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(11) | EP 0 073 031 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Anordnung zur Erzeugung von Feldemission und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| (57) Bei einer Anordnung zur Erzeugung von Feldemission an einem Element, das aus einer
elektrisch isolierenden Platte (1), einer ersten Elektrode (2), einer Isolierschicht
(3) und einer zweiten Elektrode (4) besteht, werden den Kanten der zweiten Elektrode
(4) kleine metallische Inseln (5) vorgelagert. Vorzugsweise bestehen die Inseln (5)
aus dem Elektrodenmaterial. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Feldemission an einem Element bestehend aus einer elektrisch isolierenden Platte, einer ersten Elektrode, einer Isolierschicht und einer zweiten Elektrode. Sie betrifft ferner spezielle Verwendungsmöglichkeiten einer solchen Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung.
[0002] Verfahren zur Erzeugung von Feldemission aus Metallen im Vakuum sind seit langem bekannt. Sie arbeiten meistens mit einer oder mehreren feinen Wolframspitzen und nützen das erhöhte elektrische Feld aus, das beim Anlegen einer Spannung zwischen den Spitzen und einer Gegenelektrode an den Spitzen entsteht. Zur Erzielung praktisch verwertbarer Emissionsströme sind an den Spitzen Feldstärken von mehr als 107V/cm erforderlich. Neuerdings werden solche Feldemitter auch auf photolithographischem Weg in Verbindung mit speziellen Aufdampfprozessen hergestellt (C.A. Spindt et al., J.Appl. Phys. 47,12 (1970) S. 5248). Anordnungen dieser Art werden meistens für die Verwendung als Kaltkathoden konzipiert, wo Dauerströme geliefert werden müssen. Sie sind jedoch auch für kurzzeitige Emissionen, z.B. zum Triggern von Gasentladungen geeignet. Anordnungen zur Ansteuerung diskreter Einzelemitter in einer Matrix sind bisher aber nicht bekanntgeworden. Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Feldemission verwendet Dünnfilm-MIM-Strukturen (Metall-Isolator-Metall). Unter Verwendung dieser Strukturen ist versucht worden, über eine Matrix ansteuerbare Emitter herzustellen (R.W. Lomax, J.G. Simmons, Radio and Electron., Mai 1968, S. 265). Dies ist jedoch aufgrund deren Kennlinie nur durch Vorschalten von Dioden möglich. Zudem ist die reproduzierbare Herstellbarkeit schwierig.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Anordnung zu schaffen, die als Feldemitter verwendbar ist und mit der Gasentladungen, insbesondere in Plasma-Panels verzögerungsfrei gezündet werden können.
[0004] Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise mit einer Anordnung der eingangs genannten Art lösen läßt, bei der den Kanten der zweiten Elektrode kleine metallische Inseln vorgelagert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Patentansprüchen bis 5 beschrieben. Die Patentansprüche b bis 14 betreffen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung. Patentansprüche 15 bis 17 haben drei Verwendungsmöglichkeiten zum Gegenstand.
[0005] Die erfindungsgemäße Anordnung kann wie folgt hergestellt werden:
1. Die Inseln an den Kanten der zweiten Elektrode ergeben sich zwangsläufig beim Aufdampfen der Elektrode durch eine Maske hindurch, die nicht völlig auf der Isolierschicht aufliegt. Der Abstand zwischen der Maske und der Isolierschicht sollte vorteilhafterweise 10 bis 50 µm betragen. Dies kann erzielt werden, wenn die Maske ohne anzudrücken locker auf die Isolierschicht aufgelegt wird. Durch diesen Spalt werden die Ränder der Aufdampfschicht nicht scharfkantig, weil die Aufdampfquelle, z.B. Schiffchen oder Wendel, nicht punktförmig ist. Die Schichtdicke fällt dort vielmehr stetig innerhalb einiger /um auf Null ab. Dünne Aufdampfschichten von z.B. kleiner als ca. 5 nm sind jedoch nicht mehr zusammenhängend, sondern besitzen Inselstruktur. Dies tritt auch an der stetig auslaufenden Aufdampfkante auf.
2. Die Inseln können auf einfache Weise auch photolithographisch hergestellt werden.
Dabei wird von einer an der Oberfläche leicht aufgerauhten Isolierschicht ausgegangen.
Die rauhe Oberfläche der Isolierschicht kann z.B. erhalten werden, wenn die Isolierschicht
aus Polytetrafluoräthylen besteht. Hierfür wird das Substrat mit der ersten Elektrode
in eine wäßrige Polytetrafluoräthylen-Dispersion eingetaucht und anschließend bei
400 °C gesintert. Die Schichtdicke beträgt ca. 2 bis 5 /um.
Bei Materialien, die glatte Beschichtungen ergeben, kann eine Mikrorauhigkeit der
Oberfläche z.B. durch Ätzung erhalten werden. Bei einer Si02-Schicht kann die Ätzung mit Flußsäure durchgeführt werden. Die Oberflächenrauhtiefe
sollte ca. 0,1 bis 0,5 /um betragen.
Auf diese rauhe Oberfläche wird dann die zweite Elektrode in an sich bekannter Weise
in einer Schichtdicke von ca. 0,1 bis 0,5 µm photolithographisch aufgebracht. Die
aufgedampfte Metallschicht wird anschließend mit Photolack beschichtet, wobei die
Photolackschicht etwas dicker als die Rauhigkeitstiefe der Isolierschicht ist, durch
eine Photomaske hindurch belichtet und entwickelt. An den belichteten Stellen wird
er unter Freilegung der Metallschicht entfernt. Anschließend wird die Metallschicht
so lange geätzt, bis der verbliebene, nicht belichtete Photolack an den Rändern unterätzt
wird, und zwar mit einer Eindringtiefe von mehr als 0,1 µm, vorzugsweise 0,5 bis 1
µm. Durch die Mikrorauhigkeit der Oberfläche der Isolierschicht erfolgt die Unterätzung
nicht gleichmäßig, so daß kleine metallische, floatende Inseln entstehen.
[0006] Die Erfindung wird anhand von beiliegenden, lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung
Figur 1 im Querschnitt den Aufbau eines Einzelelementes;
Figur 2 in Draufsicht ein Einzelelement;
Figur 3 eine Anordnung zur Messung der Feldemission bei einem erfindungsgemäßen Element;'
Figur 4a bis g) Feldemission an einem Element mit an den Kanten der zweiten Elektrode vorgelagerten Inseln;
Figur 5 Aufbau eines dynamischen Speichers in auseinandergezogener Darstellung und
Figur b eine mögliche Matrixausbildung aus vielen Einzelelementei Figur 1 zeigt ein Einzelelement der Anordnung, bestehend aus einer isolierenden Trägerplatte 1, einer ersten Elektrode 2, einer Isolierschicht 3 und einer zweiten Elektrode 4. Legt man nun zwischen die Elektroden 2 und 4 eine Spannung an, wobei die Elektrode 4 negativ gepolt ist, so tritt an den Kanten der Elektrode 4 bei genügend hoher Spannung Feldemission auf, die auf die hohe Feldstärke an diesen Kanten zurückzuführen ist. Dieser Effekt ist bekannt. Weiter ist bekannt, daß aus Oberflächen von Metallen, die Oxid- oder Anlaufschichten bilden, wie z.B. Aluminium oder Magnesium, Feldemission bereits bei Feldstärken von ca. 105 V/cm auftritt. Es hat sich nun aber überraschenderweise gezeigt, daß die Feldemission besonders hoch ist, wenn den Kanten der Elektrode 4 kleine metallische Inseln 5 vorgelagert sind. Ohne diese Inseln muß die zwischen den Elektroden 2 und 4. anzulegende Spannung zwei- bis dreimal so groß sein wie bei vorhandenen Inseln, um eine meßbare Feldemission zu erreichen.
[0007] Die Elektrode 4 besteht erfindungsgemäß vorzugsweise aus einer ca. 0,5 /um dicken Aluminiumschicht. Sie wird nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt, um an den Kanten die Inselbildung zu erzielen. Bei photolithographischer Herstellung kann sie auf einfache Weise so strukturiert werden, daß die Gesamtlänge ihrer Kanten, die der Elektrode 2 gegenüberstehen, möglichst groß wird. Im Beispiel nach Figur 2 geschieht dies durch einen Fensterausschnitt 6. Das Einzelelement kann sehr klein sein, z.B. ca. 10 /um x 10 /um.
[0008] Gemäß der in Figur 3 dargestellten Anordnung wird mit Hilfe eines Sekundärelektronen-Vervielfachers (Channeltron) die Feldemission gemessen. Hierfür wird im Abstand von ca. 50 /um zur Elektrode 4 mit Hilfe eines Abstandhalters eine weitere Elektrode 7 angebracht, die als Netz ausgebildet ist. Schließlich befindet sich ca. 5 mm über dem Netz 7 der Trichter 8 eines Channeltrons. Die Verstärkung des Channeltrons beträgt ca. 108. Die Anordnung wird in ein evakuierbares Gehäuse eingebaut und auf ca. 10 mbar evakuiert.
[0009] Im Anschluß 9 des Channeltrons wird eine Spannung von +2,5 kV bis +4,5 kV und an das Netz 7 wird eine Spannung von +100 V bis +200 V angelegt. Die Elektrode 4 liegt an Erdpotential. Wird an die Elektrode 2 ein Spannungsimpuls von ca. 100 V angelegt, so tritt an den Kanten der Elektrode 4 Feldemission auf. Ein Teil der emittierten Elektronen wird durch das Saugnetz 7 zum Channeltron hin beschleunigt und dort verstärkt. Nach einer Verzögerungszeit von ca. 25 ns (Laufzeit im Channeltron) ist am Anschluß 10 das verstärkte Signal meßbar. Die Feldemission erfolgt nur in einem Zeitraum von ca. 100 ns und bricht dann wieder ab, auch wenn die Spannung an der Elektrode 2 weiterhin anliegt. Soll erneut Feldemission erfolgen, so muß die Polarität der Spannung an der Elektrode 2 umgekehrt werden, wodurch wieder eine Emission von ca. 100 ns Dauer erfolgt usw. Dieser Effekt ist mit dem Ladungszustand an den Kanten der Elektrode 4 vorgelagerten Inseln erklärbar. Die Inseln werden während der Emission gegenüber den Kanten je nach Vorzeichen des Potentials an der Elektrode 2 entweder positiv oder negativ aufgeladen. Diese Ladungszustände bleiben auch nach Abschalten der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 4 erhalten. Die Feldemission an einem solchen Element wird in den Figuren 4a) bis 4g) gezeigt, in denen jeweils eine Einzelzelle im Schnitt dargestellt ist.
[0010] Die Inseln 5 bilden mit der Elektrode 2 die Kapazität C1 und mit der geerdeten zweiten Elektrode 4 die Kapazität C2 (Fig.4a). Der Einfachheit halber ist angenommen worden, daß C1 = C2 ist. Legt man an die Elektrode 2 die Spannung -U an (z.B. -150 V), so liegt die Insel 5 auf -U/2 (Fig. 4b). Wegen des kleinen Abstands zur Kante der zweiten Elektrode 4 entsteht aber zu dieser hin eine hohe Feldstärke. Dadurch kommt es zur Elektronenemission von den Inseln 5 zur Kante hin, wobei das Potential der Inseln 5 um den Betrag ΔU positiver wird (Fig. 4 c).
[0011] Die Emission hört auf, wenn
- entweder die Potentialdifferenz -U/2 + ΔU so klein wird, daß keine weitere Feldemission stattfindet
- oder bei Verwendung von Aluminium als Elektrodenmaterial die auf der Oxidhaut vorhandenen, besetzten Oberflächenzustände (die eine genügend kleine Austrittsarbeit besitzen) geleert worden sind.
[0012] Nach Abschalten der Spannung -U bleiben positiv geladene Inseln 5 zurück (Fig. 4d). Bei erneutem Anlegen der Spannung -U erfolgt keine Emission mehr.
[0013] Nun wird an die erste Elektrode 2 die Spannung +U angelegt (Fig. 4e). Dadurch werden die Inseln 5 auf das Potential +U/2 + ΔU angehoben, so daß jetzt die Feldemission von der Elektrodenkante zu den Inseln 5 hin stattfinden kann. Dadurch wird das Potential der Inseln 5 kleiner (Fig. 4f), und die Emission bricht bei einer Potentialdifferenz +U/2 -ΔU' wieder ab. Nach Abschalten von +U bleiben jetzt die Inseln 5 negativ geladen (Fig. 4g).
[0014] Wird nun an die erste Elektrode 2 erneut die Spannung -U angelegt, so kann der dargestellte Zyklus von neuem beginnen.
[0015] Die Schwellspannung für Feldemission im Beispiel gemäß Fig. 4 liegt bei ca. 85 V. Wegen dieser Schwelle ist eine Matrixansteuerung vieler Einzelelemente nach Figur 6a) und b) möglich. Die Elektroden 2 bilden die Zeilen, die Elektroden 4 die Spalten der Matrix. Sie sind durch die Isolierschicht 3 voneinander getrennt. Im Ruhezustand liegen z.B. alle Elektroden an Erdpotential. Legt man nun an eine der Elektroden 2 z.B. -50 V und an eine der Elektroden 4 z.B. +50 V an, so liegt am Kreuzungspunkt der beiden Elektroden die Potentialdifferenz von 100 V, die bei entsprechendem Ladungszustand der Inseln an dieser Stelle zur Feldemission führt. An den anderen Stellen der Matrix wird nirgendwo die Potentialdifferenz von 50 V überschritten, so daß dort keine Feldemission auftreten kann. Der Nachweis der Emission erfolgt in der in Fig. 3 beschriebenen Anordnung.
[0016] Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Verwendung zum Triggern von Gasentladungen, z.8. in Plasma-Panels oder zum verzugsfreien Einleiten von Gasentladungen im Elektretspeicher, der in der DE-OS 26 27 249 beschrieben ist.
[0017] Der Aufbau eines Elektretspeichers wird in Figur 5 gezeigt. Der Speicher wird zwischen zwei Glasplättchen 1 und 1' aufgebaut. Auf jedes dieser Plättchen werden parallele Leiterbahnen 2, 2' und darauf eine Isolierschicht 3, 3' aufgebracht. Darauf wird dann ein netz derart hergestellt, daß es die zweite Elektrode 4, 4' mit vorgelagerten Inseln bildet und daß die Maschen des Netzes den Leiterbahnen 2, 2' gegenüberliegen. Zum Schluß werden die Isolierschichten 3, 3' mit Hilfe des Flüssig-Kontakt-Verfahrens aufgeladen (formiert) und die Gläschen mit Hilfe eines Abstandhalters derart montiert, daß die auf ihnen aufgebrachten Leiterbahnen 2, 2' senkrecht zueinander verlaufen. Der Zwischenraum wird mit Neon + 0,1 Argon gefüllt und bildet die Gasentladungsstrecke. An jedem Kreuzungspunkt der Leiterbahnen 2, 2', d.h. in den Maschen der beiden Netze 4, 4' liegt jeweils ein Speicherelement. Das Netz 4, 4' liegt auf Masse, die Leiterbahnen 2, 2' werden zur Zündung des am Kreuzungspunkt liegenden Elementes erdsymmetrisch angesteuert. Nur am Kreuzungspunkt der beiden ersten Elektroden 2, 2' liegt die volle Zündspannung UZ. Gleichzeitig liegt zwischen den angesteuerten ersten Elektroden 2, 2' und den zugehörigen Netzmaschen 4, 4' die Spannung UL/2, so daß an den mit Inseln versehenen Netzkanten eine Feldemission auftritt. Die dabei emittierten Elektronen fuhren zur verzögerungsfreien Zündung der Gasentladung am Kreuzungspunkt der ersten Elektroden 2, 2'.