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Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter
Vertrag Nr. DABT63-93-C-0025,
vergeben von der Advances Research Projects Agency (ARPA) gemacht.
Die Regierung hat möglicherweise gewisse
Rechte an dieser Erfindung.
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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Feldemissionsvorrichtungen ("FEDs"). Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung großflächige FED-Strukturen
und das Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen.
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Stand der Technik, mit
dem die Erfindung zu tun hat
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In der Computerwelt und anderswo
ist die vorherrschende Technologie zum Aufbau von Flachbildschirmen
gegenwärtig
die Technologie der Flüssigkristallanzeige
("LED"), und die aktuelle
Referenzmarke ist Aktivmatrix-LEDs ("AMLCDs"). Die Nachteile der unter Verwendung
der AMLCD-Technologie aufgebauten Flachbildschirme sind die Kosten,
der Stromverbrauch, der Sichtwinkel, Nachziehen von schnellen bewegten
Videobildern, Betriebstemperaturbereich und die Umweltbelange der
Verwendung von Quecksilberdampf in der AMLCD-Hintergrundbeleuchtung.
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Eine konkurrierende Technologie ist
die Technologie der Kathodenstrahlröhre ("CRT").
Auf diesem Technologiegebiet hat es in den letzten 40 Jahren viele
Versuche gegeben, eine praktisch flache CRT zu entwickeln. Bei der
Entwicklung von flachen CRTs bestand der Wunsch, die durch den Kathodoluminiszenzprozess
gegebenen Vorteile für
die Erzeugung von Licht zu nutzen. Der Punkt des Misserfolgs bei
der Entwicklung von flachen CRTs lag bei der Kompliziertheit der
Entwicklung einer praktischen Elektronenquelle und mechanischen
Struktur.
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In den letzten Jahren wurde die FED-Technologie
als Technologie für
die Entwicklung von Flachbildschirmen mit niedrigem Stromverbrauch
favorisiert. Die FED-Technologie hat den Vorteil, eine Anordnung
von Kaltkathodenemittern und Kathodoluminiszenzphosphoren für die wirksame
Umwandlung der Energie eines Elektronenstrahls in sichtbares Licht
zu verwenden. Der Wunsch, die FED-Technologie für die Entwicklung von Flachbildschirmen
zu verwenden, basiert zum Teil darauf, dass es für die Herstellung von Flachbildschirmen
sehr förderlich
ist, dass sie hohe Leistung, niedrigen Stromverbrauch und geringes
Gewicht haben. Einige der besonderen neueren Fortschritte in Verbindung
mit der FED-Technologie, die sie zu einer existenzfähigen Alternative
für Flachbildschirme
gemacht haben, sind großflächige 1-μm-Lithografie,
Verarbeitungsfähigkeit
von großflächigen Dünnfilmen,
hohe Spitzendichte für
die elektronenemittierenden Mikropunkte, eine seitliche Widerstandsschicht,
neue Typen von Emitterstrukturen und -materialien und Niederspannungsphosphore.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein repräsentativer Querschnitt einer
FED nach dem Stand der Technik allgemein bei 100 gezeigt.
Bekanntermaßen
arbeitet die FED-Technologie nach dem Prinzip, dass Kathodoluminiszenzphosphore
durch Kaltkathoden-Feldemissionselektroden
angeregt werden. Die allgemeine Struktur einer FED umfasst ein Siliziumsubstrat
oder eine Grundplatte 102, auf der eine dünne leitfähige Struktur
angeordnet wird. Die Silizium-Grundplatte 102 kann eine
Einkristall-Siliziumschicht sein.
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Die dünne leitfähige Struktur kann aus dotiertem
polykristallinen Silizium ausgebildet werden, das auf eine konventionelle
Weise auf der Grundplatte 102 abgeschieden wird. Diese
dünne leitfähige Struktur
dient als die Emitterelektrode. Die dünne leitfähige Struktur wird gewöhnlich in
Streifen, die elektrisch verbunden sind, auf der Grundplatte 102 abgeschieden.
In 1 ist ein Querschnitt
von Streifen 104, 106 und 108 gezeigt.
Die Anzahl der Streifen für eine
bestimmte Vorrichtung hängt
von der Größe und dem
gewünschten
Betrieb der FED ab.
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An vorbestimmten Stellen auf den
jeweiligen Emitterelektrodenstreifen sind voneinander beabstandete
Muster aus Mikropunkten ausgebildet. In 1 ist ein Mikropunkt 110 auf
dem Streifen 104 gezeigt, sind Mikropunkte 112, 114, 116 und 118 auf dem
Streifen 106 gezeigt und ist ein Mikropunkt 120 auf
dem Streifen 108 gezeigt. In Bezug auf die Muster aus Mikropunkten
auf dem Streifen 106 kann ein Viereckmuster aus 16 Mikropunkten,
die die Mikropunkte 112, 114, 116 und 118 umfassen,
an diesem Ort angeordnet sein. Selbstverständlich kann sich an jeder einzelnen
Stelle ein Mikropunkt oder ein Muster aus mehr als einem Mikropunkt
befinden. Die Mikropunkte können
außerdem
willkürlich
und nicht in irgendeinem bestimmten Muster angeordnet sein.
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Vorzugsweise ähnelt jeder Mikropunkt einem umgekehrten
Kegel. Das Herstellen und Zuspitzen jedes Mikropunkts wird auf eine
konventionelle Weise durchgeführt.
Die Mikropunkte können
aus einer Anzahl von Materialien aufgebaut werden, wie zum Beispiel
Silizium oder Molybdän.
Und um die optimale Leistung der Mikropunkte sicherzustellen, können die
Spitzen der Mikropunkte mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit
beschichtet oder behandelt werden.
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Alternativ können das Struktursubstrat,
die Emitterelektrode und die Mikropunkte auf die folgende Weise
ausgebildet werden. Das Einkristall-Siliziumsubstrat kann aus einem
P-leitenden oder N-leitenden Material hergestellt werden. Das Substrat kann
dann durch konventionelle Verfahren behandelt werden, um eine Reihe
von langgestreckten, parallel verlaufenden Streifen im Substrat
auszubilden. Die Streifen sind tatsächlich Wannen vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp
wie das Substrat. Wenn daher das Substrat P-leitend ist, werden
die Wannen N-leitend, und umgekehrt. Die Wannen sind elektrisch
verbunden und bilden die Emitterelektrode für die FED aus. Jede Leitfähigkeitswanne
hat eine vorbestimmte Breite und Tiefe (die in das Substrat zu treiben
ist). Die Anzahl und der Abstand der Streifen werden entsprechend
der gewünschten
Größe der auf
dem Substrat auszubildenden Feldemissionskathodenstellen festgelegt.
Die Wannen sind Stellen, über
denen die Mikropunkte ausgebildet werden. Ganz gleich, welches der
zwei Verfahren zur Herstellung der Streifen verwendet wird, dienen
die resultierenden parallelen leitfähigen Streifen als die Emitterelektrode
und bilden die Spalten der Matrixstruktur aus.
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Nach Anwendung eines der beiden Verfahren
zur Herstellung der Emitterelektrode wird eine isolierende Schicht 122 auf
den Emitterelektrodenstreifen 104, 106 und 108 und
den an vorbestimmten Stellen auf den Streifen befindlichen Muster-Mikropunkten
abgeschieden. Die isolierende Schicht kann aus einem dielektrischen
Material wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2)
hergestellt werden.
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Über
der isolierenden Schicht 122 wird eine leitfähige Schicht
angeordnet. Diese leitfähige Schicht
bildet eine Extraktionsstruktur 132 aus. Die Extraktionsstruktur 132 ist
eine Niederpotentialelektrode, die verwendet wird, um Elektronen
aus den Mikropunkten zu extrahieren. Die Extraktionsstruktur 132 kann
aus Chrom, Molybdän,
dotiertem Polysilizium, amorphem Silizium oder Silizid-Polysilizium
hergestellt werden. Die Extraktions struktur 132 kann als eine
zusammenhängende
Schicht oder als parallele Streifen ausgebildet werden. Wenn parallele
Streifen die Extraktionsstruktur 132 ausbilden, wird sie
als Extraktionsgitter bezeichnet, und die Streifen werden senkrecht
zu den Emitterelektrodenstreifen 104, 106 und 108 angeordnet.
Die Streifen, wenn zur Herstellung der Extraktionsstruktur 132 verwendet,
sind die Zeilen der Matrixstruktur. Ob nun eine zusammenhängende Schicht
oder Streifen verwendet werden, sobald eines davon auf der isolierenden
Schicht angeordnet ist, werden sie durch konventionelle Verfahren
passend geätzt,
so dass sie die Mikropunkte in einem Abstand umgeben.
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An jedem Schnittpunkt der Extraktions-
und Emitterelektrodenstreifen oder an gewünschten Orten entlang der Emitterelektrodenstreifen
werden ein Mikropunkt oder Muster aus Mikropunkten auf dem Emitterstreifen
angeordnet, wenn eine zusammenhängende
Extraktionsstruktur verwendet wird. Jeder Mikropunkt oder jedes
Muster aus Mikropunkten soll ein Pixel auf den Bildschirm beleuchten.
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Sobald der untere Teil der FED nach
einem der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist, wird eine
Frontplatte 140 in einem vorbestimmten Abstand über der
Oberseite der Extraktionsstruktur 132 befestigt. Typischerweise
ist dieser Abstand einige hundert μm. Dieser Abstand kann durch
Abstandsstücke
aufrechterhalten werden, die durch konventionelle Verfahren ausgebildet
werden und die folgenden Merkmale haben: (1) nichtleitend oder hochohmisch,
um einen elektrischen Durchschlag zwischen der Anode (an der Frontplatte 140)
und der Kathode (an den Emitterelektroden 104, 106 und 108)
zu verhindern, (2) mechanisch fest und schwer zu verformen, (3)
unter Elektronenbombardement stabil (niedrige Sekundäremissionsrate),
(4) widerstandsfähig gegen
die hohen Ausglühtemperaturen
in der Größenordnung
von 500°C,
und (5) klein genug, um den Betrieb der FED nicht zu stören. Repräsentative
Abstandsstücke 136 und 138 sind
in 1 gezeigt.
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Die Frontplatte 140 ist
ein Kathodoluminiszenzschirm, der aus Klarglas oder einem anderen geeigneten
Material aufgebaut ist. Auf der Oberfläche des Glases gegenüber der
Extraktionsstruktur wird ein leitfähiges Material wie z. B. Indiumzinnoxid ("ITO") angeordnet. Die
ITO-Schicht 142 dient als die Anode der FED. In einem Bereich 134 zwischen
der Frontplatte 140 und der Grundplatte 102 wird
ein Hochvakuum aufrechterhalten.
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Auf der Oberfläche der ITO-Schicht 142 gegenüber der
Extraktionsstruktur 132 wird eine Schwarzmatrix 149 angeordnet.
Die Schwarzmatrix 149 grenzt die getrennten Pixelbereiche
für den
Bildschirm der FED ab. In den entsprechenden durch die Schwarzmatrix 149 abgegrenzten
Bereichen wird Phosphormaterial auf der ITO-Schicht 142 angeordnet.
Repräsentative
Phosphormaterialbereiche, die Pixel abgrenzen, sind bei 144, 146 und 148 gezeigt. Die
Pixel 144, 146 und 148 werden auf die Öffnungen in
der Extraktionsstruktur 132 ausgerichtet, so dass ein Mikropunkt
oder eine Gruppe von Mikropunkten, das bzw. die Phosphormaterial
anregen soll, auf jenes Pixel ausgerichtet ist. Ein geeignetes Material
für das
Phosphormaterial ist Zinkoxid, da es durch niederenergetische Elektronen
angeregt werden kann.
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Ein FED hat eine oder mehrere Spannungsquellen,
die die Emitterelektrodenstreifen 104, 106 und 108,
die Extraktionsstruktur 132 und die ITO-Schicht 142 für richtigen
Betrieb der FED auf drei verschiedenen Potentialen halten. Die Emitterelektrodenstreifen 104, 106 und 108 sind
auf dem Potential "–", die Extraktionsstruktur 132 ist
auf dem Potential "+", und die ITO-Schicht 142 ist
auf "++". Wenn so eine elektrische
Beziehung verwendet wird, zieht die Extraktionsstruktur 132 einen
Elektronenemissionsstrom aus den Mikropunkten 110, 112, 114, 116, 118 und 120,
und danach zieht die ITO-Schicht 142 die freigewordenen
Elektronen an.
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Die von den Spitzen der Mikropunkte
ausgehenden Elektronenemissionsströme fächern sich von ihren jeweiligen
Spitzen aus kegelförmig
auf. Einige der Elektronen treffen die Phosphorbereiche unter 90° zur Grundplatte,
während
andere sie unter verschiedenen spitzen Winkeln treffen.
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Die Grundstruktur der gerade allgemein
beschriebenen FED umfasst im Allgemeinen keine Abstandsstücke, wenn
die diagonale Bildschirmgröße unter
5 Inch (d. h., 12,5 cm) liegt. Wenn die Bildschirmgröße größer als
5 Inch (d. h., 12,5 cm) ist, werden Abstandsstücke benötigt, um die korrekte Trennung
zwischen der Emitterelektrode und der Frontplatte unter der Kraft
des Atmosphärendrucks auf
die FED aufrechtzuerhalten. Wenn die FED-Vorrichtung größer wird,
wird die Notwendigkeit von Abstandsstücken größer, damit diese Trennung korrekt aufrechterhalten
wird. Eine Alternative zur Verwendung von Abstandsstücken ist
die Verwendung von dickem Glas. Dieses dicke Glas ist jedoch sehr schwer
und kostspielig.
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Bei der Herstellung von kleinflächigen FED-Strukturen
mit diagonalen Bildschirmgrößen von
1 bis 5 Inch (d. h., 2,5 cm bis 12,5 cm) hat man wenig Schwierigkeiten,
wesentliche Gleichförmigkeit der
Dicke der isolierenden und leitfähigen
Schichten zu erreichen, die auf dem Substrat angeordnet sind, oder
bei der Herstellung von im wesentlichen gleichförmigen Mikropunkten auf der
Emitterelektrode in Öffnungen
in den isolierenden und leitfähigen Schichten.
Für so
eine Herstellung hat man konventionelle Abscheide- und Ätztechniken
verwendet. Dies galt im Allgemeinen auch in Bezug auf FEDs mit diagonalen
Bildschirmgrößen bis
zu ungefähr
8 Inch (d. h., 20 cm). Wenn jedoch die diagonalen Bildschirmgrößen von
FEDs größer als
ungefähr
8 Inch (d. h., 20 cm} werden, gab es beträchtliche Schwierigkeiten, durch
das Spindt-Verfahren, das weiter unten erörtert wird, gleichförmige Mikropunkte
auszubilden.
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Es gibt mannigfache Gründe, weshalb
die obigen Schwierigkeiten und Probleme existieren, und die gewünschten
Gestaltungsziele wurden für
großflächige FEDs
nicht erreicht. Die Hauptgründe
sind, dass die Herstellungstechniken, die die Herstellung von kleinflächigen FEDs
erlauben, jämmerlich
versagen, wenn eine große
Anzahl von Öffnungen
geätzt und
auf Mikropunkte ausgerichtet werden muss, und wenn eine große Anzahl
von Mikropunkten auszubilden ist. Ein anderer Grund ist, dass die
Mikropunkte nicht so ausgebildet werden, dass sie die richtigen
Eigenschaften haben, die nötig
sind, damit Qualitätsbilder
mit hoher Auflösung
bei großflächigen FEDs
erzeugt werden können.
Ein weiterer Grund sind die hohen Herstellungskosten bei Verwendung
von gegenwärtiger
Technologie. Und noch ein Grund ist die unpassende Struktur und
Anordnung von Abstandsstücken
bei großflächigen FEDs.
Diese Probleme gibt es unabhängig
davon, ob eine großflächige FED einfarbig
ist, 256 Graustufen hat oder farbig ist.
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Versuche, eine untere FED-Struktur
(die das Substrat, isolierende und leitfähige Schichten und Mikropunkte
umfasst), mit der erforderlichen Gleichförmigkeit der Struktur und Leistung
herzustellen, stützen
sich auf eine Anzahl von bekannten Verfahren. Das für das Beste
gehaltene Verfahren ist das Spindt-Verfahren, das Mitte der 1960er
Jahre entwickelt wurde. Es wurde versucht, dieses Verfahren zur Herstellung
von großflächigen FEDs
zu verwenden, zur Herstellung von Mikropunktstrukturen zur Erzeugung
von Qualitätsbildern
mit hoher Auflösung.
Dieses Verfahren verwendet ein gerichtetes Molybdänverdampfungsverfahren,
das Abscheidung eines dünnen
Moybdänfilms
auf der Oberfläche
der leitfähigen
Schicht, die sich über
der isolierenden Schicht befindet, erfordert. Vorzugsweise hat dieser
Film eine Dicke, die größer als
der Durchmesser der Öffnungen
in den leitfähigen
und isolierenden Schichten ist. In Übereinstimmung mit dem Molybdänverfahren werden
die Öffnungen
in den leitfähigen
und isolierenden Schichten mit dem Molybdän verschlossen, und danach
werden aus dem abgeschiedenen Molybdän die Mikropunkte in den Öffnungen
ausgebildet. Das heißt,
die Mikropunkte werden ausgebildet, indem durch konventionelle Bearbeitungsschritte
unerwünschtes
Molybdänmaterial
von der Oberfläche der
leitfähigen
Schicht und innerhalb der Höhlung entfernt
wird. Dies lässt
hoffentlich im wesentlichen gleichförmige Molybdänkegel auf
dem Substrat zurück,
die auf die Öffnungen
in den leitfähigen
und isolierenden Schichten ausgerichtet sind. Das ganze Verfahren
hängt jedoch
von der Gleichförmigkeit
der abgeschiedenen Dünnfilmschicht
und der Genauigkeit des Ätzverfahrens
ab. Nach Lage der Dinge ist dieses Verfahren zwar für kleinflächige FEDs
geeignet, aber völlig
ungeeignet für
großflächige FEDs, wegen
mangelnder Gleichförmigkeit
bei der Herstellung von Mikropunkten auf der großen Fläche und des hohen Prozentsatzes
von Fehlausrichtungen.
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Wenn die diagonale Bildschirmgröße von FEDs
größer als
10 Inch (d. h., 25 cm) wird, gibt es bei der gegenwärtigen Technologie
verschiedene Probleme, FEDs mit Qualitätsbildern mit hoher Auflösung zu
erzeugen. Außerdem
gibt es Probleme, die Widerstand/ Kondensator("RC")-Zeiten
zu überwinden,
damit die großflächigen FEDs
wirksam arbeiten. Dies liegt daran, dass es eine relativ lange Zeit
dauert, den durch die Emitterelektrode und die Extraktionsstruktur
ausgebildeten großen
Kondensator zu laden.
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Ein weiteres Problem bei der gegenwärtigen Technologie
sind die Abstandsstücke,
die für
großflächige FEDs
zu verwenden sind. Wenn die Bildschirme größer als 10 Inch (d. h., 25
cm) werden, kann es Schwierigkeiten geben, den richtigen Abstand
zwischen der Frontplatte und der Emitterelektrode aufrechtzuerhalten.
Um dieses Problem zu überwinden, wünscht man
die Frontplatte und die Emitterelektrode weiter weg voneinander
anzuordnen und dann größere Anodenspannungen
im Bereich von 2 bis 6 kV statt der niedrigeren Spannungen zu verwenden. Bei
solchen Vorrichtungen verwendet man Abstandsstücke mit großem Durchmesser, um den Abstand aufrechtzuerhalten.
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Eine Alterative war, die Verwendung
von Klarglaskugeln zu erwägen.
Dies sollte die Verwendung von niedrigeren Anodenspannungen und
kleineren Abständen
zwischen der Frontplatte und Emitterelektrode ermöglichen.
Die Verwendung dieser Kugeln hat jedoch eine nachteilige Wirkung
auf die Auflösung
der FED, wegen des Basis-zu-Höhe-Verhältnisses
der Glaskugeln. Werden große
Glaskugeln verwendet, so berühren
einige der von den Mikropunkten emittierten Elektronen die Kugeln
und nicht die Phosphorpixelelemente. Dies bedeutet, dass eine Anzahl
von Elektronen nicht zur Erzeugung des Teils des Bildes verwendet
werden, das sie erzeugen sollen. Die Verwendung von Glaskugeln begrenzt
außerdem
den Betrag der Anodenspannung, der verwendet werden kann. Weiterhin,
werden Glaskugeln verwendet und werden niedrige Anodenspannungen
angelegt, steigt der Stromverbrauch der FED drastisch, was höchst unerwünscht ist.
Andererseits, werden hohe Anodenspannungen verwendet, wenn Glaskugeln
vorhanden sind, schlagen die Kugeln durch.
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Ein weiteres vorgeschlagenes Abstandsstück zur Verwendung
bei großflächigen FEDs
waren lange papierdünne
Abstandsstücke.
Die Abstandsstücke
waren 250 bis 500 μm
hoch und 30 bis 50 μm dick.
Solche Abstandsstücke
würden
entlang der gesamten Länge
der schmalsten Seiten der FED verlaufen. Diese Abstandsstücke bestehen
aus Keramikstreifen und sind ziemlich schwach. Wie man leicht erkennt,
je größer die
diagonale Größe des Bildschirms
der FED, desto weniger wahrscheinlich können die Keramikstreifen-Abstandsstücke zur Montage
und Ausrichtung der Emitterelektrode und Frontplatte oder zur Aufrechterhaltung
der Trennung der Anode und Kathode unter Hochvakuum verwendet werden.
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Es besteht der Wunsch nach einer
Struktur, mit der die großflächigen FEDs
wirksam arbeiten können.
Die großflächigen FEDs,
die mit so einer Struktur aufgebaut werden sollen, sind jene mit
einer diagonalen Bildschirmgröße von 10
Inch (d. h., 25 cm) oder größer.
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Die WO 88/01098 A1 offenbart einen
Flachbildschirm, der Kathoden vom Feldemissionstyp in Form von Mikropunkten
verwendet. Die Kathoden sind in ein Substrat eingebaut und regen
entsprechende Anodenpixelbereiche auf einer Frontplatte an, die
mittels Abstandsstücken
von der Kathodenanordnung beabstandet ist.
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Die WO 97/24645 A1 offenbart eine
Feldemissionstriode mit einer gleichförmigen Anordnung von säulenförmigen Abstandsstücken, die
auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen sind, um die Frontplatte
von den Feldemittern zu trennen. Auf dem Substrat ist eine zweite
gleichförmige
Anordnung von Epitaxial-Abstandsstücken ausgebildet, die kleinere Durchmesser
und Höhen
als die ersten Abstandsstücke
haben, um die Extraktionsstruktur von den Feldemittern zu trennen.
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Die
EP 0496 450 A1 offenbart eine Anzeigevorrichtung
mit zwei Substraten, die durch Abstandsstücke getrennt sind, die unterschiedliche
Querschnittsmuster haben, betrachtet auf unterschiedlichen Höhen der
Abstandsstücke.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist in
den unabhängigen
Ansprüchen
angegeben. Die bevorzugten Ausführungsform
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung ist eine
großflächige FED
und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die großflächigen FEDs der vorliegenden
Erfindung sind jene mit einer diagonalen Bildschirmgröße von 25
cm (10 Inch) oder größer.
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Die großflächige FED der vorliegenden
Erfindung enthält
ein Substrat, in dem eine Emitterelektrode ausgebildet ist. Die
Emitterelektrode besteht aus einer Anzahl von voneinander beabstandeten,
parallelen Elementen, die elektrisch verbunden sind. Die Elemente,
die die Emitterelektrode ausbilden, erstrecken sich in einer Richtung
quer über
die großflächige FED.
Die Breite, Anzahl und Abstände
der parallelen, voneinander beabstandeten Elemente sind durch die
Notwendigkeiten der FED bestimmt.
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An vorbestimmten Orten auf der Emitterelektrode, über denen
sich Pixel befinden sollen, sind ein oder mehrere Mikropunkte ausgebildet.
Diese Mikropunkte haben eine Höhe
im Bereich von 1 μm.
Diese Mikropunkte werden durch Ätzen
ausgebildet. Mindestens die Spitzen der Mikropunkte sind mit einem Material
mit niedriger Austrittsarbeit beschichtet, auf eine Weise, die die
Leistung der großflächigen FED beträchtlich
verbessert. Bei großflächigen FEDs
gibt es im Allgemeinen an jedem Ort ein Muster aus Mikropunkten.
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Das Material mit niedriger Austrittsarbeit,
das durch Abscheidung, Implantation oder ein anderes geeignetes
Verfahren auf die Mikropunkte aufgebracht wird, erniedrigt die Betriebsspannung
und senkt den Stromverbrauch der großflächigen FED. Selbstverständlich können die
Mikropunkte in einem von mannigfachen Schritten im Herstellungsverfahren
beschichtet werden. Zum Beispiel können die Mikropunkte nach Fertigstellung
der Kathode durch ein geeignetes Verfahren wie z. B. Ionenimplantation oder
Abscheidung aufgetragen werden.
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Das Material mit niedriger Austrittsarbeit führt außerdem zu
gleichförmigerer
Leistung unter den Mikropunkten quer über die gesamte großflächige FED.
Cermet (Cr3Si + SiO2),
Cäsium,
Rubidium, Tantalnitrid, Barium, Chromsilizid, Titankarbid und Niob
sind Materialien mit niedriger Austrittsarbeit, die verwendet werden
können.
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Die auf die Emitterelektrode aufgetragenen Mikropunkte
werden mit einer isolierenden Schicht und einer leitfähigen Schicht
bedeckt. Diese beiden Schichten haben zusammen eine größere Höhe als der
größte Mikropunkt.
Dieser untere Teil der großflächigen FED
wird dann einem CMP-Verfahren unterzogen, um die durch die Mikropunkte
und flachen Schultern der Oberfläche
der leitfähigen
Schicht erzeugte Topologie zu polieren. Nach dem Polieren werden
die leitfähigen
und isolierenden Schichten chemisch nassgeätzt, um Teile der leitfähigen und isolierenden
Schichten zu entfernen, um die Mikropunkte bloßzulegen. Das beabsichtigte
chemische Nassätzen
ist ein sehr kontrollierbares Verfahren, das die gewünschten
Ergebnisse hinsichtlich der Öffnungen
in den isolierenden und leitfähigen
Schichten gewährleistet.
Sobald daher das chemische Nassätzen
beendet ist, sind die Öffnungen
in den leitfähigen und
isolierenden Schichten auf die Mikropunkte selbstausgerichtet. Das
Verfahren erlaubt es außerdem,
die Mikropunkte so auf dem Substrat auszubilden, dass sie nach dem
Bloßlegen
ihre Form und Schärfe
behalten, da das Verfahren keinen Teil der Mikropunkte ätzt, wenn
sie bloßgelegt
werden.
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Im Abstand über der Extraktionsstruktur
befindet sich eine Frontplatte. Die Frontplatte ist ein Kathodoluminiszenzschirm,
der durchsichtig ist. Die Frontplatte kann das Licht von Kathodoluminiszenzphotonen
durchlassen, die der Betrachter sieht.
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Auf der Unterseite der Frontplatte
ist eine ITO-Schicht angeordnet. Die ITO-Schicht ist elektrisch
leitfähig.
Die ITO-Schicht ist für
das Licht von den Kathodoluminiszenzphotonen durchsichtig und dient
als Anode für
die FED.
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Auf der Unterseite der Oberfläche der ITO-Schicht
sind Pixelbereiche ausgebildet. Zu jedem Pixel gehört ein Muster
aus Mikropunkten Die Pixelbereiche enthalten ein Phosphormaterial,
das in einem gewünschten
Muster darauf abgeschieden ist. Im Betrieb können die Phosphormaterialien
durch niederenergetische Elektronen angeregt werden.
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Die Pixel sind durch eine Schwarzmatrix
unterteilt. Die Schwarzmatrix besteht aus einem Material, das lichtundurchlässig ist
und durch Elektronenbombardement nicht beeinflusst wird.
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Die Frontplatte ist um einen vorbestimmten Abstand
von dem Substrat beabstandet. Der Abstand wird durch Abstandsstücke aufrechterhalten. Vorzugsweise
steht der Bereich zwischen der Frontplatte und dem Substrat unter
Hochvakuum. Die Abstandsstücke
haben dann unterschiedliche Höhen,
je nach ihrer Nähe
zu den Rändern
oder dem Zentralbereich der großflächigen FED.
Diese Mischung aus Abstandsstücken
hilft angesichts des Hochvakuums innerhalb der FED einen im wesentlichen
gleichförmigen
Abstand zwischen der Frontplatte und dem Substrat aufrechtzuerhalten.
Die Abstandsstücke sind
außerdem
in Mustern angeordnet, die die großflächige FED tatsächlich in
Abschnitte unterteilen. Weiterhin haben die Abstandsstücke mannigfache Querschnittsformen,
die beim richtigen Aufrechterhalten des Abstands zwischen der Frontplatte
und dem Substrat unter dem Hochvakuum innerhalb der großflächigen FED
helfen.
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Mit dem Vorhergehenden umfasst die
vorliegende Erfindung für
großflächige FEDs
(1) die Verwendung des CMP-Verfahrens, um Gleichförmigkeit in
der über
dem Substrat und der isolierenden Schicht angeordneten leitfähigen Schicht
zu erzielen, (2) die richtige Verwendung von Abstandsstücken, um
eine erwünschte
Gleichförmigkeit
im Abstand zwischen der leitfähigen
Schicht und der Anode aufrechtzuerhalten (was beim Erzielen von
hoher Auflösung
hilft), (3) sicherzustellen, dass die Mikropunkte eine Beschichtung
oder Implantation mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit
haben, und (4), dass die Verbindungsleitungen der FED niedrigen
Widerstand und niedrige Kapazität
haben sollten.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine großflächige FED-Struktur
bereitzustellen, die Qualitätsbilder
mit hoher Auflösung
erzeugt.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine großflächige FED
bereitzustellen, die bei einer relativ niedrigen Anodenspannung
arbeitet und niedrigen Stromverbrauch hat.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine großflächige FED
bereitzustellen, die Abscheidung, ein chemisch-mechanisches Polierverfahren
("CMP") und chemisches
Nassätzen
für die
Erzeugung der selbstausrichtenden Öffnungen in den leitfähigen und
isolierenden Schichten, die jeden Mikropunkt umgeben, verwendet.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, den niedrigsten Widerstand und die niedrigste
Kapazität
in den Kathodenadressenleitungen aufrechtzuerhalten.
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Noch eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine großflächige FED
bereitzustellen, die Abstandsstücke
mit unterschiedlichen Höhen
und Querschnittsformen verwendet, um einen im wesentlichen gleichförmigen Abstand
zwischen der Frontplatte und dem Substrat aufrechtzuerhalten, wenn
innerhalb der großflächigen FED
ein Hochvakuum herrscht.
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Diese und andere Aufgaben werden
im Rest der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im
Detail angesprochen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Teilquerschnitt einer FED nach dem Stand der Technik.
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2 ist
eine Teilperspektivansicht von oben auf einen Teil einer großflächigen FED
mit einem weggeschnittenen Teil gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Teilquerschnittsansicht des in 2 gezeigten
Teils der großflächigen FED.
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4A ist
eine Seiten- und Querschnittsansicht eines "+"-förmigen Abstandsstücks.
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4B ist
eine Seiten- und Querschnittsansicht eines "L"-förmigen Abstandsstücks.
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4C ist
eine Seiten- und Querschnittsansicht eines viereckförmigen Abstandsstücks.
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4D ist
eine Seiten- und Querschnittsansicht eines "I-Profil"-förmigen
Abstandsstücks.
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5A zeigt
einen ersten Schritt bei der Abscheidung, dem CMP-Verfahren und
dem chemischen Nassätzverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5B zeigt
einen zweiten Schritt bei der Abscheidung, dem CMP-Verfahren und
dem chemischen Nassätzverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5C zeigt
einen dritten Schritt bei der Abscheidung, dem CMP-Verfahren und
dem chemischen Nassätzverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5D zeigt
einen vierten Schritt bei der Abscheidung, dem CMP-Verfahren und
dem chemischen Nassätzverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung ist eine
großflächige FED,
die eine diagonale Bildschirmgröße von mehr
als 10 Inch (d. h., 25 cm) hat. Die vorliegende Erfindung umfasst
außerdem
das Verfahren zur Herstellung der großflächigen FEDs mit einer diagonalen Bildschirmgröße von mehr
als 10 Inch (d. h., 25 cm).
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Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Teil einer großflächigen FED
der vorliegenden Erfindung allgemein bei 200 gezeigt. Der
in 2 gezeigte Teil befindet
sich in der Nähe
des Zentrums der großflächigen FED.
Wie in 2 gezeigt, weist
ein Substrat 202 eine darin oder darauf ausgebildete Emitterelektrode 204 auf.
Die Emitterelektrode 204 besteht allgemein aus einer Anzahl
von voneinander beabstandeten, parallelen Elementen, die elektrisch
verbunden sind. Besonders nützlich
ist es, die Emitterelektrode in Form von Streifen auszubilden, bei
der Fläche,
die die Emitterelektrode bei einer großflächigen FED wie z. B. der in 2 gezeigten bedecken muss.
Die Breite, Anzahl und Abstände
der parallelen, voneinander beabstandeten Elemente werden durch
die Notwendigkeiten der FED bestimmt, z. B. Auflösung oder diagonale Bildschirmgröße.
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Vorzugsweise weist das Substrat 202 eine darüber angeordnete
Emitterelektrode 204 auf. Die Emitterelektrode 204 ist
der Kathodenleiter der FED der vorliegenden Erfindung. Die Verwendung
von parallelen, voneinander beabstandeten Elektroden ist eher vorzuziehen
als eine zusammenhängende Emitterelektrode,
die das gesamte Substrat bedecken würde, da die Verwendung der
Elemente oder Streifen die RC-Zeiten für die großflächige FED der vorliegenden
Erfindung vermindert. Das Substrat kann eine einzelne Struktur sein,
oder es kann aus einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Abschnitten
bestehen. Beide Substratausführungsformen
können
zur Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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An vorbestimmten Orten auf der Emitterelektrode 204, über denen
sich Pixel befinden sollen, sind ein oder mehrere Mikropunkte auf
der Emitterelektrode 204 ausgebildet. Diese Mikropunkte
werden so auf der Emitterelektrode 204 ausgebildet und
bearbeitet, dass jeder für
verbesserten Betrieb eine Beschichtung aus einem Material mit niedriger
Austrittsarbeit aufweist. Die vorliegende Ausführungsform verwendet zwar Lithografie,
um die Mikropunkte auszubilden, selbstverständlich können aber auch andere Verfahren
verwendet werden, um die Mikropunkte auszubilden, wie z. B. ein
Zufalls-Spitzenformungsverfahren, z. B. Mikropunkte oder Perlen,
und noch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Die Mikropunkte, die auf die Emitterelektrodenelemente
gelegt werden, sind große
Mikropunkte, die eine Höhe
im Bereich von 1 μm
haben. Vorzugsweise werden diese großen Mikropunkte durch ein konventionelles Ätzverfahren
ausgebildet, und danach wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Beschichtung aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit
auf die Mikropunkte gelegt. Im Anschluss daran wird das Substrat
mit den Emitterelektrodenelementen und beschichteten Mikropunkten
darauf einer Verarbeitung in Übereinstimmung
mit einer Abscheidung, einem CMP-Verfahren und einem chemischen
Nassätzverfahren
der vorliegenden Erfindung unterzogen. Dieses Verfahren erlaubt
es, dass die auf den Emitterelektrodenelementen ausgebildeten Mikropunkte
ihre Form und Schärfe
behalten und im Betrieb der großflächigen FED
der vorliegenden Erfindung verbesserte Leistung haben. Selbstverständlich können die
Mikropunkte in einem von mannigfachen Schritten im Herstellungsverfahren
beschichtet werden. Zum Beispiel können die Mikropunkte nach Fertigstellung
der Kathode durch ein geeignetes Verfahren wie z. B. Ionenimplantation
oder Abscheidung aufgetragen werden.
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Um die bei großflächigen FEDs wünschenswerte
hohe Auflösung
zu erzielen, gibt es Muster aus Mikropunkten, die an den vorbestimmten
Orten auf den Emitterelektrodenelementen ausgebildet sind. Zum Beispiel
in 2 kann an einem repräsentativen Ort 207 ein
Viereckmuster von 15 × 15
vorgesehen sein. Dieses Muster aus Mikropunkten ist von den benachbarten
Mustern aus Mikropunkten auf den Emitterelektrodenelementen beabstandet.
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Bevor die großflächige FED der vorliegenden
Erfindung im Detail beschrieben wird, umfasst die vorliegende Erfindung
selbstverständlich
(1) die Verwendung des CMP-Verfahrens,
um Gleichförmigkeit
in der über
dem Substrat und der isolierenden Schicht angeordneten leitfähigen Schicht
zu erzielen, (2) die richtige Verwendung von Abstandsstücken, um
eine erwünschte
Gleichförmigkeit
im Abstand zwischen der leitfähigen
Schicht und der Anode aufrechtzuerhalten (die beim Erzielen von
hoher Auflösung
hilft), (3) sicherzustellen, dass die Mikropunkte eine Beschichtung
oder Implantation mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit
haben, und (4), dass die Verbindungsleitungen der FED niedrigen
Widerstand und niedrige Kapazität
haben sollten.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wird
die großflächige FED
der vorliegenden Erfindung nun detaillierter beschrieben. In 3 sind Mikropunkte 310 gezeigt,
die auf dem Emitterelektrodenelement 204 angeordnet sind,
das wiederum im Substrat 202 angeordnet ist. Diese Mikropunkte
sind Teil eines Musters aus 5 × 5
Mikropunkten. Obwohl nur Viereckmuster aus Mikropunkten beschrieben
wurden, können
auch andere Muster verwendet werden und liegen noch innerhalb des
Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
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Jeder Mikropunkt ist von einer isolierenden Schicht 302 umgeben.
Die isolierende Schicht 302 isoliert die positiven elektrischen
Elemente der großflächigen FED
gegenüber
der negativen Emitterelektrode. Vorzugsweise wird die isolierende
Schicht 302 aus Siliziumdioxid (SiO2)
ausgebildet.
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Auf der isolierenden Schicht 302 ist
eine leitfähige
Schicht 304 angeordnet. Die leitfähige Schicht wird durch konventionelle
Halbleiterbearbeitungsverfahren auf der isolierenden Schicht 302 angeordnet. Vorzugsweise
wird die leitfähige
Schicht 304 aus dotiertem Silizium, amorphem Silizium oder
Silizid-Polysilizium ausgebildet.
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Die leitfähige Schicht 304 umgibt
die Mikropunkte, damit ein Elektronenemissionsstrom aus den Mikropunkten
emittieren gelassen wird. Vorzugsweise ist die leitfähige Schicht 304 eine
Reihe von elektrisch verbundenen, parallelen Streifen, die auf der isolierenden
Schicht 302 angeordnet sind. Die Streifen sind als 305
in 2 gezeigt. Die leitfähige Schicht 304 dient
als Extraktionsstruktur und wird nachfolgend als solche bezeichnet.
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Im Abstand über der Extraktionsstruktur 304 befindet
sich eine Frontplatte 306. Die Frontplatte 306 ist
ein Kathodoluminiszenzschirm, der vorzugsweise aus klarem, durchsichtigem
Glas besteht. Die Frontplatte 306 muss das Licht der Kathodoluminiszenzphotonen
durchlassen können,
die der Betrachter sieht.
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Auf der der Extraktionsstruktur 304 gegenüber liegenden
Unterseite der Frontplatte 306 ist eine ITO-Schicht 308 angeordnet.
Die ITO-Schicht 308 ist eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material,
das als eine getrennte Schicht auf der Frontplatte 306 angeordnet
oder als Teil der Frontplatte hergestellt sein kann. In jedem Fall
ist die ITO-Schicht 308 für das Licht
von den Kathodoluminiszenzphotonen durchlässig und dient als die Anode
für die
FED.
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Speziell unter Bezugnahme auf 3 ist ein Pixel 318 gezeigt,
das auf der Oberfläche
der ITO-Schicht 308 gegenüber der Extraktionsstruktur 304 angeordnet
ist. Wie gezeigt, ist ein Pixel 318 über einem Muster aus Mikropunkten
angeordnet. Spezieller gehört
zu dem Pixel 318 ein Muster aus 5 × 5 Mikropunkten 310.
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Die Pixelbereiche weisen Phosphormaterial 320 auf,
das in einem gewünschten
Muster auf der Unterseite der ITO-Schicht 308 abgeschieden
ist. Im Allgemeinen sind die Pixelbereiche, wie z. B. 318, viereckförmig, falls
gewünscht,
können
aber auch andere Formen verwendet werden. Das verwendete Phosphormaterial
ist vorzugsweise eines, das durch niederenergetische Elektronen
angeregt werden kann. Vorzugsweise sollte die Ansprechzeit für das Phosphormaterial
im Bereich gleich oder kleiner als 2 ms liegen.
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Die Pixel sind durch eine Schwarzmatrix 322 unterteilt.
Die Schwarzmatrix 322 kann aus irgendeinem geeigneten Material
bestehen. Das Material sollte lichtundurchlässig sein und durch Elektronenbombardement
nicht beeinflusst werden. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist
Kobaltoxid.
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Die Frontplatte 306 ist
in einem Abstand vom Substrat 202 angeordnet. Dies ist
ein vorbestimmter Abstand, der gewöhnlich im Bereich 200 bis 1000 μm liegt.
Dieser Abstand wird durch Abstandsstücke aufrechterhalten, die allgemein
als Abstandsstücke 330 in 3 und spezieller als Abstandsstücke 332 und 334 in 3 gezeigt sind. Der Bereich
zwischen der Frontplatte 306 und dem Substrat 202 steht
vorzugsweise unter Hochvakuum.
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Wie bei allen FEDs ist die großflächige FED der
vorliegenden Erfindung mit einer Stromquelle oder mehreren Stromquellen
zur Stromversorgung der Emitterelektrode, Elektronenemitterstruktur
und ITO verbunden, so dass Elektronenströme von den Mikropunkten auf
die Pixel gerichtet werden.
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Zum Beispiel bei kleinflächigen FEDs,
die eine diagonale Bildschirmgröße von 5
Inch (d. h., 12,5 cm) haben, besteht keine Notwendigkeit für Abstandsstücke, da
die Integrität
der Trennung der Anode und Kathode (der ITO-Schicht und des Elektronenemitters)
durch die Grundstruktur der FED aufrechterhalten wird, selbst wenn
die FED unter Hochvakuum steht. Wenn jedoch die FED größer wird, kann
die Grundstruktur der FED allein die gewünschte Trennung zwischen der
Anode und der Kathode unter dem Hochvakuum nicht aufrechterhalten. Wenn
daher die diagonale Bildschirmgröße größer wird,
besteht eine Notwendigkeit für
Abstandsstücke, um
die Trennung zwischen der Anode und der Kathode aufrechtzuerhalten.
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Abstandsstücke, die in FEDs mit diagonalen Bildschirmgrößen im Bereich
von 5 bis 8 Inch (d. h., 12,5 cm bis 20 cm) normalerweise angeordnet
werden, haben die Form von zylindrischen Säulen. Diese Säulen haben
dieselbe Höhe
und werden an verschiedenen Orten zwischen der Anode und der Kathode
angeordnet. Bei großflächigeren
FEDs sind zylindrische Abstandsstücke nicht optimal, und möglicherweise
werden Abstandsstücke
mit einer anderen Querschnittsgestaltung bevorzugt.
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Um dieses Problem bei großflächigen FEDs zu überwinden,
werden Abstandsstücke,
wie z. B. die Abstandsstücke 332 und 334,
in Mustern zwischen der isolierenden Schicht 302 oder Extraktionsstruktur 304 und
der ITO-Schicht 308 angeordnet. Diese Abstandsstücke werden
auf eine solche Weise zwischen der Anode und der Kathode angeordnet,
dass die FED in Übereinstimmung
mit den Mustern der Abstandsstücke
in Abschnitte unterteilt wird. In 2, die
ein Teil der großflächigen FED
in der Nähe
des Zentrums der FED ist, sind eine große Zahl von Abstandsstücken gezeigt,
um die Trennung Anode/Kathode aufrechtzuerhalten. Andere Bereiche
haben andere Muster, um die gewünschte
Trennung aufrechtzuerhalten. Somit liegen die Abstandsstücke in verschiedenen
Mustern, je nach dem betrachteten Bereich innerhalb der großflächigen FED,
obschon sie zylindrische Säulen
sind. Abstandsstücke,
die in Bezug auf die vorliegende Erfindung verwendet werden können, können in Übereinstimmung
mit den US-Patenten Nr. 5,100,838, 5,205,770, 5,232,549, 5,232,863,
5,405,791, 5,433,794, 5,486,126 und 5,492,234 ausgebildet sein.
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Wegen der Belastungen, die auf die
Abstandsstücke
ausgeübt
werden, können
diese verschiedene Querschnittsformen haben. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen vier Querschnittsformen für Abstandsstücke, die
für großflächige FEDs
verwendet werden können. 4A zeigt bei 402 eine
Seiten- und Querschnittsansicht eines "+"-förmigen Abstandsstücks, 4B zeigt bei 404 eine
Seiten- und Querschnittsansicht eines "L"-förmigen Abstandsstücks, 4C zeigt bei 406 eine
Seiten- und Querschnittsansicht eines viereckförmigen Abstandsstücks, und 4D zeigt bei 408 ist
eine Seiten- und Querschnittsansicht eines "I-Profil"-förmigen
Abstandsstücks.
Dies sind jedoch wenige der möglichen
Querschnittsformen der Abstandsstücke, die für die großflächige FED verwendet werden
können. Selbstverständlich können andere
Formen verwendet werden, die der großflächigen FED die nötige Festigkeit
verleihen, um die Trennung der Anode und der Kathode aufrechtzuerhalten.
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Die Abstandsstücke an verschiedenen Orten in
der großflächigen FED
können
außerdem
verschiedene Längen
haben, um eine gleichförmige Trennung
zwischen der Anode und der Kathode quer über die gesamte Fläche der
großflächigen FED
aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel können die Abstandsstücke in der
Nähe des
Zentrums der großflächigen FED
etwas länger
sein als die Abstandsstücke
in der Nähe
der Ränder.
Die Abstandsstücke
zwischen diesen beiden Extrema können
längenmäßig abgestuft sein,
für einen Übergang
von den kürzesten
Abstandsstücken
am Rand zu den längsten
in der Nähe des
Zentrums. Die unterschiedlich langen Abstandsstücke kompensieren die leichten
Durchbiegungen der Frontplatte aufgrund des Hochvakuums innerhalb
der FED, die in der Nähe
des Zentrums, aber nicht in der Nähe der Ränder auftreten, da in der Nähe der Ränder die
FED-Wandstruktur der Frontplatte wesentliche zusätzliche Unterstützung gibt.
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Das Bearbeitungsverfahren für die schon kurz
beschriebene untere FED-Struktur, das verwendet wird, um bei der
Herstellung der Mikropunkte und Ausrichtung der Öffnungen in der isolierenden Schicht
und Extraktionsstruktur quer über
die große Fläche der
großflächigen FED
Gleichförmigkeit
zu erzielen, wird nun detaillierter beschrieben. Das Verfahren verwendet
eine Kombination aus Abscheidung, chemisch-mechanischem Polieren
und chemischem Nassätzen,
um die selbstausrichtende Extraktionsstruktur für jeden Mikropunkt der großflächigen FED
herzustellen.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird unter Bezugnahme auf 5A bis 5D beschrieben. Sobald die
elektrisch verbundenen Emitterelektrodenelemente 204 im
Substrat 202 ausgebildet sind, werden die Muster aus Mikropunkten 310 auf
diesen Elementen ausgebildet. Die Herstellung der Mikropunkte durch
einen getrennten Bearbeitungsschritt gibt größere Kontrolle über die
Herstellung der Mikropunkte und größere Gleichförmigkeit
der Größe der Mikropunkte
quer über
die gesamte große
Fläche
der großflächigen FED.
Die Mikropunkte, die ausgebildet werden, haben eine im wesentlichen
umgekehrte Kegelform, wie in 5A gezeigt.
Die Mikropunkte werden vorzugsweise aus Silizium ausgebildet.
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Als Nächstes wird ein Material mit
niedriger Austrittsarbeit auf die Mikropunkte aufgebracht. Diese
Beschichtung wird mindestens auf die Spitzen der Mikropunkte aufgebracht.
Geeignete Materialien mit niedriger Austrittsarbeit sind Cermet
(Cr3Si + SiO2), Cäsium, Rubidium,
Tantalnitrid, Barium, Chromsilizid, Titankarbid und Niob. Diese
werden unter Verwendung von konventionellen Halbleiterbearbeitungsverfahren
wie z. B. Dampfabscheidung oder in Übereinstimmung mit dem nachfolgend
beschriebenen bevorzugten Verfahren auf den Mikropunkten abgeschieden.
Selbstverständlich
können
auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
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Das zur Behandlung der Mikropunkte
verwendete Material mit niedriger Austrittsarbeit ist vorzugsweise
Cäsium.
Das Cäsium
wird vorzugsweise mit sehr niedriger Energie und in hohen Dosen
in die Mikropunkte implantiert. Dies erzeugt bessere Gleichförmigkeit
zwischen den Mikropunkten quer über
die gesamte großflächige FED.
Das implantierte Cäsium
ist unter Atmosphärenbedingungen
bei hohen Temperaturen (500°C)
stabil. Weiterhin erlaubt es das derartige Beschichten der großen (oder
größeren) Mikropunkte,
die FED bei niedrigeren Betriebsspannungen zu betreiben. Die Behandlung
der Mikropunkte für
niedrige Austrittsarbeit findet nach der Herstellung der Mikropunkte
und vor den Tätigkeiten
Abscheidung, CMP-Bearbeitung und chemisches Nassätzen statt. Selbstverständlich könnte es auch
zu anderen Zeitpunkten während
des Verfahrens zur Herstellung einer großflächigen FED stattfinden.
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Sobald der Mikropunkt 310 beschichtet
ist, wird die isolierende Schicht 302 über dem Mikropunktelement 204 und
dem Substrat 202 abgeschieden. Vorzugsweise wird die isolierende
Schicht 302 aus SiO2 hergestellt.
Im Anschluss daran wird die leitfähige Schicht 304 auf
der isolierenden Schicht 302 abgeschieden, wie in 5B gezeigt. Vorzugsweise wird
die leitfähige
Schicht 304 aus amorphem Silizium oder Polysilizium ausgebildet.
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Die Dicke der isolierenden und leitfähigen Schichten
wird so gewählt,
dass die Gesamt-Schichtdicke
größer ist
als die Höhe
des ursprünglichen
Mikropunkts. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt Flexibilität bei der
Materialwahl für
die Mikropunkte und die isolierenden und leitfähigen Schichten, obwohl Silizium
das bevorzugte Material für
die Mikropunkte und die leitfähige
Schicht ist.
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Nachdem die leitfähige Schicht 304 über der isolierenden
Schicht 302 abgeschieden ist, werden die zwei Schichten
unter Verwendung eines CMP-Verfahrens poliert, wie in 5D gezeigt. Das Polierverfahren
ist ein sehr kontrollierbares Verfahren, so dass es im wesentlichen
gleichmäßiges Polieren
quer über
die gesamte große
Oberfläche
der großflächigen FED
gibt. Das Polieren führt
zu einer im wesentlichen gleichförmigen
Dicke der leitfähigen Schicht 304.
Das Vorhandensein der gleichförmigen Dicke
dieser beiden Schichten quer über
die gesamte großflächige FED
hilft bei der Herstellung von gleichförmigen Mikropunkten und selbstausrichtenden Öffnungen
in den leitfähigen
und isolierenden Schichten. Verschiedene Patente, die sich auf das CMP-Verfahren
beziehen, sind die US-Patente Nr. 5,186,670, 5,209,816, 5,229,331,
5,240,552, 5,259,719, 5,300,155, 5,318,927, 5,354,490, 5,372,973,
5,395,801, 5,439,551, 5,449,314 und 5,514,245.
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Im Anschluss an den Polierschritt
werden die leitfähigen
und isolierenden Schichten chemisch nassgeätzt, wie in 5D gezeigt. Beim chemischen Nassätzen der
leitfähigen
und isolierenden Schichten wird von diesen Schichten selektiv Material
entfernt, um den Mikropunkt bloßzulegen.
Dabei werden die Öffnungen
in den leitfähigen
und isolierenden Schichten auf die Mikropunkte selbstausgerichtet. Die
bloßgelegten
Mikropunkte können
nun Elektronen emittieren, um den Phosphorschirm anzuregen.
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Nachdem die Bestandteile der großflächigen FED
beschrieben wurden, werden nun die Kennwerte des Betriebs so einer
FED gemäß der vorliegenden
Erfindung erörtert.
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Für
das richtige Videoansprechverhalten, das heißt eine Bildwiederholfrequenz
von 60 bis 75 Hz und 256 Graustufenpegel, muss die Emissionsansprechzeit
so gesteuert werden, dass sich bis zu hohe Auflösung (1280 × 1024 Pixel) in der FED ergibt.
Wenn man hohe Auflösung
haben will, ist eine geeignete Ansprechzeit kleiner als oder gleich
1 μs.
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Die Ansprechzeit für eine FED
wird durch die RC(Widerstand mal Kapazität)-Zeit der "Zeilen"- und "Spalten"-Adressenleitungen
bei 304 bzw. 204 bestimmt.
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Um den niedrigsten Widerstand zu
erhalten, wird bevorzugt, einen Leiter mit dem niedrigsten Widerstand
zu verwenden, z. B. Gold, Silber, Aluminium, Kupfer oder ein anderes
geeignetes Material, und den Leiter dick zu machen. z. B. > 0,2 μm, oder auf
irgendeine Weise die Querschnittsfläche der Leitung zu vergrößern, die
als der Leiter wirkt.
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Die Kapazität wird durch den vertikalen
Abstand zwischen den Spalten- und Zeilenleitungen und das dielektrische
Material zwischen ihnen und außerdem
durch die Überlappungsfläche der
Spalten- und Zeilenleitungen bestimmt. Bei Verwendung von großen Emitterspitzen,
z. B. 0,6 bis 2,5 μm,
kann ein dickes Dielektrikum zwischen den Spalten- und Zeilenleitungen
verwendet werden. Dadurch kann die Kapazität 2 bis 5 mal kleiner sein
als wenn kleine (≤ 0,5 μm) Emitterspitzen
verwendet werden. Obwohl die Kapazität selbstverständlich durch
die Wahl des dielektrischen Materials gesteuert werden kann, sind die
Materialien begrenzt, so dass die Verwendung von großen Spitzen
bevorzugt wird.
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Dementsprechend liefert die Wahl
von dicken, höchst
leitfähigen
Gitter- und Emitterelektroden und großen Emitterspitzen eine schnellere
RC-Zeit als wenn sie nicht verwendet werden.