DE4103585A1 - Gekapselte feldemissionsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionsvorrichtung ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und insbesondere eine Feldemissionsvorrichtung, die eine nicht-planare Geometrie besitzt.

Das Phänomen der Feldemission ist aus dem Stand der Tech­ nik bekannt. Die Technologie der Vakuumröhren basierte in typischer Weise auf der Elektronenemission, die von einer beheizten Kathode hervorgerufen wird. In letzter Zeit wurden Festkörperelemente vorgeschlagen, in denen eine Elektronenemission in Verbindung mit einer kalten Kathode erzeugt wird. Die Vorteile dieser Technologie sind be­ deutsam, da sie sowohl schnelle Schalteigenschaften auf­ weisen als auch widerständig gegen das Phänomen des elek­ tromagnetischen Pulses (EMP) sind.

Trotz der oben genannten Vorteile der Festkörperelemente zur Elektronenemission bestehen zur Zeit eine Anzahl von Problemen, die einer größeren Verbreitung dieser Techno­ logie entgegenstehen. Ein Problem betrifft die Unzuläng­ lichkeiten bei der Herstellung dieser Elemente. Übliche nicht-planare Konfigurationen dieser Elemente erfordern die Konstruktion von Emitter-Kegeln auf mikroskopischer Ebene. Die Entwicklung einer beträchtlichen Vielzahl sol­ cher Kegel mittels eines lagenweisen Beschichtungsprozes­ ses stellt eine bedeutende Herausforderung für heutige Fertigungsmöglichkeiten dar. Planar angeordnete Konfigu­ rationen, deren Elemente offensichtlich erheblich einfa­ cher herzustellen sind, wurden ebenfalls vorgeschlagen. Solche planaren Konfigurationen sind aber nicht notwendi­ gerweise für alle erwünschten Anwendungen geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu­ grunde, eine Feldemissionsvorrichtung zu schaffen, die mit üblichen Herstellungsverfahren einfach produziert werden kann und für eine Vielzahl von Anwendungen ge­ eignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Feldemissionsvorrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kathode axial bezüglich der Anode versetzt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zu­ sätzlich ein Gatter um die Anode angebracht und axial be­ züglich der Anode und der Kathode versetzt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an der Kathode eine Kante vorgesehen, die aufgrund eines verstärkten Feldes in der Umgebung der Kante die Elektro­ nenemission unterstützt.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und im Nebenanspruch angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen seitlichen Aufriß einer erfindungsgemä­ ßen Feldemissionsvorrichtung;

Fig. 2a, b eine Draufsicht zweier Ausführungsformen der Erfindung; und

Fig. 3 eine Seitenansicht in verkleinertem Maßstab von mehreren erfindungsgemäßen Feldemissions­ vorrichtungen auf einem herkömmlichen Träger­ material.

In Fig. 1 wird eine im allgemeinen erfindungsgemäße Feldemissionsvorrichtung mit dem Bezugszeichen 100 be­ zeichnet. Die Vorrichtung 100 umfaßt ein aus Silizium, Quarz oder anderen isolierenden Materialien bestehendes Trägermaterial 101. In einer anderen Ausführungsform kann es notwendig sein, ein leitendes Material für diese Schicht zu verwenden. Wenn, wie oben beschrieben, ein isolierendes Material verwendet wird, können elektrische Verbindungen auf der Oberfläche des Materials entspre­ chend den jeweiligen Bedürfnissen der Anwendung ange­ bracht werden, um die Anode, wie unten beschrieben, anzu­ schließen.

Eine weitere Isolierschicht 102 besteht in diesem Fall aus polymerem Material oder dergleichen und wird auf dem Trägermaterial 101 aufgetragen. Mittels eines geeigneten Ätzprozesses kann daraufhin ein Hohlraum 103 in dieser zweiten Isolierschicht geschaffen werden. Der Hohlraum 103 wird vorzugsweise so tief ausgebildet, daß eine Ver­ bindung zu einer Leitung besteht, die mit dem Hohlraum in Verbindung steht und auf dem Trägermaterial 101 aufge­ bracht ist.

Auf der zweiten Isolierschicht 102 wird durch einen ge­ eigneten Bedampfungsprozeß eine leitende Schicht 104 auf­ getragen. Diese leitende Metallisierungsschicht umfaßt ein Gatter. Im Laufe dieses Prozeßes kann auch eine lei­ tende Metallisierungsschicht innerhalb des Hohlraumes 103 geschaffen werden, welche die Anode 106 der Vorrichtung 100 bildet.

Anschließend wird ein geeignetes Abdeckmaterial in den Hohlraum 103 gebracht, um die Anode 106 zu schützen, wo­ rauf eine weitere Isolierschicht 107 auf der Gatter­ schicht 104 aufgetragen oder gezogen wird. Daraufhin wird eine weitere Metallisierungsschicht 108 angebracht. Eine weitere Isolierschicht 109 kann hinzugefügt werden.

Mittels eines geeigneten Ätzprozesses werden die Seiten der letzten Metallisierungsschicht 108 und der letzten Isolierschicht 109 weggeätzt. Dieser Ätzprozeß sollte für anisotropes Ätzen bemessen sein. Ein solcher Prozeß lie­ fert eine freigelegte Metallisierungsschicht 110 mit an­ steigenden Flanken und eine relativ klar definierte Kante 111. Diese letzte Metallisierungsschicht 108 umfaßt die Kathode der Vorrichtung 100. Die Kante 111 stellt eine geometrische Unstetigkeit dar, die feldverstärkende Aus­ wirkungen zugunsten der Arbeitsweise der Vorrichtung 100 bewirkt.

Ein Ätz- oder Abhebeprozeß kann ebenfalls zur Entfernung des im Hohlraum 103 liegenden Materials verwendet werden, um die Anode 106 wieder freizulegen. Ein flachwinkliger Dampfphasen-Auftragprozeß wird dazu verwendet, eine ge­ eignete Isolierschicht 112, etwa Aluminiumoxid oder Sili­ ziumoxid, auf der Vorrichtung 100 aufzutragen, um dadurch eine eingekapselte Vorrichtung zu schaffen. Der letztge­ nannte Vorgang wird vorzugsweise im Vakuum durchgeführt, so daß im Hohlraum 103 Vakuum herrscht, wodurch wiederum die Arbeitsweise der Vorrichtung positiv beeinflußt wird.

In diesem Aufbau werden Elektronen 113 bei Anlegen ge­ eigneter Potentiale an die Kathode 108 und die Anode 106 (hauptsächlich aufgrund der geometrischen Unstetigkeit durch die Kante 111 der Kathode 108) emittiert, so daß sie sich zur Anode 106 bewegen. Dieser Strom kann im all­ gemeinen durch eine geeignete Steuerung des Gatters 104 entsprechend einem geeignet angewandten Verfahren modu­ liert werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 100 können die Zwischenmetallisierungsschicht 104 und die da­ mit verbundene Isolierschicht 107 weggelassen werden. Das Ergebnis wäre eine Vorrichtung mit zwei Elektroden wie etwa eine Diode.

Abhängig von der jeweiligen Verwendung kann der Hohlraum 103 als Kreis (Fig. 2a), als Rechteck (Fig. 2b) oder als eine beliebige andere mehrwandige Kammer gestaltet wer­ den. Es muß jedoch in jeder dieser Ausführungsformen dar­ auf geachtet werden, daß die Kathode 108 um die Anode 106 herum angeordnet ist. In diesen speziellen Ausführungs­ formen ist die Kathode zusätzlich noch in axialer Rich­ tung gegen die Anode versetzt. In der Dreielektrodenvor­ richtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist auch das Gatter um die Anode herum und gegen die zwei übrigen Elektroden in axialer Richtung versetzt angeordnet.

Ein wichtiger Vorteil dieser Vorrichtung 100 wird nun mit Bezug auf Fig. 3 erläutert. Feldemissionsvorrichtungen der oben beschriebenen Art werden auf mikroskopischer Ebene konstruiert. Deshalb ist die Trägerschicht 101 nie exakt planar. Gewöhnlich werden Abweichungen in der Ober­ fläche in der Art, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, auf­ treten. Aufgrund dieser Abweichungen tritt ein vertikaler Versatz B zwischen der Ebene der Anode 106 einer ersten Vorrichtung 301 und der Ebene der Anode 106 einer zweiten Vorrichtung 302 auf. In ähnlicher Weise existiert ein Versatz C zwischen den Ebenen der Anoden 106 der zweiten Vorrichtung 302 und einer dritten Vorrichtung 303.

Trotz dieser gewöhnlich auftretenden Abweichungen bleibt der Abstand zwischen der Kathodenkante 111 und der Anode 106 jeder Vorrichtung 301, 302 und 303 im wesentlichen gleich dem Wert A. Dieser Zusammenhang zwischen den Vor­ richtungen trägt zu einer vorhersehbaren Arbeitsweise je­ der der Vorrichtungen für sich und im Verbund bei. Außer­ dem sind diese Vorrichtungen unter Verwendung bekannter Metallisierungs-, Oxidziehungs-, Ätz- und Dampfphasen- Auftragungstechniken leicht herzustellen.

Claims (5)

1. Feldemissionsvorrichtung mit einer Anode (106), dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode (111) in Umfangsrichtung um die An­ ode (106) angeordnet ist.

2. Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kathode (111) in axialer Richtung gegen die Anode (106) versetzt ist.

3. Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Gatter (104) in Umfangs­ richtung um die Anode (106) angeordnet ist.

4. Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anode (106), das Gatter (104) und die Kathode (111) jeweils in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind.

5. Elektronisches Gerät mit einer Vielzahl von Feldemissionsvorrichtungen (301, 302 und 303), dadurch gekennzeichnet, daß
jede Feldemissionsvorrichtung (301, 302, 303) eine Anode (106) und eine Kathode (111) umfaßt,
die Anode (106) jeder dieser Feldemissionsvor­ richtungen (301, 302 und 303) von ihrer zugeordneten Ka­ thode (111) um einen annähernd gleichen Abstand (A) ver­ setzt angeordnet ist und
nicht alle Anoden (106) in der im wesentlichen gleichen Ebene liegen.