Исследование тепловых процессов при автоэлектронной эмиссии из кремниевого острийного катода

• Автор: Махиборода, Максим Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных по моделированию процессов теплопроводности в автоэмиссионных катодах. Выбор направления исследований
1.1. Теоретическое описание природы автоэлектронной эмиссии
1.2. Теоретическое описание тепловых эффектов, сопровождающих автоэлектронную эмиссию
1.3. Выбор направления исследования
Глава 2. Изготовление экспериментальных образцов одиночных кремниевых острийных автокатодов с использованием групповых процессов MEMS-
технологии
Глава 3. Экспериментальное исследование факторов, влияющих на деградацию кремниевых катодов
3.1. Методика исследования и экспериментальное оборудование
3;2: Результаты экспериментального исследования факторов, влияющих на деградацию кремниевых катодов
3.3. Обсуждение результатов экспериментального исследования
Глава 4. Математическое моделирование тепловых процессов при автоэлектронной эмиссии одиночного острийного катода
4.1. Стационарная задача о разогреве острийного автокатода в омическом приближении
4.2. Компьютерное моделирование процесса разогрева наноразмерного острия в среде Solid Works
4.3. Численное моделирование процесса разогрева наноразмерного острия как двухфазной системы
4.4. Обсуждение результатов моделирования
Заключение
Приложения
Приложение 1. Технологический маршрут изготовления иглы катода
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Список публикаций по теме диссертации
Список цитируемой литературы

Введение
Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с поверхности твердого тела или другой среды под действием электрического ПОЛЯ очень высокой напряженности Р = 107 - 108 В/см. Для создания таких гигантских полей к обычным макроскопическим электродам пришлось бы прикладывать напряжения в десятки миллионов вольт. Практически автоэлекгронную эмиссию можно возбудить при гораздо меньших напряжениях, используя эффект усиления поля на микроскопических неровностях поверхности катода. Среди эмиссионных явлений автоэмиссия занимает особое место, так как это чисто квантовый эффект, при котором на высвобождение электронов из катода не требуется затрат энергии на сам эмиссионный акт в отличие от термо-, фото-, и вторичной эмиссии.
Открытие явления автоэлектронной эмиссии в 1897 году связано с именем замечательного экспериментатора Роберта Вуда. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление. Открытие автоэлектронной эмиссии привело уже в двадцатом веке к появлению совершенно новой области микро- и наноэлектроники, так называемой вакуумной микроэлектроники, позволило создать новые фундаментальные методы исследования топологии поверхности с атомным разрешением (сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, туннельная микроскопия, электронная голография и др.)
Плотность автоэмиссионного тока экспоненциально зависит от напряженности прикладываемого электрического поля и может в миллионы раз превышать плотности токов любой из всех известных видов эмиссии. Вследствие указанной экспоненциальной зависимости, разброс эмитированных электронов по энергиям оказывается в несколько раз более узким, чем в случае термоэлектронной эмиссии. Из теории вытекает, что автоэмиссия должна наблюдаться также при низких температурах вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Все эти свойства автоэмиссии были подтверждены экспериментально. Процесс автоэмиссии оказался практически безынерционным.

Уникальные свойства автоэлектронной эмиссии всегда вызывали исключительный интерес у инженеров и технологов, так как открывали совершенно новые перспективы приложений в области приборостроения, диагностики и технологии. Наиболее яркие практические достижения в этой области связаны с двумя главными применениями.
1. На базе больших массивов автокатодов создаются элементы вакуумных интегральных схем, а также дисплеи нового поколения FED (Field Emission Display) [1].
2. Единичные автокатоды нашли применение в электронно-зондовых системах: просвечивающих и растровых электронных микроскопах атомного разрешения, в системах электронной литографии и оже-спектроскопии. Также активно реализуется идея электронной голографии, позволяющей получать объемные изображения атомных объектов. Этих результатов удалось добиться вследствие того, что автоэлектронный эмиттер обладает одновременно большой яркостью и высокой пространственной и временной когерентностью.
В последние годы интерес к автоэлектронной эмиссии вновь возрос в связи с активным развитием технологий нано- и микросистемной техники. До настоящего времени основным инструментом при экспериментальных исследованиях наноструктур были чувствительные элементы сканирующих зондовых микроскопов - иглы кантилевсров. Однако, такой зонд является одновременно и прекрасным автокатодом. Соединение современных возможностей сканирующей зондовой микроскопии и способности управления сверхузкими электронными пучками высокой интенсивности открывает новые горизонты в развитии наноиндустрии.
Тем не менее, над будущим эмиссионных технологий по-прежнему нависает тень неразрешенных технологических и физических проблем. К ним относится плохая воспроизводимость эмиссионных характеристик, нестабильность эмиссионного тока, и деградация катодов в процессе работы. Основной причиной термической деградации в литературе, например в [2], называют интенсивное тепловыделение при прохождении через катод тока проводимости. Известно, что максимально возможная в теории Фаулера-Нордгейма плотность эмиссионного тока может достигать значения 1,1-10й А/см2 . Это соответствует случаю полного
пластина была приварена при помощи оловянного припоя к игле измерительного зонда. Зонд, оснащенный микрометрическим винтом, обеспечивал вертикальное перемещение иглы с пластиной.
Металлическая подставка с фторопластовой пластиной и прижимным винтом и зонд с анодной пластиной были установлены на фторопластовом столике с размерами 120x80x35 мм. Подставка фиксировалась на столике неподвижно при помощи прижимного винта. Зонд закреплялся таким образом, что мог поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол ± 60°. Посредством вращения зонда вокруг вертикальной оси анодная пластина размещалась над катодным кристаллом, установленным на подставке. Далее вращением микрометрического винта анодная пластина на игле зонда опускалась к катодному кристаллу до требуемой величины зазора. Для ускорения процесса измерений на фторопластовом столике устанавливалось одновременно до четырёх пар электродов, что давало возможность за одну откачку измерять параметры сразу нескольких образцов.
Металлическая подставка для катодного кристалла и зонд подсоединялись к электрическим гермовыводам вакуумной камеры проводами МГТФ с фторопластовой изоляцией. Пайка проводов к подставке и зонду осуществлялась оловянным припоем. На другом конце проводов были распаяны штыревые разъёмы, соответствующие ответным частям гермовыводов вакуумной камеры. На рис. 3.1 приводится схема вышеописанной экспериментальной оснастки для измерений в диодной конфигурации.
Столик с установленными на нем образцами и настроенными электродами помещался в вакуумную камеру. Измерения проводились при техническом вакууме с давлением остаточных газов до 5*10"7 мм.рт.ст. Необходимое давление в вакуумной камере достигалось посредством непрерывной откачки и контролировалось при помощи вакуумметра ВМБ - 8. Вакуумная установка, используемая при данных исследованиях, включала в свой состав масляный форвакуумный насос, турбомолекулярный насос БгуУаг 150 фирмы Уагіап и вакуумную камеру объемом 4000 см3. Вакуумная камера имела герметично задраиваемый люк для загрузки образцов, иллюминатор, два блока низковольтных электрических гермовыводов по 32 штуки и один блок из четырёх