CN1195313C - 一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极及其制作方法，属于真空微电子领域，包括一块导电基板，基板上沉积有绝缘层，绝缘层上具有一层金属导电层，层面上，穿过绝缘层形成阵列圆孔型控制栅，在圆孔中心基板面上催化剂所处的位置点上生长出直立的碳纳米管/碳纤维，一直到达金属导电层上控制栅中心高度；其制作方法，按六个流程步骤顺序进行，该方法能生长出高宽比大、细高形状的碳纳米管，所构成的场发射阴极，发射稳定，由于碳纳米管的化学稳定性比金属好，受工作环境影响小，同时域值电压低，而且碳纳米管的制造工艺和设备都比较简单，故生产成本可大幅度下降。
Description
技术领域
本发明属于真空微电子领域，特别涉及到一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极以及它的制作方法。
背景技术
在真空微电子器件中，场致发射阴极，尤其是碳纳米管或碳纤维场致发射阴极大多数都没有控制栅极，制造时，将碳纳米管直接沉积在阴极基底上，或用丝网印刷法将碳纳米管粉体涂复在阴极基底上，由于没有控制栅极，这种阴极的实际应用受到极大的限制，例如，在显示管中，往往需要另做栅极。对于应用在平面显示器件(FED)等领域中的冷阴极，目前较为成熟的是带有栅极的Spindt场发射阵列阴极，这是以发明人的名字命名的一种微尖型场发射阴极，但是Spindt场发射阵列阴极的发射尖锥为金属材料Mo，不是碳纳米管，Mo对于工作环境极为敏感，表面吸附的气体或其他污染物质会导致发射的变化和下降以至失效，此外，Spindt场发射阵列阴极，特别是面积较大时，对制造设备的要求很高，生产成本也很高。本发明是为了解决场发射阵列阴极的进一步使用而从事的研究项目。在本发明的研制中，利用微细加工技术和薄膜技术，将控制栅极和碳纳米管或碳纤维构成的阴极发射体做成一个组件，这种带有栅极的场发射阵列阴极比Spindt场发射阵列阴极受环境影响小，发射稳定性高，制造工艺及所需设备都比较简单，容易满足使用要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，针对已有的碳纳米管或碳纤维场发射阴极大多数都没有控制栅极这一缺陷，实验研究了利用微细加工技术与薄膜技术制造出的一种具有广泛用途并带有控制栅极的碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极。本发明的目的，是采用以下技术方案来实现的，一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极，包括一块作为阴极的导电基板，基板上沉积有绝缘层，在所述绝缘层上面具有一层金属导电层，层面上，穿过绝缘层形成阵列圆孔型控制栅，其特征在于，在圆孔中心催化剂所处的位置点上生长出直立的碳纳米管，其生长高度可一直到达金属导电层上控制栅中心的位置；所述的导电基板，可以是硅片、金属基板；沉积有导电层的玻璃或其他绝缘材料；所述的沉积层绝缘材料，除SiO2外，也可以用Si3N4、Al2O3，在其面上再沉积的金属导电层可以是Mo、Cu、Cr、Ni、Ti；一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极的制作方法，在导电基板上沉积一层绝缘层，在绝缘层上，沉积一层金属导电层，在金属膜上刻出孔阵列，透过金属膜孔腐蚀绝缘层，形成孔阵列，其特征在于，A.所述沉积一层绝缘层厚度在0.3μm-30μm之间；B所述沉积的一层金属导电层，其厚度在0.1μm-0.5μm之间；C所述孔阵列，其孔径0.3μm-30μm，中心距离3μm-100μm；D.在孔阵列表面倾角沉积牺牲层Al、Cu，与基板平面倾斜成5-45度，基板旋转将孔缩小至0.05μm-1.0μm；E.透过圆孔，在基板上垂直沉积生长碳纳米管或碳纤维的催化剂Ni、Fe、Co，厚度0.5nm-200nm，并用腐蚀方法剥离牺牲层；F.利用化学气相沉积方法，也可用热解法，在催化剂所在的位置处生长出直立的碳纳米管/碳纤维。
所述生长直立碳纳米管的工序中，采用的是化学气相沉积方法，也可用热解法，反应室内通入甲烷与氢气，二者含量比为CH4/H2＝1∶3到1∶10，反应室温度600℃-850℃，使用的直流电压为200V-1000V，时间为1-30分钟；室内通入的气体也可以是乙炔和氨气，其含量比为C2H2/NH3＝1∶3到1∶10，其他条件不变。
本发明的有益效果是，能生长出高宽比大、细高形状的碳纳米管，所构成的场发射阴极，发射稳定，由于碳纳米管的化学稳定性比金属好，受工作环境影响小，同时阈值电压低，而且碳纳米管的制造工艺和设备都比较简单，故生产成本可大幅度下降。
附图说明
图1为本发明栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极结构示意图
图2为该栅控阴极的俯视图
图3为本阴极制作方法流程框图
具体实施方式
图1表示本发明栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极的结构示意图，图中导电基板为1，通过阵列圆孔在其表面沉积的催化剂Ni为2，其小圆面积与所生长的碳纳米管的范围基本相同，绝缘层为3，本实施例中采用LPCVD方法，生成1μm的SiO2绝缘层，其上方沉积有一层Mo导电层4，5代表生长出的碳纳米管，位于阵列孔6的中心，直径为0.2μm。图2为所述阴极的俯视图，可以看到各小孔的阵列式排列，每一个孔的直径为1μm，中心距为5μm，因而1mm直径的阴极将容纳如此小孔2万5千多个，图3为制作方法流程图，共有七个操作步骤，导电基板的制备可采用金属基板或导电的半导体材料，如铝板、单晶硅片，也可在绝缘基板上面沉积导电层，如玻璃基板上沉积金属Mo，W，Ti，Si，Cr等单层或多层金属薄膜；绝缘层可包括沉积Si3N4，Al2O3等，牺牲层材料包括Al，Cu，Cr，Al2O3等，沉积时，沉积源的轴线与基板成倾斜角，生长碳纳米管或碳纤维的催化剂包括Fe，Co，Ni，Pd，碳纳米管或碳纤维的生长工艺，包括化学气相沉积和热解法等，如采用采用直流等离子体放电法所进行的实施例中，绝缘层厚度为0.3到30微米，孔径为0.3到30微米，栅孔中心距离为3到100微米，碳纳米管或碳纤维的尺寸随孔的尺寸相应变化。
Claims (4)
1.一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极，包括一块作为阴极的导电基板，基板上沉积有绝缘层，在所述绝缘层上面具有一层金属导电层，层面上，穿过绝缘层形成阵列圆孔型控制栅，其特征在于，在圆孔中心催化剂所处的位置点上生长出直立的碳纳米管，其生长高度可一直到达金属导电层上控制栅中心的位置。
2.按照权利要求1所述的阵列阴极，其特征在于，所述的沉积层绝缘材料，也可以用Si3N4、Al2O3，在其面上再沉积的金属导电层可以是Mo、Cu、Cr、Ni、Ti。
3.一种栅控碳纳米管/碳纤维场发射阵列阴极的制作方法，在导电基板上沉积一层绝缘层，在绝缘层上，沉积一层金属导电层，在金属膜上刻出孔阵列，透过金属膜孔腐蚀绝缘层，形成孔阵列，其特征在于，A.所述沉积一层绝缘层厚度在0.3μm-30μm之间；B所述沉积的一层金属导电层，其厚度在0.1μm-0.5μm之间；C所述孔阵列，其孔径0.3μm-30μm，中心距离3μm-100μm；D.在孔阵列表面倾角沉积牺牲层Al、Cu，与基板平面倾斜成5-45度，基板旋转将孔缩小至0.05μm-1.0μm；E.透过圆孔，在基板上垂直沉积生长碳纳米管或碳纤维的催化剂Ni、Fe、Co，厚度0.5nm-200nm，并用腐蚀方法剥离牺牲层；F.利用化学气相沉积方法，也可用热解法，在催化剂所在的位置处生长出直立的碳纳米管/碳纤维。
4.按照权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述生长直立碳纳米管的工序中，采用的是化学气相沉积方法，也可用热解法，反应室内通入甲烷与氢气，二者含量比为CH4/H2＝1∶3到1∶10，反应室温度600℃-850℃，使用的直流电压为200V-1000V，时间为1-30分钟；室内通入的气体也可以是乙炔和氨气，其含量比为C2H2/NH3＝1∶3到1∶10，其他条件不变。
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