DE60032466T2

DE60032466T2 - Kathodenstruktur für eine feldemissionsanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE60032466T2
Application number: DE60032466T
Authority: DE
Inventors: Ernst Hammel; Hermann Holzer; Christian Nagl
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Electrovac AG
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2020-02-11
Also published as: AU2313700A; WO2000052726A1; DE60032466D1; ATE349070T1; EP1159752B1; EP1159752A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur für einen Feldemissions-Bildschirm (FED), umfassend ein Substrat und eine Mehrzahl an dem Substrat befestigter Elektroden, wobei das Substrat aus lichtempfindlichem Glas gefertigt ist, in dem Vertiefungen in Form von Rillen angeordnet sind, die Elektroden (2) in der Vertiefungen angeordnet sind und jede Elektrode eine Metallschicht aufweist.
Ein Flachbildschirm ist ein elektronischer Bildschirm, bestehend aus einer großen Fläche einzelner Bildelemente, die für gewöhnlich als Pixel bezeichnet werden. Die Pixel sind nebeneinander in Form eines zweidimensionalen Feldes wie ein Schachbrett angeordnet. Flachbildschirme, wie beispielsweise Elektrolumineszenz- , AC-Plasma-, DC-Plasma- und Feldemissionsbildschirme, können auf Basis mehrerer in der Fachwelt bekannter Technologien produziert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Feldemissions-Bildschirme (FEDs). Bildschirme dieser Art haben eine Kathodenstruktur und eine Anodenstruktur, die nahe aneinander angeordnet sind. Elektronen werden von der Kathode emittiert, wenn zwischen den zwei Elektroden ein elektrisches Feld angelegt ist, und in Richtung der Anode beschleunigt. Die Anodenstruktur ist transparent und mit einem Lumineszenzmaterial beschichtet, wie beispielsweise Phosphor, das Licht in den von den emittierten Elektronen getroffenen Flächen emittiert.
Die Elektroden der Kathodenstruktur herkömmlicher Geräte umfassen einen elektrischen Leiter und Emitter aus Materialien mit guten Feldemissionseigenschaften. Die Elektroden sind am elektrischen Leiter angeordnet und mit einem lithografischen Verfahren auf ein Substrat aufgebracht.
Die herkömmlichen Produktionsverfahren sind jedoch ziemlich komplex und machen eine Kombination der Feinstrukturen des Elektronemitters zur Ausbildung der gröberen Strukturen des Bildschirms, etwa der Pixel und der Pixelreihen und -zeilen, unmöglich oder zumindest sehr schwierig. Herkömmliche Verfahren können nur Funktionen mit einer beschränkten Anzahl an Emittern in relativ großen Flächen herstellen, so dass die Fertigkeit der Ausbildung hochauflösender Pixel für Feldemissionsbildschirme sehr komplex und teuer wird.
US 5 374 868 A zeigt ein FED mit einer Kathodenstruktur, das ein Substrat umfasst, welches beispielsweise aus Glas gefertigt ist. Auf diesem Substrat wurde eine Schicht aus Isolationsmaterial aufgebracht. In dem Substrat sind Furchen angeordnet, in denen Schichten aus leitendem Material, die Elektronemissionsspitzen tragen, angeordnet sind. Das FED umfasst des weiteren einen Phosphor-beschichteten Bildschirm, bei dem es sich um eine Anodenstruktur handelt und der mittels Abstandhaltern beabstandet von der Kathodenstruktur angeordnet ist.
WO 97 38435 A betrifft einen Flachbildschirm beliebigen Typs. Der Flachbildschirm umfasst ein oberes Glassubstrat und ein unteres Glassubstrat, die parallel zueinander ausgerichtet und knapp nebeneinander beabstandet sind. Das obere Glassubstrat weist eine Mehrzahl von Elektroden und einen dünnen dielektrischen Film auf, der die Elektroden abdeckt. Das untere Glassubstrat umfasst eine Mehrzahl von alternierenden Sperrrippen und Mikrorillen, die in mit Hilfe eines negativen Photoresists in das lichtempfindliche Glas geätzt sind. In diesen Mikrorillen sind Elektroden angeordnet, die eine Phosphorschicht tragen.
EP 0 081 359 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodengruppe, das Folgendes umfasst: die Bereitstellung von Anodenelektroden auf einer Oberfläche einer lichtempfindlichen Glasplatte, die Bereitstellung von Kathodenelektroden auf der gegenüberliegenden, quer zu den Anodenelektroden ausgerichteten Oberfläche der Glasplatte und das Auflösen des Plattenmaterials in Anpassung an die Anodenelektroden unter Bildung von Schlitzen, die sich zwischen den Oberflächen der Platte erstrecken und damit die Anoden- und Kathodenelektroden in operativem Verhältnis zueinander platzieren.
In JP 01 296535 A wird die Herstellung eines flachen Bildschirmgeräts offenbart, wobei die Elektrodenanordnung nur mit einem dünnen Film als leitender Schicht zwischen lichtempfindlichen Gläsern gebildet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Elektrodenstruktur zu schaffen und dabei die oben erwähnten Nachteile zu umgehen.
Insbesondere besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Elektrodenstruktur zu schaffen, die in einem relativ einfachen Verfahren hergestellt werden kann und dennoch eine potentiell höhere Auflösung erreicht.
Diese Ziele und weitere Ziele, die im weiteren offensichtlich werden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, insofern als die Elektrodenstruktur eine Kathodenstruktur ist und ein Feldemitter auf der Metallschicht angeordnet ist, wobei der Feldemitter aus einer Mehrzahl von Nanoröhrchen gebildet ist.
Zur Ausbildung solcher eng aneinander angeordneter Vertiefungen im lichtempfindlichen Glas zur Aufnahme der Elektroden können sehr einfache Verfahren angewendet werden. Beispielsweise können bestimmte Bereiche des Glases exponiert, gebacken (hitzebehandelt) und dann geätzt werden. Die mit diesem sehr einfachen und wirtschaftlichen Verfahren produzierten Vertiefungen können nahe aneinander angeordnet sein. Die Grobeigenschaften der Pixelstrukturen werden dann durch die Vertiefungen definiert, und es besteht keine Notwendigkeit mehr, die Feinemitterstrukturen zur Ausbildung der gröberen Strukturen zu kombinieren. Die Emitter können auf großen Flächen über die gesamte Substratoberfläche aufgebracht werden.
Aufgrund der Eigenschaft der Erfindung, dass die Elektroden eine Metallschicht besitzen, auf der die Feldemitter aufgebracht werden, lassen sich eine hohe elektrische Leitfähigkeit und auch gute Feldemissionseigenschaften erzielen.
Nanoröhrchen sind rohrförmige Kohlenstoffkörper mit extrem kleinem Durchmesser. Aufgrund ihrer kleinen Durchmesser haben die Nanoröhrchen äußerst scharfe Spitzen, die wiederum besonders vorteilhafte Feldemissionseigenschaften haben.
Gemäß einer anderen Eigenschaft der Erfindung können die Nanoröhrchen in Form eines annähernd vertikal ausgerichteten, regelmäßigen Feldes angeordnet werden, wenn sie von der Oberseite des Bildschirms betrachtet werden. Die Spitzen einer sehr großen Zahl von Nanoröhrchen können in kleinem Abstand von der Anodenstruktur angeordnet sein, die für die Feldemission erforderlich ist, wodurch der Feldemissions-Bildschirm eine sehr hohe Zuverlässigkeit erreicht.
Gemäß einer anderen Besonderheit der Erfindung kann die Metallschicht aus Metall gebildet sein, das aus der Gruppe Kupfer, Aluminium, Titan, Wolfram, Silber und Gold ausgewählt ist, da diese Materialien eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Ein einfaches Verfahren zur Produktion einer Kathodenstruktur des oben beschriebenen Typs mit eng benachbart angeordneten Elektroden umfasst folgende Verfahrensschritte:

1. Bereitstellung einer Scheibe mit zwei gegenüber liegenden Hauptflächen, bestehend aus einem lichtempfindlichen Glas;
2. Aufbringen einer Maske auf die erste Hauptfläche der Scheibe, die Öffnungen in Form von Streifen aufweist;
3. Exponierung der ersten Hauptfläche an UV-Licht;
3a. Erhitzen des Glases zur Kristallisation des exponierten Volumens;
4. Behandlung der ersten Hauptfläche mit einem Lösemittel, das geeignet ist, die exponierten Bereiche der Scheibe anzugreifen, um in der ersten Oberfläche rillenartige Vertiefungen zu schaffen;
5. Aufbringen einer Metallschicht auf die erste Hauptfläche der Scheibe, welche die erste Oberfläche abdeckt;
6. Entfernen der auf den Kämmen der Wände zwischen den Vertiefungen angeordneten Metallschicht;
7. Aufbringen eines negativen Photoresists auf die erste Oberfläche der Scheibe;
8. Exponierung der zweiten Hauptfläche der Scheibe an dem UV-Licht;
9. Behandlung der ersten Hauptfläche der Scheibe mit einem Entwickler, der zur Entwicklung des negativen Photoresists zur Entfernung des in den Vertiefungen befindlichen Photoresists geeignet ist;
10. Aufbringen der Feldemitter auf die gesamte erste Hauptfläche der Scheibe; und
11. Behandlung der ersten Hauptfläche der Scheibe mit einem Lösemittel, das den exponierten negativen Photoresist angreift, so dass die Photoresistschicht, die sich auf den Kämmen der Wände befindet, sowie das die Photoresistschicht bedeckende Feldemittermaterial entfernt werden.

Dieses Verfahren ist wesentlich einfacher und deshalb schneller und kostengünstiger als herkömmliche Lithographieverfahren. Insbesondere können damit eng beabstandete Vertiefungen ausgebildet werden, so dass die resultierende Kathodenstruktur zur Produktion hochauflösender FEDs verwendet werden kann.
Gemäß einem Merkmal des Verfahrens kann das Lösemittel Flusssäure enthalten.
Gemäß einem anderen Merkmal des Verfahrens können die Vertiefungen die Form von Rillen haben.
Gemäß einem Merkmal des Verfahrens kann auf der ersten Hauptfläche der Scheibe vor Ausführung des 8. Verfahrensschrittes eine Maske aufgetragen werden, wobei die Maske Öffnungen in Form von Streifen besitzt, die quer zu den Vertiefungen angeordnet sind. Bei diesem Design können während des anschließenden Verfahrensablaufs Feldemitter nur im Bereich der später zu bildenden Pixel des FED ausgebildet werden. Die Feldemittierung findet dann nur unterhalb der Pixel statt, wohingegen von Bereichen auf dem Bildschirm, die außerhalb der Pixel liegen, kein Licht emittiert wird.
Gemäß einem anderen Merkmal des Verfahrens kann die Metallschicht durch Verdampfen oder Sputtern eines Metalls auf der ersten Hauptfläche der Scheibe aufgebracht werden, wobei insbesondere dünne Metallschichten mit guter Haftung produziert werden. Die auf den Kämmen der Wände abgelagerte Metallschicht kann durch "chemisch-mechanisches Polieren" entfernt werden. Dieses Verfahren zum Entfernen von Material wird häufig angewendet und ist technisch sehr einfach.
Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens kann eine auf den Kämmen der Wände abgelagerte Metallschicht durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens können die Feldemitter aufgebracht werden, indem aus einer Gasphase ein Material kondensiert wird, das zur Ausbildung der Feldemitter geeignet ist. Dieses Verfahren ist zuverlässig und schafft Spitzen für die Feldemittierung.
Nach einem weiteren Merkmal des Verfahrens ist das Lösemittel, das den exponierten negativen Photoresist angreift, ein höherer molekularer Alkohol, z.B. Aceton. Solche Alkohole sind besonders geeignet zur vollständigen Entfernung des Photoresists.
Ein weiteres einfaches Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstruktur des oben beschriebenen Typs mit eng benachbarten Elektroden umfasst folgende Verfahrensschritte:

1. Bereitstellung einer Scheibe mit zwei gegenüber liegenden Hauptflächen, bestehend aus einem lichtempfindlichen Glas;
2. Aufbringen einer Maske auf die erste Hauptfläche der Scheibe, die Öffnungen in Form von Streifen aufweist;
3. Exponierung der ersten Hauptfläche an UV-Licht;
3a. Erhitzen des Glases zur Kristallisation des exponierten Volumens;
4. Behandlung der ersten Hauptfläche mit einem Lösemittel, vorzugsweise mit Flusssäure (HF), das geeignet ist, die exponierten Bereiche der Scheibe anzugreifen, um in der ersten Oberfläche Vertiefungen zu schaffen;
5. Aufbringen einer Metallschicht auf die erste Hauptfläche der Scheibe, welche die erste Oberfläche abdeckt;
6. Aufbringen von Feldemittern auf die gesamte erste Oberfläche der Scheibe; und
7. Entfernen der Feldemitterschicht, die auf den Kämmen der Wände abgelagert ist, die zwischen den Vertiefungen angeordnet sind, und der Metallschicht, die unterhalb der Feldemitterschicht angeordnet ist, durch chemisch-mechanisches Polieren.

Dieses Verfahren erfordert weniger Verfahrensschritte als das erste Verfahren und ist deshalb einfacher und weniger teuer. Überdies erfordert dieses Verfahren weniger Material, weil der Beschichtungsschritt mit negativem Photoresist eliminiert ist. Auch kann in diesem zweiten Verfahren die Metallschicht durch ein Verdampfen eines Metalls auf der ersten Oberfläche der Scheibe aufgebracht werden. Die auf den Kämmen der Wände abgelagerte Feldemitterschicht und die unterhalb angeordnete Metallschicht kann mittels "chemisch-mechanischen Polierens" entfernt werden. Die Vorteile dieser Eigenschaften wurden oben erörtert.
Ein Abstandhalter kann bereitgestellt werden, der zwischen einer Kathodenstruktur gemäß der oben beschriebenen Konstruktion und einer Anodenstruktur eines aus Glas – insbesondere aus einem lichtempfindlichen Glas – gebildeten Feldemissions-Bildschirms (FED) angeordnet sein kann. Der Abstandhalter umfasst Durchgangslöcher, die mindestens in den Bereichen der Pixel angeordnet sind. Der Abstandhalter kann dazu verwendet werden, in einem einfachen Verfahren ein FED mit einer Triodenstruktur zu produzieren.
Auf der Oberfläche des Abstandhalters, der Kathodenstruktur zugewandt, kann eine Steuerelektrode aufgebracht sein. So benötigt die Steuerelektrode kein separates Trägerelement.
Die Steuerelektrode kann aus einer Mehrzahl von beabstandeten Streifen gebildet sein, die an den Pixel-Zeilen des FED ausgerichtet sind.
Ein bestimmtes Pixel des FED kann angesteuert werden, indem zwischen der Kathode und der Steuerelektrode eine geeignete Spannung angelegt wird, die signifikant niedriger ist als die zwischen Kathode und Anode angelegte Spannung und deshalb auch leichter zu wechseln ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Kathoden- und einer Anodenstruktur eines Feldemissions-Bildschirms (FED);
2 ist eine Draufsicht des FED der 1;
3a, b bis 11a, b sind Seiten- und Draufsichten der Kathodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung nach Beendigung eines entsprechenden Herstellungsschritts;
12a, b sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Anodenstruktur;
13a, b sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Abstandhalters gemäß der vorliegenden Erfindung, der zwischen der Kathodenstruktur und der Anodenstruktur eingesetzt werden kann;
14a, b sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht des Abstandhalters der 13a, b und mit einer Steuerelektrode beschichtet;
15a, b sind eine Seitenansicht und eine Draufsicht des Abstandhalters der 14a, b mit Darstellung einer in Streifen unterteilten Steuerelektrode;
16 ist eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines fertigen FED, das aus der Kathodenstruktur der 11a, b, dem Abstandhalter der 14a, b und der Anodenstruktur der 12a, b gebildet ist;
17a, b zeigt die Kathodenstruktur der 3a, b bis 11a, b während eines Herstellungsschritts, der zweckmäßiger Weise zwischen den Herstellungsschritten gemäß 8a, b und 9a, b durchgeführt wird;
18 ist eine Draufsicht der Kathodenstruktur nach dem Verfahrensschritt gemäß 17a, b; und
19 zeigt die Kathodenstruktur nach dem Verfahrensschritt gemäß 11b in der selben Darstellung wie in 18.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In allen Figuren sind die selben oder entsprechende Elemente allgemein mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wir wenden uns der Zeichnung zu, und insbesondere 1, die eine schematische, perspektivische Darstellung eines flachen Feldemissions-Bildschirms (FED) zeigt, der im wesentlichen eine Kathodenstruktur 1 umfasst, die eine Mehrzahl von gegenseitig parallel angeordneten Elektroden 2 in Form von Streifen besitzt, die auf einem Substrat 3 angeordnet sind, und des weiteren eine Anodenstruktur 4, die wie die Kathodenstruktur 1 eine Mehrzahl von Elektroden 5 in Form von Streifen besitzt, die auf einem Substrat 6 angeordnet sind. Das Substrat 6 bildet die Oberfläche des FED, wie sie vom Benutzer betrachtet wird, und besteht aus einem transparenten Material, vorzugsweise Glas. Die Elektroden 5 sind ebenfalls aus einem transparenten und elektrisch leitenden Material gebildet, beispielsweise aus ITO (Indiumzinnoxid), das in der Fachwelt bekannt ist. Die Elektroden 5 sind mit einer Schicht 7 aus Lumineszenzmaterial versehen, beispielsweise einem Phosphor.
Nach der Montage des FED werden die Kathodenstruktur 1 und die Anodenstruktur 4 parallel zueinander mit einer Lücke dazwischen angeordnet. Die Elektroden 2 sind mit Bezug auf die Elektroden 5 um 90° gedreht. Die einander überlappenden Elektrodenabschnitte der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur – wenn von der Oberseite in Richtung des Anodensubstrats 6 gesehen – bilden die Pixel 8 des FED (vgl. auch 2).
Die Lumineszenz eines bestimmten Pixels 8 des FEDs wird erregt durch Anlegen einer Spannung über eine herkömmliche Steuerelektronik, die nicht im Detail erörtert wird, an die Elektroden 2 und 5, die das anzusteuernde Pixel überlappen. Beispielsweise wird das Pixel 8 in der oberen linken Ecke der 2 durch Anlegen einer Spannung an die erste horizontale Elektrode und die erste vertikale Elektrode angesteuert. Die Elektroden 2 der Kathodenstruktur 1 sind über die gesamte Fläche oder zumindest im Bereich eines Pixels 8 mit einem Material bedeckt, das gute Feldemittierungseigenschaften besitzt, das also Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Felds emittiert. Solche Materialien werden als "Feldemitter" bezeichnet und sind in der Fachwelt bekannt. Die Materialien sind durch eine große Zahl an Spitzen gekennzeichnet, welche den freien Oberflächenbereich abdecken. Solche Spitzen erzeugen eine besonders hohe elektrische Feldstärke, welche die Emission der Elektronen auslöst.
Beispiele solcher Materialien umfassen polykristalline Diamanten, Haarkristalle und Nanoröhrchen. Diese Materialien und ihre Eignung für die Feldemittierung von Elektronen sind allgemein bekannt. Der Ausdruck "Haarkristalle" ist eine herkömmliche Bezeichnung eindimensionaler Kristalle hoher mechanischer Festigkeit, zu denen Metalle, Oxide, Borite, Carbide, Nitride, Polytitanat, Kohlenstoff und dergleichen gehören können. Haarkristalle haben eine Einkristallstruktur (vgl. z.B. ROMPP Chemical Dictionary, 9. erweiterte und korrigierte Auflage; Hrsg. Prof. Dr. Jürgen Falbe und Prof. Dr. Manfred Regitz; Georg Thieme Verlag Stuttgart – New York, Bd. 6, S. 5039). Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung können derartige Elektronemitter-Haarkristalle aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt sein.
Die Bezeichnung "Nanoröhrchen" bezieht sich auf zylindrische Kohlenstoffröhren, die eine oder mehrere Schichten mit oder ohne halbkugelige Endflächen umfassen (vgl. z.B. ROMPP Chemical Dictionary, 10. erweiterte und korrigierte Auflage; Hrsg. Prof. Dr. Jürgen Falbe und Prof. Dr. Manfred Regitz; Georg Thieme Verlag Stuttgart – New York, Bd. 4, S. 2804ff.). Die Nanoröhrchen besitzen eine besonders hohe mechanische Festigkeit, die größer sein kann als die mechanische Festigkeit von Diamant, und haben einen Durchmesser im Bereich von 5–30 nm sowie die benötigten besonders feinen Spitzen. Die Herstellung solcher Nanoröhrchen wird beispielsweise beschrieben in "Production of Carbon Nanotubes", C. Joumet, P. Bernier, Applied Physics A, Materials Science & Processing, Springer Verlag 1998, pp. 1–9.
Der Einsatz von Nanoröhrchen bzw. Nanoröhrchenfilmen für die Feldemission wird beispielsweise beschrieben in: "Unraveling Nanotubes: Field Emission from an Atomic Wire"; A.G. Rinzler et al.; Science, Vol. 269, Sept. 15, 1995, pp. 1550–1553; oder "A Carbon Nanotube Field Emission Electron Source"; Walt A. deHeer et al.; Science, Vol. 270; Nov. 17, 1995; p. 1179 ff.; oder "Field emission from single wall carbon nanotube films"; Jean-Marc Bonard et al.; Applied Physics Letters, volume 73; No. 7; pp. 918–920.
Das durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 2, 5 im Bereich des zur Lichtemittierung bestimmten Pixels 8 gebildete elektrische Feld löst die Abgabe von Elektronen von den Feldemittern der Kathodenstruktur 1 aus und treibt die Elektronen in Richtung der Anodenstruktur 4. Diese Elektronen prallen auf die Phosphorschicht 7 und erzeugen im Bereich eines Pixels 8 Licht.
Zur Gewährleistung eines unbehinderten Wegs für die Elektronen von der Kathode zur Anode ist der Raum zwischen der Kathodenstruktur und der Anodenstruktur evakuiert.
Die Kathodenstrukturen 1, die Feldemitter aus Nanoröhrchen besitzen, haben eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Kathodenstrukturen, die nach der "Spindt-Technologie" gebildet sind.
Wenn die Phosphorschicht mit Elektronen bombardiert wird, gibt die Phosphorschicht Ionen ab, die im Raum zwischen der Kathode und der Anode verteilt werden. Die Ionen können auch auf den Kathoden kondensieren und den Betrieb des Bildschirms behindern. Der Kohlenstoff der Nanoröhrchen ist chemisch sehr stabil (verglichen mit Diamant) und reagiert nicht mit den Ionen und kann deshalb den Betrieb des Geräts nicht beeinträchtigen. Wenn Ionen vom Phosphor auf den Feldemittern der Kathodenstruktur abgelagert werden, können diese Ionen durch den Elektronenstrom aus dem Feldemitter abgegeben werden. Folglich haben die mit Nanoröhrchen konstruierten Feldemissionsbildschirme eine beträchtlich längere Lebensdauer.
Nanoröhrchen haben zweckmäßige Feldemissionseigenschaften in einem signifikant niedrigeren Vakuum; in der Praxis muss das Vakuum zwischen der Kathodenstruktur und der Anodenstruktur nur zwischen annähernd 10^-5 – 10^-6 Torr betragen (=1,33 × 10^-3 – 1,33 × 10^-4 Pa), anstatt der 10^-8 Torr (=1,33 × 10^-6 Pa), wie sie in der Regel für herkömmliche FEDs erforderlich sind.
Wie die polykristallinen Diamantkristalle, die auch als Feldemitter benützt werden können, haben die Nanoröhrchen eine vorteilhaft niedrige Emissionsspannung von annähernd 100–200 V. Herkömmliche Bildschirme auf Basis der "Spindt-Technologie" benötigen demgegenüber eine Emissionsspannung von zwischen 1 und 3 kV.
Im allgemeinen haben FEDs gegenüber den derzeit benützten Flachbildschirmen – z.B. LCDs ("Liquid Crystal Display") – den Vorteil eines erheblich geringeren Energieverbrauchs. Im Betrieb verbrauchen LC-Bildschirme in einer für Laptops oder Notebooks geeigneten Größe etwa 1 bis 10 Watt, wohingegen FEDs möglicherweise nur Milliwatt (mW) verbrauchen. Dazu kommt, dass LC-Bildschirme genau von vorne betrachtet werden müssen, da das Bild bei einer Betrachtung von der Seite in einem nur wenig von 90° abweichenden Betrachtungswinkel verzerrt oder unsichtbar werden kann.
Demgegenüber haben FEDs einen vollen Betrachtungswinkel von 180°, d. h. das angezeigte Bild ist auch von der Seite klar sichtbar.
Ein auf einem LC-Bildschirm angezeigtes Bild ist zudem bei direkter Sonneneinstrahlung schwer zu erkennen; auch dieses Problem wird mit einem FED vermieden.
Eine Kathodenstruktur 1 gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Substrat 3 aus lichtempfindlichem Glas. In dem Glassubstrat 3 sind rillenartige Vertiefungen 12 vorgesehen, wobei die Elektroden 2 in den Vertiefungen 12 angeordnet sind. Die Vertiefungen können auf unterschiedliche Arten und mit unterschiedlichen Verfahren produziert werden, beispielsweise durch Fräsen oder Pressen. Solche mechanischen Verfahren haben jedoch eine beschränkte Auflösung. Die FED-Pixel und der Abstand zwischen den Pixeln darf im Hinblick auf zukünftige HDTV-Anwendungen (hochauflösendes Fernsehen) nicht unter groben Auflösungsgrenzen leiden.
Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn das Substrat 3 aus einem lichtempfindlichen Glas gemacht ist. Lichtempfindliches Glas ist ein in der Fachwelt bekanntes Glasmaterial (vgl. z.B. Glas unter der Bezeichnung FOTURAN^®, produziert von MGT-Mikroglas Technik, Mainz, Deutschland, oder das Glas mit der Bezeichnung FOTOFORM^®, produziert von der Corning Inc., GB). Der Hauptbestandteil von lichtempfindlichem Glas ist Li₂O/SiO₂, unter Zugabe von Keramik und Silber. Die Bereiche des lichtempfindlichen Glases, die mit UV-Licht beleuchtet werden, kristallisieren, wohingegen nicht exponierte Bereiche amorph bleiben. Kristallisiertes Glas wird ungefähr zehn Mal schneller in Flusssäure (HF) geätzt als amorphes Glas, so dass präzise definierte Bereiche von der Scheibe 10 aus lichtempfindlichem Glas durch eine entsprechende bereichsweise Exponierung an UV-Licht entfernt werden können, gefolgt von Ätzen mit Flusssäure. Die Intensität der UV-Exponierungsstrahlung kann voreingestellt werden, um die Tiefe zu bestimmen, bis zu der das lichtempfindliche Glas kristallisiert und entfernt werden kann. Es ist deshalb einigermaßen leicht, in der Oberfläche des lichtempfindlichen Glases Vertiefungen zu bilden, wie etwa Rillen.
Die Herstellung einer Kathodenstruktur gemäß der Erfindung unter Anwendung eines solchen lichtempfindlichen Glases wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3–17 näher beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt, wie er in 3a dargestellt ist, wird eine Maske 9 auf die erste Oberfläche der Scheibe 10 aus lichtempfindlichem Glas aufgebracht und dann gemäß Anzeige mit den Pfeilen 11 an UV-Licht exponiert und erhitzt, um das exponierte Volumen zu kristallisieren. Die Dicke dieser Scheibe 10 liegt im Bereich von annähernd 200 μm–500 μm. Die schraffierten Flächen der Scheibe 10, die eine Tiefe von annähernd 20–50 μm aufweisen, werden dadurch kristallisiert und können weggeätzt werden.
Im nächsten Schritt (4) wird die erste Oberfläche der Scheibe 10 aus lichtempfindlichem Glas mit Flusssäure (HF) behandelt, welche die rillenartigen Vertiefungen 12 von der Scheibe 10 entfernt.
Die gesamte Oberfläche der Scheibe 10, welche die Vertiefungen 12 umfasst, wird dann mit einem Metall (vgl. 5) beschichtet. Dieser Schritt wird in einem herkömmlichen Verfahren durchgeführt, z.B. durch Sputtern oder Verdampfen. Damit wird auf der Bodenfläche der Vertiefungen 12 eine Metallschicht 13 gebildet, wohingegen auf den zwischen den Vertiefungen 12 angeordneten Kämmen der Wände 15 eine Metallschicht 14 gebildet wird. Die Metallschichten 13, 14 sind annähernd 0,1 bis 1 μm dick. In der Praxis können Metalle wie Kupfer, Aluminium, Titan, Wolfram, Silber oder Gold verwendet werden.
Das Metall wird nicht auf den Seitenwänden der Vertiefungen 12 abgelagert, da die Metallmoleküle im wesentlichen rechtwinkelig auf die Oberfläche der Scheibe auftreffen und deshalb die Seitenwände nicht zu erreichen vermögen. Wenn es absolut erforderlich ist, die Seitenwände metallfrei zu halten, können die Seitenwände auch konisch geformt sein, wie detailliert in 4a dargestellt. Die konischen Wände können dadurch erreicht werden, dass das im ersten Verfahrensschritt benützte UV-Licht nicht genau rechtwinkelig auf die Oberfläche der Scheibe gezielt wird. Stattdessen wird das UV-Licht um einen Winkel geneigt, der der gewünschten Neigung der Vertiefungen entspricht. Ein Streifen mit dem Durchmesser in Form eines Trapezes wird kristallisiert, und im zweiten Verfahrensschritt wird eine trapezförmige Vertiefung 12 geätzt.
Wenn das Metall abgelagert ist, liegen die sich ergebenden geneigten Wände der Vertiefungen im Schatten der oberen Ränder der Vertiefungen, so dass die Metallmoleküle, die sich im rechten Winkel zur Oberfläche der Scheibe bewegen, die Wände nicht erreichen können.
Im nächsten Schritt wird die Metallschicht 14, die auf den Kämmen der Wände 15 zwischen den Vertiefungen 12 angeordnet ist, entfernt. Dieser Schritt wird vorzugsweise durch "chemisch- mechanisches Polieren" ausgeführt (vgl. 6a, b).
Im nächsten Verfahrensschritt wird negativer Photoresist auf die gesamte Oberfläche auf der Seite der Scheibe aufgebracht, die die Vertiefungen 12 aufweist, um eine Photoresistschicht 16 auf der Metallschicht 13 und eine Photoresistschicht 17 der Kämme der Wände 15 zu bilden (vgl. 7a, b).
Danach wird die verbleibende zweite Oberfläche der Scheibe 10, die keine Vertiefungen 12 hat, wie durch die Pfeile 18 in 8a angezeigt, exponiert. In diesem Fall erreicht das Licht die an den Wänden 15 angeordnete Photoresistschicht 17, nicht jedoch die in den Vertiefungen 12 angeordneten Photoresistschichten 16. Diese Exponierung macht den negativen Photoresist beständig gegen entsprechende Entwickler, die vom Photoresisthersteller geliefert werden. Der Entwickler greift jedoch jeden nicht exponierten Photoresist chemisch an, der dann entfernt werden kann.
Wie in 9a, b dargestellt, wird der in den Vertiefungen 12 angeordnete Photoresist 16 entfernt. Das kann durch Behandlung der gesamten Oberfläche der Scheibe 10, die die Vertiefungen 12 aufweist, mit dem entsprechenden Entwickler erreicht werden, da die mit Bezug auf 8a, b diskutierte UV-Exponierung die auf den Wänden 15 abgelagerte Photoresistschicht 68 beständig gegen den Entwickler gemacht hat. Das die Metallschicht 13 abdeckende Material wird dabei erneut entfernt.
Die Feldemitter 19 werden dann auf die Metallschicht 13 aufgebracht. Wie oben erwähnt, können die Feldemitter 19 beispielsweise aus polykristallinem Diamant, Haarkristall und Nanoröhrchen bestehen, wobei die Nanoröhrchen wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften gegenüber den Metallen bevorzugt werden.
Die Feldemitter 19 werden auf die Metallschichten 13 durch Ablagerung geeigneter Materialien auf herkömmliche Art und Weise aus der Gasphase aufgebracht, beispielsweise in einem CVD-Verfahren. Wie in 10a, b dargestellt, ist die gesamte Oberfläche der Scheibe mit den Vertiefungen 12 im Ablagerungsverfahren exponiert, so dass das Feldemittermaterial auf der Metallschicht 13 und der Photoresistschicht 17 abgelagert wird. Das auf der Photoresistschicht 17 abgelagerte Emittermaterial ist mit dem Bezugszeichen 20 versehen.
Für Feldemitter 19 aus Nanoröhrchen kann das Ablagerungsverfahren so gestaltet sein, dass eine ungeordnete Nanoröhrchenstruktur erzeugt wird. Vorzugsweise ist das Ablagerungsverfahren jedoch so gestaltet, dass geordnete Nanoröhrchen entstehen, d. h. dass sich alle oder zumindest ein großer Teil der Nanoröhrchen rechtwinkelig zur Metallschicht 13 erstrecken und in einem zweidimensionalen, vertikal ausgerichteten Matrixfeld angeordnet sind.
Das auf den Kämmen der Wände 15 angeordnete Feldemittermaterial 20 wird dann entfernt, indem die Glasscheibe 10 mit einem Lösemittel behandelt wird, etwa einem hochmolekularen Alkohol, beispielsweise Aceton, das die exponierte Photoresistschicht 17 angreift (vgl. 11a, b). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Photoresistschicht 17 eine sogenannte „Abnahme"-Schicht, d. h. eine Schicht, die zuerst auf ein Objekt aufgebracht und später wieder geopfert wird, also entfernt. Wenn die „Abnahme"-Schicht entfernt wird, wird alles auf der „Abnahme"-Schicht abgelagerte Material – in diesem Fall die Feldemitterschicht – ebenfalls entfernt.
Nach diesem Verarbeitungsschritt ist die Kathodenstruktur 1 der Erfindung komplett und kann zu einem FED des in 1 dargestellten Typs zusammengestellt werden. Die Anodenstruktur 4 ist von herkömmlichem Design, wie in der Seitenansicht und Draufsicht der 12a, b dargestellt.
Ein zweites Verfahren zur Erzeugung einer Kathodenstruktur 1 der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Dieses Verfahren ist mit dem oben beschriebenen ersten Verfahren eng verwandt, erfordert jedoch eine kleinere Zahl an Verfahrensschritten.
Wie im ersten Verfahren wird eine erste Oberfläche einer Scheibe 10 aus einem lichtempfindlichen Glas mit einer Maske 9 bedeckt, welche die Öffnungen 9' in Form von Streifen besitzt. Die erste Oberfläche wird dann an UV-Licht exponiert, wie in 3a dargestellt, und erhitzt, um das exponierte Volumen zu kristallisieren. Danach werden die rillenförmigen Vertiefungen 12 produziert, indem die gesamte Scheibe mit Flusssäure behandelt wird (vgl. 4).
Im nächsten Verfahrensschritt wird – wie im ersten Herstellungsverfahren – eine die gesamte Oberfläche bedeckende Metallschicht 13, 14 auf die erste Oberfläche der Scheibe 10 aufgebracht (vgl. 5).
Zum Unterschied vom ersten Herstellungsverfahren werden beim zweiten Verfahren die Feldemitter 19 auf die gesamte erste Oberfläche der Scheibe 10 aufgebracht, so dass das Feldemittermaterial sowohl in den Vertiefungen 12 auf der Metallschicht 13 wie auch auf den Kämmen der Wände 15 der Metallschicht 14 abgelagert ist.
Schließlich werden die Feldemitterschicht 20 auf den Kämmen der Wände 15 sowie die Metallschicht 14 unterhalb entfernt; dies kann erneut mittels "chemisch-mechanischen Polierens" durchgeführt werden.
Im zweiten Herstellungsverfahren werden die in 7 bis 9 dargestellten Schritte ausgelassen, und die Feldemitterschicht 20 auf den Kämmen wird zusammen mit der Metallschicht 14 auf andere Weise entfernt. Das Endprodukt (gemäß Darstellung in 11) entspricht dem im ersten Produktionsverfahren gewonnenen Produkt.
Wie oben erwähnt, müssen die Kathodenstruktur 1 und die Anodenstruktur 4 voneinander beabstandet sein. Zu diesem Zweck kann ein Abstandhalter 21 zwischen den zwei Strukturen eingebracht werden. Ein solcher Abstandhalter 21 ist in 13a, b dargestellt und ist auch eine Glasscheibe, vorzugsweise wird ein hochempfindliches Produkt aus einem lichtempfindlichen Glas gemacht. An Stellen, an denen im FED Pixel 8 ausgebildet werden, ist der Abstandhalter 21 mit Durchgangslöchern 22 versehen, die auf herkömmliche Weise produziert werden können, beispielsweise durch Laserbohren. Wenn der Abstandhalter 21 aus lichtempfindlichem Glas gemacht ist, können diese Durchgangslöcher 22, wie die Vertiefungen 12 des Kathodensubstrats 1, vorzugsweise durch Ätzen der Glasscheibe mit Flusssäure (HF) produziert werden. Zu diesem Zweck kann die Glasscheibe mit einer Maske bedeckt werden, die an den Stellen der Durchgangslöcher Öffnungen aufweist, und dann vor dem Ätzen an UV-Licht exponiert werden. Durch Neigen der UV-Lichtquelle können die Durchgangslöcher 22 in der dargestellten konischen Form erzeugt werden. Die Durchgangslöcher 22 können sich von jenen der 13b unterscheiden und einen rechteckigen Querschnitt haben.
Anstatt den Abstandhalter 21 als separate Komponente bereitzustellen, können die Vertiefungen 12 dieser Kathodenstruktur tief genug gemacht werden, so dass die in den Vertiefungen 12 angeordneten Feldemitter 19 einen ausreichend großen Abstand von den Elektroden 5 der Anodenstruktur 4 aufweisen, wenn die Anodenstruktur 4 auf den Kämmen der Wände 15 platziert ist.
Ein aus den Bauteilen der Kathodenstruktur 1 und der Anodenstruktur 4 (möglicherweise mit einem zusätzlichen Abstandhalter 21) konstruiertes FED hat nur eine Kathode und eine Anode und gibt folglich eine Diodenstruktur ab. FEDs können auch mit einer Triodenstruktur produziert werden, die eine zusätzliche Elektrode umfasst, auch bekannt als Steuerelektrode 23. Die Steuerelektrode 23 ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet.
Die Kathodenstruktur 1 gemäß der Erfindung kann auch mit FEDs angewendet werden, die eine Triodenstruktur aufweisen. Die Steuerelektrode 23 ist aus einer Metallschicht geformt, die auf dem Abstandhalter 21 wie in 14a, b dargestellt aufgebracht ist. Die Metallschicht wird auf dem Abstandhalter 21 mit herkömmlichen Methoden aufgebracht, beispielsweise durch Verdampfen.
Unabhängig davon, ob der Abstandhalter 21 mit einer Steuerelektrode 23 versehen ist oder nicht, können die Durchgangslöcher 22 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Kathodenstruktur 1 und/oder die Anodenstruktur 4 aufgebracht werden, nachteiliger Weise verschlossen und damit hermetisch voneinander isoliert sein. Da zwischen den Kathoden und Anoden ein Vakuum erzeugt werden muss, wie oben erörtert, müsste jedes Durchgangsloch 22 separat evakuiert werden.
Um eine separate Evakuierung der einzelnen Durchgangslöcher 22 zu vermeiden, sind alle Durchgangslöcher 22 miteinander verbunden. Das kann durch teilweise Entfernung eines großen Teils der zwischen den Durchgangslöchern 22 angeordneten Glaswände erreicht werden (vgl. 15a). Wenn der Abstandhalter 21 aus lichtempfindlichem Glas gemacht ist, kann das Material entfernt werden, indem bestimmte Flächen der Glasscheibe am UV-Licht exponiert werden und dann die Glassscheibe mit Flusssäure geätzt wird.
Die Vorteile einer Triodenstruktur gegenüber einer Diodenstruktur werden nachstehend unter Bezugnahme auf 16 erklärt. Die Steuerelektrode 23 ist wesentlich näher an der Kathodenstruktur 1 als an der Anodenstruktur 4. Aufgrund der engeren Nachbarschaft zwischen der Steuerelektrode 23 und der Kathode ist die Spannung, die zwischen der Steuerelektrode und der Kathode angelegt werden muss, damit die Kathode Elektronen emittieren kann, signifikant niedriger als die Spannung, die zwischen der Kathode und der Anode angelegt werden müsste.
Auch bei der Triodenstruktur muss die Anode auf einem ausreichend hohen Potential sein, um die Elektronen auf die Phosphorschicht 7 anzuheben. Ein Pixel 8 kann jedoch durch eine Spannung zwischen der Kathode und der Steuerelektrode 23 eingeschaltet werden, die signifikant niedriger ist als die Vollspannung zwischen der Kathode und der Anode. Indem die Steuerelektrode 23 sehr nahe an der Kathodenstruktur 1 platziert wird, kann die entsprechende Spannung im Bereich zwischen 5 und 10 Volt sein, also im Spannungsbereich konventioneller TTL und CMOS Logikschaltkreise. Die Ausgänge der FED Steuerelektronik können dann direkt oder – je nach Sachlage – über einen Verstärker mit niedriger Verstärkung an die Kathoden bzw. die Steuerelektrode 23 angeschlossen werden. Für die aus Nanoröhrchen bestehenden Feldemitter 19 sind adäquate Werte für das elektrische Potential der Kathode, der Anode und der Steuerelektrode in 16 angezeigt.
Vorteilhafter Weise hat das in 16 dargestellte FED eine sehr hohe thermische Stabilität. Da alle großflächigen Komponenten des FED, also das Substrat 3 der Kathodenstruktur 1, das Substrat 6 der Anodenstruktur 4 und der Abstandhalter 21, aus Glas bestehen, haben diese Komponenten identische oder zumindest sehr ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Folglich verursachen Temperaturänderungen identische Änderungen der Abmessungen dieser Bauteile, wodurch eine Trennung derselben vermieden wird.
Um Probleme im Zusammenhang mit der thermischen Ausdehnung zu vermeiden, ist Glas auch das bevorzugte Material zur Verbindung der Kathodenstruktur 1, der Anodenstruktur 4 und des Abstandhalters 21. Feldemissionsbildschirme dieses Typs, die hauptsächlich aus Glas gebildet sind, können in einem großen Temperaturbereich funktionieren und damit die besonders strengen Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen (Stabilität in einem Temperaturbereich zwischen –50°C und +80°C).
Wie oben erörtert, umfassen die Kathodenstruktur 1 und die Anodenstruktur 4 jeweils Elektroden in Form von Streifen, die mit Bezug aufeinander um 90 Grad gedreht sind. Die Pixel 8 werden durch die einander überlappenden Abschnitte der Elektroden gebildet. Im Fall einer Triodenstruktur kann die Steuerelektrode 23 möglicherweise nicht das gesamte FED zusammenhängend bedecken, wie in den vorangehenden Beispielen, kann aber als Mehrzahl von Streifen ausgebildet sein, die in der selben Richtung verlaufen wie die Elektroden der Anodenstruktur 4, was in 15b dargestellt ist.
Die streifenförmigen Steuerelektroden 23 sind aus der Metallschicht gebildet, welche die gesamte Oberfläche gemäß 14b mit den Streifen 25 zwischen den Pixelreihen bedeckt, so dass die erwähnten streifenförmigen Steuerelektroden 23 an den Pixelzeilen ausgerichtet sind (vgl. 15b). Ein bestimmtes Pixel 8 wird dann durch Anlegen einer Spannung zwischen der entsprechenden Steuerelektrode 23 und der entsprechenden Kathode aktiviert.
Die Elektroden 2 der Kathodenstruktur 1 müssen Feldemittereigenschaften nur in den Bereichen der Pixel 8 haben, und die Feldemitter 19 sind deshalb nur in diesen Bereichen erforderlich. Die Metallschichten 13 sind nicht mehr über ihre gesamte Fläche mit Feldemittermaterial bedeckt – wie in den oben diskutierten Beispielen der Fall. Um die Abdeckung der Metallschichten 13 durch Feldemittermaterial auf die Pixelbereiche zu beschränken, kann die zweite Exponierung des negativen Photoresists direkt nach dem in 8a, b gezeigten Verfahrensschritt durchgeführt werden, wie in 17a, b dargestellt.
In diesem Fall wird die Scheibenfläche mit den Vertiefungen 12 mit einer Maske abgedeckt, welche die streifenförmigen Öffnungen besitzt, die sich quer zu den Metallschichten 13 erstrecken. Die Scheibe 10 wird anschließend am UV-Licht exponiert, wodurch die eng schraffierten Abschnitte der Photoresistschicht 16 zwischen den später ausgebildeten Pixeln 8 gegenüber dem Lösemittel beständig werden, und erhitzt, um das exponierte Volumen zu kristallisieren.
Wenn das Photoresist weggeätzt ist, bleiben Photoresist-Inseln 16' zwischen den später ausgebildeten Pixeln 8 auf den Metallstreifen 13 zurück (vgl. 18), woraus sich eine von der in 9b unterschiedene Situation ergibt. Wenn der beständige Photoresist weggeätzt wird, nachdem das Feldemittermaterial auf die gesamte Oberfläche der Scheibe 10 aufgebracht ist, bleiben nur die inselförmigen Feldemitter 19' auf den Metallschichten 13 (vgl. 19), was sich ebenfalls von der Situation in 11b unterscheidet.
Die Erfindung wurde in der Ausführung eines Feldemissions-Bildschirms illustriert und beschrieben, soll aber nicht auf die dargestellten Details beschränkt sein, da zahlreiche Modifikationen und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne irgendwie vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den angehängten Ansprüchen offenbart ist.

Claims

Elektrodenstruktur für einen Feldemissions-Anzeigebildschirm, umfassend ein Substrat (3) und eine Mehrzahl von an dem Substrat (3) befestigten Elektroden (2), wobei das Substrat (3) aus lichtempfindlichem Glas gefertigt ist, in dem Vertiefungen (12) in Form von Rillen ausgebildet sind, wobei die Elektroden (2) in den Vertiefungen (12) angeordnet sind und jede Elektrode (2) eine Metallschicht (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur eine Kathodenstruktur (1) ist und auf der Metallschicht (13) ein Feldemitter (19) vorgesehen ist, welcher Feldemitter (19) aus einer Mehrzahl von Nanoröhrchen gebildet ist.
Kathodenstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die Nanoröhrchen von oben gesehen in Form einer annähernd vertikal ausgerichteten, regelmäßigen Matrixgruppe angeordnet sind.
Kathodenstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallschicht (13) aus einem Metall aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Titan, Wolfram, Silber und Gold gebildet ist.