч иваются быстродействующими микросхемами . Вопрос о том , как сделать приборы и ко мпон енты , имеющие микронные геометрические размеры ( с нанометрическими допусками на эти размер ы ) продолжает мучить исследователей - разработчиков . Современный процесс изготовления микросхем включает многочисленные сверхточные операции формирования сложн ого рисунка разводки компь ю терных ми кросхем. В последнее время появились сообщен ия о разработках миниатюрных и быстродействую щих чипах с низким энергопотреблением . Провод ятся и с следования в области нанотехнологий . Большинство экспер тов считаю т , что примерно в 2012 году технология кремниевых микросхем достигнет физич е ских и эконом ических пределов своего развития . Изобретение компании Hewlett - Packard и Калифорнийског о университета UCLA предлагает испол ь зование простой решетки проводников , размер ы которых сравнимы с н е сколькими атомами , со единенными электронными коммутаторами толщиной в одну молекулу . В проведенных экспериментах ученые «упаковали» реше т ку в слой толщиной в одну молекулу из электрически коммутируемых мол е кул под названием «ротаксан ы» . Затем при подаче электро нного сигнала на молекулы , размещенные между проводниками решетки , открылся простой логич еский вентиль . Это изобретение было названо журналом Technology Review одним из пяти наиболее важных патентов 2000 года . Рез ультаты т а ких работ доказывают , что в будущем про граммирование может заменить используемые сейчас точные методы производства компьютерных микр о схем . После с борки базовой решетки с помощью программирова ния можно реализовать очень сложную логическу ю схему , выставив элек тронными си г налами нужные коммут аторы в молекулярной структуре. Так в августе прошлого года по явились сообщения корпорации IBM (компания Intel ) о созд ании самой маленькой логической схемы на о с нове двух т ранзисторов , построенных из отдельн ой мол екулы углерода . Н о вый транзистор с шириной затвора 15 нан ометров и напряжением питания 0,8В изготавливае тся по CMOS - т ехнологии , имеет время срабатывания 0.38 пикосекунды , то есть может совершать 2,63трлн . Переключе ний в секунду . Как ожидается , новый 0,15 – нм транзистор станет основным элементом при разработке высокоскоростных микросхем. При конструировании этой схемы использова лась нанотрубка углерода - м а тери ал , который в 100 раз тоньше человеческого во лоса . «Эта работа впервые продемонстрировала в озможность использования молекул в качес тве эле к тронных устройств , для логической схемы компьютера» , - заявил господин Хит , профессор химии униве рситета UCLA и директор Калифорнийского и н ститута наносистем. Углерод , по мнению исследователей IBM , позволит з аменить кремний и даже сможет выполни ть больше функций , однако компания пока не планирует и с пользовать нанотехнологии в собственных устройст вах . Многообещающими областями применения углерод ных нанотехнологий в ближайшем будущем прогно зируется электромагнит ная экранировка , а также производство пло с ких дисплеев для телевизоров , компьют еров и других высокотехнологичных устройств . Помимо сложности создания нанотранзисторов , испол ьзование их в массовом производстве пока не выгодно из-за значительной дешевизны к ремниевых аналогов . В целом исследователи склоняются к тому , что кре м ниевые и нанотехнологии не конкурируют , а скорее дополняют друг др уга. Список литературы : 1. Мандельштам Л.И . Лекции по теории колебаний . М .: Наука , 1972. 2. Коржуев А.В . // Физика в школе . 1995.№ 3.С .66. 3. Гамов Г.А . Моя мировая линия : Неформ альная автобиография . М .: Наука , 1994 4. Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике . Тр у бецков Д.И ., Рожнев А.Г .. 1996. 5. Электронно-оптические системы с сеточным управлением . Григорьев Ю.А ., Правдин Б.С . 1987. 6. Лабораторный практикум по физике . Барсуков К.А ., Ухамов Ю.И . 1988. 7. Адрес в Internet www.CNews.ru