CN100501498C - 场致发射器件和形成场致发射器件的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成场致发射器件的方法，所得器件包括由纤维段形成的发射器。在纤维段上形成半径充分小的尖端，其方式是将所述尖端暴露至反应液体中一段时间。在所述尖端上包覆低功函数导电材料，以形成发射器。

Description

场致发射器件和形成场致发射器件的方法

本申请是于2004年1月8日提交的共同所有的申请No.10/754365的部分延续，在此将其引入仅供参考。

技术领域

本发明总体上涉及一种场致发射器件，更具体而言，涉及一种包括包覆了导体的电子发射纤维尖端的场致发射器件的形成方法。

背景技术

经常在各种应用中发现场致发射器件的身影，例如在平板显示器(FPD)、离子枪、电子束平面印刷术、高能加速器、自由电子激光器、电子显微镜等当中。典型的场致发射器件包括阴极和多个场致发射器尖端、紧密靠近所述发射器尖端的网格栅(grid)和与所述阴极间隔较远的阳极。电压引发电子从尖端穿过网格栅朝向阳极发射。

图1是常规三极管型场致发射器件100的简化图示，三极管型场致发射器件100包括发射电子的发射器102、用于控制从发射器102产生的电子量的栅电极104和位于所述栅电极104之上的阳极106。从源电极108向发射器102有选择地施加电流，其取决于施加到晶体管的栅电极110的电压。向栅电极104施加用于从发射器102放射电子的高压。

阴极材料特性在预测性能时很重要。阴极材料通常为诸如Mo等的金属，或诸如Si等的半导体。对于金属和半导体材料而言，发射所需的控制电压较高。高控制电压增大了由离子轰击和表面扩散引起的阴极尖端上的损伤，并使高功率密度成为了产生所需的发射电流密度的必要条件。到目前为止，制造均匀的尖锐尖端是困难、缓慢而且昂贵的，尤其是在大面积上制造时更是如此。

作为具有潜在使用性的电子场致发射器，最近出现了另一种被称为纳米级(nanoscale)导体的发射器。纳米级导体是微小的导电纳米管(中空)或纳米线(实心)。典型地，纳米级导体是以不易于或不便于结合到场致发射器件当中的随机取向、针状或细意大利面(spaghetti)状粉末的形式生长的。由于这种随机构造，无法充分利用或优化电子发射属性。可以从整体上埋入很多纳米级导体尖端。

因此，需要一种改进的方法来形成在场致发射器件中使用的发射器。

发明内容

本发明提供了一种制造用于场致发射器件的发射器的方法和一种采用这样的方法制造的用于平板显示器等的场致发射器件。

在本发明的一个方面中，提供了一种形成包括发射器的器件的方法。所述器件的形成包括：将多个束结到一起的纤维段的一端暴露至反应液体，使所述反应液体与所述纤维段的所述末端反应，形成束结到一起的尖端的阵列。在尖端阵列上淀积通常为低功函数材料的导电材料。在其上形成了构图栅电极的经包覆的阵列尖端构成的阵列上淀积介电层。去除所述介电层的部分，以从所述经包覆的尖端的阵列中暴露经包覆的尖端的至少一部分。

在本发明的另一方面中，提供了一种包括阴极板和阳极板的场致发射器件。阴极板是通过下述方式形成的：将多个束结到一起的纤维段的一端暴露至反应液体，使所述反应液体与所述纤维段的所述末端反应，形成束结到一起的尖端的阵列；在所述尖端阵列上淀积导电材料；在所述经包覆的尖端阵列上淀积介电层；在所述介电层上形成栅电极；以及去除一部分所述介电层，以暴露所述经包覆的尖端的至少一部分。

阳极板是通过下述方式形成的：提供具有淀积于其上的透明导电材料的透明衬底；在透明衬底上形成介电间隔体；并对所述介电间隔体的选定区域进行蚀刻，以形成容纳彩色磷光体的室。将所述阳极板和所述阴极板形成到一起，从而将所述被蚀刻的选定区域与所述暴露的经包覆的尖端对准，以形成发射器胞腔。

可以将所述发射器胞腔抽成真空并对其密封。可以将所得场致发射器件与公知的控制电子元件一起使用，以形成基于场致发射器件的平板显示器。

根据本发明的制造场致发射器的工艺比典型的发射器制造工艺容易，因为该工艺简单、不复杂。本发明的工艺不需要为形成所述发射器而单个单个地构图任何结构。

此外，根据本发明的制造发射器的工艺提供了更好的尖端控制。有利地，可以将所述尖端制成具有小于1μm的尖端半径。所述的能够采用本发明的方法形成的充分小半径的尖端允许以比采用常规制造方法时低的工作电压发射电子。

在所述制造工艺中不需要净室或其他专门设备。而且，本发明的工艺尤其适于制造大的单片场致发射器，例如约为70英寸×70英寸，甚至更大的场致发射器。

本发明的范围由权利要求限定，在此将其引入本部分以供参考。通过考虑下文对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将更为充分地理解本发明的实施例，以及其额外优点的实现。将参考附图，首先将对附图进行简要说明。

附图说明

图1是典型场致发射器件的简化图示；

图2是说明形成根据本发明实施例的发射器阵列的工艺的流程图；

图3是根据本发明实施例的一片柱形构件的简化图示；

图4A是根据本发明实施例的蚀刻槽(etching bath)的简化图示；

图4B是根据本发明实施例的发射器阵列的简化图示；

图5是根据本发明实施例在受到蚀刻处理之前和受到蚀刻处理之后各构件段的简化图示；

图6A和图6B分别是根据本发明实施例的经包覆的发射器和经包覆的发射器阵列的简化图示；

图7A到图7D是根据本发明实施例形成阴极板的工艺的简化图示；

图8是根据本发明的实施例通过平版构图(lithographic patteming)形成的形成有容纳RGB彩色磷光体的容室的阳极结构的简化图示；

图9是根据本发明实施例的场致发射器件的简化图示；以及

图10是根据本发明实施例的采用图9的FED的系统的示意图。

通过参考下述详细说明，本发明的实施例及其优点将得到最佳的理解。应当意识到，采用类似的附图标记表示在一幅或多幅附图中示出的类似元件。

具体实施方式

图2是说明根据本发明实施例形成电子发射器阵列的阴极板部分的工艺200的流程图。工艺200包括形成或提供一束柱形构件，例如由玻璃(SiO₂)、塑料等构成的柱形杆或纤维(s202)。将所述柱形构件束切成由柱形构件段构成的一个或多个片(s204)，其中每一片具有第一面和第二面。

可以对每一片中的每一柱形构件段(cylindrical member segment)的末端抛光，从而获得平滑末端(s206)。在一个实施例中，工艺200还可以包括对所述片的一面或两面进行修正，从而将所述片的面形成为从平直表面到更为圆润或弯曲的表面变化的表面。

对所述片中的每一构件段的末端蚀刻，以形成尖端(s208)。柱形构件段构成的每一片的面受到液浴或液体喷涂形式的反应性液体处理。在一个实施例中，柱形构件段构成的片至少部分浸入到液浴当中，所述液浴包括蚀刻液体。在另一个实施例中，将合适的蚀刻液体喷涂到柱形构件段构成的片上。所述蚀刻液体在每一构件段上形成尖端，在下文中将对其予以更为详细的说明。此外，可以以金属/导电层包覆形成了尖端的构件段构成的阵列，以形成具有集成场致发射(FE)尖端的阴极电极。

可以以介电材料的保护层覆盖FE尖端(s212)，在下文中将对其予以更为详细的说明。可以在介电层上淀积栅电极，并对其构图(s214)。因此，之后，采用栅电极作为蚀刻掩模(即自对准蚀刻)使FE尖端的一部分暴露于选定区域内(s216)。所暴露的那些FE尖端为根据本发明的发射器。

图3是根据本发明实施例的由多个柱形构件302构成的束300的简化图示。在一个实施例中，每一柱形构件302可以是杆、圆柱、纤维或其他类似形状的构件。或者，所述柱形构件可以具有非圆形截面，例如，方形或其他多边形截面。

沿每一构件的纵轴，使所述多个柱形构件302结合到一起。在一个实施例中，柱形构件302构成的束的截面可以具有类似蜂巢的结构。在其他实施例中，纤维束的截面可以具有方形、矩形或其他合适的截面构造。

在一个实施例中，可以采用诸如UV固化粘合剂等的任何合适的粘合剂使柱形构件302结合到一起，形成束300。有利地，在采用UV固化粘合剂时，为了形成柱形构件302构成的束300，在粘合剂固化之前，以粘合剂填充可能存在于构件之间的任何缝隙。

构成束300的每一柱形构件302的直径和长度通常由应用决定。

如图3所示，为了确保适当的厚度，可以将束300切成单个层或片300a，以形成具有厚度t的柱形构件段302的阵列。在一个实施例中，在没有对本发明进行限定的意图的情况下，由柱形构件段302构成的每一片300a的厚度可以处于大约100μm和几毫米之间。可以采用常规切割技术，例如切割锯和切割轮，将束300切割成片300a。

在一个实施例中，片300a中每一柱形构件段302的直径可以是标准的单模纤维(single mode fiber)，其具有大约9μm的纤芯尺寸和大约125μm的总直径。一般而言，每一柱形构件302的直径可以处于大约不到1mm到大约几毫米的范围内，其取决于应用。在另一个实施例中，柱形构件段302可以是多模纤维。

如图4A和图4B所示，可以采用根据本发明的实施例的蚀刻工艺对柱形构件段302构成的片300a的末端或面304进行修正(modify)。参考图4A，在一个实施例中，可以通过将片300a的末端304放到包括液浴406的液浴容器400内而完成所述修正。液浴406可以包括任何适于蚀刻纤维的所需化学成分。在一个实施例中，液浴406包括HF酸408。可以向液浴406添加一薄层油，其在HF酸408的表面上形成了油膜410。在HF酸408的表面上添加油膜410在酸表面上建立了控制蚀刻深度的壁垒。通常，末端304的浸没深度控制着蚀刻深度，但是在有些情况下HF酸能够经过浸入到HF酸中的部分“爬上”构件段，从而引起对非浸入部分的不必要的蚀刻。油膜410防止HF酸爬到油膜之外。

将片300a的末端304放到液浴406中持续特定的一段时间，所述时间足以实现预期的蚀刻量。蚀刻所需的时间是片300a的每一构件段302的材料、液浴406成分和浓度的函数。

在一个实施例中，如图5所示，片300a的每一构件段302(为了清晰起见，示出了单个构件段302)包括芯区A₁和围绕芯区A₁的外围区A₂。在操作过程中，由于外围区A₂与HF酸408直接接触并且具有暴露至HF酸408的更大表面积，因此液浴406在影响芯区A₁之前先影响外围区A₂。在拐角区506，情况尤为如此，因为拐角区的顶部和侧面同时暴露。形成构件段所采用的纤维类型也能够改变蚀刻区域的形成方式。一些纤维的芯区A₁比外围区A₂更纯，因而纯度差的区域更易受蚀刻液体的作用。柱形构件段302在液浴406中保持得时间越长，蚀刻区域的斜面S越陡，尖端502越锐利。

通过构件段302浸入到油膜410下的HF酸408的深度控制尖端502的长度。但是，通过构件段302在液浴406中保持的时间长度控制尖端502的顶端504的锋利度或半径。

例如，在一个实施例中，将具有纤芯直径为9μm左右，外部直径为125μm左右的构件段302的片300a以10mm左右的深度放到液浴406中2小时左右，液浴406包括带有油膜410的纯HF酸408。所得的发射器结构402可以具有半径远小于1μm的顶端504。有利地，本发明的蚀刻工艺是一项足够慢的工艺，生产者能够连续检验蚀刻工艺的进程，并且能够在将顶端504形成为预期尺寸时随时将片300a从液浴中移出。

再次参考图4B，由所述蚀刻工艺得到的结构为发射器402的阵列404。阵列404的尺寸仅受最初提供的纤维束的尺寸的限制，因此基本可以将阵列404设计成任何尺寸。

如图6A和6B所示，可以以公知淀积技术处理所得的发射器阵列404，例如蒸镀、溅射等，从而在每一发射器尖端502上淀积导电覆层604。

导电覆层604可以是任何为一项具体应用提供必要功能的合适覆层。在一个实施例中，以诸如Mo、Ni、Cr、Cu、Au、Pt、Ir、Pd、Ti、Al、W、α-C等的低功函数金属/导体覆层604包覆尖端502。采用低功函数覆层604表明低偏压能够从导电顶端504中激发出电子。与低功函数覆层结合的尖锐尖端为低成本和发射电子的能量节约能力提供了条件。

图7A-7D示出了完成阴极板700的形成的工艺。在包覆发射器阵列404之后，在发射器阵列404上形成介电层702。介电层702可以是诸如聚合物、旋涂玻璃(SOG)、SiO₂、Si₃N₄等任何合适的介电材料。可以采用公知的淀积、旋涂或喷涂技术在发射器阵列404上淀积介电层702，以填充经包覆的发射器尖端502之间的空隙。

如图7B所示，在介电层702上淀积栅电极704。对栅电极704进行构图和蚀刻。在一个实施例中，在介电层702上对栅电极704构图，从而形成围绕成行的发射器尖端502的栅电极，由此形成位于发射器胞腔(cell)710内的单行发射器。

在备选实施例中，如图7C所示，在介电层702上淀积栅电极704，并对其构图和蚀刻。在这一备选实施例中，在介电层702上对栅电极704构图，从而形成围绕多个发射器尖端502的栅电极704，由此令多行发射器位于一个胞腔712内。可以使任意多行发射器402位于一个胞腔712内，其仅由预期的应用决定。

在一个实施例中，栅电极704提供了自对准蚀刻掩模，其用于去除介电材料702，以形成允许将预期的发射器尖端502从介电材料下面暴露出来的暴露区域716。在暴露区域716中去除材料的深度为至少使顶端504不被介电材料覆盖。

图8示出了根据本发明实施例的阳极板的形成。阳极板的形成包括提供清洁的玻璃衬底802。如果希望的话，在玻璃衬底802上淀积诸如氧化铟锡(ITO)等的透明导电材料804并对其构图。接下来，在透明导电材料804之上淀积诸如SiO₂、SOG、聚合物等合适的介电间隔体806。可以采用诸如蒸镀、溅射、CVD等各种淀积技术淀积介电间隔体806。

之后，可以采用，例如，光刻技术或其他类似的构图技术对所得结构808构图。在一个实施例中，形成与胞腔712中的FE尖端502的阵列图案匹配的图案，例如，所创建的胞腔712中的FE尖端502的阵列图案如图7D所示。

对介电间隔体806的选定区域进行回蚀，形成室(chamber)810。之后，可以以彩色磷光体812填充每一室810。磷光体812包括红色、绿色和蓝色(RGB)磷光体。之后，如下所述，可以将所得阳极板814与阴极板结合到一起。

图9示出了根据本发明实施例的场致发射器件(FED)900的实施例。一旦形成阴极板700和阳极板814之后，就可以使两个板对准。将介电间隔体806的剩余未蚀刻部分放置在栅电极704上，使得阳极板814上的每一磷光体容室810对应于阴极板700上的暴露区域，由此形成发射器胞腔902。形成阴极接触点904并确定其位置，使得接触点904接触发射器尖端502的覆层604，使所有经包覆的发射器尖端502实现电接触。

将密封件或垫圈906置于阳极板814和阴极板700之间，从而能够密封发射器胞腔902。此后，将发射器胞腔902抽成真空，并密封。

在这一构造当中，可以对暴露的发射器尖端502发射的电子加速，以撞击室810内的RGB磷光体，从而提供彩色光发射。

图10是基本完成的采用FED 900的显示系统的示意图。可以向FED 900添加各种控制电子元件，例如接收器/天线1002、视频控制1004、音频控制1006、数字化彩色信息1008、扬声器系统1010、扫描控制1012、调谐控制1014和驱动电路1016，其一起构成了基于FED的平板显示装置1000。

上述实施例对本发明进行了举例说明，而非对本发明进行限制。还应当理解，根据本发明的原理，可能存在很多修改和变化。因此，本发明的范围仅由下述权利要求限定。

Claims (22)

1.一种形成包括发射器的场致发射器件的方法，包括：

将多个束结到一起的纤维段的一端暴露至反应液体，使所述反应液体与所述纤维段反应，以形成束结到一起的尖端阵列；

在所述尖端阵列上淀积导电材料以形成经包覆的尖端阵列；

在所述经包覆的尖端阵列上淀积介电层；

在所述介电层上形成栅电极；以及

去除一部分所述介电层，以从所述经包覆的尖端阵列暴露经包覆的尖端的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应液体包括HF酸浴液。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应液体包括HF酸喷涂液。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述束结到一起的纤维段包括纤维段构成的片。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电材料包括从下述集合中取出的低功函数导体：Mo、Ni、Cr、Cu、Au、Pt、Ir、Pd、Ti、Al、W、α-C及其组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述尖端均具有小于1μm的尖端半径。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

提供具有淀积于其上的透明导电材料的透明衬底；

在所述透明衬底上形成介电间隔体；

对所述介电间隔体的选定区域进行蚀刻，以形成容纳彩色磷光体的室；以及

将所述被蚀刻的选定区域与所述暴露的经包覆的尖端对准，以形成尖端胞腔阵列结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述透明导电材料包括经构图的透明导电材料。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在将所述尖端胞腔阵列结构抽成真空之后密封所述尖端胞腔阵列结构。

10.一种场致发射器件，包括：

阴极板，包括：

多个束结到一起的纤维段，具有尖端阵列；

在所述尖端阵列上的导电材料；

在所述尖端阵列之间的介电层；以及

在所述介电层上和在所述尖端阵列之间的栅电极；以及

阳极板，包括：

具有淀积于其上的透明导电材料的透明衬底；以及

在所述导电材料上的介电间隔体，

其中所述栅电极和所述介电间隔体对准以形成尖端胞腔阵列结构。

11.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述尖端胞腔阵列结构包括介于所述阴极板和所述阳极板之间的密封件。

12.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述反应液体包括HF酸浴液。

13.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述反应液体包括HF酸喷涂液。

14.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述束结到一起的纤维段包括纤维段构成的片。

15.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述导电材料包括从下述集合中取出的低功函数导体：Mo、Ni、Cr、Cu、Au、Pt、Ir、Pd、Ti、Al、W、α-C及其组合。

16.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述尖端均具有小于1μm的尖端半径。

17.根据权利要求10所述的场致发射器件，其中，所述透明导电材料包括经构图的透明导电材料。

18.一种形成包括发射器的场致发射器件的方法，包括：

提供纤维段构成的片，每一纤维段具有第一末端；

将所述纤维段的所述第一末端暴露至反应液体，使所述反应液体与所述第一末端反应，从而在每一第一末端处形成尖端；

在所述尖端上淀积导电材料以形成经包覆的尖端；

在所述经包覆的尖端上淀积介电层；

在所述介电层上形成栅电极；

去除一部分所述介电层，以暴露所述经包覆的尖端的至少一部分；

提供包括容纳彩色磷光体的室的阳极板；以及

将所述室与所述暴露的经包覆的尖端对准，以形成发射器胞腔。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述反应液体包括HF酸浴液。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述反应液体包括HF酸喷涂液。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述导电材料包括从下述集合中取出的低功函数导体：Mo、Ni、Cr、Cu、Au、Pt、Ir、Pd、Ti、Al、W、α-C及其组合。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述尖端均具有小于1μm的尖端半径。

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