ПЛЕНОЧНЫЙ ПЛАНАРНО-ТОРЦЕВОЙ МАТРИЧНЫЙ АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД Российский патент 1997 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов и может быть использовано в СВЧ-технике и технике плоских катодолюминесцентных экранов, содержащих автоэлектронные ячейки.

Известно устройство с автоэлектронным катодом (АЭК), используемое в дисплее, содержащее проводящее основание, АЭК в виде конусообразных проводящих выступов, вытягивающий электрод, инициирующий эмиссию, и ортогональные X-, Y-шины [1]
Недостаток этого устройства низкая долговечность работы в техническом вакууме (10^-6 10^-7 мм рт.ст.), обусловленная прогрессирующим увеличением радиуса кривизны выступов вследствие их ионной бомбардировки.

Это недостаток частично устранен в устройстве, которое содержит основание, АЭК в виде лезвийного эмиттера, ортогонального основанию, вытягивающий электрод, X-, Y-шины, изолирующий слой, причем кромка эмиттера расположена в прорези изолирующего слоя и вытягивающего электрода [2]
Недостаток этого устройства низкая экономичность, обусловленная необходимостью формирования планарных субмикронных структур по поверхности вытягивающего электрода (шаг перфорирования 2,5 5 мкм).

Недостаток устранен в наиболее близком техническом решении (прототипе) - матричный автоэлектронный катод, согласно которому ячейка АЭК содержит проводящие пленки, пленку-эмиттер, основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки, параллельные подложке, причем эмиттер расположен между дополнительными (дистанцирующими) изолирующими пленками, а эмиттер и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки совокупно расположены между основными изолирующими пленками, торцы дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок заглублены относительно торцов пленки-эмиттера и основных изолирующих пленок, торцы основных изолирующих пленок несут пленки вытягивающих электродов [3]
Недостатком данного решения является трудность формирования многослойной пленки с необходимым профилем торцов по отверстиям в ней, обуславливающая использование специализированного оборудования для низкоэнергетического плазменного травления, например, на основе СВЧ-разряда с электронно-циклотронным резонансом и, тем самым, низкую экономичность устройства по стоимости (технологичности) его производства.

Задачей изобретения является повышение экономичности устройства по стоимости (технологичности) его производства.

Указанная задача решается следующим образом.

Предлагается пленочный планарно-торцевой матричный автоэлектронный катод (ППТМАЭК), содержащий подложку, матрицу эмиссионно-активных ячеек, соединенных X-, Y-шинами; эмиссионно-активные ячейки содержат проводящие пленки, в том числе пленку-эмиттер, а также основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки, размещенные параллельно подложке так, что пленка-эмиттер находится между дополнительными (дистанцирующими) изолирующими пленками, а пленка-эмиттер и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки совокупно расположены между основными изолирующими пленками, торцы дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок заглублены относительно торцов пленки-эмиттера и основных изолирующих пленок, торцы основных изолирующих пленок несут пленки вытягивающих электродов, при этом основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки имеют структуру в виде параллельных подложке составляющих слоев из различных материалов.

Новым в предложенном устройстве является то, что:
основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки имеют субструктуру в виде параллельных подложке составляющих слоев из различных материалов;
отношение толщины слоя к минимально достижимой толщине сплошности этого слоя находится в пределах 1 500 (второй вариант ППТМАЭК);
материал слоя является заданной функцией f(n) номера n слоя в пленке, т.е. зависит от положения слоя в пленке (третий вариант ППТМАЭК);
толщина слоя является заданной функцией Φ(n) номера n слоя в пленке (четвертый вариант ППТМАЭК);
материал и толщина слоя, характеризуемые функциями f(n), Φ(n) изменяются по толщине пленки периодически (пятый вариант ППТМАЭК);
толщина слоев в пленке возрастают в направлении к подложке, т. е. Φ(n) - возрастающая функция при нумерации слоев в пленке к подложке (шестой вариант ППМАЭК);
основная изолирующая и дополнительная (дистанцирующая) изолирующая пленки различаются материалами слоев (седьмой вариант ППТМАЭК);
толщины слоев дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки превышают толщины слоев основной изолирующей пленки (восьмой вариант ППТМАЭК);
материалы и толщины слоев в основных изолирующих пленках изменяются по единым законам f(n), Φ(n) для более удаленной от подложки основной изолирующей пленки и для менее удаленной от подложки основной изолирующей пленки одновременно при сквозной нумерации слоев основных изолирующих пленок, например, при принадлежности наименьшего значения n первому слою более удаленной от подложки основной изолирующей пленки, а наибольшего значения n - последнему слою менее удаленной от подложки основной изолирующей пленки (девятый вариант ППТАЭК).

На фиг. 1 изображено поперечное сечение активного (эмитирующего) элемента ячейки ППТМАЭК в сечении по его оси (либо плоскости) симметрии; на фиг. 2
фрагмент I фиг. 1, на котором показаны возможные структуры пленок.

На фиг. 1 и 2 представлен предлагаемый катод.

Он содержит следующие элементы: 1 подложку; 2 разделяющую диэлектрическую пленку; 3, 9 пленки вытягивающего электрода; 4, 8 основные изолирующие пленки; 5, 7 дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки; 6 пленку-эмиттер; 10 отражающую пленку; 7.1, 7.2 первую пару слов дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки 7; 7.3, 7.4 вторую пару слоев дополнительной (дистанцирующей изолирующей пленки 7; 7.5, 7.6 третью пару слоев дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки 7; 6 - пленку-эмиттер; 9 пленку вытягивающего электрода; 8.1, 8.2 первую пару слоев основной изолирующей пленки 8; 8.3, 8.4 вторую пару слоев основной изолирующей пленки 8; 8.5, 8.6 третью пару слоев основной изолирующей пленки 8.

В соответствии с предлагаемым изобретением ППТМАЭК содержит, во-первых, подложку 1, исполняющую роль основного несущего элемента конструкции, и расположенные на ней матрицу эмиссионно активных ячеек, соединенных пленочными X-, Y-шинами и, во-вторых отражающую пленку 10, исполняющую роль отражателя эмиттированных электродов к аноду (на фиг. 1 анод не показан).

Каждая эмиссионно активная ячейка содержит лежащую на подложке 1 разделяющую диэлектрическую пленку 2, электрически разделяющую отражающую пленку 10 от остальных элементов эмиссионно активной ячейки и далее расположенную на ней фигурную, Г-образную пленку нижнего вытягивающего электрода 3, инициирующего эмиссию, далее расположенную на ней нижнюю основную изолирующую пленку 4, электрически разделяющую пленку вытягивающего электрода 3, и остальные вышележащие пленочные электроды ячейки, и, кроме того, несущую на своем торце рабочую часть пленки вытягивающего электрода 3 и далее расположенную на ней нижнюю дополнительную (дистанцирующую) изолирующую пленку 5, дополнительно электрически разделяющую пленку вытягивающего электрода 3 и остальные вышележащие электроды ячейки и, кроме того, задающую функциональный зазор между рабочей частью пленки вытягивающего электрода 3 и пленкой-эмиттером 6 и далее расположенную на ней пленку-эмиттер 6, являющуюся собственно автоэлектронным эмиттером, и далее расположенную на ней верхнюю дополнительную (дистанцирующую) изолирующую пленку 7, дополнительно электрически разделяющую пленку-эмиттер 6 им верхнюю пленку вытягивающего электрода 9 и, кроме того задающую функциональный зазор между пленкой-эмиттером 6 и рабочей частью пленки вытягивающего электрода 9 и, далее, расположенную на ней верхнюю основную изолирующую пленку 8, в основном электрически разделяющую пленку-эмиттер 6 и пленку вытягивающего электрода 9 и, кроме того, несущую на своем торце рабочую часть пленки вытягивающего электрода 9, и, далее расположенную на ней фигурную, Г-образную пленку верхнего вытягивающего электрода 9 инициирующего эмиссию. Причем изолирующие пленки (основные и дополнительные) 4, 5, 7, 8 имеют слоистую структуру из различных материалов, например, на пленке-эмиттере 6 расположены (см. фиг. 2) слои 7.6 7.1, 8.6 8.1, аналогичную структуру могут иметь основная изолирующая пленка 4 и дополнительная (дистанцирующая) пленка 5.

Торцы дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок 7, 5 заглублены относительно торцов пленки-эмиттера 6.

Устройство работает следующим образом.

В основном электрическом режиме на пленку-эмиттер 6 подается (через Y-шины, на фиг. 2 не показаны) отрицательный, а через X-шины пленки вытягивающих электродов 3, 9 положительный импульсы напряжения. Под действием электрического поля, концентрирующегося на торце пленки-эмиттера 6, возникает автоэлектронная эмиссия. Эмиттированные электроны движутся в окрестности торца пленки-эмиттера 6 в двугранном угле порядка 90^o, могут быть направлены также и под воздействием отражающей пленки 10 на коллектор (анод), расположенный, например, параллельно подложке 1.

Подложка 1 заявляемого ППТМАЭК может быть выполнена из стекла, X-, Y-шины, пленки вытягивающих электродов 3, 9 и отражающая пленка 10 из алюминия, пленка-эмиттер 6 из кремния или углерода. Слои 7.1, 7.3, 7.5 дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки 7 могут быть выполнены из полиимида, слои 7.2, 7.4, 7.6 дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки 7 из Ta₂O₅, слои 8.1, 8.5, 8.4 основной изолирующей пленки 8 из SiO, слои 8.2, 8.6, 8.3 основной изолирующей пленки 8 из Si₃N₄. Конструкция в целом может быть изготовлена современными методами твердотельной электроники, в частности, напылением, либо осаждением из органических растворителей, а также селективным ионно-плазменным или жидкостным травлением через специальные трафареты. При этом слои 8.1 7.6, не являясь порознь функциональными элементами конструкциями, совокупно обеспечивают технологию формирования геометрии рабочей (торцевой) части активных элементов автоэлектронных ячеек. Каждый вышележащий (согласно фиг. 2) слой, например, 8.1, после его протравливания до прилежащего слоя 8.2 играет в процессе формирования роль фоторезиста, с протравленными (согласно заданной топологии структуры в плане) в нем окнами.

Селективное торцевое травление слоя (например, слоя 8.5) ограничивается, в смысле закона Пуазейля-Хейгена (см. ниже), прилегающими (устойчивыми к травителю слоя 8.5) слоями 8.2, 8.6. В свою очередь, селективное травление слоя-ограничителя (например, указанного слоя 8.6) ограничивается прилегающими (устойчивыми к травителю слоя 8.6) слоями 8.4, 8.5 и так далее со сменой ролей прилежащих слоев, вплоть до формирования заданного профиля торца многослойной структуры 4 8 в целом.

Как и в прототипе, X-шинами могут служить пленки вытягивающих электродов 3, 9, соединенные по периферии устройства, а Y-шинами пленочные выводы пленки-эмиттера 6 (на фиг. 1 не показаны).

Использование описываемой конструкции ППТМАЭК обеспечивает по сравнению с известными конструкциями следующие преимущества.

Слоистость пленок, кроме обеспечения расширенных возможностей формирования различных профилей торцов и достижимости соответствующих функциональных параметров ППТМАЭК и устройств на их основе, позволяет отказаться от использования при изготовлении ППТМАЭК специализированного оборудования для низкоэнергетического плазменного соединения и травления пленок, заменив его, например, погружным жидкостным осаждением и травлением.

В порядке пояснения можно отметить, что наиболее характерное изотропное травление основной изолирующей пленки прототипа травление, например, через окно в фоторезисте дает угол наклона торца порядка 45^o. Выполнение основной изолирующей пленки слоистой при различных материалах слоев допускает селективное травление слов поочередно. Например, пусть первый слой основной изолирующей пленки протравливается на свою толщину за единицу времени с формированием торца под углом 45^o. Пусть за другую единицу времени протравливается на ту же свою толщину (с формированием того же угла 45^o) второй слой селективно, т. е. без изменения торца первого слоя. Тогда торец пары слоев будет иметь угол наклона в среднем 67,5^o, т. е. порядок, который ближе к оптимальному, необходимому для эффективной работы устройства.

Промышленную применимость заявляемого технического решения можно дополнительно обосновать следующим образом.

Известно, что пленочные гетероструктуры (3 10 и более наложенных друг на друга диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пленок), а также и объемные, например, матричные структуры на базе таких гетероструктур формируются технологиями вакуумного, плазменного или жидкостного осаждения/травления. При этом жидкостное осаждение/травление имеет ряд преимуществ, особенно в практике создания матричных или иных устройств больших поверхностей.

Для обоснования заявляемого технического решения целесообразно подчеркнуть, что жидкостное травление некоторой пленки из состава указанной гетероструктуры резко замедляется по глубине торцевого травления, во-первых, ослабевающей диффузией из канала продуктов растворения и, во-вторых, торможением течения жидкости в канале по факту конечной вязкости (отличие от газообразных травителей в коэффициентах вязкости-уже для атмосферного давления газов на 2-4 порядка).

По закону Пуазейля-Хейгена скорость V движения жидкости в канале зависит от геометрии последнего:

В формулах (1), (2),
P₀P₀-давление жидкости на входе и на выходе канала;
μ вязкость жидкости;
l-длина канала;
D₁-диаметр канала;
D₂-толщина канала; C₁, C₂-коэффициенты пропорциональности, зависящие от единиц измерения.

Уже только из соотношения (2) следует, что слои из одного и того же материала, но различных толщин, могут растворяться с их торцов в составе многослойной структуры селективно (порознь) с существенно различной скоростью.

Практические численные значения скоростей движений жидкостей в каналах также подтверждают промышленную применимость устройства. Например, в технике исследования механизмов возбуждения нервных и мышечных клеток микроэлектроды в виде таких нитей проводящих жидкостей в микропипетках формируются заполнением последних, если не используются специальные методы, часами или сутками. Отсюда следует, что при достаточно тонком слое, подлежащем селективному торцевому травлению через то или иное окно в фоторезисте или в вышележащих слоях, жидкостное травление этого слоя с торца может регулироваться в широких пределах за счет времени травления, а значит, может в широких пределах регулироваться и вид самого торца, как результат травления.

Нижним пределом толщин слоев является, очевидно, минимально достижимые толщины их сплошности, а верхним пределом практически значимые различия в скоростях движения жидкостей в каналах. При характерных минимально достижимых толщинах сплошности слоев проводников и диэлектриков в десятки ангстрем, практически значимые различия скоростей движения жидкостей в каналах имеют место при толщинах последних в единицы микрон.

В качестве отличительного признака второго варианта заявляемого устройства можно принять, с учетом поправок на возможные интервалы изменения коэффициента вязкости m травителя и длины l канала, что отношение толщин слоев в пленке к минимально достижимым толщинам сплошности этих слоев лежит в пределах 1 500.

Третий и четвертый варианты заявляемого устройства пояснены выше.

Пятый вариант устройства пояснен на примере возможности (экономичности) профиля торца под углом 67,5^o к подложке при периоде функции f(n) равном 2, т. е. при одинаковых (по материалу) нечетных слоях равной толщины, отличающихся по материалу от одинаковых между собой четных слоев.

При периоде функции f(n), равном 3,4 и т.д. возможно обеспечить формирование более крутых и сколь угодно крутых профилей торца ППТМАЭК.

Шестой вариант устройства имеет преимущества экономичности формирования крутого профиля торца при малом наборе материалов слоев, практически всего при двух материалах. Более толстые нижележащие (более близкие к подложке) слои возможно в этом варианте ППТМАЭК травить с торца быстрее, так что результирующий профиль торца может быть сколь угодно крутым, либо может составлять с подложкой угол менее 90^o.

Седьмой вариант устройства обеспечивает необходимое заглубление торцов дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок (относительно торца пленки-эмиттера) без изменения торцов основных изолирующих пленок и, кроме того, обеспечивает прецизионное формирование существенного геометрического параметра устройства-величины выноса торца пленки-эмиттера за плоскость торцов основных изолирующих пленок.

Восьмой вариант устройства обеспечивает заглубление торца дополнительной (дистанцирующей) изолирующей не только (либо не столько) за счет отличающегося, специфического материала дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки, но за счет толщины составляющих ее слоев, причем формирование одновременно с формированием торцов основных изолирующих пленок.

Девятый вариант устройства фиксирует частный вариант структур обеих основных изолирующих пленок, а именно в виде функций f(n), v(n) "продолженных" с одной основной изолирующей пленки на другую основную изолирующую пленку.

Такая особенность позволяет формировать профиль обеих пленок единообразно, т. е. выполнять "продолжение" профиля одной пленки за профиль другой, на систему двух пленок вместе взятых (искажающим влиянием дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок, разделяющих основные изолирующие пленки, при этом в первом приближении, пренебрегается).

Таким образом, в зависимости от количеств, толщин слоев и их материалов, т. е. видов указанных функций f(n) и Φ(n), оказываются достижимыми необходимые функциональные признаки устройства.

ППТМАЭК промышленного производства, близкие к заявляемому, не известны.

Наиболее близким базовым образцом, имея ввиду массовое применение заявляемого ППТМАЭК в плоских катодолюминесцентных экранах, можно считать катодно-сеточный узел, используемый в матричном катодолюминесцентном экране ИПГ-128х128 П, изготавливаемый предприятием-заявителем. От наиболее близкого базового образца заявляемый ППТМАЭК отличается:
возможностями повышения размерности матрицы катода и экрана на его основе, т. е. информационной емкости экрана;
большей экономичностью, вследствие отсутствия накала катода;
безынерционностью возбуждения/прекращения эмиссии;
более высокими эргономическими параметрами, например, миниатюрностью по толщине.

Использование: в области электровакуумных приборов и, в частности, в СВЧ-технике и технике плоских катодолюминесцентных экранов, содержащих автоэлектронные ячейки. Сущность изобретения: пленочный планарно-торцевой матричный автоэлектронный катод содержит подложку, матрицу эмиссионно-активных ячеек, соединенных X-, Y-шинами; эмиссионно-активные ячейки содержат проводящие пленки, в том числе пленку-эмиттер, а также основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки, размещенные параллельно подложке так, что пленка-эмиттер находится между дополнительными (дистанцирующими) изолирующими пленками, а пленка-эмиттер и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки совокупно расположены между основными изолирующими пленками, торцы дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок заглублены относительно торцов пленки-эмиттера и основных изолирующих пленок, торцы основных изолирующих пленок несут пленки вытягивающих электродов, при этом основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки имеют структуру в виде параллельных подложке составляющих слоев различных толщин и из различных материалов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пленочный планарно-торцевой матричный автоэлектронный катод, содержащий подложку, матрицу эмиссионно-активных ячеек, соединенных X-, Y-шинами, ячейки содержат проводящие пленки, в том числе пленку-эмиттер, а также основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки, параллельные подложке так, что пленка-эмиттер расположена между дополнительными (дистанцирующими) изолирующими пленками, а пленка-эмиттер и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки совокупно расположены между основными изолирующими пленками, торцы дополнительных (дистанцирующих) изолирующих пленок заглублены относительно торцов пленки-эмиттера и основных изолирующих пленок, торцы основных изолирующих пленок несут пленки вытягивающих электродов, отличающийся тем, что основные изолирующие пленки и дополнительные (дистанцирующие) изолирующие пленки имеют структуру в виде параллельных подложке составляющих слоев из различных материалов. 2. Катод по п.1, отличающийся тем, что отношение толщины слоя к минимально достижимой толщине его сплошности лежит в пределах 1 500. 3. Катод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что материал слоя является заданной функцией f(n) номера n-го слоя в пленке (зависит от положения слоя в пленке). 4. Катод по пп.1 3, отличающийся тем, что толщина слоя в пленке является заданной функцией Φ(n) номера n-го слоя в пленке. 5. Катод по п.4, отличающийся тем, что f(n), Φ(n) - периодические функции. 6. Катод по п.4, отличающийся тем, что Φ(n) - возрастающая функция при нумерации слоев в пленке к подложке. 7. Катод по пп.1 6, отличающийся тем, что основная изолирующая пленка и дополнительная (дистанцирующая) изолирующая пленка различаются материалами слоев. 8. Катод по пп.1 7, отличающийся тем, что толщины слоев дополнительной (дистанцирующей) изолирующей пленки превышают толщины слоев основной изолирующей пленки. 9. Катод по пп.1 8, отличающийся тем, что f(n), Φ(n) - функции для более удаленной от подложки основной изолирующей пленки и для менее удаленной (другой) основной изолирующей пленки одновременно, так что наименьшее значение n принадлежит первому слою более удаленной основной изолирующей пленки, а наибольшее значение последнему слою менее удаленной основной изолирующей пленки.