DE2019842A1

DE2019842A1 - Signalplatte fuer eine elektrische Speicherroehre hoher Schreibgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2019842A1
Application number: DE19702019842
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl-Phys Loschand; Werner Dr Rer Nat Veith; Wolfgang Dr-Ing Welsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1970-04-23
Publication date: 1971-11-11
Also published as: FR2089968A5; DE2019842B2; GB1329917A

Description

Signalplatte für eine elektrische Speicherröhre hoher

Schreibgeschwindigkeit

Die Erfindung betrifft eine Speicherplatte für eine Signal-Speicher-Röhre hoher Schreibgeschwindigkeit, vom Aufbau etwa eines Vidikons, mit einem Strahlerzeugüngssystem für einen Elektronenstrahl zum Sehreiben, lesen und löschen und einer zentralen Ablenkeinrichtung, bei der auf der leitenden Signalplatte in " · Form eines Rasters gleichmäßig verteilt dünne Isolierflecken (dünne Schichten) hoher Sekundäremission und/oder geringer Kapazität vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es ist bereits eine Speicherröhre mit der Bezeichnung "lithoeon" vorgeschlagen worden, bei der eine Silizium-Platte mit einem gleichmäßig verteilten Raster von ca. 2000 χ 2000 Siliziumoxid-Plecken als Speichermedium angeordnet sind. Das Auflösungsvermögen dieser Röhre beträgt ca.: 1000 χ 1000 Bildpunkte. Die Röhre erlaubt gezieltes Schreiben, lesen und löschen mit ein und demselben Elektronenstrahl. Die Information wird dabei zerstörungsfrei gelesen,, wobei die Speicherzeit bei ununterbrochenem lesen ca. T Stunde beträgt. Die Umladungszeit für einen Bildpunkt beträgt 30 η sec, so daß damit relativ hohe Schreibgeschwindigkeiten erreichbar sind. Etwas besonderes dieser Röhre ist die Speicherungsmöglichkeit für Grauwerte. Die Betriebsspannung ist im Vergleich zu bisher bekannten entsprechenden Speicherröhren mit maximal 1000 Volt relativ niedrig. Bei dieser vorgeschlagenen Speicherröhre haben die auf der Silizium-Signal-Platte angeordneten Isolierflecken aus SiO₂ eine Dicke bis zu.. 1/um, weil die

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3.4.1970 Sn/Bi

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Oxidation zu größeren Stärken untragbar lange Operationszeiten -erfordern würde. Im Rahmen des Funktionsmechanismusses verhält sich die Speicherplatte wie der maßgebliche Teil, einer Ti-iode, bei der das Oberflächenpotential der speichernden Isolierschicht gewissermaßen als Gitter dient und die gut leitende Unterlage die Punktion der Anode übernimmt. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, Halbtonbilder wiederzugeben, so lange nur das Potential der Speicherinseln stets negativer als der Ursprungsort der abtastenden Elektronen (Kathode.ades Strahlerzeugungssystems) ist.

Ein wichtiges Problem bei derartigen Röhren ist, im Hinblick auf ihre Anwendung, die Größe der zu erzielenden Schreibgeschwindigkeit. Sie ist durch die nachfolgend wiedergegebene Formel definiert

v ⁽ ί

\Y *-w „J2, _-_
* C . /\ U (Formel 1)

worin J den Strahlstrom,ο den Sekundäremissionsfaktor der speichernden Oberfläche, C die Kapazität eines Speicherelementes und /S₁U die durch das Schreiben aufgeprägte Potentialänderung am Speicherelement "bedeuten.

Im Rahmen der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, nämlich die Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit, soll eine triviale Lösung, wie sie sich durch Vergrößerung des Stromes ergeben würde, der aber beim Vidikontyp infolge der vorhandenen Raumladung vor der Speicherplatte sowie durch die Auflösung eine Grenze gesetzt ist, außer Betracht gelassen werden. Vielmehr sollen Maßnahmen aufgezeigt werden, durch die die beiden anderen Faktoren gemäß der obigen Formel, nämlich / und 0 in günstiger Weise beeinflußbar sind.

Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz beschriebenen Speicherplatte für eine Signal-Speicher-Röhre nach der Er-

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findung dadurch, daß die Signalplatte aus leitendem oder halbleitendem Material, wie z»B. aus Silizium, Tantal, einer vergoldeten Glasplatte oder einer IiI-V-Verbindung und die Isol'ierflecken aus dem betreffenden Oxid und/oder weiteren Materialien, vorzugsweise hoher SS, wie z.B. Magnesium-Oxid oder Kaliumchlorid, bestehen.

Geeignet für die Signalplatte sind somit Metalle und Halbleiter, mit denen sich jeweils ander Oberfläche relativ leicht sehr beständige Oxidschiehten genügender Dicke herstellen lassen. Leider sind die Dicken derartiger Oxidschichten, wie sie mit tragbaren Operationszeiten er-, reicht werden, jedoch stets kleiner als 1 /um. ■

Es wird deshalb in vorteilhafter Weise anstelle von SiOp z.B. Magnesium-Oxid mit außerdem einem sehr hohen Sekundäremissionsfaktor für die Isolierflecken verwendet. Dabei wird abweichend von der vorher erwähnten Methode, nämlich der oberflächlichen Oxidation der betreffenden Speicherplatte selber die Speicherflache sozusagen metallurgisch hergestellt. Das MgO-Pulver wird, zu diesem Zweck in Polyvenylalkohol (PVA) aufgeschlemmt und in möglichst dichter Packung auf einer als Signalplatte dienenden ebenen und leitenden Unterlage verteilt angeordnet. Mit Hilfe einer an sich üblichen Tototechnik werden dann die Zwischenräume zwischen den zu bildenden Isolierinseln belichtet lind herausgelöst und außerdem auch der Polyvenylalkohol durch eine Temperaturbehandlung entfernt. Auf diese Art und Weise entsteht eine Matrix aus regelmäßigen zylinderförmigen Inseln aus einem-Matern! mit einem besonders hohen Sekundäremissionsfaktor. Schichten dieser Art können recht dick, z.B. 1 bis 10/um stark, gemacht werden, so daß die aus der obigen Formel sich ergebenden Bedingungen eines hohen Sekundäremissionsfaktors sowie einer geringen Kapazität für die Erzielung einer hohen Schreibgeschwindigkeit erfüllt werden können.

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Hierbei kann die Unterlage, d.h. die Signalplatte, aus einem der vorher genannten Metalle, Halbleiter oder einer mit einer Leitschicht versehenen Isolatorplatte bestehen.

Eine andere Maßnahme, die Kapazität der Speicherschichten besonders klein zu machen, besteht darin, daß der bewährte Aufbau von SiOp-Ins.eln auf einer Silizium-Platte beibehalten wird und abweichend zusätzlich das die Kapazität erhöhende Medium unterhalb und zwischen den Isolierinseln weggeätzt wird. Durch eine derartige dabei sich ergebende Unterät^ung kann erreicht werden, daß die Isolier-Flecken nur noch zentral von beim Unterätzen stehenbleibenden Säulen, Füßen oder dergleichen, kleinflächig unterstützt sind.

Eine davon abweichende weitere vorteilhafte Methode geht zunächst auch von einer zusammenhängenden Isolierschicht aus, in die. jedoch entsprechend einem Raster regelmäßig, z.B. runde Löcher, eingebracht werden. Durch diene Löcher wird dann die gesamte Isolierschicht derart unterhöhlt, daß diese nur noch jeweils zentral nach Art einer kleinflächigen Säule zwischen benachbarten Löchern gestützt wird.

Bei einer, weiteren vorteilhaften Maßnahme werden die Halbleitereigenschaften der betreffenden Signalplatte derart wesentlich :.usgenu.zt, als im Betrieb durch vom Elektronenstrahl aufgebrachte negative Ladungen eine Verarrnungszone entsprechend einer schwachen η-Dotierung geschaffen wird. Da die Dicke (Tiefe) einer solchen Verarmungszone gemäß der Formel

* Ne (Formel 2)

durch die Flachbandspannung Up-^ direkt und durch das Ausmaß der Dotierung Ne umgekehrt proportional bestimmt wird, kann durch Variation dieser Größen die Verarmung relativ tief getrieben werden. ,

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Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in de.n Zeichnungen rein sehematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Teile, die nicht unbedingt zum ■Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin fortgelassen oder unbezeichnet geblieben.

Während in Figur 1 im Querschnitt der prinzipielle Aufbau einer bishex- bekannten Speicherplatte wiedergegeben ist, sind in den Figuren 2 his 4 Ausführungsbeispiele der be- . .^vschriebenen Speicherplatte dargestellt.

In Figur 1 sind mit 1 Isolierflecken bezeichnet, aus z.B. '

p, die auf der etwa metallisch leitenden Signalplatte, aus z.B. Silizium, nach Rasterart regelmäßig angeordnet sind. Durch eine in der Halbleitertechnik übliche Foto-'Lack-2echnik werden diese Speicherschichten durch Belichten und Herauslösen gebildet, nachdem vorher"die Signalplatte zusammenhängend oxidiert worden ist. Leider lassen sich diese Isolierschichten, sei es durch thermische Oxidation oder durch eine kalte Glimmentladung, nur bis zu Stärken von 1,'Um herstellen, weil die sonst dazu erforderlichen Herstellzeiten im üblichen Fertigungsablauf völlig untragbar wären. Derart geringe Schichtdicken stellen aber noöi recht große Kapazitäten der Speicherschichten dar, durch die wiederum die Schreibgeschwindigkeit der betreffenden Röhre |

ungünstig beeinflußt wird. "

Eine erste vorteilhafte Abwandlung dieser beschriebenen Speicherplatte zur Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit besteht in der Anwendung von Magnesium-Oxid anstelle von Silizium-Oxid, das sowohl einen hohen SE-Faktor hat, als auch eine wesentlich größere Dicke ermöglicht. Ausgehend von Magnesium-Oxid-Pulver, aufgeschlemmt in Polyvenvlalkoholy wird dies möglichst in kompakter Schicht auf der eigentlichen ' Signalplatte 2 angeordnet und durch übliche Fototechnik dann die Zwischenräume herausgelöst, so daß zylinderförmige Inseln gemäß Fig. 1 von 1 bis 10 ,um Dicke gebildet werden. .

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In den weiteren Figuren sind abweichend davon Maßnahmen aufgezeigt, durch die z.B. die Kapazität in einer anderen Weise wesentlich erniedrigt werden kann, damit sich die Schreibgeschv/indigkeit entsprechend erhöhen läßt.

In Pig. 2 sind z.B. auf einer Siliziumplatte 2 in üblicher Weise die Isoiierflecken 1 derart angeordnet, daß zwischen ihnen freie Zwischenräume 5 vorhanden sind. Durch diese Zwischenräume hindurch v/erden durch Ätzen der Signalplatte die einzelnen Isolierflecken 1 derart unterätzt, daß nur noch Säulenj, Füße oder dergleichen (2) mit kleinster Fläche die Isolierflecken tragen. Maßgebend für die Steuerung des Lesestrahls durch die im Betrieb aufgespeicherten Ladungen sind vor allem die Kanten 3 der Speicherschichten an den gebildeten Zwischenräumen 5_? die außerdem einen genügenden Abstand vom AushöhXmigsgiun'd 4 haben. Der Einfluß der verbleibenden zentralen Unterstützung dagegen ist recht gering und deshalb ohne maßgeblichen Einfluß auf die Steuerung des Elektronenstrahls beim lesen.

Ein noch günstigerer Einfluß der Speicherschicht wird mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung erzielt. Bei dieser Anordnung wird ebenfalls zunächst eine zusammenhängende Isolierschicht 6 hergestellt und in diese in regelmäßiger Rasteranordnung, ZoB. runde Löcher 7, eingebracht, durch die eine Unterätzung derart vorgenommen Wird, daß die gesamte zusammenhängende Isolierschicht nur noch von zwischen benachbarten Löchern zentral angeordneten Säulen, Füßen oder dergleichen 8 getragen wird. Der Fleckenanteil dieser zusammenhängenden Isolierschicht und damit auch das Auflösungsvermögen der betreffenden Röhre sind in erheblichem Maße gegenüber denen des vorigen Ausführungebeispiels erhöht. Eine derart zusammenhängende unterhöhlte Isolierschicht läit sich auch pulvermetallurgisch, aus z.B. Magnesium-Oxid, herstellen, d.h. aus einem Material, das durch seinen hohen Sekundäremirsionsfrktor nochmals eine Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit zuläßt.

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Bei dem in Pig* 4 dargestellten AusfÜhrungsbeispiel werden die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters der Signalplatte herangezogen und mitausgenutzt. Bekanntlich werden durch den Qberflächenzustand an der "Grenzschicht Isolator-Halbleiter sowie durch ionische ladungen im Isolator die Leitungsbänder an der Oberfläche verbogen. Ein Maß für · diese Verbiegung ist die Flachbandspannung U-rm· Im Betrieb der betreffenden Speicherröhre wird beim Lesen immer positive Spannung an die Rückwand der*Speicherplatte derart angelegt, daß stets die Oberfläche der Speicherschicht negatives Potential U gegenüber der Rückseite hat. Unter diesen Umständen wirkt sich eine schwache n-Botierung der Siliziumoberfläche günstig aus; es entsteht eine Verarmungszone, wie sie in Pig. 4 mit 9 bezeichnet ist. Ihre Dicke ist durch die nachfolgende Formel (2)

bestimmt, für den Fall, daß Up» und U> 0 ist. Um danach eine möglichst kleine Kapazität zu erhalten, kommt es also darauf an, gemäß dieser Formel, die Dotierung so zu wählen, daß der Faktor Ne genügend klein wird.

Die geschilderten Verfahren können sowohl einzeln als auch g in Kombinationen angev/endet werden. Sie sind aber auch nicht auf die Verwendung von Silizium als halbleitendes Material beschränkt, sondern für sie können vielmehr auch Metalle, die leicht gut isolierende Oxide bilden, wie z.B. Aluminium und Tantal, als geeignet verwendet werden. Je nach dem ausgewählten Schreib- und Leseverfahren, bestimmt durch die jeweils gebildete Plattenspannung, wird man den Durchmesser der Isolierfleeken im Verhältnis zu der Periode des Rasters oder aber auch den Durchmesser der öffnungen im Verhältnis zur Periode des Rasters verschieden groß Wählen. ~

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Für die verschiedenen Funktionen, wie Lesen, Schreiben, Löschen, die durch Wahl der Plattenspannung U erreicht werden, werden als Beispiel nachfolgende praktische Werte genannt.

1«) Ausgleich von früheren Ladungen: Plattenspannung U = 300 V = Potential des'-Feldnetzes.

2.) Aufbringen einer gleichmäßigen negativen Ladung auf die Oberfläche: Platterispannung 8 V. Die Spannung ist so gewählt» daß die Auftreffenergie unterhalb des ersten 1-Punktes der Sekundäremissionskurve liegt. Dann wird die gesamte Oberfläche der isolierenden Inseln auf 0 Volt (Kathodenpotential) aufgeladen, was eine Spannungsdifferenz; zur Unterlage von - 8 V bedeutet.

3.) Schreiben

a) Schreiben mit negativer Ladung

Plattenspannung U = + 20 V . Die Oberfläche erhält eine Spannung von + 12 V*

b) Schreiben mit positiver Ladung

Plattenspannung im Maximum der Sekundäremissionskurve z.B. + 60 V. Die Oberfläche hat dann eine Spannung von 52 V. Durch auftreffende Elektronen wird positive Ladung aufgebracht, die nach oben nur durch den hier sehr entfernt liegenden zweiten 1-Punkt bestimmt wird. 4.) Lesen

a) Plattenspannung 8 V

b) Plattenspannung richtet sich nach dem beim Schreiben ausgenutzten Bereich. Sie kann z.B. - 20 V betragen, wenn die höchste Aufladung beim Schreiben ein Potential von + 80 V erzeugt hat.

Patentansprüche
Figuren

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Claims

Pat e η t a η s ρ r ü ehe

Π/ Speicherplatte für eiäe Signal-Speicher-Röhre hoher Sphreibgeschwindigkeit vom Aufbau etwa eines"Yidikons, mit einem Strahlerzeugungssystem für einen Elektronenstrahl zum Schreiben, Lesen und Löschen und einer zentralen Ablenkeinrichtung, bei der auf der leitenden Signalplatte in Form eines Rasters gleichmäßig verteilt dünne Isolierflecken vorgesehen sind, dadurch

g e ken η ze i c h η e t ,daß die Signalplatte (2) aus leitendem oder halbleitendem Material, wie z.B. aus Silizium, . Tantal, Aluminium, einer vergoldeten Glasplatte oder einer f IH-Y-Verbindung, und die Isolierflecken (1) aus-dem betreffenden Oxid und/oder weiteren Materialien, vorzugsweise hoher SE, wie z.B. Magnesium-Oxid oder Kaliumchlorid, bestehen.
2. Speicherplatte nach Anspruch 1, d ad u r eh g e k,e η η zeichnet , daß für eine geringe Kapazität der Speicherschicht (1,6) die Dicke der Isolierflecken (1) mindestens 1 /u. und größer beschaffen ist.
3. Speicherplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz e i c h η e t , daß die auf der Signalplatte (2) angeordneten Isolierflecken (1) durch Ätzen der Signalplatte (2) derart . λ unterätzt sind, daß sie nach Art von z.B. ülschchen durch eine zentrale Säule (Fuß) (8) nur mit einer kleinen Fläche unterstützt sind.
4. Speicherplatte nach Anspruch 1 oder 2, da du r c h gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (Isolierflecken) (6) aus einer zusammenhängenden Isolierschicht besteht, die entsprechend einem Raster regelmäßig verteilte., z.B, Rundlöcher (7), aufweist, und die -zwischen denliöjhern von unterhalb

-jeweils zentral angeordneten Säulen, Füßen (8) oder dergleichen, wie sie z.B. beim Unterätzen stehenbleiben, mit kleiner Fläche unterstützt sind.

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5. Speicherplatte nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, f. aß die Signalplatte (2) aus η-leitendem Si besteht und unterhalb der Isolierflecken eine Verarmungs-

. zone (9) schwacher η-Dotierung aufweist.
6. Speicherplatte nach Anspruch 1, dadurch geke.nnz e lehnet, daß die Isolierflecken (1) aus Magnesium-Oxid eine Dicke von 1 "bis 10/um haben.
7. Verfahren zum Herstellen einer speichernden Signalplatte

- nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalplatte (2) als Grundmaterial mit Isolierflecken (1) mittels eines üblichen Fotolackverfahrens versehen wird, indem durch Belichten und Herauslösen die betreffenden Zwischenräume entfernt werden„
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierflecken (1) durch thermische Oxidation oder kalt in einer entsprechenden Gasentladung aus dem Signalplattenmaterial gebildet v/erden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß unabhängig vom Signalplattenmaterial auf dieser in Form einer Aufschlemmung Magnesium-Oxid oder ein anderes Material hoher SE in Polyvenylalkohol (PVA) in dichter Packung gleichmäßig verteilt aufgebracht und daß durch übliche Fototechnik, d.h. durch Belichten und Heraus-

. lösen, die Zwischenräume (5) zwischen den Oxidinseln entfernt werden.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 7, dadurch gekennze ichnet ,daß nach Herstellen der Isolierinseln (1) die Signalplatte (2) von den Zwischenräumen (5) aus derart geätzt wird, daß die Isolierflecken (1) unterätzt werden, so daß diese nur noch jeweils zentral von Säulen, Füßen (8) oder dergleichen, mit kleiner Fläche getragen werden.

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11. 7-rfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in eine zusammenhängende Isolierschicht (6) nach Rasterart regelmäßig, z.B. runde. Löcher (7)» eingebracht werden, und daß durch diese eine Unterätzung derart erfolgt, daß die Isolierschicht von Säulen, Füßen (8) oder dergleichen, mit kleiner Fläche jeweils zentral zwischen den benachbarten löchern (7) getragen werden. .
12. Verfahren zum Betrieb einer Signal-Speicher-Röhre mit einer Speicherplatte nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Schreiben und Lesen als auch das Löschen des Ladungsbildes mit einem Elektronenstrahl von ein und demselben Elektronenstrahlerzeugungssystem derart erfolgt, daß beim Lesen nur mit langsamen Elektronen auf den Isolierflecken stets ein negatives Oberflächenpotential in Bezug auf das Kathodenpotential erzeugt oder erhalten wird, und daß das Schreiben je nach Wahl des Signalplattenpotentials bei einem SE-Faktor wesentlich größer oder kleiner 1 erfolgt.

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