DE10020383A1 - Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters auf einem Feldemittersubtrat mit vorzugsweise streifenförmigen Kathoden, einem dielektrischen Film und Metall-Gates auf dem dielektrischen Film, die mit Öffnungen versehen sind, die sich über Öffnungen des dielektrischen Films befinden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Feldemitter als Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldemitter durch Elektrophorese hergestellt. Dazu werden eine Elektrodenplatte und das Feldemittersubstrat voneinander beabstandet in ein Elektrophoresebad verbracht, das eine Kohlenstoff-Nanoröhren-Suspension enthält, und dann wird eine vorgegebene Vorspannung zwischen selbige angelegt, um bei Raumtemperatur Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel auf der durch die Öffnungen des dielektrischen Films freigelegten Oberfläche der Elektroden aufzubringen. Anschließend wird das Feldemittersubstrat mit den Kohlenstoff-Nanoröhren-Spitzen auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. DOLLAR A Verwendung zum Beispiel zur Herstellung von Elektronenemittern für Feldemissionsanzeigen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters auf einem Feldemittersubstrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es wird erwartet, dass die Verwendung von Feldemittern als Elektronenemitter für Feldemissionsanzeigen in zukünftigen Generationen von Flachbildschirmen beträchtlich zunimmt. Feldemitter emittieren Elektronen durch Erzeugung eines star­ ken elektrischen Feldes um diese herum. Die Stromemissions­ dichte von Elektronen ist proportional zu der Intensität des um den Feldemitter herum erzeugten elektrischen Feldes, und die Intensität des elektrischen Feldes wird durch die geomet­ rische Form des Feldemitters beeinflusst. Feldemitter, die als Elektronenemitter für Feldemissionsanzeigen wirken, sind üblicherweise in einer konischen Form mit einer scharfen Spitze ausgebildet.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Feldemit­ ters mit einem Spitzenkonus, der durch eine Spindt-Technik hergestellt wurde. Der herkömmliche Feldemitter beinhaltet eine Kathode 12 auf einem Glassubstrat 11, eine scharfe Spit­ ze 15 zum Emittieren von Elektronen, die auf der Kathode 12 angeordnet ist, einen dielektrischen Film 13, der so struktu­ riert ist, dass er die Spitze 15 umgibt, sowie ein auf dem dielektrischen Film 13 ausgebildetes Gate 14 mit einer Öff­ nung 14a über der Spitze 15, die eine Elektronenemission er­ laubt. In einer Feldemissionsanzeige ist eine Mehrzahl von Kathoden in Streifen auf einem Glassubstrat angeordnet.
Ein Verfahren zur Herstellung des herkömmlichen Feldemitters in Fig. 1 für Feldemissionsanzeigen durch die Spindt-Technik, das häufig verwendet wurde, ist im Folgenden dargelegt.
Die Fig. 2 bis 6 sind Schnittansichten aufeinanderfolgender Stufen des Verfahrens zur Herstellung des herkömmlichen Feld­ emitters in Fig. 1. Bezugnehmend auf Fig. 2 wird die Elektro­ de 12 in einem Streifen auf dem Glassubstrat 11 gebildet, ge­ folgt von der Bildung des dielektrischen Films 13 und einer Gateschicht 14'. Als nächstes wird, wie in Fig. 3 gezeigt, durch Photolithographie eine Photoresistmaske 16 auf der Ga­ teschicht 14' und dann das Gate 14 mit der darin befindlichen Öffnung 14a gebildet. Nach dem Ablösen der Photoresistmaske 16 wird der dielektrische Film 13 unter Verwendung des Gates 14 als Ätzmaske geätzt, um eine Öffnung 13a in dem dielektri­ schen Film 13 zu erzeugen, wie in Fig. 4 gezeigt.
Dann wird, wie in Fig. 5 gezeigt, nach der Deposition einer Opferschicht 17 auf dem Gate 14 die Struktur geschleudert, um die Spitze 15 durch Elektronenstrahldeposition mit einem Ma­ terial mit hohem Schmelzpunkt aufzuwachsen. Danach werden die Opferschicht 17 und eine Nebenproduktschicht 15a, die während der Deposition der Spitze abgeschieden wird, durch Ätzen ent­ fernt, was zu dem in Fig. 1 gezeigten Feldemitter führt.
Die Lebensdauer der Spitze in einem Feldemitter, wie jenem in Fig. 1 gezeigten, wird jedoch aufgrund der zur Deposition verwendeten ionisierten Gase und der ungleichmäßigen Vertei­ lung des elektrischen Feldes während des Betriebs verkürzt. Ein Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit, wie Molyb­ dän (Mo), wird benötigt, um die Treiberspannung eines Feld­ emitters zu verringern. Die Verwendung von Molybdän als Mate­ rial für die Emitterspitze gewährleistet jedoch keine zufrie­ denstellende Lebensdauer der Spitze, wie vorstehend beschrie­ ben. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden Diamant- und Kohlenstoffsubstanzen zur Bildung von Emitterspitzen bei ho­ hen Temperaturen aufgebracht. Diese bei hohen Temperaturen durchgeführte Technik resultiert jedoch in ungleichmäßigen Beschichtungseigenschaften des Produkts. Außerdem verursacht die Verwendung von Diamant die Schwierigkeit, dass ein großes Gebiet des Emitters nicht beschichtet werden kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, durch das Feldemitter mit einer Spitze mit niedriger Aus­ trittsarbeit und hoher Lebensdauer und Qualität hergestellt werden können.
Die Erfindung löst diese Problem durch die Bereitstellung ei­ nes Feldemitter-Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfahren wird der Feldemitter mit seiner Spitze charakteristischerweise als Kohlenstoff-Nano­ röhren-Feldemitter durch eine Elektrophorese in einer Suspen­ sion von Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikeln hergestellt. Dies realisiert einen Feldemitter mit niedriger Austrittsarbeit. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist bei relativ niedrigen Temperaturen ausführbar und verursacht keine uner­ wünschten Restgasionisationen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläu­ terte, herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnun­ gen dargestellt, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Feldemitters mit einem Spitzenkonus, der durch eine Spindt-Technik hergestellt wurde,
Fig. 2 bis 6 Schnittansichten aufeinanderfolgender Stufen eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung des Feldemitterbauelements in Fig. 1,
Fig. 7 ein Elektrophoresebad, das zur Herstellung eines Koh­ lenstoff-Nanoröhren-Feldemitterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 8 und 9 Schnittansichten, welche Verfahren zur Herstel­ lung eines Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldemitters durch elektrophoretische Deposition gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen,
Fig. 10 ein geladenes Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel, das eine Suspension für die Elektrophorese erlaubt, und
Fig. 11 ein Emissionsbild einer Feldemissionsanzeige, die Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldemitter-Anordnungen der vor­ liegenden Erfindung verwendet, und
Fig. 12 eine I-V-Kurve, welche die Feldemissionseigenschaften des Feldemitters gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Nunmehr wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff- Nanoröhren-Emitterbauelements durch Elektrophorese gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 10 beschrieben. In den Zeichnungen werden durchgehend für funk­ tionell entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen ver­ wendet.
Zunächst wird gemäß der oben zu den Fig. 2 bis 4 beschriebe­ nen, herkömmlichen Vorgehensweise ein Feldemittersubstrat vorbereitet. Dazu werden, wie oben erläutert, eine Mehrzahl von Kathoden 12 in Streifen auf einem Glassubstrat 11 ange­ ordnet, und ein dielektrischer Film 13 wird mit Öffnungen 13a über den Kathoden 12 gebildet. Als nächstes werden Metall- Gates 14 mit Öffnungen 14a gebildet, die sich über den Öff­ nungen 13a des dielektrischen Films 13 befinden, um die Ober­ fläche der Kathoden 12 freizulegen. Dann wird das in Fig. 4 gezeigte Feldemittersubstrat, das sich auf die Struktur un­ mittelbar vor der Bildung von Mikrospitzen bezieht, in ein in Fig. 7 gezeigtes Elektrophoresebad 21 verbracht.
Anschließend werden durch elektrophoretische Deposition bei Raumtemperatur Kohlenstoff-Nanoröhren gleichmäßig auf dem im Elektrophoresebad 21 befindlichen Feldemittersubstrat 10' auf die Oberfläche der Kathoden 12 aufgebracht, die durch die Öffnungen 13a freigelegt sind, wie im Folgenden dargelegt ist.
Das Elektrophoresebad 21 enthält eine Kohlenstoff-Nanoröhren- Suspension 22. Außerdem ist eine Elektrodenplatte 23 in dem Elektrophoresebad 21 eingebaut, die von dem Feldemittersub­ strat 10' beabstandet ist. Die Kathode einer Gleichspan­ nungs(DC)-Versorgung 24 (oder Wechselspannungs(AC)-Versor­ gung), die außerhalb des Elektrophoresebades 21 installiert ist, ist mit den Kathoden 12 des Feldemittersubstrats 10' verbunden, und die Anode der Gleichspannungsversorgung 24 ist mit der Elektrodenplatte 23 verbunden. Dann wird von der Gleichspannungsversorgung 24 eine Vorspannung von 1 Volt bis 1.000 Volt zwischen der Elektrodenplatte 23 und den Kathoden 12 des Feldemittersubstrats 10' angelegt.
Wenn somit eine positive Spannung der Gleichspannungsversor­ gung 24 an die Elektrodenplatte 23 angelegt wird, wandern dann Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel, die durch positive Io­ nen in der Kohlenstoff-Nanoröhren-Suspension 22 geladen sind, zu den freigelegten Kathoden 12 des Feldemittersubstrats 10' und haften daran an, was zu Kohlenstoff-Nanoröhren 25 führt, wie in Fig. 8 gezeigt.
Fig. 9 stellt eine weitere Ausführungsform des Kohlenstoff- Nanoröhren-Emitters gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei der ein Dünnfilm 12a auf den Kathoden 12 des Feldemittersub­ strats 10' aufgebracht wird und Kohlenstoff-Nanoröhren 25 auf dem Dünnfilm 12a gebildet werden. Bei der vorliegenden Aus­ führungsform werden die Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel in gleicher Weise wie in der in Fig. 8 dargestellten Ausfüh­ rungsform aufgebracht, und somit wird eine detaillierte Er­ läuterung hiervon nicht wiederholt.
Die Kohlenstoff-Nanoröhren 25 für den Feldemitter gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch eine Bogenentladung oder eine Lasertechnik hergestellt. Die Partikel der Kohlenstoff- Nanoröhre weisen eine Länge in der Größenordnung von mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikrometern auf und enthal­ ten Metallpartikel, die als Katalysator verwendet werden, so­ wie Kohlenstoffverunreinigungen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren- Partikel werden mit einer starken Säure, wie HNO3 und H2SO4, reagiert, um Verunreinigungen daraus zu entfernen, auf geeig­ nete Längen geschnitten und einer Sedimentation sowie einer Feld-Fluss-Fraktionierung unter Verwendung eines Separators unterworfen, um Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel mit einer Länge von ungefähr 1 Mikrometer zur Verwendung bei der Her­ stellung einer Suspension für die Elektrophorese abzutrennen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren-Suspension enthält ein Tensid, wie Tritron X-100, Bis(1-ethylhexyl)natriumsulfosuccinat, allge­ mein als AOT bekannt, und Nitrate von Mg(OH)2, Al(OH)3 oder La(OH)3, und wird während der Elektrophorese beschallt, bei der Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel mit positiven oder nega­ tiven Ladungen geladen werden, wie in Fig. 10 gezeigt. Hier­ bei definieren die Intensität des elektrischen Feldes und die Dauer, während der das elektrische Feld angelegt wird, die Dicke der Kohlenstoff-Nanoröhren-Schicht. Ein höherer Span­ nungspegel und eine längere Dauer der Spannungsbeaufschlagung resultieren in einer dickeren Kohlenstoff-Nanoröhren-Schicht.
Für Anwendungen bei einer Diode wird zwecks selektiver Depo­ sition von Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikeln ein elektrisches Feld mit zu jenen auf der Oberfläche der Kohlenstoff- Nanoröhren-Partikel entgegengesetzten Ladungen an die freige­ legte Elektrodenoberfläche eines Feldemittersubstrats ange­ legt. Währenddessen wird für Anwendungen bei einer Triode mit Gates, die als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, ein schwaches positives elektrisches Feld an die Gates 14 angelegt, während ein positives elektrisches Feld an die Elektroden 12 des Feldemittersubstrats 10' ange­ legt wird, was eine Deposition von Kohlenstoff-Nanoröhren- Partikeln auf den Gates 14 vermeidet. Insbesondere ist, wie zuvor beschrieben, die Elektrodenplatte 23 mit der Anode der Gleichspannungsversorgung 24 verbunden, und die Kathoden 12 des Feldemittersubstrats 10' sind mit der Kathode der Gleich­ spannungsversorgung 24 verbunden. Wenn ein positives Potenti­ al an die Gates 14 angelegt wird, weisen die Gates 14 positi­ ve Ionen in der Kohlenstoff-Nanoröhren-Suspension 22 an die Oberfläche ab, während die freigelegten Kathoden 12 des Feld­ emittersubstrats 10', die mit der Kathode der Gleichspan­ nungsversorgung 24 verbunden sind, positive Ionen der Suspen­ sion durch die Öffnungen 13a anziehen. Als Ergebnis werden die Kohlenstoff-Nanoröhren 25 lediglich auf der gesamten freigelegten Oberfläche der Kathoden 12 abgeschieden, nicht auf den Gates 14 des Feldemittersubstrats 10'. Hierbei sind die Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel nahe der Öffnungen 14a der Gates 14 nahezu vertikal ausgerichtet, was es ermöglicht, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel glatt durch die Öff­ nungen 13a zu den Kathoden 12 wandern und somit die Kohlen­ stoff-Nanoröhren 25 geordnet aufgebracht werden können, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt.
Nach der Abscheidung von Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikeln durch Elektrophorese wird eine Niedertemperaturerwärmung durchgeführt, um die Deposition der Kohlenstoff-Nanoröhren 25 auf den Kathoden 12 zu unterstützen und eine leichte Entfer­ nung von Verunreinigungen zu bewirken, die während der Depo­ sition in den Feldemitter eingebaut werden. So sind dann die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Feldemitter fertiggestellt, die Kohlenstoff-Nanoröhren 25 mit einer niedrigen Austrittsarbeit aufweisen.
Fig. 11 stellt ein Emissionsbild einer Feldemissionsanzeige dar, die Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldemitteranordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, und Fig. 12 zeigt eine I-V-Kurve, welche die Feldemissionseigenschaften eines Feld­ emitters gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ein herkömmlicher Feldemitter besitzt eine sehr hohe Emissi­ onsstromdichte, so dass seine Betriebslebensdauer durch Ioni­ sation von Restgasen innerhalb eines Vakuumgebiets verkürzt wird. Durch Erzeugen der Feldemitterspitzen mit Kohlenstoff- Nanoröhren-Partikeln mittels elektrophoretischer Deposition, wie in der vorliegenden Erfindung, kann jedoch die Emissions­ stromdichte bezüglich der angelegten Spannungen so niedrig gehalten werden, wie in Fig. 12 gezeigt, was zu einer verbes­ serten Beständigkeit durch Vermeiden der Ionisation von Rest­ gasen und somit wiederum zu einer längeren Lebensdauer des Feldemitters führt.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff-Nanoröhren- Feldemitters durch Elektrophorese bereit, das einen Feldemit­ ter mit einer großen Fläche und eine selektive Emitterdeposi­ tion für eine Triode ermöglicht. Da die Kohlenstoff- Nanoröhren-Partikel eine niedrige Austrittsarbeit aufweisen, kann die Treiberspannung von Elektroden erniedrigt werden. Außerdem wird der gesamte Fertigungsprozess bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, was die Herstellungskosten redu­ ziert und eine Ionisation von Restgasen verhindert. Dies ver­ bessert die Beständigkeit des Feldemitters.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters auf einem Feldemittersubstrat mit Kathoden (12), insbesondere in Streifen auf einem Substrat (11) angeordneten Kathoden, ei­ nem dielektrischen Film (13), der mit Öffnungen über den Kathoden versehen ist, und Metall-Gates (14) auf dem die­ lektrischen Film, die mit Öffnungen versehen sind, die sich über den Öffnungen des dielektrischen Films befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldemitter als Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldemitter durch Elektrophorese mit folgenden Schritten hergestellt wird:
  • a) Verbringen einer Elektrodenplatte und des Feldemitter­ substrats voneinander beabstandet in ein Elektrophore­ sebad, das eine Kohlenstoff-Nanoröhren-Suspension für die Elektrophorese enthält,
  • b) Anlegen einer vorgegebenen Vorspannung von einer Leis­ tungsversorgung zwischen der Elektrodenplatte und den Kathoden des Feldemittersubstrats, um bei Raumtempera­ tur Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel auf der durch die Öffnungen des dielektrischen Films freigelegten Ober­ fläche der Elektroden aufzubringen, und
  • c) Herausnehmen des Feldemittersubstrats, auf dem die Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel aufgebracht wurden, aus dem Elektrophoresebad und Erwärmen des Feldemit­ tersubstrats mit Kohlenstoff-Nanoröhren-Spitzen auf eine vorgegebene Temperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren-Partikel für die Herstel­ lung der im Schritt a verwendeten Kohlenstoff-Nanoröhren- Suspension mit einer Länge von 0,1 Mikrometer bis 1 Mikro­ meter durch Feld-Fluss-Fraktionierung abgetrennt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, dass die in Schritt a verwendete Kohlenstoff- Nanoröhren-Suspension ein Tensid enthält, das aus der Grup­ pe ausgewählt ist, die aus Tritron X-100, AOT und Nitraten von Mg(OH)2, Al(OH)3 und LA(OH)3 besteht, und während der Elektrophorese beschallt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b die Vorspannung, die zwi­ schen der Elektrodenplatte und den Kathoden des Feldemit­ tersubstrats angelegt wird, im Bereich zwischen 1 Volt und 1.000 Volt liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung während 1 Sekunde bis 10 Minuten angelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b die Kohlenstoff-Nanoröh­ ren-Partikel mit einer Dicke von 0,01 Mikrometer bis 0,5 Mikrometer aufgebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in Schritt c bei einer Temperatur von 150°C bis 500°C durchgeführt wird.
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