ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ С АВТОЭЛЕКТРОННЫМИ ЭМИТТЕРАМИ
SOURCE OF ELECTRONS WITH FIELD-EMISSION EMITTERS

Изобретение относится к электронной технике, более конкретно - к автоэмиссионным электронным приборам, а именно к источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами, предназначенному для использования преимущественно в таких приборах.
Содержащиеся в приборах рассматриваемого типа эмитирующий электроны и управляющий электроды часто называют соответственно эмиттером или катодом и вытягивающим электродом, вытягивающей сеткой или просто сеткой. Указанный эмиттер называют также автоэмиттером, холодным катодом, автокатодом, автоэлектронным катодом, полевым эмиттером, а используемое явление эмиссии электронов - автоэмиссией, автоэлектронной эмиссией, холодной эмиссией, полевой эмиссией.
Ниже, в основном, применяются термины "автоэлектронный эмиттер" и "управляющий электрод", а для устройства, содержащего пару этих электродов, - название "источник электронов с автоэлектронными эмиттерами". В данной области техники такое устройство называют также "катодно-сеточный узел". Дальнейшее содержание описания предлагаемого изобретения следует воспринимать с учетом сказанного об отмеченной особенности терминологии в данной области.
Известны конструкции источника электронов с автоэлектронными эмиттерами, содержащие массив управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями.
Известны два основных типа таких источников электронов: с острийными автокатодами (см., например, патенты США: №3789471, опубл. 05.02.1974 [1]; №5332627, опубл. 26.07.1994 [2]) и с автоэлектронными катодами, выполненными на основе углеродных наноструктур различного типа (см., например, европейский патент №1115135, опубл. 18.08.2004 [3]; патент США №8604681, опубл. 10.12.2013 [4]).
Оба этих типа объединяет то, что в указанных изоляционном и проводящем слоях выполнены коаксиальные отверстия. В каждой паре таких отверстий на подложке сформирован автоэлектронный эмиттер. Каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована этим автоэлектронным эмиттером, который вместе с частью подложки, ограниченной примыкающим к ней отверстием в изоляционном слое, является катодом автоэмиссионной ячейки. Управляющим электродом ячейки является ближайшая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя.
При использовании источника электронов с автоэлектронными эмиттерами в составе электронного прибора последний в большинстве случаев снабжен анодным электродом. Вся совокупность названных электродов размещена в вакуумированном объеме. Для получения потока электронов на управляющем электроде создают положительный потенциал относительно подложки, с которой контактирует автоэлектронный эмиттер (катод). Если этот потенциал превышает работу выхода эмиттера, образуется направленный поток электронов от него к управляющему электроду. При подлете к последнему электроны попадают в зону действия поля, создаваемого анодным электродом, и большая их часть продолжает движение в сторону анода.
Для увеличения плотности создаваемого тока необходимо увеличение напряженности электрического поля, вследствие чего существенно возрастают требования к электрической прочности промежутка катод (автоэлектронный эмиттер) - управляющий электрод.
Известно техническое решение по патенту США №5442193, опубл. 15.08.1995 [5], направленное на предотвращение дугового разряда между автоэлектронным эмиттером и управляющим электродом в автоэмиссионной ячейке непосредственно через разделяющее эти электроды пространство. Вероятность такого пробоя возрастает вследствие неидеальности вакуумирования. Согласно данному техническому решению управляющий электрод полностью (включая стенки указанных выше отверстий в образующем этот электрод проводящем слое), а также стенки отверстий в изоляционном слое, разделяющем подложку и управляющий электрод, покрыты изоляционным материалом. Наличие такой изоляции, с одной стороны, непосредственно увеличивает пробивное напряжение промежутка эмиттер - управляющий электрод в каждой ячейке и, с другой стороны, создает оболочку, уменьшающую проникновение в этот промежуток загрязняющих веществ из материалов управляющего электрода и изоляционного слоя, разделяющего подложку и управляющий электрод.
Однако такой подход эффективен только при сверхмалых токах. При больших токах из-за отсутствия стока электронов на покрытый изоляционным материалом управляющий электрод этот материал заряжается попадающими на него электронами до тех пор, пока не произойдет пробой или накопленный заряд не скомпенсирует вытягивающее напряжение между эмиттером и управляющим электродом, в результате чего промежуток между ними окажется запертым.
Кроме того, как показывает практика, в описанной выше конструкции источника электронов с автоэлектронными эмиттерами по патентам [1-4] возникновение пробоя обусловлено, главным образом, не той причиной, на преодоление которой направлено техническое решение по патенту [5], а ограниченной электрической прочностью поверхности межэлектродного изолятора, которой является стенка отверстия в изоляционном слое, разделяющем автоэлектронный эмиттер и управляющий электрод. При больших напряженностях электрического поля между этими электродами, необходимых для получения высокой плотности тока, имеющая место утечка по указанной поверхности, в конечном счете, приводит к электрическому пробою, что определяет актуальность задачи предотвращения такого пробоя, в особенности в источниках с эмиттерами на основе углеродных наноструктур.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении более высокой электрической прочности промежутков управляющий электрод - автоэлектронный эмиттер автоэмиссионных ячеек источника электронов с автоэлектронными эмиттерами за счет увеличения электрической прочности поверхности элементов конструкции, разделяющих указанные электроды.
Наиболее близким к предлагаемому источнику электронов с автоэлектронными эмиттерами является источник электронов, известный из патента [4], в котором автоэлектронный эмиттер выполнен на основе углеродной наноструктуры, однако предлагаемое техническое решение не ограничено данным типом источников электронов.
Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему известный источник, содержит множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на общей подложке (преимущественно кремниевой) с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, в которых выполнены отверстия, достигающие подложки. В каждой паре таких отверстий, одно из которых принадлежит изоляционному слою, а другое - проводящему слою, на подложке размещен автоэлектронный эмиттер. Каждая управляемая автоэмиссионная ячейка образована указанным автоэлектронным эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом автоэмиссионной ячейки, и управляющим электродом, которым является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя.
В отличие от наиболее близкого известного источника электронов по патенту [4], в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами в подложке вокруг автоэлектронного эмиттера каждой автоэмиссионной ячейки выполнено кольцеобразное углубление, имеющее боковую и донную поверхности. По меньшей мере, боковые поверхности этого углубления покрыты изоляционным материалом или окислены.
При описанном выполнении расстояние по поверхности указанного изоляционного материала вместе с толщиной изоляционного слоя и соответственно протяженность основного пути потенциально возможного электрического пробоя в автоэмиссионной ячейке между ее катодом и управляющим электродом увеличивается, по меньшей мере, на удвоенную величину углубления, выполняемого в подложке. Выбирая этот размер в соответствии с расчетным или предполагаемым значением напряжения между катодом и управляющим электродом, можно обеспечить надежную, свободную от электрических пробоев работу источника электронов с автоэлектронными эмиттерами.
Для достижения более высокой электрической прочности иметь изоляционное покрытие или быть окисленной, наряду с боковой поверхностью указанного углубления, может и его донная поверхность.
В предпочтительном частном случае автоэлектронный эмиттер управляемых автоэмиссионных ячеек предлагаемого источника электронов выполнен на основе углеродной наноструктуры, что позволяет получить более высокие эмиссионные свойства и, в конечном счете, расширить область возможного применения предлагаемого источника.
В частном случае выполнения предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами указанный проводящий слой не имеет разделения на изолированные друг от друга части, и управляющий электрод является общим для всех автоэмиссионных ячеек. При использовании такого источника электронов соединенные параллельно автоэмиссионные ячейки управляются одновременно без применения для этого внешних соединений и создают суммарный ток.
В другом частном случае управляющий электрод является индивидуальным для каждой автоэмиссионной ячейки или групп таких ячеек, для чего упомянутый выше проводящий слой разделен на изолированные друг от друга части разрывами в промежутках между отверстиями в этом слое. Такое выполнение позволяет осуществлять раздельное управление токами в разных внешних цепях, например, при использовании в устройстве, содержащем предлагаемый источник электронов, анода, выполненного из нескольких разделенных частей соответственно отдельным автоэмиссионным ячейкам или группам таких ячеек.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых схематически показаны:
- на фиг. 1 и фиг. 2 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управляемой автоэмиссионной ячейке) предлагаемого источника электронов с автоэлектронными эмиттерами;
- на фиг. 3 - фрагмент (часть, относящаяся к одной управляемой автоэмиссионной ячейке) наиболее близкого к предлагаемому известного источника электронов с автоэлектронными эмиттерами;
- на фиг. 4 - предлагаемый источник электронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодом в составе электронного прибора.
В случае, иллюстрируемом фиг. 1 и фиг. 2, в предлагаемом источнике электронов с автоэлектронными эмиттерами каждая автоэмиссионная ячейка, одна из которых показана на этих фигурах в разрезе, содержит нанесенный на кремниевую подложку 1 изоляционный слой 2 и нанесенный поверх него проводящий слой 3. В названных слоях выполнены отверстия 4 и 5, достигающие подложки 1, а на поверхности подложки в ее части 8, расположенной в пределах отверстий 4 и 5, размещен автоэлектронный эмиттер 7. В показанном на фигурах 1 и 2 случае отверстия 4 и 5 являются цилиндрическими, одинаковыми по диаметру и имеют общую осевую линию 6. Такое выполнение более технологично, но не обязательно. Отверстия 4 и 5 могут иметь и другую форму и различаться по размерам. С точки зрения возможности достижения указанного выше технического результата важно лишь, чтобы отверстия 4 и 5, выполненные в указанных проводящем 3 и изоляционном 2 слоях, были сквозными (достигали подложки 1) и имели благодаря этому общий просвет для доступа к поверхности подложки. Автоэлектронный эмиттер 7 вместе с занимаемой им частью 8 поверхности подложки 1 является катодом автоэмиссионной ячейки предлагаемого источника электронов.
Вокруг автоэлектронного эмиттера 7 автоэмиссионной ячейки в подложке 1 выполнено кольцеобразное углубление 9. Боковая поверхность углубления 9 покрыта изоляционным материалом 10.1 (фиг. 1), например нитридом кремния, или окислена, т.е. покрыта изолятором 10.2 (фиг. 2) в виде окиси кремния. Такое же покрытие (12.1, фиг. 1 или 12.2, фиг. 2) может иметь и донная поверхность углубления 9.
Управляющим электродом автоэмиссионной ячейки является примыкающая к отверстию 5 в проводящем слое 3 часть этого слоя.
В частном случае дополнительное покрытие из изоляционного материала может иметь и боковая стенка 13 отверстия 4 в изоляционном слое 2 (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано).
Ячейка наиболее близкого известного источника электронов с автоэлектронными эмиттерами, имеющего традиционное выполнение, показанная в разрезе на фиг. 3, содержит обозначенные одинаково с ячейкой предлагаемого источника элементы: подложку 1, слои 2 и 3 изоляционного и проводящего материалов с коаксиальными отверстиями 4 и 5 в них, имеющими общую ось 6, и расположенный в отверстии 4 на части 8 поверхности подложки 1 автоэлектронный эмиттер 7.
Сравнение фигур 1 и 2 с фигурой 3 показывает, что протяженность имеющей изоляционное покрытие поверхности углубления 9 вместе с толщиной изоляционного слоя 2, т.е. протяженность пути потенциального поверхностного пробоя между управляющим электродом (проводящим слоем 3) и эмиттером 7, в ячейке предлагаемого источника электронов больше, чем расстояние h по поверхности изоляционного слоя 2 в ячейке наиболее близкого известного источника электронов, по меньшей мере, на величину 2d удвоенного размера углубления 9. Благодаря этому повышается электрическая прочность промежутка катод - управляющий электрод предлагаемого источника электронов и уменьшается вероятность электрического пробоя при его работе в составе электронного прибора.
Использование предлагаемого источника электронов в одном из возможных случаев в составе электронного прибора показано на фиг. 4. На этой фигуре совокупность 100 элементов представляет собой предлагаемый источник электронов с шестнадцатью автоэмиссионными ячейками, имеющий катод 1 (общую подложку ячеек) и управляющий электрод (проводящий слой 3, отделенный от подложки 1 изоляционным слоем 2). На некотором расстоянии от управляющего электрода 3 параллельно ему размещен анод 20 электронного прибора. Источник 100 электронов с автоэлектронными эмиттерами вместе с анодом 20 заключены в не показанный на чертеже вакуумированный корпус и имеют внешние выводы, условно показанные позицией 21. Передний ряд автоэмиссионных ячеек на фиг. 4 показан в разрезе, как и отдельная ячейка на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 4 можно видеть также отверстия 5 в проводящем слое 3, образующем общий управляющий электрод автоэмиссионных ячеек, автоэлектронные эмиттеры 7 и кольцеобразные углубления 9 в подложке 1 с изоляционным покрытием 10. В показанном на фиг. 4 случае изоляционное покрытие 10 поверхности углубления 9 имеет продолжение, образующее дополнительное изоляционное покрытие изоляционного слоя 2.
При наличии высокого напряжения на аноде и напряжения на управляющем электроде относительно эмиттера, являющегося катодом, достаточного для создания вблизи катода напряженности электрического поля, вызывающего автоэлектронную эмиссию, возникает анодный ток.
Прибор по фиг. 4 может представлять собой, в частности, рентгеновскую трубку. В этом случае анод 20 является прострельной мишенью, изготовленной из материала с требуемым характеристическим излучением, а торец не показанного на чертеже корпуса прибора, возле которого расположен анод, должен быть рентгенопрозрачным. Описанное выше выполнение управляющего электрода с разделением его на изолированные друг от друга части позволяет осуществлять раздельное управление рентгеновским излучением, возбуждаемым в разных участках, соответствующих управляемым порознь ячейкам или группам ячеек. Это позволяет изменять места выхода излучения из прибора, что может быть использовано в некоторых приложениях, а также управлять его спектральным составом, для чего разные участки анода (прострельной мишени) должны быть выполнены из разных материалов.
Технология изготовления предлагаемого источника электронов, содержащего множество автоэмиссионных ячеек, аналогичного показанному на фиг. 4 источнику 100, может варьироваться в зависимости от имеющихся технологических возможностей и особенностей конкретной задачи.
В обобщенном виде технологический процесс получения имеющего предпочтительное выполнение источника электронов, содержащего автоэлектронные эмиттеры на основе углеродной нанокристаллической структуры, выглядит следующим образом.
3
4
На рабочей полированной поверхности кремниевой подложки формируют слой термического окисла толщиной порядка 500 нм, а затем методом вакуумного напыления наносят слой SiN толщиной 100÷200 нм. Для формирования управляющего электрода на образованный в результате предыдущих операций изоляционный слой напыляют слой проводящего материала, в качестве которого могут служить, например, хром, титан, ниобий или другой термостойкий металл.
Затем с помощью контактной, проекционной или электронной литографии формируют маску из фоторезиста и методом химического или плазмохимического травления формируют сквозные цилиндрические отверстия в указанных выше изоляционном и проводящем слоях полученной на предыдущих стадиях пластины с такими слоями.
Далее осуществляют еще один литографический процесс и методом плазмохимического травления вокруг предназначенных для формирования автоэлектронных эмиттеров площадок на подложке получают кольцеобразные углубления. Боковые стенки углублений или эти стенки совместно с донными частями углублений покрывают диэлектриком (например, нитридом кремния) или окисляют (в последнем случае пленка окисла тоже образует диэлектрическое покрытие).
С предназначенных для формирования эмиттеров частей поверхности подложки, окруженных полученными углублениями, диэлектрическое покрытие или пленку окисла удаляют.
После этого пластину разделяют на отдельные образцы, каждый из которых является заготовкой для изготовления источника электронов и содержит массив с требуемым количеством ячеек. Сформированные описанным выше образом углубления на поверхности подложки очищают стандартными методами химической обработки и на упомянутых окруженных углублениями частях поверхности подложки плазмохимическим осаждением формируют автоэлектронные эмиттеры из нанокристаллического графита.
Предлагаемое устройство, изготовленное по описанной выше интегральной технологии, пригодно для использования в широком классе вакуумных электронных приборов в качестве управляемого источника электронов, а также в качестве источника электронов для ионизации потока нейтральных частиц, компенсации положительного заряда потоков положительных ионов и в других областях.
Источники информации
1. Патент США №3789471, опубл. 05.02.1974.
2. Патент США №5332627, опубл. 26.07.1994.
3. Европейский патент №1115135, опубл. 18.08.2004.
4. Патент США №8604681, опубл. 10.12.2013.
5. Патент США №5442193, опубл. 15.08.1995.