基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的制作方法
【技术领域】
[0001]本专利申请要求于2014年2月24日提交的、题目为"基于薄膜边缘场发射极的微离子泵"的、美国临时专利申请号N0.61/943，778的优先权，该申请由此通过引用完全并入本文。
【背景技术】
[0002]虽然冷原子定时和导航基准提供极高的准确性，但它们要求在高真空(?10-8托)操作。已经进行了持续的努力以小型化冷原子技术，例如DARPA的集成微型主原子钟技术(Integrated Micro primary Atomic Clock Technology, IMPACT)和芯片规模组合原子导航仪(Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigator，CSCAN)，还要求微尺寸的真空技术发展以能够实现装置的便携性。由于对于冷原子及其他高真空微电-机系统(MEMS)应用对尺寸、功率、寿命和磁场强度的约束条件，目前没有可获得的微真空技术能满足所有的要求。
【发明内容】
[0003]提供了一种微离子泵。微离子泵包括多个薄膜边缘场发射极，第一门电极，第二门电极，和高压阳极。多个薄膜边缘场发射极处于第一 X-Z平面。多个薄膜边缘场发射极具有相应的多个端面，该端面在至少一个Y-Z平面中具有高的纵横比(高宽比)(aspectrat1) ?第一门电极处于第二 X-Z平面，该第二 X-Z平面偏离第一 X-Z平面。第二门电极放置在第三X-Z平面，该第三X-Z平面偏离第一 X-Z平面。高压阳极处于第四X-Z平面，该第四X-Z平面偏离处于第一 X-Z平面的多个薄膜边缘场发射极。第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。
【附图说明】
[0004]应当理解的是，附图仅仅描绘了示例性的实施例，因此不能认为是对范围的限制，将通过利用附图用附加的特征和细节来描述所述示例性的实施例，图中:
[0005]图1是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的实施例的第一侧面剖视图；
[0006]图2是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的第二侧面剖视图；
[0007]图3是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的一部分的俯视图；
[0008]图4是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的实施例的一部分的俯视图；
[0009]图5是封装在壳体中的包括基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的系统的一部分的俯视图；和
[0010]图6是用于形成微离子泵的示例性方法的流程图。
[0011]根据惯例，多个描述的特征不是按照比例绘制的，而是用于强调与示例性实施例相关的特别的特征。在整个附图和文字中相同的附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0012]在下面的详细描述中，参考形成说明书的一部分的附图，并且附图仅仅是以举例的方式显示了具体示例性的实施方式。然而，应当理解的是，也可以使用其他的实施方式，并且可以作出结构、机械和电气的改变。此外，在附图和说明书中出现的方法并不能看作对可执行各独立步骤的次序的限制。因此，下面的详细说明并没有作为限制性的意义。
[0013]为了克服上面提及的问题，需要一种新的微真空泵技术用于小型化冷原子技术的最后的成功。在此描述的微离子泵的实施方式具有几个重要的优点。在此描述的微离子泵的实施方式具有小于Icc体积的小尺寸。这比市场上可买到的最小的离子泵小70倍，市场上可买到的离子泵的体积是大于70cc的。不同于目前可得到的离子泵，不需要磁场来操作在此描述的微离子泵的实施例。这是一个优点，因为磁场降低了其中使用了微离子泵的装置的性能。例如，对于其中需要微离子泵的冷原子装置，磁场降低了冷原子装置的性能。在此描述的微离子泵的发射极的边缘是相对较大的(相对于在微离子泵中使用的传统的微端头而言)，并且是不太可靠从而被破坏。特别地，在此描述的边缘发射极具有比端头大的发射面积，因此不太可能遭受由于在强电流密度形成的场的阴极衰减的损害。此外，使微离子泵的发射极边缘免受通过上部门电极的高能离子的损害。来自高能离子的损害被认为是造成微端头场发射极故障的主要原因。
[0014]图1是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的实施例的第一侧面剖视图。图2是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的第二侧面剖视图。图2的截面图所在的平面由图1中的剖面线2-2指明。图3是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的一部分的俯视图。特别地，图3显示了重叠在平面(X-Z)上的第二门电极110的开口 160，其中薄膜边缘场发射极100 (1-8)、背部连接器105 (1-2)、发射极电阻器106 (1-2)和接触垫107(1-2)放置在平面中。基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10在此也被称为"微离子泵
10" ο
[0015]基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10包括多个薄膜边缘场发射极100(1-8)(图3)、第一门电极115、第二门电极110和高压阳极150。薄膜边缘场发射极100(1-8)在此也被称为"高纵横比边缘发射极100(1-8)"或者"发射极100(1-8)"。薄膜边缘场发射极100(1-8)的第i个在本文被称为发射极100-1，其中i是正整数。
[0016]薄膜边缘场发射极100 (1-4)位于第一 X-Z平面(XpZ1)(图1)，并且具有相应的多个在第一 Y-Z平面(Y' i，Z' i)中具有高纵横比的端面101(1-4)(图2和3)。薄膜边缘场发射极100 (5-8)处于第一 X-Z平面(XpZ1)(图1)，其也在图3中被示为X-Z平面{V 2，V 2)。薄膜边缘场发射极100 (5-8)具有在第二 Y-Z平面(Y' ” V 2)(图3)中具有高纵横比的相应的多个端面101 (5-8)。端面101 (1-8)是薄膜边缘场发射极100(1-8)的边缘，电子从所述边缘发射。
[0017]第一门电极115在第二 X-Z平面(X2，Z2)中(图1)，该平面与第一 X-Z平面(X1,Z1)偏离。第二门电极110在第三X-Z平面(X3，Z3)中(图1)，该平面与第一 X-Z平面(X1,Z1)偏离。第一门电极115在本文也被称为"下部门电极115"。第二门电极110在本文也被称为"上部门电极110"或"阴极110"。
[0018]高压阳极150位于第四X-Z平面(X4，Z4)(图1)，该平面以距离D (图1和2)从第一X-Z平面(X1, Z1)中的多个薄膜边缘场发射极100(1-8)偏离。第二门电极110位于高压阳极150和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)之间。这样，第三X-Z平面(X3，Z3)与第一X-Z平面(XpZ1)和第四X-Z平面(X4，Z4)平行，并且位于它们之间。
[0019]下部门电极115通过绝缘体层180的第一部分180-1与发射极100 (1_8)分开。上部门电极110通过绝缘体层180的第二部分180-2与发射极100(1-8)分开。上部门电极110通过间隙185与高压阳极150偏离。如本文中所定义的，间隙185不包括绝缘材料，除了空气。当微离子泵10在一个封装内操作时，在间隙185中的空气被认为是包括保持在真空中的任何气体分子。一旦微离子泵10已经达到真空，在间隙185中存在真空。术语"间隙185"和"真空间隙185"在本文是可互换地使用的。
[0020]如图1和3所示，薄膜边缘场发射极100-1包括通常在102-1表示的本体部分和通常在103-1表示的端面部分。端面部分103-1包括高纵横比端面101-1 (图2)。类似地，如图1和3所示，薄膜边缘场发射极100-5包括本体部分102-5和端面部分103-5。端面部分103-5包括高纵横比端面101-5。另一个薄膜边缘场发射极100(2-4)和100(6-8)也被类似地构造。如图2所示，高纵横比端面101(1-4)是矩形的形状，但是其他细长的形状也是可能的。
[0021]在第一 X-Z平面(X1J1)中的相应的薄膜边缘场发射极100 (1-8)的主体102(1-8)是由绝缘层180-1的第一部分180-1和第二部分180-2封装的。端面部分103(1-8)从绝缘层180-1的第一部分180-1和第二部分180-2伸出。如图1和3所示，高纵横比端面
101(1-4)通过由通常在161表示的具有距离Def的间隙与相对的高纵横比端面101 (5-8)分隔开。在相对的高纵横比端面101 (1-4)和高纵横比端面101 (5-8)之间的间隙161没有用任何绝缘材料填充。一旦微离子泵10已经达到真空，在间隙161中存在真空。术语"间隙161"和"真空间隙161"在本文中是可互换地使用的。
[0022]第二门电极110是带有矩形开口 160的金属层(图1和3)。开口 160在X方向具有宽度W。(图3)，其小于第一 Y-Z平面(Y' x,l' D