Введение к работе
Актуальность темы. Актуальной задачей современной электроники является разработка устройств нового поколения, включающих в себя плоские катодолюминесцентные информационные экраны, приборы и устройства эмиссионной вакуумной микроэлектроники. Эти приборы превосходят полупроводниковые по порогу высокочастотного усиления, устойчивости к температурным и ионизирующим воздействиям, по широте возможных применений к задачам развития электронной техники с экстремальными условиями эксплуатации.
Центральной проблемой в создании элементной базы эмиссионной электроники является поиск материалов для надежного и долговечного автоэлектронного катода. Сложность выбора материала обусловлена тем, что необходимо сочетание больших значений электрической прочности с предельно низкой работой выхода электронов и высокой устойчивостью к тепловым воздействиям, пондеромоторным нагрузкам и ионной бомбардировке. Как показывает практика, решение этой проблемы возможно путем создания новых наноматериалов и структур на основе углерода, позволяющего образовывать аллотропные модификации с чрезвычайно разнообразными и часто уникальными электрофизическими свойствами. В частности, идеальным материалом для долговечных автоэмиссионных катодов, использующих плазму носителей заряда, является алмазная модификация углерода. Преимущества алмаза заключаются в сочетании высокой дрейфовой скорости носителей тока и электрической прочности кристаллов с высокой теплопроводностью. Это позволяет для генерации плазмы использовать сильные электрические поля без опасения, что кристалл разрушится под влиянием импульса тока или выделяющейся в нем теплоты. К тому же поверхность (111) алмаза обладает устойчивым до температуры Т > 900 С отрицательным электронным сродством, приводящим к снижению работы выхода электронов у катодов с алмазным типом гибридизации связей валентных электронов в атоме углерода. Особые надежды возлагаются на проявление в наноалмазных автоэмиссионных эмиттерах, кроме уже названных традиционных свойств алмаза, присущих массивному кристаллическому' состоянию, квантовых эффектов, характерных для низкоразмерных систем.
Цель работы. Разработка низкотемпературных технологических процессов получения пленок различных аллотропных модификаций углерода, создание на их основе композитных алмазно-графитовых автоэмиттеров.
Основные задачи исследования: 1. Поиск физико-технологических условий синтеза пленочных материалов различных аллотропных модификаций углерода в углеродсодер-жащей СВЧ плазме с магнитным полем.
' ' і»». її» г*
-
Исследование и разработка процессов низкотемпературного формирования наноалмазных материалов.
-
Разработка низкотемпературной технологии получения композитных алмазно-графитовых автоэмиссионных материалов. Определение закономерностей влияния параметров процесса получения на автоэмиссионные свойства композитных наноалмазных автокатодов.
Методы исследования. Эксперименты по осаждению углеродных пленок проводились на установке СВЧ вакуумно-плазменного осаждения с магнитным полем. Для определения толщины нанесенного слоя, изучения качества поверхности, величины и поверхностной концентрации кластеров использовались микроскопы: интерференционный МИИ-4, лазерный эл-липсометрический ЛЭМ-2М, оптический «Биолам М», сканирующий атомно-силовой и туннельный P4-SPM-MDT. Оптические характеристики измерялись с помощью спектрофотометра СФ-26. Параметры кристаллических решеток нанесенного материала определялись с помощью рентге-ноструктурного анализа на установке ДРОН-3.0. Эмиссионные характеристики материала определялись на диодной структуре в условиях сверхвысокого вакуума.
Научная новизна работы:
-
На основании экспериментальных исследований, проведенных в плазме СВЧ газового разряда низкого давления с использованием различных углеродсодержащих газовых сред, определены диапазоны изменения параметров процесса, обеспечивающих смешанный или раздельный синтез алмазоподобных, графитоподобных и углеводородных полимерных пленочных материалов, в том числе в виде самоорганизующихся наноалмазных кластеров. Показаны различия в механизмах конденсации и большая энергоёмкость процесса образования графитовых пленок по сравнению с алмазоподобными и углеводородными.
-
Впервые построена кинетическая диаграмма полиморфных превращений в углеродных пленках, полученных в СВЧ плазме паров этанола низкого давления, которая связывает влияния факторов температуры подложки и давления паров рабочего вещества на синтез преимущественно алмазоподобного, графитоподобного или углеводородного полимерного материала.
-
Впервые установлено, что углеводородные пленки, осаждённые из СВЧ плазмы паров этанола низкого давления, представляют собой композитную систему в виде наноалмазных кластеров, распределенных в углеводородной матрице. Показано влияние температуры конденсации, степе- < ни пересыщения паров этанола и толщины пленки на закономерности самоорганизованного роста наноуглеродных кластеров в углеводородной матрице.
-
Определены диапазоны и исследованы закономерности влияния параметров процесса получения композитных алмазно-графитовых автокато-
дов в СВЧ плазме паров этанола низкого давления на их автоэмиссионные свойства. Показано, что улучшение эмиссионной способности графитопо-добных пленок при поверхностном легировании примесью кадмия эквивалентно улучшению автоэмиссии при увеличении содержания в них нано-алмазной углеродной фазы.
Практическая ценность работы:
-
Технологические режимы СВЧ плазменного осаждения паров этанола низкого давления, обеспечивающие одно- или многофазное получение в одной технологической установке алмазоподобных, графитоподоб-ных, углеводородных полимерных пленок, а также композитных углеродных пленок на их основе с широким диапазоном электрофизических свойств и областей применения.
-
Технологические режимы получения нового типа автокатодов на основе композитного наноалмазно-графитового материала, обеспечивающего стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока ~ 3,5%, с регулируемыми значениями напряженности электрического поля начала автоэлектронной эмиссии от 15 до 7 В/мкм и плотности тока от 0,3 мА/см2 до 3 мА/см2 при напряженности поля менее 19 В/мкм.
-
Новая технологическая методика синтеза наноалмазных порошков в углеводородной матрице, исключающей их агрегатирование при длительном хранении, совместимая с обычными технологическими процессами микроэлектронного производства, обладающая возможностями управления их размером и концентрацией, а также непосредственного нанесения наноалмазов, образующихся в углеводородной матрице, на любые подложки и детали.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
При осаждении в СВЧ плазме с магнитным полем изменение температуры конденсации от 50 до 400С и давления паров этанола от 0,05 до 5 Па приводит к изменению кинетических условий роста, достаточных для раздельного или смешанного синтеза алмазоподобных, графитоподобных, углеводородных полимерных пленок.
-
Углеводородные полимерные пленки представляют собой композитные структуры с определенным распределением наноалмазных кластеров по объему матрицы. Кластеры имеют максимальные размеры в приповерхностных слоях и уменьшаются с удалением в глубину от поверхности пленки. Управление размером и концентрацией алмазных кристаллитов в объемной матрице достигается изменением давления паров этанола в плазме и температуры подложки в пределах, допускающих образование полимерного углеводородного материала.
-
Композитные алмазно-графитовые пленки получаются осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров этанола при температуре подложки в интервале от 200 до 350 С и давлении плазмообразующего газа в диапазоне 0,05 - 0,08 Па. Концентрация нано-
алмазных кристаллитов в графитовой матрице увеличивается с ростом положительного электрического потенциала на подложкодержателе с синтезируемым материалом.
4. Увеличение содержания наноалмазных кристаллитов в графитовой матрице улучшает эмиссионные способности композитного алмазно-графитового материала, что эквивалентно улучшению, достигаемому при поверхностном легировании исходных графитовых пленок примесью кадмия. Композитные алмазно-графитовые пленки, синтезированные методом вакуумно-плазменного осаждения в СВЧ разряде паров этанола с магнитным полем, перспективны для создания автоэмиссионных катодов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 16 международных конференциях и семинарах, в т.ч. «International Vacuum Microelectronics Conference» IVMC 1999, 2000, 2002 (Germany, China, France); «Fullerenes and atomic clusters» IWFAC 97,99 (StPetersburg); «International Vacuum Electron Sources Conference» IVESC 02 (Russia); 4, 6 -9 «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог); Всероссийской научно-технической конференции «Микро-и наноэлектроника 2001» (Звенигород); Международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, СГТУ); Второй международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии» (Москва, 2003), а также на научных семинарах Саратовского отделения Института радиотехники и электроники РАН.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 13 статьях. Результаты работы отражены в отчетах по НИР, имеющих государственную регистрацию, в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 118 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 130 наименований, имеет 53 рисунка.
