一種柵極外置式冷陰極電子源陣列及其構(gòu)成的電子槍的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種場致發(fā)射柵極外置式冷陰極電子源陣列，屬于真空電子技術(shù)領(lǐng) 域，用于真空電子福射源器件或產(chǎn)生大電流、高密度電子注的器件中。
【背景技術(shù)】
[0002] 場致電子發(fā)射是與熱電子發(fā)射在性質(zhì)上完全不同的一種電子發(fā)射形式。熱電子發(fā) 射是靠升高物體的溫度，給與物體內(nèi)部的電子W附加的能量，使一些高能電子能夠越過物 體表面上的勢壘而逸出，熱電子發(fā)射所能提供的電流密度最高不過幾百A/cm2,而且還有一 段時間的遲滯；但即使把金屬加熱到發(fā)生顯著蒸發(fā)的高溫，能夠逸出的電子數(shù)也只占金屬 中自由電子總數(shù)的極小一部分，提供給陰極的熱能絕大部分W熱福射的形式消耗掉了，該 種熱的耗散還給使用熱陰極的電子器件W及整個儀器設(shè)備都帶來不少麻煩。場致電子發(fā)射 的原理不同，它并不需要供給固體內(nèi)的電子W額外的能量，而是靠很強(qiáng)的外部電場來壓抑 物體表面的勢壘，使勢壘的高度降低并使勢壘的寬度變窄。由此，物體內(nèi)的大量電子就能穿 透過表面勢壘而逸出，場致發(fā)射陰極可W提供l〇7A/cm2W上的電流密度，沒有發(fā)射的時間 遲滯。所W，冷陰極由于電子發(fā)射效率高，可控性強(qiáng)，響應(yīng)快和能夠?qū)崿F(xiàn)大面積電子發(fā)射等 優(yōu)點，在真空微電子器件上有重要應(yīng)用前景。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，場發(fā)射電子源主要采用Spin化-type式的場發(fā)射結(jié)構(gòu)，Spin化-type 式的場發(fā)射電子源為=極結(jié)構(gòu)，包括陰極、陽極和柵極，柵極位于陰極和陽極中間，柵極產(chǎn) 生強(qiáng)電場從陰極基底拉出電子，通過陰極發(fā)射體的傳導(dǎo)，在陽極電壓的加速和聚焦電壓聚 焦作用下發(fā)射聚束電子饋入注波互作用腔或其他器件中。但在陰極發(fā)射尖錐的制備過程 中，在襯底基片上大量集成包含微發(fā)射體錐尖，由于發(fā)射體錐尖是ym量級，尺寸非常的 小，制作工藝復(fù)雜，在保證單根發(fā)射體錐尖發(fā)射電子理想的情況下，卻難W保證大量的發(fā)射 體錐尖尺寸形狀一致，從而影響了電子發(fā)射的效率W及陰極發(fā)射體的壽命。且絕緣層的存 在，易混入雜質(zhì)且降低了陰極的耐壓性，影響陰極的正常工作。
[0004] 在公開號為CN102709133A的專利文件中公開了《一種具有嵌入式電極的冷陰極 電子源陣列及其制作方法和應(yīng)用》，該專利中的嵌入式電極的冷陰極電子源陣列也是采用 了Spimlt-type式的場發(fā)射結(jié)構(gòu)。該冷陰極在其襯底上刻蝕出具有陰極電極條圖案的刻蝕 槽；接著在刻蝕槽上制作陰極電極條；然后在陰極電極條上沉積絕緣層薄膜；再在絕緣層 薄膜上制作與陰極電極條垂直的柵極電極條；接著對絕緣層薄膜進(jìn)行刻蝕；露出陰極電極 條；然后在特定局域制作生長源薄膜；最后對基板進(jìn)行熱氧化，即得到W納米線作為陰極 材料的具有嵌入式電極結(jié)構(gòu)的電子源陣列。該專利技術(shù)的制作過程十分復(fù)雜，同時，還設(shè)及 到等離子體刻蝕、化學(xué)氣相沉積、磁控瓣射、電子束蒸發(fā)等多種加工工藝；由于該嵌入式電 極的冷陰極電子源陣列在微米量級，尺寸非常小，電子源陣列在該種復(fù)雜的工藝下，勢必會 造成冷陰極發(fā)射單元W及柵極的一致性較差，良品率低，其單一發(fā)射單元出現(xiàn)問題，則會導(dǎo) 致周圍多個乃至整體的冷陰極發(fā)射單元無法產(chǎn)生電流或發(fā)射電流不均勻。而柵極在制作中 也極易造成不均勻和混入雜質(zhì)，就會使電子打到刪網(wǎng)上造成局部的發(fā)射電流過大，局部發(fā) 熱，使得器件極易損壞，影響冷陰極電子源陣列的使用壽命。
[0005] 進(jìn)一步的，因上述專利技術(shù)制作的是一種嵌入式電極的冷陰極電子源陣列，為了 避免柵極與冷陰極短路，故在柵極與冷陰極之間加入了特定的絕緣介質(zhì)。然而，正是由于 加入了特定的絕緣介質(zhì)，其介質(zhì)較薄，在微米量級，使其在制作工藝中中易混入金屬屑或雜 質(zhì)，從而導(dǎo)致介質(zhì)表面存在電流，造成打火現(xiàn)象，損毀器件，影響器件的工作。同時，由于場 致發(fā)射與表面電場強(qiáng)度有關(guān)，理論上電場強(qiáng)度越高越好，因此，對器件的耐壓強(qiáng)度有極高的 要求，但其結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的引入，反而極大地降低了器件的耐壓性，而無法產(chǎn)生大的電流。
[0006] 因此，該種具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列不適用于電真空福射源器件或需 要大電流的器件中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，性能優(yōu)良的柵 極外置式冷陰極電子源陣列。
[000引為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種柵極外置式冷陰極電子源陣列，包括冷陰極陣列固定支架和若干陰極發(fā)射單元； 在所述冷陰極陣列固定支架的上端面開設(shè)有若干數(shù)量與所述陰極發(fā)射單元相同的固定孔， 所述陰極發(fā)射單元一一對應(yīng)插入至所述冷陰極陣列固定支架上端面的開孔內(nèi)并固定。有別 于Spimlt-type式的場發(fā)射結(jié)構(gòu)，該冷陰極電子源陣列可W在宏觀上即可制作完成，工藝 簡單，精度高，一致性好等優(yōu)點，提高了部件在加工中的良品率，便于大量集成，且由于單根 的陰極發(fā)射單元是獨立的，可W隨時替換電子槍中受損或不良的陰極發(fā)射單元，節(jié)約成本。
[0009] 進(jìn)一步的，在所述陰極發(fā)射單元上種植有納米冷陰極材料。對冷陰極發(fā)射單元進(jìn) 行熱氧化，即可W得到W納米材料作為冷陰極材料的陰極發(fā)射單元陣列。納米冷陰極材料 如；石墨締、金剛石薄膜、類金剛石薄膜、碳納米管、氧化銅納米線、氧化鋒納米線和氧化鶴 納米線等。
[0010] 進(jìn)一步的，所述陰極發(fā)射單元的上端部呈圓形、弧形或尖錐形。通過上述設(shè)置，可 W保證更大的有效發(fā)射面積，圓形、弧形或尖錐形的面積大小并不作特別限定。陰極發(fā)射單 元的結(jié)構(gòu)形狀并不作特別限定，其可W是具有一節(jié)臺階的尖錐體，也可W是球形、梯形或其 他的多邊形。
[0011] 進(jìn)一步的，所述冷陰極發(fā)射單元通過機(jī)械加工或線切割工藝切割出。通過該工藝 可W確保良好的一致性。
[0012] 進(jìn)一步的，所述陰極陣列固定支架呈倒置的"凹"字形結(jié)構(gòu)。基于該結(jié)構(gòu)，陰極陣 列固定支架上的開孔設(shè)置在橫邊上，應(yīng)用時，其扣在陰極底座上并固定。陰極陣列固定支架 也可設(shè)置為其他形狀，其只要滿足安裝陰極發(fā)射單元并連接陰極底座即可。
[0013] 基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了由柵極外置式冷陰極電子源陣列構(gòu)成的電子槍， 包括陰極底座，若干陰極發(fā)射單元，固定于所述陰極底座上且上端開設(shè)有若干數(shù)量與所述 陰極發(fā)射單元相同的固定孔的冷陰極陣列固定支架，W及上端部為開口、下端部與所述陰 極底座連接并密封的電子槍外殼；所述電子槍外殼內(nèi)部為真空；所述陰極發(fā)射單元一一對 應(yīng)插入至所述冷陰極陣列固定支架上端面的開孔內(nèi)并固定；其中，電子槍外殼上端部開放 式設(shè)計便于可W接入到注波互作用腔或其他器件上得到更廣泛應(yīng)用；采用真空環(huán)境代替?zhèn)?統(tǒng)的絕緣介質(zhì)，在真空中的擊穿場強(qiáng)可W達(dá)到1. 3X108V/m，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)介質(zhì)的耐壓性，從 而使場致發(fā)射的性能更好，效率更高；陰極底座由無氧銅或不誘鋼材料加工而成，其結(jié)構(gòu)并 不作特別限定； 進(jìn)一步的，所述電子槍外殼由下套筒和上套筒組成，在所述下套筒和上套筒之間設(shè)置 有中部有通孔的柵極固定下底座，在所述柵極固定下底座上安裝有外置式柵極，在所述外 置式柵極上設(shè)置有柵極固定上底座；所述外置式柵極與所述陰極襯底之間的距離可調(diào)。其 中，下套筒和上套筒根據(jù)所需柵極與冷陰極陣列發(fā)射單元的距離，二者的高度可調(diào)，當(dāng)上述 距離較大，則下套筒較高，反之，下套筒較低；外置式柵極通過均由無氧銅或不誘鋼材料加 工而成的柵極固定上底座和柵極固定下底座固定，基于外置式柵極的設(shè)置，通過前期的模 擬仿真的結(jié)果，可W任意將不同形狀的陰極發(fā)射單元與對應(yīng)電子輸出孔形狀的柵極W及兩 者之間的距離進(jìn)行匹配，從而提高了器件在工作中的穩(wěn)定性，也提高了工作效率。柵極固定 上底座可W作為調(diào)制陽極，起到將發(fā)射出來的電子注進(jìn)行聚焦，因此根據(jù)不同的陰柵結(jié)構(gòu) 發(fā)射出的電子注，可W將其制作成不同的形狀W及結(jié)構(gòu)，W達(dá)到很好的聚焦效果。進(jìn)一步 的，在電子槍內(nèi)加入特定的磁場，由此進(jìn)一步提高了電子匯聚效果，較之只有柵極固定上底 座（即調(diào)制陽極）的時候，電子注匯聚能壓縮到幾倍，加入特定磁場后，則可W壓縮到十幾倍 至幾十倍。
[0014] 進(jìn)一步的，所述陰極發(fā)射單元位于所述冷陰極陣列固定支架下方的部位到外置式 柵極的距離大于陰極發(fā)射單元位于所述冷陰極陣列固定支架上方的部位到外置式柵極的 距離。通過上述設(shè)置，柵極在陰極發(fā)射單元位于冷陰極陣列固定支架下方部位產(chǎn)生的場強(qiáng) 不足W使其發(fā)射出電子，因此不需要填充絕緣介質(zhì)，此即為采用真空環(huán)境代替絕緣介質(zhì)的 實現(xiàn)基礎(chǔ)。
[0015] 進(jìn)一步的，所述外置式柵極呈圓形并在中部設(shè)置有若干網(wǎng)孔，所有網(wǎng)孔構(gòu)成圓形 或多邊形，在所述外置式柵極的外邊緣處開設(shè)有多個安裝孔；所述網(wǎng)孔為電子輸出孔，其形 狀為圓孔或多邊形孔，且所述外置式柵極的電子輸出孔的中央與所述陰極陣列發(fā)射單元的 中央--對應(yīng)。
[0016] 進(jìn)一步的，所述外置式柵極電子輸出孔通過激光刻蝕工藝刻蝕出。通過上述設(shè)置， 柵極片上陣列式電子輸出孔的大小及間距可調(diào)，對應(yīng)的，陰極輸出單元的安裝位置也應(yīng)當(dāng) 作相應(yīng)的調(diào)整，增大了對應(yīng)不同形狀的冷陰極發(fā)射單元所發(fā)射出電子的通過率，且通過率 可局達(dá)100%。
[0017] 進(jìn)一步的，所述陰極底座上設(shè)置有凸起部，所述陰極發(fā)射單元下端插入至冷陰極 陣列固定支架并延伸至所述凸起部保持固定。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果： (1)本發(fā)明具有制作上工藝簡單，精度高，一致性好等優(yōu)點，提高了部件在加工中的良 品率。
[0019] (2)本發(fā)明中的冷陰極陣列固定支架是將陰極發(fā)射單元固定在陰極底座上的裝 置，并可W保證陰極發(fā)射單元是獨立的且具有規(guī)則排列，冷陰極固定支架上的開孔剛好可 W使陰極發(fā)射單元通過，且得到固定，并使冷陰極陣列按冷陰極固定支架上的孔的位置排 列；不僅工藝簡單，精度高，一致性好等優(yōu)點，提高了部件在加工中的良品率，便于大量集 成，且由于單根的陰極發(fā)射單元是獨立的，可W隨時替換電子槍中受損或不良的陰極發(fā)射 單元，節(jié)約成本。
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