-
1. Bereich
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Feldemissionsvorrichtung (FED,
field emission device), die in der Lage ist, einen Elektronenstrahl
auf eine Anode zu fokussieren, und stabilen Betrieb mit hohen Anodenspannungen
gewährleistet,
und ein Verfahren zur Herstellung der FED.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Eine
FED-Flachanordnung mit einer herkömmlichen FED ist in 1 dargestellt.
Eine Kathode 2 ist über
einem Substrat 1 mit einem Metall wie Chrom (Cr) ausgebildet
und eine Widerstandsschicht 3 ist über der Kathode 2 mit
einem amorphen Silicium ausgebildet. Eine Gateisolierschicht 4 mit
einer Mulde 4a, durch die der Boden der Widerstandsschicht 3 freigelegt
ist, ist auf der Widerstandsschicht 3 mit einem Isoliermaterial
wie SiO2 ausgebildet. Eine Mikrospitze 5 gebildet
aus einem Metall wie Molybdän
(Mo) ist in der Mulde 4a gelegen. Eine Gateelektrode 6 mit einem
Gate 6a, das mit der Mulde 4a ausgerichtet ist, ist
auf der Gateisolierschicht 4 ausgebildet. Eine Anode 7 ist
in einem bestimmten Abstand über
der Gateelektrode 6 gelegen. Die Gateelektrode 6 ist
auf der Innenfläche
einer Abdeckung 8 ausgebildet, die einen Vakuumraum in
Verbindung mit dem Substrat 1 bildet. Die Abdeckung 8 und
das Substrat 1 sind durch einen Abstandhalter (nicht gezeigt)
in einem Abstand voneinander angeordnet und an den Kanten abgedichtet.
Für Farbanzeigen
ist ein Leuchtstoffschirm (nicht gezeigt) auf oder nahe der Anode 7 platziert.
-
Da
um Mikrospitzen in solchen FEDs ein elektrisches Hochspannungsfeld
erzeugt wird, besteht ein Risiko, dass elektrische Bogenentladungen auftreten.
Obwohl die Ursache für
elektrische Bogenentladung nicht klar identifiziert ist, scheint
Entladung verursacht durch eine plötzliche große Menge an Ausgasen die elektrische
Bogenbildung auszulösen. Entsprechend
experimenteller Ergebnisse tritt solche Bogenentladung bei Anwendung
einer Anodenspannung von 1 kV sowohl bei einer FED auf, die in einer Hochvakuumkammer
ohne Abdeckung platziert ist, wie in einem vakuumversiegelten FED
mit Abdeckung, wie es in 1 gezeigt ist. Gemäß einem
Ergebnis der optischen Mikroskopie wird durch die Bogenentladung
verursachter Schaden überwiegend
an den Kanten des Gates 6a der Gateelektrode 6 gefunden.
Es wird angenommen, dass dies durch ein starkes elektrisches Feld
bedingt ist, das nahe solcher scharfer Kanten des Gates 6a erzeugt
wird. Aufgrund der Bogenentladung tritt zwischen der Anode 7 und der
Gateelektrode 6 ein elektrischer Kurzschluss auf. Als Folge
davon wird eine Anodenhochspannung auf die Gateelektrode 6 aufgebracht,
wodurch die Gateisolierschicht 4 unter der Gateelektrode 6 und
die durch die Mulde 4a freigelegte Widerstandsschicht 3 geschädigt werden.
Diese Schädigung
wird verstärkt, wenn
die Anodenspannung zunimmt.
-
Deshalb
ist die einfache Konfiguration der herkömmlichen FED, bei der die Kathode
und Anode nur durch Abstandshalter in einem Abstand zueinander gehalten
werden, nicht genug, um eine zuverlässige FED zu gewährleisten,
die bei hohen Spannungen funktioniert. Die Helligkeit der FED-Anzeige hängt von
der Höhe
der Anodenspannung ab. Daher kann eine FED mit hoher Helligkeit
nicht unter Verwendung der herkömmlichen
FED gefertigt werden. Die herkömmliche
FED kann einen von Mikrospitzen auf der Anode emittierten Elektronenstrahl
nicht fokussieren, so dass es schwierig ist, ein Display mit hoher
Auflösung
zu erhalten. Außerdem
kann eine Farbanzeige mit hoher Farbreinheit nicht durch eine solche
FED implementiert werden.
-
Eine
Feldemissionsvorrichtung mit Rahmenstrukturen ist in
US 6,008,062 beschrieben. Es sind
konische Elektronenemitterelemente ausgebildet und bei der Bildung
der Fokussierstruktur geschützt.
-
US 5,836,796 beschreibt
einen Prozess zur Abscheidung von Kohlenstoffdiamantpartikeln auf Mikrospitzen
einer Feldemissionsquelle.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Zur
Lösung
der obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Feldemissionsanzeige (FED) zur Verfügung zu stellen, die stabilen
Betrieb mit hohen Anodenspannungen gewährleistet, und ein Verfahren
zur Herstellung der FED.
-
Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine FED mit hoher
Auflösung
und mit hoher Farbreinheit für
Farbanzeigevorrichtungen zur Verfügung zu stellen, und ein Verfahren
zur Herstellung der FED.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Feldemissionsvorrichtung
(FED) gemäß Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
-
Es
ist bevorzugt, dass eine Widerstandsschicht über oder unter der Kathode
ausgebildet ist, oder Widerstandsschichten über und unter der Kathode in
der FED ausgebildet sind.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Feldemissionsvorrichtung (FED) nach Anspruch 3
zur Verfügung
gestellt.
-
Es
ist bevorzugt, dass die kohlenstoffhaltige Polymerschicht aus Polyimid
oder Photoresist ausgebildet ist. Die kohlenstoffhaltige Polymerschicht kann
durch reaktives Ionenätzen
(RIE, reactive ion etching) ge ätzt
werden. Die Oberflächenmerkmale der
Mikrospitzen im Nanomaßstab
können
durch Verändern
der Ätzraten
der kohlenstoffhaltigen Polymerschicht und der Mikrospitzen eingestellt
werden. Es ist bevorzugt, dass die Ätzraten durch Verändern von
Sauerstoff im Gas für
die Mikrochips im Reaktionsgas, Plasmaenergie oder Plasmadruck während der Ätzprozesse
eingestellt werden.
-
Bevorzugt
werden die Mikrospitzen aus mindestens einem ausgewählt aus
der Gruppe von Molybdän
(Mo), Wolfram (W), Silicium (Si) und Diamant ausgebildet. Das Reaktionsgas
kann eine Gasmischung von O2 und fluorhaltigem
Gas wie CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 oder SF6/CHF3/O2 sein.
Alternativ kann das Reaktionsgas eine Gasmischung von O2 und
chlorhaltigem Gas wie Cl2/O2,
CCl4/O2 oder Cl2/CCl4/O2 sein.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
verständlich
durch eine ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug zu den
begleitenden Zeichnungen, in denen:
-
1 eine
Schnittansicht einer herkömmlichen
Feldemissionsvorrichtung (FED) ist;
-
2 eine
Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform einer FED gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
-
3 ein
vergrößerte Ansicht
des Teils A von 2 ist;
-
4 eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A' von 3 ist;
-
5 bis 8B Schnittansichten
sind, die die Fertigungsprozesse einer FED gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen;
-
9 eine
Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM, scanning electron microscopy)
ist, die einen Abschnitt der FED hergestellt nach dem erfinderischen
Verfahren zeigt;
-
10 eine
SEM-Aufnahme ist, die die Konfiguration einer Mikrospitze der FED
von 9 zeigt; und
-
11 eine
SEM-Aufnahme ist, die die Konfiguration der Fokusgateelektrode der
FED hergestellt nach dem erfinderischen Verfahren zeigt.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun genauer mit Bezug zu den begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung gezeigt sind. Mit Bezug zu 2, die eine
Draufsicht einer Feldemissionsvorrichtung (FED) gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, sind eine Kathode 120 und eine Gateelektrode 160 in
einer x-y-Matrix in der Mitte eines Substrats 100 angeordnet
und eine Fokusgateelektrode 190, die ein Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist, ist über
der Kathode 120 und der Gateelektrode 160 angeordnet. Die
Kathode 120 und die Gateelektrode 140 sind mit Kontaktstücken (Pads) 121 bzw. 161 elektrisch
verbunden, die an den Kanten des Substrats 100 angeordnet
sind.
-
Teil
A von 2 ist in 3 vergrößert. Wie in 3 gezeigt
ist, weist die Fokusgateelektrode 190 ein Fokusgate 190a auf,
durch das der kreuzüberlappte
Teil der Kathode 120 und der Gateelektrode 160 freigelegt
ist. Insbesondere ist die Gateelektrode 160 mit dem Gate 160a durch
das Postgate 190a freigelegt. Die Fokusgateelektrode 190 ist
derart gelegen, dass der kreuzüberlappte
Teil der Kathode 120 und der Gateelektrode 160,
d. h. entsprechend einem einzelnen Pixel, durch sein Fokusgate 190a freigelegt
ist. Der Abstand zwischen der Gateelektrode 190 und den
Kontaktstücken 121 und 161 ist im
Bereich von 0,1 bis 15 mm bestimmt, derart, dass die Gateelektrode 160 und
die Kathode 120 vollständig
von der Fokusgateelektrode 190 bedeckt sind. Die Fokusgateelektrode 190 ist
mit einer externen Erdung elektrisch gekoppelt, wodurch Elektronenemission
vorgesehen wird, wenn eine Bogenentladung mit einer hohen Spannung
erfolgt. Als Folge davon können
die darunter liegenden Schichten vor Schaden geschützt werden.
-
4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von 3. Mit Bezug
zu 4 ist eine Kathode 120 über einem
Substrat 100 mit einem Metall wie Chrom (Cr) ausgebildet
und eine Widerstandsschicht 130 ist über der Kathode 120 mit
einem amorphen Silicium ausgebildet. Eine Gateisolierschicht 140 mit
einer Mulde 140a, durch die der Boden der Widerstandsschicht 130 freigelegt
ist, ist auf der Widerstandsschicht 130 mit einem Isoliermaterial
wie SiO2 ausgebildet. Die Verwendung der
Widerstandsschicht 130 ist optional. Mit anderen Worten,
die Ausbildung der Widerstandsschicht 130 kann weggelassen
werden, so dass die Kathode 120 durch die Mulde 140a freigelegt
ist. Eine Mikrospitze 150, die ein Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist, ist in der Mulde 140a auf der Widerstandsschicht 130 mit
einem Metall wie Molybdän
(Mo) ausgebildet. Eine Mikrospitze 150 ist eine Ansammlung
einer großen
Anzahl von Nanospitzen mit Oberflächenmerkmalen im Nanomaßstab. Die
Mikrospitze 150 ist aus Mo, W, Si oder Diamant oder einer
Kombination dieser Materialien gebildet.
-
Eine
Gateelektrode 160 mit einem Gate 160a, das mit
der Mulde 140a ausgerichtet ist, ist auf der Gateisolierschicht 140 ausgebildet.
Eine Fokusgateisolierschicht 191 ist auf der Gateelektrode 160 mit
Polyimid ausgebildet und die oben genannte Fokusgateelektrode 190 ist über der
Fokusgateisolierschicht 191 ausgebildet. Die Fokusgateelektrode 191 ist
aus Al, Cr, Cr/Mo-Legierung, Al/Mo-Legierung oder Al/Cr-Legierung
gebildet. Die Fokusgateisolierschicht 191 weist eine Öffnung auf,
die dem Fokusgate 190a der Fokusgateelektrode 190 entspricht.
-
In
der FED mit der oben genannten Konfiguration wird eine geeignete
Spannung auf die Fokusgateelektrode 190 aufgebracht, so
dass das elektrische Feld um das Gate 160a der Gateelektrode 160 schwach
wird, wodurch Bogenentladung an den scharfen Kanten das Gates 160a vermieden
wird. Obwohl eine Bogenentladung in der FED auftritt, werden aufgrund
der Bogenentladung erzeugte Ionen von der Fokusgateelektrode 190 gesammelt
und dann geerdet, bevor die Kathode 120 oder die Widerstandsschicht 130 durch
die Ionen angegriffen werden. Als Folge davon kann ein elektrischer
Kurzschluss zwischen der Kathode 120 und einer Anode (nicht
gezeigt) sowie eine physikalische Beschädigung derselben durch Bogenentladung
vermieden werden.
-
Ein
von der Mikrospitze 150 emittierter Elektronenstrahl kann
durch Einstellen der Dicke der Fokusgateisolierschicht 191 fokussiert
werden, derart, dass ein kleiner Fleck auf der Anode ausgebildet
werden kann. Außerdem
kann eine hohe Farbreinheit für Farbanzeigen
erreicht werden.
-
Die Öffnung der
Fokusgateisolierschicht 191 wird durch reaktives Ionenätzen (RIE)
ausgebildet. Bei der Bildung der Öffnung werden die RIE-Bedingungen so eingestellt,
dass die Geometrie der Mikrospitze 150, die durch die Öffnung freigelegt
wird, in geeigneter Weise verändert
wird, d. h. zum Ausbilden der Mikrospitze 150 mit Oberflächenmerkmalen
im Nanomaßstab.
Durch dieses Vorgehen kann im Vergleich zu einer herkömmlichen
FED die Gateanschaltspannung um mehr als 30 V gesenkt werden.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung einer FED gemäß der vorliegenden Erfindung
wird beschrieben. Mit Bezug zu 5 werden
eine Kathode 120, eine Widerstandsschicht 130,
eine Gateisolierschicht 140 mit einer Mulde 140a und
eine Gateelektrode 160 mit einem Gate 160a auf
einem Halbleiterwafer 100 nach einander durch ein herkömmliches
Verfahren ausgebildet, und dann wird eine Mikrospitze 150 in
der Mulde 140a auf der Widerstandsschicht 130 ausgebildet.
-
Mit
Bezug zu 6 wird Polyimid durch Spinbeschichtung
so abgeschieden, dass es eine bestimmte Dicke über dem Stapel aufweist, wodurch eine
Fokusgateisolierschicht 191 ausgebildet wird. Danach wird
eine Fokusgateelektrode 190 über der Fokusgateisolierschicht 191 ausgebildet.
Die Fokusgateisolierschicht 191 wird durch Spinbeschichtung, Weichbrennen
und dann Aushärten
ausgebildet, und die Dicke der Fokusgateisolierschicht 191 liegt
im Bereich von 3 bis 150 μm.
Dieser Dickenbereich wird unten ausführlicher beschrieben.
-
Dann
wird ein Fokusgate 190a oder 190b in der Fokusgateelektrode 190 durch
Photolithographie ausgebildet. Mit Bezug zu den 7A und 7B wird
ein bestimmtes Photoresistmuster 200a oder 200b auf
der Fokusgateelektrode 190 ausgebildet, und Teile der Fokusgateelektrode 190,
die durch das Photoresistmuster 200a oder 200b freigelegt
sind, werden nach einem allgemeinen Trocken- oder Nassätzverfahren
unter Verwendung des Photoresistmusters 200a oder 200b als Ätzmaske
geätzt,
wodurch sich das Fokusgate 190a oder 190b in der
Fokusgateelektrode 190 ergeben. 7A stellt
eine Konfiguration dar, in der eine Mehrzahl von Mikrospitzen 160 durch
das selbe einzige Fokusgate 190a freigelegt sind, und 7B stellt
eine Konfiguration dar, in der nur eine Mikrospitze 150 durch
ein einziges entsprechendes Fokusgate 190a freigelegt ist.
Die Dicke der Fokusgateisolierschicht 191 liegt im Bereich
von 3 bis 150 μm
für die
Konfiguration von 7A und von 6 bis 50 μm für die Konfiguration
von 7B. Insbesondere wenn jedes Gate 160a durch ein
einziges entsprechendes Fokusgate 190a freigelegt ist,
kann die Dicke der Fokusgateisolierschicht 191 im Bereich
von 3 bis 10 μm
liegen. Alternativ kann, wenn 2 bis 4 Gates 160a durch
das selbe einzige Fokusgate 190a freigelegt sind, die Dicke
der Fokusgateisolier schicht 191 im Bereich von 6 bis 50 μm liegen.
Wenn ein einziges Fokusgate 190a einem Pixel oder Dot entspricht,
der durch einen kreuzüberlappten
Teil zwischen der Gateelektrode und der Kathode definiert ist, kann
die Dicke der Fokusgateisolierschicht 191 im Bereich von
10 bis 150 μm
liegen.
-
Sobald
die Bildung des Fokusgates 190a oder 190b beendet
ist, wird das Photoresistmuster 200a oder 200b abgezogen
und die darunter liegende Fokusgateisolierschicht 191 wird
unter Verwendung des Fokuselektrodenmusters 190' als Ätzmaske
geätzt.
Die Fokusgateisolierschicht 191 kann durch Trockenätzen wie
RIE oder Plasmaätzen
geätzt
werden. Wenn ein Plasmaätzverfahren
angewendet wird, kann eine Gasmischung, die O2 als Hauptkomponente
enthält,
und ein fluorhaltiges Gas wie CF4, SF6 oder CHF3 als Reaktionsgas
verwendet werden. Das Gasgemisch kann CF4/O2, SF6/O2, CHF3/O2, CF4/SF6/O2, CF4/CHF3/O2 oder SF6/CHF3/O2 sein.
Alternativ kann eine Gasmischung aus O2 und
einem chlorhaltigen Gas, wie zum Beispiel Cl2/O2, CCl4/O2 oder Cl2/CCl4/O2, als Reaktionsgas
verwendet werden.
-
Wie
berichtet wird, werden Polyimidschichten durch trockenes Plasmaätzen unter
Verwendung von O2 in eine grasartige Struktur
geätzt.
Die glasartige Struktur beschreibt raue Oberflächenmerkmale der erhaltenen
Struktur aufgrund unterschiedlicher Ätzraten über Bereichen der Polyimidschicht.
Der Zusatz von O2 zum fluorhaltigen Gas
dient der Erhöhung
der Ätzrate
der Polyimidfokusgateisolierschicht 191, derart, dass die
Mikrospitze 150 unter der Fokusgateisolierschicht 191 durch
Plasma geätzt
werden kann. Die Ätzrate
der Mikrospitze 150 durch Plasma kann der Verändern des
Verhältnisses
von O2 zu fluorhaltigem oder chlorhaltigem
Gas im verwendeten Reaktionsgas, Plasmadruck und Plasmaenergie beim
Plasmaätzen
der Fokusgateisolierschicht 191 eingestellt werden. Da
die aus einem kohlenstoffhaltigen Polymer wie Polyimid oder Photoresist
gebildete Fokusgateisolierschicht 191 in eine grasartige Struktur
geätzt
wird, kann das Polyimid oder der Photoresist über der Mikrospitze 150 statistisch
verteilt bleiben. Das auf der Mikrospitze 150 verbleibende
Polyimid oder Photoresist wirkt als Maske für ein weiteres Ätzen der
Mikrospitze 150. Als Folge des Ätzens wird die Mikrospitze 150 mit
Oberflächenmerkmalen
im Nanomaßstab
ausgebildet, als eine Ansammlung einer großen Zahl von Nanospitzen.
-
9 ist
eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM, scanning electron microscopy),
die die Mikrospitze, Gateisolierschicht und Gateelektrode auf dem
Substrat ausgebildet zeigt, und 10 ist eine
vergrößerte Ansicht
der Mikrospitze von 9. Wie in den 9 und 10 gezeigt
ist, weist die Mikrospitze als eine Ansammlung von Nanospitzen ein Oberflächenmerkmal
im Nanomaßstab
auf, wie es zuvor beschrieben wurde. Als Testergebnis ist die Gateanschaltspannung
der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten
FED um ungefähr
20 V reduziert, und die Arbeitsspannung (eine Spannung mit einer
relativen Einschaltdauer von 1/90 und einer Frequenz von 60 Hz)
im Vergleich zu einer herkömmlichen
FED um ungefähr
40 bis 50 V gesenkt. Die Höhe
der Mikrospitze und die Größe der Nanospitzen
können
durch Einstellen der Ätzverhältnisse
oder Ätzraten
der aus einem kohlenstoffhaltigen Polymer gebildeten Fokusgateisolierschicht
verändert
werden, und die Mikrospitze beim Plasmaätzen, wie es zuvor beschrieben
wurde. 11 ist eine SEM-Aufnahme der
FED, die die scharfen vertikalen Seitenwände einer Öffnung in der Fokusgateisolierschicht
darstellt. Als Ergebnis eines Streuversuchs wurde ein Widerstand
zwischen der Fokusgateelektrode und der Gateelektrode von mehr als
10 MΩ gefunden.
-
Wie
zuvor erwähnt,
wird in der FED und der FED-Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung das
Auftreten von Bogenentladung unterdrückt. Obwohl eine Bogenbildung
in der FED vorkommt, wird Schaden an der Kathode und der Widerstandsschicht
verhindert. Aufgrund der Minimie rung des Bogenentladungseffekts
kann im Vergleich zu einer herkömmlichen
FED eine höhere
Arbeitsspannung auf die Anode aufgebracht werden. Die Mikrospitzen
mit Oberflächenmerkmalen
im Nanomaßstab
tragen zur Erhöhung
der Emissionsstromdichte der FED bei, so dass eine Anzeigevorrichtung
mit hoher Helligkeit mit der FED erreicht werden kann. Die Gateanschaltspannung
kann aufgrund der Mikrospitze als Ansammlung von Spitzen in Nanogröße gesenkt
werden, wodurch sich der Energieverbrauch reduziert.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein von der Mikrospitze emittierter Elektronenstrahl
auf die Anode durch das Fokusgate der Fokusgateelektrode durch Verändern eines
Spannungswerts, der auf die Fokusgateelektrode aufgebracht wird,
fokussiert werden. Selbst für
eine Anzeigevorrichtung mit einem ziemlich großen Abstand von Substrat zum Bildschirm,
zum Beispiel mehr als 3 mm, sind hohe Auflösung und hohe Farbreinheit
bei Farbdisplays gewährleistet.
-
Während diese
Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde versteht es sich, dass die Fachleute
verschiedene Veränderungen
in Form und Details an den beschriebenen Ausführungsformen vornehmen können, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.