專利名稱：陰極基板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種例如具有電子發射源的顯示裝置用的陰極基板及其制造方法，特別是涉及一種利用石墨納米纖維或碳納米管等的碳系發射極材料的場致電子發射型顯示裝置(FEDField EmissionDisplay)用的陰極基板及其制造方法。
背景技術：
近年來，正在開發一種將低電子發射電壓且具有化學安全性的石墨納米纖維或碳納米管等的碳系發射極材料用于電子發射源的FED。在這種FED中，為了將使電子發射所需的驅動電壓抑制得低，利用由陰極電極、柵電極和陽極電極構成的三極場致發射元件正成為主流。
在此情況下，提出了一種方案，即，在處理基板上依次層疊陰極電極層、絕緣層和柵電極層，在柵電極層中形成1個柵極孔開口部，在通過此柵極孔開口部，在絕緣層上形成具有比柵極孔開口部更大的開口面積的孔之后，在孔底部上設置催化劑層，在此催化劑層之上，生長碳系發射極材料以構成發射極，由此完成陰極基板(例如，參照專利文獻1)。
專利文獻1 特開平2001～102593號公報(參照本發明的詳細說明)發明內容但是，在上述情況中，由于相對于發射極僅在絕緣層正上方設置1個柵極孔開口部，所以施加驅動電壓由發射極來發射電子時，由于將電子從發射極引向柵電極并加速，就會存在通過柵極孔開口部的發射電子擴散的問題。此時，當發射電子擴散時，就會使向相對配置的構成三極場致發射元件的陽極基板(電極)注入的電荷注入效率惡化。
此外，由于發射極的中心部和其端部到柵電極的距離不同，就會因發射極形狀和尺寸等的微小差異，因而在各個陰極基板彼此之間，容易產生向陽極基板的電荷注入效率偏差。
因此，鑒于上述觀點，本發明的課題在于提供一種陰極基板及其制造方法，能夠防止從發射極發射的電子擴散、提高電荷注入效率，并且不容易產生在各個陰極基板彼此之間的電荷注入效率偏差。
為了解決上述課題，本發明的陰極基板的特征在于，包括在處理基板上依次層疊的陰極電極層、絕緣層和柵電極層，在此絕緣層中形成的孔的底部中設置發射極，同時在上述柵電極層中形成柵極孔開口部，其中由具有比上述絕緣層的孔的開口面積更小的面積的多個開口構成上述柵極孔開口部，并且與發射極相對地將各個開口密集在絕緣層的孔的正上方，優選均勻地密集。
根據本發明，由于將構成柵極孔開口部的各個開口與發射極相對地密集在絕緣層的孔的正上方，所以施加驅動電壓由發射極發射電子時，電子會被垂直向上地引出并加速，通過柵電極層的柵極孔開口部的發射電子就不會擴散，此外，很難受到發射極形狀和尺寸等的微小差異的影響。并且，與現有的相比，就能夠將發射電子所需的驅動電壓抑制得低。
此時，也可使上述各開口的開口面積及數量中至少一個增減，以便能夠改變向相對配置的構成三極場致發射元件的陽極基板(電極)注入的電荷注入效率。
再有，也可由碳系發射極材料構成上述發射極，碳系發射極材料可以是在催化劑層上生長的物質。
上述陰極基板的制造方法，其特征在于包括以下步驟在處理基板上，依次形成陰極電極層、絕緣層和柵電極層；在此柵電極層上設置用于形成柵極孔開口部的抗蝕劑圖形之后，利用蝕刻形成由多個開口形成的柵極孔開口部；通過此柵極孔開口部在深度方向和寬度方向上同時蝕刻絕緣層，形成1個孔；在此孔的正上方密集柵極孔開口部的各個開口；在孔的底部設置發射極。
此時，也可由碳系發射極材料構成上述發射極，可在絕緣層下側預先形成生長此碳系發射極材料時起催化劑作用的催化劑層。
另一方面，也可由碳系發射極材料構成上述發射極；可在蝕刻絕緣層之后，利用發射(lift of)法形成生長此碳系發射極材料時起催化劑作用的催化劑層；利用CVD方法在孔底部生長碳系發射極，或利用印刷方法涂覆碳系發射極。
如以上說明，本發明的陰極基板起到這樣的效果能夠防止從發射極發射的電子的擴散，提高電荷注入效率，并且，不容易產生在各個陰極基板彼此之間的電荷注入效率偏差。
圖1是簡要說明本發明的FED用的陰極基板的立體圖。
圖2(a)至(e)是說明本發明的FED用的陰極基板的制造順序的圖。
圖3是說明現有技術的FED用的陰極基板的圖。
圖4(a)和(b)是利用本發明的方法制造的FED用的陰極基板的SEM照片。
圖5(a)和(b)是使用實施例1和比較例1的基板時映在陽極熒光體基板上的一個像素的放大照片。
圖6(a)至(f)是說明本發明的FED用的陰極基板的另一制造順序的圖。
具體實施例方式
參照圖1來進行說明，1表示在FED中采用的本發明的陰極基板。陰極基板1具有作為處理基板的玻璃基板11，在此玻璃基板11上，例如，形成規定厚度的由鉻構成陰極電極層(母線)12。例如，一邊以規定溫度(例如，200℃)加熱玻璃基板11、一邊通過DC濺射來形成陰極電極層12。
在陰極電極層12上，按規定膜厚(1～50nm的范圍)形成催化劑層13，并加工成線性形狀，催化劑層13由例如Fe、Co或含有這些金屬中的至少一種的合金構成。例如，通過DC濺射來形成催化劑層13。在此催化劑層13上，在后述的絕緣層中形成孔之后，利用公知的方法生長石墨納米纖維或碳納米管等的碳系發射極材料C，構成發射極E。
在催化劑層13上，按規定膜厚(例如，3μm)形成由諸如SiO2構成的絕緣層14。為了防止因形成膜之后的絕緣層14的應力引起的破損，例如，一邊在規定溫度(例如，300℃)下加熱玻璃基板11、一邊通過RF濺射來形成絕緣層14。當形成此絕緣層14時，為了防止當RF濺射時在玻璃基板11上粘附粉塵(dust)而引起針孔，也可以分成多次來形成膜。除了上述RF濺射方法之外，例如也可以利用EB蒸發方法或氣體中蒸發方法來形成此絕緣層14。
此外，在絕緣層14中形成孔14a，以便露出用于生長碳系發射極材料C的催化劑層13。在由SiO2構成的絕緣層14中，例如使用氟酸作為腐蝕劑，蝕刻絕緣層14，形成其剖面為規定形狀(例如，圓形)的孔14a。
此情況下，在后述的柵電極層中設置柵極孔開口部的各個開口之后，通過各個開口，沿深度方向和寬度方向同時蝕刻絕緣層14，以使孔在柵電極層的下側連成一個孔的方式蝕刻孔14a，與發射極E相對地將各個開口密集在絕緣層14的孔14a正上方。此時，如果控制過蝕刻時間，就能夠進行橫向蝕刻。而且，可依賴于柵極孔開口部的各個開口數量及配置來設計絕緣層14的孔14a的形狀和尺寸。
在絕緣層14上，例如，按規定膜厚(例如，300nm)形成由鉻構成的柵電極層15。與形成陰極電極層12的情況相同，例如，一邊加熱基板一邊利用DC濺射來形成柵電極層15。在此柵電極層15中，形成柵極孔開口部16。除了上述RF濺射方法之外，例如還可以利用EB蒸發方法或氣體中蒸發方法來形成此柵電極層15。
在此，如現有技術，如果僅在絕緣層14的孔14a正上方與發射極相對地設置1個柵極孔開口部，則當施加驅動電壓，由發射極發射電子時，由于將電子從發射極引向柵極電極并加速，就會使通過柵極孔開口部發射的電子擴散。此情況下，發射電子一擴散，就會使向相對配置的構成三極場致發射元件的陽極基板(未圖示)注入的電荷注入效率惡化。
因此，在本實施例中，由具有比絕緣層14的孔14a的開口面積更小的面積的多個開口16a構成柵極孔開口部16，將各個開口16a與發射極區相對地密集在絕緣層14的孔14a正上方，優選均勻地密集。
各個開口16a形成為其一邊的長度或直徑為1～3μm的大致正方形或大致圓形，設定各個開口16a彼此之間的間隔為0.5～2μm，在2～50個的范圍內形成開口。此時，對于絕緣層14的孔14a的開口面積，優選各個開口16a面積的總和為50～90％。
若各個開口16a面積的總和在50～90％范圍之外，面積小時，就會使向陽極基板注入的電荷注入效率惡化，另一方面，面積大時，就會存在電子擴散和發射極的微小差異的影響。此外，還存在導致柵電極變形的可能性。例如，利用光刻方法，在柵電極層15上轉印規定的抗蝕劑圖形，通過濕法蝕刻或干法蝕刻來形成各個開口16a。
由此，施加驅動電壓由發射極發射電子時，由于將電子向正上方引出并加速，就不會使通過柵電極層15的柵極孔開口部16的各個開口16a的發射電子擴散，此外，很難受到發射極E的微小差異的影響。此時，通過增減各個開口16a的開口面積及開口數目中任何一項，就能夠改變向陽極基板注入的電荷注入效率。
還有，在本實施例中，雖然說明了FED用的陰極基板1，但并不限于此，本發明的陰極基板1就可以作為一般的電子發射源普遍利用。
實施例1圖2(a)至(e)是簡要說明本發明的FED用的陰極基板1的制造方法中的各個流程的圖。
如圖2(a)中所示，在玻璃基板11上，一邊以200℃加熱玻璃基板、一邊利用DC濺射來形成100nm膜厚的由鉻構成的陰極電極層12，在此陰極電極層12上，連續地形成25nm膜厚的由Fe合金構成的碳系發射極材料生長用的催化劑層13。
然后，一邊進行375℃的基板加熱、一邊利用RF濺射來形成3μm膜厚的由SiO2構成的絕緣層14。然后，與形成陰極電極層12的情況相同，一邊以200℃加熱玻璃基板11、一邊利用DC濺射來形成300 nm膜厚的由鉻構成的柵電極層15。
然后，如圖2(b)中所示，采用光刻方法，在柵電極層15上，形成大約1μm厚度的抗蝕劑圖形17，如圖2(c)中所示，通過蝕刻來形成柵極孔開口部16。此時，作為抗蝕劑材料，采用電子束曝光裝置用的材料，通過使用硫酸鈰銨溶液的濕法蝕刻，以柵格狀形成19個正方形的開口16a。此外，各個開口16a的一邊形成為大約1μm，將各個開口彼此之間的間隔制造成大約1μm，通過過蝕刻，形成一邊為大約1.2μm，各個開口彼此之間的間隔為0.8μm。
然后，如圖2(d)中所示，利用柵極孔開口部16的各個開口16a，使用氟酸作為蝕刻劑，濕法蝕刻絕緣層14，以便使各個開口16a密集在絕緣層14的孔14a正上方，在形成1個剖面為大致圓形的孔14a之后，去除抗蝕劑圖形16。此時，孔14a的開口上部的直徑約為16μm。然后，如圖2(e)中所示，通過柵極孔開口部16的各個開口16a，在催化劑層13上，利用公知的方法生長碳納米管C，以設置發射極E，從而完成了陰極基板1。
比較實例1作為比較實例，如圖3中所示，利用與上述實施例1相同的條件，在玻璃基板11上，形成陰極電極層12、催化劑層、絕緣層14和柵電極層15。然后，與上述實施例1同樣，在形成直徑為10μm的1個柵極孔開口部20之后，蝕刻絕緣層14，形成開口上部的直徑約為16μm的孔14a。然后，在催化劑層上，利用公知的方法生長碳納米管，以設置發射極E，從而完成了陰極基板10。
圖4(a)和(b)是按照實施例1中記載的上述順序制造的陰極基板1的上面及剖面的SEM照片。據此判定在絕緣層14上，形成了以上述開口面積和間隔來構成柵極孔開口部16的各個開口16a(參照圖4(a))。此外判定，通過各個開口16a能夠生長碳納米管(參照圖4(b))。
此時，在比較實例1的陰極基板中，發射電子所必需的驅動電壓為60V，但在實施例1的陰極基板中約為20V，說明能夠降低驅動功率。圖5(a)和(b)分別是在實施例1和比較例1的結構中映在陽極熒光體上的一個像素的放大照片。圖5(a)為實施例1，圖5(b)為比較實例1。由此，判定出，實施例1的陰極基板與比較實例1的陰極基板相比，能夠將電子擴散抑制到大約一半。
本實施例2在本實施例2中，與上述實施例1相比較，在對絕緣層14的孔14a蝕刻之后，通過RF濺射方法，在孔14a底部形成催化劑層13這一點上不同。此時，參照圖6(a)～6(f)來進行說明，按與上述實施例1相同的方法，在設置有陰極電極層(母線)12的玻璃基板11上，依次形成絕緣層14及柵電極層15(參照圖6(a))。
然后，利用光刻方法，將規定抗蝕劑圖形17轉印到柵電極層15上(參照圖6(b))，通過干法蝕刻形成柵極孔開口部16的各個開口16a(參照圖6(c))。然后，與上述方法相同，濕法蝕刻絕緣層14，形成1個孔14a(參照圖6(d))，在孔14a的底部，通過RF濺射方法，成膜碳系發射極材料生長用的催化劑層13(參照圖6(e))。然后，去除在抗蝕劑圖形16及其上粘附的催化劑層13，在孔14a的底部上殘留的催化劑層13之上，生長碳系材料，以構成發射極E。
按照此實施例2記載的順序制造陰極基板1，也能夠通過在絕緣層14上以規定開口面積及間隔形成的柵極孔開口部16的各個開口16a，設置催化劑層，就能夠生長碳納米管。此時，與上述實施例1相同，就能夠降低、抑制發射電子所必需的驅動電壓的降低，也能夠抑制電子的擴散。
權利要求
1.一種陰極基板，包括在處理基板上依次層疊的陰極電極層、絕緣層和柵電極層，在形成在該絕緣層中的孔的底部設置發射極，同時在上述柵電極層中形成柵極孔開口部，其特征在于由具有比上述絕緣層的孔的開口面積更小的面積的多個開口構成上述柵極孔開口部，并且與發射極相對地將各個開口密集在絕緣層的孔的正上方。
2.根據權利要求1所述的陰極基板，其特征在于使上述各開口的開口面積和數量中的至少一個增減，以便能夠改變向構成三極場致發射元件的、相對配置的陽極基板注入電荷的效率。
3.根據權利要求1或2所述的陰極基板，其特征在于由碳系發射極材料構成上述發射極，此碳系發射極材料是在催化劑層上生長的物質。
4.一種陰極基板的制造方法，所述陽極基板為權利要求1至3中任何一項所述的陰極基板，其特征在于包括以下步驟在處理基板上依次層疊陰極電極層、絕緣層和柵電極層；在該柵電極層上設置用于形成柵極孔開口部的抗蝕劑圖形之后，利用蝕刻形成由多個開口構成的柵極孔開口部；通過該柵極孔開口部，在深度方向和寬度方向上同時蝕刻絕緣層，形成1個孔；在該孔的正上方密集柵極孔開口部的各個開口；在孔的底部設置發射極。
5.根據權利要求4所述的制造陰極基板的方法，其特征在于由碳系發射極材料構成上述發射極，在絕緣層下側預先形成生長該碳系發射極材料時起催化劑作用的催化劑層。
6.根據權利要求4所述的制造FED用的陰極基板的方法，其特征在于由碳系發射極材料構成上述發射極；在蝕刻絕緣層之后，利用發射方法形成生長該碳系發射極材料時起催化劑作用的催化劑層；利用CVD方法在孔底部生長碳系發射極或利用印刷方法涂覆碳系發射極。
全文摘要
一種陰極基板及其制造方法。該陰極基板包括在處理基板(11)上依次層疊的陰極電極層(12)、絕緣層(14)和柵電極層(15)，在此絕緣層上形成的孔(14a)的底部中設置發射極(E)，同時在上述柵電極層中形成柵極孔開口部(16)。此時，由具有比絕緣層的孔的開口面積更小的面積的多個開口(16a)構成柵極孔開口部，并且與發射極相對地將各個開口密集在絕緣層的孔的正上方。
文檔編號H01L29/76GK1664972SQ20051005182
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月1日 優先權日2004年3月1日
發明者中野美尚, 平川正明, 三浦治, 村上裕彥, 岡坂謙介, 小島智明 申請人:愛發科股份有限公司, 愛發科成膜株式會社