СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГООСТРИЙНОГО ЭМИССИОННОГО КАТОДА
METHOD TO MANUFACTURE MULTI-TIP EMISSION CATHODE

Изобретение относится к электронной технике и может найти применение в качестве источника электронных потоков в лучевых приборах, дисплеях, для генерации рентгеновских лучей, возбуждения лазеров, а также в качестве источника ионов в приборах типа «люстра Чижевского».
6
2
-13
9
9
Автоэмиссия в настоящее время занимает весьма скромное место в ряду широко используемых других методов получения свободных электронов, таких, например, как термоэмиссия и различные виды газового разряда. Тем не менее, автоэмиссия электронов обладает набором ценнейших особенностей, при использовании которых могут быть созданы приборы с уникальными характеристиками: эмиттеры с плотностью тока ~10 А/см, сверхминиатюрные диоды и триоды с быстродействием ~10 сек, приборы, работающие в области СВЧ, новые конструкции плоских дисплеев, сенсорные устройства и т.д. Широкому использованию автоэмиссии в различных областях науки и производства препятствует необходимость создания больших градиентов электрических полей (Е≥10 В/м) для получения технически значимых токов эмиссии. В связи с этим особенно актуальным стало создание электрических полей с большой напряженностью без использования высоких потенциалов. Электрические поля необходимой напряженности могут быть достигнуты при сравнительно небольших разностях потенциалов (200-300 В) вблизи острий при условии малости межэлектродных расстояний. Как следует из результатов нашей работы (см. Л.А.Баранова, Г.М.Гусинский. Компьютерное моделирование многоострийных автоэмиссионных катодов. Прикладная физика, №2, 2008 г.), при диаметре острия ~35 нм, межэлектродном расстоянии 1,5 мкм, разности потенциалов на электродах 250 В, напряженность поля у вершины иглы эмиттера достигает значения Е=6·10 В/м. Поэтому современные разработки эмиссионных систем базируются на создании катодов с элементами микронного и субмикронного размера. За последние 10-15 лет появился ряд патентов на изготовление, конструкцию и использование эмиссионных микрокатодов.
К 2009 году опубликовано несколько патентов на способ изготовления многоострийных микроэмиттеров с использованием при их создании трековых технологий. Как хорошо известно (см. Г.М.Гусинский, С.В.Барышев, А.В.Нащекин, Д.А.Саксеев, В.О.Найденов, С.Г.Конников. Использование трековой технологии для создания микроигл, микродюз и микротрубок из никеля. Письма в ЖЭТФ т.35, вып.14, 2009 г.), трековая технология создания микрообъектов заключается в облучении материала (как правило, полимера) тяжелыми ионами, ускоренными до энергий в десятки МэВ для образования латентных: треков областей с большой плотностью радиационных дефектов. Далее следует физико-химическая обработка облученного материала, в результате чего создаются осесимметричные полости необходимой формы и размера. Эти матрицы заполняются различными материалами с помощью вакуумного испарения, химических реакций или гальваническим осаждением.
Известен способ изготовления многоострийного эмиссионного катода (см. патент US №5607335, МПК H01J 9/02, опубликован 04.03.1997), при изготовлении которого используется эффект избирательного травления вдоль треков тяжелых ионов в полимерном материале. Если материал, пригодный для изготовления эмиттера, покрытый полимерной пленкой, облучить тяжелыми ионами, растворить щелочью латентные треки до границы с эмиттируемым материалом, покрыть полученный рельеф за исключением стенок треков защитной пленкой, нерастворимой в щелочи и в растворителях, эмиттерного материала, то при дальнейшем полном стравливании полимерной пленки через эти незащищенные области на поверхности эмиттерного материала окажутся хаотично распределенные диски защитного покрытия. При травлении соответствующим травителем незащищенной поверхности эмиттерного слоя на нем образуются ложбины, под центрами защитных дисков образуются острия из эмиттерного материала, а защитные диски отваливаются.
Принципиальным недостатком такого способа изготовления автоэмиссионного катода является зависимость формы и высоты микроигл от расположения соседних микроигл, что исключает возможность создания микроэмиттеров с одинаковой эффективностью.
Известен способ изготовления многоострийного эмиссионного катода (см. патент US №5562516, МПК H01J 1/304, опубликован 08.10.1996), заключающийся в том, что структуру, состоящую из жесткой плоской изоляционной подложки, на которую последовательно нанесены: проводящий слой (металл), слой полимера, затем второй проводящий слой и внешний полимерный слой, облучают тяжелыми ионами с энергией, обеспечивающей создание латентных треков в обоих полимерных слоях. В результате последующих травлений вдоль латентных треков верхнего полимерного слоя (щелочью), верхнего металлического слоя (кислотой) и нижнего полимерного слоя с остатками верхнего полимерного слоя (щелочью) образуются проходящие до нижнего проводящего слоя каналы, соосные с отверстиями в верхнем проводящем слое. Микроканалы, заполненные с помощью гальванического процесса металлом, образуют основу для создания острийных эмиттеров. Для увеличения электрической прочности микрокатодов проводится вытравливание лунок в полимерном материале вокруг микроигл.
Основным недостатком известного способа изготовления многоострийных эмиссионных катодов является необходимость процесса химического заострения иголок в неоднородном электрическом поле, создаваемом между иглой и анодным электродом, нанесенным на поверхность полимерного материала. Хорошо известно, что успешное создание даже одиночных игл с диаметром острий в нанометровом диапазоне носит случайный характер. Поэтому трудно ожидать необходимой идентичности геометрических и, соответственно, эмиссионых параметров такого устройства. Определенные трудности представляет необходимость использовать многослойную пленку с полимерными и металлическими слоями прецизионной толщины. Наконец, особенности процесса химического травления полимера, находящегося в контакте с металлом, о котором будет сказано ниже, могут серьезно усложнить процесс протравливания микроканалов в многослойном материале.
Известен способ изготовления многоострийных эмиссионных катодов (см. патент RU №2143766, МПК H01J 1/04, опубликован 27.12.1999), в соответствии с которым каналы в облученной тяжелыми ионами и протравленной полимерной пленке заполняют жидким металлом. Эмиттерами являются цилиндрические или конические столбики жидкого металла, заполняющего поры. Форма эмиттирующих острий определяется диаметром пор и напряженностью электрического поля вблизи острий.
Недостатком такой системы микрокатодов является непрерывное разрушение микроканалов вблизи эмиттирующих острий из жидкого металла. Кроме того, эта система также не предусматривает близкого расположения анодного электрода к остриям, вследствие чего требуется межэлектродная разность потенциалов >7.5 кэВ.
Известен способ изготовления многоострийного эмиссионного катода, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент ЕР №0945885, МПК H01J 3/02; H01J /02, опубликован 29.09.1999). В способе-прототипе плоскую изоляционную подложку, на которой последовательно нанесены проводящий слой и слой полимера, со стороны полимерной пленки облучают тяжелыми ионами с энергией, обеспечивающей после ультрафиолетового облучения и травления в щелочи, образование микроканалов по всей толщине полимерной пленки до проводящего слоя. В полученные каналы на всю их длину гальваническим способом высаживают металл, находящийся в контакте с проводящим слоем. Затем на торцы образовавшихся микростолбиков металла, лежащие в одной плоскости с поверхностью полимерной пленки, гальванически высаживают другой металл (обладающий другими условиями травления), который образует на торцах столбиков грибовидные шляпки (с диаметрами, существенно большими диаметров столбиков), основания которых лежат на полимерном слое. Далее проводят травление верхней поверхности полимерной пленки на несколько десятых мкм, в результате чего металлические шляпки становятся экранами в процессе создания анодного проводящего слоя. Он создается путем напыления на полимерную пленку материала с условиями травления, отличающимися от условий травления материала шляпок. После стравливания шляпок для увеличения электрической прочности вокруг микростолбиков в полимерной пленке щелочью вытравливают лунки; затем кислотой укорачивают микростолбики для получения необходимого расстояния до плоскости анодного электрода и заостряют их концы с помощью химического травления в неоднородном электрическом поле, создаваемом между микроиглами и анодным электродом.
Помимо достаточно сложной технологии основной недостаток способа-прототипа заключается в необходимости проведения электрохимического процесса заострения микроигл до размеров, лежащих в нанометровом диапазоне. Как отмечено выше, реализация качественных острий с такими размерами носит случайный характер, и, соответственно, маловероятно, что эмиссионные параметры в различных областях таких катодов будут достаточно идентичны.
Задачей заявляемого изобретения является разработка более простого и экономичного способа изготовления многоострийного эмиссионного катода.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления многоострийного эмиссионного катода включает облучение диэлектрической полимерной пленки ускоренными тяжелыми ионами с энергией, достаточной для создания латентных треков по всей толщине пленки, облучение пленки со стороны, облученной ускоренными тяжелыми ионами, ультрафиолетовым излучением и ее химическое травление для образования глухих отверстий конической формы, металлизацию глухих отверстий с одновременной металлизацией прилегающей к ним поверхности пленки, гальваническим осаждением металла для утолщения слоя, после чего осуществляют травление пленки с противоположной стороны до вскрытия глухих отверстий.
В качестве тяжелых ионов могут быть использованы, например, ионы хлора, аргона, ксенона. Использование более легких ионов существенно менее эффективно.
Диэлектрическая полимерная пленка может иметь толщину 3-100 мкм в зависимости от желаемой длины микроиголок, необходимой межэлектродной емкости и доступной энергии тяжелых ионов.
Заявляемый способ иллюстрируется фотографиями, где:
на фиг.1 показана фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, изготовленного заявляемым способом многоострийного эмиссионного катода;
на фиг.2 показана фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, изготовленного заявляемым способом многоострийного эмиссионного катода (при большем увеличении).
С целью возможности демонстрации с помощью сканирующего электронного микроскопа эмиттирующих острий технологические параметры при изготовлении этих образцов были изменены.
2
9
-2
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Диэлектрическую полимерную пленку толщиной 3-100 мкм, например лавсановую (полиэтилентерефталат), облучают ускоренными тяжелыми ионами, например аргоном с энергией порядка нескольких десятков МэВ, т.е. с энергией, превышающей сумму потери энергии при прохождении пленки и пороговую энергию образования треков. Тип ионов и их энергию выбирают расчетным путем. Предпочтительная плотность облучения тяжелыми ионами составляет 10-10 см. Пленку со стороны, облученной тяжелыми ионами, облучают ультрафиолетовым излучением и затем травят щелочью, например КОН, для образования глухих отверстий конической формы, вершины которых, например, находятся от противоположной стороны пленки на расстоянии 2-3 мкм. Полученные глухие отверстия по стандартной методике металлизации диэлектриков (см. Справочник «Гальванотехника», М.: Металлургия, 1987, стр.520) заполняют металлом, например никелем, образуя микроиглы. Для подачи отрицательного потенциала на образовавшиеся микроиглы одновременно металл также высаживают на всю поверхность пленки со стороны оснований конусов глухих отверстий. Этот слой металла гальваническим способом увеличивают, например, до толщины 3-5 мкм. Затем щелочью проводят травление оставшейся области латентного трека с противоположной стороны пленки для образования отверстий над микроиглами. При этом происходит уменьшение толщины пленки за счет стравливания поверхности, а также усиленное травление пленки вдоль поверхности микроигл из-за большой разности электродных потенциалов никеля и катиона щелочи. Образовавшиеся полости существенно увеличивают электрическую прочность многоострийного катода.
6
-2
Пример. Лавсановую пленку толщиной ~10 мкм облучали ионами Аr с энергией 53 МэВ. Плотность облучения (N) составляла 6·10 см. В результате последующего ультрафиолетового облучения и травления в щелочи (КОН, 3,5 N) при температуре 72°С в течение ~20 минут в пленке сформировались растравленные глухие конусные отверстия длиной 8,0±0,2 мкм. Эти отверстия по указанной выше методике заполнялись никелем. Для подачи отрицательного потенциала на образовавшиеся микроиглы никель также высаживали на всю поверхность лавсановой пленки со стороны оснований конусов треков. После утолщения гальваническим способом никелевой пленки до толщины 4 мкм щелочью (КОН, 6 N) проводили травление оставшейся области латентного трека для образования отверстий диаметром ~0,7 мкм над микроиглами.
Заявляемый способ изготовления многоострийного эмиссионного катода позволяет реализовать оптимальное расстояние (~1,5 мкм) от острий микроигл до поверхности пленки. Анодный электрод можно затем создавать путем напыления металла на поверхность пленки со стороны вершин микроигл под углом 30°.
Принципиальной особенностью способа является использование единой полимерной пленки как для создания ансамбля микроигл на основе трековой технологии, так и в качестве базы для расположения второго электрода - анода.
В рабочих образцах диаметр отверстия над микроиглами ~0,7 мкм, острия расположены ниже поверхности пленки на расстоянии ~1,5 мкм, а их диаметр составляет 20÷40 нм.
7
Оценим теоретическое значение плотности тока эмиссии из полученных заявляемым способом никелевых микроигл (работа выхода ср для Ni составляет 4,5 эВ) для значения напряженности Е=6·10 В/см, характерного при разности межэлектродных потенциалов 250 В и указанных выше геометрических параметрах.
2
9
-2
Среднее расстояние между треками, статистически распределенными по облученной пленке  определяется плотностью облучения N, которая легко варьируется в пределах (10÷10) см.
Согласно данным, приведенным в работе (см. Бугаев и др. Электронные пучки большого сечения. М.: Энергоатомиздат, 1984), ослабление напряженности Е для ансамбля микроигл с указанными параметрами пренебрежимо мало.
В соответствии с формулой Фаулера-Нордгейма
6
-2
теоретическое значение плотности тока эмиссии j~4,2·10 А·см. При этом значении j токовая нагрузка на отдельную эмигрирующую микроиглу составляет несколько десятков мкА.
Реальный ток эмиссии будет значительно меньше по ряду причин: наличию локальных областей эмиссии из острий, существенно большему значению φ из-за загрязнений поверхности эмиттеров и ряда других факторов. Так, для загрязненной поверхности Ni наблюдали значение φ=6,3 эВ, что должно на несколько порядков уменьшить эмиссию.
Таким образом, использование заявляемого способа решает основные задачи конструирования многоострийного автоэмиссионного источника электронов, работающего без использования высоких потенциалов: создание ансамбля микроигл с диаметром острий 20÷40 нм и реализацию межэлектродных расстояний в микронном диапазоне с точностью ~0,2 мкм.
В заявляемом способе используют единую диэлектрическую полимерную пленку как для создания ансамбля микроигл на основе трековой технологии, без последующего их обострения, так и в качестве базы для расположения второго электрода.