基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利申請要求于2014年2月24日提交的、題目為"基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵"的、美國臨時專利申請?zhí)朜0.61/943，778的優(yōu)先權，該申請由此通過引用完全并入本文。
【背景技術】
[0002]雖然冷原子定時和導航基準提供極高的準確性，但它們要求在高真空(?10-8托)操作。已經進行了持續(xù)的努力以小型化冷原子技術，例如DARPA的集成微型主原子鐘技術(Integrated Micro primary Atomic Clock Technology, IMPACT)和芯片規(guī)模組合原子導航儀(Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigator，CSCAN)，還要求微尺寸的真空技術發(fā)展以能夠實現(xiàn)裝置的便攜性。由于對于冷原子及其他高真空微電-機系統(tǒng)(MEMS)應用對尺寸、功率、壽命和磁場強度的約束條件，目前沒有可獲得的微真空技術能滿足所有的要求。
【發(fā)明內容】
[0003]提供了一種微離子泵。微離子泵包括多個薄膜邊緣場發(fā)射極，第一門電極，第二門電極，和高壓陽極。多個薄膜邊緣場發(fā)射極處于第一 X-Z平面。多個薄膜邊緣場發(fā)射極具有相應的多個端面，該端面在至少一個Y-Z平面中具有高的縱橫比(高寬比)(aspectrat1) ?第一門電極處于第二 X-Z平面，該第二 X-Z平面偏離第一 X-Z平面。第二門電極放置在第三X-Z平面，該第三X-Z平面偏離第一 X-Z平面。高壓陽極處于第四X-Z平面，該第四X-Z平面偏離處于第一 X-Z平面的多個薄膜邊緣場發(fā)射極。第二門電極位于高壓陽極和多個薄膜邊緣場發(fā)射極之間。
【附圖說明】
[0004]應當理解的是，附圖僅僅描繪了示例性的實施例，因此不能認為是對范圍的限制，將通過利用附圖用附加的特征和細節(jié)來描述所述示例性的實施例，圖中:
[0005]圖1是基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的實施例的第一側面剖視圖；
[0006]圖2是圖1的基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的第二側面剖視圖；
[0007]圖3是圖1的基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的一部分的俯視圖；
[0008]圖4是基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的實施例的一部分的俯視圖；
[0009]圖5是封裝在殼體中的包括基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵的系統(tǒng)的一部分的俯視圖；和
[0010]圖6是用于形成微離子泵的示例性方法的流程圖。
[0011]根據(jù)慣例，多個描述的特征不是按照比例繪制的，而是用于強調與示例性實施例相關的特別的特征。在整個附圖和文字中相同的附圖標記表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0012]在下面的詳細描述中，參考形成說明書的一部分的附圖，并且附圖僅僅是以舉例的方式顯示了具體示例性的實施方式。然而，應當理解的是，也可以使用其他的實施方式，并且可以作出結構、機械和電氣的改變。此外，在附圖和說明書中出現(xiàn)的方法并不能看作對可執(zhí)行各獨立步驟的次序的限制。因此，下面的詳細說明并沒有作為限制性的意義。
[0013]為了克服上面提及的問題，需要一種新的微真空泵技術用于小型化冷原子技術的最后的成功。在此描述的微離子泵的實施方式具有幾個重要的優(yōu)點。在此描述的微離子泵的實施方式具有小于Icc體積的小尺寸。這比市場上可買到的最小的離子泵小70倍，市場上可買到的離子泵的體積是大于70cc的。不同于目前可得到的離子泵，不需要磁場來操作在此描述的微離子泵的實施例。這是一個優(yōu)點，因為磁場降低了其中使用了微離子泵的裝置的性能。例如，對于其中需要微離子泵的冷原子裝置，磁場降低了冷原子裝置的性能。在此描述的微離子泵的發(fā)射極的邊緣是相對較大的(相對于在微離子泵中使用的傳統(tǒng)的微端頭而言)，并且是不太可靠從而被破壞。特別地，在此描述的邊緣發(fā)射極具有比端頭大的發(fā)射面積，因此不太可能遭受由于在強電流密度形成的場的陰極衰減的損害。此外，使微離子泵的發(fā)射極邊緣免受通過上部門電極的高能離子的損害。來自高能離子的損害被認為是造成微端頭場發(fā)射極故障的主要原因。
[0014]圖1是基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵10的實施例的第一側面剖視圖。圖2是圖1的基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵10的第二側面剖視圖。圖2的截面圖所在的平面由圖1中的剖面線2-2指明。圖3是圖1的基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵10的一部分的俯視圖。特別地，圖3顯示了重疊在平面(X-Z)上的第二門電極110的開口 160，其中薄膜邊緣場發(fā)射極100 (1-8)、背部連接器105 (1-2)、發(fā)射極電阻器106 (1-2)和接觸墊107(1-2)放置在平面中?；诒∧み吘増霭l(fā)射極的微離子泵10在此也被稱為"微離子泵
10" ο
[0015]基于薄膜邊緣場發(fā)射極的微離子泵10包括多個薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)(圖3)、第一門電極115、第二門電極110和高壓陽極150。薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)在此也被稱為"高縱橫比邊緣發(fā)射極100(1-8)"或者"發(fā)射極100(1-8)"。薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)的第i個在本文被稱為發(fā)射極100-1，其中i是正整數(shù)。
[0016]薄膜邊緣場發(fā)射極100 (1-4)位于第一 X-Z平面(XpZ1)(圖1)，并且具有相應的多個在第一 Y-Z平面(Y' i，Z' i)中具有高縱橫比的端面101(1-4)(圖2和3)。薄膜邊緣場發(fā)射極100 (5-8)處于第一 X-Z平面(XpZ1)(圖1)，其也在圖3中被示為X-Z平面{V 2，V 2)。薄膜邊緣場發(fā)射極100 (5-8)具有在第二 Y-Z平面(Y' ” V 2)(圖3)中具有高縱橫比的相應的多個端面101 (5-8)。端面101 (1-8)是薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)的邊緣，電子從所述邊緣發(fā)射。
[0017]第一門電極115在第二 X-Z平面(X2，Z2)中(圖1)，該平面與第一 X-Z平面(X1,Z1)偏離。第二門電極110在第三X-Z平面(X3，Z3)中(圖1)，該平面與第一 X-Z平面(X1,Z1)偏離。第一門電極115在本文也被稱為"下部門電極115"。第二門電極110在本文也被稱為"上部門電極110"或"陰極110"。
[0018]高壓陽極150位于第四X-Z平面(X4，Z4)(圖1)，該平面以距離D (圖1和2)從第一X-Z平面(X1, Z1)中的多個薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)偏離。第二門電極110位于高壓陽極150和多個薄膜邊緣場發(fā)射極100(1-8)之間。這樣，第三X-Z平面(X3，Z3)與第一X-Z平面(XpZ1)和第四X-Z平面(X4，Z4)平行，并且位于它們之間。
[0019]下部門電極115通過絕緣體層180的第一部分180-1與發(fā)射極100 (1_8)分開。上部門電極110通過絕緣體層180的第二部分180-2與發(fā)射極100(1-8)分開。上部門電極110通過間隙185與高壓陽極150偏離。如本文中所定義的，間隙185不包括絕緣材料，除了空氣。當微離子泵10在一個封裝內操作時，在間隙185中的空氣被認為是包括保持在真空中的任何氣體分子。一旦微離子泵10已經達到真空，在間隙185中存在真空。術語"間隙185"和"真空間隙185"在本文是可互換地使用的。
[0020]如圖1和3所示，薄膜邊緣場發(fā)射極100-1包括通常在102-1表示的本體部分和通常在103-1表示的端面部分。端面部分103-1包括高縱橫比端面101-1 (圖2)。類似地，如圖1和3所示，薄膜邊緣場發(fā)射極100-5包括本體部分102-5和端面部分103-5。端面部分103-5包括高縱橫比端面101-5。另一個薄膜邊緣場發(fā)射極100(2-4)和100(6-8)也被類似地構造。如圖2所示，高縱橫比端面101(1-4)是矩形的形狀，但是其他細長的形狀也是可能的。
[0021]在第一 X-Z平面(X1J1)中的相應的薄膜邊緣場發(fā)射極100 (1-8)的主體102(1-8)是由絕緣層180-1的第一部分180-1和第二部分180-2封裝的。端面部分103(1-8)從絕緣層180-1的第一部分180-1和第二部分180-2伸出。如圖1和3所示，高縱橫比端面
101(1-4)通過由通常在161表示的具有距離Def的間隙與相對的高縱橫比端面101 (5-8)分隔開。在相對的高縱橫比端面101 (1-4)和高縱橫比端面101 (5-8)之間的間隙161沒有用任何絕緣材料填充。一旦微離子泵10已經達到真空，在間隙161中存在真空。術語"間隙161"和"真空間隙161"在本文中是可互換地使用的。
[0022]第二門電極110是帶有矩形開口 160的金屬層(圖1和3)。開口 160在X方向具有寬度W。(圖3)，其小于第一 Y-Z平面(Y' x,l' D