专利名称：场发射器件的制作方法
本申请基于1999年9月30日提出的在先日本专利申请No．11-280666，并要求其优先权，此处将其整个内容列为参考。
本发明涉及到场发射器件，更确切地说是涉及到具有阴极、阳极和栅极组成的三电极结构的场发射器件。
已经提出了各种各样的场发射型冷阴极。其中，称为Spindt型发射极的尖端发射极和表面传导发射极是有代表性的类型。近年，还已经提出采用具有稳定的低功函数的碳纳米管的方法。
图1示出了尖端发射极的剖面图。此发射极具有制作在阴极120上的尖端发射极170的尖锐前端，前端的曲率半径为几纳米到几十纳米。尖端发射极基于集中在前端的强电场而发射冷电子。换言之，电场形成在发射极170的前端与制作在阴极120上的第一绝缘层130上的栅电极140之间，并从尖端发射极170的前端发射电子。因此，为了在低电压下发射电子，将栅电极140与发射极170之间的距离设定得尽可能小是理想的。发射的电子被拖向排列在尖端发射极170上方的阳极(未示出)的方向。但是，各个电子在发射时沿水平方向具有初始速度，因此，电子束沿横向扩展。
为了防止电子束的这一扩展，如图1所示，控制电极160被排列在栅电极140上方。此时，栅电极140的孔径与控制电极160的孔径必需设定成具有适当的比率。为了安装控制电极160，必需在栅电极140上安装绝缘层150，然后在绝缘层150上安装控制电极160。为了完成这一安装过程，必需高精度对准。因此，有不仅增加安装工艺，而且使制造过程所需的设施变得昂贵的缺点。
同时，在表面传导发射极的情况下，电子发射极被提供在延伸于制作在衬底上的成对电极(发射极电极和栅电极)上方的导电薄膜上。当电场被施加到电子发射极二端上的电极时，电子沿水平方向被从发射极电极拖出，且力被施加到提供在衬底上的栅电极。于是，电子沿水平方向发射。加速电极被提供在电子发射极上方，发射的部分电子飞向加速电极。但这一效率低，且电子从衬底沿抛物线方向而不是沿垂直方向发射。因此，撞击加速电极的电子从电子发射极的法线偏离。由于这一现象，当场发射极被用于图象显示单元时，电子束就扩展。结果，发生电子束向相邻象素的泄漏，亦即得不到高效率的光发射。
图2透视图示出了日本专利申请KOKAI公报No．8-250018公开的表面传导发射极的一个例子。这一表面传导发射极借助于使发射的电子束变窄而解决了电子束向相邻象素的泄漏。为了解决上述现象，提供了电极122a和122b，以致在由成对电极123a和123b之间施加电压的方向以及被加速电极(电极123a和123b上方，未示出)作用于被发射的电子上的电场施加方向确定的表面上，沿与成对电极123a和123b之间施加电压的方向正交的方向形成一个大致U形的等电位表面。
然而，根据表面传导发射极，为了形成大致U形的等电位表面，必需将电子发射极设置在器件电极的中央，还必需严格调整器件的制作和布线电极的高度。
为了解决上述制造方法的困难，在日本专利申请KOKAI公报No．8-293244中提出了一种四电极型场发射极。图3示出了四电极型场发射极。所公开的四电极结构由阴极131、控制电极134、栅电极133和阳极136组成。根据此方法，不使用尖端发射极和表面传导发射极，而使用低功函数材料作为电子发射层135。电子束的形状被其上制作了电子发射层135的衬底(阴极)131、已经围绕电子发射层制作在电子发射层135上的电子束形成电极(控制电极)134、和已经制作在电子束形成电极134上的绝缘层132上的栅电极133变窄。
然而，根据此发射极，由于必需以相似于图1所示的发射极的方式制作控制电极，故工艺也不可避免地变得复杂。
而且，日本专利申请KOKAI公报No．9-82215已经公开了一种在电子发射表面中具有大量精细尺寸的场发射尖端的发射极。还提出了一种栅和发射极之间的距离对孔径(短径)的比率设定为1-2或更大，致使大量场发射尖端能够具有几乎同等的发射电子的机会的结构。基于这一结构，能够几乎均匀地驱动由纳米尺寸的金属丝制成的发射极。但这一公开的一个目的是几乎均匀地驱动由纳米尺寸的金属丝制成的发射极。这一公开不是为了限制电子发射轨道的扩展。于是，此公开描述了希望具有控制电极而不特别限制电极结构。
如上所述，由于难以控制具有由阴极、阳极和栅电极组成的三电极结构的场发射极发射的电子的方向，故常规地设想需要一种除三个电极外还具有控制电极的四电极结构。然而，此四电极结构在电子发射极周围具有复杂的结构。而且，此结构由于电子发射极必需安装在电场的中央而牵涉到制造方面的困难。
本发明的目的是提供一种场发射器件，它具有能够容易地制造和能够控制发射的电子的方向的三电极结构。
为了达到上述目的，根据本发明的第一情况，提供了一种由三个电极组成的场发射器件，此场发射器件包含制作在衬底上的阴极上的发射材料；制作成围绕发射材料的绝缘层；制作在绝缘层上并具有使从发射材料发射的电子穿过的窗口的栅电极；以及与发射材料相反的阳极，其中L／S≥1，其中S表示窗口的孔径，L表示从发射材料发射的电子到栅电极的典型最短通过距离。
根据本发明的第二情况，提供了一种主要由三个电极组成的场发射型显示单元，此场发射型显示单元包含衬底；制作在衬底上的阴极层；制作在阴极层上并具有多个第一窗口的绝缘层；制作在绝缘层上并具有对应于多个第一窗口的多个第二窗口的栅电极，各个第二窗口具有与各个第一窗口相同的孔径；
制作在通过第一和第二窗口暴露的阴极层上的电子发射层；经由提供在衬底周边上的框架，排列成面向其上制作阴极层的衬底的表面的透明片；制作在透明片表面上的面向阴极层的阳极层；以及制作在阳极层上的荧光层，其中L／S≥1，其中S表示多个第一窗口的孔径，L表示从发射材料发射的电子到栅电极的典型最短通过距离。
更具体地说，本发明的场发射器件或显示单元的电子发射层制作在深窗口的底部，使电场沿几乎垂直于电子发射层的方向施加到发射的电子。用这种安排，只有沿几乎垂直于电子发射层的方向的速度分量大的电子才通过栅电极的窗口并达到阳极。于是，有可能使已经通过栅电极的窗口并向阳极行进的电子的轨道变窄。因此，有可能控制不具有控制电极的三电极结构中的电子的轨道。在具有简单结构的三电极结构中，日本专利申请KOKAI公报No．9-82215公开的关系1＞L／S≥1／2不能够充分地起到限制电子发射轨道的扩展的作用。当关系被设定为L／S≥1时，扩展能够被限制。这是本发明人首次搞清楚的一个事实。
而且，多个窗口的平均表面密度最好设定为1pc／μm2或以上。根据日本专利申请KOKAI公报No．9-82215，借助于在单个窗口中取大量的发射点而改善了电子发射点的均匀性。但基于这种结构，难以降低具有各自窗口的电子发射极中的差异。根据本发明，具有各自窗口的电子发射极被紧密地排列以减小差异。换言之，平均表面密度被设定为1pc／μm2或以上。用这种安排，即使从各个窗口发射的电子的数量有变化，发射的电子的数量也能够被平均地均化。当本发明被应用于显示单元时，这具有限制各个象素之间的亮度差异的作用。
与本发明有关的窗口可以取圆形、椭圆形或多角形的形状，且形状不受特别的限制。当窗口取圆形时，窗口的直径是圆的直径(见图4A)，而当窗口取椭圆形时，窗口的直径是短径(见图4B)。当窗口取三角形形状或正方形形状时，窗口的直径是内接圆的直径(见图4C和4D)。当窗口取平行四边形时，窗口的直径是内接于平行的长边的圆的直径(见图4E)。在这些图4A-4E中，参考号6表示窗口。
尽管改善了对电子扩展的控制，通过窗口的部分电子仍然具有沿平行于电子发射层的方向的速度分量。这些电子在通过窗口时使电子轨道扩展。但当栅电极的厚度Lg与典型的最短距离L之间的关系被设定为Lg／L≤0．75时，有可能将电子轨道的扩展限制到可忽略的水平，同时，当本发明被应用于显示单元之类时，确保向阳极行进的电子的数量。
更具体地说，基于关系L／S≥1的设定，大多数电子被发射到几乎垂直于电子发射层的方向，而沿平行于电子发射层的方向具有速度分量的部分电子被绝缘层弹性散射。然而，当电子发射层被制作在深窗口底部时，沿垂直方向发射的电子的轨道能够被容易地修正。而且，即使电子取超过最短距离L的距离，具有平行分量的那些电子也撞击具有预定厚度的栅电极并被栅电极吸收。另一方面，当栅电极的厚度太大时，通过栅电极时被栅电极吸收的那些电子的数量增加，从而不可能确保必需的电流。因此，显示单元的显示器上的亮度改变。为了确保这一必需的亮度，已经设定Lg／L≤0．75的关系。
而且，发射材料最好制作在阴极层上的平面上，且最好是Pd、Cs、LaB6、石墨、碳、金刚石中的至少一种。
而且，由衬底、透明片和框架形成的空间最好处于真空。
在下列描述中将提出并部分地明了，或借助于实施本发明而理解本发明的其它目的和优点。利用以下特别指出的装置和组合，可实现和获得本发明的目的和优点。
结合在本说明书中的构成本说明书的一部分的附图，示出了本发明的最佳实施例，并与上述一般描述和下面给出的最佳实施例的详细描述一起以来解释本发明的原理。
图1剖面图示出了常规场发射极的一个例子。
图2剖面图示出了常规场发射极的另一个例子。
图3剖面图示出了常规场发射极的又一个例子。
图4A-4E解释了根据本发明的栅窗口的形状和孔径的定义。
图5A-5F剖面图示出了根据本发明的制造场发射器件(显示单元)的方法的各个阶段。
图6示出了电子束扩展比率与L对S的比率之间的关系，其中L是从发射材料发射的电子到栅电极的典型最短通过距离，而S是孔径。
图7示意图示出了根据本发明的发射极的电子的轨道。
图8示意图用来确定作为根据本发明的窗口的表面密度的参考的区域A。
图9示出了根据本发明的栅电极的厚度Lg对最短距离L的比率与显示单元的亮度之间的关系。
图5A-5F剖面图示出了根据本发明制造场发射器件(显示单元)的方法的各个阶段。
制备诸如玻璃衬底或陶瓷衬底之类的绝缘衬底11。然后，用真空淀积或溅射方法，在此绝缘衬底11上制作厚度约为0．01-0．9微米的由导电薄膜制成的阴极层3。在本实施例中，制作了由膜厚度约为0．1微米的镍组成的阴极层。
构成阴极层3的导电材料不特别局限于镍，也可以用金、银、钼、钨、或钛之类的金属或导电氧化物制作阴极层。而且，为了改善绝缘衬底11与阴极层3之间的粘合强度，根据需要，也有可能制作经由钛或铬层的镍层。部分阴极层也可以用作信号线。
上面所述不是制作阴极层3的唯一方法，也有可能利用厚膜技术或电镀方法来制作阴极层3。
接着，借助于通过掩模进行对准，在阴极层3的表面上制作所需的光刻胶图象。然后，借助于腐蚀，将阴极层3制作成预定的形状。
接着，在阴极层3的表面上制作膜厚为0．2微米的由SiO2制成的绝缘层2。溅射方法不是制作这一绝缘层的唯一方法。也能够用旋涂玻璃(SOG)方法、液相淀积(LPD)方法之类，借助于在阴极层3的表面上覆盖SiO2膜，然后焙烧此膜，来制作绝缘层。
接着，在绝缘层2上制作栅电极1。像阴极层3那样，此栅电极1也被用作信号线，并用相似于阴极层3的方法来制作。在本实施例中，由膜厚约为0．1微米的镍层制成的栅电极，用真空淀积方法或用溅射方法，被制作在绝缘层2的表面上。也可以用金、钼、钨或钛之类的金属或导电氧化物，以相似于阴极层的方法来制作此栅电极。而且，根据需要，栅电极可以经由钛或铬层制作在绝缘层的表面上。
以上述方式，制作图5A所示的层叠单元。接着，如下所述在栅电极1和绝缘层2上制作窗口6。
在栅电极1的表面上涂敷光刻胶4。基于下列方法之一，在涂敷的部分上制作窗口6电子束曝光系统和使用有机纳米结构作为掩模的湿法腐蚀或反应离子刻蚀(RIE)的成块共聚物相位分离方法(见美国专利申请No．09／588721)。
在本实施例中，用二种方法来制备掩模。基于成块共聚物相位分离方法，有机纳米结构被用于掩模。利用此掩模，于光刻胶4上借助RIE，制作圆形窗口6，各个窗口的直径约为40-100nm。也可以用光刻胶旋涂方法。然后，对准旋涂的光刻胶以制作圆形窗口6(见图5B)。
在本实施例中，孔径和绝缘层的高度L被固定。只有栅电极的厚度Lg被改变到50、100、150、200nm程度。这是为了进行基于栅电极厚度改变的亮度改变的特殊感觉测试。
在光刻胶4上制作窗口6之后，用二氯化铁(Ⅲ)溶液腐蚀镍制成的栅电极1，以便在栅电极上形成互连到光刻胶4的窗口6的窗口。
而且，通过栅电极的窗口，使CF4气体接触到SiO2制成的绝缘层2，致使互连到栅电极的窗口的窗口也被制作在绝缘层2上。结果，如图5C所示，制作了窗口6′。
接着，具有分散在乙醇中的钯化合物颗粒的溶液，被滴注在窗口6′上。于是，钯化合物颗粒在暴露于窗口6′的阴极3上沉淀成平面。然后在大气压下，于150℃的惰性气氛或还原气氛中，钯化合物颗粒被干燥。结果，制作了由钯制成的电子发射层7。然后，剥离掉光刻胶4(见图5D)。
虽然钯被用作本发明中的发射材料7，但也有可能使用诸如Cs、LaB6、石墨、碳和金刚石之类的其它低功函数物质。为了改善电子发射效率，也有可能例如用溅射或CVD方法，在钯颗粒的表面上制作碳化合物。
而且，如图5E所示，在能够发射冷电子的衬底上方，排列有彼此面对的由透明玻璃10、透明导电膜(ITO膜)组成的荧光衬底作为阳极13和荧光层12。而且，如图5F所示，夹在具有冷阴极的阴极衬底与荧光衬底之间的区域，被框架14气密在真空状态。结果，就完成了场发射器件(显示单元)。
这一场发射器件的阴极被设定为0V，并在栅电极和阳极分别施加20V和5V的电压。已被确认，从发射材料发射的电子撞击荧光材料，而荧光材料发射光。
图6示出了从阴极发射的电子束的扩展率和L／S之间的关系(L／S=1的扩展被设定为1)。如图6所示，当L／S等于或大于1时，电子的轨道被控制变窄。下面考虑这一控制的理由。
基于将L／S比率设定为大的数值，从电子发射层发射的大多数电子沿几乎垂直于电子发射层的方向被拖动。即使在栅电极附近存在沿平行于电子发射层方向具有速度分量的电子，这些电子也被栅电极吸收了。结果，只有沿几乎垂直于电子发射层的方向具有速度分量的电子才通过栅电极的窗口。
已经假设荧光单元发射光的区域是电子轨道的尺寸。
根据本发明的场发射器件，包括电子发射极的窗口的平均表面密度最好为1pc／μm2或以上。这是由于当包括电子发射极的窗口的数目更大时，各个窗口的电子发射特性的差异处于中等水平。通常存在平均表面密度假设为4pc／144μm2(D．L．Lee，SID98 DIGEST，p589)或9pc／25μm2(Yokowo，J．IEE Japan，vol．112，No．4，1992，p257)的情况。确切地说，当本发明被用于显示单元时，对于限制象素特性的差异，差异的平均是特别有效的。
为了得到窗口的表面密度，整个阴极表面不被用作分母。此分母被定义为覆盖包括栅电极与阴极相交部分中的同一个阴极上存在的最外电子发射极的窗口的区域(见图8)。
在本发明中，栅电极厚度Lg对最短距离L的比率最好满足关系Lg／L≤0．75。进行上述基于栅电极厚度变化的亮度变化的特殊感觉测试的结果变成如图9所示。Lg／L≤0．75范围内的亮度能够满足显示单元的亮度。
如上所述，根据本发明，有可能在采用简单的三电极结构的情况下提供能够控制所发射的电子的轨道的场发射器件。
对于本技术领域的熟练人员，可容易地得到其它的优点和修正。因此，本发明在广义上不局限于此处所述的具体的细节和代表性实施例。因而，可以作出各种各样的修正而不超越所附权利要求及其同等内容所定义的一般发明概念的构思与范围。
权利要求
1．一种由三个电极组成的场发射器件，此场发射器件包含制作在衬底上的阴极上的发射材料；制作成围绕发射材料的绝缘层；制作在绝缘层上并具有使从发射材料发射的电子穿过的窗口的栅电极；以及与发射材料相对的阳极，其中L／S≥1，其中S表示窗口的孔径，L表示从发射材料发射的电子到栅电极的典型最短通过距离。
2．根据权利要求1的场发射器件，其中的场发射器件具有各由窗口构成的多个窗口，且多个窗口被制作成平均表面密度为1pc／μm2或多于1pc／μm2。
3．根据权利要求1的场发射器件，其中窗口的形状为圆形，且孔径是圆形的直径。
4．根据权利要求1的场发射器件，其中窗口的形状为椭圆形，且孔径是椭圆形的短径。
5．根据权利要求1的场发射器件，其中窗口的形状为三角形和正方形中的一个，且孔径是三角形和正方形中的一个的内接圆的直径。
6．根据权利要求1的场发射器件，其中窗口的形状为平行四边形，且孔径是内接于二个平行的长边的圆的直径。
7．根据权利要求1的场发射器件，其中的场发射器件满足关系Lg／L≤0．75，其中Lg表示栅电极的厚度。
8．根据权利要求1的场发射器件，其中的发射材料被平坦地制作在阴极上，并包括Pd、Cs、LaB6、石墨、碳、金刚石中的至少一个。
9．一种实质上由三个电极组成的场发射型显示单元，此场发射型显示单元包含衬底；制作在衬底上的阴极层；制作在阴极层上并具有多个第一窗口的绝缘层；制作在绝缘层上并具有对应于多个第一窗口的多个第二窗口的栅电极，各个第二窗口具有与各个第一窗口相同的孔径；制作在通过第一和第二窗口暴露的阴极层上的电子发射层；经由提供在衬底周边上的框架安置成面向其上制作阴极层的衬底的表面的透明片；制作在透明片表面上的面向阴极层的阳极层；以及制作在阳极层上的荧光层，其中L／S≥1，其中S表示多个第一窗口的孔径，L表示从发射材料发射的电子到栅电极的典型最短通过距离。
10．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中多个第一窗口被制作成平均表面密度为1pc／μm2或多于1pc／μm2。
11．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中多个第一窗口的形状为圆形，且孔径是圆形的直径。
12．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中多个第一窗口的形状为椭圆形，且孔径是椭圆形的短径。
13．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中多个第一窗口的形状为三角形和正方形中的一个，且孔径是三角形和正方形中的一个的内接圆的直径。
14．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中多个第一窗口的形状为平行四边形，且孔径是内接于二个平行的长边的圆的直径。
15．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中的场发射器件满足关系Lg／L≤0．75，其中Lg表示栅电极的厚度，L表示典型最短距离。
16．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中的发射材料被平坦地制作在阴极层上，并包括Pd、Cs、LaB6、石墨、碳、金刚石中的至少一个。
17．根据权利要求9的场发射型显示单元，其中由衬底、透明片和框架形成的空间保持在真空中。
全文摘要
一种场发射器件基本上由三个电极组成,并包含其表面上制作发射材料的阴极、制作在向上围绕阴极的绝缘层上并具有用来使从发射材料发射的电子通过的窗口的栅电极、以及用来使通过窗口的电子加速的阳极,其中L/S为1或以上,其中S表示窗口的孔径,L表示从发射材料发射的电子通过围绕阴极的绝缘层的典型最短距离。基于这一结构,有可能在使用简单的三电极结构的情况下提供能够控制发射电子的轨道的场发射器件。
文档编号H01J3/02GK1290950SQ0012922
公开日2001年4月11日 申请日期2000年9月29日 优先权日1999年9月30日
发明者浅井博纪, 山本正彦, 铃木幸治 申请人:株式会社东芝