專利名稱：碳膜生長工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到生長碳膜，更確切地說是涉及到在處理過的襯底上生長碳膜。
場發(fā)射顯示器件相對于LCD顯示器，特別是相對于便攜式計(jì)算機(jī)而言，在降低成本方面顯示了光明的前景。而且，在諸如廣告牌顯示器件之類的其它領(lǐng)域中，場發(fā)射器件正開始得到實(shí)際應(yīng)用。
生產(chǎn)良好的場發(fā)射器件即顯示器的一個(gè)困難是場發(fā)射體材料的制造，對廠家來說要便宜，而在功率消耗方面又要效率高，并且要符合其顯示特性。在滿足這些限制方面，碳和/或金剛石場發(fā)射體材料已經(jīng)顯示了光明的前景。
用于矩陣可尋址顯示器的這種膜的現(xiàn)有淀積方法的一個(gè)問題是，為了對膜進(jìn)行圖形化，這些工藝在膜已經(jīng)被淀積在襯底上之后，都要采用一個(gè)或更多個(gè)處理(例如腐蝕)步驟。這些處理步驟使膜的性能和發(fā)射能力下降，常常下降到膜的發(fā)射不符合要求。結(jié)果，在本技術(shù)領(lǐng)域中就需要一種在膜淀積之后無需再對其進(jìn)行處理的淀積工藝。
本發(fā)明討論了上述需要，本發(fā)明采用一種工藝來生產(chǎn)圖形化的陰極而無須加工(例如腐蝕)發(fā)射膜。借助于在淀積之前在可能由fosterite之類的陶瓷材料組成的襯底上執(zhí)行處理步驟來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?？梢詧?zhí)行這一處理步驟來腐蝕預(yù)先已經(jīng)淀積在襯底上的金屬層，以便對金屬材料進(jìn)行圖形化。在此處理步驟之后，再在整個(gè)樣品上淀積膜。在沒有金屬的位置處，成核位置的數(shù)目較大，導(dǎo)致這些位置處的擇優(yōu)發(fā)射。
在一個(gè)變通實(shí)施例中，通過掩模來淀積材料，掩模中的孔對應(yīng)于金屬層已經(jīng)被腐蝕掉的區(qū)域。
在一個(gè)實(shí)施例中，淀積或生長在襯底上的膜是金剛石或類金剛石膜。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，淀積或生長在襯底上的膜是碳，它是金剛石顆粒和石墨顆粒以及無定形碳的混合物或此混合物的子集合，從而存在這些材料中的一種或多種。這些顆?？梢允墙Y(jié)晶的。
在本發(fā)明的另一個(gè)變通實(shí)施例中，在襯底已經(jīng)被堿(pH＞7)或酸(pH＜7)處理之后，在襯底上生長膜。此襯底可以是陶瓷或類玻璃材料，并且在處理步驟之前可以是拋光過的或未拋光過的。襯底的處理或腐蝕改變了襯底的微觀形貌(亦即使襯底的表面“變粗糙”)，從而提供了膜生長的擇優(yōu)表面。
在本發(fā)明的又一個(gè)變通實(shí)施例中，可以在處理過的襯底上采用聲處理工序，以便進(jìn)一步增強(qiáng)襯底上的膜生長。
在本發(fā)明的再一個(gè)變通實(shí)施例中，襯底可以由金屬或?qū)щ姴牧辖M成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，和在襯底的未處理過的部分上生長的膜相比，在襯底的處理過的部分上生長的膜是更好的電子發(fā)射材料。這一優(yōu)點(diǎn)的結(jié)果是，由發(fā)射位置能夠容易地形成圖形而無須在已經(jīng)生長或淀積了膜之后執(zhí)行任何類型的腐蝕步驟。
上面已經(jīng)相當(dāng)概括地概述了本發(fā)明的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，從而可以更好地理解本發(fā)明的下列詳細(xì)描述。下面將描述本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，它組成了本發(fā)明的權(quán)利要求的主體。
為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖參照下列描述，在這些附圖中

圖1-6說明了根據(jù)本發(fā)明的淀積工藝；圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的流程圖；圖8說明了用根據(jù)本發(fā)明的膜制造的場發(fā)射器件；圖9說明了采用由根據(jù)本發(fā)明的場發(fā)射體制造的顯示器件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；圖10說明了根據(jù)本發(fā)明制造膜的一個(gè)變通工藝的流程圖；圖11-14說明了根據(jù)本發(fā)明制造的陰極的發(fā)射圖象；以及圖15和16示出了在處理過的襯底上生長的膜與在未處理過的襯底上生長的膜之間的發(fā)射性能的差異。
在以下的描述中，提出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。但對本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員來說，顯然本發(fā)明可以不按這些具體細(xì)節(jié)來加以實(shí)施。在其它的一些情況下，為了不至于在不必要的細(xì)節(jié)方面難以理解本發(fā)明，一些熟知的電路以方框圖的形式示出。對于大多數(shù)部分，略去了涉及到時(shí)間考慮的細(xì)節(jié)等，因?yàn)檫@樣的細(xì)節(jié)對完整地理解本發(fā)明是不必要的，并且是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員所知的。
現(xiàn)參照附圖，其中所示的各個(gè)元件不一定按比例示出，且其中相似的元件在各個(gè)視圖中用相同的參考號表示。
參照圖1-7，說明了根據(jù)本發(fā)明制造場發(fā)射器件薄膜的工藝。在步驟701中，對可以由玻璃、陶瓷或fosterite、金屬(或任何其它適當(dāng)?shù)牟牧?組成的襯底101進(jìn)行清洗，然后用電子束蒸發(fā)方法涂敷1400埃的鈦(Ti)(步驟702)。之后，用濺射工藝在樣品上淀積2000埃的鈦-鎢(TiW)。但注意，可以采用任何工藝在襯底101上淀積金屬層102。
然后，在步驟703中，用光刻方法，以所希望的方式，對金屬層102進(jìn)行圖形化。在金屬層102上淀積光刻膠層201，再用熟知的方法進(jìn)行圖形化。如圖1-6所示，此圖形可以是一個(gè)光刻膠膜中顯影的開放窗口組成的陣列。但請注意，可以采用任何圖形設(shè)計(jì)。
接著，在步驟704中，對金屬層102進(jìn)行腐蝕，在金屬層102中得到窗口301。然后可以用熟知的方法清除光刻膠層201。可以用幾分鐘的鎢腐蝕劑和20-30秒鐘的鈦腐蝕劑來執(zhí)行腐蝕步驟704。可以將其它熟知的腐蝕劑用于步驟704。腐蝕步驟被執(zhí)行足夠的時(shí)間，以便這些腐蝕劑使襯底101的表面變粗糙。用來清除金屬層102的腐蝕劑也沖擊襯底101。由于襯底101不是完全均勻的，故腐蝕劑對襯底101的某些區(qū)域的沖擊甚于對其它區(qū)域的沖擊。這就使襯底101的表面出現(xiàn)凹坑而變粗糙。用酸和堿對襯底進(jìn)行的處理還可以改變襯底表面的化學(xué)組分以及改變形貌。例如，某些處理可以使襯底表面終止于與氫和氟原子的鍵。若襯底是不同材料組成的復(fù)合物，則此處理可以導(dǎo)致具有與襯底體材料不同的組分的表面。由于CVD生長工藝常常涉及到與襯底表面的化學(xué)反應(yīng)，故使襯底表面發(fā)生化學(xué)組分改變的處理可以導(dǎo)致比未處理過的表面更有利于初始膜生長的表面。
步驟704可以涉及到也可以不涉及到聲處理步驟，而將樣品浸入在金剛石懸浮液中并進(jìn)行聲處理。不執(zhí)行聲處理步驟的優(yōu)點(diǎn)是，金剛石懸浮液中的聲處理工藝能夠損傷襯底101上的金屬饋線圖形，并且會增加陰極制造過程的時(shí)間和成本。而且，聲處理步驟不容易區(qū)分哪些區(qū)域要處理。
這些步驟的結(jié)果是具有其一側(cè)涂敷有金屬膜網(wǎng)格圖形的襯底的樣品。在網(wǎng)格的窗口301的內(nèi)部，是腐蝕處理過的襯底101。
然后在步驟705中對樣品執(zhí)行CVD(化學(xué)汽相淀積)碳膜生長工藝。處理過的301和未處理過的金屬涂敷區(qū)102同樣地暴露于CVD活性氣體粒子(見圖5)。膜喜歡在缺陷上成核(亦即膜在處理過的區(qū)域上擇優(yōu)生長)。襯底101中的這種缺陷原先已經(jīng)由腐蝕步驟中對襯底101的表面進(jìn)行的粗糙化引起。這一腐蝕步驟在襯底101的表面內(nèi)引起許多細(xì)小的缺陷，為晶粒提供了成核位置。結(jié)果，腐蝕步驟704增加了步驟705中進(jìn)行層淀積時(shí)的成核位置的數(shù)目。因此，得到的層501從窗口301發(fā)射而不從金屬層102上的區(qū)域發(fā)射(處理過的區(qū)域上比金屬(未處理過的)區(qū)域上的發(fā)射位置的密度高一個(gè)數(shù)量級以上)。這是由于增強(qiáng)了的成核造成了膜的增強(qiáng)了的生長。目前對此技術(shù)的理解是，從具有小的金剛石晶粒的金剛石成核位置發(fā)生發(fā)射。為了產(chǎn)生更多的成核位置而延長淀積時(shí)間，僅僅使晶粒變大而不會使之增多。這樣，成核密度更高的區(qū)域也就是發(fā)射位置密度更高的區(qū)域。而且，窗口中膜的引出場低于金屬層上的引出場。窗口上的發(fā)射位置密度也至少高一個(gè)數(shù)量級，結(jié)果，窗口區(qū)上的膜就擇優(yōu)發(fā)射。
步驟705的淀積工藝可以用化學(xué)汽相淀積工藝來執(zhí)行，化學(xué)汽相淀積工藝可以用熱燈絲工藝加以輔助。此淀積工藝可以導(dǎo)致碳膜在樣品上生長。
如可以注意到的那樣，此工藝的優(yōu)點(diǎn)是，在淀積碳層之后，不必執(zhí)行諸如腐蝕步驟之類的微電子類型的加工，致使碳層不承受這種加工。這就獲得了更好的發(fā)射膜，并防止了對發(fā)射膜的損傷。
下面參照圖6，示出了圖5所示的樣品的一部分的俯視圖。如可看到的那樣，發(fā)射位置位于窗口301以及環(huán)繞各個(gè)窗口301的金屬層102。能夠制造矩陣可尋址顯示器，從而沿垂直行對準(zhǔn)的窗口301可以都彼此對應(yīng)，從而各個(gè)行被對應(yīng)于此行的金屬層102激發(fā)，且金屬帶102被分別尋址。
下面參照圖10，示出了淀積膜的變通工藝，襯底101以相同于步驟701的方法在步驟1001中制備。但處理步驟和金屬層淀積步驟與上述圖7的相反。在步驟1002中，襯底101被處理(例如腐蝕)。這可以用光刻工藝或不用光刻工藝來執(zhí)行。若采用光刻工藝，則可以在襯底上淀積光刻膠圖形，使腐蝕步驟僅僅腐蝕位置301處。然后，在步驟1003中，通過掩模淀積金屬層，掩模中的孔對應(yīng)于窗口301以外的所有樣品部分，致使得到圖5所示的最終金屬化圖形。步驟1003之后，在步驟1004中淀積層501。
步驟1003也可以取消。而且，步驟1003也可以用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝來執(zhí)行。
下面參照圖8，示出了用圖7或圖10所示的工藝制造的膜構(gòu)成的場發(fā)射器件80。器件80可以用作諸如下面參照圖9將要描述的顯示器938之類的顯示器件中的象素。
器件80還包括可以包含任何熟知的結(jié)構(gòu)的陽極84。所示的是具有其上淀積有導(dǎo)電帶806的襯底805的陽極84。然后將熒光層807置于導(dǎo)電膜806上。如所示，在陽極84與陰極82之間施加電勢V+，以便產(chǎn)生電場，引起電子從膜501向熒光層807發(fā)射，導(dǎo)致產(chǎn)生光子通過玻璃襯底805。注意，變通實(shí)施例可能包括淀積在膜501和襯底101之間的導(dǎo)電層。另一個(gè)變通實(shí)施例可以包括一個(gè)或更多個(gè)柵電極(未示出)。
陽極84與陰極82之間的間隙可以是0.75毫米(750微米)。
下面參照圖11-13，示出了不同外加電壓下，亦即陽極84與陰極82之間不同的外加電場下，器件80發(fā)射的光子的實(shí)際圖象。圖11-13中的圖象是借助于施加頻率為1000Hz而脈沖寬度為10微秒的脈沖電壓而得到的。陽極與陰極之間的間隙是0.75毫米。在圖11中，外加電壓為3230v時(shí)的峰值發(fā)射電流為4mA。在圖12中，外加電壓為4990v時(shí)的峰值發(fā)射電流為40mA。在圖13中，外加電壓為3720v時(shí)的峰值發(fā)射電流為20mA。如可以容易地看到的那樣，在熒光屏84中，僅僅在來自陰極82的電子撞擊熒光層807的區(qū)域內(nèi)才產(chǎn)生光。在圖11-13中可見，襯底101中承受過腐蝕工藝的區(qū)域是產(chǎn)生電子發(fā)射的區(qū)域。
圖14示出了從相似的測試得到的相似的實(shí)際圖象，但陽極84與陰極82之間的間隙小得多(43微米)，且設(shè)定來得到此圖象的相機(jī)提供了分辨率更高的圖象。從熒光層的發(fā)光區(qū)域再次可以看到，陰極82上承受過腐蝕工藝的區(qū)域是幾乎所有電子產(chǎn)生發(fā)射的區(qū)域。
由于腐蝕過的區(qū)域中的發(fā)射位置主導(dǎo)了這一特定樣品的發(fā)射性質(zhì)，故不可能直接得到未處理過的區(qū)域的發(fā)射性質(zhì)的直接測量。結(jié)果，為了實(shí)驗(yàn)地比較腐蝕過的區(qū)域與未腐蝕過的區(qū)域之間的發(fā)射性質(zhì)，制作了另一個(gè)樣品，它沒有經(jīng)受腐蝕步驟處理，其中的金屬層保持未受觸動，并且用與上述圖11-14所示的圖形化樣品上生長碳膜的相同的CVD工藝，在金屬層的頂部生長碳膜。
圖15示出了處理過的區(qū)域與未處理過的區(qū)域之間的發(fā)射位置密度與外加電場的關(guān)系的比較。處理過的或腐蝕過的區(qū)域具有曲線1500所示的發(fā)射性質(zhì)，而未處理過的區(qū)域具有曲線1501所示的發(fā)射性質(zhì)。
圖16示出了處理過的區(qū)域與未處理過的區(qū)域之間的發(fā)射位置密度與電子發(fā)射電流密度的關(guān)系的比較。處理過的或腐蝕過的區(qū)域具有曲線1600所示的性質(zhì)，而未處理過的區(qū)域具有曲線1601所示的性質(zhì)。
可以看到，處理過的區(qū)域的性質(zhì)優(yōu)于未處理過的區(qū)域之處在于，前者在較低的引出場下具有較高的發(fā)射位置密度，并得到了總體更高的發(fā)射位置密度。利用恰當(dāng)?shù)膱隹刂?，僅僅處理過的區(qū)域具有電子發(fā)射。
如上所述，場發(fā)射器件80可以被用于圖9所示的場發(fā)射顯示器938中。圖9描述了實(shí)施本發(fā)明的代表性硬件環(huán)境，圖9示出了根據(jù)從屬發(fā)明的工作站913的典型硬件結(jié)構(gòu)，它具有諸如常規(guī)微處理器之類的中央處理器(CPU)910以及大量經(jīng)由系統(tǒng)總線912互連的其它單元。工作站913包括隨機(jī)存取存儲器(RAM)914、只讀存儲器(ROM)916、以及用來將諸如磁盤單元920和磁帶驅(qū)動器940之類的外圍器件連接到總線912的輸入/輸出(I/O)接口918、用來將鍵盤924、鼠標(biāo)926、揚(yáng)聲器928、麥克風(fēng)932和/或諸如觸屏器件(未示出)之類的其它用戶界面器件連接到總線912的用戶界面接口922、用來將工作站913連接到數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)的通信接口934、以及用來將總線912連接到顯示器件938的顯示器接口936。CPU 910可以包括此處未示出的其它電路，這包括通常在微處理器中有的電路，例如執(zhí)行單元、總線界面單元、運(yùn)算邏輯單元等。CPU 910也可以安置在同一個(gè)集成電路上。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)該理解的是，此處能夠作出各種各樣的改變、替代和變通而不超越所附權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.場發(fā)射器件的制造方法，它包含下列步驟提供襯底；處理所述襯底以便修正所述襯底的形貌；以及在所述處理過的襯底上生長碳膜。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中只有一部分所述襯底經(jīng)受所述處理步驟，且其中與在所述襯底的未處理過的部分上生長的碳膜相比，在所述處理過的襯底上生長的所述碳膜是更好的場發(fā)射體。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中與所述未處理過的襯底上的所述碳膜相比，在所述襯底的所述處理過的部分上生長的所述碳膜，在經(jīng)受特定電場時(shí)發(fā)射明顯更多的電子。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底用堿進(jìn)行處理，其中所述處理步驟改變所述襯底的所述表面的化學(xué)組分。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底用酸進(jìn)行處理。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述襯底是陶瓷。
7.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述襯底是金屬。
8.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述襯底是玻璃。
9.權(quán)利要求1所述的方法，還包含在所述襯底上執(zhí)行聲處理的步驟。
10.權(quán)利要求3所述的方法，其中所述襯底不經(jīng)受聲處理步驟。
11.權(quán)利要求1所述的方法，還包含下列步驟在所述襯底上淀積金屬層，所述金屬層具有預(yù)定的圖形，致使通過所述金屬層可以看到部分所述襯底，其中所述淀積步驟在所述生長步驟之前執(zhí)行。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中生長所述碳膜的所述步驟還在所述金屬層上淀積所述碳膜，其中所述碳膜是連續(xù)膜。
13.權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述襯底上淀積所述金屬層的所述步驟還包含下列步驟在所述襯底上淀積所述金屬層；用光刻方法對所述金屬層進(jìn)行圖形化；以及對所述金屬層進(jìn)行腐蝕以產(chǎn)生所述預(yù)定的圖形。
14.一種用下列步驟制造的場發(fā)射器件提供襯底；處理所述襯底以便修正所述襯底的形貌；以及在所述處理過的襯底上生長碳膜，其中只有一部分所述襯底經(jīng)受所述處理步驟，且其中與在所述襯底的未處理過的部分上生長的碳膜相比，在所述處理過的襯底上生長的所述碳膜是更好的場發(fā)射體，其中與所述未處理過的襯底上的碳膜相比，在所述襯底的所述處理過的部分上生長的所述碳膜，在經(jīng)受特定電場時(shí)發(fā)射明顯更多的電子。
15.權(quán)利要求14所述的器件，其中所述襯底用酸進(jìn)行處理。
16.權(quán)利要求15所述的器件，其中所述襯底是陶瓷。
17.一種淀積碳膜的方法，它包含下列步驟在襯底上淀積金屬層，所述金屬層具有預(yù)定的圖形，致使通過所述金屬層可以看到部分所述襯底；以及在所述襯底的所述部分上淀積所述碳膜。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中淀積所述碳膜的所述步驟也在所述金屬層上淀積所述碳膜。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述碳膜是連續(xù)膜。
20.權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述襯底上淀積所述金屬層的所述步驟還包含下列步驟在所述襯底上淀積所述金屬層；用光刻方法對所述金屬層進(jìn)行圖形化；以及對所述金屬層進(jìn)行腐蝕以產(chǎn)生所述預(yù)定的圖形。
21.權(quán)利要求20所述的方法，其中所述腐蝕步驟在所述襯底的所述部分處，使所述襯底的表面變粗糙。
22.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述襯底是類陶瓷材料。
23.權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述襯底上淀積所述金屬層的所述步驟還包含下列步驟腐蝕所述襯底，其中所述腐蝕步驟改變所述襯底的所述部分的所述表面的化學(xué)組分；以及通過產(chǎn)生所述預(yù)定圖形的掩模，在所述襯底上淀積所述金屬層。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述腐蝕步驟使所述襯底的表面變粗糙。
25.權(quán)利要求20所述的方法，其中所述腐蝕步驟改變所述襯底的所述部分的所述表面的化學(xué)組分。
全文摘要
用對襯底(701)進(jìn)行腐蝕然后淀積薄膜的工藝,制造了可以用于計(jì)算機(jī)顯示器的場發(fā)射器件的薄膜(705)(碳和/或金剛石)。腐蝕步驟在襯底上產(chǎn)生用于膜淀積工藝的成核位置。用此工藝,避免了發(fā)射膜的圖形化。用這種膜能夠制造場發(fā)射器件。也可以淀積金屬膜(702),用光刻方法(703)進(jìn)行圖形化,并腐蝕(704)以制備成核位置。
文檔編號H01J9/02GK1260847SQ98805277
公開日2000年7月19日 申請日期1998年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月21日
發(fā)明者茲維·彥尼夫, 理查德·L·芬克, 芝丹·L·托爾特 申請人:Si戴夢德技術(shù)公司