DE68904831T2

DE68904831T2 - Verfahren zur herstellung einer kalten kathode, einer vorrichtung zur feldemission und eine nach diesem verfahren hergestellte feldemissionseinrichtung.

Info

Publication number: DE68904831T2
Application number: DE8989306659T
Authority: DE
Inventors: James Lance Sander Wales
Original assignee: Thorn EMI PLC
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1988-07-13
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2009-07-01
Also published as: EP0351110B1; JP2806978B2; GB8816689D0; JPH02270247A; US4969850A; EP0351110A1; ATE85729T1; CA1305999C; DE68904831D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltkathoden-Feldemissionsvorrichtung und auf eine nach diesem Verfahren hergestellte Feldemissionsvorrichtung.
US-PS 4,307,507 (Gray et al) offenbart eine Feldemissionsvorrichtung, die dadurch hergestellt wird, daß ein Elektronen emittierendes Material auf einer Oberfläche eines Einkristall-Materials abgelagert wird, das kristallografisch geätzt worden ist, um eine Gruppe von Vertiefungen zu bilden. Das Einkristall-Material wird dann durch Ätzen entfernt, um eine feldemittierende Vorrichtung zu hinterlassen, die eine Vielzahl von scharfen feldemittierenden Spikes aufweist.
Diese und auch andere Techniken (bei denen beispielsweise spontan gewachsene Haarkristalle oder metallische Eutektika verwendet werden) sind sowohl zeitaufwendig als auch teuer.
In der US-PS 4,591,717 (Scherber) ist beispielsweise eine fotoelektrische Feldemissionsvorrichtung für einen fotoelektrischen Detektor beschrieben. Die fotoempfindliche Schicht besteht aus einer Vielzahl von dicht gepackten metallischen, elektrisch leitenden Nadeln, die in vertikaler Ausrichtung auf einem Substrat angeordnet sind. Eine Oxidschicht wird durch anodische Oxidation auf einem Substrat aufgebracht, wobei die Schicht vertikal orientierte Poren aufweist, in denen metallische Haarkristalle so gezüchtet werden, daß sie sich über die Oxidschicht hinaus erstrecken.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Kaltkathoden-Feldemissionsvorrichtung vorzusehen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kaltkathoden-Feldemissionsvorrichtung vorgesehen, das aus den Schritten besteht:
Erzeugen einer Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid mit einer Vielzahl von länglichen Poren, die im wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen der Schicht verlaufen;
Vollständiges Füllen der Poren mit einem Elektronen emittierenden Material und anschließendes Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht, um eine definierte Oberfläche der Schicht zu bilden und um eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Spikes zu erzeugen, die sich von der definierten Oberfläche unter einem Winkel zu dieser erstrecken, wobei eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Strukturen erzeugt wird, von denen jede aus einer Vielzahl von Elektronen emittierenden, zueinander geneigten Spikes besteht.
Eine anodisch oxidierte Aluminiumoxidstruktur, die für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, ist im Handel erhältlich, jedoch für eine völlig verschiedene Anwendung, und so kann die Erfindung eine bequeme, preisgünstige Alternative zu vorhandenen Herstellungsverfahren bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Strukturen erzeugt wird, wobei jede Struktur aus einer Vielzahl von zueinander geneigten, Elektronen emittierenden Spikes besteht. Im Vergleich zu den bekannten Feldeffekt-Elektronen emittierenden Vorrichtungen, die aus anodisch oxidierten Metalloxiden hergestellt werden, bei denen der Abstand der Elektronen emittierenden Spikes im wesentlichen gleich dem Abstand der Poren ist, sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung vor, bei der der Abstand zwischen einzelnen Elektronen emittierenden Strukturen größer als der Abstand der Poren ist. Demzufolge wird durch das erfindungsgemäße Verfahren das Verhältnis des Spitzenradius der Elektronen emittierenden Struktur zum Abstand der Elektronen emittierenden Strukturen verringert, was die Wirkung der Feldelektronenemission begünstigt.
Vor dem Schritt zur Erhaltung wenigstens eines Teils der Schicht kann eine Oberfläche der Schicht geschliffen werden, um ein glattes Finish zu erzeugen, wodurch Elektronen emittierende Spikes gleicher Länge erzeugt werden. Statt dessen oder zusätzlich kann ein gerilltes Finish erzeugt werden, um die Schärfe der Elektronen emittierenden Strukturen zu verbessern.
Das Elektronen emittierende Material kann ein galvanisierbares Metall oder eine Mischung aus galvanisierbaren Metallen oder eine Legierung von galvanisierbaren Metallen sein und aus der Gruppe Kobalt, Nickel, Zinn, Wolfram, Silber, Tellur, Selen, Mangan, Zink, Kadmium, Blei, Chrom und Eisen ausgewählt werden.
Die Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid kann auf einer Aluminiumschicht vorgesehen werden, so daß eine durchgehende Grenzschicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid zwischen den Poren und der Aluminiumschicht vorhanden ist.
Der Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht kann darin bestehen, daß das gesamte anodisch oxidierte Aluminiumoxid mit Ausnahme desjenigen entfernt wird, das die durchgehende Grenzschicht bildet.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vor dem Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht der zusätzliche Schritt vorgesehen, an einer freiliegenden Oberfläche der Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid eine durchgehende Schicht aus dem Elektronen emittierendem Material anzubringen, wobei der Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht sowohl die Entfernung der Aluminiumschicht als auch der durchgehenden Grenzschicht umfaßt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Kaltkathoden-Feldemissionsvorrichtung vorgesehen, die durch das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil einer Feldemissionsvorrichtung
Fig. 2a und 2b eine Querschnittsansicht bzw. eine Raster-Elektronenmikroskop-Darstellung einer gemäß der Erfindung hergestellten Feldemissionsvorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Elektronenröhrenanordnung mit einer Feldemissionsvorrichtung;
Fig. 4 die Strom-Spannungs-Beziehung, die bei Verwendung der Feldemissionsvorrichtung von Fig. 1 gewonnen wird (dargestellt als Fowler-Nordheim-Diagramm);
Fig. 5 die Strom-Spannungsbeziehung, die bei aufeinanderfolgenden Gelegenheiten unter Verwendung der Feldemissionsvorrichtung von Fig. 1 gewonnen wird;
Fig. 6 ein Diagramm des Stroms über der Spannung, das bei Verwendung der Feldemissionsvorrichtung von Fig. 2 gewonnen wird;
Fig. 7 den Vergleich der Strom-Spannungs-Beziehung, die bei Verwendung der Feldemissionsvorrichtungen von Fig. 1 und 2 gewonnen wird; und
Fig. 8 eine andere Feldemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte Feldemissionsvorrichtung besteht aus einer Aluminiumschicht 10, die eine Schicht 11 aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) trägt, d.h. eine Schicht aus Aluminiumoxid, die durch anodische Oxidation von Aluminium gewonnen wird. Die Schicht 11, die typischerweise 15 um dick ist, besitzt eine Vielzahl von länglichen, im wesentlichen zylindrischen Poren (z.B. 12), die sich natürlich während des anodischen Oxidierungsverfahrens ausbilden, und die im wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen (13, 13') der Schicht ausgerichtet sind. Die Poren erstrecken sich nur zu einer der Hauptflächen, wobei sich zwischen den Poren und der Schicht 10 eine durchgehende Grenzschicht 14 aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid befindet, und sie werden vollständig mit einem geeigneten Elektronen emittierenden Material, z.B. Kobalt ausgefüllt, obwohl statt dessen auch andere Elektronen emittierende Materialien, z.B. Nickel, Zinn, Wolfram und andere galvanisierbare Materialien (z.B. Silber, Tellur, Selen, Mangan, Zink, Kadmium, Blei und Chrom) oder Mischungen oder Legierungen aus zwei oder mehr dieser Materialien verwendet werden können. Die resultierende Struktur sieht eine Gruppe von säulenförmigen Elektronen emittierenden Elementen 15 vor, die jeweils einen typischen Durchmesser von 10 bis 100 nm haben, und die etwa 15uum lang sind, wobei benachbarte Elemente voneinander einen Abstand von etwa 50 bis 150 nm haben.
Eine Struktur, die ähnlich ausgebildet ist wie in Fig. 1 ist im Handel erhältlich. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Struktur haben die im Handel erhältlichen Strukturen jedoch unregelmäßig gefüllte Poren, wobei einige der Poren nur teilweise gefüllt sind. Es kann daher erwünscht sein, zusätzliches Elektronen emittierendes Material aufzubringen, um sicherzustellen, daß jede Pore vollständig gefüllt ist. Die Schicht 11 kann dann mechanisch mit feinkörnigem Schmirgelpapier abgeschliffen werden, um alles überschüssige Elektronen emittierende Material zu entfernen, um ein glattes, ebenes Oberflächen- Finish zu erzielen, und um Elektronen emittierende Elemente 15 zu erzeugen, die etwa die gleiche Länge aufweisen.
Die im Handel erhältlichen Strukturen sind bisher für dekorative Zwecke verwendet worden, z.B als metallische Beschichtungen auf Firmenschildern, Zierleisten und dergleichen. Soweit der Erfinder weiß ist jedoch niemals vorgeschlagen worden, eine Struktur dieser Art bei der Herstellung einer Elektronenemissionsvorrichtung zu verwenden.
Es sei bemerkt, daß statt dessen die Herstellung der Schichten 10 und 11 oder die Aufbringung des Elektronen emittierenden Materials betriebsintern ausgeführt werden könnte. Typischerweise würde das Elektronen emittierende Material durch Galvanisierung oder Elektrophorese aufgebracht.
In der Theorie wird erwartet, daß die Wirkung der Feldemission für eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Emittern von dem Spitzenradius R jedes Emitters, dem Abstand zwischen den Emittern a und dem Abstand L zwischen Anode und Kathode abhängt. Eine annehmbare Bedingung ist 4 π RL ≤ a². Somit sollte bei einem Spitzenradius R von etwa 25 nm und einem Abstand L von Anode zu Kathode von 200 um bis 4 mm der minimale Emitterabstand im Bereich zwischen etwa 10 um bis etwa 30 um liegen.
Der Erfinder hat gefunden, daß es möglich ist, eine verbesserte Feldemissionsvorrichtung durch Rückätzung eines Teils der Schicht 11 zu erzeugen, um eine definierte Oberfläche 13" zu bilden. Wenn die Schicht 11 zurückgeätzt wird, neigen die Elemente 15 zum Kollabieren, so daß Spikes 16 erzeugt werden, die relativ zur Außenfläche 13" der Schicht 11 und zueinander geneigt sind, so daß Strukturen 17 gebildet werden. Fig. 2a zeigt eine Feldemissionsvorrichtung, bei der die gesamte Schicht 11 mit Ausnahme eines Restes durch Ätzen entfernt worden ist, und Fig. 2b zeigt eine Raster-Elektronenmikroskop-Darstellung der resultierenden Struktur.
Die optimalen Verarbeitungsbedingungen, die zur Erzeugung der Strukturen 16 erforderlich sind, hängen von einer Anzahl von Parametern ab. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 1, aber mit einer anodischen Schicht mit einer Dicke von etwa 23 um mit mit Kobalt gefüllten Poren mit einer Lösung von 20% NaOH (Ätznatronlösung) geätzt. Das Ätzen mit einer Dauer von 0,5 Minuten erzeugte unregelmäßig ausgerichtete Strukturen mit einem Abstand von etwa 2 bis 3 um. Eine Ätzung von einer Minute Dauer erzeugte die wigwamähnlichen Strukturen von Fig. 2b, wobei die Spitzen der Strukturen einen Abstand von etwa 10 um haben. Eine Ätzung von etwa 1,5 Minuten Dauer führte zu einer kollabierten und abgeflachten wigwamähnlichen Struktur mit Spitzen, die einen Abstand bis zu 40 um haben. Eine weitere Ätzung verschlechterte die Form der Vorrichtung: Eine Ätzung von zwei Minuten erzeugte eine honigwabenähnliche Form mit faserigen Wänden und Zellen von 5 bis 10 um; eine Ätzung von drei Minuten erzeute eine Form, bei der sich nacktes Aluminium zwischen Büscheln von Fasern des Elektronen emittierenden Materials zeigte.
Die Ätzparameter, die erforderlich sind, um zu den wigwamähnlichen Strukturen 17 zu gelangen, sind auf die Länge der Spikes 16 bezogen. Der Erfinder hat gefunden, daß zur Erzeugung von Elektronen emittierenden Spikes durch Galvanisierung unter Verwendung von Schwefelsäure und einer Potentialdifferenz von 18V wigwamähnliche Strukturen aus Spikes mit einer Länge im Bereich von 5 um bis 15 um erzeugt werden können.
Die Grenzschicht 14, die in Fig. 1 und 2a dargestellt ist, und die normalerweise eine geringere Dicke als 20 nm aufweist, ist nicht vollständig elektrisch isolierend und so sind bei den meisten praktischen Spannungen Elektronen in der Lage, durch die Grenzschicht zu tunneln. Es wird angenommen, daß die Schicht 14 nützlich ist, weil sie der Vorrichtung ein Maß an Strombegrenzung auferlegt und ferner eine gleichmäßige Stromverteilung unter den einzelnen Elektronen emittierenden Elementen 16 fördert.
Fig. 3 zeigt eine Elektronenröhreneinrichtung, die dazu benutzt wurde, die Betriebsfunktionen einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu ermitteln. Die Einrichtung enthält ein Kathoden-Anodenpaar 20, das in einer Vakuumkammer 21 gelagert ist, wobei die Kathode 22 des Paars 20 mit einer Gleichstromquelle 23 und die Anode 24 des Paars mit einer Strommeßvorrichtung 25, im vorliegenden Fall einem Keithley-610c-Elektrometer, verbunden ist.
Die Kathode besteht aus einer Feldemissionsvorrichtung und die Anode, die aus einem nachgiebigen Molybdänstreifen besteht, ist mittels eines 12 um dicken Polyesterfilms 26 im Abstand von der Elektronen emittierenden Oberfläche der Kathode angeordnet. Der Film hat eine mittlere Öffnung von 6 mm Durchmesser, die einen Durchlaß von Elektronen von der Kathode zur Anode erlaubt. Das Kathoden-Anodenpaar wurde zunächst durch Sputtern eine halbe Stunde lang bei 400 Volt in einer Argon-Atmosphäre gereinigt. Dann konnten Messungen des Stroms (1) und der Spannung (V) durchgeführt werden. Fig. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Beziehung, die bei Verwendung der Feldemissionsvorrichtung von Fig. 1 gewonnen wird.
Wie in dem Aufsatz "Comparison of low voltage field emissive from TaC and tungsten fibre arrays" von J. K. Cochran, K. J. Lee und D. M. Hill ; J. Mater Research 3(1) auf den Seiten 70, 71, Januar/Februar, 1988 beschrieben ist, erfüllt die Strom- Spannungs-Beziehung einer feldemittierenden Vorrichtung die Fowler-Nordheim-Gleichung, die den Parameter log (I/V²) nahezu linear auf den Parameter (I/V) bezieht. Wie aus dem in Fig. 4 dargestellten Ergebnis zu sehen ist, zeigt die Kathode 22 tatsächlich die lineare Beziehung der Charakteristik einer Feldemissionsvorrichtung. Ferner wurde gefunden, daß die Kathode eine Diodenwirkung entfaltet, wobei Elektronen im wesentlichen nur in einer Richtung fließen - von der Kathode zur Anode - während sehr wenig Strom in umgekehrter Richtung fließt. Der Erfinder hat ferner gefunden, daß der Emissionsstrom zunächst von der Geschichte der angelegten Spannung abhängt. Die Kurven A, B und C in Fig. 5, die bei aufeinanderfolgenden Gelegenheiten gesammelte Daten darstellen, zeigen daß progressiv höhere Emissionsströme erzielt werden, wenn die maximal angelegte Spannung erhöht wird.
Fig.6 zeigt eine Kurve des Stroms (I) über der Spannung (V), die bei Verwendung der in Fig. 2 dargestellten Feldemissionsvorrichtung gewonnen wird, und Fig. 7 vergleicht die für die Feldemissionsvorrichtungen von Fig. 1 und 2a erzielten Ergebnisse in gleichem Maßstab.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist der Strom, der bei Anlegung einer Spannung erreicht werden kann, bei der Vorrichtung von Fig. 2 mehrere Größenordnungen höher als bei der Vorrichtung von Fig. 1. Der Erfinder glaubt, daß dies von dem kleineren Verhältnis des Spitzenradius der Elektronen emittierenden Struktur zum Abstand der Elektronen emittierenden Strukturen, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann, abhängt.
Es ist beabsichtigt, daß die Schärfe jeder Elektronen emittierenden Struktur 17 erhöht werden kann, wenn Rillen in der Oberfläche der Schicht 11 vor dem Ätzen, vorzugsweise einander kreuzende Rillen, erzeugt werden.
Fig. 8 veranschaulicht eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall sind die Poren 12 übermäßig durch Galvanisierung gefüllt worden, es wurde eine durchgehende metallische Schicht 18 erzeugt, und sowohl die Aluminiumschicht 10 als auch die Schicht 11 aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid (einschließlich der Grenzschicht 14) sind durch Ätzen wieder entfernt worden.
Gegebenenfalls kann das Ätzen unvollständig sein, um rund um die Elektronen emittierenden Strukturen 19 eine restliche Schicht aus Aluminiumoxid zu belassen und diese dadurch zusätzlich zu stützen, was in Fig. 8 dargestellt ist.
Es sei bemerkt, daß eine Feldemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei zahlreichen anderen Arten von Elektronenröhrenanordnungen Anwendung finden kann, z.B. bei einem Elektronenmikroskop oder in der Elektronenkanone eines Sofort- Start-Fernsehers, und insbesondere ist eine Anwendung als Kaltkathode in der Bogenröhre einer Entladungslampe möglich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Kathoden-Feldemissionsvorrichtung, bestehend aus den Schritten:

Erzeugen einer Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid mit einer Vielzahl von länglichen Poren, die im wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen der Schicht verlaufen;

Vollständiges Füllen der Poren mit einem Elektronen emittierenden Material und anschließendes Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht, um eine definierte Oberfläche der Schicht zu bilden und um eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Spikes zu erzeugen, die sich von der definierten Oberfläche unter einem Winkel zu dieser erstrecken, wobei eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Strukturen erzeugt wird, von denen jede aus einer Vielzahl von Elektronen emittierenden, zueinander geneigten Spikes besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem jeder Spike eine Länge im Bereich zwischen 5 um bis 15 um hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Schritt zum Schleifen einer Oberfläche der Schicht vorgesehen ist, um ein im wesentlichen ebenes Finish zu erzeugen, wobei der Schleifschritt vor dem Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt zum Schleifen einer Oberfläche dazu dient, ein gerilltes Finish zu erzeugen, wobei der Schleifschritt vor dem Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das gerillte Finish ein Finish mit sich kreuzenden Rillen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Elektronen emittierende Material ein galvanisierbares Metall, eine Mischung aus galvanisierbaren Metallen oder eine Legierung aus galvanisierbaren Metallen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das galvanisierbare Metall oder die galvanisierbaren Metalle aus der Gruppe Kobalt, Nickel, Zinn, Wolfram, Silber, Tellur, Selen, Mangan, Zink, Kadmium, Blei, Chrom und Eisen ausgewählt ist bzw. sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid auf einer Schicht aus Aluminium erzeugt wird, so daß eine durchgehende Grenzschicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid zwischen den Poren und der Aluminiumschicht vorhanden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht darin besteht, das gesamte anodisch oxidierte Aluminiumoxid mit Ausnahme desjenigen zu entfernen, das die durchgehende Grenzschicht bildet.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem vor dem Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht der zusätzliche Schritt vorgesehen ist, an einer frei liegenden Oberfläche der Schicht aus anodisch oxidiertem Aluminiumoxid eine durchgehende Schicht aus Elektronen emittierendem Material anzubringen, und daß der Schritt zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schicht sowohl die Entfernung der Aluminiumschicht als auch der durchgehenden Grenzschicht umfaßt.

11. Kaltkathoden-Feldemissionsvorrichtung, die nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.

12. Elektronenröhreneinrichtung mit einer Kaltkathoden-Feldemissionsvorrictung nach Anspruch 11.