DE19602595A1 - Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus dem Lehrbuch: Mikromechanik, Herausgeber Anton Heuberger, Springer-Verlag 1989, Seite 426 ff, sind bereits Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen bekannt. Diese Feldemissionsspitzen werden durch Ätzen von Silicium oder durch Aufdampfen von Metall gebildet. Aus dem Zeitschriftenartikel "Nano Materials: A membrane based synthetic approach" von Charles Martin, Science volume 266 23.12.1994, Seite 1961 ff, sind Verfahren zur Herstellung sogenannter Nanomaterialien bekannt. Dabei werden Membranen mit einer Vielzahl von kleinen Löchern versehen und es werden durch elektrochemische oder chemische Abscheidungen Metalle in den Löchern abgeschieden. Die so bearbeiteten Membranen weisen besondere optische Eigenschaften auf.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch ein einfaches Verfahren eine Vielzahl von Feldemissionsspitzen parallel gefertigt werden können. Da in isolierenden Materialien Löcher mit besonders geringem Durchmesser erzeugt werden können, weisen die so gebildeten Feldemissionsspitzen einen geringen Durchmesser auf und zeigen daher bereits bei geringen anliegenden elektrischen Feldern eine erhebliche Feldemission. Weiterhin wird durch die Einbettung in dem isolierenden Material ein mechanisch und thermisch besonders robuster Aufbau der Feldemissionsspitzen gewährleistet.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens nach dem unabhängigen Patentanspruch möglich. Besonders einfach erfolgt das Auffullen der Löcher durch elektrochemische oder chemische Abscheidung. Das Einbringen der Löcher in dem isolierenden Material kann entweder durch den Beschuß des Materials mittels eines Teilchenstroms und anschließendes Ätzen oder durch elektrochemische Oxidation von Aluminium erfolgen. Durch die Anordnung auf einer Trägerplatte werden Feldemissionsspitzen geschaffen, die sich problemlos handhaben lassen. Wenn dabei die Trägerplatte gegen einander isolierende Bereiche aufweist, so können einzelne Feldemissionsspitzen oder Gruppen von Feldemissionsspitzen separat angesteuert werden. Durch das Anbringen einer Metallschicht auf der Oberfläche des isolierenden Materials wird eine Steuerelektrode geschaffen, mit dem der aus den Feldemissionsspitzen fließende Feldemissionsstrom beeinflußt werden kann.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Feldemissionsspitzen, die Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Steuerelektrode und Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einzeln ansteuerbaren Feldemissionsspitzen.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird eine Platte 1 aus isolierendem Material gezeigt, in der eine Vielzahl von Löchern 2 eingebracht sind. Die Löcher 2 sind mit einem Metall derart aufgefüllt, daß sich lange, hohe Metallkörper 3 bilden. Die Platte 1 aus isolierendem Material und die Metallkörper 3 sind auf einer gemeinsamen Trägerplatte 4 angeordnet. In der Fig. 1 werden die Größenverhältnisse stark verzerrt dargestellt.

Wesentlich ist an der Erfindung, daß der Durchmesser der Löcher 2 und somit auch der Durchmesser der länglichen metallischen Körper 3 in der Größenordnung von einigen Nanometern bis einigen zehn Nanometern liegt. Die metallischen Körper 3 bilden so sehr feine Spitzen, so daß beim Anliegen einer elektrischen Spannung an der Spitze der metallischen Körper 3 hohe Feldstärken auftreten. Wenn dabei die Feldstärken ausreichend groß werden, so treten durch einen Tunneleffekt Elektronen aus dem Metall aus. Dieser, als Feldemission bekannter Vorgang, erfolgt in Abhängigkeit vom Durchmesser der metallischen Körper 3. Je geringer der Durchmesser ist, umso geringere Spannungen werden benötigt, um Elektronen durch Feldemission zu erhalten. Es ist daher wünschenswert, daß die metallischen Körper 3, die die Feldemissionsspitzen bilden, einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen, vorzugsweise geringer als zehn Nanometer. Die geometrischen Abmessungen der Platte 1 aus isolierendem Material oder des Trägers 4 sind für die Feldemission ohne Bedeutung.

Die Herstellung der metallischen Körper 3, die die Feldemissionsspitzen bilden, erfolgt zunächst im isolierenden Material der Platte 1, in dem Löcher 2 mit entsprechend geringem Durchmesser erzeugt werden. Dazu kann ein polymeres Material mit einem Teilchenstrom bestrahlt werden. Der Teilchenstrom erzeugt im Kunststoffmaterial (in der Regel Polycarbonat) Schädigungen entlang der Flugbahn des Teilchens im isolierenden Material. Entlang der Flugbahnen können dann durch Ätzprozesse feine, porenartige Löcher in das Kunststoffmaterial eingebracht werden. Eine weitere Methode besteht darin, Aluminium durch anodische Oxydation in Aluminiumoxyd (Al₂O₃) umzuwandeln. Bei diesem Umwandlungsprozeß bildet sich eine Aluminiumoxydschicht mit feinen, schlanken Poren, deren Durchmesser durch die Anodisierungsbedingungen und die Konzentration des Elektrolysten beeinflußt werden kann. Auch so lassen sich porenartige Löcher mit einem Durchmesser von einigen Nanometern erzeugen. Um nun diese Löcher mit einem Metall aufzufüllen, wird ein elektrochemischer oder chemischer Abscheidungsprozeß verwendet.

Für die chemische oder elektrochemische Abscheidung sind beispielsweise Gold, Silber, Platin, Nickel oder andere Metalle geeignet.

Sofern ein galvanischer (d. h. elektrochemischer) Prozeß verwendet wird, sollten die Löcher 2 auf der einen Seite durch ein Material verschlossen werden, auf dem eine galvanische Abscheidung erfolgen kann. Dies wird beispielsweise durch Aufbringen einer Metallschicht auf einer Seite der Platte 1 oder durch Anordnung der Platte 1 auf einem leitfähigen Träger 4 sichergestellt. Ausgehend von der anderen Seite der Platte 1 kann dann eine galvanische Abscheidung in den Löchern 2 erfolgen. Bei der chemischen Abscheidung (auch stromloses Abscheiden genannt) kann gegebenenfalls auch eine Startschicht verwendet werden. In der Fig. 1 wird eine Trägerplatte 4 aus Metall gezeigt. Gegebenenfalls kann die Trägerplatte 4 auch aus isolierendem Material bestehen, auf dessen Oberfläche leitfähige Schichten aufgebracht sind.

In der Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auf einer metallischen Trägerplatte 4 ist eine Platte 1 aus isolierendem Material aufgebracht. Wie bei Fig. 1 weist die Platte 1 aus isolierendem Material eine Vielzahl von Löchern 2 auf, die mit einem Metall aufgefüllt sind, welches metallische Körper 3 bildet. Im Unterschied zur Fig. 1 sind jedoch die metallischen Körper 3 derart ausgebildet, daß sie sich ausgehend von der metallischen Trägerplatte 4 nur bis deutlich unterhalb der Oberseite der Platte 1 erstrecken. Auf der Oberseite der metallischen Platte 1 ist noch eine weitere Metallschicht 5 aufgebracht, die eine Steuerelektrode bildet. Weiterhin ist zur Verdeutlichung noch eine Gegenelektrode 6 gezeigt, die gegenüber den Feldemissionsspitzen 3 angeordnet ist.

Zur Herstellung des Aufbaus nach der Fig. 2 wird das Auffullen der Löcher 2 nach einer vorgegebenen Zeit unterbrochen, so daß die Löcher 2 nicht vollständig aufgefüllt werden. Auf der Oberseite der Platte 1 wird dann durch Aufdampfen oder Aufsputtern die Metallschicht 5 abgeschieden.

Zur Erzeugung eines Feldemissionsstromes aus den Feldemissionsspitzen 3 wird zwischen der metallischen Trägerplatte 4, durch die die Feldemissionsspitzen 3 kontaktiert sind und der Gegenelektrode 6 eine Spannung angelegt. Wenn das elektrische Feld an den Feldemissionsspitzen 3 groß genug wird, so wird ein Feldemissionsstrom von den Feldemissionsspitzen 3 hin zur Gegenelektrode 6 fließen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der Metallschicht 5 kann der Feldemissionsstrom beeinflußt werden. Die Metallschicht 5 wirkt somit wie das Steuergitter einer Triode.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei die Platte 1 mit den Löchern 2 und den darin erzeugten Feldemissionsspitzen 3 dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 entsprechen. Als Träger ist hier jedoch eine isolierende Platte 7 vorgesehen, die oberflächliche, leitfähige Schichten 8 aufweist. Exemplarisch werden in der Fig. 3 zwei leitfähige Schichten 8 gezeigt, die gegeneinander isoliert sind. Durch die leitfähigen Schichten 8 können einzelne Feldemissionsspitzen 3 oder Gruppen von Feldemissionsspitzen 3 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. Es ist so möglich, einzelne Gruppen von Feldemissionsspitzen unabhängig voneinander anzusteuern. Eine derartige Ansteuerung einzelner Feldemissionsspitzen sind ebenso wie die Anordnung nach Fig. 2 insbesondere für die Herstellung von dünnen Flachbildschirmen geeignet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Feldemissionsspitzen, bei dem eine Vielzahl von Feldemissionsspitzen parallel erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem isolierenden Material (1) eine Vielzahl von Löchern (2) eingebracht werden und daß durch Auffüllen der Löcher (2) mit einem Metall metallische Körper (3) gebildet werden, die die Feldemissionsspitzen bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffüllen der Löcher (2) durch elektrochemische oder chemische Abscheidung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Löcher (2) durch Beschuß mit einem Teilchenstrom und anschließendem Ätzen des isolierenden Materials (1) entlang von Teilchenbahnen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das isolierende Material (1) Aluminiumoxyd (Al₂O₃) verwendet wird, welches durch anodische Oxydation von Aluminium gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (1) als Platte auf einer Trägerplatte (4, 7) ausgebildet ist, das mindestens Teile der Oberfläche der Trägerplatte (4, 7) aus Metall besteht Löcher derart in die isolierende Platte eingebracht sind, daß sie von einer Oberseite der isolierenden Platte bis zur Trägerplatte reichen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (7) mindestens zwei leitende Bereiche (8) aufweist, die gegeneinander isoliert sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (2) nicht vollständig mit Metall aufgefüllt werden und daß die Oberfläche des isolierenden Materials mit einer Metallschicht versehen wird.