DE69401243T2

DE69401243T2 - Feldemissionsvorrichtung mit Kleinradiuskathode und Herstellungsverfahren dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE69401243T2
Application number: DE69401243T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: DE69401243D1; EP0633594A1; US5502314A; EP0633594B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Feldemissionselemente, die bei niedriger Spannung betreibbar sind, sowie auf Verfahren zum Bilden solcher Elemente.
Die Herstellung miniaturisierter Feldemissionselemente wurde durch Fortschritte der Technologien zur Halbleiterherstellung möglich. Insbesondere offenbarten Spindt et al. die Herstellung einer kornförmigen (vertikalen) Feldemissionskathode. (CA. Spindt, J. Appl. Phys., Bd. 47, S. 5248 (1976)).
Sich nun den zeichnungen zuwendend, veranschaulichen die FIG. 12(a) - FIG. 12(d) das herkömmliche, von Spindt et al. geoffenbarte Herstellungsverfahren für eine Feldemissionskathode. Das Verfahrden von Spindt et al. wird unten erläutert.
Wie in FIG. 12(a) dargestellt ist, wird das Herstellungsverfahren mit Ablagerungen einer Isolationsschicht 101 und einer Metallschicht 102 begonnen, die als auf einem Halbleitersubstrat 100 (Silizium) als Gate-Elektrode eingesetzt wird. Sodann wird ein kleines rundes Loch 103 in der Metallschicht 100 und der Isolationsschicht 101 gebildet, indem ein herkömmliches photolithographisches Verfahren angewandt wird.
Wie in FIG. 12(b) dargestellt ist, wird eine aus einem, z.B. Aluminiumoxyd bestehenden, Material hergestellte verlorene Schicht 104 auf dem Halbleitersubstrat 100 unter einem flachen Winkel dazu, sowie die Gate-Elektrode abgelagert. Im Ergebnis wird der Durchmesser des Gate-Loches 103 wesentlich verringert. Wie aus FIG. 12(c) ersichtlich ist, wird dann eine aus einem, z.B. Molybdän bestehenden, Material hergestellte Metallschicht 105 vertikal auf dem Halbleitersubstrat 100 abgelagert. Der Durchmesser des Gate-loches verringert sich nach und nach in dem Maße, in dem die Metallschicht 105 unter Vakuum abgelagert wird, und ein kegelförmiger Emitter (Kathode) 106 wird innerhalb des Gate-Loches 13 gebildet.
Das Herstellungsverfahren wird durch Entfernen der verlorenen Schicht 104 und der unnötigen Metallschicht 105 abgeschlossen. Die so erhaltene Feldemissionskathode ist durch Anlegen einer Hochspannung an der Gate-Elektrode 102 betreibbar. Dies führt dazu, daß Elektronen in ein Vakuum aus dem Emitter 106 abgezogen werden. Die Elektronen werden durch eine (nicht dargestellte) Anode gesammelt, die in einer dem Emitter 106 gegenüberliegenden Lage angeordnet ist.
Im Anschlusse an das von Spindt et al geoffenbarten Herstellungsverfahren, wurde von einer Feldemissionskathode des vertikalen Typs ähnlicher Konstruktion mit einem schärferen, durch Anwenden entweder anisotropen Ätzens oder eines thermischen Oxydationsverfahrens auf einer Siliziumkristalloberfläche berichtet. (H.F. Gray et al., IEDM Tech. Dig., S. 776 (1986), und Betsui, Trans. 1990 Fall. Conv. of Elect. Inform. Comm. Engineer, Japan, Nr. 5, SC-8-2 (1990)).
Im Gegensatze zur oben beschriebenen Herstellung von Kathoden mit vertikalem Aufbaue, offenbaren Itoh et al. eine Feldemissionskathode von pianarer Konstruktion (Itoh et al., Vacuum Bd. 34, 5. 867 (1991)). Wie in FIG. 13(a) dargestellt ist, wird die planare Feldemissionskathode als kammförmiger Emitter 108 gezeigt, der aus einer weggeätzten, auf einem Quarzsubstrat 107 angeordneten Metallschicht hergestellt ist, wobei ein Gate 108 und eine (nicht gezeigte) Anode am selben Substrat abgelagert sind. Die von Itoh et al. geoffenbarte planare Kathode hat kleine Kapazitäten und ist in hohem Maße für den Gebrauch in verschiedenen Elektroneneinrichtungen mit Ultrahochgeschwindigkeit vorteilhaft. Dies gilt insbesondere für Einrichtungen, welche ein Siliziumsubstrat an Stelle eines Quarzsubstrates benutzen, da sie mit (LSI-) Einrichtungen einer Integration in großem Maßstabe integriert werden können. Das Verfahren zum Herstellen planarer Feldemissionskathoden wird unten im zusammenhange mit den FIG. 13(b) - FIG. 13(h) erläutert.
Indem man nun zur FIG. 13(b) übergeht, wird eine aus Wolfram (W) hergestellte Kathodenmetallschicht 108 zuerst auf ein Quarzsubstrat 107 abgelagert. Wie in FIG. 13(c) gezeigt ist, wird sodann die Außenkontur der Emitterschicht 108 durch RIE (reaktives lonenätzen) unter Verwendung einer Photoresistschicht 109 als Maske gezogen. Danach wird das Quarzsubstrat 107 unter Verwendung von Flußsaure in die in FIG. 13(d) gezeigte Form weggeätzt. Nach der Vakuumablagerung eines Gate-Metalles 110 darauf, wie dies in FIG. 13(e) veranschaulicht ist, wird ein Feuchtätzen daran angewandt, um eine Gate-Elektrode 110 zu bilden, und die auf dem Emitter 108 abgelagerte Photoresistschicht 109 wird entfernt.
Sodann wird, wie in FIG. 13(f) gezeigt ist, die Gate- Elektrode 110 gebildet, indem nacheinander photolithographische und Feuchtätzverfahren angewandt werden, bei welchen eine Photoresistschicht 111 darauf abgelagert wird und als Maske benutzt wird. Wie in FIG. 13(g) und FIG. 13(h) dargestellt ist, wird ein kammförmiger Emitter 112 gebildet, indem nacheinander photolithographische und Feuchtätzverfahren angewandt werden, wobei die Photoresistschicht 113 als Maske verwendet wird.
Mit den herkömmlichen konusförmigen Feldemissionskathoden und dem zum Herstellen solcher konusförmigen Kathoden angewandten Verfahren sind jedoch Probleme verbunden. Insbesondere beträgt der minimale Krümmungsradius des Emitters und der Abstand von Emitter zu Gate jeweils etwa 20 nm bzw. 0,5 jim. Auch muß ein Verfahren zum Aussetzen an einen Elektronenstrahl verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit der Krümmungen des Emitters zu sichern.
Was die oben beschriebenen kammförmigen (Emitter-) Kathoden anlangt, können solche Kathoden unter Anwendung eines herkömmlichen photolithographischen Verfahrens hergestellt werden. Auch ist der Elektrodenabstand von Emitter zu Gate leicht in einer Submikrongrößenordnung kontrollierbar, und die Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Einrichtung sind in vorteilhafter Weise hoch. Es gibt aber auch Probleme, die mit den kammförmigen Feldemissionskathoden verbunden sind. Insbesondere ist der durch das von Itoh et al. geoffenbarte Verfahren verfügbare minimale Krümmungsradius des Emitters so groß wie 40 nm, und das Betriebsfeld erfordert eine relativ hohe Spannung bzw. ein elektrisches Feld von 150 V.
Die FR-A-2.662.301 offenbart ein Feldemissionselement mit einem Substrat, auf dem zwei Elektroden angeordnet werden, von denen eine jede eine umgekehrte trapezoide Form besitzt und von denen die eine als Kathode und die andere als Gate-Elektrode benutzt wird, wobei Elektronen von der scharfen Seitenkante der Kathode emittiert werden, wenn ein elektrisches Feld zwischen die beiden Elektroden gelegt wird. Die beiden Elektroden sind entweder unmittelbar auf dem Substrat angeordnet oder auf einem isolierenden Substrat durch Zwischenschaltung einer Isolierschicht.
Die EP-A-0 443 865 offenbart ein Feldemissionselement mit einem Substrat, auf dem eine Kathode und eine Gate- Elektrode angeordnet und Elektronen von der scharfen Seitenkante der Kathode emittiert werden, wenn ein elektrisches Feld zwischen die Kathode und die Gate-Elektrode gelegt wird. Die Kathode ist vom Substrat isoliert, und die Gate- Elektrode ist auf dem Substrat ausgebildet.
Nichts aus dem Stande der Technik weist die Vorteile der Schaffung eines Feldemissionselementes mit einem Minimum des Krümmungsradius und der Entfernung von Emitter zum Gate auf, das mit weniger als 150 Volt betreibbar ist und durch ein Verfahren hergestellt wird, das zu einer hohen Reproduzierbarkeit, Gleichmäßigkeit der Einrichtung und ausgezeichneten Eigenschaften führt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 geoffenbart ist, ist ein Feldemissionselement vorgesehen, das mit niedriger Spannung betreibbar ist, bei dem eine erhabene Fläche Teil eines leitenden Substrates oder eines Halbleitersubstrates ist, mit einer die erhabene Fläche unter einem spitzen Winkel kreuzenden Stufe und einer Kathode mit einem Krümmungsradius von weniger als 20 nm, die durch den Schnittpunkt zwischen einer Fläche der Stufe und der erhabenen Fläche gebildet ist, wobei eine Basisfläche eine Unterkante der Stufe schneidet und eine Gate-Elektrode von der Basisfläche isoliert und in einer Lage nahe an der Kathode angeordnet ist, wobei Elektronen von der Kathode emittiert werden, wenn eine geringere elektrische Spannung als 150 V zwischen die Gate-Elektrode und die Kathode gelegt wird.
Das Feldemissionselement wird gemäß Anspruch 13 unter Anwendung eines Verfahrens zum Bilden einer Ätzschutzmaske auf dem Substrat hergestellt, eines photolithographischen Verfahrens zum Bilden einer Begrenzung auf der Ätzschutzmaske, eines Kathodenbildungsverfahrens zum Bilden der einen spitzen Winkel zwischen der erhabenen Fläche auf dem Substrat formenden Stufe durch Anwenden von Ätzen aus einer schrägen Richtung entlang der auf der Ätzschutzmaske gebildeten Begrenzung, eines Verfahrens zum Bilden einer Isolationsschicht auf dem Substrat unter Verwendung der Ätzschutzmaske, und einer Gate-Elektrode auf der Isolationsschicht, und eines Verfahrens zum Entfernen der Ätzschutzmaske, wobei die Isolationsschicht und die Gate-Elektrode an der erhabenen Fläche durch Anwendung eines Abhebeverfahrens gebildet werden.
Das nachstehend beschriebene Feldemissionselement hat die Vorteile, einen minimalen Krümmungsradius aufzuweisen, einen minimalen Abstand von Emitter zu Gate, und bei weniger als 150 Volt betreibbar zu sein. Das nachstehend beschriebene Verfahren besitzt die Vorteile, dazu imstande zu sein, das Element mit gleichmäßigen und ausgezeichneten Eigenschaften zu reproduzieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIG. 1 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Die FIG. 2(a), 2(b), 2(c), 2(d) und 2(e) sind Schnittansichten, welche die Verfahrensschritte beim Herstellen eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines Trockenätzverfahrens zeigen.
Die FIG. 3(a), 3(b), 3(c), 3(d), 3(e) und 3(f) sind Schnittansichten eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens, das zu einer nicht-planaren Gate-Elektrode führt.
Die FIG. 4(a), 4(b), 4(c), 4(d), 4(e) und 4(f) sind Schnittansichten eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens, das zu einer planaren Gate- Elektrode führt.
FIG. 5 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Feldemissionselementes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 6 ist eine Perspektivansicht eines Feldemissionselementes gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 7 ist eine Perspektivansicht eines weiteren Feldemissionselementes gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 8 ist eine Perspektivansicht eines Feldemissionselementes gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
Die FIG. 9(a) und 9(b) sind Draufsichten, und die FIG. 9(c), 9(d) und 9(e) sind Querschnittsansichten des Feldemissionselementes gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung, die sein Herstellungsverfahren veranschaulichen.
Die FIG. 10(a), 10(b), 10(c) und 10(f) sind Draufsichten, die FIG. 10(a'), 10(b'), 10(c'), 10(d'), 10e') und 10(f') sind Querschnittsansichten und die FIG. 10(a), 10(b"), 10(c"), 10(d"), 10(e") und 10(f") sind Endansichten des Feldemissionselementes gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung, die seine Herstellungsverfahren veranschaulichen.
FIG. 11 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Feldemissionselementes gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung.
Die FIG. 12(a), 12(b), 12(c) und 12(d) sind Querschnittsansichten, welche die Verfahrensschritte beim Herstellen einer herkömmlichen konusförmigen (Vertikaltyp) Kathode des Feldemissionstyps zeigen.
Die FIG. 13(a), 13(b), 13(c), 13(d), 13(e), 13(f), 13(g) und 13(h) sind schräge Querschnitte durch eine herkömmliche planare (Horizontaltyp) Kathode des Feldemissionstyps, und zeigen die Verfahrensschritte, die beim Herstellen der Kathode angewandt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Erste Ausführungsform

Wenn man sich den Zeichnungen zuwendet, so zeigt FIG. 1 eine perspektivische Querschnittsansicht eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In FIG. 1 ist ein aus einem Einkristall aus Silizium bestehendes Halbleitersubstrat 1, in welchem eine eine erhabene Fläche 2 unter einem spitzen Winkel schneidende Stufe 3 ausgebildet ist. Die zwischen der Stufe 3 und der erhabenen Fläche 2 ausgebildete Schnittlinie 4 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel als lineare Kathode. Der Krümmungsradius der linearen Kathode 4 beträgt etwa 10 nm. Die Unterkante der Stufe 3 schneidet eine Basisfläche 5. Der Stufe 3 benachbart ist an der Basisfläche 5 eine von der Basisfläche 5 durch eine Isolationsschicht 6 isolierte Gate- Elektrode 7 in einer Lage nahe der Kathode 4 ausgebildet.
Der Abstand zwischen der erhabenen Fläche 2 und der Gate-Elektrode 7 beträgt 100 nm, und die Breite der linearen Kathode 4 macht etwa 1 mm aus.
Somit besitzt das eben beschriebene Feldemissionselement die signifikanten Vorteile, mit einer Spannung von ungefähr 50 Volt zwischen der erhabenen Fläche 2 und der Gate-Elektrode 7 betreibbar zu sein, wobei Elektronen von der linearen Kathode 4 bei einer Stromstärke von etwa 10 µA emittiert werden.
Die FIG. 2(a), 2(b), 2(c) und 2(e) sind Schnittansichten, welche die Verfahrensschritte beim Herstellen eines Feldemissionselementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines Trockenätzverfahrens zeigen.
Wie in FIG. 2(a) gezeigt wird, wird zuerst eine Siliziumoxydschicht 8 auf einem Einkristallsubstrat 1 aus Silizium gebildet. Wie aus FIG. 2(b) ersichtlich ist, wird sodann photolithographisch eine Ätzschutzmaske 9 mit linearer Begrenzung auf dem Einkristallsubstrat 1 aus Silizium ausgebildet.
Als nächstes wird an dem Siliziumsubstrat 1 ein Trokkenätzen ausgeführt, wie in FIG. 2(c) gezeigt wird, um einen Teil des Substrates 1 einschließlich eines Teiles unterhalb der Maske in einer schrägen Richtung zu einer Vertikallinie auf das Einkristallsubstrat 1 aus Silizium zu entfernen und die Stufe 3 zu bilden. Die Stufe 3 schließt einen spitzen Winkel mit der Begrenzungslinie der Ätzschutzmaske 9 ein. Die Stufe 3 bildet einen spitzen Winkel mit der erhabenen Fläche und wirkt in diesem Ausführungsbeispiel als Linienkathode 4.
Wie in FIG. 2(d) gezeigt ist, werden als nächstes eine Isolationsschicht 10 sowie Gate-Elektroden 7 und 7' vertikal auf dem Einkristallsubstrat 1 aus Silizium abgeschieden, um die gesamte Fläche des Einkristallsubstrats 1 aus Silizium zu bedecken. Zu diesem Zeitpunkte wird die Ätzschutzmaske 9 als Ablagerungsmaske verwendet. Gleichzeitig wird die Gate-Elektrode 7 in einer Lage nahe der Kathode abgeschieden, ohne daß ein gesondertes Abgratverfahren nötig wäre. Der Elektrodenabstand von Kathode zum Gate wird durch Steuern der Dicke der Isolationsschicht 10 bestimmt.
Als nächstes werden die Ätzschutzmaske 9, die Isolationsschicht 10 und die auf der erhabenen Fläche ausgebildete Gate-Elektrode 7' durch ein Abhebeverfahren unter Verwendung einer wäßrigen Lösung von Flußsäure entfernt, wie in FIG. 2(e) dargestellt ist.
Wegen des Feldeffektes, der durch eine zwischen die Gate-Elektrode 7 und die Kathode 4 gelegte Spannung erzeugt wird, werden Elektronen von der Kathode 4 in einer vertikalen Richtung zur Stufe, nahezu parallel zur Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium emittiert.
Wenn auch eine im obigen, in den FIG. 2(a)-2(e) gezeigten Ausführungsbeispiel eine erhabene Fläche 2 unter einem spitzen Winkel schneidende Stufe 3 durch Anwendung eines Trockenätzverfahrens hergestellt wird, so kann eine Gate- Elektrode auch an der Begrenzung der Ätzschutzmaske 9 gebildet werden, ohne daß ein gesondertes Abgratverfahren nötig wäre. indem ein Feuchtätzverfahren unter eine Seitenätzung hervorrufenden Bedingungen angewandt wird.
Überdies kann eine Kathode (Emitter) mit äußerst kleinem Radius durch Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens an Stelle eines schräg angewandten Trockenätzverfahrens gebildet werden. Mittels eines anisotropen Feuchtätzverfahrens kann ein Feldemissionselement mit ausgezeichneten Eigenschaften und guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden, da die Kathode durch die Kristallrichtung des Substrates bestimmt wird. Die Herstellungsschritte unter Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens werden als nächstes unter Bezugnahme auf die FIG. 3(a) bis 3(f) beschrieben.
Sich nun der FIG. 3(a) zuwendend, wird zuerst eine Siliziumoxydschicht 8 in der (100)-Ebene des Einkristalisubstrates 1 aus Silizium gebildet. Sodann wird eine Ätzschutzmaske 9 mit einer entlang der < 011> -Richtung ausgebildeten Begrenzungslinie, wie in FIG. 3(b) gezeigt ist, auf der Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium unter Anwendung eines photolithographischen Verfahrens abgelagert. Wie in FIG. 3(c) dargestellt ist, wird als nächstes eine zur Begrenzung der Ätzschutzmaske 9 vertikale Stufe 11 durch Anwenden von Trockenätzen aus einer zur Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium vertikalen Richtung gebildet.
Sodann wird nach der Darstellung der FIG. 3(d) an der Seitenfläche der Stufe 11 eine V-förmige Stufe 12 unter Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens unter Benützung einer wäßrigen Lösung von Kaliumhydroxyd an der Seitenfläche der Stufe 11 und der Basisfläche 5 gebildet. Die Stufe 12 wird an der Begrenzung der Ätzschutzmaske 9 nach innen hin, unter Ausformung eines spitzen Winkels dadurch, weggeätzt und die Kathode 13 gebildet.
Dann werden nacheinander die Isolationsschicht 10 sowie Gate-Elektroden 14 und 14' über nahezu die gesamte Fläche des Einkristallsubstrats 1 aus Silizium abgelagert, wie in FIG. 3(e) dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkte wirkt die Ätzschutzmaske 9 als Ablagerungsmaske. Gleichzeitig wird die Gate-Elektrode 14 auf der Basisfläche in einer Lage nahe der Kathode 13 gebildet, ohne daß ein gesondertes Abgratverfahren nötig wäre.
Anschließend werden die Ätzschutzmaske 9, die Isolationsschicht 10 und die auf der erhabenen Fläche ausgebildete Gate-Elektrode 14' durch Anwendung eines Abhebeverfahrens auf die Ätzschutzmaske 9 insgesamt entfernt, wie es in FIG. 3(f) dargestellt ist, womit die Kathode 13 freigelegt wird.
Wenngleich die Fläche der Gate-Elektrode 14 in der Nachbarschaft der Kathode 13 beim vorliegend gezeigten Herstellungsverfahren nicht planar ist, so ist die Herstellung einer planaren Gate-Elektrode ebenfalls möglich. Das Herstellungsverfahren zur Herstellung einer planaren Gate-Elektrode für die Verwendung mit einer V-förmigen Stufe wird als nächstes unter Bezugnahme auf die FIG. 4(a) bis 4(f) beschrieben.
Wie in FIG. 4(a) gezeigt ist, beginnt das Herstellungsverfahren mit der Ablagerung einer Siliziumoxydschicht 8 in der (100)-Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium. Wie in FIG. 4(b) dargestellt ist, ist dies von der photohthographischen Ablagerung der eine Begrenzungslinie entlang der < 011> -Richtung besitzenden Ätzschutzmaske 9 auf der Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium gefolgt.
Wie in FIG. 4(c) dargestellt ist, wird eine die erhabene Fläche unter einem spitzen Winkel schneidende Stufe 15 an der Begrenzung der Ätzschutzmaske 9 durch Anwenden eines Trockenätzverfahrens aus einer schrägen Richtung zur Vertikalrichtung auf die Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium gebildet. (Dieser Teil des Verfahrens unterscheidet sich von dem in Fig. 3(c) gezeigten, bei dem das Trockenätzverfahren aus einer Vertikalrichtung auf die Fläche des Einkristallsubstrates 11 aus Silizium angewandt wird.)
Sodann wird nach der Darstellung der FIG. 4(d) eine V- förmige Stufe 16 durch Anwendung eines anisotropen Feuchtätzverfahrens unter Benützung einer wäßrigen Lösung von Kaliumhydroxyd zum Freilegen der (111)-Ebene der Stufe 15 gebildet. Die Stufe 15 wird an der Begrenzung der Ätzschutzmaske 9 nach innen zu weggeätzt, formt so einen spitzen Winkel und bildet dadurch eine Kathode 17 an der Kante der Stufe 16.
Dann werden nacheinander die Isolationsschicht 10 sowie Gate-Elektroden 18 und 18' über nahezu die gesamte Fläche des Einkristallsubstrats 1 aus Silizium abgelagert, wie in FIG. 4(e) dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkte wirkt die Ätzschutzmaske 9 als Ablagerungsmaske. Gleichzeitig wird die Gate-Elektrode 18 auf der Basisfläche genau in einer Lage nahe der Kathode gebildet, ohne irgendein gesondertes Abgratverfahren anzuwenden.
Schließlich werden die Ätzschutzmaske 9, die Isolationsschicht 10 und die auf der erhabenen Fläche ausgebildete Gate-Elektrode 18' durch Anwendung eines Abhebeverfahrens auf die Ätzschutzmaske 9 insgesamt entfernt, wie es in FIG. 4(f) dargestellt ist, womit die Kathode 17 freigelegt wird.
Dieses Herstellungsverfahren besitzt den unterscheidenden Vorteil der Herstellung eines Feldemissionselementes mit ausgezeichneten Eigenschaften und guter Reproduzierbarkeit.

Zweite Ausführungsform

Oben wurde eine Anzahl von Feldemissionselementen, welche jeweils eine lineare Kathode aufweisen, sowie das Herstellungsverfahren für die Elemente als erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Nun wird ein Feldemissionselement beschrieben, bei dem sowohl die Kathode als auch die Gate- Elektrode identische Zickzackmuster besitzen.
FIG. 5 zeigt ein Einkristallsubstrat 1 aus Silizium und eine erhaben Fläche 2 mit einer zickzackförmigen Kathode 19, die entlang der < 011> -Richtung des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium gebildet ist; eine zickzackförmige Gate-Elektrode 20, welche durch eine Isolationsschicht 6 von der Basisfläche 5 isoliert ist, ist auf der Basisfläche 5 ausgebildet und liegt jeweils eng der zickzackförmigen Kathode 19 mit einem konstanten Abstande in der Breite gegenüber. Jeder horizontal vorragende Teil der zickzackförmigen Kathode 19 hat eine Krümmung mit kleinem Radius, und daher werden leicht Elektronen von da aus emittiert.
Das in FIG. 5 gezeigte und oben beschriebene Element besitzt den unterscheidenden Vorteil bei einer wesentlich geringeren Spannung betreibbar zu sein als das in der ersten Ausführungsform beschriebene Element. Es sollte klar sein, daß das als zweite Ausführungsform beschriebene Element unter Verwendung desselben Herstellungsverfahrens gefertigt werden kann, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wodurch ein Element mit ausgezeichneten Eigenschaften und guter Reproduzierbarkeit geschaffen wird.

Dritte Ausführungsform

Bei der ersten und zweiten Ausführungsform liegen die Kathode und die Gate-Elektroden jeweils in Breitenrichtung gegenüber. Es sind jedoch Feldemissionselemente mit Kathoden ebenso möglich und werden unten unter Bezugnahme auf die FIG. 6 und 7 erläutert, die von einer Gate-Elektrode umgeben sind.
In FIG. 6 wird ein Feldemissionselement mit mehreren rechteckigen oder polygonalen erhabenen Flächen 21 gezeigt, die auf dem Einkristallsubstrat 1 aus Silizium angeordnet sind. Jede der rechteckigen erhabenen Flächen ist von einer Gate-Elektrode 24 umgeben, die von der Basisfläche 22 mittels einer Isolationsschicht 23 isoliert und an der Basisfläche 22 angeordnet ist. Bei diesem Feldemissionselement werden Elektronen von den Kathoden 25 dann emittiert, wenn eine Spannung zwischen die erhabenen Flächen 21 und die Gate-Elektrode 24 gelegt wird.
Anderseits zeigt die FIG. 7 ein Feldemissionselement, das mit mehreren kreisförmigen erhabenen Flächen 26 versehen ist, die auf dem Einkristallsubstrat 1 aus Silizium angeordnet sind. Jede der kreisförmigen erhabenen Flächen ist von einer Gate-Elektrode 27 umgeben, die von der Basisfläche 22 mittels einer Isolationsschicht 23 isoliert und an der Basisfläche 22 angeordnet ist. Elektronen werden von den Kathoden 28 dann emittiert, wenn eine Spannung zwischen die erhabenen Flächen und die Gate-Elektrode gelegt wird. Die Ausführungsform 3 der Erfindung mit von einer Gate-Elektrode umgebenen Kathoden, wie sie in den FIG. 6 und FIG. 7 gezeigt sind, kann unter Benutzung des bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Herstellungsverfahrens gefertigt werden.

Vierte Ausführungsform

Als nächstes wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Zuwendung zu den FIG. 8 bis 10(f") erläutert. FIG. 8 zeigt eine Perspektivansicht eines Feldemissionselementes, das mit dicht angeordneten dreieckspyramidenförmigen Kathoden 30 ausgestattet ist, wobei jede Kathode eine scharfe Scheitelspitze aufweist. Nach FIG. 8 werden eine Stufe 29 und die Kathoden 30 entlang der < 011> -Richtung in der (100)-Ebene des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium gebildet. Die dreieckspyramidenförmigen Kathoden 30 mit den scharfen Scheitelspitzen ragen von der erhabenen Fläche 31 gegen die Basisfläche 32 vor und werden durch Anwenden eines anisotropen Feuchtätzverfahrens gebildet, wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Gate-Elektrode 33 wird auf der Basisfläche 32 in einer Lage nahe den Kathoden 30 gebildet, indem eine Isolationsschicht 34 dazwischengelegt wird. Ein Anschluß 35 wird dazu benützt, eine Spannung an die Kathoden 30 anzulegen.
Bei dem in FIG. 8 gezeigten Feldemissionselement werden Elektronen von den pyramidenförmigen Kathoden 30 in eine zur Stufe 29 vertikale und zum Einkristallsubstrat 1 aus Silizium nahezu parallele Richtung emittiert, indem eine Spannung zwischen die Kathoden 30 und die Gate-Elektrode 33 gelegt wird. Die Einzelheiten des in FIG. 8 gezeigten Feldemissionselementes werden nun unten unter Zuwendung zu den FIG. 9(a) bis 9(e) erläutert.
FIG. 9(a) zeigt ein Einkristallsubstrat 1 aus Silizium bevor ein anisotropes Feuchtätzen daran angewandt und eine Ätzschutzmaske 36 darauf gebildet wird. Das Einkristalisubstrat 1 aus Silizium wird durch eine Stufe 37 in eine erhabene Fläche 31 und eine Basisfläche 32 unterteilt. Die Stufe 37 hat ihre Begrenzung entlang der < 011> -Richtung, die in der (100)-Ebene des Einkristallsubstrates aus Silizium ausgebildet ist. Eine linienförmige Ätzschutzmaske 36 mit einer nahezu konstanten Breite und einer Kante an der Stufe 37 ist entlang der < 011> -Richtung angeordnet, welche auf der erhabenen Fläche 31 senkrecht zur Stufe 37 liegt.
FIG. 9(b) zeigt eine Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium nach der Anwendung des anisotropen Ätzens unter Verwendung einer wäßrigen Lösung von Kaliumhydroxyd daran und nach dem Entfernen der Ätzschutzmaske 36. Das Ergebnis ist eine scharfe Kathode 30, die von den (111)-Ebenen umgeben ist.
Die FIG. 9(c) und 9(d) zeigen Querschnitte des in der FIG. 9(a) dargestellten Einkristallsubstrates aus Silizium, bevor und nachdem ein anisotropes Ätzen daran ausgeführt wurde. FIG. 9(c) ist eine Längsansicht und FIG. 9(d) ist eine Stirnansicht. Der durch die strichlierten Linien gekennzeichnete Teil der FIG. 9(c) und der FIG. 9(d) stellt das Snbstrat 1 vor der Anwendung des Ätzens dar. Die volle Linie in diesen beiden Ansichten bezeichnet das Substrat im Anschlusse an das anisotrope Ätzen.
Wie in dem in FIG. 9(d) abgebildeten Querschnitt gezeigt ist, wird ein linienförmiger Vorsprung mit dreieckspyramidenförmigem Querschnitt und (111)-Ebenen unterhalb der linienförmigen Maske 36 ausgebildet. Wie durch den in FIG. 9(c) abgebildeten Querschnitt gezeigt wird, scheinen die (110)-Ebenen am Ende der Stufe auf, die gegen die Innenseite der Ätzschutzmaske 36 gewendet ist und einen spitzen Winkel zur Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium bildet (ein spitzer Winkel entlang der seitlichen Richtung). Daher kann eine scharfe Scheitelspitze am Ende der Kathode gebildet werden, und es können ebenfalls Kathoden von präzisem Aufbau geformt werden, die von den erhabenen Flächen 31 zur Basisfläche 32 vorragen.
Überdies kann eine Gate-Elektrode präzise an der Basisfläche 32 durch Benützung der vorragenden Kathoden als selbstausrichtende Maske geformt werden.
Obwohl die in den FIG. 9(c und 9(d) abgebildete Ausführungsform nur ein Beispiel zeigt, in welchem die Stufe in einer nahezu vertikalen Richtung zur Fläche des Substrates ausgebildet ist, kann ferner auch eine ebene Basisfläche 32 unmittelbar unterhalb der erhabenen Fläche gebildet werden, indem das Trockenätzen auf das Einkristallsubstrat 1 aus Silizium unter einem zur Maske 36 schrägen Winkel angewandt wird, um eine Stufe zu formen, die einen spitzen Winkel zur erhabenen Fläche 31 aufweist. Im Ergebnis kann die Genauigkeit der Gate-Elektrode weiter verbessert werden, indem ein Aufbau mit einer Schrägstufe verwendet wird. Der Querschnitt entlang der in diesem Falle erhaltenen Linienrichtung wird in FIG. 9(e) gezeigt, in welcher die strichlierte Linie das Substrat zeigt, bevor ein anisotropes Ätzen durchgeführt wurde, und die volle Linie zeigt das Substrat, nachdem das anisotrope Ätzen ausgeführt wurde. Es wird eine Schrägstufe 38 durch schräges Trockenätzen gebildet.
Diese, von steilen Dreieckspyramiden gebildete Kathoden anwendende Ausführungsform führt zu einem Feldemissionselement, das den signifikanten Vorteil besitzt, bei einer noch niedrigeren Spannung als derjenigen Spannung betreibbar zu sein, die beim Betrieb des in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Element eingesetzt wird.
Die Einzelheiten des Verfahrens zum Herstellen dieses Elementes werden nun unten erläutert, indem man sich den FIG. 10(a) bis 10(f") zuwendet, in welchen die als 10(a)-10(f) bezeichneten FIG. Draufsichten zeigen, die mit 10(a') bis 10(f') bezeichneten FIG. Querschnitte entlang einer Linienrichtung auf dem Substrate darstellen, und die mit 10(a") bis 10(f") bezeichneten FIG. Querschnitte des Substrates während der jeweiligen Verfahrensschritte veranschaulichen.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit der Ablagerung einer Siliziumoxydschicht und einer darauffolgenden photolithographischen Ablagerung einer Ätzschutzmaske 36 mit einer Begrenzung entlang der < 011> -Richtung auf der Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium. Sodann wird, wie in FIG. 10(b') gezeigt ist, eine eine erhabene Fläche unter einem spitzen Winkel schneidende Stufe 38 durch Anwenden eines Trockenätzverfahrens entlang der Begrenzung der Ätzschutzmaske 36 aus einer zur Vertikalrichtung auf die Fläche des Einkristallsubstrates 1 aus Silizium schrägen Richtung gebildet.
Wie in den FIG. 10(c) bis 10(c") dargestellt ist, wird die Siliziumoxydschicht durch Anwenden eines photolithographischen Verfahrens wieder weggeätzt, um eine Ätzschutzmaske 39 zu bilden, die einen linearen Bereich mit konstanter Breite entlang der < 011> -Richtung, vertikal zur Stufe 38, umfaßt.
Wie in den FIG. 10(d') und 10(d") gezeigt ist, wird sodann eine V-förmige Stufe durch Anwenden anisotropen Feuchtätzens unter Verwendung einer wäßrigen Lösung von Kaliumhydroxyd gebildet. Da die Kathoden innerhalb der Stufe 38 durch Ätzen gebildet werden, werden Kathoden erzeugt, welche die Form einer scharfen Scheitelspitze einer Dreieckspyramide annimmt. Wie in den FIG. 10(e') und 10(e") gezeigt ist, werden sodann sowohl die Isolationsschicht 39 als auch die Gate- Elektrode 33 an nahezu der gesamten Fläche abgelagert. Die Ätzschutzmaske 36 wirkt in diesem Falle als Ablagerungsmaske. Gleichzeitig bewirkt jedoch die Maske 36 die Ablagerung der Gate-Elektrode 33 in einer den Kathoden sehr nahen Lage, was möglich ist, ohne daß ein gesondertes Abgratverfahren nötig wäre.
Schließlich wird das Herstellungsverfahren durch Entfernen der Ätzschutzmaske 36 von der Fläche der Kathoden durch Anwenden eines Abhebeverfahrens abgeschlossen, wie in den FIG. 10(f) bis 10(f") dargestellt ist.
Wiederum führt das Herstellungsverfahren zu einem Feldemissionselement, welches ausgezeichnete Eigenschaften und eine gute Reproduzierbarkeit aufweist.

Fünfte Ausführungsform

Nun wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 11 erläutert. Der einzige Unterschied liegt darin, daß eine von der Basisfläche isolierte Anodenelektrode 40 an der Basisfläche , und zwar an einer der Stirnfläche der der erhabenen Fläche 2 zugewandten Gate- Elektrode 7 gegenüberliegenden Seite, angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Kathode 4, die Gate-Elektrode 7 und die Anodenelektrode 40 planar angeordnet sein.
Obwohl die Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung eines Einkristallsubstrates aus Silizium insoweit erläutert wurde, als das Feldemissionselement durch Trockenätzen hergestellt wird, können dieselben Wirkungen durch Verwendung eines leitenden Substrates erhalten werden, das aus einem Metall, wie Molybdän oder Wolfram, hergestellt ist. Ferner können dieselben Wirkungen auch unter Verwendung eines Halbleitersubstrates, wie eines Galiumarsenidsubsträtes, erhalten werden.
Überdies kann eine höhere Durchschlagspannung zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode erhalten werden, indem ein Siliziumsubstrat vom N-Typ und durch Bilden einer Kathode vom P-Typ im voraus darauf durch Ioneninjektion oder thermische Diffusion unter Bildung eines PN-Überganges unterhalb der Kathode verwendet wird. Zusätzlich zum Obigen kann eine steilere Kathode durch Anwenden thermischer Oxydation und durch Entfernen der auf der Kathode ausgebildeten Oxydschicht nach dem Anwenden eines anisotropen Ätzverfahrens darauf geformt werden. Eine funktionale Einrichtung kann durch Schaffung einer Steuer-Elektrode am anderen Teil der Substratfläche ebenfalls gebildet werden. Das Feldemissionselement, wie es oben beschrieben wurde, kann mit anderen integrierten Kreisen durch Bildung eines mit einer Verunreinigung gedopten Bereiches auf dem Substrat integriert werden.
Somit wird ein Feldemissionselement mit signifikanten Vorteilen geschaffen, indem es eine Kathode mit einem minimalen Krümmungsradius, minimale Abstände von Emitter zu Gate besitzt, und das bei viel weniger als 150 Volt betreibbar ist. Zusätzlich erlauben die hierin geoffenbarten Herstellungsschritte, daß das Feldemissionselement unter Anwendung von Verfahren hergestellt wird, die zu einer hohen Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Einrichtung sowie ausgezeichneten Eigenschaften führen.
Natürlich versteht es sich, daß ein weiter Bereich von Abänderungen und Modifikationen gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden können. Es ist daher die Absicht, daß die vorhergehende detaillierte Beschreibung als illustrativ statt als beschränkend angesehen wird, und daß es sich versteht, daß es die folgenden Patentansprüche sind, die dazu gedacht sind, den Rahmen dieser Erfindung zu definieren.

Claims

1. Feldemissionselement mit:

einem aus einer aus einem leitenden Substrat und einem Halbleitersubstrat bestehenden Gruppe ausgewähltes Substrat (1);

einer erhabenen Fläche (2), die Teil des Substrates (1) ist;

einer die erhabene Fläche (2) schneidenden, einen spitzen Winkel ( ) bildenden Stufe (3);

einer Kathode (4) mit einem Krümmungsradius von weniger als 20 nm, die durch den Schnittpunkt zwischen der Stufe (3) und der erhabenen Fläche (2) gebildet ist;

einer die Basis der Stufe (3) schneidenden Basisfläche (5);

und einer von der Basisfläche (5) isolierten Gate-Elektrode (7), die in einer Position nahe der Kathode (4) angeordnet ist;

wobei von der Kathode (4) dann Elektronen emittiert werden, wenn eine elektrische Spannung von weniger als 150 V zwischen die Gate-Elektrode (7) und die Kathode (4) gelegt wird.

2. Feldemissionselement nach Anspruch 1, welches ferner eine von der Basisfläche (5) isolierte Anoden-Elektrode (40) aufweist, die an der derjenigen Seite gegenüberliegenden Seite der Gate-Elektrode (7) gelegen ist, die der Kathode (4) am nächsten liegt; wobei die Elektronen von der Kathode (4) zur Anoden- Elektrode (40) emittiert werden.

3. Feldemissionselement nach Anspruch 1, bei dem die erhabene Fläche aus einer Mehrzahl von erhabenen Flächen (21:Fig. 6; 26:Fig. 7) besteht, von denen eine jede von einer aus einer Mehrzahl von Stufen geschnitten ist, wobei der Schnittpunkt einer Stufe mit ihrer entsprechenden erhabenen Fläche einen spitzen Winkel bildet;

die Kathode aus einer Mehrzahl von, am Schnittpunkte zwischen jeder der Stufen und jeder der erhabenen Flächen gebildeten, Kathoden (25:Fig. 6; 28:Fig. 7) besteht;

die Basisfläche (22) die Basis jeder der Stufen schneidet; und

die Gate-Elektrode (24:Fig. 6; 27:Fig. 7) so angeordnet ist, daß sie die Kathoden umgibt und Elektronen dann emittiert werden, wenn die elektrische Spannung zwischen die Gate-Elektrode und die Kathoden angelegt wird.

4. Feldemissionselement nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat ist und die Stufe eine V- förmige Stufe (12) ist.

5. Feldemissionselement nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat ist und die Kathode eine dreieckspyramidenförmige Kathode (30) ist.

6. Feldemissionselement nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem der Abstand zwischen der Kathode und der Gate- Elektrode weniger als 1 Mikron beträgt.

7. Feldemissionselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl die Kathode (4) als auch die Gate-Elektrode (7) eine lineare Form annehmen und einander entlang der Breitenrichtung in einem konstanten Abstande zugekehrt sind.

8. Feldemissionselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl die Kathode (19) als auch die Gate-Elektrode (20) eine identische Zickzackform annehmen und einander entlang der Breitenrichtung in einem konstanten Abstande zugekehrt sind.

9. Feldemissionselement nach Anspruch 3, bei dem die Form der erhabenen Flächen polygonal oder nahezu kreisformig ist.

10. Feldemissionselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Material des leitenden Substrates entweder Molybdän oder Wolfram ist.

11. Feldemissionselement nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem das Halbleitersubstrat entweder Silizium oder Galliumarsenid ist.

12. Feldemissionselement nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, bei dem die erhabene Fläche und die Basisfläche des Halbleitersubstrates [100] -Ebenen sind, und die Stufenfläche entweder die [111]-Ebene oder die [331]-Ebene ist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Feldemissionselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches folgendes aufweist:

ein Verfahren zum Bilden einer Ätzschutzmaske (9; 36) auf einem Substrat (1);

einem photolithographischen Verfahren zum Bilden einer Begrenzung auf der Ätzschutzmaske (9; 36);

einem Kathodenbildungsverfahren zum Bilden einer einen spitzen Winkel ( ) zwischen einer erhabenen Fläche (2; 31) auf dem Substrate (1) formenden Stufe (3; 12; 38) durch Anwenden von Ätzen aus einer schrägen Richtung entlang der auf der Ätzschutzmaske (9; 36) gebildeten Begrenzung;

ein Verfahren zum Bilden einer Isolationsschicht (10; 39) auf dem Substrat (1) unter Verwendung der Ätzschutzmaske (9; 36), und einer Gate-Elektrode (7, 7'; 14, 14'; 33) auf der Isolationsschicht (10; 39);

und ein Verfahren zum Entfernen der Ätzschutzmaske (9; 36), wobei die Isolationsschicht (10; 39) und die Gate-Elektrode (7'; 14') an der erhabenen Fläche (2; 31) durch Anwendung eines Abhebeverfahrens gebildet werden.

14. Verfahren zum Herstellen eines Feldemissionselementes nach Anspruch 13, bei dem das Kathodenbildungsverfahren folgendes umfaßt:

ein Verfahren zum Bilden der erhabenen Fläche (2) einschließlich des dazwischenliegenden Verfahrensschrittes durch Anwenden von Trockenätzen, das aus einer vertikalen und einer schrägen Richtung entlang der Begrenzung gewählt ist; und ein Verfahren zum Bilden einer V-förmigen, einen spitzen Winkel mit der erhabenen Fläche einschließenden Stufe (12) durch Anwenden eines anisotropen Feuchtätzens.

15. Verfahren zum Herstellen eines Feldemissionselementes nach Anspruch 13, bei dem das Kathodenbildungsverfahren folgendes umfaßt:

ein Verfahren zum Bilden der erhabenen Fläche (31), der Basisfläche und einer Stufe (38) dazwischen durch Anwenden von Trockenätzen, das aus einer vertikalen und einer schrägen Richtung entlang der Begrenzung gewählt ist; und

ein anisotropes Feuchtätzverfahren zum Bilden einer Dreieckspyramidenkathode (30).