採用金剛石覆層的場致發射電子源及其製造方法

2023-07-03 07:25:41 1

專利名稱：採用金剛石覆層的場致發射電子源及其製造方法
總的來說，本發明涉及場致發射電子裝置，更具體地來說，是涉及場致發射電子裝置以及製造採用低/負電子親合勢的電子裝置的方法。
採用具有優選形狀的導體/半導體電極作為電子發射器的場致發射裝置是公知技術，這種現有的電子發射器同時也呈現一些不利的特性，如工作電壓高，表面不穩定，以及易受離子轟擊損害。等等。
因此，人們近切希望有一種具有能夠克服現有電子源的至少部分缺點的電子發射器電子源的電子裝置。
上述要求如其它要求通過提供一種形成場致發射或電子發射器的方法來加以滿足。該方法包括如下步驟提供一個具有一個主表面的、具有選定形成的導體/半導體電極，將離子作為成核點植入該導體/半導體電極的至少部分表面上，以及在至少部分成核點上可選擇地使金剛石晶粒生長，從而形成一個包含一層設置在具有選定形狀的導體/半導體電極的至少部分表面上的金剛石覆層的電子發射器。
上面的要求也可以通過提供一種場致發射電子裝置來滿足。該裝置包括一個帶有一個有選擇地形成的導體/半導體電極的場致發射式電子發射器，設置在上述導體/半導體電極的主表面上許多植入離子的成核點，至少一個設置在上述的導體/半導體電極的主表面上以及許多或核點中的一個上的第一金剛石晶粒，以及緊鄰著電子發射器設置的，用於控制電子發射器的電子發射率的發射控制電極和用於收集被發射的電子的陽極。


圖1.是離子注入裝置的示意圖。
圖2.是離子注入裝置的截面圖，圖3.是金剛石生長環境裝置。
圖4A-4C.是通過執行本發明的一種方法的各個步驟而實現的結構的側視圖。
圖5A-5D.是通過執行本發明的另一種方法的各個步驟而實現的結構的側視圖。
圖6A-6E.是通過執行本發明的又一種方法的各個步驟而實現的結構的側視圖。
現在來參照圖1，圖1中示出了離子注入裝置的一個實施例的示意圖。真空腔101內部設置了一個離子源106和一個基板(目標)夾持裝置103。另外，如圖中所示，還設置了一個離子材料源壁孔105，用以給離子源106提供材料。抽真空口102可以與圖中未示出的抽真空設備相連，以便對腔101進行抽真空。在注入裝置工作時，離子束107射向目標104，由於由電源108成立的電場的緣故，離子束107中的至少部分離子被注入在目標104上。
圖2是其上/其中已被注入離子201的目標(基板)104的側視圖，根據相應的加速電場(未示出)的強度，離子被有選擇地注入到目標104的材料中的預定深度上，電場強度相應地也可以進行選擇，從而使被注入的離子基本上分布在目標104的表面。
圖3是金剛石生長環境裝置的一個實施例的示意圖。真空腔301內部設置了一個基板(目標物)夾持器305和一個加熱元件304。作為供氣管的一部分的源管33將反應氣體組成物源供入金剛石生長環境中。通過將一臺真空泵(未示出)與抽真空口302相連可以將腔301適當地抽真空。工作時，基板306被設置到基板夾持器305上，並將加熱元件304也設置在夾持器305附近，電源307產生電流流過加熱元件304，從而使基板306加熱，在適當的氣體組分存在時，在基板306的表面會發生一種能使金剛石生長的反應。
金剛石生長至少部分地與材料表面的成核能力有關，在許多金剛石的形成方法中，成核是隨機發生的，分布也不均勻，這樣就會造成不希望的、不完整的薄膜生長。注入在基片306的表面上的碳離子提供了許多分布基本均勻的成核位置，從這些位置上可以開始金剛石生長。
圖4A中示出了通過執行本發明的各個步驟來實行的一種結構400的側視圖，結構400包括由導電/半導體材料製成的具有選定形狀的層401，該層401具有至少一個具有選定形狀的主表面。在本實施形中，其形狀是同來形成電極402的一個園錐形突起，層401的選擇成形可以採用任何現有工藝包括(但不限制於這些工藝)不勻蝕刻和離子銑銷等來進行，由箭頭405所示的離子束在電極402的主表面提供了碳成核位置404。
另外，也可以象圖4B那樣，層401是一個支撐基板，上面設有一個由可成形(patternable)材料如感光樹脂或者絕緣構成的、具有至少一個通孔409的層403。通孔409可以通過使感光、樹脂成形交且顯影或者按要求對絕緣材料進行蝕刻來選擇地形成。導體/半導體電極402設置在通孔409內，層401之上。由箭頭405所示的碳離子束在導體/半導體電極402在提供注入成核點404，層401的其餘部分由層403加以保護，以防止成核點注入。在成核點404植入之後，可成形材料層403即被清除掉。
圖4C是由上面描述的圖4A和圖4B中的結構400經過執行本發明的方法的另外幾個步驟後得到的結構的側視圖。由箭頭420所示的反應材料源被設置在導體/半導體電極400和一個毗鄰加熱元件(如圖3中描述過的元件304)的中介區域，使得金剛石晶粒406能在植入的碳成核點上開始生長。
這樣得到的上面有一層金剛石晶粒406覆層的導體/半導體電極402就構成了一個具有許多有利的工作特性的場致發射電子發射器，這些有利的工作特性包括電壓工作低，表面穩定性好，並且不易遭受離子轟擊損傷。碳成核點404的插入提供一種改進金剛石晶粒的覆蓋並且抑制可論包括不希望的大晶粒生長的出現的機制。
圖5A是通過執行本發明的另一種方法的各個步驟而實現的結構500的側視圖。其中設置了一塊支撐基板501，在該基板501上，設置了一個由絕緣材料構成的、上面形成有一個通孔509的層508，根據前面描述過的圖4A和4B形成的導體/半導體電極502設置在通孔509內支撐基板501之上。由導體/半導體材料層507設置在層508上，該基本上與通孔509相符合，並對之進行進一步限定，層507上又設置了一個可成形材料層522，由箭頭505所示的碳離子束在導體/半導體電極502上提供成核點504的植入，在成核點504植入之後，層522即被清除掉。
或者也可以象圖5B所示的那樣，省掉圖5A中所示的可成形層522，但結果是至少有一些成核點504附著在導體/半導體層507上。
圖5C是圖5A和5B中所述的那種500經過該方法的另外幾個步驟處理之後的側面剖面圖。由箭頭520表示的反應物質源設置在導體/半導體電極502和一個緊鄰的加熱元件(見圖3)之間的交介區域中，從而使金剛石晶粒506在選下的碳成核點上生長。導體/半導體電極502與金剛石成核點506的結合產生了一種改進了的電子發射器510。
圖5D是圖5C中所示的結構500又加上了一個陽極516之後的側面剖視圖。陽極516設置在電子發射器510的遠側，用於收集由電子發射器510射出的任何電子。層507因為是由導電/半導體材料製成的，因此起到控制電極發射速度的發射制電極的作用。根據圖5D中所示的本發明和方法形成的場致發射裝置(結構500)採用了一個包括金剛石覆層的電子發射器，可以有利地使用在本領域內公知的許多場合。通過植入成核點並使金剛石晶粒由此開始生長這一措施能提供更均勻的覆層。由於希望的覆層厚度的放置改為10A至5000A。因此，覆層形成中的一個重要特點是覆層厚度和覆蓋面中的不規則性應減至最小。其他一些實現金剛石薄膜生長的方法不能提供基本均勻的生長厚度和覆蓋面。
圖6A是一種前面根據圖5B描述的結構相似的結構600的側面剖視圖，圖中，在圖5B中，已經描述過的相似的特徵相應地以數字「6」開頭進行標註。圖6A還示出，離子注入源640提供一個離子束605，碳成核點604就以這個離子束605被植入導體/半導體電極602的表面，在圖6A所示的情況下，一個外接電源，610接在離子注入源640的支撐基板601之間。第二個外接電源612接在導體/半導體層607和支撐基板601之間。圖6A中的基板或者也可以採用一個如前述參照圖4A描述的那種導體/半導體電極。通過嚮導體/半導體電極607施加一個適當的電壓，離子束605中包含的離子被從接近導體/半導體層607的邊緣的區域排斥至導體/半導體電極602的表面的希望的小區域中，這種離子束605的重定向將使成核點604基本上只插入導體/半導體電極602的表面的選定區域上。
圖6B是結構600的側面剖視圖，其中，一種不同的特徵被用來達到圖6A中所示的結果。在這個改進了的方法中，通過採用一種本技術領域內公知的低角度材料沉積技術提供一種部分閉合層614，使通孔609被部分封閉。由箭頭605所示的碳離子束提供了在導體/半導體電極602上的插入的成核點604。
圖6C示出了經過一個附加步驟即去除了掩閉層614之後的結構600。
圖6D是結構600經過本發明的方法中其他步驟之後的側面剖視圖，在所述的其他步驟中，由箭頭620所示的反應材料源被設置在導體/半導體電極602和一個毗鄰的加熱元件(見圖3)之間的中介區域內，使金剛石晶粒606象希望的那樣在插入的碳成核點上進行生長。在圖6D所示結構的情況下，金剛石晶粒折生長只是在導體/半導體電極602的暴露部分的小部分上進行。導體/半導體電極602與金剛石晶粒606的覆層相結合能形成一種改進了的電子發射器610。
圖6E是又加上了一個陽極616之後的結構600的側面剖視圖，陽極616被設置在電子發射器610的遠端，用於收集由該電子發射器610射出的電子。導體/半導體層607起到一個控制電極發射速率的發射控制電極的作用。根據圖6A-圖6E中所示的本發明的方法形成的場致發射裝置採用包含金剛石覆層電子發射層，可以有利地使用在本技術領域內公知的許多場合下，採用植入成核點再使金剛石晶料由此開始生長的方法能夠提供更均勻的覆層。由於希望的覆層厚度為10A的數量級之間，因此，覆層形成中的一個重要特徵就是使覆層厚度和覆蓋面的不規則性減至最小，其他能實現金剛石薄膜生長的方法不能提代基本均勻的生長厚度和覆蓋面。
權利要求
1.一種形成一個場致發射型電子發射器的方法，其特徵在於提供一個具有一個主表面的、具有選定形狀的導體/半導體電極，以成核點(404)的形式在上述的導體/半導體電極(402)的至少一部分主表面上植入離子，在至少一些上述的成核點(404)上有選擇起進行金剛石晶粒(406)生長，從而形成一個包括一個設置在具有選定形狀的導體/半導體電極的至少部分主表面上的金鍘石覆層的電子發射器。
2.如權利要求1中所述的方法，其特徵還在於，上述的離子植入步驟中包括植入碳離子。
3.如權利要求1中所述的方法，其特徵還在於上述的提供導體/半導體電極這一步驟中還包括對半導體材料進行的各相異性蝕刻。
4.如權利要求1中所述的方法，其特徵還在於下列步驟提供一個支撐基板(401)，在上述的支撐基板(01)上沉積一層可成形材料(403)，使可成形材料層(403)成形，從而在其上提供一個通孔(409)，提供一個基本上設置在通孔(409)內部、支撐基板(401)上面的具有選定形狀的導體/半導體電極(402)，執行離子植入步驟(404)，並且去掉全部可成形材料層(403)，在些步驟之後再執行金剛石晶粒(406)生長步驟。
5.如權利要求4中所述的方法，其特徵還在於上述的提供導體/半導體電極(402)這一步驟中包括下面的步驟通過基本上是普通的導電/半導體材料的沉積未形成電極。
6.如權利要求4中所述的方法，其特徵還在於上述的離子玫步驟包括下列步驟在上述的可成形材料構成的已成形層上沉積一層導體/半導體材料，提供離子植入設備(640)，將上述的導電/半導體電極(602)設置在離子植入裝置(640)中，並將離子以成核點的形式植入上述的導電/半導體電極(602)的至少部分表面上，在支撐基板(601)的離子植入設置(640)之間提供一個第一電壓源(610)，從而在離子植入設備(640)和導電/半導體電極(602)之間提供一個加速電場，以及在上述的支撐基板(601)和導電/半導體層(607)之間提供一個第二電源，從而在上述的導電/半導體層(607)和導電/半導體電極(602)之間提供一個離子排斥電場，使得至少部分離子有選擇地射向上述的導電/半導體電極(602)的選定部分。
7.如權利要求4中所述的方法，其特徵在於下列步驟在上述的可成形材料構成的已成形層上沉積一個導電/半導體材料層(607)，使用低角度沉積工藝在上述的導電/半導體材料層(607)上沉積一個材料層(614)，從而使蝕刻出來的通孔(609)被有選擇地部分掩閉，在離子(604)植入之後去除掉全部材料層(614)，從而使碳離子被基本上有選擇地植在導電/半導體電極(602)的表面上的選定部分上。
8.一種場致發射型電子發射器，其特徵在於一個具有一個主表面的、有選擇地形成的導電/半導體電極(402)，設置在上述的導電/半導體電極(402)的主表面上的許多用於離子植入的成核點(404)，以及至少一個設置在上述的導電/半導體電極(402)的主表面上並且處於上述的許多成核點中的一個成核點(404)上的金剛石晶粒(406)。
9.如權利要求8中所述的場致發射型電子發射器，其特徵在於設置在上述的主表面上的金剛石晶粒(406)形成了一個位於上述的導電/半導體電極(402)的至少一部分主表面上的基本均勻的金剛石覆層。
全文摘要
本發明為一場致發射電子裝置，該裝置採用了一個包括一個金剛石材料覆層的電子發射器，上述的金剛石覆層位於有選擇地形成的導電/半導體電極(402)的表面上。本發明還涉及形成該裝置的方法，該方法包括將碳離子植入導體半導體電極的一個表面使之在金剛石形成時得到成核點的作用這一步驟。
文檔編號H01J9/02GK1069826SQ9210546
公開日1993年3月10日 申請日期1992年7月6日 優先權日1991年8月20日
發明者詹姆斯·E·傑斯克, 羅伯特·C·肯尼 申請人:莫託羅拉公司