[go: up one dir, main page]

RU2486625C2 - Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes - Google Patents

Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes Download PDF

Info

Publication number
RU2486625C2
RU2486625C2 RU2011123232/07A RU2011123232A RU2486625C2 RU 2486625 C2 RU2486625 C2 RU 2486625C2 RU 2011123232/07 A RU2011123232/07 A RU 2011123232/07A RU 2011123232 A RU2011123232 A RU 2011123232A RU 2486625 C2 RU2486625 C2 RU 2486625C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
micro
carbon
oxygen
emission cathodes
nanoscale
Prior art date
Application number
RU2011123232/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011123232A (en
Inventor
Юрий Алексеевич Григорьев
Антон Александрович Бурцев
Павел Данилович Шалаев
Владимир Григорьевич Пименов
Лариса Степановна Плешкова
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (ОАО "НПП "Алмаз")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (ОАО "НПП "Алмаз") filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (ОАО "НПП "Алмаз")
Priority to RU2011123232/07A priority Critical patent/RU2486625C2/en
Publication of RU2011123232A publication Critical patent/RU2011123232A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2486625C2 publication Critical patent/RU2486625C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: in order to form a periodic circuit from micro-tips at surface of monolithic carbon substrate the method of grouped micro-tipping in low-temperature plasma of HF charge in oxygen or in mix of oxygen and inert gas media is used as micro/nano-sized treatment.
EFFECT: increase of density for field-emission current due to formation of micro-tip carbon structure.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в вакуумных электронных приборах с эффективными холодными источниками электронов.The invention relates to a technology for manufacturing carbon multi-axis field emission cathodes used in vacuum electronic devices with efficient cold electron sources.

Известно техническое решение [1], в котором описываются материал и способ изготовления многоострийного катода из композиционного наноалмазного пленочного материала с помощью осаждения на подложку в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ. Также известно техническое решение EP 1361592 A1 (H01J 1/30, 12.11.2003), в котором представлен способ изготовления источника электронов, состоящего из подложки и нанесенного на нее композита из пасты с углеродными нанотрубками. Однако такие структуры в вышеперечисленных технических решениях имеют ряд недостатков, а именно: при использовании данных структур невозможно добиться воспроизводимости геометрических параметров микроструктуры, стабильности эмиссионных свойств, углеродные пленки, полученные из паров углеводородов, обладают низкой адгезией, поэтому отслаиваются от подложки при рабочих напряженностях электрического поля. Предлагаемое техническое решение позволяет исключить все вышеуказанные недостатки. Данное техническое решение позволяет повысить стабильность работы автоэмиссионных катодов, увеличить долговечность и надежность электровакуумных приборов.A technical solution is known [1], which describes the material and method of manufacturing a multi-tip cathode from a composite nanodiamond film material by deposition of a vapor of carbon-containing substances on a substrate in a nonequilibrium plasma of a microwave gas discharge. The technical solution EP 1361592 A1 (H01J 1/30, 12/12/2003) is also known, which presents a method for manufacturing an electron source consisting of a substrate and a composite made from a paste with carbon nanotubes. However, such structures in the above technical solutions have several disadvantages, namely: when using these structures it is impossible to achieve reproducibility of the geometric parameters of the microstructure, stability of emission properties, carbon films obtained from hydrocarbon vapors have low adhesion, therefore, they peel off from the substrate at operating electric field strengths . The proposed technical solution allows to eliminate all of the above disadvantages. This technical solution allows to increase the stability of field emission cathodes, to increase the durability and reliability of electrovacuum devices.

Задачей изобретения является получение монолитной, равновысотной, матричной микроструктуры с улучшенной воспроизводимостью эмиссионных характеристик. Технический результат достигается тем, что при выполнении предлагаемой последовательности технологических процессов создается монолитная углеродная структура с заданной высотой микроразмерных столбиков, которые, в свою очередь, подвергают групповому микро-, наноразмерному заострению в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовых средах, и получают периодическую матрицу из равновысотных острий монолитного углерода.The objective of the invention is to obtain a monolithic, equally high, matrix microstructure with improved reproducibility of emission characteristics. The technical result is achieved by the fact that when performing the proposed sequence of technological processes, a monolithic carbon structure is created with a given height of micro-sized columns, which, in turn, are subjected to group micro-, nanoscale sharpening in a low-temperature plasma of an RF discharge in oxygen or in an oxygen-inert gas environment , and receive a periodic matrix of equal height tips of monolithic carbon.

На фиг.1 - технологический маршрут изготовления периодической многоострийной структуры:Figure 1 - technological route of manufacturing a periodic multi-edge structure:

а - полировка поверхности углерода до 14 класса;a - polishing the carbon surface to grade 14;

б - активация поверхности стеклоуглерода перед нанесением фоторезиста с помощью низкотемпературной плазмы;b - activation of the glassy carbon surface before applying the photoresist using low-temperature plasma;

в - нанесение пленки из фоторезиста и проведение процесса прецизионной фотолитографии;c - applying a film of photoresist and carrying out the process of precision photolithography;

г - образование фоторезистивной маски на поверхности стеклоуглерода;g - the formation of a photoresist mask on the surface of glassy carbon;

д - нанесение пленки переходных металлов на поверхность, не защищенную фоторезистом;d - applying a film of transition metals to a surface not protected by photoresist;

е - термохимическая обработка углеродной пластины в среде водорода и образование микровыступов;e - thermochemical treatment of a carbon plate in a hydrogen medium and the formation of microprotrusions;

ж - удаление остатков пленки металла в смеси кислот HCl, H2SO4;g - removal of metal film residues in a mixture of acids HCl, H 2 SO 4 ;

з - заострение углеродных цилиндрических микровыступов в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовых средах;h - sharpening of carbon cylindrical microprotrusions in a low-temperature plasma of an RF discharge in oxygen or in an oxygen-inert gas environment;

на фиг.2 - элементы профиля микровыступов до плазмохимического микрозаострения (а), после микрозаострения (б); на фиг.3 - микрофотографии поверхности углеродной микроструктуры до плазмохимического микрозаострения (а) и после микрозаострения (б).figure 2 - elements of the profile of the microprotrusion to the plasma-chemical microzarrhea (a), after microzarrhea (b); figure 3 - microphotographs of the surface of the carbon microstructure before the plasma-chemical microzaostrination (a) and after microzaostrination (b).

Сущность изобретения заключается в том, что для изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры на поверхности углеродной пластины в качестве микро-, наноразмерной обработки используется способ группового микрозаострения в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда в кислородной или в смеси кислородной и инертной газовых средах.The essence of the invention lies in the fact that for the manufacture of field-emission cathodes in the form of a periodic multi-tip structure on the surface of a carbon plate as a micro-, nanoscale treatment, a group micro-sharpening method is used in a low-temperature RF discharge plasma in oxygen or in a mixture of oxygen and inert gas media.

Цилиндрические микровыступы образуются с помощью травления поверхности углеродной подложки пленкой переходного металла. Предварительно поверхность углеродной пластины подвергается механической обработке с целью подготовки поверхности и ее активации перед нанесением маски из фоторезиста (фиг.1а и 1б). Проводится процесс шлифования с использованием тонкого микропорошка, а затем полирование, где в результате этих обработок съем материала с поверхности углеродной пластины 0,015÷0,03 мм (фиг.1а). После чего проводится активация поверхности углеродной пластины перед нанесением фоторезиста с помощью низкотемпературной плазмы (фиг.1б). Нанесение фоторезиста на углеродную полированную поверхность осуществляется методом центрифугирования (фиг.1в). Для получения периодически расположенных на поверхности оснований из фоторезиста, имеющих форму круга, проводятся последовательно процессы экспонирования и проявления фоторезиста. Выбор фотошаблона зависит от требования к величине периода получаемой матричной микроструктуры и к площади основания цилиндрических микровыступов (фиг.1г).Cylindrical microprotrusions are formed by etching the surface of a carbon substrate with a transition metal film. Previously, the surface of the carbon plate is machined to prepare the surface and activate it before applying the mask from the photoresist (figa and 1b). The grinding process is carried out using fine micropowder, and then polished, where as a result of these treatments, the material is removed from the surface of the carbon plate 0.015 ÷ 0.03 mm (Fig. 1a). After that, the activation of the surface of the carbon plate is carried out before applying the photoresist using low-temperature plasma (figb). The application of photoresist on a carbon polished surface is carried out by centrifugation (pigv). In order to obtain circle-shaped bases periodically located on the surface from a photoresist, the processes of exposure and manifestation of the photoresist are carried out sequentially. The choice of a photomask depends on the requirements for the period of the resulting matrix microstructure and the base area of the cylindrical microprotrusion (Fig.1d).

На образующийся рисунок из фоторезиста наносится пленка переходного металла с целью дальнейшего проведения травления пленкой металла в свободных от фоторезиста периодических основаниях углеродной структуры (фиг.1д). В результате травления происходит интенсивное растворение атомов углерода в пленке металла и последующая диффузия атомов углерода через структуру пленки металла без образования химического соединения на поверхность и взаимодействие атомов углерода с газообразной средой (фиг.1е). Затем проводится удаление остатков пленки переходных металлов в смеси кислот (фиг.1ж). С целью увеличения напряженности электростатического поля на вершинах образованной периодической углеродной структуры с заданной высотой микроразмерных столбиков данную структуру подвергают групповому микро-, наноразмерному заострению в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовых средах с получением углеродных микроострий (фиг.1з).A transition metal film is applied to the resulting photoresist pattern to further etch the metal film in the periodic bases of the carbon structure free of photoresist (Fig. 1e). As a result of etching, the intensive dissolution of carbon atoms in the metal film and the subsequent diffusion of carbon atoms through the structure of the metal film without the formation of a chemical compound on the surface and the interaction of carbon atoms with a gaseous medium (Fig. 1e) occur. Then, the remnants of the film of transition metals in the mixture of acids are removed (Fig.1g). In order to increase the electrostatic field strength at the vertices of the formed periodic carbon structure with a given height of micro-sized columns, this structure is subjected to group micro-, nanoscale sharpening in a low-temperature RF discharge plasma in oxygen or oxygen-inert gas media to produce carbon micropoints (Fig. 1z) .

На фиг.2 представлены элементы профиля плазмохимического заострения выступов.Figure 2 presents the profile elements of the plasma-chemical sharpening of the protrusions.

На фиг.2 введены следующие обозначения:Figure 2 introduced the following notation:

h - высота микровыступа; s - расстояние между микровыступами; d - диаметр основания микровыступа; α - средний угол при вершине конического микровыступа; l - период решетки микроструктуры.h is the height of the microprotrusion; s is the distance between the microprotrusions; d is the diameter of the base of the microprotrusion; α is the average angle at the apex of the conical microprotrusion; l is the lattice period of the microstructure.

На вершине цилиндрического микровыступа поверхность полированная и поэтому имеет менее развитый микрорельеф, в отличие от боковой поверхности микровыступа. Известно [2], что неровности поверхности увеличивают вероятность взаимодействия поверхностных атомов углерода с химически активными частицами, так как при сильно развитом рельефе происходит ослабление энергии связи группы атомов углерода на поверхности, поэтому следует ожидать, что составляющая скорости заострения, направленной перпендикулярно поверхности, будет достигать своего максимального значения на круговых границах плоской торцевой и боковой цилиндрической поверхностях выступов.On the top of a cylindrical microprotrusion, the surface is polished and therefore has a less developed microrelief, in contrast to the lateral surface of the microprotrusion. It is known [2] that surface irregularities increase the likelihood of interaction of surface carbon atoms with chemically active particles, since the bond energy of a group of carbon atoms on the surface weakens during a highly developed relief; therefore, it is expected that the component of the point velocity directed perpendicular to the surface will reach its maximum value on the circular boundaries of the flat end and lateral cylindrical surfaces of the protrusions.

Окончание процесса плазмохимического заострения углеродной микроструктуры определяется на основании изменения свойств полированной поверхности цилиндрических микровыступов.The end of the process of plasma-chemical sharpening of the carbon microstructure is determined on the basis of changes in the properties of the polished surface of cylindrical microprotrusions.

Геометрическими условиями процесса группового плазмохимического заострения при сохранении неизменной высоты выступов являются:The geometric conditions of the process of group plasma-chemical sharpening while maintaining a constant height of the protrusions are:

α a r c t g 0,5 d h ;  h const; s l/2 .

Figure 00000001
α a r c t g 0.5 d h ; h const; s l / 2 .
Figure 00000001

Периодическая углеродная структура до и после плазмохимического микрозаострения представлена на фиг.3.The periodic carbon structure before and after the plasma-chemical microzarrhea is shown in FIG. 3.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2309480 C2. Материал и способ изготовления многоострийного автоэмиссионного катода (H01J 1/30, 10.02.2007).1. Patent RU 2309480 C2. Material and method for manufacturing a multi-edge field emission cathode (H01J 1/30, 02/10/2007).

2. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов - М.: МФТИ, 2001, 287 с.2. Sheshin EP Surface structure and field emission properties of carbon materials - M .: MIPT, 2001, 287 p.

Claims (1)

Способ изготовления автоэмиссионных катодов в виде периодической многоострийной структуры, отличающийся тем, что включает очистку и полировку поверхности монолитной углеродной пластины, создание с помощью метода фотолитографии микро-, наноразмерных дисков, окруженных каталитической пленкой металлов переходной группы, термохимическое травление углеродной пластины в среде водорода с образованием столбчатой структуры, которые затем подвергают групповому микро-, наноразмерному заострению в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной или в кислородно-инертной газовых средах. A method of manufacturing field emission cathodes in the form of a periodic multi-tip structure, characterized in that it includes cleaning and polishing the surface of a monolithic carbon plate, creating micro-, nanoscale disks surrounded by a transition metal group with a catalytic film using photolithography, and thermochemical etching of the carbon plate in a hydrogen medium to form columnar structures, which are then subjected to group micro-, nanoscale sharpening in a low-temperature plasma of an rf discharge in acid hydrogen or in oxygen-inert gas environments.
RU2011123232/07A 2011-06-08 2011-06-08 Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes RU2486625C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011123232/07A RU2486625C2 (en) 2011-06-08 2011-06-08 Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011123232/07A RU2486625C2 (en) 2011-06-08 2011-06-08 Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011123232A RU2011123232A (en) 2012-12-20
RU2486625C2 true RU2486625C2 (en) 2013-06-27

Family

ID=48702554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011123232/07A RU2486625C2 (en) 2011-06-08 2011-06-08 Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2486625C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666784C1 (en) * 2017-12-20 2018-09-12 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Matrix auto emission cathode and method for manufacture thereof
RU2784410C1 (en) * 2022-03-16 2022-11-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2210134C2 (en) * 2000-07-12 2003-08-10 ООО "Высокие технологии" Cold-emission cathode and flat-panel display
EP1361592A1 (en) * 1997-09-30 2003-11-12 Ise Electronics Corporation Method of manufacturing an electron-emitting source
JP2004214017A (en) * 2002-12-27 2004-07-29 Matsushita Electric Works Ltd Field emission type electron source and manufacturing method of field emission type electron source
RU2309480C2 (en) * 2005-08-04 2007-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1361592A1 (en) * 1997-09-30 2003-11-12 Ise Electronics Corporation Method of manufacturing an electron-emitting source
RU2210134C2 (en) * 2000-07-12 2003-08-10 ООО "Высокие технологии" Cold-emission cathode and flat-panel display
JP2004214017A (en) * 2002-12-27 2004-07-29 Matsushita Electric Works Ltd Field emission type electron source and manufacturing method of field emission type electron source
RU2309480C2 (en) * 2005-08-04 2007-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПП "Контакт" Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666784C1 (en) * 2017-12-20 2018-09-12 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Matrix auto emission cathode and method for manufacture thereof
RU2784410C1 (en) * 2022-03-16 2022-11-24 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for manufacturing a matrix of field-emission tubular cathodes based on doped nanocrystalline diamond films
RU2789539C1 (en) * 2022-06-03 2023-02-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Method for manufacturing a field-emission cathode

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011123232A (en) 2012-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7431856B2 (en) Nano-tip fabrication by spatially controlled etching
JP4578412B2 (en) Discharge plasma generation method
KR19990043770A (en) Method for manufacturing field emission device using carbon nanotube
WO2007046162A1 (en) Sample target for use in mass analysis method, process for producing the same, and mass analysis apparatus using the sample target
JP5438330B2 (en) Sample target used for mass spectrometry, method for producing the same, and mass spectrometer using the sample target
JP4512589B2 (en) SAMPLE TARGET HAVING SAMPLE HOLDING SURFACE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND MASS ANALYZER USING SAME
RU2486625C2 (en) Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes
CN111801784B (en) Dot etching module using annular creeping discharge plasma device and method for controlling etching profile of dot etching module
JP5082186B2 (en) Method for forming carbon-based material protrusion and carbon-based material protrusion
US20050285502A1 (en) Electric field emission device having a triode structure fabricated by using an anodic oxidation process and method for fabricating same
Minh et al. Selective growth of carbon nanotubes on Si microfabricated tips and application for electron field emitters
JP5531315B2 (en) Microarray substrate
JP4863590B2 (en) Carbon nanotube modification method, carbon nanotube and electron emission source
JPH09185942A (en) Cold cathode device and manufacturing method thereof
RU2666784C1 (en) Matrix auto emission cathode and method for manufacture thereof
JP4229849B2 (en) Acicular carbon film manufacturing method, acicular carbon film and field emission structure
JP5240688B2 (en) Manufacturing method of substrate for microarray
US20250239437A1 (en) Plasma processing method
Spindt et al. Spindt field emitter arrays
RU2413328C1 (en) Method to manufacture multi-tip emission cathode
JPH08195165A (en) Manufacture of vacuum field emission emitter
Urbański et al. CNT-PVP Field Electron Source Formed by Thermo-Mechanical Pulling of Carbon Nanotubes
JP2008097858A (en) Field emission element and its manufacturing method
KR100866832B1 (en) Manufacturing method of field emission array
RU2653843C2 (en) Method of increasing the density and stability of a matrix current of a multiple auto-emission cathode

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200609