| CRT荫罩制造技术在平板显示领域应用研究
摘要：CRT荫罩制造技术是一门非常成熟的技术。通过研究LCD、PDP、OLED、IC等高新技术领域器件制作的技术特点，找出CRT荫罩制造技术的特长与它们的最佳结合点，将荫罩制版、精密光刻和精细腐蚀技术延伸到平板显示、IC等领域，为CRT荫罩制造技术开拓出一片崭新、广阔的应用领域。
关键词：荫罩 平扳显示 制版 光刻 精细腐蚀 掩膜板
1 引言
CRT荫罩制造技术随着CRT的诞生已走过半个世纪风雨历程，生产厂家由最初的GTE一家，发展为现今的十多家，仅中国就有五家之多。全球年产CPT、CDT用荫罩近2亿张。生产方式由垂直送料的串联式和水平送料的分段式两大独立制式,发展为将两种制式的优点结合在一起的水平涂胶、垂直曝光、水平腐蚀的全新制式,使生产效率和产品质量达到几乎完美的程度。生产技术由原来的一次涂胶、一次腐蚀发展为二次涂胶、二次腐蚀，使生产CDT用的高分辨率荫罩变成轻而易举之事。CRT荫罩制造技术已经发展为一种非常成熟的专门技术。
时代在发展，科技在进步。随着LCD、PDP、OLED等新型平板显示技术先后问世并逐步成熟,CRT在显示领域一统天下的局面已不复存在。目前形成了CRT、LCD、PDP三分天下的局势。由于LCD、PDP工艺技术的飞速发展，性价比不断提升，其市场占有率越来越高,使CRT的生存受到巨大的挑战。在这种严峻的形势下，作为CRT行业基础之一的荫罩制造技术今后如何发展下去，是一个值得深思的问题。选择充分发挥CRT荫罩制造技术特长，将其向平板显示等高新技术领域拓展的研究方向，无疑是一个明智之举。
2 CRT荫罩制造技术的基础
CRT荫罩制造技术的基础是精密光刻技术和精细腐蚀技术，即通常所说的照相腐蚀技术。按用户提出的荫罩规格要求光刻制版（母版、工作版），用制出的版做为掩膜在涂有感光胶的钢带表面光刻，然后再显影、精细腐蚀。这里精密光刻用在两个方面，1.掩膜版的制作（母版、工作版）2.在钢带上进行荫罩图形的光刻。而精细蚀刻技术则是用在对经过光刻的钢带进行腐蚀，制出高精度的金属栅网---荫罩。
3 CRT荫罩制造技术应用领域拓展研究
CRT荫罩制造技术应用领域拓展研究，是指对精密光刻（主要指荫罩制版技术）和精细腐蚀两大技术应用领域的拓展研究。
自1839年法国达盖尔（L.J.M.Dagurere）的银版摄影技术问世以来，照相制版技术已经过了160多年的漫长历程，广泛的应用于工业，农业，国防，科学技术等各个领域。CRT荫罩制造技术就是引用了照相制版技术，才得以突飞猛进的发展。从工艺到设备形成了一个非常先进的专门技术，成为照相制版专业的一个重要分支，现在回过头来，将CRT荫罩制造的先进技术应用于其它领域有其得天独厚的优势。
如今，LCD、PDP、OLED等新生的平版显示技术蓬勃发展，在这些领域以及IC等行业都要用到高精度的光学掩膜版或金属掩膜版，这显然为CRT荫罩制造技术提供了新的发展空间。
3.1 在LCD器件制作中的应用
从LCD的结构中可知，LCD主要构成材料及部件有：液晶材料、分子取向剂、透明电极基板、 RGB彩色滤光器、驱动电路等等（图一）。其中透明电极基板，RGB彩色滤光器及驱动电路印刷板都是采用掩膜光刻工艺加工制作。
透明电极基板：通常采用涂覆ITO膜（氧化铟及氧化锡透明导电膜）的玻璃板、塑料片等，其透光率在90％以上，表面电阻从10欧姆到数百欧姆。显示图形电极便由透明电极基板经光刻制成：先制成与所需电极图形相对应的光学掩膜版，用此做为掩膜，在涂有光刻胶的ITO基板上曝光、显影，然后用干法或湿法蚀刻出所需电极图形。这是一种典型的光刻工艺技术，在很多领域都要用到它。（图二)
黑色矩阵条、RGB彩色滤光器、驱动电路印刷板等也采用此种工艺。这里,各种光学掩膜版是制取LCD器件的关键工装。低精度、低分辨率的LCD(如笔段电极和固定图案电极型LCD)电极的制作多用菲林或干版制作掩膜版。其Line /space约30μｍ/30μｍ左右。高精度，高分辨率的LCD（如矩阵电极型LCD电极的制作）
多用铬板掩膜版，其对掩膜版精度要求为最小Line/space约3-5μｍ/3-5μｍ左右，套合精度约5μｍ左右。可以说掩膜版是 LCD器件制作中最重要的工装，它的精度高低直接决定着LCD成品精度的高低，没有它就无法制出可以显示图象的LCD器件来。不论是CRT还是LCD掩膜版的制作技术原理是相同的，所以用来制作CRT荫罩掩膜版的技术和设备，正好可以在这方面发挥作用。可以满足低、中、高不同档次LCD掩膜版的制作需求，CRT荫罩制版技术在LCD制造领域大有用武之地。
3.2 在PDP器件制作中的应用
彩色PDP是主动发光型平板显示器，它的工作原理是利用潘宁气体放电产生的真空紫外光（147nm,153nm,173nm）激发RGB荧光粉得三基色，再通过对其进行空间和时间的调制得到彩色显示。其结构如（图三）
从图中可知PDP的前后基板上有多层图形，如前基板上有ITO（透明）电极图形，BUS（汇流）电极图形，黑色条图形；后基板上分别制备有选址电极图形，障壁图形和荧光粉图形等。这些不同的图形都有严格的尺寸精度要求，且不同图形之间有固定的位置关系。在PDP的生产过程中除极少数公司外，在形成PDP不同图层时都是采用光掩膜版来完成图形转换的。如光刻工艺制作电极，喷砂法制作障壁等都是利用掩膜版制备所需图形，再用化学法或机械法制取最终所需图层。用印刷工艺制作图形，丝网版的制作也离不开掩膜。
3.2.1 PDP透明电极的制作（方法有两种：光刻法和填平法）
光刻法：
ITO玻璃基板光刻 显影 湿法或干法蚀刻 去膜 形成透明电极图形
填平法：
玻璃基板 涂感光胶 用掩膜光刻 显影 CVD法沉积SnO2膜（ITO透明导电膜） 去除光刻膜 形成SnO2透明电极图形
在透明电极的制作工艺中，不论是采取光刻法还是填平法，都要用到光掩膜版，这样的掩膜同样也可用CRT荫罩掩膜版制作技术和设备来制作。实际上我们80年代后期就开始利用荫罩制版技术和设备给国家平板显示研究中心（南京55所）研制PDP电极掩膜版，有力的支持了我国PDP初始阶段的研发工作。
3.2.2 PDP BUS电极图形制作
利用真空蒸镀或溅射镀膜工艺在基板上形成Cr—Cu—Cr三层膜后，采用掩膜光刻工艺制取BUS电极图形。
PDP BUS电极图形也可使用丝网印刷工艺制作。用Ag粉与玻璃粉、树脂混配成浆料采用丝网印刷法制取。而丝网版的制作同样也要采用掩膜光刻工艺技术。
近年来BUS电极图形多采用光刻银浆料法制作。将感光性银浆料用丝网印刷法涂敷在玻璃基板上，经掩膜光刻、显影、烧结制成BUS电极。用这种方法制取的BUS电极图形比较精细光滑。
3.2.3 PDP选址电极制作（主要有六种方法）
图形印刷法：用银浆料丝网印刷，直接形成选址电极图形。
化学蚀刻法：将银浆料在基板表面涂覆烧结后，涂感光胶采用掩膜光刻工艺制作选址电极。
填平法：在基板表面贴附光刻胶干膜，采用掩膜光刻形成图形，在蚀刻掉光刻膜的部位刷填浆料，而后去除光刻胶，形成选址电极。
薄膜光刻法：利用溅射等薄膜工艺配合光刻等工艺形成选址电极图形。
掩膜蒸镀法：利用金属掩膜版蒸镀电极薄膜，直接制取选址电极图形。
感光树脂浆料及胶带法：将感光性银胶带贴附于基板上，经掩膜光刻显影，烧结制成选址电极。
上述六种制取选址电极的不同工艺中，有五种都需采用光学掩膜版，一种采用金属掩膜版。光学掩膜版和金属掩膜版可分别采用与CRT荫罩掩膜版和精细蚀刻技术相同的技术来制作，可为CRT荫罩制版和精细蚀刻技术开辟一个全新的、广阔的应用领域。
3.2.4 PDP障壁的制作（主要有四种工艺）
多次印刷法：利用丝网印刷工艺，多次印刷浆料（需8-10次）使其总高达150μｍ。制作丝网版需采用掩膜光刻工艺。
干膜光刻胶+喷砂法：先在基板上涂覆厚度200μｍ的障壁材料，其上贴干膜，用掩膜光刻、显影后再去除光刻胶部位，喷砂形成障壁。
利用膜状障壁材料法：将涂有规定厚度障壁材料的PET薄膜贴在整个玻璃基板上，然后再在其上贴干膜光刻胶，采用掩膜进行光刻、显影后喷砂形成障壁，这里仍要用到掩膜光刻技术。
注入法：在基板贴附150μｍ厚的干膜光刻胶，采用掩膜光刻、显影、腐蚀后，在形成的线条沟槽内注入障壁材料形成障壁。在上述四种障壁制作工艺中均采用掩膜光刻工艺，同样这里也是CRT荫罩制版技术和光刻技术的用武之地。
3.2.5 PDP荧光层的制作（主要有三种工艺）
在AC型PDP中由于障壁为条状，障壁与障壁之间的荧光体层可用丝网印刷浆料状的荧光体。要制成RGB三种丝网版来分别印刷出RGB三种荧光体来。
由于精细化节距要求，为提高精度可在障壁上全面印刷混有光刻胶的荧光体，通过掩膜光刻工艺形成荧光体层，这种工艺基本上与CRT涂屏工艺相同。
DC型PDP也采用上述（第二种）工艺，不同的是曝光时紫外光是从障壁基板的背面照射。
在上述荧光体制造工艺中，均采用丝网印刷工艺。而丝网版需采用掩膜光刻技术来制作，必需要有高精度的掩膜版。制作中同样可采用与CRT荫罩制版工艺相同的技术来制作，而且由于荧光体层是由RGB三原色组成，必须制作R.G.B三套掩膜版才行。
综上所述，在整个PDP制作工艺中，需要大量的掩膜版。掩膜版是各种工艺加工的基准。PDP对掩膜要求的主要特点是图形尺寸大。量产的PDP一般对角线都在1m以上；图形尺寸精度要求高，特别是各层图形的各块掩膜都必须一一套准，目前量产时要求套准误差在5μｍ以内，在对角线在1m以上的大面积掩膜版上，这样的要求不可为不高了，这样高精度大面积的掩膜版是一般照相制版设备和技术绝不可能达到的，但是制作CRT荫罩掩膜版的设备和技术却可完全满足这一要求，从早期的光电绘图仪（例如GB2344）到现在的激光绘图仪（如MICRIC,MASKWRITE），用来绘制上述掩膜版是绰绰有余的。激光绘图仪的分辨率高达20万dpi（可升级到50—100万dpi），使用激光干涉测距，激光扫瞄直接光刻铬版或干版，最大可绘制对角线尺寸为42英寸的铬版和72英寸的干版。图形尺寸精度最小Line/space可高于20um/20um，套合精度可达到5um以内，而且绘出的图形边缘光滑陡直，过渡区小，图形反差高，因此CRT荫罩制版技术在PDP器件制造领域是大有可为的。
3.3 在OLED器件制作中的应用
OLED是继LCD、PDP之后又一新型的平板显示器件，它有着许多LCD、PDP所无法比拟的优点，是目前国际上一个新的研究热点，我们国家也在着力进行这方面的研发。OLED的结构原理如下：（图四）
从图可知：在透明电极（ITO膜，阳极）上，有有机空穴传输层HTL，有机发光层EML，有机电子传输层ETL及金属背电极（阴极）等结构。当在器件的两端加上正向直流电后压时（ITO为正，背电极接负）即可发光。OLED矩阵显示屏通常采用以下工艺制作：
在ITO导电玻璃上光刻成X方向的条状电极，其线宽及间距视其分辨率而定；在ITO电极上蒸发上有机HTL、EML、ETL层；然后制备Y方向的金属条状电极，其线宽、间距与X方向相同；器件最后封装完成。
在OLED器件制作中，需要用到两种掩膜版：光学掩膜版和金属掩膜版。光学掩膜版用来对ITO导电玻璃进行光刻，制取透明导电极（阳极）；而金属掩膜版则用来作为蒸镀掩膜，在器件上蒸镀金属条状电极（阴极）。如前所述，光学掩膜版可采用CRT荫罩制版工艺技术来制作，通常制成铬版。其工艺流程如下：
光刻机光刻铬版 显影 蚀刻 脱膜 清洗 烘干 成品铬掩膜版
而金属掩膜版则可采用CRT荫罩精细蚀刻技术来制作，其工艺流程如下：
钢带清洗 涂感光胶 双面掩膜光刻 双面腐蚀 剥膜 清洗 干燥 金属掩膜版
近年来，我们在这方面做了大量的研究工作，应用CRT荫罩精细蚀刻技术在国内第一个开发出了高精度的OLED金属掩膜版，对我国OLED研发事业做出了贡献，被业内专家评价为“解决了我国OLED研发中的一个瓶颈问题”。如今已开始向清华等国内外的研发单位供货。OLED金属掩膜版的研发成功，为CRT荫罩制造技术开辟了一个崭新的应用领域。
4 结论
CRT荫罩制造技术是一门非常成熟的技术。支撑它的基础技术-----制版、光刻和精细腐蚀技术可以延伸应用到许多相关的技术领域，除了在平板显示、IC行业得到引伸应用外，在其它领域也有着广阔的应用前景。例如在航天、石油化工领域用的高密度、高精细金属过滤筛网；石油探测检波仪中的弹簧片；在微机械、微电机领域用的超薄、超小、异型及层叠金属零件；在光学、电子领域用的各种光学和金属掩膜版、光栅尺、解码片、金属栅网、导磁片、异型齿轮片、VFD栅网、C-FED显示管金属掩膜版、大功率管阴极栅网等等都可应用CRT荫罩制版及精细蚀刻技术来制作，特别是荫罩精细蚀刻技术可以引伸到其它很多领域，可以这样说：凡是用冲压、线切割等机械加工方法无法加工或达不到精度要求（例如毛刺、卷边、形变等缺陷）的薄型金属产品基本上都可以用荫罩精细蚀刻工艺来制作。
只要我们勇于突破传统观念，解放思想，创新思维，认真研究相关高新技术领域的技术特点，找出CRT荫罩制造技术的特长与它们的最佳结合点，就会开拓出一片崭新的广阔天地，使这门非常成熟的技术焕发出新的活力。
参考文献：
1、蒋宗礼、吴祖垲. 彩色显像管制造技术. 电子工业出版社，1999.9
2、田民波. 电子显示. 清华大学出版社, 2001.5
3、冯克勤 CRT荫罩制造技术及其在平板显示领域的应用 .液晶与显示.2003.（3）
4、杨兰兰. 屠彦. 彩色等离子体平板显示器的发展课题及技术途径.2002中国平板显示学术会论文集，104-105
5、贾正根.PDP中的印刷技术.国际光电与显示，2001（11）：129-1
冯克勤，男，1946年生，1968年毕业于西安仪器工业学校光学专业。高级工程师，中国光学学会、中国兵工学会会员。现工作于彩虹集团彩虹电子网版厂，任主任工程师。主要从事CRT荫罩制版工艺技术、OLED金属掩膜版及各种高精度金属栅网的研制开发工作。
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