（凝聚态物理专业论文）基于金属基板的分立栅极fed器件研制.pdf

摘要 基于金属基板的分立栅极f e d 器件研制 专业：凝聚态物理 硕士生：杨国威 导师：邓少芝教授陈军教授 摘要 场发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , f e d ) 具有轻薄、功耗小、图象质量 好等优越的显示性能，被认为是下一代理想的平板显示器。本论文首先介绍了 f e d 的工作原理和器件结构，并回顾了f e d 的研究进展。为了满足高分辨率、 高亮度分立栅极结构f e d 的研究要求，本论文提出了一种新型的高分辨栅极基 板的制作方法。我们采用不锈钢作为栅极基板材料，采用薄膜和厚膜工艺在基板 上制备出击穿电压大于1 2 0 0v 的栅极绝缘层。使用光刻工艺和热蒸发的方法在 栅极绝缘层上制各栅极电极。利用所制备的栅极板与阴极、阳极一起装配成f e d ， 在栅极驱动电压为2 3 0v 的条件下，实现了栅极扫描显示的功能，最高亮度达到 2 2 0 0c 幽m 2 。所研制的新型f e d 栅极板，具有强度高、制作成本低的优点，可应 用于大面积、高分辨的f e d 显示器件。 关键词：场发射显示器、丝网印刷、碳纳米管、绝缘层、薄膜 f a b r i c a t i o no fad i s c r e t eg a t ef e d u s i n g m e t a l g a t e p l a t e m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：g u o w e i y a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h a o z h id e n g & p r o f j u nc h e n a b s t r a c t f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) h a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nd u et oi t sl i g h t w e i g h t ，l o wp o w e r - c o n s u m p t i o n , e x c e l l e n td i s p l a yp e r f o r m a n c e ，e r e i ti sc o n s i d e r e d a st h em o s tp r o m i s i n gd i s p l a yt e c h n o l o g yf o rn e x tg e n e r a t i o nf l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) i nt h i st h e s i s , w ef i r s ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i f l l ea n d $ t l u g t u r e sa n dr e v i e w e dt h e p r o g r e s so f f e d r e s e a r c h i no r d e rt oa c h i e v ead i s c r e t e - g a t es t r u c t u r ef e dw i t hh i g h r e s o l u t i o n , w ep u tf o r w a r dam e t h o dt of a b r i c a t ean o v e lh i g hr e s o l u t i o ng a t e - p l a t e w ef a b r i c a t e dac o w q a o s i t ed i e l e c t r i cl a y e ro nt h es t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t eb yu s i n gt h i n f i l ma n d s c r e e n - p r i n t i n gt e c h n o l o g i e s b r e a k d o w nv o l t a g eh i g h e rt h a n1 2 0 0v f o r t h e d i e l e c t r i cl a y e ri so b t a i n e d g a t ee l e c t r o d e sw e r ef a b r i c a t e do nt h ed i e l e c t r i cl a y e rb y u s i n gp h o t o l i t h o g r a p h ya n dt l k 钔m a le v a p o r a t i o nt e c h n o l o g i e s f i n a l l y , f e dd e v i c e w a sa s s e m b l e db yu s i n gt h eg a 【e - p l a t ef a b r i c a t e do nm e t a ls u b s t r a t e d i s p l a ya t s c a n n i n gm o d ew a s r c a l i z e da tg a t ev o l t a g eo f2 3 0va n dam a x i m u n lb r i g h t n e s so f 2 2 0 0e d m 2w a sa c h i e v e d t h en o v e lg a t e - p l a t et e c h n o l o g yd e v e l o p e di n t h i sw o r kh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t ，a n dc a n b ea p p l i e dt ol a r g ea r e a , h i g hr e s o l u t i o nf e d s a b s t r a c t k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , s c r e e n - p r i n t i n g ，c a r b o nn a n o t u b e s ，d i e l e c t r i c l a y e r , t h j i lf i l m 第1 章导论 第1 章导论 显示器已经深入人们日常生活的各个部分，是人、机信息交流的重要环节。 常见的显示器有阴极射线管显示器( c a t h o d e - r a y t u b ed i s p l a y , c r t ) 、液晶显示器 ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , l c d ) 和等离子体显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l , p d p ) 等。其中，c r t 具有发光效率高，色彩丰富、广视角、反应速度快、驱动技术 成熟及生产成本低等优点i 。但体积大、笨重、功耗高等致命的弱点限制了c r t 的进一步的发展。 以l c d 、p d p 为代表的平板显示技术以其体积小、重量小等的优势获得了 大众的好评。然而，l c d 存在响应速度慢、大面积生产时成本高的缺点，而p d p 也存在功耗大、成本高等缺点。因此，需要开发新一代的显示器以满足高质量显 示的需要。 场发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，f e d ) 是一种新型的平板显示器。 它同时兼有c r t 和p d p 的优点，而且还具有图像质量好、响应速度快、寿命长、 工作温度范围宽等优点，因此受到了越来越多研究机构的关注。 1 1 研究背景 早在十九世纪末，人们就开始研究电子从金属表面逸出并发射到真空中的现 象【2 】。研究表明，当物体中的电子获得足够的能量时，它能摆脱物体表面势垒的 束缚，从而产生电子发射。根据电子的受激方式不同，发射可以分为以下四种： 电子靠物体温度升高获取足够的能量而逸出物体表面的热电子发射；电子靠光辐 射吸收光量子而逸出物体表面的光电子发射；外界获得能量的电子穿入物体内 部，把能量传递给物体内部的电子，使之逸出物体表面的次级电子发射；在物体 表面加强电场以降低物体的表面势垒，致使物体内部的电子穿透势垒逸出的场致 电子发射。 第1 章导论 1 1 1 场致电子发射的原理 在物体表面施加强电场，会使固体表面势垒高度降低，宽度变窄。当势垒的 宽度可以与固体中电子的波长相比拟时，固体中的电子不需要吸收额外的能量就 能以量子隧穿的形式逸入真空，这种e h 夕b j j n 电场引起的电子隧穿进入真空的电子 发射方式称为场致电子发射，简称场发射。 1 9 2 8 年，f o w l e r 和n o r d h e i m 用量子力学解释了金属的场发射现象，提出了 f n 理论【3 l 。 气蝴 图1 1 外加电场作用下的金属表面的势垒曲线1 4 1 。 图1 - 1 描述了在外加电场作用下的金属表面的势垒曲线。其中，虚线表示镜 像势部分，虚实线表示外加电场引起的静电势部分，实线则为考虑上述两种效应 后的实际的表面势垒的形状。外加电场增加，将导致固体表面势垒高度降低，宽 度变窄。当外加电场使固体表面势垒的宽度变得足够小时，电子可以从固体表面 逸出。 通常情况下，场发射的f - n 方程可用公式以j ，) 表示。 j = a e z e x p 一b e ( 1 一1 ) 式中，e 为外加电场的强度，a 和b 是与发射体的功函数相关的常数。由此可见， 场发射电流密度的大小与外加电场场强和发射体的功函数有密切的关系。 第1 章导论 在深入的研究中，人们发现物体表面的场发射现象与发射体几何形貌等因素 相关。由于发射尖锥具有会聚电力线的作用，因此在其表面及周围区域的微观电 场比外加电场还要强，这种因发射体几何形状而导致的局域电场的相对增强的现 象称为场增强效应，通常用d 因子来定量描述阮6 , l s , 9 1 。 场发射阴极材料的研究，大致可分为三个阶段。在早期的研究中，人们多使 用难熔金属( 如w 、m o 等) 作为的场致电子发射的阴极材料。而在9 0 年代初 期金刚石、类金刚石【1 0 1 1 , 1 2 l 为代表的宽带隙材料被研制成薄膜型电子源。自1 9 9 5 年以来，碳纳米管以其优越的场发射性能以及良好的导热性和稳定性，成为众多 研究团体的研究热点。 场发射具有广泛的应用前景，可用于真空微电子器件( 如s e m 等仪器的电 子源) 、大功率微波器件、行波管以及场发射显示器( f e d ) 等领域。 1 1 2 场发射显示器的原理和结构 场发射显示器( f e d ) 是一种自主发光的显示器。器件工作时，在阳极上 施加高压，使阴极发射体在强电场的作用下发射出电子，加速运动并轰击阳极荧 光粉层发光。它具有响应速度快、色彩自然逼真、分辨率高、功耗低等突出特点， 是c r t 的最好继承者。 常见的场发射显示器的结构类型主要包括二极结构和三极结构f i l ，1 引3 1 ，如 图1 2 所示。 图1 - 2 ( a ) 为二极f e d 的结构示意图。它利用阴极、阳极交叉寻址的方式 实现图象扫描的功能。早在1 9 9 9 年，韩国s a m s u n g 公司wb c h o i 等就最早报 道了以印刷型碳纳米管冷阴极为电子源的二极型4 5 英寸和9 英寸全彩f e d 样 机1 4 1 5 , 阚在早期的研究中，本实验室也成功制备出4 5 英寸的f e d 样机【1 7 1 。 然而，二极型f e d 的驱动电压比较高，电极之问容易产生串扰，显示亮度也较 低，不能成为实用的f e d 器件。 图1 - 2 ( b ) 为三极f e d 的基本结构，它由阴极发射体、栅极和阳极荧光屏 三个部分组成。由于栅极与阴极之间的间距非常小，只需施加较低的电压就能在 阴极表面产生足够强的电场，使电子从阴极阵列上逸出。逸出的电子经阳极电压 第1 章导论 加速获得足够的能量，最后轰击到荧光屏而发光【1 8 ，1 9 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 】。三极结构的f e d 一般通过栅极与阴极的交叉寻址来实现图像的扫描，所需的驱动电压比较小，容 易实现驱动电路的集成化。 ( a ) ( b ) 图1 - 2f e d 的示意图。 ( a ) 二极结构的f e d ，( b ) 三极结构的f e d 。 根据冷阴极的不同，常见的f e d 类型有s p i n d t f e d 、c n t - f e d 、s e d 等。 下面主要介绍s p i n d t f e d 和c n t - f e d 。 1 1 2 1 s p i n d t - f e d s p i n & 一f e d 采用c a s p i n d t 发明的尖锥冷阴极阵列制作。阴极发射尖锥及 栅极孔均利用光刻、刻蚀以及薄膜淀积等微加工技术制备。s p i n d t f e d 的阴极尖 锥高度约为1 微米，尖端曲率半径通常小于5 0 纳米，栅极开孔半径约为1 微米。 当栅极、阴极之间加上几十伏的电压时，阴极尖锥周围将形成强电场，电子将从 阴极逸出，经阳极电场加速轰击阳极荧光屏发光。 近几年来，半导体工业技术的发展为s p i n d t f e d 的研究提供了优越的条件。 它的发射尖锥、栅孔大小及薄膜厚度可通过微加工技术精确控制，且发射效率非 常高，抽取率( 阳极电流阴极电流比率) 可达9 8 ，所以这种结构广泛应用于 中、小尺寸f e d 的研究中郾】。上世纪九十年代，以美国c a n d e s c e n t 、p i x t e c h 、 m o t o r o l a 和只本f u t a b a 公司为代表，主要对以硅尖锥、钼尖锥作为阴极发射材 料的s p i n d t f e d 开展了一系列的研究。其中s o n y 公司报道了采用微锥阴极制作 4 第1 章导论 的s v g a 的1 3 2 英寸的f e d 屏，其分辨率达到8 0 0 5 6 0 0 。m o t o r o l a 也研制出 1 5 英寸彩色f e d 显示屏【2 ”。但是，因基于半导体技术的生产成本相当高，其它 工艺技术，如低压荧光粉也发展得不够完善， s p i n & f e d 产业化还有很长的路 要走。 1 1 2 2c n t - f e d c n t 具有很高的场致电子发射增强因子，可以采用印刷的方法制备成阴极阵 列，成本低廉，是理想的f e d 阴极发射材料。 ( a ) ( b ) 图1 - 3c n t - f e d 的结构图。 ( a ) 普通栅极结构的f e d ，( b ) 分立栅极结构的f e d 。 目前研究最多的是三极结构的c n t - f e d 。图l - 3 为两种常见的三极结构的 c n t - f e d 。图1 3 ( a ) 是普通栅极结构的c n t - f e d ，阴极和栅极共用同一块基 板，主要采用光刻、薄膜沉积以及刻蚀等微加工工艺制作，制备过程相对复杂。 图1 3 ( b ) 是分立结构的c n t - f e d 。该结构的f e d 阴极、栅极与阳极分开加工， 最后通过封装工艺组装在一起。这种f e d 结构具有工艺简单、亮度高等优点。 5 第1 章导论 分立栅极结构的f e d 通常采用玻璃、陶瓷等绝缘材料作为栅极衬底。东南 大学的雷威等人采用玻璃薄片作为栅极衬底，利用酸刻蚀的方法制备栅极基板， 再制备电极条，得到分立的栅极板【2 6 1 。本实验室前期研究也采用加工好栅孔的 陶瓷衬底作为栅极基板，利用光刻和磁控溅射的工艺，制备栅极电极条，得到分 立的栅极板。分立栅极结构的f e d 可以简化加工工艺、提高发光亮度，是一种 比较理想的器件结构。 1 2 本论文研究的主要目的和工作 在分立栅极f e d 中，栅极主要采用玻璃、陶瓷材料作为衬底。由于此类材 料易碎，加工成带孔的结构所需成本较高，难于实现高分辨的显示效果。而金属 具有玻璃、陶瓷材料所没有的延展性好的特点，容易加工成高分辨的栅极基板。 因此，我们提出了采用金属材料作为基板来制备具有高分辨的f e d 栅极板。然 而，金属是导电材料，要制作成栅极板，必须在金属基板上先制作绝缘层。如何 制作性能优越的栅极绝缘层成为本论文研究的关键问题。 在本论文中，我们将结合薄膜、厚膜工艺在金属衬底上制备绝缘层，采用光 刻技术和热蒸发的方法制作栅极电极得到分立栅极板，并利用该分立栅极板制作 f e d 原理性器件。各章节的主要内容如下： 第2 章介绍薄膜、厚膜绝缘层制各工艺及它们之间的差异，初步用两种方法 制备出绝缘层并进行了性能测试，最后结合实际情况确定了在金属基底上制备绝 缘层的方法。 第3 章详细介绍了栅极绝缘层的制备工艺，分析了工艺中出现的问题。 第4 章将介绍利用我们研制的金属基底栅极，制作f e d 原理性器件的结果。 第5 章将总结本论文研究的主要结果，提出下一步研究工作的建议。 6 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制备原理 所谓膜，通常指其厚度与其长度、宽度相比小的多的层状结构体。许多情况 下，严格区分薄膜和厚膜并无实际意义，所以本论文讨论的几种膜的制备方法中， 我们对采用印刷法制备的膜称为厚膜( 通常厚度为几十微米左右) ，而用化学气 相沉积法、旋涂法制各的膜称为薄膜( 通常为几个微米左右) 2 1 薄膜制备原理 薄膜技术目前广泛应用于半导体器件、光电器件及精密机械的制造中。薄膜 制备是集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 芯片制造过程中一个重要的工艺，随着 i c 的发展，对薄膜的性能要求日益提高，新的制备工艺不断涌现，薄膜淀积技术 被广泛研究。薄膜淀积技术主要分为物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n , p v d ) 和化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n , c v d ) 法 2 7 1 。 物理气相沉积法( p v d ) 是通过利用物理的方法( 如加热、轰击) 使材料脱 离靶材，淀积在衬底上成膜。常见的p v d 法有蒸镀、溅射等。 化学气相淀积( c v d ) 法是利用一种或数种物质，以某种方法激活后，扩 散至反应区，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的一种生长技术。 c v d 技术具有淀积温度低、薄膜成分与膜厚易控、膜厚与淀积时间成正比、均 匀性与重复性较好、台阶覆盖性优良、薄膜层致密均匀，且不受基板形状大小的 限制等一系列特点【2 吼。因此，它已经成为制备薄膜的常用方法之一。c v d 法可 分为常压c v d 法、低压c v d 法、等离子体c v d 法、光c v d 法等。 在本研究中，我们主要采用等离子体c v d 法( p l a s m a - e n h a n c e dc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n , p e c v d ) 来制备二氧化硅和氮化硅薄膜。 7 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 2 1 1 等离子体增强化学气相淀积( p e c v d ) 原理 等离子增强化学气相淀积法( p e c v d ) 是利用等离子体来分解反应物，不 同于传统的热分解。它不但可降低反应时衬底的温度，且对于热膨胀系数差别很 大的薄膜与硅衬底材料，可以减少界面的残留应力，使淀积出的薄膜具有良好的 附着性。所以，p e c v d 与传统的热c v d 淀积法相比，具有较大的优越性【2 9 1 。但 是，这种淀积技术也存在一些缺点，如反应气体原子的移动速率较慢，而淀积速 率又较快，导致所淀积的薄膜都为非晶结构且台阶覆盖性( s t e pc o v e r a g e ) 比低 压c v d 差。 2 1 1 1 等离子体的形成 当物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质 就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，称为等离子体 ( p l a s m a ) 3 0 l 。 等离子体可分为冷等离子体和热等离子体两种。用电弧放电或高温离子化的 方法，其粒子温度与电子温度相近，这种处于热平衡状态的等离子体是热等离子 体。在薄膜淀积技术中，用到的主要是冷等离子体，其j2 温度远低于电子温度。 p e c v d 中的等离子体是通过对反应气体施加高频( 例如1 3 5 6m h z 的射频) 交变电场而产生的。如下图2 1 所示，整个腔体处在一个真空状态下，当向两个 电极板上施加射频电场时，会使反应室气体发生辉光放电，在辉光发电区域产生 大量的电子【3 1 l 。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高， 它与气体分子相碰撞，产生更多的带电粒子，从而使气体分子活化。 国2 1 射频式等离子体发生器原理图。 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 等离子体化学性质活泼，容易发生化学反应。p e c v d 就是利用了等离子体 高化学活性这一性质，使薄膜淀积的化学反应能够在较低的衬底温度下进行。 本论文研究中，采用o x f o r di n s t r u m e n t 公司的p l a s m a l a b8 0p l u s ，来制备薄膜 绝缘层。该设备的照片如图2 2 所示。 图2 - 2p e c v d 设备图( p l a s m a l a b8 0p l u s ) 。 2 1 1 2 膜的形成 常用的射频的频率一般有4 0k h z 、4 0 0k h z 、1 3 5 6m h z 、2 4 5g h z 等，在本 研究中，我们采用的p e c v d 系统使用的射频频率为1 3 5 6 m h z 膜形成过程中， 被激发的分子具有高的化学活性，很容易与其它原子键合形成黏附在衬底表面的 膜【3 2 1 。通过对衬底进行加热可以增快薄膜的淀积速率，加热的温度一般在2 0 0 枷o 范围内。 以淀积二氧化硅薄膜为例，常利用硅烷( s i h 4 ) 和氧化二氮( n 2 0 ) 混合的 等离子体基团在的高温度下起化学反应淀积而成的反应的化学方程式为， s i h “气萄+ 2 n 2 0 ( 气萄s i 0 2 ( 周；d 9 + 2 n 2 ( 钩+ 2 1 1 2i 气萄，( 2 - 1 ) 淀积所得膜的性能依赖于许多因素，如淀积温度、压强、射频功率以及反应气体 的配比等。 9 第2 章薄膜与厚膜绝缘屠的制各原理 对于二氧化硅或氮化硅薄膜，随着温度的升高，衬底表面及反应基团的活性 将提高，所淀积出来的薄膜更加致密化。但当温度继续升高时，薄膜组分( s i 、 o 或s i 、n 质量百分比) 趋于不平衡，导致薄膜性能下降 3 3 ，3 4 , 3 5 ，3 6 。 当压强比较小时，等离子体在电场中运动时受到其它粒子碰撞的可能性降低 而具有较大的动能，对衬底的物理轰击效应比较强，会把先前淀积的质量比较差 的薄膜轰掉，留下质量比较好的薄膜。但同时由于体系压强比较低，意味着单位 体积内的反应物离子比较少，降低了薄膜的淀积速率鲫。 当射频功率过小时，反应气体不能完全离化，淀积出的薄膜纯度降低，影响 薄膜性能。而反应气体的配比情况直接影响薄膜的组分，从丽影响薄膜的性能。 因此，合理选取淀积时的射频功率及气体配比也是淀积高性能薄膜的关键口s 】。 2 1 1 3 台阶覆盖能力 台阶覆盖能力是用来衡量衬底表面出现不平整形貌时，淀积出的薄膜对衬底 表面覆盖情况。无论衬底表面存在什么样的倾斜图形，在所有图形的上面都能淀 积出相同厚度的薄膜，这种淀积称为保形覆盖。如图2 。3 所示，在水平方向和竖 直方向上都淀积了相同厚度的薄膜【3 引。 薄膜 衬底 图2 3 保形覆盖示意图( 衬底的不同位置所沉积的薄膜厚度相同) 。 薄膜的淀积过程其实是一种质量输运过程，衬底表面任何一点的薄膜厚度取 决于到达该点的反应物的数量，这是由淀积过程中的压力和吸附原子的迁移情况 决定的【3 9 1 。对于p e c v d 系统来说，当整个反应腔压强一定时，反应气体的气流 方向如目f 1 2 - 4 ( a ) 所示。淀积二氧化硅薄膜时，由于硅烷( s i h 4 ) 的粘滞系数比 较大，衬底表面的吸附原子的迁移能力较差 4 0 l ，这时，各位置淀积的薄膜厚度 1 0 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制备原理 决定于该位置在反应气氛中的暴露角大小。如图2 _ 4 ( b ) 所示，暴露角大的位置 薄膜淀积速度快，因此，用p e c v d 淀积出来的薄膜覆盖情况将如图2 - 4 ( c ) 所示。 ( b ) ( c ) 图2 - 4p e c v d 的台阶覆盖能力 ( a ) 反应腔气流示意图，( b ) 暴露角度示意图，( c ) p e c v d 的台阶覆盖能力示意图。 由于用p e c v d 沉积的薄膜受衬底表面形貌影响较大，所以淀积之前衬底的 洁净状态是相当主要的。衬底表面的杂质微粒会造成膜层的不连续或者出现针 孔，影响薄膜性能( 图2 5 ) 。 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 衬 图2 - 5 衬底存在微粒时，淀积的薄膜状况。 2 1 2 薄膜绝缘层的制备 p e c v d 法可以制备s i 0 2 和s i n 。绝缘薄膜或两者的复合膜。薄膜制备过程 中涉及的化学反应方程式。工艺参数如表2 1 所示。 s i l l 4 + n 2 0 s i 0 2 ( + h e ) s i l l 4 + n h s - - ) s i n x 卜n 2 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 表2 - 1p e c v d 沉积薄膜的f ：艺参数表 s i 0 2s i n 。 衬底温度3 0 0 3 0 0 腔体压强 1 0 0 0m t o r r1 0 0 0m t o r r 射频功率2 0 w2 0 w s i l l 4 流量 1 7 0s c e m1 7 0s c c m n 2 0 流量 7 1 0 s e e m0 n h 撷e 量 o1 4 0 s e e m 1 1 3 薄膜绝缘层的特性研究 以s o d 2 薄膜为例，我们分别在硅衬底、i t o 玻璃衬底上制备了厚度小于2p m 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 的二氧化硅绝缘层，再在薄膜表面制备铬( c r ) 电极，测试电极面积约为o 5c m 2 。 然后对薄膜施加直流电压进行酎压性能测试，所测得的薄膜绝缘性能均在6 0 0 、伽m 以上。当厚度增加到2p m 以上时，由于薄膜内部存在应力，容易出现龟 裂现象。如图2 - 6 所示，用磁控溅射方法制备的金属铬已经渗入到龟裂的二氧化 硅薄膜中，这时，耐压特性大幅下降。通常采用淀积应力互补的复合绝缘薄膜 ( s i 0 2 薄膜表现为压应力，s i n ；薄膜表现为张应力) 来缓解龟裂的问题。 图2 - 6 龟裂的二氧化硅薄膜s e m 照片( 箭头所指为龟裂位置) 2 2 厚膜制备原理 印刷法是一种常用的厚膜制备技术，是一种复制过程，它通过机械手段将文 字、画像、图案等转印到衬底上。印刷的种类可根据模板的形状分为凸版、平版、 凹版、孔版等几大类。其中凸版、平版、凹版一般应用于书籍、广告、衣料等柔 性衬底的印刷工艺中；而孔版则大量应用于电路版、计量器刻度盘等印刷工艺中， 衬底可以是塑料、陶瓷、玻璃、金属等刚性材料1 4 1 1 。 2 2 1 丝网印刷设备 孔版印刷法又称为丝网印刷法，其印刷原理如图2 7 所示。装置一般包括网 框、漏印网版、刮板、基板。印刷时，漏印网版与基板之间需保持一定的间隙( 称 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 为丝网间隙) ，在网版上均匀涂上待印制的浆料，然后用刮板以一定的速度和压 力在漏印网版上水平刮过，丝网上方的的图形就会转印在基板上，因此，这种印 刷方法也称为丝网漏印【4 1 】。 乙z z z 冱乏z z z 乙z 丝网、一基板 图2 7 丝网印刷原理图。 按图形转印之后丝网返回原始位置方式的不同，丝网印刷可分为接触式和脱 离式两大类。在接触式工艺中，丝网在印刷循环中总是与基板保持接触，然后快 速降下基板或升高丝网使两者分开。而在脱离式工艺中，丝网和基板之间有一小 段距离，印刷时丝网会被刮板拉伸，直到刮板正下方处正好同基板接触为止。一 旦刮板过去，丝网快速回复”，使浆料留在基板上【4 ”。一般来说，脱离式工艺可 以获得比较好的线条轮廓清晰度，许多厚膜浆料的印制都采用这种方法。在本论 文研究中，我们也采用脱离式丝网印刷来制作厚膜绝缘层。 2 2 2 丝网印刷工艺参数 丝网印刷要求衬底表面具有一定的粗糙度和洁净度。厚膜是通过烧结后使膜 与衬底黏附在起，衬底表面光滑会造成膜层的附着力的下降。但是，为了使所 印制的薄膜具有一定的均匀性，表面粗糙度也不能过大。 丝网印刷所涉及到的设备包括漏网网版、刮板、基板。影响丝网印刷工艺过 程的变量很多，其中重要的涉及硬件方面的参数变量包括网丝直径、网孔大小、 1 4 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 乳胶厚度、浆料粘度等 3 9 1 。印刷时的参数包括丝网间隙、丝网与基板之间的平 行度、刮板速度、刮板位置、刮板压力和接触角等。如图2 8 所示。以下详细介 绍主要参数对印刷的影响。 图2 8 丝网印刷参数示意图田。 ( 1 ) 丝网间隙 丝网间隙是丝网印刷工艺中最重要的参数之一。如果间隙太大，多次印刷后， 丝网会很快失去弹性，从而导致印刷的线条轮廓不清晰；间隙太小，印刷时丝网 的张力太小导致丝网不能完全自动离开基板，导致印刷失败。丝网间隙的大小取 决于丝网的尺寸，如表2 - 2 所示1 4 2 1 。 表2 - 2 丝网间隙与丝网尺寸的关系 丝网尺寸丝网间隙 2 5 平方英寸0 0 2 5 英寸 3 5 平方英寸0 0 3 5 英寸 8 0 平方英寸0 0 5 0 英寸 ( 2 ) 丝网与基板之间的平行度 如果丝网和基板之问不是严格平行，在印刷过程中丝网间隙就会发生变化， 这样会导致印刷的线条清晰度和薄膜厚度不均匀。 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 ( 3 ) 刮板速度 刮板速度会对膜的清晰度及厚度造成影响。如果刮板速度太快，印刷过程中 会产生孔洞而使线条清晰度变差。如果刮板速度太慢，浆料不能被合适地截留， 印刷出的薄膜会太厚。 ( 4 ) 刮板位置 刮板与基板之间的相对位置也是一个相当重要的参数。如果刮板位置太高， 印刷的浆料量会太薄和出现孔洞。如果刮板位置太低，过大的压力将加载在浆料 上，造成印刷的膜太薄，并且可能使施加了压力的浆料滞留在丝网与基板之间， 影响线条的清晰度【4 2 l 。 ( 5 ) 刮板压力 刮板的压力是影响薄膜厚度的一个重要参数。压力太大，会导致薄膜太薄或 出现孔洞。压力太小，印刷的薄膜偏厚且影响线条清晰度。 ( 6 ) 接触角 接触角是刮板与法线之间的倾斜角度。改变接触角的大小可以控制所印制膜 的厚度。调节接触角和调节刮板压力、位置有类似的效果。 2 2 3 丝网印刷绝缘层工艺流程 丝网印刷制作绝缘层的工艺流程如图2 9 所示，包括清洗、烘烤基板、印刷 绝缘层、干燥绝缘层和烧结绝缘层四个步骤。 图2 9 丝网印刷工艺流程。 ( 1 ) 清洗、烘烤基板 衬底表面洁净度是决定薄膜附着力大小的重要因素。如果衬底表面脏污或黏 附杂质颗粒会影响薄膜质量，一方面，在膜层烧结时，脏污物质会放气影响薄膜 的致密度；另一方面膜层在脏污或黏附杂质的地方容易脱落。不同材质的衬底有 1 6 第2 章薄膜与厚膜绝缘层的制各原理 不同的清洗方法，去除普通的油污及杂质颗粒可以采用有机溶剂( 乙醇、丙酮) 超声的方法。 基板清洗后，通常使用烘烤的方式去除附着在表面的水汽，常用的工艺是在 1 2 0 的条件下烘烤3 0 分钟以上。 ( 2 ) 印刷绝缘层 印刷之前要固定衬底位置，安装调整漏印网版，配置浆料，确定印刷条件即 工艺参数等。 调整漏印网版时，首先要保证版面与衬底表面平行。然后调整好丝网间隙( 又 称为离版距离) 。离版距离太小时，离版过慢，印刷到衬底上的浆料将被丝网粘 走，从而导致膜层出现针孔、空洞等缺陷。离版距离太大，网版拉伸过长，缩短 网版寿命且影响印刷图形的位置精确度。一般来说，离版距离控制在网版图形尺 寸的二百分之一左右比较合适【4 “。 在确定好刮板扫动的压力和方向后，印刷时需确保浆料已均匀涂敷在网版 上。每次印刷后，浆料被刮板刮向一方，下次印刷则浆料不足，而且，在该状态 下放置，网版也会干燥、堵塞，造成浆料透过性变差。为防止此种情况发生，在 每进行一次印刷后，都必须用另外一只刮板将浆料回刮并涂敷在网版上。对于不 同的浆料和基板，可选择采取单次或多次印刷，使印刷效果最佳化。 印刷之后，收集浆料，并及时清洗网版。清洗时要使用专用溶剂，彻底清除 浆料残渣，否则残渣干燥后去除相当困难。 ( 3 ) 干燥绝缘层 印刷后的浆料表面往往存在丝网网目的痕迹，为了去除这种痕迹，要在室温 下放置5 1 5 分钟，依靠浆料的表面张力，消除凹凸达到表面平坦化。然后，在 1 0 0 1 5 0 的烘箱中干燥1 0 2 0 分钟，使浆料中的溶剂蒸发。特别注意的是， 干燥时，要保证烘烤设备能及时将从浆料中蒸发出的溶剂排出去，以免溶剂回流 到膜层表面。 ( 4 ) 烧结绝缘层 厚膜浆料的烧结过程有三个作用鲫。使浆料中作为辅助材料的有机载体 燃烧、热分解，并蒸发，即脱胶过程。使以粉末状态存在的主材料氧化、还原、 熔化、增粒、收缩、密实等，获得具有导电性，绝缘性，电阻性等功能的均质膜。 1 7 第2 章薄膜与厚膜绝缘屡的制备原理 玻璃粘结剂熔化或金属化合物与基板反应，使膜层与基板实现牢固的结合等。 通过上述烧结过程后，印刷的浆料将成为具有特定功能的膜层。 对应于不同的浆料，有不同的烧结温度和烧结过程的要求。通常整个烧结过 程应分为几个阶段，包括预热、预烧结、烧结、降温等过程。对某些特殊浆料， 烧结时还必须通入保护气体保护。 在本论文中，我们采用印刷法制备厚绝缘层。实验使用的绝缘浆料是日本 n o r i t a k e 公司生产的，型号为n p 一7 8 5 3 q 。经实测，该浆料在i t o 玻璃衬底上 制备的薄膜绝缘性能可达到5 0v p m 。 2 3 金属基底栅极板绝缘层的制备方法 本论文所选取的不锈钢会属基底是通过普通的湿法刻蚀工作制备的，价格低 廉，以规格为3 2 x 7 2 点阵的网孔计算，其n - r 价格只相当于相同规格、用陶瓷 作为衬底的几十分之一。为了维持此价格优势，我们对基底表面只进行简单的抛 光处理。因此，基底表面仍然有一定的粗糙度。 在选择制备栅极绝缘层的方法之前，我们对两种绝缘层的制备工艺及所制备 的绝缘层性能进行简单的比较。表2 3 是p e c v d 和丝网印刷两种工艺的比较。 表2 - 3 薄膜、厚膜工艺特点比较 淀积技术 薄膜厚度附着力耐压性能i ：艺重复性【艺温度制各成本 p e c v d ( 薄膜) 3 m好6 0 0 - 8 0 0w l a i n 高3 0 0 4 0 0 批量时低 丝网印刷( 厚膜)5 5 0c a m中等5 0v ，p m中等5 0 0 批量时很低 前期研究表明，单用p e c v d 薄膜工艺不能制备达到栅极板应用要求的绝缘 层，因为p e c v d 的台阶覆盖能力不足于覆盖粗糙的基底表面。但单纯使用厚膜 工艺，绝缘层与金属之自j 的附着力也不够。因此，栅极绝缘层采用薄膜、厚膜相 结合的工艺来制各。其中薄膜主要作为过渡层，起增强绝缘层的附着力的作用， 厚膜部分才起承受电压的作用。 第3 章金属基底栅极板的制各工艺和耐压特性研究 第3 章金属基底栅极板的制备工艺和耐压特性研究 金属具有良好的延展性，容易加工成各种形状的、高分辨的带孔基板，而且 成本低，是代替玻璃、陶瓷材料，制作高分辨栅极板的理想选择。 栅极板的制备工艺可分为金属基底的选取与加工、绝缘层的制备和栅极电极 条的制备三个步骤。制备流程如图3 1 所示，本章将逐一进行介绍。 图3 - 1 栅极板的制备 艺流程。 3 1 栅极板的制备工艺 对于分立栅极结构的f e d ，栅极的工作电压一般可以控制6 0 0v 以下，具体 的电压值与栅极和阴极之间的间距以及阴极材料的发射特性相关。本节的工作重 点是在金属栅极基板上制备耐压达到8 0 0v 的绝缘层，并制作出适用于分立栅极 结构的f e d 栅极板。 3 1 1 栅极基板的设计和加工 根据f e d 器件像素的要求，我们在对角线长为4 8t o n i 的金属基底上制作了 3 2 x 7 2 点阵的网孔阵列。金属基底采用型号为3 0 4 的不锈钢材料，基底的厚度 为1 5 0 9 m 。具体设计如图3 - 2 所示。孔为o 8 m i n x 2 0 i b m 跑道形结构，横向间 隔为0 4t o n i ，纵向间隔为o 2i n l i l 。 第3 章金属基底栅极板的制各： 艺和耐压特性研究 盯 1 2 m m | | | | | 要| | | | 噩鬻嗍 馕耋 蠢iiiji塑iiiii|iiii黝iiiiiiiiii躺iitiili il l i 0 6 m ml ( a ) ( b ) 图3 2 金属栅极基板图。 ( a ) 设计图。( b ) 实物照片。 e q o 栅极基板的制备是利用光刻和湿法刻蚀工艺制各的。该工作由外加工厂来完 成。加工好的实物照片如图3 - 2 ( b ) 所示。 3 1 2 栅极绝缘层的制备工艺流程 栅极绝缘层的制备工艺分为基板清洗与烘烤、沉积s i 0 2 过渡层和厚膜绝缘 层的制备三个步骤。 第3 章金属基底栅极板的制各工艺和耐压特性研究 ( 1 ) 清洗与烘烤 常规的基板清洗方法如图3 3 所示。基板清洗干净后，在1 2 0 的洁净环境 下烘烤3 0 分钟以上，去除附着在基板表面的水气。 ( 2 ) 沉积s i 0 2 过渡层 图3 3 基板清洗流程。 从第二章中了解到，用p e c v d 法制备出来的绝缘薄膜的附着力要比丝网印 刷出来的厚膜绝缘层强。因此，我们选择先在不锈钢衬底上沉积s i 0 2 薄膜，然 后再在薄膜上印刷厚膜绝缘层。s i 0 2 薄膜承担基扳与厚膜绝缘层间的过渡层的作 用，可提高绝缘层的附着力，减少膜层脱落问题的发生。 由于绝缘层与栅极基板的热膨胀系数不同，当环境温度变化时，膜层间会产 生热应力。为了平衡基板上、下表面产生的应力，基板的两个面都必须沉积厚度 相同的绝缘薄膜。p e c v d 沉积s i t h 薄膜时使用的反应气体是s i i - h 和n 2 0 ，具 体的工艺参数如表2 1 所示沉积时间gm i n ，所得的薄膜厚度约为0 5 岬。 ( 3 ) 厚膜绝缘层的制备 厚膜绝缘层是采用丝网印刷法制备的。根据在i t o 衬底上制备的厚膜绝缘 层耐压性能( 约为5 0v p m ) ，要达到8 0 0v 直流耐压，印刷的绝缘层厚度应大 于2 0 岫。厚膜绝缘层的印刷为全手动过程，图3 - 4 为厚膜绝缘层制备的工艺流 程。具体印刷方法可参考第二章的厚膜印刷工艺部分的内容。与s i 0 2 过渡层的 制备过程相似，两个表面需印刷相同厚度的绝缘层，以平衡来自基板两个表面的 绝缘层产生的应力。绝缘层印制好后，经过干燥和烧结得到图3 5 ( a ) 所示的栅 极板。 2 l 第3 章金属基底栅极板的制各工艺和耐压特性研究 图3 - 4 厚膜绝缘层的制各【艺流程 图3 - 5 栅极绝缘层的形貌。 ( a ) 制备好绝缘层的栅极基板照片，( b ) 烧结前绝缘层截面s e m 图，( c ) 烧结后绝缘层截 面s e m 图。 图3 - 5 ( c ) 所示为印刷单层的绝缘层截面，从图中可以看出，其厚度约l o 哪， 如果要使绝缘层的厚度大于2 0p m ，需要重复图3 4 的工艺流程2 3 次。绝缘 第3 章金属基底栅极板的制各工艺和耐压特性研究 层的干燥、烧结工艺曲线如图3 - 6 所示。在干燥之前，印制好的绝缘层需在空气 中放置l o 分钟左右，依靠浆料的流动性和表面张力的作用，使印刷过程中遗留 在浆料表面的网孔痕迹平坦化。然后进入干燥、烧结工序。烧结完成后，样品随 炉冷却至室温。 柏o p 一3 0 0 籍 o o 宣箍 。l 唇p i j j ? 二 j 惮舞温一r 一目瓢忡却叫。 ：? o2 0o o8 01 2 0 4 01 e ot 8 0 2 0 02 2 02 4 0 对闻t m i n ) 3 1 3 栅极电极的制备 图3 6 绝缘层的干燥、烧结工艺参数。 制备好绝缘层后，我们是采用光刻的方法在绝缘层上制备栅极电极条。在光 刻工艺中，衬底表面形貌对旋涂后光刻胶的表面平整度有直接的影响，也将影响 到后续制备的电极的形貌与质量。我们的栅极基板上存在许多网孔，给光刻胶的 旋涂工艺带来许多的困难。为了使所涂敷的光刻胶尽可能均匀，我们从两个方面 进行改良：( a ) 用特殊胶纸将不需旋涂光刻胶的一面封死，保证栅极基板上能 涂敷上足够的光刻胶。( b ) 采取如图3 7 所示的旋涂方式，增大离心力，使光刻 胶能够涂得更加均匀。实验所选取的光刻工艺参数如表3 1 所示。 图3 7 旋涂光刻胶时基板位置图。 2 3 第3 章金属基底栅极板的制各工艺和耐压特性研究 表3 - 1 光刻工艺参数表 i 涂胶转速( 转分钟)前烘( 烘箱)曝光时间 显影液 后烘 2 0 0 0 2 5 0 0 1 0 0 1 1 0 m i n2 0 2 5s 0 5 n a o h1 2 0 、1 5 m i n 栅极电极图形制备好后，采用电阻加热蒸发法或电子束蒸发法制备铝电极， 电极厚度约为2 5 0h m 。图3 8 为制备好的栅极板的图片。 以上是栅极板制备的主要工艺步骤。 ( b ) ( a ) ( c ) 图3 8 制备好的栅极板