DE19536197A1 - Einrichtung zum Emittieren von Elektronen, Anordnung aus mehreren solchen Einrichtungen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung - Google Patents

Description

Einrichtung zum Emittieren von Elektronen, Anordnung aus meh­ reren solchen Einrichtungen und Verfahren zur Herstellung ei­ ner solchen Einrichtung.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Emittieren von Elektronen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Anordnung aus mehreren solchen Einrichtungen und ein Verfah­ ren zur Herstellung einer solchen Einrichtung.

Eine Einrichtung der genannten Art ist bekannt (siehe EP-0 275 769, IEEE Trans. Elektron. EDV., ED-38, 1991, S. 2320- 2322, Prof. of IEDM 91, 1991, S. 197-200, US-Patent Nr. 4 908 539 und/oder US-Patent Nr. 4 940 916). Bei dieser bekannten Einrichtung besteht die spitz zulaufende Kaltkathode aus ei­ ner direkt auf die Anode gerichteten Mikrospitze. Die weitere Elektrode besteht aus einer Elektrode, in der eine die Spitze umgebende Öffnung ausgebildet ist. Die von der Spitze durch Feldemission emittierten Elektronen werden von der Spitze auf direktem Weg zur Anode beschleunigt.

Die bekannten Einrichtung ist für einen aus dem vorstehend genannten Stand der Technik hervorgehenden Mikrospitzen- Fluoreszenz-Bildschirm vorgesehen, der eine Anordnung aus mehreren Einrichtungen zum Emittieren von Elektronen ist, wo­ bei jede einzelne Einrichtung je eine Spitze aus elektro­ nenemissivem Material zum Emittieren der Elektronen aufweist die von je einer Öffnung einer dieser Spitze zugeordneten weiteren Elektrode zum gesteuerten Ändern des Elektronen­ stroms der von dieser Spitze emittierten Elektronen zu einer dieser Spitze zugeordneten Anode umgeben ist.

Die Einrichtungen zum Emittieren von Elektronen, genau genom­ men deren von je einer Öffnung einer weiteren Elektrode umge­ benen Spitzen sind in definierten, matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordneten Matrixpunkten angeordnet, wobei in jedem Matrixpunkt je eine matrixansteuerbare Anordnung aus mehre­ ren, diesem Matrixpunkt allein zugeordneten einzelnen Ein­ richtungen zum Emittieren von Elektronen angeordnet ist.

Jeder Zeile ist je eine längs dieser Zeile verlaufende erste elektrische Leiterbahn und jeder Spalte je eine längs dieser Spalte und quer zu den ersten Leiterbahnen verlaufende, durch eine elektrisch isolierende Schicht von diesen ersten Leiter­ bahnen isolierte zweite elektrische Leiterbahn zugeordnet. Die Matrixpunkte sind durch die Stellen definiert, bei denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen kreuzen.

Auf jeder ersten Leiterbahn sind in jedem Matrixpunkt die Spitzen der diesem Matrixpunkt zugeordneten Anordnung aus mehreren Einrichtungen zum emittieren von Elektronen angeord­ net und elektrisch mit dieser ersten Leiterbahn verbunden. Die ersten Leiterbahnen bilden auf diese Weise Kathodenan­ schlüsse für die Kaltkathoden in Form der Spitzen.

In jedem Matrixpunkt ragt jede Spitze auf der betreffenden ersten Leiterbahn in eine in der diese erste Leiterbahn kreu­ zenden zweiten Leiterbahn ausgebildete und dieser Spitze al­ leinzugeordnete Öffnung, welche diese Spitze umgibt. Die zweiten Leiterbahnen bilden auf diese Weise die weiteren Elektroden dieser Einrichtungen zum Emittieren von Elektro­ nen.

Die Anode besteht aus parallel zu den zweiten elektrischen Leiterbahnen verlaufenden weiteren Leiterbahnen, die mit Ab­ stand über den ersten und zweiten Leiterbahnen angeordnet sind. Im Raum zwischen den ersten und zweiten Leiterbahnen und der Anode befindet sich Vakuum.

Die Spitzen emittieren durch Feldemission Elektronen ins Va­ kuum, die zur gegenüberliegenden kathodolumineszenten Anode beschleunigt werden und diese zum Leuchten bringen.

Die Spitzen können nach einem bekannten Verfahren hergestellt werden (siehe C.A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, E.R. We­ sterberg, Standford Research Inst. "Physical Properties of Thin-film Emission Cathodes with Molybdenum Cones", J. of Appl. Phys., Vol. 47, No. 12, Dez. 1976; C.A. Spindt, C.E. Holland, I. Brodie, J.B. Mooney, E.R. Westerberg, Stanford Research Inst. "Field-Emitter Arrays Applied to Vacuum- Fluorescent Display", IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 36, No. 1, Jan. 1989; C.A. Spindt, C.E. Holland, A. Rosengre­ en, I. Brodie, Stanford Research Inst. "Field-Emitter Arrays For Vacuum Microelectronics", 3rd Intern. Vacuum Microelectro­ nics Conf. Monterey, Cal., Juli 1990).

Jede der in den Matrixpunkten angeordneten Anordnungen aus Einrichtungen zum Emittieren von Elektronen kann matrixförmig angesteuert werden.

Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Elektronenemission wird zwischen den Spitzen und der mit diesen Spitzen verbun­ denen ersten Leiterbahn eine hochohmige Vorwiderstandsschicht eingefügt (siehe US-Patent 4 940 916).

Die im Anspruch 1 angegebene erfindungsgemäße Einrichtung zum Emittieren von Elektronen hat gegenüber Einrichtungen mit herkömmlichen Spitzen den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Kaltkathode einen hohen Elektronenstrom erzeugen kann.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber Einrichtungen mit herkömmlichen Spitzen liegen darin, daß

• - die erfindungsgemäße Einrichtung ein Verhalten zeigt, das analog der bekanntermaßen verwendeten Vorwiderstands­ schicht zwischen erster Leiterbahn und Spitze die er­ wünschte Homogenisierung des Elektronenstroms,
• - unkritisch gegen Kurzschlüsse zwischen Kaltkathode und weiterer Elektrode ist,
• - die Kaltkathode lithographisch herstellbar ist und dabei ein fehlertolerantes Verhalten gegenüber Inhomogenitäten in der Lithographie zeigt und
• - bei der Herstellung geringe Ansprüche an Beschichtungs- und Strukturierungsprozesse stellt.

Bei Anordnung vieler einzelner erfindungsgemäßer Einrichtun­ gen in Form von matrixansteuerbaren Arrays können diese Ein­ richtungen vorteilhafterweise als ansteuerbare Elektronen­ quelle für flache Vakuum-Fluoreszenz-Bildschirme dienen.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung überall dort, wo Kaltkatho­ den zum Einsatz kommen, als Kaltkathode eingesetzt werden. Ein Beispiel einer solchen anderen Anwendungsmöglichkeit ist die Elektronenstrahl-Lithographie.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge­ mäßen Einrichtung, eine Anordnung aus zwei oder mehreren er­ findungsgemäßen Einrichtungen und bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Anordnung sowie ein Verfahren zur Her­ stellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung und bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens gehen aus den Ansprüchen 2 bis 30 hervor.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Einrichtung zum Emittieren von Elektronen,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1, der vergrößert die rechte Kante und deren Umgebung des Beispiels nach Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine matrixförmige Anordnung aus erfindungsgemäßen Einrichtungen in Form des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 einen Ausschnitt aus der Fig. 3, der vergrößert einen einzelnen Matrixpunkt der Matrixanordnung nach Fig. 3 zeigt.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Emittieren von Elektronen ist auf der beispielsweise ebenen und senkrecht zur Zeichenebene dieser Fig. 1 und 2 stehenden Oberfläche 150 eines Kathodensubstrats 15 aus elektrisch isolierendem Material eine Schicht 14 aus elektrisch leitendem Material aufgebracht. Das Kathodensubstrat 15 ist typischerweise eine etwa 1 mm dicke Glasplatte, die Schicht 14 typischerweise ei­ ne etwa 150 nm dicke Metallschicht.

Auf der vom Kathodensubstrat 15 abgekehrten und zur Oberflä­ che 150 des Kathodensubstrats 15 parallelen Oberfläche 140 der Schicht 14 ist eine Schicht 16 aus elektrisch isolieren­ dem Material aufgebracht, die typischerweise eine etwa 500 nm dicke Schicht aus SiO_xN_y ist. Diese Schicht 16 weist eine Aussparung 160 auf, in welcher die Oberfläche 140 der Schicht 14 freiliegt.

Auf der von der Schicht 14 abgekehrten und zur Oberfläche 150 des Kathodensubstrats 15 parallelen Oberfläche 161 der Schicht 16 ist eine aus einer Schicht 110 aus elektronene­ missivem Material und einer weiteren Schicht 112 bestehende Doppelschicht 100 aufgebracht, die horizontal, d. h. parallel zur Oberfläche 150 des Kathodensubstrats 15 über die Schicht 16 hinaus in die Aussparung 160 dieser Schicht 16 ragt und mit einer scharfen Kante 111 endet, welche die Kaltkathode 11 dieses Ausführungsbeispiels bildet.

Beispielsweise ist die Schicht 110 aus dem elektronenemissi­ ven Material mit ihrer der Schicht 16 zugekehrten Oberfläche 1101 unmittelbar auf der Oberfläche 161 der Schicht 16 aufge­ bracht und die weitere Schicht 112 auf der von der Schicht 16 abgekehrten und zur Oberfläche 150 des Kathodensubstrats 15 parallelen Oberfläche 110₃ der Schicht 110 angeordnet.

Die Kante 111 ist beispielsweise durch das Zusammentreffen einer der beiden zur Oberfläche 150 des Kathodensubstrats 15 parallelen Flächen 110₁ und 110₃ der Schicht 110 und einer zu diesen Flächen 110₁ schräg in einem Winkel α (siehe Fig. 2) stehenden Fläche 110₂ dieser Schicht 110 definiert. Beim dar­ gestellten Beispiel ist die Kante 111 durch die Fläche 1101 und die dazu schräge Fläche 110₂ der Schicht 110 gebildet. Die schräge Fläche 110₂ der Schicht 110 setzt sich über die Schicht 112 fort und erstreckt sich über die ganze Dicke d₁ der Doppelschicht 100.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte schräge Fläche 110₂ steht beispielsweise und wie die beiden Oberflächen 110₁ und 110₂ der Schicht 110 senkrecht zur Zeichenebene dieser Figuren, so daß die Kante 111 ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene ver­ läuft, wobei sie in dieser Richtung eine bestimmte Länge auf­ weist, worauf später näher eingegangen wird.

Die Schicht 110 aus dem elektronenemissiven Material ist ty­ pischerweise eine etwa 50 nm dicke Molybdänschicht und die Schicht 112 typischerweise eine etwa 150 nm dicke Tantal­ und/oder Tanalsilizidschicht. Die Materialien der Schicht 110 und Schicht 112 der Doppelschicht 100 sind herstellungsbe­ dingt aufeinander abgestimmt, worauf später eingegangen wird.

Die weitere Elektrode ist in der Aussparung 160 der Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material auf der von dieser Schicht 16 freien Oberfläche 140 der Schicht 14 aus elek­ trisch leitendem Material in Form eines Blocks aus hochohmi­ gem Material aufgebracht, der eine der Kante 111 zugekehrte Seitenfläche 130 aufweist, welche die der Kante 111 zugekehr­ te Außenfläche der weiteren Elektrode 13 bildet.

Die Außenfläche 130 ist beispielsweise in einem vorzugsweise von null verschiedenen Winkel β zu einer Flächennormalen 141 der Oberfläche 140 angeordnet und steht im wesentlichen senk­ recht zur Zeichenebene der Fig. 1 und 2, so daß sie im we­ sentlichen parallel zur Kante 111 verläuft, wobei sie sich vorzugsweise zumindest annähernd über die ganze Länge der Kante 111 in dieser Richtung erstreckt.

Die weitere Elektrode 13 weist eine solche Dicke c (siehe Fig. 2) auf, daß ihre in einem Abstand b (siehe Fig. 2) von dieser Kante 111 angeordnete Außenfläche 130 vom emittierten Elektronenstrom 10 getroffen wird. Die weitere Elektrode 13 ist typischerweise eine 600 bis 800 nm dicke Schicht aus schwach dotiertem Silizium.

In einem Abstand D von der Doppelschicht 100 ist eine vor­ zugsweise flächig ausgedehnte Anode 12 mit einer der Doppel­ schicht 100 zugekehrten und zur Oberfläche 150 des Kathoden­ substrats 15 parallelen Oberfläche 120 angeordnet. Auf dieser Oberfläche 120 ist beispielsweise eine Schicht 17 aus lumi­ neszentem Material aufgebracht.

Die Anode ist typischerweise eine Schicht aus Aluminium, die auf der von ihrer Oberfläche 120 abgekehrten Seite auf einem Anodensubstrat 18 befestigt ist. Die Schicht 17 besteht typi­ scherweise aus ITO und die Gesamtdicke der beiden Schichten 12 und 17 beträgt typischerweise 100 nm. Das Anodensubstrat 18 ist typischerweise eine etwa 1 mm dicke Glasplatte.

Der Abstand D der Anode 12 von der kathodenseitigen Struktur und der Aufbau der mit der Schicht 17 beschichteten Anode 12 können wie bei dem Bildschirm nach der EP-0 275 769 gewählt sein. Im Raum zwischen der Anode 12 und dem kathodenseitigen Aufbau befindet sich Vakuum in das die Kante 111 emittiert.

Die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ein­ richtung zum Emittieren von Elektronen ist wie folgt:
Wird an die weitere Elektrode 13, beispielsweise über die Schicht 14 aus elektrisch leitendem Material, ein positives Potential und an die Kante 111, beispielsweise über die elek­ trisch leitende weitere Schicht 112, ein negatives Potential gelegt, so werden bei ausreichender elektrischer Spannung zwischen der weiteren Elektrode 13 und der Kante 111 Elektro­ nen emittiert, wobei die Kante 111 als Kaltkathode 11 und die weitere Elektrode 13 gewissermaßen als Gitter wirkt. Ein Teil der von der Kante 111 emittierten Elektronen wird zur weite­ ren Elektrode 13, der andere zur Anode 12 beschleunigt, die auf noch positiverem Potential liegt.

Die Aufteilung des Elektronenstroms 10 in Gitter- und Anoden­ strom hängt von der genauen Geometrie der Struktur und dem Verhältnis zwischen dem Potential an der weiteren Elektrode 13 und dem Potential an der Anode 12 ab. Die weitere Elektro­ de 13 erfüllt dabei zwei wichtige Funktionen: Einerseits er­ höht sie beträchtlich das elektrisch Feld an der Kante 111 und dient andererseits aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit als lokaler Vorwiderstand, der den emittierten Elektronen­ strom 10 lokal begrenzt und stabilisiert. Lokale Stromspitzen werden abgebaut, indem diese in der weiteren Elektrode 13 ei­ nen Spannungsabfall erzeugen, der seinerseits das Potential an der Kante 111 und damit das elektrische Feld an der Kante 111 senkt. Darauf reagiert der emittierte Elektronenstrom 10 aufgrund der bekannter Fowler-Nordheim-Charakteristik der Strom-Spannungs-Kennlinie empfindlich und läßt entsprechend stark nach. Dieses Verhalten bewirkt analog der beim Gegen­ stand nach dem US-Patent Nr. 4 908 539 verwendeten Wider­ standsschicht zwischen der als Kathode wirkenden ersten Lei­ terbahn und der Spitze die erwünschte Homogenisierung des Elektronenstroms 10.

Zur Charakterisierung der Emissionseigenschaften der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung mit der Kante 111 ist es sinnvoll, den in Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kante 111 emittieren Elektronenstrom 10 auf die Länge der Kante 111 zu beziehen.

Um von einer Kante 111 einen möglichst hohen Elektronenstrom 10 zu erhalten, ist die Länge der Kante 111 möglichst groß zu wählen. Um eine Kaltkathode 11 mit einer möglichst langen Kante 111 und dennoch geringen Abmessungen zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Kaltkathode 11 in Form einer die weitere Elektrode 13 ringförmig geschlossen umgebenden Kante 111 aus­ zuführen, wobei es zweckmäßig ist, wenn die weitere Elektrode 13 eine Außenfläche 130 in Form einer ringförmig geschlosse­ nen äußeren Umfangsfläche aufweist, die der ringförmig ge­ schlossenen Kante 111 zugekehrt ist.

Damit bei der von der ringförmig geschlossenen Kante 111 um­ schriebenen Fläche die Kante 111 möglichst lang wird, ist es zweckmäßig, wenn die ringförmig geschlossene Kante 111 ein Quadrat beschreibt, so wie es in der Zeichenebene der weiter unten näher beschriebenen Fig. 4 gezeigt ist, in welcher die Kantenlänge der quadratischen Kante 111 mit a bezeichnet ist und die strichpunktierte Linie 19 die Schnittlinie darstellt, in welcher der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung vertikal zur Fig. 4 genommen ist.

Derartige erfindungsgemäße Einrichtungen 1 mit ringförmig ge­ schlossener Kante 111 und weiterer Elektrode 13 mit ringför­ mig geschlossener Außenfläche 130 sind auch im Hinblick auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 bei flachen Vakuum-Fluoreszenz-Bildschirmen günstig.

Ein derartiger Bildschirm ist gewissermaßen eine Anordnung aus mehreren Einrichtungen 1 zum Emittieren von Elektronen, wobei, jede Einrichtung 1 je eine spitz zulaufende Kathode 11 aus elektronenemissivem Material zum Emittieren der Elek­ tronen, der eine flächig ausgedehnte Anode 12 zugeordnet ist, zu der die von dieser Kaltkathode 11 emittierten Elektronen in Form eines Elektronenstroms 10 wandern, und je eine weitere Elektrode 13 zum gesteuerten Ändern des Elek­ tronenstroms der Anode 12 aufweist.

Erfindungsgemäß besteht bei dieser Anordnung die Kaltkathode 11 aus einer im wesentlichen parallel zu der ihr zugeordneten flächig ausgedehnten Anode 12 verlaufenden scharfen Kante 111 aus elektronenemissivem Material, aus der die Elektronen in Form eines im wesentlichen senkrecht zu einer Verlaufsrich­ tung der Kante 111 und parallel und schräg in einem Winkel zur flächig ausgedehnten Anode 12 gerichteten Elektronen­ stroms 10 emittiert werden. Die weitere Elektrode 13 weist erfindungsgemäß eine der Kante 111 gegenüberliegende Außen­ fläche 130 auf, die in dem von der Kante 111 emittierten Elektronenstrom 10 der flächig ausgedehnten Anode schräg in einem Winkel zugeneigt angeordnet ist.

Zur Realisierung eines Bildschirms ist es dabei zweckmäßig, die Einrichtungen 1 zum Emittieren von Elektronen in defi­ nierten matrixförmig in n 1 Zeilen 2 und m 1 Spalten 3 angeordneten Matrixpunkten 23 anzuordnen, so, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist, wobei jeder Matrixpunkt 23 je einem der Bildpunkte des Bildschirmes zugeordnet ist.

Jeder Zeile 2 ist je eine längs dieser Zeile 2 verlaufende erste Leiterbahn 21 aus elektrisch leitendem Material und je­ der Spalte 3 je eine längs dieser Spalte 3 und quer zu den ersten Leiterbahnen 21 verlaufende, elektrisch von dieser er­ sten Leiterbahn 21 isolierte zweite Leiterbahn 22 aus elek­ trisch leitendem Material zugeordnet. Dabei können die Zeilen 2 und Spalten 3 vertauscht sein, d. h. jeder Spalte 3 kann je eine erste Leiterbahn und jeder Zeile 2 je eine zweite Lei­ terbahn zugeordnet sein.

Die Matrixpunkte 23 sind durch Stellen definiert, bei denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen 21 und 22 jeweils kreuzen, d. h. übereinanderliegen.

Die weitere Elektrode 13 jeder in einem Matrixpunkt 23 ange­ ordneten Einrichtung 1 zum Emittieren von Elektronen ist auf der ersten Leiterbahn 21 und die Kaltkathode 11 dieser Ein­ richtung über der ersten Leiterbahn 21 auf der zweiten Lei­ terbahn 22 dieses Matrixpunktes 23 ausgebildet.

Jedem Matrixpunkt 23 liegt auf der flächig ausgedehnten Anode 12 je ein Bildpunkt bzw. Pixel gegenüber, das diesem Matrix­ punkt 23 zugeordnet ist.

Durch die Anordnung nach Fig. 3 kann jeder Bildpunkt einzeln adressiert bzw. angesteuert werden.

In jedem Matrixpunkt 23 ist nicht nur eine Einrichtung zum Emittieren von Elektronen, sondern eine Anordnung 20 aus vie­ len solchen Einrichtungen 1 angeordnet. Bei dem Beispiel nach Fig. 3 besteht jede solche in einem Matrixpunkt 23 angeord­ nete und diesem Matrixpunkt 23 allein zugeordnete Anordnung 20 aus jeweils 5×5 = 25 matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordneten Einrichtungen 1. Jede solche Anordnung 20 ist je einem Bildpunkt zugeordnet, den sie bestrahlt.

Die von einer solchen Anordnung 20 emittierten Elektronen kommen ohne eine zusätzliche Elektronenoptik aus, wenn der Abstand zwischen den zweiten Leiterbahnen 22 und der Anode klein genug ist (Proximity-Fokussierung) und die Fläche der Anordnung 20 sich mit der Fläche des zugeordneten Bildpunktes deckt, der typischerweise eine Kantenlänge von 80 bis 300 µm aufweist.

Ein Matrixpunkt 23 wird adressiert, indem die entsprechende Leiterbahn 21 mit einem positiven und die betreffende zweite Leiterbahn 22 mit einem negativen Potential beaufschlagt wird. Aus den Kanten 111 der zugehörigen Anordnung 20 werden die Elektronen emittiert, zu der gegenüberliegenden, von der Fläche her etwa gleich großen Anode beschleunigt und bringen die darauf befindliche Schicht aus lumineszierendem Material zum Leuchten.

Die gewünschte Bildhelligkeit, die typischerweise 300 cd/m² beträgt, bedingt einen bestimmten maximal zu liefernden Elek­ tronenstrom pro Anordnung 20. Bei Phosphoren mit niedriger Betriebsspannung von weniger als 1 kV liegt die mittlere Elektronenstromdichte in der Größenordnung von 20 mA/cm². Bei einer typischen Bildpunktgröße von 300×300 µm² entspricht dies einem Elektronenstrom von etwa 20 µA pro Anordnung 20.

Zur gleichmäßigen Ausleuchtung jedes einzelnen Bildpunktes ist eine über die Fläche dieses Bildpunktes homogene Vertei­ lung der Elektronenstromdichte notwendig. Folglich sind die Kanten 111 möglichst gleichmäßig und dicht gegenüber der Flä­ che des Bildpunktes zu verteilen. Die Dichte der in einer An­ ordnung 20 anzuordnenden Einrichtungen 1 hängt von der klein­ sten zu realisierenden Aussparung 160 ab. Wird diese z. B. mit Hilfe optischer Lithograpahie hergestellt, so liegt das Auf­ lösungsvermögen a bei etwa 1 µm.

Die beiden Forderungen nach Bildhelligkeit und Homogenität lassen sich mit dem aus der Fig. 3 hervorgehenden einfachen Grundmuster jeder Anordnung 20, das in der Fig. 4 aus­ schnittsweise und vergrößert gezeigt ist, erfüllen. Es be­ steht aus quadratischen Öffnungen 220 in der zweiten Leiter­ bahn 22, deren Rand die ringförmig geschlossene Kante 111 der Kantenlänge a bilden, und die in diesem Abstand a äquidistant aneinandergesetzt sind. Die in der Fig. 4 nicht sichtbare Aussparung 160 in der Schicht 16 ist im Grundriß ebenfalls quadratisch und ein klein wenig größer als die durch die Kan­ te 111 definierte Öffnung 220. Die Länge der Kante 111 pro Fläche einer quadratischen Öffnung 220 beträgt 1/a.

Das in den Fig. 3 und 4 gezeigte Grundmuster ist nicht das einzig mögliche. Im Hinblick auf die später erläuterten tech­ nologischen Möglichkeiten erscheint es aber besonders ein­ fach. Bei einem gegebenen Rastermaß von a = 1,5 µm hat eine einzelne Kante 111 eine Kantenlänge von 6 µm. Auf einer Bild­ punktfläche von 0,09 mm² lassen sich davon 10⁴ Stück unter­ bringen. Jede einzelne Einrichtung 1 hat im Durchschnitt ei­ nen Anodenstrom von 2 nA zu erbringen. Zusammengenommen erge­ ben sie eine Kantenlänge pro quadratischer Anordnung 20 von 60 mm und liefern einen Anodenstrom von 0,33 µA/mm.

Die weitere Elektrode 13 ist bei dem Beispiel nach den Fig. 3 und 4 in Form einer auf der zugeordneten ersten Leiter­ bahn 21 ausgebildeten pyramidenstumpfförmigen Erhebung 210 mit quadratischem aus hochohmigem Material gebildet, die in die Öffnung 220 ragt und eine quadratisch ringförmige Um­ fangsfläche aufweist, welche die Außenfläche 130 der weiteren Elektrode 13 bildet.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kaltkathode 11 in Form einer erfindungsgemäßen scharfen Kante 111 für eine Einrichtung zum Emittieren von Elektronen wird vorteilhafterweise eine aus einer Schicht 110 aus elektrone­ nemissivem Material und zumindest einer weiteren Schicht 112 aus einem Material mit einer im Vergleich zum elektronene­ missiven Material größeren Ätzrate bezüglich eines bestimmten Ätzmittels bestehende Mehrfachschicht 100, beispielsweise ei­ ne Doppelschicht, verwendet.

Die Mehrfachschicht 100 wird auf einer Flachseite mit einer Ätzmaske 19 bedeckt, die eine einen Verlauf der herzustellen­ den scharfen Kante 111 definierende Randkante 191 aufweist.

Die Mehrfachschicht 100 wird an der Randkante 191 der Ätzmas­ ke 19 mit dem bestimmten Ätzmittel geätzt, wobei das Ätzen über der ganzen Dicke d₁ der Mehrfachschicht 100 erfolgt, die Randkante 191 unterätzt und eine sich über die ganze Dicke d₁ der Mehrfachschicht 100 erstreckende Fläche 1102 entsteht, die schräg in einem Winkel α zu einer Flachseite 1101 der Mehrfachschicht 100 steht, entlang der Randkante 191 der Ätz­ maske 19 mit dieser Flachseite 110₁ zusammentrifft und dort zusammen mit dieser Flachseite 110₁ die Kante 111 bildet. Beim Beispiel nach den Fig. 1 und 2 verläuft die Randkante 191 der Ätzmaske 19 senkrecht zur Zeichenebene dieser Figuren.

Durch dieses Herstellungsverfahren entsteht eine scharfe Kan­ te 111 an der Schicht 110 aus elektronenemissivem Material. Diese Schicht 110 kann beispielsweise aus Molybdän und jede weitere Schicht 112 aus Tantal oder Tantalsilizid bestehen.

Vorteilhafterweise wird so vorgegangen, daß eine auf einer Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material aufgebrachte Mehrfachschicht 100 verwendet wird und daß nach dem Ätzen der Mehrfachschicht 100 mit dem bestimmten Ätzmittel die Schicht 16 aus dem elektrisch isolierenden Material an der entstande­ nen Kante 111 über der ganzen Dicke d dieser Schicht 16 mit einem die Mehrfachschicht 100 nicht oder schwächer als die Schicht 16 aus dem elektrisch isolierenden Material angrei­ fenden Ätzmittel unter Unterätzung der Kante 111 geätzt wird.

Die Schicht 110 aus Molybdän und die Schicht 112 aus Tantal oder Tantalsilizid werden beispielsweise gesputtert und mit­ tels reaktiven Ionenätzens in einem SF₆-Plasma geätzt. Die Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material, beispiels­ weise SiO_xN_y, wird anschließend durch isotropes Ätzen, z. B. in gepufferter Flußsäure geätzt.

Zweckmäßigerweise wird eine auf einer Oberfläche 140 aus elektrisch leitendem Material angeordnete Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material verwendet, wobei nach Her­ stellung der Kante 111 die Schicht 16 aus dem elektrisch iso­ lierenden Material unter Unterätzung der Kante 111 bis zur Oberfläche 140 aus dem elektrisch leitenden Material abgeätzt wird, so daß diese Oberfläche 140 bis unter die Kante 111 freigelegt wird und die Randfläche 162 der Aussparung 160 entsteht, die auf der Oberfläche 140 einen parallel dazu ge­ messenen Abstand u von der Kante 111 aufweist und beispiels­ weise schräg in einem Winkel zu dieser Oberfläche 140 steht.

Auf die freigelegte Oberfläche 140 wird durch Aufdampfen schräg unter einem Winkel β zur Flächennormalen 141 der Ober­ fläche 140 unter Verwendung der Randkante 191 der auf der Mehrfachschicht 100 verbliebenen Ätzmaske 19 als Schattenmas­ ke hochohmiges Material bis zu einer Dicke c aufgedampft, die mindestens gleich einem Abstand d der Kante 111 von der Ober­ fläche 140 ist, aufgewachsen wird. Dieses aufgewachsene hochohmige Material bildet die weitere Elektrode 13 und weist eine der Kante 111 zugekehrte und in einem Abstand b von die­ ser Kante 111 angeordnete Außenfläche 130 auf, die schräg im Winkel β zur Flächennormale 141 steht (siehe Fig. 2).

Das hochohmige Material wächst auch auf der Ätzmaske 19 auf und kann anschließend mit dieser Maske 19 entfernt werden. Dieses Verfahren ist vorteilhafterweise selbstjustierend. Der Winkel β kann durch geeignete Wahl und Orientierung der Auf­ dampfquelle relativ zur Oberfläche 140 eingestellt werden. Der von der Kante 111 senkrecht zur Außenfläche 130 gemessene Abstand b hängt dann nur noch vom Winkel β und der Dicke d der Schicht 16 aus dem elektrisch isolierenden Material gemäß der Gleichung

b = d·sin β « d

ab. Aufgrund der Geometrie ergeben sich für b von einigen µm, die sich nach Maßgabe von d und b sehr genau reproduzieren lassen.

Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung, ins­ besondere für flache Vakuum-Fluoreszenz-Bildschirme, wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß die Schicht 14 aus elektrisch leitendem Material auf die Oberfläche 150 des Ka­ thodensubstrats 15 aus Glas aufgebracht, die Schicht 14 unter Verwendung einer ersten Maske in erste Leiterbahnen 21 struk­ turiert wird, auf die strukturierte Schicht 14 die Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht wird, auf die Oberfläche 161 der Schicht 16 die Mehrfachschicht 100 aufgebracht wird, in der Mehrfachschicht 100 unter Verwendung einer zweiten Maske Öffnungen 220 und in der Schicht 16 Aus­ sparungen 160 zum Definieren der Kanten 111 und von Bondkon­ takten für die Schicht 14 strukturiert werden, auf die in den Aussparungen 160 freiliegende Oberfläche 140 der Schicht 14 die weiteren Elektroden 13 durch Aufdampfen hochohmigen Mate­ rials erzeugt und die zweite Maske mit dem darauf aufgedampf­ ten hochohmigen Material entfernt wird und danach mit Hilfe einer dritten Maske zweite Leiterbahnen 22 in der Mehrfach­ schicht 100 strukturiert werden.

Claims (32)

1. Einrichtung (1) zum Emittieren von Elektronen, bestehend aus

• - einer spitz zulaufenden Kaltkathode (11) aus elektronene­ missivem Material zum Emittieren der Elektronen,
• - einer Anode (12), zu der die emittierten Elektronen in Form eines Elektronenstroms (10) wandern, und
• - einer weiteren Elektrode (13) zum gesteuerten Ändern des Elektronenstroms (10) zur Anode (12)

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kaltkathode (11) aus einer im wesentlichen scharfen Kante (111) aus elektronenemissivem Material besteht, aus der die Elektronen in Form eines im wesentlichen senkrecht zu ei­ ner Verlaufsrichtung der Kante (111) gerichteten Elektro­ nenstroms (10) emittiert werden, und daß
• - die weitere Elektrode (13) eine der Kante (111) zugekehrte und sich in der Verlaufsrichtung der Kante (111) erstreckende Außenfläche (130) aufweist, die der emittierte Elektronen­ strom (10) trifft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenemissive Material aus Molybdän besteht.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (13) aus einem hochohmigen Material besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (13) aus dotiertem Halbleitermate­ rial besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (13) aus Silizium besteht.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (13) auf einer Oberfläche (140) einer Schicht (14) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist und eine in einem Winkel zur Oberfläche (140) dieser Schicht (14) stehende Außenfläche (130) aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) aus elektrisch leitendem Material aus Metall besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Schicht (14) aus dem elektrisch leitenden Material auf einer Oberfläche (150) eines Kathodensubstrats (15) aus elek­ trisch isolierendem Material angeordnet ist, daß
• - auf der von der Oberfläche (150) des Kathodensubstrats (15) abgekehrten Oberfläche (140) der Schicht (14) aus elektrisch leitendem Material neben der weiteren Elektrode (13) eine Schicht (16) aus elektrisch isolierendem Material und
• - auf einer von der Oberfläche (150) des Kathodensubstrats (15) abgekehrten Oberfläche (161) der Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Material eine Schicht (110) aus dem elektronenemissiven Material mit einer in Richtung zur Außen­ fläche (130) der weiteren Elektrode spitz zulaufenden, die Kaltkathode (11) bildenden scharfen Kante (111) angeordnet ist, und daß
• - die Anode (12) im wesentlichen parallel zur Oberfläche (150) des Kathodensubstrats (15) flächig ausgedehnt und in einem Abstand (D) von der Schicht (110) aus dem elektronene­ missiven Material angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) aus elektrisch isolierendem Material aus SiO_xN_y besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodensubstrat (15) aus Glas besteht.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch
eine aus der Schicht (110) aus dem elektronenemissiven Mate­ rial und zumindest einer weiteren Schicht (112) aus einem Ma­ terial mit einer im Vergleich zum elektronenemissiven Materi­ al größeren Ätzrate bezüglich eines bestimmten Ätzmittels be­ stehenden Mehrfachschicht (100).

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (100) so ausgebildet und auf der von der Oberfläche (150) des Kathodensubstrats (15) abgekehrten Oberfläche (161) der Schicht (16) aus dem elektrisch isolie­ renden Material angeordnet ist, daß eine der Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Material zugekehrte Oberflä­ che (110₁) der Schicht (110) aus dem elektronenemissiven Ma­ terial an die von der Oberfläche (150) des Kathodensubstrats (15) abgekehrte Oberfläche (161) der Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Material grenzt.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schicht (112) aus Tantal und/oder Tantalsi­ lizid besteht.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (111) durch das Zusammentreffen einer zur Ober­ fläche (150) des Kathodensubstrats (15) parallelen Fläche (110₁) der Schicht (110) aus dem elektronenemissiven Material und einer zu dieser Fläche (110₁) schräg in einem Winkel (α) stehenden Fläche (110₂) dieser Schicht (110) definiert ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (111) im wesentlichen parallel zur flächig aus­ gedehnten Anode (12) verläuft.

16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (130) der weiteren Elektrode (13) der An­ ode zugeneigt ist.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12) mit einer Schicht (17) aus lumineszentem Material beschichtet ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17) aus dem lumineszenten Material auf einer dem emittierten Elektronenstrom (10) zugekehrten Oberfläche (120) der Anode (12) angeordnet ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12) auf einem Anodensubstrat (18) aus einem Material, das für Photonen, die im lumineszenten Material von den diesem lumineszenten Material zugeführten emittierten Elektronen erzeugt werden, transparent ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodensubstrat (18) aus Glas besteht.

21. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kaltkathode (11) in Form einer die weitere Elektrode (13) ringförmig geschlossen umgebenden Kante (111).

22. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Außenfläche (130) der weiteren Elektrode (13) in Form einer ringförmig geschlossenen äußeren Umfangsfläche dieser weiteren Elektrode (13).

23. Anordnung aus zwei oder mehreren Einrichtungen (1) zum Emittieren von Elektronen, wobei

• - jede Einrichtung (1)
• - je eine spitz zulaufende Kaltkathode (11) aus elektronene­ missivem Material zum Emittieren der Elektronen, der
• - eine flächig ausgedehnte Anode (12) zugeordnet ist, zu der die von dieser Kaltkathode (11) emittierten Elektronen in Form eines Elektronenstroms (10) wandern, und
• - je eine weitere Elektrode (13) zum gesteuerten Ändern des Elektronenstroms zur Anode (12) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zumindest eine Kaltkathode (11) aus einer im wesentlichen parallel zu der ihr zugeordneten flächig ausgedehnten Anode (12) verlaufenden scharfen Kante (111) aus elektronenemissi­ vem Material besteht, aus der die Elektronen in Form eines im wesentlichen senkrecht zu einer Verlaufsrichtung der Kante (111) und parallel oder schräg in einem Winkel zur flächig ausgedehnten Anode (12) gerichteten Elektronenstroms (10) emittiert werden, und daß
• - die weitere Elektrode (13) eine der Kante (111) gegenüber­ liegende Außenfläche (130) aufweist, die in dem von der Kante (111) emittierten Elektronenstrom (10) der flächig ausge­ dehnten Anode (12) schräg in einem Winkel zugeneigt angeord­ net ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Einrichtungen (1) zum Emittieren von Elektronen in de­ finierten, matrixförmig in n 1 Zeilen (2) und m 1 Spalten (3) angeordneten Matrixpunkten (23) angeordnet sind, daß
• - jeder Zeile (2) (Spalte (3)) je eine längs dieser Zeile (2) (Spalte (3)) verlaufende erste Leiterbahn (21) aus elektrisch leitendem Material und
• - jeder Spalte (3) (Zeile (2)) je eine längs dieser Spalte (3) (Zeile (2)) und quer zu den ersten Leiterbahnen (21) ver­ laufende, elektrisch von diesen ersten Leiterbahnen (21) iso­ lierte zweite Leiterbahn (22) aus elektrisch leitendem Mate­ rial zugeordnet ist, wobei
• - die Matrixpunkte (23) durch Stellen definiert sind, bei de­ nen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen (21, 22) kreu­ zen, und daß
• - die weitere Elektrode (13) jeder in einem Matrixpunkt (23) angeordneten Einrichtung (1) zum Emittieren von Elektronen auf der ersten Leiterbahn (21) und die Kaltkathode (11) die­ ser Einrichtung (1) auf der zweiten Leiterbahn (22) dieses Matrixpunktes (23) angeordnet ist.

25. Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Matrixpunkt (23) eine Anordnung (20) aus zwei oder mehreren diesem Matrixpunkt (23) allein zugeordneten einzel­ nen Einrichtungen (1) zum Emittieren von Elektronen angeord­ net ist.

26. Anordnung nach Anspruch 23, 24 oder 25 gekennzeichnet durch zumindest eine Einrichtung (1) zum Emittieren von Elektronen mit einer Kaltkathode (11) in Form einer ringförmig geschlos­ senen Kante (111), die den Rand einer in der zugeordneten zweiten Leiterbahn (22) ausgebildete Öffnung (220) bildet ist, und durch eine weiteren Elektrode (13) in Form einer auf der zugeordneten ersten Leiterbahn (21) ausgebildeten Erhe­ bung (210) aus hochohmigem Material, die in die Öffnung (220) ragt.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmig geschlossene Kante (111) quadratisch ver­ läuft.

28. Verfahren zur Herstellung einer Kaltkathode (11) in Form einer scharfen Kante (111) für eine Einrichtung (1) zum Emit­ tieren von Elektronen nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch

• - Verwendung einer aus einer Schicht (110) aus elektronene­ missivem Material und zumindest einer weiteren Schicht (112) aus einem Material mit einer im Vergleich zum elektronenemis­ siven Material größeren Ätzrate bezüglich eines bestimmten Ätzmittels bestehenden Mehrfachschicht (100),
• - Bedecken der Mehrfachschicht (100) mit einer Ätzmaske (19), die eine einen Verlauf der herzustellenden scharfen Kante (111) definierende Randkante (191) aufweist, und
• - Ätzen der Mehrfachschicht (100) an der Randkante (191) der Ätzmaske (19) mit dem bestimmten Ätzmittel, wobei das Ätzen über der ganzen Dicke (d₁) der Mehrfachschicht (100) erfolgt, die Randkante (191) unterätzt und eine sich über die ganze Dicke (d₁) der Mehrfachschicht (100) erstreckende Fläche (110₂) entsteht, die schräg in einem Winkel (a) zu einer Flachseite (110₁) der Mehrfachschicht (100) steht, entlang der Randkante (191) der Ätzmaske (19) mit dieser Flachseite (110₁) zusammentrifft und dort zusammen mit dieser Flachseite (110₁) die die Kante (111) bildet.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf einer Schicht (16) aus elektrisch isolierendem Material aufgebrachte Mehrfachschicht (100) verwendet wird, und daß nach dem Ätzen der Mehrfachschicht (100) mit dem be­ stimmten Ätzmittel die Schicht (16) aus dem elektrisch iso­ lierenden Material an der entstandenen Kante (111) über der ganzen Dicke (d) dieser Schicht (16) mit einem die Mehr­ fachschicht (100) nicht oder schwächer als die Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Material angreifenden Ätzmit­ tel unter Unterätzung der Kante (111) geätzt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf einer Oberfläche (140) aus elektrisch leitendem Material angeordnete Schicht (16) aus elektrisch isolierendem Material verwendet wird, daß nach Herstellung der Kante (111) die Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Material bis zur die Oberfläche (140) aus dem elektrisch leitenden Materi­ al abgeätzt wird, so daß diese Oberfläche (140) bis unter die Kante (111) freigelegt wird, und daß auf die freigelegte Oberfläche (140) durch Aufdampfen schräg unter einem Winkel (β) zur Flächennormalen (141) der Oberfläche (140) unter Ver­ wendung der Randkante (191) der auf der Mehrfachschicht (100) verbliebenen Ätzmaske (19) als Schattenmaske hochohmiges Ma­ terial bis zu einer Dicke (c), die mindestens gleich der Dic­ ke (d) der Schicht (16) aus dem elektrisch isolierenden Mate­ rial ist, aufgewachsen wird.