TW483015B - Field emission cathode electron emission device and electron emission device manufacturing method - Google Patents
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Description
3015 五、發明說明(1) 發明背景 發明範圍 本I月係關於一種場發射陰極、電子發射裝置及 射裝置之製造方法。 又 相關技藝的說明 已有各種不同型式之具有一場發射陰極的平面顯示裝置 查亦即’平面板顯示裝置,被提出來。為了要做出亮麗的 :貝卞 通¥疋採用陰極射線管的設計’以電子束撞擊 到作為成像面的螢幕上而發出光線。 在,如在日-本公開專利案號1 - 1 7 3 5 5 5所提出之具有陰極 射線官的傳統平面顯示裝置中,有.複數個面對螢光幕排列 的熱離子發射陰極,亦即絲極(f i 1 amen t),從該等陰極產 生j熱離子和源自該等熱離子的二次電子被導向該螢光篡 藉此利用電子束激發該具有色彩的螢光幕根據$傻 號發出光線。在此-π 丁 山认打-—a 命几课衫像訊 用種為多個像素(亦;下接Λ 泰愈來愈大,因此採 的螢光二色έ(μ ρ,構成螢光幕的許多紅、綠和駐色 的里先一色組)準備共同絲極的構造。 風色 因此’隨者显頁+ I a 就愈形複雜。幕的尺寸愈來愈大,絲極的排列及組裝 此外,在製$ $ , °更小尺寸的陰極射線營丞 _ ,係藉由縮短電子餘並增加電子偏、:C裝置方面 一步開發更薄的平面顯示裝置。做“’因此必須進 根據上述的觀 已有人提出將場發射陰極或戶斤▲ ___ 1所謂的冷
第5頁 483015 五、發明說明(2) '一~ -----— 陰極f用到傳統的平面顯示裝置中。纟具有冷陰極的電子 ^ 1衣置方面,陰極材料的選擇和形成冷陰極的方法是決 疋I置性能的重要因素。傳統的場發射陰極採用諸如心、 N!和界等高熔點金屬或。作為發射電子之發射器的材料。 此外,有人提出一種所謂Spindt型的構成傳統結構之平 面顯示裝置的電子發射段。 以下將參考附圖,說明傳統平面顯示裝置1 0 0範例的結 構。 、σ 圖1 4為傳統結構之平面顯示裝置丨〇 〇的透視示意圖。 平面顯示裝-置100具有螢光幕1〇1、具有面對螢光幕1〇1 排列之場發射陰極Κ的白光發射平面顯示裝置主體丨〇 2和接 觸或面對用以排列螢光幕1 〇 1所在之前表面排列的平面彩 色光閘(shutter) 103。 如圖14所示,顯示裝置主體102具有透過墊片(未畫出) 而互相面對面的透光型前面板1〇4和底板丨〇5,以利於使面 板1 0 4與底板1 0 5間維持一段預先決定的距離,其周圍部位 以玻璃質或類似的物質加以密封達到氣密,在丨〇 4和丨〇 5兩 塊板之間形成平坦的空間。 在前面板104的内表面形成陽極金屬層160及螢光幕ιοί ’螢光幕1 0 1的整個表面上有黏結一層發射白光的螢光材 料。如同一般陰極射線管的情況,在以上得到的面上黏結 一層例如鋁膜的金屬處理層1 〇 6。 另一方面,有許多陰極1 〇 7以例如帶狀的方式沿垂直向 平行配置,並黏結在底板1 〇 5的内表面。
發明說明(3) 一絕緣膜1 0 8黏結在陰極1 〇 7和閘極1 〇 9上,閘極1 〇 9沿水 平向平行配置’其延伸方向幾乎與陰極107的延伸方向垂 直。 在陰極1 0 7和閘極1 0 9互相交叉的位置做出開孔11 〇。圓 錐形場發射陰極K黏結於陰極丨〇 7上的每一個開孔丨丨〇中。 場發射陰極K係利用例如鉬(M〇)、鎢(f)或鉻(Cr)等高熔 點金屬或矽(S i)做成。陰極κ為圓錐形,其尖端的曲率半 梭為數十奈米且朝向閘極那一側。 若對閘極施加相對於陰極數十伏特的正電壓,則圓錐尖 端部位會產生_例如大約1 〇6到丨〇7 [ v/cm ]的電場,電子會由 於穿隧效應而從閘極發射出去。· 發射出去的電子會撞擊在形成於陽極上之朝向陰極K且 14其相距0.2 [mm]到1 [mm]的螢光幕ιοί上,而發出螢光 〇 平面顯示裝置100的一個像素由數十到數千個Spindt型 的電子發射片段組成。例如,要構成具有1〇 24x768x(rgb) 個像素之標準電腦顯示等級的X G a等級顯示器,需要1 〇億 到1 0 0 0億個電子發射段。 以下將參考圖1 5到1 8之製造步驟,說明構成傳統平面顯 示裝置1 0 0之陰極的構造’包括場發射陰極κ、閘極等。 首先,如前面參考圖14所作的說明,在底面板1〇5的内 表面’沿一個方向,例如垂直掃描方向,形成陰極丨〇 7。 利用例如沉積、喷覆等方法在整個表面做出一層例如以 的金屬層’然後以照相製版印刷術選擇性地腐钱該金屬層 483015
的方法,使每一個陰極1 〇 7形成一預定的圖案。 其次,如圖1 5所示,以喷覆或類似的方法在前述之形 圖案的陰極1 0 7的整個表面上黏結一絕緣層丨〇 8。接著再^ 沉積、喷覆或類似的方法在絕緣層丨〇8上以例如Μ〇或? μ = 炼點金屬形成最後將會構成閘極1 〇 9的金屬1 1 1層。寻门 下一步,如圖1 6所示,以光抗姓劑或類似材料形成一蝕 f圖案(未晝出),並使用該蝕刻圖案作為掩蔽,以例如虫 R IE (反應離子蝕刻)的方法對金屬膜丨u進行蝕刻,而使册 狀的陰極1 09形成預先決定的圖案,亦即,如圖丨4所示之f 垂直於陰極1 0~7延伸方向的水平方向。此外,在閘極丨〇 9與 陰極107交叉的部位形成複數個小孔丨丨丨匕。 Λ 下一步,經由這些孔lllh,利用例如化學蝕刻的方法進 行蝕刻,其中,閘極1 09,亦即金屬層丨丨i,不作蝕刻,絕 緣層1 08作等向性蝕刻,而形成開孔丨丨2,這些開孔的寬^ 比小孔mh大,且深度貫穿整個絕緣層1〇8。 見又 以此方式,在陰極107和閘極1〇9互相交叉的位置形成圖 14所示之由開孔112和小孔mh所構成的開孔11()。 下一步,如圖17所示,利用斜角沉積(〇bUque deposition)在閘極1〇9上黏結一層以例如Α1、Νι等材料所 做成的金屬層1 1 3。 在斜角沉積進行的同時,使背面板1〇5於其平面内旋轉 ,小孔liih上方周圍會形成内面為圓錐形的圓孔114。 在此情況下,金屬層113在沉積時會形成一個角度,使 得不會經由小孔1 1 lh沉積在開孔1丨2内侧。
五、發明說明(5) 然後,利用沉科 陰極107上垂直於U賤射或類似方法,經由圓孔114,在 極材料,亦即,你;;表面之開孔部位112内黏結一層場陰 function)的金;| W或Mo之具有咼熔點和低功函數(w〇rk 所形成的陰極材料仍在:Λ況下,W 圍之金屬層H3的斜面會具门有一斜面延續至圓孔114上方周 一定的高I,圓们^ 此,若所沉積材料的厚度達到 個別的開孔112中步成::合J來。因此’在陰極107上的 11 3', . :Γ,; ^;; ^ " 113 " ^ ^ ^ 的開孔11。中做-成气面=(一亦:長條形)陰極107上個別 Ρ M s FI + °面形狀為二角形的圓錐形點狀陰極。 ,電子束傳輸孔:Τ閘極109的陰極結構’在該等閘極中 κ配置。別 述小孔111 h形成,且朝向個別的陰極 二 =式,將藉由在陰極107上形成場發射陰極K並在橫 “幕1〇1:Γ形成閘極109所構成的陰極結構朝向白色 在前述構造之顯示裝置主體102中,施加一相對於陰極 勺J值陽極高電壓於螢光幕101,亦即金屬處理層106,且 2、戈地修改並按照顯示器、内容施加—相對於陰極10 :電壓’例如1〇。[V]的電壓,讓電子能夠從例如配置於 07和閘極丨09互相交叉之處的場發射陰極在例如該陰 極1〇7和間極109之間連續地發射,藉以將電子束從陰極κ 483015 五、發明說明(6) 的尖端部位引導到白色螢光幕1 Q 1。 因此,使用該顯示裝置主體丨〇 2能夠以分時(t i me d i v i s i on )方式獲得對應於個別色彩之光發射圖案(1 i gh t emission patterns)的白色圖像(white pictures),而且 能夠與分時顯示同步切換彩色光閘1〇3,藉此擷取(fetch) 與個別色彩對應的光線。 換a之’連績地產生紅色、綠色和藍色的光影像,而顯 不完整的彩色畫面。 如箾面已經說明,在圖1 4所示之傳統結構的平面顯示裝 置中,每一個—該等朝向螢光幕配置之場發射陰極κ係按照 圖1 5到1 8的製造步驟做成具有三角‘形剖面的圓錐形,並使 電場集中於該等圓錐形陰極Κ的尖端部位而發射出電子。 然而,就目前的發展技術而言,需要有更為合乎經濟效 益的方法來做出構成此種平面顯示襞置丨〇〇型式之場發射 陰極Κ的電子發射段。 χ 此外,如前面參考圖15至18所作的說明,若場發射陰 Κ是以例如Mo或W之功函數為4到5 [eV]的材料做成,貝f必 須施$更高的電壓,以便得到需要的發射電流密度。 同時,必須把電子發射段做得更為尖銳或以更小 的材料製造電子發射段,以滿足進來在低電力消耗上:J 求。 J聲 為解決前述缺點,日本公開專利案號10_357928發 一種採用導電、板狀微粒來製造電子發射段的技術。、了 此外,使用功函數很小的材料來製作冷陰極的例子有日
第10頁 483015 五、發明說明(7) 本公開專利案號5 0-8 1 0 60、54-5 1 7 76及6_36 688等 金屬和鹼土金屬氮化物的技術。 專彳木用驗 然而’以上專利所提出的技術係應用在氣體放電;人 陰極上,.尚未被考慮應用在例如場發射陰極的技 ' 7 發明概述 本發明之發明者為解決前述問題’在長時間致力於研 之,完成j發明。目此,本發明之—目的係提供—種場發 射陰極、一種電子發射裝置及一種電子發射裝置之學 法以”到有效率的電子發射,言亥方法的作法為,將構 一平面顯示裝-置之場發射陰極!^的電子發射段做得更成 將該等發射段的尖端部為做得更尖.銳,特別是藉 射陰極K的表面黏結一種功函數很小 司又 在2到3 [eV]。 誠]的材枓使功函數限制 本發^之場發射陰極係朝向一電子作用面配置,其 至少一場發射陰極的電子發射段是以 ^ ’ 所並在該導電、薄板狀的微粒丄=以 2到3 [eV]的物質。 但7; w致為 本發明之電子發射裝置為一具有面對一她 發射陰極的電子發射裝置,其中 % 衣置的場發射陰極Κ,其構造上至少右一 ^ ,電、?板狀微粒做成;該場發射陰有極=^^ =板狀被粒的表面黏結一種功函數 $ ^ 情況下構成的;藉由施加一電場,+工j J:eV」的物貝的 由薄板狀微粒組成的電子發射段弘::电:發射陰極之 仅的一個端面發射出去。 五、發明說明(8) 製造本發明之電子發射壯罢Α 來# Α困、,接1 1狀置的方法包括下列步驟··在用 、幵乂成用以構成5亥電子發射裝置之場發 成一層具有小孔的光抗蝕,同安 — κ ° 、义 > 列敕赢,m 5|| : 圖案’每一個小孔事先已經排 之雀化儿 , 要^成场發射陰極的面;以導電 之溥板狀的微粒、至少一插私^八 化人私7 4 J;入八超人 双土至屬、驗金屬、鹼土金屬 化3物和驗金属化合物、一八 劑·骆# +菇W ^ 刀月文悧和溶劑等,製備一塗層 & ^ ^ ^ 3 ^全在該光抗蝕劑圖案上並使該塗有涂#叫 的光抗蝕劑圖案變乾;除去 If ^ 土百土層片j 木兮认丄人θ A 云5亥先抗飯劑圖案;加以烘烤, 在違驗土金屬化合物或鹼全屬 出及穷斜# f · / I X孟屬化合物會分解的溫度進行排 码及么封作業—,在功函數兔9不,丨Q 「ΤΓ ! 兮笙道+ 一 4山 要文為2到3 [ eV]的電子物質黏結在 口茨#導電、溥板狀微粒上 ^ 。 的狀悲下,形成該電子發射陰極 如本發明所述之場發身 極為置组& # l Μ +射陰極及包括本發明之該場發射陰 α句共組成兀件的電子 菸鉍Ρ# α 心射I置,該場發射陰極Κ之電子 電子:射二Ί ί的微粒做成。®此,若電場係要施加於 銳。又、又,則電子束發射段因為上述原因可做得更為尖 [eV]二· : : t f ί極£在構造上有-個功函數為2至3 由於構^ :、匆貝粘結在該導電、薄板狀微粒的表面。 田於構成場發射险先 ^ [eV]的物質’而&成^板狀微粒上有黏結功函數為2到3 […,因此相:射陰極的碳’其功函數約為4·7 電子發射段的表面二勺;函妻卜可大幅降低場發射陰極之 置的電壓限值會降低1。因此場發射陰極和電子發射裝 牛低 黾子發射效率因而改善。
第12頁 五 發明說明(9) 如本發明所述之電子發射裝 陰極K之電子發射段係以薄板狀、衣發方法,該場發射 係要施加於電子發射段,則電子因此,若電場 做得更為尖銳,因而矸有致.率地^ ^因為上述原因可 陰極K在構造上為,在導電、薄二〃场。此外,場發射 功函數為2至3 [eV]的電子發射物質。 有黏結一種 置的電壓限值會降低,因此電場可一電子杳射裝 並改善電子發射效率。 v有效率地集中 圖示簡單說明 圖1為一包括本發明之場發射陰極為直έ 顯示震置的透視示意圖; - 成70件之平面 _4構成該平面顯,陰極、_閑極及該場發 射陰極之間的相對位置關係的平面示意圖; 圖3為構成該平面顯系裝置之一陰極、一閘極及該場發 射陰極之間的相對位置關係的侧視示意圖; 圖4為構成本發明所述之場發射陰極的薄板狀微粒的示 意圖; 圖5為製造本發明所述之場發射陰極的步驟的圖示; 圖6為製造本發明所达之場發射陰極的步驟的圖示; 圖7為製造本發明所述之場發射陰極的步驟的圖示; 圖8為製造本發明所述之場發射陰極的步驟的圖示; 圖9為製造本發明所述之場發射陰極的步驟的圖示; 圖1 0為本發明所述之場發射陰極的一個例子的剖面示意 圖;
第13頁 483015 五、發明說明(ίο) 圖1 1為本 示意圖; 發明所述之場發射陰極的一個例子的剖面放大 圖1 2為一本發明 圖1 3為本發明所 意圖; 所述之電子發射裝置的剖面示意圖; 述之電子發射裝置的另一個例子的剖面 圖14為一包含傳 視示意 統平面 統平面 統-平面 個例子的透 圖1 5為傳 圖1 6為傳 圖1 7為傳 及 圖1 8為傳 統場發射陰極結構之平面顯示裝置的 圖, 顯示裝置之一個例子的製造步驟圖示 顯π裝置之一個例子的製造步驟圖示 顯不裝置之一個例子的製造步驟圖示 較佳 排列 、薄 結在 按 的場 電子 在一 具體實 種按照 ,其中 板狀微 該等導 照本發 發射陰 發射段 種具有 狀微粒 子發射 面發射 統平面 施例詳 本發明 該場發 粒做成 電、薄 明所述 極,其 是以導 功函數 表面上 裝置之 出去。 顯示裝 細說明 所述的 射陰極 :且一 板狀微 的電子 中該場 電、薄 為2至3 的狀態 由該等 置之 個例子的製造步驟圖示 %舍射陰極係面對一電子作用面 至少有一個電子發射段是以導電 種功函數為2至3 [eV]的物質|占 粒的表面上。 ' 發射裝置具有面對一螢光幕配置 發射陰極在構造上為,至少有— 板狀微粒做成;該場發射陰極係 [6 V ]的物質黏結在|亥等導電 ’' 下構成;藉由施加一電場,電子 薄板狀微粒所構成之電子發射段
第14頁 483015 案號 89127989 月
A 修正 八年 補充 五、發明說明(11) 按照本發明所述之製造一電子發射裝置的方法,其特徵 在於包括下列步驟:在用來形成用以構成該電子發射裝置 之場發射陰極的某一面上形成一具有小孔的光抗钱劑圖案 ,每一個該等小孔事先排列整齊,且深度達到該場發射陰 極形成的面上;以導電、薄板狀微粒、至少一種鹼土金屬 、鹼金屬、種驗土金屬化合物及驗金屬化合物、一種分散 劑及一種溶劑製備一塗層劑;將該塗層劑塗在該光抗蝕劑 圖案上,並使該塗有塗層劑之光抗蝕圖案變乾;除去該光 抗钱劑圖案;以該驗土金屬化合物或該驗金屬化合物會分 解的溫度進行烘烤、排出及密封作業,在該等導電、薄板 狀微粒的表面上黏結一種具有功函數為2至3 [ eV ]的物質 的狀態下,形成該電子發射陰極。 以下將參考附圖,以一例說明應用本發明所述之一場發 射陰極及一電子發射裝置之平面顯示裝置2 0的結構。然而 ,必須說明,本發明並不限於以下的具體實施例。 圖1為一包含本發明所述之場發射陰極及一電子發射裝 置之平面顯示裝置2 0的透視示意圖。 圖1所示之平面顯示裝置20具有一個螢光幕1 ,且包含一 個具有朝向螢光幕1配置之場發射陰極的顯示裝置主體2, 以及一個位於螢光幕1那一侧,與主體2正面接觸或朝向主 體2的平面彩色光閘(未晝出)。 在顯示裝置主體2中,如圖14所述的傳統構造,一透光 的前面板4及一後面板5互相面對,其間以一墊片(未晝出) 固定加以,使前面板4和後面板5相隔一段預定的距離,主
O:\66\66838.ptc 第15頁
丄 J 五、發明說明(12) 體2的周圍部位以玻璃質 ,^ ^ ^ ^ Λ ^ Α犬員似的材料加以密封達到教宓 4和後面板5之間形成一個空間。“ 在W面板4的内側表面上形成整個表 光之螢光材料的螢光暮彳 上事先已黏…务 式,在營光幕般陰極射線管的方 似材料做成之金屬處理^。層㈢極金屬層60和灿或類 圖1中’ §午多以例如帶狀 平行排列地配置在後面板5的:表面極7朝向前面板4 延==邑::行地配置,其方向幾乎與… L狎方向i直-’例如水平的方向。 在個別的陰極7上,且位於p弓扣Q七B日 κ。 位於閘極9之間,形成場發射陰極 圖2為陰極7、閘極9和場發射昤炻κ 的示咅圖。 琢心射陰極Κ之間的相對位置關係 射=2:斤! V在陰極7上的問極9之間有形成9個場發 射陰極Κ ’但本發明並不限於圖2所示的例子。陰極κ的數 目、位置等,可視情況適當地改變。 圖3為陰極7、閘極9和場發射陰極κ之間的相對位置關係 的剖面示意圖。 場發射陰極Κ可做做成例如圖4所示之圓形薄板或薄片的 形狀。陰極Κ係以石炭結合材料(c a r b 〇 n c 0 ^丨n a t丨Q η ma t er i a 1 )做成’例如石墨、無結晶碳或類鑽石碳 (diamond-like carbon),並藉由疊層薄板狀的粒子3〇而 形成。 第16頁 483015
J Lnm」,且若該等粒子的形 則厚度可採用大約20 [nm] 薄板狀微粒30的直徑大約5〇〇 [nm 狀為,例如一般的圓形薄板,則厚f 構成場發射陰極K之該等薄板狀微粒3〇
[A m],且構成場發射陰極κ之全部的薄板狀微粒3〇,直徑 皆不大於0 · 1 [ // m ],構成場發射陰極Κ之 到0.08 且平均寬厚比(以薄板狀微粒=的面 方根除以其厚度所得的值)不小於1· 〇。 (centrifugal sedimentation 必須說明,薄板狀微粒3 〇之平均粒徑為斯托克斯 (s t 〇 k e s )直徑,可利用例如離心沉殿光穿透型
type)的粒徑尺寸量測設備測得。 若該等薄板狀微粒30的平均粒徑大於5 [ am],而且場 發射陰極K是以這些粒子30組成,則場發射陰極κ之電子發 射部位無法做到夠小的尺寸。要使電子發射段能夠做得夠 小,構成場發射陰極Κ之薄板狀微粒最好大部份具有不大 於〇 . 1 [ " m ]的直徑。若〇 · 1 [ " m ]粒徑之薄板狀微粒3 〇佔 所有構成場發射陰極K之薄板狀微粒3〇的比例4〇%(重量百 分比),且場發射陰極Κ係利用含有使該等微粒分散於其中 之溶劑的塗層劑所做成,則該場發射陰極Κ的形狀,尤其 是尖端部位,會有不均勻的缺點。 483015 - -塞^一·幽”989 年》月》/日 條 五、發明說明(14) 一 " ~ ' 由以上的討論可知,構成場發射陰極K之該等薄板狀微 粒3 0的平均粒徑最好是小到大約〇 · 〇 5到〇 · 〇 8 [ // m ]。 假a又按fl?、本發明之場發射陰極K和包含該場發射陰極κ之 電子發射裝置在製造上係特別選擇一種功函數為2至3 [e V ]之物質並將該選定的物質黏結在圖4所示之薄板狀微 粒3 0的表面。 已知若場發射陰極K尖端部位(亦即電子發射段)的曲率 半徑為P ,該場發射陰極K尖端的電場為e,且該場發射陰 極K的電位能為V,則滿足以下關係式: E = V / (5 p) 現在’考慮場發射陰極K尖端的電位能v達到使場發射陰 極K發射電子的電壓限值Vt的情況。就電晶體的性能和價 格作考慮,陰極驅動電路的電壓最好是數十到數百個伏特 〇 與電壓限值Vt對應的電場限值&,其值視場發射陰極j(的 材料而有所不同。若陰極K是以金屬材料做成,則電場限 值Et不大於ΙΟ7 [V/cm]。若是以碳材料做成,則電場限值 Et 不大於106 [ V/cm]。 例如,若電壓限值Vt為1 〇 [ V ]且電場限值Et為1 06 [V/cm ],則曲率半徑p以上述方程式計算,如下: p = 1 0 [ V ] / 5 X 1 06 [ V / c m ] = 0 · 〇 2 [ //m ]。 此值與構成場發射陰極之薄板狀微粒的厚度方向尺寸在相 同的數量級(order)。 同時,薄板狀微粒3 0在板面方向的大小與發射器的大
483015 五、發明說明(15) 有關。發射器的尺寸與平面顯示裝置的顯示器大小有關。 顯示為的像素大小與顯示器的大小和像素的密度(解析 度)有關。例子1 7至2 〇吋的XGA-相容電腦顯示器,這是高 解析度顯示器的典型例子,像素的數目是1 〇 2 4 X 7 6 8,— 個次像素(sub — pixel)的大小為60 [//m] X 1〇〇 [vm]。 有數十到數百個發射器做在顯示器上。因此,1個發射 器的大小是數十到數微米。為精確地排列這種大小的發射 為’溥板狀微粒3 0的尺寸必須是次微米的大小,亦即,大 約〇 · 1到0 · 5 [ β m ]。因此,當p = 0 · 0 2 [ // m ]時,薄板狀 微粒3 0的寬厚_比為: (〇 · 1 到 0 ·~5 ) / 〇 · 〇 2 = 5 到 2 5。 由上式可知,寬厚比應不小於5,最好不小於1 〇。 若電子是根據場發射而發射,則會滿足以下的F〇wler N 〇 r d h e i m條件方程式: J = aE2 exp (-b 03/2/ /5E) 上式中’ J為發射的電子電流密度’ E為電場,0為功函數 ’点為局部電場增加因子,a和13是常數。 上式中’ /5稱為形狀因子。若表面是平坦的,則石為1 。在已事先測得物質的功函數的情況下,藉由量測電流— 笔壓的特性,可從Fow 1 er Nordhe i m方程式計算出万值。 若表面是平坦的(或冷=1),則此物質的功函數 〇·4 [eV]。 ; 功函數0是一物質所特有的一個數值。為降低場發射陰 極K的表面功函數,已知有許多方法是將場發射陰極^的^
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端做得更尖銳以集中電場 一種功函數很小的物質。 端做得更為尖銳以增加万 面黏結功函數很小的物質 若功函數0為數個電子 尖銳的電子發射段。 從以上討論可知,有必 到穩定的電子發射,而不 ’或在場發射陰極κ的表面黏結 亦即,必須將場發射陰極κ的尖 值(形狀因子),或在陰極K的表 以降低表面功函數。 伏特,就需要大的/S值,亦即, 要使功函數4的值降低,以便得 需要過度依賴電子發射段的形狀 有:以:—函i:由驗土金屬氧化物具 造場發射陰極κ。 大、乃為2到3 [eV],可以它用來製 然而,若以主 t 陰極κ,必項验a * 化鋇所組成的氧化物來製造場發射 子。此外,、、言丢亟加熱到高達80 0 的溫度才能發射出電 的H2〇和c〇 k t料在氣中極不穩定’很容易與空氣中 。因此,傳絲心’交成虱氧化物或碳酸鹽,這是很不利的 此外m亚未將這種材料用在場發射陰極κ上。 小功函數的材二;t T f之材料以外,具有2到3 [eV]之較 然而,二還包括驗金屬和驗土金屬。 時會與Η2〇和:及:如土金屬的化學活性很強,與空氣接觸 低場發射“之:質::點在實際使用上,這些材料有降 陰極κ的示之製造方法,說日月按照本發日月之場發射 例子及包含該等場發射陰極K之電子發射裝置
第20頁 483015 五、發明說明(17) ____ 的製造步驟。然而,必須說明,本發 子,可以將以下的例子與任何傳統 艮於以下的例 首先,如前面參考圖丨戶斤作的說7二,構^結合。 (例如破璃底材)表面形成用以傳導3曰 構成月板5的底材 極7 〇 野奐射陰極之電流的陰 形成陰極7的方法為,例如,以沉 的方法形成一層例如鉻的金屬層,然貝法、、喷覆法或類似 金屬層作選擇性蝕刻而形成預定的圖〉案二石版印刷術對該 其次,如圖5所示,在以喷覆法或類"。 案的陰極7的整個面上黏結一層嗜緣居、’做成一圖 高熔點金屬,以沉積法、喷覆法或二使用Mo或W等 上形成一層最後將會構成閘極9的金屬l 、法在絕緣層8 然後,如圖6所示,以光抗蝕劑形二。 抆劑圖案(未晝出)。以該抗姓圖案^ 一預先決定的抗餘 施以例如RIE(反應離子蝕刻)之非 马掩敝,對金屬層11 定的圖案,亦即,形成與陰極7垂直二::虫刻而形成-預 在間極9和陰極7互相交又的部位直/Ύ極9 ° [“in]的小孔llh。 Η立形成禝數個直徑個為^ 下一步,經由這些小孔li進行彳卜^ 馨 即金屬層⑴不作㈣,絕緣乂乍匕刻閘極9(亦 孔12,每-個開孔12的開孔寬層 =二^ 比 見度與小孔1 1 h的寬度幾手相 專,且深度貫穿絕緣層8的整個厚度。 十相 下一步,如圖7所示,在小孔和開孔12形成之後,黏 、、、。上一層光抗蝕劑34。使該光抗蝕劑34變乾,以高壓水銀
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物質3 2分散於溶劑3 1中製成塗層劑3 5 成一塗層膜等兩種步驟最後所得到的 證明品質上並無差別。 ’並以該塗層劑3 5形 %發射陰極K,已經 或 層 會 等 狀 子 :乂上所述的情況中,1事先在溶劑31中添加熱固性樹脂 頌似的成份以幫助後續的圖案形成步驟。 下一步,以加熱板或類似的裝置使塗層劑35所形成 薄膜變乾。此_ ’光抗㈣開孔34h内的薄板狀微粒3〇土 j壁狀部位34w的方向排列。若保持相疊的情形,則該 薄板狀微粒30係配置在一方向上,其中圖8所示之薄板 微粒30的板-面方向主要會是在橫跨圖1所示前面板4之電 施加面的方向上。 . 亦即’在光抗#層的壁狀部位3 4 w,薄板微粒3 〇的平面 方向幾乎與陰極7的平面方向垂直。 此h ’薄板狀微粒3 0積層於光抗飯劑上,同時化學物質 32 (亦即,例如疊氮化鉀或疊氮化鋇等鹼金屬化合物或鹼 土金屬化合物)黏結在薄板微粒3 〇的表面。 然後’以例如大約1 5 0 °C或以下的溫度進行預烘烤的程 序而形成一層薄板狀微粒3 0。 下一步,如圖9所示,使抗蝕劑3 4和積層於抗蝕劑3 4上 的薄板狀微粒3 0.顯影,並以酸、鹼或其它有機溶劑化學藥 劑把它去除。尤其是當該等薄板狀微粒3 〇是以石墨做成時 ,在顯影及去除的步驟之後,必須以高壓純水喷灑,以確 保最終製成的場發射陰極K具有細緻的圖案。 然後,進行烘烤(後烘烤)的步驟而製造出如圖1 〇所示之
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五、發明說明(20) 本發明的場發射陰極Κ。 然後,如圖1所示,使透光的前面板4和其上 之場發射陰極的後面板5互相面肖,其間以=明 ^ )加以固定,使該前面板4和該後面板5相隔—旦 定的距離。其周f的部位以玻璃質或類似的材料又加、’、 達到氣密,而在丽面板4和後面板5之間形成—個二j 間。 丁一的之 在將兩塊面板岔封的步驟中,使兩塊面板與一扣 組合,在真空中或在鈍氣的環境中加埶,並在 排虱為 氮化鉀或疊I化鋇之驗金屬化合物、㉟土金如叠 物質之熱分解的步驟時加以密封。. 干專化學 亦即’黏結在石墨上的鹼金屬化合物、鹼土 A 等物質在玻璃質烘烤期間發生熱分解,且功函主化。物 [eV]之鹼金屬或鹼土金屬,或非反應性鹼金屬化二2到3 土金屬化合物最後會黏結在石墨的表面。 。物或驗 此外,如同前述具體實施例所採用之鹼金屬化合物或鹼 土金屬化合物,可加熱例如疊氮化鈉之氮化鈉使之分解 如同前述使石墨表面黏結功函數為2到3 [ eV ]的鹼金屬, 此情況為自由的鈉金屬。 此情況下,加熱溫度必須為2 8 0 °C到4 0 0 °C。 此外,除了以上的鹼金屬氮化物或鹼土金屬氮化物以外 ,還可以使用一般所熟知的氮化物。例如,也可以採用 TiN(功函數0=2,92 [eV])或 ZrN(功函數—2.92 [ev])。 以經確定,以TiN或ZrN製造場發射陰極K具有與前述具體
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五、發明說明(21) 實施例相同的優點。 圖11為以前述步驟製造之場發射陰極K的匈 ― ^ , 0 . ^ 」Μ面不意圖。 圖1 2為配備按照本發明之場發射陰極κ的電子 士 的剖面示意圖。 》射衣置50 在圖n所示的場發射陰極κ中’一種功函數為2到3 & 物質3 2 a黏結在薄板狀微粒3 0的表面,物皙q ^ ^ 月0 z a就是化學物 質32,例如鹼金屬、鹼土金屬、鹼金屬化合物或鹼土金 化合物等,這些物質在烘烤步驟中不會發生反應。
功函數為2到3 [eV]之物質32a,亦即鹼金屬^鹼土金屬 ’也是在烘烤_步驟中不會發生反應的物質32。如果場發射 陰極K的表面旁黏結該等具有2到3 . [eV]的鹼金屬化合^或 鹼土金屬化合物,則對於電場集中會有所幫助。 如圖11所示,場發射陰極Κ係形成在使電子發射段40邊 緣部位3 0 a的薄板狀微粒3 0的板面方向與圖1 2所示之成像 面21(亦即電子作用面)交叉的方向上。 因此’在場發射陰極K的端部上,每一厚度為例如2 〇 [nm ]之薄板狀微粒3 0在形成時,其邊緣部位3 〇 a的表面黏 結功函數為2到3 [ e V ]的物質3 2 a。 在按照本發明之場發射陰極K中,有可能形成遠比傳統 結構(亦即圖1 5到1 8之步驟所製造的圓錐形陰極κ)之場發 射陰極還尖銳的尖端部位。 例如,若構成場發射陰極Κ的薄板狀微粒3〇是採用大約 為2 0 [ nm ]的厚度’則場發射陰極κ之每一邊緣部位的曲率 半徑不會超過20 [nm]。
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五、發明說明(22) 將如前述在陰極7上形成場發射陰極κ且進一步在橫跨該 等場發射陰極Κ的上面部位形成閘極9所做成的陰極结ϋ 向螢光幕1 (亦即電子作用面)配置。 '' # ^ 在所形成之具有場發射陰極Κ的電子發射裝置5〇中,施 加一相對於陰極的高正值陽極電壓於螢光幕丨(亦即陽極金 屬層60),接著’在陰極7和閘極9之間依續地修改並根據 顯示内容連續施加一個電壓,例如丨〇〇 [ν]的電壓相對於 陽極電極7施加閘極電極9,使陰極7和閘極9互相交叉之處 的場發射陰極Κ能夠發射電子如圖丨2所示。利用這種方式 可以彳疋场务―射陰極Κ的電子發射段的邊緣部份3 〇 a發射電❿ 子e -束,並將該電子束導向螢光幕1。 從以^說明可知,使用圖丨所示之顯示裝置主體2能夠得 到以分時(U me. division)方式與個別色彩對應之光發射 圖案(light emission patterns)的白色圖像(white pictures),而且能夠與分時顯示同步切換彩色光閘,而 擷取(f e t ch)與個別色彩對應的光線。 一換。之γ連縯地產生紅色、綠色和藍色的光影像,而顯 不完整的彩色晝面。 如則所述,按照本發明之場發射陰極κ及按照本發明之 具有該場發射陰極Κ之電子發射裝置5〇,每一場發射陰極1( φ 之電子發射段的邊緣部位3〇a做得比傳統結構之場發射陰 極K(:即圓錐形場發射陰極)的電子發射段還尖銳。 · 按照本發明之場發射陰極κ及按照本發明之具有該場發 射陰極Κ之電子發射梦$ 卜 θ t ^ 私丁知町衣置50,母一場發射陰極K至少有一電
第26頁 483015 五、發明說明(23) 子發射段4 0是以導電、薄板狀微粒3 〇做成,且哕 , 微粒30的平©方向在電子發射段40的邊緣部位板狀 :用面的平交叉。因此’使邊緣部位⑽做2 為尖銳’而有效率地發射電子。 』丨又什更 本發明之場發射陰極Κ在構造上的特點為 射陰極Κ之薄板狀微粒30的表面黏結具有功函兔 [eV]的物質。因A ’可進—步增進電子發射的效率,並 善具有該場發射陰極K之電子發射段的準確度。 此外,不但可以使用將白色螢光幕裝在成夂像面上的構迕 ,也可以疋將-紅色、綠色及藍色螢光材料以希望的淨 在圖1所示之,面顯示裝置2〇上。因此,可適當地 土 面顯示器的構造。 卞 此外’在前述平面顯示裝置的具體實施例中,場發射险 極K#直接做在圖i所示的陰極7上。本發明並不限於該具-體賞施例中所示的構造。例如,士α圖i 3所示,本發明亦、 用於整個陰極7的表面有—層絕緣層18的情況,在〜邑緣層 1以Γ?ΐί定的=打洞,利用以鶴或類似材料做:的 二連接絕緣層18下面的陰極7和場發射陰極Κ以建立 匕們之間的連續性。 J夕卜’纟前述的具體實施例中,係將疊氮化鋇或疊氮化 ==功函數為2到3 [eV]的化學物質黏結 :陰極K的表面。本發明並不限於該具體實施=月= 任何一般所熟知之功函數為2到3 [eV]的化學物. 適用的化學物質有,例如,絶(功函數㈣】[ev])、
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LaB6(功函數 0:2·66 到 2·76 [eV])、CaB6(功函數 86 [eV])、SrB6(功函數 0=2.67 [eV])、CeB6(功函數 0=· 2.59 [eV])、ThB6(功函數 0 二 2.92)、BaO(功函數—2 〇 到2.7 [eV])、SrO(功函數 0=1.25 到 1.6 [eV])、γ〇 (•工 函數 0=2.0 [eV])、CaO(功函數 0=ι·β 到ι.δβ [ey2])3 力 BaS(功函數 0:2.05 [eV])、TiN(功函數 0:2·92 「、 ZrN(功函數—2· 92 [eV] )。 e」)和 按照本發明之場發射陰極κ及包括按照本發明之 陰極K為其組成元件的電子發射裝置5 〇,該場發射=^于 電子發射段係—以薄板狀微粒做成。因此,若電場κ °之二 電子發射段,— 由於電子束發射部位报尖銳,因:, 地集中電場。此外,本發明之場發射陰極1(之構造有效 導電、薄板狀微粒表面黏結功函數不大於2 :發射物質。因此,可進-步集中電場而改善=發射 1 按照本發明之電子發射裝置製造方法,場發射陰 ==係:薄板狀微粒做成…,若電場作用於該 電子束發射部位很尖銳,因此可以有效 地集中電场。此外,本發明之場發射陰献之構造為 導電、溥板狀微粒表面黏結功函數不大 電子發射效率的場發射陰極K。 电 ° 二ΐ然ίί考附圖來說明本發明之較佳具體實施例, 但應了角午,本發明並不限於這些具體實施例,紗此技藝
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483015 圖式簡單說明
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Claims (1)
- 六、申請專利範圍 t";種射„ 一電子施加面排列的場發射陰極,” 忒%么射陰極之一電子發射段係以、 /、中 成;以及 、¥弘 潯板狀微粒做 功函數為2到3 該等導電、薄板狀微粒的表面黏結一且 [eV]的物質。 /、 2.如申請專利範圍第i項之場發射陰極, 該功函數為2到3 [eV]之物質係由 刻、一 鹼土金屬、鹼全屬、心+八屈、’、 歹 所組成· '如申上上、土金屬化合物及驗金屬化合物。 !.丄申5月專範圍第1項之場發射陰極,其中 該等溥板狀微粒由碳的έ人Γ 所組成。—一 火的,,且。(⑶mb^tl〇n 〇f carbons) 1. 〃.如π申請專利範圍第1項之場發射陰極,其中 忒等溥板狀微粒之平均直徑不大於5 , 办 厚比(面積的平方根除以厚度所得的值)不小於5。 I. #如^申請專利範圍第2項之場發射陰極,其中 该寺薄板狀微粒之平均直徑不大於5 m ],且平均 厚比(面積的平方根除以厚度所得的值)不小於5。 , :-種電子發射裝置,言亥電子發射裝置具有一朝向一 鱟光幕配置場發射陰極,其中 一 ^ %發射陰極之構造為,至少一電子發射段係以導電、 缚板狀微粒做成; ^ %發射陰極之構造為,在該等導電、薄板狀微粒表面 ^黏結一具有功函數為2到3 [ e v ]的物質; 错由施加一電場,電子從該電子發射陰極之由薄板狀微 \申請專利範圍 ^構成的# j π 7 電子發射段端面菸^ , ’其中 所組成 a如申請專利範m $6 ^射出去 功函數為2到3 [eV]之、之電子發射裝置 驗 ”!:申請專利範圍第6項之金屬化合物。 ^專板狀微粒由碳的叙:二子發射襄置,其中 9. 如申請專利範圍第6項°斤+且成。 該等薄板狀微粒之平均直f = t發射裝置,其中 厚比(面積的平方根除以F工大於5 [ “m],且平均| ,π 丄 各度所得的值)尤/ 且十Q見 10. 如申請—專利範圍第8項 不小於5 〇 該等薄板狀微粒之平均直徑不^子^裝置,其中 厚比(面積的平⑼除以厂旱度所的值=],且平均寬 U. -種製造-電子發射裝置的方法不 ”肩^ ^ ^ %發射陰極之構造為,為兮笑墓 電、薄板狀微粒表面上有黏結—具有功函數為,到;、[d] 的物質,該方法包括下列步驟: 在用來形成一用以構成電子發射裝置之場發射陰極的表 面上形成一個具有小孔的光抗蝕劑圖案,每一個小孔事先 已排列整背’且/朱度達到其上要形成場發射陰極的面; 製備該等導電、薄板狀的微粒; 製備一種塗層劑,該塗層劑包含至少下列之一:鹼土金 屬、鹼金屬、驗土金屬化合物及鹼金屬化合物; 將該塗層劑塗在該光抗蝕劑圖案上,並使塗上該塗層劑 之光抗姓圖案變乾;第32頁 483015 六、申請專利範圍 除去該抗蝕圖案;及 在該驗土金屬化合物或該驗金屬化合物會分解的溫度下 進行烘烤、排出及密封作業。 12.如申請專利範圍第1 1項之製造一電子發射裝置的方 法,其中 該驗土金屬化合物為一驗土金屬氮化物;及 該驗金屬化合物為一驗金屬氮化物。第33頁
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GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent |