WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 1 10;11;12 Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны © С.А. Гаврилов,1 Н.Н. Дзбановский,2 Э.А. Ильичев,1 П.В. Минаков,2 Э.А. Полторацкий,1 2 Г.С. Рычков,1 Н.В. Суетин 1 Федеральное государственное унитарное предприятие „Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина“, 124460 Москва, Россия 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия e-mail: polt@niifp.ru (Поступило в Редакцию 20 февраля 2003 г.) Рассматривается вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) из алмазных пленок, выполненных в виде мембран толщиной 2.5-5 µm. ВЭЭ исследуется в двух режимах: в режиме „на отражение“, когда вторичные электроны выходят с поверхности мембраны, на которую падают первичные электроны, и в режиме „на прострел“, когда вторичные электроны выходят с поверхности, противоположной поверхности, на которую падают первичные электроны. Оценка коэффициента ВЭЭ производится на основе анализа поведения в твердом веществе электронов с энергией 0.1–30 keV. Показано, что в случае „на отражение“ коэффициент ВЭЭ может быть более 100 при энергиях порядка 3 keV, а в случае „на прострел“ он не превышает 5 даже при энергиях 30 keV. Для улучшения эмиссионных свойств мембран при работе „на прострел“ предложен ряд конструкций, в частности пористые мембраны, которые позволяют получить характеристики, близкие к характеристикам при работе „на отражение“. Приведены экспериментальные результаты, согласующиеся с расчетными данными, и описана технология получения алмазных мембран, в том числе и пористых.

Введение Основу подобных приборов могут составить поликристаллические алмазные мембраны, способные на основе Алмаз и алмазные пленки рассматриваются как ВЭЭ усиливать поток электронов, имеющий заданное перспективные материалы для высокотемпературной и распределение плотности в плоскости, перпендикуляррадиационностойкой электроники, а также вакуумной ной направлению распространения электронов.

микроэлектроники. Это обусловлено тем, что алмаз В литературе имеется достаточно данных, показываюобладает целым рядом уникальных физико-химических щих, что при соответствующих обработках поверхности свойств: высокой химической и радиационной стойко- алмазной пленки могут быть получены весьма высокие стью, рекордно высокими теплопроводностью и подвиж- значения коэффициента вторичной эмиссии в режиме ностью носителей. Кроме того, некоторые грани алмаза отражения, достигающие 120 для энергии падающих имеют отрицательное сродство к электрону (ОЭС), т. е.

электронов 3keV (например, при осаждении на поэнергия электрона в вакууме оказывается меньше, чем верхность пленки нанометрового слоя Cs) [4]. К соего энергия на дне зоны проводимости, что позволяет жалению, все обнадеживающие результаты получены в беспорогово эмиттировать электроны из зоны проводи- экспериментах „на отражение“, т. е. когда падающие и мости в вакуум [1]. Обнаружение эффекта ОЭС вызвало вторичные электроны регистрировались по одну и ту же целую серию исследований, направленных на создание сторону образца. В одной из первых работ, посвященных эффективных автоэлектронных эмиттеров на основе изучению вторичной эмиссии в алмазных пленках „на алмазных пленок. Сегодня имеется большой экспери- прострел“, показано, что достижение высоких коэффиментальный материал, который подтверждает наличие циентов ВЭЭ в принципе возможно, однако на практике электронной эмиссии из поликристаллических алмазных достигается весьма трудно [5]. Физически этот резульпленок, однако она, скорее всего, не связана с ОЭС, тат связан, видимо, с рекомбинацией неравновесных а идет из межкристаллических областей [2]. Основная электронно-дырочных пар в объеме пленки в процессе причина неудач в использовании ОЭС для создания элек- их диффузии к тыльной поверхности алмазной пленки.

тронных эмиттеров связана с отсутствием электронов в Для создания приборов с двумерной обработкой изобзоне проводимости алмаза, поскольку он имеет большую ражений типа усилителей электронного потока весьма ширину запрещенной зоны, а эффективной легирующей важно сохранять распределение плотности электронов примеси n-типа до сих пор не обнаружено. в плоскости, перпендикулярной направлению движения Между тем ОЭС алмаза проявляется в уникально потока. Это сделать весьма сложно при использовании высоком коэффициенте вторичной эмиссии электронов эффекта размножения электронов в схеме „на отраже(ВЭЭ) [3]. На основе этого эффекта также можно разра- ние“, т. е. проблема создания приборов „на прострел“ ботать высокоэффективные вакуумные приборы микро- остается весьма актуальной. Есть еще ряд проблем, свяэлектроники. занных с созданием приборов. В частности, это касается Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны необходимости получения рисунка на алмазной плен- Для алмаза = 3.54 · 10-2. Если положить, что средке, вопросов проводимости (легирования) и создания няя энергия ионизации равна второму потенциалу ионинизкоомных контактов. Именно отсутствие низкоомных зации E2 (которая [7] для кремния и углерода равна контактов наряду с указанными выше является одной из соответственно 16.3 и 24.4 keV), то наибольшая глубина причин отсутствия промышленных холодных эмиттеров проникновения при E0 = 20 keV в алмазе и кремнии сона основе алмазных пленок. ставит соответственно 3.2 и 4.5 µm. Полученные оценки Данная работа посвящена получению вторичной эмис- дают неплохое совпадение с результатами работы [8].

При увеличении числа столкновений электрон все больсии в алмазных пленках с коэффициентом умножения, ше будет отклоняться от первоначального направления существенно превосходящем 1 в схеме „на прострел“.

В разделе 1 рассмотрена динамика поведения высо- движения. Распределение вероятности рассеяния электрона на угол представляется функцией ошибок [6] коэнергетичных электронов в мембранах и получены оценки коэффициентов вторичной эмиссии в режимах p( ) = exp(- /22), 0, (3) „на отражение“ и „на прострел“. В разделе 2 приведена технология изготовления алмазных пленок и мембран.

где Раздел 3 посвящен описанию методов исследования и экспериментальным результатам в сплошных алмазных 0 x [µ m] [g/cm3] пленках. В разделе 4 проводится обсуждение возмож =, 0 = 4Z. (4) [kV] A [g] ности увеличения вторичной эмиссии в схеме „на прострел“.

Здесь x — толщина слоя, — ускоряющее напряжение.

Для алмаза 0 = 13. Используя (3) и (4) и сделав ряд упрощений для рассматриваемого случая, мы придем к 1. Динамика поведения электронов выводу, что, войдя в мембрану, электрон будет наховысокой энергии в мембране диться внутри конуса, поверхность которого образуется вращением кривой y(x) вокруг направления начального Основным элементом предполагаемого усилителя движения электрона. Кривая y(x) определяется диффеэлектронного потока является мембрана, на поверхность ренциальным уравнением которой падают электроны высокой энергии первичного потока и из приповерхностного слоя которой под dy 0 x [µm] -= tg 0 (), 0 =, (5) действием этих электронов выходят вторичные элекdx E0 [keV] троны. Понять работу твердотельного усилителя потока -где () — функция, обратная (x), (x) —интегэлектронов можно на основе анализа динамического рал вероятности, — задаваемая вероятность нахожповедения электронов в твердом веществе. В приборах дения электрона внутри конуса (обычно полагается обычно используются электроны с энергией 0.1–40 keV.

0.7-0.8). Длина кривой y(x) приблизительно равЭто случай, когда скорость электрона много меньше на lm. Уменьшая до 0, мы получим непрерывную поскорости света, и тогда вероятная потеря энергии на 1 m следовательность конусов, границы оснований которых пробега для электрона, имеющего энергию E, равна [6] лежат на выпуклой поверхности, закрывающей исходный dE Ne4Z ln 2 ln Eконус. Исходный конус (полученный при = 0.7-0.8) - =. (1) dl 80E и выпуклая поверхность ограничивают пространство, в котором первичный электрон рождает большинство Здесь N — число рассеивающих атомов (в m3), e — вторичных электронов. Проведенные оценки показали, заряд электрона, Z — заряд ядра, 0 — диэлектрическая что в целях упрощения дальнейшего анализа конус постоянная вакуума, E — энергия электрона, E1 = E/, можно заменить сферой радиуса lm/3, центр которой — средняя работа ионизации. Если электрон веррасположен от поверхности мембраны на расстоянии тикально падает на мембрану с высокой энергией, то 2lm/3. В этой сфере при = 0.7-0.8 будет находиться начальный отрезок пути электрона в мембране можно приблизительно половина всех вторичных электронов.

считать прямолинейным, по крайней мере пока скорость Для получения максимального коэффициента усиления электрона заметно не упадет (в 2 раз, как показывают необходимо, чтобы наибольшее число вторичных элекоценки). Анализируя соотношение (1), можно сделать тронов рождалось по возможности ближе к поверхности, оценку длины общего пути электрона lm с которой электроны эмиттируются. Отсюда ясно, что в случае работы „на прострел“ толщина мембраны не 3E0 [keV] Eдолжна превышать lm, чтобы вторичные электроны могlm[µm] =, E10 =, 2lnEли подойти за счет диффузии или дрейфа к поверхности и, преодолев барьер (если он есть), выйти в вакуум.

A[g] = 6.2 · 10-2, (2) Рассмотрим подробнее динамику поведения вторичных Z[g/cm3] электронов. Вторичный электрон рождается вместе с где E0 — начальная энергия электрона, A— атомный дыркой. Время рекомбинации электрона и дырки в вес, — плотность вещества. алмазе составляет n = 10-9-10-8 s. Это значит, что за Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 110 С.А. Гаврилов, Н.Н. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков...

время n необходимо вывести электроны из мембраны в в фоторезисте составляло 10-50%. После высушивания вакуум. Если внутреннее поле отсутствует, то поверхно- при 80C в течение 10 min и экспонирования резиста изсти могут достичь только электроны, находящиеся в при- лучением ртутной лампы фоторезист проявляли в 0.5% поверхностном слое толщиной, приблизительно равной водном растворе KOH. В случае изготовления сплошных диффузионной длине электронов Ln. Для алмазных пле- пленок операции экспонирования и проявления не пронок подвижность µn составляет 0.1-1cm2/sV, а время водили. Алмазные пленки получали методом газофазножизни 10-9-10-8 s. Поэтому 0.016 µm Ln 0.16 µm.

го осаждения (ГФО) с активацией сверхвысокочастотОтсюда следует, что в случае отсутствия внутреннего ной (СВЧ) плазмой. Процесс осаждения состоит из ряда поля и lm Ln эмиттирующая поверхность должна последовательных операций, представленных ниже.

проходить рядом с центром рассмотренной выше сферы На этапе подготовки производится откачка резонатора и, следовательно, толщину мембраны нужно выбирать до давления 103 Pa, затем реактор заполняется водороприблизительно равной 2lm/3. Полагая далее, что втодом до давления 5-6 · 103 Pa. Скорость потока водорода ричные электроны распределены равномерно в шаре и при этом составляет 10 литров в час.

толщина h мембраны равна 2lm/3 для коэффициента Перед процессом осаждения алмазной пленки поусиления KD в случае „на прострел“, получим слеверхность образца очищается от остатков органических дующее соотношение: KD 3LnE0/4h. При h = 3µm, загрязнений. Для этого образец выдерживается в водоE0 = 20 keV для лучших пленок с Ln = 0.16 µmполучим, родной плазме около 15 min при давлении 5-6 · 103 Pa и что KD не превысит значение 33, а для обычных пленок с температуре 650-700C.

Ln = 0.016 µm коэффициент KD будет менее 3.3. В то же Процесс отжига образца плавно переводится в фавремя, если собирать вторичные электроны с поверхнозу осаждения пленки. Качественные алмазные пленки сти, на которую падают первичные электроны, для кополучаются при следующих условиях: мощность СВЧ эффициента усиления „на отражение“ можно получить 1–2 kW, давление в реакторе 9-10 · 103 Pa, температуследующую оценку: KD E0 min(3Ln/2lm, 1)/, которая ра образца 750-850C, содержание паров этилового для энергии электрона, существенно меньшей, чем это спирта относительно водорода 10–15%. Для легировантребуется в случае „на прострел“, дает значительно ных алмазных пленок условия приблизительно те же, более высокие значения KD. Так, при E0 = 3keV для но вместо этилового спирта в испаритель заливается лучших пленок получаем, что K0 может достигать значесмесь борного спирта с триметилборатом. Процентное ний 120, причем даже для обычных пленок KD продолсодержание триметилбората зависит от необходимой жает сохранять большие значения, а достигающие 30 — степени легирования алмазной пленки и обычно составпри энергиях не более 3 keV. Важным преимуществом ляет 0.2-0.8%.

работы „на отражение“ является то, что при этом нет После осаждения алмазной пленки образец еще раз принципиальных ограничений на толщину мембраны.

подвергается процессу отжига. Время и условия отжига близки к условиям предварительного отжига.

2. Технология изготовления мембран После формирования алмазной пленки пластину покрывали химически инертным материалом. При этом на основе алмазных пленок на обратной стороне пластины оставляли незащищенВ соответствии со сделанными выше оценками для ра- ную область, которая определяла размеры создаваемой боты „на прострел“ с пленками толщиной 3-4 µmтре- мембраны. Далее осуществляли химическое растворение буется напряжение вплоть до 30 kV, причем алмазные кремния в растворе HF:HNO3 = 2:1 (объемные доли) в пленки необходимо было выполнить в виде сплошных течеие 60 min до появления алмазной пленки. Контроль или пористых мембран. Обсуждаемые выше мембраны осуществлялся с помощью оптического микроскопа.

формируются на поверхности кремниевой подложки. На заключительной стадии защитную маску растворяли В настоящей работе предложен такой способ формиро- в кипящем растворе трихлорэтилена и осуществляли вания, который позволяет осуществить также локальную окончательную очистку структуры в парах изопропилоинициацию зарождения и роста алмазной пленки на вого спирта в течение 10 min.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.