автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Исследование электрической формовки и деградационных процессов в формованных системах металл-диэлектрик-металл

г г о ол ч г мн> 1335

На правах рукописи

Гапоненко Владимир Г,'лхайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ И ДЕГРДЦАЩОНЛЫХ ПРОЦЕССОВ В ФОРМОВАННЫХ СИСТЕМАХ МЕГШ-ДЙЭЛЕКТШС-

МЕТАЛЛ.

05.09.02 - электротехнические материалы и ввдолия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК - 1996

Работа выполнена в Томской государственной академии систем •управления и радиоэлектроники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Г.А. Воробьев

Офжц.альные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор М.М.Михайлов (Томский политехнический университет)

кандидат физико-математических наук В.М.Калыгина (Сибирский физико-технический институт при Томском государственном университете)

Ведущая организация: Государственное научно-производственное предприятие научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов, г. Томск

Защита состоится " 29 " мая 1996 г. в 15.00 часов на

заседании диссертационного Совета. К 063.80.05 в Томском политехническом университете (634004, г.Томск, пр. Ленина, 30)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан " 3 * а^д-е^я 1996 Г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, ^

профессор ' ¿1 А.А.Дульзон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теш. В настоящее врокл п связи с тенденцией к микроминиатюризация в электронике возрастает потребное ль в разработке и. создании принципиально новых приборов, обладающих высокой эффективност и, долговечностью и надехиостьв а условиях значительного . мопъшнил размеров. К широкому классу таких приборов относятся ненакаливаеше .эмиттеры электронов, одной пз разновидностей которых являются эштторы электронов на основе формованных систем металл-даэлектрзк-мзталл (МДМ).

В результата элек/рической формовки, осуществляемой путем прилозешя определен ¿ого электрического папрякения мезду электродами тонкоплено гной конденсаторной ЦДМ-спствш, в ной происходят необраттлыо локальные изменения структуры, приводящие к образованию так называемых формованных каналов (ФК). Наличие ФК делает МДМ-сястему принципиально новым объектом по сравнению с исходной конденсаторной структурой, у которой появляется такие свойства, как Н-образная вольт-амперная характеристика (ВАХ), электролюминесценция, эмиссия электронов в вакуум, эффекта переключения и памяти, чувствительность параметров к давлению шкот эрих газов. В силу перечисленных свойств формованные ЦДМ-системы могут быть использованы в ряде приборов твердотельной элэктрошпел, к числу которых относятся о;.тггтерп электронов (МДМ-катоды) для телевизионных трубок, вокуукшых интегральных схем, матриц плоских экранов и др.

Однако, несмотря на широкий спектр потенциальных возможностей приборов на основе формованных ЦДМ-сестом исследования электрической формовки носят разрозненный, зачастую противоречивый характер и направлены в основном на решение частных научных проблем. Практически не изученной остается природа деградацпонных процессов в формованных ЦЦМ-системах. Это обстоятельство в совокупности с возросшими требования},® к конкурентоспособности с другим типами понакастваемж эмиттеров электронов сдерживает широкое практическое применив приборов на основе формеванных МДМ-систем.

В связи о этим работа, направленная на дальнейшее исследование электрической формовки V деградациошшх процессов в форловшпшх "сэндвич" ВДМ-систзмах представляется актуальной.

Цель работа. Анализ литературных данных по электрической формовке и дальнейшее исследование природа электрической формовки тонкопленочных "сэндвич" ад-систем, исследование природы деградационных процессов в эмиттерах электронов на основе формованных МДМ-систем, разработка методов улучшения электрических и эксплуатационных характеристик ВДМ-катодов.

Научная новизна.

1. Впервые экспериментально обосновано, что необходошм условием для образования формованных каналов является предварительное образование каналов пробоя со структурой, включающей в себя канал повышенной проводимости в диэлектрике (КПП) и кольцевой участок открытой поверхности диэлектрика размерами в среднем 15-25 нм, расположенный мезду КПП и краем верхнего электрода, разрушенного на заключительном этапе формирования КПП.

2. Впервые расчетом показано, что температура у внешнего края формованного канала в среднем в два-три раза няхэ по сравнению с максимальным значением температуры в центральных областях канала, на 1Б0-250°С выше температуры базового электрода ад-система и спадает практически до темпэратуры базового электрода при удаления от формованного канала нз расстояние, соизмеримое с ого диаметром.

3. Впервые' вксперим8нтальн0 обнаружен механизм так называемого "разрастания" формованных каналов при длительной выдэрисе МДМ-катодов под напряЕэнием, который представляет собой последовательное образование новых формованных каналов в непосредственном соприкосновении с уже имэщишся.

4. Впервые экспериментально установлено, что воздействие плазмы низковольтного газового разряда на тонкую диэлектрическую пленку ВДМ-систеш перед нанесением верхнего, электрода или в процессе нанесения электрода или диэлектрика методом ионно-плазменного распыления приводит к существенному увеличению количества формованных каналов на единицу площади и, соответственно,. плотности эмиссионного тока после электрической формовки МЩ-систеш*

5. Впервые экспериментально установлена возможность существенного увеличения и регулирования в широких пределах количества формованных каналов на единицу площади и, соответ-

СТВ9ШЮ, плотности эмиссионного тока в МДМ-катодах путем предварительного воздействия напряжением на диэлектрик МДМ-системы перед нанесением металлического верхнего электрода в система шталл-диэлектрик-внсокоомный электролит.

Научная и практическая ценность работы.

1. Результаты -проведенных исследований вносят вклад в понимание природа физических процессов в тспкопленочннх '.ЩМ-системах при яряложогои к ним электрического иепршйштя, шявлевд сходство и отличие процессов электрической формовки я пробоя, предложена качественная модель физических процессов, протекающих з диэлектрической пленке при электрическом пробое тонкопленочной МДМ-спсте?д*.

2. Установлены механизм деградации эмиссионных центров и его взаимосвязь с деградацией электрических характеристик эмиттероз электронов на основе формованных ЦЩ-спстем.

3. Предложено несколько способов изготовления МДМ-катодов, позволяющих существенно улучпить стабильность и воспро-иззодимость электрических характеристик, увеличить плотность эмиссионного тока и долговечность катодов. Из семь способов получат авторские свидетельства на изобретения. Результата работы Бнедрэны на предприятиях г. Томска.

На зениту пжюсятся следующие научные положения.

1. Необходимым условием дчя образования формованного канала является предварительное образование канала пробоя со структурой, включающей в себя КПП в даэлзктрзпйэ, образующегося в результата элзктротерлпчоского пробоя дяэлоктричеслой пленки, сопрсвсадащвгося взрзвообразнш выделенном тепловоз энергии и диссоциацией диэлектрика, и кольцевой участок открытой поверхности диэлектрика размерам! в среднем 15-25 нм, расположенный мекду КПП и краем верхнего электрода, разрушогшого на заключительном этапе формирования КПП преимущественно вследствие давления на электрод продуктов диссоциации материала диэлектрика.

2. Распределение температура в формованном капало и его окрестности шэет резко неоднородный характер. Температура' у внешгого края канала в среднем в два-три раза гагаэ по сравнению с максимальным значением температуры в центральных областях , на 150-250° С вышо теглгературн базового электрода

ВДМ-системы и спадает практически до температуры базового елзктрода ВДМ-сисгеш при удаления от формованного канала на расстояние, соизмеримое с его диаметром.

3. "Разрастание" эмиссионных центров при длительной шдерзже ЩК-катодов под напряжением, определяющее деградации электрических характеристик, представляет собой последовательное образование новых формованных каналов в соприкосновении с ухе имеющимися и обусловлено електрополевыми процессами деградации в наформованном диэлектрике в окрестности гэнала, ускоренными повышенной температурой.

4. Деградационные изменения электрических характеристик ВДМ-катодав при выдергосе их под напряжением определяются спецификой "разрастания" эмиссионных центров. Тепловое и электрическое взаимовлияние отделышх формованных каналов в образущяхся при "разрастании" грушах близкорасположенных каналов определяет характер электролюминесценции, эмиссии, внешний вид группы и приводит к уменьшению эмиссионного тока за счет шрераспределения падения напряжения мевду отдвлышш каналами в группах и, соответственно, мекду элементами структуры формованных каналов.

5. Воздействие плазмы низковольтного газового разряда на тонкую диэлектрическую пленку ' МДМ-системы перед нанесением верхнего влактрода или в процессе нанесения верхнего электрода или диэлектрика методом ионно-плазмонного распыления приводит к существенному увеличению плотности эмиссионного тока ВДМ-катодов. Это обусловлено образованием в диэлектрической пленке под воздействием плазмы КПП, наличие которых способствует существенному увеличению количества формованных каналов на единицу площади при последующей электрической формовке МДМ-системы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и об-суадались на III Всесоюзном совещании по физике отказов (г.Суздаль, 1984), на V Всесоюзном симпозиуме по ненака-ливаемым катодам (г.Томск, 1985), на XX Всесоюзной, конференции по эмиссионной электронике (г.Киев, 1987), на П Всесоюзной конференции по физике окисных пленок (г.Петрозаводск, 198?), на VI Всесоюзной конференции по фгаике диэлектриков (г.Томск, 1988).

Публгкапии. Всего по теме диссертации опубликовать 25 работ, включая семь авторских свидетельств па изобре энип.

Объем п структура диссвртвциии. Диссертация < остоит из введения, трех глав, заключения, прилокения, спискп цитируемой литературы из 124 наименования к содержит 162 стр пиц маяипо-писного текста, 54 рисунка на 43 страницах и ода? таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во взедэшм обоснована актуальность работы, изложено ее содержание, сформулированы цель исследований, научная новизна полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию гооцессов электрического пробоя и формовки тонкоплзночннх "сэндвич" МДМ-систем, выявлению сходства и отлпч»*^ зтнх процессов.

Объектами исследований служили МДМ-системы на основе диэлектрических пленок SIO, S102, Si^O,,, А1а03, Ta20f). В качества электродов использовались плешей ГЬ, Sn, Al, Cu, Ag, Au, N1, Ti, Ta, Mo, W, а также композиционные пленки W-Al, tío-Al, lío-Ag, Tl-Ag, Tl-Al, Mo-Nl и др. Рабочие слои цдм-систом формировались различными методами: "термическим испарением в вакууме, нонно-плазмешзым или кат дао-реактивным распилзпием, аноднш окислением. Электрические измерения проводились в вакуоле яри давлениях остаточной атмосферы от единиц мм рт.ст. до 10~7 мм рт.ст., а таксе в атмосфере аргона, гелия, азота, кислорода и воздуха при разлзгчннх давления.-:, вплоть до атмосферного. Часть экспериментов проводилась на ЩМ-системах, помещенных в герметизированные стеклянные колбы, низкое давлештэ в которых (не выше ю-7 мм рт.ст.) после предварительных откачки и прогрева стеклянной колбы подцеживалось с помощью бариевых геттеров. в отдельных случаях в отпаянном вакуумном объеме путем нагрева ломеиенпой в него слюды создавалось атмосфера, содержащая пари воды. Исслэдовонпэ поверхности образцов осуществлялось с помощью оптического •н электронного просвечивающего гтасроскоттов.

!1сследовапо влияние на формовку и пробой толщин, маторяа-лов и технологии получения рабочих слоев МДМ-систеш," волны-

ны, полярности и скорости нарастания напряжения, микрорельефа базового электрода, состава и давления окружающей атмосферы. Показано, что в зависимости от сочетания указанных факторов в Мда-системз могут образовываться три типа дефектов: Формованные каналы (ФК), каналы пробоя (КП) и вздутия верхнего алектрода. Изменяя какой-либо из параметров МДМ-системы или условия испытаний кохно добиться появления указанных трех типов дефектов в различных соотношениях, причем уменьшение (увеличение) количества одного типа дефектов сопрововдается, как правило, соответствующим увеличением (уменьшением) количества других типов дефектов.

Исследования структуры указанных дефектов, выполненные с помощью электротого вросвечивалзэго микроскопа путем последовательного изучения поверхности МДМ-систем, поверхности диэлектрика после удаления верхнего электрода (методом отслаивания с помощью келатина) и верхнего электрода на просвет, показали, что процессы в МДМ-система, приводящие к их образованию и определяющие внешний вид, имеют одинаковую природу. В результате электрического пробоя тонкой диэлектрической пленки, сопровождающегося взрывообразншл выделением тепловой энергии в локальных участках, разложением материала диэлектрика на компоненты и преимущественны;.) уходом из разрядного канала (канала пробоя в диэлектрико) газовой компоненты, в диэлектрической пленке образуются КПП. Верхний электрод над КПП и на некотором расстоянии от него разрушается (или приподнимается в случае вздутий) преимущественно механическим путем вследствие отрыва металлической пленки давлением истекаидах из разрядного канала продуктов диссоциации диэлектрика на заключительном этапе формирования КПП.

Установлено, что в исследованных ВДМ-системах, несимметричных относительно толщин электродов (массивный базовый и тонколленочный верхний электрода), энерговыделение цри образовании рассмотренных вше трех типов дефектов значительно выше при отрицательной полярности верхнего электрода для одинакового абсолютного значения напряжения. Данный г,ре-зультат объясняется появлением отрицательно заряженных ионов газовой кошоненти диэлектрика на начальной стадии разрядного

процесса прн электрическом пробое. Дрейф ионов в электрическом поле и накоплешге их у какого-либо из электродов оказывает существенное влияние на время разрядного процесса, прерываемого лишь после разрушения или отслаивания верхнего электрода над разрядным каналом. Отметим, что при использовании тонкого верхнего электрода с хорошей адгезией несмотря на большее энерговиделение область разрушения электрода при его отрицательней полярности значительно мешдо, чем при положительной для одного и того га абсолютного значения напряжения. Это объясняется большей скоростью истечения продуктов диссоциации диэлектрика из разрядного канала при отрицательной полярности верхнего электрода за счет большего энерговвделения в канале, в результате чего тонкий верхний электрод "срезается" непосредственно вблизи разрядного канала. При смене полярности, когда дрейф отрицательных ионов кислорода и ¡и накопление у верхнего электрода приводят к его "преждевременному" отслаивали», увеличивается эффективность отслаивания металлической пленки на заключительном этапе разрядного процесса. Время разрядного процесса, определяемое временем эффективного контактирования электрода с разрядным каналом, в данном случае значительно меньше.

Существенное влияшге на количество и соотношение ФК и КП в МДМ-системе оказывает скорость нарастания напряжения при первоначальном включении. Увеличение скорости нарастания напряжения приводит к увеличению количества образующихся КП к одновременно к уменьшению количества ФК при одинаковом абсолютном значении напряжения. Это объясняется влиянием на кинетику электрического пробоя тонкой диэлектрической плешеи объемного отрицательного заряда (003), наличие которого определяет плотность инжектируемого в диэлектрик тока.

На основании анализа литературных данных по природа электрического пробоя твердых диэлектриков и полученных в настоящей работе экспериментальных результатов предложена качественная модель физических процессов в МДМ-системе, протекающих при ее электрическом пробоа, суть которой сводится к следующему. Известно, что высокоэнергитичпому и высокоскоростному разрядному процессу при пробое диэлектрической пленки предшествует относительно длительная

ь

стадия генерации и накопления структурных дефектов в диэлектрике (как правило, глубоких электронных ловушек). При достижении критической плотности структурных дефектов, определяемой, в основном, плотностью инкекционного тока, в локальных участках диэлектрика (в первую очередь вблизи иикроострнй или царапин базового электрода) возникает перегревная неустойчивость, способствующая спонтанному увеличению проводимости диэлектрика. Вследствие малого объема токового шнура на начальном этапе формирования проводящего канала в диэлектрике и эффективного теплоотвода через массивный базовый электрод температура и давление в канале возрастают относительно медленно, в результате чего область перегревной неустойчивости распространяется в радиальных направлениях от первичного токового пшура. Этому способствует, также, рассасывание 003 вблизи первичного токового шнура за счет локального увеличения температуры. При достижении в канале температуры расплавления и разложения диэлектрика резко увеличивается давлание, что наряду с увеличением объема токового шнура приводит к преимущественно механическому разрушению верхнего электрода над разрядным каналом и на некотором расстошши от него, т.е. к прекращению разрядного процесса. Как показали электронно-микроскопические исследования, размеры разрядных каналов в диэлектрике после завершения процесса формирования КП обычно в несколько раз превышают толщину диэлектрика. Взрывообразное выделение тепловой энергии в разрядных каналах большого диаметра при наличии эффективного теплоотвода через массивный базовый электрод МДМ-системы, чему способствует малая толщина диэлектрической пленки, приводит к тому, что часть вещества разрядного канала, в основном проводящая компонента диэлектрика, остается по завершению разрядного процесса в канале в виде КПП. Последнее является одним из необходимых условий для преобразования таких КП в CMC.

В рамках предложенной модели и с учетом полученных экспериментальных результатов электрическую формовку можно рассматривать как частный случай электрического пробоя тонкопленочной "сэндвич" ЦДМ-системы, когда вероятность образования ФК определяется вероятностью образования КП

размерами в среднем 0,05-0,4 ¡ею« в диаметре со структур Л, включающей в себя КПП в диэлектрике и кольцевой участок оголенной от пленки верхнего электрода поверхности диэлектрика размерами в среднем 15-25 нм, расположенный мевду КПП и краем разрушенного верхнего электрода. С достаточной степенью достоверности мокко предполагать, что после отрыва верхнего электрода па кольцевом участке поверхности диэлектрика остаются микрочасигци металла, количество и размеры которых определяются адгезией верхнего электрода к поверхности диэлектрика, ' скоростью отрыва металлической пленки, высокой температурой вблизи разрядного канала. Это дает основание сравнивать структуру таких КП в некотором приблитши с плопарной ЦДМ-систокоО ' с островковсй металлической пленкой, где в данном . случае электрода'ди являются выходящий на поверхность диэлектрика 1фай КПП с одной стороны и край разрушенного верхнего электрода, г.гаццу которыми на поверхности диэлектрика находятся микрочастицы металла, - с другой. При наличии определенных папрлязпяа па ВДМ-сисгеме и окружающей атмосферы проводимость 1СП с у::о-зашшми размерами и структурой трасфср:гарувтся в проводимость, характерную для формованных "сандвич" и пленарных ЩЛ-статом.

Вторая глава содордмт результаты экспериментального п теоретического исследований двградационных процессов в агетггчфзх элоктро!гов на основе формованных "сэндвич" ЦЦМ-сястом.

Проведе:ш комплексные исследования кинетики деградвциеннйх процоссов в формованных МДМ-системах при длительной выдорккэ га под напряжением. Показано, что наблюдаемое визуально трансформирование ФК из отдельных светящихся точек в сшштфяческие образования микронных размеров со светящимися периметрами (так называемой "разрастание" ФК) представляет собой последовательное образованна новых ФК в соприкосновении'с уда имеющимися. Структура образующихся тают« образом групп близкорасположенных ФК и характер локализации центров люминесценции определяются, в основном, материалом верхнего электрода и выделяемой в ФК мощьностью: при использовании легкоплавких электродов и при исследовании в вакууме с остаточным давлением порядка 10~5 мм рт.ст. центра люминесценции наблюдаются только по периметрам груш; при использовании

тугоплавких электродов и при повышении давления остаточной атмосферы или воздуха до 0,1-0,5 им рт.ст. (что, как известно, приводит к уменьшению проводимости и выделяемой в ФК мощности) центры люминесценции относительно равномерно распределены по всей площади групп ФК. Тепловое и электрическое взаимовлияние в образующихся таким образом группах близкорасположенных ФК дриводит к уменьшению эмиссионного тока за счет перераспределения падения напряжения между ФК в группах (ФК в центральных областях груш находятся под меньшим напряжением то сравнению с ФК но периметру групп) и, соответственно, меаду элементами структуры ФК.

Установлено, что при увеличении сопротивления пленки верхнего электрода (за счет уменьиения ее толщины или за счет использования материалов с относительно высоким удельным сопротивлением) максимум Н-образной ВАХ формованной ЦЦМ-системы смещается в область более высоких напряжений. Сама ВАХ становится несимметричной относительно направления изменения непряжения. Переключение из высокоомного состояния в иизкоомюа при уменьшения напряжения от рабочего до нуля происходи? прл значительно меньших напряжениях, чем переключение из низкоошюго состояния в Еысокоомное при увеличении напряжения от нуля до рабочего значения. Увеличение сопротивления верхнего электрода приводит, также, к появлению эффекта спонтанного переключения МДМ-системы при неизменном иапряшшн в состояние с высокой проводимостью (т.е., рабочая точка МДМ-катода самопроизвольно смещается в область максимума Н-образной БАХ), что наиболее характерно для МДМ-кегодов с большим количеством ФК на единицу площади. Напуск в вакуумную камеру кислородосодержащей атмосферы до давлений 0,1-10 ш рт.ст. или допыление поверх высокоомных материалов (обычно пленок Т1, Та, Мо) хорошо проводящих Си, А£, Аи, ¿1 и др. приводят к исчезновению указанных эффектов. Напуск инертной атмосферы не оказывает существенного влияния на вид ВАХ и характер ее изменения во времени при выдержке >да-систеш под напряжением независимо от используемых материалов электродов.

Увеличение толщины диэлектрической пленки сопровождается смещением максимума Н-образной ВАХ в область более высоких

напряжений и, соответственно, увеличением рабочего напряжения (напряжения, при котором наблюдаются эффективные лютюсцатщя и эмиссия). Это объясняется перераспределением падения пспрялзтюя котлу существенно нэ изменявшим свои размеры "активным" участком СК (кольцевым участком попоригостя диэлектрика, расположенным кеэду КПП и краем разрушенного верхнего электрода) и КПП, сопротивление которого возрастает пропорционально его длинна при увеличении толщины диэлектрика.

Показано, что увеличение количества ©с на единицу площади (плотности ®С) начиная с (1-5)«104 см-2 и до О-5)»107 см-2 при наличии вф5ектиЕного теплоотвода через базовый электрод ЭДМ-скстеш приводит к существенному умзиыззпкп скорости деградацнонннх процессов в форгговзшшх !.ШМ-спстемах на основе всех исследованных материалов рабочих ■ слоев. Получений!

г\(1г>тг п1тпт гл ^тлтли г>оппчлтплттгтл^^л шил^ттпил

ФК объясняется уменьпешем напряженности электрическою поля в кеформованном диэлектрике вблизи Ш за счет увеличения падения напряжения, которое обусловлено увеличением плотности тока и уменьшением оффектагаой поверхности металлической • паяет (верхний электрод над ФК отсутствует). Вслздстепэ уйэгтг^бяпя напрягюпности электрического по.-я укеннпаатся сг^позть генерация структурных дефектов в псфэрмовягоо:! л58£?:"яг-:з вблизи <Ж, что, в своя очередь, щгшодит к УСОГШЕГО цргч до образования новых ФК по шрггэгру уяз скегцзхся.

Ваполнеп расчет рзепродзлзпяя гемторэтуря з <П1 я ota окрестности, который учтивее? рзаллуи структуру я созшзрямость размеров элзизятов сгрук?ури Ж о мя!шп»га рабочих слоев ОДМ-спсто?.ш. Отличительной осойешостьв выполненного расчета является шбраппая модель теплового источника, который представляет собой сумму двух нсточпякоз: цилиндрической поверхности в диэлектрике, соответствуй!! ГОШ, и перпендикулярной. ой кольцевой поверхности диэлектрика, соответствуете® "активной* области ФК. Показало, что средняя температура и радиальное распроделэпие температуры в €К и его окрестности определяются шгатноегьв тока. и соотношением размеров элементов структуры Ш. Показано, что для типичных разборов элементов структуры £К тегяхература у шэпнего 1фая Ш в среднем в 2-3 раза никэ гго сравнений с .макспмашш

значением температури в центральных областях ФК, на 150-250°С выше температуры базового электрода ВДМ-системы и спадает практически до температуры базового электрода при удалении от внешнего края ФК на расстояние, соизмеримое с его диаметром. Результаты расчета удовлетворительно совпадают с приведенными в ряде работ оценками средней температуры в ФК, позволяют непротиворечиво объяснить относительно устойчивое существование ФК в ЦДМ-системах с такими разнородаыми по температуре плавления материалами электродов, как Iп, Бп, РЬ, А1, Ая, Аи, Си, N1, Ио, V?, а также ряд других экспериментальных результатов, в частности, влияния плотности ФК на скорость "разрастания" ФК.

Третья глава посвящена результатам разработки технологических приемов изготовления эмиттеров электронов на основе формованных "сандвич" МДМ-систем.

Исследовано влияние на эффективность формовки технологии получения рабочих слоев МДМ-систамы. Установлено, что воздействие плазмы низковольтного газового разряда на диэлектрик адм-систош перед нанесением верхнего электрода или в процессе нанесения верхнего электрода или диэлектрика методом аошю-плазмешого распыления приводит к образованию в нем КПП еще до нанесения верхнего электрода. Наличие КПП способствует увеличению в 2-4 раза количества ФК на единицу площади и, соответственно, плотности эмиссионного тока при последующей формовке ЩМ-систеш. Степень воздействия плазмы не зависит от рода используемого газа и определяется шшваюцим потенциалом плазмы и потенциалом, подаваемым на базовый электрод ВД-системы в процессе соприкосновения-плазмы газового разряда с диэлектриком. При равенстве потенциала на базовом электроде МД-системы плаващеыу потенциалу плазмы воздействие плазмы на диэлектрик сводится к нулю. Полученный результат объясняется в рамках рассмотренной выше модели электрической формовки. Поскольку ишсекция носителей заряда в диэлектрик осуществляется непосредственно из плазмы, обладающей высоким удельным сопротивлением, плотность ¡посекционного тока на несколько порядков ниже по сравнению с инжакциеЯ из кэталяачвских электродов в ВДМ-системах. Эффективное образование локальных участков в диэлектрике с повышенной плот-

ностью структурных дефектов (необходимых для возникновения ггерегревной неустойчивости и развития электротермического пробоя диэлектрика) без взрывообразного разрушения диэлектрика имеет место в относительно широком диапазоне напряжений но диэлектрике в системе ОД-шгазма. При подаче на ВДМ-систему со сформированными в диэлектрике участкам! с повышенной плотностью структурных дефектов напряжения образование разрядных каналов в диэлектрике, завергавдоося образованном КП, происходит при относительно ноболышх напряжениях. За счет этого резко увеличивается вероятность образования КП небольших размеров, способных при опр эдэлонннх вакуутяшх условиях "трансформироваться" в ФК, что и выражается в иаблэдпамсм экспериментально существенном увеличении эффективности формовки в МДО-системах с подвергнутым воздействия плазмы диэлектриком.- Наличие ЮШ з диэлектрике после 'воздействия на него плазмы низковольтного газового разряда существошю укеякзсет влияние на эффективность формовки барьерных свойств гроютц раздела металл-диэлектряк, что рзсшряв? круг кспольоуе^х кз-териалоз электродов.

Исследовано влияние на оф^эктявность формовки кгвдояш-тольной обработки диэлоктрзка яапряпзнкем в состою нотадд-дп-электряк-висскоомный электролит (?'дЭ). Устснозлзгга, что воздействие напрякения па дшшжтрш: щм-спстотз! гзрзд нанесением верхнего электрода пр*л пологмтол.ьпо:« поэттахчолэ пз базовом электроде . вдэ-систеки позволяет сзтакг.л гзл:гзшу напряжения и время воздействия напряжения в снрогоес пределах регулировать плотность эмиссионного тока МДМчсагодов после электрической формовки ВДМ-снствш. Получеш-шй результат объясняется появлением в диэлектрике КПП, наличие которых, как и в случае плазменного воздействия на диэлектрик, способствует существенному увеличению количества ФК на единицу площади.

Приведены результаты исследований дэградациокннх процессов в МДМ-катодах, помещенных в отпаянный электровакуумный прибор. Показано, что сшс::зшш зигсскснного тока обусловлено "разрастанием" ФК, которое в условиях высокого вакуума (см. главу I) является, ио-существу, образованием вблизи ФК каналов пробоя. Обладающие в условиях высокого вакуума незначительной проводимостью каналы пробоя образуются со временем по всему

периметру первоначального ФК, в результате чего падают как полный ток, так и эшссиошшй ток МДМ-катода. Показано, что •при помещении в герметизированный вакуумный объем кусочков слюды и нескольких бариевых геттеров шхно 1 путем кратковременного нагрева слюды в колбе (и последующего распыления геттеров с целью удаления продуктов разложения слюды) инициировать проводезлость образовавшихся по периметру первичных ФК каналов пробоя в проводимость, характерную для ФК. В результате многократного повторзшш этой операции мокно в несколько раз увеличить срок слукбы электровакуумных приборов на основе Щ'-катодов без развакуумирования стеклянной колбы, что имеет ванное практическое значение.

Разработан способ 'увеличения воспроизводимости характеристик ВДМ-катодов, заключащайся в том, что операция электрической форьювки (т.е., инициация эмиссионной способности исходной конденсаторной МДМ-структуры) проводится после высокотемпера-ууршк операций герметизации и обвзгеашващвга прогрева герметизируемого вакуумного объема, в который помещается ВДМ-систе-ш. При обычном способа -герметизации, когда электрическая формовка проводится до высокотемпературных операций (т.е., предварительно в откачной системе), значительная часть загерметизированных МДМ-катодов оказывается электрически закороченной. Воздействие на такие катоды напряжения с целью подавления И-оОразной составляющая ВАХ приводит к тепловым .разрушвтш.! в рабочей области, сопровождающимися частичной ю полюй потерей эмиссионной способности. Разработанный в работе сиосоО позволяет герметизировать катода с высокой плотностью шиссаонного тока баз ухудшения электрических характеристик и с высоким процентом выхода годных катодов, близким к 1003.

В заключении кратко изложены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Экспериментально исследовано влияние на электрические формовку-и 1.робой .тонкопленочных мда-систем ToiiL'tiGi, материалов и технологии получения рабочих слоев, микрорельефа базового электрода, величины, полярности и скорости нарастания напряжения, состава и давления окружающей атмосферы. Проведены

комплексные электротшо-мшсроскопическке исследования структуры формованных каналов п каналов пробоя. На основании экспериментальных данных предложена качественная модель физических процессов, протекающих при образовании формованных каналов и каналов пробоя, выявлены сходство и отличие процессов электрической- формовки Н пробоя ГОШКЛЮЭЕОЧПЫХ "сэндвич" МДМ-систем.

2. Выполнен расчет распределения температуры' в формованном канале и его окрестности. Показано, что температура у внешнего края формованного канала в среднем в два-три раза нисе по сравнению с максимальным значением температуры в центральных областях , на 150-250°С выае температуры базового электрода МДМ-системы и убывает практически до температура базового электрода при удалении от формованного канала на расстояние, соизмеримое с ого диаметром.,

3.- Исследованы кинетика 'деградациощшх процессов в НЦМ-катодах и влияние на характер и скорость изменения электрических характеристик толппн и материалов рабочих слоев МЦМ-систем, напряжения, состава и давления сгфугкищой атмосферы, количества формованных кагалов на едяпгцу V Экспериментально устаковлон кзхаяясм "разрастания" с^зслкпых центров, приводящего к деградации электрячесют хзректертгетпг ВДМ-катодов при длительной выдераке яг под нгпрягояясм....

4. Экспериментально пссхадовсш вявякио па здавктнвшегь электрической формовки технологий получения рБСочпх слоев •ВД1-систем. Установлено, что ЕоздеЗстшга плаксы Еиэ::оводмшго газового разряда на топнув деэяэщшескую хшвд? ЦК-сястдаи перед нанесением верхнего электрода или в процэссе ергвссокя верхнего электрода или диэлектрика штодом поага-ялэемэпкого распыления приводит к существенному увелачепии -.еияеепошого тока МДМ-катодов. Это обусловлено появлением^ диэлектрической пленке под воздействием плазмы ЛШП, наличие которых способствует существэгному увеличении количества' формованных каналов на. единицу площади при последующей электрической формовке МДМ-системы.

5. ."Экспериментально установлена возмоиюсть существенного увеличения и регулирования в йшроких пределах количества фор-, кованных каналов на единицу площади и, соответственно, плот-

носги эмиссионного тока в МДМ-катодах путем предварительного воздействия напряжением на диэлектрик ЫМ-сттвш перед нанэ-сением верхнего электрода в система моталл-даэлектрик- высо-кооыный электролит.

6. На основании результатов исследований разработаны способы изготовления ВДМ-катодов и электровакуумных приборов на их основе, позволяющие увеличить плотность эмиссионного тока, улучшить воспроизводимость параметров и электрических характеристик, а тшгаэ существенно увеличить долговечность катодов. IIa семь способов получены авторские свидетельства на изобретения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Воробьев Г.А., Галонэнко В.М., Лубсанов Р.Б. Деграда-цнонне процессы в формованных ВДМ-катодах //В кн.:' Материалы III Bese, совещания по физике отказов.- Суздаль ,1934.-С. 123-124.

2. Галонэнко В.М., Лубсанов Р.Б. Исследование деградаци-оншх процессов в МДМ-катодах //Тез. докл. V Всес. симпозиума но ненекашваешм катодам.- Томск, 1985.- 0.229-231.

3. Гасшенно В.Ы., Дубсаяов P.E., Подгорный В.М. Влияние верхнего электрода па деградации гда-катода //Тез. докл. XX Всес. конференции со эмиссионной электроникеКиев,1987.-T.1.-C.Í69.

.4. Гапонешсо В.М., Лубсанов Р.Б., Мотошкин В.В. Влияние материала диэлектрической пленка па кинетику дэградациошшх процессов в формованных ВДЛ-структурах //Тез. докл. 1Г Всес. конференции по физике окиешх пленок.- Петрозаводск,1987.-T.1.-C.4Ö.

5. Гашнеяко B.W., Лубсанов Р.Б. Особенности П-образного переключения в формованных МДМ-системах с тугоплавким верхним электродом //Материалы VI Всес. конференции то физике дивлзктриков,г Томск,1988.- Сб.: Электронная техника.- сер.6.-& 5.- C.54-5L.

6. Воробьев TiА., Гапонешсо В.М. Процессы при пробое и электрической формовке системы металл-диэлектрик-металл //Тез. докл. VI Всес. конференции по физике диэлектриков.-

Томск,1988.- С.15.

7. A.C. й 1478890 (СССР). Способ изготовления холодного катода /Г.А. Воробьев, В.М. Гапоненко, В.В. Мотошкин.- Заявл. 04.05.87, » 4239714.

8. A.C. № 1491240 (СССР). Способ изготовления МДМ катода / В.М.Гапоненко, Р.Б.Лубсанов, В.В.Мотошютн, В.М.Подгорннй.-Заявл. 21.03.88, № 4393892.

9. A.C. й 1572322 (СССР). Способ изготовления МДМ катода /Г.А.Воробьев, В.М.Гапоненко, В.В.Мотошкин.- Заявл. 14.11.88,' й 4621174.

10. A.C. № 1572321 (СССР). Способ изготовления ЦДИ катода /В.М.Гапоненко, В.В.Мотошюш.- Заявл. 05.11.88, .'5 4618099.

11. A.C. & 1589877 (СССР). Способ изготовления НДМ катода /Г.А.Воробьев, В.М.Гапоненко, В.В.Мотошшг.- Заявл. 23.04.87, » 4233894.

12. A.C. JS 1716913 (СССР). Способ изготовления ГДЦМ катода /В.М.Гапоненко, Л.Г. Лошак, Е.В.Кельман, Е.Г.Кокарэва,■

B.В.Мотопкии.- Заявл. 19.06.89, й 4707703/21.

13. A.C. J3 1757376 (СССР). Способ изготовления катода /В.М.Гапоненко, В.В.Мотоакин, А.И.Прокоиев.- Заявл. 24.05.20,-й 4829106.

14. Воробьев Г.А., Гапоненко В.М. О природе электрической формовки тонкоплоночкоЯ скстемн квтапл-двэлектрик-иеталл // Изв. вузов. Физика.- 1991.- й 1,- С.65-67.

15. Гапоненко В.М. Влияние плазменной" обработки диэлектрика на электрическую форювку тош;ошгепочной систекя металл-диэлектрик-металл //Кзв. вузов. Фязика.- 1991.- Л 10.-

C.94-98.

16. Гапоненко В.М. Исследование механизма деградации эмиссионных центров в тонкопленочшх ГЩ-катодах //Изв. вузов. Физика.- 1992.- № 1.- С.49-52.

17. Воробьев Г.А., Гапоненко В.М. Особенности электрической формовки и пробоя тонкопленочной системы металл-диэлектрик-металл //Изв. вузов. Физика.- 1992.- Л t.- С.58-63.

18. Воробьев Г.А., Гапоненко B.Ii., Гынгазов С.А., Крамор С.е., Лубсанов Р.Б., Гроян П.Е. Физико-технологические аспекты создания матриц МДМ-катодов для плоского вакуумно-лшинес-

цвнтного вкрана //Радиотехника и электроника.- 1992.- Т.37.-Вып. 4.- С.713-720.

19. Гапоненко В.М. О природе образования формованных каналов в тонкопленочных ЬЩМ-системах //Изв. вузов. Физика.-1992.- JS 5.- С.115-120.

20. Гапоненко В.М., Мотошкин В.В. Влияние плотности эмиссионных центров на скорость деградациошшх процессов в тонкопленочных ВДМ-катодах //Изв. вузов. Физика.- 1992.- S 6,-С.95-98..

21. Гапоненко В.М. Влияние напряжения на деградацию формованных каналов в тонкопленочных МДМ-катодах //Изв. вузов. Физика.- 1992.- й 10.- С.44-47.

22. Гапоненко В.М. Влияние предварительной обработки диэлектрика напряжением на электрическую формовку тонкопленочной МДМ-системы //Изв. вузов. Физика.- 1992.- № 10.- С.48-50.

23. Гапоненко В.М., Чернявский A.B. Влияние скорости нарастания напряжения на электрическую формовку и пробой тонкопленочной МДМ-системы //Изв. вузов. Физика.- 1992.- » II.- С.95-98. .

24. Гапонэнко В.М., Нефедцев Е.В., Чернявский A.B. Деградационные процессы в тонкопленочных ВДМ-катодах: расчет распределения температурного поля в формованном канале и его окрестности //Изв. вузов. Физика.- 1993,- Л 9.- С.73-78.

25. Гапоненко В.М., Мотошкин В.В. Деградация электрических характеристик ВДМ-катода в электровакуумном приборе //Изв. вузов. Физика.'- 1994.- а 6.- 0.105-107.

Заказ № 1 '< 3. Тираж 100.

ТАСУР г. Томск