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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrospitzenelektronenquelle
mit Fokussierungsgitter und hoher Mikrospitzendichte. Sie betrifft
auch einen Flachbildschirm mit einer solchen Elektronenquelle.
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Stand der
Technik
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Die
Dokumente FR-A-2 593 953 und FR-A-2 623 013 beschreiben durch Feldemission
erregte Kathodolumineszenz-Bildschirme. Diese Vorrichtungen umfassen
eine Elektronenquelle mit Mikrospitzen-Emissionskathoden.
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Die 1 ist
eine schematische partielle Querschnittansicht eines solchen Mikrospitzenschirms.
Zur Vereinfachung wurden nur einige fluchtende Mikrospitzen dargestellt.
Der Bildschirm wird gebildet durch eine Kathode 1 mit einer
ebenen Struktur, die einer anderen ebenen Struktur gegenübersteht,
die die Anode 2 bildet. Die Kathode 1 und die
Anode 2 sind getrennt durch einen Zwischenraum, in dem
Vakuum herrscht. Die Kathode 1 umfasst ein Glassubstrat 11,
auf dem das Leiterniveau 12 abgeschieden ist, das die elektronenemittierenden
Mikrospitzen 13 trägt.
Das Leiterniveau 12 ist überzogen mit der Isolierschicht 14,
zum Beispiel aus Siliciumdioxid, die ihrerseits selbst mit einer
Leiterschicht 15 überzogen
ist. Die Schichten 14 und 15 enthalten Löcher 18 mit
einem Durchmesser von ungefähr
1,3 μm bis
zum Leiterniveau 12, um auf diesem Leiterniveau die Mikrospitzen 13 abscheiden
zu können.
Die Leiterschicht 15 dient als Extraktionsgitter für die Elektronen,
die durch die Spitzen 13 emittiert werden. Die Anode 2 umfasst
ein transparentes Substrat 21, überzogen mit einer transparenten
Elektrode 22, auf der lumineszente oder luminophore Phosphore 23 abgeschieden
sind.
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In
der Folge wird die Funktionsweise dieses Bildschirms beschrieben.
Die Anode 2 wird in Bezug auf die Mikrospitzen 13 auf
eine positive Spannung von mehreren hundert Volt gebracht (typisch
200 bis 500 V). An das Extraktionsgitter 15 legt man eine
positive Spannung von einigen hundert Volt (typisch 60 bis 100 Volt)
in Bezug auf die Mikrospitzen 13. Dies bewirkt eine Extraktion
von Elektronen aus den Mikrospitzen 13, die von der Anode 2 angezogen
werden. Die Bahnen dieser Elektronen sind in einem Konus mit dem
Spitzenhalbwinkel θ enthalten,
der von verschiedenen Parametern abhängt, u. a. von der Form der
Mikrospitzen 13. Dieser Winkel verursacht eine Defokussierung
des Elektronenstrahls 31, die umso größer ist, je größer der
Abstand zwischen Anode und Kathode ist. Nun arbeitet man aber zu
Erhöhung
des Wirkungsgrads der Phosphore, also der Helligkeit der Bildschirme,
vorzugsweise mit höheren Anode-Kathode-Spannungen
(zwischen 1 000 und 10 000 Volt), was dazu zwingt, den Abstand zwischen Anode
und Kathode zu erhöhen,
um die Erzeugung von Lichtbögen
zwischen diesen beiden Elektroden zu vermeiden.
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Wenn
man eine gute Auflösung
auf der Anode erhalten will, muss man den Elektronenstrahl refokussieren.
Diese Refokussierung erzielt man üblicherweise dank eines Gitters,
das entweder zwischen Anode und Kathode platziert werden kann, oder
auf der Kathode angeordnet werden kann.
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Die 2 zeigt
den Fall, wo das Fokussiergitter auf der Kathode angeordnet ist.
Die 2 greift das Beispiel der 1 auf, ist
aber aus Gründen
der Klarheit der Zeichnung auf eine einzige Mikrospitze beschränkt. Auf
dem Extraktionsgitter 15 ist eine Isolierschicht 16 abgeschieden,
die die Metallschicht 17 trägt, die als Fokussiergitter
dient. In die Schichten 16 und 17 sind Löcher 19 geätzt, mit
angepasstem Durchmesser (typisch zwischen 8 und 10 μm) und konzentrisch
mit den Löchern 18.
Die Isolierschicht 16 dient der elektrischen Isolation
des Extraktionsgitters 15 und des Fokussiergitters 17.
Das Fokussiergitter ist polarisiert bzw. vorgespannt in Bezug auf Kathode,
um dem Elektronenstrahl 32 die in der 2 dargestellte
Form zu geben.
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Im
Falle eine Mikrospitzenschirms ohne Fokussiergitter, wie dargestellt
in der 1, beträgt
der Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrospitzen ungefähr 3 μm. Bei einem
Mikrospitzenschirm mit Fokussiergitter, wie dargestellt in der 2,
beträgt
dieser Abstand ungefähr
10 bis 12 μm.
In diesem Fall ist die Dichte der Mikrospitzen, das heißt die Dichte
der Elektronenemitter zwischen 9- bis 16-mal schwächer. Dies
hat eine schwächere
Helligkeit des Bildschirms zur Folge.
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Bei
einem Flachbildschirm werden die Luminophore auf der Anode in Form
von parallelen, sukzessive rot-grün-blauen Streifen abgeschieden.
Für eine
gute Bildwiedergabe ist es unerlässlich,
dass es zu keiner Farbenvermischung kommt, das heißt, dass
alle von einem Pixel einer bestimmten Farbe emittierten Elektronen
auf ein entsprechendes Luminophor treffen und nicht auf ein benachbartes
Luminophor. Man erhält
dieses Resultat durch den Fokussierungsvorgang. Aufgrund der streifenförmigen Struktur
der Luminophore ist es wichtig, dass die Fokussierung in einer zu
diesen Streifen senkrechten Richtung erfolgt, um die Farbenvermischungen
zu vermeiden.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht,
das Problem der geringen Mikrospitzendichte zu beseitigen, das die Elektronenquellen
nach dem Stand der Technik aufweisen. Dies erreicht man, indem man
die kreisförmigen Öffnungen
des Fokussiergitters durch Schlitze ersetzt.
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Die
Erfindung erweist sich besonders effizient in einer Anwendung bei
Flachbildschirmen, wo die Luminophore streifenförmig abgeschieden werden. Es
wird vorgeschlagen, in das Fokussiergitter Öffnungen in Form von Schlitzen
zu ätzen,
wobei die Mikrospitzen mit den Achsen dieser Schlitze fluchten. Indem
man die auf der Anode befindlichen Luminophore in Form von Streifen
aufbringt, parallel zu den Schlitzen der Elektronenquelle und genau über entsprechenden
Schlitzen, bleiben die durch die Mikrospitzen emittierten Elektronen
dieser Schlitze auf den Luminophorstreifen konzentriert, der ihnen
gegenübersteht.
Es gibt folglich keine Farbvermischungen. Wenn in der Richtung der
Streifen keine Fokussierung erfolgt, kommt es zu einer leichten
Streckung des Pixels in dieser Richtung, was der Bildqualität kaum schadet.
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Das
Fokussiergitter nach der vorliegenden Erfindung bewirkt also eine
Fokussierung in einer einzigen Richtung.
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Die
Erfindung hat also eine Mikrospitzenelektronenquelle zum Gegenstand,
die umfasst:
- – wenigstens eine Elektronenemissionszone,
gebildet durch eine Vielzahl von Mikrospitzen, elektrisch verbunden
mit einem Kathodenleiter,
- – wenigstens
eine Gitterelektrode, der genannten Elektronenemissionszone gegenüberstehend
und über
den Mikrospitzen durchlöchert
von Öffnungen,
um die Elektronen aus den Mikrospitzen zu extrahieren,
- – ein
Fokussierungsgitter der emittierten Elektronen, vis-a-vis der Gitterelektrode
angeordnet, mit Öffnungseinrichtungen
gegenüber
den Mikrospitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungseinrichtungen
des Fokussierungsgitters vor wenigstens zwei aufeinanderfolgenden
Mikrospitzen wenigstens einen Schlitz umfassen, und dadurch, dass
das Fokussierungsgitter von der gegenüber angeordneten Extraktionsgitterelektrode
getrennt ist durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material,
die einen auf den Schlitz des Fokussierungsgitters ausgerichteten
Schlitz oder eine Folge von auf den Schlitz des Fokussierungsgitters ausgerichteten
Löchern
aufweist, mit einer Breite, die kleiner ist als die Breite des Schlitzes
des Fokussierungsgitters.
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Nach
einer vorteilhaften Disposition kann die Elektronenquelle eine Vielzahl
von Elektronenemissionszonen umfassen, matrixförmig angeordnet, mit Zeilen
und Spalten, wobei die Kathodenleiter und die Gitterelektroden anzahlmäßig den
Zeilen und Spalten entsprechen, um einen matrixförmigen Zugriff auf die Mikrospitzenelektronenquelle
zu ermöglichen.
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Wenn
jede Emissionszone mehrere Reihen von Mikrospitzen umfasst, entsprechen
jeder Mikrospitzenreihe ein oder mehrere Schlitze in dem Fokussierungsgitter.
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Die
Erfindung hat auch eine Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten
planen Struktur zum Gegenstand, die sich mittels Abstandshaltereinrichtungen
mit einem bestimmten Abstand gegenüberstehen, wobei die erste
plane Struktur auf ihrer der Innenseite der Vorrichtung zugewandten
Seite eine wie oben definierte Mikrospitzenelektronenquelle umfasst,
und die zweite plane Struktur auf ihrer der Innenseite der Vorrichtung
zugewandten Seite die Anode bildende Einrichtungen umfasst.
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Eine
solche Vorrichtung kann benutzt werden um einen Flachbildschirm
herzustellen, wobei zwischen der Mikrospitzenelektronenquelle und
den die Anode bildenden Einrichtungen Luminophore eingefügt sind.
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Die
Erfindung hat auch einen Flachbildschirm mit einer ersten und einer
zweiten planen Struktur zum Gegenstand, die sich mittels Abstandshaltereinrichtungen
mit einem bestimmten Abstand gegenüberstehen, wobei die erste
plane Struktur auf ihrer der Innenseite des Bildschirms zugewandten. Seite
eine wie oben definierte Mikrospitzenelektronenquelle des Typs umfasst,
bei dem jede Emissionszone mehrere Mikrospitzenreihen umfasst, wobei jede
Mikrospitzenreihe bzw. -zeile einem oder mehreren Schlitzen in dem
Fokussiergitter entspricht, und die zweite plane Struktur auf ihrer
der Innenseite des Bildschirms zugewandten Seite eine die Anode
bildende leitende Schicht umfasst, die Luminophore trägt, angeordnet
in Form von Streifen mit abwechselnd der Farbe rot, grün und blau,
wobei jeder Streifen parallel ist zu einer Serie (Zeile oder Spalte)
von Elektronenemissionszonen und diesen gegenübersteht, und die Hauptachse
der Schlitze des Fokussierungsgitters gemäß der Richtung der Luminophorstreifen
ausgerichtet ist, wobei jede Emissionszone ein Pixel des Bildschirms
definiert.
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Selbstverständlich kann
die erfindungsgemäße Mikrospitzenelektronenquelle
auch zusammen mit Anoden anderer Strukturen verwendet werden, insbesondere
den klassischen Strukturen für
Kathodenröhren-Bildschirme,
angepasst an die Flachbildschirme.
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Die
Erfindung hat auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle
mit Mikrospitzen und mit Fokussierungsgitter zum Gegenstand, umfassend:
- – einen
Schritt, in dem man auf einer Seite eines elektrisch isolierenden
Trägers
sukzessiv abscheidet: Kathodenanschlusseinrichtungen, eine erste
elektrisch isolierende Schicht mit einer an die Höhe der künftigen
Mikrospitzen angepassten Dicke, eine zur Bildung des Extraktionsgitters
bestimmte erste leitfähige
Schicht, eine zweite elektrisch isolierende Schicht mit einer Dicke,
die dem einzuhaltenden Abstand zwischen dem Extraktionsgitter und
dem Fokussierungsgitter entspricht,
- – einen
Schritt, um in der zweiten isolierenden Schicht Löcher zu
realisieren, die bis zu der ersten leitfähigen Schicht reichen, wobei
die Achsen der Löcher
den Achsen der künftigen
Mikrospitzen entsprechen und der Durchmesser dieser Löcher angepasst
ist an die Größe der künftigen
Mikrospitzen,
- – einen
Schritt zur elektrolytischen Abscheidung von leitfähigem Material
in den genannten Löchern,
wobei die erste leitfähige
Schicht im Laufe der Elektrolyse als Elektrode dient und das elektrolytische
Abscheidungsmaterial alle Löcher
ab der ersten leitfähigen
Schicht füllt
und auf die zweite isolierende Schicht überbordet, so dass das abgeschiedene
elektrolytische Material zunächst
die Form von Pilzen annimmt, deren Hüte auf der zweiten isolierenden
Schicht ruhen, und anschließend
die Pilzhüte
benachbarter und ausreichend naher Löcher koalieren, wobei sich
pro Gruppe benachbarter und ausreichend naher Löcher eine Masse von im Wesentlichen
halbzylindrischer Form ausbildet,
- – ein
Schritt zur Abscheidung einer zweiten leitfähigen Schicht zur Ausbildung
des Fokussierungsgitters, wobei diese zweite leitfähige Schicht
aus einem Material von anderer Art als das elektrolytisch abgeschiedene
leitfähige
Material ist,
- – einen
Schritt zur Eliminierung des elektrolytisch abgeschiedenen leitfähigen Materials,
wobei dieser Schritt in der zweiten leitfähigen Schicht einen Schlitz
schafft, durch Eliminierung der vorher ausgebildeten Masse, deren
Hauptachse gemäß den Löchern ausgerichtet
ist, aus denen sie herausgewachsen ist,
- – einen
Schritt zur Vertiefung der Löcher
bis zu den Kathodenanschlusseinrichtungen,
- – einen
Schritt zur Ätzung
der zweiten isolierenden Schicht, um die erste leitfähige Schicht
freizulegen,
- – einen
Schritt zur Ausbildung der Mikrospitzen auf den Kathodenanschlusseinrichtungen,
zugänglich
gemacht durch den Löchervertiefungsschritt.
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Die
Erfindung hat außerdem
ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle mit Mikrospitzen
und mit Fokussierungsgitter zum Gegenstand, umfassend:
- – einen
Schritt, in dem man auf einer Seite eines elektrisch isolierenden
Trägers
sukzessiv abscheidet: Kathodenanschlusseinrichtungen, eine erste
elektrisch isolierende Schicht mit einer an die Höhe der künftigen
Mikrospitzen angepassten Dicke, eine zur Bildung des Extraktionsgitters
bestimmte erste leitfähige
Schicht, eine zweite elektrisch isolierende Schicht mit einer Dicke,
die dem einzuhaltenden Abstand zwischen dem Extraktionsgitter und
dem Fokussierungsgitter entspricht, und eine Maskierungsschicht,
- – einen
Schritt, um durch die Maskierungsschicht, die zweite isolierende
Schicht und die erste leitfähige
Schicht Löcher
zu bohren, die bis zu der ersten leitfähigen Schicht reichen, wobei
die Achsen der Löcher
den Achsen der künftigen
Mikrospitzen entsprechen und der Durchmesser dieser Löcher angepasst
ist an die Größe der künftigen
Mikrospitzen,
- – einen
Schritt zur Vertiefung der Löcher
in der ersten isolierenden Schicht bis zu den Kathodenanschlusseinrichtungen,
- – einen
Schritt zur seitlichen Ätzung
der zweiten isolierenden Schicht, um den Durchmesser der vorhergehend
realisierten Löcher
bis auf einen bestimmten Wert zu vergrößern, wobei diese seitliche Ätzung dazu
führen
kann, dass sich benachbarte und ausreichend nahe Löcher überschneiden,
- – einen
Schritt zur Entfernung der Maskierungsschicht,
- – einen
Schritt zur elektrolytischen Abscheidung von leitfähigem Material
in den genannten Löchern,
wobei die erste leitfähige
Schicht im Laufe der Elektrolyse als Elektrode dient und das elektrolytische
Abscheidungsmaterial die genannten Löcher ab der ersten leitfähigen Schicht
füllt und auf
die zweite isolierende Schicht überbordet,
so dass das abgeschiedene elektrolytische Material zunächst die
Form von Pilzen annimmt, deren Hüte
auf der zweiten isolierenden Schicht ruhen, und anschließend die
Pilzhüte
benachbarter und ausreichend naher Löcher koalieren, wobei sich pro
Gruppe benachbarter und ausreichend naher Löcher eine Masse von im Wesentlichen
halbzylindrischer Form ausbildet,
- – ein
Schritt zur Abscheidung einer zweiten leitfähigen Schicht zur Ausbildung
des Fokussierungsgitters, wobei diese zweite leitfähige Schicht
aus einem Material von anderer Art als das elektrolytisch abgeschiedene
leitfähige
Material ist,
- – einen
Schritt zur Eliminierung des elektrolytisch abgeschiedenen leitfähigen Materials,
wobei dieser Schritt in der zweiten leitfähigen Schicht einen Schlitz
schafft, durch Eliminierung der vorher ausgebildeten Masse, deren
Hauptachse gemäß den Löchern ausgerichtet
ist, aus denen sie herausgewachsen ist,
- – einen
Schritt zur Ausbildung der Mikrospitzen auf den Kathodenanschlusseinrichtungen
durch die Löcher
hindurch, die in der ersten leitfähigen Schicht und der ersten
isolierenden Schicht realisiert worden sind.
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Der
Schritt zur Vertiefung der Löcher
in der ersten isolierenden Schicht und der Schritt zur seitlichen Ätzung der
zweiten isolierenden Schicht können
simultan und durch isotropes Ätzen
realisiert werden.
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Unabhängig von
dem angewendeten Verfahren kann der Schritt zur Herstellung der
Löcher
mittels Ätzung
realisiert werden. Der Schritt zur Eliminierung des elektrolytisch
abgeschiedenen leitfähigen Materials
kann mittels chemischer Auflösung
realisiert werden.
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Die
Kathodenanschlusseinrichtungen können
durch eine Abscheidung von Kathodenleitern auf dem Träger, gefolgt
von einer Abscheidung einer resistiven Schicht, realisiert werden.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten werden besser
verständlich
durch die nachfolgende, nur beispielhafte und nicht einschränkende Beschreibung,
bezogen auf die folgenden beigefügte
Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische partielle Darstellung eines Mikrospitzenflachbildschirms
nach dem Stand der Technik,
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2 ist
eine schematische partielle Darstellung eines Mikrospitzenflachbildschirms
nach dem Stand der Technik,
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3 ist
eine partielle und perspektivische Ansicht einer ersten Variante
einer Mikrospitzenelektronenquelle nach der vorliegenden Erfindung,
-
4 ist
eine partielle und perspektivische Ansicht einer zweiten Variante
einer Mikrospitzenelektronenquelle nach der vorliegenden Erfindung,
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5A bis 5D sind
schematische Darstellungen eines Herstellungsverfahrens einer Mikrospitzenelektronenquelle
des in der 3 dargestellten Typs,
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6A bis 6E sind
schematische Darstellungen eines Herstellungsverfahrens einer Mikrospitzenelektronenquelle
des in der 4 dargestellten Typs,
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7 ist
eine Draufsicht einer ersten Mikrospitzenelektronenquelle für einen
Flachbildschirm nach der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ansicht
nur einen einem Pixel des Schirms entsprechenden Teil der Elektronenquelle
darstellt,
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8 ist
eine Draufsicht einer zweiten Mikrospitzenelektronenquelle für einen
Flachbildschirm nach der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ansicht
nur einen einem Pixel des Schirms entsprechenden Teil der Elektronenquelle
darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
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Die 3 ist
eine partielle Schnittansicht einer Mikrospitzenelektronenquelle
nach der Erfindung. Sie basiert auf einem Glasträger 40. Auf diesem
Glasträger 40 sind
sukzessive abgeschieden: eine erste Schicht 41, die kathodische
Verbindungseinrichtungen bildet, eine erste Isolierschicht 42 und eine
erste Leiterschicht 43. In die Schichten 42 und 43 sind
Löcher 44 geätzt, die
bis auf die erste Schicht 41 reichen. Im Innern der Löcher 44 sind
Elektronenemitter in Form von Mikrospitzen 45 ausgebildet, die
Kontakt haben mit der ersten Schicht 41. Die Emitter oder
Mikrospitzen 45 bilden fluchtende Reihen bzw. Zeilen. Bei
der Anwendung der Elektronenquelle als Kathode eines Flachfarbbildschirm
sind die Mikrospitzenreihen parallel zu den auf der Anode des Bildschirms
abgeschiedenen Leuchtstoffstreifen.
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Die
Leiterschicht 43 dient als Elektronenextraktionsgitter.
Sie ist mit einer Isolierschicht 46 (zweite Isolierschicht)
und einer Leiterschicht 47 (zweite Leiterschicht) überzogen.
In den Schichten 46 und 47 sind Schlitze 48 vorgesehen,
die bis auf das Extraktionsgitter 43 reichen. Die Achsen
der Schlitze 48 fallen zusammen mit den Achsen der durch
die Emitter- oder Mikrospitzen 45 gebildeten Reihen bzw.
Zeilen. Die Schlitze 48 können eine Breite von 8 bis
10 μm haben.
Die Teilung der Schlitze (entsprechend ihrer Hauptachse) und folglich
die Teilung der Emitterzeilen beträgt 10 bis 12 μm. Der Abstand
zwischen zwei Emittern einer selben Zeile beträgt 3 μm. Die durch die Erfindung vorgeschlagene
Lösung
ermöglicht also
eine Emitterdichte, die drei- bis viermal höher als in dem Fall ist, wo
die Fokussierung bei allen Emittern in jeder Richtung gleich stark
ist (Fall der 2).
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Die
in der 3 dargestellte Mikrospitzenelektronenquelle ist
generell dazu bestimmt, als. Kathode eines Flachbildschirms verwendet
zu werden. Dieser Flachbildschirm ist eine Vorrichtung, die gebildet
wird durch kathodische Struktur und eine gegenüberstehende anodische Struktur,
zwischen denen ein Vakuum herrscht.
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Der
Abstand, der das Extraktionsgitter 43 und das Fokussiergitter 47 trennt,
ist sehr klein. In bestimmten Anwendungsfällen könnte dies die Gefahr eines
Lichtbogens zwischen den beiden Gittern implizieren. Eine Lösung dieses
Problems ist in der 4 dargestellt, wo Elemente,
die Elemente der 3 entsprechen, dieselben Bezugszeichen
tragen. Im Falle der 4 sind die Schlitze 48 auf
das Fokussiergitter beschränkt.
Die Isolierschicht 46 weist Schlitze 49 auf, die
auf die entsprechenden Emitterzeilen zentriert sind und deren Breite
kleiner ist als die Breite der Schlitze 48. Als Variante
kann die Isolierschicht 46 Löcher aufweisen, die mit den
Löchern 44 konzentrisch
sind. Der Durchmesser dieser konzentrischen Löcher oder die Breite der Schlitze 49 kann
je nach Fall das Zwei- bis Dreifache des Durchmessers der Löcher 44 betragen.
Die Verlängerung der
Isolierschicht 46 gewährleistet
also einen besseren Schutz gegen Lichtbögen.
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Die
Elektronen, die durch die einem Schlitz des Fokussiergitters einer
erfindungsgemäßen Elektronenquelle
entsprechenden Mikrospitzen emittiert werden, werden in der zur
Achse des Schlitzes senkrechten Richtung fokussiert. Sie entfernen
sich nur sehr wenig von einer Ebene, die senkrecht ist zu der Quelle
und durch die Achse des Schlitzes verläuft. Die Einschläge dieser
Elektronen auf einer Ebene parallel zu der Kathode erfolgen also
innerhalb eines schmalen, zu der Achse des Schlitzes parallelen Streifens,
der aber etwas länger
ist als dieser.
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Die
in den 3 und 4 dargestellten Elektronenquellen
können
realisiert werden, indem man in der Mikroelektronik übliche und
gemäß dem Stand
der Technik angewendete Abscheidungs-, Fotolithographie- und Ätztechniken
benutzt. Die Simulationsberechnungen zeigen jedoch, dass die Fokussierqualität von der
Zentrierung des Fokussiergitters entsprechend der Achse der Emitter
abhängt
und dass dieser Parameter sehr sensibel ist. Die notwendige Genauigkeit
erfordert den Einsatz sehr leistungsstarker Geräte, die umso weniger angepasst bzw.
anpassbar sind, je größer die
herzustellenden Schirme sind.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird ein Verfahren zur Selbstausrichtung der Fokussiergitter vorgeschlagen.
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Ein
erstes Beispiel dieses Verfahrens ist in den 5A bis 5D dargestellt.
Es ermöglicht
die Herstellung einer Mikrospitzenelektronenquelle des in der 3 dargestellten
Typs.
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Die 5A zeigt
eine Glasplatte 50 mit geätzten Spalten 51 und
einer gleichmäßig abgeschiedenen
resistiven Schicht 52 mit einer ebenen Oberfläche. Auf
der resistiven Schicht 52 sind sukzessive eine erste Isolierschicht 53,
eine Leiterschicht 54 und eine zweite Isolierschicht 55 abgeschieden.
Die Dicke dieser verschiedenen Schichten ist an die gewünschte Struktur
angepasst. Die Isolierschichten 53 und 55 können aus
Siliciumdioxid sein. Die Leiterschicht 54, bestimmt zur
Ausbildung des Elektronenextraktionsgitters, kann aus Niobium sein.
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Anschließend ätzt man
mittels klassischer Fotolithographie- und Ätztechniken in die Isolierschicht 55 Löcher 56,
deren Mittelpunkte auf zueinander parallelen Geraden jeweils miteinander
fluchten. Die Löcher 56 reichen
bis auf die Leiterschicht 54. Der Abstand zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Löchern
einer selben Zeile beträgt
ungefähr
3 μm. Der
Abstand zwischen zwei benachbarten Zeilen beträgt ungefähr 10 bis 12 μm. Aus Gründen der Klarheit
ist in der 5A nur ein kleiner Teil einer
einzigen Löcherzeile
dargestellt.
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Der
nächste
Schritt (s. 5B) besteht darin, auf den freigelegten
Teilen der Leiterschicht 54, das heißt auf dem Grund der Löcher 56,
ein elektrolytisch leitfähiges
Material abzuscheiden (zum Beispiel eine Eisen-Nickel-Legierung).
Die Dicke der im Querschnitt pilzförmigen elektrolytischen Abscheidung
wird so angepasst, dass der Fuß des
Pilzes das Loch füllt
und sein Hut sich auf der Außen-
bzw. Oberfläche
der Isolierschicht 55 ausdehnt. Das Wachstum wird solange
fortgesetzt, bis der Durchmesser des Huts die gewünschte Breite
des Fokussiergitterschlitzes hat. Diese Breite beträgt ungefähr 10 μm. Die zusammengewachsenen
Pilze bilden eine halbzylinderförmige
Masse 57 mit einer Breite gleich der gewünschten
Breite des Schlitzes.
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Anschließend scheidet
man mittels einer an die Art des abzuscheidenden Materials angepasste Abscheidungstechnik
eine zweite Leiterschicht ab, um das Fokussiergitter auszubilden.
Diese zweite Leiterschicht (aus Metall oder aus einem anderen resistiven
Material) wird auf der Isolierschicht 55 abgeschieden,
zwischen den Massen 57, um die Abscheidung 58 zu
bilden, und auf den Massen 57, um die Abscheidung 59 zu
bilden, wie dargestellt in der 5B : Jede Masse 57 dient als Maske
für die Öffnung des
Fokussiergitters. Da die Achse jedes eine Masse bildenden Halbzylinders
die Linie bzw. Geraden schneidet, die die Mittelpunkte der Löcher verbindet,
ist die hergestellte Öffnung
automatisch auf diese Linie zentriert.
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Die
Massen 57 werden anschließend chemisch aufgelöst und man
erhält
die in der 5C dargestellte Struktur. Die
in dem Fokussiergitter 58 vorgesehenen Öffnungen 60 sind auf
die Achsen der Löcher 58 zentriert.
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Die
Metallschicht 54 wird anschließend anisotrop geätzt, durch
Löcher 56 hindurch,
um diese Löcher
bis auf die erste Isolierschicht 53 zu vertiefen. Die anisotrope Ätzung wird
in der Isolierschicht 53 fortgesetzt, bis die resistive
Schicht 52 erreicht ist. Da die Isolierschichten 53 und 55 in
dem beschriebenen Beispiel alle beide aus Siliciumoxid sind, können sie simultan
geätzt
werden. Man erhält,
wie die 5D zeigt, Löcher 61 und 64 (in
der Verlängerung
der Löcher 56 der 5C),
die jeweils die Leiterschicht 54 und die Isolierschicht 53 durchqueren.
Man erhält auch
eine schlitzförmige Öffnung 62 als
kontinuierliche Fortsetzung der Öffnung 60.
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Die
Mikrospitzen 63 werden anschließend auf klassische Weise realisiert,
auf dem Grund der Löcher 61.
Die Mikrospitzen, die Löcher
des Extraktionsgitters und die Schlitze des Fokussiergitters sind also
selbstausgerichtet.
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Ein
zweites Beispiel eines Selbstausrichtungsverfahrens ist in den 6A bis 6E dargestellt.
Es ermöglicht,
eine Mikrospitzenelektronenquelle des in der 4 dargestellten
Typs herzustellen.
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In
der 6A sind auf einer Glasplatte 70, wie
in dem ersten Beispiel des Verfahrens, Kathodenleiterspalten 71 und
eine resistive Schicht 72 abgeschieden. Auf der resistiven
Schicht 72 sind eine erste Isolierschicht 73,
eine Leiterschicht 74, eine zweite Isolierschicht 75 derselben
Art wie die erste Isolierschicht 73 und schließlich noch
eine Resistschicht 85 abgeschieden. Die Wahl der Schichtdicken
und der verwendeten Materialien kann derjenigen des ersten Beispiels
entsprechen.
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In
der Resistschicht 85, die als Maske für die Ätzung der Isolierschicht 75 und
der Leiterschicht 74 dient, werden Löcher 76 hergestellt.
Die Löcher 76 werden
vertieft, bis sie die erste Isolierschicht 73 erreichen.
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Anschließend ätzt man
chemisch die erste Isolierschicht 73, um die Löcher bis
zu der resistiven Schicht 72 zu verlängern. Mittels isotropischer Ätzung erhält man das
in der 6B dargestellte Ätzprofil
der Löcher 84.
Die zweite Isolierschicht 75, die von derselben Art ist
wie die erste Isolierschicht 73, wird identisch geätzt. Man
erhält
zwischen der Leiterschicht 74 und der Resistschicht 85 eine
Zunahme des Durchmessers der Löcher 76 in
Form von Hohlräumen 82.
Diese Durchmesserzunahme entspricht mindestens der doppelten Dicke
der ersten Isolierschicht 73.
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Die 6C zeigt
die nach der Beseitigung der Resistschicht erhaltene Struktur. Die
zweite Isolierschicht 75 enthält Löcher 82, koaxial sind
mit den Löchern 76 der
Leiterschicht 74 aber mit größerem Durchmesser. Diese Löcher 82 können isoliert
bzw. getrennt sein oder sich überschneiden
(wie dargestellt in der 6C), je
nach Dicke der ersten Isolierschicht 73 und Abstand der
Löcher 76 einer
selben Löcherzeile.
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Anschließend realisiert
man eine elektrolytische Abscheidung eines leitfähigen Materials, ausgehend
von der Leiterschicht 74. Der Abscheidungsschritt wird
so durchgeführt,
dass man halbzylinderförmige
Massen 77 erhält,
deren Durchmesser gleich der gewünschten
Breite des für
das Fokussiergitter vorgesehenen Schlitzes ist (zum Beispiel 10 μm). Dies
ist in der 6D dargestellt.
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Wie
in dem ersten Beispiel des Verfahrens scheidet man eine zweite Leiterschicht
ab, um das Fokussiergitter auszubilden. Man erhält die Abscheidung 78 zwischen
den Massen 77 und die Abscheidung 79 auf den Massen 77.
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Die
Massen 77 werden anschließend chemisch aufgelöst, um der
Struktur das in der 6E dargestellte Profil zu verleihen.
Die in dem Fokussiergitter 78 realisierten Öffnungen 80 sind
auf die Achsen der Löcher 76 zentriert.
Dieses Gitter 78 sitzt auf Isolierschicht 75,
die ihrerseits selbst eine Öffnung aufweist
(gebildet durch die Folge der benachbarten Löcher 82), die auf
Zeile der Löcher 76 zentriert
ist, wobei die Öffnung
in der zweiten Isolierschicht 75 weniger breit ist als
die des Fokussiergitters 78.
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Anschließend realisiert
man auf übliche
Weise die Mikrospitzen auf dem Grund der Löcher 84. Die Mikrospitzen,
die Löcher
des Extraktionsgitters und die Schlitze des Fokussiergitters sind
also selbstausgerichtet.
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Von
oben gesehen kann sich die Mikrospitzenelektronenquelle, die man
zum Beispiel nach dem ersten Beispiel des Selbstausrichtungsverfahrens
realisiert, so darstellen, wie in den 7 und 8 gezeigt.
Diese Figuren zeigen nur einen einem Bildschirmpixel entsprechenden
Teil der Elektronenquelle. Die Löcher 61 des
Extraktionsgitters, auf deren Grund sich die Elektronenemitter befinden,
sind in den Schlitzen 60 des Fokussiergitters 58 aneinandergereiht.
Diese Schlitze können
der Länge
des Pixels entsprechen, wie in der 7. Sie können auch in
mehrere Abschnitte unterteilt sein, wie dargestellt in der 8.