DE69505914T2 - Herstellungsverfahren einer Mikrospitzen-Elektronenquelle - Google Patents
Herstellungsverfahren einer Mikrospitzen-ElektronenquelleInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Mikrospitzen-Elektronenquelle ("microtips").
- Sie betrifft insbesondere die Herstellung flacher Anzeigevorrichtungen.
- Wenn eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden gelegt wird, von denen eine zugespitzt ist, kann das derart erzeugte elektrische Feld am Ende dieser zugespitzten Elektrode leicht einen Wert in der Größenordnung von 10&sup7; V/cm erreichen, wobei dieser Wert ausreicht, dieser Elektrode Elektronen zu entreißen.
- Ein solches Prinzip wird benutzt, um kalte Elektronenquellen zu realisieren, die Glühdrähte als Elektronenquellen ersetzen können, wobei diese kalten Quellen schneller reagieren, weniger Strom verbrauchen und besser miniaturisiert werden können als Glühdrähte.
- Eine der wichtigsten Anwendungen dieser kalten Elektronenquellen, auch "Mikrospitzenquellen" genannt, ist die Herstellung flacher Bildschirme.
- Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 wird das Prinzip dieser flachen Bildschirme in Erinnerung gerufen.
- Die Fig. 1 ist eine schematische und partielle Schnittansicht eines solchen flachen Bildschirms und die Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht dieses flachen Bildschirms.
- Der flache Schirm der Fig. 1 und 2 umfaßt eine Mikrospitzen-Elektronenquelle 2 und ein Glassubstrat 4, das von der Quelle 2 durch einen schmalen Abstand getrennt ist, in dem Vakuum herrscht.
- Das Substrat 4 trägt gegenüber der Quelle 2 eine elektrisch leitende, transparente Schicht 6, z. B. aus Indiumoxid und Zinn bzw. Zinnoxid, wobei diese Schicht 6 selbst kathodolumineszente Elemente 8 trägt, auch "Lumineszenzstrahler" genannt.
- Die Mikrospitzenquelle 2 umfaßt auf einem elektrisch isolierenden Substrat 10, z. B. aus Glas, eine Gruppe paralleler Kathodenleiter 12, die die Spalten des Bildschirm bilden.
- Diese Kathodenleiter sind durch eine Schicht 12 aus einem elektrisch isolierenden Material wie Siliciumdioxid bedeckt.
- Eine Gruppe anderer paralleler elektrischer Leiter 15 befindet sich über der Isolierschicht 14, und diese anderen Leiter 15, oder Gitter, sind senkrecht zu den Kathodenleitern 12, um die Zeilen des Bildschirms zu bilden.
- In Höhe der Überschneidungen der Kathodenleiter und der Gitter sind Löcher 18, 19 in der Isolierschicht 14 und diesen Gittern 15 vorgesehen, und Mikrospitzen 20 aus einem elektronenemittierenden Material sind in diesen Löchern ausgebildet und ruhen auf den Kathodenleitern 12.
- Die Lumineszenzstrahler 8 sind auf der transparenten leitenden Schicht 6 ausgebildet, gegenüber diesen Überschneidungen, wie in Fig. 2 zu sehen.
- Die Elektronen werden extrahiert durch Anwendung entsprechender elektrischer Spannungen zwischen den Gittern und den Mikrospitzen und werden dann beschleunigt dank der zwischen den Gittern und der die Anode des Bildschirms bildenden Leiterschicht 6 angelegten elektrischen Spannungen.
- Jeder durch Elektronen 22 angeregte Lumineszenzstrahler 8 emittiert Licht 24.
- Ein Abtasten der Zeilen und Spalten des Bildschirms mit der entsprechende Spannung ermöglicht, ein Bild zu formen.
- Nur diejenigen Mikrospitzen, die sich an den Überkreuzungen einer Zeile und einer Spalte befinden, die mit Spannung versorgt werden, emittieren Elektronen um ein Bildelement oder Pixel zu bilden.
- Jedes Pixel wird in Wirklichkeit durch mehrere hundert Mikrospitzen "erregt", deren Dimensionen in der Größenordnung von 1 um sind, generell 1,5 um, und die voneinander beabstandet sind durch eine Distanz in der Größenordnung von einigen Mikrometern und typisch 5 um.
- Diese kleinen Abmessungen sind unerläßlich, um einerseits keine zu großen Spannungen zwischen den Gittern und den Mikrospitzen anlegen zu müssen (Spannungen in der Größenordnung von 50 V), und andererseits, um eine ausreichend große Stromemission pro Flächeneinheit zu erzielen (ungefähr 1 mA/mm).
- Ein flacher Bildschirm umfaßt also typisch ca. 10000 Mikrospitzen pro mm² über Flächen von mehreren dm².
- Die gegenwärtig hergestellten Bildschirme haben Oberflächen in der Größenordnung von 5 dm² und vorgesehen ist die Herstellung von flachen Bildschirmen, deren Flächen ungefähr 1 m² betragen.
- Jedoch ist es nicht leicht, mit den bekannten Herstellungsverfahren Mikrospitzenquellen herzustellen, die so große Oberflächen haben.
- Das zur Herstellung dieser Mikrospitzen am häufigsten benutzte Verfahren ist das sogenannte Spindt-Verfahren (nach dem Namen seines Erfinders).
- Zu diesem Zweck kann man z. B. das folgende Dokument konsultieren:
- (1) C. A. Spindt, J. Appl. Phys., Bd. 39, S. 3504, 1968.
- Man sieht in Fig. 3, die dieses Verfahren schematisch darstellt, eine Struktur mit einem isolierenden Substrat 10, auf dem die Kathodenleiter 12 ausgebildet sind, und die Schicht 14, die auf diese Kathodenleitern ausgebildet ist und die eine elektrisch leitende Gitterschicht 16 trägt.
- Die eigentlichen Gitter erhält man aus dieser Gitterschicht 16, nachdem die Mikrospitzen gebildet wurden, wie man sehen wird.
- Nach dem die Löcher 18 und 19 durch chemischen Angriff jeweils in der Isolierschicht 14 und der Gitterschicht 16 hergestellt wurden, wird eine Nickelschicht 16a auf der Gitterschicht 16 abgeschieden, durch Aufdampfen unter Vakuum und unter streifendem Einfall.
- Man erhält die Mikrospitzen 20 durch Aufdampfen eines elktronenemittierenden Materials 26.
- Eine Schicht 28 aus diesem Material bildet sich dann an der Oberfläche der Gitterschicht 16a.
- Aus diesem Grund nehmen die in diesen Schichten 16 und 16a gebildeten Löcher progressiv in dem Maße ab, wie die Dicke der Schicht 28 zunimmt.
- Da das Aufdampfen sehr gerichtet ist, variiert der Durchmesser der Materialabscheidungen 26 in den Löchern 18 der Isolierschicht 14 wie der Durchmesser der Löcher der Schicht 16a und der Gitterschicht 16, was zu der spitzen Form der Abscheidungen in den Löchern 18 führt, d. h. zu den Mikrospitzen 20.
- Anschließend beseitigt man die Schicht 28 durch selektives Auflösen der Nickelschicht 16a, was diese Mikrospitzen erscheinen läßt.
- Der Hauptvorteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß keine genaue Ausrichtung von Mikrolithographiemasken erforderlich ist, da es die Löcher der Gitterschicht selbst sind, die die Mikrospitzen definieren.
- Es wäre nämlich quasi unmöglich, mit den klassischen Methoden der Mikrolithographie mit einer Ausrichtgenauigkeit besser als 1 um auf großen Flächen zunächst die Mikrospitzen zu ätzen und dann die Löcher der Gitterschicht.
- Ein anderes bekanntes Herstellungsverfahren von Mikrospitzen ist in folgendem Dokument beschrieben:
- (2) Oxidation-Sharpened Gates Field Emitter Array Process, N. E. McGruer et al., IEEE Transactions on Electron Devices, (38) 1991 October, Nr. 10.
- Dieses andere Verfahren ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.
- Man sieht in dieser Fig. 4 ein Siliciumsubstrat 30.
- Man beginnt damit, dieses Substrat an der Oberfläche zu oxidieren. Dann werden aus der aus dieser Oxidation resultierenden Siliciumdioxidschicht Scheiben 32 gebildet.
- Ein reaktives Ionenätzen des Siliciumsubstrats 30 ermöglicht dann die Bildung von Füßen 34 aus Silicium, wobei die Scheiben 32 als Masken dienen.
- Anschließend bildet man durch Aufdampfen von Siliciumdioxid 38 eine Siliciumschicht 36 auf dem Substrat 30.
- Es bildet sich dann eine Siliciumdioxidschicht 40 auf jeder Scheibe 32.
- Die Füße 34 werden anschließend thermisch oxidiert, was zu der Bildung von Mikrospitzen 42 aus diesen Füßen führt.
- Man bildet anschließend eine Gitterschicht 44 durch Aufdampfen eines elektrisch leitenden Materials auf die Siliciumdioxidschicht 36.
- Im Laufe dieses Aufdampfens bildet sich eine Schicht 46 aus diesem Material auf der mit jeder Scheibe 32 verbundenen Siliciumdioxidschicht 40.
- Man eliminiert anschließend das Siliciumoxid, das die Mikrospitzen 42 sowie die Scheiben 32 und die entsprechenden Schichten 40 und 46 bedeckt.
- Der Nachteil der oben beschriebenen bekannten Verfahren besteht darin, daß die Aufdampfungen sehr richtungsabhängig sind.
- In dem Beispiel der Fig. 3 variiert der Einfallwinkel θ eines Aufdampfungsstrahls F z. B. in Abhängigkeit von der Position der Löcher 19 der Gitterschicht 16, was zu dem in Fig. 5 dargestellten Phänomen führt, d. h. zu Mikrospitzen, deren Achsen Y umso weniger senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 10 sind, je größer der Einfallwinkel θ ist.
- Daraus resultiert eine Veränderung der Form der Mikrospitzen, wobei diese Veränderung eine Dispersion bzw. Streuung der Emissionscharakteristika der Elektronen und, im äußersten Fall, einen Kurzschluß zwischen den Mikrospitzen und der Gitterschicht bewirkt.
- Um dieses Problem zu lösen, kann man erwägen, den Abstand L zwischen der Verdampfungsquelle 48 (die das Material 26 enthält) und der Oberfläche der Struktur zu vergrößern, auf der man dieses Material 26 verdampft, um den Winkel θ in akzeptablen Grenzen zu halten.
- Dies führt jedoch zu einer zu großen Vergrößerung der Mikrospitzen-Herstellungsgeräte sowie einer zu großen Reduzierung der Abscheidungsgeschwindigkeit.
- Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
- Sie hat ein Herstellungsverfahren einer Mikrospitzen- Elektronenquelle zum Gegenstand, das folgende Schritte umfaßt:
- - die Herstellung einer Struktur, die ein elektrisch isolierendes Substrat, wenigstens einen Kathodenleiter auf diesem Substrat, eine jeden Kathodenleiter bedeckende, elektrisch isolierende Schicht und eine diese elektrisch isolierende Schicht bedeckende, elektrisch leitende Gitterschicht umfaßt, wobei über jedem Kathodenleiter Löcher diese Gitterschicht und die elektrisch isolierende Schicht durchdringen, und
- - die Bildung einer Mikrospitze in jedem Loch, die aus einem elektronenemittierenden metallischen Material erzeugt wird und auf dem diesem Loch entsprechenden Kathodenleiter ruht,
- wobei diese Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Bildung der Mikrospitzen die folgenden Schritte umfaßt:
- - Bilden einer elektrisch isolierenden Schutzschicht auf der Gitterschicht,
- - Bilden einer chemischen Abscheidung des elektronenemittierenden metallischen Materials auf dem Boden der Löcher, bis das metallische Material aus diesen herausragt,
- - Entfernen der Schutzschicht, und
- - Durchführen eines elektrolytischen Angriffs des abgeschiedenen Materials, um aus diesem metallischen Material die Mikrospitzen zu realisieren.
- Nach einer speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, bevorzugt wegen seiner einfachen Durchführbarkeit, benutzt man für den elektrolytischen Angriff des metallischen Materials die Gitterschicht als Kathode.
- Eine geringe Wiederabscheidung (redépot) oder eine kontrollierte Wiederabscheidung, die sich über die Gesamtheit des Gitters erstreckt, wird toleriert; sie bringt eine wesentliche Reduzierung der Durchmesser der Löcher mit sich, die eher günstig ist für die Elektronenemission durch die Mikrospitzen.
- Die Schutzschicht kann gebildet werden, indem man auf der Gitterschicht unter streifendem Einfall eine elektrisch isolierende Schicht abscheidet.
- Diese Schutzschicht wird vorzugsweise durch anodische Oxidation der Gitterschicht gebildet.
- Die Gitterschicht kann aus einem Material erzeugt werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Niobium, Tantal und Aluminium enthält.
- Das metallische Material kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die Eisen, Nickel, Chrom, Fe-Ni, Gold, Silber und Kupfer enthält.
- Die Schutzschicht kann durch chemischen Angriff eliminiert werden.
- Die Schutzschicht kann auch durch reaktives Ionenätzen eliminiert werden.
- Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung von erläuternden und keinesfalls einschränkenden Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- - die Fig. 1, schon beschrieben, ist eine schematische und partielle Schnittansicht eines flachen Bildschirms;
- - die Fig. 2, schon beschrieben, ist eine schematische und partielle perspektivische Ansicht dieses flachen Bildschirms,
- - die Fig. 3, schon beschrieben, zeigt schematisch ein bekanntes Herstellungsverfahren der Mikrospitzen einer Mikrospitzen- Elektronenquelle,
- - die Fig. 4, schon beschrieben, zeigt schematisch ein anderes bekanntes Herstellungsverfahren der Mikrospitzen einer Mikrospitzen-Elektronenquelle,
- - die Fig. 5, schon beschrieben, zeigt schematisch die Nachteile dieser bekannten Verfahren, und
- - die Fig. 6A bis 6E zeigen schematisch Schritte einer besonderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Nach dieser besonderen Ausführungsart beginnt man damit, eine Struktur 49 (Fig. 6A) von der Art der in Fig. 3 dargestellten zu bilden, die ein elektrisch isolierendes Substrat 10 umfaßt, auf dem man die Kathodenleiter 12, auf diesen Kathodenleitern die elektrisch isolierende Schicht 14 und auf dieser elektrisch isolierenden Schicht 14 die Gitterschicht 16 erzeugt (wobei die Struktur bei anderen besonderen Ausführungsarten selbstverständlich nur einen einzigen Kathodenleiter umfassen könnte).
- Man sieht ebenfalls die im wesentlichen kreisrunden Löcher 18 und 19, jeweils in der isolierenden Schicht 14 und der Gitterschicht 16.
- Die Verfahren, die die Herstellung einer solchen Struktur ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
- Beispielsweise ist das Substrat 10 aus Glas, werden die Kathodenleiter durch eine zweilagige Schicht aus Chrom und Kupfer gebildet und die Gitterschicht 16 ist aus Niobium, Tantal oder Aluminium.
- Anschließend bildet man auf der Gitterschicht 16 eine Schutzschicht aus (Fig. 6B).
- Dazu kann man eine Siliciumdioxid-Aufdampfung mit streifendem Einfall durchführen, auf der Gitterschicht 16, um diese mit Siliciumdioxid zu bedecken.
- Jedoch führt man vorzugsweise eine anodische Oxidation der Gitterschicht 16 durch, was in dem betrachteten Beispiel zu der Bildung einer Schicht 50 aus Niobiumoxid oder Tantaloxid oder Aluminiumoxid führt, die den restlichen Teil der Gitterschicht 16 bedeckt, wie zu sehen in Fig. 6B.
- Diese anodische Oxidation führt zu einer zuverlässigeren Abdeckung der Gitterschicht als die oben erwähnte Aufdampfung unter streifendem Einfall und ist einfacher auszuführen.
- Anschließend realisiert man eine elektrolytische Abscheidung eines metallischen Materials auf dem Boden des Lochs 18, bis dieses Material aus diesen Löchern heraussteht, wie zu sehen in Fig. 6C, wobei ein Teil dieses Materials sich dann über der Schicht 50 befindet.
- Dazu gibt man die die Schutzschicht 50 umfassende Struktur 49 in ein geeignetes elektrolytisches Bad 54 (das Ionen des abzuscheidenden Materials enthält) und gibt ebenfalls einen Block 56 dieses metallischen Materials in dieses Bad.
- Wenn dieses metallische Material Eisen-Nickel ist, kann man das elektrolytische Bad benutzen, dessen Zusammensetzung die folgende ist:
- NiCl&sub2;, 6H&sub2;O 50 g.l&supmin;¹
- NiSO&sub4;, 6H&sub2;O 21 g.l&supmin;¹
- FeSO&sub4;, 2 g.l&supmin;¹
- H&sub3;BO&sub3; 25 g.l&supmin;¹
- Na-Saccharinat 0,8 g.l&supmin;¹
- Anschließend legt man mit Hilfe einer Spannungsquelle 58 eine passende elektrische Spannung an, zwischen den Kathodenleitern 12 und dem Block 56.
- Für den Fall, daß das metallische Material Eisen-Nickel ist, kann man für die elektrolytische Abscheidung folgende Bedingungen wählen:
- Stromdichte: 0,5 bis 2 mA/cm²
- Spannung: 1 bis 2V
- Umgebungstemperatur.
- Für die Elektrolyse dienen die Kathodenleiter 12 als Kathode und der Block 56 dient als Anode.
- Die elektrisch leitenden Elemente 60, die aus der Abscheidung des metallischen Materials am Boden der Löcher 18 resultieren, sind in Kontakt mit den Kathodenleitern, sind aber elektrisch von der Gitterschicht 16 isoliert dank der Schutzschicht 50, die diese letztere bedeckt.
- Man beseitigt anschließend diese Schutzschicht 50 durch einen chemischen Angriff oder durch raktives Ionenätzen (Fig. 6D).
- Anschließend erfolgt ein elektrolytischer Angriff der elektrisch leitenden Elemente 60, um aus diesen die Mikrospitzen 62 zu bilden (Fig. 6E).
- Dazu gibt man die Struktur, bei der die Schutzschicht 50 entfernt worden ist, in ein geeignetes elektrolytisches Bad 64 (das z. B. 10% HCL mit 37% und 90% Wasser für die Auflösung des Eisen-Nickels enthält) und man legt eine passende elektrische Spannung (z. B. 1 bis 2 V für die Auflösung des Eisen-Nickels) zwischen die Kathodenleiter, die in diesem Fall als Anode dienen, und die Gitterschicht 16, die als Kathode dient.
- Vorzugsweise bewirkt man eine Erneuerung des Elektrolyts durch Umrühren und/oder Zirkulation, so daß eine Ionenkonzentration um das Material der Elemente 60 herum vermieden wird.
- Im Laufe der Elektrolyse wird das Material 60 im wesentlichen symmetrisch um die Achse Z der Löcher 18 herum eliminiert und die Metallionen, erzeugt durch den chemischen Angriff des Materials der Elemente 60, werden teilweise eliminiert dank der Erneuerung des Elektrolyts und teilweise wiederabgeschieden auf der Gitterschicht.
- In Abhängigkeit vom Material der Elemente 60 und dem Erneuerungsgrad des Elektrolyts ist der wiederabgeschiedene Teil der Ionen mehr oder weniger groß und kann kontrolliert werden.
- Durch die Abnutzung der leitenden Elemente 60 durch die Elektrolyse erhält man:
- - spitze Elemente, deren Spitzen im wesentlichen mit der Oberfläche der Gitterschicht 16 fluchten und die Mikrospitzen 62 bilden, und
- - Teile 68, die sich von diesen Mikrospitzen lösen und in dem elektrolytischen Bad bleiben, wie in Fig. 6E zu sehen.
- Vorzugsweise erfolgt dieser Schritt zu Bildung der Mikrospitzen mit dem Glassubstrat oben und dem elektrolytischen Bad unten, um den Teilen 68 zu ermöglichen, in das elektrolytische Bad zu fallen.
- Anschließend beendet man die Bildung der Mikrospitzen- Elektronenquelle, indem man auf bekannte Weise aus der Gitterschicht 16 parallele Gitter herstellt (nicht dargestellt), die einen Winkel bilden mit den Kathodenleitern (wenn es aber nur einen Kathodenleiter gibt, läßt man die Gitterschicht so wie sie ist).
- Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Herstellung von automatisch auf die Löcher der Gitterschicht 16 ausgerichteten Mikrospitzen mittels einer richtungsunabhängigen Technik ermöglicht, in einem isotropen flüssigen Medium (elektrolytisches Bad 64).
- Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist folglich unabhängig von der Oberfläche der Struktur, wo man die Mikrospitzen bilden möchte.
Claims (9)
1. Herstellungsverfahren einer
Mikrospitzen-Elektronenquelle, umfassend:
- die Herstellung einer Struktur (49), ein elektrisch isolierendes
Substrat (10), wenigstens einen Kathodenleiter (12) auf diesem
Substrat, eine jeden Kathodenleiter bedeckende, elektrisch
isolierende Schicht (14) und eine diese elektrisch isolierende
Schicht bedeckende, elektrisch leitende Gitterschicht (16)
umfassend, wobei über jedem Kathodenleiter Löcher (18, 19) diese
Gitterschicht und die elektrisch isolierende Schicht
durchdringen, und
- die Bildung einer Mikrospitze (62) in jedem Loch, die aus einem
elektronenemittierenden metallischen Material erzeugt wird und
auf dem diesem Loch entsprechenden Kathodenleiter ruht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Mikrospitzen die
folgenden Schritte umfaßt:
- Bilden einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (50) auf der
Gitterschicht (16),
- Bilden einer chemischen Abscheidung des elektronenemittierenden
metallischen Materials auf dem Boden der Löcher bis das
metallische Material aus diesen herausragt,
- Entfernen der Schutzschicht (50), und
- Durchführen eines elektrolytischen Angriffs des abgeschiedenen
Materials, um aus diesem metallischen Material die Mikrospitzen
(62) zu realisieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die chemische Abscheidung des elektronenemittierenden
metallischen Materials eine elektrolytische Abscheidung ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man für den elektrolytischen Angriff des
metallischen Materials die Gitterschicht (16) als Kathode nimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Schutzschicht (50) bildet, indem man
auf der Gitterschicht (16) eine elektrisch isolierende Schicht mit
streifendem Einfall abscheidet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Schutzschicht durch anodische
Oxidation der Gitterschicht (16) bildet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Gitterschicht (16) aus einem Material
erzeugt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Niobium, Tantal
und Aluminium enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das metallische Material aus der Gruppe
ausgewählt wird, die Eisen, Nickel, Chrom, Fe-Ni, Gold, Silber und
Kupfer enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (50) durch chemischen
Angriff eliminiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (50) durch reaktives
Ionenätzen eliminiert wird.
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