KR100578629B1 - 전해욕내에서 스스로 동작하는 갈바니 작용을 이용한 재료의 선택적 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조체의 부분을 전해욕(62)에 침지시킴으로써 소정의 화학 타입의 재료가 구조체로부터 선택적으로 제거되는 방법에 관한 것으로, 상기 구조체의 특정 부분의 특성은 상기 전해욕내에서 상기 구조체의 어느 부분에도 외부 포텐셜을 인가하지 않고도 불필요한 재료를 제거할 수 있는 전기화학적 환원 반-셀 포텐셜을 갖도록 선택하고, 상기 전해욕(62)은 선택적으로 제거되는 상기 화학 타입의 재료에 원래 침식성인, 또는 비침식성인 액체로 구현될 수 있는 것을 특징으로 한다.
전해욕, 갈바니 작용, 재료의 선택적 제거

Description

전해욕내에서 스스로 동작하는 갈바니 작용을 이용한 재료의 선택적 제거 방법{SELECTIVE REMOVAL OF MATERIAL USING SELF-INITIATED GALVANIC ACTIVITY IN ELECTROLYTIC BATH}
본 발명은 1998년 6월 29일자로 크날(Knall) 등이 국제출원한 제 PCT/US98/12801 호에 관한 것으로, 상기 출원한 내용은 본 발명에 포함되므로 여기서 반복하여 기술하지는 않는다.
본 발명은 동일한 타입의 재료로된 필요한 부분을 제거하지 않고 부분적으로 완성된 구조체, 특히 상기 구조체가 일반적으로 캐소드로 불리우는 전자방출 디바이스인 경우 평판 패널 타입의 음극선관("CRT") 디스플레이 등의 제품에 적합한 구조체로부터 재료의 불필요한 부분을 제거하는 방법에 관한 것이다.
필드 방출 캐소드(또는 필드 이미터)는 충분한 강도의 전기장이 걸리면 전자를 방출하는 일군의 전자방출소자를 포함한다. 전자방출소자는 일반적으로 이미터 전극의 패턴된 층위에 위치된다. 게이트된 필드 이미터에서, 패턴된 게이트층은 일반적으로 전자방출소자의 위치에서 패턴된 이미터 층위에 위치된다. 각각의 전자방출소자는 게이트층내에서 개구부를 통해 노출된다. 적절한 전압을 게이트층의 선택된 부분과 이미터층의 선택된 부분 사이에 인가하면, 게이트층은 두 선택된 부분의 교차점에서 전자방출소자로부터 전자를 추출한다.
전자방출소자는 종종 원추형(cone)의 형상을 갖는다. 도면을 참고하면, 도 1a 내지 도 1d는, 스핀트(Spindt) 등에게 부여된 미국특허 제 5,559,389 호에 개시되어 있는 바와 같이 평판 패널 CRT 디스플레이용 게이트된 필드 이미터에서 원추형 전자방출소자를 생성하는 종래의 기술을 설명하고 있다. 도 1a에 도시된 단계에서, 부분적으로 완성된 필드 이미터는 기판(20), 이미터 전극층(22), 유전체층(24) 및 게이트 층(26)으로 구성된다. 게이트 개구(28)는 게이트층(26)을 통해 연장한다. 대응하는 유전체 개구(30)는 유전체층(24)을 통해 연장한다.
스침각(grazing-angle) 피착 방법을 이용함으로써, 리프트-오프(lift-off)층(32)이 도 1b에 도시되는 바와 같이 게이트층(26)의 상부에 형성된다. 이미터 재료는 개구(30)를 통해 들어가 개구를 밀폐시키는 방법으로 구조체의 상부에 피착되고 유전체 개구부(30)내에 축적된다. 이러한 방식으로 원추형 전자방출소자(34A)는 일반적으로 복합 개구부(28/30)내에 형성된다. 도 1c를 참고하라. 과잉 이미터 재료층(34B)이 게이트층(26) 상부에 동시에 형성된다. 이어서, 리프트-오프층(32)은 과잉 이미터 재료층(34B)을 리프트 오프시키기 위해 제거된다. 도 1d는 얻어진 구조체를 도시한다.
과잉 이미터 재료층(34B)을 제거하기 위하여 리프트-오프층(32)을 이용하면 여러가지 문제점이 존재한다. 리프트-오프 재료 부분은 게이트층(26)의 측면 가장자리를 따라 축적된다. 이것은 개구를 통해 이미터 재료가 피착되는 개구의 크기를 감소시키고 전자방출소자(34A)를 축소시키는 것을 어렵게 한다. 리프트-오프층(2)의 스침각 피착은 필드 이미터의 측면 영역이 증가함에 따라 더욱더 어렵게 되고 따라서 필드 이미터 영역을 확장시키는 것에 장애가 발생한다.
리프트-오프 재료 피착은 리프트-오프 재료가 이미터층(22)상에 축적되지 않고 원추형 층(34A)이 과잉 층(34B)의 리프트-오프 동안에 리프트-오프되지 않도록 조심스럽게 실시되어야 한다. 리프트-오프 층(32)을 제거함으로써 층(34B)이 제거되면, 제거된 이미터 재료의 입자는 필드 이미터를 오염시킬 수 있다. 또한, 리프트-오프 재료의 피착은 제조시간이 오래 걸리고 따라서 비용이 증가한다.
윌샤우의 PCT 특허공보 제96/06443호는 전자방출소자가 실린더상에 위치된 몰리브덴 콘으로 구성되는 게이트된 필드 이미터를 제조하기 위한 공정을 개시하고 있다. 전자방출소자는 하부 금속층 위에 형성된다. 윌샤우는 몰리브덴의 축적 동안 전자방출소자의 원추형 부분을 형성하기 위하여 게이트 층내에 개구부를 통해 게이트 층위에 축적되는 과잉 몰리브덴의 층을 수용성 전해액을 이용하여 전기화학적으로 제거하기 위해서 니오븀 게이트 층에 2-4볼트의 외부 포텐셜을 인가하였다.
과잉 몰리브덴을 전기화학적으로 제거하기 바로전에, 윌샤우는 하부 금속층을 제거하였다. 따라서, 윌샤우의 전자방출소자는 과잉 이미터 재료의 제거동안에 서로 전기적으로 분리된다. 어떤 전자방출소자는 제거 단계동안에 과잉 몰리브덴과 전기적으로 단락되므로, 윌샤우는 단락되지 않은 전자방출소자를 보호하기 위하여 이러한 분리가 필요하였고, 그 이유는 만약 분리가 되지 않으면 전자방출소자가 후방 금속층과 단락된 구성요소를 통해 과잉 몰리브덴과 전기적으로 단락되어 과잉 몰리브덴의 제거중에 전기화학적으로 침식되기 때문이다. 마지막으로, 윌샤우는 전자방출소자의 하부 위에 저항층을 형성하고 이 저항층 위에 이미터 전극층을 형성하였다.
윌샤우의 전기화학 제거 기술은 과잉 이미터 재료층을 제거하기 위하여 리프트-오프 층을 이용할 필요성을 제거한다. 그러나, 과잉 몰리브덴을 제거하기 전에 후방 금속층을 제거하고 전기화학 제거를 마친 후 이미터 전극을 생성하는 것은 시간이 소모되고 몇 개의 복잡한 공정 단계를 필요로 한다. 게이트층에 외부 포텐셜을 인가하는 것은 게이트층에 전기 결합부를 만드는 것을 포함하고, 따라서 제조시간 및 복잡성이 더욱 증가된다. 적어도 부분적으로 원추형인 전자방출소자를 구비하는 게이트된 필드 이미터 제조하는데 있어서는, 윌샤우의 제조 비효율성이나 또는 리프트-오프층을 이용하는 제조의 어려움을 초래하지 않고 과잉 이미터 재료를 포함하는 층을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명은 구조체로부터 소정의 화학 타입의 재료를 선택적으로 제거하면서도 시간을 절약할 수 있는 전기화학 방법을 제공하는 것이다. 제거 작용은 전해욕내에서 실시된다. 구조체의 특정 부분의 특성은 구조체의 어떠한 부분에도 외부 포텐셜을 인가하지 않고도 전해욕내에서 불필요한 재료를 제거할 수 있는 전기화학 환원 반-셀(electrochemical reduction half-cell) 포텐셜을 구비하도록 선택되어지는 것이다. 이러한 방법으로, 제거 작용은 갈바니적으로 스스로 동작된다. 외부 포텐셜을 인가할 필요가 없으므로, 외부 포텐셜을 인가하기 위한 전기적 결합부를 만들 필요가 없다. 따라서, 제거 작용이 빠르게 실시된다.
외부 포텐셜을 인가할 필요성을 제거함으로서, 전기화학 제거 작용동안 외부 포텐셜을 수용할 수 있도록 구조체를 설계할 필요가 없어진다. 따라서, 설계상의 제약이 없어진다. 또한, 전해욕을 제공하는 장비는 구조체에 외부 포텐셜의 인가를 허용하도록 구성될 필요가 없다. 따라서, 본 발명에서는 실질적인 간략화가 얻어진다.
본 발명의 선택적인 제거 작용은 리프트-오프층을 이용할 필요성 없이 실시된다. 과잉 이미터 재료가 전자방출 디바이스의 전자방출소자의 형성동안 구조체상에 축적되면, 본 발명의 방법은 과잉 이미터 재료를 제거하도록 사용된다. 결과적으로, 본 발명은 종래의 리프트-오프의 결점과 과잉 이미터 재료를 제거하기 위한 전기화학 제거 기술의 단점을 극복할 수 있다.
전해욕은 두 개의 기본적인 방법으로 실시된다. 첫째로, 전해욕은 선택적으로 제거되는 타입의 재료에 본질적으로 침식성인 (예를들면, 크게 침식하는) 액체로 형성되어질 수 있다. 둘째로, 전해욕은 선택적으로 제거되어지는 타입의 재료에 본질적으로 비침식성인 액체로 형성되어질 수 있다. 환원 반-셀 포텐셜은 전해욕의 두 실시를 수용하기 위하여 특별한 기준에 따라 선택된다. 침식성 전해욕 실시에 대한 기준은 비침식성 전해욕 실시에 대한 기준과 서로 다르다.
전해욕이 선택적으로 제거되는 타입의 재료에 침식성이면, 본 발명의 원리는 제거하고자 하는 재료가 전해욕내에서 용해되고 제거되는 동안 유지하고자 하는 재료가 제거되는 것을 방지하는 것이다. 특히, 주재료를 포함하는 전기 비절연 주구성요소가 하나 또는 그 이상의 전기 비절연 부가구성요소와 전기적으로 결합되는 초기 구조체가 제공된다. 각각의 부가구성요소는 주재료와 서로 다른 부가재료를 포함한다. 또한 초기 구조체는 주재료를 역시 함유하는 전기 비절연 주영역을 포함한다. 주영역은 주구성요소 및 부가구성요소와 전기적으로 결합되어 있지 않다.
주구성요소의 주재료 부분을 크게 제거하지 않고 주영역의 주재료는 구조체로부터 적어도 부분적으로 제거된다. 본 발명에 따라 이러한 것을 실현하기 위해, 주재료 및 부가재료는 주영역의 주재료의 적어도 일부분을 제거하기 위해 주재료에 본질적으로 침식성인 전해욕내에 침지된다. 주재료 및 부가재료를 적절하게 선택함으로써, 각각의 부가구성요소의 부가재료는 주구성요소의 주재료보다 전해욕내에서 환원 반-셀 포텐셜이 충분히 낮아 주구성요소의 주재료는 전해욕내에서 크게 침식되는 것이 방지된다. 따라서, 주영역의 주재료가 적어도 부분적으로 제거되어지므로서 주구성요소의 주재료는 유지된다.
전해욕이 선택적으로 제거되는 타입의 재료에 비침식성이면 대체로 반대현상이 발생한다. 이러한 경우에, 본 발명의 원리는 유지시키고자 하는 재료가 영향을 받지 않고 남아있는 동안 제거하고자 하는 재료를 전해욕내에서 용해하여 제거하도록 하는 것이다. 특히, 주재료를 함유하는 전기 비절연 주영역이 하나 또는 그 이상의 추가영역과 전기적으로 결합되는 초기 구조체가 제공된다. 각각의 추가영역은 주재료와 다른 추가재료를 포함한다. 초기 구조체는 주재료를 함유하는 전기 비절연 주구성요소를 추가로 포함한다. 주구성요소는 실질적으로 주영역 및 추가영역과 전기적으로 결합되어 있지 않다.
또한, 주구성요소의 주재료 부분은 크게 제거되지 않지만 주영역의 주재료는 적어도 부분적으로 제거된다. 그러나, 상술한 침식성 전해욕 기술인 경우 유지시키고자 하는 재료와 전기적으로 결합되는 각각의 부가구성요소를 갖지만 비침식성 전해욕 기술에서는 각각의 추가영역이 제거하고자 하는 재료와 전기적으로 결합된다는 점에서 양자는 서로 다르다. 본 발명에 따라 주영역의 주재료를 적어도 부분적으로 제거하기 위해서는, 주재료 및 추가재료는 주구성요소의 주재료가 전해욕에 의해 크게 영향을 받지 않도록 주재료에 본질적으로 비침식성인 전해욕에 침지된다. 주재료 및 추가재료를 적절하게 선택하는 것에 의해, 추가영역의 추가재료는 전해욕내에서 주영역의 주재료보다 환원 반-셀 포텐셜이 충분히 커서 주영역의 주재료의 적어도 일부분이 제거된다.
전해욕의 두 실행에서, 주재료는 일반적으로 금속이다. 마찬가지로, 각각의 부가재료 또는 추가재료도 일반적으로 금속이다.
본 전기화학 제거 기술은 재료가 선택적으로 제거되는 구조체의 어떠한 부분에도 외부 포텐셜을 인가할 필요없이 실시되므로, 본 발명은 (a)구조 설계를 단순하게 할 수 있고, (b)또한 전해욕에 공급되는 장비를 단순하게 할 수 있고, (c)제거동작을 빠르게 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래 기술보다 큰 발전을 제공한다.
도 1a 내지 도 1d는 전자 이미터의 전자방출소자를 생성하기 위한 종래기술의 단계 도시하는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 구성요소, 예컨대 원추형의 전자방출소자의 생성동안, 게이트된 필드 이미터 등의 구조체로부터 재료를 선택적으로 제거하는 본 발명의 전기화학 기술에 따른 공정 시퀀스 단계를 도시하는 개략 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 선택적으로 제거되는 재료에 본질적으로 침식성인 전해욕으로 도 2a 내지 도 2c의 공정을 실시하기에 적합한 환원 반-셀 포텐셜 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다.
도 4a 내지 도 4e는 선택적으로 제거되는 재료에 본질적으로 비침식성인 전해욕으로 도 2a 내지 도 2c의 공정을 실시하기에 적합한 환원 반-셀 포텐셜 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다.
도 5a 및 도 5b는 게이트된 필드 이미터에서 원추형 전자방출소자를 생성하기 위하여 도 2a 내지 도 2c의 공정 시퀀스를 실행하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조되는 전자방출소자를 구비하는 게이트된 필드 이미터를 포함하는 평판 패널 CRT 디스플레이의 단면도이다.
도면과 상세한 설명에서 사용되어지는 인용부호는 동일하거나 또는 매우 유사한 구성요소를 나타낸다.
본 발명은 게이트된 필드 방출 캐소드에서 전자방출소자를 생성하기 위해서 과잉 이미터 재료를 제거하기 위해 스스로 작동하는 갈바니 작용을 이용하는 것이다. 이러한 각각의 필드 이미터는 개인용 컴퓨터용 평판 텔레비젼 또는 평판 비디오, 랩 톱 컴퓨터 또는 워크스테이션과 같은 평판 디스플레이의 음극선관 페이스플레이트상에 형광영역(phosphor region)을 여기시키는데 적당하다.
하기의 설명에서, "전기 절연성"(또는 "유전체")은 일반적으로 1010옴·cm보다 더 큰 저항률을 구비하는 재료에 적용된다. "전기 비절연"은 1010옴·cm와 동등하거나 그보다 작은 저항율을 가지는 재료를 말한다. 전기 비절연성 재료는 (a) 저항율이 1옴·cm보다 적은 전기 도전성 재료와 (b) 저항율이 1옴·cm 내지 1010옴·cm의 범위내에 있는 전기 저항성 재료로 나누어진다. 이러한 카테고리는 1볼트/㎛ 이하의 전기장에서 결정된다.
전기 도전성 재료(또는 전기적 도전체)의 예로는 금속, 금속합금, (금속 실리사이드와 같은)금속-반도체 합성물 및 금속-반도체 공정체(eutectics)등이 있다. 또한 전기 도전성 재료에는 보통 레벨 또는 높은 레벨(n-타입 또는 p-타입)로 도핑되는 반도체를 포함한다. 전기 저항성 재료는 진성 또는 적게 도핑되는(n-타입 또는 p-타입) 반도체를 포함한다. 전기 저항성 재료의 또 다른 예로는 (a)서멧(cermet)(금속 입자가 매설된 세라믹)과 같은 금속-절연체 복합재료, (b)흑연, 비결정 탄소 및 개질된(예를들면, 도핑되거나 또는 레이저-개질된)다이아몬드와 같은 탄소 결정형 및 (c)규소-탄소-질소와 같은 규소-탄소 혼합물을 포함한다.
도 2a 내지 도 2c(전체적으로 "도 2")는 필드 방출 캐소드 등의 장치의 제조동안에 재료를 선택적으로 제거하기 위한 본 발명의 기술을 적용하는 처리순서를 설명한다. 도 2에서 도시되는 구조체의 형상은 처리순서의 주요한 특징을 명백히 하기 위해서 개략적으로 설명된다. 필드 이미터가 본 발명에 따라 제조될 때 구조체의 더욱 자세한 설명은 도 5a 내지 도 5b와 결합하여 하기에서 설명된다. 또한, 본 발명의 기술을 적용하여 발생하는 다양한 결합 및 변경을 설명하기 위해서, 도 2에 도시된 구조체는 필드 이미터를 제조하기 위해 실제로 이용되어지는 않는 구성요소 및/또는 영역을 포함한다.
도 2a를 참고하면, 본 발명에 따라 재료를 선택적으로 제거하기 위한 출발점은 복수의 유사한 형상과 유사한 크기로 된 전기 비절연 주구성요소(primary component)(C1), 전기 비절연 부가구성요소(additional component)(C2), 전기 비절연 주영역(primary region)(R1) 및 전기 비절연 추가영역(further region)(R2)을 포함하는 구조체를 형성하는 것이다. 도 2a의 하부근처에서 시작하면, 부가구성요소(C2)는 통상 필드 이미터의 복수의 이미터 전극중 하나이다. 구성요소(C2)는 일반적으로 전기 절연기판(40)의 상부에 위치된다. 필드 이미터에서, 기판(40)은 일반적으로 유리 또는 세라믹으로 구성된다. 필드 이미터에서 규소 산화물 또는 규소 질화물로 이루어진 중간 유전체층(dielectric layer)(42)은 구성요소(C2)의 상부에 위치된다.
주구성요소(C1)는 필드 이미터내에서 일반적으로 전자방출소자를 구성한다. 전자방출소자는 도 2a의 구성요소(C1)의 원추형으로 도시된 바와 같이 일반적으로 원추형 형상이지만, 다른 형상을 포함할 수 있다. 구성요소(C1)들은 각각 유전체층(42)을 통해 연장하는 개구부(44)내에 위치되어지고 구성요소(C2)에 전기적으로 결합된다. 결합은 일반적으로 전기 비절연 결합구성요소(CC1)를 통해 이루어진다. 필드 이미터에서, 결합구성요소(CC1)는 일반적으로 높은 저항률을 갖는 저항층(resistive layer)이다. 또한, 구성요소(C1)들은 직접 구성요소(C2)와 접촉할 수 있다. 이러한 경우에는, 결합구성요소(CC1)가 일반적으로 존재하지 않는다.
추가영역(R2)은 유전체층(42)의 상부에 위치된다. 구성요소(C1)의 상부는 영역(R2)을 통해 각각 연장되는 개구부(46)안으로 연장된다. 각각의 개구부(46)와 하부에 존재하는 개구부(44)중의 하나는 함께 복합 개구부(composite opening)(44/46)를 형성하고 구성요소(C1)의 하나를 측면에서 둘러싼다. 필드 이미터에서, 영역(R2)은 패턴된 게이트층의 일부분이고 구성요소(C1)에 의해 구현되는 전자방출소자로부터 전자의 추출을 제어한다. 주영역(R1)은 개구부(46)와 구성요소(C1) 위에 존재하는 영역(R2) 상부에 위치된다. 필드 이미터에서, 영역(R1)은 일반적으로 과잉 이미터 재료층이고 전자방출소자로서의 구성요소(C1)의 형성동안 영역(R2)상에 축적된다. 중요한 것은, 각각의 영역(R1, R2)은 각 구성요소(C1, C2 및 CC1)와 일정한 간격을 유지하고 또한 각 구성요소(C1, C2 및 CC1)와 전기적으로 결합되지 않는 것이다.
또한 상술된 구성요소 및 영역에서, 초기 구조체는 구성요소(C2)와 전기적으로 결합되는 전기 비절연 부가구성요소(additional component)(C3)를 포함할 수 있다. 부가구성요소(C3)가 필드 이미터내에 존재하면, 구성요소(C3)는 일반적으로 구성요소(C2)에 의해 구현되는 이미터 전극용 이미터 접촉 패드로서 기능한다. 도 2a는 전기 비절연 구성요소(CC2)를 통해 구성요소(C2)와 전기적으로 결합되는 구성요소(C3)를 도시한다. 이러한 경우에는, 일반적으로 전기 절연 재료층(48)이 구성요소(C2 또는 C3)에 접촉하지 않고 결합구성요소(CC2) 부분을 둘러싼다. 결합구성요소(CC2)는 존재하지 않을 수도 있다. 이러한 경우에는, 구성요소(C3)가 구성요소(C2)에 직접 접촉한다. 구성요소(C3 및 CC2)는 영역(R1 및 R2)과 전기적으로 결합하지 않는다.
초기 구조체는 영역(R2)과 전기적으로 결합하는 전기 비절연 추가영역(further region)(R3)을 구비할 수 있다. 추가영역(R3)이 필드 이미터내에 존재하면, 영역(R3)은 구성요소(C2)에 의해 구현되는 이미터 전극에 거의 수직으로 연장하는 복합 제어전극(composite control electrode)(R2/R3)을 형성하기 위하여 영역(R2)의 하나 또는 그 이상의 부분과 결합되는 주제어 전극이 된다. 도 2a는 전기 비절연 결합영역(coupling region)(CR1)을 통하여 영역(R2)과 전기적으로 결합된 영역(R3)을 설명한다. 전기 절연 재료층(50)은 일반적으로 유전체층(42) 또는 영역(R2) 또는 영역(R3)과 접촉되지 않고 결합영역(CR1) 부분을 완전히 덮는다. 결합영역(CR1)은 영역(R3)이 직접 영역(R2)과 접촉하는 경우에는 존재하지 않을 수 있다.
또한 초기 구조체는 영역(R3)과 전기적으로 결합되는 전기 비절연 추가영역(further region)(R4)을 구비할 수 있다. 추가영역(R4)이 필드 영역내에 존재하면, 영역(R4)은 일반적으로 복합 제어전극으로서 구현되는 영역(R2 및 R3)용 제어 접촉 패드로서 기능한다. 도 2a는 전기 비절연 결합영역(CR2)을 통하여 영역(R3)과 전기적으로 결합되는 영역(R4)을 설명한다. 전기 절연 재료층(52)은 영역(R3 또는 R4)과 접촉하지 않고 결합영역(CR2)의 일부분을 둘러싼다. 결합영역(CR2)은 존재하지 않을 수도 있다. 이 경우 영역(R4)은 영역(R3)과 직접 접촉한다. 영역(R3, R4, CR1 및 CR2)은 구성요소(C1, C2, CC1 및 CC2)와 전기적으로 결합되지 않는다.
주영역(R1) 및 모든 주구성요소(C1)는 전기 비절연 주재료(primary material)(M1)를 함유한다. 주재료(M1)는 일반적으로 영역(R1)의 주요한 구성요소이고 통상 실질적으로 모든 영역(R1)을 형성한다. 이러한 사실은 각각의 구성요소(C1)에도 동일하게 적용된다. 그러나, 영역(R1)은 재료(M1)이외의 하나 또는 그 이상의 재료를 포함할 수 있다. 만일 재료(M1)이외의 하나 또는 그 이상의 재료를 포함하면, 일반적으로 재료(M1)는 영역(R1)의 외부표면 부분을 따라 존재한다. 또한, 이러한 사실은 각각의 구성요소(C1)에도 동일하게 적용된다. 하기에서 기술되어지는 것처럼, 본 발명의 전기화학 기술은 영역(R1 및 R2)과 전기적으로 분리되도록 제공되어지는 임의의 구성요소(C1)의 많은 부분을 제거하지 않고 영역(R1)의 재료(M1)를 (일반적으로, 영역(R1)의 모든 부분 또는 거의 모든 부분을) 제거하기 위하여 이용되는 것이다.
또한 추가영역(R2)은 주재료(M1)와 상이한 전기 비절연 추가재료(further material)(MR2)로 실질적으로 형성된다. 특히, 영역(R2)은 일반적으로 재료(M1)를 실질적으로 함유하지 않는다.
부가구성요소(C2)는 실질적으로 전기 비절연 부가재료(additional material)(MC2)로 구성된다. 재료(MC2)는 일반적으로 재료(MR1 및 MR2)와 다르다. 그럼에도 불구하고, 구성요소(C3)의 구성 및 영역(R1)의 재료(M1)를 제거하도록 사용되는 특별한 전기화학 방법을 포함하는 다양한 요소에 따라서는, 재료(MC2)는 재료(M1)와 동일하거나 또는 실질적으로 동일할 수 있다.
부가구성요소(C3)는 실질적으로 전기 비절연 부가재료(MC3)로 형성된다. 만일 재료(MC2)가 주재료(M1)와 동일하거나 실질적으로 동일하면 부가재료(MC3)는 일반적으로 부가재료(MC2)와 다르다. 어떤 경우든, 재료(MC3)는 재료(M1)와 다르다.
또한 추가영역(R3 및 R4)은 각각 전기 비절연 추가재료(MR3 및 MR4)로 실질적으로 구성된다. 추가재료(MR3 및 MR4)는 각각 주재료(M1)와 다르다. 또한 재료(MR3)가 재료(MR2)와 동일하거나 실질적으로 동일하면 재료(MR4)는 일반적으로 재료(MR3)와 다르다. 또한, 재료(MR3 및 MR4)는 각각 재료(MC2 및 MC3)와 다를 수 있다. 특히, 재료(MR4 및 MC3)는 일반적으로 서로 다르다.
각각의 재료(M1, MC2, MC3 및 MR2-MR4)는 일반적으로 금속, 금속합금 또는 금속의 결합체이다. 어떤 경우에서는, 재료(M1, MC2 및 MR2-MR4)는 금속-반도체 화합물, 금속-반도체 공정체 및 불순물이 많이 첨가된 반도체 등의 다른 전기적 도전 재료로 형성되어질 수 있다.
주영역(R1)은 적당한 전해욕에 구조체를 침지시키는 것에 의해 도 2a의 구조체에서 일반적으로 제거되어지므로, 결합구성요소(CC1)를 형성하는 저항재료는 전해욕내에서 가용성 화학종을 생성하는 전기화학적 활성(electrochemical activity)을 실질적으로 갖지 않는다. 구체적으로, 전해욕내에서 결합구성요소(CC1) 재료의 전기화학 교환 전류 밀도는 전해욕내에서 주영역(R1) 재료(M1)의 전기화학 교환 전류 밀도와 전해욕내에서 주구성요소(C1) 재료(M1)의 전기화학 전류 밀도를 비교할 때 중요하지 않다(즉, 무시할 수 있다). 그 결과, 결합구성요소(CC1)의 전기화학적 교환 전류는 너무 작기 때문에 영역(R1)을 제거하는데 필요한 시간동안 전해욕내에서 구성요소(CC1)는 실질적으로 용해되지 않거나, 또는 영역(R1)의 제거에 영향을 미치지 않는다. 구성요소(CC1)는 완전한 극성 재료(polarizable material)로 구성된다. 필드 이미터에서, 구성요소(CC1)의 저항재료는 일반적으로 서멧 또는 규소-탄소-질소 화합물로 구성된다.
각각의 결합구성요소(CC2, CR1 및 CR2)는 일반적으로 금속 또는 금속의 결합체로 구성된다. 절연층(48, 50 및 52)은 전해욕으로부터 각각 결합구성요소(CC2, CR1 및 CR2)를 완전하게 분리시키는 전기 절연 재료로 구성된다. 이러한 목적을 위해, 산화물이 소망의 절연을 제공한다면, 절연층(48)은 일반적으로 구성요소(CC2)를 구성하는 금속 산화물로 형성되어질 수 있다. 또한, 절연층(48)은 개별 전기 절연막일 수 있다. 이러한 사실은 각각의 구성요소(CR1 및 CR2)에 대해서 절연층(50,52)에도 각각 동일하게 적용된다.
도 2a의 초기 구조체는 다양한 방법으로 생성되어질 수 있다. 구성요소(C1)는 일반적으로 원추형인 필드 이미터의 예는 구성요소(C1)을 형성하기 위하여 재료(M1)의 증발에 의한 증착동안에 과잉 이미터 재료층으로 축적되는 영역(R1)에 대한 도 5a 및 도 5b와 관련되어 하기에서 기술된다. 구성요소(C1)의 원추형에 대응하는 원추형 함몰부분(도 2a에서 도시되지 않음)은 영역(R1)의 하부면을 따라 존재한다. 어떤 경우든, 공정에서 다음 단계는 영역(R1 및 R2)으로부터 전기적으로 분리되는 주구성요소(C1)에 큰 피해없이 주영역(R1)을 제거하는 것이다.
주영역(R1)은 "침식성 전해욕(corrosive bath)" 및 "비침식성 전해욕(benign bath)"이라고 여기서 간략하게 불리우는 두 기본 기술중 하나에 따라 전기화학적으로 제거된다. 침식성 전해욕 기술은 하기에서 도 3a 내지 도 3e와 관련되어 기술된다. 비침식성 전해욕 기술은 하기에서 도 4a 내지 도 4e와 관련되어 기술된다. 두 기술에서, 영역(R1)은 일반적으로 도 2a의 구조체의 어떠한 부분에도 제어 포텐셜을 인가하지 않고, 또는 인가할 필요없이 스스로 동작되는 갈바니 방법으로 제거된다. 재료(M1, MC2 및 MR2-MR4)를 구현하는 특정 재료(일반적으로 금속)는 침식성 전해욕 또는 비침식성 전해욕에 의존한다.
영역(R1)의 전기화학 제거는 도 2b에서 개략적으로 도시되는 타입의 전기화학 셀(60)로 구성되는 전기화학 제거 시스템으로 실행된다. 전기화학 셀(60, electrochemical cell)은 전해욕(62, electrolytic bath) 및 셀 벽(64, cell wall)으로 구성된다. 전해욕(62)은 일반적으로 용액이나, 전해욕(62)내에서 용해되지 않는 구성요소를 가질 수도 있다. 구성요소(C1)는 도 2b에서 위로 향하도록 도시되어 있다. 그러나, 구성요소(C1)는 또 다른 방향, 예를들면 수직에 대해 옆으로 향할 수 있다.
주영역(R1)은 욕(62)내에서 실질적으로 구성요소/영역(C2,C3 및 R1-R4)의 모든 외부면이 전해욕(62)과 접촉하도록 구조체를 충분하게 침지시키는 것에 의해 도 2a의 구조체로부터 제거된다. 이것은 일반적으로 전해욕(62)내에 모든 구조체가 침지되는 것을 수반한다. 결합구성요소(CC1)가 구성요소(C2)에 의해 덮혀지지 않는 외부 표면을 갖는 한, 이 표면 영역은 또한 일반적으로 전해욕(62)과 접촉된다.
전기화학 제거 작용의 초기에 있어서, 영역(R1)은 구성요소(C1)가 위치되는 개구부(44/46)를 일반적으로 완전하게 덮는다. 따라서, 전해욕(62)은 전기화학 제거의 초기에서는 구성요소(C1)와 일반적으로 접촉하지 않는다. 영역(R1)의 재료(M1)가 제거됨에 따라, 전해욕(62)이 개구부(44/46)에 침투하여 구성요소(C1)들과 결합구성요소(CC1)의 표면영역의 인접부분과 접촉하는 지점에 결국 도달된다. 또한, 영역(R1)이 다공성일 수 있기 때문에 전해욕(62)이 영역(R1)을 통과함으로서 구성요소(C1)에 도달할 수 있다. 만일 구성요소(CC1)가 존재하지 않으면, 전해욕(62)은 구성요소(C2)의 표면영역의 인접부분과 접촉된다.
주구성요소(C1)의 작은 부분은 영역(R1)이 전기화학적으로 제거되기 전에 영역(R1) 또는 영역(R2)에 전기적으로 단락(short) 및/또는 전기화학 제거 동작동안에 영역(R1) 또는 영역(R2)에 전기적으로 단락되어질 수 있다. 이러한 전기 단락은 일반적으로 구성요소(C1)가 영역(R2)과 강제적으로 접촉되거나, 또는 구성요소(C1)와 영역(R1) 또는 영역(R2) 사이에 로징(lodging)하는 하나 또는 그 이상의 전기 비절연 입자의 결과로 발생된다. 영역(R2)이 영역(R1)과 접촉하기 때문에, 영역(R2)과 단락되는 임의의 구성요소(C1)는 영역(R1)과 단락된다.
영역(R1)과 단락되는 임의의 구성요소(C1)는 영역(R1)의 전기화학 제거동안에 일반적으로 크게 침식(attack)된다. 이러한 침식은 일반적으로 각 상기 구성요소(C1)가 영역(R1)에 더 이상 단락되지 않을 때까지 계속된다. 결합구성요소(CC1)의 높은 저항률 때문에, 구성요소(C1)의 나머지 부분, 즉 영역(R1)에 전기적으로 단락되지 않은 부분은 결합구성요소(CC1)가 존재하는 경우 영역(R1)이 제거되기 때문에 전기화학적으로 크게 침식되지 않는다.
재료(M1)의 선택적 제거는 제조중의 구조체내에서 전기화학적으로 발생된 내부 포텐셜에 의해 이루어진다. 이것은 재료(M1, MC2, MR2), 및 재료(MC3, MR3, MR4)를 적절하게 선택하는 것에 의해 이루어진다. 상기에서 언급한 바와 같이, 외부 제어 포텐셜은 소망의 방법으로 재료(M1)의 선택된 부분을 제거하기 위해서 구조체의 어떠한 부분에도 인가될 필요가 없다. 이 경우를 도 2b에서 설명한다. 이렇게 작동하는 것에 의해, 전기 접속(hook-up)을 구조체의 임의의 부분에 만들 필요가 없고, 따라서 전기화학 제거를 실행하는데 필요한 전체 시간이 감소된다. 전해욕(62)을 포함하는 전기화학 셀(60)의 복잡성도 또한 감소된다.
때때로 영역(R1)에서 재료의 제거를 가속시키거나 또는 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료가 크게 침식되지 않는 보장을 추가로 제공하는 것도 바람직하다. 이러한 경우에는, 선택적 제거를 가속시키거나 또는 단락되지 않은 구성요소(C1)를 보호하기 위하여 외부 포텐셜이 영역(R1 또는 C1)에 인가될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 재료(M1, MC2, MC3 및 MR2-MR4)를 구현하는 재료는 제조중의 구조체의 어떠한 부분에도 외부 포텐셜을 인가할 필요없이 재료(M1)가 소망의 방법으로 선택적으로 제거되도록 여전히 선택된다.
재료(M1)가 실질적으로 모든 영역(R1)을 형성하면, 전기화학 제거는 영역(R1)의 모든 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되도록 하는 충분한 시간동안 일반적으로 실행된다. 따라서, 영역(R1)은 완전하게 제거된다. 만일 영역(R1)이 재료(M1)이외의 또 다른 구성요소를 포함하면, 그 구성요소는 일반적으로 영역(R1)내의 재료(M1)와 같이 동시에 제거된다. 예를들면, 만일 부가구성요소가 영역(R1) 전체에 분포되어 있다면 (재료(M1)가 영역(R1)의 외부 표면의 많은 부분을 따라 존재하는 경우), 부가구성요소는 일반적으로 영역(R1)내의 재료(M1)가 제거될 때 전해욕(62)내에서 분리되어 제거된다. 전해욕(62)이 교반되거나, 또는 다른 방법으로 요동되면, 부가구성요소를 제거하는데 도움이 된다. 또한, 부가구성요소는 전해욕(62)에서 간단하게 용해될 수 있다.
영역(R1)의 재료(M1)가 완전하게 제거되어진 후에는, 제조중인 구조체가 셀(60)로부터 꺼내지고, 세척된 후 건조된다. 도 2c는 영역(R1)의 실질적으로 모든 부분이 전기화학적으로 제거된 시점에서 제조중의 구조체를 도시한다. 또한, 도 2c는 도시된 구성요소(C1)가 전기화학 제거 동작전에 영역(R1)과 전기적으로 단락되지 않거나 또는 전기화학 제거동안에 영역(R1)과 단락되지 않는 경우를 도시한다. 도 2c의 구조체는 이제 추가적인 처리를 할 준비가 완료된다.
재료(M1)의 선택적인 전기화학 제거로 다시 돌아가면, 전해욕(62)내에서 전기화학 환원 반-셀 포텐셜(종종 간단히 "환원 포텐셜") E0는 재료(M1, MC2, 및 MR2-MR4)를 선택하는데 이용되는 주요한 파라미터중 하나이다. 도 3a 내지 도 3e(전체적으로 도 3)는 침식성 욕의 경우에서 제조중의 구조체의 특정 구성요소/영역에 대한 환원 포텐셜 E0 사이의 관계를 설명한다. 도 4a 내지 도 4e(전체적으로 도 4)는 비침식성 욕의 경우에서 구조체의 특정 구성요소/영역에 대한 환원 포텐셜 E0 사이의 관계를 설명한다.
다른 구성요소/영역에 대한 환원 포텐셜 E0는 각각의 E.기호 뒤의 삽입정보(parenthetical information)에 의해 구별된다. 전해욕(62)내에서 구성요소(C1) 및 영역(R1)의 재료(M1)에 대한 환원 포텐셜 E0는 각각 기호 M1C1 및 M1R1으로 구별된다. 삽입 기호(MC2, MC3, MR2, MR3 및 MR4)는 각각 전해욕(62)내에서 구성요소/영역(MC2, MC3 및 MR2-MR4)에 대한 환원 포텐셜 E0를 나타낸다.
문자 "M"은 용해가능한 이온 종류인 Mn+의 임의의 재료를 나타낸다고 가정하면, 재료 M을 포함하는 하기의 반-셀 반응은 환원 포텐셜 E0(M)을 갖는다:
Figure 112000006121228-pct00001
여기서 e는 전자를 나타내고, n은 재료(M)의 이온형태에서 전자의 수를 나타내고, s는 고체를 나타낸다. 환원은 반응식 1의 왼쪽에서 오른쪽으로 진행된다. 또한, 각각의 포텐셜 E0(M)은 전해욕(62)내에서 실제로 존재하는 재료(M)의 압력(퓨가서티(fugacity)) 및 농도(활성(activity))에서 재료(M)의 환원 반-셀 포텐셜이다. 1 기압 압력 및 1 몰 농도(molar concentration)에서 표준 환원 반-셀 포텐셜 E0(M)은 일반적으로 실제 환원 포텐셜 E0(M)에 가깝다.
환원 포텐셜 E0(M)의 값은 수소 반응의 표준 환원 반-셀 포텐셜 E°(H)에 표준이되는 수소에 상대적으로 규정된다:
Figure 112000006121228-pct00002
반응식 2는 0볼트로 설정되고, 여기서 g는 가스를 나타낸다. 포텐셜 E0(M)의 양의 값은 하기의 반응이 이온 형태에서 고체형태로 전환시킴으로써 재료를 환원시키기 위해 오른쪽으로 진행되는 것을 의미한다.
Figure 112000006121228-pct00003
포텐셜 E0(M)의 음의 값은 반응(3)이 왼쪽으로 진행되어 재료(M)를 산화시켜 재료가 고체상태에서 이온상태로 변환된다는 것을 의미한다.
본 발명의 침식성 전해욕 및 비침식성 전해욕 기술을 사용하여 E0 관계를 결정하는데 있어서, 전해욕(62)내에서 전자를 내보내고 받아들이는 능력이 없는 재료는 E0 관계에 거의 영향을 미치지 않는다. 결합구성요소(CC1)가 전해욕(62)내에서 매우 약한 전기화학 교환 전류 능력을 가져서 전해욕(62)내에서 거의 제로인 전자-공여/전자-수용 능력이 되기 때문에, 상기 구성요소(CC1)의 존재는 현재의 E0 관계를 결정하는데 무시된다. 상기 결합구성요소(CC2,CR1,CR2)의 전자-공여 및/또는 수용 능력은 만일 이들이 전해욕(62)과 접촉하는 경우에는 중요할 수도 있다. 그러나, 구성요소(CC2,CR1,CR2) 각각은 전해욕(62)과는 완전히 격리되어 있다. 따라서, 상기 구성요소(CC2,CR1,CR2)의 존재도 상기 침식성 전해욕 및 비침식성 전해욕 기술을 위한 E0 관계를 결정하는데 무시된다.
상기 내용을 고려하면, 전해욕(62)은 E0 관계가 도 3에 도시된 관계를 갖는 침식성 전해욕 기술에서는 재료(M1)에 원래 침식성(또는 M1에 침식성)이다. 즉, 단지 재료(M1)만으로 구성되는 물질은 전해욕(62)내에 침지되는 경우, 이 물질은 산화되어 전해욕(62)내에서 용해되는 M1 이온으로 변환된다. 상기 침식성 전해욕 기술의 본질은 재료(M1, MC2, MR2)를 선택, 그리고 존재한다면 재료(MC3, MR3, MR4)를 선택하여, 주영역(R1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되는 것이 허용되는 동안, 단락되지 않은 주구성요소(C1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되는 것을 방지하는 내부 포텐셜을 만드는 것이다.
상기 침식성 전해욕 기술은, 주구성요소(C1)의 재료(M1), 부가구성요소(C2)의 재료(MC2), 및 (존재하는 경우) 부가구성요소(C3)의 재료(MC3)가 전해욕(62)내에서 환원 포텐셜 E0을 갖도록 선택함으로써 구성요소(C1)의 재료(M1)가 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)의 어느 부분도 전해욕(62)내에서 용해되는 것을 충분히 방지하는 내부 생성된 전기화학적 포텐셜을 갖도록 수행된다. 특히, 전해욕(62)내에서 구성요소(C2,C3)의 환원 퍼텐설(E0(MC2), E0(MC3))은 구성요소(C1)의 재료(M1)의 환원 포텐셜(E(M1C1))보다 상당히 작기 때문에 전해욕(62)은 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)를 크게 침식하지 않는다. 이점을 고려하면, E(M1C1)보다 전해욕(62)내에서 더 높은 환원 포텐셜(E0)을 갖고 전해욕(62)내에서 구성요소(C1)의 재료(M1)의 전기화학적 교환 전류보다 전해욕(62)내에서 큰 전기화학 환원 교환 전류를 갖는 전기 비절연 구성요소는 제조중의 상기 구조체가 전해욕(62)내에서 침지되어 있는 동안 구성요소(C1)와 전기적으로 결합하는 일은 없다.
단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되는 것을 막기 위한 트레이드-오프는 (구성요소(C2)의) 재료(MC2) 및/또는 (구성요소(C3)의) 재료(MC3)의 일부가 산화되어 전해욕(62)내에서 용해되는 것이다. 재료(MC2) 및/또는 재료(MC3)에 의해 제공된 전자들은 전해욕(62)내에서 구성요소(C1)의 표면상에 충분히 음의 계면 포텐셜을 유지하는 역할을 하는 전기화학 전하 전류를 형성한다. 만일 영역(R1)의 재료(M1) 모두가 제거되기 전에 재료(MC2,MC3) 모두가 전해욕(62)내에서 용해되면, 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)는 전해욕(62)내에서 침식당하기 시작한다. 이러한 현상이 일어나는 것을 막기 위해서, 전해욕(62)내에서의 영역(R1)의 재료(M1)의 용해속도(rate of dissolution)를 전해욕(62)내의 재료(MC2,MC3)의 전체 용해 속도를 초과하도록 조정한다.
또한, 구성요소(C2)는 종종 제조되는 최종 구조체내의 구성요소가 된다. 일반적으로 재료(MC2)의 많은 부분의 제거는 허용되지 않는다. 사실, 재료(MC2)의 소량의 제거도 허용되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 전해욕(62)내의 영역(R1)의 재료(M1)의 용해속도는 전해욕(62)내의 재료(MC2)의 용해속도보다 일반적으로 훨씬 빨라야하고, 이 용해속도 차이는 얼마나 많은 크기 감소가 구성요소(C2)내에서 허용될 수 있는 가에 따라 달라진다.
상술한 바와 같은 동일한 내용이 구성요소(C3)에 적용되고, 구성요소(C3)는 제조되는 최종 구조체내의 구성요소가 된다. 그러나, 아래 더 설명하겠지만, 구성요소(C2)보다 구성요소(C3)가 더 많은 크기 감소를 허용할 수 있다.
상기 침식성 전해욕 기술에서 환원 포텐셜(E0(M1C1),E0(MC2),E0(MC3))을 선택하는 기준을 더 잘 이해하기 위해서, 부가영역(R3)이 없는 상황을 고려한다. 환원 포텐셜(E(MC2))은 도 3a에 표시된 바와 같이, 환원 포텐셜(E0(M1C1))보다 작다. 구성요소(C1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되는 것을 막기 위해서, 포텐셜(E0(MC2))은 E0(MCC1) 보다 약간만 작으면 된다. 일반적으로, E0(MC2)는 E0(M1C1) 보다 단지 0.2-0.3 볼트 적을 필요가 있다. 그러나, E0(MC2)는 E0(M1C1) 보다 0.2-0.3 볼트 이상 더 작을 수도 있다.
다음으로, 제조과정에서 상기 구조체가 전해욕(62)내에 침지되어 있는 경우 그 구조체내에 구성요소(C3)가 존재하는 상황을 고려한다. 포텐셜(E0(MC2),E0(MC3))은 모두 도 3b 에 도시한 바와 같이 포텐셜(E0(M1C1)) 보다 낮다. 도 3a의 앞서 예와 일치하게, 포텐셜(E0(MC2),E0(MC3))은, 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)가 산화되는 것을 막기 위해, E0(M1C1)보다 약간만 작을, 일반적으로는 단지 0.2-0.3 볼트 작을 필요가 있다.
구성요소(C2)는 일반적으로 제조중인 상기 디바이스의 코어, 예를들어 필드 이미터내에 위치한 임계 크기를 갖는 구성요소(critically sized component)이다. 따라서, 일반적으로 구성요소(C2)는 최소 크기 감소 이상은 허용될 수 없다. 반면에, 구성요소(C3)는 보통 제조중에 상기 디바이스의 주변에 위치해 있고 초기에 충분히 큰 크기의 두께로 제공되어 상기 영역(R1)의 제거가 진행되는 동안 상당한 용해량을 견딜 수 있다. 특히, 구성요소(C3)는, 부분적으로, 구성요소(C2)를 유지하는 희생 구성요소 역할을 할 수 있다.
앞서의 상황은 포텐셜(E0(MC2))보다 적게 포텐셜(E0(MC3))을 조정하는 것으로 이루어진다. 이 상황이 도 3b에 표시되어 있다. E0(EC2) 보다 적은 E0(EC3)를 선택하는 추가적인 이익은 단락되지 않은 구성요소(C1)에 제공된 용해방지 보호(anti-dissolving protection) 정도가 구성요소(C3)가 없거나 또는 구성요소(C3)가 재료(MC2)로 실질적으로 구성되는 경우 발생할 수 있는 이상으로 증가한다는 것이다.
전해욕(62)내에서 용해되는 재료(MC2)의 용해속도는 E0(M1C1)-E0(MC2) 차이가 증가하면 크게 증가한다. 마찬가지로, 재료(MC3)가 전해욕(62)내에서 용해되는 용해속도는 E0(M1C1)-E0(MC3) 차이가 증가하면 크게 증가한다. 재료(MC2) 및/또는 재료(MC3)가 큰 손실을 허용할 수 없는 경우에는, 포텐셜 E0(M1C1)을 E0(MC2) 및/또는 E0(MC3)보다 상당히 크게 조정하는 것은 일반적으로 바람직하지 못하다. 이러한 상황에서 E0(M1C1)-E0(MC2) 또는 E0(M1C1)-E0(MC3) 차이의 최대량은 일반적으로 1 볼트 이다.
제조중의 상기 구조체에 (a) 구성요소(C1)와 전기적으로 결합되고, (b) 영역(R1)과 전기적으로 결합되지 않고, 그리고 (c) 전해욕(62)에 침지되는 임의의 전기 비절연 추가구성요소가 포함되면, 상기 각 구성요소에 대한 환원 포텐셜(E0)은 앞서의 패턴에 따라 선택된다. 다시 말하면, 상기 각 추가구성요소에 대한 포텐셜(E0)은 E0(M1C1) 보다 작지만 E0(M1C1) 보다 단지 약 1 볼트 작게 선택된다. 상기 각 추가구성요소가 구성요소(C2,C3)를 통해 구성요소(C1)와 전기적으로 결합하는 것으로 가정하면, 상기 추가구성요소의 포텐셜(E0)은, 구성요소(C3)가 상기 추가구성요소에 용해방지 보호를 제공하는 것이 필요한 경우에, 포텐셜(E0(MC2) 및 E0(MC3)) 사이에 놓이도록 선택된다. 반대로, 상기 추가구성요소가 구성요소(C3)에 (또한 구성요소 C2 및 C1 에도) 용해방지 보호를 제공하는 것이 필요한 경우에는, 상기 추가구성요소의 포텐셜(E0)은 가장 낮은 환원 포텐셜이 된다.
재료(M1)에 대해 본질적으로 침식성인 전해욕(62)에 있어서, 전해욕(62)은 전해욕(62)내에서 상기 환원 포텐셜(E0(M1R1))보다 큰 환원 포텐셜(E0(B))을 갖고 환원되는 구성요소(B)를 갖는다. 도 3c 를 참고하라. 환원 포텐셜(E0(M1R1))은 보통 E0(M1C1)에 근접한다. 또한, 상기 구성요소(B)를 포함하는 환원 교환 전류밀도는 영역(R1)의 노출된 표면에서 상대적으로 높다. 환원되면서, 구성요소(B)는 영역(R1)의 재료(M1)로부터 전자를 수용하여(또는 받아들여) 아래 반응에 따라 영역(R1)의 재료(M1)을 산화시키게 된다.
Figure 112000006121228-pct00004
반응식 4는 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)의 근방에서도 발생한다. 상기 침식성 전해욕 기술을 위한 앞서 설명한 방식으로 포텐셜(E0(M1C1), E0(MC2) 및 E0(MC3))을 선택하면, 용해되는 재료(MC2,MC3)에 의해 제공된 전자들은 반응식 4에 의해 제거된 것보다 더 큰 속도로 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)에 도달한다. 단락되지 않은 구성요소(C1)는 음으로 하전된다. 이것은 전해욕(62)이 단락된 구성요소(C1)의 원자를 양으로 하전된 M1 이온으로 전환되는 것을 막는다.
상기 침식성 전해욕 기술은, 추가영역(R2)의 재료(MR2), 그리고 존재하는 경우에는, 추가영역(R3,R4)의 재료(MR3,MR4)를, 영역(R1)이 영역(R2-R4)과 전기적으로 결합되는 경우에도 영역(R1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 계속 용해되는 환원 포텐셜(E0)을 갖도록 선택하는 것을 부가적으로 포함한다. 이것은 영역(R2)내의 재료(MR2)의 환원 포텐셜(E0(MR2)), 그리고 존재하는 경우 (즉, 영역(R3,R4)가 있는 경우), 영역(R3,R4)내의 재료(MR3.MR4)의 환원 포텐셜(E0(MR3),E0(MR4))을 포텐셜(E0(MC2))보다, 그리고 존재하는 경우 (즉, 구성요소 C3가 존재하는 경우) 포텐셜 (E0(MC3)) 보다 크게 조정함으로 달성된다. 환원 포텐셜(E0(MC2),E0(MC3),E0(MC4))은 포텐셜(E0(M1R1)) 보다 작거나 클 수가 있다. 상술한 E0 상태를 구성요소/영역(C3,R3,R4)이 없는 경우에 대해 도 3d로 설명하였다. 포텐셜(E0(MR2))은 E0(MC2)를 초과하는 범위 어느 곳에서도 충분히 있을 수 있다.
도 3e 는 전해욕(62)내에서 침지된 상태에서 구성요소/영역(C3,R3,R4)가 제조중의 구조체내에 존재하는 경우의 상술한 E0 상태를 표시하고, 여기서 포텐셜 E0(MC3)는 포텐셜 E0(MC2)보다 작다. 이 경우, 포텐셜 (E0(MR2),E0(MR3),E0(MR4))은 E0(MC2)를 초과하는 범위 어느 곳에나 놓일 수 있다.
포텐셜(E0(MR2)), 그리고 존재한다면, 포텐셜(E0(MR3),E0(MR4))은 E0(M1R1)보다 모두 큰 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 (E0(M1R1) 및 E0(MR2)) 내지 E0(MR4)를 조정함으로써 제조중의 상기 구조체로부터 영역(R1)의 재료(M1)이 산화되고 제거되는 속도를 가속시킨다. 제거속도는 포텐셜(E0(MR2)) 내지 E0(MR4)의 가중 평균(weighted average)이 E0(M1R1)에 대해 증가함에 따라 증가하고, 여기서 상기 가중치는 비침식성 전해욕 기술에 따라 아래에 후술할 재료(MR2-MR4)의 교환 전류밀도에 기초한다.
재료(M1,MC2,MR2), 그리고 존재하는 경우에는, 재료(MC3,MR3,MR4)는 상기 침식성 전해욕 기술을 실시하기 위한 상술한 기준에 따라 선택된다. 결합구성요소(CC1, CC2, CR1, 및 CR2)는 상기 침식성 전해욕 기술을 위한 E0 관계에 있어서 아무런 역할을 하지 않는다. 적어도 영역(R1)의 재료(M1), 그리고 영역(R1)의 거의 모든 재료는 단락되지 않은 구성요소(C1)를 크게 침식하지 않고, 또한 제조중의 상기 구조체에 외부 포텐셜을 인가할 필요 없이 제거된다.
본 발명의 비침식성 전해욕 기술로 돌아가면, 전해욕(62)은 관련된 E0 관계가 도 4에 도시된 바와 같이 재료(M1)에 본질적으로 양성 (즉, 실질적으로 비침식성)이다. 다시 말하면, 단지 재료(M1)으로만 구성된 물질을 전해욕(62)에 접촉시키면, 그 물질에는 어떠한 반응도 발생하지 않는다. 상기 비침식성 전해욕 기술의 본질은 영역(R1)의 재료(M1)는 전해욕(62)내에서 전기화학적으로 산화되어 용해되지만 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)는 실질적으로 영향을 받지 않는 내부 전기화학적 포텐셜을 생성하도록 재료(M1,MC2,MR2), 그리고 존재한다면, 재료(MC3,MR3,MR4)를 선택하는 것이다.
상기 비침식성 전해욕 기술은 영역(R1)의 재료(M1), 영역(R2)의 재료(M2), 그리고 (존재한다면) 영역(R3,R4)의 재료(MR3,MR4)를 영역(R1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되게 하는 내부 발생된 전기화학적 포텐셜이 인가되도록 하는 환원 포텐셜(E0)을 갖도록 선택함으로써 수행된다. 특히, 전해욕(62)내에서 환원 포텐셜(E0(MR2),E0(MR3),E0(MR4))은 전해욕(62)내에서 환원 포텐셜(E0(M1R1))보다 훨씬 높기 때문에 전해욕(62)이 영역(R1)의 재료(M1)를 용해시킨다. 영역(R1)의 재료(M1)가 전해욕(62)내에서 용해되는 용해속도는 포텐셜(E0(MR2),E0(MR3),E0(MR4))이 포텐셜E0(M1R1)보다 증가함에 따라 증가한다. 영역(R1)의 재료(M1)가 상업적 생산으로 채택가능한 용해속도로 제거되도록 하기 위해서, 포텐셜(E0(MR2),E0(MR3), E0(MR4))의 적어도 하나는 E0(M1R1) 보다 상당히 클 필요가 있다.
도 4a는 영역(R3,R4)이 없는 상태를 나타낸다. 따라서, 포텐셜(E0(MR2))이 E0(M1R1) 보다 상당히 크다. 도 4b는 영역(R3)은 존재하지만 영역(R4)이 없는 상태를 나타낸다. 포텐셜(E0(MR2) 및 E0(MR3))이 모두 E0(M1R1) 보다 상당히 크다. 영역(R2)이 보통 영역(R3)보다 작은 양으로 존재하기 때문에, 일반적으로 E0(MR3)이 E0(MR2) 보다 작다. 마지막으로, 도 4c 는 영역(R3,R4)이 모두 존재하는 상태를 나타낸다. 포텐셜(E0(MR2)) 내지 E0(MR4)은 모두 E0(M1R1) 보다 상당히 크다. 일반적으로, E0(MR4)은 E0(MR3) 보다 작으며, 또한 E0(MR2) 보다 작다.
만일 제조중의 상기 구조체가 (a) 영역(R1)과 전기적으로 결합되고, (b) 단락되지 않은 구성요소(C1)과 전기적으로 결합되지 않고, 그리고 (c) 전해욕(62)에 침지되는 임의의 전기 비절연 부가영역을 포함하는 경우, 상기 각 부가영역에 대한 포텐셜 E0은 포텐셜 (E0(MR2)) 내지 E0(MR4)을 인가하는 패턴에 따라 선택된다. 또한, E0(M1R1) 보다 전해욕(62)내에서 더 낮은 환원 포텐셜(E0)을 갖고 또한 영역(R1)의 재료(M1)보다 전해욕(62)내에서 더 빠른 용해속도를 갖는 전기 비절연 영역은 상기 제조중의 구조체가 전해욕(62)내에 침지되어 있는 동안 영역(R1)과 전기적으로 결합하지 않는다.
상기 제조중의 구조체가 영역(R3) 및/또는 영역(R4)를 포함하는 경우에, 영역(R2)과 영역(R3) 및/또는 영역(R4)과의 조합은 환원 포텐셜(E0(R))이 포텐셜 E0(MR2) 내지 E0(MR4)의 가중 평균인 복합 전기 비절연 영역과 동일하게 동작한다. 상기 가중치는 전해욕(62)내에서 재료(MR2-MR4)의 교환 전류에 의해 일반적으로 정의된다. 만일 상기 재료(MR2-MR4) 중 하나의 교환 전류가 재료(MR2-MR4)의 다른 두 개의 교환 전류보다 훨씬 크다면, 가중 평균 환원 포텐셜(E0(R))은 가장 높은 교환 전류를 갖는 영역의 환원 포텐셜(E0)과 거의 같다. 상기 비침식성 전해욕 기술의 E0 기준은 가중 평균 포텐셜(E0(R))이 E0(M1R1)보다 상당히 크다는 하나의 기준으로 요약할 수 있다.
재료(MR2-MR4)의 교환 전류는 그들의 교환 전류밀도 및 전해욕(62)에 노출된 그들의 표면적에 의해 결정된다. 제 1 근사값으로, 교환 전류는 교환 전류밀도 및 노출된 표면적의 곱이다. 이 근사값은 전체 교환 전류를 측정하고 가중 평균 환원 포텐셜(E0(R))을 조정하는데 사용할 수 있다. 특정한 용도를 위한 재료(MR2-MR4)의 선택은 다양한 요소에 따라 달라진다. 재료(MR2 또는 MR3)로 사용하기에 바람직한 재료가 때때로 낮은 환원 포텐셜을 갖는 경우 가중 평균 포텐셜(E0(R))은 바람직하지 않게 낮다. 이러한 경우에는, 상기 문제를 해결하기 위한 한가지 기술은 그 재료가 실질적으로 제로인 교환 전류를 가져서 포텐셜(E0(R))을 낮추지 않도록 전기 절연체로 상기 재료를 피복하는 것이다. 요약하면, 본 발명에서의 영역(R2 또는 R3)는 상기 E0 기준에서 제외되도록 결합영역(CR1 또는 CR2)으로 변환된다.
상기 E0 기준을 충족시키는 것은 영역(R1)의 재료(M1)를 제조중의 상기 구조체로부터 제거하기 위한 비침식성 전해욕 기술에서 임계 조건(threshold requirement)이다. 또한, 일부 메카니즘이 상업적으로 채택가능한 속도로 재료(R1)를 산화시키기에 충분히 높은 속도로 영역(R1)으로부터 전자를 제거하는데 사용되어야 한다. 이것은 보통 재료(MR2-MR4) 중 적어도 하나를 높은 전기화학 환원 교환 전류를 갖도록 조정함으로써 이루어진다. 그러면 영역(R2-R4)의 전체 전자 수용 능력이 높아져서 영역(R1)의 재료(M1)가 빠르게 제거된다.
다양한 요소에 따라, 상기 비침식성 전해욕 기술에 요구되는 환원 교환 전류 및 상기 E0 기준 모두를 만족시키는 재료(MR2-MR4)를 선택하는 것이 때때로 어려운 경우도 있다. 만일 E0 기준은 만족될 수 있는데 비침식성 전해욕 기술을 위한 환원 교환 전류 요구는 재료(MR2-MR4)로서 선택된 재료로는 용이하게 얻어지지 않는 경우에는, 필요한 높은 속도로 영역(R1)으로부터 전자를 제거하는 대체 기술은 상기 전해욕(62)에 높은 전기화학 환원 교환 전류로 전해욕(62)내에서 환원 반응하는 여분의 구성요소(X)를 제공하는 것이다. 이 대체 기술에서, 여분의 구성요소(X)의 환원 포텐셜(E0(X))는 포텐셜(E0(M1R1))을 초과한다.
구성요소(X)의 일 예로서 산소가 있다. 전해욕(62)을 산소로 포화시키면, 산소의 환원은 용해도(ph)에 따른 복잡한 반응 시퀀스에 따라 발생한다. 한 예로, 산소의 환원은 아래 반응식으로 나타낼 수 있다:
Figure 112000006121228-pct00005
구성요소(X)의 더 다른 예는 +3가인 철을 들 수 있다. +3가인 철의 환원은 다음식에 따라 전해욕(62)내에서 발생한다:
Figure 112000006121228-pct00006
반응식 5 와 6 모두 많은 표면상에서 높은 전기화학 환원 교환 전류밀도를 갖는다.
전자를 제거하기 위해 구성요소(X)을 전해욕(62)에 도입하는 경우, 가중 평균 포텐셜(E0(R))은 구성요소(X)의 효과를 포함하도록 수정된다. 즉, 영역(R1)의 재료(M1)를 산화시키는 스스로-생성된 포텐셜은 포텐셜(E0(M1R1))과 포텐셜 E0(MR2) 내지 E0(MR4) 및 여분의 구성요소 포텐셜(E0(X))의 가중 평균 사이의 차이이다. 가중치가 전기화학 교환 전류에 기초하기 때문에, 얻어진 가중 평균 포텐셜(E0(R))은 E0(X)와 거의 동일하다. 다시 말하면, 구성요소(X)는 E0 측면과 교환 전류 측면 모두에서 제거 공정을 지배한다.
여분의 구성요소 포텐셜(E0(X))은 포텐셜 E0(MR2) 내지 E0(MR4) 보다 크거나 또는 작을 수 있다. 만일 포텐셜(E0(X))이 E0(MR2)을 초과하는 경우에는, 구성요소(X)를 포함하는 환원은 어떤 상황하에서는 재료(MR2)를 침식시킬(산화시킬) 수 있다. 이러한 사실은 E0(X)가 E0(MR3) 또는 E0(MR4)를 초과하는 경우에도 재료 MR3 또는 MR4에 적용된다. 재료(MR2-MR4)의 침식은 E0(MR2) 내지 E0(MR4) 각각 보다 E0(X)의 포텐셜이 낮아지도록 선택함으로써 방지할 수 있다. 이 상태가 도 4d에 나타나 있다.
비침식성 전해욕 기술은 부가구성요소(C2)의 재료(MC2), 그리고 존재하는 경우에, 부가구성요소(C3)의 재료(MC3)를 단락되지 않은 구성요소(C1)가 전해욕(62)내에서 용해되지 않는 환원 포텐셜(E0)을 가지도록 선택하는 것을 추가로 포함한다. 단락되지 않은 구성요소(C1)를 보호하는 것은 포텐셜(E0(MC2)), 그리고 존재하는 경우에는, 포텐셜(E0(MC3))가 E0(M1C1) 보다 단지 약 0.3 볼트 크도록 조정함으로써 수행된다. 도 4e 를 참고하라. 또한, 포텐셜(E0(M1C1) 및 E0(M1R1))은 일반적으로 거의 동일한 값이다.
포텐셜(E0(MC2) 및 E0(MC3))은 각각 E0(M1C1)보다 작은 적이 바람직하며, 일반적으로 E0(M1C1) 보다 0.2-0.3 볼트 작다. 만일 포텐셜(E0(MC2))가 E0(M1C1) 보다 상당히 작다면, 재료(MC2)는 크게 침식(산화)될 수 있을 것이다. 이러한 사실은 재료(MC3)에 대한 포텐셜(E0(MC3))에도 적용된다. 이러한 침식이 허용되지 않는 상황에서는, 포텐셜(E0(MC2) 및 E0(MC3))은 보통 E0(M1C1)보다 1볼트 작다.
재료(M1,MR2 및 MC2), 그리고 존재한다면 재료(MR3,MR4 및 MC3)를 구현하는 재료는 비침식성 전해욕 기술을 실시하기 위해 상술한 E0 및 교환 전류 기준에 따라 선택된다. 상기 침식성 전해욕 기술에서와 같이, 결합구성요소(CC1,CC2,CR1 및 CR2)의 특성은 비침식성 전해욕 기술을 위한 기준에 영향을 미치지 않는다. 영역(R1)의 적어도 일부, 그리고 영역(R1)의 실질적으로 전부는 단락되지 않은 구성요소(C1)가 크게 침식되지 않고 그리고 제조중의 상기 구조체로 외부 포텐셜이 인가될 필요 없이 또한 제거된다.
저항성 결합구성요소(CC1)가 제조중의 상기 구조체내에 존재하고 높은 저항률을 갖는다면, 영역(R1 또는 R2)으로의 상기 구성요소(C1)의 작은 부분의 단락은 단락되지 않은 구성요소(C1)의 재료(M1)가 크게 제거되지 않고도 영역(R1)의 재료(M1)을 제거하는 능력을 손상시키지 않는다. 단락된 각 구성요소(C1)는 영역(R1)의 포텐셜과 거의 같다. 구성요소(C1)가 영역(R1)에 단락되지 않는 경우에, 영역(R1)과 단락된 구성요소(C1)와의 사이에 일반적으로 존재하는 포텐셜 차이는 구성요소(CC1)의 저항재료에 걸쳐서 크게 하강한다. 사실, 구성요소(CC1)는 구성요소(C1)를 전기적으로 분리시킨다. 따라서, 단락되지 않은 구성요소(C1) 각각은 단락된 구성요소(C1) 각각과 효과적으로 전기적으로 분리된다.
단락된 구성요소(C1) 각각은 영역(R1)의 포텐셜과 거의 같으므로, 단락된 구성요소(C1) 각각은 전기화학적 제거 동작의 적어도 초기 동안에는 효과적으로 영역(R1)의 일부가 된다. 그러므로, 단락된 구성요소(C1) 각각은 재료(M1)의 충분한 량이 영역(R1)으로부터 제거될 때까지 및/또는 그 후 존재하는 영역(R1)의 잔부와 구성요소(C1)의 잔부 사이에 충분히 넓은 간극이 형성될 때까지 전기화학적으로 침식된다. 원래 단락된 구성요소(C1)상의 포텐셜이 구성요소(C1)의 재료(M1)를 산화시키는데 필요한 값 아래로 떨어지는 간극에 도달하면, 구성요소(C1)상의 침식은 중지된다.
단락된 구성요소(C1)상의 전기화학적 침식은 때때로 구성요소(C1)의 비교적 적은 부분만이 제거되는 경우에도 중지된다. 이미 단락된 구성요소(C1)가 얼마나 잔류하고 있고, 그 잔부가 어떠한 형상이냐에 따라, 구성요소(C1)의 잔부가 의도된 기능을 적합하게 수행할 수 있다. 어느 경우에도, 한편으로는 구성요소(C1) 사이의 전기적 단락, 다른 한편으로는 구성요소(C1)와 영역(R1 및 R2) 사이의 전기적 단락은 본 발명의 침식성 전해욕 또는 비침식성 전해욕 기술 중 어느 하나를 사용함으로써 제거(복구)된다.
도 5a 및 도 5b(전체적으로 "도 5")는 도 2의 공정 시퀀스가 주구성요소(C1)가 원추형 전자방출소자인 필드 이미터를 제조하는데 어떻게 사용되는지에 대한 한 예를 나타내고 있다. 도 5a는 주영역(R1) 그룹 각각을 동시에 제거하기 위한 본 발명의 전기화학적 제거 절차를 수행하기 바로 전의 상기 예의 구조체를 보여주고 있다. 도 5a에는 오직 한 영역(R1) 만이 도시되어 있다. 영역(R1)은 전자방출 콘(C1)을 형성하는데 사용된 과잉재료(excess material)(M1)로 구성된다.
콘(C1) 및 과잉 이미터 재료 영역(R1)에 더하여, 도 5a의 초기 구조체에는 부가구성요소(C2), 부가구성요소(C3)의 대응 그룹, 결합구성요소(CC1), 추가영역(R2) 그룹, 절연 기판(40) 및 중간 유전체층(42)이 포함되어 있다. 도 5a는 단지 하나의 구성요소(C2), 하나의 구성요소(C3), 그리고 하나의 영역(R2)만을 설명하고 있다. 기판(40)은 보통 유리와 같은 투명한 전기 절연체로 구성된다. 유전체층(42)은 보통 산화 실리콘이다.
도 5a의 구성요소(C2)는 이미터 전극이고, 각각은 도 5a의 면에 수평으로 연장한다. 구성요소(C3) 각각은 대응하는 이미터 전극(C2)용 접촉 패드이다. 이미터 접촉 패드(C3)의 전체 노출 표면적은 보통 과잉 이미터 재료 영역(R1)의 전체 노출된 표면적의 적어도 10배 이다. 영역(R2)은 게이트 전극이고, 각각은 도 5a 의 면에 수직으로 연장하여 이미터 전극(C2)와 수직이 된다. 게이트 전극(R2)의 전체 노출된 표면적은 일반적으로 과잉 이미터-재료 영역(R2)의 전체 노출된 표면적의 적어도 10배 이다.
침식성 전해욕 기술의 실시에서, 콘(C1) 및 과잉영역(R1)의 재료(M1)는 일반적으로 니켈이다. 게이트 전극(R2), 이미터 전극(C2) 및 이미터 접촉 패드(C3)는 각각 백금, 크롬 및 알루미늄이다. 전해욕(62)은 침식성 전해욕 실시에서 용해된 산소를 갖는 0.1몰 인산 수용액이다.
침식성 전해욕 기술의 실시에서, 콘(C1) 및 과잉영역(R1)의 재료(M1)는 일반적으로 몰리브덴이다. 게이트 전극(R2) 및 이미터 접촉 패드(C3)는 각각 백금 및 알루미늄이다. 그러나, 이미터 전극(C2)은 상기 비침식성 전해욕 실시에서는 탄탈이다.
비침식성 전해욕 실시에서의 전해욕(62)은 유기 솔벤트, 산, 및 용해된 산소로 형성된 전해용액이다. 전해욕(62)은 또한 염을 포함할 수 있다. 상기 유기 솔벤트, 산 및 염은 앞서 언급한 포터 등에게 부여된 08/884,701에 설명된 바와 같이 선택될 수 있다. 예를들어, 상기 유기 솔벤트는 디메틸술폭시드(dimethylsulfoxide)일 수 있다. 상기 산은 0.1-1.5 의 몰농도, 통상적으로는 0.5 몰농도(몰/리터)의 파라톨루엔술포닉 산(paratoluenesulfonic acid)일 수 있다. 상기 염은 0.05-0.75 의 몰농도, 일반적으로는 0.1 몰농도에서의 테트라에틸아모니움 파라톨루엔술포네이트(tetraethylammonium paratoluenesulfonate)일 수 있다. 상기 용해된 산소는 구성요소(X)를 구성한다.
도 5b는 과잉 이미터 재료 영역(R1)이 완전히 제거되기에 충분한 긴 시간동안 전해욕(62)내에 침지된 후 보여지는 상기 초기 구조체를 설명하고 있다. 이제 전자방출 콘(C1)이 게이트 전극(R2)내의 개구(46)를 통해 노출된다. 침식성 전해욕 기술에 있어서, 이미터 접촉 패드(C3)는 도 5b에 도시한 바와 같이 크기가 약간 감소되었다. 앞서 설명한 바와 같이, 접촉 패드(C3)의 다소의 크기 감소는 상기 비침식성 전해욕 기술을 사용하는 경우에도 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 도 5b 에서와 유사한 영역 필드 이미터를 사용하는 평판 CRT 디스플레이의 코어 액티브 영역의 전형적인 예를 나타내고 있다. 기판(40)은 CRT 디스플레이용 베이스플레이트를 형성한다. 이미터 전극 구성요소(C2) 각각은 베이스플레이트(40)의 내부면을 따라 위치된다.
도 6의 예에서, 필드 이미터는 이미터 전극(C2)에 수직으로 연장하는 추가영역(R3) 그룹을 포함하고 있다. 도 6에 그 중 하나가 도시된 영역(R3)은 주제어전극을 구성한다. 주제어전극(R3) 각각은 하나 또는 그 이상의 주제어애퍼처(70)를 포함하고 있다. 도 6의 영역(R2)은 표시된 방식으로 주제어애퍼처(70)에 걸쳐있는 게이트부이다. 주제어전극(R3) 및 인접 게이트부(R2) 각각은 복합제어전극을 형성한다. 도 6의 전자방출 콘(C1)은 측면으로 분리된 전자방출 콘의 세트내에 배열되어 있다. 콘(C1)의 각 세트는 대응하는 주제어애퍼처(70)의 하나에 의해 측면이 둘러쌓여 있는 게이트 개구(46)를 통해 노출된다.
일반적으로 유리인 투명한 페이스플레이트(80)는 베이스플레이트(40)와 떨어져 위치해 있다. 발광 형광영역(82, light-emitting phosphor region)은, 도 6에 그 중 하나가 도시되어 있는데, 대응하는 주제어애퍼처(70)와 직접 교차하여 페이스플레이트(80)의 내부면상에 놓여있다. 얇은 빛 반사층(84)은 일반적으로 알루미늄이고, 페이스플레이트(80)의 내부면을 따라 형광영역(82) 위에 놓여있다. 전자방출소자(C1)에 의해 방출된 전자는 빛 반사층(84)을 통과하여 페이스플레이트(80)의 외부면상에 가시 이미지를 만드는 빛을 형광영역(82)이 방출하게 한다.
평판 CRT 디스플레이의 상기 코어 액티브 영역에는 일반적으로 도 6에 도시되지 않은 다른 구성요소들이 포함되어 있다. 예를들어, 페이스플레이트(80)의 내부면을 따라 놓여있는 블랙 매트릭스는 보통 다른 형광영역(82)과 측면이 이격되도록 각각의 형광영역(82)를 둘러싼다. 전극간 유전체층(42) 위에 제공된 촛점 리지는 전자 궤도의 제어를 돕는다. 스페이서 벽은 백플레이트(40)와 페이스플레이트(80) 사이에 비교적 일정한 간격을 유지하기 위해 사용된다.
도 6에 설명된 타입의 평판 CRT 디스플레이로 구현하는 경우, 본 발명에 따라 제조된 필드 이미터는 다음과 같은 방식으로 동작한다. 빛 반사층(84)은 필드 방출 캐소드용 애노드로 기능한다. 상기 애노드는 상기 게이트 및 이미터 라인에 대해 높은 양(positive)의 포텐셜로 유지된다.
(a) 이미터 전극(C2)에서 선택된 하나 및 (b) 복합 제어전극(R2/R3)에서 선택된 하나 사이에 적절한 포텐셜을 인가하면, 이렇게 선택된 제어전극(R2/R3)의 게이트부(R2)는 상기 선택된 두 개의 전극의 교차점에서 전자방출소자(C1)로부터 전자를 추출하여 얻어진 전자 전류의 양을 제어한다. 전자 방출의 바람직한 레벨은 보통 상기 인가된 게이트-캐소드 병렬-플레이트 전기장이 형광영역(82)이 고전압 인 경우 형광체로 코팅된 페이스플레이트(80)에서 측정된 0.1mA/cm2 의 전류밀도에서 20볼트/mm 또는 그 이하로 도달하게 되는 경우 발생한다. 상기 추출된 전자에 의해 부딪치면, 형광영역(82)은 빛을 발한다.
본 명세서에서는 "하부" 및 "상부" 등의 방향 용어를 참고로 사용하여 독자가 본 발명의 다양한 부분이 어떻게 서로 연관되는지를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 사용하였다. 실제에 있어서, 전자방출 디바이스의 구성요소들은 본 명세서에서 사용한 방향이 의미하는 것과는 다른 방향에 위치할 수도 있다. 동일한 사실이 본 발명의 제조 단계 실시 방법에도 적용된다. 설명의 편리를 위해 방향성 용어를 사용하였기 때문에, 본 발명은 본 명세서에서 사용된 방향성 용어에 의해 엄격하게 정의되는 것과 다른 방향으로 구현되는 것도 포함된다.
본 발명을 특정 실시예를 참고로 설명하였으나, 이 설명은 단지 설명을 위한 것이고 첨부된 청구의 범위의 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 예를들어, 앞서 특정된 것과는 다른 금속을 도 5b 및 도 6의 필드 이미터에 구성요소(C1-C2), 영역(R2),(존재하는 경우) 영역(R3,R4)용으로 선택할 수 있다. 전자방출소자(C1)는 원추형이 아닌 다른 모양이 될 수 있다. 한 예로 주춧대 상의 콘일 수 있다.
이미터 전극 구성요소(C2) 및 저항성 구성요소(CC1)가 구조체를 지지하는데 충분한 전체 두께인 경우에는 기판(40)은 제거될 수 있다. 절연 기판(40)은 얇은 절연층이 구조적 지지를 하는 비교적 두꺼운 비절연층 위에 놓여있는 복합기판(composite substrate)으로 대체될 수 있다.
본 발명의 전기화학적 제거 기술은 게이트되지 않은 전자 이미터를 제조하는데 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 생산된 전자 이미터는 평판 CRT 디스플레이만이 아닌 다른 평판 디바이스를 만드는데 사용할 수 있다. 예로서 전자 분광기, 전자빔으로부터의 X 선 또는 마이크로파를 만드는데, 그리고 전자빔 가열에 의해 재료를 증착시키는데 사용되는 생산품이 포함된다. 따라서 당업자는 첨부된 청구의 범위에서 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 적용을 할 수 있다.

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  54. 선택적으로 재료를 제거하는 방법에 있어서,
    (a) 주재료(M1)를 포함하는 전기 비절연 주구성요소(C1)가 적어도 하나의 전기 비절연 부가구성요소(C2,C3)에 전기적으로 결합되고, (b) 각 부가구성요소(C2,C3)는 상기 주재료(M1)와 상이한 부가재료(MC2,MC3)를 포함하고, 그리고 (c) 상기 주재료(M1)를 또한 포함하는 전기 비절연 주영역(R1)은 상기 주구성요소(C1) 및 상기 부가구성요소(C2,C3)와 전기적으로 분리되어 있는 초기 구조체를 제공하는 단계; 및
    상기 주영역(R1)의 주재료(M1)의 적어도 일부를 제거하기 위해 상기 주재료(M1) 및 부가재료(MC2,MC3)를 전해욕에 침지시키는 단계를 포함하고,
    상기 전해욕이 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)를 크게 침식시키는 것을 방지하기 위해 상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 상기 부가재료(MC2,MC3)는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 낮은 환원 반-셀 포텐셜을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 침지단계는 상기 주재료(M1) 및 부가재료(MC2,MC3)를 전해욕과 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  56. 제 54 항에 있어서,
    상기 주영역(R1)의 주재료(M1)의 적어도 일부는 주영역(R1) 또는 상기 구성요소(C1,C2,C3)에 외부 제어 포텐셜을 인가하지 않아도 상기 침지단계 동안 제거되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  57. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주영역(R1)의 주재료(M1)는 전해욕내에서 모든 부가구성요소(C2,C3)보다 용해 속도가 빠른 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
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  59. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)는 하나의 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 접촉하거나 또는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 낮은 교환 전류 능력을 갖는 적어도 하나의 전기 저항성 결합구성요소(CC1)를 통해 하나의 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  60. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 상기 부가재료(MC2,MC3)는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 환원 반-셀 포텐셜이 1 볼트 낮은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  61. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해욕은 전해욕내에서 상기 주영역(R1)의 주재료(M1)보다 높은 환원 반-셀 포텐셜을 갖는 전해 구성요소(B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  62. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 상기 부가구성요소(C3)는 상이한 상기 부가구성요소(C2)를 통해 상기 주구성요소(C1)와 전기적으로 결합되어 있고 전해욕내에서 상이한 상기 부가구성요소(C2)보다 낮은 환원 반-셀 포텐셜을 가져서 전해욕이 주구성요소(C1)의 주재료(M1)를 크게 침식시키는 것을 추가로 보호하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  63. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 상기 부가구성요소(C3)의 부가재료(MC3)는 상이한 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 접촉하거나 또는 전해욕에 침지하는 단계 동안 전해욕과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전기 비절연 결합구성요소(CC2)를 통해 상이한 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  64. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제공단계는 주영역(R1)과 전기적으로 결합된 적어도 하나의 전기 비절연 추가영역(R2,R3,R4)을 초기 구조체에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 침지단계는 전해욕에 상기 각 추가영역(R2,R3,R4)의 추가재료(MR2,MR3,MR4)를 침지하는 단계를 포함하고,
    상기 각 추가영역(R2,R3,R4)은 주재료(M1)와 상이한 추가재료(MR2,MR3,MR4)를 갖고, 상기 각 추가영역(R2,R3,R4)의 추가재료(MR2,MR3,MR4)는 전해욕내에서 상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 부가재료(MC2,MC3)보다 환원 반-셀 포텐셜이 높은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 각 추가영역(R2,R3,R4)의 추가재료(MR2,MR3,MR4)는 주영역(R1)의 주재료(M1)보다 환원 반-셀 포텐셜이 높은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  66. 제 64 항에 있어서,
    주영역(R1)의 주재료(M1)는 하나의 상기 추가영역(R2)의 추가재료(MR2)와 접촉하거나 또는 상기 침지단계 동안 전해욕과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전기 비절연 결합영역(CR1)을 통해 하나의 상기 추가영역(R3)의 추가재료(MR3)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  67. 제 64 항에 있어서,
    하나의 상기 추가영역(R3)의 추가재료(MR3)는 상이한 상기 추가영역(R4)의 추가재료(MR4)와 접촉하거나 또는 상기 침지단계 동안 전해욕으로부터 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전기 비절연 결합영역(CR2)을 통해 상이한 상기 추가영역(R4)의 추가재료(MR4)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  68. 제 54 항 내지 제 56 항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 제공단계는 하나의 특정된 상기 부가구성요소(C2) 위의 유전체층을 초기 구조체에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 유전체층은 주영역(R1)이 위치되어 있는 유전체 개구를 갖고,
    주구성요소(C1)는 주영역(R1)으로부터 이격된 상기 유전체 개구내에 위치되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 제공단계는 상기 유전체층과 주영역(R1) 사이에 전기 비절연 중간 추가영역(R2)을 초기 구조체에 제공하는 단계를 추가로 구비하고,
    상기 중간 추가영역(R2)은 상기 유전체 개구에 연속되는 추가 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 부가구성요소(C2)는 이미터 전극의 적어도 일부를 형성하고;
    상기 주구성요소(C1)는 전자방출소자이며;
    상기 중간 추가영역(R2)은 상기 전자방출소자용 제어전극의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  71. 선택적으로 재료를 제거하는 방법에 있어서,
    (a) 주재료(M1)를 포함하는 전기 비절연 주영역(R1)이 적어도 하나의 전기 비절연 추가영역(R2,R3,R4)과 전기적으로 결합되고, (b) 상기 각 추가영역(R2,R3,R4)은 상기 주재료(M1)와 상이한 추가재료(MR2,MR3,MR4)를 포함하고, 그리고 (c) 상기 주재료(M1)를 또한 포함하는 전기 비절연 주구성요소(C1)는 상기 주영역(R1) 및 추가영역(R2,R3,R4)과 전기적으로 분리되어 있는 초기 구조체를 제공하는 단계; 및
    상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)를 침식시키지 않는 전해욕에 상기 주재료(M1) 및 추가재료(MR2,MR3,MR4)를 침지시키는 단계를 포함하고,
    상기 각 추가영역(R2,R3,R4)의 상기 추가재료(MR2,MR3,MR4)가 전해욕내에서 상기 주영역(R)의 주재료(M1)보다 높은 환원 반-셀 포텐셜을 가져 상기 주영역(R1)의 주재료(M1)의 적어도 일부를 상기 초기 구조체로부터 전기화학적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  72. 제 71 항에 있어서,
    상기 침지단계는 상기 주재료(M1) 및 추가재료(MR2,MR3,MR4)를 전해욕에 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  73. 제 71 항에 있어서,
    상기 주영역(R1)의 주재료(M1)의 적어도 일부는 상기 주구성요소(C1) 또는 상기 영역(R1,R2,R3,R4)에 외부 제어 포텐셜을 인가하지 않아도 상기 침지단계 동안 제거되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  74. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 상기 추가영역(R2)은 전해욕내에서 상기 주영역(R1)의 주재료(M1)가 신속히 전기화학적으로 제거되는 것을 제어하도록 전해욕내에서 높은 전기화학 환원 교환 전류 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
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  76. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주영역(R1)의 주재료(M1)는 하나의 상기 추가영역(R2)의 추가재료(MR2)와 접촉하거나 또는 상기 침지단계 동안 전해욕과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전기 비절연 결합영역(CR1)을 통해 하나의 상기 추가영역(R2)의 추가재료(MR2)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  77. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 상기 추가영역(R3)의 추가재료(MR3)는 상이한 상기 추가영역(R4)의 추가재료(MR4)와 접촉하거나 또는 상기 침지단계 동안 전해욕과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 전기 비절연 결합영역(CR2)을 통해 상이한 상기 추가영역(R4)의 추가재료(MR4)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  78. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해욕은 전해욕내에서 상기 주영역(R1)의 주재료(M1)보다 높은 환원 반-셀 포텐셜을 갖는 전해 구성요소(X)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  79. 제 78 항에 있어서,
    상기 구성요소(X)는 전해욕내에서 각 추가영역(R2,R3,R4)의 추가재료(MR2,MR3,MR4)보다 환원 반-셀 포텐셜이 낮은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  80. 제 78 항에 있어서,
    상기 구성요소(X)는 상기 주영역(R1)의 주재료(M1)가 신속히 전기화학적으로 제거되는 것을 제어하도록 전해욕내에서 높은 전기화학 환원 교환 전류 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  81. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제공단계는 상기 주구성요소(C1)와 전기적으로 결합된 적어도 하나의 전기 비절연 부가구성요소(C2,C3)를 초기 구조체에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 침지단계는 상기 전해욕에 상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 부가재료(MC2,MC3)를 침지하는 단계를 포함하고,
    상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 부가재료(MC2,MC3)는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 환원 반-셀 포텐셜이 0.3 볼트 높은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  82. 제 81 항에 있어서,
    상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 부가재료(MC2,MC3)는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 환원 반-셀 포텐셜이 낮은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  83. 제 82 항에 있어서,
    상기 각 부가구성요소(C2,C3)의 부가재료(MC2,MC3)는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 환원 반-셀 포텐셜이 1 볼트 낮은 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  84. 제 81 항에 있어서,
    상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)는 하나의 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 접촉하거나 또는 전해욕내에서 상기 주구성요소(C1)의 주재료(M1)보다 낮은 교환 전류 능력을 갖는 적어도 하나의 전기 저항성 결합구성요소(CC1)를 통해 하나의 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  85. 제 81 항에 있어서,
    하나의 상기 부가구성요소(C2)의 부가재료(MC2)는 상이한 상기 부가구성요소(C3)의 부가재료(MC3)와 접촉하거나 또는 상기 침지단계 동안 전해욕과 전기적으로 절연된 적어도 하나의 결합구성요소(CC2)를 통해 상이한 상기 부가구성요소(C3)의 부가재료(MC3)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  86. 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제공단계는 초기 구조체내에 상기 유전체층 위의 하나의 특정된 상기 추가영역(R2)을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 특정된 추가영역(R2) 및 상기 유전체층은 복합개구를 갖고, 상기 주영역(R1)은 상기 개구부 위의 특정된 추가영역(R2) 위에 위치하고,
    주구성요소(C1)는 주영역(R1) 및 상기 특정된 추가영역(R2)으로부터 이격된 상기 개구부내에 위치되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  87. 제 86 항에 있어서,
    상기 제공단계는 초기 구조체내에 하부 전기 비절연 부가구성요소(C2) 위의 상기 유전체층을 제공하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 하부 부가구성요소(C2)는 주구성요소(C1)와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  88. 제 87 항에 있어서,
    상기 하부 부가구성요소(C2)는 이미터 전극의 적어도 일부를 형성하고;
    상기 주구성요소(C1)는 전자방출소자이며;
    상기 특정된 추가영역(R2)은 전자방출소자용 제어전극의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
  89. 제 54 항 내지 제 56 항 및 제 71 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 재료는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 제거방법.
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