DE60013521T2

DE60013521T2 - Feldemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE60013521T2
Application number: DE60013521T
Authority: DE
Inventors: Hironori 1-1 Shibaura 1-chome Asai; Masahiko 1-1 Shibaura 1-chome Yamamoto; Koji 1-1 Shibaura 1-chome Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: US6445124B1; JP2001101977A; DE60013521D1; CN1290950A; EP1089310A3; EP1089310B1; KR20010039952A; EP1089310A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldemissionseinrichtung, insbesondere eine Feldemissionseinrichtung mit einer Struktur aus drei Elektroden, nämlich aus eine Kathode, einer Anode und einer Tor-Elektrode.
Verschiedene kalte Feldemissions-Kathoden sind bisher vorgeschlagen worden. Unter anderem gehören ein als Spindt-Emitter bezeichneter Spitzenemitter sowie ein Oberflächenleitungs-Emitter dazu. In den letzten Jahren ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, das eine Karbon-Nanoröhre verwendet, welche mit einer geringen Arbeitsfunktion stabil ist.
1 zeigt einen Querschnitt eines Spitzenemitters. Dieser Emitter hat ein scharfes vorderes Ende eines Spitzenemitters 170, ausgebildet an einer Kathode 120, wobei das vordere Ende einen Krümmungsradius mit einigen wenigen Nanometern bis zu einigen wenigen Dutzend Nanometern hat. Der Spitzenemitter emittiert kalte Elektronen auf der Grundlage eines starken elektrischen Feldes, das an dem vorderen Ende konzentriert ist. In anderen Worten wird ein elektrisches Feld gebildet zwischen dem vorderen Ende des Emitters 170 und einer auf einer ersten isolierenden Schicht 130 an der Kathode 120 ausgebildeten Tor-Elektrode 140, und Elektronen werden von dem vorderen Ende des Spitzenemitters 170 emittiert. Um Elektronen bei einer geringen Spannung zu emittieren, ist es daher ideal, einen Abstand zwischen der Tor-Elektrode 140 und dem Emitter 170 so kurz wie möglich zu wählen. Die emittierten Elektronen werden in Richtung einer Anode (nicht dargestellt) gezogen, die oberhalb des Spitzenemitters 170 vorgesehen ist. Jedes Elektron hat jedoch eine Anfangsgeschwindigkeit in einer horizontalen Richtung zur Zeit der Emission, und daher werden die Elektronenstrahlen in einer seitlichen Richtung gestreut.
Um diese Streuung der Elektronenstrahlen zu verhindern, befindet sich eine Steuerungselektrode 160 oberhalb der Tor-Elektrode 140, wie in 1 dargestellt. In diesem Fall ist es notwendig, dass ein Öffnungsdurchmesser der Tor-Elektrode 140 und ein Öffnungsdurchmesser der Steuerungselektrode 160 ein geeignetes Verhältnis haben. Um die Steuerungselektrode 160 zu montieren, ist es notwendig, eine isolierende Schicht 150 auf die Tor-Elektrode 140 aufzubringen und dann die Steuerungselektrode 160 auf der isolierenden Schicht 150 vorzusehen. Um diesen Vorgang zu implementieren, ist ein hochpräziser Ausrichter notwendig. Dies hat daher einen Nachteil, dass nicht nur der Installationsvorgang ansteigt, sondern auch die zur Herstellung notwendigen Gerätschaften teuer werden.
In der Zwischenzeit ist im Fall des Oberflächenleitungsemitters ein Elektronenemitter auf einem leitenden dünnen Film vorgesehen, der sich über ein Paar von Elektroden hinüber erstreckt (eine Emitter-Elektrode und eine Tor-Elektrode), die auf einem Substrat ausgebildet sind. Wenn ein elektrisches Feld an beiden Enden des Elektronenemitters an die Elektroden angelegt wird, werden Elektronen in einer horizontalen Richtung aus einer Emitter-Elektrode herausgezogen, und eine Kraft wird auf die an dem Substrat vorgesehene Tor-Elektrode aufgebracht. So werden die Elektronen in einer horizontalen Richtung emittiert. Eine Beschleunigungs-Elektrode ist oberhalb des Elektronen-Emitters vorgesehen, und ein Teil der emittierten Elektronen fliegt zu der Beschleunigungs-Elektrode. Diese Effizienz ist jedoch gering, und die Elektronen werden in einer parabolischen Richtung statt einer vertikalen Richtung von dem Substrat aus emittiert. Die Elektronen, die gegen die Beschleunigungselektrode kollidieren, werden daher von der normalen Linie des Elektronenemitters abgelenkt. Aufgrund dieses Phänomens werden, wenn der Feldemitter auf eine Bildanzeigeeinheit angewandt wird, Strahlen zerstreut. Als Ergebnis tritt ein "Auslaufen" von Strahlen hin zu benachbarten Pixeln auf, oder es kann keine hocheffiziente Lichtemission erzielt werden.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines Oberflächenleitungsemitters zeigt, offenbart in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. 8-250018. Dieser Oberflächenleitungsemitter löst das Auslaufen der Strahlen hin zu benachbarten Pixeln durch Verschmälern der emittierten Lichtstrahlen. Um das oben beschriebene Phänomen zu lösen, sind Elektroden 122a und 122b vorgesehen, die eine Äquipotentialfläche mit einer annähernd U-förmigen Gestalt in einer Richtung senkrecht mit einer Richtung bilden, in der eine Spannung zwischen einem Paar von Elektroden 123a und 123b angelegt wird, und zwar an einer Oberfläche, die definiert ist durch die Richtung, in der eine Spannung zwischen dem Paar von Elektroden 123a und 123b angelegt wird, und eine Richtung, in der ein elektrisches Feld mittels einer Beschleunigungselektrode (oberhalb der Elektroden 123a und 123b, nicht dargestellt) angelegt wird, die auf die emittierten Elektronen einwirkt.
Gemäß diesem Oberflächenleitungsemitter ist es jedoch, um die annähernd U-förmige Äquipotentialfläche zu bilden, notwendig, den Elektronenemitter in der Mitte der Elektrodeeinrichtung zu wählen, und es ist auch notwendig, die Ausgestaltung der Einrichtung und die Höhe der Verdrahtungselektrode streng anzupassen.
Um die Schwierigkeit der oben beschriebenen Herstellungsverfahren zu lösen, ist in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. 8-293244 ein Feldemitter mit vier Elektroden vorgeschlagen worden. 3 zeigt diesen Feldemitter mit den vier Elektroden. Die hier offenbarte Struktur mit vier Elektroden besteht aus einer Kathode 131, einer Steuerungselektrode 134, einer Tor-Elektrode 133, und einer Anode 136. Gemäß diesem Verfahren wird weder ein Spitzenemitter noch ein Oberflächenleitungsemitter verwendet, sondern ein Material mit einer geringen Arbeitsfunktion wird als Elektronen-Emissionsschicht 135 verwendet. Eine Gestalt von Elektronenstrahlen wird verschmälert durch das Substrat (die Kathode) 131, auf welcher die Elektronen-Emissionsschicht 135 ausgeformt worden ist, die Strahlen formende Elektrode (Steuerungselektrode) 134, die auf der Elektronen-Emissionsschicht 135 durch Umgeben der Elektronen-Emissionsschicht ausgebildet worden ist, und die Tor-Elektrode 133, die auf einer isolierenden Schicht 132 auf der Strahlen formenden Elektrode 134 ausgeformt worden ist.
Gemäß dem Emitter ist es jedoch unvermeidbar, dass das Verfahren auch komplex wird, da es notwendig ist, die Steuerungselektrode auf ähnliche Art und Weise wie bei dem in 1 gezeigten Emitter auszubilden.
Außerdem hat die japanische Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. 9-82215 einen Emitter offenbart, der eine große Anzahl von Feldemissionsspitzen mit geringen Größen innerhalb der Elektronen-Emissionsfläche hat. Außerdem ist eine Struktur vorgeschlagen worden, die ein Verhältnis eines Abstands zwischen einem Tor und einem Emitter zu einem Öffnungsdurchmesser (kurzen Durchmesser) von zwischen 1 und 2 oder mehr hat, so dass die große Anzahl von Feldemissionsspitzen eine annähernd gleiche Gelegenheit haben, Elektronen zu emittieren. Auf der Basis dieser Struktur ist beabsichtigt gewesen, einen Emitter aus einem Bündel von Nanometer großen Drähten annähernd homogen anzutreiben. Diese Offenbarung hat jedoch das Ziel, den Emitter aus einem Bündel von Nanometer großen Drähten annähernd homogen anzutreiben. Diese Offenbarung zielt nicht darauf ab, die Streuung des Orbits der Elektronenemission zu beschränken. Diese Offenbarung beschreibt daher, dass es wünschenswert ist, eine Steuerungselektrode zu haben, ohne die Elektrodenstruktur besonders einzuschränken.
Wie oben erläutert, ist bisher – da es schwierig ist, die Richtung zu steuern, in der Elektronen durch den Feldemitter mit der Drei-Elektrodenstruktur aus einer Kathode, einer Anode und einer Tor-Elektrode emittierten Elektronen zu steuern – angenommen worden, dass eine Struktur mit vier Elektroden mit einer zusätzlichen Steuerungselektrode notwendig ist. Diese Struktur mit den vier Elektroden ist jedoch komplex um den Elektronenemitter herum. Diese Struktur ist außerdem schwierig herzustellen, da der Elektronenemitter in der Mitte des elektrischen Feldes installiert werden muss.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Feldemissionseinrichtung mit einer Struktur aus drei Elektroden zu schaffen, die einfach hergestellt werden kann und die Richtung der emittierten Elektronen steuern kann.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Feldemissionseinrichtung aus drei Elektroden geschaffen, welche Feldemissionseinrichtung folgendes aufweist: ein auf einer Kathode auf einem Substrat ausgebildetes emissives Material, eine Isolierschicht, die so ausgeformt ist, dass sie das emissive Material umgibt, eine Torelektrode, die auf der Isolierschicht ausgeformt ist und eine Öffnung hat, um von dem emissiven Material emittierte Elektronen durchtreten zu lassen, und eine Anode gegenüber dem emissiven Material, gekennzeichnet durch die Beziehung L/S ≥ 1, wobei S einen Durchmesser der Öffnung darstellt und L einen typischen kürzesten Durchtrittsabstand der von dem emissiven Material emittierten Elektronen hin zur Torelektrode.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Feldemissions-Anzeigeeinheit oder -Displayeinheit geschaffen, die im Wesentlichen aus drei Elektroden besteht und folgendes aufweist: ein Substrat, eine auf dem Substrat ausgeformte Kathodenschicht, eine auf der Kathodenschicht ausgeformte Isolierschicht mit einer Vielzahl von ersten Öffnungen, eine Torelektrode, die auf der Isolierschicht ausgeformt ist und eine Vielzahl von zweiten Öffnungen entsprechend den ersten Öffnungen hat, wobei jede zweite Öffnung den gleichen Öffnungsdurchmesser hat wie jede erste Öffnung, eine Elektronen-Emissionsschicht, die auf der Kathodenschicht ausgeformt ist und durch die ersten und zweiten Öffnungen hindurch frei liegt, eine transparente Platte, die so vorgesehen ist, dass sie zu einer Oberfläche des Substrats hin weist, auf welcher die Kathodenschicht ausgeformt ist, und zwar über einen an einem Außenumfang des Substrats vorgesehenen Rahmen, eine auf einer Oberfläche der transparenten Platte zu einer Kathodenschicht hin weisend ausgeformte Anodenschicht, und eine Phosphorschicht auf der Anodenschicht, gekennzeichnet durch die Beziehung L/S ≥ 1, wobei S den Öffnungsdurchmesser der mehreren ersten Öffnungen bezeichnet und L einen typischen kürzesten Durchtrittsabstand der von dem emissiven Material emittierten Elektronen hin zu der Torelektrode.
Genauer gesagt ist die Elektronenemissionsschicht der Feldemissionseinrichtung oder der Anzeigeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung am Boden einer tiefen Öffnung ausgeformt, so dass ein elektrisches Feld auf die emittierten Elektronen in einer Richtung aufgebracht wird, die annähernd vertikal bezüglich der Elektronen-Emissionsschicht verläuft. Mit dieser Anordnung treten nur diejenigen Elektronen, deren Geschwindigkeitskomponente groß ist in einer Richtung annähernd vertikal zur Elektronen-Emissionsschicht, durch die Öffnung der Tor-Elektrode hindurch und erreichen die Anode. So ist es möglich, den Orbit der Elektronen, die durch die Öffnung der Tor-Elektrode hindurchgetreten sind und zu der Anode weiterfliegen, schmal zu machen. Daher ist es möglich, den Orbit der Elektronen in einer Struktur aus drei Elektroden ohne eine Steuerungselektrode zu steuern. Bei dieser Struktur mit den drei Elektroden, die eine einfache Struktur ist, kann die Beziehung 1 > L/S ≥ 1/2, offenbart in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. 9-82215, nicht ausreichend dazu dienen, die Streuung des Orbits der Elektronenemission zu beschränken. Die Streuung kann eingeschränkt werden, wenn die Beziehung L/S ≥ 1 gilt. Dies ist eine Tatsache, die durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung zum ersten Mal klar gemacht worden ist.
Außerdem wird bevorzugt, dass eine durchschnittliche Oberflächendichte der mehreren Öffnungen auf 1 pc/μm² oder mehr festgelegt wird. Gemäß der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungs-Nr. 9-82215 wird die Homogenität von Elektronen-Emissionspunkten verbessert, indem eine große Anzahl von Emissionspunkten innerhalb einer einzelnen Öffnung genommen wird. Auf der Basis dieser Struktur ist es jedoch schwierig, die Varianz zwischen Elektronen-Emittern mit einzelnen Öffnungen zu senken. Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die Elektronen-Emitter einzelne Öffnungen und sind nahe aneinander vorgesehen, um die Varianz zu senken. In anderen Worten ist die durchschnittliche Oberflächendichte auf 1 pc/μm² oder mehr festgelegt. Bei dieser Anordnung können, selbst wenn es eine Varianz unter den Volumina von aus einzelnen Öffnungen emittierten Elektronen gibt, diese Volumina der emittierten Elektronen im Schnitt homogenisiert werden. Dies hat den Effekt, dass die Varianz der Luminanz zwischen Pixeln beschränkt wird, wenn die Erfindung auf eine Anzeigeeinheit angewandt wird.
Die Öffnung mit Bezug auf die vorliegende Erfindung kann eine kreisförmige, elliptische, oder polygonale Gestalt haben, und diese Gestalt ist nicht besonders eingeschränkt. Der Durchmesser der Öffnung ist der Durchmesser eines Kreises, wenn die Öffnung eine kreisförmige Gestalt hat (siehe 4A), und der Durchmesser der Öffnung ist ein kurzer Durchmesser, wenn die Öffnung eine elliptische Gestalt hat (siehe 4B). Der Durchmesser der Öffnung ist ein Durchmesser eines einbeschriebenen Kreises, wenn die Öffnung eine dreieckige Gestalt oder eine quadratische Gestalt hat (siehe 4C und 4D). Der Durchmesser der Öffnung ist ein Durchmesser eines Kreises, der längeren parallelen Seiten einbeschrieben ist, wenn die Öffnung ein Parallelogramm ist (siehe 4E). In diesen 4A bis 4E bezeichnet eine Bezugsziffer 6 eine Öffnung.
Trotz der verbesserten Steuerung der Streuung der Elektronen hat ein Teil der Elektronen, die durch die Öffnung hindurchtreten, eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung parallel mit der Elektronen-Emissionsschicht. Diese Elektronen zerstreuen den Orbit der Elektronen, wenn sie durch die Öffnung hindurchtreten. Wenn eine Beziehung zwischen einer Dicke der Tor-Elektrode Lg und einem typischen kürzesten Abstand L auf Lg/L ≤ 0,75 festgelegt wird, ist es jedoch möglich, die Streuung des Orbits der Elektronen auf einen vernachlässigbare Level zu beschränken, während das Volumen von Elektroden sichergestellt wird, die zu der Anodenelektrode gelangen, wenn die Erfindung auf eine Anzeigeeinheit oder ähnliches angewandt wird.
Genauer gesagt werden auf der Grundlage der Einstellung der Beziehung L/S ≥ 1 ein Großteil der Elektronen annähernd vertikal zur Elektronen-Emissionsschicht emittiert, und ein Teil der Elektronen, die die Geschwindigkeitskomponente parallel zur Elektronen-Emissionsschicht haben, werden elastisch mittels der isolierenden Schicht gestreut. Wenn die Elektronen-Emissionsschicht am Boden der tiefen Öffnung ausgeformt ist, kann jedoch der Orbit der emittierten Elektronen in der vertikalen Richtung leicht korrigiert werden. Selbst wenn Elektronen einen Abstand nehmen, der den kürzesten Abstand L überschreitet, kollidieren diejenigen Elektronen, die die parallele Komponente haben, gegen die Tor-Elektrode, die eine vorbestimmte Dicke hat, und werden von der Tor-Elektrode absorbiert. Wenn andererseits die Dicke der Tor-Elektrode zu groß ist, steigt das Volumen derjenigen Elektronen, die von der Tor-Elektrode absorbiert werden, wenn sie durch die Tor-Elektrode hindurchtreten, und es wird unmöglich, einen notwendigen Strom sicherzustellen. Daher verändert sich die Helligkeit auf der Anzeige der Anzeigeeinheit. Um diese notwendige Helligkeit sicherzustellen, ist die Beziehung Lg/L ≤ 0,75 gewählt worden.
Außerdem wird bevorzugt, dass das emissive Material auf einer Ebene an der Kathodenschicht geformt wird und aus Pd, Cs, LaB₆, Graphit, Karbon und/oder Diamant ausgewählt ist.
Außerdem wird bevorzugt, dass in einem Raum, der durch das Substrat, die transparente Platte und den Rahmen gebildet wird, ein Vakuum herrscht.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendiger Weise alle notwendigen Merkmal, so dass die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung wird deutlicher aus den nun folgenden ausführlichen Beschreibung, wenn diese zusammen mit den anliegenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht ist, die ein Beispiel eines herkömmlichen Feldemitters zeigt,
2 eine Querschnittsansicht ist, die ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Feldemitters zeigt,
3 eine Querschnittsansicht ist, die ein noch anderes Beispiel eines herkömmlichen Feldemitters zeigt,
4A bis 4E Diagramme zum Erläutern von Gestalten von Toröffnungen und Definitionen von Öffnungsdurchmessern gemäß der vorliegenden Erfindung sind,
5A bis 5F Querschnittsansichten sind, die Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Feldemissionseinrichtung (Anzeigeeinheit) gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
6 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem Streuverhältnis von Strahlen und einem Verhältnis von L zu S zeigt, wobei L ein typischer kürzester Durchtrittsabstand der von dem emissiven Material hin zur optischen Element emittierten Elektronen ist und S ein Öffnungsdurchmesser,
7 eine schematische Ansicht ist, die einen Orbit von Elektronen des Emitters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
8 eine schematische Ansicht zum Definieren eines Flächenbereichs A ist, der ein Bezug einer Oberflächendichte der Öffnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird,
9 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem Verhältnis einer Dicke Lg einer Tor-Elektrode zu dem kürzesten Abstand L und der Helligkeit einer Anzeigeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 5A bis 5F sind Querschnittsansichten, die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Feldemissionseinrichtung (einer Anzeigeeinheit) gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Ein isolierendes Substrat 11, wie beispielsweise ein Glassubstrat oder ein Keramiksubstrat, wird vorbereitet. Dann wird ein Kathodenschicht 3 aus einem leitenden dünnen Film mit einer Filmdicke von ungefähr 0,01 bis 0,9 μm durch Vakuumabscheiden oder Sputtern auf diesem isolierenden Substrat 11 ausgeformt. In der vorliegenden Erfindung wird ein Kathodenschicht aus Nickel mit einer Filmdicke von ungefähr 1 μm ausgebildet.
Das leitfähige Material, das die Kathodenschicht 3 strukturiert, ist nicht besonders auf Nickel beschränkt, und die Kathodenschicht kann ausgebildet werden unter Verwendung eines Metalls wie Gold, Silber, Molybdän, Tungsten, oder Titan, oder eines leitenden Oxids. Es ist auch möglich, eine Nickelschicht über eine Titan- oder Bromschicht zu bilden, um die Anhaftung zwischen dem isolierenden Substrat 11 und der Kathodenschicht 3 zu verbessern, wenn dies gewünscht wird. Ein Teil der Kathodenschicht kann auch als Signalleitung verwendet werden.
Das oben beschriebene ist nicht das einzige Verfahren zum Ausbilden der Kathodenschicht 3, und es ist auch möglich, die Kathodenschicht 3 durch Verwenden einer Dickfilmtechnik oder eines Plattierverfahrens auszubilden.
Anschließend wird ein gewünschtes Resistmuster auf der Oberfläche der Kathodenschicht 3 durch Ausrichten durch eine Maske ausgebildet. Dann wird die Kathodenschicht 3 durch Ätzen in eine vorbestimmte Gestalt gebracht.
Anschließend wird eine isolierende Schicht 2 aus SiO₂ auf der Oberfläche der Kathodenschicht 3 ausgebildet, so dass sie eine Filmdicke von 0,2 μm hat. Das Sputterverfahren ist nicht das einzige Verfahren zum Ausbilden dieser isolierenden Schicht. Die isolierende Schicht kann auch ausgebildet werden durch ein sogenanntes Spin-on-glass-Verfahren (SOG), ein Abscheiden aus der flüssigen Phase (LPD) oder ähnliches, durch Aufbringen eines SiO₂-Films auf die Oberfläche der Kathodenschicht 3 und anschließendes Brennen dieses Films.
Anschließend wird ein Tor-Elektrode 1 auf der isolierenden Schicht ausgebildet. Diese Tor-Elektrode 1 wird auch als Signalleitung wie die Kathodenschicht 3 verwendet, und wird genauso ausgebildet wie die Kathodenschicht 3. In der vorliegenden Erfindung wird eine Tor-Elektrode aus einer Nickelschicht mit einer Filmdicke von ungefähr 0,1 μm auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 2 durch das Vakuum-Abscheideverfahren oder durch Sputtern ausgebildet. Diese Tor-Elektrode kann auch ausgebildet werden durch Verwenden eines Metalls wie Gold, Molybdän, Tungsten, oder Titan, oder durch Verwenden eines leitenden Oxids, ähnlich wie die Kathodenschicht. Außerdem kann eine Tor-Elektrode auf der Oberfläche der isolierenden Schicht über eine Titan- oder Chromschicht gemäß der Notwendigkeit ausgebildet werden.
Eine laminierte Einheit, wie sie in 5A dargestellt ist, wird wie oben beschrieben ausgebildet. Anschließend werden Öffnungen 6 an der Tor-Elektrode 1 und der isolierenden Schicht 2 wie folgt ausgebildet.
Ein Resist 4 wird auf die Oberfläche der Tor-Elektrode 1 aufgebracht. Die Öffnungen 6 werden an dem beschichteten Bereich ausgebildet auf der Basis eines der folgenden Verfahren: ein Elektronenstrahlen-Belichtungssystem, und ein Blockcopolymerphasen-Separationsverfahren (siehe US-Patentanmeldung Nr. 09/588,721) zum Nassätzen oder ein reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung einer organischen Nanostruktur als Maske.
In der vorliegenden Erfindung werden Masken durch zwei Verfahren vorbereitet. Für eine Maske wird eine organische Nanostruktur verwendet auf der Basis des Blockcopolymerphasen-Separationsverfahrens. Durch Verwenden dieser Maske werden kreisförmige Öffnungen 6 durch das RIE auf dem Resist 4 ausgebildet, so dass sie einen Durchmesser von ungefähr 40 nm bis 100 nm für jede Öffnung haben. Das Resist-Spin-Beschichten ist auch verwendbar. Dann wird das durch Spinning aufgebrachte Resist ausgerichtet, um kreisförmige Öffnungen 6 zu bilden (siehe 5B).
In der vorliegenden Erfindung sind der Öffnungsdurchmesser und die Höhe L der isolierenden Schicht festgelegt. Nur die Dicke Lg der Tor-Elektrode wird verändert auf Stufen von 50, 100, 150 und 200 nm. Dies dient zum Ausführen eines organoleptischen Tests der Veränderungen in der Helligkeit auf der Basis von Veränderungen in der Dicke der Tor-Elektrode.
Nach dem Ausbilden der Öffnungen 6 an dem Resist 4 wird die Tor-Elektrode 1 aus Nickel mit einer Lösung aus Eisen (III) Dichlorid geätzt, um an der Tor-Elektrode Öffnungen zu bilden, die mit den Öffnungen 6 des Resists 4 verbunden sind.
Außerdem wird ein CF₄-Gas in Kontakt mit der isolierenden Schicht 2 aus SiO₂ über die Öffnungen der Tor-Elektrode gebracht, so dass Öffnungen, die mit den Öffnungen der Tor-Elektrode verbunden sind, auch an der isolierenden Schicht 2 ausgebildet werden. Als Ergebnis werden Öffnungen 6' gebildet, wie in 5C dargestellt.
Anschließend wird eine Lösung mit in Alkohol gelösten Palladium-Verbindungspartikeln auf die Öffnungen 6' geträufelt. So fällen die Palladium-Verbindungspartikel aus als Ebene auf die Kathode 3, die an den Öffnungen 6' frei liegt. Die Palladium-Verbindungspartikel werden dann in einer inerten Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre bei 150°C in der Atmosphäre getrocknet. Als Ergebnis wird eine Elektronen-Emissionsschicht 7 aus Palladium ausgebildet. Anschließend wird das Resist 4 abgeschält (siehe 5D).
Während Palladium in dieser vorliegenden Ausführungsform als emissives Material 7 verwendet wird, ist es auch möglich, andere Substanzen mit einer geringen Arbeitsfunktion wie beispielsweise Cs, LaB₆, Graphit, Karbon und Diamant zu verwenden. Um die Elektronen-Emissionseffizienz zu verbessern, ist es auch möglich, eine Kohlenstoffverbindung auf der Oberfläche der Palladiumpartikel auszubilden, beispielsweise durch Sputtern oder durch CVD.
Oberhalb des Substrats, das kalte Elektronen emittieren kann, befindet sich außerdem ein Phosphorsubstrat, das besteht aus einem transparenten Glas 10, einem transparenten leitenden Film (ITO Film) als Anode 13, und einer Phosphorschicht 12, die zueinander hinweisen, wie in 5E dargestellt. Wie in 5F dargestellt, ist außerdem ein Flächenbereich, der zwischen dem Kathodensubstrat mit der kalten Kathode und dem Phosphorsubstrat sandwichartig angeordnet ist, luftdicht mittels eines Rahmens 14 in einem Vakuumzustand eingeschlossen. Als Ergebnis wird die Feldemissionseinrichtung (Anzeigeeinheit) fertiggestellt.
Die Kathode dieser Feldemissionseinrichtung ist auf 0 V festgelegt, und Spannungen von 20 V und 5 V werden an die Tor-Elektrode bzw. die Anode angelegt. Dann ist festgestellt worden, dass Elektronen, die von dem emissiven Material emittiert werden, gegen das Phosphor kollidieren und das Phosphor daher Licht emittiert.
6 zeigt eine Beziehung zwischen einem Streuungsverhältnis von Elektronenstrahlen, die von der Kathode emittiert werden, und dem L/S (die Streuung von L/S = 1 ist als 1 festgelegt worden). Wie in 6 dargestellt, wird, wenn L/S gleich oder größer 1 ist, der Orbit der Elektronen so gesteuert, dass er schmal wird, der Grund dieser Steuerung wird wie folgt erklärt.
Auf der Grundlage der Einstellung des Verhältnisses von L/S auf einen großen Wert werden die meisten der von der Elektronen emittierenden Schicht emittierten Elektronen in einer Richtung ungefähr vertikal zur Elektronen emittierenden Schicht gezogen. Selbst wenn Elektronen existieren, die eine Geschwindigkeitskomponente in einer Richtung parallel zur Elektronen emittierenden Schicht in der Nähe der Tor-Elektrode haben, werden diese Elektronen von der Tor-Elektrode absorbiert. Als Ergebnis treten nur diejenigen Elektronen, die die Geschwindigkeitskomponente in einer Richtung ungefähr vertikal zur Elektronen emittierenden Schicht haben, durch die Öffnungen der Tor-Elektrode hindurch.
Es ist angenommen worden, dass ein Flächenbereich, in welchem die Phosphoreinheit Licht emittiert, die Größe des Elektronen-Orbits ist.
Gemäß der erfindungsgemäßen Feldemissionseinrichtung wird bevorzugt, dass die durchschnittliche Oberflächendichte der Öffnungen, die die Elektronenemitter einschließen, zumindest 1 pc/μcm² beträgt. Dies beruht darauf, dass, wenn die Anzahl der Öffnungen, die die Elektronenemitter einschließen, größer ist, die Varianz in den Elektronenemissionseigenschaften jeder Öffnung gemittelt wird. Bisher gab es Fälle, in denen die durchschnittliche Oberflächendichte bei 4 pc/144 μm² angenommen wurde (D.L. Lee, SID98 DIGEST, S. 589) oder 9 pc/25 μm² (Yokowo, J.IEE Japan, Vol. 112, Nr. 4, 1992, S. 257). Insbesondere ist, wenn die Erfindung auf eine Anzeigeeinheit angewandt werden soll, das Mitteln der Varianz besonderes effektiv zum Beschränken der Varianz der Pixeleigenschaften.
Zum Erhalten einer Oberflächendichte der Öffnungen wird nicht die gesamte Oberfläche der Kathode als Nenner verwendet. Dieser Nenner wird definiert als Flächenbereich, der die Öffnungen einschließlich der äußersten Elektronenemitter abdeckt, die auf der gleichen Kathode innerhalb eines Bereichs existiere, wo sie die Tor-Elektrode mit der Kathode kreuzt (siehe 8).
In der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass das Verhältnis einer Tor-Elektrodendicke Lg zu einem kürzesten Abstand L eine Beziehung Lg/L ≤ 0,75 erfüllt. Als Ergebnis des Ausführens des oben beschriebenen organoleptischen Tests von Veränderungen in der Helligkeit auf der Basis von Veränderungen in der Dicke der Tor-Elektrode wird wie in 9 dargestellt. Die Helligkeit im Bereich von Lg/L ≤ 0,75 kann die Helligkeit der Anzeigeeinheit erfüllen.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Feldemissionseinrichtung zu schaffen, die den Orbit von emittierten Elektronen steuern kann, während sie einen einfachen Aufbau mit drei Elektroden verwendet.

Claims

Feldemissionseinrichtung aus drei Elektroden (1, 3, 13), welche Feldemissionseinrichtung folgendes aufweist: ein auf einer Kathode (3) auf einem Substrat (11) ausgebildetes emissives Material (7), eine Isolierschicht (2), die so ausgeformt ist, dass sie das emissive Material (7) umgibt, eine Torelektrode (1), die auf der Isolierschicht (2) ausgeformt ist und eine Öffnung (6') hat, um von dem emissiven Material (7) emittierte Elektronen durchtreten zu lassen, und eine Anode (13) gegenüber dem emissiven Material (7), gekennzeichnet durch die Beziehung L/S ≥ 1, wobei S einen Durchmesser der Öffnung (6') darstellt und L einen typischen kürzesten Durchtrittsabstand der von dem emissiven Material (7) emittierten Elektronen hin zur Torelektrode (1).
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Öffnungen (6') hat, die jede aus der Öffnung bestehen, und dass die mehreren Öffnungen mit einer durchschnittlichen Oberflächendichte von mindestens 1 pc/μm² ausgebildet sind.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Kreis ist und der Durchmesser der Durchmesser des Kreises ist.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') eine Ellipse ist und der Durchmesser der kurze Durchmesser der Ellipse ist.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Dreieck oder ein Quadrat ist und der Öffnungsdurchmesser der Durchmesser eines in das Dreieck oder das Quadrat eingeschriebenen Kreises ist.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Parallelogramm ist und der Öffnungsdurchmesser der Durchmesser eines Kreises ist, der zwei längeren parallelen Seiten eingeschrieben ist.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldemissionseinrichtung die Beziehung Lg/L ≤ 0,75 erfüllt, worin Lg eine Dicke der Torelektrode ist.
Feldemissionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das emissive Material (7) flach auf der Kathode (3) ausgeformt ist und Pd, Cs, LaB₆, Graphit, Kohlenstoff und/oder Diamant beinhaltet.
Feldemissions-Displayeinheit, die im Wesentlichen aus drei Elektroden (1, 3, 13) besteht und folgendes aufweist: ein Substrat (11), eine auf dem Substrat (11) ausgeformte Kathodenschicht (3), eine auf der Kathodenschicht (3) ausgeformte Isolierschicht (2) mit einer Vielzahl von ersten Öffnungen (6'), eine Torelektrode (1), die auf der Isolierschicht (2) ausgeformt ist und eine Vielzahl von zweiten Öffnungen (6') entsprechend den ersten Öffnungen (6') hat, wobei jede zweite Öffnung (6') den gleichen Öffnungsdurchmesser hat wie jede erste Öffnung (6'), eine Elektronen-Emissionsschicht (7), die auf der Kathodenschicht (3) ausgeformt ist und durch die ersten und zweiten Öffnungen (6') hindurch frei liegt, eine transparente Platte (10), die so vorgesehen ist, dass sie zu einer Oberfläche des Substrats (11) hin weist, auf welcher die Kathodenschicht (3) ausgeformt ist, und zwar über einen an einem Außenumfang des Substrats (11) vorgesehenen Rahmen (14), eine auf einer Oberfläche der transparenten Platte (10) zu einer Kathodenschicht (3) hin weisend ausgeformte Anodenschicht (13), und eine Phosphorschicht (12) auf der Anodenschicht (13), gekennzeichnet durch die Beziehung L/S ≥ 1, wobei S den Öffnungsdurchmesser der mehreren ersten Öffnungen (6') bezeichnet und L einen typischen kürzesten Durchtrittsabstand der von dem emissiven Material (7) emittierten Elektronen hin zu der Torelektrode (1).
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von ersten Öffnungen (6') in einer durchschnittlichen Oberflächendichte von mindestens 1 pc/μm² ausgeformt sind.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Kreis ist und der Durchmesser der Durchmesser des Kreises ist.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') eine Ellipse ist und der Durchmesser der kurze Durchmesser der Ellipse ist.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Dreieck oder ein Quadrat ist und der Öffnungsdurchmesser der Durchmesser eines in das Dreieck oder das Quadrat eingeschriebenen Kreises ist.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Öffnung (6') ein Parallelogramm ist und der Öffnungsdurchmesser der Durchmesser eines Kreises ist, der zwei längeren parallelen Seiten eingeschrieben ist.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Beziehung Lg/L ≤ 0,75 erfüllt, worin Lg eine Dicke der Torelektrode ist.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das emissive Material (7) flach auf der Kathode (3) ausgeformt ist und Pd, Cs, LaB₆, Graphit, Kohlenstoff und/oder Diamant beinhaltet.
Feldemissions-Displayeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch das Substrat (11), die transparente Platte (10) und den Rahmen (14) gebildeten Raum ein Vakuum herrscht.