DE4209301C1 - Manufacture of controlled field emitter for flat display screen, TV etc. - using successive etching and deposition stages to form cone shaped emitter peak set in insulating matrix together with electrodes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung von steuerbaren Feldemitteranordnungen im Größenbereich von Mikrostrukturen mit Abmessungen im µm-Bereich mit pyrami­ den- oder kegelförmigen Spitzen, denen eine kreisförmige Blende als Steuerelektrode mit Abstand gegenüberliegt.

Sie befaßt sich vor allem mit der Herstellung von großflächi­ gen steuerbaren Feldemissionsanordnungen, wie sie z.B in fla­ chen Displays, Bildschirmen, Fersehgeräten usw. benötigt wer­ den. Für die Herstellung solcher wurden bisher ausschließlich lithographische Herstellungverfahren eingesetzt. Dazu werden die üblichen Techniken der Lithographie verwendet.

Zum Beispiel werden durch selektives Ätzen von Silizium pyra­ midenförmige Feldemissionsspitzen hergestellt. Bei einem ande­ ren Verfahren werden wird Molybdän durch eine kreisförmige Blende auf ein darunterliegendes Substrat abgeschieden und bildet dabei durch allmähliches Zuwachsen der Blende einen Ke­ gel, der als Feldemissionsspitze dient. In einem weiteren Ver­ fahren werden durch ionenunterstütztes Ätzen aufrechstehende Balken hergestellt, die durch Ionenätzen, Oxidation und naßchemisches Ätzen zu Feldemissionsspitzen umgewandelt wer­ den. Mit allen Verfahren können jedoch gleichzeitig nur eine große Anzahl regelmäßig angeordneter Feldemissionsspitzen her­ gestellt werden.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, daß bei der Struk­ turerzeugung jeweils eine Ätzschutzmaske erforderlich ist, die lithographisch hergestellt werden muß. Die Verfahren erfordern weiterhin eine ganze Reihe von Prozeßschritten und sind wegen der Maske lichtoptisch durch Beugung begrenzt.

Aus der DE-PS 29 51 287 ist ein weiteres Verfahren zur Herstel­ lung von Feldemissionsspitzen bekannt, das sich der Teichen­ spurtechnik hochenergetischer schwerer Ionen bedient. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch nur die Erzeugung von kontaktier­ ten feinen Spitzen, die nicht steuerbar sind. Eine Anbringung von Steuerelektroden ist nicht möglich.

Aus der EP-OS 04 16 625 ist noch ein Herstellungsverfahren be­ kannt bei welchem die Oberfläche eines Substrates mit einem fokussierten Ionenstrahl bestrahlt und anschließend geätzt wird.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, ausgehend von diesem Stand der Technik ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich steuerbare Feldemissionspitzen erzeugen lassen, d. h. sol­ che, die eine Steuerelektrode aufweisen, ohne daß dabei der Einsatz von Strukturierungsmasken notwendig ist.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Verfahrensschritte a) bis g) vor die im Patentanspruch ange­ führt sind.

Mit einem solchen Verfahren lassen sich nun die erwähnten steuerbaren Feldemitteranordnungen auf sehr einfache Weise er­ zeugen. Es können damit sowohl einzelne Feldemitter als auch großflächige Feldemitteranordnungen hergestellt werden. Das Verfahren ist "selbstzentrierend", d. h. die Strukturelemente jedes einzelnen Feldemitters sind von selbst zentrisch um die eingeschossene Teilchenspur orientiert. Eine lichtoptische Be­ grenzung des Verfahrens ist nicht gegeben.

Weitere Einzelheiten des neuen Verfahrens werden im folgenden und anhand der Figur, die schematisch von oben nach unten den Verfahrensablauf in Stufen von A bis E zeigt, beschrieben.

In der Stufe A ist eine Matrix 1 aus isolierendem Material dargestellt, durch welche eine durchgehende latente Teilchen­ spur 2 führt. Die Teilchenspur 2 ist durch einen Beschuß mit z.B hochenergetischen schweren Ionen entstanden, die in einem Schwerionenbeschleuniger erzeugt wurden und definiert den Ort der später entstehenden Feldemitterspitze.

In der Stufe B wird die Unterseite der bestrahlten Matrix 1 geätzt, bis innerhalb der Matrix 1 von unten her ein Ätzkegel 3 in der gewünschten Form und Höhe der späteren Feldemitter­ spitze entstanden ist, dessen obere Spitze 4 noch innerhalb der Matrix 1 liegt, d. h. ein oberes Stück der Teilchenspur 2 bleibt erhalten. Der Krümmungsradius des Ätzkegels liegt in der Größe von ca. 0,01 µm. Die Emissionsraten hängen entschei­ dend von der Kleinheit des Krümmungsradius ab.

In der Stufe C wird der Ätzkegel 3 von derselben Seite bzw. von unten her mit dem Material der späteren Feldemitterspitze oberflächlich bedampft, bis seine Flächen mindestens bedeckt sind. Das metallische Material kann sowohl leitend als auch halbleitend sein. Anschließend wird der elektrisch leitende Metallfilm mit weiterem Material z. B. durch galvanische Methoden überzogen, bis die Ätzkegel 3 vollständig gefüllt und durch die Füllung die Feldemitterspitzen 6 entstanden sind. Die unter den Kegeln 3 bzw. den Spitzen 6 vorhandene Fläche wird durch die Metallschicht 5 bedeckt, die bei mehreren Spit­ zen diese elektrisch leitend miteinander verbindet.

Gemäß Stufe D wird nun die Matrix mit den verbleibenden oberen Rest der Teilchenspur 2 von der Oberseite her erneut geätzt, bis die von oben her entstehenden Ätzkegel 8 die Spitzen 9 der von unten aufgefüllten Ätzkegel 3 bzw. der nunmehrigen Feldemitter 6 erreicht und sie bis zu einer gewünschten, vor­ bestimmten Länge oder Höhe freigelegt haben. Die oberen Ätzke­ gel 8 enstehen somit selbstzentrierend zu den unteren Ätzke­ geln 3.

Zum Schluß wird in der Stufe E die gesamte Oberfläche 7 von oben her mit einer weiteren Metallschicht 10 bedampft, die je­ doch nicht in die oberen Ätzkegel 8 eindringen darf. Deswegen erfolgt die Bedampfung unter einem spitzen Winkel, bezogen auf die Oberfläche 7, so daß die genannten Flächen praktisch im Schatten der Bedampfung liegen und und von der Metallschicht 10 freibleiben. Während der Bedämpfung erfolgt gleichzeitig eine Drehung der Oberfläche 7 gegen die Bedampfungsvorrichtung (oder umgekehrt) um die Oberflächennormale, so daß bei der Be­ dampfung alle Flächen gleichmäßig erreicht werden. Die Metall­ schicht 10 mit den so entstandenen Öffnungen 11 bildet nun die Steuerelektrode für die Feldemitterspitze 6. Die Öffnung 11 liegt dabei wie eine Blende kreisförmig und zentrisch um die Spitze 6. Letztlich wird die Emitteranordnung noch durch nicht mehr näher dargelegtes Anbringen einer Anodenschicht 12 über der Metallschicht 10 der Oberseite 7 vervollständigt. Die Me­ tallschicht 10 bzw. die spätere Steuerelektrode kann auf be­ liebige Art nach außen kontaktiert werden.

Es versteht sich von selbst, daß auf die beschriebene Art nicht nur eine, sodern auch eine Vielzahl von statistisch ver­ teilten Feldemitterspitzen 6 gleichzeitig erzeugt werden kann. Die Steuerelektroden 10 können dann jeweils einzeln für sich oder auch alle gemeinsam kontaktiert werden.

Bezugszeichenliste

 1 Matrix
 2 Teilchenspur
 3 unterer Ätzkegel
 4 Spitze
 5 Metallschicht
 6 Feldemitterspitze
 7 Oberseite
 8 oberer Ätzkegel
 9 Spitze
10 Metallschicht, Steuerelektrode
11 Öffnung
12 Anodenschicht

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von steuerbaren Feldemitteranordnun­ gen im Größenbereich von Mikrostrukturen mit Abmessungen im µm-Bereich, mit pyramiden- oder kegelförmigen Spitzen, denen eine kreisförmige Blende als Steuerelektrode mit Abstand gegenüberliegt, mit folgenden Verfahrensschritten:

   • a) Bestrahlen einer Matrix aus dielektrischem Material mit einem Strahl hochenergetischer schwerer Ionen eines Schwerionenbeschleunigers, der die Matrix völlig durchdringt und in der Matrix Teilchenspuren erzeugt,
   • b) Ätzen der bestrahlten Matrix von der Unterseite her, bis innerhalb der Matrix am Ort der Teilchenspuren untere Ätzkegel in der gewünschten Form der Feldemitterspitzen entstanden sind, deren Spitzen noch innerhalb der Matrix liegen,
   • c) Bedampfen der Unterseite der Matrix mit einem zur Feldemission geeigneten metallischen Material, das leitend oder halbleitend ist, bis die Flächen der unteren Ätzkegel mit einem Metallfilm bedeckt sind,
   • d) Überziehen der Unterseite der Matrix mit weiterem metallischem Material durch eine galvanische Methode, bis jeder Ätzkegel gefüllt und die Grundflächen der unteren Ätzkegel durch eine Metallschicht elektrisch leitend miteinander verbunden sind,
   • e) Ätzen der bestrahlten Matrix von der Oberseite her, bis die von oben her entstehenden oberen Ätzkegel die Spitzen der unteren Ätzkegel erreicht haben und die Spitzen der metallischen Füllung der unteren Ätzkegel bis zu einer gewünschten Höhe freiliegen,
   • f) Schrägbedampfen der Oberseite der Matrix mit einer weiteren Metallschicht, wobei die Bedampfung unter einem spitzen Winkel bezogen auf die Ebene der Oberseite um die Öffnungen der oberen Ätzkegel herum erfolgt und gleichzeitig eine Drehung der Matrix gegen die Bedampfungsvorrichtung oder umgekehrt um die Oberflächennormale stattfindet, so daß die Spitzen der metallischen Füllung der unteren Ätzkegel und die Oberfläche der oberen Ätzkegel von der weiteren Metallschicht unbedeckt bleiben,
   • g) Anbringen einer Anodenschicht mit Abstand über der weiteren Metallschicht der Oberseite.