Конструкция вакуумного фотоэлектронного прибора

Полезная модель относится к полупроводниковой технике и может быть использована в производстве полупроводниковых приборов для крепления деталей внутри вакуумного корпуса, например, для крепления полупроводниковых структур фотокатодов на подложке к входному окну прибора.
В ряде применений необходимо изготовить узел прибора, содержащей детали (элементы) с разными ТКР (температурными коэффициентами расширения), в том числе из полупроводниковых материалов. При этом необходимо в последующем, после размещения их внутри специальной вакуумной установки (внутри корпуса ЭВП), подвергнуть их прогреву с целью обезгаживания и/или активировки при относительно высоких температурах (300-400°C). Например, соединить полупроводниковую структуру GaAs, InP и другие со стеклянным окном или соединить МКП (микроканальную пластину) с керамическим кольцом.
Известна конструкция фотоэлектронного прибора с узлом соединения деталей при помощи точечной сварки. В этом случае две детали узла соединены в отдельных точках и имеются зазоры между ними. Недостаток данного технического решения заключается в том, что в конструкции такого узла могут использоваться только металлические (электропроводящие) материалы, а места сварки подвергаются локальным сильным перегревам.
Также известны конструкции крепления полупроводниковой структуры к входному окну с помощью термокомпрессии. Как правило, при создании полупроводниковых фоточувствительных приборов легкоплавкое стекло сочленяют с полупроводниковыми структурами GaAs или InP. Для того, чтобы размягчить стекло, требуется температура около 450-500°C, а эта температура приводит к дефектам полупроводниковой структуры,  особенно у фосфидов. Недостатком данного варианта является так же то, что при сочленении деталей возможно применять детали только с близкими коэффициентами термического расширения (КТР), т.к. при соединении деталей с разными КТР при нагревании и последующем охлаждении возникают механические напряжения, в результате чего в полупроводниковой структуре генерируются дефекты и дислокации. Поэтому соединяемые материалы приходится подбирать так, чтобы они были сходны по коэффициенту КТР. Из-за этого существенно сужается спектр применимых материалов.
Известна конструкция (прототип) вакуумных фотоэлектронных приборов, состоящих из отдельных узлов, которые сочленены герметично в вакууме через индиевую прокладку, размещенную между ними и замкнутую по всему периметру (путем сдавливания узлов в холодном или нагретом состоянии). Соединяемые детали узлов представляют собой, например, входное окно с фотокатодом и корпус ЭОП. Данное соединение узлов проводят герметично по всему периметру соединения (шва), причем после обезгаживания их в вакууме.
Такая конструкция узлов с герметичным соединением с помощью индия или его сплавов не допускает прогрев этого соединения (с целью обезгаживания и/или активировки) при температурах выше температуры плавления индия или его сплавов, т.е. при температуре выше 160°С), который необходим для обработки (обезгаживания и активировки) узлов с полупроводниковыми структурами и/или МКП.
Задача настоящего технического решения заключается в том, чтобы создать конструкцию фотоэлектронного прибора, позволяющую проводить многократные технологические прогревы его узлов (для обезгаживания и/или активации), в том числе при температурах выше температуры плавления припоя индия или его сплавов.
Технический результат заключается также в обеспечении возможности изготовления конструкции вакуумного фотоэлектронного прибора с деталями из материалов с различными КТР, а так же электропроводящими, полупроводниковыми и изоляционными свойствами и в существенном уменьшении дефектов, возникающих при обработке (обезгаживании и активировке) узлов и входящих в них деталей.
Конструкция вакуумного фотоэлектронного прибора состоит из расположенного в корпусе как минимум одного узла, состоящего из
деталей, соединенных индийсодержащим припоем, причем данное соединение имеет как минимум один зазор, равный по высоте толщине припоя и длине не менее толщины припоя, служащий для откачки газов в процессе обезгаживания прибора.
Т.к. зазор по высоте равен толщине припоя, это обеспечивает возможность эффективной откачки узла (и промежутка между деталями - например, между фотокатодной структурой и подложкой-окном фотокатода). Припой с зазором обеспечивает пластичность соединения деталей. Таким образом, при технологических прогревах (в процессе нагревания и остывания) наряду со свободной откачкой выделяющихся газов не возникает напряжений в соединяемых материалах и не образуются дефекты в полупроводниковой структуре.
На рис. 1 схематично представлена конструкция вакуумного фотоэлектронного прибора. Конструкция вакуумного фотоэлектронного прибора включает герметичный внешний корпус прибора 1, в котором расположен узел из деталей 2 и 3, соединенных индийсодержащим припоем 4 с как минимум одним зазором 5, который равен по высоте толщине припоя, и служит для откачки газов в процессе обезгаживания. При этом зона отсутствия припоя имеет длину не менее высоты припоя. Под индийсодержащим припоем понимается припой, содержащий преимущественно индий, либо сплавы на основе индия, обладающие необходимой пластичностью.
Конструкция выполнена следующим образом. С тыльной стороны по периметру первой детали узла (полупроводниковой структуры) наносят индийсодержащий припой, оставляя как минимум один, преимущественно два или три разрыва (см. рис. 2), для обеспечения возможности откачки газа из промежутка между деталями узла. Полупроводниковую структуру помещают на вторую деталь, предварительно облуженную (индием или его сплавами) в соответствующих местах. То есть, на вторую деталь нанесен примерно аналогичный рисунок так, чтобы можно было совместить разрывы припоя на обеих деталях при соединении. Таким образом, зазор в припое по высоте равен толщине индийсодержащего припоя, а по длине зазор - не менее толщины припоя (например, составляет 10 толщин припоя). Или имеется несколько зазоров (разрывов) в припое, каждый из которых - не менее толщины припоя. Это обеспечивает возможность
эффективной откачки узла (и промежутка между деталями - например, между фотокатодной структурой и подложкой - окном фотокатода).
Вторая деталь (например, входное окно) может быть изготовлена из стекла, кварца или соединения стекла с металлом, или может иметь металлическое покрытие в зоне сочленения (хром, молибден и др.) на поверхности входного окна, выполненного из стекла, кварца, фтористого магния и др. В случае, если деталь выполнена из стекла (стеклоподобного материала) с металлическим напылением или без, то для облуживания используют индий. Если деталь металлическая, то индий может наноситься также непосредственно на нее, или в качестве подслоя под индий может использоваться золото. Для фиксации прибора используют специальные оправки. Детали сочленяют, сдавливая их в вакууме при температуре 200-250°С. Вес давителя незначительный и, как правило, не превышает 10 грамм.
Далее, узел устанавливают в корпус прибора, (прибор собирают в корпусе), а затем помещают в вакуумную установку, где производят обезгаживание всех узлов прибора, активировку полупроводниковой структуры, а затем уже герметизацию корпуса прибора.
Рассмотрим процесс создания конструкции на примере полупроводниковой структуры фотокатода, выращенной на подложке, и входного окна вакуумного прибора. При нагреве индий расплавляется, и детали соединяются под давлением. Соединение производится на горизонтально расположенных деталях, давитель расположен сверху. Между полупроводниковой структурой и входным окном остается зазор. После сочленения деталей и их остывания до температуры ниже температуры затвердевания индия, полученный узел переворачивают с одновременным сбрасыванием давителя и центрователя.
Далее, узел устанавливают и закрепляют в корпусе, а затем помещают в вакуумную установку, где производят прогрев, обезгаживание и герметизацию всего прибора. Таким образом, узел может подвергаться перемещению и последующим прогревам в вакууме до более высоких температур. Полупроводниковая структура значительно легче, чем входное окно фотокатода прибора. При этих последующих прогревах узла с полупроводниковой структурой не происходит смещение структуры относительно входного окна при условии, что при температуре выше
температуры расплавления припоя узел располагается горизонтально и неподвижно, а полупроводниковая структура расположена сверху.
Откачка выделяющихся газов происходит через оставленные разрывы в зоне облуживания. Следует отметить, что после затвердевания припоя рабочее положение входного узла в холодном состоянии может быть любым. В холодном состоянии узел может выноситься на атмосферу, прогрев узла до температур расплавления припоя и выше, для исключения его окисления, должен производиться только в вакууме или инертном газе. Если освещение фотокатода в условиях прибора будет производиться с тыльной стороны, то места индиевого сочленения должны находиться за пределами его рабочей зоны. Если необходима высокая точность сборки (точность более ±0,05 мм) сочленяемых деталей (узла), тогда входное окно (основание) должно иметь выступы, которые находятся не в зонах покрытия припоем и на которые ложится полупроводниковая структура при расплавлении припоя. Выступ может быть один в виде кольца или круга. Высота выступов должна находиться в диапазоне 0,1-0,4 мм, толщина припоя в зоне сочленения, таким образом, будет равна высоте выступа.
Данная конструкция может быть использована также для крепления микроканальной пластины (МКЛ) в корпусе прибора.
Данная конструкция обеспечивает возможность соединения деталей с различными КТР, с электропроводящими, полупроводниковыми и изоляционными свойствами. Благодаря пластичности соединения и относительно невысокой температуре процесса существенно уменьшаются дефекты, возникающие при сочленении деталей.