DE2716992A1

DE2716992A1 - Feldemitteranordnung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2716992A1
Application number: DE19772716992
Authority: DE
Inventors: Arthur Marie Eugen Hoeberechts
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-18
Publication date: 1977-11-17
Also published as: JPS52132771A; AU503434B2; US4095133A; AU2458277A; FR2349947B1; CH615780A5; GB1530841A; NL7604569A; CA1081312A; IT1084485B; FR2349947A1

Description

PHN 836I

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••Feldemitteranordnung und Verfahren zu deren Herstellung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemitteranordnung mit einem Substrat, an dem mindestens eine kegelige Elektrode angebracht ist, und das, ausgenommen in der Nähe der Spitze der Elektrode, mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen ist, auf der wenigstens örtlich eine leitende Schicht vorhanden ist.

Eine derartige Feldemitteranordnung ist aus der niederländischen Patentanmeldung 7*301.833 bekannt. Die

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leitende Schicht endet bei der bekannten Anordnung etwas unter der Spitze der Elektrode. Sie dient als reflektirende Schicht und ausserdem kann an diese Schicht ein elektrisches Potential zur Erhöe-hung des elektrischen Feldes an der Spitze der Elektrode angelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Feldemitteranordnung zu schaffen, in der eine Beschleunigungselektrode integriert ist und bei der der Abstand der Beschleunigungselektrode τη der elektronenemittierenden Spitze äusserst klein ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass sich die leitende Schicht in Richtung auf die punktförmige Spitze der Elektrode bis jenseits der dielektrischen Schicht erstreckt und über der Spitze eine Oeffnung aufweist, so dass die leitende Schicht eine kappenförmige, die kegelige Elektrode umgebende Beschleunigungselektrode bildet.

Infolge der Tatsache, dass die dielektrische Schicht sehr dünn ist, ist der Abstand der Beschleunigungselektrode von der Spitze der kegeligen Elektrode äusserst klein. Eine nur verhältnismässig niedrige elektrische Spannung zwischen diesen beiden Elektroden führt dann auch bereits eine sehr hohe elektrische Feldstärke herbei, die für Feldemission erwünscht ist. Der Aufbau der integrierten Feldemitteranordnung ist einfach

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und beansprucht sehr wenig Raum. Daher ist es möglich, in einem Substrat eine Vielzahl von Feldemitteranordnungen zu bilden, die, weil sie zusammenarbeiten, nur eine sehr geringe Belastung pro punktförmige Elektrode erfordern.

Vorzugsweise bestehen das Substrat und die kegelige Elektrode aus einkristallinem Silicium, die dielektrische Schicht aus Siliciumdioxid und die leitende Schicht aus polykristallinem Silicium. Dann können bei Halbleiteranordnungen entwickelte Herstellungstechniken angewandt werden, bei denen mit grosser Genauigkeit gearbeitet werden kann. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das einkristalline Silicium eine (100)-Kristallorientierung aufweist, wobei die punktförmige Elektrode durch selektive Aetzung erhalten wird. Ueberraschenderweise hat es sich dabei als möglich erwiesen, eine Vielzahl von Emittern völlig gleicher Form in das Substrat zu ätzen.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer Feldemitteranordnung, bei dem von einem Substrat ausgegangen wird, an dem mindestens eine kegelige Elektrode gebildet ist. Das Verfahren ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das mit den kegeligen Elektroden versehene Substrat mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen wird;

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dass auf dieser Schicht eine Schicht aus leitendem Material angebracht wird; dass an der Stelle der Spitze der kegeligen Elektrode in der leitenden Schicht eine Oeffnung gebildet wird, und dass die dielektrische Schicht rings um die Spitze der kegeligen Elektrode und teilweise unter der leitenden Schicht an der Stelle der Oeffnung unter Verwendung der leitenden Schicht als Maskierung weggeätzt wird.

Ein besonders attraktives Verfahren, bei dem auf einem Substrat aus einkristallinem Silicium mindestens eine mit einer Spitze versehene kegelige Elektrode dadurch gebildet wird, dass das Substrat mit einer inselförmigen Siliciumdioxidmaske überzogen wird, wonach das Substrat einer Aetzbehandlung unterworfen wird, bei der Unterätzung unter der Maske auftritt, und anschliessend das Substrat thermisch oxidiert wird, ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation derart weit fortgesetzt wird, dass die Spitze der kegeligen Elektrode sich etwas unterhalb der inseiförmigen Maske befindet; dass unter Beibehaltung der Maske eine Schicht aus polykristallinem Silicium auf dem Oxid des Substrats und der inseiförmigen Maske angebracht wird; dass in das polykristalline Silicium über der Maske eine Oeffnung geätzt wird, wobei diese Aetzbehandlung fortgesetzt wird, bis der Rand der Maske erreicht ist, und

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dass dann die inselförmige Maske und ausserdem ein Siliciumdioxidgebiet, das sich rings um die Spitze der kegeligen Elektrode befindet, weggeätzt werden. Ein grosser Vorteil ist dabei der, dass die Bearbeitungen mit einem Mikroskop völlig beobachtet werden können.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Feldemitteranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Substrat mit einer punktförmigen Elektrode, das mit nacheinander einer isolierenden und einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist;

Fig. 3 das Gebilde nach Fig. 2, wobei nach dem Anbringen einer Photolackmaske eine Oeffnung in die leitende Schicht geätzt worden ist;

Fig. k die Bildung einer punktförmigen Elektrode bei einer weiteren Ausführungsform, Figuren 5 und 6 weitere Bearbeitungsstufen bei der Ausführungsform nach Fig. h, und

Fig. 7 die Feldemitteranordnung nach der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Feldemitteranordnung nach der Erfindung dargestellt; In einem Substrat 1, das wenigstens in der Nähe der dargestellten Hauptfläche aus

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einem für Feldemission geeigneten Material besteht, ist eine punktförmige Elektrode 2 gebildet. Das Ausführungsbeispiel wird mit einkristallinem Silicium als Substratmaterial beschrieben. Auf dem Substrat befindet sich eine Schicht 3 aus dielektrischem Material, die die Spitze der Elektrode 2 nicht bedeckt. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Siliciumoxid mit einer Dicke von etwa 1 bis 2 Ann, die gegebenenfalls noch mit einer Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 0,0*1 um überzogen sein kann. Auf der dielektrischen Schicht 3 ist eine Beschleunigungselektrode h angebracht, die sich zu der Spitze der Elektrode 2 hin bis Jenseits der dielektrischen Schicht erstreckt und über der Spitze eine Oeffnung aufweist. Die Beschleunigungselektrode kann z.B. aus einem Metall, wie Molybdän, oder aus polykristallinem Silicium bestehen.

Die dargestellte Felcfemitteranordnung weist einen einfachen Aufbau auf. Die integrierte Beschleunigungselektrode k liegt in äusserst geringer Entfernung von der Spitze der Elektrode 2. Dadurch kann bereits bei einem verhältnismässig niedrigen Spannungsunterschied von z.B. einigen Hundert Volt zwischen diesen beiden Elektroden ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden, das zum Erhalten von Elektronenemission aus der punktförmigen Elektrode erforderlich ist. Die emittierten Elektronen bewegen sich durch die Oeffnung in der Beschleunigungs-

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elektrode k nach aussen. Mit 20 ist eine Umhüllung einer elektrischen Entladungsröhre schematisch dargestellt. Die Feldemitteranordnung kann in diese Entladungsröhre aufgenommen sein.

Bei praktischen Anwendungen, wie z.B. bei Kameraröhren, Bildröhren, Rastermikroskopen usw., kann man, statt eine thermische Kathode anzuwenden, eine Anzahl in einem Substrat hergestellter Emitteranordnungen zusammenarbeiten lassen, wobei die Belastung pro punktförmige Elektrode nur sehr gering zu sein braucht. Der Teilungsabstand wird vorzugsweise nicht viel grosser als 15 V"b und die Höhe der punktförmigen Elektrode etwa gleich 5 Λ"" gewählt. Weiter können, z.B. durch Diffusionen, Beschleunigungselektroden in Bahnen angebracht und in dem Substrat Teile isoliert werden, wobei dann jede der punktförmigen Elektroden gesondert oder eine Anzahl dieser Elektroden zusammen arbeiten können.

In den Figuren 2 und 3 sind aufeinanderfolgende Stufen des Verfahrens zur Herstellung der Feldemitteranordnung dargestellt. Auch hier wird ein besonderes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem z.B. in bezug auf die Wahl der Materialien und die durchzuführenden Schritte Aenderungen möglich sind. In Fig. 2 ist ein Substrat 5 dargestellt, in dem eine punktförmige Elektrode 6 gebildet ist, die als Emitter dienen wird. Die punkt-

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förmige Elektrode kann mittels einer Aetztechnik etwa auf die an Hand der Fig. 12 der niederländischen Patentanmeldung 7*301.833 beschriebene Weise gebildet sein. Das Substrat ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einkristallinem Silicium vom n-Leitungstyp mit einer derartigen Kristallorientierung hergestellt, dass die Hauptfläche eine (lOO)-Fläche ist. Zur Bildung der Elektrode kann nun anisotrop geätzt werden, wobei die Entfernung von Material in der (1OO)-Richtung schneller als in der (111)-Richtung vor sich geht. Ein dazu geeignetes Aetzmittel ist z.B. Hydrazin bei einer Temperatur von 80° C. Das Ergebnis ist, dass eine kegelige aus vielen Fazetten aufgebaute Elektrode mit einem verhältnismässig grossen Scheitelwinkel von etwa 70° erhalten wird. Der Abrundungsradius der Spitze der punktförmigen Elektrode beträgt einige Hundert A und es hat sich herausgestellt, dass bei einer Elektrode aus (10O)-Material eine gute Emission erhalten wird. Weiter ist die Form der Spitze sehr gut reproduzierbar und kann namentlich das Erhalten der gewünschten Höhe der punktförmigen Elektrode gut beherrscht werden. Beim gleichzeitigen Aetzen einer Anzahl punktfönniger Elektroden in ein Substrat wird denn auch eine grosse Formgleichheit der Elektroden erhalten.

Die Elektrode 6 wird mit einer dielektrischen

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Schicht 7 überzogen. Dies kann auf einfache Weise durch thermische Oxidation des Siliciumsubstrats oder durch Aufdampfen erzielt werden, wobei eine dünne SiO„-Schicht mit z.B. einer Dicke von 1 bis 2 um gebildet wird. Gegebenenfalls kann, z.B. durch Aufdampfen, darauf eine dünne Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von z.B. 0,04 um angebracht werden, was u.a. den Vorteil ergibt, dass die dielektrische Schicht eine sehr hohe elektrische Durchschlagspannung erhält. Auf der dielektrischen Schicht 7 wird eine leitende Schicht 8, z.B. aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 0,5 Μ*η$ ange- * bracht.

Die so gebildete Einheit wird nun mit einer Photolackschicht 9 überzogen. In Fig. 3 ist mit einer gestrichelten Linie angegeben, dass sich die Photolackschicht nach dem Anbringen bis etwas oberhalb der Spitze der punktförmigen Elektrode erstreckt. Z.B. wird ein dünnflüssiger Lack mit einer Viskosität von etwa 20 cP verwendet. Die Photolackschicht wird entwickelt, bis die Spitze der leitenden Schicht 8 auf der Elektrode 6 frei wird und durch Erhitzung bei etwa 80° C wird die mit 9 bezeichnete Photolackschicht ausgehärtet. Diese Photolackschicht in der auf diese Weise in einem selbstsuchenden Prozess und ohne weitere Hilfsmittel Oeffnungen über der punktförmigen Elektrode gebildet werden, dient .als Maske bei

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der nun stattfindenden Entfernung des unüberzogenen Teiles der leitenden Schicht 8. In Fig. 3 ist dargestellt, dass die nicht schraffierte Spitze 10 der leitenden Schicht 8 durch Aetzung oder Zerstäubung entfernt ist, welche Verfahren an sich bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen bekannt sind. Es leuchtet ein, dass das maskierende Photolackmuster auch mit Hilfe von Belichtung der Photolackschicht über eine zusätzliche Maske erhalten werden kann. Infolge der Notwendigkeit dieser zusätzlichen Maske ist dieses Verfahren aber weniger attraktiv.

Wenn die Oeffnung 10 in der leitenden Schicht gebildet worden ist, kann die Photolackschicht 9 entfernt werden. Durch eine Aetzbehandlung, bei der die dielektrische Schicht 7 wohl, die leitende Schicht 8 und die Elektrode 6 jedoch nicht angegriffen werden, wird die Spitze der punktförmigen Elektrode 6 von Dielektrikum frei gemacht und wird die in Fig. 1 dargestellte Form erhalten; die leitende Schicht dient dabei als Aetzmaske.

Wenn Nitrid als zusätzliches Dielektrikum angebracht ist, soll das polykristalline Silicium zunächst thermisch oxidiert werden, um zu vermeiden, dass die Siliciumnitridschicht durch das Aetzmittel angegriffen wird.

Auf verhältnismässig einfache Weise wird eine Feldemitteranordnung mit integrierter Beschleunigungs-

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elektrode 8 erhalten, die sich sehr einfach herstellen lässt und bei der durch den sehr kleinen Abstand zwischen der Spitze der Elektrode 6 und den Enden der Beschleunigungselektrode 8 ein sehr starkes elektrisches Feld zwischen diesen beiden Elektroden bei einem verhältnismässig niedrigen Spannungsunterschied von z.B. einigen Hundert Volt erzeugt werden kann.

Wenn beim Aetzen der Oeffnung in die leitende Schicht 8 diese Oeffnung etwas grosser geworden ist als für eineoptimale Wirkung erwünscht ist, kann auf einfache Weise die Höhe des kappenförmigen Teiles der Elektrode 8 durch galvanisches Anwachsen der Schicht 8 vergrössert und somit die Oeffnung verkleinert werden.

Wie bereits bemerkt wurde, beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Anwendung von Silicium als Substratmaterial. Z.B. kann auch von einem Verbundmaterial ausgegangen werden, in dem punktförraige Elektroden gebildet sind. Weiter kann die dielektrische Schicht auch aus einem von den genannten Materialien verschiedenen Material, z.B. aus Aluminiumoxid, bestehen. Zur Verbesserung der Emissionseigenschaften kann die Emitterspitze gegebenenfalls mit einer Kohlenstoff- oder Zirkonoxidschicht überzogen werden. Gegebenenfalls kann auf der Beschleunigungselektrode wieder exne dielektrisehe Schicht und auf dieser Schicht eine folgende leitende als Fokussierungselektrode dienende Schicht angebracht

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werden.

Eine besonders günstige weitere Ausführungsfonn ist in den Figuren k Hs 7 dargestellt. Auf einer Hauptfläche eines Substrats aus Silicium mit einer (100)-Kristallorientierung wird auf bekannte Weise eine inseiförmige Maske 12, z.B. aus Siliciumdioxid, angebracht und durch eine Aetzbehandlung unter der Maske 12 ein kegeliger Körper gebildet (Fig. k). Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wird bei dem angewendeten (100)-Silicium anisotrop geätzt, wie an Hand der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 bereits beschrieben wurde. Hier wird jedoch nur geätzt, bis ein Kegel mit stumpfer Spitze mit einem Durchmesser von etwa 1,5 μπ erhalten ist. Das Substrat wird anschliessend thermisch oxidiert; die Siliciumdioxidschicht 13 weist eine Dicke von etwa 1 um auf. Unter dem Oxid bildet sich nun in dem Silicium ein Kegel 1k mit einer scharfen Spitze, die einige Zehntel eines/tun unter der inseiförmigen Maske 12 liegt.

Danach wird eine Schicht 15 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von etwa 0,5 V"" auf der Substratoberfläche und rings um die Maske 12 angebracht. Versuche haben ergeben, dass die Schicht 15 auch besonders gut auf der Unterseite der Maske 12 anwächst. In Fig. 5 sind die Schicht 15, sowie eine als Maskierung

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wirkende Photolackschicht i6 dargestellt, die mittels des an Hand der Figuren 2 und 3 beschriebenen selbstsuchenden Prozesses gebildet wird. Erwunschtenfalls kann die Schicht

15 vor de« Anbringen der Photolackschicht über eine Dicke von einigen Hundert jf oxidiert werden. Die Maskierung

16 ermöglicht es, in das polykristalline Silicium eine Oeffnung 17 zu ätzen (Fig. 6), wobei die Aetzung fortgesetzt wird, bis der Rand der Siliciumdioxidmaske 12 erreicht ist. Dieser Aetzvorgang kann mit Hilfe eines Mikroskops völlig beobachtet und kann somit sehr gut beherrscht werden, wodurch diese Ausfuhrungsform besonders attraktiv wird. Durch das Vorhandensein der flachen Maske 12 kann nämlich das Mikroskop darauf eingestellt werden, ist gar keine Nachregelung erforderlich und kann die Aetzung beendet werden, wenn die Oeffnung die gewünschte Grosse aufweist, die in Fig. 6 dargestellt ist.

Der letzte Schritt besteht darin, dass die Maske 12 und auch das Siliciumdioxid rings um die Spitze des Kegels 1% weggeätzt werden. Dabei wird die Aetzung fort gesetzt, bis die Spitze des Kegels ik Ober etwa 2 um frei liegt. Nach Entfernung der Photolackschicht ist «lie integrierte Feldern!tteranordnung nach Fig. 7 erhalten.

.Es sei bemerkt, dass die Grosse der Oeffnung in der Beschleunigungselektrode 15 durch den Durchmesser der stumpfen Spitze des Kegels U in der in Fig. h dar-

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gestellten Stufe bestimmt wird. Die Oeffnung kommt genau über der punktförmigen Elektrode zu liegen; die Beschleuningungselektrode liegt dort automatisch etwas über der Spitze der Elektrode 14.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE:

Λ.) Feldemitter anordnung mit einem Substrat, an dem mindestens eine kegelige Elektrode angebracht ist und das, ausgenommen in der Nähe der Spitze der Elektrode, mit einer Schicht aus einem dielektrischen Material überzogen ist, auf der wenigstens örtlich eine leitende Schicht vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die leitende Schicht in Richtung auf die punktförmige Spitze der Elektrode bis jenseits der dielektrischen Schicht erstreckt und über der Spitze eine Oeffnung aufweist, so dass die leitende Schicht eine kappenförmige die kegelige Elektrode umgebende Beschleunigungselektrode bildet.

2. Feldemitteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und die kegelige Elektrode aus einkristallinem Silicium, die dfelektrische Schicht aus Siliciumdioxid und die leitende Schicht aus polykristallinem Silicium bestehen. 3· Feldemitteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline Silicium eine Hauptfläche mit einer (100)-Kristallorientierung aufweist, wobei die kegelige Elektrode durch selektives Aetzen gebildet wird.

h. Feldemitteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kathode in einer elektrischen Entladungsröhre aufgenommen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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5· Verfahren zur Herstellung einer Feldemitteranordnung, bei dem von einem Substrat ausgegangen wird, an dem mindestens eine kegelige Elektrode gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der kegeligen Elektrode versehene Substrat mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen wird; dass auf dieser Schicht eine Schicht aus leitendem Material angebracht wird; dass an der Stelle der Spitze der kegeligen Elektrode in der leitenden Schicht eine Oeffnung gebildet wird, und dass die dielektrische Schicht rings um die Spitze der kegeligen Elektrode und teilweise unter der leitenden Schicht an der Stelle der Oeffnung unter Verwendung der leitenden Schicht als Maske weggeätzt wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Feldemitteranordnung, bei dem auf einem Substrat aus einkristallinem Silicium mindestens eine mit einer Spitze versehene kegelige Elektrode dadurch gebildet wird, dass das Substrat mit einer inseiförmigen Siliciumdioxidmaske überzogen wird, wonach das Substrat einer Aetzbehandlung unterworfen wird, bei der Unterätzung unter der Maske auftritt, und dann das Substrat thermisch oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation derart weit fortgesetzt wird, dass die Spitze der kegeligen Elektrode sich etwas unter der inseiförmigen Maske befindet; dass unter Beibehaltung der Maske eine Schicht

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aus polykristallinem Silicium auf dem Oxid des Substrats und der inseiförmigen Maske angebracht wird; dass in das polykristalline Silicium über der Maske eine Oeffnung geätzt wird, wobei die Aetzung fortgesetzt wird, bis der Rand der Maske erreicht ist, und dass anschliessend die inselförmige Maske und ausserdem ein Siliciumdioxidgebiet, das sich rings um die Spitze der kegeligen Elektrode befindet, weggeätzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung einer Oeffnung in der leitenden Schicht diese Oeffnung durch galvanisches Anwachsen auf den gewünschten Umfang verkleinert wird.

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