DE69104393T2

DE69104393T2 - Flachgestaltete Kaltkathode mit spitzen Enden und Herstellungsverfahren derselben.

Info

Publication number: DE69104393T2
Application number: DE69104393T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kado; Masanori Watanabe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-03-01
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-03-01
Also published as: EP0444670A3; EP0444670B1; DE69104393D1; EP0444670A2; JPH03252025A; US5148079A; JP2574500B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Elektronenquelle in Gestalt einer flachen Kaltkathode mit spitzen Endbereichen, die einen minimalen Krümmungsradius haben.

Beschreibung des Standes der Technik

Bisher ist eine Vielzahl von Kaltkathoden des Dünnschicht-Feldemissionstyps vorgeschlagen worden. Von diesen soll eine flache Kaltkathode, wie sie in fig. 6 dargestellt ist (vgl. beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift SHO 63-274047/1988), in der Lage sein, Elektronen zu emittieren, wenn eine Spannung von 80 V oder darüber angelegt wird. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist diese Kaltkathode zusammengesetzt aus einer Kaltkathode 24, die so angeordnet ist, daß sie auf der Oberfläche eines Isolationssubstrats 23 einer Anode 25 gegenübersteht. Auf der der Anode gegenüberstehenden Seite der Kaltkathode wird mit einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich eine große Anzahl dreieckiger, konvexer Bereiche gebildet, die jeweils einen spitzen Endbereich mit einem minimalen Krümmungsradius aufweisen. Der Abstand zwischen dem spitzen Endbereich des konvexen Bereichs der Kaltkathode und der Anode beträgt 0,1 um. Wenn an die so aufgebaute Kaltkathode und die Anode eine Spannung von 100 V oder darüber angelegt wird, baut sich wegen des kleinen Krümmungsradius des spitzen Endbereichs der Kaltkathode ein starkes elektrisches Feld von 2 x 10&sup7; V/cm am spitzen Ende des konvexen Bereichs auf, was zur Feldemission von Elektronen am spitzen Endbereich führt.
Obwohl die vorgenannte flache Kaltkathode den beschriebenen Vorteil aufweist, muß der Krümmungsradius am spitzen Endbereich der Kaltkathode so klein wie möglich gemacht werden, und die Elektroden müssen in einem Abstand im Submikron-Bereich gebildet werden. Bei dem derzeitigen Mikrofabrikationsverfahren unter Anwendung der bekannten Photoätztechnik liegt der Grenzwert jedoch bei etwa 0,7 um. Um eine Mikrofabrikation im noch kleineren Bereich auszuführen, muß daher eine Atztechnik ohne Maske, beispielsweise die FIB- Technik, angewendet werden. Mit dieser Technik läßt sich jedoch nur schwer eine großflächige Kaltkathode ausbilden, und diese Technik ist außerdem aus Kostengründen im Herstellungsverfahren praktisch nicht einsetzbar.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine planare bzw. flache Kaltkathode mit spitzen Enden zur Verfügung zu stellen, die bei relativ geringer Spannung einen Elektronenstrahl erzeugen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zum Herstellen flacher Kaltkathoden, die spitze Endbereiche mit einem minimalen Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter aufweisen, zur Verfügung zu stellen.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen flacher Kaltkathoden mit spitzen Endbereichen unter Einsatz der lsotropätztechnik zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß eine flache Kaltkathode zum Erzeugen von Elektronenemission in einem Feld zur Verfügung gestellt, aufweisend eine planare Kaltkathode und eine Anode, die so auf einem Isolationssubstrat ausgebildet sind, daß sie einander gegenüberstehen, wobei die Kaltkathoode im wesentlichen dreieckige, konvexe Bereiche aufweist, die in Richtung auf die Anode vorspringen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zwei spitzen Enden eines jeden der konvexen Bereiche, die durch die Hauptebenen der Kaltkathode definiert sind, einen Krümmungsradius von 0,1 um oder weniger aufweist und daß dieses eine spitze Ende eines jeden der konvexen Bereiche so ausgebildet ist, daß es auf die Anode weiter vorspringt als dessen anderes spitzes Ende.
Da die erfindungsgemäße planare Kaltkathode sehr spitze Endbereiche mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um hat, wird es möglich, eine Elektronenemission bei einer angelegten Spannung von weniger als 100 V zu erzeugen.
Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Kaltkathode zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Resistschicht auf der Schicht aus leitfähigem Material, die auf einer lsolationsschicht vorgesehen ist, wobei die Resistschicht zwei Bereiche aufweist, die voneinander getrennt sind und eine Gestalt ähnlich der einer zu bildenden Kaltkathode mit im wesentlichen dreieckigen, konvexen Bereichen bzw. ähnlich der einer zu bildenden Anode aufweisen; Atzen der Schicht aus leitfähigem Material unter Einsatz der Isotropätztechnik, wobei deren seitliche Atztiefe mindestens mehr beträgt als der Krümmungsradius des spitzen Endes eines jeden dreieckigen, konvexen Bereiches der Resistschicht.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Resistschicht mittels der herkömmlichen Mikrofabrikationstechnik gebildet werden, weil es möglich ist, sehr spitze Enden der Kaltkathode mit einem Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter zu bilden, auch wenn die spitzen Enden von dreieckigen, konvexen Bereichen der Resistschicht nicht ganz so spitz ausgebildet werden wie die erstgenannten.
Wenn die lsotropätztechnik zum Einsatz kommt, wird die Kaltkathodendünnschicht unter der Resistschicht von beiden Seiten des Endbereichs der Resistschicht aus geätzt. Wenn also seitlich geätzt wird, so daß die Atztiefe zumindest größer wird als der Krümmungsradius am spitzen Endbereich der Resistschicht, erhält zumindest der spitze Endbereich an der Oberseite der unter der Resistschicht gebildeten Kaltkathode einen sehr kleinen Krümmungsradius, und durch weiteres Ätzen wird auch der spitze Endbereich an der Unterseite der Kaltkathode sehr klein. Weil der spitze Endbereich an der Unterseite so ausgebildet ist, daß er gegenüber der Oberseite vorspringt, wird außerdem hinsichtlich der Krümmung des spitzen Endbereichs der Kaltkathode in Richtung der Schichtdicke der Krümmungsradius des vorspringenden Bereichs in dieser Richtung sehr klein. Somit kann auch ohne Einsatz einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich, wie der FIB-Technik, mit herkömmlicher Ätztechnik eine Kaltkathode mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um gebildet werden, was flache Kaltkathoden ergibt, die hinsichtlich der Herstellungskosten deutliche Vorteile aufweisen. Wenn an eine auf diese Weise gebildete Kaltkathode und eine der Kaltkathode gegenüberliegende Anode eine Spannung angelegt wird, baut sich auch bei einem Elektrodenabstand von mehr als 1 um an jedem spitzen Endbereich der Kaltkathode ein starkes elektrisches Feld auf, so daß die flache Kaltkathode bei geringer Spannung funktionsfähig ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus nachfolgender Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
Fig. 1: eine perspektivische Darstellung einer flachen Kaltkathode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: den Aufbau der Kaltkathode und der Anode bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1;
Fig. 3 erläuternde Darstellungen zur Veranschaulichung des Herstellungsverbis 5: fahrens für eine flache Kaltkathode in der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1; und
Fig. 6: eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen flachen Kaltkathode.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie in vergrößertem Maßstab wiedergegeben, hat eine flache Kaltkathode 1 dreieckige, konvexe Bereiche 4' die von einer ihrer Seitenkante horizontal abstehen, und jeder konvexe Bereich 4 hat an seinem Ende sehr spitze obere und untere Enden 2 und 3, die von der oberen bzw. der unteren Hauptebene des Bereichs definiert werden. Erfindungsgemäß ist das obere spitze Ende 2 so gebildet, daß sie - gemessen an der oberen Hauptebene - einen Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter hat. Das untere spitze Ende 3 ist so gebildet, daß es weiter vorspringt als das obere spitze Ende.
Fig 2 ist eine perspektivische Teilansicht des Aufbaus der Kaltkathode 1 und der Anode 5, die so angeordnet ist, daß sie der Kathode 4 gegenüberliegt. Die Elektroden 1 und 5 sind jeweils auf einem Isolationssubstrat 6 gebildet, und bei beiden ist eine Kante so gebildet, daß sie über einen konkaven Bereich des Substrats 6 hinausragt. Wenn an diese Elektroden eine Spannung angelegt wird, wobei die Anodenseite das höhere Potential erhält, wird am spitzen Endbereich eines jeden konvexen Bereichs der Kaltkathode 1 auch bei einein Elektrodenabstand von mehr als 1 um ein starkes elektrisches Feld erzeugt, was zur Elektronenemission führt.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße flache Kaltkathode. Nach Ausbildung einer 1 um dicken SiO&sub2;-Schicht 8 als lsolationsschicht auf der Oberfläche eines Si-Substrats durch thermische Oxidation wird zur Bildung der Elektroden 1 und 5 auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht 8 eine 0,2 um dicke WSi&sub2;-Schicht abgeschieden. Auf der Oberfläche dieser WSI&sub2;-Schicht 9 werden mit einem photolithographischen Verfahren eine Resistschicht 11 mit dreieckigen, konvexen Bereichen 10 und eine Resistschicht 12, die der Resistschicht 11 gegenüberliegt, gebildet (Fig. 3). Der Krümmungsradius im Endbereich der Spitze eines jeden konvexen Bereichs 10 der Resistschicht 11 beträgt etwa 0,5 um. Anschließend erfolgt seitliches Atzen durch Eintauchen des Substrats in Nitro-Flußsäure für vier Minuten zum isotropen Ätzen, wobei gleichzeitig eine Dünnschicht-Kaltkathode 16' die unter dem spitzen Endbereich 13 der Resistschicht 11 einen spitzen Endbereich 14 mit einem sehr kleinen Krümmungsradius die die Form einer vorspringenden Hauptoberfläche 15 hat, und eine gegenüberliegende Anode 17 gebildet werden (Fig. 4). Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wurde eine Kaltkathode mit einem spitzen Endbereich 15 mit einem Krümmungsradius von etwa 300 Å gebildet. Anschließend wird die auf der Oberfläche der Kaltkathode 16 verbliebene Resistschicht 18 entfernt und das Substrat dann in eine Puffer-Ätzlösung (Lösungsgemisch aus einem Teil HF und sechs Teilen NH&sub4;F) getaucht, um das isotrope Ätzen der SiO&sub2;-Schicht 8 durchzuführen, wobei unter den Kantenbereichen der Kaltkathode und der Anode ein konkaver Bereich 20 gebildet wird und die überstehenden spitzen Endbereiche beider Elektroden gebildet werden (Fig. 5).
Wenn an die so gebildete Kaltkathode 21 und die Anode 22 eine Spannung angelegt wird, wird ein starkes elektrisches Feld von mehr als 10&sup7; V/cm erzeugt, und es erfolgt am spitzen Endbereich eine Feldemission von Elektronen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Kombination von Elektrodenmaterial und lsolationsmaterial nicht auf WSi&sub2; und SiO&sub2; beschränkt ist; vielmehr können auch W, Mo, W&sub2;C, NbC oder HfC, die einen hohen Schmelzpunkt und eine niedrige Austrittsarbeit haben und in der Puffer-Atzlösung schwer löslich sind, als Elektrodenmaterial und ein Material wie Glassheet, das in der Puffer-Atzlösung löslich ist, als Material für das Isolationssubstrat miteinander kombiniert werden.
Auuch wenn bei der vorliegenden Ausführungsform das herkömmliche Photoresistmaterial verwendet wurde, kann ferner nach dein Abscheiden von SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; auf der Oberfläche eines Kaltkathodenmaterials das durch Photoätzen dieser Materialien erhaltene Material als Resistmaterial verwendet werden. Wenn diese Materialien für die Resistschicht verwendet werden, kann eine seitliche Atzinenge im Umfang von 1 um oder mehr erreicht werden.
Wenn in Anwendung der vorliegenden Ausführungsform des Herstellungsverfahrens eine Elektronenquelle hergestellt wird, die so gestaltet ist, daß mehrere Kaltkathoden einer Anode gegenüberliegen, ergibt sich auch bei Leistungsschwankungen einzelner Kaltkathoden insgesamt ein Mittelwert, so daß eine stabile Elektronenquelle gegeben ist.

Bedeutung der Erfindung

Erfindungsgemäß kann auch ohne Anwendung einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich, wie der FIB-Technik, eine Kaltkathode mit spitzem Endbereich mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um einheitlich und wiederholbar hergestellt werden, so daß eine Elektronenquelle erhältlich ist, die bei einer niedrigen Spannung unter 100 V eine Feldemission von Elektronen bewirken kann. Bei Verwendung dieser Elektronenquelle wird es möglich, mit geringen Kosten ein sehr schnelles Schaltelement und ein Sichtanzeigeelement herzustellen.

Claims

1. Planare Kaltkathode (1) zum Erzeugen von Elektronenemission in einem Feld, aufweisend eine planare Kaltkathode (4) und eine Anode (5), die so auf einem lsolationssubstrat (6) ausgebildet sind, daß sie einander gegenüberstehen, wobei die Kaltkathode (4) im wesentlichen dreieckige, konvexe Bereiche aufweist, die in Richtung auf die Anode vorspringen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zwei spitzen Enden (2, 3) eines jeden der konvexen Bereiche, die durch die Hauptebenen der Kaltkathode (4) definiert werden, einen Krümmungsradius von 0,1 um oder weniger aufweist, und daß dieses eine spitze Ende eines jeden der konvexen Bereiche so ausgebildet ist, daß es auf die Anode (5) weiter vorspringt als dessen anderes spitzes Ende (2, 3).

2. Herstellungsverfahren für eine Kaltkathode, aufweisend die folgenden Schritte:

Bilden einer Resistschicht (11) auf einer Schicht (9) eines leitfähigen Materials, welche auf einer Isolationsschicht (8) vorgesehen ist, wobei die Resistschicht (11) zwei Bereiche (10, 12) aufweist, die voneinander getrennt sind und eine Gestalt ähnlich der einer zu bildenden Kaltkathode mit im wesentlichen dreieckigen, konvexen Bereichen bzw. ähnlich der einer zu bildenden Anode aufweisen;

Ätzen der Schicht (9) aus leitfähigem Material unter Einsatz der Isotropätztechnik, wobei deren seitliche Ätztiefe mindestens mehr beträgt als der Krümmungsradius des spitzen Endes eines jeden dreieckigen, konvexen Bereiches (10) der Resistschicht; und

Entfernen der Resistschicht.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei jeder dreieckige konvexe Bereich der Kaltkathode zwei scharfe spitze Enden (2, 3) aufweist, die durch dessen Hauptebenen definiert werden, wobei mindestens eines der zwei scharfen spitzen Enden (2, 3) einen Krümmungsradius von 0,1 um oder weniger hat.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei eines der zwei scharfen spitzen Enden (2, 3) so ausgebildet ist, daß es auf die Anode weiter vorspringt als das andere.

5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, weiter aufweisend einen Schritt, bei dein Bereiche des Isolationssubstrats (3), die unterhalb des Umfangs entsprechender dreieckiger, konvexer Bereiche der Kaltkathode angeordnet sind, durch Einsatz der Isotropätztechnik entfernt werden, so daß jedes der spitzen Enden davon über den geätzten Bereich des Isolationssubstrats überhängt.