显示器件设计制作实验报告

显示器件设计制作实验报告

一、 实验目的

通过只做表面传到电子发射源的实验过程，了解平板显示器件核心部件的工作原理及制作方法，熟悉磁控溅射镀膜、光刻、丝网印刷、真空系统中电子发射测试等在显示器件中的应用。

二、实验任务

通过学习实践平板显示器件的制作过程，结合所学知识，深刻认识场致电子发生的机理和应用，了解平板显示技术。

1、学习、了解表面传导电子发射源的原理以及真空器件的制作；

2、学习、了解平板显示器件对玻璃基板的要求，玻璃清洗和退火的工艺过程；

3、学习、了解磁控溅射原理和方法，学习光刻法制作薄膜电极；

4、学习、了解到店默默材料的选择和导电薄膜的制备方法；

5、学习、了解丝网印刷原理，学习阳极荧光板的制作；

学习、了解在真空系统中进行电子发射源的测试以及性能评价方法。

三、实验原理

1、SED工作原理与发展

SED表面传导电子发射显示器是FED的一种，其成像效果媲美CRT，却比CRT更加轻薄、时尚、方便。虽然都是电子撞击荧光物质发光，但CRT与SED有着显著的差别，CRT是利用偏转磁场，扫面电子枪发射出来的电子，按信号使电子一次轰击红、绿、蓝三色荧光物质，起到发光的效果。SED是利用微信电子发生器轰击荧光板发光，无需扫面磁场的帮助，，每个微型电子发生器就像是像素点，只要矩阵选址。

2、SED的结构

SED是一个真空器件，依次为，上下两块玻璃以及四周的特殊玻璃封接组成；上班玻璃是发光部分，在其上一依次制备有滤色膜、黑矩阵、荧光粉和面板电极，滤色膜分别对应三种荧光粉，用以提高色纯度、

黑矩阵将3种荧光粉按像素分割以避免干扰，荧光粉间隔沉积。上面还要镀上一层铝膜作为阳极。

SED下板是电子发射源，在阳极作用下，隧道效应电子向阳极运动，进而轰击荧光物质，达到发光的效果。

3、SED电子发射机理

SED的简单物理模型，他表示孤岛之间的电场分布和电子发射情况。电子从一个孤岛发射到下一个孤岛，实现了表面传导。如果在阳极板上施加电压，股道至简通过真空传导电子中的一部分将会在阳极电压的作用下到达阳极。

目前关于SED电子发射机理有两种理论模型解释：

1）电子多重散射模型：电子最传下风湿，会同时薄膜发生碰撞，结果导致一部分电子进入薄膜，成为博膜表面电流，另一部分电子被散射进入SED内部空间。散射出去电子有两种运动轨迹：重新进入薄膜，再次循环发生散射；或者在垂直电场起作用，在电场作用下轰击阳极。

2）电子惯性离心模型：电子在电场中运动时，由于运动轨迹不是垂直的，会受到惯性离心力的作用李的作用更容易脱离西风，到达阳极。

4、溅射镀膜：

溅射镀膜是借助高能粒子攻击所产生的动量交换，把镀膜材料的原子从固体表面撞出并发射出来出来，放在靶前面的的基材料截溅射出来的原子流，后者凝聚成镀膜。主要分为：

1）直流溅射；2）射频溅射；3）磁控溅射；4）反应溅射

5、光刻加工工艺

光刻加工艺是一种图形复印和腐蚀相结合的表面微细加工工艺。先用光照的方法，将光刻掩模上的图形景区地印制在涂有感光胶的薄膜表面，然后李勇敢硬件的选择保护作用薄膜进行选择性腐蚀，从而刻出图形，主要流程：

1）衬底准备；

2）涂胶；

3）前烘；

4）曝光；

5）显影；

6）坚膜；

7）刻蚀；

8）去胶

光刻主要分为正性光刻和负性光刻，正性把掩膜板的图形复制到硅片上，负性与正性光刻相反，本实验采用正性光刻。

6、透明导电膜的制作

透明导电膜具有透明和导电双重功能，主要分为：金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等，其中氧化物膜占主要位置。

氧化物薄膜的制备原理主要分为两种替位掺杂和制造氧空位，主要研究为掺锡的氧化锢或氧化锢锡薄膜，简称ITO薄膜。它是一种重掺杂、高简并n星半导体，迄今带宽度介于3.5~4.3ev之间买最大载流子浓度为1021cm-3，具有低电阻率、高透射率、红外高反射比、良好的化学稳定性、玻璃基体结合牢固、抗擦伤及其半导体特性的有点，广泛应用于太阳能电池、显示器、气敏元件、透明电极、抗静电涂层等领域。

7、 ITO制备方法主要有：磁控溅射、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积等，其中磁控溅射音可以春却控制工艺参数成为首选，本实验利用印刷荧光材质来制作SED阳极板。

8、丝网印刷技术

丝网印刷技术是厚膜技术中最重要的成膜技术，虽然厚膜成膜方

面已经出现了等离子体喷涂、光刻、印贴工艺和直接描绘技术，但丝网印刷仍然是目前最常用、最基本的成膜方法。

丝网印刷是将丝织物、合成纤维织物或金属丝网绷在网框上，采用手工刻漆膜或光化学制版的方法制作丝网印版。也可以利用感光材料通过照相制版的方法制作丝网印版（使丝网印版上图文部分的丝网孔为通孔，而非图文部分的丝网孔被堵住）。印刷时通过刮板的挤压，使油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上，形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单，操作方便，印刷、制版简单且成本低廉，适应性强。

丝网印刷一般分为接触式和非接触式印刷两种。厚膜电路制造厂商一般采用非接触式印刷。

影响丝网印刷质量的工艺变量有很多种，如：

浆料（油墨）：必须要有良好的透过性能，应当流动性大粘度低转移到承印物之后的干燥性能及附着性能好。变量包括颗粒细度、颗粒分散程度、粘度、流动性、附着性能、干燥/固化速度。

丝网：印刷的基础，选择好的丝网，才能提高印品的精度和质量。变量包括材料、丝径大小、丝网目数等。

模板：模板是形成非图像区域的成分。决定图像载体即印版的质量及其耐用性。

刮墨板（刮刀）：使丝网印版与承印物接触，协助控制浆料在承印物上的附着量。变量有刮墨板的硬度、刃口锐度、角度、运行速度、压力。

覆墨板(擦板)：在图文区均匀的填充浆料。覆墨板的动作往往与刮墨板的动作互逆。变量有覆墨板刃口锐度、角度、运行速度、压力。

承印物：变量有表面纹理（光滑度）、表面多孔性、厚度均匀性、静电作用、表面张力等。

印刷/干燥：网距、印刷台面平整度、平行度、定位方法及精度、印刷幅面、固化温度、固化时间等。本实验采用网距3mm，并采用具有图像识别功能的CCD光学视觉对位系统。

环境：环境变量有空气中的污染物、环境温度、环境湿度等。

9、真空技术

真空科学与技术研究对象是称之为“真空”的特殊物理环境。真空技术是使现代工业和尖端科学技术蓬勃发展的一种基础技术。

真空绝不是没有物质的空间。指气体压力低于1个大气压（或气

-1cm体分子密度小于约2.5 10）的稀薄气体状态或指定空间。通19

常将真空度划分为几个区域：粗真空、低真空、高真空、超高真空、极高真空。不同真空状态不仅意味着“量”的变化，也意味着“质”的变化。

真空是用排出或捕获分子的方法、使容器中的气相分子数目减少来获得的。抽气可由真空泵、阱和消气剂来完成。真空抽气的原理和方法有：

1） 通过输运方法将气体分子由一方转移到另一方，最后被排出泵

外。所用原理：（a）气体的压缩和膨胀；（b）粘滞效应产生的曳引力；（c）扩散效应产生的曳引力；（d）分子曳引力；（e）

离子在电磁场中的运动。

2） 通过捕获方法吸掉气体分子，使之暂时或永久留在泵内。所用

原理有：（a）电离效应；（b）物理化学吸着。

获得真空后需要一个量具来量度系统内绝对压力的大小，称之为真空计或真空规。目前真空规的种类很多，每一种只能测量一定范围内的真空度，大体可分为三类：①力学型：直接测量物理量所得，量程在760-1torr，属于绝对真空计；②热导型：热传导随压强的升高而减小的特性；③电离型：离子流随压强的升高而增大。②③两类均与气体的种类有关，其读数是气体种类的函数。

本次试验中，共三处用到真空设备：磁控溅射镀膜，电子发射性能测试和器件封装。

四、实验材料仪器

1. 实验材料:玻璃基板、ITO玻璃、氢氧化钠、硫酸高铈、光刻胶、酒精（无水乙醇）、硝酸、PSG-P1荧光浆料等。

2. 实验仪器：有盖搪瓷方盘、烧杯、玻璃搅拌棒、托盘天平、KW-4A型旋转甩胶机、LC-233型控温烘箱、W-SP-4860A型紫外曝光机、

ACS-4000-C4型多功能磁控溅射仪、金相显微镜、丝网印刷设备、HGL-650型传送带干燥炉、N6705电源分析仪、高压电源、真空实验装置等。

五、实验内容

1、实验准备：学习完成平板玻璃的清洗与退火处理

2、器件电极制作：学习磁控溅射，光刻原理和应用，完成器件电极的制作

3、导电薄膜制作：学习导电薄膜材料的选择和导电薄膜的制备方法，完成导电薄膜的制作

4、阳极荧光板的制作：了解丝网印刷原理，学习阳极荧光板的制作

5、电子发射性能测试：正确使用真空测试系统，完成电子发射的电形成工艺、激活工艺及测试工艺。对测试的数据进行分析讨论

6、器件封接：学习阴极板和阳极板的封接，了解封接原理和过程（观察实验）

六、实验过程

1、玻璃清洗与退火

检查玻璃及刻字

将用于制作阴阳极板的玻璃基片在洗涤中浸泡20分钟

带上橡胶手套用海绵仔细清洗3-5分钟，直到洗去玻璃基片表面污渍

用清水将玻璃基片上的清洗液冲洗干净，然后用压缩空气吹干玻璃基片表面水渍

对着灯光观察玻璃基片表面是否有残留污渍，若没有就进入下一步，否则返回上一步

用去离子水冲洗玻璃基片一遍，然后用压缩空气吹干玻璃基片表面水渍

将洗净的玻璃基片放入烘箱，在100摄氏度下烘烤30分钟后取出放入洁净的有盖搪瓷方盘中备用

退火工艺是将洗好的玻璃板放入烧成炉中进行，退火温度600摄氏度，10分钟至此玻璃清洗与退火工序完成。玻璃基片未彻底清洗干净，在其上镀金属膜厚会出现各种状况，如薄膜出现针孔，脱落等。退火是为了消除制品的内应力或控制结晶过程，将制品加热到合适的温度并保持一定时间然后慢慢冷却的操作。保证了玻璃基片在之后的镀膜过程中不会变形或者裂纹。因此本次实验操作所有的工艺都在玻璃基片进行，玻璃基片的清洗与退火是实验成功的基础，重要性不容忽视。

2、器件电极制作（镀膜）

采用磁控溅射镀膜法在玻璃基片上镀金属膜作为器件电极材料 我们采用磁控溅射镀膜设备是ACS-4000-C4型多功能磁控溅射仪。它是一台先进的磁控溅射镀膜设备，主要由准备室和溅射室构成，准备室较小，溅射室保持高正空环境，节省了换片时抽真空的时间。系统采用微机控制，它拥有两个独立的射频电源，一组直流电源。

将准备好的玻璃基片放在镀膜托盘上，一次可以放两片，镀膜面朝下。用托盘叉将托盘放入准备室，然后戴上手套调整托盘位置，使

卡口对齐。关闭准备室舱门，开始给准备室抽真空。

当准备室内的真空度达到高真空时，开启准备室与溅射室传送通道，按线控制器上的open按钮将准备室内的镀膜托盘传送至溅射室，手动摇动手柄将镀膜盘向上抓起。将传送装置送回准备室，按下close 按钮关闭连接通道。摇动手柄将镀膜盘降下，准备磁控溅射镀膜。

载入磁控溅射镀膜参数程序，开始镀膜。第一组镀膜参数为快速加热基片到140摄氏度；然后慢速加热基片到150摄氏度；氩气气氛下预溅射靶材20秒，氩气气氛下磁控溅射铜600秒；氩气气氛下磁控溅射镀镍240秒。

开启准备室与溅射室通道，启动传送装置将溅射室内的镀膜托盘传回到准备室，关闭连接通道。

开启准备室，用托盘叉将托盘取出，将镀好膜的玻璃基片取下放入洁净的有盖搪瓷方盘中备用。

重复以上步骤将所有的玻璃基片镀上金属膜。

其中先镀镍30秒在基片表面形成一层很厚的镍层，改善了接下来要镀的铜层的附着能力，接下来要镀铜600秒在基片表面形成一层较厚的铜层，铜具有良好的导电性，保证了将来制成器件电极良好导电性；最后镀镍180秒在铜表面形成一层保护层保护好易氧化的铜。于是在玻璃基片表面上镀了三层导电性良好的稳定的金属薄膜，为之后的光刻工艺制作器件电极打下基础。

3、器件电极制作（光刻）

采用光刻加工工艺制作电极。光可加工的基本流程包括衬底准

备、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。

衬底准备：即器件电极制作镀膜工序

甩胶：用KW-4A型旋转甩胶机进行甩胶。将镀金属薄膜的玻璃基片取出，用滴管在金属薄膜表面上滴上适量光刻胶，小心晃动玻璃基片，是使光刻胶覆盖整个膜面。将涂好光刻胶的玻璃基片放在旋转甩胶机中心按下吸气按钮将玻璃基片固定在甩胶台上。盖好盖子先慢速甩9分钟，再快速甩30秒将光刻胶均匀地甩涂到玻璃基片金属薄膜上按动吸气按钮停止吸气，将甩好胶的玻璃基片取下。

前烘：将甩好胶的玻璃基片放入烘箱中，在80摄氏度下烘烤30分钟。前烘将光刻胶的溶剂烘干，使得金属薄膜表面的光刻胶固化，增强光刻胶膜与金属薄膜表面之间的粘附性。

曝光：用W-SP-4860A型光刻机进行曝光，这台机器可以曝光100x120cm的大幅版面。由于我们使用的光刻胶为正性的，因此是用正性的掩膜板，将掩膜板放在曝光台上，器件电极图像应该处于基片中央，盖上遮光板，开始抽真空使得遮光板紧贴玻璃面抽真空6秒后强紫外灯点亮开始曝光。曝光时间必须适当，时间太长或者时间太短都会使得曝光过程出现问题。曝光时间是由光刻胶、薄膜厚度、光源强度、以及光源与衬底之间的距离来决定，一般曝光时间为几秒到几十秒的范围内。通常以短时间曝光为好，并通过实验来决定最佳曝光时间。

显影：先配置显影液显影液为质量分数为千分之四的氢氧化钠溶液。带上橡胶手套将曝光之后的玻璃基板放入显影液中显影。显影时

间随着光致抗蚀剂的种类，胶膜厚度、显影液的种类、显影温度和操作方法的不同而不同，要根据实际情况进行选择和调整。显影时间过长。容易使胶膜发生软化和膨胀，影响胶膜与衬底的粘附性。甚至出现浮胶现象。显影时间过短，会引起反应不充分。因而影响腐蚀出来的图形精度，同时也会降低分辨率。本实验中的显影时间大概为20min左右，光刻部分的金属薄膜刚好显露出来，显影完毕之后在金相显微镜下观察显影情况。

坚膜（后烘）：将显影后的玻璃基片放入烘箱中，在100℃下烘60分钟。坚膜的目的在于挥发掉残存于光刻胶的溶剂，进一步提高胶膜与衬底表面的粘附能力，并使胶膜致密坚固，并可以增加胶层的抗刻蚀能力。

刻蚀：使用指导老师事先配置好的腐蚀液，分成为质量分数为30%硝酸加3g硫酸高铈，其中硫酸高铈为催化剂作用。用镊子将坚膜后的玻璃基片放入腐蚀液中，注意镊子不要碰伤光刻胶层。当刻好的图案清晰可见即可取出来用清水冲净。用压缩空气吹干水渍后即可拿到显微镜下观察，若发现刻蚀不充分可继续放入腐蚀液中刻蚀。

去胶：去胶液为5~10%氢氧化钠溶液。剥胶液与光照过的胶膜发生反应，将不再能贴敷在基板上，用清水冲净玻璃基片残留去胶液，用压缩空气吹干后放入洁净的盖有搪瓷方盘中备用。

4、阳极荧光板制作

我们在ITO薄膜玻璃上利用丝网印刷工艺印制一层荧光粉来制作阳极荧光板。我们采用的丝网印刷设备，只需要调节和设置好各种印刷变量，并利用具有图像识别功能的CCD光学视觉对位系统进行印刷区域对位，印刷时只需要按下几个键就能自动印刷。

（1）用酒精清洗ITO薄膜玻璃、丝网以及刮刀和擦版；

（2）在丝网下面用不干胶带贴出印刷区域；

（3）调节印刷设备，主要调节3个距离，即丝网与印刷面距离3毫米、刮刀与印刷面微贴、擦版与丝网微贴；

用CCD光学视觉对位系统进行印刷区域对位，在印刷区域上放上待印刷的ITO薄膜玻璃（有ITO薄膜面朝上）

在丝网上印刷区域刮刀一边添加适量的印刷浆料（PSG-P1荧光浆料）

开启真空吸住待印刷ITO薄膜玻璃，按动按键将ITO玻璃送到丝网下面开始印刷；

关闭真空，将印刷好的ITO薄膜玻璃取下，换上另一片待印刷ITO薄膜玻璃；

将印刷好的ITO薄膜玻璃放在HGL-650型传送带干燥炉的传送带上烘干。传送带的传送速度为200mm/min，干燥炉的四个炉区温度分别为135℃、105℃、105℃、100℃

印刷完后的浆料可以回收，之后再清洗丝网以及刮刀和擦版

至此阳极荧光板制作工序完成。可以将制作好的阳极荧光板在紫

外灯下观察，可以看到荧光材料在在紫外灯下发出明亮的绿色荧光。丝网印刷得到的荧光粉并不非常均匀，呈现两边厚，中间薄的状态。

5、导电薄膜制作（磁控溅射法）

导电薄膜制作依然需要用到光刻工艺和磁控溅射镀膜工艺，不过这次不是像器件电极制作工序中那样先磁控溅射镀膜再用光刻工艺刻蚀掉不需要的金属薄膜；而是先用光刻工艺在器件电极间细缝处刻出镀膜窗口，再在镀膜窗口部位用磁控溅射镀膜工艺镀上导电薄膜氧化钯（PdO）

衬底准备：取出制作好器件电极的玻璃基片。

涂胶（甩胶）：用KW-4A型旋转甩胶机进行甩胶。将制作好器件电极的玻璃基片取出，用滴管在金属薄膜面上滴适量光刻胶，小心晃动玻璃基片，使光刻胶覆盖整个膜面。将涂好光刻胶的玻璃基片放在甩胶机甩胶台中心，按动吸气按钮将玻璃基片固定在甩胶台上，盖上盖子。先慢速甩，再快速甩30秒将光刻胶均匀的甩涂到玻璃基片金属薄膜上。按动吸气按钮停止吸气，将甩好胶的玻璃基片取下。

前烘：将甩好胶的玻璃基片放入烘箱中，在80℃下烘烤15min 曝光：将掩膜板放在曝光台上，淹膜面朝上，再将前烘后的玻璃基片有光刻胶的一面朝下放在掩膜板上，器件电极图像上的实心十字应套准掩膜板上的空心十字，套准时注意不要擦伤了光刻胶胶膜。用一个塑料盖盖住放好的掩膜板和玻璃基片，避免盖上遮光板时触动定位好的掩膜板和玻璃基片。然后用毛巾盖住塑料盖，以避免塑料盖的锐利边角划伤布制遮光板。盖上遮光板，开机设置抽真空时间6秒，

曝光时间大致60秒。拉上遮光板挂钩电路接通，开始抽真空使遮光板贴紧曝光面玻璃面，抽真空6秒后强紫外灯点亮开始曝光。

显影：先配置显影液，显影液为质量分数为4.5‰的氢氧化钠溶液。

坚膜（后烘）：将显影后的玻璃基片放入烘箱中，在80℃下烘5分钟。

磁控溅射镀膜：靶材料用钯（Pd），在氩气（Ar）气氛下（流量20sccm）预溅射靶材料20秒；在氩气（流量20sccm）和氧气（O）2（流量10sccm）气氛下氧化靶材料（第一次120秒，之后30秒）；在氩气（流量20sccm）和氧气（流量30sccm）气氛下磁控溅射镀膜180秒。由于时间有限，只有部分玻璃先加热到100℃在进行镀膜，其余的玻璃基片未加热直接镀膜。

去胶：采用溶液使器件电极表面的胶膜溶胀或溶解而脱落，去胶液为酒精。

至此导电膜制作工序完成。可以看出基片加热后镀上的导电膜呈蓝色，基片未加热镀上的导电膜呈银白色。

6、导电薄膜裂缝加电形成及表面传导电子发射性能测试：

在电子发射膜两端施加一定波形的电压，使电子发射薄膜上产生裂纹，形成电子发射区，该步骤称为“加电形成”。当器件电流If突然增大后，停止脉冲电压，测量并联电阻Rp，如Rp增大一个数量级以上表明已经形成裂缝。形成工艺以后，向真空室导入有机气体，并在导电膜两端施加脉冲电压，气氛中的碳在裂缝附近堆积，使发射

电流显著变化这就是“激活处理”。在本实验中，由于时间所限，未进行激活处理。加电形成和激活处理的示意图如图15所示。

导电薄膜裂缝加电压形成后即可进行表面传导电子发射性能测试了。表面传导电子发射测试的电路图如图16所示。其中Va为阳极电压,Vf为器件电压，If为器件电流，Ie为发射电流。

导电薄膜裂缝加电形成和表面电子传导电子发射性能测试均在真空中进行，实验中用到的真空系统如图17所示。

常规开机规程为：接通冷却水（各阀门关闭，真空室关闭）；开总电源；开机械泵；开V3旁抽阀，机械泵对真空室抽气，电阻规测量低真空；真空度低于5Pa后关闭V3旁抽阀，开分子泵总电源开关；开电磁阀DF(分子泵LED置零）然后开分子泵启动按钮；开闸板阀，对真空室抽气，分子泵正常工作后，开高真空机（电离计）。

若开机时真空度低于5Pa，可直接执行后半部分。

关机规程为：关闭各仪表电源呢；关闭所有阀门，是系统保持真空；关分子泵，抽气速率为零后关闭电磁阀；关机械泵；关总电源；关冷却水。

首先要在真空室内连好电路，电路如图16所示，连接时注意各个鳄鱼夹尽量不要交叉，接触，以免短路。鳄鱼夹夹住电极时在电极上垫上一块钢网，目的是增大接触面积而减小接触电阻，连接好电路后测量器件电极对之间电阻值并记录。真空连接好的电路如图18所示。

按照开机规程操作对真空室抽真空使真空度达到10-3Pa。

给选用的器件电极对加上加电形成电压，记录器件电流随加电形成电压（器件电压）变化的数据。加电形成完成后测量所选器件电极对之间的电阻并记录。

给阳极加上阳极电压Va（1000V）给加电形成好器件电极对加上器件电压Vf，记录器件电流If，发射电流Ie随器件电压Vf变化的数据。性能测试过程中观察器件的发光情况。每次性能测试后也要测量所选器件电极对之间电阻并记录数据（如表一）

7、器件封接（观察实验）

SED是一种真空显示器件，由上下玻璃基板及周围封接材料框构成的一个密封结构，内部为高真空。

器件封接选用的粘合剂选用低熔点的玻璃粉（低玻粉），他的熔点比玻璃熔点低，具有较好的气密性，化学稳定性和机械强度。主要成分为：氧化铅，氧化锌，乙基纤维素，硝棉等。

SED封接步骤：

准备好阴阳极板，以及支撑用玻璃条；

配制低玻粉浆料，在支撑条上涂覆低玻粉，等待其干燥；

把涂了低玻粉的支撑条安装在阳极板上放入马弗炉中烘烤，待自然冷却；

取出后继续在支撑条的另一面涂覆低玻粉放入马弗炉中烘烤； 在支撑条之间涂覆低玻粉，固定好阴极，放入马弗炉中烘烤； 取出后对器件排气，到高真空后测试。

七、实验结果及分析

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1l4m.html