CN104798170A - 用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法 - Google Patents

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CN104798170A CN201380060306.XA CN201380060306A CN104798170A CN 104798170 A CN104798170 A CN 104798170A CN 201380060306 A CN201380060306 A CN 201380060306A CN 104798170 A CN104798170 A CN 104798170A
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哈里什·马诺哈拉
户田利作
琳达·Y·德尔卡斯蒂罗
拉可什·莫西
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Abstract

根据本发明的实施例所述的系统和方法专业地生产基于碳纳米管的真空电子器件。在一个实施例中，制造基于碳纳米管的真空电子器件的方法包括：使碳纳米管生长到衬底上以形成阴极；组装包括所述阴极、阳极和包括对准槽的第一层的叠层；在所述叠层的组装期间将微球体部分地设置到所述对准槽中，使得所述微球体从所述对准槽伸出并且可以由此将所述第一层和相邻层分离；以及将所述叠层包封在真空密封容器中。

Description

用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法
联邦资助的声明
本文所述的发明根据美国航空航天局(NASA)合同在执行工作中做出，并以其中立约人已选择保留所有权的《公法96-517(35U.S.C.202)》的规定为依据。
发明领域
本发明总体上涉及基于碳纳米管的真空电子器件的制造。
背景
真空电子设备是一个通常引用依赖于电子发射原理在真空的环境中应用的电子器件的广义术语。例如，二极管、三极管、四极管和五极管可以制造为真空电子器件。最近，已针对碳纳米管(CNT)提供用于在真空电子器件内的可行的电子发射器的可能性，对其进行了研究。具体地，碳纳米管呈现出大量的属性，这些属性可能暗示它们可以制作良好的场致发射器，并且可以由此提高真空电子器件的功能。由于基于碳纳米管的真空电子器件可以赋予的许多优点，存在改进它们的制造以使它们可以变得更具有商业可行性的需要。
发明概述
根据本发明的实施例所述的系统和方法专业地生产基于碳纳米管的真空电子器件。在一个实施例中，制造基于碳纳米管的真空电子器件的方法包括：在衬底上生长碳纳米管以形成阴极；组装包括阴极、阳极、以及包括对准槽的第一层的叠层；在叠层的组装期间将微球体部分地设置到对准槽中，使得该微球体从对准槽伸出并且可以由此将第一层和相邻层分离；以及将叠层包封在真空密封容器中。
在另一个实施例中，组装叠层包括使用自动化或半自动化精密设备来实施贴片(pick and place)组装技术，以组装叠层。
在又一个实施例中，叠层还包括另外的电极。
在另一个其他实施例中，另外的电极是下列之一：引出栅电极(extraction grid electrode)、栅极电极和聚焦电极(focusing electrode)。
在又一个其他实施例中，另外的电极是引出栅电极和栅极电极之一，并且另外的电极包括下列之一：微机械加工硅栅和电铸金属网。
在另外的实施例中，另外的电极包括电铸金属网，所述电铸金属网是下列之一：TEM格栅和标准滤网。
在又一个另外的实施例中，叠层还包括介电层。
在另外的其他实施例中，介电层是下列之一：环形云母和环形陶瓷。
在又一个另外的其他实施例中，介电层的厚度在约10μm和约100μm之间。
在另一个实施例中，第一层容纳下列之一：阴极、阳极、另外的电极和介电层。
在又一个实施例中，组装叠层还包括使用下列之一结合(affix)叠层内的层和电极的空间关系：真空相容环氧树脂、硬装机械夹具、以及它们的组合。
在另一个其他实施例中，将叠层包封在真空密封容器中包括将叠层放置在标准真空管封装容器中、将真空管封装容器抽至高真空、以及气密地密封该真空管封装容器。
在又一个其他实施例中，将叠层包封在真空密封容器中包括使用焊料回流接合技术。
在另外的实施例中，将微球体部分地设置到对准槽中包括使用末端执行器将该微球体放置到对准槽中。
在又一个另外的实施例中，末端执行器是下列之一：真空镊子和微机械加工的活动夹钳。
在另外的其他实施例中，组装叠层还包括测试叠层的每层以获取对准精度。
在又一个另外的其他实施例中，组装叠层还包括使用焊料回流或真空相容的导电环氧树脂将阴极附接到组装平台。
在另一个实施例中，碳纳米管在含钛衬底上生长。
在又一个实施例中，所生长的碳纳米管被焊接到衬底。
在另一个其他实施例中，微球体被设置成帮助相对于相邻层对准第一层。
附图简述
图1示出根据本发明的实施例所述的用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的过程。
图2示出根据本发明的实施例所述的可以用于使部件在叠层内定向的支承件。
图3示出根据本发明的实施例所述的三极管混合微组件叠层的分层。
图4示出根据本发明的实施例所述的不使用微球体的三极管混合微组件叠层的分层。
图5A-5D示出可以根据本发明的实施例组装的三极管混合微组件叠层。
图6示出可以根据本发明的实施例实施的DIP。
图7示出用于已根据本发明的实施例组装的组装叠层的测试的示意图。
图8A-8F示出根据本发明的实施例使用UV固化环氧树脂结合在二极管混合微组件内的部件的空间关系。
图9A-9F示出根据本发明的实施例使用热固化环氧环氧树脂结合在二极管混合微组件内的部件的空间关系。
详细描述
现在转向附图，示出了用于专业地制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法。在许多实施例中，制造基于碳纳米管的真空电子器件包括在组装构成部件的叠层中利用微球体，以在将它们密封进真空装盒之前精确地对准它们。在多个实施例中，叠层内的层包括容纳微球体的对准槽，并且由此促进构成部件的对准。在若干实施例中，在组装过程期间重复地评估部件层的对准，以确保精度在容差内。以这种方式，基于碳纳米管的真空电子器件可以以高精确度进行制造。此外，制造过程的许多方面适合于自动化或至少半自动化。因此，制造过程可以用于以高精确度大批量生产基于碳纳米管的真空电子器件。
微型数字真空电子器件已被研究用于其在极端环境中的潜在应用，例如，应用在常规的基于CMOS的电子器件可能会失败的环境。例如，H.Manohara等人公开了微型数字真空反多子栅极(inverse majority gate)的制造(H.Manohara等人，Proc.Of SPIE，第7594卷，第75940Q-1至75940Q-5页(2010))，其实施相当复杂的结构，该结构包括三组场致发射器、划分三组场致发射器的三个不同栅极电极结构和分成三个对应部分的重叠阳极。阳极分成三个部分，使得重叠的区域可以减少，并且米勒(Miller)电容可以减小。以这种方式，反多子栅极可以实现高速操作。H.Manohara等人提出此类器件可以适合于在地球外环境中操作，因为其能够在极端条件下维持操作。H.Manohara等人的Proc.Of SPIE，第7594卷，第75940Q-1至75940Q-5页(2010)据此通过引用并入本文。
值得注意的是，在许多情况下，依赖碳纳米管(CNT)作为许多微型数字真空电子器件中的电子发射源，因为它们可以提供许多优点。例如，CNT属于如由拉伸强度测量的最强材料且属于如由弹性模量测量的最硬材料。此外，也已经确定CNT具有突出的电场发射性能，在低电场强度下具有高的发射电流(例如，施加的场从1-3V/μm且来自单个纳米管的发射电流约0.1mA)。因此，CNT由此作为冷阴极场发射源是有吸引力的，尤其是对于要求高电流密度(每平方厘米数百至数千安培)和轻质封装容器(高频真空管源)的应用是有吸引力的。实际上，在美国专利申请号11/137,725(作为美国专利号7,834,530发布)中，Manohara等人公开了用于提供有利性能特性的基于高密度碳纳米管的场致发射器的特定配置。例如，Manohara等人公开了在衬底上的束直径在约1μm和2μm之间的情况下，并且在衬底上的CNT束以约5μm的距离彼此间隔开的情况下，包括设置在衬底上的多个CNT束的场致发射器表现出特别有利的性能特性。美国专利号7,834,530据此通过引用并入本文。
不幸的是，此类结构的复杂性从制造角度来看可能是不利的。因此，H.Manohara等人在2013年3月12日提交的美国专利申请号13/796,943中提出用于更有利于制造的微型数字真空电子设备的方案，该美国专利申请的公开内容据此通过引用并入本文。特别地，H.Manohara等人描述了不需要使用栅极电极的微型数字真空电子设备。尽管如此，在许多情况下，可能需要确实需要使用栅极电极的更复杂的真空电子器件；因此，制造面临的挑战在这些情况下可能仍然存在。
重要的是，虽然微型数字真空电子设备内包括CNT可以提供许多优点，但是基于CNT的真空电子设备的制造可能是具有挑战性的。例如，在其中使用单片集成技术制造包括多个电极的基于CNT的真空电子设备的许多情况下，所利用的处理技术通常基本上是密集的过程并导致低产量。这可以归因于制造此类复杂器件的难度，并且也归因于实施CNT造成的独特挑战。例如，精确地控制CNT的生长可能是困难的，这常常是通常使用的制造过程的最后步骤。此外，CNT容易移动(且由此可以产生短路)，并且因此，必须非常小心，以确保CNT的适当的最后对准。由于此类制造面临的挑战，通常难以大批量地制造此类基于CNT的微型电子器件。
因此，本发明的许多实施例提供可以解决上述缺点中的一些缺点的更加专业的制造过程。例如，在许多实施例中，构成部件被单独地制造，随后堆叠，且然后密封在真空装盒中。重要的是，叠层内的部件可以包括特征部和/或子部件，以促进它们的精确对准。因此，许多实施例包括对准槽，由此诸如微球体等的对准特征部可以用于促进对准过程。
现在在下面更详细地讨论用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的过程。
用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的过程
在本发明的许多实施例中，基于CNT的真空电子器件的制造设计为效率高的，并且在许多情况下，有利于所述器件的批量制造。在许多实施例中，构成部件被单独地制造且然后组装到要包封在真空密封容器中的叠层中；在许多实施例中，叠层包括促进对准过程的特征部和/或子部件。
图1中示出用于制造基于CNT的真空电子器件的过程。过程100包括使碳纳米管生长到衬底上以形成阴极102。可以实施用于使CNT生长的任何合适的技术，并且可以以任何合适的方式使CNT生长。例如，CNT可以根据上述通过引用并入的美国专利号7,834,530生长；因此，CNT可以生长为设置在衬底上的多个纳米管束，其中所述束的直径在约1μm和约2μm之间，并且其中所述CNT束以约5μm的距离彼此间隔开。如在美国专利号7,834,530中说明的，此类配置可以产生有利的性能特性。此外，它们可以根据H.Manohara等人的美国专利申请号14/081,932提供的指导生长，该美国专利申请的公开内容据此通过引用并入本文。美国专利申请号14/081,932公开了通过使具有催化剂的基板图案化，在催化剂上生长碳纳米管，以及将衬底加热到其中它开始软化使得至少一个碳纳米管的至少一部分由软化的衬底包封的程度，可以实现稳固的基于碳纳米管的场致发射器。以这种方式，碳纳米管可以很好地粘附到衬底上。美国专利申请号14/081,932公开了衬底可以包含钛；因此，在本发明的许多实施例中，衬底包含钛。当然，应该理解的是，虽然已经讨论了用于使CNT生长到衬底上的若干技术，但是用于这样做的任何合适的技术可以根据本发明的实施例来实施。
过程100还包括步骤104，即：组装包括阴极、阳极和包括对准槽的至少第一层的叠层。通常，叠层可以限定基于CNT的真空电子器件的主体。叠层还可以包括各种构成部件中的任何构成部件，以便实现基于CNT的真空电子器件的期望功能。例如，叠层可以包括附加的电极，如引出电极、栅极/栅电极、加速电极和/或聚焦电极；介电层；和/或可以容纳叠层内的部件的层。通常，栅极/栅电极可以允许相对小的电压变化，以引起非常大的阳极电流变化。另一方面，聚焦电极可以用于增加电子束密度，从而通过将其聚焦到叠层内的相关联电极上来增加电流密度。引出电极可以与栅极/栅电极结合使用，并且可以减小调节电流所需的电压(例如，约＜1V)。通过示例的方式，引出电极和/或栅极电极可以包括下列之一：微机械加工硅栅(例如，在JPL开发的那些硅栅)和电铸金属网(例如，如由诸如BUCKBEE-MEARS公司等商业实体出售的那些TEM栅或标准滤网)。此外，介电层可以是云母或其他可机械加工的陶瓷。在一些实施例中，介电层的厚度在约10μm和约100μm之间。
重要的是，构成部件可以在组装之前单独地制造。以这种方式，每个部件可以被定制，以便实现期望的特性。因此，例如，每个构成部件的制造都可以采用不同于用于其他部件的那些制造技术的制造技术。此外，各个部件可以以定制的精密水平制造。这种灵活性水平可以最终允许制造更稳固的基于CNT的真空电子器件。此外，由于构成部件可以被单独地制造，所以它们可以以高的保真度水平(例如，在严格规定的容差内)来生产。在每个构成部件根据高的保真度水平来生产的情况下，所得的基于CNT的真空电子器件可以具有较高的质量。
包括对准槽的第一层可以根据本发明的实施例与任何部件相关联。例如，在一些实施例中，包括对准槽的第一层是阴极支承件。在许多实施例中，包括对准槽的第一层是栅极支承件。在若干实施例中，第一层是阴极衬底。通常，第一层可以由叠层内的任何部件实现。
图2示出可以用于支撑叠层内的部件的根据本发明的实施例的支承件。该支承件可以根据本发明的实施例用于支撑例如阴极或栅极。在该图中，支承件200被示出包括用于容纳叠层内的部件的切口(carve out)202，并且还包括可以用于促进叠层内部件的对准的对准槽204。当然，应该理解的是，对准槽204可以具有任何合适的形状，并且不局限于图2中所示的外形格局。
步骤106：在叠层的组装期间，将微球体设置在对准槽内，使得它们从所述槽伸出。以这种方式，它们可以帮助在空间上使叠层内的部件定向。图3示出微球体可以如何设置在对准槽内，以使在用于根据本发明的实施例形成三极管的叠层内的部件在空间上定向。特别地，该图示出阴极302、阴极支承件304、栅极306和栅极支承件308的分层。如在该图中所示，微球体310可以用于促进各层的适当对准。特别地，示出了微球体310被设置在对准槽312内，使得所述微球体从所述对准槽伸出，并且可以由此确立相邻层之间的期望分离距离。以这种方式，微球体可以促进精确对准。微球体可以使用任何合适的技术来安置在对准槽中。在一些实施例中，末端执行器用于安装微球体。在许多实施例中，末端执行器是下列之一：真空镊子和定制设计的微机械加工的活动夹钳。当然，用于放置微球体的任何合适的技术都可以被实施。也应当注意的是，虽然描述并讨论了微球体，但是任何合适的子部件都可以用于促进叠层中的各层之间的精确对准。
在许多实施例中，微球体不用于促进对准并且相反，精确对准由在包括对准槽的叠层内的部件促进。图4示出了根据本发明的实施例的不利用微球体的构成部件的分层。特别地，阴极衬底402和栅极404使用具有对准槽406的板来对准。
通常，任何相容的组装技术分批可以根据本发明的实施例并入。例如，在许多实施例中，自动化(和/或半自动化)机械可以用于促进叠层的组装。因此，在许多实施例中，贴片技术与构成部件分层结合使用以形成根据本发明的实施例的叠层。自动化和/或半自动化可以大大地促进基于CNT的真空电子器件的批量制造。在许多实施例中，叠层在组装之后和在最后真空密封之前被结合。例如，在许多实施例中，使用环氧树脂(例如UV固化环氧树脂或热固化环氧树脂)结合叠层。例如，在许多实施例中，叠层被使用机械紧固件以机械方式结合。在许多实施例中，构成部件被间歇地分层和粘贴。因此，例如，在一些实施例中，叠层内的第一构成部件和第二构件部件被分层，并且在包括附加的构成部件之前彼此结合(例如，经由环氧树脂)；在添加附加的构成部件的情况下，所述附加的构成部件可以在添加另外的构成部件之前结合到叠层。在许多实施例中，叠层的对准在组装期间被间歇地检查，以验证对准过程的功效。
图5A-5D根据本发明的实施例示出要在基于CNT的三极管真空电子器件的制造中实现的先前在图3中所示的组装的叠层。特别地，图5A示出组装叠层的前视图，图5B示出组装叠层的顶视图，图5C示出组装叠层的侧视图，并且图5D示出组装叠层的剖视图。
叠层的组装可以与任何合适的衬底下面的基部相关联。例如，在许多实施例中，阴极衬底使用焊料回流或真空相容的导电环氧树脂结合到组装平台。在许多实施例中，焊料回流接合用于将叠层结合到常规的封装容器，如无引线芯片载体(LCC)封装容器和双列直插式封装容器(DIP)。叠层到常规封装容器的接合可以包括使用溶剂和/或O2等离子体，以在400℃下在真空中清洁封装容器三天，以及使用2mm2Au80Sn20预制件将叠层附接到封装容器。图6示出粘附到DIP的叠层。更具体地，叠层602被示出为接合到DIP 604。
在组装之后，在将叠层包封在真空密封封装容器中之前，可以测试叠层，以确保可行性。图7根据本发明的实施例示出可以用于测试已经粘附到双列直插式封装容器的叠层的测试台。特别地，测试台700包括叠层702并且还包括阳极710，所述叠层702本身包括阴极704和接合到双平面内封装容器的栅电极706。线接合触头712电耦合到栅极和阳极，以允许测试叠层。
步骤108：叠层可以包封在真空密封容器中。任何合适的包封技术都可以被实施。例如，在一些实施例中，叠层被放置在标准真空管封装容器中，在所述封装容器内产生真空(到期望的程度)且然后气密地密封真空管封装容器。在许多实施例中，焊料回流接合技术与将叠层包封在真空密封容器中结合实施。在许多实施例中，吸气剂包含在真空管封装容器中，以保留真空。
在一些实施例中，包封是通过以下方式完成的：在200℃和10-6托(torr)下烘烤叠层(所述叠层可以接合到对应的封装容器)96小时；使用防止真空管包封被加热的红外光闸(IR shutters)在400℃以下烧制吸气剂；将盖子冷却到300℃；以及在300℃和10-6torr下焊接盖子。不过当然，根据本发明的实施例可以使用任何合适的包封技术。
本发明的范围还可以根据本发明的实施例相对于关于用于制造基于CNT的真空电子器件的专业制造过程的下列示例进行进一步理解。特别地，图8A-8F涉及实施UV固化环氧树脂以将二极管的构成部件彼此结合，以形成要包封在真空中的叠层的制造过程。更具体地，图8A-8B示出UV固化环氧树脂在阴极上的分配。图8C-8D示出云母垫片在环氧树脂涂覆的阴极上的后续安置。图8E-8F示出使用UV固化环氧树脂结合到云母垫片的阳极的后续安置。
类似地，图9A-9F示出使用热固化环氧树脂的用作基于CNT的二极管真空电子器件的基础的叠层的组装。特别地，图9A示出MC7880点在阴极上的沉积(deposition)；图9B示出云母垫片在阴极上的安置；图9C示出云母垫片到阴极的粘附；图9D示出MC7880点到云母垫片上的沉积；图9E示出阳极到云母垫片的粘附；并且，图9F示出在热板上固化二极管组件。
当然，应该理解的是，上述示例意在说明而不是穷举。用于结合叠层内的构成部件的任何合适的技术都可以根据本发明的实施例来实施。更通俗的说，应该理解，上述系统和方法意在说明。通常，如可以从上面的讨论推断，上述概念可以根据本发明的实施例在各种布置中实施。例如，上述过程不局限于二极管和三极管的制造；任何合适的基于CNT的真空电子器件都可以根据本发明的实施例来制造。例如，四极管和五极管可以被制造。因此，虽然本发明已经在某些具体方面中描述，但是许多附加的修改和变型对于本领域的技术人员将是明显的。因此，应当理解，本发明可以不同于具体描述的方式进行实践。因此，本发明的实施例应该在所有方面被视为说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的方法，所述方法包括：
使碳纳米管生长到衬底上以形成阴极；
组装叠层，所述叠层包括：
所述阴极；
阳极；以及
包括对准槽的第一层；
在所述叠层的组装期间将微球体部分地设置到所述对准槽中，使得所述微球体从所述对准槽伸出并且可以由此将所述第一层和相邻层分离；以及
将所述叠层包封在真空密封容器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，组装所述叠层包括使用自动化或半自动化精密设备来实施贴片组装技术以组装所述叠层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述叠层还包括另外的电极。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述另外的电极是下列之一：引出栅电极、栅极电极和聚焦电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述另外的电极是引出栅电极和栅极电极之一，并且其中，所述另外的电极包括下列之一：微机械加工的硅栅和电铸金属网。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述另外的电极包括电铸金属网，所述电铸金属网是下列之一：TEM栅和标准滤网。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述叠层还包括介电层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述介电层是下列之一：环形云母和环形陶瓷。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述介电层的厚度在约10μm和约100μm之间。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一层容纳下列之一：所述阴极、所述阳极、所述另外的电极和所述介电层。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，组装所述叠层还包括使用下列之一结合所述叠层内的层和电极的空间关系：真空相容环氧树脂、硬装机械夹具、以及它们的组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述叠层包封在真空密封容器中包括：将所述叠层放置在标准真空管封装容器中、将所述真空管封装容器抽至高真空、以及气密地密封所述真空管封装容器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述叠层包封在真空密封容器中包括使用焊料回流接合技术。
14.根据权利要求7所述的方法，其中，将微球体部分地设置到所述对准槽中包括使用末端执行器将所述微球体放置到所述对准槽中。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述末端执行器是下列之一：真空镊子和微机械加工的活动夹钳。
16.根据权利要求7所述的方法，其中，组装所述叠层还包括测试所述叠层的每层以获取对准精度。
17.根据权利要求7所述的方法，其中，组装所述叠层还包括：使用焊料回流或真空相容的导电环氧树脂将所述阴极附接到组装平台。
18.根据权利要求7所述的方法，其中，所述碳纳米管生长到含钛衬底上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所生长的碳纳米管焊接到所述衬底。
20.根据权利要求7所述的方法，其中，所述微球体被设置成帮助相对于相邻层对准所述第一层。
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