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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionselektrode einer Elektronenquelle, wobei die Elektronenemissionselektrode wenigstens eine Emissionsspitze aufweist, die zur Abgabe von Elektronen in die Umgebung eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine derartige Elektronenemissionselektrode sowie ein Gerät mit einer oder mehreren Elektronenemissionselektroden.
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Solche Elektronenquellen mit wenigstens einer Elektronenemissionselektrode können in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen, z.B. in Elektronenmikroskopen, Feldemissionsbildschirmen oder anderen Geräten. Es gibt bereits diverse Vorschläge für die Herstellung von Elektronenquellen, z.B. in
DE 11 2012 003 268 T5 ,
EP 1 892 741 A1 oder
DE 605 15 245 T2 . Die bekannten Herstellverfahren sind relativ aufwendig und führen insbesondere bei Anwendungen in Feldemissionsbildschirmen (FED-Technologie) nicht zur erforderlichen Dauerhaltbarkeit der Elektronenemissionselektrode.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionselektrode sowie eine verbesserte Elektronenemissionselektrode anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionselektrode einer Elektronenquelle, wobei die Elektronenemissionselektrode wenigstens eine Emissionsspitze aufweist, die zur Abgabe von Elektronen in die Umgebung eingerichtet ist, mit den Schritten:
- a) Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem sprödbrechenden Material,
- b) mechanische und/oder thermische Oberflächenbearbeitung des Grundkörpers zum Formen der Emissionsspitze, wobei Material vom Grundkörper zumindest um die Emissionsspitze herum sprödbrechend abgetragen wird.
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Die Erfindung macht sich somit die besonderen Eigenschaften eines sprödbrechenden Materials in vorteilhafter Weise zu nutze. Ein sprödbrechendes Material, auch bezeichnet als zum Sprödbruch neigendes Material, ist wegen dieser Eigenschaft in vielen Anwendungen eher ungeeignet. Die Erfinder haben erkannt, dass ein solches Material zusammen mit einer Oberflächenbearbeitung, bei der die sprödbrechenden Eigenschaften des Materials gezielt genutzt werden, zu einer erheblichen Verbesserung bei der Herstellung einer Elektronenemissionselektrode sowie bei den sich dann ergebenden Funktionseigenschaften der Elektronenemissionselektrode führt. So können mit der Erfindung erheblich höhere Standzeiten im Betrieb der Elektronenemissionselektrode realisiert werden, sodass mit der Erfindung erstmalig Feldemissionsbildschirme mit einer praxisgerechten Betriebsfestigkeit (Dauerhaltbarkeit) realisiert werden können. Demzufolge kann durch die Erfindung erstmalig die FED-Technologie umfangreich in der Praxis genutzt werden, mit dem Vorteil, dass Flachbildschirme mit erheblich geringerem Energieverbrauch im Vergleich mit derzeitigen Bildschirmtechnologien realisiert werden können.
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Zudem erlaubt die Erfindung die Massenproduktion von solchen Elektronenemissionselektroden in besonders wirtschaftlicher Weise. Der Fertigungsprozess kann besonders effizient auf große Stückzahlen skaliert werden. So können z.B. in der Halbleitertechnik verwendete Siliziumwafer, z.B. mit einem Durchmesser von 300 mm, für die Produktion von Elektronenemissionselektroden gemäß der Erfindung genutzt werden. Bei Herstellung von Elektronenemitter-Arrays mit einer Größe von z.B. 5 × 5 mm2 können ca. 2800 solcher Elektronenemitter-Arrays pro Wafer erzeugt werden.
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Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen für die Realisierung von Elektronenemissionselektroden in Feldemissionsbildschirmen kann zudem pro Emissionsspitze ein wesentlich höherer Emissionsstrom realisiert werden, mit dem Effekt, dass mit einer einzigen Emissionsspitze bereits ein Pixel eines Feldemissionsbildschirms betrieben werden kann. Bei bisherigen FED-Kathodenspitzen mussten allein für ein einziges Pixel 2000 bis 3000 Spitzen genutzt werden, um die nötigen Stromstärken zu erzielen. Daher kann auch in dieser Hinsicht die Fertigung und die Wirtschaftlichkeit solcher Elektronenquellen, insbesondere für die Anwendung in FEDs, optimiert werden.
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Gegenüber Thermoemittern hat die Erfindung den weiteren Vorteil, dass die Elektronenquelle wesentlich kompakter realisiert werden kann und insbesondere wesentlich flachere Strukturen damit realisiert werden können. Damit eignet sich die Erfindung besonders für die Anwendung in der Herstellung von Flachbildschirmen.
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Als sprödbrechendes Material kommen alle Materialien mit zum Sprödbruch neigenden Eigenschaften in Frage, d.h. solche Materialien, bei denen Kantenausbrüche bei der Bearbeitung auftreten. Besonders geeignet ist z.B. Silizium, sowohl in einkristalliner als auch in polykristalliner Form. Silizium hat den Vorteil, dass es ideale sprödbrechende Materialeigenschaften hat und zudem kostengünstig in der geeigneten Form, z.B. in Form von Silizium-Wafern, verfügbar ist.
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Ein weiterer Vorteil des Siliziummaterials ist seine hohe Wärmekapazität und die gute Wärmeleitung. Dies ist ebenfalls förderlich für die Dauerhaltbarkeit der Emissionsspitze, da hierdurch der Abbrand an der Emissionsspitze minimiert wird.
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Weitere geeignete Materialien sind keramische Materialien, z.B. AlTiC oder LaB6, oder amorphe Materialien wie Glasmaterialien, insbesondere leitende Glasmaterialien wie ITO, oder Siliziumcarbid.
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Die Oberflächenbearbeitung kann durch mechanische Bearbeitung erfolgen, insbesondere durch spanende Bearbeitung wie z.B. Schleifen, Fräsen, Drehen und/oder Bohren. Auch eine Kombination solcher spanenden Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden. Die thermische Bearbeitung kann insbesondere indirekt thermisch erfolgen, z.B. durch Laser-Bearbeitung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zumindest im Bereich der Emissionsspitze durch Sprödbruch eine raue Oberfläche des sprödbrechenden Materials erzeugt. Die raue Oberfläche begünstigt dabei zusätzlich die zuvor erwähnten, vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Emissionsspitze, nämlich die Dauerhaltbarkeit sowie den relativ hohen Emissionsstrom.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die mechanische Oberflächenbearbeitung ein Erzeugen von sich kreuzenden und sich nicht kreuzenden Nuten auf der Oberfläche des Grundkörpers, z.B. mittels eines spanenden Verfahrens. Auf diese Weise kann ein matrixartiges Muster auf der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt werden, durch das in einem Arbeitsschritt eine Vielzahl von Emissionsspitzen auf dem Grundkörper erzeugt werden. Die sich nicht kreuzenden Nuten können insbesondere als parallel verlaufende Nuten ausgebildet sein. Die sich kreuzenden Nuten können insbesondere als rechtwinklig zueinander angeordnete Nuten ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden sich nicht kreuzende Nuten durch überlappende Führung eines spanenden Werkzeugs entlang von Schnittlinien, an denen die Nuten zu erzeugen sind, hergestellt. Hierdurch kann ein „overlapping process“ realisiert werden, bei dem die Abstände zwischen den einzelnen Nuten geringer sind als die Breite des verwendeten spanenden Werkzeugs, z.B. die Dicke einer Trennschleifscheibe. Dementsprechend ist die Arbeitsbreite des spanenden Werkzeugs größer als der Abstand benachbarter sich nicht kreuzender Nuten. Durch die Überlagerung der Schnittlinien kann die gewünschte Oberflächenrauheit in Folge des Sprödbruchs erzeugt werden. Es ist kein nachträgliches Anrauen der Oberfläche erforderlich. Zudem wird durch eine solche überlappende Führung des Werkzeugs zunächst eine scharfe Kante erzeugt. Durch nachfolgendes Erzeugen der dazu kreuzweise verlaufenden Nuten, die für sich genommen wiederum durch überlappende Führung eines spanenden Werkzeugs hergestellt werden können, können in großer Stückzahl die gewünschten Emissionsspitzen in der ausreichend spitzen Form erzeugt werden. Ein zusätzlicher formgebender Arbeitsschritt ist dabei nicht erforderlich.
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Das Werkzeug muss nicht notwendigerweise gemäß der zuvor erläuterten, überlappenden Führung zur Erzeugung der Nuten über den Grundkörper geführt werden. Das Verfahren kann auch in Form eines „chipping process“ durchgeführt werden. Hierbei wird eine Überlagerung der Schnittlinien nicht angestrebt. Die gewünschten Eigenschaften der Emissionsspitze werden dabei dennoch in Folge der sprödbrechenden Materialeigenschaften erzeugt. Durch das „chipping“ entstehen Ausbrüche im Bereich der herzustellenden Emissionsspitze aufgrund des Bruchverhaltens des verwendeten sprödbrechenden Werkstoffs. Diese Ausbrüche führen zu scharfkantigen z.B. schollen- oder schuppenartigen Formen der Emissionsspitze.
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Hierbei kann durch geeignete Wahl des Werkzeugs, z.B. Werkzeugparameter wie Abrasivmedium, Beschichtungen, Form, Steifigkeit, Oberflächenstrukturierung, Abricht- und Konditionierverhalten, Schneidenradius, Werkzeuggeometrie, Verschleißzustand, und des spanenden Trennprozesses, z.B. Schnittlinien, Schnitttiefe, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugwinkel, Kühlmedium die entstehende Form der Emissionsspitze in der gewünschten Weise beeinflusst werden und ein sprödes Brechen des Materials durch einzelne oder kombinierte Faktoren in der gewünschten Weise beeinflusst wird. Hierbei können während des Herstellverfahrens der „overlapping process“ und der „chipping process“ gewechselt und/oder kombiniert werden.
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Ergänzend kann das sprödbrechende Material durch gezielt eingestellte Spannungszustände und Umgebungsbedingungen, wie z.B. Abkühlung, zum erhöhten Sprödbruch gebracht werden. Dazu können mechanische, thermische, geometrische (Form, Risse etc.) und chemische Einflüsse sowie Umgebungsveränderungen genutzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird durch die mechanische und/oder thermische Oberflächenbearbeitung des Grundkörpers eine Vielzahl von Emissionsspitzen an dem Grundkörper hergestellt. Vorteilhafterweise kann die Vielzahl von Emissionsspitzen in einem Arbeitsgang der mechanischen und/oder thermischen Oberflächenbearbeitung des Grundkörpers hergestellt werden. Hierdurch kann die Erfindung insbesondere für die Massenproduktion solcher Emissionsspitzen optimiert werden. Ein Werkzeugwechsel ist in dem Arbeitsgang damit nicht unbedingt erforderlich oder die Anzahl der Werkzeugwechsel kann zumindest minimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der mechanischen und/oder thermischen Oberflächenbearbeitung des Grundkörpers Sockelbereiche bildende Oberflächenbereiche des Grundkörpers unbearbeitet belassen werden oder andere als die die Emissionsspitzen umgebenden Bereiche bearbeitet werden und, wobei die Emissionsspitzen auf eine geringere Bauhöhe bearbeitet werden als die Bauhöhe der Sockelbereiche. Die Sockelbereiche können vorteilhaft als Montageplatz und Abstandshalter für ein Beschleunigungsgitter genutzt werden, um auf diese Weise mit einer oder mehreren Emissionsspitzen eine vollständige Elektronenquelle zu realisieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden eine, mehrere oder alle Emissionsspitzen der Elektronenemissionselektrode über eine elektrische Kontaktierung mit einem elektrischen Kontaktierungsanschluss der Elektronenemissionselektrode verbunden werden. Der Kontaktierungsanschluss dient zur Außenkontaktierung, d.h. zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle oder einer Steuereinrichtung der Elektronenemissionselektrode. Die elektrische Kontaktierung kann dabei z.B. von der Emissionsspitze durch das verbliebene Material des Grundkörpers zu dem Kontaktierungsanschluss erfolgen. Es kann eine Einzel-Kontaktierung jeder einzelnen Emissionsspitze realisiert werden, sodass diese separat ansteuerbar sind. Mehrere Emissionsspitzen können auch über gemeinsame elektrische Kontaktierungen miteinander verbunden sein, sodass diese in Gruppen nur gemeinsam angesteuert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden an dem bearbeiteten Grundkörper eine oder mehrere Elektronenemissionselektroden mit jeweils einer oder mehreren Emissionsspitzen segmentiert und/oder aus dem bearbeiteten Grundkörper eine oder mehrere Elektronenemissionselektroden mit jeweils einer oder mehreren Emissionsspitzen vereinzelt. Auf diese Weise kann in produktionstechnisch effizienter Weise die gewünschte Struktur der Elektronenemissionselektrode und damit der Elektronenquelle geschaffen werden. Als Segmentieren wird in diesem Zusammenhang die weitere Formgebung einer oder mehrerer Emissionsspitzen auf demselben Grundkörper verstanden. Unter Vereinzeln wird das Abtrennen einer oder mehrerer Emissionselektroden, z.B. in Form einer Gruppe mehrerer Emissionselektroden, von dem Grundkörper verstanden. Die genannten Schritte des Segmentierens und/oder Vereinzelns werden insbesondere nach dem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Vor dem Segmentieren und/oder Vereinzeln können weitere Fertigungsschritte durchgeführt werden, z.B. zur Verkapselung der Elektronenemissionselektrode und der mechanischen und elektrischen Kontaktierung.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Elektronenemissionselektrode einer Elektronenquelle, wobei die Elektronenemissionselektrode wenigstens eine Emissionsspitze aufweist, die zur Abgabe von Elektronen in die Umgebung eingerichtet ist, wobei zumindest die Emissionsspitze aus einem sprödbrechenden Material mit einer rauen Oberfläche besteht. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile der Erfindung realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Elektronenemissionselektrode mehrere Emissionsspitzen auf, die in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster matrixartig angeordnet sind. Die Emissionsspitzen können in Gruppen gemeinsam elektrisch kontaktiert sein oder einzeln elektrisch kontaktiert sein, sodass sie separat angesteuert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Elektronenemissionselektrode mehrere die Emissionsspitze oder die Emissionsspitzen umgebende als Abstandshalter für ein Beschleunigungsgitter geeignete Sockelbereiche mit einer größeren Bauhöhe als die Bauhöhe der Emissionsspitze oder der Emissionsspitzen auf. Auf diese Weise sind günstige Montagemöglichkeiten für das Beschleunigungsgitter der Elektronenquelle vorhanden.
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Die Elektronenemissionselektrode kann insbesondere im Bereich der Emissionsspitze eine raue Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit im Bereich von Ra = 0,3–0,8 µm aufweisen. Hierdurch werden die positiven Eigenschaften der erfindungsgemäßen Emissionsspitze weiter verbessert, insbesondere die Dauerhaltbarkeit und die hohe Stromstärke.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Gerät mit einer oder mehreren Elektronenemissionselektroden und/oder Elektronenquellen der zuvor erläuterten Art. Das Gerät kann z.B. ein Flachbildschirm sein, insbesondere in Form eines Feldemissionsbildschirms, oder ein Elektronenmikroskop, ein Röntgengerät, ein Emissionsmassenspektrometer, z.B. ein Ionenmobilitätsspektrometer, eine Radaranlage, ein Magnetron oder ein Mikrowellenherd.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Grundkörper in perspektivischer Darstellung und
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2 einen Ausschnittsbereich des Grundkörpers gemäß 1 in perspektivischer Darstellung und
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3 eine Emissionsspitze in perspektivischer Darstellung und
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4 den Ausschnitt gemäß 2 in einer Seitenansicht und
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5, 6 einen „overlapping process“ und
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7, 8 einen “chipping process”.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt einen Grundkörper aus einem sprödbrechenden Material, z.B. einen Silizium-Wafer. Der Grundkörper 1 wird erfindungsgemäß bearbeitet, was nachfolgend anhand eines Ausschnittsbereichs des Grundkörpers 1, der eine Elektronenemissionselektrode 2 bildet, näher erläutert wird.
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Die 2 zeigt den Ausschnittsbereich in vergrößerter Darstellung, wobei bereits eine Oberflächenbearbeitung des Grundkörpers erfolgt ist, durch die der Ausschnittsbereich zu einer Elektronenemissionselektrode 2 mit einer Vielzahl von Emissionsspitzen geformt ist. Erkennbar ist in der 2 eine Anordnung einer Vielzahl von spitzenartigen Erhebungen 3, die die Emissionsspitzen der Elektronenemissionselektrode 2 beinhalten. In den Randbereichen befinden sich mehrere linienartige Erhebungen 4, die die matrixartige Anordnung von spitzenartigen Erhebungen 3 umgeben. In jeweiligen Eckbereichen der Elektronenemissionselektrode 2 sind quaderförmige Erhebungen 5 vorhanden, die als Sockelbereiche der Elektronenemissionselektrode genutzt werden können. Die genannten Erhebungen 3, 4, 5 befinden sich auf einem verbliebenen Bodenbereich 8 des Grundkörpers 1. Die in 2 dargestellte Anordnung von Erhebungen 3, 4, 5 kann auf einfache Weise durch Führen eines Werkzeugs in zwei sich kreuzenden Richtungen A und B über die Oberfläche des Grundkörpers 1 erzeugt werden. Durch Führen des Werkzeugs in Richtung A werden mehrere sich nicht kreuzende Nuten 6 erzeugt. Durch Führen des Werkzeugs in Richtung B werden mehrere sich nicht kreuzende Nuten 7 erzeugt. Die Nuten 6 kreuzen die Nuten 7, z.B. in einem rechten Winkel. Hieraus ergeben sich dann zwangsläufig die dargestellten Strukturen der Erhebungen 3, 4, 5.
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Dies kann z.B. durch eine Erzeugung von Nuten in zwei Arbeitsschritten erfolgen. So kann zunächst ein V-förmiges Schneidblatt, das den spitzen Winkel der Emissionsspitzen definiert, eingesetzt werden. Mittels des V-förmigen Schneidblattes, das in mehreren Schritten parallel in Richtung B geführt wird, und danach jeweils parallel in mehreren Schritten in Richtung A nebeneinander, werden zunächst die Spitzen erzeugt. Hiermit wird zudem die Bauhöhe h der spitzenförmigen Erhebungen festgelegt. Anschließend wird durch ein weiteres Werkzeug, das z.B. U-förmige Nuten erzeugt, die Länge der spitzenförmigen Erhebungen oberhalb des Bodenbereichs 8 bestimmt. Das Werkzeug wird ebenfalls in den Richtungen A und B kreuzweise über den Grundkörper 1 geführt, was auch als Segmentieren bezeichnet wird. Es entstehen somit Erhebungen 3, 4 mit einer gewissen Bauhöhe h oberhalb des Bodenbereichs 8. Da hierbei bestimmte Oberflächenbereiche der Sockelbereiche 5 nicht bearbeitet werden, können diese letztendlich eine größere Bauhöhe h aufweisen als die Bauhöhe der Erhebungen 3, 4.
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Die 3 zeigt eine der Erhebungen 3 beispielhaft in vergrößerter Darstellung. Erkennbar ist, dass auf einem quaderförmigen Sockelabschnitt 10 jeweils eine Emissionsspitze 9 der Elektronenemissionselektrode gebildet ist.
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Die 4 zeigt die Anordnung gemäß 2 in einer Seitenansicht, wobei zusätzlich nach weiteren Bearbeitungsschritten elektrische Kontaktierungen sowie ein Beschleunigungsgitter dargestellt sind.
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Erkennbar ist zunächst, dass die Bauhöhe h der Erhebungen 3 und damit der Emissionsspitzen 9 geringer ist als die Bauhöhe h der Sockelbereiche 5. Dementsprechend kann ein ebenes Beschleunigungsgitter 14 auf den Sockelbereichen 5 angeordnet und fixiert werden, ohne dass es zu Berührungen mit den Emissionsspitzen 9 kommt.
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Die Emissionsspitzen 9 können einzeln oder gruppenweise über durch das Material des Grundkörpers geführte elektrische Kontaktierungen sowie Leitungen 11 mit einem Kontaktierungsanschluss 12 verbunden werden. Über den Kontaktierungsanschluss 12 kann über weitere elektrische Leitungen 13 die elektrische Kontaktierung und Signaleinspeisung in die Emissionsspitzen 9 erfolgen.
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Die Herstellung der Emissionsspitze 9 sowie der Sockelabschnitte 10 kann durch einen „overlapping process“ erfolgen, der in den 5 und 6 dargestellt ist. Zunächst wird ein Werkzeug durch das Material 20 entlang einer Schnittlinie 21 geführt, danach in paralleler Weise entlang einer Schnittlinie 22. Hierbei kommt es zu einem Überlappungsbereich 25, in dem die Emissionsspitze 9 erzeugt wird, nachdem derselbe Vorgang in den zwei verschiedenen Schnittrichtungen A, B durchgeführt wurde. Anschließend erfolgt eine Segmentierung, wie in 6 dargestellt, durch Führen eines weiteren Werkzeugs entlang der Schnittlinie 23, 24. Hierdurch wird aus dem Material 20 der Sockelabschnitt 10 erzeugt. Statt eines Segmentierens, wie in 2 dargestellt, kann bei größerer Schnitttiefe auch eine Vereinzelung der Emissionsspitze 9 mit ihrem Sockelabschnitt 10 erfolgen.
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Anhand der 7 und 8 wird ein „chipping process“ beschrieben. Hierbei können grundsätzlich die gleichen Werkzeuge eingesetzt werden. Im ersten Arbeitsschritt, zuvor anhand der 5 beschrieben, wird das Werkzeug aber entlang von Schnittlinien 21, 22 geführt, bei denen es nicht zu dem Überlappungsbereich 25 kommt. Dementsprechend verbleibt in der Mitte ein Materialabschnitt, der zu der Emissionsspitze 9 wird. Hierbei kommt es zu Materialausbrüchen 26, die auch als „chipping“ bezeichnet werden. Diese wirken sich aufgrund der sprödbrechenden Eigenschaften des verwendeten Materials vorteilhaft auf die Funktion und Haltbarkeit der Emissionsspitze 9 aus. Anschließend erfolgt eine Segmentierung, wie in 8 dargestellt, durch Führen eines weiteren Werkzeugs entlang der Schnittlinie 23, 24. Hierdurch wird aus dem Material 20 der Sockelabschnitt 10 erzeugt. Statt eines Segmentierens, wie in 2 dargestellt, kann bei größerer Schnitttiefe auch eine Vereinzelung der Emissionsspitze 9 mit ihrem Sockelabschnitt 10 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012003268 T5 [0002]
- EP 1892741 A1 [0002]
- DE 60515245 T2 [0002]
