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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende beanspruchte Erfindung betrifft das Gebiet der Flachbildschirme.
Im Besonderen betrifft die vorliegende beanspruchte Erfindung das Abscheiden
und Entfernen einer Sperrschicht in einer Feldemitterstruktur.
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STAND DER
TECHNIK
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Feldemissionskathoden
sind Elektronen emittierende Bausteine, die zum Beispiel in Flachbildschirmen
eingesetzt werden. Eine Feldemissionskathode oder ein "Feldemitter" emittiert Elektronen,
wenn sie bzw. er einem elektrischen Feld mit ausreichender Stärke und
der richtigen Polarität
ausgesetzt wird. Die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
aus 1A zeigt eine Seitenschnittansicht herkömmlicher
Schritte, die bei der Herstellung einer Feldemissionskathode zum
Einsatz kommen. Im Besonderen weist in der dem Stand der Technik
entsprechenden Abbildung aus 1A eine erste
leitfähige
Schicht oder eine "Reihenelektrode" 102 eine
darauf angeordnete widerstandsfähige Schicht 104 auf.
Eine dielektrische Zwischenmetallschicht 106, die über der
widerstandsfähigen
Schicht 104 angeordnet ist, weist eine darin ausgebildete Vertiefung 108 auf.
Wie dies in der dem Stand der Technik entsprechenden Abbildung aus 1A dargestellt
ist, befindet sich zweite leitfähige
Schicht oder eine Gatterelektrode 110 oberhalb der dielektrischen
Zwischenmetallschicht 106. Ein Loch oder eine Öffnung 112 ist
durch die Gatterelektrode 110 direkt oberhalb der Vertiefung 108 ausgebildet.
Die Öffnung 112 dient
zur Gestaltung des Feldemitters, der in der der Vertiefung 108 angeordnet
ist. Für
gewöhnlich
wird die Gestaltung des Feldemitters zumindest teilweise unter Verwendung
einer Lift-Off- oder "Trennschicht" sowie einer Sperrschicht
erreicht. Leider weisen herkömmliche
Verfahren für
die Abscheidung und die Entfernung von Lift-Off- und Sperrschichten erhebliche ihnen
zugeordnete Nachteile auf.
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In
folgendem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
aus 1B veranschaulicht eine Seitenschnittansicht die
Abscheidung einer Lift-Off-Schicht 114. Die Lift-Off-Schicht 114 wird
unter Verwendung einer in einem Winkel ausgeführten physikalischen Bedampfung
von zum Beispiel Aluminium gebildet. Die Pfeile 118 veranschaulichen
die Winkelausrichtung der Abscheidung der Lift-Off-Schicht 114.
Die Winkelabscheidung der Lift-Off-Schicht 114 ist erforderlich,
um es sicherzustellen, dass kein Lift-Off-Schichtmaterial, d. h. Aluminium, in
den unteren Bereich der Vertiefung 108 abgeschieden wird.
Wie dies in der dem Stand der Technik entsprechenden Abbildung aus 1B dargestellt
ist, kann jedoch ein Teil des Materials 115 der Lift-Off-Schicht in schädlicher
Weise entlang den die Vertiefung 108 definierenden Seiten
abgeschieden werden. Damit eine Winkelabscheidung erreicht werden
kann, muss die ganze Feldemitterstruktur während der Abscheidung der Lift-Off-Schicht 114 gedreht
werden. Dadurch wird das Fertigungsverfahren für die Feldemitterstruktur besonders
schwierig, teuer und komplex. Ferner muss die Lift-Off-Schicht 114 eine
einheitliche Dicke über
die Oberfläche
der Gatterelektrode 110 aufweisen. Diese zusätzliche
Anforderung der Einheitlichkeit gestaltet das Verfahren der Lift-Off-Abscheidung noch
komplizierter.
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In
weiterem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
aus 1B weist die Lift-Off-Schicht 114 einen
weiteren ihr zugeordneten erheblichen Nachteil auf. Im Besonderen
reduziert die Lift-Off-Schicht 114 die Öffnung oberhalb der Vertiefung 108.
Das heißt,
die Lift-Off-Schicht 114 haftet an dem Innendurchmesser
der Öffnung 112 in der
Gatterelektrode 110. Als Folge dessen wird der Durchmesser
der Öffnung 112 effektiv
reduziert. Folglich ist die Öffnung
oberhalb der Vertiefung 108 auf den Durchmesser der Öffnung 116 in
der Lift-Off-Schicht 114 begrenzt. Somit muss der Durchmesser
der Öffnung 112 in
der Gatterelektrode 110 vergrößert werden, um sicherzustellen,
dass der letztendliche Durchmesser (d. h. der Durchmesser der Öffnung 116 in
der Lift-Off-Schicht 114)
so groß ist,
wie dies gewünscht
wird. Es ist allerdings allgemein bekannt, dass eine Vergrößerung des
Durchmessers der Öffnung 112 in
der Gatterelektrode 110 die Leistungsmerkmale der Feldemitterstruktur
reduzieren kann.
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In
folgendem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
der 1C veranschaulicht eine Seitenschnittansicht die
erste Ausbildung einer Sperrschicht 118. Die Sperrschicht 118 umfasst
Elektronen emittierendes Material, wie zum Beispiel Molybdän. Das Elektronen
emittierende Material, das die Sperrschicht 118 bildet,
wird ferner in die Vertiefung 108 abgeschieden, wie dies
durch die Struktur 120 dargestellt ist. Für gewöhnlich wird
das Elektronen emittierende Material zum Beispiel unter Verwendung
eines Elektronenstrahl-Bedampfungsverfahrens abgeschieden.
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In
folgendem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
aus 1D veranschaulicht eine Seitenschnittansicht eine
fertig gestellte Abscheidung von Elektronen emittierendem Material.
Wie dies in der dem Stand der Technik entsprechenden Abbildung aus 1D dargestellt
ist, verschließt
die Sperrschicht 118 die Vertiefung 108 vollständig und
dicht. Bei einer Abscheidung von Elektronen emittierendem Material
gemäß den dem Stand
der Technik entsprechenden Abbildungen der 1C und 1D wird
ferner in der Vertiefung 108 eine Elektronen emittierende
Struktur 120 ausgebildet, die als "Spindt-Emitter" bezeichnet wird (Spindt-Emitter sind
in dem U.S. Patent US-A-3,665,241 an Spindt et al. in näheren Einzelheiten
beschrieben). Nach der Gestaltung des Spindt-Emitters 120 muss
die Sperrschicht 118 entfernt werden.
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In
folgendem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende Abbildung
aus 1E veranschaulicht eine Seitenschnittansicht die
Entfernung der Sperrschicht 118. Bei der Entfernung der
Sperrschicht 118 muss darauf geachtet werden, dass der Spindt-Emitter 120 nicht
beschädigt
oder anderweitig nachteilig beeinträchtigt wird. Ein solches Entfernungsverfahren
wird ferner durch die Tatsache komplizierter gestaltet, dass sowohl
die Sperrschicht 118 als auch der Spindt-Emitter 120 aus
dem gleichen Elektronen emittierenden Material gebildet werden. Bei
dem Stand der Technik entsprechenden Techniken wird die Sperrschicht 118 entfernt,
indem die Lift-Off-Schicht 114 unter Verwendung eines Ätzmittels
geätzt
wird, das die Aluminium-Lift-Off-Schicht 114 angreift.
Als Folge dessen "hebt
sich" die Lift-Off-Schicht 114 von
der darunter liegenden Gatterelektrode 110 ab bzw. an und
entfernt folglich die die Sperrschicht 118, wie dies in
der dem Stand der Technik entsprechenden Abbildung au 1E dargestellt
ist. Dem Stand der Technik entsprechende Ätzmittel für die Lift-Off-Schicht greifen
das Elektronen emittierende Material der Sperrschicht 118 oder des
Spindt-Feldemitters 120 jedoch
nicht an. Leider führt
ein derartiger Lift-Off-Prozess zur Erzeugung von Flocken oder verunreinigenden
Stücken,
die kennzeichnenderweise unter 122a bis 122c dargestellt
sind, welche das Ätzmittel
verunreinigen. Die Flocken oder Stücke 122a bis 122c können ferner
in der Vertiefung 108 erneut abgeschieden werden, wie dies
durch das Stück 122c dargestellt
ist, und dadurch können
sie die Integrität
des darin ausgebildeten Spindt-Emitters beschädigen. Als Folge dessen kann
der Spindt-Emitter stark beschädigt
oder sogar mit der Gatterelektrode 110 kurzgeschlossen
werden. Somit weisen dem Stand der Technik entsprechende Verfahren
zur "Lift-Off"-Entfernung von Sperrschichten
schädliche
Nebenwirkungen auf.
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Benötigt wird
somit ein Verfahren zur Abscheidung und Entfernung von Sperrschichten,
bei dem keine komplexe und schwer zu fertigende Lift-Off-Schicht
erforderlich ist. Desweiteren wird ein Abscheidungs- und Entfernungsverfahren
für eine Sperrschicht
benötigt,
das den Durchmesser der Öffnung
der Gatterelektrode nicht wesentlich beschränkt. Ferner wird ein Verfahren
zur Abscheidung und Entfernung von Sperrschichten benötigt, das
die nachteilige bzw. schädliche
erneute Abscheidung von Teilstücken
der Sperrschicht in der Emittervertiefung reduziert.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
sind gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren zum Abscheiden bzw. Auftragen und Entfernen einer
Sperrschicht, das eine komplexe und schwierige Herstellung der Lift-Off-Schicht überflüssig macht;
ein Verfahren zum Abscheiden und Entfernen einer Sperrschicht, das den
Gatterelektroden-Öffnungsdurchmesser
nicht wesentlich beschränkt;
und ein Verfahren zum Abscheiden und Entfernen einer Sperrschicht,
das die schädliche
neuerliche Abscheidung von Teilstücken der Sperrschicht in der
Emittervertiefung reduziert.
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Im
Besonderen erzeugt die vorliegende Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
eine Struktur mit einer Vertiefung, die in einer isolierenden Schicht ausgebildet
ist, welche eine erste elektrisch leitfähige Schicht überlagert.
Die vorliegende Erfindung erzeugt ferner eine zweite elektrisch
leitfähige
Schicht mit einer Öffnung,
die oberhalb der Vertiefung in der isolierenden Schicht ausgebildet
ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird eine Schicht eines Elektronen emittierenden Materials direkt
auf die zweite elektrisch leitfähige
Schicht aufgetragen bzw. abgeschieden, ohne dass zuerst eine darunter
liegende Lift-Off-Schicht abgeschieden wird. Dabei deckt das Elektronen
emittierende Material die Öffnung
in der zweiten elektrisch leitfähigen
Schicht ab und bildet ein Elektronen emittierendes Element in der
Vertiefung. Die vorliegende Erfindung legt eine erste Vorspannung
an die erste elektrisch leitfähige Schicht
an, so dass die erste Vorspannung dem Elektronen emittierenden Element
zugeführt
wird, das in der Vertiefung ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung
legt ferner eine zweite Vorspannung an die zweite elektrisch leitfähige Schicht
an, so dass die zweite Vorspannung der Schicht des Elektronen emittierenden
Materials zugeführt
wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
umfasst die zweite Vorspannung das offene Schaltkreispotenzial.
Die vorliegende Erfindung setzt die Feldemitterstruktur danach einem
elektrochemischen Ätzmittel
aus, wobei das elektrochemische Ätzmittel
Elektronen emittierendes Material mit dem offenen Schaltkreispotenzial ätzt. Dabei
wird durch die entsprechende Auswahl der ersten Vorspannung die
Schicht des Elektronen emittierenden Materials von oberhalb der
zweiten elektrisch leitfähigen
Schicht entfernt, ohne dass das in der Vertiefung ausgebildete Elektronen
emittierende Element wesentlich geätzt wird.
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Somit
macht es die vorliegende Erfindung überflüssig, vor der Abscheidung der überlagernden Sperrschicht
eine Lift-Off-Schicht
abzuscheiden. Auf diese Weise kann bei der vorliegenden Erfindung
auf die komplexen Fertigungsanforderungen und zahlreiche mit dem
Einsatz einer herkömmlichen Lift-Off-Schicht
verbundene Unzulänglichkeiten
verzichtet werden.
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
für den
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet zweifelsohne beim Lesen der
folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
offensichtlich, die in den verschiedenen Abbildungen der Zeichnungen veranschaulicht
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten,
hierin enthaltenen und einen Bestandteil der vorliegenden Patentschrift
bildenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung und dienen in Verbindung mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Grundsätze
der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1A eine
dem Stand der Technik entsprechende Seitenschnittansicht einer Feldemitterstruktur
vor der Abscheidung einer Lift-Off-Schicht;
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1B eine
dem Stand der Technik entsprechende Seitenschnittansicht der Abscheidung
einer Lift-Off-Schicht;
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1C eine
dem Stand der Technik entsprechende Seitenschnittansicht der ersten
Bildung einer Sperrschicht;
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1D eine
dem Stand der Technik entsprechende Seitenschnittansicht einer abgeschlossenen Abscheidung
von Elektronen emittierendem Material;
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1E eine
dem Stand der Technik entsprechende Seitenschnittansicht eines Lift-Off-Entfernungsverfahrens;
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2A eine
Seitenschnittansicht der ersten Gestaltungsschritte, die zur Herstellung
einer Feldemitterstruktur gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung verwendet werden;
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2B eine
Seitenschnittansicht einer ersten Abscheidung des Elektronen emittierenden
Materials direkt auf eine Gatterelektrode gemäß der vorliegenden beanspruchten
Erfindung;
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2C eine
Seitenschnittansicht einer fertig gestellten Sperrschicht und eines
Elektronen emittierenden Elements gemäß der vorliegenden beanspruchten
Erfindung;
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2D eine
schematische Seitenschnittansicht einer Feldemitterstruktur in einer
elektrochemischen Zelle gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung; und
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2E eine
Seitenschnittansicht einer Feldemitterstruktur, die mit dieser gekoppelte
Elektroden aufweist und mit einer von dieser entfernten Sperrschicht
gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend
wird detailliert Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
genommen, wobei Beispiele für
diese in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung wird zwar in Bezug
auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben, wobei hiermit jedoch festgestellt wird, dass die Erfindung
nicht auf die Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
In der folgenden genauen Beschreibung der vorliegenden Erfindung
sind ferner zahlreiche besondere Einzelheiten ausgeführt, um
ein umfassendes Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Für den Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet ist es jedoch ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung
auch ohne diese besonderen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen
Fällen
wurde auf die genaue Beschreibung allgemein bekannter Verfahren,
Abläufe,
Bauteile und Schaltungen verzichtet, um die Aspekte der vorliegenden
Erfindung nicht unnötig
zu verschleiern.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2A zeigt
diese in einer Seitenschnittansicht die ersten Bildungsschritte,
die zur Herstellung einer Feldemitterstruktur gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung Anwendung finden. Wie dies in der Abbildung
aus 2A dargestellt ist, weist eine erste leitfähige Schicht
oder Reihenelektrode 202 eine darauf angeordnete widerstandsfähige Schicht 204 auf.
(Die vorliegende Erfindung eignen sich aber auch ebenso gut für verschiedene
andere Konfigurationen, bei denen sich die erste leitfähige Schicht zum
Beispiel lediglich unter Abschnitten der widerstandsfähigen Schicht
befindet.) Eine dielektrische Zwischenmetallschicht 206,
die zum Beispiel Siliziumdioxid umfasst, ist über der widerstandsfähigen Schicht 204 angeordnet.
Eine Vertiefung 208 ist in der dielektrischen Zwischenmetallschicht 206 ausgebildet.
Eine zweite leitfähige
Schicht oder eine Gatterelektrode 210 befindet sich oberhalb
der dielektrischen Zwischenmetallschicht 206. Ein Loch
bzw. eine Öffnung 212 ist
direkt oberhalb der Vertiefung 208 durch die Gatterelektrode 210 ausgebildet.
Die Öffnung 212 wird
zur Bildung des Feldemitters verwendet, der in der Vertiefung 208 angeordnet
ist.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2B, veranschaulicht
eine Seitenschnittansicht eine erste Abscheidung von Elektronen
emittierendem Material auf eine Feldemitterstruktur gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung. Wie dies in der Abbildung aus 2B dargestellt
ist, wird das Elektronen emittierende Material direkt auf die Gatterelektrode 210 abgeschieden,
so dass eine Sperrschicht 214 gebildet wird. Die vorliegende
Erfindung kommt somit ohne eine darunter liegende Lift-Off-Schicht
aus. Dadurch eliminiert die vorliegende Erfindung die teueren, zeitaufwändigen und
komplexen Fertigungsschritte, die mit der Gestaltung einer herkömmlichen
Lift-Off-Schicht verbunden sind. Darüber hinaus ist die Sperrschicht 214 gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht durch die präzisen
Anforderungen in Bezug auf die Einheitlichkeit bzw. Gleichmäßigkeit
einer herkömmlichen Lift-Off-Schicht
begrenzt. Somit kann eine Sperrschicht 214 gemäß der vorliegenden
Erfindung ohne die Verfahrensbeschränkungen abgeschieden werden,
die mit der Abscheidung einer Lift-Off-Schicht verbunden sind.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst
das Elektronen emittierende Material der Sperrschicht 214 Molybdän, das unter
Verwendung eines physikalischen Bedampfungsverfahrens wie etwa einer
Elektronenstrahl-Bedampfungstechnik abgeschieden bzw. aufgetragen
wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird zwar Molybdän
als Elektronen emittierendes Material verwendet, allerdings eignet
sich die vorliegende Erfindung ebenso gut für den Einsatz verschiedener
anderer Elektronen emittierender Materialien, die unter Verwendung verschiedener
anderer Abscheidungstechniken abgeschieden werden.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 2B wird
das direkt auf die Gatterelektrode 210 abgeschiedene Elektronen
emittierende Material auch in die Vertiefung 208 abgeschieden,
wie dies durch die Struktur 216 dargestellt ist. Im Gegensatz zu
den dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren wird durch Durchmesser
der Struktur 216 durch eine effektive Reduzierung des Durchmessers der Öffnung 212 in
der Gatterelektrode 210 nicht beeinträchtigt. Das heißt, der
Durchmesser der Öffnung 212 in
der Gatterelektrode 210 wird durch die Ansammlung von Material
der Lift-Off-Schicht um deren Innendurchmesser nicht reduziert.
Im Gegensatz zu dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren muss
der Durchmesser der Öffnung 212 in
der Gatterelektrode 210 somit nicht vergrößert werden,
um sicherzustellen, dass der Durchmesser zu Beginn der Emitterabscheidung
die gewünschte
Größe aufweist.
Folglich werden die Leistungsmerkmale der Feldemitterstruktur der
vorliegenden Erfindung nicht dadurch geschwächt bzw. reduziert, dass der
Durchmesser der Öffnung 212 in
der Gatterelektrode 210 vergrößert werden muss.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2C veranschaulicht
eine Seitenschnittansicht eine fertig gestellte Sperrschicht und
ein Elektronen emittierendes Element gemäß der vorliegenden beanspruchten
Erfindung. Wie dies in der Abbildung aus 2C dargestellt
ist, verschließt
die Sperrschicht 214, die direkt an der Gatterelektrode 210 ausgebildet
ist, die Vertiefung 208 vollständig und dicht. Wenn das Elektronen
emittierende Material ferner auf die Gatterelektrode 210 und
durch die Öffnung 212 abgeschieden
wird, wird in der Vertiefung ein Spindt-Emitter 216 gebildet.
Im Gegensatz zu dem Stand der Technik entsprechenden Feldemitterstrukturen
werden die Größe und die
Höhe des Spindt-Emitters 216 bei
der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig durch eine reduzierte
oder schmalere Öffnung
in den Schichten oberhalb der Vertiefung 208 beeinträchtigt.
Folglich ermöglicht
die vorliegende Erfindung ein kleineres Verhältnis des Öffnungsdurchmessers 212 zu
der Dicke des Zwischenmetall-Dielektrikums, während die Spitze des Spindt-Emitters 216 in
der Nähe
der Gatterelektrode 210 gehalten wird.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2D veranschaulicht
eine schematische Seitenschnittansicht eine Feldemitterstruktur
in einer elektrochemischen Zelle gemäß der vorliegenden beanspruchten
Erfindung. Zur Freisetzung des Spindt-Emitters 216 muss
die Sperrschicht 214 von der Oberfläche der Gatterelektrode 210 entfernt
werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird eine elektrochemische Zelle für die Entfernung der Sperrschicht 214 von
der Oberfläche
der Gatterelektrode 210 verwendet. Wie dies in der Abbildung
aus 2D dargestellt ist, umschließen Wände, die kennzeichnend unter 218a und 218b dargestellt
sind, eine elektrolytische Lösung 220,
die als ein elektrochemisches Ätzmittel
fungieren kann. Die Feldemitterstruktur wird in das elektrochemische Ätzmittel 220 eingetaucht
oder diesem anderweitig ausgesetzt. Die vorliegende Erfindung eignet
sich gut für die
Verwendung verschiedenartiger elektrochemischer Ätzmittel.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 20 weist
ein potentiostatisches Regelungssystem 222 die sich von
dem System erstreckenden Elektrodenleiter 224, 226 und 228 auf.
Der Elektrodenleiter 224 ist über den Schalter 225 und
den Elektrodenleiter 227 mit der Gatterelektrode 210 gekoppelt.
Der Elektrodenleiter 226 ist mit der Bezugselektrode 230 gekoppelt.
In ähnlicher
Weise ist der Elektrodenleiter 228 mit der Zählerelektrode 232 gekoppelt.
Der Elektrodenleiter 224 ist ferner durch den Elektrodenleiter 238 mit
der Spannungsversorgungsuelle 234 gekoppelt. Ein weiterer
Elektrodenleiter 236 ist zwischen die Spannungsversorgungsquelle 234 und
die Reihenelektrode 202 gekoppelt. Durch den Einsatz der
Spannungsversorgungsquelle 234 kann die vorliegende Erfindung
einen Spannungsunterschied zwischen der Gatterelektrode 210 und
der Reihenelektrode 202 aufrechterhalten, wenn dies wünschenswert
ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die Bezugselektrode 230 aus Materialien wie zum Beispiel
Silber/Silberchlorid/wäßriges Kaliumchlorid
hergestellt, das Ionen gut mit dem elektrochemischen Ätzmittel
mit einer Rate austauscht, die von der Menge des durch das elektrochemische Ätzmittel
fließenden
Stroms im Wesentlichen nicht abhängig
ist.
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Aus
der Abbildung aus 2D ist ersichtlich, dass der
Spindt-Emitter 216 über
die widerstandsfähige
Schicht 204 elektrisch mit der Reihenelektrode 202 gekoppelt
ist. In ähnlicher
Weise ist die Sperrschicht 214 elektrisch mit der Gatterelektrode 210 gekoppelt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die Gatterelektrode 210 ein Potenzial auf,
das dem offenen Schaltkreispotenzial entspricht. Als Folge der elektrischen
Kopplung mit der Gatterelektrode 210 befindet sich die
Sperrschicht 214 ebenfalls auf dem offenen Schaltkreispotenzial.
Andererseits wird eine schützende Vorspannung
an die Reihenelektrode 202 angelegt. Als Folge der elektrischen
Kopplung mit der Reihenelektrode 202 weist der Spindt-Emitter 216 ebenfalls
eine angelegte schützende
Vorspannung auf.
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In
der vorliegenden Erfindung ätzt
das elektrochemische Ätzmittel
die Sperrschicht, wenn die Sperrschicht das offene Schaltkreispotenzial
aufweist. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Schalter 225 somit geschlossen, und die Gatterelektrode 210 und
die Sperrschicht 214 werden durch das potentiostatische
Regelungssystem 222 auf einem offenen Schaltkreispotenzial
gehalten, Während
die Elektrode 202 auf einem negativen Potenzial im Verhältnis zu
dem offenen Schaltkreispotenzial gehalten wird. Folglich wird das
offene Schaltkreispotenzial auf die Sperrschicht 214 übertragen,
während
ein schützendes,
im Wesentlichen "nicht ätzendes" Potenzial an den
Spindt-Emitter 216 angelegt wird. Somit ätzt das elektrochemische Ätzmittel
die Sperrschicht 214 ohne den Spindt-Emitter 216 wesentlich
zu beeinträchtigen.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Schalter 225 offen und die
Gatterelektrode 210 und die Sperrschicht 214 bleiben
ohne Elektrodenvorspannung auf dem offenen Schaltkreispotenzial,
während
die Elektrode 202 auf einem negativen Potenzial im Verhältnis zu
dem offenen Schaltkreispotenzial gehalten wird. Wiederum ätzt das
elektrochemische Ätzmittel
die Sperrschicht 214 (welche auf dem offenen Schaltkreispotenzial
verbleibt), ohne dass der Spindt-Emitter 216 beeinflusst
wird. In einem Ausführungsbeispiel,
in dem die Gatterelektrode 210 das offene Schaltkreispotenzial
ohne Elektrodenvorspannung aufweist, wird der im Verhältnis zu
der Bezugselektrode 230 gemessene Wert des offenen Schaltkreispotenzials der
Gatterelektrode 210 dazu verwendet, den Endpunkt des Sperrschicht-Entfernungsprozesses
zu bestimmen.
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Da
die vorliegende Erfindung bei einem offenen Schaltkreispotenzial ätzt, wird
das elektrochemische Ätzmittel
darüber
hinaus nicht durch Stücke oder
Flocken der Sperrschicht 214 verunreinigt. Das heißt, wenn
sich ein Stück
oder eine Flocke der Sperrschicht 214 von der Gatterelektrode 210 in
die Lösung 220 trennt,
so verbleibt das Stück
auf dem offenen Schaltkreispotenzial. Das Stück des Sperrschichtmaterials
löst sich
somit auf an Stelle das elektrochemische Ätzmittel oder dessen Filter
zu verunreinigen. Durch die Auflösung
aller Stücke
oder Flocken des Sperrschichtmaterials reduziert die vorliegende
Erfindung somit die Möglichkeit
der neuerlichen Abscheidung eines Stücks oder einer Flocke der Sperrschicht 214 in
die Vertiefung 208. Folglich löst die vorliegende Erfindung
die Sperrschicht 214 auf anstatt ein Lift-Off-Verfahren
gemäß dem Stand der
Technik einzusetzen. Folglich wird die Sperrschicht 214 vollständig entfernt,
wie dies in der Abbildung aus 2E dargestellt
ist, ohne dabei die Vertiefung 208 oder das Bad des elektrochemischen Ätzmittels 220 aus 2D zu
verunreinigen.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2E ist
die Feldemitterstruktur abgebildet, nachdem die Sperrschicht 214 im
Wesentlichen und entsprechend von der Gatterelektrode 210 entfernt
worden ist. Als nächstes
wird die gesamte Feldemitterstruktur aus dem elektrochemischen Ätzmittel 220 aus 2D entfernt.
Da ein Teil des elektrochemischen Ätzmittels 220 an der
Feldemitterstruktur verbleiben kann, legt die Spannungsversorgungsquelle 234 in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung über
den Elektrodenleiter 236 weitre ein schützendes, nicht ätzendes
Potenzial an die Reihenelektrode 202 an. Das schützende,
nicht ätzende Potenzial
wird solange aufrechterhalten, bis das elektrochemische Ätzmittel
im Wesentlichen von der Feldemitterstruktur entfernt worden ist
(z. B. durch einen Spülvorgang).
Auf diese Weise verhindert die vorliegende Erfindung das Auftreten
von unerwünschtem Ätzen des
Spindt-Emitters 216 von
dem Zeitpunkt der Entfernung der Feldemitterstruktur aus dem elektrochemischen Ätzmittel 220 bis
zu der Sauberspülung
der Feldemitterstruktur.
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In
erneutem Bezug auf die Abbildung aus 2D entspricht
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
das schützende,
nicht ätzende
Potenzial, das über
den Elektrodenleiter 236 an die Reihenelektrode 202 angelegt
wird, einem Bereich von Hunderten von Millivolt. Die Ätzzeit insgesamt
liegt im Bereich von ungefähr
5 bis 30 Minuten. Obwohl ein derartiges Spannungspotenzial und eine
derartige Ätzzeit
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
zum Einsatz kommen, eignet sich die vorliegende Erfindung aber ebenso
gut für
den Einsatz verschiedener anderer Spannungspotenziale und Ätzzeiten.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird das an die Reihenelektrode 202 angelegte
Potenzial so verändert,
dass sowohl die Sperrschicht 214 und der Spindt-Emitter 216 gleichzeitig geätzt werden.
Das heißt,
der Spindt-Emitter 216 wird ebenfalls geätzt (obgleich
mit einer viel langsameren Rate als die Rate, mit der die Sperrschicht 214 geätzt wird).
Auf diese Weise unterstützt
das vorliegende Ausführungsbeispiel
die Eliminierung oder das Wegätzen
von Stücken
oder Teilen des Sperrschichtmaterials 214, welches einen
Spindt-Emitter in nachteiliger Art und Weise mit der darüber liegenden
Gatterelektrode koppelt. In diesem Ausführungsbeispiel erhöht sich
die Ätzrate
des Spindt-Emitters 216 je
weiter sich das an die Reihenelektrode 202 angelegte Potenzial
dem offenen Schaltkreispotenzial nähert. Darüber hinaus wird hiermit festgestellt,
dass die Ätzrate
des Spindt-Emitters 216 in Bezug auf die Sperrschicht 214 durch
Anpassen der durch die widerstandsfähige Schicht 204 vorgesehenen
Impedanz verändert
werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass diese die
Sperrschicht 214 auch dann ätzen kann, wenn zwischen der
Gatterelektrode 210 und der Sperrschicht 214 eine
Oxidschicht oder eine andere Obstruktion vorhanden ist. Das heißt, die Sperrschicht 214 weist
ein offenes Schaltkreispotenzial auch dann auf, wenn sie elektrisch
von der Gatterelektrode 210 isoliert ist. Vorgesehen ist
gemäß der vorliegenden
Erfindung somit ein Verfahren zur Abscheidung und Entfernung einer
Sperrschicht, das eine komplexe und schwierige Herstellung der Lift-Off-Schicht überflüssig macht;
ein Verfahren zum Abscheiden und Entfernen einer Sperrschicht, das den
Gatterelektroden-Öffnungsdurchmesser
nicht wesentlich beschränkt;
und ein Verfahren zum Abscheiden und Entfernen einer Sperrschicht,
das die schädliche
neuerliche Abscheidung von Teilstücken der Sperrschicht in der
Emittervertiefung reduziert.
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Die
vorliegende Erfindung eignet sich ebenso gut für mehrschichtige Emitter, bei
denen der Emitter und die Sperrschicht aus einer ersten und einer
zweiten Schicht bestehen. Es ist möglich, die Entfernung der Sperrschicht
nur durch Ätzen
der ersten Schicht auf eine in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel
beschriebene Art und Weise zu erreichen. Dieses Verfahren erhält die Vorteile
der Aufhebung der Erfordernis einer in einem Winkel angeordneten, aufgedampften Trennschicht
aufrecht und sieht keine Begrenzung des Lochdurchmessers vor. Die
erste Schicht wird aufgrund ihrer Ätzeigenschaften ausgewählt und
die zweite Schicht anhand ihrer Emissionseigenschaften. Eine derartige
Kombination von Schichten ist Molybdän über Nickel.
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Die
vorstehenden Beschreibungen spezieller Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung dienen den Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung.
Sie sind weder umfassend, noch schränken sie die Erfindung auf
genau die offenbarten Ausführungsformen
ein, und natürlich
sind zahlreiche Modifikationen und Abänderungen in Anbetracht der vorstehenden
Lehren möglich.
Die Ausführungsbeispiele
wurden so ausgewählt
und beschrieben, dass sie die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
und deren praktische Anwendung bestmöglich erläutern, um es anderen Fachleuten
auf dem Gebiet auf diese Weise zu ermöglichen, die Erfindung und
verschiedene Ausführungsbeispiele
einschließlich
ihrer verschiedenen für
den jeweils vorgesehenen Verwendungszweck geeigneten Modifikationen
bestmöglich zu
nutzen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die anhängigen Ansprüche und
deren Äquivalente
definiert.