DE4224519A1

DE4224519A1 - Feldemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE4224519A1
Application number: DE19924224519
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Eibl; Dietrich Dipl Ing Dr Stephani
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-01-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feldemission.

Feldemissionsvorrichtungen beruhen auf der Feldemission und dem Transport von Elektronen im Vakuum und haben gegenüber vergleichbaren Halbleiterbauelementen den Vorteil, weitgehend strahlungs- und temperaturunempfind lich zu sein. Spezielle Ausführungsformen solcher Vor richtungen sind Feldemissionstrioden, die beispielsweise in der Verstärkertechnik eingesetzt werden. Eine Feld emissionstriode besteht im wesentlichen aus einer Feld emissionskathode, einem Extraktionsgitter, an dem die Extraktionsspannung zum Auslösen der Elektronen aus der Kathodenoberfläche anliegt, und einer Anode als Elektro nenkollektor, an der die Anodenspannung zum Beschleunigen der Elektronen von der Kathode zur Anode anliegt.

Um die zur Extraktion der Elektronen aus der Festkörper oberfläche erforderlichen Feldstärken von wenigstens etwa 10⁹ V/cm zu erreichen, benötigt man bei flächigen Feld emissionskathoden hohe Extraktionsspannungen von einigen kV.

Ein anderer Weg besteht in der Miniaturisierung der Feld emissionskathode mit Hilfe der Silizium-Mikrostrukturtech nik. Insbesondere an Spitzen und Kanten aus einem elek trisch leitenden Material entstehen hohe lokale Feldstär ken. Solche geometrischen Formen für die Feldemissions kathode sind daher besonders vorteilhaft. Die benötigten Extraktionsspannungen lassen sich damit auf Werte unter 100 V senken.

Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Widerständen in Silizium-Mikrostrukturtechnik bekannt. In einem ersten Verfahrensschritt werden bei diesem bekannten Verfahren in einer mit einer Siliziumdioxidschicht bedeckten (100)- Oberfläche eines p-Siliziumsubstrats photolithographisch durch anisotrope Ionenätzung Schlitze mit rechteckigem Querschnitt erzeugt. In einem anschließenden anisotropen Naßätzprozeß werden die Schlitze nun weiter ausgeätzt. Da durch entstehen durch acht ätzstabile (111)-Kristallflä chen begrenzte konvexe Hohlräume in dem Siliziumsubstrat (US 4 497 685).

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß durch eine Weiterbildung dieses bekannten Verfahrens vorteilhaft eine Vorrichtung zur Feldemission mit kristallographisch festgelegten scharfen Emitterkanten hergestellt werden kann, und geht aus den Merkmalen des Anspruchs 1 hervor. Gemäß der Erfindung bilden die entlang den Spuren der (111)-Kristallflächen eines Siliziumsubstrats auf seiner (100)-Oberfläche verlaufenden, offenliegenden Schnitt kanten mit einem kristallographisch bestimmten Kanten winkel von etwa 54,7° Feldemitterkanten. Diese Feld emitterkanten sind in einem einfachen, gut kontrollier baren und reproduzierbaren Prozeß herstellbar, indem die durch Ionenätzen und anschließendes naßchemisches Ätzen entstandenen konvexen Hohlräume nicht, wie bei dem be kannten Verfahren, in einem weiteren Verfahrensschritt oxidiert werden, sondern die Oxidschicht auf der (100)- Oberfläche des Siliziumsubstrats wenigstens im Bereich der Kanten entfernt wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Feldemission zu einer Feldemissionstriode weitergebildet. Vorzugsweise sind das Extraktionsgitter und die Anode der Feldemissionstriode dann in das Sili ziumsubstrat integriert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Stempel aus einem elektrisch isolierenden Material auf dem Boden des Hohlraumes vorgesehen und auf dem Stempel ist eine erste elektrisch leitende Schicht aufgebracht. Vorzugsweise ist der Stempel so hoch, daß die erste Schicht auf etwa glei cher Höhe den Feldemitterkanten gegenüberliegt.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine von einem Abstandhalter von dem Substrat isolierte zweite elektrisch leitende Schicht vorgesehen, die im Bereich über den Feld emitterkanten vorzugsweise freitragend ausgebildet ist.

Eine zweite elektrisch leitende Schicht kann also auch auf einem zweiten Stempel angeordnet sein, der auf der ersten elektrisch leitenden Schicht aufgebracht ist.

Es können nun in der Ausführungsform der Vorrichtung als Feldemissionstriode entweder die erste elektrisch leitende Schicht als Extraktionsgitter und die zweite elektrisch leitende Schicht als Anode vorgesehen sein oder umgekehrt die erste Schicht als Anode und die zweite Schicht als Extraktionsgitter.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Feldemis sion gemäß der Erfindung in einer aufgeschnittenen Ansicht und

Fig. 2 eine bekannte Ausführungsform eines Hohlraumes in einem Siliziumsubstrat,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Feldemissionstriode gemäß der Erfindung in einer aufgeschnittenen An sicht und

Fig. 4 und 5 jeweils eine Ausführungsform einer Feld emissionstriode gemäß der Erfindung im Querschnitt schematisch dargestellt sind.

Zur Herstellung einer Vorrichtung zur Feldemission können einzelne Schritte eines Verfahrens angewandt werden, das aus der US-PS 4 497 685 bekannt ist. Mit diesen Verfah rensschritten läßt sich in einem einkristallinen Silizium substrat (Si) der in Fig. 2 dargestellte Hohlraum ausbil den. Hierzu wird in einer auf einer (100)-Oberfläche des Siliziumsubstrats (Si) angeordneten Siliziumdioxidschicht (SiO₂) ein rechteckiges Fenster ausgenommen, dessen Seitenkanten parallel zu den (110)-Kristallrichtungen des Siliziumkristalls verlaufen. Diese Seitenkanten entspre chen jeweils der Spur einer unter einem stumpfen Winkel α von etwa 125,3° zur (100)-Oberfläche geneigten (111)-Kri stallfläche auf der (100)-Oberfläche des Siliziumsubstrats (Si). Die zugehörigen (111)-Flächen bilden die oberen vier Seitenwände des Hohlraumes. Die unteren vier Seitenwände werden durch vier weitere ätzstabile (111)-Flächen gebil det-, deren Neigungswinkel β zur (100)-Oberfläche jeweils etwa 54,7° beträgt. Der Hohlraum ist in einer Ebene senk recht zur (100)-Oberfläche und parallel zur kürzeren der Seitenkanten des rechteckigen Fensters aufgeschnitten. Daher sind von den vier oberen und den vier unteren Sei tenwänden des Hohlraums jeweils nur drei dargestellt. Je nach Dauer der anisotropen naßchemischen Ätzung im An schluß an die anisotrope Ionenätzung bei der Herstellung hat der Hohlraum entweder einen Boden (B), der parallel zur (100)-Oberfläche orientiert ist und mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, oder lediglich eine gestrichelt dargestellte Unterkante (U), die parallel zur (110)-Längs richtung des Fensters gerichtet ist und deren beide Rand punkte jeweils durch einen Schnittpunkt von jeweils drei der vier unteren (111)-Flächen bestimmt sind. Im nicht dargestellten Spezialfall eines quadratischen Fensters läuft der Hohlraum nach unten in einer pyramidenförmigen Spitze aus, in der alle vier unteren (111)-Flächen zusam menlaufen. In allen Fällen entsteht ein konvexer Hohlraum, d. h., jeder Punkt innerhalb und auf den Randflächen des Hohlraumes kann mit jedem anderen Punkt im Hohlraum und auf seinem Rand geradlinig verbunden werden und jede die ser geradlinigen Verbindungsstrecken liegt vollständig innerhalb oder auf dem Rand des Hohlraumes.

Um nun zu einem Aufbau einer Vorrichtung zur Feldemission gemäß der Erfindung zu gelangen, entfernt man die Siliziumdioxidschicht (SiO₂) in einem Bereich um das rechteckige Fenster. Dadurch werden vier scharfe Kanten mit einem Kantenwinkel von 54,7° freigelegt. Diese Kanten können mit einem zusätzlichen bekannten Prozeß durch Oxi dation bei etwa 900° bis 950°C und anschließendes Entfer nen der Oxidschicht geschärft werden. Dadurch erhält man einen noch größeren Felderhöhungsfaktor an den Kanten. Bei Anlegen einer Extraktionsspannung an ein Extraktionsgit ter, das in der Nähe der Kanten angeordnet ist, können diese Kanten als Feldemitterkanten eingesetzt werden. Fig. 1 zeigt einen entsprechenden Aufbau. Es sind das Substrat aus einkristallinem Silizium mit 2, der sargförmige Hohl raum in dem Substrat 2 mit 3 und die Feldemitterkanten mit 4 bezeichnet.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau läßt sich vorzugsweise zu einer Ausführungsform einer Feldemissionstriode weiter bilden. Hierbei können vorzugsweise das Extraktionsgitter und die Anode der Feldemissionstriode mit der Feldemis sionskathode zusammen in das Siliziumsubstrat integriert werden.

In der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist in einem Substrat 2 aus einkristallinem Silizium ein vorzugs weise nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestell ter, sargförmiger Hohlraum 3 mit aus (111)-Kristallflächen gebildeten Seitenwänden 31 vorgesehen, der in der aus einer (100)-Kristallfläche gebildeten Oberfläche 16 des Substrats 2 mit einer rechteckigen Öffnung 18 versehen ist. Die Seitenkanten der Öffnung 18 bilden freiliegende Feldemitterkanten 4 und sind parallel zu den (110)-Kri stallrichtungen gerichtet. In jeder der vier Feldemit terkanten 4 treffen somit die Oberfläche 16 und jeweils eine (111)-Kristallfläche unter einem Winkel γ von etwa 54,7° aufeinander. Auf dem Boden 32 des Hohlraumes 3 ist nun ein Stempel 10 aus einem isolierenden Material vorge sehen. Auf diesen Stempel 10 ist eine elektrisch leitende Schicht 6 aufgebracht. Stempel 10 und Schicht 6 haben vorzugsweise einen rechteckigen Grundriß mit parallel zu den Feldemitterkanten 4 ausgerichteten und in einem wenig stens annähernd konstanten Abstand d zu diesen angeordne ten Seitenkanten. Die Höhe des Stempels 10 wird vorzugs weise so groß gewählt, daß die Schicht 6 auf etwa gleicher Höhe den Feldemitterkanten 4 gegenüberliegt. Auf der Ober fläche 16 des Substrats 2 ist nun eine Isolatorschicht als Abstandhalter 12 für eine zweite elektrisch leitende Schicht 8 vorgesehen. Durch die Dicke D des Abstandhalters 12 wird der Abstand der im Bereich über den Feldemitter kanten 4 vorzugsweise freitragend ausgebildeten Schicht 8 von den Feldemitterkanten 4 eingestellt. Der Abstandhalter 12 ist in einer vorteilhaften Ausführungsform mit einer in einem wenigstens annähernd konstanten Abstand A zu den Feldemitterkanten 4 verlaufenden rechteckigen Öffnung ver sehen. Vorzugsweise ist auch in der Schicht 8 eine recht eckige Öffnung vorgesehen, die zur Öffnung 18 kongruent und senkrecht zur Oberfläche 16 parallel verschoben ist. Zur elektrischen Isolation und zur Verringerung der Kapa zität ist zwischen dem Abstandhalter 12 und der elektrisch leitenden Schicht 8 eine Isolationsschicht 14 angeordnet, in der eine rechteckige Öffnung mit in einem wenigstens annähernd konstanten Abstand a zu den Feldemitterkanten 4 verlaufenden Seitenflächen vorgesehen ist. Der Abstand A ist dabei wegen der Potentialtrennung zwischen elektrisch leitender Schicht 8 und Substrat 2 größer als der Abstand a zu wählen. Die Schicht 8 bedeckt nun die entlang den <110<-Richtungen verlaufenden Innenflächen der Öffnung in der Isolationsschicht 14, wobei für die Kontaktierung der leitenden Schicht 6 auf dem Stempel 10 auf einer Seite eine Aussparung vorgesehen ist, und ist in dem Bereich zwischen Isolationsschicht 14 und den Feldemitterkanten 4 freitragend und wenigstens annähernd parallel zur Ober fläche 16 ausgebildet.

Die Innenflächen der Öffnungen in der Schicht 8 und der Isolationsschicht 14 können auch miteinander abschließen, so daß beide Öffnungen gleich groß sind.

In einer ersten Ausführungsform ist nun die auf dem Stempel 10 angeordnete Schicht 6 als Extraktionsgitter vorgesehen und die zweite elektrisch leitende Schicht 8 ist als Anode vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform sind umgekehrt die Schicht 6 als Anode und die Schicht 8 als Extraktionsgitter vorgesehen.

Der Abstand d der Schicht 6 und der Abstand D der Schicht 8 von den Feldemitterkanten 4 sowie die an den beiden Schichten jeweils anliegenden Spannungen sind dabei so aufeinander abzustimmen, daß der Stromfluß im wesentlichen nur von den Feldemitterkanten 4 zu der Anode hin statt findet. Die Feldemission wird außerdem durch die geometri sche Form und Anordnung des Extraktionsgitters bestimmt, insbesondere durch das Verhältnis des kleinen effektiven Krümmungsradius der Feldemitterkanten 4 zu dem großen effektiven Krümmungsradius der jeweils als Extraktionsgit ter vorgesehenen Schicht 6 bzw. 8. Der Abstand der Anode von den Feldemitterkanten 4 ist im allgemeinen größer als der Abstand des Extraktionsgitters von den Feldemitter kanten 4.

Die Abstände D und d liegen im allgemeinen zwischen 10 nm und 5000 nm und vorzugsweise zwischen 100 nm und 2000 nm und lassen sich durch Standardverfahren der Silizium-Mi krostrukturtechnik zum Aufbringen, Strukturieren und Unterätzen der Schichten auf einige nm genau einstellen. Auch die Fehlertoleranzen bei den Abmessungen des Hohl raums 3, insbesondere der Tiefe T, sind durch die Kombi nation der beiden anisotropen Ätzverfahren bei der Her stellung des Hohlraumes 3 auf weniger als 1000 nm zu kon trollieren. Die Tiefe T kann zusätzlich durch eine Ätz stoppschicht sehr genau eingestellt werden. Im allgemeinen beträgt die Tiefe T zwischen 0,2 µm und 10 µm, vorzugswei se zwischen 1 µm und 3 µm. Die Schichten 6 und 8 sind im allgemeinen zwischen 0,1 µm und 2 µm dick.

In der in Fig. 4 im Querschnitt dargestellten Ausführungs form ist die zweite elektrisch leitende Schicht 8 direkt auf dem Abstandhalter 12 angeordnet und in einem Bereich über den Feldemitterkanten 4 freitragend ausgebildet. We gen der erforderlichen elektrischen Isolation darf die Dicke des Abstandhalters und damit der Abstand D der Schicht 8 von den Feldemitterkanten 4 einen vorbestimmten Mindestabstand nicht unterschreiten. Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform die Schicht 8 als Anode vorgesehen und die auf dem Stempel 10 in dem Abstand d von den Feld emitterkanten 4 angeordnete Schicht 6 als Extraktionsgit ter vorgesehen.

In der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind wieder auf dem Boden 32 des Hohlraumes 3 in dem Substrat 2 ein Stempel 10 und darauf eine elektrisch leitende Schicht 6 angeordnet. Die zweite elektrisch leitende Schicht 8 ist nun auf einem zweiten Stempel 20 aufgebracht, der auf der ersten Schicht 6 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die zweite Schicht 8 als Anode vorgesehen und ragt für einen günstigeren Feldverlauf über den Rand des zweiten Stempels 20 hinaus. Der Durchmesser des zweiten Stempels 20 ist im allgemeinen kleiner als der Durchmesser des ersten Stem pels 10. Vorzugsweise haben auch der zweite Stempel 20 und die darauf angeordnete zweite Schicht 8 jeweils einen rechteckigen Grundriß mit zu den Feldemitterkanten 4 parallelen Seitenkanten. Die Schichten 6 und 8 werden in dieser Ausführungsform vorzugsweise beide über eine Seite der rechteckigen Öffnung 18 kontaktiert.

Als Materialien für den Abstandhalter 12, die Isolations schicht 14 und die beiden Stempel 10 und 20 können Sili ziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) vorgesehen sein und für die leitenden Schichten 6 und 8 Metalle, insbesondere Cr-Au oder Ta.

In den Fig. 3 bis 5 sind zwar Feldemissionstrioden als Feldemissionsvorrichtungen gemäß der Erfindung darge stellt. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung lassen sich jedoch selbstverständlich auch bei anderen Ausbildungen von Feldemissionsvorrichtungen wie beispielsweise Dioden oder Tetroden verwenden.

Claims

1. Vorrichtung zur Feldemission mit folgenden Merkmalen:

a) es ist ein Substrat (2) aus einkristallinem Silizium mit einer aus einer (100)-Kristallfläche gebildeten Oberfläche (16) vorgesehen;
b) in dem Substrat (2) ist wenigstens ein konvexer Hohl raum (3) vorgesehen, dessen Seitenwände (31) durch (111)-Kristallflächen des Substrats (2) gebildet sind und der in der Oberfläche (16) des Substrats (2) eine Öffnung (18) aufweist, deren Seitenkanten durch Spuren von (111)-Kristallflächen auf der Oberfläche (16) ge bildet sind;
c) die Seitenkanten dieser Öffnung (18) bilden Feld emitterkanten (4).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) auf dem Boden (32) des Hohlraumes (3) ein Stempel (10) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist und
b) auf dem Stempel (10) eine erste elektrisch leitende Schicht (6) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (6) in einem wenigstens annähernd konstanten Abstand d von den Feld emitterkanten (4) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß eine zweite elektrisch leitende Schicht (8) vorgesehen ist, die von dem Substrat (2) elektrisch isoliert ist und durch einen auf der Oberfläche (10) des Substrats (2) angeordneten Abstandhalter (12) in einem wenigstens annähernd konstanten Abstand D von den Feldemitterkanten (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß eine zweite elektrisch leitende Schicht (8) vorgesehen ist, die auf einem zweiten elektrisch isolierenden Stempel (20) angeordnet ist, der auf der ersten elektrisch leitenden Schicht (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Feld emitterkanten (4) für eine Feldemissionskathode vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste elektrisch leitende Schicht (6) als Extraktionsgitter und die zweite elektrisch leitende Schicht (8) als Anode einer Feld emissionstriode vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste elektrisch leitende Schicht (6) als Anode und die zweite elektrisch leitende Schicht (8) als Extraktionsgitter einer Feld emissionstriode vorgesehen sind.