CN100342473C - 场发射器和器件 - Google Patents

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Abstract

一个掩膜层(405)形成在至少部分预成型电极结构的被选择的区域，用于确定掩膜和无掩膜区域(发射器单元410)。随后，含有颗粒的第一组分(408)和第二组分(409)涂覆在发射器单元(410)上，并且颗粒(408)有选择性的置于发射器单元(410)的底部，例如采用电泳方法。然后掩膜层(405)连同残留的掩膜层上的第一和第二组分(408，409)的残余物同时从掩膜区域(405)去除。其后，处理第一和第二组分(408，409)，例如通过固化的方法，以在电极的所要求的位置上产生大面积的场电子发射点。

Description

场发射器和器件
本发明涉及场发射材料和器件，并且特定但不排他地有关可寻址的场电子发射阴极阵列的制造方法。本发明推荐实施例的目的是提供制造低成本多电极控制和聚焦结构的方法。
熟悉该领域的人士都非常清楚，对实际场发射器件，尤其是显示器，允许低电压来控制发射电流是非常重要的。目前，该领域的主要技术涉及到尖锥发射器——即采用原子级形状的微尖锥作为发射源。
有一些值得讨论的涉及尖锥的发射器的早期技术。在这些早期技术中，研究者的主要目的是在离开每个发射尖锥处设置一个小于1微米孔隙(门)的电极以致于施加100伏或小于100伏的电压便能达到所需要的高电场——这些发射器称为门阵列。在加尼福尼亚的施坦福(Stanford)研究所工作的C A Spindt首先介绍了它的实际应用(J.Appl.Phys.39，7，pp3504-3505，(1968))。采用钼发射尖锥的Spindt矩阵，其中钼发射尖锥是使用自掩膜技术通过将金属真空蒸发到硅衬底上的二氧化硅层的圆柱形凹坑中制备出的。许多基于Spindt技术的变化和改进都已经在科技和专利文献中予以介绍。
另外一个可选择重要的方法是采用硅微工艺来产生门控阵列。目前，采用这种技术的场发射显示器正在制造，已引起了在世界范围内许多组织的关注。另外还讨论了许多不同的变体。
在所有的尖锥发射系统中的主要问题是存在受离子轰击损坏、在大电流时的欧姆发热以及在器件中由于电击穿而引发的灾难性损坏等缺点。制造大面积的器件既困难同时价格昂贵。更进一步，为了得到低的控制电压，含有尖锥和相关栅空隙的基本发射元件的直径必须接近或小于1微米。这种结构的形成需要高成本的半导体类制造技术。另外，如需要大面积器件时，必须使用价格昂贵、步骤慢并且重复的设备。
大约1985年，发明了在加热衬底上从氢-甲烷气氛中制备金刚石薄膜从而得到大面积的场发射器。
1988年，S.Bajic和R V Latham(Journal of Physics D Applied Physics，vol.21200-204(1988))提出了一种低成本的高密度的金属-绝缘体-金属-绝缘体-真空(MIMIV)发射点的复合体。复合体含有分布在环氧树脂中的导电粒子。用标准的甩涂技术涂覆到表面上。
较晚的时候(1995)Tuck，Taylor和Latham(GB 2 304 989)用无机绝缘材料替代了环氧树脂改进了上述的MIMIV发射器，同时提高了在封离的真空器件内发射器工作的稳定性和可能性。
这种大面积发射器的最好实施例可以在小于10V□m-1的电场下产生有效的电流。在这个说明书的内容里，大面积的场发射器可以采用能借助于它的组分，微结构，功函数或其它特性在平面或近平面(即不用原子级尖锐微尖锥作为发射点)产生宏观电场下能发射有效电流的任何材料。
电子光学的特性分析表明：对控制大面积发射器所要求的特征尺寸几乎比尖锥的系统大一个数量级。Zhu等人(US专利5283501)提出了用基于金刚石发射器的这类结构。Moyer(美国专利5473218)则改进了电子光学的性能，在大面积的发射器上制作一导电层，这样既防止电子发射到门绝缘层又可通过空隙来聚焦电子。这种结构的概念不是新的概念，并且在电子光学性质上等同于数十年来应用于热离子器件中的结构。例如，Winsor(美国专利3,500,110)提出了在阴极电位上制作一个荫罩栅极，以防止不希望的电子在相对于阴极为正电位的栅极位置上被截取。稍后，Miram(美国专利4,096,406)又对其进行了改进，提出了一个捆绑的栅极结构，其中荫罩栅极和控制栅极被一个固体绝缘体分离并且与阴极连接。Moyer的方法可简单地使用一个相对较大面积的场发射器来替代Miram的热离子阴极。然而，这个结构十分有用，具有在低成本，大面积结构制造方法的较强竞争力。本发明所推荐的实施例也将对本领域的发展作出贡献。
申请专利GB2330687B提出了用大面积场发射器来制造场发射显示器(FED)阴极平面的低成本制造方法。附图中的1a和1b表示了采用该方法制造的阴极平面结构，在该结构中，在衬底10(通常为玻璃)上重叠了阴极导轨11，发射器层12，聚焦栅极导轨13，门绝缘体14和门导轨15。所有这些导轨和层是用低分辨率方法(诸如印刷方法)沉积的。然后在表面涂覆光刻胶，采用曝光和显影的方法在光刻胶上制成孔隙16，以确定发射器单元的直径。随后采用不同刻蚀率的自对准工艺来制成发射器单元和暴露出发射器层12。设置相对于发射器层12为正电位的门电极15，将电子17发射到器件中。
虽然本发明具有超越早期技术的很多优点，但是它最适用于表面粗燥度明显小于门绝缘层厚度的发射器层。
许多号称大面积的发射器包含了形成发射器本身或是与宏观电场有关的复合发射器的一部分的颗粒。这种类型发射器的实施例在申请说明书GB2332089和GB2330687中作了描述。结合图解的图2a显示了一个典型发射器结构，在这个结构中，衬底210(通常为玻璃)上具有一层在绝缘介质213中沉积了导电粒子212的覆盖导电层211。一旦施加了电场，就形成了传输和“加热”的电子的导电沟道214，使电子从215发射到真空。“沟道”或“导电沟道”，我们是指通常可采用诸如电荷注入或加热等过程来局部改变其特性的绝缘区域。这样的改变可促使注入电子从后导电接触进入绝缘层，这样电子可以通过它运动增加能量和被发射出去或通过表面势垒进入真空。在晶体中，注入的电子可直接进入导带，而在无定形材料情况中，电离的导电电子有可能在能带上。为了优化这一性能，在颗粒上面和下面的绝缘层厚度应该比颗粒的尺寸小。要达到这个条件，发射器表面粗糙度趋向具有和颗粒尺寸相同数量级的粗糙度。典型的颗粒尺寸常为几个微米。
结合图解的图2b显示了一个例子的情况，其中，在标明为4微米厚的门绝缘层中所构成的8微米直径的发射单元中使用了具有2微米颗粒的发射器。层状结构如下所示：衬底210(通常是玻璃)，导电阴极导轨211，在绝缘介质228中的导电颗粒227，聚焦栅极导轨222，门绝缘层223和门导轨224。发射器单元的孔隙225的恰好暴露了潜在的发射器226。从器件的可操作性的观点来看，这个例子可以满足所谓的FED的使用，因为显示器的门和阳极之间的高电场趋于拉直电子的轨迹。
结合图解的图2c显示了一个非常不足的事件，其中，大的颗粒和与之结合的绝缘涂覆层230破坏了门结构，从而形成了两个潜在的发射点。由于只有在门电极224开启条件下电子232才能发射，发射点231才存在。潜在的发射点233存在的主要问题是因为在门和阳极之间直流电场的影响下它会发射连续和不可控的电流。在显示器件中，这将导致一个永久的亮点和划痕面。
我们希望能在这种器件中，电极和门结构采用平滑薄膜材料制备且首先制备，将含有的颗粒发射层附加作为最后的操作。
现在讨论结合图解的图3a，Geis等(J.Vac.Sci.Technol.8 14(3)May/June1996)提出了包括采用沉积在导电硅衬底300上生长的二氧化硅层302上的门电极303来形成门结构的技术。发射单元301采用标准的半导体制造工艺来制备。含有金刚石颗粒粘接剂305用橡胶滚轴压进空的发射器单元里。装配填入过程是加热到1080℃减少空气并排出成型合，形成紧凑结构320，如附图3b所示，在金刚石和硅之间有良好的电和机械接触。镍可以加进粘接剂促进电子接触。最后的装配是等离子处理然后铯激活以减少亲和力。Geis状态虽然这种结构发射很好，有很大的门电流。附图3c所示有可能当电压分别加到332和331和门303和阳极330时可能同时会发生电流流过集中和发射直接到门334情况。这种假象电流与所考虑的发射电力333相比要大。我们认为采用这种方法得到的这个结果是必然的，因为金刚石颗粒趋于紧贴发射器单元的侧壁。另外的问题是在门右上部的发射碎片335，那里会产生不可控的电流336。解决的办法是采用喷射方法或电泳沉积，但是没有详细介绍。
Danroc(美国专利5,836,796)提出了用电泳来沉积具有金刚石颗粒发射器的微尖锥发射器来增强发射。用电镀法的金属添加沉积在金刚石和金属微尖锥间提供了好的电接触。Danroc仅仅关注微尖锥。
Jin(美国专利5,811,916)关注使用非常特殊的金刚石材料类型的场发射显示技术。Jin指出在过去电泳的使用沉积这种材料的颗粒，它本身是一种发射材料，在衬底上，但是没有详细介绍。
EP-A-0932180提出用导电颗粒固定在已经确定图形的衬底上形成场发射器。颗粒均匀地被沉积，并且去除不需要地区域形成的图形。颗粒作为发射材料暴露作为发射材料本身。
FR-A-2723255改进标准尖锥发射器技术(即使用铝隔离层)为金刚石薄膜。说明书介绍了金刚石薄膜沉积到一种结构上，并且用溶解隔离层22方法去除随后要去除的材料。金刚石被均匀沉积，并去除不需要的区域形成图形。金刚石被假定为发射材料本身。
本发明推荐的实例的目的是提出一个改进的场发射结构，其特征在于含有颗粒的复合场电子发射器是在原有的制造电极结构中原来位置上制备的。上述所推荐的过程包括在电极结构中采用电泳来优化颗粒的位置。发射结构可用于器件，其中包括：场电子发射显示平面；高功率脉冲器件如电子MASERS和振动陀螺仪；交叉场微波管如CFAs；线形束管如电子调速管；快速X射线管；触发放电间歇和相关器件；杀菌(sterilisation)用大面积X射线源；真空计；空间飞行器用离子推进器；粒子加速器；灯具；臭氧发生器；和等离子反应器。
在本发明的一个方面是：提供了一种在至少部分预成型的电极结构中制备大面积场电子发射器方法，方法包含步骤有：
a)在选择上述所说电极区域有一个掩膜层，用以定义上述所说电极的掩膜区域和不掩膜区域。
b)在步骤a后，在上述所说的电极结构中没有掩膜区域至少应用了第一颗粒组分和第二组分，这样上述所说的第一颗粒组分有选择地朝向所要求的上述所说的无掩膜区域中的位置，因此避免了上述所说的无掩膜另外位置；并且
在步骤b)之后：
c)从上述所说的有选择区域去除所说的掩膜层，同时去除在所述掩膜层内的任何漂浮物材料；并且
d)在上述所述所要求的电极位置处理上述所说的第一颗粒组分和第二组分，在上述所说的所要求的电极结构上产生有发射点的大面积场电子发射材料。
这里推荐，步骤d)在步骤c)后进行。
上述所说的第一颗粒组分的颗粒可以在步骤b)中以一定数量的电导颗粒分散在一种电绝缘材料的溶剂或电绝缘材料的胶质或化学先驱体中，因此经过步骤d)的处理产生上诉所说的电导颗粒被涂布在所说的电绝缘材料。
步骤d)的工艺可以包括去除溶剂和分散无效成分。
上述所说的溶剂和分散剂的液体成分可以是已经溶解在一种化学先驱体作为上述所说的电绝缘材料，并且方法可以包括用加热，超紫外光或另外产生分解的方法溶解先驱体产生电绝缘材料。
上述所说的先驱体可以是溶胶-凝胶形式。
上述所说的先驱体可以含有可溶性的聚合体。
上述所说的第一颗粒组分的颗粒可以是预先电绝缘材料涂布的电导颗粒。
上述所说的电绝缘材料可以含有硅化物。
步骤(b)可以包含通过一孔隙将第一颗粒组分和第二组分用甩胶方法施加至上述所说的电极结构的被选择区域，该孔隙在电子结构上提供，且将第一颗粒组分的颗粒的方向有选择指向所需的位置。
上述所说的间隔可以作为上述所说的电极的一部分，它横跨在凹槽上形成的上述所说的电极结构，因此这样上述所说的第一颗粒组分和第二组分被指向被选择的上述所说的凹槽底部而不是该凹槽的侧面。
上述的凹槽可以包含向凹槽底部倾斜的侧壁。
最好，每个上述的凹槽都采用湿法刻蚀工艺形成，在上述横跨在各个凹槽上的电极结构地各个部分下面形成凹陷部分。
上述的电绝缘材料可以是一种胶状的散料或是随后与通过形成固相的加热作用一起烧结的细颗粒。
以上所说的方法可以包括应用上述的金属颗粒并且随后氧化金属形成电绝缘材料的方法。
所述电极结构包括一阴极导轨，在该阴极导轨上形成所述复合大面积场电子发射器，其上述的金属也可以应用于阴极导轨。
上述的金属可以采用电镀。
最好，上述的颗粒是导电颗粒，它可以含有石墨。
步骤d)过程可以产生所述导电颗粒，每个导电颗粒具有一电绝缘材料层，该电绝缘材料层沉积在上述的导电表面和颗粒之间的第一位置，并且/或者沉积在上述的颗粒和构成电极结构环境之间的第二个位置，这样至少有一些颗粒在第一和/或第二位置形成电子发射点。
上述方法可以包括添加导电颗粒和/或电绝缘材料层以进一步改进电子发射的方法。
上述方法可以包括在步骤b)和c)步骤之间的固化或部分固化的其它步骤。
上述的步骤d)可以包括固化的步骤。
最好，上述的电极结构已经预成型了发射单元，并且上述要求的位置是在所述的发射单元内部。
最好，所述电极结构包括多个孔，且上述所要求的每个所述第一颗粒组分有选择性地直接置于的位置位于各个所述孔的底部。
最好，所述电极结构包括一个导电表面，且上述所要求的每个所述第一颗粒组分有选择性地直接置于的位置都在所述导电表面。
上述的颗粒可以载流子的形式在步骤b)中应用，其方法包括随后从上述的电极结构中去除过量载流子的步骤。
上述的过量载流子也可以采用橡胶滚轴或类似的方法来去除。
最好，上述的颗粒选用受电泳的影响。
最好，在步骤a)完成上述的掩膜层作为一部分工艺，从而在执行步骤(b)之前形成上述电极结构的一部分。
最好，上述的第二组分是用于在步骤(d)形成的电绝缘层的先驱体。
本发明的另一方面提供了一种构成场电子发射器件的方法，它包含上述的制备复合大面积场电子发射器的步骤，以及使上述的发射器受电场作用产生电子发射的步骤。
在上述的方法中，可以包含具有上述场电子发射器的发射点阵列的衬底，和具有空隙对准阵列的控制电极，电极由绝缘层支撑在发射点上。
最好，上述的空隙是狭缝形状。
在上述的方法中，所述器件可以包含等离子体反应器，电晕放电器件，消音放电器件，臭氧发生器，电子源，电子枪，电子器件，X射线管，真空管，气体充气器件或离子推进器等。
在上述的方法中，场电子发射器可以提供器件工作的所有电流。
场电子发射器可以为器件提供启动，触发或放电功能。
所述的器件可以包含显示器件。
所述的器件可以包括灯具。
上述的灯具可以是基本扁平的。
上述的发射器可以通过限流的镇流电阻与电子驱动装置相连接。
上述的镇流电阻可以作为每个上述的发射点里的电阻性引脚。
上述的发射器材料和/或荧光粉可以涂覆在一个或多个导电导轨的一维阵列上，导轨采用电子驱动的方式排列成可寻址以产生扫描发光线。
这种器件可以包含上述的电子驱动方式。
上述的场发射器可以置于气体，液体，固体，或真空环境中。
上述的器件可以包含半透光并相对于阳极而设置的阴极，从阴极发射的电子碰撞阳极，在阳极上产生电致发光，通过半透光阴极的电致发光是可见的。
应该意识到，电学术语中的“导电”和“绝缘”是相对的，取决于它们的测量依据。半导体具有有用的导电性能，从而可作为导体在本发明中使用。在本说明书的内容中，绝缘材料的电阻率至少是导体材料的102倍(且最好至少103倍或104倍)。
为了更好的理解本发明，并且显示这些实施例如何取得实施效果，现在将采用一些举例，附图的方法作为参考，其中图1到3已经在前面提到，其余：
图4a到4e说明了制备大面积场电子发射器方法的一个例子的步骤；
图5a到5c说明了制备大面积场电子发射器方法的另一个例子的步骤；
图6a到6c说明了制备大面积场电子发射器方法的另一个例子的步骤；以及，
图7a到7c说明了采用大面积场电子发射器的器件的例子。
本发明的实施例可具有许多应用，并且在下文的实施例中将描述其中部分应用。应该理解，以下的描述是仅仅说明一部分的发明实施例。业内的技术人士能够作出各种不同变动和改进。
实施例1
我们以举例的办法来描述采用在我们的专利GB2 304 989 B中提到的MIMIV发射器系统的发射器结构。在本实施例中，发射器的复合层是装配在一个发射单元内，就是说，作为它的显示部件。在我们的专利GB2 304 989B中所提到的发射器，通常采用墨水甩涂的方法沉积在平面上。这些墨水含有绝缘先驱体，如聚合体或溶胶-凝胶；作为前驱体的溶剂；加入导电颗粒的分散剂和表面活性剂。接下来甩涂，层状膜热处理，以形成最终的膜。一种这类墨水含有硅溶胶-凝胶，它是溶解在由分散的石墨颗粒作为悬浮物的丙醛-2-ol中。在甩涂后，置于空气中进行450℃的热处理，以固化层膜。读者可直接参考同时审理中的申请PCT/GB00/02537，附属于本申请的说明书和附图的复印件。
一种合适墨水的配方是：
1)溶胶-凝胶的制备
先将硅酸四乙脂(10ml)和MOS级丙醛-2-ol(47ml)相混合并且在1000次/分钟搅拌下冷却至5-10℃。然后在搅拌混合物中加入浓硝酸(0.10g)与去离子水(2.5g)配比的溶液中。2小时后，混合物被放到封闭的容器中，并且存放在温度设定为4℃的冰箱内待用。
MOS级丙醛-2-ol的比例在测试中调整，以便于校正在发射器单元中所使用的颗粒的数量以及它们和绝缘固体的比例。
2)分散准备
标称为6微米的石墨颗粒(0.150g)与用0.2微米的过滤器预先过滤的上述(1)中所提到的分散的溶胶-凝胶(9.850g)相混合，并用高功率超声探头超声振动10分钟。样品冷却至室温并采用超声搅拌10分钟。这样就获得了所需要的象黑色悬浮物的墨水。混合物放入封闭的容器并存放在4℃的冰箱内。
图4a显示了衬底(通常为玻璃401)；阴极导电导轨402(典型的是金)；绝缘层403(通常为玻璃)；以及门导电极404(典型的是金)。光刻胶层405保证了在其后的自对准过程中形成发射器单元410。这种结构可以采用在图1a和1b中概念性提及的工艺来制造，但是失去了发射器层12和聚焦栅极层13。这个工艺在我们的专利GB2 330 687 B中有完整详细的介绍，读者可直接阅读。对业内人士来说，采用怎样合适的工艺来制造图4a所介绍的结构，都是非常清楚的。然而，本发明并不局限于使用这种工艺来制备结构。也可以使用另外的方法，如标准半导体制造技术。
再次参考图4a，将含有颗粒408和绝缘先驱体溶液的墨水407采用橡胶滚轴406的方法填入到空的发射单元内。在滚压过程中，一些不需要的与绝缘先驱体相结合409的颗粒将不可避免的沉积在覆盖门电极的光刻胶层405上。
在工艺过程的这点上，我们在每个发射单元有一个墨水的计量体积。调配墨水，使得墨水的体积含有足够多的颗粒能稍微覆盖着单元底部，并含有足够的绝缘先驱体一旦发生固化时能形成所需要的绝缘层厚度。如果固化过程立即进行，将产生表面张力，极有可能使得许多颗粒从整个单元的底部剥离或固定在它的侧壁上。
图4b显示了如何避免这种问题。无论在其后的滚压过程或在它开始之前，电位411是加在阴极导轨402和门电极404之间的。在悬浮物413中的颗粒将扫出悬浮物并且以电泳方式直接覆盖阴极导轨402。当使用绝缘溶剂时，要求阴极导轨相对门导轨偏置为正的。所要求的电场范围为几十至几百V/cm。任何黏附到单元壁和随后固化的绝缘先驱体都没有颗粒，这样不会形成发射点。
滚压的另一种方法可以是使用如英国Litlington，Royston，Hertforshire，的RK印刷涂覆设备有限公司所提供的K-涂覆器(线材滚轧)来涂覆悬浮物。同样，为特定目的而设计分配器装置，例如，可以利用狭缝挤出悬浮物。
接下来的电泳沉积步骤中，按照下列条件衬底置于热板上；a)热板表面的测量温度为50℃，保持10分钟；b)热板表面的测量温度为120℃，保持10分钟。
我们现在看图4c中，在单元底部存在着部分固化的发射器层421，以及在门405表面也存在着不希望的潜在的发射器409。
转到图4d，将配件431放入有MOS级丙酮的超声清洗机中。清洗机在搅拌配件的同时工作10-20秒。在这个过程中，光刻胶层434和不希望的碎片同时被剥离过程去掉，在门电极404的表面外得到了一个相当平的平面436。
然后，将配件的两面同时用MOS级丙酮，再用MOS级丙醛-2-ol清洗。
随后的电泳沉积步骤中，在下列条件下衬底被放入热板：a)热板表面的测量温度为50℃，保持10分钟；b)热板表面的测量温度为120℃，保持10分钟。
然后按照下列条件衬底放入烘箱(空气气氛)：室温到450℃，升温速度10℃/分；在450℃下保温120分钟；随后自然冷却到室温。
最终的发射器结构见图4e。
实施例2
转到图5a，采用更通用电泳的方法。液槽602含有在绝缘先驱体溶液603中的悬浮颗粒605。可以使用和实施例1相似的配方，但是颗粒的浓度大大减少。将要被涂覆的衬底600(同时具有常规的导轨，膜和发射器单元，正如上面所提及的图4一样)被悬浮在液槽内并且电源604一端的电接头608在阴极导轨处形成。门电极607电位可以悬浮，最好是涂覆一层光刻胶609。一个反向电极601连接电源604的另一个端点。在施加了几十至几百V/cm范围的电场后，颗粒在电泳作用下有选择的涂覆到发射单元606的底部上。
现在衬底从液槽中移出并排干，如图5b所示。虽然这个方法能够产生可以接受的结果，可以看到悬浮物611中颗粒可以保持在发射器单元腔体内，正如如图5c所示，但在固化后残留在不希望的位置620中。如果不使用光刻胶609或随后又不去除的话，在门表面将保持着潜在的发射碎片610。
实施例3
现在转到图6a和6c，介绍了一种直接把发射器材料置于所希望位置的方法。这个方法的优点是当使用湿法刻蚀工艺时会自然产生凹陷。
图6a显示了一个部分完成的门场发射结构的剖面图，图中标记401到405具有前的实施例中相同含义。发射器单元800采用典型的湿法刻蚀工艺而形成的斜边。门电极404有一个与阴极导轨402对准的孔隙802，并且悬在由湿法刻蚀工艺产生的凹槽的斜边上面。目的是要将发射器材料810沉积到阴极导轨803，同时避免覆盖了在发射器单元的侧边暴露的门绝缘层801。如果发射器材料是喷涂到门表面上，最好采用校准的喷涂809，例如可以由喷墨打印头808获得，悬挂门电极404将起掩膜作用，保持门绝缘材料的斜边干净。随着打印头808来回在结构上移动，不需要的材料811会喷到门电极404表面，落在光刻胶层405上，正如前面所提到的，它们许多可以在随后的剥离工艺中去掉，得到如6b所示的最后完成的结构。
在这个实施例中，所介绍的方法可以用于作为在前面提到实施例1中的复合发射器，采用共沉积导电颗粒和由液相前驱体构成的绝缘体来形成发射器材料810，如图6b所示。另外，如图6c所示，完整制备的基于颗粒的发射器(例如，已经被GB 2 304 989中所提到的绝缘薄层所覆盖的导电颗粒)可以有选择性的沉积，既可以是在液体介质中悬浮也可以是形成干颗粒甩涂的悬浮。当到达适当位置，颗粒820可以用溶料或烧结方法黏结。
有关复合发射器的原位装配的方法可以适用于较宽范围的情况。例如，同溶胶-凝胶和可溶解绝缘先驱体(例如聚合体)一样，胶质和细小的颗粒悬浮物可以使用。
绝缘组件可以采用阴极导轨和随后被氧化的颗粒(例如，采用电镀)的金属来构成。
颗粒也可以利用惰性液体介质采用电泳沉积和在这之前和/或后面的工艺步骤中沉积绝缘材料。另外的工艺步骤可以引入以增加电子发射增强界面和表面层，正如在我们在共同申请的GB 2 340 299中提到的。
于是，在以上所介绍的发明实施例中，电极结构所选择的区域是由掩膜层确定的，并且将第一颗粒组分和第二组分随后涂覆在这些选择区域。采用选择性直接将颗粒置于这些选择区域内的所要求的位置上，这样导致了颗粒竖立在所要求的发射点而不是在不要求的发射点的地方的优点。用掩膜层掩膜可以得到另一个有用的制造上的优点，在再次将第一颗粒组分和第二组分涂覆在所选择区域之前，掩膜层已经用于部分形成电极结构的目的。
正如前面所说的，利用改进发射器材料而获得的场电子发射电流可应用于较宽范围内的器件，它包括(也包括在其他之中)：场电子发射显示平面；灯具；诸如电子MASERS的高功率脉冲器件和振动陀螺仪；如CFAs的交叉场微波管；如电子调速管的线性束管；快速X射线管；触发放电间歇和相关器件；用于杀菌的大面积X射线源；真空计；空间飞行器使用的离子推进器；以及粒子加速器。
部分这些实施例在图7a，7b，7c中说明。
图7a显示了一个可用于场发射显示器的可寻址的门控制阴极。结构由绝缘衬底500，阴极导轨501，发射层502，电连接到阴极导轨的聚焦栅极层503，门绝缘体504，和门导轨505所组成。门导轨和门绝缘体与发射器单元506预先成型。在所选择的阴极导轨上的负偏压偏置和加在门导轨上的正偏压使得发射的电子507射向阳极(没有显示)。
如要进一步了解详细的场效应器件的结构，读者可直接查阅我们的专利GB2 330 687B。
电极导轨可以融合在每层中，以形成在众多器件中有较好应用的可控制的但是不可选址的电子源。
图7b显示了以上所说的可编址结构可以用玻璃熔融密封513，并连接到上面有荧光屏512的透明阳极板511上。平板之间的间歇被抽成真空，以形成一个显示器。
为了便于说明和解释，虽然只介绍了单色显示器，但是这些技术有助于业内技术人士对采用三基象素来产生彩色显示的相应结构的理解。
图7c显示了一种使用以上所描述的材料的扁平灯具。这种灯具可以用于提供液晶显示器的背光源，当然不排除其他方面的应用，如房屋照明。
灯具含有一个在上面沉积了导电层521和发射层522的阴极板520。前面所提到的(以及这里，在我们另外的专利申请中所提到的)镇流层可以用于改善发射的均匀性。透明阳极板523上面有一层导电层524和荧光层525。玻璃熔融密封环526和两个板之间的空隙。空隙内部被抽成真空。
这种器件的操作和结构仅仅是本发明很多应用实施例中的一种例子，对熟悉本专业的人士来说，是很容易理解的。本发明所推荐的实施例能在发射器层原位装配之前印刷电极图形，并能够以最佳的成本来印刷扩展的复杂多发射器图形，例如显示器所需要的。更进一步，能在低成本衬底材料如玻璃上印刷；然而典型的微加工结构建立在高成本的单晶衬底上。在本说明书的内容中，印刷意指一种在所指定的图形内设置或形成发射材料的工艺。合适工艺的举例有(包括其他)：屏印刷，静电复印技术，光刻，静电沉积，甩涂，喷墨印刷和平板印刷。
含有本发明的器件可以做成所有尺寸，大的和小的。这个应用特别适用范围从单个象素到多象素器件，从小型到宏观尺寸的显示器。
发射器结构的短效的运载器可以用于许多实施例。
在这个说明书中，动词“包含”具有它常有的字典中的意思，以及用于表示非唯一的含义。单词“包含”的使用(或任何它的派生词)时为了包括一个或多个特征，但不排除也包括了另一些特征的可能性。
读者可直接关注所有当前或之前与这个应用有关的说明书文章和文件，并且这个说明书是公开向公众审查，并且所有这些文章和文件的内容是作为参考文献引入在这个说明书里。
所有在本说明书中的提出特征(包括附属的权利要求，摘要和图)，和/或提出所有方法和工艺步骤，可以进行组合，除了组合中有些特征和/或步骤是相互排斥的。
在本说明书中所披露的每个特征(包括附属的权利要求，摘要和图)，可以有选择的相同的，等效的或同样目的特征替代，除非有另外明确规定。于是，除非另外有明确规定，披露的每个特征仅仅是等效和相似特征的通常系列中的一个例子。
本发明不受前面提到的实施例细节的限制。本发明扩展到在本说明书中披露(包括附属的权利要求，摘要和图)的任何新的，或新的组合特征，或任何所披露的方法或工艺步骤的新的或新的组合特征。

Claims (47)

1.一种制备复合大面积场电子发射器的方法，其中电极结构部分预成型，方法包括以下步骤：
a)在上面所说的电极结构的被选择区域制备掩膜层，用于定义电极结构掩膜的区域和无掩膜区域；
b)在步骤a)后，在上述电极结构的无掩膜区域涂覆至少第一颗粒组分和第二组分，以便于第一颗粒组分能有选择性的直接置于上述的无掩膜区域内的所要求的位置，从而避免了在其它无掩膜区域的位置上的设置；以及，
在步骤b)之后
c)从上述所说的被选择区域去除上述所说的掩膜层，同时去除在所述掩膜层上的任何漂浮物材料；并且
d)对上述所说的第一颗粒组分和第二组分进行处理从而在所要求的电极结构的位置上制备有发射点的大面积场电子发射材料。
2.如权利要求1中所提到的方法，其中步骤d)是在步骤c)后进行。
3.如权利要求1或2中提到的方法，其中所述第一颗粒组分的所述颗粒被用于步骤b)作为在电绝缘材料的溶液或电绝缘材料的胶质分散剂或一种化学先驱体中的多个导电颗粒，从而步骤d)的工艺使导电颗粒涂布到电绝缘材料中。
4.如权利要求3中所述的方法，其特征在于：步骤d)的工艺包括去除上述的溶剂或分散剂的不稳定组分。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：上述溶剂或分散剂的液体成分已经溶解在化学先驱体中作为电绝缘材料，并且该方法包括用产生分解的方法分解化学先驱体，从而形成上述的电绝缘材料。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述产生分解的方法为加热或通过紫外光进行辐射。
7.如权利要求5中所述的方法，其特征在于：上述的先驱体是溶胶-凝胶状。
8.如权利要求5中所述的方法，其特征在于：上述的先驱体包含可溶解的聚合体。
9.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：上述第一颗粒组分的颗粒包含用于电绝缘材料预涂敷的导电颗粒。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于：上述的电绝缘材料包含二氧化硅。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤b)包括通过一孔隙甩涂上述的第一颗粒组分和第二组分到上述电极结构的被选择区域，该孔隙在电极结构中提供，且将第一颗粒组分的颗粒有选择的直接置于所要求的位置。
12.如权利要求11中所述的方法，其特征在于：上述的孔隙由横跨在电极结构中的凹槽上的上述的电极结构部分所确定，于是，上述的第一颗粒组分和第二组分直接选择性地置于凹槽底部而不是该凹槽的侧面。
13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于：上述的凹槽有向凹槽底部向内倾斜的侧边。
14.如权利要求13中所述的方法，包括采用湿法刻蚀方法构成每个上述的凹槽的步骤，所述湿法刻蚀方法在横跨各个凹槽的电极结构的每个部分下面都构成了凹坑。
15.如权利要求3所述的方法，其特征在于：电绝缘材料是胶质分散剂形式或细小颗粒形式，所述胶质分散剂或细小颗粒随后通过加热被烧结在一起以形成固相。
16.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，所述第二组分为金属，且步骤d)包括将该金属涂覆到所述第一颗粒组分的颗粒上并随后对该金属氧化以形成电绝缘材料的步骤。
17.如权利要求16中所述的方法，其特征在于：所述电极结构包括一阴极导轨，在该阴极导轨上形成所述复合大面积场电子发射器，且上述的金属还施加于所述阴极导轨。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：上述的金属通过电镀来施加。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上述第一颗粒组分的所述颗粒是导电颗粒。
20.如权利要求19中所述的方法，其特征在于：所述导电颗粒含有石墨。
21.如权利要求19或20中所述的方法，其特征在于：步骤d)的工艺产生所述导电颗粒，每个导电颗粒具有一电绝缘材料层，该电绝缘材料层沉积在介于所述导电表面和所述颗粒之间的第一位置，和/或沉积在所述颗粒和构成电极结构环境之间的第二个位置，这样至少有一些所述颗粒在第一和/或第二位置形成电子发射点。
22.如权利要求21中所述的方法，其特征在于，步骤d)包括添加上述的导电颗粒和/或电绝缘层材料的步骤，从而进一步提高电子发射。
23.如权利要求1或2所述的方法，包括在步骤b)之后和步骤c)之前固化或部分固化所述组分的步骤。
24.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述的处理步骤d)包括固化所述组分的步骤。
25.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述的电极结构有预成型发射器单元并且上述所要求的位置在发射单元内。
26.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述电极结构包括多个孔，且每个上述所要求的所述第一颗粒组分有选择性地直接置于的位置位于各个所述孔的底部。
27.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述电极结构包括一个导电表面，且每个上述所要求的所述第一颗粒组分有选择性地直接置于的位置都在所述导电表面上。
28.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述的颗粒以载流子的形式在步骤b)中应用，并且该方法包括随后从电极结构中去除过量载流子的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于：上述的过量载流子用橡胶滚轴去除。
30.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述颗粒的方向受电泳影响。
31.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述在步骤a)提供的掩膜层被用来形成上述电极结构的至少一部分。
32.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述第二组分是用于电绝缘材料的先驱体。
33.一种构成场电子发射器件的方法，包含通过以下的步骤a)到d)在至少部分完成的电极结构内制备复合大面积场电子发射器的初始步骤：
a)在上面所说的电极结构的被选择区域制备掩膜层，用于定义电极结构掩膜的区域和无掩膜区域；
b)在步骤a)后，在上述电极结构的无掩膜区域涂覆至少第一颗粒组分和第二组分，以便于第一颗粒组分能有选择性的直接置于上述的无掩膜区域内的所要求的位置，从而避免了在其它无掩膜区域的位置上的设置；以及，
在步骤b)之后
c)从上述所说的被选择区域去除上述所说的掩膜层，同时去除在所述掩膜层上的任何漂浮物材料；并且
d)对上述所说的第一颗粒组分和第二组分进行处理从而在所要求的电极结构的位置上制备有发射点的大面积场电子发射材料；
所述方法还包括使上述的发射器受电场作用产生电子发射的步骤。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，步骤d)是在步骤c)后进行的。
35.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，所述器件包含具有场电子发射器的点阵列的衬底，和具有对准的孔隙阵列的控制电极，控制电极由绝缘层支承在发射器的点上。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：孔隙是狭缝形式。
37.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，所述器件包括等离子体反应器，电晕放电器件，消音放电器件，臭氧发生器，电子源，电子枪，电子器件，X射线管，真空管，气体充气器件或离子推进器。
38.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于：场电子发射器提供了器件工作的总电流。
39.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于：场电子发射器为器件提供启动，触发或放电电流。
40.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，所述器件包括显示器件。
41.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，所述器件包括灯具。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于：灯具基本上是平的。
43.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于：上述的发射器通过限流的镇流电阻与电子驱动部件相连接。
44.如权利要求35所述的方法，其特征在于：镇流电阻作为每个上述的发射点里的电阻性引脚。
45.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于：上述的发射器材料和/或荧光粉涂覆在一个或多个导电导轨的一维阵列上，导轨采用电子驱动的方式排列成可寻址以产生扫描发光线。
46.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于：上述的场发射器置于气体，液体，固体，或真空环境中。
47.如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，所述器件包括半透光并相对于阳极而设置的阴极，从而使从阴极发射的电子碰撞阳极，在阳极上产生电致发光，通过半透光阴极的电致发光是可见的。
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