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Hintergrund der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Feldemissionsvorrichtung (FED, field emission device), die bei niedrigen Gateanschaltspannungen
mit hohen Emissionsstromdichten betreibbar ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
FED-Anzeige mit einer herkömmlichen FED
ist in 1 dargestellt. Eine Kathode 2 ist über einem
Substrat 1 mit einem Metall wie Chrom (Cr) ausgebildet
und eine Widerstandsschicht 3 ist über der Kathode 2 mit
einem amorphen Silicium ausgebildet. Eine Gateisolierschicht 4 mit
einer Mulde 4a, durch die der Boden der Widerstandsschicht 3 freigelegt
ist, ist auf der Widerstandsschicht 3 mit einem Isoliermaterial
wie SiO2 ausgebildet. Eine Mikrospitze 5 gebildet
aus einem Metall wie Molybdän
(Mo) ist in der Mulde 4a gelegen. Eine Gateelektrode 6 mit
einem Gate 6a, das mit der Mulde 4a ausgerichtet
ist, ist auf der Gateisolierschicht 4 ausgebildet. Eine
Anode 7 ist in einem bestimmten Abstand über der
Gateelektrode 6 gelegen. Die Gateelektrode 7 ist
auf der Innenfläche
einer Abdeckung 9 ausgebildet, die einen Vakuumraum bildet,
und ist dem Substrat 1 zugeordnet. Die Abdeckung 8 und
das Substrat 1 sind durch einen Abstandhalter (nicht gezeigt)
in einem Abstand voneinander angeordnet und an den Kanten versiegelt.
Für Farbanzeigen
ist ein Leuchtstoffschirm (nicht gezeigt) an oder nahe der Anode 7 platziert.
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Die
herkömmliche
FED emittiert eine geringe Menge an Elektronen aus der Mikrospitze,
so dass für
hohe Emissionsstromdichten eine hohe Gatespannung erforderlich ist.
Wenn jedoch die Gatespannungshöhe über eine
bestimmte Spannungsgrenze geht, treten Probleme wie Streustrom und kurze
Lebensdauer auf. Aus diesen Gründen
ist eine Erhöhung
der Gatespannung beschränkt.
Als Versuchsergebnis nimmt die Frequenz des Überschlags mit höherer Gatespannung
zu. Wenn ein Überschlag in
der FED auftritt, werden durch den Überschlag verursachte Schäden an den
Kanten des Gates 6a der Gateelektrode 6 erkennbar,
worin das Gate 61 als Elektronendurchgang dient. Ebenso
tritt bedingt durch den Überschlag
ein elektrischer Kurzschluss zwischen der Anode 7 und der
Gateelektrode 76 auf. Als Folge davon wird eine hohe Anodenspannung
auf die Gateelektrode 6 aufgebracht, wodurch die Gateisolierschicht 4 unter
der Gateelektrode 6 beschädigt wird und die Widerstandsschicht 3 durch
die Mulde 4a freigelegt. Dieser Schaden kann häufiger auftreten,
wenn die Spannungswerte von Gate und Anode zunehmen.
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US 5,952,987 beschreibt
eine Feldemissionsanzeige mit einer Spitzenanordnung.
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WO
98/44526 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstruktur
für eine
Flachanzeigevorrichtung und die Kathodenstruktur. Die Emitter sind
aus Material gebildet, typischerweise Nickel, und die Emitter sind
beschichtet, typischerweise mit einem kohlenstoffhaltigen Material,
um die chemische Stabilität
zu verbessern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Zur
Lösung
der oben genannten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Feldemissionsvorrichtung (FED) zur Verfügung zu stellen, die bei niedrigen
Gateanschaltspannungen mit hohen Emissionsstromdichten funktioniert,
und ein Verfahren zur Herstellung der FED.
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Eine
Feldemissionsvorrichtung (FED) umfasst: ein Substrat (100),
eine über
dem Substrat (100) ausgebildete Kathode (120);
auf der Kathode ausgebildete Mikrospitzen (150); eine Gateisolierschicht
(140) mit Mulden (140a), in denen jeweils eine
einzelne Mikrospitze (150) gelegen ist, wobei die Gateisolierschicht
(140) über
dem Substrat (100) ausgebildet ist; und eine Gateelektrode
(160) mit Gates (160a), die mit den Mulden derart
ausgerichtet sind, dass jede der Mikrospitzen (150) durch
ein entsprechendes Gate freigelegt ist, wobei die Gateelektrode
auf der Gateisolierschicht ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospitzen Oberflächenmerkmale
im Nanomaßstab
aufweisen, die mit den Mikrospitzen integral ausgebildet sind.
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Es
ist bevorzugt, dass eine Widerstandsschicht über oder unter der Kathode
ausgebildet ist oder Widerstandsschichten über oder unter der Kathode
in der FED ausgebildet sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionsvorrichtung
(FED) gemäß Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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Es
ist bevorzugt, dass die kohlenstoffhaltige Polymerschicht aus Polyimid
oder Photoresist gebildet wird. Die kohlenstoffhaltige Polymerschicht
kann durch reaktives Ionenätzen
(RIE, reactive ion etching) geätzt
werden. Die Oberflächenstrukturen
im Nanomaßstab
der Mikrospitzen können
durch Verändern
der Ätzraten
der kohlenstoffhaltigen Polymerschicht und der Mikrospitzen eingestellt
werden. Es ist bevorzugt, dass die Ätzraten durch Verändern des Sauerstoffs
zum Gas für
die Mikrochips im Reaktionsgas, Plasmaenergie oder Plasmadruck während des Ätzprozesses
eingestellt werden.
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Es
ist bevorzugt, dass die Mikrospitzen aus mindestens einem ausgewählt aus
der Gruppe von Molybdän
(Mo), Wolfram (W), Silicium (Si) und Diamant gebildet werden.
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Es
ist bevorzugt, dass das Reaktionsgas eine Gasmischung aus O2 und Gas auf Basis von Fluor ist wie CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 oder SF6/CHF3/O2.
Alternativ kann das Reaktionsgas eine Gasmischung aus O2 und
Gas auf Basis von Chlor sein wie Cl2/O2, CCl4/O2 oder Cl2/CCl4/O2.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Der
obige Gegenstand und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
besser ersichtlich durch eine ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer herkömmlichen
Feldemissionsvorrichtung (FED) ist;
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2 eine
Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer FED gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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3 und 5 Schnittansichten
sind, die Herstellungsprozesse einer FED gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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6 eine
Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM) ist, die einen Schnitt des
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten FED zeigt;
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7 eine
SEM-Aufnahme ist, die die Konfiguration einer Mikrospitze der FED
von 6 zeigt;
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8 ein
Schaubild ist, das vergleichend die Strom-Gatespannungs-Kurve einer herkömmlichen FED
und der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten FED zeigt;
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9 eine
Frontaufnahme der herkömmlichen
FED mit geringer Gleichmäßigkeit
der Helligkeit ist; und
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10 eine
Frontaufnahme der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
FED ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun umfassender mit Bezug zu den begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Mit Bezug zu 2, die eine
Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung
(FED) gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. In 2 ist eine Kathode 120 über einem
Substrat 100 mit einem Metall wie Chrom (Cr) gebildet und
eine Widerstandsschicht 130 ist über der Kathode 120 mit
einem amorphen Silicium ausgebildet. Eine Gateisolierschicht 140 mit
einer Mulde 140a, durch die der Boden der Widerstandsschicht 130 freigelegt
ist, ist auf der Widerstandsschicht 130 mit einem Isoliermaterial
wie SiO2 ausgebildet. Die Verwendung der
Widerstandsschicht 130 ist optional. Mit anderen Worten,
Bildung der Widerstandsschicht 130 kann weggelassen werden,
so dass die Kathode 120 durch die Mulde 140a freigelegt
ist. Eine Mikrospitze 150, die ein Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist, ist in der Mulde 140a auf der Widerstandsschicht 130 mit
einem Metall wie Molybdän
(Mo) ausgebildet. Eine Mikrospitze 150 ist eine Ansammlung
einer großen
Zahl von Nanospitzen mit Oberflächenstrukturen
im Nanomaßstab.
Die Mikrospitze 150 ist aus Mo, W, Si oder Diamant gebildet
oder einer Kombination dieser Materialien.
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Eine
Gateelektrode 160 mit einem mit der Mulde 140a ausgerichteten
Gate 160a ist auf der Gateisolierschicht 140 ausgebildet.
Eine Anodenelektrode (nicht gezeigt) ist über der Gateelektrode 160 ausgebildet
und eine Abdeckung (nicht gezeigt), die zusammen mit dem Substrat 100 einen
Vakuumraum bildet, ist außerhalb
der Anodenelektrode gelegen.
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Die
Anodenelektrode ist auf der Innenseite der Anodenelektrode gebildet.
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In
der FED mit der oben beschriebenen Konfiguration kann eine große Menge
an Elektronen von der Mikrospitze 150 emittiert werden,
selbst bei geringer Gatespannung, da die Mikrospitze 150 eine
Ansammlung einer Anzahl von Nanospitzen ist, die Oberflächenstrukturen
im Nanomaßstab
aufweisen. Mit anderen Worten, die FED weist hohe Emissionsstromdichten
bei geringen Gatespannungen auf, wodurch sich der Energieverbrauch
senkt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Verfahren zur Herstellung einer FED gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nun beschrieben. In 3 sind eine Kathode 120,
eine Widerstandsschicht 130, eine Gateisolierschicht 140 mit
einer Mulde 140a und eine Gateelektrode 160 mit
einem Gate 160a auf einem Halbleiterwafer 100 in
Abfolge nach einem herkömmlichen
Verfahren ausgebildet und dann wird eine Mikrospitze 150 in
der Mulde 140a auf der Widerstandsschicht 130 ausgebildet.
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In 4 wird
durch Spin-Coating Polyimid so über
der Anordnung abgeschieden, dass es eine bestimmte Dicke aufweist,
was zu einer kohlenstoffhaltigen Polymerschicht 190 führt. Die
kohlenstoffhaltige Polymerschicht 190 wird durch Spin-Coating,
Weicherwärmen
und dann Härten
ausgebildet und die Dicke der kohlenstoffhaltigen Polymerschicht 190 liegt im
Bereich von 3 bis 150 μm.
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Danach
wird wie in 5 gezeigt die kohlenstoffhaltige
Polymerschicht 190 durch Plasmaätzen geätzt. Ein Gasgemisch, das O2 als Hauptkomponente enthält und ein
Gas auf Fluorbasis wie CF4, SF6 oder
CHF3 kann als Reaktionsgas verwendet werden.
Das Gasgemisch kann CF4/O2,
SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 oder SF6/CHF3/O2 sein.
Alternativ kann ein Gasgemisch aus O2 und
einem Gas auf Chlor basis, zum Beispiel Cl2/O2, CCl4/O2 oder Cl2/CCl4/O2 als Reaktionsgas verwendet
werden.
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Kohlenstoffhaltige
Polymerschichten wie Polyimid oder Photoresist werden durch trockenes
Plasmaätzen
unter Verwendung von O2 in eine grasartige Struktur
geätzt.
Die grasartige Struktur beschreibt grobe Oberflächenmerkmale der erhaltenen
Struktur aufgrund unterschiedlicher Ätzraten über Bereiche der kohlenstoffhaltigen
Polymerschicht. Der Zusatz von O2 zum Gas
auf Basis von Fluor oder Chlor dient dem Erhöhen der Ätzrate der Polyimidschicht,
so dass die Mikrospitze 150 unter der kohlenstoffhaltigen
Polymerschicht durch Plasma geätzt
werden kann. Die Ätzrate
der Mikrospitze 150 durch Plasma kann durch Verändern des
O2 zum Gas auf Chlorbasis, dem Plasmadruck
und der Plasmaenergie beim Plasmaätzen der kohlenstoffhaltigen
Polymerschicht 190 eingestellt werden. Da die kohlenstoffhaltige
Polymerschicht 190 in eine grasartige Struktur geätzt wird,
bleibt die kohlenstoffhaltige Polymerschicht 190 vorübergehend
und statistisch verteilt über
der Mikrospitze 150. Die auf der Mikrospitze 150 verbleibende kohlenstoffhaltige
Polymerschicht wirkt als Maske für weiteres Ätzen der
Mikrospitze 150. Wenn das Ätzen fortgesetzt wird, wird
die kohlenstoffhaltige Polymerschicht 190 von der Mikrospitze 150 entfernt
und die Mikrospitze 150 wird geätzt. Als Folge davon verändert sich
die ursprünglich
glatte Oberfläche
der Mikrospitze 150 in die Oberfläche mit Strukturen im Nanomaßstab, wie
in 2 gezeigt. 6 ist eine
Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM), die die Mikrospitze, Gateisolierschicht
und Gateelektrode zeigt, die auf dem Substrat ausgebildet sind,
und 7 ist eine vergrößerte Ansicht der Mikrospitze von 6.
Wie in den 6 und 7 gezeigt
ist, weist die Mikrospitze als eine Ansammlung von Nanospitzen eine
Oberflächenstruktur
im Nanomaßstab auf.
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Als
Testergebnis ist die Gateanschaltspannung der nach dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung gefertigten FED im Vergleich zu einer
her kömmlichen
FED um ungefähr
20 V reduziert und die Arbeitsspannung (ein Spannungswert bei einer
relativen Einschaltdauer 1/90 und einer Frequenz von 60 Hz) ist
um ungefähr
40–50
V gesenkt. Die Höhe
der Mikrospitze und die Größe der Nanospitzen
kann durch Einstellen der Ätzverhältnisse
oder Ätzraten der
kohlenstoffhaltigen Polymerschicht und der Mikrospitze beim Plasmaätzen verändert werden,
wie es zuvor beschrieben wurde. Zum Beispiel können die Ätzraten der kohlenstoffhaltigen
Polymerschicht und der Mikrospitze durch Verändern des O2 zum Ätzgas für die Mikrospitze
in einem verwendeten Reaktionsgas, dem Plasmadruck oder der Plasmaenergie
beim Ätzprozess
eingestellt werden.
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8 ist
ein Schaubild, das vergleichend die Strom-Gatespannungs-Kurve einer herkömmlichen FED
und der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten FED zeigt. Wie in 8 gezeigt
ist der Stromwert der erfinderischen FED höher als der der herkömmlichen
FED bei den selben Gatespannungswerten und 10-mal höher als
die bei der höchsten
Gatespannung.
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Die 9 und 10,
die Frontaufnahmen der herkömmlichen
FED und der erfinderischen FED aufgenommen mit einer Digitalkamera
sind, zeigen vergleichend die Gleichmäßigkeit der Helligkeit der herkömmlichen
FED und der erfinderischen FED. Wie in den 9 und 10 gezeigt
ist die Gleichmäßigkeit
der Helligkeit der FED gemäß der vorliegenden
Erfindung besser als die der herkömmlichen FED. Die erfinderische
FED zeigt ausgezeichnete Gleichmäßigkeit
der Helligkeit.
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Im
Gegensatz zur herkömmlichen
FED, bei der die Mikrospitzen glatte Oberfläche besitzen, weist die FED
gemäß der vorliegenden
Erfindung Mikrospitzen mit Oberflächenstrukturen im Nanomaßstab auf
als eine Ansammlung einer großen
Anzahl von Nanospitzen. Die erfinderische FED weist hohe Emissionsstromdichten
bei niedrigen Gatean schaltspannungen auf, und daher ist die Helligkeit
der FED erhöht.
Außerdem
ist das Auftreten von Bogenüberschlägen in der
FED aufgrund der reduzierten Gateanschaltspannungswerte unterdrückt.
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Während diese
Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Details an den beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden
können,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.