Field electron emission is a quantum tunneling phenomenon that emits electrons in the strong electric field. As an electron source, field emission has been widely used in applications that include field emission displays, field emission microscopes, and field emission cathode for x-ray generation. X-ray generation using field electron emission has gained interests due to the realization of x-ray tubes with compact size and low power consumption. A number of materials have been studied for field emitting materials, and carbon nanotubes (CNTs) have been regarded as the most suitable material for the field emission application. However, poor adhesion with substrate and damages to the electric discharges and ion bombardment degrade the performance of the CNTs. This degradation has been obstacles to the practical application of CNT-based field emitter.
In this paper, we suggest a new type of field emitter array as an x-ray generation source with ultraviolet (UV) lithography technology. Using backside UV exposure technique, we fabricate high aspect ratio structures with negative photoresist, SU-8. Indium tin oxide (ITO) layer is then coated onto the SU-8 structures and acts as the conductive layer of the field emitter array. The fabricated field emitter array shows excellent field emission properties due to the high aspect ratio structures and low work function of the ITO. Low turn-on electric field of 2.2 V/μm at emission current of 10 μA and field enhancement factor of 2442 are obtained in the field emission experiment.
X-ray generation experiment demonstrates the reliability of the fabricated field emitter arrays as an x-ray generation source. X-rays are generated as electrons, emitted and accelerated by high voltage, collide with the metal target. The radiated x-ray dose rate versus time graphs at the different applied voltages of 34.1 kV, 42.9 kV, and 44 kV are obtained and show the stability of the generated x-ray. After numerous electric discharges at the high voltages during the experiment, no catastrophic damage to the field emitter array is observed. This verifies the good mechanical stability over the electric discharges and ion bombardment, and demonstrates strong adhesion with substrate. We conduct the adhesion tape test (ISO 2409) to measure the adhesion level between field emitter array and substrate. Test result shows the reasonably high adhesion level of classification 2, which means cross-cut area removed is less than 15%.
전계방출은 강한 전기장에 의해 음극부에서 전자가 방출되는 양자터널현상으로 전자방출원으로써 주목받고 있다. 특히 방출된 전자를 높은 전압으로 가속하여 금속 타겟에 충돌시키면 X-선을 발생시킬 수 있는데, 이를 이용하여 X-선 발생장치를 제작할 수 있다. 본 연구는 UV 리소그래피를 이용하여 새로운 타입의 전계방출원을 제작하고 이를 이용하여 X-선을 발생시키는데 응용하였다. 논문은 크게 전계방출원 제작공정, 전계방출실험, X-선 발생실험으로 구성되어 있다. 제안된 전계방출원은 크롬 마스크 패터닝 후 웨이퍼의 후면에서 UV를 조사하는 공정 기법을 이용하여 고종횡비 SU-8 구조물을 만들고 이후 ITO를 코팅하는 방법으로 제작되었다. 이러한 공정방법으로 일반적으로 UV 리소그래피로는 달성하기 어려운 종횡비 6 이상의 기판과 수직한 구조물을 손쉽게 제작하였다. 전계방출실험을 통해 제작된 전계방출원에서 안정적으로 전자가 방출되는 것을 확인하였다. 실험결과 10 μA 전류가 발생하는데 필요한 전기장의 세기는 2.2 V/μm, 전계집중계수는 2442로 제작된 전계방출원의 크기에 비해 비교적 높은 성능을 보여주었다. X-선 발생실험을 통해 발생되는 X-선량을 시간에 대한 그래프로 측정하였고 비교적 안정적으로 X-선이 발생되는 것을 보여준다. 또한 44 kV의 고전압에서 발생하는 전기 방전에도 제작된 전계방출원은 물리적으로 큰 손상이 없었고 이러한 특성은 전계방출원을 구성하는 SU-8의 높은 기계적 강도와 기판과의 높은 부착력 때문이라 생각된다. UV 리소그래피를 이용하여 제작된 전계방출원은 공정과정에서 UV 선량과 리소그래피 마스크를 변경하는 것만으로 전계방출원의 높이나 지름 그리고 전계방출원 사이의 간격을 쉽게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 리소그래피 기술로 제작된 전계방출원은 대량 생산 및 높은 재현성을 가질 수 있으며 X-선 발생장치로써 상용화하는데 기여할 수 있을 것이라 기대한다.
