CN1165393A - 薄膜电子发射器器件以及采用它的应用设备 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜电子发射器器件具有一种多层结构，该结构由其间夹有绝缘或介电层的上和下电极组成。该上或“顶”电极由依次叠置在该介电层上的界面层、中介或“中间”层以及表面层组成。该中间层用其升华焓大于表面层的升华焓但小于界面层的升华焓的材料制成。在适当的情况下，表面层可被省略，从而提供了两层结构而不是三层结构。

Description

薄膜电子发射器器件以及采用它的应用设备
本发明一般地涉及适用于电子设备中的电子源模块，且更具体地说是涉及多层薄膜电子发射器件以及采用它的应用设备。本发明还涉及金属-绝缘物-金属(MIM)或金属-绝缘物-半导体(MIS)三层薄膜电子发射器和它们的应用设备-包括但不限于显示设备和电子束(EB)平版印刷设备。
传统上，薄膜电子发射器模块具有诸如MIM或MIS的三层结构-该结构由三个薄膜叠置而成：上或“顶”电极、中或“中间”绝缘层、以及下或“基”电极。在把外部电势加到顶和基电极之间且顶电极处于正极时，这些MIM和MIS电子发射器从顶电极向真空中发射或释放电子。直到今天，已经提出了各种电子发射器，包括采用金属作为其顶和基电极的MIM式的和采用半导体作为至少一个这种电极的MIS式的。一种MIM电子发射器已经在例如日本专利申请公开未审查的(PUJPA)第7-65710号中进行了公布。
原理上，薄膜电子发射器的工作如下。在将驱动电压加到顶和基电极上且借助电势而将夹在其间的绝缘或介电层中的电场设定在1至10兆伏特/cm(MV/cm)或更高的情况下，在基电极中的费米能级附近或周围的电子受到激发，从而通过隧道效应而通过一个势垒而注入到介电层的导带中；随后，这些电子得到加速而进一步地被注入到顶电极的导带中，从而使其行为象所谓“热”电子一样。在这些热电子中，有些的能量大于顶电极的功函数φ的电子随后被释放和发射到真空中。例如，在Au-Al2O3-Al的三层叠置电极结构中，已经观测到了基于上述原理的电子发射。这种电子发射器提供了性能和可靠性方面的优点：一个优点是，即使当功函数φ由于顶电极表面上因为其中吸收了背景气体而出现了污染物而发生变化时，电子发射特性也基本上保持恒定。这使得它们能够成为高度有利的电子发射器，这在若干种应用中变得越来越重要。
不幸的是，现有技术的电子发射器存在着严重的问题，即由于需要将强度高达1至10MV/cm的较强的电场加到介电层上，介电层中会发生劣化，从而产生如PUJPA第7-226146中教导的所谓“形成”现象，而这又在发射的电子或“电流”中产生了有害的噪声和噪声的混合，并同时产生电故障或击穿，这在最坏的情况下会引起薄膜电子发射器的损坏。
在此使用的术语“介电层的绝缘性”包括半导体—如果它们的电阻率高得足以承受高电场的话。这种薄膜电子发射器的一个例子由用于绝缘器的用于基电极多孔硅的硅以及用于顶电极的金属构成，如日本应用物理期刊Vol.34，Part2，No.6A，pp.L705-L707(1995)中所述。
因而本发明的目的，是提供一种新的改进的多层结构—该结构适合于用作电子发射源模块中的基本叠置结构。
本发明的另一目的，是提供一种电子源器件和采用它的设备，该器件和设备能够避免现有技术的问题。
本发明的再一个目的，是提供一种改进的薄膜电子发射器器件以及采用该器件的电子应用设备，其中该器件能够抑制或消除它所采用的绝缘层中的劣化。
上述的目的，是借助本发明的原理而实现的，即通过提供特定的多层薄膜结构，该结构包括上和下电极且在这些电极之间设置有绝缘或介电层，同时使上或“顶”电极由三层—即表面层、中介或“中间”层和界面层—的按照此顺序构成的叠置层构成。非常重要的是，中间层用一种选定的材料制成，该材料的升华焓大于构成表面层的材料的升华焓但小于界面层的升华焓。
在顶电极的电阻率保持为足够低的情况下，表面层并不总是需要的；在此情况下，顶电极可以是两层或双层结构—它基本上由界面层和中间层构成。术语“足够低”在此指的是一定程度的电阻率，这取决于若干设计要求-诸如薄膜电子发射器的器件结构、所希望的发射电流密度、电子发射的表面均匀性等等。更具体地说，允许顶电极的电阻值按照需要而随着其净面积的减小或随着发射电流密度的减小而增大。或者，在其中发射电流的表面均匀性在设计要求上不是如此重要的情况下，可以在一定程度上允许顶电极的电阻的略微增大。在此情况下，顶电极的电阻率被认为是“足够低”，而不需要采用在其上形成的表面层。
较好地，中介层可以用铂(Pt)制成，因为其具有根据需要形成均匀薄膜的固有能力。
本发明的一个显著优点，是能够实现MIM或MIS型的改进薄膜电子发射器，它能够避免在长期使用时发生劣化的危险。这是由于顶电极是用三层薄膜的叠层构成的，该三层包括界面层、中间层和表面层，而中间层的升华焓大于表面层的升华焓但小于界面层的升华焓。
本发明的另一优点，在于由于界面层的厚度的优化，能够实现可靠性和稳定性增强的增强发射电流密度。
本发明的再一个优点，是在其中有关实现顶电极导电率增大的设计要求不非常严格的情况下，顶电极可以只包括两层-即界面层和中间层，而不采用表面层。这里，中间层以Pt制成，而界面层用具有大于Pt的升华焓的选定材料制成。
本发明的进一步的优点，是如此设置的薄膜电子发射器器件能够被用于构成若干类型的先进的电子设备-包括但不限于厚度减小的高分辨率显示板，从而实现增强的显示特性并同时延长寿命，以及EB平版印刷设备，从而实现工作速度的同时并延长其寿命。
从以下对本发明的附图所示的最佳实施例的具体描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见。
图1显示了薄膜电子发射器的工作原理。
图2显示了薄膜电子发射器的电子发射效率与驱动电压的关系，显示了前者对后者的依赖性。
图3A显示了根据本发明的一个最佳实施例的MIM电子发射器件的横截面图；且图3B显示了电子发射器的平面图。
图4是加到图3A和3B所示的电子发射器的驱动电压信号的示例性波形。
图5是曲线图，显示了图3A-3B的MIM电子发射器的发射电流的稳定性。
图6A显示了根据本发明的另一实施例的MIM电子发射器器件的剖视图；且图6B显示了其平面图。
图7显示了根据本发明的又一实施例的MIM电子发射器器件的横截面图。
图8显示了根据本发明的另一实施例的显示装置的剖视图。
图9显示了图8所示的显示装置的平面结构。
图10是图8所示的显示装置中采用的电驱动电路的电路图。
图11显示了一个时序图，显示了用于操作图8-10的显示装置的操作的驱动电压信号的脉冲序列。
图12A和12B分别显示了根据本发明的另一实施例的显示装置的剖视图。
图13是图12A-12B的显示装置的平面图，用于显示其荧光平面的位置；且图14显示了其另一平面图。
图15A至15G显示了制造用在图12A至14的显示装置中的薄膜电子发射器的某些主要步骤。
图16显示了根据本发明的另一实施例的EB平版印刷设备的立体图。
参见图1，其中显示了一种典型的薄膜电子发射源器件，作为分析其工作原理的、只用于说明目的的模型。如在描述的序言部分中所述，该薄膜电子发射器具有多层结构-它典型由上或“顶”电极11和下或“基”电极13以及夹在它们之间的介电层12组成。顶和基电极11、13与相关的直流(DC)电压源单元20耦合以从其获得驱动电压。在把这种驱动电压加到顶和基电极11、13之间并同时将介电层12内的电场置于大于1至10MV/cm的电平时，在基电极13中的费米能级附近或周围的电子试图借助隧道效应而通过一个势垒而注入到介电层12的导带中；随后，这些电子得到加速而进一步地注入到作为称为“热”电子的包的顶电极11的导带中。这些热电子可包含特定的、其功函数φ的能量大体顶电极11的电子；如果是这种情况，这种“激发”的热电子将被向外部释放到图1中用标号10表示的真空中。这里，发射的电子流或“电流”的效率-即电子发射效率-可以由从基电极13流入顶电极11的二极管电流Id与发射电流Ie的比值来确定，而发射电流Ie是实际释放到真空10中的电流，该效率Ie/Id可以从10-3至10-5。
见图3A，其中显示了根据本发明的一个实施例的薄膜电子发射器的剖视图，该发射器由具有三层结构的顶电极11构成，而该三层结构由界面层16、中介或中间层17以及表面层18组成。如所示，采用本发明的电子发射器的一个特征，在于顶电极11是由三层的叠置构成的：以如下顺序叠置在下面的介电层12上的界面层16、中间层17和表面层18。
首先结合图3A和3B描述界面层16。对于本发明的所示实施例，  界面层16由具有较大升华焓ΔHs的专门选定的材料制成。选择这种高ΔHs材料的理由如下。
如半导体技术的本领域的技术人员所容易理解的，可以考虑的是，介电层12在其上加有强电场时发生劣化的机制，是基于“其中构成电极的原子在电场的作用下试图向介电层运动或迁移的电迁移”。这种电迁移发生机制可以以这样的方式被用作一种模型-即当正电压被加到顶电极11上时，构成其的原子在偏置所产生的电场的作用下发生升华，从而提供了隔离的原子或原子态，而该原子或原子态随后被介电层12中的电场所电离，从而使所产生的离子由于这种电场的出现而运动或迁移。
因此，构成顶电极11的原子升华所需的能量(即升华焓ΔHs)越大，发生介电层12退化就越难。这就是采用仔细选择的、具有较大升华焓ΔHs来构成顶电极11的界面层16的原因。
实际上，如下面将结合图5所详细描述的，我们的实验表明，在测试其顶电极11采用各种材料制成的若干种MIM电子发射器的情况下，其工作稳定性随着与介电层12接触的材料的升华焓ΔHs的增大而提高。
另外，这种电迁移产生机制在例如电化学学会期刊(Vol.133，No.6，pp.1242-1246)中得到详细描述。
中间层17的结构如下。一般地，中间层17当其厚度小于或等于3nm时不再保持为任何连续的膜；它在结晶过程中倾向于生长成岛。界面层16主要试图填充或掩埋这些岛之间的任何可能的空隙，从而起着防止表面层18与介电层12相接触的作用。更具体地说，在其中包含金(Au)或其等价物的表面层18被直接叠置在界面层16而没有中间层17的情况下，具有较小的升华焓ΔHs的Au原子或离子试图通过膜岛之间的空隙而向外扩散到介电层12中，从而造成薄膜电子发射器的劣化。为了消除这种向外扩散，专门提供了其升华焓Hs大于表面层18的中间层17。表1显示了各种金属的升华焓ΔHs和电阻以及所涉及的其他材料特性值。   族        ΔHs     I.P.    功函数    电阻率
        (kcal)    (eV)    (eV)      (Ω-cm)Ac    1b    67.9      7.574    4.28     1.61Al    3b    78.7      5.984    3.74     2.74Cu    1b    80.5      7.724    4.47     1.7Au    1b    88        9.22     4.7      2.2Fd    8     90        8.33     4.82     10.55Ti    4a    112.3     6.82     4.09     43.1V     5a    122.9     6.74     4.11     19.9Rh    8     133.1     7.46     4.65     4.78Pt    8     135       9        5.29     10.42Th    3a    137.5     -        3.41     15Zr    4a    145.5     6.84     3.84     42.4Hf    4a    148       7        3.53     30.6Ru    8     154.9     7.364    4.52     7.37Mo    6a    157       7.1      4.27     5.33Tc    7a    158       7.28     -        -Ir    8     160       9        4.57     5.07Nb    5a    172.4     6.88     3.99     14.5Ta    5a    186       7.88     4.12     13.1Re    7a    186.1     7.87     5.1      18.6Os    8     189       8.7      4.55     9.13W     6a    203.4     7.98     4.5      5.33
如上述表1所示，具有高升华焓ΔHs倾向于呈现出较高的电阻率。
参见图2。该曲线图显示了根据所示实施例的某些实验结果—该结果显示电子(电流)发射效率Ie/Id与电子发射中的驱动电压的关系，而该实施例采用了由3nm厚的界面层16和6nm厚的Au表面层18组成的叠置层。在此曲线图中，作为一个比较例子，对于其顶电极只由9nm厚的Au膜构成的顶电极的电子发射，也显示出相同的关系。这里的各个样品的界面层16可以由钨(W)、铱(Ir)或铂(Pt)。介电层12的测量厚度为5.5nm。介电层12和顶电极11的厚度在所涉及的所有样品中都保持恒定，从而保证了样品之间的电子发射效率的可能的差反映了各个膜之间的热电子的透过率之差，而这些膜每一个都与介电层12-即3nm厚的W、Ir、Pt和Au膜相接触。在加上了6.5V的驱动电压时，电子发射效率Ie/Id是这样的-即使得Au(9nm)提供0.3％的最大值，Pt(3nm)-Au(6nm)为0.1％，Ir(3nm)-Au(6nm)为0.03％，且W(3nm)-Au(6nm)为0.005％。这表明电子发射效率Ie/Id随着原子周期表中的族数的减小而成比例地减小。这种倾向是由于这样的事实，即热电子对电子发射的顶电极的透过率是由金属内部发生的电子-电子散射而确定的。由于能量守恒定律，电子-电子散射的横截面随着顶电极状态密度的增大而增大。更具体地说，当热电子的动能是E0时(参照顶电极的费米能级而测量到的)，散射横截面主要地由从-E0至E0范围中的状态密度确定。在费米能级附近的状态密度主要由能量局部化的d轨道在金属中是如何占据来确定，因而它取决于金属的电子结构。费米能级附近的状态密度，因而散射横截面，以递增的顺序改变：周期表中的族1b和2b＜族8＜族7a＜族6a、5a、4a和3a。通常，升华焓ΔHs高的某些金属属于覆盖3a至8族的过渡金属，其电子发射效率Ie/Id保持为小于诸如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等的1b族金属。所示的采用本发明的电子发射器件具有特定的膜叠置结构，其中这种中间层被设置在上和下电极层之间。
获得高发射电流Ie的一种可能的方法，是使界面层16更薄。金属薄膜内的热电子的透过率可以用exp(-d/λ)来表示，其中d是金属薄膜的厚度，且λ是热电子的平均自由程。其结果，如果前述界面层16的厚度更薄而达到例如1nm，则所产生的热电子透过率可能增大大约七至八倍。因此，在采用Ir(1nm)-Au(6nm)叠置结构作为顶电极11而不是采用图2的结构中的Ir(3nm)-Au(6nm)叠置结构的情况下，所获得的电子发射效率Ie/Id为从0.2至0.25％，这基本上与Au(9nm)金属的相同。或者，通过采用W(1nm)-Au(6nm)合金，Ie/Id可以增大到0.035至0.04％。显然，金属薄膜的厚度d越小，电子发射效率Ie/Id越大。这样，即使在采用具有较高升华焓ΔHs的金属(诸如Ir、W等等)的膜的情况下，通过使膜厚度d减小，也可以成功地避免电子发射效率Ie/Id问题。在此情况下，虽然界面层16倾向于生长为岛，但在所获得的薄膜电子发射器中绝对不会由于在顶电极11和基电极13(如图3A中所最清楚地显示的)之间的中间层17而出现劣化。
应该注意的是，Pt对于中间层来说是更好的，而在图2的实验中已经将其用于中间层17。如从图2可见，Pt在发生热电子离散的几率上小于Mo和Ir。另外，Pt呈现出固有的性质，即它即使当厚度大大减小时也倾向于均匀地生长。因此，这有利地被用于防止表面层材料由于Pt位于岛状生长界面层16的空隙之间而意外地与下面的介电层12相接触。
现在描述不要求形成表面层18的某些情况。以举例的方式，考虑这样的情况，即其中用于在其中限定专用作电源线(例如总线)电导线被如此地设置-即使得其与顶电极11相物理接触以提供必要的电源电压，从而调节或软化对顶电极11的电阻率的技术要求。
应该注意的是，在例如PUJPA第2-306520中，公布了一种用于顶电极的现有技术的已知两层结构，其中该两层以如下方式被依次叠置在介电层12上：用诸如铝、镉、铅等等负离子化材料制成的第一层；以及，用诸如银、钼、钽、铬和金等耐微电子制造处理的化学稳定材料制成的第二层。不幸的是，其中所公布的这种现有技术方法有一个问题，即被选定制成第一层的材料的升华焓ΔHs仍然较小-例如对于铝为78.7千卡路里(kcal)，对于镉为26.7kcal，对于铅为46.78kcal，且更为严重的是，上述材料的升华焓甚至小于金(88kcal)-它是被用于第二层的较好材料之一并且是作为根据本发明的所示实施例的表面层18的较好的、有代表性的材料。这使得本发明在专利性方面在原理概念上能够区别于上述的现有技术。
应该注意的是这样的事实，即薄膜电子发射器可以广泛地用于各种电子应用，包括厚度减小的高分辨率显示设备、电子束(EB)光刻设备等等。关于这种应用设备或装置，由于薄膜电子发射器能够在实现电子发射器行和列阵列的情况下稳定地发射高密度电子流或电流，因而能够使显示设备和EB平版印刷设备都获得长的寿命和高的亮度。
一个例子是，通过采用其上有两维(2D)或电子发射器面阵列的基底，而设置薄膜电子发射器应用设备；该基底与一个面板(以下称为“前板”)相叠置-该面板的表面上淀积有荧光物-并将所产生的叠置结构封闭在真空环境中。
另一个例子是薄膜电子发射器应用EB平版印刷设备包括一个三层结构的薄膜电子发射器模块-诸如电子源-以及在操作上与其相联系的电子透镜。在此情况下，该电子发射器模块可包括一个基底-该基底上排列有2D或面矩阵形式的多个薄膜电子发射器装置，从而能够同时把所需的集成电路(IC)图形转移到目标片上。
现在结合附图来描述本发明的若干实施例。
第一实施例
参见图3A和3B，其中显示了薄膜电子源的主要部分-以下将其称为“电子发射器”。图3B显示了电子发射器的平面图，而图3A显示了沿着图3B中的A-A线取的其相应横截面图。该电子发射器包括用玻璃等制成的绝缘基底14。玻璃基底14具有一个表面-该表面上形成有厚度为例如100nm的、可以是铝(Al)的导电膜13。该铝膜被作为下或“基”电极。这里，可以采用射频(RF)磁控管溅射技术，以形成铝基电极膜13。铝膜13的暴露表面随后受到阳极氧化或阳极化处理以在其上形成厚度为5.5nm的绝缘或介电层12。用于这种阳极化处理的阳极化电流被限制在使得能够提高介电层12的膜质量的值。随后，借助RF磁控管溅射技术，把选定的介电材料—诸如SiO2、Al2O3-Al等等淀积至50nm的厚度，以提供一个保护层15。随后，在真空环境下，借助类似的溅射技术，继续形成另一铝膜，以提供三层叠置结构的上或“顶”电极。此时，依次形成了三个膜：作为“中间”层17的、1nm厚的Ir膜；2nm厚的、作为界面层16的Pt膜；以及，3nm厚的、作为表面层18的Au膜。所产生的三层叠置结构的总厚度为6nm。最后，形成具有图形的Au层，以提供顶电极11的总线图形32。
随后，所产生的结构被置于处于10-7乇的选定真空度的真空腔(未显示)中，以在顶电极总线线路32接地的情况下将脉冲电压加到基电极13上，从而保证了操作的稳定性。如图4所示，所用的脉冲电压包括重复周期为T的恒定间隔t1的负极性脉冲串分量，其每一个都具有设定在-9V的电势电平且其脉冲宽度tw被设定在64微秒(ms)。这里，相邻脉冲之间的每一个间隔t1可以是16.54ms。换言之，首先加上-Vd1＝-9V的、预定脉冲宽度tw＝64的脉冲电压；随后加上时间周期为16.54ms的电压Vd2＝0V。这种脉冲周期将以周期T＝16.6ms重复。注意重复周期T和脉冲宽度tw的值可以根据需要而得到修正；例如，周期T可以从2ms至1000ms，而tw＝1ms至200ms。在此方面，如PUJPA第7-226146所教导的，通过将电压Vd2修正至电势落在Vd2＝+1至+5伏特范围内的正移动，可以使MIM电子发射器的稳定性得到进一步的改进。
图5显示了老化测量结果，该结果显示了所产生的、体现本发明的MIM电子发射器的峰发射电流密度Je与所经过的时间之间的关系，如图5中被标为Ir-Pt-Au的。为了比较，使其他发射器样品也受到类似的老化测试：一种是带有两层叠置顶电极结构的—该结构由3nm厚的Pt界面层和3nm厚的Au表面层构成，并被标为“Pt-Au”；另一个被标为“Au”的，是只由厚度为6nm的Au膜构成的单层顶电极结构。对于这三种不同的MIM电子发射器，所加的电压被设定在固定的电平，以保证二极管电流Id在它们之中被保持为恒定；且同时加到各个样品的介电层12的电场彼此相等。如本领域的技术人员从图5中所容易看到的，借助该Au单层结构，虽然电流密度Je在开始时由于其电子发射效率Ie/Id而处于较高的值，但Je倾向于随着时间而减小；在过去了50分钟之后，电子发射最后停止。借助Pt-Au两层结构，虽然开始的峰发射电流密度Je很高-达到2mA/cm2，但它在过去大约400分钟之后迅速地降低。以此方式，具有Pt-Au两层结构的顶电极与Au单层顶电极相比具有长得多的寿命；然而，特别是当需要较高发射电流时，不再能够获得足够的寿命特性。与其相对比地，借助体现本发明的Ir-Pt-Au三层结构，由于界面层16特别地包括了Ir，其初始峰发射电流密度Je保持在约2.5mA/cm2的较低值；因此，稳定性得到了显著的改善，从而即使在过去了400分钟之后也没有观测到发射电流密度Je的降低。这是由于采用了Ir-其升华焓高于Pt-制造界面层16，有利地进一步地抑制了构成顶电极11的原子向着介电层12的有害的迁移。
应该注意的是，在此实施例中，阳极化所形成的介电层12的特性，通过采用高取向膜或单晶膜来形成基电极13，而得到了进一步的改善，从而实现了极其高性能的MIM电子发射器。另外，也可以借助溅射或阳极化以外的淀积技术，来形成介电层12。
还应该注意的是，虽然前述的涉及带有用Ir制成的界面层16的具体实施例，在其中中间层17包括Pt的情况下，如果界面层16是其他更高升华焓的材料-诸如锆、铪、钌、钼、铌、钽、铼、锇、钨或从其中选出的多个元素的合金-所制成的，也可以获得类似的优点。
第二实施例
在上述的第一实施例中，不需要形成表面层18；在顶电极11在没有表面层18的情况下呈现出“足够”低的电阻率的情况下，不需要该表面层18。图6A和6B所示的第二实施例采用了这种方式，其中图6B是平面图，而图6A是其沿着线A-B的横截面图。如图6A所示，所示的薄膜电子发射器是由介电层12上的界面层16与中间层17的叠层构成的。在此情况下，所产生的顶电极11的电阻比第一实施例的大。为了对此进行补偿，顶电极11经过总线32而与有关的电源终端节点耦合，以避免在其他情况下当顶电极11的电阻率高到一定程度时所可能出现的问题。
第三实施例
图7中显示了根据本发明的第三实施例的MIM电子发射器。如所示，一个n型硅基底通过热阳极化技术而得到氧化，从而在其上形成了介电层12。随后，借助化学汽相淀积(CVD)或溅射技术而淀积出一定厚度(例如50nm)的SiO2膜，以提供保护层15。随后，借助RF磁控管溅射在其上依次形成三层顶电极11。在此处理期间三个膜的形成如下：作为界面层16的1nm厚的Ir膜；作为中间层17的2nm厚的Pt膜；以及作为表面层18的3nm厚的Au膜。所产生的三层叠置结构的总厚度为6nm。最后，形成具有图形的Au层，以为顶电极11提供总线图形32。
下面将要说明采用体现本发明的一或若干种薄膜电子发射器的应用设备。
第四实施例
图8和9显示了显示设备的一个实施例。图8显示了图9的平面结构的横截面图，而图9是在显示设备的绝缘基底上的电子发射器的电极的行和列阵列。该基底在图9中是不可见的，并在图8B中用标号14表示。基底14可以是其上用RF溅射方法形成有基电极13的玻璃基底。在该处理期间，如图9所示，借助适当的掩膜或光刻和蚀刻技术的结合，形成了图形。随后，借助阳极化形成了介电层12。随后，借助RF溅射形成选定介电材料(这里是SiO2)的保护层15。保护层15的作用，是通过消除否则将由于电场在基电极13的边缘或角落部分处的局部集中而产生的介电击穿来延长器件的寿命。
随后，进行溅射以依次形成顶电极11的三个叠置膜。此时，一个1nm厚的Ir膜被形成为界面层16；一个2nm厚的Pt膜被作为中间层17；且一个6nm厚的Au膜被作为表面层18。所产生的三层叠置结构的总厚度为9nm。如图9所示，界面层16、中间层17和表面层18组成的每一个叠层，都只在与基电极13的相应交点上形成。随后，形成厚度为500nm的选定高导电材料-诸如Au，从而具有如图8B所示的一定图形。所产生的具有图形的膜被用作顶电极总线32。如图8B所示，每一个总线32的宽度，在除了顶电极11以外的所有位置，都被限制在小于构成层16-18的顶电极11的宽度的宽度，从而使得可以减小顶电极总线32与基电极13之间的固有寄生电容，从而实现高速的器件操作。
如图8所示，一个前板110用刚性透明材料-诸如玻璃-制成，并且其内表面上借助溅射而整个地形成有氧化铟锡(ITO)绝缘透明加速电极112。在该ITO加速电极112上借助淀积覆有一个荧光膜114。荧光膜114可以用即使在采用低能电子束的情况下也能够呈现高亮度效率的具体材料(较好地是ZnO：Zn)制成。通过采用一定形成隔离件(未显示)，其内表面上带有加速电极112和荧光膜114的前板110与其上有电子发射器阵列的显示基底14被组装在一起，而该隔离件具有200-m的厚度并围绕着其周边；随后，所产生的结构利用熔接玻璃而得到密封。限定在基底14与前板110之间的内空间随后被抽真空，从而完成了显示设备的显示板100。
图10显示了与有关的驱动电路耦合的、如此制成的显示板100的电路。基电极13与基电极驱动电路41相连，而顶电极总线32与顶电极驱动电路42相连。加速电极112与加速电极驱动电路43相耦合。注意在第n个基电极13(例如Kn)与第m个顶电极总线32Cm之间的交点处的一个点，在下面将用(n，m)表示，其中n和m都是整数。
参见图11，其中显示了在相应的驱动电路的节点处产生的几个主要电压信号的波形。虽然在图11的波形图中没有专门表明，400V的电压被持续加在加速电极112上。
如图11所示，各个电极在时刻t0都处于零伏特，从而使得没有电子从其发射；因此，荧光膜114不发光。
在图11的时刻t1，一个基电极13K1上被加上了-V1的电压，而用C1和C2表示的顶电极总线32接收到电压+V2。一定的电压(V1+V2)被加到点(1，1)和(1，2)的基电极13与顶电极11之间；因此，把该电压(V1+V2)设定在预定的、高于电子发射起始电势的电势，可以使这两个薄膜电子发射器发射或释放电子到显示板100的真空空间10中。所发射的电子随后受到加到加速电极112上的电压的加速，从而打到荧光膜114上以使其发光。
随后，在图11的时刻t2，一个电压-V1被加到基电极13K2上，同时将电压V2加到一个顶电极总线32C1上，从而使点(2，1)接通并发光。以此方式施加图11的一个组电压波形，使得图10中只有带有影线的选定点接通。
以上述方式，可以通过改变或修正加到顶电极总线32上的信号，来显示任何所希望的图象或信息。另外，还可以通过根据所需的图象信号而适当改变电压信号V1的强度，而可视地显示多种灰度级别的图象。
借助体现本发明的薄膜电子发射器，可以制成高亮度/长寿命的显示板，因为能够获得增强的电子发射特性和改进的稳定性和可靠性。
第五实施例
现在结合图12-15来描述采用本发明的原理的其他例子。图13是从面板侧看的显示板的平面图；而图14是从面板侧看的显示基底的平面图。图12A中显示了图13和14的每一个结构沿着线A-B的横截面图，而图12B显示了相对于其左半部分的、沿着线C-D的横截面图。
将要在显示基底上形成的薄膜电子发射器的制成方法如下。见图15A至15G，这些图显示了在显示基底14上制造这种薄膜电子发射器的某些主要步骤。这里应该注意的是，为了说明的目的，每一个图都是两种描述的结合，其右侧是平面图且左侧是对应于沿着图13和14中的线A-B的有关的横截面图。还应该注意的是，虽然图15A-15G为了说明的目的而只显示了一个电子发射器，但本领域的技术人员容易理解的是，在实际上类似的器件将被设置并组成同一显示基底上的2D矩阵形式，如图12和14所示。
首先，如图15A所示，制备用玻璃等等制成的一个绝缘基底15；随后，在基底14上形成诸如铝膜的、例如300nm厚的金属薄膜，以作为基电极13。该铝膜的形成是借助溅射、电阻加热器淀积、分子束外延(MBE)等等而进行的。随后，该铝膜借助光刻抗蚀剂形成和随后的蚀刻处理而形成图形，从而在其中限定条形的图形以形成各个基电极13。这里采用的抗蚀剂可以是任何种类的，只要它们适合被用于蚀刻处理，而该蚀刻处理可以是湿蚀刻和干蚀刻技术中的任何一种。该基电极13受到阳极化处理以形成厚度为5至10nm的介电层12。在此实施例中，阳极化电压被设定在4V，以形成5.5nm厚的介电层。所产生的结构如图15A所示。
随后，如图15B所示，淀积抗蚀剂并用紫外线照射，以形成图形，从而获得图15B的具有图形的抗蚀剂掩膜501。可以采用二叠氮化醌为基础的正抗蚀剂材料作为掩膜。借助留在其上的具有图形的抗蚀剂掩膜501，再次进行阳极化以形成保护层15。在该第二阳极化处理中，阳极化电流被设定在50V或其附近，以使保护层15的厚度达到70nm。这是图15C所示的状态。
在利用选定的有机溶剂(诸如丙酮)除去了抗蚀剂掩膜501之后，采用类似的处理以形成如图15D所示的另一具有图形的抗蚀剂掩膜502。随后在基底14的整个表面上形成作为顶电极总线32的金属膜。较好地，该金属膜-它具有用于限定总线32的图形-具有一种多层叠置结构，该结构包括呈现出与基底14的优异粘合特性的下层，诸如钼，以及具有较大导电率的硬氧化金属制成的上层；这些层是借助溅射或淀积而依次形成的。下面的钼层也可以用其他金属制成，包括铬，而这些金属具有与介电材料的较强的附着性，诸如钽、钨、铌等等。作为用于上层的材料，除了Au之外，可以采用Pt、Ir、铑、钌等等。借助这些金属，可以保持与随后所要形成的界面层16的优异的电接触。这里应该注意的是，构成顶电极总线32的金属膜的厚度可以根据对引线的电阻率的具体要求而进行修正。例子，在此实施例中，钼膜的厚度为30nm，而Au膜的厚度为100nm。随后，借助利用诸如丙酮的有机溶剂的已知的剥离技术除去抗蚀剂掩膜502，从而使所产生的结构如图15E所示。
随后，形成如图15F所示的具有图形的抗蚀剂掩膜503。所产生的结构随后被置于选定的阳极化流体中以实现阳极化。这里的阳极化电流的电势可以与形成介电层12的类似，在此实施例中为4伏特。由于使用了活性化学物质-诸如显影溶液-而介电层12经过它至此所已经经历的几抗蚀剂图形形成处理，可能受到某些损坏。为了修复该层，所产生的结构在形成其上面的顶电极之前再次受到阳极化。随后，依次形成界面层16、中间层17以及表面层18。为了形成这些膜，要在保证连续地形成各个层而不损坏或影响真空环境的情况下采用溅射。在此实施例中，1nm厚的Ir膜被形成为界面层16；2nm厚的Pt膜被形成为中间层17；且3nm厚的Au膜被形成为表面层18。或者，象该实施例那样，在其中具体采用了专用于提供电压给顶电极的总线32且顶电极的面积保持为较小的情况下，顶电极可以包括两层-例如为1nm厚的Ir界面层16和2nm厚的Pt中间层17，而省掉了表面层18。
随后，借助利用诸如丙酮的有机溶剂的剥离技术，除去最后形成的抗蚀剂，从而完成了所需的、如图15G所示的薄膜电子发射器。利用前述的制造方案，在显示基底14上相继地形成了该薄膜电子发射器。该电子发射器用于从抗蚀剂图形501所限定的一定的区域发射电子。由于形成了覆盖这种电子发射部分的周边部分的、作为保护层15的厚介电膜，在顶和基电极之间产生的电场将不再试图局部集中在基电极的侧边缘和/或角落上，这又使得能够实现长期稳定和可靠的电子发射。
现在参见图12A和12B，前板110可以用包括玻璃的透明材料制成。首先，如图12B所示地形成一个黑矩阵120。黑矩阵120被适当地布局，以位于图13的相邻荧光部分114之间，虽然在图13中看到这布局。
黑矩阵120可以用以下方式制造：在前板120上淀积石墨颗粒与聚乙烯醇(PVA)和重铬酸铵的混合物；用紫外线照射将要在其上形成黑矩阵120的每一个选定的部分以进行照像曝光；随后，从其除去未曝光的部分。
随后，形成了一个红荧光材料114A。在前板110的  表面上淀积了荧光颗粒的混合物与PVA和重铬酸铵的混合物之后，随后进行紫外线照射以对经历荧光材料形成的选定部分进行曝光；随后，用水流除去未曝光的部分。以此方式，在红荧光材料114A上形成了图形。所产生的图形如图13B所示地限定。所示的图形只是一个例子，且可以根据各种显示设计要求而进行自由的修正；例如，它可以是所谓的RGBG图形-它采用了四个相邻的点作为单个的象素。该荧光膜的厚度等于1.4至2个荧光颗粒层。以与上述的方式类似的方式，形成一个绿荧光材料11B和蓝荧光材料114C。例如，红的荧光材料可以是Y2O2：EU(P22-R)，绿的荧光材料可以是Zn2SiO4：Mn(P1-G1)，且蓝的可以是ZnS：Ag(P22-B)。或者，红的荧光物可以是YP0.65V0.35O4：Eu，绿的Zn2SiO4：Mn(P1-G1)，且蓝的可以是(Y，Gd)P0.85V0.15O4。
随后，在利用硝化纤维膜等等形成了膜之后，在前板110上整个地淀积厚度为大约50至300nm的铝覆盖膜，以提供金属衬122。在此之后，板110被加热至400℃或接近允许成膜的膜和诸如PVA的有机膜的水解的温度，从而完成前板110。
所产生的前板110和显示基底14，借助在其周边处夹在它们之间的适当的隔离件，而被组装在一起，并随后利用熔接玻璃而得到熔接密封。前板110与基底14的位置关系布局如图13所示。在图14中，如此形成在基底14上的薄膜电子发射器阵列的平面布局，以与图13的显示类似的方式，得到了显示，虽然保护层15和顶电极表面层18为了说明的目的被从其省略了。
分开的前板14和基底14之间的距离为从1至3mm。在它们之间夹有隔离件60，以消除由于当这种板被抽真空时或之后由于在大气压下的外力作用而对显示板造成的损坏。因此，在利用用于前板110的3mm厚的玻璃板制造其显示面积不小于或等于4cm(宽度)×9cm(长度)的显示设备的情况下，不再需要隔离件60。这可以说是由于具有这样的尺寸的板110和基底14能够借助自身的机械或物理强度承受这样的大气压力。当使用时，隔离件60被适当地设置而使其形状如图13所示。这里，为发射红(R)、绿(G)和蓝(B)光分量的每一组点，即为由三列顶电极组成的每一个组，提供了一个隔离件支撑部件；然而，这种支撑部件的数目可以得到减小，只要能够获得所需的机械强度。这种隔离件60可以通过利用喷砂法在诸如陶瓷或玻璃的介电板上限定具有所希望的形状的开口或孔而制成。
密封接合的显示板被抽真空至1×10-7乇，以进行密封封装，从而完成采用体现本发明的若干薄膜电子发射器的显示板。
借助这种实施例，由于前板110与基底14之间的距离为1至3mm，因此可以把至金属本底122的加速电压增大至3至6kV。因此，如上所述，可以采用目前可获得的、用于阴极射线管(CRT)的荧光材料来作为荧光材料114。用在本实施例中的几种驱动信号的电压波形，与用在第四实施例中的类似，而这里的加速电压被3至6kV的高压所取代。
第六实施例
图16显示了根据本发明的第六实施例的一种EB平版印刷设备。虽然可以采用至少一个电子发射器作为这种EB平版印刷设备中的电子源，这种实施例得到了专门的设计，以采用一种多电子发射器组件200-它包括由薄膜电子发射器行和列组成的面或2D矩阵。
多电子发射器单元200在电驱动方法上与根据第四和第五实施例的显示设备的类似，以将表示预定的图形的电子束发射和投射到一个目标半导体片240上，而该图形对应于所希望的集成电路。所发射的该电子束随后得到导向以通过一个消隐装置210；在离开其之后，所产生的束被电子透镜220的会聚而使其直径减小至1/1000，以提供直径减小的点束-它随后受到偏转系统230的偏转并随后被投射到片240上，从而使集成电路图形被转移到其上。借助提供同时集成电路图形转移的所示的EB平版印刷设备，所要求的抗蚀剂曝光保持在较短的时间，因为电子发射的密度高且其具有一次将多个集成电路图形转移到片240上的能力。这可以使产量与现有技术的EB系统相比得到很大的提高。
在此说明书中提到的所有公开和专利申请，都被作为参考文献，就象在在此得到具体和分别的完全引用一样。另外，1996年11月26日递交的日本专利申请第8-314502号也在此被全部引作参考文献。
虽然已经结合其最佳实施例而具体显示和描述了本发明，但本领域的技术人员应该理解的是，本领域的技术人员将很容易地理解各种替换、修正和改进。这些替换、修正和改进应该属于本公布的一部分，并属于本发明的精神和范围之内。因此，本发明的范围不应该受到在此所描述的具体实施例的限定，而是应该只受所附的权利要求书及其等价描述的限定。

Claims (25)

1.一种薄膜电子源器件，包括：
一种多层薄膜结构，它包括上和下电极及在它们之间的绝缘层；
所述上和下电极接收一个电压，  其中上电极的极性为正以使所述上电极能够从其表面向真空发射电子；
所述上电极具有两层结构，该结构包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层和第二层；且
所述第一层用其升华焓大于所述第二层的选定材料制成。
2.一种薄膜电子发射器器件，包括：
一种多层薄膜结构，该结构包括其间夹有一绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极适合于接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有由依次叠置在所述绝缘层上的界面层、中间层和表面层组成的三层结构；且
所述中间层的升华焓小于所述界面层的升华焓并大于所述表面层的升华焓。
3.根据权利要求2的器件，其中所述中间层包括铂(Pt)。
4.一种薄膜电子发射器器件，包括：
一种多层薄膜结构，它包括其间有绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极适合于从外部接收一个电压，其中上电极的极性为正，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有三层结构-该结构包括依次叠置在所述绝缘层上的界面层、中间层和表面层；
所述界面层是用从由锆(Zr)、铪(Hf)、钌(Ru)、钼(Mo)、铱(Ir)、铌(Nb)、钽(Ta)、铼(Re)、锇(Os)和钨(W)组成的组中选出的一种或从中选出的多种元素的合金制成的；
所述中间层包括铂(Pt)；且
所述表面层是用从金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)组成的组中选出的一种元素或从中选出的多种元素的合金制成的。
5.一种薄膜电子发射器器件，包括：
一种多层薄膜结构，包括其间有绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极适合于接收电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有由依次叠置在所述绝缘层上的界面层和中间层组成的两层结构；
所述中间层用铂(Pt)制成；且
所述界面层用升华焓大于铂的材料制成。
6.一种薄膜电子发射器器件，包括：
一种多层薄膜结构，包括其间夹有绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极适合于接收一个电压，且上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有叠置在所述绝缘层上的界面层和中间层所组成的两层结构；且
所述界面层是用升华焓大于所述中间层的材料制成的并具有与所述上电极物理耦合以为所述上电极提供电压的电源引线层。
7.根据权利要求6的器件，其中所述中间层包括铂(Pt)。
8.根据权利要求1的器件，其中所述界面层的厚度等于或小于3nm。
9.根据权利要求1的器件，进一步包括：
设置在所述上电极和所述下电极的侧边缘和角落之间的介电保护层，所述保护层的厚度大于所述绝缘层的厚度。
10.根据权利要求1的器件其中所述下电极是用金属材料制成的。
11.根据权利要求1的器件，其中所述下电极是用半导体材料制成的。
12.一种电子发射器应用设备，包括由多个薄膜电子发射器器件组成的阵列，每一个所述器件包括：
一种多层薄膜结构，它包括其间有一个绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极接收一个电压—上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有由依次叠置在所述绝缘层上的第一层和第二层组成的两层结构；且
所述第一层是用其升华焓大于所述第二层的升华焓的材料制成的。
13.一种电子发射器应用设备，包括：
作为所述设备的电子源的薄膜电子发射器基底，所述基底上有薄膜电子发射器器件的行和列构成的阵列；且
每一个所述器件包括，
一种多层薄膜结构，它包括其间夹有绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，且所述上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层和第二层的两层结构，且
所述第一层是用升华焓大于第二层的升华焓的材料制成的。
14.一种显示设备，包括：
一种薄膜电子发射器器件，它包括，
一种多层薄膜结构，它具有其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压-该上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层和第二层的两层结构，且
所述第一层是用其升华焓大于所述第二层的升华焓的材料制成的；
其上有荧光膜的板；且
所述电子发射器和所述板得到适当设置以使从所述电子发射器发射的电子打到所述荧光膜上。
15.根据权利要求14的设备，其中所述电子发射器和所述板得到密封且在它们之间设置有隔离件，所述隔离件的厚从1至3毫米(mm)。
16.一种电子束平版印刷设备，包括：
至少一个薄膜电子发射器器件，它包括，
一种多层薄膜结构，它具有其间有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有由依次叠置在所述绝缘层上的第一层和第二层组成的两层结构，且
所述第一层是用其升华焓大于所述第二层的材料制成的；以及
使来自所述电子发射器的电子能够通过的一个电子透镜。
17.一种电子束平版印刷设备，包括：
一个基底；
在所述基底上的薄膜电子发射器器件阵列，每一个所述器件包括，
一种多层薄膜结构，它包括其间夹有绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述中间绝缘层上的第一层和第二层的两层结构，且
所述第一层是用其升华焓大于所述第二层的升华焓的材料制成的；以及
允许来自所述薄膜电子发射器的电子通过其的电子透镜。
18.一种电子束平版印刷设备，包括：
一个基底；以及
由所述基底上的薄膜电子发射器器件的行和列所组成的阵列，每一个所述器件包括，
一个多层薄膜结构，它包括其间有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有由依次叠置在所述中间绝缘层上的第一层和第二层的两层结构，且
所述第一层是用升华焓大于所述第二层的材料制成的；以及
允许从所述薄膜电子发射器发射的电子通过其的一个电子透镜。
19.一种电子发射器应用设备，包括由多个薄膜电子发射器器件组成的阵列，每一个所述器件包括：
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极；
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子；
所述上电极具有由依次叠置在所述绝缘层上的第一层、第二层和第三层组成的三层结构；且
所述第二层用其升华焓小于所述第一层的升华焓但大于所述第三层的升华焓的材料制成。
20.一种电子发射器应用设备，包括：
作为所述设备的电子源的薄膜电子发射器基底，所述基底上具有由薄膜电子发射器器件行和列组成的阵列；且
每一个所述器件包括：
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层、第二层和第三层的三层结构，且
所述第二层由其升华焓大于所述第一层的升华焓且大于所述第三层的升华焓的材料制成。
21.一种显示设备，包括：
一种薄膜电子发射器器件，它包括，
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层、第二层和第三层的三层结构，且
所述第二层用其升华焓小于所述第一层并大于所述第三层的材料制成，
其上有荧光膜的一个板；且
所述电子发射器和所述板得到适当设置，以使从所述电子发射器发射的电子打到所述荧光膜上。
22.根据权利要求21的设备，其中所述电子发射器和所述板得到密封且在它们之间设置有隔离件，所述隔离件的厚度在从1至3毫米(mm)的范围内。
23.一种电子束平版印刷设备，包括：
至少一个薄膜电子发射器器件，包括，
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述绝缘层上的第一层、第二层和第三层的三层结构，且
所述第二层用其升华焓小于所述第一层并大于所述第三层的材料制成；以及
允许来自所述电子发射器的电子通过其的电子透镜。
24.一种电子束平版印刷设备，包括：
一个基底；
在所述基底上的薄膜电子发射器器件所组成的阵列，每一个所述器件包括，
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述中间绝缘层上的第一层、第二层和第三层的三层结构，且
所述第二层用其升华焓小于所述第一层的升华焓并大于所述第三层的升华焓的材料制成；以及
允许来自所述薄膜电子发射器的电子通过其的电子透镜。
25.一种电子束平版印刷设备，包括：
一个基底；以及
由所述基底上的薄膜电子发射器器件行和列组成的阵列，每一个所述器件包括，
一个多层薄膜结构，它包括其间夹有一个绝缘层的上和下电极，
所述上和下电极接收一个电压，其中上电极处于该电压的正极，以使所述上电极能够从其表面向真空中发射电子，
所述上电极具有包括依次叠置在所述中间绝缘层上的第一层、第二层和第三层的三层结构，且
所述第二层用其升华焓小于所述第一层的升华焓并大于所述第三层的升华焓的材料制成；以及
允许从所述薄膜电子发射器发射的电子通过其的电子透镜。
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