專利名稱：一種具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列及其制作方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場發(fā)射電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于真空微電子技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明給出了一種把下層電極嵌入到襯底的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)及其嵌入式電極的制作方法。
背景技術(shù)：
與熱電子發(fā)射不同，場致電子發(fā)射是通過用很強的外部電場來壓抑物體表面的勢壘，使勢壘的寬度變窄，當勢壘寬度窄到可以同電子波長相比擬時，電子由于隧穿效應(yīng)就會發(fā)射出來。場致電子發(fā)射因為不需要加熱就能使電子發(fā)射出來，所以又稱為冷電子發(fā)射，而根據(jù)場致電子發(fā)射原理來工作的陰極則稱為冷陰扱。冷陰極由于電子發(fā)射效率高，可控性強，響應(yīng)快和能夠?qū)崿F(xiàn)大面積電子發(fā)射等優(yōu)點，在場發(fā)射顯示器等真空微電子器件上有重要應(yīng)用前景。一般的冷陰極電子源由陰極和柵極構(gòu)成。通過在柵極施加電壓，在冷陰極表面產(chǎn)生強的電場，從而發(fā)射電子。因此，器件正常工作時，柵極與陰極之間需要施加電壓。這就對柵陰極之間絕緣層的耐壓性能有很高的要求。特別是對于需要尋址的電子源陣列，由于底層電極條制作在襯底之上，會形成一定高度的臺階，這將造成沉積在其上面的絕緣層和上層電極條在下層電極條邊緣處也存在一臺階。隨著底層電極條厚度的增加，這ー臺階高度也會増加，從而増大了絕緣層局部位置的電場，降低了絕緣層的耐壓性能，影響到器件的穩(wěn)定性。因此，如果能夠消除臺階，降低局部電場，則可以提高絕緣層的耐壓，從而提高器件穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種電極嵌入到襯底中的冷陰極電子源陣列及其嵌入式電極的制
作方法。本發(fā)明的冷陰極電子源陣列包括襯底(1)，嵌入在襯底(I)里的下層電極條(2)和與之交叉排列的上層電極條(4)，上下層電極條之間的絕緣層(3)，以及制作在陰極電極條上的冷陰極陣列(6)。在上述結(jié)構(gòu)中，下層電極條可以是陰極電極條或柵極電極條。本發(fā)明所述的冷陰極電子源陣列的嵌入式電極的制作方法為采用自上而下的薄膜微加工エ藝方法。其制作步驟如下( I)清洗襯底；(2)在襯底上制作具有底層電極條圖案的掩模層；(3)刻蝕襯底；(4)沉積底層電極條薄膜；(5)除去掩模層。嵌入式電極的制作采用光刻，真空鍍膜，剝離和刻蝕等エ藝技木。其中，光刻可以采用紫外光刻或電子束光刻；真空鍍膜技術(shù)為電子束蒸發(fā)、磁控濺射和化學(xué)氣相沉積等通用的鍍膜方法；刻蝕技術(shù)為濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕等通用的薄膜刻蝕方法。本發(fā)明所述的冷陰極電子源陣列的襯底可為玻璃、陶瓷或硅等；襯底的刻蝕掩膜層可為光刻膠或鋁等。根據(jù)不同的襯底材料和電極條的厚度，襯底的刻蝕深度一般為100納米至5微米。制作嵌入式電極的材料可為ΙΤ0，鉻、鋁、鈦、鎢、鑰或鈮中的ー種或幾種，其厚度為100納米至5微米。本發(fā)明所述的具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列，其冷陰極材料可以采用微尖錐，石墨烯、金剛石薄膜、類金剛石薄膜、碳納米管、氧化銅納米線、氧化鋅納米線和氧化鎢納米線等ー維納米材料。本發(fā)明的具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列結(jié)構(gòu)及其嵌入式電極的制作方法具有制作エ藝簡單，可控性高的優(yōu)點。由于降低了器件工作時上下層尋址電極重疊處絕緣 層所承受的電場，提高了器件的穩(wěn)定性，并且可以采用玻璃作為襯底材料，所以，本發(fā)明的嵌入式電極結(jié)構(gòu)在各種冷陰極電子源陣列結(jié)構(gòu)和場發(fā)射平板顯示等真空微電子器件中有重要應(yīng)用價值。


圖Ia是下層電極為陰極，以納米線作為冷陰極材料的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖Ib是下層電極為柵極，以納米線作為冷陰極材料的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是底層電極陷入襯底里的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b是底層電極完全埋在襯底里的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2c底層是電極部分埋在襯底里的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖I (a)所示的冷陰極電子源陣列的制作流程圖；圖4是本發(fā)明底層電極的制作流程圖；圖5a是現(xiàn)有冷陰極電子源陣列中絕緣層的電場模擬示意圖；圖5b是本發(fā)明冷陰極電子源陣列中絕緣層的電場模擬示意圖；圖中，上層電極電壓為100V，下層電極接地。圖6a是實際制作的電子源陣列的絕緣層臺階在低放大倍數(shù)時的掃描電子顯微鏡照片。圖6b是實際制作的電子源陣列的絕緣層臺階在高放大倍數(shù)時的掃描電子顯微鏡照片。圖7a是實際制作的嵌入式電極結(jié)構(gòu)的納米線冷陰極電子源陣列的低放大倍數(shù)掃描電子顯微鏡照片。圖7b是實際制作的嵌入式電極結(jié)構(gòu)的納米線冷陰極電子源陣列的高放大倍數(shù)掃描電子顯微鏡照片。圖中標號說明
I :襯底；2 :下層電極；3 :絕緣層；4 :上層電極；5 :生長源薄膜；6 :納米線冷陰極；7 :掩膜層
具體實施例方式為了更好地描述上述具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列結(jié)構(gòu)及其嵌入式電極的制作方法，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步的詳細說明。圖I給出了以納米線作為冷陰極材料的具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。該電子源陣列的基本結(jié)構(gòu)，包括襯底I、嵌入在襯底里的下層電極2和與其交叉排列的上層電極4、上下層電極之間的絕緣層3、以及制作在陰極電極條上的納米線冷陰極陣列6。在上述結(jié)構(gòu)中，下層電極可以是陰極，也可以是柵扱。圖I (a)中下層電極2為陰極；圖I (b)中下層電極2為柵極。
圖2 (a)、(b)和(C)分別列舉了埋層電極凹進襯底、完全埋在襯底和部分埋在襯底的結(jié)構(gòu)不意圖。圖3是圖I (a)所示的以納米線作為冷陰極材料的電子源陣列結(jié)構(gòu)的制作流程圖。首先在襯底I上刻蝕出具有陰極電極條圖案的刻蝕槽(如圖3 (a)所示)?？涛g方法可以是濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕等通用薄膜刻蝕方法。接著在刻蝕槽上制作陰極電極條2 (如圖3 (b)所示)。陰極電極條2可以是由ΙΤ0、鉻、招、鈦、鶴、鑰或鈮等ー種或多種材料的薄膜組成。陰極電極條薄膜的制備可以通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積等通用薄膜制備方法。然后在陰極電極條2上沉積絕緣層薄膜3 (如圖3(C)所示)。絕緣層薄膜3由ニ氧化硅、氮化硅和氧化鋁等絕緣薄膜組成。沉積絕緣層薄膜的方法是化學(xué)氣相沉積、電子束蒸發(fā)和磁控濺射等通用薄膜制備方法。然后在絕緣層薄膜 3上制作與陰極電極條2垂直的柵極電極條4 (如圖3 (d)所示)。柵極電極條4可以是由ΙΤ0、鉻、鋁、鈦、鎢、鑰或鈮等ー種或多種材料的薄膜組成。柵極電極條薄膜的制備可以通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積等通用薄膜制備方法。接著對絕緣層薄膜3進行刻蝕，露出陰極電極條2 (如圖3 (e)所示)。刻蝕絕緣層的方法可以是濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕等通用薄膜刻蝕方法。然后在特定局域制作生長源薄膜5 (如圖3 (f)所示)。生長源薄膜5可以通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積等通用薄膜制備方法來制作。最后對基板進行熱氧化，就可以得到以納米線作為冷陰極材料6的具有嵌入式電極結(jié)構(gòu)的電子源陣列(如圖3 (g)所示)。圖4是冷陰極電子源陣列中嵌入式電極的制作流程圖。首先在襯底I上制作具有底層電極條圖案的掩膜層7 (如圖4 (a)所示)。襯底可以是玻璃、陶瓷或硅片等，掩膜層可以是光刻膠和鋁等。接著刻蝕襯底1，形成具有底層電極條圖案的刻蝕槽(如圖4 (b)所示)?？涛g襯底可以采用通用的薄膜刻蝕方法，如濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕等方法。然后制作下層電極2 (如圖4 (c)所示)。下層電極可為ΙΤ0、鉻、鋁、鈦、鎢、鑰或鈮中的ー種或幾種。下層電極可以采用通用的薄膜制備方法來制備，如磁控濺射，電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積等方法。最后除去掩膜層7，就可以制得嵌入到襯底里的埋層電極(如圖4 Cd)所示)。本發(fā)明中其它電子源陣列結(jié)構(gòu)的制作可按照以上例子的基本步驟進行。需要特別指出的是，實際制作過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
エ方法。我們用數(shù)值模擬計算了電子源陣列工作時，具有普通電極條與嵌入式電極條的冷陰極電子源陣列中絕緣層的電場強度的差異。圖5給出了冷陰極電子源陣列工作時絕緣層的電場模擬示意圖。圖5(a)中下層電極為普通電極條；圖5(b)中下層電極嵌入到襯底里。其中，下層電極2接地，上層電極4電壓為100V。模擬結(jié)果表明，應(yīng)用嵌入式電極后，絕緣層3截面在上下電極處的最大電場分別由6. 51 X 107V/m和I. 97X 108V/m下降到3. 74X IO7V/m 和 I. 88X 108V/m。實施例本實施例給出了采用氧化銅納米線作為冷陰極材料的上柵結(jié)構(gòu)的電子源陣列的制作過程。具體的制作步驟參見附圖3。首先將玻璃襯底分別用丙酮、こ醇和去離子水超聲清洗30分鐘。用氮氣吹干后，在玻璃襯底上使用光刻膠作為掩膜層，光刻出具有陰極電極條圖案，接著采用反應(yīng)離子刻蝕刻蝕玻璃襯底，刻蝕深度為110納米。然后采用磁控濺射技術(shù)和剝離エ藝制備陰極電極條。陰極電極條為鉻薄膜，其厚度為200納米。接著采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積的方法制備由ニ氧化硅和氮化硅組成的復(fù)合絕緣層薄膜，其總厚度為I. 8微米。然后采用磁控濺射技術(shù)和剝離エ藝在絕緣層上制備柵極電極條。柵極電極條為鉻薄膜，其厚度為350納米。接著采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕絕緣層，從而露出陰極電極條。然后采用磁控濺射技術(shù)及剝離エ藝制備過渡層薄膜和生長源薄膜，過渡層薄膜為鉻薄膜，而生長源薄膜為銅薄膜，總厚度為I微米。最后把玻璃基板放入管式爐中進行氧化。先從室溫加溫到430°C，然后在430°C保溫3小時，最后自然冷卻，上述整個氧化過程在大氣中進行。對制備的電子源陣列進行掃描電子顯微鏡觀察。附圖6和附圖7是掃描電子顯微鏡觀察到的電子源陣列的圖片。從圖6可以看出底層電極條嵌入到襯底里，使得上層電極條更加平整，而從圖7則可看出，電子源陣列中的納米線生長情況良好，說明嵌入式電極的制作エ藝與器件的制作是相互兼容的。
權(quán)利要求
1.一種具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列，其特征在于，包括 (1)襯底； (2)嵌入到襯底里的底層電極條和與底層電極條垂直交叉排列的上層電極條，該上下層電極條其中之一為陰極，另一個為柵極； (3)制作于上下層電極條之間的絕緣層； (4)制作在陰極電極條上的冷陰極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述的襯底是玻璃、陶瓷或娃片等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述上層電極條或底層電極條可由ITO、鉻、鋁、鈦、鎢、鑰或鈮中的一種或多種材料的薄膜組成，其厚度為100納米至5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述底層電極條全部或部分嵌入到襯底里。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述絕緣層為單層絕緣層薄膜或多層絕緣層薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述絕緣層薄膜由二氧化硅、氮化硅或氧化鋁構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述絕緣層薄膜的制備方法為電子束蒸發(fā)方法或等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列，其特征在于所述冷陰極材料為包括微尖錐，石墨烯、金剛石薄膜、類金剛石薄膜、碳納米管、氧化銅納米線、氧化鋅納米線和氧化鎢納米線等的納米材料。
9.權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列中嵌入式電極的制作方法，其特征在于包括以下步驟 (1)清洗襯底； (2)在襯底上制作具有底層電極條圖案的掩模層； (3)刻蝕襯底，形成凹槽； (4)沉積底層電極條薄膜； (5)除去掩模層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述刻蝕襯底的方法可以是濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕中的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述凹槽的深度為100納米至5微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的冷陰極電子源陣列在場發(fā)射平板顯示器上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有嵌入式電極的冷陰極電子源陣列的結(jié)構(gòu)、制作方法及其在場發(fā)射顯示器件中的應(yīng)用。該電子源陣列結(jié)構(gòu)包括襯底；嵌入在襯底里的底層電極條和與其交叉排列的上層電極條；上下層電極條之間的絕緣層，以及制作在陰極電極條上的冷陰極陣列。該電子源陣列結(jié)構(gòu)采用薄膜微加工的方法制作通過在襯底刻蝕凹槽，將底層電極條嵌入到襯底里。其優(yōu)點是降低了制作在底層電極條上面的絕緣層薄膜和上層電極條的臺階高度，降低了絕緣層所承受的電場，提高了其可靠性。另外，通過控制凹槽深度，可以在保持絕緣層及上層電極條的平整度的前提下，增加底層電極條的厚度，從而提高其導(dǎo)電性。
文檔編號H01J1/304GK102709133SQ20121015249
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者許寧生, 鄧少芝, 陳軍, 陳毅聰 申請人:中山大學(xué)