DE19653820A1

DE19653820A1 - Verfahren zur Herstellung von in einer Oberfläche verteilt angeordneten Feldemissionsemittern

Info

Publication number: DE19653820A1
Application number: DE1996153820
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Rer Nat Reise; Steffen Dr Rer Nat Weismantel; Bernd Dipl Ing Keiper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 1998-06-25

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von in einer Oberfläche verteilt angeordneten Feldemissionsemittern.

Die DE PS 42 09 301 beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von steuerbaren Feldemitteranordnungen. Die Ätzfront in einer Schicht schreitet kegelförmig voran. Diese Ätzkegel erfüllen die Form der Emitterspitzen und werden mit dem Material der Emitterspitzen aufgefüllt. Danach schließt sich ein weiterer Ätzvorgang an, so daß die Spitzen dieser Füllung freiliegen.

Eine aufgedampfte Metallschicht mit eingebrachten Öffnungen dient als Steuerelektrode der Feldemitteranordnung.

Die Herstellung der Kegel mit gleichbleibenden geometrischen Abmessungen ist besonders bei großflächigen Feldemitteranord nungen schwer handzuhaben. Ein weiterer Nachteil sind die not wendigen Verfahren zum Aufbringen und Abtragen der unterschied lichsten Materialien. Dazu sind mehrere Masken notwendig. In der DE OS 43 11 318 wird eine Flachtafelanzeige, insbeson dere eine matrixadressierbare Flachtafelanzeige, in der hohe Pixel-Aktivierungsspannungen geschalten werden müssen, be schrieben. Hauptaugenmerk dieser Veröffentlichung gilt der Ansteuerung der einzelnen Pixel in der Flachtafelanzeige. Über die Herstellung der Pixel selbst werden keine näheren Angaben gemacht.

Weiterhin ist bekannt, daß durch Ionenätzen hergestellte ein kristalline p-dotierte Diamantspitzen eine meßbare Elektronen emission bei Feldstärken am Emissionsort in der Größenordnung von 5000 V/µm zeigen. Die Elektronen stammen aus Zuständen im Valenzband. Diamantbeschichtete Silizium-Spitzen-Matrixanord nungen zeigen eine stabile Elektronenemission bei Feldstärken im Bereich von 40 bis 80 MV/m und bei 150 bis 190 MV/m emit tierten bis zu 95% der Einzelemitter.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Emitteranordnungen in Flächen frei wählbar zu pla zieren, die bei niedrigen Feldstärken Elektronen emittieren.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Elektronenemission von sp²- und sp³- gebundenen Kohlenstoffschichtbereichen für die Herstellung von hochemis siven und stabilen Feldemissionskatoden oder Feldemissionska todenarrays beispielsweise zur Herstellung von Flachbild schirmen oder einer neuen Generation der Hoch leistungs-Vakuum-Mikroelektronik genutzt werden.

Durch eine lokale Laserbestrahlung bindet eine teilweise gra phitische Umwandlung in Diamantschichten und diamantartigen Kohlenstoffschichten statt. Die umgewandelten Bereiche, die die Emitter darstellen, zeichnen sich durch eine Elektronenemission mit hoher Stromdichte bei niedrigen Feldstärken aus.

Die Größe der Bereiche wird durch den Querschnitt der Laser strahlen auf der Diamantschicht oder diamantartigen Kohlen stoffschicht, durch die Querschnitte der Öffnungen in der direkt auf oder unmittelbar über der vorhandenen Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht angeordneten Maske oder dem Querschnitt der Maskenöffnungen und dem Abbildungsmaßstab der Maskenprojektionsvorrichtung bestimmt.

Die Position der Bereiche und damit die Position der Emitter auf der Fläche und die Abstände der Bereiche und damit der Emitter untereinander wird durch eine geeignete Ablenkung der gepulsten oder der kontinuierlichen und dabei vorzugsweise gechopperten Laserstrahlen, durch die Position der Öffnungen in der Maske oder durch die Position der Öffnungen in der Maske und den Abbildungsmaßstab der Maskenprojektionsvorrichtung bestimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit der lokalen Um wandlung der Bereiche einer Diamantschicht oder diamantartigen sp²- und sp³ - gebundenen Kohlenstoffschicht in eine teilweise graphitische Struktur durch die unterschiedlichen Dichten dieser Materialien eine Volumenvergrößerung bis zu einem Faktor von 1,3 stattfindet. Dadurch bilden sich Erhebungen aus, die über die Oberfläche der Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht ragen und damit durch die Erhöhung der elek trischen Feldstärke bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine gezielte Elektronenfeldemission unterstützen.

Die Anwendung des Verfahrens zeichnet sich durch seine einfache Handhabbarkeit unter Nutzung bekannter und ausgereifter tech nologischer Verfahrensschritte aus. Die Emitter sind durch die gezielte und lokale Umwandlung der Schichtbereiche in die Diamantschicht oder diamantartige Kohlenstoffschicht inte griert. Verfahrensschritte hinsichtlich des Aufbringens oder Entfernens von Schichtstrukturen werden vermieden, so daß ein wesentlich vereinfachtes Verfahren zur Anwendung kommt. Neben der Einsparung von Verfahrensschritten werden der Einsatz von dazu notwendigen Chemikalien und nachfolgende Entsorgungsver fahren und Deponie- oder Entsorgungskosten vermieden. Fehlerquellen durch das Aufbringen von mehreren Strukturmasken entsprechend der Anzahl der Verfahrensschritte entfallen durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens, so daß eine kosten günstige Fertigung erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Mit der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 werden jeweils die einzelnen Bereiche, die die Feldemissionsemitter darstellen, gleichzeitig oder nacheinander mit mindestens zwei Laserstrah len bestrahlt. Dabei bewirkt beispielsweise ein Laserstrahl durch entsprechende Wahl der Wellenlänge eine Temperaturerhö hung, so daß der zur Strukturwandlung verwendete zweite Laser strahl entsprechender Wellenlänge stärker absorbiert wird. Der Querschnitt der Laserstrahlen auf der Oberfläche bestimmt den Querschnitt der Feldemissionsemitter. Die Führung der Laser strahlen erfolgt dabei entsprechend der Lage der Feldemissions emitter auf der gesamten Fläche des z. B. zu realisierenden Bildschirms. Es kann der Laserstrahl, der Grundkörper oder beide gegeneinander bewegt werden. Mit einem derartigen Ver fahren ist eine schnelle Umrüstung in Bezug auf die Größe des Grundkörpers oder die Lage der Feldemissionsemitter in der Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht auf dem Grundkörper und deren Querschnitte gegeben. Damit eignet sich dieses Verfahren besonders in der Einzel- oder Kleinserien fertigung.

Durch den Einsatz einer Maskenprojektionsvorrichtung entspre chend der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 können mehrere Feldemissionsemitter gleichzeitig mit einer kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlung auf der Substratoberfläche her gestellt werden. Der Querschnitt und die Lage benachbarter Feldemissionsemitter in der Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht werden durch die Querschnitte der Öffnungen in der Maske und den Abbildungsmaßstab der Maskenprojektions vorrichtung bestimmt. Dieses Verfahren eignet sich damit be sonders in der Serienfertigung.

Mit dem Einsatz einer Maskenprojektionsvorrichtung und Photo nenstrahlen einer Blitzlampe oder mehrerer Blitzlampen, einer kontinuierlichen Hochdrucklampe oder einer UV-Excimerlampe entsprechend der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 können alle zu erzeugenden Feldemissionsemitter in der Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht auf dem Grundkörper gleichzeitig hergestellt werden. Die Lampengröße wird der Geometrie und der Fläche des Grundkörpers angepaßt. Dieses Verfahren eignet sich damit besonders für eine Großserien- oder Massenfertigung von Feldemissionskatoden.

Die Realisierung des Grundkörpers nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 6 bis 9 ermöglicht eine Ansteuerung der Feld emissionsemitter. Dabei begünstigen die Weiterbildungen der Patentansprüche 7 bis 9 die Realisierung großflächiger Feld emissionsemitter in Form z. B. von Bildschirmen für einen Fern sehempfang oder anderer Bildwiedergabevorrichtungen.

Die Weiterbildungen der Patentansprüche 5, 10 und 11 beschrei ben besondere Verfahrensparameter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

1. Ausführungsbeispiel

Basis eines ersten Verfahrens zur Herstellung von in einer Oberfläche verteilt angeordneten Feldemissionsemittern ist ein Grundkörper aus Silizium.

Der Grundkörper wird durch die Anwendung von Verfahren der Mikroelektronik so strukturiert, daß auf seiner Oberfläche elektrisch leitende Teilflächen entstehen. Weiterhin werden in diesen Grundkörper elektronische Schalter und elektrische Lei terbahnen integriert. Am Rand des Grundkörpers sind Justier marken aufgebracht.

Die Anzahl und die Position der elektrisch leitenden Teilflä chen entspricht der Anzahl und der Position der herzustellenden Feldemissionsemitter. Diese sind dazu vorteilhafterweise in einer Matrix angeordnet. Die Auswahl der elektrisch leitenden Teilflächen erfolgt über elektronische Schalter in Form von beispielsweise Feldeffekt-Transistoren, so daß eine Zuordnung der Feldemissionsemitter über die elektronischen Schalter ge geben ist.

Die Kontaktanschlüsse des elektronischen Schalters sind dabei so im Grundkörper verschaltet, daß das Ansteuern eines elektro nischen Schalters eine elektrisch leitende Teilfläche mit einem elektrischen Spannungspotential verbindet. Wird der elektro nische Schalter nicht mehr angesteuert, wird das Spannungspo tential gegenüber einem Bezugspotential abgebaut.

Die Auswahl der elektronischen Schalter erfolgt mittels auf dem Grundkörper plazierter Kontaktflächen. Um die Anzahl dieser Kontaktflächen zu minimieren, sind z. B. im Grundkörper weiter hin Spalten- und Reihendekoder integriert, wobei die Eingänge dieser Spalten- und Reihendekoder mit den Kontaktflächen elek trisch leitend verbunden sind. Über diese Kontaktflächen er folgt die elektrische Kontaktierung der Baugruppe von außen. Anschließend wird der Grundkörper mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht mit einer Schichtdicke von 500 nm versehen. Die Bereiche über den elektrisch leitenden Teilflächen des Grundkörpers dieser diamantartigen Kohlenstoffschicht werden mit einem gepulsten Laserstrahl der Pulsdauer von 30 ns eines Nd-YAG-Lasers mit einer Laserwellenlänge von 1,06 µm und einer Laserstrahlleistungsflußdichte von 4.10⁷ bis 1.10⁸ W/cm² ein- oder mehrfach bestrahlt. Dabei erfolgt eine Umwandlung der bestrahlten Bereiche der diamantartigen Kohlenstoffschicht über die gesamte Schichtdicke in eine elektrisch leitfähige und teilweise graphitische Struktur. Dabei wird die elektrisch leitende Teilfläche des Grundkörpers mit dieser graphitischen Struktur elektrisch leitend verbunden. Der damit erzielte Durchmesser der die Feldemissionsemitter bildenden Bereiche beträgt 10 bis 100 µm. Die Position der Bereiche zu den elek trisch leitenden Teilflächen des Grundkörpers ist mit den Jus tiermarken am Rand des Grundkörpers eindeutig zuordenbar. Um großflächige Bildwiedergabeeinrichtungen zu erhalten, können mehrere Baugruppen auf einem Träger nebeneinander angeordnet werden.

2. Ausführungsbeispiel

In einem zweiten Ausführungsbeispiel kommt ein Grundkörper aus Quarzglas zur Anwendung. Auf der Oberfläche oder in Gräben des Grundkörpers werden metallische Leiterbahnen netzartig angeord net. Jeder Kreuzungspunkt der metallischen Leiterbahnen besitzt mindestens einen elektronischen Schalter. Im einfachsten Fall sind das Dioden. Für sehr schnelle Anwendungen werden dazu Schottky-Dioden verwendet.

Der so vorbereitete Grundkörper wird anschließend mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht versehen. Die Dicke dieser diamantartigen Kohlenstoffschicht beträgt 200 nm. Mit einer Excimerlaser-Multipulsbestrahlung mit einer Pulsdauer von 20 ns, einer Laserwellenlänge von 308 nm oder 248 nm und einer Laserstrahlleistungsflußdichte von 1.10⁶ bis 5.10⁶ W/cm² wird die Oberfläche der diamantartigen Kohlenstoffschicht über den Kreuzungspunkten der metallischen Leiterbahnen bestrahlt. Dabei erfolgt eine Umwandlung der bestrahlten Bereiche der diamant artigen Kohlenstoffschicht über die gesamte Schichtdicke in eine elektrisch leitfähige und teilweise graphitische Struktur. Damit wird automatisch der elektrische Kontakt zwischen dem elektronischen Schalter und dem Bereich mit der graphitischen Struktur hergestellt. Der Durchmesser der die Feldemissions emitter bildenden Bereiche beträgt 10 bis 100 µm.

Die metallischen Leiterbahnen werden über die Kanten des Grund körpers auf dessen Rückseite geführt. Dadurch ist eine leichte Kontaktierung und Ansteuermöglichkeit der gesamten Baugruppe gegeben.

3. Ausführungsbeispiel

In einem dritten Ausführungsbeispiel zur Herstellung von in einer Oberfläche verteilt angeordneten Feldemissionsemittern besteht der Grundkörper aus Silizium.

Dieser wird durch die Anwendung von Verfahren der Mikroelek tronik so strukturiert, daß auf seiner Oberfläche elektrisch leitende Teilflächen entstehen. Weiterhin werden in diesen Grundkörper elektronische Schalter und elektrische Leiterbahnen integriert. Am Rand des Grundkörpers sind Justiermarken auf gebracht.

Die Anzahl und die Position der elektrisch leitenden Teilflä chen entspricht der Anzahl und der Position der herzustellenden Feldemissionsemitter. Diese sind dazu vorteilhafterweise in einer Matrix angeordnet. Die Auswahl der elektrisch leitenden Teilflächen erfolgt über elektronische Schalter, so daß eine Zuordnung der Feldemissionsemitter über die elektronischen Schalter gegeben ist.

Die Kontaktanschlüsse des elektronischen Schalters sind dabei so im Grundkörper verschaltet, daß das Ansteuern eines elek tronischen Schalters eine elektrisch leitende Teilfläche mit einem elektrischen Spannungspotential verbindet. Wird der elek tronische Schalter nicht mehr angesteuert, wird das Spannungs potential gegenüber einem Bezugspotential abgebaut.

Die Auswahl der elektronischen Schalter erfolgt mittels auf den Grundkörper plazierter Kontaktflächen. Um die Anzahl dieser Kontaktflächen zu minimieren, sind z. B. im Grundkörper weiter hin Spalten- und Reihendekoder integriert, wobei die Eingänge dieser Spalten- und Reihendekoder mit den Kontaktflächen elek trisch leitend verbunden sind. Über diese Kontaktflächen er folgt die elektrische Kontaktierung der Baugruppe von außen. Anschließend wird der Grundkörper mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht durch Ionenzerstäubung oder Laserpulsabla tion mit einer Aufwachsrate von 3 nm/min bis zu einer Schicht dicke von 300 nm beschichtet. Die Bereiche über den elektrisch leitenden Teilflächen des Grundkörpers der diamantartigen Koh lenstoffschicht werden während der Beschichtung mit einer Ex cimerlaser-Multipulsbestrahlung mit einer Pulsdauer von 20 ns einer Laserwellenlänge von 308 nm oder 248 nm und einer Laser strahlleistungsflußdichte von 1.10⁶ bis 5.10⁶ W/cm² bestrahlt. Dabei erfolgt eine Umwandlung der bestrahlten Bereiche der diamantartigen Kohlenstoffschicht in eine elektrisch leitfähige und teilweise graphitische Struktur. Dabei wird die elektrisch leitende Teilfläche des Grundkörpers mit dieser graphitischen Struktur elektrisch leitend verbunden. Der damit erzielte Durchmesser der die Feldemissionsemitter bildenden Bereiche beträgt 10 bis 100 µm. Die Position der Bereiche zu den elek trisch leitenden Teilflächen des Grundkörpers ist mit den Justiermarken am Rand des Grundkörpers eindeutig zuordenbar. Um großflächige Bildwiedergabeeinrichtungen zu erhalten, können mehrere Baugruppen auf einem Träger nebeneinander und unter einander angeordnet werden.

Die Parameter, die zu einer teilweisen Graphitisierung der die Feldemissionsemitter bildenden Bereiche führen, sind vom be stehenden oder sich bildenden Schicht-Substrat-System abhängig. Insbesondere die angestrebte Emitterfläche und die umzuwan delnde Schichtdicke spielen für die Wahl der Pulsdauer, der Pulszahl oder Pulsfrequenz aber auch der Wellenlänge der Laser strahlung eine entscheidende Rolle.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von in einer Oberfläche verteilt angeordneten Feldemissionsemittern, dadurch gekennzeichnet, daß den Querschnitt der Feldemissionsemitter bestimmende Bereiche einer auf einem Grundkörper aufwachsenden oder vorhandenen Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht,

- mit einem oder mehreren kontinuierlichen und fokussierten Laserstrahl oder Laserstrahlen mit gleicher oder verschie dener Laserwellenlänge ein- oder mehrfach,
- mit einem gepulsten und fokussierten Laserstrahl oder mehreren gepulsten und fokussierten Laserstrahlen mit gleicher oder verschiedener Laserwellenlänge ein- oder mehrfach,
- mit die Anordnung und den Querschnitt der Feldemissions emitter bestimmenden Teilstrahlen eines gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahles, mehreren gepulsten und/oder kontinuierlichen Laserstrahlen mit gleicher oder verschie dener Wellenlänge vorzugsweise durch Verwendung einer Masken projektionsvorrichtung,
- mit Photonenstrahlen von kontinuierlichen und/oder gepulsten Hochdrucklampen,
- mit Photonenstrahlen einer UV-Excimerlampe mittels Masken projektionsverfahren bei aufwachsenden und vorhandenen oder über eine direkt auf oder unmittelbar über der vorhandenen Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht ange ordneten Maske,
- mit gepulsten und/oder kontinuierlichen Elektronenstrahlen und/oder
- mit gepulsten oder kontinuierlichen Ionenstrahlen oder Neu tralteilchenstrahlen
bestrahlt werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in mindestens einer Matrix angeordneten Bereiche gleichzei tig oder nacheinander mit mindestens zwei Laserstrahlen be strahlt werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche über eine den Durchmesser und die Position jeden Bereiches bestimmende Maskenprojektionsvorrichtung mit kon tinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung ein- oder mehrfach bestrahlt werden.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bereiche und damit alle Feldemissionsemitter über eine den Durchmesser und die Position jeden Bereiches bestimmende Mas kenprojektionsvorrichtung mit Photonenstrahlen einer Blitz lampe, einer kontinuierlichen Hochdrucklampe oder einer UV-Excimerlampe bestrahlt werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl oder der Neutralteilchenstrahl aus Kohlenstoff oder einem Edelgas besteht.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem Halbleitermaterial vorzugsweise Silizium oder Galliumarsenid besteht und daß der Grundkörper mit zur Ansteuerung der Feldemissionsemitter dienenden Leiter bahnen und elektronischen Bauelementen versehen ist.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einer Keramik oder Glas vorzugsweise Quarz glas besteht und daß der Grundkörper mit zur Ansteuerung der Feldemissionsemitter dienenden Leiterbahnen und elektronischen Bauelementen versehen ist.

8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem mit einer Halbleiterschicht verseh enen metallischen Träger besteht und daß die Halbleiterschicht mit zur Ansteuerung der Feldemissionsemitter dienenden Leiter bahnen und elektronischen Bauelementen versehen ist.

9. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem mit einer Halbleiterschicht verseh enen elektrischen Isolator vorzugsweise einer Keramik oder Glas als Träger besteht und daß die Halbleiterschicht mit zur An steuerung der Feldemissionsemitter dienenden Leiterbahnen und elektronischen Bauelementen versehen ist.

10. Verfahren nach einen der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit der Bestrahlung gleich der Zeit der gesamten Stoffumwandlung des Bereiches über die gesamte Schichtdicke der vorhandenen Diamantschicht oder diamantartigen Kohlenstoffschicht ist oder daß die aufwachsende Diamantschicht oder diamantartige Kohlenstoffschicht während der Zeit des Aufwachsens bestrahlt wird.

11. Verfahren nach einem der Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die aufwachsende oder vorhandene Diamantschicht oder diamantartige Kohlenstoffschicht während der Bestrahlung in einem Schutzgas, einem chemisch aktiven Gas, einem chemisch aktiven Plasma oder im Vakuum befindet.