بخشی از مقاله
چکیده
بررسی اولیه برروي تأثیر کلی پارامترهاي فشار عملیاتی و توان فرایند کندوپاش فلز مولیبدنیوم برروي مقاومت لایهي نازك ایجاد شده برروي زیرلایهي شیشه انجام گرفته و مقدار مناسب پارامترهاي لایه نشانی تعیین شده است. آرایهي نانونوكهاي سیلیکانی از پیش ساخته شده طی فرایندي چند مرحلهاي، در محیط خلا قرار داده شده است و به منظور کاهش تابع کار گسیل کنندهها، لایهاي از فلز مولیبدنیوم به روش کند و پاش و بر اساس پارامترهاي تعیین شده در مرحلهي قبل بر روي نوكها نشانده شده است.
مشخصات هندسی گسیل کنندهها به کمک تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - قبل و بعد از لایه نشانی مولیبدنیوم ارائه شده است. نشان داده شده است که استفاده از پوشش مولیبدنیومی امکان مشاهدهي پدیدهي گسیل میدان را در ولتاژهاي کمتر از 1000 ولت و در فواصل بین آند و کاتد بالاي 1 میکرومتر فراهم می آورد. منحنی فاولر-نوردهایم گسیل الکترونها در فشار کمتر از 3×10-7Torr اندازهگیري و رسم شده است.
مقدمه
آرایههاي گسیل میدانی - به عنوان پایهايترین عنصر الکترونیک خلأ - به دلیل قابلیت تولید چگالی جریانهاي بالا در ولتاژهاي پایین [1] و همچنین قابلیت مجتمع سازي [1]، کاربردهاي فراوانی در زمینههایی نظیر نمایشگرهاي گسیل میدانی [2]، لیزرهاي الکترون آزاد [3]، لیتوگرافی باریکه الکترونی آرایهاي [4] و … دارند. تاکنون آرایههاي مختلفی از مواد گوناگون نظیر آرایههاي اسپینت1 ساخته شده از مولیبدنیوم [5]، آرایههاي سیلیکانی[6]، آرایههاي ساخته شده از نانولولههاي کربنی[7] و بسیاري از مواد دیگر ساخته و ارائه شده اند. در این میان آرایههاي سیلیکانی به دلیل همخوانی زیاد فرایند ساخت آنها با فرآیندهاي استاندارد CMOS مورد توجه ویژهاي قرار گرفتهاند.
مهمترین نقطه ضعف آرایههاي سیلیکانی، کمتر بودن توانایی گسیل الکترونهاي در سیلیکان در مقایسهي با فلزاتی نظیر مولیبدنیوم و تنگستن است. در این مقاله پس از تعیین پارامترهاي مناسب جهت کندوپاش یک لایهي داراي مقاومت کم مولیبدنیوم، اثر تغییر تابع کار سطح یک آرایه گسیل میدانی سیلیکانی به وسیلهي پوششی نازك از فلز مولیبدنیوم، برروي منحنی جریان-ولتاژ گسیل میدان آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
آزمایش
ساخت نمونهي اولیهي آرایهي سیلیکانی برروي ویفر سیلیکانی نوع n، داراي جهت کریستالی - 100 - انجام شده است. این آرایه طی فرایندي چند مرحلهاي به دقت طراحی شده و قابل تکرار شامل شستشوي استاندارد [8] RCA، اکسیداسیون حرارتی مرطوب، لیتوگرافی نوري، زدایش شیمیایی به علاوهي یک مرحله تیز کردن به کمک اکسیداسیون حرارتی خشک و در محیط تمیز انجام گرفته است. شکل 1 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی دو عدد از نوكهاي موجود در آرایه را نمایش میدهد. پس از این مرحله، یکی از نمونهها به محفظهي خلأ منتقل شده و اندازهگیري گسیل میدان از آن در فشار کمتر از ×10-7Torr 3 انجام گرفته و مشخصهي جریان-ولتاژ آرایه ثبت گردیده است.
سپس نمونهي مورد نظر به محفظهي کندوپاش منتقل شده و به کمک روش کندوپاش RF، ضخامت مورد نیاز از فلز مولیبدنیوم بر روي آن نشانده شده است. لازم به ذکر است که به منظور تعیین مقدار مناسب پارامترهاي اساسی فرایند کندوپاش مورد استفاده پیش از انجام لایه نشانی بر روي نمونه هاي اصلی، فرایند کندوپاش فلز مولیبدنیوم به طور مجزا انجام گرفته و نمونههاي حاصل از نظر مقاومت و همواري سطح به ترتیب به کمک پروب چهار نقطهاي و میکروسکوپ نیروي اتمی مورد مطالعه قرار گرفته اند. فشار و توان بهینهي تعیین شده در این مرحله - به منظور رسیدن به حداقل مقاومت لایه - به عنوان پارامترهاي مناسب جهت لایهنشانی برروي نمونههاي اصلی به کار گرفته شده است. نرخ لایهنشانی و ضخامت لایهي نشانده شده در تمامی مراحل با دقت کنترل و ثبت شده است.
نتایج آزمایشات و بحث بر روي نتایج
شکل 2 اثر تغییرات فشار عملیاتی فرآیند کندوپاش را برروي مقاومت صفحهاي نمونههاي لایه نشانی شده در توان RF ثابت و برابر 84 وات، نمایش میدهد. مطابق با این شکل افزایش فشار باعث افزایش مقاومت شده و در نتیجه فشار مناسب براي لایه نشانی برابر با 4×10-2mbar تعیین میگردد.
شکل3 اثر تغییرات توان کندوپاش را برروي مقاومت نمونههاي تهیه شده، نمایش میدهد. به دلیل محدودیت موجود در سیستم کندوپاش مورد استفاده در توانهاي بالا، فشار عملیاتی این مرحله از آزمایش به جاي 4×10-2mbar، 6×10-2mbar در نظر گرفته شده است. مطابق با شکل افزایش توان باعث کاهش مقاومت شده است. این پدیده را میتوان به افزایش نرخ لایه نشانی در اثر افزایش فشار نسبت داد.
شکل .3 منحنی تغییرات مقاومت صفحهاي بر حسب تغییرات توان منبع تغذیه در فشار ثابت .6×10- 2mbar در نتیجهي این مراحل توان و فشار مناسب براي لایهنشانی به ترتیب 150W و 6×10-2mbar تعیین میگردد. لازم به ذکر است که دماي زیرلایه در کلیهي آزمایشات در 35 درجه سانتیگراد ثابت نگاه داشته شده است. شکل 4 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی یکی از نوكهاي آرایه را قبل و بعد از لایه نشانی مولیبدنیوم نمایش میدهد.
همانگونه که مشاهده میشود، لایه نشانی مولیبدنیوم باعث افزایش شعاع نوك از کمتر از 15nm به حدود 40nm شده است. لازم به ذکر است که ضخامت سنج در این حالت ضخامت 100nm را براي لایهي نشانده شده نمایش میدهد. تفاوت موجود بین این مقدار و مقدار واقعی نشانده شده بر روي سطح نوكهاي آرایه به دلیل انحناي زیاد نوك به نسبت سطح ضخامت سنج کوارتزي و عدم وجود امکان در نظر گرفتن آن به عنوان یک سطح صاف براي کندوپاش است. لازم به یادآوري است که کندوپاش براي پوشاندن پلههاي تیز روش مناسبی به حساب نمیآید. بدین معنا که ضخامت لایهي نشانده شده در لبهها از ضحامت لایه در سایر نقاط کمتر خواهد بود. این مسئله ممکن است در ظاهر نا مناسب جلوه نماید. در حالیکه کمتر بودن قطر لایه در محل نوك عدم تغییرات بسیار زیاد شعاع نوك به نسبت شعاع اولیه را تضمین مینماید.
لازم به ذکر است که در پوشش دادن یک نانونوك گسیل کنندهي میدان، افزایش شعاع نوك به نوبهي خود باعث کاهش ضریب افزایش میدان موضعی در سطح گسیل کننده و در نتیجه کاهش گسیل میدان میگردد و بنابراین نازك بودن لایهي نشاندهشده حائز اهمیت خواهد بود. شکل 6 منحنی جریان ولتاژ گسیل از سطح دو آرایهي داراي پوشش و معمولی را براي فاصلهي بین دو الکترود 1μm و آندي از جنس لایهي نازك اکسید قلع-ایندیم نمایش می- دهد.
فاصلهي بین آند و کاتد به کمک یک سیستم تنظیم فاصلهي دقیق و به کمک میکروسکوپ به دقیق تنظیم شده است. همانگونه که در شکل مشاهده میشود، استفاده از لایهي مولیبدنیوم علیرغم افزایش شعاع نوكهاي آرایه ولتاژ مورد نظر براي رسیدن به جریان قابل اندازهگیري را تا 4 برابرکاهش داده است. دلایل اصلی این بهبود گسیل را میتوان بدین شرح بیان نمود. اولاً مقاومت الکتریکی بالاي سیلیکان باعث افت ولتاژ در مسیر زیر لایه تا نوك شده و در نتیجه پوشش مولیبدنیومی با کاهش مقاومت مسیر عملاً میدان موضعی مؤثر را افزایش داده و باعث بهبود کارکرد آرایه می- گردد. ثانیاً پوشش مولیبدنیومی باعث کاهش تابع کار در سطح گسیل کننده و در نتیجهي آن افزایش احتمال تونلزنی الکترونها و افزایش جریان گسیل میگردد.
