專利名稱：形成碳納米管結(jié)構(gòu)的方法及用其制造場發(fā)射器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成碳納米管結(jié)構(gòu)的方法以及利用形成碳納米管結(jié)構(gòu)的該 方法制造場發(fā)射器件的方法，更具體地，涉及在低溫下形成高質(zhì)量碳納米管 結(jié)構(gòu)的方法以及利用形成碳納米管結(jié)構(gòu)的該方法制造場發(fā)射器件的方法。
背景技術(shù)：
場發(fā)射器件(FED)由于從形成在陰極電極上的發(fā)射體發(fā)射的電子與形 成在陽極電極上的熒光層的碰撞而發(fā)射可見光。FED可應(yīng)用于利用場發(fā)射形 成圖像的場發(fā)射顯示裝置的FED型背光單元或液晶顯示裝置(LCD)的場 發(fā)射型背光單元。
在FED中，由金屬例如Mo形成的孩支尖(micro tip )用作傳統(tǒng)的電子發(fā) 射體。然而，近來碳納米管(CNT)主要用作發(fā)射體。使用CNT當(dāng)作發(fā)射 體的FED由于FED的寬視角、高分辨率、低功耗、以及溫度穩(wěn)定性而可應(yīng) 用于各種領(lǐng)域例如汽車導(dǎo)航設(shè)備或電子圖像顯示器的取景器。特別地，使用 CNT作為發(fā)射體的FED能夠取代個人計算機、個人數(shù)字助理(PDA)終端、 醫(yī)療設(shè)備、或高清電視機(HDTV)等中的顯示設(shè)備。
制造使用CNT的FED時，所面對的障礙是增加壽命、制造大屏幕、降 低成本、以及降低工作電壓。
為了增加FED的壽命，CNT可以利用化學(xué)氣相沉積(CVD )方法合成。 在該方法中，通過直接在基板上生長CNT而不使用有機粘合劑(organic binder)可以防止CNT的退化，且因此增加FED的壽命。但是，該方法的 缺點在于由于不使用有機粘合劑而導(dǎo)致CNT與基板之間的粘合力弱，并且
FED大屏幕的制造和成本的降低可以通過使用便宜的堿石灰玻璃 (sodalime glass)基板來實現(xiàn)。然而，堿石灰玻璃基板具有約480°C的較低 變形溫度。換言之，使用CVD方法在堿石灰基板上合成CNT必須在低于' 480。C的溫度下進(jìn)行。然而，技術(shù)上難以做到如此。即，為了在低溫合成CNT，
反應(yīng)氣體必須在低于48(TC的溫度分解，并且必須滿足復(fù)雜的反應(yīng)條件，藉 此分解的氣體必須通過擴散到催化劑層中而被沉淀。
為了降低FED的操作電壓，必須控制合成的CNT的密度。CNT用作 FED中的發(fā)射體的原因之一是CNT由于每個CNT的大的縱橫比而具有高的 場增強效應(yīng)。然而，如果CNT的密度太高，CNT束的縱橫比遠(yuǎn)小于每個CNT。 在這種情況下，為了發(fā)射電子需要高操作電壓。為了解決該問題，CNT的密 度控制是重要的。
在CNT的合成工藝期間，催化劑層必須作為顆粒存在，使得擴散進(jìn)催 化劑層中的碳原子能夠以管形沉淀。然而，催化劑層在CNT的合成溫度下 具有聚集成團的傾向。因此，需要防止催化劑層在合成工藝期間聚集成團。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種形成碳納米管(CNT)結(jié)構(gòu)的方法以及利用該CNT結(jié) 構(gòu)制造場發(fā)射器件(FED)的方法，所述CNT結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)長壽命，可用 于大屏幕，具有低制造成本，且通過在低溫下合成高質(zhì)量CNT而可以以低 工作電壓運行。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種形成CNT結(jié)構(gòu)的方法，包括在基 板上形成電極；在所述電極上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成顆粒形的催 化劑層；蝕刻通過所述催化劑層暴露的所述緩沖層；以及從形成在所述被蝕 刻的緩沖層上的所述催化劑層生長CNT。
所述緩沖層可由相對于所述催化劑層具有蝕刻選擇性的材料形成。所述 緩沖層可由選自A1、 B、 Ga、 In、 Tl、 Ti、 Mo和Cr構(gòu)成的組的金屬形成。 所述緩沖層形成至10-3000A的厚度。
所述催化劑層可由選自Fe、 Co和Ni構(gòu)成的組的至少一種金屬形成。所 述催化劑層可形成至2-100A的厚度。
所述緩沖層的蝕刻可持續(xù)直到所述陰極電極被暴露。所述電極可由選自 Mo和Cr構(gòu)成的組的至少一種金屬形成。所述CNT可利用CVD方法形成。
所述方法還可包括在所述電極的上或下表面上形成電阻層。所述電阻層 可由非晶硅形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造FED的方法，包括在基板上 順序形成陰極電極、絕緣層和柵極電極；構(gòu)圖所述柵極電極以及通過燭刻經(jīng)
所述構(gòu)圖的柵極電極暴露的所述絕緣層來形成暴露所述陰極電極的發(fā)射體
孔；在形成在所述發(fā)射體孔中的所述陰極電極上形成緩沖層；在所述緩沖層 上形成顆粒形催化劑層；蝕刻通過所述催化劑層暴露的所述緩沖層；以及從 形成在所述被蝕刻的緩沖層上的所述催化劑層生長CNT。


通過參照附圖詳細(xì)描述其示例性實施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu) 點將變得更加明顯，附圖中
圖l至圖4是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例形成碳納米管(CNT) 結(jié)構(gòu)的方法；
圖5是掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，示出利用根據(jù)本發(fā)明一實施例的 形成CNT的方法生長的CNT;以及
圖6至ll是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例制造場發(fā)射器件(FED)
的方法。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更完整地說明本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實施 例。附圖中，相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的元件。為了清晰起見，圖中層 的厚度和區(qū)域被放大。
圖l至圖4是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明一實施例形成碳納米管(CNT) 結(jié)構(gòu)的方法。
參照圖1,電極112沉積在基板110上?；?10可以是玻璃基板或硅 晶片。電極112可以通過例如沉積預(yù)定金屬Mo和Cr中的至少一種來形成。 盡管未示出，但是還可以包括在電極112的上或下表面上形成電阻層的工藝。 電阻層被形成從而從CNT 150 (參照圖4)誘發(fā)一致的電子發(fā)射，且電阻層 可以由非晶硅形成。
然后，具有預(yù)定厚度的緩沖層120形成在電極112上。緩沖層120相關(guān) 于形成在緩沖層120上的催化劑層130 (參照圖2)具有高粘合性并相關(guān)于 形成于其下的基板110或電極112具有低反應(yīng)性。緩沖層120可以由具有與 基板110或電極112的高粘合性以及相對于催化劑層130的蝕刻選擇性的材 料形成。緩沖層120可由兩性金屬例如Al、 B、 Ga、 In、或T1形成，另外，
\如果緩沖層120具有相對于催化劑層130的蝕刻選擇性，可以由諸如Ti、 Mo或Cr的金屬形成。上述金屬可以作為純金屬或者這些金屬的兩種或更多 的合金使用。緩沖層120可以形成10至3000A的厚度。
參照圖2，顆粒形催化劑層130形成在緩沖層120的上表面上。催化劑 層130可以通過在緩沖層120的上表面上以薄膜形狀沉積催化劑金屬而形 成》當(dāng)催化劑層130沉積至2-100A的厚度時，催化劑層130能夠以不連續(xù) 顆粒形狀形成。催化劑層130可以由過渡金屬例如Fe、 Ni、 Co以純態(tài)或者 兩種或更多這些金屬的合金形成。
參照圖3,通過顆粒形催化劑層130暴露的緩沖層120被蝕刻至預(yù)定深 度。更具體地，當(dāng)圖2所示的結(jié)構(gòu)浸在只能選擇性蝕刻緩沖層120、但不蝕 刻催化劑層130的蝕刻溶液中預(yù)定時間時，位于顆粒形催化劑層130之下的 緩沖層120保持未被蝕刻，但通過催化劑層130暴露的緩沖層120被選擇性 蝕刻至預(yù)定深度。緩沖層120的蝕刻可以持續(xù)直到電極112被暴露。以此方 式，當(dāng)緩沖層120在室溫下通過顆粒形催化劑層130被選擇性蝕刻時，可以 防止在生長CNT150 (參照圖4)的過程中催化劑層130的聚集成團。
參照圖4, CNT 150從形成在被選擇性蝕刻的緩沖層120上的催化劑層 130生長。CNT150可以通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法生長。CNT 150可 以例如在低于480。C的低溫下生長。圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例利用上述方 法生長的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM )圖像。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明一實施例，通過選擇性蝕刻通過顆粒形催化劑層 130暴露的緩沖層120，即使CNT 150在低溫下從催化劑層130生長，也防 止了顆粒形催化劑層130聚集成團。因此，可以在低溫獲得高質(zhì)量CNT150。 另外，通過控制緩沖層120的厚度和蝕刻工藝時間，可以控制所生長的CNT 150的密度。
下面將描述利用上述形成CNT結(jié)構(gòu)的方法制造FED的方法。根據(jù)下面
還可以應(yīng)用于液晶顯示裝置的場發(fā)射型背光單元。
圖6至11是剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例制造FED的方法。 參照圖6，陰極電極212、電阻層214、絕緣層217、以及柵極電%219 順序形成在基板210上?；?10可以是玻璃基板或硅晶片。陰極電極212 可以通過在基板210的上表面上沉積金屬Mo和Cr中的至少一種并以預(yù)定
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形狀例如條形構(gòu)圖所沉積的金屬來形成。電阻層214還可以形成在陰極電極 212的上表面上。電阻層214被形成從而通過如下所述向發(fā)射體300的CNT 250應(yīng)用一致的電流而從發(fā)射體300 (參照圖11)誘發(fā)一致的電子發(fā)射。電 阻層214可以由非晶硅形成。在圖6中，電阻層214形成在陰極電極212的 上表面上，但電阻層214可以形成在陰極電極212的下表面上，或者可以不 形成電阻層214。下面，將描述電阻層214形成在陰極電極212的上表面上 的情形。覆蓋陰極電極212和電阻層214的絕緣層217形成之后，柵極電極 219沉積在絕緣層217的上表面上。柵極電極219可以通過在絕緣層217的 上表面上沉積導(dǎo)電金屬例如Cr而形成。
參照圖7，柵極電極219被構(gòu)圖之后，光致抗蝕劑240形成在構(gòu)圖的柵 極電極219的上表面上。通過蝕刻經(jīng)光致抗蝕劑240和柵極電極219暴露的 絕緣層217，在絕緣層217中形成發(fā)射體孔215。絕緣層217的蝕刻持續(xù)到 電阻層214被暴露。因此，電阻層214的上表面通過發(fā)射體孔215被暴露。 同時，當(dāng)不形成電阻層214或電阻層214形成在陰極電極212的下表面上時， 陰極電極212的上表面通過發(fā)射體孔215被暴露。
參照圖8，緩沖層220在經(jīng)發(fā)射體孔215暴露的電阻層214的上表面上 以及光致抗蝕劑240的上表面上形成至預(yù)定厚度。緩沖層220相關(guān)于形成在 緩沖層220上的顆粒形的催化劑層230具有高粘合性且相關(guān)于形成在催化劑 層230下面的陰極電極212或電阻層214具有低反應(yīng)性。優(yōu)選地，緩沖層220 可以由相對于陰極電極212或電阻層214具有高粘合性的材料形成并相對于 形成在緩沖層220上的催化劑層230具有蝕刻選擇性。緩沖層220可由兩性 金屬例如A1、 B、 Ga、 In、或T1形成，另外，如果Ti、 Mo、或Cr相對于催 化劑層230具有蝕刻選擇性，則可以由諸如Ti、 Mo或Cr的金屬形成。所述 金屬可以作為純金屬或兩種以上這些金屬的合金使用。緩沖層220可以形成 至10-3000A的厚度。
然后，顆粒形催化劑層230形成在緩沖層220的上表面上。催化劑層230 可以通過在緩沖層220的上表面上以薄膜形狀沉積催化劑金屬來形成。當(dāng)催 化劑層230沉積至2-IOOA的厚度時，催化劑層230以不連續(xù)顆粒狀形成。 催化劑層230可以由過渡金屬例如Fe、 Ni、 Co以純金屬態(tài)或兩種或臭多種 這些金屬的合金形成。
參照圖9，通過催化劑層230暴露的緩沖層220被蝕刻至預(yù)定深度。更
具體地，當(dāng)圖8所示的結(jié)構(gòu)浸在僅選擇性蝕刻緩沖層220，而不蝕刻催化劑 層230的蝕刻溶液中預(yù)定時間時，位于顆粒形催化劑層230之下的緩沖層225 保持未被蝕刻，但通過催化劑層230暴露的緩沖層220被選擇性蝕刻至預(yù)定 深度。緩沖層220的蝕刻可以持續(xù)直到電阻層214被暴露。同時，當(dāng)未形成 電阻層214或電阻層214形成在陰極電極212的下表面上時，緩沖層220的 蝕刻可以持續(xù)直到陰極電極212被暴露。
以此方式，當(dāng)緩沖層220在室溫下通過顆粒形催化劑層230被選擇性蝕 刻時，可以防止在如下所述生長CNT250 (參照圖ll)的過程中顆粒形催化 劑層230聚集成團。然后，參照圖10，光致抗蝕劑240、以及堆疊在光致抗 蝕劑240上的緩沖層220和催化劑層230通過例如頂離(lift-off)法被去除。
參照圖11，當(dāng)CNT250從形成在被蝕刻的緩沖層225上的催化劑層230 生長時，在發(fā)射體孔215中形成了電子發(fā)射體。CNT 250可以通過CVD方 法形成。CNT 250可以在例如低于480。C的低溫形成。通過控制緩沖層220 的厚度和蝕刻時間，可以控制在該工藝中生長的CNT250的密度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在顆粒形催化劑層的下表面上形成由相對 于催化劑層具有蝕刻選擇性的材料形成的緩沖層且選擇性蝕刻經(jīng)催化劑層 暴露的該緩沖層，可以在低溫實現(xiàn)精細(xì)顆粒形催化劑層的形成并防止催化劑 層的聚集成團，其在現(xiàn)有技術(shù)中是在高溫實現(xiàn)的。因此，可以在低溫合成高 質(zhì)量CNT。
盡管本發(fā)明參照其實施例進(jìn)行了特定示出和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員 能夠理解，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進(jìn) 行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種形成CNT(碳納米管)結(jié)構(gòu)的方法，包括在基板上形成電極；在所述電極上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成顆粒形催化劑層；蝕刻通過所述催化劑層暴露的所述緩沖層；以及從形成在所述被蝕刻的緩沖層上的所述催化劑層生長CNT。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述緩沖層由相對于所述催化劑 層具有蝕刻選擇性的材料形成。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述緩沖層由選自Al、 B、 Ga、 In、 Tl、 Ti、 Mo和Cr構(gòu)成的組的至少一種金屬形成。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述緩沖層形成至10-3000A的厚度。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述催化劑層由選自Fe、 Co和 Ni構(gòu)成的組的至少一種金屬形成。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述催化劑層形成至2-100A的厚度。
18. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述陰極電極由選自Mo和Cr構(gòu) 成的組的至少一種金屬形成。
19. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述發(fā)射體孔的形成包括 在所述構(gòu)圖的柵極電極上形成光致抗蝕劑；以及蝕刻通過所述光致抗蝕劑和所述柵極電極暴露的所述絕緣層直到所述 陰極電極被暴露。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述緩沖層和所述催化劑層的形 成包括層；以及在所述緩沖層上形成所述顆粒形催化劑層。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在通過所述催化劑層暴露的所 述緩沖層被蝕刻之后，去除所述光致抗蝕劑和形成在所述光致抗蝕劑上的所 述緩沖層和催化劑層。
22. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述緩沖層的蝕刻持續(xù)直到所述 陰極電極被暴露。
23. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述CNT利用CVD方法生長。
24. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述陰極電極的上或下表面 上形成電阻層。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述電阻層由非晶硅形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成碳納米管(CNT)結(jié)構(gòu)的方法以及利用形成碳納米管結(jié)構(gòu)的該方法制造場發(fā)射器件的方法。形成CNT結(jié)構(gòu)的方法包括在基板上形成電極；在所述電極上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成顆粒形催化劑層；蝕刻通過所述催化劑層暴露的所述緩沖層；以及從形成在所述被蝕刻的緩沖層上的所述催化劑層生長CNT。
文檔編號C01B31/02GK101097826SQ20071000374
公開日2008年1月2日 申請日期2007年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者崔榮喆, 鄭光錫, 金夏辰, 韓仁澤 申請人:三星Sdi株式會社