小型场致发射电子枪和聚焦透镜的制作方法

专利名称：小型场致发射电子枪和聚焦透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子枪和它们在诸如阴极射线管(CRT)的器件中的使用。更具体地说，场发射阵列与组成电极和外部电极相结合来提供聚焦的电子束的紧密的源。
背景技术：
阴极射线管(CRT)和任何其他需要电子束的器件一般包含热丝使得从阴极进行热电子发射。长期以来存在一种兴趣要开发取决于电子的场发射的冷阴极来替代热阴极。对于诸如扫描电子显微镜的低电流器件，存在大量的说明场致发射电子枪的专利。对于诸如TV显示器的高电流的应用，一般基于钼和硅的现有技术的场致发射阴极在商业应用方面还未证明有足够的鲁棒性。由于存在背景气体而导致的离子反向散射引起极尖(tip)损坏，并且以高电流强度驱动时极尖失效。
已经证明碳基微型尖端(tip)阴极可以被制造和用来替换基于钼或硅的微型尖端场致发射阴极。也已经证明利用集成电路制造技术(“用于极端应用的先进的化学汽相淀积(CVD)金刚石微型尖端器件，”《Mat.Res.Soc.Symp.Proc.》，第509卷(1998))，金刚石可以与门电极被单片地集成在自对准结构中。
近些年来广泛研究了通过门电极从冷电子发射材料提取电子。阴极开发中的很多努力的方向是用于平板显示器的电子源。美国专利第3,753,022号公开了一种带有用于聚焦和偏转电子束的几个绝缘体和导体淀积层的小型有向电子束源。所述淀积层有通过它们到达点场致发射源的腐蚀列。该器件通过材料淀积技术而制造。美国专利第4,178,531号公开了一种具有场致发射阴极的阴极射线管。该阴极包括多个彼此隔开的尖型突起，每个突起具有其自己的场致发射产生电极。聚焦电极被用于产生一电子束。该结构产生多条经过调制的电子束以并行路径作为一扎进行投射以被聚焦到和扫射CRT的屏幕上。该发明也公开了利用热阻和光阻层的制造。美国专利第5,430,347号公开了一种具有作为器件组成部分的静电透镜的冷阴极场致发射器件。该静电透镜具有与门电极的口径的第一尺寸不同尺寸的口径。据称该静电透镜系统提供的电子束横截面使得可以使用大约2到25微米的像素尺寸。现有技术的电子发射器的侧视图的计算机模型表示被示出。
在较近的专利中，美国专利第5,719,477号公开了圆锥形的电子发射器，其中控制电压可以被独立施加到多组阴极中的每一组以及门电极。美国专利第5,723,867号公开了一种门电极，其发射表面位于锥形凹进处中，聚焦电极位于凹进处之上的表面。在一个实施例中有一个“屏蔽电极”。美国专利第5,814,931号同样具有在“凹部”的发射器和在多个发射器周围的四个部分中的聚焦电极。该发射器是诸如钨的耐高温金属。当在CRT中使用电子发射器时聚焦电压在扫射角内变化。聚焦被设计成当电子束在屏幕周边部分时更强。该专利还公开了关于划分发射器电极。美国专利第5,850,120号公开了一种在使用按照Fowler-Nordheim型发射电流的发射器的同时获得亮度的线性度的方法。第二门电极比第一门电极的电位低，并且阴极和第二门电极之间的电压与阴极和主门电极之间的电压成正比。该专利还公开了一种三态门电极，它有更高的电压用于提高电流和防止第二门电流。
日本专利局的公布第09306376号公开了从圆锥形电子源发出并被第一聚焦电极聚焦并被第二聚焦电极加速的电子束。聚焦电极和阳极的独立电位被用来利用主透镜在屏幕上形成一个焦点，该主透镜是常规的双电位透镜。
《电子光学基础》一书说明了电子透镜的原理和限制电子光学质量的因素，并在第十一章介绍了基于用于电视和其他CRT的传统的热阴极的电子枪。除了形成和聚焦一条电子束的电子枪之外，还有一个使所述电子束到达屏幕上的一个点的漂移区和一个使电子束偏转的偏转器或偏转线圈。CRT的偏转线圈不是本公开的一部分不会进一步讨论。此参考书讨论了CRT中的三个区(1)电子束形成区，它包括阴极和多个电子光学透镜，提供发散的电子束；(2)主透镜区，它使用通常共线的多个柱面透镜来将发散的电子束聚焦到显示屏上；(3)漂移区，它通过CRT的管颈，其中变向的电子不经过再聚焦而向屏幕运动。在这样的CRT中，在电子束中靠近阴极处存在一个交叠区，电子束由于透镜像差、空间电荷和所发射电子的热分布的联合作用而变得模糊。此模糊的结果是在屏幕上形成的图像的分辨率差。
美国专利5,343,113讨论了层流电子枪的引入，它产生比交叠电子枪更清楚的和更亮的显示。在层流电子枪中，从阴极发射的电子趋向于以流线型路径流动直到它们被会聚在视屏上的一个焦点。此专利是典型的场致发射电子枪，它公开了沿着电子束的几个透镜的使用。这些透镜较大地延长了电子枪所需要的长度。现在所需要的是一种可用于包括电视的多种CRT应用的电子枪，它带有长寿命的冷阴极、不要求超高真空工作环境并具有允许小型结构的透镜排列和在小斑点中的足够高的电流。


图1是在CRT中的本发明的电子枪的场发射阵列和外部电极的示图。
图2示出了单片集成的带有提取和聚焦电极的场发射阵列的详细情况。
图3示出了诸如图1所示器件的电子束几何计算机模拟的结果。

发明内容
本发明提供了一种小型场致发射电子枪，它提供了毫安范围的电子束电流和1-2毫米范围内的显示屏上的点尺寸。可以在CRT中期望获得在5-32千电子伏特之间的电子束的能量和在阴极和屏幕之间的约2-50厘米的距离。电子枪的总长度可以小于3厘米。此电子枪包括阵列形式的场致发射阴极，优选的是金刚石的或类金刚石的碳微型尖端，还包括单片集成的提取和聚焦电极。电子被施加在穿过位于每个尖端周围的薄的提取门的正电位从场致发射尖端提取。这些电子随后被位于集成的提取门之上的单片集成的聚焦透镜聚焦为平行的细线束以形成层流电子束。一个外部透镜和会聚杯发生作用来聚焦细线束和将它们向阳极/屏幕电位加速。所述电子束必须被加速到阳极电位以便这些电子具有足够的动能来提供所需要的荧光屏亮度水平。外部聚焦透镜还对电子束提供会聚力以补偿由于空间电荷互斥而导致的电子束发散并补偿由于制造误差导致的各枪之间的聚焦差别。
优选实施例介绍参见图1，示出了安装在阴极射线管(CRT)10中的本发明的小型场致发射电子枪。发射器阵列形式的场致发射阴极，优选的是碳基阴极12，是由集成的提取门层14和集成的聚焦透镜层16单片地形成。电子通过将正电位施加到集成的提取门层14而被从阴极12的场致发射尖端提取。这些电子随后被位于各门之上的单片集成的聚焦透镜16聚焦为平行的细线束以形成层流电子束。类皮尔斯电极18的电位接近(在大约150伏之内)集成的聚焦透镜16的电位并被用来终止散射场和适当地设定阴极前面的电位。电极18的形状可以是简单的带有孔的盘，但是它可以采取多种形状来达到目的。位于皮尔斯电极18的上面的外部聚焦透镜20与会聚杯22相结合产生外部聚焦效果来迫使独立的细线束到一起。会聚杯22在阳极电位，位于外部聚焦透镜20之上并将电子枪加速到会聚杯22和荧光涂层28之间的没有场的漂移区。缓冲簧24以电子方式连接会聚杯22和阴极射线管中的内部导电涂层26(典型的是石墨)。来自外部聚焦透镜的电子束被引到在显像管内壁上的荧光涂层28上的小直径焦点。来自集成的聚焦透镜的细线束被进行必要的聚焦并处于近乎层流的状态。在外部聚焦透镜20和会聚杯22之间形成的外部聚焦效果提供了附加的聚焦作用和方式来将电子束加速到阳极电位。相反，现有技术的使用热电子阴极的电子枪要求长度在15-60毫米之间的聚焦透镜以获得与来自本装置中的会聚杯22的电子束的特性类似的电子束特性。
图2示出了冷电极和单片集成的电极的详细情况。电极12优选由碳基材料制成，这在待审和共有的专利申请SN09/169,908和SN09/169,909中得到公开，为了所有目的，这两个申请在这里并入供参考。可以使用任何生产场致发射阴极的材料。来自所述阵列的平均电子枪电流由使用的门尖端的数量和来自每个尖端的平均发射电流决定。皮尔斯侧翼18(图1)优选位于环绕门尖端阵列以适当地终止散射场。
如在上面引用的和这里并入参考的待审专利申请中所进一步讨论的，门电极14用来提供在由碳基阴极构成的阵列尖端处的高电场。介电层13和15分别在碳基阴极12和集成的提取门层14之间和集成的门层14和集成的聚焦透镜层16之间形成，如图2所示。利用业内公知的技术，介电层13和15优选由二氧化硅构成，电极14和16优选由钼或其他金属构成。
本处说明的装置要被用于作为阴极射线管中使用的传统热电子枪的替代品。在一个优选实施例中，场致发射阴极是0.25毫米的环形阵列，包含1,000个均匀分布的约2微米宽和1.4微米高的锥形尖端。或者，锥形尖端也可以被具有与一个锥基相同面积的平面取代。锥形尖端和衬底由类金刚石的碳构成，此类金刚石的碳通过所参考的专利应用中给出的方法而形成。尖端之间的距离最好是6微米。二氧化硅绝缘层13和15的厚度最好是约2微米。皮尔斯侧翼18最好与集成的聚焦透镜层16具有相同的电位。集成的提取门层14和集成的聚焦透镜层16的电位最好被设定成平行的电子束细线束从集成的结构发出。
如所参考的待审专利申请所公开的，本发明的碳基电子发射器的发射层被依序由第一介电层、电子提取电极层、第二介电层和聚焦电极层覆盖。电阻接触点(未示出)被提供在碳基的发射器的背面。用于制造多个介电层和电极层的方法和用于在层中制作开口的方法是传统的用于半导体制造技术的方法。优选的是在将多层晶片切分或分离成分立的电子枪之前在单个碳晶片上制作多个电子枪。典型的电子枪将包含直径为1和4微米之间的多层中的开口，这些开口将具有范围为从约6微米到约10微米的间距(开口中心之间的距离)，这依赖于所需要的总电流。间距可以小得仅仅比门直径稍稍大，但是计算和结果显示间距应当至少为门开口的约两倍。例如，电子枪可以在一个100×100开口阵列，或10,000个开口中包含有着10微米的间距的1微米开口。然而成千上万的电子枪仍然可以在单个2英寸或更大直径的碳晶片上生产。
平行电子束向外部聚焦透镜20运动，外部聚焦透镜20最好是位于在门尖端阵列之上的约1毫米处，但是可以在从约0.25毫米到2.0毫米的距离上。陶瓷衬垫19用来分隔皮尔斯侧翼18和外部聚焦透镜20。外部聚焦透镜20最好具有约6毫米的孔径，但是可以具有从约0.5毫米到约8毫米的孔径并具有约0.6毫米的厚度。该外部聚焦透镜的电位将在从约-1,000伏到约5,000伏的范围。此透镜的目的在于使得独立电子束到一起，补偿空间电荷的互斥，因此它们在屏幕28上形成一个聚焦的点。会聚杯22可位于外部聚焦透镜20上面约3毫米处。会聚杯将具有与阴极射线管内的导电涂层相同的电位以便对电子束的路径的剩余部分形成无场的区域，所述电位的范围经常在约5,000伏到约30,000伏。会聚杯22的开口最好是约12毫米，但是可以在从约0.5毫米到约15毫米的范围中。优选的是，透镜的电位将使得聚焦的点将在屏幕28上形成最小的模糊圈。
由图1中的装置产生的电子束过去利用改进的电子束模拟(EBS)软件预测。此软件对于多个边界条件和电子束电流利用拉普拉斯方程和泊松方程来解决和计算穿过计算的电场的电子轨迹。对于这样的模拟，有必要将来自阴极的电子发射依照切向能谱而表现特性。如图1和2中12、14和16所示的门/聚焦微型尖端(GFMA)的电子光学可以设计以便产生层流电子束或带有很小发散角的电子束。设计应当基于来自GFMA的特殊设计的切向能量的实验测量结果而优化。图1的结构将允许将电子枪长度与现有技术的电子枪相比减少5厘米。GFMA所需要的电子光学设计不同于上面讨论的交叠设计。所述交叠设计控制优选小直径阵列。在这里提供的GFMA概念中，可以基于电子束特性的计算机模拟来选择最小阵列直径，低于此直径空间电荷互斥变得太强并控制了电子束聚焦。还有一个最大直径电子束，它由外部聚焦透镜的球面像差所限定并最终由CRT的管颈所限定。其他影响空间电荷互斥和球面像差的重要因素是最大电子束电流要求、阳极电压和如图1所示的从电子枪端到屏幕28的漂移距离。
对于电子束中的多种条件的计算机模拟已经利用经过改进用来模拟多个场致发射尖端的EBS软件来执行。在这些计算中，假设GFMA能够产生能谱使得在来自所述阵列的单个聚焦的细线束中的最大切向能量小于0.5电子伏特。模拟也显示高切向能量和高电流水平引起在模拟使用的条件下的电子束的过量发散。图3示出了计算出的来自诸如图1所示的1.0毫米直径GFMA的1毫安的电子束，外部聚焦透镜20的电位为-1075伏，会聚杯22的电位为+25千伏。该图示出了在距离阴极发射平面22厘米的屏幕上的0.5毫米宽的电子束。对于此计算，外部聚焦透镜位于距离GFMA约0.4毫米的位置。
计算机模拟结果显示外部聚焦透镜区的球面像差和当电子束电流大于0.3毫安时的漂移区中的空间电荷互斥是用来要优化的条件。空间电荷互斥随着电子束电流强度和与屏幕的距离的增加而增加，并随着阳极的加速电压的增长而减小。球面像差是随着透镜内电子束高度焦距的减少，它随着电子束在透镜中的直径的增加而增加。遗憾的是，球面像差对小的电子束直径影响小，而空间电荷互斥对于小的电子束直径更重要。因此，最佳的电子光学设计将是将两种影响平衡的设计。优选的是，对在CRT中的电子枪的每一种应用进行优化。聚焦透镜配置和位置产生各种程度的球面像差；聚焦透镜的具体位置将在可获得实验和模拟结果后被确定。对于特殊的CRT，所需要的电流、电子束长度和偏转方法将决定电子枪的最后的设计参数。利用本发明的冷阴极，可以满足对于比利用现有技术冷阴极可以获得的CRT的应用多得多的CRT的应用的电流要求。在1975年2月的《Trans.CE》中的“彩色显象管电子枪设计的理论和实践”中讨论了如此设计所要求的一般程序，其中设计程序被应用到典型的现有技术电子枪上。在本设计中将通过碳尖端12、集成的提取门14和集成的聚焦透镜16的集成结构来使横向能量最小化，其中，碳尖端12、集成的提取门14和集成的聚焦透镜16都通过在待审申请SN09/169,908和SN09/169,909中描述的并在此并入参考的方法而整体地形成。
本发明的电子枪与其他场致发射器件相比的重要属性包括其能够产生控制发散的高电流强度电子束，足够满足宽范围的CRT要求和在CRT典型的真空环境中可靠地运行。本发明的一个关键特征是短的外部聚焦透镜，它使得来自所有尖端的细线束到一起并允许在远场聚焦电子束。其他优点包括能够利用微电子工业中已经开发的技术制造阴极和集成的透镜，这将减少制造成本；长寿命的阴极；高亮度和小的斑点尺寸；由于场发射阵列的小电容而带来的高带宽；在装配到CRT中之前可以测试的电子源。
前述的本发明的公开和说明是例证性和解释性的，在不脱离本发明精神的情况下，可以对所图解的装置和结构以及运行方法的细节作出各种改变。
权利要求
1.一种被聚焦的电子束的源，包括一场致发射阴极；在场致发射阴极上的一第一介电层；一集成的提取门和一集成的聚焦透镜，所述门和所述透镜被第二介电层分隔并被与介电层和阴极单片地集成；一外部聚焦透镜，具有选定的厚度和穿过的一个开口并被放置于离集成的聚焦透镜的选定距离上；一会聚杯，具有选定的厚度和穿过的一个开口并被放置于离外部聚焦电极的选定距离上；电连接阴极、集成的门和透镜、外部透镜和会聚杯。
2.按照权利要求1的源，其中场致发射阴极是碳基物。
3.按照权利要求1的源，还包括一个皮尔斯电极，被放置在靠近集成的聚焦透镜的平面，用于对靠近场致发射阴极的散射场整形。
4.按照权利要求1的源，其中第一和第二介电层具有范围从约1微米到约4微米的厚度。
5.按照权利要求1的源，其中外部聚焦透镜具有范围从约0.3毫米到约1.0毫米的厚度。
6.按照权利要求1的源，其中会聚杯在阴极前不到10毫米处。
7.按照权利要求1的源，其中从阴极到外部透镜的距离不到3厘米。
8.一种用于提供被聚焦的电子束的方法，包括步骤提供一场致发射阴极、在场致发射阴极上的一第一介电层、用于提取电子的集成的提取门和用于聚焦电子的集成的聚焦透镜、由第二介电层分隔并与介电层和阴极单片地集成的门和透镜；提供一外部聚焦透镜，此外部聚焦透镜具有选定的厚度和穿过的一个开口并被放置于离集成的聚焦透镜的选定距离上，并提供一会聚杯和电子连接。将阴极接地；将选定的电压施加到集成的门和集成的透镜、外部聚焦透镜和会聚杯以便产生被聚焦的电子束。
9.按照权利要求8的方法，其中场致发射阴极是碳基物。
10.按照权利要求8的方法，其中施加到提取门的电压在从约20伏到约120伏的范围中。
11.按照权利要求8的方法，其中施加到集成的聚焦透镜的电压在从约-10伏到约+200伏的范围中。
12.按照权利要求8的方法，其中施加到外部聚焦电极的电压在从约-1500伏到约+5000伏的范围中。
13.按照权利要求8的方法，其中施加到皮尔斯电极的电压在施加到集成的聚焦电极的电压的150伏内。
全文摘要
一种小型的电子枪,包括场致发射阴极(12)、类似的皮尔斯电极(18)、门层(14)、聚焦透镜层(16)、聚焦透镜(20)和会聚杯(22)。
文档编号H01J1/304GK1369104SQ00811363
公开日2002年9月11日 申请日期2000年6月21日 优先权日1999年7月19日
发明者里奇·戈斯基, 基思·D·贾米森 申请人:尖端设备公司