专利名称：场发射结构及其制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种场发射结构及其制造方法，且特别是有关于一种有效降低屏蔽效应(screen effect)的场发射结构及其制造方法。
背景技术：
随着科技的进步，体积庞大的阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)显示器已经渐渐地走入历史。因此，场发射显示器(Field Emission Display，FED)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、等离子显示器(Plasma Display Panel，PDP)等平面显示器则逐渐地成为未来显示器的主流。以场发射显示器为例，由于场发射显示器具有较短的光学反应时间(Optical Response Time)，因此几乎不会产生残影。亦即，于液晶显示器与等离子平面显示器相较，场发射显示器具有较高的显示质量。此外，场发射显示器还具有厚度薄、重量轻、视角广、亮度高、工作温度范围较大以及省能源等优点，因此场发射显示器已经逐渐受到全球业者的瞩目。常见的场发射源包括零维的纳米点(nano-dot)、一维的纳米线或碳纳米管、二维的纳米片状体(nano-flake)、三维的纳米尖锥(nano-tip)。除了场发射源的材料功函数 (work function)之外，场发射增强因子(field enhancement factor)亦是决定场发射源的场发射特性的另外一项重要因素。通常，一维的纳米线或碳纳米管具有较佳的场发射增强因子，因为纳米线或碳纳米管具有较小的曲率半径以及较大的长宽比。适当地控制纳米线或碳纳米管的密度可以有效地抑制屏蔽效应，而目前已有现有技术透过控制触媒层的厚度、控制碳源、氢气、氨气的浓度比例，或是透过选择性成长 (selective growth)的方式来控制碳纳米管的密度。然而，上述的方法仍然无法十分有效地控制所成长的纳米碳管的密度。此外，前述的选择性成长仅能够于小面积上成长碳纳米管，无法于大面积上成长碳纳米管。承上述，如何在大面积上成长纳米碳管，并且有效地控制纳米碳管的密度，实为目前场发射领域所面临的问题之一。
发明内容
本发明提供一种场发射结构及其制造方法，以有效地控制碳纳米管的成长密度， 进而降低屏蔽效应。本发明提供一种场发射结构，其包括一基板、一纳米尖锥、一触媒层以及多个碳纳米管。纳米尖锥包括一配置于基板上的底部分(bottom portion)以及一位于底部分上方的尖端部分(tip portion) 0触媒层覆盖纳米尖锥，而碳纳米管位于尖端部分的表面上。在本发明的一实施例中，前述的纳米尖锥为一角锥状纳米尖锥或一圆锥状纳米尖锥。在本发明的一实施例中，前述的纳米尖锥的底部分为圆柱体或多边形柱体，而尖端部分为圆锥体或角锥体。
在本发明的一实施例中，前述的碳纳米管贯穿触媒层，且暴露于触媒层外。在本发明的一实施例中，前述的底部分的材质包括半导体材料，而尖端部分的材质包括金属或氮化钛(TiNx)。
在本发明的一实施例中，前述的半导体材料例如为硅，而前述的金属例如为钛 (Ti)或钽(Ta)。在本发明的一实施例中，前述的触媒层的材质例如为铁、钴或镍。在本发明的一实施例中，前述的场发射结构可进一步包括一图案化介电层以及一栅极，其中图案化介电层配置于基板上，介电层具有一开口以容纳纳米尖锥，而栅极配置于图案化介电层上。在本发明的一实施例中，前述的基板包括一绝缘基材、一电极层、一阻抗层以及一半导体层，其中电极层配置于绝缘基材上，阻抗层配置于电极层上，而半导体层则配置于阻抗层上，且前述的纳米尖锥配置于阻抗层上。在本发明的一实施例中，前述的纳米尖锥可进一步包括一位于尖端部分与底部分之间的中间部分(middle portion)。举例而言，前述的底部分的材质例如为一半导体材料， 中间部分的材质例如为一金属或氮化钛，而尖端部分的材质包括前述的金属的氧化物或氮化钛的氧化物。本发明提供一种场发射结构的制造方法，包括下列步骤于一基板上依序形成一第一材料层与一第二材料层；进行一氧化制程，使第二材料层氧化成一多孔性材料层，并使被多孔性材料层暴露的部分第一材料层氧化为多个纳米点；移除多孔性材料层以暴露出第一材料层以及纳米点；以纳米点为罩幕，移除部分第一材料层以及部分基板以于基板上形成多个纳米尖锥；于各纳米尖锥上形成一触媒层，且此触媒层的厚度例如介于2纳米至70 纳米之间；以及于各纳米尖锥上分别形成多个碳纳米管。在本发明的一实施例中，前述的第一材料层的材质例如为钛、钽或氮化钛，而纳米点的材质例如为氧化钛或氧化钽。在本发明的一实施例中，前述的第二材料层的材质例如为铝。在本发明的一实施例中，前述的第二材料层被氧化后，多孔性材料层具有多个对应于纳米点的针孔(Pin holes)。在本发明的一实施例中，前述的各纳米尖锥分别包括一配置于基板上的底部分、 一位于底部分上方的尖端部分以及一位于尖端部分与底部分之间的中间部分，而在移除部分第一材料层与部分基板以形成纳米尖锥之后，纳米点分别构成尖端部分，未被移除的第一材料层构成中间部分，而未被移除的部分基板构成底部分。在本发明的一实施例中，前述的各纳米尖锥分别包括一配置于基板上的底部分以及一位于底部分上方的尖端部分，而在移除部分第一材料层与部分基板以形成纳米尖锥之后，纳米点完全被移除，未被移除的第一材料层构成尖端部分，而未被移除的部分基板构成底部分。在本发明的一实施例中，前述的场发射结构的制造方法可进一步包括下列步骤 在形成碳纳米管之前，于基板上依序形成一介电材料层与一导电材料层；以及移除部分导电材料层与部分介电材料层，以于基板上形成一栅极与一图案化介电层，其中图案化介电层具有一开口以容纳纳米尖锥，且栅极配置于图案化介电层上。
在本发明的一实施例中，前述的基板例如为一半导体基材。在本发明的一实施例中，前述的基板包括一绝缘基材、一电极层、一阻抗层以及一半导体层，其中电极层配置于绝缘基材上，阻抗层配置于电极层上，半导体层配置于阻抗层上，前述的第一材料层形成于半导体层上，而半导体层被部分移除，且未被移除的部分半导体层构成底部分。为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合附图，作详细说明如下。
图IA至图IF为本发明第一实施例的场发射结构的制造方法；图1D’为另一种纳米尖锥的剖面示意
图2A至图2H为本发明第二实施例的场发射结构的制造方法；图3A至图3F为本发明第三实施例的场发射结构的制造方法；图3D’为另一种纳米尖锥的剖面示意图；图4A至图4H为本发明第四实施例的场发射结构的制造方法。其中，附图标记100、100b、100，基板100a、SE，底部分110:第一材料层IlOa:中间部分112:纳米点ll2a、110a，尖端部分120 第二材料层130:多孔性材料层130a 针孔T、T，、T”、T”，纳米尖锥140 触媒层150 碳纳米管160:介电材料层160a:图案化介电层162:开口170:导电材料层170a 栅极S:绝缘基材E 电极层R:阻抗层SE 半导体层
具体实施方式
第一实施例 图IA至图IF为本发明第一实施例的场发射结构的制造方法。请参照图1A，首先， 于一基板100上依序形成一第一材料层110与一第二材料层120。在本实施例中，基板100 例如为一半导体基材，而其材质例如为硅或是其它半导体材料。举例而言，基板100的材质可为低电阻硅(low resistive silicon)。此外，形成于基材100上的第一材料层110例如为钛层、钽层或氮化钛(TiNx)，而形成于第一材料层110上的第二材料层120例如为铝层。 值得注意的是，第二材料层120的材质可以是任何被氧化之后具备多孔特性(porosity)的材质。请参照图1B，进行一氧化制程，以使第二材料层120氧化成一多孔性材料层130。 在本实施例中，前述的氧化制程例如为一阳极氧化制程。在前述的氧化制程进行的过程中，多孔性材料层130中会形成多个针孔(pin holes) 130a，而这些针孔130a随机且均勻地分布于多孔性材料层130中。分布于多孔性材料层130中的针孔130a会将第一材料层110的部分表面暴露，并且使得针孔130a所暴露出来的第一材料层110被氧化为多个纳米点112。亦即，在前述的氧化制程进行的过程中，纳米点112的形成会晚于多孔性材料层130中针孔130a的形成。值得注意的是，纳米点112 的尺寸、数量以及形成位置取决于多孔性材料层130中的针孔130a的尺寸、数量以及所在位置，本领域技术人员可以透过调整氧化制程的配方来控制针孔130a的尺寸、数量以及所在位置，进而控制纳米点112的尺寸、数量以及形成位置。在本实施例中，纳米点112的材质与第一材料层110相关，当第一材料层110为钛层或氮化钛层时，所形成的纳米点112的材质为氧化钛，当第一材料层110为钽层时，所形成的纳米点112的材质为氧化钽。请参照图1C，移除多孔性材料层130以暴露出第一材料层110以及纳米点112。在本实施例中，移除多孔性材料层130的方法例如为湿蚀刻请参照图1D，以纳米点112为罩幕，移除部分未被纳米点112覆盖的第一材料层 110以及部分基板100以形成多个中间部分IlOa以及多个底部分100a。详言之，在移除部分第一材料层110与部分基板100之后，未被移除的第一材料层110会构成中间部分110a， 而未被移除的部分基板100构成底部分100a。在本实施例中，移除第一材料层110以及基板110的方法例如为干蚀刻。在移除部分第一材料层110以及部分基板100的过程中，纳米点112亦会被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中间部分IlOa以及底部分100a即构成纳米尖锥T，且纳米尖锥T会位于一厚度较薄的基板100b上。在本实施例中，纳米尖锥T例如为一角锥状纳米尖锥或一圆锥状纳米尖锥，纳米尖锥T的底部分100a例如为为圆柱体或多边形柱体，而尖端部分112a例如为圆锥体或角锥体。此外，底部分100a的材质与基板100b同为半导体材料(例如硅)，中间部分IlOa与第一材料层110的材质同为金属(例如钛或钽)或同为氮化钛，而尖端部分112a与纳米点 112的材质同为前述金属的氧化物(例如氧化钛或氧化钽)或同为氮化钛(TiNx)的氧化物 (即氧化钛)。值得注意的是，在其它实施例中(如图1D’所示)，在移除部分第一材料层110以及部分基板100的过程中，纳米点112亦可被完全被移除。此时，未被移除的第一材料层Iio便会构成所谓的尖端部分110a’，而未被移除的部分基板构成所谓的底部分100a，绘示于图1D’中。前述的尖端部分110a’以及底部分100a’即构成纳米尖锥T”，且纳米尖锥Τ” 会位于一厚度较薄的基板IOOb上。详言之，纳米尖锥Τ”的尖端部分110a’的材质例如为金属(如钛或钽)或氮化钛。请参照图1E，于各个纳米尖锥T上形成一触媒 层140。在本实施例中，所使用的触媒层140的材质例如为铁、钴或镍，其中该触媒层140的厚度例如介于2纳米至70纳米。由于底部分100a’的材质为半导体材料，故底部分100a’会与触媒层140反应而形成化合物。举例而言，当底部分100a’的材质为硅，而触媒层140为铁、钴或镍等金属时， 底部分100a’与触媒层140会反应而形成金属硅化物(metal silicide)。此外，由于尖端部分112a的材质例如为氧化钛或氧化钽，故尖端部分112a不易与触媒层140反应而形成化合物。请参照图1F，于各个纳米尖锥T的尖端部分112a上分别形成多个碳纳米管150。 由于底部分IOOa与触媒层140会反应而形成化合物(例如为金属硅化物)，且尖端部分 112a不易与触媒层140反应而形成化合物，因此，尖端部分112a的表面上较容易成长出碳纳米管150，而底部分IOOa的表面上较容易成长出碳纳米管150。换言之，若要在尖端部分 112a的表面成长出碳纳米管150，所需的成长温度较低(约为摄氏200度至摄氏1000度)； 若要在底部分IOOa的表面成长出碳纳米管150，所需的成长温度较高(约为摄氏450度至摄氏1000度)。由上述可知，本实施例仅需透过适当的温度控制，便可选择性地在尖端部分 112a的表面成长出碳纳米管150。同样地，当尖端部分110a’为金属或氮化钛时(如图1D’所绘示)，故尖端部分 IlOa'不易与后续形成的触媒层140反应而形成化合物，故图1D’的尖端部分110a’与图 ID的尖端部分112a具有相同的功能，有助于碳纳米管150的选择性成长。如图IF所示，本实施例的碳纳米管150贯穿触媒层140，且部分暴露于触媒层140 之外。第二实施例图2A至图2H为本发明第二实施例的场发射结构的制造方法。本实施例的图2A 至图2E所绘示的制程与第一实施例的图IA至图IE相同，故于此不再重述。请参照图2F，在形成触媒层140之后，于基板IlOb上依序形成一介电材料层160 与一导电材料层170。由图2F可知，介电材料层160与导电材料层170全面性地覆盖于基板110b、纳米尖锥T与触媒层140上。请参照图2G，移除部分导电材料层170与部分介电材料层160，以于基板IlOb上形成一栅极170a与一图案化介电层160a，其中图案化介电层160a具有一开口 162以容纳纳米尖锥T，且栅极170a配置于图案化介电层160a上。请参照图2H，于各个纳米尖锥T的尖端部分112a上分别形成多个碳纳米管150。 由于底部分IOOa与触媒层140会反应而形成化合物(例如为金属硅化物)，且尖端部分 112a不易与触媒层140反应而形成化合物，因此，尖端部分112a的表面上较容易成长出碳纳米管150，而底部分IOOa的表面上较容易成长出碳纳米管150。换言之，若要在尖端部分 112a的表面成长出碳纳米管150，所需的成长温度较低(约为摄氏200度至摄氏1000度之间)；若要在底部分IOOa的表面成长出碳纳米管150，所需的成长温度较高(约为摄氏450度至摄氏1000度之间)。由上述可知，本实施例仅需透过适当的温度控制，便可选择性地在尖端部分112a的表面成长出碳纳米管150。如图2H所示，本实施例的碳纳米管150贯穿触媒层140，且部分暴露于触媒层140 之外。 第三实施例图3A至图3F为本发明第三实施例的场发射结构的制造方法。请参照图3A至图 3F，本实施例与第一实施例类似，二者主要差异之处在于本实施例所使用的基板100’与第一实施例所使用的基板100不同，故以下仅针对二实施例之差异处进行描述。本实施例所使用的基板100’包括一绝缘基材S、一电极层E、一阻抗层R以及一半导体层SE，其中电极层E配置于绝缘基材S上，阻抗层R配置于电极层E上，半导体层SE配置于阻抗层R上，第一材料层110形成于半导体层SE上。前述的半导体层SE材质可为硅或是其它半导体材料。举例而言，基板100的材质可为低电阻硅。如图3D所示，在以纳米点112为罩幕移除部分未被纳米点112覆盖的第一材料层 110以及部分基板100(即半导体层SE)之后，未被移除的第一材料层110会构成中间部分 110a，而未被移除的半导体层会构成底部分SE’。在移除部分第一材料层110以及部分基板 100的过程中，纳米点112亦会被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中间部分IlOa以及底部分SE’即构成纳米尖锥T’，且纳米尖锥T’会位于基板100’的阻抗层 R上。值得注意的是，在其它实施例中(如图3D’所示)，在移除部分第一材料层110以及部分基板100的过程中，纳米点112亦可被完全被移除。此时，未被移除的第一材料层 110便会构成所谓的尖端部分110a’，而未被移除的半导体层SE构成所谓的底部分SE’，绘示于图3D’中。前述的尖端部分110a’以及底部分SE’即构成纳米尖锥T”’。详言之，纳米尖锥T”’的尖端部分110a’的材质例如为金属或氮化钛。同样地，当尖端部分110a’为金属或氮化钛时(如图3D’所绘示)，故尖端部分 IlOa'不易与后续形成的触媒层140反应而形成化合物，故图3D’的尖端部分110a’与图 3D的尖端部分112a具有相同的功能，有助于碳纳米管150的选择性成长。第四实施例图4A至图4H为本发明第四实施例的场发射结构的制造方法。请参照图4A至图 4H，本实施例与第二实施例类似，二者主要差异之处在于本实施例所使用的基板100’与第二实施例所使用的基板100不同，故以下仅针对二实施例之差异处进行描述。本实施例所使用的基板100’包括一绝缘基材S、一电极层E、一阻抗层R以及一半导体层SE，其中电极层E配置于绝缘基材S上，阻抗层R配置于电极层E上，半导体层SE配置于阻抗层R上，第一材料层110形成于半导体层SE上。前述的半导体层SE材质可为硅或是其它半导体材料。举例而言，基板100的材质可为低电阻硅。如图4D所示，在以纳米点112为罩幕移除部分未被纳米点112覆盖的第一材料层 110以及部分基板100(即半导体层SE)之后，未被移除的第一材料层110会构成中间部分 110a，而未被移除的半导体层会构成底部分SE’。在移除部分第一材料层110以及部分基板 100的过程中，纳米点112亦会被部分移除而形成尖端部分112a。前述的尖端部分112a、中间部分IlOa以及底部分SE’即构成纳米尖锥T’，且纳米尖锥T’会位于基板100’的阻抗层R上。在本发明的上述实施例中，利用纳米点作为罩幕以形成纳米尖锥可以有效地控制碳纳米管的成长密度，进而降低屏蔽效应。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求保护范围所界定者为准。
权利要求
1.一种场发射结构，其特征在于，包括 一基板；
2.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该纳米尖锥为一角锥状纳米尖锥或一圆锥状纳米尖锥。
3.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该纳米尖锥的该底部分为圆柱体或多边形柱体，而该尖端部分为圆锥体或角锥体。
4.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该些碳纳米管贯穿该触媒层，且暴露于该触媒层外。
5.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该底部分的材质包括一半导体材料， 而该尖端部分的材质包括金属或氮化钛。
6.如权利要求5所述的场发射结构，其特征在于，该半导体材料包括硅，而该金属包括钛(Ti)或钽(Ta)。
7.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该触媒层的材质包括铁、钴或镍，且该触媒层的厚度介于约2纳米至70纳米之间。
8.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，更包括一图案化介电层，配置于该基板上，该图案化介电层具有一开口以容纳该纳米尖锥；以及一栅极，配置于该图案化介电层上。
9.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该基板包括 一绝缘基材；一电极层，配置于该绝缘基材上； 一阻抗层，配置于该电极层上；以及一半导体层，配置于该阻抗层上，其中该纳米尖锥配置于该阻抗层上。
10.如权利要求1所述的场发射结构，其特征在于，该纳米尖锥还包括一位于该尖端部分与该底部分之间的中间部分。
11.如权利要求10所述的场发射结构，其特征在于，该底部分的材质包括一半导体材料，该中间部分的材质包括一金属或氮化钛，而该尖端部分的材质包括该金属的氧化物。
12.如权利要求11所述的场发射结构，其特征在于，该半导体材料包括硅，该金属包括钛(Ti)或钽(Ta)，而该金属的氧化物包括氧化钛(TiOx)或氧化钽(TaOx)。
13.—种场发射结构的制造方法，其特征在于，包括 于一基板上依序形成一第一材料层与一第二材料层；进行一氧化制程，使该第二材料层氧化成一多孔性材料层，并使被该多孔性材料层暴露的部分第一材料层氧化为多个纳米点；移除该多孔性材料层以暴露出该第一材料层以及该些纳米点； 以该些纳米点为罩幕，移除部分该第一材料层以及部分该基板以形成多个纳米尖锥； 于各该纳米尖锥上形成一触媒层；以及于各该纳米尖锥上分别形成多个碳纳米管。
14.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，该第一材料层的材质包括钛、钽或氮化钛，而该些纳米点的材质包括氧化钛或氧化钽。
15.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，该第二材料层的材质包括铝。
16.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，该第二材料层被氧化后，该多孔性材料层具有多个对应于该些纳米点的针孔。
17.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，各该纳米尖锥分别包括一配置于该基板上的底部分、一位于该底部分上方的尖端部分以及一位于该尖端部分与该底部分之间的中间部分，而在移除部分该第一材料层与部分该基板以形成该些纳米尖锥之后，该些纳米点分别构成该些尖端部分，未被移除的该第一材料层构成该些中间部分，而未被移除的部分该基板构成该些底部分。
18.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，各该纳米尖锥分别包括一配置于该基板上的底部分以及一位于该底部分上方的尖端部分，而在移除部分该第一材料层与部分该基板以形成该些纳米尖锥之后，该些纳米点完全被移除，未被移除的该第一材料层构成该些尖端部分，而未被移除的部分该基板构成该些底部分。
19.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，还包括在形成该些碳纳米管之前，于该基板上依序形成一介电材料层与一导电材料层；以及移除部分该导电材料层与部分该介电材料层，以于该基板上形成一栅极与一图案化介电层，其中该图案化介电层具有一开口以容纳该纳米尖锥，且该栅极配置于该图案化介电层上。
20.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，该基板包括一半导体基材。
21.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，该基板包括一绝缘基材；一电极层，配置于该绝缘基材上；一阻抗层，配置于该电极层上；以及一半导体层，配置于该阻抗层上，其中该第一材料层形成于该硅层，而该半导体层被部分移除，且未被移除的部分该半导体层构成该些底部分。
22.如权利要求13所述的场发射结构的制造方法，其特征在于，各该纳米尖锥分别包括一配置于该基板上的底部分、一位于该底部分上方的尖端部分，其中于各该纳米尖锥上分别形成多个碳纳米管的步骤中若该些碳纳米管在该些尖端部分的表面成长，则其所需的成长温度约为摄氏200度至摄氏1000度；以及若该些碳纳米管在该些底部分的表面成长，则其所需的成长温度约为摄氏450度至摄氏1000度。
全文摘要
本发明公开了一种场发射结构及其制造方法，该场发射结构包括一基板、一纳米尖锥、一触媒层以及多个碳纳米管。纳米尖锥包括一配置于基板上的底部分、一位于底部分上方的尖端部分以及一位于尖端部分与底部分之间的中间部分。触媒层覆盖纳米尖锥，而碳纳米管位于尖端部分的表面上。
文档编号H01J9/02GK102386041SQ201110329909
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年8月25日
发明者郭志彻, 陈德铭 申请人:友达光电股份有限公司