RU2806270C1

RU2806270C1 - Method for manufacturing blade type field emission cathode

Info

Publication number: RU2806270C1
Application number: RU2022130939A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Дюжев; Максим Александрович Махиборода; Татьяна Алексеевна Грязнева
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2023-10-30

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: method for manufacturing a blade-type field emission cathode includes the operations of sequential application of a relief film, a film of cathode material acting as etching masks, and formation of the emitting surface of the field emission cathode - blade-shaped ribs. The edge of the emitting surface is formed by liquid anisotropic etching of silicon until the etch front reaches the stop layer - a relief film consisting of a combination of two layers: one SiO₂ layer and one Si₃N₄ layer.

EFFECT: improved stability of emissivity of cathodes.

1 cl

Description

Изобретение относится к электронной технике, к изготовлению катодов электронных приборов СВЧ-типа, например, в лампах бегущей волны (ЛБВ).The invention relates to electronic technology, to the manufacture of cathodes for microwave-type electronic devices, for example, in traveling wave lamps (TWTs).

Известен катод для ламп бегущей волны и ламп обратной волны, имеющий корпус, выполненный из тугоплавкого металла, в торцевой части которого погружена пропитанная активным веществом и покрытая снаружи слоем металла платиновой группы вольфрамовая губка, у которой по внешней обращенной наружу торцевой части эмитирующей поверхности равномерно распределены микроотверстия, отличающийся тем, что микроотверстия выполнены идентичными лазерной микрогравировкой /1/. Главными недостатками тугоплавких термокатодов являются невысокие экономичность и долговечность, что связанно с большими затратами мощности на подогрев и испарения материала.A known cathode for traveling wave lamps and backward wave lamps has a housing made of refractory metal, in the end part of which a tungsten sponge impregnated with the active substance and coated on the outside with a layer of platinum group metal is immersed, in which microholes are evenly distributed along the outer outward end part of the emitting surface. , characterized in that the microholes are made identical to laser microengraving /1/. The main disadvantages of refractory thermal cathodes are their low efficiency and durability, which is associated with high power consumption for heating and evaporating the material.

Известен способ изготовления замедляющей системы для лампы бегущей волны, в состав которой входит лезвийный катод, так как предполагается использование ленточных электронных пучков /2/. Но, так же как и в предыдущем варианте, катод является термоэмиссионным. Недостатком данного вида катодов является высокая температура, необходимая для эффективной эмиссии электронов, приводящая к увеличению энергопотребления, снижению ресурса устройства, увеличению габаритных размеров и других нежелательных эффектов.There is a known method for manufacturing a slow-wave system for a traveling wave lamp, which includes a blade cathode, since the use of ribbon electron beams /2/ is assumed. But, just like in the previous version, the cathode is thermionic. The disadvantage of this type of cathode is the high temperature required for effective electron emission, which leads to increased energy consumption, reduced device life, increased overall dimensions and other undesirable effects.

Наиболее близким техническим решением является формирование автоэлектронных катодов лезвийного типа, который представляет собой последовательное нанесение на подложку рельефной пленки, имеющей отверстия с отвесными стенками, и пленки материала катода, после удаления пленки рельефа снимают верхнюю часть всех слоев катодной пленки кроме одной /3/. При этом толщина ребра будет порядка 0,1-0,2 мкм. Недостатком данного способа является относительно большая толщина эмитирующей части, в связи с этим для инициирования эмиссии необходимо прикладывать высокие напряжения.The closest technical solution is the formation of blade-type field-electronic cathodes, which consists of sequentially applying a relief film on a substrate, which has holes with steep walls, and a film of cathode material; after removing the relief film, the upper part of all layers of the cathode film except one is removed /3/. In this case, the thickness of the fin will be about 0.1-0.2 microns. The disadvantage of this method is the relatively large thickness of the emitting part; therefore, high voltages must be applied to initiate emission.

Задачей настоящего изобретения является повышение стабильности эмиссионной способности катодов за счет повышения точности воспроизведения геометрии лезвийной эмитирующей части, и возможной замены термоэмиссионных катодов в составе электронных приборов СВЧ-типа для улучшения их технологических характеристик.The objective of the present invention is to increase the stability of the emissive ability of cathodes by increasing the accuracy of reproducing the geometry of the blade emitting part, and the possible replacement of thermionic cathodes as part of microwave-type electronic devices to improve their technological characteristics.

Предложен способ изготовления автоэмиссионного катода лезвийного типа, включающий операции последовательного нанесения рельефной пленки, пленки материала катода, выступающих в роли масок травления и формирование эмитирующей поверхности автоэмиссионного катода - ребра лезвийной формы, отличающийся тем, что ребро эмитирующей поверхности формируется жидкостным анизотропным травлением кремния.A method for manufacturing a blade-type field emission cathode is proposed, which includes the operations of sequential application of a relief film, a film of cathode material acting as etching masks and the formation of the emitting surface of the field emission cathode - a blade-shaped edge, characterized in that the edge of the emitting surface is formed by liquid anisotropic etching of silicon.

Описанный выше способ позволяет формировать лезвия с хорошо воспроизводимой геометрией, поскольку угол при вершине определяется взаимным расположением кристаллографических плоскостей 111 и 100 монокристаллического кремния, и в теории равен 54,75°. При выходе фронта растрава на стоп-слой, состоящий из комбинации слоев SiO₂ и Si₃N₄, формируется клиновидная кромка, на краю которой остается лишь нескольких атомных слоев.The method described above makes it possible to form blades with a highly reproducible geometry, since the apex angle is determined by the relative position of the crystallographic planes 111 and 100 of monocrystalline silicon, and in theory is equal to 54.75°. When the etch front reaches the stop layer, consisting of a combination of SiO ₂ and Si ₃ N ₄ layers, a wedge-shaped edge is formed, at the edge of which only a few atomic layers remain.

Использование анизотропных травителей позволяет получать хорошо воспроизводимую геометрию микроструктур, что объясняется различием влияния травителей на кристаллографические плоскости кремния. В начале травления канавка плоская, далее, по мере углубления она принимает V-образную форму. Глубина канавки определяется размерами отверстия в диэлектрической маске. Останавливающим слоем выступают слои оксид кремния и нитрида кремния. В связи с этим концентрация и температура травителя подбирается с учетом минимальной скорости травления оксида кремния.The use of anisotropic etchants makes it possible to obtain a well-reproducible geometry of microstructures, which is explained by the difference in the influence of etchants on the crystallographic planes of silicon. At the beginning of etching, the groove is flat, then, as it deepens, it takes on a V-shape. The depth of the groove is determined by the size of the hole in the dielectric mask. The stopping layer is layers of silicon oxide and silicon nitride. In this regard, the concentration and temperature of the etchant are selected taking into account the minimum etching rate of silicon oxide.

Возможность изготовления автоэмиссионных катодов лезвийного типа по предлагаемой технологии была подтверждена экспериментально. Формирование катодов лезвийного типа проводилось в объеме подложки монокристаллического кремния КДБ (100). В роли маски травления выступала комбинация слоев: SiO₂ толщиной 0,6 мкм и Si₃N₄ толщиной 0,13 мкм. В работе лезвия получали анизотропным травлением кремния в растворе гидроокиси, был применен мягкий режим травления кремния 10% КОН температура - 800°С). Радиус скругления эмитирующей кромки составил 3-5 атомных слоев.The possibility of manufacturing blade-type field emission cathodes using the proposed technology was confirmed experimentally. The formation of blade-type cathodes was carried out in the volume of a monocrystalline silicon substrate KDB (100). The etching mask was a combination of layers: SiO ₂ 0.6 μm thick and Si ₃ N ₄ 0.13 μm thick. In this work, the blades were obtained by anisotropic etching of silicon in a hydroxide solution; a soft silicon etching mode was used (10% KOH temperature - 800°C). The rounding radius of the emitting edge was 3-5 atomic layers.

Однородность поверхности и атомарные размеры эмитирующей части позволяют обеспечить высокий уровень эмиссионного тока порядка 10⁴ А/см², и, следовательно, улучшить технические характеристики работы устройства, в состав которого входит автоэмиссионный катод.The homogeneity of the surface and the atomic dimensions of the emitting part make it possible to provide a high level of emission current of the order of 10 ⁴ A/cm ² , and, consequently, to improve the technical characteristics of the device, which includes a field emission cathode.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №106440.1. RF Patent No. 106440.

2. Патент РФ №183912.2. RF Patent No. 183912.

3. Патент СССР №346766 - прототип.3. USSR patent No. 346766 - prototype.

Claims

A method for manufacturing a blade-type field emission cathode, including sequential application of a relief film, a film of cathode material acting as etching masks, and the formation of the emitting surface of the field emission cathode - a blade-shaped edge, characterized in that the edge of the emitting surface is formed by liquid anisotropic etching of silicon before the etch front emerges on the stop layer - a relief film consisting of a combination of two layers: one layer of SiO ₂ and one layer of Si ₃ N ₄ .