電子發射膜及方法

2023-08-13 17:15:16 2

專利名稱：電子發射膜及方法
技術領域：
本發明涉及電子發射材料，特別涉及用於場發射裝置中的電子發射碳膜。
在該領域中已知有一些材料可以在真空裝置中，如場發射裝置中用於提供電子發射。這些現有技術的場發射材料包括一些金屬，例如鉬或半導體，如矽。由於這些材料需要每微米幾百或幾千伏級的高電場，包括發射材料的發射器結構典型地做成包括例如用於局部增強電場的並且提供足以得到電子發射的場強的尖的尖端。已經顯示出實際應用所必須的穩定性和再生性的合理髮射特性。但是，從這些材料發射所需要的控制電壓相對高(100伏左右)。出於一些原因，不希望高電壓運行。例如，在電子接收材料上放電的帶電雜質被加速到高電壓，由此加重了裝置的元件受到這些物質的轟擊造成的損壞。此外，在給定的電流密度下較高的電壓需要消耗更多的功率。採用這些材料另一個不希望的後果是製造同樣的尖端困難、慢並且貴。
在該領域還知道，用一些以碳為基本的材料製作電子發射膜。它們包括鑽石、類鑽石碳、以及多晶鑽石膜。這些材料能在低電壓下提供發射，因此不再需要形成增強場及尖的結構。這就顯著地簡化了發射結構的製造過程，顯著降低了造價。但是現有技術的碳膜被不能接受的每平方釐米有幾十或幾百個量級點的低發射點密度所困擾，低發射點密度導致不一致性。鑽石由於其絕緣本性，不能穩定地發射電子；即由於很難提供電流通過鑽石，所發射的電子不容易被替換。這就造成在膜上低發射點密度，導致膜不適合用於諸如場發射顯示的應用。改善鑽石電子發射特性的現有技術方法包括對鑽石攙雜處理，提供n型或p型半導體鑽石。但是，n型攙雜處理對鑽石來說尚未能可靠做到，並且p型半導體鑽石不能用在低電壓發射，因為它要求每微米超過70伏的電壓以發射電流密度在0.1毫安/mm2級。其它改善鑽石膜的導電性的辦法包括在膜內形成一個晶體缺陷。
已經實現用等離子體加強的化學氣相澱積(PECVD)法製成電子發射膜。已經開發出用PECVD法澱積的非晶碳含氫的用於場發射的膜(a-CH)。這些種膜有大約15-30伏/微米範圍內的低接通場。但是，這些膜的發射點密度仍然低，大約為每平方釐米有幾十個量級。氫化碳膜的另一個不希望的特性是由於氫的向外擴散原因，它們表現出不好的短暫穩定性。
陰極電弧氣相澱積技術主要用於形成摩擦應用中的敷層和膜，例如切割工具軸承、齒輪及其它類似物的耐磨敷層。這些耐磨敷層是從鈦或石墨源形成的等離子體做成的。當採用鈦源材料時，通常在鈦源汽相的過程中，將諸如氮氣這樣的活性氣體引入澱積箱內。氮氣與鈦反應，並且，在箱內的敷層等離子體包括鈦(Ti)、氮(N2)及氮化鈦(TiN)。已經發現氮化鈦形成的敷層是非常耐磨的敷層。石墨源的材料用於形成類鑽石碳(DLC)膜，四面體非晶體碳(ta-C)，及碳氮(CN)膜。
現有技術的由陰極電弧氣相澱積技術製造的碳膜用於摩擦應用，例如形成特別硬和耐磨薄膜。碳膜被澱積在通常由金屬做成的基片上，並且將耐磨性傳給金屬表面。陰極電弧氣相澱積處理已被改進以加強和優化膜的摩擦特性。在一個方案中，無氫四面體非晶體碳(ta-C)膜用過濾的真空電弧從石墨源的汽相來澱積出來；做出的微細結構是非晶體的，具有不同的碳的SP3/SP2混合比，並且形成未分離的物相。
在本領域還知道多種熱處理的碳，它們是由把有機前體加熱到超過1000℃製備的。在這樣高溫度下，-些碳的前體石墨化。在大約500-900℃範圍內，有機前體趨向變成木炭；在大約1000℃時，氮和氧脫出；在大約1200℃時，氫脫出。在足夠高的溫度下，一些碳將開始石墨化。但這麼高的溫度超過玻璃的允許溫度，玻璃通常是用於場發射顯示基片的材料。
需要在低電場強度下發射電子的電子發射膜適用於場發射裝置中，提供均勻的電子發射及高密度發射點，並具有小於30伏/微米的接通場。此外，需要有形成這種膜的方法，它包括，澱積溫度，它與用於場發射裝置中玻璃基片的溫度限制相匹配。


圖1為適用於執行根據本發明方法的步驟的陰極電弧氣相澱積裝置的原理圖；圖2是一個根據本發明的電子發射膜的表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像的平面圖；圖3為圖2的電子發射膜的電子發射與電壓的關係曲線圖；圖4為圖2的電子發射膜表面的，高清晰度傳輸電子顯微鏡(HRTEM)圖像的平面圖；圖5為類似在圖4的HRTEM圖像中看到的碳納結構的HRTEM圖像的平面圖；圖6為適用於根據本發明方法的步驟的過濾陰極電弧澱積裝置的原理圖；圖7為根據本發明的場發射裝置的實施例的斷面圖；圖8為根據本發明的場發射顯示的實施例，包括圖7的場發射裝置的斷面圖。
例1參照圖1，這裡敘述適用於執行根據本發明形成電子發射膜方法的直線陰極電弧澱積裝置100的示意圖。裝置100被構成並運行以產生電子發射膜，這些膜將在大約小於30伏/微米的低電場強度下產生微安級的電流，並在場發射裝置中遇到的典型電場強度下表現出高的表面電子發射點密度，最好是大於每平方釐米大約105電子發射點。用裝置100產生的膜的發射特性曾在二極體及三極體場發射裝置中測試。參考圖7非常詳細的敘述了曾用於測試發射的三極體場發射裝置並展示出該膜用於場發射裝置的適用性。裝置100包括一個電弧汽相澱積系統。必須強調，圖1僅是這種系統的圖形表示，它只是一般性地示意與本發明的討論有關的一個電弧汽相澱積系統的基本部分，並且該圖絕不是一個完整的。對於電弧汽相澱積系統或其各部分的更詳細的敘述，可參考Sablev等人的美國專利3,393,179，Brandolf的美國專利4,485,759，Bergman等人的美國專利4,448,799及Snaper的美國專利3,625,848。當為了理解本發明需要參考其它發明時，這些專利發明和專利技術被列入參考文獻。裝置100包括一個真空室105，該室限定了一個間隔區域110，該區域被抽真空到大約10-6乇。一個澱積基片130置於間隔區域110內。在真空室105內放一個石墨源120。在本特例中石墨源120包括純石墨，顆粒性有機碳石墨(Poco Graphite)，它是從Unocal得到的，並且具有高純度，具有在99.999至100百分石墨質量單位純度的核子級石墨。其它合適的固體碳源對於熟悉本領域的人是顯而易見的，它可能包括例如壓縮的碳粉或壓槽盛的粉末。基片130的澱積表面沿著從石墨源120的視線放置，大約離石墨源120的距離為30釐米。室105包括輸送管部分135，在其周圍繞著銅線圈，形成一個單一的電磁鐵160，用以在輸送管部分135內提供一個磁場。用於澱積電子發射膜的電場強度大約為0.01泰斯拉。合適的磁場強度範圍被認為是在0.1泰斯拉內。對於熟悉本技術的人可以有應用磁場裝置的其它結構。第一電壓源125可操作地耦合到石墨源，提供電弧，該電弧作用到石墨源120，將其汽相併形成等離子體。電弧放電並保持在被加偏壓用做陰極的石墨源120和與石墨源120分開的陽極之間。一個電弧起動的觸發元件放在貼近的石墨源120的地方，並相對石墨源120加正偏壓。觸發元件被暫時允許嚙合石墨源120的表面，通過觸發器和石墨源120建立電流通路。當觸發元件脫開與石墨源120的嚙合時，電弧放電，該電弧隨後被保持在電極之間。該電弧攜帶高的電流，通常在30到幾百安培之間，並提供汽相石墨源120的能量。用於所述裝置100的結構的電弧電流在25-150安掊之間。用於所述結構的電弧電流的合適範圍認為大約為25-300安掊。電弧在石墨源120表面上的終點是可見的，電弧在該點上「接觸」這個陰極並通常稱之為「陰極光點」。根據電弧的電流，同一時間在表面上可能存在一個或更多的這種陰極光點。陰極光點隨機地在石墨源120的表面上移動，立即將石墨源120汽相為敷層等離子體170。膜的均勻性是由控制電弧或陰極光點在石墨源120的表面上移動達到的，如在本發明的最佳實施例中，由如上所詳細敘述的那樣由用電磁體160施加-個磁場來實現。不用由電磁體160產生的磁場，可用類似的方法形成合適的膜。由基片130和石墨源120之間的電位差及它們的熱速度使等離子體物質指向基片。該熱速度是由汽相過程傳遞的。基片130上的電位是由可操作地連接到其上的第二電源180提供的。基片130保持在0至-1000伏範圍內的一個負電壓。在本實例中採用-100伏電位。基片130沒有預先冷卻或加熱，但是它被升溫到大約200攝氏度，這是由在石墨源120上由電弧放射產生的，並且由等離子體170的帶電物體的轟擊產生的。基片溫度低到足夠與基片材料相匹配，例如用於場發射裝置的陰極板的鈉鈣玻璃。特別希望用的鈉鈣玻璃因為它是造價低的玻璃。但是，它的允許溫差比大部分其它普通玻璃要低。這種低溫基片材料與高溫不能匹配，如高於大約1000℃，它是由現有技術，形成部分石墨化納晶體碳的熱處理方法要求的。但是在本發明的其它實施例中，基片的溫度能被控制，希望在25-500℃的範圍內，並且最好在25-200℃的範圍內。根據本發明的膜的澱積是在矽和玻璃基片上進行的，包括鈉鈣玻璃和硼矽玻璃。首先，一個薄的鋁或非晶矽被澱積在基片表面上。每個鋁層大約1000埃厚；每個非晶矽層大約2000埃厚。當這兩種層都澱積在乾淨的表面上時，鋁層首先被澱積，在一些鋁加非晶矽結構中，非晶矽被退火，以便它更堅固。然後，用-1000伏的氬清洗膜的表面，以除去氧、水及雜質。以後，表面受到-1000伏的碳離子束的轟擊，因此建立一個界面層，它提高了制出的碳膜的粘著力，並且防止碳膜的脫的和破裂。界面膜約50埃厚。對於熟悉本技術的人來說，其它合適的界面膜是顯而易見的。為了澱積到玻璃基片上，一個無線電頻率的電源可操作地與基片連接，以向其提供負偏差電壓。對於非導電基片最好用無線電頻率電源。對於導電的基片，例如矽，可以用直流偏壓或低頻脈衝電源(到100KHz)。在本實例中，直線陰極電弧澱積裝置100被用於澱積室，發射膜被放置到不同的工作氣體條件下。一種情況下，不用工作氣體在提供了基片130及石墨源120以後，裝置100由渦輪分子泵抽真空(未示出)到一個基片壓力2.3×10-7乇。此後，在基片130上和石墨源120上建立電位，磁場接通，並且不需要向系統中加入其它氣體就可進行澱積。在其它電子發射膜的澱積中，在間隔區域110中引入工作氣體。合適的工作氣體包括氮、氦、氙及氬。被加入的工作氣體提供在0.1-500毫乇範圍內的總壓力，最好是2-50毫乇。相信氦和氬有助於等離子體的穩定性。氮是一個活性工作氣體，它的作用參考圖2進行了很詳細的敘述。膜被增長到0.01-2微米範圍內的厚度。對場發射而言，所希望的範圍是在0.01-1微米。膜的成長速率大約為0.25微米/分鐘。
現在參考圖2，描繪了一個電子發射膜200的表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像的代表圖，該膜是根據本發明形成電子發射膜的方法產生的。電子發射膜200用裝置100(圖1)被澱積到一個矽基片上，以圖1所示的方法，在該基片上形成鋁薄膜。在該特殊情況下沒有使用工作氣體。電子發射膜200的布局及微結構是按本發明的方法澱積的發射膜的代表。電子發射膜200的總的表面粗糙度小於或等於大約500納米。多個較大的顆粒210被埋在多個較小的顆粒220中，它們組成具有包括圓的隆起在內的大約100-150納米大小的粗糙表面的界面層。還得到一個電子發射膜200的HRTEM圖像，並且顯示出膜200可能包括在15-20納米大小的小顆粒。該圖像顯示出部分石墨化非晶體碳材料的微結構特性。與四面體非晶體碳(ta-C)不同，電子發射膜200包括具有分層結構的納晶體材料，包括以納米組織的小納晶體碳。這些納晶體碳是以小的束和超微顆粒組成的。部分石墨化是以出現隨機定向的石墨片，包括SP2碳原子為特徵的。它形成六角形原子環結構的特性。膜200的輸送電子顯微(TEM)特性顯示出現在3.6-3.8埃之間大小的格形間距，它對應石墨的(002)平面；膜200的電子能量損耗能譜(EELS)特性指示SP2粘合劑的控制。在部分石墨化碳中的三維結構認為可以從不對稱原子環結構得到，它們每一個有奇數原子組成。這些非對稱環，包括五角形和七角形環在SP2六角形網中的形成導至三維結構的增長，它們具有10納米級特徵維數。三維結構可能包括類似富勒烯簇或納米管。關於石墨納米粒子已由D.Ugarte敘述過了(「石墨納米粒子」，MRS通報，1994年11月，此文在此列入作為參考文獻)，碳納米管已由Sumio Ijjime敘述過(「碳納米管」，MRS通報，1994年11月，此文列入參考文獻)。現有方法的電弧等離子束特性導至形成這種部分石墨化的納晶體材料。未經過濾的、密的等離子體包括碳離子、碳原子、碳分子(如C20，C60等)，以及可選擇性地包括工作氣體的原子，例如氦、氬或氮。控制納晶體結構的等離子體特性包括工作氣體的全同性(如果存在的話)、等離子形式的電離程度、碳蒸氣的集結程度、在澱積表面上離子通量與中性物質的比率，以及在澱積表面上碳原子的速度分布。由控制這些參數，發射結構可以朝類似全同性使用(更球形)或類似納管(更管式或伸長形狀)。而且，合適的活性工作氣體的夾雜，例如氮，可以促進形成5角形原子和7角形原子環，它們有形成曲線結構的趨勢，而不是存在於石墨範圍內的6角形環的平面片形。具有大到30原子百分比的氮澱積的膜適用於產生這些三維結構的澱積用於電子發射。這些碳氮(CN)膜具有被置換結合進的氮原子。將氮氣作為工作氣體加入裝置100，達到2-50微乇壓力，便可以達到此目的。在碳電弧澱積中用氮以形成曲線形碳結構已由Siostrom等人敘述過(Sjostrom H.，Stafstrom s.，Roman M.及Sundgren，J.-F，物理學評論通訊，第75期，1995年，1336-1339頁，在此列入參考文獻)。不同地，摻雜劑可能有助於控制材料的電子結構、密度、維數，以及膜的三維納結構的形狀。這些摻雜劑包括過渡金屬元素，例如鈷、鐵和鎳。它們的母體可以是固體，與源石墨的混合物，被加入，或者也可以氣態母體形式被加入。這些金屬對於形成一致的納晶體結構，如納管，起催化劑作用。電子發射膜200可能包括幾種不同部分石墨化的碳中的一個，例如湍層碳、碳黑、碳纖維，及碳晶須。最後，由於電子發射膜200不包含氫，因此不會由於氫的向外擴散而表現出不好的短暫穩定性。
現在參考圖3，它表示了對於電子發射膜200的電子發射與電壓之間的關係曲線圖形。為了得到如圖3的曲線，在一個三極體發射裝置中進行了電子發射膜200的場發射試驗。以下將參考圖3進行較詳細敘述。該裝置在距陽極板5mm處有一排128個圖象素。陽極板電流在門極電壓突變時進行測量，並且如圖3所示，接通電壓約20伏。然後，該單排在4000伏陽極板電壓、門電壓80伏下運行。在這些條件下，發射非常穩定和均勻。當電子發射膜200在二極體場發射裝置中測試時，得到類似的結果。場發射裝置中陽極與陰極板之間的距離約為0.3mm。該二極體基片包括一個平面矽晶片，及一個12mm直徑的圓形澱積層，發射膜200在其上面用直線陰極電弧澱積裝置100澱積出來。發現該材料具有小於20伏/微米的接通磁場(以達到微安電流)。在陽極板電壓約為4000伏時，光點密度很高，大於每平方釐米105個光點，因此，展示出使用根據本發明形成電子發射膜的石墨陰極電弧澱積技術的適用性。用於測量表面發射光點密度的方法由A.A.Talin和T.E.Felter發表在真空科學技術雜誌(J.Vac.Sci.Technol)上的文章A14(3)，5/6月1996.1719-1722頁「從非晶體四面粘著的碳膜的電子場發射」做了敘述，這裡將其列為參考文獻。這個技術的效力決定於探針與基片之間的距離，以及探針的半徑。所採用的結構的空間效力大約每個光點20微米。進行了測量表明最低發射光點密度為每平方釐米2.5×105個光點。陰極電弧澱積技術至今還沒有用於形成均勻的電子發射碳膜。這些結果也顯示出根據本發明將部分石墨化納晶體碳用於形成電子發射膜的適用性。
用上述二極體結構在四面體非晶體碳(ta-C)膜上進行了類似的場發射二極體測試，以比較場發射特性。測試顯示由過濾的電弧(參考圖5詳細敘述的另一個電弧澱積技術)，不用工作氣體氮，澱積的ta-C膜具有很低的發射光點密度，大約為10/釐米2的級。它們也是非晶體，並且具有大約15-30伏/微米的接通電場強度。儘管ta-C膜的接通電場適用於場發射應用場合，但是它們的表面發射光點密度及均勻性不夠。
參考圖4，這裡示出電子發射膜200(圖2)表面的HRTEM圖像的平面圖，放大650,000倍。該HRTEM圖像顯示出具有有序碳片的區域。這些並列及集中的片的有序區域組成「指紋」形結構。這些指紋形區域顯得相互之間隨機取向。
參考圖5，這裡敘述一個類似於在圖4電子發射膜200的HRTEM圖像中看到的碳納結構500的HRTEM圖像的平面圖。碳納結構500的實際直徑是在5-10納米長的量級。構成碳納結構500的碳結構類似於根據本發明的方法形成的發射膜的結構類型。球形碳分子510，一個富勒烯，出現在碳納結構500的中心位置。周圍的球形碳納結構500為半柱面、並列碳片。類似地，在HRTEM圖像中看到的膜200的指紋形圖像由並列和集中的碳片的區域所包圍，因此形成一個類似洋蔥形的結構。這些相似性提供在發射膜中出現類似富勒烯的結構。
例2現在參考圖6，這裡敘述一個適合於根據本發明用於形成電子發射膜的方法的步驟的過濾陰極電弧澱積裝置600的原理示意圖。裝置600被組成並運行，以產生能在小於30伏/微米電場強度下得到微安級電流的電子發射膜，並且在常用的場發射裝置中電場強度下呈現出高的表面電子發射光點密度，希望每平方釐米有多於105光點。裝置600包括一個電弧汽相澱積系統。須強調圖6僅是這種系統的一個示意圖，它概要地示意出過濾電弧汽相澱積系統與本發明的討論有關的一些基本部分，並且，這個示意圖絕沒有全面詳細給出。如果想要了解電弧汽相澱積系統及其各部件的詳細說明可以參考Sablev等人的美國專利號3,393,179，Brandolf的美國專利4,485,759號，Bergman等人的美國專利4,448,799號及Snaper的美國專利3,625,848號。為了理解本發明而需要了解其它公開發明時，將這些專利的公開技術列入參考文獻。裝置600包括限定一個間隔區域610的室605。澱積基片630放在間隔區域610中，在605室中還放入一個石墨源620。在此特例中，石墨源620包括純石墨「顆粒性石墨」，它是從Unocal得到的，是一種高純度核子級石墨，其純度在每百分石墨中有99.999-100質量單位。對熟悉本技術的人來說，其它合適的固體碳源是顯而易見的。例如，可能包括壓縮碳粉或壓縮的含富勒烯的粉末。基片630的澱積表面位於室605的彎曲的輸送管的末端，並且傾向於接收從那裡發射來的等離子體物質。等離子體物質從石墨源620到基片630的通過距離大約為70釐米。電磁鐵660包括繞在彎曲的輸送管635外面的銅線圈，用以在管內提供磁場。用以澱積電子發射膜的場強大約為0.01泰斯拉。認為合適的磁場強度在0-0.1泰斯拉範圍內。對於熟悉本技術的人來說，可以用其它結構的裝置來施加磁場。第一電壓源625可操作地連接到石墨源620，以提供電弧，該電弧作用到石墨源620，將其汽相併形成等離子體。電弧放電並保持在被施加電偏壓的作為陰極的石墨源620和與石墨源620分開的陽極板之間。參考圖1敘述電弧的形成及其控制。電弧電流採用25-150安培範圍內。相信合適的電弧電流的範圍是25-300安培。由電磁體660施加磁場，控制電弧在石墨源620的表面上的移動來提高膜的均勻性。在使用裝置600時，也需要磁場來指引帶電物質圍繞輸送管部分635的彎曲部分，也稱此為過濾器。裝置600的彎曲角度為45°；其它彎曲角也可能適用於形成發射膜。基片630上的電位是由可操作地連接其上的第二電壓源680得到的。基片630保持在0至-1000伏的範圍內的負電位，最好是-100伏。基片630由水冷卻到約100°以下。這些低的基片溫度與諸如鈉鈣玻璃的基片材料匹配是足夠低的，在場發射裝置的陰極板中希望用它。使用裝置600的膜澱積是在矽和玻璃基片上進行的。玻璃基片包括鈉鈣裝置及矽化硼玻璃。首先，將一薄的鋁或非晶矽膜澱積於基片的表面，每個鋁層約1000埃厚；每個非晶矽層為約2000埃厚。當這兩個膜都澱積在乾淨的表面上時，先放置鋁層。在一些鋁加非晶矽結構中，將非晶矽退火，以更加堅固。然後在-1000伏下用氬清洗膜的表面，去除氧、水及汙染物質。然後，在-1000伏下，該表面受到碳離子束轟出，由於建立-個界面層，它可以提高將形成的碳膜的粘著力並防止碳膜脫落和破碎。該界面層大約50埃厚。對於熟悉本技術的人來說，其它合適的界面膜是顯而易見的。為了在玻璃基片上澱積，用-個無線電頻率的電源可操作地連接到該基片，向它提供-個負偏壓。對於非導電基片來說希望用無線電頻率的電源。對於導電基片，如矽，可以採用直流偏壓或低頻脈衝電源(到100KHz)。在本例中，其中用了過濾陰極電弧澱積裝置600做為澱積室，發射膜於不同的工作氣體條件下澱積，在基片630和石墨源620被放入裝置600以後，該裝置被用渦輪分子泵(未示出)抽真空，如在圖6中由箭頭650所指出的那樣，到基本壓力2.3×10-7乇。在基片630和石墨源620上建立電位，磁場接通，因而產生等離子670，並指引它朝向基片630。-種工作氣體如氮、氦或氬被引入間隔區域610。加入工作氣體後使總的壓力達到0.1-500微乇範圍內，最好為2-50微乇。認為氦和氬有助於等離子體的穩定性。氮是一種活性工作氣體，其功能參考圖2進行詳細敘述。膜生長到厚度為0.01-2微米。場發射的最佳範圍為約0.01-1微米。膜的生長速度約0.25微米/分鐘。
對於熟悉本技術的人來說，根據本發明，形成用於在低電場強度下發射電子的部分石墨化納晶體碳膜，並提供高發射點密度的其它方法是顯而易見的。這些方法可能包括石墨的雷射燒蝕、質量選擇的碳離子束澱積、濺射、及化學汽相澱積。
現在參考圖7，這裡敘述根據本發明的場發射裝置700的實施例。場發射裝置700包括-個根據本發明並參考圖1-5敘述的方法，澱積和形成的電子發射膜730。希望能理解採用本發明的電子發射膜不限於在圖7中所敘述的結構。根據本發明的電子發射膜在其它場發射裝置結構中也有用途，這些裝置包括，例如，邊緣發射裝置及由場發射膜敷著的有發射器結構的裝置。場發射裝置700的製造首先要提供-個由合適的材料，例如玻璃或矽製造的支撐基片710。導電層720由標準的澱積技術熔敷在支撐基片710上。然後，場成形層740敷在導電層720上。層740是由摻雜的矽製造。摻雜劑可能包括硼。以後，在層740上形成-個絕緣層750。絕緣層750可能由二氧化矽製成。門提取電極層760由合適的導體製成，例如鉬。該層被敷著在層750上面。發射阱770由選擇地蝕刻進層760、750、740。發射阱770的直徑約4微米，深度約1微米。該蝕刻結構然後被放到-個陰極電弧澱積裝置中，如參考上述例子所敘述的。按參考上述例子的辦法，電子發射膜730被敷著在發射阱770中的導電層720上。電子發射膜730包括根據本發明的部分石墨化納晶體碳。電子發射膜730的厚度可能在0.01-2微米之間，最好在0.01-1微米之間。第-電源735可操作地連接到導電層720上。第二電源765可操作地連接到門提取電極層760上。提供有一個陽極780，並與層760分開，並且第三電源785可操作地連接到其上。場發射裝置700的運行包括將合適的電位加到電子發射膜730，層760及陽極780上，用於從電子發射膜730的發射表面775提取電子，並使它們轉出發射阱770並朝向陽極780。層740幫助在電子發射膜730的發射表面775的區域內形成電場。在本發明的場發射裝置的其它實施例中，電子發射器包括一個結構，例如一個Spindt尖錐，它由根據本發明的部分石墨化納晶體碳做成的電子發射膜敷著。對於熟悉本技術的人來說，也可以有其它合適的電子發射器結構。
現在參考圖8，這裡敘述根據本發明的場發射顯示器800的實施例。場發射顯示器800包括具有場發射裝置700結構(圖7)的多個可選擇尋址的場發射器及根據本發明的電子發射膜830，希望能理解具有根據本發明的電子發射膜的場發射裝置的不同結構，可能包括在根據本發明的場發射顯示器。場發射顯示器800包括一個陰極板801。陰極板801的製作首先提供一個由合適的材料，如玻璃或矽作成的支撐基片810。用標準熔敷技術將導電層820敷著在支撐基片810上並定形。然後，場形成層840敷著在導電層820上。層840由摻雜矽製成。摻雜物可能包括硼。此後，在層840上形成絕緣層850。絕緣層850可能由二氧化矽製成。由合適的導體，如鉬製成的門提取電子層860敷著在層850上並成形。多個發射阱870由選擇地蝕刻進層860、850、840形成的。每個發射阱870的直徑約4微米、深約1微米。層820和860被成形，因此，發射阱870可以有選擇地尋址。蝕刻結構被放到陰極電弧澱積裝置中，如參考上述例子所敘述的。參考上述例子所敘述的方式，電子發射膜830被敷著到發射阱870中的導電層820上。在每個發射阱870的內部是一個電子發射表面875，由膜830限定。電子發射膜830包括根據本發明的部分石墨化的納晶體碳。電子發射膜830的厚度可能在0.01-2微米範圍內，最好在0.01-1微米。合適的金屬版印刷技術可能用於移去在層860上的膜830的那些部分。提供一個陽極板802，並與門提取電極層860分開。陽極板802包括玻璃基片885，在其上敷著有透明的導電層880，例如由銦錫氧化物(ITO)製成。在層880上形成多個陰極發光澱積物890。在陰極板801和陽極板802之間提供有一個架子803在它們的外圍，提供它們之間的支座，並限定一個間隔區域895。間隔區域895被抽真空到大約10-6乇。場發射顯示800的運行包括在導電層800、層860及層880上加合適的電位，以從電子發射膜830的可選尋址的電子發射表面875提取電子，並使電子轉出相應的發射阱870，跨過間隔區域895，由陰極發光澱積物890接收，因此使它們發射光。根據本發明的場發射顯示比包括有Spindt尖的現有技術的顯示製作簡單得多。並且由根據本發明的場發射顯示所要求的驅動電路便宜，由於新碳膜要求的接通及運行電壓低。現在的方法還提供不需要通常在Spindtid尖的生產中所需要的亞微米金屬版印刷術。
儘管我們已給出並敘述了本發明的特定實施例，對於熟悉本技術的人來說，可以作出進一步改造和改進，因此，我們希望理解本發明不限於所給出的形式，並且我們將在所附的權利要求書中包括所有沒有偏離本發明的精神的範圍的改變。
權利要求
1.一種用於在低電場強度下發射電子並提供高密度發射點的方法，其特徵在於，形成具有包括部分石墨化的納晶體碳的膜(200，730)的電子發射表面(775)的電子發射器結構步驟。
2.根據權利要求1的方法，其中部分石墨化納晶體碳包括湍層碳。
3.一種電子發射材料，主要由部分石墨化納晶體碳的膜(200)組成。
4.一種用於形成用在場發射裝置(700,800)中場發射材料的方法，其特徵在於，使用固態石墨源(120,620)，由陰極電弧澱積的碳膜(200,730,830)的澱積步驟。
5.一種用於形成具有高密度發射點的電子發射膜(200)的方法，其特徵在於下述步驟提供一個具有主表面的基片(130)；將基片(130)放到具有碳源(120)的直線陰極電弧澱積裝置(100)中，基片(130)的主表面與碳源(120)分開放置，以限定一個間隔(110)，基片(130)的主表面沿從碳源(120)的視線放置；將第一電源(125)可操作地連接到碳源(120)，以提供一個適於汽相部分碳源(120)的電弧，以在間隔區域(110)內提供等離子體(170)；並且將第二電源(180)可操作地連接到基片(130)以向它提供一個在0至-1000伏範圍內的負電位，由此來加速等離子體(170)朝向基片(130)的主表面。
6.根據權利要求5的用於形成電子發射膜(200)的方法，其中，基片(130)包括玻璃。
7.根據權利要求5的用於形成電子發射膜(200)的方法，其特徵在於保持基片(130)的溫度在25-500攝氏度內的步驟。
8.一種電子發射膜(200)，由權利要求5所述的方法製作。
9.一種用於形成具有高密度發射點的電子發射膜(200)的方法，其特徵在於下述步驟提供具有一個主表面的基片(630)，將基片(630)放到具有石墨源(620)的過濾陰極電弧澱積裝置(600)中，基片(630)的主表面與石墨源(620)分開放置，以限定一個間隔區域；將第一電源(625)可操作地連接到石墨源(620)，以提供適合於汽相部分石墨源(620)，以提供等離子體(670)的電弧；將第二電源(680)可操作地連接到基片(630)以向它提供高到1000伏範圍內的負電位；並且在間隔區域內提供工作氣體，以使此區域內的總壓力達到0.1-500微乇的範圍內。
10.一種場發射裝置(700)，其特徵在於具有一個主表面的支撐基片(710)；敷著在支撐基片(710)的主表面上的電子發射器，並且包括由部分石墨化納晶體碳製成的電子發射膜(730)，該電子發射器具有發射表面(775)並且可操作地連接到第一電源(735)；並且與電子發射器分開放置的陽極(780)，在電子發射器和陽極(780)之間限定一個間隔區域，陽極(780)可操作地連接到第二電源(785)；藉此，第一和第二電源(735、785)在電子發射器和陽極(780)之間提供合適的電場，使由電子發射器發射的電子通過間隔區域並且由陽極(780)接收到。
全文摘要
用以形成電子發射膜(200、730、830)的方法,包括的步驟有:(i)汽相在陰極電弧澱積裝置(100、600)中的石墨源(120、620)以產生碳等離子體(170、670),(ii)在石墨源(120、620)和玻璃或矽澱積基片(130、630、710、810)之間施加電位差,以加速碳等離子體(170,670)朝向澱積基片(130、630、710、810),(iii)在陰極電弧澱積裝置(100、600)內提供工作氣體;並且(iv)將碳等離子體(170、670)澱積到澱積表面(130、630、710、810)上面。
文檔編號H01J9/02GK1179617SQ9712050
公開日1998年4月22日 申請日期1997年9月29日 優先權日1997年9月29日
發明者伯納德·科爾, 埃裡克·P·邁紐, 阿爾伯特·阿萊克·塔林 申請人:摩託羅拉公司