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Diese Erfindung bezieht sich auf
Feldemissionsvorrichtungen und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung
adressierbarer Feldelektronen-Emissionskathoden.
Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beabsichtigen, Verfahren mit geringen
Herstellungskosten zur Fertigung von Mehrfachelektroden-Steuer/Regel-
und Fokussierstrukturen zu schaffen.
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Für
die mit der Technik vertrauten ist es ersichtlich geworden, daß die Schlüssel zu
praktischen Feldemissionsvorrichtungen, insbesondere Displays, Anordnungen
sind, die die Steuerung/Regelung des emittierten Stroms mit niedrigen
Spannungen ermöglichen.
Die Mehrzahl des Stands der Technik in diesem Bereich bezieht sich
auf Spitzen basierte Emitter dies sind Strukturen, die Atom-Große deutlich
zulaufende Mikrospitzen als feldemittierende Quelle verwenden.
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Es gibt einen beträchtlichen
Stand der Technik bezüglich
Spitzen basierter Emitter. Die Hauptaufgabe von Technikern war es,
eine Elektrode mit einer Öffnung
(das Gate) weniger als 1 μm
entfernt von jeder einzelnen emittierenden Spitze anzuordnen, so daß die erforderlichen
hohen Felder durch Verwendung angelegter Potentiale von 100 V oder
weniger verwirklicht werden können – diese
Emitter werden Gate betriebene Felder genannt. Die erste praktische Realisierung
hiervon wurde von C A Spindt beschrieben, der am Stanford Research
Institut in Kalifornien beschäftigt
ist (J. Appl.Phys. 39,7, pp3504–3505, (1968)).
Spindts Felder verwendeten Molybdän emittierende Spitzen, welche
durch Verwendung einer Selbst-Maskierungstechnik
durch Vakuum-Aufdampfen von Metall in zylindrische Vertiefungen
in einer SiO2-Schicht auf einem Si-Substrat
hergestellt wurden. Viele Varianten und Verbesserungen der grundlegenden
Spindt-Technologie sind in der wissenschaftlichen Literatur und
der Patentliteratur beschrieben.
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Ein alternativer wichtiger Ansatz
ist die Bildung von Gate betriebenen Feldern durch Verwendung der
Silizium-Mikrotechnik. Feldelektronenemissions-Displays, die diese
Technologie verwenden, werden gegenwärtig weltweit mit Interesse
von vielen Organisationen hergestellt. Es wurden wiederum viele
Varianten beschrieben.
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Ein Hauptproblem mit allen Spitzen
basierten emittierenden Systemen ist ihre Anfälligkeit für Beschädigungen durch Ionenbeschuß, ohmsches Heizen
bei hohen Strömen
und die schwerwiegende Beschädigung,
hervorgerufen durch elektrischen Durchschlag in der Vorrichtung.
Die Herstellung von Großbereich-Vorrichtungen
ist sowohl schwierig als auch teuer. Ferner muß das aus einer Spitze und
zugehöriger
Gateöffnung
bestehende emittierende Basiselement ca. ein μm (ein Mikrometer) oder weniger im
Durchmesser betragen, um niedrige Steuer/Regel-Spannungen zu erhalten.
Die Bildung derartiger Strukturen erfordert eine halbleitertypische
Fertigungstechnologie mit ihrer zugehörigen Kostenstruktur. Ferner,
wenn große
Bereiche benötigt
werden, muß eine
teure, langsam gestufte und mehrmalig vorhandene Einrichtung verwendet
werden.
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Um 1985 wurde entdeckt, daß man dünne Filme
aus Diamant auf erhitzten Substraten aus einer Wasserstoff-Methan-Atmosphäre wachsen
lassen kann, um Breitenbereich-Feldemitter zu schaffen.
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1988 beschrieben S Bajic and R V
Latham, (Journal of Physics D Applied Physics, vol. 21 200–204 (1988))
einen kostengünstigen
Schichtkörper,
der eine hohe Dichte von Metall-Isolator-Metall-Isolator-Vakuum
(MIMIV) emittierenden Plätzen hervorbrachte.
Der Schichtkörper
wies in einem Epoxidharz dispergierte leitende Partikel auf. Die
Beschichtung wurde mittels herkömmlichen
Rotations-Beschichtungstechniken auf die Oberfläche aufgebracht.
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Viel später (1995) verbesserten Tuck,
Taylor and Latham (GB 2304989) den obigen MIMIV-Emitter durch Ersetzen
des Epoxidharzes durch einen anorganischen Isolator, der die Stabilität verbesserte und
diesem ermäglichte,
in abgeschlossenen Vakuum-Vorrichtungen betrieben zu werden.
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Die besten Beispiele derartiger Breitenbereich-Emitter
können
bei Feldern kleiner als 10 Vμm–1 brauchbare
elektrische Ströme
erzeugen. Im Kontext dieser Patentschrift ist ein Breitenbereich-Feldemitter jedes
Material, das vermöge
seiner Zusammensetzung, Mikrostruktur, Austrittsarbeit oder anderer
Eigenschaften brauchbare elektronische Ströme bei makroskopischen elektrischen
Feldern emittiert, welche angemessen an einer ebenen oder nahezu
ebenen Oberfläche
erzeugt werden können – also ohne die
Verwen dung von Atom-Großen
deutlich zulaufenden Mikrospitzen als emittierende Plätze.
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Elektronenoptische Analysen zeigen,
daß die
Merkmalsgröße, die
erforderlich ist, um einen Breitenbereich-Emitter zu steuern/regeln,
nahezu eine Größenordnung
größer ist
als die für
ein Spitzen basiertes System. Zhu et al (US-Patent 5,283,501) beschreibt
derartige Strukturen mit Diamant basierten Emittern. Moyer (US Patent
5,473,218) beansprucht eine elektronenoptische Verbesserung, in der
eine leitende Schicht über
dem Breitenbereich-Emitter
liegt, um sowohl die Emission in den Gate-Isolator als auch Fokussierelektronen
durch die Gateöffnung
zu vermeiden. Das Konzept derartiger Strukturen war nicht neu und
ist elektronenoptisch äquivalent
zu Anordnungen, die in thermoionischen Vorrichtungen während mehrerer
Jahrzehnte verwendet wurden. Beispielsweise beschreibt Winsor (US
Patent 3,500,110) ein Schattengitter auf Kathodenpotential, um zu
vermeiden, daß unerwünschte Elektronen
in einem Gitter, das auf einem positiven Potential in bezug zu der
Kathode liegt, abgefangen werden. Etwas später verbesserte Miram (US-Patent 4,
096, 406) dies darauf hin, eine verbundene Gitterstruktur zu erzeugen,
in der das Schattengitter und das Steuer/Regel-Gitter durch einen
festen Isolator voneinander getrennt und in Kontakt mit der Kathode angeordnet
sind. Moyers Anordnung ersetzte einfach die thermoionische Kathode
in Mirams Struktur durch einem äquivalenten
Breitenbereich-Feldemitter.
Jedoch sind derartige Strukturen sinnvoll, wenn die Hauptanforderung
Verfahren zu deren Konstruktion bei geringen Kosten und über große Bereiche
sind. Es ist auf diesem Gebiet, daß bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung einen Beitrag zur Technik leisten.
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In Hoole A C F et al "Directly patterned
low voltage planar tungsten lateral field emission structures",
Journal of Vacuum Science and Technology: Part B, Vo. 11, No. 6,
1 November 1993, Pages 2574–2578,
XP000423379, ist eine Kombination von gering auflösenden und
hoch auflösenden
Belichtungsschritten offenbart. Diese dient dazu, ein Problem mit
einer hoch auflösenden
Vorrichtung, die ein unzureichendes kleines Blickfeld aufweist,
zu überwinden.
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EP 0 795 622 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung
einer Feldemissionsvorrichtung. Dieses umfaßt eine Vakuum-Ablagerung und
betrifft den gesteuerten/geregelten Ionenbeschuß eines Vorläufers aus
einem vielphasigen Material, um Schichten mit unterschiedlichen
Eigenschaften zu bilden. Neben vielen anderen Dingen zeigt sie eine
völlig
typische Feldemitter-Anordnung, in der eine Struktur, die als eine
Gate-Elektrode betrachtet werden kann, die eine Isolierschicht und
eine leitende Schicht aufweist, über
einer Struktur angeordnet ist, die als Kathoden-Elektrode betrachtet
werden kann, welche eine feldemittierende Schicht zwischen zwei
leitenden Schichten aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beabsichtigen, kosteneffektive feldemittierende Strukturen
und Vorrichtungen bereitzustellen, welche Breitenbereich-Emitter
verwenden. Die Emitterstrukturen können in Vorrichtungen verwendet
werden, die folgendes beinhalten: Feldelektronen-Emissionsdisplay-Bedieneinheiten;
Hochleistungs-Pulsvorrichtungen,
wie Elektronen-MASER und Gyrotrons; Kreuzfeld-Mikrowellenröhren, wie CFAs; Linearstrahlröhren wie
Klystrons; Blitz-Röntgenröhren; getriggerte
Funkenstrecken und verwandte Vorrichtungen; Breitenbereich-Röntgenquellen
zur Sterilisation, Vakuummmeter; Ionen-Druckvorrichtung für Raumfahrzeuge; Teilchenbeschleuniger;
Lampen, Ozonisatoren; und Plasmareaktoren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feldelektronen-Emissionskathode
mit mindestens einer Kathoden-Elektrode, die eine feldemittierende Schicht
zwischen einer ersten und einer zweiten leitenden Schicht aufweist,
und mindestens einer Gate-Elektrode,
die über
der Kathoden-Elektrode liegt und eine Isolierschicht und eine dritte
leitende Schicht aufweist, geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfaßt:
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- a. Ablagern auf einem Isoliersubstrat, um durch gering
auflösende
Mittel zu bilden, eine Sequenz aus der ersten leitenden Schicht,
der feldemittierenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht, um
mindestens eine Kathoden-Elektrode auszubilden;
- b. Ablagern an der Kathoden-Elektrode, um durch gering auflösende Mittel
zu bilden, eine Sequenz aus der Isolierschicht und der dritten leitenden Schicht,
um die Gate-Elektrode auszubilden;
- c. Beschichten der so ausgebildeten Struktur mit einer lichtunempfindlichen
Schicht;
- d. Belichten der lichtunempfindlichen Schicht durch hoch auflösende Mittel,
um mindestens eine Gruppe von emittierenden Zellen auszubilden,
wobei die oder jede Gruppe in einem Überlappungsbereich zwischen
der Kathoden-Elektrode und der Gate-Elektrode angeordnet ist;
- e. sequentielles Ätzen
der dritten leitenden Schicht, der Isolierschicht und der zweiten
leitenden Schicht, um die feldemittierende Schicht in den Zellen
zu belichten; und
- f. Entfernen der verbleibenden Bereiche der lichtunempfindlichen
Schicht.
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Vorzugsweise ist die Kathode ein
Kathodenfeld, wobei die Kathodenelektrode und die Gate-Elektrode
Kathoden-Adressierungsspuren bzw. Gate-Adressierungsspuren aufweisen, wobei
die Spuren in adressierbaren Reihen und Spalten angeordnet sind,
und Schritt d. Formen eines Musters aus den Gruppen der emittierenden
Zellen beinhaltet.
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Vorzugsweise adressiert mindestens
eine der oder alle der Kathoden-Adressierungsspuren eine
Vielzahl von Reihen oder Spalten.
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Jede Reihe und/oder Spalte kann dünn oder breit
sein, um dort so wenige oder so viele Zellen wie erwünscht aufzunehmen,
abhängig
von der Anwendung der Kathode.
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Vorzugsweise beinhalten die Schritte
des Belichtens und Ätzens
die Bildung von Referenzmarkierungen auf dem Kathodenfeld, um die
anschließende
Ausrichtung des Feldes mit einer Anode oder einem anderen Bauteil
nach Herstellung des Feldes zu erleichtern.
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Ein Verfahren, wie oben, kann den
Schritt des Bildens mindestens einer der leitenden Schichten durch
Verwendung eines flüssigen
hellen Metalls oder durch stromloses Metallisieren umfassen.
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Ein Verfahren, wie oben, kann den
Schritt des Bildens mindestens einer der leitenden Schichten durch
andere Mittel als Aufdampfen im Vakuum oder Sputtern umfassen.
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Vorzugsweise umfaßt die feldemittierende Schicht
eine Schicht von Breitenbereich feldemittierendem Material.
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Ein Verfahren, wie oben, kann die
weiteren Schritte des sequentiellen Ablagerns einer zweiten Isolierschicht
und einer vierten leitenden Schicht auf der Kathode nach Abschluß der Schritte
a. bis f., um ein Fokusgitter zu bilden, umfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Feldelektronen-Emissionsvorrichtung bereitgestellt, umfassend die
Schritte der Herstellung eines Kathodenfeldes, wie oben, durch Mittel
eines Verfahren gemäß einem
der vorangehenden Aspekte der Erfindung und Anordnung einer Anode,
die elektrolumineszierende Leuchtstoffe in Nebeneinanderstellung
mit dem Kathodenfeld aufweist, so daß die Leuchtstoffe angeordnet
sind, um durch das Kathodenfeld beschossen zu werden.
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Vorzugsweise sind die Leuchtstoffe
in einer roten, grünen
und blauen Gruppe angeordnet, um ein Farbdisplay zu bilden.
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Vorzugsweise ist ein Anoden-Antriebsmittel vorgesehen,
um die roten, grünen
und blauen Gruppen abwechselnd zu erregen.
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Vorzugsweise ist eine Elektrode von
zahnartiger oder Gitterform zwischen den Leuchtstoffen geschaltet
und angeordnet, um bei einem Potential betrieben zu werden, das
geringer ist als das, bei dem die Leuchtstoffe angetrieben werden,
um hierdurch Potentialsenken um die Leuchtstoffe herum zu bilden,
um Elektronen in Richtung der Leuchtstoffe anzuziehen und jede Falschausrichtung
zwischen Kathode und Anode auszugleichen.
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Die Kathode kann mit einem weiteren
Steuergitter über
der Gate-Elektrode und einem Antriebsmittel versehen sein, um so
das Steuergitter derart zu betreiben, daß durch die Kathode emittierende
Elektronen verlangsamt werden.
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Vorzugsweise ist ein Mittel zur Erzeugung
eines magnetischen Feldes vorgesehen, welches normal zur Emitterfläche ausgerichtet
ist.
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Die erste leitende Schicht, die feldemittierende
Schicht und die zweite leitende Schicht können durch Verwendung von gering
auflösenden
Mitteln gemustert als Ganzes oder auf einer Schicht auf Schicht-Basis
gemustert sein. Das gleiche gilt für die Isolierschicht und die
dritte leitende Schicht. Der hoch auflösende Belichtungsschritt ist
vorzugsweise der einzige hoch auflösende Schritt, der in dem ganzen
Herstellungsverfahren erfordlerlich ist, und ist derart, daß die Toleranz
gegenüber
den Lagen der Gruppen in Bezug auf Kreuzungsstellen der Kathoden-
und Gate-Elektroden eher durch die vergleichsweise großen Kathoden-
und Gate-Elektrodenausdehnungen (z. B. als Spuren, in Reihen und
Spalten) als durch die viel kleineren Emitterzellen-Ausdehnungen
bestimmt ist. Eine erste Ätzung
für die
leitenden Schichten wird vorzugsweise derart gewählt, daß sie die Isolier- oder feldemittierenden
Schichten nicht angreift. Eine zweite Ätzung für die Isolierschichten wird vorzugsweise
derart gewählt,
daß sie
nicht die leitenden Schichten angreift. Somit kann das Ätzen in
sequentiellen Schritten durch abwechselnde Verwendung der ersten
und zweiten Ätzung
durchge- führt werden,
derart, daß jede
Schicht nach dem Ätzen eine
Maske für
die nächste
zu ätzende
Schicht bildet, wodurch eine Selbst-Ausrichtung der Öffnungen
in den Schichten geschaffen wird.
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Im Kontext dieser Patentschrift weisen
"gering auflösendes
Mittel" und "hoch auflösendes
Mittel" die folgenden Bedeutungen auf. Ein hoch auflösendes Mittel
ist ein Mittel, das geeignet ist, wohldefinierte Strukturen der
ausgewählten
Emitterzellen-Größe zu bilden.
Das gering auflösende
Mittel ist ein Mittel, das geeignet ist, wohldefinierte Strukturen der
gewählten
Kathoden- und Gate-Elektroden-Größe, jedoch
nicht der kleineren ausgewählten
Emitterzellen-Größe zu bilden.
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Beispielsweise kann das hoch auflösende Mittel
ein Mittel sein, das fähig
ist, wohldefinierte Strukturen mit einer Mindestgröße zu bilden,
die gleich oder kleiner als 50%, 40%, 30%, 20%, 10% oder 5% der
Mindestgröße der wohldefinierten
Struktur ist, die durch das gering auflösende Mittel gebildet werden
kann. Das gering auflösende
Mittel kann ein lithographisches Mittel sein, das wohldefinierte
Strukturen größer oder
gleich einer Mindestabmessungen von 100, 70, 50, 40 oder 30 μm bilden
kann. Das hoch auflösende
Mittel kann ein Photoätzmittel
sein, das wohldefinierte Strukturen größer oder gleich einer Mindestabmessung
von 20 oder 10 μm
oder weniger und vorzugsweise über
oder unter einigen μm bilden
kann. Bei einem Beispiel werden 100 μm entfernte Kathoden- und Gate-Spuren
durch lithographische Mittel gebildet und 8 μm entfernte Emitterzellen werden
durch Photoätzmittel
gebildet.
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Für
ein besseres Verständnis
der Erfindung, und um zu zeigen, wie die Ausführungsformen derselben praktisch
umgesetzt werden, wird nun beispielhaft bezug genommen auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen, in denen:
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1a vier
Bildelemente eines adressierbaren Feldes zeigt, wie es in einem
Großbereich-Monochrom-Feldemissions-Display
verwendet werden könnte;
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1b eine
idealisierte Emitterzellen-Struktur zeigt;
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1c das
Problem der Realisierung einer derartigen Struktur bei Verwendung
von Dickfilm-Fertigungstechniken veranschaulicht;
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1d zeigt,
wie eine nahezu ideale Emitterzellen-Struktur durch Verwendung von
flüssigem blanken
Gold und einer Glasur gefertigt werden kann;
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1e zeigt,
wie die Struktur in 1d durch
Verwendung einer ebenden Schicht zwischen einem Isolator und einer
leitenden Endschicht verbessert werden kann;
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2 eine
Bildelementanordnung in einem Farbdisplay zeigt;
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3 Ätzschritte
bei der Bildung einer emittierenden Zelle zeigt;
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4(a) bis (f) Schritte für die Bildung eines adressierbaren
Feldes bei Verwendung der Photolithographie zeigen;
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5(a) bis (d) Schritte für die Bildung eines adressierbaren
Feldes bei Verwendung einer Kombination von Druck und Photolithographie
zeigen;
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6(a) und 6(b) zeigen, wie Fokussierelektroden in
Vorrichtungen eingebaut sein können;
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7 ein
vollständiges
Display, das hierin beschriebene Verfahren und Strukturen verwendet, veranschaulicht;
und
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8(a) und (b) zeigen, wie eine Falschausrichtung
zwischen Emitterzellen-Gruppen und Leuchtstoff-Stücken auf
einer Anode durch spezielle Anodenstrukturen angepasst werden können.
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Ausführungsformen dieser Erfindung
können viele
Anwendungen haben und werden mittels der folgenden Beispiele beschrieben.
Es ist verständlich, daß die folgenden
Beschreibungen nur bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
veranschaulichen. Verschiedene Alternativen und Modifikationen können von
denen, die mit der Technik vertraut sind, erdacht werden.
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In Großfeld-Emissionsdisplays liegen
die Bildelement-Abmessungen deutlich im Rahmen der Fähigkeiten
einer Anzahl von kostengünstigen
Mustertechniken, wie Schablonendrucken oder Photoätzen. Beispielsweise
können
nun gedruckte Schaltkreise mit wohldefinierten 75 μm Spuren
hergestellt werden.
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1a zeigt
vier Bildelemente in einem hypothetischen 16 : 9 HDTV-Display (monochrom,
zur Vereinfachung) mit einer diagonalen Abmessung von einem Meter.
Abmessung 131 beträgt
0,75 mm und Abmessung 130 beträgt 0,50 mm. 2 zeigt zwei Bildelemente eines ähnlichen
Farbdisplays, bei denen die Abmessungen 234 und 235 den
Abmessungen 131 und 130 in 1a entsprechen. Spalten 231, 232 und 233 steuern/regeln
den Stromfluß zu Leuchtstoffen
in den drei Primärfarben.
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Wieder bezugnehmend auf 1a ist zu erkennen, daß Kathoden-Adreßreihen 112 und Gate-Adreßspalten 122 einige
Zehnfache eines Millimeters breit und geeignet sind, aus einer Reihe
von Druck- und Lithographietechniken gebildet zu werden. Jedoch
werden die Emitterzellen- Abmessungen 120 durch die zu
Erreichung der erwünschten Steuer/Regel-Spannung erforderlichen
Transkonduktanz bestimmt. Aufgrund der großen Anzahl von Kanälen bildet
die Antriebselektronik ein Hauptkostenelement in jedem Matrix adressierten
Display, wobei Vorrichtungen mit höherer Spannung proportional mehr
kosten. Um insgesamt betrachtet akzeptable Kosten zu erzielen, betragen
die Antriebsspannungen vorzugsweise einige wenige Vielfache von
zehn Volt.
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Mit Bezugnahme auf 1a, können
die Emitterzellen-Felder von beispielsweise geschlitzter 120 oder
kreisförmiger
Form 121 sein. 1b zeigt einen
Schnitt quer zur schmalen Abmessung zweier derartiger Emitterzellen.
Die Struktur ist auf einem Isoliersubstart 111 ausgebildet.
Folgende Schichten sind vorhanden: Kathoden-Adreßreihen 112; ein Feldemitter-Material 113;
Schattengitter-Schicht 114; Gate (Gitter)-Isolatorschicht 115;
Gitter-Adreßspalten 122.
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Aus elektronenoptischen Gründen müssen Abmessungen 118 und 119 miteinander
vergleichbar sein. Eine derartige Anordnung ermöglicht einfaches Ätzen. Eine
elektrostatische Modellierung zeigt, daß für eine 40V-Steuer/Regel-Schwingung
(Minusanteil an den Reihen und Positivanteil an den Spalten) die Abmessung 118 ca.
8 μm beträgt. Für eine 15V-Schwingung
reduziert sie sich auf ca. 4 μm.
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Während
diese Abmessungen klein sind, fiel uns auf, daß mit einem geeigneten, selbstausrichtenden
Prozeß einzelne
Belichtungen von Abdeckmustern zur Bildung derselben innerhalb des
Bereichs einer eins zu eins Kontaktbelichtung oder einer eins zu eins
Nahbelichtung mit paralleler Beleuchtung fallen. Geeignete Großbereich-Belichtungssysteme
mit hoher Intensität,
jeweils mit und ohne Kollimination, werden für die Fertigung von gedruckten
Schaltplatinen hergestellt. Nur falls Vielfach-Belichtungen erforderlich
sind, wird die sehr teure und langsam gestufte Ausrichtungseinrichtung
benötigt,
die die Halbleiter-Herstellung kennzeichnet. Ferner kann die Lage jeder
Emittergruppe innerhalb des Bildelementgebiets einer viel größeren Toleranz
(Position 141 bis 140) ausgesetzt werden, als
sie bei Verwendung von Vielfach-Maskierungssystemen zur Bildung
von Emitterzellen erforderlich wäre.
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Um zu ermöglichen, daß die obigen Emitterstücke mit
dem Leuchtstoff-Muster
auf der Anode während
des Zusammenbaus der Display-Bedieneinheit
ausgerichtet werden, können
Referenzmarkierungen in bekannten Positionen relativ zum Muster
der Emitterzellen während
des einzelnen hoch auflösenden
Maskierungsschrittes photogeätzt
werden.
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Unter der Voraussetzung, daß die Reihen- und
Spalten-Strukturen eine Größe aufweisen,
die zum Schablonendruck geeignet ist, kann man verleitet sein, die
Verwendung von dicken Schaltkreispasten aus der Standardelektronik
zur Bildung der Strukturen in Betracht zu ziehen. lc veranschaulicht das
Problem mit diesem Ansatz, wobei das Ziel eine Struktur wie in lb mit einer Ausdehnung 118 von ca.
8 μm und
einer Ausdehnung 119 von ca. 5 μm ist. Leitende dicke Filmpasten
werden aus metallischen Partikeln und einer Glasurmasse in einem
geeigneten Träger
hergestellt. Die Mindest-Schichtdicken betragen ca. 5 μm mit einer
Rauhigkeit von ±1
bis 2 μm. Gesetzlich
geschützte
Isolierpasten weisen eine ähnliche
Rauhigkeit auf.
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Es ist zu erkennen, daß selbst
ohne jegliches Unterätzen,
das während
des Ätzens
auftreten kann, die Strukturen, die durch Standard-Dickfilmtechniken gebildet
werden, eine sehr dürftige
Repräsentation der
idealen Struktur in lb sind. Es besteht
nicht nur eine übermäßige Variabilität von Zelle
zu Zelle, auch die Sondertiefe 146 würde im Vergleich zum Durchmesser 145 elektronenoptisch
inakzeptabel sein.
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Eine genaue Betrachtung der lc zeigt, daß exzessive Dicken und viele
der Unregelmäßigkeiten
in den Schichten durch solche hervorgerufen werden, die aus leitenden
Pasten 142 gebildet sind. Aus diesem Grund werden bei dem
großen
Hauptanteil von Prozessen zur Fertigung von Feldemissions-Vorrichtungen
in Vakuum oder Plasma abgelagerte dünne Filme verwendet, die sich
nahe dem Profil des Substrats anpassen. Ihre Verwendung innerhalb
der Beispiele dieser Erfindung ist nicht ausgeschlossen. Jedoch
erfordert die Ablagerung derartiger Filme eine teure Einrich tung,
insbesondere bei großen
Substratgrößen und
hohen Durchsätzen: konsequenterweise
kann eine maximale Reduktion der Herstellungskosten nur durch Verwendung
von Ablagerungstechniken realisiert werden, die keine Vakuum-Systeme
benötigen.
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In einer Anzahl von nicht verwandten
Industriezweigen, wurden spiegelartig reflektierende Filme durch
chemische Techniken hergestellt, wobei die Versilberung von Spiegeln
ein gutes Beispiel hierfür ist.
In der Bauglas-Industrie,
werden infrarot-reflektierende Beschichtungen, welche durch Sputter-Beschichtung
hergestellt wurden, nun durch die viel preiswertere direkte in situ
Spray-Pyrolyse von Zinnoxidfilmen auf heißem Fließglas hergestellt.
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Für
viele Jahre haben die Keramik- und Glasindustrien ihre Waren durch
Verwendung einer Farbe, die organisch-metallische Verbindungen (die so
genannten Resinate oder glänzendes
Gold, Palladium und Platin) enthält,
mit metallisch glänzenden Schichten
dekoriert. Die metallische Schicht wird durch Auftragen einer Farbe
und anschließendes
Erhitzen des Gegenstandes in Luft bei Temperaturen zwischen 480°C und 920°C hergestellt,
wobei sich an diesem Punkt die organisch-metallische Verbindung auflöst, um reine
Metallfilme von 0,1 bis 0,2 μm
Dicke zu erzeugen. Spuren von Metall, wie Rhodium und Chrom, werden
zugefügt,
um die Morphologie zu steuern/regeln und die Adhäsion zu unterstützen. Gegenwärtig konzentrieren
sich die meisten Produkte und Entwicklungsaktivitäten auf
die dekorativen Eigenschaften der Filme. Jedoch ist die Technologie gut
etabliert. Obwohl sehr selten (oder nicht) verwendet, oder in der
Technik heutzutage nicht bekannt, wurden derartige Techniken in
der Vergangenheit von der Elektronenröhren-Industrie verwendet. Beispielsweise
gibt Fred Rosebury's klassischer Text "Handbook of Electron Tube
and Vacuum Techniques", zuerst 1964 veröffentlicht (Wiederauflage durch
American Institute of Physics – ISBN 1-56396-121-0)
eine Rezeptur für
flüssig
blankes Platin an. Vor kurzem beschreibt Koroda (US Patent 4,098,939)
ihre Verwendung für
die Elektroden in einem fluoreszierenden Vakuumdisplay.
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In kritischen elektronischen Anwendungen von
flüssigem,
blanken Gold ist Vorsicht erforderlich, um ein Ausblühen von
Natriumsulfat, das sich auf der Oberfläche der Filme ausbildet, zu
vermeiden. Vom Ausblühen
wird angenommen, daß es
durch Reaktion von Natriumverbindungen mit Schwefelverbindungen
(Schwefeldioxid und/oder Trioxid) gebildet wird aufgrund der Zersetzung
der Schwefel basierten Gold-organometallischen Verbindungen. Derartiges Ausblühen kann
minimiert oder eliminiert werden, entweder durch die Verwendung
eines niedrigen Natiumglases – wie
Borsilikat – oder
durch die Verwendung von Beschichtungen auf Kalknatronglas. Eine geeignete
Beschichtung ist Silika, welches aus einer Vorläufer-Dampfphase auf heißem Floatglas
abgelagert wird. Auf diese Weise behandeltes Glas wird von Pilkington
unter der Handelsbezeichnung Permabloc hergestellt.
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Demnach, kann durch Ersetzen der
dicken leitenden Filmpaste durch ein flüssiges blankes Metall, vorzugsweise
Gold, eines der Hindernisse zu einem kostengünstigen Niederspannungs-Feldemissionsdisplay überwunden
werden. Die Beschichtungsmischung kann durch Sprayen, Rotieren,
Walzbeschichten, Schablonendrucken, Drahtwalzbeschichten oder eine
andere geeignete Technik abgelagert und anschließend einfach in Luft erhitzt
werden. Bei einigen dieser Techniken, beispielsweise dem Schablonendrucken,
kann die Mischung direkt in die leitenden Spurmuster eingebracht
werden, wodurch ein photolithographischer Schritt entfällt.
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Selbstverständlich gibt es andere Nicht-Vakuum
Techniken zur Erzeugung von Metallfilmen. Jedoch ist uns die Verwendung
jeglicher derartiger Techniken in dem Bereich der Feldemissionsvorrichtungen
nicht bekannt. Teilweise muss dies auf die Verwendung etablierter
Halbleiterfertigungsprozesse durch Techniker zurückzuführen sein, die aus dieser Technik
abgewandert sind. Wenn Abweichungen von den etablierten Techniken
vorgenommen wurden, waren sie gering. Beispielsweise DeMercurio
et al(US Patent 5, 458, 520) verwendet Elektroplattieren innerhalb
einer Gate-Mikrospitzen-Struktur,
aber nur, um die Schichten aufzudicken und Öffnungen zu schließen, wobei
die ersten Metallschichten durch Vakuummittel abgelagert werden.
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Ein alternatives Verfahren zur Bildung
der leitenden Elemente ist die Verwendung von stromlosem Metallisieren
mit einem photoaktiven Katalysator. Es gibt andere Nicht-Vakuum
Verfahren.
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Die isolierenden Pasten, die in traditionellen Dickfilm-Technologien
verwendet werden, können durch
eine Glasmischung ersetzt werden, die noch gut über ihren Schmelzpunkt hinaus
in einem Gebiet verwendet werden kann, wo sie eine geringe Viskosität aufweist
und es ihr möglich
ist, zu einem glatten Film (wie in einer Glasur) zu fließen, um
einheitliche (oder nahezu einheitliche) Dicken von Gate-Kathoden-Isolatorschichten
zu bilden.
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Ein alternatives Verfahren zur Bildung
der Isolierschicht ist die Verwendung flüssiger chemischer Vorläufer wie
Solgelen, Aerogelen oder Polysiloxanen. Sobald die Schicht gebildet
ist, wird sie erhitzt, um den Vorläufer abzubauen, um eine anorganische
Verbindung, wie ein Oxid (z. B. Silika), eine Keramik oder ein Glas
zu bilden.
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1d veranschaulicht,
daß durch
Zusammenführung
eines kostengünstigen
Verfahrens zur Bildung glatter Metallschichten 150 abstammend
von einem flüssigen
blanken Metall, dem stromlosen Metallisieren oder anderen geeigneten
Prozessen und der Isolatorschicht 151, die aus einem komplementären kostengünstigen
Prozeß gebildet
ist, Strukturen nahe der in 1b dargestellten
Idealen realisiert werden können.
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Falls erforderlich (siehe 1e), kann diese Anordnung
weiter verbessert werden durch Verwendung einer ebnenden Schicht 152,
wie eine der Spin-On Glasmischungen, wie sie in der Halbleiterindustrie
umfangreich verwendet werden.
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Beispiel I
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Bezugnehmend nun auf 3, werden wir ein erläuterndes Beispiel beschreiben.
In diesem können
Emitterzellen in Gold/Glas mit niedrigem Schmelzpunkt laminierte
Strukturen auf einem Glassubstrat durch Verwendung von Nassätz-Prozessen gebildet
werden. Natürliche
Trocken-Ätz-Prozesse können verwendet
werden, aber diese erhöhen
die Herstellungskosten.
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Ein Vorteil dieser Kombination von
Materialien ist, daß aufgrund
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Gläsern mit niedrigem Schmelz punkt
und von Gold nahe dem von Kalknatronglas eine vernünftige spannungsfreie
Struktur erzeugt werden kann.
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Vor Stufe 1, wurden die erste leitende Schicht 301,
die Feldemitter-Schicht 302, die zweite leitende Schicht 303,
der Isolator 304 und die dritte Gate-Leiterschicht 305 auf dem Substrat 300 gebildet.
Somit verbindet Stufe 1 den Prozeß an einem Punkt, an dem alle
der Spurmuster durch gering auflösende
Mustertechniken gebildet wurden und eine geeignete Photorresist-Schicht 306 durch
hochauflösende
Mittel belichtet wurde und mit einem Muster von Gitterzellenöffnungen
entwickelt wurde, um diese Gebiete 307 des Laminats verschiedenen Ätzstufen
auszusetzen. Ein Resist oder Lack kann ebenfalls aufgetragen worden
sein, um die Rückseite
und Ecken des Glassubstrats zu schützen.
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Das Erfordernis gilt für zwei Ätzlösungen. Eine
Lösung
muß Gold
entfernen, aber Glas nicht angreifen, und die andere muß Glas entfernen,
aber Gold nicht angreifen. Durch diesen Weg wird eine Selbstausrichtung
der Zellstruktur erhalten, wie aus der folgenden Beschreibung deutlich
wird.
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Ein geeignetes Ätzmittel für Glas, das Gold nicht angreift,
ist Fluorwasserstoffsäure.
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Zum Ätzen von Gold gibt es mehrere
Möglichkeiten.
Gold-Scheidewasser, das klassische Goldätzmittel, ist ein unangenehmes
Material und wirkt streng oxidierend und kann Photoresiste angreifen.
Zwei praktische Mischungen sind eine Lösung aus Jod in Kaliumiodid
oder eine Lösung
von Brom in Kaliumbromid (Bahl - US Patent 4,190, 489).
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Nun, zurückkehrend zu 3, wird in Stufe 2 die Struktur aus Stufe
1 der Gold-Ätzlösung ausgesetzt.
Denen mit der Technik Vertrauten ist es bekannt, daß eine Tendenz
dazu besteht, daß das
Gold unter dem Resist zurückgeätzt wird,
wie bei 309, 310 dargestellt. Während eine Öffnung mit
Untermaß verwendet
werden kann, um diesen Effekt während
des Ätzens
der oberen Goldschicht 305 zu kompensieren, kann diese
Strategie für
die Schicht 303 nicht verwendet werden. Im Stand der Technik
ist veröffentlicht
(US-Patent 4,131,525), daß dieses
Unterätzen
durch elektro-chemische Effekte hervorgerufen wird und durch Anlegen
einer Vorspannung 311 an die Goldschicht relativ zu einer
Platin-Elektrode 312, die in die Ätzlösung eintaucht, verhindert
werden kann. Sobald die obere Goldschicht entfernt wurde, um die
Glasoberfläche 308 zu
belichten, wird der Aufbau ausgewaschen, um jegliches aktives Gold-Ätzmittel
zu entfernen. Es wird eine Auswaschstufe zwischen jedem einzelnen
Schritt vorhanden sein, aber um der Kürze willen, werden die Restlichen
nicht beschrieben.
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In Stufe 3 wird Fluorwasserstoffsäure verwendet,
um einen Abschnitt 316 der Glas-Gate-Kathode-Isolierschicht 304 zu
entfernen. Durch Wegneigung des Isolators von dem austretenden Elektronenstrahl
und die dadurch hervorgerufene Reduzierung von Ladungseffekten hat
jeder auftretende Unterschnitt 315 einen nützlichen
Effekt auf die elektronische Leistung der emittierenden Zelle, erzeugt
jedoch einige neue Probleme bei Stufe 4. Es ist jedoch bekannt,
daß die
Stromspannungs-Charakteristik der Struktur dominiert wird von der
Größe der Öffnung 314.
Ferner fokussiert die Anordnung der Elektroden die Elektronen, sobald
sie die Kathode verlassen, wodurch sie resistent wird gegenüber einer
Erhöhung
des Durchmessers der Emittergröße über seinen
nominalen Wert hinaus, was durch leichtes Überätzen 317 hervorgerufen
werden kann. In allen Fällen
schützt
der Goldfilm 303 den Emitter vor jedem Angriff durch die
Fluorwasserstoffsäure
und wirkt als ein Ätz-Stop.
Dies ist insbesondere wichtig für
glasbasierte Emitter, wie sie bei Tuck et al(GB Patent 2304989)
beschrieben sind.
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In Stufe 4 wird das Gold-Ätzmittel
verwendet, um die Schicht 303 zu entfernen, wobei die Glasschicht 304 und
die Resistschicht 306 die obere Goldspur 305 schützen. Erosion
der oberen Goldschicht, wenn sie die Zelle 319 überragt,
kann für
die Originalgröße der Öffnung in
dem Resist kompensiert werden. Wiederum kann die Goldschicht unter
Vorspannung gesetzt werden, um ein Unterätzen zu vermeiden.
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In Stufe 5 wird der Resist entfernt,
um die fertiggestellte Struktur zu hinterlassen.
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Beispiel II
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Bezugnehmend nun auf verschiedene
Teile aus 4, in denen Ansichten auf
der linken Seite Schnitt-Vorderansichten und Ansichten auf der rechten Seite
Schnittansichten sind, ist zu erkennen, wie die obige selbstausrichtende
Technik mit gering auflösender
optischer Lithographie kombiniert werden kann, um die Kathodenebene
eines Matrix-adressierbaren Feldemissions-Displays herzustellen.
Alle Zeichnungen sind vereinfacht und beziehen sich auf einzelne
Bildelemente und ihre zugehörigen
Verbindungsspuren.
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4a zeigt
ein Metall/Glas-basiertes Feldemitter/Metall Sandwich 403/402/401,
das auf einem Substrat 400 abgelagert ist, mit einem belichteten und
entwickelten Resist-Muster, welches die Kathoden-Adreßreihen 404 bildet.
Zu Veranschaulichung werden die Metallfilme durch einen flüssigen blanken Goldprozess
und aus Emitterfilmen aus geschmolzenem Glas basierten Schichten
gebildet (GB 2304989). Vorläuferschichten
können
durch Sprayen, Rotieren, Schablonendrucken, Drahtwalzbeschichten.
oder eine andere geeignete Technik abgelagert worden sein. Nach
dem Beschichten mit den Mischungen wird jede der drei Schichten
in Luft erhitzt, um die endgültige
Zusammensetzung zu bilden. In der Produktion kann dies in herkömmlicher
Art und Weise in Tunnelöfen
durchgeführt
werden.
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Bei Verwendung der zuvor beschriebenen Ätzmittel
werden die Gold- und Glas basierten Emitterschichten sequentiell
und selektiv entfernt. Schließlich
wird die Resistschicht entfernt, um die Struktur 411 in 4b zu bilden.
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4c zeigt
die Struktur, nachdem sie durch Verwendung der gleichen Technik
mit einer leicht schmelzbaren Glas-Isolierschicht und einer Gold Gate-Schicht 422 überschichtet
wurde. Wiederum wird die Erhitzung in Luft stattgefunden haben.
Ein Resistmuster wird gebildet, um eine Gate-Adreßspalte 423 zu bilden.
Ein Gold-Ätzmittel
wird verwendet, um unerwünschtes
Material zu entfernen. Schließlich wird
das Resist abgezogen, um die Struktur 431 in 4d zu bilden. Die Isolatorschicht 421 wird
unversehrt verlassen, da die zu ihrer Entfernung verwendeten Chemikalien
auch das Glassubstrat angreifen würden.
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Eine weitere Resistschicht wird nun
aufgetragen, gemustert und entvrickelt durch Verwendung eines einzigen
hoch-auflösenden
Belichtungssystems wie zuvor beschrieben, um das Emitter-Zellmuster
und Referenzmarkierungen 432 zu bilden, wie in 4e dargestellt.
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Die in 3 dargestellte,
zuvor in Beispiel I beschriebene Emitter-Zell-Ätzsequenz
wird nun verwendet, um die in 4f dargestellte
vollständige Struktur
mit Emitterzellen 441 zu bilden.
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Beispiel III
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Bezugnehmend auf verschiedene Teile
aus 5 ist zu erkennen, wie die obige
selbstausrichtende Technik mit gering auflösenden direkten Drucktechniken
kombiniert werden kann, um die Kathodenfläche eines Matrixadressierbaren
Feldemissions-Displays herzustellen. Alle Zeichnungen sich vereinfacht
und beziehen sich auf ein einzelnes Bildelement und seine zugehörigen Verbindungsspuren. Zur
Vereinfachung des Vergleichs mit Beispiel II wird das flüssige blanke
Gold/Glas mit geringem Schmelzpunkt verwendet. Jedoch könnte photoaktiviertes
stromloses Nickel-Metallisieren verwendet werden, um das Gold zu
ersetzen durch Stickstoffsäure-
oder Hydrochoridsäure/Eisenchlorid-Ätzmittel.
In einigen Fällen
kann während
der Erhitzungsoperationen eine reduzierende Atmosphäre verwendet
werden, um die Oxidation des Nickels zu verringern.
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Zurück nun zu 5,
fahren wir mit dem Beispiel, basierend auf flüssigem blanken Gold und dem Glas
mit niedrigem Schmelzpunkt fort. 5a zeigt Substrat 511,
Gold 503, Glas basierten Emitter 502, Goldstruktur 501,
die in der gleichen Weise wie in Beispiel II gebildet ist, wobei
jedoch in diesem Fall die Vorläufermischung
selektiv, beispielsweise durch Schablonendrucken, aufgetragen werden,
um das gewünschte
Spurmuster zu bilden.
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5b zeigt
einen leicht schmelzbaren Glasisolator 512 und eine Goldspur 513,
die, wie in Beispiel II, wiederum in dem gewünschten Spurmuster ausgebildet
ist. Falls erwünscht,
kann die Isolatorschicht die gesamte Oberfläche 514 bedecken.
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Eine Resistschicht wird nun aufgetragen,
gemustert und entwickelt durch Verwendung eines einzelnen hoch auflösenden Belichtungssystems,
wie zuvor beschrieben, um das Emitter-Zellmuster 522 und
die Referenzmarkierungen 523 zu bilden, wie in 5c dargestellt.
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Die in 3 dargestellte
und zuvor in Beispiel I beschriebene Emitter-Zellen-Ätzsequenz wird nun verwendet,
um die vollständige
in 5d dargestellte Struktur
mit Emitterzellen 530 zu bilden.
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Der mit der Technik Vertraute wird
aus den obigen Lehren deutliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung
erkennen, die durch ein Verfahren, welches eine Sequenz von In-Luft-Prozessen
und eine kostengünstige
Lithographie verwendet, um vollständige Feld-Emissions-Display-Kathodenflächen zu
bilden, realisiert werden können,
eher als Halbleiter-Herstellungstechniken.
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Die Verwendung eines Fokus-Gitters über einem
Gate betriebenen Emitter, um die Elektronenstrahlen zu fokussieren,
wurde verwendet und zuvor beschrieben von Tuck (US Patent 4,145,653)
. Später
wurde in einem Feldemittierenden Display im wesentlichen die gleiche
Anordnung von Palevsky et al(US Patent 5,543,691) verwendet. Eine
derartige Struktur kann in Ausführungsformen
dieser Erfindung durch Bedecken der Strukturen aus 4d und 5b mit
einer weiteren Isolatorschicht und einer weiteren Metallschicht
hergestellt werden. Diese Schichten können kontinuierlich oder gemustert
sein, um Zwischenspur-Kapazitäten
zu reduzieren oder andere Funktionen zu erfüllen. Die emittierenden Zellen
mit ihren zughörigen
Fokussierelektroden, werden dann durch Verwendung der zuvor in Beispiel
I beschriebenen Techniken oder, falls unterschiedliche Materialsysteme
verwendet werden, oder deren zugehörigen Ätzsystemen, geätzt. 6a zeigt eine derart fertig gestellte
Struktur, in der ein Substrat 600 auf ihr folgendes aufweist:
eine Kathoden-Adresschicht 601; eine Breitenbereichemittierende
Schicht 602; eine Schattengitter-Schicht 603;
eine Gate (Gitter)-Isolatorschicht 604; ein Steuer/Regel-Gate(Gitter)-Schicht 605;
eine Fokussiergitter-Isolatorschicht 606 und ein Fokussiergitter 607.
Die Anodenplatte 610 weist auf ihr eine transparente leitende
Schicht 611 auf (zum Beispiel Indium Zinn-Oxid) und eine
leitende schwarze Matrix 612, um den Raum zwischen den
kathoden lumineszierenden Leuchtstoffstücken 613 zu maskieren.
Ein in Bezug auf die Masse positives DC-Potential 624 wird
an die leitende Schicht 611 angelegt, um Elektronen von
der Kathodenebene auf Energien zu beschleunigen, hinreichend, um
Kathoden-Lumineszenz aus dem Leuchtstoff 613 zu verursachen.
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An der Kathodenebene selektiert ein
in Bezug auf die Masse negative Spannung 620 eine Kathodenreihe
und in Bezug auf die Masse positive Spannungen 621 und 622 modulieren
den Stromfluß von
der Kathode. Verschiedene Antriebsmethoden können verwendet werden, die
sich von der analogen Spannungs-Steuerung/Regelung bis hin zur konstanten
Spannungs-Pulsbreiten-Modulation
erstrecken. Eine variable Spannung 623 (im allgemeinen
negativ in Bezug auf das Steuer/Regel-Gate) bildet eine Elektronenlinse
und fokussiert die Strahlen.
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Alternativ kann ein viel gröberes Fokussier-Maschensystem,
analog zu dem bei Palevsky (US Patent 5,543,691) beschriebenen,
durch direktes Drucken einer Isolatorschicht und einer leitenden Schicht
auf ein fertig gestelltes, Gate betriebenes Feld gefertigt werden.
Eine derartige Anordnung ist in 6b dargestellt,
wo Isolator- und Fokussiergitter-Schichten auf eine Gate betriebene
Struktur 600 aufgebracht sind, die in ihrer Struktur identisch
zu der früher
beschriebenen und in 1a Veranschaulichten
ist. Wiederum wird ein variables Potential 604 an Elektrode 601 verwendet,
um die Elektronenstrahlen zum Aufprallen auf die Anodenebene zu
fokussieren.
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Bezugnehmend nun auf 7 ist zu erkennen, wie ein fertig gestelltes
Feldemissions-Display realisiert werden kann, das die hierin beschriebenen Verfahren
und Strukturen verwendet.
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Eine früher beschriebene Kathodenebene 701 mit
oder ohne einem integralen Fokussiergitter, wird mittels einer luftdichten
Dichtung 706 mit einer Anodenebene 702 verbunden.
Die Anodenebene 702 weist auf ihr Abstandshalter, ein leitende
Schicht, eine schwarze Matrix und Leuchtstoffstücke in einem Bildelement-Muster 703 auf,
wie zuvor beschrieben. Um nach der Evakuierung dem Atmosphärendruck standzuhalten,
werden Abstandshalter 704, 705 zwischen den bildelement-artigen
Strukturen angeordnet. Die Abstandshalter können aus Glas, Keramik oder
einem anderen geeigneten Material bestehen. Die luftdichte Dichtung 706 kann
einen vorgeformten Rahmen enthalten und kann mit der Kathoden- und Anodenplatte
mittels einer Glasurmasse zusammengeklebt sein. Während des
Dichtungsprozesses werden die Referenzmarkierungen 707 (gebildet
wie zuvor beschrieben) verwendet, um die bildelement-artigen Strukturen
der Kathoden- und Anodenebenen auszurichten. Gettermittel können in
den Aufbau eingebracht werden, um Restgase abzupumpen. Einige ideale
Lagen für
derartige Getter werden bei Tuck et al(GB Patent 2,306,246) beschrieben.
Evakuierung und Ausheizen der fertig gestellten Struktur kann mittels
einer Pumpröhre
und einem Ofen (nicht dargestellt) oder durch Vollendung des Dichtungsprozesses
mittels geeigneter Manipulation in einem Vakuumofen durchgeführt werden.
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Das fertig gestellte Display wird
elektrisch mittels eines Kathoden-Adressiermoduls 710, einem Spalten-Adressiermodul 711 und
einer Anoden-Spannungsversorgung 712 betrieben.
In dem Fall, daß ein
Fokussiergitter verwendet wird, wird eine zusätzliche Fokussiergitter-Versorgung
(nicht dargestellt) bereitgestellt. Zusätzliche Versorgungen zum Schalten.
und Fokussieren der Anode (nicht dargestellt) können, wie später beschrieben,
ebenfalls bereitgestellt werden.
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Ein Verfahren zur Bildung von Referenzmarkierungen
zur Unterstützung
bei der Ausrichtung der bildelement-artigen Strukturen auf den Kathoden- und
Anodenebenen wurde früher
beschrieben und in verschiedenen Teilen der 4 und 5 veranschaulicht. Jedoch können noch
einige restliche Falschausrichtungen auftreten. Die ist insbesondere in
Farbdisplays unangenehm, wo eine Falschausrichtung in Richtung parallel
zu den Kathoden-Adreßlinien 810 Elektronen
herbeiführen
kann, die auf das falsche Phosphorstück aufprallen, mit einem damit verbundenen
Verlust des Reinheitsgrads der Farbe.
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8a veranschaulicht
ein Verfahren, um ein Display resistenter gegenüber Falschausrichtungen zu
machen. In dieser Anordnung weist die leitende Schicht auf der Anodenebene
drei zahnartige Segmente 801, 802 und 803 auf.
Jedes Segment weist Leuchtstoffe einer Primärfarbe auf. Die Segmente werden
durch unabhängige
Spannungsversorgungen 804, 805 und 806 betrieben,
wobei jedes dieser für
ein Drittel eines Bildes eingeschaltet wird. Elektronen von der
Kathodenebene 800 werden nun sequentiell der Reihe nach
zu jedem Leucht-Farbstoff gezogen, wobei sie Trajektorien 807, 808 und 809 folgen.
Da die andern beiden Farb-Leuchtsoffe nicht erregt werden, können sie
nicht lumineszieren und die Effekte der Falschausrichtung werden
vermieden. Jedoch, aufgrund des elektrischen Durchschlags zwischen
Segmenten, kann dieser Ansatz nur in Anoden- Niederspannungssystemen verwendet werden.
Dieser Ansatz wurde für
Spitzen basierte Displays von Clerc (US Patent 5, 225, 820) beschrieben.
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8b veranschaulicht
eine alternative Anordnung, in der das Display resistent gegenüber Falschausrichtung 811 gemacht
wird, durch Bildung von Fokussierelektronen zu jedem Leuchtstoffstück 812 mittels
einer Elektrode von zahnartiger oder maschenartiger Form 813 bei
einem weniger positiven Potential 815 als an der Haupt-Anodenversorgung 814.
Jedes Leuchtstoffstück
sitzt nun innerhalb einer Potentialsenke, die hinreichend anziehend
auf Elektronen 816 wirkt, um kleine Falschausrichtungen
der bildelementartigen Strukturen auf der Kathode und Anode zu kompensieren.
Ein derartiger Ansatz wurde für
Spitzen basierte Displays von Tsai et al(US Patent 5,508,584) beschrieben.
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Während
einige Beispiele der Erfindung oben im Kontext mit einem Matrixadressierten
flachen Bedieneinheit-Display beschrieben wurden, können die
Verfahren und Strukturen, die hierin offenbart sind, über eine
weite Anzahl von Vorrichtungen verwendet werden. Insbesondere kann
eine nicht adressierte oder teilweise adressierte Elektronenquelle
konstruiert und in andere Elektronenvorrichtungen oder Displays
eingebaut werden. Eine zuvor beschriebene Fokus-Gitterstruktur kann
verwendet werden, um emittierte Elektronen entweder zu fokussiern
oder zu bremsen. Falls sie im Bremsmodus verwendet wird, kann die
Anordnung insbesondere in Kombination mit einem magnetischen Feld
normal zur Emitteroberfläche
eine Quelle von niederenergetischen Elektronen bereitstellen, welche
die thermo-ionische Kathode in einigen Vorrichtungen ersetzen kann.
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9 zeigt
ein Beispiel einer ebenen, nicht-adressierten Emitterstruktur, die
als Elektronenquelle in einer großen Anzahl von Anwendungen
verwendet werden kann.
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Auf einem elektrisch isolierten Substrat 901 wird
eine leitende Schicht 902 und eine Breitenbereich-Feldemitterschicht 903 bereitgestellt.
Eine perforierte Fokus-Gitterschicht 904 dient der Führung der
Elektronen durch die Emitterzellen 907, welche durch Öffnungen
in Isolierschicht 905 und. Gate-Schicht 906 ausgebildet sind.
Eine derartige Struktur kann durch jedes der geeigneten Verfahren, die
in dieser Beschreibung beschrieben wurden, gefertigt werden.
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In dieser nicht-adressierten Anwendung kann
das elektrisch isolierende Substrat durch ein elektrisch Leitendes
(z. B. ein Metall) ersetzt und die Funktionen des Substrats 901 und
die der leitenden Schicht 902 kombiniert werden. Ein Metallsubstrat ermöglicht das
Schweißen
und die Verwendung vieler anderer technischer Standard-Verbindungstechniken.
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Der Strom einer derartigen Struktur
wird wie folgt gesteuert/geregelt. Eine Vorrichtung, die in die dargestellte
Emitterstruktur eingebaut ist, wird in Verbindung mit einer Elektronen
beschleunigenden Anode (in 9 nicht
dargestellt) verwendet, um den emittierten Strom zu sammeln. Eine
DC oder gepulste Spannungsversorgung 909, verbunden mit
Punkten 910 und 911, wird derart eingestellt,
daß im "An"-Zustand
ein geeignetes positives Extraktionsfeld, typischerweise ~10 MVm–1 (10
V/μm), an
Bereiche von Breiten-Bereichsfeldemittern angelegt wird, die ausgesetzt
an der Basis der Emitterzellen 907 sind, wobei im "Aus"-Zustand
das angelegte elektrische Feld kleiner als der Grenzwert für Feldemission ist.
Natürlicherweise
kann das angelegte Potential variiert werden, um einen gepulsten
oder AC-Emissionsstrom
zu erzeugen.
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Vorrichtungen, die diese Erfindung
verwenden, können
sein: Feldelektronen-Emissionsdisplay-Bedieneinheiten und andere
Display-Bedieneinheiten; Hochleistungs-Pulsvorrichtungen, wie Elektronen-MASER
und Gyrotrons; Kreuzfeld-Mikrowellenröhren, wie CFAs; Linearstrahlröhren wie
Klystrons; Blitz-Röntgenröhren; getriggerte
Funkenstrecken und verwandte Vorrichtungen; Breitenbereich-Röntgenquellen
zur Sterilisation, Vakuummmeter; Ionen-Druckvorrichtung für Raumfahrzeuge; Lampen;
Teilchenbeschleuniger; Ozonisatoren; und Plasmareaktoren.
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In dieser Beschreibung, weisen die
Verben "aufweisen" bzw. „umfassen” ihre übliche Wörterbuch-Bedeutung
auf, um nicht-ausschließende
Einbeziehung zu kennzeichnen. Das bedeutet, daß die Verwendung der Wörter "aufweisen"
bzw. "umfassen" (oder jede seiner Ableitungen), um ein Merkmal oder
mehr einzuschließen,
nicht die Möglichkeit
ausschließt,
auch andere weitere Merkmale einzuschließen.