DE2413942C3 - Verfahren zur Herstellung von Dunnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Dunnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen

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DE2413942C3
DE2413942C3 DE2413942A DE2413942A DE2413942C3 DE 2413942 C3 DE2413942 C3 DE 2413942C3 DE 2413942 A DE2413942 A DE 2413942A DE 2413942 A DE2413942 A DE 2413942A DE 2413942 C3 DE2413942 C3 DE 2413942C3
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Description

ίο Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus »Journal of Applied Physics« Band 39 (1968) Seiten 3504 bis 3505 bekannt Bei dem bekannten Verfahren wird auf der elektrisch leitfähigen Unterlage,
ι J die aus einem Substrat mit einem metallischen Überzug besteht, eine Isolierschicht und darauf eine Leiterschicht aufgetragen. In dieser oberen Leiterschicht, die beim fertigen Aufbau die Beschleunigungsanode bödet, wird eine Öffnung vorgesehen, durch die hindurch in der darunter liegenden Isolierschicht eine bis zur Unterlage reichende Aussparung ausgeätzt wird. Auf die so gebildete Struktur wird schräg zur Oberfläche Aluminiumoxid aufgedampft, das die Öffnung in der Anodenschicht allmählich verengt Gleichzeitig wird senkrecht durch die sich verengende Öffnung Molybdän als Emittermaterial aufgedampft, das sich auf der Unterlage niederschlägt und dort infolge der immer enger werdenden Öffnung die Form einer Spitze erhält Abschließend werden die auf die Anodenschicht aufgedampften Schichten entfernt
Bei dem bekannten Verfahren besteht die Schwierigkeit, daß sich eine Mischung der beiden gleichzeitig in verschiedenen Richtungen aufgedampften Materialien nicht vermeiden läßt In die Molybdän-Emitterspitze wird also unvermeidbar Aluminiumoxid eingemischt, das die Leitfähigkeit der Emitterspitze beeinträchtigt Außerdem besteht die Schwierigkeit, daß die auf der Oberfläche der Anodenschicht gebildete, ebenfalls aus Aluminiumoxid und Molybdän besehende Schicht sich nur schwer ablösen läßt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen zu schaffen, das sich leichter durchführen läßt und die Herstellung reiner und gut leitender Emitterspitzen gewährleistet
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Danach werden die verschiedenen Schichten jeweils auf die gesamte vorher gebildete Struktur und jeweils einzeln nacheinander aufgetragen, was ohne Schwierigkeiten möglich ist Da die Emitterspitzen aus einer vollen Emittermaterialschicht herausgearbeitet werden, besteht keine Gefahr einer Verunreinigung des Emittermaterials. Die Erfindung vermittelt den zusätzlichen Vorteil, daß sich ohne weiteres Elektronenquellen herstellen lassen, bei denen die Emitterspitzen nicht punktförmig sind sondern die Form einer geraden oder auch gekrümmten Linie haben. Dies ist bei dem oben erläuterten bekannten Verfahren nicht möglich, weil dort beim gleichzeitigen Aufdampfen der beiden Materialien eine Relativdfehüng zwischen der Gfundstruktur und den Aufdampfungsquellen stattfindet, so daß die Emitterspitzen notwendigerweise punktförmig werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der verschiedene Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnit-
ten (a) bis (f) durch die jeweilige Struktur dargestellt sind.
Zunächst wird auf ein Substrat 7 ein Metallfilm 8 aufgedampft Da der Film 8 als Kathode oder Kathodenzuleitung verwendet wird, muß er elektrisch gut leitend sein. Es kann auch ein Halbleiter oder eine andere geeignete Verbindung verwendet werden. Wenn mehrere, unabhängig voneinander zu verwendende Elektronenquellen hergestellt werden, muß der Film 8 in Form eines Musters ausgebildet werden. Dabei wird durch eine Maske aufgedampft oder das Muster wird nach der Aufdampfung durch Fotoätzung hergestellt
Als Substrat wird im allgemeinen ein Isoliermaterial wie Glas, Keramik oder Saphir verwendet Soll nur eine einzige Elektronenquelle auf einem Substrat ausgebildet werden, so kann als Substrat ein elektrisch gut leitendes Material wie Metall verwendet werden. In diesem Fall besteht die Unterlage allein aus dem elektrisch leitenden Substrat
Darauf wird ein zweiter Film 9 auf die gesamte Oberfläche aufgedampft (Darstellung aX Da der Film 9 zu Emitterspitzen ausgearbeitet wird und der. Hauptteil jeder Elektronenquelle bildet wird für diesen ein elektronenemittierendes Material gewählt
Darauf wird ein licht- oder elektronenempfindlicher Lack 10 aufgebracht belichtet und entwickelt
Entsprechend der Form jeder zu bildenen Spitze ist der verbleibende Lack 10 kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder in sonstiger Gestalt entsprechend den zu bildenden Emitterspitzen geformt Dieses Muster und das Muster der Kathodenzuleitungen 8 müssen, senkrecht zu den Filmen gesehen, einander wenigstens zum Teil überlappen. Sonst besteht die Gefahr, daß die Spitze nicht mit der Kathode verbunoen wird. Nur der Film 9 wird durch den Lack 10 hindurch durch Mesa-Ätzung behandelt Die Ätzung wird abgebrochen, wenn der Film 9 Spitzen aufweist (Darstellung b).
Darauf wird gemäß Darstellung c der Lack 10 entfernt und auf die gesamte Fläche ein dritter Film 11 aufgedampft Der dritte Film 11 muß aus einem elektrischen Isolator bestehen. Die Stärke des Films 11 wird ausreichend groß gemacht um zu verhindern, daß der untere Teil jeder Vertiefung tiefer zu liegen kommt als das äußere Ende der Spitze. Sonst wird die Isolation beeinträchtigt Der Film 11 kann auch aufgestäubt oder durch Aufwachsen aus der Dampfphase aufgebracht anstatt aufgedampft werden. Der Film 11 weist in der Nähe jeder Spitze 9 Vorsprünge auf, die eine weitere Bearbeitung verhindern. Seine obere Oberfläche wird daher poliert und abgeflacht (Darstellung d). Das Polieren wird beendet unmittelbar bevor die Spitze 9 freiliegt
Sind die Vorsprünge in der Nähe der Spitzen 9 nicht störend und ist die Stärke des Films 1 ί richtig, so kann auf das Polieren njanchmal verzichtet werden. Bekanntermaßen ist das Polierergebnis in manchen Fällen besonders gut wenn außer auf mechanischem auch auf chemischem Wege poliert wird.
Darauf wird ein vierter Film 12 aufgedampft Da der Film 12 als Beschleunigungsanode jeder Elektronenquelle dient, wird hierfür ein pter elektrischer Leiter verwendet Ferner wird der Film 12 durch Fotoätzung geätzt, so daß gemäß Darstellung e die in der Nähe der Spitzen 9 liegenden Teile entfernt werden können. In diesem Zustand wird der zwischen den jeweils einander benachbarten Besdileunigungselektroden 12 freiliegende dritte Film 11 gleichzeitig unterätzt Dabei wird ein den Film 11 nicht korrodierendes Ätzmittel verwendet Als Material für den ersten und vierten Film werden Mo, W, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr oder Hf oder eine Legierung aus wenigstens zwei dieser Elemente verwendet Der erste Film kann auch aus einem Halbleiter wie Si oder Ge oder einer leitfähigen Verbindung bestehen, beispielsweise aus verschiedenen Voriden, Nitriden und Karbiden wie LaBe.
Als Material des zweiten Films wird das gleiche
Material wie das des ersten oder vierten Films
lu verwendet Auch kann ein Borid einer seltenen Erde oder eine feste Lösung desselben verwendet werden.
Eine geeignete feste Lösung besteht aus einem Borid selterner Erden und alkalischer Erdmetalle wie Ca1 Sr, oder Ba und einem Borid eines Übergangsmetalls wie Hf oder Zr. Auch Si oder Ge können verwendet werden.
Als Material für den dritten Film kann ein Isoliermaterial wie SiO, SiO2, Al2O?, MgO, CeO, CaF2 oder MgF2 verwendet werden.
Bei befriedigender Steuerung der Ätzbedingungen kann auoi ein den Film 11 in gewissem Maße
korrodierendes Ätzmittel verwendet werden. Bei Aufdampfung des Films 12 durch eine Maske kann das
Muster auch ohne Ätzung gebildet werden.
Darauf wird unter Verwendung eines Ätzmittels, das weder den Film 12 noch die Spitze 9, sondern nur den Film 1: selektiv ätzt der Film 11 soweit weggeätzt daß die Spitzen 9 freiliegen. Damit ist die Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle fertig (Darstellung f).
Somit können alle Aufdampfungen aus einer Verdampfungsquelle durchgeführt werden. Daher sind die Aufdampfungen nicht nur extrem einfach, sondern können auch mit einer einfachen Apparatur durchgeführt werden. Natürlich können mehrere Verdampfungsquellen benutzt werden, um das aus mehreren ü Elementen bestehende System aufzubauen. Die Verfahrensschritte können jedoch vereinfacht werden. Was schließlich das Polieren des dünnen Films betrifft so können verschiedene bekannte Verfahren angewendet werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können folgende Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen hergestellt werden:
1. Elektronenquellen mit einem Punkt mit rechteckiger, quadratischer oder kreisförmiger öffnung, bei der das äußere Ende der Spitze dps zweiten Films punktförmig ist
2. Elektronenquelle mit einer einzigen Linie, deren öffnung rechteckig oder dergleichen ist und bei der das äußere Ende der Spitze der zweiten Schicht in
■50 Form einer Linie ausgebildet ist
3. Zusammengesetzte oder Verbund-Elektronenquellen mit mehreren punktförmigen oder linienfönrigen Elektronenquellen, die regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sind.
4. Mit geeigneten Kathodenzuleitungen können die einzelnen Eiektronenquellen voneinander unabhängig betrieben werden.
5. Unabhängig zu betreibende Verbund-Elektronenquellen mit langer Lebendauer, bei der wenigstens
bo ein Emitter als erste Elektronenquelle dient und ein weiterer Emitter als Reserve-Elektrenenquelle verwendet wird.
6. Ebene Elektronenquellen, bei denen punkt- oder linienförmige Elektronenquellen reihenweise angeordnet sind.
7. Elektronenquellen zur Wand- oder Musteranzeige, die eine Anzal von punkt- oder linienförmigen Elektronenquellen enthalten, die unabhängig von-
einander betrieben werden können.
8. Verbund-Elektronenquellen, bei denen eine Anzahl linienförmiger Elektronenquellen parallel zueinander angeordnet sind, die je so aufgebaut sind, daß das äußere Ende der Spitze des zweiten Films geradlinig ist
9. Elektronenquellen zur Anzeige, die längs gekrümmter Linien Elektronen emittieren, bei denen das äußere Ende der Spitze des zweiten Films gekrümmt ist, und bei denen die Öffnung entsprechend ausgebildet ist
Im folgenden wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen beschrieben.
Ein Saphirplättchen von 1 mm Stärke wurde als Substrat verwendet Auf das Substrat wurde bei einer Temperatur von etwa 500° C mittels eines Elektronenstrahls Mo mit einer Stärke von etwa υ,2μηι aufgedampft und zum ersten Kathodenfilm gemacht Darauf wurde bei einer Substrattemperatur von 800° C unter Verwendung eines gesinterten Stücks aus einer intermetallischen Verbindung von LaB6 als Rohmaterial ein zweiter Film LaBe mit einer Stärke von 0,2 μιη durch Elektronenstrahlverdampfung aufgetragen.
Unter Verwendung einer wäßrigen Lösung von Salpetersäure als Ätzmittel und nach dem Fotoätzverfahren wurde so geätzt, daß einzelne Elektronenquellen-Vorsprünge mit punktförmigen Spitzen gebildet wurden, und zwar in Abständen von 5 mm. Bei einer Substrattemperatur von 500° C wurde wiederum mittels Elektronenstrahlaufdampfung AI2O3 bis zu einer Stärke von 2,5 bis 3 μίη aufgedampft Die Oberfläche des
AbCVFilms wurde beispielsweise durch Läppen mit einer Diamantpaste leicht poliert und abgeflacht Ferner wurde bei einer Substrattemperatur von 500° C Mo bis auf eine Stärke von 0,2 μίη aufgedampft Danach wurde das Mo über den Spitzen mittels einer wäßrigen Lösung aus Salpetersäure weggeätzt, so daß sich ein Beschleunigungselektroden-Film bildete. Darauf wurde der AI2O3-FiIm mit einer erhitzten Lösung aus Phosphorsäure gelöst, so daß die Spitzen freigelegt wurden, Ferner wurde zur Zentrierung der Elektronenquelle angerissen und das Substrat wurde in die einzelnen Elektronenquellen zerteilt Schließlich wurde das ganze in einem Vakuumofen bei 1000°C 30 Minuten lang durch Wärme behandelt Damit war die Dünnfilm-Punkt-Elektronenquelle aus LaBe fertig.
Die Elektronenquelle wurde auf dem Teil eines Fadens für ein Elektronenmikroskop befestigt Bei einer Spannung von 22öV zwischen der Beschieunigungselektrode und der Kathode wurde ein Elektronenstrom von 100 uA gemessen. Nach iOO Stunden Versuchsdauer hatten sich die Kennwerte nicht geändert Der Emissionsstrom war ausreichend stabil, die Helligkeit des Bildes War um das Mehrfache höher als bei bekannten Heizfäden und die Auflösung war verbessert. Bei Betrachtung der Spitze mit einem abtastenden Elektronenmikroskop ergab sich eine Krümmung von etwa 0,' jam.
Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Dünnfilm-Elektronenquelle hat gegenüber den bekannten eine verbesserte Helligkeit, eine geringere Größe, eine lange Lebensdauer und benötigt eine geringere Speisespannung.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

94 Q49 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-EIektronenquellen mit Smitterspitzen, bei dem auf einer mindestens in ihrem oberen Teil elektrisch leitfähigen Unterlage eine Isolierschicht in einer Dicke aufgebracht wird, die größer ist als die Höhe der Emitterspitzen, bei dem ferner auf der Isolierschicht ein Film aus elektrisch gut leitendem Material, der an den Emitterspitzen entsprechenden Stellen öffnungen aufweist, als Beschleunigungsanode aufgebracht wird, und durch die öffnungen hindurch in der Isolierschicht Aussparungen ausgeätzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf die gesamte Oberfläche der Unterlage eine Schicht aus Material der Emitterspitzen mit vorbestimmter Dicke aufgedampft wird, daß dann die Schicht aus dem Material der Emitterspitzen an den Stellen, an denen die Emitterspitzen herausgearbeitet werden sollen, mit einem Lack abgedeckt und die Schicht aus Emittermaterial geätzt wird, wobei die durch den Lack abgedeckten Stellen unterätzt werden, so daß die Emitterspitzen entstehen, woraufhin der Lack entfernt wird, daß anschließend auf die gesamte Oberfläche der so gebildeten Struktur die Isolierschicht und die Beschleunigungsanode aus gut leitendem Material aufgebracht und daß schließlich durch das Ausätzen der Aussparungen die Emitterspitzen freigelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor detn Aufl.ingen des Films aus elektrisch gut leitenden. Materia! die Isolierschicht durch Polieren soweit abgef ;cht wird, daß die Emitterspitzen nahezu freigelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage eine leitende Schicht auf einem Substrat aus Glas, Keramik oder Saphir umfaßt
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenzuleitungen aus einem Metall hergestellt werden, und zwar aus Mo, W, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr oder Hf oder aus einer Legierung dieser Metalle.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenzuleitungen aus einem Halbleiter oder einer elektrisch leitfähigen Verbindung hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitzen aus einem Metall bestehen, und zwar Mo, W, Ta, Re, Pt, Au, Ag, AI, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr oder Hf oder eine Legierung dieser Metalle.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitzen aus wenigstens einem Borid einer seltenen Erde bestehen.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitzen aus einer festen Lösung aus einem Borid einer seltenen Erde öder eines Erdalkalimetalls Und einem Borid eines Übergangsmetalls bestehen.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitzen aus Si oder Ge bestehen,
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus SiO1 SiO2, lj, MgO1 CeO, CaF2 oder MgF2 hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsanode aus einem Metall hergestellt wird, und zwar aus Mo1 W1 Ta, Re, Pt, Au, Ag, AI, Cu, Nb1 Ni1 Cr, Ti1 Zr oder Hf aus einer Legierung dieser Metalle.
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