专利名称：制作平板显示系统和元件的方法
技术领域：
本发明的技术领域一般地说，本发明涉及平板显示器，较具体地说，本发明涉及制作平板显示系统和元件的方法。
相关申请的互相参考下列共同未决及共同转让的美国专利申请含有相关的信息，并在此引用作为参考美国专利申请申请号07/851,701；代理人登记号M0050-P01US；标题“基于金刚石薄膜的平板显示器，”递交于1992年3月16日；以及美国专利申请申请号08/071,157；代理人登记号M0050-P03US；标题为“非晶态金刚石薄膜平板场致发射阴极”，递交于1993年6月2日。
本发明的背景在诸如平板显示器和真空微电子器件等各种应用中，场致发射是有用的。基于场致发射的显示器与其他现有的平板显示器相比具有一些本质上的特别优点，这包括低功耗、高强度、和成本一般较低。不过现有的基于场致发射的平板显示器在需依赖于难以制作的微加工的金属尖这一点上来说是有缺点的。金属尖制作工艺的复杂性和由此造成的低成品率导致了成本的增大，这又影响了整个显示系统的成本，从而是不利的。
场致发射是这样一种现象，它发生在当一个接近于发射材料的表面的电场使存在于该发射材料的表面的势垒宽度变窄的时候。这种势垒变窄引起了量子隧道效应的发生，使得电子得以穿越势垒而从材料中发射出来。场致发射的量子力学现象和经典的热发射现象的区别在于，对于后者，发射材料内的热能就足以使电子从材料中释放出来。
引起电子从某种特定材料的表面发生场致发射所需的电场强度(场强)取决于该材料的有效“功函数”。(或称“逸出功”)。许多材料具有正的功函数，所以它们需要比较强的电场来引起场致发射。其他一些材料，如铯、氮化钽和单硅化三铬等，可以具有低的功函数，从而不需要强电场来产生发射。这类材料的一个极端情形是具有负的电子亲和性，使得有效功函数非常接近于零(＜0.8eV)。正是这后一种材料可以以薄膜的形式淀积在导体上，形成一个具有比较低的电子发射阈值电压的阴极。
在以往技术的器件中，通过提供一种能够使位在一个锥顶处的比较尖的单个点上的局部电场增大的阴极几何形状(例如微尖阴极)，来增强电子的场致发射。例如，于1989年8月15颁发给Spindt等人的美国专利No.4,857,799中提出了一种利用场致发射阴极的矩阵寻址式平板显示器。这种阴极制作在显示器背面的结构中，用来激励平板另一面上相应的阴极发光区、Spindt等人使用了按矩阵排列的多个微尖场致发射阴极，各阴极的尖顶对准了阴极上方的吸引栅极中的各个开口。再在吸引栅极上方加上一个阳极，Spindt等人提出的显示器是一种三极(三端)显示器。
由于微尖具有精细的几何形状，制作微尖阴极是困难的。除非整个显示器上的各个微尖都有一致的几何形状，否则不同的微尖就会有不同的发射，使得显示器的发光不均匀。此外，由于制造公差比较严，制作这种微尖显示器是昂贵的。因此，至今还一直在进行着努力试图设计能够大批量生产的具有一致严格公差的阴极。
除了致力于解泱关于制造公差的问题之外，为了使吸引场的强度最小化，还在致力于选择和利用有较低有效功函数的发射材料。1976年3月30日颁发给Fraser Jr.等人的美国专利No.3,974,716中提出了一种场致发射尖，其上选择性地淀积了一种金属吸收剂。此外，在具有降低了功函数的发射平面表面上有选择性地刻出了镀膜的尖，而非发射平面表面具有增大了的功函数。虽然这样做出的微尖具有改善的发射特性，但由于需要精细的几何形状，制作成本是昂贵的。精细几何形状的要求还使得难以保持各个微尖的发射一致性。在需要象平板显示器这样的大微尖阵列的情形中，这种缺点是不能容忍的。
另外的努力是设法找到用负电子亲和性材料作为阴极镀层的阴极的适当的几何形状。例如，1976年7月20日颁发给Smith等人的美国专利No.3,970,887提出了一种微小场致发射电子源及其制作方法。在该情形中，多个单晶半导体提升场致发射尖形成在场致发射阴极上所希望的地点处，并且和单晶半导体基底集成在一起。根据Smith等人的场致发射源仍需要Fraser Jr.等人的尖锐的尖头阴极，因此也会有上述的缺点。
1981年12月29日颁发给Gray等人的美国专利No.4,307,507和颁发给Busta等人的美国专利No.4,685,996描述了制作场致发射器结构的方法。特别是Gray等人提出了一种制作场致发光器阵列阴极结构的方法，其中有选择性地遮掩了一个单晶物质的基底，从而没有被遮掩的区域就确定了基底上的一些岛区。位在未被遮掩部分下面的单晶物质受到有方向性的蚀刻，开成一个由许多孔组成的阵列，每个孔的侧壁相交在一个结晶学上的尖点处。Busta等人也提出了一种制作场致发射器的方法，它包括各向异性地蚀刻一个单晶硅基底，以在基底上形成至少一个漏斗状的突起。Busta等人还给出了尖头阴极的制作方法。
在1989年8月8日颁发给Busta等人的美国专利No.4,885,636和1990年10月23日颁发给Gray等人的美国专利No.4,964,946中，还进一步说明了锐尖头阴极。Gray等人还特别公开了一种利用软水平平面化技术(例如旋转涂布)的制作软对准场致发射器阵列的工艺。
虽然使用低有效功函数材料可以改进发射性，但是上面所引述的尖头阴极还是存在由要求精细几何形状所带来的固有缺点制作尖头阴极是昂贵的，并且要在整个阵列上达到一致的发射性也是困难的。平板阴极有助于使这些缺点最小化。由于排除了微尖几何形状，制作大量的平板阴极(例如阵列中的阴极)要便宜得多，而且也比较不困难。在1992年3月16日递交的标题为“基于金刚石薄膜的平板显示器”的专利申请No.07/851,701中，首次公开了另外一种阴极结构。专利申请No.07/85,1701公开了一种与前述微尖结构相比具有较为平坦的发射面的阴极。在这种阴极的一个优选实施例中，采用了具有较低的有效功函数的场致发射材料。这种材料被淀积在一导电层上，形成了多个发射址，每个发射址都能在存在有较低强度的电场时发射出电子。
材料科学领域内的一个较近期的发展是发现了非晶态金刚石。C.Collins等人在德克塞斯科学期刊(Texas Journal of Science)1989年Vol.41，no.4上发表的“薄膜金刚石(Thin-Film Diamond)”一文对非晶态金刚石的结构和特性进行了详细的讨论。Collins等人描述了一种用激光淀积技术制作非晶态金刚石薄膜的方法。如其中所述，非晶态金刚石含有多个微晶(micro-crystallite)，每个微晶都具有取决于薄膜制备方法的特定结构。对于这些微晶的形成方式和特殊性质尚未完全明了。
金刚石有负的电子亲和性。也就是说，只需要较低的电场强度来使金刚石表面处的势垒变窄。所以金刚石是用于场致发射阴极的十分理想的材料。例如，由S.Bajic和R.V.Latham(英国AstonTriangle，Burmingham B47ET，Aston大学电子工程和应用物理系)发表的“利用树脂-碳组合镀层的增强型冷阴极发射”(1987年5月29日收到)描述了一种新型树脂-碳组合场致发射阴极，已发现它在低达约1.5MVm-1的外加电场下便被激发，然后一般在大于或等于8MVm-1的中等外加电场下保持有大于或等于1mA的稳定发射电流，并且这时具有反向的I-V(电流-电压)特性。利用直接电子发射成象技术证明了所有外部记录的电流都源自随机分布于阴极表面上的各个发射址的高密度发射。所观察到的特性已利用一种涉及与金属_绝缘体_金属_绝缘体_真空(MI MI V)发射区有关的两级激发过程的新的热电子发射机制得到了定性的解释。不过，由于把石墨粉掺和到了树脂合成物中，造成了较大的颗粒，由于单位面积上的粒子数小，所以这导致了较少的发射址。最好能够产生更大量的发射址，以便用一个低电压源来产生更均匀的亮度。
类似地，C.Wang、A.Garcia、D.C.Ingram、M.Lake和M.E.Kordesch(美国，俄亥俄州，Athens，俄亥俄大学，物理和天文系，凝聚态物质和表面科学计划)于1991年6月10日发表的“用发射电子显微术观察到的CVD(化学气相淀积的)金刚石膜的冷场致发射”描述了对于浓化学气相淀积的“CVD”多微晶金刚石膜，已观察到，不施加外部激励，只利用足以形成图象的发射电子显微镜的加速电场的强度，就出现了发射电子。各个微晶的大小量级为1微米至10微米。淀积金刚石膜的CVD处理需要800℃高温。这个温度将使用作平板显示器基底的玻璃熔化。
总之，以往技术没有能做到的是(1)充分利用非晶态金刚石的独特性质；(2)给出具有更分散的能够发生场致发射的面积；以及(3)给出足够高的发射址密度(即较小的颗粒或微晶)以从每个阴极址产生更均匀地电子发射，同时只需要一个低电压源来产生电子发射所需电场。
本发明的概述根据本发明的一个实施例，提供了一种制作显示器阴极的方法，它包括形成一个邻接于基底表面的导电线的步骤和形成一个邻接于该导电线的选定部分的非晶态金刚石区的步骤。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种制作用于二极显示器单元的阴极板的方法，它包括下述步骤形成一个邻接于基底的一个表面的第一导电材料层。该第一导电材料层被形成图案并蚀刻，确定出多个被基底区隔开的阴极条带。邻接着阴极条带和基底间隔区，形成一个第二导电材料层。然后，邻接着第二导电材料层形成一个掩模，该掩模含有多个用来确定形成多个间隔器的位置的开口。然后把选定的材料引入到这些开口中，以形成多个间隔器。接着，有选择地除去第二导电材料层的一些部分，以暴露出阴极条带的一些表面面积。最后，在阴极条带表面的选定部分中形成多个非晶态金刚石发射区。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种制作三极显示器阴极的象素的方法，它包括下述步骤在基底的一个表面上形成一个导电条带。邻接于该导电条带形成一个绝缘层。然后邻接于该绝缘层形成一个导电层，并对该导电层形成图案和蚀刻，以形成多个暴露出导电层上一些部分的开口。通过这些开口进行腐蚀，以从下部蚀刻绝缘层的一些部分，从而形成每个开口的侧壁。最后，在导电条带的暴露部分形成非晶态金刚石区。
根据本发明的再一个实施例，提供了一种制作三极显示器阴极板的方法，它包括下述步骤在基底的一个表面上形成多个互相隔开的导电条带。邻接着这些导电条带形成一个绝缘层，然后邻接着该绝缘层形成一个导电层。对绝缘层和导电层形成图案和蚀刻，以形成多个暴露出导电条带的一些部分的开口。通过开口进行腐蚀以从下部蚀刻绝缘层的一些部分，从而形成每个开口的侧壁。最后，在导电条带的暴露部分形成非晶态金刚石区。
本发明的这些实施例与以往技术的平板显示器元件相比具有一些重要的优点。本发明的实施例充分利用了非晶态金刚石的独特性质。还有，本发明的实施例使场致发射阴极具有更分散的可以产生场致发射的面积。再有，本发明的实施例给出了足够高的发射址密度，使得从每个阴极址可以产生更均匀的电子发射，而用来产生电子发射所需要的电场的源却只需要低电压源。
前面比较粗略地概述了本发明的特点和技术优点，其目的是为了较好地理解后面的本发明的详细说明。本发明的其他特点和优点将在下面说明，这些内容形成了本发明权利要求的主要内容。熟悉本技术领域的人们应该看到，有可能很容易把公开的概念和具体实施例作为基础来修改或设计可以实现本发明同样目的的其他结构。熟悉本技术领域的人们还应该理解到，这种等效的结构并没有偏离所附权利要求中所定义的本发明的精神和范畴。
附图的简单说明为了更充分地了解本发明及其优点，下面的说明将结合附图作为参考来进行，在附图中
图1a是根据本发明的原理所构筑的一个场致发射(二极)显示器单元的放大的剖解截面图；图1b是图1a所示显示器单元安装在支持结构上时的顶视图；图1c是图1a所示的阴极板的表面的平面图；图1d是图1a所示的阳极板的表面的平面图；图2a至21是一个工件的一系列放大截面图，它们依次显示图1a中的阴极板的制作过程；图3a至3k是一个工件的一系列放大截面图，它们依次显示出图1a中的阳极板的制作过程；图4a是用于根据本发明的原理构筑的一个场致发射(三极)显示器单元的一个阴极/吸引栅极的放大平面图；图4b是图4a的阴极/吸引栅极中的一个选定象素的放大截面图；图4c是实现图4a的阴极/吸引栅极的一个场致发射(三极)显示器单元的放大的剖解截面图；图5a至5k是一个工件的一系列放大截面图，它们依次显示出图4a的阴极/吸引栅极的制作过程；图6示出图1a所示阴极板的另一个实施例，其中的微加工间隔器已被玻璃珠所替代；图7示出图1a所示阴极板的又一个实施例，其中已经在金属阴极导电线和非晶态金刚石膜之间制作了一些高阻抗材料层；以及图8a和8b示出了再一个实施例，其中同时使用了图7中所示的高阻抗材料和形成了图案的金属阴极导电线。
本发明的详细说明本发明的优选实施例最好通过参考图1至5来理解，这些图中类似的成分用类似的代号表示。图1a是根据本发明的原理构筑的一个场致发射(二极)显示器单元10的放大剖解截面图。图1b示出了安装在支持结构(印刷电路板)11上的显示器单元10的相应的顶视图。显示器单元10含有一个由两个主要成分构成的夹层，这两个成分是一个阴极板12和一个阳极板14。利用密封材料16使阴极板12和阳极板14之间保持真空。阴极板12和阳极板14的互相面对的表面的平面图分别示于图1c和1d(图1a基本是图1b、1c和1d)中的1a-1a线的截面图)。
阴极板12的制作过程将在后面详细讨论，它含有一个玻璃的(或其它透光材料的)基底或平板18，其上淀积有多个互相隔开的导电线(条带)20。每个导电线20均有一个扩大的引头或引垫22，以让一个给定的导电线20可以与外部信号源(未示出)相连接(在图1b中，示出了显示器单元的的引垫22与较宽的印刷电路板引头23相连接)。沿着每一个导电线20布置了多个互相分隔一个预先选定的距离的低有效功函数发射区24。在所示的实施例中，低有效功函数发射区由各个非晶态金刚石层形成。在整个阴极板12上提供了多个规则间隔的小柱26，在完成后的显示器10中它们保证了阴极板12和阳极板14之间所需的间隔。
阳极板14的制作过程也将在后面详细讨论，它同样地含有一个玻璃的基底或平板28，其上安置了多个互相隔开的透明导电线(条带)30，例如ITO(掺铟氧化锡)。每个导电线30上都连有一个扩大的引垫或引头32，以与外部信号源(未示出)相连接(在图1b中，示出了显示器单元的引垫32与较宽的印刷电路板引头33相连接)。沿着每个导电线30的长度方向形成了荧光材料或其它发光材料的层34。
在显示器单元10中，阴极板12和阳极板14的放置使得导电线20和30基本上互相正交。各个发射区24大致位在阴极板12上的相应导电线20和阳极板14上的相应导电线30的交点处。一个选定的发射区24是通过在相应的阴极导电线20和阳极导电线30之间产生一个电位差来诱发其发射的。从选定发射区24发射出的电子轰击相应阳极导电线30上的荧光材料层34，由此产生可以通过阳极玻璃板28看到的光。关于显示器10的工作过程的更完全的说明，请参见共同未决及共同转让的美国专利申请号No.08/071,157，代理人登记号M0050-P03US。
现在可以参考图2a至2l所示的实施例来说明根据本发明原理的二极显示器阴极板12的制作。在图2a中，已经在玻璃板18的一个选定表面上形成了一个导电材料层20。在所示的实施例中，玻璃板18是一个1.1mm厚的钠钙玻璃板，它在形成导电层20之前已用一般的方法经过了化学清洗。
在所示实施例中，导电层20是一个1400埃厚的铬层。需要指出，可以用各种材料和处理方法来形成导电层20。例如，导电层20也可以是铜层、铝层、钼层、钽层、钛层或它们的组合的层。除了溅射法之外，也可以用蒸镀法或激光烧蚀法来形成导电层20。
下面参见图2b，那里已经用旋转涂布法在导电层20的表面上形成了一个光致抗蚀剂层38。光致抗蚀剂例如可以是1.5mm厚的Shipley1813光致抗蚀剂。接着，如图2C所示，光致抗蚀剂层38已经过曝光和显影，形成了限定阴极导电线20的边界和位置的掩模。然后，在图2d中，按照一种除渣步骤(descum step)(例如可以用干腐蚀技术来完成)对导电层20蚀刻，其上的剩余部分就变成了所需的导电线20。在本优选实施例中，图2d中所示的蚀刻步骤是湿蚀刻38。在图2e中，例如利用适当的湿蚀刻技术剥去余下的光致抗蚀剂38的部分。
在图2f中，已经在工件的整个表面上形成了第二导电层40。在图示的实施例中，该导电层40是由相继地溅射上一个500埃的钛层、一个2500埃的铜层、和一个500埃的第二钛层而形成的。在另一个实施例中，也可以使用象铬_铜_钛这样的金属和蒸镀法这样的成层技术。接着，如图2g所示，在导电层40的整个表面上用旋转涂布法形成一个光致抗蚀剂层42，然后经过曝光和显影，形成一个限定了小柱(间隔器)26和引垫(引头)22的边界和位置的掩模。该光致抗蚀剂层例如可以是一个13μm厚的AZP4620光致抗蚀剂层。
如图2h所示，通过除渣(这仍可用干腐蚀技术来完成)，在光致抗蚀剂层42的开口中形成区域44。在图示的实施例中，区域44是通过在蚀刻掉开口内的钛之后再电镀上25μm厚的铜或镍而形成的。如图2i所示，在电镀步骤之后，使用例如80℃下的WAYCOAT2001剥除掉光致抗蚀剂42。然后如图2j所示，有选择性地蚀刻导电层40。在所示实施例中，使用非氢氟酸的湿蚀刻去除掉铜/钛层40，留下各个小柱26和引垫22，它们都是一个包括有位在钛/铜/钛层40上面的铜层44的层堆。在图2k中，在阴极板的顶部布置一个确定发射区24的边界的金属掩模46，并使之准确地对准于各间隔器和导电线，该金属掩模46用铜、钼、或者最好用象镍、Kovar(一种镍基合金)这样的磁性材料做成。然后，通过形成含有多个金刚石微晶但整体上是非晶态结构的非晶态金刚石膜，在从掩模露出的区域内制作发射区24。在图2k所示的实施例中，非晶态金刚石膜是用激光烧蚀法通过金属掩模上的开口形成的。不过本发明并不局限于激光烧蚀技术。例如，含有微晶但整体为非晶态结构的发射区24可以利用下述技术或与它们类似的技术及其结合来形成激光等离子淀积、化学气相淀积、离子束淀积、溅射、低温淀积(小于500℃)、蒸镀、阴极电弧蒸镀、磁分离阴极电弧蒸镀、激光声波淀积等。Collins等人著作的由美国物理研究所于1989年1月出版的“非晶态金刚石的激光等离子源(Laser Plasma Source of Amorphic Diamond)”描述了一种这样的处理技术。通常，许多微晶形成了某种与成层时的环境条件有关带有一些偶然性的原子结构。在给定的环境压力和温度下，某一百分比的晶体将呈现SP2结构(碳原子的二维连结)，而另一个稍小百分比的晶体将呈现SP3结构(碳原子的三维连结)。SP3结构中的金刚石微晶的电子亲和性比SP2结构中的要小。因此SP3结构中的那些微晶变成发射区24中的“发射址”。为了充分了解非晶态金刚石的优点，请参见共同未决及共同转让的美国专利申请流水号08/071,157，代理人登记号M0050-P03US。
最后，在图21中，利用离子束切削或类似技术除去各导电线20之间的泄漏通路。此外，也可以使用其他的普通清洗方法(微加工技术中常用的方法)来除去淀积非晶态金刚石膜时所产生的大的碳(或石墨)粒子，得到的阴极板12就可以和阳极板14组装了。
现在借助于图3a至3k所示的一个实施例来说明根据本发明的原理的阳极板14的制作过程。在图3a中，已经在玻璃平板28的一个选定表面上形成了一个导电材料层30。在所示的实施例中，玻璃平板28是一块1.1mm厚的钠钙玻璃，事先已由常规处理进行了化学清洗。图示实施例中的透明导电层30是一个用溅射法形成的2000埃厚的掺铟氧化锡层。
下面参见图3b，在导电层30的表面上用旋转涂布法形成一个光致抗蚀剂层50。该光致抗蚀剂层例如可以是一个1.5μm厚的Shipley1813致抗蚀剂层。然后，如图3c所示，光致抗蚀剂层50经过了曝光和显影。形成了一个限定各阳极导电线30的边界和位置的掩模。然后，在图3d中，在一个常规的除渣步骤之后导电层30被蚀刻，导电层30上剩下的部分变成所需的导电线30。在图3e中，余下的光致抗蚀剂部分50被剥除。
在图3f中，工件的表面上已形成一个第二导电层52。在图示的实施例中，导电层52是通过相继地溅射一个500埃的钛层、一个2500埃的铜层、和一个500埃的第二钛层而形成的。在另一些实施例中，如同前面关于图25所示步骤的讨论一样，在该步骤中也可以采用其他的金属和制作工艺。接着，如图3g所示，在导电层52上用旋转涂布法形成一个光致抗蚀剂层54，经过曝光和显影，形成一个限定引垫(引头)32的边界和位置的掩模。
经过除渣之后，再如图3h所示在光致抗蚀剂层54的开口内形成由金属材料组成的突触56，这样就完成了引垫(引头)32的制作。在所示实施例中，引垫32是通过电镀10μm的铜来形成的。在电镀步骤之后，如图3i所示，利用例如80℃下的WAYCOAT2001剥去光致抗蚀剂54。然后如图3j所示，对导电层52的暴露部分蚀刻。在图3j中，利用非氢氟酸湿腐蚀技术除去钛/铜/钛层52的暴露部分，留下包括有对应于导电条带30、钛/铜/钛52的剩余部分、和导电突触56的层堆的导电引垫32。使用非氢氟酸腐蚀剂可以避免对下方玻璃平板28的可能损伤。
经过清洗和除去玻璃平板28边缘的多余部分之后，如图3k所示，基本上在阳极导电线30部分上有选择地形成一个荧光材料层34。在图示实施例中，该荧光材料层是一个粉末状氧化锌(ZnO)层，它可以用例如象电泳法这样的普通电镀法形成。
然后可以通过把上述的一个阳极板12和一个阳极板14组装成一个图1a和1d所示的显示器单元10。如图所示，两块板面对面地放在一起，并在10-7乇(torr)的真空中用围住单元10的整个周边的密封剂密封起来。在图示的实施例中，密封剂16是一种熔结玻璃密封剂，不过在其他的实施例中，也可以用激光密封或例如TORR-SEAL(商标)环氧树脂这样的环氧树酯来做密封剂16。
现在参见图4a，它示出了三极显示器单元62(图4c)的阴极/栅极组件60。阴极/栅极组件60含有多个互相平行的阴极导电线(条带)64和多个叠在其上的栅极导电线(条带)66，在每个给定的阴极条带64和栅极导电线66的交点上安置一个“象素”68。图4b中给出了一个典型的“象素”68沿着图4a的4b-4b线的进一步放大的截面图。图4c中画出了三极显示器单元62中选定的一个象素沿着图4a的4c-4c线的进一步放大了的剖解截面图，其中还示了相应的阳极板70。间隔器69把阳极板70和阴极/栅极组件60隔开。
阴极/栅极组件60形成在玻璃板或基底72的表面上。在一个给定的象素68处，邻接着相应的阴极导电线64设置了多个低功函数的发射区76。间隔器78把阴极导电线64和相交叉的栅极导电线66相分隔开。在每个象素68处，穿过栅极导电线66并对准于相应阴极导电线64上的发射区76设置了多个开口80。
阳极板70含有一个玻璃基底82，其上设置了多个互相平行的透明阳极条带或导电线84。荧光材料层86设置在每个阳极导电线所暴露出的表面上，至少设置在每个象素68的区域内。对于单色显示情形，只需要没有形成图案的象ZnO这样的荧光材料就可以了。然而，如果需要彩色显示，则阳极板70上每个对应于一个象素的区域都需要有三种不同颜色的荧光材料。阳极板70的制作过程基本上和前述的相同，唯一不同是阳极导电线84的图案形成和蚀刻使得它们在组装好的三极显示器单元62中基本上平行于阴极导电线64。
现在参考图5a和5k所示的一个实施例来说明根据本发明原理的阴极/栅极组件60的制作过程。在图5a中，在玻璃平板72的一个选定的表面上形成了一个导电材料层64。在图示的实施例中，玻璃平板72是一块1.1mm厚的钠钙玻璃板，在形成导电层64之前它已用常规方法进行了化学清洗。图示实施例中的导电层64是一个1400埃厚的铬层。需要指出，和前面讨论图2a中的导电层20和图3a中的导电层30时所指出的一样，形成该导电层时也可以使用其他的材料和制作工艺。
下面参见图5b，那里已经在导电层64的整个表面上用旋转涂布法形成了一个光致抗蚀剂层92。该光致抗蚀剂层例如可以是一个1.5μm厚的Shipley1813光致抗蚀剂层。接着，如图5C所示，光致抗蚀剂层92经过曝光和显影后形成了一个限定阴极导电线64的边界和位置的掩模。然后，在图5d中，经过了常规的除渣步骤(例如可以用干腐蚀处理来进行)后，对导电层64进行蚀刻，留下所需的导电线64。在图5e中，剩下的光致抗蚀剂层92部分被剥除。
接着，如图5f所示，在工件表面上形成一个绝缘层94。在图示的实施例中，该绝缘层94是一个溅射在工件整个表面上的2μm厚的二氧化硅(SiO2)层。然后在整个绝缘层94上形成一个金属层66。在图示的实施例中，该金属层是用溅射法形成在整个工件上的5000埃厚的钛-钨(Ti-W)(90％-10％)层。在其他的实施例中，也可以使用其他的金属和制作工艺。
图5g是图5f中那个针对单个象素68的部分的进一步放大的截面图。在图5g中，在金属层66上用旋转涂布法形成了一个光致抗蚀剂层98，该层例如可以是一个1.5μm厚的Shipley1813抗蚀剂层。然后对光致抗蚀剂层98曝光和显影，以确定吸引栅极导电线66和穿过抗蚀剂层的开口80的位置和边界。经过除渣之后，对金属层66(图示实施例中为Ti-W)和绝缘层(图示实施例中为SiO2)进行蚀刻，并如图5h所示那样留下间隔器78。这个蚀刻步骤最好使用反应离子蚀刻处理，以保证侧壁100基本上是垂直的。在图5i中，利用例如温度为80℃的WAYCOAT2001除去余下部分的光致抗蚀剂层98。
除去光致抗蚀剂后，用湿腐蚀对绝缘层94进行内部蚀刻，并象图5j所示那样进一步确定间隔器78。换言之，侧壁的湿腐蚀可以例如用一种减缓氢氟酸溶液来完成。阴极/栅极结构62基本上随着发射区76的形成而完成。在图5k中，形成限定发射区76的边界和位置的金属掩模102。然后形成包含有许多金刚石微晶但总体呈非晶态结构的非晶态金刚石膜，以制作发射区76。在图5j所示的实施例中，该非晶态金刚石膜是用激光烧蚀法通过金属掩模102中的开口来形成的。然而，本发明仍然是并不局限于激光烧蚀法。例如，也可以用激光等离子淀积、化学气相淀积、离子束淀积、溅射、低温淀积(小于500℃)。蒸镀、阴极电弧蒸镀、磁分离阴极电弧蒸镀、激光声波淀积等及类似的技术或它们的结合来形成这种含有微晶但总体呈非晶态结构的发射区76。关于这种非晶态金刚石发射区76的优点前面已经在关于二极显示器单元10的讨论中有所说明，此外，引入本文作为互相参考的资料也对此有所说明。
图6示出了阴极板12的另一个实施例。在此情形中图2f至2j所示的制作间隔器44的步骤不再需要。在这里是用小玻璃珠或纤维、蓝宝石珠或纤维、聚酯或金属珠或纤维来作为间隔器，如图6中的25微米直径的玻璃珠104所示。玻璃珠104可以用激光焊接、蒸发的铟或胶来粘着到基底上。或者，可以在后来组合阳极板和阴极板时把玻璃珠104夹紧在它们的位置上。
图7示出阴极板12的又一个实施例。在此情形中，在金属导电线20和非晶态金刚石膜区24之间淀积了一个由象非晶态硅这样的高阻抗材料组成的薄层106。薄层106有助于一个给定象素内的各个发射址的自我电流限制，并提高象素的均匀性。图7还示出，每一个金刚石层24都分裂成几个较小的部分。图7所示的这个实施例例如可以这样来制作；利用激光烧蚀法、电子束淀积法或热蒸镀法在图2k所示的制作步骤中(形成非晶态金刚石区24之前)通过金属掩模46淀积高阻抗材料。然后在高阻抗层106上淀积非晶态金刚石。为了制作出象图7所示那样的分裂成一些小区域的金刚石层24，可以通过一个位在金属掩模46和高阻阻抗层106的表面之间的线网(未示出)来导入非晶态金刚石。在一个优选实施例中，所有线网的开口大小约为20μm-40μm，不过也可以根据所需的象素大小来选用较大或较小的开口。
图8a和8b示出了阴极板12的再一个实施例，它含有形成图案的金属导电线20。在此情形中，穿过该金属导电线20开了一个开口108，并通过此开口象上述那样形成了一个高阻抗层106。然后邻接着该高阻抗材料层106形成非晶态金刚石薄膜24。在图8a和8b所示的实施例中，非晶态金刚石膜24用上述方法形成图案。
需要指出，在这里所公开的任何一个实施例中，非晶态金刚石膜都可以用随机形态法来制作。可例举的几种制作方法是，离子束蚀刻、溅射、阳极化、溅射淀积和能够不借助照相蚀刻而产生出亚微米尺寸的十分精细的随机特性的离子帮助注入法。共同未决及共同转让的专利申请No.08/052,958，标题“利用随机位置核作为蚀刻掩模的制作场致发射器件的方法”，代理人登记号DMS-43/A，描述了一个这样的制作方法，其中，增强阴极上局部电场强度的随机特性和低有效功函数的结合造成了更低的电子逸出场强。
应该认识到，图6至图8所示关于阴极板12的实施例的原理也可以应用到三极显示器单元62(图4c)的阴极/栅极60组件的制作中。
还应注意，虽然这里的说明是把间隔器设置在阴极板上的，但根据本发明，这些间隔器也可以设置在阳极板上，或者放置在阴极板和阳极板之间并加以对准。
尽管已经详细地说明了本发明及其优点，但应该了解到，在不偏离由后附权利要求所定义的本发明精神和范围的情形下，这里还可以做出各种改变、更换和修改。
权利要求
1.一种制作显示器阴极的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个导电线；以及邻接着该导电线的选定部分形成一个非晶态金刚石区。
2.根据权利要求1的方法，其中上述形成导电线的步骤包括下述子步骤邻接着上述表面形成一个导体层；邻接着上述导体层形成一个光致抗蚀剂层；对上述光致抗蚀剂层曝光和显影，以形成一个限定上述导电线的边界的掩模；以及通过上述掩模蚀刻上述导体层，以形成上述导电线。
3.一种制作用于二极显示器单元的阴极板的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个第一导体层；对该第一导体层形成图案和蚀刻，以确定出多个被基底上的一些区域所隔开的阴极条带；邻接着这些阴极条带和它们之间的基底区域形成一个第二导电材料层；邻接着该第二导电材料层形成一个具有多个限定形成多个间隔器的位置的开口的掩膜；通过把选定的材料导入到上述开口之中以形成上述多个间隔器；有选择地除去第二导电材料层的一些部分以暴露出各阴极条带的一些表面区域；以及有选择地在各阴极条带表面的一些选定部分中形成多个非晶态金刚石发射区。
4.一种制作阴极板的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个导体层；对该导体层形成图案并蚀刻，以确定被基底的一些区域交替地隔开的多个阴极条带；以及有选择地在这些阴极条带的选定表面区域中形成多个非晶态金刚石发射区。
5.根据权利要求4的方法，其中上述形成非晶态金刚石区的步骤是包括用激光烧蚀法形成非晶态金刚石区的步骤。
6.一种制作三极象素显示器阴极的象素的方法，它包括下述步骤在一个基底的一个表面上形成一个导电条带；邻接着该导电条带形成一个绝缘体层；邻接着该绝缘体层形成一个导体层；对该绝缘体层和导体层形成图案和蚀刻，以形成多个暴露出导电条带上的一些部分的开口；通过这些开口进行腐蚀以对绝缘体层的一些部分进行下部蚀刻，从而形成每个开口的侧壁部分；以及在导电条带的暴露部分形成非晶态金刚石区。
7.根据权利要求6的方法，其中上述形成非晶态金刚石区的步骤包括用激光烧蚀法形成非晶态金刚石区的步骤
8.一种制作三极显示器阴极板的方法，它包括下述步骤在一个基底的一个表面上形成多个互相分开的导电条带；邻接着这些导电条带形成一个绝缘体层；邻接着该绝缘体层形成一个导体层；对该绝缘体层和导体层形成图案和蚀刻，以形成多个暴露出各导电条带上的一些部分的开口；通过这些开口进行腐蚀以对绝缘体层的一些部分进行下部蚀刻，从而形成每个开口的侧壁部分；以及在各导电条带的一些暴露部分形成非晶态金刚石区。
9.根据权利要求8的方法，其中上述形成非晶态金刚石区的步骤包括用激光烧蚀法形成非晶态金刚石区的步骤。
10.一种制作阴极板的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个导体层；对该导体层形成图案和蚀刻，以确定多个被基底的一些区域交替隔开的阴极条带；形成多个位在上述基底的交替隔开区域中的间隔器；以及有选择地在各阴极条带的一些选定区域上形成多个非晶态金刚石发射区。
11.一种制作阴极板的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个导体层；对该导体层形成图案和蚀刻，以确定多个被基底的一些区域交替隔开的阴极条带；有选择地邻接着各阴极条带的一些部分形成一些高阻抗材料区域；以及有选择地在各高阻抗材料区域的一些选定面积上形成多个非晶态金刚石发射区。
12.根据权利要求11的方法，其中形成多个非晶态金刚石区的步骤是包括随机形态法形成多个非晶态金刚石区的步骤。
13.一种制作阴极板的方法，它包括下述步骤邻接着一个基底的一个表面形成一个导体层；对该导体层形成图案和蚀刻，以确定多个被基底的一些区域交替隔开的阴极条带，该多个阴极条带含有多个开口，通过这些开口暴露出了下面的一些基底区域；有选择地在穿过阴极条带的开口内形成一些高阻抗材料区域；以及有选择地在这些高阻材料区域的选定面积上形成多个非晶态金刚石发射区。
14.根据权利要求13的方法，其中上述在高阻抗材料区域的选定面积上形成多个非晶态金刚石发射区的步骤包括用随机形态法形成非晶态金刚石区的步骤。
全文摘要
一种制作显示器阴极的方法，它包括邻接着一个基底的一个表面形成一个导电线。邻接着该导电线的一个选定部分形成一个非晶态金刚石区。图示为一个二极显示器单元(10)的截面图，其有两个主要部件阴极板(12)和阳极板(14)。用密封剂(16)保持这两个板之间的真空。有规则地分布的一些小柱(26)把阴极板(12)和阳板(14)隔开。沿着设置在基底(18)上的一些导电线(20)的各个非晶态金刚石层形成多个低有效功函数的发射区(24)。一个发光材料层(34)沿着设置在基底(28)上的透明导电线(30)形成。扩大的引垫或引头(32)使得可以和一个外部信号源相连接。
文档编号H01J29/04GK1134754SQ94194049
公开日1996年10月30日 申请日期1994年10月26日 优先权日1993年11月4日
发明者纳兰·库马尔, 谢成刚 申请人:微电子及计算机技术公司