CN101604604B

CN101604604B - 一种157nm深紫外激光微加工制备场致发射阴极的方法

Info

Publication number: CN101604604B
Application number: CN2009100631900A
Authority: CN
Inventors: 童杏林; 姜德生; 林凯
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Yichang Sende Electrical Equipment Manufacture Co., Ltd.
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: CN101604604A

Abstract

本发明采用157nm深紫外激光作为光源来制备场致发射阴极的方法，该方法可以理想的控制场致发射显示器阴极的分布状况和阴极尖锥的形状和尖度，从而提高阴极发射电流密度和发射均匀性。该方案是在真空环境下，采用157nm深紫外激光并配以相应的掩膜技术，照射硅材料形成相应的倒锥结构，再注入有机聚合物材料，凝固成型后去除掉硅材料即可制备出可折叠柔性的尖锥阵列衬底，该方法能准确的控制工艺过程，并且功耗低、亮度高、超薄并能够较理想的控制场致发射显示器阴极的分布状况和阴极尖锥的形状和尖度。

Description

一种157nm深紫外激光微加工制备场致发射阴极的方法

技术领域

本发明是关于一种场致发射显示器(FED)阴极的制备方法，特别用于显示器的阴极的发射。

背景技术

目前市场上主流的显示器有阴极射线管显示器、液晶显示器、和等离子显示器，而场致发射显示器具有功耗低、亮度高、超薄等优点，由于兼具普通阴极射线管显示器、液晶显示器和其他平板显示器的优点，因此成为研究的热点。

FED(场发射显示器)可像PDP(等离子体显示器)一样实现大面积显示，其在发光效率、亮度、视角等方面与LCD(液晶显示器)和PDP相比更具优势。FED还具有分辨率高、色再现性好、对比度好、响应速度快、耐高低温、抗振动冲击、电磁辐射极微、易于实现数字化显示等特点，因此受到了广泛关注。而以场致发射冷阴极为基础的真空微电子器件，因其具有电子传输速率高、功耗低、跨导高、电流密度大、工作电压低、寿命长等优点，其性能的好坏直接决定了场致发射器件的总体性能。场致发射研究的重点是提高场致发射阴极的发射电流密度、发射稳定性和发射均匀性。所以研究、开发新型场发射阵列(FEA)阴极的制备工艺是改善场致发射阴极性能的重要途径。

场致发射阵列尖锥的尺寸大小、高宽比、发射尖端的曲率半径等是影响阴极的场致发射性能最关键的因素。现有的场发射阵列阴极尖锥的制备工艺中包括干或湿法腐蚀、镀膜等加工过程，制备的微锥阵列的精度有限，且工艺过程复杂，周期太长，成本较高，发射体的电流密度和发射均匀性也不太理想，制约了该类显示器的产业化进程。

另外，从现有可折叠的显示器研究看，目前，主要集中在有机材料方面，如研究有机发光二极管(OLED)，已经取得了很好的进展，但是受有机材料本身性能的限制，该类显示器也存在一些缺点：(1)易老化造成寿命短，通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；(2)色差差；存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳浓郁的色彩。

提高微锥型场致发射阴极质量除发生材料外，主要应解决场致发射阵列尖锥的尺寸大小、高宽比、发射尖端的曲率半径等影响阴极的场致发射性能的关键因素。现有的场发射阵列阴极尖锥的制备工艺中包括干或湿法腐蚀、镀膜等加工过程，制备的微锥阵列的精度有限，且工艺过程复杂，周期太长，成本较高，发射体的电流密度和发射均匀性也不太理想。

为了得到较好微锥质量场致发射阴极，1997年11月东南大学学报第27卷第6期发表一篇题目为‘两种场发射尖锥的制备工艺及电学特性分析’概论文中介绍了一种倒金字塔填充型尖锥的制备方法，该方法制备倒金字塔填充型衬底是采用EPW腐蚀液进行各向异性腐蚀。由于是采用化学溶液进行腐蚀，在腐蚀过程中腐蚀范围和腐蚀程度不能准确的控制，并且该工艺过程复杂，质量难已保证，由于采用化学腐蚀方法，给环境造成一定的污染。与上述传统的微加工技术相比，激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、高重复率、尺寸与形状的柔性直写等特优点，其中激光微加工技术最大的特点是“直写”加工，不但简化了工艺，而且可实现微型机械的快速成型制造。此外，该技术没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题，是一种“绿色制造”。

目前能够用于精密加工的激光有两种：一种是飞秒激光，由于飞秒激光，脉宽极短，所以峰值强度极高，加工热损伤小。但飞秒激光的点光束聚焦加工在深度方向不能形成平整的加工效果，只适用于切割和钻孔，所以飞秒激光在三维微结构的精密加工方面还存在一定的困难；另一种是157nm紫外准分子脉冲激光，他工作波长157nm，脉冲宽度ns级。深紫外激光加工材料产生的热量很小，且激光作用时间短、热扩散度低，也被认为是一种“冷”的激光加工手段。157nm深紫外激光的近场光束轮廓平滑，其能量沿长轴方向呈帽顶分布，沿短轴则接近高斯分布，且激光光束空间相干性低，可以被整形，因此可以通过刻有尖锥加工形状的掩模板的多次曝光来实现复杂三维表面的加工，该优势是飞秒激光微加工所不具备的。另外，该激光对加工材料的穿透深度极薄，有利于对材料进行逐层烧蚀剥离，提高被加工表面的光洁度，所以与其它激光相比，157nm脉冲激光是用于制造高质量的场致发射阵列尖锥较理想的光源。

发明内容

本发明的目的：提供一种精确制备场致发射阴极的157nm深紫外激光制备方法，研制出一种能够较理想控制微锥的形状、大小、尖度等场致发射阴极阵列的激光微加工工艺。

本发明采用下述技术方案：本发明采用下述技术方案：以157nm深紫外激光光源通过凸透镜会聚成为平行光后进入密封的真空装置中，通过按要求所制的掩膜板(即根据场致发射阴极尖锥的需要制作的掩膜板，掩膜板的尺寸一般为10cm×10cm，其上分布一系列不同尺寸的图案)，利用三维精密微加工技术，照射单晶硅，通过多次刻蚀，在单晶硅上得到倒锥模型，再在单晶硅倒锥模型中注入有机聚合物(聚合物为Sylgard184硅基聚合物和固化剂按一定比例的混和体)，在10^-2真空度下凝固成型，去除掉单晶硅倒锥模型即可制备出柔性的尖锥阵列，在其上低温沉积场致发射材料氮化镓(GaN)或者氧化锌(ZnO)薄膜即可制备出场致发射阴极尖锥。

由于采用上述技术方案，本发明提供的场致发射阴极就可以根据刻有特定加工形状的掩膜板的孔的大小和分布确定加工工件的倒锥位置和形状，从而来控制阴极的分布和尖度。

本发明的优点是：高重复率、尺寸与形状的柔性“直写”加工，具有分辨率高、色再现性好、对比度好、响应速度快、耐高低温、抗振动冲击、电磁辐射极微、生产成本较低、易于实现数字化显示等特点，简化了工艺，可实现微型机械的快速成型制造，另外，本发明在柔性有机材料上制备出微锥阵列，再在其上涂覆高性能的无机场致发射材料，可制备出可折叠的场致发射阴极。

附图说明

图1：用157nm深紫外激光微加工制备场致发射显示器阴极工艺流程图。

图2：为制备倒圆锥的掩模板和制备倒金字塔的掩模板。

其中：a、b、c、d、e和A、B、C、D、E分别为掩模板上的孔。

图3：为激光通过掩模板制备工件的简易步骤。

图4：为形成的倒圆锥填充模型的侧面示意图。

图5：为在形成的倒圆锥填充模型中注入聚合物的侧面示意图。

图6：为形成尖锥的示意图。

其中：1-157nm深紫外激光光源；2-CaF₂材料的凸透镜；3-密封的真空装置；4-平行的激光束；5-刻有阴极加工形状的掩膜板；6-单晶硅材料的工件；7-填充的阴极尖锥材料。

具体实施方法

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

根据图1对本发明详细介绍：

在图1垂直方向的157nm深紫外激光源1通过以CaF₂材料做成的透镜2会聚成为平行光后，进入密封的真空装置3中，经透镜会聚后的平行激光束4直接射向刻有阴极加工形状的掩膜板5上，使得只有通过掩膜板孔的激光束才能照射到单晶硅材料的工件6上进行刻蚀，通过精密加工工作台移动单晶硅材料的工件，优化激光加工工艺参数以提高刻蚀效率来确保加工的质量。然后将刻蚀好的单晶硅材料的工件刻成如图4倒锥模型后，在其倒锥上注入阴极尖锥材料7，填充的阴极尖锥材料一般选用有机聚合物(聚合物为Sylgard 184硅基聚合物和固化剂按一定比例的混和体)。最后去除掉单晶硅倒锥模型并在其上低温沉积场致发射材料氮化镓(GaN)或者氧化锌(ZnO)薄膜即可形成场致发射阴极尖锥。

图2为刻有不同阴极加工形状的掩模板，图中仅截取掩膜板的一部分，可以根据所需加工倒锥的尺寸和加工精度确定掩模板图形数量和尺寸。图2中分别为制备倒圆锥的掩模板和制备倒金字塔的掩模板。首先以倒金字塔为例来说明可以通过控制掩模板的孔的形状和分布来控制阴极的形状及尖度和分布。A和B的圆心距等于B和C的圆心距，C和D的圆心距等于D和E的圆心距，两个圆心距共同影响阴极的分布。掩膜板通光孔A、B、C的半径依次增大，依次选通的掩模板图形间尺寸大小相差越小(选择的通光孔数量越多)，所制备的工件倒锥的精确度就越高，但是，掩模板制作成本也越高。

在图3中介绍了平行的激光束4通过刻有阴极加工形状的掩膜板5刻蚀工件的工作过程，为说明简洁，仅选取掩模板和工件的一排且掩模板的一排仅取三个孔为例，图中以制备倒金字塔模型为例。当工件6处于初始位置时，开启激光源一定时间后关闭，即在工件的左方形成一定厚度的一个凹槽，然后把工件向左移动一定单位(移动的距离为掩模板孔的中心距)，再开启激光源一定时间后，在工件的右方又形成一个凹槽，同时在左方的凹槽上又进一步形成一个更小的凹槽。依次重复此步骤，直到工件加工完毕，得到刻有倒金字塔形状的工件，其侧面剖视图见图4。

图4为形成的单晶硅倒金字塔填充模型的侧面剖视图。

图5为在单晶硅倒金字塔填充模型中注入有机聚合物7(聚合物为Sylgard184硅基聚合物和固化剂按一定比例的混和体)。

图6为去除单晶硅的填充模型并沉积场致发射材料氮化镓(GaN)或者氧化锌(ZnO)薄膜即可形成阴极尖锥。

Claims

1.一种157nm深紫外激光微加工制备场致发射阴极的方法；其特征在于以157nm深紫外激光做光源，通过光学准直系统变为平行光后直接辐照刻有加工所需形状的多孔掩模板，通过多孔掩模板的选通性对单晶硅工件进行刻蚀，通过多孔掩模板的多层次刻蚀，在单晶硅上制备倒锥阵列；在制备好的单晶硅倒锥模型中注入有机聚合物，并在10^-2真空度下凝固成型，制备出柔性的尖锥阵列，然后在制备出的尖锥阵列上低温沉积场致发射材料氮化镓或氧化锌薄膜，制备出微锥型可折叠的场致发射阴极。

2.根据权利要求1所述的一种157nm深紫外激光微加工制备场致发射阴极的方法；其特征在于多孔掩模板刻有多重尺寸的图形，掩模板尺寸大小为10cm×10cm。