（物理电子学专业论文）真空微电子显示器件扫描系统的研究.pdf

摘要 、币 今 显 示 器 件 发 展 的 总 体 趋 势 是 大 屏 幕 、 平 i mt 、 低 功 耗 、 高 清 晰 度 等几个方面。真空微电子技术是近十年才发展起来的新兴技术，其发展前 途 被 普 遍 看 好 ， 被 誉 为 是 属 于 二 十 一 世 纪 的 技 术 齐文 提 出 了 将 真 空 微 电 子技术应用于显示器件的新思路，即用在玻璃上腐蚀出的按矩阵方式规则 排列的规则小孔完成传统显示器件中的由电子光学系统完成的像素分割、 扫描显示等工作。这种器件在保持了 传统真空器件在图 像质量上的优势的 同时， 还借鉴了 其他显示方式 ( 如液晶显示、等离 子体显示等) 的优势， 同时在扫面板的研制上有较大创新，符合现代新型器件发展的总趋势。 本文先从整体上介绍了整个器件的设想和工作机理以及与传统显示器 件相比的 优势;然 后将重点 放在整个器 件的 关 键部件一一 x - y 矩阵 扫 描板的 研制工作上面，先从理论和试验两个方面详细地讨论了它的可行性和可靠 性，再从具体制作的角度，认真的研究了 基本材料、制造工艺等方面的问 题 。 关健词:真空微电子，光敏微晶玻璃，x - y 矩阵扫描板 a b s t r a c t v a c u u m mi c r o - e l e c t r o n i c s i s a n e w s c i e n c e d e v e lo p e d i n t h e l a t e o f 1 9 8 0 s . a n d i t i s c a l l e d a s c i e n c e b e l o n g t o t h e 2 1 s t c e n t u ry . i n t h i s t h e s i s , t h e n e w t e c h n o l o g y w i l l b e u s e d t o d e s i g n a n d f a b r i c a t e a n e w d i s p l a y d e v i c e c a l l e d v a c u u m mi c r o - e l e c t r o n i c s d i s p l a y d e v ic e , s h o r t f o r v me d d . i n t h i s p a p e r , t h e r e a r e t w o m a i n p a r t s . t h e f ir s t p a r t i s t a l k e d a b o u t t h e w h o l e s t r u c t u r e o f t h e v me d d . a n d t h e s e c o n d p a r t i s m a i n l y f o c u s e d o n t h e p a rt o f t h e v me d d 一一x - y m a t r i x - a d d r e s s e d m i c r o - t h e f i r s t i n c l u d e s t h e f i r s tc h a p t e r a n d t h e o f t h e d e v i c e . s e c o n d t a l k i n g m a i n l y a b o u t t h e f u n c t i o n o f e v e r y p a rt t h e s e c o n d p a r t i n c l u d e s t h e o t h e r t h r e e c h a p t e r s , t a l k i n g a b o u t t h e p o s s i b i l i t y a n d t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s c a n n e r p a rt f i n a l , s o m e g o o d r e s u l t s a r e c o n c l u d e d . k e y w o r d s : v me d d , m a t r i x - a d d r e s s m i c r o - s c a n n e r 第 ，色护 早绪论 真空 微电 子 技术是一门 新近发展起来的高 新技术。它 从 1 9 8 8 年诞生以 来，一直以迅猛的速度在不断发展着。真空微电子技术的诞生在电子学发 展史上是一个重要的里程碑， 被科学家们誉为可能引起电子工业第三次革 命的新学科。专家 们估计在二十一世纪初， 真空 微电子器 件将成为最重要 的电子器件之一。可以说，真空微电子技术是属于二十一世纪的技术。 另一方面，随着 信息 技术的飞速发展， 我们已 步入了 信息时代，如何 高 效率地获取和运用高 质量的 信息成为这个时代的主 要技术特征之一。人 们在获取信息的时候，有百分之六十以上的信息来源于人的视觉，即图像 信息，所以说图 像系统在信.息 社会中的地位是十分重要的。我们最熟悉的 图像系统就是电 视系统，它与我们的日 常生活息息相关，几乎成了 现代人 类生活不可或缺的一部分。因此，对图像系统的研究和改进是当 今科技界 最最热门的科研课题之一。一个图像系统的图 像质量的好坏与图像的 摄取、 传输、显示以及处理方法都有很大关系，特别是摄像器件和显示器件的质 量的高 低将直接影响图象的效果。 摄像器件出现的历史不长，但发展极为迅速，从 1 9 4 6 年第一代的超正 析像管 ( 属真空器件) 到现在大 致经过了 三代1 9 6 3 年出 现了 第二代的氧 化铅 ( p b 0 ) 光导视像管，即 真空 管摄像器 件，至今在许多领域- - - 一 特别 是高级摄像领域 ( 如:电 视新闻 摄像领域) 仍然占 有着不可取代的统治地 位;1 9 7 0年电 荷辐合器件 ( c c d ) 的诞生使得固体摄像器件进入实用化阶 段。c c d较之视像管在体积、重量、价格、功耗、 操作方便等各方面占 尽 优势，因 此从它诞生之日 起就极为迅速的发展起来，短时间内就大 有取代 传统真空视像管的趋势，但 c c d器件由于工作机理所限在抵杭温度和辐射 影响方面及高速响应方面都无法与真空器件相媲美，因 此近几年逐渐形成 了固体半导体摄像器件和真空管摄像器件两强并举的局面。 传统的显示器件- - - 一 电 视机 ( c r t ) 从出现到现在已 有近一百年的历 史虽然电视机的结构设想甚至雏形器件都出现在十九世纪末，但直到二 次世界大战结束以后才得到了比较快速的发展到八十年代各种相关技术 已 经发展的十分成熟了，近年来主要是向着高清晰 度、大 屏幕、 低功耗的 方向发展;另一方面，液晶显示器件、等离子体显示器件等应用新型显示 机理的新型器件层出不穷，它们虽然各有优势，但目前仍无法撼动传统真 空显象管 ( c r t ) 在显示器件家族中的统治地位。虽然如此，传统c r t的缺 点还是不容忽视的，它体积庞大、笨重、功耗高，而且电子光学聚焦系统 的体积将随着显示面积的增大而迅速增大，这同时提出了真空度、聚焦性 能及偏转性能的更高 要求，这些显然都限制了 c r t的显示面积的增大，因 此新型显示器件无不提出平板型的结构设想，即所谓大面积超薄型的平板 壁挂式电视。同时，小型化、轻型化、低功耗、低价格是大趋势，所以对 新型显示器件的研究空前活跃。目前的新型器件都遇到了不同程度的困难， 对液晶显示器件的研究曾经十分热门，现在它也在轻便型小型显示器件领 域占 有着自己的阵地，但液晶器件的被动发光性使它的图像清晰度及彩色 分辨度无法赶超 c r t器件，它还有视角狭小和对外界背景光强要求苛刻的 缺点，这都限制了它的广泛应用。等离子体显示器近年发展很快，但它的 “ 功 耗高 、 成 本高 也 是比 较 严 重的 缺 点 。因 此， 虽 然 许多 科学 家 正 致力 于 对 这些新型器件的改进的工作，但另外一些人也注意到对传统真空关器件的 改进工作也将是一种有益的尝试。 综上所述，真空摄像和显示器件的致命缺点就是庞大笨重的电子束聚 焦偏转系 统 电子光学系 统) ，它与现代电子器件小型化、轻型化、 低功耗 的发展趋势相违背;但真空器件的优点也不容忽视，它的工作不受温度和 电 磁辐射的影响，它的反响速度快、低惰性，适于处理高速运动的图像， 无余像。因此，将新近发展起来的真空 微电子技术应用于摄像和显示器件 将有助于克服传统真空电子束器 件的 缺点，并 使 c c d和l c d的 优势得以充 分的发挥。摄像和显像是互逆的两个过程。在真空微电子摄像和显示器件 中，前者通过光电效应和拒阵扫描将二维空间光图像转化为一维时间电信 号，后者也是通过拒阵扫描系统将一维时间电信号恢复成为二维空间光图 像。真空微电子显示器件 ( 摄像器件可看作显示器件的一种特例)中这种 分割转化过程是通过在平板玻璃上预先制成的排列整齐的小孔完成的，而 不是象传统器件那样通过电子束扫描而成， 这样就可以省去了笨重的电子 光学系统。从此我们可以看出 真空 微电子的摄像和显示器件都离不开矩阵 扫描问题，因此这个扫描系统时这种器件来说是至关重要的 本文主要介绍了这种新型显示器件的设计思路，提出一种全新的扫描 系统。并在理论和实验中加以验证， 验证它的合理性和可行性文中第二 章介绍了 整个器件的整体结构和基本工作原理;第三章是本文的重点章节， 详细阐述了 理论计算和试验模拟电 极结构的全过程， 从而详尽地论述其可 行性;第四章重点介绍了，整个器 件所依赖的关键性材料一一光敏微晶玻 璃的加工原理和工艺方法;最后一章是总结和结论，并对整个研究提出了 展望。 第二章 器件整体结构和工作原理 传统的显示器件主要由阴极 ( 电子源) 、电子光学系统、偏转系统、荧 光屏和真空外壳五部分组成。摄像器件大致相同，只是荧光屏换做了 作为 感受器的光电转换阴极，器件通过电子束扫描系统完成从一维时间电信号 向二维空间光信号或相反的转换.而真空微电子显示器件将通过相互独立 的两组条状膜电极阵列完成这一转换工作，整个器件由多层相同材质的带 微孔阵列的平板玻璃叠合而成，从而使整个器件特性一致， 便于以后的统一 操作和处理，结构则小巧紧凑且稳固，同时根本解决了 真空 微电子器件的 内部支撑问题。 2 . 1器件的整体结构 整个器件大体由四部分构成:一是平面电子源部分，这部分是器件能 否成功的一个基拙，目 前虽不成熟， 但已 有很大进展;二是扫描电极阵列 部分，这部分是整个器件比较创新和关键的部分，也是本文将要讲述的重 点部分;三是辅助电路部分，这一部分是整个器件能否工作的关键配套部 分，主要是扫描电极驱动电路，应能符合器件的新特点;最后是荧光屏， 荧光屏的制备是一种比较常用的技术，工艺已 经比较成熟， 可根据需要选 择不同的类型 在摄像器 件中结构不尽相同， 但许多分析仍可适用. 真空 微电子显示器 件的整体结构如图( 1 ) 所示。 从下往上，第一层是平面电子源，它是整个器件的源头，实际也包括 了前级放大层;第三层是扫描电极层，它是用光敏微晶玻璃做基底的平板 玻璃层，在这层玻璃板的上、下两个表面上，共镀有二层相互垂直的条状 金属膜电 极层， 其中靠近平面电子源的一层电 极可以称作开关电极。它实 第三章 电子束矩阵扫描系统的原理分析 前面几章给出了器 件的大体轮廓，在这一章里我们将进行较细致的理 论计算并进行实验模拟，以分析设计的合理性与可行性. 从前面的分析来看，器件的扫描板部分能否实现控制电子束流的通过 是器件设想是否可行的关 键。因此本章将从能量的转化与守恒和电子光学 两个方面进行理论分析和计算;并将象素单元按比例进行放大，使其能在 实验条件下进行各种电 量的测量，并以此结果对相应的微观量进行合理的 分析和推测。 3 . 1 矩阵扫描电 极的具体结构图 电子束通道孔 调制电极层 玻璃基底 开关电极层 ( a ) y i y 2 ( b ) 图 ( 3 ) x - y 矩阵扫描电极结构图 ( a ) 立体图( b ) 俯视图 下面的计算和模拟均以有代表性的单象素为例进行分析，并进行必要 的近似，以达到模拟的目的。 3 . 2 从能量的转化和守恒的角度进行分析 在这里，我们首先对扫描电 极的 称呼进行简 化处理，不再区 分 x 和 y 电 极， 从阴 极的角 度看，一层电极离阴 极较近， 我们可以称之为近电 极层; 另一层电极离阴极较远，我们称之为远电极层。 这样再从能量的观点来看，电子能否通过扫描控制电极关键取决于电 子的最终能量，因此只要能保证扫描电极共同形成的电场对电子来说是整 体上的减速电场就可以了。只要阴极发射出来的电子的最终能量不足以穿 越远端扫描电极层，甚至只要不能到达放大极，就可以说电子被压制了。 从远电极层到放大极的这部分空间对电子实际上是加速电场，因此必须要 将电子流控制在远端电极以内，才能达到控制的目的.因此从能量的观点 来看，只要远电 极所加负电 压 ( 对电子束产生抑制效应) 大于近电 极所加 正电压 ( 对电子束产生加速效应) ，即整体电场对电子束的抑制效应大于加 速效应就可以在0 1 组合时实 现对电 子束流的 压制。这在电 路中 还是比 较容 易 做到的，我们设想可以在简单电路的基础上，在扫描电 极驱动邵分加一 个电平转换电路，用两组不同电平的顺序脉冲驱动两组电极，取 0 v h n v h f , v l f v l n 0 ，其中 脚标 n代表近电 极层的电平， 脚标 f 代表远 电 极层的电平， h 指高电平即逻辑 1 电平， 1 指低电平即逻辑。电平。至于 具体电平数值或各电 极电平间的比例关系， 则需要在实践中进行进一步的 实验和摸索才能具体确定。 3 . 3 理论计算 众所周知， 电 磁场理论是以麦克斯韦方程为基础的， 真空中静电 场和静 磁场的麦克斯韦方程为: v 、e=0 v xh =方 v，d= p s v， b= 。 没有空间电荷和空间电流存在时，方程相应简化为: v x 二 ax x = 0 v v . 二0. b =0 ed 由此可见静电场和静磁场相互独立，可以分别加以讨论.从方程中可见， 静电场e 是无旋场，因此可用电位函数v来 描述，v与e 关系如下 v .e =v( - vv) =0，即 v l v=o 亦即没有空间电荷时电位函数v 在旋转对称静电场的情形下 满足扣普拉斯方程. ，可以选择圆柱坐标系，并使 z轴与旋转 对称轴重合。此时拉普拉斯方程的形式为: 1 夕 十万 不 丁 于 r uz a z v 二 o 邵-沙 1一r + v一训盯 模拟计算因水平和条件所限，并不 精确， 但从近似结果可以看出 控制 电子束的出射还是不成问题的。另外在必要情况下还可以进一步减小电极 间 距和电 极与阴 极间的 距离，以减小电 子束流强度的空间 损失。计算中采 取了 较多的近 拟，因此实际应用中还应进一步摸索和实践。 3 .4 扫描电 极性能模拟实验 根据电子光学系 统的按比例放大后的电场分布不变性，我们可以将电 极、阴 极及通道孔全部放大到较大尺寸， 再在大尺寸条件下进行各种电量 的测量，这些测量结果实际上与实际量是具有可比性的、即使不能避免较 大的误差，也可以根据结果对实际情况进行定性的分析和合理的推测。和 上面的计算一样，我们只对一组单象素电极进行模拟因为实际器件的具 体尺寸还在摸索之中，所以我们在确定大 模型尺寸时不必构泥于想象中的 那个具体设计尺寸。我们的目的只在于研究一下条状膜电 极控制电子流的 情况。 3 . 4 . 1 准 备工作 1 . 首先是确定象素尺寸， 前面说过了，不必构泥于已 有的和想象的 具体尺寸。根据实际情况，孔径应该是越小越易于控制电子束流的运动， 但从实验条件或者说实用条件来讲，尺寸越小加工起来越困 难，实际应用 起来也会成本越高。所以我们暂时选用简单工艺可以完成的宏观尺寸，另 外， 尺寸越小相对误差就会越大， 这也是我们暂时先选大 尺寸的原因， 2 . 其次是选择什么样的电子源，目 前可选电子源有氧化物阴极和钨 丝热阴极两种，这两种都是工艺比较成熟的电子源前者发射效率高，工 作温度也比较低，但是工艺比较复杂，且激活后不能暴露大气，不利于随 时改进和重复利用;后者虽然发射效率低，工作温度也很高，但是工艺简 单， 稍 加注 意 就能 重 复 利 用 一 个 钨 丝阴 极。 因 此， 如果 钨 丝阴 极的 热 发 射 电流强度已经足够大，其高工作温度又不对其他部件的工作造成障碍的话， 我们就可以用钨丝作热发射阴 极电子源，这为实验提供了很大的方便。 3 . 然后就是条状扫描电极的制作。最简单的想法就是直接在金属条 上打孔，作为电子束流的通道，两条这样的 金属条按孔对齐正交固 定就形 成了 一个象 素单元。 但是这种方法并不实用，主要是难于固定和对齐，装 配困难，各电极间绝缘也不好解决。最后还是决定在平板绝缘体上打孔和 披上条状金属膜电极，因为我们决定采用钨丝做阴极，所以还要考虑各个 配合部件的耐高温性能.因此我们不能采用各种塑料制品，它们在高温下 都要变形和放气。最后我们决定采用光敏微晶玻璃做电极的绝缘载体，这 种玻璃可耐六百度的高温，且可以通过暴光和腐t k 的方法方便的得到规则 且孔度一致的小孔，并 保证表面尤洁平整，能够镀上完整的电极膜。 4 . 最后就是整个模型的装配。我们为整个模拟器件做了一个金属架， 结构见图 ( 5 ) 。为保证真空度， 我们尽量不用任何有机材料，防止高温下 放气，比较困难的工作有这样几个:首先是是制作和装配鸽丝阴极，我们 用两 根较粗的康钥丝做支撑，将钨丝阴 极点焊在上面，再从康钥丝上引出 外接电极.其次是将钨丝阴 极的发射尖端和光敏微晶 玻璃的小孔对齐，因 条件所限，全凭肉眼观察，好在孔度较大， 鹤丝阴极发射电子的张角也不 是太窄，因 此并不 要求严格的心心对正， 只要在阳 极止可以收到电子流就 可以了，最后是条状膜电 极的对外引出，我们用银粉导电 胶在电极膜上粘 上两条细 铜丝，作为引出电 极。 另外还要汪意的就是真空度的保持问题和测量电路问 题，这都要在试 验中注意摸索。 3 . 4 . 2 实 验装置图 和阴 极架结构图 下图即为扫描电极的模拟装置图。 构尺寸如下: 钨丝尖端距下层电极约两个毫米， 毫米，上层电极距接收极为 3 . 5毫米， 图中结构仅为示意和参考， 具体结 玻璃片厚即上下层电极距离为 0 . 4 中心乳的直径约为 0 . 1毫米，此处 小孔是用针尖 扎出的，因 此直径数值是约数。图中 用于撑架 镀有扫描电 极 的玻璃片 的是不 锈钢薄 板框， 接收极也同 样采用不 锈翎薄片 ， 用于支 撑钨 丝热阴 极的则是两 根较粗的 康铜丝，因 为它比 较易于点焊又有一定的刚性， 可以撑往钨丝最主要的是它的电阵率比钨小不致分担太多的电压降。 接 直 流 可调电源 接直续电 别个连调 分两流可源 接 交 流 可调电源 图 ( 5 ) 模拟测量装置结构图 试验中我们采用了 钨丝尖端作为热电子发射阴极，它的发射效率 低，且工作温度极高，因 此在试验中 应十分注意各部分的耐热性和热稳定 性，防止任何高 温工作下的部件变形、变质和放气情兄，同时 要注意尖端 和通道小孔的对齐，因为直接裸露真空的金属电 极膜对空间电子束的吸收 能力是很强的，因此尖端偏离小孔较大时就没有电子通过小孔了。还有， 从图中可以看到，整个框架都是金属结构，主要是为了 耐受高温而这样设 计的，因 此要十分注意各部分之间的绝缘问 题， 在下电 极和不锈钢薄板框 之间我们用胶带做了绝缘，虽然应尽量避免是用这种高温下容易 分结和熔 解 的 材 料 ， 但 考 虑 到 那 里 离 钨 丝 较 远 ， 温 度 较 低 ， 且 金 属 散 热 较 快 ， 为 方 便起见，还是可用的，在试验过程中也并没观察到任何不良影响。 3 . 4 . 3测量电路 收 集 极 远端电极 近端电极一 取样 电阻r 钨丝阴极 可调蒯 源, - 7 5 w - + 7 5 时分段连续可调 图 ( 6 ) 测量电路图 图中最下面是用作电子源的阴极，采用腐蚀出细小尖端的钨丝做热电 子发射源，用一个自 藕变压器对其供以交流电，电 压从 0向上可调，因为 采用市电变压供电，千扰较大，而热发射对供电电 压的稳定性的要求是比 较强的，所以应尽量采用高质量的稳压电源，并在实验过程中注意随时监 视电压变化，并及时调整之，以求整个实验中能有一个比较稳定的发射电 流。阴极上面就是两层扫描电 极，实验中用镀在光敏微晶 玻璃上的两层相 互垂直的条状金属膜作这两层电极， 这部分的关 键是注意孔径大小和小孔 与尖端的对齐，两层电极分别镀在平板玻璃的两面，这样就能比较容易的 测出电极间的准确距离，但不利的一面是这一厚度调整起来颇为麻烦，因 此要尽量避免对它的调整。最上面的一层就是收集极，也可以称作阳极， 试验中考虑到方便实用，暂用一片不锈钢板代替，在不要求十分严格精确 的情况下，用平板就可以了，若是电于源发射电子的立体张角太大、则应 改考虑采用球盖形的收集极，以确保对发射电子的充分收集，本试验中用 的是平板形的收集极。最后要考虑的就是电源，除了为阴极供电的电源可 直接用市电变压的交流电外，还需要三个各自 独立可调的直流电源分别为 两个扫描电极和一个收集极供电，其中至少有两个电源应该是从负到正可 调的，用来给扫描电极供电，对功率则没有太高要求。最后，因为收集极 的收集电流太小，用电流表直接测量的话，人为误差太大，有淹没真实数 据的可能，所以采用取样电阻方法，本试验中用的是两兆欧姆的取样电阻， 再用一个数字万用表测量取样电阻上的电 压降就可以了。最后，进行数据 处理时，也并不必要将其换算成电流值， 可以直接用取样电压代替分析和 作图。 互 3 . 5 实验数据及结果分析 试验中，因为给钨丝加热用的是直接接在市电上的交流电，所以整个 试验中要随时注意灯丝的电压变化，并注意及时调整。再就是考虑到灯丝 本身工作的可重复性并不是很好，因此应该尽量在相同的条件下测量各种 电 量，以便尽可能保证各种测量参数的一致性和可比性。 从最初的定性试验可以看出，收集 极电流变 化受到各种因 素的共同制 约和影响。 351 数据及变化趋势图 整个试验中的参数可分两大类:一类是一次试验中，自 始至终保持不 变的量，我们可称之为恒定参数，主 要指各种结构参数 ( 如:各电 极之间 的距离、 孔径大小、 外界真空 度和温湿度等) ;另一类是可变参数， 指在一 次实 验中可以改变的参量，如阳极电压和扫描电极上的电压等;灯丝电 压 则是个比较特殊的参量，从可变性角度来讲它是可变参量，但不论是在具 体应用中还是在科学实验中， 这一量通常是应该保持不变的，除非研究的 目 的是热发射体一一灯丝本身.在这个模拟实验中，因为它不是研究重点， 所以 将它归为恒定参数。 从最开始的定性实验中可以看到，收集极电流的变 化特点和各种恒定 参数关系十分紧密。首先是孔径大小，大孔径固然能加大收集极电流强度， 但此时扫描电极对电流强度的控制能力则显然较差;其次是收集极和扫描 电极间的距离，这一距离实际上影响了收集电流的饱和状况，距离 越近饱 和越快。另外从试验中 观察到，灯丝和近端扫描电 极间的距离 也显然影响 着扫描电极对收集电流的控制作用。 下面将重点讨论各可变参数和收集电流间的变化关系，其中:阳极电 压用字母v a 表示，阳 极电 流用字母i a 表示，近端扫描电 极电 压用字母v d 表示，远端扫描电 极电压用字母v u 表示，灯丝电 压用字母v k 表示，灯丝 和近端扫描电极间距离 用字母 h表示，收集极和远端才 川苗 电极间距离用字 母l表示，两扫描电极间距、即玻璃片厚度用字母h表示 ( 1 )收集特征曲线 l a 一 v a曲线:取灯丝电压恒定 v k = 4 v ，两扫描电极 电 压均恒定v s d = v s u = o v , 从图中 可以看出 线，阳极电 压在 压呈线性变化， 超过 1 4 0 v 时， 高而再有升高。 ，收集特性曲线类似于二极管的正向偏压的特性曲 o v到 1 1 0 v左右范围内阳极电流基本上旬t q 极电 在 1 1 0 v到 1 3 5 v则基本属于非线性变化区 域，但 阳极电流就已经达到饱和了，不再随阳极电压的升 .厂! oo 今1 1 0 0 2 0 0 图 7 ) 收集特性曲线 ( 2 )开关特性特征曲线 l a 一 v d曲线:取灯丝电压恒定 v k = 4 v ，远端电 极 ( 调制电极 )电压恒定 v u = o v ，收集极电压恒定 v a = 3 0 0 v ，这一 仪集极电压的选择主要是考虑到激发荧光屏发光的一个较为合适的 通用的阳 极加速电 压。开关特性曲线只是了 器件的基本开关特性 也是器件能否按设想方式工作的关键，收集极电压的大小显然直接 影响开关特性，但随着收集距离的增大，其影响也会显著减小，实 际器 件中买际 上 还是要综 合考虑这两个因 素的影响的，必 要时 还可 以相应减小收集电压，同时采用新型的低压荧光材料 _ 其他参数 v a = 3 0 0 n v k = 38 v vu =o v 2 0 0 1 0 0 / / 图 ( 8 ) 开关呀 扣 胜曲线 从图中可以看出，开关特性曲线比较陡峭，表明开关电极对发 射电子束流的控制是十分有效的，最低的阳极电流并非 。 ，这就是 热发射的本底噪声，这种噪声产生的原因较多，还有很多是测量过 程误差和系统不稳定所致。 ( 3 )调制特性曲线 i s 一 v u曲线:取灯丝电压恒定 v k = 4 v ，收集极电压 恒定 v a = 3 0 u v 、近端电极电压恒定 v d = v c 调制特性曲线是关系到 整个器件图像显示质量的关键特性曲线，因此我们对近端扫描电极 取了 5个不同的恒定电压参量，分别做出其相应的调制曲线，希望 在对它们进行比较后可以找到较为适当的配合参量 l o o 其他参数 v a = 3 0 0 v v d = o v vs : = 38 v - 1 0 0 _5 0 图 ( 。 、 一i) j ) 特性曲线一 图 ( 1 0 ) 调试特性曲线二 其他参数 一1 0 0 图 ( 1 1 ) 调制特性曲线二 其他参数: v a = 3 0 0 v v k = 3 8 v v d = - 2 . 5 v / i s o 1 0 0 / 5 0 一1 5 0一1 0 0s u 图 ( 1 2 ) 调制特性曲线三 共他参数 u a = 3 0 0 v uk = 3 . 8 v vd =25 v 1 5 0 1 0 0 5 o -1 0 0 5 0 图 ( 1 3 ) 调制特性曲线四 其他参数. v a = 3 0 0 v v k = 3 . 8 v vc 卜5 v 厂 1 5 0 1 0 0 5 0 -1 0 0 一5 0 图 ( 1 4 ) 调制性曲线五 3 . 5 . 2 分析和结论 从这些测量数据曲线图中 我们可以得到以下几点结论: ( 1 ) 整个模型结构的电学阻抗特性类似于一个二极管的电 压和电流 关系 特性。也有相应的线性变化区 域和非线性变化区域及饱和区 域，实际应用中我们就可以根据这些特点来选择适当的静态工作 点和j洽当的动态工作范围。 ( 2 ) 开关特性曲线十分陡峭和平滑，这是比较优良的开关特征，基 本上可以做到，及时和有效的打开和关断控制门。开门时，在很 短时间内收集及电流就可以达到饱和，关门时则迅速下降到接近 0 值。但是，当收集极电流降到 1 0 个毫伏以下时，阳极电流就下 降十分缓慢了，这可以看作是本底噪声，在电路设计上应该注意 抑制这种噪声。不过另一方面，由于实验条件所限，还暂时无法 比 较精确的 分析这些噪声的准确来源。从实 验现象 上推理，这部 分噪声主要来势以下几个方面:最主要的也是对器件特性影响最 大的就是收集 极在 0电位情况下收到的随机的空间电荷，这是器 件实用时客观上不可避免地存在的本底噪声，但是时实际结构中 自由的真空空间相对于宏观模型是比较小的，因而这种空间电荷 的存在的自 由 度会相对较小，同时实用中的电子源的方向性要比 钨丝尖 端强得多，发射电子在自 由空间的弥散度则要小得多，而 且其稳定性也要好些，因此模拟试验中的本底噪声比实际器件是 大的.另外，就是实验中的许多条件误差，比如灯丝电 压不稳等; 对扫描电极供电的几个电源也常有不稳定的情况，需要随时观察 和调整。 ( 3 ) 调制特性曲线的情况比较复杂，总的来说，它受开关电极层状 态的影响较大。比较这 5条曲线，可以看出，在开关电极上加一 个较小的负 压将使整条调制曲线变得比较平直，有较优秀的线性 度，这正是我们希望获得的调制特征，只有这样才能使调制具有 很好的动态特性，也就能使整个器件获得较好的调制效果。从中 可以 看出， 实际 上的 调制特夜是受 开关 特性制约的， 应用中 应该 综合考虑这两个特性。因此我们可以 设想，开关电 平可以不 设在 o v 上， 可以在上面加一个负电 压，例如:关断电平为负l o v 左右， 开启电平则可以为负 2 . 5 v ，这样虽 说栖牲了 一些收集电流， 但获 得了一条较好的调制特性曲线，这是对图像质量十分有利的 ( 4 ) 最后一点就是， 上述特性曲线的 获得和结构参数的选取关系密 切。其中影响最大的也是较难改变的一个参量就是通道孔径，经 过多次试验摸索， 我们将孔径从 3 m 。降到 0 . 8 二 效果 很和好， 现 在的孔径在 0 . 5 m m左右，这在实际应用中，也还是可行的， 微观 量中，孔径在几十微米的量级上，容易满足.但另一方面，孔径 虽小，电极的线度也相应的减小了 很多，所以在微观条件下，能 否最终实现完全控制还应该在实际情况下进行具体的验证。 综上所述，宏观模拟和实际应用虽然在很多地方有较大的出入，但很 多 条件上是宏观模才 以 的更苛刻， 在微观条件下反而更容易满足。而对于那 些在宏观下较弱的条件和参数则应进一步进行微观条件下的试验，已 确定 其是否可行。 在现有的条件水平下获得的试验模拟结果表明:整个器件的 设计思路是合理的和可行的， 通过恰当 的恒定参数选择，以及各种可变参 量的相互配合，可以实现重现图 像信号的目 的 第四章 光敏微晶玻璃 从前面所讲的结构中可以看出，扫描板是个器件能否成功的关键部件 之一。这一章将重点讲述在整个器件中 用的最多的玻璃基底材料- - - 一 光 敏微晶玻璃。 4 . 1光敏微晶玻璃的物理特性 一、析晶特性 玻璃是一种非晶态的无定型物质，它具有进程有序而远程无序的结构 特征。正因为如此，非晶态的玻璃比一般晶体态物质具有较大的内 部潜能。 因 为物质由高能态向 低能态转化是一种自 然趋势，所以非晶态物质有转化 为静态物质的内 部条件和趋势所以说，虽然玻璃本身是非晶态的，但玻 璃析晶却是所有玻璃的共同特性玻璃析晶就是指玻璃由非晶态转变成晶 体态的过程，玻璃的许多物理性质都在这一过程中发生了变化，最直观的 就是玻璃由透明态变成不透明的状态。这种过程在日 常情况下十分少见， 因为 在常温常压下， 玻璃析晶的趋势虽然存在， 但析晶 速度却及其缓慢和， 因 此不会发生在日 常状态下。 玻璃析晶是有条件的，就是必须有成核中心存在。这个过程类似于自 然界 中的雨滴、霜雪及冰雹的形成过程中要有微尘做核心。玻璃析晶可以以金 属元素 ( 如:a g , a u , c u等) 为 核心， 或以 钦 ( t i ) . 错 ( z r ) 等氧 化物为 核心长出晶体来，称作异相成核。可以做成核剂的金属一般具有光敏性， 钦错等氧化物则一般具有热敏性另外， 有的玻璃， 也可以以自 身得分相 成核，叫均相成核。析晶能力主要取失于玻璃的私度、成核速度及晶体生 长速度三者的关系。而它们都与温度有关，因此只有在一个适宜的温度范 围内，才有一个较大的析晶倾向。 玻璃析晶后，性质会有很大变化，但若不能控制晶体大小，则变化很可能 是不利的这也是一开始在玻璃工艺中发现析晶后，称之为 “ 缺陷”的原 因，但当晶体大小可以被任意控制时，晶化厚的玻璃的性质将能变得十分 优异。 微晶 玻璃， 顾名思义， 就是析晶出的晶 体十分微小， 一般在0 . 1 - 1 0 u m 大小。这些细小晶 体的趋向是杂乱无章的， 这就保证了晶 化玻璃的 各种性 质从宏观上不 会受到晶体各向异性的影响， 保持玻璃态物质各向同 性的特 点。微晶化后的玻璃具有了 许多十分优异的性能:可以耐受上千度的高温， 机械强度比普通玻璃高上几倍至几十倍，在电学性质上， 有极底的介电损 耗和较高的电阻率。大多数微晶玻璃是热敏型的，即只需加热即可微晶化; 少数是光敏型的，即需要经紫外光照射后再进行热处理。 二、光敏特性 所谓光敏， 这里专 指对紫外光敏感。某些碱铭硅酸盐玻璃具有光敏特 性是因 为在它的 成分中 添加了 一些光敏剂 如: a g , a u , c u ) 和增感剂 如: 饰 c c ) 。这类玻璃， 若经过紫外光照射和热处理后会产生永不 褪掉的 影象， 这种现象与涂有澳化银乳4 1) 的底片 感光很类 似，因而人们称之为感光玻璃。 下图 表示了 感光过 程的 光化学 反应 以a g 为 感光剂， c e 为 增感剂 举例) 当 用波 长为2 3 5 7 - 3 6 6 0 埃的紫 外 光 照 射感 光 玻 璃 后， 其受 光 部 分的a g +光 敏离 子) 因 光化学 反应而 被还原成a g ， 在玻璃中 形 成 a g的 潜 在影象， 未 受 光照的 部分a g + 依然 如故。 其中， c e 成为a g + 还 原成a g 所需电 子的 提 供者， 起到了 “ 增感”的作用;而紫外光则是能量的提供者。这种银原子 的 潜象 ， 在热 处 理( 低于 软 化温 度 5 0 - 1 0 0 ) 过 程中 ， 若以a g着色 而 产 生影像，则玻璃仍然是透明的;若以 a g为晶 核诱导出 非金属的晶 体，则 形成乳浊的不透明影像。 a = 2 7 5 33 6 6 0 入 c e+3 一娜 一一 hy+c e 一c e + e h x + e + a g -a g o 图 ( 1 4 ) 感 光 原 理 图 三、定向腐蚀特性 我们可以从上面看出a g 元素的重要，它既有感光特性，又可作为成核 ) n , 是将两 种特性结合起来的理想元素， 。对于我们来说，只有感光形成的 微晶 化影象还是不够的， 对形成什么 性质的微晶 还有要求，既要寻找某种 微晶玻璃，它的结晶相与玻璃相在氢氟酸 ( h f ) 中的溶解度要有显著的不 同，这样才能达到定向腐蚀的目的。 晶粒尺寸和参与玻璃相的配比决定的 微晶玻璃的性质由结晶相种类、浓度、 晶化前 ) 、热处理的温度和时间来控制 而 这些参数， 可以通过基拙组份 微 。因而能够满足我们这种 “ 预定”的 性能 要求。这种结晶 相是偏硅酸姐 ( l i 2 0 . s i o 2 ) ，是乳白色的晶体，不透 明，它在氢氟酸中的 溶解速度约 是玻璃相的2 0 倍。下表列举了 光敏型微晶 玻璃的几种具体的配比方案。其中感光剂和增感剂的含量都相同。 下表中是几种具体的配比方案，其中感光剂的含量都相同。 s i 0 2 a1 2 03l i 2 0 k 2 0 a g ce 02f e 2 03 ( 1 )8 0 . 5 04 . 0 01 2 . 5 03 . 0 0 0 . 0 1 5 0 . 0 0 30 . 0 7 ( 2 )7 5 . 7 71 0 . 0 41 0 . 7 3 3 . 4 60 . 0 1 5 0 . 0 30 . 0 2 ( 3 )7 1 . 7 41 4 . 7 31 0 . 5 13 . 3 80 . 0 1 5 0 . 0 30 . 0 5 ( 4 )6 9 . 8 71 7 . 0 89 . 6 73 . 3 8 0 . 0 1 50 . 0 30 . 1 4 . 2 光敏微晶玻璃的微细加工技术 上面一节讲述了 光敏微晶玻璃的一些特性，这一节中我们将利用这些 特性对其进行微细 加工。一般工艺过程如下: 1 . 曝光:将刻有微型图样的模板盖在光敏微晶玻璃的薄片上，并暴露于紫 外光下一段时间。在这段时间中，受到紫外光照射的玻璃体内部发生了光 化学 反应:在紫外光及二价 c c离 子的 增感作用下、 a g + 离 子被还原成银原 子。而没有受到光照的 部分仍然保持原来的 银离 子状态。这样在玻璃薄片 的内 部形成了与模板图 形完全相同的 银原子的对应图 形，由于此时并不可 见，玻璃仍然是进明的，因而称之为潜象。这一工艺利用了光敏特性。 2 . 显影:将经过曝光的玻璃放入恒温炉内进行热处理的过程称之为显影。 它的目的是将曝光形成的银原子的潜象微晶化，这是在适宜的温度作用下， 在玻璃体内， 有银原子的 地方， 以银原子为结晶核诱发生长出( m o . s i 0 2 ) 微晶，这就是析晶过程;而没有银原子的地方虽 有适宜的条件， 但因为没 有成核中心就几乎没有任何变 化， 还维持着普通的玻璃态。经过合适的时 间，便形成了乳白色的肉眼可见的由微晶形成的图形。这一特性是光敏微 晶玻璃光敏特性应用的终结和微晶 特性显现的开始. 银原子是光敏特性的 产物，却是微晶 特性显现的前提条件，这一过程的实现， 是基于玻璃析晶 的原理。 3 . 腐性:用氢氟 酸腐蚀显影后的玻璃薄片，因 析出的 微晶 在氢氟 酸内 的腐 蚀速度约是玻璃态的2 0 倍， 则显影出的 微晶图 形在氢氟 酸的腐性下就会转 化为我们所需要的镂空图形，这样就达到了 微细加工的目的。一般地，我 们称腐恤好的微晶玻璃为光刻件。这一过程利用了 微晶在氢氟酸中的比普 通玻璃高的多的溶解性。 4 . 微晶化:这一步的目 的主要是提高光刻件的各种物理性能。将制好的光 刻件再次完全暴露于紫外光下，然后再进行热处理，使光刻件整体微晶化， 从而 具有良 好的力学和电学特性。这一步虽然和 1 . 2 不相同，却有着不同 的 目的。 工艺改进: 一、曝光过程中，要注意清洗和烘千及脱水过程。曝光的好坏与光源有 很大关系，试脸中改造了光源的均匀性，使玻璃受光均匀，以获得均匀的 影象。另外光源的平行性对曝光质量的影响一时不容忽 视的，试验中用的 是近似点光源，理论上玻璃片离光源越远曝光将越均匀，但同时间内的曝 光量将随距离的立方级减小，因 此要综合考虑曝光时间和平行性要求。放 置玻璃片时则应注意玻璃片的位置应在紫外光区域的中心部分，注意掩膜 板和玻璃片的相对位置应该固定且不易滑动。另外在缩小孔径到 1 o u m时， 发现衍射十分严重，因此应进一步缩短紫外光波长。曝光时间应在 1 6 个小 时左右。 二、在显影过程中，玻璃片用瓷片或铁片夹好，放入恒温炉内，温度应 控制在 5 8 0 5 9 0 ，不能 超过 6 0 0 度， 温度过高会使玻璃片软化变形，影 响它的应用。另外恒温炉中的恒温区 域较小，温度梯度会引起显影的不均 匀，所以要经常调换玻璃片的方向，以减少影响。显影时间差别较大，主 要和曝光时间 是互补关系， 一般在2 4 小时以上。 应随时 观察显影状况，以 确定是否显影充分。 三、 腐蚀中一 般用 1 0 % 的氢氟酸， 在室 温下腐蚀， 冬天可适当 水浴加热、 以加快反应速度.腐蚀过程中，还应不断见动玻璃片，以保证小孔附近的 氢氟酸的浓度及腐恤性。 四、 最后的 微晶 化也十分重要。因 为整个部件将在真空条件下永久工作， 良 好的力学和电学 特性是十分有利和必 要的。 在试验中发现，减小玻璃片的厚度可以削弱光源的非平行性对曝光质量的 影 响， 但 磨 薄 玻 璃片 并 非易 事 ， 也 要琼 合 考 虑 成 本 和工 艺 难 度。 4 . 3电极制作 为配合微孔的结构，电极制作也许采取微加工的手段。基本上刻有两 种方法:-及直接用正模板直接覆盖在光刻件上做掩模， 在真空室中蒸镀 金属膜电 极， 这种方法思 路简 单， 工艺 也不 戈杂， 但 掩模和光刻件的 相对 位置不好固定，且对齐工作也不易完成，因此不太可取;另一种方法就是 先在光刻件上镀上完整的金属电极膜，再在上面涂上光刻胶，然后在负掩 模下曝光，腐恤掉光刻胶即可，第二种方法工序较多，但工艺也已比较成 熟，因此比较可取。这两种方法中，共同的难点就是电极和小孔的对齐问 题 。 第五章结论和前景 真空