CN101086940B - 场发射阴极装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种场发射阴极装置的制造方法。该场发射阴极装置的制造方法包括以下步骤：提供一个衬底；在衬底上依次形成一层栅极绝缘介质层，一层栅极金属层和一层光刻胶层；微影光刻胶层形成一预定之图案；分别蚀刻栅极金属层和栅极绝缘介质层以形成栅极，栅极绝缘介质间隔体和栅极孔；对光刻胶层加热并加压使其面积增大；利用面积增大的光刻胶层作为掩模，在衬底上蒸镀金属催化剂层；在金属催化剂层上生长出碳纳米管阵列以形成场发射源，该场发射源小于栅极孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种场发射阴极装置的制造方法，尤其涉及一种采用碳纳米管作发射体的三极型场发射阴极装置的制造方法。
背景技术
碳纳米管作为场发射电子源的研究是碳纳米管应用研究中最为深入的研究领域之一。由于碳纳米管具有极优异的导电性能，及几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积越小，其局部电场越集中)，同时还具有化学性质稳定、机械强度高以及导热性能好等许多优异特性，所以碳纳米管是目前最理想的场发射材料之一。
碳纳米管场发射阴极装置至少包括一阴极支撑体及作为发射体的碳纳米管层，该碳纳米管层形成于阴极支撑体上。目前，碳纳米管形成于阴极支撑体上的方式主要有机械方法和原位生长法。其中，机械方法是通过机械手操纵合成好的碳纳米管，将碳纳米管用化学胶固定到支撑体上，此种方法程序简单，但操作不容易且费时，特别是操纵直径约1nm左右的碳纳米管几乎是不可能的，因此这种方法较复杂，不易操作。
原位生长法是先在支撑体上镀上金属催化剂，然后通过化学气相沉积或电弧放电等方法在支撑体上直接生长出碳纳米管，此种方法操作简单，碳纳米管与支撑体的电接触良好。但是，对于三极型场发射阴极装置，其是利用栅极孔蒸镀形成金属催化剂层，并在该金属催化剂层上直接生长出碳纳米管。 由于栅极孔内蒸镀的金属催化剂区域面积与栅极孔大小相一致，因此若生长出的碳纳米管高度过高，则边缘处的碳纳米管会与栅极相接触，从而造成阴极与栅极间短路。且边缘处的碳纳米管发射的电子有相当一部分直接打到栅极的下表面，造成漏电，降低了发光效率。
为了克服上述缺陷，一种现有技术提出了在栅极上小角度蒸镀牺牲层从而减小金属催化剂蒸镀的面积的技术。但是，该技术蒸镀工艺较为复杂，而且蒸镀金属催化剂后还需要完全除去牺牲层材料而不损害其它结构，工艺要求较高，制造方法较为复杂且若牺牲层不能除净，有可能玷污发射体，影响整个场发射装置的性能。
有鉴于此，提供一种制造简单且性能良好的三极型场发射阴极装置的制造方法实为必要。
发明内容
以下将以实施例说明一种场发射阴极装置的制造方法。
一种场发射阴极装置的制造方法，其包括以下步骤：提供一个衬底；在衬底上依次形成一层栅极绝缘介质层，一层栅极金属层和一层光刻胶层；微影光刻胶层形成一预定之图案；分别蚀刻栅极金属层和栅极绝缘介质层以形成栅极，栅极绝缘介质间隔体和栅极孔；对光刻胶层加热并加压使其面积增大；利用面积增大的光刻胶层作为掩模，在衬底上蒸镀金属催化剂层；在金属催化剂层上生长出碳纳米管阵列以形成场发射源，该场发射源小于栅极孔。
和现有技术相比，所述的场发射阴极装置的制造方法将金属催化剂的尺寸减小，生长出的碳纳米管阵列的面积小于栅极孔的面积，从而有效的避免了碳纳米管与栅极接触，减小了短路的几率。同时由于不再有碳纳米管位于栅极的正下方，减小了场发射电子打到栅极上的几率，减小了漏电电流。而且，本方法仅需要将光刻胶层加热压扁，其制程较为简单，对工艺要求较低，无需利用其他材料，成本较低。
附图说明
图1是本发明第一实施例所提供一片待加工的衬底的截面示意图。
图2是在图1所示的衬底上形成栅极绝缘介质层、栅极金属层及光刻胶层的截面示意图。
图3是对图2中的光刻胶层曝光显影后的截面示意图。
图4是蚀刻图3中的栅极金属层及栅极绝缘介质层后的截面示意图。
图5是对图4中的光刻胶层加热加压处理后的截面示意图。
图6是在图5的基础上蒸镀金属催化剂后的截面示意图。
图7是在图6的基础上生长碳纳米管阵列后的截面示意图。
图8是本发明第一实施例所制成的场发射阴极结构的截面示意图。
图9是本发明第二实施例所制成的场发射阴极结构的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明第一实施例的三极型场发射阴极装置的制造方法包括以下步骤：
步骤1：提供一个衬底110。
请参阅图1，该衬底110包括一普通玻璃基板111，以及依次形成在玻璃基板111上的绝缘介质层112和金属层113。该金属层113作为阴极。该衬底110还可以仅采用一导电玻璃基板作为衬底，例如氧化铟锡(ITO，Indium Tin Oxide)或氧化铟锌(IZO，Indium Zinc Oxide)等，其可以直接作为阴极。
步骤2：在衬底110上依次形成一层栅极绝缘介质层120，一栅极金属层130和一光刻胶层140。
请参阅图2，该栅极绝缘介质层120可以用镀膜、印刷等方法沉积在衬底110之上。该栅极绝缘介质层120用于间隔阴极113及栅极，使其电绝缘。该栅极绝缘介质层120的厚度范围在1微米～1000微米，优选厚度范围约为10微米～200微米。该栅极绝缘介质层120应当可光刻加工，且能够承受700℃左右的碳纳米管生长时的温度，其材料可选择高温玻璃、硅、氧化硅、陶瓷或云母等。
该栅极金属层130是用于制造栅极的，其形成于栅极绝缘介质层120之上，与阴极113电绝缘。
步骤3：微影该光刻胶层140形成一预定之图案。
请参阅图3，对涂覆在栅极金属层130上的光刻胶层140曝光显影，使该光刻胶层140形成一定的图案141，该图案141对应于所要形成的栅极。
步骤4：分别蚀刻栅极金属层130及栅极绝缘介质层120。
请参阅图4，利用形成一定图案的光刻胶层141作为掩模，分别利用干蚀刻法蚀刻栅极金属层130以形成栅极131，利用湿蚀刻法蚀刻栅极绝缘介质层120以形成栅极131与阴极113之间的间隔体121。通过两次蚀刻，形成了栅极孔150。
步骤5：对光刻胶层141加热并加压使其面积增大。
请参阅图5，通过加热使形成了一定图案的光刻胶层141软化，同时在光刻胶层141的上方施加压力，在压力作用下，光刻胶层141的厚度减小同时其面积增大，两相邻光刻胶层141间的间隔孔160相应的减小，小于其下的栅极孔150。
步骤6：蒸镀金属催化剂层。
请参阅图6，利用压扁的光刻胶层141作为掩模，在衬底110上蒸镀金属催化剂层170。该金属催化剂层170一般采用Fe、Co、Ni或其合金。该金属催化剂层170厚度为1～10纳米，优选为3～5纳米。该金属催化剂层170可在300℃～400℃温度下进行退火，以利于催化剂纳米颗粒的形成。而且，由于光刻胶层141间的间隔孔160小于栅极孔150，因此，蒸镀的金属催化剂层170的尺寸小于栅极孔150。
步骤7：在金属催化剂层170上生长出碳纳米管阵列180。
请参阅图7，在金属催化剂层170上用化学气相沉积的方法生长出垂直向上的碳纳米阵列180。该碳纳米阵列180的发射面即上表面的面积相当于催化剂图案的面积，因此其小于栅极孔150。
步骤8：剥离光刻胶层141。
请参阅图8，将光刻胶层141从栅极131上剥离，形成如图所示的场发射阴极装置。
相较于现有技术，该场发射阴极装置的制造方法将金属催化剂170的尺寸减小，生长出的碳纳米管阵列180的面积小于栅极孔150的面积，从而有效的避免了碳纳米管180与栅极131接触，减小了短路的几率。同时由于不再有碳纳米管180位于栅极131的正下方，减小了场发射电子打到栅极131上的几率，减小了漏电电流。而且，本方法仅需要将光刻胶层141加热压扁，其制程较为简单，对工艺要求较低，无需利用其他材料，成本较低。
该步骤8也可以在步骤6蒸镀金属催化剂层后执行，再执行步骤7。即先剥离光刻胶层141然后再生长出碳纳米管阵列180。
请参阅图9，是本发明第二实施例的三极型场发射阴极装置的制造方法，该方法与第一实施例中的方法制得的产品相比，其不同仅在于在栅极131与栅极绝缘介质间隔体121间还形成一层第二绝缘介质间隔体190，该第二绝缘介质间隔体190与栅极绝缘介质间隔体121的材料不同，该第二绝缘介质间隔体190对步骤4中蚀刻栅极绝缘介质层120所用的腐蚀液具有好的耐腐蚀性，因此在对栅极绝缘介质层120进行湿法蚀刻时，第二绝缘介质间隔体190间的栅极孔直径不会因腐蚀而减小，从而与栅极131面积相同，其可进一步有效的阻止碳纳米管180与栅极131间接触，减少短路发生的几率。同时阻挡了从下方发射到栅极131上的电子，减少漏电电流。该第二绝缘介质间隔体190采用氮化硅材料。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。故，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种场发射阴极装置的制造方法，其包括以下步骤：提供一个衬底；在衬底上依次形成一层栅极绝缘介质层，一层栅极金属层和一层光刻胶层；微影光刻胶层形成一预定之图案；分别蚀刻栅极金属层和栅极绝缘介质层以形成栅极，栅极绝缘介质间隔体和栅极孔；对光刻胶层加热并加压使其面积增大；利用面积增大的光刻胶层作为掩模，在衬底上蒸镀金属催化剂层；在金属催化剂层上生长出碳纳米管阵列以形成场发射源，该场发射源小于栅极孔。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：该衬底包括一个基板及形成在基板上的用作阴极的金属层。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：该衬底采用导电玻璃基板制成以作为阴极。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：利用干蚀刻法蚀刻栅极金属层以形成栅极，利用湿蚀刻法蚀刻栅极绝缘介质层以形成栅极绝缘介质间隔体。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于进一步包括以下步骤：在栅极与栅极绝缘介质间隔体之间还形成一层第二绝缘介质间隔体，该第二绝缘介质间隔体具有耐腐蚀性。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：该金属催化剂层采用Fe、Co、Ni及其合金中至少一种材料所制成。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于进一步包括以下步骤：在生长出碳纳米管阵列后剥离光刻胶层，形成场发射源小于栅极孔的场发射阴极装置。
8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于进一步包括以下步骤：在蒸镀金属催化剂层后剥离光刻胶层，然后再生长出碳纳米管阵列。
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