CN102709133B - 具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列的结构、制作方法及其在场发射显示器件中的应用。该电子源阵列结构包括衬底；嵌入在衬底里的底层电极条和与其交叉排列的上层电极条；上下层电极条之间的绝缘层，以及制作在阴极电极条上的冷阴极阵列。该电子源阵列结构采用薄膜微加工的方法制作：通过在衬底刻蚀凹槽，将底层电极条嵌入到衬底里。其优点是降低了制作在底层电极条上面的绝缘层薄膜和上层电极条的台阶高度，降低了绝缘层所承受的电场，提高了其可靠性。另外，通过控制凹槽深度，可以在保持绝缘层及上层电极条的平整度的前提下，增加底层电极条的厚度，从而提高其导电性。

Description

具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及一种场发射电子源阵列的结构及其制作方法，属于真空微电子技术领域。更具体地，本发明给出了一种把下层电极嵌入到衬底的冷阴极电子源阵列的结构及其嵌入式电极的制作方法。

背景技术

与热电子发射不同，场致电子发射是通过用很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的宽度变窄，当势垒宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子由于隧穿效应就会发射出来。场致电子发射因为不需要加热就能使电子发射出来，所以又称为冷电子发射，而根据场致电子发射原理来工作的阴极则称为冷阴极。冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在场发射显示器等真空微电子器件上有重要应用前景。

一般的冷阴极电子源由阴极和栅极构成。通过在栅极施加电压，在冷阴极表面产生强的电场，从而发射电子。因此，器件正常工作时，栅极与阴极之间需要施加电压。这就对栅阴极之间绝缘层的耐压性能有很高的要求。特别是对于需要寻址的电子源阵列，由于底层电极条制作在衬底之上，会形成一定高度的台阶，这将造成沉积在其上面的绝缘层和上层电极条在下层电极条边缘处也存在一台阶。随着底层电极条厚度的增加，这一台阶高度也会增加，从而增大了绝缘层局部位置的电场，降低了绝缘层的耐压性能，影响到器件的稳定性。因此，如果能够消除台阶，降低局部电场，则可以提高绝缘层的耐压，从而提高器件稳定性。

发明内容

本发明提供了一种电极嵌入到衬底中的冷阴极电子源阵列及其嵌入式电极的制作方法。

本发明的冷阴极电子源阵列包括衬底(1)，嵌入在衬底(1)里的下层电极条(2)和与之交叉排列的上层电极条(4)，上下层电极条之间的绝缘层(3)，以及制作在阴极电极条上的冷阴极阵列(6)。在上述结构中，下层电极条可以是阴极电极条或栅极电极条。

本发明所述的冷阴极电子源阵列的嵌入式电极的制作方法为采用自上而下的薄膜微加工工艺方法。其制作步骤如下：

(1)清洗衬底；

(2)在衬底上制作具有底层电极条图案的掩模层；

(3)刻蚀衬底；

(4)沉积底层电极条薄膜；

(5)除去掩模层。

嵌入式电极的制作采用光刻，真空镀膜，剥离和刻蚀等工艺技术。其中，光刻可以采用紫外光刻或电子束光刻；真空镀膜技术为电子束蒸发、磁控溅射和化学气相沉积等通用的镀膜方法；刻蚀技术为湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等通用的薄膜刻蚀方法。

本发明所述的冷阴极电子源阵列的衬底可为玻璃、陶瓷或硅等；衬底的刻蚀掩膜层可为光刻胶或铝等。根据不同的衬底材料和电极条的厚度，衬底的刻蚀深度一般为100纳米至5微米。

制作嵌入式电极的材料可为ITO，铬、铝、钛、钨、钼或铌中的一种或几种，其厚度为100纳米至5微米。

本发明所述的具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，其冷阴极材料可以采用微尖锥，石墨烯、金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳纳米管、氧化铜纳米线、氧化锌纳米线和氧化钨纳米线等一维纳米材料。

本发明的具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列结构及其嵌入式电极的制作方法具有制作工艺简单，可控性高的优点。由于降低了器件工作时上下层寻址电极重叠处绝缘层所承受的电场，提高了器件的稳定性，并且可以采用玻璃作为衬底材料，所以，本发明的嵌入式电极结构在各种冷阴极电子源阵列结构和场发射平板显示等真空微电子器件中有重要应用价值。

附图说明

图1a是下层电极为阴极，以纳米线作为冷阴极材料的冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图1b是下层电极为栅极，以纳米线作为冷阴极材料的冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图2a是底层电极陷入衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图2b是底层电极完全埋在衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图2c底层是电极部分埋在衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图3是图1(a)所示的冷阴极电子源阵列的制作流程图；

图4是本发明底层电极的制作流程图；

图5a是现有冷阴极电子源阵列中绝缘层的电场模拟示意图；

图5b是本发明冷阴极电子源阵列中绝缘层的电场模拟示意图；

图中，上层电极电压为100V，下层电极接地。

图6a是实际制作的电子源阵列的绝缘层台阶在低放大倍数时的扫描电子显微镜照片。

图6b是实际制作的电子源阵列的绝缘层台阶在高放大倍数时的扫描电子显微镜照片。

图7a是实际制作的嵌入式电极结构的纳米线冷阴极电子源阵列的低放大倍数扫描电子显微镜照片。

图7b是实际制作的嵌入式电极结构的纳米线冷阴极电子源阵列的高放大倍数扫描电子显微镜照片。

图中标号说明：

1:衬底；2：下层电极；3：绝缘层；4：上层电极；5：生长源薄膜；6：纳米线冷阴极；7：掩膜层

具体实施方式

为了更好地描述上述具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列结构及其嵌入式电极的制作方法，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1给出了以纳米线作为冷阴极材料的具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列的结构示意图。该电子源阵列的基本结构，包括衬底1、嵌入在衬底里的下层电极2和与其交叉排列的上层电极4、上下层电极之间的绝缘层3、以及制作在阴极电极条上的纳米线冷阴极阵列6。

在上述结构中，下层电极可以是阴极，也可以是栅极。图1(a)中下层电极2为阴极；图1(b)中下层电极2为栅极。

图2(a)、(b)和(c)分别列举了埋层电极凹进衬底、完全埋在衬底和部分埋在衬底的结构示意图。

图3是图1(a)所示的以纳米线作为冷阴极材料的电子源阵列结构的制作流程图。首先在衬底1上刻蚀出具有阴极电极条图案的刻蚀槽(如图3(a)所示)。刻蚀方法可以是湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。接着在刻蚀槽上制作阴极电极条2(如图3(b)所示)。阴极电极条2可以是由ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌等一种或多种材料的薄膜组成。阴极电极条薄膜的制备可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法。然后在阴极电极条2上沉积绝缘层薄膜3(如图3(c)所示)。绝缘层薄膜3由二氧化硅、氮化硅和氧化铝等绝缘薄膜组成。沉积绝缘层薄膜的方法是化学气相沉积、电子束蒸发和磁控溅射等通用薄膜制备方法。然后在绝缘层薄膜3上制作与阴极电极条2垂直的栅极电极条4(如图3(d)所示)。栅极电极条4可以是由ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌等一种或多种材料的薄膜组成。栅极电极条薄膜的制备可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法。接着对绝缘层薄膜3进行刻蚀，露出阴极电极条2(如图3(e)所示)。刻蚀绝缘层的方法可以是湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。然后在特定局域制作生长源薄膜5(如图3(f)所示)。生长源薄膜5可以通过磁控溅射、电子束蒸发和化学气相沉积等通用薄膜制备方法来制作。最后对基板进行热氧化，就可以得到以纳米线作为冷阴极材料6的具有嵌入式电极结构的电子源阵列(如图3(g)所示)。

图4是冷阴极电子源阵列中嵌入式电极的制作流程图。首先在衬底1上制作具有底层电极条图案的掩膜层7(如图4(a)所示)。衬底可以是玻璃、陶瓷或硅片等，掩膜层可以是光刻胶和铝等。接着刻蚀衬底1，形成具有底层电极条图案的刻蚀槽(如图4(b)所示)。刻蚀衬底可以采用通用的薄膜刻蚀方法，如湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等方法。然后制作下层电极2(如图4(c)所示)。下层电极可为ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌中的一种或几种。下层电极可以采用通用的薄膜制备方法来制备，如磁控溅射，电子束蒸发、化学气相沉积等方法。最后除去掩膜层7，就可以制得嵌入到衬底里的埋层电极(如图4(d)所示)。

本发明中其它电子源阵列结构的制作可按照以上例子的基本步骤进行。需要特别指出的是，实际制作过程并不仅仅局限于上述所举的例子，还可以采用其它相类似的微加工方法。

我们用数值模拟计算了电子源阵列工作时，具有普通电极条与嵌入式电极条的冷阴极电子源阵列中绝缘层的电场强度的差异。图5给出了冷阴极电子源阵列工作时绝缘层的电场模拟示意图。图5(a)中下层电极为普通电极条；图5(b)中下层电极嵌入到衬底里。其中，下层电极2接地，上层电极4电压为100V。模拟结果表明，应用嵌入式电极后，绝缘层3截面在上下电极处的最大电场分别由6.51×10⁷V/m和1.97×10⁸V/m下降到3.74×10⁷V/m和1.88×10⁸V/m。

实施例

本实施例给出了采用氧化铜纳米线作为冷阴极材料的上栅结构的电子源阵列的制作过程。具体的制作步骤参见附图3。首先将玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗30分钟。用氮气吹干后，在玻璃衬底上使用光刻胶作为掩膜层，光刻出具有阴极电极条图案，接着采用反应离子刻蚀刻蚀玻璃衬底，刻蚀深度为110纳米。然后采用磁控溅射技术和剥离工艺制备阴极电极条。阴极电极条为铬薄膜，其厚度为200纳米。接着采用等离子体增强化学气相沉积的方法制备由二氧化硅和氮化硅组成的复合绝缘层薄膜，其总厚度为1.8微米。然后采用磁控溅射技术和剥离工艺在绝缘层上制备栅极电极条。栅极电极条为铬薄膜，其厚度为350纳米。接着采用反应离子刻蚀技术刻蚀绝缘层，从而露出阴极电极条。然后采用磁控溅射技术及剥离工艺制备过渡层薄膜和生长源薄膜，过渡层薄膜为铬薄膜，而生长源薄膜为铜薄膜，总厚度为1微米。最后把玻璃基板放入管式炉中进行氧化。先从室温加温到430℃，然后在430℃保温3小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在大气中进行。

对制备的电子源阵列进行扫描电子显微镜观察。附图6和附图7是扫描电子显微镜观察到的电子源阵列的图片。从图6可以看出底层电极条嵌入到衬底里，使得上层电极条更加平整，而从图7则可看出，电子源阵列中的纳米线生长情况良好，说明嵌入式电极的制作工艺与器件的制作是相互兼容的。

Claims (12)

1.一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，其特征在于，包括：

(1)衬底；

(2)无缝嵌入到衬底里的下层电极条和与下层电极条垂直交叉排列的上层电极条，该上下层电极条其中之一为阴极，另一个为栅极；

(3)制作于上下层电极条之间的绝缘层；

(4)制作在阴极电极条上的冷阴极材料。

2.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述的衬底是玻璃、陶瓷或硅片。

3.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述上层电极条或下层电极条由ITO、铬、铝、钛、钨、钼或铌中的一种或多种材料的薄膜组成，其厚度为100纳米至5微米。

4.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述下层电极条全部或部分嵌入到衬底里。

5.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述绝缘层为单层绝缘层薄膜或多层绝缘层薄膜。

6.根据权利要求5所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述单层或多层绝缘层薄膜由二氧化硅、氮化硅或氧化铝构成。

7.根据权利要求6所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述单层或多层绝缘层薄膜的制备方法为电子束蒸发方法或等离子体增强化学气相沉积方法。

8.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述冷阴极材料选用微尖锥、石墨烯、金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳纳米管、氧化铜纳米线、氧化锌纳米线或氧化钨纳米线中任意一种一维纳米材料。

9.权利要求1所述的冷阴极电子源阵列中嵌入式电极的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)清洗衬底，首先将玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗30分钟；

(2)用氮气吹干后，在衬底上制作具有底层电极条图案的掩模层；

(3)刻蚀衬底，形成具有底层电极条图案的凹槽；

(4)沉积底层电极条薄膜；

(5)除去掩模层；

(6)接着采用等离子体增强化学气相沉积的方法制备由二氧化硅和氮化硅组成的复合绝缘层薄膜；

(7)采用磁控溅射技术和剥离工艺在绝缘层上制备上层电极条；

(8)接着采用反应离子刻蚀技术刻蚀绝缘层，露出底层电极条；

(9)再采用磁控溅射技术和剥离工艺制备过渡层薄膜和生长源薄膜；

(10)最后将上述制备的装置放入管式炉中进行氧化，先从室温加温到430℃，保温3小时，再自然冷却。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述刻蚀衬底的方法选用湿法刻蚀、反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀中的一种。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述凹槽的深度为100纳米至5微米。

12.根据权利要求1所述的冷阴极电子源阵列在场发射平板显示器上的应用。