专利名称：电子发射器件及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电子发射器件和该器件的制造方法，且特别涉及一种具有高的高宽比(aspect ratio)孔的电子发射器件及其制造方法。
背景技术：
通常，电子发射器件分为用热阴极作为电子发射源的第一类和用冷阴极作为电子发射源的第二类。
第二类电子发射器件包括被称为场发射阵列(FEA)型的器件、表面传导发射(SCE)型的器件、金属-绝缘体-金属(MIM)型的器件和金属-绝缘体-半导体(MIS)型的器件。
FEA型电子发射器件基于如下原理，在真空中，当具有低的功函数或高的高宽比(aspect ratio)的材料被用作电子发射源时，暴露于电场的电子容易从该材料中发射出来。已经发展出由包括钼(Mo)或硅(Si)或含碳材料例如碳纳米管、石墨和类钻碳制成的尖头结构作为电子发射源。
在FEA型电子发射器件中，在第一衬底上依次形成阴极、绝缘层和栅极，且在栅极和绝缘层上形成孔。在上述孔内的阴极上形成电子发射区。在面对第一衬底的第二衬底的表面上形成荧光层和阳极。
通过重复进行几次丝网印刷、干燥和煅烧工艺形成绝缘层，使之具有5-30μm厚度。通过湿法刻蚀构图绝缘层形成孔。由于刻蚀是以各向同性的方式进行的，所以通过该湿法刻蚀，绝缘层不但在垂直方向上被刻蚀，在水平方向上也被刻蚀。因此，孔的宽度变得比孔深大，并且结果孔具有等于1或小于1的高宽比。
当绝缘层的厚度增加且达到难于实施微观构图工艺的临界值时，上述这种现象就更为严重地显现出来。因此，像素难于在第一衬底上以紧凑的方式排列，且不能获得期望的高分辨率显示屏。由于在像素的预定面积内能排列的电子发射区是有限的，因此难于发射合适总量的电子。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种电子发射器件以及该电子发射器件的一种制造方法，该方法提高了形成在绝缘层中的孔的高宽比，使得能够进行微观构图，且使得能够获得高的分辨率和高亮度。
在本发明的一个实施例中，在制造电子发射器件的方法中，在衬底上首先形成阴极。在衬底的整个表面上形成绝缘层使得绝缘层覆盖阴极。该绝缘层被湿法刻蚀两次或以上，以在绝缘层上形成每个都具有大于1的高宽比的孔。在绝缘层上形成栅极。在绝缘层的孔中的阴极上形成电子发射区。
可以采用具有相同尺寸孔的分开的掩模图样(separate mask patterns)来实施刻蚀。可以实施刻蚀使得造成底切(under-cut)。
在本发明的另一个实施例中，在制造电子发射器件的方法中，在衬底上首先形成阴极。在衬底的整个表面上形成绝缘层使得绝缘层覆盖阴极。在绝缘层上形成具有孔的第一掩模图样。绝缘层上通过第一掩模图样上的孔暴露出的部分通过湿法刻蚀第一次被刻蚀，并除去第一掩模图样。在绝缘层上形成第二掩模图样。第二掩模图样具有与第一掩模图样的孔同样尺寸的孔。绝缘层上通过第二掩模图样上的孔暴露出的部分通过湿法刻蚀被第二次刻蚀，并除去第二掩模图样。在绝缘层上形成第三掩模图样。第三掩模图样具有与第一掩模图样的孔同样尺寸的孔。绝缘层通过第三掩模图样上的孔暴露出的部分通过湿法刻蚀被第三次刻蚀，并除去第三掩模图样。在绝缘层上形成栅极。在绝缘层的孔内的阴极上形成电子发射区。
可以实施第一刻蚀除去绝缘层厚度的1/3。可以实施第二刻蚀除去剩余的绝缘层厚度的1/2。可以实施第一、第二和第三刻蚀使得造成底切。
在本发明的再一个示范性实施例中，电子发射器件包括以预定距离彼此面对的第一和第二衬底、形成在第一衬底上的阴极、和形成在阴极上的电子发射区。在阴极上形成具有高宽比大于1的孔的绝缘层。在各自的电子发射区形成位置形成绝缘层的孔。在绝缘层上形成栅极。在第二衬底上形成荧光层。在荧光层表面形成至少一个阳极。绝缘层可以具有5-30μm厚度。
图1A是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第一阶段的示意图。
图1B是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第二阶段的示意图。
图1C是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第三阶段的示意图。
图1D是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第四阶段的示意图。
图1E是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第五阶段的示意图。
图1F是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第六阶段的示意图。
图1G是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第七阶段的示意图。
图1H是一个实施例中电子发射器件制造工艺的第八阶段的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的电子发射器件的绝缘层的局部截面图。
图3是根据本发明的一个实施例的电子发射器件的局部分解透视图。
图4是根据本发明的一个实施例的电子发射器件的局部截面图。
具体实施例方式
如图1A所示，首先在第一衬底2上形成沿第一方向布置的阴极4，并在第一衬底2的整个表面上形成绝缘层6使之覆盖阴极4。可以通过重复进行丝网印刷、干燥和煅烧工艺形成绝缘层6，使绝缘层6具有5-30μm厚度。
此后，在绝缘层6上形成具有孔81的第一掩模图样。第一掩模图样8可以由光敏膜制成，该光敏膜通过使用曝光掩模(未示出)的光刻工艺构图以形成孔81。
如图1B所示，以预定厚度湿法刻蚀绝缘层6通过第一掩模图样8的孔81暴露出的部分以形成第一刻蚀部分61。在此过程中，进行刻蚀使得在第一掩模图样8的下面造成底切(under-cut)。这样，第一刻蚀部分61的最大宽度确立为大于第一掩模图样8的孔81的宽度。绝缘层6被刻蚀掉先前厚度的1/3以形成第一刻蚀部分61。在第一刻蚀部分61形成后，第一掩模图样8被除去。
如图1C所示，在绝缘层6上形成具有孔101的第二掩模图样10。第二掩模图样10也可以由光敏膜制成，该光敏膜通过使用曝光掩模(未示出)的光刻工艺构图以形成孔101。该曝光掩模与形成第一掩模图样8时使用的相同。因此，第一掩模图样10的孔101具有与第一掩模图样8的孔81相同的尺寸。第二掩模图样10覆盖第一刻蚀部分61的侧壁。
如图1D所示，以预定厚度湿法刻蚀绝缘层6通过第二掩模图样10的孔101暴露出的部分，以形成第二刻蚀部分62。即使在此过程中，也进行刻蚀使得在第二掩模图样10的下面造成底切。
这样，第二刻蚀部分62的最大宽度确立为大于第二掩模图样10的孔101的宽度。剩余的绝缘层6可以被刻蚀掉先前厚度的1/2以形成第二刻蚀部分62。在第二刻蚀部分62形成后，除去第二掩模图样10。
如图1E所示，在绝缘层6上形成具有孔121的第三掩模图样12。第三掩模图样12的孔121也具有与第二掩模图样10的孔101相同的尺寸。为此，第三掩模图样12由通过使用与形成第二掩模图样10时所用的相同的曝光掩模的光刻工艺而构图的光敏膜制成。因此，第三掩模图样12覆盖第二刻蚀部分62的侧壁。
如图1F所示，绝缘层6通过第三掩模图样12暴露出的部分被完全刻蚀掉以形成暴露出阴极4的第三刻蚀部分63。即使在此过程中，也进行刻蚀使得在第三掩模图样12的下面造成底切。这样，第三刻蚀部分63的最大宽度被确立为大于第三掩模图样12的孔121的宽度。
如图1G所示，第三掩模图样12被除去以完成绝缘层6的孔64。这样，通过重复三次湿法刻蚀工艺和光刻工艺在绝缘层6中形成了孔64，而且每一个完成的孔64都具有大于1的高宽比。
上面已经阐明，绝缘层6中孔64是通过重复三次湿法刻蚀工艺和光刻工艺而形成的，但依据绝缘层6的厚度，光刻工艺和刻蚀工艺也可能实施仅仅两次，或者四次或更多次。
如图1H所示，在绝缘层6上形成栅极14，并在绝缘层6的孔64中形成电子发射区16。该电子发射区16由当在真空中被施以电场时发射电子的材料制成，例如含碳材料或纳米尺度材料。电子发射区16可以由碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C60、硅纳米线或其组合制成。
为了形成电子发射区16，将有机材料例如媒液(vehicle)和/或粘合剂与电子发射材料混合以制备粘度适合印刷的粘稠状的混合物。该混合物被丝网印刷到目标物上、干燥并煅烧。作为另一种选择，在形成电子发射区16时，在粘稠状混合物中加入光敏材料以形成新的混合物，并且该混合物被丝网印刷到第一衬底的整个表面上，并被部分硬化。未被硬化的混合物通过显影除去。电子发射区16可以采用直接生长、化学气相淀积或溅射技术形成。
如上所述，通过重复进行两次或更多次光刻工艺和湿法刻蚀工艺，可以容易地在绝缘层6上形成高宽比大于1的孔64。在图2所示已完成的孔64中，在第一刻蚀部分61的侧壁与第二刻蚀部分62的侧壁之间设有第一边界部分65，使其与这些侧壁以预定角度倾斜。在第二刻蚀部分62的侧壁与第三刻蚀部分63的侧壁之间设有第二边界部分66，使其与这些侧壁以预定角度倾斜。
如图3和图4所示，电子发射器件包括以预定距离彼此面对的第一衬底2和第二衬底20。在第一衬底2上提供电子发射结构以发射电子。光发射或显示结构位于第二衬底20上，发射由来自电子发射结构的电子产生的可见光，从而制造光发射或显示期望的图象。
阴极4在衬底2上沿一个方向(图中y轴方向)呈条纹状布置。在第一衬底2的整个表面上形成绝缘层6，覆盖阴极4。在绝缘层6上垂直于阴极4的方向(图中x轴方向)上构图栅极14为条纹状。
阴极4与栅极14交叉区域形成了子象素区。在阴极4上各个子象素区内形成电子发射区16。相应于各个电子发射区16，在绝缘层6中形成孔64且在栅极14中形成孔141，暴露出第一衬底2上的电子发射区16。
电子发射区16由当在真空中被施以电场时发射电子的材料制成，例如含碳材料或纳米尺度材料。电子发射区16可以由碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C60、硅纳米线或其组合制成。可以采用丝网印刷、直接生长、化学气相淀积或溅射技术形成电子发射区16。
在附图中示出电子发射区16是圆形且在各个子象素区沿阴极4的长度方向呈直线排列。然而，发射区16的形状、每个子象素区内发射区16的数目以及电子发射区16的排列并不局限于此，而是可以以多种方式作改变。
在第二衬底20面对第一衬底2的表面上形成固定间距的红、绿和蓝色荧光层22，并在相邻的荧光层22之间形成黑色层24以提高屏幕对比度。在荧光层22和黑色层24上形成以含铝(Al)金属层制成的阳极26。阳极26从外部接收加速电子束所需的高电压，并把从荧光层22向第一衬底2发出的可见光反射到第二衬底20，因此提高了屏幕亮度。
作为另一种选择，阳极可以由基于铟锡氧化物(ITO)的透明导电膜代替金属层。在此实施例中，在荧光层和黑色层面对第二衬底的表面上形成阳极。阳极可以被构图为多个部分。
在第一和第二衬底2和20之间形成隔板28。用密封胶例如玻璃粉将第一和第二衬底2和20在隔板的边缘处彼此密封，在第一和第二衬底2和20之间的内部空间抽空以形成真空，因此构成电子发射器件。
通过向阴极4、栅极14和阳极26施加预定电压来驱动以上构造的电子发射器件。例如，向阴极4和栅极14施加具有几到几十伏特电压差的电压，并向阳极26施加几百到几千伏特的正电压。
像素处的电子发射区16处的阴极4和栅极14之间的电压差超过域值，且电子从电子发射区16发射出来，就在像素处的电子发射区16附近形成电场。发射出的电子被施加于阳极26的高电压所吸引，因此与相应的荧光层22碰撞，并导致从荧光层的发光。
在根据本发明的实施例的电子发射器件中，由于通过上述方法在绝缘层6上形成孔64，孔64的深度被确立为大于其宽度，因此，孔64具有大于1的高的高宽比。
在形成在第一衬底2上的电子发射结构中，微观构图产生了大量在狭窄的子像素区内排列的电子发射区16，或者子像素区可以被最小化或减小。在前一种情况下，发射出的电子的总量被提高以有效地增加屏幕亮度。在后一种情况下，可以很容易地达到期望的高分辨率。
本领域的技术人员应该明白，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变化。这样，意图是本发明覆盖了他们所提供的在所附权利要求及其等价物范围内的修改和变化。
权利要求
1.一种制造电子发射器件的方法，所述方法包括(a)在衬底上形成阴极；(b)在衬底整个表面形成绝缘层，使得所述绝缘层覆盖阴极；(c)对所述绝缘层进行两次或两次以上湿法刻蚀，使得在绝缘层中形成每一个都具有大于1的高宽比的孔；(d)在所述绝缘层上形成栅极；(e)在所述绝缘层的孔内的阴极上形成电子发射区。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过使用具有同样尺寸孔的不同的掩模图样实施刻蚀。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过使用同样曝光掩模的光刻形成掩模图样。
4.如权利要求2所述的方法，其中实施刻蚀使得造成底切。
5.如权利要求1-4之一所述的方法制造的电子发射器件，其中所述绝缘层具有一个或更多个形成在孔的侧壁的边界部分。
6.一种制造电子发射器件的方法，所述方法包括(a)在衬底上形成阴极；(b)在衬底整个表面形成绝缘层，使得所述绝缘层覆盖阴极；(c)在所述绝缘层上形成具有孔的第一掩模图样；(d)通过湿法刻蚀第一次刻蚀绝缘层从第一掩模图样的孔中暴露出的部分，并除去第一掩模图样；(e)在所述绝缘层上形成第二掩模图样，所述第二掩模图样具有与第一掩模图样的孔相同尺寸的孔；(f)通过湿法刻蚀第二次刻蚀绝缘层从第二掩模图样的孔中暴露出的部分，并除去第二掩模图样；(g)在所述绝缘层上形成第三掩模图样，所述第三掩模图样具有与第一掩模图样的孔相同尺寸的孔；(h)通过湿法刻蚀第三次刻蚀绝缘层从第三掩模图样的孔中暴露出的部分，并除去第三掩模图样；(i)在所述绝缘层上形成栅极；和(j)在所述绝缘层孔内的阴极上形成电子发射区。
7.如权利要求6所述的方法，其中实施所述第一次刻蚀使得绝缘层厚度的1/3被除去。
8.如权利要求6所述的方法，其中实施所述第二次刻蚀使得剩余绝缘层厚度的1/2被除去。
9.如权利要求6所述的方法，其中实施所述第一刻蚀、第二刻蚀和第三刻蚀使得造成底切。
10.如权利要求6-9之一所述的方法制造的电子发射器件，其中所述绝缘层的孔具有大于1的高宽比。
11.一种电子发射器件，包括以预定距离彼此面对的第一衬底和第二衬底；形成在第一衬底上的阴极；形成在阴极上的电子发射区；形成在阴极上具有高宽比大于1的孔的绝缘层，所述绝缘层的孔形成在各个电子发射区的形成位置中；形成在所述绝缘层上的栅极；形成在所述第二衬底上的荧光层；和形成在所述荧光层表面上的至少一个阳极。
12.如权利要求11所述的电子发射器件，其中所述绝缘层具有5-30μm的厚度。
全文摘要
在一种制造电子发射器件的方法中，在衬底上首先形成阴极。在衬底的整个表面上形成绝缘层使得该绝缘层覆盖所述阴极。所述绝缘层被湿法刻蚀两次或更多次，使得在该绝缘层上形成每个都具有大于1的高宽比的孔。在所述绝缘层上形成栅极。在所述绝缘层的孔内的阴极上形成电子发射区。使用具有同样尺寸孔的剥蚀掩模图样实施各个刻蚀，使得造成底切。
文档编号H01J29/02GK1728321SQ200510088149
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年7月30日
发明者柳敬善, 黄成渊 申请人:三星Sdi株式会社