(57)【特許請求の範囲】
【請求項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の一部分を処理する工程と、
前記基板の処理された部分及び未処理部分上にカーボンフィルムを成長させる工程と、
を含み、
前記基板の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、前記基板の未処理部分上のカーボンフィルムよりも多くの電子を放出する、電界エミッタデバイスを作製する方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記基板が酸で処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記基板がセラミックである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が金属である、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記基板がガラスである、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
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。
【請求項８】
前記基板が超音波処理工程の対象ではない、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基板上に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、
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１に記載の方法。
【請求項１０】
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９に記載の方法。
【請求項１１】
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の一部分を処理する工程と、
前記基板の処理された部分及び未処理部分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、該基板の未処理部分上の該カーボンフィルムよりも多くの電子を放出する、電界放出デバイス。
【請求項１２】
前記基板が酸で処理される、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記基板がセラミックである、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
基板上に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、
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であって、該エッチングが該基板の一部分の形態を改変するように処理する工程と、
前記基板の処理された部分及び未処理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。
【請求項１５】
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１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記カーボンフィルムが連続フィルムである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
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１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板がセラミックのような物質である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
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１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
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、２０００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１０２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ィルム内の開いた窓（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１０１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７０５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３０１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１００３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１８０５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（７５０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２０ｍＡ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１５００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９３８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（ＲＡＭ）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９１３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９３６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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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