DE10020383A1 - Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters - Google Patents
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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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