VAKUUMSKA MIKROELEKTRONIKA
Vinko Nemanič. Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, Ljubljana
Vacuum Microelectronics ABSTRACT
Vacuum microelecbonics (VM) is s new scienitfic and tachno-logiCdl discipline where techno^gy which enables to make detai's below mtcron (microelactronics) Is apDJied lor raalizaboi^ ol densely Mcked (leld eminers (vacuum), Such a sbuctuie represents a very bright cathode (amission deostry fi>C99ds 1000 A/cm^) which enables someone to create better election beam devices, like «^ectrcn gun» lor mlcroscop«« eod oiher devices, klystrons to operate in THz range, flat HDTV displays SIC
Several technM^sl and technologtcal proD^ms should be overcome before benefits of cpuld be «videly applied. Dynamics of transfer from labs to industry will depend ol course on econorny In years
POVZETEK
Tehnološki rtapradek pri izdelavi polprevodnikih Tiikrovezij je omogo6l razvoj nove znanstvene m tehniCne panoga, vakuumske mikroelekttonihe (VM) S posloplii, kakršni se upofabl>ajo v izdelavi polprevodnilhih veaj, /$ udelena struktura disl<reln4^ elektronskih izvirov. Zaradi majhnih razdalj dobtrru s hladno emisijo tok prostih eiektror»ov !e 2 napetosyo nekaj sto aii celo ie neh^ deset voltov. Gostota emitiranega toka lahko preseda 1000 Ajctn^, Kar re nekaj velikostnih ra^dov več kot pn termičnih katodah
Že današnje napovMi o možT>ostih izboijšania znanstvenih analiznih metod {npr AES) dO uporabe v profesionalnih napravah (nove generacije klistronov za območje THz, elektronsko opb(/ie naprave za litdgrafijo) n oe^o tzdeikih za liroho uporabo (piol^ii zaslon za HDTV), naka2U)d|o, da bo VM izredno zanimivo področje raziskav m razvoja v r>asiednjih deieietjih. Ori^am*o prenose v prakso pa bo prej ali slei določalo ekonomsko stania v dA,ižbi,
1 Uvod
Elektronski tunelski mikroskop (TSM), ki sta ga izdelala G. 6innig in H. Rohrer 1962 /1/ in je bil odmevno predstavljen ŠirŠi javnosti ob podelitvi Nobelove nagrade 1986, ni bil razvit na podlagi odkritja novega fizikalnega pojava, temveč je njegovo izdelavo omogočil splošni napredek tehnike in tehnologije. Več kot pol sloletja po odkritju In teoretičnem opisu kvantnega pojava hladne emisije je postal TSM Insirrjment, ki prikazuje mikrosv^t na atomski skali in je dostopen takorekoč vsem velikim laboratorijem (glej prispevek Dr, V, Marinkovica, "Tunelska mikroskopija", Vakuumist st. 26, 199Z'1),
Precej podotien opis razvoja bo lahko veljal čez nekaj let za vakuumsko mikroelektroniko (VM). Kvantni pojav hladne emisije izkoristimo v VM tako, da ustvarimo gosto mrežo elektronskih mikroizvirov s konirolno elektrodo in anodo, S tako strukturo pa lahko ustvarimo elektronski curek, kratek elektronski impulz ali prostorsko in časovno moduliran vzorec, ki ga zaznamo na anodi,
struktura lahko rleltije v visokem In iiUr^visckem vakuumu. Bistvena razlika med mikroelektroniko In VM je ravno v načinu interakcij oz, gibanju elektronov, V trdni snovi so elektroni vezani In
omejeni na trdno snov, VM pa temelji tudi na gibanju prostih elektronov v vakuumu. Predpona mikro se nanaša na dimenzije m se je zadnja desetletja manjšala; ob integraciji transislorjev je bila v področju nekaj mikrometrov, potem okrog mikrometra, v zadnjih letih pa le del le-tega Za VM kot mlado vedo se "mikro" nanaša na obvladovanje podmikrometrskih delaj lov in se spogleduje 2 nanotehnologi)0. Že današnje napovedi o možnostih izboljšanja znanstvenih analiznih metod do uporabe v široko-porabnih izdelkih nakazujejo, da bo vakuumska mikroelektronika izredno zanimivo področje raziskav in razvoja v naslednjih desetletjih.
Tehnike nanosa tankih plasti z vakuumskimi meto dami so bralcem poznane, V izdelavi mikrovezij. ki temelje na siliciju, pripravi njegovih oksidov, dopi-ranju in jedkanju, so danes dosegljive in nadzorovane dimenzije pod mikrometrom Ponovljivost metod in zahteve po izločitvi defektov so na osupljivo visokem nivoju. Cena mikrovezij pa je v velikih serijah nepojmljivo mrka. S tem tehnološkim znanjem je ideja o mikroizvirirt elek tronov postala uresničljiva.
2 Fizikalni opis pojava in principi uporabe hladne emisije
2.1 Tunelski elekt
Tunelski efekt je eden od pnmerov uporabe kvantne fizjke, nazorno opisan v učbenikih. Potencial, ki veže elektrone na snov. se v zunanjem električnem poifu spremeni. Debelina* stene polenctalne banere se zmanjša, kar dopušča, da pri kratkotrajnem gibanju elektronov v prepovedanem območju, nekateri tudi brez potrebne energije zapustijo atom oz, trdno snov - tunelirajo. Pojav je praktično merijiv v električnem polju z jakostjo -5.10' V/m. S klasično fiziko ga m moč opisali. V primeru, da ioniziramo alome plina, imenujemo to poljska lOnizacija, v pnmeru da ioniziramo trdno snov, imenujemo pojav poljska ali hladna emisija (angl. field (cold) emission). Poglejmo si dva fizikalna instnjmenta, ki sta desetletja omogočala vpogled v snov na atomski ravni. Prvi je neposredni predhodnik današnjih TSM. drugi nam daje nazoren pnkaz vpirva močnega polja na pline in atome v srednjem vakuumu. Razumevanje dogajanja nam bo pomagalo razumeli težave v VM Prve slike atomov so dobili z elektronskim emisijskim mikroskopom, ki ga je izdelal i937 E, W Mulier, /2/, slika 1, Ostra konica kaiode v močnem električnem polju emitira elektrone (-ImA), ki zadevajo zaslon iz lumlniscentne snovi, ki je na potencialu nekaj kilovoUov, Kotna porazdelitev elektronov je odvisna od zloga atomov na camcm vrhu katodc Za delovanje tega mikroskopa z isto konico je treba v vakuumski komorf s premerom decimeter ali dva vzdrževati tlak najmanj 10*' mbar.
Vakuumski priključek
Anodni priključek
Za$!on
- termično /' aesorpcijo
a)
O
Ö)
Slika 7. Emisijski mikroskop a) shema öe/oven/a, b) značilna slika vrha konice železa
KaiMjni	Pitk^i^k zi^slorta
Katcorii
Otian 'j Anodna k<vi<4	/j
/,
ZMion
VakiAjmsHi pnhljUČBh
SItka 2. Ionski mikroskop a) shema Osicvsnja b) slikd vrha volframske konice, ki jo 2ahŠ6 helij
Tudi Ionski mikroskop je bil desetleija zanimivo orodje za posredno opazovanje atomov trdne snovi /3/, slika 2. V močnem polju ob konici pride do lonizacije razredčenega plina, ki je kotno znova odvisna od lokalnega polja ob samem vrhu. Nastale pozitivne ione usmerimo na zaslon, kjer tvorijo značilne vzorce, "podpis" reliefa konice. Zaradi kemijske inertnosli m majhne molekulske mase je delovni plin največkrat helij pri tlaku lO'S-iO*^ mba/.
2.2 Hladna katoda
Hladna katoda kot stabilen Izvir elektronov je bila davna želja načrtovalcev elektronsko - optičnih naprav. Tudi najskrt^neje izdelane katodne konice 80 bile podvržene Ionskemu jedkanju, prebojem, bodfsi po vakuumski reži ali po izolatorjih Zaradi tega «f», r;»7Pn v 7ranstver)o eksperimentatnih napravah, širše nfso nikoli uveljavile. Dovolj ostre katode se da izdelati s kemijskim jedkanjem monokristalov, whiskerjev Ipd.
Hladne katode imajo vsaj dve bistveni prednosti pred vročimi (termionskimi). Prvo je večja gostota emisijskega toka, drugo pa ožja hitrostna porazdelitev elektronov. Praktična prednost je tudi zanemarljiva poraba energije, saj oksidne katode delujejo na 1100 K, kovinske na 1800-3000 K in porabijo za samo ogrevanje ogromno energije.
2.3 Delovanje mikroemllorjev
Oglejmo si princip defovanja in zunanjost mikroemi-torjev, za katere se je uveljavila okrajšava FEA (field emitter array), slika 3. Na silicijevi podlagi so nanesene katodne konice, obdane z modulacijsko elektrodo, od katode ločeno s plastjo silicijevega oksida. Anoda na tej sliki ni narisana na pravi razdalji. Za primer anodne napetosti 400 V, je razdalja.
ki omogočit doseči ob vrhu kalod dovolj močr^o
lokalno električno polje, okvirno 0,2 mm. Modulacijska elektroda omogoča uravnavanje emisije od zaporne točke do maksimalne dovoljene vrednosti
1 Sitm
Katodne konice
kovinska krmrina /-«lokuoda
^cdielektnk
3. FE A: a) srteffia	in okvirne
tjimenzije, b) defa//, posnet z vrstičnim elektronskim mikroskopom
Emisijski tok iz posamezne konice določata anodna in modulacijska napetost in izstopno delo materiala, iz katerega je narejena. Od temperature teoretično ni odvisna Močno električno polje in znaten tok, ki izhaja iz majhne povrline, omejujeta izbor materialov. Med kovinami so to le refrakcijske, npr. moliiMen, obetavne so še trdine. npr. titanov karbid, izbrani polprevodniki, npr. stficij, in nekateri dielektriki, npr. diamant. Konica je podvržena tako ionskemu jedkanju kot lokalnemu segrevanju, znatna je tudi sila, ki jo povzroča polje, kar jo lahko v kratkem času untči. Razmere pri delovanju F£A so glede ionskega jedkanja pozitivnih ionov vseeno milejše kot pri emisijskem mikroskopu s slike 1. Pn sterični geometriji letijo ioni natanko v center, kjer se nahaja katoda, pn FEA pa ioni zaradi večje mase zadevajo njeno širšo okolico, slika 4.	*
Tok \2 posamezne konice je lahko do nekaj desetink iiA. kar pomeni pri danes dosegljivi gostoti izdelave (razdalja med emilorji okvimo 10 ^m) gostoto toka nad 10CMD A/cm^. Značifne vrednosti gostote toka za oksfdno katodo so 1 A/cm2, za impregniraro '-10 A/cm^. Interes za uporabo FEA katod je torej več kot razumljiv, saj pred desetletjem Še ni bilo obetov za povečanje emisivnosti za več razredov velikosti.
2.4 Postopki izdelave
VM je nastala na močni tehnološki osnovi izdelave integriranih vezij z najširšo paleto metod nanašanja, litografije. jedkanja, kontaktiranja in kontrole. Bistveni detajl, ki Joči VM od navadne IC tehnologije je
0 ION • eiCKTftON
a)
b)
Sl'kä 4. Degradacija katodne konice je pn FEA (9) bist/eno manjše kot pri emisijskem mikroskopu (b)
izdelava konic z radijem od 30 do 40 nm oziroma drugih možnih m ikro konfiguracij, ki omogočajo hladno emisijo 14/. Oglejmo si bistvene faze izdelave konic z litografijo in jedkanjem, slika /&/.
2.5 Možnosti uporabe
Na podlagi merjenja karakteristik laboratorijskih vzor» cev se mnoge od privlačnih možnosti uporabe FEA uresničujejo. Večja gostota emisijskega toka je le ena od izjemnih lastnosti FEA, Drugačni zakonj gibanja elektronov v vakuumu kot v trdni snovi omogočajo hitrejše odzive na spremembe električnega polja. Vakuumska mik reel ektronika bo v doglednem času omogočila izdelati hitrejša vezja /5/, delovanje klistronov v THz območju, /6/, ustvarjanje in odklanjanje tanjših elektronskih curkov, primernih za novo generacijo mikrovezij (litografija) 171. spominskih enot »pd, miniaturnih elektronskih mikroskopov, dnjgih vakuumskih optoeleMronskih naprav m izdelavo resnično ploščatega TV zaslona 2 izjemno ločljivostjo in kontrastom. Poglejmo si za ilustracijo shemo njegovega delovanja, slika 6. Vsak slikovni element je sestavljen iz svojega FEA, krmilne modulacijske elektrode, ki v danem trenutku prepusit
kovinska elekiroča
lumriOFMjl lr«n CMrwvTxn bvv T »e'Wd^in* veccai
Slika 6. Princip delovanja ploščatega zaslona s FEA
a)

Slika 5. Izdelava $ilicija\/e konice, a) pod okroglo masko zjedkan^ silicii do želene gioöine b) od razmer pri jedkanju sta odvisni ostrine in otlika piramida oz. stožca
3 Sklep
Doba VM se je torej začela, a mnoQS od evforičnih prednosti zbledijo ob srečanju s prakso. Kot visokovakuumska komponenta je FEA podvriena vplivu delovanja resi dual ne atmosfere, ki dobi v prisotnosti eleMnčnega polja še usodnejšo vlogo. Degradacija emisijskih mest. ki z otopitvijo izgubijo svoje lastnosti, je prva zahteva za kvaliteto vakuuma, slika 4. Ultra vakuumske razmere, pri katenh danes testirajo vzorce, bodo v prihodnje omiljeni, kljub temu bo visoki vakuum drago delovno okolje FEA Prebojna varnost milijonov emisijskih mest bo zatitevaia izredno skrbne postopke ves Čas izdelavo kateregakoli uporabnega Izdelka s FEA Brej prašnost, kot ena od zahtev za sprejemljiv izkoristek v mikroelektroniku bo v VM kvečjemu zaostrena, sa. snovalci načrtujejo zaslone velikih razsežnost 3 te druge plati je dinamika prenosa izsledkov raziskav v velikoserijske izdelke še vprašljiva Nepredvideno velika vfaganja bodo odvisna od ekonomskih razmer v družbi v desetletju, ki se je ie začelo
4 Literatura
M/ G Bmng. H Rohre<. HeK Phys Acu	19^2
.'2, EW Mu'i©f Erg»	Nftturvnss g? 290 1953
'3.' R Gorrier, F>eid Emission and FiAla lonizabc^. harvaro Ui^« Pre$$ 1961
'4 JU Kvn al. Fabricstkon ana characieriztror of lare*;) cui0-90ge and	car^'cses j v»:
So Technol B11{2), Mar Acx. 1993. 459
<5 T l^umi vacuum mtcceiecStorncs 'o* Kjijre di»p a. technology. Jou»na of ihe SID 1 1. i983, 3i3
6. CA. Sp*>Ot «rt a«, f leta-enrfter array oevc oomeoi ty htg* fraguency oparaiton, j Vac Sc. Tacivto Oii:2) War A-1993. 468
•7. J Xi'T>eri et al Electron opiica' pioctf-fits sna ao^raiiR"» of fiPid »tni$$ift(i rTi<i©»uro« J Vac So Tecnr^i Bn.? Mat Apr 1993. 275
ustrezno velik lok, in pripadajočega dela anode> to je zaslona, kakršnega uporabljamo v barvnih TV
elektronkah. Današnji laboratorijska modeli, Četudi
skromnega premera /5/, omogočajo vzbudili domišljijo o ploskem HDTV zaslonu premera meter in več, ki pa bo verjetno zaživel v 21. stoletju.
Dodatek
AvtOf či&nka je pri razvofno-raziskovainem deiu na področji, miniatumih katodnih »^(tronk zadnj>n d«saf i«t sr»£«vai % i^i^C'h) ^i$i)0 med e^i<tto<]arrH kot stranskim m neželenim pojavom Emtorji, ki jti je Cxks naftoža uniiiti f>ii napatOMi^^ k0ndic*0(^<-ranju, so b<ii vfiijučki mihrohristalov karbida, preoslanek raro