專利名稱：場發(fā)射三極管元件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，且特別涉及納米碳管場發(fā)射三極管元件的制造方法。
背景技術：
場發(fā)射平面顯示器(Field Emission Display，F(xiàn)ED)由于具有亮度高、視角寬廣、瞬時反應迅速等優(yōu)點，因此越來越受到重視，并且納米碳管因為具有較低的起始電場，因此被視為場發(fā)射平面顯示器較佳的場發(fā)射陰極(cathode emitter)材料。
公知的納米碳管場發(fā)射元件制造技術中，大多是利用化學氣相沉積法，直接成長納米碳管于布有金屬催化劑的陰極區(qū)域。然而，利用此方法所成長的納米碳管在陰極區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)雜亂的分布，在一般的場發(fā)射操作條件下，納米碳管排列方向能夠與電場平行的數(shù)量偏低，因此其起始電壓與發(fā)射電流密度都有待改進。此外，以此法成長的納米碳管其管束密度分布不易控制，將造成電流密度分布與熒光粉發(fā)光亮度不均勻。再者，在高電場的操作環(huán)境下，納米碳管與基材間的附著性有待考驗。
中國臺灣428189號專利披露一種以毫微米碳管作為冷陰極陣列的制造方法。然而，此專利方法中所形成的鋁陽極處理膜，其孔洞陣列的孔徑均勻度(uniformity of dimension)、分布均勻度(uniformity of distribution)及垂直準直度(vertical alignment)不佳，進而影響其孔洞內(nèi)毫微米碳管的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度，并影響其場發(fā)射特性。另外，此專利必須以鋁或其合金作為陰極線，鋁金屬熔點低，因此后續(xù)工藝溫度必須低于450℃，而僅能使用較低溫的化學氣相沉積法成長納米碳管。此外，以鋁或其合金作為陰極線所形成的納米碳管場發(fā)射元件，在高電流操作環(huán)境下，其陰極線容易產(chǎn)生電遷徙(electromigration)的現(xiàn)象而造成斷路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是在提供一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，以改善場發(fā)射三極管元件中納米碳管的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度，進而改善其場發(fā)射特性。
本發(fā)明的再一目的是提供一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，其可采用較高溫度的工藝，以增加工藝彈性。
為達上述目的，本發(fā)明提出一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，其首先于基底上依序形成陰極導電層、絕緣層及柵極層。接著于柵極層及絕緣層中形成開口，暴露出部分陰極導電層。接著于陰極導電層上形成金屬層。接著對金屬層進行第一次陽極處理，使部分金屬層形成第一陽極處理層。接著移除第一陽極處理層，暴露出未被陽極處理的金屬層。接著對未被陽極處理的金屬層進行第二次陽極處理，以形成第二陽極處理層，其中此第二陽極處理層中形成有多個孔洞。接著于孔洞內(nèi)形成催化劑層。最后于孔洞內(nèi)形成多個納米碳管。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中陰極導電層的材料例如是金屬、合金、金屬氮化物或摻雜半導體，較佳的材料例如是鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中絕緣層的材料例如是二氧化硅或氮化硅。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中柵極層的材料例如是金屬、合金或摻雜半導體。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中金屬層的材料例如是鋁或鋁合金。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中第一陽極處理層例如是陽極氧化鋁層。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中移除第一陽極處理層的方法例如是濕式蝕刻法。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中孔洞底部例如形成有阻障層，且于孔洞內(nèi)形成納米碳管的步驟之前，例如還包括移除此阻障層的步驟。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中形成催化劑層的方法例如是電化學方法。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中第二陽極處理層例如是陽極氧化鋁層。
本發(fā)明之一實施例所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其中形成納米碳管的方法例如是化學氣相沉積法，此化學氣相沉積法例如是電子回旋共振化學氣相沉積法、微波等離子化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法或熱化學氣相沉積法，此化學氣相沉積法使用的反應氣體例如包括含碳氣體，此含碳氣體例如是一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯(C6H6)及其混合物。
本發(fā)明之場發(fā)射三極管元件的制造方法因采用兩次陽極處理。因此可改善場發(fā)射三極管元件的納米碳管的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度，進而改善其場發(fā)射特性。
本發(fā)明之場發(fā)射三極管元件的制造方法，其陰極導電層的材料例如采用鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭，因此可承受較高的工藝溫度。
為讓本發(fā)明之上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1A至圖1H為本發(fā)明之一種場發(fā)射三極管元件的制造流程的局部剖面示意圖。
主要元件標記說明
10基底12陰極導電層14絕緣層16柵極層18開口20金屬層22第一陽極處理層24孔洞26第二陽極處理層28孔洞30催化劑層32納米碳管具體實施方式
圖1A至圖1H為本發(fā)明之一種場發(fā)射三極管元件的制造流程的局部剖面示意圖，請參照圖1A，首先，于基底10上依序形成陰極導電層12、絕緣層14及柵極層16?；?0例如是硅基底或玻璃基底。陰極導電層12是作為場發(fā)射三極管元件的冷陰極導電材料，其材料例如是單層或雙層的金屬、合金、金屬氮化物或摻雜半導體等材料。陰極導電層12還可提供基底10與絕緣層14間良好的附著性，其厚度約介于0.05μm至0.5μm之間。于一較佳實施例中，陰極導電層12的材料例如是鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭，上述材料因可承受800℃以上的工藝溫度，因此有利于后續(xù)形成納米碳管的工藝采用較高溫的化學氣相沉積法，例如電子回旋共振化學氣相沉積法，如此可增加工藝的彈性。
絕緣層14的材料例如是二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，其厚度約介于0.5μm至3μm之間。柵極層16的材料例如是導電性佳的金屬、合金或摻雜半導體等材料，其厚度約介于0.05μm至0.5μm之間。值得注意的是，于本發(fā)明的制造方法中，陰極導電層12例如是由多條平行的陰極線所構成，柵極層16例如是由多條平行的柵極線所構成，且陰極線與柵極線的延伸方向約略垂直交錯，而每一條陰極線與柵極線交錯所形成的區(qū)域即是像素(pixel)單元，而圖1A至圖1H皆僅就其中一個交錯區(qū)域來作說明。
請參照圖1B，接著，于柵極層16及絕緣層14中形成開口18，暴露出部分陰極導電層12，形成開口18的方法例如是采用光刻(photolithography)與蝕刻(etching)工藝。開口18例如是圓形、橢圓形或方形，較佳之形狀為圓形，此開口18的直徑約介于0.5μm至20μm之間。
請參照圖1C，接著，于暴露出的陰極導電層12上形成金屬層20，此步驟的工藝方法例如采用物理氣相沉積法(physical vapor deposition)來形成此金屬層20。金屬層20的材料例如是鋁或鋁合金，其沉積溫度例如介于室溫至400℃之間，其厚度約介于2μm至6μm之間。
請參照圖1D，接著，對于金屬層20進行第一次陽極處理。此第一次陽極處理的步驟如下首先，將基底10置于電解液中，此電解液例如采用草酸、硫酸、磷酸或其混和物，此電解液溫度例如介于0℃至25℃之間。以適當電壓對于金屬層20進行陽極氧化反應，此適當電壓例如介于8伏特至100伏特之間。上述工藝的反應時間例如介于5分鐘至40分鐘之間，使部分金屬層20形成第一陽極處理層22。在一實施例中，若金屬層20的材料是采用鋁，其陽極處理后即形成具有多個孔洞24的陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide，AAO)，亦即，第一陽極處理層22例如是多孔性(porous)的陽極氧化鋁層。通常第一次陽極處理所形成的孔洞24的排列會較為雜亂。
接著，移除第一陽極處理層22，暴露出未被陽極處理的金屬層20，如圖1E所示。此步驟例如是采用濕式蝕刻工藝，此濕式蝕刻工藝的蝕刻液可采用酸液或堿液。較佳的蝕刻條件例如采用6wt％磷酸及1.5wt％鉻酸混和溶液，于溫度60℃進行蝕刻。在移除第一陽極處理層22之后，金屬層20的表面上仍留下第一次陽極處理所產(chǎn)生的孔洞24。
請參照圖1F，接著，對未被陽極處理的金屬層20進行第二次陽極處理，使未被陽極處理的金屬層20形成第二陽極處理層26。此第二次陽極處理可采用與第一次陽極處理相同的工藝條件。同樣的，若金屬層20的材料采用鋁，所形成的第二陽極處理層26同樣是多孔性的陽極氧化鋁層，而形成在第二陽極處理層26中的孔洞28的深度可通過陽極處理的時間控制。值得注意的是，跟采用一次陽極處理的公知技術相比，本發(fā)明采用二次的陽極氧化處理所形成的孔洞28的孔徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度都有明顯的改善。
值得一提的是，第二陽極處理層26的孔洞28底部可能會形成有氧化物阻障層(barrier layer)，因此為了能順利進行后續(xù)工藝，最好是先將此氧化物阻障層移除。例如，當?shù)竭_上述第二次陽極處理的終點時，將電壓逐漸降低至5～10伏特，例如每秒降低0.1伏特，如此可使氧化物阻障層的厚度降低。然后，將基底10置于蝕刻液中蝕刻以移除阻障層，此蝕刻液可采用酸液或堿液。較佳的蝕刻條件例如采用磷酸5wt％為蝕刻液，于室溫下蝕刻1小時，如此，可將氧化物阻障層移除。
請參照圖1G，接著，于第二陽極處理層26的孔洞28內(nèi)形成催化劑層30。此步驟例如是采用電鍍法或無電鍍法等電化學方法于孔洞28的底部形成此催化劑層30。此催化劑層30的材料例如是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)等金屬、合金或其化合物。較佳的方法是利用電鍍法形成此催化劑層30，此電鍍法的較佳工藝條件是以硫酸鈷5wt％/硼酸2wt％水溶液為電解液，交流電壓介于11伏特至13伏特之間，于室溫中進行大約1分鐘。
請參照圖1H，接著，于第二陽極處理層26的孔洞28內(nèi)形成多個納米碳管32。此步驟例如是采用化學氣相沉積法來形成這些納米碳管32。由于陰極導電層12材料例如是鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭，其可承受高達800℃以上的工藝溫度，因此此時可采用較高溫的化學氣相沉積法來形成納米碳管32。此化學氣相沉積法例如是電子回旋共振化學氣相沉積法、微波等離子化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法或熱化學氣相沉積法。在一較佳實施例中，此化學氣相沉積法使用的反應氣體包括至少一種含碳氣體，此含碳氣體例如是一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯(C6H6)及其混合物。另外，亦可同時通入氫氣、氨氣、氬氣或氮氣等還原氣體或載運氣體。較佳的方法是利用電子回旋共振化學氣相沉積法(ECR-CVD)，此電子回旋共振化學氣相沉積法較佳的條件例如是磁場875高斯(Gauss)，微波功率600瓦特(W)，工作壓力0.25Pa，基底10溫度400～600℃，并以甲烷(CH4)/氫氣(H2)混合氣體為反應氣氛，總氣體流量22sccm。形成納米碳管32的過程中，較佳的是能控制納米碳管32的成長時間，以使其高度突出第二陽極處理層26的孔洞28但低于柵極層16的上表面。如此，由于第二陽極處理層26的孔洞28具有較佳的孔徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度。因此，跟公知技術相比，于孔洞28內(nèi)所形成的納米碳管32也具有較佳的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度。
綜上所述，本發(fā)明之場發(fā)射三極管元件的制造方法至少具有下列特征與優(yōu)點本發(fā)明因采用兩次的陽極氧化處理因此形成在陽極處理層內(nèi)的孔洞，其孔徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度跟公知方法相比均有明顯改善。而且形成在孔洞內(nèi)的納米碳管也具有較佳的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度，進而改善場發(fā)射三極管元件的場發(fā)射特性。
由于本發(fā)明的陰極導電層的材料是采用可承受高達800℃以上的工藝溫度的材料，其例如是鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭，因此后續(xù)形成納米碳管的工藝可采用較高溫的化學氣相沉積法，例如電子回旋共振化學氣相沉積法，因此增加了工藝的彈性。
本發(fā)明之實施方式是以兩次陽極氧化處理為例來說明之，但本發(fā)明并不限于此。本發(fā)明亦可以采用兩次以上的陽極氧化處理來形成具有較佳的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度的孔洞，以使形成于孔洞內(nèi)的納米碳管亦具有較佳的管徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當可作些許之更動與改進，因此本發(fā)明之保護范圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是包括于基底上依序形成陰極導電層、絕緣層及柵極層；于該柵極層及該絕緣層中形成開口，暴露出部分該陰極導電層；于該陰極導電層上形成金屬層；對該金屬層進行第一次陽極處理，使部分該金屬層形成第一陽極處理層；移除該第一陽極處理層，暴露出未被陽極處理的該金屬層；對未被陽極處理的該金屬層進行第二次陽極處理，以形成第二陽極處理層，其中該第二陽極處理層中形成有多個孔洞；于上述這些孔洞內(nèi)形成催化劑層；以及于上述這些孔洞內(nèi)形成多個納米碳管。
2.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該陰極導電層的材料包括金屬、合金、金屬氮化物或摻雜半導體。
3.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該陰極導電層的材料包括鈦、氮化鈦、鉭或氮化鉭。
4.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該絕緣層的材料包括二氧化硅或氮化硅。
5.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該柵極層的材料包括金屬、合金或摻雜半導體。
6.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該金屬層的材料包括鋁或鋁合金。
7.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該第一陽極處理層包括陽極氧化鋁層。
8.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該移除該第一陽極處理層的方法包括濕式蝕刻法。
9.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該第二陽極處理層包括陽極氧化鋁層。
10.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是上述這些孔洞底部還包括形成有阻障層。
11.根據(jù)權利要求10所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是于上述這些孔洞內(nèi)形成上述這些納米碳管的步驟之前，還包括移除該阻障層。
12.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是形成該催化劑層的方法包括電化學方法。
13.根據(jù)權利要求1所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是形成上述這些納米碳管的方法包括化學氣相沉積法。
14.根據(jù)權利要求13所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該化學氣相沉積法包括電子回旋共振化學氣相沉積法、微波等離子化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法或熱化學氣相沉積法。
15.根據(jù)權利要求13所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該化學氣相沉積法所使用的反應氣體包括至少一種含碳氣體。
16.根據(jù)權利要求15所述的場發(fā)射三極管元件的制造方法，其特征是該含碳氣體是選自于一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、苯(C6H6)及其混合物所組成的群組。
全文摘要
一種場發(fā)射三極管元件的制造方法，其首先于基底上形成陰極導電層、絕緣層及柵極層，并于柵極層及絕緣層中形成開口以暴露部分陰極導電層。然后于陰極導電層上形成金屬層，并對金屬層進行第一次陽極處理以使部分金屬層形成第一陽極處理層。之后移除此第一陽極處理層，再形成第二陽極處理層，其中此第二陽極處理層中形成有多個孔洞。接著于孔洞底部形成催化劑層。最后于孔洞內(nèi)形成多個納米碳管。如此，可改善這些納米碳管的孔徑均勻度、分布均勻度及垂直準直度。
文檔編號H01L21/00GK1929071SQ20051009847
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權日2005年9月8日
發(fā)明者潘扶民, 陳柏林, 林貞君, 劉梅, 莫啟能 申請人:中華映管股份有限公司