DE2012192A1 - Elektrische Entladungsrohre mit einer Kathode bestehend aus einer zwischen zwei leitenden Schichten hegenden Isolierschicht, und Verfahren zur Herstellung einer fur eine derartige Entladungsrohre bestimmte Kathode - Google Patents
Elektrische Entladungsrohre mit einer Kathode bestehend aus einer zwischen zwei leitenden Schichten hegenden Isolierschicht, und Verfahren zur Herstellung einer fur eine derartige Entladungsrohre bestimmte KathodeInfo
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Description
λ ^ No. pm- 4724
vom: 13,März 1970
vom: 13,März 1970
Elektrische Entladungsröhre mit einer Kathode bestehend
aus einer zwischen zwei leitenden Schichten liegenden Isolierschicht, und Verfahren zur Herstellung einer für
eine derartige Entladungsröhre bestimmte Kathode.
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsröhre mit einer Kathode bestehend aus einer
leitenden Schicht auf der eine Isolierschicht angeordnet ist, welche Bereiche geringer Stärke mit Bezug auf das umgebende
Material aufweist und welche von einer zweiten leitenden Schicht überdeckt ist. Weiter bezieht sich die Erfindung auf
ein Verfahren zur Herstellung einer für eine derartige Entladungsröhre bestimmte Kathode,
Aus der amerikanischen Patentschrift 3 184
ist eine solche Kathode bekannt. Auf einer Aluminium- ■
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~ X
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ο
unterlage ist. eire höchstens 75AE dicke glasartige
unterlage ist. eire höchstens 75AE dicke glasartige
Aluminiumoxidschicht gebildet. Auf diese Schicht ist
ο
eine I5OO AE dicke Siliziumschicht aufgedampft. Mit PIiIfe einer Maske ist eine runde Oeffnung von etwa 0,25 mm in dieser aufgedampften Schicht ausgespart. An den Rändern der Oeffnung und auf der aufgedampften Schicht selber liegt eine 6OO AE dicke Palladiumschicht. Das
eine I5OO AE dicke Siliziumschicht aufgedampft. Mit PIiIfe einer Maske ist eine runde Oeffnung von etwa 0,25 mm in dieser aufgedampften Schicht ausgespart. An den Rändern der Oeffnung und auf der aufgedampften Schicht selber liegt eine 6OO AE dicke Palladiumschicht. Das
Aluminiumoxid im ausgesparten Loch ist mit einer 25 AE
dicken Platinschicht bedeckt, welche sich auf den Rändern der Palladiumschicht ausdehnt. Auf der Platinschicht
im Loch ist ein kreuzendes System von Palladiumbändern Stärke 6OO AE, Breite und Abstand je 15 /u
aufgedampft. Darüber befindet sich eine Cäsiummonoschicht, Es ist auch möglich das System der Palladiumbänder fortzulassen.
Die höchst zulässige Spannung über die Aluminiumoxidschicht beträgt dabei dann aber nur 2V, während dies
im Falle der Palladiumbänder 9 V ist. Die Stromdichte
gerechnet über die scheinbar emittierende Oberfläche beträgt dan bzw., 0,13 mA/cm2 und 8 mA/cm2. Im letzten Falle
sollte die Lebensdauer mehr als 400 Stunden betragen. Die erhaltene Stromdichten sind aber zu gering für die meisten
in Frage kommenden Anwendungen.
In einer elektrischen Entladungsröhre mit einer Kathode bestehend aus einer leitenden Schicht auf der eine
Isolierschicht angeordnet ist, welche Bereiche geringerer Stärke aufweist mit Bezug auf das umgebende Material und
welche von einer zweiten leitenden Schicht überdeckt ist, besteht gemäss der Erfindung die Isolierschicht in den
Bereichen geringerer Stärke aus einer sehr dünnen Schicht
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grosser Dichte und holier elektrischer Festigkeit, welche direkt auf der leitenden Unterlage liegt und aus einer
darüber liegenden einige Male dickere Isolierschicht geringerer Dichte, in der die darauf liegende Metallschicht
teilweise eindiffundiert ist, welche dadurch wenigstens teilweise nicht mehr zusammenhängend ist und
wobei die Bereiche geringerer Stärke der Isolierschicht
einen Durchmesser -von höchstens 50 /U haben.
Der Formierprozess besteht im wesentlichen in einer Eindiffusien des in den aktiven Lochbereichen
auf der porösen Isolierschicht befindlichen'Metallfilmes.
Das Metall scheidet sich in den Korngrenzen des porösen Isolators in Form feldemittierender Mikrobereiche
ab. Die darunter befindliche dichte Isolierschicht verhindert eine vollständige Durchdiffusion
des eingewanderten Metalles zur Basiselektrode. Ausserdem
ist der zur Nachdiffusion vorhandene Metallvorrat nach der Formierung wegen der geringen Metallbedeckung erschöpft, so dass sich ein stationärer Zustand während der
weiteren Betriebsstunden einstellen kann. Der Eingriff des elektrischen Feldes im Bereich der nichtzusammenhängenden
Metallschicht im emittierenden Bereich erfolgt konzentrisch entsprechend der Geometrie. Dementsprechend
dlf fundiertN dass Metall am Rande des Emissionsbiereiches
verstärkt ab.. Die Potentialverteilung im emittierenden Bereich stell sich so ein, dass ein grosser Teil
der angelegten Spannung in.Nahe der ans Vakuum grenzenden
Oberfläche abfällt. Hier befindet sich die grösste
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Dichte feldemittierender Metallenmikrobereiche im porösen
Isolator. Eine solche Struktur bietet nun folgende Vorteile.
Zunächst wird durch die elektrisch leitende Basiselektrode das Potential ungeschwächt bis an den
emittierenden Bereich herangeführt. In den emittierenden
Bereichen selbst ist die Metalldeckschicht nicht zusammenhängend, so dass die emittierten Elektronen keine
zusätzlichen Energieverluste in der Deckelektrode erleiden. Feldemittierende Metallausscheidungen sind gegen
elektrischen Durchschlag gesichert, da bei plötzlich ansteigender Feldemission die Nachlieferung der
Elektronen begrenzt is^aufgrund der als Vorwiderstand wirksamen porösen Isolierschicht wie ebenfalls durch
Begrenzung der Injektion von Elektronen in der porösen Schicht durch die dichte Isolierschicht.
Veil die Querabmessungen der emittierenden
Bereiche kleiner als 50 /u sind, schadet der hohe
spezifische Widerstand der Deckschicht in diesen Bereichen nicht. Um zu Verhindern dass der elektrische
Widerstand der Deckelektrode zu hoch wird, kann diese zwischen den Bereichen geringerer Stärke der Isolierschicht
dicker sein und vorzugsweise, aus einer Schicht von weniger leicht, und darauf eine Schicht von leichter
diffundierenden Metall bestehen«
Die untere leitende Schicht kann eine Metallschicht sein oder eine photoleitende Schicht, so dass die
Kathode geeignet ist für Bildwandler.
Eine Entladungsröhre gemäss der Erfindung
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kann ausgebildet werden als Bildwiedergaberöhre in Flachbauweise wobei die beiden Elektroden, ausgeführt sind
als ein System von kreuzenden Bändern.
Bei einem Verfahren zur Herstellung .einer
Kathode für eine erfindungsgemässe Entladungsröhre wird
auf einem Träger eine leitende Grundschicht angeordnet. Darauf wird zuerst eine Isolierschicht angeordnet mit einer
Stärke in der Grössenordnung von 1 /u. Darauf wird
eine Deckelektrode aufgedampft oder aufgestäubt aus einem
nicht leicht diffundierenden Metall. Die Elektrode wird mit Photolack beschichtet und die darin vorgesehenen
Löcher mit einem Durchmesser von höchstens 5Q/ü werden
entwickelt. Danach werden die Deckelektrode und die Isolierschicht bis zur Grundschicht durchgeätzt- und
der Photolack chemisch entfernt. Das Ganze wird danach thermisch oxidiert wobei die freiliegende Teile der
Grundschicht und die durchlöcherte Deckelektrode beide mit einem dichten Oxid bedeckt werden. Danach wird nur
die Grundschicht anodisch oxidiert in solcher Weise dass eine poröse Oxidschicht gebildet wird in den
Löchern der bereits vorhandenen Oxidschicht und auf die thermisch angeordnete Oxidschicht. Als folgenderSchritt
findet Aufdampfen von einer Goldschicht statt. Die Kathode
wird formiert in Hochvakuum bei 300°C und 9-V Potentialunterschied
zwischen den Elektroden wobei die Deckelektrode positiv ist. Nach ELiribau in einer Entladungsröhre
kann die Kathode bei 35O0C, ohne Anlegung von
Spannung, entgast werden. . !. .
Bei einem anderen Verfahren werden ebenfalls
zuerst die Gruridschicht, die Isolierschicht und die
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Deckelektrode vorgesehen und auch die Photolackschicht mit entwickelten Löchern. Danach werden wiederum die
Löcher durchgeätzt bis zur Grundschicht und sowohl die dichte als die poröse Isolierschicht in den Löchern
durch Aufstauben oder Aufdampfen vorgesehen. Besonders geeignet ist dieses Verfahren wenn die Grundschicht
photoleitend ist und nicht in irgendeinerweise oxidiert werden kann. Es empfehlt sich dann das Aetzverfahren als
lonenbeschussätzung durchzuführen weil dann die · chemische Bäder keine Verunreinigungen herbeiführen
können und auch der Photolack mit abgetragen wird. Die Form der geätzten Löcher wird dann günstiger als bei
einem chemischen Aetzverfahren, da beim letzteren Verfahren eine stärke Unterätzung stattfindet.
Die Erfindung wird näher erläutert an Hand der Zeichnung in der die Figuren 1 bis 6 verschiedene
Zustände nach gesonderten Verfahrensschritte während der
Herstellung einer Kathode darstellen,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine Bildwandleranordnung
, und
Figur 8 eine Aufsicht auf einer Kathode für eine Bildröhre.
In Figur 1 ist eine Glasunterlage auf der eine
Aluminiumschicht 2 von 1000 AE aufgedampft ist.
3 ist eine aufgestaubte SiO Schicht von 1 /u Stärke.
ο h ist die Aluminiumdeckelektrode von 1000 AE Stärke.
5 ist eine Photolackschicht mit 50 M weiten Löchern
in Abstände von 50 /u. Nur ein Loch 6 ist gezeichnet. In
Figur 2 ist das Loch 6 durchgeätzt bis zur Aluminiumschicht 2.
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Nach chemischer Entfernung der Photοlackschicht
wird die Anordnung einer thermischen Oxidation unterworfen
wobei im Loch 6 auf der Aluminiumschicht 2 eine 50 AE '
dicke;A1_O„ Schicht 7 grosser Dichte entsteht. Die
Alpp„Schicht 8 entsteht auf der durchlöcherten Deckelektrode
4. (Figur 3)
In einem Bad von Mellithsäure wird mit hoher
Stromdichte die thermische Oxidschicht 7 bedeckt mit
einer porösen Al2O_Schiclit 9 (Dicke etwa 4θ bis 50$ der
maximalen Dichte) {Siehe Figur k).
Danach wird (wie Abbildung 5 angibt) eine Gold-
schicht 10 aufgedampft; Stärke 50 AE. Die Kathode wird in
Hochvakuum (besser als 10~ Torr) auf 300 0C geheizt
und die Deckelektrode 4 9V positiv gegenüber der Elektrode
2, während einer Viertelstunde· Das Gold auf der Oxidschicht ^ diffundiert
teilweise hinein in Form von mehr oder wenig nadeiförmige
Metallabscheidungen 11, während Reste 12 auf der Oberfläche
verbleiben. Die Goldschicht 10 auf der Oxidschicht
diffundiert darin, aber ist nicht interessant. (Figur 6) Von den Figuren die besonders mit Hinblick auf dem
Durchmesser-Tiefen\rerliältnis für die Löcher 6 nicht
massstablich sind, ist Fig. 6 etwas vergrössert. Mit dei* Kathode kann bei 12 bis 15V zwischen den
Elektroden einen Strom aus der scheinbar emittierenden Oberfläche von etwa 100 mA/cm2 erhalten werden. Die
Lebendauer liegt über 1000 Studen.
In Figur 7 ist 21 eine Glasplatte auf der
eine durchsichtige SnO Schicht 22 von 200 AE liegt.
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ο 23 ist eine Photoleitende Schicht von 1500 AE . 24 ist eine aufgestaubte SiO_ Schicht von 1 /u. Löcher 25 sind in
dieser Schicht 24 und in der aufgedampftenDeckelektrode
30 vorgesehen. Zur Markierung der Löcher war eine Photolackschicht mit Löcher von 50 ,u Durchmesser vorgesehen.
In den Löchern 25 ist. erst eine feste SiO„Schicht 26
von 100 AE gestaubt und darauf eine poröse Schicht 29 aus SiO wobei χ etwa 1,4 - 1,5 ist, Stärke der
0 O
Schicht 500 AE.Gold wurde in einer Stärke von 50 AE
aufgedampft und bei 3000C unter Spannungsanlegung eindiffundiert.
Ausscheidungendes Goldes in der Schicht 27 sind mit 28 angegeben und restliches Gold auf der Oberfläche mit
29« Alles was auf der Deckelektrode aufgetroffen ist wird
mit 31 bezeichnet und ist weiter nicht von Bedeutung.
Auf 2 cm Entfernung befindet sich ein
Leuchtschirm bestehend aus der dünnen Aluminiumschicht 32, Phosphorschicht 33 und Glasträger 3k. Die beide
Glasträger 21 und 3k bilden einen Teil der Vakuumhühle.
Wenn die Kathode zwischen den Elektroden 15 V Spannung erhält und der Leuchtschirm einige kV gegenüber der
Kathode, so kann ein auf der Kathode geworfenes Bild, verstärkt auf dem Leuchtschirm abgebildet werden.
In Figur 8 ist ko eine isolierende Grundplatte
auf der in vertikaler Richtung strei fenf örrnxge Grundelektroden k2 angeordnet sind und in horizontaler Richtung
Elektroden kl. An den Kreuzungsstellen sind die obenliegende
Elektroden durchlöchert wie an Hand der Abbildung 1 bis 6 beschrieben. Einzelne Löcher sind mit 43 angedeutet.
Kreuzung Wenn die Streifen 1mm breit sind befinden sich auf jeder/
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etwa 100 Löcher. Wenn vor dieser Kathode ein Leuchtschirm angeordnet wird und die ^athode richtig angesteuert,
so kann auf dem Schirm ein Bild erhalten
werden.
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Claims (6)
1. Elektrische Entladungsröhre mit einer Kathode
bestehend aus einer leitenden Schicht auf der eine Isolierschicht angeordnet iat, welche Bereiche
geringerer Stärke aufweist mit Bezug auf dem umgebenden Material und welche von einer zweiten leitenden Schicht
überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht in den Bereichen geringerer Stärke
aus einer sehr dünnen Schicht hoher elektrischer Festigkeit besteht, welche direkt auf der leitenden Unterlage
liegt, und aus einer darüber liegenden einige Male dickere Isolierschicht geringerer Dichte in der die
darauf liegende Metallschicht teilweise eindiffundiert ist, welche dadurch wenigstens teilweise nicht mehr
zusammenhängend ist und wobei die Bereiche geringerer Stärke der Isolierschicht einen Durchmesser von
höchstens 50 /o. haben.
2. Elektrische Entladungsröhre gemäss Patentanspruch
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite leitende Schicht zwischen den Bereichen geringerer Stärke der
Isolierschicht dicker ist als in den Bereichen geringerer Stärke der Isolierschicht und besteht aus einer Schicht
von weniger leicht und darauf eine Schicht von leichter diffundierenden Metall, dass auch in den Bereichen
geringerer Stärke der Isolierschicht vorhanden ist.
3. Elektrische Entladungsröhre gemäss Patentanspruch
oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterliegende leitende Schicht eine photoleitende Schicht ist.
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H 2.01 719-2
4. Entladungsröhre gemäss Patentanspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre als Bildröhre ausgebildet ist und die leitenden Schichten bestehen aus
ein System von kreuzenden Bändern·
5. Verfahren zur Herstellung einer Kathode für eine elektrische Entladungsröhre gemäss Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Träger eine
leitende Grundschichi angeordnet wird und darauf
eine Isolierschicht mit einer Stärke in Grossenordnung von 1 /U, auf welcher eine Deckelektrode angeordnet
wird in der mit Hilfe einer Photolackschicht Löcher angeordnet "werden bis zur Gmindschicht und danach
das Ganze thermisch oxidiert wird und die so erhaltene
Oxidschicht in den Lochern" anodisch weiter oxidiert wird
worauf Gold aufgedampft wird isnd die Kathode bei
erhöhter Temperatur unter Anlegung von Spannung formiert wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Kathode für
eine elektrische Entladungsröhre gemäss Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass auf einem Träger eine
leitende Schicht angeordnet wird und'darauf eine Isolierschicht
und wiederum eine Deckelektrode9 wonach Löcher
in den beiden oberen Schichten vorgesehen werden, in der
zuerst eine dünne feste und nachher eine dickere poröse Isolierschicht eingestaubt oder gedampft wird,
in der eine aufgedampfte Goldscliicht bei erhöhter
Temperatur unter Anlegung von Spannung eindiffundiert wird.
1 0 9 8 4 1 / U 9 3
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