TWI220265B - Method of growing isomeric carbon emitters onto triode structure of field emission display - Google Patents

Description

1220265 __案號91133488 主月日 條正 五、發明說明（1) ' " " 【發明之所屬之技術領域】 本發明係關於場發射顯示器（field emission display ’FED)。特別是關於一種在三極結構（tri〇de structure)場發射顯示器上成長碳類異構物場發射電子源 (isomeric carbon emitters)的方法。 【先前技術】 近年來場發射顯示器被廣泛地研發，以製作大尺寸的 平面顯示器（flat panel display)。場發射顯示器利用冷 陰極發射器尖端（cold cathode emitter tip)作為電子的 來源’以取代傳統的陰極射線管（c a t h 〇 d e r a y t u b e，C R T )中的熱陰極電子槍（hot cathode electron gun)。當場 發射顯示器置於電場時，冷陰極發射器尖端（t丨p)瞄準場 發射顯示器内塗上螢光粉的陽極基板（an〇de substrate) ’而射出電子束，打在螢光粉（phosphor)上。 圖1為一傳統之三極結構奈米碳管（carbori nano —tube ’ CNT)場發射顯示器的結構示意圖。利用電場將陰極玻璃 基板101上的冷陰極發射器尖端1〇3的電子吸出，在真空環 境下離開陰極板的場發射電子受陽極玻璃基板1〇4上正電 壓的加速吸引，撞擊至陽極1〇5的螢光粉1〇6而發光。奈米 碳管冷陰極發射器尖端1〇3形成在介電層107的空隙内，其 中介電層107係形成在玻璃基板1〇1上方的冷陰極層1〇2。 冷陰極層102和閘層1 〇8的交界處形成開口（openings)，作 為電子的匯集（emerge through)。 Μ 2 A至圖2 D說明奈米碳管場發射顯示器的陰極板的製

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I m 第5頁 1220265 案號 9113348S 五、發明說明（2) 作方法。如圖2 A所示，首先塗佈並圖樣化導電漿料 (conductive paste)於透明基板（transparent substrate )201 上’以形成陰電極層（cath〇de electrode layer) 2 02 ’再於透明基板2〇ι和陰電極層2〇2的上方全面性塗佈 層可触刻的介電材料2〇3，如圖2B所示。再將一層導電 的閘極材料204塗佈在介電層203之上，並以圖樣化"的光阻 層205疋義閘極圖樣（gate pattern)，如圖％所示。再以 喷砂（sand blasting)和在空氣中燃燒（fired & air)法

將閘極材料和介電材料去除。最後，以網印製程（screen

Printing Pr〇cess)將奈米碳管層2〇6塗佈在陰電極層2〇2 上，如圖2D所示。 曰 圖2中所示的場發射顯示器2〇6係以網印技術製作，及 利用刮刀將事先調製好的漿料刮過已圖樣化的網板，使圖 案印製在玻璃基板上，如此逐層將圖案堆疊。由於此方法 ，限於網板之網目與網結大小，使印製圖案的解析無法提 昇’導致必須提供較高的場發射起始電壓，才能使顯示器 達到要求的亮度。此外會受網板張力不均的影響，造成膜

厚巧勻性不佳與印製圖案失真，產生電場強度分佈不均與 後續製程中對位困難的缺點。 口 為了克服傳統奈米碳管場發射顯示器的缺點並改良其 。口質’尚有其他利用厚膜網印技術製作陰極板的方法被提 ^ u其中之一係利用導電漿料和可蝕刻的介電材料結合黃 ，製程（photo lithography)與蝕刻處理方法製作奈米碳 吕場發射顯示器的陰極板。

第6頁 1220265 -· 案说 91133488 年月日 修正 五、發明說明（3) " 射顯示器陰極板的方法。如圖3 A所示，首先塗佈並圖樣化 導電漿料於透明基板3〇1上，以形成陰電極層go?，再於透 明基板301和陰電極層302的上方全面性塗佈一層可蝕刻的 介電材料3 0 3，如圖3 B所示。再將一層導電的閘極材料3 〇 4 塗佈在介電層303之上，並以黃光製程作出圖樣及燒結 (s i n t e r )後形成閘電極層3 〇 4，如圖3 C所示。閘極圖樣係 用來當作保護膜（protect ing fi lm)，以蝕刻掉沒有被閘 極圖樣覆蓋的部份介電材料，如圖3D所示。最後，在陰電 極層3 0 2的上方填入奈米碳管發射層3 〇 5以形成陰極板結 構，如圖3 E所示。 如圖3D所示’奈米碳管發射層3〇5的製程可用黃光製 私’將一層感光的奈米碳管漿料塗佈在陰極板的表面上， 並以對位曝光方式定義奈米碳管發射層3 〇 5的圖樣。然後 ，在氮氣氣氛下燒結。奈米碳管發射層3〇5的製作也可利 用電泳法（elect rical deposition)，其步驟包含在陰電 極層3 0 2和閘電極層3 〇 4的上方全面性塗佈一層正型或負型 光阻（positive or negative photoresist)，如圖3D所示 ’且以對位曝光方式利用一光罩定義光阻圖樣。在閘電極 層304之上形成光阻圖樣後，以電泳法（electrically depositing)將奈米碳管漿料塗佈在陰電極層3〇2之上，並 在氮氣氣壓（nitrogen atmosphere)下，於爐中燒結以形 成奈米碳管發射層3 0 5。 如上所述，在奈米碳管場發射顯示器的三極結構上的 奈米碳管發射層的製程要求在閘極開口與奈米碳管圖案間 ^嚴格的對位，使得其製程成本及製程難度皆較高。因曰

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此’要量產奈米碳管場發射顯示器仍有报多技術上的障礙 亟待克服。 與其他技術相比較之下，使用觸媒金屬（catalytic metals)的化學蒸發濺渡（chemicai vapor deposition， CVD)製程具有更多優點，已被證明為製作大面積奈米碳管 時’其製程成本較低。然而溫控CVD的反應溫度通常高達 攝氏70 0- 1 〇〇〇度，遠超過一般平面顯示器的玻璃基板6〇() 度的熔點。目前已有文獻及專利指出低溫成長場發射電子 源的可行性，係在攝氏550度使用C2H2氣體CVD將鎳觸媒 d catalyst)塗佈在s〇da-lime玻璃基板上以成長奈米碳 管。故開發一套能量產奈米碳管場發射顯示器的整合厚膜 三極結構製程搭配低溫CVD技術是極為需要的。 、 【發明内容】 本發明克服上述之傳統場發射顯示器製程上的缺點。 其主f目的是，提供一種低製程成本之在三極結構場發射 顯示器上成長碳類異構物場發射電子源的製作方法。盆 要原理是利用厚膜技術製作三極結構場發射顯示器之^ 以CVD製程在三極結構場發射顯示器上成長碳異 場再 發射電子源。 、傅初％ 不赞明的为一目的是，提供一二搞处桃 > 仏 ^ ^ 一極結構之陰電極芦 (cathode electrode layer)，佶石患述s s 此，， 曰 源得以CVD製程在此三極結構上成長。根據本發明射：： 此導電金屬粉末調製成導電金屬漿料，在經戽胺:$再將 -------— 牡、、生厚膜製程將導 IUJ^i IwΐΤΐιΓπΙιuIjP tKfnr _ f/ 1丨wili·.，》_ - _

第8頁 將金屬觸媒與導電金屬粉末混合，以形成陰電極声 1220265 修正 案號911334狀 五、發明說明（5) ，至屬，料成形為陰電極層於透明基板上。然後在陰電極 :之上’儿積介電層和閘電極層，圖樣化後形成三極結構。 ，陰電極層包含金屬觸媒，故碳類異構物場發射電子源 極易成長在三極結構之上。 發明的另一目的是，提供一層在三極結構中的金屬 2層使侍場發射顯示器的碳類異構物場發射電子源易於 陰電極層上形成一金屬觸媒層，以取代將金 的#;ϊ ί ΐ金屬漿料混合後在透明基板上形成陰電極層 * ^後，在金屬觸媒層和陰電極層以及透明基板之 ^方形土介電層和閘電極層。將介電層和閉電極層圖樣化 L展逐70成了二極結構。最後，利用cvd製程，在金屬觸 媒層上成長碳類異構物場發射電子源。 根據本發明，三極結構的形成可利用網印技術，乾 砂法及厚膜黃光製程等方法來製作。而陰電極層 方法來製作。金屬觸媒可使用的材：以 ，鎳（Ν:ι)等過渡金屬。碳類異構物場發射電子源可 0 材料包含奈米碳管，碳纖維（carb〇n 石 、 維（graphite nano — fiber)。 r)成石墨奈米纖 茲配合下列圖式、實施例之詳細說明及專利 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於后。明巳 【實施方式】 圖4詳細說明本發明的第一實施例中奈米 顯示器利用厚膜製程搭配CVD技術的製程步驟==發射 第9頁 1220265 修正 曰 j號911沿仙《 五、發明說明（6) 圖4B說明在透明基板4〇1 圖以所示’準備-透明基板401 之上形成陰電極層402。 導電漿料以‘：製=5 : =401上沉積-層導電漿料。 極層402。黃光製經過退火燒結後形成陰電 朵知海& ΛΛ先I包括預烤後以光罩定義圖樣，以及* 個剖面.a步Γ ο圖4β說明顯影後陰電極層Μ2圖樣的二 =::構不意圖。陰電極層術也可利用網印技術使其 導電材料以：:：置中，:電極層4°2::-觸媒 疋：鎳或鈷。如圖4C所示，將介電層4 ; 和陰電極層402的上方。介電層4〇3的 檟在基板4。1 4〇4，利用喷砂法或黃光製程製作出閘極結構。積圖m層 此閘極結構的一剖面結構示意圖。 β月 如圖4D所示，其中，陰電極層4〇2包含 行的長線條電極。介電層403包含複數條介電材二= H =長線條電極。閘電極層404包含複數條相 長線條電極。閘電極層404的每一長線條電極位 ^ 403的長線條電極之上，且與陰電極層4。、電層 =叉。間電極層404和介電層4〇3的 ：J = 層402的長線條電極於交叉處形成圓洞開口（ci陰電極 〇peningS/circular cavities)。奈米碳管 = CVD技術填於此圓洞開口内。 ο於低酿以 明之第二實施例的奈米碳管場路μ干 第10頁 120265 Τ'――銳91133488-主月 a_修正 五、發明說明（7) ： - 製作流程。參考圖5A，與第一實施例同樣地，首先準 —透明基板501。圖5B說明在透明基板5〇1的上方形成陰 屬Ϊΐ502 ° >圖5C所示’在陰電極層502的上方形成一金 屬觸媒，506以輔助後置CVD製程中奈米碳管的長成。 於第二實施例中’首先在透明基板501上沉積一層導 電漿料。導電漿料以黃光製程圖樣化後，經過退火燒結後 ，，陰電極層502。圖53說明顯影後陰電極層5〇2圖樣的一 固剖面結構示意圖。金屬觸媒層5〇6係形成在陰電極層之 上而不是將金屬觸媒與導電漿料混合。如圖5C所示，金屬 觸媒層506用來輔助後置CVD製程中奈米碳管的長成。金屬 觸媒的材質可以是過渡金屬（transiti〇n metal)，如鐵、 鈷、鎳等。 圖5D說明閘極結構的一剖面結構示意圖。第二實施例 接下來的製程與第一實施例完全相同。如圖5D所示，杳基 板501陰電極層502和金屬觸媒層506的上方沉積一介電 層503，於該介電層503的上方再沉積一閘電極層5〇4。然 後利用喷砂法或黃光製程製作閘極結構。 如圖5E所不，第二實施例的介電材料可使用與第一實施例 相同的介電材料，而奈米碳管層5〇5係利用CVD技術成長在 金屬觸媒層506之上。 圖6說明根據本發明之製程製作的碳類異構物場發射 電子源的SEM影像。其中閘極結構係以喷砂法製作，而碳 類異構物場發射電子源層係以CVD技術沉積而成。圖6A和 圖6B分別以50 0倍和5000倍的放大倍率說明在奈米碳管成 j在陰極上之後的閘極洞（gated —electr〇de 的漏

IM 第11頁 1220265 曰 案號911奶/|肋 五、發明說明（8) 剖面示意圖。 根據本發明，太+ 雷炻七八府不…卡碳管層405或505係以CVD技術在陰 属總λ甘爲「以&蜀觸媒層506之上製作。含有金屬觸媒或金 屬觸媒層506的陰雷扠人主 倂七盾槪主〖…極層402係利用厚膜技術，例如網印技 術或厚膜黃光製裎_从 , | 4又 而士政ΛΑ山 氣作。三極結構的形成更包含噴砂法。 :苓構物場發射電子源可為奈米碳管，碳纖 觸媒層ί發厚：f :在含金属觸媒或金屬 亩垃户w φ托眩上术I作二極結構。然後利用CVD製程 罝接在陰電極層或金厲總甘 ^ s Μ ^ ^ ^屬觸媒層製作碳類異構物場發射電子 源層。厚膜技術結合CVD劁 丁 f ^ λ * ί* ίΛ ^ 4J. ^供一低製程成本的技術以 氣作大面積的~發射顯示器。 唯，以上所述者，椹& 士 & 不舻以士阳—士政 僅為本發明之較佳實施例而已，當 +此以此限疋本發明會祐夕# 利範圍所作之均等變化與修二皆：G j ::申” 之範圍内。 中 白應仍屬本發明專利涵蓋 1220265 案號 91133488 年月曰 修正 圖式簡單說明 303介電材料，介電層 3 0 5奈米破管發射層 4 0 1透明基板 4 0 3介電層 40 5奈米碳管層 5 0 1透明基板 5 0 3介電層 505奈米碳管層 304閘極材料，閘電極層 4 0 2陰電極層 404閘電極層 5 0 2陰電極層 504閘電極層 506金屬觸媒層

第14頁

Claims (1)

1220265 _—案號91133488 __年^月 曰 铬_ 一 六、申請專利範圍 1 · 一種場發射顯示器之三極結構的製作方法，依序包含下 列步驟： (a)準備一透明基板； (b )塗佈一層導電漿料於該透明基板的上方並圖樣化該 導電漿料層以形成陰電極層，該導電漿料包含金屬 觸媒； (c)利用噴砂法或厚膜黃光製程，在該陰電極層和該透 明基板的上方形成一閘極結構； (d )在該陰電極層的上方製作碳類異構物場發射電子源 〇 2 ·如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，其中在該步驟（b)中包含在該導電漿料層 中的該金屬觸媒是一過渡金屬。 3·如申請專利範圍第丨項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，其中在該步驟（b)中包含在該導電漿料層 中的該金屬觸媒是由鐵、鈷或鎳而成。 4·如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，在該步驟（b )中該陰電極層的圖樣化係利 用網印技術或厚膜黃光製程來完成。 5·如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，該製作方法包含網印技術，噴砂法和厚 黃光製程。 6 ·如申睛專利範圍第1項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，其中該碳類異構物場發射電子源是由奈米

1220265 -911^4«« 六、申請專利範圍

碳管’碳纖維或石墨奈米纖維而來。 7. —種場發射顯示器之三極結構的製作方法，依序包含下 (a)準備一透明基板； = : —層導電襞料於該透明基板的上方並圖樣化該 導電漿料層以形成陰電極層； (c) 在该陰電極層的上方形成一金屬觸媒層； (d) 利用噴砂法或厚膜黃光製程，在該陰電極層和該透 明基板的上方形成一閘極結構； (e) 在該陰電極層的上方製作碳類異構物場發射電子源 如申請專利範圍第7項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，其中在該步驟（c)中該金屬觸媒是一過渡 金屬。 9· 如申巧專利範圍第7項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，其中在該步驟（c)中該金屬觸媒是由鐵、 鈷或鎳而成。 I 0 ·如申請專利範圍第7項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，在該步驟（b)中該陰電極層的圖樣化係利 用網印技術或厚膜黃光製程來完成。 II ·如申請專利範圍第7項所述之場發射顯示器之三極結構 的製作方法，該製作方法包含網印技術，喷砂法和厚 膜黃光製程。 1 2 ·如申請專利範圍第7項所述之場發射顯示器之三極結構

1220265 案號 91133488 年月曰 修正 六、申請專利範圍 的製作方法，其中該碳類異構物場發射電子源是由奈 米碳管，碳纖維或石墨奈米纖維而來。 I·· 第17頁