DE69730333T2

DE69730333T2 - Herstellung von gittergesteuerter elektronen emittierende quelle mittels verteilte teilchen zur bestimmung der gitteröffnungen

Info

Publication number: DE69730333T2
Application number: DE69730333T
Authority: DE
Inventors: N. Paul LUDWIG; A. Duane HAVEN; M. John MACAULAY; J. Christopher SPINDT; M. James CLEEVES; Johan N. Knall
Original assignee: Candescent Intellectual Property Services Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: JP4226651B2; EP0922293A1; KR20000016555A; DE69730333D1; EP0922293B1; TW389928B; WO1997047021A1; JP2000512067A; EP0922293A4; KR100323289B1

Description

Gebiet der Anwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von elektronenemittierenden Vorrichtungen, üblicherweise bezeichnet als Kathoden, die für Produkte geeignet sind, wie beispielsweise Kathodenstrahldisplays ("CRT") vom Typ des Flachbildschirms.
Einschlägiger Stand der Technik
Eine Feldemissionskathode (oder Feldemitter) emittiert Elektronen, wenn sie in ein elektrisches Feld ausreichender Stärke gebracht wird. Das elektrische Feld wird dadurch erzeugt, dass eine geeignete Spannung zwischen der Kathode und einer Elektrode angelegt wird, die typischerweise als die Anode oder Gatter((oder "Gate", d. Übers.))elektrode bezeichnet wird und in einem kurzen Abstand von der Kathode angeordnet ist.
Wenn eine Feldemissionskathode in einem CRT-Flachbildschirm eingesetzt wird, erfolgt die Elektronenemission von der Kathode über eine begrenzte Fläche. Der elektronenemittierende Bereich wird üblicherweise in ein zweidimensionales Gebiet von elektronenemittierenden Abschnitten unterteilt, die sich gegenüber eines korrespondierenden lichtemittierenden Abschnittes unter Erzeugung eines Teils oder der Gesamtheit eines Bildelementes (Pixel) befinden. Die durch den jeweiligen elektronenemittierenden Abschnitt emittierten Elektronen treffen auf den entsprechenden lichtemittierenden Abschnitt auf und bewirken, dass dieser sichtbares Licht emittiert.
Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass die Beleuchtung gleichförmig (konstant) über die Fläche des jeweiligen lichtemittierenden Abschnittes erfolgt. Eine der Methoden, um eine gleichförmige Ausleuchtung zu erzielen besteht darin, für die gleichförmige Emission der Elektronen über die Fläche der korrespondierenden elektronenemittierenden Abschnitte zu sorgen. Dieses umfasst im typischen Fall das Erzeugen des elektronenemittierenden Abschnitts in Form einer großen Zahl von kleinen, dicht beieinander liegenden zur Elektronenemission fähigen Elementen.
Es sind zahlreiche Methoden zur Herstellung von elektronenemittierenden Vorrichtungen untersucht worden, die kleine, dicht aneinander liegende zur Elektronenemission fähige Elemente enthalten. Spindt et al., "Research in Micron-Sizedl Field-Emission Tubes", IEEE Conf. Rec. 1966, Eighth Conf. Tube Techniques, 20. September, 1966, S. 143–147 beschreiben, wie kleine, regellos verteilte kugelförmige Partikel eingesetzt werden, um die Stellen für die konischen, zur Elektronenemission fähigen Elemente in einer flachen Feldemissionskathode zu begrenzen. Die Größe der kugelförmigen Partikel bestimmt im hohen Maße den Basisdurchmesser der konischen, zur Elektronenemission fähigen Elemente.
1a bis 1g (zusammengefasst als "1") veranschaulichen einen auf Kügelchen basierenden Prozess, wie er bei Spindt et al., zur Erzeugung einer elektronenemittierenden Diode mit einer dicken Anode genutzt wird. In 1a ist der Ausgangspunkt ein Saphirsubstrat 20. Auf dem Substrat 20 befindet sich sandwichartig eine untere Molybdänschicht 22, die isolierende Schicht 24 und eine obere Molybdänschicht 26.
Über der oberen Molybdänschicht 26 werden Polystyrol-Kügelchen 28 gestreut, von denen eine in 1b gezeigt ist. Zur Erzeugung einer Resist-Schicht 30A auf dem nicht abgedeckten Teil der Schicht 26 wird "Resist" abgeschieden. Siehe hierzu 1c. Auf den kugelförmigen Partikeln 28 lagern sich während der Resist-Abscheidung Abschnitte 30B von Resist, im typischen Fall Aluminiumoxid (Al₂O₃), an. Die Kügelchen 28 werden danach entfernt, womit die Resist-Abschnitte 30B entfernt werden. Bezug nehmend auf 1d erstrecken sich Öffnungen 32 durch die Resist-Schicht 30A an den Stellen der entfernten Kügelchen 28 hindurch.
Die exponierten Abschnitte der Molybdänschicht 26 werden durch die Resist-Öffnungen 32 hindurch unter Erzeugung von Öffnungen 34 durch das Molybdän 26 hindurch geätzt, der Rest davon ist als Position 26A in 1e angegeben. In ähnlicher Weise werden die exponierten Teile der isolierenden Schicht 24 durch die Öffnungen 34 hindurch unter Erzeugung von Hohlräumen 36 durch die verbleibende isolierende Schicht 24A hindurch geätzt. Siehe hierzu 1f. Resist-Schicht 30A wird entfernt und zwar im typischen Fall im Verlaufe der Ätzung des Hohlraums.
Abschließend wird auf der Oberseite der Struktur und in die Hohlräume 36 Molybdän aufgedampft. Das Aufdampfen wird in einer solchen Weise ausgeführt, dass sich die Öffnungen, durch die hindurch sich das Molybdän in den Hohlräumen 36 ablagert, allmählich schließen. Wie in 1g gezeigt, werden in den Hohlräumen 36 konische, zur Elektronenemission fähige Molybdän-Elemente 38A gebildet, während auf der Oberseite der Molybdänschicht 26A eine zusammenhängende Molybdänschicht 38B gebildet wird. Die Schichten 38B und 26A bilden gemeinsam die Anode für die Diode.
Der Einsatz von kugelförmigen Partikeln zur Erzeugung der Stellen und der Grundabmessungen von zur Elektronenemission fähigen Elementen nach Spindt et al. ist eine kreative Vorgehensweise, eine Elektronenemissionsvorrichtung zu erzeugen. Allerdings werden die durch die Elemente 38A emittierten Elektroden auf der Anode 26A/38B abgelagert und daher nicht genutzt, um die lichtemittierenden Bereiche direkt zu aktivieren. Es wäre wünchenswert, kugel förmige Partikel zur Festlegung der Stellen für kleine, dicht aneinander liegende, zur Elektronenemission fähige Elemente einzusetzen, die Elektronen emittieren und die genutzt werden können, um die zur Lichtemission fähigen Elemente in einem Flachbildschirm in einer besonders gleichförmigen Weise direkt zu aktivieren.
Allgemeine Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gewährt eine Gruppe von Herstellungsprozessen, in denen Partikel und im typischen Fall kugelförmige in der Herstellung von gegatterten elektronenemittierenden Vorrichtungen eingesetzt werden. Die Partikel legen die Stellen der elektronenemittierenden Elemente in den gegatterten Elektronenemittern fest. Was besonders wichtig ist, die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind so konzipiert, dass die durch die zur Elektronenemission fähigen Elemente emittierten Elektronen für die direkte Aktivierung von Elementen verfügbar sind, wie beispielsweise zur Lichtemission fähige Bereiche in einer Flachbildschirmvorrichtung.
Die Oberflächendichte der Partikel legt die Oberflächendichte der zur Elektronenemission fähigen Elemente fest (ist gleich). Die Partikel-Oberflächendichte kann mühelos auf einen hohen Wert eingestellt werden. Dementsprechend lässt sich eine hohe Oberflächendichte von zur Elektronenemission fähigen Elementen erzielen. Obgleich die Partikel und damit die zur Elektronenemission fähigen Elemente normalerweise an Stellen angeordnet sind, die überwiegend regellos zueinander verteilt sind, ist die Zahl der zur Elektronenemission fähigen Elemente pro Flächeneinheit über der gesamten elektronenemittierenden Fläche relativ gleichförmig.
Die Partikel können darüber hinaus ohne weiteres so gewählt werden, dass sie eine dichte Partikelgrößenverteilung haben, d. h. die Standardabweichung im mittleren Partikeldurchmesser ist verhältnismäßig klein. Durch geeignetes Einstellen der Werte für bestimmte Parameter der Abmessung, wie beispielsweise bestimmte Dicken, lassen sich die zur Elektronenemission fähigen Elemente so erzeugen, dass sie untereinander verhältnismäßig ähnlich sind. Das Nettoergebnis besteht darin, dass die Nutzung von Partikeln gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung es möglich macht, eine besonders gleichförmige Elektronenemission zu erzielen, wodurch es möglich wird, dass zur Lichtemission fähige Bereiche in einer besonders gleichförmigen Form direkt aktiviert werden können.
Bei der Herstellung eines gegatterten Elektronenemitters nach der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Partikeln über einer geeigneten Ausgangsstruktur verteilt. Entscheidend ist, dass die Größenordnung des seitlichen Bereichs der Ausgangsstruktur im typischen Fall wenig Einfluss auf die Fähigkeit zur Verteilung der Partikel in relativ gleichförmiger Weise (wenn auch größtenteils regellos) über der Ausgangsstruktur hat. Dementsprechend lassen sich die Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung leicht zur Erzeugung von Elektronenemittern mit großer Fläche anwenden.
Die Partikel sind im typischen Fall kugelförmig. Nachdem sie über der Ausgangsstruktur verteilt wurden, werden die Partikel eingesetzt, um die Stellen für die korrespondierenden Gatteröffnungen festzulegen, die sich durch die elektrisch nichtisolierende Gatterschicht erstrecken und über einer elektrisch isolierenden Schicht in der Struktur bereitgestellt sind. Wie nachfolgend diskutiert wird, bedeutet "elektrisch nichtisolierend" elektrisch leitfähig oder mit elektrischem Widerstand behaftet.
Die Partikel können über der isolierenden Schicht oder über der Gatterschicht verteilt werden, was zu unterschiedlichen Folgen für die Nutzung der Partikel zur Festlegung der Gatteröffnungen führt. Wenn die Partikel über der isolierenden Schicht verteilt sind, wird über der isolierenden Schicht elektrisch nichtisolierendes Gattermaterial vorgesehen und zwar zumindest in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln. Die Partikel werden anschließend entfernt. Während des Arbeitsschrittes der Entfernung der Partikel wird gleichzeitig jegliches Gattermaterial entfernt, das die Partikel überdeckt. Das verbleibende Gattermaterial bildet die Gatterschicht, durch die hindurch sich die Gatteröffnungen an den Stellen der entfernten Partikel erstrecken.
Wenn die Partikel über der Gatterschicht verteilt sind, wird für zusätzliches Material über der Gatterschicht und mindestens in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln gesorgt. Die Partikel werden entfernt und dadurch gleichzeitig jegliches zusätzliches Material, das die Partikel überdeckt. Sodann erstrecken sich Öffnungen durch das verbleibende zusätzliche Material an den Stellen der entfernten Partikel hindurch. Die Gatterschicht wird anschließend durch die Öffnungen hindurch in dem verbleibenden zusätzlichen Material unter Erzeugung der Gatteröffnungen geätzt.
Über der Gatterschicht kann eine primäre Schicht erzeugt werden. Die primäre Schicht besteht im typischen Fall aus einem anorganischen dielektrischen Material. Wenn das zusätzliche Material ebenfalls vorhanden ist, befindet sich die primäre Schicht zwischen der Gatterschicht und dem zusätzlichen Material. Eine Vielzahl von primären Öffnungen erstrecken sich durch die primäre Schicht hindurch. Jede Gatteröffnung ist vertikal ausgerichtet zu einer der korrespondierenden primären Öffnungen. Sofern die primäre Schicht bei der Erzeugung eines gegatterten Elektronenemitters nach der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangt, können die Partikel über der isolierenden Schicht, der Gatterschicht oder der primären Schicht verteilt werden. In Abhängigkeit davon, welche dieser drei Schichten die Partikel aufnimmt, werden die Partikel eingesetzt, um entsprechend den Verfahrensschritten von Varianten ähnlich denen, wie sie in den vorangegangenen zwei Abschnitten beschrieben wurden, die Gatteröffnungen festzulegen.
Über der isolierenden Schicht kann eine Raster-Übertragungsschicht vorgesehen werden. Die Partikel werden sodann über der Raster-Übertragungsschicht verteilt, wonach aus der Raster-Übertragungsschicht durch Entfernen des Abschnittes der Raster-Übertragungsschicht, der nicht durch die Partikel abgeschattet ist, Sockel erzeugt werden. Das Gattermaterial wird über der isolierenden Schicht abgeschieden und mindestens in dem Zwischenraum zwischen den Sockeln. Die Sockel und etwaiges darüber liegendes Material und einschließlich die Partikel werden entfernt. Das verbleibende Gattermaterial bildet die Gatterschicht, durch die hindurch sich Gatteröffnungen an den Stellen der auf diese Weise entfernten Sockel erstrecken.
Unabhängig davon, wie die Partikel zur Festlegung der Gatteröffnungen genutzt werden, lässt eine zusätzliche Bearbeitung vornehmen, um so mühelos zur Elektronenemission fähige Elemente zu erzeugen, die in der Regel die Form von Filamenten haben. Beispielsweise kann ein Abstandsmaterial in den Gatteröffnungen vorgesehen werden, um die Seitenkanten der Gatteröffnungen abzudecken, wobei jedoch korrespondierende Öffnungen zurückgelassen werden, die sich durch das Abstandsmaterial hindurch nach unten zu der isolierenden Schicht erstrecken. Die isolierende Schicht wird anschließend durch die Öffnungen in dem Abstandsmaterial hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen im Wesentlichen durch die isolierende Schicht hindurch nach unten zu dem unteren nichtisolierenden Bereich weggeätzt, der unterhalb der isolierenden Schicht vorgesehen ist. Alternativ kann die isolierende Schicht durch die Gatteröffnungen hindurch unter Erzeugung dielektrischer Öffnungen durch die isolierende Schicht geätzt werden. Das Abstandmaterial wird sodann in den dielektrischen Öffnungen vorgesehen, um im Wesentlichen deren Seitenkanten zu überdecken, wobei jedoch korrespondierende Öffnungen bestehen bleiben, die sich durch das Abstandsmaterial hindurch nach unten zu dem unteren nichtisolierenden Bereich erstrecken.
Die zur Elektronenemission fähigen Elemente werden über dem unteren nichtisolierenden Bereich erzeugt, indem elektrisch nichtisolierendes Emittermaterial entweder in die dielektrischen Öffnungen eingeführt wird oder in die Öffnungen durch das Abstandsmaterial hindurch, was davon abhängt, ob die isolierende Schicht durch die Gatteröffnungen geätzt wird oder durch die Öffnungen in dem Abstandsmaterial. Als Ergebnis werden die zur Elektronen emission fähigen Elemente im typischen Fall als Filamente erzeugt. Das Abstandsmaterial bestimmt den seitlichen Abstand zwischen der Gatterschicht und dem jeweiligen zur Elektronenemission fähigen Element.
In einem Fließschema, bei dem die vorgenannte Primärschicht eingesetzt wird, kann eine zusätzliche Bearbeitung an einer Struktur mit den primären Schichten, der Gatterschicht und den isolierenden Schichten vorgenommen werden, um so leichter die zur Elektronenemission fähigen Elemente in der Regel in Form von Kegel zu erzeugen. Spezielle lässt sich die isolierende Schicht durch die primären Öffnungen und Gatteröffnungen unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen durch die isolierende Schicht hindurch nach unten zu dem elektrisch nichtisolierenden Bereich wegätzen, der unterhalb der isolierenden Schicht vorgesehen ist. Die jeweilige primäre Öffnung ist normalerweise nicht größer als die korrespondierende Gatteröffnung. Dementsprechend legen die primären Öffnungen die seitlichen Abmessungen der zur Elektronenemission fähigen Elemente (später erzeugt) fest. Unter Auswahl der Partikel mit einer dichten Partikelgrößenverteilung, was in der Regel der Fall ist, ist die Größenverteilung der primären Öffnung in erster Annäherung gleich dicht.
Das elektrisch nichtisolierende Emittermaterial wird über der primären Schicht durch die primären und Gatteröffnungen hindurch und in die dielektrischen Öffnungen unter Erzeugung korrespondierender zur Elektronenemission fähigen Elemente über dem unteren nichtisolierenden Bereich abgeschieden. Die zur Elektronenemission fähigen Elemente haben im typischen Fall die Form von Kegeln. Da die primären Öffnungen typischerweise eine dichte Größenverteilung haben, sind die Seitenflächen, die von den zur Elektronenemission fähigen Elementen belegt sind, typischerweise gleich groß. Die primäre Schicht wird anschließend entfernt, um so überschüssiges Emittermaterial abzuheben, das sich über der primären Schicht abgelagert hat.
Im Gegensatz zu dem, was bei Spindt et al. erfolgt, wird die Bewegung von Elektronen, die durch die zur Elektronenemission fähigen Elemente in einem nach der vorliegenden Erfindung erzeugten Elektronenemitter emittiert werden, normalerweise nicht durch elektrisch leitfähiges Material gestört, das über der isolierenden Schicht abgeschieden ist. Die Elektronen können sich über den Elektronenemitter hinaus zur Aktivierung von Elementen bewegen, wie beispielsweise den lichtemittierenden Leuchtstoffbereichen, die sich in einer geeigneten Entfernung oberhalb des Elektronenemitters befinden. Kurz gesagt, gewährt die Erfindung eine Gruppe wirtschaftlicher Verfahren zum Herstellen von Hochleistungs-Elektronenemittern, die leicht in einen CRT-Flachbildschirm und speziell in großformatige CRT-Flachbildschirme eingebaut werden können.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass in die möglichen Vertreter für das Gattermaterial in bestimmten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Metalle einbezogen werden können, durch die es schwierig ist, kleine und im typischen Fall Öffnungen im Submikrometerbereich genau zu ätzen. Insbesondere wenn das Gattermaterial über den Partikel abgeschieden wird, werden Gatteröffnungen an den Stellen der abgeschiedenen Partikel während der Abscheidung des Gattermaterials abgeschieden. Es besteht keine Notwendigkeit zur Ausführung einer Ätzung unter Erzeugung der Gatteröffnungen. Dementsprechend kann das Gattermaterial ein schwer zu ätzendes Metall sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a bis 1g sind Ansichten der Struktur im Querschnitt, die Schritte in Verfahren bekannter Ausführung zur Herstellung eines Diodenfeldemitters präsentieren;
2a bis 2g sind Ansichten der Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten in einem Verfahren repräsentieren, das den Lehren der Erfindung zur Herstellung eines gegatterten Feldemitters mit konischen, zur Elektronenemission fähigen Elementen folgt;
3a bis 3i sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten in einem anderen Verfahren repräsentieren, das den Lehren der Erfindung zur Herstellung eines Feldemitters mit konischen, zur Elektronenemission fähigen Elementen folgt;
4a bis 4f, 4g1 und 4g2 sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Frontseitenschritten in einem Verfahren zum Herstellen eines gegatterten Feldemitters nach der Erfindung repräsentieren. Die Frontseiten-Prozessfolge von 4a bis 4f kann mit dem Schritt von 4g1 oder dem Schritt von 4g2 abgeschlossen werden. Der Feldemitter kann gemäß der vorliegenden Erfindung mit konischen zur Elektronenemission fähigen Elementen versehen werden, dem die Rückseitenschritte von 2d bis 2g oder die Rückseitenschritte von 3f bis 3h zu den Frontseitenschritten von 4a bis 4f und 4g1 oder 4g2 ausgeführt werden;
5a bis 5g sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Rückseitenschritten repräsentieren, durch die die Frontseitenstruktur von 4e, 4f oder 4g1 gemäß der Erfindung weiter verarbeitet wird, um einen gegatterten Feldemitter mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen zu erzeugen. Alternativ kann die Frontseitenstruktur von 2d oder 3e gemäß der vorliegenden Erfindung weiter verarbeitet werden, indem die Rückseitenschritte von 5b bis 5g zur Erzeugung eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen genutzt werden;
6a bis 6h sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine weitere Reihe von Rückseitenschritten repräsentieren, durch die die Frontseitenstruktur von 4e, 4f oder 4g1 gemäß der vorliegenden Erfindung weiter verarbeitet wird, um einen gegatterten Feldemitter mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen zu erzeugen. Alternativ kann die Frontseitenstruktur von 2d oder 3e gemäß der vorliegenden Erfindung weiter verarbeitet werden, indem die Rückseitenschritte von 6a bis 6h zur Erzeugung eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen zu erzeugen;
7a bis 7j sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen repräsentieren;
8a und 8b sind auseinandergezogene Querschnittansichten von Abschnitten der Struktur von 7f und 7h mit dem Zentrum der Erzeugung eines der zur Elektronenemission fähigen Elemente;
9a bis 9c sind auseinandergezogene Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten repräsentieren, die für die Schritte von 7h bis 7j in der Herstellung eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden können;
10a bis 10g sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Rückseitenschritten repräsentieren, durch die die Frontseitenstruktur von 3f (oder 3e) weiter gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wird, um einen gegatterten Feldemitter mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen zu erzeugen. Alternativ kann die Frontseitenstruktur von 2d (oder 2c), 4g1 oder 4g2 gemäß der vorliegenden Erfindung weiter verarbeitet werden, indem die Rückseitenschritte von 10a bis 10g zur Erzeugung eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen zu erzeugen;
11a bis 11h sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten in einem anderen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen repräsentieren;
12a bis 12i sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Schritten in einem weiteren Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines gegatterten Feldemitters mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen repräsentieren;
13a bis 13g sind Ansichten einer Struktur im Querschnitt, die eine Reihe von Frontseitenschritten in einem Verfahren zum Herstellen eines gegatterten Feldemitters gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Die Frontseiten-Prozessfolge von 13a bis 13g kann beispielsweise entsprechend der Rückseiten-Prozessfolge von 7e bis 7j fertiggestellt werden;
14 ist eine Ansicht einer Struktur im Querschnitt, die veranschaulicht, wie die anfängliche Struktur von 2a, 3a, 4a, 7a oder 12a aussieht, wenn der untere nichtisolierende Bereich aus einem mit elektrischem Widerstand behafteten Abschnitt und einem elektrisch leitfähigen Abschnitt besteht;
15.1 und 15.2 sind Querschnittansichten einer Struktur, die veranschaulichen, wie die fertigen Feldemissionsstrukturen von 2g und 5g aussehen, wenn der untere nichtisolierende Bereich aus einem mit elektrischem Widerstand behafteten Abschnitt und einem elektrisch leitfähigen Abschnitt besteht;
16 ist eine Querschnittansicht eines CRT-Flachbildschirms, in dem ein gegatterter Feldemitter wie beispielsweise der von 5g eingebaut ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Ähnliche Bezugszeichen werden in den Zeichnungen und in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform zur Darstellung gleicher oder sehr ähnlicher Position oder Positionen verwendet.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Allgemeine Betrachtungen
Die vorliegende Erfindung nutzt Partikel, die über einer Oberfläche einer Struktur zur Festlegung von Öffnungen in einer Gatterelektrode für eine gegatterte Feldemissionskathode genutzt werden. Jeder erfindungsgemäß erzeugte Feldemitter eignet sich zum Anregen von Leuchtstoffbereichen auf einer Frontseiten in einer Kathodenstrahlröhre eines Flachbildschirms, wie beispielsweise ein Fernseh-Flachbildschirm oder ein Flachbild-Videomonitor für einen Personalcomputer, ein Laptop-Computer oder eine Workstation.
Die Erfindung gewährt eine Vielzahl verschiedener Möglichkeiten zur Nutzung der Partikel, die im typischen Fall kugelförmig sind, zum Festlegen der Gatteröffnungen. Die Erfindung gewährt ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Verwenden der auf diese Weise begrenzten Gatteröffnungen zum Erzeugen von zur Elektronenemission fähigen Elementen verschiedener Formen, wie beispielsweise Kegeln und Filamente. Jedes zur Elektronenemission fähige Element emittiert Elektronen durch eine der korrespondierenden Gatteröffnungen. Insofern die Partikel die Stellen der Gatteröffnungen festlegen, legen die Partikel auch die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Elemente fest.
In einigen Beispielen können die Partikel nach jeder beliebigen von mehreren Frontseiten-Prozessabläufen zur Festlegung von Gatteröffnungen in einer teilfertigen Struktur eingesetzt werden, die entsprechend jedem beliebigen von mehreren Rückseitenprozessfolgen zur Erzeugung einer gegatterten Feldemissionskathode fertiggestellt werden können. Die teilfertige Struktur kann oftmals zum Erzeugen entweder konischer, zur Elektronenemission fähiger Elemente oder filamentärer, zur Elektronenemission fähiger Elemente verwendet werden. Die Erfindung gewährt damit eine gemischt-angepasste Möglichkeit, in der jede der verschiedenen Frontseiten-Prozessabläufen mit jeder beliebigen von mehreren Rückseiten-Fertigungsfolgen kombiniert werden kann, um einen effizienten Gesamtprozess für die Herstellung von Feldemittern zu schalten, der Feldemitter liefert, die auf spezielle Bedürfnisse und speziell ausgewählte Materialien zugeschnitten sind.
In der folgenden Beschreibung gilt der Begriff "elektrisch isolierend" (oder "dielektrisch") im Allgemeinen für Materialien, deren spezifischer Widerstand größer ist als 10¹⁰ Ohm·cm. Der Begriff "elektrisch nicht isolierend" bezieht sich damit auf Materialien, die einen spezifischen Widerstand unterhalb von 10¹⁰ Ohm·cm haben. Elektrisch nichtisolierende Materialien sind unterteilt in (a) elektrisch leitfähige Materialien, bei denen der spezifische Widerstand kleiner ist als 1 Ohm·cm, und (b) mit elektrischem Widerstand behaftetet Materialien, bei denen der spezifische Widerstand im Bereich von 1 Ohm·cm bis 10¹⁰ Ohm·cm liegt. Diese Kategorien sind bei einer elektrischen Feldstärke von nicht mehr als 1 V/μm festgelegt.
Beispiele für elektrisch leitfähige Materialien (oder elektrische Leiter) sind Metalle, Metall-Halbleiterverbindungen (wie beispielsweise Silicide) und Metall-Halbleitereutektika. Elektrisch leitfähige Materialien schließen außerdem Halbleiter ein, die bis zu einem mittleren oder hohen Niveau dotiert sind (n-Typ oder p-Typ). Mit elektrischem Widerstand behaftete Materialien schließen eigenleitfähige und leicht dotierte Halbleiter (n-Typ oder p-Typ) ein. Weitere Beispiele für mit elektrischem Widerstand behaftete Materialien sind: (a) Metall-Isolator-Verbundstoffe, wie beispielsweise Cermets (Keramik mit darin eingebetteten Metallpartikeln), (b) Formen von Kohlenstoff, wie beispielsweise Graphit, amorpher Kohlenstoff und modifizierter Diamant (z. B. dotiert oder mit Laser modifiziert), (c) sowie bestimmte Silicium-Kohlenstoff-Verbindungen, wie beispielsweise Silicium-Kohlenstoff-Stickstoff.
Sofern nicht anders angegeben, gilt das folgende für anisotrope Ätzungen, die in den erfindungsgemäßen Fertigungsprozessen ausgeführt werden. Alle isotropen Ätzungen sind zum größten Teil unidirektional und sind das Ergebnis der Bewegung von Ionen in einer zu der Oberseite der dielektrischen Emitter/Gatter-Zwischenelektrodenschicht senkrechten Richtung. Dementsprechend tritt im Verlaufe eines anisotropen Ätzens im Wesentlichen kein Unterätzen auf. Alle anisotropen Ätzungen werden als trockene Ätzungen ausgeführt, wie beispielsweise mit einem Plasma oder mit Hilfe eines reaktiven Ionenstrahlätzens.
Herstellung von Feldemittern mit zur Elektronenemission fähigen Kegeln
Bezug nehmend auf die Zeichnungen 2a bis 2g (zusammengefasst als "2") wird ein Verfahren zum Herstellen einer gegatterten Feldemissionskathode veranschaulicht, bei der kugelförmige Partikel zur Festlegung von Gatteröffnungen für konische, zur Elektronenemission fähige Elemente nach den Lehren der vorliegenden Erfindung genutzt werden. In dem Herstellungsprozess nach 2 ist der Ausgangspunkt ein elektrisch isolierendes Substrat 40, das typischerweise aus Keramik oder Glas erzeugt ist. Siehe hierzu 2a. Substrat 40, das den Träger für den Feldemitter bereitstellt, ist als eine Platte geformt. In einem CRT-Flachbildschirm stellt Substrat 40 mindestens ein Teil der Rückseite dar.
Ein unterer, elektrisch nichtisolierender Emitterbereich 42 liegt auf der Oberseite von Substrat 40. Der untere nichtisolierende Bereich 42 kann in unterschiedlicher Weise konfiguriert sein. Mindestens ein Teil des nichtisolierenden Bereichs 42 wird typischerweise zu einer Gruppe von im Allgemeinen parallelen Emitterelektrodenzeilen gerastert, die als Zeilenelektroden bezeichnet werden. Sofern der nichtisolierende Bereich 42 auf diese Weise konfiguriert ist, ist die abschließende Feldemissionskathode insbesondere zum Erregen der lichtemittierenden Leuchtstoffelemente in einem CRT-Flachbildschirm geeignet. Nichtsdestoweniger lässt sich der nichtisolierende Bereich 42 mit anderen Rastern anordnen oder kann sogar ungerastert bleiben.
Auf der Oberseite der Struktur ist eine zum großen Teil homogene, elektrisch isolierende Schicht 44 vorgesehen. Die isolierende Schicht 44 besteht im typischen Fall aus Siliciumoxid. Alternativ ließe sich die Schicht 44 mit Siliciumnitrid erzeugen. Obgleich in 2a nicht gezeigt, können Abschnitte der Unterseite der isolierenden Schicht 44 Kontakt mit Substrat 40 haben, was von der Konfiguration des unteren nichtisolierenden Bereichs 42 abhängt. Ein Teil der isolierenden Schicht 44 wird später zum Dielektrikum der Emitter/Gatter-Zwischenelektrodenschicht.
Die Dicke der isolierenden Schicht 44 sollte ausreichend groß sein, damit die später erzeugten, zur Elektronenemission fähigen Elemente als Kegeln geformt werden können, deren Spitzen leicht über die Oberseite von Schicht 44 hinausragen. Die Höhe des jeweiligen zur Elektronenemission fähigen Kegel hängt von seinem Basisdurchmesser ab, der entsprechend der nachfolgenden Beschreibung durch den Durchmesser eines kugelförmigen Partikels bestimmt wird, das zum Festlegen einer Gatteröffnung für diesen zur Elektronenemission fähigen Kegel verwendet wird. Die Dicke der isolierenden Schicht 44 beträgt normalerweise den 1- bis 2-fachen Durchmesser der kugelförmigen Partikel. Ein typischer Bereich für die Dicke der isolierenden Schicht beträgt 0,1 bis 3 μm.
Über der Oberseite der isolierenden Schicht 44 sind entsprechend der Darstellung in 2b feste kugelförmige Partikel 46 regellos oder zum größten Teil regellos verteilt. Die kugelförmigen Partikel 46 bestehen im typischen Fall aus Polystyrol. Alternative Materialien für die Partikel 46 schließen Glas ein (z. B. Siliciumoxid), Polymere (z. B. Latex) außer Polystyrol und Polymere, die mit funktionellen Gruppen beschichtet sind, wie beispielsweise Alkohol-, Säure-, Amid- und Sulfonat-Gruppen.
Sofern die Partikel 46 aus Polystyrol bestehen, haben sie einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 3 μm und im typischen Fall 0,3 μm. Die Standardabweichung in dem mittleren Partikeldurchmesser ist normalerweise sehr gering und kleiner als 10% und im typischen Fall 2%. Die mittlere Oberflächendichte der Partikel 46 über der isolierenden Schicht 44 liegt im Bereich von 10⁶ bis 10¹⁰ Partikel/cm² und bevorzugt 10⁷ bis 10⁹ Partikel/cm². Ein typischer Wert beträgt 10⁸ Partikel/cm². Der mittlere Abstand zwischen den Partikeln 46 beträgt im typischen Fall das 2- bis 3-fache des mittleren Partikeldurchmessers. Bei Partikeln mit 0,3 μm und 10⁸ Partikel/cm² liegt der mittlere Abstand in der Größenordnung von 0,6 bis 0,9 μm.
Die kugelförmigen Partikel 46 haften an der isolierenden Schicht 44 verhältnismäßig fest. Es wird angenommen, dass Van der Waals'sche Kräfte mindestens teilweise für den Haftungsmechanismus sorgen. Ein Teil oder sämtliche Kügelchen 46 können aufgeladen sein, z. B. negativ geladen, wenn die Kügelchen 46 aus Polystyrol bestehen. Im Fall von Polystyrol trägt jedes Kügelchen 46 typischerweise mindestens eine 2-fach negative Ladung, wobei jede 2-fach negative Ladung aus der Berührung einer Carboxyl-Gruppe an diesen Kügelchen 46 entsteht. Eine Ladung mit entgegengesetzter Polarität auf der Anfangsstruktur 40/42/44 kann den Haftungsmechanismus unterstützen. Sobald sie auf der isolierenden Schicht 44 liegen, lassen sich die Partikel 46 in keinem Fall mühelos über der Oberseite der Schicht 44 bewegen.
Es können zahlreiche Methoden zum Verteilen von kugelförmigen Partikeln 46 über der isolierenden Schicht 44 zur Anwendung gelangen. Nach einer der Methoden wird zuerst deionisiertes Wasser, das geeignet kleine Polystyrol-Kügelchen enthält, mit einem chemisch reinen Alkohol in einem Becherglas vereint. Der Alkohol ist im typischen Fall Isopropanol. Ein alternativer Kandidat für den Alkohol ist Ethanol.
Im Fall von Isopropanol ist die Flüssigkeit in der resultierenden Isopropanol/Wasser-Lösung hauptsächlich Isopropanol und im typischen Fall mehr als 99 Vol.% Isopropanol. Die Polystyrol-Kügelchen sind in der Isopropanol/Wasser-Lösung suspendiert. Es wird Stickstoff durch die Lösung durchgeperlt, um die Verteilung der Kügelchen in der gesamten Lösung gleichförmiger zu machen. Alternativ kann die Lösung einer Ultraschallbewegung unterworfen werden, um die Gleichförmigkeit der Kügelchen in der gesamten Lösung zu verbessern.
Wenn die Anfangsstruktur 40/42/44 in Form eines im Allgemeinen kreisrunden Wafers hergestellt wird, wird der Wafer in eine Schleuderkammer gegeben. So lange sich der Wafer in der Schleuderkammer befindet, wird eine kontrollierte Menge der Isopropanol/Wasser-Lösung und einschließlich die suspendierten Polystyrol-Kügelchen auf der Oberseite des Wafers abgeschieden um so einen ausgewählten Abschnitt der Oberseite des Wafers zu bedecken, ohne jedoch von der Oberseite des Wafers abzulaufen. Der Wafer wird sodann für eine kurze Zeit zur Entfernung des überwiegenden Teils der Lösung geschleudert. Die Drehgeschwindigkeit beträgt 200 bis 2.000 U/min und im typischen Fall 750 U/min. Die Schleuderdauer beträgt 5 bis 120 Sekunden und im typischen Fall 20 Sekunden.
Während des Schleuderns verdampft im Wesentlichen die gesamte verbleibende Isopropanol/Wasser-Lösung und lässt die Polystyrol-Kügelchen 46 zurück. Sofern ein Rest der Isopropanol/Wasser-Lösung zurück bleibt, wird der Wafer zur Entfernung des verbleibenden Isopropanol/Wassers getrocknet. Der Schritt des Trocknens kann beispielsweise mit einem Stickstoffstrahl ausgeführt werden. Unabhängig davon, ob ein Trocknungsschritt ausgeführt wird oder nicht, wird der Wafer anschließend aus der Schleuderkammer entnommen. Auf diese Weise wird die Struktur von 2b erzeugt.
Auf der isolierenden Schicht 44 und den kugelförmigen Partikeln 46 wird das elektrisch nichtisolierende Gattermaterial abgeschieden. Die Abscheidung des Gattermaterials erfolgt normalerweise in einer zur Oberseite der Schicht 44 im Wesentlichen senkrechten Richtung unter Anwendung einer Methode, wie beispielsweise Verdampfung oder gebündeltes Sputtern. Das Gattermaterial lagert sich auf der Schicht 44 im Zwischenraum zwischen den Partikeln 46 unter Erzeugung einer elektrisch nichtisolierenden Gatterschicht 48A mit relativ gleichförmiger Dicke an. Siehe hierzu 2C. Gleichzeitig lagern sich Abschnitte 48B des Gattermaterials auf den oberen Hälften (Halbkugeln) der Partikel 46 an. Das Gattermaterial ist gewöhnlich ein Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Wolfram oder Gold.
Ein geeignetes ätzfähiges Material, hierin bezeichnet als das primäre Material, wird auf der Gatterschicht 48A und den Abschnitten des Gattermaterials 48B abgeschieden. Wie auch bei der Abscheidung des Gattermaterials wird die Abscheidung des primären Materials normalerweise in einer zur Oberseite der dielektrischen Zwischenschicht 44 der Zwischenelektrode senkrechten Richtung ausgeführt wiederum unter Anwendung einer Methode, wie beispielsweise Verdampfung oder ausgerichtetes Sputtern. Das primäre Material lagert sich auf der Gatterschicht 48A im Zwischenraum zwischen den kugelförmigen Partikeln 46 unter Erzeugung einer primären Schicht 50A mit relativ gleichförmiger Dicke entsprechend der Darstellung in 2c an. Gleichzeitig lagern sich Abschnitte 50B des primären Materials auf den Abschnitten des Gattermaterials 48B an, das sich auf den Kügelchen 46 befindet. Um zu vermeiden, dass Abschnitte des primären Materials 50B die primäre Schicht 50A überbrücken, beträgt die Gesamtdicke der Gatterschicht 48A und der primäre Schicht 50A normalerweise weniger als der mittlere Radius der Kügelchen 46.
Das primäre Material besteht im typischen Fall aus anorganischem dielektrischem Material, wie beispielsweise Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliciumoxid. Die primäre Schicht 50A wird später als eine Lift-Off-Schicht in dem Prozessschritt von 2 und in bestimmten Prozessvariationen eingesetzt, die nachfolgend beschrieben werden. In bestimmten anderen Prozessvariationen, die nachfolgend beschrieben werden, führt die Schicht 50A nicht die Funktion einer Lift-Off-Schicht aus. Sofern die Schicht 50A als eine Lift-Off-Schicht dient, kann das primäre Material alternativ ein Metall sein, wie beispielsweise Aluminium, Wolfram oder Gold. Das primäre Material könnte auch ein Metall-Dielektrikum-Verbundstoff sein oder ein Salz, wie beispielsweise Magnesiumfluorid, Magnesiumchlorid oder Natriumchlorid, wenn die Schicht 50A als eine Lift-Off-schicht fungiert.
Jetzt werden die kugelförmigen Partikel 46 entfernt. Bei der Entfernung der Partikel 46 werden die Abschnitte des Gattermaterials 48B und die Abschnitte des primären Materials 50B gleichzeitig unter Erzeugung der in 2d gezeigten Struktur entfernt. Die primären Öffnungen 52 erstrecken sich durch die primäre Schicht 50A an den Stellen der entfernten Partikel 46 hindurch. In ähnlicher Weise erstrecken sich Gatteröffnungen 54 durch die Gatterschicht 48A an den Stellen der entfernten Partikel 46 hindurch. Auf diese Weise begrenzen die Partikel 46 direkt die Stellen sowohl der primären Öffnungen 52 als auch der Gatteröffnungen 54. Da die Erzeugung der Gatteröffnungen 54 während der Abscheidung des Gattermaterials über den Partikeln 46 erfolgt und durch das Ätzen des Gattermaterials nicht erreicht werden, ist in die Vertreter des Gattermaterials Gold mit einbezogen, durch das es schwierig ist, kleine Öffnungen zu ätzen, d. h. Öffnungen, deren Durchmesser im typischen Fall kleiner sind als 1 μm, die später die zur Elektronenemission fähigen Kegeln exponieren. Das gleiche gilt für das primäre Material in dem Prozess nach 2.
Jede Gatteröffnung 54 ist vertikal auf die korrespondierende primäre Öffnung 52 zentriert und mit dieser damit vertikal ausgerichtet. Da die entfernten Partikel 46 kugelförmig sind, sind die primären Öffnungen 52 zum großen Teil kreisrund. Für den Fall, in welchem die Abscheidungen zur Erzeugung der Schichten 48A und 50A weitgehend senkrecht zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44 ausgeführt werden, sind die Durchmesser jedes Paares korrespondierender Öffnungen 50 und 52 näherungsweise dieselben und damit näherungsweise gleich dem Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46.
Im typischen Fall wird ein mechanischer Prozess zur Entfernung der kugelförmigen Partikel 46 angewendet. Beispielsweise lassen sich die Partikel 46 mit Hilfe eines Ultraschall-/Megaschall-Schrittes entfernen. Die meisten Kügelchen 46 werden während des Ultraschallteils der Operation des Entfernens entfernt. Der Ultraschallbetrieb wird im typischen Fall so ausgeführt, dass der Wafer in ein Bad aus deionisiertem Wasser mit einem geringen prozentualen Volumenanteil (z. B. 1%) eines alkalischen Reinigungsmittels Valtron SP2200 (2-butylhexylethanol und nichtionisches Tensid) gegeben wird und das Bad bei Ultraschallfrequenz behandelt wird. Der Megaschall-Betrieb wird normalerweise nach dem Ultraschall-Betrieb ausgeführt und entfernt den Rest der Kügelchen 46, das umfasst typischerweise, dass der Wafer in ein anderes Bad aus deionisiertem Wasser mit einem geringen prozentualen Gewichtsanteil (z. B. 0,5%) alkalischem Reinigungsmittel Valtron 2200 gelegt wird und das Bad bei Megaschallfrequenz behandelt wird.
Sowohl während der Megaschall- als auch der Ultraschallbehandlungen kann ein Reinigungsmittel anstelle des Reinigungsmittels Valtron 2200 verwendet werden, das zum großen Teil die Ladungen auf den Partikeln 46 neutralisiert. In das Reinigungsmittel zum Neutralisieren der Ladung ist im typischen Fall ein ionisches Tensid einbezogen. Alternativ ließe sich zur Entfernung der Kügelchen 46 ein Hochdruck-Wasserstrahl verwenden.
Unter Verwendung der primären Schicht 50A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 durch die primären Öffnungen 52 und Gatteröffnungen 54 hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen (oder dielektrischer Öffnungszwischenräume) 56 durch die Lage 44 hindurch nach unten zum unteren nichtisolierenden Emitterbereich 42 geätzt. Siehe hierzu 2e, worin die Position 44A der Rest der isolierenden Schicht 44 ist. Obgleich die primäre Schicht 50A durch das zur Erzeugung der dielektrischen Öffnungen 56 verwendete Ätzmittel geringfügig angegriffen werden kann, ist der Umfang normalerweise nicht groß genug, um die Größen oder Formen der primären Öffnungen 52 wesentlich zu beeinträchtigen. Dementsprechend bleibt jede primäre Öffnung 52 im Wesentlichen kreisrund selbst dann, wenn sie einen geringfügigen anderen Durchmesser als die korrespondierende Gatteröffnung 54 hat.
Die Ätzung des zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums zur Erzeugung dielektrischer Öffnungszwischenräume 56 wird normalerweise so ausgeführt, dass die dielektrischen Öffnungen 56 die Gatterschicht 48A etwas unterätzen. Der Umfang des Unterätzens wird so gewählt, dass er ausreichend ist, um zu vermeiden, dass später abgeschiedenes Emitter-Kegelmaterial sich auf den Seitenwänden (oder Seitenkanten) der dielektrischen Öffnungen 56 abglagert und zwischen den zur Elektronenemission fähigen Elementen und der Gatterschicht 48A elektrische Kriechüberschlagwege bildet.
Die Ätzung des zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden, wie beispielsweise: (a) eine isotrope nasse Ätzung unter Verwendung eines oder mehrerer chemischer Ätzmittel (b) ein Unterätzen (und somit nicht völlig anisotrop) durch Trockenätzung und (c) ein Trockenätzen mit Nichtunterätzen (völlig anisotrop), gefolgt von einem Unterätzen und zwar nass oder trocken. Wenn die isolierende Schicht 44 bzw. die primäre Schicht 50A aus Siliciumoxid und Siliciumnitrid bestehen, erfolgt das Ätzen vorzugsweise in zwei Stufen. Es wird mit Tetrafluorkohlenstoff ein anisotropes Plasmaätzen ausgeführt, um vertikale Öffnungen im Wesentlichen durch die isolierende Schicht 44 hindurch zu erzeugen, wonach ein isotropes Nassätzen ausgeführt wird mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure, um die Anfangsöffnungen auszuweiten und Dielektrikumöffnungen 56 zu erzeugen.
Auf der Oberseite der Struktur wird elektrisch nichtisolierendes Emitter-Kegelmaterial durch Aufdampfen in einer im Allgemeinen zur Oberseite der isolierenden Schicht 44A senkrechten Richtung abgeschieden. Das Emitter-Kegelmaterial lagert sich auf der primären Schicht 50A an und geht durch die Gatteröffnungen 54 hindurch, um sich auf dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 in den Zwischenräumen des Dielektrikums 56 abzusetzen. In Folge der Ansammlung des Kegelmaterials auf der primären Schicht 50A schließen sich die Öffnungen allmählich, durch die das Kegelmaterial in die Öffnungszwischenräume 56 tritt. Die Abscheidung wird so lange ausgeführt, bis diese Öffnungen vollständig geschlossen sind. Als Folge lagert sich das Kegelmaterial in den Öffnungszwischenräumen des Dielektrikums 56 unter Erzeugung korrespondierender konischer, zur Elektronenemission fähige Elemente 58A entsprechend der Darstellung in 2f an. Gleichzeitig wird eine zusammenhängende Schicht 58B des Kegelmaterials auf der primären Schicht 50A erzeugt. Das Kegelmaterial ist normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Molybdän, Nickel, Chrom oder Niob oder ein hochschmelzendes Metallcarbid, wie beispielsweise Titancarbid.
Jetzt wird mit einem geeigneten Ätzmittel die primäre Schicht 50A entfernt. Bei der Entfernung der Schicht 50A wird gleichzeitig überschüssiges Kegelmaterial der Schicht 58B abgehoben. 2g zeigt den resultierenden Elektronenemitter. Da die Abscheidung des Kegelmaterials im Allgemeinen senkrecht zur isolierenden Schicht 44A ausgeführt wurde, ist jeder zur Elektronenemission fähige Kegel 58A vertikal zur korrespondierenden primären Öffnung 52 zentriert und auch zur korrespondierenden Gatteröffnung 54.
Gatterschicht 48A kann zu einer Gruppe von Gatterzeilen gerastert werden, die senkrecht zu den Emitterzeilenelektroden des unteren nichtisolierenden Bereichs 42 verlaufen. Die Gatterzeilen dienen sodann als Spaltenelektroden. Bei geeigneter Anwendung der Rasterung der Gatterschicht 48A kann der Feldemitter von 2g alternativ mit separaten Spaltenelektroden versehen werden, die die Abschnitte der Gatterschicht 48A berühren und senkrecht zu den Zeilenelektroden verlaufen. Diese Gatter-Rasterung und, sofern einbezogen, separate Erzeugung von Spaltenelektroden erfolgen im typischen Fall vor dem Ätzen der isolierenden Schicht 44 zur Erzeugung der Dielektrikumöffnungen 56, was jedoch auch in einem späteren Abschnitt des Prozesses erfolgen kann.
Anstatt mit den über der Oberseite der isolierenden Schicht 44 verteilten kugelförmigen Partikeln 46 die Gatteröffnungen festzulegen, lassen sich die Gatteröffnungen mit Hilfe von kugelförmigen Partikeln festlegen, die über der Gatterschicht verteilt sind. Dabei wird der vorgenannte einschränkende Einfluss verringert, der durch den Partikeldurchmesser auf die Dicke der Gatterschicht ausgeübt wird.
3a bis 3i (gemeinsam bezeichnet als "3") stellen ein Beispiel für ein Verfahren dar, bei dem kugelförmige Partikel nach der vorliegenden Erfindung so eingesetzt werden, dass eine mit Gatter versehene Feldemissionskathode erzeugt wird, die über konische, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt. In dem Prozess von 3 wird eine Anfangsstruktur, die aus Substrat 40 besteht, dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 und der isolierenden Schicht 44, weitgehend in der selben Weise wie in dem Prozess von 2 erzeugt. 3a, bei dem es sich um eine Wiederholung von 2a handelt, veranschaulicht die anfängliche Struktur 40/42/44 für den Prozess von 3a.
Auf der isolierenden Schicht 44 wird elektrisch nichtisolierendes Gattermaterial abgeschieden, um eine elektrisch nichtisolierende Gatterschicht 60 mit relativ gleichförmiger Dicke zu erzeugen. Siehe hierzu 3b. Das Gattermaterial in dem Prozess von 3 ist gewöhnlich ein Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan oder Wolfram. Die Abscheidung des Gattermetalls kann mit jeder beliebigen Zahl von Abscheidungsmethoden erfolgen, wie beispielsweise Verdampfung, Sputtern und chemische Gasphasenabscheidung ("CVD"). Im Gegensatz zu dem Prozess von 2 muss die Abscheidung des Gattermaterials im Prozess von 3 nicht im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite der Zwischenelektrode der dielektrischen Schicht 44 ausgeführt werden. Aus den nachfolgend diskutierten Gründen kann bei vorgegebenem Durchmesser die Gatterschicht 60 in dem Prozess nach 3 dicker als die maximale tolerierbare Dicke der Gatterschicht 48A in dem Prozess von 2 sein.
Über der Oberseite der Gatterschicht 60 werden entsprechend der Darstellung in 3c feste kugelförmige Partikel 46 verteilt. Die kugelförmigen Partikel 46 bestehen typischerweise wiederum aus Polystyrol. Der Schritt der Partikelverteilung wird im typischen Fall in der gleichen Weise wie in dem Prozess nach 2 ausgeführt. Die Verteilung der Partikel 46 ist regellos oder weitgehend regellos über der Oberfläche der Gatterschicht 60. Die Kügelchen 46 haben in dem Prozess nach 3 normalerweise die gleichen Eigenschaften, einschließlich mittlerer Durchmesser und Standardabweichung des mittleren Durchmessers, wie in dem Prozess nach 2.
Auf der Gatterschicht 60 und den kugelförmigen Partikeln 46 wird ein geeignetes ätzfähiges Material abgeschieden, das wiederum als das primäre Material bezeichnet wird. Die Abscheidung des primären Materials in dem Prozess nach 3 wird in einer zur Oberseite des zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums 44 im Wesentlichen senkrechten Richtung unter Anwendung einer Methode ausgeführt, wie beispielsweise Verdampfung oder gebündeltes Sputtern. In ähnlicher Weise wie bei der Methode nach 2 lagert sich das primäre Material nach der Methode von 3 auf der Gatterschicht 60 in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln 46 unter Erzeugung einer primären Schicht 62A mit relativ gleichförmiger Dicke an. Siehe hierzu 3d. Die primäre Schicht 62A dient später als eine Lift-Off-Schicht in dem Prozess nach 3. Abschnitte 62B des primären Materials lagern sich gleichzeitig auf den oberen Hälften der Kügelchen 46 an.
Wie in dem Prozess nach 2 besteht das primäre Material typischerweise aus einem anorganischen dielektrischen Material, wie beispielsweise Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliciumoxid. In ähnlicher Weise kann, wenn die primäre Schicht 62A eine Lift-Off-Funktion ausübt, das primäre Material sein: (a) ein Metall, wie beispielsweise Aluminium, (b) ein Metall/Dielektrikum-Verbundstoff oder (c) ein Salz, wie beispielsweise Magnesiumfluorid, Magnesiumchlorid oder Natriumchlorid.
Um zu vermeiden, dass Abschnitte des primären Materials 62B die primäre Schicht 62A überbrücken, ist die Dicke der primären Schicht 62A normalerweise kleiner als der mittlere Radius der Kügelchen 46. Im Vergleich zu dem Prozess nach 2, wo die vereinte Gesamtdicke der Gatterschicht 48A und der primären Schicht 50A normalerweise kleiner sein muss als der mittlere Radius der Kügelchen 46, um eine unerwünschte Überbrückung zu vermeiden, bedingt die Vermeidung einer unerwünschten Überbrückung weniger Einschränkung bei der Dicke der Gatterschicht in dem Prozess nach 3 als in dem Prozess nach 2. Dieses gilt besonders dann, wenn das selektive Ätzen von Gatterschicht 60 zur primären Schicht 62A (d. h. die Schicht 60 wird stärker geätzt als die Schicht 62A) während des nachfolgend beschriebenen Ätzens zur Erzeugung der Gatteröffnungen durch die Schicht 60 hindurch unter Verwendung von Schicht 62A als eine Ätzmaske hoch ist. Bei einem vorgegebenen Durchmesser des Kügelchens kann die Gatterschicht 60 daher dicker sein als die Gatterschicht 48A.
So kann die Gatterschicht 60 in dem Prozess nach 3 wesentlich dicker sein als die Gatterschicht 48A in dem Prozess nach 2. Beispielsweise kann die Dicke der Gatterschicht 60A den mittleren Radius überschreiten und sogar den mittleren Durchmesser der Kügelchen 46. Wie eine vergleichende Untersuchung der gesamten Fertigungsprozesse von 2 und 3 zeigt, erfordert die Methode nach 3 eine geringfügig umfangreichere Bearbeitung als die Methode nach 2. Verkürzt kann man sagen, dass die Methode nach 3 im Vergleich zu der Methode nach 2 den einschränkenden Einfluss auf die Dicke der Gatterschicht im Austausch gegen einen geringfügigen Umfang an zusätzlicher Fertigungsbearbeitung behebt.
Zurückkehrend zum Prozess nach 3 werden jetzt die kugelförmigen Partikel 46 entfernt und typischerweise in der gleichen Form wie in dem Prozess nach 2. Bei der Entfernung der Kügelchen werden gleichzeitig primäre Abschnitte des Materials 62B unter Erzeugung der Struktur von 3e entfernt. Die primären Öffnungen 64 erstrecken sich durch die primäre Schicht 62A an den Stellen der entfernten Partikel 46. Da die Partikel 46 kugelförmig sind, sind die primären Öffnungen 64 zum größten Teil kreisrund. Auch ist der Durchmesser jeder primären Öffnung 64 näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46.
Unter Verwendung der primären Schicht 62A als eine Ätzmaske wird die Gatterschicht 60 durch die primäre Öffnung 64 unter Erzeugung korrespondierender Gatteröffnungen 66 durch die Gatterschicht 60 hindurch nach unten zur isolierenden Schicht 44 geätzt. Siehe hierzu 3f. Die Position 60A zeigt den Rest der Gatterschicht 60.
Das Ätzen zur Erzeugung von Gatteröffnungen 66 kann anisotrop erfolgen. Der Durchmesser jeder Gatteröffnung 66 ist dann näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser der korrespondierenden primären Öffnung 64. Alternativ kann das Ätzen der Gatteröffnung in einer solchen Weise ausgeführt werden, dass die Gatteröffnungen 66 die primäre Schicht 62A ausreichend unterätzen, um die Ansammlung von später abgeschiedenem Emitter-Kegelmaterial auf den Seitenkanten der Gatterschicht 60A entlang der Öffnungen 66 zu vermeiden. 3f veranschaulicht das Beispiel für das Unterätzen, worin der Durchmesser jeder Gatteröffnung 66 größer ist als der Durchmesser der korrespondierenden primären Öffnung 64.
Unabhängig davon, wie die Ätzung der Gatteröffnung ausgeführt wird, ist jede Gatteröffnung 66 vertikal zur korrespondierenden Primäröffnung 64 zentriert und damit vertikal ausgerichtet. Da sich die primären Öffnungen 64 an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 befinden, begrenzen die Partikel 46 die Stellen der Gatteröffnungen 66 sowie der primären Öffnungen 64. Da die primären Öffnungen 64 kreisrund sind, sind die Gatteröffnungen 66 ebenfalls im Großen und Ganzen kreisrund.
Der Prozess nach 3 ist damit im Großen und Ganzen in der gleichen Weise wie der Prozess nach 2 beendet. Unter Verwendung der primären Schicht 62A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 durch die Öffnungen 64 und 66 hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen (oder der offenen Zwischenräume des Dielektrikums) 68 durch die Schicht 44 hindurch nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 weggeätzt. Siehe hierzu 3g, worin Position 44B der Rest der isolierenden Schicht 44 ist. Die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 68 unterätzen die Schichten 60A und 62A in ausreichendem Maße, um zu vermeiden, dass sich das später abgeschiedene Emitter-Kegelmaterial auf den Seitenwänden der dielektrischen Öffnungen 68 ablagert und die zur Elektronenemission fähigen Elemente zur Gatterschicht 60A kurzschließt. Das Ätzen zur Erzeugung dielektrischer Öffnungen 68 kann in jeder beliebigen Weise ausgeführt werden, die vorstehend für das Ätzen des zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums in dem Prozess nach 2 beschrieben wurde.
Auf die Oberseite der Struktur wird elektrisch nichtisolierendes Emitter-Kegelmaterial in einer zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44B im Allgemei nen senkrechten Richtung aufgedampft. Das Emitter-Kegelmaterial ist wiederum normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Molybdän, Nickel, Chrom oder Niob oder ein hochschmelzendes Metallcarbid, wie beispielsweise Titancarbid.
Das Kegelmaterial lagert sich auf der primären Schicht 62A ab und geht durch die Öffnungen 64 und 66, um sich auf dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 in den offenen Zwischenräumen des Dielektrikums 68 abzulagern. In ähnlicher Weise wie beim Prozess nach 2 schließen sich die Öffnungen, durch die das Kegelmaterial in die offenen Zwischenräume 68 eintritt, allmählich im Verlaufe der Abscheidung des Kegelmaterials. Die Abscheidung wird in ähnlicher Form ausgeführt, bis diese Öffnungen vollständig geschlossen sind. Als Ergebnis lagert sich das Kegelmaterial in den offenen Zwischenräumen 68 unter Erzeugung korrespondierender, konischer, zur Elektronenemission fähiger Elemente 70A, wie in 3h gezeigt wird. Es wird auf der primären Schicht 60A gleichzeitig eine zusammenhängende Schicht 70B aus dem Kegelmaterial erzeugt.
Die primäre Schicht 62A wird entfernt. Im Verlaufe ihrer Entfernung wird überschüssiges Kegelmaterial der Schicht 70B abgehoben. Der resultierende Elektronenemitter ist in 3i dargestellt. Angesichts der Tatsache, dass die Abscheidung von Kegelmaterial im Allgemeinen senkrecht zur isolierenden Schicht 44B ausgeführt wurde, ist jedes konische, zur Elektronenemission fähige Element 70A vertikal zur korrespondierenden primären Öffnung 64 und auch zur korrespondierenden Gatteröffnung 66 zentriert.
Das Rastern der Gatterschicht 60A zu Spaltenelektroden, die senkrecht zu den Emitterzeilenelektroden des unteren nichtisolierenden Bereichs 42 verlaufen, kann in der gleichen Weise erfolgen, wie die Gatterschicht 48A nach der Methode von 2 gerastert wurde. In ähnlicher Weise kann, indem eine geeignete Rasterung auf die Gatterschicht 60A aufgebracht wird, der Feldemitter von 3i alternativ mit separaten Spaltenelektroden versehen werden, die die Abschnitte der Gatterschicht 60A berühren und senkrecht zu den Zeilenelektroden verlaufen.
Als eine Alternative zu den Prozessen nach 2 und 3 können die Gatteröffnungen durch kugelförmige Partikel festgelegt werden, die über einer Schicht verteilt sind, die wiederum als die primäre Schicht bezeichnet wird, die über der Gatterschicht gebildet wird. In diesem Fall ist der einschränkende Einfluss von Seiten des Kugeldurchmessers auf die Dicke der primären Schicht wesentlich herabgesetzt zusammen mit dem einschränkenden Einfluss der Dicke durch den Kugeldurchmesser auf die Dicke der Gatterschicht.
4a bis 4f sowie 4g1 oder 4g2 (gemeinsam bezeichnet als "4") veranschaulichen den Frontseitenabschnitt eines Verfahrens zum Herstellen einer gegatterten Feldemissionskathode, worin kugelförmige Partikel, die auf einer solchen primären Schicht abgeschieden sind, zur Festlegung der Gatteröffnungen nach der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Um den Feldemitter mit konischen, zur Elektronenemission fähigen Elementen auszustatten, kann der Prozess nach 4 gemäß der vorliegenden Erfindung fertiggestellt werden, indem entweder die Rückseitenschritte von 2d bis 2g oder die Rückseitenschritte von 3f bis 3i befolgt werden.
In dem Prozess nach 4 wird eine anfängliche Struktur, die aus Substrat 40 besteht, dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 und der isolierenden Schicht 44, im Wesentlichen in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugt. Siehe hierzu 4a, die eine Wiederholung von 2a ist.
Bezug nehmend auf 4b wird eine elektrisch nichtisolierende Gatterschicht 60 auf der isolierenden Schicht 44 mit Hilfe einer der Methoden der Abscheidung erzeugt, die vorstehend für die Methode nach 3 beschrieben wurde. Bei einem vorgegebenen Kugeldurchmesser kann in der Methode nach 2 die Gatterschicht 60 wiederum dicker sein als die Gatterschicht 48A. In ähnlicher Weise ist die Gatterschicht 60 hier normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan oder Wolfram.
Auf der Gatterschicht 60 wird ein geeignetes ätzfähiges Material, das als das primäre Material bezeichnet wird, unter Erzeugung einer primären Schicht 72 mit relativ gleichförmiger Dicke abgeschieden. Wenn die Frontseiten-Prozessfolge nach 4 kombiniert wird mit den Rückseitenschritten nach 2d bis 2g oder 3f bis 3i, wird die primäre Schicht 72 später als eine Lift-Off-Schicht genutzt. Die Vertreter für das primäre Material bestehen hier aus den Vertretern des primären Materials, die vorstehend für den Prozess nach 3 genannt wurden.
Die Abscheidung des primären Materials in der Frontseiten-Folge nach 4 kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden, wie beispielsweise Sputtern, Verdampfen, CVD, elektrochemische Abscheidung (unter der Voraussetzung, dass die primäre Schicht 72 sich elektrochemisch abscheiden lässt), Rotation und Siebdruck. Im Gegensatz zu den Prozessen nach 2 und 3 braucht die Abscheidung des primären Materials in dem Prozess nach 4 nicht in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44 ausgeführt werden. Aus den nachfolgend diskutierten Gründen kann bei vorgegebenem Kugeldurchmesser die primäre Schicht 72 dicker sein als die primären Schichten 50A und 62A in den Methoden nach 2 und 3. Dieses ist besonders dann vorteilhaft, wenn beispielsweise eine erhöhte Dicke der primären Schicht zum Abdecken von "Bumps" in der Gatterschicht 60 erforderlich ist, die durch Faktoren hervorgerufen werden, wie beispielsweise "Bumps" in der isolierenden Schicht 44.
Über der Oberseite der primären Schicht 72 werden in der in 4c gezeigten Weise feste kugelförmige Partikel 46 verteilt. Der Schritt der Partikel verteilung wird typischerweise in der Form ausgeführt, wie vorstehend beschrieben wurde. Die Verteilung der Kügelchen 46 ist damit regellos oder weitgehend regellos über der Oberseite der primären Schicht 72. Die Partikel 46 bestehen typischerweise aus Polystyrol und haben die übrigen Eigenschaften, wie sie vorstehend beschrieben wurden.
Auf der primären Schicht 72 und den kugelförmigen Partikeln 46 wird ein geeignetes, ätzfähiges zusätzliches Material abgeschieden. Die Abscheidung des zusätzlichen Materials wird in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zur Oberseite der isolierenden Schicht 44 unter Anwendung einer Methode ausgeführt, wie beispielsweise Verdampfung oder gebündeltes Sputtern. Das zusätzliche Material setzt sich in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln 46 unter Erzeugung einer zusätzlichen Schicht 74A ab. Siehe hierzu 4d. Die Abschnitte 74B des zusätzlichen Materials setzen sich gleichzeitig auf den oberen Hälften der Kügelchen 46 ab.
Um zu verhindern, dass Abschnitte des zusätzlichen Materials 74B die zusätzliche Schicht 74A überbrücken, ist die Dicke der zusätzlichen Schicht 74A normalerweise kleiner als der mittlere Kugelradius. Allerdings übt das Vermeiden einer unerwünschten Überbrückung auf den Oberflächen der Kügelchen 46 einen geringeren einschränkenden Einfluss auf die Dicke der primären Schicht in der Prozessfolge nach 4 als in den Prozessen nach 2 und 3 aus. Dieses gilt besonders dann, wenn die Ätzselektivität der primären Schicht 72 im Bezug auf die zusätzliche Schicht 74A während des Ätzens, wie nachfolgend beschrieben wird, zur Erzeugung von primären Öffnungen durch die Schicht 72 hindurch unter Verwendung der zusätzlichen Schicht 74A als eine Ätzmaske hoch ist (d. h. die Schicht 72 wird sehr viel stärker geätzt als die Schicht 74A). Bei einem vorgegebenen Kugeldurchmesser kann damit die primäre Schicht 72 dicker sein als die primäre Schicht 50A in dem Prozess nach 2 oder der primären Schicht 62A in dem Prozess nach 3. In ähnlicher Weise beeinflusst die Notwendigkeit zum Vermeiden einer unerwünschten Überbrückung die Dicke der Gatterschicht in der Prozessfolge nach 4 weniger einschränkend als in dem Prozess nach 2 oder 3.
Wenn die Frontseiten-Prozessfolge nach 4 mit Hilfe der Rückseitenschritte von 2d bis 2g oder der Rückseitenschritte von 3f bis 3i beendet ist, erfordert der komplette Prozess geringfügig mehr Prozessschritte als der komplette Prozess nach jeweils 2 und 3. Dieses ist der Nachteil für die Verringerung des einschränkenden Einflusses auf die Dicke der primären Schicht und im Bezug auf den Prozess nach 2 auch der Verringerung des einschränkenden Einflusses auf die Dicke der Gatterschicht.
Das zur Erzeugung der zusätzlichen Schicht 74A verwendete Material ist ein Material, das als eine Ätzmaske zum Ätzen der primären Schicht 72A verwendet werden kann und kann außerdem im Bezug auf die Schicht 72A selektiv geätzt werden. Das zusätzliche Material besteht typischerweise aus einem Metall. Das zusätzliche Material ist typischerweise Nickel, wenn das Gattermaterial Chrom ist, bzw. umgekehrt. In Abhängigkeit jedoch von der Auswahl anderer Materialien, die in der Herstellung des Feldemitters verwendet werden, könnte das zusätzliche Material mit elektrischem Widerstand behaftet sein oder elektrisch isolierend sein.
Jetzt werden die kugelförmigen Partikel 46 entfernt und typischerweise in der vorstehend beschriebenen Form. Bei der Entfernung des Kügelchens werden Abschnitte des zusätzlichen Materials 74B gleichzeitig unter Erzeugung der Struktur nach 4e entfernt. Die zusätzlichen Öffnungen 76 erstrecken sich durch die zusätzliche Schicht 74A an den Stellen der entfernten Partikel 46 hindurch. Da die Partikel 46 kugelförmig sind, sind die zusätzlichen Öffnungen 76 im Großen und Ganzen kreisrund. Der Durchmesser jeder zusätzlichen Öffnung 76 ist näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46.
Unter Verwendung der zusätzlichen Schicht 74A als eine Ätzmaske wird die primäre Schicht 72 anisotrop durch die zusätzlichen Öffnungen 76 hindurch unter Erzeugung korrespondierender primärer Öffnungen 78 durch die Lage 72 hindurch nach unten zur Gatterschicht 60 anisotrop geätzt. Siehe hierzu 4f, worin Position 72A der Rest der primären Schicht 72 ist. Jede primäre Öffnung 78 ist vertikal zu der korrespondierenden zusätzlichen Öffnung 76 zentriert und hat näherungsweise den gleichen Durchmesser wie diese. Da sich die zusätzlichen Öffnungen 76 an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 befinden, sind die Stellen der primären Öffnungen 78 durch die Partikel 46 festgelegt. Darüber hinaus haben die primären Öffnungen 78 im Großen und Ganzen die gleiche Form wie die zusätzlichen Öffnungen 76 und sind daher im Großen und Ganzen kreisrund.
Wenn die zusätzliche Schicht 74A noch als eine Ätzmaske dient, kann die Gatterschicht 60 durch die zusätzlichen Öffnungen 76 und die primären Öffnungen 78 hindurch unter Erzeugung korrespondierender Gatteröffnungen 80 durch die Schicht 60 hindurch nach unten zur isolierenden Schicht 44 anisotrop geätzt werden. 4g1 veranschaulicht die resultierende Struktur. Position 60B ist der Rest der Gatterschicht 60. Da die Ätzung anisotrop ist, ist der Durchmesser jeder Gatteröffnung 80 näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser des korrespondierenden (übereinander liegenden) Öffnungpaares 78 und 76. Die Ätzung der Gatteröffnung kann als eine Fortführung der Ätzung der primären Öffnung oder als ein separater Schritt mit einem anderen anisotropen Ätzmittel ausgeführt werden.
Jede Gatteröffnung 80 ist vertikal sowohl zur korrespondierenden primären Öffnung 78 als auch zur korrespondierenden zusätzlichen Öffnung 76 zentriert und damit vertikal zu diesen ausgerichtet. Insofern sich die zusätzlichen Öffnungen 76 an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 befinden, sind die Stellen der Gatteröffnungen 80 durch die Stellen der Partikel 46 festgelegt. Darüber hinaus sind die Gatteröffnungen 80 im Großen und Ganzen kreisrund.
Die zusätzliche Schicht 74A in 4g1 kann nun unter Erzeugung einer Struktur entfernt werden, die mit Ausnahme eines teilweisen Unterschiedes in Kennzeichnungs- und potentielle Differenzen in den Dicken der Gatterschicht und Primärschicht im Wesentlichen identisch mit der Struktur von 2d ist. Positionen 60B, 72A, 78 und 80 in 4g1 entsprechen jeweils den Positionen 48A, 50A, 52 und 54 in 2d. Je nach dieser Kennzeichnungsdifferenz ist die Frontseiten-Verarbeitungsfolge von 4 mit den vorgenannten Rückseitenschritten beendet, die von der Struktur von 2d zu der fertigen Struktur von 2g führen. Die konischen, zur Elektronenemission fähigen Elemente 58A erstrecken sich dadurch durch die Gatteröffnungen 52 (80) in der Gatterschicht 48A (60B) hindurch des so fertiggestellten Feldemitters.
Alternativ können, bei Anwendung der Methode des Rückseitenabschnittes von 2 auf die Frontseiten-Verarbeitungsfolge von 4 dielektrische Öffnungen 56 in der isolierenden Schicht 44 erzeugt werden, wenn die zusätzliche Schicht 74A sich noch an der Stelle befindet und als eine Ätzmaske dient. In diesem Fall wird die zusätzliche Schicht 74A sofort vor der Abscheidung des Kegelmaterials nach 2f entfernt.
Als eine andere Alternative kann die zusätzliche Schicht 74A direkt nach der Erzeugung der primären Öffnungen 78 in der in 4f gezeigten Stufe entfernt werden und damit vor der Erzeugung von Gatteröffnungen 80 in der in 4g1 gezeigten Stufe. Unter Verwendung der primären Schicht 72A als eine Ätzmaske werden Gatteröffnungen 80 durch anisotropes Ätzen der Gatterschicht 60 durch die primären Öffnungen 78 hindurch unter Erzeugung der Struktur von 2d erzeugt, wiederum durch teilweise unterschiedliche Kennzeichnung (Gatteröffnungen 80 in 4 werden zu Gatteröffnungen 54 in 2) und potentiellen Differenzen in den Dicken der Gatterschicht und primären Schicht. Die Verarbeitungsschritte, die von der Struktur nach 2d zu der Struktur nach 2g führen, werden anschließend in der gleichen Weise ausgeführt, wie vorstehend für die Erzeugung des Feldemitters beschrieben wurde.
Anstelle der Ausführung eines anisotropen und damit nicht unterätzenden Ätzens durch die Öffnungen 76 und 78 hindurch, kann ein unterätzendes Ätzen auf der Gatterschicht 60 von 4f durch die Öffnungen 76 und 78 hindurch unter Erzeugung korrespondierender Gatteröffnungen 82 durch die Schicht 60 hindurch nach unten zur isolierenden Schicht 44 vorgenommen werden. Siehe hierzu 4g2, worin Position 60C jetzt die verbleibende Gatterschicht 60 ist. Sofern die Gatteröffnungen 32 die primäre Schicht 72A unterätzen, ist der Durchmesser jeder Gatteröffnung 82 größer als der Durchmesser des korrespondierenden (übereinander liegenden) Öffnungspaares 78 und 76. Jede Gatteröffnung 82 ist im Großen und Ganzen kreisrund und vertikal zu dem korrespondierenden Öffnungspaar 78 und 76 zentriert. Da die zusätzlichen Öffnungen 76 sich an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 befinden, legen die kugelförmigen Partikel 46 die Stellen der Gatteröffnungen 82 fest.
Die zusätzliche Schicht 74A in 4g2 kann unter Erzeugung einer Struktur entfernt werden, die mit Ausnahme eines teilweisen Kennzeichnungsunterschiedes und potentieller Differenz in der Dicke der primären Schicht weitgehend mit der Struktur von 3f identisch ist. Die Positionen 60C, 72A, 78 und 82 in 4g2 korrespondieren jeweils mit den Positionen 60A, 62A, 64 und 66 in 3f. Aufgrund dieses Kennzeichnungsunterschiedes ist jetzt die Frontseiten-Verarbeitungsfolge von 4 entsprechend den vorgenannten Rückseitenschritten beendet, die von der Struktur 3f zu der Struktur 3i führen. Damit sind die konischen, zur Elektronenemission fähigen Elemente 70A durch die Gatteröffnungen 66 (82) in der Gatterschicht 60A (60C) des so fertiggestellten Feldemitters freigelegt.
Als eine weitere Alternative bei der Anwendung des Rückseitenabschnittes des Prozesses nach 3 auf die Frontseiten-Verarbeitungsfolge nach 4 kann die zusätzliche Schicht 74A direkt nach der Erzeugung der primären Öffnungen 78 zu der in 4f gezeigten Stufe entfernt werden. Unter Verwendung der primären Schicht 72A als eine Ätzmaske werden Gatteröffnungen 82 erzeugt, indem eine unterätzende Ätzung auf der Gatterschicht 60 durch die primären Öffnungen 78 hindurch unter Erzeugung der Struktur von 3f ausgeführt wird, wiederum unter teilweise unterschiedlicher Kennzeichnung (Gatteröffnungen 82 in 4 werden Gatteröffnungen 66 in 3) und potentieller Differenz der Dicke in der primären Schicht. Sodann werden die Verarbeitungsschritte, die von der Struktur nach 3f zu der Struktur nach 3i führen, ausgeführt, um den Feldemitter in der vorstehend beschriebenen Weise fertigzustellen.
Betrachten wir nun die verschiedenen nach den Fertigungsschritten von 2 bis 4 hergestellten Elektronenemittern und einschließlich die vorgenannten Variationen, so bestimmen die Stellen der konischen, zur Elektronenemission fähigen Elemente, wie beispielsweise die Kegel 58A oder 70A, durch die Stellen der primären Öffnungen bestimmt, wie beispielsweise die Öffnungen 52, 64 oder 78. Da die Stellen der primären Öffnungen durch die Stellen der kugelförmigen Partikel 46 bestimmt werden (direkt oder indirekt), sind die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Kegel durch die Partikel 46 festgelegt.
Die zur Elektronenemission fähigen Kegel befinden sich an regellos oder weitgehend regellos angeordneten Stellen, da die Oberflächenverteilung der Partikel 46 regellos oder weitgehend regellos ist. Dennoch schwankt die Zahl der zur Elektronenemission fähigen Kegel pro Flächeneinheit von Ort zu Ort über dem gesamten elektronenemittierenden Bereich sehr stark.
Der Basisdurchmesser jedes zur Elektronenemission fähigen Kegels in jedem der mit Hilfe der Fertigungsschritte nach 2 bis 4 hergestellten Elektronenemitter (wiederum einschließlich der vorgenannten Prozessvariationen) ist näherungsweise der gleiche wie der Basisdurchmesser der korrespondierenden primären Öffnung und damit näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser der korrespondierenden entfernten Kugel 46. Dementsprechend wird der mittlere Basisdurchmesser der zur Elektronenemission fähigen Kegel dadurch geregelt, dass der mittlere Durchmesser der Partikel eingestellt wird. Verringert man den mittleren Partikeldurchmesser, so hat dieses zur Folge, dass der mittlere Kegeldurchmesser um näherungsweise den gleichen Betrag abnimmt bzw. umgekehrt. Auf diese Weise bestimmen die Partikel 46 die Seitenfläche, die von den zur Elektronenemission fähigen Kegeln eingenommen wird. Sofern die Kugeln 46 die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Kegel festlegen, wird der mittlere Abstand zwischen den Kegeln dadurch geregelt, dass die mittlere Oberflächendichte und der mittlere Durchmesser der Kügelchen 46 eingestellt werden.
Die Standardabweichung des mittleren Durchmessers der Partikel 46 ist, wie vorstehend ausgeführt, im Vergleich zu dem mittleren Partikeldurchmesser verhältnismäßig gering. Die Standardabweichung im Mittelwert des Basisdurchmessers der zur Elektronenemission fähigen Kegel ist damit in einer ersten Näherung im Vergleich zu dem mittleren Basisdurchmesser des Kegels gleichermaßen gering. Da die Partikel 46 kugelförmig sind, ist die Grundfläche jedes zur Elektronenemission fähigen Kegels im Großen und Ganzen kreisrund. Die Seitenflächen, die von den Kegeln eingenommen werden, sind im Großen und Ganzen gleich. Durch geeignete Einstellung der Parameter, wie beispielsweise die Dicke der dielektrischen Zwischenelektrodenschicht 44, lassen sich zur Elektronenemission fähige Elemente mit hoher Gleichförmigkeit in Größe und Form erzielen.
Die zur Elektronenemission fähigen Elemente werden vorzugsweise so erzeugt, dass sie klein sind und eng beieinander liegen. Dieses wird unter Nutzung von Kügelchen mit geeignetem kleinen mittleren Kugeldurchmesser erreicht und durch Verteilen der Kügelchen 46 über der die Kugel aufnehmenden Oberfläche mit einer geeigneten hohen Dichte. Indem es geringe Schwankung hinsichtlich der Größen und Formen der einzelnen zur Elektronenemission fähigen Kegel für einen speziellen Bereich des Elektronenemitters gibt, ist die Elektronenemission über dem elektronenemittierenden Bereich relativ gleichförmig. Was besonders wichtig ist, dass dieses besonders wünschenswerte Merkmal im Großen und Ganzen dadurch erreicht wird, dass die Größe und Oberflächendichte der Partikel 46 kontrolliert wird, wodurch es möglich ist, den Elektronenstrom gut zu steuern.
Herstellung von Feldemittern mit zur Elektronenemission fähigen Filamenten
Es kann nach den Lehren der vorliegenden Erfindung eine gegatterte Feldemissionskathode erzeugt werden, die über zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt, die eher wie Filamente als Kegel geformt sind, indem eine geeignete filamentäre Rückseiten-Prozessfolge zur Fertigstellung der Frontseiten-Prozessfolge nach 4 genutzt wird, die so endet wie in 4g1, oder zur Fertigstellung des Frontseitenabschnittes des Prozesses entweder von 2 und 3.
5a bis 5g (zusammengenommen als "5") veranschaulichen eine Rückseiten-Verarbeitungsfolge, die auf die Frontseitenfolge von 4a bis 4f und 4g1 angewendet wird und die Abstandsvorrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung nutzt, um einen gegatterten Feldemitter zu erzeugen, der über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt. Bezug nehmend auf 4g1 wird eine anisotrope Ätzung auf der isolierenden Schicht 44 durch die zusätzlichen Öffnungen 76, primären Öffnungen 78 und Gatteröffnungen 80 unter Verwendung der zusätzlichen Schicht 74 als eine Ätzmaske zur Erzeugung der korrespondierenden dielektrischen Öffnungen 100 durch die Schicht 44 hindurch nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich ausgeführt. Dieses führt zu der Struktur von 5a, worin Position 44C der Rest der isolierenden Schicht 44 ist. Jede dielektrische Öffnung 100 ist vertikal zu korrespondierenden Öffnungstriaden 76, 78 und 80 orientiert und hat näherungsweise den gleichen Durchmesser wie diese. Darüber hinaus sind die dielektrischen Öffnungen 100 im Großen und Ganzen kreisrund.
Die zusätzliche Schicht 74A wird mit dem Ätzmittel entfernt, das die primäre Schicht 72A oder irgendeinen anderen Teil der Struktur im Wesentlichen nicht angreift. 5b stellt die resultierende Struktur dar.
Ein geeignetes ätzfähiges Abstandmaterial (oder Beschichtung) wird konturannehmend auf der primären Schicht 72A und in die Verbundöffnungen 78/80/100 nach unten zu dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 unter Erzeugung einer abdeckenden Abstandvorrichtung (oder Beschichtung) 102 entsprechend der Darstellung in 5c abgeschieden. Die Abstandschicht 102 überdeckt die Oberseite der Struktur, füllt jedoch die Öffnungen 78/80/100 nicht vollständig aus. An den ungefüllten Abschnitten der Öffnungen 78/80/100 sind Vertiefungen 104 vorhanden. Jede Vertiefung 104 ist vertikal zur korrespondierenden Verbundöffnung 78/80/100 zentriert.
Zum Abscheiden des Abstandmaterials wird typischerweise die CVD angewendet. Dementsprechend ist die Dicke der Abstandschicht 102 entlang der Seitenkanten der Schichten 72A, 60B und 44C an jeder Verbundöffnung 78/80/100 bei jeder vorgegebenen Höhe verhältnismäßig gleichförmig (konstant).
Das Abstandmaterial wird typischerweise so ausgewählt, dass es in üblicher Form mit dem primären Material der Schicht 72A ätzfähig ist. Das Abstandmaterial hat vorzugsweise auch eine hohe Ätzselektivität in Bezug auf das zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums (Schicht 44C in diesem Fall). Speziell ist das Abstandmaterial das gleiche Material wie das primäre Material und unterscheidet sich von dem zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikum. Beispielsweise ist das Abstandmaterial normalerweise Siliciumnitrid, wenn (a) das primäre Material aus Siliciumnitrid besteht, und (b) das zwischen den Elektroden befindliche Dielektrikum aus Siliciumoxid besteht.
Es wird eine anisotrope Ätzung ausgeführt, um im Wesentlichen die gesamte Abstandschicht 102 mit Ausnahme der Abschnitte 102A zu entfernen, die die Folgenden überdeckt: (a) die Seitenkanten der primären Schicht 72A entlang der primären Öffnungen 78, (b) die Seitenkanten der Gatterschicht 60B entlang der Öffnungen 80 und (c) die Seitenkanten der isolierenden Schicht 40C entlang der dielektrischen Öffnungen 100. Siehe hierzu 5d. Sofern die zentralen Abschnitte der Abstandschicht 102 am Boden der dielektrischen Öffnungen 100 während des Ätzens entfernt werden, ragen die Vertiefungen 104 nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 und werden etwas breiter (in 5d nicht gezeigt), um zu den korrespondierenden Öffnungen 104A zu werden. Da die Vertiefungen 104 auf den Verbundöffnungen 78/80/100 vertikal zentriert sind, ist jede Öffnung 104A vertikal auf der korrespondierenden Verbundöffnung 78/80/100 zentriert.
Das elektrisch nichtisolierende Filamentmaterial des Emitters wird elektrochemisch (elektroplattiert) in die Öffnungen 104A unter Erzeugung korrespondierender Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 106 abgeschieden, die im Kontakt mit dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 stehen. 5e stellt die resultierende Struktur dar. Bei der elektrochemischen Abscheidung kapselt die Kombination von primärer Schicht 72A, Abstandsabschnitte 102A und isolierender Schicht 44C die Gatterschicht 60B (möglichst mit Ausnahme des seitlichen Umfanges der Struktur), um zu verhindern, dass die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 106 die Schicht 60B berühren. Die seitliche Abstandvorrichtung zwischen Gatterschicht 60B und Präkursorelementen 106 wird durch die Dicke der Abstandsvorrichtungen 102A bestimmt.
Das Material für das Emitterfilament ist normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Nickel oder Platin. Sofern die Präkursorfilamente 106 später durch eine Methode des Elektropolierens angespitzt werden, ist das Filamentmaterial normalerweise von dem des Gattermaterials verschieden.
Die elektrochemische Abscheidung erfolgt im typischen Fall in der von Spindt et al. in der US-P-5 564 959 beschriebenen Weise. Bei der elektrochemischen Abscheidung dient der untere nichtisolierende Bereich 42 als Kathode für die Abscheidung. Die Anode für die Abscheidung befindet sich in dem Abscheidungselektrolyten in einem kurzen Abstand oberhalb der primären Schicht 72A.
Die elektrochemische Abscheidung wird für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt, um die Öffnungen 104A mehr als zu füllen, ohne jedoch zu bewirken, dass die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 106 sich untereinander entlang der Oberseite der primären Schicht 72A berühren. Dementsprechend hat jedes Präkursorelement 106 einen Kappenabschnitt 106A, der aus der korrespondierenden Öffnung 104A herausragt. Die Überfüllung der Öffnungen 104A trägt dazu bei sicherzustellen, dass die fertigen zur Elektronenemission fähigen Filamente in Folge von Unterschieden in der Keimbildung und des Wachstums des Filamentmaterials keine wesentlich unterschiedliche Höhe haben.
Die primäre Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 102A werden entfernt und zwar vorzugsweise mit einem Ätzmittel, das die isolierende Schicht 44C nicht wesentlich angreift. Siehe hierzu 5f. Als Ergebnis der Ätzung werden die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 106 von der Gatterschicht 60B und der isolierenden Schicht 44C über zylindrische Öffnungen 108 separiert.
Sofern die primäre Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 102A aus dem gleichen Material bestehen (z. B. Siliciumnitrid), wird die Ätzung typischerweise in einem einzigen Schritt mit einer nassen Chemikalie ausgeführt. Alternativ kann zur Ausführung der Ätzung ein Plasma mit einer isotropen Komponente ausgeführt werden. Die Ätzung kann in zwei Stufen erfolgen, wenn die Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 102A aus unterschiedlichen Materialien erzeugt sind.
Es werden die Präkursorelemente 106 bearbeitet, um die Kappen 106A zu entfernen und die zurückbleibenden filamentären Abschnitte mit scharfen Spitzen zu versehen, die sich mindestens teilweise durch die Gatteröffnungen 80 hindurch erstrecken. 5g zeigt den fertigen gegatterten Feldemitter, worin die verbleibenden Präkursorelemente 106 angespitzte filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente 106B sind. Da die Öffnungen 104A zu den Verbundöffnungen 78/80/100 vertikal zentriert sind, ist jedes zur Elektronenemission fähige Filament 106B vertikal zu korrespondierenden Gatteröffnungen 80 zentriert.
Die Umwandlung von Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 106 in zur Elektronenemission fähige Filamente 106B erfolgt vorzugsweise elektrochemisch nach einer Methode des Elektropolierens/Anspitzens vom Typ, wie sie in der vorgenannten US-P-5 564 959 beschrieben wurde. Bei dem Arbeitsgang des Elektropolierens/Anspitzens dient der untere nichtisolierende Emitterbereich 42 in Verbindung mit den Präkursorelementen 106 als Anode. Die Gatterschicht 60B dient als Kathode. Bei dem Arbeitsgang des Elektropolierens/Anspitzens wird das Material der Präkursorelemente 106 in der Regel entlang der Ebene der Gatterschicht 60B entfernt, womit ein "Abkneifen" und Erzeugen spitz zulaufender Spitzen der Elemente 106 bewirkt wird. Die Kappenabschnitte 106A werden in dem Elektrolyt zum Elektropolieren/Anspitzen weggewaschen und hinterlassen entsprechend der Darstellung in 5g zur Elektronenemission fähige Filamente 106B.
Da die Gatteröffnungen 80 vertikal konzentrisch zu den zusätzlichen Öffnungen 76 sind, ist jede Gatteröffnung 80 vertikal an der Stelle des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46 zentriert. Dementsprechend sind die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Filamente 106B durch (die Stellen von) die kugelförmigen Partikel 46 festgelegt.
Außerdem ist der Durchmesser jeder Öffnung 104A gleich dem Durchmesser der korrespondierenden Verbundöffnung 70/80/100 minus die zweifache Dicke der entsprechenden Abstandvorrichtung 102A. Da der Durchmesser jeder Verbundöffnung näherungsweise gleich dem Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46 ist, werden die Seitenbereiche, die von den Filamenten 106B eingenommen werden, durch die Größe der Kügelchen 46 und die Dicke der Abstandvorrichtungen 102A bestimmt.
Die Dicke der Abstandvorrichtung variiert geringfügig von der Abstandvorrichtung 102A zur Abstandvorrichtung 102A. Wie vorstehend erwähnt variiert die Größe der kugelförmigen Partikel 46 geringförmig von einer Kugel 46 zur anderen. Insofern die Oberflächendichte der Kügelchen 46 über der primären Schicht 72 nicht stark variiert, lassen sich die Kugelgröße und die Oberflächendichte in Kombination mit der Dicke der Abstandvorrichtung in geeigneter Weise so einstellen, dass die Filamente 106B über den elektronenemittierenden Bereich bei einer steuerbaren Größe des elektrischen Stroms eine hohe Gleichförmigkeit der Elektronenemission gewähren.
Anstatt mit der Rückseiten-Prozessfolge von 5 von der Struktur von 4g1 zu beginnen, könnte die zusätzliche Schicht 74A direkt nach dem in 4f gezeigten Schritt entfernt werden. Indem die primäre Schicht 72A jetzt als eine Ätzmaske dient, werden die Gatterschicht 60 und die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die primären Öffnungen 78 (und durch die Gatteröffnungen 80 bei Schicht 44) unter Erzeugung der Struktur nach 5b geätzt. Im typischen Fall gelangt ein zweistufiger Ätzprozess zur Anwendung, eine Stufe für die Schicht 60 und die zweite Stufe für Schicht 44. Von hier aus wird die Struktur von 5b in der vorstehend für 5c bis 5g beschriebenen Weise weiter bearbeitet.
Die Frontseitenabschnitte der Methoden nach 2 und 3 können mit der Rückseiten-Prozessfolge von 5 in ähnlicher Weise kombiniert werden, wie vorstehend beschrieben wurde. Beginnend von der Struktur nach 2d können dielektrische Öffnungen 100 durch die isolierende Schicht 44 hindurch erzeugt werden, indem eine anisotrope Ätzung auf der Schicht 44 durch die Öffnungen 52 und 54 hindurch unter Verwendung der primären Schicht 50A als eine Ätzmaske ausgeführt wird. Mit Ausnahme der teilweise unterschiedlichen Kennzeichnung und der potentiellen Unterschiede in den Dicken der primären Schicht und der Gatterschicht wird die Struktur nach 5b erzeugt.
In ähnlicher Weise wird beginnend von der Struktur nach 3e können die Gatteröffnungen 80 und die dielektrischen Öffnungen 100 durch anisotropes Ätzen der Gatterschicht 60 und der isolierenden Schicht 44 durch die primären Öffnungen 64 hindurch unter Verwendung der primären Schicht 62A als eine Ätzmaske erzeugt werden. Das anisotrope Ätzen wird im typischen Fall in zwei Stufen ausgeführt, eine für die Schicht 60 und die zweite für die Schicht 44. Aufgrund der teilweisen Unterschiede in der Kennzeichnung und der potentiell unterschiedlichen Dicke der Primärschicht wird wiederum die Struktur von 5b erzeugt.
In den in dem vorangegangenen Abschnitt 3 beschriebenen Alternativen ist jede Gatteröffnung 80, 66 oder 54 vertikal an der Stelle des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46 zentriert, da die Gatteröffnungen vertikal konzentrisch zu den primären Öffnungen 78, 64 oder 52 sind. Die Kügelchen 46 legen daher die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Filamente 106B fest. Außerdem bestimmt die Kombination der Kügelchen 46 und der Abstandvorrichtungen 102A die Seitenflächen, die von den Filamenten 106B eingenommen werden. Dementsprechend können die Filamente 106B bei einer gesteuerten Größenordnung eine Elektronenemission mit hoher Gleichförmigkeit gewähren, indem geeigneterweise die Größe der Kügelchen und die Oberflächendichte in Kombination mit der Dicke der Abstandvorrichtung eingestellt werden.
6a bis 6h (zusammengefasst als "6") zeigen eine andere Rückseiten-Prozessfolge, die auf die Frontseiten-Prozessfolge von 4a bis 4f und 4g1 angewendet wird und bei der Abstandvorrichtungen entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung einer gegatterten Feldemissionskathode genutzt werden, die über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt. Nach dem Erzeugen der Struktur von 4g1 wird die zusätzliche Schicht 74A entfernt. Dieses führt zu der Struktur nach 6a.
In geeigneter Weise ätzbares Material der Abstandvorrichtung (oder Beschichtung) wird Kontur annehmend auf der primären Schicht 72A und in die Verbundöffnungen 78/80 unter Erzeugung einer abdeckenden Abstandvorrichtung (oder Beschichtung) der Schicht 110 abgeschieden, wie in 6b gezeigt wird. Die Abstandschicht 110 bedeckt die Oberseite der Struktur, füllt die Öffnungen 78/80 jedoch nicht vollständig. An den ungefüllten Abschnitten der Öffnungen 78/80 sind Vertiefungen 112 vorgesehen. Jede Vertiefung 112 ist vertikal zu der korrespondierenden Verbundöffnung 78/80 zentriert.
Normalerweise wird zum Abscheiden des Abstandmaterials die CVD eingesetzt. Die Dicke der Abstandschicht 110 entlang den Seitenkanten der Schichten 72A und 60B entlang jeder Verbundöffnung 78/80 ist bei jeder beliebigen vorgegebenen Höhe relativ gleichförmig. Das Abstandmaterial in der Prozessfolge nach 6 hat die gleichen Eigenschaften im Bezug auf das primäre Material und das zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikum, wie in der Prozessfolge nach 5.
Es wird eine anisotrope Ätzung ausgeführt, um im Wesentlichen die gesamte Abstandschicht 110 mit der Ausnahme kreisrunder Abschnitte 110A zu entfernen, die die Folgenden bedecken: (a) die Seitenkanten der primären Schicht 72A entlang den primären Öffnungen 78 und (b) die Seitenkanten von Gatterschicht 60B entlang der Gatteröffnungen 80. Siehe hierzu 6c. Dadurch werden die Vertiefungen 112 bis herab zur isolierenden Schicht 44 weiter geführt und geringfügig verbreitert (in 6c nicht gezeigt), um zu korrespondierenden Öffnungen 112A zu werden. Da die Vertiefungen 112 vertikal zu den Öffnungen 78/80 zentriert sind, ist jede Öffnung 112A vertikal zur korrespondierenden Öffnung 78/80 zentriert.
Unter Verwendung der primären Schicht 72A und der kreisrunden Abstandabschnitte 110A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die Öffnungen 112A hindurch unter Erzeugung dielektrischer Öffnungen 114 durch die Schicht 44 nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 anisotrop geätzt. Siehe hierzu 6d. Position 44D ist der Rest der isolierenden Schicht 44.
Das elektrisch nichtisolierende Emitter-Filamentmaterial wird in die Verbundöffnungen (oder Strahlenaustrittsöffnungen) 112A/114 unter Erzeugung von zur Elektronenemission fähigen Präkursorfilamenten 116 abgeschieden, die die nichtisolierende Schicht 42 berühren. Die resultierende Struktur ist in 6e gezeigt. Bei der elektrochemischen Abscheidung kapselt die Kombination von primärer Schicht 72, Abstandvorrichtungen 110A und isolierender Schicht 44D die Gatterschicht 60B (ausgenommen möglichst entlang der seitlichen Peripherie der Struktur), um zu verhindern, dass die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 116 die Gatterschicht 60B berühren. Die Abstandvorrichtungen 116A bestimmen den Seitenabstand zwischen der Gatterschicht 60B und den Präkursorelementen 116. Das Emitter-Filamentmaterial ist wiederum normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Nickel oder Platin.
Die elektrochemische Abscheidung wird in der vorstehend für die Prozessfolge nach 5 beschriebenen Weise ausgeführt. Die Abscheidungsdauer ist ausreichend lang, um die Öffnungen 112A/114 mehr als zu füllen und im typischen Fall nicht lange genug, um zu bewirken, dass die Präkursorelemente 116 entlang der Oberseite der primären Schicht 72A einander berühren. Damit hat jedes zur Elektronenemission fähige Präkursorelement 116 einen Kappenabschnitt 116A, der aus der korrespondierenden Öffnung 112A/114 herausragt. Wie in der Prozessfolge nach 5 verringert das Überfüllen die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von zur Elektronenemission fähigen Filamenten mit signifikant unterschiedlicher Höhe in Folge von Unterschieden in der Keimbildung und des Wachstums des Filamentmaterials.
Die primäre Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 110A werden vorzugsweise mit einem Ätzmittel entfernt, das die isolierende Schicht 44D oder die Gatterschicht 60B nicht wesentlich angreift. Siehe hierzu 6f. Die äußeren Abschnitte der Gatteröffnungen 80 werden dadurch erneut geöffnet. Diese Abschnitte der Gatteröffnungen 80 trennen jetzt die Präkursorelemente 116 von der Gatterschicht 60B. Wenn die primäre Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 110A aus dem gleichen Material erzeugt werden, erfolgt das Ätzen im typischen Fall in einem einzigen nasschemischen Schritt oder einem Plasma, das eine isotrope Komponente hat. Ein zweistufiger Ätzprozess wird normalerweise dann angewendet, wenn die Schicht 72A und die Abstandvorrichtungen 110A aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 116 werden bearbeitet, um die Kappenabschnitte 116A zu entfernen und zurückbleibende filamentäre Abschnitte mit geschärften Spitzen zu schaffen, die mindestens teilweise durch die Gatteröffnungen 80 hindurch ragen. Siehe hierzu 6g, worin die angespitzten filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elemente 116B diejenigen sind, die von den Präkursorelementen 116 zurückbleiben. Die zur Elektronenemission fähigen Filamente 116B werden aus den Präkursorelementen 116 mit Hilfe einer Methode des Elektropolierens/Anspitzens im Wesentlichen in der gleichen Weise erzeugt, wie sie zur Erzeugung der zur Elektronenemission fähigen Filamente 106B in der Prozessfolge nach 5 genutzt wurde. Dementsprechend ist jedes zur Elektronenemission fähige Filament 116B vertikal zu der korrespondierenden Gatteröffnung 80 zentriert.
Unter Verwendung der Gatterschicht 60B als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44D durch die Gatteröffnungen 80 hindurch in einer unterätzenden und im typischen Fall isotropen Weise unter Erzeugung korrespondierender offener Zwischenräume des Dielektrikums 118 um die zur Elektronenemission fähigen Filamente 116B herum geätzt. 6h zeigt die resultierende Struktur. Position 44E ist der Rest der isolierenden Schicht 44D. Die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 118 können sich teilweise oder vollständig durch die isolierende Schicht 44E hindurch erstrecken.
6h veranschaulicht den Fall, wo sie vollständig hindurch gehen.
Der Schritt des Elektropolierens/Anspitzens kann vor der Erzeugung der offenen Zwischenräume des Dielektrikums 118 ausgeführt werden. Die abschließende Struktur sieht im Wesentlichen genauso aus, wie sie in 6b gezeigt ist. Alternativ können die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 118 durch ein anisotropes Ätzen erzeugt werden, so dass die offenen Zwischenräume 118 die Gatterschicht 60B nicht wesentlich unterätzen.
Indem jede Gatteröffnung 80 vertikal zu der Stelle des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46 zentriert ist, legen die Stellen der kugelförmigen Partikel 46 die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Filamente 116B fest. Ähnlich wie bei dem Prozess nach 5 werden die seitlichen Flächen, die von den Filamenten 116B eingenommen werden, durch die Kügelchen 46 und die Abstandvorrichtungen 110 bestimmt.
Anstatt mit der Rückseiten-Prozessfolge nach 6 der Struktur nach 4g1 zu beginnen, kann die Rückseiten-Prozessfolge bei der Struktur von 4f beginnen. Die zusätzliche Schicht 74A wird entfernt. Unter Verwendung der primären Schicht 72A als eine Ätzmaske, wird die Gatterschicht 60 durch die primären Öffnungen 78 hindurch unter Erzeugung der Struktur nach 6a anisotrop geätzt.
Der Frontseitenabschnitt des Prozess des jeweiligen 2 und 3 kann auch mit der Rückseiten-Prozessfolge nach 6 gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschlossen werden, um einen gegatterten Feldemitter zu erzeugen, der über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt. Aufgrund teilweiser Unterschiede in der Kennzeichnung und potentieller Unterschiede in den Dicken der primären Schicht und der Gatterschicht ist die Struktur nach 6a eine Wiederholung der Struktur nach 2d und dient als eine Verbindungsstelle für den Frontseitenabschnitt des Prozesses nach 2 und der Rückseiten-Prozessfolge nach 6.
Die Struktur nach 3e dient als Verbindungspunkt für den Frontseitenabschnitt des Prozesses nach 2 und der Rückseiten-Prozessfolge nach 6. Bezug nehmend auf 3e werden Gatteröffnungen 80 durch anisotropes Ätzen der Gatterschicht 60 durch die primären Öffnungen 64 hindurch unter Verwendung der primären Schicht 62A als eine Ätzmaske erzeugt. Wiederum wird aufgrund teilweiser Unterschiede in der Kennzeichnung und eines potentiellen Unterschieds der Dicke der primären Schicht die Struktur nach 6a erzeugt.
In den in den zwei vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Alternativen werden wiederum die Stellen der Filamente 116B durch die Partikel 46 festgelegt. In ähnlicher Weise bestimmen die Kügelchen 46 und die Abstandvorrichtungen 110 die Seitenflächen, die von den Filamenten 116B eingenommen werden. Die Kugelgröße und die Oberflächendichte zusammen mit der Dicke der Abstandvorrichtung können dann in geeigneter Weise variiert werden, so dass Filament 116B bei gesteuerter Größe eine Elektronenemission hoher Gleichförmigkeit gewährt.
Die 7a bis 7j (zusammengefasst als "7") stellen ein Beispiel für den vollständigen Prozess zur Herstellung einer gegatterten Feldemissionskathode dar, bei dem kugelförmige Partikel eingesetzt werden, um die Gatteröffnungen festzulegen, und bei dem Abstandvorrichtungen bei der Erzeugung der filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden. In dem Prozess nach 7 besteht eine anfängliche Struktur aus dem Substrat 40, dem unteren nichtisolierenden Bereich 42 und der isolierenden Schicht 44 und wird im Wesentlichen in der gleichen Weise wie in dem Prozess nach 2 erzeugt. 7a ist eine Wiederholung von 2a und veranschaulicht die Struktur 40/42/44 für den Prozess nach 7. In ähnlicher Weise sind, wie in 7b gezeigt wird, feste kugelförmige Partikel 46 über der Oberseite der isolierenden Schicht 44 verteilt. Die Abscheidung der Kügelchen erfolgt nach der regellosen oder zum großen Teil regellosen Methode, wie sie vorstehend für den Prozess nach 2 beschrieben wurde.
Das elektrisch nichtisolierende Gattermaterial wird auf der isolierenden Schicht 44 und den Partikeln 46 vorzugsweise in einer zu der Oberseite der Schicht 44 im Wesentlichen senkrechten Richtung unter Anwendung einer Methode abgeschieden, wie beispielsweise Verdampfung oder ausgerichtetes Sputtern. Das Gattermaterial setzt sich auf der isolierenden Schicht 44 in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln 46 unter Erzeugung einer elektrisch nichtisolierenden Gatterschicht 120A mit relativ gleichförmiger Dicke ab. Siehe hierzu 7c. Abschnitte 120B des Gattermaterials setzen sich gleichzeitig auf den oberen Hälften der Kügelchen 46 ab. Um zu vermeiden, dass Abschnitte des Gattermaterials 120B die Gatterschicht 120A überbrücken, ist die Dicke der Gatterschicht 120A normalerweise kleiner als der mittlere Kugelradius. Das Gattermaterial besteht typischerweise aus einem Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Wolfram oder Gold.
Die Kügelchen 46 werden typischerweise nach der in dem Prozess nach 2 angesetzten Methode entfernt. Während der Entfernung der Kügelchen werden Abschnitte des Gattermaterials 120B unter Erzeugung der Struktur nach 7d entfernt. Die Gatteröffnungen 122 erstrecken sich durch die Gatterschicht 120A an den korrespondierenden Stellen der entfernten Partikel 46 hindurch. Die Gatteröffnungen 122 sind im Großen und Ganzen kreisrund, da die Partikel 46 kugelförmig sind. Der Durchmesser jeder Gatteröffnung 122 ist näherungsweise der gleiche wie der Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46. Da die Gatteröffnungen 122 bei der Abscheidung der Gatterschicht 120A ohne Notwendigkeit für eine Ätzung der Gatterschicht erzeugt werden, kann das Gattermaterial in diesem Fall aus Gold sein.
Es wird ein geeignet ätzfähiges Abstandmaterial (oder Beschichtung) im typischen Fall in Kontur annehmender Weise auf Gatterschicht 120A und in die Gatteröffnungen 122 herab zur isolierenden Schicht 44 unter Erzeugung einer abdeckenden Abstandvorrichtung (oder Beschichtung) als Schicht 124 entsprechend der Darstellung in 7e abgeschieden. Die Abstandschicht 124 bedeckt die Oberseite der Struktur, füllt die Gatteröffnungen 122 jedoch nicht vollständig. An den ungefüllten Abschnitten der Gatteröffnungen 122 sind Vertiefungen 126 vorhanden. Jede Vertiefung 126 ist vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert.
Unter Anwendung der CVD zur Abscheidung des Abstandmaterials ist die Dicke der Abstandschicht 124 an den Seitenkanten der Gatterschicht 120 entlang jeder Gatteröffnung 122 bei jeder vorgegebenen Höhe relativ gleichförmig. Das Abstandmaterial wird so gewählt, dass es in Bezug auf das Gattermaterial und das zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikum selektiv ätzfähig ist. Das Abstandmaterial ist typischerweise ein elektrischer Isolator (der in 7e gezeigte Fall), wie beispielsweise Siliciumnitrid, könnte aber auch ein elektrischer Nichtisolator sein, wie beispielsweise ein Metall, z. B. Aluminium. Wenn das Abstandmaterial aus einem Metall besteht, kann die Abscheidung des Abstandmaterials elektrochemisch ausgeführt werden. In diesem Fall erfolgt die Abscheidung typischerweise nicht Kontur annehmend über der Oberseite der Struktur.
Es wird eine anisotrope Ätzung ausgeführt, um im Wesentlichen die gesamte Abstandschicht 124 mit Ausnahme der Abschnitte 124A zu entfernen, die die Seitenkanten der Gatterschicht 120A entlang der Gatteröffnungen 122 bedecken. Siehe hierzu 7f. Insofern die zentralen Abschnitte der Abstandschicht 124 an den Böden der Gatteröffnungen 122 während des Ätzens entfernt werden, erstrecken sich Vertiefungen 126 durch die Abstandschicht 124 nach unten hindurch zur isolierenden Schicht 44 und sind geringfügig verbreitert (in 7f nicht gezeigt), um zu Öffnungen 126A zu werden.
Bildlich ist jeder Abstandabschnitt 124A in 7f verhältnismäßig klein. Um die Abstandvorrichtungen 124A deutlicher darzustellen, zeigt 8a eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Struktur von 7f, der um die vorgesehene Stelle für das linksseitige, zur Elektronenemission fähige Element zentriert ist.
Unter Verwendung der Gatterschicht 120A und der Abstandvorrichtung 124A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die Öffnungen 126A unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen 128 durch die Schicht 44 hindurch nach unten zum nichtisolierenden Bereich 42 geätzt. Siehe hierzu 7g. Position 44f ist der Rest der isolierenden Schicht 44. Da die Vertiefungen 126 vertikal zu den Gatteröffnungen 122 zentriert sind, ist jede Verbundöffnung 126A/128 vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert.
Das elektrisch nichtisolierende Filamentmaterial wird elektrochemisch in die Verbundöffnungen (oder Strahlenaustrittsöffnungen) 126A/128 abgeschieden, um Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 130 zu erzeugen, die den unteren nichtisolierenden Bereich 42 berühren. 7h stellt die resultierende Struktur dar. Die elektrochemische Abscheidung wird wiederum typischerweise in der Form ausgeführt, wie sie in der vorgenannten US-P-5 564 959 beschrieben wurde. In ähnlicher Weise ist das Emitter-Filamentmaterial wiederum normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Nickel oder Platin.
Die Abscheidungsdauer ist ausreichend lang, um die dielektrischen Öffnungen 128 vollständig zu füllen und die Öffnungen 126A teilweise zu füllen, ist jedoch nicht so lang, dass jedes zur Elektronenemission fähige Präkursorelement 130 sich seitlich über seine Abstandvorrichtung 124A hinaus erstreckt. Dementsprechend sind die Präkursorelemente 130 seitlich von der Gatterschicht 120A durch (die Dicke von) Abstandabschnitte 124A separiert. Da die Abstandvorrichtungen 124A bildlich in 7h klein sind, stellt 8b eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Struktur von 7h dar, die zum linken Präkursorelement 130 zentriert ist.
Die Abstandabschnitte 124A werden mit einem Ätzmittel entfernt, das die Gatterschicht 120A nicht wesentlich angreift. Unter Verwendung der Gatterschicht 120A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44F durch die Gatteröffnungen 122 hindurch in einer unterätzenden und typischerweise isotropen Form geätzt, um korrespondierende offene Zwischenräume des Dielektrikums 132 um die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 130 zu erzeugen. Siehe hierzu 7i; worin Position 44G der Rest der isolierenden Schicht 44F ist. Die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 132 können sich teilweise oder vollständig durch die isolierende Schicht 44G hindurch erstrecken. 7i stellt den Fall eines teilweisen Durchganges dar.
Es wird ein Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens ausgeführt, um die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 130 mit spitz zulaufenden Spitzen zu versehen. 7j zeigt die resultierende Struktur. Die filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elemente 130A sind die angespitzten Reste der Präkursorelemente 130. Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens wird wiederum mit Hilfe der Methode des Typs ausgeführt, wie sie in der US-P-5 564 959 beschrieben wurde.
Die in den 7i und 7j gezeigten Verfahrensschritte lassen sich umkehren. Das bedeutet, dass die Präkursorelemente 130 unter Erzeugung von zur Elektronenemission fähigen Filamenten 130 elektropoliert/angespitzt werden können, nachdem die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 132 um die Elemente 130A herum erzeugt wurden. Außerdem können die offenen Zwischenräume 132 mit Hilfe eines anisotropen Ätzens so ausgebildet werden, dass sie die Gatterschicht 120A nicht wesentlich unterätzen.
In jedem Fall ist dadurch, dass die Verbundöffnungen 126A/128 vertikal zu den Gatteröffnungen 122 zentriert sind, jedes filamentäre, zur Elektronenemission fähige Element 130A vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert. Da jede Gatteröffnung 122 vertikal zu dem korrespondierenden entfernten Kügelchen 46 zentriert ist, legen die kugelförmigen Partikel 46 die Stellen der Filamente 130A fest. Die Seitenbereiche, die von den Filamenten 130A eingenommen werden, werden durch den Durchmesser der Kügelchen 46 und die Dicke der Abstandschicht 124 bestimmt. Die Filamente 130B können daher so angeordnet werden, dass sie bei einer gesteuerten Größe eine Elektronenemission hoher Gleichförmigkeit gewähren, indem die Kugelgröße und Oberflächendichte entlang der Dicke der Abstandvorrichtung in geeigneter Weise eingestellt werden.
9a bis 9c (gemeinsam bezeichnet als "9") geben eine vergrößerte Ansicht einer Prozessfolge, die auf die Struktur von 7g bei der Erzeugung einer gegatterten Feldemissionskathode mit filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen nach der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann In dem Prozess nach 7a bis 7g und 9 bestehen die Abstandabschnitte 124A aus elektrisch nichtisolierendem Material und normalerweise einem Metall, das selektiv in Bezug sowohl auf das Emitter-Filamentmaterial als auch auf das Gattermaterial ätzfähig ist. Wenn beispielsweise (a) das Gattermaterial Chrom und (b) das Filamentmaterial Nickel ist, besteht das Abstandmaterial der Abschnitte 124A im typischen Fall aus Aluminium. Außerdem besteht, wie nachfolgend eingehender in Verbindung mit 14 beschrieben werden wird, der untere nichtisolierende Emitterbereich 42 in der Prozessfolge nach 9 aus einer unteren elektrisch leitfähigen Schicht und einer oberen mit elektrischem Widerstand behafteten Schicht.
Beginnend mit der Struktur nach 7g wird das Emitter-Filamentmaterial elektrochemisch in die Verbundöffnungen 126A/128 unter Erzeugung von filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen 134 abgeschieden. Bei der elektrochemischen Abscheidung wirkt die Gatterschicht 120A als eine Steuerelektrode. Die nichtisolierenden Abstandvorrichtungen 124A berühren die Gatterschicht 120A und dienen daher als ein Teil der Steuerelektrode. Eine Anode zur Abscheidung befindet sich in dem Elektrolyten zur Abscheidung. Der untere nichtisolierende Emitterbereich 42 ist die Kathode zur Abscheidung. Da das Filamentmaterial, das in die dielektrischen Öffnungen 126A hinein abgeschieden wird, den unteren nichtisolierenden Bereich 42 berührt, dient das Filamentmaterial, das sich in den Öffnungen 126A/128 absetzt, zum Teil als die Kathode zur Abscheidung.
Die untere leitfähige Schicht des unteren nichtisolierenden Bereichs 42 wird auf einer ausreichenden Spannung gehalten, um zu bewirken, dass das Emitter-Filamentmaterial elektrochemisch in die dielektrischen Öffnungen 126A hinein auf der oberen, mit elektrischem Widerstand behafteten Schicht des nichtisolierenden Bereichs 42 abgeschieden wird. Andererseits wird die Gatterschicht 120A bei einer nicht ausreichenden Spannung gehalten, um zu bewirken, dass das Filamentmaterial elektrochemisch auf der Steuerelektrode abgeschieden wird, die mit der Gatterschicht 120A und den nichtisolierenden Abstandvorrichtungen 124A gebildet wird.
Die Ansammlung von Filamentmaterial in den dielektrischen Öffnungen 126A wird so lange weiter geführt, bis die Präkursoren zur Elektronenemission fähiger Elemente 134 die nichtisolierenden Abstandvorrichtungen 124A berühren, wie an der Stelle 136 in 9a gezeigt wird. Wenn die Präkursorelemente 134 ihre nichtisolierende Abstandvorrichtung 124A berühren, wird dieses Filament 134 elektrisch mit der Steuerelektrode kurzgeschlossen, die mit der Gatterschicht 120A und den nichtisolierenden Abstandvorrichtungen 124A gebildet wird. Sodann ändert sich die Spannung jedes auf diese Weise kurzgeschlossenen Filamentes 134 von den für die elektrochemische Abscheidung des Filamentmaterials ausreichenden Wert der Kathode zur Abscheidung zu dem für die Abscheidung des Filamentmaterials unzureichenden Wert der Steuerelektrode. Dementsprechend wird die elektrochemische Abscheidung dieses Filamentes 134 beendet.
Wenn jedes Präkursorfilament 134 mit der Steuerelektrode kurzgeschlossen ist, fließt der Strom der Steuerelektrode durch das Filament 134 und den darunterliegenden Abschnitt der oberen, mit Widerstand behafteten Schicht in dem unteren nichtisolierenden Bereich 42. Der vereinte Widerstand R_D jedes auf diese Weise kurzgeschlossenen Filamentes 134 und des darunterliegenden Abschnittes der oberen, mit Widerstand behafteten Schicht bewirkt einen Spannungsabfall V_D, der über diesem Filament 134 und dem darunterliegenden Abschnitt der unteren, mit Widerstand behafteten Schicht auftritt.
Für jedes elektrisch kurzgeschlossene Filament 134 ist der Wert des vereinten Widerstandes R_D ausreichend hoch, um zu bewirken, dass der Spannungsabfall V_D einen Wert erreicht, der ausreichend ist, um zu verhindern, dass die Spannung der Abscheidungskathode der unteren leitfähigen Schicht des nichtisolierenden Bereichs 42 zu einem Wert verändert wird, der für die elektrochemische Abscheidung des Filamentmaterials ausreichend ist. Dementsprechend hat die Beendigung der Abscheidung eines der Präkursorfilamente 134 wenig Einfluss auf die Abscheidung des anderen Präkursorfilamentes 134. Die Abscheidung aller Präkursorfilamente 134 ist im Wesentlichen beendet, wenn jedes von ihnen unabhängig seine nichtisolierende Abstandvorrichtung 124A berührt. Das Filamentmaterial kann auf diese Weise die Öffnungen 126A nicht weit genug ausbauchen, um zu bewirken, dass die Präkursorfilamente 134 die Gatterschicht 120A überbrücken.
Unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels, das die Gatterschicht 120A oder die zur Elektronenemission fähigen Filamente 134 im Wesentlichen nicht angreift, werden die Abstandabschnitte 124 unter Erzeugung der Struktur von 9b entfernt. Es wird ein Verfahrensschritt zum Elektropolieren/Anspitzen ausgeführt, um die Präkursorelemente zu angespitzen filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elementen 134A entsprechend der Darstellung in 9c umzuwandeln.
Indem die Gatterschicht 120A als eine Ätzmaske dient, wird die isolierende Schicht 44 durch die Gatteröffnungen 122 hindurch in einer unterätzenden und typischerweise isotropen Form unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen 138 um die zur Elektronenemission fähigen Filamente 134A herum geätzt. Position 44H in 9c ist der Rest der isolierenden Schicht 44F. Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens kann vor oder nach dem Ätzen ausgeführt werden, um offene Zwischenräume des Dielektrikums 138 zu erzeugen. In jedem Fall wird die Struktur nach 9c in der vorstehend beschriebenen Weise weiter verarbeitet.
Unabhängig davon ob die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 138 vor oder nach dem Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens erzeugt werden, ist jedes filamentäre, zur Elektronenemission fähige Element 134A vertikal zu der korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert. Dementsprechend legen die Kügelchen 46 die Stellen der zur Elektronenemission fähigen Filamente 134A fest. Außerdem steuern die Kügelchen 46 und Abstandvorrichtungen 124A die seitlichen Bereiche, die von den Filamenten 134A eingenommen werden. Damit wird die Gleichförmigkeit und Größenordnung der Elektronenemission von den Filamenten 134A gesteuert, indem in geeigneter Weise die Kugelgröße und Oberflächendichte in Kombination mit der Dicke der Abstandvorrichtung kontrolliert wird.
Die zum automatischen Beenden der elektrochemischen Abscheidung des Filamentmaterials zum Einsatz gelangende Methode in der Prozessfolge nach 9 kann auf einen Prozess angewendet werden, in den die Prozessfolge nach 6a bis 6d einbezogen ist. In diesem Fall bestehen die kreisrunden Abstandabschnitte 110A aus elektrisch nichtisolierendem Material und normalerweise einem Metall, das in Bezug auf die Filament- und Gattermaterialien selektiv ätzfähig ist. Die Abstandabschnitte 110A sind ebenfalls typischerweise im Bezug auf das primäre Material selektiv ätzbar. Die primäre Schicht 72A kann aus elektrisch nichtisolierendem Material bestehen, wiederum normalerweise aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, das im Bezug auf das auf die Filament- und Gattermaterialien selektiv ätzfähig ist. Wiederum besteht der untere nichtisolierende Bereich 42 aus einer unteren leitfähigen Schicht und einer oberen, mit Widerstand behafteten Schicht, wie eingehender nachfolgend in Verbindung mit 14 beschrieben wird.
Beginnend mit der Struktur nach 6d wird die elektrochemische Abscheidung des Emitter-Filamentmaterials mit einer elektrochemischen Zelle ausgeführt, in der die Gatterschicht 60B als die Steuerelektrode fungiert. Da die Abstandabschnitte 110A die Gatterschicht 60B berühren, wirken die Abstandvorrichtungen 110A als Teil der Steuerelektrode. Da die Anode zur Abscheidung sich in dem Elektrolyten zur Abscheidung befindet, ist der untere nichtisolierende Emitterbereich 42 die Kathode zur Abscheidung. Das Filamentmaterial, das in die dielektrischen Öffnungen 114 hinein abgeschieden wird, berührt den Bereich 42 und dient damit als Teil der Kathode zur Abscheidung.
Wenn das Filamentmaterial, das sich in jeder dielektrischen Öffnung 114 absetzt, den korrespondierenden Abstandabschnitt 110A berührt, wird die Kathode zur Abscheidung für das zur Elektronenemission fähige Filament 116, das in dieser Öffnung 114 gebildet wird, mit der Steuerelektrode elektrisch kurzgeschlossen. Dieses beendet die elektrochemische Abscheidung des Filamentmaterials in die Öffnung 114 hinein. Die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente, die über Formen verfügen, die ähnlich den Präkursorfilamenten 134 nach 9a sind, werden in den dielektrischen Öffnungen 114 erzeugt.
Die primäre Schicht 72A und die Abstandabschnitte 110A werden anschließend entfernt. Es wird ein Schritt zum Elektropolieren ausgeführt, um jedes zur Elektronenemission fähige Filament anzuspitzen, wobei eine Ätzung durch die Gatteröffnungen 80 hindurch ausgeführt wird, um die Filamente herum offene Zwischenräume des Dielektrikums zu erzeugen. Wie in den Prozessfolgen nach 6, 7 und 9 kann jeder dieser Schritte zuerst ausgeführt werden. Die resultierende Struktur hat das Aussehen, wie allgemein in 6h oder 7j gezeigt wird, was davon abhängt, ob die offenen Zwischenräume des Dielektrikums sich vollständig oder teilweise durch die isolierende Schicht 44 hindurch erstrecken.
In den Prozessen/Prozessfolgen nach 5 bis 7 werden Abstandvorrichtungen erzeugt, indem eine abdeckende Schicht des Abstandmaterials abgeschieden und anschließend die unerwünschten Abschnitte der abdeckenden Schicht entfernt werden. Unter bestimmten Umständen können jedoch Abstandvorrichtungen durch Methoden der selektiven Abscheidung erzeugt werden. Die erforderlichen Umstände ergeben sich typischerweise dann, wenn die Gatterschicht entlang den Seitenkanten exponiert ist, nicht jedoch ihre obere oder untere Oberfläche.
10a bis 10g (gemeinsam bezeichnet als "10") zeigen eine Rückseiten-Prozessfolge, die auf die Frontseiten-Prozessfolge nach 3a bis 3f angewendet wird und bei der die selektive Abscheidung der Abstandvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt wird, um eine gegatterte Feldemissionskathode zu erzeugen, die über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt. Wie in 10a veranschaulicht wird, bei der es sich um eine Wiederholung von 3f handelt, ist jede Gatteröffnung 66 etwas größer als die korrespondierende primäre Öffnung 64 in der Rückseiten-Prozessfolge nach 10, so dass die Gatteröffnung 66 die primäre Schicht 62A geringfügig unterätzt. Nichtsdestoweniger kann jede Gatteröffnung 66 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die korrespondierende primäre Öffnung 64 haben.
Unabhängig davon, ob die Gatteröffnungen 66 die primäre Schicht 62A unterätzen oder nicht, sind lediglich die Seitenkanten der Gatterschicht 60A exponiert.
Unter Anwendung einer elektrochemischen Methode wird ein geeignetes ätzfähiges, elektrisch nichtisolierendes Abstandmaterial (oder Beschichtung) selektiv auf den exponierten Rändern der Gatterschicht 60 entlang der Gatteröffnungen 66 unter Erzeugung kreisrunder, elektrisch nichtisolierender Abstandvorrichtungen 140 abgeschieden. Siehe hierzu 10b. Die Öffnungen 142 erstrecken sich jeweils durch die kreisrunden Abstandvorrichtungen 140. Jede Öffnung 142 ist vertikal zu der korrespondierenden kreisrunden Abstandvorrichtung 140 ausgerichtet. Die elektrochemische Abscheidung wird für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt, so dass der Durchmesser jeder Öffnung 142 wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der korrespondierenden Gatteröffnung 64.
Bei der elektrochemischen Abscheidung der Abstandvorrichtung ist die Gatterschicht 60A die Kathode zur Abscheidung. Diese Abstandvorrichtungen 140 berühren die Gatterschicht 60A, wobei die Abstandvorrichtungen 140 einen Teil der Kathode bilden, wenn sie entlang den Gatterrändern wachsen. Die Anode zur Abscheidung befindet sich in dem Elektrolyten zur Abscheidung.
Die Abstandvorrichtungen 140 sind im Bezug auf die Gatterschicht 62A, die isolierende Schicht 44 und das Material, das später zur Erzeugung der zur Elektronenemission fähigen Filamente verwendet wird, selektiv ätzfähig. Das Abstandmaterial ist normalerweise ein Material, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel, was davon abhängt, dass es von dem Gattermaterial und auch von dem Filamentmaterial verschieden sein soll.
Unter Verwendung der Gatterschicht 62A und der Abstandvorrichtungen 140 als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die Gatteröffnungen 64 und die Öffnungen 142 hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen 144 durch die isolierende Schicht 44 hindurch nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 geätzt. 10c zeigt die resultierende Struktur. Die Positionen 44I sind der Rest der isolierenden Schicht 44. Die Seitenwände der dielektrischen Öffnungen 144 sind zum großen Teil vertikal. Da jede Öffnung 142 einen kleineren Durchmesser hat als die korrespondierende Gatteröffnung 64, ist der Durchmesser jeder dielektrischen Öffnung 144 näherungsweise gleich dem Durchmesser der korrespondierenden Öffnung 142.
Das elektrisch nichtisolierende Emitter-Filamentmaterial wird elektrochemisch in die dielektrischen Öffnungen 144 hinein unter Erzeugung von Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 146 abgeschieden, die den unteren nichtisolierenden Bereich 44 berühren. Siehe hierzu 10d. Die Filamentabscheidung wird so lange ausgeführt, bis die Präkursorfilamente 146 die Abstandvorrichtungen 140 berühren oder nahezu berühren. Die elektrochemische Abscheidung des Filamentes wird typischerweise nach den in der US-P-5 564 959 allgemein beschriebenen Methoden ausgeführt. Die Filamentabscheidung ist entweder nach einer vorher gewählten Abscheidungsdauer beendet oder entsprechend der automatischen Methode, die in der Prozessfolge nach 9 zum Einsatz gelangt.
Bei der elektrochemischen Filamentabscheidung kapselt die Kombination von primärer Schicht 62A, Abstandvorrichtungen 140 und isolierender Schicht 44I die Gatterschicht 60A (wiederum möglichst nicht entlang des seitlichen Umfanges der Struktur), um zu verhindern, dass die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Elemente 146 die Gatterschicht 60A berühren. Die Abstandvorrichtungen 140 bestimmen den seitlichen Abstand zwischen den Präkursorfilamenten 146 und der Gatterschicht 60A. Jedes Filament 146 ist vertikal zu der korrespondierenden primären Öffnung 64 zentriert und damit zu der Stelle des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46.
Die primäre Schicht 62A und die Abstandvorrichtungen 140 werden unter Erzeugung der in 10e gezeigten Struktur entfernt. Die primäre Schicht 62A kann entfernt werden, bevor die Abstandvorrichtungen 140 entfernt werden oder umgekehrt. Alternativ können, wenn ein Ätzmittel verfügbar ist, das sowohl die Abstand- als auch primären Materialien ätzt, die primäre Schicht 62A und Abstandvorrichtungen 140 gleichzeitig entfernt werden. In jedem Fall wird der Verfahrensschritt des Entfernens mit einem Ätzmittel ausgeführt, das die Gatterschicht 60A oder die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 146 nicht wesentlich angreift. Damit werden die Gatteröffnungen 66 erneut geöffnet. DA jede erneut geöffnete Gatteröffnung 66 und die korrespondierende dielektrische Öffnung 146 zu der korrespondierenden primären Öffnung 64 zentriert waren, ist jedes Filament 146 vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 66 zentriert.
Unter Verwendung der Gatterschicht 60A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44I durch die Gatteröffnungen 66 hindurch unter Erzeugung korrespondierender offener Zwischenräume des Dielektrikums 148 um die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 146 herum entsprechend der Darstellung in 10f geätzt. Position 44J ist der Rest der isolierenden Schicht 44I. Die Ätzung kann in isotroper Weise in der in 10f dargestellten Situation erfolgen. Alternativ kann die Ätzung in einer teilweise oder vollständig isotropen Form ausgeführt werden, so dass die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 148 die Gatterschicht 60A unterätzen. Die offenen Zwischenräume 148 können sich teilweise oder vollständig durch die isolierende Schicht 44J hindurch erstrecken. 10f veranschaulicht den Fall einer vollständig hindurchgehenden Ätzung.
Auf den Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 146 wird ein Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens ausgeführt, um die Filamente mit geschärften Spitzen zu versehen. Siehe hierzu 10g. Position 146A sind die angespitzten Reste der Präkursorfilamente 146. Wiederum wird der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens mit Hilfe einer Methode des Typs ausgeführt, wie sie in der US-P-5 564 959 beschrieben wurde.
Der Prozess nach 3a bis 3f und 10 kann in verschiedener Weise modifiziert werden. Die Frontseiten-Prozessfolge nach 2a bis 2d kann für die Frontseiten-Prozessfolge nach 3a bis 3f eingesetzt werden. In ähnlicher Weise kann die Frontseiten-Prozessfolge nach 4 (entweder in der Version von 4g1 oder in der Version von 4g2) begleitet von der Entfernung der zusätzlichen Schicht 74A für die Prozessfolge von 3a bis 3f ersetzt werden. Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens der Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 146 kann ausgeführt werden, bevor die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 148 erzeugt werden.
In der fertigen Struktur ist jedes zur Elektronenemission fähige Filament 146A vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 66 zentriert. Insofern die entfernten Kügelchen 46 die Stellen der Gatteröffnungen 66 festlegen, legen die entfernten Kügelchen 46 auch die Stellen der Filamente 146A fest. Jeder laterale Bereich jedes zur Elektronenemission fähigen Filaments 146A wird durch den Durchmesser des korrespondierenden entfernten Kügelchens 46 und die seitliche Dicke der korrespondierenden Abstandvorrichtung 140 bestimmt. Unter geeigneter Einstellung der Kugelgröße und der Partikeloberflächendichte entlang der Dicke der Abstandvorrichtung können die Filamente 146A eine Elektronenemission mit hoher Gleichförmigkeit liefern.
In dem Prozess nach 2 und 7 sind die Gatteröffnungen 54 und 122 so beschrieben worden, dass sie in dem Gattermaterial vorhanden sind, das nach der Entfernung der kugelförmigen Partikel 46 zurückbleibt. Allerdings werden die Gatteröffnungen 54 und 122 eigentlich in den Gatterschichten 48A und 120A zur gleichen Zeit erzeugt, wie das Gattermaterial abgeschieden wird. Ähnliche Hinweise gelten für die primären Öffnungen 64 in dem Prozess nach 3 und für die zusätzlichen Öffnungen 76 in der Prozessfolge nach 4.
11a bis 11h (gemeinsam bezeichnet als "11") veranschaulichen eine Prozessfolge, in der kugelförmige Partikel 46 zur Festlegung der Gatteröffnungen bei der Herstellung einer gegatterten Feldemissionskathode gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden und bei der das Abstandmaterial in die Gatteröffnungen vor der Entfernung der Kügelchen 46 abgeschieden wird.
Der Ausgangspunkt für die Prozessfolge nach 11 ist die Struktur 40/42/44 nach 7a. Die Kügelchen 46 werden auf der Oberseite der isolierenden Schicht 44 entsprechend der Darstellung in 7b abgeschieden, nachdem die Abscheidung des Gattermaterials in einer zur Oberseite der Schicht 44 im Allgemeinen senkrechten Richtung ausgeführt wurde, um die Gatterschicht 120A und überschüssige Abschnitte des Gattermaterials 120B zu erzeugen. Dieses führt zu der Struktur nach 7c, die hier als 11a wiederholt wird. Die Gatteröffnungen 122 in der Gatterschicht 120 sind in 11a stark hervorgehoben. Die Dicke der Gatterschicht in 11a ist typischerweise kleiner als die Dicke der Gatterschicht in dem Herstellungsprozess nach 7c.
Das in geeigneterweise ätzfähig Abstandmaterial ist typischerweise ein elektrischer Isolator und wird auf der Oberseite der Struktur unter Erzeugung einer Abstandschicht (oder Beschichtung) 150A auf der Gatterschicht 120A entsprechend der Darstellung in 11b abgeschieden. Die Abstandschicht 150A befindet sich in dem Zwischenraum zwischen den Kügelchen 46. Die Abscheidung des Abstandmaterials wird in einer solchen Weise vorgenommen, dass kreisrunde Abschnitte 150B der Abstandschicht 150A in den Gatteröffnungen 122 auf der isolierenden Schicht 44 unterhalb der Partikel 46 gebildet werden. Die Abschnitte 150C des Abstandmaterials setzen sich gleichzeitig auf den Abschnitten des Gatermaterials 120B ab, das sich auf den Kügelchen 46 befindet. Um zu vermeiden, dass man überschüssige Abschnitte von Abstandmaterial (150C) hat, die die Abstandschicht 150A überbrücken, ist die Gesamtdicke der Schichten 150A und 120A normalerweise kleiner als der mittlere Radius der Kügelchen 46.
Die Abscheidung des Abstandmaterials wird typischerweise mit Hilfe einer gleichförmigen nicht ausgerichteten Methode ausgeführt, wie beispielsweise nicht ausgerichtetes Sputtern (d. h. das Sputtern, worin es eine wesentliche Ausbreitung in natürlichem Einfallwinkel der auftreffenden Atome des Materials gibt, das gesputtert wird) oder plasmaunterstützte CVD. Beim nicht ausgerichteten Sputtern beträgt der Druck normalerweise 10 bis 100 mTorr. Die nicht ausgerichtete Abscheidung des Abstandmaterials kann auch mit Hilfe einer Methode der schrägen Rotation ausgeführt werden, wie beispielsweise einer schrägen Rotationsaufdampfung. In der schrägen Rotationsaufdampfung wird das Abstandmaterial auf der isolierenden Schicht 44 in einem Winkel abgeschieden, der wesentlich kleiner ist als 90° zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44, während die Struktur 40/42/44 relativ zur Quelle des Abstandmaterials um eine im Allgemeinen zur Oberseite der Schicht 44 senkrechten Richtung rotiert. Obgleich die Atome des auftreffenden Abstandmaterials sofort einen ausgerichteten Strahl während der schrägen Rotationsabscheidung bilden können, bewirkt die schräge Rotation der Struktur 40/42/44 relativ zur Quelle des Abstandsmaterials eine Abscheidung, die insgesamt nicht ausgerichtet ist.
Wenn die Abscheidung des Abstandmaterials in einer gleichförmigen, nicht ausgerichteten Form in den Zwischenraum unterhalb der Partikel 46 ausgeführt wird, kann die laterale Dicke der kreisrunden Abschnitte der Abstandvorrichtung 150B, d. h. der radiale Abstand, um den die Abstandschicht 150A in die Fläche vertikal abgeschattet durch die Kügelchen 46 hinein reicht, leicht 20 bis 80% des mittleren Kugelradius betragen und im typischen Fall etwas mehr als 50% des mittleren Kugelradius.
Die Partikel 46 werden wiederum typischerweise mit Hilfe der Methode entfernt, die in dem Prozess nach 2 zum Einsatz gelangt. Bei der Entfernung der Kügelchen 46 werden überschüssige Abschnitte des Gattermaterials 120B und überschüssige Abschnitte des Abstandmaterials 150C gleichzeitig unter Erzeugung der Struktur nach 11c entfernt. Die Öffnungen 152 ragen jetzt durch die Abstandschicht 150A an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 hindurch. Insbesondere erstrecken sich die Öffnungen 152 durch die kreisrunden Abstandabschnitte 150B, die sich in den Gatteröffnungen 122 befinden. Da die Partikel 46 zum großen Teil kugelförmig sind, sind die Öffnungen 152 im Großen und Ganzen kreisrund. Jede Öffnung 152 ist vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert.
Unter Verwendung der Abstandschicht 150A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die Öffnungen 152 hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen 154 durch die Schicht 44 hindurch nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 geätzt. Siehe hierzu 11 d, worin Position 44K der Rest der isolierenden Schicht 44 ist. Da die Öffnungen 152 zu den Gatteröffnungen 122 zentriert sind, ist jede Öffnung 154 vertikal zur korrespondierenden Gatteröffnung 122 zentriert.
Das elektrisch nichtisolierende Emitter-Filamentmaterial wird elektrochemisch in die Verbundöffnungen (oder Strahlenaustrittsöffnungen) 152/154 abgeschieden, um Präkursoren von zur Elektronenemission fähigen filamentären Elementen 156 zu erzeugen, die den unteren nichtisolierenden Emitterbereich 42 berühren. 11e zeigt die resultierende Struktur. Wiederum wird die elektrochemische Abscheidung des Filaments typischerweise in der Form ausgeführt, wie sie allgemein in der US-P-5 564 959 beschrieben wurde. In ähnlicher Weise ist das Emitter-Filamentmaterial normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Nickel oder Platin.
Während der elektrochemischen Filamentabscheidung kapselt die Kombination von isolierender Schicht 44 und Abstandschicht 150A und einschließlich Abstandabschnitte 150B die Gatterschicht 120A (wiederum möglichst unter Ausnahme entlang des seitlichen Umfanges der Struktur), um zu verhindern, dass die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 156 die Gatterschicht 120A berühren. Die Abstandvorrichtungen 150B bestimmen den lateralen Abstand zwischen Gatterschicht 120A und Präkursorfilamenten 156.
Die elektrochemische Abscheidung wird typischerweise für eine ausreichende Dauer ausgeführt, um die Verbundöffnungen 152/154 mehr als zu füllen, jedoch nicht lange genug, dass sich die zur Elektronenemission fähigen Filamente 156 untereinander entlang der Oberseite der Abstandschicht 158 berühren können. Demzufolge hat jedes zur Elektronenemission fähige Filament 156 einen Kappenabschnitt 156A, der aus der Verbundöffnung 152/154 herausragt. Wiederum verringert die Überfüllung die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von zur Elektronenemission fähigen Filamenten eines im Wesentlich anderen Typs in Folge von Unterschieden in der Keimbildung und des Wachstums des Filamentmaterials.
Die Abstandschicht 150A einschließlich Abstandabschnitte 150B werden entfernt. Siehe hierzu 11f. Die Entfernung des Abstandmaterials erfolgt vorzugsweise mit einem Ätzmittel, das weder die isolierende Schicht 44K noch die Gatterschicht 120A wesentlich angreift. Als Ergebnis werden die äußeren Abschnitte der Gatteröffnungen 122 erneut geöffnet. Die Ausführung der Ätzung des Abstandmaterials erfolgt typischerweise nasschemisch oder mit einem Plasma, das eine isotrope Komponente hat.
Unter Verwendung der Gatterschicht 120A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44K durch die Gatteröffnungen 122 in einer unterätzenden und typischerweise isotropen Form unter Erzeugung korrespondierender offener Zwischenräume des Dielektrikums 158 rund um die zur Elektronenemission fähigen Filamente 156 geätzt. Siehe hierzu 11g. Position 44L ist der Rest der isolierenden Schicht 44K. Die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 158 können sich teilweise oder vollständig durch die isolierende Schicht 44L hindurch erstrecken. 11g veranschaulicht den Fall eines vollständigen Hindurchgehens.
Die Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 156 werden bearbeitet, um die Kappen 156A zu entfernen und den Rest der filamentären Abschnitte mit scharfen Spitzen zu versehen, die mindestens teilweise durch die Gatteröffnungen 122 hindurch ragen. 11h zeigt die resultierende Struktur, in der die angespitzten, zur Elektronenemission fähigen Filamente 156B die Reste der Filamente 156 sind. Die angespitzten Filamente 156B werden typischerweise aus den Präkursorfilamenten 156 mit Hilfe der Methode des Elektropolierens/Anspitzens erzeugt, wie sie zur Erzeugung der angespitzten Filamente 116B in der Prozessfolge nach 5 beschrieben wurde. Jedes zur Elektronenemission fähige Filament 156B ist damit vertikal zur korrespondierenen Gatteröffnung 122 zentriert.
Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens kann nach dem Erzeugen von offenen Zwischenräumen des Dielektrikums 158 erfolgen. Wiederum wird die Struktur nach 11h erzeugt. Es kann außerdem eine anisotrope Ätzung angewendet werden, um offene Zwischenräume 158 zu erzeugen, so dass sie die Gatterschicht 120A nicht wesentlich unterätzen. Alternativ kann die Erzeugung von offenen Zwischenräumen 158 weggelassen werden. Die in der Prozessfolge nach 9 zur automatischen Beendigung der elektrochemischen Abscheidung des Filamentmaterials eingesetzte Methode kann auf den Prozess nach 11 in der gleichen Weise angewendet werden, so dass die Filamentabscheidung automatisch wie in der Prozessfolge nach 9 beendet wird.
Insofern (a) die zur Elektronenemission fähigen Filamente 156B vertikal zu den Gatteröffnungen 122 zentriert sind, (b) die Öffnungen 122 zu den entfernten Kügelchen 46 zentriert sind, werden die Stellen der Filamente 156B durch die Kügelchen 46 bestimmt. Der seitliche Bereich der Filamente 156B wird durch den Durchmesser der Kügelchen 46 und die laterale Dicke der Abstandabschnitte 150B bestimmt. Dementsprechend können die Filamente 156B eine Elektronenemission hoher Gleichförmigkeit liefern, indem in geeigneter Weise Kugelgröße, Kugeloberflächendichte und die laterale Dicke der Abstandvorrichtungen 150B eingestellt werden.
Die Prozesse/Prozessfolgen nach 5 bis 7, 10 und 11 zum Herstellen von Elektronenemittern, die über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügen, umfassen insgesamt das Abscheiden von Abstandmaterial in die Gatteröffnungen hinein. Allerdings können gegatterte Elektronenemitter, die zur Elektronenemission fähige Filamente haben, deren mittlerer Durchmesser wesentlich kleiner ist als der mittlere Durchmesser der Kügelchen 46, die die Filamentstellen festlegen, ohne Abscheiden von Abstandmaterial in die Gatteröffnungen hinein erzeugt werden. 12a bis 12i (gemeinsam bezeichnet als "12") präsentieren ein Beispiel dafür, wie eine gegatterte Feldemissionskathode auf diese Weise nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
In dem Prozess nach 12 wird die anfängliche Struktur 40/42/44 im Wesentlichen in der gleichen Weise erzeugt, wie vorstehend für den Prozess nach 2 beschrieben wurde. Siehe hierzu 12a, die eine Wiederholung von 2a ist. Es werden feste Partikel 46 in ähnlicher Weise über der Oberseite der isolierenden Schicht 44 nach einer regellosen oder zum großen Teil regellosen Methode verteilt, die in dem Prozess nach 2 zum Einsatz kommt. 12b, bei dem es sich um eine Wiederholung von 2b handelt, veranschaulicht die Struktur an dieser Stelle.
Das untere (oder erste) abdeckende Material wird auf der Oberseite der Struktur zur Erzeugung einer unteren abdeckenden Schicht 160A auf der isolierenden Schicht 44 entsprechend der Darstellung in 12c abgeschieden. Die untere abdeckende Schicht 160A befindet sich in dem Zwischenraum zwischen den Partikeln 44. Die Abscheidung der abdeckenden Schicht 160A wird in einer solchen Form ausgeführt, dass kreisrunde Abschnitte 160B der abdeckenden Schicht 160A in den Zwischenräumen unterhalb der Kügelchen 46 oberhalb der Schicht 44 erzeugt werden. Die Abschnitte 160C des unteren abdeckenden Materials setzen sich gleichzeitig auf den oberen Hälften der Kügelchen 46 ab.
Die Abscheidung des unteren abdeckenden Materials wird typischerweise in weitgehend der gleichen Form ausgeführt, wie die Abscheidung des Abstandmaterials in dem Prozess nach 11. Das untere abdeckende Material ist typischerweise ein elektrischer Isolator. Alternativ kann das untere abdeckende Material ein elektrischer Nichtisolator sein und im typischen Fall ein Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan oder Wolfram. In diesem Fall bildet die abdeckende Schicht 160A später einen Teil der Gatterschicht.
Das obere (oder zweite) abdeckende Material wird auf der Oberseite der Struktur in einer zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44 im Allgemeinen senkrechten Richtung unter Erzeugung einer oberen abdeckenden Schicht 162A auf der unteren abdeckenden Schicht 160A in dem Zwischenraum zwischen den kugelförmigen Partikeln 46 abgeschieden. Siehe hierzu 12d. In den Zwischenräumen unterhalb der Kügelchen 46 oberhalb der unteren abdeckenden Materialabschnitte 160B setzt sich sehr wenig (im Wesentlichen nichts) von dem oberen abdeckenden Material ab. Allerdings setzen sich Abschnitte 162B des oberen abdeckenden Materials gleichzeitig auf den unteren abdeckenden Abschnitten 160C ab. Die Gesamtdicke der abdeckenden Schichten 160A und 162A ist normalerweise kleiner als der mittlere Radius der Kügelchen 46. Dadurch wird vermieden, dass überschüssige Abschnitte des abdeckenden Materials 162B die abdeckende Schicht 162A überbrücken.
Die obere abdeckende Schicht 162A bildet normalerweise mindestens einen Teil der Gatterschicht für den Elektronenemitter. In diesem Fall besteht das obere abdeckende Material aus elektrisch nichtisolierendem Gattermaterial und typischerweise aus einem Metall, wie beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Wolfram oder Gold. Alternativ kann das obere abdeckende Material ein elektrischer Isolator sein, wenn die untere abdeckende Schicht 160A später zu der Gatterschicht wird.
Jetzt werden die kugelförmigen Partikel 46 entfernt und wiederum typischerweise nach der Methode, die in dem Prozess nach 2 zum Einsatz gelangt. Beim Entfernen der Kügelchen 46 werden gleichzeitig abdeckende Materialabschnitte 160C und 162B unter Erzeugung der Struktur nach 12e entfernt. Die oberen Öffnungen 164 sind typischerweise die Gatteröffnungen und erstrecken sich durch die obere abdeckende Schicht 162A an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 hindurch. Die unteren Öffnungen 166 erstrecken sich in ähnlicher Weise durch die untere abdeckende Schicht 160A hindurch und speziell durch die abdeckenden Abschnitte 160B der Schicht 160A an den Stellen der entfernten Kügelchen 46. Jede untere abdeckende Öffnung 166 hat einen kleineren Durchmesser als die korrespondierende obere abdeckende Öffnung 164. Da die Partikel 46 im Großen und Ganzen kugelförmig sind, sind sowohl die abdeckenden Öffnungen 164 als auch die abdeckenden Öffnungen 166 im Großen und Ganzen kreisrund. Jede untere Öffnung 166 ist zu der korrespondierenden oberen Öffnung 164 zentriert.
Unter Verwendung der abdeckenden Schichten 160A und 162A als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44 anisotrop durch die abdeckenden Öffnungen 164 und 166 hindurch unter Erzeugung korrespondierender dielektrischer Öffnungen 168 durch die Schicht 44 nach unten zu dem unteren nichtisolierenden Emitterbereich 42 geätzt. Siehe hierzu 12f. Position 44M ist der Rest der isolierenden Schicht 44. Da jede der unteren abdeckenden Öffnungen 166 kleiner ist als die korrespondierende obere abdeckende Öffnung 164, ist der Durchmesser jeder dielektrischen Öffnung 168 näherungsweise gleich dem Durchmesser der korrespondierenden unteren abdeckenden Öffnung 166. Außerdem ist jede dielektrische Öffnung 168 vertikal zu der korrespondierenden abdeckenden Öffnung 164 zentriert.
Das elektrisch nichtisolierende Emitter-Filamentmaterial wird elektrochemisch in die Verbundöffnungen (oder Strahlenaustrittsöffnungen) 166/168 unter Erzeugung von Präkursoren der zur Elektronenemission fähigen Filamente 170 abgeschieden, die den unteren nichtisolierenden Emitterbereich 42 berühren. Siehe hierzu 12g. Die Abscheidungsdauer ist ausreichend lang, um die dielektrischen Öffnungen 168 vollständig zu füllen, jedoch nicht so lang, dass irgendwelche Filamente 170 die obere abdeckende Schicht 162A berühren. Die Filamentabscheidung kann automatisch in der vorstehend für die Prozessfolge nach 9 beschriebenen Weise beendet werden. Wiederum ist das Filamentmaterial normalerweise ein Metall, wie beispielsweise Nickel oder Platin.
Unter Verwendung der oberen Abdeckung 162A als eine Ätzmaske wird die untere abdeckende Schicht 160A durch die oberen abdeckenden Öffnungen 164 hindurch zur Entfernung der kreisrunden abdeckenden Abschnitte 160B geätzt. Die unteren abdeckenden Öffnungen 166 werden dadurch breiter gemacht und werden zu den unteren abdeckenden Öffnungen 172, wie in 12h gezeigt wird. Die Position 160D ist der Rest der unteren abdeckenden Schicht 160A. Das Ätzen wird typischerweise in anisotroper Form ausgeführt, so dass die verbreiterten unteren, abdeckenden Öffnungen 172 die obere abdeckende Schicht 162A nicht unterätzen.
Unter Verwendung der abdeckenden Schichten 162A und 160D als eine Ätzmaske wird die isolierende Schicht 44M anisotrop durch die abdeckenden Öffnungen 164 und 172 hindurch unter Erzeugung korrespondierender offener Zwischenräume des Dielektrikums 174 hinab zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 geätzt. Siehe wiederum 12h. Position 44N ist der Rest der isolierenden Schicht 44M. Die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 174 können teilweise oder vollständig durch die isolierende Schicht 44N hindurch ragen, wobei 12h den Fall eines vollständigen Hindurchragens zeigt.
Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens wird an den Präkursorfilamenten 170 ausgeführt, um sie mit angeschärften Spitzen zu versehen, die sich teilweise durch die unteren abdeckenden Öffnungen 172 erstrecken. Die resultierende Struktur ist in 12i gezeigt. Die zur Elektronenemission fähigen Filamente 170A sind die angespitzten Reste der Präkursorfilamente 170. Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens wird typischerweise in der Form ausgeführt, wie er vorstehend für den Prozess nach 5 beschrieben wurde.
In 12i ist die obere abdeckende Schicht 162A normalerweise die Gatterschicht. Alternativ können sowohl die obere abdeckende Schicht 162A als auch die untere abdeckende Schicht 160D gemeinsam als die Gatterschicht dienen. Als noch eine andere Alternative kann die untere abdeckende Schicht 160D die Gatterschicht sein. In diesem Fall besteht die obere abdeckende Schicht 162A typischerweise entweder aus elektrisch isolierendem Material oder ist entfernt.
Der Verfahrensschritt des Elektropolierens/Anspitzens kann vor dem Erzeugen der offenen Zwischenräume des Dielektrikums 174 ausgeführt werden. Es kann eine Ätzung mit einer isotropen Komponente verwendet werden, um offene Zwischenräume 174 zu erzeugen, so dass sie die abdeckenden Schichten 160D und 162A unterätzen. Die Erzeugung der offenen Zwischenräume 174 kann weggelassen werden. Sodann stoßen die angespitzten Filamente 170A seitlich auf die isolierende Schicht 44M auf.
Unabhängig davon wie, wann und ob die offenen Zwischenräume des Dielektrikums 174 geschaffen worden sind und unabhängig davon ob die Gatterschicht mit einer oder beiden abdeckenden Schichten 162A und 160D erzeugt sind, ist jedes zur Elektronenemission fähige Filament 170A vertikal sowohl zur korrespondierenden oberen abdeckenden Öffnung 164 als auch zur korrespondierenden unteren abdeckenden Öffnung 172 zentriert. Da sich die oberen abdeckenden Öffnungen 164 an den Stellen der entfernten Kügelchen 46 befinden, werden die Stellen der Filamente 170A durch die Kügelchen 46 bestimmt. Die seitliche Fläche, die von den Filamenten 170A eingenommen wird, wird durch den Durchmesser der Kügelchen 46 und die seitliche Breite der kreisrunden abdeckenden Materialabschnitte 160B bestimmt. Unter geeigneter Einstellung der Kugelgröße, der Kugeloberflächendichte und der seitlichen Dicke der kreisrunden abdeckenden Abschnitte 160B ist es dem Elektronenemitter nach 12i möglich, eine Elektronenemission hoher Gleichförmigkeit zu erzielen.
In den vorgenannten Prozessen/Prozessfolgen wurden kugelförmige Partikel 46 genutzt, um direkt die Gatteröffnungen oder direkt die Öffnungen festzulegen, die zur Festlegung der Gatteröffnungen eingesetzt werden. Die Partikel 46 können jedoch eingesetzt werden, um zuerst die festen Bereiche festzulegen, die die gewünschten lateralen Formen für die Gatteröffnungen haben. Diese festen Bereiche, die normalerweise kreisrund sind, werden sodann zur Festlegung der Gatteröffnungen verwendet.
13a bis 13g (zusammen bezeichnet als "13"), veranschaulichen ein Beispiel für den Frontseitenabschnitt eines solchen Fertigungsprozesses, worin die Gatteröffnungen für eine gegatterte Feldemissionskathode aus festen Bereichen erzeugt werden, deren Formen durch kugelförmige Partikel 46 entsprechend der vorliegenden Erfindung festgelegt werden. Die auf diese Weise erzeugten Gatteröffnungen haben normalerweise abrupte Kanten. Demzufolge ist die Frontseitenabschnitt-Prozessfolge nach 13 speziell zum Beenden entsprechender Rückseiten-Prozessfolge geeignet, wie beispielsweise die nach 7e bis 7j, worin die Erzeugung der zur Elektronenemission fähigen Elemente die Bereitstellung von Abstandmaterial in den Gatteröffnungen umfasst. Die Prozessfolge nach 13 beginnt mit der Struktur 40/42/44 von 2a, die hier als 13a wiederholt ist.
Eine elektrisch nichtisolierende Zwischenschicht 180, die später als unterer Teil der Gatterschicht dient, wird auf der isolierenden Schicht 44 entsprechend der Darstellung in 13b abgeschieden. Die nichtisolierende Zwischenschicht 180 besteht im typischen Fall aus einem Metall, wie beispielsweise Chrom oder Titan. Auf der Zwischenschicht 180 wird eine Raster-Transferschicht 182 erzeugt. Die Raster-Transferschicht 182 kann aus zahlreichen Materialien bestehen, wie beispielsweise Photoresist oder aus anorganischem dielektrischem Material.
Die Partikel 46 werden über der Oberseite der Raster-Transferschicht 182 unter Anwendung der vorstehend für den Prozess nach 2 beschriebenen regellosen oder überwiegend regellosen Methode verteilt. 13c veranschau licht die Struktur an dieser Stelle. Der Abschnitt der Raster-Transferschicht 182, nicht schraffiert, d. h. nicht vertikal durch Partikel 46 abgedeckt, wird entsprechend der Darstellung in 13d entfernt. Im Allgemeinen werden als Rest der Schicht 182 dadurch kreisrunde Sockel 182A erzeugt. Jeder Sockel 182A liegt unter einem korrespondierenden Partikel 46.
Wenn die Raster-Transferschicht 182 aus Photoresist besteht, wird die Schicht 182 an aktinischer Strahlung exponiert, typischerweise UV-Licht, indem die kugelförmigen Partikel als Belichtungsmaske verwendet werden, um zu verhindern, dass Photoresist-Abschnitte unterhalb der Partikel 46 der aktinischen Strahlung ausgesetzt werden. Der exponierte Photoresist verändert seine chemische Zusammensetzung. Um den exponierten Photoresist zu entfernen wird anschließend auf der Struktur ein Entwicklungsschritt ausgeführt, der zu der in 13d gezeigten Struktur führt. Sofern die Schicht 182 aus anorganischem dielektrischem Material besteht, wird auf der Schicht 182 in einer zu der Oberseite der isolierenden Schicht 44 im Allgemeinen senkrechten Richtung anisotrope Ätzung unter Verwendung der Partikel 46 als eine Ätzmaske ausgeführt. Der nicht schraffierte Teil der Schicht 182 wird während des Ätzens entfernt, was wiederum zu der Struktur nach 13d führt.
Das elektrisch nichtisolierende Gattermaterial wird auf der Oberseite der Struktur abgeschieden. Die Abscheidung des Gattermaterials erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer elektrochemischen Methode unter Verwendung der nichtisolierenden Zwischenelektrode 180 als die Kathode zur Abscheidung. Die Anode der Abscheidung befindet sich in dem Elektrolyten zur Abscheidung oberhalb der Partikel 46. Bei der elektrochemischen Abscheidung setzt sich Gattermaterial auf dem exponierten Teil der Zwischenschicht 180 unter Erzeugung einer elektrisch nichtisolierenden oberen Gatter-Unterschicht 184 entsprechend der Darstellung in 13e ab.
Die Sockel 182A und die Partikel 46 werden unter Erzeugung der Struktur nach 13f entfernt. Die oberen Gatteröffnungen 186 erstrecken sich durch die obere Gatter-Unterschicht 184 an den Stellen der entfernten Sockel 182A unterhalb der Partikel 46 hindurch. Die Entfernung der Sockel 182A und der Partikel 46 kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden. Beispielsweise können die Sockel 182A mit Hilfe eines geeigneten chemischen oder eines Plasma-Ätzmittels entfernt werden, wodurch gleichzeitig die Partikel 46 entfernt werden. Alternativ können die Partikel 46 entfernt werden, nachdem die Sockel 182A entfernt worden sind.
Unter Verwendung der Gatter-Unterschicht 184 als eine Ätzmaske wird die nichtisolierende Zwischenschicht 180 anisotrop durch die oberen Gatteröffnungen 186 hindurch unter Erzeugung korrespondierender Zwischenöffnungen 188 durch die Zwischenschicht 180 hindurch nach unten zur isolierenden Schicht 44 anisotrop geätzt. Siehe hierzu 13g. Jede Zwischenöffnung 188 ist vertikal konzentrisch zu der darüber liegenden oberen Gatteröffnung 186 und hat im Wesentlichen den gleichen Durchmesser. Der Rest 180A der Zwischenschicht 180 ist jetzt die untere Gatter-Unterschicht, wodurch die Zwischenöffnungen 188 die unteren Gatteröffnungen sind. Dementsprechend stellen die Gatter-Unterschichten 180A und 184 eine Verbund-Gatterschicht dar, worin jedes Paar korrespondierender Gatteröffnungen 186 und 188 eine Verbund-Gatteröffnung bildet.
Abgesehen von der Tatsache, dass die Gatterschicht in der Struktur nach 13g aus den Unterschichten 180A und 184 besteht und ausgenommen bei damit auftretenden Kennzeichnungsunterschieden ist die Struktur nach 13g im Wesentlichen die gleiche wie die Struktur nach 7d. Die Positionen 180A/184 und 186/188 in 13g entsprechen den Positionen 120A und 122 nach 1d. Aufgrund dieser Kennzeichnungsunterschiede kann die Struktur nach 13g jetzt mit Hilfe der auf Abstandvorrichtungen beruhenden Rückseiten-Prozessfolge nach 7e bis 7j beendet werden.
Alternativ kann unter Verwendung der Gatterschicht 180A/184 als eine Ätzmaske die isolierende Schicht 44 durch die Gatteröffnungen 186/188 unter Erzeugung korrespondierender offener Zwischenräume des Dielektrikums durch die Schicht 44 nach unten zum unteren nichtisolierenden Bereich 42 geätzt werden. Das Abstandmaterial, bei dem es sich typischerweise um einen elektrischen Isolator handelt, kann konturannehmend auf der Oberseite der Struktur und in die offenen Zwischenräume des Dielektrikums hinein abgeschieden werden, so dass Vertiefungen hinterlassen werden, die ähnlich den Vertiefungen 104 in 5c in dem Abstandmaterial in den offenen Zwischenräumen des Dielektrikums sind. Das Abstandmaterial an dem Boden der offenen Zwischenräume des Dielektrikums wird entfernt, um die Vertiefungen zu Öffnungen umzuwandeln, die sich nach unten zum nichtisolierenden Bereich 42 erstrecken, wonach die filamentären, zur Elektronenemission fähigen Elemente in den Öffnungen erzeugt werden. Durch geeignetes Einstellen der Kugelgröße, der Kugeloberflächendichte und der Dicke des Abstandmaterials kann die resultierende zur Elektronenemission fähige Vorrichtung eine Elektronenemission mit hoher Gleichförmigkeit liefern.
In jedem der Elektronenemitter, die über filamentäre, zur Elektronenemission fähige Elemente verfügen, wie beispielsweise Filamente 106B, 116B, 130A, 134A, 146A, 156B oder 170A, kann die Gatterschicht, die beispielsweise die Gatterschicht 60B, 120A oder 162A, zu Spaltenelektroden-Zeilen gerastert werden, die senkrecht zu den Emitterzeilenelektroden des unteren nichtiso lierenden Bereichs 42 in der gleichen Weise verlaufen, wie die Gatterschicht in den vorstehend erwähnten Prozessen gerastert wurde, die kegelförmige, zur Elektronenemission fähige Elemente lieferte. Indem ein geeignetes Rastern auf die Gatterschicht jedes Feldemitters angewendet wird, der über zur Elektronenemission fähige Elemente verfügt, kann der Feldemitter alternativ mit separaten Spaltenelektroden versehen werden, die die Abschnitte der Gatterschicht berühren und senkrecht zu den Zeilenelektroden verlaufen, wie für die Elektronenemitter beschrieben wurde, die über zur Elektronenemission fähige Kegel verfügen.
Die zur Elektronenemission fähigen Elemente 106B, 116B, 130A, 134A, 146A, 156B und 170A sind echte Filamente, für die das Verhältnis von Länge zu maximalem Durchmesser mindestens 2 und normalerweise mindestens 3 beträgt. Das Verhältnis von Länge zu maximalem Durchmesser beträgt vorzugsweise 5 oder mehr. Die Abschnitte der Filamente 106B, 116B, 130A, 134A, 146A, 156B und 170A unterhalb ihrer Spitzen sind typischerweise Zylinder mit kreisrunden Querschnitten. Nichtsdestoweniger kann der Querschnitt geringfügig vom kreisrunden Querschnitt abweichen. In jedem Fall beträgt das Verhältnis von maximalem Durchmesser zu minimalem Durchmesser für jedes Filament 106B, 116B, 130A, 134A, 146A, 156B oder 170A gewöhnlich nicht mehr als 2.
Variationen und beispielhafte Anwendungen
14 veranschaulicht den Ausgangspunkt für die Herstellung von Auslegungen des erfindungsgemäßen Feldemitters, worin der untere nichtisolierende Emitterbereich 42 aus einer elektrisch leitfähigen Schicht 42A besteht, die sich unterhalb einer mit elektrischem Widerstand behafteten Schicht 42B befindet. Die leitfähige Schicht 42A besteht normalerweise aus einem Metall, wie beispielsweise Nickel oder Chrom. Die mit Widerstand behaftete Schicht 42B wird typischerweise aus Cermet erzeugt, aus leicht dotiertem polykristallinem Silicium oder aus einer Silicium-Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung.
Wenn die leitfähige Schicht 42A zu einer Reihe von parallelen Emitter-Zeilenelektroden gerastert wird, kann die mit Widerstand behaftete Schicht 42B zu der gleichen Zahl von Widerstandslinien gerastert werden, die jeweils die korrespondierende der Zeilenelektroden überlagern. Alternativ kann die mit Widerstand versehene Schicht 42B eine überlagernde (zusammenhängende) Schicht selbst dann sein, wenn die leitfähige Schicht 42A zu parallelen Zeilen gerastert wird.
15.1 bzw. 15.2 stellen dar, wie die fertigen Strukturen von 2g und 5g aussehen, wenn der untere nichtisolierende Bereich 42 aus einer leitfähigen Schicht 42A und einer mit Widerstand behafteten Schicht 42B besteht. Die unteren Enden der zur Elektronenemission fähigen Elemente 58A und 106B berühren die mit Widerstand behaftete Schicht 42B. der Widerstand zwischen jedem zur Elektronenemission fähigen Element und der leitfähigen Schicht 42A beträgt mindestens 10⁶ Ohm und im typischen Fall 10⁸ Ohm oder mehr.
16 stellt ein typisches Beispiel für den aktiven Kernbereich eines CRT-Flachbildschirms dar, bei dem ein flächenhafter Feldemitter zum Einsatz gelangt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das Substrat 40 bildet die Rückseite des CRT-Bildschirms. Der untere nichtisolierende Bereich 42 befindet sich an der Innenseite der Rückseite 40 und besteht hier aus der leitfähigen Schicht 42A und der darüber liegenden, mit Widerstand behafteten Schicht 42B. Die leitfähige Schicht 42A ist in Emitter-Elektrodenzeilen (Zeilenelektroden) unterteilt, die sich lateral parallel zu der Ebene von 16 erstrecken.
Eine Gruppe von Spaltenelektroden 190, von denen ein in 16 gezeigt ist, befindet sich auf der Gatterschicht, hier beispielsweise als die Gatterschicht 60B in dem Feldemitter von 5g gezeigt. Die Spaltenelektroden 190 verlaufen senkrecht zur Ebene von 16. Die Öffnungen der Spaltenelektrode 192, von denen eine in ähnlicher Weise in 16 gezeigt ist, erstrecken sich durch die Spaltenelektroden hindurch nach unten zu der Gatterschicht. Die Öffnung 192 der Spaltenelektrode legt eine Vielzahl der zur Elektronenemission fähigen Elemente frei, die hier als die zur Elektronenemission fähigen Filamente 106B in dem Feldemitter nach 5g gezeigt sind.
Über einer Grundplatte 40 befindet sich eine Frontplatte 194, die transparent ist und im typischen Fall aus Glas besteht. Die lichtemittierenden Leuchtstoffbereiche 196, von denen einer in 16 gezeigt ist, befinden sich auf der Innenseite der Frontplatte 194 direkt über korrespondierenden Spalten-Elektrodenöffnungen 192. Über den Leuchtstoffbereichen 196 an der Innenseite der Frontplatte 194 liegt eine dünne elektrisch leitfähige, lichtreflektierende Schicht 198, die im typischen Fall aus Aluminium besteht. Durch zur Elektronenemission fähige Elemente emittierte Elektronen passieren die lichtreflektierende Schicht 198 und bringen die Leuchtstoffbereiche 196 zur Lichtemission, die ein sichtbares Bild auf der Außenseite der Frontplatte 194 erzeugt.
Der aktive Kernbereich des CRT-Flachbildschirms schließt im typischen Fall andere Komponenten ein, die in 16 nicht gezeigt sind. Beispielsweise wird jeder Leuchtstoffbereich 196 im typischen Fall von einer schwarzen Matrix umgeben, die sich an der Innenseite der Frontplatte 194 befindet, um diesen Leuchtstoffbereich von anderen Leuchtstoffbereichen 196 zu trennen. Fokussierungsrippen, die über der dielektrischen Zwischenelektrodenschicht vorgesehen sind, tragen dazu bei, die Elektronenbahnen zu steuern. Es werden Trennwände verwendet, um einen relativ konstanten Abstand zwischen Rückseite 40 und Frontplatte 194 zu halten.
Bei Einbau in einen Flachbildschirm des in 16 dargestellten Typs arbeitet ein nach der Erfindung hergestellter Feldemitter in der folgenden Weise. Die lichtreflektierende Schicht 198 dient als Anode für die Feldemissionskathode. Die Anode wird auf einer hohen positiven Spannung im Bezug auf die Gatter- und Emitterzeilen gehalten.
Wenn eine geeignete Spannung zwischen (a) einer der ausgewählten Emitterzeilenelektroden in dem unteren nichtisolierenden Emitterbereich 42 und (b) einer ausgewählten Säulenelektrode angelegt wird, die mit der Kontaktschicht oder Kontaktabschnitten erzeugt wurde, so zieht der so ausgewählte Gatterabschnitt Elektronen von den zur Elektronenemission fähigen Elementen an der Schnittstelle der zwei ausgewählten Elektroden an und steuert die Größe des resultierenden Elektronenstroms. Die gewünschten Stärken der Elektronenemission treten im typischen Fall dann auf, wenn das angelegte elektrische Gatter/Emitter-Parallelplattenfeld 20 Volt/μm oder weniger bei einer Stromdichte von 1 mA/cm² erreicht, gemessen an der Leuchtstoff beschichteten Frontplatte des Flachbildschirms, wenn es sich bei den Leuchtstoffbereichen 196 um Hochspannungsleuchtstoffe handelt. Sobald sie von den angezogenen Elektronen getroffen werden, emittieren die Leuchtstoffbereiche Licht.
Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind richtungsbezogene Begriffe, wie beispielsweise "obere", "untere", "nach unten" und dergleichen verwendet worden, um eine Vergleichsgrundlage zu schaffen, mit der der Leser leichter verstehen kann, wie die verschiedenen erfindungsgemäßen Teile zueinander angeordnet sind. In der eigentlichen Praxis können die Komponenten der elektronenemittierenden Vorrichtung in anderen Orientierungen angeordnet sein, als sie mit den hierin verwendeten richtungsbezogenen Begriffen nahegelegt wurde. Das gleiche gilt für die Art und Weise, in der die Fertigungsschritte der Erfindung ausgeführt werden. Was die hier der Einfachheit halber zur Erleichterung der Beschreibung verwendeten richtungsbezogenen Begriffe betrifft, so umfasst die Erfindung Ausführungen, in denen die Orientierungen von denen unterscheiden, die hierin durch die verwendeten richtungsbezogenen Begriffe im engeren Sinn zu verstehen sind.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, dient die vorliegende Beschreibung ausschließlich für die Aufgabe der Veranschaulichung und ist nicht als eine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung auszulegen, wie er nachfolgend beansprucht wird. Wenn die kugelförmigen Partikel 46 beispielsweise aus Glas anstatt aus Polystyrol bestehen, können höhere Verarbeitungstemperaturen während der Schritte eingesetzt werden, die sich von der Abscheidung der Partikel 46 bis zu ihrer Entfernung erstrecken. Die Verteilung der Partikel 46 über der dielektrischen Zwischenelektrodenschicht, der Gatterschicht oder der primären Schicht kann elektrophoretisch oder dielektrophoretisch erfolgen und typischerweise nach den in Haven et al., gemeinsam eingereichten Internationalen Patentanmeldung PCT/US97/09197 beschriebenen Methoden. Ein Verfahrensschritt des Elektropolierens kann ausgeführt werden, um die Kanten der Gatterschicht an den Gatteröffnungen abzurunden.
Zwischen der isolierenden Schicht 44 und der Gatterschicht können eine oder mehrere dünne Zwischenschichten vorgesehen werden, die verschiedene Funktionen ausführen. Eine solche Zwischenschicht kann für eine Adhäsionsfunktion sorgen, d. h. die Zwischenschicht haftet sowohl gut an der dielektrischen Zwischenelektrode 44 als auch an der Gatterschicht, wenn das Gattermaterial nicht von sich aus gut an dem dielektrischen Material der Zwischenelektrode haftet. Die Zwischenschicht wird sodann Verarbeitungsschritten unterzogen ähnlich denjenigen, wie sie bei der Gatterschicht angewendet werden und einschließlich die Erzeugung der Zwischenschichtöffnungen, die mit den Gatteröffnungen korrespondieren.
Eine transparente, elektrisch nichtisolierende Schicht, die sich zwischen der Frontplatte 194 und den Leuchtstoffen 196 befindet und beispielsweise aus Indium-Zinnoxid besteht, kann als die Anode anstelle der lichtreflektierenden Schicht 198 verwendet werden. Das Substrat 40 kann weggelassen werden, wenn der untere nichtisolierende Bereich 42 eine zusammenhängende Schicht ausreichender Dicke ist, um die Struktur zu halten. Das isolierende Substrat 40 kann durch ein Verbundsubstrat ersetzt werden, worin eine dünne Isolierschicht über einer dicken nichtisolierenden Schicht liegt, die für den strukturellen Halt sorgt.
Bei der Herstellung von großflächigen gegatterten Elektronenemittern kann das Substrat 40 die Form einer rechteckigen Platte anstelle eines kreisrunden Wafers haben, die nach der Erzeugung der zur Elektronenemission fähigen Elemente zu einer oder mehreren rechteckigen Platten geschnitten wird. Die zur Elektronenemission fähigen Elemente können andere Formen als Kegel und Filamente haben.
Nach dem Erzeugen einer Struktur, in der Gatteröffnungen sich durch eine Gatterschicht nach unten zur isolierenden Schicht 44 oberhalb des unteren nichtisolierenden Emitterbereichs 42 erstrecken kann die Dicke der Gatterschicht durch selektives Abscheiden von zusätzlichem, elektrisch nicht isolierendem Gattermaterial auf der Gatterschicht erhöht werden. Die Abscheidung von zusätzlichem Gattermaterial kann mit Hilfe einer elektrochemischen Methode ausgeführt werden. In der Regel kann die Abscheidung des zusätzlichen Gattermaterials vor oder nach dem Entfernen der Partikel 46 ausgeführt werden.
Die in Verbindung mit 9 beschriebene Methode zur Beendigung der Abscheidung kann eingesetzt werden, um die elektrochemische Abscheidung von zur Elektronenemission fähigen Filamenten in flächigen Elektronenemittern automatisch zu beenden, wo die Stellen der Filamente durch Mechanismen festgelegt werden, bei denen keine Kügelchen 46 beteiligt sind. Beispielsweise könnte die Methode der automatischen Beendigung nach 9 auf Filamente angewendet werden, die in Öffnungen abgeschieden sind, die mit Hilfe von Methoden des photolithographischen Ätzens erzeugt wurden, oder in Öffnungen, die durch Bahnen von aufgeladenen Partikeln festgelegt wurden wie in der US-P-5 462 467 von Macaulay et al.
Die nach den Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erzeugten flächigen Elektronenemitter können außer zur Herstellung von CRT-Flachbildschirmen zur Herstellung von anderen Vorrichtungen mit Flachbildschirm eingesetzt werden. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Elektronenemitter in allgemeinen Vakuumumgebungen verwendet werden, die gegatterte Elektronenquellen erfordern. Damit lassen sich von der Fachwelt zahlreiche Modifikationen und Anwendungen ausführen, ohne vom Geltungsbereich der in den beigefügten Ansprüche festgelegten Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektronenemittierenden Vorrichtung, welches Verfahren die Schritte umfasst: Verteilen einer Vielzahl von Partikeln (46) über einer Struktur; Nutzen der Partikel zur Festlegung entsprechender Stellen für (a) eine ähnliche Vielzahl von primären Öffnungen (52, 64, 78), die sich durch eine primäre Schicht (50A, 62A, 72) hindurch erstrecken, die über einer elektrisch nichtisolierenden Gatterschicht (48A, 60) vorgesehen wird und die über einer elektrisch isolierenden Schicht (44) in der Struktur erzeugt ist; und (b) eine ähnliche Vielzahl von entsprechender Gattenöffnungen (54, 66, 80, 82), die sich durch die Gatterschicht derart erstrecken, dass jede Gatteröffnung vertikal mit der entsprechenden primären Öffnung ausgerichtet ist; Ätzen der isolierenden Schicht durch die primären Öffnungen (52 oder 64) und der Gatteröffnungen (54, 66, 80) hindurch, um entsprechende dielektrische Öffnungen (56, 68) zu erzeugen, die im Wesentlichen durch die isolierende Schicht nach unten zu dem elektrisch nichtisolierenden Bereich (42) hindurch gehen, der unterhalb der isolierenden Schicht vorgesehen ist; Abscheiden von elektrisch nichtisolierendem Emittermaterial über der primären Schicht (50A, 62A, 72) durch die primären und Gatteröffnungen hindurch und in die dielektrischen Öffnungen hinein, um entsprechende elektronemittierende Elemente (58A, 70A) über den unteren nichtisolierenden Bereich zu erzeugen; und Entfernen der primären Schicht, so dass im Wesentlichen sämtliches Emittermaterial (58B, 70B) entfernt wird, das sich über der primären Schicht angesammelt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Verteilens das Abscheiden der Partikel direkt über einer der isolierenden Schichten (44), der Gatterschicht (60) und der primären Schicht (72) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Verteilens das Verteilen der Partikel über der isolierenden Schicht (44) umfasst und der Schritt des Nutzens umfasst: Bereitstellen von elektrisch nichtisolierendem Gattermaterial (48A, 48B) über der isolierenden Schicht mindestens in dem Raum zwischen den Partikeln; Bereitstellen von primärem Material (48B, 50B) über dem Gattermaterial mindestens in dem Raum zwischen den Partikeln; sowie Entfernen der Partikel und im Wesentlichen des gesamten Materials (48B, 50B), das über den Partikeln liegt, derart, dass (a) das verbleibende primäre Material (50A) die primäre Schicht mit den primären Öffnungen (52) erzeugt, die sich durch diese hindurch erstrecken, und (b) das verbleibende Gattermaterial (48A) die Gatterschicht mit den Gatteröffnungen (54) erzeugt, die sich durch diese hindurch erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt das Verteilen der Partikel über der Gatterschicht (60) umfasst und der Schritt des Nutzens umfasst: Bereitstellen von primärem Material (62A, 62B) über der Gatterschicht mindestens im Raum zwischen den Partikeln; Entfernen der Partikel und im Wesentlichen des gesamten Materials (62B), das über den Partikeln liegt, derart, dass das verbleibende primäre Material (62A) die primäre Schicht mit den primären Öffnungen (64) erzeugt, die sich durch diese hindurch erstrecken; und Ätzen der Gatterschicht durch die primären Öffnungen hindurch, um die Gatteröffnungen (66) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Verteilens das Verteilen der Partikel über der primären Schicht (72) umfasst und der Schritt des Nutzens umfasst: Bereitstellen von weiterem Material (74A, 74B) über der primären Schicht mindestens im Raum zwischen den Partikeln; Entfernen der Partikel und im Wesentlichen des gesamten Materials (74B), das über den Partikeln liegt, derart, dass weitere Öffnungen (76) sich durch das verbleibende weitere Material (74A) an den Stellen der so entfernten Partikel erstrecken; Ätzen der primären Schicht durch die weiteren Öffnungen, um die primären Öffnungen (78) zu erzeugen; und Ätzen der Gatterschicht durch die primären Öffnungen, um die Gatteröffnungen (80, 82) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem jede primäre Öffnung lateral im Wesentlichen nicht größer ist als die entsprechende Gatteröffnung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die primäre Schicht anorganisches dielektrisches Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Gatterschicht Metall aufweist, durch das hindurch ein genaues Ätzen kleiner Öffnungen schwierig ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Gatterschicht Gold aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die zur Elektronenemission fähigen Elemente allgemein in Form von Kegeln erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die zur Elektronenemission fähigen Elemente allgemein in Form von Filamenten erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem die Partikel größtenteils kugelförmig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die zur Elektronenemission fähigen Elemente weitgehend die gleiche Größe haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die zur Elektronenemission fähigen Elemente im Feldemissionsmode betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner einschließend den Schritt des Bereitstellens einer Anodenvorrichtung (194, 196, 198) oberhalb und beabstandet von den zur Elektronenemission fähigen Elementen zum Aufnehmen von Elektronen, die durch die zur Elektronenemission fähigen Elemente emittiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Anodenvorrichtung als ein Teil einer lichtemittierenden Struktur bereitgestellt wird, die über zur Lichtemission fähige Elemente (196) zum emittieren von Licht beim Auftreffen von Elektronen in der Lage ist, die von den zur Elektronenemission fähigen Elementen emittiert werden.