DE69221174T2

DE69221174T2 - Anordnung für Feldemissions-Mikrokathoden

Info

Publication number: DE69221174T2
Application number: DE69221174T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Betsui; Shin Ya Fukuta; Hiroshi Inoue
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: DE69229485T2; EP0497627A2; US5489933A; EP0720199B1; DE69221174D1; EP0497627B1; EP0497627A3; DE69229485D1; KR950001249B1; EP0720199A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Feldemissions-Mikrokathodenarrays zur Verwendung beispielsweise in Vakuum- Mikrovorrichtungen, wie etwa sehr kleine Vakuum-Mikrowellenröhren und Anzeigeelemente.
Figur 1(A) und 1(B) der beiliegenden Zeichnungen zeigen den Aufbau einer Feldemissions-Mikrokathode, wobei Figur 1(A) eine perspektivische Ansicht und Figur 1(B) eine Schnittansicht daratellt.
Wie in den Figuren gezeigt, ist ein Substrat 1' beispielsweise aus einem Halbleiter hergestellt. Ein Kegel 2', der als ein Emitter dient, ist auf dem Substrat 1' gebildet. Eine Spitze 20' des Kegels 2' ist von einer Gateelektrode 30 umgeben. Das Substrat 1' ist von der Gateelektrode 30 durch einen Gateisolierfilm (nicht dargestellt) getrennt. Eine Gateöffnung 3 ist um die Spitze 20' des Kegels 2' gebildet. Die Betriebseigenschaften dieser Feldemissions-Mikrokathode sind hauptsächlich durch den Radius Rg der Gateöffnung 3, die Höhe Ht des Kegels 2' und die Dicke Hg des Gateisolierfilms bestimmt.
Das Halbleitersubstrat 1' dient als eine Kathodenelektrode. Dieses Substrat kann aus Isoliermaterial hergestellt sein und eine Kathodenelektrode, die aus einem leitfähigen Film hergestellt ist, kann zwischen dem Substrat und dem Kegel angeordnet sein. Gewöhnlich werden diese Elemente mehrere Mikrometer groß oder kleiner durch Photolithographie hergestellt, wie auf dem Gebiet der Halbleiter-ICs bekannt ist.
Wenn eine Spannung angelegt wird, so daß der Kegel 2' negativ ist und die Gateelektrode 30 positiv ist, emittiert die Spitze 20' des Kegels 2' Elektroden. Der Kegel 2' wirkt nämlich als eine Feldemissions-Mikrokathode.
Obgleich bei dem in Figur 1(A) und 1(B) gezeigten Beispiel nur ein Emitterkegel vorgesehen ist, können auch eine Reihe von Kegeln in einem Array auf einem einzelnen Substrat angeordnet sein.
Figur 2(A) und 2(B) sind Beispiele eines derartigen Feldemissions-Mikrokathodenarray, das eine Anzeige bildet, wobei Figur 2(A) eine Schnittansicht zeigt, die einen Teil der Anzeige darstellt, und Figur 2(B) eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Ansteuerungsverfahrens der Anzeige.
Wie in den Figuren gezeigt, umfaßt das Feldemissions- Mikrokathodenarray 50' viele Feldemissions-Mikrokathoden, die auf einem Substrat 1' gebildet sind. Mikrokathoden können zweidimensional angeordnet sein oder in Reihen in Längs- und Querrichtung, um eine X-Y-Matrix auf dem Substrat 1' zu bilden.
Das Feldemissions-Mikrokathodenarray selbst ist bereits bekannt. Es kann in Größen und Abständen hergestellt werden, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung (Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, Autumn National Convention, 1990, SC-8-2, 5-28-2) aufgezeigt wurden.
Dem Feldemissions-Mikrokathodenarray 50' entgegengesetzt ist ein transparentes Substrat 10 angeordnet, das beispielsweise aus Glas hergestellt ist. Anoden 12 sind auf der Unterfläche des Substrats 10 ausgebildet. Jede der Anoden 12 ist aus einem ITO (In&sub2;O&sub2;-SnO&sub2;)-Film hergestellt, der eine Dikke von 200 bis 300 nm und eine Fläche von 100 × 100 µm hat. Ein Abstand zwischen benachbarten Anoden 12 beträgt etwa 30 µm. Auf jeder der Anoden 12 ist ein fluoreszierender Punkt 11 angeordnet, der kleiner ist als die Anode 12. Der Punkt 11 ist beispielsweise aus einem ZnO:Zn-Film hergestellt, der eine Dicke von 2 µm hat. Jeder Punkt 11 bildet ein Pixel.
Die Substrate 1' und 10 sind voneinander etwa in einem Abstand von 200 µm angeordnet und bilden eine Anzeigetafel 100.
Die Anzeigetafel 100 wird von einer Steuerschaltung (einer Anodenauswahlschaltung) 200 angesteuert, die in Figur 2(B) dargestellt ist. Die Anodenauswahlschaltung 200 ist mit den Anoden 12 verbunden. Eine Gateleistungsquelle 260 legt eine Gatespannung an, so daß die Kegel 2' gleichzeitig Elektroden emittieren, die durch eine bestimmte Anode 12 spezifisch angezogen werden, welche durch die Anodenauswahlschaltung 200 ausgewählt wird. Die von der bestimmten Anode angezogenen Elektronen erlauben es dem fluoreszierenden Punkt 11 auf der fraglichen Anode 12, Licht zu emittieren.
Auf diese Weise wählt die Anodenauswahlschaltung 200 ordnungsgemäß eine beliebige Anode 12 aus, an die ein positives Potential angelegt wird, um dem fluoreszierenden Punkt 11 auf der fraglichen Anode 12 das Emittieren von Licht zu erlauben, womit die Anzeige angesteuert wird.
Figur 3(A) bis 3(C) zeigen eine früher in Betracht gezogene Anordnung einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung, wobei Figur 3(A) eine perspektivische Ansicht, Figur 3(B) eine vergrößerte Teilansicht und Figur 3(C) eine Schnittansicht entlang einer Linie X-X in Figur 3(A) zeigt.
Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise in der US 4908539 aufgezeigt und kann so aufgefaßt werden, daß sie eine Vielzahl von Elektroden, von welchen jede Elektrode von einer Hauptfläche eines Substrats der Vorrichtung vorragt, eine Gateelektrode, die so angeordnet ist, daß sie der Hauptfläche entgegengesetzt, aber von dieser beabstandet ist und mit Öffnungen versehen ist, die jeweils mit den Elektroden registerhaltig sind, und eine Leistungsversorgungseinrichtung enthält, um das Vorhandensein einer vorbestimmten Potentialdifferenz zwischen den Elektroden und der Gateelektrode zu verursachen, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist.
In Figur 3(A) bis (C) ist das Substrat 1 aus Glas hergestellt. Eine Kathode 6 ist auf dem Substrat 1 ausgebildet und ein Isolierfilm 7 ist auf der Kathode 6 gebildet. Viele Kegel (Elektroden) 2 sind zweidimensional auf dem Isolierfilm 7 gebildet. Die Gateelektrode 30, die Gateöffnungen (Öffnungen) 3 hat, ist so laminiert, daß jede Öffnung 3 eine Spitze 20 eines entsprechenden Kegels 2 umgibt, um so ein Feldemissions-Mikrokathodenarray 50' zu bilden.
In diesem Beispiel sind die Kegel 2 zweidimensional auf dem Substrat 1 angeordnet. Sie können in Reihen in Längsrichtung und in Querrichtung angeordnet sein, um eine X-Y- Matrix für jedes Pixel zu bilden (IEEE Trans. On Electron Device, Band 36, Seite 225, 1989).
Die Mikrokathoden des Array 50', die jeweils einen Durchmesser von mehreren Mikrometern haben, können in Intervallen von mehreren Mikrometern angeordnet sein, so daß mehrere hundert Mikrokathoden für jedes Pixel angeordnet sein können, um eine Fläche von etwa 100 × 100 µm zu bilden. Dies erzeugt einen hellen Bildschirm und ergibt eine Redundanz gegen ungleichmäßige Helligkeit, die durch Unterschiede der Eigenschaften der einzelnen Mikrokathoden verursacht wird.
Wenn die Spitze 20 des Kegels 2 mit der Elektrode 30 durch leitfähigen Staub oder abgebrochene Splitter des Kegels kurzgeschlossen ist, kann ein kritisches Problem auftreten, das die Emission von Elektronen für ein entsprechendes Pixel oder auf dem gesamten Anzeigeschirm verhindert. Es ist angestrebt, dieses Problem zu lösen oder abzumildern. Figur 4 zeigt Beispiele von Defekten, die in einem Feldemissions-Mikrokathodenarray auftreten können.
Wenn die Spitze eines Kegels, die zwischen der Kathode 6 und der Gateelektrode 30 gebildet ist, abgebrochen ist, wie im Fall des Kegels 2', wird kein Elektron emittiert, um den fraglichen Emitter anzusteuern.
Wenn die Form eines Kegels deformiert ist, wie im Fall eines Kegels 2", wird der Kegel mit der Gateelektrode 30 kurzgeschlossen, so daß das Potential von Gate und Emitter ausgeglichen ist. Dies verursacht eine Fehlfunktion aller Emitter und verursacht einen übermäßigen Stromfluß durch die Gateelektrode 30, wodurch möglicherweise das Array insgesamt zerstört wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann ein Feldemissions-Mikrokathodenarray schaffen, das das Erreichen eines kontinuierlichen Betriebes des gesamten Array auch dann unterstützt, wenn ein Kegel lokal mit einer Gateelektrode kurzgeschlossen ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten die Elektroden ein erstes und ein zweites Elektrodenarray und die Gateelektrode enthält einen ersten Gateelektrodenabschnitt, dessen Öffnungen jeweils mit den Elektroden des ersten Array registerhaltig sind, und einen zweiten Gateelektrodenabschnitt, dessen Öffnungen jeweils mit den Elektroden des zweiten Array registerhaltig sind; und die Leistungsversorgungseinrichtung ist mit den Elektroden des ersten Array und dem ersten Gateelektrodenabschnitt mittels einer ersten schmelzbaren Verbindung verbunden und ferner mit den Elektroden des zweiten Array und dem zweiten Gateelektrodenabschnitt mittels einer zweiten schmelzbaren Verbindung verbunden.
In einer derartigen Vorrichtung sind die Elektroden (Feldemissions-Mikrokathoden) für jede Pixelfläche in separaten Arrays oder kleinen Blöcken gruppiert. Jedes der Arrays (kleiner Block) hat eine Zuleitungselektrode (schmelzbare Verbindung) zum Leiten von Elektrizität zu dem Gateelektrodenabschnitt des betreffenden Array. Die Zuleitungselektrode 31 dient als eine Sicherung. Wenn eine der Elektroden in einem der kleinen Blöcke mit dem Gateelektrodenabschnitt kurzgeschlossen wird, ist das Versagen bei dem Erzeugen einer Elektronenemission auf den fraglichen kleinen Block beschränkt. Auf diese Weise steigert das Teilen der Elektroden in kleine Blöcke entsprechend den unterschiedlichen Pixelflächen die Redundanz und verbessert die Zuverlässigkeit beispielsweise einer Anzeigeeinheit, die eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten die Elektroden ein erstes und ein zweites Elektrodenarray und die Gateelektrode enthält einen ersten Gateelektrodenabschnitt, dessen Öffnungen jeweils mit den Elektroden des ersten Array registerhaltig sind, und einen zweiten Gateelektrodenabschnitt, dessen Öffnungen jeweils mit den Elektroden des zweiten Array registerhaltig sind; und der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt selbst, oder ein erster und ein zweiter Strompfad, die jeweils diese Abschnitte mit der Leistungversorgungseinrichtung verbinden, haben einen hohen Widerstand; und die Vorrichtung hat einen Verdrahtungsabschnitt, der mit der Leistungsversorgungseinrichtung verbunden ist und nach außerhalb der Flächen verläuft, in denen der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt vorgesehen sind, welcher Verdrahtungsabschnitt aus einem Material hergestellt ist, das einen niedrigeren elektrischen Widerstand hat als derjenige des Materials, aus dem der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt hergestellt sind.
Ein Typ einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, (im folgenden "Kegeltyp" genannt), umfaßt ein Substrat, über dem eine Vielzahl von kegelförmigen Elektroden, die jeweils eine spitz zulaufende Spitze haben, gebildet sind, und eine Gateelektrode, die eine Vielzahl von Öffnungen hat, welche jeweils die Spitze eines entsprechenden Kegels umgeben. Die Spitze jedes Kegels emittiert Elektronenstrahlen aufgrund der Feldemission.
Nachfolgend wird im Rahmen eines Beispiels auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Figur 1(A) und 1(B) sind eine perspektivische bzw. eine Schnittansicht einer Feldemissions-Mikrokathode;
Figur 2(A) und 2(B) sind eine Schnittansicht und eine allgemeine Ansicht, die ein Feldemissions-Mikrokathodenarray zeigen;
Figur 3(A) bis 3(C) sind Ansichten, die ein früher in Betracht gezogenes Feldemissions-Mikrokathodenarray zur Darstellung von dessen Problemen zeigen;
Figur 4 ist eine Schnittansicht, die Teile eines früher in Betracht gezogenen Feldemissions-Mikrokathodenarray zur Erläuterung von dessen Problemen zeigt;
Figur 5 und 6 sind Kurven, die die Beziehung zwischen dem Durchmesser einer Gateelektrode, einem Emissionsstrom und einer Gatespannung in einer früher in Betracht gezogenen Feldemissions-Mikrokathode zeigen;
Figur 7(A) bis 7(C) sind Ansichten, die ein Feldemissions-Mikrokathodenarray zeigen, das den vorstehend genannten ersten Aspekt der Erfindung verkörpert;
Figur 8(A) und 8(B) sind Ansichten, die eine weitere derartige Arrayvorrichtung zeigen, die den ersten Aspekt der Erfindung verkörpert;
Figur 9(A) und 9(B) sind Ansichten, die eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigen, die den zweiten Aspekt der Erfindung verkörpert;
Figur 10 ist eine Ansicht, die zum Vergleich mit Figur 9 Teile einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigt, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
Figur 11(1) bis 11(6) sind Ansichten, die Schritte in einem Verfahren zeigen, das zur Herstellung einer Feldemissions-Mikrokathodenvorrichtung geeignet ist, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Figur 12 ist eine Ansicht, die Teile einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigt, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
Figur 13 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Aufbaus eines Emitterelements zeigt, das zur Verwendung in einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung geeignet ist;
Figur 14 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Anordnung einer Vielzahl von Emittern aus Figur 13 zeigt, die ein Array bilden;
Figur 15 ist eine Ansicht, die Teile einer weiteren Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigt, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
Figur 16 ist eine Ansicht, die Teile eines optischen System eines optischen Druckers zeigt;
Figur 17 ist eine Ansicht, die darstellt, wie eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung in einen optischen Drucker integriert werden kann;
Figur 18 ist eine Ansicht, die Teile des Druckers aus Figur 17 detaillierter zeigt;
Figur 19 ist ein Diagramm, das die Schaltung zur Ansteuerung des Druckers aus Figur 18 zeigt;
Figur 20 ist eine Ansicht, die Teile einer weiteren Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigt, die zur Verwendung in einem Drucker geeignet ist;
Figur 21 ist eine Ansicht, die Teile einer weiteren Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung zeigt, die zur Verwendung in einem Drucker geeignet ist;
Figur 22 ist eine Ansicht, die Teile einer weiteren Feldemissions-Mikrokathodenvorrichtung zeigt, die zur Verwendung in einem Drucker geeignet ist; und
Figur 23 ist ein Schaltbild, das die Schaltung zur Ansteuerung des Druckers aus Figur 22 zeigt.
Figur 7(A) bis 7(C) zeigen eine Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung Dabei ist Figur 7(A) eine Draufsicht, die eine Pixelfläche 5 zeigt, Figur 7(B) eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in Figur 7(A) und Figur 7(C) eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in Figur 7(A).
In den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 4 einen kleinen Block (Array), der eine Vielzahl von Feldemissions-Mikrokathoden enthält (Elektroden), 5 eine Pixelfläche und 31 eine Zuleitungselektrode (schmelzbare Verbindung), die in jedem kleinen Block 4 einen inneren Abschnitt (einen Subelektrodenabschnitt) 33 mit einem äußeren Abschnitt (einem Hauptelektrodenabschnitt) 34 einer Gateelektrode 30 verbindet. Die Zuleitungselektrode 31 verbindet nämlich den Subelektrodenabschnitt 33 (Gateelektrodenabschnitt) eines entsprechenden kleinen Blockes 4 mit dem Hauptelektrodenabschnitt 34 außerhalb des kleinen Blockes 4.
Die selben Bezugszeichen wie in den vorangehenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Teile, deren Erläuterung daher nicht wiederholt wird.
In Figur 7(A) bis 7(C) ist das Substrat 1 eine Glasplatte mit beispielsweise 1,1 mm Dicke. Eine Kathode 6, die beispielsweise aus einem Ta-Film mit einer Dicke von 100 nm hergestellt ist, wird durch Sputtern gebildet. Ein Isolierfilm 7, der beispielsweise aus einem SiO&sub2;-Film mit 1000 nm Dicke hergestellt ist, wird auf der Kathode 6 angeordnet. Auf der Kathode 6 wird die Gateelektrode 30 mit einem Film aus Cr, Ta oder Mo, der eine Dicke von etwa 150 nm hat, durch ein bekanntes Verfahren gebildet.
Öffnungen 3 sind in dem Gateelektrodenfilm 30 ausgebildet und Löcher für Kegel sind in dem Isolierfilm 7 gebildet. Daraufhin wird beispielsweise Mo schräg auf der Kathode 6 abgeschieden, die an den Böden der Löcher freiliegt, wodurch die Kegel 2 gebildet werden. (J. Appl. Phys., Band 39, Seite 3504, 1968).
In Figur 7(A) erstreckt sich die Pixelfläche 5 über 100 × 100 µm und enthält 9 × 9 = 81 Kegel 2, das heißt Feldemissions-Mikrokathoden, die in einer Matrix angeordnet sind. Die 81 Kegel sind in neun kleine Blöcke 4 gruppiert, die jeweils 3 × 3 = 9 Kegel enthalten. Jeder der kleinen Blöcke 4 ist von einer Vertiefung 32 umgeben, die auf der Gateelektrode 30 ausgebildet ist. Die Breite der Vertiefung 32 kann etwa 5 µm betragen. An einem Teil der Vertiefung 32 ist die Zuleitungselektrode 31 mit einer Breite von 2 bis 3 µm ausgebildet, um den Elektrodenabschnitt 33 und den Hauptelektrodenabschnitt 34 miteinander zu verbinden, welche Elektrodenabschnitte 33 und 34 innerhalb bzw. außerhalb des kleinen Blocks 4 angeordnet sind.
Wenn ein kleiner Block 4, dessen Koordinaten (X, Y) (2, 1) sind, einen Kurzschluß zwischen einer seiner Feldemissions-Mikrokathoden 2 und seinem Subelektrodenabschnitt 33 hat, sammelt sich ein durch den Subelektrodenabschnitt 33 fließender Strom an der Zuleitungselektrode 33, die auf eine Hochtemperatur erwärmt wird und abschmilzt. Als Resultat ist das Versagen durch Kurzschluß auf den kleinen Block 4 (2, 1) begrenzt und die verbleibenden 8 kleinen Blöcke 4 stellen weiterhin die Pixelfläche 5 normal dar, wodurch die Zuverlässigkeit der gesamten Anzeigeeinheit stark verbessert wird.
Gemäß der Ausführungsform kann die Gateelektrode 30 aus einem Cr-Film gebildet sein, der eine Dicke von 150 nm hat, und die Zuleitungselektrode 31 kann durch Photoätzung des Cr-Films auf einer Breite von 2 µm gebildet werden. In diesem Fall fließt dann, wenn das Feldemissions-Mikrokathodenarray einer Gatespannung von 80 V und einem normalen Gatestrom von 1 µA ausgesetzt ist und wenn einer der Kegel 2 in einem der kleinen Blöcke 4 kurzgeschlossen wird, ein großer Strom von etwa 10 mA und die Zuleitungselektrode 31 des fraglichen kleinen Blocks 4 schmilzt in sehr kurzer Zeit.
Figur 8(A) und 8(B) zeigen eine weitere Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Figur 8(A) ist eine Draufsicht, die einen kleinen Block 4 zeigt, und Figur 8(B) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in Figur 8(A).
Gemäß der Ausführungsform von Figur 7(A) bis 7(C) ist die Zuleitungselektrode 31 aus dem selben Metallfilm wie die Gateelektrode 30 hergestellt, die die Subelektrodenabschnitte 33 und den Hauptelektrodenabschnitt 34 enthält. Gemäß der Ausführungsform von Figur 8(A) und 8(B) ist der kleine Block 4 vollständig von einer Vertiefung 32, die auf einer Gateelektrode 30 ausgebildet ist, umgeben und durch diese isoliert. An einem Teil der Vertiefung 32 wird eine separate Zuleitungselektrode 31, die eine Breite von 5 bis 10 µm hat, gebildet, um den inneren und den äußeren Abschnitt des Gate elektrodenfilms 30 des kleinen Blocks 4 miteinander zu verbinden.
Da die Gateelektrode 30 aus einem hochschmelzenden Metall, wie Cr, Ta und Mo gebildet ist, muß die Breite der Zuleitungselektrode 31 relativ schmal, beispielsweise 2 µm sein, wenn sie aus einem derartigen Metall hergestellt wird.
Um dies zu vermeiden, ist in dieser Ausführungsform der kleine Block 4 vollständig von der Vertiefung 32 umgeben, die auf der Gateelektrode 30 gebildet ist, und die relativ breite Zuleitungselektrode 31 wird an einem Teil der Vertie fung 32 mit einem niedrigschmelzenden Leiter, wie etwa Löt- Zinn, gebildet. In diesem Fall kann die Breite der Zuleitungselektrode 31 auf 5 bis 10 µm erweitert werden und die Zuleitungselektrode 31 kann so konstruiert werden, daß sie bei jedem gewünschten Stromwert schmilzt.
Wie vorstehend erläutert hat jeder kleine Block 4 des Feldemissions-Mikrokathodenarray eine Zuleitungselektrode 31 zur Stromzufuhr zu dem Gateelektrodenfilm 30. Die Zuleitungselektrode 31 dient als eine Sicherung, und auch wenn einer der Kegel 2 in dem kleinen Block 4 mit dem Subelektrodenabschnitt 33 kurzgeschlossen wird, ist das Versagen der Elektronenemission auf den fraglichen kleinen Block 4 begrenzt. Auf diese Weise kann das Teilen jeder Pixelfläche in viele kleine Blöcke 4 die Redundanz und die Zuverlässigkeit beispielsweise einer Anzeigeeinheit, die ein die Erfindung verkörperndes Feldemissions-Mikrokathodenarray verwendet, stark verbessern.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist der unabhängige Subelektrodenabschnitt 33 in jedem kleinen Block 4 der Kegel 2 ausgebildet. Genauer ausgedrückt umfaßt die Gateelektrode 30 den Hauptelektrodenabschnitt 34, der mit einer geeigneten Leistungsquelle verbunden ist, und die in dem Hauptelektrodenabschnitt 34 angeordneten Subelektrodenabschnitte 33, die jeweils die Spitzen der jeweiligen Kegel umgebende Öffnungen haben. Jeder der Subelektrodenabschnitte 33 ist durch die Vertiefung 32 von dem Hauptelektrodenabschnitt 34 isoliert. An einem Teil der Vertiefung 32 sind jedoch der Hauptelektrodenabschnitt 34 und der Subelektrodenabschnitt 33 elektrisch miteinander durch die Zuleitungselektrode 31 verbunden, die aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt ist.
In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann anstelle der Anordnung eines separaten Subelektrodenabschnittes (Gateelektrodenabschnitt) 33 für jeden der kleinen Blöcke (Array) 4 ein Gateelektrodenfilm 41 (Figur 9), der aus Material mit hohem Widerstand hergestellt ist, für jeden der kleinen Blöcke 4 gebildet werden.
Genauer ausgedrückt werden die Gateelektrodenabschnitte 41-1 etc., die um die Kegel angeordnet sind, aus einem Material mit hohem Widerstand hergestellt, und eine aus einem Material mit niedrigem Widerstand hergestellte Verdrahtung 42 ist um die Gateelektrodenabschnitte 41 etc. angeordnet.
Wenn einer der Kegel 2 mit seinem Gateelektrodenabschnitt 41 kurzgeschlossen wird, kann der den kurzgeschlossenen Elektrodenabschnitt 41 enthaltende kleine Block (Array) den Betrieb einstellen, da der Kegel 2 und der betreffende Gateelektrodenabschnitt auf gleiches Potential gesetzt sind. Die übrigen kleinen Blöcke (Arrays) arbeiten jedoch normal, da die Gateelektrodenabschnitte 41 der anderen kleinen Blöcke mit der Verdrahtung 42 verbunden sind, die aus einem Material mit niedrigem Widerstand hergestellt ist. Diese Anordnung verbessert daher die Redundanz und Zuverlässigkeit beispielsweise einer Anzeigeeinheit, die ein derartiges Feldemissions-Mikrokathodenarray verwendet, das die vorliegende Erfindung verkörpert.
Dies wird im Detail unter Bezug auf Figur 9(A) und 9(B) erläutert. Figur 9(A) ist eine Draufsicht, die eine Pixelfläche 5 zeigt, und Figur 9(B) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in Figur 9 (A). Die selben Bezugszeichen wie die in den vorangehenden Figuren gezeigten bezeichnen gleiche Teile und daher wird deren Erläuterung nicht wiederholt.
In Figur 9(A) und 9(B) bezeichnet Bezugszeichen 4 einen kleinen Block (9 kleine Blöcke sind für jede Pixelfläche 5 angeordnet), der eine Vielzahl von Feldemissions-Mikrokathoden (Elektroden) beinhaltet, 5 bezeichnet die Pixelfläche und 40 eine Gateelektrode.
Gemäß dieser Ausführungsform umfaßt die Gateelektrode 40 zur Anregung von Elektronen einen Film 41 mit hohem Widerstand, der aus Material mit hohem Widerstand gebildet ist, und einen Film 42 mit niedrigem Widerstand, der aus Material mit niedrigem Widerstand gebildet ist. Der Film 41 mit hohem Widerstand ist um die Kegel 2 in jedem kleinen Block 4 angeordnet und der Film 42 mit niedrigem Widerstand ist um den Film 41 mit hohem Widerstand angeordnet. Der Film 42 mit niedrigem Widerstand ist elektrisch mit dem Film 41 mit hohem Widerstand verbunden und dient als Verdrahtung, um den Film 41 mit hohem Widerstand auf ein vorbestimmtes Potential zu setzen.
Bezugszeichen 43 bezeichnet eine Emitterverdrahtung, die elektrisch mit den Kegeln 2 verbunden ist.
Wie vorstehend erwähnt verursacht das herkömmliche Feldemissions-Mikrokathodenarray das kritische Problem, daß dann, wenn eine Gateelektrode mit einem Kegel kurzgeschlos sen ist, die Elektronenemission für ein ganzes Pixel unterbrochen wird.
Figur 10 zeigt ein Verfahren zur Lösung dieses Problems. In der Figur ist ein Film 9 mit hohem Widerstand, der als Emitterverdrahtung dient, unter den Kegeln 2 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform ist es erforderlich, einen hohen Strom den mit den Kegeln 2 verbundenen Emitterelektroden 9 zuzuführen, um Elektronen aus den Kegeln 2 zu emittieren. Mit anderen Worten sollte die Emitterverdrahtung 9 vorzugsweise einen niedrigen Widerstand haben. Das Anordnen des Films 9 mit hohem Widerstand unter den Kegeln 2 kann das Problem lösen, das auftritt, wenn die Gateelektrode mit den Kegeln kurzgeschlossen wird, aber es verursacht ein anderes Problem der mangelhaften Elektronenemission aus den Kegeln 2. Um eine große Anzeige zu bilden, ist es erforderlich, den Widerstand der Emitterverdrahtung zu reduzieren. Die Anordnung von Figur 10 wirkt jedoch dem Erfordernis der Verringerung des Widerstandes der Emitterverdrahtung entgegen.
Die Ausführungsform von Figur 9 vermeidet dieses weitere Problem. In der Figur ist der Film mit hohem Widerstand 41 auf der Seite der Gateelektrode 40 gebildet. Wenn einer der Kegel 2 beispielsweise in dem kleinen Block 4-1 des Feldemissions-Mikrokathodenarray mit der Gateelektrode 40 kurzgeschlossen ist, werden der fragliche Kegel 2 und die Gateelektrode 40 elektrisch verbunden und die Emitterverdrahtung 43 des kleinen Blockes 4-1 wird einem Spannungsabfall unterzogen und außer Betrieb gesetzt, da die dem kleinen Block 4-1 entsprechende Gateelektrode 40 aus einem Film 41-1 mit ho hem Widerstand gebildet ist. Die Kegel 2 der übrigen kleinen Blöcke 4 sind jedoch durch dieses Versagen nicht beeinträchtigt und können ihren Betrieb fortsetzen, wodurch eine hohe Fehlerredundanz realisiert wird.
Im Normalbetrieb, wenn kein Kurzschluß auftritt, fließt im wesentlichen kein Strom zu der Gateelektrode 40, so daß auch dann kein Spannungsabfall auftritt, wenn der Film 41 mit hohem Widerstand als die Gateelektrode 40 dient, und daher steigt der Leistungsverbrauch nicht an. Die Funktion des Feldemissions-Mikrokathodenarray wird durch den Film mit hohem Widerstand nicht beeinträchtigt.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. In anderen Beispielen gemäß der Erfindung können andere Materialien, Verfahren und/oder Abmessungen verwendet werden.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Zuleitungselektrodenanordnungen zur Zufuhr von Leistung zu einem Gateelektrodenfilm, der für jeden der kleinen Blöcke in einem Feldemissions-Mikrokathodenarray vorgesehen ist. In den Ausführungsformen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung dient die Zuleitungselektrode als eine Sicherung, so daß auch dann, wenn ein Kegel mit der Gateelektrode kurzgeschlossen wird, der Ausfall der Elektronenemission auf den fraglichen kleinen Block beschränkt ist. Auf diese Weise kann das Unterteilen jeder Pixelfläche in kleine Blöcke die Redundanz und die Zuverlässigkeit einer Anzeigeeinheit, die das Feldemissions-Mikrokathodenarray gemäß der Erfindung verwendet, verbessern.
In den Ausführungsformen gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Gateelektrode aus einem Material mit hohem Widerstand hergestellt sein. In diesem Fall kann dann, wenn ein Kegel mit der Gateelektrode kurzgeschlossen wird, ein die kurzgeschlossene Gateelektrode enthaltender kleiner Block außer Funktion gesetzt werden, da der Kegel und die Gateelektrode auf gleiches Potential gesetzt sind. Die Gateelektroden der übrigen kleinen Blöcke arbeiten jedoch normal, da sie mit der Verdrahtung aus Material mit niedrigem Widerstand verbunden sind. Diese Anordnung kann ebenfalls die Redundanz und Zuverlässigkeit einer Anzeigeeinheit verbessern, das die Feldemissions-Mikrokathodenarray gemäß der Erfindung verwendet.
Das Feldemissions-Mikrokathodenarray gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie nachstehend beschrieben hergestellt werden. Figur 11(1) bis 11(6) zeigen Beispiele von Herstellungsprozessen. Diese Prozesse bilden einen kalten Kathodenkegel durch isotropes Ätzen eines Siliziumsubstrats (Mat. Res. Soc. Symp., Band 76, Seite 25, 1987).
In Figur 11(1) wird ein SiO&sub2;-Film 500 mit gleichförmiger Dicke auf einem Siliziumsubstrat 1 durch thermische Oxidation gebildet.
In Figur 11(2) wird der SiO&sub2;-Film 500 durch Photolithographie in eine vorbestimmte Form und Größe geätzt, um SiO&sub2;- Maskenmuster 500' zu bilden.
In Figur 11(3) wird nur das Silizium des Substrats isotrop in einer Mischung von HF und HNO&sub3; geätzt, um einen Kegel 2 zu bilden, der als ein Ernitter unter dem SiO&sub2;- Maskenmuster 500' dient.
In Figur 11(4) wird SiO&sub2; auf dem bearbeiteten Substrat abgeschieden oder darauf aufgesputtert, um einen SiO&sub2;-Film 510 in der Weise zu bilden, daß ein Abstand um den Kegel 2 gebildet ist.
In Figur 11(5) wird ein beispielsweise aus Mo hergestellter Gateelektrodenfilm 310 gleichförmig gebildet. Zu dieser Zeit liegt mindestens ein Teil der Seitenflächen des SiO&sub2;-Maskenmusters 500' frei.
In Figur 11(6) wird eine selektive Ätzung mit HF ausgeführt, um das gesamte SiO&sub2;-Maskenmuster 500' und einen Teil des SiO&sub2;-Films 510 zu entfernen. Als Resultat wird eine Öffnung 3 gebildet und der Kegel 2 wird in dem Raum freigelegt. Dies vollendet die Bildung einer Feldemissions-Mikrokathode auf dem Siliziumsubstrat.
Obgleich die vorstehenden Erläuterungen sich auf eine einzelne Kathode beziehen, kann ein Array von Kathoden auf einem Substrat unter Verwendung einer geeigneten Maske und der Photolithographietechnik gebildet werden.
Bei den vorstehend genannten Herstellungsprozessen ist die räumliche Beziehung zwischen jedem Kegel 2 und einer entsprechenden Öffnung 3, die in der Gateelektrode 30 gebildet ist, sehr wichtig. Die Spitze des Kegels 2 muß mit dem Mittelpunkt der Öffnung 3 übereinstimmen. Ein Problem beim Erzielen einer derartigen Übereinstimmung liegt darin, daß der Durchmesser oder die Breite einer kreisförmigen oder rechteckigen Gateelektrodenöf fnung in Abhängigkeit von Herstellungsbedingungen schwanken können. Diese Schwankung ist auch bei einer sehr strikten Konstruktion unvermeidbar. Wenn der Durchmesser jeder Öffnung 3 der Gateelektrode 30 schwankt, kann ein erforderlicher Emissionsstrom nicht erzielt werden.
Wichtig ist der Abstand zwischen der Gateelektrode und dem Oberteil des Kegels. Wenn der Abstand bestimmte Kriterien erfüllt, wird ein ausreichender Emissionsstrom erzielt. Wenn der Abstand nicht innerhalb der Kriterien liegt, ist der Emissionsstrom für den praktischen Einsatz zu niedrig. Der Durchmesser jeder Gateöf fnung oder der Abstand zwischen der Spitze des Kegels und der Gateelektrode muß genauestens gesteuert werden.
Figur 5 erläutert diesen Punkt. Wenn der Durchmesser der Öffnung 3 der Gateelektrode 30 ordnungsgemäß eingestellt ist, hat der Emissionsstrom die gewünschte Höhe. Wenn die optimale Bedingung auch nur geringfügig verfehlt wird, wird der Emissionsstrom für den praktischen Einsatz zu niedrig.
Die Betriebseigenschaften der Feldemissions-Mikrokathode werden durch den Radius Rg der Gateelektrodenöffnung 3, die Höhe Ht des Kegels 2 und die Dicke Hg des Gateisolierfilms bestimmt.
Ein optimaler Radius der Gateöffnung ist Rgo. Wenn die tatsächliche Größe eines Gates größer oder kleiner ist als das optimale Gate, erzeugt es einen sehr kleinen Emissionsstrom. Ein ausreichender Emissionsstrom wird nämlich nicht erzielt, wenn der Radius der Gateöffnung außerhalb des optimalen Wertes liegt.
Figur 6 zeigt eine Beziehung zwischen einer Gatespannung Vg und einem Emissionsstrom Ie mit der Veränderung des Durchmessers der Gateöffnung als Parameter. In der Figur stellt die Ordinate den Entladungsstrom Ie und die Abszisse die Gatespannung Vg dar.
Eine Kurve (1) in Figur 6 stellt ein typisches Beispiel dar, bei dem der Durchmesser der Öffnung 3 dem erforderlichen Wert (das heißt 2 Rgo) gleich ist. Wenn eine Spannung angelegt und erhöht wird, wobei der Kegel 2 negativ und das Gate 3 positiv ist, emittiert die Spitze 20 des Kegels 2 bei einer bestimmten Schwellenspannung plötzlich Elektronen. Bei einer Betriebsgatespannung Vgo wird ein Betriebsemissionsstrom Ieo erhalten.
Wenn der Durchmesser einer Öffnung 3 der Gateelektrode größer ist als der erforderliche Wert, wie mit einer Kurve (3) in Figur 6 dargestellt, oder kleiner, wie mit einer Kurve (2) dargestellt, fällt ein mit der selben Gatespannung erhaltener Emissionsstrom deutlich auf einen inakzeptabel niedrigen Wert ab.
Bei der Herstellung der Kegel 2 für eine Arrayvorrichtung mag das vorstehend beschriebene Problem nicht übermäßig wichtig sein, wenn die Anzahl der Kegel 2 klein ist, da die Höhe Ht des Kegels 2 und. der Durchmesser 2 Rg der Gateelektrodenöffnung 3 jeweils mehrere Mikrometer oder weniger haben. Wenn jedoch viele Kegel auf einer großen Fläche gebildet werden oder eine lange lineare Kante hergestellt wird, kann das vorstehend beschriebene Problem bei den Abscheidungs-, Belichtungs- und Ätzprozessen und dergleichen auftreten.
Wenn die Größe der Gateelektrodenöffnung größer oder kleiner als der optimale Wert ist, wird ein Emissionsstrom sehr klein. Ein ausreichender Emissionsstrom wird nämlich nicht erhalten, wenn der Durchmesser der Gateelektrodenöffnung von dem optimalen Wert abweicht. Als Resultat wird der Produktionsertrag von Feldemissions-Mikrokathodenarrays, die die erforderlichen Eigenschaften haben, verschlechtert.
Entsprechend müssen die Fläche und Form jeder Öffnung der Gateelektrode in dem Feldemissions-Mikrokathodenarray während der Herstellung durch exakte Konstruktion und Prozeßsteuerung genau gesteuert werden. Auch bei einer derartigen genauen Steuerung kann der Durchmesser der Öffnungen der Gateelektrode aus verschiedenen Gründen schwanken. In diesem Fall können die Produktionskosten des Mikrokathodenarray steigen und der Produktionsertrag kann verschlechtert werden.
Entsprechend ist es wünschenswert, ein Feldemissions- Mikrokathodenarray zu schaffen, das von den vorstehend beschriebenen, mit den vorstehend erörterten Produktionstechniken verbundenen Problemen frei ist, bestimmte Eigenschaften ausreichend zeigt und mit hohem Produktionsertrag bei niedrigen Kosten effizient hergestellt werden kann.
Genauer ausgedrückt enthält, wie vorstehend beschrieben, die Feldemissions-Mikrokathodenvorrichtung des Kegeltyps ein Substrat 1, auf dem die kegelförmigen Elektroden 2, die jeweils eine spitz zulaufende Spitze haben, gebildet werden, und Gateelektrodenöffnungen 3, die jeweils die Spitze 20 eines entsprechenden Kegels 2 umgeben. Die Spitze 20 jedes Kegels 2 emittiert Elektronenstrahlen aufgrund der Feldemission. Bei dieser Art von Vorrichtung haben die Gateelektroden öffnungen 3 vorzugsweise unterschiedliche Größen und werden über das Substrat untereinander gemischt, um das vorstehend genannte Problem zu lösen.
Eine andere Art einer Feldemissions-Mikrokathodenvorrichtung umfaßt ein Substrat, auf dem längliche Elektroden 4, die jeweils eine scharfe Kante 40 haben, gebildet sind, sowie schlitzähnliche Gateelektrodenöffnungen 5, die jede Kante 4 umgeben. Die schneidenartige Kante 40 emittiert Elektronenstrahlen aufgrund der Feldemission. In einer derartigen Vorrichtung variiert die Breite der Gateelektrodenöffnung 5 vorzugsweise entlang der Kante 4, um das vorstehend genannte Problem zu lösen. Eine Vielzahl der Feldemissions-Mikrokathoden kann in einer Anordnung auf dem Substrat angeordnet sein.
Figur 12 zeigt eine Anordnung von Spitzen 20 der Kegel und Gateelektrodenöffnungen 3, die ein Feldemissions-Mikrokathodenarray 50a bilden. Die Öffnungen 3 haben drei Größen. Das heißt, daß sie in große Öffnungen 3a, mittlere Öffnungen 3b und kleine Öffnungen 3c klassifiziert sind, die zyklisch auftreten. Diese Anordnung kann beispielsweise gemäß den unter Bezug auf Figur 11(1) bis 11(6) erläuterten Prozessen hergestellt werden. Die Größen und Intervalle der Öffnungen 3 sind gemäß den Erfordernissen gewählt.
Dieser Herstellungsprozeß formt sicher die Öffnungen 3 mit verschiedenen Größen, die auf der Basis einer erforderlichen Größe ausgewählt werden. Es ist bevorzugt, mindestens drei Öffnungsgrößen, oberhalb und unterhalb der erforderlichen Größe herzustellen. Es ist möglich, mehr als 3 Größen herzustellen. Öffnungen 3, die verschiedene Größen haben, können beliebig verteilt werden oder in gewisser Weise regelmäßig auf der Gateelektrode 30 angeordnet werden.
Auch wenn einige Öffnungen mit einer der drei Größen von dem erforderlichen Wert abweichen, können andere Öffnungen mit einer anderen Größe mit dem erforderlichen Wert übereinstimmen, so daß das Feldemissions-Mikrokathodenarray insgesamt nicht nutzlos oder Ausschuß wird. Obgleich dieses Verfahren die Anzahl der normal arbeitenden Mikrokathoden auf ein Drittel verringern kann, kann dieser Nachteil aufgrund seines Kosteneinsparungseffekts vernachlässigt werden.
Figur 13 zeigt einen anderen Aufbau einer Feldemissions- Mikrokathode. In Figur 1 ist jeder Emitter (Elektrode) kegelförmig, während in Figur 13 ein Emitter (Elektrode) 4 länglich ist und eine Kante 40 hat, die linear Elektroden emittiert. Entsprechend ist eine Gateelektrodenöffnung 5 als langer dünner Schlitz ausgebildet, der eine Breite von 2 Rg hat. Dieser Aufbau kann zum Emittieren eines linearen Strahls verwendet werden.
Figur 14 zeigt eine Anordnung von Gateelektrodenöffnungen eines Feldemissions-Mikrokathodenarray, das derartige Emitter hat. Diese Figur zeigt einfach die Kantenschneiden und die Gateelektrodenöffnung 51 die ein Feldemissions- Mikrokathodenarray 50'b bilden. Die Details jeder Kathode entsprechen denjenigen von Figur 13. Dieses Beispiel emittiert Elektronenstrahlen in einer breiten Fläche.
Das Beispiel von Figur 14 kann unter dem selben Problem wie dem unter Bezug auf Figur 6 erläuterten leiden.
Zur Lösung dieses Problems kann die Breite der Öffnungen entlang der Schneide 40 der Emitterkante (anstelle von konstant, wie in Figur 13 und 14) unregelmäßig gemacht werden. Abschnitte mit optimaler Breite der Öffnung 5 können in eigenselektiver Weise Elektronen emittieren. Dies gilt für jede Kante, so daß Elektronenstrahlen stabil aus einer großen Fläche abgestrahlt werden.
Figur 15 zeigt ein Beispiel einer solchen breiten Variation, die das Problem von Figur 6 beheben soll. Bei diesem Beispiel verjüngt sich die Breite einer Öffnung 5 entlang einer Schneide 40 jeder Kante. An Abschnitten optimaler Breite der Öffnung werden Elektronenstrahlen in eigenselektiver Weise emittiert.
Die vorstehend beschriebene Breitenvariation bezieht sich auf ein Array mit Emittern in Kantenform.
Wie vorstehend erläutert, sehen die in Figur 12 und 15 gezeigten Anordnungen effektiv große, mittlere und kleine Gateelektrodenöffnungen 3 (5) vor und verteilen sie über das Substrat. Auch wenn die Größe der Öffnung aufgrund von Herstellungsfehlern schwankt, können einige Kegel 2 oder Kanten 4, deren Gateöffnungen einen optimalen Radius Rgo haben, in eigenselektiver Weise Elektronenstrahlen emittieren. Auf diese Weise können diese Anordnungen Elektronenstrahlen aus einer großen Fläche oder entlang einer langen Linie stabil emittieren.
Nachfolgend wird ein Drucker, der eine Feldemissions- Mikrokathodenarrayvorrichtung verwendet, erläutert. Es versteht sich, daß, obgleich die im folgenden unter Bezug auf Figur 17 bis 23 beschriebenen Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtungen die vorliegende Erfindung nicht spezifisch verkörpern, die betreffenden Figuren und die dazugehörige Beschreibung zu der Erläuterung dessen beitragen, wie die Erfindung verkörpernde Vorrichtungen für einen derartigen Drucker angewendet werden können.
Anschlagfreie Drucker, wie etwa Laserdrucker, die optische Zeilenstrahlen verwenden, werden gegenwärtig vielfach eingesetzt. Die Laserdrucker erfordern eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls in viele Positionen. Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls in viele Positionen schließen ein Lichtstrahlabtastverfahren und ein Verfahren mit einem optischen Array ein.
Das Verfahren mit einem optischen Array ordnet viele lichtemittierende Elemente, wie etwa Laserdioden, für entsprechende optische Punkte, wie etwa Druckpunkte, jeweils an. Das Verfahren mit einem optischen Array trägt zu einem Druckvorgang mit hoher Geschwindigkeit und geringem Geräusch bei.
Das Lichtstrahlabtastverfahren tastet ein Objekt mit einem Lichtstrahl ab, indem ein lichtablenkendes Element, wie etwa ein rotierender Polygonspiegel, und eine Hologrammscheibe in Umdrehung versetzt werden, ab. Dieses Verfahren wird am häufigsten verwendet, da es eine hohe Auflösung und einen breiten Abtastwinkel bietet.
Ein Beispiel eines optischen Druckers, der das Lichtstrahlabtastverfahren und ein Hologramm verwendet, wird in groben Umrissen unter Bezug auf Figur 16 erläutert. Eine Lichtquelle 610, wie etwa ein Halbleiterlaser, emittiert einen Laserstrahl, der durch eine Sammellinse 604, wie etwa eine Hologrammimse, zu einem vorbestimmten Durchmesser gesammelt wird. Zur gleichen Zeit wird die Aberration des Strahls korrigiert. Der Strahl wird dann auf ein Hologramm 602 gestrahlt, das auf einer Hologrammscheibe 601 gebildet ist. Die Hologrammscheibe 601 wird durch einen Motor 603 in Umdrehung versetzt. Gemäß der Umdrehung der Hologrammscheibe 601 wird der auftreffende Strahl durch das Hologramm 602 in verschiedene Richtungen abgelenkt. Entsprechend tastet ein ausgehender Strahl 605 die Oberfläche einer Photoleiterwalze 300 ab. Andere Einrichtungen, wie etwa eine Ladungseinrichtung, eine Entwicklereinheit und ein Blattzuliefermechanismus, die zum Bilden des optischen Druckers zur elektrostatischen Aufzeichnung erforderlich sind, sind der Einfachheit halber in Figur 16 nicht dargestellt.
Andererseits ist das herkömmliche Verfahren mit einem optischen Array für optische Drucker hinsichtlich Helligkeit, Auflösung und Kosten unterlegen.
Das vorstehend beschriebene Lichtstrahlabtastverfahren muß einen Präzisionsmotor und einen Rotationsfeinsteuerungsmechanismus für die rotierenden Elemente, wie etwa den rotierenden Polygonspiegel und die Hologrammscheibe, verwenden, um die Erfordernisse für den Druck mit hoher Qualität zu erfüllen. Dies kann die Größe und die Kosten der Vorrichtung erhöhen.
Diese Probleme können in einem optischen Drucker (Figur 17) gelöst werden, der mindestens einen optischen Kopf 100 des Feldemissions-Mikrokathodentyps umfaßt, der eine fluoreszierende Punktanordnung und Feldemissions-Mikrokathoden zum Emittieren von Elektronenstrahlen zu der fluoreszierenden Punktanordnung, eine Steuerschaltung 200 zum Einschalten und Ausschalten des optischen Kopfes 100 und eine Photoleiterwalze 300, die einen Photoleiter 301 hat, auf dem ein Latentbild durch den optischen Kopf gebildet wird, während dieser ein- und ausgeschaltet wird, enthält. Der optische Kopf 100 ist aus einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung gebildet, die entweder Elektroden des Kegeltyps oder des Kantentyps (Feldemissions-Mikrokathoden) hat, die eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Vorrichtung sein kann (obgleich nicht spezifisch als solche dargestellt), wie sie unter Bezug auf die vorangehenden Figuren beschrieben wurde.
Der optische Kopf 100, der die Feldemissions-Mikrokathoden und die fluoreszierenden Elemente enthält, macht den optischen Drucker kompakt und bietet einen niedrigen Leistungsverbrauch, einen hohen Helligkeitsgrad und einen stabilen Betrieb ohne mechanisch bewegte Teile. Diese Vorteile werden erhöht, wenn eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, verwendet wird, um den optischen Kopf 100 zu bilden.
Obgleich nicht dargestellt, kann der Kopf 100 des Feldemissions-Mikrokathodentyps beispielsweise eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung 50 nutzen, die unter Bezug auf Figur 12 oder 15 beschrieben wurde, welche gemischte Gateelektrodenöffnungen 3 (5) mit verschiedenen Größen hat, um die Effizienz des Druckers weiter zu verbessern.
Nachfolgend werden Beispiele von optischen Druckern, die eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung des Kegel- oder Kantentyps verwenden, erläutert.
Figur 17 ist eine Darstellung, die einen wesentlichen Teil eines optischen Druckers zeigt, der eine solche Vorrichtung nutzt. Bezugszeichen 100 bezeichnet einen optischen Kopf des Feldemissions-Mikrokathodentyps, 150 eine Linsenanordnung, wie etwa aufrechte Linsen gleicher Vergrößerung, 300 eine Photoleiterwalze und 301 einen Photoleiter.
Der optische Kopf 100 umfaßt ein fluoreszierendes Punktarray (nicht dargestellt) und eine Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung (nicht dargestellt) zum Emittieren von Elektronenstrahlen zu dem fluoreszierenden Punktarray. Der optische Kopf 100 wird durch eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) ein- und ausgeschaltet und die Linsenanordnung 150 bildet ein Latentbild auf dem Photoleiter 301, wie etwa einem Zno:Zn-Film, der auf dem Umfang der Photoleiterwalze 300 aufgetragen ist. Andere Einrichtungen, wie etwa eine Ladungseinrichtung, eine Entwicklungseinheit und eine Blattzuliefereinrichtung, die für den optischen Drucker erforderlich sind, sind in der Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt, da diese Einrichtungen keinen direkten Bezug zu der vorliegenden Erfindung haben.
Figur 18 zeigt allgemein die Anwendung einer derartigen Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung an einem Drukker. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein transparentes Substrat, wie etwa ein Glassubstrat, und 12 bezeichnet Anoden, die auf dem transparenten Substrat 10 gebildet sind. Jede der Anoden 12 ist beispielsweise aus einem ITO-(In&sub2;O&sub3;-SnO&sub2;)-Film hergestellt, der eine Dicke von 200 bis 300 nm und eine Größe von etwa 50 µm hat. Die Anoden 12 entsprechen Druckpunkten und sind mit einem Abstand von etwa 70 µm angeordnet. Auf jeder der Anoden 12 ist ein fluoreszierender Punkt 11 angeordnet, der kleiner ist als die Anode 12 und aus einem Zno:Zn-Film hergestellt ist, der eine Dicke von 2 µm hat.
Bezugszeichen 50 bezeichnet die Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung einschließlich ihres Substrats 1. Mit vorbestimmten Abmessungen und Abständen ist die Arrayvorrichtung 50 beispielsweise gemäß einem Verfahren hergestellt, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung aufgezeigt wurde (Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, Autumn National Convention, 1990, SC-8-2, 5-28-2).
Die Substrate 10 und 1 sind voneinander mit einer Distanz von etwa 200 µm beabstandet, um einen Kopf 100 des Feldemissions-Mikrokathodentyps zu bilden. Dieser Kopf ist wie in Figur 17 dargestellt angeordnet und wird mit einer Steuerschaltung, einer Ladungseinrichtung, einer Entwicklereinheit, einer Blattzuliefereinrichtung und dergleichen zusammengebaut, um einen optischen Drucker zu bilden.
Figur 19 zeigt die Schaltung zur Ansteuerung der Vorrichtung von Figur 18. Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Gateelektrode und 200 eine Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des optischen Kopfes 100 des Feldemissions-Mikrokathodentyps. In der Schaltung von Figur 19 ist die Steuerschaltung 200 eine Gateauswahlschaltung. Bezugszeichen 250 bezeichnet eine Anodenleistungsquelle und 260 eine Gateleistungsquelle.
Die Steuerschaltung 200 legt selektiv eine Gatespannung, die von der Gateleistungsquelle 260 abgegeben wird, an einen bestimmten Kegel 2 an, dessen Spitze 20 Elektronen emittiert. Die Elektronen werden durch eine dem spezifischen Kegel 2 entsprechende Anode 12 angezogen, welche Anode durch die Anodenleistungsquelle 250 mit einem positiven Potential versorgt wird. Entsprechend emittiert ein auf der Anode 12 gebildeter fluoreszierender Punkt Licht. Auf diese Weise kann die Steuerschaltung 200 in geeigneter Weise ein Gate 30 auswählen, an das eine Gatespannung angelegt wird, um dadurch Licht aus einem gewünschten fluoreszierenden Punkt 11 zu emittieren.
In dieser Vorrichtung dient der Kegel 2 als ein Emitter. Bei einem Durchmesser jeder Öffnung 3 von 2 µm und einem Abstand zwischen den Spitzen 20 der Kegel von 4 µm werden Elektronenstrahlen selektiv emittiert, wenn eine Auswahlgatespannung Vg von 80 V und eine Anodenspannung Va von 100 V angelegt werden. Der Kopf kann zusammen mit der St tung 200 einen optischen Hochleistungsdru eine größere Helligkeit erzielt, als ein kömmliche optische Zugriffsverfahren verw
Figur 22 ist eine schematische Ansio emissions-Mikrokathodenarray 50 zeigt, da nem fluoreszierenden Punkt angeordnet ist, so daß Elektronenstrahlen zu dem fluoreszierenden Punkt 11 von dessen Seite her emittiert werden können. Dieser Aufbau verbessert die Lichtemissionseffizienz, da die Elektronenstrahlen nicht durch den fluoreszierenden Punkt 11 gedämpft werden, und ist zur Verwendung in einem Drucker der vorstehend beschriebenen Bauart geeignet.
Figur 23 ist eine schematische Ansicht, die einen modifizierten Aufbau zeigt, der zur Verwendung in einem derartigen Drucker geeignet ist. Ein fluoreszierender Punkt 11 und ein Feldemissions-Mikrokathodenarray 50 sind auf der selben Ebene gebildet. Diese Modifikation verbessert die Lichtemissionseffizienz und ist einfach herzustellen, da die beiden Elemente auf der selben Ebene gebildet werden. Die Modifikation verbessert den Produktionsertrag und verringert die Kosten.
Figur 20 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel der Verwendung einer Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung in einem Drucker zeigt.
Die selben Bezugszeichen, wie sie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wurden, bezeichnen gleiche Teile.
Ein Feldemissions-Mikrokathodenarray 50 kann durch IC- Technik sehr klein gemacht werden. Beispielsweise kann die Spitze eines Kegels 2 eine Größe von etwa einigen Mikrometern haben. Andererseits hat ein fluoreszierender Punkt 11, der einem Druckpunkt entspricht, die Größe von einigen 10 bis 100 Mikrometern. Es ist daher möglich, viele Kegel 2 für jeden fluoreszierenden Punkt 11 anzuordnen, wie in der Figur gezeigt. Diese Anordnung kann die Anzahl der Elektronenstrahlen zur Bestrahlung jedes fluoreszierenden Punktes 11 erhöhen und die Redundanz und die Zuverlässigkeit des gesamten Druckers verbessern.
Figur 21 zeigt die Schaltung zum Ansteuern der Vorrichtung von Figur 20. Die Schaltung unterscheidet sich von der Ansteuerschaltung von Figur 19 insofern, als eine Steuerschaltung 200 nicht als eine Gateauswahlschaltung dient, sondern als eine Anodenauswahlschaltung. Eine von einer Gateleistungsquelle 260 angelegte Gatespannung verursacht die gleichzeitige Emission von Elektronen. Die Elektronen werden von einer bestimmten Anode 12 angezogen, die von der Steuerschaltung 200 ausgewählt wird. Die Elektronen erlauben dann einem fluoreszierenden Punkt 11 auf der Anode 12 die Emission von Licht. Die Anode 12, an die das positive Potential angelegt wird, wird durch die Steuerschaltung 200 in geeigneter Weise ausgewählt, so daß Licht von einem erforderlichen fluoreszierenden Punkt 11 emittiert werden kann. Diese Vorrichtung kann einen Drucker mit größerer Leistungsfähigkeit und Helligkeit im Vergleich zu herkömmlichen optischen Zugriffsverfahren schaffen.
Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden als Beispiele vorgelegt und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, abgesehen von der Definition in den beigefügten Ansprüchen. Andere Materialien, Prozesse und Konfigurationen können zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben können Ausführungsformen der Erfindung eine verbesserte Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung schaffen, die Emitterkegel zum Emittieren von Elektronen enthält. Die Emitterkegel sind in kleine Blöcke gruppiert, so daß auch dann, wenn ein Kurzschluß zwischen Elektroden bei einem Kegel der kleinen Blöcke auftritt, der Ausfall auf den fraglichen kleinen Block beschränkt ist, wodurch die Zuverlässigkeit der gesamten Anordnung verbessert wird.
Allgemein kann ein optischer Kopf des Feldemissionskathodentyps, der Feldemissions-Mikrokathoden und fluoreszierende Punkte enthält, als eine Lichtquelle eines optischen Druckers dienen, die Abmessungen des Druckers kompakt werden lassen und einen niedrigen Leistungsverbrauch, ein hohes Ausmaß an Helligkeit und einen stabilen Betriebsablauf ohne mechanisch bewegte Teile schaffen. Die Feldemissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, kann zur Verstärkung dieser Vorteile des optischen Kopfes dienen, den Aufbau vereinfachen, die Leistungsfähig keit stabilisieren und die Kosten eines derartigen Druckers senken.

Claims

1. Feldmissioons-Mikrokathodenarrayvorrichtung, enthaltend:

eine Vielzahl von Elektroden (2), von welchen jede Elektrode von einer Hauptfläche eines Substrats (6) der Vorrichtung vorragt;

eine Gateelektrode (30, 33), die so angeordnet ist, daß sie der Hauptfläche entgegengesetzt, aber von dieser beabstandet ist, und mit Öffnungen (3) versehen ist, die jeweils mit den Elektroden (2) registerhaltig sind; und

eine Leistungsversorgungseinrichtung (260), um das Vorhandensein einer vorbestimmten Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (2) und der Gateelektrode (30, 33) zu verursachen, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) ein erstes und ein zweites Elektrodenarray (4) enthalten und die Gateelektrode (30, 33) einen ersten Gateelektrodenabschnitt (33) enthält, dessen Öffnungen (3) jeweils mit den Elektroden des ersten Array (4) registerhaltig sind, und einen zweiten Gateelektrodenabschnitt (33), dessen Öffnungen (3) jeweils mit den Elektroden des zweiten Array (4) registerhaltig sind; und

dadurch, daß die Leistungsversorgungseinrichtung mit den Elektroden des ersten Array und dem ersten Gateelektrodenabschnitt (33) mittels einer ersten schmelzbaren Verbindung (31) verbunden ist und ferner mit den Elektroden des zweiten Array und dem zweiten Gateelektrodenabschnitt (33) mittels einer zweiten schmelzbaren Verbindung (31) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Gateelektrode ferner einen Hauptelektrodenabschnitt (30) enthält, der mit der Leistungsversorgungseinrichtung (260) verbunden ist und sich nach außerhalb der Flächen erstreckt, in welchen der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (33) vorgesehen sind, von welchen jeder Gateelektrodenabschnitt (33) von dem Hauptelektrodenabschnitt (30) durch einen Spalt (32) isoliert ist, der sich um den betreffenden Gateelektrodenabschnitt zwischen diesem und dem Hauptelektrodenabschnitt erstreckt;

welche erste und zweite schmelzbare Verbindung (31) den Hauptelektrodenabschnitt (30) mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Gateelektrodenabschnitt (33) verbinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Hauptelektrodenabschnitt (30) und der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (33) auf einer gemeinsamen flachen Trägerschicht (7) gebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die erste und die zweite schmelzbare Verbindung (31), der Hauptelektrodenabschnitt (30) und der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (33) alle aus dem selben elektrisch leitfähigem Material hergestellt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die erste und die zweite schmelzbare Verbindung (31) jeweils durch einen schmalen Abschnitt des elektrisch leitfähigen Materials gebildet sind, der den Spalt (32) überbrückt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die erste und die zweite schmelzbare Verbindung (31) jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sind, das eine niedrige Schmelztemperatur hat.

7. Feldernissions-Mikrokathodenarrayvorrichtung, enthaltend:

eine Vielzahl von Elektroden (2), von welchen jede Elektrode von einer Hauptf läche eines Substrats (43) der Vorrichtung vorragt;

eine Gateelektrode (41, 42), die so angeordnet ist, daß sie der Hauptfläche entgegengesetzt, aber von dieser beabstandet ist und mit Öffnungen (3) versehen ist, die jeweils mit den Elektroden (2) registerhaltig sind; und

eine Leistungsversorgungseinrichtung (260), um das Vorhandensein einer vorbestimmten Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (2) und der Gateelektrode (41, 42) zu verursachen, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) ein erstes und ein zweites Array (4) der Elektroden enthalten und die Gateelektrode (41, 42) einen ersten Gateelektrodenabschnitt (41), dessen Öffnungen (3) jeweils mit den Elektroden des ersten Array registerhaltig sind, und einen zweiten Gateelektrodenabschnitt (41), dessen Öffnungen jeweils mit den Elektroden des zweiten Array (4) registerhaltig sind, enthält;

und dadurch, daß der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (33) selbst oder ein erster und ein zweiter Strornpfad, die diese Abschnitte jeweils mit der Leistungsversorgungseinrichtung (260) verbinden, einen hohen Widerstand haben;

und dadurch, daß die Vorrichtung einen Verdrahtungsabschnitt (42) hat, der mit der Leistungsversorgungseinrichtung (260) verbunden ist und sich außerhalb der Fläche erstreckt, in welcher der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (41) vorgesehen ist, welcher Verdrahtungsabschnitt (42) aus einem Material hergestellt ist, das einen elektrischen Widerstand hat, der niedriger ist als derjenige des Materials, aus dem der erste und der zweite Gateelektrodenabschnitt (41) hergestellt sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Elektroden (2) der Vielzahl von Elektroden die Form von Kegeln haben, von welchen jeder eine Basis auf der Hauptfläche und eine spitz zulaufende Spitze, die von einer der Öffnungen (3) umgeben ist, hat.

9. Drucker, umfassend eine Photoleiterwalze (300), die eine Photoleiterschicht (301) hat, auf der ein Latentbild geformt werden kann, indem Licht auf die Schicht projiziert wird, und ferner umfassend einen optischen Kopf (100), der der Photoleiterwalze (300) gegenüberliegt, wenn der Drucker in Benutzung ist, und welcher eine Anordnung von fluoreszierenden Punkten (11) enthält und ferner ein Feldemissions- Mikrokathodenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält, das so angeordnet ist, daß es selektiv einen Elektronenstrahl auf einen der fluoreszierenden Punkte (11) emittieren kann, um so den betreffenden Punkt zur Emission von Licht auf die Photoleiterschicht (301) zu veranlassen.