文摘

发射器的同质性是非常重要的场致发射(FE)设备的性能。反应离子刻蚀(RIE)和氧化硅产生重大影响的几何技巧。RIE影响主要排放国的各向异性。各向异性压力有很强的影响因素。减少的压力导致更高的各向异性,但腐蚀率也低。长时间腐蚀补偿这种影响。此外观察同质性的改进。的影响,提高出力的各向异性系数很低,但重要的同质性。在低功率发射器的高度和削弱更持续的在整个晶片。氧化本身非常均匀,没有显著影响进一步变化的同质性。 This modified fabrication process allows solving the problem of inhomogeneity of previous field emission arrays.

1。介绍

真空微电子器件的场致发射(FE)比经典热离子阴极电子资源有优势。他们提供没有能量耗散介质(真空)和高辐射宽容和处理操作频率(1]。电子资源可用于传感器系统,小型化微波放大器管,阴极电子光学系统(如扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、透射电子显微镜(TEM)),和高功率太赫兹源以及紧凑和快速交换x射线源(2]。阴极的电子源是最重要的,这些设备的关键组件。小发射极几何形状的变化会导致发射的不均匀性。场致发射特性尤其依赖于势垒的宽度在导电表面,电子必须穿透(3]。高电场减少这一障碍(图的宽度1)。纳米结构允许交付这些必填字段显微镜下,由于局部增强在发射器的尖端领域。场增强因子(1),由微观的比值定义宏观领域描述这种关系(4]。因此,降低宏观场隧道是必要的:

一个可能的近似是高度的比例发射器的半径的小费。因此,在高度和齿顶圆角半径变化强烈的波动因素。需要进一步提高制造技术取代典型阴极真空设备在实际应用中,让小说。

通过调查RIE的影响参数(压力和功率)的几何形状和长宽比硅发射器可以观察到同质性的机会。

2。材料和方法

2.1。制造过程

各向同性湿或干燥和各向异性干蚀刻硅(Si)的制造技术通常微观结构。高的可再生的发射器因子和载流容量,我们使用一个各向异性干蚀刻,后跟一个潮湿的热氧化(5)(图2)。

作为散装材料100 mm p型硅片与(100)取向、硼掺杂,使用3.7 - -4.2Ωcm的电阻率。p型Si-FE-cathodes显示FE-current饱和,导致当前稳定[很好6]。700纳米的遮蔽潮湿的热氧化生长的基质在1000°C(图2(一个))。建议的位置由光刻法的定义磁盘转移3μ20米直径和三角形的音调μ米到光刻胶(AZ5214)(图2 (b))。各向异性反应离子刻蚀在牛津Plasmalab SiO 80 +转移这种调整₂层(图2 (c))。它使用瑞士法郎₃和O₂作为过程气体。达到要求的形状发射器另一个RIE过程步骤是必要的。科幻的混合物₆和O₂蚀刻大部分与SiO Si₂光盘作为掩模(图2 (d))。各向异性的几何可以调节气体流动,燃烧室压力和功率(7]。剩下的硅氧化热在940°C的最终磨发射器(图2 (e))。整个SiO₂删除在最后一步湿化学腐蚀与高频混合物(央行7:1)(图2 (f))。

得到明显的同质性调查每个12芯片的晶片包含六个数组与不同数量的提示(1、7、91、271、547和1141年)。

2.2。测量技术和实验设计

个人制造步骤的影响调查的发射器,每个流程步骤之后,一些选择建议由SEM观察(JEOL 6510)(图3)。同质性的一个重要结论八技巧上的每个角落每个数组进行扫描六角布局和两个数组(图中4(一))。两三个晶圆芯片在每个季度调查(图4 (b))。

的削弱的SiO₂面具,由于RIE一步,由SEM决定。腐蚀深度测量与心理契约Tencor P16轮廓曲线仪。通过这种方式,各向异性因子(2),影响排放的同质性和几何,决心为不同的权力和压力RIE步骤:

3所示。结果与讨论

等离子体的力量是不同的从90年到150年从50到90毫托W和压力,导致9几组参数(表1与不同的各向异性(图)5)。蚀刻时间60年代。一个完整的SiO的削弱₂磁盘是由压力引起的90毫托高功率(120 W和150 W)。

3.1。RIE几何参数的影响

压力有很强的各向异性的影响因素。减少压力增加明显各向异性因子(图6(一))。低压力导致更少的离子等离子体,它能够在同一力量相互碰撞。因此,离子更直接垂直于目标。因此各向异性因子高压力较低,反之亦然。

通过增加力量,离子的能量室正在上升。在低压(蓝线在图6 (b))他们更能够影响目标没有遭受其他损失。各向异性系数上升。压力越高,越活性分子科幻₆在等离子体。这意味着有更多的可能的碰撞,因为更多的离子室。此外化学反应的效果更强的方向影响离子分布,因此更少的各向异性腐蚀结果。这导致各向异性系数较低,而能量较高(绿线在图6 (b))。

由于更高的各向异性腐蚀,小费的比例可以最大化。这将导致一个更大的因素。

3.2。调查同质性和测量结果

改变功率和压力导致腐蚀率的变化在晶圆的半径,这是同质性的单元(图7)。SEM图像如图8。此外,低压(50毫托)的结果相当均匀腐蚀,关于发射器和削弱的磁盘(高度数据7 (c)和7 (d))。有更少的离子等离子体,由于低压室。离子在其他粒子的散射和SiO₂晶片上的磁盘更低,导致更多的控制和均匀的过程。然而,腐蚀率较低。这种效应可以补偿较长时间(1.5 - 2.0 x)的腐蚀。

最后氧化厚度取决于SiO下剩下的Si的直径₂。热湿法氧化非常均匀(少于4%的一种变体在整个晶片)。他们没有显著影响进一步蚀刻发射器的同质性的差异。

因此,压力较低,有可能产生相当均匀的阴极与高各向异性因子在整个晶片(数字8 (c)和8 (d))。

菲测量进行提示数组,蚀刻在低压(50毫托)和120 W的功率增加为了得到高各向异性因子(图6)。高度约为1μ米半径的< 40 nm的翼展距离20μm(图9)。

一个全面的调查,这些结构的场致发射特性在[6]。数组与547年排放显示FE-current多达10个积分⁻⁷在电场的50 V /μ大约40 V / m。一个on-set-fieldμm的FE-current 1 nA测量。此外RIE过程优化的结果在一个均匀的排放在整个数组几乎99%的效率(6]。

调查的各向异性在晶片(3.2部分)证明的低压大约50毫托导致一个好的同质性的发射器在完整的晶片区域。菲测量显示数组中的所有个人发射器的同质性好,。

4所示。结论和展望

各向异性蚀刻的参数的依赖(压力和功率)的RIE调查。更高的压力增加了横向腐蚀速率,导致较低的各向异性。权力在各向异性的影响因素取决于压力。低压引起高各向异性散射的各向异性系数较低。提高了同质性在整个晶片,由于高各向异性高纵横比的实现的建议。与调整功率优化的蚀刻步骤实现。发射器的场致发射调查显示均匀发射,编造了这个增强的过程。这将打开的可能性建立齐次阴极,它能够为先进的真空微电子设备提供稳定的电流。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

潜在的项目是由德国联邦教育部与sponsorship-number 03 fh004px2和研究。本文的作者承担责任的内容。作者要感谢团队的支持。