CN1042072C - 采用金刚石覆层的场致发射电子源及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一场致发射电子装置，该装置采用了一个包括一个金刚石材料覆层的电子发射器，上述的金刚石覆层位于有选择地形成的导电/半导体电极(402)的表面上。本发明还涉及形成该装置的方法，该方法包括将碳离子植入导体半导体电极的一个表面使之在金刚石形成时得到成核点的作用这一步骤。

Description

采用金刚石覆层的场致发射电子源及其制造方法
总的来说，本发明涉及场致发射电子装置，更具体地来说，是涉及场致发射电子装置以及制造采用低/负电子亲合势的电子装置的方法。
采用具有优选形状的导体/半导体电极作为电子发射器的场致发射装置是公知技术，这种现有的电子发射器同时也呈现一些不利的特性，如工作电压高，表面不稳定，以及易受离子轰击损害。等等。
因此，人们迫切希望有一种具有能够克服现有电子源的至少部分缺点的电子发射器电子源的电子装置，本发明的目的在于满足该要求。
上述要求如其它要求通过提供一种形成场致发射或电子发射器的方法来加以满足。该方法包括如下步骤：提供一个具有一个主表面的、具有选定形成的导体/半导体电极，将离子作为成核点植入该导体/半导体电极的至少部分表面上，以及在至少部分成核点上可选择地使金刚石晶粒生长，从而形成一个包含一层设置在具有选定形状的导体/半导体电极的至少部分表面上的金刚石覆层的电子发射器。
上面的要求也可以通过提供一种场致发射电子装置来满足。该装置包括：一个带有一个有选择地形成的导体/半导体电极的场致发射式电子发射器，设置在上述导体/半导体电极的主表面上许多植入离子的成核点，至少一个设置在上述的导体/半导体电极的主表面上以及许多或核点中的一个上的第一金刚石晶粒，以及紧邻着电子发射器设置的，用于控制电子发射器的电子发射率的发射控制电极和用于收集被发射的电子的阳极。
图1是离子注入装置的示意图。
图2是离子注入装置的截面图。
图3是金刚石生长环境装置。
图4A-4C是通过执行本发明的一种方法的各个步骤而实现的结构的侧视图。
图5A-5D是通过执行本发明的另一种方法的各个步骤而实现的结构的侧视图。
图6A-6B是通过执行本发明的又一种方法的各个步骤而实现的结构的侧视图。
现在来参照图1，图1中示出了离子注入装置的一个实施例的示意图。真空腔101内部设置了一个离子源106和一个基板(目标)夹持装置103。另外，如图中所示，还设置了一个离子材料源壁孔105，用以给离子源106提供材料。抽真空口102可以与图中未示出的抽真空设备相连，以便对腔101进行抽真空。在注入装置工作时，离子束107射向目标104，由于由电源108成立的电场的缘故，离子束107中的至少部分离子被注入在目标104上。
图2是其上/其中已被注入离子201的目标(基板)104的侧视图，根据相应的加速电场(未示出)的强度，离子被有选择地注入到目标104的材料中的预定深度上，电场强度相应地也可以进行选择，从而使被注入的离子基本上分布在目标104的表面。
图3是金刚石生长环境装置的一个实施例的示意图。真空腔301内部设置了一个基板(目标物)夹持器305和一个加热元件304。作为供气管的一部分的源管33将反应气体组成物源供入金刚石生长环境中。通过将一台真空泵(未示出)与抽真空口302相连可以将腔301适当地抽真空。工作时，基板306被设置到基板夹持器305上，并将加热元件304也设置在夹持器305附近，电源307产生电流流过加热元件304，从而使基板306加热，在适当的气体组分存在时，在基板306的表面会发生一种能使金刚石生长的反应。
金刚石生长至少部分地与材料表面的成核能力有关，在许多金刚石的形成方法中，成核是随机发生的，分布也不均匀，这样就会造成不希望的、不完整的薄膜生长。注入在基片306的表面上的碳离子提供了许多分布基本均匀的成核位置，从这些位置上可以开始金刚石生长。
图4A中示出了通过执行本发明的各个步骤来实行的一种结构400的侧视图，结构400包括由导体/半导体材料制成的具有选定形状的层401，该层401具有至少一个具有选定形状的主表面。在本实施形中，其形状是同来形成电极402的一个园锥形突起，层401的选择成形可以采用任何现有工艺包括(但不限制于这些工艺)不匀蚀刻和离子铣销等来进行，由箭头405所示的离子束在电极402的主表面提供了碳成核位置404。
另外，也可以象图4B那样，层401是一个支撑基板，上面设有一个由可成形(patternable)材料如感光树脂或者绝缘构成的、具有至少一个通孔409的层403。通孔409可以通过使感光、树脂成形且显影或者按要求对绝缘材料进行蚀刻来选择地形成。导体/半导体电极402设置在通孔409内，层401之上。由箭头405所示的碳离子束在导体/半导体电极402在提供注入成核点404，层401的其余部分由层403加以保护，以防止成核点注入。在成核点404植入之后，可成形材料层403即被清除掉。
图4C是由上面描述的图4A和图4B中的结构400经过执行本发明的方法的另外几个步骤后得到的结构的侧视图。由箭头420所示的反应材料源被设置在导体/半导体电极400和一个毗邻加热元件(如图3中描述过的元件304)的中介区域，使得金刚石晶粒406能在植入的碳成核点上开始生长。
这样得到的上面有一层金刚石晶粒406覆层的导体/半导体电极402就构成了一个具有许多有利的工作特性的场致发射电子发射器，这些有利的工作特性包括：电压工作低，表面稳定性好，并且不易遭受离子轰击损伤。碳成核点404的插入提供一种改进金刚石晶粒的覆盖并且抑制可能包括不希望的大晶粒生长的出现的机制。
图5A是通过执行本发明的另一种方法的各个步骤而实现的结构500的侧视图。其中设置了一块支撑基板501，在该基板501上，设置了一个由绝缘材料构成的、上面形成有一个通孔509的层508，根据前面描述过的图4A和4B形成的导体/半导体电极502设置在通孔509内支撑基板501之上。由导体/半导体材料层507设置在层508上，该基本上与通孔509相符合，并对之进行进一步限定，层507上又设置了一个可成形材料层522，由箭头505所示的碳离子束在导体/半导体电极502上提供成核点504的植入，在成核点504植入之后，层522即被清除掉。
或者也可以象图5B所示的那样，省掉图5A中所示的可成形层522，但结果是至少有一些成核点504附着在导体/半导体层507上。
图5C是图5A和5B中所述的那种500经过该方法的另外几个步骤处理之后的侧面剖面图。由箭头520表示的反应物质源设置在导体/半导体电极502和一个紧邻的加热元件(见图3)之间的交界区域中，从而使金刚石晶粒506在选下的碳成核点上生长。导体/半导体电极502与金刚石成核点506的结合产生了一种改进了的电子发射器510，
图5D是图5C中所示的结构500又加上了一个阳极516之后的侧面剖视图。阳极516设置在电子发射器510的远侧，用于收集由电子发射器510射出的任何电子。层507因为是由导电/半导体材料制成的，因此起到控制电极发射速度的发射制电极的作用。根据图5D中所示的本发明和方法形成的场致发射装置(结构500)采用了一个包括金刚石覆层的电子发射器，可以有利地使用在本领域内公知的许多场合。通过植入成核点并使金刚石晶粒由此开始生长这一措施能提供更均匀的覆层。由于希望的覆层厚度的放置改为10A至5000A。因此，覆层形成中的一个重要特点是覆层厚度和覆盖面中的不规则性应减至最小。其他一些实现金刚石薄膜生长的方法不能提供基本均匀的生长厚度和覆盖面。
图6A是一种前面根据图5B描述的结构相似的结构600的侧面剖视图，图中，在图5B中，已经描述过的相似的特征相应地以数字“6”开头进行标注。图6A还示出，离子注入源640提供一个离子束605，碳成核点604就以这个离子束605被植入导体/半导体电极602的表面，在图6A所示的情况下，一个外接电源，610接在离子注入源640的支撑基板601之间。第二个外接电源612接在导体/半导体层607和支撑基板601之间。图6A中的基板或者也可以采用一个如前述参照图4A描述的那种导体/半导体电极。通过向导体/半导体电极607施加一个适当的电压，离子束605中包含的离子被从接近导体/半导体层607的边缘的区域排斥至导体/半导体电极602的表面的希望的小区域中，这种离子束605的重定向将使成核点604基本上只插入导体/半导体电极602的表面的选定区域上。
图6B是结构600的侧面剖视图，其中，一种不同的特征被用来达到图6A中所示的结果。在这个改进了的方法中，通过采用一种本技术领域内公知的低角度材料沉积技术提供一种部分闭合层614，使通孔609被部分封闭。由箭头605所示的碳离子束提供了在导体/半导体电极602上的插入的成核点604。
图6C示出了经过一个附加步骤即去除了掩闭层614之后的结构600。
图6D是结构600经过本发明的方法中其他步骤之后的侧面剖视图，在所述的其他步骤中，由箭头620所示的反应材料源被设置在导体/半导体电极602和一个毗邻的加热元件(见图3)之间的中介区域内，使金刚石晶粒606象希望的那样在插入的碳成核点上进行生长。在图6D所示结构的情况下，金刚石晶粒折生长只是在导体/半导体电极602的暴露部分的小部分上进行。导体/半导体电极602与金刚石晶粒606的覆层相结合能形成一种改进了的电子发射器610。
图6E是又加上了一个阳极616之后的结构600的侧面剖视图，阳极616被设置在电子发射器610的远端，用于收集由该电子发射器610射出的电子。导体/半导体层607起到一个控制电极发射速率的发射控制电极的作用。根据图6A-图6E中所示的本发明的方法形成的场致发射装置采用包含金刚石覆层电子发射层，可以有利地使用在本技术领域内公知的许多场合下，采用植入成核点再使金刚石晶料由此开始生长的方法能够提供更均匀的覆层。由于希望的覆层厚度为10A的数量级之间，因此，覆层形成中的一个重要特征就是使覆层厚度和覆盖面的不规则性减至最小，其他能实现金刚石薄膜生长的方法不能替代基本均匀的生长厚度和覆盖面。

Claims (9)

1.一种形成一个场致发射型电子发射器的方法，其特征在于：
提供一个具有一个主表面的、具有选定形状的导体/半导体电极，
以成核点(404)的形式在上述的导体/半导体电极(402)的至少一部分主表面上注入离子，
在至少一些上述的成核点(404)上有选择地进行金刚石晶粒(406)生长，从而形成一个包括一个设置在具有选定形状的导体/半导体电极的至少部分主表面上的金刚石覆层的电子发射器。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征还在于，上述的离子注入步骤中包括注入碳离子。
3.如权利要求1中所述的方法，其特征还在于：上述的提供导体/半导体电极这一步骤中还包括对半导体材料进行的各相异性蚀刻。
4.如权利要求1中所述的方法，其特征还在于下列步骤：
提供一个支撑基板(401)，
在上述的支撑基板(401)上沉积一层可成形材料(403)，使可成形材料层(403)成形，从而在其上提供一个通孔(409)，
上述具有预定形状的导体/半导体电极(402)设置在通孔(409)内的支撑基板(401)上，
执行离子(404)注入步骤，并且
去掉全部可成形材料层(403)，在这些步骤之后执行金刚石晶粒(406)生长步骤。
5.如权利要求4中所述的方法，其特征还在于：上述的提供导体/半导体电极(402)这一步骤中包括下面的步骤：通过大致上是普通的导电/半导体材料的沉积未形成电极。
6.如权利要求4中所述的方法，其特征还在于：上述离子注入步骤包括下列步骤：
在上述的可成形材料构成的已成形层上沉积一层导体/半导体材料，
提供离子注入设备(640)，
将上述的导体/半导体电极(602)设置在离子注入装置(640)中，并将离子以成核点的形式注入上述的导体/半导体电极(602)的至少部分表面上，
在支撑基板(601)的离子注入设置(640)之间提供一个第一电压源(610)，从而在离子注入设备(640)和导体/半导体电极(602)之间提供一个加速电场，以及
在上述的支撑基板(601)和导体/半导体层(607)之间提供一个第二电源，从而在上述的导体/半导体层(607)和导体/半导体电极(602)之间提供一个离子排斥电场，使得至少部分离子有选择地射向上述的导体/半导体电极(602)的选定部分。
7.如权利要求4中所述的方法，其特征在于下列步骤：
在上述的可成形材料构成的已成形层上沉积一个导体/半导体材料层(607)，
使用低角度沉积工艺在上述的导体/半导体材料层(607)上沉积一个材料层(614)，从而使蚀刻出来的通孔(609)被有选择地部分掩闭，
在离子(604)注入之后去除掉全部材料层(614)，从而使碳离子被大致上有选择地注入导体/半导体电极(602)的表面上的选定部分上。
8.一种场致发射型电子发射器，其特征在于：
一个具有一个主表面的、有选择地形成的导体/半导体电极(402)，
设置在上述的导体/半导体电极(402)的主表面上的许多用于离子注入的成核点(404)，以及
至少一个设置在上述的导体/半导体电极(402)的主表面上并且处于上述的许多成核点中的一个成核点(404)上的金刚石晶粒(406)。
9.如权利要求8中所述的场致发射型电子发射器，其特征在于：设置在上述的主表面上的金刚石晶粒(406)形成了一个位于上述的导体/半导体电极(402)的至少一部分主表面上的大致均匀的金刚石覆层。
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