DE2156360B2

DE2156360B2 - Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode

Info

Publication number: DE2156360B2
Application number: DE19712156360
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr.-Ing. 8012 Ottobrunn Politycki
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-12
Filing date: 1971-11-12
Publication date: 1978-04-06
Also published as: DE2156360A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode (Multineedle cathode), und zwar auf ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des Patenanspruches 1 bzw. wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 2 angegeben ist.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus »Appl. Phys.«, Bd. 41 (1970), S. 76 ff.

bekannt. Ausgangspunkt dieses bekannten Verfahrens ist ein Körper aus einem Matrixmaterial, in dem Nadeln aus einer intermetallischen Verbindung enthalten sind. Hergestellt ist dieser inhomogene Körper dadurch, daß man die Nadeln aus der intermetallischen Verbindung in die Schmelze des Matrixmaterials einbringt und diese Schmelze bei gleichzeitiger Ausrichtung der Nadeln erstarren läßt. Diese in der metallischen Matrix eingebetteten Nadeln werden dann durch Ätzen soweit

ίο erforderlich herausgelöst.

Bei diesem bekannten Verfahren ist es erforderlich, zunächst erst einmal einen solchen Matrixkörper mit darin befindlichen ausgerichteten Nadeln eines anderen Materials herzustellen. Dazu kommt, daß für die Materialauswahl ein nur beschränkter Rahmen gegeben ist, denn die Materialparameter des Matrixmaterials und des davon verschiedenen Materials der Nadeln müssen aufeinander abgestimmt sein.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan-

» Spruches 2 ist aus »Journ. of Appl. Phys.«, Bd. 39 (1968), Seiten 3504—3505 bekannt. Es ist dort ein Substrat aus Saphir vorgesehen, auf dem sich eine Schichtfolge aus Molybdän, Aluminiumoxid und wieder Molybdän befindet. In dieser Schichtfolge sollen sich Hohlräume mit Mikrogröße befinden. Weiter ist in einem jeden Hohlraum ein einzelner, Feldemission ausführender Konus aus Molybdän vorhanden.

Für die Herstellung eines solchen Konus aus Molybdän ist dort ein Verfahren angegeben, bei dem das den Konus bildende Molybdän durch Aufdampfen aufgebracht wird, und zwar werden wenigstens zeitweise gleichzeitig Molybdän und Aluminiumoxid mit zueinander verschiedenem Winkel aufgedampft. Soweit bei dem Herstellungsverfahren der bekannten Kathode ein Ätzen erfolgt, wird dieses mit Orthophosphorsäure durchgeführt und richtet sich auf das Aluminiumoxid. Die Spitzen der Kathode werden dagegen durch das bereits erwähnte gleichzeitige Aufdampfen verschiedener Materialien aus verschiedenen Richtungen erzeugt.

Auch die Herstellung einer derartigen wie zuletzt beschriebenen bekannten Bürstenkathode ist nicht nur schwierig, sondern auch außerordentlich aufwendig.

Bei den bisher bekannten Bürstenkathoden wurde räumlich und zeitlich ungleichmäßige Emission festge-

stellt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, technologisch einfache Verfahren zur Herstellung von Bürstenkathoden anzugeben, die zudem räumlich und zeitlich gleichmäßige Emission aufweisen.

Diese dem Stand der Technik nicht zu entnehmende Aufgabe läßt sich durch auf verschiedenen Lösungsprinzipien beruhende Verfahren lösen. Die eine Alternative besteht darin, bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechend dem

kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 zu verfahren. Die andere Lösungsalternative besteht darin, bei einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 2 aufgeführten Merkmalen die im kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruches 2 aufgeführten Schritte durchzuführen.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Anspitzen der Nadel durch Ätzen, wobei speziell bei der Alternative nach Anspruch 1 das an sich bekannte Prinzip der Unterätzung zusätzlich genutzt wird. Eine besondere Ausgestaltung der Verfahrensalternative nach Anspruch 1 besteht darin, die Fotolackschicht mit

einem Muster von Lackflecken zu versehen, bei der zwischen den einzelnen benachbarten Flecken diese Flecken miteinander verbindende Stege dieser Schicht stehengelassen werden. Die Breite diese:: Stege wird dabei geringer gehalten als die mittlere lineare Abmessung des Querschnittes dieser Flecken. Diese besondere Ausgestaltung behebt den möglichen Nachteil, daß einzelne Lackflecken von der Oberfläche des Materials abgelöst werden könnten. Durch die Stege werden die Flecken gegenseitig gehalten.

Dieses gegenseitige Festhalten der einzelnen Flecken ist insbesondere dann von großem Vorteil, wenn das Ätzen in einem Bad mit stark bewegter Flüssigkeit ausgeführt wird. Infolge der angegebenen, speziell begrenzten Breite der Stege haben diese Stege auf den eigentlichen Ätzprozeß keine nachteilige Wirkung, weil das durch die Stege an sich abgedeckte Material durch das ohnehin eintretende Unterätzen entfernt wird.

Sobald das Unterätzen ein bestimmtes Maß erreicht hai, (ösen sich dann die Lackflecken von der noch verbliebenen Oberfläche des Materials von selbst ab.

Bei der zweiten Alternative zur Herstellung einer Bürstenkathode mit regelmäßig verteilten Nadeln gleicher Spitzenhöhe wird auf einen Körper aus einem elektrisch leitfähigen Material bzw. auf einem Körper, der wenigstens eine elektrisch leitende Oberfläche hat, eine geschlossene Fotolackschicht mit einer Dicke aufgebracht, die wenigstens gleich groß der vorgegebenen Länge der Nadeln ist. In dem Material dieser Schicht wird nachfolgend ein Negativ-Fleckenmuster hergestellt. Vergleichsweise zum vorangehend beschriebenen Fleckenmuster bleiben hier diejenigen Schichtteile stehen, die sich zwischen den beim vorangehenden Beispiel beschriebenen, den Ort der Nadeln bestimmenden Flecken befinden. Die auf diese Weise in der Fotolackschicht entstandenen Löcher reichen bis auf die Oberfläche des darunter befindlichen Körpers. Die Löcher dieses im wesentlichen regelmäßigen Musters werden anschließend durch galvanische Aufbauabscheidung mit dem Material der Nadeln aufgefüllt. Hierfür kommen vorzugsweise die Metalle Zink, Kadmium, Aluminium oder Kupfer in Betracht. Die Aufbauabscheidung wird beendet, bevor die Länge der auf diese Weise entstandenen Nadeln die Dicke der Fotolackschicht erreicht hat, so daß ein beispielsweise pilzförmiges Überwuchern der noch stehengebliebenen Teile der Lackschicht ausgeschlossen ist. Aufgrund der Diffusions- und Feldlinien vor den einzelnen Löchern und den darin entstehenden Nadeln wird eine angespitzte Form der Nadeln erreicht. Sofern die Nadeln nicht ausreichend spitz sind, ist vorgesehen, durch an sich bekanntes elektrolytisches Verfahren ein weiteres Spitzen der Nadeln durchzuführen.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung, zu deren speziellen Ausführungsformen und zu deren Ausgestaltungen sind der Beschreibung zu den Figuren zu entnehmen.

F i g. 1 zeit im Ausschnitt die Aufsicht auf ein regelmäßiges Fleckenmuster, wie es für die Erfindung vorgesehen ist.

Mit 1 ist ein Körper bezeichnet, aus dessen Material bzw. auf dem die Bürstenkathode hergestellt werden soll. Gemäß der Alternative nach Anspruch 1 befindet sich auf der Oberfläche des Körpers 1 ein Fleckenmuster aus dem Material einer Fotolackschicht. Die einzelnen Flecken sind mit 2 bezeichnet. Gemäß einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die einzelnen Flecken mit Stegen 3 miteinander verbunden. Die Durchmesser der einzelnen Flecken der Fotolackschicht liegen vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 10 und 30μΐη, insbesondere bei 20 p.m. Auf diese Werte abgestimmt, betragen die lichten Abstände der einzelnen Flecken voneinander vorzugsweise zwischen 5 und 25 μηι, insbesondere 10 μητι.

F i g. 2 zeigt ein Zwischenstadium des Prozeßschrittes der Ätzung, und zwar an einem Körper 1 in einer Schnittdarstellung A-A'. Die Flecken sind mit 2

ίο bezeichnet. Aus der Darstellung der Fig.2 ist das fortschreitende Unterätzen der Flecken 2 ersichtlich. Das Ausmaß der Unterätzung kann in an sich bekannter Weise durch Wahl der Konzentration des Elektrolyten, des Ausmaßes und der Art der Bewegung des Elektrolyten sowie durch die Wahl des zu ätzenden Materials bestimmt werden.

F i g. 3 zeigt die Endphase des Ätzprozesses. Die aus dem Material des Körpers 1 entstandenenen Nadeln sind mit 4 bezeichnet.

Fig.4 bezieht sich auf die Alternative gemäü Anspruch 2 und zeigt in einer Aufsicht das Negativ-Fleckenmuster auf der Oberfläche eines als Unterlage für die erfindungsgemäße Kathode vorgesehenen Körpers 21 mit wenigstens einer elektrisch leitfähigen Oberfläche. Vorzugsweise ist das Material des Körpers ein Metall. Die Oberfläche des Körpers ist mit einer geschlossenen Lackschicht 23 bedeckt. Nach Durchführung eines ersten Verfahrensschrittes befindet sich in dieser Lackschicht ein im wesentlichen regelmäßiges

so Muster von Löchern 22, die bis auf die elektrisch leitfähige Oberfläche herabreichen. Gemäß eines weiteren Verfahrensschrittes werden diese Löcher durch galvanische Aufbauabscheidung mit dem Material der Nadeln bis höchstens zur Höhe der Schichtdecke aufgefüllt. Die Lackschicht 23 ist so dick gewählt, daß sie eine hierfür ausreichend große Dicke aufweist.

Die Fig.5 zeigt in geschnittener Darstellung eine Seitenansicht des Körpers 21 mit der darauf befindlichen Lackschicht 23. Die F i g. 5 gibt den Körper nach Durchführung des vorangehend beschriebenen zweiten Verfahrensschrittes, nämlich nach Durchführung der galvanischen Aufbauabschaltung wieder. In den mit 22 bezeichneten Löchern befindet sich das auf dem Körper 1 aufgewachsene Material der Nadeln 24. Die Anspitzung der Nadeln ist, so weit sie nicht bereits bei der Aufbauabscheidung eingetreten ist, durch nachfolgendes elektrolytisches Anspitzen erreicht worden.

Als Material für die Nadeln ist insbesondere ein solches mit geringer Elektronenaustrittsarbeit vorgesehen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spitze und die Umgebung der Spitze der einzelnen Nadeln mit einem Material mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit beschichtet ist. Ein Vorteil dieser Weiterbildung ist, daß für das Material des Körpers für die Nadeln, bzw. für das Material der Aufbauabscheidung eine größere Auswahl gegeben ist. Es besteht bei dieser Weiterbildung die Möglichkeit, die Auswahl weitgehend bis ausschließlich auf die Herstellungsbedingungen abzustellen.

Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist, daß eine größere Freizügigkeit für die Auswahl eines Materials mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit gegeben ist, wobei hier z. B. auch solche Materialien mit kleiner Elektro-

(ö nenaustrittsarbeit verwendet werden können, die für die Durchführung der oben beschriebenen Verfahrensschritte nicht verwendbar sind.
In der Fig.4 ist eine Beschichtung gemäß dieser

bevorzugten Weiterbildung mit 5 angedeutet. Diese Beschichtung kann beispielsweise durch eine galvanische Abscheidung oder durch eine Bedampfung oder Kathodenzerstäubung ausgeführt werden. Bei Bedampfung oder Bestäubung empfiehlt es sich, diese Beschichtung aus wechselnden Richtungen schattenfrei auszuführen. Es sei darauf hingewiesen, daß es wesentlich darauf ankommt, daß die Spitzen der Nadeln und deren Umgebung diese Beschichtung aufweisen.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine wie in der F i g. 3 mit 5 bezeichnete Beschichtung auch sinngemäß bei einer wie in Fig.5 dargestellten, erfindungsgemäßen Bürstenkathode und auch bei Bürstenkathoden, die nach anderen als den oben angegebenen Verfahren hergestellt sind, angewendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode, bei dem aus einem Körper, der Material enthält, aus dem die Nadeln der Bürstenkathode gebildet werden sollen, ein regeimäßiges Muster derart herausgeätzt wird, daß sich an der verbleibenden Oberfläche spitze Nadeln bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Korper (1) aus demselben Material besteht, daß die Oberfläche des Körpers (1) unter Verwendung einer Fotolackschicht (2) entsprechend dem gewünschten Muster abgedeckt wird und daß die Spitzen der Nadeln (4) durch eingestelltes Unterätzen geschärft werden.

2. Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode, bei dem auf die Oberfläche eines Substrats, von dem zumindest eine Oberfläche elektrisch leitfähig ist, eine mit einem regelmäßigen Muster von Löchern versehene Schicht aufgetragen wird, die mindestens so dick ist, wie die Nadeln der Bürstenkathode lang sein sollen, und bei dem die Löcher in der Schicht zumindest teilweise mit dem Material, aus dem die Nadeln bestehen sollen, aufgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (23) aus Fotolackmaterial hergestellt wird und daß zum Herstellen der Nadeln anschließend die Löcher (22) durch galvanisches Abscheiden bis höchstens zur Höhe der Schicht (23) aufgefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster von Lackflecken (2) erzeugt wird, bei dem zwischen den Lackschichtflecken diese Flecken miteinander verbindende Stege (3) der Fotolackschicht belassen werden, wobei die Breite der Stege (3) geringer ist als die mittlere lineare Querschnittsabmessung der Flecken (2).

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Nadeln (24) anschließend durch elektrolytisches Abtragen geschärft werden.

5. Bürstenkathode, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Nadeln (4, 24) mit im wesentlichen gleicher Spitzenhöhe und gleichem Durchmesser in im wesentlichen regelmäßiger Verteilung angeordnet und die Nadeln (4,24) an der Spitze und in deren Umgebung mit einem Material (5) mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit beschichtet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch elektrolytische Abscheidung des Materials ausgeführt wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Bürstenkathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Aufdampfen des Materials aus wechselnden Richtungen ausgeführt wird.