場發射結構及其製造方法
2023-04-27 00:39:36
專利名稱：場發射結構及其製造方法
技術領域：
本發明是有關於一種場發射結構及其製造方法，且特別是有關於一種有效降低屏蔽效應(screen effect)的場發射結構及其製造方法。
背景技術：
隨著科技的進步，體積龐大的陰極射線管(Cathode Ray Tube，CRT)顯示器已經漸漸地走入歷史。因此，場發射顯示器(Field Emission Display，FED)、液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、等離子顯示器(Plasma Display Panel，PDP)等平面顯示器則逐漸地成為未來顯示器的主流。以場發射顯示器為例，由於場發射顯示器具有較短的光學反應時間(Optical Response Time)，因此幾乎不會產生殘影。亦即，於液晶顯示器與等離子平面顯示器相較，場發射顯示器具有較高的顯示質量。此外，場發射顯示器還具有厚度薄、重量輕、視角廣、亮度高、工作溫度範圍較大以及省能源等優點，因此場發射顯示器已經逐漸受到全球業者的矚目。常見的場發射源包括零維的納米點(nano-dot)、一維的納米線或碳納米管、二維的納米片狀體(nano-flake)、三維的納米尖錐(nano-tip)。除了場發射源的材料功函數 (work function)之外，場發射增強因子(field enhancement factor)亦是決定場發射源的場發射特性的另外一項重要因素。通常，一維的納米線或碳納米管具有較佳的場發射增強因子，因為納米線或碳納米管具有較小的曲率半徑以及較大的長寬比。適當地控制納米線或碳納米管的密度可以有效地抑制屏蔽效應，而目前已有現有技術透過控制觸媒層的厚度、控制碳源、氫氣、氨氣的濃度比例，或是透過選擇性成長 (selective growth)的方式來控制碳納米管的密度。然而，上述的方法仍然無法十分有效地控制所成長的納米碳管的密度。此外，前述的選擇性成長僅能夠於小面積上成長碳納米管，無法於大面積上成長碳納米管。承上述，如何在大面積上成長納米碳管，並且有效地控制納米碳管的密度，實為目前場發射領域所面臨的問題之一。
發明內容
本發明提供一種場發射結構及其製造方法，以有效地控制碳納米管的成長密度， 進而降低屏蔽效應。本發明提供一種場發射結構，其包括一基板、一納米尖錐、一觸媒層以及多個碳納米管。納米尖錐包括一配置於基板上的底部分(bottom portion)以及一位於底部分上方的尖端部分(tip portion) 0觸媒層覆蓋納米尖錐，而碳納米管位於尖端部分的表面上。在本發明的一實施例中，前述的納米尖錐為一角錐狀納米尖錐或一圓錐狀納米尖錐。在本發明的一實施例中，前述的納米尖錐的底部分為圓柱體或多邊形柱體，而尖端部分為圓錐體或角錐體。
在本發明的一實施例中，前述的碳納米管貫穿觸媒層，且暴露於觸媒層外。在本發明的一實施例中，前述的底部分的材質包括半導體材料，而尖端部分的材質包括金屬或氮化鈦(TiNx)。
在本發明的一實施例中，前述的半導體材料例如為矽，而前述的金屬例如為鈦 (Ti)或鉭(Ta)。在本發明的一實施例中，前述的觸媒層的材質例如為鐵、鈷或鎳。在本發明的一實施例中，前述的場發射結構可進一步包括一圖案化介電層以及一柵極，其中圖案化介電層配置於基板上，介電層具有一開口以容納納米尖錐，而柵極配置於圖案化介電層上。在本發明的一實施例中，前述的基板包括一絕緣基材、一電極層、一阻抗層以及一半導體層，其中電極層配置於絕緣基材上，阻抗層配置於電極層上，而半導體層則配置於阻抗層上，且前述的納米尖錐配置於阻抗層上。在本發明的一實施例中，前述的納米尖錐可進一步包括一位於尖端部分與底部分之間的中間部分(middle portion)。舉例而言，前述的底部分的材質例如為一半導體材料， 中間部分的材質例如為一金屬或氮化鈦，而尖端部分的材質包括前述的金屬的氧化物或氮化鈦的氧化物。本發明提供一種場發射結構的製造方法，包括下列步驟於一基板上依序形成一第一材料層與一第二材料層；進行一氧化製程，使第二材料層氧化成一多孔性材料層，並使被多孔性材料層暴露的部分第一材料層氧化為多個納米點；移除多孔性材料層以暴露出第一材料層以及納米點；以納米點為罩幕，移除部分第一材料層以及部分基板以於基板上形成多個納米尖錐；於各納米尖錐上形成一觸媒層，且此觸媒層的厚度例如介於2納米至70 納米之間；以及於各納米尖錐上分別形成多個碳納米管。在本發明的一實施例中，前述的第一材料層的材質例如為鈦、鉭或氮化鈦，而納米點的材質例如為氧化鈦或氧化鉭。在本發明的一實施例中，前述的第二材料層的材質例如為鋁。在本發明的一實施例中，前述的第二材料層被氧化後，多孔性材料層具有多個對應於納米點的針孔(Pin holes)。在本發明的一實施例中，前述的各納米尖錐分別包括一配置於基板上的底部分、 一位於底部分上方的尖端部分以及一位於尖端部分與底部分之間的中間部分，而在移除部分第一材料層與部分基板以形成納米尖錐之後，納米點分別構成尖端部分，未被移除的第一材料層構成中間部分，而未被移除的部分基板構成底部分。在本發明的一實施例中，前述的各納米尖錐分別包括一配置於基板上的底部分以及一位於底部分上方的尖端部分，而在移除部分第一材料層與部分基板以形成納米尖錐之後，納米點完全被移除，未被移除的第一材料層構成尖端部分，而未被移除的部分基板構成底部分。在本發明的一實施例中，前述的場發射結構的製造方法可進一步包括下列步驟 在形成碳納米管之前，於基板上依序形成一介電材料層與一導電材料層；以及移除部分導電材料層與部分介電材料層，以於基板上形成一柵極與一圖案化介電層，其中圖案化介電層具有一開口以容納納米尖錐，且柵極配置於圖案化介電層上。
在本發明的一實施例中，前述的基板例如為一半導體基材。在本發明的一實施例中，前述的基板包括一絕緣基材、一電極層、一阻抗層以及一半導體層，其中電極層配置於絕緣基材上，阻抗層配置於電極層上，半導體層配置於阻抗層上，前述的第一材料層形成於半導體層上，而半導體層被部分移除，且未被移除的部分半導體層構成底部分。為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例， 並配合附圖，作詳細說明如下。
圖IA至圖IF為本發明第一實施例的場發射結構的製造方法；圖1D』為另一種納米尖錐的剖面示意
圖2A至圖2H為本發明第二實施例的場發射結構的製造方法；圖3A至圖3F為本發明第三實施例的場發射結構的製造方法；圖3D』為另一種納米尖錐的剖面示意圖；圖4A至圖4H為本發明第四實施例的場發射結構的製造方法。其中，附圖標記100、100b、100，基板100a、SE，底部分110:第一材料層IlOa:中間部分112:納米點ll2a、110a，尖端部分120 第二材料層130:多孔性材料層130a 針孔T、T，、T」、T」，納米尖錐140 觸媒層150 碳納米管160:介電材料層160a:圖案化介電層162:開口170:導電材料層170a 柵極S:絕緣基材E 電極層R:阻抗層SE 半導體層
具體實施方式
第一實施例 圖IA至圖IF為本發明第一實施例的場發射結構的製造方法。請參照圖1A，首先， 於一基板100上依序形成一第一材料層110與一第二材料層120。在本實施例中，基板100 例如為一半導體基材，而其材質例如為矽或是其它半導體材料。舉例而言，基板100的材質可為低電阻矽(low resistive silicon)。此外，形成於基材100上的第一材料層110例如為鈦層、鉭層或氮化鈦(TiNx)，而形成於第一材料層110上的第二材料層120例如為鋁層。 值得注意的是，第二材料層120的材質可以是任何被氧化之後具備多孔特性(porosity)的材質。請參照圖1B，進行一氧化製程，以使第二材料層120氧化成一多孔性材料層130。 在本實施例中，前述的氧化製程例如為一陽極氧化製程。在前述的氧化製程進行的過程中，多孔性材料層130中會形成多個針孔(pin holes) 130a，而這些針孔130a隨機且均勻地分布於多孔性材料層130中。分布於多孔性材料層130中的針孔130a會將第一材料層110的部分表面暴露，並且使得針孔130a所暴露出來的第一材料層110被氧化為多個納米點112。亦即，在前述的氧化製程進行的過程中，納米點112的形成會晚於多孔性材料層130中針孔130a的形成。值得注意的是，納米點112 的尺寸、數量以及形成位置取決於多孔性材料層130中的針孔130a的尺寸、數量以及所在位置，本領域技術人員可以透過調整氧化製程的配方來控制針孔130a的尺寸、數量以及所在位置，進而控制納米點112的尺寸、數量以及形成位置。在本實施例中，納米點112的材質與第一材料層110相關，當第一材料層110為鈦層或氮化鈦層時，所形成的納米點112的材質為氧化鈦，當第一材料層110為鉭層時，所形成的納米點112的材質為氧化鉭。請參照圖1C，移除多孔性材料層130以暴露出第一材料層110以及納米點112。在本實施例中，移除多孔性材料層130的方法例如為溼蝕刻請參照圖1D，以納米點112為罩幕，移除部分未被納米點112覆蓋的第一材料層 110以及部分基板100以形成多個中間部分IlOa以及多個底部分100a。詳言之，在移除部分第一材料層110與部分基板100之後，未被移除的第一材料層110會構成中間部分110a， 而未被移除的部分基板100構成底部分100a。在本實施例中，移除第一材料層110以及基板110的方法例如為幹蝕刻。在移除部分第一材料層110以及部分基板100的過程中，納米點112亦會被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中間部分IlOa以及底部分100a即構成納米尖錐T，且納米尖錐T會位於一厚度較薄的基板100b上。在本實施例中，納米尖錐T例如為一角錐狀納米尖錐或一圓錐狀納米尖錐，納米尖錐T的底部分100a例如為為圓柱體或多邊形柱體，而尖端部分112a例如為圓錐體或角錐體。此外，底部分100a的材質與基板100b同為半導體材料(例如矽)，中間部分IlOa與第一材料層110的材質同為金屬(例如鈦或鉭)或同為氮化鈦，而尖端部分112a與納米點 112的材質同為前述金屬的氧化物(例如氧化鈦或氧化鉭)或同為氮化鈦(TiNx)的氧化物 (即氧化鈦)。值得注意的是，在其它實施例中(如圖1D』所示)，在移除部分第一材料層110以及部分基板100的過程中，納米點112亦可被完全被移除。此時，未被移除的第一材料層Iio便會構成所謂的尖端部分110a』，而未被移除的部分基板構成所謂的底部分100a，繪示於圖1D』中。前述的尖端部分110a』以及底部分100a』即構成納米尖錐T」，且納米尖錐Τ」 會位於一厚度較薄的基板IOOb上。詳言之，納米尖錐Τ」的尖端部分110a』的材質例如為金屬(如鈦或鉭)或氮化鈦。請參照圖1E，於各個納米尖錐T上形成一觸媒 層140。在本實施例中，所使用的觸媒層140的材質例如為鐵、鈷或鎳，其中該觸媒層140的厚度例如介於2納米至70納米。由於底部分100a』的材質為半導體材料，故底部分100a』會與觸媒層140反應而形成化合物。舉例而言，當底部分100a』的材質為矽，而觸媒層140為鐵、鈷或鎳等金屬時， 底部分100a』與觸媒層140會反應而形成金屬矽化物(metal silicide)。此外，由於尖端部分112a的材質例如為氧化鈦或氧化鉭，故尖端部分112a不易與觸媒層140反應而形成化合物。請參照圖1F，於各個納米尖錐T的尖端部分112a上分別形成多個碳納米管150。 由於底部分IOOa與觸媒層140會反應而形成化合物(例如為金屬矽化物)，且尖端部分 112a不易與觸媒層140反應而形成化合物，因此，尖端部分112a的表面上較容易成長出碳納米管150，而底部分IOOa的表面上較容易成長出碳納米管150。換言之，若要在尖端部分 112a的表面成長出碳納米管150，所需的成長溫度較低(約為攝氏200度至攝氏1000度)； 若要在底部分IOOa的表面成長出碳納米管150，所需的成長溫度較高(約為攝氏450度至攝氏1000度)。由上述可知，本實施例僅需透過適當的溫度控制，便可選擇性地在尖端部分 112a的表面成長出碳納米管150。同樣地，當尖端部分110a』為金屬或氮化鈦時(如圖1D』所繪示)，故尖端部分 IlOa'不易與後續形成的觸媒層140反應而形成化合物，故圖1D』的尖端部分110a』與圖 ID的尖端部分112a具有相同的功能，有助於碳納米管150的選擇性成長。如圖IF所示，本實施例的碳納米管150貫穿觸媒層140，且部分暴露於觸媒層140 之外。第二實施例圖2A至圖2H為本發明第二實施例的場發射結構的製造方法。本實施例的圖2A 至圖2E所繪示的製程與第一實施例的圖IA至圖IE相同，故於此不再重述。請參照圖2F，在形成觸媒層140之後，於基板IlOb上依序形成一介電材料層160 與一導電材料層170。由圖2F可知，介電材料層160與導電材料層170全面性地覆蓋於基板110b、納米尖錐T與觸媒層140上。請參照圖2G，移除部分導電材料層170與部分介電材料層160，以於基板IlOb上形成一柵極170a與一圖案化介電層160a，其中圖案化介電層160a具有一開口 162以容納納米尖錐T，且柵極170a配置於圖案化介電層160a上。請參照圖2H，於各個納米尖錐T的尖端部分112a上分別形成多個碳納米管150。 由於底部分IOOa與觸媒層140會反應而形成化合物(例如為金屬矽化物)，且尖端部分 112a不易與觸媒層140反應而形成化合物，因此，尖端部分112a的表面上較容易成長出碳納米管150，而底部分IOOa的表面上較容易成長出碳納米管150。換言之，若要在尖端部分 112a的表面成長出碳納米管150，所需的成長溫度較低(約為攝氏200度至攝氏1000度之間)；若要在底部分IOOa的表面成長出碳納米管150，所需的成長溫度較高(約為攝氏450度至攝氏1000度之間)。由上述可知，本實施例僅需透過適當的溫度控制，便可選擇性地在尖端部分112a的表面成長出碳納米管150。如圖2H所示，本實施例的碳納米管150貫穿觸媒層140，且部分暴露於觸媒層140 之外。 第三實施例圖3A至圖3F為本發明第三實施例的場發射結構的製造方法。請參照圖3A至圖 3F，本實施例與第一實施例類似，二者主要差異之處在於本實施例所使用的基板100』與第一實施例所使用的基板100不同，故以下僅針對二實施例之差異處進行描述。本實施例所使用的基板100』包括一絕緣基材S、一電極層E、一阻抗層R以及一半導體層SE，其中電極層E配置於絕緣基材S上，阻抗層R配置於電極層E上，半導體層SE配置於阻抗層R上，第一材料層110形成於半導體層SE上。前述的半導體層SE材質可為矽或是其它半導體材料。舉例而言，基板100的材質可為低電阻矽。如圖3D所示，在以納米點112為罩幕移除部分未被納米點112覆蓋的第一材料層 110以及部分基板100(即半導體層SE)之後，未被移除的第一材料層110會構成中間部分 110a，而未被移除的半導體層會構成底部分SE』。在移除部分第一材料層110以及部分基板 100的過程中，納米點112亦會被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中間部分IlOa以及底部分SE』即構成納米尖錐T』，且納米尖錐T』會位於基板100』的阻抗層 R上。值得注意的是，在其它實施例中(如圖3D』所示)，在移除部分第一材料層110以及部分基板100的過程中，納米點112亦可被完全被移除。此時，未被移除的第一材料層 110便會構成所謂的尖端部分110a』，而未被移除的半導體層SE構成所謂的底部分SE』，繪示於圖3D』中。前述的尖端部分110a』以及底部分SE』即構成納米尖錐T」』。詳言之，納米尖錐T」』的尖端部分110a』的材質例如為金屬或氮化鈦。同樣地，當尖端部分110a』為金屬或氮化鈦時(如圖3D』所繪示)，故尖端部分 IlOa'不易與後續形成的觸媒層140反應而形成化合物，故圖3D』的尖端部分110a』與圖 3D的尖端部分112a具有相同的功能，有助於碳納米管150的選擇性成長。第四實施例圖4A至圖4H為本發明第四實施例的場發射結構的製造方法。請參照圖4A至圖 4H，本實施例與第二實施例類似，二者主要差異之處在於本實施例所使用的基板100』與第二實施例所使用的基板100不同，故以下僅針對二實施例之差異處進行描述。本實施例所使用的基板100』包括一絕緣基材S、一電極層E、一阻抗層R以及一半導體層SE，其中電極層E配置於絕緣基材S上，阻抗層R配置於電極層E上，半導體層SE配置於阻抗層R上，第一材料層110形成於半導體層SE上。前述的半導體層SE材質可為矽或是其它半導體材料。舉例而言，基板100的材質可為低電阻矽。如圖4D所示，在以納米點112為罩幕移除部分未被納米點112覆蓋的第一材料層 110以及部分基板100(即半導體層SE)之後，未被移除的第一材料層110會構成中間部分 110a，而未被移除的半導體層會構成底部分SE』。在移除部分第一材料層110以及部分基板 100的過程中，納米點112亦會被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中間部分IlOa以及底部分SE』即構成納米尖錐T』，且納米尖錐T』會位於基板100』的阻抗層R上。在本發明的上述實施例中，利用納米點作為罩幕以形成納米尖錐可以有效地控制碳納米管的成長密度，進而降低屏蔽效應。雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但其並非用以限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與修改，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求保護範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種場發射結構，其特徵在於，包括 一基板；
2.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該納米尖錐為一角錐狀納米尖錐或一圓錐狀納米尖錐。
3.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該納米尖錐的該底部分為圓柱體或多邊形柱體，而該尖端部分為圓錐體或角錐體。
4.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該些碳納米管貫穿該觸媒層，且暴露於該觸媒層外。
5.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該底部分的材質包括一半導體材料， 而該尖端部分的材質包括金屬或氮化鈦。
6.如權利要求5所述的場發射結構，其特徵在於，該半導體材料包括矽，而該金屬包括鈦(Ti)或鉭(Ta)。
7.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該觸媒層的材質包括鐵、鈷或鎳，且該觸媒層的厚度介於約2納米至70納米之間。
8.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，更包括一圖案化介電層，配置於該基板上，該圖案化介電層具有一開口以容納該納米尖錐；以及一柵極，配置於該圖案化介電層上。
9.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該基板包括 一絕緣基材；一電極層，配置於該絕緣基材上； 一阻抗層，配置於該電極層上；以及一半導體層，配置於該阻抗層上，其中該納米尖錐配置於該阻抗層上。
10.如權利要求1所述的場發射結構，其特徵在於，該納米尖錐還包括一位於該尖端部分與該底部分之間的中間部分。
11.如權利要求10所述的場發射結構，其特徵在於，該底部分的材質包括一半導體材料，該中間部分的材質包括一金屬或氮化鈦，而該尖端部分的材質包括該金屬的氧化物。
12.如權利要求11所述的場發射結構，其特徵在於，該半導體材料包括矽，該金屬包括鈦(Ti)或鉭(Ta)，而該金屬的氧化物包括氧化鈦(TiOx)或氧化鉭(TaOx)。
13.—種場發射結構的製造方法，其特徵在於，包括 於一基板上依序形成一第一材料層與一第二材料層；進行一氧化製程，使該第二材料層氧化成一多孔性材料層，並使被該多孔性材料層暴露的部分第一材料層氧化為多個納米點；移除該多孔性材料層以暴露出該第一材料層以及該些納米點； 以該些納米點為罩幕，移除部分該第一材料層以及部分該基板以形成多個納米尖錐； 於各該納米尖錐上形成一觸媒層；以及於各該納米尖錐上分別形成多個碳納米管。
14.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，該第一材料層的材質包括鈦、鉭或氮化鈦，而該些納米點的材質包括氧化鈦或氧化鉭。
15.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，該第二材料層的材質包括鋁。
16.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，該第二材料層被氧化後，該多孔性材料層具有多個對應於該些納米點的針孔。
17.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，各該納米尖錐分別包括一配置於該基板上的底部分、一位於該底部分上方的尖端部分以及一位於該尖端部分與該底部分之間的中間部分，而在移除部分該第一材料層與部分該基板以形成該些納米尖錐之後，該些納米點分別構成該些尖端部分，未被移除的該第一材料層構成該些中間部分，而未被移除的部分該基板構成該些底部分。
18.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，各該納米尖錐分別包括一配置於該基板上的底部分以及一位於該底部分上方的尖端部分，而在移除部分該第一材料層與部分該基板以形成該些納米尖錐之後，該些納米點完全被移除，未被移除的該第一材料層構成該些尖端部分，而未被移除的部分該基板構成該些底部分。
19.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，還包括在形成該些碳納米管之前，於該基板上依序形成一介電材料層與一導電材料層；以及移除部分該導電材料層與部分該介電材料層，以於該基板上形成一柵極與一圖案化介電層，其中該圖案化介電層具有一開口以容納該納米尖錐，且該柵極配置於該圖案化介電層上。
20.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，該基板包括一半導體基材。
21.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，該基板包括一絕緣基材；一電極層，配置於該絕緣基材上；一阻抗層，配置於該電極層上；以及一半導體層，配置於該阻抗層上，其中該第一材料層形成於該矽層，而該半導體層被部分移除，且未被移除的部分該半導體層構成該些底部分。
22.如權利要求13所述的場發射結構的製造方法，其特徵在於，各該納米尖錐分別包括一配置於該基板上的底部分、一位於該底部分上方的尖端部分，其中於各該納米尖錐上分別形成多個碳納米管的步驟中若該些碳納米管在該些尖端部分的表面成長，則其所需的成長溫度約為攝氏200度至攝氏1000度；以及若該些碳納米管在該些底部分的表面成長，則其所需的成長溫度約為攝氏450度至攝氏1000度。
全文摘要
本發明公開了一種場發射結構及其製造方法，該場發射結構包括一基板、一納米尖錐、一觸媒層以及多個碳納米管。納米尖錐包括一配置於基板上的底部分、一位於底部分上方的尖端部分以及一位於尖端部分與底部分之間的中間部分。觸媒層覆蓋納米尖錐，而碳納米管位於尖端部分的表面上。
文檔編號H01J9/02GK102386041SQ201110329909
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月24日 優先權日2011年8月25日
發明者郭志徹, 陳德銘 申請人:友達光電股份有限公司