DE69128702T2 - Mikroelektronische Feldemissionsvorrichtung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine funktionelle mikroelektronische Vakuumvorrichtung.
• In letzter Zeit ist mit wachsender Entwicklung der Feinbearbeitungstechnik die Forschung und das Studium der mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtungen (VMFE), nämlich der Kaltkathodenvorrichtungen, aktiv geworden. Einige dieser Typen sind gründlich studiert, da sie verschiedene vorteilhafte Effekte aufweisen. Bei den funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtungen wird eine Elektronenemission durch ein starkes elektrisches Feld von etwa 10&sup7; V ausgeführt, das durch Konzentrieren von elektrischen Kraftlinien an einer Spitze eines Emitters entwickelt wird, die bearbeitet ist, daß sie eine Nadelform aufweist, so daß eine Krümmung der Spitze des Emitters geringer als Hunderte Nanometer ist, um Elektronen zu emittieren. Die Spitze des Emitters ist in bezug auf das Substrat in der vertikalen Richtung ausgebildet.
• Als eine neue Vorrichtung, die die oben erwähnte mikroelektronische Feldemissionsvorrichtung verwendet, ist ein Vakuumtransistor des Feldemissionstyps, der in IEDM 86.33.1, p776 offenbart ist, vorgeschlagen. Sein Aufbau wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht eines Vakuumtransistors des Feldemissionstyps nach dem Stand der Technik.
• In Fig. 16 wird Silizium Si für ein Substrat 200 verwendet. Ein konischer Emitter 201 als ein elektronenemittierender Abschnitt, der durch Bearbeiten des Substrats 200 ausgebildet ist. Auf dem Substrat 200 ist eine Isolationsschicht 202, die aus SiO&sub2; gefertigt ist, um den Emitter 201 herum ausgebildet. Ein Gatter 203 und ein Kollektor 204 sind auf der Isolationsschicht 202 bei einem gegebenen Intervall ausgebildet. Eine Vorspannungsversorgung 206 und ein Signaleingangsabschnitt 205, die in Reihe geschaltet sind, sind zwischen den Emitter 200 und das Gatter 203 geschaltet. Ein Lastwiderstand 207 und eine Kollektorspannungsversorgung 208, die in Reihe geschaltet sind, sind zwischen den Emitter 201 und den Kollektor 204 geschaltet.
• Bei dem oben erwähnten Aufbau können, wenn ein geeignetes Vorpotential zwischen das Gatter 203 und den Emitter 201 durch die Vorspannungsversorgung 206 angelegt ist und eine Spannung des Signaleingangsabschnittes 205 verändert wird, Elektronen 211 von dem Emitter 201 entsprechend einer Summenspannung der Vorspannung und einer Eingangssignalspannung emittiert werden, d.h. einer Spannung zwischen dem Gatter 203 und dem Emitter 201. In diesem Zustand können Elektronen 211, die in ein Vakuum emittiert werden, in den Kollektor 204 durch Anlegen einer ausreichenden Spannung durch die Kollektorspannungsversorgung 208 aufgenommen werden. Als Ergebnis fließt ein Strom in den Widerstand 207, so daß sich eine Spannung zwischen den Anschlüssen 209 und 210 ändern wird. Das heißt, eine Spannung eines Ausgangsanschlusses 210 des Kollektors 204 kann entsprechend der Spannungsänderung des Signaleingangsabschnittes 205 geändert werden. Das heißt, daß irgendein Typ eines Transistorbetriebs oder Schaltbetriebs erreicht wird. Überdies ist in dieser mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich, da Elektronen durch ein Vakuum verlaufen, verglichen damit, daß Elektronen durch ein Feststoffmaterial in dem Transistor verlaufen.
• Bei dem oben erwähnten Stand der Technik wird jedoch ein Halbleitermaterial für den Emitter verwendet, und ein Bearbeiten des Emitters 201 wird durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer einzigartigen Charakteristik seines Materials ausgeführt. Wie erwähnt, wird, da das Material des Emitters 201 ein Halbleiter ist, eine Austrittsarbeit höher, als die des Metallmaterials, so daß eine Elektronenemissionsmenge klein wird. Dementsprechend wird ein Signalausgangsniveau klein, so daß das Problem besteht, daß seine Charakteristik nicht ausreichend als eine Schaltvorrichtung, etc. verwendet werden kann.
• Überdies ist eine neue Vorrichtung, die die oben erwähnte kleine mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung verwendet, als eine Drei- Anschluß-Vorrichtung vorgeschlagen, die in Fig. 17 gezeigt ist und in den Vortragsunterlagen eines Treffens Nr.51 der "The Japan Society of Applied Physics, 1990, p1209" offenbart ist. Fig. 17 ist eine Draufsicht der Drei- Anschluß-Vorrichtung eines Standes der Technik und Fig. 18 zeigt einen Querschnitt, der an der Linie K-K genommen ist, die in Fig. 17 gezeigt ist. Nachstehend wird ihr Aufbau unter Bezugnahme auf die Fig. 17 und 18 beschrieben. Die Drei-Anschluß-Vorrichtung weist auf einem Substrat 251 einen sägezahnförmigen Emitter 252, ein Gatter 253, das ein gegebenes Intervall entfernt von einer Spitze des Emitters 252 ausgebildet ist und wobei der Gatterabschnitt in einer Zylinderform ausgebildet ist, und eine Anode 254 auf, die ein gegebenes Intervall entfernt von dem Gatter 253 auf der entgegengesetzten Seite des Gatters 253 von dem Emitter 252 ausgebildet ist. Es sind Rillen durch Entfernen von Anteilen des Substrats 251 zwischen dem Emitter 252 und dem Gatter 252 und zwischen dem Gatter 253 und der Anode 254 gefertigt.
• Das Herstellungsverfahren der Drei-Anschluß-Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 19A bis 19E beschrieben. Wie in Fig. 19A gezeigt ist, wird ein Wolfram-(W)-Film 262 auf einem Substrat 261 ausgebildet. Dann wird ein Resist in einer gegebenen Form auf dem Wolfram-Film 262 ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 19B gezeigt ist, der Wolfram-Film 262 unter Verwendung des Resists 263 als einer Maskierung geätzt. Dann wird, wie in Fig. 19C gezeigt ist, wiederum ein Resist 265 in einer gegebenen Form ausgebildet, um Abschnitte des Gatters 264 in eine zylindrische Form zu formen. Danach wird, wie in Fig. 19D gezeigt ist, der Wolfram- Film 262 wiederum geätzt. Wie oben erwähnt ist, werden der Emitter 266, das Gatter 264 und eine Anode 267 ausgebildet. Schließlich werden, wie in Fig. 19E gezeigt ist, Anteile des Substrats durch Ätzen entfernt, um die Rillen zu bilden.
• Nachstehend wird der Betrieb der Drei-Anschluß-Vorrichtung, die den oben erwähnten Aufbau aufweist, beschrieben. In Fig. 17 werden Elektronen von dem Emitter 252 emittiert, wenn eine Spannung zwischen den Emitter 252 und das Gatter 253 so, daß ein Potential des Emitter 252 negativ und ein Potential des Gatter 253 positiv ist, und ein elektrisches Feld angelegt wird, dessen Intensität höher als ein gegebener Wert ist. Die Menge an emittierten Elektronen kann durch Änderung der angelegten Spannung geändert werden. Die Elektronen, die von dem Emitter 252 emittiert werden, können in die Anode 254 durch Anlegen einer ausreichenden Spannung an die Anode 254 aufgenommen werden. Das heißt, die Menge an Elektronen, die in die Anode fließen, kann durch Änderung einer Spannung zwischen dem Emitter 252 und dem Gatter 253 geändert werden. Daher wird eine Art eines Transistor- oder Schaltbetriebes erreicht. Überdies ist in dieser mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich, da Elektronen durch einen Vakuumraum verlaufen, verglichen damit, daß Elektronen durch ein Feststoffmaterial in dem Transistor verlaufen.
• Jedoch ist bei dem oben erwähnten Aufbau nach dem Stand der Technik ein Positionieren notwendig, da eine Resistmusterung zweimal bei dem Herstellungsverfahren ausgeführt wird. Deshalb besteht, da eine Feinbearbeitungstechnik erforderlich ist, ein Problem bei der Reproduzierbarkeit und Stabilität von Charakteristiken der Vorrichtung.
• Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die oben beschriebenen Nachteile, die der herkömmlichen funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung anhaften, zu reduzieren.
• Diese Erfindung sieht eine Verringerung der Betriebsspannung und eine Elektronenemissionsmenge durch Verwendung eines Materials für den Emitterabschnitt vor, dessen Austrittsarbeit niedrig ist. Somit kann ein Niveau des Ausgangssignals erhöht und ein S/N-Verhältnis verbessert werden. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung derart vorzusehen, daß die Ausbeute aufgrund eines einfachen Herstellungsverfahrens verbessert wird und somit die Zuverlässigkeit verbessert wird.
• Diese Erfindung sieht eine funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit und Stabilität vor.
• Die EP-A-0 260 075 offenbart eine mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung vorgesehen, die umfaßt:
• ein Substrat;
• einen auf dem Substrat ausgebildeten Emitterabschnitt, der zumindest einen Keilabschnitt aufweist, der sich parallel zu dem Substrat erstreckt;
• einen Gatterabschnitt, der von dem Substrat getragen wird und gegenüber dem Emitterabschnitt elektrisch isoliert ist; und
• einen Kollektorabschnitt, der von dem Substrat getragen wird und gegenüber dem Emitterabschnitt und dem Gatterabschnitt elektrisch isoliert ist,
• dadurch gekennzeichnet, daß:
• der Gatterabschnitt V-förmig ist und Kanten aufweist, die parallel zu den Kanten des Keilabschnittes sind; und
• sich der Emitterabschnitt und der Gatterabschnitt in der Richtung von dem Emitterabschnitt auf den Gatterabschnitt und den Kollektorabschnitt zu verjüngen.
• Die Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gebracht wird, in welchen:
• Fig. 1 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung dieser Erfindung ist;
• Fig. 2 einen Querschnitt zeigt, der an der Linie Ib-Ib genommen ist, die in Fig. 1 gezeigt ist;
• Fig. 3A-3E Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemisionsvorrichtung der ersten Ausführungsform zeigen;
• Fig. 4 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung ist;
• Fig. 5 einen Querschnitt zeigt, der an der Linie IVb-IVb genommen ist, die in Fig. 4 gezeigt ist;
• Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht der funktionellen mikroelektronischen Vakuumvorrichtung der zweiten Ausführungsform ist, die teilweise gezeigt ist;
• Fig. 7A-7H Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der zweiten Ausführungsform zeigen;
• Fig. 8 einen Querschnitt einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
• Fig. 9 eine Draufsicht einer vierten Ausführungsform einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung dieser Erfindung ist;
• Fig. 10 einen Querschnitt zeigt, der an der Linie IXb-IXb genommen ist, die in Fig. 9 gezeigt ist;
• Fig. 11A- 11D Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der vierten Ausführungsform zeigen;
• Fig. 12 eine Draufsicht ist, die teilweise eine funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung einer fünften Ausführungsform zeigt;
• Fig. 13 eine Draufsicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung ist;
• Fig. 14 einen Querschnitt zeigt, der an der Linie X-X genommen ist, die in Fig. 13 gezeigt ist;
• Fig. 15A- 15G Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung einer siebten Ausführungsform zeigen;
• Fig. 16 eine Querschnittsansicht eines Vakuumtransistors des Feldemissionstyps nach dem Stand der Technik ist;
• Fig. 17 eine Draufsicht der Drei-Anschluß-Vorrichtung eines Standes der Technik ist;
• Fig. 18 einen Querschnitt zeigt, der an der Linie K-K genommen ist, die in Fig. 17 gezeigt ist; und
• Fig. 19A- 19G Querschnitte zum Zeigen einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der Drei-Anschluß-Vorrichtung nach dem Stand der Technik von Fig. 17 zeigen.
• Die gleichen oder entsprechenden Vorrichtungen oder Teile werden überall in den Zeichnungen mit gleichen Verweisen bezeichnet.
• Nachstehend wird eine erste Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
• Fig. list eine Draufsicht der ersten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung dieser Erfindung. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt, der an der Linie Ib-Ib genommen ist, die in Fig. 1 gezeigt ist. Abschnitte mit verschiedenen Bezeichnungen in einer Draufsicht entsprechen Abschnitten, die in der entsprechenden Querschnittsansicht überall in der Beschreibung ähnlich bezeichnet sind.
• Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist ein Emitter (Kathode) 2 auf einem Isolationssubstrat 1 ausgebildet, das aus Glas, Keramik, etc. gefertigt ist (ein metallisches Substrat kann auch verwendet werden). Der Emitter 2 ist aus einem Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit gefertigt, wie Mo, Ta, W, ZrC, LaB&sub6;, etc. Eine Breite (siehe Fig. 1) von zumindest einem Abschnitt des Emitters ändert sich nacheinander im wesenflichen linear, so daß eine Spitze 2a spitz ausgebildet ist. Das heißt, sie ist mit einem Keilabschnitt ausgebildet. Auf dem Substrat list eine Isolationsschicht 3, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Keilabschnitt des Emitters 2 ausgebildet. Auf der Isolationsschicht 3 ist zumindest ein Gatter 4, das aus Mo, Ta, Cr, Al oder Au, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Emitter 2 auf der Außenseite des Keilabschnittes von Emitter 2 ausgebildet. Auf der Isolationsschicht 3 ist ein Kollektor (Anode) 5, der aus Mo, Ta, Cr, Al oder Au, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Gatter 4 auf der Außenseite des Gatters 4 von dem Keilabschnitt von Emitter 2 ausgebildet. Die Isolationsschicht 3 ist zum Einstellen einer Höhe des Gatters 4 von dem Substrat 1 vorgesehen, um eine Emission von Elektronen 12 oder ein Entziehen der Elektronen von dem Emitter 2 durch das Gatter 4 zu steuern. Wenn jedoch das Substrat 1 aus einem leitenden Material gefertigt ist, wirkt die Isolationsschicht 3 auch als ein Isolator. Bei dieser Ausführungsform ist das Gatter mit einer V-Form ausgebildet. Die Ziffern 6 und 7 sind eine Vorspannungsquelle bzw. ein Signaleingangsabschnitt. Die Ziffern 8 und 9 sind eine Kollektorspannungsquelle und ein Widerstand, die zwischen den Emitter 2 und den Kollektor 5 geschaltet sind. Die Ziffern 10 und 11 sind Anschlüsse. Ziffer 12 sind Elektronen, die von der Spitze 2a des Emitters 2 emittiert werden. Die Spitze 2a ist mit einem Radius r1 der Spitze 2a ausgebildet, der gleich oder weniger als 1000 Ängström beträgt. Andererseits ist die Spitze des V-förmigen Gatters mit deren Radius r2 ausgebildet, der gleich oder größer als 1 Mikrometer ist.
• Nachstehend wird der Betrieb der ersten Ausführungsform beschrieben.
• Wie oben erwähnt, sind beispielsweise die Vorspannungsversorgung 6 und der Signaleingangsabschnitt 7 zwischen den Emitter 2 und das Gatter 4 geschaltet. Eine Kollektorspannungsversorgung 8 und der Widerstand 9 sind zwischen den Emitter 2 und den Kollektor 5 geschaltet. Diese funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtungen sind bei der Anwendung in einem Vakuumraum angeordnet. Zuerst wird eine geeignete Vorspannung zwischen den Emitter 2 und das Gatter 4 durch die Vorspannungsversorgung 6 angelegt. Dann ist, wenn eine geeignete Spannung von dem Signaleingangsabschnitt 7 eingegeben wird, die Spannung zwischen dem Emitter 2 und dem Gatter 4 eine kombinierte Spannung der Vorspannung und der Eingangssignalspannung. Deshalb wird ein elektrisches Feld, dessen Intensität entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt ist, an den Emitter 2 angelegt. An dieser Stelle sind elektrische Felder an jeweiligen Oberflächen des Emitters 2 durch geometrische Positionsbeziehungen zwischen dem Gatter 4 und den jeweiligen Oberflächen des Emitters 2 bestimmt. Als ein Ergebnis einer Simulation, die eine derartige Anordnung analysiert, ist bekannt geworden, daß elektrische Kraftlinien an der spitzen Spitze 2a des Keilabschnittes des Emitters 2 konzentriert sind, d.h. ein elektrisches Feld an der Spitze 2a ist stark. Eine Elektronenemission wird durch elektrische Felder an jeweiligen Punkten des Emitters 2 bewirkt, die entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt sind. In dem keilförmigen Emitter 2 können beinahe alle Elektronen 12 von dem Spitzenabschnitt 2a des Emitters 2 emittiert werden, da das elektrische Feld an dem Spitzenabschnitt 2a, wie oben erwähnt, stark ist. In diesem Zustand können Elektronen, die in den Vakuumraum emittiert sind, in den Kollektor 5 durch Anlegen einer ausreichenden positiven Spannung an den Kollektor 5 durch die Kollektorspannungsversorgung 8 aufgenommen werden. Dementsprechend fließt ein Strom durch den Widerstand 9, so daß sich eine Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 ändert. Das heißt, ein Ausgang kann als eine Änderung der Ausgangsspannung von dem Ausgangsanschluß des Kollektors 5 entsprechend einer Spannungsanderung des Signaleingangsabschnittes 7 erhalten werden. Überdies ist es möglich, daß ein Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit als das Material des Emitters 2 verwendet wird, da kein anisotropes Ätzen ausgeführt wird. Deshalb kann das Signalausgangsniveau erhöht werden und das S/N-Verhältnis ist verbessert.
• Nachstehend wird ein Beispiel einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der oben erwähnten ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3E beschrieben.
• Zuerst wird, wie in Fig. 3A gezeigt ist, eine Emittermaterialschicht 13, die aus Mo, Ta, W, ZrC, und Labö, etc. gefertigt ist, durch Sputterablagerung oder Elektronenstrahlablagerung, etc. auf dem Substrat 1, das aus Glas oder Keramik, etc. gefertigt ist, mit einer Dicke von 300 Nanometer bis 1 Mikrometer ausgebildet, um den Emitter 2 zu bilden. Dann wird ein Resist 14 mit einer Dicke von 1 bis 2 Mikrometer ausgebildet, um ein gegebenes Muster auf der Emittermaterialschicht 13 unter Verwendung der Photolithographietechnik zu erhalten. Dann wird, wie in Fig. 3B gezeigt ist, eine Ätzbearbeitung der Emittermaterialschicht 13 durchgeführt, um den keilförmigen Emitter 2 zu erhalten. An dieser Stelle ist, wie in Fig. 38 gezeigt ist, der Emitter 2 so bearbeitet, daß seine Größe durch Wählen der Bedingung, das Unterätzen auftritt, um 1 Mikrometer kleiner ist, als die des Resists 14. Dann werden, wie in Fig. 3C gezeigt ist, die Isolationsschicht 3, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, und die Leitschicht 15, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, durch Sputterablagerung, Elektronenstrahlablagerung oder CVD, etc. auf dem Substrat 1 und dem Resist 14 mit einer Dicke von 300 Nanometer bis einen Mikrometer bzw. 200 bis 500 Nanometern ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 3D gezeigt ist, das Resist 14 zusammen mit der Isolationsschicht 3 und der Leitschicht 15 auf dem Resist 14 abgehoben. Dann wird das Resist 16 mit einem gegebenen Muster wiederum ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 3E gezeigt ist, die Leitschicht 15 unter Verwendung des Resists 16 als einer Maskierung geätzt, und dann wird das Resist 16 entfernt, so daß das Gatter 4 und der Kollektor 5 ausgebildet werden. In Fig. 3E weist der Emitter 2 die Keilform mit einer spitzen Spitze 2a an seiner rechten Seite der Zeichnung auf.
• Dann wird eine Spannung von 100 bis 300 Volt zwischen den Kollektor 5 und den Emitter 2 angelegt, und eine Spannung mit Dreieckswellenform von 0 bis 70 Volt wird zwischen den Emitter 2 und das Gatter 4 angelegt. Dann tritt eine Emission von Elektronen 12 auf, wenn die angelegte Spannung größer als 50 V ist, so daß die emittierten Elektronen 12 in den Kollektor 5 fließen. Das heißt, ein Kollektorstrom kann geeignet entsprechend der Spannungsänderung des Gatters 4 gesteuert werden.
• Dann wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 4 ist eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt, der an einer Linie IVb-IVb genommen ist, die in Fig. 4 gezeigt ist.
• Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist eine Leitschicht 37, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au etc. gefertigt ist, auf dem Substrat 1 ausgebildet, das aus Glas oder Keramik, etc. gefertigt ist. Die Leitschicht 37 weist eine gegebene Form auf, zum Beispiel eine solche Form, daß sie sich von einem Randpunkt auf ein Zentrum des Substrats 1 zu erstreckt, um eine elektrische Verbindung zu dem Zentrumsabschnitt des Substrats 1 zu schaffen. Ein Emitter 22, der aus einem Material gefertigt ist, das eine niedrige Austrittsarbeit aufweist, wie Mo, Ta, W, ZrC, LaB&sub6;, etc., ist derart ausgebildet, daß die Leitschicht 37 eine elektrische Verbindung zu dem Emitter 22 schafft. Eine Breite von zumindest einem Abschnitt des Emitters 22 nimmt im wesentlichen nacheinander linear ab, so daß eine Spitze 22a spitz ausgebildet ist. Das heißt, sie ist mit einem Keilabschnitt ausgebildet. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel weist der Emitter 22 eine derartige Kreuzform auf, daß sich vier hervorstehende Abschnitte jeweils in vier verschiedene Richtungen von ihrem Zentrum erstrecken. Eine Breite jedes hervorstehenden Abschnittes nimmt nacheinander linear mit der Entfernung von dem Zentrum zu der Spitze jedes hervorstehenden Abschnittes ab, so daß jede Spitze 22a spitz ausgebildet ist. Auf dem Substrat 1 und der Leitschicht 37 ist eine Isolationsschicht 23, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Keilabschnitt des Emitters 2 ausgebildet, so daß sie den Emitter 22 einschließt. Ein Ende der Leitschicht 37 an dem Randabschnitt des Substrats 37 ist freigelegt, um als ein Zuleitungsanschluß zu funktionieren. Auf der Isolationsschicht 23 ist ein Gatter 24 ausgebildet, das aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist. Ein Abschnitt des Gatters 24 erstreckt sich zu einem anderen Randabschnitt des Substrats in einer Richtung, die von der der Leitschicht 37 verschieden ist, um einen Zuleitungsanschluß zu erhalten. Auf der Isolationsschicht 23 ist ein Kollektor 25, der aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Gatter 24 am Umfang des Gatters 24 auf der entgegengesetzten Seite des Gatters 24 von dem Emitter 22 ausgebildet. Die Leitschicht 37 wird als eine Zuleitungselektrode verwendet, um eine elektrische Verbindung zu dem Emitter 22 vorzusehen. Elektronen 12 werden von den Spitzen 22a des Emitters 22 emittiert.
• Da der Betrieb dieser Ausführungsform der gleiche wie der der oben erwähnten ersten Ausführungsform ist, wird die Beschreibung des Betriebs weggelassen.
• Ein Beispiel einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der oben erwähnten zweiten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die Querschnittsansichten von den Fig. 7A bis 7H beschrieben. Die Fig. 7A-7H zeigen Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels der Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der zweiten Ausführungsform.
• Zuerst wird, wie in Fig. 7A gezeigt ist, auf dem Substrat 1, das aus Glas oder Keramik, etc. gefertigt ist, die Leitschicht 37, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, durch die Sputterablagerung oder die Elektronenstrahlablagerung, etc. auf dem Substrat 1 mit einer Dicke von 200 Nanometern bis 300 Nanometern ausgebildet. Dann wird ein Resist 38 ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 7B gezeigt ist, eine Ätzbearbeitung durchgeführt, um die Leitschicht 37, die das Resist 18 als eine Maskierung verwendet, teilweise zu entfernen. Dann wird ein Emittermaterial 39, das aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, durch die Sputterablagerung, die Elektronenstrahlablagerung oder das CVD, etc. mit einer Dicke von 300 Nanometern bis einem Mikrometer ausgebildet. Dann, wie in Fig. 7C gezeigt ist, ein Resist 40 mit einem gegebenen Muster auf der Emittermaterialschicht 39 mit einer Dicke von 1-2 Mikrometern. Dann wird, wie in Fig. 7D gezeigt ist, die Emittermaterialschicht 39 geätzt, um den Emitter 22 und einen Zuleitungsanschluß 41 zu bilden, wobei der Emitter 22 vier hervorstehende Abschnitte aufweist, von denen jeder der hervorstehenden Abschnitte eine Keilform aufweist (in Fig. 4 ist der Zuleitungsanschluß 41 nicht vorgesehen). An dieser Stelle ist die Emittermaterialschicht 39 so bearbeitet, daß ihr Randabschnitt durch Überätzen des Emittermaterials 39 um bis zu 1 Mikrometer kleiner ist, als das Resist 40. Dann werden, wie in Fig. 7E gezeigt ist, die Isolationsschicht 23, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, und die Leitschicht 42, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, durch die Sputterablagerung, die Elektronenstrahlablagerung oder das CVD, etc. und das Resist 20 mit einer Dicke von 300 Nanometern bis einem Mikrometer beziehungsweise 200 bis 500 Nanometern ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 7F gezeigt ist, das Resist 40 zusammen mit der Isolationsschicht 23 und der Leitschicht 42, die auf dem Resist 40 ausgebildet ist, abgehoben. Dann wird das Resist 23 mit einem gegebenen Muster wiederum ausgebildet, wie in Fig. 4F gezeigt ist. Dann wird, wie in Fig. 7G gezeigt ist, die Leitschicht 42 unter Verwendung des Resist 23 als einer Maskierung geätzt, um das Resist 21 zu entfernen, so daß das Gatter 24 und der Kollektor 25 ausgebildet werden.
• Fig. 6 ist eine vergrößerte Draufsicht der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der zweiten Ausführungsform, die teilweise gezeigt ist. Die Spitze 22a ist mit einem Radius r3 der Spitze 22a ausgebildet, der gleich oder geringer als 1000 Ängström ist. Dies konzentriert elektrische Kraftlinien an der Spitze 22a. Andererseits ist die Spitze des hervorstehenden Abschnitts des Gatters 24 mit deren Radius r4 ausgebildet, der gleich oder größer als 1 Mikrometer ist.
• Bei der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung kann die Steuerung eines Stromes des Kollektors 5 leicht entsprechend der Spannungsänderung des Gatters 24 ähnlich zu der oben erwähnten ersten Ausführungsform ausgeführt werden.
• Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
• Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der dritten Ausführungsform der Erfindung.
• Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist eine Isolationsschicht 58, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, auf einem Leitsubstrat 51 ausgebildet, das aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist. Die Isolationsschicht 58 weist eine solche Form auf, daß Abschnitte des Leitsubstrats 51 bei einem Leitabschnitt 57 und bei einem Zuleitungsanschlußabschnitt 56 freigelegt sind, der an dem Randabschnitt des Leitsubstrats 51 vorgesehen ist. Auf dem Leitabschnitt 57 und der Isolationsschicht 58 des Substrats 51 ist ein Emitter 52 ausgebildet, der ähnlich zu dem der oben erwähnten zweiten Ausführungsform ist und elektrisch mit dem Substrat 1 an dem Leitabschnitt verbunden ist. Da der Aufbau der Isolationsschicht 58, des Gatters 54, des Kollektors 54, etc. und der Betrieb die gleichen, wie diejenigen der oben erwähnten zweiten Ausführungsform sind, wird die Beschreibung weggelassen.
• Wie oben erwähnt, bewirkt gemäß dieser Erfindung ein Anlegen einer Spannung zwischen den Emitter und das Gatter und die Eingabe einer Spannung von dem Signaleingangsabschnitt, das Elektronen von dem Emitter entsprechend der kombinierten Spannung emittiert werden. Ein Anlegen einer Spannung an den Kollektor kann die emittierten Elektronen aufnehmen, so daß eine Spannung an dem Ausgangsanschluß des Kollektorabschnittes verändert werden kann. Überdies kann die Betriebsspannung verringert und die Menge der emittierten Elektronen kann erhöht werden, da das Material, dessen Austrittsarbeit niedrig ist, als der Emitter verwendet werden kann. Somit ist ein Ausgangsniveau des Kollektors erhöht, so daß ein S/N-Verhältnis verbessert ist. Ferner kann es durch die Ablagerungstechnik und eine einfache Lithographietechnik hergestellt werden, so daß die Ausbeute und die Zuverlässigkeit verbessert sind.
• Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 9 ist eine Draufsicht der vierten Ausführungsform einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung dieser Erfindung. Fig. 10 zeigt einen Querschnitt, der an der Linie IXb-IXb genommen ist, die in Fig. 9 gezeigt ist.
• Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, ist ein Emitter 62 auf einem Isolationssubstrat 1 ausgebildet, das aus Glas, Keramik, etc. gefertigt ist (ein metallisches Substrat kann auch verwendet werden). Der Emitter 62 ist aus einem Material gefertigt, das eine niedrige Austrittsarbeit aufweist, wie Mo, Ta, W, ZrC, LaB&sub6;, etc. Eine Breite von zumindest einem Abschnitt des Emitters ändert sich nacheinander linear, so daß eine Spitze 62a spitz ausgebildet ist. Das heißt, sie ist mit einem Keilabschnitt ausgebildet. Auf dem Substrat list eine erste Isolationsschicht 63, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Keilabschnitt des Emitters 62 ausgebildet. Auf der ersten Isolationsschicht 63 ist ein Gatter 64, das aus Mo, Ta, Cr, Al oder Au etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Keilabschnitt auf der Außenseite des Keilabschnittes von Emitter 62 ausgebildet. Auf dem Gatter 64 ist eine zweite Isolationsschicht 67 ausgebildet, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist. Auf der zweiten Isolationsschicht 67 ist ein Kollektor 65 ausgebildet, der aus SiO&sub2;, Si3N4, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist. Die Vorspannungsversorgung 7 und der Signaleingangsabschnitt 8 sind zwischen das Gatter 64 und den Emitter 62 geschaltet. Die Kollektorspannungsversorgung 9 und der Widerstand 10 sind zwischen den Emitter 62 und den Kollektor 65 geschaltet.
• Nachstehend wird der Betrieb in dem oben erwähnten Aufbau beschrieben.
• Beispielsweise sind, wie in Fig. 10 gezeigt ist, die Vorspannungsversorgung 6, der Signaleingangsabschnitt 7, die Kollektorspannungsversorgung 8 und der Widerstand 9 verbunden. Eine geeignete Vorspannung wird zwischen den Emitter 62 und das Gatter 64 durch die Vorspannungsversorgung 6 angelegt. Dann wird eine geeignete Spannung von dem Signaleingangsabschnitt 7 eingegeben. Somit ist die Spannung zwischen dem Emitter 62 und dem Gatter 64 eine kombinierte Spannung der Vorspannung und der Eingangssignalspannung, so daß ein elektrisches Feld, dessen Intensität entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt ist. An dieser Stelle sind elektrische Felder an jeweiligen Oberflächen des Emitters 62 durch geometrische Positionsbeziehungen zwischen dem Gatter 64 und den jeweiligen Oberflächen des Emitters 62 bestimmt. Als ein Ergebnis einer Simulationsanalyse ist bekannt geworden, daß elektrische Kraftlinien an der spitzen Spitze 62a des Keilabschnitts des Emitters 62 konzentriert sind, d.h. ein elektrisches Feld an der Spitze 62a ist stark. Eine Elektronenemission, die durch elektrische Felder an jeweiligen Punkten des Emitters 62 bewirkt wird, die entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt sind. Bei dem keilförmigen Emitter 62 können beinahe alle Elektronen 12 von dem Spitzenabschnitt 62a des Emitters 62 emittiert werden, da das elektrische Feld an dem Spitzenabschnitt 2a stark ist, wie oben erwähnt ist. In diesem Zustand können Elektronen 12, die in den Vakuumraum emittiert werden, in den Kollektor 65 durch Anlegen einer ausreichenden positiven Spannung an die Kollektorspannungsversorgung 8 aufgenommen werden. Dementsprechend fließt ein Strom durch den Widerstand 9, so daß eine Spannungsänderung von dem Anschluß 11 erhalten werden kann. Das heißt, ein Ausgang kann als eine Änderung der Ausgangsspannung von dem Ausgangsanschluß 11 des Kollektors 66 entsprechend einer Spannungsänderung des Signaleingangsabschnitts 7 erhalten werden. Überdies ist es möglich, daß ein Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit als das Material des Emitters 2 gewählt wird, da kein anisotropes Ätzen ausgeführt wird. Deshalb kann das Signalausgangsniveau erhöht werden und das S/N-Verhältnis ist verbessert. Deshalb kann das Signalausgangsniveau erhöht werden und das S/N-Verhältnis ist verbessert.
• Dann wird ein Beispiel einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der oben erwähnten vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 11A bis 11D beschrieben. Die Fig. 11A- 11D zeigen Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der vierten Ausführungsform.
• Wie in Fig. 11A gezeigt ist, wird eine Emittermaterialschicht 68 ausgebildet, die aus Mo, Ta, W, ZrC, und LaB&sub6;, etc. gefertigt ist, um den Emitter 62 durch die Sputterablagerung oder die Elektronenstrahlablagerung, etc. auf dem Substrat 1, das aus Glas oder Keramik, etc. gefertigt ist, mit einer Dicke von 300 Nanometern bis 1 Mikrometer zu schaffen. Dann wird ein Resist 69 mit einer Dicke von 1 bis 2 Mikrometern unter Verwendung der Photolithographietechnik ausgebildet, um ein gegebenes Muster auf der Emittermaterialschicht 68 zu erhalten. Dann wird, wie in Fig. 11B gezeigt ist, eine Ätzbearbeitung der Emittermaterialschicht 68 durchgeführt, um den keilförmigen Emitter 62 zu erhalten. An dieser Stelle wird der Emitter 62 so bearbeitet, daß sein Randabschnitt durch Auswählen der Bedingung, das Unterätzen auftritt, um bis zu 1 Mikrometer kleiner ist, als das Resist 69. Dann werden, wie in Fig. 11C gezeigt ist, die erste Isolationsschicht 63, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, und eine Leitschicht, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, als das Gatter 64, eine zweite Isolationsschicht 67, die aus ähnlichem Material wie das oben erwähnte gefertigt ist, und eine Leitschicht, die aus ähnlichem Material wie das oben erwähnte gefertigt ist, die den Kollektor 65 bildet, durch die Sputterablagerung, die Elektronenstrahlablagerung, oder das CVD, etc. auf dem Substrat 1 und dem Resist 69 mit einer Dicke von 300 Nanometer bis ein Mikrometer, 200 bis 500 Nanometer, 500 Nanometern bis einen Mikrometer, beziehungsweise 300 bis 500 Nanometer ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 11d gezeigt ist, das Resist 69 zusammen mit der Isolationsschicht 63, der Leitschicht 64, der zweiten Isolationsschicht 67 und der Leitschicht 65, die auf dem Resist 14 ausgebildet ist, abgehoben. Dann werden die ersten und zweiten Isolationsschichten 63 und 67 endgültig in das Gatter 64 und den Kollektor 65 durch Seitenätzen ausgebildet. In Fig. 11D weist der Emitter 62 eine Keilform mit deren Spitze 62a an seiner rechten Seite auf, wie in Fig. 9 gezeigt ist.
• Dann wird eine Spannung von 100 bis 300 Volt an den Kollektor 65 angelegt und eine Spannung mit Dreieckswellenform von 0 bis 70 Volt wird zwischen den Emitter 62 und das Gatter 64 angelegt. Dann tritt eine Emission von Elektronen 12 auf, wenn die angelegte Spannung größer als 50 V ist, so daß die emittierten Elektronen 12 in den Kollektor 65 fließen. Das heißt, der Kollektorstrom kann geeignet entsprechend der Spannungsänderung des Gatters 64 gesteuert werden.
• Dann wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 12 ist eine Draufsicht, die teilweise die funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Bei dieser Ausführungsform ist, wie in Fig. 12 gezeigt ist, der Emitter 72 mit einer Kreuzform derart ausgebildet, daß sich vier hervorstehende Abschnitte jeweils in vier verschiedene Richtungen von ihrem Zentrum erstrecken. Eine Breite von jedem der hervorstehenden Abschnitte 72a ist nacheinander im wesentlichen linear mit der Entfernung von dem Zentrum zu einer Spitze 72a von jedem der hervorstehenden Abschnitte verringert, so daß jede Spitze 72a spitz ausgebildet ist. Die erste Isolationsschicht 63 (nicht in Fig. 12 gezeigt), Gatter 64 (nicht in Fig. 12 gezeigt), die zweite Isolationsschicht 67 (nicht in Fig. 12 gezeigt) und der Kollektor 75 sind derart ausgebildet, daß sie den Emitter 62 einschließen. Der restliche Aufbau und Betrieb ist der gleiche, wie der der oben erwähnten ersten Ausführungsform.
• Wie oben erwähnt, bewirkt gemäß dieser Erfindung ein Anlegen einer Spannung zwischen den Emitterabschnitt und den Gatterabschnitt und die Eingabe einer Spannung von dem Signaleingangsabschnitt, daß Elektronen von dem Emitterabschnitt entsprechend der kombinierten Spannung emittiert werden, und ein Anlegen einer Spannung an den Kollektorabschnitt kann emittierte Elektronen aufnehmen, so daß eine Spannung an dem Ausgangsanschluß des Kollektorabschnittes geändert sein kann. Überdies kann die Betriebsspannung verringert und die Menge an Elektronen, die emittiert werden, kann erhöht werden, da das Material, dessen Austrittsarbeit niedrig ist, als der Emitterabschnitt verwendet werden kann. Deshalb ist ein Ausgangsniveau des Kollektorabschnittes erhöht, so daß das S/N-Verhältnis verbessert ist. Ferner kann es durch die Ablagerungstechnik und eine einfache Lithographietechnik erzeugt werden, so daß die Ausbeute und die Zuverlässigkeit verbessert sind.
• Nachstehend wird eine sechste Ausführungsform unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 13 ist eine Draufsicht der sechsten Ausführungsform der Erfindung einer funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der zehnten Ausführungsform dieser Erfindung. Fig. 14 zeigt einen Querschnitt, der an der Linie X-X, die in Fig. 13 gezeigt ist, genommen ist. Abschnitte mit verschiedenen Bezeichnungen in einer Draufsicht entsprechen Abschnitten, die ähnlicherweise in der entsprechenden Querschnittsansicht überall in der Beschreibung bezeichnet sind.
• Wie in Fig. 13 und 14 gezeigt ist, ist ein Emitter 152 auf einem Isolationssubstrat 151 ausgebildet, das aus Glas, Keramik, etc. gefertigt ist,. Der Emitter 152 ist aus einem Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit gefertigt, wie Mo, Ta, W, ZrC, LaB&sub6;, etc. Eine Breite (in Fig. 21 gezeigt) von zumindest einem Abschnitt des Emitters ändert sich nacheinander linear, so daß eine Spitze 152a spitz ausgebildet ist. Das heißt, sie ist mit einem Keilabschnitt ausgebildet. Auf dem Substrat 151 ist eine Isolationsschicht 153, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Keilabschnitt des Emitters 152 ausgebildet. Auf der Isolationsschicht 153 ist zumindest ein Gatter 154, das aus Mo, Ta, Cr, Al oder Au, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Emitter 152 auf der Außenseite des Keilabschnittes von Emitter 152 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist das Gatter 154 mit einer V-Form ausgebildet. Auf dem Substrat 151 ist ein Kollektor, der aus Mo, Ta, Cr, Al oder Au, etc. gefertigt ist, ein gegebenes Intervall entfernt von dem Gatter 154 auf der Außenseite des Gatters 154 von dem Keilabschnitt von Emitter 152 ausgebildet. Die Ziffern 6 und 7 sind eine Vorspannungsquelle bzw. ein Signaleingangsabschnitt. Die Ziffern 8 und 9 sind eine Kollektorspannungsquelle und ein Widerstand, die zwischen den Emitter 2 und den Kollektor 155 geschaltet sind. Die Ziffern 10 und 11 sind Anschlüsse. Ziffer 12 zeigt Elektronen, die von der Spitze 152a des Emitters 152 emittiert werden. Die Spitze 152a ist mit einem Radius r5 der Spitze 152a ausgebildet, der gleich oder geringer als 1000 Ängström ist. Andererseits ist die Spitze des V-förmigen Gatters 154 mit deren Radius r6 ausgebildet, der gleich oder größer als 1 Mikrometer ist.
• Nachstehend wird der Betrieb der sechsten Ausführungsform beschrieben.
• Wie oben erwähnt, sind beispielsweise die Vorspannungsversorgung 6 und der Signaleingangsabschnitt 7 zwischen den Emitter 152 und das Gatter 154 geschaltet. Eine Kollektorspannungsversorgung 8 und der Widerstand 9 sind zwischen den Emitter 152 und den Kollektor 155 geschaltet. Diese funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung ist in einem Vakuumraum angeordnet. Zuerst wird eine geeignete Vorspannung zwischen den Emitter 152 und das Gatter 154 durch die Vorspannungsversorgung 6 angelegt. Dann wird, wenn eine geeignete Spannung von dem Signaleingangsabschnitt 7 eingegeben wird, die Spannung zwischen dem Emitter 152 und dem Gatter 154 eine kombinierte Spannung der Vorspannung und der Eingangssignalspannung, so daß ein elektrisches Feld, dessen Intensität entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt ist. An dieser Stelle sind elektrische Felder an jeweiligen Oberflächen des Emitters 152 durch geometrische Positionsbeziehungen zwischen dem Gatter 154 und den jeweiligen Oberflächen des Emitters 152 bestimmt. Als ein Ergebnis einer Simulationsanalyse einer derartigen Anordnung ist bekannt geworden, daß elektrische Kraftlinien an der spitzen Spitze 152a des Keilabschnittes des Emitters 152 konzentriert sind, d. h. ein elektrisches Feld an der Spitze 152a ist stark. Eine Elektronenemission, die durch elektrische Felder an jeweiligen Punkten des Emitters 152 bewirkt wird, die entsprechend der kombinierten Spannung bestimmt sind. In dem keilförmigen Emitter 152 können beinahe alle Elektronen 12 von dem Spitzenabschnitt 152a des Emitters 152 emittiert werden, da das elektrische Feld an der Spitze 152a stark ist, wie oben erwahnt ist. In diesem Zustand können Elektronen 12, die in den Vakuumraum emittiert werden, in den Kollektor 155 durch Anlegen einer ausreichenden positiven Spannung an die Kollektorspannungsversorgung 8 aufgenommen werden. Demgemäß fließt ein Strom durch den Widerstand 9, so daß sich eine Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 ändert. Das heißt, eine Ausgabe kann als eine Änderung der Ausgangsspannung von dem Ausgangsanschluß des Kollektors 155 entsprechend einer Spannungsanderung des Signaleingangsabschnittes 7 erhalten werden. Überdies ist es möglich, daß ein Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit als das Material des Emitters 2 gewählt wird, da kein anisotropes Ätzen ausgeführt wird. Deshalb kann das Signalausgangsniveau erhöht werden und das S/N-Verhältnis ist verbessert.
• Nachstehend wird eine siebte Ausführungsform der Erfindung mit Referenzzeichnungen beschrieben. Die Fig. 15A- 15G zeigen Querschnitte zum Zeigen eines Beispiels einer Herstellungsbearbeitung der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung der siebten Ausführungsform.
• Fig. 15A ist eine Draufsicht, die einen ersten Schritt der Herstellungsbearbeitung einer mikroelektronischen Funktionsvakuumfeldemissionsvorrichtung der siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Fig. 15B zeigt einen Querschnitt, der an der Linie X'-X', die in Fig. 15A gezeigt ist, genommen ist. Die Fig. 15C-15F zeigen Querschnitte, die aufeinanderfolgende Bearbeitungsschritte zeigen. Fig. 15G ist eine Draufsicht bei einem Beendigungsschritt. Ziffer 161 ist ein Substrat, Ziffer 167 ist eine Leitschicht, Ziffer 163 ist eine Überzugsschicht, Ziffer 166 ist ein Photoresist, Ziffer 169 ist eine Isolationsschicht, Ziffer 168 ist eine andere Leitschicht, Ziffer 162 ist ein Emitter, Ziffer 162a ist eine Spitze von Emitter 162, Ziffer 164 ist ein Gatter und Ziffer 165 ist ein Kollektor.
• Zuerst werden, wie in Fig. 15A und Fig. 15B einer Querschnittsansicht gezeigt ist, die an der Linie X'-X', die in Fig. 15A gezeigt ist, genommen ist, die Leitschicht 167, die aus Mo, Ta, W, ZrC und LaB&sub6;, etc. gefertigt ist, und das Überzugsmaterial 163 nacheinander mit gegebener Dicke durch Ablagerung oder der Sputterablagerung, etc. auf dem Substrat 161 ausgebildet, das aus Glas oder Keramik, etc. gefertigt ist. Auf deren Oberfläche wird das Photoresist 166 durch eine herkömmliche Photolithographietechnik derart ausgebildet, daß sich eine Breite von zumindest einem Abschnitt nacheinander ändert. Ein Metall- oder ein Isolationsmaterial kann als das oben erwähnte Überzugsmaterial verwendet werden. Es kann ein Material sein, das in der Lage ist, einer Ätzbearbeitung der Leitschicht 168 bei einer später erwähnten Bearbeitung stand zu halten und kann ohne Korrosion von anderen Materialien entfernt werden. Dann wird, wie in Fig. 15C gezeigt ist, das Überzugsmaterial 163 unter Verwendung des Photoresists 166 als einer Maskierung geätzt. Dann wird, wie in Fig. 15D gezeigt ist, nach der Entfernung des Photoresists 166 die Leitschicht 167 unter Verwendung des Überzugsmaterials 143 als einer Maskierung durch Naßätzen oder Trockenätzen etc. bearbeitet. Bei dieser Bearbeitung wird die Leitschicht 167 seitengeätzt, um eine Form zu erhalten, deren Größe um eine gegebene Länge kleiner als die Musterform des Überzugsmaterials 163 ist. Der Emitter 167 wird bearbeitet, daß er eine Keilform aufweist, wie in Fig. 15G gezeigt ist, die den Beendigungsschritt zeigt, und der Kollektor 165 wird mit einem gegebenen Intervall von dem Emitter 162 ausgebildet. Dann werden, wie in Fig. 15E gezeigt ist, auf seiner Oberfläche die Isolationsschicht 169, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5;, etc. gefertigt ist, und die Leitschicht 168, die aus Mo, Ta, Cr, Al, Au, etc. gefertigt ist, nacheinander auf der Oberfläche durch Ablagerung oder das Sputtern, etc. ausgebildet. Dann wird, wie in Fig. 15F gezeigt ist, das Überzugsmaterial 163 entfernt und zur gleichen Zeit werden die Isolationsschicht und die Leitschicht 168 entfernt, um die Leitschicht 167 freizulegen. Die resultierende Form ist in Fig. 15G gezeigt. Wie erwähnt, wird die Leitschicht 167, die die Keilform durch Ätzbearbeitung aufweist, als Emitter 162 verwendet. Die Leitschicht 168, die auf der Isolationsschicht 169 ausgebildet ist, wird als ein Gatter 164 verwendet. Die Leitschicht 167, die ein gegebe nes Intervall entfernt von dem Emitter 162 ausgebildet ist, wird als Kollektor 165 verwendet.
• Wie erwähnt, ist gemäß dem Herstellungsverfahren der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung dieser Ausführungsform die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung hoch, und die Stabilität der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung kann verbessert werden, da kein Positionieren notwendig ist, weil ein Mustern des Resists nur einmal durchgeführt wird, und die Positionsbeziehung zwischen dem Emitter 162 und dem Gatter 164 und dem Kollektor 165, die starke Auswirkungen auf die Charakteristik der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung hat, kann durch Seitenätzen der Breite bei der Ätzbearbeiten gesteuert werden, und es wird Selbstausrichtung verwendet.
• Wie erwähnt, kann gemäß dieser Erfindung die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung und die Stabilität der funktionellen mikroelektronischen Vakuumfeldemissionsvorrichtung verbessert werden, da der Spalt zwischen dem Emitter und dem Gatter und dem Gatter und dem Kollektor eng gemacht werden kann.
• Überdies wird bei der Herstellungsbearbeitung das Mustern des Resists nur einmal durchgeführt und es wird eine Selbstausrichtung verwendet, so daß die funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit leicht erhalten werden kann. Ferner wird das Intervall zwischen dem Emitter und dem Gatter und das Intervall zwischen dem Gatter und dem Kollektor durch Verwenden des Seitenätzens der Breite bei der Ätzbearbeitung bestimmt, so daß hier ein Herstellungsverfahren mit einer sehr hohen Steuerbarkeit und die funktionelle mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung mit einer stabilen Charakteristik vorgesehen ist.

Claims (15)

1.Mikroelektronische Vakuumfeldemissionsvorrichtung, umfassend:

ein Substrat (1);

einen auf dem Substrat ausgebildeten Emitterabschnitt (2), der zumindest einen Keilabschnitt aufweist, der sich parallel zu dem Substrat erstreckt;

einen Gatterabschnitt (4), der von dem Substrat getragen wird und gegenüber dem Emitterabschnitt elektrisch isoliert ist; und

einen Kollektorabschnitt (5), der von dem Substrat getragen wird und gegenüber dem Emitterabschnitt und dem Gatterabschnitt elektrisch isoliert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Gatterabschnitt (4) V-förmig ist und Kanten aufweist, die parallel zu den Kanten des Keilabschnittes sind; und

sich der Emitterabschnitt und der Gatterabschnitt in der Richtung von dem Emitterabschnitt auf den Gatterabschnitt und den Kollektorabschnitt zu verjüngen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Isolationsschicht (3), die auf dem Substrat bei einer ersten vorbestimmten Entfernung in einer seitlichen Richtung des Substrats von dem Emitterabschnitt (2) ausgebildet ist; und wobei

der Gatterab schnitt (4) auf der Isolationsschicht bei einer zweiten vorbestimmten Entfernung in einer seitlichen Richtung des Substrats von dem Emitterabschnitt ausgebildet ist; und

der Kollektorabschnitt (5) bei einer dritten vorbestimmten Entfernung in einer seitlichen Richtung des Substrats von dem Emitterabschnitt auf der entgegengesetzten Seite des Gatterabschnitts von dem Emitterabschnitt ausgebildet ist, wobei die dritte vorbestimmte Entfernung größer als die zweite vorbestimmte Entfernung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei

der Kollektorabschnitt bei einer ersten vorbestimmten Entfernung in einer seitlichen Richtung des Substrats von dem Emitterabschnitt ausgebildet ist; und

der Gatterabschnitt bei einer zweiten vorbestimmten Entfernung in einer seitlichen Richtung des Substrats von dem Emitterabschnitt ausgebildet ist, wobei die erste vorbestimmte Entfernung gleich oder größer als die zweite vorbestimmte Entfernung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten vorbestimmten Entfernungen von der Spitze des Keilabschnittes des Emitterabschnittes gemessen werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend eine Isolationsschicht, die bei einer dritten vorbestimmten Entfernung von der Spitze derart ausgebildet ist, daß sie zwischen den Gatterabschnitt (4) und das Substrat (1) geschichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich die Isolationsschicht (3) derart erstreckt, daß sie ferner zwischen den Kollektorabschnitt (5) und das Substrat (1) geschichtet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend eine weitere Isolationsschicht (67), die auf dem Gatterabschnitt (64) ausgebildet ist, und wobei der Kollektorabschnitt (65) derart ausgebildet ist, daß die weitere Isolationsschicht zwischen den Kollektorund den Gatterabschnitt geschichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (1) ein leitendes Material umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (1) ein Isolationsmaterial umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitterabschnitt (2) derart ausgebildet ist, daß der Radius (r1) der Spitze des Keilabschnittes gleich oder kleiner als 1000 Ängström ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spitze des V-förmigen Gatterabschnittes einen Radius (r2) gleich oder größer als einen Mikrometer aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:

eine Leitschicht (37), die mit dem Emitterabschnitt (22) elektrisch verbunden ist; und wobei der Gatterabschnitt (24) den Emitterabschnitt im wesentlichen umgibt und gegenüber dem Emitterabschnitt elektrisch isoliert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Emitterabschnitt (22) eine Vielzahl von Keilabschnitten aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Leitschicht (37) auf dem Substrat in einer gegebenen Form ausgebildet ist; und ferner umfassend:

eine Isolationsschicht (23), die einen Abschnitt des Substrats (1) und einen Abschnitt der Leitschicht (37) abdeckt, wobei die Isolationsschicht den Gatter-(24)- und Kollektor-(25)-Abschnitt trägt, und die Isolationsschicht (23) und der Emitterabschnitt (22) derart ausgebildet sind, daß die Leitschicht (37) freigelegt ist, um zu ermöglichen, daß sie als ein Zuleitungsanschluß funktioniert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Substrat (51) selbst elektrisch leitend ist und die Leitschicht umfaßt, und die Vorrichtung ferner eine Isolationsschicht (58) umfaßt, die mit einem Loch ausgebildet ist, um einen Abschnitt des Emitterabschnittes (52) zu dem Substrat (51) freizulegen.