DE69202362T2

DE69202362T2 - Kathode.

Info

Publication number: DE69202362T2
Application number: DE69202362T
Authority: DE
Inventors: Willem Leonardus Corn Heijboer
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: US5475281A; NL9100327A; JPH0562589A; DE69202362D1; US5595933A; EP0501560B1; EP0501560A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle mit einem Substrat, das auf einer Hauptfläche ein Erwärmungselement mit einem elektronenemitierenden Werkstoff enthält und mit einer Ausnehmung unterhalb des Erwärmungselements versehen ist. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle und auf eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenquelle.
Elektronenquellen eingangs erwähnter Art werden in Kathodenstrahlröhren verwendet und insbesondere in flachen Wiedergabeanordnungen, in denen jedes Bildelement oder Spalte von Bildelementen eine individuelle zugeordnete Elektronenquelle enthält.
Beispielsweise ist in der US-Patentschrift 4 069 436 eine Elektronenquelle beschrieben, die eine elektronenemittierende Schicht enthält, die von einem unterliegenden Erwärmungselement durch eine Isolierschicht getrennt ist, wobei das Erwärmungselement selbst wieder vom Substrat durch eine Isolierschicht getrennt ist. Das Substrat wird vorzugsweise dünn gewählt, um die Gesamtdissipation zu reduzieren, aber ein dünnes Substrat macht die Anordnung anfälliger für Bruch sowohl in mechanischer Hinsicht als auch durch Wärmespannungen. Letztgenanntes stelle klar Grenzen an die Reduktion der Substratdicke, die daher noch eine bedeutende Wärmekapazität aufrechterhält. Infolgedessen geht im Betrieb ein großer Teil der gelieferten Energie nach dem Substrat verloren, so daß das tatsächliche Emissionsmaterial nicht optimal erwärmt wird, was auf Kosten der Elektronenemission geht. Diese große Wärmekapazität verursacht ebenfalls eine lange Reaktionszeit der Kathode.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Elektronenquelle ist in der eurpäischen Patentanmeldung Nr. 125 859 eine Elektronenquelle nach dem Oberbetgriff des Anspruchs 1 und der eingangs erwähnten Art beschrieben. Nach dieser Veröffentlichung wird auf einer Hauptfläche des Substrats eine Ausnehmung eingeätzt, die sich unterhalb des Erwärmungselements erstreckt. Hierdurch wird das Erwärmungselement nur noch durch eine dünne Schicht mit nur einer geringen Wärmekapazität getragen. Infolgedessen läßt sich der Wirkungsgrad der Anordnung bedeutend verbessern. Da ein Hauptteil des Substrats seine ursprüngliche Dicke behält, kann außerdem die Anordnung als Einheit stark genug sein, um normale wärmetechnische und mechanische Spannungen zu überleben und ist daher nicht besonders anfällig für Bruch.
Die Anordnung nach der europäischen Patentanmeldung Nr. 125 859 ist jedoch für die Herstellung nicht besonders praktisch. Insbesondere bei Anwendung eines anisotropischen Ätzverfahrens nach der Beschreibung in dieser Anmeldung kann es schwer sein, die Ausnehmung unterhalb des Erwärmungselements einzuätzen, insbesondere wenn das Erwärmungselement einen großen Teil der möglichen Ausnehmung bedeckt, da das vorhandene Erwärmungselement das Ätzverfahren maskiert oder zumindest stört.
Der Erfindung liegt u.a. die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile durch Anbringen einer Elektronenquelle mit einem hohen Wirkungsgrad, einer kurzen Reaktionszeit und einer ausreichenden mechanischen Festigkeit möglichst zu beseitigen, die auf eine praktische Weise herstellbar ist. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, dafür ein geeignetes Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Elektronenquelle nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung sich von der Rückfläche des Substrats sich wenigstens fast bis zur Hauptfläche des Substrats erstreckt.
Die Wärmekapazität einer derartigen Elektronenquelle wird bedeutend reduziert, wenn das Wärmeelement und die wirkliche Elektronenquelle von nicht mehr als nur einem dünnen Film auf der Ausnehmung getragen werden. Daher kann die Elektronenquelle auf die gewünschte Emissionstemperatur mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit und bei einer verhältnismäßig niedrigen Leistungsaufnahme erwärmt werden, wodurch diese Anordnung sich besonders eignet zur Verwendung in Mehrstrahlanordnungen, die eine (große) Anzahl getrennter Elektronenquellen erfordern.
Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, daß derartige Strukturen einfach durch Ätzen des betreffenden Substrats von der Rückseite her verwirklichbar sind. Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silizium und eine dünne Siliziumnitridschicht enthält, wobei das Silizium im wesentlichen an der Stelle des Erwärmungselements ganz entfernt wird.
Die Wärmekapazität wird nunmehr im wesentlichen vollständig vom Siliziumnitridfilm bestimmt, die sehr dünn sein kann (50...200 nm). Außerdem arbeitet das Siliziumnitrid bei der Herstellung als einen guten Ätzstopp.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle ist dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat wenigstens mit einer Zusatzelektrode auf der Oberfläche versehen wird, auf der sich die Elektronenquelle befindet. Diese Elektrode kann beispielsweise eine einzige Elektrode im Betrieb als Beschleunigungselektrode sein, aber sie kann auf andere Weise eine Mehrfachelektrode im Betrieb als Ablenkelektrode sein.
Das Erwärmungselement wird vorzugsweise als eine meandernde Widerstandsspur implementiert. Mehrere Mischungen sind für das elektronenemittierende Material verwendbar, beispielsweise eine Emissionsschicht aus Barium- Kalzium-Strontium-Karbonat auf einem Trägermaterial aus Wolfram, Kathodennickel oder einem anderen geeigneten Material. Statt Karbonate können metallorganische Verbindungen (beispielsweise die Azetylazetonate oder Azetate von Barium, Kalzium und Strontium) für die Emissionsschicht verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Elektronenquelle kann auf verschiedene Weisen in Abhängigkeit von den benutzten Werkstoffen hergestellt werden. Jedoch wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Herstellungsverfahren für eine Elektronenquelle verwendet, mit dem ein Substrat auf einer Hauptfläche mit einer verhältnismäßig dünnen Ätzbarriereschicht angebracht wird, ein Erwärmungselement und eine Schicht aus elektronenemittierendem Material örtlich auf der Ätzbarriereschicht angebracht wird, und die Rückfläche des Substrats einer großflächigen Reduzierbearbeitung im Bereich des Erwärmungselements unterworfen wird, bis die Ätzbarriereschicht erreicht wird.
Insbesondere bei Silizium kann eine Siliziumnitridschicht als Ätzstoppmittel verwendet werden, aber ebenfalls kann eine Oxidschicht oder eine hochdotierte Oberflächenschicht in Erwägung gezogen werden. Wenn die erste Oberfläche eine < 100> -Oberfläche ist, kann die Senkung von der anderen Seite her vorteilhaft durch anisotropisches Ätzen erhalten werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektronenquelle, und
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.
In Fig. 1 und 2 sind schematisch und nicht maßstaßgerecht eine Draufsicht bzw. ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronenquelle 1 dargestellt. Diese Quelle enthält einen Träger oder ein Substrat 2, der bzw. das in diesem Ausführungsbeispiel hauptsächlich aus Silizium mit einer Dicke von etwa 0,4 mm besteht. Eine erste Hauptfläche 3 des Substrats 2 ist mit einer dünnen Schicht 4 (etwa 50 nm) aus Siliziumoxid und mit einer zweiten Schicht 5 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von etwa 120 nm versehen. Das Gesamtoberflächengebiet der Elektronenquelle 1 beträgt etwa 2 x 2 mm².
An der Stelle des wirklichen emittierenden Teils 11 ist das Substrat 2 viel dünner als außer dieses Teils 11, da das Substrat, von der Rückfläche 6 aus gesehen, eine Senkung mit Seitenwänden 20 enthält. In diesem Fall ist diese Senkung durch anisotropisches Ätzen angebracht. Da das Siliziumnitrid als Ätzstopp in diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist das Substrat 2 (und die Schicht aus Siliziumoxid) an der Stelle der Senkung ganz verschwunden. Jedoch ist dies nicht erforderlich, beispielsweise wenn eine Schicht aus hochdotiertem Silizium als Ätzstoppmaterial verwendet wird.
Ein Erwärmungselement 8, das aus einem Widerstandselement, beispielsweise einem meandernden Streifen oder einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram, Tantal oder Molybdän besteht und mit externen Leitern 15 über Verbindungsstreifen 9 durch Anschlußflächen 14 verbunden ist, befindet sich auf der Siliziumnitridschicht 5. Die Einheit ist mit einer zweiten Schutzschicht 10 aus Siliziumnitrid bedeckt, und diese Schicht 10 hat Öffnungen an der Stelle der Anschlußflächen 15. Werkstoffe wie Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, Bornitrid, Hafniumoxid oder Zirkonoxid können ebenfalls für die Schicht 10 gewählt werden. Statt einer einzigen Metallschicht 8, 9 kann auch eine Schicht gewählt werden, die aus einer Anzahl von Unterschichten besteht, nach Bedarf beispielsweise eine Titan-Wolfram-Titan-Schicht oder eine Titan- Molybdän-Titan-Schicht.
Ein Metallmuster 12, in diesem Ausführungsbeispiel aus Molybdän befindet sich auf der zweiten Siliziumnitridschicht 10, und dieses Muster arbeitet als Kathodenträger an der Stelle des wirklichen Emissionsteils 11 und kann mit der gewünschten Kathodenspannung über eine externe Verbindung 16 gespeist werden. Weitere geeignete Werkstoffe für das Metallmuster 12 sind beispielsweise (Kathoden-) Nickel, Tantal, Wolfram, Titan oder Doppelschichten aus Titan und Wolfram oder Molybdän. Die Wahi ist ebenfalls von dem zu verwendenden Emissionsmaterial und von der gewünschten Kathodentemperatur abhängig.
Das Emissionsmaterial 13, in diesem Ausführungsbeispiel ein Barium- Strontium-Karbonat, befindet sich auf diesem Metallmuster 12 an der Stelle des wirklichen Emissionsteils 11, direkt über dem Erwärmungselement 8. Andere mögliche Werkstoffe sind beispielsweise ein Barium-Kalzium-Strontium-Karbonat, dem nach Bedarf geringe Mengen von Seltenerdoxiden zugegeben werden. Außerdem ist es möglich, organometallische Verbindungen als elektronenemittierende Werkstoffe zu wählen, beispielsweise ein Azetylazetonat von Barium, Kalzium oder Strontium. Diese Verbindungen zersetzen sich zu Oxiden auf niedrigeren Temperaturen als die entsprechenden Karbonate, so daß die Elektronenquelle schneller aktiviert werden kann.
Da erfindungsgemäß das Substrat an der Stelle der wirklichen Emissionsschicht 13 und des zugeordneten Erwärmungselements 8 dünner ist als an anderen Stellen (im vorliegenden Beispiel wird das Substrat sogar vollständig abgeätzt), geht im wesentlichen keine Leitwärme im Substrat verloren und der Emissionswerkstoff 13 wird schneller auf die gewünschte Temperatur erwärmt.
Die Anordnung nach Fig. 1 und 2 läßt sich wie folgt herstellen.
Das Ausgangsmaterial ist eine Siliziumscheibe 2 mit einer Dicke von 400 um, die auf ihren < 100> -Flächen poliert wird und deren Hauptfläche 4 mit einer Schicht 3 aus Wärmesiliziumoxid mit einer Dicke von 50 nm versehen wird. Eine Siliziumnitridschicht 5 wird auf der Schicht aus Siliziumoxid 3 unter Anwendung von CVD-Verfahren oder dgl. angebracht. Diese Schicht 5 hat eine Dicke von etwa 120 nm. Gleichartige Schichten werden gleichzeitig an der anderen Seite aufgetragen.
Nachdem die andere Seite photolithographisch mit einer Maske mit Öffnungen an der Stelle der zu bildenden dünneren Teile versehen ist, werden das Siliziumnitrid und das Siliziumoxid aus diesen Öffnungen entfernt. Danach wird das Silizium von der anderen Seite her mit einer verdünnten Lösung von Kaliumhydrat anisotropisch geätzt. Das Siliziumnitrid 5 arbeitet dabei als Ätzstopp.
Das Siliziumnitrid 5 wird darauf mit einer 200 nm dicken Schicht aus Molybdän bedeckt. Aus dieser Schicht wird das Metallmuster des Erwärmungselements 8 mit den zugeordneten Verbindungsstreifen 9 und Anschlußflächen 14 durch Ätzen in einer Lösung von Salpetersäure, Phosphorsäure und Essigsäure in Wasser hergestellt. Anschließend wird die Einheit mit einer etwa 200 nm dicken Schicht 10 aus Siliziumnitrid bedeckt, die beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung angebracht wird. Dieses Verfahren zum Herstellen des Erwärmungselements und zum Anbringen der Nitridschicht 10 kann ebenfalls vor der anisotropischen Ätzbehandlung ausgeführt werden. Das Siliziumnitrid 10 wird an der Stelle der Anschlußflächen 14 entfernt.
Eine 200 nm dicke Schicht aus Molybdän, aus der das Metällmuster 12 mittels Ätzen gebildet wird und als die wirkliche Kathodenmetallisierung dient, ist auf der Siliziumnitridschicht 10 angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein zweites Metallmuster 18 gleichzeitig gebildet. Dieses Metallmuster 18 kann beispielsweise als Gitter in einer fertiggestellten Anordnung beispielsweise in einer Elektronenstrahlröhre dienen.
Anschließend wird die Emissionsschicht 13 angebracht, die aus einer Schicht aus Barium-Strontium-Karbonat in diesem Ausführungsbeispiel besteht. Nach dem Verteilen des Substrats in getrennte Kathoden oder Kathodengruppen durch Anritzen oder Brechen, werden Verbindungsdrähte 15, 16 und 17 beispielsweise durch Wärmekompression oder mit anderen Verbindungstechniken auf den Anschlußflächen 14 sowie auch auf geeigneten Teilen der Metallschicht 12 und des Gitters 18 angebracht. Die Verteilung in Gruppen kann derart verwirklicht werden, daß ein Substrat 2 beispielsweise 3 einzelne Emissionsstrukturen 11 enthält, beispielsweise für Farbbildwiedergaberöhren.
Auf diese Weise erhaltene Kathoden wurden auf 700...800ºC in einer Diodenanordnung mit einem Kathoden/Anodenspalt von 0,2 mm geprüft. Nach einer ununterbrochenen Belastung wurden Stromdichten von 0,3...2 A/cm² gemessen. Die Lebensdauerergebnisse zeichnen sich also zufriedenstellend.
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern es sind mehrere Abwandlungen im Rahmen der Ansprüche möglich. Beispielsweise braucht an der Stelle des anzubringenden Emissionsmaterials das Substrat 2 nicht über seine ganze Dicke abgeätzt zu werden, aber es kann eine Siliziumschicht zurückbleiben, insbesondere wenn sie höher dotiert ist und daher als Ätzstopp arbeitet.
Außerdem kann das Erwärmungselement mehrere Formen aufweisen. Eine Anordnung mit diesem Erwärmungselement kann nur selbstverständlich in sichselbst verwendet werden, oder beispielsweise als Teil einer (Alkali-) Metallquelle oder Feldemitter.
Eine metallorganische Verbindung kann auf andere Weise als ein Emissionsmaterial neben vielen anderen allgemein bekannten Emissionswerkstoffen verwendet werden. Gleichfalls sind mehrere Abwandlungen der Werkstoffe für das Erwärmungselement, für die Verbindungsschichten und für die anderen Werkstoffe möglich, vorausgesetzt sie sind chemisch (und mechanisch) in einer vorgegebenen Kombination kompatibel.

Claims

1. Elektronenquelle mit einem Substrat (2), das auf einer Hauptfläche (3) ein Erwärmungselement (8) mit einem elektronenemitierenden Werkstoff (13) enthält und mit einer Ausnehmung unterhalb des Erwärmungselements versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung sich von der Rückfläche des Substrats nach der Hauptfläche des Substrats hin erstreckt, so daß wenigstens an der Stelle des elektronenemittierenden Materials (11) das Substrat dünner ist als an anderen Stellen.

2. Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmungselement und die elektronenemittierende Schicht von einer verhältnismäßig dünnen Ätzbarriereschicht getragen werden, die das Erwärmungselement und die elektronenemittierende Schicht von der Ausnehmung trennt.

3. Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitermaterial enthält, und daß die Ätzbarriereschicht eine verhältnismäßig dünne Oberflächenschicht mit einem vom Dotierungspegel des benachbarten Teils des Substrat abweichenden Dotierungspegel enthält.

4. Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzbarriereschicht eine verhältnismäßig dünne Oberflächenschicht oben auf der Hauptfläche des Substrats enthält, und daß die Ätzbarriereschicht ein Material enthält, mit dem das Substrat selektiv ätzbar ist.

5. Elektronenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silizium und die Ätzbarriereschicht eine verhältnismäßig dünne Sliziumnitridschicht enthält.

6. Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenquelle nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche.

7. Verfahren zum Herstellen einer Elektronenquelle, mit dem ein Substrat auf einer Hauptfläche mit einer verhältnismäßig dünnen Ätzbarriereschicht versehen ist, wobei ein Erwärmungselement und eine Schicht aus elektronenemittierendem Material örtlich auf der Ätzbarriereschicht angebracht sind, und die Rückfläche des Substrats eine Gesamtreduktionsoperation im Bereich des Erwärmungselements erfährt, bis die Ätzbarriereschicht erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Subtrat eine Dotierbehandlung auf seiner Hauptfläche erfährt, um eine Ätzbarriereschicht zu bilden, die aus einer verhältnismäßig dünnen dotierten Oberflächenschicht besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche des Substrats mit einer verhältnismäßig dünnen Schicht aus einem Material bedeckt ist, mit dem das Substratmaterial selektiv ätzbar ist.