CN1781173A - 场致发射器件及其形成这种器件的方法 - Google Patents

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Abstract

场致发射器件(1)可以用于例如，在场致发射显示器(FED)中发射电子。场致发射端(40)用于在场致发射器件(1)中发射电子。在场致发射器件的运行中，电压施加在具有和场致发射端(40)电接触的第一电极(4)以及第二电极(34)之间以使得场致发射端(40)发射电子。为了形成场致发射端(40)，液体材料层涂覆到具有第一电极(4)的衬底(2)上。用构图印模压印液体材料层并接着被固化以形成场致发射端结构(20)。导电薄膜(38)涂覆在场致发射端结构(20)上以形成具有和第一电极(4)电接触的场致发射端(40)。

Description

场致发射器件及其形成这种器件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造场致发射器件的方法。
本发明还涉及一种场致发射器件。
背景技术
场致发射器件可以用作电子源，该电子源用于平板型显示器，即所谓的场致发射显示器(FED)，其是真空电子器件。
场致发射是由于施加的电场导致其中电子隧道在适当的发射材料的外表面穿过势垒的量子力学现象。电场的存在使得在有限的所述外表面势垒的宽度受到限制，结果该势垒能透过电子。因此，从场发射材料可以发射电子。场致发射器件通常使用栅结构(也称为三极管结构)。栅结构包括场发射材料和两个电极，也就是阴极和栅极。在运行的这些电极中，形成允许从场发射材料发射电子的电场，场发射材料通常设置在阴极附近。
在场致发射显示器中，场致发射器件使用两组电极，更尤其是一组阴极和一组栅极。该组电极通常定义具有行和列的无源矩阵结构。因此，对于场致发射显示器的显示屏上的每个像素，可以单独地调节电场和由此的电子发射电流。为了在场发射材料上获得足够高的电场强度，阴极和栅极通常应当彼此靠近。为了获得这个，在该组电极之间设置电介质层。
US6045425描述了制造可以用于在场致发射器件中发射电子的场致发射端的方法。有时称为Spindt发射器的场致发射端成组地形成，每个组都具有和阴极的电接触，并且当给阴极和对应于那个特别组的栅极施加电压时发出电子。US6045425的场致发射端是在阴极上设置的绝缘体中形成的开口中通过高密度等离子体化学气相淀积形成的。在随后的步骤中通过刻蚀设置在绝缘体层上的所谓剥落层以去除多余的淀积材料。然后需要另外的步骤形成栅极。US6045425中描述的方法包括很多步骤因此浪费时间且昂贵。在汽相淀积期间也很难保证场致发射器件上的所有的场致发射端都长成相同的尺寸。因此，在场致发射器件的区域上存在不均匀的电子发射的危险。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种形成场致发射器件的方法，所述方法比常规方法更快且更便宜。
该目的通过形成根据序言的场致发射器件的方法实现，该方法包括步骤：
在衬底上提供导电层，
在导电层上提供液体材料层，
使构图印模和所述液体材料层(6)接合，用于压印液体材料层(6)并在其中形成至少一个场致发射端结构，
固化液体材料层，由此形成具有至少一个固化场致发射端结构的固化的、构图的电介质层，和
在所述的至少一个固化场致发射端结构上形成导电薄膜以使得它和导电层电接触。
本发明的方法减少了制造高质量场致发射端必要步骤的数量。改善了场致发射端的物理形状的控制。构图印模的使用是有利的，因为使得可以批量生产场致发射器件。
根据权利要求2的方法具有这样的优点，它使得容易地制造具有场致发射端结构和电极结构的场致发射器件，因为它们同步且用相同的构图印模形成，所以彼此良好的对准。适当的对准产生良好限定的发射特性，其对于在大面积上，例如在场致发射显示器中获得均质的发射很重要。另一个优点是场致发射端结构和电极结构仅在一个步骤中形成，由此减少了用于制造场致发射器件必需的步骤数量。
根据权利要求3的方法具有这样的优点，它提供使得结构，例如场致发射端结构和电极结构(如果存在的话)电导通的有效方法。蒸发的导电材料非常适合于导通的非常小的场致发射端结构和导电层，并仍然保持场致发射端结构的尖端尖锐。可以用这种气相淀积有效地涂覆非常适合于电子发射的金属薄膜，例如钨和钼薄膜。
根据权利要求4的方法具有这样的优点，当去除覆盖该层的多余电介质材料时，场致发射端结构和导电层的导通变的更加容易。刻蚀是非常适合于向下延伸到形成的小结构之间并刻蚀多余的电介质材料的简单方法。
权利要求5的方法具有一个优点，因为涂层保护场致发射端结构以及保护电极结构(如果存在)免受随后刻蚀步骤中的刻蚀。
权利要求6的方法具有这样的优点，涂层的使用可应用于在电极结构上提供栅极。而且还可以改善场致发射端结构上的尖端处的导电性。
根据权利要求7的方法具有这样的优点，提供对场致发射端结构的有效保护以及还有对电极结构(如果存在)的有效保护，使得在随后的刻蚀步骤中这些结构不被刻蚀。在刻蚀步骤之后可以去除憎水涂层，使得可以涂覆例如导电薄膜。
本发明的另一个目的是提供一种比常规场致发射器件便宜且容易制造并具有高的和可预测的质量的场致发射器件。
通过根据序言的场致发射器件实现该目的并包括：
衬底，具有其上提供了形成第一电极的导电层，
场致发射端，通过用构图印模压印设置在第一电极上的液体材料层以形成场致发射端结构，随后固化液体材料层和形成基本上覆盖场致发射端和与所述第一电极电接触的导电薄膜，已经形成该场致发射端。
用于和第一电极、场致发射端之上的电场一起应用的第二电极。
具有这种场致发射器件的优点是可以便宜的制造它以及由此可以用于场致发射显示器(FED)的批量生产。根据本发明的场致发射器件的另一个优点是场致发射端具有高质量和可预测的物理尺寸以及使得在例如包括在FED中的屏幕的面积上电子发射平均的电子发射特性。
根据权利要求9的方案具有这样的优点，可以是栅极的的场致发射端和第二电极彼此很好地对准。良好的对准对于场致发射器件的质量是至关重要的，但是通常很难获得具有现有技术的批量生产。通过使用承载两者图案同时形成场致发射端结构和电极结构，对于使用这种印模的所有场致发射器件确保能良好的对准。
根据权利要求10的方案具有这样的优点，为栅极和场致发射端都提供充分的导电性，尤其是在其尖端。借助于印模的涂层使用提供低生产成本和大面积上的均质发射。
根据权利要求11的方案具有这样的优点，在场致发射端结构上设置尖锐的尖端。相对于从场致发射端的有效电子发射优选这种尖锐的尖端。
涂覆到场致发射端的导电薄膜优选具有2-50nm的厚度，还更优选5-15nm。薄导电膜是有利的，因为它将基本上不影响场致发射端结构的物理尺寸。因此，通过产生对尺寸更好控制的构图印模只能判断场致发射端的物理尺寸。另一个优点是薄导电膜将基本上不降低场致发射端的尖端的尖锐。尖锐端对于电子发射特性是有利的。导电薄膜优选是金属薄膜，因为金属薄膜具有高导电性而且还具有相当薄的膜。
从参考下文所述的实施例和解释的本发明的这些和其它方面将显而易见。
附图说明
参考附图将更详细地描述本发明，其中：
图1A-1J是横截面图，描述了形成场致发射器件的方法。
图2A-2E是横截面图，描述了形成场致发射器件的替换方法。
图3是横截面图，仍然描述了形成场致发射器件的另一种替换方法。
这些图是示意性的且不按比例画出。目的是描述处理步骤的数量，而不是给出微米等级结构的确切表示。相应的部件通常具有相同的附图标记。
具体实施方式
借助于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，描述了制造具有三极管结构的场致发射器件1。
衬底2，例如玻璃板首先具有以构图的阴极4形式的导电层。阴极4将形成三级管结构中的第一电极。如图1A所示，液体材料层6设置在衬底2和阴极4之上。层6优选具有1和10微米之间的厚度，并借助于其中包括旋涂工艺、丝网印刷技术或者浸渍涂覆工艺淀积在衬底2上。液体材料优选是溶胶凝胶型，例如硅胶(硅溶胶TM50)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)的悬浮液。可选择地，液体材料包括具有感光化合物的聚酰亚胺。在随后的压印步骤中，类似于下面所述的压印步骤，通过用UV光曝光可以固化聚酰亚胺。
例如由是硅橡胶的PDMS(聚二甲基硅氧烷)构成的弹性印模8在它的表面12上具有图案10。图案10包括圆锥形的凹槽14和优选圆柱形的凹槽16。凹槽14、16被凸起18围绕。圆锥形的凹槽14和圆柱形的凹槽16很好地对准。
如图1B所示，在接合步骤中印模8的表面12开始和液体材料层6接触，以压印所述液体材料层6并传送印模8的表面12上的图案10到液体材料层6。在压印液体材料层6的过程中，由此通过凸起18排除液体材料，而剩余的在凹槽14、16内。因此，液体材料层6被给出压印的图案，其和印模8上的凹槽14、16以及凸起18的图案匹配。该过程被称为“软光刻”或者“液体压印”。
进行第一次固化步骤，其中将层6加热摄氏70度2-10分钟。这样在从层6去除印模8的随后步骤中保证层6维持它的图案。
图1C表示从层6去除印模8。可以看出的是，圆锥形的场致发射端结构20在对应于圆锥形的凹槽14的层6上的位置突出。圆柱形的电极结构22在对应于圆柱形的凹槽16的层6上的位置突出。根据层6的原始厚度和和印模8的图案，结构20、22通常具有从阴极层4开始的1到10微米的厚度。由于同时制造结构20、22和在它的表面具有圆柱形凹槽16和圆锥形凹槽14的印模，所以电极结构22和场致发射端结构20对准。
在去除印模8之后，进行第二次固化步骤，由此将层6加热到优选大约摄氏350度的高温30分钟。在第二次固化步骤中，将层6中的液体材料转变成固体电介质层6。在液体材料层包括上述溶胶凝胶悬浮液的情况中，固体电介质材料包括二氧化硅和有机改进的氧化硅，以及固化的层6的介电常数在3和4之间。
图1D表示第二印模24。印模24承载着第一表面28上的稀的悬浮液26。悬浮液26可以是没有固化过的金属颗粒例如银或者金颗粒的胶状悬浮液。通过在悬浮液的槽中浸渍印模可以将悬浮液26涂敷到印模24。通过使印模24和承载悬浮液26的第二衬底(未示出)接触还可以将悬浮液26涂敷到印模24。悬浮液26可以在印模24上形成均质层，或者更优选地可以形成对应于场致发射器件上的电极结构的图案。
图1E表示第二印模24已经开始和固化的层6接触，以及悬浮液26已经部分地淀积在场致发射端结构20和电极结构22的凸出部分30上和由此在那些凸出部分30上形成悬浮液26的涂层32。在淀积步骤之后然后再次去除印模24。然后在大约摄氏300度的温度下固化涂层32，使得在银颗粒的胶状悬浮液26的情况下以为大块银的电阻率的大约1.5到2倍的电阻率导电。
图1F表示固化涂层32之后的情形。电极结构22上的固化涂层形成栅极34形式的第二电极。场致发射端结构20上的固化涂层形成保护对应于场致发射端结构20的尖锐端的罩36。
图1G是图1F所示的区域IG的放大图。如图1G所示，在存在覆盖阴极4的一些多余的固化的液体材料7的情况下，使用包含稀释的(0.01N)HF溶液的蚀刻剂进行短时间的湿法化学刻蚀以刻蚀掉多余的固化的液体材料7。
图1H表示用HF刻蚀后的结果。已经去除了多余的固化的液体材料，使得阴极4暴露在场致发射端结构20和电极结构22之间。尽管可能发生某种各向同性的后刻蚀，但是栅极34已经保护电极结构22免受刻蚀。以相同的方式，罩36已经保护场致发射端结构20的尖端免受刻蚀。
在下面的步骤中，蒸发的金属淀积到栅极34、罩36和场致发射端结构20上。金属优选是具有高熔点的金属，因为通过溅射不容易去除可能发生在包含场致发射器件的显示器件中的这种金属。这种金属的优选实施例包括钨(W)和钼(Mo)。优选以垂直于衬底2的方向蒸发该金属，使得没有或者仅有少量的材料淀积在电极结构22的垂直侧壁上。图1I表示在场致发射端结构20和罩36上淀积形成导电薄膜38的蒸发的金属之后的场致发射器件1。导电薄膜38的厚度典型地为5到10nm。导电薄膜38、场致发射端结构20和罩36一起形成通过导电薄膜38和阴极4电接触并且当在阴极4和栅极34上施加电势的时发出电子的场致发射端40。场致发射端40的尖端是尖锐的，为良好的电子发射特性所需要。从图1I可以看出的是，一些蒸发的金属已经淀积在形成栅极涂层42的栅极34的顶部，该栅极涂层进一步改善栅极34的导电性。
为了避免栅极34短路的任何危险，可以进行短时间的金属刻蚀以去除掉淀积在电极结构22的垂直壁上的任何金属，并由此确保在栅极34和阴极4之间可能不发生直接的电接触。在由钨构成的导电薄膜38的情况中，可能用包含过氧化氢、氨和水的刻蚀剂处理该金属。该刻蚀进行到这种程度，即刻蚀掉平均大约1nm的导电薄膜38。图1J表示对该金属刻蚀后的最终场致发射器件1。在图1J中可以看出的是，已经从电极结构22的垂直壁去除了薄金属层。短时间的金属刻蚀已经对场致发射端40的导电层38产生了很有限的影响。
图2A到2E表示本发明的替换实施例。通过该替换实施例，通过压印阴极104和衬底102上的液体材料层106，首先形成场致发射端结构120和电极结构122，随后是在根据上面参考图1A到1C已经描述的相同原理的固化。在固化场致发射端结构120和电极结构122之后，它们被曝光于UV臭氧处理或者氧等离子体以使得固化材料106的表面更亲水，也就是，具有称为活性的OH的终端表面。第二印模124用于向场致发射端结构120和电极结构122的凸起部130涂覆憎水单层126(例如有机改进的硅烷)。优选印模124具有低的弹性模数，使得憎水单层126更容易地和场致发射端结构120的尖端部有良好的接触。图2A表示刚收回具有涂覆它的单层到凸起部130的第二印模124之后的情形，其由此已经变成由憎水涂层132覆盖。
图2B是图2A中区域IIB的放大图。在存在覆盖阴极电极104的一些多余的固化的液体材料107的情况中，用稀释的HF(0.01N)进行湿法化学刻蚀以去除多余的固化材料107并露出结构120、122之间的区域中的阴极104。在刻蚀的过程中，场致发射端结构120和电极结构122受到憎水涂层132的保护。因此，场致发射端结构120的尖端保持尖锐。通过所述刻蚀去除多余的固化材料107之后，憎水涂层132已经实现了它的目的，并通过短时间的UV臭氧处理或者用氧等离子体处理去除。图2C表示刻蚀之后和随后的去除憎水涂层之后结构120、122的形状。
在下面的步骤中，蒸发的金属淀积到电极结构122和场致发射端结构120上以形成导电薄膜138。优选以垂直于衬底102的方向涂覆蒸发的金属，使得仅有少量的材料淀积在电极结构122的垂直侧壁上。该金属优选是具有高熔点的的金属，因为通过溅射难以去除可能在包含场致发射器件的显示器中发生的这种金属。这种金属的优选例子包括钨(W)和钼(Mo)。图2D表示通过气相淀积淀积大约5-10nm厚的导电薄膜138之后的结构120、122。如可以被看出的是，薄膜138和场致发射端结构120一起形成和阴极140电接触的场致发射端140。淀积在电极结构122上的金属形成栅极134。如图2D所示的，金属的薄(小于1nm)层也已经淀积在电极结构122的垂直壁上。为了避免栅极134到阴极104之间短路的任何危险，可以进行短时间的金属刻蚀。在钨构成的导电薄膜的情况中，可以用含过氧化氢、氨和水的刻蚀剂进行该金属刻蚀。该刻蚀剂是各向同性的，这意味着，刻蚀效果在所有空间方向是相同的。将该刻蚀进行到这种程度，即刻蚀掉平均约1nm的导电薄膜138，由此避免栅极134和阴极104或者场致发射端140之间的任何电接触。
在一些情况中，可能需要改善电极134的导电性。在这种情况中，通过根据参考图1D到图1F上面已经所述的相同原理的第三印模(未示出)可以涂覆包含没有固化的金属颗粒例如银或者金颗粒的胶状悬浮液的悬浮液。图2E表示在上述的金属刻蚀和涂覆以及胶状悬浮液的固化之后形成的场致发射器件101。在应用和固化该胶状悬浮液之后，栅极134包括金属颗粒的固化悬浮液的多余导电层142，以及场致发射端140具有相同材料的罩136。从图2E清楚可见的是，金属刻蚀已经去除了电极结构122的垂直壁上蒸发的金属的薄层，由此避免任何短路的危险。
当涂覆金属颗粒的胶状悬浮液时使用的第三印模具有低的模数弹性。因此，胶状悬浮液也覆盖场致发射端140的尖端部分以形成所述罩136。多余的导电层142和罩136将分别改善栅极134和场致发射端140的导电性。
图3表示图2E的关于形成场致发射器件的最后步骤的替换实施例。在替换实施例中，借助于具有高弹性模数的第三印模(未示出)已经涂覆了金属颗粒的胶状悬浮液。图3所示的场致发射器件201具有衬底202，阴极204和电极结构222，该电极结构具有被金属颗粒的固化胶状悬浮液的层242覆盖的淀积金属蒸汽的栅极234。场致发射器件201还包括场致发射端240，该场致发射端240包括被淀积金属蒸汽的导电薄膜238覆盖的场致发射端结构220。由于第三印模的高弹性模数，已经没有固化的胶状悬浮液的罩施加到场致发射端240的尖端，其由此具有很尖锐的尖端。
将可以理解的是，上述实施例的多种变型可能落在附带的权利要求的范围内。
因此，例如，用α印模首先形成场致发射端结构，然后用构图的β印模或者其它方法形成电极结构将是可能的。然而，将可以理解的是，使用配备有如上所述的两种图案的构图印模同时形成场致发射端结构和电极结构是优选的，因为场致发射端结构和电极结构的对准更容易并降低了步骤的数量。
将可以理解的是压印之后用于固化液体材料层的时间和温度适合于所论述的材料。在大气温度下的固化可以适用于一些材料，然而对于固化其它材料需要高温。
如上所述，通过用构图印模压印，还可以形成仅仅一个或几个场致发射端结构，以及电极结构(如果存在)。然而，应当可以理解的是，优选在一次压印动作中形成几个场致发射端结构，以及电极结构(如果存在)。仍然更优选的是，为了使得所有的场致发射端彼此很好的对准以及和它们各自的电板结构对准，应当在一次压印动作中形成作为例子FED的一个场致发射器件所需的所有场致发射端结构和电极结构。
总之，场致发射器件可以用于例如场致发射显示器(FED)中的发射电极。场致发射端可以用于场致发射器件中的电子发射。在场致发射器件的运行中，电压施加在具有和场致发射端电接触的第一电极和第二电极之间以使得场致发射端发射电子。为了形成场致发射端，液体材料层涂覆到具有第一电极的衬底上。用构图印模压印液体材料层并随后固化以形成场致发射端结构。导电薄膜涂覆到场致发射端结构上以形成具有和第一电极电接触的场致发射端。

Claims (12)

1、一种用于制造场致发射器件(1)的方法，包括步骤：
在衬底(2)上设置导电层(4)，
在导电层(4)上设置液体材料层(6)
使构图印模(8)和所述液体材料层(6)接合，用于压印液体材料的层(6)并在其中形成至少一个场致发射端结构(20)，
固化液体材料层(6)，由此形成具有至少一个固化的场致发射端结构(20)的固化的、构图电介质层(6)，和
在所述至少一个固化的场致发射端结构(20)上形成导电薄膜(38)以使得它和导电层(4)电接触。
2、根据权利要求1的方法，其中构图印模(8)包括用于形成至少一个场致发射端结构(20)和至少一个与该端结构(20)对准的电极结构(22)的图案(14，16，18)，所述压印步骤导致至少一个场致发射端结构(20)和在液体材料层(6)中至少一个与其对准的电极结构(22)同时形成。
3、根据权利要求1或者2的方法，其中形成导电薄膜(38)的步骤包括将导电材料蒸发成固化的、构图的电介质层(6)。
4、根据权利要求1-3任一项的方法，其中进行刻蚀步骤以在形成导电薄膜(38)之前从导电层(4)上去除掉多余的电介质材料(7)。
5、根据权利要求1-4任一项的方法，其中固化液体材料层(6)的步骤之后是在固化的、构图的电介质层(6)的凸出部分(30)上涂覆涂层(32)。
6、根据权利要求5的方法，其中该涂层是导电涂层(32)。
7、根据权利要求5的方法，其中该涂层是憎水涂层(132)。
8、一种场致发射器件，包括：
具有在其上设置形成第一电极(4)的导电层(4)的衬底(2)，
场致发射端(40)，其是通过用构图印模(8)压印设置在第一电极(4)上的液体材料层(6)以形成场致发射端结构(20)形成，随后固化液体材料层(6)和形成基本上覆盖场致发射端(40)的导电薄膜(38)并且使其与所述第一电极(4)电接触，和
用于和第一电极(40)一起对场致发射端(40)施加电场的第二电极(34)。
9、根据权利要求8的场致发射器件，其中通过使用具有用于形成场致发射端结构(20)和电极结构(22)的图案(14，16，18)的构图印模(8)来压印液体材料层(6)，同时形成场致发射端(40)的场致发射端结构(20)和与其对准的电极结构(22)，，所述电极结构(22)支撑第二电极(34)并使它和第一电极(4)电绝缘。
10、根据权利要求9的场致发射器件，其中通过第二印模(24)将导电涂层涂覆到场致发射端结构(20)和电极结构(22)的凸出部分(30)上。
11、根据权利要求8-10任一项的场致发射器件，其中该场致发射端(40)具有圆锥形的或者圆柱形的形状。
12、根据权利要求8-11任一项的场致发射器件，其中通过淀积蒸发的金属，已经形成该导电薄膜(38)，该导电薄膜(38)的厚度是2-50nm。
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