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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsvorrichtungen
mit einem Linsenaufbau für
einen Elektronenemitter, insbesondere die Vorrichtungen, die in
Massenspeichern und Anzeigegeräten
benutzt werden, die häufig
in vielen elektronischen Geräten
eingebaut sind.
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Die
Computertechnologie wird immer kostengünstiger bei gleichzeitiger
Steigerung der Leistungsfähigkeit.
Damit sich dieser positive Trend in der Computertechnologie fortsetzen
kann, müssen
Peripheriegeräte
wie Massenspeicher und Anzeigegeräte ständig verbessert werden. In
der Fachpresse wurde viel Kritik darüber laut, dass Massenspeichergeräte wie Plattenlaufwerke,
CD-ROMs und DVD-Laufwerke, um nur einige zu nennen, kaum mit der
steigenden Geschwindigkeit der Mikroprozessoren in den gängigen Personalcomputern
Schritt halten können.
Bei Festplattenspeichern hat sich beispielsweise die Speicherdichte
während
der letzten zehn Jahre enorm erhöht,
aber ein weiterer Fortschritt ist aufgrund physikalischer Beschränkungen
nicht möglich. Obwohl
einige Festplattenlaufwerke miniaturisiert wurden, um in tragbaren
Geräten
eingesetzt zu werden, ist ein längerer
Batteriebetrieb noch immer durch den hohen Leistungsbedarf beschränkt. Es
besteht Bedarf an einer energieeffizienteren Speichervorrichtung
hoher Dichte.
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Bei
Anzeigegeräten,
wie z. B. LCD-Monitoren, ist es aufgrund der Komplexität, diese
nahezu fehlerfrei herzustellen, schwierig, der Nachfrage nachzukommen.
Des weiteren wird bei passiver LCD-Technologie zusätzlich Hintergrundbeleuchtung benötigt, um
eine Betrachtung bei unterschiedlichen Umgebungslichtverhältnissen
zu ermöglichen.
Diese Hintergrundbeleuchtung erfordert zusätzliche Leistung, wodurch sich
ein Langzeit-Batteriebetrieb weiter reduziert. Elektronenstrahltechnologie
wird seit vielen Jahren in Verbraucherprodukten wie z. B. Fernseh-(TV)-Röhren und
Computerbildschirmen eingesetzt. In diesen Geräten werden so genannte Heizkathodenelektroden
zum Erzeugen einer Quelle von Elektronen eingesetzt, die auf den
Bildschirm gerichtet und fokussiert sind. Obwohl sich die Forschung
inzwischen auf eine Vielzahl neuer technologischer Gebiete erstreckt,
hat das Gebiet der Kaltkathoden-Elektronenemitter,
wie z. B. Spindt-Spitzen und Flachemitter, die Aufmerksamkeit vieler
Hersteller erregt. Es gibt einige Probleme bei der Umsetzung dieser
Kaltkathoden-Technologie
auf Produkte. Eines dieser Probleme stellt die Erzeugung einer Elektronenfokussierungsstruktur
dar, die in mehreren Anwendungen verwendet werden kann, die eine
hohe Dichte an Emissionsvorrichtungen erfordern, wie z. B. bei Massenspeichern
und Anzeigegeräten.
Für gewöhnlich erfordern
diese Anwendungen ein hohes Spannungspotential zwischen der Elektronenerzeugungsquelle
(gewöhnlich
als Kathode bezeichnet) und der Medien- oder Betrachtungsoberfläche (gewöhnlich als
Anode bezeichnet). Bei der Herstellung von kompakten Geräten besteht
allerdings nur eine sehr kurze Distanz zwischen der Anode und der
Kathode. Durch diese kurze Distanz ist es schwierig, einen konsistenten
engen Fokus der Elektronen von der Kathode auf die Anode zu erzielen.
Kann ein konsistenter enger Fokus erzielt werden, sind aufgrund kleinerer
Bitabstände
höhere
Speicherdichten möglich.
Da die Anode und Kathode auf unterschiedlich hohem Spannungspotential
gehalten werden, erzeugt eine durch das hohe Spannungspotential
erzeugte elektrostatische Kraft eine Anziehungskraft zwischen denselben.
Diese Anziehungskraft erzeugt zusätzliche Probleme, besonders
bei beweglichen Komponenten, die diese Kraft überwinden müssen, wie z. B. die Medienoberflächen-Massenspeicher. Tatsächlich muss
ein Motor, der die Medienoberfläche
steuert, zusätzliche
Leistung aufnehmen, was sich auf die Lebensdauer der Batterie in
tragbaren Produkten auswirkt. In Anzeigegeräten kann diese nicht erwünschte Kraft
zu einer unerwünschten
Biegung oder Torsionsspannung führen.
Solange diese unerwünschte
Anziehungskraft nicht reduziert oder eliminiert werden kann, kann
sich der Einsatz der Kaltkathoden-Elektronenemissionstechnologie verzögern. Daher
besteht Bedarf an einer neuen Linsenstruktur, die die Anziehungskraft
zwischen der Anoden- und der Kathodenstruktur minimiert, während gleichzeitig
eine Toleranz gegenüber
Herstellungsprozessschwankungen aufrechterhalten wird.
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Das
U.S.-Patent 5,850,120 an Okamato beschreibt einen Emitter mit einer
Linsenschicht und einer ternären
Gate-Elektrodenschicht,
die zwischen der Linsenschicht und einer Anode angeordnet ist. Die
ternäre
Elektrodenschicht hat den Zweck, die Streuung des Elektronenstrahls,
der von der Kathode emittiert wird, zu minimieren und den Gatestrom
zu reduzieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist durch den Gegenstand von Anspruch 1 definiert.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel:
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Eine
Elektronenlinse wird zum Fokussieren der Elektronen von einer Kathode
auf eine Anode verwendet. Die Linse umfasst eine erste leitfähige Schicht
mit einer ersten Öffnung
an einem ersten Abstand von der Kathode. Die erste leitfähige Schicht wird
auf einer ersten Spannung gehalten. Die Linse umfasst auch eine
zweite leitfähige
Schicht mit einer zweiten Öffnung
an einem zweiten Abstand von der ersten leitfähigen Schicht und an einem
dritten Abstand von der Anode. Die zweite leitfähige Schicht wird auf einer
zweiten Spannung gehalten, die im wesentlichen gleich ist wie die
Spannung der Anode. Die erste und die zweite Öffnung werden basierend auf
der ersten Spannung, der zweiten Spannung, dem ersten Abstand, dem
zweiten Abstand und dem dritten Abstand gewählt. Die zwischen der Kathode und
der Anode erzeugte Kraft wird durch die Struktur der Linse minimiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser
verständlich.
Die einzelnen Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu
zueinander. Vielmehr wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Erfindung deutlich
darzustellen. Des weiteren bezeichnen in den verschiedenen Ansichten
gleiche Bezugszeichen ähnliche,
sich entsprechende, jedoch nicht notwendigerweise exakt gleiche
Teile.
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1A ist
eine Draufsicht einer fokussierenden Elektronenlinse für einen
Elektronenemitter.
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1B ist
ein Querschnitt der in 1A abgebildeten fokussierenden
Elektronenlinse entlang der I-I-Perspektive.
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2A ist
eine Draufsicht einer Feldemissionsvorrichtung mit einer fokussierenden
Elektronenlinse, die ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst.
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2B ist
ein Querschnitt der Feldemissionsvorrichtung mit der in 2A abgebildeten
fokussierenden Elektronenlinse entlang der II-II-Perspektive.
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3 ist
eine Darstellung der Feldemissionsvorrichtung mit der in 2A abgebildeten
fokussierenden Elektronenlinse im Betrieb sowie charakteristischen Äquipotentialflächen.
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4 ist
eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
mit einer flachen Emitterkathode.
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5 ist
eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung
mit einer Mehrzahl von Spindt-Spitzen-Elektronenemittern.
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6 ist
eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
das in einem Anzeigegerät
verwendet wird.
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7 ist
eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung
zur Verwendung in einem Anzeigegerät.
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8 ist
eine Darstellung eines fünften
Ausführungsbeispiels
der Erfindung zur Verwendung in einem Massenspeicher.
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9 ist
eine Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung
zur Verwendung in einem Massenspeicher.
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10 ist
ein Blockdiagramm einer elektronischen Vorrichtung, die Vorrichtungen
enthält,
die Ausführungsbeispiele
der Erfindung umfassen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein
Verfahren, um die Anziehungskräfte
zwischen Kathoden und Anoden zu minimieren, ist die Verwendung einer
koplanaren Linse und Abschirmung, wie die Darstellung der Feldemissionsvorrichtung
in 1A und 1B erläutert. 1A ist
eine Draufsicht der Feldemissionsvorrichtung. 1B ist ein
Querschnitt der Feldemissionsvorrichtung aus 1A mit
Blick in die I-I-Perspektive zusammen mit einer charakteristischen
Anode 30. Auf oder in einer Kathode 10 ist ein
Elektronenemitter 20 angeordnet, um einen Elektronenstrahl
zu erzeugen. Auf der Kathode ist vorzugsweise eine dielektrische
Schicht 12 angeordnet, um eine elektrische und vorzugsweise auch
thermische Isolierung zu liefern. Auf der dielektrischen Schicht 12 ist
eine koplanare Linse 16 und vorzugsweise eine koplanare
Abschirmung 14 angeordnet. Die Abschirmung-Linsen-Beabstandung 22 trennt
die koplanare Linse 16 von der koplanaren Abschirmung 14.
In der koplanaren Linse 16 befindet sich eine koplanare
Linsenöffnung 18 zur
Erzeugung eines elektrostatischen Feldes, das sich auf den Elektronenstrahl
auswirkt, und zwar vorzugsweise durch Fokussieren des Elektronenstrahls
von dem Elektronenemitter 20 auf eine Anode 30,
die durch die Abschirmung-Linsen-Beabstandung 24 von der koplanaren
Linse 16 und der koplanaren Abschirmung 14 getrennt
ist. Vorzugsweise befindet sich die koplanare Abschirmung 14 auf
oder nahe dem Potential der Anode 30 und wird verwendet,
um die Anziehungskraft zwischen den Strukturen der Anode 30 und
der Kathode 10 zu minimieren. Obwohl diese Struktur die
Anziehungskraft zwischen den Strukturen der Anode 30 und
der Kathode 10 reduziert, bleibt eine Anziehungskraft 26 aufgrund
des unterschiedlichen Spannungspotentials zwischen der koplanaren
Linse 16 und der Anode 30. Diese Anziehungskraft 26 beschränkt den
Abstand zwischen der Anode 30 und der Kathode 10.
Ist die Anode 30 eine Medienoberfläche, z. B. bei einem Massenspeicher, muss
der Motor zum Bewegen der Medienoberfläche mehr Leistung aufbringen,
um die Anziehungskraft 26 zu überwinden, wodurch mehr Leistung
verbraucht wird und/oder ein größerer Motor
benötigt wird.
Ist die Anode 30 eine Anzeigeoberfläche, erfordert die Anziehungskraft
dickeres Anzeigesubstrat oder mehr Abstandsmaterial, wodurch sich
sowohl die Herstellungskosten als auch das Gewicht erhöhen. Werden
die Anode 30 und die elektronische Linse auf großer Distanz
gehalten, wird die Anziehungskraft minimiert. Aufgrund dieses großen Abstandes jedoch
wird die Größe des fokussierten
Punktes auf der Anode 30 sehr empfindlich gegenüber geringfügigen Abweichungen
in der Linsen- und Abschirmgeometrie, die durch Herstellungsprozesse
bewirkt werden. Die durch den Herstellungsprozess verursachte Teil-zu-Teil-Abweichung
begrenzt die Punktgröße auf mehr,
als es für
einige Anwendungen notwendig ist.
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2A und 2B erläutern die
Architektur und den Entwurf einer elektronischen Linse, die zu einer
geringeren Anziehungskraft, und zwar vorzugsweise weniger als 0,03
Newton/cm2, und zu mehr Toleranz gegenüber Abweichungen
im Herstellungsprozess führt. 2A ist
eine Draufsicht einer Feldemissionsvorrichtung der Erfindung, die
die Linsenstruktur umfasst. 2B ist
eine Querschnittsansicht der in 2A abgebildeten
Feldemissionsvorrichtung entlang der II-II-Perspektive und umfasst
die Struktur einer Anode 30. Auf oder in der Kathode 10 ist
ein Elektronenemitter 20 angeordnet. Der Elektronenemitter
erzeugt unter Verwendung einer zwischen der Abschirmschicht 32 und
der Kathode 10 angeordneten Linsenschicht 36 einen
Elektronenstrahl, der auf die Anode 30 fokussiert ist.
Die Abschirmschicht 32 ist zwischen der Linsenschicht 36 und
der Anode 30 angeordnet. Die Linsenschicht 36 weist
eine Linsenöffnung 38 auf,
die verwendet wird, um den Elektronenstrahl auf die Anode 30 zu
fokussieren. Die Abschirmschicht 32 weist eine Abschirmöffnung 34 auf,
die vorzugsweise denselben Durchmesser wie die Linsenöffnung 38 aufweist
und es ermöglicht,
dass der Elektronenstrahl durch die Abschirmschicht 32 und
auf die Anode 30 verlaufen kann. Die Linsenschicht 36 ist
vorzugsweise auf einer ersten dielektrischen Schicht 13 aufgebracht.
Die Abschirmschicht 32 ist vorzugsweise auf einer zweiten dielektrischen
Schicht 15 aufgebracht. Die Linsenschicht 36,
die erste dielektrische Schicht 13, die zweite dielektrische
Schicht 15 und die Abschirmschicht 32 sind vorzugsweise
unter Verwendung von Halbleiter- oder Anzeigendünnfilmtechnologie auf der Kathode 10 integriert,
wodurch eine Kathodenstruktur 11 erzeugt wird. Die Linsenschicht 36 ist durch
eine erste Distanz 48 von der Kathode 10 getrennt.
Die Abschirmschicht 32 ist durch eine zweite Distanz 46 von
der Linsenschicht 36 getrennt. Die Linsenschicht 32 ist
durch eine dritte Distanz 24 von der Anode 30 getrennt.
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Vorzugsweise
liegt die Summe aus der zweiten Distanz 46 und der dritten
Distanz 24 ungefähr
im Bereich von ein- bis zweimal der Distanz der ersten Distanz 48.
So sind z. B. bei einem Ausführungsbeispiel
die erste Distanz 48 und die zweite Distanz 46 im
wesentlichen gleich zueinander und größer als die dritte Distanz 24,
die die Anode 30 von der Kathodenstruktur 11 trennt.
Die Abmessungen der Linsenöffnung 38 und
der Abschirmöffnung 34 sind
so gewählt,
dass die Elektronen, die von dem Elektronenemitter 20 emittiert
werden, eine Punktabbildung von weniger als 40 Nanometern auf der
Anode 30 bilden. Auch die Spannungen, die an die Linsenschicht 36, die
Abschirmschicht 34 und die Anode 30 angelegt werden,
wirken sich in bezug auf die Spannung, die an die Kathode 10 angelegt
wird, auf die Punktgröße aus.
Die Spannungen, die an die verschiedenen Schichten angelegt werden,
wirken sich auch auf die Anziehungskraft 26 aus.
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So
stellt 3 beispielhaft das elektrische Feld 42 dar,
das für
die elektronische Linse auf der Feldemissionsvorrichtung von 2A und 2B erstellt
wurde. Die elektrostatischen Kräfte,
die durch das Anlegen verschiedener Spannungen an die Kathode 10,
die Linsenschicht 36, die Abschirmschicht 32 und
die Anode 30 entstehen, erzeugen das elektrische Feld 42.
Durch die Erzeugung des elektrischen Feldes 42 wird die
Feldemissionsvorrichtung 20 zu einem fokussierten Elektronenemitter 130.
Das elektrische Feld 42 modifiziert die Richtung des Elektronenstrahls,
der von dem Elektronenemitter 20 emittiert wird, um so
einen fokussierten Strahl 40 zu erzeugen, der eine Punktabbildung 44 auf
der Anode 30 erzeugt. Vorzugsweise sind die Materialien
der ersten dielektrischen Schicht 13 und der zweiten dielektrischen
Schicht 15 so gewählt,
dass sie das elektrische Feld 42 minimal beeinträchtigen.
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Die
erste dielektrische Schicht 13 und die zweite dielektrische
Schicht 15 können
aus demselben oder unterschiedlichem dielektrischen Material bestehen.
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Die
Elektronenlinse und die Emitter werden vorzugsweise aus Halbleiterbauelement-Technologie hergestellt.
Die Bauelemente der vorliegenden Erfindung sind auf einen großen Bereich
von Halbleiterbauelement-Technologien anwendbar und können aus
einer Vielfalt von Halbleitermaterialien hergestellt werden. Die
folgende Beschreibung erläutert
verschiedene derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Halbleiterbauelemente
der vorliegenden Erfindung, wobei diese in Siliziumsubstrate implementiert sind,
da die Mehrzahl der derzeit erhältlichen
Halbleiterbauelemente in Siliziumsubstrate eingearbeitet sind und
die am häufigsten
vorzufindenden Anwendungsformen der vorliegenden Erfindung Siliziumsubstrate
umfassen. Nichts desto trotz kann die vorliegende Erfindung auch
vorteilhafterweise in Galliumarsenid, Germanium und anderen Halbleitermaterialien
eingesetzt werden. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung
nicht auf die Bauelemente, die aus Siliziumhalbleitermaterialien
hergestellt sind, beschränkt
sein, sondern erstreckt sich auch auf jene Bauelemente, die aus
einem oder mehreren der erhältlichen
Halbleitermaterialien hergestellt sind und auf für Fachleute auf diesem Gebiet
verfügbare
Technologien wie z. B. die Dünnfilm-Transistor (TFT)-Technologie, bei
der Polysilizium-auf-Glas-Substrate zur verwendet werden.
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Es
ist zu beachten, dass die Figuren nicht maßstabsgetreu sind. Darüber hinaus
sind verschiedene Teile der aktiven Elemente nicht maßstabsgetreu
gezeichnet. Bestimmte Abmessungen wurden im Vergleich zu anderen
Abmessungen übertrieben dargestellt,
um so eine deutlichere Darstellung und ein besseres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
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Auch
sollte klar sein, dass, obwohl die hier abgebildeten Ausführungsbeispiele
in zweidimensionalen Ansichten dargestellt sind, wobei einige Bereiche
Tiefe und Breite aufweisen, diese nur Darstellungen eines Teilbereichs
einer Vorrichtung sind, die tatsächlich
eine dreidimensionale Struktur ist. Dementsprechend haben diese
Bereiche drei Dimensionen, nämlich
Länge,
Breite und Tiefe, wenn sie auf einer tatsächlichen Vorrichtung hergestellt
sind. Darüber hinaus
muss darauf hingewiesen werden, dass, auch wenn die vorliegende
Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die auf aktive
Vorrichtungen gerichtet sind, dargestellt ist, diese Darstellungen
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
den Schutzbereich oder die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung
nicht beschränken
sollen. Es ist nicht beabsichtigt, dass die aktiven Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung sich auf die dargestellten physikalischen
Strukturen beschränken.
Diese Strukturen sind aufgenommen, um den Gebrauch und die Anwendung
der vorliegenden Erfindung anhand der derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele
zu demonstrieren.
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4 ist
eine beispielhafte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
unter Verwendung eines Flachemitters 21 als eine Elektronenquelle.
Der Flachemitter 21 weist eine Flachemitterkathode 58 auf,
die durch eine Isolationsschicht 56, wie z. B. TiOx, SiC oder SiN, um einige zu nennen, von
einem Substrat 54 getrennt ist, und zwar vorzugsweise einem
Siliziumsubstrat, obwohl auch andere leitfähige Substrate eingesetzt werden
können. Es
gibt auch verschiedene andere, den Fachleuten bekannte Isolationsschichtmaterialien.
Eine Emitterspannungsquelle 62 ist durch einen Kontakt 52 an das
Substrat 54 und an die Flachemitterkathode 58 angeschlossen.
Die angelegte Spannung beträgt
typischerweise 5–20
Volt, und dieses Potential erzeugt ein Tunneln der Elektronen über der
Isolierschicht 56. Eine ausreichende Anzahl getunnelter
Elektronen hat genügend
Energie, um der Flachemitterkathode 58 zu entströmen und
eine Elektronenemission 50 zu erzeugen. Eine Linsenschicht 36 ist
an einer ersten Distanz 48 von der Flachemitterkathode 58 angeordnet,
z. B. etwa 5 Mikrometer. Die Linsenschicht 36 ist mit einer
Linsenspannungsquelle 64 verbunden. Die an die Linsenschicht
angelegte Spannung wird verwendet, um ein elektrisches Feld 42 in
der Linsenöffnung 38 zu
erzeugen, um die Elektronenemission 50 von der Flachemitterkathode 58 zu
fokussieren. So wird z. B. vorzugsweise die Spannung der Linsenschicht 36 auf
etwa 0 Volt eingestellt. An einer zweiten Distanz, z. B. ungefähr 5 Mikrometer,
ist eine Abschirmschicht 32 zwischen der Linsenschicht 36 und der
Anode 30, wie z. B. einer Anzeige oder Medienoberfläche, platziert.
Die Anode 30 ist an einer dritten Distanz 24,
z. B. etwa 2 Mikrometer oder weniger, über der Abschirmschicht 32 angeordnet.
Vorzugsweise sind die Abschirmschicht 32 und die Anode 30 wie
dargestellt mit der gleichen Anodenspannungsquelle 66 von
vorzugsweise mehr als 500 Volt, z. B. etwa 700 Volt, verbunden.
Optional können
die Abschirmschicht 32 und die Anode 30 auch einen
kleinen Spannungsunterschied aufweisen, um Spannungsabfälle oder
andere in der Herstellung von elektrischen Schaltungen häufig vorzufindende
Verluste zu berücksichtigen.
Auch kann durch geringfügige
Regulierung der Differentialspannung zwischen der Abschirmschicht 32 und
der Anode 30 die Fokussierung feineingestellt werden. Werden
die Abschirmschicht 32 und die Anodenschicht 30 auf
einem im wesentlichen gleichen Spannungspotential gehalten, minimiert
sich die Größe der elektrostatischen
Anziehungskraft zwischen der Anode und der Kathode, um die nahe
dritte Beabstandung zwischen der Anode 30 und der Abschirmschicht 32 zu
ermöglichen.
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5 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem der Elektronenemitter aus einer Gruppe von einem
oder mehreren Spindt-Spitzen-Emittern 60 besteht, mittels
derer die Elektronenemission 50 erzeugt wird. Die Spindt-Spitzen-Emitter 68 werden
mittels eines der verschiedenen, den Fachleuten bekannten, Prozesse
auf dem Substrat 54 erzeugt, das vorzugsweise aus Silizium besteht.
Das Sub strat 54 weist zum Liefern eines Bezugspunkts zum
Einstellen der Spannungen an den Spindt-Spitzen-Emittern 68,
der Linsenschicht 36, der Abschirmschicht 32 und
der Anode 30 einen Kontakt 52 auf. Die Spindt-Spitzen-Emitter 68 werden
auf eine Emitterspannung 62 von vorzugsweise etwa 5–20 Volt
eingestellt. Aufgrund der spitzen Form der Spindt-Spitzen wird das
elektrische Feld verstärkt, und
Elektronen werden zur Spitze gezogen und emittiert, um die Elektronenemission 50 zu
erzeugen. Die Linsenschicht 36 weist eine Öffnung 31 auf,
durch die der Elektronenstrahl 50 läuft und fokussiert wird, um auf
der Anode 30 einen fokussierten Strahl 40 zu bilden,
der vorzugsweise eine Punktgröße von weniger als
40 Nanometern im Durchmesser, oder gar von weniger als 10 Nanometern
im Durchmesser, aufweist. Bei diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel beträgt die Öffnung 38 vorzugsweise
etwa 7,2 Mikrometer. Die Linsenschicht 36 wird auf einem
Linsenspannungspotential 64 von vorzugsweise etwa 0 Volt gehalten,
es können
jedoch auch andere Werte, abhängig
von den für
die Konstruktion der Feldemissionsvorrichtung gewählten tatsächlichen
Abmessungen, verwendet werden. Aufgrund der Spannungspotentialdifferenz
zwischen der Linsenschicht 36, der Abschirmschicht 32,
der Anode 30 und den Spindt-Spitzen-Emittern 60 wird
im Bereich der Linsenöffnung 38 ein
elektrisches Feld 42 erzeugt. Dieses elektrische Feld 42 leitet
die Elektronenemissionen 50 um und fokussiert dieselben.
Die Linsenschicht 36 wird an einer ersten Distanz 48 von
den Spitzen des Spindt-Emitters 68 angeordnet. Die Abschirmschicht 30 wird
auf einem Anodenspannungspotential 66 von vorzugsweise
mehr als 500 Volt, oder noch besser von ungefähr 700 Volt, gehalten. Dieses
Anodenspannungspotential 66 zieht die Elektronen auf die
Oberfläche
der Anode 30. Um eine elektrostatische Anziehung zwischen
den Komponenten der Anode und der Kathode zu verhindern, ist eine
Abschirmschicht 32 zwischen der Linsenschicht 36 und
der Anode 30 angeordnet. Die Abschirmschicht 32 weist
eine Abschirmöffnung 34 von
vorzugsweise derselben Form und Größe wie Linsenöffnung 38 auf.
Die Abschirmschicht 32 ist um eine zweite Distanz 46 von
der Linsenschicht und eine dritten Distanz 24 von der Anodenschicht 30 beabstandet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die erste
Distanz vorzugsweise etwa 5 Mikrometer. Die zweite Distanz ist vorzugsweise
im wesentlichen gleich der ersten Distanz, also 5 Mikrometer, und
die dritte Distanz beträgt
vorzugsweise etwa 2 Mikrometer oder weniger.
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6 ist
eine drittes alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung bei einer konzeptionellen Anzeige 70. Die
Anzeige besteht vorzugsweise aus einem Array von Pixeln 72,
die des weiteren vorzugsweise in einer Rot-, Blau- und Grün-Reihenfolge
angeordnet sind, jedoch auch einfarbig sein können. Die Pixel 72 sind
auf einem Bildschirm 74 gebildet. Ein Emittersubstrat 78 weist
einen oder mehrere Elektronenemitter 20 auf, die als rechteckig
geformte Flachemitter dargestellt sind und einzeln gesteuert werden,
um die Elektronenemissionen 50 zu erzeugen. Mittels einer
Linsenschicht 36, die vorzugsweise aus einer leitfähigen Schicht
besteht, die aus einem Material wie z. B. Aluminium, Gold, einem
anderen Metall oder einem Halbleiter-Dünnfilm
hergestellt ist, werden die Elektronenemissionen 50 fokussiert.
Die Linsenschicht 36 ist zwischen dem Bildschirm 74 und dem
Emissionssubstrat 78 angeordnet. Um die Elektronenemissionen 50 anzuziehen,
wird der Bildschirm 74 typischerweise auf einem Spannungspotential
von größer als
500 Volt, wie z. B. 700 Volt, gehalten. Die Linsenschicht 36 weist
eine Linsenöffnung 38 auf,
die die Elektronenemissionen 50 auf eine Punktgröße auf den
Pixeln 72 auf dem Bildschirm 74 fokussiert. Die
Linsenschicht 36 wird auf einem Spannungspotential relativ
zu der Emitteroberfläche,
wie z. B. negative 20 Volt, gehalten, um ein elektrisches Feld in
und um die Linsenöffnung 38 zu erzeugen,
um wiederum die elektronische Linse zu erzeugen. Die Differenz im
Spannungspotential zwischen dem Bildschirm 74 und dem Emittersubstrat 78 und
Linsenschicht 36 erzeugt eine elektrostatische Anziehungskraft,
die bewirkt, dass der Bildschirm 74 zu der Linsenschicht 36 und
dem Emittersubstrat 78 gezogen wird. Um diese Anziehungskraft
zu minimieren, wird die Abschirmschicht 32 zwischen dem
Bildschirm 74 und der Linsenschicht 36 angeordnet.
Die Abschirmschicht 32 weist Abschirmöffnungen 34 von vorzugsweise
derselben Form und Größe wie die
Linsenöffnung 38 auf,
so dass die Elektronenemissionen 50 durch die Abschirmschicht 32 hindurch
auf den Bildschirm 74 treffen können.
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7 ist
ein viertes alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung in der Form eines integrierten Anzeigegeräts 80.
Das integrierte Anzeigegerät 80 besteht
aus einer Kathode 10, und zwar vorzugsweise aus einem Siliziumsubstrat,
aber optional auch aus einer anderen Art von Halbleiter oder alternativ
einem Glassubstrat. Den Fachleuten sind verschiedene mögliche Substrate
aus solchen Materialien bekannt. Bei diesem beispielhaften Entwurf
weist die Kathode 10 einen Stapel von Dünnfilmschichten 28 auf,
der auf der Kathode 10 erzeugt ist. Der Stapel von Dünnfilmschichten 28 umfasst
vorzugsweise ein Array von Spindt-Spitzen-Emittern 68 oder
optional ein Array von Flachemittern. Die Spindt-Spitzen-Emitter 68 werden hier
als eine einzelne Spindt-Spitze
für jedes
Pixelphosphor 84 dargestellt, es kann jedoch mehr als eine
Spindt-Spitze pro Pixelphosphor 84 vorhanden sein. Jede
Spindt-Spitze 68 kann eine Elektronenemission 50 erzeugen,
die mittels einer Linsenschicht 36 fokussiert wird, welche
in den Stapel von Dünnfilmschichten 28 eingebettet und
zwischen der Bildschirmanode 86 und der Kathode 10 angeordnet
ist. Ebenfalls befindet sich in dem Stapel von Dünnfilmschichten 28 eine
Abschirmschicht 32, die im wesentlichen dieselben Abmessungen
wie die Linsenschicht 36 aufweist, aber auf einem anderen
Spannungspotential gehalten wird, und zwar vorzugsweise auf dem
gleichen Spannungspotential wie das der Bildschirmanode 86,
um so elektrostatische Anziehungskräfte zu reduzieren, die auf
den Bildschirm 82 wirken, und die vorzugsweise aus dünnem Glas
oder einem anderen transparenten Substrat besteht. Die Abschirmschicht 32 ist
zwischen der Linsenschicht 36 und der Bildschirmanode 86 angeordnet.
Der Bildschirm 82 ist durch einen Abstandhalter 88 von
dem Stapel von Dünnfilmschichten 28 um
eine Anode-Abschirmung-Beabstandungsdistanz 24 beabstandet.
Der Abstandhalter 88 ist aus mehreren optionalen Materialien,
die Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind, ausgewählt und
hergestellt. Vorzugsweise stellt der Abstandhalter 88 auch
eine luftundurchlässige
Abdichtung bereit, aber optional kann auch eine alternative Abdichtung 89 oder
ein Haftmittel um die Peripherie des integrierten Anzeigegeräts 80 herum
aufgebracht werden.
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8 ist
ein fünftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Verwendung bei einem konzeptionellen Massenspeicher 90.
Der konzeptionelle Massenspeicher 90 ist beispielhaft mit
vorzugsweise drei Substraten, die in einem vertikalen Stapel angeordnet
sind, dargestellt. Eine Kathode 10 weist einen Stapel von
Dünnfilmschichten 28 auf,
der auf einer Oberfläche
angeordnet ist, der die Elektronenemitter 20, eine Linsenschicht 36 und
eine Abschirmschicht 32 umfasst. Die Elektronenemitter 20 und
die Linsenschicht erzeugen auf einer Medienoberfläche 96 auf einem
Rotorsubstrat 92, das zwischen der Kathode 10 und
einem Statorsubstrat 94 angeordnet ist, einen fokussierten
Strahl 40, der eine kleine Punktgröße, vorzugsweise weniger als
40 Nanometer wie z. B. 10 Nanometer, erzeugt. Die Medienoberfläche 96 auf dem
Rotorsubstrat 92 besteht vorzugsweise aus einem Phasenumwandlungsmaterial,
das durch die Energie des fokussierten Strahls 40 beeinflusst
wird. Das Phasenumwandlungsmaterial kann von einem kristallinen
in einen amorphen Zustand 93 wechseln durch Verwenden eines
hohen Leistungspegels des fokussierten Strahls 40 und schnelles
Verringern des Leistungspegels des fokussierten Strahls 40.
Das Phasenumwandlungsmaterial kann von einem amorphen Zustand 93 in
den kristallinen Zustand wechseln, indem es einen hohen Leistungspegel
des fokussierten Stroms 40 verwendet und diesen langsam verringert,
so dass die Medienoberfläche
Zeit hat, in einen kristallinen Zustand auszuheilen. Ein typisches Material
ist Germanium-Tellurid (GeTe) und auf GeTe basierende Ternärlegierungen.
Ein anderes typisches Material ist Indiumselen (InSe). Auch verschiedene
andere Phasenumwandlungsmaterialien sind den Fachleuten bekannt
und können
eingesetzt werden, ohne von dem Schutzbereich und der Wesensart
der Erfindung abzuweichen. Das Rotorsubstrat 92 und das
Statorsubstrat 94 enthalten eine elektronische Schaltungsanordnung,
die es ermöglicht,
dass sich das Rotorsubstrat 92 in eine erste und vorzugsweise
zweite Richtung bewegen kann, um es einem einzelnen Elektronenemitter 20 zu
ermöglichen, mehrere
Stellen auf der Medienoberfläche
zu lesen und auf dieselben zu schreiben. Um zu verhindern, dass
das Rotorsubstrat 92 von der Kathode 10 angezogen
wird, umfasst der Stapel von Dünnfilmschichten
eine Abschirmschicht 32, die zwischen der Linsenschicht 36 und
dem Rotorsubstrat 92 angeordnet ist.
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Um
von der Medienoberfläche
zu lesen, trifft ein fokussierter Strahl 40 mit niedrigerer
Energie auf der Medienoberfläche
auf ein Medium, der bewirkt, dass Elektronen durch das Mediensubstrat 90 fließen und
von einer Leserschaltung 98 erfasst werden. Die Menge an
erfasstem Strom ist abhängig
von dem Zustand, amorph oder kristallin, der Medienoberfläche, auf
die der fokussierte Strahl 40 trifft. Der Betrieb einer
beispielhaften Leserschaltung 98 ist so gezeigt, dass ein
erster Kontakt 91 mit der Medienoberfläche 96 verbunden ist
und ein zweiter Kontakt 97 mit dem Mediensubstrat 92 verbunden
ist. Strom, der innerhalb des Substrats fließt, wird von dem Verstärker 95 in
Volt umgewandelt, um ein Leser-Ausgangssignal 99 zu erzeugen.
Den Fachleuten sind weitere Leserschaltungen bekannt, die innerhalb
des Schutzbereichs der Erfindung eingesetzt werden können.
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9 ist
ein sechstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das am Beispiel eines integrierten Massenspeichers 100 dargestellt
ist. Der integrierte Massenspeicher 100 umfasst drei Substrate:
eine Kathode 10, ein Rotorsubstrat 92 und ein
Statorsubstrat 94. Das Rotorsubstrat 92 weist
mindestens eine Medienoberfläche
auf einem Abschnitt des Sub strats auf, die sich mittels der elektrostatischen
Schaltungen 104 vorzugsweise in eine erste und eine zweite Richtung
zu bewegen kann, und zwar vorzugsweise in der Funktion eines Schrittmotortyps.
Die bewegbare Medienoberfläche 96 wird
von Federn 102 getragen, die vorzugsweise durch Ätzen des
Rotorsubstrats gebildet sind. Zum Herstellen der bewegbaren Medienoberfläche 96 sind
den Fachleuten mehrere verschiedene mikromechanische System (MEMs)-Architekturen bekannt.
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Der
elektrische Kontakt zwischen dem Statorsubstrat 94 und
dem Rotorsubstrat 92 wird durch die Kontakte 106 hergestellt.
Vorzugsweise befestigt eine Verbindungsabdichtung 108 das
Rotorsubstrat 92 an dem Statorsubstrat 94, und
dichtet vorzugsweise das Innere ab, um eine Vakuumumgebung innerhalb
des integrierten Massenspeichers 100 zu halten. Des weiteren
ist das Rotorsubstrat 92 durch einen Abstandhalter 88,
der ebenfalls vorzugsweise eine luftdichte Abdichtung ist, an der
Kathode 10 befestigt. Optional kann eine alternative Abdichtung 89 anstatt
oder in Verbindung mit dem Abstandhalter 88 eingesetzt
werden, um die Kathode 10 an dem Rotorsubstrat 92 anzuhaften
und/oder sie luftdicht damit zu verbinden.
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Kathode 10 umfasst
einen Stapel von Dünnfilmschichten 28,
die vorzugsweise durch konventionelle Halbleiterprozesse aufgebracht
werden. Der Stapel von Dünnfilmschichten 28 umfasst
einen Satz Elektronenemitter 20, hier abgebildet als Flachemitter,
wobei auch Spindt-Spitzen-Emitter verwendet werden könnten, die
unter Verwendung einer Linsenschicht 36 fokussiert werden,
welche ein elektrisches Feld 42 erzeugt, welches den fokussierten
Strahl 40 auf der Medienoberfläche 96 erzeugt, und
zwar in einer Punktgröße von vorzugsweise
weniger als 40 Nanometern oder noch bevorzugter weniger als 10 Nanometern.
Die Linsenschicht hat vorzugsweise eine Linsenöffnung von ungefähr 7,2 Mikrometern.
Vorzugsweise ist der Raum zwischen der Kathode 10 und dem
Rotorsubstrat 92 luftleer bis auf vorzugsweise einen Wert
von weniger als 10–3 Torr, um zu verhindern,
dass Elektronen, die von den Elektronenemittern 20 emittiert
werden, mit Gas oder anderen Partikeln kollidieren, die die Elektronenemitter 20 beschädigen könnten. Die
Elektronenemitter 20 werden auf einem ersten Spannungspotential
gehalten, um die Elektronen vorzugsweise mittels Tunnelungstechniken
zu erzeugen. Das erste Spannungspotential beträgt vorzugsweise weniger als
25 Volt. Die Linsenschicht 36 wird auf einem zweiten Spannungspotential
gehalten, das vorzugsweise 0 Volt in Bezug zur Masse beträgt, um so
das elektrische Feld 42 zu erzeugen, mittels dem die Elektronen
fokussiert werden. Die Medienoberfläche 96 wird vorzugsweise
auf einem dritten Spannungspotential von vorzugsweise mehr als 500
Volt, wie z. B. 700 Volt, gehalten, um die Elektronen, die von den
Elektronenemittern 20 emittiert werden, anzuziehen. Die
Spannungspotentialdifferenz zwischen der Medienoberfläche 96 und
der Linse 36 erzeugt eine elektrostatische Anziehungskraft,
die dazu neigt, die bewegbare Medienoberfläche des Rotorsubstrats 92 zu
der Kathode 10 hinzuziehen. Der elektrostatische Motor 104 muss
diese Kraft überwinden,
was unter Umständen
den Einsatz größerer Komponenten
nötig macht.
Größere Komponenten
würden
den Leistungsverbrauch und die Herstellungskosten erhöhen. Um
diesen Bedarf an zusätzlicher
Leistung zu vermeiden, wird eine Abschirmschicht 32 in
dem Stapel von Dünnfilmschichten
zwischen der Linsenschicht 36 und der Anode der Medienoberfläche 96 angeordnet,
wodurch diese elektrostatische Anziehungskraft minimiert wird. Vorzugsweise
wird die Abschirmschicht 32 auf etwa derselben Spannung
gehalten wie die Medienoberfläche.
Die Abschirmschicht hat vorzugsweise die gleiche geometrische Form
und Größe der Öffnungen wie
die Linsenschicht, um den Effekt der Abschirmschicht auf den fokussierten
Elektronenstrahl 40 zu minimieren, und zwar vorzugsweise
auf eine Kraft von weniger als 0,03 Newton/cm2 pro
Elektronenemitter 20. Vorzugsweise ist die Linsenschicht
durch eine erste Distanz von vorzugsweise etwa 5 Mikrometern von
den Elektronenemittern getrennt, und die Abschirmschicht ist mittels
einer zweiten Distanz, die vorzugsweise der ersten Distanz gleich
ist, von der Linsenschicht getrennt. Wenn die elektrostatische Kraft
zwischen der Anode 10 und der Medienoberfläche 96 auf
der Anode im wesentlichen ausgeschaltet ist, kann die Beabstandung
zwischen der Medienoberfläche 96 und
der Oberfläche
der Kathode 10 bei einer minimalen Distanz, wie z. B. weniger
als 2 Mikrometer, gehalten werden, so dass der Abstandhalter 88 unter
Verwendung konventioneller Dünnfilm-Sputter-Technologien
aufgebracht werden kann.
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10 ist
ein beispielhaftes Blockdiagramm eine elektronischen Geräts 110,
wie z. B. eines Computers, eines Videospiels, einer Internetanwendung, eines
Endgeräts,
eines MP3-Players oder eines Personaldatenassistenten, um nur einige
zu nennen. Das elektronische Gerät 110 umfasst
einen Mikroprozessor 112, wie z. B. einen Intel Pentium
ProzessorTM, oder einen kompatiblen Prozessor,
obwohl auch andere Prozessoren existieren und den Fachleuten bekannt
sind. Der Mikroprozessor 112 ist an eine Speichervorrichtung 114 angeschlossen,
die einen computerlesbaren Speicher umfasst, der computerausführbare Befehle
speichern kann, die durch den Mikroprozessor 112 verwendet
werden, um Daten und/oder Eingabe-/Ausgabe-Funktionen zu steuern.
Der Speicher 114 kann auch Daten speichern, die durch den
Mikroprozessor 112 manipuliert werden. Der Mikroprozessor 112 ist
ebenfalls mit entweder einer Speichervorrichtung 116 oder
einer Anzeigevorrichtung 118 oder beiden verbunden. Die
Speichervorrichtung 116 und die Anzeigevorrichtung 118 enthalten
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wie es bereits in vorher beschriebenen Figuren und
Texten über
Feldemissionsvorrichtungen der Erfindung mit fokussierenden und
abschirmenden Linsenstrukturen beispielhaft erläutert wurde.
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Es
sollte beachtet werden, dass innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung,
wie er in den angehängten
Ansprüchen
definiert ist, viele Variationen und Änderungen an den offenbarten
Ausführungsbeispielen
vorgenommen werden können.