Способ изготовления микроострий на поверхности

 

Изобретение относится к микроэлектронике и предназначено для изготовления проводящих микроострий, которые могут быть использованы, например, в производстве вакуумных интегральных микросхем. Изобретение позволяет улучшить эмиссионные характеристики микроострий при упрощении технологического процесса. Способ включает окисление и травление, которые осуществляют воздействием на поверхность газовым разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях с величиной магнитной индукции, равной 0,005 - 0,07 Тл, в атмосфере чистого кислорода при давлении 1 - 0,05 Па. Одновременно осуществляют непрерывный контроль процесса во избежание прожигания поверхности. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области микроэлектроники и предназначено для изготовления проводящих микроострий, которые могут быть использованы, например, в производстве вакуумных интегральных микросхем.

Известен способ изготовления микроострий на подложке (см. C.A. Spindt, I. Brodie, L. Humphry, E.R. Westerberg. Physical properties of thin film emission cathodes with molibdenum cones, Journal of Applied Physics. 1976, Vol. 47, N 12, p. 5248-5343), который включает окисление поверхности, напыление пленки из молибдена и ее травление до получения углублений. Затем на полученную поверхность при непрерывном вращении подложки под углом к ее оси наносят пленки алюминия и молибдена, формируя таким образом неоднородность в виде микроострия конической формы. После этого удаляют два верхних слоя: молибден и алюминий.

Однако полученные описанным способом микроострия требуют дополнительной обработки в вакууме, включающей нагрев с одновременным приложением электрического поля.

Известен также способ изготовления микроострий на поверхности (а.с. СССР N 797440, МКИ H 01 J 1/30), включающий электрохимическое травление в тонком слое электролита и воздействие на область формирования микроострия электрическим током, плотность которого регулируется в пределах 100 - 10000 А/мм² и пропорциональна требуемой кривизне поверхности острия.

Однако описанный способ не дает возможности получить микроострия с достаточно малым радиусом кривизны. Кроме того, изготовление таким способом матрицы микроострий технологически трудоемко.

Известен также способ получения микроострий на поверхности (Патент РФ N 2028684, МКИ H 01 J 1/30) путем локального электронно-лучевого нагрева подложки до появления расплава при постоянном электрическом напряжении. После образования острий нагрев прекращают, а после отвердения расплава напряжение снимают.

Однако описанный способ получения микроострий на поверхности требует нагрева участков поверхности подложки до очень высокой температуры, что создает в подложке механические напряжения и уменьшает надежность изделия в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления микроострий на поверхности (R.N. Thomas, R.A. Wickstrom, D. K. Schrodev, H.C. Nathanson. Fabrication and some application of large-area silicon field emission array. Solid-state elektronics, 1974, vol. 17, N 2, p. 155-163), заключающийся в ее окислении и последующем травлении смесью кислот до формирования точечного кончика острия. Продукт травления и защитную маску удаляют раствором плавиковой кислоты.

Однако для улучшения эмиссионных характеристик микроострия необходимо подвергать дополнительной обработке, включающей нагрев до 950 градусов Цельсия в атмосфере кислорода и травление в кислоте, что усложняет технологический процесс.

Задача изобретения - расширение арсенала способов изготовления микроострийных автоэмиссионных катодов при упрощении способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления микроострий на проводящей поверхности катода, включающем окисление и травление, указанные операции осуществляют воздействием на поверхность газовым разрядом в скрещенных электрических и магнитном полях, с величиной магнитной индукции, равной 0,005 - 0,007 Тл, в атмосфере чистого кислорода при давлении 1 - 0,05 Па при непрерывном контроле процесса изготовления во избежание прожигания поверхности.

Кроме того, контроль процесса изготовления микроострий осуществляют путем определения спектра шумовых колебаний газового разряда, регистрации максимума спектральной плотности и непрерывного изменения соответствующей ему частоты.

Кроме того, электрическое поле создают сложением постоянного и переменного с частотой 20 - 200 Гц полей, причем амплитуда переменного тока составляет 10 - 25% от величины постоянного поля.

Кроме того, дополнительно охлаждают поверхность, причем охлаждение производят одновременно с окислением и травлением.

В научно-технической и патентной литературе решений с указанной совокупностью признаков не обнаружено.

Конические острия на проводящей поверхности создают следующим образом. Проводящую пластину помещают в квазизамкнутый объем с чистым кислородом при давлении 1 - 0,05 Па и со скрещенным электрическим и магнитным полями, причем силовые линии магнитного поля параллельны поверхности пластины и магнитная индукция составляет 0,005 - 0,07 Тл. Воздействуя на поверхность образованным в квазизамкнутом объеме газовым разрядом, осуществляют ее окисление и травление.

Для повышения идентичности изготавливаемых микроострий поверхность предварительно обрабатывают, добиваясь максимально чистой и гладкой поверхности, например, травлением ее в замкнутом объеме в плазме газового разряда аргона. В режиме образования микроострий электрическое поле создают сложением постоянного и переменного с частотой 20-200 Гц полей, причем амплитуда переменного поля составляет 10-25% от величины постоянного поля, например, путем последовательного соединения двух источников электрического напряжения - постоянного и переменного. Давление в квазизамкнутом объеме регулируется скоростью натекания кислорода, которую подбирают такой, чтобы установилось минимальное давление, при котором газовый разряд горит устойчиво.

В начальный момент горение плазмы поддерживается электронами вторичной эмиссии, выбитыми из катода-мишени в результате бомбардировки мишени молекулами и ионами кислорода. В процессе одновременного окисления и травления поверхности ток разряда постепенно увеличивается, а напряжение разряда уменьшается. На поверхности мишени появляются центры автоэмиссии электронов, которые в дальнейшем развиваются в микроострия. Изменение характера эмиссии электронов приводит к увеличению их концентрации в плазме газового разряда. В таких условиях удается получить устойчивый газовый разряд при меньшем давлении и уменьшить скорость напуска кислорода, а это сопровождается увеличением напряжения разряда и ускорением процесса травления. Острия конической формы существуют с момента достижения максимального тока разряда. Дальнейшее продолжение времени процесса ведет к масштабному увеличению геометрических размеров микроострий.

Известно (см. Ю.В. Саночкин. Журнал технической физики, 1975, т. XLV, N 3, с. 555), что при давлении 1-0,01 Па в газовом разряде в скрещенных электрическом и магнитном полях возникает неустойчивость. В разряде появляются длинноволновые возмущения с периодом колебаний, много большим пролетного времени ионов. Возмущение имеет вид "спицы", вращающейся с угловой скоростью, пропорциональной магнитному полю. Определяют возникновение неустойчивости по наличию квазишумовых колебаний в цепи питания газового разряда, например, анализатором спектра электромагнитных колебаний соответствующего диапазона, подключенным параллельно разрядному промежутку. В нашем случае частота максимума спектральной плотности колебаний находится в интервале 150-400 КГц, ширина спектра колебаний - примерно 30 - 120 КГц. Наличие "спиц", вращающихся по устойчивым траекториям, повышает нагрев тех областей катода, по которым "спицы" проходят многократно. Чтобы избежать подобного нагрева, необходимо изменять частоты колебаний шумового спектра, что можно осуществить, например, подключением в электрическую цепь питания реактивности, проводимость которой близка по порядку величине реактивной проводимости, вносимой в электрическую цепь газовым разрядом.

Поэтому для предотвращения локального перегрева поверхности, и, следовательно, сохранения микроострий, параллельно разрядному промежутку подключают конденсатор переменной емкости и меняют его емкость в течение всего процесса. Таким образом добиваются непрерывного изменения центральной частоты спектра шумовых колебаний, возбуждающихся в газовом разряде, и изменения траекторий "спиц". Надежность изменения частоты максимума шумовых колебаний контролируют, например, анализатором спектра.

Для отвода тепла, выделяемого в процессе окисления и травления поверхности пластины, противоположная поверхность пластины охлаждается водой.

Способ проведения указанных операций и контроля процесса не требует дополнительной завершающей обработки поверхности с нагревом до высокой температуры или с применением кислот и щелочей. Это упрощает технологический процесс, повышает надежность и улучшает качество изделия.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. микроострия конической формы изготавливали на поверхности медной пластины. Магнитное поле брали равным 0.02 Тл. Время травления пластины в газовом разряде аргона (очистка и полировка) - 18 мин, давление - 0,2 Па. Зажигание газового разряда кислорода происходило при параметрах: давление - 0,5 Па, напряжение разряда - 530 В, ток разряда - 120 мА, переменное напряжение частотой 100 Гц имело амплитуду 40 В. Через 50 с ток разряда возрастал до 140 мА, напряжение падало до 510 В. Скорость натекания кислорода уменьшали, напряжение увеличивали до 540 В. Через 2 мин после загорания разряда установились параметры: давление - 0,04 Па, напряжение разряда - 540 В, ток разряда - 140 мА. Весь процесс продолжался 9 мин. В результате на поверхности изготовлены микроострия высотой 10-15 мкм.

Пример 2. Микроострия изготавливали на поверхности пластины цинка. Магнитное поле брали равным 0,015 Тл. Очистка и полировка проходили при давлении 0,3 Па в течение 10 мин. Параметры при зажигании газового разряда кислорода: давление - 0,8 Па, напряжение - 400 В, ток разряда - 100 мА, амплитуда переменного напряжения - 50 В. Через 60 с установился ток разряда 140 мА, напряжение разряда упало до 360 В. Регулировкой скорости натекания кислорода установили давление 0,06 Па. Время обработки в кислороде - 14 мин. Высота изготовленных микроострий - 20 мкм. Радиус кривизны полученных острий не более 20 нм.

Испытания показали следующее: максимальная плотность тока - около 0.1 А/см² при напряжении 1400 В и расстоянии анод - катод 100 мкм. Вольт-амперная характеристика в координатах Фаулера-Норгейма имела вид прямой линии.

Пример 3. Микроострия изготавливали на поверхности пластины молибдена. Магнитное поле брали равным 0,025 Тл. Очистка и полировка при давлении 0,2 Па в течение 20 мин. Параметры зажигании газового разряда кислорода: давление - 0,4 Па, постоянное напряжение - 480 В, амплитуда переменного напряжения - 40 В, ток - 100 мА. Через 1 мин 20 с установился ток разряда 140 мА. Регулируя скорость натекания и напряжения разряда, установили параметры разряда: давление 0,1 Па, напряжение 520 В, ток 90 мА. Через 21 мин обработки были изготовлены микроострия высотой примерно 10 мкм.

Формула изобретения

1. Способ изготовления микроострийных автоэмиссионных центров на проводящей поверхности, включающий окисление и травление поверхности, отличающийся тем, что окисление и травление осуществляют воздействием на поверхность газовым разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях, с величиной магнитной индукции, равной 0,005-0,0Т Тл, в атмосфере кислорода при давлении 0,05-1 Па при непрерывном контроле процесса изготовления во избежание прожигания поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль процесса изготовления микроострий осуществляют путем определения спектра шумовых колебаний газового разряда, регистрации максимума спектральной плотности и непрерывного изменения соответствующей ему частоты.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электрическое поле создают сложением постоянного и переменного с частотой 20-200 Гц полей, причем амплитуда переменного поля составляет 10-25% величины постоянного поля.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно охлаждают поверхность, причем охлаждение производят одновременно с окислением и травлением.