CN1413353A - 用于场发射阴极中动态电子束形状修正的分段栅极驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电子束形状的动态调整的场发射阴极。通过将栅极场发射阴极的栅极电极(17)分段、并独立地驱动不同的栅极段来形成所需的电子束形状，电子束形状调整得以完成。随着电子束被偏转，栅极段可以导通和截止，这允许动态调整电子束的像差。聚焦透镜(32)可以设置在栅极阴极上，以产生平行电子束。此外，可以制造中空阴极来将电子束中的空间电荷的排斥减至最小。
Description
技术领域
本发明涉及用于诸如阴极射线管(CRT)的装置的电子枪。更具体地，涉及具有整体电极的改良的场发射阵列(field emission array)。
背景技术
需要电子束的阴极射线管(CRT)和任何其它装置通常包括从阴极引发热电子发射的热灯丝。很久以来就已经致力于开发依靠电子的场发射的冷阴极来取代热阴极。对于低电流装置，诸如扫描电镜，存在大量的描述场发射电子枪的专利。还存在大量的场发射平板显示器的专利，在该场发射平板显示器中，场发射器具有低的工作周(low duty cycle)。对于诸如TV显示器的高电流应用，现有技术的基于钼和硅的场发射阴极还没有证明对于商业应用的充分耐用性。尖端损伤因背景气体的存在引起的离子背散射而发生，且尖端在以高电流密度驱动时破坏。
已经证明，碳基微尖端阴极能得以制造，且能用作钼或硅基微尖端场发射阴极的替换物。也已经证明，可以利用集成电路制造技术("AdvancedCVD Diamond Microtip Devices for Extreme Applications″，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.509(1998))在自对准结构中将金刚石与栅极电极完整地集成。
场发射阴极开发中的许多工作致力于用于平板显示器的电子源。美国专利第3,753,022号公开了一种具有绝缘体和导体的若干沉积层的微定向电子束源，以聚焦和反射电子束。沉积层具有穿过点形场发射源蚀刻的柱体。该装置通过材料沉积技术制造。美国专利第4,178,531号公开了一种具有场发射阴极的阴极射线管。该阴极包括多个隔开的、点状的凸起，每个凸起具有其自身的场发射引发电极。聚焦电极用于产生电子束。该结构产生多束调制电子束，该电子束在大致平行的路径上以束的方式透射，以聚焦在CRT的屏幕上，并在其上扫描。公开了利用光致抗蚀剂或热致抗蚀剂(thermalresist)层的制造方法。美国专利第5,430,347号公开了一种冷阴极场发射装置，该装置具有作为该装置的一整体部分的静电透镜。静电透镜具有尺寸上不同于栅极电极的第一孔的孔。静电透镜系统据认为提供了一电子束横截面，使得可以采用约2至25微米的像素尺寸。现有技术的电子发射器的侧部正视图的计算机模拟图像得以显示。
美国专利第5,786,657号提出了一种方法来将环绕电势(surroundingelectric potential)对来自场发射器的电子束的非均匀影响减至最小。发射表面上的孔和具有适当电势的电极被用于将电子束的畸变减至最小。
近来的文章公开了场发射器电子枪在CRT中的使用(″Field-EmitterArray Cathode-Ray Tube″，SID 99 Digest，pp.1150-1153，1999)。该文章公开了通过将直径栅极和其它调节器制造得更小而减小电子束直径的部件。此外，椭圆形电子束外围的有限像素清晰度的问题得以讨论，且描述了提高电子束聚焦的分段(segmented)或分离聚焦电极的制造和使用。
当电子束穿过电子光学系统并聚焦到物体上时，空间电荷、电子束偏转、电子束尺寸和位置、以及其它因素影响电子束的形状。当电子束被磁性或静电偏转时，电子束的形状还会随偏转的角度而变化。动态电子束成形方法和装置的改进为CRT或其它装置中使用的场发射器阵列提供了附加的价值。动态电子束成形方法应当广泛适用于最终电子束形状需要改进的各种情况，诸如当电子束被磁场偏转时。动态电子束成形方法应当允许电子束不同偏转角度时的连续调整。
发明内容
本发明提供装置和方法，以动态地调整来自具有栅极电极的场发射阴极的所发射的电子束的形状。阴极发射体可以是碳基的，但也可以使用其它发射体材料。场发射源阵列中的栅极电极对于阵列不同区域内的每个发射体或每组发射体是独立控制的。栅极电极的电压控制允许发射能关闭或启动，或者能在密度上在不同的区域间得以调整。此控制允许通过调整自阴极阵列发射的电子束的发射面积和形状来动态修正电子束像差。控制电压可以从驱动电路提供，该驱动电路可被微控制器控制。
附图说明
为了更完整理解本发明及其优点，现在参照结合附图的以下说明，在该附图中，相同的附图标记表示相同的部件，且其中：
图1A、1B和1C是场发射阵列区域的说明性视图，该场发射阵列具有阵列中每个发射体独立控制的完整集成的分段栅极电极；
图2A和2B是场发射阵列区域的说明性视图，该场发射阵列具有用于分别控制阵列的各区域的完整集成的分段栅极电极；
图3A和3B是场发射阵列的说明性视图，该场发射阵列具有完整集成的分段栅极电极和集成的聚焦电极；
图4显示了用于形成发射体阵列的制造过程，该阵列具有一体的选取(extraction)和聚焦电极，并具有对该选取电极区域的控制；以及
图5示出了发射阵列的CRT中的应用，该发射阵列具有通过电路的对该阵列区域的控制。
具体实施方式
参照图1A，场发射体阴极区域的图例总体标识为10。发射体材料12用于利用下述的过程在发射体材料上形成尖端14的阵列。在一实施例中，发射体材料12是如1998年12月10提交的共同受让的正在审理的专利申请SN 09/169,908和SN 09/169,909中所公开的那样的碳基材料，该申请在此处参考引用。在其它实施例中，发射体材料12为钨、钼、硅或通常用于场发射源的其它材料，或者诸如氮化镓或氮化铝镓的宽带隙发射体。在发射体材料上生长绝缘层16，然后在绝缘层上沉积栅极电极17。然后，利用如同时待审的专利申请SN 09/169,908和SN 09/169,909中所述的蚀刻技术在每个发射体周围定义栅极孔。在图1A和1B中，对于每个发射点，栅极电极17被显示为分段的或隔离的。通道18将分段的选取电极连接至引线焊点19。粘接在焊点上的引线(未示出)可以提供电压来控制每个点的发射。随着一般大量的发射点出现在阵列上，此实施例要求大量的通道、焊点、引线和控制电压源。可以使用将控制电压连接至每个选取栅极的任何方法。通道可以延伸至阵列的边缘。可以使用直接键合到栅极表面上的引线。动态电子束调整可以如下述那样通过对电子束形状的最大控制而进行。
图1B显示了阴极10的切面。栅极17是介电层16顶部上的薄金属层。图1C示出了装置的横截面，该横截面显示了自尖端14发射的电子束15。选择栅极电极17上的电压以获得所需的束电流。虽然阴极10被显示为圆形结构，但是，应当理解的是，阴极一般可以是正方形的、矩形的或其它任何所需的形状。
在图2A中，场发射体阵列区域的图例总体标识为20。图2所示的材料可以与图1中所示的相同，但是在图2中，在发射体阵列区域上的选定段中，选取栅极集聚在一起，形成如区域22表示的电压控制区。选择电压控制区域22以实现动态控制电子束形状的所需性能，如下所述。诸如区域22的区域可以形成一定的形状以提供优选的结果。区域数量大于1，且小于微尖端的总数。区域可以呈穿越阵列的条纹、成同心图案、或者呈任何其它形状。焊点可以出现在这种阵列上，如图1所示，但是可选地，可以将引线键合应用到诸如区域22的区域上。图2B显示了阵列20的区域的切面视图。
在两种情形(聚集或非聚集栅极电极)下，可以在分段栅极层上加上额外的集成聚焦透镜层。选取栅极确定了实际上在电子上方并发射电子的结构的区域；聚焦透镜趋向于自每个发射尖端产生平行电子束。图3示出了总体标识为30的分段场发射体阵列的区域，该区域包括整体式聚焦透镜32。存在选取电极17，但介电层16现在延伸到电极17上方。焊点34暴露在区域周边，以允许到图1的选取电极17的选定段或图2所示的区域22上的引线键合。焊点可以电连接到整体式聚焦透镜32上，且引线键合可以直接施加在透镜段上。图3B显示了阵列区域的横截面。电子束36的电流量通过选取栅极17控制，且每个波束泄出被每个点14周围的聚焦电极32聚焦。栅极电极17确定哪个尖端启动。
用于制造此处公开的分段或独立选取栅极的制造工艺包括标准场发射阵列制造步骤与共同待审的共同受让的专利申请SN 09/169,908和SN09/169,909、以及1999年7月19日提交的题为“Compact Electron Gun andFocus Lens”的专利申请中所述的步骤的特殊组合，所有的这些文献在此处被引用作为参考。图4显示可以使用的制造工艺的步骤。发射体阵列由适当的材料制造，例如碳基材料或此处公开的其它材料。通常，这种阵列在往后被切割成管芯的晶片的表面上的选定部分中生长，其中每个部分具有发射尖端阵列，如现有技术所公知的那样。在生长尖端后，在尖端上方生长或沉积通常由氧化硅构成的介电层或绝缘层。然后使用公知的技术沉积导电金属层。然后，光致抗蚀剂层作为标准光刻工艺的一部分而得以沉积，以形成所需的用于选取栅极结构、通道和连接引线焊点的图案。在尖端周围蚀刻孔之前，这些步骤导致导致诸如图1和图2所示的结构。为了形成图3所示的结构，在选取电极上沉积第二绝缘层，然后生长将形成聚焦透镜的第二金属层。然后，沉积第二光致抗蚀剂层，但是，它不象第一层这种层那样构图。相反，此层用于形成自对准聚集透镜结构。抗蚀剂层被旋涂成薄层，且光致抗蚀剂材料树脂被固化。光致抗蚀剂层在阵列的微尖端上方较薄，该层导致每个微尖端上方的凸起。此特征允许进行受控干法蚀刻，以仅暴露凸起的尖端上的第二金属层。然后，一系列的湿法和/或干法蚀刻允许贯穿连续的导电和绝缘层进行蚀刻，直至暴露发射体尖端。整个结构类似于井底部的尖端。
在暴露发射体尖端后，聚焦层被光刻构图以形成最终的装置结构。每个装置由一个分段阵列构成。然后可以蚀刻掉晶片上在将是不同阴极装置的部分之间的过多金属。接着蚀刻到栅极结构接触焊点的通道，以暴露诸如图3A的焊点34的栅极电极接触焊点。优选地，叠层如图3A所示那样形成，使得介电层16延伸至发射材料12的边缘。发射材料优选地呈管芯的形式，在晶片上在所选位置处生长场发射点阵列之后，该管芯从该晶片上切下。相似地，为了将短路减至最少，聚焦电极32优选地不延伸至图3所示的介电层16的边缘。虽然图1、2和3中显示了圆形面积的发射阵列，但是，管芯通常被切割成矩形或其它形状。每个管芯上的场发射阵列可以同样为矩形、圆形或任何其它的所需形状。
图5示出了分段场发射阵列在阴极射线管(CRT)中的应用。除阴极外，CRT 50为传统结构。通常的热电子发射阴极被总体标识为52的场发射阴极结构替代。参照图5B，陶瓷衬底53支撑具有分段发射阵列56的管芯54，并与管芯54电连接，该发射阵列已在以上得以描述。引线58将阴极或电极电连接至插脚62。引线58可以通过将其端部引线键合至焊点或插脚62而得以接合。插脚62贯穿玻璃密封64而伸到CRT50外侧。插脚62于是可以由引线66引线键合至电子卡或电路70上的焊点68。驱动电路72(图5A)随预选的同步信号而将选定的电压输送至每个焊点68。电压控制自阵列56的每个点或每个所选电子发射聚集区的发射。通过启动或关闭，或者改变阵列的每个选定段的电子束电流，改变来自阴极结构52的总电子束的形状。这可以被用来在例如磁偏转的过程中以不同的角度动态地改变电子束。电压变化可以同步，使得为每个偏转角度选择电子束形状。这提供了迄今为止所不能的电子束成形能力；一种可以由场发射阴极实现而不能由热电子阴极实现的电子束成形能力。
在一实施例中，电子束的调节通过测量CRT屏幕上固定的选择位置上点的电子束形状而用实验的方法确定，该调节是必要的，以在来自场发射阴极结构52的电子束被偏转至显示器的选定部位时避免电子束的畸变。电子束被偏转至CRT 50的显示屏75的选定部分，且电子束形状在屏幕上得以测量。在选定尖端的栅极电极上电压降低或截止，而在其它尖端上增加，同时测量电子束的尺寸。通过选择性地关闭或导通选定尖端或尖端的选定段上的栅极电极电压，获得优化的电子束尺寸。优选地，当电压在尖端上降低以降低来自这些尖端的电子束电流时，电压在其它尖端上增加，以将总的电子束电流维持在一近似的恒定值上。栅极电极电压的调节可以通过微处理器控制，该微处理器根据不同显示区域的电子束尺寸的测量值编程。微处理器根据电子束导致的点在显示器上的位置来导通阵列的不同段或区域。微处理器可以被初始化编程，以将不同的电压构图施加在发射阵列的不同区域上，且可以使用手工或通过公知的感光装置获得的电子束面积的测量结果来选择电子束扫描周期中最终的电压变化顺序。
在另一实施例中，电子束尺寸利用公知的用于电子束模拟的数学方法来计算。这种电子束模拟(EBS)方法在例如1999年7月19日提交的题为“Compact Field Emission Electron Gun and Focus Lens″的共同待审的且共同受让的专利申请中得以讨论，该申请在此处引用作为参考。这种计算可以利用阵列的不发射电子束电流或发射选定的电子束电流的选定区域来进行。然后可以计算显示器上选定距离处的电子束尺寸和形状。电子束的偏转还可以在电子束尺寸的计算中模拟和包括。另外，空心电子束图案可以通过阵列中心选取电极电压的控制而形成，以消除来自阵列区域的电子电流，或将其减至最小。此电子束图案将电子束中的空间电荷排斥减至最小。
虽然制造分段栅极驱动器的前述公开和描述主要集中于“自对准”制造工艺，但是，作为一种变体，分段栅极驱动器的制造可以容易地增加工序以制造其它类型的场发射阴极结构。美国专利第3,755,704号、第3,789,471号、第3,812,559号和第3,970,887号是用于制造场发射阴极的其它现有技术的代表，所有这些专利在此处得以参考引用。在制造了现有技术的场发射阴极后，通过利用一系列的光刻和金属蚀刻步骤将分段结构光刻定义成当前的选取栅极结构，本发明的分段栅极结构得以添加。然后，聚焦电极也能以此处公开的方式添加到现有技术的阴极中。
前述公开和描述是示意性的和说明性的，在不脱离本发明的精髓的情形下，可以在所示装置和结构、以及操作方法的细节上作出各种改变。
Claims (27)
1.一种场发射阴极，包括：
管芯，该管芯具有表面，并提供自该表面向外延伸的微尖端凸起的阵列；
与该阵列邻接的第一介电层；
多个栅极电极，该栅极电极自第一介电层向外延伸，并环绕每个微尖端凸起且与之隔离，以在电压值可变的电压施加到栅极电极上时影响来自微尖端的电子束的电流；以及
到栅极电极上的电连线。
2.如权利要求1所述的场发射阴极，其中，管芯和微尖端凸起由碳基材料制造。
3.如权利要求1所述的场发射阴极，其中，第一介电层由氧化硅制造。
4.如权利要求1所述的场发射阴极，其中，电连线包括通道和引线键合焊点。
5.如权利要求1所述的场发射阴极，还包括与第一介电层连续且自栅极电极向外延伸的第二介电层、多个自第二介电层向外延伸且环绕每个微尖端并与每个微尖端间隔的聚焦透镜、以及到聚焦透镜的电连线。
6.如权利要求5所述的场发射阴极，其中，到聚焦透镜的电连线包括键合到包含聚焦透镜的层的引线。
7.如权利要求1所述的场发射阴极，还包括选定的栅极电极间的一层导电材料，以将选定的栅极电极集聚在一起并形成电压控制区。
8.一种调节以选定的偏转角撞击到阴极射线管的显示屏上的电子束的形状的方法，包括：
提供场发射阴极，该场发射阴极包括：管芯，该管芯具有表面、以及自该表面向外延伸的微尖端凸起的阵列；与该阵列邻接的第一介电层；多个栅极电极，该栅极电极自第一介电层向外延伸，并环绕每个微尖端凸起且与每个微尖端凸起隔离，以在电压值可变的电压施加到栅极电极上时影响来自微尖端的电子束的电流；以及到栅极电极上的电连线；
将该阴极安装到阴极射线管中；
运行该阴极射线管，并将电压施加到阵列上，以使电子束以一选定的偏转角撞击到阴极射线管的显示屏上并在其上形成点；以及
观察该点的形状，并调节施加到一个或多个栅极电极上的电压以调整该点的形状。
9.如权利要求8所述的方法，其中，微尖端阵列主要包括碳基材料。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该场发射阴极还包括与第一介电层连续且自栅极电极向外延伸的第二介电层、多个自第二介电层向外延伸且环绕每个微尖端并与每个微尖端间隔的聚焦透镜、以及到聚焦透镜的电连线。
11.如权利要求8所述的方法，还包括利用电子束模拟来计算电子束形状的步骤。
12.如权利要求8所述的方法，其中，该阵列还包括选定的栅极电极间的一层导电材料，以将选定的栅极电极集聚在一起并形成栅极电极的电压控制区，且施加到一个或多个栅极电极上以调节点的形状的电压通过将电压施加到一个或多个电压控制区域上而得以施加。
13.一种以来自场发射阴极的阵列的电子束的选定偏转角确定优选电压图案的方法，该电压图案被施加到具有该阵列的场发射阴极上，该方法包括：
提供场发射阴极，该场发射阴极包括：管芯，该管芯具有表面、以及自该表面向外延伸的微尖端凸起的阵列；与该阵列邻接的第一介电层；多个栅极电极，该栅极电极自第一介电层向外延伸，并环绕每个微尖端凸起且与每个微尖端凸起隔离，以在电压值可变的电压施加到栅极电极上时影响来自微尖端的电子束的电流；以及到栅极电极上的电连线；
将该阴极安装到阴极射线管中；
运行该阴极射线管，并将电压值可变的电压施加到栅极电极上，以在电子束以一选定的偏转角撞击到阴极射线管的显示屏上并在其上形成点的同时在阵列上形成电压图案；
观察该点的形状，同时调节施加到该阵列上的电压图案直到点的选定形状出现；以及
记录该阵列上的电压图案中的值，该值以选定的偏转角度形成点的选定形状。
14.如权利要求13所述的方法，其中，微尖端阵列主要由碳基材料构成。
15.如权利要求13所述的方法，其中，该场发射阴极还包括与第一介电层连续且自栅极电极向外延伸的第二介电层、多个自第二介电层向外延伸且环绕每个微尖端并与每个微尖端间隔的聚焦透镜、以及到聚焦透镜的电连线。
16.如权利要求13所述的方法，还包括利用电子束模拟来计算电子束形状的步骤。
17.如权利要求13所述的方法，其中，该阵列还包括选定的栅极电极间的一层导电材料，以将选定的栅极电极集聚在一起并形成栅极电极的电压控制区，且施加到一个或多个栅极电极上以调节点的形状的电压通过将电压施加到一个或多个电压控制区域上而得以施加。
18.一种在阴极射线管中动态成形电子束的方法，包括：
提供场发射阴极，该场发射阴极包括：管芯，该管芯具有表面、以及自该表面向外延伸的微尖端凸起的阵列；与该阵列邻接的第一介电层；多个栅极电极，该栅极电极自第一介电层向外延伸，并环绕每个微尖端凸起且与之隔离，以在电压值可变的电压施加到栅极电极上时影响来自微尖端的电子束的电流；以及到栅极电极上的电连线；
将该阴极安装到阴极射线管中；
运行该阴极射线管，并将电压值可变的电压施加到栅极电极上，以在该阵列上对应于电子束的偏转角形成选定的电压图案。
19.如权利要求18所述的方法，其中，每个电子束偏转角的选定电压图案由微控制器控制。
20.如权利要求18所述的方法，其中，每个电子束偏转角的选定电压图案维持每个电子束偏转角的大致恒定的电子束电流。
21.如权利要求18所述的方法，其中，驱动电路随预选的同步信号而在该阵列上为每个偏转角施加选定的电压图案。
22.一种阴极射线管，包括：
在其中具有显示屏和电极的外壳、电子束偏转器、以及穿过该外壳的电连接线；
场发射阴极，该场发射阴极包括：管芯，该管芯具有表面、以及自该表面向外延伸的微尖端凸起的阵列；与该阵列邻接的第一介电层；多个栅极电极，该栅极电极自第一介电层向外延伸，并环绕每个微尖端凸起且与每个微尖端隔离，以在电压值可变的电压施加到栅极电极上时影响来自微尖端的电子束的电流；以及
到栅极电极上的电连线。
23.如权利要求22所述的阴极射线管，其中，该场发射阴极还包括与第一介电层连续且自栅极电极向外延伸的第二介电层、多个自第二介电层向外延伸且环绕每个微尖端并与每个微尖端间隔的聚焦透镜、以及到聚焦透镜的电连线。
24.如权利要求22所述的阴极射线管，其中，微尖端阵列主要由碳基材料构成。
25.如权利要求22所述的阴极射线管，其中，该场发射阴极还包括与第一介电层连续且自栅极电极向外延伸的第二介电层、多个自第二介电层向外延伸且环绕每个微尖端并与之间隔的聚焦透镜、以及到聚焦透镜的电连线。
26.如权利要求13所述的方法，其中，该阵列还包括选定的栅极电极间的一层导电材料，以将选定的栅极电极集聚在一起并形成栅极电极的电压控制区。
27.一种场发射阴极，包括：
半导体衬底、形成在半导体衬底表面上的第一绝缘层、形成在该绝缘层上方的叠置导电层、以及至少一个场发射阴极位置，该场发射阴极位置包括形成在绝缘层和叠置导电层上、暴露下面的半导体衬底的一部分的一开口，且该暴露的下部半导体中心区域形成与下部半导体衬底一体的半导体凸起发射尖端；
叠置在导电层上的第二绝缘层；
叠置在第二绝缘层上的分段电压控制区；以及
到分段电压控制区的电连线。
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