CN1723519A - 场致发射器件和该器件的制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种具有阴极(120)和栅极(140)的场致发射器件(100)。在这些电极之间提供构图的介电层(130)。根据本发明，该介电层(130)通过液体模压步骤，也就是使液体材料(131)与构图的压模(150)相接合，由构图的液体前体材料(131)制成。在除去压模(150)之后，固化液体材料以形成构图的介电层(130)。优选，在后续的制造步骤中，在构图的介电层(130)上以自对准的方式形成阴极(120)或栅极(140)。

Description

场致发射器件和该器件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种场致发射器件的制造方法。

本发明还涉及一种场致发射器件和包括该场致发射器件的显示器。

背景技术

场致发射器件可以用作用于平板型显示器，即所谓的场致发射显示器(FED)的电子源。FED是一种真空电子器件，与公知的阴极射线管(CRT)具有许多共同的特征，如低制造成本、良好的对比度和视角、以及不需背光。

场致发射是一种量子力学现象，其中由于施加电场，电子在适合的发射材料的外部表面处隧穿穿过势垒。电场的存在使所述外表面边界处的势垒宽度有限，使得这个势垒对电子来说是可穿透的。因此，电子可以从场致发射材料中发射出来。

场致发射器件通常采用栅结构(也称作三极管结构)。栅结构包括场致发射材料和两个电极，即阴极和栅极。在这两个电极之间，工作中形成一个电场，它允许从通常邻近于阴极设置的场致发射材料中发射电子。

在场致发射显示器中，场致发射器件采用两组电极，更具体为一组阴极和一组栅极。两组电极一般限定出行和列的无源矩阵结构。从而，可以独立地调节用于场致发射显示器的显示屏上每个像素的电场及由此产生的电子发射流。

为了获得场致发射材料上的足够高的电场强度，阴极和栅极通常应当互相接近。为了实现该目的，在两组电极之间提供介电层。然后通常构图该介电层。

例如，在一般的栅结构的构造中，在衬底上提供阴极，在阴极上布置介电层和栅极。提供延伸通过介电层和栅极的栅孔。在栅孔底部，邻近阴极提供场致发射材料。因此，介电层(和栅极)必须具有发射电子可穿过的这些栅孔。优选栅孔相对小，例如具有一微米或几微米的尺寸，以获得来自场致发射体的良好的电子发射。

传统地通过化学汽相沉积(CVD)技术进行介电层的沉积。在沉积层中，希望的图案例如栅孔的图案通过光刻形成，其包括提供和照射图像层(photolayer)的步骤和蚀刻步骤。在一般的栅结构的构造的例子中，优选蚀刻步骤包括反应离子蚀刻(RIE)以获得具有足够斜的斜面的栅孔。而且，CVD和RIE技术需要真空设备。

由于这些问题，公知的场致发射器件的制造方法是耗时的。需要的设备昂贵，例如，CVD装置的维护和运行成本是相当高的。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种场致发射器件的制造方法，其比传统方法更快且更便宜。

通过独立权利要求1中所述的根据本发明的场致发射器件的制造方法可以实现这一目的。

因此，栅结构的介电层由液体材料层形成，其易于提供在衬底上，例如通过旋涂或浸渍涂覆。

通过使液体材料层与压模(stamp)相接合来模压液体层。压模的表面通常包括凸起和/或凹陷的图案，其图案与介电层中的希望图案相匹配。该方法中使用的合适的压模为例如在国际专利申请WO 97/06012中公开的。优选，压模由合成橡胶材料形成，例如硅橡胶。合成橡胶压模使得压模和要构图的液体层之间可以良好接触，而不会有损伤衬底的危险。

在接合步骤期间压模与液体层相接触。因此，根据压模的图案模压液体层。在除去压模之后，进行固化步骤，在此期间现有的液体材料的构图层转化为固化的、构图的介电层。

根据本发明的方法与传统方法相比显然被简化了。不需要真空条件。以液体形式应用介电材料层，例如通过旋涂，代替了通过CVD技术生长该层。不必要光刻和蚀刻，而是通过简单和快速的模压技术构图介电层。因此，与现有技术中的几个小时相比，场致发射器件的制造仅花费几分钟。执行该方法需要的设备与现有技术中的CVD和蚀刻装置相比相对简单和便宜。不再需要用于构图介电层的蚀刻步骤，因此场致发射器件不必提供有蚀刻停止层。

通过根据本发明的方法，可以相对容易地在介电层中形成微米或亚微米级的图案。介电层中结构的尺寸可以是200nm，或甚至更小。通过传统光刻难以形成这个级别的尺寸，因为其需要使用具有约200nm波长的紫外辐射照射。这种辐射容易损伤使用的材料。

通常，通过根据本发明的方法，使用与希望的图案匹配的压模，能够对介电层应用任何希望的图案。

在从属权利要求2-6中详述该制造方法的其它优选实施例。

压模的表面具有凹陷和/或凸起的图案。

通常，在一般的栅结构的构造中，在介电层中的栅孔里提供发射体材料。

优选通过使液体材料与压模的合适形状的凸起相接合来形成这些栅孔。所述的凸起更优选为圆柱形。邻近于衬底和场致发射体材料设置阴极，栅极提供有用于通过发射电子的孔，该孔与栅孔基本对准，从衬底看，栅极位于场致发射器件的另一面上。

可选的合适形状的凸起为圆柱形，并在接合步骤期间包含朝着远离衬底的锥形部分。因此，部分栅孔具有随着到衬底的距离而增大的直径。

场致发射器件的栅结构可以选择为底栅构造。那么衬底包括栅极，介电材料片的图案布置在栅极的顶部。借助包括类似的合适形状凹陷的图案的压模来模压介电材料片。优选用于制造底栅三极管结构的压模中的凹陷为圆柱形、环状或长方形。

接合步骤期间在压模上可以施加额外压力，所述的压力设为预定值。通过施加额外压力，压模和液体层更密切地接触。

通过使用非常小的或者甚至零压力，压模由于表面张力被吸到液体层上。例如在一般的栅构造中，这导致介电材料薄层保持在压模的凸起下方，并因此在栅孔中，该层的厚度例如为50或100nm。这在使用金属-绝缘体-真空型发射体颗粒，例如石墨颗粒时是有利的。如果在模压步骤之前使用这些颗粒，构图液体层之后留下覆盖颗粒的绝缘材料薄层。这保证了这些颗粒的良好发射特性。

如果使用额外压力，压模和液体层更密切的接触，使得在上述例子中栅孔内保留了更少的液体材料。如果希望的话，可以形成内部基本上不留下液体材料的栅孔。在场致发射器件中，然后在栅孔底部暴露出阴极。

该方法中使用的合适的液体材料尤其包括有机硅烷化合物的水解混合物，如甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和胶态氧化硅(Ludox TM50 ex Dupont)颗粒(见共同未审欧洲专利申请PHNL021231)。该液体层称作溶胶-凝胶前体系统，形成基于硅氧烷基体和二氧化硅的介电层。该介电层具有良好的绝缘特性和足够低的介电常数。

可选择地，使用聚酰胺作为液体材料。使用聚酰胺时，特别有利的是现有技术中的蚀刻步骤例如反应离子蚀刻(RIE)步骤是不必要的。该蚀刻会导致聚酰胺在特定环境下石墨化，由于形成的石墨限定了导电路径使得已经形成的介电层特性退化。

在现有技术中，同时构图所述层顶部的介电层和电极。当使用根据本发明的方法时，在后续步骤中在构图的介电层上提供电极，优选以自对准的方式。

优选形成第二电极的步骤包括另外的步骤：

在第二压模上提供包含金属颗粒的悬浮液；

把部分所述悬浮液转移到构图的介电层的抬高部分上；和

退火转移的悬浮液。

以下将该技术称作“照相凹版胶板印刷”。

悬浮液包含金属颗粒，金属例如银或铝，并通过第二压模被转移到介电层上。第二压模通常是未被构图的。

使该压模与其上进一步提供悬浮液的衬底相接触，使得通过第二压模获得部分悬浮液。此后，使第二压模与构图的介电层相接合，在介电层的抬高部分上留下部分悬浮液。仅介电层的抬高部分与第二压模相接触。

最后，从转移的悬浮液中进行退火步骤，获得一个形成第二电极的导电金属层。退火在升高的温度下进行，例如350摄氏度。仅在介电层的抬高部分提供第二电极，并因此在其内部提供自对准的图案。

照相凹版胶板印刷工艺能够在任一预先构图的介电层上形成自对准的电极。不必通过上面给出的液体压模技术来构图介电层。

可选择地，通过将金属颗粒接触印刷到构图的介电层上，实现以自对准的方式提供电极。接着，能够使用印刷金属颗粒以生长连续的金属膜来代替第二电极，例如通过无电镀的沉积技术。该工艺依赖于在印刷步骤中使用合适的构图掩模。

本发明的另一目的是提供一种场致发射器件，其具有相对低的制造成本，并可以在相对短的时间周期内制造。通过如权利要求7中描述的根据本发明的场致发射器件获得这一目的。其它优选实施例在从属权要求8-11中详述。

场致发射器件包含包括栅极和阴极的三极管结构。邻近于阴极布置场致发射体材料。在栅极和阴极之间，提供构图的介电层。根据本发明，通过液体模压技术进行所述层的构图，其中构图的压模与液体层相接合。在优选实施例中，三极管结构具有通常的构造，其包含具有使发射电子通过的栅孔图案的介电层。更优选，栅孔包含邻近第二电极的锥形部分，第二电极至少部分延伸进入孔的锥形部分。

后一特征具有以下优点，对于栅结构的最大的部分来说，第一电极和第二电极之间的距离可相对大，以带来栅结构相对小的电容。同时，由于第二电极延伸进入栅孔，在工作中靠近发射体材料处的电场保持在足够高的电平。

附图说明

从附图和参照附图的说明，本发明的这些和其它特点将更明显。

附图中：

图1A-1F说明根据本发明的、具有通常的栅结构的场致发射器件的实施例的制造方法；

图2A-2B示出具有通常的栅结构的场致发射器件的另一实施例；

图3示出根据本发明的、具有底栅结构的场致发射器件的实施例；

图4示出场致发射显示器(FED)的实施例。

具体实施方式

通过根据本发明的方法的实施例制造用于场致发射器件的栅结构(三极管结构)。在图1中，说明具有所谓的通常栅构造的三极管结构的场致发射器件100的制造。

首先提供具有阴极120的衬底110，例如玻璃板。在衬底110和阴极120上提供液体材料层131。层131优选具有1和10微米之间的厚度，并通过旋涂工艺、丝网印刷技术或浸渍涂覆工艺其中之一沉积在衬底110上。液体材料优选是胶态氧化硅(Ludox TM50)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)的溶胶-凝胶型悬浮液。可选择地，液体材料包含聚酰胺。

在后续的接合步骤中(图1B)，合成橡胶压模150与液体材料层131相接触。压模150例如由PDMS硅橡胶制得。接合步骤期间与液体材料相接触的压模150的表面155包含凹陷152和凸起154的图案。

当压模与层131接触时(图1C)，液体材料被凸起154挤出但保留在凹陷152内部。因此，液体材料层131被给予模压的图案，其与压摸150上的凹陷152和凸起154的图案匹配。该工艺称作“软平板印刷”或“液体模压”。优选，压模150包含圆柱形凸起154，使得在层131中形成圆柱形孔。

进行第一固化步骤，其中将层131加热到70摄氏度2-3分钟。这保证了在从层131除去压模150的后续步骤期间，层131保持其图案。

在除去压模150之后，通过将层131加热到优选约400摄氏度的高温，进行第二固化步骤。在第二固化步骤期间，层131中的液体材料转化为固体介电层130。在液体材料包括上述溶胶-凝胶型悬浮液的情况中，固体介电材料包含二氧化硅，固化层的介电常数约为4。构图的介电层130见图1D。

当使用金属-绝缘体-真空(MIV)型发射体颗粒时，借助液体模压构图介电层130是特别有利的。通过这种颗粒的最佳发射依赖于存在于(导电)颗粒外表面上的绝缘材料薄层。

在这种情况中，通过任一合适技术，例如旋转涂覆或浸渍涂覆，在衬底110和阴极120上直接提供发射体顆粒(图1F中用参考标记170表示)。因此，在应用液体材料层131之前提供发射体颗粒。发射体颗粒例如是具有平均直径为4微米的石墨颗粒。

如果在模压步骤期间不对压模150施加额外压力，压模150仅由于表面张力被吸到液体层131上，并且衬底110和阴极120上保留相对薄的液体材料层，如70nm的层。合成橡胶压模150绕发射体颗粒收拢(fold)，使得类似的液体材料薄层保留在发射体颗粒170上。以这种方式在移除压模和固化液体材料时在颗粒上提供具有需要的厚度的介电层。

采用该方法获得的介电层130中的栅孔135的尺寸介于例如1和10微米之间。

优选，栅孔135的尺寸与介电层130自身的厚度大致相同，使得栅孔135具有1∶1的纵横比。在使用上面提及的MIV型发射体颗粒时，或可选地在采用Spindt型发射体尖端时，这种栅孔是适合的。

已经实现了亚微米区域内的栅孔尺寸，例如200或500nm。该尺寸使用特定类型的发射体材料时是有利的，例如碳纳米管(CNT)。对于碳纳米管，考虑到更有效的电子发射，希望具有尽可能小的栅孔。这种要求来自于以下事实，仅仅邻近栅孔边缘的碳纳米管对电子发射有贡献。因此，随着栅孔尺寸的减小，发射体颗粒的数目增大。

在最后步骤期间，在构图的介电层130顶部提供具有栅极140的结构。该栅极140具有可使发射电子通过的孔145的图案，孔145与栅孔135对准。传统地，使用单一蚀刻步骤形成孔145和栅孔135，然而根据本发明的方法中在构图介电层130之后提供栅极140。

以自对准的方式形成栅极140，因此使得电子通过的孔145与介电层130的栅孔135对准。

以自对准的方式形成栅极140的优选方式是图1E中描述的照相凹版胶板印刷技术。将具有金属颗粒例如银(Ag)或铝(Al)的悬浮液提供到另一基本未被构图的压模160上。例如优选通过印刷从其上提供悬浮液的衬底(未示出)将悬浮液转移到压模160上。

然后，使其表面上提供有悬浮液的第二压模160的表面162与已形成的栅结构相接合，更特别地使其与介电层130的抬高部分132相接触。因此，部分悬浮液沉积到介电层130上。然后除去第二压模160并通过退火步骤由沉积的悬浮液形成第二电极140。由于悬浮液仅沉积在介电层的抬高部分132上，而不在栅孔135内部，因此形成的第二电极140与构图的介电层130是自对准的。

通过上述工艺获得的最终器件在图1F中示出。在该图中，示出发射体颗粒170。注意根据所述的制造方法的实施例，涂敷液体材料层131之前在阴极120顶部上提供颗粒170。然而，为清晰起见，在图1F中仅示出发射体颗粒170。

发射体颗粒，例如碳纳米管(CNT)，也可作为该方法的最终步骤被提供，例如通过应用掩模的印刷技术。然后使用光敏粘接剂将CNT印刷至较大的栅孔(10微米以上)中。可选择地，对于较小的栅孔(10微米以下)能直接生长CNT。

选择介电层的厚度以达到在足够高的电子发射和发射结构的相对有限的电容之间的平衡。较薄的绝缘体在接近发射体材料处产生更高的电场，使得电子发射相对高。然而，该结构的电容与绝缘体的厚度成反比，从而越薄的介电层导致越大的电容。

在场致发射显示器中，较大的电容在像素的驱动方面导致几个缺点。其中，在像素驱动方面损失的能量值相对大，由于增大的RC时间引起的像素寻址相对慢，以及在寻址像素时产生电容电流的损失。出于这些原因，优选介电层的厚度在1和10微米之间。而且，在场致发射器件的优选实施例中，如图2A中所示，构图介电层。介电层230中的栅孔235包括邻近于衬底210的、具有场致发射材料(未示出)的圆柱形部分235A，和邻近于栅极240的锥形部分235B。栅极240覆盖锥形部分235B的内壁，并由此延伸进入栅孔235至距离阴极220为D1的距离。

接近阴极220处的栅孔的直径例如为10微米，其在锥形部分235B的栅极端处增大至例如12微米。介电层230的厚度D2例如为6微米。栅孔的圆柱形部分235A和锥形部分235B都延伸通过大约一半的介电层230，从而它们在垂直于衬底210的方向上的长度约为3微米。因此D1也约为3微米。

介电层230的厚度D2相对大，以避免太高的像素电容的问题。另一方面，由于栅极240延伸进入栅孔，场致发射体材料位置处的电场由较小的距离D1决定。上述例子的计算显示出像素电容减小了45％，然而场致发射体材料处的电场仅减小了2％。因此，这种配置提供了具有较小电容的高发射场。

使用压模250来模压介电层230，该压模250具有含有锥形部分的凸起254，如图2B中所示。因此获得包含锥形部分235B的栅孔235。通过前边给出的照相凹版胶板印刷技术形成延伸进入栅孔235的栅极240，由此在第二压模上使用的悬浮液层的厚度决定了栅极240延伸进入栅孔235的量。

类似形状的栅孔本身在现有技术中是公知的，例如国际专利申请WO92/01305。然而，在该文件中，栅孔的不同部分在分离的介电层中分别形成。依据根据本发明的制造方法，可以在单一的模压步骤中比较容易地制造部分具有锥形的栅孔。该栅孔在单一介电层中延伸。

优化栅孔的设计相对容易，从而使得电容可以进一步减小。从制造方面看，这仅需要压模图案的改变。

在场致发射器件中，阴极和栅极的位置也能够互换，从而栅极邻近衬底。这称作底栅结构。具有底栅结构的场致发射器件的实施例如图3中所示。

用于底栅结构的制造方法与一般的栅结构大致相同。首先在衬底310上提供栅极340，接着其被液体材料覆盖，该液体材料通过液体模压形成构图的介电层330。优选阴极320通过照相凹版胶板印刷技术在构图的介电层330顶部上形成。

在底栅结构的制造中，必须在形成阴极320之后沉积发射体颗粒370。在图中，碳纳米管示为发射体颗粒370，但也可采用任一其它合适的场致发射体材料。例如发射体颗粒370可以通过第二照相凹版胶板印刷步骤提供，由此包含发射体颗料的悬浮液转移到基本未被构图的压模上，其后来与阴极320相接触。在阴极320的顶部上沉积悬浮液之后，对悬浮液进行退火从而保留发射体颗粒370。

在底栅结构中，电子发射主要由邻近于阴极320的边缘325的发射体产生。因此在形成相当大量的小型结构时，其是有利的，如图3中所示。介电层330包含相当大量的绝缘材料片332，每个被阴极320和发射体材料370所覆盖。

由于允许形成具有亚微米状况的尺寸的图案，根据本发明的制造方法特别适用于形成这种结构。

在图4中示出的场致发射显示器中，真空外壳(vacuum envelope)包括根据本发明的场致发射器件400。场致发射器件与提供有磷光体轨485的显示屏480相对。显示屏480包括图像单元482。场致发射器件400用作电子源，用于产生撞击在磷光体轨485上的电子，从而照亮图像单元482。

显示屏480的每一个图像单元(像素)482可独立地寻址，因此阴极和栅极限定了一个无源矩阵结构。为像素482的每一行484提供一行阴极420a、b、c，并且为像素482的每一列486提供一列栅极440a、b、c。

通过构图的介电层430，阴极420a、b、c与列栅极440a、b、c分离开。该层由被转换的液体材料形成，例如由包含有机硅烷化合物的溶胶-凝胶型材料和优选无机填料例如胶态氧化硅形成。可选择地，液体材料包括聚酰胺。

介电层430的图案为栅孔435的图案。在每个栅孔435的底部，当施加合适的电场时，提供可发射电子的发射体颗粒(未示出)。栅孔435延伸通过介电层430和栅极440a、b、c。

场致发射显示器的功耗，应当尽可能的低，因此希望在阴极和栅极之间具有低的电压差。而且，介电层的介电常数应当低，使得场致发射器件的电容也相当小。介电层的厚度必须达到一方面在所述低电压差处具有相当高的电场和另一方面具有相当低的电容这两方面之间的平衡。

在优选实施例中，介电层130的介电常数是3、5或4。介电层130的厚度约为20微米。在这种情况中，阴极和栅极之间约20伏的电压差允许足够高的电场作用在栅孔435的底部处的发射体颗粒上，使得这些颗粒能够发射电子。

通过接通对应于该像素的行阴极420a、b、c的行电压Vrow1、2、3和同时接通过应于该像素的列栅极440a、b、c的列电压Vcol1、2、3寻址像素482。然后，仅在被选择的阴极和栅极交叉区域内的发射体颗粒发射电子，其经过所述区域的栅孔并朝着显示屏480被加速。为此目的，在工作中为显示屏480提供例如10KV的阳极电压。加速电子落在显示屏480的像素482上，从而给所述像素482内的部分磷光体轨485赋予能量并使其发光。

作为例子，当接通行电压Vrow1和列电压Vcol3时，电子从图中用参考数字436表示的孔图案中释放出来，并落在显示屏480上用参考数字488表示的被选择的像素处。因此，被选择的像素488内部的磷光体轨485发光，使得观察者可以看到被选择的图像单元488。

附图是示意性的，并未按比例绘图。虽然结合优选实施例说明了本发明，但是应当理解本发明不应当被限制于优选实施例。而且，在附加的权利要求的范围内本发明包括了本领域技术人员、能作的各种变形。

总之，提供一种具有阴极(120)和栅极(140)的场致发射器件(100)。在两个电极之间，提供构图的介电层(130)。根据本发明，该介电层(130)由液体前体材料(131)制得，其通过液体模压步骤，也就是使构图的压模(150)与液体材料(131)相接合而构图。在除去压模(150)之后，固化液体材料以形成构图的介电层(130)。优选，在后续的制造步骤中，以自对准的方式在构图的介电层(130)上形成阴极(120)或栅极(140)。

Claims (12)

1、一种场致发射器件的制造方法，包括以下步骤：

在衬底上提供液体材料层；

使所述液体材料层与构图的压模相接合以模压该层，

固化液体材料层，从而形成固化的、构图的介电层，和

在所述的构图的介电层上形成电极。

2、根据权利要求1的方法，其中该方法包括使压模的基本圆柱形的凸起与液体材料层相接合。

3、根据权利要求1的方法，其中该方法包括在接合步骤期间在压模上施加额外压力，所述压力设定为预定值。

4、根据权利要求1的方法，其中液体材料包括有机硅烷化合物的水解混合物和无机填料。

5、根据权利要求1的方法，其中液体材料包括聚酰胺。

6、根据权利要求1的方法，其中形成电极的步骤包括以下步骤：

在第二压模上提供包含金属颗粒的悬浮液；

将所述部分悬浮液转移到构图的介电层的抬高部分上，和

对被转移的悬浮液进行退火。

7、一种场致发射器件，包括

用于发射电子的场致发射体材料；

用于在所述场致发射体材料上施加电场的第一电极和第二电极，和

基本位于所述第一和第二电极之间的介电层，所述介电层通过液体模压技术被构图。

8、根据权利要求7的场致发射器件，其中介电层包括用于使发射的电子通过的栅孔图案。

9、根据权利要求8的场致发射器件，其中栅孔包括邻近于第二电极的锥形部分，该第二电极至少部分延伸进入栅孔的锥形部分。

10、根据权利要求7的场致发射器件，其中场致发射体材料包括碳纳米管。

11、根据权利要求7的场致发射器件，其中场致发射体材料包括石墨特殊发射体。

12、一种显示器，包括根据权利要求7-11中任一种的场致发射器件。

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