Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

ся планарные тонкопленочные диоды и триоды с тон­ копленочным термоэмиссионным оксидным катодом. Керн катода выполнен в виде полоски из пленки воль­ фрама. Токоприемными и управляющими электродами тоже являются полоски из пленки, но уже титановой, которые могут выполнять и функции газопоглотителя. Система из множества таких активных и пассивных элементов и внутрисхемных соединений формируется на сапфировой подложке известными методами напыления и фотолитографии. Ожидаемая плотность интеграции для ВИС характеризуется плотностью размещения активных элементов на подложке диаметром 2,54 см (до 20 • 103) . Вся схема помещается в специальный корпус и вакуумируется. Для приведения схемы в рабочее состояние под­ ложку нагревают до температуры, при которой начина­ ется эмиссия катода. Этот тип интегральных схем предназначен для работы в исключительно тяжелых усло­

в 108 раз большую дозу нейтронов и в 103 раз большую дозу гамма-лучей, чем радиационно-стойкие полупровод­ никовые схемы), сильные электромагнитные возмущения. Ожидается, что ВИС будут намного дешевле полупро­ водниковых интегральных схем (ЙС). Процесс произ­ водства их можно полностью автоматизировать, а брак при их производстве будет значительно меньше, чем при производстве полупроводниковых ИС. Размер подложки для них может быть выбран значительно большим, чем для полупроводниковых ИС. Возможные области приме­ нения новых интегральных схем весьма разнообразны. Однако основным рынком сбыта ВИС, по мнению фир­ мы Electron Emission Systems в США, на которой пред­ полагалось в 1970 г. освоить их производство, считается рынок радиационно-стойких приборов.

Анализируя особенности ВИС, нетрудно показать, что использование в них вместо термокатодов эффективных пленочных иенакаливаемых катодов привело бы к более широкому их применению при условии, что стоимость ВИС пои этом останется меньше стоимости полупровод­ никовых ИС, а составляющие ВИС (активные микро­ элементы с ненакаливаемым катодом) будут иметь со­ ответствующие современным требованиям эксплуатаци­ онные характеристики. В этой связи представляют

40

интерес работы, проводимые в течение ряда последних лет в Стенфордском исследовательском институте США 137—39]. В нем ведутся исследования по созданию цело­ го комплекса электронных вакуумных микроэлементов с различными функциями для использования в вычисли­ тельных машинах. Методы их изготовления базируются на применении технологии изготовления пленок в сверх­ высоком вакууме. Она включает применение тугоплав­ ких металлов с поликристаллической структурой к ди­ электриков в основном из окиси молибдена и алюминия.

Для обработки этих материалов используются методы вакуумной литографии с экспонированием (засветкой) электронным лучом и травление поверхностей молеку­ лярным лучом. На обрабатываемую поверхность нано сится фоторезист, засвечиваемый электронным лучом по заданной конфигурации. Затем подложка нагревается,

врезультате чего незасвеченный фоторезист испаряется

инеобходимая структура получается травлением свобод­ ной от фоторезиста поверхности пленок молекулярным лучом. Для осуществления такой технологии разработа­ но специальное оборудование: вакуумная установка, со­

здающая сверхвысокий вакуум (10~12 мм рт. ст. за 1 ч),

о

электронно-оптическая система с разрешением 100 А для экспонирования чувствительных к электронному лучу резистов; радиочастотный масс-спектрометр для управ­ ления процессами нанесения и травления (а также ча­ стичного контроля процесса по составу газовой атмос­ феры) и эмиссионный микроскоп для контроля конфигу­ рации и размеров создаваемых структур. Общая раз­

решающая способность созданного технологического обо-

о

рудования составляет приблизительно 100 А.

Учитывая необходимость применения в разрабаты­ ваемых электронных элементах диэлектрических пленок, было проведено тщательное изучение особенностей их работы в условиях электронной бомбардировки (при плотности тока луча до 10е А/см2) и сильных электриче­ ских полей. Авторы исследования [37] пришли к выводу, что наличие диэлектрика в микроприборах с автоэлектронной эмиссией не создает серьезных трудностей, свя­ занных со стабильностью и воспроизводимостью.

В ходе исследований были изготовлены триоды ми­ кронных размеров с автоэлектронным катодом (рис. 1.25) (см. гл. 6 и 7). Триоды имели слоистую структуру

41

С пленочной герметизацией. Эти приборы обладали боль­ шим коэффициентом усиления по мощности. Коэффи­ циент усиления по напряжению находился в пределах от 0,5 до нескольких сот в зависимости от формы при­ бора. Оптимальные рабочие напряжения составляют около 50 В. При этом минимальное напряжение равно

42

роловые шарики диаметром 1 мкм каждый. После этого сверху напылялся слой окиси алюминия, который по­ крывал всю поверхность, за исключением занятой шари­ ками. После удаления шариков поверхность молибдено­ вой пленки протравливалась в смеси серной и азотной кислот, так что в местах, свободных от окиси алюминия, образовывались отверстия, достигающие промежуточного слоя окиси алюминия. Диаметр этих отверстий составлял примерно 1 мкм. Затем с помощью вытравливания в ортофосфорной кислоте в слое окиси алюминия обра­ зовывались полости. Од­ новременно при этом уда­ лялся также слой окиси алюминия, напыленный сверху. Затем подложка подвергалась термообра­ ботке в вакууме при тем­ пературе 1000 °С. Для из­ готовления заготовки ис­ пользовалась технология фотолитографии с элек­ тронной засветкой рези­ ста. В этом случае полу­ чалась упорядоченная си­ стема полостей с расстоя­ нием между центрами двух отверстий примерно

2,5 мкм.

43

показано i[381, что в результате такого процесса на по­ верхности катодной пленки образуются микровыступы, которые могут быть использованы как микроэлектрон­ ные автокатоды.

Сущность втооого способа формирования микроавто­ катодов состоит [38, 39] в напылении молибдена в затя­ гивающееся, в результате косого напыления окиси алю­ миния, отверстие полости. Схема использованного тех­ нологического процесса приведена на рис. 1.27. На поверхность молибденовой пленки, вращающейся с по­ стоянной скоростью, наносится косым напылением слой окиси алюминия, затягивающий входное отверстие поло­ сти (рис. 1.27) до нужного размера. После этого начи­ нают напылять молибден из второго источника по на­ правлению нормали к поверхности заготовки при про­

\ ';Л м Ь Я Ь //У 7?7777^1ПРМПЛШп Напыленная сверху плен­

Исследование свойств микроавтокатодов, полученных по этому способу, прово­ дилось в вакууме при давлении 10~9 мм рт. ст. (рис. 1.28). Вольт-амперная характеристика тока катода имела наклон, величина которого соответствовала решению уравнения Фаулера — Нордгейма. При длительности испытания в одну неделю были получены токи б мкА при максимальном напряжении катодная пленка — сетка 100 В. При этом никаких признаков ухудшения парамет­ ров катода замечено не было. Кратковременно катод эмиттировал ток 100 мкА при напряжении катодная пленка — сетка 200 В. Однако при этом не представля­ лось возможности определить, отбиралась ли эмиссия с одного эмиттера или работало несколько эмиттеров па­ раллельно.

44