Surface Conditioning Effect on Vacuum Microelectronics Components Fabricated by Deep Reactive Ion Etching

Advances in material processing such as silicon micromachining are opening the way to vacuum microelectronics. Two-dimensional vacuum components can be fabricated using the microsystems processes. We developed such devices using a single metal layer and silicon micromachining by DRIE. The latter technological step has significant impact on the characteristics of the vacuum components. This paper presents a brief summary of electron emission possibilities and the design leading to the fabrication of a lateral field emission diode. First measurement results and the aging of the devices are also discussed.Comment: Submitted on behalf of TIMA Editions (http://irevues.inist.fr/tima-editions

Contribution à l'étude de micro-dispositifs de protection des circuits radiorécepteurs aux impulsions hyperfréquences de puissance associant microtechnologies et phénomènes d'émission électronique

Future electronic warfare systems will face new challenges:- to detect and recognize various signals with broader frequencies and with lower power levels,- to be insensitive to jamming systems.A power limiter placed right after a receiving antenna is aimed at avoiding saturating or damaging sensitive components such as low noise amplifiers.The aim of this study financed by the French Ministry of Defense (DGA) through a doctoral grant is to develop such devices with improved performances compared to nowadays components. A brief bibliographic synthesis on high power microwave sources combined with a system study will lead to the power limiter specifications. The comparison with military and civilian certification thresholds will emphasise on systems vulnerability leading to the need of developing a new kind of power limiter.Various power limiter technologies including ferroelectric, superconducting materials or semiconductors have been reviewed and compared to the specifications and constraints linked to the applications. None of them seems to fulfil all the requirements for aeronautics or military scenarios.Therefore this work will emphasise on another kind of technology based on vacuum electronics. Principles and physics linked to electron emission will be studied.The proposed limiter is thus based on progressive microwave power dissipation along a transmission line by distributed vacuum diodes. Dimensioning such devices will require electromagnetic and charged particles simulators.Those components will be fabricated in clean room at ESIEE. Given their sensitivities to the environment, a proper package has been developed based on silicon-glass anodic bonding and electromagnetic coupling to ensure hermeticity. Indeed depending on the packaging environment power will be dissipated by either electron field emission or plasma discharge.Performances have been measured between 0 GHz and 40 GHz. Insertion losses coming from the package and the power limiter itself have been evaluated. Low loss power limiter can be obtained.High power evaluations have also been studied. Some samples have sustained multiple pulses up to 2 kW in X-band. Recordings have indicated effective power limitation and demonstrated the proof of concept of power limiter based on vacuum electronics.Les futurs systèmes d'écoute pour la Guerre Electronique auront à résoudre des problèmes de plus en plus ardus liés à deux types de contraintes :- détecter et reconnaître des signaux de plus en plus variés en puissance et en fréquence,- se protéger contre les dispositifs de brouillage.La fonction d'un limiteur de puissance, placé immédiatement après une antenne réceptrice, est d'éviter la saturation ou la mise hors fonction des éléments sensibles situés en aval, en particulier la chaîne d'amplification à faible niveau.L'objectif de ces travaux financés par une bourse doctorale de la Délégation Générale pour l'Armement est de développer de tels dispositifs en conciliant ces deux contraintes dans une plus large mesure que les dispositifs existants en 2004. Ainsi, une synthèse bibliographique des développements en terme de sources micro-ondes de forte puissance associée à une étude système sera menée afin de déterminer les spécifications attendues du limiteur de puissance. Ces résultats seront ensuite comparés aux valeurs de certification aussi bien civile que militaire, montrant la vulnérabilité de certains systèmes et la nécessité d'un limiteur de puissance.Diverses technologies de limiteurs de puissance, incluant les matériaux ferroélectriques, supraconducteurs ou bien l'utilisation de semi-conducteurs, seront ensuite analysées et comparées avec les spécifications et les contraintes liées aux applications. Il s'avèrera que ces technologies aussi variées soient elles ne répondent pas au cahier des charges lié aux applications militaires ou aéronautiques.C'est ainsi que cette étude se propose d'évaluer une autre technologie basée sur l'utilisation d'électronique sous vide dont on rappellera les principales applications et fondements physiques comme les phénomènes d'émission électronique.Le limiteur proposé s'appuie ainsi sur la dissipation progressive d'une onde électromagnétique le long d'une ligne de transmission chargée par une distribution de diodes à vide. Le dimensionnement de ce type de dispositif fera appel à des outils de simulation électromagnétique mais également particulaire.Ces composants seront ensuite fabriqués en utilisant les moyens de la salle blanche située à l'ESIEE. Compte tenu de leur sensibilité à l'environnement, une encapsulation spécifique sera développée en associant couplage électromagnétique et soudure entre deux substrats afin de garantir une herméticité totale des dispositifs. En effet, la puissance pourra soit être dissipée par émission électronique par effet de champ, soit par la formation d'une décharge plasma. La prépondérance de l'un ou l'autre phénomène dépendra alors de l'environnement d'encapsulation.Les performances hyperfréquences des dispositifs ont également été évaluées dans une bande de fréquences comprises entre 0 GHz et 40 GHz. Les pertes d'insertion liées à l'encapsulation et aux parties limitatrices ont ainsi été déterminées. Des limiteurs de puissance à très faibles pertes par rapport aux autres technologies peuvent ainsi être obtenus.L'étude en puissance de ces limiteurs a également été menée. C'est ainsi que quelques échantillons ont subi une multitude d'impulsions de très forte puissance pouvant aller jusqu'à deux kilowatts à des fréquences situées en bande X. Les résultats de ces mesures montreront une limitation effective de la puissance et la validité du concept de limiteur de puissance basé sur l'utilisation d'électronique sous vide

Single mask fabrication process of vacuum microelectronics components and preliminary characterization results

International audienc

Surface Conditioning Effect on Vacuum Microelectronics Components Fabricated by Deep Reactive Ion Etching

Submitted on behalf of TIMA Editions (http://irevues.inist.fr/tima-editions)Advances in material processing such as silicon micromachining are opening the way to vacuum microelectronics. Two-dimensional vacuum components can be fabricated using the microsystems processes. We developed such devices using a single metal layer and silicon micromachining by DRIE. The latter technological step has significant impact on the characteristics of the vacuum components. This paper presents a brief summary of electron emission possibilities and the design leading to the fabrication of a lateral field emission diode. First measurement results and the aging of the devices are also discussed