CN1739189A - 保护层的选择性蚀刻 - Google Patents
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Abstract
一种包括在催化剂层上形成的保护层来保护该催化剂层在阴极处理期间或之前免受有害环境条件影响的电子发射设备。本发明还包括半蚀刻处理，其适用于从催化剂层上部分去除保护层，以蚀刻除了碳纤管生长部分之外的催化剂层。部分保护层仍然保留在催化剂层上以保护该催化剂层在下个阴极形成处理中免受有害条件的影响。
Description
技术领域
本发明涉及基于场发射体显示器的碳纤管。更为具体地说，本发明涉及电子发射设备的结构和制造，在该电子发射设备中，在催化剂层形成期间选择性地蚀刻保护层，该催化剂层适用于阴极射线管(“CRT”)类型的平板显示器。
背景技术
阴极射线管(CRT)显示器通常提供现有技术计算机显示器的最佳亮度、最高对比度、最佳彩色品质和最大视角。CRT显示器典型地使用在薄玻璃面板上沉积的荧光材料层。这些CRT通过使用一个到三个电子束来产生图像，该电子束产生以光栅模式横过荧光材料扫描的高能电子。
荧光材料将电子能量转换为可见光，以便形成希望的图像。然而，由于密封阴极并且从阴极延伸到显示器的面板的大的真空外壳，现有技术的CRT显示器较大并且笨重。因此，典型的，在过去已经使用其他类型的显示技术，如有源矩阵液晶显示器、等离子显示器和场致发光显示技术来形成薄显示器。
最近，已经开发了平板显示器(FPD)，其使用与CRT设备中相同的产生图像的过程。这些平板显示器使用包括电极的行和列的矩阵结构的背面板。一个这样的平板显示器描述在US专利No.5,541,473中，其在此完全包括并结合作为参考。平板显示器是典型的矩阵寻址并且它们包括矩阵寻址电极。矩阵中每个行线和每个列线的交点定义像素，像素是在电子显示器中最小的可寻址元件。
电子显示器的本质是能够单独的开启和关闭图像元件(像素)的性能。典型的高信息内容显示器具有33厘米对角正交阵列中的二十五万像素，且每个由电子装置单独的控制。该像素分辨率通常刚好在或低于眼睛的分辩能力。因此，从有效像素的图案中可以产生优质的图像。
一种用于产生场发射阴极结构的方式依靠良好建立的半导体微制造技术。这些技术产生精密形状的场发射尖端的高度规则的矩阵。通常在这些技术中使用的光刻法包括大量的处理步骤，其中许多步骤是湿处理步骤。由可用的光致抗蚀剂和暴露辐射来确定每个单位面积中尖端的数量、尖端的大小，和它们的间隔。
由该方法产生的发射体尖端典型成锥形形状，具有大约0.5到1微米级的基座直径，0.5到2微米之间的高度，几十个毫微米的尖端半径。该大小限制了可用于高分辨率显示器的每个像素的尖端的数量，在此希望较大数量(每个像素400-1000发射体)用于均匀发射以提供足够的灰度级，并且减小每个尖端的电流密度以用于稳定和长寿命。保持大面积，如较大尺寸的电视的屏幕上周期尖端阵列的二维记录，对于现有方式的门控场发射结构也是问题，这导致了低产量和高成本。
US专利No.4,338,164描述了一种制备在其上具有微结构突起的平面的方法，该方法包括复杂的一系列步骤，包括具有高能离子(例如来自重离子加速器的)的可溶矩阵(例如云母)的辐射，以在矩阵中提供列状痕迹，接着蚀刻掉该列状痕迹，以在之后用合适的传导的电子放射材料填充。在附加金属沉积步骤提供用于电子放射材料的传导基片之后，最初的可溶性材料被溶解。该方法能产生每平方厘米高达106个发射体，该发射体具有大约1-2um的直径。
US专利No.5,266,530描述了通过在基片，优选的结晶体上的复杂的一系列沉积和蚀刻步骤来制备门控电子场发射体。
和包括人体的所有有机物的氧、氢、氮等组合的碳是最重要的组成元素，其具有包括金刚石、石墨和碳的四个单一晶体结构。碳纤管根据该管的构成能作为导体或半导体。在Michiko Kusunkoy的名为“epitaxial carbon nanotube film self-organized by sublimationdecomposition of silicon carbide”(Appl.Phys.Lett.Vol.77，pp.2620，1997)的文章中描述了制造碳纤管的现有方法。在该现有方法中，在高温下通过将激光照射在石墨碳化硅上产生碳纤管。在该特殊方法中，在大约1200℃或更高温度下从石墨中产生该碳纤管，并且对于碳化硅在大约1600℃至1700℃的温度范围内。然而，该方法需要碳材料的沉积的多级步骤。该方法制造前景黯淡，昂贵并且麻烦。
其他现有方法是在硅基片上生长碳纤管。该方法需要在高于700℃的温度下沉积碳纤管材料，以确保纯净的无缺陷的垂直排列的碳纤管结构。
任何在污染的催化剂上在该温度下生长碳纤管结构的尝试将导致有缺陷的结构。该现有方法也导致不能控制碳结构的高度。
图3是现有技术的碳纤管结构的示意图。图3中显示的碳纤管结构包括具有催化剂金属层240的基片101，在该金属层上沉积有碳纤管层310。在碳纤管层310生长期间，该催化剂层240扩散到硅层120中。通过等离子沉积和在从500℃到900℃的温度范围内的蚀刻方法生长该碳纤管层310。在该方法中的等离子密度在1011立方厘米或更高的高密度范围内。在图3的结构中，该催化剂层240扩散到硅层11中导致大量的碳材料沉积以形成碳纤管结构。
提供催化剂层240以促进碳纤管的均匀形成。对于无缺陷的碳纤
管形成，催化剂层的条件，诸如催化剂层的材料、厚度、均匀性和表面条件非常重要。在形成碳纤管的现有技术方法中，催化剂层典型地暴露给化学和气体处理，该处理用于在生长碳纤管之前制造阴极。这有害的影响了催化剂层并且将导致在碳纤管形成之前催化剂层的污染。该污染的催化剂层也导致较差地生长碳纤管。
因而需要形成还没有暴露给现有技术的有害条件的催化剂层的方法以提高碳纤管的生长质量。
发明内容
本发明提供电子发射设备，该设备具有形成图案以能够满足在玻璃基片上碳纤管的生长和固化的催化剂层。该催化剂层包括一方面位于电子发射碳纤管之间，另一方面在发射体电极下面的多个横向分开的区段。本发明提供以以减小生长碳纤管的有害作用的方式形成的催化剂层。沿着每个发射体电极将催化剂层的区段分开。
该催化剂区段以各种方式位于该电子发射设备的门控孔下面。在一个概括的实施例中，该催化剂区段基本被设置为位于碳纤管下面的条带。
在另一概括实施例中，该催化剂层形成在玻璃基片上，并且在大约600℃的温度下将该碳纤管形成在催化剂层上。防扩散阻挡层也交织在催化剂层和包括电阻层的其他层之间，以确保无缺陷的碳纤管形成。
本发明的实施例包括在催化剂层上形成保护层，以保护该催化剂层在下一个阴极处理之前或期间免受有害环境条件的影响。
本发明的碳纤管结构的实施例使用溅射过程以在玻璃基片上沉积催化剂层。也可以通过蒸发过程来沉积催化剂层。进一步执行碳纤管结构的后期生长处理来控制在等离子化学气相淀积环境中的结构的高度。
本发明的实施例还包括半蚀刻过程，其适用于从催化剂层中部分的去除一部分保护层，以蚀刻除了碳纤管生长部分之外的催化剂层。部分保护层还保留在催化剂层上来保护催化剂层在下一个阴极形成过程中免受有害条件的影响。
在阅读下面的以各种附图示意的优选实施例的详细描述之后，将不怀疑本发明的这些和其他目的和优点对本领域普通技术人员来说变得明显。
附图说明
图1是现有技术的形成图案的催化剂层结构的截面视图。
图2是在阴极结构中具有损坏的催化剂层的现有技术的碳纤管结构的截面结构视图。
图3是现有技术碳纤管设备的截面视图。
图4是表示根据本发明教导的制造碳纤管设备的实施例的步骤的截面结构视图。
图5是在催化剂层形成之后的碳纤管结构的一个实施例的截面结构视图。
图6是根据本发明教导的具有保护层的碳纤管结构的一个实施例的截面结构视图。
图7是部分去除图6的保护层的一个实施例的截面结构视图。
图8是从图7的碳纤管结构的顶部中去除过量的催化剂材料的一个实施例的截面结构视图。
图9是根据本发明的教导，来自催化剂层顶部的过量的保护层材料的一个实施例的截面结构视图。
图10是根据本发明教导的碳纤管阴极结构的一个实施例的截面结构视图。
在附图和在优选实施例的描述中使用的相同的参考符号表示相同，或非常类似的一个或多个项目。
具体实施方式
在本发明中，与电子发射设备的电子发射元件串联的垂直导体被成型为沿着设备中的每个发射体电极横向分离的多个区段。本发明的电子发射体典型的根据产生电子的场致发射原理操作，该电子引起从光发射设备的相应的光发射荧光材料元件中发出可见光。电子发射设备(经常被称之为场发射体)和光发射设备的组合形成平板显示器，诸如平板电视或用于个人电脑，膝上型电脑，或工作站的平板视频监视器的阴极射线管。
在下面的描述中，术语“电绝缘”(或“电介质”)通常应用于具有大于1010欧姆-厘米的电阻率的材料。术语“电非绝缘”由此涉及具有低于1010欧姆-厘米的电阻率的材料。电非绝缘材料分为(a)其电阻率小于1欧姆-厘米的导电材料，和(b)其电阻率在1欧姆-厘米到1010欧姆-厘米范围内的电阻性材料。在不大于1伏/微米的电场中确定这些类别。
导电性材料(或导体)的范例是金属、金属半导体化合物(诸如金属硅化物)，和金属半导体共晶。导电性材料也包括中等或高度掺杂的半导体(n类型或p类型)。该半导体可以是单晶、多晶、复晶、或无定型类型。
电阻性材料包括(a)金属绝缘体合成物，如金属陶瓷，(b)特定的硅碳化合物，如碳化硅和硅碳氮，(c)碳的形式，如石墨、无定形碳，和改良的(例如，掺杂或激光改良的)金刚石，和(d)半导体陶瓷合成物。电阻性材料的更多范例是固有的和轻掺杂(n类型或p类型)的半导体。
如下所使用的，竖直梯形是基座(a)与被认为垂直的方向正交延伸、(b)与顶侧平行的延伸、和(c)比顶侧长的梯形。横向剖面是通过与伸长区域的长度垂直的平面的垂直截面。在用于平板显示器的矩阵寻址场发射体中的行方向是图像元素(像素)的行延伸的方向。列方向是像素的列延伸并且垂直于行方向延伸的方向。
参考图4，显示了在根据本发明的实施例的碳纤管的形成中使用的基片401。在基片401上形成发射体电极。在本发明的优选实施例中，该基片401是玻璃。在本发明的一个实施例中，该基片401是陶瓷、硅或石英。
之后将电阻层420设置在发射体电极410上。电阻层420向结构400中形成的碳纤管提供均匀发射特性。之后将阻挡层430形成在电阻层420上，并且期用作用于在其上形成碳纤管的催化剂层的防扩散层。在本发明的一个实施例中，该阻挡层430可以由金属形成。
在一个实施例中，该金属可以是钼。在其他实施例中，该金属可以是钛或钛钨或氮化钛。在本发明的一个实施例中，该阻挡层430可以是钛，钛钨、钨、氮化钛或钼的合金。在形成阻挡层430、电阻层420、绝缘体层440、门电极450和钝化层460之后，通过这些层蚀刻门控孔，以形成门控孔，其中通过该门控孔形成碳纤管。
如图5所示，催化剂层510和515接着形成在阻挡层430之上。在本发明的一个实施例中，通过溅射沉积过程形成催化剂层510和515。在本发明的一个实施例中，可以通过蒸发过程形成催化剂层510和515。在本发明的一个实施例中，沉积的催化剂层510的厚度大约是1纳米到100纳米。在本发明的一个实施例中，该催化剂层5 10可以由镍或其合金形成。在一个实施例中，该催化剂层可以是钴或铁或其合金。
在图6中，通过沉积形成结构600。通过将光致抗蚀剂材料沉积在结构500和门控孔465中的暴露层上形成保护层620，在一个实施例中，通过自定位正常沉积，与蒸发的角度相对，由此保护性材料填充门控孔465，并且覆盖催化剂层510。在本发明的一个实施例中，保护性材料具有与催化剂层510和515的蚀刻特性不相容的蚀刻特性。在本发明的一个实施例中，该保护层620可被涂覆在结构550的催化剂层510和暴露层上。
在保护性材料620沉积之后，应用半蚀刻过程以从结构600的暴露层中去除部分保护性材料。在本发明的一个实施例中，除了门控孔中的去除所有的保护性材料，在该门控孔中留下一些保护性材料以在催化剂层515去除步骤期间保护催化剂层510。在本发明的一个实施例中，该保护性材料620保留在门控孔465中，以覆盖并且保护催化剂层510免受结构600的后续蚀刻步骤的影响。该保护性材料620保留在门控孔465中，因为在门控孔465中的保护性材料的深度比覆盖该结构600的暴露层的保护性材料的深度深。
在部分蚀刻该保护层620之后，暴露催化剂层515，并且通过干蚀刻过程和湿蚀刻过程蚀刻该催化剂层。在本发明的一个实施例中，如果使用镍催化剂层材料，部分去除催化剂层515的蚀刻剂可以包括H3PO4、HNO3或CH3COOH。在本发明的一个实施例中，气体蚀刻剂用于从该结构600中部分去除保护层620。在本发明的一个实施例中，在保护性材料620的部分蚀刻之前，确定保护性材料的蚀刻速度，以便确定部分蚀刻保护性材料所用的时间量。在本发明的一个实施例中，对于具有厚度大约1.5um的保护性材料以O2的400sccm的速率蚀刻保护性材料需要5分钟。
现在参考图7，在部分去除保护性材料之后形成结构700。如图7所示，在部分去除该保护性材料之后暴露催化剂层515的部分。如图8所示，随后去除催化剂层515。去除暴露的催化剂层515不影响保护的催化剂层510，该保护的催化剂层被没有从门控孔465中除去的部分保护性材料620保护。
在通过蚀刻过程除去过度暴露的催化剂层515之后，通过蚀刻过程从门控孔中除去过量的保护性材料620。蚀刻该过量的保护性材料620不会对催化剂层510产生有害影响。这是因为，在本发明的一个实施例中，用于除去过量的保护性材料的蚀刻剂对催化剂层510没有影响。
在本发明的一个实施例中，相对于保护层620和催化剂层510的表面材料，很好的选择了用于蚀刻催化剂层510的蚀刻剂。在过量的保护性材料被蚀刻，并且暴露催化剂层510之后，如图9所示，在催化剂层510上形成本发明的碳纤管，如图10所示。
为了示意和描述，前面已经给出了本发明特定实施例的描述。这不意味着穷举或将本发明限制为所公开的确定形式，并且很明显根据上述的教导，修改和变化是可能的。选择和描述实施例，以便最好地解释本发明的原理和它的实际应用，由此能使本领域技术人员最佳地利用本发明和具有适用于特定使用目的的各种修改的实施例。这意味着本发明的范围由附加的权利要求及其等效物来定义。
Claims (17)
1.一种在平板显示设备中形成碳纤管的方法，包括：
在基片上形成阴极结构，该基片包括：
电极发射体，
电阻层，
阻挡层，
催化剂层，
电介质层，
门控层，
在所述门控层上设置的催化剂层，和
门控孔；
在所述门控孔中和所述门控层上的所述催化剂层上沉积保护性材料；并且在部分蚀刻步骤期间部分去除所述保护性材料以去除在所述门控层上沉积的催化剂层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述部分蚀刻步骤期间，部分去除在所述门控孔中的所述保护性材料，同时留下所述保护性材料的部分层以覆盖所述催化剂层，从而保护所述催化剂层免受从所述门控层中去除所述催化剂层的有害效果。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述催化剂层上沉积碳材料的沉积步骤之前，随后从所述催化剂层的所述顶部去除保护性材料的所述部分层。
4.如权利要求2所述的方法，其中，以具有相对于在所述门控层上的过量催化剂层和所述门控孔中的所述催化剂层的良好选择性的蚀刻剂执行所述保护性材料的所述部分蚀刻。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述蚀刻剂包括铝蚀刻剂。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述铝蚀刻剂包括H3PO4。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述铝蚀刻剂包括HNO3。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述铝蚀刻剂包括CH3COOH。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述铝蚀刻剂包括。
10.如权利要求4所述的方法，其中，所述保护性材料是用干蚀刻过程蚀刻的。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述保护性材料是通过气体蚀刻过程蚀刻的。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在所述保护性材料的所述蚀刻之前，确定所述保护性材料的蚀刻速度以便确定用于所述催化剂层的蚀刻时间。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在所述催化剂层上形成所述碳纤管之前，所述保护性材料保护在所述门控孔中的所述催化剂层免受化学损害。
14.如权利要求13所述的方法，其中在所述门控孔中覆盖所述催化剂层的所述保护性材料的深度比阴极结构的其他部分深。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片是玻璃。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片是陶瓷。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片是半导体。
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