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一種金剛石膜平面場發(fā)射陰極及其制作方法

文檔序號:2972149閱讀:185來源:國知局
專利名稱:一種金剛石膜平面場發(fā)射陰極及其制作方法
技術領域
本發(fā)明屬一種場發(fā)射陰極,特別涉及一種包含金屬硅化物(如CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等)過渡層和金剛石薄膜,用于平板顯示領域應用的平面場發(fā)射陰極及制作方法。
背景技術
現(xiàn)有技術制作的金剛石膜平面場發(fā)射陰極是采用摻雜或非摻雜金剛石薄膜材料,以金屬或單晶硅為襯底,在其上生長一層金剛石膜,并在襯底另一面設置測量電極,利用金剛石膜的寬禁帶和電負性等優(yōu)異的理化性能來制作場發(fā)射陰極,在外加電場的作用下,實現(xiàn)金剛石膜表面的電子發(fā)射。其中在硅上制作的金剛石膜平面陰極由于其工藝簡單、成本低,晶格常數(shù)與硅匹配和便于與目前的半導體工藝兼容而被普遍看好。如對比文獻1,“離子注入金剛石的電子發(fā)射”(electron fieldemission from ion-implanted diamond),載于《Applied Physics Letter》1995,Vol.67,No.81157-1159上所公開這種金剛石膜平面陰極的結構如圖1所示,在硅襯底2的一面上生長金剛石膜1,在硅襯底的另一面上沉積金屬測量電極3,通過B、Na或C離子注入金剛石膜內所誘導的缺陷,傳輸電子,實現(xiàn)在外加電場的作用下電子從金剛石膜表面的發(fā)射。還有一種非摻雜或注入的金剛石膜場發(fā)射陰極,利用薄膜生長過程中控制金剛石與非金剛石的成分,實現(xiàn)雜質與缺陷對電子的傳輸。這種結構通常包含大量的雜質和缺陷,而高品質的金剛石膜通常不具備場發(fā)射特性或發(fā)射特性很差。上述結構由于硅與金剛石膜間的界面態(tài)的存在,減少了電子的注入效率,使發(fā)射閾值和電流密度較低,同時雜質和缺陷起主要作用的場發(fā)射陰極造成發(fā)射的穩(wěn)定性和一致性較差等缺陷。
因此目前在硅襯底上制作的金剛石薄膜平板陰極普遍存在場發(fā)射電流密度低,發(fā)射點不均勻,穩(wěn)定性和一致性差等缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服已有的金剛石膜平面陰極的發(fā)射閾值和電流密度低、發(fā)射性能不穩(wěn)定、一致性差和受環(huán)境溫度影響大的缺陷;而提供一種包含金屬硅化物(如CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等)過渡層和金剛石薄膜的、具有低發(fā)射閾值、高發(fā)射電流密度和高穩(wěn)定性的、以及一致性好的用于平板顯示領域的金剛石膜平面冷陰極結構及其制作方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的金剛石膜平面場發(fā)射陰極包括一襯底2,在襯底2的一面上蒸鍍金屬作為測量電極3,測量引線連接在其上;在襯底2的另一面上有一層金剛石膜層1;其特征在于還包括一具有金屬硅化物過渡層4,該金屬硅化物過渡層位于襯底2與金剛石膜層1之間。
所述的襯底包括單晶硅或金屬Mo、W、Ni、白金等各種金屬。
所述的金屬硅化物過渡層厚度在5-100納米;該金屬硅化物包括CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等。
所述的金剛石膜層包括高取向的金剛石膜、含有非晶碳、石墨、非金剛石成分的金剛石膜或類金剛石膜所述的金剛石膜厚度至少應在500納米,最厚可到100微米,為連續(xù)膜(不含有空洞的膜)。
本發(fā)明提供的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制作方法,包括以下步驟(1)先在襯底一個面上制作金屬硅化物過渡層取一經(jīng)常規(guī)半導體工藝清洗的襯底材料,在其一個面上采用分子束外延,反應濺射或離子注入等傳統(tǒng)方法生長金屬硅化物過渡層,要求所生長的金屬硅化物過渡層厚度在5-100納米,厚度應嚴格控制在電子的平均自由程以內,通常在100納米以下;其電阻率應在100微歐厘米以下,薄膜致密、沒有空洞的連續(xù)膜;其中采用分子束外延方法生長CoSi2生長條件使用含有Si和Co的氣體為源,選用Si(001)為襯底,氣壓為(1-9)×10-9Toor,襯底溫度為400-600度,生長時間為5-15分鐘,得到厚度為10-100nm的高質量外延生長的CoSi2(2)金屬硅化物上生長金剛石薄膜層可采用各種傳統(tǒng)方法生長金剛石薄膜。由于金屬硅化物上很難直接生長金剛石膜,通常要在偏壓下成核,再生長金剛石膜;其中具體條件為A.成核條件在常規(guī)的化學氣相沉積設備上進行,其中工藝條件為施加負偏壓在60-200V范圍內,甲烷/氫氣混合比例為(2-20)∶100體積比;襯底溫度在600-900℃范圍內,反應壓力為5-60mbar,成核時間為15-30分鐘,所獲得的成核密度應在107-1011/cm2;B.具體金剛石膜生長條件為成核后金剛石膜的生長采用常規(guī)的方法,其生長條件如下偏壓為零,甲烷/氫氣混合比例為(0.1-10)∶100體積比,襯底溫度在600-900℃范圍內,反應壓力為5-60mbar,生長時間由所需金剛石膜厚度決定;對膜的厚度也沒有嚴格要求,只要形成了連續(xù)膜,厚度可以從幾百納米到幾十微米均可;上述條件為生長金剛石膜的較好條件,實際上并非很嚴格,只要能生長出金剛石薄膜即可,可以是高質量的膜,也可以是含有一定量的非金剛石成分的膜;(3)作金屬電極可采用濺射或蒸鍍的方法沉積300-1000nm厚的Au在襯底的另一面上作為電極;為了獲得Au與硅較好的歐姆接觸,還包括先在硅襯底的另一面上沉積30-100nm的金屬Ni,然后再沉積300-1000nm厚的Au在金屬Ni上作為電極。
其中步驟(1)中采用濺射方法生長TiSi2生長條件使用Si和Ti靶,選用Si(001)為襯底,氣壓為(1-9)×10-3Toor,襯底溫度為800-900度,生長時間為5-15分鐘,得到厚度為100-200nm的C54相TiSi2膜;還包括步驟(1)得到的金屬硅化物樣品,在腐蝕液(如1∶1的H2SO4和H2O2溶液)中腐蝕15-30分鐘,可獲得高純金屬硅化物膜。
所述的生長金剛石膜的方法包括采用熱燈絲化學氣相沉積(HFCVD)或微波化學氣相沉積(MWPCVD)方法,或其它任何常規(guī)的金剛石膜生長方法。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1)本發(fā)明提供的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,由于在襯底與金剛石膜之間采用設置一金屬硅化物作為過渡層,提供了電子共振遂穿的兩個界面勢壘,實現(xiàn)高密度的電子注入;是一種全新的與共振遂穿相聯(lián)系的平面場發(fā)射陰極結構。
2)該結構減少襯底中硅與金剛石中碳的相互擴散,從而減少電子在注入過程中的復合,使金剛石表面的電子發(fā)射密度更高。
3)由此制備的金剛石膜平面冷陰極結構具有低發(fā)射閾值(1-2V/μm),高發(fā)射電流密度(0.2-0.5A/cm2),穩(wěn)定一致的發(fā)射特性(2小時內發(fā)射電流變化小于5%),是制作高可靠性平板顯示器的理想陰極,在微電子和信息領域具有廣闊的應用前景。
4)本發(fā)明提供的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制備方法簡單,金屬硅化物和金剛石膜可采用經(jīng)濟、簡便和易操作的濺射和熱燈絲化學氣相沉積方法,平面的發(fā)射結構省去了制作傳統(tǒng)的發(fā)射尖端所涉及的復雜的半導體光刻與腐蝕工藝。


圖1現(xiàn)有技術的金剛石膜平面場發(fā)射陰極結構示意2本發(fā)明的具有金屬硅化物過渡層的金剛石膜平面場發(fā)射陰極結構示意面說明1-金剛石膜層 2-硅襯底3-金屬測量電極4-金屬硅化物膜層具體實施方式
下面結合附圖和制備方法對本發(fā)明的結構進行詳細說明實施例1本實施例的金剛石膜平面場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的N型(001)單晶硅片做襯底2,在襯底2的一面上利用分子束外延方法長有一層50nm厚的金屬硅化物CoSi24,其生長條件為使用含有Si和Co的氣體為源,氣壓為5×10-9Toor,襯底溫度為500度,生長時間為8分鐘。在CoSi2上利用微波等離子體化學氣相沉積方法生長有一層0.5μm厚的金剛石膜1,其生長條件為首先金剛石成核,施加負偏壓為-140V,甲烷/氫氣混合比例為10∶100體積比;襯底溫度為700℃,反應壓力為30mbar,微波功率為1000W,成核時間為17分鐘;其次,金剛石膜生長,偏壓為零,甲烷/氫氣混合比例為2∶100體積比,生長時間為2小時,其它與成核工藝條件相同。其襯底2的另一面利用濺射方法沉積Au/Ni電極3,其中先濺射一層厚50nmNi層;然后,再濺射一層厚600nm的復合金屬電極,其濺射條件為,濺射功率100W,壓力5×10-3Toor,襯底溫度200度,時間Au為10分鐘,Ni為3分鐘。
實施例2本實施例的平面金剛石膜場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的金屬Mo做襯底2,在襯底2的一面上利用反應濺射方法長有一層80nm厚的金屬硅化物TiSi24,生長條件為襯底溫度為850度,硅靶濺射功率為200W,Ti靶濺射功率為80W,Ar的流量為20sccm,壓力為1×10-2Toor,濺射時間為10分鐘,濺射后取出樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蝕30分鐘,可獲得高純C54相的TiSi2膜。在TiSi2上利用熱燈絲化學氣相沉積方法長有一層1μm厚的金剛石膜1,其生長條件為首先金剛石成核,燈絲溫度為2000度,施加負偏壓為-120V,甲烷/氫氣混合比例為10∶100體積比;襯底溫度為650℃,壓力為30mbar,成核時間為15分鐘;其次,金剛石膜生長,偏壓為零,甲烷/氫氣混合比例為2∶100體積比,生長時間為2小時,其它與成核條件相同。其襯底2的另一面利用真空蒸鍍方法沉積Au/Ni電極3,Ni的厚度為50nm,Au厚800nm,蒸鍍條件為,燈絲溫度2000度,壓力5×10-5Toor,襯底溫度200度。
實施例3本實施例的平面金剛石膜場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的N型(001)單晶硅片做襯底2,在襯底2的一面上利用離子注入和退火方法長有一層60nm厚的金屬硅化物FeSi24,生長條件襯底溫度為350度,F(xiàn)e+注入能量為200KV,計量為2×1017/cm2,1000度退火時間20秒后取出樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蝕30分鐘,可獲得高純FeSi2膜。在FeSi2上利用熱燈絲化學氣相沉積方法長有一層1μm厚的金剛石膜1,其生長條件與實施例2相同。其襯底2的另一面利用真空蒸鍍方法沉積Au/Ni電極3,Ni的厚度為50nm,Au厚800nm,蒸鍍條件與實施例2相同。
實施例4本實施例的平面金剛石膜場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的N型(001)單晶硅片做襯底2,在襯底2的一面上利用反應濺射方法長有一層80nm厚的金屬硅化物MoSi24,生長條件為襯底溫度為900度,硅靶濺射功率為300W,Mo靶濺射功率為100W,Ar的流量為20sccm,壓力為1×10-2Toor,濺射時間為10分鐘,濺射后取出樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蝕30分鐘,可獲得高純的MoSi2膜。在MoSi2上利用熱燈絲化學氣相沉積方法長有一層1μm厚的金剛石膜1,其生長條件與實施例2相同。其襯底2的另一面利用真空蒸鍍方法沉積Au/Ni電極3,Ni的厚度為50nm,Au厚800nm,蒸鍍條件與實施例2相同。
實施例5本實施例的平面金剛石膜場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的N型(001)單晶硅片做襯底2,在襯底2的一面上利用離子注入和退火方法長有一層50nm厚的金屬硅化物TaSi24,生長條件襯底溫度為400度,Ta+注入能量為250KV,計量為3×1017/cm2,1000度退火時間30秒后取出樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蝕30分鐘,可獲得高純TaSi2膜。在TaSi2上利用熱燈絲化學氣相沉積方法長有一層1μm厚的金剛石膜1,其生長條件與實施例2相同。其襯底2的另一面利用真空蒸鍍方法沉積Au/Ni電極3,Ni的厚度為50nm,Au厚800nm,蒸鍍條件與實施例2相同。
實施例6本實施例的平面金剛石膜場發(fā)射陰極具體結構參見圖2,以拋光的N型(001)單晶硅片做襯底2,在襯底2的一面上利用離子注入和退火方法長有一層40nm厚的金屬硅化物WSi24,生長條件襯底溫度為300度,W+注入能量為180KV,計量為1×1017/cm2,1000度退火時間20秒后取出樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蝕20分鐘,可獲得高純WSi2膜。在WSi2上利用熱燈絲化學氣相沉積方法長有一層1μm厚的金剛石膜1,其生長條件與實施例2相同。其襯底2的另一面利用真空蒸鍍方法沉積Au/Ni電極3,Ni的厚度為50nm,Au厚800nm,蒸鍍條件與實施例2相同。
權利要求
1.一種金剛石膜平面場發(fā)射陰極包括一襯底2,在襯底2的一面上蒸鍍金屬測量電極3,測量引線連接在其上;在襯底2的另一面上有一層金剛石膜層1;其特征在于還包括一具有金屬硅化物過渡層4,該金屬硅化物過渡層位于襯底2與金剛石膜層1之間。
2.按權利要求1所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,其特征在于所述的襯底包括單晶硅或金屬Mo、W、Ni、白金各種金屬。
3.按權利要求1所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,其特征在于所述的金屬硅化物過渡層厚度在5-100納米;該金屬硅化物包括CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2。
4.按權利要求1所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,其特征在于所述的金剛石膜層包括高取向的金剛石膜、含有非晶碳、石墨、非金剛石成分的金剛石膜或類金剛石膜。
5.按權利要求1所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,其特征在于所述的金剛石膜厚度在500納米-100微米,為連續(xù)膜。
6.一種制備權利要求1所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的方法,其特征在于包括以下步驟(1)先在襯底一個面上制作金屬硅化物過渡層取一經(jīng)常規(guī)半導體工藝清洗的襯底材料,在其一個面上采用傳統(tǒng)方法生長金屬硅化物過渡層,該薄膜為沒有空洞的連續(xù)膜;其厚度在5-100納米;其電阻率在100微歐厘米以下;(2)采用傳統(tǒng)方法在步驟(1)生長的金屬硅化物過渡層上生長金剛石薄膜通常要在偏壓下成核,再生長金剛石膜;其中具體偏壓下成核條件為A.核條件在常規(guī)的化學氣相沉積設備上進行,其中工藝條件為施加負偏壓在60-200V范圍內,甲烷/氫氣混合比例為(2-20)∶100體積比;襯底溫度在600-900℃范圍內,反應壓力為5-60mbar,成核時間為15-30分鐘,所獲得的成核密度應在107-1011/cm2;B.具體金剛石膜生長條件為成核后金剛石膜的生長采用常規(guī)的方法,其生長條件如下偏壓為零,甲烷/氫氣混合比例為(0.1-10)∶100體積比,襯底溫度在600-900℃范圍內,反應壓力為5-60mbar,生長時間由所需金剛石膜厚度決定;(3)作金屬電極可采用濺射或蒸鍍的方法沉積300-1000nm厚的Au膜在襯底的另一面上作為電極。
7.按權利要求6所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制備方法,其特征在于所述的生長金屬硅化物過渡層的采用傳統(tǒng)方法,包括分子束外延,反應濺射或離子注入方法;所述的生長金剛石膜的方法包括采用熱燈絲化學氣相沉積或微波化學氣相沉積方法,或其它常規(guī)的金剛石膜生長方法。
8.按權利要求6所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制備方法,其特征在于還包括以下步驟先在硅襯底的另一面上沉積30-100nm的金屬Ni層,然后再沉積300-1000nm厚的Au層在金屬Ni層上作為電極。
9.按權利要求6或8所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制備方法,其特征在于還包括在步驟B濺射后得到的金剛石膜樣品,在1∶1的H2SO4和H2O2溶液中腐蝕30分鐘。
10.按權利要求6所述的金剛石膜平面場發(fā)射陰極的制備方法,其特征在于所述的采用分子束外延方法生長CoSi2生長條件使用含有Si和Co的氣體為源,選用Si(001)為襯底,氣壓為(1-9)×10-9Toor,襯底溫度為400-600度,生長時間為5-15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬一種用于平板顯示領域應用的金剛石膜平面場發(fā)射陰極及制作方法。該陰極包括一襯底,在襯底的一面上蒸鍍金屬測量電極,測量引線連接在其上;在襯底的另一面上有一層金剛石膜層;一金屬硅化物過渡層位于襯底與金剛石膜層之間。其制作方法包括先在襯底一個面上制作金屬硅化物過渡層;然后在金屬硅化物上采用各種傳統(tǒng)方法生長金剛石薄膜,由于金屬硅化物上很難直接生長金剛石膜,通常要在偏壓下成核,再生長金剛石膜;在襯底的另一面上采用濺射或蒸鍍的方法沉積300-1000nm厚的Au電極。本發(fā)明的金剛石膜平面場發(fā)射陰極,由于在襯底與金剛石膜之間設置一金屬硅化物過渡層,提供了電子共振遂穿的兩個界面勢壘,實現(xiàn)高密度的電子注入。該制作方法易于推廣。
文檔編號H01J9/02GK1567506SQ03149189
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權日2003年6月20日
發(fā)明者顧長志, 岳雙林, 竇艷 申請人:中國科學院物理研究所
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