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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen unter Verwendung
eines Polymerfilms, welcher aus einem Photoresist und aus einer
Dickfilmpaste besteht. Das Verfahren ermöglicht die Ablagerung einer
Dickfilmpaste von feiner Auflösung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Vorrichtungen, die
mit Dickfilmpasten hergestellt werden, welche strukturiert sind,
und zwar unter Verwendung einer Diffusionslage, die aus einem strukturierten
Polymer oder Photoresist hergestellt wird.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Bouchard
et al (WO 01/99146) beschreiben eine Zusammensetzung eines Feldemitters
und ein Verfahren zur Verbesserung des Feldemitters, dabei zielen
dieselben aber nicht ab auf die Kompatibilität der Zusammensetzung mit anderen
Komponenten oder Materialien, welche bei der Herstellung einer Vorrichtung
verwendet werden.
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Fukuda
et al (
US 5601638 ) beschreiben
eine Dickfilmpaste unter Verwendung eines 2-Tetradecanollösungsmittels, aber dieselben
diskutieren nicht über
die Kompatibilität
der Paste und ihres Lösungsmittels
mit einer aus einem Photoresist bestehenden Schutzlage.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer
elektrischen oder elektronischen Vorrichtung, die eine Dickfilmpaste umfasst,
welche über
einem strukturierten Polymer oder Photoresist abgelagert wird. Die
Struktur wird dann erwärmt,
um die Diffusion des Polymerfilms oder des Photoresists in die Dickfilmpaste
zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren, welches
umfasst:
- a) ein Ablagern eines strukturierten
Films aus einem Polymer A auf ein Substrat;
- b) ein Ablagern einer Dickfilmpaste über den strukturierten Film
aus einem Polymer A;
- c) ein Trocknen der Dickfilmpaste, während dessen das strukturierte
Polymer A in die Pastenschicht hinein diffundiert und auf diese
Weise die Struktur an die Pastenschicht überträgt; und
- d) ein Entfernen des Überschusses
an Dickfilmpaste aus den Bereichen, in welche das Polymer nicht
hinein diffundiert ist, durch Aussetzen der Pastenschicht an eine
Pastenentwicklungslösung,
welche
eine schwache Löslichkeit
gegenüber dem
Polymer A aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren, welches
umfasst:
- a) ein Ablagern eines positiven Photoresists
auf ein Substrat;
- b) ein Maskieren einer Struktur auf dem Photoresist;
- c) ein Aussetzen des Photoresists an das Licht durch die strukturierte
Maske;
- d) eine Entwicklung des Photoresists;
- e) ein Ablagern von Dickfilmpaste über das strukturierte Photoresist;
- f) ein Trocknen der Dickfilmpaste; und
- g) ein Entfernen des Überschusses
an Dickfilmpaste, welche sich nicht mit dem Photoresist
vermischt
hat.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ferner die oben beschriebenen Verfahren,
welche weiterhin den zusätzlichen
Schritt umfassen, das mit der Dickfilmpaste strukturierte Substrat
einem Brennen auszusetzen
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt zusätzlich das oben beschriebene
Verfahren, welches ferner den Schritt umfasst, die Dickfilmpaste
zu aktivieren.
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Die
vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine elektrische oder
elektronische Vorrichtung, welche durch das erste oder durch das
zweite der oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die 1 zeigt
die Behandlungsschritte für eine
Bildübertragung
durch eine Bindemitteldiffusion, wobei der Polymerfilm aus einem
Photoresist besteht.
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Die 2 zeigt
Photoresistquadrate nach der Resistentwicklung.
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Die 3 zeigt
Pastenquadrate von Nanoröhrchen
aus Kohlenstoff nach dem Auswaschen der Paste in einer alkalischen
Lösung.
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Die 4 zeigt
den Dimensionsgewinn der Paste im Vergleich zu dem Resist, welcher
während der
Diffusionsübertragung
auftritt.
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Die 5 zeigt
die Elektronenfeldemissions-Beleuchtung der Anode durch eine Gruppe
von Pastenquadraten von Nanoröhrchen
aus Kohlenstoff.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren, bei welchem
eine Struktur eines Filmes aus einem Polymer A auf einem Substrat
gebildet wird. Das Polymer A wird so ausgewählt, dass es in dem Lösungsmittel
einer später
aufgetragenen Dickfilmpaste löslich
ist. Solche Lösungsmittel
sind organische Lösungsmittel
wie etwa Ketone, Alkohole, Ester, Ether und aromatische Verbindungen,
einschließlich,
ohne aber darauf beschränkt
zu sein, Texanol und β-Terpineol.
Das Polymer A kann, ohne aber hierauf beschränkt zu sein, bestehen aus phenolischen
Harzen, DNQ/Novalak-Resists, acrylischen Polymeren, Polymeren mit
anhängenden
t-Butylgruppen, Polystyrol und Ethylzellulose.
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Die
Struktur eines Filmes aus einem Polymer A kann durch verschiedene
Mittel hergestellt werden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, durch
eine Schablonendruckvorrichtung, durch Tintenstrahldruckverfahren
und durch Verfahren der Photostrukturierung. Für die Photostrukturierung besteht
das Polymer A aus einem Resist. Dieses Photoresist kann aus einem
positiven Photoresist von dem Typ des Novalaks sein oder aus einem
positiven Photoresist von dem chemisch verstärkten, d.h. amplifizierten
Typ bestehen.
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Nach
der Ablagerung und Strukturierung eines Polymer A Films wird eine
Dickfilmpaste, die mit einem alkalischen, löslichen Bindemittel und mit
einem organischen Lösungsmittel
formuliert ist, über der
Struktur des Polymers A abgelagert. Techniken wie etwa das Siebdruckverfahren
können
eingesetzt werden, um die Ablagerung der Dickfilmpaste zu bewerkstelligen.
Nach der Ablagerung wird die resultierende Dickfilmpaste bei einer
Temperatur zwischen 50°C
und 100°C
während
einer Zeitdauer zwischen 15 und 60 Minuten getrocknet. Während dieses Trocknungsschrittes
leitet das Lösungsmittel
der Dickfilmpaste die Auflösung
des strukturierten Polymers A ein und die darauf folgende Diffusionsmischung
des Polymers A in die Ablagerung der Dickfilmpaste hinein. Das Ausmaß der Diffusion
des Polymers A in die Ablagerung der Dickfilmpaste während des
Trocknungsschrittes kann durch Parameter gesteuert werden wie etwa
durch die Temperatur und durch die Zeit des Trocknens. Die Diffusion
kann weiterhin gesteuert werden durch die Wahl des Lösungsmittels
für die
Dickfilmpaste. Da das Polymer A (z.B. Photoresist von dem Typ des
Novalaks) in dem alkalischen Pastenentwickler unlöslich ist,
macht seine Diffusion während
des Trocknens in die Dickfilmpaste hinein die Diffusionsbereiche
der Paste unlöslich gegenüber der
alkalischen Entwicklung. Ein nachfolgender Entwicklungsschritt,
entweder eine alkalische Sprühung
oder eine Ultraschallbehandlung, führt zu einer Entfernung der
Ablagerung der Dickfilmpaste aus den Bereichen, in welchen das Polymer
A nicht vorhanden ist. Dieses neue Verfahren ist nützlich zur Herstellung
elektrischer und elektronischer Vorrichtungen, welche Ablagerungen
einer Dickfilmpaste enthalten.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nützlich
zum Erreichen einer feinen Merkmalsstruktur einer Dickfilmpaste,
welche aus sich selbst heraus nur eine begrenzte Strukturauflösung aufweist
infolge eines Siebdruckverfahrens oder eines Schablonendruckverfahrens.
Das Photostrukturieren verschiedener Dickfilmpasten wird oft begrenzt durch
den Feststoffgehalt der Paste, welcher dazu neigen, die optische
Durchsichtigkeit einiger Dickfilmpasten zu vermindern. Eine Strukturübertragung durch
eine Bindemitteldiffusion liefert ein einfaches Verfahren zum Erreichen
einer feinen Merkmalsstruktur bei einer Dickfilmpaste, indem das
Strukturverfahren von der Dickfilmpaste auf eine zweite polymere
Lage getrennt wird.
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Es
ist besonders günstig,
ein Polymer eines Photoresists für
die Bildung einer feinen Merkmalsstruktur zu verwenden. Photoresistprodukte
können enthalten;
Polymere, Auflösungsinhibitoren,
Monomere, Photoinitiatoren, Photosäureerzeuger und/oder ein Lösungsmittel.
Die Dickfilmpaste kann enthalten; Glasfritte, anorganische Pulver,
metallische Pulver, ein Bindemittelpolymer, photoaktive Monomere,
Initiatoren und/oder ein Lösungsmittel.
Spezielle Dickfilmpasten zum Gebrauch als elektronische Feldemitter
in Displayanzeigen enthalten zusätzlich
Nanoröhrchen
aus Kohlenstoff So wie dies häufig
von den Experten auf diesem Gebiet praktiziert wird, werden herkömmliche
Photoresists wie etwa das Resist aus DNQ/Novalak und das chemisch amplifizierte
Resist für
ein Strukturieren von feinen Merkmalen verwendet. Eine Merkmalsgröße von unter
1 Mikron wird routinemäßig erzielt.
In einem Resist von dem Typ DNQ/Novalak wird DNQ, ein Löslichkeitsinhibitor,
infolge eines Aussetzens gegenüber
einer UV Strahlung zersetzt, was den ausgesetzten Bereich in einem
schwach basischen Entwickler löslich
macht. In einem chemisch amplifizierten Resist ist ein Photo-Säureerzeuger in der Resistformulierung
enthalten. Die Säure,
welche bei der Einstrahlung erzeugt wird, kann eine tertiäre Butylgruppe
von dem Polymer des Resists entfernen. Mit der entfernten Butylgruppe
wird dann das Polymer löslich
in einem alkalischen oder basischen Entwickler. Der nicht ausgesetzte
Bereich des Photoresists ist in einem hohen Maße widerstandsfähig gegenüber einer
Auflösung
in einem alkalischen oder basischen Entwickler. Zusätzlich sind
diese Resistprodukte typischerweise in einem hohen Maße löslich in
den meisten organischen Lösungsmitteln
wie etwa in Ketonen, Alkoholen, Estern, Ether, in langkettigen Acetaten
und in aromatischen Verbindungen. Diese Lösungsmittel, einschließlich aber
nicht ausschließlich
von Texanol und β-Terpineol,
werden ebenfalls oft verwendet, um viele Dickfilmpasten zu formulieren.
Für Dickfilmpasten,
welche mit alkalischen, löslichen
Bindemittelpolymeren formuliert werden, kann ein trockener Pastenfilm
leicht abgewaschen werden durch ein Sprühen mit einem alkalischen Entwickler
oder durch ein Vollsaugen und Durchtränken in dem Entwickler, während dabei
mittels Ultraschallbehandlung umgerührt wird. Die Dickfilmpaste
wird mit einem Lösemittelsystem
formuliert, welches ein Pastenbindemittelpolymer und ein Polymer
A auflösen
wird. Das Pastenbindemittelpolymer ist zusätzlich löslich in einem Entwicklungslösungsmittel
oder in einer Entwicklungslösung,
in welchen das Polymer A eine geringe Löslichkeit aufweist. Das Pastenbindemittelpolymer kann,
ohne aber darauf beschränkt
zu sein, bestehen aus acrylischen Polymeren mit Carboxylgruppen, acrylischen
Polymeren mit Säuegruppen,
Polyvinylalkohol, Copolymeren von Polyvinylalkohol und Polyvinylacetat
und Polyhydroxylstyrol. Unter Verwendung eines Photoresists von
dem Typ des Novalaks oder eines Resists von dem chemisch amplifizierten Typ
zusammen mit einer alkalischen, löslichen Dickfilmpaste kann
eine feine Merkmalsstruktur der Dickfilmpaste erzielt werden, dies
durch das mit dieser Erfindung offenbarte Verfahren einer Strukturübertragung
durch eine Bindemitteldiffusion.
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Bei
dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren ist die
Merkmalsgröße der resultierenden
Ablagerung der Dickfilmpaste auf die Merkmalsgröße der Struktur in dem Polymerfilm
oder in dem Photoresist bezogen, aber nicht mit dieser Merkmalsgröße identisch.
Auf Grund der Art und der Natur eines durch eine Diffusion gesteuerten
Verfahrens gibt es im Allgemeinen eine Zunahme von etwa 30 % bis
50 % der trockenen Ablagerung der Dickfilmpaste im Vergleich zu
dem anfänglichen
Polymer- oder Photoresiststrukturelement.
Diese Zunahme kann jedoch gesteuert oder begrenzt werden durch ein
Steuern von verschiedenen Prozessparameter, welche da sein können die
Dicke der Polymerlage, die Trocknungstemperatur, die Trocknungszeit
und auch die Wahl des Pastenlösungsmittels.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung unter
Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in der 1 illustriert worden. Ein Photoresist
wird oben auf einem Substrat (1) abgelagert. Dieses Photoresist
besteht gewöhnlich
aus dem DNQ/Novalak-Typ. Ein anderer Typ von Photoresistprodukten
wie etwa das chemisch amplifizierte Photoresist (APEX Resist von IBM)
kann ebenfalls verwendet werden. Eine externe Photomaske (2)
wird oben drauf abgelegt und in einen engen Kontakt mit dem Photoresist
gebracht, welches dann einer UV-Strahlung ausgesetzt wird, welche
von über
der Photomaske her einstrahlt. Das Resist wird entwickelt (3)
in einer schwach basischen, wässrigen
Lösung
(z.B. 1 % Natriumhydroxid). Da das Resist vom Novalak-Typ oder vom
chemisch amplifizierten Typ in dem positiven Modus arbeitet, wird
die ausgesetzte Fläche
des Resists aufgelöst,
wodurch die Substratoberfläche
aufgedeckt wird und zum Vorschein kommt. Eine auf einem organischen
Lösungsmittel
beruhende und alkalisch entwickelbare Dickfilmpaste (4)
wird dann auf dem Substrat abgelagert, wodurch das Photoresist einen Überzug erhält und der
durch die Photoentwicklung der Resistlage erzeugte Leerbereich gefüllt wird.
Die Ablagerung der Dickfilmpaste wird dann bei 50°C bis l00°C während einer
Zeitdauer von 15 bis 60 Minuten (5) getrocknet, während welcher
Zeit das Lösungsmittel
in der Dickfilmpaste ein Mischen des Novalak-Resists in die Dickfilmpaste
hinein einleitet, womit der gemischte Bereich gegen eine alkalische
Entwicklung unlöslich
gemacht wird. Die Dickfilmpaste wird dann mit einem wässrigen,
alkalischen Spray (z.B. 0,5 % Natriumcarbonat) oder durch Ultraschallbehandlung
entwickelt (6), um die Paste in den Bereichen zu entfernen,
wo das Resist sich nicht mit der Dickfilmpaste vermischt hat.
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Die
Vorrichtung der Dickfilmpaste ist in dieser Phase der Verarbeitung
nützlich
als ein Zwischenschritt bei der Herstellung einer gebrannten Dickfilmpaste.
Die getrocknete und entwickelte Mischung einer strukturierten Dickfilmpaste
und eines Photoresists wird dann bei 300 bis 800°C während einer Zeitdauer von 5
bis 30 Minuten entweder in Luft oder in einer Atomsphäre aus Inertgas
gebrannt. Die organischen Stoffbestandteile einschließlich des
gemischten Photoresists werden in dem Brennschritt abgebrannt, wobei
eine gesinterte Dickfilmpaste zurückgelassen wird.
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Bouchard
et al (WO 01/99146) beschreiben eine Dickfilmpaste, welche Nanoröhrchen aus
Kohlenstoff enthält,
für die
Verwendung als Feldemitter und ein Verfahren für eine deutliche Verbesserung der
Feldemissionsleistung. Das Verbesserungsverfahren umfasst ein Laminieren
der Ablagerung der Dickfilmpaste mit einem Polymerfilm und dann
ein Abstreifen des laminierten Films. Bei Dickfilmpasten, die für die Verwendung
als Feldemitter ausgelegt sind, kann dieser Aktivierungsschritt
auch durchgeführt
werden.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele illustrieren die Verwendung des Verfahrens zur
Bindemitteldiffusionsübertragung,
um eine Dickfilmpaste, die Nanoröhrchen
aus Kohlenstoff enthält,
bei der Herstellung einer Elektronenfeldemissionsvorrichtung zu
strukturieren.
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Ein
Photoresist vom Novalac-Typ AZ4620, welches von der Clariant Cooperation
erhältlich
ist, wird mittels einer Beschichtung durch Rotieren auf ein mit
ITO beschichtetes Glassubstrat drauf beschichtet. Eine Spingeschwindigkeit
von 3000 UpM und eine Spindauer von 45 sec werden eingesetzt. Der
Novalac-Polymerfilm wird auf einer 95°C heißen Platte während einer
Zeitdauer von 5 Minuten getrocknet. Man erhält nach dem Trocknen einen
6 Mikron dicken Novalac-Polymerfilm. Eine Photomaske, welche aus
optisch schwarzen Quadraten mit einer Dimensionsgröße von 50
Mikron ×50
Mikron besteht, wird verwendet, um das Photoresist einer UV-Strahlung
(350–450
nm) mit einer Aussetzungsdosis von etwa 150 mJ/cm2 auszusetzen.
Das Substrat wird in einer AZA21K Entwicklerlösung, welche man ebenfalls
von Clariant erhält,
während
einer Zeitdauer von 45 Sekunden entwickelt. Die 2 zeigt
die strukturierte Gruppe von Polymerquadraten.
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Eine
alkalische, entwickelbare Dickfilmpaste, welche Bindemittelpolymere,
Silberpartikel, Glasfritte und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff enthält, wird
hergestellt unter Verwendung von Texanol als dem Pastenlösungsmittel.
Ein Mantelfilm der CNT-Paste wird mit Hilfe des Siebdruckverfahrens
auf das Substrat gedruckt, wobei das strukturierte Photoresist mit
einer Schicht überzogen
wird. Ein C400 Maschensieb wird zum Drucken verwendet. Der CNT-Pastenfilm wird
in einem Umluftkonvektionsofen bei 80°C während einer Zeitdauer von 20
Minuten getrocknet. Es hat sich herausgestellt, dass die Dicke des
getrockneten CNT-Pastenfilms 8 Mikron beträgt.
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Der
getrocknete CNT-Pastenfilm wird mit einer wässrigen 0,5 % NaCO3 Lösung während einer Zeitdauer
von 30 Sekunden besprüht,
und während dieser
Zeit wird der CNT-Pastenfilm von den Bereichen hinweg gewaschen,
in denen sich kein Novalak-Resist abgelagert hat. Dort, wo sich
ein Novalak-Resist abgelagert hat, bleibt nach der alkalischen Entwicklung
ein abgerundeter quadratischer Bereich des CNT-Pastenfilms übrig. Die 3 zeigt
die abgerundeten quadratischen Bereiche der CNT-Paste, welche eine
Dimension von etwa 75 Mikron × 75
Mikron aufweisen. Daher wird ein linearer Dimensionsgewinn von 50
% beobachtet. Die Dicke der quadratischen CNT-Bereiche beläuft sich
gemäß Messungen
auf etwa 8 μm.
Die 4 illustriert den Anstieg der Dimension des quadratischen
Bereiches der Dickfilmpaste im Vergleich zu dem anfänglichen
quadratischen Bereich des Photoresists.
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Das
Substrat wird in einem 9 Zonenförderbandofen
gebrannt, welcher auf eine Maximaltemperatur von 525°C eingestellt
ist, mit einer Verweilzeit von 20 Minuten in der maximalen Temperaturzone. Das
gebrannte Substrat wird aktiviert durch die Haftungsaktivierungsmethode
unter Verwendung eines Bandes, welches mit einem druckempfindlichen
Klebemittel beschichtet ist. Das Substrat wird als eine Kathode
in einer Elektronenfeldemissionsdiode verwendet, welche aus einer
Kathode besteht, die mit den quadratischen Bereichen der CNT-Paste
beschichtete ist, und aus einer Anode, die aus einer ITP-Platte
besteht, welche mit einer P13-Phosphorpartikel beschichtet ist.
Die Kathode und die Anode sind durch zwei 1 mm dicke Zwischenlagen
aus Glas getrennt. Der Diodenzusammenbau, wobei die Kathode an eine
mit einer hohen Spannung gepulste Stromversorgung angeschlossen
ist und die Anode durch ein Elektrometer mit der Erde verbunden
ist, wird dann in eine Vakuumkammer gestellt und in dieser wird
ein Vakuum bis auf einen Hintergrunddruck von unter 1 × E-6 Ton
erzeugt. Es wird ein hoher Strom einer Elektronenfeldemission beobachtet, wenn
die Kathode durch einen Zug von hohen Spannungsimpulsen energetisiert
wird, wobei dieser Zug aus Spannungsimpulsen von 100 Hz und einer
Dauer von 20 Mikrosekunden besteht. Es wird ein Anodenfeldemissionsstrom
von 50 Milliampere gemessen. Die 5 zeigt
die Elektronenfeldemissionsbeleuchtung der Anode durch die Gruppe
der Quadratbereiche aus CNT-Paste,
welche durch das Verfahren einer Strukturübertragung durch eine Bindemitteldiffusion
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt worden sind.