專利名稱：用于生產(chǎn)電子發(fā)射體的等離子體處理方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的等離子體處理。本發(fā)明是執(zhí)行能源部的合同(合同號(hào)W-7405-ENG-36)的結(jié)果。
發(fā)明的背景場(chǎng)致發(fā)射電子源通常通常稱之為場(chǎng)致發(fā)射材料或場(chǎng)致發(fā)射體，它們可以用在各種各樣的電子應(yīng)用場(chǎng)合，例如真空電子設(shè)備、平板型計(jì)算機(jī)、電視、和其它顯示屏、發(fā)射選通放在器和速調(diào)管、和照明。
顯示屏用在廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，例如家用電視和工業(yè)電視、膝上型計(jì)算機(jī)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)、戶內(nèi)和戶外廣告及信息顯示。和在大多數(shù)電視以及臺(tái)式計(jì)算機(jī)中使用的縱深的陰極射線管監(jiān)視器相比，平板型顯示器只有幾個(gè)英寸厚。平板型顯示器對(duì)于膝上型計(jì)算機(jī)來說是必不可少的，但平板型顯示器對(duì)于許多其它應(yīng)用還提供在重量和尺寸方面的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前流行的膝上型計(jì)算機(jī)的平板型顯示器使用的是液晶，可以通過施加一個(gè)小的電信號(hào)使液晶從透明狀態(tài)轉(zhuǎn)接到不透明狀態(tài)。但可靠地生產(chǎn)尺寸大于適合于膝上型計(jì)算機(jī)的并且能在寬溫度范圍操作的這樣一些顯示器是很困難的。
等離子體顯示器已經(jīng)用作液晶顯示器的替代物。等離子體顯示器利用充電氣體的微小像素單元產(chǎn)生圖像，并且要求相當(dāng)高的電功率才能操作。
已經(jīng)建議采用具有陰極和磷光體的平板型顯示器，這個(gè)陰極使用了場(chǎng)致發(fā)射電子源(即，場(chǎng)致發(fā)射材料或場(chǎng)致發(fā)射體)，這個(gè)磷光體在由場(chǎng)致發(fā)射體發(fā)射的電子轟擊時(shí)能夠發(fā)光。這樣一些顯示器在提供常規(guī)陰極射線管的可見顯示優(yōu)點(diǎn)、其它平板型顯示器的深度和重量?jī)?yōu)點(diǎn)、以及和其它平板型顯示器相比的低功耗附加優(yōu)點(diǎn)等方面都是有潛力的。美國(guó)專利第4857799和5015912號(hào)公開了矩陣尋址的平板型顯示器，它使用了由鎢、鉬、或硅構(gòu)成的微尖(即Spindt尖)陰極。WO94-15352、WO94-15350、和WO94-28571公開的平板型顯示器中的陰極具有相當(dāng)平的發(fā)射表面。
R.S.Robinson等人[J.Vac.Sci.Technolo.(真空科學(xué)技術(shù)雜志)21,1398(1983)]公開了在離子轟擊下在基片的表面上形成錐體。針對(duì)各種基片材料報(bào)導(dǎo)了這一效果，這個(gè)效果是通過在用低能淀積的雜質(zhì)原子播種表面的同時(shí)高能濺射這個(gè)表面產(chǎn)生的。他們還公開，當(dāng)用來自于不銹鋼靶的雜質(zhì)對(duì)石墨基片進(jìn)行離子轟擊時(shí)，所形成的碳須長(zhǎng)度達(dá)50微米。
J.A.Floro等人[J.Vac.,Sci.Technolo.A1,1398(1983)]公開了在對(duì)加熱的石墨基片進(jìn)行相當(dāng)高的電流密度的離子轟擊期間形成碳須。所公開的碳須的長(zhǎng)度為2-50微米，其直徑為0.05-0.5微米，并且碳須的生長(zhǎng)的方向平行于離子束的方向。同時(shí)進(jìn)行的雜質(zhì)播種據(jù)報(bào)導(dǎo)是為了抑制碳須的生長(zhǎng)。J.A.Van Vechten等人[J.Crystal Growth(晶體生長(zhǎng)雜志)82,289(1987)]討論了在離子濺射條件下石墨表面的碳須的生長(zhǎng)。他們注意到，最小直徑的碳須(特征直徑約為15納米)肯定與在通過碳?xì)浠衔锏拇呋療峤馍L(zhǎng)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的金剛石結(jié)構(gòu)或卷軸石墨結(jié)論不同。在濺射系統(tǒng)中，還觀察到有直徑范圍從30納米到100納米的較大的碳須在生長(zhǎng)。較小直徑的碳須的直徑沿長(zhǎng)度方向是恒定不變的，較大直徑的碳須略微有一點(diǎn)變細(xì)。
M.S.Dresselhaus等人[Graphite Fibers and Filaments(石墨纖維和絲)(Springer-Verlag,Berlin,1988),pp32-34]公開了絲是在幾種類型的六邊形碳表面生長(zhǎng)的，而不是在金剛石或玻璃狀的碳上生長(zhǎng)的。
T.Asano等人[J.Vac.Sci.Technol.B13,431(1995)]公開了來自金剛石薄膜的增大的電子發(fā)射，金剛石薄膜是通過化學(xué)蒸氣淀積方法淀積在硅上，經(jīng)氬離子研磨以形成金剛石錐體，然后在600℃進(jìn)行退火處理。如果金剛石是孤立的顆粒形式，則形成這些錐體。
C.Nützenadel等人[Appl.Phys.Lett.(應(yīng)用物理通訊)69,2662(1996)]公開從通過離子濺射蝕刻進(jìn)入合成的摻硼金剛石和硅這兩者內(nèi)的錐體的場(chǎng)致發(fā)射。
J.R.Conrad的美國(guó)專利4764394公開了使用離子的等離子體的離子注入法。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的這種狀態(tài)，仍舊需要一種可以用在各種平板型應(yīng)用中的、能夠容易和經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)小尺寸和大尺寸的強(qiáng)發(fā)射的場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的方法。在參照隨后的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的方法，該方法包括(a)在一個(gè)密閉室內(nèi)定位碳素物，使其與密閉室中提供的兩個(gè)電極之一接觸；(b)對(duì)密閉室抽真空；(c)產(chǎn)生包圍碳素物外露表面的離子的等離子體；和(d)向與碳素物接觸的電極施加相對(duì)于密閉室中另一個(gè)電極為負(fù)的電壓，從而加速朝向碳素物的等離子體中的離子，并且提供的離子能量足以蝕刻碳素物的外露表面，但不足以導(dǎo)致這些離子在碳素物內(nèi)的注入。
優(yōu)選的作法是，掩蔽基片的可能會(huì)暴露到等離子體中的任何部分以及碳素物的不期望暴露到等離子體中的任何部分。特別優(yōu)選的是石墨掩模。
如果密閉室的壁是由導(dǎo)電材料制成的，那么其壁可以用作電極之一。
所用的離子是惰性氣體(即，氬、氖、氪、或氙)、氧、氮、氫、或它們的混合物的離子。優(yōu)選地，所用的離子是惰性氣體的離子或惰性氣體再加上少量氮的離子。
所加的電壓從約100伏到約20千伏，優(yōu)選的從約1千伏到約10千伏。這個(gè)外加電壓的脈沖頻率從約100赫茲到約30千赫茲，優(yōu)選的從約1千赫茲到約25千赫茲。脈沖寬度約為5微秒到約為50微秒，優(yōu)選的從約5微秒到約為20微秒。
在過程期間密閉室的壓力為從約1×10-5乇(1.3×10-3巴)到約為10毫乇(1.3巴)，優(yōu)選的從約1×10-5乇(1.3×10-3巴)到約為1×10-5乇(1.3×10-2巴)。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述使用等離子體提供一種生產(chǎn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的新方法。這種基于等離子體的方法利用了等離子體狀態(tài)的離子轟擊碳素物，并且在碳素物表面上形成多個(gè)小型針狀結(jié)構(gòu)。這些針狀結(jié)構(gòu)的縱橫尺寸比一般為5∶1或更大些。等離子體包圍碳素物的外露表面。對(duì)比之下，傳統(tǒng)的離子束轟擊是一種視線過程，即，只有直接在離子束路徑中的區(qū)域才經(jīng)受離子的轟擊，因此只有一些相對(duì)較小的面積受到影響，這個(gè)面積由離子槍的視線開口決定。由于基于等離子體的方法不是所謂的視線方法，所以極大的表面面積得到同時(shí)處理，基本上只受所用的真空室的尺寸的影響。這就可以提供極大的實(shí)用優(yōu)點(diǎn)，即可以生產(chǎn)大面積的電子發(fā)射體以用在大面積的平板型顯示器中，并且可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)一定數(shù)量的較小面積的電子發(fā)射體以用在較小面積的平板型顯示器中。
可以使用本發(fā)明的方法生產(chǎn)來自碳素物的場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體，碳素物本身沒有表現(xiàn)出可測(cè)量的場(chǎng)致發(fā)射，還可以改善由碳素物構(gòu)成的電子發(fā)射體的場(chǎng)致發(fā)射。
如這里使用的，術(shù)語“碳素物“意指諸如石墨、非結(jié)晶碳、金剛石、類金剛石碳、和其它碳基材料之類的材料。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法需要的設(shè)備是其大小足以保持要處理的碳素物的真空室、向碳素物施加偏置的高壓脈沖電源、提供用于產(chǎn)生等離子體的氣體的裝置、等離子體激發(fā)源，和兩個(gè)電極。如果真空室的壁是由導(dǎo)電材料制成的，那么，真空室的壁可以用作電極之一。
將碳素物放在真空室內(nèi)使之與兩個(gè)電極之一接觸，然后對(duì)真空室抽真空。將氣體引入經(jīng)抽真空的真空室內(nèi)，并且通過電離氣體產(chǎn)生等離子體，電離氣體可以使用各種各樣的激發(fā)方法，例如以感應(yīng)方式或者電容方式的射頻(RF)輸入、輝光放電、微波、白熾絲、和本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的其它激發(fā)輸入方法。然而，優(yōu)選的等離子體源應(yīng)該能同時(shí)處理大的表面面積(幾個(gè)平方英尺)，因此，RF和輝光放電等離子體是優(yōu)選的。所形成的等離子體包圍著碳素物的外露表面，成為轟擊并且蝕刻這個(gè)外露表面的離子源。與要處理的碳素物接觸的電極相對(duì)于另一個(gè)電極是負(fù)向脈沖偏置的，以從等離子體中提取正離子，并且向碳素物的外露表面加速它們。在離子轟擊這個(gè)表面時(shí)，離子有選擇地蝕刻或?yàn)R射碳。其結(jié)果是產(chǎn)生這樣的碳表面，該表面的外表形狀類似于密集的錐體或堅(jiān)硬的頭發(fā)或針。劑量即轟擊單位表面面積的離子的數(shù)目，是以照射的時(shí)間、通過樣品的電流、被處理的面積、電壓脈沖頻率和脈沖寬度確定的。存在一個(gè)最佳的劑量。這個(gè)劑量應(yīng)足以產(chǎn)生期望的外表形狀，但又不要大到以致于蝕刻掉期望的外表形狀和碳素物。這個(gè)劑量取決于所選的特定的離子，較重的離子比較輕的離子蝕刻得更快。
期望的劑量將隨離子質(zhì)量和能量而變化。2keV的氬離子的典型的劑量是1×1018離子/cm2到1×1020離子/cm2，優(yōu)選的是從約5×1018離子/cm2到5×1019離子/cm2。
對(duì)于室溫條件，離子能量范圍應(yīng)是從約100eV到約為20keV，優(yōu)選的從約1keV到約為10keV，從而使加到碳素物上的電壓從約為100V到約為20kV，優(yōu)選的從約為1kV到約為10kV。這個(gè)外加電壓的脈沖頻率范圍一般從約100Hz到30kHz，優(yōu)選的從約1kHz到25kHz。脈沖寬度約為5微秒到約為50微秒，優(yōu)選的從約為5微秒到約為20微秒。
在過程期間真空室的壓力為從約1×10-5乇(1.3×10-3巴)到約為10毫乇(1.3巴)，優(yōu)選的從約1×10-5乇(1.3×10-3巴)到約為1×10-5乇(1.3×10-2巴)。優(yōu)選地，所用的離子是惰性氣體的離子，或惰性氣體再加上少量的添加的氮的離子。最為優(yōu)選的是，所用的離子是氬的離子，或者氬再加上少量的添加的氮的離子。這里所用的“少量的添加的氮”意指按體積計(jì)最多為20％的氮。
將要處理的碳素物可以有各種形式，如條形碳或平面的碳，或者更加典型的，直接在基片上淀積的一層碳，或者向已經(jīng)淀積在基片上的導(dǎo)電膜上淀積的一層碳。碳素物可以是碳，或者是碳和一種或多種其它成分的復(fù)合物?？梢允褂酶鞣N方法形成一層碳素物，但優(yōu)選的方法是按照期望的圖案在基片上網(wǎng)板印刷包括石墨顆粒和玻璃原料的糊劑然后焙燒干燥的并且?guī)в袌D案的糊劑。對(duì)于較大范圍的應(yīng)用，例如需要較精細(xì)分辨率的那些應(yīng)用，優(yōu)選的方法包括網(wǎng)板印刷還包括光引發(fā)劑和可光硬化單體的糊劑、用光學(xué)方法制作干燥的糊劑的圖案、顯影并且焙燒干燥的并且?guī)в袌D案的糊劑。
基片可以是糊劑的玻璃能夠附著的任何材料。非導(dǎo)電基片需要導(dǎo)電膜用作陰極電極，并且提供用于向碳素物施加電壓和向碳素物供應(yīng)電子的裝置。硅、玻璃、金屬、或耐火材料(如氧化鋁)都可用作基片。
如這里所使用的，“基片”意指其上形成復(fù)合物層的結(jié)構(gòu)，或者是一種材料或者是材料的組合，例如具有一層電導(dǎo)體的非導(dǎo)電材料(如玻璃)。提供這種導(dǎo)電層的優(yōu)選技術(shù)是通過網(wǎng)板印刷和焙燒銀或金的導(dǎo)體組合物形成導(dǎo)電的復(fù)合物。
當(dāng)使用網(wǎng)板印刷或用光學(xué)方法制圖來形成一層復(fù)合物時(shí)，特別優(yōu)選的優(yōu)選基片包括玻璃和鈉鈣玻璃。
用來網(wǎng)板印刷的糊劑一般包含石墨顆粒、低軟化點(diǎn)玻璃原料、有機(jī)媒劑、溶劑、和表面活化劑。如這里使用的，“石墨顆?！币庵负铣傻暮吞烊坏膬烧叩耐ǔ５牧切问w粒。有機(jī)媒劑和溶劑的作用是在糊劑中以用于典型的制圖方法(如網(wǎng)板印刷)的正確的流變學(xué)關(guān)系懸浮并擴(kuò)散顆粒狀組分(即固體)。在現(xiàn)有技術(shù)中已知有大量的這樣的有機(jī)媒劑?？梢允褂玫臉渲抢w維素樹脂，如各種分子量的乙基纖維素和醇酸樹脂。有用的溶劑例有丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸脂、二丁基卡必醇、二丁基鄰苯二甲酸酯和萜品醇。對(duì)這些溶劑和其它的溶劑進(jìn)行調(diào)配，以獲得期望的粘度和揮發(fā)性要求?？梢允褂帽砻婊罨瘎└纳屏Ｗ拥臄U(kuò)散性。典型的表面活化劑為有機(jī)酸(如油酸和硬脂酸)和有機(jī)磷酸酯(如卵磷脂或Gafac有機(jī)磷酸酯)。在焙燒溫度能充分軟化以便附著到基片上并且附著到石墨顆粒上的玻璃原料是需要的。在實(shí)施例中使用鉛玻璃原料，但也可使用其它具體低軟化點(diǎn)的玻璃如硼硅酸鈣或硼硅酸鋅。優(yōu)選地，石墨顆粒的最小尺寸為1微米。如果期望得到具有較高導(dǎo)電性的組合物層，則糊劑還要包括一種金屬如銀或金。相對(duì)于糊劑的總重量，糊劑一般包含約占40％(重量)到約占60％(重量)的固體。這些固體包括石墨顆粒和玻璃原料，或者包括石墨顆粒、玻璃原料、和金屬。石墨顆粒的體積百分?jǐn)?shù)約為固體的總體積的約35％到約80％?？梢岳媒M分的變化來調(diào)節(jié)印刷材料的粘度和最終厚度。
糊劑一般是通過研磨由石墨顆粒、低軟化點(diǎn)玻璃原料、有機(jī)媒劑、表面活化劑、和溶劑組成的混合物制備的。使用眾所周知的網(wǎng)板印刷技術(shù)，例如使用165-400網(wǎng)眼的不銹鋼網(wǎng)板，可對(duì)這種糊劑混合物進(jìn)行網(wǎng)板印刷。按照期望的圖案形式，例如以分散的元、相互連接的區(qū)域或連續(xù)膜的形式淀積所說的糊劑。在焙燒之前一般在125℃下加熱約10分鐘以干燥網(wǎng)板印刷糊劑。當(dāng)基片包括玻璃時(shí)，在約450℃到約575℃的溫度下，最好在約475℃到約525℃的溫度下，焙燒干燥的糊劑持續(xù)約10分鐘。對(duì)于能夠耐較高溫度的基片，可以使用較高的焙燒溫度。正是在這個(gè)焙燒步驟，有機(jī)材料揮發(fā)，留下由石墨顆粒和玻璃組成的復(fù)合物層。令人驚奇的是，在焙燒期間石墨顆粒沒有經(jīng)受任何明顯的氧化或其它化學(xué)的或物理的變化。如果要用光學(xué)方法對(duì)于網(wǎng)板印刷的糊劑進(jìn)行制圖，這個(gè)糊劑要包含光引發(fā)劑和可光硬化單體，這種可光硬化單體例如至少包含一種附加的可聚合乙烯鍵非飽和化合物，該化合物具有至少一個(gè)可聚合的乙烯基。焙燒的材料的掃描電子顯微照片(SEM)表明，石墨顆粒在石墨顆粒和玻璃的復(fù)合物層中占據(jù)大部分表面面積。一般來說，80％以上的表面面積是由石墨顆粒部分組成的。
淀積的糊劑層在焙燒時(shí)厚度減小了。優(yōu)選地，焙燒后的復(fù)合物層的厚度從約5微米到約30微米。
當(dāng)碳素物在基片上是呈層的形式，并且這層碳素物沒有覆蓋整個(gè)基片時(shí)，暴露給等離子體的表面的一些部分可能就是基片材料。例如，當(dāng)碳素物不是連續(xù)的膜而是一些分散的元或一些相互連接的區(qū)域的圖案時(shí)，基片的一些表面部分就暴露給等離子體。當(dāng)基片是由非導(dǎo)電的材料例如玻璃構(gòu)成并帶有一層導(dǎo)體時(shí)，玻璃和/或?qū)щ妼拥囊恍┎糠志鸵艿降入x子體的照射。即使當(dāng)碳素物是呈連續(xù)層的形式，也可能有一些基片部分例如包圍碳素物的玻璃和/或?qū)щ妼右艿降入x子體的照射。另一方面，為了提供碳素物連續(xù)層的一些離散的區(qū)域，這些離散的區(qū)域用作良好的電子發(fā)射區(qū)，并且這些良好的電子發(fā)射區(qū)由發(fā)射性能差得多的一些區(qū)域分隔開來，就必須防止碳素物連續(xù)層的一些部分暴露給等離子體。在所有的這些情況下，優(yōu)選的作法是屏蔽可能會(huì)受到等離子體照射的任何基片部分，并且屏蔽不期望受到等離子體照射的碳素物的任何部分。為了一致性地生產(chǎn)期望的電子發(fā)射體，使用這種掩模是優(yōu)選的作法。石墨掩模是特別優(yōu)選的。
使用平板型發(fā)射測(cè)量單元在最終的樣品上進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射試驗(yàn)，所說的平板型發(fā)射測(cè)量單元由兩個(gè)電極組成，一個(gè)電極用作陽極或收集極，另一個(gè)電極用作陰極。這個(gè)平板型發(fā)射測(cè)量單元由兩個(gè)正方形的銅板組成，銅板的尺寸為1.5英寸×1.5英寸(3.8厘米×3.8厘米)，所有的角和邊緣都經(jīng)過倒角處理，以便把電弧減至最小。每個(gè)銅板都嵌入分開的聚四氟乙烯(PTFE)塊中，聚四氟乙烯塊的尺寸為2.5英寸×2.5英寸(4.3厘米×4.3厘米)，一個(gè)1.5英寸×1.5英寸(3.8厘米×3.8厘米)的銅板表面露在PTFE塊的前側(cè)。通過一個(gè)穿過聚四氟乙烯塊的背部并且伸入銅板里邊的一個(gè)金屬螺栓形成和銅板的電觸點(diǎn)，借此可以提供向銅板施加電壓的裝置和牢固地保持銅板就位的裝置。定位這兩個(gè)聚四氟乙烯塊的位置，使兩個(gè)外露的銅板表面相互面對(duì)，并且與兩個(gè)銅板之間的距離對(duì)齊，這兩個(gè)銅板是借助于放在聚四氟乙烯塊之間的但又距銅板有一定距離以防止表面泄漏電流或電弧放電的玻璃墊圈固定的?？梢哉{(diào)節(jié)電極之間分開的距離，但要一次選定，對(duì)于在一個(gè)樣品上的指定的一組測(cè)量來說，這個(gè)距離是固定的。一般來說，采用的分開的距離是0.5毫米到約2毫米。
樣品放在用作陰極的銅板上。對(duì)于導(dǎo)電的基片，將樣品夾持就位，并且在樣品的后背上涂一小滴碳并使其干燥，從而產(chǎn)生電觸點(diǎn)。對(duì)于具有導(dǎo)電膜的絕緣基片，用導(dǎo)電的銅帶在兩側(cè)固定基片，導(dǎo)電銅帶還用來提供電觸點(diǎn)。
將試驗(yàn)設(shè)備插入真空系統(tǒng)，將這個(gè)真空系統(tǒng)抽空到低于1×10-6乇(1.3×10-4巴)的基壓。在陰極上加上負(fù)電壓，并且測(cè)量發(fā)射電流隨所加電壓的變化。測(cè)量?jī)蓚€(gè)銅板之間的分開距離。
本發(fā)明的實(shí)施例下面的非限制性實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明和描述本發(fā)明。除另有規(guī)定外，所有的份額和百分?jǐn)?shù)都是按重量計(jì)的。
實(shí)施例1使用下面的方法制備碳的場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體。在基片上網(wǎng)板印刷由石墨顆粒和玻璃原料組成的糊劑，并且對(duì)其進(jìn)行焙燒以形成包含石墨顆粒和玻璃的復(fù)合物層。這個(gè)基片由在玻璃板上的一層銀導(dǎo)體成分組成。
通過使用200網(wǎng)眼的網(wǎng)板在1英寸×1英寸(2.5厘米×2.5厘米)的玻璃板網(wǎng)板印刷22mm×22mm的銀導(dǎo)體組合物層(DuPont#7095銀導(dǎo)體組合物，一種可網(wǎng)板印刷厚膜組合物可從E.I.du Pont de Nemoursand Company,Wiimington,DE得到)，然后在5250C溫度下焙燒10分鐘以產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電的銀復(fù)合物層，從而制備出這個(gè)基片。
由石墨顆粒和玻璃原料構(gòu)成的糊劑是通過混合25％天然的HPN-10石墨粉末、25％玻璃、37％媒劑、10％β萜品醇、和3％大豆卵磷脂制備的。所用的玻璃的組成是1.6％SiO2、1.7％Al2O3、85.8％PbO、10.9％B2O3，所用的媒劑由10％N-22乙基纖維素、30％二甘醇、30％二丁酯、和30％β萜品醇組成。使用3級(jí)的軋制機(jī)在100/200psi(6.9/13.8×105巴)的壓力下軋制這個(gè)混合物。按照固體(即石墨顆粒和玻璃原料)的總體積計(jì)，石墨顆粒的體積百分?jǐn)?shù)是74％。
使用200網(wǎng)眼的網(wǎng)板按照一個(gè)14mm×14mm的正方形圖案把糊劑加到玻璃板上。在空氣中焙燒干燥的糊劑，為此要以20℃/分鐘的速率增加溫度到525℃，并在溫度525℃下維持10分鐘，然后再以20℃/分鐘的速率降低溫度并冷卻到環(huán)境溫度。結(jié)果，形成復(fù)合物層，它包含在基片上的石墨顆粒和玻璃。
焙燒的材料的掃描電子顯微照片(SEM)表明，石墨顆粒占據(jù)復(fù)合物層表面面積的大部分，幾乎沒有多少玻璃。
利用石墨掩模來覆蓋除1厘米×1厘米復(fù)合物層區(qū)域外的所有區(qū)域，即該掩模覆蓋玻璃和銀的復(fù)合物層以及這個(gè)復(fù)合物層的外部靠近銀組合物層的區(qū)域，并且，正是這個(gè)1厘米×1厘米的區(qū)域，才暴露給等離子。將這個(gè)樣品放在具有導(dǎo)電壁的真空室內(nèi)，然后對(duì)這個(gè)室抽真空。將氬引入真空室，并利用加到感應(yīng)耦合線圈的1千瓦射頻功率產(chǎn)生等離子體。室的壓力是10毫乇(1.33巴)。向復(fù)合物層施加相對(duì)于真空室壁來說為1400伏的負(fù)壓脈沖。脈沖頻率為10千赫茲，脈沖寬度為10-5秒。入射的離子劑量估計(jì)為1018離子/cm2。
在從真空室拿出來時(shí)，通過掃描電子顯微鏡在樣品的外露區(qū)可以觀察到少量的針狀結(jié)構(gòu)，它的基部直徑約為0.5微米，長(zhǎng)度約為1.5微米。
在以上描述過的測(cè)量單元的銅塊上放置包含經(jīng)過網(wǎng)板印刷的并且經(jīng)過離子轟擊的石墨顆粒玻璃板，就可以獲得從經(jīng)過離子轟擊的1厘米×1厘的區(qū)域的電子發(fā)射結(jié)果。在基片的每一側(cè)都加上兩塊導(dǎo)電帶來保持基片就位并且提供和銀復(fù)合物層的電接觸。網(wǎng)板印刷的樣品的表面和銅塊陽極分開的距離是0.6mm。在外加電壓為4800伏時(shí)的發(fā)射電流為100微安。
實(shí)施例2使用基本上如實(shí)施例1所述的方法制備碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體，只是入射的離子劑量為1019離子/cm2。
在從真空室拿出來時(shí)，使用掃描電子顯微鏡考察樣品的表面，所觀察到的外表形狀由大量的較大錐體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有較大的基部直徑和極細(xì)的尖部?；恐睆郊s為3微米，結(jié)構(gòu)的高度約為5微米。
在以上描述過的測(cè)量單元的銅塊上放置包含經(jīng)過網(wǎng)板印刷的并且經(jīng)過離子轟擊的石墨顆粒玻璃板，就可以獲得從經(jīng)過離子轟擊的1厘米×1厘的區(qū)域的電子發(fā)射結(jié)果。在基片的每一側(cè)都加上兩塊導(dǎo)電帶來保持基片就位并且提供和銀復(fù)合物層的電接觸。網(wǎng)板印刷的樣品的表面和銅塊陽極分開的距離是0.6mm。在外加電壓為4800伏時(shí)的發(fā)射電流為200微安。
實(shí)施例3使用基本上如實(shí)施例1所述的方法制備2個(gè)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體，但具有如下的差別。
(a)通過在如實(shí)施例1所述的1英寸×1英寸(2.5厘米×2.5厘米)的玻璃板網(wǎng)板印刷22mm×22mm的銀導(dǎo)體組合物層(DuPont#7095銀導(dǎo)體組合物，一種可網(wǎng)板印刷厚膜組合物，可從E.I.du Pont deNemours and Company,Wiimington,DE得到)，從而制備出用于一個(gè)發(fā)射體的基片。通過在8英寸×8英寸(20.3厘米×20.3厘米)的玻璃板上網(wǎng)板印刷7.75英寸×7.75英寸(19.7厘米×19.7厘米)的相同的銀導(dǎo)體組合物層，從而制備出用于第二個(gè)發(fā)射體的基片；(b)對(duì)于較小的樣品，糊劑按照如實(shí)施例1所述的14mm×14mm的一個(gè)正方形圖案施加到玻璃板上的銀復(fù)合物層上。對(duì)于較大的樣品，糊劑按照6.75英寸×6.75英寸(17.1cm×17.1cm)的一個(gè)正方形圖案施加到玻璃板上的銀復(fù)合物層上；(c)對(duì)于較小的樣品，利用石墨掩模來覆蓋所有的可能會(huì)受到等離子體照射的玻璃和銀導(dǎo)體組合物以及靠近銀導(dǎo)體組合物的復(fù)合物層區(qū)域，從而除了1厘米×1厘米的復(fù)合物層區(qū)域外全被覆蓋，如例1所述的。對(duì)于較大的樣品，也利用石墨掩模來覆蓋所有的可能會(huì)受到等離子體照射的玻璃和銀導(dǎo)體組合物以及直接靠近銀導(dǎo)體組合物的復(fù)合物層區(qū)域；(d)將這兩個(gè)樣品都放在真空室內(nèi)，并且同時(shí)進(jìn)行等離子體照射處理。室的壓力是5×10-5乇(6.7×10-3巴)。向復(fù)合物層施加相對(duì)于真空室壁來說為2000伏的負(fù)壓脈沖。脈沖頻率為25千赫茲，入射的離子劑量為7.8×1018離子/cm2。
所有其它條件基本上和實(shí)施例1相同。
掃描電子顯微鏡測(cè)量表明，兩個(gè)樣品的表面都包含針狀結(jié)構(gòu)，并且兩個(gè)表面基本上是相同的。對(duì)于針狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行的測(cè)量表明，它的高度約為10-15微米，基部直徑約為0.5-1.0微米。
基本上如實(shí)施例1所述地測(cè)試較小樣品的電子發(fā)射。在外加電壓為3100伏時(shí)的發(fā)射電流為900微安。按目視觀察較大的樣品的電子發(fā)射。在一個(gè)真空系統(tǒng)中，放置2英寸×3英寸(5.1cm×7.6cm)的玻璃板，該玻璃板首先涂一層銦錫氧化物用作陰極電極，然后在銦錫氧化物層的上邊再涂一層磷光體，使磷光體從較大樣品的表面算起為1mm。向這個(gè)樣品加上負(fù)電壓，作電子發(fā)射的結(jié)果觀察到的光是明亮而均勻的。
雖然在以上的描述中已經(jīng)描述了本發(fā)明的特殊實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員都理解，在不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和基本屬性的條件下本發(fā)明還能夠有許多改進(jìn)、替換、和重新安排。應(yīng)該以所附的權(quán)利要求書為準(zhǔn)，而不是以以上的說明書為準(zhǔn)，權(quán)利要求書表示出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的方法，該方法包括(a)在密閉室內(nèi)定位碳素物，使其與所說密閉室中提供的兩個(gè)電極之一接觸；(b)對(duì)所說密閉室抽真空；(c)產(chǎn)生包圍所說碳素物外露表面的離子的等離子體；和(d)向與所說碳素物接觸的電極施加相對(duì)于所說密閉室中另一個(gè)電極為負(fù)的電壓，從而加速朝向碳素物的等離子體中的離子，并且提供的離子能量足以蝕刻所說碳素物的外露表面，但不足以導(dǎo)致所說離子在碳素物內(nèi)的注入。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所說的負(fù)電壓從約100伏到約20千伏。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所說的負(fù)電壓從約1千伏到約10千伏。
4.一種用于生產(chǎn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的方法，該方法包括使碳素物受到來自等離子體的離子的轟擊。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所說的負(fù)電壓從約100伏到約20千伏。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所說的負(fù)電壓從約1千伏到約10千伏。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，密閉室的壁是由導(dǎo)電材料制成，所說的壁用作電極之一。
8.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于，所說的離子是惰性氣體的離子，或者惰性氣體和氮的離子。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所說的離子是氬離子，或者是氬和氮的離子。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所說室中的壓力從約1.3×10-3巴到約1.3巴。
11.權(quán)利要求8的方法，其特征在于，轟擊所說外露表面的離子數(shù)從約1×1018離子/cm2到約1×1020離子/cm2。
12.一種用于改進(jìn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的場(chǎng)致發(fā)射的方法，包括(a)在密閉室內(nèi)定位碳素物，使其與所說密閉室中提供的兩個(gè)電極之一接觸；(b)對(duì)所說密閉室抽真空；(c)產(chǎn)生包圍所說碳素物外露表面的離子的等離子體；和(d)向與所說碳素物接觸的電極施加相對(duì)于所說密閉室中另一個(gè)電極為負(fù)的電壓，從而加速朝向碳素物的等離子體中的離子，并且提供的離子能量足以蝕刻所說碳素物的外露表面，但不足以導(dǎo)致離子在所說碳素物內(nèi)的注入。
13.權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所說的碳素物是淀積在基片上的層。
14.權(quán)利要求13的方法，其特征在于，掩模覆蓋可能會(huì)受到所說的等離子體照射的基片上的任何部分。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所說掩模覆蓋可能不會(huì)受到所說的等離子體照射的所說碳素物層上的任何部分。
16.權(quán)利要求14的方法，其特征在于，所說的掩模是石墨掩模。
17.權(quán)利要求15的方法，其特征在于，所說的掩膜是石墨掩膜。
全文摘要
公開了一種用于生產(chǎn)碳質(zhì)場(chǎng)致發(fā)射電子發(fā)射體的方法。在密閉室內(nèi)產(chǎn)生一種離子等離子體,并且利用該等離子體包圍碳素物的外露表面。向與碳素物接觸的電極施加電壓。該電壓相對(duì)于密閉室中第二個(gè)電極為負(fù)的電位,從而可用來加速朝向碳素物的離子,并且提供的離子能量足以蝕刻碳素物的外露表面,但不足以導(dǎo)致離子在碳素物內(nèi)的注入。優(yōu)選地,所用的離子是惰性氣體的離子,或者是惰性氣體再加上少量添加的氮的離子。
文檔編號(hào)H01J9/02GK1288584SQ99802063
公開日2001年3月21日 申請(qǐng)日期1999年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月9日
發(fā)明者D·M·科茨, K·C·瓦爾特 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司, 加州大學(xué)評(píng)議會(huì)