專利名稱：保護層的選擇性蝕刻的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于場發(fā)射體顯示器的碳纖管。更為具體地說，本發(fā)明涉及電子發(fā)射設備的結構和制造，在該電子發(fā)射設備中，在催化劑層形成期間選擇性地蝕刻保護層，該催化劑層適用于陰極射線管(“CRT”)類型的平板顯示器。
背景技術：
陰極射線管(CRT)顯示器通常提供現有技術計算機顯示器的最佳亮度、最高對比度、最佳彩色品質和最大視角。CRT顯示器典型地使用在薄玻璃面板上沉積的熒光材料層。這些CRT通過使用一個到三個電子束來產生圖像，該電子束產生以光柵模式橫過熒光材料掃描的高能電子。
熒光材料將電子能量轉換為可見光，以便形成希望的圖像。然而，由于密封陰極并且從陰極延伸到顯示器的面板的大的真空外殼，現有技術的CRT顯示器較大并且笨重。因此，典型的，在過去已經使用其他類型的顯示技術，如有源矩陣液晶顯示器、等離子顯示器和場致發(fā)光顯示技術來形成薄顯示器。
最近，已經開發(fā)了平板顯示器(FPD)，其使用與CRT設備中相同的產生圖像的過程。這些平板顯示器使用包括電極的行和列的矩陣結構的背面板。一個這樣的平板顯示器描述在US專利No.5,541,473中，其在此完全包括并結合作為參考。平板顯示器是典型的矩陣尋址并且它們包括矩陣尋址電極。矩陣中每個行線和每個列線的交點定義像素，像素是在電子顯示器中最小的可尋址元件。
電子顯示器的本質是能夠單獨的開啟和關閉圖像元件(像素)的性能。典型的高信息內容顯示器具有33厘米對角正交陣列中的二十五萬像素，且每個由電子裝置單獨的控制。該像素分辨率通常剛好在或低于眼睛的分辯能力。因此，從有效像素的圖案中可以產生優(yōu)質的圖像。
一種用于產生場發(fā)射陰極結構的方式依靠良好建立的半導體微制造技術。這些技術產生精密形狀的場發(fā)射尖端的高度規(guī)則的矩陣。通常在這些技術中使用的光刻法包括大量的處理步驟，其中許多步驟是濕處理步驟。由可用的光致抗蝕劑和暴露輻射來確定每個單位面積中尖端的數量、尖端的大小，和它們的間隔。
由該方法產生的發(fā)射體尖端典型成錐形形狀，具有大約0.5到1微米級的基座直徑，0.5到2微米之間的高度，幾十個毫微米的尖端半徑。該大小限制了可用于高分辨率顯示器的每個像素的尖端的數量，在此希望較大數量(每個像素400-1000發(fā)射體)用于均勻發(fā)射以提供足夠的灰度級，并且減小每個尖端的電流密度以用于穩(wěn)定和長壽命。保持大面積，如較大尺寸的電視的屏幕上周期尖端陣列的二維記錄，對于現有方式的門控場發(fā)射結構也是問題，這導致了低產量和高成本。
US專利No.4,338,164描述了一種制備在其上具有微結構突起的平面的方法，該方法包括復雜的一系列步驟，包括具有高能離子(例如來自重離子加速器的)的可溶矩陣(例如云母)的輻射，以在矩陣中提供列狀痕跡，接著蝕刻掉該列狀痕跡，以在之后用合適的傳導的電子放射材料填充。在附加金屬沉積步驟提供用于電子放射材料的傳導基片之后，最初的可溶性材料被溶解。該方法能產生每平方厘米高達106個發(fā)射體，該發(fā)射體具有大約1-2um的直徑。
US專利No.5,266,530描述了通過在基片，優(yōu)選的結晶體上的復雜的一系列沉積和蝕刻步驟來制備門控電子場發(fā)射體。
和包括人體的所有有機物的氧、氫、氮等組合的碳是最重要的組成元素，其具有包括金剛石、石墨和碳的四個單一晶體結構。碳纖管根據該管的構成能作為導體或半導體。在Michiko Kusunkoy的名為“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纖管的現有方法。在該現有方法中，在高溫下通過將激光照射在石墨碳化硅上產生碳纖管。在該特殊方法中，在大約1200℃或更高溫度下從石墨中產生該碳纖管，并且對于碳化硅在大約1600℃至1700℃的溫度范圍內。然而，該方法需要碳材料的沉積的多級步驟。該方法制造前景黯淡，昂貴并且麻煩。
其他現有方法是在硅基片上生長碳纖管。該方法需要在高于700℃的溫度下沉積碳纖管材料，以確保純凈的無缺陷的垂直排列的碳纖管結構。
任何在污染的催化劑上在該溫度下生長碳纖管結構的嘗試將導致有缺陷的結構。該現有方法也導致不能控制碳結構的高度。
圖3是現有技術的碳纖管結構的示意圖。圖3中顯示的碳纖管結構包括具有催化劑金屬層240的基片101，在該金屬層上沉積有碳纖管層310。在碳纖管層310生長期間，該催化劑層240擴散到硅層120中。通過等離子沉積和在從500℃到900℃的溫度范圍內的蝕刻方法生長該碳纖管層310。在該方法中的等離子密度在1011立方厘米或更高的高密度范圍內。在圖3的結構中，該催化劑層240擴散到硅層11中導致大量的碳材料沉積以形成碳纖管結構。
提供催化劑層240以促進碳纖管的均勻形成。對于無缺陷的碳纖管形成，催化劑層的條件，諸如催化劑層的材料、厚度、均勻性和表面條件非常重要。在形成碳纖管的現有技術方法中，催化劑層典型地暴露給化學和氣體處理，該處理用于在生長碳纖管之前制造陰極。這有害的影響了催化劑層并且將導致在碳纖管形成之前催化劑層的污染。該污染的催化劑層也導致較差地生長碳纖管。
因而需要形成還沒有暴露給現有技術的有害條件的催化劑層的方法以提高碳纖管的生長質量。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供電子發(fā)射設備，該設備具有形成圖案以能夠滿足在玻璃基片上碳纖管的生長和固化的催化劑層。該催化劑層包括一方面位于電子發(fā)射碳纖管之間，另一方面在發(fā)射體電極下面的多個橫向分開的區(qū)段。本發(fā)明提供以以減小生長碳纖管的有害作用的方式形成的催化劑層。沿著每個發(fā)射體電極將催化劑層的區(qū)段分開。
該催化劑區(qū)段以各種方式位于該電子發(fā)射設備的門控孔下面。在一個概括的實施例中，該催化劑區(qū)段基本被設置為位于碳纖管下面的條帶。
在另一概括實施例中，該催化劑層形成在玻璃基片上，并且在大約600℃的溫度下將該碳纖管形成在催化劑層上。防擴散阻擋層也交織在催化劑層和包括電阻層的其他層之間，以確保無缺陷的碳纖管形成。
本發(fā)明的實施例包括在催化劑層上形成保護層，以保護該催化劑層在下一個陰極處理之前或期間免受有害環(huán)境條件的影響。
本發(fā)明的碳纖管結構的實施例使用濺射過程以在玻璃基片上沉積催化劑層。也可以通過蒸發(fā)過程來沉積催化劑層。進一步執(zhí)行碳纖管結構的后期生長處理來控制在等離子化學氣相淀積環(huán)境中的結構的高度。
本發(fā)明的實施例還包括半蝕刻過程，其適用于從催化劑層中部分的去除一部分保護層，以蝕刻除了碳纖管生長部分之外的催化劑層。部分保護層還保留在催化劑層上來保護催化劑層在下一個陰極形成過程中免受有害條件的影響。
在閱讀下面的以各種附圖示意的優(yōu)選實施例的詳細描述之后，將不懷疑本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點對本領域普通技術人員來說變得明顯。


圖1是現有技術的形成圖案的催化劑層結構的截面視圖。
圖2是在陰極結構中具有損壞的催化劑層的現有技術的碳纖管結構的截面結構視圖。
圖3是現有技術碳纖管設備的截面視圖。
圖4是表示根據本發(fā)明教導的制造碳纖管設備的實施例的步驟的截面結構視圖。
圖5是在催化劑層形成之后的碳纖管結構的一個實施例的截面結構視圖。
圖6是根據本發(fā)明教導的具有保護層的碳纖管結構的一個實施例的截面結構視圖。
圖7是部分去除圖6的保護層的一個實施例的截面結構視圖。
圖8是從圖7的碳纖管結構的頂部中去除過量的催化劑材料的一個實施例的截面結構視圖。
圖9是根據本發(fā)明的教導，來自催化劑層頂部的過量的保護層材料的一個實施例的截面結構視圖。
圖10是根據本發(fā)明教導的碳纖管陰極結構的一個實施例的截面結構視圖。
在附圖和在優(yōu)選實施例的描述中使用的相同的參考符號表示相同，或非常類似的一個或多個項目。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，與電子發(fā)射設備的電子發(fā)射元件串聯的垂直導體被成型為沿著設備中的每個發(fā)射體電極橫向分離的多個區(qū)段。本發(fā)明的電子發(fā)射體典型的根據產生電子的場致發(fā)射原理操作，該電子引起從光發(fā)射設備的相應的光發(fā)射熒光材料元件中發(fā)出可見光。電子發(fā)射設備(經常被稱之為場發(fā)射體)和光發(fā)射設備的組合形成平板顯示器，諸如平板電視或用于個人電腦，膝上型電腦，或工作站的平板視頻監(jiān)視器的陰極射線管。
在下面的描述中，術語“電絕緣”(或“電介質”)通常應用于具有大于1010歐姆-厘米的電阻率的材料。術語“電非絕緣”由此涉及具有低于1010歐姆-厘米的電阻率的材料。電非絕緣材料分為(a)其電阻率小于1歐姆-厘米的導電材料，和(b)其電阻率在1歐姆-厘米到1010歐姆-厘米范圍內的電阻性材料。在不大于1伏/微米的電場中確定這些類別。
導電性材料(或導體)的范例是金屬、金屬半導體化合物(諸如金屬硅化物)，和金屬半導體共晶。導電性材料也包括中等或高度摻雜的半導體(n類型或p類型)。該半導體可以是單晶、多晶、復晶、或無定型類型。
電阻性材料包括(a)金屬絕緣體合成物，如金屬陶瓷，(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、無定形碳，和改良的(例如，摻雜或激光改良的)金剛石，和(d)半導體陶瓷合成物。電阻性材料的更多范例是固有的和輕摻雜(n類型或p類型)的半導體。
如下所使用的，豎直梯形是基座(a)與被認為垂直的方向正交延伸、(b)與頂側平行的延伸、和(c)比頂側長的梯形。橫向剖面是通過與伸長區(qū)域的長度垂直的平面的垂直截面。在用于平板顯示器的矩陣尋址場發(fā)射體中的行方向是圖像元素(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。
參考圖4，顯示了在根據本發(fā)明的實施例的碳纖管的形成中使用的基片401。在基片401上形成發(fā)射體電極。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該基片401是玻璃。在本發(fā)明的一個實施例中，該基片401是陶瓷、硅或石英。
之后將電阻層420設置在發(fā)射體電極410上。電阻層420向結構400中形成的碳纖管提供均勻發(fā)射特性。之后將阻擋層430形成在電阻層420上，并且期用作用于在其上形成碳纖管的催化劑層的防擴散層。在本發(fā)明的一個實施例中，該阻擋層430可以由金屬形成。
在一個實施例中，該金屬可以是鉬。在其他實施例中，該金屬可以是鈦或鈦鎢或氮化鈦。在本發(fā)明的一個實施例中，該阻擋層430可以是鈦，鈦鎢、鎢、氮化鈦或鉬的合金。在形成阻擋層430、電阻層420、絕緣體層440、門電極450和鈍化層460之后，通過這些層蝕刻門控孔，以形成門控孔，其中通過該門控孔形成碳纖管。
如圖5所示，催化劑層510和515接著形成在阻擋層430之上。在本發(fā)明的一個實施例中，通過濺射沉積過程形成催化劑層510和515。在本發(fā)明的一個實施例中，可以通過蒸發(fā)過程形成催化劑層510和515。在本發(fā)明的一個實施例中，沉積的催化劑層510的厚度大約是1納米到100納米。在本發(fā)明的一個實施例中，該催化劑層5 10可以由鎳或其合金形成。在一個實施例中，該催化劑層可以是鈷或鐵或其合金。
在圖6中，通過沉積形成結構600。通過將光致抗蝕劑材料沉積在結構500和門控孔465中的暴露層上形成保護層620，在一個實施例中，通過自定位正常沉積，與蒸發(fā)的角度相對，由此保護性材料填充門控孔465，并且覆蓋催化劑層510。在本發(fā)明的一個實施例中，保護性材料具有與催化劑層510和515的蝕刻特性不相容的蝕刻特性。在本發(fā)明的一個實施例中，該保護層620可被涂覆在結構550的催化劑層510和暴露層上。
在保護性材料620沉積之后，應用半蝕刻過程以從結構600的暴露層中去除部分保護性材料。在本發(fā)明的一個實施例中，除了門控孔中的去除所有的保護性材料，在該門控孔中留下一些保護性材料以在催化劑層515去除步驟期間保護催化劑層510。在本發(fā)明的一個實施例中，該保護性材料620保留在門控孔465中，以覆蓋并且保護催化劑層510免受結構600的后續(xù)蝕刻步驟的影響。該保護性材料620保留在門控孔465中，因為在門控孔465中的保護性材料的深度比覆蓋該結構600的暴露層的保護性材料的深度深。
在部分蝕刻該保護層620之后，暴露催化劑層515，并且通過干蝕刻過程和濕蝕刻過程蝕刻該催化劑層。在本發(fā)明的一個實施例中，如果使用鎳催化劑層材料，部分去除催化劑層515的蝕刻劑可以包括H3PO4、HNO3或CH3COOH。在本發(fā)明的一個實施例中，氣體蝕刻劑用于從該結構600中部分去除保護層620。在本發(fā)明的一個實施例中，在保護性材料620的部分蝕刻之前，確定保護性材料的蝕刻速度，以便確定部分蝕刻保護性材料所用的時間量。在本發(fā)明的一個實施例中，對于具有厚度大約1.5um的保護性材料以O2的400sccm的速率蝕刻保護性材料需要5分鐘。
現在參考圖7，在部分去除保護性材料之后形成結構700。如圖7所示，在部分去除該保護性材料之后暴露催化劑層515的部分。如圖8所示，隨后去除催化劑層515。去除暴露的催化劑層515不影響保護的催化劑層510，該保護的催化劑層被沒有從門控孔465中除去的部分保護性材料620保護。
在通過蝕刻過程除去過度暴露的催化劑層515之后，通過蝕刻過程從門控孔中除去過量的保護性材料620。蝕刻該過量的保護性材料620不會對催化劑層510產生有害影響。這是因為，在本發(fā)明的一個實施例中，用于除去過量的保護性材料的蝕刻劑對催化劑層510沒有影響。
在本發(fā)明的一個實施例中，相對于保護層620和催化劑層510的表面材料，很好的選擇了用于蝕刻催化劑層510的蝕刻劑。在過量的保護性材料被蝕刻，并且暴露催化劑層510之后，如圖9所示，在催化劑層510上形成本發(fā)明的碳纖管，如圖10所示。
為了示意和描述，前面已經給出了本發(fā)明特定實施例的描述。這不意味著窮舉或將本發(fā)明限制為所公開的確定形式，并且很明顯根據上述的教導，修改和變化是可能的。選擇和描述實施例，以便最好地解釋本發(fā)明的原理和它的實際應用，由此能使本領域技術人員最佳地利用本發(fā)明和具有適用于特定使用目的的各種修改的實施例。這意味著本發(fā)明的范圍由附加的權利要求及其等效物來定義。
權利要求
1.一種在平板顯示設備中形成碳纖管的方法，包括在基片上形成陰極結構，該基片包括電極發(fā)射體，電阻層，阻擋層，催化劑層，電介質層，門控層，在所述門控層上設置的催化劑層，和門控孔；在所述門控孔中和所述門控層上的所述催化劑層上沉積保護性材料；并且在部分蝕刻步驟期間部分去除所述保護性材料以去除在所述門控層上沉積的催化劑層。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在所述部分蝕刻步驟期間，部分去除在所述門控孔中的所述保護性材料，同時留下所述保護性材料的部分層以覆蓋所述催化劑層，從而保護所述催化劑層免受從所述門控層中去除所述催化劑層的有害效果。
3.如權利要求2所述的方法，其中，在所述催化劑層上沉積碳材料的沉積步驟之前，隨后從所述催化劑層的所述頂部去除保護性材料的所述部分層。
4.如權利要求2所述的方法，其中，以具有相對于在所述門控層上的過量催化劑層和所述門控孔中的所述催化劑層的良好選擇性的蝕刻劑執(zhí)行所述保護性材料的所述部分蝕刻。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述蝕刻劑包括鋁蝕刻劑。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述鋁蝕刻劑包括H3PO4。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述鋁蝕刻劑包括HNO3。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述鋁蝕刻劑包括CH3COOH。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述鋁蝕刻劑包括。
10.如權利要求4所述的方法，其中，所述保護性材料是用干蝕刻過程蝕刻的。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述保護性材料是通過氣體蝕刻過程蝕刻的。
12.如權利要求11所述的方法，其中，在所述保護性材料的所述蝕刻之前，確定所述保護性材料的蝕刻速度以便確定用于所述催化劑層的蝕刻時間。
13.如權利要求12所述的方法，其中，在所述催化劑層上形成所述碳纖管之前，所述保護性材料保護在所述門控孔中的所述催化劑層免受化學損害。
14.如權利要求13所述的方法，其中在所述門控孔中覆蓋所述催化劑層的所述保護性材料的深度比陰極結構的其他部分深。
15.如權利要求1所述的方法，其中，所述基片是玻璃。
16.如權利要求1所述的方法，其中，所述基片是陶瓷。
17.如權利要求1所述的方法，其中，所述基片是半導體。
全文摘要
一種包括在催化劑層上形成的保護層來保護該催化劑層在陰極處理期間或之前免受有害環(huán)境條件影響的電子發(fā)射設備。本發(fā)明還包括半蝕刻處理，其適用于從催化劑層上部分去除保護層，以蝕刻除了碳纖管生長部分之外的催化劑層。部分保護層仍然保留在催化劑層上以保護該催化劑層在下個陰極形成處理中免受有害條件的影響。
文檔編號H01J9/02GK1739189SQ200380108992
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權日2002年12月20日
發(fā)明者孫鐘禹, 張出河, 金正宰, 浩司鈴木, 高志桑原 申請人:賽得里姆顯示器公司, 三洋電機株式會社