СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДНО-СЕТОЧНОГО УЗЛА С АВТОЭМИССИОННЫМИ КАТОДАМИ
METHOD FOR MANUFACTURING CATHODE-GRID UNIT WITH FIELD-EMISSION CATHODES

Изобретение относится к электронной технике, в частности к созданию катодно-сеточных узлов с автоэмиссионными катодами для электровакуумных приборов, в том числе для приборов микроволнового диапазона с микросекундным временем готовности.
Известен способ изготовления катодно-сеточного узла (КСУ) матричного типа, состоящего из множества автоэмиссионных ячеек, каждая из которых включает молибденовый автоэмиссионный катод в форме прямого конуса и сеточную структуру с отверстием, отделенную от основания конуса пленкой диэлектрика [Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol. 39, No 7, PP. 3504-3505]. Способ изготовления КСУ основан на использовании тонкопленочной технологии и электронно-лучевой литографии и состоит из нескольких этапов:
На подложке из высокопроводящего кремния методом окисления формируется пленка оксида кремния толщиной 1.5 мкм.
Методом электронно-лучевого напыления на пленке из оксида кремния формируется пленка из молибдена толщиной 0.4 мкм, на которую наносится фото- или электронно-чувствительное соединение из полиметил-метакрила (ПММ) толщиной 1 мкм.
На поверхности ПММ в вакууме экспонируются пятна диаметром 1 мкм, расположенные в углах квадрата с шагом, превышающим диаметр пятна.
Экспонированные участки (пятна) растворяются в изопропиловом спирте, и затем через образовавшиеся отверстия вытравливается пленка молибдена до диэлектрика.
Оставшаяся пленка ПММ удаляется, и через отверстия в молибденовой пленке вытравливается пленка окиси кремния до кремниевой подложки. Пленка из молибдена слегка нависает над отверстиями в диэлектрике.
При непрерывном вращении подложки методом вакуумного напыления на молибден наносится пленка алюминия под большим углом, при котором алюминий не напыляется на внутреннюю поверхность окиси диэлектрика, а отверстие в молибденовой пленке частично закрывается.
Через частично закрытое отверстие в алюминиевой пленке под большим углом и при вращении подложки на донья ячеек напыляют молибден таким образом, что внутри „колодца" формируется конус с вершиной, расположенной не выше пленки молибдена.
6
2
Алюминиевая пленка стравливается, и на подложке формируется КСУ, состоящий из автоэмиссионных ячеек с плотностью упаковки до 1×10 шт/см.
Данная технология на каждом этапе требует применения сложного оборудования. Недостатком способа является то, что все ячейки КСУ сформированы на единой токопроводящей подложке с единой для всех ячеек сеточной структурой. Все элементы ячеек: высота и радиус кривизны вершин автоэмиттеров, диаметры отверстий в сетке имеют разброс значений геометрических размеров, обусловленный технологическими операциями. Вследствие этого при одинаковом потенциале сеточного электрода автоэмиссионные токи в ячейках имеют различные значения. Величина тока в отдельных ячейках может превышать критическое значение, при котором вершины автоэмиттеров могут разрушиться под воздействием джоулева тепла и вывести из строя КСУ в целом. Корректировка токов отдельных ячеек за счет изменения разности потенциалов в ячейках при данном способе изготовления не представляется возможной.
Известен способ изготовления КСУ с множеством автоэмиссионных ячеек, содержащих автоэмиссионные катоды из плотно упакованных выровненных по высоте углеродных нанотубок (УНТ), сформированных на единой токопроводящей подложке методом их осаждения из паровой фазы в форме призм с основаниями в форме квадрата со стороной 54 мкм, отстоящие друг от друга на 31 мкм (Ulisse G., Ciceroni С, Berunetti F., Di A. Proc. IEEE Int. Vac. Electron Conf. (IVEC'13). Paris. 21-23 May. 2013. N.Y.: IEEE, 2013). Молибденовая сетка толщиной 25 мкм с квадратными отверстиями закреплялась на сеткодержателе на расстоянии 70 мкм от вершин УНТ. Совмещение вершин автоэмиссионных катодов и отверстий сеточной структуры осуществлялось с помощью оптического микроскопа.
Данный способ изготовления, так же как и предыдущий, не позволяет получать одинаковый и не приводящий к термическому разрушению катодов автоэмиссионный ток в отдельных ячейках, поскольку катоды размещены на единой токопроводящей подложке и находятся под одинаковым потенциалом. К недостаткам способа следует отнести его трудоемкость и необходимость использования дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления КСУ с остриями в форме иголок с большим аспектным отношением (отношением высоты к радиусу кривизны вершины), изготовленных методом микроразмерного лазерного фрезерования и единым электрически изолированным от катода сеточным электродом с отверстиями (Патент №2656879 (Российская Федерация). МПК: H01J 9/02. Способ изготовления катодно-сеточного узла с автоэмиссионным катодом / Шестеркин В.И., Шалаев П.Д., Соколова Т.Н., Сурменко Е.Л., Бессонов Д.А., Попов И.А. Заявка №201106719. Заявлено 28.02.2017. Опубликовано 07.06.2018. Бюл. №16).
Недостатком данного способа является то, что острия с большим аспектным отношением формируются из единой заготовки из токопроводящего материала, имеют для всех автоэмиттеров общее основание и электрически не отделены друг от друга, что не позволяет подавать на каждый из катодов различные по величине потенциалы относительно общей сетки и тем самым создавать одинаковые эмиссионные токи в каждой ячейке и контролировать их величину в пределах безопасного значения для устойчивой и долговечной работы КСУ в целом.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа изготовления КСУ с множеством ячеек, в которых автоэмиссионные катоды электрически изолированы друг от друга и имеют отдельные и независимые друг от друга электрические выводы. Создание такого способа изготовления позволит обеспечить возможность измерения токов в каждой ячейке и их подстройки (увеличения или уменьшения путем подачи различных по величине разностей потенциалов в каждой ячейке) в пределах безопасных значений, не приводящих к расплавлению вершин автоэмиттеров теплом Джоуля, тем самым обеспечивая надежность и долговечность работы КСУ.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления КСУ с автоэмиссионными катодами, содержащем изготовление многоострийного автоэмиссионного катода из единой заготовки, изготовление сеточного электрода с числом отверстий, равным числу единичных автоэмиссионных катодов, закрепление сеточного электрода с отверстиями в КСУ через диэлектрическое кольцо, согласно предлагаемому изобретению, каждый единичный автоэмиссионный катод размещен на диэлектрической подложке, неразъемно соединен с нею методом пайки или склеивания, электрически изолирован от других единичных автоэмиссионных катодов и имеет независимый от других катодов электрический вывод.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. Позициями обозначены:
1 - диэлектрическая подложка; 2 - отверстия для электрических выводов; 3 - пленка-припой или слой токопроводящего клея; 4 - электрические выводы; 5 - заготовка для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода; 6 - единичные автоэмиссионные катоды; 7 - диэлектрическое кольцо; 8 - сеточный электрод; 9 - отверстия сеточного электрода.
На фиг. 1 представлена последовательность технологических операций изготовления КСУ, где: а) - изготовление диэлектрической подложки (1); б) - формирование отверстий для электрических выводов (2); в) - формирование пленки-припоя или слоя токопроводящего клея (3) и размещение в отверстиях электрических выводов (4) из отрезков металлической проволоки; г) - размещение заготовки для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода (5) и пайка; д) - формирование единичных автоэмиссионных катодов (6); е) - удаление пленки-припоя или слоя токопроводящего клея (3) в зазорах между основаниями катодов с диэлектрической подложки; ж) - изготовление, размещение и закрепление диэлектрического кольца (7) для крепления сеточного электрода (8); з) - размещение и закрепление сеточного электрода (8) с отверстиями (9).
Единичные автоэмиссионные катоды (6) в форме конуса, треугольной либо многоугольной пирамиды, в форме лезвия с плоской либо заостренной вершиной формируются любым известным способом, например, химическим травлением либо лазерным фрезерованием. Припой либо токопроводящий клей для приклеивания единичных автоэмиссионных катодов из углеродных материалов между основаниями автоэмиттеров затем удаляется с поверхности диэлектрической подложки. Заготовка для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода (5) закрепляется на диэлектрической подложке (1) с вставленными в ее отверстия (2) электрическими выводами (4) из металлической проволоки методом пайки либо с помощью токопроводящего клея. Сеточный электрод (8) закрепляется на диэлектрическом кольце (7) таким образом, чтобы вершины единичных автоэмиссионных катодов (6) располагались по центру отверстий (9) на уровне наружной плоскости сеточного электрода (8) для предотвращения оседания автоэмиссионного тока на сеточный электрод.
Источники информации
1. Spindt С.А. A Thin - Film Field - Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968, Vol.39, No 7, PP. 3504-3505.
2. Ulisse G., Ciceroni C, Berunetti F., Di A. Proc. IEEE Int. Vac. Electron Conf. (IVEC'13). Paris. 21-23 May. 2013. N.Y.: IEEE, 2013
3. Патент №2656879 (Российская Федерация). МПК:Н0и 9/02. Способ изготовления катодно-сеточного узла с автоэмиссионным катодом / Шестеркин В.И., Шалаев П.Д., Соколова Т.Н., Сурменко Е.Л., Бессонов Д.А., Попов И.А.