CN1822281A - 构图催化剂层的方法和场发射器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构图用于合成碳纳米管(CNT)的催化剂层的方法和使用该方法制造场发射器件(FED)的方法。所述构图催化剂层的方法包括：在基板上形成催化剂层，所述催化剂层由具有弱酸负离子团的金属盐形成；在所述催化剂层上形成光致抗蚀剂；使用光掩模将所述光致抗蚀剂曝光为预定的图案；使用强碱显影溶液来去除所述光致抗蚀剂和催化剂层的预定区；和去除所述光致抗蚀剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种构图用于合成碳纳米管(CNT)的催化剂层的方法和使用该方法制造场发射器件(FED)的方法。
背景技术
因为已经已知CNT的独特的结构和电特性，碳纳米管(CNT)已经被用于各种元件中，比如场发射器件(FED)、用于液晶显示器的背光(LCD)、纳米电子器件、制动器和电池等。
FED是从形成于阴极上的发射体发射电子且将电子与形成于阳极上的磷光层碰撞的显示装置。现在，具有高电子发射特性的碳纳米管(CNT)已经被广泛地用作FED的发射体。使用CNT作为发射体的FED具有低驱动电压、高亮度和有竞争性的价格。
一般地，在基板上形成碳纳米管(CNT)的方法包括使用碳纳米管(CNT)浆料的丝网印刷和使用化学气相沉积(CVD)的碳纳米管(CNT)生长。在使用CVD的CNT生长中，可以制造具有高分辨率的显示装置，且可以直接在基板上生长CNT，因此工艺是简单的且已经进行了使用这些优点的CNT生长的活跃的研究。CVD包括等离子体增强CVD(PECVD)和热CVD。
在使用PECVD的CNT生长中，可以在基板上垂直生长CNT且可以在比热CVD更低的温度下执行合成。在PECVD***中，CNT的垂直生长取决于施加在阳极和阴极之间的电场方向。因此，可以根据电场的方向调整CNT的生长方向。另外，因为CNT的生长方向是均匀的，可以容易地调整CNT的密度且可以通过电场来容易地发射电子。但是，均匀CNT的生长不能很好地执行且在低温生长的CNT具有比较大的直径，且因此电子发射特性不好。在使用热CVD的CNT生长中，CNT的生长均匀性非常高，且可以生长比在PECVD中具有更小直径的CNT，从而可以形成具有低开启电压的CNT。但是，与PECVD不同，没有将电场施加到其上生长CNT的基板，且因此CNT的生长方向不均匀，通过热能来执行气体分解且生长温度高。
为了使用CVD生长CNT，应当形成在基板上构图的催化剂层。这里，催化剂层被用于控制CNT的密度、直径、和长度。为了形成在基板上构图的催化剂层，在现有技术中，在基板上沉积薄膜形状的预定的催化剂金属并构图。但是，在上述的方法中，需要形成催化剂金属的薄膜的沉积成本且应当进行复杂的构图工艺，即曝光、显影、蚀刻和剥离工艺，且成本增加。
发明内容
本发明提供了一种构图用于合成碳纳米管(CNT)的催化剂层的方法，通过所述方法可以简化构图催化剂层的工艺，本发明还提供了一种使用所述方法来制造场发射器件(FED)的方法。
根据本发明的一方面，提供有一种构图催化剂层的方法，所述方法包括：在基板上形成催化剂层，所述催化剂层由具有弱酸负离子团的金属盐形成；在催化剂层上形成光致抗蚀剂；使用光掩模将光致抗蚀剂曝光为预定的图案；使用强碱显影溶液来去除光致抗蚀剂的预定区和催化剂层；和去除光致抗蚀剂。
金属盐可以包括选自醋酸盐族、草酸盐族和碳酸盐族的至少一种。金属盐可以包括选自Fe、Ni、Co和Y的至少一种。
显影溶液可以包括四甲基铵氢氧化物(TMAH)。
形成催化剂层可以包括涂布溶液并干燥所述溶液，在所述溶液中将金属盐溶解在预定的溶剂中。溶剂可以包括乙二醇和乙醇的至少一种。金属盐可以在室温下具有相对于溶剂的大于1mM的溶解度。可以使用旋涂或浸涂在基板上涂布溶液。
形成光致抗蚀剂可以包括在催化剂层上涂布光致抗蚀剂溶液且干燥光致抗蚀剂溶液。
当光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂时，可以使用显影溶液去除光致抗蚀剂所曝光的部分以及设置于光致抗蚀剂下方的催化剂层。
当光致抗蚀剂是负性光致抗蚀剂时，可以使用显影溶液去除光致抗蚀剂未曝光的部分以及设置于光致抗蚀剂下方的催化剂层。
根据本发明的另一方面，提供有一种制造场发射器件的方法，所述方法包括：依次在基板上堆叠阴极、绝缘层和栅极且在绝缘层中形成发射体孔，通过所述孔暴露阴极；形成催化剂层来覆盖栅极和暴露的阴极，所述催化剂层由具有弱酸负离子团的金属盐形成；形成光致抗蚀剂来覆盖催化剂层；将光致抗蚀剂曝光为预定的图案；使用强碱显影溶液来去除预定区域的光致抗蚀剂和催化剂层，从而仅在发射体孔中保留光致抗蚀剂和催化剂层；去除光致抗蚀剂；和在构图的催化剂层上生长碳纳米管。
可以使用背侧曝光来曝光光致抗蚀剂。在该情形，光致抗蚀剂可以是负性光致抗蚀剂，且可以在阴极上形成预定的光掩模图案。
可以使用前侧曝光来曝光光致抗蚀剂。在该情形，光致抗蚀剂可以是正性光致抗蚀剂。
可以使用化学气相淀积来生长碳纳米管。
附图说明
参考附图，通过本发明的示范性实施例的详细描述，本发明的以上和其他方面将变得更加明显，在附图中：
图1A到1E示出了根据本发明的实施例的构图用于合成碳纳米管(CNT)的催化剂层的方法；
图2A到2C是显示形成于图1A到1E中所示的构图的催化剂层上的CNT的照片；和
图3A到3G是示出根据本发明的另一实施例的场发射器件(FED)的制造方法。
具体实施方式
其后，参考附图，通过描述本发明的示范性实施例，将详细描述本发明。在附图中相似的参考标号指示相似的元件。
图1A到1E示出了根据本发明的实施例的构图用于合成碳纳米管(CNT)的催化剂层的方法。参考图1A，在基板110上形成由金属盐形成的催化剂层120’。具体而言，通过在基板110上涂布其中将金属盐溶解在预定的溶剂中的溶液且干燥该溶液来形成催化剂层120’。这里，可以使用旋涂或浸涂来在基板110上涂布该溶液。
金属盐可以具有弱酸负离子团以被溶解于比如四甲基铵氢氧化物(TMAH)的强碱显影溶液中。弱酸负离子团可以为选自醋酸盐族、草酸盐族和碳酸盐族的至少一种。另外，金属盐可以包括选自Fe、Ni、Co和Y的至少一种。乙二醇和乙醇的至少一种可以被用作溶剂。在该情形，金属盐可以在室温下具有相对于溶剂的大于1mM的溶解度。金属盐可能不溶解于丙酮、异丙醇或用于光致抗蚀剂剥离的溶剂。
参考图1B，在催化剂层120’上形成光致抗蚀剂130’。将光致抗蚀剂溶液涂布来覆盖催化剂层120’的上表面并干燥，由此形成光致抗蚀剂130’。这里，光致抗蚀剂130’由通过强碱显影溶液显影的材料形成。光致抗蚀剂130’可以是正性光致抗蚀剂或负性光致抗蚀剂。
参考图1C，利用光掩模150使用UV曝光工艺将光致抗蚀剂130’曝光为期望的图案。
参考图1D，去除光致抗蚀剂130’的预定区域以及设置在所述光致抗蚀剂130’下方的催化剂层120’由此形成在基板110上构图的光致抗蚀剂130和催化剂层120。图1D显示了光致抗蚀剂130’是正性光致抗蚀剂的情形。在该情形，通过显影工艺去除光致抗蚀剂130’曝光的区域和设置于所述光致抗蚀剂130’下方的催化剂层120’。当光致抗蚀剂130’是负性光致抗蚀剂时，通过显影工艺去除光致抗蚀剂130’未曝光的区域和设置于所述光致抗蚀剂130’下方的催化剂层120’。
为了使用上述显影工艺来显影光致抗蚀剂130’和催化剂层120’，可以使用比如TMAH的强碱显影溶液。这是因为强碱显影溶液被用于显影光致抗蚀剂130’且与设置于光致抗蚀剂130’下方的催化剂层120’的具有弱酸负离子团的金属盐形成置换反应，且被用于溶解催化剂层120’。具体而言，如果例如醋酸铁被用作催化剂层120’的金属盐，且例如TMAH被用作显影溶液，发生以下的置换反应。
通过置换反应，使用显影工艺可以将由具有弱酸负离子团的金属盐形成的催化剂层120’与光致抗蚀剂130’一起去除。
参考图1E，如果使用剥离剂去除形成于构图的催化剂层120的上表面上的光致抗蚀剂130，仅构图的催化剂120保留在基板110上。使用CVD可以在构图的催化剂层120上合成CNT。以该方法，在图2A到2C中显示了CNT的照片，CNT已经生长于在基板上构图的催化剂层上。
现将描述使用构图催化剂层的方法来制造场发射器件(FED)的方法。图3A到3G是示出根据本发明的另一实施例的场发射器件(FED)的制造方法。
参考图3A，依次在基板210上堆叠阴极212、绝缘层214和栅极216，且在绝缘层214中形成发射体孔240，通过所述孔暴露阴极212。这里，玻璃基板可以一般地被用作基板210。阴极212可以由比如氧化铟锡(ITO)等的透明导电材料形成，且栅极214可以由比如Cr等的导电金属形成。
具体而言，可以在基板210上将由比如ITO的透明导电材料形成的阴极层形成为预定的厚度，且将阴极层构图为预定的形状，例如为条形，从而形成阴极212。接下来，在阴极212和基板210的整个表面上将绝缘层214形成为预定的厚度。随后，在绝缘层214上形成栅极层。通过使用溅射等，将比如Cr的导电金属沉积到预定的厚度，从而形成栅极层。将栅极层构图为预定的形状从而形成栅极216。接下来，蚀刻通过栅极216暴露的绝缘层214，从而形成发射体孔260。在该情形，通过发射体孔260暴露了部分的阴极212。
参考图3B，在图3A所示的合成体的上表面上形成由金属盐形成的催化剂层220’。具体而言，将其中将金属盐溶解在预定的溶剂中的溶液涂布在图3A所示的合成体的上表面上并干燥，从而形成催化剂层220’。这里，可以使用旋涂或浸涂涂布溶液。如上所述，金属盐可以具有弱酸负离子团以被溶解于强碱显影溶液中。弱酸负离子团可以为选自醋酸盐族、草酸盐族和碳酸盐族的至少一种。另外，金属盐可以包括选自Fe、Ni、Co和Y的至少一种。乙二醇和乙醇的至少一种可以被用作溶剂。在该情形，金属盐可以在室温下具有相对于溶剂的大于1mM的溶解度。金属盐可能不溶解于丙酮、异丙醇或用于光致抗蚀剂剥离的溶剂。
参考图3C，在催化剂层220’上形成光致抗蚀剂230’。将光致抗蚀剂溶液涂布来覆盖催化剂层220’的上表面并干燥，由此形成光致抗蚀剂230’。这里，光致抗蚀剂230’由通过强碱显影溶液显影的材料形成。光致抗蚀剂230’可以是正性光致抗蚀剂或负性光致抗蚀剂。
参考图3D，使用UV曝光工艺将光致抗蚀剂230’曝光为预定的图案。这里，可以使用背侧曝光来曝光光致抗蚀剂230’。当使用背侧曝光时，光致抗蚀剂230是负性光致抗蚀剂，且在阴极212上形成用于仅曝光设置于发射体孔240内的光致抗蚀剂230’的光掩模图案(未显示)。可以使用前侧曝光来曝光光致抗蚀剂230’。在该情形，光致抗蚀剂230’是正性光致抗蚀剂，且在光致抗蚀剂230’的上方设置用于仅曝光设置于发射体孔240外的光致抗蚀剂230’的光掩模图案(未显示)。
参考图3E，如果使用显影工艺来去除设置于发射体孔240外的光致抗蚀剂230’和催化剂层220’，则在发射体孔内的阴极212上形成构图的光致抗蚀剂230和催化剂层220。这里，在背侧曝光期间使用显影工艺去除光致抗蚀剂230’未曝光的区域和催化剂层220’且在前侧曝光期间使用显影工艺来去除其曝光的区域。如上所述，为了使用上述的显影工艺来显影光致抗蚀剂230’和催化剂层220’，可以使用比如TMAH等的强碱显影溶液。这是因为强碱显影溶液被用于显影光致抗蚀剂230’且与设置于光致抗蚀剂230’下方的催化剂层220’的具有弱酸负离子团的金属盐形成置换反应，且被用于溶解催化剂层220’。
参考图3F，如果使用剥离剂去除光致抗蚀剂230，则仅构图的催化剂层220保留在阴极212上。
参考图3G，如果在构图的催化剂层220上生长碳纳米管(CNT)270作为发射体，则制造了FED。这里，可以使用CVD来生长CNT 270。CVD包括PECVD和热CVD。
如上所述，根据本发明，在构图催化剂层的方法以及使用所述构图催化剂层来制造FED的方法中，不需要现有技术中的形成催化剂金属薄膜的沉积工艺且光致抗蚀剂和催化剂层被同时显影，从而不需要附加的蚀刻工艺。因此，可以简化构图催化剂层的工艺且可以减小工艺成本。
虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离由所附的权利要求所界定的本发明的精神和范围内，可以作出形式和细节上的各种变化。
Claims (27)
1、一种构图催化剂层的方法，所述方法包括：
在基板上形成催化剂层，所述催化剂层由具有弱酸负离子团的金属盐形成；
在所述催化剂层上形成光致抗蚀剂；
使用光掩模将所述光致抗蚀剂曝光为预定的图案；
使用强碱显影溶液来去除所述光致抗蚀剂和催化剂层的预定区；和
去除所述光致抗蚀剂。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述金属盐包括选自醋酸盐族、草酸盐族和碳酸盐族的至少一种。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述金属盐包括选自Fe、Ni、Co和Y的至少一种。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述显影溶液包括四甲基铵氢氧化物。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述形成催化剂层包括涂布溶液并干燥所述溶液，在所述溶液中将所述金属盐溶解在预定的溶剂中。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述溶剂包括乙二醇和乙醇的至少一种。
7、如权利要求5所述的方法，其中，所述金属盐在室温下具有相对于溶剂的大于1mM的溶解度。
8、如权利要求5所述的方法，其中，使用旋涂或浸涂在所述基板上涂布所述溶液。
9、如权利要求1所述的方法，其中，所述形成光致抗蚀剂包括在所述催化剂层上涂布光致抗蚀剂溶液且干燥所述光致抗蚀剂溶液。
10、如权利要求1所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂，且使用所述显影溶液去除所述光致抗蚀剂所曝光的部分以及设置于所述光致抗蚀剂下方的催化剂层。
11、如权利要求1所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂是负性光致抗蚀剂，且使用所述显影溶液去除所述光致抗蚀剂未曝光的部分以及设置于所述光致抗蚀剂下方的催化剂层。
12、如权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂使用剥离剂去除。
13、一种制造场发射器件的方法，所述方法包括：
依次在基板上堆叠阴极、绝缘层和栅极且在所述绝缘层中形成发射体孔，通过所述孔暴露所述阴极；
形成催化剂层来覆盖所述栅极和所述暴露的阴极，所述催化剂层由具有弱酸负离子团的金属盐形成；
形成光致抗蚀剂来覆盖所述催化剂层；
将所述光致抗蚀剂曝光为预定的图案；
使用强碱显影溶液来去除预定区域的所述光致抗蚀剂和所述催化剂层，从而仅在所述发射体孔中保留所述光致抗蚀剂和所述催化剂层；
去除所述光致抗蚀剂；和
在所述构图的催化剂层上生长碳纳米管。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述金属盐包括选自醋酸盐族、草酸盐族和碳酸盐族的至少一种。
15、如权利要求13所述的方法，其中，所述金属盐包括选自Fe、Ni、Co和Y的至少一种。
16、如权利要求13所述的方法，其中，所述显影溶液包括四甲基铵氢氧化物。
17、如权利要求13所述的方法，其中，所述形成催化剂层包括涂布溶液并干燥所述溶液，在所述溶液中将所述金属盐溶解在预定的溶剂中。
18、如权利要求17所述的方法，其中，所述溶剂包括乙二醇和乙醇的至少一种。
19、如权利要求17所述的方法，其中，所述金属盐在室温下具有相对于溶剂的大于1mM的溶解度。
20、如权利要求17所述的方法，其中，使用旋涂或浸涂在所述基板上涂布所述溶液。
21、如权利要求13所述的方法，其中，所述形成光致抗蚀剂包括在所述催化剂层上涂布光致抗蚀剂溶液且干燥所述光致抗蚀剂溶液。
22、如权利要求13所述的方法，其中，使用背侧曝光来曝光所述光致抗蚀剂。
23、如权利要求22所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂是负性光致抗蚀剂。
24、如权利要求23所述的方法，其中，在所述阴极上形成预定的光掩模图案。
25、如权利要求13所述的方法，其中，使用前侧曝光来曝光所述光致抗蚀剂。
26、如权利要求25所述的方法，其中，所述光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂。
27、如权利要求13所述的方法，其中，使用化学气相沉积生长所述碳纳米管。
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