DE69726211T2

DE69726211T2 - Dünnschicht Elektronenemitter-Vorrichtung und Anwendungsgerät

Info

Publication number: DE69726211T2
Application number: DE69726211T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Kodaira-shi Kusunoki; Mutsumi Kodaira-shi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: JP3633154B2; KR100421559B1; CN1105392C; JPH09320456A; TW355807B; DE69726211D1; KR970067995A; EP0797233B1; CN1165393A; EP0797233A3; EP0797233A2; US5936257A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektronenquellenmodule, die für: die Verwendung in elektronischen Einrichtungen anpaßbar sind, und insbesondere mehrschichtige Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen sowie Anwendungseinrichtungen, bei denen diese verwendet werden. Die Erfindung betrifft auch dreischichtige Metall-Isolator-Metall-(MIM)- oder dreischichtige Metall-Isolator-Halbleiter(MIS)-Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen und ihre Anwendungseinrichtungen, einschließlich eines Anzeigegeräts und eines Elektronenstrahl-(EB)-Lithographiegeräts, ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlicherweise weisen Dünnfilm-Elektronenemissionsmodule eine Dreischichtstruktur in der Art der MIM- oder der MIS-Struktur auf, welche aus einem Laminat dreier Dünnfilme besteht, nämlich einer oberen Elektrode, einer zwischenstehenden oder "mittleren" Isolierschicht und einer unteren Elektrode oder "Basiselektrode". Beim Anlegen eines externen Potentials zwischen der oberen Elektrode und der Basiselektrode, wobei die obere Elektrode eine positive Polarität aufweist, emittieren diese MIM- und MIS-Elektronenemissionsvorrichtungen Elektronen von der Oberfläche der oberen Elektrode in ein Vakuum oder setzen sie in ein Vakuum frei. Bis heute wurden verschiedene Typen von Elektronenemissionsvorrichtungen vorgeschlagen, welche jene vom MIM-Typ, wobei ein Metall für die obere Elektrode und die Basiselektrode verwendet wird, und jene vom MIS-Typ, wobei ein Halbleiter für wenigstens eine dieser Elektroden verwendet wird, einschließen. Eine typische MIM-Elektronenemissionsvorrichtung ist beispielsweise in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung (PUJPA) 7-65710 offenbart.
Grundsätzlich arbeiten Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen folgendermaßen: Beim Anlegen einer Treiberspannung zwischen die obere Elektrode und die Basiselektrode, während potentiell ein elektrisches Feld innerhalb einer isolierenden oder dielektrischen Schicht, die dazwischen angeordnet ist, auf 1 bis 10 Megavolt je Zentimeter (MV/cm) oder einen größeren Wert gelegt wird, werden Elektronen, welche sich in der Nähe des Fermi-Niveaus in der Basiselektrode befinden, potentiell aktiviert, so daß sie durch den Tunneleffekt einen Wall durchdringen und in das Leitungsband der dielektrischen Schicht injiziert werden, woraufhin diese Elektronen beschleunigt werden, so daß sie weiter in das Leitungsband der oberen Elektrode injiziert werden und sich als die sogenannten "heißen" Elektronen verhalten. Von diesen heißen Elektronen werden bestimmte, deren Energie die Austrittsarbeit ϕ der oberen Elektrode überschreitet, in das Vakuum abgegeben und emittiert. Beispielsweise wurde eine Elektronenemission auf der Grundlage des vorstehenden Prinzips in einer dreischichtigen laminierten Elektrodenstruktur aus Au-Al₂O₃-Al beobachtet. Dieser Typ einer Elektronenemissionsvorrichtung bietet natürliche Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Zuverlässigkeit. Ein Vorteil besteht darin, daß die Elektronenemissionseigenschaften selbst dann im wesentlichen konstant gehalten werden, wenn sich die Austrittsarbeit ϕ infolge des Auftretens von Verunreinigungen an der Oberfläche der oberen Elektrode ändert, welche beispielsweise durch Absorption von Umgebungsgas in dieser hervorgerufen werden. Hierdurch werden sie erwartungsgemäß zu einer der hochentwickelten Elektronenemissionsvorrichtungen, welche bei mehreren Anwendungen immer wichtiger werden.
Leider tritt bei den Elektronenemissionsvorrichtungen aus dem Stand der Technik ein ernstes Problem auf, das darin besteht, daß, weil es erforderlich ist, an die dielektrische Schicht ein verhältnismäßig starkes elektrisches Feld anzulegen, dessen Intensität einen hohen Wert von 1 bis 10 MV/cm aufweist, möglicherweise eine Beeinträchtigung der dielektrischen Schicht auftritt, welche zu dem sogenannten "Formungsphänomen" führt, wie beispielsweise in PUJPA 7-226146 dargelegt ist, woraus sich wiederum der Nachteil ergibt, daß in dem sich ergebenden Fluß emittierter Elektronen oder dem "Elektronenstrom" Rauschen und Rauschmischungen auftreten, während gleichzeitig elektrische Fehler oder Durchbrüche hervorgerufen werden, welche im schlimmsten Fall zum Zerstören von Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen führen können.
Der hier verwendete Begriff "isolierende oder dielektrische Schicht" schließt Halbleiter ein, falls ihr spezifischer Widerstand hoch genug ist, um dem hohen elektrischen Feld standzuhalten. Ein Beispiel solcher Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen besteht aus Silicium für die Basiselektrode, porösem Silicium für den Isolator und Metall für die obere Elektrode, wie in Japanese Journal of Applied Physics, Band 34, Teil 2, Nr. 6A, S. L705–L707 (1995) beschrieben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine neue und verbesserte mehrschichtige Struktur bereitzustellen, die für eine Verwendung als ein Basislaminat in Elektronenemissionsquellenmodulen anpaßbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektronenquellenvorrichtung und ein Gerät, bei dem diese verwendet wird, bereitzustellen, wobei die im Stand der Technik auftretenden Probleme vermieden werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung bereit zustellen, die in der Lage ist, eine Beeinträchtigung der darin verwendeten Isolierschicht sowie der diese einsetzenden elektronischen Anwendungsgeräte zu unterdrücken oder zu beseitigen.
Die vorstehenden Aufgaben können durch die Grundgedanken der in Anspruch 1 definierten vorliegenden Erfindung gelöst werden, indem eine spezifische mehrschichtige Dünnfilmstruktur bereitgestellt wird, die eine obere und eine untere Elektrode aufweist, wobei dazwischen eine isolierende oder dielektrische Schicht angeordnet ist, während die obere Elektrode aus einem Laminat aus drei Schichten, nämlich in dieser Reihenfolge einer Oberflächenschicht, einer Zwischenschicht oder "mittleren" Schicht und einer Grenzflächenschicht besteht. Es ist sehr wichtig, daß die mittlere Schicht aus einem gewählten Material besteht, dessen Sublimationsenthalpie größer ist als bei der Oberflächenschicht, jedoch kleiner ist als bei der Grenzflächenschicht.
Wenn der spezifische elektrische Widerstand der oberen Elektrode ausreichend niedrig bleibt, ist die Oberflächenschicht nicht immer erforderlich, und die obere Elektrode kann in diesen Fällen eine Zweischicht- oder Doppelschichtstruktur sein, die im wesentlichen aus der Grenzflächenschicht und der mittleren Schicht besteht. Der hier verwendete Begriff "ausreichend niedrig" kann einen bestimmten Grad des spezifischen Widerstands bezeichnen, der abhängig von mehreren Entwurfsanforderungen hinsichtlich der Vorrichtungsstruktur von Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen, der gewünschten Emissionsstromdichte, der Flächengleichmäßigkeit der Elektronenemission und dergleichen bestimmbar ist. Es ist insbesondere zulässig, daß der Wert des elektrischen Widerstands der oberen Elektrode bei einer Verringerung seiner Nettofläche oder bei einer Verringerung der Emissionsstromdichte bei Bedarf erhöht wird. Alternativ kann in Situationen, in denen die Flächengleichmäßigkeit des Emissionsstroms bei den Entwurfsanforderungen nicht so entscheidend ist, in gewissem Maße eine leichte Erhöhung des spezifischen Widerstands der oberen Elektrode zugelassen werden. In diesen Fällen wird der spezifische Widerstand der oberen Elektrode als "ausreichend niedrig" angesehen, ohne daß die darauf ausgebildete Oberflächenschicht eingesetzt werden müßte.
Vorzugsweise kann die Zwischenschicht aus Platin (Pt) bestehen, weil es schon an sich zu einem erforderlichen gleichmäßigen Dünnfilm geformt werden kann.
Ein erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine verbesserte Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung vom MIM- oder MIS-Typ erreicht werden kann, die von dem Risiko des Auftretens einer Beeinträchtigung, wenn sie langzeitlich verwendet wird, frei ist. Dies liegt daran, daß die obere Elektrode spezifisch aus einem dreischichtigen Laminat von Dünnfilmen einschließlich der Grenzflächenschicht, der mittleren Schicht und der Oberflächenschicht aufgebaut ist, wobei die mittlere Schicht eine Sublimationsenthalpie aufweist, die größer ist als diejenige der Oberflächenschicht, jedoch kleiner als diejenige der Grenzflächenschicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in jedem Fall infolge der Optimierung der Dicke der Grenzflächenschicht eine erhöhte Emissionsstromdichte bei einer erhöhten Zuverlässigkeit und Stabilität erhalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in Fällen, in denen die Entwurfsanforderungen hinsichtlich des Beibehaltens der erhöhten Leitfähigkeit der oberen Elektrode nicht so streng sind, die obere Elektrode nur zwei Schichten aufweisen darf, nämlich die Grenzflächenschicht und die mittlere Schicht, wobei die Oberflächenschicht nicht verwendet wird. Hierbei besteht die mittlere Schicht aus Pt, während die Grenzflächenschicht aus einem gewählten Material besteht, dessen Sublimationsenthalpie größer als diejenige von Pt ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die so angeordnete Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung für eine Verwendung beim Bilden mehrerer Typen hochentwickelter elektronischer Geräte, einschließlich hochauflösender Anzeigefelder verringerter Dicke, wodurch verbesserte Beleuchtungseigenschaften erhalten werden, während gleichzeitig die Lebensdauer vergrößert wird, und eines EB-Lithographiegeräts, wodurch eine Arbeitsgeschwindigkeit erreicht wird und die Lebensdauer vergrößert wird, anpaßbar ist, wobei sie jedoch nicht auf diese beschränkt ist.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden eingehenderen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand der anliegenden Zeichnung erläutert werden, verständlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des Arbeitsprinzips einer Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung.
2 ist eine Graphik, in der die Beziehung der Elektronenemissionswirksamkeit der Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung in Abhängigkeit von der Treiberspannung dargestellt ist, welche die Abhängigkeit der vorgenannten von den Materialien der oberen Elektrode zeigt.
3A zeigt einen Querschnitt einer MIM-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und 3B zeigt eine Draufsicht der Elektronenemissionsvorrichtung.
4 ist eine als Beispiel dienende Wellenform eines an die in den 3A und 3B dargestellte Elektronenemissionsvorrichtung angelegten Treiberspannungssignals.
5 ist eine Graphik, in der die Stabilität des Emissionsstroms in der MIM-Elektronenemissionsvorrichtung aus den 3A–3B dargestellt ist.
6A zeigt eine Schnittansicht einer MIM-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und 3B zeigt eine Draufsicht von dieser.
7 zeigt im Querschnitt eine MIM-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine Schnittansicht einer Anzeigevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt eine Planare Struktur der in 8 dargestellten Anzeigevorrichtung.
10 ist ein Schaltplan der in der in 8 dargestellten Anzeigevorrichtung eingesetzten elektrischen Treiberschaltungsanordnung.
11 ist eine Darstellung eines Zeitablaufdiagramms, in dem die Impulsfolge von Treiberspannungssignalen für den Betrieb der Anzeigevorrichtung aus den 8–10 dargestellt ist.
Die 12A und 12B zeigen jeweils eine Schnittansicht einer Anzeigevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
13 ist eine Draufsicht der Anzeigevorrichtung aus den 12A–12B zur Darstellung der Leuchtstoffebenenposition, und 14 zeigt eine andere Draufsicht von dieser.
Die 15A bis 15G zeigen einige der wesentlichen Schritte bei der Herstellung einer Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung für die Verwendung in der Anzeigevorrichtung aus den 12A bis 14.
16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines EB-Lithographiegeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist eine typische Dünnfilm-Elektronenemissionsquellen-Vorrichtung als ein Modell zum Analysieren ihres Funktionsprinzips nur zu Erklärungszwecken dargestellt. Wie vorstehend im einleitenden Teil der Beschreibung erwähnt wurde, weist die Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung eine mehrschichtige Struktur auf, die typischerweise aus einer oberen Elektrode 11 und einer unteren Elektrode 13 mit einer dazwischen angeordneten isolierenden oder dielektrischen Schicht 12 besteht. Die obere Elektrode 11 und die untere Elektrode 13 sind elektrisch mit einer zugeordneten Gleichstrom-(DC)-Spannungsquelleneinheit 20 gekoppelt, um davon eine Treiberspannung zu empfangen. Beim Legen einer solchen Treiberspannung zwischen die obere Elektrode 11 und die untere Elektrode 13, während das elektrische Feld innerhalb der dielektrischen Schicht 12 auf einen Wert von mehr als 1 bis 10 MV/cm gelegt ist, versuchen Elektronen, die sich in der Nähe oder um das Fermi-Niveau in der unteren Elektrode 13 befinden, durch den Tunneleffekt durch einen Potentialwall hindurchzutreten, woraufhin sie durch Injektion in das Leitungsband der dielektrischen Schicht 12 fließen, und diese Elektronen werden daraufhin zur weiteren Injektion in das Leitungsband der oberen Elektrode 11 beschleunigt, die als eine Aufnahme sogenannter "heißer" Elektronen wirkt. Diese heißen Elektronen können spezifische Elektronen einschließen, deren Energie größer ist als die Arbeitsfunktion ϕ der oberen Elektrode 11, und falls dies der Fall ist, werden diese "aktiven" heißen Elektronen nach außen in ein Vakuum, das in 1 mit einer Bezugszahl 10 bezeichnet ist, abgegeben oder freigesetzt. Hierbei kann die Wirksamkeit des Fließens emittierter Elektronen oder die "Stromwirksamkeit", also die Elektronenemissionswirksamkeit, durch das Verhältnis zwischen einem Diodenstrom Id, der von der unteren Elektrode 13 in die obere Elektrode 11 fließt, und einem Emissionsstrom Ie, der ein Strom ist, der tatsächlich in ein Vakuum 10 abgegeben wird, bestimmt werden, wobei die Wirksamkeit Ie/Id von 10^–3 bis 10^–5 reichen kann.
Es sei auf 3 verwiesen, worin eine Schnittansicht einer Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, welche die obere Elektrode 11 mit einer dreischichtigen Struktur einer Grenzflächenschicht 16, einer Zwischenschicht oder "mittleren" Schicht 17 und einer Oberflächenschicht 18 aufweist. Wie dargestellt ist, besteht ein kennzeichnendes Merkmal der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung darin, daß die obere Elektrode 11 durch Laminieren dreier Schichten aufgebaut ist, nämlich der Grenzflächenschicht 16, der mittleren Schicht 17 und der Oberflächenschicht 18, die in dieser Reihenfolge nacheinander auf oder über die darunterliegende dielektrische Schicht 12 geschichtet sind.
Die Grenzflächenschicht 16 wird nachfolgend zuerst in Zusammenhang mit der Darstellung in den 3A und 3B beschrieben. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht die Grenzflächenschicht 16 aus einem spezifisch gewählten Material mit einer erhöhten Sublimationsenthalpie ΔHs. Der Grund für diese Auswahl eines Materials mit einem hohen ΔHs-Wert ist der folgende:
Wie einem Fachmann auf dem Gebiet der Halbleiter leicht verständlich sein wird, könnte angenommen werden, daß der Mechanismus für das- Auftreten einer Beeinträchtigung der dielektrischen Schicht 12 beim Anlegen eines starken elektrischen Felds an diese auf der "Elektromigration des Typs, bei dem die die Elektrode bildenden Atome infolge des elektrischen Felds versuchen, in dielektrische Schichten zu wandern oder sich zu bewegen", beruht. Dieser Mechanismus für das Auftreten einer Elektromigration kann als ein Modell behandelt werden, so daß beim Anlegen einer positiven Spannung an die obere Elektrode 11 Atome, die diese bilden, durch ein infolge einer Vorspannung erzeugtes elektrisches Feld gezwungen werden, zu sublimieren, wodurch isolierte Atome oder ein isolierter Atomzustand herbeigeführt wird, und sie können dann durch das elektrische Feld innerhalb der dielektrischen Schicht 12 ionisiert werden, wodurch ermöglicht wird, daß sich die sich ergebenden Ionen infolge dieses vorhandenen elektrischen Felds bewegen oder wandern.
Je größer dementsprechend die Energie ist, die die die obere Elektrode bildenden Atome benötigen, um zu sublimieren (d. h. die Sublimationsenthalpie ΔHs), desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine Beeinträchtigung der dielektrischen Schicht 12 auftritt. Dies ist der Grund dafür, daß für die Grenzflächenschicht 16 der oberen Elektrode 11 sorgfältig ausgewählte Materialien mit einer erhöhten Sublimationsenthalpie ΔHs eingesetzt werden.
Wie später in Zusammenhang mit 5 vollständiger beschrieben wird, haben unsere Experimente praktisch gezeigt, daß in einem Fall, in dem mehrere MIM-Elektronenemissionsvorrichtungen gemessen werden, bei denen für die obere Elektrode 11 verschiedene Materialarten verwendet werden, die Betriebsstabilität bei einer Erhöhung der Sublimationsenthalpie ΔHs des in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 12 stehenden Materials erhöht wird.
Zusätzlich wurde dieser Elektromigrationserzeugungsmechanismus in näheren Einzelheiten beispielsweise in Journal of Electrochemical Society, Band 133, Nr. 6, S. 1242–1246 erörtert.
Der Aufbau der mittleren Schicht 17 ist der Folgende: Im allgemeinen bleibt die Grenzflächenschicht 16 nicht mehr als ein zusammenhängender Film bestehen, wenn ihre Dicke kleiner oder gleich 3 Nanometer (nm) ist, und sie neigt dann dazu, während der Kristallisation in Form von Inseln zu wachsen. Die Grenzflächenschicht 16 versucht prinzipiell, mögliche Zwischenräume zwischen diesen Inseln aufzufüllen oder zu begraben, wodurch verhindert wird, daß die Oberflächenschicht 18 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 12 gebracht wird. Genauer gesagt, versuchen in Situationen, in denen die Oberflächenschicht 18, die aus Gold (Au) oder Äquivalenten davon besteht, direkt, ohne die dazwischen liegende Mittelschicht 17 auf die Grenzflächenschicht 16 laminiert ist, Au-Atome oder Ionen mit kleinerer Sublimationsenthalpie ΔHs durch Zwischenräume zwischen Filminseln in die dielektrische Schicht 12 herauszudiffundieren, wodurch eine Beeinträchtigung der Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung hervorgerufen wird. Zum Beseitigen dieser Ausdiffusion ist die Mittelschicht 17 spezifisch bereitgestellt, welche eine höhere Sublimationsenthalpie ΔHs aufweist als die Oberflächenschicht 18. Die nachstehende Tabelle 1 ist angegeben, um die Sublimationsenthalpie ΔHs und den spezifischen elektrischen Widerstand sowie andere relevante Materialeigenschaftswerte für verschiedene Metallarten darzustellen.
Wie der vorstehenden Tabelle 1 entnommen werden kann, weisen Materialien mit einer hohen Sublimationsenthalpie ΔHs gewöhnlich einen verhältnismäßig hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf.
Es sei auf 2 verwiesen. In dieser Graphik sind bestimmte experimentelle Ergebnisse dargestellt, welche die Beziehung zwischen der Elektronenemissionswirksamkeit (Stromemissionswirksamkeit) Ie/Id in Abhängigkeit von einer Treiberspannung in der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der erläuterten Ausführungsform zeigen, wobei die obere Elektrode 11 verwendet wird, die aus einem Laminat der Grenzflächenschicht 16 mit einer Dicke von 3 nm und der Au-Oberflächenschicht 18 mit einer Dicke von 6 nm besteht. In dieser Graphik ist als ein Vergleichsbeispiel die gleiche Beziehung auch für eine Elektronenemissionsvorrichtung dargestellt, deren obere Elektrode aus einem Au-Film mit einer Dicke von lediglich 9 nm besteht. Die Grenzflächenschicht 16 jeder Probe kann hierbei aus Wolfram (W), Iridium (Ir) oder Platin (Pt) bestehen. Die dielektrische Schicht 12 weist eine Dicke von 5,5 nm auf. Die dielektrische Schicht 12 und die obere Elektrode 11 bleiben bei allen betrachteten Proben in der Dicke konstant, wodurch gewährleistet wird, daß mögliche Differenzen in der Elektronenemissionswirksamkeit zwischen Proben erfolgreich die Transmissionsdifferenz heißer Elektronen zwischen jeweiligen Filmen reflektieren, die jeweils in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 12, also W-, Ir-, Pt- und Au-Filmen mit einer Dicke von 3 nm, stehen. Beim Anlegen einer Treiberspannung von 6,5 Volt (V) war die Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id derart, daß Au (9 nm) ein Maximalwert von 0,3% aufwies, Pt (3 nm) – Au (6 nm) 0,1% betrug, Ir (3 nm) – Au (6 nm) 0,035 betrug und W (3 nm) – Au (6 nm) 0,0055 betrug. Dies zeigt, daß die Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id bei einer Verringerung der Gruppennummer von Metallen im Periodensystem der Elemente prozentual abnimmt. Diese Tendenz ergibt sich daraus, daß der Transmissionsgrad heißer Elektronen in bezug auf die obere Elektrode der Elektronenemissionsvorrichtung durch Elektronen-Elektronen-Streuung bestimmt ist, die innerhalb von Metallen auftritt. Wegen des Energieerhaltungssatzes nimmt der Querschnitt der Elektronen-Elektronen-Streuung mit der Zustandsdichte der oberen Elektrode zu. Wenn die kinetische Energie der heißen Elektronen insbesondere Eo ist (in bezug auf das Fermi-Niveau der oberen Elektrode gemessen), ist der Streuquerschnitt durch die Dichte der Zustände im Energiebereich von –E₀ bis E₀ bestimmt. Die Zustandsdichte in der Umgebung des Fermi-Niveaus ist hauptsächlich dadurch bestimmt, wie die d-Orbitale, die in der Energie lokalisiert sind, in dem Metall belegt sind, so daß sie von der Elektronenkonfiguration des Metalls abhängt. Die Zustandsdichte in der Nähe des Fermi-Niveaus und demgemäß der Streuquerschnitt ändern sich in aufsteigender Reihenfolge, so daß im Periodensystem gilt: Gruppen 1b und 2b < Gruppe 8 < Gruppe 7a < Gruppen 6a, 5a, 4a und 3a. Typischerweise gehören bestimmte Metalle mit einer hohen Sublimationsenthalpie ΔHs zu den Übergangsmetallen, die die Gruppen 3a bis 8 umspannen, deren Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id kleiner bleibt als diejenige der Metalle der Gruppe 1b, wie Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und dergleichen. Die als Beispiel dienende Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung hat eine spezifische Filmlaminationsstruktur, wobei diese mittlere Schicht zwischen die obere und die untere Elektrodenschicht gelegt ist.
Eine Möglichkeit zum Erhalten eines hohen Emissionsstroms Ie besteht darin, die Grenzflächenschicht 16 dünner zu machen. Der Transmissionsgrad heißer Elektronen innerhalb metallischer Dünnfilme kann durch exp(–d/λ) dargestellt werden, wobei d die Dicke eines Metalldünnfilms ist und λ die mittlere freie Weglänge heißer Elektronen ist. Falls dabei die Dicke der erwähnten Grenzflächenschicht 16 verringert wird, so daß sie beispielsweise 1 nm mißt, kann der Transmissionsgrad der sich ergebenden heißen Elektronen auf das in etwa Sieben- bis Achtfache erhöht werden. Wenn daher die Ir(1 nm)-Au(6 nm)-Stapelstruktur für die obere Elektrode 11 statt der Ir(3 nm)-Au(6 nm)-Stapelstruktur eingesetzt wird, welche bei der Struktur aus 2 verwendet wurde, liegt die sich ergebende Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id zwischen 0,2 und 0,25%, welche im wesentlichen derjenigen des Au-Metalls (9 nm) gleicht. Alternativ kann Ie/Id bei Verwendung einer W(1 nm)-Au(6 nm)-Legierung auf bis zu 0,035 bis 0,04% ansteigen. Offensichtlich ist die Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id umso größer, je kleiner die Dicke d des Metalldünnfilms ist. Auf diese Weise kann das Problem der Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id selbst in Fällen, in denen Metallfilme mit einer verhältnismäßig hohen Sublimationsenthalpie ΔHs, wie Ir, W oder dergleichen, verwendet werden, erfolgreich vermieden werden, indem die Filmdicke d verringert wird. Wenngleich die Grenzflächenschicht 16 in diesen Fällen dazu neigt, zu Inseln zu wachsen, tritt infolge des Vorhandenseins der mittleren Schicht 17 zwischen der oberen Elektrode 11 und der unteren Elektrode 13, wie am besten in 3A dargestellt ist, in der sich ergebenden Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung auf keinen Fall eine Beeinträchtigung auf.
Es sei hier bemerkt, daß Pt für die mittlere Schicht bevorzugter ist, wobei dieses in dem Experiment aus 2 für die mittlere Schicht 17 eingesetzt wurde. Wie aus 2 leicht ersichtlich ist, ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Streuung heißer Elektronen bei Pt geringer als bei Mo und Ir. Weiterhin liegt es in der Natur von Pt, daß es gewöhnlich gleichmäßig wächst, selbst wenn seine Dicke erheblich verringert ist, und dies dient folglich vorteilhaft dazu, zu verhindern, daß das Material der Oberflächenschicht versehentlich in Kontakt mit der darunterliegenden dielektrischen Schicht 12 gebracht wird, weil das Pt zwischen oder in Zwischenräumen der inselartig gewachsenen Grenzflächenschicht 16 vorhanden ist.
Die Beschreibung wird nun auf bestimmte Fälle gerichtet, in denen es nicht erforderlich ist, die Oberflächenschicht 18 zu bilden. Beispielsweise sei der Fall betrachtet, in dem eine Schicht zum Definieren elektrischer Leiterdrähte zur ausschließlichen Verwendung als Versorgungsleitungen (d. h. Busleitungen) so angeordnet ist, daß sie in physikalischem Kontakt mit der oberen Elektrode 11 steht, um sie mit der erforderlichen Versorgungsspannung zu versorgen, wodurch die technischen Anforderungen hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands für die obere Elektrode 11 abgeschwächt oder aufgeweicht werden.
Es sei bemerkt, daß eine bekannte Zweischichtstruktur für die obere Elektrode beispielsweise in PUJPA 2-306520 offenbart ist, wobei zwei Schichten nacheinander auf die dielektrische Schicht 12 laminiert sind, wobei die erste Schicht aus einem negativ ionisierbaren Material, wie Aluminium (Al), Cadmium (Cd), Blei (Pb) oder dergleichen besteht und die zweite Schicht aus einem gegen mikroelektronische Herstellungsprozesse chemisch stabilen Material, wie Silber (Ag), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Chrom (Cr) und Gold (Au), besteht. Leider tritt bei diesem Verfahren aus dem Stand der Technik das Problem auf, daß das zur Bildung der ersten Schicht ausgewählte Material eine kleinere Sublimationsenthalpie ΔHs, wie 78,7 Kilokalorien (kcal) für Al, 26,7 kcal für Cd und 46,78 kcal für Pb, erhält, und daß, was schwerwiegender ist, das vorstehend erwähnte Material sogar eine noch kleinere Sublimationsenthalpie als Au (88 kcal) aufweist, welches eines der Materialien ist, die bevorzugt für die zweite Schicht eingesetzt werden, und dennoch das repräsentative Material zur bevorzugten Verwendung für die Oberflächenschicht 18 gemäß der erläuterten Ausführungsform der Erfindung ist. Hierdurch kann die vorliegende Erfindung in Hinblick auf das prinzipielle Konzept patentierbar vom vorstehend erwähnten Stand der Technik abgesetzt werden.
Es sollte beachtet werden, daß die Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung für eine Verwendung bei verschiedenen Typen elektronischer Anwendungen einschließlich eines hochauflösenden Anzeigegeräts mit verringerter Dicke, eines Elektronenstrahl-(EB)-Photolithographiegeräts und anderer Geräte, weitverbreitet anwendbar ist. Weil in Hinblick auf ein solches Anwendungsgerät oder eine solche Einrichtung die Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung in der Lage ist, stabil einen Elektronenfluß oder einen Strom hoher Dichte zu emittieren, während gleichzeitig das Erreichen einer Anordnung von Zeilen und Spalten von Elektronenemissionsvorrichtungen ermöglicht wird, können eine lange Lebensdauer und eine hohe Leuchtkraft sowohl für das Anzeigegerät als auch für ein EB-Lithographiegerät erreicht werden.
Ein Beispiel besteht darin, daß das Gerät, das die Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung anwendet, unter Verwendung eines Substrats angeordnet wird, auf dem sich eine zweidimensionale (2D) oder flächenförmige Anordnung von Elektronenemissionsvorrichtungen befindet, wobei dieses Substrat mit einer Flächenplatte (nachstehend als "Frontplatte" bezeichnet), auf deren Oberfläche Leuchtstoffe aufgebracht sind, laminiert wird, während die sich ergebende Laminatstruktur in eine Vakuumumgebung gedichtet eingebracht wird.
Ein anderes Beispiel besteht darin, daß die Anwendung der Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung in Gestalt einer EB-Lithographieeinrichtung ein dreischichtiges strukturiertes Dünnfilm-Elektronenemissionsmodul als Elektronenquelle und eine diesem wirkungsmäßig zugeordnete Elektronenlinse aufweist. In diesem Fall kann das Elektronenemissionsmodul ein Substrat aufweisen, das eine Oberfläche aufweist, auf der mehrere Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen in einer zweidimensionalen oder flächenförmigen Matrixform angeordnet sind, wodurch die Möglichkeit einer gleichzeitigen Übertragung eines vorgesehenen Musters einer integrierten Schaltung (IC) auf einen Zielwafer geboten ist.
Es werden nun mehrere Ausführungsformen der Erfindung vollständig mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
Erste Ausführungsform
In den 3A und 3B ist ein Hauptteil einer Dünnfilm-Elektronenquelle dargestellt, die nachstehend als die "Elektronenemissionsvorrichtung" bezeichnet wird. 3B zeigt eine Draufsicht der Elektronenemissionsvorrichtung, während 3A einen entsprechenden Querschnitt von dieser entlang einer Linie A-B in 3B zeigt. Die Elektronenemissionsvorrichtung weist ein isolierendes Substrat 14 auf, das aus Glas oder dergleichen besteht. Das Glassubstrat 14 hat eine Oberfläche, auf der ein leitender Film 13, der aus Aluminium (Al) bestehen kann, mit einer vorgegebenen Dicke von beispielsweise 100 nm ausgebildet ist. Dieser Al-Film wirkt als eine untere Elektrode oder "Basiselektrode". Hierbei können Hochfrequenz-(HF)-Magnetronsputtertechniken zur Bildung des Al-Basiselektrodenfilms 13 eingesetzt werden. Der Al-Film 13 wird dann auf seiner freiliegenden Oberfläche einer anodischen Oxidations- oder Eloxierbehandlung unterzogen, wodurch darauf eine isolierende oder dielektrische Schicht 12 mit einer Dicke von 5,5 nm gebildet wird. Der Eloxierstrom für dieses Eloxieren ist in seiner Größe beschränkt, wodurch ermöglicht wird, daß eine hohe Filmqualität für den dielektrischen Film 12 erhalten bleibt. Daraufhin wird ein ausgewähltes dielektrisches Material, wie SiO₂, Al₂O₃ oder dergleichen durch HF-Magnetronsputtertechniken bis zu einer Dicke von 50 nm aufgebracht, um eine Schutzschicht 15 bereitzustellen. Nachfolgend wird ein anderer Al-Film durch ähnliche Sputtertechniken in einer Vakuumatmosphäre kontinuierlich gebildet, wodurch eine obere Elektrode der dreischichtigen Laminatstruktur bereitgestellt wird. Es werden zu dieser Zeit drei Filme der Reihe nach gebildet, nämlich ein Ir-Film mit einer Dicke von 1 nm als eine Grenzflächenschicht 16, ein Pt-Film mit einer Dicke von 2 nm als eine Zwischenschicht oder "mittlere" Schicht 17 und ein Au-Film mit einer Dicke von 3 nm als eine Oberflächen schickt 18. Die sich ergebende dreischichtige Laminatstruktur weist eine Dicke von insgesamt 6 nm auf. Schließlich wird eine strukturierte Au-Schicht bereitgestellt, welche ein Busleitungsmuster 32 für die obere Elektrode 11 bereitstellt.
Daraufhin wird die sich ergebende Struktur bei einem gewählten Vakuumgrad von 10^–7 Torr in eine Vakuumkammer (nicht dargestellt) eingebracht, um eine Impulsspannung an die Basiselektrode 13 anzulegen, wobei das Potential der Busleitungen 32 der oberen Elektrode geerdet ist, wodurch die Betriebsstabilität gewährleistet wird. Wie in 4 dargestellt ist, weist die verwendete Impulsspannung einen Zug von Impulskomponenten negativer Polarität in konstanten Intervallen t1 bei einer Wiederholungsperiode T auf, wobei jede ein auf –9 V gelegtes Potentialniveau von –Vd1 aufweist und ihre Impulsbreite tw auf 64 Mikrosekunden (μs) gelegt ist. Hierbei kann jedes Intervall t1 zwischen benachbarten Impulsen 16,54 Millisekunden (ms) betragen. Mit anderen Worten wird zuerst eine pulsierende Spannung von –Vd1 = –9 V für die vorgewählte -Impulsbreite tw = 64 μs angelegt und daraufhin eine Spannung von Vd2 = 0 V für einen Zeitraum von 16,54 ms angelegt. Dieser Impulszyklus wird mit einer Periode T = 16,6 ms wiederholt. Es sei bemerkt, daß der Wert der Wiederholungsperiode T und derjenige der Impulsbreite tw bei Bedarf geändert werden kann, wobei die Periode T beispielsweise von 2 μs bis 1000 ms reichen kann, während tw = 1 μs bis 500 ms beträgt. In dieser Hinsicht wird, wie das vorstehend erwähnte PUJPA 7-226146 lehrt, die Stabilität der MIM-Elektronenemissionsvorrichtung weiter verbessert, indem die Spannung Vd2 modifiziert wird, so daß ihr Potential sicher innerhalb eines Bereichs von Vd2 = +1 bis +5 Volt abfällt.
5 ist eine Graphik, in der ein Ergebnis einer Alterungstestmessung dargestellt ist, welches die Beziehung zwischen der Spitzen-Emissionsstromdichte Je der sich ergebenden MIM-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit zeigt, die in 5 mit "Ir-Pt-Au" bezeichnet ist. Zum Vergleich wurden auch andere Emissionsproben einem ähnlichen Alterungstest unterzogen, wobei eine eine zweischichtige laminierte obere Elektrodenstruktur aufweist, die aus einer 3 nm dicken Pt-Grenzflächenschicht und einer 3 nm dicken Au-Oberflächenschicht besteht, welche mit "Pt-Au" bezeichnet ist, und wobei die andere, die mit "Au" bezeichnet ist, eine einschichtige obere Elektrodenstruktur aufweist, welche ausschließlich aus einem 6 nm dicken Au-Film besteht. Für diese drei verschiedenen MIM-Elektronenemissionsvorrichtungen wurde die angelegte Spannung auf feste Niveaus gelegt, um zu gewährleisten, daß der Diodenstrom Id bei ihnen konstant gehalten wird, und es ist gleichzeitig das an die dielektrische Schicht 12 jeder Probe angelegte elektrische Feld gleich dem der anderen. Wie ein Fachmann der Graphik aus 5 leicht entnehmen kann, neigt die Stromdichte Je bei der Au-Einzelschichtstruktur, wenngleich sie infolge der Signifikanz ihrer Elektronenemissionswirksamkeit Ie/Id anfänglich einen hohen Wert Je aufweist, zur zeitlichen Abnahme, und die Elektronenemission hört nach Ablauf von 50 Minuten schließlich auf. Wenngleich bei der Pt-Au-Zweischichtstruktur die anfängliche Spitzen-Emissionsstromdichte Je einen hohen Wert von 2 Milliampere je Quadratzentimeter (mA/cm²) aufweist, fällt sie nach Ablauf von in etwa 400 Minuten steil ab. Auf diese Weise weist die zweischichtige strukturierte obere Pt-Au-Elektrode eine stark verlängerte Lebensdauer gegenüber der einschichtigen oberen Au-Elektrode auf, es ist jedoch, insbesondere wenn ein höherer Emissionsstrom erforderlich ist, keine ausreichende Lebensdauer mehr erreichbar. Weil dagegen bei der dreischichtigen Ir-Pt-Au-Struktur gemäß der Erfindung die Grenzflächenschicht 16 spezifisch aus Ir besteht, bleibt ihre anfängliche Spitzen-Emissionsstromdichte Je bei einem verhältnismäßig niedrigen Wert von etwa 2,5 mA/cm², die Stabilität ist jedoch drastisch verbessert, was dazu führt, daß selbst nach Verstreichen von 400 Minuten keine Verringerung der Emissionsstromdichte Je beobachtet wird. Dies liegt daran, daß sich durch die Verwendung von Ir, das eine höhere Sublimationsenthalpie als Pt aufweist, für die Grenzflächenschicht 16 der Vorteil eines weiteren Unterdrückens des Auftretens einer unerwünschten Wanderung der die obere Elektrode 11 bildenden Atome zur dielektrischen Schicht 12 ergibt.
Es sei bemerkt, daß bei dieser Ausführungsform die Eigenschaften der durch Eloxieren gebildeten dielektrischen Schicht 12 durch die Verwendung hochorientierter Filme oder einkristalliner Filme für die Basiselektrode 13 weiter verbessert sind, wodurch sich MIM-Elektronenemissionsvorrichtungen mit sehr hoher Leistungsfähigkeit erreichen lassen. Zusätzlich kann die dielektrische Schicht 12 alternativ durch Sputter- oder Abscheidungstechniken statt durch Eloxieren gebildet werden.
Es sei auch bemerkt, daß wenngleich sich das vorstehend Erwähnte auf eine spezifische Ausführungsform bezieht, wobei die Grenzflächenschicht 16 aus Ir besteht, ähnliche Vorteile erhalten werden, falls die Grenzflächenschicht 16 aus anderen Materialien mit einer höheren Sublimationsenthalpie, wie Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Ruthenium (Ru), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Tantal (Ta), Rhenium (Re), Osmium (Os), Wolfram (W) oder einer Legierung mehrerer daraus ausgewählter Elemente besteht, wenn die mittlere Schicht 17 aus Pt besteht.
Zweite Ausführungsform
Gemäß der vorstehend dargelegten ersten Ausführungsform wird die Oberflächenschicht 18 nicht unbedingt gebildet. Diese Schicht 18 ist nicht erforderlich, wenn die obere Elektrode 11 an sich einen "ausreichend" niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, ohne daß die Oberflächenschicht 18 vorhanden wäre. Eine zweite Ausführungsform, die in den 6A und 6B dargestellt ist, folgt diesem Ansatz, wobei 6B eine Draufsicht ist, während 6A eine Schnittansicht entlang einer Linie A- B ist. Wie in 6A dargestellt ist, ist die dargestellte Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung aus einem Laminat aus der Grenzflächenschicht 16 und der mittleren Schicht 17 auf der dielektrischen Schicht 12 aufgebaut. In diesem Fall ist der sich ergebende spezifische elektrische Widerstand der oberen Elektrode 11 über denjenigen der vorstehend erwähnten ersten Ausführungsform hinaus erhöht. Um dies zu kompensieren, ist die obere Elektrode 11 elektrisch über Busleitungen 32 mit zugeordneten Leistungsversorgungs-Anschlußknoten gekoppelt, wodurch jegliche Probleme vermieden werden, die andernfalls möglicherweise in gewissem Maße auftreten würden, wenn die obere Elektrode 11 einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Dritte Ausführungsform
Eine MIS-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist in 7 dargestellt. Wie dargestellt ist, wird ein n-leitendes Siliciumsubstrat (Si-Substrat) einer Oxidation durch thermische Eloxiertechniken unterzogen, wodurch darauf die dielektrische Schicht 12 gebildet wird. Daraufhin wird ein SiO₂-Film durch chemische Dampfabscheidung (CVD) oder Sputtertechniken bis zu einer spezifizierten Dicke von beispielsweise 50 nm aufgebracht, wodurch eine Schutzschicht 15 gebildet wird. Als nächstes wird eine dreischichtige obere Elektrode 11 durch HF-Magnetronsputtern darauf sequentiell gebildet und laminiert. Bei der Bildung von drei Filmen während dieses Prozesses wird ein Ir-Film mit einer Dicke von 1 nm als Grenzflächenschicht 16 gebildet, ein Pt-Film mit einer Dicke von 2 nm als mittlere Schicht 17 gebildet und ein Au-Film mit einer Dicke von 3 nm als Oberflächenschicht 18 gebildet. Das sich ergebende dreischichtige Laminat ist insgesamt 6 nm dick. Schließlich wird eine strukturierte Au-Schicht gebildet, wodurch das Busleitungsmuster 32 für die obere Elektrode 11 bereitgestellt wird.
Es wird nun eine Anwendungseinrichtung erklärt, bei der eine oder mehrere Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden.
Vierte Ausführungsform
In den 8 und 9 ist eine Ausführungsform eines Anzeigegeräts dargestellt. 8 zeigt einen Querschnitt einer in 9 dargestellten planaren Struktur, welche eine Draufsicht einer Anordnung von Elektrodenzeilen und -spalten von Elektronenemissionsvorrichtungen auf einem isolierenden Substrat eines Anzeigegeräts ist. Das Substrat ist in 9 nicht sichtbar und in 8B mit einer Bezugszahl 14 bezeichnet. Das Substrat 14 kann ein Glassubstrat sein, auf dem die Basiselektrode 13 durch ein HF-Sputterverfahren gebildet wird. Während dieses Prozesses wird eine Strukturierung, wie in 9 dargestellt ist, unter Verwendung einer geeigneten Maske oder einer Kombination von Photolithographie- und Ätztechniken ausgeführt. Nachfolgend wird die dielektrische Schicht 12 durch Eloxieren gebildet. Als nächstes wird die Schutzschicht 15 aus einem gewählten dielektrischen Material, hier SiO₂, durch HF-Sputtern gebildet. Die Schutzschicht 15 erhöht die Lebensdauer der Vorrichtung durch Beseitigen des Auftretens dielektrischer Durchbrüche, die andernfalls infolge der lokalen Konzentration des elektrischen Felds an den Seitenkanten oder Eckabschnitten der Basiselektrode 13 stattfinden.
Als nächstes wird ein Sputtern ausgeführt, wodurch nacheinander drei laminierte Filme für die obere Elektrode 11 gebildet werden. Zu dieser Zeit werden ein 1 nm dicker Ir-Film als Grenzflächenschicht 16 gebildet, ein 2 nm dicker Pt-Film als mittlere Schicht 17 gebildet und ein 6 nm dicker Au-Film als eine Oberflächenschicht 18 gebildet. Das sich ergebende dreischichtige Laminat weist demgemäß insgesamt eine Dicke von 9 nm auf. Wie in 9 dargestellt ist, wird jedes Laminat der Grenzflächenschicht 16, der mittleren Schicht 17 und der Oberflächenschicht 18 selektiv nur an einem entsprechenden Schnittpunkt mit der Basiselektrode 13 gebildet. Nachfolgend wird ein gewähltes Material mit einer hohen Leitfähigkeit, wie Au, mit einer Dicke von 500 nm gebildet, so daß es das in 8B dargestellte bestimmte Muster aufweist. Der sich ergebende strukturierte Film wird als Busleitungen 32 für die obere Elektrode verwendet. Wie in 8B dargestellt ist, wird dafür gesorgt, daß die Breite jeder Busleitung 32 an allen Stellen, die von der aus den Schichten 16–18 bestehenden oberen Elektrode 11 verschieden sind, kleiner ist als diejenige der oberen Elektrode 11, wodurch es möglich wird, die natürlich vorhandene Streukapazität zwischen den Busleitungen 32 der oberen Elektrode und den Basiselektroden 13 zu verringern, wodurch das Erreichen eines schnellen Vorrichtungsbetriebs ermöglicht wird.
Wie in 8 dargestellt ist, besteht eine Frontplatte 110 aus einem starren transparenten Material, wie Glas, und ihre Innenfläche, auf der eine isolierende transparente Beschleunigungselektrode 112 aus Indiumzinnoxid (ITO) ausgebildet ist, ist vollständig durch Sputtern gebildet. Ein Leuchtstoffilm 114 wird durch Abscheiden auf die ITO-Beschleunigungselektrode 112 aufgebracht. Der Leuchtstoffilm 114 kann aus einem spezifischen Material bestehen, das selbst bei den verwendeten niederenergetischen Elektronenstrahlen eine hohe Luminanz und eine hohe Helligkeit aufweist, wobei ZnO : Zn bevorzugt ist. Die Frontplatte 110, die die Beschleunigungselektrode 112 und den Leuchtstoffilm 114 auf ihrer Innenfläche aufweis, ist mit dem Anzeigesubstrat 14 zusammengesetzt, auf dem sich eine Anordnung von Elektronenemissionsvorrichtungen befindet, wobei ein 200 μm dickes bestimmtes Abstandselement (nicht dargestellt) verwendet wird, das seine Periphere umgibt, und die sich ergebende Struktur wird dann unter Verwendung von Glasfritte gedichtet. Der zwischen dem Substrat 14 und der Frontplatte 110 definierte Innenraum wird als nächstes abgepumpt, wodurch das Anzeigefeld 100 des Anzeigegeräts fertiggestellt wird.
Eine elektrische Schaltungsanordnung des so hergestellten Anzeigefelds 100, die wirkungsmäßig mit einer zugeordneten Treiberschaltung gekoppelt ist, ist in 10 dargestellt. Die Basiselektroden 13 sind mit Basis-Elektrodentreiberschaltungen 41 verbunden, während Busleitungen 32 der oberen Elektrode mit jeweiligen Treiberschaltungen 42 für die obere Elektrode verbunden sind. Die Beschleunigungselektrode 112 ist wirkungsmäßig mit einer Treiberschaltung 43 für die Beschleunigungselektrode gekoppelt. Es sei bemerkt, daß ein Punkt an einer Kreuzung zwischen der n-ten Basiselektrode 13, beispielsweise Kn, und der m-ten Busleitung 32Cm der oberen Elektrode nachstehend mit (n, m) bezeichnet wird, wobei "n" und "m" ganze Zahlen sind.
Es sei auf 11 verwiesen, worin Wellenformen mehrerer wesentlicher Spannungssignale dargestellt sind, die an Knoten jeweiliger Treiberschaltungen erzeugt werden. Wenngleich dies in diesem Wellenformdiagramm aus 11 nicht spezifisch angegeben ist, wird konstant eine Spannung von 400 V an die Beschleunigungselektrode 112 angelegt.
Wie aus 11 ersichtlich ist, befindet sich jede Elektrode zu einem Zeitpunkt t0 bei null Volt, was dazu führt, daß von ihr keine Elektronen emittiert werden, so daß der Leuchtstoffilm 114 keine Lichtstrahlen emittiert.
Zu einer Zeit t1 in 11 wird an eine Basiselektrode 13K1 eine Spannung –V₁ angelegt, während die mit C1 und C2 bezeichneten Busleitungen 32 der oberen Elektrode eine Spannung von +V₂ empfangen. Eine bestimmte Spannung (V₁ + V₂) wird zwischen die Basiselektroden 13 und die oberen Elektroden 11 der Punkte (1, 1) und (1, 2) gelegt, weshalb durch Legen dieser Spannung (V₁ + V₂) auf ein vordefiniertes Potential, das höher als das Elektronenemissions-Startpotential ist, ermöglicht werden kann, daß diese beiden Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen Elektronen in den Vakuumraum 10 des Anzeigefelds 100 emittieren oder freisetzen. Die emittierten Elektronen werden dann durch die an die Beschleunigungselektrode 112 angelegte Spannung beschleunigt, und sie treffen auf den Leuchtstoffilm 114, so daß er Licht emittiert.
Daraufhin wird zur Zeit t2 aus 11 eine Spannung –V₁ an die Basiselektrode 13K2 angelegt, während gleichzeitig eine Spannung V2 an eine Busleitung 32C1 der oberen Elektrode angelegt wird, wodurch bewirkt wird, daß ein Punkt (2, 1) eingeschaltet wird und Licht emittiert. Durch Anlegen eines Satzes der Spannungswellenformen aus 11 auf diese Weise wird ermöglicht, daß einige in 10 schraffiert dargestellte ausgewählte Punkte ausschließlich eingeschaltet werden.
Es wird in der vorstehend dargelegten Weise möglich, alle beliebigen gewünschten Bilder oder Informationen durch Ändern oder Modifizieren der an die Busleitungen 32 der oberen Elektrode angelegten Signale anzuzeigen. Es ist weiterhin möglich, mehrere Graustufenbilder anzuzeigen, indem die Intensität des an die Busleitungen 32 der oberen Elektrode angelegten Spannungssignals V1 abhängig vom erforderlichen Bildsignal geeignet geändert wird.
Unter Verwendung der Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen gemäß der Erfindung können Anzeigefelder mit einer hohen Helligkeit und einer langen Lebensdauer hergestellt werden, weil eine erhöhte Emissionsstromdichte mit einer erhöhten Stabilität und Zuverlässigkeit erhalten werden kann.
Fünfte Ausführungsform
Nun werden andere Beispiele, bei denen der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in Zusammenhang mit den 12–15 beschrieben. 13 ist eine Draufsicht eines Anzeigefelds bei Betrachtung von der Frontplattenseite aus, während 14 eine Draufsicht eines Anzeigesubstrats 14 bei Betrachtung von der Frontplattenseite aus ist. In 12A ist eine Schnittansicht von jeder der Strukturen aus den 13 und 14 entlang einer Linie A- B dargestellt, während in 12B ein Querschnitt entlang einer Linie C-D in bezug auf die linke Hälfte davon dargestellt ist.
Ein Herstellungsverfahren für Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen, die auf dem Anzeigesubstrat zu bilden sind, wird nachstehend beschrieben. Es sei auf die 15A bis 15G verwiesen, worin einige wesentliche Schritte bei der Herstellung solcher Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen auf dem Anzeigesubstrat 14 dargestellt sind. Es sei hier bemerkt, daß zu Erklärungszwecken jede dieser Figuren eine Kombination zweier verschiedener Darstellungen aufweist, wobei die rechte Seite eine Draufsicht ist und die linke Seite den zugeordneten Querschnitt zeigt, der demjenigen entlang der Linie A-B in den 13 und 14 entspricht. Es sei auch bemerkt, daß wenngleich in den 15A–15G zu Erläuterungszwecken spezifisch nur eine Elektronenemissionsvorrichtung dargestellt ist, Fachleute leicht verstehen werden, daß ähnliche Vorrichtungen bereitzustellen und in Form einer zweidimensionalen Matrix auf demselben Anzeigesubstrat zu organisieren sind, wie in den 12 und 14 dargestellt ist, wenn eine praktische Anwendung erfolgt.
Zuerst wird, wie in 15A dargestellt ist, ein isolierendes Substrat 15 aus Glas oder dergleichen hergestellt, und es wird dann ein metallischer Dünnfilm in der Art eines Al-Films als die Basiselektrode 13 bis zu einer Dicke von beispielsweise 300 nm auf dem Substrat 14 gebildet. Die Bildung dieses Al-Films kann durch Sputtern, Abscheiden mit einem Widerstandsheizer, Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder dergleichen erfolgen. Als nächstes wird dieser Al-Film durch photolithographische Resistbildung und eine nachfolgende Ätzbehandlung strukturiert, wodurch darin ein streifenförmiges Muster zur Bildung jeder Basiselektrode 13 definiert wird. Der hier verwendete Resist kann aus beliebigen Materialarten bestehen, sofern sie zur Verwendung mit Ätzbehandlungen geeignet sind, welche wiederum beliebige Naß- und Trockenätztechniken sein können. Die Basiselektrode 13 wird einem Eloxierprozeß unterzogen, durch den eine dielektrische Schicht 12 gebildet wird, die eine Dicke von 5 bis 10 nm aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Eloxierspannung zur Bildung einer 5,5 nm dicken dielektrischen Schicht auf 4 V gelegt. Die sich ergebende Struktur entspricht der in 15A dargestellten.
Als nächstes wird, wie in 15B dargestellt ist, ein Resist aufgebracht und zur Strukturierung mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt, um dadurch strukturierte Resistmaske 501 aus 15B zu erhalten. Ein positives Resistmaterial auf Quinondiazidbasis kann für die Maske verwendet werden. Während die strukturierte Resistmaske 501 darauf verbleibt, wird wiederum ein Eloxieren ausgeführt, wodurch eine Schutzschicht 15 gebildet wird. Während dieses zweiten Eloxierprozesses ist der Eloxierstrom auf etwa 50 V gelegt, um zu ermöglichen, daß der Schutzfilm 15 eine Dicke von 70 nm aufweist. Dies ist der in 15C dargestellte Zustand.
Nachdem die Resistmaske 501 unter Verwendung eines gewählten organischen Lösungsmittels, wie Aceton, entfernt wurde, wird ein ähnlicher Prozeß angewendet, um eine andere strukturierte Resistmaske 502 zu bilden, wie in 15D dargestellt ist. Es wird dann ein Metallfilm als die Busleitungen 32 der oberen Elektrode auf der gesamten Oberfläche des Substrats 14 ausgebildet. Vorzugsweise wird dieser Metallfilm strukturiert, um darin Busleitungen 32 auszubilden, und er weist eine mehrschichtige Laminatstruktur auf, die eine untere Schicht aus einem bestimmten Metall, das eine ausgezeichnete Haftung mit dem Substrat 14 aufweist, wie Mo, und eine obere Schicht aus schwer oxidierbaren Metallen mit einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit aufweist, wobei diese Schichten der Reihe nach durch Sputtern oder Abscheiden gebildet werden. Die untere Mo-Schicht kann alternativ aus anderen Metallen, einschließlich Cr, bestehen, die eine erhöhte Haftfähigkeit an dielektrischen Materialien, wie Ta, W, Nb oder dergleichen, aufweisen. Als das Material für die obere Schicht kann außer Au Pt, Ir, Rh, Ru oder dergleichen verwendet werden. Es ist bei Verwendung dieser Metalle möglich, einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt mit einer später zu bildenden Grenzflächenschicht 16 aufrechtzuerhalten. Es sei hier bemerkt, daß die Dicke des die Busleitungen 32 der oberen Elektrode bildenden Metallfilms entsprechend fallweisen Anforderungen hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands von Leitungsdrähten modifizierbar ist. Beispielsweise wies gemäß dieser Ausführungsform der Mo-Film eine Dicke von 30 nm auf, während der Au-Film 100 nm dick war. Danach wird die Resistmaske 502 durch bekannte Abhebetechniken unter Verwendung einer organischen Lösung, wie Aceton, entfernt, wodurch sich die in 15E dargestellte Struktur erhalten wird.
Nachfolgend wird eine strukturierte Resistmaske 503 gebildet, wie in 15F dargestellt ist. Die sich ergebende Struktur wird dann in eine gewählte Eloxierflüssigkeit gegeben, um das Eloxieren auszuführen. Der Eloxierstrom kann hier ein ähnliches Potential wie bei der Bildung der dielektrischen Schicht 12, gemäß dieser Ausführungsform 4 Volt, aufweisen. Die dielektrische Schicht 12 könnte durch Anwenden aktiver Chemikalien, wie der Entwicklungslösung, durch mehrere Resiststrukturierungs-Prozeßschritte, die sie bis hier erfahren hat, etwas beschädigt worden sein. Um diese Schicht auszuheilen, wird die sich ergebende Struktur wieder einem Eloxieren unterzogen, bevor ihre darüberliegende obere Elektrode gebildet wird. Danach werden die Grenzflächenschicht 16, die mittlere Schicht 17 und die Oberflächenschicht 18 in dieser Reihenfolge gebildet. Zur Bildung dieser Filme ist ein Sputtern zu verwenden, während gewährleistet wird, daß jede Schicht zusammenhängend gebildet wird, ohne daß die Vakuumumgebung zerstört oder gestört werden müßte. Gemäß -dieser Ausführungsform wird ein Ir-Film mit einer Dicke von 1 nm als die Grenzflächenschicht 16 gebildet, ein Pt-Film mit einer Dicke von 2 nm als die mittlere Schicht 17 gebildet und ein Au-Film mit einer Dicke von 3 nm als die Oberflächenschicht 18 gebildet. Alternativ kann ebenso wie bei dieser Ausführungsform in Fällen, in denen die Busleitungen 32 zum ausschließlichen Anlegen einer Spannung an die obere Elektrode spezifisch eingesetzt werden, während die obere Elektrode eine kleinere Fläche behält, die obere Elektrode zwei Schichten aufweisen, welche beispielsweise die 1 nm dicke Ir-Grenzflächenschicht 16 und die 2 nm dicke mittlere Pt-Schicht 17 sind, wobei die Oberflächenschicht 18 fortgelassen ist.
Nachfolgend wird der zuletzt gebildete Resist durch Abhebetechniken unter Verwendung einer organischen Lösung, wie Aceton, entfernt, wodurch eine vorgesehene Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung fertiggestellt wird, wie sie in 15G dargestellt ist. Durch die Verwendung des vorstehend erwähnten Herstellungsschemas wird die Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung erfolgreich auf dem Anzeigesubstrat 14 gebildet. Diese Elektronenemissionsvorrichtung emittiert Elektronen von einem bestimmten Bereich (von bestimmten Bereichert), wie durch das Resistmuster 501 definiert ist. Weil der dicke dielektrische Film gebildet wird, welcher Randabschnitte dieses Elektronenemissionsteils als die Schutzschicht 15 bedeckt, versucht ein zwischen der oberen Elektrode und der Basiselektrode erzeugtes elektrisches Feld nicht mehr, sich an den Seitenkanten und/oder Ecken der Basiselektrode lokal zu konzentrieren, wodurch wiederum das Erreichen stabiler und zuverlässiger Elektronenemissionseigenschaften über einen längeren Zeitraum ermöglicht wird.
Mit Bezug auf die 12A und 12B sei bemerkt, daß die Frontplatte 110 aus transparenten Materialien, einschließlich Glas, bestehen kann. Zuerst wird eine schwarze Matrix 120 gebildet, wie in 12B dargestellt ist. Die schwarze Matrix 120 wird mit einem solchen Layout versehen, daß sie zwischen benachbarten in 13 dargestellten Leuchtstoffen 114 liegt, wenngleich dies in 13 nicht sichtbar ist.
Die schwarze Matrix 120 kann folgendermaßen hergestellt werden: Auf die Vorderplatte 120 wird eine Lösung aus einer Mischung von Graphitteilchen mit Polyvinylalkohol (PVA) und Ammoniumdichromat aufgebracht, ausgewählte Abschnitte werden zur photographischen Belichtung mit UV-Strahlen bestrahlt, wobei auf jedem von diesen die schwarze Matrix 120 zu bilden ist, und die nicht belichteten Abschnitte werden daraufhin davon entfernt.
Anschließend wird ein rotes Leuchtstoffmaterial 114A gebildet. Nachdem auf die Oberfläche der Frontplatte 110 eine Lösung aus einer Mischung fluoreszierender Teilchen mit PVA und Ammoniumdichromat aufgebracht wurde, werden UV-Strahlen zur Belichtung auf ausgewählte Abschnitte eingestrahlt, die einer Leuchtstoffmaterialbildung unterzogen werden, und alle nicht belichteten Abschnitte werden danach unter Verwendung einer Wasserströmung entfernt. Auf diese Weise wird das rote Leuchtstoffmaterial 114A strukturiert. Das sich ergebende definierte Muster ist in 13B dargestellt. Das dargestellte Muster ist lediglich ein Beispiel, und es kann abhängig von verschiedenen Entwurfsanforderungen an die Anzeige frei modifiziert werden, wobei es beispielsweise das sogenannte "RGBG"-Muster sein könnte, bei dem vier benachbarte Punkte für ein einziges Bildelement oder "Pixel" verwendet werden. Der Leuchtstoffilm entspricht in der Dicke 1,4 bis 2 Schichten von Leuchtstoffteilchen. Ein grünes Leuchtstoffmaterial 114B und ein blaues Leuchtstoffmaterial 114C werden in ähnlicher Weise wie vorstehend erörtert gebildet. Beispielsweise kann das rote Leuchtstoffmaterial Y₂O₂ : Eu (P22-R) sein, das grüne Zn₂SiO₄ : Mn (P1-G1) sein und das blaue ZnS : Ag (P22-B) sein. Alternativ ist der rote Leuchtstoff YP_0,65V_0,35O₄ : Eu, der grüne Zn₂SiO₄ : Mn (P1-G1) und der blaue (Y, Gd)P_0,85V_0,15O₄.
Als nächstes wird nach einer Filmbildung unter Verwendung eines Nitrozellulosefilms oder dergleichen ein Al-Beschichtungsfilm bis zu einer Dicke von etwa 50 bis 300 mm vollständig auf die Frontplatte 110 aufgebracht, wodurch eine schwarze Rückseite 122 bereitgestellt wird. Danach wird die Platte 110 auf bis zu etwa 400°C erwärmt, wodurch das Hydrolisieren des Filmbildungsfilms und des organischen Films, beispielsweise aus PVA, ermöglicht wird, wodurch die Frontplatte 110 fertiggestellt wird.
Die sich ergebende Frontplatte 110 und das Anzeigesubstrat 14 werden zusammengesetzt, wobei ein geeignetes Abstandselement am Rand sandwichförmig dazwischen angeordnet ist, und sie werden unter Verwendung von Glasfritte gedichtet. Die Positionsbeziehung zwischen der Frontplatte 110 und dem Substrat 14 für das Layout ist in 13 dargestellt. In 14 ist das planare Layout der so auf dem Substrat 14 gebildeten Dünnfilm-Elektronenemissionsanordnung in einer Weise dargestellt, die derjenigen aus 13 entspricht, wenngleich die Schutzschicht 15 und die Oberflächenschicht 18 der oberen Elektrode nur zu Darstellungszwecken fortgelassen sind.
Der Abstand zwischen der beabstandeten Frontplatte 14 und dem Substrat 14 liegt zwischen 1 und 3 mm. Ein Abstandselement 60 ist dazwischen eingefügt, um eine Zerstörung des Anzeigefelds durch Anwenden einer äußeren Kraft unter einem Atmosphärendruck zu verhindern, wenn und nachdem die Innenseite dieses Felds abgepumpt wird. Im Fall der Herstellung des Anzeigegeräts, dessen Anzeigefläche kleiner oder gleich 4 cm (Breite) × 9 cm (Länge) ist, unter Verwendung einer 3 mm dicken Glasplatte für die Frontplatte 110 ist dementsprechend das Abstandselement 60 nicht mehr erforderlich. Dies kann gesagt werden, weil die Platte 110 und das Substrat 14 mit dieser Größe infolge ihrer eigenen -mechanischen oder physikalischen Stärke in der Lage sind, dem Ausüben dieses Atmosphärendrucks zu widerstehen. Das Abstandselement 60 weist bei der Verwendung die in 13 dargestellte Form auf. Hierbei ist ein Abstands-Trägerelement für jeden rote (R), grüne (G) und blaue (B) Lichtkomponenten emittierenden Punktsatz, d. h. für jeden Satz von drei Spalten von oberen Elektroden, bereitgestellt, die Anzahl dieser Träger kann jedoch verringert werden, solange die erforderliche mechanische Stärke erwartet werden kann. Dieses Abstandselement 60 kann hergestellt werden, indem unter Verwendung eines Sandstrahlverfahrens Öffnungen oder Löcher einer gewünschten Form in einer dielektrischen Platte, beispielsweise aus Keramik oder Glas, definiert werden.
Das dichtend verbundene Anzeigefeld wird zum dichtenden Verpacken bis auf 1 × 10^–7 Torr abgepumpt, wodurch das Anzeigefeld fertiggestellt wird, bei dem mehrere Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden.
Weil gemäß dieser Ausführungsform der Abstand zwischen der Frontplatte 110 und dem Substrat 14 erhebliche 1 bis 3 mm beträgt, wird es möglich, die Beschleunigungsspannung der metallischen Rückseite 122 auf bis zu 3 bis 6 kV zu erhöhen. Demgemäß können, wie vorstehend erwähnt wurde, gegenwärtig verfügbare Leuchtstoffmaterialien zur Verwendung in Kathodenstrahlröhren-Einheiten (CRT-Einheiten) für das Leuchtstoffmaterial 114 verwendet werden. Die Spannungswellenformen mehrerer Treibersignale, welche gemäß dieser Ausführungsform verwendet werden, ähneln jenen gemäß der vierten Ausführungsform, wobei die Beschleunigungsspannung hier durch ein hohes Potential von 3 bis 6 kV ersetzt ist.
Sechste Ausführungsform
Ein EB-Lithographiegerät gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung ist in 16 dargestellt. Wenngleich bei diesem EB-Lithographiegerät wenigstens eine Elektronenemissionsvorrichtung als Elektronenquelle verwendet werden kann, ist diese Ausführungsform speziell dafür ausgelegt, eine Mehrelektronen-Emissionsanordnung 200 zu verwenden, die eine flächenhafte oder zweidimensionale Matrix von Zeilen und Spalten von Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen aufweist.
Die Mehrelektronen-Emissionseinheit 200 ähnelt hinsichtlich des elektrischen Ansteuerverfahrens dem Anzeigegerät gemäß den vorstehend erwähnten Ausführungsformen vier und fünf und dient dem Emittieren und Richten eines Elektronenstrahls, der ein vordefiniertes Muster darstellt, das der gewünschten IC-Schaltungsanordnung entspricht, auf einen Ziel-Halbleiterwafer 240. Der emittierte Elektronenstrahl wird dann so geleitet, daß er durch eine Einheit 210 läuft, woraufhin der sich ergebende Strahl von der Elektronenlinse 220 durch eine Durchmesserverkleinerung von 1/1000 kondensiert wird und ein Punktstrahl mit einem verringerten Durchmesser bereitgestellt wird, der dann durch ein Ablenkungssystem 230 abgelenkt wird und als nächstes auf den Wafer 240 projiziert wird, so daß das Muster der IC-Schaltungsanordnung darauf übertragen wird. Bei dem dargestellten EB-Lithographiegerät zur gleichzeitigen IC-Musterübertragung bleibt die Resistbelichtungszeit kürzer, weil die Emissionsstromdichte hoch ist und mehrere IC-Muster gleichzeitig auf den Wafer 240 übertragen werden können. Hierdurch kann der Durchsatz verglichen mit EB-Systemen aus dem Stand der Technik stark verbessert werden.
Alle Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die in dieser Beschreibung erwähnt sind, seien hier in gleichem Maße aufgenommen, als ob jede von ihnen hier spezifisch und einzeln durch Bezug aufgenommen wäre. Weiterhin sei die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung JP-A-8-314502, die am 26. November 1996 eingereicht wurde, einschließlich ihrer Beschreibung, ihrer Ansprüche, ihrer Zeichnung und ihrer Zusammenfassung hier durch Bezug aufgenommen.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen speziell dargestellt und beschrieben wurde, ist zu verstehen, daß der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die hier beschriebenen spez-iellen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll, sondern ausschließlich in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung mit einer vielschichtigen Dünnfilm-Struktur, die eine obere und eine untere Elektrode (11, 13) mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht (12) aufweist, wobei die obere und die untere Elektrode (11, 13) eine Spannung (20) empfangen, und die obere Elektrode eine positive Polarität aufweist, die ihr die Emission von Elektronen aus ihrer Oberfläche in ein Vakuum (10) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Elektrode eine erste Schicht (16) und eine zweite Schicht (18) aufweist, die nacheinander auf oder über der Isolierschicht (2) aufgeschichtet sind, und die erste Schicht (16) aus einem ausgewählten Material hergestellt ist, dessen Sublimationsenthalpie größer ist als die der zweiten Schicht (18).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die obere Elektrode (11) ferner eine dritte Schicht (17) aufweist, die zwischen der ersten (16) und der zweiten (18) Schicht angeordnet ist, und die dritte Schicht (17) eine Sublimationsenthalpie aufweist, die kleiner als die der ersten Schicht (16) und größer als die der zweiten Schicht (18) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die dritte Schicht (17) Platin (Pt) enthält.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (16) aus Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Ruthenium (Ru), Molybdän (Mo), Iridium (Ir), Niob (Nb), Tantal (Ta), Rhenium (Re), Osmium (Os) oder Wolfram (W), bzw. aus einer Legierung mehrerer dieser Elemente hergestellt ist, und die zweite Schicht (18) aus Gold (Au), Silber (Ag) oder Kupfer (Cu) bzw. aus einer Legierung mehrerer dieser Elemente hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (16) aus einem Material hergestellt ist, dessen Sublimationsenthalpie größer als die von Platin ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Spannungsversorgungs-Zuleitungsschicht (19, 32), die elektronisch an die obere Elektrode angeschlossen ist, um der oberen Elektrode eine Spannung zuzuleiten.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (16) höchstens drei Nanometer (3 nm) dick ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer dielektrischen Schutzschicht (15), die zwischen der oberen Elektrode (11) und Seitenkanten und Ecken der unteren Elektrode (13) angeordnet ist und die dicker ist als die Isolierschicht (12).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrode (13) aus einem Metall- oder Halbleitermaterial ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (12) eine Halbleiterschicht oder eine poröse Schicht ist.
Elektronenemissions-Anwendungsgerät mit einer Anordnung von mehreren Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen, die jeweils einer der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 10 entsprechen.
Elektronenemissions-Anwendungsgerät mit einem Dünnfilm-Elektronenemissionssubstrat als Elektronenquelle des Geräts, wobei auf dem Substrat eine reihen- und spaltenweise Anordnung von Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen angeordnet sind, die jeweils Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 entsprechen.
Anzeigegerät mit einer Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einer Platte mit einem Phosphorfilm (114) darauf, wobei die Elektronenemissionsvorrichtung und die Platte dazu angeordnet sind, ein Auftreffen von aus der Elektronenemissionsvorrichtung emittierten Elektronen auf den Phosphorfilm zu bewirken.
Gerät nach Anspruch 13, wobei die Elektronenemissionsvorrichtung und die Platte mit einem dazwischen angeordneten Abstandshalter abgedichtet sind, wobei der Abstandshalter zwischen 1 und 3 Millimetern (mm) dick ist.
Elektronenstrahllitographiegerät mit: wenigstens einer Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10; und einer Elektronenlinse (220), die einen Durchtritt von Elektronen aus der Elektronenemissionsvorrichtung ermöglicht.
Elektronenstrahllitographiegerät mit: einem Substrat (240); einer vorzugsweise reihen- und spaltenweisen Anordnung von Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen auf dem Substrat, die jeweils einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 entsprechen; und einer Elektronenlinse (220), die den Durchtritt von Elektronen aus der Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtung ermöglicht.
Anzeigegerät mit einer Anordnung von mehreren Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen, die jeweils einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 entsprechen, und einer Platte mit einem Phosphorfilm darauf, wobei die Anordnung der mehreren Dünnfilm-Elektronenemissionsvorrichtungen und die Platte dazu angeordnet sind, ein Auftreffen von aus einer der Elektronenemissionsvorrichtungen emittierten Elektronen auf den Phosphorfilm zu bewirken.