专利名称：一种金刚石膜平面场发射阴极及其制作方法
技术领域：
本发明属一种场发射阴极，特别涉及一种包含金属硅化物(如CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等)过渡层和金刚石薄膜，用于平板显示领域应用的平面场发射阴极及制作方法。
背景技术：
现有技术制作的金刚石膜平面场发射阴极是采用掺杂或非掺杂金刚石薄膜材料，以金属或单晶硅为衬底，在其上生长一层金刚石膜，并在衬底另一面设置测量电极，利用金刚石膜的宽禁带和电负性等优异的理化性能来制作场发射阴极，在外加电场的作用下，实现金刚石膜表面的电子发射。其中在硅上制作的金刚石膜平面阴极由于其工艺简单、成本低，晶格常数与硅匹配和便于与目前的半导体工艺兼容而被普遍看好。如对比文献1，“离子注入金刚石的电子发射”(electron fieldemission from ion-implanted diamond)，载于《Applied Physics Letter》1995，Vol.67，No.81157-1159上所公开这种金刚石膜平面阴极的结构如图1所示，在硅衬底2的一面上生长金刚石膜1，在硅衬底的另一面上沉积金属测量电极3，通过B、Na或C离子注入金刚石膜内所诱导的缺陷，传输电子，实现在外加电场的作用下电子从金刚石膜表面的发射。还有一种非掺杂或注入的金刚石膜场发射阴极，利用薄膜生长过程中控制金刚石与非金刚石的成分，实现杂质与缺陷对电子的传输。这种结构通常包含大量的杂质和缺陷，而高品质的金刚石膜通常不具备场发射特性或发射特性很差。上述结构由于硅与金刚石膜间的界面态的存在，减少了电子的注入效率，使发射阈值和电流密度较低，同时杂质和缺陷起主要作用的场发射阴极造成发射的稳定性和一致性较差等缺陷。
因此目前在硅衬底上制作的金刚石薄膜平板阴极普遍存在场发射电流密度低，发射点不均匀，稳定性和一致性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的金刚石膜平面阴极的发射阈值和电流密度低、发射性能不稳定、一致性差和受环境温度影响大的缺陷；而提供一种包含金属硅化物(如CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等)过渡层和金刚石薄膜的、具有低发射阈值、高发射电流密度和高稳定性的、以及一致性好的用于平板显示领域的金刚石膜平面冷阴极结构及其制作方法。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的金刚石膜平面场发射阴极包括一衬底2，在衬底2的一面上蒸镀金属作为测量电极3，测量引线连接在其上；在衬底2的另一面上有一层金刚石膜层1；其特征在于还包括一具有金属硅化物过渡层4，该金属硅化物过渡层位于衬底2与金刚石膜层1之间。
所述的衬底包括单晶硅或金属Mo、W、Ni、白金等各种金属。
所述的金属硅化物过渡层厚度在5-100纳米；该金属硅化物包括CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2等。
所述的金刚石膜层包括高取向的金刚石膜、含有非晶碳、石墨、非金刚石成分的金刚石膜或类金刚石膜所述的金刚石膜厚度至少应在500纳米，最厚可到100微米，为连续膜(不含有空洞的膜)。
本发明提供的金刚石膜平面场发射阴极的制作方法，包括以下步骤(1)先在衬底一个面上制作金属硅化物过渡层取一经常规半导体工艺清洗的衬底材料，在其一个面上采用分子束外延，反应溅射或离子注入等传统方法生长金属硅化物过渡层，要求所生长的金属硅化物过渡层厚度在5-100纳米，厚度应严格控制在电子的平均自由程以内，通常在100纳米以下；其电阻率应在100微欧厘米以下，薄膜致密、没有空洞的连续膜；其中采用分子束外延方法生长CoSi2生长条件使用含有Si和Co的气体为源，选用Si(001)为衬底，气压为(1-9)×10-9Toor，衬底温度为400-600度，生长时间为5-15分钟，得到厚度为10-100nm的高质量外延生长的CoSi2(2)金属硅化物上生长金刚石薄膜层可采用各种传统方法生长金刚石薄膜。由于金属硅化物上很难直接生长金刚石膜，通常要在偏压下成核，再生长金刚石膜；其中具体条件为A.成核条件在常规的化学气相沉积设备上进行，其中工艺条件为施加负偏压在60-200V范围内，甲烷/氢气混合比例为(2-20)∶100体积比；衬底温度在600-900℃范围内，反应压力为5-60mbar，成核时间为15-30分钟，所获得的成核密度应在107-1011/cm2；B.具体金刚石膜生长条件为成核后金刚石膜的生长采用常规的方法，其生长条件如下偏压为零，甲烷/氢气混合比例为(0.1-10)∶100体积比，衬底温度在600-900℃范围内，反应压力为5-60mbar，生长时间由所需金刚石膜厚度决定；对膜的厚度也没有严格要求，只要形成了连续膜，厚度可以从几百纳米到几十微米均可；上述条件为生长金刚石膜的较好条件，实际上并非很严格，只要能生长出金刚石薄膜即可，可以是高质量的膜，也可以是含有一定量的非金刚石成分的膜；(3)作金属电极可采用溅射或蒸镀的方法沉积300-1000nm厚的Au在衬底的另一面上作为电极；为了获得Au与硅较好的欧姆接触，还包括先在硅衬底的另一面上沉积30-100nm的金属Ni，然后再沉积300-1000nm厚的Au在金属Ni上作为电极。
其中步骤(1)中采用溅射方法生长TiSi2生长条件使用Si和Ti靶，选用Si(001)为衬底，气压为(1-9)×10-3Toor，衬底温度为800-900度，生长时间为5-15分钟，得到厚度为100-200nm的C54相TiSi2膜；还包括步骤(1)得到的金属硅化物样品，在腐蚀液(如1∶1的H2SO4和H2O2溶液)中腐蚀15-30分钟，可获得高纯金属硅化物膜。
所述的生长金刚石膜的方法包括采用热灯丝化学气相沉积(HFCVD)或微波化学气相沉积(MWPCVD)方法，或其它任何常规的金刚石膜生长方法。
本发明的优点在于
1)本发明提供的金刚石膜平面场发射阴极，由于在衬底与金刚石膜之间采用设置一金属硅化物作为过渡层，提供了电子共振遂穿的两个界面势垒，实现高密度的电子注入；是一种全新的与共振遂穿相联系的平面场发射阴极结构。
2)该结构减少衬底中硅与金刚石中碳的相互扩散，从而减少电子在注入过程中的复合，使金刚石表面的电子发射密度更高。
3)由此制备的金刚石膜平面冷阴极结构具有低发射阈值(1-2V/μm)，高发射电流密度(0.2-0.5A/cm2)，稳定一致的发射特性(2小时内发射电流变化小于5％)，是制作高可靠性平板显示器的理想阴极，在微电子和信息领域具有广阔的应用前景。
4)本发明提供的金刚石膜平面场发射阴极的制备方法简单，金属硅化物和金刚石膜可采用经济、简便和易操作的溅射和热灯丝化学气相沉积方法，平面的发射结构省去了制作传统的发射尖端所涉及的复杂的半导体光刻与腐蚀工艺。
图1现有技术的金刚石膜平面场发射阴极结构示意2本发明的具有金属硅化物过渡层的金刚石膜平面场发射阴极结构示意面说明1-金刚石膜层 2-硅衬底3-金属测量电极4-金属硅化物膜层具体实施方式
下面结合附图和制备方法对本发明的结构进行详细说明实施例1本实施例的金刚石膜平面场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底2，在衬底2的一面上利用分子束外延方法长有一层50nm厚的金属硅化物CoSi24，其生长条件为使用含有Si和Co的气体为源，气压为5×10-9Toor，衬底温度为500度，生长时间为8分钟。在CoSi2上利用微波等离子体化学气相沉积方法生长有一层0.5μm厚的金刚石膜1，其生长条件为首先金刚石成核，施加负偏压为-140V，甲烷/氢气混合比例为10∶100体积比；衬底温度为700℃，反应压力为30mbar，微波功率为1000W，成核时间为17分钟；其次，金刚石膜生长，偏压为零，甲烷/氢气混合比例为2∶100体积比，生长时间为2小时，其它与成核工艺条件相同。其衬底2的另一面利用溅射方法沉积Au/Ni电极3，其中先溅射一层厚50nmNi层；然后，再溅射一层厚600nm的复合金属电极，其溅射条件为，溅射功率100W，压力5×10-3Toor，衬底温度200度，时间Au为10分钟，Ni为3分钟。
实施例2本实施例的平面金刚石膜场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的金属Mo做衬底2，在衬底2的一面上利用反应溅射方法长有一层80nm厚的金属硅化物TiSi24，生长条件为衬底温度为850度，硅靶溅射功率为200W，Ti靶溅射功率为80W，Ar的流量为20sccm，压力为1×10-2Toor，溅射时间为10分钟，溅射后取出样品，在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蚀30分钟，可获得高纯C54相的TiSi2膜。在TiSi2上利用热灯丝化学气相沉积方法长有一层1μm厚的金刚石膜1，其生长条件为首先金刚石成核，灯丝温度为2000度，施加负偏压为-120V，甲烷/氢气混合比例为10∶100体积比；衬底温度为650℃，压力为30mbar，成核时间为15分钟；其次，金刚石膜生长，偏压为零，甲烷/氢气混合比例为2∶100体积比，生长时间为2小时，其它与成核条件相同。其衬底2的另一面利用真空蒸镀方法沉积Au/Ni电极3，Ni的厚度为50nm，Au厚800nm，蒸镀条件为，灯丝温度2000度，压力5×10-5Toor，衬底温度200度。
实施例3本实施例的平面金刚石膜场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底2，在衬底2的一面上利用离子注入和退火方法长有一层60nm厚的金属硅化物FeSi24，生长条件衬底温度为350度，Fe+注入能量为200KV，计量为2×1017/cm2，1000度退火时间20秒后取出样品，在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蚀30分钟，可获得高纯FeSi2膜。在FeSi2上利用热灯丝化学气相沉积方法长有一层1μm厚的金刚石膜1，其生长条件与实施例2相同。其衬底2的另一面利用真空蒸镀方法沉积Au/Ni电极3，Ni的厚度为50nm，Au厚800nm，蒸镀条件与实施例2相同。
实施例4本实施例的平面金刚石膜场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底2，在衬底2的一面上利用反应溅射方法长有一层80nm厚的金属硅化物MoSi24，生长条件为衬底温度为900度，硅靶溅射功率为300W，Mo靶溅射功率为100W，Ar的流量为20sccm，压力为1×10-2Toor，溅射时间为10分钟，溅射后取出样品，在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蚀30分钟，可获得高纯的MoSi2膜。在MoSi2上利用热灯丝化学气相沉积方法长有一层1μm厚的金刚石膜1，其生长条件与实施例2相同。其衬底2的另一面利用真空蒸镀方法沉积Au/Ni电极3，Ni的厚度为50nm，Au厚800nm，蒸镀条件与实施例2相同。
实施例5本实施例的平面金刚石膜场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底2，在衬底2的一面上利用离子注入和退火方法长有一层50nm厚的金属硅化物TaSi24，生长条件衬底温度为400度，Ta+注入能量为250KV，计量为3×1017/cm2，1000度退火时间30秒后取出样品，在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蚀30分钟，可获得高纯TaSi2膜。在TaSi2上利用热灯丝化学气相沉积方法长有一层1μm厚的金刚石膜1，其生长条件与实施例2相同。其衬底2的另一面利用真空蒸镀方法沉积Au/Ni电极3，Ni的厚度为50nm，Au厚800nm，蒸镀条件与实施例2相同。
实施例6本实施例的平面金刚石膜场发射阴极具体结构参见图2，以抛光的N型(001)单晶硅片做衬底2，在衬底2的一面上利用离子注入和退火方法长有一层40nm厚的金属硅化物WSi24，生长条件衬底温度为300度，W+注入能量为180KV，计量为1×1017/cm2，1000度退火时间20秒后取出样品，在1∶1的H2SO4和H2O2中腐蚀20分钟，可获得高纯WSi2膜。在WSi2上利用热灯丝化学气相沉积方法长有一层1μm厚的金刚石膜1，其生长条件与实施例2相同。其衬底2的另一面利用真空蒸镀方法沉积Au/Ni电极3，Ni的厚度为50nm，Au厚800nm，蒸镀条件与实施例2相同。
权利要求
1.一种金刚石膜平面场发射阴极包括一衬底2，在衬底2的一面上蒸镀金属测量电极3，测量引线连接在其上；在衬底2的另一面上有一层金刚石膜层1；其特征在于还包括一具有金属硅化物过渡层4，该金属硅化物过渡层位于衬底2与金刚石膜层1之间。
2.按权利要求1所述的金刚石膜平面场发射阴极，其特征在于所述的衬底包括单晶硅或金属Mo、W、Ni、白金各种金属。
3.按权利要求1所述的金刚石膜平面场发射阴极，其特征在于所述的金属硅化物过渡层厚度在5-100纳米；该金属硅化物包括CoSi2、TiSi2、FeSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、NiSi2。
4.按权利要求1所述的金刚石膜平面场发射阴极，其特征在于所述的金刚石膜层包括高取向的金刚石膜、含有非晶碳、石墨、非金刚石成分的金刚石膜或类金刚石膜。
5.按权利要求1所述的金刚石膜平面场发射阴极，其特征在于所述的金刚石膜厚度在500纳米-100微米，为连续膜。
6.一种制备权利要求1所述的金刚石膜平面场发射阴极的方法，其特征在于包括以下步骤(1)先在衬底一个面上制作金属硅化物过渡层取一经常规半导体工艺清洗的衬底材料，在其一个面上采用传统方法生长金属硅化物过渡层，该薄膜为没有空洞的连续膜；其厚度在5-100纳米；其电阻率在100微欧厘米以下；(2)采用传统方法在步骤(1)生长的金属硅化物过渡层上生长金刚石薄膜通常要在偏压下成核，再生长金刚石膜；其中具体偏压下成核条件为A.核条件在常规的化学气相沉积设备上进行，其中工艺条件为施加负偏压在60-200V范围内，甲烷/氢气混合比例为(2-20)∶100体积比；衬底温度在600-900℃范围内，反应压力为5-60mbar，成核时间为15-30分钟，所获得的成核密度应在107-1011/cm2；B.具体金刚石膜生长条件为成核后金刚石膜的生长采用常规的方法，其生长条件如下偏压为零，甲烷/氢气混合比例为(0.1-10)∶100体积比，衬底温度在600-900℃范围内，反应压力为5-60mbar，生长时间由所需金刚石膜厚度决定；(3)作金属电极可采用溅射或蒸镀的方法沉积300-1000nm厚的Au膜在衬底的另一面上作为电极。
7.按权利要求6所述的金刚石膜平面场发射阴极的制备方法，其特征在于所述的生长金属硅化物过渡层的采用传统方法，包括分子束外延，反应溅射或离子注入方法；所述的生长金刚石膜的方法包括采用热灯丝化学气相沉积或微波化学气相沉积方法，或其它常规的金刚石膜生长方法。
8.按权利要求6所述的金刚石膜平面场发射阴极的制备方法，其特征在于还包括以下步骤先在硅衬底的另一面上沉积30-100nm的金属Ni层，然后再沉积300-1000nm厚的Au层在金属Ni层上作为电极。
9.按权利要求6或8所述的金刚石膜平面场发射阴极的制备方法，其特征在于还包括在步骤B溅射后得到的金刚石膜样品，在1∶1的H2SO4和H2O2溶液中腐蚀30分钟。
10.按权利要求6所述的金刚石膜平面场发射阴极的制备方法，其特征在于所述的采用分子束外延方法生长CoSi2生长条件使用含有Si和Co的气体为源，选用Si(001)为衬底，气压为(1-9)×10-9Toor，衬底温度为400-600度，生长时间为5-15分钟。
全文摘要
本发明属一种用于平板显示领域应用的金刚石膜平面场发射阴极及制作方法。该阴极包括一衬底，在衬底的一面上蒸镀金属测量电极，测量引线连接在其上；在衬底的另一面上有一层金刚石膜层；一金属硅化物过渡层位于衬底与金刚石膜层之间。其制作方法包括先在衬底一个面上制作金属硅化物过渡层；然后在金属硅化物上采用各种传统方法生长金刚石薄膜，由于金属硅化物上很难直接生长金刚石膜，通常要在偏压下成核，再生长金刚石膜；在衬底的另一面上采用溅射或蒸镀的方法沉积300－1000nm厚的Au电极。本发明的金刚石膜平面场发射阴极，由于在衬底与金刚石膜之间设置一金属硅化物过渡层，提供了电子共振遂穿的两个界面势垒，实现高密度的电子注入。该制作方法易于推广。
文档编号H01J9/02GK1567506SQ03149189
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者顾长志, 岳双林, 窦艳 申请人:中国科学院物理研究所