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Institute
Innovatives Verfahren zur Herstellung und Integration metallischer Nanokonen für die Feldemission
(2017)
In den letzten Jahren wurde am Institut für Elektromechanische Konstruktionen die Fabrikation und Integration von metallischen Nanodrähten und Nanokonen mittels Template-basierter Abscheidung erforscht. Diese Variante der in-situ Abscheidung von metallischen Nanostrukturen bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Im Rahmen dieses Beitrags werden das Herstellungsverfahren zur Herstellung metallischer Nanokonen vorgestellt. Dies beinhaltet sowohl die Templatepräparation mittels asymmetrischen Ätzens als auch die anschließende Integration mittels galvanischer Abscheidung. Eine Anwendung der metallischen Nanokonen stellt die Verwendung als Feldemitter in der Vakuumelektronik dar. Es werden erste Messungen der Langzeitstabilität des Feldemissionsstromes der metallischen Konen präsentiert.
Bei der Feldemission (kalte Emission) können Elektronen durch ein starkes elektrisches Feld eine glatte und leitende Oberfläche verlassen. Die Elektronen tunneln dabei durch eine Potentialbarriere, deren Breite durch ein äußeres elektrisches Feld verkleinert wird. Durch das Hinzufügen einer integrierten Gate-Elektrode um eine Siliziumspitze kann die notwendige Einsatzspannung für Feldemission deutlich gesenkt werden. Zwischen Si-Kathode und Gate-Elektrode befindet sich dabei eine Isolationsschicht, die höchste Anforderungen bezüglich der elektrischen Durchbruchsfestigkeit erfüllen muss. Mit einer Kombination aus Trocken- (Schichtdicke 50 nm) und Feuchtoxid (Schichtdicke 950 nm) konnte eine Isolationsschicht entwickelt werden, die im integrierten Aufbau eine minimale Durchbruchsfeldstärke von 3,2 MV/cm aufweist. Für die Realisierung von Siliziumkathoden mit integrierter Gate-Elektrode wurde ein bereits bestehender Herstellungsprozess um zusätzliche Prozessschritte erweitert. Die Übertragung der lateralen Position der Spitze erfolgt durch Strukturierung des Umkehrlacks AZ5214 und einer RIE-Ätzung der zuvor hergestellten SiO2-Schicht. Nach dem Entfernen der Lackschicht wird die vertikale Struktur der Siliziumspitzen durch einen RIE-Ätzprozess mit den Prozessgasen SF6 und O)2 realisiert. Aus einer thermischen Oxidation bei 940 °C resultiert anschließend die Isolationsschicht zwischen Si-Kathode und Gate-Elektrode . Gleichzeitig wird diese Anschärfeoxidation auch zur Realisierung der endgültigen Spitzengeometrie verwendet. Durch die lithographische Strukturierung des Photolacks AZ5214 kann dabei die Fläche der aufgedampften Gate-Elektrode festgelegt werden. Die Gate-Elektrode wird in einem selbstjustierenden Prozessschritt exakt konzentrisch um die Si-Spitze aufgedampft. Der gerichtete Aufdampfprozess bewirkt eine Abschattung, so dass das Oxidplättchen nicht komplett von Metall ummantelt wird. Die Opferschicht aus Photolack wird mit den nicht benötigten Metallflächen in einem Lift-off-Prozess entfernt.
Spitzen- und Kantenemitter aus Silizium mit einem hohen Aspektverhältnis für Ionisationsgassensoren
(2014)
Durch die Optimierung von reaktivem Ionenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma ist die Herstellung von verschiedenen Siliziumkathoden mit hoher Anisotropie und hohem Aspektverhältnis für Feldemissionsanwendungen möglich. Simulationen mit COMSOL Multiphysics untermauern das Potential von solchen Spitzen- und Kantenfeldemittern. Die Ergebnisse der Simulation zeigen einen zwei- bis sechsfach höheren Feldüberhöhungsfaktor der tiefgeätzten Strukturen im Vergleich zu identischen Emittern ohne zusätzliche Tiefenätzung. Feldemissionsmessungen bestätigen die Simulationsergebnisse. Der modifizierte Herstellungsprozess der Feldemitter ermöglicht somit einen zuverlässigen Betrieb von Feldemissionselektronenquellen bei kleineren makroskopischen Feldstärken. Außerdem weisen die Messungen des Emissionsstroms im Sättigungsbereich eine weitgehende Unabhängigkeit vom elektrischen Feld auf. Lokale Feldemissionsmessungen ergeben dadurch eine deutliche Stromstabilisierung, welche über große Feldstärkenbereiche konstant bleibt. Die Nutzung der HAR-Emitter (high aspect ratio) ist damit eine gute Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb der Emissionskathoden bei kleinen Feldstärken für die Anwendung in Ionisationsgassensoren.
Feldemissionselektronenquellen sind aufgrund ihrer prinzipiellen Vorteile gegenüber Glühkathoden bereits seit längerer Zeit Gegenstand der Forschung und werden bisher nur in einigen Spezialanwendungen erfolgreich eingesetzt. Hierbei werden Einzelspitzen mit Spannungen im kV-Bereich und Strömen im nA-Bereich betrieben. Dagegen werden für miniaturisierte Sensorsysteme eher Spannungen von ca. 100 V und Ströme von ca. 1 mA benötigt. Dazu wurden bisher meist Feldemissionskathoden mit CNTs vorgeschlagen, welche für Anwendungen in der Halbleiterindustrie aufgrund des Kohlenstoffanteils nicht erwünscht sind. Ziel unserer Arbeit ist es, Si-basierte Elektronenquellen zu realisieren, die mit anderen miniaturisierten Vakuumsensoren auf einem Chip integrierbar sind. Mithilfe eines optimierten Herstellungsprozesses konnten wir p-Si-Spitzenarrays mit Spitzenradien von wenigen nm realisieren [1]. Messungen an diesen Strukturen zeigen ein sehr homogenes Emissionsverhalten, das vor allem im Sättigungsbereich bei Emissionsströmen von ca. 10 nA pro Spitze zeitlich stabil (Schwankungen < 5 %) und optisch schaltbar (Faktor > 2.5) ist [2].