CH615780A5

CH615780A5 -

Info

Publication number: CH615780A5
Application number: CH516977A
Authority: CH
Inventors: Arthur Marie Eugen Hoeberechts
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1980-02-15
Also published as: NL7604569A; JPS52132771A; GB1530841A; AU503434B2; US4095133A; DE2716992A1; FR2349947A1; CA1081312A; FR2349947B1; AU2458277A; IT1084485B

Description

Die Erfindung bezieht s;ch auf eine Feldemitteranordnung mit einem Substrat, an dem mindestens eine kegelige Elektrode angebracht ist, und das, ausgenommen in der Nähe der Spitze der Elektrode, mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen ist, auf der wenigstens örtlich eine leitende Schicht vorhanden ist.

Eine derartige Feldemitteranordnung ist aus der niederländischen Patentanmeldung 7 301 833 bekannt. Die leitende Schicht endet bei der bekannten Anordnung etwas unter der Spitze der Elektrode. Sie dient als reflektierende Schicht und ausserdem kann an diese Schicht ein elektrisches Potential zur Erhöhung des elektrischen Feldes an der Spitze der Elektrode angelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feldemitteranordnung zu schaffen, in der eine Beschleunigungselektrode integriert ist und bei der der Abstand der Beschleunigungselektrode von der elektronenemittierenden Spitze äusserst klein ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass sich die leitende Schicht in Richtung auf die punktförmige Spitze der Elektrode über die dielektrische Schicht hinaus erstreckt und über der Spitze eine Öffnung aufweist, so dass die leitende Schicht eine kappenförmige, die kegelige Elektrode umgebende Beschleunigungselektrode bildet.

Infolge der Tatsache, dass die dielektrische Schicht sehr dünn ist, ist der Abstand der Beschleunigungselektrode von der Spitze der kegeligen Elektrode äusserst klein. Eine nur verhältnismässig niedrige elektrische Spannung zwischen diesen beiden Elektroden führt dann auch bereits eine sehr hohe elektrische Feldstärke herbei, die für Feldemission erwünscht ist. Der Aufbau der integrierten Feldemitteranordnung ist einfach und beansprucht sehr wenig Raum. Daher ist es möglich, in einem Substrat eine Vielzahl von Feldemitteranordnungen zu bilden, die, weil sie zusammenarbeiten, nur eine sehr geringe Belastung pro punktförmige Elektrode erfordern.

Vorzugsweise bestehen das Substrat und die kegelige Elektrode aus einkristallinem Silicium, die dielektrische Schicht aus Siliciumdioxid und die leitende Schicht aus polykristallinem Silicium. Dann können bei Halbleiteranordnungen entwickelte Herstellungstechniken angewandt werden, bei denen mit grosser Genauigkeit gearbeitet werden kann. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das einkristalline Silicium eine (100)-Kristallorientierung aufweist, wobei die punktförmige Elektrode durch selektive Ätzung erhalten wird. Überraschenderweise hat es sich dabei als möglich erwiesen, eine Vielzahl von Emittern völlig gleicher Form in das Substrat zu ätzen.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer Feldemitteranordnung, bei dem von einem Substrat ausgegangen wird, an dem mindestens eine kegelige Elektrode gebildet ist. Das Verfahren ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das mit den kegeligen Elektroden versehene Substrat mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen wird; dass auf dieser Schicht eine Schicht aus leitendem Material angebracht wird; dass an der Stelle der Spitze der kegeligen Elektrode in der leitenden Schicht eine Öffnung gebildet wird, und dass die dielektrische Schicht rings um die Spitze der kegeligen Elektrode und teilweise unter der leitenden Schicht an der Stelle der Öffnung unter Verwendung der leitenden Schicht als Maskierung weggeätzt wird.

Ein besonders attraktives Verfahren, bei dem auf einem Substrat aus einkristallinem Silicium mindestens eine mit einer Spitze versehene kegelige Elektrode dadurch gebildet wird, dass das Substrat mit einer inselförmigen Siliciumdioxidmaske überzogen wird, wonach das Substrat einer Ätzbehandlung unterworfen wird, bei der Unterätzung unter der Maske auftritt, und anschliessend das Substrat thermisch oxidiert wird, ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation derart weit fortgesetzt wird, dass die Spitze der kegeligen Elektrode sich etwas unterhalb der inselförmigen Maske befindet; dass unter Beibehaltung der Maske eine Schicht aus polykristallinem Silicium auf das Oxid des Substrats und der inselförmigen Maske angebracht wird; dass in das polykristalline Silicium über der Maske eine Öffnung geätzt wird, wobei diese Ätzbehandlung fortgesetzt wird, bis der Rand der Maske erreicht ist, und dass dann die inselförmige Maske und

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ausserdem ein Siliciumdioxidgebiet, das sich rings um die Spitze der kegeligen Elektrode befindet, weggeätzt werden. Ein grosser Vorteil ist dabei der, dass die Bearbeitungen mit einem Mikroskop völlig beobachtet werden können.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Feldemitteranordnung nach der Erfindung.

Fig. 2 ein Substrat mit einer punktförmigen Elektrode, das mit nacheinander einer isolierenden und einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist;

Fig. 3 das Gebilde nach Fig. 2, wobei nach dem Anbringen einer Photolackmaske eine Öffnung in die leitende Schicht geätzt worden ist;

Fig. 4 die Bildung einer punktförmigen Elektrode bei einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 weitere Bearbeitungsstufen bei der Ausführungsform nach Fig. 4, und

Fig. 7 die Feldemitteranordnung nach der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Feldemitteranordnung nach der Erfindung dargestellt. In einem Substrat 1, das wenigstens in der Nähe der dargestellten Hauptfläche aus einem für Feldemission geeigneten Material besteht, ist eine punktförmige Elektrode 2 gebildet. Das Ausführungsbeispiel wird mit einkristallinem Silicium a|s Substratmaterial beschrieben. Auf dem Substrat befindet sich eine Schicht 3 aus dielektrischem Material, die die Spitze der Elektrode 2 nicht bedeckt. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Siliciumoxid mit einer Dicke von etwa 1 bis 2 [xm, die gegebenenfalls noch mit einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 0,04 p.m überzogen sein kann. Auf der dielektrischen Schicht 3 ist eine Beschleunigungselektrode 4 angebracht, die sich zu der Spitze der Elektrode 2 hin über die dielektrische Schicht hinaus erstreckt und über der Spitze eine Öffnung aufweist. Die Beschleunigungselektrode kann z. B. aus einem Metall, wie Molybdän, oder aus polykristallinem Silicium bestehen.

Die dargestellte Feldemitteranordnung weist einen einfachen Aufbau auf. Die integrierte Beschleunigungselektrode 4 liegt in äusserst geringer Entfernung von der Spitze der Elektrode 2. Dadurch kann bereits bei einem verhältnismässig niedrigen Spannungsunterschied von z. B. einigen Hundert Volt zwischen diesen beiden Elektroden ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden, das zum Erhalten von Elektronenemission aus der punktförmigen Elektrode erforderlich ist. Die emittierten Elektronen bewegen sich durch die Öffnung in der Beschleunigungselektrode 4 nach aussen. Mit 20 ist eine Umhüllung einer elektrischen Entladungsröhre schematisch dargestellt. Die Feldemitteranordnung kann in diese Entladungsröhre aufgenommen sein.

Bei praktischen Anwendungen, wie z. B. bei Kameraröhren, Bildröhren, Rastermikroskopen usw., kann man, statt eine thermische Kathode anzuwenden, eine Anzahl in einem Substrat hergestellter Emitteranordnungen zusammenarbeiten lassen, wobei die Belastung pro punktförmige Elektrode nur sehr gering zu sein braucht. Der Teilungsabstand wird vorzugsweise nicht viel grösser als 15 p,m und die Höhe der punktförmigen Elektrode etwa gleich 5 um gewählt. Weiter können, z. B. durch Diffusionen, Beschleunigungselektroden in Bahnen angebracht und in dem Substrat Teile isoliert werden, wobei dann jede der punktförmigen Elektroden gesondert oder eine Anzahl dieser Elektroden zusammen arbeiten können.

In den Fig. 2 und 3 sind aufeinanderfolgende Stufen des Verfahrens zur Herstellung der Feldemitteranordnung dargestellt. Auch hier wird ein besonderes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem z. B. in bezug auf die Wahl der Materialien und die durchzuführenden Schritte Änderungen möglich sind. In Fig. 2

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ist ein Substrat 5 dargestellt, in dem eine punktförmige Elektrode 6 gebildet ist, die als Emitter dienen wird. Die punktförmige Elektrode kann mittels einer Ätztechnik etwa auf die anhand der Fig. 12 der niederländischen Patentanmeldung 7 301 833 beschriebene Weise gebildet sein. Das Substrat ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einkristallinem Silicium vom n-Leitungstyp mit einer derartigen Kristallorientierung hergestellt, dass die Hauptfläche eine (100>Fläche ist. Zur Bildung der Elektrode kann nun anisotrop geätzt werden, wobei die Entfernung von Material in der (100)-Richtung schneller als in der (11 l>Richtung vor sich geht. Ein dazu geeignetes Ätzmittel ist z. B. Hydrazin bei einer Temperatur von 80 °C. Das Ergebnis ist, dass eine kegelige, aus vielen Fazetten aufgebaute Elektrode mit einem verhältnismässig grossen Scheitelwinkel von etwa 70° erhalten wird. Der Abrun-dungsradius der Spitze der punktförmigen Elektrode beträgt einige Hundert À und es hat sich herausgestellt, dass bei einer Elektrode aus (100>Material eine gute Emission erhalten wird. Weiter ist die Form der Spitze sehr gut reproduzierbar und kann namentlich das Erhalten der gewünschten Höhe der punktförmigen Elektrode gut beherrscht werden. Beim gleichzeitigen Ätzen einer Anzahl punktförmiger Elektroden in ein Substrat wird denn auch eine grosse Formgleichheit der Elektroden erhalten.

Die Elektrode 6 wird mit einer dielektrischen Schicht 7 überzogen. Dies kann auf einfache Weise durch thermische Oxidation des Siliciumsubstrats oder durch Aufdampfen erzielt werden, wobei eine dünne Si02-Schicht mit z. B. einer Dicke von 1 bis 2 p,m gebildet wird. Gegebenenfalls kann, z. B. durch Aufdampfen, darauf eine dünne Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von z. B. 0,04 (im angebracht werden, was u. a. den Vorteil ergibt, dass die dielektrische Schicht eine sehr hohe elektrische Durchschlagsspannung erhält. Auf der dielektrischen Schicht 7 wird eine leitende Schicht 8, z. B. aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 0,5 jxm angebracht.

Die so gebildete Einheit wird nun mit einer Photolackschicht 9 überzogen. In Fig. 3 ist mit einer gestrichelten Linie angegeben, dass sich die Photolackschicht nach dem Anbringen bis etwas oberhalb der Spitze der punktförmigen Elektrode erstreckt. Z. B. wird ein dünnflüssiger Lack mit einer Viskosität von etwa 20 cP verwendet. Die Photolackschicht wird entwik-kelt, bis die Spitze der leitenden Schicht 8 auf der Elektrode 6 frei wird und durch Erhitzung bei etwas 80 °C wird die mit 9 bezeichnete Photolackschicht ausgehärtet. Diese Photolackschicht, in der auf diese Weise in einem selbstsuchenden Pro-zess und ohne weitere Hilfsmittel Öffnungen über der punktförmigen Elektrode gebildet werden, dient als Maske bei der nun stattfindenden Entfernung des unüberzogenen Teiles der leitenden Schicht 8. In Fig. 3 ist dargestellt, dass die nicht schraffierte Spitze 10 der leitenden Schicht 8 durch Ätzung oder Zerstäubung entfernt ist, welche Verfahren an sich bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen bekannt sind. Es leuchtet ein, dass das maskierende Photolackmuster auch mit Hilfe von Belichtung der Photolackschicht über eine zusätzliche Maske erhalten werden kann. Infolge der Notwendigkeit dieser zusätzlichen Maske ist dieses Verfahren aber weniger attraktiv.

Wenn die Öffnung 10 in der leitenden Schicht gebildet worden ist, kann die Photolackschicht 9 entfernt werden. Durch eine Ätzbehandlung, bei der die dielektrische Schicht 7 wohl, die leitende Schicht 8 und die Elektrode 6 jedoch nicht angegriffen werden, wird die Spitze der punktförmigen Elektrode 6 von Dielektrikum frei gemacht und wird die in Fig. 1 dargestellte Form erhalten; die leitende Schicht dient dabei als Ätzmaske. Wenn Nitrid als zusätzliches Dielektrikum angebracht ist, soll das polykristalline Silicium zunächst thermisch oxidiert werden, um zu vermeiden, dass die Siliciumnitridschicht durch das Ätzmittel angegriffen wird.

Auf verhältnismässig einfache Weise wird eine Feld3

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emitteranordnung mit integrierter Beschleunigungselektrode 8 erhalten, die sich sehr einfach herstellen lässt und bei der durch den sehr kleinen Abstand zwischen der Spitze der Elektrode 6 und den Enden der Beschleunigungselektrode 8 ein sehr starkes elektrisches Feld zwischen diesen beiden Elektroden bei einem verhältnismässig niedrigen Spannungsunterschied von z. B. einigen Hundert Volt erzeugt werden kann.

Wenn beim Ätzen der Öffnung in die leitende Schicht 8 diese Öffnung etwas grösser geworden ist als für eine optimale Wirkung erwünscht ist, kann auf einfache Weise die Höhe des kappenförmigen Teiles der Elektrode 8 durch galvanisches Anwachsen der Schicht 8 vergrössert und somit die Öffnung verkleinert werden. '

Wie bereits bemerkt wurde, beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Anwendung von Silicium als Substratmaterial. Z. B. kann auch von einem Verbundmaterial ausgegangen werden, in dem punktförmige Elektroden gebildet sind. Weiter kann die dielektrische Schicht auch aus einem von den genannten Materialien verschiedenen Material, z. B. Aluminiumoxid, bestehen. Zur Verbesserung der Emissionseigenschaften kann die Emitterspitze gegebenenfalls mit einer Kohlenstoff- oder Zirkonoxidschicht überzogen werden. Gegebenenfalls kann auf der Beschleunigungselektrode wieder eine dielektrische Schicht und auf dieser Schicht eine folgende leitende als Fokussierungselektrode dienende Schicht angebracht werden.

Eine besonders günstige weitere Ausführungsform ist in den Fig. 4 bis 7 dargestellt. Auf einer Hauptfläche eines Substrats aus Silicium mit einer (100>Kristallorientierung wird auf bekannte Weise eine inselförmige Maske 12, z. B. aus Silicium-dioxid, angebracht und durch eine Ätzbehandlung unter der Maske 12 ein kegeliger Körper gebildet (Fig. 4). Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wird bei dem angewendeten (100>-Silicium anisotrop geätzt, wie anhand der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 bereits beschrieben wurde. Hier wird jedoch nur geätzt, bis ein Kegel mit stumpfer Spitze mit einem Durchmesser von etwa 1,5 um erhalten ist. Das Substrat wird anschliessend thermisch oxidiert; die Siliciumdioxid-

schicht 13 weist eine Dicke von etwa 1 Jim auf. Unter dem Oxid bildet sich nun in dem Silicium ein Kegel 14 mit einer scharfen Spitze, die einige Zehntel eines (xm unter der inselförmigen Maske 12 liegt.

3 Danach wird eine Schicht 15 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 0,5 (im auf der Substratoberfläche und rings um die Maske 12 angebracht. Versuche haben ergeben, dass die Schicht 15 auch besonders gut auf der Unterseite der Maske 12 anwächst. In Fig. 5 sind die Schicht 15, sowie eine 10 als Maskierung wirkende Photolackschicht 16 dargestellt, die mittels des anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen selbstsuchenden Prozesses gebildet wird. Erwünschtenfalls kann die Schicht 15 vor dem Anbringen der Photolackschicht über eine Dicke von einigen Hundert Â oxidiert werden. Die Maskie-, 5 rung 16 ermöglicht es, in das polykristalline Silicium eine Öffnung 17 zu ätzen (Fig. 6), wobei die Ätzung fortgesetzt wird, bis der Rand der Siliciumdioxidmaske 12 erreicht ist. Dieser Ätz-vorgang kann mit Hilfe eines Mikroskops völlig beobachtet und kann somit sehr gut beherrscht werden, wodurch diese 20 Ausführungsform besonders attraktiv wird. Durch das Vorhandensein der flachen Maske 12 kann nämlich das Mikroskop darauf eingestellt werden, ist gar keine Nachregelung erforderlich und kann die Ätzung beendet werden, wenn die Öffnung die gewünschte Grösse aufweist, die in Fig. 6 dargestellt ist. 25 Der letzte Schritt besteht darin, dass die Maske 12 und auch das Siliciumdioxid rings um die Spitze des Kegels 14 weggeätzt werden. Dabei wird die Ätzung fortgesetzt, bis die Spitze des Kegels 14 über etwa 2 ji,m frei liegt. Nach Entfernung der Photolackschicht ist die integrierte Feldemitteranordnung nach 30 Fig. 7 erhalten.

Es sei bemerkt, dass die Grösse der Öffnung in der Beschleunigungselektrode 15 durch den Durchmesser der stumpfen Spitze des Kegels 14 in der in Fig. 4 dargestellten Stufe bestimmt wird. Die Öffnung kommt genau über der 35 punktförmigen Elektrode zu liegen; die Beschleunigungselektrode liegt dort automatisch etwas über der Spitze der Elektrode 14.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Feldemitteranordnung mit einem Substrat, an dem mindestens eine kegelige Elektrode angebracht ist und das, ausgenommen in der Nähe der Spitze der Elektrode, mit einer Schicht aus einem dielektrischen Material überzogen ist, auf der wenigstens örtlich eine leitende Schicht vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die leitende Schicht in Richtung auf die punktförmige Spitze der Elektrode über die dielektrische Schicht hinaus erstreckt und über der Spitze eine Öffnung aufweist, so dass die leitende Schicht eine kappenförmige, die kegelige Elektrode umgebende Beschleunigungselektrode bildet.
2. Feldemitteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und die kegelige Elektrode aus einkristallinem Silicium, die dielektrische Schicht aus Silici-umdioxid und die leitende Schicht aus polykristallinem Silicium bestehen.
3. Feldemitteranordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline Silicium eine Hauptfläche mit einer (100)-Kristallorientierung aufweist, wobei die kegelige Elektrode durch selektives Ätzen gebildet ist.
4. Verwendung der Feldemitteranordnung nach Patentanspruch 1 als Kathode in einer elektrischen Entladungsröhre.
5. Verfahren zur Herstellung einer Feldemitteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der kegeligen Elektrode versehene Substrat mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen wird; dass auf dieser Schicht eine Schicht aus leitendem Material angebracht wird; dass an der Stelle der Spitze der kegeligen Elektrode in der leitenden Schicht eine Öffnung gebildet wird, und dass die dielektrische Schicht rings um die Spitze der kegeligen Elektrode und teilweise unter der leitenden Schicht an der Stelle der Öffnung unter Verwendung der leitenden Schicht als Maske weggeätzt wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, bei dem auf einem Substrat aus einkristallinem Silicium die mit einer Spitze versehene kegelige Elektrode dadurch gebildet wird, dass das Substrat mit einer inselförmigen Siliciumdioxidmaske überzogen wird, wonach das Substrat einer Ätzbehandlung unterworfen wird, bei der Unterätzung unter der Maske auftritt, und dann das Substrat thermisch oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation derart weit fortgesetzt wird, dass die Spitze der kegeligen Elektrode sich etwas unter der inselförmigen Maske befindet; dass unter Beibehaltung der Maske eine Schicht aus polykristallinem Silicium auf dem Oxid des Substrats und der inselförmigen Maske angebracht wird; dass in das polykristalline Silicium über der Maske eine Öffnung geätzt wird, wobei die Ätzung fortgesetzt wird, bis der Rand der Maske erreicht ist, und dass anschliessend die inselförmige Maske und ausserdem ein Siliciumdioxidgebiet, das sich rings um die Spitze der kegeligen Elektrode befindet, weggeätzt werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung einer Öffnung in der leitenden Schicht diese Öffnung durch galvanisches Anwachsen auf den gewünschten Umfang verkleinert wird.