DE2536363B2

DE2536363B2 - Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2536363B2
Application number: DE2536363A
Authority: DE
Inventors: Mikio Ohme Hirano; Kikuji Kokubunji Sato; Isamu Hachioji Yuito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-08-16
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1978-11-09
Also published as: JPS5436828B2; DE2536363C3; JPS5121471A; US4008412A; DE2536363A1

Description

Die Anmeldung betrifft eine Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle. Eine derartige Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der US-PS 3755 704 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird zunächst auf einer elektrisch leitenden Grundschicht eine Isolationsschicht und auf dieser eine Anodenschicht aufgebracht. Aus der Anodenschicht wird ein kreisförmiges

Fenster ausgeätzt, durch das hindurch unter Verwendung der verbleibenden Anodenschicht als Maske eine öffnung in der Isolationsschicht so weit ausgeätzt wird, bis die Oberfläche der Grundschicht freiliegt. Die Öffnung in der Isolationsschicht erhält dabei die Form eines auf seiner kleineren Basis stehenden Kegelstumpfes, wobei der Durchmesser der oberen (größeren) Basis der Öffnung größer ist als der Durchmesser des Fensters in der Anodenschicht, so daß die Anodenschicht in die öffnung hineinragt. Auf aer freigelegten Oberfläche der Grundschicht wird nun aus dem gleichen Material wie die Grundschicht der Emitter derart geformt, daß das Emittermaterial in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Anordnung und gleichzeitig ein Maskenmaterial schräg zur Oberfläche aufgedampft und dabei die Anordnung um die Achse des kreisförmigen Fensters gedreht wird. Infolge der schrägen Aufdampfung schließt das sich auf der Anodenschicht niederschlagende Maskenmaterial allmählich das Fenster, so daß der Lichtdurchmesser dieses Fenster allmählich abnimmt. Auf diese Weise nimmt auch der Durchmesser der Grundschichtoberfläche, auf die das Emittermaterial niedergeschlagen wird, ständig ab, so daß das Emittermaterial eine Konusform bildet, deren Spitze im Bereich der Anodenschicht liegt.

Bei dem bekannten Verfahren besteht eine Schwierigkeit darin, daß die zur gleichzeitig schrägen und senkrechten Bedampfung des Substrats erforderliche Vorrichtung kompliziert und teuer ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei dem gleichzeitigen Aufdampfen des Emitter- und des Maskenmateriels eine Vermischung der beiden Materialien nicht zu vermeiden ist. Bei dem Maskenmaterial handelt es sich notwendigerweise um ein anderes Material als beim Emittermaterial, da die Maskenschicht anschließend entfernt werden muß, ohne daß die Emitterspitze angegriffen wird. Im Effekt lassen sich also Verunreinigungen im Material der Emitterspitze nicht vermeiden. Ferner ist die Durchschlagfestigkeit zwisehen dem Emitter und der Anodenschicht begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle mit großer Lebensdauer und hoher Durchschlagfestigkeit zwischen Emitter und Anodenschicht zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die demgemäß über den Rand der Vertiefung hinausragende Isolationsschicht bewirkt eine bessere Trennung zwischen der Emitterspitze und der Anodenschicht und somit eine höhere dielektrische Durchschlagfestigkeit und aamit auch eine höhere Lebensdauer des Emitters. Die Tatsache ferner, daß der Emitter ein Teil der Grundschicht ist, trägt weiterhin zur Erhöhung der Lebensdauer bei.

Die in den Ansprüchen 11 und 12 gekennzeichneten erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer solchen Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle zeichnen sich ferner gegenüber dem bekannten Verfahren durch größere Einfachheit des Verfahrens selbst wie auch der dazu erforderlichen Vorrichtungen aus. Außerdem wird der Emitter aus der Grundschicht herausgearbeitet, so daß eine Verunreinigung durch Fremdmaterial nicht möglich ist. Ferner gewährleisten die erfindungsgemäßen Verfahren, daß die Emitterspitze unter keinen Umständen über den tiefsten Punkt der Anodenschicht hinausragen kann. Alle diese Eigenschaften tragen zur Erhöhung der Durch

schlagfestigkeit und Lebensdauer bei.

Aus der DT-OS 2156360 ist es noch bekannt, Emitterspitzen für eine Feldelektronenemissionsquelle durch Ätzen unter Verwendung punktförmiger Masken herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 abis 1 d vier aufeinanderfolgende Stadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Feldelektronenemissionsquelle,

Fig. 3a bis 3d vier Stadien eines anderen Herstellungsverfahrens, und

Fig. 4a und 4b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Feldelektronenemissionsquelle.

Gemäß Fig. Id, 2, 3d und 4b umfaßt eine Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle (die im folgenden mit MFE abgekürzt wird) eine Anodenschicht 1, einen nadeiförmigen Emitter 3, eine Isolationsschicht 2 und eine Grundschicht 4, die gemäß denFig. Id, 2 und 3d freitragend oder gemäß Fig. 4b auf einem Substrat 13 aufgebracht sein kann.

Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen MFE besteht in folgenden Schritten:

(1) Auf einer elektrisch leitenden Grundschicht wird eine Isolationsschicht aufgebracht.

(2) Auf dieser Isolationsschicht wird eine Anodenschicht aufgebracht, wodurch eine Sandwichstruktur Grund-Isolations-Anodenschicht erhalten wird.

(3) In der Anodenschicht dieser Schichtstruktur wird in an sich bekannter Weise durch Photoätzen ein ringflächenförmiges, vorzugsweise kreisringförmiges, Fenster geöffnet. Dieses Fenster legt die Oberfläche der unmittelbar darunter liegenden Isolationsschicht frei.

(4) Unter Verwendung der Anodenschicht als Maske wird in der Isolationsschicht unter der Anodenschicht eine öffnung gebildet, die die darunter liegende Oberfläche der Grundschicht freilegt.

(5) Anschließend wird die Grundschicht durch die öffnung in der Isolationsschicht hindurch und unter Verwendung der Isolationsschicht als Maske geätzt. Dabei werden in der Grundschicht eine Vertiefung und ein nadeiförmiger Emitter unter dem Niveau der Isolationsschicht ausgebildet. Durch diesen Ätzvorgang der Grundschicht wird auch die Isolationsschicht unterschnitten; sie ragt also über den Rand der ausgeätzten öffnung in diese hinein. Bei diesem Ätzvorgang werden gleichzeitig die innerhalb der öffnung stehengebliebenen Zentralbereiche der Isolationsschicht und der Anodenschicht entfernt. Dabei wird in der Isolationsschicht eine große öffnung um den Emitter herum erhalten.

Die Grundschicht kann auf einem Isolator, beispielsweise einem Saphirplättchen, aufgebracht sein. Sie wird dann ebenso behandelt wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die freitragende Grundschicht. Voraussetzung für dieses Verfahren ist es, daß die auf dem isolierenden Substrat liegende Grundschicht dicker ist als der Emitter hoch ist.

Die elektrisch leitende Grundschicht besteht vorzugsweise aus Silicium, Wolfram, mit Thorium legiertem Wolfram oder aus Molybdän. Sie besitzt Vorzugs-

weise eine möglichst große spezifische elektrische Leitfähigkeit und eine möglichst niedrige Austrittsarbeit.

Als Material für die Isolationsschicht dienen Dielektrika mit hoher Durchschlagfestigkeit und hohem Schmelzpunkt. Vorzugsweise werden SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Y₂O₃, Si₃N₄, AIn, Al₂O₃ oder wärmebeständige Gläser verwendet. Diese Substanzen werden auf der elektrisch leitenden Grundschicht in an sich bekannter Weise durch chemische Reaktion aus der Dampfphase niedergeschlagen, durch thermische Oxidation hergestellt oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht. Die Dicke der Isolationsschicht beträgt vorzugsweise 0,4 bis 5 μιη. Die Dicke und das Material der Isolationsschicht müssen so ausgewählt und aufeinander abgestimmt sein, daß die dielektrische Durchschlagspannung größer als 100 V ist. Die Durchschlagspannung der Isolationsschicht geht direkt in die Qualität der Isolation zwischen dem Emitter und der Anode ein.

Das Anodenmaterial muß selbstverständlich elektrisch leitend sein. Es wird am einfachsten durch Aufdampfen niedergeschlagen. Die Dicke der Anodenschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 2 μιη. Dickere Schichten lassen sich nur noch schwierig nach dem Photoätzverfahren behandeln. Der vorstehend angegebene Dickenbereich von 0,1 bis 2 μιη bezieht sich jedoch auf das zuvor beschriebene Herstellungsverfahren (Fig. 1). Bei Verwendung des weiter unten näher beschriebenen Verfahrens (Fig. 3) liegt die Dicke der Anodenschicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0,04 und 1 μιη.

Beim zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren muß bei der Wahl des Anodenmaterials darauf geachtet werden, daß es vom Ätzmittel für die Isolationsschicht und das Substrat nicht angegriffen wird. So wird beispielsweise bei Verwendung wäßriger Fluorwasserstofflösungen als Ätzmittel Chrom, Gold, Nikkei oder deren Legierungen als Anodenmaterial eingesetzt.

Statt der gebräuchlichen chemischen Ätzverfahren können jedoch auch physikalische Ätzverfahren eingesetzt werden, beispielsweise das Plasmaätzverfahren, Ionenätzen oder Ätzen durch Kathodenzerstäubung. Diese Verfahren können für jede beliebige der drei Schichten oder für alle Schichten angewendet werden. Auch können chemisches und physikalisches Ätzen kombiniert eingesetzt werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können sowohl die Anodenschicht als auch der Emitter mit Schichten überzogen sein, durch die der Elektronenaustritt erleichtert wird. Dabei ist die Beschichtung der Anodenschicht mit einem solchen Emissionsmaterial selbstverständlich nicht unbedingt erforderlich, jedoch beim Bedampfen der Struktur im Vakuum in der Regel unvermeidbar, wenn man zusätzliche Kosten für Masken sparen will. Das Vorsehen einer Maske ist jedoch nicht erforderlich, da die Bedampfung der Anode auch keinen negativen Einfluß ausübt.

Ein für solche Emissionsüberzüge typisches Material ist beispielsweise LaB₆. Mit diesem Material wurden die besten Ergebnisse erzielt. Statt des vorzugsweise eingesetzten LaB₆ können jedoch auch die folgenden Substanzen für den Emissionsüberzug verwendet werden: Bariumoxidverbindungen, wie beispielsweise (Ba₁Sr)O und (BaO-SrO-CaO), Calciumoxidverbindungen, wie beispielsweise (Ca₅Sr)O, Bor-

verbindungen, neben dem vorzugsweise verwendeten LaB₆ beispielsweise CaB₆, SrB₆, BaB₆ und CeB₆, Lanthanboride, wie beispielsweise (La₅Sr)B₆, (La,Ba)B₍ und (La,Eu)B₆, Cerboride, wie beispielsweise (Ce₁Sr)B₆, (Ce₁Ba)B₆ und (Ce₁Eu)B₆, Praseodymboride, wie beispielsweise (Pr,Sr)B₆, (Pr,Ba)B₆ und (Pr₁Eu)B₆, Neodymboride, wie beispielsweise (Nd₁Sr)B₆, (Nd₁Ba)B₆ und (Nd₁Eu)B₆ sowie Europiumboride, wie beispielsweise (Eu₁Sr)B₆ oder (Eu₁Ba)B₆. All diese Verbindungen und ähnliche Verbindungen zeichnen sich durch eine große Härte, eine niedrige Austrittsarbeit und einen hohen Schmelzpunkt aus.

Grundkörper, die auf elektrisch isolierende Substrate aufgebracht sind, können vorzugsweise aus einem der zuvor genannten Elektronenemissionssubstanzen bestehen. Sie können auch aus Silicium. Wolfram, mit Thorium legiertes Wolfram oder Molybdän hergestellt werden.

Die MFE der Erfindung können außer der zuvoi beschriebenen Weise auch noch wie folgt hergestellt werden:

(Γ) Auf der Oberfläche einer elektrisch leitender freitragenden Grundschicht wird eine Isolationsschicht aufgebracht.

(2') Nach dem Photoätzverfahren wird in der Isolationsschicht eine ringförmige öffnung erzeugt, die die Oberfläche der Grundschicht freilegt. (3') Die Grundschicht wird unter Verwendung dei Isolationsschicht als Maske unter Ausbildung einer Vertiefung und eines nadeiförmigen Emitters unter dem Niveau der Isolationsschicht geätzt. Die Projektion des Emitters in Richtung der Flächennormalen liegt innerhalb der öffnung in dei Isolationsschicht. Während dieses Ätzvorganges wird aufgrund der parallel zur Oberfläche gerichteten Ätzkomponente auch der in der öffnungstehengebliebene Zentralbereich der Isolationsschicht.

(4') Die Isolationsschicht und der Emitter werden gleichzeitig mit dem Elektronenemissionswerkstoff bedeckt. Dabei wird auf der Isolationsschicht eine Anodenschicht ausgebildet und gleichzeitig die Emissionscharakteristik des Emitters verbessert. Als Elektronenemissionsmaterial wird wie im zuvor beschriebenen Fall vorzugsweise LaB₆ verwendet. Weiterhin werden vorzugsweise Bariumoxidverbindungen. Calciumoxidverbindungen und die genannter Boride eingesetzt.

Bei der Herstellung der MFE in der zuvor beschriebenen Weise gelten die gleichen Überlegungen wie im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren angegeben.

Die Schichtdicke des Emissionsmaterials, das in der Verfahrensstufe (4') aufgebracht wird, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,04 bis 1,0 μιη. Im Fall der nach dem zweiten Verfahren hergestellten MFE isi dies also auch die Dicke der ersten Anodenschicht. Bei der Herstellung der MFE nach beiden Verfahrensvarianten können die Schärfe der Emitterspitze und das Überkragen bzw. der Unterschnitt der Anodenschicht und bzw. oder der Isolationsschicht über den Rand der Vertiefung in einfacher Weise durch die Rührparameter der Ätzlösung und durch die Verweilzeit der Struktur im Ätzbad gesteuert werden. Die Doppelschicht kragt vorzugsweise mindestens 0,5 μπι, insbesondere vorzugsweise mindestens

1,0 μηι, über den Rand der Vertiefung hinaus. Der obere Durchmesser der im Substrat ausgebildeten Vertiefung beträgt vorzugsweise 2,5 bis 10 μπι. Der Durchmesser der großen öffnung in der Isolationsschicht liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 5,0 μπι. Dieser Durchmesser beträgt insbesondere vorzugsweise 2,5 bis 3,5 μπι. Wenn die öffnung kleiner ist, wird während des Betriebes der Struktur der Gasaustausch zur Vertiefung erschwert. Bei zu großer Öffnung wird jedoch der Gradient des um die Emitterspitze herum gebildeten elektrischen Feldes unscharf. Beide Fälle sind für eine qualitativ gute Elektronenquelle unerwünschte Parameter, so daß die öffnung in der Isolationsschicht zwischen diesen beiden Grenzwerten gewählt werden muß.

Gewünschtenfalls kann auch eine Elektronenquelle mit mehreren Emittern und auch mehreren ersten Anoden auf einem einzigen Substrat hergestellt werden. Es bedeutet keine Schwierigkeit, auch mehrere Tausend solcher Emitter-Anoden-Kombinationen gleichzeitig auf einem einzigen Substrat herzustellen.

Die MFE der Erfindung weist sehr gute Kenndaten auf und ist vor allem in einfachster Weise auch bei Massenfertigung herstellbar. Die MFE der Erfindung eignet sich daher insbesondere zur Herstellung von Kathoden für Braunsche Röhren, Bildschirmröhren oder Elektronenmikroskope, die sich alle durch das Fehlen einer Anheizzeit auszeichnen.

Die überraschend guten Eigenschaften der MFE nach der Erfindung, insbesondere die gute Qualität der elektrischen Isolation zwischen dem Emitter und der Anodenschicht, hängen von einer Struktur ab, die durch eine Isolationsschicht mit einer langen Oberfläche zwischen dem den Emitter umgebenden elektrisch leitenden Substrat und der Anodenschicht gekennzeichnet ist. Außerdem ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung die Herstellung einer MFE mit ungewöhnlich guter Justierung und gegenseitiger Ausrichtung zwischen dem Emitter und der Anode. Diese hervorragende Selbstausrichtung geht auf das Einsetzen der Atzstufen und bzw. oder das Niederschlagen des Elektronenemissionsmaterials zurück. Es werden Emitter-Anoden-Anordnungen extrem hoher Genauigkeit ohne Ausfälle bei der Herstellung erhalten. Fehljustierungen sind ausgeschlossen. Zu kurze Isolatoroberflächenstrecken, die durch Fehljustierungen zwischen der Anode und dem Emitter auftreten könnten, sind ausgeschlossen.

Beispiel 1

Zunächst wird die in der Fig. 1 a gezeigte Schichtstruktur aus der Grundschicht 4, der Isolationsschicht 2 und der Anodenschicht 1 hergestellt. Die Isolationsschicht 2 besteht aus SiO₂ oder Al₂O₃, das auf einer Si-Grundschicht durch chemische Reaktion aus der Dampfphase niedergeschlagen wird oder durch thermische Oxidation hergestellt oder durch Kathodenzerstäubung aufgestrahlt wird. Die Dicke der Isolationsschicht 2 wird auf einen Bereich von 0,4 bis 5 μπι eingestellt. Anschließend wird die Anodenschicht 1 durch Aufdampfen im Vakuum auf die Isolationsschicht 2 aufgebracht. Die Anodenschicht 1 wird dann mit einem Photolack 9 beschichtet, in dem ein ringförmiges Fenster 14 geöffnet wird. Die Flächenbreite /, des Fensters 14 liegt im Bereich zwischen 0,3 und 3 μπι. Das in der Photolackschicht 9 auf diese Weise geöffnete Fenster 14 legt die Oberfläche der Anodenschicht 1 frei (Fig. Ib).

Unter Verwendung der Photolackschicht 9 wird anschließend die Anodenschicht 1 zur öffnung eines Fensters 15 geätzt. Nach Ätzen der Anodenschicht 1 wird die Isolationsschicht 2 unter Verwendung der

> geätzten Anodenschicht 1 als Maske geätzt. Dabei wird die Oberfläche der Grundschicht 4 im Bereich einer ringförmigen öffnung 16 freigelegt. Die Breite des Ringfensters 15 ist dabei geringfügig breiter als die Breite /, des Ringfensters 14 in der Photolack-

¹⁽¹ schicht 9. Die Öffnung 16 in der Isolationsschicht 2 hat einen Querschnitt in Form eines mit der kleineren Basis abwärts gerichteten Kegelstumpfmantels. Der obere Basisdurchmesser ist geringfügig größer als das Fenster 15 (Fig. Ic).

ι"' Unter der zentral in der Ringstruktur stehengebliebenen Inselstruktur 19, die von der Öffnung 16 umgeben ist, wird der nadeiförmige Emitter ausgebildet. Gleichzeitig wird eine kleine Vertiefung 18 durch eine Verbreiterung des Ringraumes um den Emitter 3

-" herum unter der Isolationsschicht 2 durch Ätzen des elektrisch leitenden Substrats 4 unter Verwendung der Isolationsschicht 2 als Maske ausgebildet. Dabei weist die öffnung 16 am Boden die Breite I₂ auf. Die Isolationsschicht 2 und die Anodenschicht 1 überdek-

:> ken die Vertiefung 18 in der Grundschicht 4 vom Rand her, wobei in der Isolationsschicht 2 eine relativ große Öffnung 16' entsteht.

Schließlich wird die Photolackschicht 9 entfernt und die in der Fig. Id gezeigte MFE erhalten.

«ι Wie das vorstehend beschriebene Beispiel deutlich zeigt, können die Anodenschicht 1, der nadeiförmige Emitter und die Vertiefung im Substrat durch eine Folge einfachster Ätzschritte hergestellt werden. Da der Emitter 3 durch Ätzen aus der Grundschicht 4

Γι ausgeformt ist, ist auch eine Verunreinigung des Emitters durch Maskenmaterial, wie es bei dem bekannten Verfahren (US-PS 3 755 704) auftritt, nicht zu befürchten. Es werden daher qualitativ hochwertige Kaltemissionselektroden erhalten, deren

J» Herstellungsverfahren außerdem durch die fehlende Notwendigkeit einer Entfernung des Maskenmaterials wesentlich vereinfacht ist.

Beispiel 2

■»"> Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird wiederholt. Die in der Fig. Id gezeigte Struktur wird jedoch anschließend in der in Fig. 2 gezeigten Weise im Vakuum mit LaB₆-Teilchen 10 bedampft. Das Bedampfen erfolgt senkrecht zur Oberfläche der Grund-

iii schicht 4 auf die Anodenschicht 1 und den Emitter 3. Dabei werden eine Anodenfläche 11 und eine Emitteroberfläche 12 erhalten.

Die auf diese Weise erhaltene MFE zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Isolation zwischen der Grundschicht 4 und der Anode 1 aus, da die aus SiO₂ bestehende Isolationsschicht 2 um mehr als 1 μπι über den Rand der Vertiefung 18 überkragt.

Beispiel 3

W) Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Herstellung der MFE ist in den Fig. 3a bis 3d gezeigt. Auf eine Grundschicht 4 aus Si-Einkristallmaterial wird in einer Stärke von etwa 2 μπι eine SiO₂-Schicht 2 in an sich bekannter Weise durch Kathodenzerstäuben auf-

b5 gebracht (Fig. 3a). Die Si-Einkristallgrundschicht besitzt einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand. Anschließend wird auf die SiO₂-Schicht eine Photolackschicht 9 aufgebracht, in der ein Ringfenster

zur Oberfläche der Isolationsschicht 2 geöffnet wird. Unter Verwendung der Photolackschicht 9 als Maske wird anschließend in an sich bekannter Weise die Isolationsschicht chemisch geätzt, so daß ein ringförmiges Fenster 17 gebildet wird, das die Oberfläche der Grundschicht 4 freilegt (Fig. 3b). Anschließend wird die Photolackschicht 9 entfernt. Die Grundschicht 4 wird durch das Fenster 17 unter Verwendung der Isolationsschicht 2 als Maske in an sich bekannter Weise chemisch geätzt. Durch diese Ätzung wird in der in Fig. 3c gezeigten Weise ein nadeiförmiger Emitter mit einer scharfen Spitze erhalten. Bei Ausbildung der Spitze durch Ätzen in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats fällt dann schließlich auch der inselartige Zentralbereich 2" von der Spitze des sich ausbildenden Emitters ab.

Abschließend werden LaB₆-Teilchen 10 im Vakuum auf die Isolationsschicht 2 und den Emitter 3 senkrecht zur Oberfläche der Grundschicht 4 in der in Fig. 6d gezeigten Weise aufgedampft. Dabei wird die Anodenschicht 11 erhalten.

Bei der Herstellung der Anodenschicht 11 wird gleichzeitig eine Verbesserung der Austrittskenndaten des Emitters durch Erniedrigung der Austrittsarbeit erhalten. Das erhaltene MFE weist ausgezeichnete Kenndaten, eine hervorragende Justierung und niedrige Schwellwerte auf.

Beispiel 4

Auf einem Saphirsubstrat 13 wird eine etwa 10 μίτι dicke Grundschicht 4 aus LaB₆ 13 ausgebildet (Fig. 4a). Auf die LaB_h-Schicht wird dann eine Isolationsschicht 2 und auf diese eine Anodenschicht 1 aufgebracht. Dann werden die Anodenschicht 1, die Isolationsschicht 2 und die LaB₆-Grundschicht 4 der Zweischichtenanordnung 20 in der Reihenfolge in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise geätzt. Dabei werden der nadeiförmige Emitter 3, die Vertiefung 18 und die überkragende Doppelschicht aus der Isolationsschicht 2 und der Anodenschicht 1 ausgeformt. Dabei wird im letzten Schritt die Zweischichtenanordnung 20 so geätzt, daß der Boden der den Emitter 3 umgebenden Vertiefung 18 nicht bis auf die Oberfläche des Saphirsubstrats 13 durchgreift. Die auf diese Weise hergestellte MFE-Struktur ist in der Fig. 4b gezeigt.

Beispiel 5

Es wird in der zuvor beschriebenen Weise eine MFE der in Fig. Id gezeigten Struktur hergestellt. Die Grundschicht 4 besteht aus Silicium und ist 200 μΐη dick. Der Emitter 3 hat eine Höhe von 2,5 μιτι mit einem Krümmungsradius der Spitze von 50 nm. Die Isolationsschicht 2 besteht aus SiO₂ und ist 2 μπι dick. Die Anodenschicht 1 ist 0,5 μιτι dick und besteht aus Gold.

Die aus der US-PS 3755 704 bekannte MFE entspricht im Aufbau und im Material der MFE der hier beschriebenen Anordnung (Fig. Id). Die Grundschicht ist ein Si-Einkristall mit einer (11 !)-Oberfläche.

Die MFE wird im Vakuum bei 1,3 · 10"⁷ mbar betrieben. Die Beschleunigungsspannung zwischen dem Emitter und der Anode beträgt 200 V. Die emittierten Elektronen werden durch eine in 10 cm Entfernung über dem Emitter angebrachte weitere Anode bei einer Spannung von 4 kV weiter beschleunigt.

Unter diesen Bedingungen wird an der MFE nach Fig. 1 d eine Emissionsstromdichte von 1 · 10^s A/cm^: gemessen, während an der MFE nach dem Stand der Technik unter identischen Bedingungen eine Emissionsstromdichte von nur 6 · 10⁴ A/cm² gemessen wird. Mit der MFE nach Fig. Id kann bei ununterbrochenem stationärem Betrieb ein Emissionssollstrom innerhalb einer Toleranzbreite von ±5% von 5 μιτι für etwa 500 Stunden erhalten werden, während die MFE nach dem Stand der Technik unter gleichen Bedingungen nach 250 Stunden zusammenbricht. Die MFE nach Fig. 1 d weist also eine rd. doppelt so lange Standzeit wie die aus dem Stand der Technik bekannte Struktur auf.

Weiterhin werden unter identischen Bedingungen die Durchschlagfestigkeit zwischen der Anode und dem Emitter gemessen. Die Durchschlagspannung für die MFE nach Fig. 2d beträgt etwa 1000 V, für die MFE nach dem Stand der Technik etwa 500 V. In beiden Fällen beträgt die Dicke der Isolatorschicht 2 μιτι.

Vergleichbare Ergebnisse werden auch mit den anderen zuvor beschriebenen Strukturen erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle mit einer elektrisch leitenden Grundschicht, mit einem mit dieser verbundenen nadelförmigen Emitter, mit einer auf der Grundschicht angeordneten Isolationsschicht mit einer den Emitter freilassenden Öffnung, und mit einer auf der Isolationsschicht angeordneten Anodenschicht, die in die Öffnung hineinragt, ohne jedoch den Emitter zu überdecken, dadurch ge kennzeichnet, daß der Emitter (3) in einer in der Grundschicht (4) befindlichen Vertiefung (18) als Teil der Grundschicht (4) angeordnet ist und daß die Isolationsschicht (2) über den Rand der Vertiefung (18) hinausragt, ohne den Emitter (3) zu überdecken.

2. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) auf einem isolierenden Plättchen (13) aufgebracht ist.

3. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (4) aus Silicium, Wolfram, mit Thorium legiertem Wolfram oder Molybdän besteht.

4. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) aus SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅, Y₂O₃, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ oder wärmebeständigem Glas besteht.

5. Dünnschicht-Feldelektronenem issionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Emitters mit einer der folgenden Substanzen beschichtet ist: (Ba₅SR)O, BaO-SrO-CaO), (Ca₅Sr)O, LaB₆, CaB₆, SrB₆, BaB₆, CeB₆, (La₁Sr)B₆, (La₅Ba)B₆, (La₁Eu)B₆, (Ce₁Sr)B₆, (Ce₁Ba)B₆, (Ce₁Eu)B₆, (Pr₅Sr)B₆, (Pr₁Ba)B₆, (Pr₅Eu)B₆, (Nd₅Sr)B₆, (Nd₅Ba)B₆, (Nd₅Eu)B₆, (Eu₅Sr)B₆ und (Eu₅Ba)B₆.

6. Dünnschicht-Feldelektronenemisiionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenschicht (1) aus Chrom, Gold, Nickel oder Legierungen dieser Metalle besteht.

7. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach Anspruch S₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenschicht (1) aus demselben Material wie der Emitterüberzug besteht.

8. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer einzigen Grunclschicht (4) mehrere oder viele Feldelektronenemissionsquellen ausgebildet sind.

9. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) mindestens 0,5 μΐη über den Rand der Vertiefung (18) kragt.

10. Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) mindestens 1 μηι über den Rand der Vertiefung (18) kragt.

11. Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf der elektrisch leitenden Grundschicht eine Isolations-

schicht aufgebracht wird, bei dem in der Isolationsschicht eine Öffnung erzeugt wird, und bei dem danach der Emitter geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung ringförmig ist und daß die Grundschicht durch diese Öffnung hindurch unter Verwendung der Isolationsschicht als Maske so weit ausgeätzt wird, bis sich in der Mitte der zunächst ringförmigen Vertiefung (18) eine nadeiförmige Spitze als Emitter (3) bildet.

12. Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht-Feldelektronenemissionsquelle nach Anspruch 11, bei dem nach dem Aufbringen der Isolationsschicht auf dieser eine Anodenschicht aufgetragen wird, bei dem in der Anodenschicht ein Fenster erzeugt wird, das sich im wesentlichen mit der Öffnung in der Isolationsschicht deckt, und bei dem danach der Emitter geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster in der Anodenschicht ringförmig ist, d;ß durch dieses hindurch unter Verwendung der Anodenschicht als Maske in der Isolationsschicht die ringförmige Öffnung geätzt wird, und daß durch diese Öffnung hindurch unter Verwendung der Isolationsschicht als Maske die Grundschicht geätzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) durch chemische Reaktion aus der Dampfphase niedergeschlagen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) durch thermische Oxidation hergestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenschicht (1) durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Öffnung und des Fensters durch chemisches Ätzen erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Öffnung und des Fensters durch Plasmaätzen, Ionenätzen oder Kathodenzerstäubung erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Emitters (3) eine die Elektronenemission erleichternde und fördernde Substanz niedergeschlagen wird.