CN102637561A - 一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，具体步骤为：首先，在平面绝缘基板上制备高度为10纳米到几百纳米，垂直截面图形可以是矩形、三角形或梯形的列状图案阵列；然后，在制备有列状图案的平面绝缘基板上，朝一倾斜方向沉积一层10纳米至500纳米的SED电子发射源薄膜；由于被列状图案阻挡的部分未被沉积到薄膜或者沉积到极为薄的薄膜；因此，直接或者经过后续干法刻蚀或湿法刻蚀，产生几纳米到几十纳米宽的间隙；最后，在所得基板上制作SED电子发射电极阵列。该SED电子发射源制作工艺十分简单，且产生电子发射的纳米间隙均匀可控。
Description
技术领域
本发明涉及表面传导场发射平板显示技术领域，尤其涉及一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法。
背景技术
场致发射显示（Field Emission Display, FED）是一种全固体化的主动发光型的平板显示技术。FED具有体积小、重量轻、功耗低等优点，此外，FED的响应时间在微秒级，工作温度范围为-45~+85℃，具有非常明显的优势。其中表面传导电子发射显示器（Surface-conduction Electron-emitter Display, SED）凭借其高对比度，低耗电量，快屏幕响应速度而引起产业界的广泛重视。
SED的关键技术是电子发射源的制作，SED电子发射源通常为一层非常薄且容易获得电子发射能力的导电薄膜，在薄膜之间设置有宽度约为几十纳米的狭缝，当在薄膜狭缝两侧电极施加10V左右电压时，由于隧道效应，电子将从狭缝的一侧运动到另一侧。在阳极电压作用下，相当部分的隧道电子向阳极运动，轰击荧光粉而产生发光。SED的阴极基板是由多个这样的电子发射源阵列构成。
目前， SED电子发射源的制作技术主要采用日本佳能公司提出的含钯的导电薄膜，通过向导电薄膜施加电压，产生焦耳热使导电薄膜部分地改变性质和变性而形成纳米间隙。传统的SED电子发射源的制作工艺存在以下两个主要问题：（1）无论利用焦耳热还是特殊激光束技术，制作电子发射源工艺复杂，纳米间隙的间距和均匀性很难控制；（2）两电极之间施加电压烧制纳米间隙，由于电极不均匀，产生局部高阻物质，导致局部电子发射源失效。
针对传统SED电子发射源制作工艺复杂，容易造成局部电子发射源失效等问题，本发明提出一种新的表面传导电子发射源的制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，该方法既能够与常用显示器件工艺兼容，制作工艺简单，快速，成本低，而且有效避免了电子源受污染。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，在一平面绝缘基板上制备列状图案阵列；
第二步，将制备有列状图案的平面绝缘基板水平倾斜一角度，并朝该倾斜方向沉积一层SED电子发射源薄膜；然后经干法刻蚀或湿法刻蚀，在上述沉积时被列状图案阻挡的部分处产生几纳米到几十纳米宽的间隙；
第三步，在第二步所得基板上制作SED电子发射电极阵列，以使所述间隙出现在两相邻电极之间。
在本发明一实施例中，所述平面绝缘基板的材料为普通玻璃、石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
在本发明一实施例中，所述列状图案的垂直截面的形状为矩形、三角形或梯形，高度为10纳米到几百纳米，该列状图案的加工方法采用光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、软印刷、或微纳米机械加工法的一种或几种方法结合。
在本发明一实施例中，所述角度在5°至85°之间。
在本发明一实施例中，所述场发射电子源薄膜的材料为有机高分子化合物或无机材料。
在本发明一实施例中，所述场发射电子源薄膜的材料为Pd、Pt、Au、Al、C、Ni、Mo、ZnO、SnO2、PdO、In2O3、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩或聚酞菁类化合物。
在本发明一实施例中，所述场发射电子源薄膜的厚度为10纳米至500纳米。
在本发明一实施例中，制作所述场发射电子源薄膜的方法采用磁控溅射法、电子束蒸镀法、热蒸镀法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、等离子增强化学气相沉积法或金属-有机化学气相沉积法。
在本发明一实施例中，所述SED电子发射电极阵列的材料为具有导电性的Sn、Zn、In、Sb、Bi、Cd、Pd、Pt、Ag、Cu、Cr金属或由这些元素组成的合金及氧化物。
在本发明一实施例中，所述SED电子发射电极阵列的制作方法采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学镀法或丝网印刷法；其宽度为几十微米至几百微米，厚度为几十纳米到几微米。
本发明的显著优点在于：制作工艺简单，成本低，制得的SED电子发射导电薄膜非常容易形成规则排列且间隙可控的纳米狭缝，满足SED显示器所需，且由于无需用到烧制纳米材料的工艺，避免了电子发射源的污染，提高电子发射源的发射效率和均匀性。
附图说明
图1为利用光刻胶做掩膜刻蚀矩形凹槽，形成矩形凸起图案截面示意图。
图2为设置有矩形凸起图案截面示意图。
图3为设置有矩形凸起图案基板倾斜放置沉积SED电子发射源薄膜示意图。
图4 为本发明所制得SED电子发射源截面示意图。
图5 为本发明所制得SED电子发射源斜视示意图。
附图中，主要元件标记说明如下：
01——平面绝缘玻璃基板（用于制作SED电子发射源）；02——光刻胶掩膜极；03——矩形凹槽；04——矩形凸起图案；05——倾斜角度θ；06——SED电子发射源薄膜；07——纳米间隙；08——磁控溅射靶材；09——磁控溅射等离子束；10——银电极。
具体实施方式
本实施例提出一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，在一平面绝缘基板上制备列状图案阵列；
第二步，将制备有列状图案的平面绝缘基板水平倾斜一角度，并朝该倾斜方向沉积一层SED电子发射源薄膜；然后经干法刻蚀或湿法刻蚀，在上述沉积时被列状图案阻挡的部分处产生几纳米到几十纳米宽的间隙；
第三步，在第二步所得基板上制作SED电子发射电极阵列，以使所述间隙出现在两相邻电极之间。
更具体地说，上述第一步的具体工艺为：首先，在平面绝缘基板上通过光刻或丝网印刷技术和后续曝光显影制备图案阵列；然后以光刻胶作为掩膜，采用干法或湿法刻蚀腐蚀暴露出的部分；最后在超声清洗除去光刻胶，被光刻胶保护的部分形成凸起列状图案。上述第二步的具体工艺为：首先把制备有列状图案的平面绝缘基板倾斜放置在镀膜仪的样品台上，然后沉积一层几十纳米到几百纳米厚的SED电子发射源薄膜；被列状图案阻挡的部分未被沉积到薄膜或者沉积到极为薄的薄膜；因此，直接或者经过后续干法刻蚀或湿法刻蚀，产生几纳米到几十纳米宽的间隙；纳米间隙的宽度由图案的高度、倾斜的角度控制，该角度可以在5°至85°之间。上述第三步的具体工艺包括：在上述制成的基底上采用对准真空镀膜技术或丝网印刷技术制作一层电极；电极位置落在凸起图案中间部分，使得纳米间隙出现在两相邻电极之间。
本实施中所述平面绝缘基板的材料可以是普通玻璃、石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。所述列状图案的垂直截面的形状可以是矩形、三角形或梯形，该列状图案的高度为10纳米到几百纳米，该列状图案的加工方法可以采用干法刻蚀、湿法刻蚀或微纳米机械加工法的一种或几种方法结合。
上述场发射电子源薄膜的材料可以是有机高分子化合物，也可以是无机材料。更具体的是可以为Pd、Pt、Au、Al、C、Ni、Mo、ZnO、SnO2、PdO、In2O3、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩或聚酞菁类化合物。该场发射电子源薄膜的厚度为10纳米至500纳米。其制作方法可以采用磁控溅射法、电子束蒸镀法、热蒸镀法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、等离子增强化学气相沉积法或金属-有机化学气相沉积法。
上述SED电子发射电极阵列的材料为具有导电性的Sn、Zn、In、Sb、Bi、Cd、Pd、Pt、Ag、Cu、Cr金属或由这些元素组成的合金及氧化物。其制作方法采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学镀法或丝网印刷法；其宽度为几十微米至几百微米，厚度为几十纳米到几微米。
为了让一般技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例详细说明一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法。优选的，本发明实施例采用玻璃基板；列状图案采用截面为矩形的形状；SED电子发射源材料采用PdO薄膜，制备方法采用磁控溅射；电极采用丝网印刷一层导电银浆。
本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
具体实施例包括下列步骤：
（S11）列状图案阵列的制作：
选取一块所需尺寸的玻璃基板进行划片，将玻璃基板置于按体积比为Win-10 : DI水 = 3 : 97清洗液中，利用频率为32KHz的超声机清洗15min，喷淋2min后，再置于体积比为Win-41 : DI水 = 5 : 95清洗液中，利用频率为40KHz的超声机清洗10min，经循环自来水喷淋漂洗2min后，再利用频率为28KHz的超声机在DI纯净水中清洗10min，经氮气枪吹干后置于50℃洁净烘箱中保温30min以上备用。
在洁净玻璃基板01上，采用丝网印刷工艺均匀涂覆一层光刻胶RZJ-304，110℃烘烤20分钟后，经过曝光-显影形成所需列状图案。如图1所示，以光刻胶02作为掩膜，采用反应离子刻蚀仪刻蚀暴露的玻璃，形成约50纳米深的矩形凹槽03，相应的，被光刻胶02保护的部分在除去光刻胶02后形成约50纳米高矩形凸出图案04，如图2所示。
（S12）SED电子发射源薄膜的制备：
如图3所示，将设置有列状图案的基板倾斜一定角度θ固定在磁控溅射镀膜机的样品台上；沉积一层20nm的PdO薄膜06；由于样品倾斜放置，凸起图案向下的侧面将沉积不到薄膜，或者仅仅沉积了一层极薄的薄膜，为保险起见，将沉积有PdO薄膜06的基板放入10mmol/L的稀盐酸1分钟，后用去离子水清洗，除去凸起图案下侧面的PdO，其余部分的PdO薄膜也被溶解掉一部分，但保留绝大一部分，因此形成纳米间隙07。纳米间隙07的宽度可由凸起图案的高度，样品倾斜的角度来控制。
（S13）SED电子发射电极的制作：
采用丝网印刷技术，在步骤（S13）设置有SED电子发射源03的基板上印刷层带状导电感光银浆，银浆位置落在凸起图案中间部分，使得纳米间隙出现在两相邻电极之间，在氮气的保护条件下烧结形成银电极10，如图4和图5所示。
至此，一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法形成。
以上例子主要说明了本发明的纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1. 一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，在一平面绝缘基板上制备列状图案阵列；
第二步，将制备有列状图案的平面绝缘基板水平倾斜一角度，并朝该倾斜方向沉积一层SED电子发射源薄膜；然后经干法刻蚀或湿法刻蚀，在上述沉积时被列状图案阻挡的部分处产生几纳米到几十纳米宽的间隙；
第三步，在第二步所得基板上制作SED电子发射电极阵列，以使所述间隙出现在两相邻电极之间。
2.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述平面绝缘基板的材料为普通玻璃、石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
3.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述列状图案的垂直截面的形状为矩形、三角形或梯形，高度为10纳米到几百纳米，该列状图案的加工方法采用光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、软印刷或微纳米机械加工法的一种或几种方法结合。
4.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述角度在5°至85°之间。
5.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述场发射电子源薄膜的材料为有机高分子化合物或无机材料。
6.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述场发射电子源薄膜的材料为Pd、Pt、Au、Al、C、Ni、Mo、ZnO、SnO2、PdO、In2O3、聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩或聚酞菁类化合物。
7.根据权利要求5或6所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述场发射电子源薄膜的厚度为10纳米至500纳米。
8.根据权利要求7所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：制作所述场发射电子源薄膜的方法采用磁控溅射法、电子束蒸镀法、热蒸镀法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、等离子增强化学气相沉积法或金属-有机化学气相沉积法。
9.根据权利要求1所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述SED电子发射电极阵列的材料为具有导电性的Sn、Zn、In、Sb、Bi、Cd、Pd、Pt、Ag、Cu、Cr金属或由这些元素组成的合金及氧化物。
10.根据权利要求9所述的一种纳米间隙均匀可控的表面传导电子发射源的制作方法，其特征在于：所述SED电子发射电极阵列的制作方法采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学镀法或丝网印刷法；其宽度为几十微米至几百微米，厚度为几十纳米到几微米。
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