专利名称：制造场发射装置的方法
技术领域：
本发明涉及场发射装置(FED)，并且更具体地，涉及制造FED的方法，其中光掩模构图工艺的数目小并且发射器孔形成工艺能够精确地被控制以提高FED的制造产率。
背景技术：
场发射装置(FED)是彩色图像显示器，其通过将电场施加到形成在电极上的发射器以从所述发射器向荧光体材料上发射电子束实现彩色图像。
FED的核心技术在于从其发射电子的发射器尖(emitter tip)的制造技术及发射器尖的稳定性。在传统FED中，硅尖或钼尖用作发射器尖，但是因为硅和钼尖具有短寿命和低稳定性，其电子发射效率不好。因此，具有优异的电子发射效率的碳纳米管通常用作用于FED的发射器。因为它们的宽视角、高分辨率、低功耗、以及温度稳定性，FED能够用在各种应用中诸如汽车导航装置和电子图像装置的探视器。FED能够特别地用作个人数字助理(PDAs)、医疗装置、高清晰度电视(HDTVs)等的替代显示器。
FED包括多个发射器阵列，并且每个发射器可被安装在发射器孔内。因此，传统FED制造工艺必须包括发射器孔构图工艺以安装发射器，并且需要非常精确的光刻工艺以构图精细的发射器孔。具体地，传统FED制造工艺需要具有至少两步的光刻工艺。然而，当使用多个光刻工艺制造发射器孔时，FED制造工艺变得复杂并且制造成本增加。进一步的，具有直径15μm或更小的精细发射器孔难以使用大数目的光刻工艺实现，并且因此FED的制造产率低。
发明内容
本发明提供制造具有少数光掩模构图工艺的场发射装置(FED)的方法。在该方法中，发射器孔的形成能够精确地被控制以增加FED的制造产率。
根据本发明的一个方面，提供一种制造场发射装置(FED)的方法，包括在基板上顺序形成阴极层、第一绝缘层、以及栅极电极层；在该栅极电极层上形成保护层以覆盖该栅极电极层的顶面；通过蚀刻该保护层和该栅极电极层的预定部分暴露该第一绝缘层的部分从而沿至少一行形成多个第一开口孔(opening hole)；形成覆盖第一开口孔以及保护层的第二绝缘层；在该第二绝缘层上形成聚焦电极层；在该聚焦电极层上形成光致抗蚀剂层；通过构图该光致抗蚀剂层暴露第二绝缘层的部分并且使用该光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模来形成分别对应于第一开口孔的行的第二开口孔；通过从该第二绝缘层的暴露表面蚀刻到该第一绝缘层的底表面而形成暴露该阴极层的部分的发射器孔；去除该光致抗蚀剂层；以及在该阴极层的该暴露表面上形成电子发射发射器。
通过从第二绝缘层的暴露表面蚀刻到第一绝缘层的底表面而形成暴露该阴极层的部分的发射器孔、以及去除光致抗蚀剂层可包括通过从第二绝缘层的暴露表面各向同性地底切(undercut)蚀刻至第一绝缘层的底表面，形成暴露阴极层的部分的发射器孔；以及通过去除由于各向同性底切蚀刻导致的聚焦电极层、栅极电极层、以及保护层的突出到发射器孔中的突出部分而平坦化发射器孔的壁。
通过去除由于各向同性底切蚀刻导致的聚焦电极层、栅极电极层、以及保护层的突出到发射器孔中的突出部分而平坦化发射器孔的壁可包括使用所述光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模，蚀刻和去除聚焦电极层的突出到发射器孔中的突出部分；使用所述保护层作为蚀刻掩模，蚀刻和去除栅极电极层的突出到发射器孔中的突出部分；以及蚀刻和去除保护层的突出到发射器孔中的突出部分。使用光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模蚀刻和去除聚焦电极层的突出到发射器孔中的突出部分以及使用保护层作为蚀刻掩模蚀刻和去除栅极电极层的突出到发射器孔中的突出部分可同时被执行。在发射器孔的壁上突出的聚焦电极层、栅极电极层、以及保护层的突出部分可使用湿蚀刻工艺去除。
栅极电极层、保护层、以及聚焦电极层可由选自由Cr、Al、Mo、Ag、Cu和Au组成的组的至少一种形成。栅极电极层和保护层可分别由相对于彼此具有蚀刻选择性的不同材料形成。第一和第二绝缘层可由硅氧化物或硅氮化物形成。硅氧化物可为SiOx，其中x小于2，以及硅氮化物为Si3N4。电子发射发射器可由碳纳米管材料形成。
根据本发明，可以获得具有15μm或更小的一致尺寸的精细发射器图案的FED。
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，其中图1是根据本发明的实施例制造的场发射装置(FED)的透视图；图2是沿线A-A′截取的图1的FED的横截面图；以及图3到13是示出了根据本发明的实施例的FED的制造方法的横截面图。
具体实施例方式
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。在图中，为清晰起见层和区域的厚度放大了。
图1是根据本发明的实施例制造的场发射装置(FED)的透视图。图2是沿线A-A′截取的图1的FED的横截面图。
参照图1和2，多个发射器孔h3在基板10上方排列成一直线，并且电子发射发射器30在每个发射器孔h3内形成。电子发射发射器30可由碳纳米管材料形成。
阴极层12置于电子发射发射器孔30和基板10之间。第一绝缘层14、栅极层16、保护层18、第二绝缘层24、以及聚焦电极层26顺序形成在阴极层12上，并且暴露电子发射发射器30。即，发射器孔h3穿经第一绝缘层14、栅极电极层16、保护层18、第二绝缘层24，以及聚焦电极层26能够形成，并且电子发射发射器30分别设置在发射器孔h3内。
第一和第二绝缘层14和24分别由硅氧化物或硅氮化物形成，具体地，SiOx(x＜2)或Si3N4。栅极电极层16、保护层18、以及聚焦电极层26可由Cr、Al、Mo、Ag、Cu、Au、或者其合金形成。栅极电极层16和保护层18可由具有相对于彼此的湿蚀刻选择性的不同材料形成。例如，如果栅极电极层16由Cr形成，保护层18可由Al形成，并且如果栅极电极层16由Al形成，保护层18可由Cr形成。栅极电极层16和保护层18应该由不同材料形成的理由将联系后面的制造方法描述解释。
图1和2所示的FED的操作如下。当预定电压施加到阴极层12和栅极电极层16之间时，电子束从电子发射发射器30发射并且离开发射器孔h3。聚焦电极层26聚集电子束。为此，具有与电子束相同极性的电压施加到聚焦电极层26。施加到聚焦电极层26的电压的大小应该小于施加到栅极电极层16的电压的大小。例如，0V、+80V、-10V的电压可分别施加到阴极层12、栅极电极层16、以及聚焦电极层26。
图3到13示出了根据本发明的实施例的FED的制造方法。在该方法中，每个层使用诸如在半导体制造工艺或者FED制造工艺中广泛使用的物理汽相淀积(PVD)或化学汽相淀积(CVD)的薄层蒸发方法形成，因此其描述将被省略。
参照图3和4，阴极层12、第一绝缘层14、以及栅极电极层16顺序形成在基板10上。接着，保护层18形成在栅极电极层16上以覆盖栅极电极层16的顶面。第一绝缘层14可由硅氧化物或硅氮化物形成，具体地，SiOx(x＜2)或Si3N4。阴极层12、栅极电极层16、以及保护层18可由Cr、Al、Mo、Ag、Cu、Au、或者其合金形成。栅极电极层16和保护层18可由相对于彼此具有湿蚀刻选择性的不同材料形成。这是因为栅极电极层16和保护层18在蚀刻工艺中选择性地被蚀刻并去除，其将随后被描述。例如，如果栅极电极层16由Cr形成，保护层18可由Al形成，并且如果栅极电极层16由Al形成，保护层18可由Cr形成。
参照图5A和5B，第一绝缘层14的部分通过顺序或同时蚀刻保护层18和栅极电极层16的预定区域暴露，并且因此沿至少一行形成多个第一开口孔h1。图5B是沿图5A中的线B-B′截取的横截面图。第一开口孔h1的直径可为15μm或更小。
参照图6，掩埋第一开口孔h1和保护层18的第二绝缘层24形成。接着，聚焦电极层26形成在第二绝缘层24上。第二绝缘层24由与具有湿蚀刻特性的第一绝缘材料相同的材料形成，即，由硅氧化物或硅氮化物形成，具体地，SiOx(x＜2)或Si3N4。聚焦电极层26可由Cr、Al、Mo、Ag、Cu、Au、或者其合金形成。
参照图7A和7B，光致抗蚀剂层100形成在聚焦电极层26上，然后光致抗蚀剂层100被构图使得对应于第一开口孔h1的每行的线性开口孔形成在光致抗蚀剂层100内，并且因此聚焦电极层26的部分26a暴露。图7B为沿图7A中的线C-C′截取的横截面图。
参照图8和9，聚焦电极层26的暴露部分26a使用构图的光致抗蚀剂层100作为蚀刻掩模被蚀刻，并且沿直线且对应于第一开口孔h1的行的第二开口孔h2形成从而暴露第二绝缘层24的部分。
然后，暴露阴极电极层12的发射器孔h3通过从第二绝缘层24的暴露表面向第一绝缘层14的底表面蚀刻形成。具体的，通过第二开口孔h2暴露的第二绝缘层24的部分24a以及通过第一开口孔h1暴露的第一绝缘层14的部分14a通过向第二开口孔h2内注入蚀刻剂而各向同性地底切蚀刻。结果，穿经第一绝缘层14、栅极电极层16、保护层18、第二绝缘层24以及聚焦电极层26的多个发射孔h3形成。
参照图10和11，当发射器孔h3形成时，由于各向同性地底切蚀刻导致的突入发射器孔h3的聚焦电极26、栅极电极层16和保护层18的突起26a、16a、以及18a被去除从而平坦化发射器孔h3的壁。突入发射器孔h3的聚焦电极层26、栅极电极层16和保护层18的突起26a、16a、以及18a可使用湿蚀刻工艺去除。具体的，光致抗蚀剂层100用作蚀刻掩模以蚀刻突入发射器孔h3的聚焦电极层26的突起26a，并且因此突起26a被去除。另外，保护层18用作蚀刻掩模以蚀刻和去除突入发射器孔h3的栅极电极16的突起16a，并且这个工艺能够在蚀刻和去除突起26a之后或同时进行。然后，突入发射器孔h3的保护层18的突起18a被蚀刻并去除。因为保护层18的突起18a在蚀刻栅极电极层16时被用作蚀刻掩模，栅极电极层16的突起16a必须先被蚀刻，然后保护层18的突起18a必须被去除。特别地，因为保护层18由相对于形成栅极电极16的材料可被选择性地湿蚀刻的材料形成，保护层18和栅极电极层16能够选择性地蚀刻和去除。这样，具有直径为15μm或更小的发射器孔h3能够形成。发射器孔h3的直径可在3到15μm的范围。
参照图12和13，光致抗蚀剂层100被去除，并且然后电子发射发射器30形成在发射器孔h3内的阴极层12的暴露表面上。电子发射发射器30可由碳纳米管材料形成。这样，可形成FED。
根据本发明，可得到具有尺寸一致的精细发射器图案的FED。具体地，具有直径为15μm或更小的发射器孔能够一致地形成，并且其再现性和可靠性很优异。根据本发明，相对于传统制造工艺光掩模构图工艺的数目减少，并且由于光掩模工艺的数目的减少，发射器孔能够很精细且可再现。结果，FED的制造产率能够提高。
尽管本发明参照其示例性实施例进行了特定的示出和描述，本领域技术人员将理解在不偏离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种变化。例如，本发明不局限于其示例性实施例所描述的配置和工艺顺序。
权利要求
1.一种制造场发射装置(FED)的方法，包括在基板上顺序形成阴极层、第一绝缘层、以及栅极电极层；在所述栅极电极层上形成保护层从而覆盖所述栅极电极层的顶面；通过蚀刻所述保护层和所述栅极电极层的预定部分暴露所述第一绝缘层的部分从而沿至少一行形成多个第一开口孔；形成覆盖所述第一开口孔以及所述保护层的第二绝缘层；在所述第二绝缘层上形成聚焦电极层；在所述聚焦电极层上形成光致抗蚀剂层；通过构图所述光致抗蚀剂层以及使用所述光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模暴露第二绝缘层的部分从而形成分别对应于所述第一开口孔的所述行的第二开口孔；通过从所述第二绝缘层的暴露表面蚀刻到所述第一绝缘层的底表面形成暴露所述阴极层的部分的发射器孔；去除所述光致抗蚀剂层；以及在所述阴极层的所述暴露表面上形成电子发射发射器。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过从所述第二绝缘层的所述暴露表面蚀刻到所述第一绝缘层的所述底表面形成暴露所述阴极层的部分的所述发射器孔、以及去除所述光致抗蚀剂层，包括通过从所述第二绝缘层的所述暴露表面各向同性底切蚀刻到所述第一绝缘层的所述底表面形成暴露所述阴极层的部分的发射器孔；以及通过去除由于各向同性底切蚀刻导致的所述聚焦电极层、所述栅极电极层、以及所述保护层的突出到所述发射器孔中的突出部分而平坦化所述发射器孔的壁。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过去除由于各向同性底切蚀刻导致的所述聚焦电极层、所述栅极电极层、以及所述保护层的突出到所述发射器孔中的突出部分而平坦化所述发射器孔的壁包括使用所述光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模来蚀刻和去除所述聚焦电极层的突出到所述发射器孔中的所述突出部分；使用所述保护层作为蚀刻掩模来蚀刻和去除所述栅极电极层的突出到所述发射器孔中的所述突出部分；以及蚀刻和去除所述保护层的突出到所述发射器孔的所述突出部分。
4.如权利要求3所述的方法，其中使用所述光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模来蚀刻和去除所述聚焦电极层的突出到所述发射器孔中的所述突出部分、以及使用所述保护层作为蚀刻掩模蚀刻和去除所述栅极电极层的突出到所述发射器孔中的所述突出部分同时执行。
5.如权利要求2所述的方法，其中突出在所述发射器孔的所述壁上的所述聚焦电极层、所述栅极电极层、以及所述保护层的所述突出部分使用湿蚀刻工艺去除。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述栅极电极层由选自由Cr、Al、Mo、Ag、Cu和Au构成的组的至少一种形成。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述保护层由选自由Cr、Al、Mo、Ag、Cu和Au构成的组的至少一种形成。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述聚焦电极层由选自由Cr、Al、Mo、Ag、Cu和Au构成的组的至少一种形成。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述栅极电极层和所述保护层分别由相对于彼此具有蚀刻选择性的不同材料形成。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一绝缘层由硅氧化物或硅氮化物形成。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述硅氧化物为SiOx，其中x小于2，所述硅氮化物为Si3N4。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第二绝缘层由硅氧化物或硅氮化物形成。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述硅氧化物为SiOx，其中x小于2，以及所述硅氮化物为Si3N4。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述电子发射发射器由碳纳米管材料形成。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述第一开口孔的直径在3到15μm的范围。
16.一种FED，利用用权利要求1所述的方法形成。
全文摘要
本发明提供制造场发射装置(FED)的方法，其中光掩模构图工艺的数目低并且FED的制造产率能够提高。该方法包括在基板上顺序形成阴极层、第一绝缘层、以及栅极电极层；在栅极电极层上形成保护层以覆盖栅极电极层的顶面；通过蚀刻保护层和栅极电极层的预定部分暴露第一绝缘层的部分以形成在至少一行内的多个第一开口孔；形成第二绝缘层、聚焦电极层、光致抗蚀剂层；通过构图光致抗蚀剂层及使用光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模暴露第二绝缘层的部分以形成分别对应于第一开口孔的行的第二开口孔；通过从第二绝缘层的暴露表面蚀刻到第一绝缘层的底表面形成暴露阴极层的部分的发射器孔；去除光致抗蚀剂层；及在阴极层的暴露表面上形成电子发射发射器。
文档编号H01J31/12GK101013642SQ20061014336
公开日2007年8月8日 申请日期2006年11月6日 优先权日2006年2月2日
发明者崔濬熙, 姜昊锡, 白瓉郁, 金河钟 申请人:三星Sdi株式会社