DE4400353A1 - Steuerbarer thermionischer Elektronenemitter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren thermionischen Elektronenemitter für Vakuumelektronen­ röhren mit einer von der Emitterschicht durch eine Isolierschicht getrennten Steuerschicht, wobei die Isolierschicht und die Steuerschicht durch ein Abscheide­ verfahren hergestellt sind.

Elektronenemitter für Vakuumelektronenröhren müssen außer einer hohen Elektronenemission auch eine genügende Resistenz gegen Restgasvergiftung und Ionenbombardement aufweisen. Dabei werden je nach Anwendungsfall hohe Lebensdauern verlangt. Diesbezüglich sind aus sehr kleinen Teilchen von weniger als 1 µm Durchmesser zusammengesetzte emittierende Schichten vorteilhaft, welche in der DE-A 42 07 220 oder in der DE-A 42 06 909 beschrieben sind.

Zur Fokussierung und/oder Steuerung des Elektronenstrahls werden entsprechende Fokussierelemente bzw. Gitter benötigt, deren Abstand und Zuordnung zur Kathode genau eingehalten werden muß. Wenn die erforderlichen Bau­ elemente aus Einzelteilen assembliert werden, sind relativ hohe Streuungen der Lagezuordnungen unvermeidbar. Insbesondere bei Sollabständen zwischen Gitter und Kathode im Bereich von 10 bis 100 µm, welche niedrige Steuer­ spannungen ermöglichen, kann das Elektronenstrahlprofil bei Toleranzabweichungen in unerwünschter Weise verzerrt werden. Auch die Einhaltung eines geringen Streubereichs der Betriebsdaten von weniger als 1% ist dann nicht möglich.

Bei flachen Displays müssen zahlreiche Kathodenelemente in enger Nachbarschaft und in genauer räumlicher Zuordnung angeordnet werden. Eine Justierung separater Kathoden­ elemente z. B. mittels manuell bedienter Vorrichtungen ist zeitaufwendig und hinsichtlich der Justiergenauigkeit problematisch.

Steuerbare thermionische Elektronenemitter der eingangs genannten Art sind insbesondere anwendbar für

• - TV und Monitorröhren, z. B. Direktsicht-Schatten­ maskenröhren,
• - flache Displays,
• - Röntgenröhren,
• - Klystrons,
• - Sende- und Verstärkerröhren, z. B. Tetroden,
• - Gyrotrons,
• - Rasterelektronenmikroskope.

Bei TV- und Monitorröhren ist eine Verbesserung der Bild­ schirmauflösung nur möglich, wenn ein geringer Abstand zwischen Kathode und Gitter von z. B. 80 µm mit einer Toleranz von ±1 µm eingehalten werden kann. Auch die lateralen Toleranzen müssen genau genug eingehalten werden, wenn eine unerwünschte laterale Verschiebung des sogenannten "Cross-overs", d. h. des Bereichs, wo sich die Elektronenrandstrahlen bei der Fokussierung überschneiden, sowie Verzerrungen des Elektronenstrahlspots auf einen Phosphorschirm vermieden werden sollen.

Auch bei Röntgenröhren ist eine Verbesserung der Fokussierung des Elektronenstrahlbündels erwünscht, was durch eine flache Kathode mit nahe darüber angeordneten Steuergittern begünstigt wird. Die Einhaltung enger Toleranzen des Abstandes zwischen Gitter und Kathode ist auch bei Klystrons und UHF-Röhren oder auch bei Raster­ elektronenmikroskopen anzustreben. Bei Gyrotrons ist es wichtig, die dreidimensionale Geometrie und Flächen­ berandung der Kathode möglichst genau herzustellen.

In der US-PS 4 096 406 werden Versuche erwähnt, bei denen die Kathodenoberfläche mit einem Netzwerk aus Isolier­ material mittels eines CVD-Verfahrens beschichtet wurde, wonach die Oberfläche des Isoliermaterials mit Metall zur Bildung von Steuerelektroden beschichtet wurde. Bei diesen Versuchen ergaben sich infolge der Beschichtungsprozesse bleibende Vergiftungen der emittierenden Kathodenfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elek­ tronenemitter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher auch bei kleinen Abmessungen maßgenau herstellbar ist, und dessen Maßhaltigkeit beim Betrieb und insbesondere bei Temperaturänderungen mit langer Lebens­ dauer schwankungsarm erhalten bleibt.

Die Lösung gelingt dadurch, daß sämtliche funktionellen Elemente des steuerbaren thermionischen Elektronenemitters wie insbesondere Steuerschicht, Emitterschicht sowie trennende Isolierschichten in Aufwachsrichtung aufein­ anderfolgend und nacheinander auf ein Substrat derart abgeschieden sind, daß die Schichten über Fest­ körpergrenzschichten aneinander haften.

Bei erfindungsgemäßen steuerbaren thermionischen Elektronenemittern sind alle funktionellen Elemente zu einen monolithischen Block vereinigt. Eine Ungenauigkeiten verursachende nachträgliche Verbindung und Justierung der funktionellen Elemente ist nicht erforderlich. Alle Schichten der erfindungsgemäßen Anordnung haften über Festkörpergrenzschichten fest aneinander, so daß auch hohe thermische Belastungen keine unzulässigen Veränderungen der geometrischen Konfiguration verursachen. Geeignete Verfahren zur Herstellung solcher integrierter Strukturen sind vielfältig bekannt und werden z. B. auch bei der IC-Herstellung verwendet. Selbst Mikrostrukturen für matrix­ artige Mehrfachkathodenanordnungen können mit hoher Maß­ genauigkeit hergestellt werden. Selbst Schichtdicken von weniger als 20 µm sind mit Toleranzen von weniger als 3% ohne weiteres möglich. Ebenso können laterale Abstände zwischen Elementen einer feinstrukturierten Mehrfach­ kathode beispielsweise mit Hilfe bekannter Ätzverfahren genau realisiert werden.

Erfindungsgemäße Anordnungen können mit einer oder mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Steuer­ schichten aufgebaut sein, durch welche in an sich bekannter Weise verschiedene Funktionen erfüllt werden können. Metallische Steuerschichten können auch als Ionen­ fallen vorgesehen sein. Die Emitterschicht und/oder die Steuerschichten können zur Bildung von elektrisch separat ansteuerbaren Bereichen unterteilt sein.

Erfindungsgemäße Anordnungen bieten die Möglichkeit, daß mit zwei getrennt ansteuerbaren Heizschichten ein Raster von Kathodenflecken matrixartig angesteuert werden kann. Die einzelnen Schichten einer erfindungsgemäßen Anordnung werden nacheinander auf ein Trägersubstrat abgeschieden. Als Trägersubstrat kann vorteilhaft ein gegebenenfalls mit einer Isolierschicht versehenes Heizelement dienen.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht vor der Abscheidung weiterer Schichten mit einer Schutzschicht versehen wird, welche zumindest die emittierenden Bereiche der Emitterschicht abdeckt und welche nach der Aufbringung sämtlicher Schichten entfernt wird. Dadurch wird eine Vergiftung der emittierenden Flächen beim Aufbringen von Folgeschichten vermieden. In einfachster Weise kann die Schutzschicht eine die emittierenden Bereiche der Emitterschicht abdeckende Blende sein, bevorzugt wird jedoch ein Verfahren, bei dem die Schutzschicht eine ganzflächig auf der abgeschiedenen Emitterschicht abgeschiedene Schicht ist, welche in den Bereichen, welche als emittierende Flächen dienen sollen, nach der Abscheidung sämtlicher Schichten entfernt wird. Bevorzugt wird eine Schutzschicht aus Metall, insbesondere aus Wolfram.

Die zu entfernenden Bereiche der Schutzschicht können durch ein chemisches Ätzverfahren, insbesondere durch Ionenätzen entfernt werden.

Es ist ebenfalls möglich, die Schutzschicht als Überschuß­ dicke der Emitterschicht auszubilden.

Insbesondere für Anordnungen mit einer Mehrzahl von mono­ lythisch integrierten steuerbaren Kathodenelementen ist es vorteilhaft, daß die Emitterschicht aus Partikeln im Größenbereich von 1 bis 100 nm gebildet wird, welche durch Laserablation eines Targets erzeugt werden. Derartige Emitterschichten ergeben eine besonders uniforme Elektronenemission. Die Emissionen verschiedener Flächen­ elemente mit Abmessungen von z. B. 1 µm unterscheiden sich untereinander um nicht mehr als 10%. Zum Vergleich sei erwähnt, daß sich bei metallurgisch oder elektrophoretisch hergestellten Emitterschichten sehr ungleichförmige Emissionsdichten ergeben, die sich z. B. beim Vergleich verschiedener Flächenelemente mit Abmessungen von etwa 100 µm um Zehnerpotenzen unterscheiden.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Isolier­ schicht(en) und/oder die Schutzschicht und/oder die Steuerschicht(en) durch ein CVD-Verfahren aufgebracht werden. Benutzt man geheizte Substrate oder heizt/tempert man die Struktur nach jeder Einzelschicht, so kann auch Laser-Ablationsdeposition zur Bildung dichter Schichten verwendet werdet, insbesondere mit Drücken <0,1 hPa. Besonders geeignete emittierende Schichten und Verfahren zu deren Herstellung sind in DE-A 42 07 220 und DE-A 42 06 909 beschrieben.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung angedeute­ ten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Anordnung mit drei emittierenden Emitterflecken und mit mehreren Gittern.

Fig. 2 zeigt eine Matrixanordnung.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Heizschichten.

In Fig. 1 ist schematisch ein steuerbarer thermionischer Elektronenemitter für Farbbildröhren dargestellt.

Ein Heizer 1 dient als Träger und Substrat für die Abscheidung der folgenden Schichten, nämlich einer Isolierschicht 2, einer Emitterschicht 3, einer Schutz­ schicht 8, einer Isolierschicht 4, einer Gitterschicht 5 und gegebenenfalls einer Isolierschicht 6 und einer Gitterschicht 7.

Die Isolierschichten bestehen aus durch CVD oder LAD abgeschiedenen oxidschichten, insbesondere aus BeO, ZrO₂ oder BaWO₄, und haben eine Dicke von etwa 80 µm. Die etwa 70 µm dicke Emitterschicht 3 wurde als poröse Struktur aus Teilen mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm per LAD abgeschieden (auch CVD wäre möglich).

Die Emitterschicht besteht z. B. aus W + 3% BaO oder 4 BaO · CaO · Al₂O₃ sowie Sc₂O₃, insbesondere 2-3,5 Gew.-% Sc₂O₃. In einer weiteren Ausfüh­ rungsvariante besteht die Schicht aus Oxidkathoden­ material, insbesondere aus BaO/SrO, dotiert mit Ni-Partikeln und mit Sc₂O₃-Partikeln mit einem Anteil von < 1 Gew.-%, wobei für BaO/SrO vorzugsweise eine Perkolations­ struktur realisiert wird.

Auf die Emitterschicht wurde eine etwa 100 µm dicke metallische Wolframschicht als Schutzschicht 8 abgeschieden, durch welche eine spätere Vergiftung der emittierenden Flächenbereiche 3a (rot), 3b (grün) und 3c (blau) beim Abscheiden der Folgeschichten verhindert werden soll. Anschließend wurden Schichten 4 und 5 abgeschieden, welche zunächst auch die emittierenden Flächenbereiche überdeckten. Das über den emittierenden Flächen abgeschiedene Material der Isolierschicht 4 und der Gitterschicht 5 sowie der Schutzschicht 8 wurde durch eine Ätzmaske hindurch durch Ionenätzen entfernt. In die Gitterschicht 5 wurden zur Bildung elektrisch voneinander ansteuerbare Einzelgitter Isolierspalte 9 eingebracht, z. B. durch Laserablation oder Wegätzen mit einem Ionenstrahl. Diese Spalte können durch Isoliermaterial ausgefüllt werden. Derart wurden Einzelgitter 10, 11 und 12 gebildet, welche jeweils die zugeordneten emittierenden Bereiche 3a bzw. 3b bzw. 3c umgeben.

Ein Gitter 13 mit den Querschnittsflächen 13a und 13b umgibt als gemeinsames Gitter alle emittierenden Bereiche 3a, 3b und 3c. Ein weiteres gemeinsames Gitter kann durch die gestrichelt angedeuteten Teile der Gitterschicht 7 gebildet werden.

Alternativ ist es möglich, die in Fig. 1 dargestellten Bereiche der Schichten 4 bis 7 bereits in der endgültigen Konfiguration über entsprechend geformte Blenden auf zu­ bringen. In diesem Fall kann die Blende die Schutzschicht 8 in gewissen Fällen ersetzen.

Eine Wolfram-Schutzschicht 8 kann auch durch Oxidation und anschließende Verdampfung entfernt werden. Weiterhin ist es möglich, die Schutzschicht 8 aus dem gleichen Material wie die Emitterschicht 3 mit einer solchen Dicke auf zu­ bringen und später wieder zu entfernen, wie die Vergiftung beim Aufbringen der Folgeschichten eindringt. Dabei wird die Emitterschicht zunächst mit übermaß hergestellt.

Analog der in Fig. 1 als Beispiel erläuterten Anordnung können abgewandelte Elektronenemitter für verschieden­ artige Anwendungsfälle hergestellt werden. Insbesondere können matrixartige Strukturen entsprechend der schemati­ schen Darstellung der Fig. 2 gebildet werden. Dort sind auf einem Heizer 14 parallele Emitterstreifen 15 und darüber senkrecht dazu Gitterstreifen 16 angeordnet. Durch Lücken 17 in den Gitterstreifen 16 liegen emittierende Flächen 18 frei, welche bei gleichzeitiger elektrische Ansteuerung der sich dort kreuzenden Streifen 15 und 16 einen Elektronenstrahl aussenden. Die Struktur nach Fig. 2 wurde erfindungsgemäß durch aufeinanderfolgendes Auf­ bringen von Einzelschichten und nachfolgende Ätzvorgänge hergestellt. Die Teile der Emitterstreifen (beispielsweise 19), welche nicht emittieren sollen, sind bzw. bleiben im Gegensatz zu den Emitterflecken 18 mit einer nicht emissionsfähigen Schutzschicht bedeckt.

Matrixartige Ansteuerungen können auch durch zwei überein­ ander angeordnete Heizschichten gemäß Fig. 3 bewirkt werden. Auf einem Träger 20 wurden aufeinanderfolgend eine Isolierschicht 21, ein mäanderförmiger Heizleiter 22, eine Isolierschicht 23, ein mäanderförmiger Heizleiter 24, eine Isolierschicht 25, eine elektrisch leitende Schicht 26 und eine Emitterschicht mit einem Emitterfleck 27 aufgebracht. Die Heizleiter 22 und 24 sind Bestandteile von Heizleiter­ streifen, welche aus in Reihe angeordneten zahlreichen gleichartigen Heizleitern bestehen. Die Heizleiterstrei­ fen, welche die Heizleiter 22 und 24 enthalten, verlaufen analog Fig. 2 senkrecht zueinander. Die Emitterflächen 27 sind nur dann emissionsfähig, wenn die Heizleiter beider Heizleiterstreifen stromdurchflossen sind. Die erforderliche Heizleistung kann dadurch reduziert werden, daß mit einer zusätzlichen Stand-by-Heizung eine Vorerwär­ mung auf etwa 400°C vorgesehen wird.

Claims (14)

1. Steuerbarer thermionischer Elektronenemitter für Vakuumelektronenröhren mit einer emittierenden Emitter­ schicht (3, 27) und mit einer von der Emitterschicht durch eine Isolierschicht (4) getrennten Steuerschicht (5), wobei die Isolierschicht und die Steuerschicht durch ein Abscheideverfahren hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche funktionellen Elemente des steuerbaren thermionischen Elektronenemitters wie insbesondere Steuerschicht(en) (5, 7, 22, 24), Emitter­ schicht (3, 27) sowie trennende Isolierschichten (2, 4, 6, 21, 23, 25) in Aufwachsrichtung aufeinanderfolgend und nacheinander auf ein Substrat (1, 20) derart abgeschie­ den sind, daß die Schichten über Festkörpergrenzschichten aneinander haften.

2. Elektronenemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß mindestens zwei Steuer­ schichten (5, 7, 22, 24) vorgesehen sind.

3. Elektronenemitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß eine Steuerschicht eine durch eine elektrische Spannung elektrisch leitfähige Gitter­ struktur (7, 10, 11, 12, 13, 16) ist.

4. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennt ansteuerbare Heizschichten (22, 24) vorgesehen sind.

5. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Emitterschicht und/oder die Steuerschicht(en) in elektrisch separat ansteuerbare Bereiche (15, 16) unterteilt sind.

6. Elektronenemitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein gegebenen­ falls mit einer Isolierschicht (2) versehenes Heizelement (1) ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Elektronenemitters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht (3, 15) vor der Abscheidung weiterer Schichten mit einer Schutzschicht (8) versehen wird, welche zumindest die emittierenden Bereiche (3a, 3b, 3c, 18) der Emitterschicht abdeckt und welche nach der Aufbringung sämtlicher Schichten entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine die emittierenden Bereiche der Emitterschicht abdeckende Blende ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (8) eine ganzflächig auf der abgeschiedenen Emitterschicht abge­ schiedene Schicht ist, welche in den Bereichen, welche als emittierende Flächen dienen sollen, nach der Abscheidung sämtlicher Schichten entfernt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzflächig abgeschiedene Schutzschicht (8) eine Metallschicht ist, insbesondere eine Wolframschicht.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu entfernenden Bereiche der Schutzschicht (8) durch ein chemisches Ätzverfahren, insbesondere durch Ionenätzen entfernt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß die ganzflächig abgeschiedene Schutzschicht (8) aus einer überschußdicke der Emitter­ schicht (3) besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht (3, 15, 27) aus Partikeln im Größenbereich von 1 bis 100 nm gebildet wird, welche durch Laserablation eines Targets erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht(en) und/oder die Schutzschicht und/oder die Steuerschicht(en) durch ein CVD-Verfahren aufgebracht werden.