專利名稱：一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法和在平板顯示的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)發(fā)射電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法，更具體地，涉及一種采用金屬氧 化物納米線作為冷陰極材料的電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
冷陰極電子源陣列在場(chǎng)發(fā)射顯示器、X射線源和微波器件等方面有廣泛的應(yīng)用。到目
前為止，研究的冷陰極電子源陣列主要采用微尖錐、金剛石薄膜和類金剛石薄膜、或碳納 米管等準(zhǔn)一維納米材料冷陰極。
采用微尖錐的冷陰極電子源在性能方面已達(dá)到了較高的水平，目前已有產(chǎn)品出現(xiàn)(s.
Itoh et al, Journal of the SID 15/12， 1057-1064(2007))。但是，其制作工藝要求高分辨的光刻， 加工制作條件苛刻，成本昂貴，難于實(shí)現(xiàn)大面積制作。金剛石薄膜和類金剛石薄膜雖有較 低的發(fā)射閾值電場(chǎng)，但是這類冷陰極發(fā)射的不均勻性，使得這類材料仍未達(dá)到實(shí)用要求。
近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)碳納米管、納米線和其它新型準(zhǔn)一維納米材料具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特 性。由于碳納米管等準(zhǔn)一維材料可以用自組織生長(zhǎng)的方法制備，釆用碳納米管等準(zhǔn)一維材 料的納米冷陰極有可能實(shí)現(xiàn)低成本制作高性能的冷陰極電子源陣列，要實(shí)現(xiàn)冷陰極電子源 陣列的制作，關(guān)鍵是要能夠制作集成了柵極和納米冷陰極的真空微納電子源陣列，即要將 準(zhǔn)一維的納米冷陰極集成制作于柵極器件結(jié)構(gòu)中，并使得器件能夠在較低驅(qū)動(dòng)電壓下，實(shí) 現(xiàn)可尋址，并可靠長(zhǎng)壽命地工作。目前已有若干種實(shí)現(xiàn)帶柵極的碳納米管電子源陣列制作 方法的報(bào)道。這些方法中，碳納米管分別釆用絲網(wǎng)印刷或化學(xué)氣相沉積法制備。韓國(guó)Samsung 公司報(bào)道過(guò)幾種采用可印制碳納米管制作的帶柵極的碳納米管冷陰極電子源陣列，并采用 這種電子源制作出場(chǎng)發(fā)射顯示器件樣機(jī)(W. B. Choi, et al, Applied Physics Letters, 75(20), 3129(1999); N. S. Lee et al， Diamond and Related Materials, 10, 265 (2001))。該方法盡管容易 實(shí)現(xiàn)較大尺寸的電子源陣列的制作，但是采用絲網(wǎng)印刷難以實(shí)現(xiàn)高分辨率器件的制作。同 時(shí)，印刷型碳納米管冷陰極在發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性等方面存在問(wèn)題，需要引入復(fù)雜的后處 理工藝。英國(guó)的劍橋大學(xué)、美國(guó)的Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及Motorola公司等則報(bào)道了以熱 化學(xué)氣相沉積的方法制作碳納米管為冷陰極的帶柵極電子源陣列結(jié)構(gòu)(G. Pirio et al， Nanotechnology 13, 1 (2002); M.A. Guilorn et al, Applied Physics. Letters 81,3660(2002); Jean Dijon et al, Journal of the SID 12/4, 373-378(2004); B.R Coll et al, Journal of the SID 14/5，477(2006))。在上述用化學(xué)氣相沉積制作碳納米管方法中，需要催化劑并需要較高的生長(zhǎng)溫 度(550~600°C),碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程還需要使用較昂貴的碳源氣體。
近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的納米線冷陰極，具有可低溫生長(zhǎng)的特點(diǎn)以及優(yōu)越的場(chǎng)致電子發(fā)射性能。 目前，還只有個(gè)別報(bào)道實(shí)現(xiàn)了集成了柵極的納米線冷陰極電子源制作(J. C. She etal， Applied Physics Letters, 88(1)，013112(2006))。實(shí)現(xiàn)帶柵極的納米線冷陰極電子源的關(guān)鍵是要找到適 合納米線冷陰極的器件結(jié)構(gòu)和將納米線冷陰極與柵極器件結(jié)構(gòu)的集成起來(lái)的制作方法。如 果要在大尺寸范圍實(shí)現(xiàn)上述電子源陣列，特別需要滿足所有加工程序在低于650 'C條件下 實(shí)現(xiàn)的要求，以便使用玻璃襯底。本發(fā)明提供一種制備工藝簡(jiǎn)單、可在玻璃襯底上實(shí)現(xiàn)的
納米線冷陰極電子源陣列的器件結(jié)構(gòu)及其制作方法。該種電子源陣列可應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射平板 顯示器等真空微電子器件中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種帶柵極的納米線冷陰極的電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法和在平板 顯示的應(yīng)用。
本發(fā)明的電子源陣列結(jié)構(gòu)包括襯底1，制作在襯底1之上的相互交叉排列的陰極電極條 2和柵極電極條4，陰極和柵極之間的絕緣層3，以及制作在陰極電極條上的納米線冷陰極 陣列7。在上述結(jié)構(gòu)中，柵極可以位于陰極下方(下柵)，上方(上柵)或與之平行(平柵)； 也可以同時(shí)采用下柵、上柵或平柵結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的帶柵極的納米線冷陰極的電子源陣列的制作方法包括自上而下的薄膜微 加工工藝和自組裝生長(zhǎng)工藝結(jié)合的方法。當(dāng)柵極在陰極上方時(shí)，納米線冷陰極電子源陣列 按以下步驟制作
(1) 清潔襯底l;
(2) 在襯底上制作陰極電極條2;
(3) 在陰極電極條2上制作絕緣層3;
(4) 在絕緣層上制作柵極電極條4;
(5) 刻蝕絕緣層，在柵極電極條4和陰極電極條2的交叉位置暴露出陰極電極條2;
(6) 在陰極電極條2上依次制作過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6陣列，過(guò)渡層薄膜5 用于提高生長(zhǎng)源薄膜6的粘附性，生長(zhǎng)源薄膜6陣列用于納米線冷陰極的生長(zhǎng)；
(7) 采用直接氧化法從生長(zhǎng)源薄膜生長(zhǎng)制作納米線冷陰極7。 當(dāng)柵極在陰極下方或平行時(shí)，只需對(duì)上述歩驟(2) — (5)的次序做相應(yīng)的調(diào)整。 電子源陣列中各層薄膜的制作采用光刻，真空鍍膜，剝離和刻蝕等工藝技術(shù)。其中，光刻可采用紫外或電子束光刻，真空鍍膜技術(shù)采用通用的鍍膜方法，如電子束蒸發(fā)、濺射、 化學(xué)氣相沉積等；刻蝕技術(shù)采用通用的薄膜刻蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法。
納米冷陰極采用無(wú)需催化劑的直接熱氧化法。將制作有過(guò)渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜陣列的 結(jié)構(gòu)直接加熱至某一設(shè)定溫度(200°C 650 °C)，在含氧的氣氛下在該溫度下保溫一段時(shí)間 (30分鐘 12小時(shí))即可制作出納米線冷陰極。
制備納米線冷陰極的過(guò)渡層薄膜材料可為鉻、鋁、鈦、鴇、鉬或鈮中的一種或幾種。生 長(zhǎng)源薄膜材料為銅、鐵、鋅、鎢、鉬、絡(luò)、鈦或鎳。通過(guò)直接氧化，可以生成氧化銅、氧 化鐵、氧化鋅、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉻、氧化鈦或氧化鎳納米線。
由于柵極對(duì)于靠近柵極的陰極控制作用最強(qiáng)，為了限制納米線生長(zhǎng)于靠近柵極的邊緣 區(qū)域，在生長(zhǎng)源薄膜層上可制作覆蓋層9,同時(shí)該覆蓋層起到保護(hù)生長(zhǎng)源薄膜不被氧化，從 而使得在未覆蓋的區(qū)域的納米線的生長(zhǎng)有更多的原料。
在上述的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法，陰極電極條和柵極電極條由多 層金屬薄膜組成，該多層金屬薄膜用于提高電極的導(dǎo)電性，而且最上層的金屬薄膜可用于 清除刻蝕殘留的犧牲層。薄膜的材料為鉻、鋁、鈦、鎢、鉬或鈮等。
為了提高電子源的工作穩(wěn)定性和壽命，必須提高柵極和陰極之間絕緣的可靠性。本發(fā) 明在陰極和柵極之間引入突出或凹入的絕緣臺(tái)階8，用于提高柵極和陰極之間的絕緣特性。 同時(shí)，絕緣層可由多層絕緣材料薄膜組成。多層絕緣層薄膜BJ由二氧化硅、氮化硅或氧化 鋁等組成，其制備方法為真空鍍膜方法，包括電子束蒸發(fā)方法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積等方法。
本發(fā)明的納米線冷陰極電子源的結(jié)構(gòu)和制作方法具有工藝簡(jiǎn)單、可控性高的優(yōu)點(diǎn)。本 發(fā)明的納米線冷陰極電子源陣列工作時(shí)，整個(gè)電子源處于真空環(huán)境中。當(dāng)在某一行柵極和 某一列陰極之間施加電壓時(shí)，相應(yīng)位置的納米線冷陰極將在柵極電壓的作用下發(fā)射電子。 本發(fā)明所述的電子源陣列結(jié)構(gòu)可以采用玻璃作為基板材料，可實(shí)現(xiàn)大尺寸電子源陣列的制 作。該種電子源在場(chǎng)發(fā)射平板顯示器件等真空微電子器件上有重要應(yīng)用價(jià)值。


圖1是帶柵極的冷陰極納米線的電子源陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
(a)柵極電極條制作在陰極電極條之上；(b)柵極電極條制作在陰極電極條之下；(c) 柵極電極同時(shí)平行于陰極電極條和位于陰極電極條之下。(圖中，1:襯底；2:陰極電極條； 3:絕緣層；4:柵極電極條；5:過(guò)渡層薄膜；6:生長(zhǎng)源薄膜；7:納米線冷陰極。以下各
圖相同。)圖2是在柵極電極條和納米線冷陰極之間加入突起的絕緣臺(tái)階8的冷陰極納米線的電 子源陣列結(jié)構(gòu)示意圖。(a) — (c)分別對(duì)應(yīng)圖1中的三種結(jié)構(gòu)。(圖中，8:絕緣臺(tái)階。
以下各圖相同。)
圖3是一種在生長(zhǎng)源薄膜6表面引入覆蓋層9的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)在生長(zhǎng)源薄膜表面 引入覆蓋層，生長(zhǎng)納米線之前。(b)在生長(zhǎng)源薄膜表面引入覆蓋層后，經(jīng)過(guò)直接氧化生長(zhǎng)
納米線之后。(圖中，9:覆蓋層。以下各圖相同。)
圖4是不同形狀的納米線冷陰極所用的覆蓋層的形狀舉例。(a)方形；(b)圓形。 圖5是另一種在生長(zhǎng)源薄膜表面引入覆蓋層的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)在生長(zhǎng)源薄膜表面引
入覆蓋層，生長(zhǎng)納米線之前。(b)在生長(zhǎng)源薄膜表面引入覆蓋層后，經(jīng)過(guò)直接氧化生長(zhǎng)納
米線之后。
圖6是一種在生長(zhǎng)源薄膜6表面引入圖3所示的覆蓋層的冷陰極納米線的電子源陣列 結(jié)構(gòu)示意圖。(a) — (c)分別對(duì)應(yīng)圖1中的王種結(jié)構(gòu)。
圖7是如圖1 (a)所示的采用多層金屬薄膜為電極薄膜、多層絕緣薄膜為絕緣層的電 子源陣列制作流程圖。
圖8是帶有陰柵間絕緣層臺(tái)階的納米線電子源陣列的制作流程圖。
圖9是引入陰極覆蓋層的納米線電子源陣列的制作流程圖。
圖10是同時(shí)引入陰極覆蓋層和陰柵間絕緣層臺(tái)階的納米線電子源陣列的制作流程圖。 圖11是利用圖1 (a)所示的結(jié)構(gòu)制作的納米線冷陰極陣列應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器的結(jié)構(gòu)
立體示意圖。(圖中，10:熒光粉層；11: ITO薄膜；12:陽(yáng)極基板)
圖12是實(shí)際制作的采用氧化銅納米線為冷陰極的電子源陣列的電鏡(SEM)照?qǐng)D。 圖13是采用氧化銅納米線為冷陰極的電子源陣列制作的場(chǎng)發(fā)射顯示原型器件的顯示圖
片以及陽(yáng)極電流-柵極電壓曲線。(a)不同柵極電壓下器件顯示圖。(b)陽(yáng)極電流-柵極電壓
特性曲線。
圖14是采用本發(fā)明的制作的全封裝3.5英寸氧化銅納米線冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器外形及 其顯示字符和圖形的照片。
具體實(shí)施例方式
為了更清楚地給出上述電子源陣列結(jié)構(gòu)及其制作方法的過(guò)程，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1給出了帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該電子源 陣列的基本結(jié)構(gòu)，包括襯底1、制作在襯底1之上的相互交叉排列的陰極電極條2和柵極電極條4、陰極和柵極之間的絕緣層3、以及制作在陰極電極條2上的納米線冷陰極陣列7。
在上述結(jié)構(gòu)中，柵極可以位于陰極下方(下柵)，上方(上柵)或與之平行(平柵)； 也可以同時(shí)采用下柵、上柵或平柵結(jié)構(gòu)。圖l (a)中柵極電極條4制作在陰極電極條2之 上；圖l (b)中柵極電極條4制作在陰極電極條2之下；圖l (c)中柵極電極4同時(shí)平行 于陰極電極條2和位于陰極電極條2之下。
圖2是在柵極電極條4和納米線冷陰極7之間加入突起的絕緣臺(tái)階8的納米線冷陰極 的電子源陣列結(jié)構(gòu)示意圖。(a) — (c)分別對(duì)應(yīng)圖1中的三種結(jié)構(gòu)。在這三種結(jié)構(gòu)中，在 陰極電極條2和柵極電極條4引入了突起的絕緣層臺(tái)階8，用于提高柵極和陰極之間的絕緣 特性，減少柵極和陰極之間的漏電，提高器件工作的可靠性和降低器件的功耗。該絕緣層 臺(tái)階的材料可以采用氧化鋁、二氧化硅和氮化硅或其他絕緣材料。其厚度與柵極絕緣層相 同或小于柵極絕緣層厚度。該絕緣層臺(tái)階也可以制作成凹入的形狀，同樣可以起到提高柵 極和陰極之間的絕緣特性的作用。
圖3是一種在生長(zhǎng)源薄膜6表面引入覆蓋層9的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 (a)顯示了在生長(zhǎng) 源薄膜6表面引入覆蓋層9，覆蓋層9的材料可以用金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。它用于限制納 米線冷陰極7的生長(zhǎng)區(qū)域，使得納米線冷陰極7只能在靠近柵極電極條4的部分生長(zhǎng)。在 此種情況下，覆蓋層9薄膜位于陰極生長(zhǎng)源薄膜6的中央。根據(jù)柵極和陰極的形狀及其陰 極和柵極之間的相對(duì)位置，覆蓋層薄膜9可以有不同的形狀。圖4 (a)和(b)分別舉例給 出了陰極的形狀為方形和圓形時(shí)的覆蓋層兩種形狀。具體實(shí)施時(shí)，陰極的形狀和覆蓋層形 狀及其相對(duì)位置將不局限于圖4所舉的兩個(gè)例子。圖3 (b)顯示了經(jīng)過(guò)直接氧化生長(zhǎng)納米 線之后，在覆蓋層9下的生長(zhǎng)源薄膜6表面生長(zhǎng)出納米線后的示意圖。從圖中可以看出， 引入覆蓋層9后，可以更有效地實(shí)現(xiàn)邊緣發(fā)射，而且與無(wú)覆蓋層限制生長(zhǎng)的納米線冷陰極 相比，可以避免由于納米線冷陰極之間的屏蔽作用使得柵極對(duì)中間部分的納米線控制作用 小于邊緣發(fā)射所引起的發(fā)射不均勻性。
圖5是另一種在生長(zhǎng)源薄膜6表面引入覆蓋層9的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)是生長(zhǎng)納米線之 前示意圖。(b)是直接氧化生長(zhǎng)納米線之后的示意圖。在此結(jié)構(gòu)中，陰極只在一邊暴露， 另一邊完全被覆蓋層覆蓋。
上述的覆蓋層可以在不同結(jié)構(gòu)的納米線冷陰極電子源中采用。圖6 (a) — (c)分別給 出了三種結(jié)構(gòu)，均在生長(zhǎng)源薄膜6表面引入圖3所示的覆蓋層9。
在上述結(jié)構(gòu)的納米線冷陰極電子源陣列還可以同時(shí)引入絕緣臺(tái)階和陰極覆蓋層，從而 同時(shí)提高柵陰極之間的絕緣特性和限制納米線在靠近柵極的邊緣生長(zhǎng)。上述的納米線電子源陣列結(jié)構(gòu)中各個(gè)電極和絕緣層圖形的制備主要采用光刻、刻蝕、 真空鍍膜等微加工工藝實(shí)現(xiàn)。納米冷陰極則采用無(wú)需催化劑的直接熱氧化法制作。圖7，圖 8，圖9和圖IO給出本發(fā)明中介紹的幾種結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程。
圖7是如圖1 (a)所示的采用多層金屬薄膜為電極薄膜、多層絕緣薄膜為絕緣層的納 米線電子源陣列制作流程圖。首先在襯底1上制作具有圖形的陰極電極條2 (如圖7 (a) 所示)。接著在陰極電極上沉積絕緣層薄膜3 (如圖7 (b)所示)。絕緣層薄膜3是由二氧 化硅、氮化硅或氧化鋁等多層絕緣薄膜組成。絕緣薄膜可以采用通用的薄膜制備方法，如 化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等方法制備。接著在絕緣層薄膜3上制作與陰極電 極條2方向垂直的柵極電極條4 (如圖7 (c)所示)。之后對(duì)絕緣層薄膜3進(jìn)行刻蝕，形成 絕緣層孔并露出陰極電極條7 (如圖7 (d)所示)?？涛g絕緣層薄膜可以采用通用的薄膜刻 蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法?？涛g之后表面若存有刻蝕殘留物，可以采用 濕法腐蝕的方法將多層金屬薄膜的最上層金屬薄膜腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)用間接的方法將殘留物 清洗。然后在特定區(qū)域上沉積過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6 (如圖7 (e)所示)。過(guò)渡層薄 膜和生長(zhǎng)源薄膜可以采用通用的薄膜制備方法，包括濺射、電子束蒸發(fā)等方法制備。最后 將制作的基板在含氧的氣氛下加熱至200 65(TC，并保溫30分鐘 12小時(shí)，最后降溫， 就可以制得采用納米線陣列7作為冷陰極材料的電子源陣列(如圖7 (f)所示)。
圖8給出了一種制作帶有絕緣層臺(tái)階的納米線電子源陣列的流程示意圖。其結(jié)構(gòu)中采 用多層金屬薄膜為電極薄膜，多層絕緣薄膜為絕緣層。首先在襯底1上制作具有圖形的陰 極電極條2 (如圖8 (a)所示)。接著在陰極電極上沉積絕緣層薄膜3 (如圖8 (b)所示)。 絕緣層薄膜3是由二氧化硅、氮化硅或氧化鋁等多層絕緣薄膜組成。絕緣薄膜可以采用通 用的薄膜制備方法，如化學(xué)氣相沉積、濺射、電子束蒸發(fā)等方法制備。接著在絕緣層薄膜3 上制作與陰極電極條2方向垂直的柵極電極條4 (如圖8 (c)所示)。之后對(duì)絕緣層薄膜3 進(jìn)行刻蝕，形成絕緣層孔并露出陰極電極條2 (如圖8 (d)所示)?？涛g絕緣層薄膜可以采 用通用的薄膜刻蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法。刻蝕之后表面若存有刻蝕殘 留物，可以采用濕法腐蝕的方法將多層金屬薄膜的最上層金屬薄膜腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)用間接 的方法將殘留物清洗。接著在絕緣層孔露出的陰極電極條2上，定域鍍上絕緣臺(tái)階8(如圖 8 (e)所示)。絕緣臺(tái)階8可以采用低溫薄膜制備技術(shù)(如電子束蒸發(fā)，磁控濺射等技術(shù)) 與剝離技術(shù)相結(jié)合的工藝方法制作。然后在特定區(qū)域上沉積過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6 (如圖8 (f)所示)。過(guò)渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜可以采用通用的薄膜制備方法，包括濺射、 電子束蒸發(fā)等方法制備。最后將制作的基板在含氧的氣氛下加熱至200 650。C，并保溫30分鐘 12小時(shí)，最后降溫，就可以制得采用納米線陣列7作為冷陰極材料的電子源陣列(如 圖8 (g)所示)。
圖9是一種制作帶有陰極覆蓋層電子源陣列的及其制作流程圖。其結(jié)構(gòu)中采用多層金 屬薄膜為電極薄膜，多層絕緣薄膜為絕緣層。首先在襯底1上制作具有圖形的陰極電極條2 (如圖9 (a)所示)。接著在陰極電極上沉積絕緣層薄膜3 (如圖9 (b)所示)。絕緣層薄 膜3是由二氧化硅、氮化硅或氧化鋁等多層絕緣薄膜組成。絕緣薄膜可以采用通用的薄膜 制備方法，如化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等方法制備。接著在絕緣層薄膜3上 制作與陰極電極條2方向垂直的柵極電極條4 (如圖9 (c)所示)。之后對(duì)絕緣層薄膜3進(jìn) 行刻蝕，形成絕緣層孔并露出陰極電極條2 (如圖9 (d)所示)?？涛g絕緣層薄膜可以采用 通用的薄膜刻蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法?？涛g之后表面若存有刻蝕殘留 物，可以采用濕法腐蝕的方法將多層金屬薄膜的最上層金屬薄膜腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)用間接的 方法將殘留物清洗。接著在特定區(qū)域上沉積過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6 (如圖9 (e)所 示)。過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6可以采用通用的薄膜制備方法，包括濺射、電子束蒸發(fā) 等方法制備。接著生長(zhǎng)源薄膜6上，定域鍍上覆蓋層9 (如圖9 (f)所示)。覆蓋層9可以 采用通用的薄膜制備技術(shù)(如電子束蒸發(fā)，磁控濺射等技術(shù))與剝離技術(shù)相結(jié)合的工藝方 法制作。最后將制作的基板在含氧的氣氛下加熱至200 650 'C，并保溫30分鐘 12小時(shí)， 最后降溫，就可以制得采用納米線陣列7作為冷陰極材料的電子源陣列(如圖9 (g)所示)。 圖10給出了一種制作同時(shí)帶有陰極覆蓋層和絕緣層臺(tái)階的納米線電子源陣列的流程示 意圖。其結(jié)構(gòu)中采用多層金屬薄膜為電極薄膜，多層絕緣薄膜為絕緣層，覆蓋層采用與絕 緣層臺(tái)階相同的絕緣材料。首先在襯底1上制作具有圖形的陰極電極條2 (如圖10 (a)所 示)。接著在陰極電極上沉積絕緣層薄膜3 (如圖IO (b)所示)。絕緣層薄膜3是由二氧化 硅、氮化硅或氧化鋁等多層絕緣薄膜組成。絕緣薄膜可以采用通用的薄膜制備方法，如化 學(xué)氣相沉積、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等方法制備。接著在絕緣層薄膜3上制作與陰極電極 條2方向垂直的柵極電極條4 (如圖10 (c)所示)。之后對(duì)絕緣層薄膜3進(jìn)行刻蝕，形成 絕緣層孔并露出陰極電極條2 (如圖10 (d)所示)。刻蝕絕緣層薄膜可以采用通用的薄膜 刻蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法?？涛g之后表面若存有刻蝕殘留物，可以采 用濕法腐蝕的方法將多層金屬薄膜的最上層金屬薄膜腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)用間接的方法將殘留 物清洗。接著在特定區(qū)域上沉積過(guò)渡層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6 (如圖10 (e)所示)。過(guò)渡 層薄膜5和生長(zhǎng)源薄膜6可以采用通用的薄膜制備方法，包括濺射、電子束蒸發(fā)等方法制 備。接著在生長(zhǎng)源薄膜6和絕緣層孔露出的陰極電極條2處分別定域鍍上覆蓋層9和絕緣臺(tái)階8 (如圖10 (f)所示)。覆蓋層9和絕緣臺(tái)階8可以采用通用的薄膜制備技術(shù)(如電子 束蒸發(fā)，磁控濺射等技術(shù))與剝離技術(shù)相結(jié)合的工藝方法制作。最后將制作的基板在含氧 的氣氛下加熱至200 650 °C，并保溫30分鐘 12小時(shí)，最后降溫，就可以制得采用納米 線陣列7作為冷陰極材料的電子源陣列(如圖10 (g)所示)。
本發(fā)明中其它器件結(jié)構(gòu)的制作可按照以上四個(gè)例子的基本步驟進(jìn)行。需要特別指出的 是，實(shí)際制作過(guò)程并不僅僅局限于上述所舉的例子，還可以采用其它相類似的微加工方法。
圖11給出了本發(fā)明制作的納米線冷陰極電子源陣列應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器的立體結(jié)構(gòu)示 意圖。該顯示器件的基本結(jié)構(gòu)由電子源陣列基板和玻璃陽(yáng)極基板組成。電子源陣列基板上 有制備在陰極電極條2上的絕緣層薄膜3，絕緣層薄膜3上的柵極電極條4，以及在陰極電 極條2上的納米線陣列7。陽(yáng)極基板12上有制備在ITO薄膜11上的條狀的熒光粉層10。 電子源陣列極基板和陽(yáng)極基板之間使用固體絕緣材料絕緣?？刹捎谜辰Y(jié)劑，例如低熔點(diǎn)玻 璃粉將兩基板固定并密封起來(lái)。為控制兩基板之間的間距，可以在基板上的相應(yīng)位置通過(guò) 絲網(wǎng)印刷的方法制作絕緣的支撐體，或安裝絕緣體作為支撐物。
實(shí)施例
本實(shí)施例給出了采用氧化銅納米線作為冷陰極材料的電子源陣列的制作過(guò)程。具體的 制作工藝步驟參見(jiàn)附圖7。首先將玻璃襯底用丙酮、乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘， 用氮?dú)獯蹈?，再烘千。在玻璃基板上，采用直流磁控濺射真空鍍膜技術(shù)以及剝離工藝制備 陰極電極條。陰極電極條由鉻膜和鋁膜組成，其厚度分別為120 nm和100 nm。釆用等離子 體增強(qiáng)氣相沉積的方法制備氮化硅和二氧化硅復(fù)合的絕緣層薄膜，其總厚度為1.5 wm。采 用直流磁控濺射真空鍍膜技術(shù)以及剝離工藝制備柵極電極條。柵極電極條由鉻膜和鋁膜組 成，其厚度分別為400nm和100nm。采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕絕緣層薄膜，從而形成絕 緣層孔。采用直流磁控濺射真空鍍膜技術(shù)以及剝離工藝制備過(guò)渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜，過(guò) 渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜的材料分別為鉻膜和銅膜，其厚度分別100 nm和1.0um。最后將玻 璃基板放入至管式爐中進(jìn)行氧化。先從室溫升高至40(TC，然后在400。C下保溫3小時(shí)，最 后自然冷卻，上述整個(gè)氧化過(guò)程在空氣下進(jìn)行。
對(duì)制備的電子源陣列進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。附圖12是掃描電子顯微鏡 (SEM)觀察到的電子源陣列的電鏡圖片，可以發(fā)現(xiàn)氧化銅納米線集成在柵極結(jié)構(gòu)中，形 成了氧化銅納米線電子源陣列，其中氧化銅納米線的直徑約為80~100 nm，高度為0.3~3.0 y m。
將制作完成的電子源陣列基板與陽(yáng)極熒光屏基板組裝成場(chǎng)發(fā)射顯示原型器件，兩基板之間用陶瓷絕緣材料保持絕緣。器件組裝完畢后，整個(gè)器件內(nèi)部處于真空狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。 首先在陽(yáng)極電極上施加電壓，然后在某-一行柵極和某一列陰極或全部陰極列之間施加電壓， 電子將在陽(yáng)極電壓和柵極電壓的作用下從氧化銅納米線冷陰極發(fā)射出來(lái)，在真空中加速后， 轟擊陽(yáng)極發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)某一像素點(diǎn)或某一行像素點(diǎn)的顯示。附圖13 (a)為本發(fā)明所制作 的氧化銅納米線電子源陣列組裝成的場(chǎng)發(fā)射顯示器的顯示圖片。相應(yīng)的工作條件為陽(yáng)極 工作電場(chǎng)固定在5.2MV/m，柵極工作電壓分別為40 V、 80 V、 100 V、 120V。圖13(b)是 陽(yáng)極收集電流與柵極電壓的關(guān)系曲線。從曲線可知，陽(yáng)極電場(chǎng)固定在5.2MV/m時(shí)，柵極電 壓從0V升高至120V時(shí)，陽(yáng)極收集到的電流從170nA升高至480nA。圖14 (a)是采用本 發(fā)明的制作的全封裝的3.5英寸氧化銅納米線冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器外形照片。圖14 (b)是該 器件顯示字符和圖形效果的照片。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了，所制作的納米線電子源陣列有希 望應(yīng)用于高分辨、低電壓的場(chǎng)發(fā)射顯示器件。
權(quán)利要求
1.一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括(1)襯底；(2)制作在該襯底之上的相互交叉排列的陰極電極條和柵極電極條；(3)陰極和柵極之間的絕緣層；(4)制作在陰極電極條上的納米線冷陰極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其制作步驟如下(1) 清潔襯底；(2) 在襯底上制作陰極電極條； G)在陰極電極條上制作絕緣層-,(4) 在絕緣層上制作柵極電極條；(5) 刻蝕絕緣層，在柵極和陰極電極條的交叉位置暴露出陰極電極條；(6) 在陰極電極條上分別制作過(guò)渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜陣列，過(guò)渡層薄膜用于提高 生長(zhǎng)源薄膜的粘附性，生長(zhǎng)源薄膜陣列用于納米線冷陰極的生長(zhǎng)；(7) 采用直接氧化法從生長(zhǎng)源薄膜生長(zhǎng)制作納米線冷陰極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其特征在于所述的直接氧 化法的步驟為-(1) 將制作有過(guò)渡層薄膜和生長(zhǎng)源薄膜陣列的結(jié)構(gòu)加熱至200°C~650 °C;(2) 在含氧的氣氛下保溫30分鐘 12小時(shí)；(3) 降溫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的襯底是玻璃、陶瓷或硅片等。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)中，可以在柵極電極條和納米線冷陰極之間制作突起或凹入的絕緣臺(tái)階，用 于提高柵極和陰極之間的絕緣特性和器件工作的穩(wěn)定性和壽命。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)中，可以在源薄膜層上引入覆蓋層，用于限制納米線冷陰極的生長(zhǎng)區(qū)域，并 保證納米線生長(zhǎng)所需的源材料的供應(yīng)。所述覆蓋層的材料是金屬、半導(dǎo)體或絕緣薄膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法，其特征在于陰極電極條和柵極電極條由鉻、鋁、鈦、鎢、鉬或鈮等多層金屬薄膜組成，該多層金屬薄膜用于提高電極的導(dǎo)電性，而且最上層的金屬薄膜可用于清除刻蝕殘留的犧牲層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法，其特征在于 絕緣層由多層絕緣材料薄膜組成，該多層絕緣層薄膜用于提高絕緣層的絕緣性。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l， 8所述納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多層絕緣 層薄膜由二氧化硅、氮化硅或氧化鋁等組成，其制備方法為真空鍍膜方法，包括電子束 蒸發(fā)方法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述的納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其中納米線冷陰極的 制作過(guò)程中不使用任何催化劑。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l一3所述的納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其特征在于所述的 過(guò)渡層薄膜材料為鉻、鈦、鋁、鉬或鈮中的一種或幾種。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述的納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其特征在于所述的 生長(zhǎng)源薄膜材料為銅、鐵、鋅、鎢、鉬、鉻、鈦或鎳。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1一3所述的納米線冷陰極電子源陣列的制作方法，其特征在于所述的 納米線材料為氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉻、氧化鈦或氧化鎳。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1_14所述方法制作的納米線冷陰極電子源陣列在場(chǎng)發(fā)射平板顯示器件上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶柵極的納米線冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法和在平板顯示的應(yīng)用。該電子源陣列結(jié)構(gòu)包括襯底，制作在襯底之上的相互交叉排列的陰極電極條和柵極電極條，陰極和柵極之間的絕緣層，以及制作在陰極電極條上的納米線冷陰極陣列。該電子源陣列結(jié)構(gòu)的制作采用薄膜微加工工藝和自組裝生長(zhǎng)工藝結(jié)合的方法。在該方法中，納米線冷陰極采用直接氧化法制作，無(wú)需催化劑。另外，通過(guò)在陰極上制作覆蓋層，保護(hù)生長(zhǎng)納米線所需要的源材料和限制納米線在靠近柵極的區(qū)域生長(zhǎng)。本發(fā)明提供的采用納米線為冷陰極的電子源陣列結(jié)構(gòu)，其制作方法工藝簡(jiǎn)單、可控性高，可應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射平板顯示器件。
文檔編號(hào)H01J1/304GK101494144SQ20091000455
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者佘峻聰, 詹潤(rùn)澤, 許寧生, 鄧少芝, 軍 陳, 強(qiáng) 麥 申請(qǐng)人:中山大學(xué)