Feldemissionskathodeneinrichtung und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathodeneinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Mit Feldemission wird der Austritt von Elektronen aus der Oberfläche eines elektrischen Leiters unter der Wirkung eines elektrischen Feldes von mehr als 10-^ V/m bezeichnet. In der Praxis werden derartige Feldstärken an scharfen Kanten oder Spitzen, an denen Feldstärkeüberhöhungen auftreten, reali¬ siert, wobei Hochvakuum zur Vermeidung von Gasentladungen er¬ forderlich ist.

STAND DER TECHNIK

Technisch werden Feldemissionskathoden eingesetzt, beispiels¬ weise beim Feldelektronenmikroskop, bei Elektronenbeschleuni- gern, bei Höchstleistungsschaltern (OS DE 39 24 745 AI) und in Feldemissionsdioden und Feldemitterarrays für die Vakuum¬ mikroelektronik (so zum Beispiel Busta, Vacuum microelectro- nics-1992, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2 (1992), S. 53-60 und Iannazzo, A Survey of the present Status of vacuum icroelectronics, Solid State Electronics,

36(1993), S. 301 bis 320) . Als Feldemissionskathode kann ein Wolframdraht verwendet werden, dessen Spitze durch Ätzen so fein wird, daß sie im Lichtmikroskop nicht mehr zu sehen ist. Ebenfalls durch Ätzen können Kohlefasern an den Enden hinrei- chend fein hergestellt werden (Heinrich, Essig, Geiger, Appl. Phys. (1977) 12 S. 197 - 202), um als Feldemissionskathode zu dienen.

In der Vakuummikroelektronik werden die Feldemissionskathoden im allgemeinen mit den Verfahren der Mikroprozeßtechnik durch

Ätzen und Aufdampfen unter Verwendung lithographisch herge¬ stellter Masken erzeugt (s. Busta, Vacuum microelectronics- 1992, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2(1992), S.53-60) . Hierdurch lassen sich kegelförmige Spitzen mit einem Krümmungsradius von wenigen nm oder keilförmige Schneidkanten mit vergleichbarem Krümmungsradius herstellen. Als Material für die Kathode wird beispielsweise Molybdän, Lanthanhexaborid, Hafnium, diamantähnlicher Kohlenstoff ver¬ wendet (B.C. Djubua, N.N. Chubun, Emission properties of Spindt-Type Cold Cathodes with Different Emission Cone Mate¬ rial, IEEE Transactions on Electron Devices, 38 (1991) No. 10, S. 2314-2316) .

Nachteilig ist bei der Verwendung von Spitzen und Kanten, die nach den bekannten Verfahren hergestellt werden, daß sich der Elektronenstrom mit der Betriebszeit verringert, da die Spit¬ zen oder Kanten durch positive Ionen des unvermeidlichen Restgases im System zerstört werden. Das gleiche gilt für die Feldemissionskathoden, die durch Aufdampftechniken herge- stellt werden. Dies ist vor allem dadurch bedingt, daß die Materialstruktur der Emissionsspitzen nicht eindeutig defi¬ niert ist. Hierdurch kann die Geometrie und MikroStruktur der Spitze und damit die Austrittsarbeit der Elektronen in so großen Grenzen variieren, daß der Elektronenstrom mehrerer Spitzen, die in einem Prozeß hergestellt werden, um Zehnerpo¬ tenzen unterschiedlich ist und dieser sich zudem mit der Be¬ triebsdauer ändert.

Außerdem können nach dem Stand der Technik die Feldemissions- kathoden für die Vakuummikroelektronik nicht in der optimalen Geometrie hergestellt werden. Feldstärkerechnungen für unter¬ schiedliche Geometrien der Spitzen zeigen, daß die günstigste Form einer Feldemissionskathode ein schlanker Stab ist (Uts- umi, Vacuum Microelectronics: What's New and Exciting, IEEE Transactions on Electron Devices 38(1991) S. 2276-2283) . Mit den heutigen Verfahren der Mikrostrukturtechnik lassen sich allenfalls kegelförmige Spitzen definiert herstellen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden erstmals von Iijima (Nature, 354 (1991) S. 56) im Elektronenmikroskop beobachtet und kön¬ nen heute in größeren Mengen beispielsweise an der Kathode eines Lichtbogens erzeugt werden (Iijima, Materials Science and Engineering, B19 (1993) S. 172-180) . In Gegenwart von Ei¬ sen oder Kobalt lassen sich einschalige Kohlenstoff-Nanoröhr¬ chen erzeugen. Theoretische Berechnungen zeigen, daß je nach Helizität der hexagonalen Ringstruktur der Wände die Kohlen¬ stoff-Nanoröhrchen elektrisch leitend oder halbleitend sind (Saito, Fujita, Dresselhaus, Dresselhaus, Materials Science and Engineering, B19 (1993) 185-191) . Die Kohlenstof-Nano- röhrchen lassen sich auch mit Metallen füllen, beispielsweise mit Blei. Weitere Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- Nanoröhrchen sind in der Literatur beschrieben: Kohlenstoff-Nanoröhrchen lassen sich durch katalytische Zer¬ setzung von Acetylen über Eisen-Partikel bei etwa 700 °C her¬ stellen (Jose-Yacaman, Miki . -Yoshida, Rendon, Applied Physics Letters 62(6)1993, S 657-659) . In Gegenwart von Methan, Argon und Eisendampf lassen sich einschalige Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dem Ruß-Niederschlag an den Kammerwänden einer Lichtbogenapparatur finden (Iijima, Nature 363 (1993) S. 603-605) .

Durch Verdampfen einer Kohlefolie im Hochvakuum lassen sich mehrschalige Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einer Graphitober- fl che abscheiden (Ge, Sattler, Science 260 (1993) S. 515- 518) .

Durch Verdampfen von hochreinem Graphit mit Elektronenstrah¬ len im Vakuum können Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf Substraten aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Richtung des Dampfstrahls ausge¬ richtet sind (Kosakovskaya u.a. , JETP Lett . , 56 (1992) 26) .

Neben den Kohlenstoff-Nanoröhrchen scheiden sich auf dem Sub¬ strat im allgemeinen auch ungeordnete Kohlenstoffpartikel ab. Diese können beispielsweise durch Behandlung in oxidierender Atmosphäre bei erhöhter Temperatur von bis zu 500 °C, vor-

zugsweise 400 °C, entfernt werden. In gleicher Weise können die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in oxidierender Atmophäre (Luft, CO2 oder reinem Sauerstoff) an den Abschlußkappen geöffnet werden. Dies bietet die Möglichkeit, die Kohlenstoff-Nano- röhrchen mit Metallen zu füllen, wie von Ajayan u. Iijima in Nature 361, S. 333 für die Füllung mit Blei beschrieben ist.

Grundsätzlich ist es möglich, diese nach einem der oben be¬ schriebenenVerfahrenhergestellten Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Hilfe von Mikromanipulatoren auf einer geeigneten Unter¬ lage zu befestigen und so eine Feldemissionskathode herzu¬ stellen. Dieses Verfahren ist aber unpraktisch und insbeson¬ dere für Feldelektrodenarrays mit vielen Kathodenspitzen, wie in der Vakuummikroelektronik angestrebt wird, nicht geeignet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, eine Feldemissionskathoden- einrichtung anzugeben, die die Nachteile des Standes der

Technik vermeidet, eine hohe Emissionsqualität gewährleistet, eine erhöhte Betriebsdauer ermöglicht und insbesondere dem Beschüß der Ionen des Restgases standhält. Darüberhinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstel¬ lung einer Feldemissionskathodeneinrichtung der eingangs ge¬ nannten Art anzugeben, das eine technisch optimale Herstel¬ lung gewährleistet und wirtschaftlich einsetzbar ist.

Die erfindungsgemäße Feldemissionskathodeneinrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben. Das erfindungsge¬ mäße Verfahren zur Herstellung der Feldemissionskathodenein¬ richtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 9 gegeben. Vor¬ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand derUnteransprüche.

Die erfindungsgemäße Feldemissionskathodeneinrichtung zeich¬ net sich demgemäß dadurch aus, daß der elektronenemittierende Teil der Feldemissionskathode zumindest teilweise bevorzugt röhrenförmige Käfigmoleküle und/oder Verbindungen mit Käfig- molekülen und/oder röhrenförmige atomare Netzwerke, gegebe¬ nenfalls mit Abschlußkappen mit Durchmesser-Abmessungen im Nanometerbereich, aufweist.

Bevorzugt können hierbei die röhrenförmigen atomaren Netzwer- ke mit Abschlußkappen aus Kohlenstoff- und/oder Bor- und/oder Stickstoffatomen versehen sein, die Öffnungen aufweisen.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Feldemissionskathodeneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß als Feldemissionskathoden Kohlenstoff-nanoröhrchen ver¬ wendet werden. Kohlenstoff-Nanoröhrchen können einschalig mit einem Durchmesser von ca. 1 Nanometer und Längen von über 1 Mikrometer oder auch mehrschalig mit bis zu einigen Nanome- tern Durchmesser hergestellt werden. Es lassen sich auch Bün- del von einschaligen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Durchmes¬ sern von etwa 5 Nanometern herstellen. Die Wände der Kohlen¬ stoff-Nanoröhrchen bestehen aus Kohlenstoffatomen in hexago- naler Anordnung, während die Abschlußkappen zusätzlich Fün¬ fringstrukturen enthalten. Die einzelnen Kohlenstoffatome der Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind chemisch stark gebunden, wo¬ durch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine extrem hohe mechani¬ sche Festigkeit aufweisen. Hieraus resultiert auch die hohe Sputterfestigkeit im Vergleich zu den regellos gewachsenen Spitzen, die nach dem Stand der Technik aufgedampft werden.

Die Verwendung der an sich bekannten Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Feldemissionskathode verbindet also den Vorteil einer op¬ timalen Geometrie mit der hohen Festigkeit, wodurch sicherge¬ stellt ist, daß die Emissionseigenschaften derartiger Felde- missionskathoden sich während des Betriebes nicht verändern im Gegensatz zuden bisher verwendeten Kathodenspitzen.

Um die genannten Vorteile der Kohlenstoff-Nanoröhrchen auch für die Herstellung von Feldemissionskathodenarrays der Vaku¬ ummikroelektronik nutzbar zu machen, müssen die bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger .Anordnungen erfindungs- gemäß so modifiziert werden, daß Kohlenstoff-Nanoröhrchen an entsprechend präparierten Stellen eines Substrats wachsen.

Das Herstellverfahren kann zur Herstellung sowohl einzelner Feldemissionskathoden als auch von Feldemissionskathodenar- rays eingesetzt werden.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmale sowie durchdie nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Die Merkmale der Ansprüche können in beliebiger Weise mitein¬ ander kombiniert werden, insoweit sie sich nicht offensicht¬ lich gegenseitig ausschließen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Wei¬ terbildungen derselben werden im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher beschrieben und er¬ läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen- den Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in be¬ liebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein einzelnes Feldemissionselement eines Feldemitter- arrays, wie es nach dem Stand der Technik hergestellt werden kann,

Fig. 2 dasselbe Element nach dem ersten erfindungsgemäßen

Verfahrensschritt, um die Emissionsspitze mit Kohlen- stoff-Nanoröhrchen zu versehen,

Fig. 3 dasselbe Element nach dem Aufdampfen von Kohlenstoff,

Fig. 4 dasselbe Element nach dem letzten Verfahrensschritt im endgültigen Zustand,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Feldemitterarray mit ein¬ zeln ansteuerbaren Emissionsspitzen,

Fig. 6 den Querschnitt eines Graphitplättchens mit Schneid- kante,

Fig. 7 im Querschnitt einen vorbereiteten Block von zehn

Graphitplättchen mit Spannvorrichtung zum Aufdampfen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und

Fig. 8 eine Diode für die Leistungsimpulstechnik mit einer erfindungsgemäßpräparierten Feldemissionskathode.

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Im folgenden wird an einem Beispiel erläutert, wie Feldemis¬ sionskathoden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt werden können, die beispielsweise als Kathoden für Dioden oder Schalter dienen. In einem zweiten Beispiel wird erläutert, wie Feldemissionskathoden für ein Feldemitterarray mit Ver¬ fahren der Mikrostrukturtechnik hergestellt werden können.

Beispiel: Herstellung von Einzelkathoden auf einer Schneide

Quadratische Graphitplättchen von 1 cm (Zentimeter) Kanten¬ länge und einer Stärke von 1 mm (Millimeter) werden an einer Kante zu einer Schneide geschliffen oder geätzt. Fig. 6 zeigt ein derartiges Graphitplättchen 100 mit einer einseitig abge¬ schrägten Schneide 101. In Fig. 7 ist dargestellt, wie zehn

dieser Graphitplättchen 100a bis lOOj in einer Einspannvor¬ richtung 103 zu einem Block derart zusammengefaßt sind, daß die Schneiden 101a bis lOlj auf einer Seite des Blocks in ei¬ ner Ebene liegen und zwischen den Graphitplättchen jeweils als Abstandshalter 102a bis 102j eine Aluminiumfolie oder ei¬ ne Teflonfolie liegt. Die Einspannvorrichtung besteht aus zwei Messingblöcken, in die Ausneh ungen zur Aufnahme der zehn Graphitplättchen mit den Abstandsfolien gefräst sind. Die Blöcke werden über zwei Schrauben 104 zusammengeschraubt.

Der vorbereitete Block wird in eine Vakuumapparatur einge¬ baut, inder ein Target aus hochreinem Graphit mit einem Elek¬ tronenstrahl verdampft wird. Dabei sind das Graphittarget und der Block so angeordnet, daß der Kohlenstoffdampf senkrecht auf die Ebene mit den Graphitschneiden auftrifft. Unter die¬ sen Bedingungen wachsen auf den Schneidenkanten Kohlenstoff- Nanoröhrchen einzeln und in Bündeln von mehreren Röhrchen in Richtung des KohlenstoffdampfStrahls. Nachdem eine Schicht¬ stärke von einigen Zehntel Mikrometer erreicht ist, wird der AufdampfVorgang beendet.

Die Schneidenkanten und die abgeschrägten Flächen der Gra¬ phitplättchen sind jetzt mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen be¬ schichtet, die eine außerordentlich hohe mechanische Festig- keit aufweisen. Die MikroStruktur der Oberfläche ist durch röhrenförmige Erhebungen mit scharfen Spitzen, die einen Krümmungsradius von wenigen Nanometern haben, gekennzeichnet.

In Fig. 8 ist dargestellt, wie ein in dieser Art präpariertes Graphitplättchen in einer als Schaltelement dienende Diode eingesetzt werden kann. In einem evakuierten Glaskolben 110 sind eine großflächige Anode 112 und ein Kathodenstift 111 eingeschmolzen. Auf dem Kathodenstift ist das Graphitplätt¬ chen 100 mit der Schneidkante 101 so befestigt, daß es der Anode im Abstand von etwa 1 mm gegenübersteht. Bei Anlegen einer ausreichend hohen negativen Spannung an die Kathode kann ein elektrischer Strom durch die Diode fließen.

In gleicher Weise lassen sich statt einer einzelnen Schneid¬ kante mehrere Schneidkanten als Kathode verwenden.

Diese Schneidkanten zeichnen sich dadurch aus, daß sie im GE- gensatz zu Schneidkanten ohne Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine wesentlich größere Überhöhung des elektrischen Feldes aufwei¬ sen, was sich darin äußert, daß bei gleicher Spannung der Feldemissionsstrom größer ist. Darüberhinaus werden die Emis¬ sionsspitzen nicht durch Ionen des Restgases bereits nach kurzer Betriebszeit zerstört.

Dαsgeschilderte Herstellverfahren läßt sich problemlos auf eine größere Anzahl von Graphitplättchen mit längerer Schneidkante übertragen. Ebenso lassen sich der Kantenwinkel und der Abstand der Schneidkanten voneinander in weiten Gren¬ zen variieren. Es ist somit eine Feldemissionskathode vorge¬ stellt, deren elektronenemittierende Fläche und Stromdichte an viele Anwendungen beispielsweise in der Leistungsimpuls- technik anpaßbar ist.

Beispiel: Herstellung von Feldemissionskathoden als Array

Zunächst wird nach einem vorbekannten Verfahren ein Array von Feldemitterkathoden und Gateelektroden aus Molybdän auf einem dotierten Siliziumsubstrat mit den Methoden der Siliziumpro¬ zeßtechnik hergestellt, wie es beispielsweise in dem Artikel Spindt et al. , J. Appl. Physics 47 (1976), S. 5248ff be¬ schrieben ist (siehe auch Busta a.a.O. und Iannazzo a.a.O) . In Fig. 1 ist eine Feldemitterkathode mit Gateelektrode dar- gestellt. Mit 10 ist das elektrisch leitfähig, n-dotierte Si¬ liziumsubstrat bezeichnet, 11 bezeichnet eine ca. 2 μ starke aufgedampfte Isolierschicht aus Si02, 12 die ca.0,5 μm starke aufgedampfte Molybdän-Gate-Elektrode, 13 ist die spitzenför- ige Feldemissionskathode aus Molybdän. Vorteilhaft werden die Gate-Öffnungen 14 der Molybdänschicht zwischen 0,4 und 0,8 μm gewählt; damit wird in dem zitierten Herstellverfah-

ren erreicht, daß die Kathodenkegelspitzen etwa 0,5 μm unter¬ halb der Gateelektroden liegen.

In einem folgenden Prozeßschritt wird auf das Feldemitterar- ray, das in dieser Form bereits dem Stand der Technik ent¬ spricht, eine Opferschlicht aus Aluminium aufgebracht, indem das Substrat senkrecht zur Ob erfläche in Rotation versetzt und unter streifendem Einfall mit Aluminium bedampft wird. Durch diese Art des Aufdampfens wird vermieden, daß das Alu- minium sich inden Kathodenöffnungen niederschlägt. Die Fig. 2 zeigt ein Feldemitterelement nach diesem Prozeßschritt; die Aluminium-Opferschicht ist mit 20 bezeichnet.

In nächsten Prozeßschritt wird ein Graphittarget, das ober- halb des Feldemitterarrays angeordnet ist, durch einen Elek¬ tronenstrahl verdampft und der Kohlenstoff auf dem Feldemitt¬ erarray abgeschieden. Ein Teil des Kohlenstoffatomstrahls dringt durch die Gateöffnungen und schlägt sich auf den Ka¬ thodenspitzen nieder. Wie aus einer Veröffentlichung von Kosakovskaya u.a., JETP Lett . , 56 (1992) 26 bekannt ist, bil¬ den sich dabei röhrenförmige parallele Graphitfasern in Rich¬ tung des einfallenden Atomstrahls. Eine Verbesserung des Wachstumsprozesses wird erreicht, wenn während dieses Proze߬ schrittes eine Spannung U _G von der Größenordnung 50 V zwi- sehen Kathoden- und Gateschicht gelegt wird. Die mittlere

Feldstärke liegt dann in der Größenordnung von 50 V/0, 5 μm = 10° V/m; durch die Überhöhung der Feldstärke an der Spitze steigt diese dort auf über =10 ^* V/m an. Die hohe Feldstärke an der Faserspitze bewirkt offensichtlich, daß die Faserenden geöffnet bleiben und das Wachstum der Fasern verbessert wird (Smalley, a.a.O. S. 4). Die Fig. 3 zeigt ein Feldemitterele¬ ment nach diesem Prozeßschritt, wobei mit 30 die abgeschiede¬ ne Kohlenstoffschicht auf der Gateelektrode und mit 31 ein oder mehrere Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf der Molybdänspitze bezeichnet sind. Schematisch ist auch die Spannungsquelle zur Erzeugung der Feldstärke an der Kathodenspitze dargestellt.

Über den Emissionsstrom Ic kann das Wachstum der Kohlenstoff- Nanoröhrchen kontrolliert werden. Je länger die aufgewachse¬ nen Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind, umso stärker wird der Emissionsstrom. Der Prozeß muß rechtzeitig abgebrochen wer- den, wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen einige Zehntel μm Län¬ ge erreicht haben. Vorteilhaft wird hierbei die Gatespannung U _G leicht moduliert. Der Quotient dIc/dU _G wird als differen- tielle Steilheit bezeichnet und kann als Maß für die Qualität des Feldemitterarrays dienen.

In einem letzten Schritt wird die KohlenstoffSchicht mit der Alumiumopferschicht weggeätzt, so daß das Feldemitterelement nach diesem Schritt wie in Fig. 4 dargestellt aussieht.

In Abwandlung des beschriebenen Herstellprozesses können die Kathoden statt in ihrer Gesamtheit elektrisch verbunden zu sein und auf gleichem Potential zu liegen auch so hergestellt werden, daß jeweils nur eine Reihe elektrisch miteinander ge¬ koppelt ist- In gleicher Weise können die Gateelektroden der- art hergestellt werden, daß sie ebenfalls nur in einer Reihe elektrisch gekoppelt sind, allerdings senkrecht zur Richtung der in Reihe geschalteten Kathoden. Hiermit ist die Möglich¬ keit gegeben, jede Kathode einzeln anzusteuern. Diese Art der Schaltung ist vorbekannt und beispielsweise für den Bild- schirm mit digital ansteuerbaren Bildpunkten der Firma LETI verwendet (beschrieben in Busta a.a.O. S. 69-70). Schematisch ist diese Schaltung für drei Kathodenreihen und drei Gaterei¬ hen in Fig. 5 in Draufsicht dargestellt.

Auf einem Substrat mit elektrisch nichtleitender Oberfläche 1 sind elektrisch leitfähige Kathodenbahnen Kl, K2 und K3 bei¬ spielsweise aus n-dotiertem Silizium in einer Breite von we¬ nigen Mikrometern aufgebracht. Die nachfolgende - nicht dar¬ gestellte - Isolierschicht aus Siliziumdioxid in einer Stärke von etwa 2 Mikrometer entspricht der von Spindt beschriebenen Anordnung. Die Gateelektroden Gl, G2 und G3 werden ebenso wie

die Kathoden streifenförmig, allerdings senkrecht zur Rich¬ tung der Kathodenbahnen, aufgebracht. Die weiteren Proze߬ schritte entsprechen den Schritten, wie sie zur Herstellung der nicht einzeln ansteuerbaren Feldemitterkathoden angewen- det werden.

Die mittlere Elektrode der letzten Spalte in Fig. 5 läßt sich nun beispielsweise so ansteuern, indem an den Kathodenstrei¬ fen K2 eine negative Spannung und an den Gatestreifen G3 eine positive Spannung gelegt wird; es fließt dann ein Feldemis¬ sionsstrom aus dieser Elektrode, der im Kathoden- oder Gate¬ kreis gemessen werden oder mit einer - hier nicht gezeichne¬ ten - Sauganode nachgewiesen werden kann.

In dem hier beschriebenen Herstellverfahren kann diese Anord¬ nung der Kathodenstreifen und Gatestreifen dazu verwendet werden, um den Herstellvorgang jeder einzelnen Kathode ge¬ zielt zu kontrollieren. Es ist dann möglich, den Emissions¬ strom während des Herstellprozesses aus jeder Feldemitter- spitze zu messen und nicht nur den Summenwert des gesamten Feldemitterarrays. Durch Wegschalten der Spannung an einer Feldemissionskathode wird die Bildung einer .Abschlußkappe mit Fünfringstrukturen begünstigt, so daß kein weiteres Wachstum mehr erfolgt .

Vorteilhaft für die Bildung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist es, wenn der Bildungsvorgang bei erhöhten Temperaturen von 100 bis 700 °C (Grad Celsius), vorzugsweise 300 - 400 °C, stattfindet .

Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn vor dem Aufsputtern des Kohlenstoffs eine wenige Atomlagen dicke Schicht von Eisen oder Kobalt auf die Molybdänkathodenspitzen aufgebracht wird. Offenbar wirkt Eisen und Kobalt katalytisch positiv auf die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

In Abwandlung der Erfindung kann man auch auf den Vorteil der schlanken, zylindrischen Form der Kohlenstoff-Nanoröhrchen verzichten und nur den Vorteil der hohen mechanischen Stabi¬ lität von Käfigmolekülen, das heißt Widerstandsfähigkeit ge- gen den Beschüß der Kathode durch positive Restgasionen, aus¬ nutzen. In diesem Fall werden die in herkömmlicher Weise - durch Aufdampfen im Vakuum mit den Verfahren der Mikrostruk- turtechnik oder durch Ätzen - hergestellten Kathoden mit elektrisch leitfähigen Käfigmolekülen beschichtet. Die Käfig- moleküle können Fullerene, Heterofullerene oder deren Deriva¬ te sein, insbesondere auch endohedrale und exohedrale Verbin¬ dungen beispielsweise der Art M3Cg _Q oder M3C7 _Q , wobei M ein Metall, vorzugsweise die Alkalimetalle Kalium oder Natrium, bedeutet. Die Käfigmoleküle können auch in kristalliner Form, beispielsweise Cgg i ⁿ Form von Fullerit, auf die Kathode auf¬ gebracht werden.

ANWENDUNGEN

Die Feldemissionskathoden, deren Widerstandsfähigkeit und Emissionseigenschaften durch die Beschichtung mit Kohlen¬ stoff-Nanoröhrchen oder auch mit Fullerenen und deren Deriva¬ ten in molekularer oder kristalliner Form verbessert worden sind, können überall dort eingesetzt werden, wo bisher ther- mionische Kathoden im Vakuum eingesetzt wurden, und in allen .Anwendungen der Vakuummikroelektronik. Typische Anwendungs¬ felder werden im folgenden aufgeführt, wobei die Aufzählung nicht erschöpfend ist und der Fachmann die erfindungsgemäße Feldemissionskathode problemlos auf ähnliche Anwendungen übertragen kann.

Einzelemitterspitze, Emitterkanten oder Emitterarrays können als Elektronenquelle eingesetzt werden für Röntgenröhren, Röntgenröhren mit flächigen, ansteuerbaren Kathoden, bei- spielsweise für die Computertomographie, Elektronenstrahlli- thographie, Miniaturelektronenmikroskop, Leistungsschaltröh¬ ren, Diode oder Triode, Logikschaltelement, Bildschirm.

Feldemissionskathoden können in miniaturisierten elektroni¬ schen Bauteilen eingesetzt werden, wie Höchstfrequenzdioden, Höchstfrequenztrioden, Dioden und Trioden in Kombination mit Halbleiterbauelementen, temperaturfesten Dioden und Trioden in KFZ-Motoren, temperaturfesten Logik-Bauelementen, elektro¬ nischen Bauelementen mit Dioden- und Triodenfunktionen, die eine besondere Festigkeit gegenüber elektromagnetische Stör¬ strahlung und ionisierende Strahlung aufweisen, Drucksenso¬ ren, bei denen der Abstand Kathode Gate durch den Druck be- einflußt wird, Mikrowellengeneratoren und -Verstärker.

Als Array können Feldemissionskathoden bevorzugt eingesetzt werden als großflächige Elektronenquellen hoher Stromdichte, ansteuerbare Elektronenquellen für flache Bildschirme hoher Leuchtdichte in ein- oder mehrfarbiger Ausführung.