EP0890973B1 - Cathode froide à micropointes - Google Patents

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EP0890973B1
EP0890973B1 EP98401651A EP98401651A EP0890973B1 EP 0890973 B1 EP0890973 B1 EP 0890973B1 EP 98401651 A EP98401651 A EP 98401651A EP 98401651 A EP98401651 A EP 98401651A EP 0890973 B1 EP0890973 B1 EP 0890973B1
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EP
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grid
substrate
point
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microtips
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EP98401651A
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Didier Pierrejean
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
    • H01J3/022—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source with microengineered cathode, e.g. Spindt-type

Definitions

  • the present invention relates to a cold microtip cathode.
  • Such a cathode is also known under the expression “microcathode with field effect” or also “Spindt” cathode.
  • An example of such a structure is known from the document “Journal of Applied Physics ", T words 47, No 12, Déc. 1976; Spindt et al:” Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones ", pages 5248-5263"
  • the invention applies to mass spectrometers in which the electron emitting heating electric filament is replaced by such a cold microtip cathode.
  • Such cold cathodes are electron emitting devices produced by semiconductor processes.
  • the present invention therefore aims to provide a cold cathode to microtips which improves the homogeneity of the electron emission of its microtips.
  • the subject of the invention is therefore a cold microtip cathode comprising a substrate comprising a network of microtips and a plate disposed parallel to the substrate carrying the points, said plate comprising a hole opposite each point and thus constituting a grid, a filling insulator.
  • Figure 1 is a partial schematic view showing a portion of cold microtip cathode according to the invention.
  • FIGS. 2, 3 and 4 are the curves of the value of the field at the end of the tips as a function, respectively, of the value of the parameters d, R T and R GH .
  • Figure 1 thus shows a portion of cold cathode where a single point is shown.
  • the tips such as 1 are formed on a substrate 2.
  • a plate 3, called a grid, and carrying a hole 4 of radius R GH opposite each tip is arranged parallel to the substrate 2.
  • An insulator 5 fills the space between the substrate 2 and grid 3 outside the points.
  • Figure 2 shows the value of the field E in 10 9 v / m as a function of d.
  • FIG. 3 shows the value of the field as a function of R T
  • Figure 4 shows the value of the field as a function of R GH .

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Description

La présente invention concerne une cathode froide à micropointes.
Une telle cathode est également connue sous l'expression "microcathode à effet de champ" ou aussi cathode "Spindt". Un example d'une telle structure est connu du document "Journal of Applied Physics", Tôme 47, Nº 12, Déc. 1976; Spindt et al : "Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones", pages 5248-5263"
En particulier, l'invention s'applique aux spectromètres de masse dans lesquels le filament électrique chauffant émetteur d'électrons est remplacé par une telle cathode froide à micropointes. De telles cathodes froides sont des dispositifs émetteurs d'électrons réalisés par des procédés semiconducteurs.
Ces cathodes froides sont malheureusement peu performantes, de l'ordre de 10% seulement des pointes d'un réseau de micropointes émettent. Ceci est dû à la non homogénéité du réseau de pointes à cause, entre autre, des tolérances de fabrication.
Ainsi, à cause de cette non homogénéité des pointes, le champ électrique en bout de pointe varie beaucoup d'une pointe à l'autre, or, l'émission d'électrons suit une loi exponentielle en fonction du champ électrique en bout de pointe. On a donc une hétérogénéité de l'émission qui est dommageable. Cet inconvénient est accru si l'on travaille à "haute pression", par exemple à une pression égale ou supérieure à 10-4 mbar. En effet, si une pointe émet plus d'électrons que ses voisines, elle est plus sensible aux phénomènes de retour d'ions positifs et de création d'arc qui détériorent les pointes.
La présente invention a donc pour but de proposer une cathode froide à micropointes qui permet d'améliorer l'homogénéité de l'émission d'électrons de ses micropointes.
L'invention a ainsi pour objet une cathode froide à micropointes comprenant un substrat comportant un réseau de micropointes et une plaque disposée parallèlement au substrat portant les pointes, ladite plaque comportant un trou en face de chaque pointe et constituant ainsi une grille, un isolant comblant l'espace entre le substrat et ladite grille en dehors desdites pointes, caractérisée en ce que la distance d, nominale, séparant le sommet d'une pointe, de la face de ladite grille la plus éloignée du substrat est d = 0, en ce que le rayon de courbure RT, nominal, du sommet de chaque pointe est RT = 25 nm et en ce que le rayon RGH, nominal, desdits trous de la grille est de RGH = 1,3 µm.
Les expériences ont en effet montré que dans la géométrie d'une cathode froide, certains paramètres sont très importants, il s'agit précisément des paramètres ci-dessus : d : distance qui sépare le sommet d'une pointe, de la face de la grille la plus éloignée du substrat ; RT rayon de courbure du sommet des pointes et RGH le rayon des trous de la grille en face de chaque pointe.
Pour ces trois paramètres, on a trouvé une valeur nominale pour laquelle la dérivée totale de la valeur du champ en bout de pointes, par rapport à ces trois paramètres d, RT et RGH, est minimale et correspond donc à une valeur du champ en bout de pointes ayant une dispersion minimale.
Dans ces conditions, on obtient un réseau optimisé, c'est-à-dire pour lequel le champ électrique en bout de pointes varie très peu, dans les limites de tolérances de fabrication, autour de la valeur nominale de ces paramètres. Ces valeurs nominales sont ainsi les suivantes : d = 0, RT = 25 nm et RGH = 1,3 µm.
Le résultat est que l'on obtient un réseau ayant un nombre élevé de pointes qui émettent de la même façon, trois ou quatre fois plus que dans un réseau non optimisé.
La figure 1 est une vue schématique partielle montrant une portion de cathode froide à micropointes selon l'invention.
Les figures 2, 3 et 4 sont les courbes de la valeur du champ en bout de pointes en fonction, respectivement, de la valeur des paramètres d, RT et RGH.
La figure 1 montre ainsi une portion de cathode froide où une seule pointe est représentée. Les pointes telles que 1 sont formées sur un substrat 2. Une plaque 3, appelée grille, et portant un trou 4 de rayon RGH en face de chaque pointe est disposée parallèlement au substrat 2. Un isolant 5 comble l'espace entre le substrat 2 et la grille 3 en dehors des pointes.
Conformément à l'invention, la valeur nominale de RGH = 1,3 µm avec une tolérance correspondant à la tolérance de fabrication de ± 0,2 µm ; la valeur nominale du rayon de courbure RT du sommet de chaque pointe 1 est RT = 25 nm, la tolérance de fabrication étant de ± 5 nm ; et la valeur nominale de la distance d séparant le sommet d'une pointe 1 de la face de la grille 3 la plus éloignée du substrat 2 est d = 0, la tolérance de fabrication étant de ± 0,5 µm.
La figure 2 montre la valeur du champ E en 109 v/m en fonction de d.
La figure 3 montre la valeur du champ en fonction de RT,
   et la figure 4 montre la valeur du champ en fonction de RGH.
Le calcul montre que la dérivée totale du champ par rapport à ces trois paramètres, est minimale pour ces valeurs d = 0, RT = 25 nm et RGH = 1,3 µm.

Claims (1)

  1. Cathode froide à micropointes (1) comprenant un substrat (2) comportant un réseau de micropointes (1) et une plaque disposée parallèlement au substrat portant les pointes (1), ladite plaque comportant un trou (4) en face de chaque pointe et constituant ainsi une grille (3), un isolant (5) comblant l'espace entre le substrat (2) et ladite grille (3) en dehors des pointes (1), caractérisée en ce que la distance d, nominale, séparant le sommet d'une pointe (1) de la face de ladite grille (3) la plus éloignée du substrat (2) est d = 0, en ce que le rayon de courbure RT, nominal, du sommet de chaque pointe (1) est RT = 25 nm et en ce que le rayon RGH, nominal, desdits trous (4) de la grille (3) est RGH = 1,3 µm.
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