DE69303101T2

DE69303101T2 - Kaltkathode

Info

Publication number: DE69303101T2
Application number: DE69303101T
Authority: DE
Inventors: Hironori Imura; Hideo Makishima; Keizo Yamada
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Microwave Tube Ltd
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: DE69303101D1; EP0564926B1; US5635789A; JP2897520B2; EP0564926A1; JPH05307930A

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathode und insbesondere auf eine Kaltkathode der Vakuum-Mikroelektrotechnik.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer beispielhaften herkömmlichen Kaltkathode des sogenannten Spindt-Typs, die zu den Kaltkathoden der Vakuum-Mikroelektrotechnik gehört. Fig. 1 zeigt eine konische Emitterschicht 2, die als kleinste Kaltkathode dient, eine Isolationsschicht 3, und ein Gate 4, das aus einer Metallschicht gebildet ist, die auf einem Halbleitersubstrat 1 gebildet sind. Eine positive Spannung - positiv bezüglich dem Potential des Emitters, das das gleiche ist wie das des Halbleitersubstrats 1 - wird an das Gate 4 angelegt. Da die Spitze des Emitters 2 sehr scharf ist, wird an sie ein hohes elektrisches Feld angelegt, und emittiert so Elektronen in einem Betrag der von der an das Gate 4 angelegten Spannung abhängig ist.
Der Strombetrag, der von einem einzelnen Emitter 2 emittiert wird, beträgt von 10 bis 100 µA. Für die Verwendung als Elektronenröhrenkathode, werden eine Anzahl Emitter 2 zweidimensional angeordnet (z. B. Journal of Applied Physics, Vol. 47, 1976, No. 12, Seiten 5248 bis 5263). EP-A-0 434 330 beschreibt ein Kaltkathodenbauelement gemäß der Ansprüche 1 und 6.
In einer Elektronenröhre wie einer Wanderwellenröhre oder einer Kathodenstrahlröhre, trifft Gas einen Elektronenstrahl, wenn es in der Elektronenröhre bleibt, und wird ionisiert, und positive Ionen werden durch das Zentrum des Elektronenstrahls in Gegenrichtung des Strahls beschleunigt und treffen schließlich den zentralen Abschnitt der Kathode. Dieses Bombardement des zentralen Abschnitts der Kathode mit positiven Ionen kann die Emitter 2 in diesem Bereich zerstören und die von diesen ausgehende Elektronenemission stoppen. Die Reduktion der Elektronenemission des zentralen Kathodenabschnitts erniedrigt demzufolge den Kathodenstrom und deformiert die Gestalt des Elektronenstrahls. So ein Phänomen läßt die Funktion der Elektronenröhre mit der Zeit instabil werden. Außerdem kann das Ionenbombardement das Material der Kathode schmelzen oder zerstäuben und eine mechanische Deformation des Emitters 2 und des Gates 4 erzeugen, woraus ein Kurzschluß von Emitter 2 und Gate 4 resultieren kann. Dies verhindert das Anlegen einer Spannung zwischen Emitter 2 und Gate 4, was die Elektronenemission der gesamten Kathode verhindert.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kaltkathode bereitzustellen, die geeignet ist, die Reduktion des Kathodenstroms und die Deformation der Gestalt des Elektronenstrahls zu verhindern und so einen zeitlich stabilen Betrieb der Elektronenröhre zu gewährleisten.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird eine Kaltkathode in übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 6 definiert ist. Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Emitter kaum zerstört, und die Isolation zwischen Emitter und Gate nicht beeinträchtigt, selbst wenn der Zentralabschnitt der Kaltkathode (im folgenden einfach mit Kathode bezeichnet) mit Ionen bombardiert wird. Es ist daher möglich, immer einen stabilen Kathodenstrom oder Elektronenstrahl zu erzeugen, und den Kathodenstrom oder Elektronenstrahl davor zu schützen, selbst durch ein derartiges lonenbombardement abrupt gestoppt zu werden. Die vorliegende Erfindung kann so dazu beitragen, eine stabile und zuverlässige Elektronenröhre zu vollenden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung mit ihren Aufgaben und Vorteilen ihrer gegenwärtig vorteilhaften Ausführungen wird besser verstanden werden in Bezug zu der folgenden Beschreibung zusammen mit deren begleitenden Zeichnungen; in diesen zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Beispiels einer herkömmlichen Kaltkathode des sogenannten Spindt-Typs, die zu den Kaltkathoden der Vakuum-Mikroelektrotechnik gehört;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Kathode gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung und einen vergrößerten teilweisen Querschnitt des zentralen Abschnitts der Kathode;
Fig. 3 einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 Querschnitte, die Schritt für Schritt ein Verfahren der Herstellung der in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführung illustrieren;

Detaillierte Beschreibung der vorteilhaften Ausführungen

Unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen werden die vorteilhaften Ausführungen der vorliegenden Erfindung im folgenden beschrieben:
Fig. 2(a) ist eine Draufsicht auf eine Kathode gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2(b) ist ein teilweise vergrößerter Querschnitt des zentralen Abschnitts der Kathode. In diesen Zeichnungen kennzeichnet Referenzzeichen 1 ein Halbleitersubstrat, Referenzzeichen 2 einen Emitter, Referenzzeichen 3 eine Isolierschicht, Referenzzeichen 4 ein Gate, Referenzzeichen 5 eine Kathode und Referenzzeichen 6 den zentralen Abschnitt der Kathoden.
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen, daß gemäß der ersten Ausführung positive Ionen den Zentralabschnitt 6 der Kathode wo das Halbleitersubstrat 1 freiliegt treffen. Da der Emitter 2 und das Gate 4, an die eine Spannung angelegt ist und zwischen denen die Isolierschicht 3 angeordnet ist und die empfindlich gegenüber Ionenbombardements sind, nicht in dem zentralen Abschnitt 6 gebildet sind, ist es unwahrscheinlich, daß sich die Charakteristika verändern, oder daß die Isolierung beeinträchtigt wird. Selbst wenn positive Ionen den Abschnitt treffen, wo das Halbleitersubstrat 1 freiliegt, wird das lonenbombardement den Emitter 2, die Isolierschicht 3 und das Gate 4 um den zentralen Abschnitt 6 der Kathode nicht mechanisch oder thermisch beeinflussen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die zweite Ausführung hat die gleiche Struktur wie die in Fig. 2 (b) gezeigte erste Ausführung, außer daß sie einen Gate-Ring 7 hat, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Der Gate- Ring 7 ist aus dem selben Material und zur gleichen Zeit wie die Isolierschicht 3 und das Gate 4 gebildet. Der Gate-Ring ist elektrisch von dem Gate 4 isoliert und umgibt den zentralen Abschnitt 6 der Kathode. Positive Ionen treffen gegen das Halbleitersubstrat 1 innerhalb des Gate-Rings 7. Selbst wenn das Halbleitersubstrat 1 oder ähnliches durch das Bombardement der positiven Ionen zerstäubt wird, wird die Möglichkeit, daß zerstäubtes Material auf der Isolierschicht 3 hängenbleibt, durch die Anwesenheit des Gate-Rings 7 kleiner, der von dem Gate 4 isoliert ist. Dies gewährleistet immer eine gute Isolation zwischen Gate 4 und Emitter 2 oder zwischen Gate 4 und Halbleitersubstrat 1.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 4 gezeigt, hat die dritte Ausführung in dem zentralen Abschnitt 6 der Kathode eine gleichförmige Schichtung zweier Schichten, der Isolierschicht 3 und des Gates 4, wo keine Emitter 2 oder Höhlungen für die Emitter 2 in der Isolierschicht 3 und dem Gate 4 gebildet sind. Eine Refraktions-Metallschicht 8, die einen hohen Schmelzpunkt hat, ist auf dem Gate 4 in dem zentralen Abschnitt 6 gebildet. Da die Metalischicht 8 neben ihrer Hochtemperaturwiderstandsfähigkeit eine genügende Dicke hat, wird selbst Bombardement mit positiven Ionen kein Zerstäuben des Metalls oder eine mechanische Deformation der Metallschicht 8 verursachen, und die Isolation zwischen dem Gate 4 und dem Halbleitersubstrat 1 wird nicht beeinflußt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die vierte Ausführung ist die gleiche, wie die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführung, außer der Anwesenheit einer Metallschicht (B) 9, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Metallschicht (B) 9 ist derart ausgebildet, daß sie die Oberseite des Gate-Rings 7 und des Halbleitersubstrats 1 innerhalb des Gate-Rings 7 bedeckt und beide elektrisch verbindet. Die Metallschicht 9 ist elektrisch mit dem Halbleitersubstrat 1 und dem Emitter 2 verbunden. Da der Gate-Ring 7 wie in der zweiten Ausführung elektrisch von dem Gate 4 isoliert ist, ist die Metallschicht (B) 9 auch von dem Gate 4 elektrisch isoliert. Diese Metalischicht (B) 9 kann aus dem selben Material und zur selben Zeit wie der Emitter 2 gebildet werden, oder kann aus einem von dem Emitter 2 unterschiedlichen Material gebildet sein. Falls die Metallschicht (B) 9 aus einem refraktierenden Metall mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, ist es möglich, den Einfluß des Bombardements von positiven Ionen wie in der dritten Ausführung zu eliminieren.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt des zentralen Abschnitts einer Kathode gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die fünfte Ausführung ist die gleiche wie die in Fig. 2B gezeigte erste Ausführung mit der Ausnahme der Anwesenheit einer Isolierschicht (B) 10 und einer Metallschicht (C) 11, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Metallschicht (C) 11 ist im Zentrum der Kathode 5 in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 1 und ist über eine Zwischenisolierschicht (B) 10 um den zentralen Abschnitt 6 der Kathode von dem Gate 4 isoliert. Daher ist die Metallschicht (C) 11 elektrisch mit dem Halbleitersubstrat 1 verbunden, während sie von dem Gate 4 elektrisch isoliert ist. Falls die Metallschicht (C) 11 aus einem refraktionsfähigen Metall mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, ist es möglich, wie bei der in Fig. 5 gezeigten vierten Ausführung den Einfluß des Bombardements positiver Ionen zu eliminieren. Da außerdem die Isolierschicht 3 zwischen dem Gate 4 und dem Halbleitersubstrat 1 und insbesondere der Abschnitt, der an den zentralen Abschnitt 6 der Kathode angrenzt, hinreichend mit der Isolierschicht 10 und der Metallschicht 11 bedeckt ist, schwächt sich die isolierende Eigenschaft der Isolationsschicht 3 kaum ab.
Bei allen Ausführungen außer bei der dritten Ausführung fließt der Strom der positiven Ionen, die die Kathode erreichen, über einen mit dem Gate 4 verbundenen Draht zu einem externen Schaltkreis hin ab.
Die in Fig. 2(a) und 2(b) gezeigte erste und die in Fig. 3 gezeigte zweite Ausführung können mit dem gleichen Verfahren hergestellt werden, wie die in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Kathode. Fig. 7 (a) bis 7 (b) zeigen Querschnitte, die Schritt für Schritt ein Verfahren der Herstellung der in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführung illustrieren. Die vierte und fünfte Ausführung kann mit nahezu demselben Verfahren hergestellt werden, das in Fig. 7 (a) bis 7 (d) illustriert ist.
Bei der dritten Ausführung wird zunächst das Halbleitersubstrat 1 (Silikon) thermisch oxidiert, um darauf einen Silikonoxid-Film als Isolierschicht 3 zu bilden. Danach wird die Gate-Metallschicht 12 auf der Isolierschicht 3 durch Aufdampf- oder Zerstäubungtechnik abgeschieden. Als nächstes wird mit einen lithographischen Verfahren die Oberfläche der Gate- Metallschicht 12 außer dem zentralen Abschnitt 6 der Kathode mit einer Schutzschicht 13 bedeckt. Dann wird zur Bildung der Metallschicht 8 Metall auf der Oberfläche der resultierenden Struktur abgeschieden, um eine Metallschicht 14 zu bilden, die das Gate überlagert, wodurch die in Fig. 7(a) dargestellte Struktur erzeugt wird.
Anschließend wird die Schutzschicht 13 und die überlagernde Metallschicht 14 mit einer Ablösetechnik entfernt, wodurch die Metallschicht 8 gebildet wird. Dann wird mit einem lithographischen Verfahren ein Teil der Gate-Metallschicht 12 entfernt, um das Gate 4 zu bilden, und mit dem Gate 4 als Maske wird ein Teil der Isolierschicht 3 weggeätzt, was zu der in Fig. 7 (b) dargestellten Struktur führt.
Daraufhin wird das Halbleitersubstrat 1 geneigt in einem Aufdampfgerät positioniert, so daß das auf zudampfende Material in einen Winkel auf das Halbleitersubstrat 1 aufgedampft wird, und das Halbleitersubstrat 1 wird gedreht, so daß eine geneigte aufgedampfte Metallschnitt 15 gebildet wird. Die resultierende Struktur ist in Fig. 7 (c) dargestellt.
Dann wird Emitter-Metall direkt oberhalb auf dem Halbleitersubstrat 1 aufgedampft, so daß eine Emitter- Metallschicht 16 auf der Metallschicht 15 gebildet wird, und gleichzeitig werden Emitter 2, die sich in Richtung ihrer Spitzen näherkommen, auf dem Halbleitersubstrat 1 durch in der Metallschicht 15 gebildete Höhlen ausgebildet. Die resultierende Struktur ist in Fig. 7 (d) dargestellt.
Schließlich werden die Metallschicht 15 und die Ernitter- Metallschicht 16 entfernt, um die in Fig. 4 dargestellte Struktur der dritten Ausführung bereitzustellen.
Obwohl die vorstehende Beschreibung der Ausführungen der Erfindung bezüglich Kathoden mit Metall-Emittern ausgeführt wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß die erste bis fünfte Ausführung auch auf eine Kathode angewendet werden kann, die Emitter aus einem Halbleiter wie Silikon hat.
Außerdem muß die Metallschicht 8 auf dem Gate 4 der dritten Ausführung nicht notwendigerweise in dem zentralen Abschnitt der Kathode angeordnet sein, sondern kann überall auf der Kathode gebildet sein, außer dem Bereich, um die in dem Gate 4 gebildeten Höhlen. In diesem Fall wird auch die Reduktion des Filmwiderstands von Gate 4 neben den ursprünglichen Vorteilen der dritten Ausführung erzielt, und so ein Spannungsabfall an Gate 4 verhindert, der durch den Ionenfluß auftritt.
Um es kurz zu sagen, beeinflußt selbst Bombardement von positiven Ionen in dem zentralen Abschnitt der Kathode der vorliegenden Erfindung nicht die Elektronenemission, wodurch ein immer stabiler Kathodenstrom oder Elektronenstrahl gewährleistet wird. Da außerdem die Isolation zwischen Emitter und Gate nicht beeinträchtigt wird, tritt ein abruptes Anhalten der Elektronenemission kaum auf. Daher hat eine Elektronenröhre mit der Kathode der vorliegenden Erfindung eine stabile Funktion und hohe Zuverlässigkeit.
Die aufgezeigten Beispiele und Ausführungen sind erläuternd und nicht einschränkend und die Erfindung ist nicht auf die in den Beispielen und Ausführungen genannten Details beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden.

Claims

1. Kaltkathode (5) bestehend aus

-- einem Substrat (1) aus entweder leitender Bauart oder Halbleiter-Bauart;

-- einer isolierenden Schicht (3), die auf das Substrat (1) aufgebracht ist;

einem Gate (4), das aus einer ersten Metallschicht gebildet ist und auf die isolierende Schicht (3) aufgebracht ist;

-- einem Emitter (2) aus kleinsten Kaltkathoden, die alle mit einer angespitzten Spitze aus einer Elektrode gebildet sind, die entweder von leitender Bauart oder Halbleiter-Bauart ist und auf dem Substrat (1) in Hohlräumen vorgesehen sind, die in Teilen der ersten Metalischicht (4) und der isolierenden Schicht (3) ausgebildet sind, wobei

-- die Hohlräume und die kleinsten Kaltkathoden auf einem Abschnitt des Substrats gebildet sind, der nicht zu dessen Zentralabschnitt (6) gehört, und nicht auf dem Zentralabschnitt des Substrats ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

keiner der ersten Metallschicht, der isolierenden Schicht (3), der Hohlräume oder der Emitter (2) auf dem Zentralabschnitt (6) gebildet sind, der mit einem Bereich korrespondiert, in dem der Ionenbeschuß mit positiven Ionen bei Gebrauch wahrscheinlich auftritt, so daß der Einfluß des Ionenbeschusses auf die Elektronenemissionseigenschaften der Kaltkathode (5) im wesentlichen eliminiert ist.

2. Kaltkathode nach Anspruch 1, in der der Zentralabschnitt (6) von einem Gatering (7) begrenzt wird, der aus der gelben Metallschicht wie das Gate (4) gebildet ist und der von dem Gate (4) isoliert ist.

3. Kaltkathode nach Anspruch 2, in der eine zweite Metallschicht (9) auf dem Halbleitersubstrat (1) an dem Zentralabschnitt (6) und auf dem Oberteil des Gaterings (7) gebildet ist, um das Halbleitersubstrat und den Gatering (7) elektrisch zu verbinden.

4. Kaltkathode nach Anspruch 1, in der eine zweite Metallschicht (11) im Zentrum des Zentralabschnittes (6) mit dem Halbleitersubstrat (1) in Kontakt ist und von dem Gate (4) über eine um das Zentrum des Zentralabschnittes (6) zwischenliegende zweite isolierende Schicht (10) isoliert ist, so daß die zweite Metallschicht (11) elektrisch mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden ist, während sie von dem Gate (4) elektrisch isoliert ist; und der Abschnitt der ersten isolierenden Schicht (3) zwischen dem Gate (4) und dem Halbleitersubstrat (1), der an den Zentralabschnitt (6) angrenzt, ist mit der zweiten isolierenden Schicht (10) und der zweiten Metallschicht (11) bedeckt ist.

5. Kaltkathode nach den Ansprüchen 3 und 4, in der die zweite Metallschicht (9, 11) aus einem brechenden Metall mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist.

6. Kaltkathode (5) bestehend aus

-- einem Substrat (1) aus entweder leitender Bauart oder Halbleiter-Bauart;

-- einer isolierenden Schicht (3), die auf das Substrat (1) aufgebracht ist;

-- einem Gate (4), das aus einer ersten Metallschicht gebildet ist und auf die isolierende Schicht (3) aufgebracht ist;

-- einem Emitter (2) aus kleinsten Kaltkathoden, die alle mit einer angespitzten Spitze aus einer Elektrode gebildet sind, die entweder von leitender Bauart oder Halbleiter-Bauart ist, und auf dem Substrat (1) in Hohlräumen vorgesehen sind, die in Teilen der Metallschicht (4) und der isolierenden Schicht (3) ausgebildet sind, wobei

dadurch gekennzeichnet, daß

der Zentralabschnitt, der mit einem Bereich korrespondiert, in dem der Ionenbeschuß mit positiven Ionen bei Gebrauch wahrscheinlich auftritt, die isolierende Schicht (3) und das Gate (4) einheitlich auf dem Zentralabschnitt (6) gebildet sind, wobei eine zweite Metallschicht (8) auf der ersten Metallschicht in ihrem Zentralabschnitt aufgebracht ist und die zweite Metalischicht aus einem Metall gebildet ist, das verschieden mit dem Metall der ersten Metallschicht ist und aus einem brechenden Metall besteht, das einen hohen Schmelzpunkt hat und eine genügende Dicke hat, daß der Einfluß des lonenbeschusses auf die Elektrodenemissionscharakteristik der Kaltkathode (5) im wesent lichen eliminiert ist.