RU2299488C2 - Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process - Google Patents
Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process Download PDFInfo
- Publication number
- RU2299488C2 RU2299488C2 RU2005113748/09A RU2005113748A RU2299488C2 RU 2299488 C2 RU2299488 C2 RU 2299488C2 RU 2005113748/09 A RU2005113748/09 A RU 2005113748/09A RU 2005113748 A RU2005113748 A RU 2005113748A RU 2299488 C2 RU2299488 C2 RU 2299488C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- insulating layer
- gate
- cathode
- emission
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к приборам вакуумной микроэлектроники, в частности к матрицам полевых эмиссионных катодов с затворами и устройствам на их основе. К таким устройствам относятся полевые эмиссионные дисплеи, вакуумные микроэлектронные переключатели токов и др.The invention relates to devices for vacuum microelectronics, in particular to matrices of field emission cathodes with gates and devices based on them. Such devices include field emission displays, vacuum microelectronic current switches, etc.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Основной ячейкой матрицы является полевой катодно-затворный элемент (ПКЭ), состоящий из катода (эмиттера) и затвора (управляющего элемента). Множество ПКЭ с общим катодом и общим затвором образуют матрицу ПКЭ. Эффективность работы матрицы определяется плотностью эмиссионного тока и равномерностью тока по площади матрицы. Материал и радиус кривизны верхушки катода, а также плотность упаковки ПКЭ - величины первого порядка, определяющие плотность тока эмиссии матрицы. Неоднородность тока эмиссии по площади матрицы зависит от воспроизводимости критических размеров структуры полевых катодно-затворных элементов. Критические размеры определяют точность позиционирования вершины катода относительно отверстия затвора. К ним относятся: толщина изолирующего слоя, толщина затворного слоя, радиус отверстия затвора, радиус кривизны верхушки катода, высота катода, а также угол катодного конуса. Конструкция катодно-затворного элемента и способ изготовления должны обеспечить минимально возможные размеры ПКЭ и высокую степень воспроизводимости их критических размеров по всей площади матрицы.The main cell of the matrix is a field cathode-gate element (PCE), consisting of a cathode (emitter) and a gate (control element). Many PCEs with a common cathode and a common gate form a PCE matrix. The efficiency of the matrix is determined by the density of the emission current and the uniformity of current in the matrix area. The material and radius of curvature of the cathode tip, as well as the packing density of the SCE are first-order quantities that determine the matrix current density. The inhomogeneity of the emission current over the area of the matrix depends on the reproducibility of the critical dimensions of the structure of the field cathode-gate elements. The critical dimensions determine the accuracy of the positioning of the cathode tip relative to the gate opening. These include: the thickness of the insulating layer, the thickness of the gate layer, the radius of the opening of the gate, the radius of curvature of the top of the cathode, the height of the cathode, and the angle of the cathode cone. The design of the cathode-gate element and the manufacturing method should provide the smallest possible dimensions of the SCE and a high degree of reproducibility of their critical dimensions over the entire area of the matrix.
Из множества конструкций ПКЭ можно выделить структуры с конусообразным катодом (Европейский патент 048381, В1, МКИ H01J 1/30, 1995 г.) и катодом в виде тонкой пленки (Заявка на Европейский патент 0501785 А2, МКИ H01J 1/30, 1992 г.). Тонкая пленка позволяет решить проблему формирования острия катода с малым радиусом. Существуют пленочные катоды латерального и вертикального типа. Пленочные катоды латерального типа имеют относительно большой ток между катодом и затвором, что ограничивает их использование. Поэтому большее применение нашли пленочные катоды вертикального типа в форме трубы, или так называемые вулканообразные катоды. Кроме того исследования (H.C.Cheng и др., Jpn. J. Appl. Phys., Part 135, 308, 1996) показали, что вулканообразные катоды позволяют получать более высокие эмиссионные токи и лучшую эмиссионную стабильность, чем конусообразные.Structures with a cone-shaped cathode (European patent 048381, B1, MKI H01J 1/30, 1995) and a thin film cathode (European patent application 0501785 A2, MKI H01J 1/30, 1992 ) A thin film allows solving the problem of the formation of a cathode tip with a small radius. There are film cathodes of the lateral and vertical types. Lateral-type film cathodes have a relatively high current between the cathode and the gate, which limits their use. Therefore, film cathodes of the vertical type in the form of a tube, or the so-called volcanic cathodes, have found greater application. In addition, studies (H.C. Cheng et al., Jpn. J. Appl. Phys., Part 135, 308, 1996) showed that volcanic cathodes can produce higher emission currents and better emission stability than cone-shaped.
Известна конструкция и метод формирования пленочных катодов WO 1996/02063, МКИ H01J 9/04, где катод и затвор выполнены из пленки Cr в вулканообразной форме и изолированы пленкой SiO2. Данная структура имеет простую конструкцию и позволяет формировать пленочные катоды и затворы в вертикальном направлении. Однако в такой структуре трудно получить высокую точность позиционирования верхней кромки катода (эмиссионная поверхность катода) относительно затворного отверстия, так как верхняя кромка катода и затворное отверстие реализуются различными литографическими процессами. Более того изготовление этой конструкции катодно-затворных элементов требует использования по крайней мере трех литографических процессов.A known design and method for forming film cathodes WO 1996/02063, MKI H01J 9/04, where the cathode and gate are made of Cr film in a volcanic form and are isolated by a SiO 2 film. This structure has a simple structure and allows the formation of film cathodes and gates in the vertical direction. However, in such a structure, it is difficult to obtain high positioning accuracy of the upper edge of the cathode (cathode emission surface) with respect to the gate hole, since the upper edge of the cathode and the gate hole are realized by various lithographic processes. Moreover, the manufacture of this design cathode-gate elements requires the use of at least three lithographic processes.
Известна конструкция и метод изготовления пленочных полевых катодно-затворных элементов вертикального типа, представленная в ЕР 1047096 А2, МКИ H01J 1/30, H01J 9/02, а также в WO 02/071434, МКИ H01J 9/04, H01J 31/12, на изготовление которой требуется только один процесс литографии. Данная структура является прототипом патентуемого изобретения. Основные технологические этапы изготовления этой структуры изображены на фиг.1-4. Исходная многослойная структура содержит подложку 1, катодный электрод 2, изолирующий слой 3, затворный слой 4 и отверстия 5, 6, изготовленные с использованием фотолитографии и реактивного ионного травления в слоях 4 и 3 соответственно. Далее наносят слой фоторезиста 7, проводят сушку, экспонирование, проявление и формируют слой материала катода 8 (фиг.2). Затем растворяют и удаляют фоторезист 7. Вместе с фоторезистом удаляется часть слоя 8, лежащая поверх затворного слоя 4 (фиг.3). После этого поверхность структуры обрабатывают струей чистой воды под высоким давлением. В результате получают полевой катодно-затворный элемент, изображенный на фиг.4. В патенте ЕР 1047096 А2 в качестве материала стенок катода используют состыкованные между собой тонкие проводящие пластинки размером 0,1-0,5 мкм и толщиной 0,02 мкм. Такая структура верхней эмиссионной части стенки катода позволяет иметь высокую плотность эмиссионного тока и обеспечивает снижение порогового напряжения катодно-затворного элемента. Однако технологический процесс формирования верхней кромки эмиссионной части стенки катода содержит процесс механического удаления латеральной области слоя 8, что затрудняет получение хорошей воспроизводимости точности позиционирования верхней кромки катода относительно отверстия затвора. Механическое разрушение слоя 8 может также вызвать появление на поверхности структуры множества трудноудаляемых свободных проводящих микрочастиц из материала катода, а это приводит к известной проблеме короткого замыкания катода и затвора и ухудшению равномерности эмиссионного тока по полю матрицы. Кроме того конструкции и способы изготовления полевых катодно-затворных элементов в рассмотренных выше патентах не рассчитаны на создание матриц с большой плотностью упаковки катодно-затворных элементов (более 108-109 см-2). Это ограничивает перспективу дальнейшего увеличения плотности эмиссионного тока матриц ПКЭ.A known design and method of manufacturing a film field cathode-gate elements of the vertical type, presented in EP 1047096 A2, MKI H01J 1/30, H01J 9/02, as well as in WO 02/071434, MKI H01J 9/04, H01J 31/12, the manufacture of which requires only one lithography process. This structure is the prototype of the patented invention. The main technological stages of manufacturing this structure are depicted in figures 1-4. The initial multilayer structure comprises a
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Целью патентуемого изобретения является создание матрицы полевых эмиссионных катодно-затворных элементов, которая по сравнению с существующим уровнем имела бы более высокую равномерность эмиссионного тока по всей площади матрицы и более высокую плотность эмиссионного тока.The aim of the patented invention is to create a matrix of field emission cathode-gate elements, which, compared with the existing level, would have a higher uniformity of the emission current over the entire area of the matrix and a higher density of emission current.
Поставленная задача решается за счет того, что:The problem is solved due to the fact that:
- в матрице полевых эмиссионных катодов с затворами, содержащей подложку, катодный слой из электропроводящего материала на верхней поверхности упомянутой подложки, резистивный слой из материала с высоким удельным сопротивлением на верхней поверхности упомянутого катодного слоя, изолирующий слой, расположенный на верхней поверхности упомянутого резистивного слоя и содержащий множество сквозных отверстий, проходящих перпендикулярно верхней и нижней поверхностям изолирующего слоя, затворный слой из электропроводящего материала, расположенный на верхней поверхности упомянутого изолирующего слоя и содержащий затворные отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в изолирующем слое, эмиссионные катоды, расположенные в упомянутых отверстиях изолирующего слоя, упомянутые эмиссионные катоды выполнены из металлической пленки и имеют геометрическую форму стакана, внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого отверстия в изолирующем слое так, что верхний край стенки стакана находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя, а дно стакана контактирует с упомянутым резистивным слоем, при этом в изолирующем слое в промежутке между стенкой стакана эмиссионного катода и затворным отверстием имеется полость, глубина которой равна или меньше толщины изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;- in a matrix of field emission cathode cathodes containing a substrate, a cathode layer of electrically conductive material on the upper surface of said substrate, a resistive layer of material with high resistivity on the upper surface of said cathode layer, an insulating layer located on the upper surface of said resistive layer and containing many through holes extending perpendicular to the upper and lower surfaces of the insulating layer, a gate layer of electrically conductive material, distributed laid on the upper surface of said insulating layer and containing gate openings aligned with said openings in the insulating layer, emission cathodes located in said openings of the insulating layer, said emission cathodes are made of a metal film and have a geometrical shape of the glass, the outer surface of which is aligned with the inner surface said hole in the insulating layer so that the upper edge of the wall of the glass is flush with the upper surface of the insulating its layer, and the bottom cup in contact with said resistive layer, the insulating layer in between nozzle wall emissive cathode and the gate orifice has a cavity whose depth is equal to or less than the thickness of the insulating layer, and the width is greater than or equal to the width of said gap;
- верхний край стенки стакана эмиссионного катода имеет покрытие из материала, снижающего работу выхода электронов.- the upper edge of the wall of the glass of the emission cathode has a coating of material that reduces the electron work function.
Поставленная задача решается также за счет того, что:The problem is also solved due to the fact that:
- в матрице полевых эмиссионных катодов с затворами, содержащей подложку, катодный слой из электропроводящего материала на верхней поверхности упомянутой подложки, резистивный слой из материала с высоким удельным сопротивлением на верхней поверхности упомянутого катодного слоя, изолирующий слой, расположенный на верхней поверхности упомянутого резистивного слоя и содержащий множество сквозных отверстий, проходящих перпендикулярно верхней и нижней поверхностям изолирующего слоя, затворный слой из электропроводящего материала, расположенный на верхней поверхности упомянутого изолирующего слоя и содержащий затворные отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в изолирующем слое, эмиссионные катоды, расположенные в упомянутых отверстиях изолирующего слоя, упомянутые эмиссионные катоды имеют составную структуру, состоящую из верхней части и нижней части, упомянутая верхняя часть эмиссионного катода выполнена из металлической пленки и имеет геометрическую форму стакана, внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого отверстия в изолирующем слое так, что верхний край стенки стакана находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя, упомянутая нижняя часть эмиссионного катода имеет геометрическую форму сплошного цилиндра, дно которого контактирует с упомянутым резистивным слоем, а верхняя поверхность упомянутого сплошного цилиндра контактирует с дном упомянутого стакана, при этом в изолирующем слое в промежутке между стенкой стакана верхней части эмиссионного катода и затворным отверстием имеется полость, глубина которой меньше толщины изолирующего слоя, а ширина равна или больше ширины упомянутого промежутка;- in a matrix of field emission cathode cathodes containing a substrate, a cathode layer of electrically conductive material on the upper surface of said substrate, a resistive layer of material with high resistivity on the upper surface of said cathode layer, an insulating layer located on the upper surface of said resistive layer and containing many through holes extending perpendicular to the upper and lower surfaces of the insulating layer, a gate layer of electrically conductive material, distributed laid on the upper surface of said insulating layer and comprising gate openings aligned with said openings in the insulating layer, emission cathodes located in said openings of the insulating layer, said emission cathodes have a composite structure consisting of an upper part and a lower part, said upper part of the emission cathode made of a metal film and has a geometric shape of the glass, the outer surface of which is aligned with the inner surface of the aforementioned hole I in the insulating layer so that the upper edge of the wall of the glass is flush with the upper surface of the insulating layer, said lower part of the emission cathode has a geometric shape of a continuous cylinder, the bottom of which is in contact with said resistive layer, and the upper surface of said solid cylinder is in contact with the bottom of said glass, while in the insulating layer in the gap between the wall of the glass of the upper part of the emission cathode and the gate hole there is a cavity whose depth is less than the thickness and a coating layer, and the width is equal to or greater than the width of said gap;
- верхний край стенки стакана составного эмиссионного катода имеет покрытие из материала, снижающего работу выхода электронов;- the upper edge of the glass wall of the composite emission cathode has a coating of material that reduces the work function of the electrons;
- в качестве изолирующего слоя используется пленка анодного оксида алюминия.- an anodic alumina film is used as an insulating layer.
Поставленная задача решается также за счет того, что:The problem is also solved due to the fact that:
- в способе изготовления матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами, содержащем технологические этапы:- in a method of manufacturing a matrix of field emission cathodes with gates, containing technological steps:
- формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, катодного слоя, резистивного слоя, изолирующего слоя;- the formation of a multilayer structure consisting of a substrate, a cathode layer, a resistive layer, an insulating layer;
- нанесение затворного слоя на изолирующий слой;- applying a shutter layer to an insulating layer;
- формирование затворных отверстий в затворном слое;- the formation of gate openings in the gate layer;
- формирование отверстий в изолирующем слое;- the formation of holes in the insulating layer;
- формирование эмиссионных катодов в отверстиях изолирующего слоя;- the formation of emission cathodes in the holes of the insulating layer;
упомянутые технологические этапы формирование затворных отверстий в затворном слое и формирование эмиссионных катодов в отверстиях изолирующего слоя осуществляют в одном технологическом процессе - электрохимическое травление затворного слоя, при этом в качестве одного из электродов используют затворный слой;the aforementioned technological steps, the formation of gate openings in the gate layer and the formation of emission cathodes in the holes of the insulating layer are carried out in one technological process — electrochemical etching of the gate layer, wherein the gate layer is used as one of the electrodes;
- электрохимическое травление затворного слоя контролируют путем мониторинга тока электрохимического травления, процесс травления останавливают после фиксации изменения тока на установленную величину;- electrochemical etching of the gate layer is controlled by monitoring the current of electrochemical etching, the etching process is stopped after fixing the change in current by the set value;
- электрохимическое травление затворного слоя контролируют путем мониторинга напряжения на катодном слое во время процесса травления;- electrochemical etching of the gate layer is controlled by monitoring the voltage at the cathode layer during the etching process;
- нанесение затворного слоя на изолирующий слой выполняют методом химического осаждения из раствора;- applying the gate layer to the insulating layer is performed by chemical deposition from a solution;
- перед нанесением затворного слоя часть объема отверстий в изолирующем слое заполняют электропроводящим материалом;- before applying the gate layer, part of the volume of the holes in the insulating layer is filled with an electrically conductive material;
- для заполнения части объема отверстий в изолирующем слое используют метод электрохимического осаждения;- to fill part of the volume of the holes in the insulating layer using the method of electrochemical deposition;
- после процесса электрохимического травления затворного слоя, выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой стакана эмиссионного катода и затворным отверстием для создания полости;- after the process of electrochemical etching of the gate layer, perform the operation of etching the insulating layer in the gap between the wall of the glass of the emission cathode and the gate hole to create a cavity;
- операцию травления изолирующего слоя выполняют методом жидкостного травления, либо методом реактивно-ионного травления;- the etching operation of the insulating layer is performed by liquid etching, or by reactive ion etching;
- после операции травления изолирующего слоя выполняют операцию осаждения материала, снижающего работу выхода электронов из эмиссионного катода.- after the etching operation of the insulating layer, the operation of deposition of material that reduces the work function of the electrons from the emission cathode is performed.
Таким образом отличительными признаками патентуемого изобретения в соответствии:Thus, the hallmarks of the patented invention in accordance with:
- с п.1 формулы является то, что эмиссионные катоды выполнены из металлической пленки и имеют геометрическую форму стакана, внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого отверстия в изолирующем слое так, что верхний край стенки стакана находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя, а дно стакана контактирует с упомянутым резистивным слоем, при этом в изолирующем слое в промежутке между стенкой стакана эмиссионного катода и затворным отверстием имеется полость, глубина которой равна или меньше толщины изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;- with
- с п.2 формулы является то, что верхний край стенки стакана эмиссионного катода имеет покрытие из материала, снижающего работу выхода электронов;- with
- с п.3 формулы является то, что эмиссионные катоды имеют составную структуру, состоящую из верхней части и нижней части, упомянутая верхняя часть эмиссионного катода выполнена из металлической пленки и имеет геометрическую форму стакана, внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого отверстия в изолирующем слое так, что верхний край стенки стакана находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя, упомянутая нижняя часть эмиссионного катода имеет геометрическую форму сплошного цилиндра, дно которого контактирует с упомянутым резистивным слоем, а верхняя поверхность упомянутого сплошного цилиндра контактирует с дном упомянутого стакана, при этом в изолирующем слое в промежутке между стенкой стакана верхней части эмиссионного катода и затворным отверстием имеется полость, глубина которой меньше толщины изолирующего слоя, а ширина равна или больше ширины упомянутого промежутка;- with
- с п.4 формулы является то, что верхний край стенки стакана составного эмиссионного катода имеет покрытие из материала, снижающего работу выхода электронов;- with
- с п.5 формулы является то, что в качестве изолирующего слоя используется пленка анодного оксида алюминия;- with
- с п.6 формулы является то, что технологические этапы формирования затворных отверстий в затворном слое и формирования эмиссионных катодов в отверстиях изолирующего слоя осуществляют в одном технологическом процессе - электрохимическое травление затворного слоя, при этом в качестве одного из электродов используют затворный слой;- with
- с п.7 формулы является то, что электрохимическое травление затворного слоя контролируют путем мониторинга тока электрохимического травления, процесс травления останавливают после фиксации изменения тока на установленную величину;- with p. 7 of the formula is that the electrochemical etching of the gate layer is controlled by monitoring the current of electrochemical etching, the etching process is stopped after fixing the change in current by the set value;
- с п.8 формулы является то, что электрохимическое травление затворного слоя контролируют путем мониторинга напряжения на катодном слое во время процесса травления;- with claim 8 of the formula is that the electrochemical etching of the gate layer is controlled by monitoring the voltage at the cathode layer during the etching process;
- с п.9 формулы является то, что нанесение затворного слоя на изолирующий слой выполняют методом химического осаждения из раствора;- with
- с п.10 формулы является то, что перед нанесением затворного слоя часть объема отверстий в изолирующем слое заполняют электропроводящим материалом;- with
- с п.11 формулы является то, что для заполнения части объема отверстий в изолирующем слое используют метод электрохимического осаждения;- with
- с п.12 формулы является то, что после процесса электрохимического травления затворного слоя, выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой стакана эмиссионного катода и затворным отверстием для создания полости;- with
- с п.13 формулы является то, что операцию травления изолирующего слоя выполняют методом жидкостного травления, либо методом реактивно-ионного травления;- with
- с п.14 формулы является то, что после операции травления изолирующего слоя выполняют операцию осаждения материала, снижающего работу выхода электронов из эмиссионного катода.- with
Использование отличительных признаков в п.1, в п.3, в п.6 в совокупности с признаками ограничительной части формулы позволяет решить поставленную задачу создания матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами, которая обладает высокой равномерностью эмиссионного тока по всей площади матрицы и высокой плотностью эмиссионного тока.The use of distinguishing features in
Как было указано выше в прототипе, технологический процесс формирования верхней кромки эмиссионной части стенки катода включает механическое удаление латеральной области слоя 8. Это затрудняет получение хорошей воспроизводимости точности позиционирования верхней кромки катода относительно отверстия затвора и приводит к ухудшению равномерности эмиссионного тока по полю матрицы. Механическое разрушение слоя 8 может также вызвать появление на поверхности структуры множества трудноудаляемых свободных проводящих микрочастиц из материала катода, а это может привести к известной проблеме короткого замыкания катода и затвора, что также ухудшает равномерность эмиссионного тока. В отличие от прототипа в патентуемом изобретении технологический процесс формирования верхней кромки эмиссионной части катода в соответствии с п.1 и п.6 обеспечивает самосовмещение этой кромки с затворным отверстием и не содержит процессов механического удаления или разрушения структурных слоев. При этом в соответствии с п.7 и п.8 контролируемое электрохимическое травление затворного слоя позволяет получить высокую точность самосовмещения и следовательно высокую равномерность эмиссионного тока по площади матрицы ПКЭ.As described above in the prototype, the technological process of forming the upper edge of the emission part of the cathode wall includes the mechanical removal of the lateral region of layer 8. This makes it difficult to obtain good reproducibility of the accuracy of positioning the upper edge of the cathode relative to the gate opening and leads to a decrease in the uniformity of the emission current over the matrix field. Mechanical destruction of the layer 8 can also cause the appearance on the surface of the structure of many hard to remove free conductive microparticles from the cathode material, and this can lead to the well-known problem of short circuit of the cathode and the gate, which also affects the uniformity of the emission current. In contrast to the prototype in the patented invention, the technological process of forming the upper edge of the emission part of the cathode in accordance with
Кроме того конструкция и способ изготовления полевых катодно-затворных элементов в рассмотренном прототипе не рассчитаны на создание матриц с большой плотностью упаковки катодно-затворных элементов (более 108-109 см-2). В патентуемом изобретении для увеличения плотности упаковки ПКЭ в соответствии с п.3, п.5 и п.6 в качестве изолирующего слоя используют пленку анодного оксида алюминия с отверстиями диаметром 50-500 нм (наноотверстия), в которых формируют составные катоды. Такая структура матрицы обеспечивает увеличение плотности упаковки ПКЭ более 109 см-2.In addition, the design and method of manufacturing field cathode-gate elements in the considered prototype are not designed to create matrices with a high packing density of cathode-gate elements (more than 10 8 -10 9 cm -2 ). In the patented invention, to increase the packing density of the PCE in accordance with
Таким образом патентуемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.Thus, the patented invention allows to solve the problem.
Проведенные патентные исследования подтвердили новизну изобретения, а также показали, что в литературе отсутствуют данные, указывающие на влияние отличительных признаков патентуемого изобретения на достижение технического результата. Поэтому следует считать, что патентуемое изобретение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The conducted patent studies confirmed the novelty of the invention, and also showed that in the literature there are no data indicating the influence of the distinguishing features of the patented invention on the achievement of a technical result. Therefore, it should be considered that the patented invention meets the criteria of novelty and inventive step.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг.1 - поперечное сечение исходной многослойной структуры прототипа после формирования отверстий в затворном слое и изолирующем слое.Figure 1 is a cross section of the original multilayer structure of the prototype after the formation of holes in the gate layer and the insulating layer.
Фиг.2 - поперечное сечение структуры фиг.1 после формирования слоя фоторезиста и слоя материала катода.Figure 2 is a cross section of the structure of figure 1 after the formation of the photoresist layer and the cathode material layer.
Фиг.3 - иллюстрация растворения слоя фоторезиста и удаления латеральной области слоя материала катода в структуре фиг.2.Figure 3 is an illustration of the dissolution of the photoresist layer and the removal of the lateral region of the cathode material layer in the structure of figure 2.
Фиг.4 - поперечное сечение полевой эмиссионной катодно-затворной структуры прототипа.Figure 4 is a cross section of a field emission cathode-gate structure of the prototype.
Фиг.5 - поперечное сечение полевой эмиссионной катодно-затворной структуры патентуемого изобретения.5 is a cross section of a field emission cathode-gate structure of the patented invention.
Фиг.6 - поперечное сечение исходной многослойной структуры после формирования отверстий в изолирующем слое.6 is a cross section of the original multilayer structure after the formation of holes in the insulating layer.
Фиг.7 - поперечное сечение структуры фиг.6 после осаждения затворного слоя металла.Fig.7 is a cross section of the structure of Fig.6 after deposition of the gate metal layer.
Фиг.8 - схема контролируемого электрохимического травления затворного слоя и формирования катодно-затворного элемента.Fig. 8 is a diagram of a controlled electrochemical etching of a gate layer and the formation of a cathode-gate element.
Фиг.9 - график изменения тока при электрохимическом травлении затворного слоя во времени.Fig.9 is a graph of the current during electrochemical etching of the gate layer in time.
Фиг.10 - график изменения напряжения на катодном слое при электрохимическом травлении затворного слоя.Figure 10 is a graph of the voltage across the cathode layer during electrochemical etching of the gate layer.
Фиг.11 - структура фиг.7 после контролируемого электрохимического травления затворного слоя.11 - the structure of Fig.7 after a controlled electrochemical etching of the gate layer.
Фиг.12 - поперечное сечение полевой эмиссионной катодно-затворной структуры с составным катодом.12 is a cross section of a field emission cathode-gate structure with a composite cathode.
Фиг.13 - поперечное сечение исходной многослойной структуры, в которой в качестве изолирующего слоя использована пленка анодного оксида алюминия с наноотверстиями.13 is a cross-sectional view of an initial multilayer structure in which an anodic alumina film with nanoholes is used as an insulating layer.
Фиг.14 - поперечное сечение структуры фиг.13 после формирования нижней части составного катода с использованием электрохимического осаждения металла.Fig. 14 is a cross-sectional view of the structure of Fig. 13 after forming the lower part of the composite cathode using electrochemical metal deposition.
Фиг.15 - поперечное сечение структуры фиг.14 после формирования верхней части составного катода, затворных отверстий и травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой стакана катода и затворным отверстием.Fig - cross section of the structure of Fig after the formation of the upper part of the composite cathode, the gate openings and etching of the insulating layer in the gap between the wall of the cathode cup and the gate hole.
Фиг.16 - поперечное сечение структуры катодно-затворного элемента после нанесения слоя материала, снижающего работу выхода электронов.Fig. 16 is a cross-sectional view of the structure of the cathode-gate element after applying a layer of material that reduces the electron work function.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
ПРИМЕР 1EXAMPLE 1
Пример 1 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи улучшения однородности эмиссионного тока по всему полю матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами за счет улучшения точности позиционирования эмиссионной части катода относительно затворного отверстия.Example 1 describes the implementation of the invention in terms of solving the problem of improving the uniformity of the emission current over the entire field of the matrix of field emission cathodes with gates by improving the accuracy of positioning the emission part of the cathode relative to the gate opening.
На фиг.5 представлено поперечное сечение конструкции катодно-затворного элемента матрицы ПКЭ, выполненной согласно патентуемому изобретению. Конструкция содержит подложку 1, катодный слой 2 из электропроводящего материала, резистивный слой 3 из материала с высоким удельным сопротивлением, изолирующий слой 4, затворный слой 12 из электропроводящего материала и содержащий затворные отверстия 13, эмиссионные катоды 14, расположенные в отверстиях изолирующего слоя и выполненные в форме стакана. Эмиссионные катоды и затворный слой изготавливаются из одного материала. Дно стакана контактирует с резистивным слоем, а верхний край 15 тонкой стенки стакана 16 является эмиссионной поверхностью катода, которая при приложении напряжения 106-107 В/см испускает электроны. В промежутке между стенкой стакана 16 и затворным отверстием 13 сформирована (протравлена) полость 17. Объем полости выбирается таким, чтобы обеспечить минимальные токи утечки между затвором и катодом. Обычно глубина полости меньше толщины изолирующего слоя 4, а глубина равна или больше ширины промежутка между стенкой стакана катода и затворным отверстием. Преимуществом данной конструкции матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами является то, что верхний край 15 стенки стакана 16 эмиссионного катода 14 самосовмещен по уровню с нижней поверхностью затворного слоя 12, так как верхний край 15 стенки стакана 16 находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя 4. Такая конструкция позволяет получить более высокую точность позиционирования эмиссионной поверхности катода относительно затворного отверстия по сравнению с прототипом и значительно улучшить равномерность эмиссионного тока по всей поверхности матрицы ПКЭ.Figure 5 presents a cross section of the design of the cathode-gate element of the matrix of the PCE, made according to the patented invention. The structure comprises a
Способ изготовления рассмотренной матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами иллюстрируется на фиг.6-11. На фиг.6 представлено поперечное сечение исходной многослойной структуры после формирования отверстий 7 в изолирующем слое 4. В качестве подложки 1 используют стекло или керамику. Подложку 1, используя вакуумное осаждение или распыление, покрывают слоем металла (Al, Ni или Ti) - катодный слой 2 и наносят резистивный слой 3 (аморфный кремний или SiC) с удельным сопротивлением от сотен до тысяч Ом·см. На слой 3 посредством CVD (химическое осаждение из газовой фазы) осаждают изолирующий слой 4 (SiO2; 1-1,5 мкм) и, применяя фотолитографию, формируют отверстия 7. Затворный слой 18 (Мо или Ni) толщиной несколько сотен нанометров наносят на изолирующий слой 4 с отверстиями 7 (фиг.7). Для этого используют вакуумное осаждение, либо химическое осаждение. Далее осуществляют процесс контролируемого электрохимического травления (анодная поляризация) поверхности затворного слоя 18 в H2SO4. В процессе электрохимического травления в качестве одного из электродов используют затворный слой. Во время этого процесса происходит формирование затворных отверстий, совмещенных с отверстиями в изолирующем слое, а также формирование эмиссионных катодов в форме стакана, у которого верхний край стенки находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя. Таким образом осуществляется самосовмещение верхнего края эмиссионной поверхности катода с нижней поверхностью затворного слоя. На фиг.8 приведена схема контролируемого электрохимического травления затворного слоя, где 19 - это установка электрохимического травления, 20 - внешний электрод, 21 - устройство контроля тока, 22 - устройство контроля напряжения на катодном слое 2, 23 - источник питания. Во время процесса травления скорость травления затворного слоя в точке перегиба у верхнего края отверстия в изолирующем слое превышает скорость травления остальной поверхности затворного слоя. Поэтому через некоторое время у верхнего края отверстия 7 в затворном слое возникает разрыв между латеральной частью 24 затворного слоя и частью 25, находящейся в отверстии 7. После возникновения разрыва травление части 25 прекращается (отсутствует напряжение) и часть 25 становится катодом, имеющим форму стакана, у которого внешняя поверхность совмещена с внутренней поверхностью отверстия 7 в изолирующем слое 4, верхний край стенки стакана находится на одном уровне с верхней поверхностью изолирующего слоя 4, а дно стакана контактирует с резистивным слоем 3. При этом процесс электрохимического травления контролируют путем мониторинга тока, протекающего между электродами 20 и 18, используя устройство 21. Процесс электрохимического травления контролируют также путем мониторинга напряжения на катодном слое 2 в процессе травления, используя устройство 22. Типовые графики изменения тока и напряжения в процессе электрохимического травления приведены на фиг.9 и фиг.10. Точка С на обоих графиках характеризует установившееся значение соответствующих контролируемых параметров. Точка D характеризует момент появления разрывов в затворном слое, т.е. момент появления изолированных катодов. Этой точке соответствует время процесса ТD. С увеличением числа разрывов ток травления (фиг.9) падает до точки Е, поскольку площадь травления затворного слоя уменьшается. Напряжение на фиг.10 в процессе увеличения числа разрывов до точки Е* падает очень незначительно, т.к. это падение означает лишь увеличение общего последовательного с вольтметром сопротивления между катодным слоем 2 и катодами 14. Точка Е* характеризует момент, когда до окончания травления остается по крайней мере один катод. Точка Е на обоих графиках характеризует момент окончания процесса формирования изолированных катодов 14. Этой точке соответствует время процесса ТЕ. После окончания формирования изолированных катодов (точка Е) процесс электрохимического травления латеральной части 24 продолжают до точки F в течение некоторого времени, которое необходимо для формирования промежутка между верхним краем стенки стакана 15 и затворным отверстием 13 (фиг.11). Точке F соответствует время ТF, которое является временем окончания процесса электрохимического травления затворного слоя.A method of manufacturing the considered matrix of field emission cathodes with gates is illustrated in Fig.6-11. Figure 6 shows the cross section of the original multilayer structure after the formation of
После контролируемого электрохимического травления затворного слоя проводят процесс формирования полости 17 в промежутке между стенкой стакана 16 эмиссионного катода 14 и затворным отверстием 13 (фиг.5). При этом травление изолирующего слоя выполняют методом жидкостного травления, либо методом реактивно-ионного травления.After a controlled electrochemical etching of the gate layer, the process of forming the
ПРИМЕР 2EXAMPLE 2
Пример 2 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи увеличения плотности упаковки полевых катодно-затворных элементов, что позволяет получить более высокую плотность эмиссионного тока матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами.Example 2 describes the implementation of the invention in terms of solving the problem of increasing the packing density of field cathode-gate elements, which allows to obtain a higher emission current density of the matrix of field emission cathodes with gates.
На фиг.12 представлено поперечное сечение конструкции полевой эмиссионной катодно-затворной структуры с составным катодом, выполненной согласно патентуемому изобретению. В данной конструкции в отличие от примера 1 катод состоит из верхней части 14 и нижней части 26. Верхняя часть эмиссионного катода, так же как и в примере 1 имеет геометрическую форму стакана, у которого верхний край 15 тонкой стенки 16 самосовмещен по уровню с верхней поверхностью изолирующего слоя 4. Нижняя часть эмиссионного катода 26 имеет геометрическую форму сплошного цилиндра. Дно цилиндра 26 контактирует с резистивным слоем 3, а верхняя поверхность цилиндра контактирует с дном верхней части катода 14. В промежутке между стенкой стакана верхней части катода 14 и затворным отверстием, так же как и в примере 1 сформирована полость 17, аналогичная фиг.5.On Fig presents a cross section of the structure of the field emission cathode-gate structure with a composite cathode made according to the patented invention. In this design, in contrast to Example 1, the cathode consists of an
На фиг.13-15 иллюстрируется способ изготовления матрицы полевых эмиссионных катодов с затворами, в которой в соответствии с патентуемым изобретением используются рассмотренные выше составные катоды, а в качестве изолирующего слоя используется пленка анодного оксида алюминия с наноотверстиями. Исходная многослойная структура, представленная на фиг.13, содержит стеклянную подложку 1, катодный слой 2, резистивный слой 3 и слой 27 анодного оксида алюминия (Al2O3) с наноотверстиями 28. Слои 2 и 3 выполняют аналогично примеру 1. Затем на резистивный слой 3 методом вакуумного распыления наносят слой Al (1 мкм) и проводят известный процесс анодизации слоя алюминия, например в 0,4 М Н3PO4. При этом катодный слой 2 выполняет функцию одного из электродов. В результате анодизации на поверхности резистивного слоя 3 образуется слой оксида алюминия 27 с равномерно и гексагонально расположенными наноотверстиями 28. Диаметр отверстий 28 определяется величиной напряжения, при котором проводится процесс анодизации, и может составлять величину 50-500 нм при плотности более 108-109 см-2. Для формирования нижней части 26 составного катода после анодизации проводят процесс электрохимического осаждения Ni в отверстия 28. При этом заполнение отверстий 28 осуществляют так, чтобы поверхность никелевых столбиков 29 находилась ниже поверхности слоя 27 на 1-2 диаметра отверстий 28 (фиг.14). Далее проводят рассмотренные в примере 1 процессы: нанесение затворного слоя 12, контролируемое электрохимическое травление затворного слоя, травление Al2O3 методом жидкостного травления (КОН) в промежутке между стенкой стакана 16 эмиссионного катода и затворным отверстием 13 для создания полости 17. В результате получают матрицу полевых эмиссионных катодов с затворами с плотностью упаковки ПКЭ более 108-109 см-2, изображенную на фиг.15.On Fig-15 illustrates a method of manufacturing a matrix of field emission cathodes with gates, in which, in accordance with the patented invention, the composite cathodes discussed above are used, and an anodic alumina film with nanoholes is used as an insulating layer. The initial multilayer structure shown in Fig. 13 contains a
На фиг.16 представлено поперечное сечение структуры катодно-затворного элемента матрицы с покрытием 30 верхнего края стенки стакана эмиссионного катода 14 материалом, снижающим работу выхода электронов. Осаждение материала 30 проводят либо под углом к поверхности матрицы, либо вертикально.On Fig presents a cross section of the structure of the cathode-gate element of the matrix with a
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113748/09A RU2299488C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113748/09A RU2299488C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005113748A RU2005113748A (en) | 2006-11-10 |
| RU2299488C2 true RU2299488C2 (en) | 2007-05-20 |
Family
ID=37500634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005113748/09A RU2299488C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2299488C2 (en) |
-
2005
- 2005-05-05 RU RU2005113748/09A patent/RU2299488C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005113748A (en) | 2006-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5801477A (en) | Gated filament structures for a field emission display | |
| JP5644340B2 (en) | Capacitor structure and manufacturing method thereof | |
| KR100384092B1 (en) | Method of fabricating an electron-emitting device | |
| JP2008543008A (en) | Manufacturing method of emission cathode | |
| KR0181327B1 (en) | Field emission cathode with resistive gate areas and electron using the same | |
| WO1997046739A9 (en) | Method of fabricating an electron-emitting device | |
| US6632114B2 (en) | Method for manufacturing field emission device | |
| KR100393333B1 (en) | A method for forming a field emitter structure | |
| KR101301080B1 (en) | Method of Fabricating Triode-structure Field-emission device | |
| RU2299488C2 (en) | Matrix of field-emission cathodes with gates (alternatives) and their manufacturing process | |
| JP4226651B2 (en) | Method for fabricating an electron emission device | |
| WO2008026958A1 (en) | Matrix for field-type radiation gate-cathodes (variants) and a method for the production thereof | |
| KR100343213B1 (en) | manufacturing method of field emission device | |
| US5665421A (en) | Method for creating gated filament structures for field emission displays | |
| US5882503A (en) | Electrochemical formation of field emitters | |
| JP3958695B2 (en) | Method for manufacturing cold cathode display device | |
| EP0807314B1 (en) | Gated filament structures for a field emission display | |
| JP2743794B2 (en) | Field emission cathode and method of manufacturing field emission cathode | |
| RU2332745C1 (en) | Vacuum integrated microelectronic device and method of production thereof | |
| KR100767417B1 (en) | Field Emission Display Device and Method of Driving the sme | |
| KR20020041665A (en) | Gate Hole Fabricating Method Thereof, Field Emission Display and Fabricating Method Thereof | |
| JP3759195B2 (en) | Manufacturing method of microchip for electron source and microchip for electron source obtained by this method | |
| RU2678192C1 (en) | Method of manufacturing of a field emission element | |
| JPH07220619A (en) | Cold cathode electrode structure and its manufacture | |
| JPH04284325A (en) | Electric field emission type cathode device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120506 |