CN101096752A - 类钻碳膜层的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种类钻碳膜层的制作方法，主要是利用溅镀方式于基板表面生长一类钻碳膜层。本发明制作方法包括以下步骤：(a)提供一反应室，并且将一基板置入反应室内；(b)使反应室的压力低于10-6torr以下；(c)导入至少一含碳的气体于反应室内；以及(d)使用一石墨钯材以溅镀沉积一类钻碳膜层于基板表面。且，本发明所制作的类钻碳膜层具有片状结构特征，并且于基板表面排列成一花瓣图案。由于本发明类钻碳膜的片状结构的高度约为微米级，片状结构的厚度约为纳米级，所以本发明类钻碳膜的片状结构具有高的高宽比，即可具有很良好的场发射增强因子。
Description
技术领域
本发明是关于一种类钻碳膜层的制作方法，尤指一种利用溅镀方式于基板表面生长一类钻碳膜层的制作方法。
背景技术
对于目前场发射显示器的电子发射体的研究方向，多以碳材为主，主要是因为公知金属锥电子发射组件的寿命短暂且制作不易，故现今多采用具有化学稳定性、电传导性、或低电子亲和性的碳材作为发展对象。相关的碳材有非晶系碳薄膜(amorphous carbon film)、钻石薄膜(diamond film)、类钻碳薄膜(diamond-like carbon film)、以及纳米碳管(carbon nanotube)。
由于纳米碳管具有高的高宽比结构，使其拥有低启始电压与高电流发射密度等性质，即具有良好的场发射增强因子，因此成为目前热门的场发射电子材料。但是，当纳米碳管面临后续制程应用时，却因其纳米级结构而难以均匀分散于欲配制的电子发射浆料中，导致电流分布不均而产生使用寿命减少等问题。此外，纳米结构伴随表面积大的物性，将造成其不稳定的因素。因此，纳米碳管尚须进行表面改质，方可增加场发射的稳定性。
类钻碳主要是由SP3立体结构与SP2平面结构的非晶碳所组成。由于SP3易有低电子亲和能与较强的机械性质，且SP2具有较佳的导电性质，所以两者所形成的类钻碳材料可兼具有低电子亲和能以及导电性等特色。
尽管类钻碳具有低电子亲和能的优点，但是公知类钻碳的电子发射能力仍略低于纳米碳管。此主要原因在于，公知的类钻碳结构不具有如同纳米碳管高的高宽比结构。中国台湾专利号00444232中，虽提到一类钻碳膜，但其结构是在一作为电子发射的尖端上形成类钻碳膜；此外，中国台湾专利号00420723中的描述，是利用电浆辅助化学气相沉积法(PECVD)的方式，形成类钻碳膜；由上述二案可发现公知类钻碳结构多以薄膜形式呈现，而至今尚未有具有高的高宽比类钻碳的结构被发表。
因此，目前亟需一种类钻碳膜层的制作方法。此方法所制作的类钻碳膜层不仅可具有高的高宽比结构特征，且同时具有低电子亲和力的特色，足以成为良好的电子发射材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类钻碳膜层的制作方法。
本发明的关于片状结构的类钻碳膜层的制作方法，且该片状结构可于基板表面排列成花瓣图案。于本发明制作的类钻碳膜中，片状结构的高度约为微米级尺寸，片状结构的厚度约为纳米级尺寸，所以本发明类钻碳膜的片状结构可具有高的高宽比特征。
为实现上述目的，本发明提供的类钻碳膜层的制作方法，包括以下步骤：
(a)提供一反应室，并且将一基板置入该反应室内；
(b)使该反应室的压力低于10-6 torr以下；
(c)导入至少一含碳的气体于该反应室内；以及
(d)使用一石墨钯材以溅镀沉积一类钻碳膜层于该基板表面；
其中，该类钻碳膜层具有片状结构，该类钻碳膜层的片状结构排列于该基板表面，形成一花瓣图案。
所述的制作方法，其中步骤(c)所导入的该气体还包括惰性气体、氢气、或其组合。
所述的制作方法，其中该惰性气体、该含碳的气体、与该氢气的导入比例为5-20∶1-10∶0-10。
所述的制作方法，其中该含碳的气体为一碳氢气体。
所述的制作方法，其中该碳氢气体为甲烷或乙炔。
所述的制作方法，其中该惰性气体为氩气。
所述的制作方法，其中于步骤(d)进行溅镀之前，加热该基板以使该基板具有一介于350℃至600℃的温度。
所述的制作方法，其中于步骤(d)进行溅镀之前，加热该基板以使该基板具有一介于400℃至550℃的温度。
所述的制作方法，其中该基板为半导体材料、或玻璃材料。
所述的制作方法，其中该片状结构的侧面高度介于0.5μm至5.0μm之间。
所述的制作方法，其中该片状结构的侧面高度介于0.9μm至2.0μm之间。
所述的制作方法，其中该片状结构的厚度介于0.005μm至0.1μm之间。
所述的制作方法，其中，该片状结构的厚度介于0.005μm至0.05μm之间。
所述的制作方法，其中该片状结构为弯曲片状结构、长条片状结构、或其组合。
所述的制作方法，其中该基板表面还包含一导电层，且该导电层介于该基板与该类钻碳膜层之间。
所述的制作方法，其中该导电层为氧化锡、氧化锌、氧化锌锡、金属材料、或合金材料。
所述的制作方法，其中该步骤(d)进行该溅镀的反应功率低于200瓦以下。
所述的制作方法，其中该步骤(d)进行该溅镀的反应功率低于150瓦以下。
所述的制作方法，其中于该步骤(b)中，该反应室的压力介于1×10-3至20×10-3torr之间。
换言之，本发明提供的类钻碳膜层的制作方法，其包含的步骤有：(a)提供一反应室，并且将一基板置入反应室内；(b)使反应室的压力低于10-6Torr以下；(c)导入至少一含碳的气体于反应室内；以及(d)使用一石墨钯材以溅镀沉积一类钻碳膜层于基板表面。其中，本发明方法所制作的类钻碳膜层具有一片状结构，且类钻碳膜层的片状结构于基板表面排列成一花瓣图案。
再者，本发明片状结构的侧面高度可为微米级尺寸，较佳可介于0.5μm至5.0μm的高度，更佳可介于0.9μm至2.0μm的高度。且，本发明片状结构的厚度可为纳米级尺寸，较佳可介于0.005μm至0.1μm之间，更佳可介于0.005μm至0.05μm之间。
因此，本发明方法所制作的类钻碳膜层可具有高的高宽比特征，且具有低的电子亲和力，以成为良好的电子发射源。此外，本发明制作上使用射频溅镀法沉积类钻碳薄膜，可实现大面积化制程，以降低制备时间与制作成本。
于本发明类钻碳膜层的制作方法中，本发明步骤(b)所导入的气体可选择性还包括氢气、惰性气体、或其组合。其中，本发明所使用的惰性气体可为任何溅镀制程所适用的惰性气体，较佳可为氩气、或氮气，以提供一离子化气体的反应环境。再者，本发明制作方法中所导入的含碳气体可为任一种含碳的气体，较佳为碳氢气体，其可为甲烷，或乙炔等，以作为形成本发明类钻碳膜的碳源。
上述本发明溅镀制程中可使用的各个气体流量无限制，且该气体导入反应室的量与浓度可视制程的需求以及欲生成的类钻碳膜层结构而调整。依据本发明的实施例结果得知，当导入的气体中氢气浓度越高，所形成的片状结构越疏，即密度越低；相反，当导入的气体中氢气浓度越低，则最后所形成的片状结构就越密，即密度越高。而于本发明方法中，用以制备出较佳片状结构的类钻碳膜层的气体，较佳为由惰性气体、含碳气体、与氢气等三种气体的混合气体。其比例以惰性气体∶含碳气体∶氢气＝5-20∶1-10∶0-10为佳，更佳的比例为惰性气体∶含碳气体∶氢气＝8-16∶4-8∶2-8。
于本发明类钻碳膜层的制作方法中，步骤(d)进行溅镀之前，较佳可将基板先加热至350℃至600℃的温度，以于基板表面沉积一类钻碳膜层。当然，本发明基板加热的温度无限制，较佳可为350℃至600℃，更佳可为400℃至550℃。另外，本发明溅镀制程中所使用的功率无限制，较佳可低于200瓦以下，更佳可低于150瓦以下。再者，在进行溅镀反应前且还未导入气体于反应腔体时，反应腔体的真空度系控制于10-5 torr以下，较佳可控制于10-6torr以下；更佳者，反应室的压力介于1×10-3至20×10-3torr之间。
于本发明制作方法中，可由低功率且低温度的溅镀制程，于基板表面直接生成一具有片状结构的类钻碳膜层，且该片状结构可于基板表面排列出一花瓣图案并具有高的高宽比结构特征。而本发明溅镀反应的制程参数，例如：温度、溅镀反应环境的真空度、实施功率等，可依据制程需求而调整。
本发明类钻碳薄膜的制作方法主要是通入含碳气体，并且经过电浆解离出碳原子，而于加热的基板上成长具有片状结构的类鑚碳膜。
本发明方法所制作的类鑚碳膜的片状结构无限制，较佳可为长条状、弯曲片状。其中，该片状结构的主要特点为具有高的高宽比结构。因此，本发明方法所制作的类钻碳薄膜可具有很大的场发射增强因子，使其成为良好的阴极电子发射源。
于本发明制作方法中，基板使用的材料无限制，较佳可为半导体材料、或玻璃材料。为了增加本发明制作的类钻碳膜层的应用，本发明基板表面可选择性还包含一导电层，并且导电层是介于基板与类钻碳膜层之间。在此，上述导电层所适用的材料可为任何可导电材料，较佳可为氧化锡、氧化锌、氧化锌锡、金属材料、或合金材料。
一较佳具体实施例中，本发明方法使用的基板为玻璃材时，该玻璃基板表面是涂覆有一导电层，以使片状结构的类钻碳膜层形成于导电层表面。如此，可由导电层而提供一电压于片状结构的类钻碳膜层，使本发明制作的类钻碳膜层可作为电子发射用。
另一较佳具体例中，本发明方法适用的基板为一半导体材料，由于基板材料具有电导通性，所以片状结构的类钻碳膜层是直接形成于基板表面，即成为一电子发射源。
相较于公知纳米碳管材料，本发明所使用的微米级结构的类钻碳材料的成长制程温度较低，且可直接生长于基板表面，故有利于制程的应用。此外，本发明类钻碳的片状结构具有高的高宽比特征，所以可具有很高的场发射增强因子，以适用于各种电子发射的应用领域，例如：场发射组件、场发射显示器、或平面光源等的冷阴极发射源。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例制作类钻碳膜层时使用的溅镀反应室的示意图。
图2a为本发明一较佳实施例制作的表面具有类钻碳膜层的基板正面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图。
图2b为本发明一较佳实施例制作的表面具有类钻碳膜层的基板侧面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图。
图2c为本发明一较佳实施例制作的类钻碳膜层，其在刮下置于基板正面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图。
图3为实施例二至实施例六所制作的类钻碳膜层的拉曼(Raman)光谱图。
具体实施方式
实施例1
下述内容将说明本发明一较佳具体实施例的类钻碳膜层的制作方法，请一并参照图1所示。图1为本实施例制作类钻碳膜层所使用的溅镀反应室100的示意图。
首先，提供一用以溅镀的反应室100，且该反应室100包含一用以加热基板1的加热器10、一用以承载基板1的承载台11、一用以施予靶材12电压的电源器13、以及复数个用以提供反应气体的气体提供单元A、B、C。请注意，本发明制作类钻碳膜层时，气体提供单元可依据制程需求的气体条件而增设或减少，并非限于本实施例所述的设备。
接着，清洁基板1表面，并且将其置入反应室100的承载台11上，以固定基板1。其中，本实施例所采用的基板1为一半导体材的硅晶圆片。利用一抽真空装置14将反应室100抽真空至1×10-5 torr以下，并且利用加热器10将基板1加热至400℃。
然后，由气体提供单元A、B、C提供反应所需的气体，并且利用质流控制器(mass flow controller，图未示)控制各个气体进入该反应室100的流量。其中，本实施例气体提供单元A、B、C分别为一提供氩气、甲烷、氢气的气体供应源。并且，本实施例是由各个气体供应阀a1、b1、c1并且按制程条件以控制三种气体是否导入反应室100。其中，本实施例导入反应室100的气体包含有氩气、甲烷、与氢气，且其气体比例为2∶1∶1。
于本例中，当反应气体导入反应室100后，反应室内的压力约控制在9×10-3 torr。当然，本发明溅镀反应的环境压力并非限本实施例所述的内容，可依据制程需求而调整。
随即，以200W射频功率对石墨靶材12进行30分钟的预溅镀(pre-sputtered)反应后，以除去靶材12表面可能存在的污染物。接着，开启遮蔽板111，并且对基板1表面进行70分钟的溅镀反应，以于基板1表面成长一类钻碳膜层。
请参照图2a、图2b与图2c所示，图2a为本实施例制作的表面具有类钻碳膜层的基板正面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图，且图2b为本实施例制作的表面具有类钻碳膜层的基板侧面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图。图2c为本实施例制作的类钻碳膜层，刮下置于基板正面的扫瞄式电子显微镜(SEM)照片图。
由图2a与图2b所示，本实施例所制作的类钻碳膜层为弯曲片状或长条片状结构，且该等片状结构于基板1表面排列出一立体的花瓣图案。其中，本实施例的片状结构的平均高度约为1μm，且每一片状结构的平均厚度约为10nm至20nm之间，而形成本发明所主张的高「高宽比」的结构。另，由图2c所示，将长成的类钻碳膜层，刮下置于基板后，此时的类钻碳膜层平均厚度在10nm至20nm之间，而其宽度则可为1～3μm之间。
因此，本实施例所制作的类钻碳膜层具有高的高宽比结构特征，且本实施例所使用的基板是为一可导电的半导体材料，所以可直接应用于电子发射源的用途。
实施例2至实施例6
实施例2至实施例6相同于实施例1所述的内容制作类钻碳膜层，除了溅镀制程中所使用的气体条件不同，其它制程参数与制作步骤皆相似于实施例1所述内容。其中，各个实施例导入不同比例的氢气是用以控制类钻碳膜的片状结构的疏密度。
表1将详列实施例2至实施例6中不同的气体比例。
表1
| 氩气 | 甲烷 | 氢气 | |
| 实施例二 | 8 | 8 | 8 |
| 实施例三 | 10 | 5 | 5 |
| 实施例四 | 10 | 5 | 2 |
| 实施例五 | 16 | 8 | 0 |
| 实施例六 | 16 | 4 | 0 |
图3为实施例二至实施例六所制作的类钻碳膜层的拉曼(Raman)光谱图。由图3中可得知，本发明所制作的类钻碳膜层系由SP3立体结构与SP2平面结构所组成，因此具有一约为1332cm-1的四面体钻石结构的吸收峰、以及一约为1580cm-1的平面石墨结构的吸收峰。
综上所述，本发明方法可制作一具有微米级片状结构的类钻碳，由于该微米级片状结构具有高的高宽比的特征，故可成为良好的电子发射材料，以应用于场发射组件、场发射显示器、或平面光源等的冷阴极发射源。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (19)
1、一种类钻碳膜层的制作方法，包括以下步骤：
(a)提供一反应室，并且将一基板置入该反应室内；
(b)使该反应室的压力低于10-6torr以下；
(c)导入至少一含碳的气体于该反应室内；以及
(d)使用一石墨钯材以溅镀沉积一类钻碳膜层于该基板表面；
其中，该类钻碳膜层具有片状结构，该类钻碳膜层的片状结构排列于该基板表面，形成一花瓣图案。
2、如权利要求1所述的制作方法，其中步骤(c)所导入的该气体还包括惰性气体、氢气、或其组合。
3、如权利要求2所述的制作方法，其中该惰性气体、该含碳的气体、与该氢气的导入比例为5-20∶1-10∶0-10。
4、如权利要求1所述的制作方法，其中该含碳的气体为一碳氢气体。
5、如权利要求4所述的制作方法，其中该碳氢气体为甲烷或乙炔。
6、如权利要求2所述的制作方法，其中该惰性气体为氩气。
7、如权利要求1所述的制作方法，其中于步骤(d)进行溅镀之前，加热该基板以使该基板具有一介于350℃至600℃的温度。
8、如权利要求1所述的制作方法，其中于步骤(d)进行溅镀之前，加热该基板以使该基板具有一介于400℃至550℃的温度。
9、如权利要求1所述的制作方法，其中该基板为半导体材料、或玻璃材料。
10、如权利要求1所述的制作方法，其中该片状结构的侧面高度介于0.5μm至5.0μm之间。
11、如权利要求1所述的制作方法，其中该片状结构的侧面高度介于0.9μm至2.0μm之间。
12、如权利要求1所述的制作方法，其中该片状结构的厚度介于0.005μm至0.1μm之间。
13、如权利要求1所述的制作方法，其中，该片状结构的厚度介于0.005μm至0.05μm之间。
14、如权利要求1所述的制作方法，其中该片状结构为弯曲片状结构、长条片状结构、或其组合。
15、如权利要求1所述的制作方法，其中该基板表面还包含一导电层，且该导电层介于该基板与该类钻碳膜层之间。
16、如权利要求15所述的制作方法，其中该导电层为氧化锡、氧化锌、氧化锌锡、金属材料、或合金材料。
17、如权利要求1所述的制作方法，其中该步骤(d)进行该溅镀的反应功率低于200瓦以下。
18、如权利要求1所述的制作方法，其中该步骤(d)进行该溅镀的反应功率低于150瓦以下。
19、如权利要求1所述的制作方法，其中于该步骤(b)中，该反应室的压力介于1×10-3至20×10-3torr之间。
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