DE69403940T2

DE69403940T2 - Feldemissionskathodenstruktur und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69403940T2
Application number: DE1994603940
Authority: DE
Inventors: Masayuki C O Intellec Nakamoto; Tomio C O Intellectual Pro Ono
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2014-08-18
Also published as: EP0639847A1; DE69403940D1; EP0639847B1; JP3231528B2; JPH07111132A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Feldemissionskatode für einen Einsatz in Flachdisplays und ein Verfahren für die Herstellung dieser.
In den letzten Jahren wurde die Entwicklung von Feldemissionskatoden infolge des hervorragenden Fortschrittes der Technologie für die Herstellung von mikrominiaturisierten LSIs wirksam gefördert. C.A. Spindt und Mitarbeiter offenbarten beispielsweise im Journal of Applied Physics, Band 47, Nr. 12, Dezember 1976, Seiten 5248 bis 5263, ein Verfahren für die Herstellung einer Feldemissionskatode durch Anwendung der Dünnschichttechnik und der Elektronenstrahlmikrolithografie.
Das Verfahren dieser Art durchläuft der Reihe nach die Herstellungsschritte, die beispielsweise anhand eines Musters in Fig. 6A, Fig. 6B und Fig. 6C gezeigt werden. Wie in Fig. 6A gezeigt wird, wird zuerst eine SiO- Schicht 3 auf ein Silicium(Si)-Einkristallsubstrat 1 überlagert, eine Gateelektrodenmaterialschicht 9 und eine Trennschicht 6 werden der Reihe nach weiter darauf überlagert, und danach werden feine Löcher 4 mit einem Durchmesser von etwa 1,5 µm durch die überlagerten Schichten gebohrt. Danach wird ein Emittermaterial 8, das dazu bestimmt ist, die Feldemission zu bewirken, in der Form eines kegeligen Körpers 8a mittels des Vakuumbedampfungsverfahrens auf dem Substrat 1 gebildet, wie in Fig. 6B gezeigt wird.
Genauer gesagt, die SiO-Schicht 3 wird mittels des chemischen Bedampfungsverfahrens überlagert, und die Mo-Schicht 9 und die Al-Schicht 6 werden weiter der Reihe nach mittels des Zerstäubungsverfahrens auf dem Si-Einkristallsubstrat 1 überlagert.
Anschließend werden die vorangehend erwähnte SiO-Schicht 3, die Mo-Schicht 9 als Gateelektrodenschicht und die Al-Schicht 6 als Trennschicht selektiv geätzt, um ein feines Loch zu bohren, das einen Durchmesser von etwa 1,5 µm aufweist, wie in Fig. 6A gezeigt wird.
Das Si-Einkristallsubstrat 1 wird im wesentlichen horizontal angeordnet und gedreht, und inzwischen wird ein Material, wie beispielsweise Mo, das die Funktion eines Emitters aufweist, auf die Oberfläche des Substrates aus einer Richtung senkrecht dazu im Vakuum aufgedampft, wie in Fig. 6B gezeigt wird. Als Folge der Vakuumbedampfung von Mo wird das Mo im Inneren des feinen Loches und auf der Al-Schicht 6 angehäuft. Da die Öffnung des feinen Loches 4 allmählich mit dem Fortschreiten der Anhäufung geschlossen wird, wird das Mo in der Form eines scharf zugespitzten Kegels auf dem Substrat 1 im Inneren des feinen Loches 4 abgelagert. Auf diese Weise wird der kegel ige Körper 8a aus Mo erhalten.
Nachdem der kegelige Körper 8a mit scharfer Spitze auf dem Substrat im Inneren des feinen Loches als Folge der Ablagerung eines passenden Emittermaterials gebildet wurde, wie es vorangehend beschrieben wird, wird die auf einer Gateelektrodenschicht 9a abgelagerte Mo-Schicht 8 selektiv entfernt, und die Al-Schicht 6 wird anschließend entfernt, um eine derartige Feldemissionskatode zu bewirken, wie sie in Fig. 6C gezeigt wird.
Die vorangehend beschriebene konventionelle Feldemissionskatode bringt jedoch vom praktischen Gesichtspunkt aus die folgenden Nachteile mit sich.
Erstens, die Feldemissionskatode der vorangehend beschriebenen Konstruktion erhält den kegeligen Körper 8 aus einem Emittermaterial im Inneren des in die SiO-Schicht gebohrten feinen Loches 4 durch Rotationsvakuumbedampfung des Emittermaterials, wobei Gebrauch von der Erscheinung gemacht wird, daß die Öffnung des feinen Loches 4 allmählich verschwindet. Der kegelige Körper 8a aus dem Emittermaterial, der, wenn er fertig ist, in der Form eines Kegels mit scharfer Spitze vorliegt, zeigt einen Nachteil darin, daß ihm die Gleichmäßigkeit der Feldemission fehlt, weil die Höhe des kegeligen Körpers 8a und die Form der Spitze dieses durch derartige Faktoren zur Streuung neigen, wie das Material und die Dicke der Gateelektrodenschicht 9a, die Form und der Zustand des gebohrten feinen Loches 4 und die Bedingungen, die für die Rotationsvakuumbedampfung festgelegt werden. Man begegnet insbesondere dem Problem, daß es der Form der Spitze an Schärfe fehlt, und daß daher der Wirkungsgrad der Feldemission und der Verbrauch an elektrischer Leistung verschlechtert werden. Außerdem beeinflußt das Problem der Streuung der Höhe des kegel igen Körpers 8a und der Form der scharfen Spitze dieses, die vorangehend erwähnt wurde, in starkem Maße die Reproduzierbarkeit und Ausbeute an Erzeugnissen. Wenn eine Vielzahl von Feldemissionskatoden auf der Oberfläche eines gleichen Substrates bei einem gleichen Schritt hergestellt wird, bringt beispielsweise die vorangehend erwähnte Streuung einen wahrnehmbaren Anstieg der Kosten mit sich.
Zweitens, da die SiO-Schicht als eine separate Schicht 3 mit einer relativ großen Dicke mittels des chemischen Bedampfungsverfahrens gebildet wird, beeinflußt der Abstand zwischen dem Gate und dem Emitter in starkem Maße den Wirkungsgrad der Feldemission und wird nicht leicht mit hoher Genauigkeit gesteuert. Daher fehlt es der SiO-Schicht 3 an einer Gleichmäßigkeit der Feldemission, und sie ist daher für eine Streuung der Feldemission empfänglich Im allgemeinen kann die Feldemissionskatode (Element) mit einer niedrigen Spannung gesteuert werden, indem das Gate und der Emitter dicht zueinander angenähert werden. Der Wirkungsgrad der Feldemission wird jedoch tatsächlich deutlich gestreut, und die theoretisch erreichbare Wirkung wird nicht erreicht, weil der Abstand zwischen dem Gate und dem Emitter nicht mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann, wie vorangehend beschrieben wird.
Diese Erfindung wurde in Verbindung mit dem vorangehend beschriebenen tatsächlichen bisherigen Entwicklungsstand hervorgebracht. Ein Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Feldemissionskatode, die einen Emitter mit einer gleichmäßigen Form und ein Gate aufweist, das durch einen genau gesteuerten Abstand vom Emitter getrennt ist, und die daher eine gleichmäßige Feldemission erzeugt, wirksam mit einer niedrigen Spannung steuert, die Feldemission mit hohem Wirkungsgrad bewirkt und ohne weiteres eine weitere Integration gestattet.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung der vorangehend erwähnten Feldemissionskatode mit einem hohen Wirkungsgrad, der ausreicht, um eine zufriedenstellende Produktivität zu garantieren.
Die Feldemissionskatodenkonstruktion dieser Erfindung wird im Anspruch 1 definiert.
Ein erstes Verfahren dieser Erfindung für die Herstellung einer Feldemissionskatodenkonstruktion wird im Anspruch 9 definiert.
Ein zweites Verfahren dieser Erfindung wird im Anspruch 16 definiert.
Die Erfindung weist außerdem ein drittes Verfahren für die Herstellung einer Feldemissionskatodenkonstruktion auf, wie es im Anspruch 17 definiert wird.
Die Feldemissionskatode dieser Erfindung hatte ihren Ursprung in der Bedeutung, die aus den Tatsachen abgeleitet wird, daß ein pyramidenförmiges oder kegeliges Loch mit einer scharfen Spitze auf der Oberfläche eines Trägersubstrates, wie beispielsweise eines Si-Einkristallsubstrates, gebildet werden kann, indem die Anisotropie des Ätzens nutzbar gemacht wird; daß eine Schicht, in der eine Störstelle diffundiert ist, als eine Ätzsperrschicht funktioniert; daß die Störstellendiffusionsschicht ebenfalls als Gateelektrodenschicht in Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes dieser funktioniert; und daß eine Oxidschicht (Isolatorschicht) mit einem Abschnitt mit scharfer Spitze längs einer vorgeschriebenen Oberfläche durch Anwendung des Verfahrens der thermischen Oxydation gebildet wird.
In einer Ausführung des Verfahrens für die Herstellung der Feldemissionskatodenkonstruktion, die durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen wird, kann das erste Trägersubstrat aus irgendeinem Material hergestellt werden, das die Bedingung erfüllt, daß ein Loch mit einer scharfen Spitze selektiv darin gebildet werden kann, und daß es eine selektive Ätzeigenschaft mit Bezugnahme auf eine Isolationsschicht und eine Störstellendiffusionsschicht mit hoher Konzentration, die mit dieser zusammenhängend verbunden wird, zeigt. Es wird jedoch gewünscht, daß es sich um ein Si- oder Ge-Einkristallsubstrat in Erwartung der Leichtigkeit handeln soll, mit der die Störstelldiffusionsschicht mit hoher Konzentration gebildet wird, und der Leichtigkeit, mit der die Bildung einer Isolatorschicht gesteuert wird, die eine große Genauigkeit der Schichtdicke und der Form aufweist.
Siliciumhaltiges (Si-haltiges) Bor (B) als p-Störstelle mit einer Konzentration von nicht weniger als 3 X 10&sup9; cm³ kann als Beispiel für das Material für die Störstellendiffusionsschicht mit hoher Konzentration angeführt werden. Wenn die Konzentration dieser Störstelle bis zu etwa 10&sup0; bis 10¹ cm³ beträgt, kann die Störstellendiffusionsschicht mit hoher Konzentration gleichzeitig als Gateelektrodenschicht benutzt werden, weil der elektrische Widerstand nur etwa 10&supmin;&sup4; Ω cm beträgt. Es muß jedoch beachtet werden, daß das Material für die Störstellendiffusionsschicht nicht auf die vorangehend erwähnte spezielle Substanz beschränkt werden muß. Es ist nur erforderlich, daß es sich um ein derartiges Material handelt, daß die Störstellendiffusionsschicht als eine Ätzsperrschicht funktionieren kann, wenn das erste Trägersubstrat durch Ätzen entfernt wird. Es kann sich um ein n-Material oder ein i-Material anstelle des vorangehend erwähnten p-Materials handeln.
Außerdem kann die Isolatorschicht durch Ablagern von SiO auf der Oberfläche der vorangehend erwähnten Störstellendiffusionsschicht durch Anwendung von beispielsweise des chemischen Bedampfungsverfahrens gebildet werden. Es wird jedoch gewünscht, daß die Isolatorschicht dadurch gebildet wird, daß die Oberfläche der vorangehend erwähnten Störstellendiffusionsschicht dem Verfahren der thermischen Oxydation unterworfen wird, weil dieses Verfahren der hergestellten Schicht eine dichte Struktur verleiht und eine leichte Steuerung der Dicke der Schicht gestattet und erlaubt, daß die Isolatorschicht eine scharfe Spitze aufweist, die längs der Wandflächen eines beispielsweise pyramidenförmigen Loches gebildet wird.
Bei einer Ausführung des Verfahrens für die Herstellung der Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung, da die Störstellen diffusionsschicht mit hoher Konzentration, die dazu bestimmt ist, als eine Ätzsperrschicht zu dienen, und die Isolatorschicht, wie beispielsweise eine thermisch oxydierte Isolationsschicht, auf die Oberfläche des ersten Trägersubstrates überlagert werden, wie beispielsweise ein Si-Einkristallsubstrat, das das darin gebildete Loch umfaßt, und da die Emittermaterial schicht anschließend darauf überlagert wird, kann die thermische oxydierte Isolationsschicht gebildet werden, wobei sie leicht gesteuert wird, und daher kann der Abstand zwischen dem Gate und dem Emitter mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Selbst wenn die Isolatorschicht mit der kleinstmöglichen Dicke für den Zweck des dichten Annäherns von Gate und Emitter aneinander gebildet wird, kann das Trägersubstrat durch Ätzen entfernt werden, ohne daß die Isolatorschicht und die Emittermaterialschicht der Möglichkeit eines Angriffes ausgesetzt werden, weil die Störstellendiffusionsschicht als eine Ätzsperrschicht funktioniert. Da die thermisch oxydierte Isolationsschicht und die Emittermaterialschicht gegen einen Angriff durch die Ätzflüssigkeit geschützt werden, wie es vorangehend beschrieben wird, und da ebenfalls der Abstand zwischen dem Gate und dem Emitter verringert wird, werden der Wirkungsgrad der Feldemission und die Gleichmäßigkeit der Feldemissionskatode in einem starken Ausmaß verbessert.
Da das Emittermaterial eingebettet (eingefüllt) in dem Loch angeordnet wird, das im Trägersubstrat gebildet wird, und da das Loch ebenso mit hoher Genauigkeit gebildet wird, wird außerdem der Emitter, der eine gleichmäßige Höhe, Form und Schärfe der scharf zugespitzten Spitze aufweist, mit einer hohen Reproduzierbarkeit hergestellt. In dem Loch, das im Trägersubstrat gebildet wird, erreicht die Spitze des Loches eine Schärfe, weil das Wachstum der thermisch oxydierten Isolationsschicht an den inneren Wandflächen des Loches in Richtung des Inneren des Loches fortschreitet. Als natürliche Folge wird die Spitze des Emitters scharf, die durch Einfüllen des Emittermaterials im Loch gebildet wird (siehe Fig. 2B).
Bei einer bevorzugten Ausführung funktioniert die Störstellendiffusionsschicht mit hoher Konzentration hauptsächlich als eine Ätzsperrschicht. Wenn sie eine hohe p-Störstellenkonzentration aufweist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, kann sie direkt als eine Gateelektrodenschicht benutzt werden. Wenn die Ätzsperrschicht gleichzeitig als eine Gateelektrodenschicht benutzt wird, arbeiten diese Schicht und die Isolatorschicht, die in einer ideal gesteuerten Weise gebildet wurde, zusammen, um eine genaue Steuerung des Abstandes zwischen dem Gate und dem Emitter und deren gegenseitige Annäherung zu gestatten und verhindern gleichzeitig die Notwendigkeit des Schrittes zur Bildung der Gateelektrodenschicht. Das Weglassen dieses Schrittes führt natürlich zur Verringerung der Arbeit, der Arbeitsstunden und der Materialkosten, die in die Herstellung der Feldemissionskatode dieser Erfindung eingeschlossen sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die die Konstruktion des wesentlichen Teils einer Feldemissionskatode als eine Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 2A,B,C,D,E,F,G und H eine Reihe von erläuternden Musterzeichnungen, die die erste Ausführung des Verfahrens für die Herstellung einer Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung zeigen;
Fig. 2A einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem ein Loch eine scharfe Spitze aufweist, die in der Oberfläche eines Trägersubstrates gebildet wird;
Fig. 2B einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem eine Störstellendiffusionsschicht, eine Isolatorschicht, eine Emittermaterial schicht und eine elektrisch leitende Schicht der Reihe nach auf der Oberfläche des Trägersubstrates gebildet werden, das das Loch enthält;
Fig. 2C einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem ein isolierendes Trägersubstrat an Ort und Stelle verbunden wird;
Fig. 2D einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem die Oberfläche der Substratschicht durch Ätzen entfernt wird, bis der Vorsprung entsprechend dem Loch freigelegt wird;
Fig. 2E einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem die Oberfläche abgedeckt ist, die den freigelegten Vorsprung umfaßt;
Fig. 2F einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem die Spitze der Gateelektrodenschicht des Vorsprunges freigelegt ist;
Fig. 2G einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem die freigelegte Spitze der Gateelektrodenschicht entfernt wird, um eine Öffnung zu bilden;
Fig. 2H einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem die Spitzen der Störstellendiffusionsschicht und der Isolatorschicht, die sich durch die Öffnung der Gateelektrodenschicht zeigen, entfernt werden, um die Spitze des Vorsprunges der Emittermaterialschicht freizulegen;
Fig. 3A,B,C,D,E und F eine Reihe von erläuternden Musterzeichnungen, die die zweite Ausführung des Verfahrens für die Herstellung der Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung zeigen;
Fig. 4A,B,C,D,E und F eine Reihe von erläuternden Musterzeichnungen, die die dritte Ausführung des Verfahrens für die Herstellung der Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung zeigen;
Fig. 5A,B,C,D,E und F eine Reihe von erläuternden Musterzeichnungen, die die vierte Ausführung des Verfahrens für die Herstellung der Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung zeigen;
Fig. 6A,B und C eine Reihe von erläuternden Musterzeichnungen, die die Verfahrensweise für die Herstellung einer konventionellen Feldemissionskatode zeigen;
Fig. 6A einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem in einer Isolatorschicht ein feines Loch für das Ablagern eines Emittermaterials und einer Gateelektrodenschicht, die der Reihe nach auf der Oberfläche eines Si-Substrates überlagert werden, vorhanden ist;
Fig. 6B einen Querschnitt, der den Zustand zeigt, bei dem das Emittermaterial durch Zerstäubung überlagert wurde; und
Fig. 6C einen Querschnitt, der die Konstruktion der Feldemissionskatode zeigt.
Jetzt werden die Ausführungen der vorliegenden Erfindung nachfolgend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

AUSFÜHRUNG 1

Die erste Ausführung dieser Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 und die Fig. 2A,B,C,D,E,F,G und H beschrieben.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konstruktion einer Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung zeigt. In dieser Zeichnung steht 17 für ein isolierendes Trägersubstrat, wie beispielsweise eine Pyrex-Glasscheibe; 18 für eine Emittermaterialschicht, die auf die Oberfläche des isolierenden Trägersubstrates 17 überlagert wird, und die zusammenhängend mit einem Vorsprung (Hauptkörperteil des Emitters) 18a versehen ist, dessen Spitze scharf zugespitzt ist und aus einem Emittermaterial besteht, wie beispielsweise einer Emittermaterialschicht, die aus einem derartigen metallischen Material wie W, Mo oder Ta besteht, und die mit einem pyramidenförmigen Vorsprung 18a mit einer scharfen Spitze versehen ist; und 13 für eine Isolatorschicht, wie beispielsweise eine SiO-Schicht, die den Vorsprung 18a des Hauptkörpers des Emitters bedeckt, während dessen Spitze freigelegt wird. Dann steht 12 für eine Störstellendiffusionsschicht mit hoher Konzentration, wie beispielsweise eine mit Bor (B) dotierte Si-Schicht, die die Oberfläche der Isolatorschicht 13 bedeckt, während die Spitze des Vorsprunges 18a des Hauptkörpers des Emitters freigelegt wird, und 19a für eine Gateelektrodenschicht, die die Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht 12 bedeckt, während die Spitze des Vorsprunges 18a des Hauptkörpers des Emitters freigelegt wird.
Wie vorangehend beschrieben wird, wird die Feldemissionskatode dieser Erfindung im wesentlichen mittels folgender Schritte aufgebaut: Formen des Vorsprunges 18a aus einem Emittermaterial, beispielsweise in der Form einer Pyramide als der Hauptkörperteil eines Emitters, während es auf die Oberfläche des isolierenden Trägersubstrates (Struktursubstrat) 17 überlagert wird; danach Freilegen der Spitze des pyramidenförmigen Vorsprunges 18a in einer derartigen Weise, daß die erforderliche Emission von Elektronen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des isolierenden Trägersubstrates 17 bewirkt wird; und außerdem Anordnen der Elektrodenschicht, die als Gateelektrode funktionieren kann, in einer derartigen Weise, daß sie über einen Spalt hinweg der Spitze des Vorsprunges 18a des Hauptkörpers des Emitters gegenüberliegt
Die Feldemissionskatode, die so aufgebaut ist, wie sie vorangehend beschrieben wird, kann leicht mittels der Schritte hergestellt werden, die beispielsweise mittels eines Musters in Fig. 2A,B,C,D,E,F,G und H gezeigt werden.
Erstens wird ein Si-Einkristallsubstrat (erstes Trägersubstrat) 11 hergestellt. Eine Hauptfläche dieses Trägersubstrates 11 wird anisotrop geätzt, um ein Loch 11a (in der Form einer umgekehrten Pyramide) mit einer Spitze zu bilden, die unter einem vorgeschriebenen Winkel angespitzt ist, wie in Fig. 2A gezeigt wird.
Um genauer zu sein, eine thermisch oxydierte Schicht (SiO-Schicht) mit einer Dicke von etwa 0,1 µm wird mittels des Verfahrens der Trockenoxydation auf der Hauptfläche eines p-Si-Einkristallsubstrates 11 gebildet, das eine Kristallflächenorientierung von (100) aufweist, und mittels des Verfahrens der Schleuderbeschichtung wird auf der Oberfläche der thermisch oxydierten Schicht eine Resistschicht aufgebracht.
Danach wird die Resistschicht so gemustert, daß eine Öffnung beispielsweise in der Form eines Quadrates von 0,8 µm durch Behandlungen in Form der Belichtung und Entwicklung mit Hilfe eines Schrittmotors erhalten wird; die belichtete Fläche der Oxidschicht (SiO-Schicht) wird selektiv mit einer gemischten Lösung von NH&sub4;F HF geätzt; die Resistschicht wird entfernt; und das anisotrope Ätzen wird mit einer wäßrigen 30%igen KOH-Lösung durchgeführt, um das Loch ha in der Form einer umgekehrten Pyramide mit einer Tiefe von 0,56 µm auf der Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 zu bewirken.
Nachfolgend wird die thermisch oxydierte Schicht, die als Maske diente, mit der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF entfernt, und die Si-Schicht 12, die eine p-Störstelle mit einer Konzentration von nicht weniger als
3 x 10 cm enthält, wie beispielsweise eine B-diffundierte Si-Schicht 12 mit einer Dicke von 0,3 µm, wird in einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke auf die Oberfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 überlagert, das das Loch 11a in der Form einer umgekehrten Pyramide enthält. Die B-diffundierte Si-Schicht 12 funktioniert in diesem Fall als eine Ätzsperrschicht (Opferschicht) während des Entfernens des Si-Einkristallsubstrates 11. Diese Schicht 12 kann in ihrer nichtmodifizierten Form als eine Gateelektrodenschicht benutzt werden, wenn die Konzentration der p-Störstelle so hoch ist, daß sie in den Bereich von 10&sup0; bis 10¹ cm fällt, und der elektrische Widerstand so niedrig ist, daß er in die Nähe von 10&supmin;&sup4; Ω cm fällt. In diesem Fall kann die Anzahl der Arbeitsstunden verringert werden, und der Abstand zwischen dem Gate und dem Emitter kann verkürzt werden, um eine wünschenswerte gegenseitige Annäherung zu gestatten.
Danach wird das Si-Einkristall substrat 11, das mit der p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12 versehen ist, einer Behandlung der thermischen Oxydation unterworfen, um die thermische Oxydation der Oberfläche der p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12 zu bewirken, und um die Isolatorschicht 13 mit einer Dicke von 0,2 µm zu bewirken.
Nachdem die Isolatorschicht 13 auf der Oberfläche der p-Störstellendiffusions-Si-Schicht gebildet wurde, wie es vorangehend beschrieben wurde, wird ein Emittermaterial, wie beispielsweise W, Mo oder Ta, auf der Oberfläche der Isolatorschicht 13 so zerstäubt, daß das pyramidenförmige Loch gefüllt wird, das die p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12 und die Isolatorschicht 13 bedeckt; daß der Emittervorsprung 18a gebildet wird, der dem vorangehend erwähnten Loch entspricht; und daß ebenfalls die Emittermaterialschicht 18 gebildet wird, die eine gleichmäßig fertiggestellte Oberfläche und eine Dicke von etwa 0,8 µm aufweist.
Außerdem wird auf die Oberfläche der Emittermaterialschicht 18 eine elektrisch leitende Schicht 15, wie beispielsweise eine ITO-Schicht 15 (Indium-Zinn-Oxid), mit einer Dicke von etwa 1 µm durch Zerstäubung überlagert, um ein derartiges Verbundmaterial zu erzeugen, wie es in Fig. 2B gezeigt wird. Hierbei kann die ITO-Schicht 15 in Abhängigkeit von dem Material weggelassen werden, das für die Emittermaterialschicht 18 verwendet wird. Wenn diese weggelassen wird, wird die Emittermaterialschicht 18 gleichzeitig die Rolle einer Katodenelektrodenschicht spielen.
Das zweite Trägersubstrat (Struktursubstrat), wie beispielsweise eine Pyrex-Glasscheibe 17, deren hintere Fläche (Rückseite) mit einer Al-Schicht 16 beschichtet ist, die dazu bestimmt ist, als eine elektrostatische Bindungselektrode zu dienen, und die eine Dicke von etwa 0,4 µm aufweist, wird auf das vorangehend erwähnte Verbundmaterial überlagert. Die ITO- Schicht 15 und die Al-Schicht 16 werden miteinander mittels des sogenannten Verfahrens der elektrostatischen Bindung verbunden, das auf dem Anlegen einer Spannung in der Größenordnung von einigen hundert V zwischen den Schichten beruht (Fig. 2C). Obgleich diese Verbindung der zwei Schichten durch Verwendung eines Klebstoffes zustande gebracht werden kann, erweist sich das Verfahren der elektrostatischen Bindung dahingehend vorteilhafter, daß die hergestellte Feldemissionskatode mit einer stärkeren Reduzierung des Gewichtes und der Dicke vorgelegt wird.
Nachdem die Pyrex-Glasscheibe 17 als Struktursubstrat mit dem Verbundmaterial verbunden wurde, wird die hintere Überzugsschicht (Al- Schicht) 16 der Pyrex-Glasscheibe 17 durch Ätzen beispielsweise mittels einer gemischten saueren Lösung von HNO&sub3; CH&sub3;COOH HF entfernt.
Danach wird das Si-Einkristallsubstrat 11 als das erste Trägersubstrat durch Ätzen bei Anwendung einer wäßrigen Lösung entfernt, die die Mischung von Ethylendiamin, Pyrokatechol und Pyrazin (Mischungsverhältnis 75 cm³ : 12 g : 3 mg : 10 cm³) enthält, um ein Verbundmaterial zu bewirken, das aus der Isolatorschicht 13 und der Emitterschicht 18 besteht, die mit dem pyramidenförmigen Vorsprung 18a (entspricht dem vorangehend erwähnten pyramidenförmigen Loch 11a) versehen ist, und die mit der p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12 bedeckt sind, wie in Fig. 2D gezeigt wird. Während dieses Ätzverfahrens funktioniert die p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12 als eine Ätzsperrschicht für das Si-Einkristall substrat 11 und übernimmt die Rolle des Schützens der Isolatorschicht 13 mit einer kleinen Schichtdicke und des pyramidenförmigen Vorsprunges 18a des Hauptkörpers des Emitters mit einer scharfen Spitze gegen einen Angriff durch die vorangehend erwähnte Ätzlösung.
Auf der Oberfläche der p-Störstellendiffusions-Si-Schicht 12, die durch Entfernen mittels des Ätzens des Si-Einkristallsubstrates 11 freigelegt wurde, wird danach W in der Form eines Überzuges mit einer Dicke von etwa 0,5 µm beispielsweise mittels des Zerstäubungsverfahrens abgelagert. Auf der Oberfläche der W-Überzugsschicht 19, die so gebildet wurde, wie es vorangehend beschrieben wird, wird eine Fotoresistschicht 20 mittels des Verfahrens der Schleuderbeschichtung mit einer Dicke von beispielsweise etwa 0,9 µm aufgebracht, die ausreicht, um eine Spitze 19t des Vorsprunges auf der Oberfläche der W-Überzugsschicht 19 zu verbergen, die darin den pyramidenförmigen Vorsprung 18a des Emitters einschließt, wie in Fig. 2E gezeigt wird.
Danach wird durch eine trockene Ätzbehandlung bei Verwendung von Sauerstoffplasma ein Teil der Fotoresistschicht 20 entfernt, so daß die Spitze 19t des Vorsprunges der W-Überzugsschicht, die den Vorsprung 18a des Emitters enthält, in einer Dicke von etwa 0,7 µm durch die Oberfläche freigelegt werden kann, wie in Fig. 2F gezeigt wird.
Anschließend wird mittels der reaktionsfähigen Ionenätzbehandlung die Spitze 19t des Vorsprunges der W-Überzugsschicht 19, die durch Entfernen mittels Ätzen eines Teils der Fotoresistschicht 20 freigelegt wurde, selektiv entfernt, um die Gateelektrodenschicht 19a zu bilden, die mit einer Öffnung 19b versehen ist, die die Spitze des Vorsprunges freigibt, der die Störstellendiffusionsschicht 12 und die Isolatorschicht 13 bedeckt, wie in Fig. 2G gezeigt wird.
Der verbleibende Teil der Fotoresistschicht 20, nämlich der Teil, der als eine Maske für das selektive Ätzen der Spitze 19t der W-Überzugsschicht funktionierte, wird anschließend entfernt. Danach werden die Störstellendiffusionsschicht 12 und die Isolatorschicht 13, die die Spitze 18t des Vorsprunges 18a des Emitters bedecken, selektiv durch Ätzen mit der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF entfernt, so daß die Spitze 18t des Vorsprunges 18a des Emitters 18 freigelegt wird.
Im Ergebnis dessen wird die Feldemissionskatode erhalten, die so aufgebaut ist, daß die Spitze 18t des pyramidenförmigen Vorsprunges 18a des Hauptkörpers des Emitters durch die Öffnung 19b der Gateelektrodenschicht 19a freigelegt wird, wie in Fig. 2H gezeigt wird.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren für die Herstellung, das vorangehend beschrieben wurde, wird die Störstellendiffusionsschicht 12 mit hoher Konzentration, die mit einer Störstelle dotiert ist, auf der Oberfläche des Trägersubstrates 11 gebildet, das mit dem Loch versehen ist, das durch anisotropes Ätzen gebildet wurde und dessen Spitze (untere Oberflächenseite) scharf angespitzt ist; die Isolatorschicht 13 wird nachfolgend darauf mittels des Verfahrens der thermischen Oxydation gebildet; und anschließend wird die Emittermaterialschicht 18 so gebildet, daß das vorangehend erwähnte Loch gefüllt wird. Im Verlauf dieses Verfahrens wird das Loch, das eine scharfe Spitze aufweist, in einer vorgeschriebenen Form mit hoher Reproduzierbarkeit durch anisotropes Ätzen gebildet. Da die Bildung der Isolatorschicht 13 durch thermische Oxydation das Wachstum von SiO von hoher Dichte gestattet, und da die Störstellen diffusionsschicht 12 mit hoher Konzentration einen wirksamen Schutz der Isolatorschicht 12 und der Emittermaterialschicht 18 gegen einen Angriff durch Ätzen bewirkt, wird außerdem der Emitterfunktionsteil gebildet, der eine scharfe Spitze besitzt, die eine gleichmäßige Höhe und Form aufweist und sich ebenfalls durch eine Gleichmäßigkeit der Qualität auszeichnet.
Auf diese Weise kann die Bereitstellung von Feldemissionskatoden mit einer stabilisierten Qualität realisiert werden. Da die Isolatorschicht 13 mit einer vollständig genau gesteuerten Dicke mittels des Verfahrens der thermischen Oxydation gebildet werden kann, wird außerdem der Abstand zwischen dem vorangehend erwähnten Emitterfunktionsteil und der Gateelektrodenschicht 19a (Emitter-Gate-Abstand) mit hoher Genauigkeit gesteuert. Daher kann die Feldemissionskatode mit einer relativ niedrigen Spannung arbeiten, um eine sehr wirksame Emission zu bewirken.
Die vorangehend beschriebene Ausführung verkörpert einen Fall, bei dem die Gateelektrodenschicht 19a auf der Oberfläche der Störstellen diffusionsschicht 12 überlagert ist. Die Funktion und Wirkungsweise der betrachteten Ausführung werden gleichermaßen erreicht, indem bewirkt wird, daß die Störstellendiffusionsschicht 12 als eine Gateelektrodenschicht funktioniert, wenn diese Störstellendiffusionsschicht 12 eine hohe Störstellenkonzentration und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, oder indem die Störstellendiffusionsschicht 12 entfernt wird, die sich hauptsächlich am selektiven Ätzen des Trägersubstrates 11 beteiligt, wodurch die Isolatorschicht 13 freigelegt und die Gateelektrodenschicht 19a auf die Oberfläche der freigelegten Isolatorschicht 13 überlagert wird.
Die Wirkung, die von der Ausführung gezeigt wird, ist gleichbleibend, wenn die vorangehend erwähnte Störstelle ein p-Typ von B, Al, Ga oder In, ein n-Typ von P, As oder Ti oder ein i-Typ von Ge oder Sn ist.
Bei dieser Erfindung ist es gestattet, als Material für das erste Trägersubstrat eine derartige Substanz wie GaAs anstelle des Si-Einkristalls und als das Emittermaterial Mo, Ta, Si oder eine andere Substanz, die eine niedrige Austrittsarbeit aufweist, anstelle von W einzusetzen.
Die Funktion und Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung werden gleichbleibend erhalten, wenn eine Natronglasplatte anstelle der Pyrex- Glasplatte als das zweite Trägersubstrat (Struktursubstrat) eingesetzt wird.
Außerdem verkörpert die vorangehend beschriebene Ausführung einen Fall, bei dem die Feldemissionskatode als unitärer Artikel vorgelegt wird.
Selbstverständlich kann eine Gruppe derartiger Feldemissionskatoden in der Form einer Matrix beispielsweise auf einer Si-Einkristallschicht angeordnet werden, um eine planare Feldemissionskatode herzustellen.
Wie vorangehend beschrieben wird, hatte die Feldemissionskatode der ersten Ausführung dieser Erfindung ihren Ursprung in der Bedeutung, die aus den Tatsachen abgeleitet wird, daß ein pyramidenförmiges oder kegeliges Loch mit einer scharfen Spitze auf der Oberfläche eines Trägersubstrates gebildet werden kann, indem die Anisotropie des Ätzens nutzbar gemacht wird; daß ein Bereich, der in eine Störstellendiffusionsschicht umgewandelt wurde, als eine Ätzsperrschicht funktioniert; daß die Störstellendiffusionsschichtgleichzeitig als eine Gateelektrodenschicht funktioniert, wenn sie einen niedrigen Widerstand aufweist; und daß eine spitze Oxidschicht (Isolatorschicht) in einer sehr genau gesteuerten Form längs einer vorgeschriebenen Oberfläche durch Anwendung des Verfahrens der thermischen Oxydation gebildet wird. Die Feldemissionskatode der vorliegenden Erfindung weist immer ausgezeichnete Qualitäten derart auf, daß sie konstant eine ideale Gleichmäßigkeit der Feldemission zeigt, daß sie konstant einen wirksamen Betrieb bei einer niedrigen Spannung bewirkt, und daß konstant ein hoher Wirkungsgrad der Feldemission erhalten wird.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren für die Herstellung der Feldemissionskatode der vorliegenden Erfindung kann außerdem die Feldemissionskatode, die mit derartigen funktionellen Eigenschaften ausgestattet ist, wie sie vorangehend erwähnt werden, und die leicht an eine hohe Integration angepaßt wird, mit einer sehr zufriedenstellenden Ausbeute und Produktivität (Fähigkeit zur Massenfertigung) hergestellt werden. Daher kann das Verfahren für die Herstellung, das bei dieser Erfindung in Betracht gezogen wird, durchaus so bewertet werden, daß es einen großen Beitrag zur Nutzung von Feldemissionskatoden dieser Ausführung für praktische Zwecke leistet.

AUSFÜHRUNG 2

Fig. 3A,B,C,D,E und F sind eine Reihe von Zeichnungen, die ein Verfahren für die Herstellung einer Feldemissionskatode als die zweite Ausführung dieser Erfindung zeigen. Das Verfahren für die Herstellung entsprechend der zweiten Ausführung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf diese Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen werden gleiche Teile, die in der ersten Ausführung vorgefunden werden, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Wie in Fig. 3A gezeigt wird, wird das Si-Einkristallsubstrat 11, das einen niedrigen Widerstand bietet und eine Kristallflächenorientierung von (100) aufweist, zuerst als ein erstes Trägersubstrat hergestellt.
Danach wird das Loch ha, das zu seinem unteren Teil hin scharf zugespitzt ist, in eine flache Oberfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 (worauf man sich hierin nachfolgend als die erste Hauptfläche bezieht) eingekerbt, wie in Fig. 3B gezeigt wird. Für das Einkerben des Loches ha in einer derartigen Form, wie sie vorangehend beschrieben wird, kann das Verfahren angewandt werden, das das anisotrope Ätzen von Si benutzt, was hierin nachfolgend beschrieben wird. Genauer gesagt, auf die erste Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11, das aus einem Si-Einkristall besteht, das eine Kristallflächenorientierung von (100) aufweist, wird eine thermisch oxydierte Schicht aus SiO mit einer Dicke von etwa 0,1 µm mittels des Verfahrens der Trockenoxydation überlagert. Danach wird die Fotoresistschicht so gemustert, daß eine Öffnung in der Form eines Quadrates von beispielsweise 1 µm durch Behandlungen in Form der Belichtung und Entwicklung mit Hilfe eines Schrittmotors erhalten wird, und die thermisch oxydierte SiO-Schicht wird durch Verwendung der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF als Ätzmittel geätzt. Die Fotoresistschicht wird entfernt, und die erste Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 wird dem anisotropen Ätzen bei Verwendung einer wäßrigen 30 Gew.-% KOH-Lösung als Ätzmittel unterworfen. Im Ergebnis dessen wird das Loch ha in der Form einer umgekehrten Pyramide mit einer Tiefe von 0,71 µm in die erste Hauptflächenseite des Si-Einkristallsubstrates 11 eingekerbt. Danach wird die thermisch oxydierte SiO-Schicht, die auf der Oberfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 verbleibt, durch Verwendung von beispielsweise der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF entfernt.
Anschließend wird die thermisch oxydierte Schicht 13 auf der ersten Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11, die die Innenwandflächen des Loches ha umfaßt, gebildet, indem die vorangehend erwähnten Flächen einer Behandlung durch thermische Oxydation unterworfen werden, wie in Fig. 3C gezeigt wird. Bei der vorliegenden Ausführung wird die thermisch oxydierte Schicht 13 mittels des Naßverfahrens der thermischen Oxydation so gebildet, daß eine Dicke von 0,5 µm erreicht wird. Danach wird auf dieser thermisch oxydierten Schicht 13 die Emittermaterialschicht 18 bei Verwendung von W oder Mo gebildet. Diese Emittermaterial schicht 18 wird so gebildet, daß die obere Fläche der thermisch oxydierten Schicht 13 bedeckt wird, während das Loch 11a gefüllt wird. Bei der vorliegenden Ausführung wird die Emittermaterial schicht 18 mittels des Zerstäubungsverfahrens so abgelagert, daß eine Schicht mit einer Dicke von 2 µm auf der thermisch oxydierten Schicht 13 mit Ausnahme des Loches 11a gebildet wird.
Danach wird als ein zweites Trägersubstrat das Glassubstrat 17 hergestellt, das aus einem derartigen sehr hitzebeständigen Material wie beispielsweise Pyrex-Glas besteht und auf seiner hinteren Fläche mit der Al-Schicht 16 mit einer Dicke von 0,3 µm als Überzug versehen ist, wie in Fig. 3D gezeigt wird. Dieses Glassubstrat 17 wird auf die Oberfläche der Emittermaterialschicht 18 überlagert und fest mit dieser verbunden, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der der Vorsprung 18a mit scharfer Spitze vorhanden ist. Für diese Verbindung kann beispielsweise das elektrostatische Bindeverfahren angewandt werden. Danach wird die Al-Schicht 16 auf der hinteren Fläche des Glassubstrates 17 mit der gemischten saueren Lösung von HNO&sub3; CH&sub3;OOH HF entfernt.
Danach wird das Substrat als Ganzes umgekehrt (mit der Oberseite nach unten), so daß die zweite Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11, die der ersten Hauptfläche dieses gegenüberliegt, auf die obere Seite fallen kann, und die zweite Hauptflächenseite des Si-Einkristallsubstrates 11, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt, wird durch Ätzen bei Verwendung des sogenannten EDP, d.h., einer gemischten wäßrigen Lösung von Ethylendiamin, Pyrokatechol und Pyrazin (das Verhältnis von Ethylendiamin: Pyrokatechol: Pyrazin:Wasser = 75 ml : 12 g: 0,459 : 10ml bei der vorliegenden Ausführung), als Ätzmittel entfernt. In diesem Fall wird die Ätzzeit so gesteuert, daß die Si-Einkristallschicht 11 in einer Dicke zurückbleibt, die gestattet, daß die Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 schließlich freigelegt wird, und daß gleichzeitig der untere Teil der Emittermaterial schicht 18 mit der Si-Einkristallschicht 11 mittels der thermisch oxydierten Schicht 13 beschichtet wird, wie in Fig. 3E gezeigt wird. Daher wird das Si-Einkristallsubstrat 11 nicht vollständig gleichmäßig in dessen Dickenrichtung geätzt. Die Si-Einkristallschicht 11 wird als eine Gateelektrode verwendet. Auf diese Weise wird die thermisch oxydierte Schicht 13, die die scharfe Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 bedeckt, aus der Si-Einkristallschicht 11 freigelegt.
Jetzt wird der Teil der thermisch oxydierten Schicht 13, der die Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 bedeckt, durch Ätzen mit der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF als ein Ätzmittel entfernt, um die scharfe Spitze des Vorsprunges 18a teilweise aus der Si-Einkristallschicht 11 freizulegen, wie in Fig. 3F gezeigt wird. Auf diese Weise wird der Emitter erhalten.
Das vorangehend beschriebene Verfahren für die Herstellung zeigt das Resultat, daß die von dieser Erfindung in Betracht gezogene Feldemissionskatode mit Leichtigkeit gebildet werden kann, zusätzlich zu dem Resultat, das durch das Verfahren für die Herstellung nach der ersten Ausführung gezeigt wird.

AUSFÜHRUNG 3

Fig. 4A,B,C,D,E und F sind eine Reihe von Zeichnungen, die ein Verfahren für die Herstellung der Feldemissionskatode der dritten Ausführung dieser Erfindung zeigen. Das Verfahren für die Herstellung nach der dritten Ausführung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf diese Zeichnungen erklärt. In diesen Zeichnungen werden die Teile, die in der ersten und der zweiten Ausführung vorgefunden werden, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Die vorliegende Ausführung wird danach gekennzeichnet, daß die Ätzsperrschicht 12, in der Bor (B) mit einer hohen Konzentration diffundiert ist, und die eine geringe Dicke aufweist, auf dem Si-Einkristallsubstrat 11 überlagert wird, und daß ein Fortschreiten des Ätzens des Si-Einkristallsubstrates 11 von dessen zweiter Hauptflächenseite aus mittels dieser Ätzsperrschicht 12 unterbrochen wird. Sie findet daher keine Anwendung für eine derartige komplizierte Steuerung der Ätzzeit, wie man ihr bei der zweiten Ausführung begegnet, und das begünstigt die Bildung der Feldemissionskatode dieser Erfindung in stärkerem Umfang. Zuerst wird die Ätzsperrschicht 12 mit einer geringen Dicke auf der ersten Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 gebildet, das eine Kristallflächenorientierung von (100) aufweist, indem in die vorangehend erwähnten Fläche die Ionen einer derartigen Störstelle wie Bor (B) mit einer hohen Konzentration von beispielsweise nicht weniger als 10&sup9; cm&supmin;³ diffundieren. Diese Störstellendiffusion von hoher Konzentration wird beispielsweise mittels des Verfahrens der Thermodiffusion oder des Verfahrens der Ioneneinspritzung bewirkt.
Danach wird das Loch 11a, das zu seinem unteren Teil hin scharf zugespitzt ist, im Si-Einkristallsubstrat 11 von der Seite der Ätzsperrschicht 12 (erste Hauptfläche) aus in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführung eingekerbt, wie in Fig. 48 gezeigt wird. Für das Einkerben dieses Loches ha kann das Verfahren, das sich auf das anisotrope Ätzen von Si verläßt, gleichermaßen wie bei der zweiten Ausführung angewandt werden. Genauer gesagt, die Behandlung der thermischen Oxydation mittels des Trockenverfahrens wird auf der Oberfläche der Ätzsperrschicht 12 durchgeführt, um eine thermisch oxydierte SiO-Schicht in der Ätzsperrschicht 12 bis zu einer Tiefe von etwa 0,1 µm zu bilden. Die Fotoresistschicht (nicht gezeigt) wird außerdem auf die thermisch oxydierte SiO-Schicht mittels des Verfahrens der Schleuderbeschichtung aufgebracht. Danach wird die Fotoresistschicht durch Behandlungen in Form der Belichtung und Entwicklung bei Verwendung eines Schrittmotors gemustert, so daß eine Öffnung in der Form eines Quadrates von 1 µm erhalten wird. Die thermisch oxydierte SiO-Schicht wird anschließend durch Verwendung der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF als ein Ätzmittel gemustert. Danach wird die vorangehend erwähnte Fotoresistschicht entfernt, und das anisotrope Ätzen wird mit dem Muster der thermisch oxydierten SiO-Schicht als eine Ätzmaske und der wäßrigen 30 Gew.-% KOH-Lösung als ein Ätzmittel durchgeführt. Auf diese Weise wird in die Ätzsperrschicht 12 das Loch 11a in der Form einer umgekehrten Pyramide mit einer Tiefe von 0,71 µm eingekerbt, wobei man über die erste Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 hinausgelangt. Danach wird die thermisch oxydierte SiO-Schicht, die auf der Oberfläche der Ätzsperrschicht 12 verbleibt, durch Verwendung von beispielsweise der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF entfernt.
Hierbei wird eine ideale Ätzgeschwindigkeit erhalten, selbst wenn die Ätzsperrschicht 12 auf dem Si-Einkristallsubstrat 11 gebildet wird, weil die wäßrige KOH-Lösung eine praktisch gleiche Ätzgeschwindigkeit auf der Ätzsperrschicht 12, in der Bor (B) mit hoher Konzentration diffundiert ist, und auf dem Si-Einkristall zeigt. Selbst wenn die Ätzsperrschicht 12 auf dem Si-Einkristallsubstrat 11 wie bei der vorliegenden Ausführung gebildet wird, kann daher das Loch 11a ideal eingekerbt werden. Natürlich kann hierbei ein anderes Ätzmittel unter der Bedingung eingesetzt werden, daß es die Ätzsperrschicht 12 ätzen kann.
Danach wird die Behandlung der thermischen Oxydation auf den Wandflächen der Ätzsperrschicht 12 und des Si-Einkristallsubstrates 11, die durch das Loch 11a freigelegt sind, und auf der flachen Oberfläche der Ätzsperrschicht 12 durchgeführt, um die thermisch oxydierte Schicht 13 zu bilden. Im Verlauf der thermischen Oxydation gewinnt die Ätzsperrschicht 12 an Dicke. Die Dicke der Ätzsperrschicht 12 wird während der Bildung des Si-Einkristallsubstrates 11 vorher festgelegt, so daß der Teil der thermisch oxydierten Schicht 13, der die Spitze des pyramidenförmigen Vorsprunges 18a bedeckt, aus der Ätzsperrschicht 12 herausragen kann, selbst nachdem die Ätzsperrschicht 12 in die Höhe gegangen ist, wie es vorangehend beschrieben wird. Danach wird in der gleichen Weise wie bei der vorangehend beschriebenen zweiten Ausführung ein derartiges Material wie W oder Mo, bei dem es sich um ein ideales Emittermaterial handelt, auf der thermisch oxydierten Schicht 13 abgelagert, um die Emittermaterialschicht 18 zu bewirken.
Jetzt wird in der gleichen Weise wie bei der zweiten Ausführung das Glassubstrat 17 hergestellt, das aus einem derartigen sehr hitzebeständigen Material wie beispielsweise Pyrex-Glas besteht und auf seiner hinteren Fläche mit der Al-Schicht 16 mit einer Dicke von 0,3 µm als Überzug versehen ist, wie in Fig. 4D gezeigt wird. Dieses Glassubstrat 17 wird auf die Oberfläche der Emittermaterialschicht 18 überlagert und fest mit dieser verbunden, die der Oberfäche gegenüberliegt, auf der der pyramidenförmige Vorsprung 18a mit scharfer Spitze gebildet wird. Für diese Verbindung kann gleichermaßen wie bei der zweiten Ausfiihrung das elektrostatische Bindeverfahren angewandt werden. Danach wird die Al-Schicht 16 auf der hinteren Fläche des Glassubstrates 17 mit der gemischten saueren Lösung von HNO&sub3; CH&sub3;00H-HF entfernt.
Danach wird das Si-Einkristallsubstrat 11 durch Ätzen von der zweiten Hauptflächenseite aus, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt, bei Verwendung des sogenannten EDP, d.h., einer gemischten wäßrigen Lösung von Ethylendiamin, Pyrokatechol und Pyrazin (das Verhältnis von Ethylendiamin: Pyrokatechol:Pyrazin:Wasser = 75 ml : 12 g: 0,45 g : 10ml bei der vorliegenden Ausführung), als ein Ätzmittel entfernt, wie in Fig. 4E gezeigt wird.
Da die Ätzsperrschicht 12 aus einem Si-Material gebildet wird, in dem Bor (B) mit einer hohen Konzentration diffundiert ist, zeigt hierbei das Ätzmittel wie EDP, das in der zweiten Ausführung eingesetzt wird, eine beträchtlich niedrigere Ätzgeschwindigkeit auf der Ätzsperrschicht 12 als auf dem Einkristall des Si. Im Ergebnis dessen wird das Ätzen, das im Si-Einkristallsubstrat 11 von dessen zweiter Hauptflächenseite aus fortschreitet, durch die Ätzsperrschicht 12 mit dem Ergebnis unterbrochen, daß die Ätzsperrschicht 12 praktisch intakt bleiben wird. Auf diese Weise kann die thermisch oxydierte Schicht 13, die die scharfe Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 bedeckt, teilweise aus der Ätzsperrschicht 12 freigelegt werden.
Danach wird der Teil der thermisch oxydierten Schicht 13, der die Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 bedeckt, durch Ätzen mit der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF als ein Ätzmittel entfernt, um die teilweise Freilegung der scharfen Spitze des Vorsprunges 18a durch die Ätzsperrschicht 12 hindurch zu erhalten, wie in Fig. 4F gezeigt wird. Auf diese Weise wird der Emitter erhalten.
Übrigens, da die Ätzsperrschicht 12 aus einem Si-Material gebildet wird, in dem Bor (B) mit einer hohen Konzentration diffundiert ist, und das folglich eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, kann sie in ihrer nichtmodifizierten Form verbleiben und als eine Gateelektrode benutzt werden.
Das Verfahren für die Herstellung nach der vorangehend beschriebenen dritten Ausführung macht die Notwendigkeit des Sicherns einer komplizierten Steuerung der Ätztiefe während des Ätzens des Si-Einkristallsubstrates 11 von dessen zweiter Hauptflächenseite aus überflüssig, wie sie bei der zweiten Ausführung zu verzeichnen ist. Es bewirkt daher, daß die Feldemissionskatode noch leichter gebildet werden kann, zusätzlich zu den Resultaten, die mittels der Verfahren für die Herstellung nach der ersten und der zweiten Ausführung erhalten werden.

AUSFÜHRUNG 4

Fig. 5A,B,C,D,E und F sind eine Reihe von Zeichnungen, die ein Verfahren für die Herstellung der Feldemissionskatode nach der vierten Ausführung dieser Erfindung zeigen. Das Verfahren für die Herstellung nach der vierten Ausführung wird mit Bezugnahme auf diese Zeichnungen erklärt.
In diesen Zeichnungen werden die gleichen Teile, die in der ersten und der zweiten Ausführung vorgefunden werden, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Diese vierte Ausführung wird nachfolgend beschrieben, wobei die Betonung auf den charakteristischen Teilen liegt, die diese Ausführung von den vorangehend beschriebenen Ausführungen unterscheidet.
Das Verfahren für die Herstellung der vorliegenden Ausführung wird dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzsperrschicht 12a, die aus einem n-Si- Material gebildet wird, anstelle der vorangehend beschriebenen Ätzsperrschicht 12 der dritten Ausführung verwendet wird, und daß das Ätzen, das im Si-Einkristallsubstrat 11 von der zweiten Hauptfläche aus fortschreitet, durch Anlegen einer Sperrspannung an die Ätzsperrschicht 12a unterbrochen wird.
Als erstes wird die Si-Schicht 12a mit einer geringen Dicke mittels des Verfahrens der Thermodiffusion oder des Verfahrens der Ioneneinspritzung auf dem Si-Einkristallsubstrat 11 gebildet, das aus einem p-Si-Einkristall besteht, das eine Kristallflächenorientierung von (100) aufweist, und das Si-Einkristallsubstrat 11 und die Si-Schicht 12a werden durch den pn-Übergang über die Grenzfläche hinweg verbunden, wie in Fig. 5A gezeigt wird.
Die folgenden Schritte, die in den Fig. 5B bis 5D gezeigt werden, sind praktisch die gleichen wie die entsprechenden Schritte, die bei der vorangehend beschriebenen dritten Ausführung zur Anwendung kommen.
Die vorliegende Ausführung wird dann dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochemische Ätzverfahren beim Schritt des Entfernens des Si- Einkristallsubstrates 11 angewandt wird, wie in Fig. 5E gezeigt wird.
Dieses Verfahren beruhrt auf dem Anlegen der Sperrspannung an einen pn-Übergang, der in der Grenzfläche zwischen der Ätzsperrschicht 12a und dem Si-Einkristallsubstrat 11 in beispielsweise einer wäßrigen KOH-Lösung gebildet wird, wodurch selektiv das p-Si-Einkristallsubstrat 11 ausschließlich geätzt wird und die n-Si-Schicht 12a trotz des Ätzens intakt bleiben kann.
Auf diese Weise wird das Si-Einkristallsubstrat 11 fortschreitend von dessen zweiten Hauptflächenseite aus geätzt, bis das Si-Einkristall substrat 11 praktisch durch seine gesamte Dicke hindurch herausgeätzt ist und nur die Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 durch die Ätzsperrschicht 12a freigelegt ist.
Die sich anschließenden Schritte sind identisch mit den entsprechenden Schritten, die in den vorangehend beschriebenen Ausführungen eingeschlossen sind. Genau gesagt, der Teil der thermisch oxydierten Schicht 13, der die Spitze des Vorsprunges 18a der Emittermaterialschicht 18 bedeckt, wird durch Ätzen mit der gemischten Lösung von NH&sub4;F HF als ein Ätzmittel entfernt, wie in Fig. 5F gezeigt wird. Auf diese Weise wird die scharfe Spitze des Vorsprunges 18a teilweise durch die Si-Einkristallschicht 12a freigelegt. Der Emitter wird im Ergebnis dessen erhalten.
Gleichermaßen wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungen bietet die betrachtete vierte Ausführung das Verfahren für die Herstellung, das die genaue und einfache Bildung des Spaltes zwischen dem Emitter und der Gateelektrode ermöglicht.
Bei der bisher beschriebenen zweiten und vierten Ausführung kann die Ätzsperrschicht 12, in der Bor (B) mit einer hohen Konzentration diffundiert ist, oder die n-Si-Schicht 12a vorher durch ein epitaxiales Wachstum auf der ersten Hauptfläche des Si-Einkristallsubstrates 11 im Schritt der Fig. 4A oder Fig. 5A gebildet werden.
Natürlich können die Materialien für die Schichten, die Ausbildung der Schichten in der Form der Schicht, das Verfahren der Musterung und dergleichen unterschiedlich innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung geändert werden, wie er durch die Patentansprüche definiert wird.
Wie vorangehend deutlich im Detail beschrieben wurde, wurde diese Erfindung mit dem Ziel der Realisierung der Tatsachen vorgelegt, daß ein pyramidenförmiges oder kegeliges Loch, das zur scharfen Spitze hin zugespitzt ist, in einem Trägersubstrat gebildet werden kann, indem die Anisotropie des Ätzens nutzbar gemacht wird; daß ein Bereich, der in eine Störstellendiffusionsschicht umgewandelt wurde, als eine Ätzsperrschicht funktioniert; daß diese Störstellendiffusionsschicht gleichzeitig als eine Gateelektrodenschicht in Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes dieser funktioniert; und daß eine spitze Oxidschicht (Isolatorschicht) längs der vorgeschriebenen Oberflächen durch Anwendung des Verfahrens der thermischen Oxydation genau gebildet werden kann.
Die Feldemissionskatode entsprechend dieser Erfindung ist mit ausgezeichneten Qualitäten derart ausgestattet, daß sie konstant eine gleichmäßige ideale Feldemission zeigt; daß sie wirksam selbst bei einer niedrigen Spannung funktioniert; und daß ein hoher Wirkungsgrad der Feldemission erhalten wird. Folglich gestattet das Verfahren dieser Erfindung für die Herstellung einer Feldemissionskatode, daß Feldemissionskatoden, die mit derartigen funktionellen Eigenschaften ausgestattet sind, wie sie vorangehend erwähnt werden, und die leicht für eine weitere Integration angepaßt werden, mit einer sehr zufriedenstellenden Ausbeute und mit der Möglichkeit zur Massenfertigung hergestellt werden können.

Claims

1. Feldemissionskatodenkonstruktion mit einem Emitter mit einer scharfen Spitze für die Emission von Elektronen und einer steuernden Gateelektrode, wobei die Konstruktion aufweist: ein zweites Trägersubstrat (17), eine Emittermaterialschicht (18) aus einem Emittermaterial, die mit einem Vorsprung (18a) versehen ist und auf dem zweiten Trägersubstrat gebildet wird, eine Isolatorschicht (13), die auf der Oberfläche der Emittermaterialschicht (18) so gebildet wird, daß eine Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) durch diese hindurch freigelegt wird.

2. Feldemissionskatodenkonstruktion nach Anspruch 1, bei der eine Störstellendiffusionsschicht (12) auf der Oberfläche der Isolatorschicht (13) gebildet wird und als Ätzsperrschicht funktionieren kann, wenn ein erstes Trägersubstrat (11), das auf der Störstellendiffusionsschicht gebildet wird, durch Ätzen entfernt wird, wobei die Störstellendiffusionsschicht (12) eine Gateelektrodenschicht sein kann.

3. Feldemissionskatode nach Anspruch 1, die außerdem eine Gateelektrodenschicht (19a) aufweist, die auf der Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht (12) und längs der Kontur des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18) gebildet wird, und die mit einer Öffnung (19b) versehen ist, die die Spitze des Vorsprunges (18a) umschließt.

4. Feldemissionskatode nach Anspruch 1, bei der das Trägersubstrat (17) eine Glasplatte ist.

25 5. Feldemissionskatode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Störstellendiffusionsschicht (12) eine Siliciumschicht ist, die eine p- Störstelle enthält.

6. Feldemissionskatode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die p- Störstelle Bor (B) ist und mit einer Konzentration von nicht weniger als 3 x 1019 cm³ diffundiert wird.

7. Feldemissionskatode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Störstellendiffusionsschicht (12) einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 10&supmin;³ Ω cm aufweist.

8. Feldemissionskatode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Isolatorschicht (13) eine thermisch oxydierte Isolationsschicht ist, die aus SiO gebildet wird.

9. Verfahren für die Herstellung einer Feldemissionskatodenkonstruktion mit einem Emitter mit einer scharfen Spitze für die Emission von Elektronen und einer steuernden Gateelektrode, das die folgenden Schritte aufweist: Bildung eines Loches (ha) mit einer scharfen Spitze in einem ersten Trägersubstrat (11), Bildung einer Störstellendiffusionsschicht (12) auf der Oberfläche des ersten Trägersubstrates (11), die die Wandfläche des Loches (ha) umfaßt, Bildung einer Isolatorschicht (13) auf der Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht (12), die die Wandfläche des Loches umfaßt, Ablagern einer Emittermaterialschicht (18) auf der Oberfläche der Isolatorschicht (13), die das Loch umfaßt, während das Loch mit dem Emittermaterial gefüllt wird, vollständiges Verbinden eines zweiten Substrates (17) mit der Oberfläche der Emittermaterialschicht (18), Entfernen des ersten Substrates (11) durch Ätzen, wodurch die Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht (12) freigelegt wird, die mit einem Vorsprung entsprechend dem Loch (ha) versehen ist, und selektives Entfernen der Störstellendiffusionsschicht (12) und der Isolatorschicht (13), wodurch eine Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18) freigelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Störstellendiffusionsschicht (12) als Gateelektrodenschicht gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem die folgenden Schritte aufweist: Bildung einer Gateelektrodenschicht (19a) auf der Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht (19) nach dem Entfernen des ersten Trägersubstrates (11) durch Ätzen, wodurch die Oberfläche der Störstellendiffusionsschicht (19) freigelegt wird, die mit einem Vorsprung entsprechend dem ersten Loch (ha) versehen ist, und selektives Entfernen der Störstellendiffusionsschicht (12) und der Isolatorschicht (13), wodurch die Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18) freigelegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das vollständige Verbinden der Emittermaterialschicht (18) und des zweiten Trägersubstrates (17) mittels des Verfahrens der elektrostatischen Bindung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Bildung der Isolatorschicht (13) durch thermisches Oxydieren der Störstellendiffusionsschicht (12) bewirkt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Störstellendiffusionsschicht (12) durch Dotieren mindestens eines Elementes, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus B, Al, In, P, As, Ti, Ge und Sn besteht, als eine Störstelle in das Si gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Konzentration der Störstelle nicht kleiner ist als 3 x 10&sup9; cm&supmin;³.

16. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskatodenkonstruktion mit einem Emitter mit einer scharfen Spitze für die Emission von Elektronen und einer steuernden Gateelektrode, das die folgenden Schritte aufweist: Bildung eines Loches (11a) mit einer scharfen Spitze in einem ersten Trägersubstrat (11), Bildung einer Isolatorschicht (13) auf der Oberfläche des ersten Trägersubstrates (11), die die Wandfläche des Loches (11a) umfaßt, Ablagern einer Emittermaterialschicht (18) auf der Oberfläche der Isolatorschicht, die das Loch umfaßt, während das Loch mit einem Emittermaterial gefüllt wird, vollständiges Verbinden eines zweiten Trägersubstrates (17) mit der Oberfläche der Emittermaterialschicht (18), Ätzen des ersten Trägersubstrates (11) durch dessen freigelegte Oberfläche, bis das Ende einer Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18), die mit dem Vorsprung (18a) entsprechend dem ersten Loch (11a) versehen ist, mit der Oberfläche des Trägersubstrates (11) nach Abschluß des Ätzens bündig ist, und selektives Entfernen der Isolatorschicht (13), wodurch die Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18) freigelegt wird.

17. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskatodenkonstruktion mit einem Emitter mit einer scharfen Spitze für die Emission von Elektronen und einer steuernden Gateelektrode, das die folgenden Schritte aufweist: Bildung einer Ätzsperrschicht (12) auf der ersten Hauptfläche eines ersten Trägersubstrates (11), Bildung eines Loches (11a) mit einer scharfen Spitze in der ersten Hauptflächenseite des Trägersubstrates (11) durch die Ätzsperrschicht (12) bis zu einer Tiefe, die bis zur Hälfte der Dicke des ersten Trägersubstrates (11) reicht, Bildung einer Isolatorschicht (13) auf der Oberfläche der Ätzsperrschicht (12), die die Wandfläche des Loches (11a) umfaßt, Ablagern einer Emittermaterial schicht (18) auf der Oberfläche der Isolatorschicht (13), die das Loch umfaßt, während das Loch mit einem Emittermaterial gefüllt wird, vollständiges Verbinden eines zweiten Trägersubstrates (17) mit der Oberfläche der Emittermatenaischicht (18), Entfernen des ersten Trägersubstrates (11) von dessen zweiten Hauptflächenseite durch Ätzen bis zur Ätzsperrschicht (12), wodurch ein Endabschnitt der Isolatorschicht (13) eines herausragenden Abschnittes des entsprechenden Loches (11a) freigelegt wird, und selektives Entfernen der Isolatorschicht, wodurch eine Spitze (18t) des Vorsprunges (18a) der Emittermaterialschicht (18) freigelegt wird.