DE19602595A1

DE19602595A1 - Process for the production of field emission peaks

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Publication number: DE19602595A1
Application number: DE1996102595
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 1997-07-31
Also published as: WO1997027607A1

Abstract

The proposal is for a process for producing cold emission points in which a plurality of holes (2) is made in an insulating material (1) and then filled with a metal. Metal bodies (3) are thus formed which, owing to the small diameter of the holes (2), form the cold emission points. The typical diameter of the holes (2) is from a few to a few tens of nanometres.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.The invention is based on a method of manufacture of field emission peaks according to the genus of the independent Claim.

Aus dem Lehrbuch: Mikromechanik, Herausgeber Anton Heuberger, Springer-Verlag 1989, Seite 426 ff, sind bereits Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen bekannt. Diese Feldemissionsspitzen werden durch Ätzen von Silicium oder durch Aufdampfen von Metall gebildet. Aus dem Zeitschriftenartikel "Nano Materials: A membrane based synthetic approach" von Charles Martin, Science volume 266 23.12.1994, Seite 1961 ff, sind Verfahren zur Herstellung sogenannter Nanomaterialien bekannt. Dabei werden Membranen mit einer Vielzahl von kleinen Löchern versehen und es werden durch elektrochemische oder chemische Abscheidungen Metalle in den Löchern abgeschieden. Die so bearbeiteten Membranen weisen besondere optische Eigenschaften auf.From the textbook: micromechanics, Editor Anton Heuberger, Springer-Verlag 1989, page 426 ff, are already processes for the production of Field emission peaks known. These field emission peaks are by etching silicon or by vapor deposition of Metal formed. From the magazine article "Nano Materials: A membrane based synthetic approach "by Charles Martin, Science volume 266 December 23, 1994, page 1961 ff Process for the production of so-called nanomaterials known. Membranes with a variety of small holes and it will be through electrochemical or chemical deposition in the metals Holes deposited. The membranes processed in this way point special optical properties.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch ein einfaches Verfahren eine Vielzahl von Feldemissionsspitzen parallel gefertigt werden können. Da in isolierenden Materialien Löcher mit besonders geringem Durchmesser erzeugt werden können, weisen die so gebildeten Feldemissionsspitzen einen geringen Durchmesser auf und zeigen daher bereits bei geringen anliegenden elektrischen Feldern eine erhebliche Feldemission. Weiterhin wird durch die Einbettung in dem isolierenden Material ein mechanisch und thermisch besonders robuster Aufbau der Feldemissionsspitzen gewährleistet.The inventive method with the characteristic In contrast, features of the independent claim the advantage that a large number of simple processes of field emission peaks can be produced in parallel. Because holes in insulating materials with particularly small Diameters can be generated, have the so formed Field emission peaks a small diameter on and therefore show even at low electrical Fields a significant field emission. Furthermore, by the embedding in the insulating material is a mechanical and thermally particularly robust construction of the Field emission peaks guaranteed.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Besonders einfach erfolgt das Auffullen der Löcher durch elektrochemische oder chemische Abscheidung. Das Einbringen der Löcher in dem isolierenden Material kann entweder durch den Beschuß des Materials mittels eines Teilchenstroms und anschließendes Ätzen oder durch elektrochemische Oxidation von Aluminium erfolgen. Durch die Anordnung auf einer Trägerplatte werden Feldemissionsspitzen geschaffen, die sich problemlos handhaben lassen. Wenn dabei die Trägerplatte gegen einander isolierende Bereiche aufweist, so können einzelne Feldemissionsspitzen oder Gruppen von Feldemissionsspitzen separat angesteuert werden. Durch das Anbringen einer Metallschicht auf der Oberfläche des isolierenden Materials wird eine Steuerelektrode geschaffen, mit dem der aus den Feldemissionsspitzen fließende Feldemissionsstrom beeinflußt werden kann.By the specified in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements to the independent process Claim possible. This is particularly easy Filling the holes by electrochemical or chemical Deposition. The insertion of the holes in the insulating Material can either be bombarded by the material by means of a particle stream and subsequent etching or by electrochemical oxidation of aluminum. The arrangement on a carrier plate Field emission peaks created that can be easily let handle. If doing so the support plate against each other isolating areas, so individual Field emission peaks or groups of field emission peaks can be controlled separately. By attaching one Metal layer on the surface of the insulating material a control electrode is created with which the from Flowing field emission current influences field emission peaks can be.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Feldemissionsspitzen, die Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Steuerelektrode und Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einzeln ansteuerbaren Feldemissionsspitzen.Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. 1, there is shown in FIGS., A first embodiment of the field emission tips, Fig. 2 shows a second embodiment having a control electrode and Fig. 3 shows a third embodiment with individually addressable field emission tips.

Beschreibungdescription

In der Fig. 1 wird eine Platte 1 aus isolierendem Material gezeigt, in der eine Vielzahl von Löchern 2 eingebracht sind. Die Löcher 2 sind mit einem Metall derart aufgefüllt, daß sich lange, hohe Metallkörper 3 bilden. Die Platte 1 aus isolierendem Material und die Metallkörper 3 sind auf einer gemeinsamen Trägerplatte 4 angeordnet. In der Fig. 1 werden die Größenverhältnisse stark verzerrt dargestellt.In FIG. 1, a plate 1 of insulating material is shown, are inserted into a plurality of holes 2. The holes 2 are filled with a metal in such a way that long, high metal bodies 3 are formed. The plate 1 made of insulating material and the metal body 3 are arranged on a common carrier plate 4 . In Fig. 1 the proportions are shown very distorted.

Wesentlich ist an der Erfindung, daß der Durchmesser der Löcher 2 und somit auch der Durchmesser der länglichen metallischen Körper 3 in der Größenordnung von einigen Nanometern bis einigen zehn Nanometern liegt. Die metallischen Körper 3 bilden so sehr feine Spitzen, so daß beim Anliegen einer elektrischen Spannung an der Spitze der metallischen Körper 3 hohe Feldstärken auftreten. Wenn dabei die Feldstärken ausreichend groß werden, so treten durch einen Tunneleffekt Elektronen aus dem Metall aus. Dieser, als Feldemission bekannter Vorgang, erfolgt in Abhängigkeit vom Durchmesser der metallischen Körper 3. Je geringer der Durchmesser ist, umso geringere Spannungen werden benötigt, um Elektronen durch Feldemission zu erhalten. Es ist daher wünschenswert, daß die metallischen Körper 3, die die Feldemissionsspitzen bilden, einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen, vorzugsweise geringer als zehn Nanometer. Die geometrischen Abmessungen der Platte 1 aus isolierendem Material oder des Trägers 4 sind für die Feldemission ohne Bedeutung. It is essential to the invention that the diameter of the holes 2 and thus also the diameter of the elongated metallic body 3 is in the order of magnitude of a few nanometers to a few tens of nanometers. The metallic bodies 3 thus form very fine tips, so that 3 high field strengths occur when an electrical voltage is applied to the tip of the metallic bodies. If the field strengths become sufficiently large, electrons emerge from the metal through a tunnel effect. This process, known as field emission, takes place as a function of the diameter of the metallic body 3 . The smaller the diameter, the lower the voltages required to obtain electrons through field emission. It is therefore desirable that the metallic bodies 3 , which form the field emission tips, have the smallest possible diameter, preferably less than ten nanometers. The geometric dimensions of the plate 1 made of insulating material or of the carrier 4 are of no importance for the field emission.

Die Herstellung der metallischen Körper 3, die die Feldemissionsspitzen bilden, erfolgt zunächst im isolierenden Material der Platte 1, in dem Löcher 2 mit entsprechend geringem Durchmesser erzeugt werden. Dazu kann ein polymeres Material mit einem Teilchenstrom bestrahlt werden. Der Teilchenstrom erzeugt im Kunststoffmaterial (in der Regel Polycarbonat) Schädigungen entlang der Flugbahn des Teilchens im isolierenden Material. Entlang der Flugbahnen können dann durch Ätzprozesse feine, porenartige Löcher in das Kunststoffmaterial eingebracht werden. Eine weitere Methode besteht darin, Aluminium durch anodische Oxydation in Aluminiumoxyd (Al₂O₃) umzuwandeln. Bei diesem Umwandlungsprozeß bildet sich eine Aluminiumoxydschicht mit feinen, schlanken Poren, deren Durchmesser durch die Anodisierungsbedingungen und die Konzentration des Elektrolysten beeinflußt werden kann. Auch so lassen sich porenartige Löcher mit einem Durchmesser von einigen Nanometern erzeugen. Um nun diese Löcher mit einem Metall aufzufüllen, wird ein elektrochemischer oder chemischer Abscheidungsprozeß verwendet.The metallic bodies 3 , which form the field emission peaks, are first produced in the insulating material of the plate 1 , in which holes 2 with a correspondingly small diameter are produced. For this purpose, a polymer material can be irradiated with a particle stream. The particle stream creates damage in the plastic material (usually polycarbonate) along the trajectory of the particle in the insulating material. Fine, pore-like holes can then be made in the plastic material along the trajectories by etching processes. Another method is to convert aluminum into aluminum oxide (Al₂O₃) by anodic oxidation. This conversion process forms an aluminum oxide layer with fine, slim pores, the diameter of which can be influenced by the anodizing conditions and the concentration of the electrolyst. Pore-like holes with a diameter of a few nanometers can also be produced in this way. In order to fill these holes with a metal, an electrochemical or chemical deposition process is used.

Für die chemische oder elektrochemische Abscheidung sind beispielsweise Gold, Silber, Platin, Nickel oder andere Metalle geeignet.For chemical or electrochemical deposition for example gold, silver, platinum, nickel or others Suitable for metals.

Sofern ein galvanischer (d. h. elektrochemischer) Prozeß verwendet wird, sollten die Löcher 2 auf der einen Seite durch ein Material verschlossen werden, auf dem eine galvanische Abscheidung erfolgen kann. Dies wird beispielsweise durch Aufbringen einer Metallschicht auf einer Seite der Platte 1 oder durch Anordnung der Platte 1 auf einem leitfähigen Träger 4 sichergestellt. Ausgehend von der anderen Seite der Platte 1 kann dann eine galvanische Abscheidung in den Löchern 2 erfolgen. Bei der chemischen Abscheidung (auch stromloses Abscheiden genannt) kann gegebenenfalls auch eine Startschicht verwendet werden. In der Fig. 1 wird eine Trägerplatte 4 aus Metall gezeigt. Gegebenenfalls kann die Trägerplatte 4 auch aus isolierendem Material bestehen, auf dessen Oberfläche leitfähige Schichten aufgebracht sind.If a galvanic (ie electrochemical) process is used, the holes 2 should be closed on one side by a material on which galvanic deposition can take place. This is ensured, for example, by applying a metal layer on one side of the plate 1 or by arranging the plate 1 on a conductive carrier 4 . Starting from the other side of the plate 1 , galvanic deposition can then take place in the holes 2 . In chemical deposition (also called electroless plating), a starting layer can also be used if necessary. In FIG. 1, a carrier plate 4 is shown made of metal. Optionally, the carrier plate 4 can also consist of insulating material, on the surface of which conductive layers are applied.

In der Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auf einer metallischen Trägerplatte 4 ist eine Platte 1 aus isolierendem Material aufgebracht. Wie bei Fig. 1 weist die Platte 1 aus isolierendem Material eine Vielzahl von Löchern 2 auf, die mit einem Metall aufgefüllt sind, welches metallische Körper 3 bildet. Im Unterschied zur Fig. 1 sind jedoch die metallischen Körper 3 derart ausgebildet, daß sie sich ausgehend von der metallischen Trägerplatte 4 nur bis deutlich unterhalb der Oberseite der Platte 1 erstrecken. Auf der Oberseite der metallischen Platte 1 ist noch eine weitere Metallschicht 5 aufgebracht, die eine Steuerelektrode bildet. Weiterhin ist zur Verdeutlichung noch eine Gegenelektrode 6 gezeigt, die gegenüber den Feldemissionsspitzen 3 angeordnet ist.Another embodiment of the invention is shown in FIG . A plate 1 made of insulating material is applied to a metallic carrier plate 4 . As in FIG. 1, the plate 1 made of insulating material has a multiplicity of holes 2 which are filled with a metal which forms metallic bodies 3 . In contrast to FIG. 1, however, the metallic bodies 3 are designed such that, starting from the metallic carrier plate 4, they only extend to significantly below the top of the plate 1 . A further metal layer 5 , which forms a control electrode, is applied to the top of the metallic plate 1 . Furthermore, a counter electrode 6 is shown for clarification, which is arranged opposite the field emission tips 3 .

Zur Herstellung des Aufbaus nach der Fig. 2 wird das Auffullen der Löcher 2 nach einer vorgegebenen Zeit unterbrochen, so daß die Löcher 2 nicht vollständig aufgefüllt werden. Auf der Oberseite der Platte 1 wird dann durch Aufdampfen oder Aufsputtern die Metallschicht 5 abgeschieden.To produce the structure according to the Fig. 2, How to fill the holes 2 is interrupted after a predetermined time, so that the holes 2 are not completely filled. The metal layer 5 is then deposited on the top of the plate 1 by vapor deposition or sputtering.

Zur Erzeugung eines Feldemissionsstromes aus den Feldemissionsspitzen 3 wird zwischen der metallischen Trägerplatte 4, durch die die Feldemissionsspitzen 3 kontaktiert sind und der Gegenelektrode 6 eine Spannung angelegt. Wenn das elektrische Feld an den Feldemissionsspitzen 3 groß genug wird, so wird ein Feldemissionsstrom von den Feldemissionsspitzen 3 hin zur Gegenelektrode 6 fließen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der Metallschicht 5 kann der Feldemissionsstrom beeinflußt werden. Die Metallschicht 5 wirkt somit wie das Steuergitter einer Triode.To generate a field emission current from the field emission peaks 3 , a voltage is applied between the metallic carrier plate 4 , through which the field emission peaks 3 are contacted, and the counter electrode 6 . If the electric field at the field emission tips 3 becomes large enough, a field emission current will flow from the field emission tips 3 to the counter electrode 6 . The field emission current can be influenced by applying an electrical voltage to the metal layer 5 . The metal layer 5 thus acts like the control grid of a triode.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei die Platte 1 mit den Löchern 2 und den darin erzeugten Feldemissionsspitzen 3 dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 entsprechen. Als Träger ist hier jedoch eine isolierende Platte 7 vorgesehen, die oberflächliche, leitfähige Schichten 8 aufweist. Exemplarisch werden in der Fig. 3 zwei leitfähige Schichten 8 gezeigt, die gegeneinander isoliert sind. Durch die leitfähigen Schichten 8 können einzelne Feldemissionsspitzen 3 oder Gruppen von Feldemissionsspitzen 3 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. Es ist so möglich, einzelne Gruppen von Feldemissionsspitzen unabhängig voneinander anzusteuern. Eine derartige Ansteuerung einzelner Feldemissionsspitzen sind ebenso wie die Anordnung nach Fig. 2 insbesondere für die Herstellung von dünnen Flachbildschirmen geeignet.In FIG. 3, another embodiment of the invention is shown, whereby the plate 1 with holes 2 and the generated therein field emission tips 3 correspond to the embodiment of FIG. 1. However, an insulating plate 7 is provided as the carrier, which has superficial, conductive layers 8 . 3, two conductive layers 8 are exemplified in the FIG., That are insulated from each other. Due to the conductive layers 8 , individual field emission peaks 3 or groups of field emission peaks 3 can be subjected to different voltages. It is thus possible to control individual groups of field emission peaks independently of one another. Such a control of individual field emission peaks, like the arrangement according to FIG. 2, is particularly suitable for the production of thin flat screens.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen, bei dem eine Vielzahl von Feldemissionsspitzen parallel erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem isolierenden Material (1) eine Vielzahl von Löchern (2) eingebracht werden und daß durch Auffüllen der Löcher (2) mit einem Metall metallische Körper (3) gebildet werden, die die Feldemissionsspitzen bilden.1. A method for producing field emission peaks, in which a plurality of field emission peaks are generated in parallel, characterized in that a plurality of holes ( 2 ) are made in an insulating material ( 1 ) and in that the holes ( 2 ) are filled with a metal metallic bodies ( 3 ) are formed, which form the field emission peaks.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffüllen der Löcher (2) durch elektrochemische oder chemische Abscheidung erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the filling of the holes ( 2 ) is carried out by electrochemical or chemical deposition.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Löcher (2) durch Beschuß mit einem Teilchenstrom und anschließendem Ätzen des isolierenden Materials (1) entlang von Teilchenbahnen erfolgt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the holes ( 2 ) are introduced by bombardment with a particle stream and subsequent etching of the insulating material ( 1 ) along particle paths.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das isolierende Material (1) Aluminiumoxyd (Al₂O₃) verwendet wird, welches durch anodische Oxydation von Aluminium gebildet wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the insulating material ( 1 ) aluminum oxide (Al₂O₃) is used, which is formed by anodic oxidation of aluminum.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (1) als Platte auf einer Trägerplatte (4, 7) ausgebildet ist, das mindestens Teile der Oberfläche der Trägerplatte (4, 7) aus Metall besteht Löcher derart in die isolierende Platte eingebracht sind, daß sie von einer Oberseite der isolierenden Platte bis zur Trägerplatte reichen.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the insulating material ( 1 ) is designed as a plate on a carrier plate ( 4 , 7 ), the at least parts of the surface of the carrier plate ( 4 , 7 ) consists of metal holes in such the insulating plate are introduced so that they extend from an upper side of the insulating plate to the carrier plate.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (7) mindestens zwei leitende Bereiche (8) aufweist, die gegeneinander isoliert sind.6. The method according to claim 5, characterized in that the carrier plate ( 7 ) has at least two conductive areas ( 8 ) which are insulated from one another.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2) nicht vollständig mit Metall aufgefüllt werden und daß die Oberfläche des isolierenden Materials mit einer Metallschicht versehen wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the holes ( 2 ) are not completely filled with metal and that the surface of the insulating material is provided with a metal layer.