專利名稱：用于場發(fā)射器件的碳薄膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及場發(fā)射器件，更具體地涉及具有一定特性的場發(fā)射碳膜。
場發(fā)射器件在要求更簡單更高效的場發(fā)射系統(tǒng)如平板顯示或其它類型的顯示系統(tǒng)中應用前景廣闊。采用扁平陰極的場發(fā)射器件優(yōu)于需要微觸點型結構的陰極。因此，在該領域需要一種可在這種扁平陰極上實際應用的更好的更有效的場發(fā)射材料。
本發(fā)明提供一種用于制造扁平陰極的場發(fā)射薄膜，該薄膜具有一定的物理特性。采用244納米(nm)和2～7毫瓦(mW)的激發(fā)源，在1100～1850cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)，該碳膜在1578～1620cm-1的區(qū)域內(nèi)有明顯的紫外(UV)喇曼帶(Raman band)，且在其最大高度的1/2處的全寬度(FWHM)為25～165cm-1。在1318～1340cm-1的區(qū)域還會有另一不太顯著的譜線，其FWHM至少為18cm-1。而且，有時在1360～1420cm-1之間還會有一個寬帶(FWHM＞180cm-1)。該寬帶可能表現(xiàn)為1580cm-1附近的分離的帶或激發(fā)線的平臺。在可見喇曼光譜中，這些膜具有分別在約1350cm-1和1580cm-1處的碳D/G對。
該碳膜可能比300納米還薄。有該膜淀積在其上的襯底可以是導電的，也可以是不導電的。在非導電襯底的情況下，該襯底可用連續(xù)的導電層或導電材料的細網(wǎng)格覆蓋。
該碳層可通過化學汽相淀積、物理汽相淀積、電解、印刷或涂刷形成。該膜可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的，是粒徑尺寸小于300nm的顆粒的緊密排列。
以上相當簡略地描述了本發(fā)明了的特征和技術優(yōu)點，以便使得下面的發(fā)明詳述更容易理解。下面還要詳述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，這一切都構成本發(fā)明的權利要求部分的主題。
為了更詳盡完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，要參照下列附圖進行詳述，其中

圖1示出本發(fā)明的陰極樣品的UV喇曼光譜；圖2示出本發(fā)明的另一陰極樣品的UV喇曼光譜；圖3示出本發(fā)明的另一陰極樣品的另一UV喇曼光譜；圖4示出其UV喇曼光譜示于圖1的發(fā)射碳膜的熒光屏圖像；圖5示出其UV喇曼光譜示出圖2的發(fā)射碳膜的熒光屏圖像；圖6示出其UV喇曼光譜示出圖3的發(fā)射碳膜的熒光屏圖像；圖7示出與本發(fā)明結合的場發(fā)射器件；圖8示出用來淀積本發(fā)明的碳膜的裝置；圖9示出現(xiàn)有技術中的DLC膜的喇曼光譜；圖10～12分別出示圖1～3中示出的樣品陰極的可見喇曼光譜。
下面的詳盡描述將提供一個對本發(fā)明的透徹的理解。但是，顯而易見，對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)也可以實施本發(fā)明。在另一些情況下，以框圖形式表示公知的電路，以避免因不必要的細節(jié)而使本發(fā)明更不易理解。在大多數(shù)部分，與時間有關的考慮都省略了，因為這些細節(jié)對完整地了解本發(fā)明并不需要，而且也在相關領域技術人員的公知知識之內(nèi)。
參照圖7，示出了用根據(jù)本發(fā)明的碳膜703制造的場發(fā)射器件。在襯底701上淀積導電層702，再在其上淀積碳層703。陽極包括襯底704、導電層705和熒光層706，該襯底704可以是玻璃襯底，該導電層705可是以銦錫氧化物，該熒光層706用來接收碳層703發(fā)射的電子。響應于陽極和陰極之間的適當電場，從碳層703發(fā)出電子。圖7的裝置表示為兩極結構，但也可以包括一個或多個柵極。該裝置可用來制造場發(fā)射光源或可矩陣尋址的彩色顯示器。對于這些結構的進一步討論，請參見US No.5,449,970和No.5,548,185，它們在此引作參考。
參見圖8，可用白熱絲支持的化學汽相沉積(CVD)工藝淀積碳層703。將襯底803(其上可以淀積有導電層702)置于CVD反應室802中的夾具801上。向反應室802流入氫氣805約少于10分鐘。然后向反應室802流入氫氣805和甲烷806的混合氣約少于1小時，在該混合氣中甲烷少于50％。再向反應室805中流入另一氫氣805和甲烷806的混合氣約少于2小時，該混合氣中的甲烷含量比上一步驟更低。然后在CVD反應室802中流入氫氣805少于15分鐘。
在上述氣流中也可含有少量的氧、氮或硼摻雜。
燈絲804的溫度設為1600～2400℃之間，襯底803的溫度設為600～1000℃之間。淀積壓力為5～300乇。
由該工藝得到的碳膜與現(xiàn)有技術中的類金剛石碳或CVD金剛石膜相比，具有更好的發(fā)射性能。對用上述方式得到的三個碳膜樣品測量了UV喇曼光譜。采用244nm和2～7mW的激發(fā)源，在1100～1850cm-1的頻段，以上述方式制得的碳膜在1578～1620cm-1的區(qū)域有顯著的UV喇曼帶，且其FWHM為25～165cm-1。在1318～1340cm-1的區(qū)域還會有另一不太顯著的譜線，其FWHM大于18cm-1。在1360～1420cm-1之間有時還會有一個FWHM大于180cm-1的帶。
雖然上述碳層是用白熱絲支持的CVD工藝淀積而成的，該碳層還可用物理汽相淀積、電解、印刷或刷涂來形成。該碳膜可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的，可以是尺寸小于300nm的顆粒的緊密排列。
如上所述，以上述方式淀積三個碳膜試樣。第一試樣的喇曼光譜示于圖1，在1580.8cm-1具有顯著的UV喇曼帶，半高度FWHM為89.7cm-1。在1329.7cm-1還有一個FWHM為24.6cm-1的不太顯著的譜線。
測量了第二個碳膜樣品的UV喇曼光譜，示于圖2。該試樣在1583.4cm-1處有-FWHM為45.3cm-1的UV喇曼帶。
測量了第三個碳膜樣品的UV喇曼光譜，示于圖3。該碳層在1612.2cm-1處有-FWHM為77cm-1的顯著的UV喇曼帶。該膜在1408cm-1處還具有一平臺。
圖4～6分別示出圖1～3的碳膜樣品的熒光屏圖像的照片。這些熒光屏圖象用與圖7所示相似的場發(fā)射器件生成。圖4的熒光屏圖像對應于圖1所示的喇曼光譜，是在5.3伏/微米的電場中生成的。
圖5的熒光屏圖像對應于圖2所示的喇曼光譜，是在6.3伏/微米的電場中產(chǎn)生的。
圖6的熒光屏圖像對應于圖3所示的喇曼光譜，是在5.7伏/微米的電場中產(chǎn)生的。
本發(fā)明的碳膜很薄(＜300nm)，且包括有無定形的高度無序的石墨碳和一些隨機的有序SP3鍵合碳在一定范圍內(nèi)的混合物。這些膜中的有序SP3鍵合碳(即金剛石結構)的含量如此之小，以至于在普通的儀器操作條件下，在約1332cm-1處的其特征喇曼激發(fā)線在多數(shù)情況下不出現(xiàn)，或與SP2鍵合碳的譜線相比非常地不明顯，雖然對于金剛石/石墨碳的原子比，UV喇曼光譜比常規(guī)可見喇曼光譜敏感25倍(見圖1～3)。
從FWHM和喇曼線的頻移(見圖1)來看，有序SP3碳的疇大小可能小于60埃。這些膜中SP3鍵，尤其是無定形SP3的存在，常常是從約1580cm-1處的典型SP2碳激發(fā)線的上頻移和/或在下頻移側的平臺推出的，如圖3所示。當1580cm-1線不是太強時，該平臺有時表現(xiàn)為1360～1410cm-1之間的FWHM大于180cm-1的寬帶。在一些膜中，在幾乎是典型的石墨碳譜線上有一微小的上頻移并出現(xiàn)加寬，表明在膜中有一小量的SP3鍵合碳和更大量的石墨碳結構(見圖2)。
圖10～12分別示出圖1～3的各樣品的可見喇曼光譜?？梢娎庾V是由514.5nm和10mW的激發(fā)源產(chǎn)生的。三個喇曼光譜都清楚地表明在約1650cm-1(D峰)和1580cm-1(G峰)處有D/G對的峰。通常，本發(fā)明的碳膜的D峰在1340～1380cm-1之間，而G峰在1578～1620cm-1之間。
已報道的適于場發(fā)射應用的現(xiàn)有碳膜，包括CVD或缺陷富集的CVD金剛石膜，如氮或硼摻雜或離子注入的金剛石膜和主要是SP3鍵的類金剛石(DLC)膜。CVD或有缺陷的CVD金剛石膜主要包括金剛石鍵合碳，其疇尺寸遠大于60埃，在可見喇曼光譜上通常表現(xiàn)為在1332cm-1附近有一FWHM小于18cm-1的顯著金剛石激發(fā)線，在1580cm-1附近還有一常常不太顯著的FWHM大于170cm-1的寬帶。應當指出，盡管已有報道稱細晶CVD金剛石膜在可見喇曼光譜中有時會有一弱的或幾乎看不見的頻移，但由于UV喇曼光譜對金剛石/石墨碳的比值極度敏感，UV喇曼光譜表現(xiàn)出強而尖銳的金剛石線。換言之，本發(fā)明的碳膜包含更少的金剛石結構。在多數(shù)情況下，即使通過UV喇曼也完全不能檢測其存在。
DLC膜是混合具有SP2和SP3鍵的無定形碳。取決于其制造方法，膜中的SP3/SP2鍵的比值可在幾乎都是SP2到幾乎都是SP3之間大范圍變化。有一個被廣泛接受的假設，即在這些膜中有SP3團簇，這些團簇類似金剛石，使得它們具有負的電子親合力?；谏鲜黾僭O，主要含有SP3鍵的DLC膜被認為適合場發(fā)射的應用。盡管這些DLC膜也具有1580～1620cm-1的激發(fā)線，但其可見喇曼光譜既不具有1580cm-1線(G帶)，也不具有1350cm-1線(D帶)。而是具有位于1510～1600cm-1之間的顯著不對稱的寬帶。而且，即使在UV喇曼光譜中，這些主要包括SP3鍵的DLC膜常常具有其峰在約1150cm-1處的另一個寬帶或平臺，且其1580cm-1線的FWHM經(jīng)常大于165cm-1。1150cm-1處的第二條帶是現(xiàn)有技術的DLC膜與本發(fā)明的碳膜的另一區(qū)別。DLC膜的喇曼光譜示于圖9，在可見喇曼光譜上1510～1600cm-1之間有非對稱帶。進一步的討論可在Resonant Raman Scattering ofAmorphous Carbon and Polycrystalline Diamond Films.J.Wagner，M.Ramsteiner.Ch.Wild and P.Koidl，Physical Review B，July 15，1989，Vol.40.pp.1817；Ultraviolet Raman Spectroscopy CharaeterizesChemical Vapor Deposition Diamond Film Growth and Oxidation，Richard W.Bornett，et al.，Journal of Applied Physics，77(11)，June1995.pp.5996；and UV studies of Tetrahedral Bonding in Diamond-Like Amprophous Carbon，V.L.Merkuluv，et al.，Physical ReviewLetters，June 1997，pp.4869中找到，在此引作參考。
如上所述，關于UV喇曼光譜，峰的位置、線寬、線的形狀和強度比是碳膜鍵結構的特性。本發(fā)明給出的頻率和FWHM范圍、以及線的形狀和強度比代表了具有有序和無序的SP2和SP3鍵結構的一組碳膜。它們還不曾在現(xiàn)有技術中作為場發(fā)射器使用過。圖1～6示出了表現(xiàn)出優(yōu)良的場發(fā)射性能的這組碳膜的三個樣品。
具有在此公開的特定喇曼光譜的本發(fā)明的碳膜，其優(yōu)點包括，該膜可在低于2伏/微米的分離電場中發(fā)射，該碳膜在10伏/微米時的發(fā)射位點密度至少為104位點/cm2，該碳膜可提供100mA/cm2或更高的電流密度。這些發(fā)射性能使得這些膜特別適合用于高度均勻、高性能的場發(fā)射電子器件上。應著重指出，盡管已有報道稱一些現(xiàn)有技術中的金剛石或DLC膜也可在差不多的電場中發(fā)射或具有差不多的電流密度，但還不曾有人對那些膜的發(fā)射位點密度報道過。事實上，過去常常只有很少的一些發(fā)射位點，而所報道的發(fā)射電流密度是從那些很少的位點處積聚的電流推算出來的。而本發(fā)明公開的碳膜可在整個表面上均勻地發(fā)射。
雖然已詳細描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，應當理解，在不背離由附后的權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，還可做出種種變化、替換和更改。
權利要求
1.一種場發(fā)射器件，該器件包括在襯底上的碳膜層，其中該碳膜在1578～1620cm-1的范圍內(nèi)有紫外喇曼帶，且該紫外喇曼帶的最大高度的1/2處的全寬度(FWHM)為25～165cm-1。
2.如權利要求1所術的場發(fā)射器件，其中所述紫外喇曼帶在1360～1420cm-1之間有一FWHM大于180cm-1的平臺或寬帶。
3.如權利要求1所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜在1318～1340cm-1的范圍內(nèi)有一FWHM大于18cm-1的第二紫外喇曼帶，且該第二紫外喇曼帶的強度低于權利要求1中所述的紫外喇曼帶。
4.如權利要求1所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜的厚度小于300nm。
5.如權利要求1所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜在可見喇曼光譜中約1350cm-1和1580cm-1處有D/G對。
6.一種場發(fā)射器件，包括陽極，該陽極包括淀積在襯底上的熒光物，以及陰極，該陰極包括在襯底上的碳膜層，其中該碳膜在1578～1620cm-1的范圍內(nèi)有紫外喇曼帶，且該紫外喇曼帶的最大高度的1/2處的全寬度(FWHM)為25～165cm-1。
7.如權利要求6所述的場發(fā)射器件，其中所述紫外喇曼帶在1360～1420cm-1之間有一FWHM大于180cm-1的平臺或寬帶。
8.如權利要求6所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜在1318～1340cm-1的范圍內(nèi)有一FWHM大于18cm-1的第二紫外喇曼帶，且該第二紫外喇曼帶的強度低于權利要求1中所述的紫外喇曼帶。
9.如權利要求7所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜的厚度小于300nm。
10.如權利要求6所述的場發(fā)射器件，其中所述碳膜在可見喇曼光譜中約1350cm-1和1580cm-1處有D/G對。
全文摘要
一種用于場發(fā)射陰極的碳膜(703),是在襯底(803)上的碳膜薄層。該碳膜在1578～1620cm
文檔編號H01J1/05GK1266536SQ98808023
公開日2000年9月13日 申請日期1998年7月29日 優(yōu)先權日1997年8月13日
發(fā)明者志丹·李·特爾 申請人:Si戴夢德技術公司