DE69217829T2

DE69217829T2 - Feldemissionsanordnung und Reinigungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69217829T2
Application number: DE69217829T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Betsui; Shinya Fukuta
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-11-07
Also published as: KR930011090A; KR960016433B1; US5587720A; EP0541394B1; DE69217829D1; EP0541394A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Feld-Emitter-Array-Vorrichtungen und speziell eine Feld- Emitter-Array-Vorrichtung, die durch eine Vielzahl von Kathoden konfiguriert ist, welche in Form einer Matrix angeordnet sind.
Ein Feld-Emitter-Array verursacht eine Emission von Elektronen, indem eine Deformation in dem Oberflächenpotential einer Kathode induziert wird. Dabei wird ein intensives elektrisches Feld an die Kathode angelegt und es werden Elektronen in der Kathode von dieser emittiert, wobei sie durch die deformierte Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffektes hindurchgelangen. Um die Emission von Elektronen zu erreichen, enthält das Feld-Emitter-Array eine Elektronenstrahlquelle, die ihrerseits eine Kathode enthält, an die eine negative Spannung angelegt wird und wobei eine Gateelektrode nahe der Kathode angeordnet ist, um ein intensives elektrisches Feld zu induzieren. Nachdem die Elektronen von der Kathode emittiert wurden, werden sie beschleunigt und durch eine Anodenelektrode eingefangen. Die Elektronenstrahlquelle einer solchen Konfiguration kann mit der Größe in der Größenordnung von mehreren Mikrons durch Anwendung der Mikroherstellungstechnik hergestellt werden, die allgemein bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet wird. Es ist dadurch möglich, winzige Elektronenstrahlquellen in einer Matrixgestalt über einen ausgedehnten Bereich hinweg anzuordnen. Das Feld-Emitter-Array einer solchen Konfiguration wird bei Hochgeschwindigkeits- Arithmetikvorrichtungen oder bei flachen Hochgeschwindigkeits- und leuchtstarken Anzeigevorrichtungen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der schematisch ein herkömmliches Feld-Emitter-Array veranschaulicht ist.
Gemäß Fig. 1 besteht ein Feld-Emitter-Array aus einer isolierenden Basis 10 und einer isolierenden Schicht 11, die auf der oberen Hauptfläche der Basis 10 ausgebildet ist. Auf der unteren Hauptfläche der isolierenden Schicht 11 sind eine Vielzahl von Kathoden-Elektroden 12 ausgebildet und erstrecken sich parallel zueinander in einer ersten Richtung. Ferner sind eine Vielzahl von Gateelektroden 13 auf der oberen Hauptfläche der zuvor erwahnten Isolierschicht 11 ausgebildet und erstrecken sich in einer Richtung nahzu senkrecht zu der ersten Richtung in einer parallelen Beziehung zueinander. In der oben erwähnten Isolierschicht 11 sind Elektronenstrahlerzeugungsquellen 14 ausgebildet entsprechend den Positionen, wo sich die oben erwähnten Kathodenelektroden 12 und die Gateelektroden 13 kreuzen. Bei einem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist jede der Elektronenstrahlquellen 14 aus einer Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen gebildet. Die gesamte in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist in einem abgedichteten Vakuumbehälter aufgenommen, der nicht gezeigt ist.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer der Elektronenstrahlquellen von Fig. 1.
Gemäß Fig. 2 ist eine Elektronenstrahlquelle 14 in der Isolierschicht 11 vorgesehen, die typischerweise aus Siliziumoxid hergestellt ist, in Entsprechung zu einer durchgehenden Bohrung 11a, die an einer Position ausgebildet ist, die entsprechend einer Kreuzungsstelle der oben erwähnten Kathodenelektrode 12 und der Gateelektrode 13 vorgesehen ist. Die Strahlquelle 14 enthält eine Emitterspitze mit einer angespitzten konischen Gestalt. In typischer Weise ist die Emitterspitze 15 aus Mo hergestellt und ist auf der Kathodenelektrode 12 ausgebildet. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, erstreckt sich die Gateelektrode von der Seitenwand der durchgehenden Bohrung ha zu der Emitterspitze 15 hin und bildet einen schmalen Spalt zwischen sich und der Emitterspitze 15. Indern eine positive Spannung an die Gateelektrode 13 angelegt wird und gleichzeitig eine negative Spannung an die Kathodenelektrode 12 angelegt wird, wird ein intensives elektrisches Feld zwischen der Gateelektrode 13 und der Emitterspitze 15 aufgebaut. Ein solches elektrisches Feld induziert eine Deformation in der Potentialsperre auf der Oberfläche der Emitterspitze 15 und erlaubt es Elektronen, in der Emitterspitze 15 aufgrund des Tunneleffektes emittiert zu werden. Die auf diese Weise emittierten Elektronen werden durch eine positive Spannung beschleunigt, die an die Anode (in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt) angelegt ist und die gegenuber der Basis 10 vorgesehen ist und die Elektronen werden anschließend durch die Anode eingefangen. Wenn eine Fluoreszenzbeschichtung in der Nähe der Anode vorgesehen ist, so wird ein sichtbares Bild gemäß einem Muster des emittierten Elektronenstrahls gebildet und die Vorrichtung kann als flache Anzeigetafel verwendet werden. Eine solche flache Anzeigetafel kann beispielsweise dadurch gebildet werden, indem die Anode durch einen transpareten leitfähigen Körper gebildet wird, der mit einer Fluoreszenz-Substanz beschichtet ist.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 85401521.1 (EP-A-0 172 089) offenbart ein Feld-Emitter-Array, welches aus Elektronenstrahlquellen dieses Typs gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zusammengesetzt ist. Es sind mehrere Konstruktionen der Arrays angesprochen, inklusive einer Anordnung, bei der die Anode über der Gateelektrode montiert ist und von dieser durch eine Isolierschicht getrennt ist. Die von der Emitterspitze entweichenden Elektronen werden durch die Spalte im Gate und der Anode ausgestoßen und folgen einer gekrümmten Kurvenschar zurück zur Anode. Um zu verhindern, daß Elektronen von der Anode entweichen, wird in dieser Anmeldung eine Rückstoßeinrichtung vorgeschlagen, mit dem Zweck, die Elektronen zu veranlassen, zurück zur Anode zu fliegen.
Bei Feld-Emitter-Arrays ist allgemein leicht zu verstehen, daß eine Verschlechterung in der Elektronenstrahlemission auftritt, wenn eine flüchtige Substanz, wie beispielsweise ein Gas, durch die Emitterspitze absorbiert wird. Es ist daher wünschenswert und bei der Feld-Emitter- Anordnung wesentlich, einen Reinigungsprozeß der Emitterspitze in vorbestimmten Intervallen vorzunehmen oder bei jedem Neustart des Gerätes. Bei Vakuumröhren ist es allgemein üblich, ein Getter-Material in dem Vakuumbehälter vorzusehen, um Gas zu absorbieren. Andererseits ist bei dem Feld-Emitter-Array, welches keine thermische Emission von Elektronen verwendet, das bloße Vorsehen eines Getter-Materials in dem Behälter nicht ausreichend, um eine zufriedenstellende Reinigung sicherzustellen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das externe Aufheizen des Feld-Emitter- Arrays, das in Fig. 1 gezeigt ist, im allgemeinen unmöglich ist, wenn das Feld-Emitter-Array einmal in einem elektronischen Gerät eingebaut ist.
Fig. 3 veranschaulicht einen Prozeß zum Reinigen der Emitterspitze 15 in einem Feld-Emitter-Array, wobei dieser Prozeß in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 4-22038 beschrieben ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Veröffentlichung durch die Offenlegung der zuvor erwähnten Patentanmeldung nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung erfolgt ist. In Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit halber die Basis 10 weggelassen. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird eine Erregungsspannung über einem Paar von benachbarten Elektronenstrahlquellen 14a und 14b angelegt, so daß ein Elektronenstrahl geformt wird, der von der Elektronenstrahlquelle 14a ausgeht und die Elektronenstrahlquelle 14b erreicht. Als Ergebnis wird ein flüchtiges Verunreinigungsmittel, welches in der Emitterspitze in der Elektronenstrahlquelle 14b absorbiert worden ist, verdampft, und zwar aufgrund der Energie des Elektronenstrahls und wird durch ein Getter-Material, welches in dem Behälter vorgesehen ist, absorbiert.
Gemaß Fig. 3 wird eine negative Spannung an eine Kathodenelektrode 12a der Elektronenstrahlquelle 14a angelegt und es wird eine positive Spannung an die Kathodenelektrode 12b der benachbarten Elektronenstrahlquelle 14b angelegt. Dadurch wird eine intensive Spannung zwischen einer Emitterspitze 15a, die an der Kathodenelektrode 12a ausgebildet ist, und einer Emitterspitze 15b, die an der Kathodenelektrode 12b ausgebildet ist, angelegt. Wenn diese Spannung einen ausreichend hohen Pegel erreicht, um die Feldemission von Elektronen in der Emitterspitze 15a anzuregen, wird ein Elektronenstrahl von der Emitterspitze 15a zu der Emitterspitze lsb erzeugt und die Energie des Strahls bewirkt, daß eine flüchtige Substanz an der Emitterspitze 15b verdampft wird.
Obwohl die oben erwähnte Druckschrift nach dem Stand der Technik keinerlei Hinweis auf eine Spannung gibt, die an eine Anode angelegt wird, während ein Reinigungsprozeß ausgeführt wird, ist es allgemein üblich, eine positive Spannung an die Anode anzulegen. Fig. 4 veranschaulicht eine Potentialverteilung, wenn eine positive Spannung an die Anode der Elektronenstrahlquelle angelegt wird, die in Fig. 3 gezeigt ist, wobei darauf hingewiesen sei, daß Fig. 4 in bezug auf Fig. 3 links-nach-rechts-vertauscht ist. Es ist bei den Berechnungen von Fig. 4 angenommen, daß die Gateelektroden 13a und 13b beide geerdet sind.
Wie aus Fig. 4 ersehen werden kann, werden unter der Bedingung, daß eine positive Spannung an die Anode angelegt wurde, Elektronen, die von der Emitterspitze 15b emittiert wurden, hauptsächlich durch die Anodenelektrode angezogen, selbst wenn eine positive Spannung an die Emitterspitze 15a angelegt wurde, und diese können nur schwer die Emitterspitze isa erreichen. Mit anderen Worten hat das Anlegen einer Spannung an die Anodenelektrode, die gegenüber der Elektronenstrahlquelle vorgesehen ist, einen wesentlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Reinigungsprozesses.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges und nützliches Feld-Emitter-Array zu schaffen und ein Reinigungsverfahren zur Reinigung desselben anzugeben.
Ein anderes und spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Feld-Emitter-Array und ein Reinigungsverfahren für dasselbe zu schaffen, welches Array und welches Verfahren ein wirksames Reinigen ermöglichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Feld-Emitter-Array geschaffen, welches aufweist:
ein Elektronenstrahlquellen-Array zum Emittieren von Elektronen, welches eine Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen enthält, wobei jedes der Elektronenstrahlquellenelemente eine Kathode zum Emittieren von Elektronen aufgrund des Feld-Emissionseffektes enthält, nach Anlegen einer Kathodenspannung, und ein Gate in der Nähe der Kathode vorgesehen ist, um eine Emission der Elektronen von der Kathode nach Anlegen einer vorbestimmten Gatespannung zu bewirken;
eine Anode, die so angeordnet ist, daß sie zu den Elektronenstrahlquellenelementen hinweist, und eine Einrichtung zum Anlegen einer positiven Spannung an die Anode, so daß in einem ersten Betriebsmodus des Feld-Emitter- Arrays die Anode mit einer positiven Spannung versorgt wird, um Elektronen einzufangen, die durch das Elektronenstrahlquellen-Array emittiert wurden; und
eine Negativspannung-Anlegeeinrichtung, um eine negative Spannung an die Anode anzulegen, um diese dazu zu bringen, als eine Elektronen-Rückstoßeinrichtung zu wirken, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anode in eine Vielzahl von Anodenelementen aufgeteilt ist, die in einer Vielzahl von Gruppen angeordnet sind;
die Negativspannung-Anlegeeinrichtung so ausgebildet ist, um vorbestimmte negative Spannungen getrennt jeder Gruppe von Anodenelementen zuzuführen; und
ein Schalter vorgesehen ist, um die vorbestimmten negativen Spannungen an die Anodenelemente anzuschließen, so daß in einem zweiten Betriebsmodus die von einem oder mehreren der Elektronenstrahlquellenelemente emittierten Elektronen zu dem Elektronenstrahlquellen-Array reflektiert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reinigen eines Feld-Emitter- Arrays geschaffen, welches ein Elektronenstrahlquellenelement-Array umfaßt mit einer Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen, wobei jedes der Elektronenstrahlquellen elemente eine Kathode zum Emittieren von Elektronen aufgrund des Feldemmissionseffektes nach Anlegen einer Kathodenspannung, und ein Gate aufweist, welches in der Nähe der Kathode vorgesehen ist, um die Emission von Elektronen nach Anlegen einer vorbestimmten Gatespannung zu bewirken, und eine Anode aufweist, die mit einer positiven Spannung beschickt wird, um die Elektronen einzufangen, die von der Kathode der Elektronenstrahlquellenelemente emittiert wurden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Aufteilen der Elektronenstrahlquellenelemente in eine Vielzahl von Gruppen, von denen jede eine Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen umfaßt;
Ausbilden eines Elektronenstrahls durch Anlegen einer vorbestimmten Erregungsspannung zwischen den Kathoden in einer ersten Elektronenstrahlquellenelementgruppe, die in der genannten Vielzahl von Gruppen enthalten ist, und den Kathoden in einer zweiten Elektronenstrahlquellenelementgruppe, die in der Vielzahl der Gruppen enthalten ist; und
Anlegen einer negativen Spannung an die Anodenelektrode anstelle der positiven Spannung im wesentlichen gleichlaufend mit dem Schritt der Ausbildung des Elektronenstrahls.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein asymmetrisches elektrisches Feld in den Feld-Emitter-Array zwischen der Anode und den Elektronenstrahlquellenelementen aufgebaut und es wird der Effekt, die Elektronen zu dem Elektronenstrahlquellenelement hinzudrücken, um eine Reinigung zu bewirken, wesentlich erhöht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Feld-Emitter-Arrays zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Feld-Emitter-Arrays in Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches einen Reinigungsprozeß des herkömmlichen Feld-Emitter-Arrays veranschaulicht;
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches ein Ergebnis der Berechnung zeigt, um eine Potentialverteilung zu erhalten, die in dem Feld-Emitter-Array bei dem herkömmlichen Reinigungsprozeß erscheint;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches einen Reinigungsprozeß des Feld-Emitter-Arrays zeigt, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches das Prinzip des Reinigungsprozesses gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7(A) - 7(C) sind Diagramme, die den Reinigungsprozeß des Feld-Emitter-Arrays gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 8(A) - 8(E) sind Diagramme, welche die Zeitsteuerung der Reinigungsoperation gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 9(A) und (B) sind Diagramme, die den Reinigungsprozeß des Feld-Emitter-Arrays gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 10(A) und 10(B) sind Diagramme, welche die Zeitsteuerung der Reinigungsoperation gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergeben; und
Fig. 11 ist ein Diagramm, welches den Reinigungsprozeß des Feld-Emitter-Arrays gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 entspricht der Fig. 3, die an früherer Stelle beschrieben wurde und die Basis 10 ist von Fig. 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. In Fig. 5 sind Teile, die den Teilen in Fig. 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
Gemäß Fig. 5 verwendet die vorliegenden Ausführungsform eine Anodenelektrode 16, die gegenüber der Basis 10 (nicht gezeigt) angeordnet ist und ebenso gegenüber der Isolierschicht 11, die auf der oberen Hauptfläche der Basis vorgesehen ist, und es wird eine negative Spannung an die Anodenelektrode 16 anstelle einer positiven Spannung angelegt. Dabei wird eine negative Spannung an die Anodenelektrode 16 durch Schließen eines Schalters SW angelegt, wenn ein Reinigungsprozeß bewirkt wird. Zur gleichen Zeit wird eine negative Spannung an die Kathodenelektrode 12a und eine positive Spannung an die Kathodenelektrode 12b angelegt, so daß die von dem Emitter 15a aufgrund des Feldemissionseffektes emittierten Elektronen den Emitter 15b entlang einer Bahn erreichen, welche die Emitterspitze 15a mit der Emitterspitze 15b verbindet. Da gemäß dieser Ausführungsform eine negative Spannung an die Anodenelektrode während des Reinigungsprozesses angelegt wird, erreichen die von der Emitterspitze 15a emittierten Elektronen die Emitterspitze 15b mit hohem Wirkungsgrad, so daß ein Reinigungsprozeß effizient durchgeführt wird. Beim normalen Betrieb ist der Schalter SW geöffnet und eine positive Spannung ist an die Anode 16 angelegt.
Fig. 6 zeigt die Potentialverteilung, die in einem Feld-Emitter-Array ausgebildet wird, wenn eine Spannung von -1 V an die Emitterspitze 15a, eine Spannung von +1 V an die Emitterspitze 15b und eine Spannung von -1 V an die Anodenelektrode 16 angelegt wird. Wie im Falle von Fig. 3 ist Fig. 6 in bezug auf Fig. 5 links-rechts-vertauscht. Bei der Berechnung von Fig. 6 ist angenommen, daß die Gateelektroden 13a und 13b geerdet sind.
Wie aus Fig. 6 ersehen werden kann, werden die von der Emitterspitze 15a emittierten Elektronen durch das elektrische Feld zurückgestoßen, welches durch die Anode erzeugt wird, und zwar ungeachtet dem Winkel hinsichtlich der Anode, wobei die Elektronen gezwungen werden, zu der Emitterspitze 15b zurückzukehren. Einige der Elektronen werden durch die Gateelektroden 13a und 13b eingefangen, während andere durch ein intensives elektrisches Feld eingefangen werden, welches um die Emitterspitze 15b ausgebildet wird und durch die Emitterspitze 15b gesammelt werden. Vergleicht man Fig. 6 mit Fig. 4, so kann man feststellen, daß die Potentialverteilungen nahe der Emitterspitze 15a sich merklich über die Potentialverteilung um die Emitterspitze 15b unterscheiden. Es ist offensichtlich, daß eine Potentialverteilung um die Emitterspitze 15b herum, die in Fig. 6 gezeigt ist, das Sammeln des Elektronenstrahls zu dem Endabschnitt der Emitterspitze 15b vereinfacht. Obwohl die Größe einer negativen Spannung, die an die Anodenelektrode angelegt wird, von der Konfiguration des Feld-Emitter-Arrays abhängig ist, ist es im allgemeinen bei dieser Ausführungsform wirksam, die Größe einer negativen Spannung, die an die Anodenelektrode angelegt wird, größer einzustellen als die Spannung, die an die Emitterspitze 15a angelegt wird.
Als nächstes soll eine Beschreibung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf Fig. 7 erfolgen, die ein Feld-Emitter-Array 30 veranschaulicht. Bei der zweiten Ausführungsform wird ein Paar von Elektronenstrahlquellen aufeinanderfolgend ausgewählt, und zwar beginnend von einem Ende eines Elektronenstrahlquellen-Arrays und fortfahrend mit dem anderen Ende, und es wird die oben erwähnte Erregungsspannung an das ausgewählte Paar angelegt, um den Elektronenstrahl, der eine Verbindung zwischen diesen herstellt, auszubilden, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Gemäß den Fig. 7(A) bis 7(C) umfaßt das Feld- Emitter-Array 30 folgendes: eine Isolierschicht 32 ist auf einer Isolierbasis 31 ausgebildet; es sind Kathodenelektrode 33a, 33b, ... an der Grenze zwischen der oben erwähnten Isolierbasis 31 und der Isolierschicht 32 vorgesehen; es sind durchgehende Bohrungen 32a in der oben erwähnten Isolierschicht 32 ausgebildet, um die oben erwähnten Kathodenelektroden 33a, 33b, ... freizulegen; es sind Emitterspitzen 34a, 34b, ... in Entsprechung mit den oben erwähnten durchgehenden Bohrungen oder Öffnungen vorgesehen; es sind Gateelektroden 35 an der oberen Hauptfläche der oben erwähnten Isolierschicht 32 vorgesehen; und es ist eine Anodenelektrode 36 so vorgesehen, daß sie den oben erwähnten Emitterspitzen 34a, 34b, ... gegenüberliegt Die Emitterspitzen 34a, 34b, ... sind in einer Vielzahl von Gruppen angeordnet und bilden Elektronenstrahlquellen A, B, C, D, ... Bei dieser Darstellung ist die Elektronenstrahlquelle A an einem Ende des Elektronenstrahlquellen-Arrays ausgebildet.
Bei einem in Fig. 7(A) gezeigten Zustand wird die Elektronenstrahlquelle A und die benachbarte Elektronenstrahlquelle B ausgewählt und es wird ein Elektronenstrahl erzeugt, so daß sich dieser von der Elektronenstrahlquelle A zu der Quelle B erstreckt. Dadurch wird die Emitterspitze 34b in der Strahlquelle B durch den Elektronenstrahl gereinigt. Nachdem die Elektronenstrahlquelle B gereinigt worden ist, und zwar bei dem Prozeß nach Fig. 7(A), schaltet der Prozeß zu einem Zustand fort, der in Fig. 7(B) gezeigt ist, wobei die Elektronenstrahlquelle B und die benachbarte Elektronenstrahlquelle C ausgewählt werden und ein Elektronenstrahl ausgebildet wird, so daß sich dieser von der Elektronenstrahlquelle B zu der Quelle C hin erstreckt. Dadurch wird die Emitterspitze 34c in der Elektronenstrahlquelle C gereinigt. Als nächstes werden bei dem in Fig. 7(C) gezeigten Zustand die Elektronenstrahlquelle C und die Elektronenstrahlquelle D ausgewählt und es wird die Emitterspitze 34D in der Elektronenstrahlquelle D durch einen Elektronenstrahl gereinigt, der von der Elektronenstrahlquelle C zu der Elektronenstrahlquelle D abgestrahlt wird.
In Verbindung mit einem solchen Reinigungsprozeß sei darauf hingewiesen, daß man eine große negative Spannugn an die Elektronenstrahlquelle A anlegen muß, die zu erst so ausgewählt wird, um die Emission der Elektronen zu bewirken. Es sei ferner erwähnt, daß die Elektronenstrahlquelle A keinerlei früherem Reinigungsprozeß unterworfen wurde und somit eine große Erregungsspannung erforderlich ist, um die gewünschte Elektronenemission zu bewirken. Andererseits wurde die Elektronenstrahlquelle B, die eine Elektronenemission bei dem Prozeß bewirkt, der in Fig. 7(B) gezeigt ist, oder wurde die Elektronenstrahlquelle C, die eine Elektronenemission in dem Prozeß bewirkt, der in Fig. 7(C) gezeigt ist, bereits bei dem früheren Prozeß gereinigt, so daß eine Spannung, die für eine Feldemission von Elektronen von dieser erforderlich ist, niedriger wird als die Erregungsspannung, die für die Elektronenstrahlquelle A verwendet wird.
Die Fig. 8(A) bis 8(E) sind Zeitdiagramme, die veranschaulichen, auf welche Weise der oben erwähnte Reinigungsprozeß voranschreitet. Die Fig. 8(A) zeigt Spannungen, die an die oben erwähnte Elektronenstrahlquelle A angelegt werden und zeigt Zeitsteuerungen dieser Anlegung; Fig. 8(B) zeigt Spannungen, die an die oben erwähnte Elektronenstrahlquelle B angelegt werden und Zeitsteuerung für dieses Anlegen; Fig. 8(C) zeigt Spannungen, die an die oben erwähnte Elektronenstrahlquelle C angelegt werden und zeigt Zeitsteuerungen für dieses Anlegen. Ahnlich zeigt Fig. 8(D) Spannungen, die an die n-1'te Elektronenstrahlquelle angelegt werden und Zeitsteuerungen für dieses Anlegen; Fig. 8(E) zeigt Spannungen, die an die n'te Elektronenstrahlquelle angelegt werden und zeigt Zeitsteuerungen für dieses Anlegen.
Wie in den Fig. 8(A) und (B) gezeigt ist, wird eine negative Spannung Ve1 an die Elektronenstrahlquelle A in einem Intervall t&sub1; angelegt und es wird eine positive Spannung Vx1 an die Elektronenstrahlquelle B in der gleichen Zeitsteuerung angelegt. Nachdem in diesem Zustand ein Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlquelle A zu der Elektronenstrahlquelle 3 ausgestrahlt worden ist, wird eine negative Spannung Ve2, die in der Größe kleiner ist als die Spannung Ve1, an die Elektronenstrahlquelle B in einem Intervall t&sub3; angelegt, wie in den Fig. 8(C) und (D) gezeigt ist. Zur gleichen Zeit wird eine positive Spannung Vx2, die in der Größe kleiner ist als die Spannung Vx1, an die Elektronenstrahlquelle C angelegt. Als Ergebnis wird ein Elektronenstrahlpfad von der Elektronenstrahlquelle B zu der Elektronenstrahlquelle C ausgebildet, so daß die Emitterspitze der Elektronenstrahlquelle C gereinigt wird. Danach werden die Elektronenstrahlquellen aufeinanderfolgend gereinigt, indem sequentiell ein nächstes Paar von Elektronenstrahlquellen ausgewählt wird und die Spannungen Ve2 und Vx2 zwischen den ausgewählten Elektronenstrahlquellen angelegt werden. Wie in Fig. 8(D) und 8(E) gezeigt ist, wird am Ende des Prozesses die positive Spannung Vx2 an die oben erwähnte n-1'te Elektronenstrahlquelle angelegt und es wird die negative Spannung Ve2 an die n'te Elektronenstrahlquelle angelegt, welche Quellen an dem anderen Ende des Elektronenstrahlquellen-Arrays gelegen sind.
Der zuvor erläuterte Prozeß kann selbst eine Vielzahl von malen wiederholt werden, wie in Fig. 8 mit "1. Zyklus" und "2. Zyklus" angezeigt ist. Wenn der Prozeß wiederholt wird, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß jeder der Eiektronenstrahlquellen A, B, C, ... bereits wenigstens einem Reinigungsprozeß unterworfen worden ist, wird die angelegte negative Spannung Ve3 so eingestellt, daß sie in der Größe kleiner ist als die oben erwähnte Spannung Ve2 und es wird die angelegte positive Spannung Vx3 so eingestellt, daß sie in der Größe kleiner ist als die oben erwähnte Spannung Vx2. Es ist dadurch möglich, den Verschleiß der Emitterspitzen durch alimähliches Vermindern des Pegels der Erregerspannung bei voranschreitendem Reinigungsprozeß minimal zu halten. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, die Elektronenstrahlquelle A lediglich als eine spezielle für Reinigungszwecke gedachte Elektronenstrahlquelle vorzusehen, um den Reinigungsprozeß am Ende oder im Randbereich des Elektronenstrahlquellen-Arrays zu initiieren. Die an die Elektronenstrahlquelle angelegte Spannung, um den Reinigungsprozeß zu bewirken, kann bei Vx fixiert sein, um dadurch eine einfache Steuerung zu erreichen.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf die Fig. 9(A) und 9(B) beschrieben. In den Fig. 9(A) und (B) sind diejenigen Teile, die bereits beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren bezeichnet und eine Beschreibung derselben ist weggelassen. In den Fig. 9(A) und (B) sind die Elektronenstrahlquellen durch Ziffern angegeben, die den Kathodenelektroden gegeben sind.
Gemäß Fig. 9(A) sind ein Vielzahl von Elektronenstrahlquellen, die während des normalen Betriebes unabhängig betrieben werden, in zwei einander benachbarten Elektronenstrahlquellengruppen 33a und 33b während des Reinigungsprozesses zusammengefaßt. In einem in Fig. 9(A) gezeigten Zustand wird eine positive Spannung an die Elektronenstrahlquellengruppe 33a angelegt und es wird eine negative Spannung an die Elektronenstrahlquellengruppe 33b angelegt. An die Anodenelektrode 36 wird eine negative Spannung angelegt, indem der Schalter SW geschlossen wird. In diesem Zustand wird ein Elektronenstrahl von jeder Elektronenstrahlquellengruppe 33b zu den jeweiligen Quellen der Quellengruppe 33a ausgestrahlt, so daß die Emitterspitzen in der Elektronenstrahlquellengruppe 33a gereinigt werden. Beispielsweise kann die Elektronenstrahlquellengruppe 33a diejenige Elektronenstrahlquellengruppe darstellen, die den Treiberleitungen mit einer ungeraden Zahl entspricht, und die Elektronenstrahlquellengruppe 33b kann diejenige Elektronenstrahlquellengruppe wiedergeben, die den Treiberleitungen mit einer geraden Zahl entspricht. Siehe hierzu die perspektivische Darstellung von Fig. 1 und die Anordnung der Kathoden- und Gateelektroden 12 und 13, die darin gezeigt sind.
Bei einem in Fig. 9(B) gezeigten Prozeß, der auf den in Fig. 9(A) gezeigten Prozeß folgt, wird eine an die Elektronenstrahlquelle angelegte Spannung umgekehrt, das heißt es wird eine negative Spannung an die Elektronenstrahlquellengruppe 33a angelegt und es wird eine positive Spannung an die Elektronenstrahlquellengruppe 33b angelegt, während die an die Anodenelektrode 36 angelegte positive Spannung die gleiche bleibt. In diesem Zustand werden die Emitterspitzen in der Elektronenstrahlquellengruppe 33b durch die Elektronenstrahlen gereinigt, die von der Elektronenstrahlquellengruppe 33a emittiert werden. Der Reinigungsgrad der Emitterspitzen in jeder Elektronenstrahlquellengruppe wird allmählich verbessert, indem die in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigten Prozesse in einer alternierenden Weise wiederholt werden.
Die Fig. 10(A) und 10(B) zeigen Spannungen, die an die Elektronenstrahlquellengruppen 33a und 33b angelegt werden, wenn die in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigten Prozesse in einer alternierenden Weise wiederholt werden, wobei Fig. 10(A) Spannungen zeigt, die an die Elektronenstrahlquellengruppe 33a angelegt werden, während Fig. 10(B) Spannungen zeigt, die an die Elektronenstrahlquellengruppe 33b angelegt werden.
Wie aus den Fig. 10(A) und 10(B) ersehen werden kann, wird bei dem Intervall t&sub1; die negative Spannung Ve1 an die Elektronenstrahlquellengruppe 33a angelegt und es wird die positive Spannung Vx an die Elektronenstrahlquellengruppe 33b angelegt. Bei dem nächsten Intervall t&sub3;, der von t&sub1; durch den Intervall t&sub2; getrennt ist, wird die positive Spannung Vx an die Elektronenstrahlquellengruppe 33a angelegt und die negative Spannung ve2, die in der Größe kleiner ist als die frühere negative Spannung Ve1 wird an die Elektronenstrahlquellengruppe 33b angelegt. Wenn der oben erwähnte Prozeß wiederholt wird, wird die Größe der negativen Spannungen so gesteuert, daß sie gemäß Ve3, Ve4, Ve5, ... abfällt. Nach Erreichen der Spannung Ve5 wird die negative Spannung auf einem konstanten Pegel gehalten. Indem die Erregerspannung auf diese Weise eingestellt wird, wird ein maximaler Reinigungseffekt erzielt, während gleichzeitig der Verschleiß der Emitterspitzen minimal gehalten wird. Die Zahl der Elektronenstrahlquellen&sub1; die in den Elektronenstrahlquellengruppen 33a und 33b enthalten sind und gleichzeitig gereinigt werden, kann in geeigneter Weise eingestellt werden, was von einer Absorptionsfähigkeit des Getter-Materials abhängig ist, welches in der Zeichnung nicht gezeigt ist.
Als nächstes folgt eine Beschreibung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf Fig. 11, wobei Fig. 11 ein Feld-Emitter-Array 40 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Gemäß Fig. 11 ist das Feld-Emitter-Array 40 aus einer isolierenden Basis 41 gebildet, auf der eine Isolierschicht 42 ausgebildet ist. Es sind Kathodenelektroden 43a und 43b, die den Elektronenstrahlquellen 43a und 43b entsprechen, an der Grenze zwischen der Isolierschicht 42 und der Basis 41 vorgesehen. Eine Vielzahl von durchgehenden Bohrungen oder Öffnungen, die den Kathodenelektroden 43a und 43b entsprechen, sind in der Isolierschicht 42 ausgebildet. Auf den Oberflächen der Kathodenelektroden 43a und 43b sind eine oder mehrere Emitterspitzen 44s vorgesehen, die je eine konische Gestalt entsprechend dem Teil haben, der durch die durchgehenden Öffnungen freigelegt ist. Ferner sind Gateelektroden 45 auf der oberen Hauptfläche der Isolierschicht 42 ausgebildet. Ferner ist eine Isolierbasis 47 oberhalb der oben erwähnten Basis 41 vorgesehen, wie dies in Fig. 11 veranschaulicht ist, und die Basis 47 trägt eine Vielzahl von elektrisch getrennten Anoden-Elektrodenelementen 48a, 48b, ..., und zwar auf der Seite, die zu den oben erwähnten Elektronenstrahlquellen hinweist. Die Elektrodenelemente 48a, 48b, ... und die Isolierbasis 47 als Ganzes bilden eine Anode 46.
Fig. 11 zeigt ferner eine Konfiguration, durch die die Emitterspitzen 44 in einem Feld-Emitter-Array dieser Konfiguration gereinigt werden. Bei der Darstellung wird die negative Spannung Ve1 an die Emitterspitzen 44 angelegt, die an der Kathodenelektrode 43b ausgebildet sind und es wird die positive Spannung Vx an die Emitterspitzen 44 angelegt, die an der Kathodenelektrode 43a ausgebildet sind, so daß ein Elektronenstrahl von der Vielzahl der Emitterspitzen in den Elektronenstrahlquellen 43b zu der Vielzahl der Emitterspitzen in den Elektronenstrahlquellen 43a abgestrahlt werden, so daß die Emitterspitzen 44 in den Elektronenstrahlquellen 43a gereinigt werden.
Bei dieser Ausführungsform wie auch bei den früheren Ausführungsformen wird eine negative Spannung an die Anoden-Elektrodenelemente 48a, 48b, ... angelegt. Diese Ausführungsform ist insofern einzigartig, als drei Arten von Stromversorgungen zum Erzeugen negativer Spannungen VH1, VH2, VH3 als Anoden-Stromversorgungsquellen vorgesehen sind (VH1 < VH2 < VH3) und es werden diese negativen Spannungen VH1, VH2 und VH3 aufeinanderfolgend an drei Anoden- Elektrodenelemente 48f, 48e und 48d angelegt, die in einer Reihe angeordnet sind, und auch an die Anoden-Elektrodenelemente 48c, 48b, 48a, die in einer Reihe angeordnet sind. Als Ergebnis dieser Anordnung wird eine asymmetrische Potentialverteilung ausgebildet, die in der Größe von dem Anoden-Elektrodenelement 48f zu dem Element 48d zunimmt, und auch von dem Anoden-Elektrodenelement 48c zu dem Element 48a zunimmt, mit dem Ergebnis, daß eine Kurvenschar, entlang der die Dichte der Elektronenstrahlen ein Maximum ist, zu den Elektronenstrahlquellen 43a hingebogen wird und Elektronen durch die Emitterspitzen 44 mit hohem Wirkungsgrad eingefangen werden. Die Werte der Spannungen VH1, VH2 und VH3 werden beispielsweise so eingestellt, daß sie allgemein linear mit den Positionen der Elektrodenelemente zunehmen. Beispielsweise werden VH1 und VH3 so gesteuert, daß sie 20% in der Größe voneinander verschieden sind.
Der oben erwähnte Reinigungsprozeß kann bei dem Vakuumabdichtungsprozeß des Feld-Emitter-Arrays erreicht werden, welcher Prozeß in den Prozessen zur Herstellung eines Feld-Emitter-Arrays enthalten ist. Es wird die flüchtige Substanz an der Oberfläche der Emitterspitze mehr oder weniger absorbiert, und zwar unmittelbar nach einem Abdichtungsprozeß, so daß ein Bedarf nach einem Reinigungsprozeß besteht, der ausgeführt wird, bevor die Vorrichtung verschickt wird. Bei einem solchen Prozeß, der vor der Verschickung ausgeführt wird, ist es effektiv, die intensive negative Spannung Ve1 an die Elektronenstrahlquelle A anzulegen, die für den Reinigungszweck vorgesehen wurde, wie unter Hinweis auf Fig. 8(A) beschrieben wurde. Es ist vorteilhaft bei einem Fall, bei dem ein Feld-Emitter-Array in ein elektronisches Gerät eingebaut wurde und dann verschickt wird, einen Reinigungsprozeß unmittelbar nach Einschalten der Stromversorgung einer elektronischen Vorrichtung durchzuführen. Im allgemeinen wird eine Vielfalt von Prüf- und Diagnoseprogrammen durchgeführt, unmittelbar nach Einschalten der Stromversorgung einer elektronischen Vorrichtung und es kann daher durch Ausführen eines Reinigungsprozesses während dieser Anfangsperiode ein Betrag an einer Extrazeit, die für einen Reinigungsprozeß erforderlich ist, eingespart werden. Da auch ein solcher Reinigungsprozeß keine hohe Temperatur erforderlich macht, besteht keine Gefahr, andere Teile eines elektronischen Gerätes nachteilig zu beeinflussen. Es ist möglich, um mit der Emitterspitzen-Gasabsorption aufgrund eines Alterns derselben fertigzuwerden, eine Konfiguration in solcher Weise auszubilden, daß eine Betriebszeit eines Feld-Emitter- Arrays mit Hilfe eines Zeitgebers überwacht wird, so daß ein Reinigungsprozeß initiiert wird, nachdem eine vorbestimmte Zeitperiode verstrichen ist. Eine andere Konfiguration ist ebenso möglich, bei der eine Abnahme eines Anoden stromes überwacht wird und eine Alarmlampe zum Leuchten gebracht wird, wenn der Anodenstrom unter einen vorbestimmten Wert abfällt, wodurch angezeigt wird, daß ein Reinigungsprozeß erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und es sind eine Reihe von Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne den Rahmen der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

1. Feld-Emitter-Array (40) mit:

einem Elektronenstrahlquellen-Array zum Emittieren von Elektronen, welches eine Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen (43a, 43b) enthält, wobei jedes der Elektronenstrahlquellenelemente eine Kathode (44) enthält, um Elektronen mit Hilfe des Feld-Emissionseffektes nach Anlegen einer Kathodenspannung zu emittieren, und ein Gate (45) enthält, das in der Nähe der Kathode vorgesehen ist, um die Emission der Elektronen von der Kathode nach Anlegen einer vorbestimmten Gatespannung zu bewirken;

einer Anode (46), die so angeordnet ist, daß sie zu den Elektronenstrahlquellenelementen (43a, 43b) hinweist, und eine Einrichtung zum Anlegen einer positiven Spannung an die Anode, so daß in einem ersten Betriebsmodus des Feld-Emitter-Arrays die Anode (46) mit einer positiven Spannung versorgt wird, um die von dem Elektronenstrahlquellen-Array emittierten Elektronen einzufangen; und

einer eine negative Spannung anlegende Einrichtung (VH1, VH2, VH3), zum Anlegen einer negativen Spannung an die Anode (46), damit diese als eine Elektronen-Rückstoßeinrichtung wirken kann, dadurch gekennzeichnet, daß

die Anode (46) in eine Vielzahl von Anodenelementen (48a - 48f) aufgeteilt ist, die in einer Vielzahl von Gruppen (z.B. 48a, 48d; 48b, 48e; 48c, 48f) zusammengefaßt sind;

die eine negative Spannung anlegende Einrichtung (VH1, VH2, VH3) so ausgebildet ist, um vorbestimmte negative Spannungen getrennt jeder Gruppe der Anodenelemente zuzuführen; und

ein Schalter (SW) vorgesehen ist, um die vorbestimmten negativen Spannungen an die Anodenelemente (48a - 48f) anzulegen, so daß in einem zweiten Betriebsmodus die von einem oder von mehreren der Elektronenstrahlquellenelemente (43a, 43b) emittierten Elektronen zu dem Elektronenstrahlquellen-Array hin abgelenkt werden.

2. Verfahren zum Reinigen eines Feld-Emitter-Arrays, mit einem Elektronenstrahlquellenelement-Array (1) mit einer Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen (A - D), wobei jedes der Elektronenstrahlquellenelemente eine Kathode (33a, 33b) zum Emittieren von Elektronen mit Hilfe des Feldemmissionseffektes nach Anlegen einer Kathodenspannung enthält, und ein Gate (35) enthält, welches in der Nähe der Kathode angeordnet ist, um die Emission von Elektronen nach Anlegen einer vorbestimmten Gatespannung zu veranlassen, und mit einer Anode (36), die mit einer positiven Spannung beschickt wird, um die von der Kathode der Elektronenstrahlquellenelemente emittierten Elektronen einzufangen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Aufteilen der Elektronenstrahlquellenelemente in eine Vielzahl von Gruppen (33a, 33b), die jeweils eine Vielzahl von Elektronenstrahlquellenelementen enthalten;

Ausbilden eines Elektronenstrahls durch Anlegen einer vorbestimmten Erregungsspannung zwischen den Kathoden in einer ersten Elektronenstrahlquellenelementgruppe (33a), die in der Vielzahl der Gruppen enthalten ist, und den Kathoden in einer zweiten Elektronenstrahlquellenelementgruppe (33b), die in der Vielzahl der Gruppen enthalten ist; und

Anlegen einer negativen Spannung an die Anodenelektrode (36) anstelle der positiven Spannung im wesentli-

Anlegen einer negativen Spannung an die Anodenelektrode (36) anstelle der positiven Spannung im wesentlichen gleichlaufend mit dem Schritt der Ausbildung des Elektronenstrahls.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt der Ausbildung des Elektronenstrahls einen Prozeß umfaßt, wonach zunächst eine negative erste vorbestimmte Erregungsspannung (Ve1) an die Kathoden in der ersten Elektronenstrahlquellenelementgruppe (33a) angelegt wird, und zwar zusammen mit dem Anlagen einer positiven Spannung (Vx) an die Kathoden in der zweiten Elektronenstrahlquellenelementgruppe (33b) und wonach zweitens eine positive Spannung (Vx) an die Kathoden in der ersten Elektronenstrahlquellenelementegruppe (33a) angelegt wird, und zwar zusammen mit dem Anlagen einer negativen zweiten vorbestimmten Erregungsspannung (Ve2), die kleiner ist als die erste vorbestimmte Erregungsspannung (Ve1), an die Kathoden in der zweiten Elektronenstrahlquellenelementgruppe (33b).

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt der Ausbildung des Elektronenstrahls einen Prozeß enthält, wonach die negative vorbestimmte Erregungsspanung (Ve1, Ve2, ...) und die genannte positive Spannung (Vx) wiederholt zwischen den Gruppen der Elektronenstrahlquellenelemente (33a, 33b) in einer solchen Weise angelegt werden, daß die vorbestimmte Erregungsspanung (Ve1, Ve2, ...) allmählich in der Größe abnimmt.