包含抗紫外光介电层的阴极组件的制作方法

专利名称：包含抗紫外光介电层的阴极组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有顶栅设计的场发射三极管器件。
背景技术：
传统上，场发射三极管器件采用通常被称为“顶栅”或“前栅”的设计，在此设计中 阴极组件中的栅电极定位于电子场发射器的上方，因此介于阴极电极本身和阳极电极表面 之间。在阴极组件内，使用电介质绝缘体层使栅极和阴极电极电绝缘。随着诸如碳纳米管 (CNT)之类低阈值电子发射材料的使用范围扩大，三极管器件中的此类顶栅设计对于彩色 显示器和背光模组应用而言已经越来越具有吸引力。已采用相对廉价的厚膜工艺技术、厚 膜电介质材料和厚膜发射器材料制造出具有吸引力的场发射性能的器件。US 03/141，495 (Lee)和US 05/258，739 (Park)描述了顶栅场发射三极管器件以 及采用光可成像发射材料和由金属或非晶硅组成的内薄膜紫外掩模的制造方法，其中金属 或非晶硅必须通过昂贵的平版印刷步骤进行图案化。Lee广泛地探讨了避免对准误差的困 难，该对准误差是在制造此类顶栅三极管的阴极组件时，由于高温焙烧和后续平版印刷图 案化步骤之间的基板热收缩而产生。他还描述了如何使用牺牲层以避免由薄膜硅掩模层不 够充分的抗紫外性能而造成的发射材料在栅电极边缘的残余物。该牺牲层的图案化需要额 外的平版印刷图案化步骤，并且受限于类似的对准误差和高成本。Lee还公开了此类顶栅三极管器件的阴极组件的制造方法，该方法采用高精度的 平版印刷技术来实现栅极和发射器部件相对于介电层中蚀刻的通孔中心的精确对准。尽管在器件示范中取得了最初的成功，但要低成本、高成品率和大规模制造此类 器件的阴极组件仍存在巨大的挑战。在各种技术困难中，准确、清洁地将电子发射材料沉积 到电介质通孔中的同时避免栅极和阴极电极之间电短路证明是尤其棘手的，特别是采用的 基板非常大时。Lee强调了使用内薄膜光掩模的困难，该困难来源于焙烧步骤期间基板收缩 造成的对准误差，其中的焙烧步骤必须在使内掩模、栅孔、电介质通孔和牺牲层图案化的平 版印刷步骤之间进行。他还公开了由栅电极边缘出现的发射器残余物造成的栅极和阴极短 路问题。Lee还公开了通过改变内掩模层与电介质通孔图案化的顺序来解决对准误差和残 余物问题的方法。与常规方法中在介电层的印刷、焙烧和蚀刻之前进行内掩模层的沉积和 图案化不同，Lee提出在电介质通孔的制造之后进行内掩模层的沉积和图案化。将具有紫 外吸收性和电阻性的薄膜层例如PECVD法生长的非晶硅沉积作为掩模层并进行图案化。因 此，由于在通孔和掩模层的平版印刷图案化之间无需焙烧步骤，因此阴极组件中的基板不 发生收缩。此外，该掩模层沉积在栅电极的顶部，覆盖侧壁，并且覆盖通孔底部的一部分，从 而防止发射器残余物同时接触栅极和阴极电极形成电短路。为进一步确保电绝缘，将正性光致抗蚀剂或负性干膜光致抗蚀剂用作栅电极表面上的牺牲层。在去除该牺牲层的过程 中，沉积在通孔以外的所有发射材料残余物也会被除去。要实施Lee的方法，几个平版印刷步骤必须准确地对准。薄膜掩模层的图形必须 与基板上的通孔图案进行完美的对准。牺牲层的图形也必须与图案化的通路和掩模层进行 完美的对准。由于这些平版印刷步骤之间没有焙烧，原则上可以实现完美的对准。然而，当 通孔尺寸变得更小以获得更高分辨率和场发射性能时，基板尺寸变得更大以制备大尺寸的 显示器或背光模组时，以及在一个大型基板上制备多个面板以降低成本时，这些平版印刷 步骤的完美对准只能依靠大型的设备和高昂的加工成本来实现。整个基板或光掩模表面的 任何温度波动都可导致不可接受的对准误差，从而降低面板的性能和成品率。大面积对准 设备的高投资成本代表了用于低成本器件例如液晶显示屏的背光模组的高投资负担。因此仍然需要用于制造顶栅三极管场发射器件中阴极电极的替代方法，以提供简 便的制造过程并降低最终的器件成本。发明概述在一个实施方案中，本发明提供具有抗紫外绝缘介电层的阴极组件。在另一个实 施方案中，本发明提供包含此类阴极组件的场发射三极管。在另一个实施方案中，本发明提供制造阴极组件的方法，该方法以穿过阴极组件 基板背面照射电子发射材料的方式制造阴极组件，其中的电子发射材料已穿过抗紫外绝缘 介电层中形成的通孔进行了沉积。在另一个实施方案中，本发明提供阴极组件设备，该阴极组件设备包括a)设置在基板上的阴极电极，b)设置在该阴极电极上的抗紫外绝缘电介质，c)设置在该电介质上的栅电极，d)穿过栅电极和电介质以暴露阴极电极的多个通孔，以及e)定位在通孔中的电子场发射器。在另一个实施方案中，本发明提供通过以下步骤制造阴极组件的方法a)用第一层导电材料涂覆基板，b)在第一层导电材料上沉积抗紫外绝缘电介质，c)在电介质上沉积第二层导电材料，d)形成穿过第二层导电材料和电介质的一个或多个通孔以暴露第一层导电材料， 以及e)在通孔中沉积电子发射材料。在另一个实施方案中，本发明提供通过以下步骤制造阴极组件的方法a)用紫外透明的导电材料层涂覆紫外透明基板的第一面，b)在导电层上沉积抗紫外绝缘电介质，c)在电介质上沉积顶层导电材料，d)形成穿过顶层导电材料和电介质的一个或多个通孔以暴露紫外透明的导电材 料层，e)在顶层导电材料上和通孔中沉积光致抗蚀剂材料，f)透过基板照射光致抗蚀剂材料，
g)使光致抗蚀剂材料显影以在每个通孔中形成沟道，并重新暴露紫外透明的导电 材料层，h)在光致抗蚀剂材料上和通孔的沟道中沉积光可成像电子发射材料，i)透过基板照射发射材料，以及j)去除光致抗蚀剂材料和未固化的发射材料。本文的方法和设备解决了将场发射器材料准确沉积至介电层的通孔中的困难，该 介电层通过将抗紫外材料并入介电层或用作介电层来实现顶栅三极管中阴极电极和栅电 极的电绝缘。附图简述

图1示出了配备有内薄膜光掩模的常规顶栅场发射器件的几何形状。图2示出了本文所提供的配备有抗紫外介电层的顶栅场发射器件的几何形状。图3示出了实施例1中所用的顶栅阴极组件(无电子场发射器)的布局的顶视图， 以及一直到通孔蚀刻的工序。图4示出了在不同的制造阶段带栅极的电介质通孔的一系列光学显微照片。图5示出了采用单一抗紫外介电层进行电子发射材料的自对准直接沉积的工序。图6示出了采用双重抗紫外介电层进行发射材料的自对准剥离沉积的工序。图7示出了在采用牺牲抗蚀剂层进行的沉积发射材料的自对准剥离的不同阶段 带栅极的电介质通孔的一系列光学显微照片。图8示出了从顶栅场发射器件中获得的阳极电流和栅极电压值的曲线图，所述顶 栅场发射器件具有双重抗紫外介电层并通过剥离方法进行制造。图9示出了由具有双重抗紫外介电层的器件发出的电子照明的磷光体图像。图10示出了实施例2中所用的顶栅阴极组件(无电子场发射器)的布局的顶视 图，所述顶栅阴极组件不具有抗紫外介电层。图11示出了不采用抗紫外介电层进行直接沉积电子发射材料的工序和结果。图12为光学显微照片，示出了介电层不具有抗紫外线的性能时，在栅极线之间的 间隙处沉积实施例2中获得的发射材料的结果。图13示出了采用牺牲抗蚀剂层但不使用抗紫外介电层进行剥离沉积的发射材料 的工序和结果。发明详述本发明提供顶栅场发射三极管器件中具有抗紫外介电层的阴极组件，以及不需 要后续平版印刷的对准步骤来制造此阴极组件的方法。抗紫外介电层既可作为栅电极和阴 极电极之间的电绝缘电介质，又可用作光可成像电子发射材料光化学沉积的自对准内光掩 模。此外，它也可以用作基于光致抗蚀剂的牺牲层光致图案化的自对准内光掩模。通过采用 这些自对准步骤来图案化牺牲层并沉积发射材料，可以在低成本条件下制造高成品率的顶 栅三极管器件，而不使用昂贵的掩模对准设备。自对准策略还避免了由焙烧诱导的基板收 缩而产生的任何对准误差，从而使顶栅三极管器件能够按比例排列到非常大的基板尺寸。因此，本文公开了顶栅三极管场发射器件的阴极组件及其制造方法，该方法解决 了实现涉及多个平版印刷步骤完美对准时的高成本问题。本发明的阴极组件通常不分先后 地包含基板、阴极电极、栅电极、电子场发射器、绝缘介电层。本文公开并使用的阳极组件通常包含基板、阳极电极和磷光体层。图1示出了具有内薄膜掩模层的顶栅场发射三极管器件的常规阴极组件的几何 形状。该器件包含基板材料1.2上的一个或多个阴极电极1.1。基板和阴极电极对于紫外 辐射通常是透明的，以便能够透过基板对光可成像发射材料进行紫外暴露。这类“背面”成 像在电子发射材料的沉积中是有益的，因为内掩模层1. 10可以用于限定发射材料的图案。 发射材料光固化的深度可以由紫外剂量控制，因为光固化在阴极和电子场发射的界面处开 始，并逐渐进展至大部分的发射材料中。背面成像不仅可以控制电子场发射器的厚度，还提 供发射材料与阴极电极的良好固化粘合性，因为界面处的紫外剂量不随发射器膜的光密度 而减少。阴极电极和内掩模层由一个或多个绝缘介电层1.3覆盖。为实现高性价比的制 造，所述介电层通常通过厚膜电介质糊剂连续的丝网印刷、干燥和焙烧进行沉积。通常将介 电层焙烧到促进电介质颗粒烧结或熔融，但保持在基板的软化温度以下的温度。使用玻璃 基板时，电介质焙烧温度通常介于约500°C至约600°C之间。介电层的顶部是一个或多个栅电极1.4，该栅电极由金属或其他类型的薄膜导体 制备。通常穿过栅电极和介电层以湿法蚀刻或干法蚀刻通孔(例如孔或槽)，以暴露在每个 通孔底部的阴极电极。电子发射材料1. 5被沉积在每个通孔的底部以形成电子场发射器， 并与阴极电极进行电接触，该电子发射材料可以为或包含(例如)诸如碳纳米管之类的针 状材料。定位在阴极组件的对面并且由绝缘隔板1. 6支撑的是阳极组件，该阳极组件包括 阳极基板1. 7，该阳极基板包含一个或多个阳极电极1. 8。该阳极基板可以包含用于发射光 的磷光体涂层1. 9，并且可通过使用隔板而保持恒定距离。电子场发射器所产生的场发射可 通过向栅电极施加相对于阴极的正电位来获得。然后施加到阳极上的独立正电位吸引发射 至阳极的发射电子。如果在阳极上存在磷光体涂层，则电子撞击将产生可见光射线。在本文的阴极组件中，常规阴极组件的两个组件，即内掩模层1. 10和绝缘介电层 1.3，其功能被合并至单一组件中，即抗紫外介电层。在某些器件中，两层或更多层的绝缘电 介质可用于此类组件中，以确保电绝缘和最大化栅极和阴极电极之间的击穿电压，并且在 此类器件中，并非所有的介电层都可以具有抗紫外特性。在使用此类多层电介质的器件中， 这些电介质层在I线和G线的紫外波长范围处的光密度可以合并为约0. 5或更大，用以掩 蔽和吸收紫外辐射。抗紫外介电层的厚度可以从1微米变化至几十微米，取决于使用的是 单层电介质还是多层电介质；并且，多层电介质用于何处，取决于抗紫外层中所用的电介质 材料的紫外吸收系数。击穿强度超过lkV/mm的单层或多层电介质具有使阴极电极与栅电 极电绝缘的适宜强度。在阴极组件中，抗紫外介电层的位置可以在阴极堆叠的顶部(与栅电极层直接相 邻)和阴极堆叠的底部(与阴极电极层直接相邻)之间变动。在多层电介质中，抗紫外线 层可以出现在相对于电介质中其他层的任何位置(例如顶部、底部或中间)。在特定的阴极 组件中，介电层的不同位置可以增大优化一个或多个以下对象的机会电极绝缘；电介质 击穿电压；通孔刻蚀；以及不含或基本上不含残余物，并且因此不存在或基本上不存在电 短路的发射器沉积。图2示出了本文中顶栅场发射三极管器件的阴极组件的侧视图。该阴极组件包含位于基板材料2. 2上的阴极电极层2. 1。基板和阴极电极层对于紫外辐射通常是透明的，从 而使光可成像发射器和抗蚀剂材料能够进行背面紫外暴露。设置在阴极电极层上的是单层 或多层的抗紫外绝缘电介质。图2示出了具有层2. 3和层2. 10的多层电介质，其中层2. 10 是抗紫外层。在图2中，电介质的抗紫外层2. 10定位于电介质堆叠的顶部，并且与栅电极层直 接相邻。设置在介电层2. 10之上的是一个或多个栅电极2. 4，该栅电极由金属或其他类型 的薄膜导体制成。通常穿过栅电极和介电层以湿法蚀刻或干法蚀刻通孔，以暴露在通孔底 部的阴极电极层2. 1。因此，如果可能，通过选择堆叠材料中具有最大蚀刻速率的相容性的 各层是有利的。电子发射材料2. 5，例如是或包含碳纳米管的针状材料，被沉积在通孔的底部以形 成电子场发射器，并与阴极电极进行电接触。发射材料的沉积通过如本文所述的糊剂沉积 或其他印刷方法进行，并在阴极层和绝缘介电层之间没有掩模层的情况下进行，器件中没 有掩模层。定位在阴极组件的对面并且由绝缘隔板2. 6支撑的是阳极组件，该阳极组件包 含阳极基板2. 7，该阳极基板包含一个或多个阳极电极2. 8。该阳极基板可以包含用于发射 光的磷光体涂层2. 9，并且可以通过使用隔板而保持恒定距离。适用于制备抗紫外线介电层的材料无限制地包括锶、铁、锰、钒、铬、钴、镍和/或 铜中的一种或多种的氧化物或混合氧化物。适用作本文的电子发射材料以形成电子场发射极的材料包括针状材料诸如碳、类 金刚石碳、半导体、金属或它们的混合物。如本文所用，“针状”是指具有10或更大的纵横 比的微粒。针状碳可为各种类型。碳纳米管为优选的针状碳，并且单壁碳纳米管为尤其优 选的。单个单壁碳纳米管极小，直径通常为约1.5nm。碳纳米管有时被描述为石墨状，推测 起来可能是由于sp2混成碳的缘故。可将碳纳米管的壁想象为将石墨烯片材卷起而形成的 圆柱体。在小金属颗粒上催化裂解含碳气体而生成的碳纤维也可用作针状碳，该纤维中的 每种均具有相对于纤维轴成一角度布置的石墨烯片，该角度使得碳纤维的周边基本上由石 墨烯片的边缘组成。该角度可为锐角或90°。针状碳的其他实例为聚丙烯腈基(PAN-基) 碳纤维和浙青基碳纤维。阴极组件或阳极组件中的基板可为任何材料，其他层将粘附到该材料上。硅、玻 璃、金属或例如矾土的耐火材料可用作基板。对于显示应用，优选的基板为玻璃，并且尤其 优选碱石灰玻璃。适用于本文中制造下栅电极、阴极电极和/或阳极电极的材料无限制地 包括银；金；钼；铝；镍、钼、锡和钨的氧化物。用于本文中阴极组件并且最终用于本文的场发射三极管器件中的电子场发射器 可以通过将电子发射材料与此类玻璃料、金属粉或金属涂料(或它们的混合物)按需混合， 以将发射材料连结到所需表面。电子发射材料的连结方法必须耐受制造阴极组件时的条件 和包含该阴极组件的场发射器件操作时的条件，并且可在这些条件下保持其完整性。所述 条件通常涉及真空条件和至多约450°C的温度。因此，有机材料一般不适用于将颗粒连结到 表面上，并且很多无机材料对碳较差的粘附性进一步限制了可用材料的选择。因此，优选的 方法是将包含电子发射材料和玻璃料(诸如铅或铋玻璃料)、金属粉或金属涂料(或它们的 混合物)的厚膜糊剂按所需图案丝网印刷到表面上，然后焙烧干燥的图案化糊剂。对于更 多种类的应用，例如要求更高分辨率的那些应用，优选的方法包括将也包含光引发剂和可光致硬化单体的糊剂进行丝网印刷、将干燥的糊剂进行光致图案化，并且对图案化的糊剂 进行焙烧。可以使用熟知的丝网印刷技术进行浆料混合物的丝网印刷，这些技术例如使用 165-400目的不锈钢网筛。厚膜糊剂可以沉积为连续膜或以所需图案的形式沉积。当表面 为玻璃时，则将糊剂在约350°C至约550°C，优选在约450°C至约525°C的温度下在氮气中 焙烧约10分钟。可使用表面所能够承受的更高的焙烧温度，前提条件是焙烧气氛中不含氧 气。然而，糊剂中的有机组分会在350-450°C下有效地挥发，从而留下由电子发射材料和玻 璃和/或金属导体构成的复合材料层。如果要使丝网印刷的糊剂光致图案化，则糊剂还可 以包含光引发剂、可延展的粘合剂以及可光固化单体，该可光固化单体由例如至少一种可 加成聚合的烯键式不饱和化合物组成，该化合物具有至少一种可聚合的乙烯基。除了电子场发射器的形成以外，阴极组件其他层或其他组件的形成、或阳极组件 各层或各组件的形成，可以通过类似于上文所示的那些厚膜印刷方法来获得，或通过本领 域已知的其他方法例如溅射或化学气相沉积来获得，这些方法可以按需要涉及掩模和光可 成像材料的使用。虽然本文在各个部分中将沉积阴极组件的各种组件描述为沉积厚膜或薄膜以形 成层，并且虽然当以侧正视图显示时阴极组件的各种组件可显现以层为特征，但如本文所 用的术语“层”不是必定要求阴极组件或场发射器件中的组件为完全平面的或完全连续的。 就形状和布局而言，在各种实施方案中，被称为或可被表征为层的组件可以为或类似于条、 线或网格、或一系列不连续的(虽然是电连接的)点、垫、桩或柱。因此，单一层可以提供用 于定位阴极电极的元件、栅电极、电荷耗散层、绝缘层和/或电子场发射器的多个位置；因 此，本文的器件可以包含这些组件种类中每一种类的多个组件，这可提供一系列可单独寻 址的像素。例如，阴极电极和电子场发射器可以被图案化为相交线。本文的场发射三极管器件的操作涉及通过器件外部的接地电压源(未示出)，向 栅电极和阳极电极施加在包括以下实例中所用电压的范围内的适当电位，用以激励电子场 发射极产生场发射电流。本文的场发射三极管器件可以用于平板计算机显示器、电视机、液晶显示屏和其 他类型的显示器中，以及真空电子装置、发射栅放大器、速调管和照明装置中。它们尤其适 用于大面积的平板显示器，即用于尺寸大于30英寸(76cm)的显示器。平板显示器可以为 平面的或弯曲的。这些器件更具体地描述于US 2002/0074932中，该专利申请全文作为本 文的一部分以引用方式并入本文，以用于所有用途。
实施例本文的方法和设备的有利属性和效应可见于如下所述的一系列实施例(实施例1 和2)中。这些实施例所基于的方法和设备的实施方案仅仅是例证性的，并且选择那些实施 方案来示例本发明，不表示未在这些实施例中描述的材料、条件、组分、构型、步骤、技术或 方案就不适用于实践这些方法和设备，或者不表示未在这些实施例中描述的主题就被排除 在所附权利要求及其等同物的范畴之外。可以通过将本文中获得的结果与试验(对照实施 例A和B)中获得的结果作对比以获得对实施例意义更好的理解，其中的试验通过为此类对 比提供依据而被设计作为对照实验，此类对比涉及阴极组件的制造中缺失抗紫外的电介质绝缘体而因此在器件中缺失抗紫外的电介质绝缘体。实施例1和2描述了用于制造本发明的器件的两种发射材料沉积方法，即直接法 和剥离法。图3A示出了这些实施例的方法中所用顶栅阴极组件(无电子场发射器)的布 局的顶视图。对于这两种方法，以相似方式实施通孔蚀刻。图3B至3J示出了通孔蚀刻的 工序。图4A至4D示出了带栅极的电介质通孔在制造的不同阶段中的光学显微照片。图5A至5D描述了实施例1的方法的工序，其中发射材料直接沉积在基板上。图 6A至6G描述了实施例2的方法的工序，其中发射材料采用涉及牺牲抗蚀剂层的剥离技术进 行沉积。实施例1中制造的阴极组件包含具有一个抗紫外层的绝缘电介质，而实施例2中 制造的阴极组件包含具有两个抗紫外层的绝缘电介质。在每个实施例中，提供2〃 X2"的玻璃基板3.1，将IT0涂层3.2沉积在基板上， 并蚀刻涂层以形成阴极电极，如图3B所示。为了建立电介质堆叠，首先制备紫外线透明的 电介质基础材料的糊剂。通常用作厚膜糊剂涂覆的电介质糊剂通常包含溶剂，以及有机和 无机成分。溶剂可以为高沸点液体，例如丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、二丁基卡必醇、邻 苯二甲酸二丁酯、醇酯-12和萜品醇。有机成分可以包括粘合剂聚合物、分散剂和/或其他 流变改性剂。无机成分可以包括低熔点玻璃料和其他无机粉末。向基体电介质糊剂中加入 额外的紫外吸收颜料，用以制备抗紫外电介质糊剂。使用高温稳定且耐化学品玻璃颜料例 如氧化钴颜料以3重量％和5重量％的载荷制备这些实施例中的两种抗紫外电介质糊剂。在实施例1中，为了制备具有一个抗紫外层的绝缘电介质，首先将基础电介质糊 剂丝网印刷在I TO阴极的顶部，在125°C下干燥5分钟，并在空气中焙烧至550°C的峰值温 度持续20分钟，以得到约6 y m厚的紫外透明膜3. 3(3C)。然后采用相同的程序将含5重 量％颜料的电介质糊剂丝网印刷并焙烧在基体介电层的顶部，得到如图3D中所示7 ym厚 的抗紫外并且电绝缘的电介质材料的薄膜3. 4。测得总焙烧厚度为13 ym。通过将电介质 堆叠放置在汞灯和电度表之间来测量绝缘电介质的紫外光密度，并测得大于2的值。在实施例2中，为了制备具有两个抗紫外层的绝缘电介质，将含3重量％颜料的电 介质糊剂如上文所述进行印刷、干燥和焙烧，以在IT0阴极的顶部形成第一层抗紫外电介 质6. 3，如图6中所示。然后在该第一层的顶部类似地制造含3重量％颜料的第二层抗紫外 介电层6.4，如图6A中所示。测得双层的总焙烧厚度为13 iim，并且光密度大于2。然后采用电子束蒸发器将150nm厚的铬(Cr)的栅电极3. 5和6. 5沉积在上述单 层和双层组件的电介质表面上。测得13 ym厚的电介质堆叠的直流电压击穿值超过500V。采用常规的平版印刷技术来制造如图3中所示的阴极组件中的通孔结构。将酚醛 MTfeltiltMlJ 3. 6 (AZ4330, n g Sulzbach am Taunus, Germany ^ Clariant Corporation) 旋涂在铬层3. 5的表面上，如图3F所示。采用1500rpm的旋转速度和45秒的旋转时间。将 酚醛聚合物膜放在90°C的热板上干燥2分钟。干燥后，得到4 ym厚的酚醛聚合物膜。光致 抗蚀剂透过用20 iim开环的阵列图案化的外光掩模3. 8暴露至紫外(350-450nm)辐射3. 7。 使用300mJ/cm2的紫外剂量。将光致抗蚀剂放在含2%四甲基氢氧化铵(也得自Clariant) 的AZ 300MI F显影剂溶液中显影240秒，以暴露铬层3. 5作为20 iim环3. 9的阵列，如图 3G所示。显影后，将器件放在120°C热板上烘焙3分钟。使用湿蚀刻剂蚀刻出铬和电介质 堆叠层之后，用去离子水冲洗。在铬和电介质堆叠层中得到具有40至60 y m轮辋直径的 通孔3. 10，取决于蚀刻条件，如图3H所示。然后用60°C的raS2000抗蚀剂剥离器(得自Danvers, Massachusetts, USA 的 TranseneCompany)除去光致抗蚀剂层。图 4A 和图 4B 分 别示出了铬栅电极4. 1、通孔开口 4. 2，以及通孔4.3的底部。然后用光致抗蚀剂3. 11再次涂覆表面，并采用不同的外掩模3. 13实施第二紫外 光致图案化步骤3. 12，用以在铬层3. 5中蚀刻出中断处，以便限定电绝缘的栅极线，如图31 所示。该第二平版印刷步骤中所产生介于栅极线3. 14之间的中断处的尺寸是非常大的(图 3中未按比例示出)，因而此步骤容许较大的对准误差。用PRS2000抗蚀剂剥离器进行光致 抗蚀剂的去除，完成了阴极组件中通孔形成的方法的实施，如图3J中所示，并且表面已准 备好，可沉积电子发射材料。如上所述，两个实施例中采用不同的方法将电子发射材料糊剂沉积到阴极组件的 通孔中。在实施例1中，该方法涉及将糊剂直接施加到基板的铬表面上；而在实施例2中， 该方法涉及首先用正性光致抗蚀剂涂覆铬表面，其中该正性光致抗蚀剂用作牺牲层，用以 帮助剥离含发射材料的糊剂残余物。在两种方法中，均采用电子发射材料的负性光可成像的糊剂进行厚膜沉积。光可 成像的厚膜糊剂通常包含溶剂、有机和无机成分，以及电子发射材料。溶剂可以为高沸点液 体的一种或其混合物，高沸点液体例如丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、二丁基卡必醇、邻 苯二甲酸二丁酯、醇酯-12和萜品醇。有机成分包括粘合剂聚合物、光敏单体、引发剂、分散 剂，和/或其他流变改性剂中的一种或多种。无机成分可以包括玻璃料、无机粉末，和/或 金属粉。糊剂中所用的电子发射材料可以包括针状材料，例如碳纳米管。通常使用常规的 丝网印刷将糊剂施加到基板上。对于光可成像的糊剂，通常采用糊剂的非图案化覆墨印刷 来覆盖器件的几乎整个顶部表面。图5A至5D示出了实施例1中所用的直接糊剂沉积方法的工序。图5A示出了发 射材料沉积之前的顶栅基板组件，该顶栅基板组件由玻璃基板5. 1、IT0阴极电极5. 2、基础 介电层5. 3、抗紫外电介质材料层5. 4、铬栅电极5. 5和通孔开口 5. 6组成。采用常规丝网 印刷方法，将光可成像的CNT糊剂的覆盖层印刷在基板上，涂覆铬表面并填充电介质通孔 5B。将CNT糊剂膜放在60°C的强制空气对流式烘箱中干燥30分钟。得到干燥的CNT糊剂 膜5. 7，从铬表面测得厚度为约8 u m。透过基板的背面将干燥的CNT糊剂膜暴露在紫外辐射5. 8下，暴露剂量为约 lOOmJ/cm2。CNT糊剂的光固化由抗紫外电介质材料层5. 4限制在仅电介质通孔的底部。紫 外剂量将CNT糊剂的光固化层5. 9厚度确定在约4 y m，如图5C所示。暴露的CNT糊剂膜通 过用0. 5% NaC03水溶液喷射1分钟进行显影，在此过程中，膜中未固化的CNT糊剂被冲洗 掉，留下在通孔底部的四个阵列的CNT糊剂点4. 4，如图4C和5D所示。具体的目标区域是 位于铬表面上介于栅极线之间的中断处4. 5和5. 10。经测定，这个区域完全不含可能引起 栅极线之间电短路的CNT糊剂残余物。在实施例2中，采用涉及牺牲层的更复杂的剥离方法来沉积电子发射材料。这种 方法具有确保糊剂沉积时不含残余物的优点。图6A至6G示出了实施例2中剥离方法的工 序。图7A至7C示出了带栅极的电介质通孔在该制造方法的不同阶段的光学显微照片。图6A中示出了发射材料糊剂沉积之前如实施例2中所用的顶栅阴极组件。它包 含玻璃基板6. 1、IT0阴极电极6. 2、第一抗紫外介电层6. 3、第二抗紫外介电层6. 4、铬栅电 极层6. 5、和通孔6. 6。采用旋涂技术将正性光致抗蚀剂6. 7涂覆在铬层表面上，填充所有的通孔6B。对于更大的基板，将适合采用光致抗蚀剂的槽模涂覆。将光致抗蚀剂膜放在热板上干燥至从铬表面测量时约为3 u m的厚度。透过背面 使基板满暴露在紫外辐射6. 8下。所采用的紫外剂量使得直接定位在通孔底部之上的光致 抗蚀剂材料完全暴露透过其整个厚度，如图6C中6. 9所示。然而在所有其他区域中，由于 存在抗紫外介电层，光致抗蚀剂未暴露至紫外辐射。这种自对准暴露在不使用高成本对准 设备的情况下进行。根据光致抗蚀剂的类型，暴露后烘焙步骤可能是理想的。在显影剂溶 液中除去暴露的光致抗蚀剂，该显影剂溶液显露了在抗蚀剂层6. 10中的每个孔的底部的 阴极表面，如图6D所示。此时，显影后烘焙步骤可能也是理想的。图7A和图7B分别示出 了光致抗蚀剂覆盖的铬栅电极7. 1、抗蚀剂孔顶部开口 7. 2及其显露IT0阴极的底部7. 3。采用常规的丝网印刷方法，将光可成像CNT糊剂的覆盖层印刷在阴极组件的顶 部，用以覆盖表面并填充抗蚀剂层中的所有孔，如图6E所示。所选的光致抗蚀剂和发射材 料糊剂不应产生任何不期望的相互反应。用与上述相同的方式将CNT糊剂干燥至从抗蚀剂 表面测量为8 u m厚的薄膜6. 11。透过基板的背面将CNT糊剂膜暴露至紫外辐射6. 12，暴 露剂量为约lOOmJ/cm2。CNT糊剂的光固化再一次由抗紫外电介质层限制在仅抗蚀剂孔的 底部。紫外剂量将CNT糊剂的光固化层6. 13的厚度确定在约4 y m，如图6F所示。暴露的CNT糊剂膜通过用溶剂喷射1分钟进行显影，在此过程中，未固化的CNT糊 剂膜和光致抗蚀剂层被冲洗掉，留下在通孔底部的四个阵列的CNT糊剂点，如图6G中6. 14 处和图7C中7. 4处所示。如前文所述，测得铬表面上介于栅极线之间的中断处6. 15完全 没有CNT糊剂残余物。抗紫外介电层和牺牲抗蚀剂的使用确保了在不使用高成本对准设备 的情况下沉积CNT糊剂时无残余物。根据发射材料糊剂的配方，阴极组件可能需要焙烧步骤以清除电子场发射器点中 过量的有机材料。如果这样，可以在空气中或惰性气氛下焙烧至某一温度，持续的时间段确 保对点的损伤降至最低。在实施例1和2中，未对样本进行焙烧，因为对真空室中的后续发 射测试而言，焙烧并非必需。但是，实施活化步骤以便得到改善的发射性能。在压力下将一 片粘合带层压在样本的顶部，从而迫使粘合剂进入通孔中并且接触电子场发射器点。粘合 带的后续剥离使发射器点破碎，从而暴露电子场发射器的“活化”表面。将阳极板安装成与活化的阴极组件样本相对，该阳极板由IT0涂覆的具有磷光体 涂层的2 " X 2 “玻璃基板组成。使用3mm厚的隔板来保持阴极和阳极基底之间的距离。使 用银涂料和铜带材来实现与IT0阴极电极、铬栅电极和IT0阳极电极的电接触，以完成顶栅 三极管器件。将器件安装在真空室中，该真空室被抽空至< IX 10_5托的压力。向阳极电极 施加1. 5kV的直流电压。将重复率为120Hz并且脉冲宽度为30ii s的脉冲方波施加到栅电 极上。使阴极电极保持在地电位。当脉冲栅电压达到30V时，测得0. 6 y A的平均阳极电流。测得阳极电流随着脉冲 栅电压的增加而增加。栅电压为60V时，得到22.6PA的阳极电流。图8示出了从如实施 例2中所制备的顶栅场发射三极管器件中记录的阳极电流和栅电压值的曲线图。图9中 示出了由该器件发射的电子形成的磷光体照明的图像，其中的操作条件为1.5kV的阳极电 压、60V的栅电压和22 y A的阳极电流。实施例1中所制备的顶栅场发射三极管器件获得类 似的发射结果。对照实施例A和B
制作阴极组件的另两个样本，其具有的布局几乎相同于实施例1和2中所用样本 的布局。图10示出了基板10. 1、IT0阴极电极10. 2、第一介电层10. 3、第二介电层10. 4、 铬栅电极10. 5、通孔10. 6以及介于两条栅极线之间的间隙10. 7，这些与图3A中一样。制 造电介质通孔的工序也与实施例1和2中使用的一样，如图3B至3J中所示。对照实施例 A和B与实施例1和2之间的差别在于对照实施例A和B中使用的介电层都不具有抗紫 外性能。对照实施例A中，不使用牺牲抗蚀剂层直接沉积电子发射材料糊剂。图11A至11D 中示出了用于对照实施例A的工序。图11A示出了基板11. 1、IT0阴极电极11. 2、第一介 电层11. 3、第二介电层11. 4、铬栅电极11. 5、通孔11. 6以及介于两条栅极线之间的空隙 11. 7。在铬表面上印刷并干燥光可成像发射材料11. 8糊剂并填充所有通孔后，透过基板的 背面将样本暴露在100mJ的紫外辐射11. 9下。由于紫外辐射穿透了两个紫外透明的介电 层，因此糊剂不仅在电介质通孔的底部11. 10处发生了光固化，而且在电介质通孔的侧壁 11. 11处，以及在阴极组件表面上介于栅极线间的空隙11. 12中也发生了光固化。由于发射材料糊剂具有高导电性，因此糊剂在通孔开口 11. 13处和介于栅极线之 间的空隙11. 14处与铬栅电极接近导致了阴极和阳极之间以及栅极线之间的电短路。图12 示出了栅极线12. 2之间的空隙处电子发射材料12. 1的光固化(糊剂未印刷在器件顶部的 所有部分上)。测得栅极和阴极之间以及栅极线之间的电阻值为几百欧姆。此类短路使得 三极管器件不可用。在对照实施例B中，使用牺牲抗蚀剂层进行电子发射材料糊剂的沉积。图13A至 13G示出了工序。如前文所述，图13A示出了基板13. 1、IT0阴极电极13. 2、第一介电层 13. 3、第二介电层13. 4、铬栅电极13. 5、通孔13. 6以及介于两条栅极线之间的空隙13. 7。 在涂覆有铬表面并填充所有电介质通孔的阴极组件的表面上旋涂并干燥正性光致抗蚀剂 13.8。透过背面使基板满暴露在紫外辐射13. 9下。由于两个介电层对紫外辐射都是透明 的，因此只有直接定位于铬栅极层顶部的光致抗蚀剂屏蔽了紫外暴露。包括通孔13. 10内 部的所有其他光致抗蚀剂区域均暴露在紫外辐射下。除图13D中13. 11所示直接位于铬层 上方的区域中的抗蚀剂之外，抗蚀剂显影除去了其他所有抗蚀剂。印刷和干燥后，将光可成 像电子发射材料糊剂13. 12沉积在抗蚀剂表面并填充所有通孔。透过基板的背面将样本暴 露在100mJ的紫外辐射13. 13下。如对照实施例A中所见，紫外辐射穿透两个介电层并引起发射材料糊剂13. 14的 光固化。发射材料糊剂的后续显影和抗蚀剂的去除导致在栅极线之间的空隙13. 15处、如 图13G所示电介质通孔的底部13. 16和侧壁13. 17处形成发射材料膜。发射材料膜与栅极 层的接近及其电导率引起阴极和阳极之间以及栅极线之间的电短路。此类短路再次使得器 件不可用。当对照实施例A和B中不使用高成本的对准设备时，不采用抗紫外介电层，就无法 实现发射材料的无短路沉积。本文在一个或多个具体实施方案的上下文中描述了本发明中某些方法和设备的 特征，所述实施方案结合了各种此类特征。然而本发明的范围不限于任何具体实施方案中 的单独某几个特征的描述，并且本发明还包括(1)少于任何所述实施方案的所有特征的子 组合，所述子组合的特征在于不存在形成子组合所省略的特征；(2)每一个独立地包括在任何所述实施方案的组合中的特征；和(3)通过仅将两个或更多个所述实施方案中选定的 特征进行分组，任选地与本文别处所公开的其他特征一起所形成的其他的特征组合。
权利要求
阴极组件设备，所述阴极组件设备包括a)设置在基板上的阴极电极，b)设置在所述阴极电极上的抗紫外绝缘电介质，c)设置在所述电介质上的栅电极，d)穿过所述栅电极和电介质以暴露所述阴极电极的多个通孔，以及e)定位于所述通孔中的电子场发射器。
2.根据权利要求1的设备，其中所述基板对紫外辐射是透明的。
3.根据权利要求1的设备，其中所述阴极电极对紫外辐射是透明的。
4.根据权利要求1的设备，其中所述电介质包含钴。
5.根据权利要求1的设备，其中所述电介质在I线和G线的紫外波长范围处的光密度 合并为约0.5或更大。
6.根据权利要求1的设备，其中将所述阴极电极和所述电子场发射器图案化为相交线。
7.根据权利要求1的设备，其中所述电子场发射器包含碳纳米管。
8.包括根据权利要求1的阴极组件的场发射三极管器件。
9.包括根据权利要求8的三极管器件的平板显示器、真空电子器件、发射栅极放大器、 速调管或照明装置。
10.制造阴极组件的方法，所述方法包括a)用第一层导电材料涂覆基板，b)在所述第一层导电材料上沉积抗紫外绝缘电介质，c)在所述电介质上沉积第二层导电材料，d)形成穿过所述第二层导电材料和所述电介质的一个或多个通孔以暴露所述第一层 导电材料，以及e)在所述通孔中沉积电子发射材料。
11.根据权利要求10的方法，其中所述电介质包含钴。
12.根据权利要求10的方法，其中所述电介质在I线和G线的紫外波长范围处的光密 度合并为约0.5或更大。
13.制造阴极组件的方法，所述方法包括a)用紫外透明的导电材料层涂覆紫外透明基板的第一面，b)在所述导电层上沉积抗紫外绝缘电介质，c)在所述电介质上沉积顶层导电材料，d)形成穿过所述顶层导电材料和所述电介质的一个或多个通孔以暴露所述紫外透明 的导电材料层，e)在所述顶层导电材料上和所述通孔中沉积光致抗蚀剂材料，f)透过所述基板照射所述光致抗蚀剂材料，g)使所述光致抗蚀剂材料显影以在每个通孔中形成沟道，并重新暴露所述紫外透明的 导电材料层，h)在所述光致抗蚀剂材料上和所述通孔的沟道中沉积光可成像电子发射材料，i)透过所述基板照射所述发射材料，以及j)去除所述光致抗蚀剂材料和未固化的发射材料。
14.根据权利要求13的方法，其中所述电介质包含钴。
15.根据权利要求13的方法，其中所述电介质在I线和G线的紫外波长范围处的光密 度合并为约0.5或更大。
全文摘要
本发明涉及具有抗紫外绝缘介电层(3.4)的场发射阴极组件。
文档编号H01J1/304GK101874281SQ200880117766
公开日2010年10月27日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者A·芬尼莫尔, L·A·程 申请人:纳幕尔杜邦公司