JP2001526826A - カーボンフィルムを成長させるプロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コンピュータディスプレイ内で用いられ得る電界放出デバイス用フィルム（７０５）（カーボンおよび／またはダイヤモンド）が、基板（７０１）のエッチングを用いるプロセスにより作製され、そしてフィルムが堆積する。エッチング工程は、フィルム堆積プロセスのために基板上に核形成部位を形成する。このプロセスを用いると、放出フィルムのパターン形成は削除される。電界エミッタデバイスは、このようなフィルムと共に製造され得る。金属フィルムもまた堆積され得（７０２）、フォトリソグラフィ（７０３）およびエッチング（７０４）によりパターン形成され、核形成サイトを準備する。

Description

【発明の詳細な説明】 カーボンフィルムを成長させるプロセス 技術分野 本発明は、概してカーボンフィルムを成長させることに関し、特に、処理され た基板上でカーボンフィルムを成長させることに関する。背景知識 電界放出ディスプレイデバイスは、ＬＣＤディスプレイとの低コストの代替品 （特にラップトップコンピュータに関して）を提供する際の将来性を示している 。さらには、電界放出デバイスはビルボードタイプのディスプレイデバイスのよ うな、他の領域に実際的に適用され始めている。 優れた電界放出デバイスまたはディスプレイを作製する際の課題の一つは電界 エミッタ物質の製造であり、これは製造が安価であるが電力消費において効率的 であり、そしてそのディスプレイ特性については安定しているかということであ る。カーボンおよび／またはダイアモンド電界エミッタ物質は、このような制約 に見合う将来性を示している。 マトリクスアドレッサブルディスプレイに使用されるそのようなフィルムを堆 積する現在の方法に伴う問題点の一つは、フィルムがすでに基板上に堆積した後 に、フィルムをパターン形成するためにこれらのプロセスが１つ以上の処理（例 えばエッチング）工程を利用することにある。そのような処理工程は、フィルム の性能および放出能力を、しばしばフィルム放出が不十分になる程度まで劣化さ せる。結果的に、当該分野において、フィルム上で行われる堆積後プロセスを用 いない堆積プロセスの必要性が存在する。発明の要旨 上記の必要性は、パターン形成されたカソードが、放出フィルムを処理（例え ばエッチング）することなく作製されるプロセスを用いた本発明により取り組ま れる。このことは、堆積よりも前に、ホルステライト(fosterite)のようなセラ ミック物質から構成され得る基板上で処理工程を行うことにより達成される。こ の処理工程は、その金属物質をパターン形成するために基板上に堆積した金属層 をエッチングするために行われ得る。処理工程後、フィルムはサンプル全体に渡 って堆積する。核形成部位(nucleation sites)の数は、結果的に部位における優 先的な放出となる金属が全くない位置では、より大きくなる。 他の実施形態において、物質は、マスクにおける複数の孔が金属層がエッチン グされてなくなる領域に対応するマスクを通して堆積される。 １つの実施形態において、基板上に堆積した、または成長したフィルムは、ダ イアモンドまたはダイアモンドのようなフィルムである。 本発明の別の実施形態において、基板上に堆積した、または成長したフィルム は、ダイアモンド粒子とグラファイト粒子とアモルファスカーボンとの混合物で あるカーボン、または１つ以上のそれら物質が存在するこの混合物のサブセット である。このような粒子は結晶性であってもよい。 本発明のまた別の実施形態において、フィルムは、基板が塩基（ｐＨ＞７）ま たは酸（ｐＨ＜７）のいずれかで処理された後、基板上に成長する。基板は、セ ラミックまたはガラスのような物質であってもよく、そして処理工程に先だって 研磨されても研磨されなくてもよい。基板の処理、またはエッチングは、基板の 微小形態を変化させる（すなわち基板表面を「粗く」する）ため、フィルムが成 長するための優先的な表面を提供する。 本発明のまた別の実施形態において、処理された基板上の超音波処理プロセス が、基板上のフィルムの成長をさらに向上させるために適用されてもよい。 本発明のまた別の実施形態において、基板は金属（または導電性）物質から構 成されてもよい。 本発明の利点は、基板の処理された部分上で成長したフィルムが、基板の未処 理部分上で成長したフィルムよりも優れた電子放出物質となることである。この 利点の結果は、パターンが、フィルムがすでに成長した（または堆積した）後に 、任意のタイプのエッチング工程を行う必要なく、放出部位から容易に形成され 得ることである。 以下の本発明の詳細な説明からよりよく理解され得るために、上記では本発明 の特徴および技術的な利点をかなり大まかに要約している。本発明の請求項にお ける主題を構成する本発明の追加の特徴および利点は、本明細書中において後に 説明される。図面の簡単な説明 本発明、およびその利点をより完全に理解するために、付随の図面と関連させ た以下の説明の参照をここで述べる。 図１から６は、本発明による堆積プロセスを示し、 図７は、本発明に従ったフロー図を示し、 図８は、本発明によるフィルムで製造された電界放出デバイスを示し、 図９は、本発明による電界エミッタで製造されたディスプレイデバイスを用い るデータ処理システムを示し、 図１０は、本発明によるフィルムを作製する他のプロセスのフロー図を示し、 図１１から１４は、本発明に従って製造されたカソードからの放出の画像を示 し、 図１５および１６は、処理された基板上に成長したフィルムと未処理基板上に 成長したフィルムとの間の放出特性における相違を示すグラフを図示する。詳細な説明 以下の説明において、本発明の全体を通しての理解を提示するために多数の特 定の詳細が記載されている。しかし、本発明はそのような特定の詳細がなくとも 実施され得ることは、当業者には明らかである。他の例としては、本発明を不必 要な詳細により不明瞭とならぬよう、周知の回路がブロック図形式で示されてい る。主として、タイミング考慮等に関する詳細は、そのような詳細が本発明の完 全な理解を得るために必要ではなく、かつ関連する分野の当業者の知識内のもの であることから省略している。 ここで図面を参照するが、ここで描写される要素は寸法を計るために示される 必要はなく、そしていくつかの図に渡り同じまたは類似した要素は同じ参照符号 により表される。 図１から７を参照すると、本発明による電界デバイス用のフィルムを作製する プロセスが示されている。工程７０１において、ガラス、セラミック、またはフ ォルステライト、金属（もしくは任意の他の適した物質）から構成され得る基板 １０１は、洗浄され、そして電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）蒸着により１４００オ ングストロームのチタン（Ｔｉ）にて被膜される（工程７０２）。その後、２０ ００オングストロームのチタンタングステン（ＴｉＷ）が、スパッタリングプロ セスによりサンプル上に堆積する。しかし、基板１０１上に金属層１０２を堆積 する、任意のプロセスが用いられ得ることに留意されたい。 その後、工程７０３において、金属層１０２はフォトリソグラフィを用いる所 望の方法においてパターン形成される。フォトレジスト層２０１は、金属層１０ ２上に堆積され、そして周知の技術を用いてパターン形成される。図１から６に 図示するように、パターンはフォトレジストフイルム内の開いた窓(open window )の配列であり得る。しかし、いかなる設計が適用され得ることに、くれぐれも 留意されたい。 次に、工程７０４において、金属層１０２はエッチングされ、金属層１０２内 の窓(window)３０１をつくる。フォトレジスト層２０１はその後、周知の技術を 用いて除去され得る。エッチング工程７０４は、タングステンエッチング液で７ 分、そしてチタンエッチング液で２０から３０秒にて行われる。他の周知のエッ チング液が工程７０４において使用され得る。エッチングプロセスは、それらの エッチング液が基板１０１の表面を粗くするために十分な時間をもって行われる 。金属層１０２を除去するために使用されるエッチング液は、基板１０１をもま た浸食する。基板１０１が完全に均一的でないために、エッチング液は基板１０ １の他の領域よりも強いいくつかの領域を浸食する。このことは、基板１０１の 表面を点食および粗い状態にする。酸および塩基による表面処理はまた、基板表 面の形態を変化させると同時に、化学組成をも変化させ得る。例えば所定の処理 は、基板の表面を水素またはフッ素原子との結合に至らせ得る。基板が異なる物 質の組成物であるならば、処理は基板の大半の物質とは異なった組成物の表面を 残すこととなり得る。ＣＶＤ成長プロセスが多くの場合、基板表面の化学反応に 関わ ることから、基板表面の化学組成物を変化させる処理は、未処理表面よりも有利 にフィルム成長を開始する表面をもたらし得る。 工程７０４は、超音波処理工程（サンプルがダイアモンドスラリーから現れて 超音波処理される）を含んでも含まなくてもよい。超音波処理工程を行わないこ との利点としては、ダイアモンドスラリーにおける超音波処理プロセスがカソー ドを製造する際の時間および経費を追加し得ると同時に、基板上１０１の金属フ ィードラインパターンを損傷し得ることにある。さらに、超音波処理工程は、ど の領域が処理されたかについて容易に区別できない。 これらの工程の結果は、片面に被覆された金属フィルム格子パターンを備えた 基板を有するサンプルである。格子の窓３０１の内側が、エッチング処理された 基板１０１である。 サンプルは、その後工程７０５におけるＣＶＤ（化学気相成長法）カーボンフ ィルム成長プロセスの対象となる。処理された３０１および未処理金属被覆領域 １０２の両方は、ＣＶＤ活性ガス種(active gas speices)に等しく露出される（ 図５参照）。フィルムは欠損上に核形成することを選ぶ（すなわち、フィルムは 処理された領域上で優先的に成長する）。基板１０１内のそのような欠損は、エ ッチング工程中に基板１０１の表面を粗くすることにより、前もって準備されて いる。このエッチング工程は、粒子に核形成部位を提供する基板１０１の表面内 の多くの微小な欠損をもたらす。結果として、エッチング工程７０４は、工程７ ０５における層の堆積のための核形成部位の数を増やす。従って、合成層５０１ は、金属層１０２の上方の領域からではなく窓３０１から放出する（処理された 領域上の放出部位密度は、金属（未処理）領域上よりも１桁よりも大きく高い） 。これは、向上した核形成が原因で、向上したフィルムの成長があるためである 。この技術における現在の認識では、放出はダイアモンドの小さな粒子を有する ダイアモンド核形成部位から起こる。より多くの核形成部位を作り出すためによ り長く堆積させることは、より多くの粒子ではなく、より大きな粒子を生むだけ である。従って、より高い核形成密度の領域はまた、より高い放出部位密度であ り得る。さらに、窓内のフィルムにおける抽出電界(extraction field)は、金属 層上のものよりも低められる。窓上の放出部位密度はまた、少なくとも１桁 より高く、結果として窓上のフィルムは優先的に放出する。 工程７０５の堆積プロセスは、化学気相成長プロセス（これは熱フィラメント プロセスに補助され得る）を用いて行われ得る。この堆積プロセスは、サンプル 上においてカーボンフィルムの成長をもたらす。 留意され得るように、このプロセスの利点は、マイクロエレクトロニクス型処 理（例えばエッチング工程）がカーボン層の堆積に続いて行われる必要ななく、 カーボン層はこのようなプロセスの対象ではない。このことは、より優れた放出 フィルムをもたらし、放出フィルムへの損傷が妨げられる。 次に図６を参照すると、図５に示すサンプルの一部分の上面図が図示される。 図からわかるように、放出部位は窓３０１に位置し、そして金属層１０２はそれ ら窓３０１の各々を包囲する。マトリクスアドレッサブルディスプレイは、垂直 な行に整列した窓３０１が全て相互に対応し得るように製造され得、それにより 各行がその行に対応する金属層１０２によりエネルギーを与えられ、金属ストリ ップ１０２は個々にアドレスされる。 次に図１０を参照すると、基板１０１が工程７０１と同じ方法で工程１００１ において準備されることにより、フィルムを堆積する別のプロセスが図示される 。しかし、処理工程および金属層堆積工程は、図７に関して上述されたものとは 逆になる。工程１００２において、基板１０１が処理（例えばエッチング）され る。これは、フォトリソグラフィプロセスにて行われても、行われなくてもよい 。フォトリソグラフィプロセスが用いられるならば、エッチング工程が位置３０ １においてのみエッチングするように、フォトレジストパターンが基板上に堆積 され得る。その後、工程１００３において、マスク内の孔がサンプルにおける窓 ３０１以外の全ての部分に対応することにより、金属層はマスクを通して堆積さ れ、図５に示すような合成金属被膜加工パターンが達成される。工程１００３の 後、層５０１が工程１００４において堆積される。 選択的に、工程１００３は削除されてもよい。さらには、選択的に、工程１０ ０３は標準のフォトリソグラフィプロセスを用いて行われてもよい。 次に図８を参照すると、図７および図１０に示すプロセスのいずれかにより作 製されたフィルムと共に構成された電界エミッタデバイス８０が図示される。デ バイス８０は、ディスプレイデバイス内（例えば、図９に関して後に述べるディ スプレイ９３８内）の画素として用いられ得る。 デバイス８０はまた、任意の周知の構造を含み得るアノード８４を含む。基板 ８０５を有するアノード８４が、その上に堆積された導電性ストリップ８０６を 備えて示される。その後、蛍光体(phosphor)層８０７が導電性フィルム８０６上 に配置される。電位Ｖ＋が、アノード８４とカソード８２との間に示すように付 与され、電界を生成する。この電界はフィルム５０１から蛍光体層８０７へ向け て放出するための電子をもたらし、ガラス基板８０５を通る光量子の生成につな がる。他の実施形態は、フィルム５０１と基板１０１との間に堆積した導電層を 含み得ることに留意されたい。さらなる他の実施形態は、１つ以上のゲート電極 （図示せず）を含み得る。 アノード８４とカソード８２との間のギャップは、０．７５ミリメートル（７ ５０ミクロン）であり得る。 次に図１１から１３を参照すると、アノード８４とカソード８２との間におけ る異なる印加電圧（ひいては異なる印加電界）にて得られたデバイス８０からの 光量子放出の実画像が示される。図１１から１３における画像は、１０マイクロ 秒パルス幅を備える１０００Ｈｚ周波数におけるパルス電圧を印加することによ り得られた。アノードとカソードとの間のギャップは、０．７５ｍｍであった。 図１１において、ピーク放出電流は３２３０ボルトの印加電圧にて４ｍＡであっ た。図１２において、ピーク放出電流は４９９０ボルトの印加電圧にて４０ｍＡ であった。図１３において、ピーク放出電流は３７２０ボルトの印加電圧にて２ ０ｍＡであった。図面から容易にわかるように、光は蛍光体スクリーン８４にお いて、カソード８２からの電子が蛍光体８０７にあたる領域においてのみ発生す る。図１１から１３から、基板１０１のエッチングプロセスの対象であった領域 が、電子放出が起こる領域であることがわかる。 図１４は、アノード８４とカソード８２との間のギャップがより小さく（４３ ミクロン）、この画像をとるカメラのセットアップにより高い解像度画像が与え られていること以外は同様であるテストにおいての同様の実画像を示す。再び、 エッチングプロセスの対象であったカソード８２上の領域である、蛍光体の照ら された領域がほとんど全ての電子放出が起こる領域であることがわかる。 エッチングされた領域からの放出部位がこの特定のサンプル上の放出特性を支 配することから、未処理領域の放出特性の直接的計測を直接得ることは可能では ない。結果として、エッチングされた領域とエッチングされていない領域との間 の放出特性を実験的に比較するために、別のサンプル（金属層が未処理のままで あったエッチング工程において処理されなかったもの）が作製され、カーボンフ ィルムを図１１から１４において上記に示されたパターンサンプル上にカーボン フィルムを成長させるために用いられた同じＣＶＤプロセスにて、金属層の上面 に成長させた。 図１５は、処理された領域と未処理領域との間の放出部位密度の比較を、印加 電界の機能として示す。処理された（またはエッチングされた）領域は、線１５ ００により示される放出特性を有したことに対し、未処理領域は、線１５０１に より示されるような放出特性を有した。 図１６は、処理された領域と未処理領域との間の放出部位密度の比較を、電子 放出電流密度の機能として示す。再び、処理された（またはエッチングされた） 領域は、線１６００により示される放出特性を有したことに対し、未処理領域は 、線１６０１により示されるような放出特性を有した。 処理された領域の特性は、より低い抽出電界においてより高い放出部位密度を 有し、全体的なより高い放出部位密度を達成する点で、未処理領域よりも優れて いることがわかる。適切な電界制御により、処理された領域のみが電子放出を有 する。 上述のように、電界放出デバイス８０は、図９に示す電界放出ディスプレイ９ ３８内で用いられ得る。本発明を実施する代表的なハードウェア環境が図９に図 示されており、これは中央処理ユニット（ＣＰＵ）９１０（例えば、従来のマイ クロプロセッサ）、およびシステムバス９１２を介して相互接続された多くの他 のユニットを有する、本発明による典型的なワークステーション９１３のハード ウェア構成を示す。ワークステーション９１３は、ランダムアクセスメモリ（Ｒ ＡＭ）９１４と、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）９１６と、周辺装置（例えば、 ディスクユニット９２０およびテープデバイス９４０）をバス９１２へ接続する 入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ９１８と、キーボード９２４、マウス９２６、ス ピーカ９２８、マイクロフォン９３２、および／または他のユーザインターフェ ースデバイス（例えば、タッチスクリーンデバイス（図示せず））をバス９１２ へ接続するユーザインターフェースアダプタ９２２と、ワークステーション９１ ３をデータ処理ネットワークへ接続するコミュニケーションアダプタ９３４と、 バス９１２をディスプレイデバイス９３８へ接続するディスプレイアダプタ９３ ６とを含む。ＣＰＵ９１０は、ここでは示されていない他の回路機構を含み得、 これはマイクロプロセッサ内で通常見られる回路（例えば、実行ユニット、バス インターフェースユニット、演算論理ユニット等）を含む。ＣＰＵ９１０はまた 、単一の集積回路上に常駐し得る。 本発明およびその利点は詳細に述べられてきたが、多様な改変、置換および変 更が、添付の請求の範囲により規定される本発明の思想および範囲を逸脱するこ となくなされ得ることが理解されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トルト，ジダン レ アメリカ合衆国 テキサス 78729，オー スティン，サン フィリペ ブールバード ナンバー1412 7920

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 基板を提供する工程と、 該基板の形態を改変するように該基板を処理する工程と、 該処理された基板上にカーボンフィルムを成長させる工程と、 を含む電界エミッタデバイスを作製する方法。 ２． 前記基板の一部分のみが前記処理工程の対象であり、かつ前記処理された 基板上に成長した前記カーボンフィルムが、該基板の未処理部分上に成長したカ ーボンフィルムよりも優れた電界エミッタである、請求項１に記載の方法。 ３． 前記基板の前記処理された部分上に成長した前記カーボンフィルムが、特 定の電界の対象である場合に、前記未処理基板上のカーボンフィルムよりも実質 的に多くの電子を放出する、請求項２に記載の方法。 ４． 前記基板が塩基で処理され、前記処理工程が該基板の前記表面の化学組成 を変化させる、請求項１に記載の方法。 ５． 前記基板が酸で処理される、請求項１に記載の方法。 ６． 前記基板がセラミックである、請求項５に記載の方法。 ７． 前記基板が金属である、請求項５に記載の方法。 ８． 前記基板がガラスである、請求項５に記載の方法。 ９． 前記基板上で超音波処理を行う工程をさらに含む、請求項１に記載の方法 。 １０． 前記基板が超音波処理工程の対象ではない、請求項３に記載の方法。 １１． 前記基板上に金属層を堆積する工程をさらに含み、該金属層は該基板の 一部分が該金属層を通してアクセス可能であるように予め規定されたパターンを 有しており、該堆積工程は前記成長工程の前に行われる、請求項１に記載の方法 。 １２． 前記カーボンフィルムを成長させる前記工程がまた、前記金属層上にも 該カーボンフィルムを堆積し、該カーボンフィルムが連続フィルムである、請求 項１１に記載の方法。 １３． 前記基板上に前記金属層を堆積する前記工程が、 該基板上に該金属層を堆積する工程と、 該金属層をフォトリソグラフィを用いてパターン形成する工程と、 前記予め規定されたパターンを作製する、該金属層をエッチングする工程と、 をさらに含む、請求項１１に記載の方法。 １４． 基板を提供する工程と、 該基板の形態を改変するように該基板を処理する工程と、 該処理された基板上にカーボンフィルムを成長させる工程と、 により製造される電界放出デバイスであって、 該基板の一部分のみが該処理工程の対象であり、かつ該処理された基板上に成 長した該カーボンフィルムが、該基板の未処理部分上に成長したカーボンフィル ムよりも優れた電界エミッタであり、該基板の該処理された部分上に成長した該 カーボンフィルムが、特定の電界の対象である場合に、該未処理基板上の該カー ボンフィルムよりも実質的に多くの電子を放出する、電界放出デバイス。 １５． 前記基板が酸で処理される、請求項１４に記載のデバイス。 １６． 前記基板がセラミックである、請求項１５に記載のデバイス。 １７． 基板上に金属層を堆積させる工程であって、該金属層は該基板の一部分 が該金属層を通してアクセス可能であるように予め規定されたパターンを有する 工程と、 該基板の該一部分上に該カーボンフィルムを堆積する工程と、 を含む、カーボンフィルムを堆積する方法。 １８． 前記カーボンフィルムを堆積する前記工程がまた、前記金属層上にも該 カーボンフィルムを堆積する、請求項１７に記載の方法。 １９． 前記カーボンフィルムが連続フィルムである、請求項１８に記載の方法 。 ２０． 前記基板上に前記金属層を堆積する前記工程が、 該基板上に該金属層を堆積する工程と、 フォトリソグラフィを用いて該金属層をパターン形成する工程と、 該予め規定されたパターンを作製する、該金属層をエッチングする工程と、 をさらに含む、請求項１７に記載の方法。 ２１． 前記エッチング工程が、前記基板の前記部分において該基板の表面を粗 くする、請求項２０に記載の方法。 ２２． 前記基板がセラミックのような物質である、請求項２１に記載の方法。 ２３． 前記基板上に前記金属層を堆積する前記工程が、 該基板をエッチングする工程であって、該エッチングが該基板の前記部分の前 記表面の化学組成を変化させる工程と、 前記予め規定されたパターンを作製するマスクを通して該基板上の該金属層を 堆積させる工程と、 をさらに含む、請求項１７に記載の方法。 ２４．前記エッチング工程が前記基板の表面を粗くする、請求項２３に記載の方 法。 ２５．前記エッチング工程が、前記基板の前記部分における前記表面の化学組成 を変化させる、請求項２０に記載の方法。