WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

поверхности кремния, покрытого фоторезистом, содержащим нанодисперсные частицы алмаза. В качестве 3. Вторичная электронная эмиссия подложки использовались пластины монокристаллического кремния ориентации (100), легированные фосфо- в сплошных пленках ром, с удельным сопротивлением 2.5-4.5 · cm. Перед 1) Измерительный стенд и методики формированием алмазной пленки пластины подвергали стандартному циклу очистки поверхности в органиче- исследования элек трофизических свойств ских и неорганических растворителях. Затем на поверх- п л е н о к. Измерительный стенд создан на основе ность пластины центрифугированием наносили пленку растрового электронного микроскопа („CamScan“) [9] фоторезиста, содержащего нанодисперсный алмазный и содержит: электронную пушку с системой элекпорошок. Средний размер частиц алмаза составлял ме- тромагнитных линз, позволяющих формировать на нее 0.1 µm. Объемное содержание алмазного порошка поверхности пленки коллинеарный пучок электронов Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны диаметром менее 1000 и сканировать поверхность площадью 5 5-1000 1000 µm с частотой 0–100 Hz при энергиях пучка 0.5–30.0 keV; держатель образца (манипулятор), позволяющий изменять его положение в пространстве относительно пучка электронов; контактирующее устройство, коммутатор и источники питания, осуществляющие выбор режима измерений и подачу на изучаемый объект электрического потенциала в диапазоне 0–1500 V; систему напыления Cs, включающую испаритель Cs и источник питания; двухкаскадный дифференциальный усилитель токов 10-12-10-7 A в диапазоне частот 0-102 Hz; регистрирующую и отображающую системы, включающие электрометрический усилитель, цифровой вольтметр, графопостроитель, осциллограф и запоминающий осциллограф.

Предварительные исследования поликристаллических алмазных пленок, графитовых и аморфных углеродных Рис. 1. Зависимость коэффициента ВЭЭ от энергии первичпленок показали, что в отличие от материалов, предных электронов в режиме „на отражение“ для двух образцов.

назначенных для холодных катодов, заметная вторичная электронная эмиссия наблюдается в том случае, когда в пленках в основном реализуются sp3-связи. Этим обусловлен выбор ГФО метода получения алмазных пленок. Фазовый состав полученных пленок подтвержден методами рамановской спектроскопии (доминируют sp3-связи) и дифракции электронов в просвечивающем электронном микроскопе (микрофазовый анализ). Для уменьшения в процессе измерений эффектов зарядки пленки при выращивании легировались бором. Холловские измерения свободных алмазных пленок показали, что легирование бором позволяло получить концентрацию дырок до 5 · 1018 cm-3. При этом подвижность свободных носителей не превышала 1 cm2 · V-1 · s-1.

2) Измерение вторичной эмиссии в схемах „на отражение“ и „на прострел“. Типичные зависимости коэффициентов вторичной эмиссии в схемах „на отражение“ и „на прострел“ от энергии первичных электронов для сплошных алмазных плеРис. 2. Зависимость коэффициента ВЭЭ от энергии пернок представлены на рис. 1 и 2. Под коэффициентом вичных электронов в режиме „на прострел“ для мембраны вторичной эмиссии (KD) понималось отношение тока толщиной 2.5 µm (квадратики) и 5 µm (кружки).

вторичных электронов к току первичных электронов, измеряемых с помощью цилиндра Фарадея. Ток вторичных электронов мог включать в себя и отраженные электроны при упругом и неупругом рассеянии.

существенно большим количеством дефектов и межкриКак правило, максимум KD в схеме „на отражение“ сталических границ этой поверхности. Этот факт еще для пленок, не подвергавшихся дополнительным обрараз подтверждает принципиальное значение механизмов боткам, наблюдался (рис. 1) при энергиях первичных электронов в районе 800–900 eV. При этом величина KD транспорта электронов к поверхности мембраны.

Влияние состояния поверхности на выход вторичных лежала в диапазоне 5–20 и сильно зависела от состояния электронов изучалось с помощью воздействия дополповерхности мембраны.

нительного отжига и цезирования поверхности. Часть В схеме „на прострел“ максимум KD сдвигается в алмазных пленок после выращивания подвергалась дообласть 25–35 keV, а его величина лежит в интерваполнительной гидрогенизации поверхности посредством ле 2–3 и также зависит от состояния поверхности. Эти отжига образца в среде H2. Отжиг в вакууме таких результаты были получены для случая измерения выхода образцов при 700C приводил к уменьшению KD и вторичных электронов с лицевой стороны пленки, т. е.

отрицательный эффект накапливался при последующих со стороны, не примыкающей к кремниевой подложке в процессе формирования пленки. В случае использования отжигах, что, скорее всего, связано с дегидрогенизацией для инжекции обратной поверхности коэффициенты вто- поверхности алмаза. Эти результаты хорошо согласуютричной эмиссии были на порядок ниже, что обусловлено ся с известными литературными данными [10].

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 112 С.А. Гаврилов, Н.Н. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков...

4. Возможности увеличения вторичной эмиссии в схеме „на прострел“ 1) Вторичная эм иссия в сплошных мембранах при наличии тянушего поля. Мы проанализировали случай, когда поле внутри мембраны отсутствовало. Создать поле в мембране можно с помощью внешнего электрода, роль которого может играть экран, с помощью которого происходит визуальная регистрация усиленного электронного потока.

Рассмотрим нелегированную алмазную пленку. В нелегированных алмазных структурах можно полагать, что поле не зависит от координат. Используя соответствуюРис. 3. Сравнение результатов настоящей работы с данными щее уравнение непрерывности и считая, что электроны работы [10]: 1, 3 — соответственно гидрогенизированная и церождаются равномерно по толщине пленки со скоростью зированные пленки из работы [10]; 2, 4 — гидрогенизированная k, получаем распределение электронов в виде и цезированная исследуемые мембраны; 5 — теоретическая кривая, раздел 1.

n = kn 1 - exp(-x/µnEsn), (6) где Es — напряженность поля, создаваемого внешним Цезирование поверхности алмазных пленок в свою электродом, на который подается напряжение Ve. Коорочередь увеличивало выход вторичных электронов гид- динатная ось 0x перпендикулярна плоскости пленки и рогенизированных образцов в 2–3 раза.

ее начало находится на поверхности, на которую падают 3) Обсуждение результатов. Сравнение по- первичные электроны. Для практического отсутствия лученных экспериментальных результатов, а также ре- рекомбинации электронов достаточно, чтобы зультатов других авторов с моделью (раздел 1) показыh вает, что эта модель дает возможность оценить динамику Es, (7) µnn поведения вторичных электронов. На рис. 3 представлены зависимости KD от энергии первичных электронов из где h — толщина мембраны, тогда n kx/µnEs.

работы [10] и наши данные для схемы „на отражение“.

Естественно, что (6) справедливо, если можно пренеПикообразный вид наших кривых говорит о том, что бречь наличием неравновесных носителей, а это справ максимуме глубина проникновения первичных элекведливо, если выполняется (7), и на границах плентронов примерно равна диффузионной длине, а сдвиг ки подвижные носители заряда эффективно удаляются.

максимума по шкале энергий при цезировании в сторону Для электронов это справедливо из-за отрицательного увеличения свидетельствует о снижении работы выхода электронного сродства (они свободно уходят в вакупо сравнению с гидрогенизированными пленками.

ум). Для удаления дырок следует у поверхности, куда Поскольку величины KD наших пленок и пленок подходят дырки, создать для них хороший омический работы [10] не сильно отличаются друг от друга при контакт, который можно получить формированием на энергиях первичных электронов до 1 keV, то можно поверхности мембраны тонкого слоя кремния p+-типа.

сказать, что состояния поверхностей также не сильПричем концентрация равновесных дырок p+ должна но различаются. Различия при энергиях свыше 1 keV многократно превосходить концентрацию неравновесможно, по-видимому, объяснить тем, что образцы раных дырок p в алмазе. Если внешний электрод находится боты [10] имеют большие (примерно в 3 раза) диф на расстоянии de от поверхности мембраны, то фузионные длины, что обеспечивает доставку к поверхности вторичных электронов с большей глубины.

Ve Es =, (8) Это предположение представляется правдоподобным, (h + de) так как пленки работы [10] имели толщину 20 µm и где — относительная диэлектрическая постоянная соответственно больший размер кристаллических зерен алмаза.

по сравнению с нашими пленками (3-5 µm). Именно Поскольку de h, то условие (7) можно переписать с меньшим влиянием межзерных границ, по нашему как мнению, связан наблюдаемый линейный рост KD до hde Ve. (9) больших энергий монокристаллических образцов, чем в µnn поликристаллических пленках [10].

Значения KD в схеме „на прострел“ значительно При µn = 1cm2 · s-1 · V-1, n = 10-8 s, h = 2 µm, меньше по величине и, как показывают оценки в раз- de = 1 mm, = 4.5 необходимо, чтобы Ve 104 V. Такие деле 1, определяются малой эффективностью доставки напряжения в реальных устройствах недопустимы. Повторичных электронов к поверхности с помощью диф- этому использовать экран как электрод для создания софузионного механизма. ответствующего поля в мембране нельзя и необходимо Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны По технологии, описанной в разделе 2, нами были изготовлены пористые алмазные мембраны с порами размером 8 µm и расстоянием между ними 8 µm (рис. 5).

На рис. 6 представлены зависимости коэффициентов вторичной эмиссии на одном и том же образце пористой мембраны, позволяющем реализовать обе схемы „на отражение“ и „на прострел“ во всем диапазоне энергий. В отличие от рис. 2 здесь наблюдаются 2 пика, соответствующие пикам как в схеме „на отражение“, так и в схеме „на прострел“. Увеличение KD в схеме „на прострел“, возможно, связано с дополнительным размножением электронов в порах, однако этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Предложенная конструкция имеет весьма серьезные Рис. 4. Оптимизированная конструкция мембраны для испрактические применения. Она существенно уменьшает пользования в режиме „на прострел“: 1, 2 — соответственно падающий и выходящий потоки электронов; 3 — высоколеги- зависимость коэффициента усиления от толщины мемрованный тонкий слой кремния p+-типа; 4 — алмазная мем- браны, позволяет работать в схеме „на прострел“ с брана; 5 — металлическая сетка, нанесенная на поверхность малыми энергиями первичных электронов, увеличивает мембраны.

располагать ускоряющий электрод в непосредственной близости от мембраны (de 10 µm). Оптимальная конструкция усилителя электронного потока получается, если электрод сформировать на поверхности мембраны в виде сетки, не снижающей разрешающей способности усилителя (рис. 4). Тогда достаточно выполнить условие Ve h2/µnn. При µn = 1cm2 · s-1 · V-1, n = 10-8 s, h = 2 µm получим, что Ve 4V. Это условие легко выполняется. В качестве электрода можно использовать также тонкий слой ( 0.2-0.5 µm) p+-алмаза. Экспериментальная реализация этой структуры связана с решением вопросов планаризации поверхности алмазной пленки и созданием качественных омических контактов.

2) Вторичная эмиссия в пористых мемб р а н а х. Другим возможным вариантом увеличения Рис. 5. Изображение в растровом электронном микроскопе вторичной эмиссии является вариант, связанный с испористой алмазной пленки.

пользованием пористых мембран. В этом случае вторичные электроны, выходящие через поверхность как в случае схемы „на отражение“, за свет внешнего поля переводятся через поры на противоположную поверхность. При условии, что энергия вторичных электронов мала, электроны могут „втягиваться“ в поря мембраны.

Конечно, коэффициент умножения Kn будет несколько меньше, чем в схеме „на отражение“, так как часть первичных электронов проходит через поры и не принимает участия в рождении вторичных электронов. В этом случае Kn =(1 - Sn/S)KD, где Sn и S — общая площадь, занимаемая порами, и рабочая площадь мембраны соответственно; KD — коэффициент вторичной эмиссии, получаемый в режиме „на отражение“.

Для экспериментальной проверки этой идеи нами сделаны оценки энергии вторичных электронов и изготовлены пористые мембраны. Непосредственные измеРис. 6. Зависимость коэффициента ВЭЭ от энергии перрения показали, что энергия вторичных электронов не вичных электронов для пористой пленки в режимах „на превышает 3-5eV. отражение“ (кружки) и „на прострел“ (квадратики).

8 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 114 С.А. Гаврилов, Н.Н. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков...

механическую прочность мембран, снимая напряжения, возникающие при росте алмазной пленки на кремниевой подложке.

Заключение Для алмазных поликристаллических мембран, легированных бором, впервые экспериментально получены коэффициенты вторичной эмиссии, значительно больше единицы в схеме „на прострел“. Исследовано влияние обработки эмиттирующей поверхности (цезирование, гидрогенизация, отжиг) на величину коэффициента ВЭЭ.

Показано, что размер и структура кристаллитов имеют принципиальное значение для достижения высоких коэффициентов ВЭЭ. Предложена модель поведения вторичных электронов, удовлетворительно описывающая экспериментальные результаты. Разработана и впервые экспериментально реализована схема „на прострел“, при которой используется пористая мембрана, позволяющая эффективно выводить вторичные электроны, рожденные на лицевой стороне, на противоположную сторону мембраны.

Список литературы [1] Himpsel F.J., Knapp J.A., Van Vechten J.A. et al. // Phys. Rev.

B. 1979. Vol. 20. P. 624.

[2] Rakhimon A.T., Suetin N.V., Soldaton E.S. et al. // J. Vac. Sci.

Technol. B. 2000. Vol. 18 (1). January / February. P. 76–81.

[3] Mearini G.T., Krainsky I.L., Dayton J.A. // Surface and Interface Analysis. 1994. Vol. 21. P. 138.

[4] Mearin G.Ti., Krainsky I.L., Dayton J.A. et al. // J. Appl. Phys.

Lett. 1995. Vol. 66. N 2. P. 242.

[5] Dzbanovsky N.N., Minakov P.A., Pal A.F. et al. // 3rd IEEE Intern. Vacuum Sources Cond Orlando (Florida), 2000. P. 33.

[6] Эберт Г. Краткий справочник по физике. М., 1963. 552 с.

[7] Эткинс П. Кванты. Справочник концепций. М.: Мир, 1977. 471 с.

[8] Evehart T.E., Hoff P.H. // J. Appl. Phys. 1971. Vol. 42. P. 5837.

[9] Dzbanovsky N.N., Minakov P.A., Pal A.F. et al. // Intern.

Topical Meeting on Field Electron Emission from Carbon Materials. Moscow.

[10] Yater J.E.., Shih A., Abrams R.H. // J. Vac. Sci. Technol. A.

1998. Vol.16 (3). May / June. P. 913–919.

Pages:     | 1 ||



© 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.