BSD技術(shù)特性與應(yīng)用

1、BSD技術(shù)特性與應(yīng)用(2006080216:19:38.0)雖然電漿顯示器(plasma)與LCD(LiquidCrystalDisplay)等平面顯示器(FlatPanelDisplay)已經(jīng)進(jìn)入商品化階段，不過耗電量、輝度、對比以及動畫反應(yīng)時間等問題，若與傳統(tǒng)CRT比較時仍有改善的空間，另一方面有機(jī)EL等諸多新世代平面顯示器(表1)卻面臨制程、成本、使用壽命、大型化等瓶頸，因此至今仍無法實(shí)用化。有鑑于此松下電工與東京農(nóng)工大學(xué)利用BSD(BallisticelectronSurfaceemittingDevice)概念制作場發(fā)射顯示器(FED:FieldEmittingDisplay)。而B

2、SD的動作原理是利用固體中的電子在近乎真空環(huán)境加速移動。該物性是由硅結(jié)晶奈米(nano；1nano=10-12m)結(jié)晶化形成鍊鎖結(jié)構(gòu)，由于鍊鎖結(jié)構(gòu)能垂直發(fā)射電子，因此利用電子該撞擊前方涂有螢光體的透明基板產(chǎn)生影像。奈米技術(shù)制成的BSD可以有效解決平面顯示器常見的問題，同時還具備低成本、制程簡單、可大型化等優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用受到相關(guān)業(yè)者高度重視。松下垂誥SI0londIE親：EQ呦?52RD.com&9lIE桌電嚴(yán)卿肅認(rèn)可乍瞰恍12熬時卡fit妙SS-fiS.(三町蜩可陽而甦光卿諾越曲惟semiK3-Ph4J&譽(yù)索：辭糾QPIONEER間謔松下竜工厳I?玄豈CANOII辛藝IIEC.三挺事繪，三

3、品MlSfypAS甘穆子聖宗米彌聖pIndtFypfc蠱H鹽EFIJQ.l-ImA/m*10-lOPa用版罰劇.ll?t4/ifflh，血IDT5鼬碗阿PWpoppina_1口71號:TW&LFtA1麻晝子筆墓isaEiM于15-WT1Q-33T5Q-11QK10(51曲伽2泌任71.4s/ds1iSwwt/flr.1lOPattr1曲10HPaID1Pa-降郵出徳毗肅嗣刖CTDSpoppins熙pippin社.IS耘1SQ.S15DT:iao&torsrrit別T心型實(shí)B$&Twe表1各種FED平面顯示器的動作原理與特性請點(diǎn)小圖看大圖BSD技術(shù)動向BSD是應(yīng)用彈道電子釋放特性構(gòu)成冷陰極電子源

4、，它的電子釋放原理不同于傳統(tǒng)FED。表2是BSD代表性特徵，由表2可知BSD具有低電壓驅(qū)動、低真空動作環(huán)境、不需集束電極、低制作成本等特性，尤其是玻璃基板與500C低溫濕制程(wetprocess)，更可大幅降低制作成本。特征說明低真空動作環(huán)境真空密封容易使用壽命長，可靠性高。低分散電子釋放角度電子釋放穩(wěn)定均勻電子釋放能量大電子垂直發(fā)射，不需收斂電極。無poppingnoise平面結(jié)構(gòu)制程單純結(jié)構(gòu)簡單。制作容易?？纱笮突?。表2BSD的特征BSD是將silicon奈米結(jié)晶化形成鎖鍊狀結(jié)構(gòu)，藉此使電子呈彈道狀移動，一般將此現(xiàn)象稱為彈道電子輸送。圖1是BSD電子源的動作機(jī)制說明圖，基本上它是在柱狀p

5、olysilicon之間形成電子drift層，polysilicon與奈米結(jié)晶silicon混合的systemunit稱為NPS層(NanocrystallinePoly-Siliconlayer)，雖然NPS層是利用陽極氧化技術(shù)制成，不過在polysilicon的結(jié)晶粒界的glen部位會產(chǎn)生快速反應(yīng)，因此polysilicon結(jié)晶粒的表面，支配性形成奈米結(jié)晶silicon,使得NPS層內(nèi)殘留的silicon結(jié)晶粒比奈米結(jié)晶silicon多，該殘留的柱狀polysilicon可幫助散熱，進(jìn)而提高冷陰極的電子熱傳導(dǎo)穩(wěn)定性，所以BSD釋放電子時幾乎不會產(chǎn)生閃爍噪訊(flickernoise)。BS

6、D釋放電子時是利用電子作熱激發(fā)，使電子從基板下方注入NPS層，由于奈米結(jié)晶silicon的表面，是利用低溫氧化制程制成氧化薄膜，因此施加的電壓幾乎全部流入該氧化膜層內(nèi)進(jìn)而形成強(qiáng)電界領(lǐng)域，而氧化膜的厚度非常的薄，所以電子很容易將強(qiáng)電界領(lǐng)域的氧化膜變成tunnel，并進(jìn)入鄰接的奈米結(jié)晶silicon內(nèi)，隨著電子通過氧化膜被加速，并朝向表面電極方向前進(jìn)，如此反覆相同動作所以到達(dá)表面附近的電子，具備比熱平衡狀態(tài)更高的運(yùn)動能量，而表面電極也變得很容易將成為tunnel的電子釋放至真空中。BSD具體動作原理如圖1所示，BSD電子源是先在由負(fù)極(cathode)所構(gòu)成的背面基板上制作復(fù)晶硅膜(poly-Si

7、licon)，之后將復(fù)晶硅膜多孔化(porous)，接著在復(fù)晶硅之間制作復(fù)數(shù)的微結(jié)晶硅，同時將復(fù)晶硅與微結(jié)晶硅的表面氧化，多孔化復(fù)晶硅(PPS:PorousPolySilicon)膜層厚度約1.5pm,最后在PPS表面制作Au或Ag等金屬薄膜形成二極體(diode)結(jié)構(gòu)，除了以上的差異PPS外部電子發(fā)射源的動作原理則與傳統(tǒng)的FED完全相同，換句話說這種BSDtype的FED，也是利用電子撞擊正面基板表面上的螢光體產(chǎn)生影像，它與以往的FED最大差異處，是電子發(fā)射源的制作方式與結(jié)構(gòu)不同而已。圖1BSD的動作原理圖2是釋放至真空中的電子能量分佈量測結(jié)果，圖中的x軸為電子能量，y軸為釋放電子的相對數(shù)，

8、測試時的基準(zhǔn)能量是比照真空狀態(tài)時的準(zhǔn)位，測試方法是在室溫下進(jìn)行，採用一般性的交流減速電界法。假設(shè)表面金屬的動作關(guān)數(shù)為屮(eV)時，完全未發(fā)生沖突釋放出去的電子最大能量，理論上幾乎等于施加電壓減去動作關(guān)數(shù)屮的能量，以圖2為例假設(shè)VPS=22V時，雖然分佈的最大能量-Vmax祇有17eV，不過表面電極的動作關(guān)數(shù)大約有5eV，換言之它與上述施加電壓減去動作關(guān)數(shù)的結(jié)果完全一致，由此驗(yàn)證BSD具有獨(dú)特的彈道電子釋放特性。實(shí)際上在室溫環(huán)境下NPS層多少會發(fā)生沖突，一般是將它視準(zhǔn)彈道電子的釋放。如圖2所示的能量分佈峰值位置，亦即電子數(shù)最多的能量，理論上是最大能量的60%約在10eV處，即使如此若與其它種類的

9、電子源比較時，很明顯的是BSD具備很高的能量。另一個特殊現(xiàn)象是該能量分佈與施加電壓具有依存性，也就是說隨著VPS的增加，峰值能量Emax與最大能量會逐漸移至highenergyside，這意味著BSD釋放的電子在NPS層幾乎未散亂，如果在低溫環(huán)境下測試釋放電子的能量分佈，上述彈道電子釋放更加明顯，而且能量分佈幅度更加狹窄(峰值能量EP朝最大能量Emax方向移動)。圖2BSD釋放電子能量的特性綜合以上的說明可知BSD的電子釋放機(jī)制，是當(dāng)電壓注入上方電極與背面基板之間時，下方鋁質(zhì)電極所產(chǎn)生的電子會注入PPS層內(nèi)的微結(jié)晶硅,而電子通過微結(jié)晶硅內(nèi)部時幾乎沒有能量損耗(energyloss)，主要原因是

10、一旦施加電界后，微結(jié)晶硅表面的氧化膜會使電子加速。此外一般硅內(nèi)部的平均自由行程約為50nm,而微結(jié)晶硅的glensize祇有5nm。由于當(dāng)電子通過PPS層時，幾乎不會與其它電子或硅原子發(fā)生沖突，因此電子通過微結(jié)晶硅內(nèi)部時,能量損耗幾乎等于零,使得到達(dá)上方金屬電極的電子能量減去金屬的動作關(guān)數(shù)值最大可達(dá)1415eV,這種現(xiàn)象稱為彈道電子傳導(dǎo)效應(yīng)。以往的彈道電子傳導(dǎo)效應(yīng)必需在真空環(huán)境下才會發(fā)生,不過BSD利用多孔化(porous)將復(fù)晶硅膜(polysilicon)包覆，因此它可在固體中產(chǎn)生彈道電子釋放現(xiàn)象。利用這樣的特性制作FED時可使已加速的電子,在cellgap內(nèi)部呈垂直狀發(fā)射出,并使電子撞擊

11、正面基板表面上的螢光體產(chǎn)生影像。由于BSD的電子發(fā)射源可將電子呈垂直狀發(fā)射出去,因此cellgap高達(dá)數(shù)mm的高電壓型FED,也不需要設(shè)置電子束收歛電極防止失真(crosstalk)現(xiàn)象。BSD的制作技術(shù)圖3是BSD的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示BSD電子源呈夾心狀(sandwich)。圖4是BSD的制作流程，由圖可知下方電極pattern通常是利用濺鍍法制作,基于量產(chǎn)性的考量因此BSD改用liftoff方式制作,接著在上方制作柱狀polysilicon,雖然polysilicon可在amorphous膜層長膜，再利用雷射作退火處理進(jìn)行再結(jié)晶化，不過如此一來polysilicon膜層厚度較厚，因此BSD

12、採用減壓CVD技術(shù)制作最佳化柱狀polysilicon。一般CVD技術(shù)需在650OC左右高溫下，利用石英玻璃才能獲得polysilicon,基于成本與量產(chǎn)性的考量改用電漿(plasma)CVD技術(shù)，使長膜溫度降至550OC以下，使用的玻璃則與TFT、PDP常用的玻璃相同。有關(guān)BSD的電子釋放部的陽極氧化制程，主要是利用松下電工開發(fā)的陽極氧化低溫氧化一貫作業(yè)的濕制程(wetprocess)專用設(shè)備(圖5),該設(shè)備具有低制作成本、可大型化、高良品率等特徵。圖3BSD的結(jié)構(gòu).-SurLirrEiJpr4mrlr52FlD.comI心製作衆(zhòng)面港櫃P機(jī)憶Jl面換封裝、他立圖4BSD的制作流程騁詐妙總au

13、a沸居圖5陽極氧化CEO專用設(shè)備的外觀面腹封裝、祂立(5製詐顯面Mpatierji接著在玻璃基板上制作金屬電極，并將金屬電極上方的柱狀polysilicon膜層浸泡于氟酸與乙醇混合液內(nèi)，同時施加電壓至混合液內(nèi)的白金負(fù)極，與polysilicon膜層的正極，進(jìn)行類似電界研磨加工。由于silicon在某些條件下無法進(jìn)行研磨，反而會產(chǎn)生silicon的奈米結(jié)晶，這種特殊現(xiàn)象主要是因?yàn)橹鶢頿olysilicon的grainboundary的結(jié)合能量很低，使得該部份發(fā)生反應(yīng)析并出silicon，在此同時被析出的silicon會進(jìn)行再結(jié)晶化，最后形成如圖1所示的奈米結(jié)構(gòu)，這種被稱為自我組織的獨(dú)特現(xiàn)象發(fā)生與

14、否，完全取決于制程條件的設(shè)定。在柱狀polysilicongrain之間形成奈米結(jié)晶polysilicon之后，去除洗凈氟酸與乙醇，再注入以硫酸為base的電解液，并對白金負(fù)極與基板正極施加電壓，藉此在奈米結(jié)晶polysilicon的表面形成很薄的氧化膜，這種稱為電氣化學(xué)的氧化法(ECO:ElectroChemicalOxidation)可以使大size的silicon結(jié)晶更容易氧化，最先開始氧化部位是polysilicongrain部份，接著是奈米結(jié)晶部位被氧化，最后是size比較均勻的奈米結(jié)晶部位，此時polysilicon部位會被很厚的氧化膜包覆，由于表面的polysilicon膜層也被

15、很厚的氧化膜包覆，所以可以防止polysilicon膜層與表面電極的發(fā)生breakdown現(xiàn)象。利用ECO制程形成氧化膜后立即進(jìn)行清洗、干燥、濺鍍，接著進(jìn)行表面電極與電極patterning,便完成所有BSD電子源的作業(yè)流程。在所有制程當(dāng)中祇有polysilicon長膜時需要550C高溫之外，其它制程包含奈米結(jié)晶硅長膜與氧化膜的制作，都是在常溫環(huán)境下進(jìn)行，因此材料的高溫履歷非常少，更無基板升、降溫時間，所以可大幅縮減制作時間與制作成本，也就是說上述制程非常適合大尺寸面板的制作。BSD電子源的特性圖6是典型的BSD電子源的電壓電流特性圖，圖中的橫軸為電壓，縱軸為電流密度，JPS是二極體(diod

16、e)的電流密度，JPS表示從二極體表面金屬膜層釋放至真空中的電子emission電流密度，一般emission電流祇能在VPS為正方向時才能觀測到。由圖可知隨著電壓增加，二極體的順向電流與釋放電流亦增大，當(dāng)順向電壓為28V時emission電流密度約為8.9mA/cm2，emission效率約為1.2%左右。=gH2?|祐P一昌益7圖6BSD電子源的V-I特性圖7是BSD電子源的emission電流時間變化特性圖，橫軸為時間，縱軸為電流密度，二極體電壓為16V,如圖所示二極體電流IPS與釋放電流le,不會隨著電流發(fā)生spike，亦即所謂的閃爍(flicker)現(xiàn)象，顯示BSD電子源不需外部電路

17、，就可獲得傳統(tǒng)Spendtype電子源無法達(dá)成的特性。7益亡-hHTxt352FlD.com1KNM-K)i3CI40圖7二極體電流與釋放電流的V時間變化特性圖8是BSD電子源的周圍真空度發(fā)生變化時的emission電流變化特性，具體測試方法是將爐內(nèi)更換成氮素，接著抽真空至10-4Pa再逐漸導(dǎo)入氮素，藉此觀察真空度變化時的emission電流變化，圖中的橫軸為真空度，縱軸為二極體(diode)的電流密度，由圖可知即使真空度降至10-4，emission的電流密度幾乎無任何改變，顯示BSD電子源在真空度非常惡劣的環(huán)境下，仍具備良好的emission特性。菌芷UE3U圖8BSD電子源的釋放電流與真

18、空度依存性圖9是二極體電壓Vps對電子能量及釋放電子數(shù)量關(guān)系圖，由圖可知電子能量隨著Vps變大而增加，例如Vps為16V時可獲得6eV值，如此高的電子能量相當(dāng)于CRT或傳統(tǒng)(convention)FED的100倍左右。目前BSD之FED的電子釋放效率約為1%,電流釋放密度最大是1mA/cm2，因此已經(jīng)足夠撞擊正面基板表面上的螢光體，并獲得極高的發(fā)光效果。此外BSD之FED祇需20V左右的動作電壓，如果換算成42吋的FED時，它的電力消耗量約為100W左幼，是同級電漿顯示器(PDP:PlasmaDisplayPanel)的1/3左右。圖9diode電壓與電子能量與電子釋放數(shù)量之關(guān)系BSD非常適用

19、于高電壓SpendtypeFED。由于BSD具有垂直彈道電子釋放特性，因此不需要收歛電極來控制電子束的發(fā)射角度，這對降低FED的制作成本具有重大的影響，除此之外BSD技術(shù)賦與spacer更寬廣的選擇裕度。以往的FED都是利用spacer使cellgap能維持一定的間隙，因此選用spacer時除了粒徑均勻性與穩(wěn)定性的考量之外，spacer還需要具備不會干涉電子束飛行軌道重要特質(zhì)，然而不論基板材質(zhì)為陶瓷(ceramic)或是玻璃(glass)，spacer都會因施加電壓而帶負(fù)電，進(jìn)而直接、間接影響電子束的飛行軌道，造成螢光體撞擊點(diǎn)偏移、影像畫質(zhì)劣化等不良現(xiàn)象。由于BSD的彈道電子釋放現(xiàn)象所產(chǎn)生的電

20、子發(fā)射角度幾乎是無偏差的垂直角，因此BSD的FED可無限制的選用適用的spacero如上所述BSD最大特點(diǎn)(advantage)是它的制作性，傳統(tǒng)高電壓型FED的發(fā)射電極(emitting)是先制作發(fā)射平臺(hall)，再制作Al2O3與Wo、Ni等覆蓋層(scapegoatlay)垂直膜層，最后利用蝕刻(etching)技術(shù)去除覆蓋層，相較之下BSD之FED的電子發(fā)射源祇需制作復(fù)晶硅膜，之后再經(jīng)過膜層多孔化與氧化等制程即可，如此簡易的制程對平面顯示器(FPD:FlatPanelDisplay)大型化與低價化具有加乘效應(yīng)。表3是負(fù)極基板的制作流程，表中左側(cè)是利用BSD試作FED的制程條件，右側(cè)

21、是未來商品化時的預(yù)定制造方法。試作type的流程如下所示:1先以LPVCD制作復(fù)晶硅膜。HF:再用乙醇(Athanol)作陽極氧化。最后以RTO(RapidThermalOxidation)將復(fù)晶硅膜氧化。未來商品化時的預(yù)定制作流程如下所示:1先以濺鍍法(sputter)在蘇打石玻璃(sodalineglass)制作Al等膜層，再用蝕刻法(etching)制作圖樣(pattern)。接著利用CVD或蝕刻技術(shù)制作復(fù)晶硅膜。以電解電鍍技術(shù)進(jìn)行陽極氧化處理制作微結(jié)晶硅。最后濺鍍Au或Ag等金屬。上述第1與第4項(xiàng)之流程系使用現(xiàn)有的成膜技術(shù)與材料；第2與第3項(xiàng)則為松下公司開發(fā)的多孔化PPS技術(shù)。有關(guān)第2

22、項(xiàng)復(fù)晶硅膜制程必需將作業(yè)溫度與壓力等參數(shù)作最佳化組合，如此便可使蘇打石玻璃在450C550C的低溫環(huán)境下完成長膜作業(yè)。第3項(xiàng)的電解液、液溫、電流密度等參數(shù)經(jīng)過作最佳化后，在一定條件下進(jìn)行陽極氧化，之后必需再度更改制程參數(shù)(processparameter)才可再進(jìn)行陽極氧化作業(yè)。雖然第2與第3項(xiàng)制程稍嫌煩瑣，不過并未涉及高單價材料或是高難度作業(yè)，祇需稍為修改或是延用現(xiàn)有的復(fù)晶硅制作技術(shù)與TFT-LCD生產(chǎn)設(shè)備即可。此外微結(jié)晶硅的glensize與porous的幅寬，可透過制程參數(shù)自由控制調(diào)整，因此類似要求有高細(xì)畫質(zhì)的spindttype的FED發(fā)射體(emitter),每一dot可設(shè)置超過10

23、0個以上的PPS。表3是負(fù)極基板的制作流程，表中左側(cè)是利用BSD試作FED的制程條件，右側(cè)是未來商品化時的預(yù)定制造方法。試作type的流程如下所示:先以LPVCD制作復(fù)晶硅膜。HF:再用乙醇(Athanol)作陽極氧化。最后以RTO(RapidThermalOxidation)將復(fù)晶硅膜氧化。未來商品化時的預(yù)定制作流程如下所示:1先以濺鍍法(sputter)在蘇打石玻璃(sodalineglass)制作Al等膜層，再用蝕刻法(etching)制作圖樣(pattern)。接著利用CVD或蝕刻技術(shù)制作復(fù)晶硅膜。以電解電鍍技術(shù)進(jìn)行陽極氧化處理制作微結(jié)晶硅。最后濺鍍Au或Ag等金屬。上述第1與第4項(xiàng)之

24、流程系使用現(xiàn)有的成膜技術(shù)與材料；第2與第3項(xiàng)則為松下公司開發(fā)的多孔化PPS技術(shù)。有關(guān)第2項(xiàng)復(fù)晶硅膜制程必需將作業(yè)溫度與壓力等參數(shù)作最佳化組合，如此便可使蘇打石玻璃在450C550C的低溫環(huán)境下完成長膜作業(yè)。第3項(xiàng)的電解液、液溫、電流密度等參數(shù)經(jīng)過作最佳化后，在一定條件下進(jìn)行陽極氧化，之后必需再度更改制程參數(shù)(processparameter)才可再進(jìn)行陽極氧化作業(yè)。雖然第2與第3項(xiàng)制程稍嫌煩瑣，不過并未涉及高單價材料或是高難度作業(yè)，祇需稍為修改或是延用現(xiàn)有的復(fù)晶硅制作技術(shù)與TFT-LCD生產(chǎn)設(shè)備即可。此外微結(jié)晶硅的glensize與porous的幅寬，可透過制程參數(shù)自由控制調(diào)整，因此類似要求有高細(xì)畫質(zhì)的spindttype的FED發(fā)射體(emitter),每一dot可設(shè)置超過100個以上的PPS。試作type量產(chǎn)型基板4吋晶圓蘇打石玻璃(sodalineglass)電極復(fù)晶硅膜n+廣散層LPCVD法金屬濺鍍+蝕刻CVD法或?yàn)R鍍法(作業(yè)溫度45055)多孔化制程1陽極氧化電解液:HF&乙醇水溶液電流密度：30mA/cm照射光源錳燈(500W)照