发光晶粒、发光晶粒组合物显示板和平面显示器的制作方法

专利名称：发光晶粒、发光晶粒组合物显示板和平面显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用能量束辐射而发光的发光晶粒，发光晶粒组合物，这种发光晶粒构成的显示板，和有这种显示板的平面显示器。
用各种方式研究能代替目前主流阴极射线管(CRT)和扁平荧屏(平面)显示器的图像显示器。这些平面显示器包括液晶显示器(LCD)，电致发光显示器(ELD)和等离子显示器(PDP)。已经提出了不用热激励从固体向真空发射电子的冷阴极场发射显示器，所称的场发射显示器(FED)由于有好的显示屏亮度和低功耗而引起人们注意。


图1画出了典型的冷阴极场发射显示器的结构。该显示器中，显示板20和背板10相互面对放置，这两个板10和20在其圆周部分经框架(没画)而相互粘接在一起。用这两个板闭合的空间形成真空空间。背板10有作为电子发射元件的冷阴极场发射器件(以下叫做“场发射器件”)。图1所示的一个实例是所称的纺锤(spindt*)形场发射器件，它有锥形电子发射部分16。纺锤形场发射器件包括衬底11上形成的条形阴极12；阴极12和衬底11上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的条形栅极14；栅极14和绝缘层13中形成的开口部分15中形成的圆锥形电子发射部分16。电子发射部分16形成在阴极12位于开口部分15底部的部分上。通常，对应一层荧光层22形成多个这样的电子发射部分16，这将在下面描述。由阴极驱动电路31经阴极12把相对的负电压(视频信号)加给电子发射部分16，由栅极驱动电路32把相对的正电压(扫描信号)加给栅极14。由于加了这些电压产生了电场，由于有了电场，根据量子燧道效应，从电子发射部分16的顶端发射电子。电子发射元件不限于上述的纺锤形场发射器件，有些情况下也能用其它类型的场发射器件，如边缘形(edge-type)、平板形或拱形场发射器件。而且可以换成把扫描信号输入到阴极12，视频信号输入到栅极14。
显示板20有多层形成在玻璃或类似物构成的支承件21上的点形或条形荧光层22，在荧光层22和支承件21上形成用导电反射膜制成的阳极24。由加速功率源(阳极驱动电路)33把比加到栅极14的正电压高的正电压加到阳极24，它的作用是，控制由电子发射部分16发射的电子朝荧光层22到真空空间。而且，阳极24的功能是防止构成荧光层22的荧光颗粒出现如离子的颗粒溅射，它还有一个功能是，把因电子激励荧光层22所发射的光反射到支承件21的侧边上，以提高从支承件21的外边看到的显示屏的亮度，它的又一功能是防止过量电荷，使显示板20的电位稳定。即，阳极24不仅执行它的阳极的功能，而且也执行CRT领域中的金属敷层的构件功能。通常用铝薄膜构成阳极24，在一层荧光层22与另一层荧光层22之间形成黑色矩阵(matrix)。
图2A是有点形荧光层22R,22G和22B的显示板的平面示意图，图2B是沿图2A中X-X线剖开的局部剖视示意图。设有荧光层22R,22G,22B的区域是执行实际功能的有效场，形成阳极的区域几乎与有效场一致。为了使图2A中能清楚地显示，把形成阳极的区域画成斜线。至有效场的圆周区是支持有效场功能的无效场，要此处形成外围电路并机械支承显示屏。
冷阴极场发射显示器中，不必要求阳极是用导电反射膜构成的阳极24。也可以用支承件21上形成的透明导电膜构成的阳极25构成阳极，如图2C所示；图2C是沿图2A中X-X线剖开的局部剖视示意图。支承件21上，几乎在有效场的整个表面上形成阳极24和25中的每一个。
图3A是有条形荧光层22R,22G和22B的显示板的平面示意图，图3B和3C是沿图3A中X-X线剖开的局部剖视示意图。图3A-3C中与图2A-2C中相同的部分用相同的数字指示，而且不再详细说明这些相同的部分。图3B所示结构中，阳极24用导电反射膜制成，图3C所示结构中，阳极25用透明导电膜制成。在显示板的有效场的几乎整个表面上形成阳极24和25的每一个。
平面显示器的冷阴极场发射显示器中，电子的飞行距离比CRT中的飞行距离要短很多，因此，难以把电子加束电压增大到CRT中的电子加速电压的电平。冷阴极场发射显示器中，如果电子加速电压太高，背板中的电子发射部分与有显示板中的阳极功能的膜之间会出现火花放电，而对冷阴极场发射显示器的质量造成一定程度的损害。因此要把加速电压控制在10kV以下。
除上述缺点之外，要求选择上述的低电子加速电压的冷阴极场发射显示器在特性上还有CRT没有的缺点。CRT中允许有高压加速，电子进入荧光层深部，所以在荧光层内的较大范围内接收电子能，并立即激励存在于该较大范围内的较大量的荧光颗粒，因而能得到高亮度。加速电压设定为31.5Kv时和荧光层是用ZnS构成时，根据以下等式(1)所表示的Bethe公式，建立了有关进行荧光层的电子的能量损失与电子渗透进荧光层的渗入深度之间的关系的Monte Carlo模型(蒙特卡曼模型，即统计检验模型)，见“Practical Scanning ElectronMicroscopy”J.I.GoldsteinandH.Yokowitz,,p50,PlenunPress,NewYork(1975)。图32给出了结果。从图32可以看到，加速电压是31.5kV时，电子能量损失的峰值出现在离荧光层表面1μm附近。而且，电子进入的深度是离荧光层表面5μm处。
-(dEm/dx)2πe4No(Z/A)(P/Em)ln(1.166Em/J)(1)但是，冷阴极场发射显示器中要求加速电压是10kv或更低，例如约为6kv。加速电压设定为6kv和荧光层用ZnS制成时，根据上述的Bethe公式建立了关于进入了荧光层的电子的能量损失与进入荧光层的电子渗透深度之间的关系的Monte Carlo模型，结果示于图33和图34中。图33中，是在荧光层表面上形成0.045μm厚的铝薄膜；图34中，是在荧光层表面上形成0.07μm厚的铝薄膜。图33和34展示出荧光层最外层附近的电子能量损失峰值。而且，电子只进入离荧光层表面0.2至0.3μm深的地方。其加速电压低于CRT中的加速电压的冷阴极场发射器件中，进入荧光层的电子渗透深度小，而且，只在荧光层的一个狭窄区域中接收电子特别地，只在荧光层表面附近接收电子)。
而且，荧光层中只有10％的电子能量用于发光，而其余约90％的能量转变成热能。即，在荧光层表面附近产生大量的热。结果，当荧光层用一氧化硫(SO)或二氧化硫(SO2)或单个原子形式的分解组分硫和硫化物构成的荧光颗粒构成时，硫化物构成的荧光颗粒的组分改变，或者说发光核心消失。加速电压设定为6kv和用ZnS构成荧光层时，根据上述的Bethe(倍兹)公式建立了关于进入荧光层的电子的能量损失与进入荧光层的电子渗透深度之间的关系的MonteCarlo模型，结果示于图35中。图35中，假设在离荧光层表面约0.03μm深的区域内，由于从ZnS中分解出硫(S)，而形成锌(Zn)，在该表面上形成0.07μm厚的铝(Al)薄膜。图35清楚地示出电子能量损失的峰值处于由于从ZnS中分解出硫(S)而由Zn构成的荧光层区域中。而且，电子只到达离荧光层表面0.2μm深的区域。
而且，与CTR不同，冷阴极场发射显示器中，由一个场发射器件发射的电子不断碰撞荧光层中的位置(更具体地说，是不断撞击荧光颗粒中的位置)。因而，被电子不断撞击的荧光颗粒与其它颗粒相比受到很在损坏，荧光颗粒损坏得比CRT中的相应部件的损坏要快。
而且，在荧光颗粒和显示板的制造过程中，荧光颗粒的最外表面要经受各种应力，因而出现了晶格缺陷。而且。为了达到所需的亮度，则要求用比CRT的驱动电流密度高的电流密度(发射的电子密度)驱动冷阴极场发射器件。例如，CRT中的电流密度是0.1至1μA/cm2而冷阴极场发射显示器要求的电流密度高达5至10μA/cm2。因而，要求在高激励条件下操作荧光颗粒的最外表面或它附近的部分。冷阴极场发射显示器工作时，容易出现晶格缺陷，或者倍增新的荧光颗粒，使亮度损坏加快。
上述的荧光层或荧光颗粒的损坏引起发光颜色或发光效率的波动，冷阴极场发射显示器的内部元件污染，结果造成冷阴极场发射显示器的可靠性下降和寿命特性下降。为了提高冷阴极场发射显示器的可靠性和寿命特性，急欲开发无损坏的荧光层或荧光颗粒。
为得到用CRT的更好的显示器，要求减小与荧光层撞击的电子束的直径。即提高与荧光层撞击的电子束的电流密度。但是，用该方法，会引起发绿光的荧光颗粒损坏，这种现象会引起绛红色环。上述的绛红色环指发红光和发兰光的颗粒几乎未受损坏现象，CRT中，绛红色是以环的形式看到的对绿色的互补色。常规的CRT中，与荧光层撞击的电子束的电流密度与CRT的寿命相互成反比例，既要防止CRT的寿命减短，又要提高与荧光层撞击的电子束的电流密度，就急欲开发能减小损坏程度的荧光层或荧光颗粒。
本发明的目的是，提供发光晶粒，甚至在长期使用中它的损坏也能减到较小程度，它的亮度降低减至较小程度；由这种发光晶粒制成的显示板；有这种显示板的平面显示器；和发光晶粒组合物。
按本发明，上述目的通过一种用能量束辐射而发光的发光晶粒实现，在从发光晶粒表面到能量束到达的深度部分之间的区域内晶格缺陷密度为5×1O7缺陷/cm2或更低。
下面将会说明的本发明的发光晶粒或发光晶粒组合物用于构成例如冷阴极场发射显示器或它的前面板(阳极板)；市售的(家用的)显示器I点上用的显示器(例如计算机显示器)、数字式广告或投影式阴极射线管或它的面板；或等离子显示器或它的背板。用于AC驱动或DC驱动的等离子显示器的背板包括支承件；支承件上形成的分隔壁(筋)；支承件上一个分隔壁与另一分隔壁之间形成的各种电极(例如，数据电极)；和在一个分隔壁与另一分隔壁之间用发光晶粒制成的发光层。以下将说明冷阴极场发射显示器的前面极(阳极板)和CRT的面板。
按本发明，可用显示板达到上述目的，显示板包括支承件，用从真空空间飞出的电子辐射发光的发光晶粒构成的发光层，和电极。
从发光晶粒表面到电子到达的深度部分之间的区域内，所述发光晶粒的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
本发明的显示器包括所称的市售的(家用)显示器，工业的(计算机显示器)显示器，数字式广播或投影式CRT的面板；或用于冷阴极场发射显示器的前面板(阳极板)。用于CRT的面板通常包括玻璃板(相当于本发明的显示板的支承件)；玻璃板内表面上用发光晶粒制成的条形或点形的发光层；玻璃板的内表面上一层发光层与另一层发光层之间形成的黑色矩阵；和发光层和黑色矩阵上形成的金属背面层(相当于本发明的显示板的电极)。冷阴极场发射显示器的前面板(阳极板)包括支承件；发光晶粒制成的条形或点形的发光层，(构成条形或点形图形的发光层相当于交替设置的用于彩色显示器的三原色红(R)、绿(G)和兰(B)；和阳极电极(相当于本发明显示板的电极)。黑色矩阵可形成在一层发光层与另一层发光层之间。
而且，按本发明，可用平面显示器达到上述目的，它包括显示板和有多个电子发射区域的背板，其中，显示板和背板经真空空间而相互面对。
所述显示板包括支承件；用从电子发射区飞出的电子辐射发光的发光晶粒制成的发光层；和电极，和在从发光晶粒表面到电子到达的深度部分之间的区域中，所述发光晶粒的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
本发明的平面显示器的显示板包括上述冷阴极场发射显示器的前面板(阳极板)。
本发明的显示板或平面显示器的显示板中，发光层可用丝网印刷法或浆料法制成。丝网印刷法中，后面要说明的本发明的发光晶粒组合物印刷到支承件上(有些情况下是印在电极和支承件上)，干燥并焙烧加上的组合物，由此形成发光层。浆料法中，把稀浆状态的含光敏聚合物的本发明的发光晶粒组合物加到支承件上(有时是加到电极和支承件上)，之后，对光敏聚合物曝光，之后放入显影液中，留下没溶解的光敏聚合物。由此，形成发光层。要显示三原色(R.G.B)，就要连续使用3种发光晶粒组合物，或者是3种浆料，可用丝网印刷法或浆料法形成发这3种颜色光的发光层。
按本发明，可用发光晶粒组合物达到上述目的，包括发光晶粒在分散媒体中发光晶粒的分散体，其中发光晶粒在用能量束辐射它时发光，每个颗粒从发光晶粒的表面到能量束到的深度部分之间的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
本发明的发光晶粒组合物中，可用水作分散媒体。本发明的发光晶粒组合物可含作为分散剂或阻滞剂的聚氯乙烯，和用作光敏聚合物的重铬酸胺。为了提高本发明的发光晶粒的分散性和附着力，可对它进行表面处理。
本发明的发光晶粒、显示板、平面显示器或发光晶粒组合物(这些装置和材料以下叫做本发明)中，从发光晶粒表面到能量束或电子达到的深度部分之间区域中的晶格缺陷密度最好是1×107缺陷/cm2或更低。上述的晶格缺陷包括错位，堆垛层错和孪晶间界。
从每个发光晶粒表面能量束或电子渗透深度通过假设能量束或电子的能量，构成发光晶粒的材料，和完成根据上述Bethe公式的关于进入每个发光晶粒的能量束或电子的能量损失与能量束或电子的渗透深度之间的关系的MonteCarlo模型来确定。模型中，假设每次散射电子能量损失的平均值约是43ev/散射(即，自由行程约为4.8nm)。经150次散射后停止。
而且，像位错、堆垛层错、孪晶间界这样的晶格缺陷的晶格缺陷密度的确定方法是，用透射电子显微镜观察发光晶粒，计算出发光晶粒中5μm×5μm面积中的晶格缺陷数，再把计算出的数变换成每cm2面积中的缺陷数。
本发明中，发光晶粒包括磷光颗粒。发兰光的磷光颗粒包括ZnS:Ag,ZnS:Ag,Al和ZnZ:Ag,Cl。发绿光的磷光颗粒包括Zn2SiO4:Mn2+,(Zn,Cd)S:Ag,(Zn,Cd)S:Cu和ZnS:Cu,Al。发红光的磷光颗粒包括Zn3(PO4)2:Mn2+,(Zn,Cd))S:Ag,YVO4:Eu3+,Y2O2S:Eu3+，和Y2O3:Eu3+。而且，发深桔红色光的磷光颗粒包括Y2O2S:Eu3+，发海兰色光的磷光颗粒包括ZnS:Ag。
本发明的发光晶粒或发光晶粒组合物中，电子束能用作能量束。发光晶粒的辐射电子束能量最好设定为0.5kev至35kev。具体地说，上述结构中，发光晶粒能用于构成冷阴极场发射显示器或它的前面板(阳极板)，市售的(家用)显示器工业的(例如计算机显示器)显示器，数字式广播或投影式阳极射线管或它们的面板。另外，也可以采用一种结构，在该结构中，发光晶粒的辐射电子束能量设定为0.5kev至10kev，从发光晶粒表面的渗透深度是0.5μm或更小。上述结构中，具体说，发光晶粒能用于构成冷阴极场发射显示器或它们的前面板(阳极板)，另外，本发明的发光晶粒中，可用紫外线作能量束。这种情况下，用于发光晶粒辐射的紫外线的波长最好在100nm至400nm。上述结构中，发光晶粒能用于构成等离子显示器或它的背板。
本发明中，要求发光晶粒的平均直径是1×10-8m至1×10-5m,1×10-6m至1×10-5m，更好，4×10-6m至8×10-6m最好。可用光散射法和Coulter计数法来测量发光晶粒的平均颗粒直径D50。而且，发光晶粒的平均表面粗糙度是5nm或以下。平均表面粗糙度的确定方法是，用透射电子显微镜观察发光晶粒，测量发光晶粒的凹凸部分，确定表面从凹进部分变成凸起部分处的凸起部分的底部位置与表面从凸起部分变到凹进部分处的峰位之间的高度差，再确定高度差的平均值，该平均值就是平均表面粗糙度。
本发明的平面显示器的结构中，每个电子发射区包括一个冷阴极场发射器件或多个冷阴极场发射器件。所述冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上形成的条形阴极；(C)衬底和阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；(E)透过栅极和绝缘层的开口部分；和(F)阴极位于开口部分底部中的部上形成的电子发射部分。
开口部分的底部中露出的电子发射部分用于发射电子。
上述结构将叫做有第1结构的冷阴极场发射器件。上述类形的冷阴极场发射器件包括纺锤形冷阴极场发射器件(它有在位于开口部分底部中的阴极部分上形成的圆锥形电子发射部分)；拱形冷阴极场发射器件(它有在位于开口部分的底部中的阴极部分上形成的圆拱形电子发射部分)；和平板形冷阴极场发射器件(它有在位于开口部分的底部中的阴极部分上形成的几乎是扁平形的电子发射部分)。
另外，本发明的平面显示器可以有这样的结构，其中，每个电子发射区包括一个冷阴极场发射器件或多个冷阴极场发射器件。所述的冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上形成的条形阴极；(C)衬底和阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；和(E)透过栅极和绝缘层的开口部分；和开口部分的底部中露出的阴极；和开口部分底部中露出的阴极部分用于发射电子。
上述结构将叫做有第2结构的冷阴极场发射器件。上述类型的冷阴极场发射器件包括平面形冷阴极场发射器件，它从阴极的扁平表面发射电子；和环形冷阴极场发射器件，它从有凹凸形阴极表面的凸起部分发射电子。
而且，本发明的平面显示器有这样的结构，其中，每个电子发射区包括一个或多个冷阴极场发射器件，所述冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上面或上方形成的有边缘部分的条形阴极；(C)至少在一个阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；(E)至少透过栅极和绝缘层的开口部分；和开口部分的底部或侧壁中露出的用于发射电子的阴极边缘部分。
上述结构将叫做有第3结构的冷阴极场发射器件，或边缘形冷阴极发射器件。
有第1，第2或第3结构的冷阴极场发射器件中，构成栅极的材料包括选自下列金属组中的至少一种金属，该金属组包括钨(W)，铌(Nb)，钽(Ta)，钛(Ti)，钼(Mo)，铬(Cr)，铝(Al)，铜(Cu)，金(Au)，银(Ag)，镍(Ni)，钴(Co)，锆(Zr)，铁(Fe)，铂(Pt)，和锌(Zn)；和含这些金属的合金(例如，氮化物TiN，和硅化物Wsi2,MoSi2,TiSi2和TaSi2)；半导体，如硅(Si)；和导电金属氧化物，如ITO(氧化铟锡)，氧化铟和氧化锌。栅极用在绝缘层上用上述材料形成的薄膜构成，所用的薄膜形成方法是已知方法，如CVD法，溅射法，汽相淀积法，离子镀膜法，电镀法，化学镀法、丝网印刷法，吸光研磨法或溶胶＿凝胶法。绝缘层整个表面上形成薄膜时，用已知的构图法给薄膜刻图，形成条形栅极。条形栅极形成后可在栅极中形成开口，或在形成条形栅极同时形成开口部分。形成薄膜之前在绝缘层上形成光刻胶层，用去除法形成条形栅极。而且，可用有开口形状的掩模用汽相淀积法形成栅极，或者，用有开口的丝网进行丝网印刷形成栅极。这些情况下，在薄膜形成后不需构图。而且，可在薄膜固定到绝缘层上之前，对导电材料制成的条形薄膜(箔)形成开口部分，由此在绝缘层上制成栅极。
有纺锤形冷阴极场发射器件的第1结构的冷阴极场发射器件中，构成电子发射部分的材料可用选自以下材料中的至少一种，这些材料是钨(W)，钼(Mo)，钛(Ti)，铌(Nb)，钽(Ta)，铬(Cr)及它们的合金，和含杂质的硅(多晶硅或非晶硅)。
有圆拱形冷阴极场发射器件的第1结构的冷阴极场发射器件中，构成电子发射部分的材料包括导电颗粒和导电颗粒与粘接剂的组合物。导电颗粒材料包括含碳材料，如石墨；难熔金属，如钨(W)，铌(Nb)，钽(Ta)，钛(Ti)，钼(Mo)，和铬(Cr)；和透明导电材料，如ITO(氧化铟锡)。粘接剂包括玻璃，如水玻璃，和发泡树脂。发泡树脂的实例包括热塑性树脂，如氯乙烯树脂，聚烯烃树脂，聚酰胺树脂，纤维素酯树脂和氟树脂；和热固性树脂，和环氧树脂，丙烯酸(类)树脂和聚酯树脂。为了提高电子发射效率，导电颗粒尺寸与电子发射部分的尺寸相比应足够小，尽管无具体限制，但导电颗粒最好是球形，多面体形，平板形，针形，圆柱形或不定形的。导电颗粒最好有颗粒露出部分构成尖锐凸头的形状。有不同大小和不同形状的导电颗粒用作混合物。
有平板形冷阴极场发射器件的第1结构的冷阴极场发射器件中，构成电子发射部分的材料的功函数中应小于构成阴极的材料的功函数。根据构成阴极的材料的功函数、栅极与阴极之间的电位差，电子发射所需的电流密度等条件来选择构成电子发射部分的材料。构成冷阴极场发射器件的阴极的材料的典型例包括钨(φ=4.55ev)，铌(φ=4.02～4.87ev)，钼(φ=4.53～4.95ev)，铝(φ=4.28ev)，铜(φ=4.6ev)，钽(φ=4.3ev)，铬(φ=4.5ev)和硅(φ=4.9ev)。构成电子发射部分的材料的功函数最好小于这些材料的功函数φ，它的功函数值最好约为3ev或更小。这种材料的实例包括碳(φ＜1ev)，铯(φ=2.14ev),LaBb(φ=2.66～2.76ev),BaO(φ=1.6～2.7ev),SrO(φ=1.25～1.6ev),y2o3(φ=2.0ev),CaO(φ=1.6～1.86ev),BaS(φ=2.05ev),FiN(φ=2.92EV)，和ZrN(φ=2.92ev)。电子发射部分最好用功函数φ为2ev或更小的材料制造。对构成电子发射部分的材料的导电率不必要求。
构成电子发射部分的实际材料是碳(C)。钻石更好，最好的材料是无定形钻石。用无定形钻石制造电子发射部分时，在电场强度为5×107v/m或更低能获得平面显示器必需的电子发射电流密度。而且，由于无定形钻石是电阻器，从电子发射部分得到的电子发射电流能成为均匀的电流，当这种冷阴极场发射器件装入平面显示器时，能抑制亮度波动。而且，由于无定形钻石具有显著的高持久性，能防止平面显示器中残留气体的离子溅射，因此，能获得有较长寿命的冷阴极场发射器件。
另外，可选择其二次电子增益δ比构成阴极的材料的二次电子增益δ大的材料构成电子发射部分。即，构成电子发射部分的材料最好选择银(Ag)，铝(Al)，金A(u)，钴(Co)，铜(Cu)，钼(Mo)，铌(Nb)，镍(Ni)，铂(Pt)，钽(Ta)，钨(W)，锆(Zr)；半导体如Si和Ge；无机单体物质，如碳(C)或钻石；化合物，如Al2O3,BaO,BeO,CaO,MgO,SnO2,BaF2和CaF2。不必要求构成电子发射部分的材料的导电率。
有第2结构的冷阴极场发射器件(平面形或环形冷阴极场发射器件)或有第3结构的冷阴极场发射器件(边缘形冷阴极场发射器件)中，构成对应于电子发射区的阴极的材料可选择以下材料，W,Ta,Nb,Ti,Mo,Cr,Al,Cu,Au,和 Ag；这些金属的合金(例如氮化物TiN,和硅化物WSi2,MoSi2,TiSi2和TaSi2)；半导体，如钻石、和碳薄膜。尽管没有具体限制，上述阴极的厚度应该约在0.05～0.5μm。0.1～0.3μm更好。形成阴极的方法包括淀积法，如电子束淀积法和热灯丝淀积法；溅射法；CVD法或离子镀膜法与腐蚀法的组合使用法，丝网印刷法和电镀法。用丝网印刷法和电镀法时，可直接形成条形阴极。
有第2结构的冷阴极场发射器件(平面形或环形冷阴极场发射器件)中和有第3结构的冷阴极场发射器件(边缘形冷阴极场发射器件)中或有第1结构的平板形冷阴极场发射器件中，可用分散导电细颗粒制成的浆料来构成阴极或电子发射部分。导电细颗粒的实例包括石墨粉；石墨与至少一种金属粉、氧化钡(BaO)，和氧化锶(SrO)粉的混合物、钻石颗粒或含氮磷、硼和三唑的类钻石碳粉；碳-纳米-管粉；碳酸锶、钡、钙((Sr,Ba,Ca)CO3)粉；和碳化硅粉。从降低阈值电场和延长电子发射区的寿命考虑，选石墨粉作导电细颗粒最好。导电细颗粒最好是球形或屑片形，形状可以固定也可以不固定。导电细颗粒的颗粒直径不是关键问题，只要它等于或小于阴极或电子发射部分的厚度或图形宽度即可。随着上述粒径的减小，每单位面积的电子发射量会增大。但是，当上述粒径太小时，阴极或电子发射部分的电导率会有损坏。因此，上述粒径范围应在0.01至4.0μm。这种导电细颗粒与玻璃化合物或其它合适的粘接剂混合制成导电浆料。用丝网印刷法形成所需的导电浆料图形，并焙烧或烧结图形，由此形成有电子发射区功能的阴极或电子发射部分。另外，可组合使用旋涂法和腐蚀法构成用作电子发射区的阴极或电子发射部分。
有纺锤形或圆拱形的第1结构的冷阴极场发射器件中，构成阴极的材料可选自W,No,Ta,Mo,Cr,Al,和Cu；这些金属的合金(例如，氮化物TiN；硅化物Wsi2MoSi2TiSi2和TaSi2)；半导体，如硅(Si)；和ITO(氧化铟锡)。形成阴极的方法包括淀积法，如电子束淀积法和热灯丝淀积法；溅射法和CVD法或离子镀膜法和腐蚀法组合使用；丝网印刷法和电镀法。用丝网印刷法和电镀法能直接形成条形阴极。
构成对应本发明的平面显示器中的电极的阳极的材料可根据平面显示器的结构适当选择。即，当平面显示器是透射型的(即显示板相当于显示屏)阳极和发光层按该顺序叠在支承件上时，不仅支承件就是阳极本身也要求是透明的，而且用透明导电材料如ITO(氧化铟锡)。当平面显示器是反射型时(即后背板对应显示屏)，甚至当平面显示器是透射型，而且，发光层和阳极按该顺序叠放在支承件上时，构成阳极和栅极的材料可选上述的材料，但ITO除外。阳极和发光层的结构包括(1)支承件上形成阳极和阳极上形成发光层；(2)支承件上形成发光层和发光层上形成阳极。上述结构(1)中，所谓的电连接到阳极的金属背面层可形成在发光层上。上述的结构(2)中，金属背面层可形成在阳极上。
有第1至第3结构中任一结构的冷阴极场发射器件中，从简化平面显示器的结构方面来考虑，条形栅极的投影图像和条形阴极的投影图像最好按相互成直角交叉的方向延伸。在条形阴极和条形栅极的投影图像交迭区中，相当于单色显示器中一个象素的区域或相当于彩色显示器中构成一个象素的3个副象素中的一个副象素区域的(的交迭区)形成电子发射区，(由单个或多个冷阴极场发射器件构成)。该交迭区布置在背板的有效场(该场用作实际显示屏部分)且通常设置成二维阵列。
有第1至第3结构中任一结构的冷阴极场发射器件中，开口部分的平面形状切割带有与衬底表面平行的假想平面的开口部分得到的形状可以是任何形状，例如，圆形、椭圆形，矩形、多边形，环绕矩形的圆形或环绕多边形的圆形(roundedrectangle或roundedpolygon)。可用各向同性腐蚀法，或各向异性腐蚀和各向同性腐蚀组合使用构成开口部分。可单独使用或组合使用SiO2,SiN，和SiON和SOG(玻璃上旋涂)形成绝缘层。可用已知方法，如CVD法，加料法，溅射法或丝网印刷法来制造绝缘层。绝缘层可形成筋形。这种情况下，可在相邻的条形阴极之间的区域，或在每组由多个阴极组成的相邻阴极钽之间的区域形成筋形绝缘层。可选用已知的绝缘材料构成筋形绝缘层，例如金属氧化物。如氧化铝与广泛使用的低熔点玻璃混合制成的材料来制造筋形绝缘层。可用丝网印刷法，喷砂法，干式成膜法，和光敏法形成筋形绝缘层。所述的干式成膜法是指，在衬底上叠放光敏膜，通过曝光和显影去掉要形成筋形绝缘层的部位中的光敏膜，并在去掉光敏膜所形成的开口中填入绝缘层材料，之后，焙烧，由此形成绝缘层，用焙烧使光敏膜燃烧并去除，留下填入的绝缘层材料，以构成筋形绝缘层。光敏法是指，在衬底上形成光敏绝缘材料层，并径曝光显影构图和焙烧，形成筋形绝缘材料层。
冷阴极场发射器件中，在阴极与电子发射部分之间形成电阻层。另外，当阴极表面或阳极边缘部分相当于电子发射区时，阴极可以有导电层，电阻层和对应电子发射区的电子发射层组成的3层结构。电阻层能使冷阴极场发射器件性能稳定，能得到一致的电子发射性能。构成电阻层的材料包括含碳材料，如碳化硅(SiC)；SiN；半导体材料，如非晶硅等；难熔金属氧化物，如氧化钌(RuO2)，氧化钽和氮化钽。可用溅射法，CVD法或丝网印刷法制造电阻层。电阻层的电阻值约为1×105至1×107Ω，最好是n兆欧。
本发明的平面显示器中，构成背面板的衬底或构成显示板的支承件可以是任何衬底或任何支承件，只要它们有绝缘材料构成的表面即可。衬底或支承件包括玻璃衬底，其表面上形成有绝缘层的玻璃衬底，石英衬底，和其表面上形成有绝缘层的石英衬底，和其表面上形成有绝缘层的半导体衬底。
本发明的平面显示器中，背面板和前面板可用粘接剂相互粘接在一起，或者，用带粘接层的玻璃或陶瓷等硬绝缘材料制成的框架把背面板和前面板相互粘接在一起。多框架和粘接层组合使用时，与只用粘接剂的情况相比，通过适当选择框架高度，可在背面板与显示板之间保证大的间距。熔融玻璃通常用作粘接层，也可用熔点为120℃至400℃的低熔点金属材料。低熔点金属材料包括(In铟，熔点为157℃)；含In和Au的低熔点合金；含锡(Sn)的高温焊料，如Sn80Ag20，(熔点为220℃-370℃)；和Sn95Cu5(熔点为227-370℃)；含铅(Pb)的高温焊料，如Pb97.5Ag2.5(熔点是304℃)；Pb94.5Ag5.5(熔点是304-365℃)，和Pb97.5Ag1.5Sn1.0(熔点是309℃)，含锌(Zn)的高温焊料，如Zn95Al5，(熔点是380℃)；含锡一铅的标准焊料，如Sn2Pb98，(熔点是316-322℃)；和焊接材料，如Au88Ga12，(熔点是381℃)。上述所有的脚标值均是原子％。
本发明的平面显示器中，背面板，显示板和框架粘在一起时，这些构件可同时粘接，如果背面板和面板中的一个和框架在第1步骤先粘接了，那么，另一个剩下的板在第2步骤与框架粘接。在真空中三个构件同时粘接或另一块板在第2步骤粘到框架上时，由背面板，显示板和框架包围的空间在粘接的同时变成真空。另外，也可在三个构件粘接之后，对它们包围的空间抽真空而形成真空空间。粘接后抽真空时，粘接气压可以是大气压或减压，组成环境的气体可以是大气环境，也可以是含氮气或元素周期表中O族元素(如氩气)的惰性气体环境。
粘接后抽真空时，可经本身连接到背面板和/或显示板的尖管抽真空。通常，尖管用玻璃管制成，并用熔融玻璃或上述的低熔点金属材料粘接到背面板和/或显示板的不起作用的部位中形成的通孔周围。空间达到预定的真空度时，将尖管热熔密封。当加热了整个平面显示器并在密封前温度适当降低时，剩余气体会释放进空间中，用抽真空的方法除去剩余气体。
正如已经说明过的，冷阴极场发射器件中，要求加速电压约为10kv或以下，例如，约6kv。上述加速电压中，电子能量损失峰值位于发光层最外表面附近。而且，电子只到达离发光层表面约0.2至0.3μm的深度。通过透射电子显微镜观察常规的荧光颗粒时，按本发明人分析发现在荧光颗粒表面附近的诸如错位，堆垛层错和孪晶间界的晶格缺陷密度在1×108缺陷/cm2或以上。
而且，正如已说明了的，发光层中用于发光的能量只占能量束(如电子)的能量的10％左右，而其余约90％的能量变成热。因此，在发光层表面附近产生大量的热。结果，用荧光颗粒，如硫化物，或分解成单个原子形式的组分硫，一氧化硫(SO)或二氧化硫等构成的荧光颗粒构成发光层时，荧光颗粒的组分改变了，或者说发光中心消失了。随着构成光子发射部分中的发光晶粒部分中晶格缺陷数的增加上述这种现象变得更明显。而且还看到由于发光层发热而使位错缺陷数增大的现象。而且，随着晶格缺陷数增大，发光晶粒的发光效率降低。
本发明中，从发光晶粒表面到能量束或电子到达或渗透到的部分的深度区域(基本用于光子发射区域的发光晶粒的区域)中，诸如位错，堆垛层错或孪晶间界的晶格缺陷的密度(以下叫晶格缺陷密度)为5×107缺陷/cm2或以下，最好为1×107缺陷/cm2。结果，不仅提高了发光晶粒的发光效率，也能防止发光晶粒损坏。假定发光晶粒发射光子达到的最初亮度是100，当亮度值为50时，阴极射线管中电流密度为0.2μA/cm2，晶格缺陷密度为1×108缺陷/cm2时所用的时间是1×104小时。相反，在晶格缺陷密度为1×107缺陷/cm2时，上述时间是1×106小时。而且，当冷阴极场发射显示器中电流密度是5μA/cm2，晶格缺陷密度是1×108缺陷/cm2时，上述的从亮度100至50所用时间是1×103小时。相反，在晶格缺陷密度是4×107缺陷/cm2时上述时间是1×104小时，晶格缺陷密度在1×107缺陷/cm2时上述时间变成1×105小时。
以下将参见实例说明发明。
图1是按本发明例1的平面显示器的局部端视示意图。
图2A-2C是有设置成阵列形的荧光层的显示板的平面示意图和局部剖视图。
图3A-3C是有设置成条形的荧光层的显示板的平面示意图和局部剖视图。
图4A-4D是用于说明显示板制造方法的支承件等的局部端视示意图。
图5A和5B是说明例1的有纺锤形第1结构的冷阴极场发射器件的制造方法的衬底的局部端视示意图。
图6A和6B是继图5B之后的用于说明有纺锤形第1结构的例1的冷阴极场发射器的制造方法的衬底局部端视示意图；图7A和7B是用于说明有圆拱形的第1结构的例2的冷阴极场发射器的制造方法的衬底局部端视示意图；图8A-8C是继图7B之后的衬底的局部端视示意图，用于说明有圆拱形第1结构的例2的冷阴极场发射器的制造方法，图9A-9B是继图8C之后的衬底的局部端视示意图，用于说明有拱形第1结构的例2的冷阴极场发射器的制造方法；图10A-10C是衬底的局部剖视图，用于说明有平板形第1结构的例3的冷阴极场发射器的制造方法；图11A-11C是衬底的局部剖视图，用于说明有平板形第1结构的例4的冷阴极场发射器的制造方法；图12A和12B是衬底的局部端视示意图，用于说明有平板形第1结构的例5的冷阴极场发射器的制造方法；图13A和13B是继图12B之后的寸底的局部端视示意图，用于说明有平板形第1结构的例5的冷阴极场发射器的制造方法；图14A-14C是衬底的局部剖视图，用于说明有扁平形第2结构的例6的冷阴极场发射器的制造方法；图15A和15B是有扁平形第2结构的冷阴极场发射器的一种变体的局部剖视示意图；图16是有扁平形第2结构的冷阴极场发射器的另一个变体的局剖剖视图；图17A-17B是衬底的局部端视图和局部透视图，用于说明有扁平形第2结构的例8的阴极场发射器；图18A和18B是继图17A和17B之后的衬底的局部端视图和局部透视图，用于说明有扁平形第2结构的例8的冷阴极场发射器；图19A和19B是继图18A和18B之后的衬底的局部端视图和局部透视图，用于说明有扁平形第2结构的例8的冷阴极场发射器；图20A和20B是继图19A和19B之后的衬底的局部端视图，用于说明有扁平形第2结构的例8的冷阴极场发射器；图21A-21C是衬底的局部剖视图；用于说明有扁平形第2结构的例9的冷阴极场发射器的制造方法；
图22A至22C是衬底的局部端视示意图，用于说明有扁平的第2结构的例10的冷阴极场发射器的制造方法；图23A和23B是衬度的局部端视示意图，用于说明有扁平形第2结构的例11的冷阴极场发射器的制造方法；图24A和24B是继图23B之后的衬底的局部端视示意图，用于说明有扁平形第2结构的例11的冷阴极场发射器的制造方法；图25A-25C是有边缘形第3结构的例12的冷阴极场发射器的局部剖视图；图26A-26C是衬底的局部端视示意图，用于说明有边缘形第3结构的按例12的冷阴极场发射器的制造方法；图27是彩色电视玻璃管的局部切开图；图28是小孔栅网型颜色选择件的透视图；图29A-29C是面板的局部端视图，用于说明彩色电视玻璃管的制造工艺；图30A和30B是继图29C之后的面板局部端视图，用于说明彩色电视玻璃管的制造工艺；图31是等离子显示器的概念性分解图；图32是在加速电压设定为31.5kv和用ZnS制成荧光层时根据Bethe公式建立的有关进入荧光层的电子能量损失与电子渗透进荧光层的深度之间的关系的MonteCarlo模型的结果曲线图；图33是在设定加速电压为6kv和用ZnS制造荧光层时，根据Bethe公式建立的关系进入荧光层的电子的能量损失与电子渗透进荧光层的深度之间的MonteCarlo模型的结果曲线图；图34是在加速电压设定为6kv和用ZnS制造荧光层时，根据Bethe公式建立的关于进入荧光层的电子的能量损失与电子渗透进荧光层的深度之间的关系的MonteCarlo模型的结果曲线图；图35是在加速度设定为6kv和用Zn和ZnS制造荧光层时，根据Bethe公式建立的关于进入荧光层的电子的能量损失与电子渗透进荧光层的深度之间的关系的MonteCarlo模型的结果曲线图。
例1
Y2O2S:Eu制成发红光的发光晶粒；ZnS:Cu,Al制成发绿光的发光晶粒；ZnS:Ag,Al制成发兰光的发光晶粒。这3种发光晶粒中的每一种在从每个发光晶粒表面至电子束进入并到达部分之间的区域中(约0.3μm深处)的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2，每种发光晶粒的平均粒径是7.6μm，表面平均粗糙度是5nm或更小。
例1中，制成有第1结构的冷阴极场发射器(以下叫“场发射器”)的平面显示器。例1的平面显示器的剖视图与图1所示局部剖视图相同。平面显示器中，显示板20和有多个电子发射区的背面板10经真空空间而相互面对设置。每个电子发射区有多个纺锤形场发射器。如图6B所示的局部端视示意图所示纺锤形场发射器件包括衬底11；衬底11上形成的条形阴极12；衬底11和条形阴极12上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的条形栅极14；穿透过栅极14和绝缘层13的开口部分15，在阴极12位于开口部分15的底部中的部分上形成的圆锥形电子发射部分16。条形阴极12的投影图像和条形栅极14的投影图像按不同方向延伸(例如按90°交叉的方向延伸)。电子发射区位于条形栅极14的投影图像和条形阴极12的投影图像交迭的区域(交迭区)中。电子发射区16形成在阴极12的位于开口部分15的底部中的部分上。许多这样的电子发射区16对应一层荧光层22，这在以后会说明。从阴极驱动电路31经阴极12把相对的负电压(视频信号)加到电子发射部分16。从栅极驱动电路32把相对的正电压(扫描信号)加给栅极14。由于加上述电压而产生的电场，根据量子燧道效应，开口部分15的底部中露出的电子发射部分16的顶部发射电子。某些情况下，与上述情况相反，扫描信号可输入到阴极12，视频信号可输入到栅极14。
显示板20包括用玻璃制成的支承件21；支承件21上形成的矩阵形或点形的多个发光层(荧光层22)；填充在荧光层22之间的黑色矩阵23；荧光层22和黑色矩阵23的整个表面上形成的电极(阳极24)。上述各种发光晶粒构成的发光层(荧光层22)，这些发光晶粒用电子发射区飞出的电子辐射而发射光子。比加到栅极14上的正电压高的正电压从阳极驱动电路33加到阳极24，阳极24用于使从电子发射部分16发射的电子朝荧光层22进入真空空间。而且，阳极24不仅保护构成荧光层22的荧光颗粒以防止像离子的颗粒溅射，而且，把因电子激励从荧光层22发射的光子反射到支承件一侧，以提高从支承件外面看到的显示屏的亮度。例如用铝薄膜形成阳极24。按图2A和2B，图2A和2C；图3A和3B；或图3A和3C所示方式设置荧光层22和阳极24。
以下将参见图4A-4D说明图2A和2B所示的显示板的制造方法的一个实例。首先，制备发光晶粒组合物。为此，例如，把分散剂分散在纯水中，按3000rpm的转速用均匀混合机搅拌分散液1分钟，之后，上述的发光晶粒放入纯水中，按5000rpm的速度用均匀混合机搅拌混合物5分钟。之后，例如，加聚乙烯醇和重铬酸铵，并充分搅拌混合物和过滤混合物。
显示板制造中，在例如用玻璃制成的支承件21的整个表面上形成光敏膜40。之后，支承件21上形成的光敏膜40经光源发出的光通过掩模43中的开口44辐射而形成曝光部分41(见图4A)。之后，对光敏膜40显影以选择地去掉光敏膜，剩下的部分42(已曝光和显影的光敏膜)留在支承件21上(见图4B)。之后，整个表面上加碳剂(碳浆)，经干燥和焙烧，用去除法去掉光敏膜的留下部分42和它上面的碳剂，在露出的支承件21上形成碳剂制成的黑色矩阵23，也去掉光敏膜的留下部分42(见图4C)。之后，在露出的支承件上形成发红光、发绿光和发兰光的荧光层22(见图4D)，用上述的发光晶粒(荧光颗粒)制成发光晶粒组合物。例如，给整个表面上加发红光的光敏发光晶粒组合物(荧光浆料)，经曝光和显影，之后，整个表面加发绿光的光敏发光晶粒组合物(荧光浆料)，经曝光和显影，之后，整个表面加发兰光的光敏发光晶粒组合物(荧光浆料)，经曝光和显影。之后，在荧光层22和黑色矩阵23上溅射0.07μm的铝薄膜制成阳极。或者，用丝网印刷法形成每层荧光层22。
以下将说明纺锤形场发射器件的制造方法。制造纺锤形场发射器件的方法是用垂直淀积金属材料形成圆锥形电子发射部分16的基本方法。即，淀积颗粒垂直进入开口部分15，用开口部分15附近形成的伸出淀积层作掩模，使到达开口部分15的底部是淀积颗粒数逐渐减少，由此按自对准方式形成圆锥形淀积的电子发射部分16。制造纺锤形第1结构的场发射器的平面显示器的方法，按该方法，在绝缘层13和栅极14上形成剥离层17，以便后面容易去除不需要的伸出淀积层，其外形结构参见图5A、5B、6A和6B所示的衬底局部端视示意图。首先，在玻璃制成的衬底11上形成条形的铌制成的阴极12；并在整个表面上形成SiO2制成的绝缘层13。另外在绝缘层13上形成栅极14，例如，用溅射法、光刻照相和干腐蚀法。之后，用RIE法(反应离子腐蚀法)在栅极14和绝缘层13中形成开口部分15，在开口部分15的底部露出阴极12，见图5A。阴极12可以是单层材料层，也可以是多层材料层的叠层。为了防止在以后的步骤中要形成的电子发射部分的电子发射特性波动，阴极12的表面层部分可用其电阻率比其它部分用的材料的电阻率高的材料制造。之后，在开口部分15的底部中露出的阴极12上形成电子发射部分16。具体地说，在整个表面上斜着淀积铝，形成剥离层17。这种情况下，蒸发颗粒相对于衬底11的法线方向构成足够大的入射角，因而，在栅极14和绝缘层13上能形成剥离层17，而在开口部分15的底部几乎没有淀积铝。剥离层17从像屋檐式的开口部分15的边缘延伸，使开口部分15的实际直径减小，见图5B。之后，整个表面上垂直淀积例如钼(Mo)。这种情况下，如图6A所示，随着有伸出形的剥离层17上的钼导电层18的生长。开口部分15的实际直径逐渐减小，因此穿过开口部分15的中心而构成开口部分15的底部中的淀积层的蒸发颗粒逐渐受到限制。结果，在开口部分15的底部形成了圆锥形淀积层，该圆锥形淀积层构成电子发射部分16。
之后，用电化学工艺和湿式工艺从绝缘层13和栅极14剥离掉剥离层17，选择性地除去绝缘层13和栅极14上的导电层18。结果，如图6B所示，圆锥形的电子发射部分16留在位于开口部分15的底部中的阴极12上。有这样形成的大量场发射器件的背面板(阴极)10和显示板(阳极板)10组合在一起，构成图1所示的平面显示器。具体地说，用陶瓷或玻璃制成的高1mm的框架(没画)，背面板10和显示板20用熔融玻璃粘在一起，并干燥熔融玻璃，之后，在450℃焙烧熔融玻璃10至30分钟。之后，给平面显示器的内部空间抽真空，直到真空度达到10-4pa为止，之后，用适当的方法密封内部空间。或者，在高真空环境下粘接框架、背面板10和显示板20。或者，对某些平面显示器结构来说，把背面板10和显示板20相互粘接，而不用框架。以上制备的冷阴极场发射显示器作为平面显示器，以上所述的冷阴极场发射显示器制成有常规荧光颗粒的平面显示器，已对它们的亮度随时间消逝而变化的情况进行了研究。就常规的荧光颗粒而言，Y2O2S:Eu用作发红光的荧光晶粒；ZnS:Cu,Al用作发绿光的发光晶粒，ZnS:Ag,Al用作发兰光的荧光晶粒。这3种发光晶粒中的每一种，在从每个发光晶粒表面到电子束进入并到达的部分的深度(约为0.3μm)的区域内的晶格缺陷密度是1×108缺陷/cm2，每种发光晶粒的平均粒径是4～5μm表面平均粗糙度约为10nm。测量这些平面显示器从亮度100至亮度50所经过的时间时，例1的平面显示器的时间是用常规荧光颗粒的平面显示器的时间的5倍。
例2以下将说明例2至12的各种场发射器件。例2中，每个电子发射区包括多个圆拱形场发射器件。例2至12中的显示板20的结构与例1中的显示板20的结构相同。所以不再细说。
图9A是圆拱形第1结构的场发射器件的局部端视示意图。图9B是它的局部切开示意图。拱形场发射器件包括衬底11上形成的阴极12；衬底11和阴极12上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的栅极14；穿过栅极14和绝缘层13的开口部分15；位于开口部分15的底部中的阴极12的部分上形成的拱形电子发射部分16A。开口部分15的底部中露出的拱形电子发射部分相当于电子发射区。
以下将参见图7A,7B,8A,8B,9A和9B，所示的衬底的局部端视示意图说明拱形场发射器件。首先，在例如玻璃制成的衬底11上形成条形阴极12。阴极12朝附图纸面上的左右方向延伸。在衬底11的整个表面上溅射ITO，形成0.2μm厚的ITO薄膜，之后，给ITO构图，形成条形阴极12。阴极12可以是单层材料膜，也可以是多层材料膜的叠层结构。例如，为了抑制在后面的工艺步骤中要制成的电子发射部分的电子发射特性的波动，用于制造阴极12的表面部分的材料电阻率要高于用于制造阴极12的其它部分的材料的电阻率。之后，绝缘层13形成在衬底11和阴极12上。本实施例中，整个表面上丝网印刷玻璃浆料，形成3μm厚的玻璃浆料层。之后，去掉绝缘层13中所含的水和溶剂，并压平绝缘层13，分两级焙浇处理，最初先在100℃烧10分钟，之后，在500℃经20分钟进行主焙烧。可用CVD代替用玻璃浆料的上述丝网印刷，形成SiO2层。
之后，绝缘层13上形成条形栅极14，见图7A。栅极14按垂直于附图纸面的方向延伸。绝缘层13的整个表面上依次形成20nm厚的Cr(铬)膜和0.2μm厚的金(Au)膜，并对制成的叠层构图，制成栅极14。形成铬膜是为了给金膜提供足够的粘接力粘接到绝缘层13。栅极14的投影图像和条形阴极2的投影图像成相互垂直的方向延伸。之后，用光刻胶制成的腐蚀掩模，用RIE法腐蚀栅极14和绝缘层13，形成穿过栅极14和绝缘层13的开口部分15，在开口部分15的底部露出阴极12，见图7B。开口部分15的直径是2-50μm。之后，去掉腐蚀掩模，栅极14，绝缘层13和开口部分15的侧壁表面上形成剥离层51。见图8A。上述剥离层51的形成方法是，整个表面上用旋涂法加光刻胶，对光刻胶刻图，只去掉开口部分15的底部上的光刻胶部分。这一步，开口部分的直径基本上减小到1至20μm。之后，如图8B所示，整个表面上形成组合材料制成的导电组合物层52。该组合材料包含的wt％的平均粒径是O.1μm的石墨颗粒，作导电颗粒，和40wt％的水玻璃，作粘接剂。组合材料用转速为1400prm，经10秒钟旋涂在整个表面上。开口部分15中的导电组合物层52的表面沿开口部分15的侧壁表面升高，并在组合材料的表面张力作用下朝开口部分15的中心凹陷。之后，进行短暂焙烧，去掉导电组合物层52中含的水，焙烧温度为400℃，时间为30分钟。
组合材料中，(1)粘接剂可作分散媒质，形成分散在它中间的导电颗粒分散物，或(2)，粘接剂涂在每个导电颗粒上，或(3)当粘接剂分散或溶在适当的溶剂中时，粘接剂可构成用于导电颗粒的分散媒质。上述情况(3)的典型例是水玻璃，水玻璃可选择按日本工业标准(JIS)K1408规定的1至4号，或者是与它等效的产品。1至4号水玻璃是指作为水玻璃组分的每一摩尔的氧化钠(Na2D)中有不同摩尔量的二氧化硅(约2至4摩尔)为基础分成的4级，每一级(即每一个号)的水玻璃的粘度有很大差别。水玻璃用于去除工艺中时，最好是选择最佳的水玻璃，同时还要考虑到各种条件，如要分散到水玻璃中的导电颗粒的种类的数量，与剥离层51的亲和力，开口部分15的直径与深度比等等，最好在使用之前制备相当于这种级别的水玻璃。
通常，粘接剂的导电率很低。当导电组合物中的粘接剂的量相对于导电颗粒的量太大时，所形成的电子发射部分16A的电阻值增大，不能平稳地发射电子，例如，在水玻璃中分散作为导电颗料的含碳材料颗粒而制成的组合物材料中，含碳材料颗粒的含量占组合物总量的30至95wt％，同时考虑到电子发射部分16A的电阻值，组合物材料的粘度和导电颗粒的相互粘接等性能。含碳材料颗粒的含量选择在上述范围内时，能大大减小所形成的电子发射部分16A的电阻值。而且，含碳材料颗粒的相互粘接能保持在良好状态。但是，用含碳材料颗粒和氧化铝颗粒的混合物作导电颗粒时，导电颗粒的相互粘接力会下降。因此，要根据氧化铝颗粒的含量增大含碳材料颗粒的含量。这种情况下，含碳材料颗粒的含量实际上在60wt％以上。组合物材料可含分散剂，以稳定导电颗粒的分散状态，而且，可加PH值调节剂，干燥剂，固化剂和防腐剂。可用被粘接剂包覆的导电颗粒制成的组合物材料，以将它制成粉，并把该粉分散在适当的分散媒质中。
例如，拱形电子发射部分16A的直径为20μm，并用含碳材料颗粒作导电颗粒时，含碳材料颗粒的直径范围是0.1μm至1μm。含碳材料颗粒的粒径在上述范围内时，拱形电子发射部分16A的边缘部分有足够高的机械强度。电子发射部分16A与阴极12的粘接变得很好。之后，如图8C所示，去掉剥离层51。浸入含2wt％的氢氧化钠的水溶液中2秒钟进行剥离。可用超声振动进行剥离。按该方式，同时去掉剥离层51和它上面的部分导电组合物层52，只留下开口部分15的底部中露出的阴极12上的导电层52的一部分。上述的留下部分构成电子发射部分16A。电子发射部分16A有朝开口部分15的中心部分凹陷的表面，并变成拱形。图9A和9B示出结束[步骤-240]后的状态。图9B是场发射器件的局部透视图。图9A是沿图9B中A-A线的局部端视示意图。图9B中，切去了部分绝缘层3和部分栅极14，以展示整个电子发射部分16A。每个电子发射区域(交迭区域)形成5至10个电子发部分16A就足够了。为了可靠地露出每个电子发射部分16A的表面上的导电颗粒，可腐蚀掉每个电子发射部分16A的表面上露出的粘接剂。之后，焙烧或烧结电子发射部分16A。在干燥环境中，在400℃进行30分钟的焙烧或烧结。可根据组合材料中含的粘接剂来选择焙烧或烧结的温度。例如，粘接剂是无机材料，如水玻璃时，在能焙烧或烧结无机材料的温度下进行热处理就够了。粘接剂是热固性树脂时，应在热固性树脂能固化的温度进行热处理。为了保持导电颗粒的相互粘接，应在接近热固性树脂的分解温度但不超过其碳化温度的温度下进行热处理。任何情况下，都要求热处理温度低于和不造成栅极，阴极和绝缘层损坏的温度。热处理环境是隋性气体环境，以防止因栅极和阴极的电阻率增大造成的氧化，并防止栅极和阴极被损坏或造成缺陷。用热塑性树脂作粘接剂时，有些情况下不需要进行热处理。
例3例3中，每个电子发射区由多个平板型电子发射器件构成。
图10C示出有平板形第1结构的场发射器件的局部剖视图。平板形场发射器件包括例如玻璃制成的衬底11上形成的阴极12；衬底11和阴极12上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的栅极14；穿过栅极14和绝缘层13的开口部分15；和位于开口部分15的底部中的阴极12的部分上形成的扁平电子发射部分16B。条形阴极12上形成的电子发射部分16B按垂直于图10C的纸面方向延伸。而且，栅极14按图10C纸面上的左右方向延伸。用铬(Cr)制成阴极12和栅极14。具体说，电子发射部分16B用石墨粉制成的薄膜构成。阴极12与电子发射部分16B之间形成SiC电阻层60，用于稳定场发射器件的性能，并使电子发射特性保持一致。图10C所示平板形场发射器件中，允许在阴极12的整个表面上形成电阻层60和电子发射部分16B。但是，本发明不限于该结构，只要至少能在开口部分15的底部中形成电子发射部分16B就够了。
以下将参见展示衬底的局部剖视图的图10A，至10C说明平板形场发射器件的制造方法。首先，在衬底11上溅射Cr形成Cr导电层，对Cr层光刻和干腐蚀构图；在衬底11上形成条形阴极12，见图10A；阴极12按垂直于图10A-10C的纸面的方向延伸。之后，阴极12上形成电子发射部分16B。具体说，用溅射法在整个表面上形成SiC电阻层60。电阻层60上旋涂和干燥形成包覆的石墨粉构成的电子发射部分16B。之后，用已知方法给电子发射部分16B和电阻层60构图，见图10B。电子发射区由这种电子发射部分16B构成。之后，整个表面上形成绝缘层13。具体说，用溅射法在衬底11和电子发射部分16B上形成SiO2绝缘层13。或者，丝网印刷玻璃浆料，或者，用CVD法形成SiO2，由此形成绝缘层13。之后，绝缘层13中形成条形栅极14。之后，在栅极14和绝缘层13上形成腐蚀掩模后，形成穿过栅极14和绝缘层上的开口部分15，使电子发射部分16B在开口部分15的底部中露出。之后，去掉腐蚀掩模。在400℃热处理30分钟，除去电子发射部分16B中的有机溶剂，由此制成图10C所示场发射器件。
例4图11C示出具有平板形场发射器件的第1结构的场发射器件的一个变体。图11C所示平板形场发射器件与图10C所示场发射器件的场发射部分16B的结构上有些差别。以下将参见表示衬底的局部剖视图的图11A-11B说明这种场发射器件的制造方法。首先，衬底11上形成阴极的导电材料层。具体说，衬底11的整个表面上形成抗蚀剂材料层(没画)，之后，去掉抗蚀剂材料层中要形成阴极处的部分。之后，整个表面上溅射Cr形成Cr导电材料层。而且，在整个表面上溅射SiC形成SiC电阻层60，用旋涂并干燥的方法在电阻层60上形成包覆的石墨粉层。之后，用剥离溶液去掉抗蚀剂材料层。该情况下，也去掉形成在抗蚀剂材料层上的构成阴极用的导电层，电阻层60和包覆的石墨粉层。按该方式，用所谓的去除法制成了阴极12，电阻层60和电子发射部分16B的叠层结构。见图11A。之后，整个表面上形成绝缘层13，绝缘层13上形成条形栅极14，见图11B。之后，穿过栅极14和绝缘层13形成开口部分15，以露出开口部分15底部中的电子发射部分16B，见图11C。电子发射区由开口部分15的底部中露出的阴极12的表面上形成的电子发射部分16B构成。
例5
图13B是有平板形场发射器件第1结构的电子发射器件的又一变体的局部端视示意图。该平板形场发射器件中，用CVD法形成的碳薄膜构成电子发射部分16C。
最好用碳膜构成电子发射部分，因为碳(C)有低的功函数而且能获得高电子发射电流。为了使碳薄膜能发射电子，只需把碳薄膜放进电场强度约为106v/m的电场中即可。
用抗蚀层作腐蚀掩模，用氧气等离子腐蚀碳薄膜如钻石薄膜时，腐蚀反应系统中作为反应付产品会生成(CHx)-或(CTx)一为基的碳聚合物的淀积物。当等离子腐蚀中腐蚀反应系统中产生淀积物时，淀积场淀积在抗蚀层的离子入射机率低的侧壁表面上，或者，淀积在要腐蚀的材料的处理过的端子表面上，以形成所谓的侧壁保护膜，它有利于完成对要腐蚀的材料进行各向异性处理所得到的形状。但是，用氧作腐蚀气体时，由于氧气与碳聚合物反应会去掉碳聚合物制成的侧壁保护膜。而且，当用氧气作腐蚀气体时，抗蚀层会大量损耗。为此，按常规的钻石薄膜的氧等离子处理，从掩模到钻石薄膜的图形转移差很大，而且，在很多情况下也不能进行各向异性处理。
为了克服上述缺点，可采用在阴极表面中或表面上形成碳薄膜选择生长区，并在碳薄膜选择生长区中形成碳薄膜构成电子发射部分的结构。即，上述电子发射器件的制造中，衬底上形成阴极，之后，阴极表面中或表面上形成碳薄膜选择生长区，之后，碳薄膜选择生长区上形成碳薄膜(相当于电子发射部分)。阴极表面中或表面上形成碳薄膜选择生长区的步骤叫做碳薄膜选择生长区形成步骤。
上述碳薄膜选择生长区最好是阴极的一部分，在该部分上粘接有部分金属颗粒，或者能在该部分上形成金属薄膜层。为使碳薄膜选择生长区上的碳薄膜能更可靠的生长，因此，碳薄膜生长区的表面上要求粘有硫(S)，硼(B)，或磷(P)。要求上述材料有催化剂的功能，这些材料的存在能使碳膜有更好的选择生长性能。只要在位于开口部分底部中的阴极部分的表面中或表面上形成碳薄膜选择生长区就够了。碳薄膜选择生长区可形成为从位于开口部分底部中的阴极部分延伸到除位于开口7部分底部中的阴极部分之外的阴极的其它部分的表面上。而且，可在位于开口部分底部中的阴极部分的整个表面上形成碳薄膜选择生长区，也可在上述阴极部分的部分表面上形成碳薄膜选择生长区。
碳薄膜选择生长区形成步骤包括以下步骤在要形成碳薄膜选择生长区的阴极的部分表面上(有时叫阴极表面)允许粘接金属颗粒，或形成金属薄层，由此形成了由表面上粘有金属颗粒或形成有金属薄膜的阴极部分构成的碳薄膜选择生长区。这种情况下，为了使碳薄膜选择生长区上碳膜的选择生长更可靠，希望在碳薄膜选择生长区的表面上允许粘接硫(S)，硼(B)，或磷(P)，由此能使碳膜有更好的和选择生长性能。允许硫、硼或磷粘接到碳薄膜选择生长区的表面上的方法包括在碳薄膜选择生长区表面上形成含S,B或P的化合物层，之后，对化合物层热处理使其分解，使S,B或P留在碳薄膜选择生长区的表面上。含S化合物包括硫茚，并噻吩，噻吩。含B的化合物包括三苯基硼。含磷的化合物包括三苯基磷。
另外，为使碳薄膜选择生长区上的碳膜生长更可靠，允许金属颗粒粘在阴极表面上后，或在阴极表面上形成金属薄层之后，最好去掉每个金属颗粒表面上的金属氧化物或金属薄层表面上的金属氧化物(也叫天然氧化膜)。除去氧化膜的方法例如有微波等离子法，在氢环境中进行等离子还原处理；变压器耦合等离子法，电感应式耦合等离子法，电子回旋共振等离子法或RF等离子法，在Ar环境中溅射法；或氢氟酸或碱清洗法。包括允许S,B或P粘到碳薄膜选择生长区表面上，或除去每个金属颗粒表面上或金属薄层表面上的氧化物的步骤时，这些步骤最好在绝缘层中形成开口之后和在碳薄膜选择生长区上形成碳薄膜之前进行。
为获得薄膜选择生长区，允许金属颗粒粘接到阴极表面的方法包括除要形成碳薄膜选择生长区的阴极区域之外的区域用适当的材料如掩模层覆盖，在要形成碳薄膜选择生长区的阴极表面上形成溶剂和金属颗粒构成的膜层，之后，去掉溶剂留下金属颗粒。或者，允许金属颗粒粘到阴极表面上的步骤包括除要形成碳薄膜选择生长区的阴极部分以外的阴极区域用适当的材料，如掩模层覆盖；在阴极表面上允许粘接含构成金属颗粒的金属原子的金属化合物颗粒，之后，热处理该金属颗粒使其分解，以制成用其表面上粘接有金属颗粒的阴极部分构成的碳薄膜选择生长区。上述方法中，具体说，在要形成碳薄膜选择生长区的阴极表面上形成溶剂和金属化合物颗粒构成的膜层，并去掉溶剂而留下金属化合物颗粒。上述金属化合物颗粒中最好用选自以下材料中的至少一种材料构成。这些材料是构成金属颗粒的金属卤化物例如，金属的碘化物、氯化物、溴化物等，和金属的氧化物和氢氧化物。上述方法中，在适当的阶段要去掉覆盖阴极中不形成碳薄膜选择生长区的部分的材料层，例如掩模层。
为了获得碳薄膜选择生长区在阴极表面上形成金属薄层的方法包括已知的方法，例如，电镀法；化学镀法；化学汽相淀积法(CVD法)，它包括MOCVD法；物理汽相(淀积法PVD)法等。在不形成碳薄膜选择生长区的阴极部分上用适当的材料覆盖。物理汽相淀积法包括(a)真空淀积法，如电子速加热法，电阻加热法，和闪蒸淀积法；(b)等离子淀积法；(c)溅射法，如双极溅射法，DC溅射法，DC磁控溅射法，高频溅射法，磁控溅射法，离子束溅射法，偏置溅射法和(d)离子镀膜法，如DC(直流)法，RF法，多阴极法，和激活反应法，电场淀积法，高频离子镀膜法和反应离子镀膜法。
用于形成碳薄膜选择生长区的上述金属颗粒或金属薄膜层是用选自以下材料中的至少一种材料构成，这些材料是钼(Mo)，镍(Ni)，钛(Ti)，铬(Cr)，钴(Co)，钨(W)，锆(Zr)，钽(Ta)，铁(Fe)，铜(Cu)，铂(Pt)和锌(Zn)。
上述碳薄膜包括石墨薄膜、非晶碳薄膜，钻石类碳薄膜和fu1lerene薄膜，形成碳薄膜的方法包括以微波等离子法为基础的CVD法、变压器耦合等离子法，电感应式耦合等离子法、电子回旋振薄荡等离子法或RF等离子法。碳薄膜的形式包括薄膜形，也可包括碳晶须形和碳纳米管形(包括碳纳米空心管和碳纳米实心管)。
阴极也可以有任何结构，如单层导电层结构或由上下两层导电层和在它们之间的一层电阻层构成的3层结构。后一种情况下，在上层导电层表面上形成碳薄膜选择生长区。上面形成的电阻层有使电子发射部分的电子发射性能一致的功能。
以下参见图12A,12B,13A和13B所示的衬底局部端视图说明平板形电子发射器件的制造方法的一个实例。首先，在例如玻璃制成的衬底11上形成用于阴极的导电层。之后用已知的光刻照相和RIE法给导电层刻图，在衬底11上形成条形阴极12。条形阴极12朝附图纸面的左右方向延伸。用溅射Cr形成0.2μm厚的阴极12。
之后，整个表面上，具体说是在衬底11和阴极12上形成绝缘层13。之后，绝缘层13上形成条形栅极14。之后，栅极14和绝缘层13中形成开口部分15，露出在开口部分15的底部中的阴极，见图12A。条形栅极14按垂直于附图纸面的方向延伸。附图是平面图时，开口部分15是直径为1至30μm的圆环形。每个象素中(交迭区)形成1至3000个这样的开口部分15就足够了。在开口部分15的底部露出的阴极上形成电子发射部分16C。具体说，在开口部分15的底部中露出的阴极12的部分表面上形成碳薄膜选择生长区70。为此，首先，形成掩模层71，露出开口部分15底部的中心部分中阴极12的表面见图12B。具体说，在包括开口部分15的内表面的整个表面上旋涂抗蚀材料形成抗蚀材料层，用光刻照相法在开口部分15底部的中心部分中的抗蚀材料层中形成孔，由此，制成掩模层71。掩模层71覆盖位于开口部分15底部中的阴极12的部分，开口部分15的侧壁和栅极14和绝缘层13。在以后的步骤中，要在位于开口部分15底部的中心部分中的阴极部分的表面上形成碳薄膜选择生长区。上述的掩模已防止了阴极12和栅极14与金属颗粒短路。
之后，允许金属颗粒粘到掩模层71和阴极12的露出表面。具体说，镍(Ni)细粒分散在用异丙醇作溶剂的聚硅氧烷溶液中制成的分散体旋涂在整个表面上，在要形成碳薄膜选择生长区的阴极12的部分表面上形成由溶剂和金属颗粒构成的膜层。之后，去掉掩模层71，并对上述膜层加热到约400℃，去掉溶剂，在阳极12的露出表面上留下金属颗粒72，由此制成碳薄膜选择生长区，见图13A。上述的聚硅氧烷有把金属颗粒72固定到阴极12的露出表面的作用，即所谓的粘接功能。之后，碳薄膜选择生长区70上形成0.2μm厚的碳薄膜73，制成电子发射部分16C。图13B示出了这种制成的状态。表1列出了用微波等离子CVD法形成碳薄膜73的形成条件。
表1 碳薄膜形成条件
例6图14C示出有平板形场发射器件第2结构的场发射器件的局部剖视图。平板形场发射器件包括例如玻璃制成的衬底11上形成的条形阴极12；衬底11和阴极12上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的条形栅极14；和穿过栅极14和绝缘层13的开口部分15，开口部分15的底部露出阴极12。阴极12按垂直于图14C纸面的方向延伸。栅极14朝图14C的纸面上的左右延伸。用Cr制成阴极12和栅极14，用SiO2制造绝缘层13。开口部分15底部中露出的阴极12的部分对应电子发射区116。
以下将参见展示衬底等的局部剖视图的图14A,14B和14C说明平板形场发射器件的制造方法。首先，衬底11上形成作为电子发射区116的阴极12。具体说，衬底上溅射Cr，形成构成阴极的Cr导电层。之后，用光刻照射和干腐蚀法对导电层刻图，在衬底11上形成条形阴极12见图14A。阴极及按垂直于图14A-14C的纸面方向延伸。之后，衬底11和阴极12上用例如CVD法形成SiO2绝缘层13。或者，用丝网印刷玻璃浆料也能形成绝缘层13。绝缘层13上形成条形栅极14。具体说，用溅射法在整个表面上形成Cr导电层，之后，用光刻照相和干腐蚀法对Cr导电层刻图，形成条形栅极14，见图14B。栅极14朝图14B和14C的纸面上的左右延伸。可用例如丝网印刷法在绝缘层13上直接形成条形栅极14。之后，在栅极14和绝缘层13中形成开口部分15，露出开口部分15底部中的阴极12。
例7图15A是平板形场发射器件的局部剖视图。图15A与图14C所示平板形场发射器件的差别是，开口部分15底部中露出的阴极12表面(相当于电子发射部分116)中形成有细的凹凸部分12A。用以下方法制成上述的平板形场发射器件。按与例6中步骤600至620相同的方式在衬底11上形成条形阴极12。在整个表面上形成绝缘层13，之后，绝缘层13上形成条形栅极14。即，在例如玻璃制的衬底11上用溅射法形成0.2μm厚的钨(W)层，之后，用常规方法，把W层形成条形阴极12。之后，衬底11和阴极12上形成绝缘层13。用TEOS(四乙氧基硅作源气用CVD法形成绝缘层13。绝缘层13上形成0.2μm厚的Cr导电层，并对它构图，形成条形栅极14。图14B示出基本完成了上述工艺后的状态。之后，用与[步骤-630]基本相同的方式在栅极14和绝缘层13中形成开口部分15，以露出开口部分15底部中的阴极12。之后，在开口部分15底部中露出的阴极12的部分中形成细的凹凸部分12A。用SF6作腐蚀气体，用RIE法，按构成阴极12的钨的晶粒与晶界之间的腐蚀速率不同的条件，形成细的凹凸部分12A。结果，能形成其直径几乎反映钨晶粒直径的细凹凸部分12A。
上述的平板形场发射器件中，从栅极14给阴极12的细凹凸部分12A加强电场，更具体说，是给细凹凸部分12A中的凸出部分加强电场。这种情况下，与阴极12的平滑表面的情况相比，加到凸出部分上的电场强。因此，根据量子燧道效应，从凸出部分有效地发射电子。因此可以预计，与有开口部分15底部中露出的简单平滑的阴极12的平板形场发射器件相比，装有上述的平板形场发射器件的平板显示器的亮度提高了。图15A所示平板形场发射器件中，即使栅极14与阴极12之间的电位差较小时，也能得到足够大的发射电子的电流密度，能得到亮度更大的平面显示器。换句话说，如果亮度相同所需的栅压可以降低，因而，功耗减小。
上述实施例中，经腐蚀绝缘层13形成开口部分15，再对阴极12进行各向异性腐蚀，在阴极12中形成细的凹凸部分。但是，也可以在腐蚀形成开口部分15的同时形成细的凹凸部分12A。即，腐蚀绝缘层13时，用预计有一定程度的离子溅射功能的各向同性腐蚀条件，腐蚀继续进行直到形成有垂直壁的开口部分15形成为止，因此，能在开口部分15底部中露出的阴极部分上形成细的凹凸部分12A。之后，各向异性腐蚀绝缘层13。
按与[步骤-600]相同的方式，用溅射法在衬底11上形成用于构成阴极的钨(W)导电层。之后，用光刻照相和干腐蚀法对W导电层刻图。之后，上述W导电层表面中形成细的凹凸部分12A，进行与步骤610-630相同的步骤，制成图15A中所示的场发射器件相同的场发射器件。
另外，按与[步骤-600]相同的步骤，在衬底11上用溅射法形成W导电层，之后，W导电层的表面中形成细的凹凸部分12A。之后，用光刻照相和干腐蚀法给W导电层刻图，执行与步骤610-630相同的步骤，制成与图15A所示场发射器件相同的场发射器件。
图15B是图15A所示场发射器件的一个变体。图15A所示场发射器中，细的凹凸部分12A的峰的平均高度位置存在于比衬底侧上的绝缘层13的下表面低的地方(即降低)。按与[步骤-710]相同的步骤继续长时间干腐蚀，制成这种场发射器件。这种结构中，能进一步提高开口部分15的中心附近的电场强度。
图16示出的平板形场发射器件中，在相当于电子发射部分116的阴极12的表面上，更具体说是至少在细的凹凸部分12A上形成涂层12B。
最好用功函数比构成阴极12的材料的功函数小的材料制造上述涂层12B。根据构成阴极12的材料的功函数，栅极14与阴极12之间的电位差，和要求的发射的电子的电流密度来确定构成涂层12B的材料。构成涂层12B的材料包括非晶形钻石。用非晶形钻石形成涂层12B时，在5×107v/m或5×107v/m以下的电场能得到平面显示器所需的发射电子的电流密度。
涂层12B的厚度以能反映凹凸部分12A为准。这是因为，如果细的凹凸部分12A的凹陷部分被填入涂层12B而使电子发射区表面变平整了，那么，形成细的凹凸部分12A就没有意义。因此，形成细的凹凸部分12A，同时反射了电子发射区的晶粒直径，那么，涂层12B的厚度最好是30至100nm，尽管根据细的凹凸部分12A的尺寸不同而厚度也不同。当细的凹凸部分12A的峰值平均高度位于低于绝缘层的下表面的高度处，更准确地说是，涂层12B的峰的平均高度位置低于绝缘层的下表面的高度。
具体说，[步骤-710]之后，可在整个表面上用CVD法形成非晶钻石涂层12B。涂层12B也能淀积在栅极14和绝缘层13上形成的腐蚀掩模(没画)上。除去腐蚀掩模的同时除去该淀积部分。也可以用CH4/H2混合气或CO/H2混合气作源气，用CVD法形成涂层12B，和用热分解含碳化合物形成非晶形钻石涂层12B。
另外，图16所示场发射器件可形成如下。按与[步骤-600]相同的步骤，在衬底11上溅射W形成W导电层，之后时W异电层光刻照相和干腐蚀刻图，之后，上述W导电层表面中形成细的凹凸部分12A，之后，进行与步骤610-630相同的步骤，形成涂层12B。
另外，按与[步骤-600]相同的步骤，用溅射法在衬底11上形成用于阴极的W导电层。之后，上述W导电层表面中形成细凹凸部分12A，之后，形成涂层12B。之后，对涂层12B和上述W导电层用光刻照相和干腐蚀法刻图，进行与步骤610-630相同的步骤，制成图16所示场发射器件。
另外，选择二次电子增益δ比构成阴极的导电材料的二次电子增益大的材料作制造涂层用的材料。用14C所示平板形场发射器件的电子发射区116上(阴极12的表面上)可形成涂层。这种情况下，[步骤-630]之后，能在开口部分15底部中露出的阴极12表面上形成涂层12B。另外，[步骤-600]中，例如，衬底11上形成用于阴极的导电层，之后，上述导电层上形成涂层12B，用光刻照相和干腐蚀法给这些膜层刻图。
例8图20B是环形场发射器件的局部剖视图。环形场发射器件中，衬底11上设置阴极112，它有多个用于发射电子的凸出部分112A和多个凹陷部分112B，每个凹陷部分1121B被凸出部分112A包围；图19B是环形场发射器件的透视图，从它上面去掉了绝缘层13和栅极14。
对每个凹陷部分的形状没有具体限制。通常每个凹陷部分有几乎是球形的表面，该表面形状与以下的情况有关。上述的环形场发射器件的制造中，用球形体，在每个凹陷部分112B的制造中反映出每个球体的部分。每个凹陷部分112B有几乎是球形的表面时，包围凹陷部分112B的凸出部分112A是环形或圆环形。这种情况下，凹陷部分112B和凸出部分112A作为一个整体有环形山状或火山口状的形状。凸出部分112A用于发射电子，由于每个顶端部分112C实际上都是尖锐的，所以，提高了电子发射效率。每个凸出部分112A的顶端部分112C可以是规则的凹凸形，也可以是平坦的。每个象素的凸出部分112A可以是规则的也可以是任意的。每个凹陷部分112B被沿它的圆周方向连续的凸出部分112A包围，某些情况下，每个凹陷部分112B被沿凹陷部分112B的圆周方向不连续的凸出部分112A包围。
上述的环形场发射器件的制造中，更具体的说，衬底上条形阴极的形成步骤包括，在衬底上形成条形阴极的步骤，阴极覆盖多个球体，去掉球体以去掉覆盖球体的阴极部分，形成有发射电子的多个凸出部分和被凸出部分包围的并反映球体部分的多个凹进部分的阴极。
最好用改变球体的状态和/或球体的化学改变来去掉球体。球体的状态改变和/或化学改变是指膨胀，升华，发泡，产生气体，分解，燃烧碳化或它们的组合。例如，用有机材料制成球体时，更具体的办法是燃烧去掉球体。不必同时去掉球体和覆盖球体的阴极部分。或者，不必同时去掉球体覆盖球体的阴极、绝缘层和栅极的部分。例如，除掉覆盖球体阴极部分，绝缘层和栅极部分之后，留下球体部分，然后，再去掉球体部分。
特别是用有机材料制造球体和球体燃烧时，例如，产生了CO,CO2和蒸气而使邻近球体的闭合空间内的压力上升时，当超过压力持续极限时，邻近球体的阴极爆炸。爆炸力使覆盖球体的阴极部分消失，形成了凹凸部分，也去掉了球体。或者，例如，球体燃烧时，超波压力持续极限时，按同样的机理，绝缘层，阴极和栅极爆炸，爆炸力使阴极、绝缘层和栅极覆盖球体的部分消失，同时形成凹凸部分和开口部分，也去掉了球体。即，去掉球体之前绝缘层和栅极中不存在开口部分，开口部分随球体除去一起形成。这种情况下，闭合空间中燃烧处理的最初处理使球体部分碳化。覆盖球体的阴极部分的厚度减小到可经燃烧而使该部分消失的程度。另外，阴极、绝缘层和栅极覆盖球体的部分的厚度都减小到经燃烧而使该部分消失的程度。绝缘层中没覆盖球体的部分的厚度最好是几乎等于每个球体的直径。
下面要说明的例10中，通过球体的状态改变和/或化学改变能去掉球体。但是，有些情况下不要阴极爆炸可以用外力从外部去掉球体。后面要说明的例11中，在去掉球体之前形成开口部分。开口部分的直径大于球体直径时，可用外力去掉球体。外力包括物理力，如用空气或惰性气体充气产生的压力，或充进清洗液引起的压力，磁引力，静电力和离心力等。象例8一样，例10或11中，某些情况下不要求覆盖球体的阴极部分消失，也不要求绝缘层和栅极的覆盖球体的部分消失，所以具有没有阴极、绝缘层或栅极的残留物的优点。
以下要说明的例10或11中，至少球体的表面要用面间张力(表面张力)比构成阴极的材料的面间张力大的材料构成。或者，某些情况下，要用面间张力比构成绝缘层和栅极的材料的面间张力大的材料构成球体表面。例11中，阴极，绝缘层和栅极至少不覆盖球体顶部，因此，能制成开始就在绝缘层和栅极中形成开口部分的状态。开口部分的直径随以下因素的改变而不同，例如，阴极、绝缘层和栅极各自的厚度与每个球体直径之间的关系；形成阴极、绝缘层和栅极的方法；制造阴极、绝缘层和栅极的材料的面间张力等。
以后要说明的例10或11中，至少是球体表面能满足以上关于面间张力的条件就足够了。即，只要球体表面的面间张力大于阴极，绝缘层和栅极中任何一个的面间张力球体就是完整的。而且，构成球体表面和/或整个球体的材料可以是无机材料，有机材料或有机材料与无机材料的组合材料。例10或11中，阴极和栅极用一般的金属材料制造和绝缘层用SiO2如玻璃制造时，由于吸附的水衍生出的羟基存在于金属材料上，悬空键Si-O键和从吸附的水衍生出的羟基存在于绝缘层表面上，因此，形成了高亲水态。所以用有高憎水表面处理层的球体很有效。憎水表面处理层用的材料包括氟树脂，如聚四氟乙烯。球体有憎水表面处理层时，若憎水表面处理层的内部构成一个芯，构成芯的材料可以是玻璃、陶瓷和除聚四氟乙烯以外的聚合物材料。
尽管没有具体限制，但构成球体的有机材料最好是普通聚合物材料。当聚合材料有极高的聚合程度，或有极大量的双键和三键时，就要有极高的燃烧温度，用燃烧除去球体时，在阴极、绝缘层和栅极上会引起有害的效果。当材料要在后面的步骤焙烧或烧结时，例如，用玻璃浆料形成绝缘层时，最好选在焙烧或烧结玻璃浆料时能燃烧或碳化的聚合材料，以减少制造工艺步骤。由于玻璃浆料通常的焙烧温度约是530℃。因此，聚合物的燃烧温度最好约在350℃至500℃。典型的聚合物实例包括苯乙烯、尿烷，丙烯酰基，乙烯基，二乙烯基苯。三聚氰胺，甲醛和聚亚甲基均聚物或共聚物。为了保证球体可靠地分布在衬底上，可用采用粘接固定的球体，可用丙烯酸类树脂制成的球体作可固定球体。
另外，有1,1-二氯乙烯-丙烯腈共聚物作为外壳的热膨胀微球和灌封有作为发泡剂的异丁烷的热膨胀微球可用作球体。例子中，用上述的热膨胀微球并加热。这种情况下，构成外壳的聚合物被软化，而且，封入的异丁烷气化而膨胀。结果，形成了真正的空心球，膨胀后的球的直径是膨胀前的球的直径的差不多4倍。结果，例8中，在阴极中形成了发射电子的凸出部分和被凸出部分包围并反映球体形状部分的凹进部分。除了上述的凹进和凸出部分之外，还形成了穿过栅极和绝缘层的开口部分。本说明书中，加热使热膨胀微球膨胀也包括在除去球体的概念中。之后，用适当的溶剂去掉膨胀微球。
例8中，在衬底上设置了许多球体后形成覆盖球体的阴极。这种情况下，或在后面要说明的例10或11中，衬底上设置许多球体的方法包括干法，其中，球体是喷到衬底上的。为了喷球体，采用喷隔离层的方法，以保持液晶显示器制造中的恒定距离的平板距离。具体说，是用压缩气体经喷嘴喷出球体的所谓喷枪。球体经喷咀喷出时，球体是处在分散在可挥物溶剂中的状态。另外，可用加静电粉或静电粉涂覆方法中用的常规设备和方法来喷球体。例如，有负电荷的球体喷到接地衬底上，用静电喷枪或辉光放电法，正如后面要说明的，由于所用的球体极小，喷到衬底上的球体粘到衬底上，例如，用静电力，使在以后的制造步骤中粘接的球体不易从衬底上脱落。当多个球体设在衬底上之后对它加压时，多个球体就能被压在衬底表面上，因而，球体致密地设在衬底上而形成单层。
或者，在以后要说明的例9中还采用了这样一种结构，在衬底上形成球体和阴极材料分散在分散剂中平均而构成的组合物层，由此把多个球体设在衬底上并用阴极材料构成的阴极覆盖每个球体。此后，去掉分散剂。组合物可以有稀浆或浆膏的性能。可根据以上的性能选择分散剂的组分和粘度。衬底上形成组合物层的方法最好包括丝网印刷法。通常，最好用沉淀速率比分散剂中球体的沉淀速率低的细颗粒构成阴极材料。上述细颗粒材料包括碳，钡，锶或铁。去掉分散剂后，按要求培烧或烧结阴极。衬底上形成组合物层的方法包括喷涂法，滴淀法，旋涂法和丝网印刷法。设置球体时，每个球体用阴极材料制成的阴极同时覆盖。有些形成上述组合物层的方法中，要求给阴极刻图。
或者，在以下要说明的例10或11中，可用的结构中，在衬底上形成分散在分散剂中的球体组成的组合物层，由此，把多个球体设在衬底上，之后，去掉分散剂。组合物可以有稀浆和浆膏的性能，可把上述的特性选择分散剂的组合和粘度。通常用异丙醇作分散剂，分散剂可挥发除去。衬底上形成组合物层的方法包括喷涂法，滴淀法，旋涂法和丝网印刷。
栅极和阴极按不同的方向延伸，例如，条形阴极的投影图像和条形阴极的投影图像按相互成90℃的方向延伸，而且，阴极和栅极刻图成条形。从位于电子发射区(交迭区)中的凸出部分发射电子。只有在电子发射区(交迭区)中的凸出部分有足够的功能。但是，即使在与电子发射区(交迭区)不同的区域中存在凹凸部分，但这些凹凸部分被绝缘层覆盖，没有电子发射功能。因此，并在整个表面上设置球体也没问题。
相反，除去覆盖球体的阴极，绝缘层和栅极的部分时，单个球体的设置位置与开口的形成位置成一个对一个的对应关系，因此，不是电子发射区(交迭区)的区域中形成了开口部分。不是电子发射区(交迭区)的区域中形成的开口部分叫做“无效开口部分”，以与有电子发射功能的原始开口部分区别开。而且，即使在不是电子发射区(交迭区)的区域中形了无效开口部分，无效开口部分作为场发射器件不是完全无用，对电子发射区(交迭区)中形成的场发射器件的性能它也不会造成任何有害的作用。其原因如下。即使在无效开口部分底部中存在凹凸部分，无效开口部分的顶端部分上没形成栅极。另外，即使无效开口部分的顶端部分上形成了栅极，而在底部中没有露出凹凸部分；或者，无效开口部分底部没有露出凹凸部分而且顶端部分中也没形成栅极，只有衬底的表面露出。因此，即使整个表面上设置球体也没问题。孔形成在包括在开口部分中的电子发射区(交迭区)与其它区之间的界面中。
根据要求的开口部分的直径，凹进部分的直径，有场发射器件的平面显示器的显示屏的尺寸，交迭区的大小，和每个象素的场发射器件的数量，来选择球体直径。球体的直径范围应在0.1至10μm内。例如，由于市售球体的粒径分布为1～3％，因此，市售球体可作为液晶显示器的隔离物。而球体的理想形状要是真正的球形，但不必要求是真正的球形。场发射器件的某些制造方法中，可在设置球体的部分中形成开口部分或无效开口部分。而且，最好按100至5000个球体/mm2的密度在衬底上设置球体。例如，当设在衬底上的球体密度是1000个球体/mm2时，交迭区的尺寸是0.5μm×0.2μm，交迭区中的球体是100个，形成100个凸出部分。每个交迭区中都形成这个数的凸出部分时，粒径分布和球体的圆球度的波动所引起的凹进部分的直径波动几乎是平均值，每个象素(或每个辅助象素)的发射电子的电流密度和亮度实际上变成一致的。
例8或以后要说明的例9至11中任一例中，球体的形状部分反映在构成电子发射部分的凹进部分的形状中。每个凸出部分的顶端部分的外形可以是不规则的凹凸形也可以是平坦的。特别是在例8中，使阴极破裂形成上述顶端部分，使每个凸出部分的顶端部分有不规则的形状。用破裂而使顶端部分变得尖锐时，这有利于使顶端部分有高效电子发射部分的功能。例8至11中，包围凹进部分的凸出部分变成环形或圆环形，这种情况下，凹凸部分作为一个整体有环山形或火山口形。
根据球体的设置方法，凸出部分在衬底上的分布可以是有规则的也可以是任意的。用上述的干法或湿法时，凸出部分在衬底上的分布变成任意的。每个凹进部分被沿着它圆周延续的凸出部分包围，某些情况下，每个凹进部分都被沿它圆周不连续的凸起部分包围。
图8至11中，形成绝缘层后在绝缘层中形成开口部分，可用的结构中，形成保护层，以避免在凸出部分形成后损坏凸出部分的顶端部分。开口部分形成后去掉保护层。构成保护层的材料包括铬。
以下将参见图17A,17B,18A,18B,19A,19B,20A和20B说明例8的场发射器件的制造方法。图17A,18A和19A是局部剖视图，图20A和20B是局部剖视图，17B和18B,19B是比图17A,18A和19A范围更宽的局部透视图。首先，衬底11上形成覆盖多个球体80的阴极12。具体说，在例如玻璃制成的衬底11的整个表面上设球体80。球体用聚亚甲基为基的聚合物材料制成，球体的平均颗粒直径为5μm，颗粒直径分布在1％以下。用喷枪把球体80任意地设在衬底11上，设置的球体密度是1000个球/mm2。用喷枪喷涂球体的方法包括喷球体与易挥发溶剂的混合物的方法和从喷咀射粉状球体的方法。所设置的球体用静电吸力固定在衬底11上，图17A和17B示出了该状态。球体80和衬底11上形成阴极112。图18A和18B示出了形成的阴极112的状态。可用丝网印刷条形碳浆的方法形成阴极112。这种情况下，衬底11的整个表面上设球体80，所以有些球体80自然不被阴极12覆盖，如图18B所示。之后，干燥阴极12，如在150℃干燥，去掉阴极112中含的水和溶剂，并压平阴极112。该温度下，球体80不会有任何状态变化和/或化学变化。代替上述用碳浆的丝网印刷法的方法是，整个表面上形成用作阴极112的导电材料，对导电材料光刻照相和干腐蚀，形成条形阴极112，进行光刻时，通常旋涂形成抗蚀层。旋涂中，如果衬底11的旋转速率为500rpm，旋转时间为几秒钟，球体80能固着在衬底11上不脱落或不位移。除去球体以除去覆盖球体的阴极112的部分。由此形成有许多发射电子的凸出部分112A和每个都被凸击部分112A包围的反映球体80的形状部分的多个凹进部分112B的阴极112。图19A和19B示出所获得的状态。具体说，在530℃左右燃烧球体80，同时也培烧阴极112。随着球体80燃烧每个球体80中每个封闭空间中的压力同时增大，当超过一定的压力持续极限时，覆盖球体80的阴极112的部分爆炸，把这部分除去。结果，衬底11上的部分阴极112中形成凸出部分112A和凹进部分112B。球体去掉后某些球体部分作为残留物保留，根据构成球体所用的材料，选择适当的清洗液去掉残留物。之后，阴极112和衬底11上形成绝缘层13。具体说，例如，丝网印刷玻璃浆料在整个表面上形成约5μm厚的绝缘膜层。之后，在150℃干燥绝缘层13，除去绝缘层13中含的水和溶剂，并压平绝缘层13。可用等离子CVD形成SiO2层的方法代替用玻璃浆的上述丝网印刷法。之后，绝缘层13上形成条形栅极14，见图20A。可用丝网印刷条形碳浆形成栅极14。这种情况下，条形栅极14的投影图像延伸方向与条形阴极112的投影图像的延伸方向相互垂直。之后在150℃干燥栅极14，除去栅极14中含的水和溶剂，并压平栅极14，之后，焙烧或烧结构成栅极14和绝缘层13的材料，代替用碳浆的丝网印刷法的方法是，绝缘层13的整个表面上形成导电层，用常规的光刻照相和干腐蚀法对导电层刻图。之后，栅极14的投影图像与阴极112的投影图像的交迭区中，在栅极14和绝缘层13中形成开口部分15，开口部分15的底部中露出多个凸出部分112A和凹进部分112B。用抗蚀剂掩模用常规的光刻腐蚀法能形成开口部分15。在对阴极112保证有足够高的腐蚀选择性的条件下进行腐蚀。或者，在凸出部分112形成之后，预先形成铬保护层，在形成开口15之后，再去掉保护层。之后，去掉抗蚀剂掩模。按此方式，制成了图20B所示的场发射器件。
作为例8中场发射器件制造方法的一个变体，用的结构中，在[步骤-810]之后，进行[步骤-830]到[步骤-850]，之后，进行[步骤-820]。这种情况下，同时进行球体燃烧和栅极14和绝缘层13所用材料的焙烧。
另外，，在[步骤-810]之后进行[步骤-830]，按与[步骤-840]相同的步骤，在绝缘层上形成没有开口的栅极。之后，进行[步骤-820]。按该方式，去掉覆盖球体80的阴极112和绝缘层13和栅极14的部分，由此，形成穿过栅极14和绝缘层13的开口部分，在位于开口部分底部中的阴极112中形成有发射电子的凸出部分112A和被凸出部分112A包围并反映每个球体80的形状部分的凹进部分112B的电子发射部分。即，随着球体80的燃烧，每个球体80中的每个闭合空间中的压力一起增大，当超过一定的压力持续极限时，覆盖球体的阴极112和绝缘层13和栅极14的部分爆炸，开口部分和凸出部分和凹进部分同时形成。而且，除去球体。开口部分穿过栅极14和绝缘层13形成，并反映球体80的部分。开口部分的底部中，留下发射电子的凸出部分112A和被凸出部分112A包围并反映球体80的形状部分的凹进部分。
例9例9是环形场发射器件制造方法的一个变体。以下将参见图21A-21C说明例9的方法。例9的方法与例8的方法的差别是，衬底11上设置多个球体的步骤包括衬底11上形成在分散剂中分散球体和阴极材料制成的组合物层81，由此，把多个球体80设在衬底11上，用阴极材料制成的阴极112覆盖球体80，之后，除去分散剂。上述步骤是湿法。首先，衬底11上设多个球体80。具体说，用球体80和阴极材料81B分散在分散剂81A中制成组合物，该组合物在衬底11上形成组合物层81。即，例如，用异丙醇作分散剂81A；聚亚甲基聚合物材料制成的平均粒径约为5μm的球体80，和作为阴极材料81B的平均粒径为0.05μm的碳颗粒，分散在分散剂81A中，制成组合物。在衬底11上丝网印刷条形组合物，形成组合物层81。图21A示出刚制成组合物层81后的状态。固定在衬底11上的组合物层81中，球体80立即沉淀在要设置的衬底11上，阴极材料81B也沉淀在球体80和衬底11上，形成阴极112，使多个球体80设在衬底11上，而且，球体80被阴极材料制的阴极112覆盖。图21B示出了这样制成的状态。之后，分散剂81挥发掉，图21C示出该状态。之后，进行与例8中步骤820-850相同的步骤，或例8中的制造方法的变体，由此，能制成与图20B所示场发射器件相同的场发射器件。
例10例10也是环形场发射器件的又一制造方法。例10的制造方法中，更具体地说，衬底上条形阴极的制造步骤包括衬底上设多个球体；衬底上形成有发射电子的多个凸出部分和每个被凸出部分包围并反映球形部分的多个凹进部分的阴极；去掉球体。用喷涂法把球体设在衬底上。球体有憎水表面处理层。以下将参见图22A,22B和22C说明例10。首先，衬底11上设多个球体180。具体说，例如玻璃制成的衬底整个表面上设多个球体180。球体180是用1,1=乙烯苯聚合物材料制成的材料芯180A涂覆聚四氟乙烯树脂的表面处理层180B构成的。球体180的平均直径是5μm，粒径分布是1％以下。用喷枪任意地把球体180设在衬底11上，密度约是1000个球/mm2。静电引力把设置的球体180固着在衬底11上。图22A示出这样制成的状态。之后，衬底11上形成有发射电子的多个凸出部分112A和每个都被凸出部分112A包围的并反映球体180的形状部分的多个凹进部分112B的阴极112。具体说，如例8所述，例如，丝网印刷条形碳浆。例10中，每个球体180的表面有憎水性，因为它有表面处理层，所以，丝网印刷在球体180上的碳浆立即受到排斥并脱落，淀积在球体180周围的碳浆形成凸出部分112A。每个凸出部分112A的顶端部分不像例8中那样尖锐。进入球体180与衬底11之间的阴极112的部分构成凹进部分112B。图22B示出了阴极112与球体180之间存在的间隙，有些情况下，球体180与阴极112相互接触。之后，例如在150℃干燥阴极112。图22B示出这样制成的状态。之后，给球体180加外力，把球体180从衬底11上除去。具体说，除去法包括清洗法，用压缩气体吹气法。图22C示出这样制成的状态。也用球体的状态改变和/或化学改变来去掉球体。更具体说，用燃烧球体法，该方法也可用于下面要说的例11中的方法。之后，进行例8中步骤-830～850，由此制成与图20B所示器件几乎相同的场发射器件。
例10的制造方法的一个变体中，可用在[步骤1010]之后进行步骤830至850，之后，进行[步骤-1020]。
例11例11也是环形场发射器件制造方法的一个变体。例11的制造方法中，衬底上形成条形阴极的步骤包括衬底上设多个球体的步骤；在衬底上形成有发射电子的多个凸出部分和每个都被凸出部分包围并反映球体形状部分的多个凹进部分的阴极，每个球体的周围形成每个凸出部分。整个表面上形成绝缘层时，阴极和衬底上形成在球体上有开口部分的绝缘层。开口部分形成反去掉球体。例11的场发射器件制造方法中，喷涂球体，在衬底上设置多个球体。每个球体有憎水表面处理层。将参见图23A,23B,24A和24B说明例11。衬底11上设多个球体180。具体说，进行与例10中[步骤-1000]相同的步骤。之后，衬底11上形成有多个在球体周围形成的发民子的凸出部分112A和每个均被凸出部分112A包围并反映球体180形状部分的多个凹进部分112B的阴极112。具体说，进行与例10中[步骤-1010]相同的步骤。阴极112和衬底11上形成球体上方有开口部分15A的绝缘层113。具体说，整个表面上丝网印刷玻璃浆料，形成约5μm厚的绝缘层。按与例8同样的方式用玻璃浆料进行丝网印刷。每个球体180表面由于有表面处理层180B所以有憎水性，所以，丝网印刷的玻璃浆料立即被排斥而脱落。每个球体180上的绝缘层113的部分由于它的表面张力的作用而收缩。结果，每个球体180的顶端在开口部分15A中露出但不被绝缘层13覆盖。图23A示出这样制成的状态。当表面处理层180B的表面张力小于玻璃浆料的表面张力时，开口部分15A会有较小的直径。表面处理层180B的表面张力比玻璃浆料的表面张力大很多时，开口部分15A会有更大的直径。之后，干燥绝缘层113，例如，在150℃干燥。之后，有开口部分15B的栅极114与绝缘层113上形成的开口部分15A连通。具体说，丝网印刷条形碳浆。按与例8中相同的方式进行碳浆料的丝网印刷。但是，由于球体180有表面处理层180B，球体180表面有憎水性。丝网印刷在球体180上的碳浆立即被排斥和脱落，由于它的表面张力而收缩，形成了碳浆只粘到绝缘层113表面的状态。该情况下，有时可能会有形成的栅极114从113的开口端部分一定程度落入开口部分15A中。之后，干燥栅极114，例如，在150℃干燥。图23B示出这样获得的状态。表面处理层180B的表面张力小于碳浆的表面张力时，开口部分15A有较小的直径。表面处理层180B的表面张力比碳浆的表面张力大很多时，开口部分15A会有更大的直径。之后，除去开口部分15A和15B中露出的球体180。具体说，球体加热到530℃左右使球体180燃烧，典型的玻璃浆料的焙烧温度下也能焙烧或烧结阴极112和绝缘层113。该情况下，与例8不同，绝缘层113和栅极114开始就有开口部分15A和15B。所以，任何情况下阴极112和绝缘层113和栅极114的部分不会消失，球体180容易去掉。开口部分15A和15B的顶端部分的直径大于球体180的直径时，用外力，如清洗或用压缩气体吹但不用燃烧，可以去掉球体180。图24A示出这样制成的状态。各向异性腐蚀绝缘层113中相当于开口部分15A的侧壁表面的部分，由此，制成了图24B所示的场发射器件。本实施例中，栅极114的下端面向下，以增大开口部分15中的电场强度。
例12例12涉及边缘形场发射器件。图25A是边缘形场发射器件的局部剖视示意图。边缘形场发射器件包括衬底11上形成的条形阴极212；衬底11和条形阴极212上形成的绝缘层13；绝缘层13上形成的条形栅极14。穿过栅极14和绝缘层13形成的开口部分15。阴极212的边缘部分212A露在开口部分15的底部中。阴极212和栅极14加电压，由此，从阴极212的端部212A发射电子。
如图25B所示，开口部分15里边的阴极212下面的衬底11中可形成凹进部分11A。另外，如图25C所示的局部剖视示意图，边缘形场发射器件可包括衬底11上形成的第1栅极14A；衬底11和第1栅极11A上形成的第1绝缘层13A；第1绝缘层13A上形成的阴极212；第1绝缘层13A和阴极212上形成的第2绝缘层13B；第1绝缘层13B上形成的第2栅极14B。和穿过第2栅极14B,第2绝缘层13B，阴极212和第1绝缘层13A形成的开口部分15。阴极212的边缘部分212A露在开口部分15的侧壁上。阴极212和第1第2栅极14A和14B上加电压，由此，从阴极212的边缘部分212A发射电子。
将参见表示衬底的局部端视示意图的图26A,26B和26C说明例如图25C所示的边缘形场发射器件的制造方法。首先，玻璃制成的衬底11上溅射W，形成0.2μm厚的W层，用光刻照相和干腐蚀法给W层刻图，形成第1栅极14A之后，整个表面上形成约0.3μm厚的SiO2第1绝缘层13A；之后，第1绝缘层13A上形成条形W阴极212(见图26A)。之后，整个表面上形成0.7μm厚的SiO2制成的第2绝缘层13B；之后，第2绝缘层13B上形成条形第2栅极14B，见图26B。构成2栅极14B的材料可与构成第1栅极14A的材料相同，也可不同。之后，整个表面上形成抗蚀层90，抗蚀层90中形成抗蚀剂开口部分90A，使第2栅极14B的部分表面露出。当视图是平面视图时，抗蚀剂开口部分90A是矩形。矩形的长边长约100μm，矩形的短边长几μm至10μm。之后，各向同性腐蚀抗蚀剂开口部分90A的底部露出的第2栅极14B，例如用RIE法，形成开口部分。之后，各向异性腐蚀开口部分底部中露出的第2绝缘层13B，形成开口部分，见图26C。由于第2绝缘层13B用SiO2构成，因此用缓冲的氢氟酸水溶液进行湿腐蚀。由第2栅极14B中形成的开口部分的开口端部分凹进第2绝缘层13B中形成的开口部分的侧壁表面。该情况下，通过调节腐蚀时间能控制凹进量。本实施例中，进行湿腐蚀直到第2绝缘层13B中形成的开口部分的下端从第2栅极14B中形成的开口部分的开口端部分凹进为止。
在用离子作主要腐蚀物质的条件下干腐蚀开口部分底部中露出的阴极212。用离子作主要腐蚀物质的干腐蚀中，通常是给要腐蚀的物体加偏压，加速作为带电颗粒的离子，或者，利用等离子体与磁场的相互作用，进行各向同性腐蚀处理，这样，使被腐蚀物体的垂直壁具有经过处理的表面。但是，该步骤中，等离子体中主腐蚀物质包含一些不是90°入射的组分，而且，由于开口部分的端部上的散射会产生一些斜着进入的组分，有可能出现因开口部分的屏蔽作用产生的主腐蚀物质进入离子最初不应到达的区域。该情况下，相对于衬底11的法线有较小入射角的主腐蚀物质表现出较高的进入几率，有较大入射角的主腐蚀物质的进入几率较小。
因此，阴极212中形成的开口部分的上端位置几乎与第2绝缘层13B中形成的开口部分的下端部分对齐，阴极212中形成的开口部分的下端部分的位置从它的上端凸出。即，阴极212的边缘部分212A的厚度前端按朝伸出的方向减小，而且边缘部分212A是尖锐的。例如，用SF6作腐蚀气体时，能对阴极212进行优良地处理。
各向异性腐蚀阴极212中形成的开口部分底部中露出的第1绝缘层13A，在第1绝缘层13A中形成开口部分，从而形成开口15。本实施例中，用缓冲的氢氟酸水溶液进行湿腐蚀。第1绝缘层13A中形成的开口部分的侧壁表面从阴极212中形成的开口部分的下端部分凹进。该情况下，可通过调节腐蚀时间来控制凹进量。形成开口部分15之后，去掉抗蚀层90，得到图25C所示结构。
例13例13中，把本发明的发光晶粒用于阴极射线管(CRT)。而且，显示板作为CRT的面板。图27示出彩色电视玻璃管的局部开示意图。如图27所示，面板300是把玻璃板301和漏斗302用玻璃粘接在一起构成的。拉紧带307绕在靠近漏斗302的玻璃板301周围，以增加彩色电视玻璃管的强度。如图28的透视图所示，选色件303有槽304。当拉力按槽304的延伸方向加到它上面的状态下用电阻焊接或激光焊把小孔栅形选色件303连接到框架305上。用弹簧构成的连接工具306把框架305可拆卸地连接到玻璃板301上。玻璃板301的内表面301A中形成荧光层314。用发光晶粒形成荧光层314已在例1中说明过了。荧光层314上形成金属背面层。但没画金属背面层。
将参见是玻璃板的局部端视示意图的图29A,29B,29C,30A和30B说明面板，特别是荧光层314的制造方法。用有按垂直于玻璃板301的方向平行延伸的条形槽304有小孔栅形选色件303的玻璃板301形成条形彩色荧光层。选色件303只在图29B中示出。
首先，玻璃板301的内表面301A加光敏涂层310并干燥，见图29A。之后，在光敏涂层310中用光源(没画)发出的紫外线光通过条形槽(见图29B)辐射形成条形曝光区311。上次的曝光处理通过改变光源位置进行3次，以形成红(R)，绿(G)和兰(G)3色荧光层。之后，对光敏涂层310显影，选择性地去掉光敏涂层，曝光和显影后剩下的部分312留在玻璃板301的内表面301A上，见图29C。之后，整个表面上加碳剂，用除去法去掉留光敏涂层312和它上面的碳剂，形成碳剂构成的条形黑色矩阵313，见图30A。之后，在玻璃板301的露出的内表面301B上(面板301中黑色矩阵313之间的露出内表面部分301B)形成发R、G、B光的条形荧光层314，见图30B。具体说，用例1中所述的发光晶粒(荧光颗粒)制备发光晶粒组合物，例如，发红光的光敏发光晶粒组合物(荧光浆料)加到整个表面上，经曝光和显影；之后，绿光的光敏发光晶粒组合物加到整个表面上，经曝光和显影；之后，发兰光的光敏发光晶粒组合物加到整个表面上，经曝光和显影。
选色件可以是点形荫罩式或槽形荫罩式选色件。
例14例14中，本发明的发光晶粒用于等离子显示器(PDP)。图31示出AC等离子显示器的典型结构。该AC等离子显示器变成所谓的3-电极型，并在一对持续放电电极413之间放电。图31所示AC等离子显示器用前面板410和后面板420在其周边部分粘接制成。通过前面板410观察后面板420上的荧光层424发光。
前面板410包括透明第1衬底411；第1衬底411上形成的条形的用透明导电材料制成的多对持续放电电极413；设置电极412，用于降低持续放电电极413的阻抗，用电阻值比持续放电电极413的电阻小的材料制成；第1衬底411，母电极412和持续放电电极413上形成(起介电膜的作用的保护层414。
背面板420包括第2衬底421；第2衬底421上形成的条形地址电极422(也叫数据电极)；第2衬底421和地址电极422上形成的介电膜423；存在于介电膜423上和一个地址电极422与另一个相邻地址电极422之间的区域中的绝缘隔离壁425，它与地址电极422平行延伸；在介电膜423上形成的并在隔离壁425的侧壁上延伸的荧光层424。荧光层424由红荧光层424R，绿荧光层424G和兰荧光层424B构成，按预定的顺序形成发R、G、B光的荧光层424R,424G和424B。用例1中说明了的发光晶粒制成这些荧光层424R,424G和424B。制造荧光层的方法包括厚膜丝网印刷法，其中，发光晶粒组合物含例1中说明过的发光晶粒，用喷涂法加荧光颗粒，该方法中用粘接材料把磷光颗粒粘接到要形成荧光层的槽上。该方法中，用光敏发光材料浆料，并对荧光层进行曝光和显影给荧光层构图。方法中，整个表面上形成荧光层，用喷砂法去掉不需要的部分。
图31是分解透视图，实际的实施例中，背面板一侧上的每个隔离壁425的顶部分前面板一侧上的保护层414接触。位于两个隔离壁425之间的一对持续放电电极413和地址电极422的重叠层对应放电单元。被相邻隔离壁425，荧光层424和保护层414包围的空间充有稀有气体。
持续放电电极413的延伸方向与地址电极422的延伸方向相互垂直，一对持续放电电极413与一组发了原色光的荧光层424R,424G和424B的重叠区对应一个象素。一对持续放电电极413之间产生辉光放电，所以，这种等离子显示器叫“表面放电型”等离子显示器。每个放电单元中，由辉光放电产生的真空紫外线辐射激励荧光层，按发光材料的颜色特性在稀有气体中发光。真空紫外线的波长与所产生的包围的稀有气体的种类有关。例如稀有气体He(氦)的共振线波长是58.4nm；Ne(氖)的共振线波长是74.4nm；Ar(氩)的共振线波长是107nm；Kr(氪)的共振线波长是124nm；Xe(氙)的共振线波长是147nm；这些稀有气体可单独使用，也可作为混合物使用。但是，混合气体特别有用，因为，根据penming效应，可望降低放电起始电压。上述混合气体的实例包括Ne-Ar混合气体，He-Xe混合气；和Ne-Xe混合气。这些稀有气体中，共振线波长最长的Xe(氙)很合适，因为它能辐射出172nm的真空紫外线。
以上已用实施说明了本发明。但发明不限于这些实例。平面显示器，阴极射线管，等离子显示器，冷阴极场发射显示器，冷阴极场发射器件的结构和构成，发光晶粒的组合物及它们的制造方法都用实例说明，而且可按要求更换或改进。而且，平面显示器，冷阴极场发射器件和阴极射线管的制造方法也用实例说明了。但它们也可以按要求更换和改进。
而且，冷阴极场发射器件的制造中用的各种材料也用例子作了说明，它们也可按要求更换和改进。冷阴极场发射器件中，已经说明了的实例中，一个电子发射部分主要与一个开口部分有关。但是，冷阴极场发射器件的某些结构中，可用一个结构，其中，多个电子发射部分与一个开口部分相关，或者，一个电子发射部分与多个开口部分有关。
而且，冷阴极场发射器件可以构成为在衬底上形成电子发射部分，还在衬底上形成栅极支承部分，有多个孔的条形导电材料箔支承在栅极支承部分上，使多个孔位于电子发射区上，由条形导电材料箔制成栅极，而且，在电子发射区上面有多个孔。
而且，电子发射区也能够用通常所述的表面传导式场发射器件构成。表面传导式场发射器件包括玻璃衬底和衬底上形成的列阵形电极对，构成电极的导体材料例如有氧化锡(SnO2)，金(Au)，氧化铟(In2O3)/氧化锡(SnO2)，碳或氧化钯(PdO)，而且，有精细面积和有恒定间隔(间隙)设置的一对电极。每个电极上形成碳薄膜。行方向的布线连接到一对电极中的一个电极，列方向的布线连接到另一电极。电极对上加电压时，电场加到经间隙而相对放置的碳薄膜上，从碳薄膜发射电子。这种电子允许碰撞显示板(阳极板)上的发光层，激励发光层，得到所需的图像。
本发明中，由于确定了从发光晶粒表面到能量束或电子能进入并到达部分之间的深度区中的晶格缺陷密度(发光晶粒区主要用于发光)，不仅能提高发光晶粒的发光效率，还能防止损坏发光晶粒。结果，平面显示器的亮度损失随时间消逝可以减小到实际使用中几乎不会引起损坏的程度。
权利要求
1．发光晶粒，用能量束辐射它而发光，从发光晶粒表面到能量到达的深度区域中的晶格缺陷密度为5×107缺陷/cm2或更低。
2．按权利要求1的发光晶粒，其中，从晶粒表面到能量束到达的部分的深度区域中的晶格缺陷密度是1×107缺陷/cm2或更低。
3．按权利要求1的发光晶粒，其中，发光晶粒是荧光颗粒。
4．按权利要求1的发光晶粒，其中，能量束是电子束。
5．按权利要求4的发光晶粒，其中，用于辐射发光晶粒的电子束能量是0.5kev至35kev。
6．按权利要求4的发光晶粒，其中，用于辐射发光晶粒的电子束的能量是0.5kev至10kev，电子从发光晶粒表面的渗透深度是0.5μm或更小。
7．按权利要求1的发光晶粒，其中，能量束是紫外线。
8．按权利要求7的发光晶粒，其中，用于辐射发光晶粒的紫外线的波长是100nm至400nm。
9．按权利要求1的发光晶粒，其中，发光晶粒的平均粒径是1×10-8m至1×10-5m。
10．按权利要求1的发光晶粒，其中，发光晶粒的平均表面粗糙度是5nm或更小。
11．显示板，包括支承件；发光晶粒制成的发光层，用从真空中飞出的电子辐射它而发光；和电极；所述发光晶粒从其表面到电子到达部分的深度区域中的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
12．平面显示器，有显示板和有多个电子发射区的背面板，其中，显示板和背面板经真空空间相互面对设置，所述显示板包括支承件；发光晶粒制成的发光层，用从电子发射区飞出的电子辐射发光层而发光；和电极，和所述发光晶粒从它表面到电子到达的部分的深度区中晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
13．按权利要求12的平面显示器，其中，每个电子发射区包括一个或多个冷阴极场发射器件，所述冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上形成的条形阴极；(C)衬底和阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；(E)穿过栅极和绝缘层的开口部分；(F)位于开口部分底部中的阴极部分上形成的电子发射部分；和开口部分底部中露出的用于发射电子的电子发射部分。
14．按权利要求12的平面显示器，其中，每个电子发射区包括一个或多个冷阴极场发射器件，所述冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上形成的条形阴极；(C)衬底和阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；和(E)穿过栅极和绝缘层的开口部分，阴极在开口的底部露出；和开口部分底部中露出的阴极部分用于发射电子。
15．按权利要求12的平面显示器，其中，每个电子发射区包括一个或多个冷阴极场发射器件，所述冷阴极场发射器件包括(A)衬底；(B)衬底上面或上方形成的有边缘部分的条形阴极；(C)至少一个阴极上形成的绝缘层；(D)绝缘层上形成的条形栅极；和(E)至少穿过栅极和绝缘层的开口部分；阴极的在开口部分底部中或侧壁上露出的边缘部分发射电子。
16．发光晶粒组合物，包括分散在分散媒质中的发光晶粒的分散体，用能量束辐射发光晶粒使其发光，每个发光晶粒从其表面到能量束达到部分的深度区域中的晶格缺陷密度是5×107缺陷/cm2或更低。
全文摘要
用能量束辐射发光的发光晶粒,从发光晶粒的表面到能量束到达的深度之间的区域的晶格缺陷密度为5×10
文档编号H01J11/42GK1312572SQ01117238
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月24日 优先权日2000年2月25日
发明者梶原和夫 申请人:索尼公司