專利名稱：制備平面場致發(fā)射顯示屏的方法及其平面顯示屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備FED(場致發(fā)射顯示)屏的方法，并涉及一種用該方法制成的平面顯示屏。
眾所周知，移動電子設(shè)備(便攜式(laptop)計(jì)算機(jī)、個人管理器、袖珍電視、電子游戲機(jī))不斷發(fā)展的趨勢導(dǎo)致對厚度薄、重量輕及低消耗的小型單色或彩色顯示屏的巨大需求。由于使用傳統(tǒng)的陰極射線管而無法達(dá)到對尺寸及厚度的需求，于是各種工藝技術(shù)近來得到廣泛的研究，除去LCD(液晶顯示)技術(shù)之外，就其特殊應(yīng)用而言，其中最有意義的就是FED技術(shù)。該技術(shù)具有低消耗且與CRT具有相同色彩質(zhì)量和任何角度均可視的優(yōu)點(diǎn)。
FED技術(shù)(例如C.A.Spindt的美國專利3,665,241；3,755,704；3,812,559；5,064,369中和K.Wasa等人的美國專利3,875,442中的主題)是與普通的CRT技術(shù)相似，即通過對真空中的電子加速使其碰撞淀積在玻璃屏上的熒光物質(zhì)而發(fā)光。這兩種技術(shù)之間的主要區(qū)別在于產(chǎn)生及控制電子束的方法普通的CRT技術(shù)使用單個陰極(或一種顏色一個陰極)，電子束由電場控制以對整個顯示屏掃描；而FED技術(shù)使用若干個由微電極頭組成的陰極，各自由與顯示屏平行排列并有一小段距離的柵極控制，由柵極與陰極電壓的適當(dāng)組合激發(fā)微電極頭從而依次掃描該顯示屏。
形成為列矩陣的陰極結(jié)合體包括條形的第一低電阻率導(dǎo)電層；在第一導(dǎo)電層上設(shè)置由一介電層與其電絕緣的第二導(dǎo)電層，該層形成系統(tǒng)的柵極，以平行條形式與前者垂直形成行矩陣行；該第二導(dǎo)電層(柵極)和介質(zhì)層括延伸到第一導(dǎo)電層并容納與第一導(dǎo)電層電連接的微電極頭的開孔。
電子發(fā)射是通過微電極頭產(chǎn)生的，該微電極頭為粗糙的圓錐形，以利于增強(qiáng)微電極頭處的電場并因此減少電極頭材料(例如金屬)和真空之間的勢壘。然而，因?yàn)殡娮影l(fā)射實(shí)質(zhì)上取決于發(fā)射體小的曲率半徑，所以從理論上說利用如文獻(xiàn)所涉及那樣的三棱形或雙錐形的電極進(jìn)行有效發(fā)射也是可能的。
在上述的Spindt專利和美國專利4,857,161、4,940,916和5,194,780中例舉了陰極和微電極頭形成方法。特別是在US-A-4,857,161中所述的方法包括以下步驟1.將第一導(dǎo)電層(陰極)淀積在一絕緣基片(玻璃)上；2.掩模并腐蝕第一導(dǎo)電層以構(gòu)成列矩陣(陰極接頭)；3.淀積介質(zhì)層；4.淀積第二導(dǎo)電層(柵極)；5.利用掩模，形成在第二導(dǎo)電層和介質(zhì)層中，直徑為1.2～1.5mm并延伸至第一導(dǎo)電層的圓形開孔；6.在如此形成的結(jié)構(gòu)上面通過高角度濺射法淀積鎳層以為防止鎳進(jìn)入開孔；7.接著通過濺射法淀積金屬(如鉬)，該金屬在開孔處是直接接觸第一導(dǎo)電層以形成電極頭。該步驟是通過垂直或幾乎垂直的濺射法完成的，開孔壁的防護(hù)作用和鎳層使在開孔底部淀積的金屬呈現(xiàn)出圓錐形狀，其尖端部分的高度約接近柵電極。
8.通過電化學(xué)腐蝕，除去在第二導(dǎo)電層上的鎳層，以將淀積在柵極上的金屬除去，而不破壞開孔中形成的錐形電極頭；9.腐蝕第二導(dǎo)電層和介質(zhì)層的周邊部分，使陰極結(jié)合體的端部分離出來；10.掩模和腐蝕第二導(dǎo)電層，形成行矩陣(柵極接頭)；11.作為陽極的導(dǎo)電材料涂層淀積在第二玻璃基片上；淀積陰極發(fā)光層；和把第二基片設(shè)置在柵極上面，在陰極發(fā)光層和柵極接頭之間隨意地設(shè)置一些隔離件。
上述方法有下述缺點(diǎn)。由于這種類型的平面顯示屏的基片尺寸(大約27×36cm)相當(dāng)大，所以步驟6中的高角度鎳淀積處理是非常困難的；需要保證在整個基片上面均勻淀積以及在淀積過程中要轉(zhuǎn)動基片以確保各向同性地覆蓋。這樣，上述步驟需要使用特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備，該設(shè)備是復(fù)雜的，體積龐大而且昂貴的。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種能用普通的微電子技術(shù)和設(shè)備并因此以很低的成本來生產(chǎn)微電極頭的制備方法，該方法保證了所實(shí)現(xiàn)結(jié)果的極大可靠性。
如本發(fā)明技術(shù)方案分別描述的，根據(jù)本發(fā)明，這里提供一種制備平面FED屏的方法及因此而獲得的平面顯示屏。
實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明，以帶有小曲率半徑部分為特征的管狀微電極頭是通過在介質(zhì)層內(nèi)設(shè)置開孔、淀積覆蓋開孔壁的導(dǎo)電材料層和各向異性地腐蝕導(dǎo)電材料層，以從覆蓋壁上端部分之外的其余部分將其除去，并因此形成帶圓錐形上端的管狀微電極頭。其后，有選擇地腐蝕微電極頭周圍的介質(zhì)層。
本發(fā)明的兩個非限定性的最佳實(shí)施例將通過對照附圖的舉例方式予以描述，其中
圖1-5是根據(jù)第一實(shí)施例在不同制備步驟上半導(dǎo)體材料的晶片的透視橫截面圖。
圖6-13是與第二實(shí)施例有關(guān)的相似的橫截面圖。
參照圖1，開始，第一導(dǎo)電層3(例如鉻，鉬，鋁，鈮，鎢，硅化鎢，硅化鈦，摻雜的非晶或單晶硅)淀積在絕緣材料(例如陶瓷或玻璃)基片1上；接著掩模和腐蝕第一導(dǎo)電層3以形成列矩陣(陰極接頭)獲得如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
其后，例如將含有一層或多層的摻雜硅的高電阻率層5淀積在層3上面以限定或更好地分配在微電極頭中的電流；淀積介質(zhì)(例如氧化硅)層6，使陰極與柵極導(dǎo)體絕緣；淀積第二導(dǎo)電層8(例如與第一導(dǎo)電層3相同的材料)以作為柵電極；和通過掩模和隨后的腐蝕，限定在第二導(dǎo)電層8和介質(zhì)層6上形成開孔10，以形成如圖2所示那樣延伸至高電阻率層5的具有垂直壁的(即直徑為0.8～1.5μm的圓孔)阱。
其后，用CVD技術(shù)淀積最終形成微電極頭的導(dǎo)電層12。導(dǎo)電層12最好是用金屬構(gòu)成，最好是鎢，它們可以容易地由WF6、H2和SiH4在溫度400～500℃之間，用CVD技術(shù)預(yù)以淀積，因此它甚至與玻璃基片相容。在這種情況下，在形成開孔10后和淀積導(dǎo)電層12之前，鈦/氮化鈦的薄層11(為簡化只在圖3中示出)最好用濺射法或CVD技術(shù)予以淀積以加速導(dǎo)電層12的淀積和接合。另外，可以將單晶硅或非晶硅用作導(dǎo)電層12。導(dǎo)電層12(包括層11，如果有的話)的總厚度最好在400～800nm之間的范圍，且必須大致小于開孔10直徑的一半。CVD技術(shù)相當(dāng)好地確保了均勻地覆蓋圓形孔10的壁和底部，因此獲得了圖3的結(jié)構(gòu)。
其后，腐蝕導(dǎo)電層12以形成微電極頭。更為具體地說，就是執(zhí)行各向異性的R.I.E步驟(反應(yīng)離子腐蝕)，例如若導(dǎo)電層12由鎢組成，則在SF6、Ar和O2的混合物中除去柵電極(層8)的平表面和開孔10底部所有的鎢。由于用摻雜的非晶硅構(gòu)成陰極(第一導(dǎo)電層3和電阻層5)和柵電極(第二導(dǎo)電層8)以及用鎢或者一般用對腐蝕有不同靈敏度的材料形成導(dǎo)電層12，所以可以在不破壞層3、5和8的情況下有選擇地腐蝕導(dǎo)電層12。
因?yàn)閷?dǎo)電層12在開孔10的壁上比較厚，所以在層12被從開孔底部除去或幾乎被除去時在壁上保留了腐蝕層12所留下的剩余物，從而同時形成了帶內(nèi)呈圓錐形的上緣的圓柱形結(jié)構(gòu)。通常，剩余在開孔底部的鎢量取決于淀積厚度和開孔直徑之間的比率以及腐蝕量。在給定的淀積和腐蝕的條件下，圓柱形結(jié)構(gòu)的上緣呈現(xiàn)出形成帶圓柱形結(jié)構(gòu)外壁的適于發(fā)射用的小曲率半徑部分(頭)的高角度的輪廓。
最好是，腐蝕連續(xù)進(jìn)行以獲得一定量的過腐蝕，其過腐蝕時間例如等于基本腐蝕時間的20-30％，即保證從第二導(dǎo)電層8和開孔10底部完全除去鎢剩余物，也使圓柱形結(jié)構(gòu)邊緣低于柵極導(dǎo)體(第二導(dǎo)電層8)的平面。因此這就得到了圖4中示出的結(jié)構(gòu)，其中，獲得的圓柱形結(jié)構(gòu)由標(biāo)號14表示，低于第二導(dǎo)電層8水平面的圓錐形邊緣由標(biāo)號15表示，具有小曲率半徑并構(gòu)成發(fā)射表面的部分由標(biāo)號16表示。
其后，包圍圓柱形結(jié)構(gòu)14的介質(zhì)層部分6通過各向同性腐蝕除去。例如，如果層6是氧化硅，那么在稀釋的HF溶液中進(jìn)行腐蝕。另外，可以進(jìn)行各向同性(例如間接等離子體)腐蝕以獲得圖5的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)示出了通過在介質(zhì)層6中的各向同性腐蝕形成的空腔18。這一步驟對于安全地消除圓柱形結(jié)構(gòu)14(微電極頭)和第二導(dǎo)電層8(陰極)之間的表面導(dǎo)電問題是很有用的。
繼續(xù)沿用已知的步驟來制備柵極接頭，通過掩模和腐蝕第二導(dǎo)電層8以形成陰極的外接觸區(qū)和形成陽極及發(fā)光結(jié)構(gòu)。
圖6-13示出了第二個稍微復(fù)雜的實(shí)施例，該實(shí)施例用于更好地控制微電極頭的上發(fā)射邊緣和柵極之間的距離，并因此減少控制顯示屏所需的電壓。
在第二實(shí)施例中，正如已經(jīng)描述的那樣，淀積第一導(dǎo)電層3；進(jìn)行腐蝕以確定列矩陣；以及淀積高電阻率層5、介質(zhì)層6和第二導(dǎo)電層8。此時，淀積抗蝕劑掩模21(圖6)，只在第二導(dǎo)電層8內(nèi)延伸形成第一開孔22。在這之后，有選擇地進(jìn)行層8材料的各向異性反應(yīng)離子腐蝕以獲得圖6所示的結(jié)構(gòu)，例如，若第二導(dǎo)電層8是非晶硅，而介質(zhì)6是氧化硅，則所述的腐蝕很容易進(jìn)行。
除去抗蝕劑掩模21后，淀積間隔層23，最好如此選擇用作間隔層23的介質(zhì)材料，即使相對于第二導(dǎo)電層8(柵電極)和其下面的介質(zhì)層6的材料均能有選擇性地腐蝕。例如，用CVD技術(shù)淀積由氮化硅制成的間隔層23，可能的話用等離子體(PECVD)輔助以減少淀積溫度。間隔層23的厚度取決于圓形孔22的直徑，大約為200～400nm，圖7中示出了該結(jié)構(gòu)。
通過RIE技術(shù)對間隔層23作各向異性腐蝕，一直腐蝕到第二導(dǎo)電層8和在開孔22內(nèi)的介質(zhì)層6，以在開孔22壁上形成隔離件25(圖8)。如果腐蝕間隔層23就層8和6的材料而言均造成了選擇性問題，則可以在淀積形成開孔22用的淀積掩模21之前，淀積薄的氧化硅防護(hù)層(未示出)。
利用第二導(dǎo)電層和隔離件25作為防護(hù)，則利用RIE技術(shù)對開孔22處的介質(zhì)層6各向異性地腐蝕，直到高電阻率層5上以形成開孔27(圖9)。接下來的步驟是形成微電極頭，如參照圖3和圖4所敘述的那樣。更具體地說，最好是先淀積鈦/氮化鈦層28(為簡化起見，只在圖10中示出)，而后是導(dǎo)電層29(例如，圖10中的鎢)。其后，利用RIE技術(shù)各向異性地腐蝕層28和29，把它們從第二導(dǎo)電層8的表面和開孔27的底部除去。然而，在這樣情況下，由于隔離件25的存在，則腐蝕時間完全是由從第二導(dǎo)電層8的表面除去層28、29所需要的時間來確定的。這就形成了圖11的結(jié)構(gòu)，其中，象第一實(shí)施例那樣，該微電極頭(圓柱形結(jié)構(gòu)30)的錐形邊緣31的部分32具有小的曲率半徑。
接著通過例如在熱磷酸溶液中或在間接的等離子體中(圖12)的各向異性腐蝕，將隔離件25除去。參照圖5所描述的那樣，通過各向同性腐蝕，除去圓柱體結(jié)構(gòu)30周圍的介質(zhì)層部分6，以獲得腔室18(圖13)。掩模并腐蝕第二導(dǎo)電層8形成行矩陣(柵極接頭)，并完成最后工序得到本顯示屏。
以下敘述本方法的優(yōu)點(diǎn)。首先，它提供了利用已知技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的微電子設(shè)備制造陰極微電極頭，因此與至今所建議的FED顯示屏的技術(shù)相比有較低的成本。此外，使用已知技術(shù)可保證本方法和產(chǎn)品獲得高的可控性和可靠性。所需的各個步驟對大型顯示屏來說也能給出好的結(jié)果。由于易于電子發(fā)射的微電極頭具有延長的高角度的發(fā)射表面，因此所得到的顯示屏的發(fā)射效率高。所述的本方法完全不受開孔直徑或淀積層厚度的影響，并且，特別在第二實(shí)施例中，能精確控制柵極和微電極頭之間的距離，從而減少控制本顯示屏所需的電壓并提供更均勻的發(fā)射。
然而，更清楚的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，對本發(fā)明所敘述和圖示說明的方法和顯示屏可以作出各種變化。更具體地說，可以采用除所述之外的材料，特別是，可以把有機(jī)材料(聚酰亞胺)作為介質(zhì)材料并在氧等離子體中腐蝕。導(dǎo)電層(陰極和柵極)可以用與微電極頭不同的材料(例如鎢、硅化鎢、鉻或鈮的導(dǎo)電層，非晶硅微電極頭)或相同材料(例如摻雜質(zhì)的非晶硅)做成，將如氧化硅那樣的防護(hù)層用于第二導(dǎo)體上，并有選擇地對微電極頭覆蓋一層如鎢那樣的金屬。而且，這兩個導(dǎo)電層可以由不同材料做成，例如從所指出的那些材料中選擇。
權(quán)利要求
1.一種平面場致發(fā)射顯示屏的制備方法，包括下列步驟-形成第一導(dǎo)電層(3、5)；-在所述的第一導(dǎo)電層上形成絕緣層(6)；-在所述的絕緣層上形成第二導(dǎo)電層(8)；-在所述的第二導(dǎo)電層和所述的絕緣層內(nèi)形成有壁的開孔(10；27)；其特征在于還包括下列步驟-用具有電荷發(fā)射材料的部分(14；30)覆蓋所述開孔的壁；和-各向異性地腐蝕所述電荷發(fā)射材料部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述各向異性腐蝕步驟之后的步驟是有選擇地除去所述電荷發(fā)射材料部分(14；30)周圍的所述絕緣層(6)的區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的除去步驟包括相對于所述第一和第二導(dǎo)電層(3、5、8)以及所述電荷發(fā)射材料部分(14；30)對絕緣層(6)有選擇地進(jìn)行各向同性腐蝕的步驟。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的覆蓋步驟包括在所述絕緣層(6)上面和所述開孔(10；27)內(nèi)形成導(dǎo)電材料層(12；29)的步驟，所述的各向異性腐蝕步驟包括從所述第二導(dǎo)電層(8)的表面、所述開孔的底部以及部分地從所述的電荷發(fā)射材料部分(14；30)的上邊緣除去所述導(dǎo)電材料層部分以形成所述電荷發(fā)射材料部分(14；30)的上表面(15；31)和小曲率半徑部分(16；32)的步驟，該上表面相對于所述開孔壁是傾斜的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述形成導(dǎo)電材料層(12；29)的步驟由化學(xué)汽相淀積法完成。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述的導(dǎo)電材料是從包含有鎢、摻雜質(zhì)的單晶硅和摻雜質(zhì)的非晶硅組群中選擇出的。
7.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的第一和第二導(dǎo)電層(3；8)是由從包含鉻、鉬、鋁、鈮、鎢、硅化鎢、硅化鈦和摻雜質(zhì)的非晶硅及單晶硅的組群中選出的材料形成的。
8.如上述的權(quán)利要求4至7中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于粘結(jié)層(11；28)是在所述形成導(dǎo)電材料層(12；29)的步驟之前淀積的。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的導(dǎo)電材料是鎢，所述的粘結(jié)層是鈦/氮化鈦。
10.如上述權(quán)利要求4至9中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的各向異性腐蝕步驟包括為減小所述電荷發(fā)射材料部分(14；30)高度的過腐蝕步驟。
11.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述形成開孔(27)的步驟包括在所述的第二導(dǎo)電層中形成第一腔室(22)的步驟，所述第一腔室確定橫向壁；形成包圍所述第一腔室的所述橫向壁的隔離件(25)和在所述介質(zhì)層(6)內(nèi)形成由所述隔離件掩模的第二腔室的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的形成隔離件(25)的步驟包括在所述第二導(dǎo)電層(8)上面和所述第一腔室(22)內(nèi)形成間隔層(23)，和各向異性地腐蝕所述間隔層的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述的間隔層(23)是氮化物層。
14.如上述權(quán)利要求11至13中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述的各向異性地腐蝕所述間隔層(23)的步驟之后是除去所述隔離件(25)的步驟。
15.一種平面場致發(fā)射顯示屏，包括陰極區(qū)域(3、5)；在所述陰極區(qū)域上面的絕緣區(qū)域(6)；在絕緣區(qū)域上面的柵極區(qū)(8)；若干在絕緣區(qū)域內(nèi)的開孔(18)；若干在所述開孔內(nèi)的發(fā)射結(jié)構(gòu)(14；30)；所述的發(fā)射結(jié)構(gòu)與所述的陰極區(qū)域(3、5)電連接，且與所述柵極區(qū)域(8)隔開并面對柵極區(qū)域(8)；其特征在于所述的發(fā)射結(jié)構(gòu)(14；30)呈管狀，其邊緣表面(15；31)面向所述的柵極區(qū)域；所述的邊緣表面向內(nèi)傾斜并具有小曲率半徑部分(16；32)。
16.如權(quán)利要求15所述的顯示屏，其特征在于所述的發(fā)射結(jié)構(gòu)(14；30)呈圓柱體形狀。
全文摘要
一種平面場致發(fā)射顯示屏,其中形成有陰極且面對顯示屏柵極的由電荷發(fā)射材料做成的微電極頭(14)是管形的并具有小曲率半徑部分(16)。在使陰極連接層(3、5)與柵極層(8)分開的介質(zhì)層內(nèi)形成開孔(10)、淀積覆蓋開孔壁的導(dǎo)電材料層(11,12)和進(jìn)行各向異性腐蝕以除去導(dǎo)電材料層,即除去覆蓋壁的部分上邊緣以形成具有發(fā)射頭(16)的向內(nèi)傾斜表面,之后除去微電極頭周圍的介質(zhì)層部分,從而得到微電極頭(14)。
文檔編號H01L29/66GK1178998SQ97122829
公開日1998年4月15日 申請日期1997年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月4日
發(fā)明者利維奧·鮑爾蒂, 瑪麗亞·S·馬蘭岡 申請人:Sgs-湯姆森微電子有限公司