等离子体显示器平板障壁的大面积压印成型方法

摘要

本发明公开了一种等离子体显示器平板障壁的大面积压印成型方法，该方法采用辊压模具和配套的紫外固化工艺，在PDP显示器后基板上实现大面积平板障壁结构的复型，其中障壁材料可采用低膨胀玻璃等；本发明制备的平板障壁可直接涂铺荧光材料进行高温焙烧，完成平板显示微腔制造；替代了诸如固态光刻胶膜裱贴、曝光、显影、喷砂、剥胶等现有工艺，缩减了诸如贴膜机、曝光机、显影机、喷砂机、剥胶清洗机等制造装备；利用该发明也可实现以碳纳米管为发射极的大面积场发射平板显示的显示微腔体制造。

说明书

技术领域

本发明属于微电子、微机械制造技术领域，具体涉及一种能大面积压印成型等离子体显示器(PDP)平板障壁——三维微腔体阵列结构的制造方法，该方法制备的等离子体显示器障壁可直接涂铺荧光材料，再进行高温焙烧，完成PDP显示器的微腔体制造。该方法将现有的制造工艺，如：固态光刻胶膜裱贴(简称贴干膜，用于光刻障壁结构图形)、曝光、显影、喷砂、剥胶(清洗残胶)等，缩减为压印成型一道工艺，以一套压印设备取代原有的5套相关设备(如，贴膜机、曝光机、显影机、喷砂机、剥胶清洗机)。同时，该方法也适合于以碳纳米管为发射极的大面积场发射平板显示的显示微腔体的制造。

背景技术

随着大面积平板显示器的发展，PDP显示器作为一类极具发展前景的平板显示器，发展的步伐正在加快。在PDP平板显示器的制作工艺流程中，障壁的制作工艺是PDP平板显示器制造的四大关键技术之一，极大影响了PDP显示器件的性能及成本。传统制作PDP障壁的方法有两类：厚膜印刷法和喷砂法。厚膜印刷法成本低，简易可行，但其限于制作数百微米宽的粗犷图形，很难制成宽几十微米的精细图形，均一性差，当漏模尺寸较大时，易产生弯曲和扭曲变形，且不适合高清晰度和特殊形状障壁(如waffle和meander型障壁)制造；喷砂法可制作出离散误差很小的障壁结构，可保证图形精度，但在制作过程中大部分玻璃浆糊被切削掉(约70％左右)，其废弃物中含有大量的氧化铅，易污染环境，必须经过一定的处理，而且，PDP障壁制作中过多的采用光刻技术，工序多，成本很高。针对目前PDP障壁制作工艺，各研发公司正在开发新一代的障壁制作方法，如引入lift-off法等微制造技术。

传统的微制造技术中，对于微米级(即小于100μm)特征尺寸器件的制作，目前主要采用常规的集成电路光刻中制作工艺(即布胶、曝光、显影、清洗、化学/物理刻蚀等)。其制作特点局限为制作面积受限(最大十几英寸)、深宽比较小、且需要连续多道工艺配合完成。对于小面积(英寸级)、高深宽比尺寸结构器件的制作，LIGA工艺是目前最被看好和应用最广的技术，其特点是通过在SU8型光刻胶上深度曝光(采用X射线曝光)形成大深度的直壁曝光区域，再通过显影、电铸等制作工艺，制作出微米级大深宽比(可达20∶1以上)的元器件。如果结合lift-off工艺，也能够实现底部悬空的器件(如悬臂梁结构)的制作。上述两类工艺其共同的特点是需要昂贵的曝光束源、特殊的光刻胶材料、精确的刻蚀(湿法、干法)控制、制作周期长、成本较高，也不具备制作大面积(米级以上)微细结构的能力。

微压印光刻工艺是近年来提出的一种对于微纳米级图型结构或构件制作的先进工艺技术。根据国际上已公开的文献，微压印的图型复制能力最小可以达到6nm，工艺简单，且成本极其低廉，因此受到工业界的重视。一般认为：微压印光刻作为一种高效率、低成本的微纳结构制造技术，有可能在某些工业应用中成为下一代光学投影光刻工艺技术的补充或部分替代，可以大大降低各种微纳器件制造的成本。但已公开的压印工艺中均采用平板式模具，实行分区压印，面积受限，效率较低，且无大面积(米级以上)三维微结构压印尝试的先例或专利记载。

综上，PDP显示器作为一类极具发展潜力的大面积平板显示器已引起各大公司的关注，但作为其关键技术之一的障壁制作工艺，目前较多的采用了光刻中的相关技术，但存在成本过高，且难以实现大面积(米级及以上)的均一化制造，已经极大的限制了PDP显示器的进一步发展。如何降低障壁制作的成本，提高障壁的精细度和大面积的均一性，已成为相关研究单位的热点问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，为了降低PDP显示器平板障壁制作的成本，并实现大面积(米级以上)的均一化、精细(尺寸0.05mm以下)的障壁制作，本发明的目的在于，提供一种等离子体显示器平板障壁的大面积压印成型方法，该方法能够制作大面积、精细化的PDP显示器障壁结构。

为了实现上述任务，本发明采取以下的技术解决方案：

一种等离子体显示器平板障壁的大面积压印成型方法，该方法采用紫外固化辊压印复型的工艺，实现大面积障壁结构的复型，具体的工艺过程包括下列步骤：

1)具有PDP显示器障壁形状微结构的辊压模具的准备：

辊压模具为滚筒式结构，滚筒上依次有模具金属层和纳米级厚度的类金刚石过渡层，类金刚石过渡层上形成有PDP显示器平板障壁形状三维微结构，该PDP显示器的平板障壁三维微结构截面的尺寸为：障壁高度100μm～150μm，宽度为40μm～70μm，节距为200μm～300μm，或PDP显示器平板障所要求的更精细的微特征结构；以适应当前对PDP面板尺寸的市场需求。

辊压模具的加工采用超快激光雕刻加工或湿法刻蚀加工，为便于辊压复型过程中的定位对正要求，辊压模具表面制作有第一对正标记；

2)PDP显示器后基板的准备：

PDP显示器后基板选择玻璃基板，首先制作选址电极，在选址电极上均匀镀上白色介电层，并对介电层表面进行平整化处理；在平整的介电层表面制作第二对正标记，该第二对正标记和辊压模具上的第一对正标记一起构成PDP显示器平板障壁辊压制作的标记系统，用于下一步制作出的平板障壁结构与选址电极之间的精确定位；

3)对正定位过程：将含对正标记的PDP显示器后基板置于辊压工作台上并进行真空吸附固定，采用CCD图像采集的方式对后基板上两侧的对正标记进行视觉测量，获得后基板的位置参数，通过辊压平台的微驱动，进行位置校正，使得辊压模具轴线与后基板的对正标记的连线平行；通过辊压工作台上的对正标记的视觉采集，并与后基板上标记的图像进行对比，调整模具的转角及水平位置，设置初始的复型位置；通过上述对正调整，可实现障壁辊压复型的精确定位。

4)辊压复型过程：采用布帘式(curtain coating)涂铺方式，通过控制负压吸附的强度及布帘厚度，精确控制障壁浆料的流量，并结合控制模具转动速度，实现障壁材料在辊压模具上均匀、膜厚可控的涂铺，并通过柔性刮刀，刮掉辊压模具凸起上的障壁浆料，仅留下辊压模具凹槽中的障壁浆料；障壁浆料涂铺过程中，启动辊压辊压系统，辊压模具在转动的同时，与布帘式铺胶系统一起进行水平运动，控制保证辊压模具转动的线速度与水平运动速度一致，避免模具与后基板之间的相对滑动；辊压模具与后基板的接触处，障壁浆料经过紫外照射，障壁浆料中的光敏部分固化，连同障壁材料一起附着在后基板上，实现了图型转移，即辊压模具上的障壁微结构复型在后基板上。

5)障壁结构的后处理：对上述经辊压复型出的平板障壁结构进行后紫外固化，使得障壁材料完全固化；由于该逆压印辊压复型不存在留膜，所以制成的障壁结构可直接进入PDP显示器制作的下一环节。

本发明的方法制备的PDP显示器障壁结构具有精细化(由模具上微结构尺寸决定)、大面积(辊压的行程及模具的长度)、低成本(以一套压印设备取代原有的5套相关设备：贴膜机、曝光机、显影机、喷砂机、剥胶清洗机)、生产效率高(工艺流程简单)的优点，适于PDP当前的障壁制作需求，易于扩展到更精细化、更大面积的PDP障壁结构(只需制作出更精细微结构的辊压模具即可)。

附图说明

图1～图5为PDP障壁的辊压制作工艺流程图。其中：

图1为辊压模具的结构图，可以采用超快激光在金属上直接加工出预定的PDP显示器平板障壁结构及第一对正标记结构，再于微结构表面淀积一层均匀的低表面能材料(如炭原子)，以降低辊压模具的表面能，避免在辊压过程中模具对障壁的材料的粘附。

图2为PDP障壁制作前的后基板制备。首先选取均匀平整且尺寸符合大面积显示器要求的玻璃基板；再于其上淀积选址电极，选址电极的分布符合要求；淀积一层白色介电层，并对介电层表面进行平整化处理；在平整的介电层层表面制作第二对正标记。

图3a为辊压前的对正系统构建，确保PDP障壁的复型位置与选址电极的位置相配合；图3b表示分别位于模具与后基板上的第一、第二对正标记的设置。

图4为辊压系统示意图。后基板经真空吸附固定后，进行对正检测，并通过微调工作台，实现对正调整；然后模具系统(包括模具、滴胶槽、刮刀、紫外固化装置)下压，施加合适的辊压力，开始进入辊压复型

图5为辊压复型过程。布帘式铺胶系统及刮刀使得辊压模具凹槽中充满PDP障壁材料，辊压模具将凹槽中的材料经一定的辊压力复型至后基板上，并固化形成PDP显示器的平板障壁结构。

图中的标号分别表示：1、模具金属层，2、辊压模具上的凸起部分(障壁结构中的节距部分)，3、类金刚石过渡层，4、制作PDP后面板的玻璃基板，5、选址电极，6、白色介电层，7、介电层上的第二对正标记，8、半透半反镜，9、CCD摄像头，10、全反镜，11、辊压模具上的第一对正标记，12、紫外光通路，13、布帘式铺胶装置，14、PDP显示器的障壁材料，15、柔性刮刀，16、辊压工作台，17、真空气路，18、抽真空口，19、模具转动方向，20、模具水平运动方向。

以下结合附图和具体实施例对本发明的方法作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的方法制备的大面积、精细化的PDP障壁结构，属于PDP障壁制作的新方法，用一套压印设备取代原工艺流程的5套相关设备，可以极大的提高生产效率；由于辊压模具制作方法的改进，只要制作出更精细的模具，采用本发明的方法，就可制成更为精细的大面积障壁结构。

其基本工作原理为：通过辊压模具连续旋转辊压方式和施加一定压力，布帘式铺胶结合柔性刮刀的涂布方式使得辊压模具的凹槽中充满PDP障壁材料，通过辊压模具滚压旋转模具凹槽中的PDP障壁材料转移到后基板上，并紫外固化成形。其特点为：微结构形状可以为三维结构，转印效率和精度高、特征结构尺度范围宽、成本低廉。

辊压复型大面积精细的PDP显示器障壁结构的主要工艺要素包括：表面制备有精细化的障壁结构的辊压模具、辊压复型前辊压模具与后基板的对正过程、PDP障壁材料对模具凹槽的填充涂铺、辊压过程中的辊压力及模具转动速度与水平运动的速度的匹配、障壁材料的紫外固化性能。其中，障壁浆料的涂铺和辊压过程中辊压力的设置及速度的匹配是PDP障壁辊压复型的关键工艺要素。障壁材料的涂铺厚度及辊压力的设置与所要复型的障壁高度有关，必须保证足够的材料将模具上障壁微结构充满并转移到后基板上；辊压过程中辊压模具转动与水平运动的速度匹配直接影响复型后障壁结构的侧壁形貌。

本发明的模具与后基板的对正系统(如图3a所示)对PDP显示器障壁的辊压复型质量影响极大。由于辊压复型前后基板上已制备有选址电极，所以，必然要以选址电极的位置为定位基准来制备PDP障壁。该定位包括三部分：第一，辊压模具的第一对正标记轴线应与后基板上第二正标记的中心连线相平行，即辊压模具的轴线必须要与后基板上以制备的选址电极所在直线平行；第二，辊压模具在辊压复型前必须先旋转到预定位置，以保证开始复型的障壁结构符合要求；第三，辊压复型前，模具要水平运动到预定位置，以保证在后基板上的预定位置开始复型障壁结构。此三步定位的精度都确保在1um以内，一般可以采用光学对正的方法实现。

本发明的大面积精细化PDP显示器障壁结构的热辊压复型包括以下工艺要素的组合：辊压模具的制作工艺(附图1)、后基板的制备工艺(附图2)、模具与后基板的对正工艺(附图3a，3b)、辊压复型工艺(附图4、图5)。与其它PDP障壁制造工艺相比，本发明关于PDP显示器障壁结构的热辊压复型工艺更适合制作更为精细化的障壁结构(主要取决于辊压模具上微结构可达到的最小尺寸，目前可达到微米至亚微米级)，且采用旋转滚压方式，可实现大面积(可达米级以上)的障壁制作，在制作效率和成本等方面都有较大优势。

目前常见的障壁单元结构有传统的条形障壁、先锋公司的华夫(Waffle)结构、富士通日立公司的Del TA结构、松下公司的不等宽单元结构等。以目前正在量产的42英寸板中障壁高度为100μm～150μm，宽度为40μm～70μm，节距为200μm～300μm左右的PDP障壁结构为例，其热辊压复型制作工艺包括以下几个阶段：

(1)具有PDP障壁形状微结构的辊压模具的准备：

辊压模具为滚筒式结构，包括模具金属层1，辊压模具上的凸起部分2(障壁结构中的节距部分)，类金刚石过渡层3，在辊压模具上形成具有所要求障壁形状的微结构(如条形障壁、Waffle结构、Del TA结构、不等宽单元结构等)，线宽为40μm，深度为100μm，。辊压模具的加工方式可采用超快激光加工或湿法刻蚀加工；辊压模具材料可选普通的不锈钢材料(如OCr19Ni9)；为便于辊压复型过程中的定位对正要求，在辊压模具上制作出相应的第一对正标记；形成微结构特征之后，用市售的镀膜机将炭原子沉积到电子光刻胶显影后的表面(已含微米级三维结构腔体)，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜，以增强辊压模具表面硬度，提高辊压模具在辊压过程中的脱模能力，如图1所示。

(2)PDP显示器后基板的准备：如图2所示，PDP显示器后基板包括玻璃基板4，玻璃基板4上有选址电极5，选址电极5被白色介电层6包履，在白色介电层6上有第二对正标记7。

玻璃基板4选用市售的高屈浮点玻璃，以印刷法将银印刷到玻璃基板上制成选址电极5；以印刷法在玻璃基板上沉积一层白色介电层6；并在介电层6上制作第二对正标记7，以实现下一步制作出的障壁结构与选址电极之间的精确定位；

(3)对正定位过程(图3a，3b、图4)：将含第二对正标记7的PDP后基板置于辊压工作台16上进行真空吸附固定，辊压工作台16上有真空气路17，抽真空口18；采用CCD摄像头9、半透半反镜8、全反镜10组成的CCD图像采集系统对后基板上两侧的第二对正标记7及辊压模具上的第一对正标记11进行视觉测量，获得两者的位置参数，通过辊压平台的微驱动，进行位置校正，使得辊压模具轴线与后基板两对正标记的连线平行；通过对辊压模具上对正标记的视觉采集，并与后基板上标记的图像进行对比，调整模具的转角及水平位置，设置初始的复型位置；通过上述三步调整，可实现障壁辊压复型的精确定位。

(4)辊压复型过程：如图4，图5，对正完成后，模具部分(包括辊压模具1、布帘式涂布装置13、PDP显示器的障壁浆料14、刮刀15、紫外光通路12)下压，使辊压模具1与后基板的白色介电层6接触，并施加一定的辊压力，启动布帘式铺胶装置13，开始辊压复型过程。辊压模具1在转动的同时，进行水平方向的运动，控制保证模具转动的线速度与水平运动速度一致，避免模具与后基板之间的相对滑动；辊压模具1与后基板的白色介电层6的接触处，留在白色介电层6的障壁浆料经过紫外光照射，使障壁浆料中的光敏材料被固化，连同障壁材料一起，附着在后基板的白色介电层6上，实现了图型转移，即辊压模具1上的障壁微结构复型在后基板上。

PDP显示器的障壁浆料14可采用低膨胀玻璃，在其中加入适量的光敏材料制成。

(5)复型完成后，对障壁结构进行后固化，使其完全固化，形成PDP显示器的平板障壁结构。