NL9100327A - Kathode. - Google Patents

Description

Kathode.

De uitvinding betreft een electronenbron bevattende een substraat met een verwarmingselement tenminste ter plaatse van een electronenemitterend gedeelte van de electronenbron.

Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke electronenbron en op een kathodestraalbuis voorzien van een dergelijke electronenbron.

Electronenbronnen van de bovengenoemde soort worden toegepast in kathodestraalbuizen, in het bijzonder in platte weergeefinrichtingen waar vaak één electronenbron per kolom beeldelementen wordt gebruikt.

Een electronenbron van de in de aanhef genoemde soort wordt beschreven in US-P-4 069 436. De daar getoonde electronenbron bevat een electronenemitterende laag, die door een isolerende laag van een onderliggend verwarmingselement is gescheiden, welk verwarmingselement weer door een isolerende laag van het substraat is gescheiden. Hoewel dit substraat bij voorkeur zo dun mogelijk wordt gekozen om de totale dissipatie te verminderen stuit dit op problemen omdat bij een kleine dikte breuk door mechanische oorzaken of thermische spanningen kan optreden. Omdat het substraat dientengevolge een minimale dikte moet bezitten, behoudt het een grote warmtecapaciteit. Een groot deel van de geleverde energie gaat dan ook verloren aan het opwarmen van (delen van) het substraat, zodat het eigenlijke emissiemateriaal niet optimaal wordt verhit, hetgeen ten koste gaat van de electronenemissie.De genoemde grote warmtecapaciteit veroorzaakt ook een lange reactietijd van de kathode.

De onderhavige uitvinding stelt zich onder meer ten doel deze bezwaren zo veel mogelijk op te heffen. Meer algemeen stelt zij zich ten doel een electronenbron te verschaffen met een laag energiegebruik en een korte reactietijd.

Een electronenbron volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat tenminste ter plaatse van het electronenemitterend gedeelte het substraat dunner is dan op andere plaatsen.

De uitvinding berust op het inzicht, dat door de eigenlijke electronenbron, en bij voorkeur ook het verwarmingselement, als het ware aan te brengen op een dun vlies in het dragerlichaam of substraat de warmtecapaciteit van een dergelijke electronenbron aanzienlijk wordt verminderd. De electronenbron of kathode kan daardoor sneller en met weinig vermogen tot de gewenste emisssietemperatuur worden verhit. Door het geringe vermogen is het nu mogelijk veel kathoden in een omhulling onder te brengen, zoals bijvoorbeeld in multi-beam-inrichtingen.

De uitvinding berust verder op het inzicht, dat dergelijke structuren eenvoudig gerealiseerd kunnen worden door anisotroop etsen van halfgeleidermaterialen, zoals bijvoorbeeld silicium.

Een eerste voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat het substraat silicium en een dunne laag siliciumnitride bevat, waarbij ter plaatse van het verwarmingselement het silicium praktisch geheel verwijderd is.

De warmtecapaciteit wordt nu vrijwel geheel bepaald door het vlies uit siliciumnitride, dat bijzonder dun kan zijn (50-200 nm). Het siliciumnitride fungeert bovendien als een goede etsstopper tijdens de vervaardiging.

Een verdere voorkeursuitvoering van een electronenbron volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het substraat op het oppervlak, waar zich de electronenbron bevindt, voorzien is van tenminste een extra electrode. Deze kan bijvoorbeeld enkelvoudig zijn en dan als versnellingselectrode fungeren, maar kan ook meervoudig worden uitgevoerd en dan als afbuigelectrode dienst doen.

Het verwarmingselement wordt bij voorkeur uitgevoerd als een meandervormige weerstandsbaan. Voor de electronenemitterende stof zijn diverse mengsels mogelijk, bijvoorbeeld een emitterende laag van barium-calcium-strontiumcarbonaat op een dragermateriaal van wolfraam, kathodenikkel of een ander geschikt materiaal. In plaats van carbonaten kunnen voor de spuitlaag ook metallo-organische verbindingen (bijvoorbeeld de acetylacetonaten of acetaten van barium, calcium en strontium) gebruikt worden.

De electronenbron volgens de uitvinding kan op verschillende manieren vervaardigd worden, afhankelijk van de gebruikte materialen.

Een werkwijze, waarbij voor het substraat halfgeleidermateriaal wordt gebruikt, heeft het kenmerk, dat uitgegaan wordt van een laag halfgeleidermateriaal die ter plaatse van een eerste oppervlak voorzien wordt van een laag etswerend materiaal en het halfgeleidermateriaal vanaf een tegenoverliggend oppervlak althans plaatselijk wordt weggeëtst tot aan het etswerend materiaal en ter plaatse van het aldus ontstane dunnere deel van het substraat op het eerste oppervlak een verwarmingselement wordt aangebracht.

Als etswerend middel kan, met name in het geval van silicium, een laag silciumnitri.de gebruikt worden, maar ook kan gedacht worden aan een oxydelaag of een hooggedoteerde oppervlaktelaag. Indien het eerste oppervlak een < 100 > -oppervlak is, kan de verdieping vanaf de andere zijde met voordeel door middel van anisotroop etsen worden verkregen.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een bovenaanzicht toont van een electronenbron volgens de uivinding en

Figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede toont langs de lijn Π-Π in

Figuur 1.

De Figuren 1 en 2 tonen in bovenaanzicht respectievelijk in dwarsdoorsnede, schematisch en niet op schaal, een electronenbron 1 volgens de uitvinding. Deze bevat een drager of substraat 2, in dit voorbeeld hoofdzakelijk uit silicium bestaande, met een dikte van ca. 0,4 mm. En eerste hoofdoppervlak 3 van het substraat 2 is voorzien van respectievelijk een dunne laag 4 (ca. 50 nm.) van siliciumoxyde en een tweede laag 5 van siliciumnitride met een dikte van ca. 120 nm. Het totale oppervlak van de electronenbron 1 bedraagt ca. 2x2 mm2.

Ter plaatse van het eigenlijke emitterende deel 11 is het substraat 2 veel dunner dan buiten dit deel 11, doordat het substraat, gezien vanaf het achtervlak 6, een verdieping met zijwanden 7 bezit. In het onderhavige geval is deze verdieping verkregen door anisotroop etsen. Omdat hierbij het siliciumnitride als etsstopper is gebruikt is in dit voorbeeld ter plaatse van de verdieping het substraat 2 (en de laag siliciumoxyde) geheel verdwenen. Dit is echter niet noodzakelijk, bijvoorbeeld als een laag zwaar gedoteerd silicium als etsstoppend materiaal wordt gebruikt.

Op de silicumnitridelaag 5 bevindt zich een verwarmingselement 8, dat gevormd wordt door een weerstandselement, bijvoorbeeld een meandervormig aangebrachte strook van een hoogsmeltend metaal als wolfraam, tantaal of molybdeen en door middel van aansluitstroken 9 via bondflappen 14 verbonden is met externe geleiders 15. Dit geheel is bedekt met een tweede beschermende laag 10 van siliciumnitride, welke laag 10 openingen bevat ter plaatse van de bondflappen 15. Voor de laag 10 kunnen ook materialen als aluminiunnitride of -oxyde, boomitride, hafniumoxyde of zircoonoxyde gekozen worden. In plaats van een enkele metaallaag 8, 9 kan zonodig ook een laag bestaande uit meerdere deellagen worden gekozen, bijvoorbeeld een titaan-wolfraam-titaanlaag of een titaan-molybdeen-titaanlaag.

Op de tweede silicumnitridelaag 10 bevindt zich een metaalpatroon 12, in dit voorbeeld van molybdeen, dat ter plaatse van het eigenlijke emitterende deel 11 als kathodedrager fungeert en via een externe aansluiting 16 van de gewenste kathodespanning kan worden voorzien. Andere geschikte materialen voor het metaalpatroon 12 zijn bijvoorbeeld (kathode)nikkel, tantaal, wolfraam, titaan of dubbellagen van titaan en wolfraam of molybdeen. De keuze hiervan hangt mede af van het te gebruiken emitterend materiaal en de gewenste kathodetemperatuur.

Op dit metaalpatroon 12 bevindt zich ter plaatse van het eigenlijke emiteerde deel 11, direct boven het verwarmingselement 8 het emitterend materiaal 13, in dit voorbeeeld een barium-strontiumcarbonaat. Andere mogelijke materialen zijn bijvoorbeeld een barium-calcium-strontiumcarbonaat, waaraan desgewenst geringe hoeveelheden van zeldzame aardoxyden zijn toegevoegd. Daarnaast is het mogelijk als electronen emitterend materiaal organo-metallische verbindigen te kiezen, bijvoorbeeld een acetylacetonaat van barium, calcium of strontium. Deze verbindingen ontleden bij lagere temperaturen tot oxyden dan de overeenkomstige carbonaten, zodat de elctronenbron sneller geactiveerd kan worden.

Doordat volgens de uitvinding het substraat ter plaatse van de eigenlijke emitterende laag 13 en het bijbehorende verwarmingselement 8 veel dunner is dan op andere plaatsen (in het onderhavige voorbeeeld is het substraat zelfs geheel weggeëtst) gaat praktisch geen geleidingswarmte in het substraat verloren en wordt het emitterend materiaal 13 sneller tot de gewenste temperatuur verhit.

De inrichting volgens Figuur 1, 2 kan als volgt worden vervaardigd.

Uitgegaan wordt van een siliciumplak 2 ter dikte van circa 400 μτη, die langs zijn < 100 >-vlakken gepolijst is en die aan zijn hoofdoppervlak 4 voorzien is van een laag 3 van thermisch siliciumoxyde met een dikte van 50 nm. Op de laag siliciumoxyde 3 wordt een siliciumnitride laag 5 aangebracht door middel van CVD-methoden of anderszins. Deze laag 5 heeft een dikte van circa 120 nm. Soortgelijke lagen worden tegelijkertijd op de andere zijde aangebracht.

Nadat de andere zijde langs fotolithografische weg voorzien is van een masker met openingen ter plaatse van de te vormen dunnere delen, wordt in deze openingen het siliciumnitride en -oxyde verwijderd. Vervolgens wordt het silicium vanaf de andere zijde anisotroop geëtst met een verdunde oplossing van kaliumhydroxide. Het siliciumnitride 5 fungeert daarbij als etsstopper.

Het siliciumnitride 5 wordt vervolgens bedekt met een 200 nm dikke laag molybdeen. Hieruit wordt het metaalpatroon van het verwarmingselement 8, met bijbehorende aansluitstroken 9 en bondflappen 14 vervaardigd door etsen in een oplossing van salpeterzuur, fosforzuur en azijnzuur in water. Het geheel wordt vervolgens bedekt met een circa 200 nm dikke laag 10 van siliciumnitride, die bijvoorbeeld door middel van sputteren wordt aangebracht. Dit vervaardigen van het verwarmingselement en aanbrengen van de nitridelaag 10 kan ook voorafgaan aan het anisotroop etsen. Ter plaatse van de bondflappen 14 wordt het siliciumnitride 10 verwijderd.

Op de siliciumnitridelaag 10 wordt weer een 200 nm dikke laag molybdeen aangebracht, waaruit door middel van etsen het metaalpatroon 12 gevormd wordt, dat als de eigenlijke kathodemetallisatie fungeert. In dit voorbeeld wordt tegelijkertijd een tweede metaalpatroon 18 gevormd. Dit metaalpatroon 18 kan in een uiteindelijke opstelling in bijvoorbeeld een electronenstraalbuis bijvoorbeeld als rooster fungeren.

Vervolgens wordt de emitterende laag 13 aangebrcht, die in dit voorbeeld bestaat uit een laag bariumstrontiumcarbonaat. Nadat het substraat door middel van krassen en breken in afzonderlijke kathoden of groepen van kathoden is opgedeeld, worden op de bondflappen 14, alsmede op daartoe geschikte delen van de metaallaag 12 en het rooster 18 respectievelijke aansluitdraden 15, 16 en 17 aangebracht, bijvoorbeeld door middel van thermocompressie of andere bondingtechnieken. De genoemde indeling in groepen kan hierbij zodanig plaatsvinden, dat één substraat 2 bijvoorbeeld 3 afzonderlijke emitterende structuren 11 bevat, bijvoorbeeld ten behoeve van kleuren-weergeefbuizen.

Aldus verkregen kathoden werden bij 700-800°C getest in een diode-opstelling met een kathode-anode afstand van 0,2 mm. Bij continué belasting werden stroomdichtheden gemeten van 0,3-2 A/cm2. Ook de levensduurresultaten waren bevredigend.

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot het hier getoonde voorbeeld, maar zijn binnen het kader van de uitvinding diverse variaties mogelijk. Zo hoeft ter plaatse van het aan te brengen emitterend materiaal het substraat 2 niet over zijn volledige dikte te worden weggeëtst, maar kan een laagje silicium achterblijven, met name als dit een hogere dotering bezit en daardoor als etsstopper fungeert.

Ook andere methoden om het substraat plaatselijk dunner te maken zijn mogelijk; zo kunnen, mede afhankelijk van het substraatmateriaal, andere etsmiddellen gebruikt worden, maar ook mechanische methoden zijn mogelijk, bijvoorbeeld slijpen, met name als substraten van keramisch materiaal worden gebruikt. Ook combinaties van slijpen en etsen zijn mogelijk.

Daarnaast zijn variaties mogelijk in de vorm van het verwarmingselement. Een inrichting met alleen dit verwarmingselement is uiteraard ook op zichzelf te gebruiken, of bijvoorbeeld als deel van een (alkali)metaalbron of veldemitter.

Als emitterend materiaal kan ook een metallo-organische verbindig worden gebruikt, naast talloze andere algemeen bekende emitterende materialen. Op dezelfde wijze zijn diverse variaties mogelijk in de materialen voor het verwarmingselement, de aansluitlagen en de andere materialen, mits deze in een gegeven combinatie chemisch (en mechanisch) onderling compatibel zijn.

Claims (7)

1. Electronenbron bevattende een substraat met een verwarmingselement tenminste ter plaatse van een electronenemitterend gedeelte van de electronenbron met het kenmerk dat tenminste ter plaatse van het electronenemitterend gedeelte het substraat dunner is dan op andere plaatsen.

2. Electronenbron volgens Conclusie 1, met het kenmerk dat zich het verwarmingselement in hoofdzaak ter plaatse van het dunnere deel van het substraat bevindt.

3. Electronenbron volgens één der vorige Conclusies, met het kenmerk dat het substraat silicium en een dunne laag siliciumnitride bevat, waarbij ter plaatse van het verwarmingselement het silicium praktisch geheel verwijderd is.

4. Electronenbron volgens een der vorige conclusies, met het kenmerk dat het substraat op het oppervlak, waar zich de electronenbron bevindt, voorzien is van een extra electrode.

5. Kathodestraalbuis voorzien van een kathode volgens één der Conclusies 1, 2, 3, of 4.

6. Werkwijze voor het vervaardigen van een kathode volgens één der Conclusies 1 t/m 4, met het kenmerk dat uitgegaan wordt van een laag halfgeleidermateriaal die ter plaatse van een eerste oppervlak voorzien wordt van een laag etswerend materiaal en het halfgeleidermateriaal vanaf een tegenoverliggend oppervlak althans plaatselijk wordt weggeëtst tot aan het etswerend materiaal en ter plaatse van het aldus ontstane dunnere deel van het substraat op het eerste oppervlak een verwarmingselement wordt aangebracht.

7. Werkwijze volgens Conclusie 6, met het kenmerk dat het halfgeleidermateriaal silicium is en het etswerend materiaal siliciumnitride of hooggedoteerd silicium is.