CN1530997A - 制造场发射器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造场发射器件的方法。在该方法中，发射体使用浮脱工艺形成，隔离层形成在用于对发射体构图的牺牲层和发射体材料之间。该隔离层防止牺牲层与发射体材料起反应，以有助于浮脱工艺。因此，可以获得均匀发射具有高亮度的光的场发射器件。

Description

制造场发射器件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造电场器件的方法，尤其涉及一种制造可均匀发射高亮度光的电场器件的方法。
背景技术
碳纳米管(CNT)具有小的直径和大的直径与长度的长径比(aspectratio)，因此即使在低电压下也可以发射电子。由于CNT具有极好的电子发射特性和化学物理稳定性，因此在其物理性能及其应用上已经进行了广泛的研究。同时，斯宾特(spindt)型场发射器件使用金属微尖(micro tip)作为电子发射体。微尖的问题在于，在发射电子期间，在气氛气体和不均匀电场下，寿命降低。为了降低发射电子的驱动电压，要求发射体具有低的功函数，但是传统的微尖已经达到技术极限。为了克服这些问题，已经开发出使用上述CNT作为电子发射源的场发射阵列(FEA)，因为CNT具有高长径比、以及高耐久性和导电性。
美国专利第6440761号公开了一种使用电子发射材料的糊混合物(pastemixture)的FEA及其制造方法。美国专利第6339281号公开了一种FEA及其制造方法，其中通过生长法形成的CNT用作发射体。通常，因为使用糊混合物形成发射体比通过生长法形成发射体更容易，因此优选前一种方法。
现在参考图1A到1G简要描述使用糊混合物制造场发射器件的传统方法。
参考图1A，阴极电极2形成在由如钠钙玻璃形成的衬底1上。阴极电极2通过沉积氧化铟锡(ITO)并使用光刻工艺对其构图来形成。
参考图1B，栅绝缘层3形成在衬底1之上。栅绝缘层3有孔3a，它露出部分阴极电极2。栅绝缘层3可以使用如丝网印刷技术形成。
参考图1C，栅极电极4形成在栅绝缘层3上。栅极电极4具有栅极孔4a，其对应于孔3a。栅极电极4通过使用薄膜形成工艺或厚膜形成工艺沉积金属并对其构图来形成。可选地，栅极电极4可以使用金属糊(metal paste)通过丝网印刷技术形成。
参考图1D，形成糊型电子发射材料层5以覆盖栅极电极4并填充栅极孔4a。糊型电子发射材料层5由光致抗蚀剂和如CNT或纳米颗粒的电子发射材料形成。
参考图1E，使用掩模6对电子发射材料层5曝光。因为电子发射材料层5包含负光致抗蚀剂，所以如果紫外(UV)线照射入孔3a，则孔3a中的光致抗蚀剂通过曝光工艺固化。
参考图1F，对电子发射材料层5显影，由此利用残留的电子发射材料在孔3a中形成发射体5a。
参考图1G，通过在预定温度下烧制发射体5a，使发射体5a完全硬化和收缩，由此使其高度低于栅极孔4a。
上述传统方法具有下列问题。在使用电子发射材料层5形成发射体5a的同时，电子发射材料的一部分很可能留在栅极孔4a周围。电子发射材料的残留部分引起发射体5a和栅极电极4之间的短路，这对场发射器件产生不利的影响。发射体5a和栅极电极4之间的短路造成不能均匀地发射具有高亮度的光，且在短路发生的某部分不能发射电子。这些问题由导致电子发射材料接触电极4的光刻工艺引起。因此，为了解决上述问题，就需要阻止电子发射材料接触栅极4。为此，可以使用浮脱工艺(lift-off process)。众所周知，按照浮脱工艺，用于浮脱的牺牲层形成在不包括发射体将形成的部分的区域。因此，用于浮脱的牺牲层可以阻止电子发射材料接触栅极电极，以致于不引起其间的短路。而且，该浮脱可以阻止不必要的材料残留在栅极孔周围。然而，当实际使用该浮脱时，由于电子发射材料的光敏材料和牺牲层的某些材料的强的化学结合，使用显影溶液或浮脱溶液不能对发射体构图。因此，当试图使用浮脱工艺形成发射体时，应该阻止牺牲层和电子发射材料的化学结合。
发明内容
本发明提供一种制造均匀发射高亮度光的场发射器件的方法。
本发明还提供一种制造场发射器件的方法，该场发射器件阻止了由残留电子发射材料引起的短路，由此形成具有优异电子发射特性的发射体。
根据本发明的一个方面，提供一种制造场发射器件的方法。该方法包括(a)制备衬底结构，该衬底结构包括：衬底；形成在衬底上的阴极电极；形成在阴极电极上的栅绝缘层，栅绝缘层具有露出部分阴极电极的孔；以及具有与所述孔相对应的栅极孔的栅极电极，阴极电极、栅绝缘层和栅极电极依次层叠在衬底上；(b)在衬底结构的不包括被所述孔露出的该部分阴极电极的表面上和所述孔的内壁上形成牺牲层；(c)在牺牲层上形成隔离层，隔离层用于阻止形成发射体的电子发射材料接触牺牲层；(d)通过在形成牺牲层的衬底结构的表面上沉积发射电子材料来形成电子发射材料层，电子发射材料层填充所述孔；(e)除去形成在牺牲层上的隔离层和电子发射材料，并使用蚀刻剂通过进行浮脱工艺(lift-off process)在所述孔的内部用电子发射材料层形成发射体，该浮脱工艺用于除去栅极电极表面和孔内壁上形成的牺牲层；以及(f)烧制发射体。
电子发射材料可以是碳纳米管和纳米颗粒中的一种。电子发射材料层可以由导电材料形成。导电材料由银形成。隔离层可以由电阻材料(resistivematerial)形成。
隔离层可以使用从糊(paste)、溶胶-凝胶和浆液(slurry solution)构成的组中选出的一种形成。电子发射材料层可以由使用从糊、溶胶-凝胶和浆液构成的组中选出的一种的导电材料形成。
电子发射材料层和牺牲层可由光致抗蚀剂形成。隔离层可以使用包含聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)的IPA/H2O溶液形成。
附图说明
通过对示范性实施例的详细描述并参考附图，本发明的上述目的和优点将更加显而易见，其中：
图1A到1G是说明传统的场发射器件的制造方法的横截面图；
图2是根据本发明的方法制造的场发射器件的横截面图；
图3A到3I是说明根据本发明一实施例的场发射器件的制造方法的横截面图；
图4A和4B是照片，表示由包括丝网印刷技术和光刻工艺并且既不使用牺牲层也不使用隔离层的传统方法制造的场发射器件的电子发射；
图5A和5B是照片，表示根据本发明的方法制造的场发射器件的电子发射；
图6A是曲线图，表示根据本发明的方法制造的场发射器件的阳极电流和栅极电压之间的关系；以及
图6B是曲线图，表示根据本发明的方法制造的场发射器件的亮度和栅极电压之间的关系。
具体实施方式
现在参考图2描述根据本发明的方法制造的场发射器件的结构。
参考图2，阴极电极20形成在衬底10上，且栅绝缘层30形成在其上。具有预定直径和深度的井型孔30a形成在栅绝缘层30中。发射体50a形成在井型孔30a的底部，即在阴极电极20的被井型孔30a露出的部分上。
具有代表性的场发射器件具有上述公知结构，其中本发明方法中使用的隔离层的残余材料，例如电阻材料，是否残留在发射体50a的下部均可。
栅极电极40形成在栅绝缘层30上。栅极电极40包括栅极孔40a，电子经由该栅极孔从发射体50a引出。
本发明的电子发射材料包含能通过电场使电子发射的CNT或纳米颗粒。而且，发射体50a可以由高导电金属颗粒形成，例如银和钛，以提高电流的供给。
如果电阻材料，即隔离层的残留材料，如上所述地残留在发射体50a的下部，则电阻材料允许电流甚至均匀地提供到均匀地分布在发射体50a中的CNT或纳米颗粒的发射点，该发射体由于导电金属颗粒而是高导电的。优选地电阻材料以预定的厚度形成，以有效地辅助上述电流供给。
当制造场发射器件时，牺牲层可能接触发射体。因此，牺牲层的材料对发射体的材料的反应很可能发生。牺牲层可以由酚醛光敏树脂(novolacphotosensitive resin)形成。如果对该树脂有强溶解性的例如特克斯纶(Texanol)的溶剂包括在电子发射材料中，则该溶剂对牺牲层的侵蚀是不可避免的。即，当电子发射材料接触牺牲层时，如果高可溶的特克斯纶溶解牺牲层的酚醛基体，则溶解的酚醛基体的成分和电子发射材料的丙烯酸基体的成分混合，因此引起两种基体的紧密结合。在这种状态下，不可能使用显影溶液或浮脱溶剂对发射体进行构图。因此，在本发明中，隔离层形成在牺牲层上，以阻止牺牲层的材料接触发射体50a的电子发射材料。
此后，将参考图3A到3I详细描述根据本发明的实施例的场发射器件的制造方法。
参考图3A，阴极电极20形成在由钠钙玻璃(soda lime glass)制成的衬底10上。为了形成阴极电极20，在衬底10上沉积ITO，并使用光刻工艺对其构图。
参考图3B，栅绝缘层30形成在衬底10之上。在栅绝缘层30中形成孔30a，从而露出部分阴极电极20。栅绝缘层30可以通过丝网印刷技术或包括绝缘材料的沉积和构图在内的其他各种公知方法形成。
参考图3C，栅极电极40形成在栅绝缘层30上。栅极孔40a形成在栅极电极40中以对应于孔30a。栅极电极40可以通过包括金属材料的沉积和构图的薄膜形成工艺，或通过包括使用金属糊的丝网印刷技术的厚膜形成工艺形成。
参考图3D，用于浮脱的牺牲层60形成在栅极电极40的表面和孔30a的内壁上，不包括孔30a的底部。牺牲层60通过使用糊的丝网印刷技术或使用溶胶-凝胶或浆液的旋涂方法形成并被软烘烤(soft bake)。
参考图3E，隔离层70形成在牺牲层60上。和牺牲层60一样，隔离层70通过使用糊的丝网印刷技术或使用溶胶-凝胶或浆液的旋涂方法形成并被软烘烤。隔离层70应该由不与牺牲层60起反应或几乎不与之起反应的材料形成，以不妨碍整个制造工艺。而且，隔离层70应当由几乎不与隔离层70上将要形成的电子发射材料起反应的材料形成。如上所述，隔离层70可以由电阻材料(resistive material)形成，从而形成对发射体的下部为电阻性的材料层，隔离层也可以由光敏光致抗蚀剂形成。电阻材料可以是从SiO2、MgO、a-Si和p-Si构成的组中选出的至少一种。如果隔离层70不包括电阻材料而只用于阻止电子发射材料接触牺牲层60，则隔离层70不在孔30a的底部形成，以致于与牺牲层60一样不覆盖阴极电极20。
参考图3F，使用光致抗蚀剂和如CNT或纳米颗粒的电子发射材料在所得结构上形成电子发射材料层50。电子发射材料层50可以由例如银的导电颗粒形成，以提高电流供给。此电子发射材料层50可通过使用糊的丝网印刷技术、或使用溶胶-凝胶或浆液的旋涂方法形成。
参考图3G，牺牲层60和电子发射材料层50通过加热或使用紫外(UV)线固化。
参考图3H，用于利用蚀刻剂除去牺牲层60的浮脱工艺得以执行，由此仅在孔30a底部的中心形成初步的发射体50a。初步的发射体50a由隔离层70的剩余部分和电子发射材料层50构成。
参考图3I，在预定温度下烧制该发射体50a，并使之完全硬化和收缩。由此，发射体50a的顶部在高度上变得低于栅极孔40a。作为烧制的结果，从剩余的隔离层70中完全除去热解成分(pyrolytic ingredient)，并且电阻材料保持在很小的厚度。
在本发明中，隔离层置于牺牲层和电子发射材料层之间，由此阻止光致抗蚀剂形成的牺牲层与电子发射材料层起反应。因此，可以防止牺牲层和电子发射材料层之间的紧密结合，这有助于用于形成发射体的浮脱工艺。
如果根据本发明的实施例，电阻材料层设置在发射体的下部，则电阻材料层允许电流均匀地提供到高导电电子发射材料层。所以，发射体可以具有均匀的电子发射特性。
图4A和4B是照片，示出通过包括丝网印刷方法和光刻工艺、并且既不使用牺牲层也不使用隔离层的传统方法制造的场发射器件的电子发射。图4A示出阳极电压为1KV、栅极电压为55V且电子发射电流为367.5μA的条件下的屏幕亮度，而图4B示出阳极电压为1KV、栅极电压为50V且电子发射电流为58.6μA的条件下的屏幕亮度。
图5A和5B是照片，示出通过根据本发明的方法制造的场发射器件的电子发射。图5A示出阳极电压为1KV、栅极电压为55V且电子发射电流为1.13mA的条件下的屏幕亮度，而图5B示出阳极电压为1KV、栅极电压为60V且电子发射电流为2mA的条件下的屏幕亮度。
参考图4A到5B，由传统方法制造的场发射器件具有比由本发明制造的场发射器件更低的电子发射电流，并很可能几乎不发射电子。然而，本发明的场发射器件可以解决短路的问题，具有很高的电子发射电流，并确保了均匀的亮度。
图6A是曲线图，示出了通过本发明的方法制造的场发射器件的阳极电流和栅极电压之间的关系；图6B是曲线图，示出了其亮度和栅极电压之间的关系。如图6A所示，通过本发明制造的场发射器件显示出很高的电流和亮度。由于图6B的结果是在光发射表面与传感器保持间隔约6cm时获得的，因此假定实际应用的场发射器件的亮度高于图6的结果。
根据本发明，可以获得具有很高电流和亮度的场发射器件。而且，使用隔离层有效地进行浮脱工艺，从而防止了栅极电极和发射体之间的短路。因此，能获得改进的电子发射器件。保留在电子发射材料层下部的电阻材料允许电流甚至均匀地提供到均匀分布在高导电电子发射材料层中的CNT或纳米颗粒的发射点。于是，电子可以通过整个电子发射材料层均匀地发射。结果，可高度增加场发射器件的寿命。
本发明的场发射器件可以应用到需要发射电子的装置中，例如显示装置。尽管本发明已经参考其优选实施例得以具体示出并描述，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其做形式和细节上的各种改变。

Claims (11)

1.一种制造场发射器件的方法，该方法包括：
(a)制备衬底结构，该衬底结构包括：衬底；形成在该衬底上的阴极电极；形成在该阴极电极上的栅绝缘层，该栅绝缘层具有露出部分该阴极电极的孔；以及具有与所述孔相对应的栅极孔的栅极电极，所述阴极电极、栅绝缘层和栅极电极依次叠置在该衬底上；
(b)在该衬底结构的不包括该阴极电极的由所述孔露出的该部分的表面上和所述孔的内壁上形成牺牲层；
(c)在该牺牲层上形成隔离层，该隔离层用于防止形成发射体的电子发射材料接触该牺牲层；
(d)通过在形成有该牺牲层的该衬底结构的表面上设置该电子发射材料来形成电子发射材料层，该电子发射材料层填充所述孔；
(e)除去形成在该牺牲层上的该隔离层和该电子发射材料，并通过使用蚀刻剂进行浮脱工艺，在所述孔内使用该电子发射材料层形成该发射体，该浮脱工艺用于除去形成在该栅极电极的表面和所述孔内壁上的该牺牲层；以及
(f)烧制所述发射体。
2.根据权利要求1的方法，其中该电子发射材料是碳纳米管和纳米颗粒中的一种。
3.根据权利要求1的方法，其中该电子发射材料层由导电材料形成。
4.根据权利要求3的方法，其中该导电材料由银形成。
5.根据权利要求1的方法，其中该隔离层由电阻材料形成。
6.根据权利要求5的方法，其中该电阻材料由从SiO2、MgO、a-Si和p-Si构成的组中选出的一种形成。
7.根据权利要求1的方法，其中该隔离层使用从糊、溶胶-凝胶和浆液构成的组中选出的一种形成。
8.根据权利要求1的方法，其中该电子发射材料层使用从糊、溶胶-凝胶和浆液构成的组中选出的一种由导电材料形成。
9.根据权利要求8的方法，其中该导电材料是银。
10.根据权利要求1的方法，其中该电子发射材料层和该牺牲层由光致抗蚀剂形成。
11.根据权利要求1的方法，其中该隔离层使用包含聚乙烯醇的IPA/H2O溶液形成。
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