专利名称：阴极基板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种例如具有电子发射源的显示装置用的阴极基板及其制造方法，特别是涉及一种利用石墨纳米纤维或碳纳米管等的碳系发射极材料的场致电子发射型显示装置(FEDField EmissionDisplay)用的阴极基板及其制造方法。
背景技术：
近年来，正在开发一种将低电子发射电压且具有化学安全性的石墨纳米纤维或碳纳米管等的碳系发射极材料用于电子发射源的FED。在这种FED中，为了将使电子发射所需的驱动电压抑制得低，利用由阴极电极、栅电极和阳极电极构成的三极场致发射元件正成为主流。
在此情况下，提出了一种方案，即，在处理基板上依次层叠阴极电极层、绝缘层和栅电极层，在栅电极层中形成1个栅极孔开口部，在通过此栅极孔开口部，在绝缘层上形成具有比栅极孔开口部更大的开口面积的孔之后，在孔底部上设置催化剂层，在此催化剂层之上，生长碳系发射极材料以构成发射极，由此完成阴极基板(例如，参照专利文献1)。
专利文献1 特开平2001～102593号公报(参照本发明的详细说明)发明内容但是，在上述情况中，由于相对于发射极仅在绝缘层正上方设置1个栅极孔开口部，所以施加驱动电压由发射极来发射电子时，由于将电子从发射极引向栅电极并加速，就会存在通过栅极孔开口部的发射电子扩散的问题。此时，当发射电子扩散时，就会使向相对配置的构成三极场致发射元件的阳极基板(电极)注入的电荷注入效率恶化。
此外，由于发射极的中心部和其端部到栅电极的距离不同，就会因发射极形状和尺寸等的微小差异，因而在各个阴极基板彼此之间，容易产生向阳极基板的电荷注入效率偏差。
因此，鉴于上述观点，本发明的课题在于提供一种阴极基板及其制造方法，能够防止从发射极发射的电子扩散、提高电荷注入效率，并且不容易产生在各个阴极基板彼此之间的电荷注入效率偏差。
为了解决上述课题，本发明的阴极基板的特征在于，包括在处理基板上依次层叠的阴极电极层、绝缘层和栅电极层，在此绝缘层中形成的孔的底部中设置发射极，同时在上述栅电极层中形成栅极孔开口部，其中由具有比上述绝缘层的孔的开口面积更小的面积的多个开口构成上述栅极孔开口部，并且与发射极相对地将各个开口密集在绝缘层的孔的正上方，优选均匀地密集。
根据本发明，由于将构成栅极孔开口部的各个开口与发射极相对地密集在绝缘层的孔的正上方，所以施加驱动电压由发射极发射电子时，电子会被垂直向上地引出并加速，通过栅电极层的栅极孔开口部的发射电子就不会扩散，此外，很难受到发射极形状和尺寸等的微小差异的影响。并且，与现有的相比，就能够将发射电子所需的驱动电压抑制得低。
此时，也可使上述各开口的开口面积及数量中至少一个增减，以便能够改变向相对配置的构成三极场致发射元件的阳极基板(电极)注入的电荷注入效率。
再有，也可由碳系发射极材料构成上述发射极，碳系发射极材料可以是在催化剂层上生长的物质。
上述阴极基板的制造方法，其特征在于包括以下步骤在处理基板上，依次形成阴极电极层、绝缘层和栅电极层；在此栅电极层上设置用于形成栅极孔开口部的抗蚀剂图形之后，利用蚀刻形成由多个开口形成的栅极孔开口部；通过此栅极孔开口部在深度方向和宽度方向上同时蚀刻绝缘层，形成1个孔；在此孔的正上方密集栅极孔开口部的各个开口；在孔的底部设置发射极。
此时，也可由碳系发射极材料构成上述发射极，可在绝缘层下侧预先形成生长此碳系发射极材料时起催化剂作用的催化剂层。
另一方面，也可由碳系发射极材料构成上述发射极；可在蚀刻绝缘层之后，利用发射(lift of)法形成生长此碳系发射极材料时起催化剂作用的催化剂层；利用CVD方法在孔底部生长碳系发射极，或利用印刷方法涂覆碳系发射极。
如以上说明，本发明的阴极基板起到这样的效果能够防止从发射极发射的电子的扩散，提高电荷注入效率，并且，不容易产生在各个阴极基板彼此之间的电荷注入效率偏差。
图1是简要说明本发明的FED用的阴极基板的立体图。
图2(a)至(e)是说明本发明的FED用的阴极基板的制造顺序的图。
图3是说明现有技术的FED用的阴极基板的图。
图4(a)和(b)是利用本发明的方法制造的FED用的阴极基板的SEM照片。
图5(a)和(b)是使用实施例1和比较例1的基板时映在阳极荧光体基板上的一个像素的放大照片。
图6(a)至(f)是说明本发明的FED用的阴极基板的另一制造顺序的图。
具体实施例方式
参照图1来进行说明，1表示在FED中采用的本发明的阴极基板。阴极基板1具有作为处理基板的玻璃基板11，在此玻璃基板11上，例如，形成规定厚度的由铬构成阴极电极层(母线)12。例如，一边以规定温度(例如，200℃)加热玻璃基板11、一边通过DC溅射来形成阴极电极层12。
在阴极电极层12上，按规定膜厚(1～50nm的范围)形成催化剂层13，并加工成线性形状，催化剂层13由例如Fe、Co或含有这些金属中的至少一种的合金构成。例如，通过DC溅射来形成催化剂层13。在此催化剂层13上，在后述的绝缘层中形成孔之后，利用公知的方法生长石墨纳米纤维或碳纳米管等的碳系发射极材料C，构成发射极E。
在催化剂层13上，按规定膜厚(例如，3μm)形成由诸如SiO2构成的绝缘层14。为了防止因形成膜之后的绝缘层14的应力引起的破损，例如，一边在规定温度(例如，300℃)下加热玻璃基板11、一边通过RF溅射来形成绝缘层14。当形成此绝缘层14时，为了防止当RF溅射时在玻璃基板11上粘附粉尘(dust)而引起针孔，也可以分成多次来形成膜。除了上述RF溅射方法之外，例如也可以利用EB蒸发方法或气体中蒸发方法来形成此绝缘层14。
此外，在绝缘层14中形成孔14a，以便露出用于生长碳系发射极材料C的催化剂层13。在由SiO2构成的绝缘层14中，例如使用氟酸作为腐蚀剂，蚀刻绝缘层14，形成其剖面为规定形状(例如，圆形)的孔14a。
此情况下，在后述的栅电极层中设置栅极孔开口部的各个开口之后，通过各个开口，沿深度方向和宽度方向同时蚀刻绝缘层14，以使孔在栅电极层的下侧连成一个孔的方式蚀刻孔14a，与发射极E相对地将各个开口密集在绝缘层14的孔14a正上方。此时，如果控制过蚀刻时间，就能够进行横向蚀刻。而且，可依赖于栅极孔开口部的各个开口数量及配置来设计绝缘层14的孔14a的形状和尺寸。
在绝缘层14上，例如，按规定膜厚(例如，300nm)形成由铬构成的栅电极层15。与形成阴极电极层12的情况相同，例如，一边加热基板一边利用DC溅射来形成栅电极层15。在此栅电极层15中，形成栅极孔开口部16。除了上述RF溅射方法之外，例如还可以利用EB蒸发方法或气体中蒸发方法来形成此栅电极层15。
在此，如现有技术，如果仅在绝缘层14的孔14a正上方与发射极相对地设置1个栅极孔开口部，则当施加驱动电压，由发射极发射电子时，由于将电子从发射极引向栅极电极并加速，就会使通过栅极孔开口部发射的电子扩散。此情况下，发射电子一扩散，就会使向相对配置的构成三极场致发射元件的阳极基板(未图示)注入的电荷注入效率恶化。
因此，在本实施例中，由具有比绝缘层14的孔14a的开口面积更小的面积的多个开口16a构成栅极孔开口部16，将各个开口16a与发射极区相对地密集在绝缘层14的孔14a正上方，优选均匀地密集。
各个开口16a形成为其一边的长度或直径为1～3μm的大致正方形或大致圆形，设定各个开口16a彼此之间的间隔为0.5～2μm，在2～50个的范围内形成开口。此时，对于绝缘层14的孔14a的开口面积，优选各个开口16a面积的总和为50～90％。
若各个开口16a面积的总和在50～90％范围之外，面积小时，就会使向阳极基板注入的电荷注入效率恶化，另一方面，面积大时，就会存在电子扩散和发射极的微小差异的影响。此外，还存在导致栅电极变形的可能性。例如，利用光刻方法，在栅电极层15上转印规定的抗蚀剂图形，通过湿法蚀刻或干法蚀刻来形成各个开口16a。
由此，施加驱动电压由发射极发射电子时，由于将电子向正上方引出并加速，就不会使通过栅电极层15的栅极孔开口部16的各个开口16a的发射电子扩散，此外，很难受到发射极E的微小差异的影响。此时，通过增减各个开口16a的开口面积及开口数目中任何一项，就能够改变向阳极基板注入的电荷注入效率。
还有，在本实施例中，虽然说明了FED用的阴极基板1，但并不限于此，本发明的阴极基板1就可以作为一般的电子发射源普遍利用。
实施例1图2(a)至(e)是简要说明本发明的FED用的阴极基板1的制造方法中的各个流程的图。
如图2(a)中所示，在玻璃基板11上，一边以200℃加热玻璃基板、一边利用DC溅射来形成100nm膜厚的由铬构成的阴极电极层12，在此阴极电极层12上，连续地形成25nm膜厚的由Fe合金构成的碳系发射极材料生长用的催化剂层13。
然后，一边进行375℃的基板加热、一边利用RF溅射来形成3μm膜厚的由SiO2构成的绝缘层14。然后，与形成阴极电极层12的情况相同，一边以200℃加热玻璃基板11、一边利用DC溅射来形成300 nm膜厚的由铬构成的栅电极层15。
然后，如图2(b)中所示，采用光刻方法，在栅电极层15上，形成大约1μm厚度的抗蚀剂图形17，如图2(c)中所示，通过蚀刻来形成栅极孔开口部16。此时，作为抗蚀剂材料，采用电子束曝光装置用的材料，通过使用硫酸铈铵溶液的湿法蚀刻，以栅格状形成19个正方形的开口16a。此外，各个开口16a的一边形成为大约1μm，将各个开口彼此之间的间隔制造成大约1μm，通过过蚀刻，形成一边为大约1.2μm，各个开口彼此之间的间隔为0.8μm。
然后，如图2(d)中所示，利用栅极孔开口部16的各个开口16a，使用氟酸作为蚀刻剂，湿法蚀刻绝缘层14，以便使各个开口16a密集在绝缘层14的孔14a正上方，在形成1个剖面为大致圆形的孔14a之后，去除抗蚀剂图形16。此时，孔14a的开口上部的直径约为16μm。然后，如图2(e)中所示，通过栅极孔开口部16的各个开口16a，在催化剂层13上，利用公知的方法生长碳纳米管C，以设置发射极E，从而完成了阴极基板1。
比较实例1作为比较实例，如图3中所示，利用与上述实施例1相同的条件，在玻璃基板11上，形成阴极电极层12、催化剂层、绝缘层14和栅电极层15。然后，与上述实施例1同样，在形成直径为10μm的1个栅极孔开口部20之后，蚀刻绝缘层14，形成开口上部的直径约为16μm的孔14a。然后，在催化剂层上，利用公知的方法生长碳纳米管，以设置发射极E，从而完成了阴极基板10。
图4(a)和(b)是按照实施例1中记载的上述顺序制造的阴极基板1的上面及剖面的SEM照片。据此判定在绝缘层14上，形成了以上述开口面积和间隔来构成栅极孔开口部16的各个开口16a(参照图4(a))。此外判定，通过各个开口16a能够生长碳纳米管(参照图4(b))。
此时，在比较实例1的阴极基板中，发射电子所必需的驱动电压为60V，但在实施例1的阴极基板中约为20V，说明能够降低驱动功率。图5(a)和(b)分别是在实施例1和比较例1的结构中映在阳极荧光体上的一个像素的放大照片。图5(a)为实施例1，图5(b)为比较实例1。由此，判定出，实施例1的阴极基板与比较实例1的阴极基板相比，能够将电子扩散抑制到大约一半。
本实施例2在本实施例2中，与上述实施例1相比较，在对绝缘层14的孔14a蚀刻之后，通过RF溅射方法，在孔14a底部形成催化剂层13这一点上不同。此时，参照图6(a)～6(f)来进行说明，按与上述实施例1相同的方法，在设置有阴极电极层(母线)12的玻璃基板11上，依次形成绝缘层14及栅电极层15(参照图6(a))。
然后，利用光刻方法，将规定抗蚀剂图形17转印到栅电极层15上(参照图6(b))，通过干法蚀刻形成栅极孔开口部16的各个开口16a(参照图6(c))。然后，与上述方法相同，湿法蚀刻绝缘层14，形成1个孔14a(参照图6(d))，在孔14a的底部，通过RF溅射方法，成膜碳系发射极材料生长用的催化剂层13(参照图6(e))。然后，去除在抗蚀剂图形16及其上粘附的催化剂层13，在孔14a的底部上残留的催化剂层13之上，生长碳系材料，以构成发射极E。
按照此实施例2记载的顺序制造阴极基板1，也能够通过在绝缘层14上以规定开口面积及间隔形成的栅极孔开口部16的各个开口16a，设置催化剂层，就能够生长碳纳米管。此时，与上述实施例1相同，就能够降低、抑制发射电子所必需的驱动电压的降低，也能够抑制电子的扩散。
权利要求
1.一种阴极基板，包括在处理基板上依次层叠的阴极电极层、绝缘层和栅电极层，在形成在该绝缘层中的孔的底部设置发射极，同时在上述栅电极层中形成栅极孔开口部，其特征在于由具有比上述绝缘层的孔的开口面积更小的面积的多个开口构成上述栅极孔开口部，并且与发射极相对地将各个开口密集在绝缘层的孔的正上方。
2.根据权利要求1所述的阴极基板，其特征在于使上述各开口的开口面积和数量中的至少一个增减，以便能够改变向构成三极场致发射元件的、相对配置的阳极基板注入电荷的效率。
3.根据权利要求1或2所述的阴极基板，其特征在于由碳系发射极材料构成上述发射极，此碳系发射极材料是在催化剂层上生长的物质。
4.一种阴极基板的制造方法，所述阳极基板为权利要求1至3中任何一项所述的阴极基板，其特征在于包括以下步骤在处理基板上依次层叠阴极电极层、绝缘层和栅电极层；在该栅电极层上设置用于形成栅极孔开口部的抗蚀剂图形之后，利用蚀刻形成由多个开口构成的栅极孔开口部；通过该栅极孔开口部，在深度方向和宽度方向上同时蚀刻绝缘层，形成1个孔；在该孔的正上方密集栅极孔开口部的各个开口；在孔的底部设置发射极。
5.根据权利要求4所述的制造阴极基板的方法，其特征在于由碳系发射极材料构成上述发射极，在绝缘层下侧预先形成生长该碳系发射极材料时起催化剂作用的催化剂层。
6.根据权利要求4所述的制造FED用的阴极基板的方法，其特征在于由碳系发射极材料构成上述发射极；在蚀刻绝缘层之后，利用发射方法形成生长该碳系发射极材料时起催化剂作用的催化剂层；利用CVD方法在孔底部生长碳系发射极或利用印刷方法涂覆碳系发射极。
全文摘要
一种阴极基板及其制造方法。该阴极基板包括在处理基板(11)上依次层叠的阴极电极层(12)、绝缘层(14)和栅电极层(15)，在此绝缘层上形成的孔(14a)的底部中设置发射极(E)，同时在上述栅电极层中形成栅极孔开口部(16)。此时，由具有比绝缘层的孔的开口面积更小的面积的多个开口(16a)构成栅极孔开口部，并且与发射极相对地将各个开口密集在绝缘层的孔的正上方。
文档编号H01L29/76GK1664972SQ20051005182
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者中野美尚, 平川正明, 三浦治, 村上裕彦, 冈坂谦介, 小岛智明 申请人:爱发科股份有限公司, 爱发科成膜株式会社