DE2413942A1 - Verfahren zur herstellung von duennfilmfeldemissions-elektronenquellen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von duennfilmfeldemissions-elektronenquellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen,
insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle mit einer Spitze im
Elektronen-Emissionsbereichj durch Verdampfung und Fotoätzung.
Eine bekannte Feldemissions-Elektronenquelle wird in einem Aufbau
verwendet, bei dem eine elektronenemutierende Substanz nadelförmig
ausgebildet und als Kaifcode verwendet wird. Zur Beschleunigung wird auf der Außenseite eine Elektrodenplatte vorgesehen,
um das elektrische Feld an der Nadelspitze zu konzentrieren.
Als Material für die nadeiförmige KaÜoode wird W in Form von
./■
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Ein- oder Mehrkristallen verwendet. Neuerdings werden auch Boride wie LaBg verwendet.
Derartige Feldemissions-Elektronenquellen haben jedoch den
Nachteil, daß ein sehr hohes Vakuum (etwa 10 Torr) und eine hohe Spannung (mehrere zehn kV) notwendig sind und der
Emissionsstrom unstabil ist. Die Feldemission wird daher verglichen mit der thermionischen Emission nur in geringem Maße
angewendet.
Kürzlich wurde eine von Nachteilen freie Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle
vorgeschlagen, die sandwichartig aufgebaut ist, also aus mehreren Schichten besteht, nämlich einem
Substrat, einem Metallfilm, einem Isolierfilm und einem Metallfilm, wobei innerhalb einer kleinen Ausnehmung ein Feldemissionskonus
angeordnet ist. Diese Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle
arbeitet bei niedrigen Spannungen. Da die Emissionsquelle gut abgeschirmt ist und das konzentrierte elektrische
Feld auf die Ausnehmung begrenzt ist, ist die Stabilität verbessert. Auch kann mit einem niedrigeren Vakuum als bei bisher
bekannten Elektronenquellen gearbeitet werden.
Bisher werden derartige Dünnfilm-Elektronenquellen, bei denen der Emitter und die Beschleunigungsanode aus dünnen Filmen bestehen,
auf zweierlei V/eise hergestellt.
Nach dem ersten Verfahren werden auf ein Substrat aus Saphir oder dergleichen drei Filmschichten aus Metall - Isolator Metall
(z.B. Mo - Al^O, - Mo) aufgebracht. Durch Maskenaufdampf
ung oder Ätzung wird eine kleine Ausnehmung gebildet, die die zweite und dritte Schicht durchdringt. Zur Herstellung einer
mit einer Spitze versehenen Kathode in der Ausnehmung werden zwei Materialien schräg und senkrecht aufgedampft. Da die
Aufdampfung an der Öffnung der Ausnehmung durch die schräge Aufdampfung allmählich aufhört, wird in der Ausnehmung durch nor-
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male bzw. senkrechte Aufdampfung die zum Emitter werdende Spitze erzeugt. Schließlich wird nur das durch Schrägaufdampfung
abgelagerte Material selektiv gelöst und entfernt. Auf diese Weise wird die Elektronenquelle hergestellt.
Das zweite Verfahren ähnelt dem ersten, unterscheidet sich jedoch von diesem durch die Art der Herstellung der Spitze.
Unter Ausnutzung der Wirkung des ersten Schichtmaterials oder eines zusätzlichen Materials, das zuvor in einer dünnen Schicht
auf die erste Schicht aufgebracht wurde, wird die Spitze in der Ausnehmung durch Wärmebehandlung ausgefällt oder als Kristall
aufgewachsen. Die prinzipiellen Grundlagen dieses Verfahrens sind zwar bisher nicht vollständig erforscht, es ist
jedoch bei einigen Materialarten anwendbar. Das Verfahren hat den Vorteil, daß in der Ausnehmung auch mehrere Spitzen ausgebildet
werden können.
Das zweite Verfahren hat gegenüber dem ersten den Nachteil, daß das Material für die Elektronenquelle, mit dem das elektrische
Feld konzentriert wird, nicht frei gewählt und als Material für den Spitzenteil benutzt werden kann. Bisher haben
sich nur eine geringe Anzahl von Materialarten als zur Ausbildung des Spitzenteils geeignet erwiesen.
Das erste Verfahren unterliegt nicht der Beschränkung des zweiten hinsichtlich des Materials der Spitze, Es ist daher
als Herstellungsverfahren für Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen
hervorragend geeignet. Jedoch erfordern die gleichzeitigen normale und schräge Aufdarapfung zur Herstellung der
Spitze in der Ausnehmung einen extrem hohen technischen Aufwand, Insbesondere ist es schwierig, beide Aufdampfungen genau
zu steuern.
Es ist daher schwierig, nach dem ersten Verfahren die Ausbeute bei der Herstellung zu erhöhen. Soll eine große Anzahl von
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Elektronenquellen auf eine große Fläche verteilt werden, so ist die Herstellung zwar prinzipiell möglich jedoch äußerst
schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten bei der Herstellung gemäß den bekannten Verfahren zu beseitigen
und ein Verfahren zur leichten Herstellung einer Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle
durch Kombination der herkömmlichen Aufdampfungstechnik zur Bildung dünner Filme und der Ätztechnik
anzugeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle
zeichnet sich dadurch aus, daß
1. ein erster Film mit einem vorherbestimmten Muster, das zu den Kathoden und Kathodenanschlüssen- weiter verarbeitet
werden soll, und der aus einem elektrischen Leiter besteht, durch Aufdampfung, Aufdampfung und Fotoätzung oder Maskenaufdampfung
auf einem Substrat hergestellt wird, daß
2. ein zweiter Film vorherbestimmter Stärke aus einem elektronenemütierenden
Material zur Verwendung als Emitter auf die gesamte Oberfläche des Substrats nach Vollendung des
ersten Schrittes aufgedampft wird, daß
3. auf den zweiten Film ein lichtbeständiges oder Elektronenstrahl-beständiges
Material in einer vorherbestimmten Form jeder Emitterspitze (z.B. kreisförmig oder quadratisch,
wenn die Form der Emitterspitze ein Punkt ist und rechteckig, wenn die Form der Emitterspitze eine gerade Linie ist) so
aufgebracht wird, daß wenigstens ein Teil desselben, in senkrechter Richtung gesehen, oberhalb des Kathodenmusters
des ersten Films liegt, daß
4. durch Mesa-Ä'tzung der zweite Film von jeder Öffnung des beständigen
Musters so weit geätzt wird, daß der zweite Film in der Nachbarschaft des mittleren unteren Teils des be-
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ständigen Musters geschärft wird und an diesem Teil ein
schmaler flacher Bereich verbleibt, daß
5. das beständige bzw.. empfindliche Material entfernt wird, daß
6. auf der gesamten Oberfläche des Substrats nach Vollendung
des fünften Schrittes ein dritter Film aus elektrisch isolierendem Material als Elektroden-Auflage in dem Maße aufgedampft
wird, daß seine gesamte"Fläche oberhalb der Höhe des zweiten Films liegt, daß
7. der dritte Film in dem Maße poliert wird, daß seine Oberfläche
flach wird und jeder Spitzenteil des zweiten Films gerade verborgen bleibt, daß
8. nach Vollendung des siebten Schrittes auf dem dritten Film
außerhalb der direkt über den Spitzen der Spitzenteile des zweiten Films liegenden Flächen ein vierter Metallfilm mit
vorherbestimmtem Muster zur Ausbildung der Beschleunigungsanodenanschlüsse durch Aufdampfung und Fotoätzung oder durch
Maskenaufdampfung hergestellt wird, und daß
9» unter Verwendung des vierten Films als Maske oder eines auf dem vierten Film verbleibenden beständigen Films nur der
dritte Film in dem Maße geätzt wird, daß die zu den Spitzen der Spitzenteile des zweiten Films liegenden Bereiche freigelegt
werden.
Als Substrat wird im allgemeinen ein Isoliermaterial wie Glas, Keramik oder Saphir verwendet. Soll nur eine einzige Elektronenquelle
auf einem Substrat ausgebildet werden, so kann als Substrat ein elektrisch gut leitendes Material wie Metall verwendet
werden. Es ist auch möglich, den ersten Schritt wegzulassen, wenn das Substrat als erster Film verwendet wird.
Als Material für den ersten und vierten Film werden Mo, V/, Ta,
Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr oder Hf oder eine Legierung aus wenigsten zwei dieser Elemente verwendet. Der
erste Film kann auch aus einem Halbleiter wie Si oder Ge oder
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einer leitfähigen Verbindung bestehen, beispielsweise aus verschiedenen
Boriden, Nitriden und Karbiden wie LaBg.
Als Material des zweiten Films wird das gleiche Material wie das des ersten oder vierten Films verwendet. Auch kann ein
Borid einer seltenen Erde oder eine feste Lösung desselben verwendet werden. Eine geeignete feste Lösung besteht aus einem·
Borid seltener Erden und alkalischer Erdmetalle wie Ca, Sr, oder Ba und einem Borid eines Übergangsmetalls wie Hf oder Zr.
Auch Si oder Ge können verwendet werden.
Als Material für den dritten Film kann ein Isoliermaterial wie SiO, SiO2, Al2O,, MgO, CeO, CaF2 oder MgF2 verwendet werden.
Wird beim achten Schritt mit Fotoätzung gearbeitet, so wird in der Regel ein den dritten Film nicht korrodierendes Ätzmittel
verwendet. Bei hinreichender Überwachung der Ätzbedingungen kann Jedoch auch ein den dritten Film in gewissem Maße korrodierendes
Ätzmittel verwendet werden.
Beim neunten Schritt wird ein Ätzmittel verwendet, das weder den zweiten noch den vierten Film, sondern nur selektiv den
dritten Film ätzt.
Hinsichtlich des Polierend beim siebten Schritt sei angemerkt,
daß manchmal günstige Ergebnisse erzielt werden, wenn außer mechanisch auch chemisch poliert wird. Hat der im sechsten
Schritt gebildete dritte Film keine deutlichen Vorsprünge in der Nähe der Spitzenbereiche des zweiten Films und hat er eine
ausreichende Stärke, so kann manchmal der siebte Schritt weggelassen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle werden die gleichzeitige
Schräg- und Normalaufdämpfung überflüssig, die bei dem bekannten
Verfahren Schwierigkeiten bereitete. Es wird lediglich normal
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oder die gesamte Fläche bedampft. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist daher sehr leicht durchzuführen. Ferner sind nur einfache Apparaturen notwendig.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Elektronenquellen
unterschiedlicher Formen und für unterschiedliche Verwendungszwecke sehr leicht ohne Beschränkung hinsichtlich Form und
Anwendungszweck hergestellt werden. Ferner können bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren sehr genaue Tol.eranzen eingehalten
und die Entstehung von nicht maßhaltigem Ausschuß weitgehend vermieden werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 (a) bis 1 (d) Querschnitte einer Dünnfilm-Feldemissions-
Elektronenquelle während der Herstellung nach dem bekannten Verfahren unter normaler
und schräger Aufdampfung;
Fig. 2 die perspektivische Darstellung einer auf bekannte Weise hergestellten Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle,
bei der die Emitter durch Wärmebehandlung hergestellt sind; und
Fig. 3 (a) bis 3 (f) Querschnitte einer Dünnfilm-Feldemissions-
Elektronenquelle während der Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im folgenden sollen· das bekannte und das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-ElekronenqueIlen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Nach dem bekannten Verfahren, bei dem normal und schräg aufgedampft
wird, wird zunächst ein Sandwich-Dünnfilmaufbau bestehend aus einem Mo-Film als Kathodenelektrode 2 , einem AIpO, Film
als Trägerfilm 3 und einem Mo-Film als Beschleunigungselektrode
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4 auf einem isolierenden Keramiksubstrat 1 ausgebildet (Fig.1
(a)). In den oberen Filmen 3 und 4 wird eine Ausnehmung 5 hergestellt. Unter Drehung des Substrats werden die gleichzeitigen
Aufdampfungen vorgenommen, und zwar aus einer Mo-Verdampfungsquelle,
die auf der Verlängerung der durch die Ausnehmung verlaufenden und zur Filmoberfläche des Sandwichaufbaues
senkrechten Mittellinie liegt, und aus einer AlpO^-Ver-
dampfungsquelle, die gegenüber der Mittellinie um etwa 75 verdreht
ist. Mit zunehmender Aufdampfzeit wird die Öffnung der
Ausnehmung kleiner und die Öffnung wird schließlich verschlossen, da gemäß Fig. 1 (b) der Auffallwinkel so gewählt ist, daß
die verdampften Al2O,-Moleküle nicht auf den Teil unterhalb
der Öffnung der Ausnehmung des Mo-Beschleunigungselektrodenfilms 4 fallen. Inzwischen wird gemäß Fig. 1 (c) ein Emitter
6 in Form eines Mo als Hauptbestandteil enthaltenden, nadeiförmigen Vorsprungs in der Ausnehmung zv/ischen dem Mo-Film 2
der Kathodenelektrode und dem Mo-Film 4 der Beschleunigungslektrode
ausgebildet. Nachfolgend wird ein Teil, der am Moilm 4 der Beschleunigungselektrode anhaftet und aus einem Geisch17
aus Mq und AIpO, besteht, chemisch gelöst und mit siedender Phosphorsäure entfernt. Auf diese Weise kann gemäß Fig.
1 (d) eine Elektronenstrahlquelle mit ebener Kaltkathode aus dem Dünnfilmaufbau gewonnen werden.
Das vorstehend beschriebene bekannte Verfahren hat jedoch die
folgenden schwerwiegenden Nachteile:
1. wird das Substrat um die Mittellinie durch die Ausnehmung
und die Mo-Verdampfungsquelle gedreht, so ist die Anordnung der Mo- und AIpO, -Verdampfungsquellen und der Drehachse
schwierig, um zu vermeiden, daß AIpO, in den nadeiförmigen
Mo-Emitter gemischt wird.
2. Wenn das Gemisch aus Aluminiumoxyd (AIpO,) und Mo am Mo-Film
der Beschleunigungselektrode nach den gleichzeitigen
Verdampfungen anhaftet, wird er durch die siedende Phosphorsäure gelöst und entfernt, was bei dem an Mo reichen Alu-
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miniumoxyd verhältnismäßig schwierig ist.
3. Es ist schwierig, eine ebene Kaltkathode mit großer Fläche
herzustellen.
Nach diesem Verfahren ist es extrem schwierig, Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen
in Massenfertigung herzustellen.
Nach dem bekannten Verfahren, bei dem ein Material mit verhältnismäßig
niedrigem Schmelzpunkt wie Al auf eine Dünnfilm-Sandwichanordnung gemäß Fig. 1 (a) aufgebracht und. darauf in
der Ausnehmung 5 durch Wärmebehandlung ein nadeiförmiger Emitter aufgewachsen wird, ergibt sich eine Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle,
wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die größte Schwierigkeit hierbei ist, wie bereits erwähnt, daß das
Material mit gutem Elektronen-Emissionsvermögen nicht frei für
den Emitter gewählt werden kann.
Die Herstellungssehritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden anhand der Schnittbilder der Figuren 3 (a) bis 3 (f)
erläutert.
Zunächst wird auf ein Substrat 7 (z.B. aus Glas, Keramik oder
Saphir) ein erster Metallfilm 8 aufgedampft. Da der Film 8 als Kathoden oder Kathodenverdrahtungsmuster verwendet wird, kann
er elektrisch gut leitend sein. Es kann auch ein Halbleiter oder eine andere geeignete Verbindung verwendet werden. ¥enn
mehrere, unabhängig voneinander zu verwendende Elektronenquellen hergestellt werden, muß der Film 8 in Form eines Musters
ausgebildet werden. Dabei v/ird durch eine Maske aufgedampft oder das Muster wird nach der Auf dampf ung durch Fot ätzung hergestellt.
Darauf wird ein zweiter Film 9 auf die gesamte. Oberfläche aufgedampft
(Fig. 3 (a)). Da der Film 9 zu Spitzen ausgearbeitet wird und den Hauptteil jeder Elektronenquelle bildet, wird für
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diesen ein islektronenemittierendes Material gewählt.
Darauf wird ein licht- oder elektronenstrahlbeständiger Film 10 aufgebracht, belichtet und entwickelt.
Entsprechend der Form jeder zu bildenden Spitze hat.der verbleibende
beständige bzw. empfindliche Film 10 ein Muster einer Form mit einer zu einem Punkt oder einer Linie zulaufenden Breite,
das heißt, er ist kreisförmig, quadratisch oder rechteckig. Dieses Muster und das Verdrahtungsmuster des Films 8 müssen,
senkrecht zu den Filmen gesehen, einander wenigstens zum Teil überlappen. Sonst besteht die Gefahr, daß die Spitze nicht mit
der Kathode verbunden wird. Nur der Film 9 wird durch den empfindlichen Film 10 hindurch durch Mesa-Ätzung behandelt. Die
Ätzung wird abgebrechen, wenn der Film 9 Spitzen aufweist (Fig.
Darauf wird gemäß Fig. 3 (c) der empfindliche Film 10 entfernt
und auf die gesamte Fläche ein dritter Film 11 aufgedampft. Der dritte Film 11 muß aus einem elektrischen Isolator
bestehen. Die Stärke des Films wird ausreichend groß gemacht, um zu verhindern , daß der untere Teil jeder Spitze tiefer zu
liegen kommt als das äußere Ende derselben. Sonst wird leicht die Isolation schlecht. Der Film 11 kann aufgestäubt oder durch
Aufwachsen aus der Dampfphase aufgebracht, jedoch nicht aufgedampft werden. Der Film 11 weist in der Nähe jeder Spitze 9
Vorsprünge auf , die eine weitere Bearbeitung verhindern. Seine obere Oberfläche wird daher poliert und abgeflacht (Fig. 3
(d)). Das Polieren wird beendet, unmittelbar bevor die Spitze 9 freiliegt.
Sind die VorSprünge in der Nähe der Spitzen 9 nicht störend und ist die Stärke des Films 11 richtig, so kann auf das Polieren
manchmal verzichtet werden. Bekanntermaßen ist das Polierergebnis in manchen Fällen besonders gut, wenn außer auf mecha-
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nischem auch auf chemischem Wege poliert wird.
Darauf wird ein vierter Film 12 aufgedampft. Da der Film 12
als Beschleunigungsanode jeder Elektronenquelle dient, wird hierfür ein guter elektrischer Leiter verwendet. Ferner wird
der Film 12 durch Fotoätzung geätzt, sodaß gemäß Fig. 3 (e) die in der Nähe der Spitzen 9 liegenden Teile entfernt werden
können. In diesem Zustand kann der zwischen den jeweils einander benachbarten Beschleunigungselektroden 12 freiliegende
dritte Film gleichzeitig unterätzt werden. Dabei kann ein den Film 11 nicht korrodierendes Ätzmittel verwendet werden.
Bei befriedigender Steuerung der Ätzbedingungen kann auch ein.
den Film in gewissem Maße korrodierendes Ätzmittel verwendet werden. Bei Aufdampfung des Films 12 durch eine Maske kann das
Muster auch ohne Ätzung gebildet werden.
Darauf wird unter Verwendung eines Ätzmittels, das weder den Film 12 noch die Spitze 9 und nur den Film 11 selektiv ätzt,
der Film 11 soweit weggeätzt, daß die Spitzen 9 freiliegen. Damit ist die Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquelle fertig
(Fig. 3 (f)).
Damit können erfindungsgemäß alle Aufdampfungen aus einer Verdampfungsquelle
durchgeführt werden. Damit sind die Aufdampfungen
nicht nur extrem einfach sondern können auch mit einer einfachen
Aparatur durchgeführt werden. Natürlich können mehrere Verdampfungsquellen benutzt werden, um das aus mehreren Elementen
bestehende System aufzubauen. Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, ist die Aufdampfung durch eine Maske zuweilen
anwendbar, obwohl hiermit gegenüber der Ätztechnik keine ausreichende Genauigkeit erreicht werden kann. Die Verfahrensschritte
können jedoch vereinfacht werden. Was schließlich das Polieren des dünnen Films betrifft, so können verschiedene
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bekannte Verfahren angewendet werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können folgende Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen
hergestellt werden:
1. Elektronenquellen mit einem Punkt mit rechteckiger, quadratischer
oder kreisförmiger Öffnung, "bei der das äußere Ende der Spitze des zweiten Films punktförmig ist.
2. Elektronenquellen mit einer einzigen Linie, deren Öffnung rechteckig oder dergleichen ist und "bei der das äußere
Ende der Spitze der zweiten Schicht in Form einer Linie ausgebildet ist.
3. Zusammengesetzte oder Verbund-Elektronenquellen mit mehreren punktförmigen oder linienförmigen Elektronenquellen,
die regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sind.
4. Verbund-Elektronenquellen mit einer Verdrahtung, die die unabhängige Speisung der einzelnen Elektronenquellen gestattet,
können mit Hilfe der jeweiligen Emitter voneinander
unabhängige Felder erzeugen.
5. Bei der unabhängig zu betreibenden Verbund-Elektronenquelle wird eine Verbund-Elektronenquelle mit langer Lebensdauer
verwendet, bei der wenigstens ein Emitter als erste Elektronenquelle dient und ein weiterer Emitter als Reserve-Elektronenquelle
verwendet wird.
6. Ebene Elektronenquellen, bei denen punkb- oder linienförmige
Elektronenquellen reihenweise angeordnet sind.
7. Elektronenquellen zur Wand- oder Musteranzeige, die eine Anzahl von punkt- oder linienförmigen Elektronenquellen
enthalten, die unabhängig voneinander betrieben werden können.
8. Verbund-Elektronenquellen, bei denen eine Anzahl linienförmiger
Elektronenquellen parallel zueinander angeordnet sind,
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die je so aufgebaut sind, daß das äußere Ende der Spitze
des zweiten Films geradlinig ist.
9. Elektronenquellen zur Anzeige, die längs gekrümmter Linien Elektronen emittieren, bei denen das äußere Ende der Spitze
des zweiten Films gekrümmt ist, und bei denen die Öffnung entsprechend ausgebildet ist.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens, zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen
beschrieben.
Ein Saphirplättchen von 1 mm Stärke wurde als Substrat verwendet.
Auf das Substrat wurde bei einer Temperatur von etwa 5000C
mittels eines Elektronenstrahls Mo mit einer Stärke von etwa 0,2 μm aufgedampft und zum ersten Kathodenfilm gemacht. Darauf
wurde bei einer Substrattemperatur von 8000C unter Verwendung
eines gesinterten Stücks aus einer intermetallischen Verbindung von LaBg als Rohmaterial ein zweiter Film LaBg mit einer Stärke
von 0,2 μΐη durch Elektronenstrahlverdampfung aufgetragen.
Unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure als
Ätzmittel und nach dem Fotoätzverfahren wurde so geätzt, daß · einzelne Elektronenquellen-Vorsprünge mit punktfÖrmigen Spitzen
gebildet wurden, und zwar in Abständen von 5 mm. Bei einer Substrattemperatur von 5000C wurde wiederum mittels Elektronenstrahlaufdampfung
Al2O, bis zu einer Stärke von 2,5 bis 3 U m
aufgedampft. Die Oberfläche des AIpO,-Films wurde beispielsweise
durch Läppen mit einer Diamantpaste leicht poliert und abgeflacht.
Ferner wurde bei einer Substrattemperatur von 5000C Mo bis auf eine Stärke von 0,2 μηι aufgedampft. Danach wurde das
Mo über den Spitzen mittels einer wässrigen Lösung aus Salpeter-"
säure weggeätzt, sodaß sich ein Beschleunigungselektroden-Film bildete. Darauf wurde der Al2O, -Film mit einer erhitzten Lösung
aus Phosphorsäure gelöst, so daß die Spitzen freigelegt wurden. Ferner wurde zur Zentrierung der Elektronenquelle angerissen
und das Substrat wurde in die einzelnen Elektronenquellen
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zerteilt. Schließlich wurde das ganze in einem Vakuumofen bei 1000°C 30 Minuten lang durch Wärme behandelt. Damit war die
Dünnfilm-Punkt-Elektronenquelle aus LaBg fertig.
Die Elektronenquelle wurde auf dem Teil eines Fadens für ein Elektronenmikroskop befestigt. Der Elektronenstrom wurde bei
einer Spannung von 220 V zwischen der Beschleunigungselektrode und der Kathode gemessen. Nach 100 Stunden Versuchsdauer hatten
sich die Kennwerte nicht geändert. Der Emissionsstrom war ausreichen!
stabil, die Helligkeit des Bildes war um das Mehrfache höher als bei bekannten Heizfäden und die Auflösung war verbessert.
Bei Betrachtung der Spitze mit einem abtastenden Elektronenmikroskop ergab sich eine Krümmung von etwa 0,1 μ m
Die erfindungsgemäß hergestellte Dünnfilm-Elektronenquelle hat also eine verbesserte Helligkeit, eine, geringere Größe, eine
lange Lebensdauer und benötigt eine geringere Speisespannung.
Insbesondere ist bei der erfindungsgemäß hergestellten Elektronenquelle
im Gegensatz zu einer Thermionenqüelle keine Heizung erforderlich. Sie spricht daher praktisch unverzögert an.
Patentansprüche
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Claims (12)
1.) Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldemissions-Elektronenquellen,
dadurch gekennzeichnet,
daß
1. auf einem Substrat durch Aufdampfung ein erster Film
• mit einem vorherbestimmten Muster gebildet wird, der als Kathode und Kathodenverdrahtung aus einem elektrischen
leitfähigen Material besteht, daß
2. auf die gesamte Oberfläche des Substrats nach Vollendung
des ersten Schrittes ein zweiter Film vorherbestimmter Stärke aufgedampft wird, der zur Verwendung als
Emitter aus einem elektronenemittierenden Material besteht, daß
3. auf dem zweiten Film ein Film aus empfindlichem Material mit einer Form ausgebildet wird, die sich durch Erweiterung
eines Emitter-SpitzenteELs auf eine vorherbestimmte Form ergibt, so daß wenigstens ein Teil des empfindlichen
Films über dem Muster des ersten Films für die Kathode liegt, wenn der empfindliche Film in senkrechter Richtung
betrachtet wird ,daß
4. der zweite Film von einer Öffnung des empfindlichen Films durch Mesa-Ätzung in dem Maße geätzt wird, daß in der
Nachbarschaft eines mittleren unteren Teils des Musters des empfindlichen Films der zweite Film geschärft wird
und ein kleiner flacher Teil übrig bleibt, daß ,
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5. der Film aus empfindlichem Material entfernt wird, daß
6. nach Vollendlang des fünften Schrittes auf die gesamte Fläche des Substrats ein dritter Film aufgedampft
wird, bis die gesamte Fläche des dritten Films oberhalb der Höhe des zweiten Films liegt, wobei der dritte
Film zur Verwendung als Elektrodehtrager aus elektrischisolierendem
Material hergestellt wird, daß
7. der dritte Film durch Polieren bis kurz vor Austreten der Spitzen abgeflacht wird, daß
8. nach Vollendung des siebten Schrittes auf dem dritten Film und auf Teilen außer einem Teil, der direkt über dem äußeren
Ende des Spitzenteils des zweiten Films liegt, ein vierter Film mit einem vorherbestimmten Muster ausgebildet
wird, der zur Verwendung als Beschleunigungsanode aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, und daß
9· nur der dritte Film unter Verwendung des Musters des vierten Films als Maske geätzt wird, bis die benachbarten Teile
des äußeren Endes der Spitze des zweiten Films freiliegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat aus einem elektrischen Leiter hergestellt wird, wobei es auch als erster Film für die Kathode
dient.
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-lh
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Isoliermaterial
hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .das Substrat aus Glas, Keramik oder
Saphir besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Film aus einem Metall besteht,
und zwar aus Mo, ¥, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu,. Nb, Ni, Cr, Ti, Zr, oder Hf oder aus einer Legierung dieser
Metalle.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Film aus einem Halbleiter
oder einer elektrisch leitfähigen Verbindung besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Film aus einem Metall besteht,
und zwar aus Mo, W, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr, oder Hf oder aus einer Legierung dieser
Metalle.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn
e t, daß der zweite Film aus wenigsten einer Verbindung
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seltener Erdboride besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Film aus einer festen Lösung aus
einem Borid einer seltenen Erde oder eines alkalischen
Erdmetalls oder einem Borid eines Übergangsmetalls besteht.
einem Borid einer seltenen Erde oder eines alkalischen
Erdmetalls oder einem Borid eines Übergangsmetalls besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Film aus Si oder Ge besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
,daß der dritte Film aus SiO, SiO2, Al2O,, MgO, CeO>
CaF2 oder MgF2 besteht.
CaF2 oder MgF2 besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der vierte Film aus einem Metall besteht, und
zwar aus Mo, ¥, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr,Ti,Zr, oder Hf aus einer Legierung dieser Metalle.
zwar aus Mo, ¥, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr,Ti,Zr, oder Hf aus einer Legierung dieser Metalle.
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