Введение к работе
Актуальность
В рамках твердотельной электроники удалось успешно решить множество системных задач благодаря достигнутому быстродействию твердотельной электронной компонентной базы (ЭКБ): —10 ГГц, и значительной плотности расположения вентилей на кристалле (~ 5ТО7 вент/см2).
Однако существует ряд задач, решение которых на традиционных материалах не реализовано в рамках твердотельной электроники. К таковым относится, например, получение компактных, но мощных схем и устройств для СВЧ генераторов и усилителей. Решение этой задачи требует реализации катодных узлов с плотностью тока > 10 А/см2 при выходной мощности в несколько киловатт. Традиционно область СВЧ силовой электроники «закрывается» приборами и устройствами вакуумной электроники. При этом в мощных ламповых устройствах, в качестве катодных узлов, используются термокатоды, имеющие низкий КПД, большие массо-габариты и значительную инерционность.
В последнее время активно обсуждаются [1-3] возможности эффективного использования в системах микроволновой связи, ИК визуализации, радиочастотной локации и идентификации автоэмиссионных сред, выполненных на основе углеродных наноструктур (УНС). Проблема в том, что техническая реализация большинства автоэмиссионных задач в рамках традиционных технологий и материалов чрезвычайно затруднена из-за низких значений предела «текучести» и прочности традиционных материалов, а также технологической сложности воспроизведения идентичной геометрии автоэмиттирующих острий в матричных устройствах.
Появление технологий получения углеродных наноструктур на основе принципов самоорганизации может позволить решить существующие проблемы в силу прочности УНС (—45 ГПа), высоких значений модуля Юнга (ІТПа) и рабочих плотностей тока, малого диаметра автоэмиттирующих острий при значительной величине аспектного отношения (~103).
Во многих работах показано [4,5], что форма и диаметр углеродных наноструктур зависят от формы и диаметра каталитических частиц, на которых они растут (в случае каталитических CVD методов). Поэтому задача сводится к поиску технологий позволяющих реализовать каталитические наноразмерные области («капли») с малой дисперсией латеральных размеров в плоскости кристалла и удовлетворительной адгезией к функциональных слоям (областям) приборной структуры, чтобы затем оптимизировать их использование в качестве своеобразных нанореакторов для роста массивов из УНС.
На рубеже 21-го века в США был запущен ряд крупных научно-технических проектов, направленных на развитие СВЧ электроники (например, «Технологическая инициатива по широкозонным полупроводникам» и «СВЧ-интегральная вакуумная злектроника»-НіИУЕ), инициированных одним из структурных подразделений Агентства перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) -отделом микросистемной техники. Предпочтение отдано использованию эмиссионных сред на основе УНТ, в частности и из-за того, что погонное сопротивление УНТ существенно меньше погонного сопротивления автоэмиттеров той же геометрии на основе традиционных материалов, что крайне важно в условиях «снятия» с автоэмиттера больших плотностей токов.
Для эффективного решения большинства приборных задач автоэмиссионной электроники на элементах нанометровых и субмикронных размеров и последующей интеграции разрабатываемых технологий и устройств в технологии и устройства традиционной микроэлектроники необходима разработка технологических процессов, реализующих автоэмиссионные среды с однородными параметрами на пластинах с диаметром, превышающим 3-4 дюйма.
Анализ литературных данных показывает, что успешно решить задачи по разработке эмиссионной ЭКБ на основе УНС возможно лишь в рамках комплексного подхода - согласовано разрабатывать приборы, технологии и оборудование. Действительно, существующие плазмостимулированные газофазные технологии получения углеродных наноструктур используют, как правило, рабочие давления порядка 102 - 103 Па, что приводит к ограничениям на однородность осаждения и, соответственно, размеры
обрабатываемых пластин (образцов). Кроме того, большинство реализаций PECCVD технологий используют СВЧ (либо ВЧ) плазму одновременно как для нагрева подложки, так и для активации процессов диссоциации молекул газа-реагента. Это вносит неопределенность при управлении технологическими процессами роста, в то время как реализация автоэмиссионных сред для планарных эмиссионных приборов требует прецизионности в подборе технологических параметров процесса (в особенности состава плазмы, ее мощностных, пространственных и временных характеристик). В частности, необходимо исключить неконтролируемое шунтирование элементов схемы проводящим слоем из атомов углерода, образующихся из молекул газа-реагента диссоциирующих в поле плазмы. Сложность управления этими процессами иллюстрирует тот факт, что, несмотря на многочисленность исследовательских групп, активно работающих в данной области, довести до промышленных разработок автоэмиссионные приборы и схемы на основе наноструктурированных сред удалось только ограниченному их числу.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка конструктивно-технологических методов получения углеродных наноструктур на основе каталитических плазмостимулированных процессов для приборов и устройств автоэмиссионной электроники
Научная новизна
1. Исследованы процессы и установлены определяющие
технологические параметры низкотемпературного получения
каталитических наноразмерных областей (кластеров) посредством
использования процессов плазменной и термической стимуляции.
2. Разработаны и реализованы конструктивно-технологические
условия процесса получения углеродных наноструктур при предельно
низких давлениях из газовой фазы, изучены особенности технологии их
роста каталитическим плазмостимулированным методом при давлениях
~10"3мм.рт.ст.
3. Впервые получены и экспериментально изучены зависимости типов
углеродных наноструктур от энергии ионов, бомбардирующих поверхность
подложки; по результатам исследований разработаны технологические процедуры получения УНС заданного типа.
4. Предложена конструкция усилителя - преобразователя; получен патент Российской Федерации.
Практическая значимость
1. Разработанные технологии получения каталитических
нанокластеров и углеродных наноструктур используются в
технологическом маршруте изготовления автоэмиссионных диодов и
триодов, катодно-сеточных узлов и усилителей-преобразователей на основе
поликристаллических алмазных и алмазоподобных пленок.
2. Обнаруженная зависимость образования типа углеродных
наноструктур от величины энергии активирующих поверхность ионов,
позволяет контролируемо выбирать параметры автоэмиттирующей среды
для приборных применений.
3. На основе разработанных и исследованных технологий роста
углеродных наноструктур определены конструктивные параметры
разрабатываемых автоэмиссионных диодов, триодов и тетродов для
автоэмиссионных интегральных схем.
На защиту выносятся следующие положения
I. Независимое управление плазменной и термической стимуляцией процесса роста углеродных наноструктур расширяет их номенклатуру, позволяя реализовать выбор ее типа.
П. Модель низкотемпературной трансформации пленки металла (Ni, Fe) наноразмерной толщины в наноразмерные капли (кластеры), заключающаяся в том, что к нагретой до температур не выше 600 С металлической пленке применяются представления о массопереносе вещества под действием капиллярных сил.
III. Технологические процедуры и технологический маршрут
получения каталитических нанокластеров из металлической (Ni, Fe) пленки
наноразмерной толщины, состоящие в том, что трансформация сплошной
пленки металла в каталитические нанокластеры происходит посредством
раздельной плазменной и термической стимуляции, что позволяет
контролировать плотность образующихся нанокластеров и понижает
температуру их образования.
Технологические процедуры и маршруты получения углеродных наноструктур («наноконусов», «наноперьев», «нанонитей») методом каталитического плазмостимулированного осаждения из паро-газовой фазы, состоящие в том, что изменение величины постоянного поля, при фиксировании остальных технологических параметров, позволяет контролировать номенклатуру получаемых углеродных наноструктур.
Обнаружены особенности протекания PECVD процессов роста углеродных наноструктур на планарных приборных схемах, заключающиеся в разрушающем влиянии плазмы на проводящие элементы, и в зарядке диэлектрических элементов, приводящей к образованию на их поверхности шунтирующего слоя углеродного покрытия.
Апробация работы
Данная работа выполнялась в рамках ОКР «Разработка технологий формирования углеродных наноструктур для приборов функциональной эмиссионной наноэлектроники» по ГК №02.527.12.9007 от 27.09.2007г., НИОКР «У.М.Н.И.К.» №07/4-1-01 и НИР «Разработка и исследование однокристальной схемы умножителя потока электронов на основе углеродных наноструктур и алмазных пленок» по ГК №«02.740.11.0115».
Основные результаты работы доложены автором на следующих конференциях и семинарах:
Moscow-Bavarian Joined Advanced Student School "MB-JASS 2006", Moscow-Zelenograd, 2006
13-я (14, 15, 16) Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2006 (2007, 2008, 2009)», Зеленоград, 2006, 2007, 2008, 2009 г.;
Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника 2006», Зеленоград, 2006 г.;
13-я (14-я) международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007г, 2008г.;
9-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2007 г.;
51-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Долгопрудный, 2008г.;
International conference "Micro- and nanoelectronics 2009", Moscow -Zvenigorod, October 5-9, 2009
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 статей, 1 патент РФ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, приложений и списка литературы; содержит 160 страницы машинописного текста, включая 10 таблиц, 82 рисунка и списка литературы из 70 наименований.
