DE69724376T2

DE69724376T2 - Elektronenemittierende Beschichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE69724376T2
Application number: DE69724376T
Authority: DE
Inventors: Bernard Fountain Hills Coll; Eric P. 5 Mesa Menu; Albert Alec Phoenix Talin
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: US6100628A; KR19980025108A; KR100504971B1; EP0838831B1; TW353758B; EP0838831A2; EP0838831A3; DE69724376D1; JPH10112253A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronenemittierendes Material und insbesondere auf eine elektronenemittierende Kohlenstoffschicht zur Verwendung in Feldemissionsvorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Es sind im Stand der Technik verschiedene Materialien bekannt, welche zur Bereitstellung einer Emission von Elektronen in Vakuumvorrichtungen, wie etwa Feldemissionsvorrichtungen, nützlich sind. Diese Feldemissionsmaterialien nach dem Stand der Technik umfassen Metalle, wie etwa Molybdän oder Halbleiter, wie etwa Silizium. Da diese Materialien hohe elektrische Felder, in der Größenordnung von Hunderten bis Tausenden von Volt pro Mikrometer benötigen, sind Emitterstrukturen, welche diese Emittermaterialien enthalten, typischerweise so geformt, dass sie beispielsweise scharfe Spitzen umfassen, welche so wirken, dass sie das elektrische Feld lokal erhöhen und geeignete Feldstärken bereitstellen, so dass sich eine Elektronenemission ergibt. Es wurden vernünftige Emissionscharakteristiken gezeigt, welche die für praktische Anwendungen notwendige Stabilität und Reproduzierbarkeit aufweisen. Die Steuerspannung, welche für die Emission aus diesen Materialien erforderlich ist, ist jedoch relativ hoch (etwa 100 Volt). Der Betrieb bei hoher Spannung ist aus mehreren Gründen nicht wünschenswert. Beispielsweise werden fehlerhaft geladene Teilchensorten, die an dem Material, welches die Elektronen aufnimmt, entladen werden, auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und erzeugen dadurch einen Schaden, welcher durch die Bombardierung durch diese Teilchensorten auf Elemente der Vorrichtung verursacht wird. Auch erfordern höhere Spannungen bei gegebener Stromdichte einen höheren Energieverbrauch. Eine weitere, nicht erwünschte Folge aus der Verwendung dieser Materialien ist, dass die Herstellung einheitlicher, scharfer Spitzen schwierig, langwierig und teuer ist.
Im Stand der Technik ebenfalls bekannt ist die Verwendung bestimmter, kohlenstoffbasierter Materialien zur Ausbildung von elektronenemittierenden Schichten. Diese umfassen Diamant, diamantartigen Kohlenstoff und polykristalline Diamantschichten. Beispielsweise offenbart die US 5536193 bei einem Verfahren zur Herstellung eines Feldemitters mit breiter Bandlücke, die Verwendung von Materialien mit breiter Bandlücke, einschließlich Aluminiumnitrit, Diamant und Galliumnitrit. Diese Materialien bieten eine Emission bei niedrigen Spannungen, so dass die Ausbildung feldverstär kender Geometrien mit scharfen Spitzen dabei nicht erforderlich ist. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess der emittierenden Strukturen wesentlich und reduziert die Kosten erheblich. Kohlenstoffschichten nach dem Stand der Technik weisen jedoch den Nachteil inakzeptabel niedriger Dichten von Emissionsstellen auf, in der Größenordnung von mehreren zehn oder hundert Stellen/cm². Die geringe Dichte an Emissionsstellen führt zu einer schlechten Uniformität. Diamant emittiert Elektronen aufgrund seiner isolierenden Natur nicht in stabiler weise; das bedeutet, die Elektronen, welche emittiert werden, werden aufgrund der Schwierigkeit, einen Strompfad durch den Diamant bereitzustellen, nicht leicht ersetzt. Dies führt zu einer geringen Dichte von Emissionsstellen in der Schicht, was zu einer Schicht führt, welche für den Einsatz bei Anwendungen, wie etwa Feldemissions-Anzeigen, ungeeignet ist. Verfahren nach dem Stand der Technik zur Verbesserung der Elektronenemissionseigenschaften von Diamant umfassen das Dotieren des Diamanten, um halbleitende Diamanten vom n-Typ oder vom p-Typ zur Verfügung zu stellen. Der Prozess der n-Typ-Dotierung konnte jedoch noch nicht zuverlässig erreicht werden, und halbleitender Diamant vom p-Typ ist für die Niedervolt-Emission nicht nützlich, da er Spannungen von mehr als 70 Volt pro Mikrometer erfordert, um Emissions-Stromdichten in der Größenordnung von 0,1 mA/mm² zu erzeugen. Andere Schemata zur Verbesserung der Leitfähigkeit von Diamantschichten umfassen die Ausbildung einer hohen Dichte kristallographischer Defekte innerhalb der Schicht.
Elektronenemittierende Schichten wurden durch plasmaverstärkte, chemische Bedampfung (PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition) erzeugt. Amorphe, Kohlenwasser stoff enthaltende Schichten (a-C:H), welche mittels PECVD aufgedampft werden, wurden für die Feldemission entwickelt. Diese Schichten weisen ein niedriges Anschalt-Feld in der Größenordnung von etwa 15–30 Volt/Mikrometer auf. Die Dichte der Emissionsstellen in diesen Schichten ist jedoch niedrig, in der Größenordnung von einigen zehn Stellen/cm². Eine andere, unerwünschte Eigenschaft von Kohlenwasserstoff-Schichten ist, dass diese aufgrund des Ausdiffundierens des Wasserstoff eine schlechte zeitliche Stabilität zeigen.
Die Bedampfungstechnik mit Kathodenlichtbogen wird in erster Linie bei der Ausbildung von Beschichtungen oder Schichten zur Verwendung in tribologischen Anwendungen, wie etwa der Ausbildung von abriebresistenten Beschichtungen von Schneidwerkzeugen, Lagern, Zahnrädern und dergleichen eingesetzt. Diese abriebresistenten Beschichtungen wurden aus Plasmen hergestellt, die von Titan- oder Graphitquellen erzeugt wurden. Wenn ein Titanquellenmaterial verwendet wird, wird oft ein reaktives Gas, wie etwa Stickstoff während der Verdampfung der Titanquelle in die Bedampfungskammer eingelasssen. Das Stickstoffgas reagiert mit dem Titan, und das beschichtende Plasma in der Kammer enthält Ti, N₂ und TiN. Das TiN bildet eine Beschichtung, von der man herausgefunden hat, dass sie eine sehr haltbare Beschichtung darstellt. Ein Graphitquellenmaterial wird verwendet, um Beschichtungen aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC: diamond-like carbon), tetraedrischem, amorphem Kohlenstoff (ta-C) und Kohlenstoff-Stickstoff (C : N) auszubilden.
Kohlenstoffschichten nach dem Stand der Technik, die mit Aufdampftechniken mit Kathodenlichtbogen hergestellt sind, werden für tribologische Anwendungen verwendet, wie etwa die Ausbildung von extrem harten und widerstandsfähigen dünnen Schichten. Die Kohlenstoffschichten werden auf Substrate aufgebracht, die typischerweise aus Metall hergestellt sind, und verleihen der metallischen Oberfläche Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß. Der Prozess der Bedampfung mit Kathodenlichtbogen wurde modifiziert, um die tribologischen Eigenschaften der Schichten zu verstärken und zu optimieren. Bei einem Schema wird eine wasserstofffreie ta-C-Schicht durch Verdampfung einer Graphitquelle mittels eines gefilterten Vakuumlichtbogens aufgebracht; die sich ergebende Mikrostruktur ist amorph und weist verschiedene Verhältnisse von sp³/sp²-Hybridisierungen von Kohlenstoff auf und bildet ungetrennte Phasen.
Im Stand der Technik ist auch ein weites Spektrum von wärmebehandelten Kohlenstoffen bekannt, die durch Aufheizen eines organischen Vorproduktes auf Temperaturen von über etwa 1000°C hergestellt werden. Von manchen Kohlenstoff-Vorprodukten ist bekannt, dass sie bei diesen hohen Temperaturen graphitieren. Bei Temperaturen von etwa 500–900°C tendieren organische Vorprodukte zur Kohlebildung; bei etwa 1000°C gasen Stickstoff und Sauerstoff aus; und bei etwa 1200°C gast Wasserstoff aus. Bei hinreichend hohen Temperaturen fangen manche Kohlenstoffe an zu graphitieren. Solch hohe Temperaturen überschreiten jedoch die Temperaturtoleranzen von Glas, einem Material, das typischerweise in den Substraten von Feldemissions-Anzeigen eingesetzt wird.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer elektronenemittierenden Schicht, welche Elektronen bei niedrigen elektrischen Feldstärken emittiert, geeignet ist für den Einsatz in Feldemissions-Anzeigen, eine gleichmäßige Elektronenemission sowie eine hohe Dichte von Emissionsstellen auf weist und die ein Anschalt-Feld von weniger als 30 V/μm aufweist. Außerdem besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Ausbildung solch einer Schicht, welches Bedampfungstemperaturen einschließt, die mit den Temperatur-Randbedingungen von Glassubstraten, welche bei Feldemissions-Vorrichtungen verwendet werden, kompatibel ist.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Emission von Elektronen, wie in Anspruch 1 beansprucht, ein elektronenemittierendes Material, wie in Anspruch 3 beansprucht, ein Verfahren zur Ausbildung einer elektronenemittierenden Schicht, wie in Anspruch 4 beansprucht, und eine Feldemissionsvorrichtung, wie in Anspruch 8 beansprucht, zur Verfügung gestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird Bezug genommen auf die Zeichnungen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Aufdampfapparates mit geradlinigem Kathodenlichtbogen, der geeignet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen;
2 ist eine Draufsicht als atomares Kraftmikroskop-Bild (AFM: atomic force microscopy) der Oberfläche einer elektronenemittierenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine graphische Darstellung der Elektronenemission aufgetragen gegen die Spannung für die elektronenemittierende Schicht von 2;
4 ist eine Draufsicht als hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop-Bild (HRTEM: high resolution transmission electron microscopy) der Oberfläche der elektronenemittierenden Schicht von 2;
5 ist eine Draufsicht als HRTEM-Bild einer Kohlenstoff-Nanostruktur, ähnlich derjenigen, die in dem HRTEM-Bild von 4 beobachtet wurde;
6 ist eine schematische Darstellung einer Bedampfungsvorrichtung mit gefiltertem Kathodenlichtbogen, die geeignet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen;
7 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Feldemissionsanzeige, umfassend die Feldemissionsvorrichtung von 7, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Beispiel 1
Es wird Bezug genommen auf 1. Dort ist eine schematische Darstellung eines Beschichtungsapparates 100 mit geradlinigem Kathodenlichtbogen gezeigt, der geeignet ist zur Durchführung eines Verfahrens zum Ausbilden einer elektronenemittierenden Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Apparat 100 ist so konfiguriert und wird so betrieben, dass elektronenemittierende Schichten erzeugt werden, welche bei niedrigen elektrischen Feldstärken, kleiner als etwa 30 V/μm, einen Strom in der Größenordnung von Mikroampere liefern und welche eine hohe Oberflächendichte von Elektronenemissionsstellen zeigen, vorzugsweise größer als etwa 10⁵ Elektronenemissionsstellen/cm² bei typischen Feldstärken, die in Feldemissionsvorrichtungen erzielt werden. Die Emissionscharakteristiken von mit dem Apparat 100 erzeugten Schichten wurden in Dioden- und Trioden-Feldemissionsvorrichtungen getestet. Eine Trioden-Feldemissionsvorrichtung, die zum Emissionstest verwendet wurde und die die Eignung der Schicht zur Verwendung in einer Feldemissionsvorrichtung zeigt, wird in größerem Detail unter Bezugnahme von 7 beschrieben. Der Apparat 100 umfasst ein Bedampfungssystem mit elektrischem Lichtbogen. Es sei betont, dass 1 lediglich eine diagrammartige Darstellung eines solchen Systems ist, die allgemein schematisch diejenigen Grundbestandteile eines Bedampfungssystems mit elektrischem Lichtbogen illustriert, die für die Diskussion der vorliegenden Erfindung relevant sind und dass solch ein Diagramm unter keinen Umständen im Detail vollständig ist. Für eine detailliertere Beschreibung eines Bedampfungssystems mit elektrischem Lichtbogen und verschiedener Bereiche davon, kann man die US Patente Nr. 3,393,179 (Sablev, et al.) 4,485,759 (Brandolf), 4,448,799 (Bergmann, et al.) und 3,625,848 (Snaper) heranziehen. In dem Maße, wie solch zusätzliche Offenbarung notwendig ist für ein Verständnis dieser Erfindung sind die Offenbarungen und Lehren solcher Patente durch Bezugnahme hier eingeschlossen. Der Apparat 100 umfasst eine Vakuumkammer 105, welche einen Zwischenraumbereich 110 definiert, der auf einen Druck von etwa 10^–6 Torr evakuiert wird. Ein Beschichtungssubstrat 130 wird in den Zwischenraumbereich 110 eingebracht. Ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer 105 ist eine Graphitquelle 120 angeordnet. Bei diesem speziellen Beispiel umfasste die Graphitquelle 120 reinen Graphit, „Poco Graphite", der von Unocal bezogen wurde, und ein hochreiner, für Kernkraft-Anwendungen geeigneter Graphit ist mit einer Reinheit in der Größenordnung von 99,999–100 Gewichtsprozent Graphit. Andere geeignete, feste Kohlenstoffquellen sind für den Fachmann offensichtlich und können beispielsweise gepresstes Kohlenstoffpulver oder ein Fulleren enthaltendes Pulver umfassen. Eine Beschichtungsoberfläche des Substrates 130 ist entlang einer Sichtlinie von der Graphitquelle 120 aus in einem Abstand von etwa 30 cm angeordnet. Die Kammer 105 umfasst einen Führungsabschnitt 135, um den herum Kupferspulen gewunden sind, um einen einfachen Elektromagneten 160 auszubilden, um ein Magnetfeld innerhalb des Führungsabschnittes 135 bereitzustellen. Die verwendete Feldstärke zur Aufbringung der elektronenemittierenden Schicht war etwa 0,01 Tesla. Es wird angenommen, dass ein geeigneter Bereich von magnetischen Feldstärken zwischen 0–0,1 Tesla liegt. Andere Konfigurationen eines Mittels zur Anwendung eines magnetischen Feldes werden dem Fachmann in den Sinn kommen. Eine erste Spannungsquelle 125 ist wirksam mit der Graphitquelle 120 verbunden, um den elektrischen Lichtbogen bereitzustellen, der auf die Graphitquelle 120 wirkt, um sie zu verdampfen und ein Plasma zu bilden. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen der Graphitquelle 120, die elektrisch vorgespannt ist, um als Kathode zu dienen und einer Anode aufgespannt und unterhalten, welche von der Graphitquelle 120 beabstandet ist. Ein Lichtbogen initiierendes Triggerelement wird der Graphitquelle 120 nächst benachbart positioniert und ist im Vergleich zu der Graphitquelle 120 positiv vorgespannt. Dem Triggerelement wird für einen Moment gestattet, die Oberfläche der Graphitquelle 120 zu berühren, wodurch ein Stromflusspfad durch das Triggerelement und die Graphitquelle 120 aufgebaut wird. Sobald das Triggerelement aus der Berührung mit der Graphitquelle 120 entfernt wird, wird ein elektrischer Lichtbogen aufgespannt, welcher Lichtbogen danach zwischen den Elektroden aufrechterhalten wird. Der elektrische Lichtbogen trägt hohe Stromstärken, die sich typischerweise im Bereich von 30 bis mehreren 100 A bewegen und liefert Energie zur Verdampfung der Graphitquelle 120. Elektrische Lichtbogenströme im Bereich von 25–150 A wurden bei der beschriebenen Konfiguration des Apparates 100 verwendet. Es wird angenommen, dass ein geeigneter Bereich für den elektrischen Lichtbogenstrom für die beschriebene Konfiguration etwa 25 bis 300 A beträgt. Das Lichtbogenende ist auf der Oberfläche der Graphitquelle 120 sichtbar, wo der Lichtbogen diese Kathode „berührt" und wird typischerweise als „Kathodenfleck" bezeichnet. Ein oder mehrere solcher Kathodenflecken können zu einer Zeit auf der Oberfläche vorliegen, abhängig von dem im Lichtbogen vorhandenen Strom. Der oder die Kathodenflecken bewegen sich zufällig über die Oberfläche der Graphitquelle 120, wobei sie sofort die Graphitquelle 120 in ein ummantelndes Plasma 170 verdampfen. Die Homogenität der Schicht wird verbessert, indem die Bewegung des Lichtbogens oder des oder der Kathodenflecken über die Oberfläche der Graphitquelle 120 gesteuert wird, indem, wie bei der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, mit dem Elektromagneten 160 ein Magnetfeld angelegt wird, wie dies in größerem Detail weiter oben beschrieben wurde. Eine geeignete Schicht kann unter Auslassung des von dem Elektromagneten 160 erzeugten Magnetfeldes ausgebildet werden, wobei die Plasma-Teilchensorten sowohl durch die Potentialdifferenz zwischen dem Substrat 130 und der Graphitquelle 120 als auch durch ihre thermische Geschwindigkeiten, welche aus dem Verdampfungsprozess stammen, auf das Substrat gelenkt werden. Das Potential am Substrat 130 wird bereitgestellt, indem eine zweite Potentialquelle 180 wirksam mit ihm verbunden wird. Das Substrat 130 wird auf einer negativen Spannung im Bereich von 0 bis –1000 V gehalten. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein Potential von –100 V verwendet. Das Substrat 130 wurde nicht bewusst gekühlt oder geheizt, sondern es wurde bei einer erhöhten Temperatur gehalten, von der angenommen wird, dass sie aufgrund der Strahlung von der Lichtbogenbildung bei der Graphitquelle 100 und aufgrund des Bombardements durch die geladenen Teilchensorten des Plasmas 170 etwa 200°C betrug. Die Substrattemperatur ist niedrig genug, um mit Substratmaterialien, wie etwa Natronkalkglas, kompatibel zu sein, die bei den Kathodenplatten von Feldemissionsvorrichtungen verwendet werden. Natronkalkglas ist besonders erwünscht, weil es ein billiges Glas ist. Es hat jedoch geringere Temperaturtoleranzen als die meisten anderen üblichen Gläser. Solche Niedertemperatur-Substratmaterialien sind nicht mit hohen Temperaturen über etwa 1000°C, kompatibel, wie sie Hitzebehandlungsverfahren zur Ausbildung von partiell graphitierten nanokristallinen Kohlenstoffen nach dem Stand der Technik erforderten. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des Substrates jedoch gesteuert werden, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 25–500°C und besonders vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 25–200°C. Schichtaufbringungen gemäß der vorliegenden Erfindung wur den auf Silizium und Glassubstraten, einschließlich Natronkalkglas und Borosilikatglas durchgeführt. Zunächst wurde eine dünne Schicht von Aluminium und/oder amorphem Silizium auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht. Jede Aluminiumschicht war etwa 1000 Angstrom dick; jede Schicht amorphen Siliziums war etwa 2000 Angstrom dick. Wenn beide Schichten auf der gereinigten Oberfläche aufgebracht wurden, wurde die Aluminiumschicht als erste aufgebracht. Bei manchen der Konfigurationen mit Aluminium und amorphen Silizium wurde das amorphe Silizium getempert, um es widerstandsfähiger zu machen. Dann wurde die Schichtoberfläche mit Argon bei –1000 V gereinigt, um Oxide, Wasser und Verschmutzungen zu entfernen. Danach wurde die Oberfläche einem Bombardement eines Kohlenstoff-Ionen-Strahls bei –1000 Volt unterworfen, wodurch eine Grenzflächenschicht erzeugt wird, welche die Anhaftung der nachfolgenden Kohlenstoffschicht befördert und ein Abschälen und Brechen der Kohlenstoffschicht verhindert. Die Grenzflächenschicht ist etwa 50 Angstrom dick. Andere geeignete Grenzflächenschichten sind für den Fachmann offensichtlich. Für die Beschichtung auf Glassubstrate wurde eine Radiofrequenz-Spannungsquelle wirksam mit dem Substrat verbunden, um eine negativ vorgespannte Spannung daran anzulegen. Die Verwendung einer Radiofrequenz-Spannungsquelle wurde für die Verwendung zusammen mit nicht leitenden Substraten bevorzugt. Für leitende Substrate, wie etwa Silizium, kann eine Gleichstromquelle oder eine niederfrequent gepulste Leistungsquelle (bis zu 100 kHz) verwendet werden. Bei dem vorliegenden Beispiel, bei dem ein Beschichtungsapparat 100 mit geradlinigem Kathodenlichtbogen als Beschichtungskammer verwendet wurde, wurden emittierende Schichten für verschiedene Arbeitsgas- Bedingungen aufgebracht. In einem Fall wird kein Arbeitsgas verwendet: nach der Bereitstellung des Substrates 130 und der Graphitquelle 120 in dem Apparat 100 wurde diese durch eine Turbomolekularpumpe (nicht dargestellt) auf einen Basisdruck von 2,3 × 10^–7 Torr evakuiert. Danach wurden an dem Substrat 130 und der Graphitquelle 120 Potentiale aufgebaut, das magnetische Feld angeschaltet und die Beschichtung wurde ohne Zusatz anderer Gase zu dem System durchgeführt. Bei anderen elektronenemittierenden Schichten wurde alternativ ein Arbeitsgas in den Zwischenraumbereich 110 eingebracht. Geeignete Arbeitsgase umfassen Stickstoff, Helium, Xenon und Argon. Das Arbeitsgas wurde zugefügt, um einen Gesamtdruck im Bereich von 0,1–500 MilliTorr, vorzugsweise 2–50 MilliTorr, zu erzeugen. Es wird angenommen, dass Helium und Argon bei der Stabilisierung des Plasmas helfen. Stickstoff ist ein reaktives Arbeitsgas, dessen Funktion in größerem Detail unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird. Die Schichten wurden bis zu einer Dicke im Bereich von 0,01 bis 2 μm aufgewachsen. Der bevorzugte Bereich für Feldemissionen war etwa 0,01 bis 1 μm. Die Schichtwachstumsrate war etwa 0,25 μm/Minute.
Es wird nun Bezug genommen auf 2. Dort ist eine repräsentative Zeichnung eines atomaren Kraftmikroskopbildes (AFM: atomic force microscopy) der Oberfläche einer elektronenemittierenden Schicht 200 dargestellt, die mit einem Verfahren zur Ausbildung einer elektronenemittierenden Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Die elektronenemittierende Schicht 200 wurde unter Verwendung des Apparates 100 (1) auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht, auf dem in der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Weise ein dünner Aluminiumfilm ausgebildet war.
Bei diesem speziellen Fall wurde kein Arbeitsgas eingesetzt. Die Topologie und Mikrostruktur der elektronenemittierenden Schicht 200 ist repräsentativ für emittierende Schichten, die mit dem vorliegenden Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden. Die Gesamt-Oberflächenrauheit der elektronenemittierenden Schicht 200 war kleiner oder gleich etwa 500 nm, wobei eine Mehrzahl größerer Partikel 210 eingebettet ist in eine Mehrzahl kleinerer Partikel 220, welche eine unter der Oberfläche liegende Schicht umfassen, mit einer rauen Oberfläche, welche runde Buckel von etwa 100–150 nm Größe enthält. Ein HRTEM-Bild der elektronenemittierenden Schicht 200 wurde ebenfalls aufgenommen und zeigte, dass die Schicht 200 kleine Körner von 15–20 nm Größe enthalten kann. Dieses Bild offenbarte eine Mikrostruktur, die charakteristisch ist für partiell graphitiertes, nanokristallines Kohlenstoffmaterial. Anders als bei ta-C-Schichten enthält die elektronenemittierende Schicht 200 ein nanokristallines Material mit einer hierarchischen Struktur, welche kleinen, nanokristallinen Kohlenstoff enthält, der in Nanoclustern organisiert ist, welche in kleinen Haufen von Submikronteilchen. organisiert sind. Die partielle Graphitisierung ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein von zufällig orientierten graphitischen Blättern, die sp²-Kohlenstoffatome enthalten, welche charakteristische hexagonale atomare Ringstrukturen bilden. Eine Charakterisierung der Schicht 200 mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) offenbarte das Vorhandensein von Gitterabständen im Bereich von 3,6 bis 3,8 Angstrom, was der (002)-Ebene von Graphit entspricht; eine Charakterisierung der Schicht 200 mittels Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS: e lectron energy loss spectroscopy) deutete auf die Dominanz der sp²-Bindung hin. Von den dreidimensionalen Strukturen, die in dem partiell graphitierten Kohlenstoff enthalten sind, wird angenommen, dass sie von asymmetrischen atomaren Ringstrukturen abgeleitet sind, von denen jede eine ungerade Anzahl atomarer Bestandteile enthält. Die Ausbildung dieser asymmetrischen Ringe, einschließlich pentagonaler und heptagonaler Ringe, in dem hexagonalen sp²-Netz führt zum Wachstum der dreidimensionalen Strukturen, welche charakteristische Dimensionen in der Größenordnung von 10 nm haben. Die dreidimensionalen Strukturen können fullerenartige Cluster oder Nanoröhrchen ("nanotubes") enthalten. Graphitische Nanopartikel sind beschrieben worden von D. Ugarte („Graphitic Nanoparticles", MRS-Bulletin, November 1994, die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist), und Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden beschrieben von Sumio Iijima („Carbon Nanotubes", MRS Bulletin, November 1994, die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist). Die Charakteristik des Lichtbogen-Plasmastroms des vorliegenden Verfahrens führt zu der Ausbildung dieses partiell graphitierten, nanokristallinen Materials. Das ungefilterte, dichte Plasma enthält eine Mischung von Kohlenstoffionen, Kohlenstoffatomen, Kohlenstoffmolekülen (wie etwa C₂₀, C₆₀, etc.) und optional, die Atome eines Arbeitsgases wie etwa Helium, Argon oder Stickstoff. Die Charakteristik des Plasmas, von der angenommen wird, dass sie verantwortlich ist für die Steuerung der Natur der nanokristallinen Strukturen, umfasst die Identität des Arbeitsgases (falls vorhanden), das Ausmaß der Ionisation der Plasma-Teilchensorten, das Ausmaß der Clusterbildung des Kohlenstoffdampfes, das Verhältnis des Ionenflusses zum Fluss der neutralen Teilchensorten an der Beschichtungsoberfläche und die Geschwindigkeitsverteilung der Kohlenstoffatome an der Beschichtungsoberfläche. Durch Steuerung dieser Parameter können emittierende Strukturen manipuliert werden in Richtung fullerenartig (mehr sphärisch geformt) oder in Richtung Nanoröhrchen-artig (mehr rohrförmig oder länglich geformt). Auch der Einschluss eines geeigneten, reaktiven Arbeitsgases, wie etwa Stickstoff, kann die Bildung von 5-atomigen und 7-atomigen Ringen fördern, welche eine Tendenz aufweisen zur Ausbildung gekrümmter Strukturen anstelle von planaren Blättern von 6-atomigen Ringen, die in den graphitischen Bereichen vorhanden sind. Eine Schicht mit einer Stickstoffzusammensetzung von bis zu 30 Atomprozent ist geeignet, eine angemessene Zusammensetzung dieser dreidimensionalen Strukturen für die Elektronenemission zu erzeugen. Diese C:N-Schichten weisen als Substitute darin eingeschlossene Stickstoffatome auf. Dies kann erreicht werden durch Zugabe von Stickstoff als Arbeitsgas in den Apparat 100 bis zu einem Druck im Bereich von 2–50 MilliTorr. Die Verwendung von Stickstoff bei einer Kohlenstoff-Lichtbogenbeschichtung zur Ausbildung gekrümmter Kohlenstoffstrukturen wurden beschrieben von Sjostrom et al. (Sjostrim H., Stafstrom S., Roman M. and Sundgren, J.-F, Phys. Rev. Lett., 75, Seiten 1336–1339 (1995) die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist). Alternativ kann eine Dotierung in die Kammer 105 eingebracht werden. Dotierungen können nützlich sein zur Steuerung der elektronischen Struktur (spezifischer Widerstand, Ladungsträgertyp, etc.) des Materials sowie der Dichte, der Dimensionen und Formen der dreidimensionalen Nanostrukturen der Schicht. Derartige Dotierungen umfassen Übergangsmetalle, wie Kobalt, Eisen und Nickel. Ihre Vorprodukte können als Festkörper, die dem Graphit der Quelle beigemengt sind, eingebracht werden oder sie können in Form von gasförmigen Vorprodukten eingebracht werden. Diese Metalle wirken als Katalysatoren für die Ausbildung einiger der einzigartigen nanokristallinen Strukturen, wie etwa Nanoröhrchen. Die elektronenemittierende Schicht 200 kann einen von mehreren Varianten partiell graphitierten Kohlenstoffs enthalten, wie etwa turbostratischen Kohlenstoff, Ruß, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnadelkristalle. Schließlich wird nicht erwartet, dass sich eine schlechte zeitliche Stabilität aufgrund eines Ausdiffundierens von Wasserstoff zeigt, weil die elektronenemittierende Schicht 200 keinen Wasserstoff enthält.
Es wird nun Bezug genommen auf 3. Dort ist eine graphische Auftragung der Elektronenemission gegen die Spannung für die elektronenemittierende Schicht 200 dargestellt. Um den Graph von 3 zu erhalten, wurde die elektronenemittierende Schicht 200 in einer Trioden-Feldemissionsvorrichtung, welche in größerem Detail weiter unten unter Bezugnahme auf 3 beschrieben werden soll, auf Feldemission hin getestet. Die Vorrichtung umfasste eine einzelne Reihe von 128 Pixeln in einem Abstand von 5 mm von der Anodenplatte. Der Anodenplattenstrom wurde gemessen, während die Gate-Spannung ansteigend gelassen wurde, und die Anschaltspannung betrug, wie in 3 illustriert, etwa 20 Volt. Danach wurde die einzelne Reihe bei einer Anodenplattenspannung von 4000 Volt und einer Gate-Spannung von 80 Volt betrieben. Unter diesen Bedingungen war die Emission sehr stabil und einheitlich. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt als die elektronenemittierende Schicht 200 in einer Dioden-Feldemissionsvorrichtung getes tet wurde, bei welcher der Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenplatten etwa 0,3 mm betrug. Das Diodensubstrat enthielt einen flachen Silizium-Wafer, und eine zirkulare Ablagerung der emittierenden Schicht mit 12 mm Durchmesser war unter Verwendung des Beschichtungsapparates 100 mit geradlinigem Kathodenlichtbogen darauf aufgebracht. Es wurde herausgefunden, dass das Material ein Anschalt-Feld von weniger als 20 V/μm aufwies (um Mikroampers von Strom zu erzielen). Bei Anodenplattenspannungen von etwa 4000 Volt war die Emissionsstellendichte sehr hoch, größer als 10⁵ Stellen/cm², wodurch die Eignung der Graphit-Beschichtungstechniken mit Kathodenlichtbogen zur Verwendung bei der Ausbildung von elektronenemittierenden Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung demonstriert wurde. Das eingesetzte Verfahren zur Messung der Dichte von Oberflächenemissionsstellen ist beschrieben in „Electron Field Emission from Amorphous Tetrahedrally Bonded Carbon Films" by A. A Talin and T. E. Felter, J. VAC. Sci. Technol. A 14(3), Mai/Juni 1996, Seiten 1719–1722, welche hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die Auflösung dieser Technik wird bestimmt durch den Abstand zwischen der Messsonde und dem Substrat sowie durch den Radius der Messsonde. Die räumliche Auflösung der verwendeten Konfiguration war etwa 20 μm pro Stelle. Es wurden Messungen durchgeführt, die eine minimale Emissionsstellendichte von 2,5 * 10⁵ Stellen/cm² zeigten. Beschichtungstechniken mit Kathodenlichtbogen sind zuvor noch nicht verwendet wurden, um einheitliche elektronenemittierende Kohlenstoffschichten auszubilden. Diese Resultate zeigen auch die Eignung von partiell graphitierten, nanokristallinen Kohlenstoffen für die Verwendung bei der Ausbildung von elektronenemittierenden Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ähnliche Feldemissionsdiodentests, welche die oben beschriebene Diodenkonfiguration verwendeten, wurden auf ta-C-Schichten durchgeführt, um die Feldemissionscharakteristiken zu vergleichen. Es wurde gezeigt, dass ta-C-Schichten, welche mittels eines gefilterten Lichtbogens (eine weitere Lichtbogen-Beschichtungstechnik, welche in größerem Detail unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wird) ohne die Verwendung eines Stickstoff-Arbeitsgases aufgebracht wurden, eine sehr niedrige Dichte von Emissionsstellen, in der Größenordnung von 10/cm² haben. Sie waren ebenfalls amorph und hatten eine Anschaltfeldstärke in der Größenordnung von 15–30 V/μm. Während die Anschaltfelder der ta-C-Schichten für die Verwendung bei Feldemissionsanwendungen geeignet waren, war ihre Dichte und Einheitlichkeit von Oberflächenemissionsstellen unzureichend.
Es wird nun Bezug genommen auf 4. Dort ist eine Draufsicht als HRTEM-Bild der Oberfläche der elektronenemittierenden Schicht 200 (2) 650.000-fach vergrößert dargestellt. Das HRTEM-Bild zeigt Bereiche mit geordneten Kohlenstoffblättern. Diese geordneten Bereiche von parallelen und konzentrischen Blättern umfassen „Daumenabdruck"-artige Konfigurationen. Diese „Daumenabdruck"-artigen Regionen erscheinen im Verhältnis zueinander zufällig orientiert.
Es wird nun Bezug genommen auf 5. Dort ist eine Draufsicht, ein HRTEM-Bild, eines Bildes einer Kohlenstoff-Nanostruktur 500 dargestellt. Die ähnlich denjenigen ist, die in dem HRTEM-Bild (4) der elektronenemittierenden Schicht 200 beobachtet wurde. Der tatsächliche Durchmesser der Kohlenstoff-Nanostruktur 500 liegt in der Größenordnung von 5 bis 10 nm Länge. Die Konfiguration der Kohlenstoffstrukturen, die zu der Kohlenstoff-Nanostruktur 500 beitragen, ist ähnlich mit denjenigen Arten von Strukturen, die in der emittierenden Schicht vorliegen, welche mittels des vorliegenden Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden. Innerhalb der Kohlenstoff-Nanostruktur 500 liegt in deren Zentrum ein sphärisches Kohlenstoffmolekül 510, ein Fulleren, vor. Das sphärische Kohlenstoffmolekül 510 ist umgeben von semizylindrischen, parallelen Kohlenstoffblättern. In ähnlicher Weise sind die Zentralbereiche der beobachteten „Daumenabdruck"-Muster der Schicht 200 in dem HRTEM-Bild umgeben von Bereichen von parallelen und konzentrischen Kohlenstoffblättern, wodurch eine zwiebelartige Konfiguration ausgebildet wird. Diese Ähnlichkeiten legen das Vorhandensein von fullerenartigen in der emittierenden Schicht nahe.
Beispiel 2
Es wird nun Bezug genommen auf 6. Dort ist eine schematische Darstellung eines Beschichtungsapparates 600 mit gefiltertem Kathodenlichtbogen gezeigt, der geeignet ist zur Durchführung der Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung einer elektronenemittierenden Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Apparat 600 ist so konfiguriert und wird so betrieben, dass eine elektronenemittierende Schicht erzeugt wird, welche bei elektrischen Feldstärken von weniger als etwa 30 V/μm einen Strom in der Größenordnung von Mikroamperes liefert und welche eine hohe Oberflächendichte von Elektronenemissionsstellen, vorzugsweise mehr als etwa 10⁵ Stellen/cm², bei elektrischen Feldstärken, die typischerweise in Feldemissionsvorrichtungen ver wendet werden, zeigt. Der Apparat 600 umfasst ein Bedampfungssystem mit elektrischem Lichtbogen. Es sei betont, dass 6 lediglich eine diagrammartige Darstellung solch eines Systems ist, welche allgemein schematisch diejenigen grundlegenden Bereiche eines Bedampfungssystems mit gefiltertem elektrischem Lichtbogen illustriert, die für eine Diskussion der vorliegenden Erfindung relevant sind, und dass solch ein Diagramm unter keinen Umständen im Detail vollständig ist. Für eine detaillierte Beschreibung von Bedampfungssystemen mit elektrischem Lichtbogen und verschiedener Bereiche davon, kann man auf die US Patente Nr. 3,393,179 (Sablev, et al.), 4,485,759 (Brandolf), 4,448,799 (Bergman, et al.) und 3,625,848 (Snaper) verweisen. In dem Maße, wie solch zusätzliche Offenbarung für ein Verständnis dieser Erfindung erforderlich ist, seien die Offenbarungen und Lehren solcher Patente hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen. Der Apparat 600 umfasst eine Kammer 605, welche einen Zwischenraumbereich 610 definiert. In dem Zwischenraumbereich 610 wird ein Beschichtungssubstrat 630 angeordnet. Ebenfalls innerhalb der Kammer 605 wird eine Graphitquelle 620 angeordnet. Bei diesem speziellen Beispiel umfasst die Graphitquelle 620 reinen Graphit, „Poco Graphite" der von Unocal bezogen wurde und ein hoch reiner, für Kernkraftanwendungen geeigneter Graphit ist mit einer Reinheit im Bereich von 99,999–100 Gewichtsprozent Graphit. Andere geeignete feste Kohlenstoffquellen sind für den Fachmann offensichtlich und können beispielsweise gepresstes Kohlenstoffpulver oder ein Fulleren enthaltendes Pulver umfassen. Eine Beschichtungsoberfläche des Substrates 630 ist am Ende eines gebogenen Durchführungsbereichs 635 der Kammer 605 positioniert und ist angeordnet, um daraus aus tretende Plasmateilchensorten zu empfangen. Die Flugweite der Plasmateilchensorten von der Graphitquelle 620 zu dem Substrat 630 betrug etwa 70 cm. Ein Elektromagnet 660 umfasst Kupferspulen, welche um den gebogenen Durchführungsbereich 635 gewickelt waren, um darin ein magnetisches Feld zu erzeugen. Die zur Aufbringung der elektronenemittierenden Schichten verwendete Feldstärke betrug etwa 0,01 Tesla. Es wird angenommen, dass ein geeigneter Bereich magnetischer Feldstärken zwischen 0–0,1 Tesla liegt. Andere Konfigurationen von Mitteln zur Anwendung eines magnetischen Feldes werden dem Fachmann in den Sinn kommen. Eine erste Spannungsquelle 625 ist wirksam mit der Graphitquelle 620 verbunden, um den elektrischen Lichtbogen bereitzustellen, welcher auf der Graphitquelle 620 arbeitet, um diese zu verdampfen und ein Plasma auszubilden. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen der Graphitquelle 620, welche elektrisch vorgespannt ist, um als Kathode zu dienen, und einer Anode, welche von der Graphitquelle 620 beabstandet ist, aufgespannt und unterhalten. Die Ausbildung und Steuerung des Lichtbogens ist unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Elektrische Lichtbogenströme im Bereich von 25–-150 A wurden verwendet. Es wird angenommen, dass ein geeigneter Bereich elektrischer Lichtbogenströme zwischen 25–300 A liegt. Die Homogenität der Schicht wird verbessert, indem die Bewegung des Lichtbogens über die Oberfläche der Graphitquelle 620 gesteuert wird, indem mit dem Elektromagneten 660 ein Magnetfeld angewendet wird. Bei Verwendung des Apparates 600 ist das Magnetfeld auch erforderlich, um die geladenen Teilchensorten um die Biegung des gebogenen Durchführungsbereiches 635 zu lenken, der auch als „Filter" bezeichnet wird. Der Winkel der Biegung war bei dem Apparat 600 45°; andere Biegungswinkel können für die Ausbildung emittierender Schichten geeignet sein. Das Potential am Substrat 630 wird durch deren wirksame Verbindung mit einer zweiten Potentialquelle 680 bereitgestellt. Das Substrat 630 wurde bei einer negativen Spannung von 0 bis –1000 V, vorzugsweise –100 V gehalten. Das Substrat 630 wurde auf Temperaturen unterhalb von etwa 100°C wassergekühlt. Diese niedrigen Substrattemperaturen waren niedrig genug, um mit Substratmaterialien wie etwa Natronkalkglas, kompatibel zu sein, welche für die Verwendung bei Kathodenplatten von Feldemissionsvorrichtungen erwünscht sind. Schichtaufbringungen unter Verwendung des Apparates 600 wurden auf Silizium- und Glassubstraten durchgeführt. Die Glassubstrate umfassten Natronkalkglas und Borosilikatglas. Zunächst wurde eine dünne Schicht aus Aluminium und/oder amorphem Silizium auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht. Jede Aluminiumschicht war etwa 100 Angstrom dick; jede amorphe Siliziumschicht war etwa 2000 Angstrom dick. Wenn beide Schichten auf der gereinigten Oberfläche aufgebracht wurden, wurde die Aluminiumschicht zuerst aufgebracht. Bei manchen der Konfigurationen mit Aluminium und amorphem Silizium wurde das amorphe Silizium getempert, um es widerstandsfähiger zu machen. Danach wurde die Schichtoberfläche mit Argon bei –1000 Volt gereinigt, um Oxide, Wasser und Verschmutzungen zu entfernen. Danach wurde die Oberfläche einem Bombardement mit einem Kohlenstoff-Ionenstrahl bei –1000 Volt unterworfen, wodurch eine Grenzflächenschicht erzeugt wurde, welche die Anhaftung der nachfolgenden Kohlenstoffschicht fördert und ein Abschälen und Brechen der Kohlenstoffschicht verhindert. Die Grenzflächenschicht ist etwa 50 Angstrom dick. Andere geeignete Grenzflächenschich ten sind für den Fachmann offensichtlich. Für die Aufbringung auf Glassubstraten wurde eine Radiofrequenz-Spannungsquelle wirksam mit dem Substrat verbunden; um daran eine negativ vorgespannte Spannung bereitzustellen. Die Verwendung einer Radiofrequenz-Spannungsquelle wurde zur Verwendung mit nicht leitenden Substraten bevorzugt. Für leitende Substrate, wie etwa Silizium, kann eine Gleichstrom-Vorspannung oder eine bei niedriger Frequenz gepulste Leistungsquelle (bis zu 100 kHz) verwendet werden. Bei dem vorliegenden Beispiel, bei dem der Beschichtungsapparat 600 mit gefiltertem Kathodenlichtbogen für die Beschichtungskammer verwendet wurde, wurden emittierende Schichten für verschiedene Arbeitsgasbedingungen aufgebracht. Nach Bereitstellung des Substrates 630 und der Graphitquelle 620 in dem Apparat 600, wurde dieser mittels einer Turbomolekularpumpe (nicht dargestellt), wie durch den Pfeil 650 in 6 angedeutet, auf einen Basisdruck von 2,3 * 10^–7 Torr evakuiert. Am Substrat 630 und der Graphitquelle 620 wurden Potentiale aufgebaut und das magnetische Feld angeschaltet, wodurch ein Plasma 670 erzeugt und auf das Substrat 630 hingelenkt wurde. Ein Arbeitsgas, wie etwa Stickstoff, Helium oder Argon, wurde in den Zwischenraumbereich 610 eingebracht. Das Arbeitsgas wurde hinzugefügt, um einen Gesamtdruck im Bereich von 0,1 bis 500 MilliTorr, vorzugsweise 2–50 MilliTorr, zu erzeugen. Es wird angenommen, dass Helium und Argon bei der Stabilisierung des Plasmas helfen. Stickstoff ist ein reaktives Arbeitsgas, dessen Funktion in größerem Detail und unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die Schichten wurden bis zu einer Dicke im Bereich von 0,01–2 μm aufgewachsen. Der bevorzugte Bereich für Feldemission lag etwa bei 0,01–1 μm. Die Wachstumsrate der Schicht lag etwa bei 0,25 μm/min.
Andere Verfahren zur Ausbildung partiell graphitierter, nanokristalliner Kohlenstoffschichten zur Emission von Elektronen bei niedrigen elektrischen Feldstärken und zur Bereitstellung einer hohen Dichte von Emissionsstellen gemäß der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich. Diese Verfahren können Laser-Ablation von Graphit, Beschichtung mittels massenselektierten Kohlenstoff-Ionenstrahls, Sputtern und chemische Bedampfung umfassen.
Es wird nun Bezug genommen auf 7. Dort ist eine Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung 700 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Feldemissionsvorrichtung 700 umfasst eine elektronenemittierende Schicht 730, welche gemäß dem unter Bezugnahme auf die 1–5 beschriebenen Verfahren aufgebracht und ausgebildet wurde, gemäß der vorliegenden Erfindung. Es soll verstanden werden, dass die Verwendung der elektronenemittierenden Schicht der vorliegenden Erfindung nicht auf die in 7 dargestellte Struktur limitiert ist. Eine elektronenemittierende Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch bei anderen Konfigurationen von Feldemissionsvorrichtungen nützlich, einschließlich zum Beispiel Kantenemissionsvorrichtungen und Vorrichtungen mit Emitterstrukturen, welche mit einer Feldemissionsschicht beschichtet sind. Die Feldemissionsvorrichtung 700 wurde hergestellt, indem zunächst ein Trägersubstrat 710 aus einem geeigneten Material, wie etwa Glas oder Silizium, bereitgestellt wurde. Eine leitfähige Schicht 720 wurde mit Standardbeschichtungstechniken auf das Trägersubstrat 710 aufgebracht. Danach wurde eine Feldformungsschicht 740 auf der leitfähigen Schicht 720 aufgebracht. Die Schicht 740 bestand aus dotiertem Silizium. Die Dotierung kann Bor enthalten. Danach wurde eine dielektrische Schicht 750 auf der Schicht 740 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 750 kann aus Siliziumdioxid bestehen. Eine Entzugs-Gate-Elektrodenschicht 760 aus geeignetem Leitermaterial, wie etwa Molybdän, wird auf der Schicht 750 aufgebracht. Durch selektives Ätzen in den Schichten 760, 750 und 740 wird eine Emitterausnehmung 770 gebildet. Die Emitterausnehmung 770 hat einen Durchmesser von etwa 4 μm und eine Tiefe von etwa 1 μm. Die geätzte Struktur wird dann in den Beschichtungsapparat mit Kathodenlichtbogen platziert, wie dies unter Bezugnahme auf die obigen Beispiele beschrieben wurde. Eine elektronenemittierende Schicht 730 wird in der unter Bezugnahme auf die obigen Beispiele beschriebenen Weise auf der leitfähigen Schicht 720 in der Emitterausnehmung 770 aufgebracht. Die elektronenemittierende Schicht 730 umfasst eine Schicht aus partiell graphitiertem, nanokristallinem Kohlenstoff gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Dicke der elektronenemittierenden Schicht 730 kann zwischen 0,01 und 2 μm, vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 μm liegen. Eine erste Spannungsquelle 735 wird wirksam mit der leitfähigen Schicht 720 verbunden. Eine zweite Spannungsquelle 765 wird wirksam mit der Entzugs-Gate-Elektrodenschicht 760 verbunden. Eine Anode 780 wird bereitgestellt und von der Schicht 760 beabstandet, und eine dritte Spannungsquelle 785 wird wirksam mit ihr verbunden. Der Betrieb der Feldemissionsvorrichtung 700 umfasst das Anlegen geeigneter Potentiale an die elektronenemittierende Schicht 730, die Schicht 760 und die Anode 780 zum Entziehen von Elektronen aus einer emittierenden Oberfläche 775 der elektronenemittierenden Schicht 730 und um diese zu veranlassen, aus der Emitterausnehmung 770 auf die Anode 780 zuzulaufen. Die Schicht 740 hilft bei der Formung des elektrischen Feldes im Bereich der emittierenden Oberfläche 775 der elektronenemittierenden Schicht 730. Bei anderen Ausführungsformen einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Elektronenemitter eine Struktur, wie etwa einen Spindt-Spitzenkegel, der mit einer elektronenemittierenden Schicht aus partiell graphitiertem, nanokristallinem Kohlenstoff gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet ist. Andere geeignete Elektronenemittergeometrien werden dem Fachmann in den Sinn kommen.
Es wird nun Bezug genommen auf 8. Dort ist eine Ausführungsform einer Feldemissionsanzeige 800 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Feldemissionsanzeige 800 umfasst eine Mehrzahl von selektiv adressierbaren Feldemittern mit der Konfiguration der Feldemissionsvorrichtung 700 (7) und umfasst eine elektronenemittierende Schicht 830 gemäß der vorliegenden Erfindung. Es soll verstanden werden, dass alternative Konfigurationen einer Feldemissionsvorrichtung mit einer elektronenemittierenden Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Feldemissionsanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann. Die Feldemissionsanzeige 800 umfasst eine Kathodenplatte 801. Die Kathodenplatte 801 ist hergestellt, indem zunächst ein Trägersubstrat 810 aus einem geeigneten Material, wie etwa Glas oder Silizium, bereitgestellt wird. Eine leitfähige Schicht 820 wird mittels Standardbeschichtungstechniken auf dem Trägersubstrat 810 aufgebracht und gemustert. Dann wird eine Feldformungsschicht 840 auf der leitfähigen Schicht 820 aufgebracht. Die Schicht 840 be steht aus einem dotierten Silizium. Die Dotierung kann Bor enthalten. Danach wird eine dielektrische Schicht 850 auf der Schicht 840 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 850 kann aus Siliziumdioxid besteht. Eine Entzugs-Gate-Elektrodenschicht 860 aus einem geeigneten Leitermaterial, wie etwa Molybdän, wird auf der Schicht 850 aufgebracht und gemustert. Eine Mehrzahl von Emitterausnehmungen 870 wird durch selektives Ätzen in den Schichten 860, 850 und 840 ausgebildet. Jede Emitterausnehmung 870 hat einen Durchmesser von etwa 4 μm und eine Tiefe von etwa 1 μm. Die Schichten 820 und 860 sind so gemustert, dass die Emitterausnehmungen 870 selektiv adressiert werden können. Die geätzte Struktur wird dann in einen Beschichtungsapparat mit Kathodenlichtbogen, wie etwa unter Bezugnahme auf die obigen Beispiele beschrieben, platziert. Eine elektronenemittierende Schicht 830 wird in der unter Bezugnahme auf die obigen Beispiele beschriebenen Weise auf der leitfähigen Schicht 820 in der Emitterausnehmung 870 aufgebracht. In jeder der Emitterausnehmungen 870 gibt es eine elektronenemittierende Oberfläche 875, die von der Schicht 830 definiert wird. Die elektronenemittierende Schicht 830 enthält eine Schicht aus partiell graphitiertem, nanokristallinem Kohlenstoff gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Dicke der elektronenemittierenden Schicht 830 kann zwischen 0,01 und 2 μm, vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 μm, liegen. Eine geeignete lithographische Technik kann eingesetzt werden, um diejenigen Bereiche der Schicht 830 zu entfernen, welche auf der Schicht 860 liegen. Eine Anodenplatte 802 wird bereitgestellt und von der Entzugs-Gate-Elektrodenschicht 860 beabstandet. Die Anodenplatte 802 umfasst ein Glassubstrat 885, auf dem eine transparente, leitfähige Schicht 880 auf gebracht ist, die beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) hergestellt ist. Eine Mehrzahl von kathodolumineszenten Ablagerungen 890 ist auf der Schicht 880 ausgebildet. Ein Rahmen 803 ist zwischen der Kathodenplatte 801 und der Anodenplatte 802 an deren Außenbereichen vorgesehen, um einen Abstandshalter dazwischen zu bilden und dadurch einen Zwischenraumbereich 895 zu definieren. Der Zwischenraumbereich 895 wird auf einen Druck von etwa 10^–6 Torr evakuiert. Der Betrieb der Feldemissionsanzeige 800 umfasst die Anwendung geeigneter Potentiale an der leitfähigen Schicht 820, der Schicht 860 und der Schicht 880 zum Entziehen von Elektronen aus den selektiv adressierbaren, elektronenemittierenden Ober-flächen 875 der elektronenemittierenden Schicht 830 und um die Elektronen zu veranlassen, aus den entsprechenden Emitterausnehmungen 870 heraus und durch den Zwischenraumbereich 895 zu laufen, um von den kathodolumineszenten Ablagerungen 890 aufgenommen zu werden, wodurch diese veranlasst werden, Licht zu emittieren. Eine Feldemissionsanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung ist viel einfacher herzustellen, als diejenigen nach dem Stand der Technik welche Spindt-Spitzen enthalten. Auch ist die von einer Feldemissionsanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung benötigte Steuerschaltung kosteneffizient, da die von den neuartigen Kohlenstoffschichten benötigten Anschalt- und Betriebsspannungen niedrig sind. Das vorliegende Verfahren bietet auch den Vorteil, keine Submikrometer-Lithographie zu erfordern, wie sie typisch ist bei der Herstellung von Spindt-Spitzen.
Obgleich wir spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, kommen dem Fachmann weitere Modifikationen und Verbesserungen in den Sinn. Es soll daher verstanden werden, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen, gezeigten Formen limitiert ist und wir beabsichtigen, mit den beigefügten Ansprüchen den Erfindungsbereich abzudecken.

Claims

Verfahren zum Emittieren von Elektronen bei niedrigen elektrischen Feldstärken und zur Bereitstellung einer hohen Dichte von Emissionsstellen, umfassend den Schritt: Ausbilden einer Elektronenemitterstruktur mit einer Elektronenemissionsoberfläche (775), umfassend eine Schicht (200, 730) aus teilweise graphitiertem, nanokristallinem Kohlenstoff.
Verfahren zum Emittieren von Elektronen bei niedrigen elektrischen Feldstärken und zur Bereitstellung einer hohen Dichte von Emissionsstellen, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der teilweise graphitierte, nanokristalline Kohlenstoff turbostratischen Kohlenstoff enthält.
Elektronenemittierendes Material, bestehend aus einer Schicht (200) teilweise graphitierten, nanokristallinen Kohlenstoffs.
Verfahren zum Ausbilden einer elektronenemittierenden Schicht (200) mit einer hohen Dichte von Emissionsstellen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrates (130), welches eine Hauptoberfläche aufweist; Platzieren des Substrates (130) in einer Kathodenlichtbogen-Bedampfungsvorrichtung (100), welche eine Kohlenstoffquelle (120) aufweist, wobei die Hauptoberfläche des Substrates (130) von der Kohlenstoffquelle (120) beabstandet ist, um einen Zwischenraumbereich (110) zu definieren, und wobei die Hauptoberfläche des Substrates (130) entlang einer Sichtlinie von der Kohlenstoffquelle (120) her angeordnet ist; wirksames Verbinden einer ersten Spannungsquelle (125) mit der Kohlenstoffquelle (120), um einen Lichtbogen bereitzustellen, welcher geeignet ist, einen Teil der Kohlenstoffquelle (120) zu verdampfen, um ein Plasma (170) in dem Zwischenraumbereich (110) bereitzustellen; und wirksames Verbinden einer zweiten Spannungsquelle (180) mit dem Substrat (130), um an diese ein negatives Potential in der Größenordnung von 0 bis 1000 V anzulegen und dadurch das Plasma (170) auf die Hauptoberfläche des Substrates (130) hin zu beschleunigen.
Verfahren zum Ausbilden einer elektronenemittierenden Schicht (200), wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei das Substrat (130) Glas enthält.
Verfahren zum Ausbilden einer elektronenemittierenden Schicht (200), wie in Anspruch 4 beansprucht, weiterhin umfassend den Schritt, das Substrat (130) bei einer Temperatur innerhalb eines Größenbereichs von 25 bis 500 Grad Celsius zu halten.
Verfahren zum Ausbilden einer emittierenden Schicht (200) wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei die Kohlenstoffquelle (120) eine Graphitquelle (620) ist.
Feldemissionsvorrichtung (700) umfassend: ein Trägersubstrat (710) mit einer Hauptoberfläche; einen Elektronenemitter, der auf der Hauptoberfläche des Trägersubstrates (710) angeordnet ist und eine elektronenemittierende Schicht (730) enthält, welche aus teilweise graphitiertem, nanokristallinem Kohlenstoff hergestellt ist, wobei der Elektronenemitter eine emittierende Oberfläche (775) aufweist und wirksam mit einer ersten Spannungsquelle (735) verbunden ist; und eine Anode (780), welche von dem Elektronenemitter beabstandet ist, um einen Zwischenraumbereich (610) zwischen dem Elektronenemitter und der Anode (780) zu definieren, wobei die Anode (780) wirksam mit einer zweiten Spannungsquelle (785) verbunden ist; wodurch die erste und die zweite Spannungsquelle (735, 785) ein geeignetes elektrisches Feld zwischen dem Elektronenemitter und der Anode (780) bereitstellen, um von dem Elektronenemitter emittierte Elektronen zu veranlassen, den Zwischenraumbereich (610) zu durchlaufen und von der Anode (780) aufgenommen zu werden.