RU2486625C2 - Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes - Google Patents
Method to manufacture multi-tip field-emission cathodes Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000003624 transition metals Chemical group 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 11
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 101100545204 Danio rerio zdhhc18a gene Proteins 0.000 description 1
- 101150018368 Pigv gene Proteins 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N n-[2-(1h-indol-3-yl)ethyl]-n-methylpropan-2-amine Chemical compound C1=CC=C2C(CCN(C)C(C)C)=CNC2=C1 KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
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 (
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:
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 (
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)
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)
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)
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 |
-
2011
- 2011-06-08 RU RU2011123232/07A patent/RU2486625C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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)
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 |