專利名稱：具有聚焦電極的電子發射裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有聚焦電極的電子發射裝置及其制造方法，更具體地講，涉及這樣一種具有聚焦電極的電子發射裝置以及一種制造該電子發射裝置的方法，在該電子發射裝置中，聚焦電極根據形成電子發射單元的位置被分到預定數量的區域中，從而可以提高發射的電子的射束聚焦和射束直徑。
背景技術：
通常，電子發射顯示器包括在每個像素中的電子發射單元。根據電子發射裝置，電子從由陰極電極和柵極電極之間的電壓驅動的陰極電極中發射，發射出的電子由陽極電極加速并且與熒光體碰撞來發射光。通常，電子發射裝置被分為將熱陰極用作電子源的電子發射裝置以及將冷陰極用作電子源的電子發射裝置。使用冷陰極的電子發射裝置包括場發射陣列(FEA)型電子發射裝置、表面傳導發射(SCE)型電子發射裝置、金屬絕緣層金屬(MIM)型電子發射裝置、金屬絕緣層半導體(MIS)型電子發射裝置以及彈道電子表面發射(BSE)型電子發射裝置。
FEA型電子發射裝置使用具有低功函數或者高β函數的材料作為電子發射源，從而由于電位能的差，電子在真空條件下被發射。已經開發了其中由尖頭的尖端結構的碳材料或者納米材料制成的電子發射源的裝置。
在SCE型電子發射裝置中，在基底上彼此面對布置的兩個電極之間設置有傳導薄膜，在傳導薄膜中設置有微小裂紋以形成電子發射單元。在SCE型電子發射裝置中，電壓被施加到電極上并且由電壓引起的電流流向傳導薄膜的表面。電子從用作電子發射單元的微小間隙中發射。
在MIM型和MIS型電子發射裝置中，形成有具有MIM和MIS結構的電子發射單元。當電壓施加到插入有介電層的兩個金屬層之間或者金屬層和半導體層之間時，電子運動并且被加速，從具有高電勢的金屬層或者半導體層向具有低電勢的金屬層驅動電子發射。
在BSE型電子發射裝置中，由金屬或者半導體制成的電子供給層形成在歐姆電極上，絕緣層和金屬薄膜形成在電子供給層上。如果半導體的尺寸小于在半導體中電子的平均自由程，則在歐姆電極和金屬薄膜之間施加電壓時，電子不分散而是沿著恒定方向行進。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種提高發射出的電子的射束聚焦和射束直徑的電子發射裝置以及一種制造該電子發射裝置的方法。該電子發射裝置具有聚焦電極，該聚焦電極根據電子發射單元形成的位置被分到預定數量的區域中。
為了實現本發明的上述和其它目的，根據本發明的第一方面，提供了一種具有聚焦電極的電子發射裝置，該裝置包括陰極電極，通過將導電材料沉積在基底上形成；第一絕緣層，通過將絕緣材料涂覆在陰極電極上形成，并且成預定數量的第一孔形成在第一絕緣層上以使部分陰極電極暴露；柵極電極，通過將金屬材料沉積在第一絕緣層上形成；第二絕緣層，在柵極電極上形成，并且多個第二孔對應于形成在第一絕緣層中的第一孔的位置形成在第二絕緣層中；聚焦電極，形成在第二絕緣層上并由金屬材料形成，并被分到預定區域中；電子發射單元，形成在預定數量的第一孔中，所述第一孔使部分陰極電極暴露。
根據本發明的第二方面，提供了一種制造具有聚焦電極的電子發射裝置的方法，該方法包括步驟在基底上順序地形成陰極電極、第一絕緣層、柵極電極，然后在第一絕緣層和柵極電極上形成多個第一孔以使陰極電極的部分區域暴露。該方法還包括步驟在柵極電極上順序地形成第二絕緣層和聚焦電極；在與第一孔對應的位置在第二絕緣層和聚集電極中形成多個第二孔；以將聚焦電極劃分到預定區域；在通過其暴露陰極電極的多個第一孔中形成電子發射單元。
通過下面參照附圖進行的描述，本發明的更完整的評價以及其伴隨的優點隨著對本發明更好的理解而將會變得更加明顯，其中相同的附圖標號表示相同或者相似的部件，其中圖1示意性地示出電子發射裝置的孔對縫(hole-to-slit)的結構；圖2示意性地示出電子發射裝置的孔對孔(hole-to-hole)的結構；圖3是示意性地示出被構成為本發明第一實施例的具有聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖；圖4是沿著圖3的線I-I′剖開的剖視圖；圖5A至圖5C是示出作為本發明實施例的制造電子發射裝置的工藝的剖視圖；圖6是示意性地示出作為本發明第二實施例的具有聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖；圖7是示意性地示出作為本發明第三實施例的具有聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖。
具體實施例方式
以下，將參照附圖來描述根據本發明的電子發射裝置的優選實施例。
圖1示意性地示出電子發射裝置的孔對縫的結構。如圖1所示，電子發射裝置10包括陰極電極12，通過將導電材料沉積在基底11上形成；第一絕緣層13，通過以使部分陰極電極12暴露的方式將絕緣材料涂覆在陰極電極12上形成；柵極電極14，通過在第一絕緣層13上沉積金屬材料形成；第二絕緣層15，在柵極電極14的預定區域上由絕緣材料制成；聚焦電極16，在第二絕緣層15上由金屬材料制成；電子發射單元17，形成在陰極電極12部分暴露的區域18上。
在形成柵極電極14后，基底11涂覆形成第二絕緣層15的絕緣材料。執行光刻工藝從而使第二絕緣層15形成圖案，并且第二絕緣層15僅在子像素區域的邊緣留下。電子發射單元17形成在子像素區域中。換言之，一個子像素區域中形成多個電子發射單元17，第二絕緣層15形成在有電子發射單元形成在其中的子像素區域的邊緣。由金屬材料制成的聚焦電極16形成在第二絕緣層15上。聚焦電極16不是對應于電子發射單元17的每一個形成，而是在一個子像素中形成，從而當從頂部觀看時具有孔對縫形狀的結構。
圖2示意性地示出電子發射裝置孔對孔的結構。如圖2所示，電子發射裝置20具有陰極電極22，通過將導電材料沉積在基底21上形成；第一絕緣層23，通過將絕緣材料涂覆在陰極電極22上以使部分陰極電極22被暴露來形成；柵極電極24，通過將金屬材料沉積在第一絕緣層23上形成；第二絕緣層25，形成在柵極電極24上并且由絕緣材料制成；聚焦電極26，形成在第二絕緣層25上并且由金屬材料制成；電子發射單元27，形成在陰極電極22的部分暴露的區域28上。第二絕緣層25和聚焦電極26對應于每個電子發射單元27形成以具有孔對孔的結構。
孔對縫的結構和孔對孔的結構都具有它們各自的缺點。圖1的電子發射裝置發射大量的電子，但是從電子發射單元發射出的電子的垂直和水平的射束直徑很大。在圖2的電子發射裝置中，因為絕緣層的厚度不是足夠厚，所以應該將負電壓施加到聚焦電極以屏蔽陽極電場，所述陽極電場導致發射出的電子的數量快速下降。
因此，需要提供一種能夠容易地控制射束聚焦和射束直徑以及保持發射出的電子數量的電子發射裝置。以下將詳細描述的本發明的電子發射裝置還將提供射束聚焦的改善特性以及發射出的電子的穩定的和可控制的射束直徑。
圖3是示意性地示出作為本發明第一實施例的具有聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖。圖4是沿著圖3的I-I′線剖開的剖視圖。如圖3和圖4所示，在本發明中構造的具有聚焦電極的電子發射裝置30包括陰極電極32，通過將導電材料沉積在基底31上形成；第一絕緣層33，通過將絕緣材料涂覆在陰極電極32上從而形成預定數量的孔以使部分陰極電極32被暴露來形成；柵極電極34，通過將金屬材料沉積在第一絕緣層33上形成；第二絕緣層35，形成在柵極電極34的區域中，所述區域與形成在第一絕緣層33中預定數量的孔的輪廓對應；聚焦電極36，形成在第二絕緣層35上，由金屬材料制成的；電子發射單元37，形成在暴露部分陰極電極32的預定數量的孔中。
基底31可以是玻璃基底或者硅基底，并且當電子發射單元37由碳納米管(CNT)漿料制成并以通過基底31的底表面曝光的光刻工藝形成時，基底31最好是玻璃基底。
陰極電極32可以按照焊墊的形狀形成在基底31上，并且彼此隔開預定距離。從數據驅動器或者掃描驅動器中提供的數據信號或者掃描信號被施加到陰極電極32上。陰極電極32可由導電材料制成，或者當陰極電極32需要像基底31一樣是透明的時，陰極電極32可以由例如氧化銦錫(ITO)的透明導電材料制成。如果陰極電極32按照焊墊的形狀形成，則第一絕緣層33形成在陰極電極焊墊的頂部或者沒有陰極電極焊墊形成的基底的頂部。第一絕緣層33提供陰極電極32和柵極電極34之間的電絕緣。第一絕緣層33可以由絕緣材料，例如氧化鉛(PbO)或者二氧化硅(SiO2)的混合玻璃制成。
柵極電極34按照的預定的形狀，例如與陰極電極32交叉的條紋形成在第一絕緣層33上。從數據驅動器或者掃描驅動器施加的數據信號或者掃描信號被提供到柵極電極34。柵極電極34可由從具有良好傳導性的金屬，例如銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鉻(Gr)或者這些金屬的合金中選擇的至少一種導電金屬材料制成。
第二絕緣層35形成在柵極電極34上，以使柵極電極34和聚焦電極36電絕緣。這里，第二絕緣層35的絕緣材料可以與第一絕緣層33的材料相同。
聚焦電極36形成在第二絕緣層35上，并且由與柵極電極34的金屬材料相同的金屬材料制成。當通過施加不小于0伏的電壓來獲得大量的發射電子時，電子的垂直射束直徑可被控制，這會使從電子發射單元37發射出的電子被容易地聚焦。
如圖3和圖4所示，本發明的電子發射裝置30具有由聚焦電極36的結構限定的預定數量的區域。每個區域可具有不同數量的電子發射單元37，并且可具有孔對縫的結構或者孔對孔的結構。圖3和圖4顯示了三個不同區域40、41和42的例子。中間區域(區域41)和兩個邊緣區域(區域40和42)彼此隔開預定距離。在這個實施例中，區域41具有三個電子發射單元，區域40和42的每一個具有一個電子發射單元。因此，電子發射單元數量的比例是1(區域40)∶不小于3(區域41)∶1(區域42)。然而，包含在區域中的孔的數量和比例可以根據電子發射裝置的結構改變，并且不限于在這個例子中所描述的數量。
因此，從形成在區域41中的電子發射單元發射出的電子的垂直射束對從形成在區域40和42中的電子發射單元發射出的電子的垂直射束不產生影響。電子發射單元37電連接到暴露的陰極電極32上，并且電子發射單元37最好由碳納米管、石墨納米管、金剛石納米管以及類金剛石碳納米管、通過將石墨、金剛石和類金剛石碳彼此結合得到的納米管形成，或者由硅(Si)或者碳化硅(SiC)制成的納米線形成。
圖5A至圖5C是示出制造作為本發明實施例的電子發射裝置的工藝的視圖。首先，將描述制造本發明的電子發射裝置的方法。電子發射裝置可以通過厚膜工藝或者薄膜工藝中的任何一種制造。在厚膜工藝中，絕緣材料通過絲網印刷方法以膏狀涂覆，形成厚度較厚的絕緣層。在薄膜工藝中，絕緣膜例如氧化硅膜通過化學氣相淀積(CVD)裝置被沉積，從而形成厚度較薄的絕緣層。在厚膜工藝中，可以容易地制造大尺寸的顯示器，提高了批量并降低制造成本。然而，很難制造精密的和高度集成的電子發射裝置。另一方面，薄膜工藝具有容易制造精密和高度集成的電子發射裝置的優點，但是具有低批量的生產率和高的制造成本。
如圖5A所示，陰極電極32、第一絕緣層33以及柵極電極34形成在基底31上。這里，為了適于從基底31的底表面曝光的曝光工藝，透明玻璃基底被選用作基底31，這個將稍后描述。與透明基底的描述原因相同，導電透明材料氧化銦錫(ITO)被用作陰極電極32。
在將ITO在基底31上沉積預定厚度，例如800至2000之后，沉積的ITO按照預定形狀，例如條紋形成圖案。可以按照公知的光刻工藝執行陰極電極32，例如ITO的圖案化，該光刻工藝包括光致抗蝕劑涂覆、曝光、顯影和蝕刻步驟。
第一絕緣層33在陰極電極32和基底31的整個表面上形成預定厚度。當第一絕緣層33通過厚膜工藝形成時，膏狀的絕緣材料通過絲網印刷方法首先涂覆成預定厚度，然后絕緣材料在大于大約550℃的溫度下退火，從而形成大約10μm到12μm厚度的第一絕緣層33。退火溫度可以根據絕緣材料改變。另一方面，當第一絕緣層33通過薄膜工藝形成時，絕緣膜，例如氧化硅膜通過CVD方法沉積到約1.0μm到1.5μm厚度，從而形成第一絕緣層33、然后，柵極電極34形成在第一絕緣層33上。通過用濺射法沉積導電金屬，例如銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鉻(Gr)或者這些金屬的合金中的至少一種導電金屬形成約2500至3000厚度的柵極電極34。
為了制成多個孔38，將光致抗蝕劑涂覆到柵極電極34上。在使光致抗蝕劑層形成圖案后，部分柵極電極34和第一絕緣層33被蝕刻。柵極電極34和第一絕緣層33可以以孔對孔的形式被干蝕刻或者濕蝕刻直到陰極電極32被暴露，從而完成多個孔38。
形成在陰極電極暴露部分上的多個孔被分到預定區域。在圖4、圖5A至圖5C中所示的例子，多個孔被隔開到三個區域40、41和42中。在這個例子中，孔數量的比例是1(區域40)∶不少于3(區域41)∶1(區域42)。然而，在區域中包含的孔的數量和比例能夠根據電子發射裝置的結構變化。此時，在三個分開的區域中，中間區域和兩個邊緣區域彼此分開預定距離。
如圖5B所示，第二絕緣層35和聚焦電極36順序地形成在形成有第一絕緣層33和柵極電極34的預定區域中。第二絕緣層35的形成方法與第一絕緣層33的形成方法相同。當第二絕緣層35通過厚膜工藝形成時，第二絕緣層35形成為大約30μm到40μm的厚度。當第二絕緣層35通過薄膜工藝形成時，第二絕緣層35形成為大約1.0μm到1.5μm的厚度。
聚焦電極36形成在第二絕緣層35上。導電材料，例如銀(Ag)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鉻(Gr)或者這些金屬的合金通過濺射方法在第二絕緣層35上沉積大約2500至3000的厚度，從而形成聚焦電極36。這里，聚焦電極36將電子發射單元發射的電子聚焦。
聚焦電極36和第二絕緣層35被圖案化以形成孔38。在聚焦電極36的頂部涂覆光致抗蝕劑后，光致抗蝕劑被圖案化從而部分聚焦電極36和第二絕緣層35被蝕刻形成孔38。聚焦電極36和第二絕緣層35可以以孔對縫的結構方式被干蝕刻或者濕蝕刻，直到陰極電極32暴露于整個孔38。然后，多個電子發射單元37形成在一個子像素區域中。聚焦電極36沒有對應于每個電子發射單元37形成，而是在三個分開的區域中的邊緣區域中都形成以具有孔對縫的結構。因此，聚焦電極36控制從電子發射單元37中發射出的電子的射束直徑。
接下來，如圖5C所示，電子發射單元37形成在多個孔38中。首先，在對通過如上所述的先前工藝構造的結構的整個表面涂覆光致抗蝕劑后，光致抗蝕劑被圖案化，從而部分陰極電極32通過孔38的底表面被暴露。感光碳納米管(CNT)漿料通過絲網印刷方法被涂覆到結構的整個表面上。紫外(UV)線從基底31的底表面發射，從而CNT漿料被選擇性地曝光。此時，僅由光致抗蝕劑暴露的部分CNT漿料被曝光。曝光的CNT漿料被焙燒以形成電子發射單元。
這里，當控制曝光的量時，可以控制CNT漿料曝光的深度。然后，當光致抗蝕劑利用顯影劑例如丙酮被去除時，沒有曝光的CNT漿料在光致抗蝕劑被去除的同時也被去除，僅有暴露的CNT漿料被留下，從而形成電子發射單元37。然后，當在預定溫度，例如在大約460℃的溫度時執行退火工藝時，電子發射單元37被收縮同時被退火以具有期望的高度。此時，退火溫度可以根據CNT漿料的成分和種類改變。當第一絕緣層和第二絕緣層通過厚膜工藝形成時，電子發射單元37的高度大約是2μm到4μm，當第一絕緣層和第二絕緣層通過薄膜工藝形成時，電子發射單元37的高度大約是0.5μm到1.0μm。
將聚焦電極形成為具有雙結構(double structure)，從而完成具有本發明的聚焦電極并且能夠控制電子聚焦以及垂直和水平射束直徑的電子發射裝置。
圖6是示意性地示出具有作為本發明第二實施例的聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖。如圖6所示，在具有根據本發明的聚焦電極的電子發射裝置的聚焦電極61的三個分開的區域62、63和64中，電子發射單元65可以按照2(區域62)∶不少于3(區域63)∶2(區域64)的比例形成。這里，將省略對本發明第二實施例的詳細描述。
因此，從形成在聚焦電極61的區域63中的電子發射單元65中發射出的電子的垂直射束直徑對從區域62和64兩個的電子發射單元65中發射出來的射束沒有產生影響。
圖7是示意性地示出具有作為本發明第三實施例的聚焦電極的電子發射裝置的結構的平面圖。如圖7所示，在具有根據本發明的原理的聚焦電極的電子發射裝置的聚焦電極71的三個分開的區域72、73和74中，電子發射單元75可以按照1(區域72)∶不少于3(區域73)∶2(區域74)的比例形成。這里，將省略對本發明第三實施例的詳細描述。
雖然已經顯示和描述了本發明的幾個實施例，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離由權利要求及其等同物的范圍限定的本發明的原理和精神的情況下，可以對實施例進行各種改變。
權利要求
1.一種電子發射裝置，包括基底；多個陰極電極，形成在基底上并且由導電材料制成；第一絕緣層，形成在所述陰極電極上并且由絕緣材料制成，所述第一絕緣層具有多個第一孔以使部分所述陰極電極暴露；多個柵極電極，形成在所述第一絕緣層上并且由金屬材料制成；第二絕緣層，形成在所述柵極電極上并且由絕緣材料制成，第二絕緣層具有多個第二孔，所述多個第二孔的每一個布置成覆蓋預定數量的所述第一孔，所述多個第二孔的至少一個覆蓋與其余的第二孔覆蓋的第一孔數量不同的第一孔；聚焦電極，形成在所述第二絕緣層上并且由金屬材料制成，聚焦電極具有多個第三孔，所述多個第二孔的每一個與所述多個第三孔的一個對齊；多個電子發射單元，形成在所述第一孔內部的所述陰極電極上。
2.如權利要求1所述的電子發射裝置，其中，第三孔的每一個覆蓋一定數量的第一孔，所述一定數量從由第一數量、第二數量和第三數量組成的組中選出。
3.如權利要求2所述的電子發射裝置，其中，所述第二數量大于所述第一數量并且大于所述第三數量，覆蓋所述第二數量的第一孔的第三孔置于覆蓋所述第一數量的第一孔的第三孔和覆蓋所述第三數量的第一孔的第三孔之間。
4.如權利要求2所述的電子發射裝置，其中，覆蓋第一數量的第一孔的第三孔、覆蓋第二數量的第一孔的第三孔和覆蓋第三數量的第一孔的第三孔隔開預定距離。
5.如權利要求1所述的電子發射裝置，其中，所述多個第二孔的至少一個具有與其余第二孔不同的形狀。
6.如權利要求3所述的電子發射裝置，其中，覆蓋第二數量的第一孔的第三孔具有狹縫形狀。
7.一種電子發射裝置，包括基底；多個陰極電極，形成在所述基底上并且由導電材料制成；第一絕緣層，形成在所述陰極電極上并且由絕緣材料制成，所述第一絕緣層具有多個第一孔用于使部分所述陰極電極暴露；多個柵極電極，形成在所述第一絕緣層上并且由金屬材料制成；第二絕緣層，形成在所述柵極電極上并且由絕緣材料制成，所述第二絕緣層具有多個第二孔，所述多個第二孔的每一個布置成覆蓋預定數量的所述第一孔，所述多個第二孔的至少一個的形狀與其余的第二孔的形狀不同；聚焦電極，形成在所述第二絕緣層上并且由金屬材料制成，所述聚焦電極具有多個第三孔，所述多個第二孔的每一個與所述多個第三孔的一個對齊；多個電子發射單元，形成在所述第一孔內部的所述陰極電極上。
8.如權利要求7所述的電子發射裝置，其中，所述第二孔的至少一個覆蓋與其余的第二孔覆蓋的第一孔數量不同的第一孔。
9.如權利要求7所述的電子發射裝置，其中，第三孔的每一個覆蓋一定數量的第一孔，所述一定數量從由第一數量、第二數量和第三數量組成的組中選出。
10.如權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述第二數量大于所述第一數量并且大于所述第三數量，覆蓋所述第二數量的第一孔的第三孔置于覆蓋所述第一數量的第一孔的第三孔和覆蓋所述第三數量的第一孔的第三孔之間。
11.如權利要求10所述的電子發射裝置，其中，覆蓋第二數量的第一孔的第三孔具有狹縫形狀。
12.一種制造電子發射裝置的方法，包括步驟通過在所述基底上沉積導電材料形成多個陰極電極；通過在所述陰極電極上涂覆絕緣材料形成第一絕緣層；通過在所述第一絕緣層上沉積導電材料形成多個柵極電極；在所述第一絕緣層和所述柵極電極上形成多個第一孔以使部分所述陰極電極暴露；通過在多個所述柵極電極上涂覆絕緣材料形成第二絕緣層；通過在所述第二絕緣層上沉積金屬材料形成聚焦電極；在所述第二絕緣層和所述聚焦電極上形成多個第二孔，所述多個第二孔的每一個布置成覆蓋預定數量的第一孔，所述第二孔的至少一個覆蓋與其余第二孔覆蓋的第一孔數量不同的第一孔；在所述第一孔內部的陰極電極上形成多個電子發射單元。
13.如權利要求12所述的方法，其中，第二孔的每一個覆蓋一定數量的第一孔，所述一定數量從由第一數量、第二數量和第三數量組成的組中選出。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述第二數量大于所述第一數量并且大于所述第三數量，覆蓋所述第二數量的第一孔的第二孔置于覆蓋所述第一數量的第一孔的第二孔和覆蓋所述第三數量的第一孔的第二孔之間。
15.如權利要求13所述的方法，其中，覆蓋所述第一數量的第一孔的第二孔，覆蓋所述第二數量的第一孔的第二孔和覆蓋第三數量的第一孔的第二孔隔開預定距離。
16.如權利要求12所述的方法，其中，所述多個第二孔的至少一個具有與其余的第二孔不同的形狀。
全文摘要
本發明提供了一種具有聚焦電極的電子發射裝置及其制造方法。該電子發射裝置包括陰極電極，通過將導電材料沉積在基底上形成；第一絕緣層，通過將絕緣材料涂覆在陰極電極上形成，從而形成預定數量的孔以使部分陰極電極暴露；柵極電極，通過將金屬材料沉積在第一絕緣層上形成；第二絕緣層，在柵極電極的區域形成，所述區域與形成在絕緣材料的第一絕緣層中的預定數量的孔的輪廓對應；聚焦電極，形成在第二絕緣層上，由金屬材料形成，并被分到不同尺寸的預定區域中；電子發射單元，形成在預定數量的孔中，孔使部分陰極電極暴露。因此，聚焦電極根據電子發射單元形成的位置被分到預定數量的區域中，從而可以提高發射出的電子的射束聚焦和射束直徑。
文檔編號H01J9/02GK1909149SQ20061010894
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月28日 優先權日2005年7月29日
發明者李相辰 申請人:三星Sdi株式會社