DE3340777A1

DE3340777A1 - Verfahren zur herstellung von duennfilm-feldeffekt-kathoden

Info

Publication number: DE3340777A1
Application number: DE19833340777
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Hirt; Michael Dipl.-Phys. Dr. 8047 Karlsfeld Reichle
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1983-11-11
Publication date: 1985-05-23

Description

Verfahren zur Herstellung von DUnnfilm-Feldeffekt-Kathoden
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldeffekt-Kathoden, bei dem die aus Substrat, Isolierschicht und Saugelektrode bestehenden Funktionsschichten und eine Abhebeschicht im Sandwichaufbau hergestellt und mit einer Lackschicht überzogen werden, und wobei eine Lochstruktur für den Emissionskegel aufgeätzt wird.
Bei einer Feldeffekt-Kathode wird die Elektronenemission durch ein starkes elektrisches Feld (107 - 108 V/cm) bewirkt. Das Feld wird am besten durch die Anordnung einer möglichst nadelförmigen Kathode gegenüber einer Saugelektrode und Anlegen einer Hochspannung zwischen beiden erreicht.
Dieses Prinzip wird auch bei der Dünnfilm-Feldeffekt-Kathode angewendet. Sie wird jedoch mittels der Methoden der Dünnfilmtechnologie - Aufdampfen, Strukturieren, Atzen - hergestellt. Die dabei gewonnenen Emissionsspitzen-bzw. -Kegel und Geometrien liegen in der Größenordnung µm 1 µm.
Aus der US-PS 3,755,704 ist ein derartiges Verfahren bekannt.
Gemäß diesem bekannten Verfahren wird auf einem als Elektrode dienenden Substrat eine Isolationsschicht und eine Metall schicht als spätere Sauyelektrode aufgel)racht.
Anschließend wird dieser Sandwich-Aufbau mit Elektronen empfindlichem Lack beschichtet und das gewünschte Lochmuster durch Elektronenprojektion auf die Lackschicht übertragen. Nach der Entwicklung der Lackschicht wird das Lochmuster herausgelöst. In die Saugelektrode und die Isolationsschicht werden die entsprechenden Löcher geätzt.
Anschließend wird durch Schrägbedampfung - um ein Schließen der Lochstruktur zu vermeiden - eine Abhebeschicht aufgedampft. Sie dient später zum Abheben der Deckschicht, die sich bei dem Aufdampfen der Emissionsspitzen bildet.
Die Herstellung der Emissionsspitzen erfolgt dann durch senkrechtes Aufdampfen eines entsprechenden Metalls auf die so fertiggestellte Sandwich-Konstruktion, wobei das Metall durch die Oeffnungen der oberen Schichten durchdringt und sich auf der Elektrode zu einer Kegelspitze aufbaut.
Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß durch die Elektronenprojektionsbelichtung der Lackschicht nur kleine Kathodenbereiche und durch die Schrägbedampfung nur Wafer in Einzelfertigung hergestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das fertigungstechnisch einfach durchführbar ist und mit dem großflächige Bereiche in mehreren Exemplaren gleichzeitig herstellbar sind.
Die Aufgabe wird erfi ndungsgemaß durch die i im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren werden die Funktionsschichten und die Abhebeschicht zunachst als durchgehende Schichten hergestellt, wobei keine gezielte Schrågbedampfung erforderlich ist.
Mit diesem Verfahren lassen sich somit großflächige Bereiche mit bekannten Bedampfungsverfahren herstellen, wobei mehrere Exemplare gleichzeitig erzeugt werden können. Die Löcher für die Emissionsspitzen werden dann gemeinsam ausgeåtzt, nachdem die entsprechende Lochstruktur in der Lackschicht belichtet und entwickelt wurde.
Zur Belichtung der Lackschicht eignen sich Elektronenschreiber, Röntgenstrahlen und fernes UV-Licht.
Die Funktionsschichten und Abhebeschicht können mit unterschiedlichen Atzverfahren bzw. Mitteln selektiv geätzt werden, so daß, soweit erforderlich, zur Beeinflussung des Aufbaues der Emissionsspitzen in verschiedenen Schichten Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt werden.
Mit Ionenätzverfahren lassen sich Löcher mit steilen Flanken erzeugen, wobei sich u.U. alle Funktionsschichten und die Abdeckschicht gleichzeitig ätzen lassen.
Für die Saugelektrode und die Abhebeschicht eignet sich besonders das anisotrope Plasmaåtzverfahren. Damit können definierte Löcher mit steilen Flanken hergestellt werden, wobei außerdem durch die entsprechende Wahl der Atzgase eino gllte Selektivitdt mügl ich ist.
Gemaß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der aus Funktionsschichten und Abdeckschicht bestehende Schichtaufbau auf einer Kugelkalotte gehalten und einer punktförmigen Dampfquelle für die Erzeugung von Emissionskegeln ausgesetzt. Das erleichtert die Herstellung der Spitzen, indem die Dampfquelle fest und das Substrat schwenkbar gehalten wird.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Dampfstrahl durch ei ne bewegliche, insbesondere rotierende Verdampferblende begrenzt, so daß die Beaufschlagung über die Wirkfläche annähernd homogen ist und damit eine gleichmäßig dicke Schicht erreicht wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der E rfi ndu 1g wird voryeschlagen, den Schichtaufbau beim Aufdampfen der Emissionskegel mit einer Metallochmaske abzudecken, damit der Bereich zwischen den Löchern frei von Aufdampfmaterial bleibt und damit der Zugang zur Deckschicht frei bleibt.
Zwischen den Funktionsschichten und der Abdeckschicht sind vorzugsweise Haft- und Sperrschichten eingesetzt, die eine großflåchi-ge Haftung gewährleisten bzw. unerwünschte Reaktionen zwischen Funktionsschi chten verhindern.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Funktionsschichten auf ein Substrat aufgebracht sind, und daß die Elektrode als voneinander getrennten, einer jeweiligen Emissionsspitze oder Emissionskegel-Reihe zugeordneten Elektroden ausgebildet ist. Hierdurch ist eine Einzel steuerung der Emissionskegel möglich.
Das Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispieles nachfolgend näher beschrieben.
In Fig. 1 ist eine noch nicht fertiggestellte, im Schrägbild und Schnitt dargestellte Dünnfilm-Feldeffekt-Kathode gezeigt. Nach der Darstellung auf der linken Bildhälfte enthält die Kathode ein Substrat 10, z.B. aus Keramik, Glas oder einem anderen Isolator, auf das eine Elektrode 11 als Metallfilm aus hochschinelzendem Metall wie Nb, Mo, Ru aufgebracht ist. Die Elektrode 11 kann auch aus einem ,tdrk dotierten Halbleiter, z.ß. Silizium, sein, die gleichzeitig das Substrat bildet (Fig. 2). Auf die Elektrode 11 wird eine Isolationsschicht 12 aus einem dielektrischem Material, wie SiO2, Si3N4, Al203 aufgedampft. Im Falle eines Siliziumsubstrates kann die Isolationsschicht 12 auch durch Oxidieren oder Nitrieren des Substrats erzeugt werden.
Nachfolgend wird eine dünne Haftschicht 13 aus Cr,Ti oder einem anderen Metall aufgedampft oder gesputtert. Die Haftschicht 13 dient dazu, eine gute Verbindung über die gesamte Fläche zwischen der nachfolgenden Schicht, nämlich der Saugelektrode 14 und der Isolationsschicht 12 herzustellen. Die Saugelektrode 14, die aus einem hochschmelzenden Metall wie die Elektrode 11 besteht, wird mit bekannten Verfahren, wie Aufdampfen oder Sputtern auf die Haftschicht 13 aufgebracht. Auf die Saugelektrode 14 wird im allgemeinen eine Abhebeschicht 15 zum Entfernen der darüber sich abl agern den A rbei tss chi chten aufgebracht. Die Abhebeschicht 15 besteht aus einem Metall, das sich in seinen Atzei genschaften sehr von der Saugelektrode 14 unterscheidet. Bei manchen Materialkombinationen von Saugelektrode 14 und Abhebeschicht 15 kann es zu Wechselwirkungen kommen, die einen spateren Fertigungsschritt erschweren bzw. unmöglich machen. Daher ist es zweckmäßig, eine Diffusionssperrschicht 16, beispielsweise aus Ti:W, die sich in ihrer Zusammensetzung ndch der Materialpaarung und den Atzprozessen richtet, aufzubringen.
Die so hergestellte Schichtkonstruktion 10 bis 16 wird schließlich mit einer Lackschicht 17 abgedeckt, die für das anschließende Atzverfahren zur Herstellung von definierten Löchern 18 (Fig. 2) für die Ernissionsspitzen 19 (Fig. 5) vorgesehen ist. Dazu wird die Lack schicht mit einem bekannten Belichtunysverfahren en t -sprechend der gewünschten Lochstruktur 20 belichtet.
Bei der Verwendung einer Elektronenstrahl-Belichtung oder einer UV-Belichtung wird eine dünne Lackschicht 17 verwendet, damit kleine definierte Strukturen erzeugt werden können.
Bei der Verwendung einer Röntgenstrahl-Belichtung können solche Strukturen auch in einer dicken homogenen Lackschicht erzeugt werden.
Nach der Belichtung, Entwicklung und dem Auslösen der Lochstruktur 20 folgt das Aufsätzen von Löchern 18 in der Abhebeschicht 15 der Funktionsschichten 12, 13, 14, 16.
Zum Atzen von möglichst definierten Löchern mit steilen Flanken und ohne Unterätzung eignet sich besonders das anisotrope Plasmaätzen und das Ionenatzen. Allerdings benötigt das Ionenatzen eine dicke Lackschicht und dieses Verfahren ist wenig selektiv.
Um für das Ionenatzen eine geeignete Voraussetzung zu schaffen, wird die Lackschicht, wie in der linken Zeichnungshälfte, Fig. 2, gezeigt ist, in drei Schichten aufgebaut, namlich einer dicken Lackschicht 17', einer Metall schicht 17", und einer zu belichtenden, äußeren Lackschicht 17'''. Mit den Ionen werden dann die beiden unteren Schichten 17", 17"' zusammen mit dem darunterliegenden Funktionsschichten ausgeatzt.
Das Plasmaatzen hat den Vorteil, daß bei entsprechender Wahl der Atzgase die verschiedenen Schichten selektiv geätzt werden können. Zunachst werden die Abhebeschicht 15 und die Saugelektrode 14 mit einem Ätzmittel behandelt, so daß in beiden Schichten 15 und 14 Löcher 21 und 22 erzeugt werden, deren Durchmesser dem Durchmesser der Lochstruktur 20 der Lackschicht 17 entsprechen. Um die Möglichkeit zur Herstellung der Emissionsspitzen 19 zu erhöhen, können die Löcher 22 in der Saugelektrode 14 beispielsweise durch Nachätzen im Durchmesser erweitert werden, Fig. 3.
Anschließend werden mit einem anderen Atzmittel die entsprechenden Löcher 23, Fig. 4, in die Isolationsschicht 12 eingeätzt. Die Löcher 23 in der Isolationsschicht 12 werden untergeätzt, damit bei dem Eindampfen der Emissionsspitzen 19 die Flanken der Isolationsschicht nicht mit Metall belegt werden. Die Unteratzung kann durch isotrope, naßchemische Atzung oder isotrope Plasmaatzung oder durch anisotropes Plasma- oder Ionenatzen mit anschließender naßchemischer Nachatzung erfolgen.
Nach der sukzessiven Atzung der Schichten 12 bis 15 oberhalb des Substrates bzw. der Elektrode 11 und dem Abtragen der Lackschicht werden die Emissionsspitzen 19 aufgedampft. Das für die Emissionsspitzen 19 verwendete hochschmelzende Metall wird ausgehend von einer möglichst punktförmigen Quelle möglichst senkrecht aufgedampft, wobei der Schichtaufbau 11 bis 15 schwenkbar auf einer nicht dargestellten Kugelkalotte angeordnet ist.
Zur Erreichung einer homogenen Schichtdicke kann eine Verdampferblende eingesetzt werden, die innerhalb des Dampfstrahles bewegt wird derart, daß die liter die Kugelfläche des Dampfstrahles inhomogen verteilte Metallmenge veryleichmauigt wird.
Für die Erzeugung der Emissi onskegel 19 wird nach Fig. 5 der Schichtaufbau 11 bis 15 mit einer Metallochmaske 26 abgedeckt, damit die beim Aufdampfen sich auf die Abhebeschicht 15 niederschlagende Metallschicht 24 nicht über die gesamte Flache erstreckt. Die nicht von der Schicht 24 bedeckten Bereiche 27 der Abhebeschicht 15 sind somit direkt vom Atzmittel zugänglich, was das Lösen durch Atzen der Abhebeschicht 15 nach der Herstellung der Emissionsspitzen 19 erleichtert.
Die sich auf der Abhebeschicht 15 abgesetzte Schicht 24 wird beim Auflösen der Abhebeschicht 15 entfernt.
Die Auflösung der Abhebeschicht 15 erfolgt durch eine isotrope, selektive naßchemische Atzmethode. Es verbleibt somit, wie in Fig. 6 gezeigt ist, lediglich die aus den Funktionsschichten, nämlich der Elektrode 11, der Isolationsschicht 12, der Saugelektrode 14, der Sperrschicht 16 und gegebenenfalls dem Substrat 10 bestehende Sandwich-Konstruktion. Bei der Verwendung eines getrennten Substrates 10 wird diese unterhalb der Elektrode 11 bestehen bleiben.
Die Dünnfilm-Feldeffekt-Kathode kann anstelle mit einer durchgehenden Elektrode 11 auch mit Einzelelektroden 11' ausgerüstet werden, wobei die Einzel elektroden lii entweder jeweils einer Emissionsspitze 19 oder gleichzeitig einer Reihe von Emissionsspitzen 19 zugeordnet sein können. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Kathode unterscheidet sich von dem beschriebenen Verfahren lediglich dadurch, daß die Aufbringung der Einzelelektroden 11' mit Hilfe einer entsprechenden Lochmaske erfolgt.
Bei einer Kathode mit beispielsweise einer Elektrode 11 aus Si, einer Isolationsschicht aus SiO2, einer Haftschicht 13 aus Cr, einer Saugelektrode 14 aus Mo, einer Sperrschicht 16 aus Ti:W und einer Abhebeschicht 15 aus Al wurde das vorstehend beschriebene Atzverfahren mit folgenden Substanzen durchgeführt.
Ein mit dem Handelsnamen PMMA bekannter Lack wurde mit einem Elektronenschreiber im Muster der Lochstruktur 20 belichtet, entwickelt und mit Azeton ausgelöst. Die Löcher 21, 22 durch die Abhebeschicht 15, die Sperrschicht 16, die Saugelektrode 14 und die Haftschicht 13 wurden im Pl asmaa.tzverfah ren hergestellt.
Dabei wurde für die Abhebeschicht Tetrachlor-Kohlenstoff-Plasma und für die übrigen drei Schichten 16, 14, 13 Kohlenstoff-Tetrafluorid mit Sauerstoff verwendet.
Durch naßchemisches Atzen mit gepufferter Flußsäure und Glyzerin wurden dann die Löcher 23 in der Isolationsschicht 12 erzeugt. Wonach Molybdän im Aufdampfverfahren zur Erzeugung der Emissionskegel 19 in den Löchern 23 auf die Elektrode 11 bzw. 11' eingebracht wurde.
Schließlich wurde die Al-Abhebeschicht 15 mit Phosphorsäure ausgeatzt, womit die Mo-Schicht 24 abgetrennt wurde. - Leerseite -

Claims

Patentarisprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Feldeffekt-Kathoden, bei dem aus Substrat, Isolationsschicht und Saugelektrode bestehende Funktionsschichten und eine Abhebeschicht im Schichtaufbau hergestellt und mit einer Lackschicht überzogen werden, und wobei eine Lochstruktur für Emissionskegel ausgeätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschichten (11, 12, 14) und die Abhebeschicht (15) und die Lackschicht (17) über die gesamte Flache der Kathode durchgehend hergestellt werden, und daß anschließend die Lackschicht (17) im Muster der Lochstruktur (20) belichtet wird, und daß schließlich die Löcher (21 bis 23) für die Emissionskegel (19) ausgeatzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochstruktur (20) in der Lackschicht (17) mittels einem Elektronenschreiber, Röngtenstrahlen oder fernem UV-Licht belichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Elektronenstrahlschreibern bzw. fernen UV-Licht zur Belichtung und dem Ionenätzen ein Mehrschichtenprozeß bei der Lochstruktur gesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschichten (21 bis 23) und Abhebeschicht (15) selektiv geätzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschichten (12, 14) und die Abhebeschicht (15) zur Bildung der Löcher (21 bis 23) mittels Ionen geätzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugelektrode (14) zur Erweiterung des Lochdurchmessers nachgeätzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in der Abhebeschicht (15) und der Saugelektrode (14) im selektiven Plasmaatzverfahren hergestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Atzen der Isolationsschicht (12) ein anisotropes Pl asmajtzverfah ren angewendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterätzung der Isolationsschicht (12) eine Nachåtzung mit einer isotropen, naßchemischen Atzung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum naßchemischen Atzen der Isolationsschicht (12) bei der Materialpaarung Al als Deckschicht (15) und SiO2 als Isolationsschicht als selektives Atzmittel eine Mischung von gepufferter Flußsaure mit Glyzerin, Glykol oder Eisessig verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen der Emissionskegel (19) der Schichtaufbau (11 bis 15) bei annähernd punktförmiger Dampfquelle auf einer kugelkalotte gehaltert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Verdampferblende eingesetzt wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Aufdampfen der Emissionskegel (19) nur die Orte der Löcher durch Einsatz einer Metallochmaske (26) bedampft werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Funktionsschichten (11, 12, 14) und der Abhebeschicht (15) Haft- und Sperrschichten (13, 16) eingesetzt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschichten (11', 12, 14) auf ein Substrat (10) aufgebracht sind,und daß die Elektrode aus Einzelelektroden (11') ausgebildet ist.