СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДНО-СЕТОЧНОГО УЗЛА С УГЛЕРОДНЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
METHOD OF MAKING CATHODE-GRID ASSEMBLY WITH CARBON FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточных узлов (КСУ) с холодными катодами из углеродного материала для вакуумных электронных приборов.
Известен способ изготовления КСУ с автоэмиссионным катодом на основе углеродных нанотрубок, включающий изготовление катода путем формирования на его рабочей поверхности нерегулярно расположенных углеродных нанотрубок [H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test jn Carbon Nanjtube Cathode jf a Gridded Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey] и вытягивающей сетки, которая расположена над поверхностью катода и отделена от него вакуумным зазором.
Недостаток данного способа заключается в том, что перемычки вытягивающей сетки не защищены от прямого перехвата тока с катода, что может привести к их расплавлению мощностью электронного потока. Кроме того, равномерность автоэлектронной эмиссии в различных ячейках КСУ не одинакова. Вследствие технологических допусков при изготовлении и размещении катода и сетки друг относительно друга перемычки вытягивающей сетки в различных ячейках не одинаково удалены от поверхности катода. Величины зазоров между перемычками сетки и катодом, которые составляют менее 100 мкм, могут отличаться на 10-20 %. Это приводит к тому, что и напряженности электростатических полей в различных ячейках существенно отличаются как в большую, так и в меньшую сторону относительно некоторого среднего значения. В уравнении Фаулера-Нордгейма для плотности автоэмиссионного тока напряженность поля находится в показателе экспоненты, поэтому плотность тока автоэлектронной эмиссии в различных ячейках вытягивающей сетки может отличаться на несколько порядков величины [Трубецков Д.И., Рожнев А.Г., Соколов Д.В. Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике. Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж». 1996].
Наиболее близким к предлагаемому способу изготовления КСУ с углеродным автоэмиссионным катодом является способ, включающий формирование на его рабочей поверхности матрицы микроострий методом тонкопленочной технологии, фотолитографии и термохимического травления [А.с. РФ 1738013, МКИ H01j 1/30. Способ формирования топологии преимущественно многоострийного катода. Ю.А. Григорьев, С.В. Васильковский, В.И. Шестеркин, З.А. Ярцева (Россия) №481/937/24-21; заявлено 09.04.90, опубликовано 06.04.93], изготовление „сэндвич-сетки", состоящей из формирующей и вытягивающей сеток, разделенных слоем диэлектрика, и ее размещение непосредственно на поверхности катода [Бушуев Н.А., Шестеркин В.И., Бурцев А.А., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах. / Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 4(519). С. 175-183].
В данном способе изготовления КСУ прямой перехват тока катода перемычками вытягивающей сеткой исключен вследствие того, что микроострия экранированы перемычками формирующей сетки, лежащими на микроостриях.
Недостатком данного способа является то, что крепление „сэндвич-сетки" на поверхности катода осуществляют механическим способом, который не обеспечивает равномерность зазора между катодом и „сэндвич-сеткой" по всей рабочей поверхности катода, что приводит, как и в аналоге, к неравномерности автоэлектронной эмиссии как внутри единичной ячейки „сэндвич - сетки", так и в ее ячейках по всей поверхности катода.
Задачей изобретения является повышение равномерности автоэлектронной эмиссии в ячейках КСУ по всей поверхности катода и обеспечение надежного крепления „сэндвич-сетки" и катода.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления катодно-сеточного узла, включающего изготовление углеродного автоэмиссионного катода с матрицей микроострий на его рабочей поверхности, „сэндвич-сетки" со сквозными отверстиями, состоящей из формирующей и вытягивающей сеток, разделенных слоем диэлектрика, и закрепление „сэндвич-сетки" на поверхности катода, перемычки формирующей сетки, лежащие на вершинах микроострий, выполнены из металла переходной группы и частично погружены в тело катода методом термохимического травления. Тем самым обеспечиваются одинаковые расстояния от вершин микроострий до вытягивающей сетки во всех ячейках КСУ и, как следствие этого, одинаковые значения напряженности электрического поля и плотности тока автоэмиссионной эмиссии с микроострий как внутри единичной ячейки, так и во всех ячейках КСУ.
Предлагаемый способ изготовления КСУ поясняется  Фиг. 1 и Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлена единичная ячейка КСУ с „сэндвич-сеткой", лежащей на вершинах микроострий автоэмиссионного катода до технологической операции термохимического травления.
1 - катод из монолитного углеродного материала
2 - микроострия
3 - формирующая сетка
4 - слой диэлектрика
5 - вытягивающая сетка
На Фиг. 2 представлена единичная ячейка КСУ с частично погруженной в тело катода перемычками формирующей сетки после технологической операции термохимического травления.
Способ изготовления КСУ осуществляется следующим образом.
Первоначально формируется „сэндвич-структура" типа проводник-диэлектрик-проводник путем нанесения на слой диэлектрика (в данном случае, как и в прототипе, выбран пиролитический нитрид бора, обладающий высокой электрической прочностью ≈ 120 В/мкм) пленки пиролитического графита с одной стороны и пленки металла переходной группы с другой стороны. Далее осуществляют формирование „сэндвич-сетки" путем формирования сквозных отверстий заданного диаметра и топологии. Затем „сэндвич-сетку" размещают поверх катода, так чтобы перемычки формирующей сетки из металла переходной группы лежали на вершинах микроострий катодной матрицы (Фиг. 1). Далее осуществляют технологическую операцию термохимического травления материала катода под перемычками формирующей сетки путем отжига в водородной печи при температуре ≈ 1100°С. В результате атомы углерода в месте контакта микроострий с пленкой металла переходной группы растворяются в перемычках формирующей сетки, а затем, соединяясь с двумя атомами водорода, покидают пленку металла. Таким образом, высота микроострий уменьшается, а формирующая сетка равномерно погружается в тело катода (Фиг. 2). Время термохимического травления выбирают таким, чтобы возвышающаяся над поверхностью микроострий часть перемычки формирующей сетки имела заданную конструкторской документацией высоту.
Положительный эффект способа изготовления КСУ достигается за счет того, что при частичном погружении перемычек формирующей сетки в тело катода при операции термохимического травления происходит равномерное погружение перемычек формирующей сетки в тело катода по всей его поверхности. При этом в каждой ячейке „сэндвич-сетки" обеспечивается одинаковое расстояние от вершин микроострий до плоскости вытягивающей сетки и, как следствие этого, одинаковые значения напряженности электрического поля и плотности автоэмиссионного тока. Кроме того, за счет частичного погружения перемычек формирующей сетки в тело катода осуществляется надежное крепление „сэндвич-сетки" и катода.
Источники информации
1. H.J. Kim, W.B. Seo, J.J. Choi, J-h. Han and J-B Yoo. Beam Emission Test jn Carbon Nanjtube Cathode jf a Gridded Gun. IVEC-2006. P. 479-480. Monterey
2. Трубецков Д.И., Рожнев А.Г. Соколов Д.В. Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике. Саратов. Изд-во ГосУНЦ «Колледж». 1996.
3. [А.с. РФ 1738013, МКИ H01j 1/30. Способ формирования топологии преимущественно многоострийного катода. Ю.А. Григорьев, С.В. Васильковский, В.И. Шестеркин, З.А. Ярцева (Россия) №481/937/24-21; заявлено 09.04.90, опубликовано 06.04.93.
4. Бушуев Н.А., Шестеркин В.И., Бурцев А.А., Григорьев Ю.А., Кудряшов В.П., Шалаев П.Д. Матричные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода: современное состояние и перспективы использования в СВЧ-приборах. / Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 4(519). С. 175-183.