Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver¬ fahren zur Herstellung von Feldemissionselektronen¬ quellen und auf Feldemissionselektronenquellen mit einer diamanthaltigen Schicht als Elektronenemitter wie sie beispielsweise zur Herstellung von Flachbild- schirmen verwendet werden. Derartige Flachbildschirme finden Verwendung für beispielsweise Anzeigetafeln, Computer- und Fernsehbildschirme insbesondere von portablen Geräten.

Herkömmliche Flachbildschirme besitzen eine Flüssig¬ kristallanzeige. Derartige Bildschirme benötigen je¬ doch eine eigene zusätzliche Beleuchtung und besitzen ungünstige Betrachtungseigenschaften. Daher wurden Bildschirme entwickelt, die die kalte Emission von Elektronen aus geeigneten Materialien beim Anlegen

eines elektrischen Feldes (Feldemission) zur Erzeu¬ gung von Elektronenstrahlen ausnutzen.

Herkömmliche Feldemissionsbildschirme basieren auf der Verwendung von metallischen Mikrospitzen (soge¬ nannte Spindt-Kathoden) , wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, (siehe auch Schwoebel, P.R. und Brodie, I. "Surface-science aspects of vacuum microelectronics" in J. Vac. Sei. Technol. B 13(4), 1995, S. 1391). Da- bei ist auf einem Trägermaterial 1 eine Basiselektro¬ de 2 aufgebracht. In zweidimensionaler Anordnung be¬ finden sich zwischen dielektrischen Isolatoren 3 elektronenemittierende Metallspitzen 4. Die dielek¬ trische Isolatorschicht 3 ist von einer Gateelektro- denschicht 5 bedeckt, die im Bereich der Spitzen der Metallkegel 4 Öffnungen besitzt. Gegenüber den Me¬ tallspitzen befindet sich auf einer Glasfront 7 des Bildschirms eine phosphorbeschichtete Anode. Die Glasfront 7 ist auf der dem Betrachter zugewandten Seite mit Indium-Zinnoxid beschichtet. Wird nun zwi¬ schen der Basiselektrode 2 und den Metallkegeln 4 einerseits und der Gateelektrode 5 (Anode) anderer¬ seits eine elektrische Spannung angelegt, so emit¬ tieren die Spitzen der Metallkegel 4 Elektronen. Zwi- sehen der Gateelektrode und der phosphorbeschichteten Anode 6 wird eine Hochspannung angelegt, die die emittierten Elektronen in Richtung der Glasplatte 5 beschleunigt. Dadurch erzeugt jeder Metallkegel 4 an der ihm auf der phosphoreszierend beschichteten Glas- platte zugeordneten Stelle einen Lichtpunkt. Auf die¬ se Art und Weise hergestellte Feldemissionsanzeigen sind inzwischen kommerziell erhältlich. Aufgrund des komplizierten Aufbaus derartiger Feldemissionsanzei¬ gen tritt während der Produktion ein hoher Ausschuß

auf, wodurch die Herstellung derartiger Mikrostruktu- ren sehr aufwendig und teuer ist.

Es wurde gefunden, daß Diamant eine sehr niedrige Austrittsenergie für Elektronen besitzt, so daß bei Verwendung einer Diamantschicht als elektronenemit¬ tierendem Material eine Strukturierung der Emissions¬ schicht zu einer Spitze nicht nötig wäre. Dadurch ließen sich flache Elektronenemitter herstellen, die einem weniger aufwendigen Herstellungsprozeß unter¬ liegen würden und obendrein eine höhere Pixeldichte aufweisen könnten.

Es wurden Versuche durchgeführt, Feldemissionsanzei- gen herzustellen, indem Diamant aus der Gasphase bei Temperaturen von 600 bis 900° C abgeschieden wurden. Hierzu wurde ein plasmaaktiviertes CVD-Verfahren oder ein Heißdraht-CVD-Verfahren verwendet. Aufgrund der hohen Temperaturen sind derartige Diamantbe- schichtungsverfahren jedoch nicht geeignet für Glas- substrate, da diese einen niedrigeren Erweichungs¬ punkt besitzen. Weiterhin sind sie nicht geeignet, um größere Flächen wie beispielsweise für große Bild¬ schirme zu beschichten. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß während der Beschichtung die Ein¬ haltung eines strengen Vakuums nötig ist, was den Herstellungsprozeß weiter kompliziert.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Versuche (N. Kumar, H. Schmidt, C.Xie (1995) "Diamond-based field emis¬ sion flat panel displays", Solid State Technology, Mai 1995, S. 71-74), bei denen geschlossene Schichten aus amorphem Diamant durch Laserablation erzeugt wur¬ den. Dieses Verfahren wird bei niedriger Temperatur unter Vakuum mit Hilfe eines gepulsten Lasers durch-

geführt. Abgesehen von der geringeren Temperatur er¬ geben sich folglich jedoch ähnliche Nachteile wie bei den CVD-Verfahren.

Die vorliegende Erfindung macht es sich nun zur Auf¬ gabe, ein Verfahren zur Herstellung von Feldemis¬ sionselektronenquellen mit einer diamanthaltigen Schicht als Elektronenemitter zur Verfügung zu stel¬ len, das sich für unterschiedliche Substrate, insbe- sondere für Glassubstrate, als auch zur Beschichtung von großen Flächen bei industrieller Fertigung eig¬ net. Der Herstellungsprozeß soll dabei einfach, zu¬ verlässig und kostengünstig durchgeführt werden kön¬ nen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Feldemissionselektronenquelle mit einer diamanthalti¬ gen Schicht als Elektronenemitter zur Verfügung zu stellen, die einfach, kostengünstig und zuverlässig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Ober¬ begriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkma¬ len des Anspruchs 1 sowie durch eine Feldemissions¬ elektronenquelle nach Anspruch 16 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sub¬ strat mit einer diamanthaltigen Schicht beschichtet, indem diese aus einem diamantpartikelhaltigen und metallhaltigen Bad stromlos und/oder galvanisch abge¬ schieden wird. Dadurch wird eine metallische Dia- mantpartikeldispersionsschicht auf dem Substrat er¬ zeugt, die sich hervorragend als Feldemissionselek¬ tronenemitter eignet. Die erfindungsgemäße Feldemis- sionselektronenemitterschicht eignet sich insbesonde¬ re zur Verwendung in der Vakuummikroelektronik. Ins- besondere wird durch eine erfindungsgemaße Feldemis-

sionselektronenquelle die Herstellung von Flachbild¬ schirmen einfacher, kostengünstiger und zuverlässi¬ ger.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß es bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann, wodurch eine Temperaturbelastung des Substrates (bzw. des Elektronenemitters) , wie bei herkömmlichen CVD- Verfahren üblich, nicht auftritt. Das erfindungsge- mäße Verfahren ist auch für Glassubstrate, für große Flächen und zur industriellen Fertigung mit einem hohen Durchsatz geeignet und daher kostengünstig durchzuführen.

Der Elektronenemitter der erfindungsgemäßen Feldemis¬ sionselektronenquelle besteht folglich aus einer dia¬ mantpartikelhaltigen Schicht, wobei die Diamantparti¬ kel in die bei dem stromlosen bzw. galvanischen Ver¬ fahren abgeschiedenen Metallpartikel eingebettet sind. Da die Diamantschicht nicht wie bei den her¬ kömmlichen CVD-Verfahren geschlossen ist, kann auf eine anschließende Metallisierung der Diamantschicht verzichtet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Feldemissions¬ elektronenquelle sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Das Bad zur Abscheidung der diamantpartikelhaltigen metallischen Dispersionsschicht kann unter Zugabe eines diamantpartikelhaltigen Pulvers hergestellt werden. Es ist dadurch möglich, auf die Größe der Partikel bzw. auf ihre Dotierung Einfluß zu nehmen. Je nach gewünschter Emissionseigenschaft kann dieses

Pulver zuvor mit Bor und/oder Phosphor oder anderen Elementen dotiert werden. Die Verwendung des Hoch¬ drucksyntheseverfahrens bzw. des Detonationssynthese- verfahrens zur Herstellung des Pulvers führt zu Dia- mantpartikeln mit einer Größe zwischen 0,5 und 10 μm bzw. 2 und 500 nm. Durch die Wahl einer bestimmten Partikelgröße kann ein gewünschtes Emissionsverhalten eingestellt werden.

Es läßt sich eine bestimmte räumliche Struktur der diamantpartikelhaltigen metallischen Dispersions¬ schicht auf dem Substrat erzeugen, indem vor der Ab¬ scheidung der Dispersion auf dem Substrat eine ent¬ sprechende metallische Struktur aufgebracht wird, so daß anschließend bei der Abscheidung der metallischen diamantpartikelhaltigen Dispersion diese lediglich auf den metallischen Strukturen abgeschieden wird. Dies ermöglicht auf einfachste Art und Weise bei¬ spielsweise die Herstellung von Bildpunktanordnungen bzw. die Erzeugung beliebiger diamanthaltiger Struk¬ turen auf dem Substrat.

Besonders geeignet für das metallhaltige Bad sind die Metalle Nickel, Kupfer, Chrom und/oder jedes andere Halbedel- oder Edelmetall. Eine Dicke der diamant¬ partikelhaltigen metallischen Dispersionsschicht zwi¬ schen 0,1 und 10 μm hat sich als vorteilhaft erwie¬ sen.

Eine weitere Verbesserung des Emissionsverhaltens der diamantpartikelhaltigen metallischen Dispersions¬ schicht, d.h. des bei einer angelegten bestimmten Feldstärke emittierten Elektronenstromes, läßt sich dadurch erreichen, daß die Diamantpartikel an der Oberfläche der Dispersionsschicht freigelegt werden,

beispielsweise indem die Oberfläche angeätzt oder anodisch oxidiert wird. Ähnliche Verbesserungen des Verhaltens der Dispersionsschicht lassen sich er¬ reichen, indem die Oberfläche einem Plasmaätzprozeß und/oder einem Sputterprozeß unterzogen wird, bei¬ spielsweise um die Oberfläche mit geeigneten Metallen zu metallisieren. Eine derartige Metallisierung kann ebenfalls zu einer Vergrößerung des emittierten Elek¬ tronenstromes führen. In ähnlicher Weise wirkt die Implantation von Ionen in die abgeschiedene diamant¬ partikelhaltige metallische Dispersionsschicht.

Die abgeschiedene diamantpartikelhaltige metallische Dispersionsschicht kann zu einer weiteren Verbesse- rung ihrer Eigenschaften, beispielsweise des emit¬ tierten Elektronenstromes bzw. ihrer mechanischen oder sonstigen Stabilität, anschließend an das erfin¬ dungsgemäße Verfahren gemäß des Hauptanspruches ther¬ misch konditioniert werden. Ähnlich vorteilhaft kann durch Zusatz von Graphit bzw. durch eine entsprechen¬ de Behandlung erreicht werden, daß die diamantparti¬ kelhaltige metallische Dispersion zusätzlich Gra¬ phitpartikel enthält.

Im folgenden werden einige Beispiele des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Feld¬ emissionselektronenquelle dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Feldemissions- anzeige auf der Basis sogenannter

Spindt-Kathoden.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt den Aufbau der

Emissionsschicht einer erfindungsgemä- ßen Feldemissionselektronenquelle.

Wie oben beschrieben, werden bei der in Fig. 1 ge¬ zeigten herkömmlichen Feldemissionselektronenquelle Elektronen aus den metallischen Kegeln 4 aufgrund eines zwischen der Gateelektrode 5 und den Kegeln 4 bestehenden elektrischen Feldes emittiert. Die Emis¬ sion ist dabei abhängig vom Krümmungsradius der Spit¬ ze der Kegel 4. Es ist daher eine präzise Fertigung der gezeigten geometrischen Strukturen nötig.

Fig. 2 zeigt demgegenüber die Emissionsschicht einer erfindungsgemäßen Feldemissionselektronenquelle. Auf einem Glassubstrat 1 mit einer Dicke von 1 mm befin¬ det sich eine Chromkontakt-Kathode mit den Außenmaßen 200 μm x 200 μm und mit einer Dicke von 0,5 μm. Diese metallische Kontaktkathode wurde durch ein Aufdampf¬ verfahren hergestellt. Die Chromkontakt-Kathode 2 ist von einer Kupferkathode 8 umgeben, die mit einer Dicke von 0,1 μm aufgedampft wurde. Die Kupferkathode ist umgeben von einer Dispersionsschicht von Dia- mantpartikeln in Nickel mit einer Dicke von 1,0 μm, die stromlos oder galvanisch aufgebracht wurde. Diese Dispersionsschicht emittiert bei Anlegen eines elek¬ trischen Feldes schon bei geringen elektrischen Feld¬ stärken Elektronen. Der generelle Aufbau eines Bild- schirms, der die erfindungsgemäße Elektronenemitter- struktur gemäß Fig. 1 verwendet, ist prinzipiell ähn¬ lich dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Statt der metal¬ lischen Kegel 4 mit der Basiskathode 2 wird nun je¬ doch die in Fig. 2 gezeigte Elektronenemitterstruktur verwendet. Dabei dient die Kupfer- und die Chromkon¬ takt-Kathode dem Anlegen eines Potentials an die Nickeldiamantdispersionsschicht.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.

Ausfuhrungsbeispiel 1

Auf eine Glasplatte (70 x 70 mm ² ) wird eine Metall- maske gelegt und damit die gewünschte Metallstruktur für die Bildpunkterzeugung aufgedampft. Hierzu be¬ dient man sich einer UHV-Elektronenstrahlaufdampfan- lage. Zunächst wird eine ca. 0,5 μm dicke Chrom- schicht alε Haftschicht abgeschieden. Hierauf wird dann noch eine ca. 0, 1 μm dicke Kupferschicht aufge¬ dampft, da Kupfer wiederum einen besseren Haftverbund zur Dispersionsschicht darstellt. Die so strukturier¬ te Glasplatte wird in einen Nickel-Elektrolyten mit der Zusammensetzung 255 g/1 Nickelsulfat, 65 g/1 Nickelchlorid, 40 g/1 Borsäure getaucht. In diesem

Nickelelektrolyten befinden sich außerdem 50 g/1 bor¬ dotiertes Diamantpulver mit einer Korngröße von 1-3 μm. Die MetallStruktur auf dem Glas wird mit der Kathode einer Gleichstromspannungsquelle verbunden. Unter Rühren bei einer Temperatur von 70° C wird dann die Abscheidung bei einer Stromdichte von 1 A/dm ² bei Raumtemperatur durchgeführt. Nach fünf Minuten wächst unter diesen Bedingungen eine diamantpartikelhaltige Nickelschicht mit einer Dicke von 2 μm. Der Aufbau des durch dieses Verfahren erzeugten Elektronenemit- tersystems ist in Fig. 2 gezeigt und oben beschrieb- ven.

Zur Untersuchung der Elektronenemission wird mit ei- ner geeigneten Meßvorrichtung die Elektronenemission gemessen. Hierbei ergab sich ein Elektronenstrom von ca. 0,3 mA/mm ² bei einer Feldstärke von 20 V/μm. Die¬ se Dispersionsschicht wurde in einer Plasmaätzappara¬ tur mit Argonionen beschossen. Hierzu wurde die Dis- persionsschicht auf der Substratelektrode einem Hoch-

frequenzbias (13,56 MHz) von -250 V bei einem Druck von 1 Pa ausgesetzt. Durch diese Maßnahme erhöhte sich die Elektronenemission auf einen Wert von 0,9 mA/mm ² .

Ausfuhrungsbeispiel 2

Die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Glas¬ platte wird in ein Chemisch-Nickelbad mit der Zusam- mensetzung 30 g/1 Nickelsulfat 35 g/1 Natriumhypo- phosphit, 50 g/1 Diamantpulver (Korngröße 1-3 μm) bei einer Temperatur von 90° C eingetaucht. Nach zehn Minuten bildet sich eine 4 μm dicke Nickel/Diamant- Dispersionsschicht auf der aufgedampften Metall- Struktur. Es wurde ein Elektronenstrom von ca. 0,5 mA/mm ² gemessen.

Nach einer kurzen chemischen Anätzung durch Eintau¬ chen (20 sec) der vorher beschriebenen Nickel-Dia- mantschicht in eine 30 %ige Salzsäure, nachfolgender Spülung mit dest. Wasser und einer 45 minütigen ther¬ mischen Nachbehandlung bei 300° C erhöhte sich der Elektronenstrom auf 0,8 mA/mm ² .

Die so thermisch nachbehandelte Nickeldiamantschicht wurde einem Mikrowellen-Wasserstoffplasma (500 W, Druck 20 mbar, 1 Standard Liter pro Minute) 30 Minu¬ ten lang ausgesetzt. Dadurch wurde eine leichte Gra- phitisierung der Diamantoberfläche und eine Absätti- gung der Oberfläche mit Wasserstoff erreicht. Der

Elektronenstrom erhöhte sich durch diese Maßnahme auf 1,0 mA/mm ² .

Ausfuhrungsbeispiel 3

Die wie unter Ausfuhrungsbeispiel 2 beschrieben abge¬ schiedene Nickel-Diamant-Dispersionsschicht wurde wie beschrieben mit einem Säurebad angeätzt. Die so an¬ geätzte Nickel-Diamant-Dispersionsschicht wurde in einer herkömmlichen Sputteranlage mit einer 50 nm dicken Nickelschicht bedeckt. Durch diese Maßnahme erhöhte sich der Elektronenstrom von 0,5 mA/mm ² auf 0,9 mA/mm ² .