用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法
【专利说明】用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法
[0001]联邦资助的声明
[0002]本文所述的发明根据美国航空航天局(NASA)合同在执行工作中做出，并以其中立约人已选择保留所有权的《公法96-517 (35U.S.C.202)》的规定为依据。
发明领域
[0003]本发明总体上涉及基于碳纳米管的真空电子器件的制造。
[0004]背景
[0005]真空电子设备是一个通常引用依赖于电子发射原理在真空的环境中应用的电子器件的广义术语。例如，二极管、三极管、四极管和五极管可以制造为真空电子器件。最近，已针对碳纳米管(CNT)提供用于在真空电子器件内的可行的电子发射器的可能性，对其进行了研宄。具体地，碳纳米管呈现出大量的属性，这些属性可能暗示它们可以制作良好的场致发射器，并且可以由此提高真空电子器件的功能。由于基于碳纳米管的真空电子器件可以赋予的许多优点，存在改进它们的制造以使它们可以变得更具有商业可行性的需要。
[0006]发明概述
[0007]根据本发明的实施例所述的系统和方法专业地生产基于碳纳米管的真空电子器件。在一个实施例中，制造基于碳纳米管的真空电子器件的方法包括:在衬底上生长碳纳米管以形成阴极；组装包括阴极、阳极、以及包括对准槽的第一层的叠层；在叠层的组装期间将微球体部分地设置到对准槽中，使得该微球体从对准槽伸出并且可以由此将第一层和相邻层分离；以及将叠层包封在真空密封容器中。
[0008]在另一个实施例中，组装叠层包括使用自动化或半自动化精密设备来实施贴片(pick and place)组装技术，以组装叠层。
[0009]在又一个实施例中，叠层还包括另外的电极。
[0010]在另一个其他实施例中，另外的电极是下列之一:引出栅电极(extract1n gridelectrode)、栅极电极和聚焦电极(focusing electrode)。
[0011]在又一个其他实施例中，另外的电极是引出栅电极和栅极电极之一，并且另外的电极包括下列之一:微机械加工娃栅和电铸金属网。
[0012]在另外的实施例中，另外的电极包括电铸金属网，所述电铸金属网是下列之一:TEM格栅和标准滤网。
[0013]在又一个另外的实施例中，叠层还包括介电层。
[0014]在另外的其他实施例中，介电层是下列之一:环形云母和环形陶瓷。
[0015]在又一个另外的其他实施例中，介电层的厚度在约ΙΟμπι和约ΙΟΟμπι之间。
[0016]在另一个实施例中，第一层容纳下列之一:阴极、阳极、另外的电极和介电层。
[0017]在又一个实施例中，组装叠层还包括使用下列之一结合(affix)叠层内的层和电极的空间关系:真空相容环氧树脂、硬装机械夹具、以及它们的组合。
[0018]在另一个其他实施例中，将叠层包封在真空密封容器中包括将叠层放置在标准真空管封装容器中、将真空管封装容器抽至高真空、以及气密地密封该真空管封装容器。
[0019]在又一个其他实施例中，将叠层包封在真空密封容器中包括使用焊料回流接合技术。
[0020]在另外的实施例中，将微球体部分地设置到对准槽中包括使用末端执行器将该微球体放置到对准槽中。
[0021]在又一个另外的实施例中，末端执行器是下列之一:真空镊子和微机械加工的活动夹钥'。
[0022]在另外的其他实施例中，组装叠层还包括测试叠层的每层以获取对准精度。
[0023]在又一个另外的其他实施例中，组装叠层还包括使用焊料回流或真空相容的导电环氧树脂将阴极附接到组装平台。
[0024]在另一个实施例中，碳纳米管在含钛衬底上生长。
[0025]在又一个实施例中，所生长的碳纳米管被焊接到衬底。
[0026]在另一个其他实施例中，微球体被设置成帮助相对于相邻层对准第一层。
[0027]附图简述
[0028]图1示出根据本发明的实施例所述的用于制造基于碳纳米管的真空电子器件的过程。
[0029]图2示出根据本发明的实施例所述的可以用于使部件在叠层内定向的支承件。
[0030]图3示出根据本发明的实施例所述的三极管混合微组件叠层的分层。
[0031]图4示出根据本发明的实施例所述的不使用微球体的三极管混合微组件叠层的分层。
[0032]图5A-?示出可以根据本发明的实施例组装的三极管混合微组件叠层。
[0033]图6示出可以根据本发明的实施例实施的DIP。
[0034]图7示出用于已根据本发明的实施例组装的组装叠层的测试的示意图。
[0035]图8A-8F示出根据本发明的实施例使用UV固化环氧树脂结合在二极管混合微组件内的部件的空间关系。
[0036]图9A-9F示出根据本发明的实施例使用热固化环氧环氧树脂结合在二极管混合微组件内的部件的空间关系。
[0037]详细描述
[0038]现在转向附图，示出了用于专业地制造基于碳纳米管的真空电子器件的系统和方法。在许多实施例中，制造基于碳纳米管的真空电子器件包括在组装构成部件的叠层中利用微球体，以在将它们密封进真空装盒之前精确地对准它们。在多个实施例中，叠层内的层包括容纳微球体的对准槽，并且由此促进构成部件的对准。在若干实施例中，在组装过程期间重复地评估部件层的对准，以确保精度在容差内。以这种方式，基于碳纳米管的真空电子器件可以以高精确度进行制造。此外，制造过程的许多方面适合于自动化或至少半自动化。因此，制造过程可以用于以高精确度大批量生产基于碳纳米管的真空电子器件。
[0039]微型数字真空电子器件已被研宄用于其在极端环境中的潜在应用，例如，应用在常规的基于CMOS的电子器件可能会失败的环境。例如，H.Manohara等人公开了微型数字真空反多子栅极(inverse majority gate)的制造(H.Manohara 等人，Proc.0f SPIE，第 7594卷，第75940Q-1至75940Q-5页(2010))，其实施相当复杂的结构，该结构包括三组场致发射器、划分三组场致发射器的三个不同栅极电极结构和分成三个对应部分的重叠阳极。阳极分成三个部分，使得重叠的区域可以减少，并且米勒(Miller)电容可以减小。以这种方式，反多子栅极可以实现高速操作。H.Manohara等人提出此类器件可以适合于在地球外环境中操作，因为其能够在极端条件下维持操作。H.Manohara等人的Proc.0f SPIE，第7594卷，第75940Q-1至75940Q-5页(2010)据此通过引用并入本文。
[0040]值得注意的是，在许多情况下，依赖碳纳米管(CNT)作为许多微型数字真空电子器件中的电子发射源，因为它们可以提供许多优点。例如，CNT属于如由拉伸强度测量的最强材料且属于如由弹性模量测量的最硬材料。此外，也已经确定CNT具有突出的电场发射性能，在低电场强度下具有高的发射电流(例如，施加的场从1_3ν/μπι且来自单个纳米管的发射电流约0.1mA)。因此，CNT由此作为冷阴极场发射源是有吸引力的，尤其是对于要求高电流密度(每平方厘米数百至数千安培)和轻质封装容器(高频真空管源)的应用是有吸引力的。实际上，在美国专利申请号11/137，725(作为美国专利号7，834，530发布)中，Manohara等人公开了用于提供有利性能特性的基于高密度碳纳米管的场致发射器的特定配置。例如，Manohara等人公开了在衬底上的束直径在约Ιμπι和2μηι之间的情况下，并且在衬底上的CNT束以约5 μπι的距离彼此间隔开的情况下，包括设置在衬底上的多个CNT束的场致发射器表现出特别有利的性能特性。美国专利号7，834，530据此通过引用并入本文。
[0041]不幸的是，此类结构的复杂性从制造角度来看可能是不利的。因此，H.Manohara等