TW200535274A - Growth of carbon nanotubes at low temperature - Google Patents

Description

200535274 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明實施例大致係關於沉積奈米碳管的方法。詳言 之，係關於在平面基板上（例如，面積為370 mm χ 470 mm 的玻璃基板）沉積奈米碳管的方法。 【先前技術】

目前正研發可應用在多種電子設備中的場發射元件 (field emission device，FEDs)或顯示器。特別是，可用於 平面面板顯示器上的FEDs。與目前使用電子槍（例如，一 單一鑛絲）作為一電子來源，以在螢幕上產生影像的陰極射 線管（cathode ray tubes，CRTs)不同的是，FEDs係使用多個 發射尖端作為多種電子來源以於螢幕上產生影像。 第1圖揭示一種FED 100的例子。FED 100包括一基 板101’其典型為一種玻璃基板。一導電層1〇2作為其之 一陰極。在該導電層102上形成有一介電層1〇4，且在該 介電層104上形成有一金屬閘極層1〇6。在該導電層1〇2 上介於多個介電層104間的區域上形成發射尖端區域ι〇8 於該導電層102上。在該該導電層1〇2上形成鱗11〇，以 作為陽極。在典型為一種玻璃基板的上方基板114上形成 一導電層112。讓磷110對準該發射尖端區域1〇8使得當 在陰極與陽極間施加一電位而使從該導電層102 —區域中 的發射尖端區域108發射出來的電子能到達相對應該對準 的磷110上。 3 200535274 典型的情況是，導電發射尖端（例如，鉬發射尖端）或 半導體發射尖端（例如，矽發射尖端）已被用在FEDs中。近 來’已研發出奈米碳管（carbon nanotube，CNT)發射尖 端。可在低電位下自CNTs中釋放出電子，因此，CNTs已 成為一較佳的發射尖端材料。

雖然已有多種技術被開發出來用以形成CNTs，但尚未 有人能成功地在大型基板上形成CNTs。大型基板上任一溫 度及處理條件的變異將導致所形成的CNTs具有不同性 質，例如發射尖端的寬度、長度及形狀不一，因此將無法 使大型基板上的影像維持均一性。 因此’亟需研發一種可在大型基板上沉積奈米碳管的 方法。 【發明内容】 本發明實施例大致提供一種處理基板的方法，包括電 漿處理一基板上的過渡金屬層圖案，及在介於約斗⑽它至 • 45〇°C間的基板溫度下，沉積奈米石炭管在該經電漿處理的過 渡金屬層。該等奈米碳管係以熱式化學氣相沉積製程於沒 - 有電漿或RF電力下沉積而成的。 在一實施例中，一過渡金屬層係被沉積在一基板上， 再經過圖案化及電襞處理。在介於約400。(：至45(rc間的基 板溫度下，沉積奈米碳管在該經電聚處理過的過渡金屬層 上。 在-更進-步的實施例中，一過渡金屬層係被沉積在 4

200535274 一基板上，再經過約1千瓦至約2千瓦 處理。在介於約400 °C至450 °C間的基相 碳管在該經電漿處理過的過渡金屬層上 在另一實施例中，一過渡金屬層1 上，再經過包含氬氣或是由氛氣與氫氣 的電漿處理。在介於約400 °C至450 °C間 積奈米碳管在該經電漿處理過的過渡金> 在另一實施例中，本發明提供一製 程室主體，一基板支柱、一 RF電源其係 以電漿處理一位在該基板支柱上的基板 管其係設計來引入包含一碳氫化物在内 程室主體中，其中該基板支柱係適以在 基板上過渡金屬層圖案上的期間，加赛 400°C至450°C間的溫度。 【實施方式】 φ 本發明實施例包括在一基板上沉苹 該等奈米碳管係以熱式、非電漿增強、 法進行沉積，其中該基板溫度係維持在 〇c間。 - 可用來彡几積| Φ > Jki π水碳管之一製程順/ 圖中，並將詳述於 ' 於下。如步驟200所j 出一過渡金屬層。 於步驟2 0 2中，將士 案化。在步驟2 (U占 ϋ ” U4中，對該過渡金屬/ ▲的RF電力的電漿 :溫度下，沉積奈米 〇 漆被沉積在一基板 組成織混合物氣體 的基板溫度下，沉 屬層上。 程室’其包含一製 :適以提供RF電力 ，及一氣體入口歧 之一混合物到該製 沉積奈米碳管至一 也該基板至介於約 奈米碳管的方法。 學氣相沉積（CVD丨 ‘於約400°C至450 的實例總結於第2 ，在一基板上沉積 過渡金屬層加以圖 施以電聚處理。並 5

200535274 如步驟2 0 6所示，於介於約4 0 0 °C至4 5 0 °C間的 下，將奈米碳管沉積在該經過電漿處理的過渡金 該沉積有奈米碳管的基板一般來說是一玻璃 基板面積至少約1 73,900平方毫米（即，3 70毫米 米之基板），或甚至是大於約671，600平方毫米的 730毫米X 920毫米之基板）。在一態樣中，該基 於約173,900平方毫米至約671，600平方毫米間 金屬層包含一種過渡金屬，例如鎳、鉻、鐵、鈷 合。該過渡金屬層可以任何一種製程來進行沉積 學氣相沉積（CVD)、物理氣相沉積（pvd)、電化學 之組合等。較佳是，以諸如PVD之類的濺鍍製程 該過渡金屬層。舉例來說，可在低於約2 〇 〇 °C及 托界至1 X 1 0 6托耳間的壓力下，以氬氣濺鑛諸如 鐵之類的過渡金屬的方式，來沉積出該過渡金屬 渡金屬層可作為一用以於其上形成奈米碳管的催 層。該過渡金屬層厚度約為1〇人至約2〇〇入間。 積的過渡金屬層厚度較薄，則奈米碳管將具有較Λ 在一實施例中，在對該過渡金屬層施以電漿 先將其圖案化。可以習知的微影蝕刻技術來將該 層加以圖案化。第3圖示出一結構3 〇〇的例子， 圖案化的過渡金屬層。結構300包括一基板301 一過渡金屬層302。該過渡金屬層係被圖案化以 3〇1上形成該過渡金屬層302的隔絕區306。該過 3 02的隔絕區3 06可作為奈米碳管3〇8的成核位 基板溫度 屬層上。 基板。該 X 470 毫 基板（即， 板面積介 。該過渡 或其之組 ，包括化 製程或其 來沉積出 約 1 X 1 0- 5 鈷、鎳或 層。該過 化性種晶 如果所沉 丨、的直徑。 處理前， 過渡金屬 其包括一 及其上的 在該基板 渡金屬層 置。藉由 6 200535274 形成該過渡金屬層 可在該過渡金屬層 302的隔絕區306 302上形成作為發射尖端#奈米碳管隔、絕區。卜上方基 板的填可與該奈米石反管隔絕區域對齊以形成—如第1圖所 示的 該隔絕區可作為顯示器中的像素或次-像素點。

較佳疋，在對該基板施以電漿處理前先將其加熱。舉 例來說，基板可被加熱到約4〇(rc至約45(rc的溫度約ι 至約5刀鐘。之後，電漿處理該基板。該基板可在同一製 程室或不同製程室中進行電漿處理。胃電漿可包括氬氣或 -由氮氣和氫氣組成的混合物。一般相信，氬氣電漿及氮 氣/氫氣電漿處理基板係藉由物理性轟擊達成。較佳是該 電漿包括或是一種氬氣電漿，因為當一氬氣電漿處理係在 適當的電漿處理條件下施加時（例如，丨5-2千瓦電力處 理3 70毫米X 470毫米之基板約1〇分鐘），可形成較小直 徑的奈米碳管。可在内含一 400毫米x 500毫米基板的製 程室中使用一約500 sccm至約2〇〇〇 sccm間的氬氣流。可 調整氣流速率以適用不同體積的製程室。電漿處理可在 AKT 1600 PECVD製程室中（美商應用材料公司出品），於 基板溫度約400°C至約450°C下，以約】千瓦至約2千瓦 R F電力、約5 0 0至約1 〇 〇密耳間距下，實施約2分鐘至約 1 0分鐘。 該電漿處理會在該過渡金屬層上產生成核位置或種 晶，用以低溫沉積奈米碳管。可藉由調整電漿處理的製程 條件來調整該成核位置的直徑，亦即，該奈米碳管的直徑。 舉例來說，在電漿處理期間提高電力密度和/或提高電裝處 7 200535274 理的期間，均可降低該等奈米碳管的直徑。

在過渡金屬層被電漿處理後，即可沉積該等奈米碳 管’於該過渡金屬層上。該等奈米碳管係以熱式、非電漿 增強CVD製程，在約400°C至約450 °C的基板溫度下，較 佳是約400 °C至約43 (rc的基板溫度下沉積而成。該等奈米 碳管係在沒有RF電力下沉積。該等奈米碳管可在約4托 耳至約8托耳壓力下沉積。該等奈米碳管係由包含 < 碳氫 化物的混合物中沉積而成。舉例來說，可使用乙炔、曱烷、 乙烯或其之組合物作為該碳氫化物。該混合物也可包括一 氮源，例如氨（NH3)、氮（n2)或其之組合，·及一載體氣流， 例如氫氣、氬氣或氦氣。較佳是，該碳氫化物與載體氣流 與氮源間的比例在約1 ·· 0.5-1 : 1-3。 在一較佳實施例中，以一由C2H2、H2及NH3組成的 氣體混合物來沉積該等奈米碳管。對一用來處理3 7 0毫米 X 470毫米之基板的製程室來說，可使用流速約1〇〇 seem 至約300 seem間的C2H2流、流速約50 seem至約300 seem 間的H2流、及流速約100 seem至約900 seem間的NH3 流。可依據所使用製程室種類來調整流速。 可用來電漿處理該過渡金屬層並沉積奈米碳管於其上 的製程室設備的例子繪示於第4圖。設備400包含一製程 室主體412,其具有一頂牆414,該頂牆414具有一開口貫 穿其中且有一可作為氣體入口歧管之第一電極416位於該 開口内。或者，該頂牆41 4也可以是實心的，而電極4 j 6 係位於該頂牆414的内表面上。位在該製程室主體412中 8 200535274 的還有一承載器418，其係以一基板支撐平台的形式存在 並延伸平行於該第一電極416。該承載器418係由鋁製成， 其上並鍍有一層氧化鋁。該承載器4 1 8係被接地使得其可 作為依第^一電極之用。該承載器4 1 8也包括一加熱元件（未 示出），可在不施加RF電力到電極的情況下來加熱基板。 該承載器418係架設在一傳動軸420的端部，該傳動軸420 係可垂直延伸穿過該製程室主體412的一底牆422 ^該傳 動軸420係可垂直移動使得該承載器418可垂直地朝向或 遠離該第一電極416。一在該承載器418與該製程室主體 412的底腾422間水平延伸的發射板424係與該承載器418 實質平行。發射銷426係自該發射板424開始垂直往上突 起。該專發射銷426位置的選擇係使其能延伸穿過該承載 器418中的孔洞428，且其長度較該承載器418的厚度稍 微長一些。圖上雖只示出兩個發射銷426，但事實上可有 更多發射銷426環繞在該發射板424周圍。 一氣體出口 430係延伸穿過該製程室主體412的一側 壁432且係被連接到一種可將該製程室主體412抽真空的 構件上（未示出）。一或多個氣體進入管線442a、442b係延 伸穿過該製程室主體412的該第一電極416，且經由一氣 體交換網路（未示出）而被連接至各種氣體源（未示出）。經 過該一或多個氣體進入管線442a、442b而進入製程室的氣 體，通過該製程室主體412上方部分中的氣體喷頭444或 擴散板中的孔洞440。該第一電極416係被連接到一 RF 電源436上。典型會提供一移送板（未示出）以運送基板通 9 200535274 過負載鎖定門（未示出）而進入該製程室主體412並到 承載器418，且可用以從該製程室主體412移除已完 層的基板。 在該製程室400操作過程中，先將一基板43 8加 該製程室主體412中並以移送板（未示出）將其置放在 載器418上。該基板438的大小可超過該承載器418 孔洞428。該承載器418藉由往上移動該傳動轴42〇 發射銷426不會延伸穿過該等孔洞428且該承載器4 基板438仍與該第一電極非常靠近的方式，而將該基相 舉離該等發射銷426。可視所使用製程氣體種類或其 物種類以及所得膜層的欲求性質，來最佳化該電極間 基板表面與該第一電極416放電表面間的距離。 一類似第4圖所繪示並描述的製程室的實例係 1 600 PECVD製程室，其係美商應用材料公司的產品 AKT 1 60 0 PECVD製程室的體積約為48公升且可用來 一 370毫米χ470毫米之基板。 上述提供了用來沉積該等奈米碳管之能進行電漿 CVD製程的CVD製程室’但亦可使用習知一不具備 強化能力的CVD製程室來進行沉積，此時，該等奈米 即係經由一熱式、非電漿強化製程進行沉積。 以下將藉由實施例進一步闡述本發明。 實施例 在一 370毫米χ 470毫米之基板上沉積一層厚約 達該 成塗 載至 該承 中的 使得 [8與 .438 前趨 距或 ΑΚΤ 〇該 處理 強化 電漿 碳管 1 00人 10 200535274

的鎳層，並以微影蝕刻製程加以圖案化。之後，將該基板 置於AKT 1 6 00 PECVD製程室中並加熱到 420°C約 5分 鐘。將製程室中的RF電力打開，在700 seem流速的氬氣、 2千瓦13.5 6 MHz之RF電力、及間距100密耳下，以氬氣 電漿處理基板5分鐘。之後，關閉RF電力。引入流速約 200 seem的乙炔、流速約150 seem的氫氣及流速約100 seem的氨氣至製程室中。在約420°C的溫度下及約4拢耳 的壓力下，沉積該等奈米碳管。該等奈米碳管的沉積時間 約1 0分鐘。可獲得約2微米厚之直徑約1 0奈米的奈米碳 管。 依據所述實施例沉積而成的該等奈米碳管的 TEM照 片顯示所沉積出的該等奈米碳管係排列整齊、且方向對準 的奈米碳管，適用於FED s。一般相信電漿處理該過度金屬 層可在該過度金屬層上創造出可用來形成具方向性之奈米 碳管的成核位置。 此外，沉積奈米碳管時所用的約400°C至約45 0°C間的 低基板溫度也是本發明實施例的另一項優點。一般相信至 少約40 0 °C的基板溫度有助於生成可用於FEDs之奈米碳 管。一般也相信約 450 °C或更低的基板溫度可減少對基板 的傷害。許多用來沉積奈米碳管的先前技藝多使用超過 950 °C的基板溫度或沉積時需要電漿存在。欲均一性的加熱 一大型基板至高溫並不容易，此外，高溫還可能傷害該基 板上的沉積層或結構，而且要在一大型基板表面上創造出 一均一電漿也很困難。 11 200535274 因此，本 發明 提 供 一 種 用來 在 一基 板 上 沉 積 的的 改良方法 〇 雖然本發 明已 用 1本發明之實；ί 被 明 確 地 明， 但熟習此 技藝 者 將 可 瞭 解的 是 上述 在 形 式 及 其它 形式與細 節上 的 改 變 可 在不 偏 離本 發 明 的 範 下被 達成。因 此， 本 發 明 並 不侷 限 於所 示 及 所 說 形式 與細節， 而是 落 在 由 以 下的 中 請專 利 範 圍 所 圍内 〇 【圖 式簡單說 明】 第1圖繪 示出 一 先 前 技 藝之 FED的 截 面 示 意 第2圖繪 示出 依 據 本發 明一 實 施例 的 步 驟 第3圖繪 示出 依 據 本 發 明一 實 施例 加 以 處 理 截面 不意圖， 及 第4圖繪 示出 一 可 用 來 實施 所 述實 施 例 之 .— 截面 示意圖。 【主 要元件符 號說 明 ] 100 場發射元件 101 、 301 基 板 102 導電層 104 介電 層 106 金屬閘極層 108 發射 尖 端 區 域 110 磷 112 導電 層 114 上方基板 300 結構 302 過渡 金 屬 層 12 200535274

306 隔絕區 308 奈米碳管 400 製程室設備 412 製程室主體 414 頂牆 416 電極 418 承載器 420 傳動軸 422 底牆 424 發射板 426 發射銷 428 > 440 孔洞 430 氣體出口 432 側壁 436 RF電源 438 基板 442a 、442b 氣體進入管線 444 氣體喷頭

13

Claims (1)

1. 200535274 拾、申請專利範圍： 1. 一種處理一具有圖案化之過渡金屬層的基板的方 法，其至少包含： 電漿處理該圖案化之過渡金屬層；及之後 在約40 0 °C至約45 0°C的基板溫度下，沉積多個奈米碳 管於該圖案化之過渡金屬層上。

   2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該具有圖 案化之過渡金屬層的基板係由包括以下的方法所製成； 沉積一過渡金屬層至該基板上；及 圖案化該過渡金屬層。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該等奈米 碳管係在沒有RF電力下所沉積而成的。 4.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該電漿處 理步驟可在該圖案化之過渡金屬層上產生生成奈米碳管用 的成核位置。 5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該圖案化 過渡金屬層的步驟包含一微影蝕刻製程。 6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包含在電漿 處理前加熱該基板的步驟。 14 200535274 7.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基板是 一面積至少約173,900平方毫米的玻璃基板。 8.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基板溫 度係介於約400°C至約43 0°C間。

   9.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該過渡金 屬層包含一選自由鎳、鉻、鐵、鈷及其之組合所構成群組 中的材料。 10.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該等奈米 碳管係由一包含乙炔、氫氣及氨氣的混合物中所沉積而成。 11. 一種處理一基板的方法，包含： 沉積一過渡金屬層至該基板上； 以一電漿處理該過渡金屬層，該電漿包含氬氣或一由氮 氣及氫氣組成之混合物；及 在約40 0 °c至約45 0°c的基板溫度下，沉積多個奈米碳 管於該經過電漿處理的過渡金屬層上。 12.如如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該等奈 米碳管係在沒有RF電力下所沉積而成的。 15 200535274 13.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該電漿包 含氬氣。 1 4.如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含以一微 影蝕刻製程來圖案化該過渡金屬層。

   15.如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含在電漿 處理前加熱該基板的步驟。 16.如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該基板是 一面積至少約1 73,900平方毫米的玻璃基板。 17. —種處理一基板的方法，包含： 沉積一過渡金屬層至該基板上； 圖案化該過渡金屬層； 以一介於約1千瓦至約2千瓦的RF電力處理該過渡金 屬層；及 在約40 0°C至約45 0°C的基板溫度下，沉積多個奈米碳 管於該經過電漿處理的過渡金屬層上。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之方法，其中該等奈米 碳管係在沒有RF電力的情況下沉積而成的。 19.如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該電漿包 16 200535274 含氬氣或一由氮氣及氫氣組成之混合物。 漿包 2 0.如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該電 含氬氣。 21. —種製程室，包含： 一製程室主體；

   一基板支柱； 在該 在内 以在 的期 一 RF電源，其係適以提供RF電力以電漿處理位 基板支柱上的一基板； 一氣體入口歧管，其係設計來引入包含一碳氫化物 之一混合物到該製程室主體中，其中該基板支柱係適 沉積奈米碳管至該基板上經骨案化的過渡金屬層上 間，加熱該基板至一介於約400°C至450°C間的溫度。

   17