آرایههاي گسیل میدانی (به عنوان پایهايترین عنصر الکترونیک خلأ) به دلیل قابلیت تولید چگالی جریانهاي بالا در ولتاژهاي پایین [۱] و همچنین قابلیت مجتمع سازي [۱]، کاربردهاي فراوانی

در زمینههایی نظیر نمایشگرهاي گسیل میدانی [۲]، لیزرهاي

الکترون آزاد [۳]، لیتوگرافی باریکه الکترونی آرایهاي [۴] و …

دارند. تاکنون آرایههاي مختلفی از مواد گوناگون نظیر آرایههاي

۷۵

اسپینت۱ ساخته شده از مولیبدنیوم [۵]، آرایههاي سیلیکانی[۶]،

آرایههاي ساخته شده از نانولولههاي کربنی[۷] 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 (۱۰۰) انجام شده است.

این آرایه طی فرایندي چند مرحلهاي به دقت طراحی شده و قابل تکرار شامل شستشوي استاندارد [۸] 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 ۱ 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 ×۱۰-۷Torr 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 ۲ اثر تغییرات فشار عملیاتی فرآیند کندوپاش را برروي مقاومت صفحهاي نمونههاي لایه نشانی شده در توان RF ثابت و

برابر ۸۴ وات، نمایش میدهد. مطابق با این شکل افزایش فشار باعث افزایش مقاومت شده و در نتیجه فشار مناسب براي لایه نشانی برابر با ۴×۱۰-۲mbar تعیین میگردد.

۱٫۲
۱٫۱
۱ /sqr)(
Resistance
0.9

۰٫۸ Sheet

۰٫۷

شکل .۱ تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از بخشی از آرایههاي گسیل ۰٫۱ ۰٫۰۹ ۰٫۰۸ ۰٫۰۷ ۰٫۰۶ ۰٫۰۵ ۰٫۰۴
Pressure (mbar)
میدان اولیه پس از فرایند تیز کردن. شکل .۲ تغییرات مقاومت صفحهاي بر حسب تغییرات فشار کندوپاش در توان
۱ Spindt ثابت ۸۴وات.

شکل۳ 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 ۴×۱۰-۲mbar، ۶×۱۰-۲mbar 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.

۱٫۳
۱٫۲
۱٫۱
۱ /sqr)
(

۰٫۹ Resistance

۰٫۸ Sheet

۰٫۷
۰٫۶
۱۵۰ ۱۴۰ ۱۳۰ ۱۲۰ ۱۱۰ ۱۰۰ ۹۰ ۰٫۵۸۰
RF Power (/sqr)

شکل .۳ منحنی تغییرات مقاومت صفحهاي بر حسب تغییرات توان منبع تغذیه

در فشار ثابت .۶×۱۰- ۲mbar

در نتیجهي این مراحل توان و فشار مناسب براي لایهنشانی به ترتیب ۱۵۰W و ۶×۱۰-۲mbar تعیین میگردد. لازم به ذکر است که دماي زیرلایه در کلیهي آزمایشات در ۳۵ درجه سانتیگراد ثابت نگاه داشته شده است.