CN1276912A - 场致发射装置 - Google Patents

Abstract

一种场致电子发射阴极,它是通过低分辨率方法在绝缘基板(300)上淀积一系列第一导电层(301)、场致发射层(302)和第二导电层(303)以形成至少一个阴极电极制造的。然后通过低分辨率方法在阴极电极上淀积一系列绝缘层(304)和第三导电层(305)以形成至少一个栅极电极。然后用光致抗蚀剂层(306)涂覆如此形成的结构。然后采用高分辨率方法对光致抗蚀剂层(306)进行曝光以形成至少一组发射单元,每个这种组位于阴极电极与栅极电极之间的重叠区中。为了完成单元,依次对导电层和绝缘层(305、304,303)进行蚀刻,以暴露单元中的场致发射层(302),去除其余区域上的光致抗蚀剂层(306)。因此,能够利用相对较低成本的技术制造场致发射材料和装置。

Description

场致发射装置

本发明涉及场致发射装置，尤其涉及制造可寻址场致电子发射阴极阵列的方法。本发明的较佳实施例是提供制备多电极控制和聚焦结构的低成本制造方法。

对于本领域专业人员而言很显然，实际场致发射装置(尤其是显示器)的关键是允许用低电压控制发射电流的安排。该领域的主要技术涉及基于尖头的发射体，即，利用原子锐度的微尖头作为场致发射源的结构。

相当多的现有技术涉及基于尖头的发射体。该技术中工作人员的主要目的一直是将带孔径的电极(栅极)放在距离每个单个发射尖头不足1微米处，以致于利用100V或更小的外加电压能够获得所需的高电场，这些发射体称为选通阵列。在美国加利福尼亚斯坦福研究院工作的C A Spindt描述了第一次实际实现的这一阵列(J.Appl.Phys.39，7，pp.3504-3508(1968))。Spindt的阵列采用钼发射尖头，这可以通过将金属真空蒸发到Si基板上SiO₂层中的圆柱凹陷中利用自掩膜技术产生。科技和专利文献描述了对基本Spindt技术的许多改进和变化。

另一种重要的方法是利用硅微工程技术产生选通阵列。目前正在制造采用这种技术的场致电子发射显示器，世界各国许多机构对此感兴趣，此外，已经描述许多改进技术。

所有基于尖头的发射系统的一个主要问题是它们被离子轰击损伤、在强电流下的欧姆加热以及由装置中电击穿产生的灾难性损伤等弱点。制造大面积器件是既困难又费成本的。此外，为了获得低的控制电压，由尖头及其相关栅极孔径组成的基本发射元件必须接近于1微米或更小(直径)。产生这种结构需要半导体型制造技术及其高成本的相关结构。此外，当需要大面积时，必须采用昂贵且缓慢步进和重复设备。

大约在1985年发现，从氢-甲烷气氛中可以将金刚石薄膜生长在加热基板上，以提供大面积的场致发射体。

1998年，S Bajic和R V Latham(Journal of Physics D Applied Physics，vol 21 200-204(1998))描述一种产生高密度的金属-绝缘体-金属-绝缘体-真空(MIMIV)发射部位的低成本复合材料。这种复合材料具有分散在环氧树脂中的导电颗粒。采用标准自旋涂层技术在表面上施加涂层。

后来(1995)，Tuck、Taylor和Latham(GB 2304989)通过用无机绝缘体替代环氧树脂改善了上述的MIMIV发射体，无机绝缘体既改善稳定性又使它们能够在密封真空装置中工作。

这种大面积发射体的最好的例子能够在小于10V/μm电场下产生有用电流。在本说明书的上下文中，大面积场致发射体是利用其组分、微结构、功函数或其它特性在宏观电场下发射有用电流的任何材料，这可以在平面或接近平面的表面上合理地产生，即不采用原子锐度的微尖头作为发射部位。

电子光学分析表明，控制大面积发射体所需的特征尺寸的量级约大于基于尖头系统的量级。Zhu等人(美国专利5,283,501)描述了基于金刚石发射体的这种结构。Moyer(美国专利5,473,281)提出一种电子光学的改进主张，其中导电层位于大面积发射体上方，既防止发射到栅极绝缘体中又防止电子通过栅极孔径聚焦。这些结构的概念并不新颖，与几十年前在热离子器件中已经使用的安排在电光学上是等效的。例如，Winsor(美国专利3,500,110)描述一种在阴极电位下的阴影栅格，防止无用电子在相对于阴极的正电位下拦截栅格组。再后来，Miram(美国专利4,096,406)对此作了改进，产生一种键合栅格结构，其中阴极栅格和控制栅格被固体绝缘体分开并被置于与阴极相接触。Moyer的安排简单地采用等效的大面积场致发射体代替Miram的结构中的热离子阴极。然而，这种结构是有用的，主要问题是以低成本和在大面积上构造它们的方法。在这方面，本发明的较佳实施例对这一技术作出贡献。

本发明的较佳实施例目的是提供采用大面积发射体的经济有效的场致发射结构和装置。装置中可以采用的发射体结构包括：场致电子发射显示面板、大功率脉冲装置(如电子MASER和回旋管)、十字场微波管(如CFA)、线性波束管(如速调管)、闪光x射线管、触发点火火花间隙及相关装置、消毒用的大面积x射线源、真空计、空间飞船用的离子起飞加速器、粒子加速器、灯、臭氧发生器、以及等离子体反应器。

根据本发明的一个方面，提供一种制造场致电子发射阴极的方法，该方法包括以下步骤：

a.通过低分辨率装置在绝缘基板上淀积第一导电层、场致发射层和第二导电层，以形成至少一个阴极电极；

b.通过低分辨率装置在所述阴极电极上淀积绝缘层和第三导电层，以形成至少一个栅极电极；

c.对如此形成的结构涂覆一层光致抗蚀剂层；

d.通过高分辨率装置暴露所述光致抗蚀剂层，以形成至少一组发射单元，每个所述组位于一个所述阴极电极与一个所述栅极电极之间的重叠区中；

e.对所述导电和绝缘层依次地进行蚀刻，以暴露所述单元中的所述场致发射层；以及

f.去除其余区域的所述光致抗蚀剂层。

较佳地，所述阴极是阴极阵列，所述阴极电极和所述栅极电极分别包括阴极寻址轨迹和栅极寻址轨迹，这些轨迹排列成可寻址的行和列，步骤d包括形成发射单元的所述组的图案。

较佳地，至少一个或者所有的所述阴极寻址轨迹对多个行或列单元进行寻址。

每一行和/或列可以是薄的或宽的，依据阴极的应用情况可以按需取几个或者多个单元。

较佳地，暴露和蚀刻的所述步骤包括在阴极阵列上形成基准标记，以便于在制造阵列后接着将阵列与阳极或其它元件对准。

如上所述的方法可以包括通过施加液体亮金属或者通过无电电镀形成至少一个所述导电层的步骤。

如上所述的方法可以包括通过真空蒸发或溅射以外的手段形成至少一个所述导电层的步骤。

较佳地，所述场致发射层包括一层大面积场致发射体材料。

如上所述的方法可以包括在完成步骤a至f后在阴极上依次淀积第二绝缘层和第四导电层，以形成一个聚焦栅格的步骤。

本发明对场致电子发射阴极进行延伸，所述的场致电子发射阴极是采用本发明前述任一方面的方法制造的。

根据本发明的另一个方面，提供一种场致发射装置，它包括具有场致发光磷的阳极和如上所述的阴极，这里，所述阴极是如上所述的阴极阵列并被安排成轰击所述荧光体。

较佳地，所述荧光体安排在红、绿和蓝组中，以形成彩色显示。

如上所述的场致发射装置可以包括轮流地激励所述红、绿和蓝的阳极驱动装置。

如上所述的场致发射装置可以进一步包括一个交指或网孔形式的电极，它被置于所述的荧光体之间并被安排成在小于所述荧光体被激励的电位下被激励，由此形成环绕荧光体的势阱，以便于将电子吸到所述灾光体上以及补偿阴极与阳极之间的不对准。

所述阴极设置有所述栅极电极上的进一步控制栅格、以及如此驱动所述控制栅格的驱动装置，以延迟所述阴极发射的电子。

这种场致发射装置可以进一步包括提供垂直于发射体表面的磁场的装置。

第一导电层、场致发射层和第二导电层可以利用低分辨率装置整个地或者一层一层地布图。这同样可应用于绝缘层和第三导电层。高分辨率曝光步骤较佳地仅仅是整个制造方法中所需的高分辨率步骤，通过相对较大轨迹(例如行和列)尺度而不是小得多的发射体单元尺寸可确定组的位置相对于轨迹交点的容限。针对导电层的第一次蚀刻最好是这样选择的，即不影响绝缘层或场致发射层。针对绝缘层的第二次蚀刻最好这样选择，即不影响导电层。因此，可以交替地利用第一和第二蚀刻依次进行蚀刻，使得蚀刻后的每一层形成待蚀刻的下一层的掩膜，由此提供各层中孔径的自对准。

在本说明书的上下文中，“低分辨率装置”和“高分辨率装置”的含义如下：高分辨率装置是能够形成所选发射体单元尺寸的明确限定结构的装置。低分辨率装置是能够形成阴极寻址轨迹的所选尺寸而不是较小的所选发射体单元尺寸的明确限定结构的装置。

例如，高分辨率装置可以是能够形成最小尺寸等于或小于用低分辨率装置能够形成的明确限定结构的最小尺寸的50％、40％、30％、20％、10％或5％的明显限定结构的装置。低分辨率装置可以是能够形成最小尺寸达到100、70、50、40或30μm的明显限定结构的光刻装置(lithographic)。高分辨率装置可以是能够形成最小尺寸达到20μm或10μm，最好达到几μm或更小的明确限定结构的光刻装置。举一个例子，通过光刻装置可形成100μm的阴极或栅极轨迹，通过光刻装置可形成8μm的发射体单元。

为了更好地理解本发明，以及说明如何将本发明的实施例付诸实施，现在将参考附图进行描述，附图中：

图1a示出可用于大面积单色场致发射显示器中的可寻址阵列的四个象素。

图1b示出理想的发射体单元结构。

图1c示出利用厚膜制备技术实现这种结构的问题。

图1d示出如何利用液体亮金和釉制备接近理想的发射体单元结构。

图1e示出如何利用绝缘体与最终导电层之间的平面层改善图1d中的结构。

图2示出彩色显示器中的象素排列。

图3示出形成发射单元的蚀刻步骤。

图4(a)至(f)示出利用光刻技术形成可寻址阵列的步骤。

图5(a)至(d)示出利用印刷与光刻的混合技术形成可寻址阵列的步骤。

图6(a)和(b)示出如何将聚焦电极装入到装置中。

图7示出采用这里所描述方法和结构的一个完整显示器。

图8(a)和(b)示出如何通过特别的阳极结构可容纳发射体单元组与荧光点之间的不对准。

本发明的实施例可以有许多用途，通过以下的例子加以说明。应当明白，以下的描述仅仅说明本发明的一些特定实施例。本领域的专业人员能够作出各种替代和改进。

在大的场致发射显示器中，象素尺寸最好在许多低成本布图技术(如丝网印刷或光刻)的能力范围之内。例如，现在能够制造清晰的75μm轨迹的印刷电路。

图1a示出假设的对角尺寸为1米的16∶9 HDTV显示器(为简单起见为单色的)中四个象素。尺寸131为0.75mm，尺寸130为0.50mm。图2示出类似的彩色显示器的两个象素，这里尺寸234和235对应于图1a中的尺寸131和130。列231、232和233控制流入三原色中荧光体的电流。

还是参考图1a，可以看出，阴极地址行112和栅极地址列122的宽为零点几毫米，能够采用印刷和光刻等较广的技术形成。然而，发射体单元尺寸120受实现所需控制电压所要求的跨导限定。由于大量的通道，驱动电路形成任何矩阵寻址显示器中的一个主要成本元件，电压越高，装置成本相应也越高。为了实现可以接受的总成本，驱动电压最好为几十伏。

参考图1a，发射体单元可以是例如条形120或圆形121的阵列。图1b示出两个这种发射体单元的窄尺寸的截面。该结构形成在绝缘基板111上。各层依次如下：阴极地址行112；场致发射体材料113；阴影栅格层114；栅极(栅格)绝缘体层115；栅格地址列116。

由于电子光学原因，尺寸118和119必须彼此接近。这种安排还便于进行刻蚀。静电模拟表明，对于40V控制电压摆动(行为负向而列为正向)，尺寸118约为8μm。对于15V摆动，减小为约4μm。

虽然这些尺寸较小，但是我们想到，采用合适的自对准过程，已经产生阻挡图案的单次曝光以造成造成它们在一对一接触曝光或一对一接近曝光范围内，采用准直照明。合适的大面积高强度曝光系统(带有和不带准直)用于印刷电路板的制备。只有需要多次曝光，才需要很昂贵的且缓慢步进和对准的设备，这种设备专用于半导体制造。此外，每个发射体组在象素区中的位置可以承受比需要多次掩膜步骤以形成发射体单元所要求的容限大得多的容限(位置141至140)。

在显示器面板组装期间为了使上述发射体荧光体与阳极上荧光体图案相对准，其单个高分辨率掩膜阶段期间可以在相对于发射体单元图案的已知位置上光蚀刻基准标记。

只要行和列结构具有能够作丝网印刷的尺寸，人们可以总想考虑利用标准电子厚膜电路膏形成结构。图1c示出有关这种方法的问题，这里目的是正如图1b所示的结构，尺寸118约为8μm，尺寸119约为5μm。导电厚膜膏是用合适的粘合剂由金属粒子和玻璃原料制成的。最小的层厚度约为5μm，粗糙度为±1至2μm。合适的绝缘膏具有相似的粗糙度。

可以看出，即使没有在蚀刻期间会出现的任何凹陷，由标准厚膜技术形成的结构是图1b所示理想结构的很差的代表。不仅存在单元至单元的过高易变性而且同直径145相当的过大深度146在电子光学上则是不能接受的。

检查图1c表明，过高的厚度和层中的不规则性是由导电膏142成形而引起的。为此，绝大多数场致发射装置制备工艺采用与基板分布紧密贴合的真空或等离子体淀积薄膜。并不排除它们在本发明例子中的用途。然而，淀积这种薄膜需要昂贵的设备，尤其是大基板尺寸上和高的生产量：因此利用不需要真空系统的淀积技术可以实现制造成本的最大降低。

在许多非相关工业中，采用化学技术已经产生镜面反射薄膜，一个好的例子是反射镜上镀银。在建筑玻璃工业中，将氧化锡薄膜现场直接喷射高温分解在热浮法玻璃上，以低得多的成本制备出红外反射涂层，这是通过溅射镀层产生的。

多年来，陶瓷和玻璃工业一直利用含有有机金属化合物的油漆-所谓的树脂酸盐或亮金、钯和铂给它们的产品装饰亮金属层。金属层是通过施加油漆，然后在480C至920℃之间的温度下在空气中燃烧，在这一温度点上有机金属化合物分解，产生0.1至0.2μm厚的纯金属薄膜。添加痕量金属(如铑和铬)，控制形貌和有助于粘合。当前绝大多数产品和开发活动集中在薄膜的装饰性能上。然而，技术已经是成熟的。虽然当今在技术中很少(或不)采用或知道，但是过去这些技术一直被电子管工业所采用。例如，1964年初版的Fred Rosebury的经典著作“电子管和真空技术手册”(美国物理学会重印ISBN 1-56396-121-0)给出了液体亮钯的配方。最近Koroda(美国专利4098939)描述了它们用作真空荧光显示器中的电极。

在液体亮金的关键电子学应用中，需要注意避免形成在薄膜表面上的硫酸钠的起霜。相信起霜是由钠化合物与从基于硫的金有机金属化合物分解产生的硫化合物(二氧化硫和/或三氧化硫)的反应形成的。或是利用低钠玻璃(如硼硅酸盐玻璃)或是利用钠钙玻璃上的涂层可以使这种起霜减至最小或消除。一种合适的涂层是从汽相前体淀积在热浮法玻璃上的硅石。Pilkington公司制造用这种方法处理的玻璃，商品名为Permabloc。

于是，通过用液体亮金属(最好是金)替代厚膜导电膏，能够克服低成本低电压场致发射显示器的障碍之一。涂层配方可以通过喷涂、自旋、辊涂、丝网印刷、铜网辊涂或其它合适的技术来淀积，然后简单地在空气中燃烧。在这些技术的情况下，例如丝网印刷，配方可以被直接应用在导电轨迹图案中，因此取消光刻阶段。

显然，还存在产生金属薄膜的其它非真空技术。然而，我们不知道这种技术在场致发射装置领域中的应用。一部分，这是由于从那个领域转过来的工人采用成熟的半导体制备工艺。在已经发生偏离成熟技术的地方，变化是微小的。例如，DeMercurio等人(美国专利5,458,520)采用在栅极微尖头结构中的电镀，但是仅仅加高层的厚度和关闭孔径，初始金属层是通过真空手段淀积的。

形成导电元件的另一种方法是采用光子激励催化剂的无电极电镀。也存在其它的非真空方法。

传统厚膜技术中所采用的绝缘膏可以被玻璃配方所替代，玻璃配方可以取充分超过其熔点进入具有低粘度的区域，允许流向平滑薄膜(如同上釉)以形成均匀(或接近均匀)厚度的栅极-阴极绝缘体层。

形成绝缘层的另一种方法是采用诸如溶胶凝胶、气溶胶或聚硅氧烷的液体化学母体。一旦形成的该绝缘层，那么对其加热使母体分解以形成诸如氧化物(例如硅石)、陶瓷或玻璃的无机化合物。

图1d示出通过与形成从液体亮金属、无电极电镀或其它合适过程150导出的平滑金属层和从互补低成本过程形成的绝缘层151的低成本方法结合在一起，可以实现接近于图1b所示理想情况的结构。

如果需要的话，(见图1e)，利用平面化的层152，如在半导体工业中广泛使用的一种自旋玻璃配方，可以进一步改进这一安排。

                              例1

现在参考图3，我们将描述一个说明性例子。在这方面，发射体单元可以利用湿蚀刻工艺以金/低熔点玻璃层叠结构形成在玻璃基板上。自然也可以采用干蚀刻工艺，但是这种工艺增加制造成本。

这种材料组合的一个优点在于，由于低熔点玻璃和金具有与钠钙玻璃相接近的热膨胀系数，可产生合理的无应变结构。

在阶段1之前，在基板300上形成了第一导电层301、场致发射体层302、第二导电层303、绝缘体304和第三栅极导电层305。因此，阶段1的工艺集中在这样一点上，所有轨迹图案是通过低分辨率布图技术形成的以及用栅格单元孔径的图案对适当的光致抗蚀剂层306进行了曝光和显影，使叠层的这些区域307对不同的蚀刻阶段进行曝光。也可以施加抗蚀剂或漆膜，以保护玻璃基板的反面和边缘。

要求采用两种蚀刻溶液。一种溶液必须去除金但不影响玻璃，另一种溶液去除玻璃但不影响金。采用这种方法，可获得单元结构的自对准，正如从以下描述中将表明的。

适合于玻璃而不影响金的蚀刻剂是氢氟酸。

用于金的蚀刻剂有多种选择。王水(经典的金蚀刻剂)是一种不合意的材料，很容易氧化，会影响光致抗蚀剂。实际使用的两种配方是碘化钾中的碘溶液和溴化钾中的溴溶液(Bahl-美国专利4,190,489)。

现在参考图3，在阶段2中，将阶段1的结构暴露于金蚀刻溶液中。本领域的专业人员知到，金会反向蚀刻到309、310所示的抗蚀剂之下。虽然在顶部金层305的蚀刻期间可以采用尺寸不足的孔径补偿这一效应，但是这一策略不能用于层303。据报道(美国专利4131525)这一凹陷是由电化学效应引起的，可以通过相对于浸没在蚀刻溶液中的铂电极312给金层施加偏置电压311来抑制。一旦上部金层已经被去除以暴露玻璃表面308，那么对组件进行漂洗，以去除任何活性金蚀刻剂。在每个步骤之间将有一个漂洗阶段，但是，为了简洁起见，对其余的这些步骤不作描述。

在阶段3中，采用氢氟酸去除玻璃栅极阴极绝缘层304。通过对绝缘体倾斜，远离出射电子束，因此降低带电效应，出现的任何凹陷315对发射单元的电子性能具有有利影响，但是在阶段4产生一些新的问题。然而，已知结构的电压-电流特性主要由孔径314的尺寸决定。此外，电极的排列当电子离开阴极时使它们会聚，这允许发射体尺寸的直径比其额定值有所增大，其额定值可以通过少许过蚀刻317引起。在各种情况下，金薄膜316保护发射体不受氢氟酸的任何影响，其作用犹如一个蚀刻挡板。对于基于玻璃的发射体，这是尤其重要的，正如Tuck等人(英国专利2304989)所描述的。

在阶段4中，采用金蚀刻剂去除层303，玻璃层304和抗蚀剂层306保护上部的金轨迹305。如果上部的金层伸出单元319之外，可以腐蚀上部金层以补偿抗蚀剂中孔径的原始尺寸。此外，可以对金层的偏置以防止凹陷。

在阶段5中，去除抗蚀剂，留下完整的结构。

                            例2

现在参考图4各个部分，其中左侧的图是剖面平面图，右侧的图是截面图，将会看到上述自对准技术如何与低分辨率光刻术相组合，以产生矩阵可寻址场致发射显示器的阴极平面。对所有的图作了简化，与单个象素及其相关连接轨迹有关。

图4a示出淀积在基板400上的金属/玻璃基场致发射体/金属夹层403/402/401，经过曝光和显影的抗蚀剂图案限定阴极地址行404，为了说明起见，金属薄膜是通过液体亮金工艺形成的，发射体薄膜是由熔融玻璃基层形成的(英国专利23049889)。先行层可以通过喷涂、自旋、丝印、铜网辊涂或其它合适的技术来淀积。在用配方涂布后，使三层中的每一层在空气中燃烧，以形成最终组分。在生产中，这可以在隧道炉中方便地进行。

利用前面所述的蚀刻剂，按序且有选择地去除金和玻璃基发射体层。最后，去除抗蚀剂层，以形成图4b的结构411。

图4c示出采用相同技术外涂可熔玻璃绝缘层421和金栅极层422后的结构。在空气中再次进行燃烧。形成抗蚀剂图案以限定栅极地址列423。采用金蚀刻剂去除不想要的材料。最后，剥离抗蚀剂，形成图4d所示的结构431。完整地留下绝缘层421，因为用于去除它的化学物也将影响玻璃基板。

现在再施加一层抗蚀剂，利用以上所述的单个高分辨率曝光系统进行布图和显影，以形成图4e所示的发射体单元图案和基准标记432。

正如以上针对例1所描述的，现在采用图3所示的发射体单元蚀刻顺序来形成具有图4f所示发射体单元441的整个结构。

                              例3

现在参考图5的各个部分，可以看出上述自对准技术如何与低分辨率直接印刷技术相组合以产生矩阵可寻址场致发射显示器的阴极平面。对所有的图作了简化，与单个象素及其相关连接轨迹有关。为了便于与例2进行比较，采用液体亮金/低熔点玻璃。然而，可以采用光致激励的无电极镍电镀来替代金与硝酸或盐酸/氯化铁蚀刻剂。在有些情况中，在燃烧操作期间可以采用稀释大气来降低镍的氧化。

现在再参考图5，我们继续基于液体亮金和低熔点玻璃的例子。图5a示出基板511、采用与例2相同的方法形成的金503、玻璃基发射体502、金501结构，但是在本情况中，有选择地应用先行配方，例如通过丝网印刷，形成所需轨迹图案。

图5b示出与例2中一样也是按照所需轨迹图案形成的可熔玻璃绝缘体512和金轨迹513。如果需要的话，绝缘层可以覆盖整个表面514。

现在可以施加抗蚀剂层，与以上描述的一样，利用单个高分辨率曝光系统进行布图和显影，以形成图5c所示的发射体单元图案522和基准标记523。

正如以上针对例1所描述的，现在采用图3所示的发射体单元蚀刻顺序来形成具有图5d所示的发射体单元530的整个结构。

本领域的专业技术人员从以上的教导将会明白，通过利用一系列在空气中进行的工艺过程和低成本光刻术而不是半导体制备技术来形成整个场致发射显示阴极平面的方法，能够实现制造成本的明显节约。

利用选通发射体上聚焦栅格使电子束聚焦，Tuck最初对此作了描述(美国专利4145635)。后来Palevsky等人(美国专利5543691)描述了在场致发射显示器中采用相同的安排。在本发明的实施例中通过将另一层绝缘体和另一层金属重叠在图4d和5b的结构上可以制备这种结构。所述的层可以是连续的或者有图案的以减小轨迹间电容或者实现一些其它功能。然后利用以上针对例1所描述的技术蚀刻发射单元及其相关聚焦电极，或者，如果采用不同的材料系，则利用它们的合适蚀刻系统。图6a示出这样一种完整结构，其中基板600上有阴极地址层601、大面积发射层602、阴影栅格层603、栅极(栅格)绝缘层604、控制栅极(栅格)层605、聚焦栅格绝缘层606和聚焦栅格607。阳极板610上有透明导电层611(例如氧化铟锡)和导电黑矩阵612以掩蔽阴极发光荧光点613之间的空间。给导电层611施加相对于地为正的DC电位624，使来自阴极平面的电子加速，具有足够的能量引起荧光体613的阴极发光。

在阴极平面上，相对于地的负电压620选择阴极行，相对于地的正电压621和612调制从阴极流出的电流。可以采用从模拟电压控制到恒定电压脉宽调制的各种驱动方案。可变电压623(通常相对于控制栅极为负)形成电子透镜并使波束聚焦。

另外，通过把绝缘体和导体层直接印刷在整个选通阵列上可以制备很粗的聚焦网孔系统，模拟Palevsky所描述的(美国专利5543691)。图6b示出这种安排，这里绝缘体和聚焦栅格层重叠在选通结构600上，在结构上与早先描述和图1a所示的结构相同。此外，采用电极601上的可变电位604使电子束聚焦，落在阳极平面603上。

现在参考图7，可以看出，利用这里所描述的方法和结构如何实现整个场致发射显示器的。

按照早先描述形成的阴极平面701(带有或没有完整聚焦栅格)通过熔接密封706与阳极平面702连接。所述阳极平面702上有衬垫、导电层、黑矩阵和象素图案703中的荧光点，如上所述。为了抵抗大气压力，在象素化结构之间设置抽空衬垫704。衬垫可以是玻璃、陶瓷或其它合适材料。熔接密封706可以包括预形成的框架，并用玻璃原料接合到阴极板和阳极板。其密封过程中，采用基准标记707(按照以前描述形成的)使阴极板与阳极板的象素化结构对准。可以将吸气装置装入组件中，抽出残余气体。Tuck等人(英国专利2306246)描述了这种吸气器的理想位置。整个结构的抽真空和烘烤可以经抽真空管和炉子(未示出)或者通过采用适当处理在真空炉内完成密封过程。

完成后的显示器是通过阴极寻址模块710、列地址模块711和阳极电压源712电驱动的。在采用聚焦栅格的情况中，设置一个附加聚焦栅格源(未示出)。还可以设置附加的阳极切换和聚焦源(未示出)，正如下面将描述的。

形成基准标记以便有助于阴极板与阳极板上象素化结构对准的方法前面已经作了描述并在图4和5的各个部分中示出。然而，仍然会出现一些残留的不对准。在彩色显示中尤其麻烦，这里在平行于阴极地址线810的方向上的不对准会导致电子落在错误的荧光点上，在色纯度上产生相关损失。

图8a示出制造不对准容限更大的显示器的一种方法。在这种安排中，阳极平面上的导电层为三个交指部分801、802和803。每个部分具有一种原色的荧光体。所述部分是由单独的电源804、805和806驱动的，切换每个电源各占三分之一帧时间。来自阴极平面800的电子现在被依次地吸附到每种颜色的荧光体上，且循着轨道807、808和809。由于其它两种颜色的荧光体未被激励，它们不能发光，可避免不对准的影响。然而，由于各部分之间的电击穿，这种方法仅仅应用在低阳极电压系统中。Clerc已经描述了这种方法用于基于尖头的显示器(美国专利5225820)。

图8b示出另一种安排，其中在比主阳极电源814低的正电位815上，通过交指或者网孔形式813电极的方式，通过给每个荧光点812形成聚焦电子，可以使显示器容许不对准811。现在每个荧光点位于势阱中，该势阱足以吸引电子816以补偿阴极和阳极上象素化结构的适度不对准。Tsai等人已经描述了这种方法用于基于尖头的显示器(美国专利5508584)。

虽然在矩阵寻址平板显示器的上下文中，上面已经描述了本发明的一些例子，但是在多种不同的装置中可以采用这里所揭示的方法和结构。具体地说，可以构造非寻址或部分寻址的电子源并将其装入到其它的电子装置或显示器中。诸如前面所描述的聚焦栅格结构可以用于或是聚焦或是延迟发射电子。如果采用延迟模式，这种安排可以提供低能电子源，它们可以替代有些装置中的热离子阴极，尤其是在与垂直于发射体表面的磁场组合时。

图9示出平面非寻址发射体结构的一个例子，在各种各样应用中它可以用作电子源。

在电绝缘的基板901上提供一导电层902和一大面积发射层903。穿孔的聚焦栅格层904的作用是引导电子穿过发射体单元907，它们是通过绝缘层905和栅极层906中的孔径形成的。这种结构可以通过本说明书中所描述的任何一种合适方法制备。

在这种非寻址应用中，可以用导电基板(例如金属)替代电绝缘基板，将基板901与导电层902的功能相组合。金属基板能够采用焊接和许多其它标准工程连接技术。

对来自这种结构的电流作如下控制。采用装有所说明发射体结构的装置与电子加速阳极(图9中未示出)相结合，收集发射的电流。调节与点910和911连接的直流或脉冲电源909，以致于处于“开”状态，将适当的正提取场(通常约为10MV/m，即10V/μm)施加于暴露在发射体单元907的基极上的大面积场发射体的面积上，而处于“关”状态中，所施加的电场小于场致发射的阈值。自然地，可以改变所施加的电位，产生脉冲或交流发射电流。

能够采用本发明的装置可以包括：场致电子发射和其它显示面板；大功率脉冲装置，如电子MASER和回旋管；十字场微波管，如CFA；线性波束管，如速调管；闪光x射线管；触发点火火花间隙及相关装置；消毒用的大面积x射线源；真空计；空间飞船用的离子起飞加速器；灯；粒子加速器；臭氧发生器；以及等离子体反应器。

在本说明书中，动词“包括”具有一般字典上的含义，表示非排除的包含。即采用“包括”一词(或者其任何派生词)来包括一个特征或多个特征，并不排除还包括进一步特征的可能性。

读者会注意与本申请的说明书同时提交或在此之前提交的所有文献，这些文件与本说明书都对公众开放，所有这些文献的内容这里将其引作参考。

本说明书(包括所附的权利要求书、摘要和附图)中所揭示的所有特征和/或所揭示的任何方法和过程的所有步骤可以进行任意组合，除非至少有些这种特征和/或步骤的组合是彼此排斥的。

本说明书(包括所附的权利要求书、摘要和附图)中所揭示的每个特征可以被起相同、等效或相似作用的替代特征所代替，另有表述的除外。因此，除了另有表述外，这里所揭示的每个特征仅是一系列一般的等效或相似特征的一个例子。

本发明并不局限于以上实施例所述的详细情况。本发明可以延伸到本说明书(包括所附的权利要求书、摘要和附图)中所揭示的特征的任何新颖特征或任何新颖组合或者所揭示的任何方法或过程的步骤的任何一个新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (18)

1.一种制造场致电子发射阴极的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

a.通过低分辨率装置在绝缘基板上淀积第一导电层、场致发射层和第二导电层，以形成至少一个阴极电极；

b.通过低分辨率装置在所述阴极电极上淀积绝缘层和第三导电层，以形成至少一个栅极电极；

c.对如此形成的结构涂覆一层光致抗蚀剂层

d.通过高分辨率装置暴露所述光致抗蚀剂层，以形成至少一组发射单元，每个所述组位于一个所述阴极电极与一个所述栅极电极之间的重叠区中；

e.对所述导电和绝缘层依次地进行蚀刻，以暴露所述单元中的所述场致发射层；以及

f.去除其余区域的所述光致抗蚀剂层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述阴极是阴极阵列，所述阴极电极和所述栅极电极分别包括阴极寻址轨迹和栅极寻址轨迹，这些轨迹排列成可寻址的行和列，步骤d包括形成发射单元的所述组的图案。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：至少一个或者所有的所述阴极寻址轨迹对多个行或列单元进行寻址。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：暴露和蚀刻的所述步骤包括在阴极阵列上形成基准标记，以便于在制造阵列后接着将阵列与阳极或其它元件对准。

5.如以上权利要求之一所述的方法，其特征在于包括通过施加液体亮金属或者通过无电电镀形成至少一个所述导电层的步骤。

6.如以上权利要求之一所述的方法，其特征在于包括通过真空蒸发或溅射以外的手段形成至少一个所述导电层的步骤。

7.如以上权利要求之一所述的方法，其特征在于：所述场致发射层包括一层大面积场致发射体材料。

8.如以上权利要求之一所述的方法，其特征在于进一步包括在完成步骤a至f后在阴极上依次淀积第二绝缘层和第四导电层，以形成一个聚焦栅格的步骤。

9.一种制造场致电子发射阴极的方法，其特征在于根据权利要求1并基本上参考附图中图1a至1e的以上描述。

10.一种制造场致电子发射阴极的方法，其特征在于基本上参考附图中图3、图4a至4f、图5a至5d、图6a或图6b的以上描述。

11.一种场致电子发射阴极，其特征在于它是利用根据以上权利要求之一所述的方法制造的。

12.一种场致发射装置，它包括具有场致发光荧光体的阳极和根据权利要求11的阴极，其特征在于：阴极是根据权利要求2的阴极阵列并被安排成轰击所述荧光体。

13.如权利要求12所述的场致发射装置，其特征在于：所述荧光体安排在红、绿和蓝组中，以形成彩色显示。

14.如权利要求13所述的场致发射装置，其特征在于包括轮流地激励所述红、绿和蓝的阳极驱动装置。

15.如权利要求12、13或14所述的场致发射装置，其特征在于进一步包括一个交指或网孔形式的电极，它被置于所述的荧光体之间并被安排成在小于所述荧光体被激励的电位下被激励，由此形成环绕荧光体的势阱，以便于将电子吸到所述荧光体上以及补偿阴极与阳极之间的不对准。

16.如权利要求11至15之一所述的场致发射装置，其特征在于：所述阴极设置有所述栅极电极上的进一步控制栅格、和如此驱动所述控制栅格的驱动装置，以延迟所述阴极发射的电子。

17.如权利要求16所述的场致发射装置，其特征在于进一步包括提供垂直于发射体表面的磁场的装置。

18.一种场致发射装置，其特征在于：基本上参考附图中图6a、图6b、图7、图8a或图8b所作的以上描述。

Images