JP4466019B2 - Diamond element and method for manufacturing diamond element - Google Patents
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Description
本発明は、電子放出素子、原子プローブ、近接場光プローブなどに応用可能なダイヤモンド素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a diamond element applicable to an electron-emitting device, an atom probe, a near-field optical probe, and the like, and a method for manufacturing the same.
図3Aないし図3Cは、従来例のダイヤモンド素子及びその製造過程を示す図である。図3Aないし図3Cに示すように、ダイヤモンド単結晶基板31上に微小円柱体33を形成し、微小円柱体33上にダイヤモンド結晶をエピキャシタル成長させて頂点が尖った角錐状体35を形成する方法があった。
上記従来例によって作製したダイヤモンド素子には突起の高さ均一性が悪いという問題点があった。 The diamond element manufactured by the above conventional example has a problem that the height uniformity of the protrusion is poor.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高さ均一性の優れたダイヤモンド素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a diamond element having excellent height uniformity.
本発明のダイヤモンド素子は、表面がダイヤモンド結晶の特定の結晶面に略平行な面である基板と、前記基板上に設けられ、前記特定の結晶面とは異なる第2の結晶面を側面とする略角錐状体と、略角錐状体の先端部から突出し、先端部が先鋭化している柱状体とを備え、前記特定の結晶面が(100)面であり、前記第2の結晶面が(111)面であることを特徴とする。
The diamond element of the present invention has a substrate whose surface is substantially parallel to a specific crystal plane of a diamond crystal, and a second crystal plane that is provided on the substrate and is different from the specific crystal plane. A substantially pyramidal body, and a columnar body projecting from the tip of the substantially pyramid and having a sharpened tip, the specific crystal plane being a (100) plane, and the second crystal plane being ( 111) plane.
また、本発明のダイヤモンド素子製造方法は、表面がダイヤモンド結晶の特定の結晶面に略平行な面である基板から柱状体が突出した構造を形成する第1のステップと、前記第1のステップで得られた基板を、水素を主成分とするガスのプラズマに曝すことにより、前記柱状体の根元から前記結晶面とは異なる第2の結晶面を露出面とするダイヤモンド結晶を成長させると同時に、前記柱状体の先端部を先鋭化させる第2のステップとを含み、前記柱状体の根元から成長するダイヤモンド結晶が前記柱状体の先端に到達する前に前記第2のステップを終了することにより、前記基板を底面とし、前記第2の結晶面を側面とする略角錐状体の先端部から前記柱状体が突出している構造を形成することを特徴とする。 The diamond element manufacturing method of the present invention includes a first step of forming a structure in which a columnar body protrudes from a substrate whose surface is a plane substantially parallel to a specific crystal plane of a diamond crystal, and the first step. By exposing the obtained substrate to a plasma of a gas containing hydrogen as a main component, a diamond crystal having an exposed second crystal plane different from the crystal plane is grown from the base of the columnar body, A second step of sharpening the tip of the columnar body, and the diamond crystal growing from the base of the columnar body ends the second step before reaching the tip of the columnar body, A structure in which the columnar body protrudes from a tip portion of a substantially pyramidal body having the substrate as a bottom surface and the second crystal plane as a side surface is formed.
柱状体の先端部をプラズマ処理することにより、柱状体の高さを大きく変化させることなく、柱状体の先端部を先鋭化させることができる。特に、柱状体の物理的強度を補強する略角錐状体を備えるので、柱状体を極めて細くすることができ、柱状体の先端部が短時間のプラズマ処理で先鋭化する。そのため、先端部が先鋭化された複数の柱状体の高さのバラツキが小さくなる。 By plasma-treating the tip of the columnar body, the tip of the columnar body can be sharpened without greatly changing the height of the columnar body. In particular, since the substantially pyramidal body that reinforces the physical strength of the columnar body is provided, the columnar body can be made extremely thin, and the tip of the columnar body is sharpened by a short plasma treatment. Therefore, the variation in the height of the plurality of columnar bodies with sharpened tips is reduced.
本発明のダイヤモンド素子は、前記柱状体の長さ方向に垂直な断面の最大径が300nm以下であることが好適である。 In the diamond element of the present invention, it is preferable that the maximum diameter of a cross section perpendicular to the length direction of the columnar body is 300 nm or less.
柱状体の断面の最大径を300nm以下とすると、好適な高さ均一性(バラツキが100nm以下)を容易に達成することができる。 When the maximum diameter of the cross section of the columnar body is 300 nm or less, suitable height uniformity (variation is 100 nm or less) can be easily achieved.
本発明のダイヤモンド素子は、前記柱状体の側面と前記略角錐状体の側面との境界が、異なる結晶面が接する境界であることが好適である。 In the diamond element of the present invention, it is preferable that the boundary between the side surface of the columnar body and the side surface of the substantially pyramidal body is a boundary where different crystal planes are in contact.
柱状体の側面と略角錐状体の側面とが連続した結晶面になる前、すなわち略角錐状体が柱状体の先端部付近まで成長し、略角錐状体の成長が柱状体の高さに影響を与える前にプラズマ処理を止めることにより、柱状体の高さのバラツキをより小さくすることができる。 Before the side surface of the columnar body and the side surface of the substantially pyramidal body become a continuous crystal plane, that is, the substantially pyramidal body grows to the vicinity of the tip of the columnar body, and the growth of the substantially pyramidal body reaches the height of the columnar body. By stopping the plasma treatment before the influence is exerted, the height variation of the columnar body can be further reduced.
本発明のダイヤモンド素子は、前記柱状体における前記略角錐状体から突き出ている部分の長さが、前記柱状体の高さの2分の1未満であることが好適である。 In the diamond element of the present invention, it is preferable that a length of a portion protruding from the substantially pyramid in the columnar body is less than a half of a height of the columnar body.
柱状体の半分以上が略角錐状体で覆われることにより、柱状体が折れにくくなると共に、略角錐状体の放熱効果及び導光効果が高まる。 When more than half of the columnar body is covered with the substantially pyramidal body, the columnar body is not easily broken, and the heat dissipation effect and the light guiding effect of the substantially pyramidal body are enhanced.
結晶間の粒界の影響を受けず、高さ均一性の優れたダイヤモンド素子を提供することができる。 A diamond element excellent in height uniformity can be provided without being affected by the grain boundary between crystals.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
第1実施形態のダイヤモンド素子1の構造を説明する。図1Cは、第1実施形態のダイヤモンド素子1の縦断面図を示す。図1A及び図1Bは、ダイヤモンド結晶が柱状体の根元から(111)方向に成長して略角錐状体に至る過程を示す。ただし、これらの図では、簡略化のために、一個の柱状体のみが示されている。
(First embodiment)
The structure of the
ダイヤモンド素子1は、(100)面を表面11aとするダイヤモンド単結晶の基板11を備える。基板11から一定の間隔で複数の四角柱13(柱状体)が表面11aに対して垂直に突出している。四角柱13は、基板11を構成するダイヤモンド単結晶と連続したダイヤモンド単結晶により構成されている。四角柱13の断面の径は、300nm以下になっている。
The
各四角柱13は、頂点が欠けた略四角錐状の略四角錐15(略角錐状体)に覆われており、先端部13aが略四角錐15の先端部から突き出ている。略四角錐15は、基板11の表面11a((100)面)を底面とし、(111)面を側面15a(露出面)とするダイヤモンド単結晶である。図1A及び図1Bに示すように、略四角錐15は、基板11上に、ダイヤモンド単結晶が四角柱13の根元から(111)方向に成長して形成されたものである。略四角錐15が四角柱13の先端部13aを覆う前に、略四角錐15の成長が止められている。
Each
四角柱13の先端部13aは、先鋭化されている。複数の四角柱13の高さには多少のバラツキがあるが、最も低いものと最も高いものと差は100nm以内である。
The
本発明のダイヤモンド素子に用いられる基板は、ダイヤモンド単結晶をヘテロエピキャシタル成長させたものであってもよい。また、本発明のダイヤモンド素子に用いられる基板の表層部及び柱状体は、高配向ダイヤモンド多結晶であってもよい。 The substrate used in the diamond element of the present invention may be a substrate obtained by heteroepitaxial growth of a diamond single crystal. Further, the surface layer portion and the columnar body of the substrate used in the diamond element of the present invention may be highly oriented polycrystalline diamond.
(第2実施形態)
第2実施形態のダイヤモンド素子2の構造を説明する。図2Cは、第2実施形態のダイヤモンド素子2の縦断面図を示す。図2A及び図2Bは、ダイヤモンド結晶が柱状体の根元から(111)方向に成長して角錐状体に至る過程を示す。ただし、これらの図では、簡略化のために、一個の柱状体のみが示されている。
(Second Embodiment)
The structure of the
ダイヤモンド素子2は、(100)面に略平行な面を表面21aとするダイヤモンド単結晶の基板21を備える。(100)面と表面21aとの間には所定のオフ角がある。
The
基板21から一定の間隔で複数の四角柱23(柱状体)が表面21aに対して垂直に突出している。四角柱23は、基板21を構成するダイヤモンド単結晶と連続したダイヤモンド単結晶により構成されている。四角柱23の断面の径は、300nm以下になっている。
A plurality of square pillars 23 (columnar bodies) protrude perpendicularly to the
各四角柱23は四角錐25に覆われており、先端部23aが四角錐25の頂点付近の側面25aから突き出ている。四角錐25は、基板21を構成するダイヤモンド単結晶の(100)面を底面とし、(111)面を側面25aとするダイヤモンド単結晶である。前述のとおり(100面)と表面21aとの間には所定のオフ角があるので、四角錐25は、表面21aに対してオフ角だけ傾くことになる。そのため、四角錐25の頂点が、表面21aから垂直に伸びる四角柱23の外側に位置することになる。
Each
図2A及び図2Bに示すように、四角錐25は、基板21上にダイヤモンド単結晶が四角柱23の根元から(111)方向に成長して形成されたものである。四角錐25が四角柱23の先端部23aを覆う前に、四角錐25の成長が止められている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
図2Dは、四角錐25における隣り合う側面25aの境界部の形状を示す図である。両方の側面25aのサイドが、凹入部25bが境界に平行になるようにくぼんでいる。
FIG. 2D is a diagram illustrating a shape of a boundary portion between
四角柱23の先端部23aは、先鋭化されている。複数の四角柱23の高さには多少のバラツキがあるが、最も低いものと最も高いものと差は100nm以内である。
The
(製造方法)
本発明のダイヤモンド素子製造方法の実施形態を説明する。まず、高圧合成法により生成した(100)単結晶ダイヤモンド基板を、研磨によって高低差25nm以下に平坦化する。好ましくは、高低差10nm以下に平坦化する。この際、平坦化された基板の表面が、(100)面に平行になるようにする。(100)単結晶ダイヤモンド基板に代えて、表層部にダイヤモンド単結晶膜をヘテロエピキャシタル成長させた基板、又は表層部に高配向ダイヤモンド多結晶膜を成長させた基板を用いてもよい。
(Production method)
An embodiment of the diamond element manufacturing method of the present invention will be described. First, a (100) single crystal diamond substrate produced by a high-pressure synthesis method is flattened to a height difference of 25 nm or less by polishing. Preferably, planarization is performed so that the height difference is 10 nm or less. At this time, the planarized surface of the substrate is made parallel to the (100) plane. Instead of the (100) single crystal diamond substrate, a substrate in which a diamond single crystal film is heteroepitaxially grown in the surface layer portion or a substrate in which a highly oriented diamond polycrystal film is grown in the surface layer portion may be used.
平坦化された基板の表面に、直径200nm以下のAlの微小ドットを所定の配列で形成する。直径200nm以下の微小ドットに加工するので、パターン形成の手段としては電子リソグラフィーが好適である。また、Al膜上に形成された第2レジストをフォトリソグラフィーで大きめのドットのパターンにした上、Al膜をオーバーエッチングして直径200nm以下の微小ドットのパターンにすることも考えられる。この場合、Al微小ドットの大きさにバラツキが生じるが、25nmまでのバラツキを許容できる。 Al dots having a diameter of 200 nm or less are formed in a predetermined arrangement on the planarized substrate surface. Since it is processed into fine dots having a diameter of 200 nm or less, electron lithography is suitable as a pattern forming means. It is also conceivable that the second resist formed on the Al film is formed into a large dot pattern by photolithography, and the Al film is overetched to form a fine dot pattern having a diameter of 200 nm or less. In this case, the Al micro dots vary in size, but variations up to 25 nm are acceptable.
レジストの材料はAlに限られず、SiO2やTiNを用いることもできる。Auなどのリソグラフィーが困難な材料をリフトオフにより所定のパターンに加工することも考えられる。 The resist material is not limited to Al, and SiO 2 or TiN can also be used. It is also conceivable to process a material such as Au that is difficult to perform lithography into a predetermined pattern by lift-off.
Al微小ドットが形成された基板を、RIEにより表面に対して垂直方向にエッチングして、円柱を形成する。円柱の高さは直径の2倍以上であるのが望ましい。円柱を高くすることにより、後のプロセスで略角錐状体を大きく成長させても、円柱の先端部が略角錐状態から突き出た状態を維持することができる。エッチング後、Al膜を酸で除去する。 The substrate on which the Al micro dots are formed is etched in the direction perpendicular to the surface by RIE to form a cylinder. The height of the cylinder is preferably at least twice the diameter. By increasing the height of the cylinder, it is possible to maintain the state in which the tip of the cylinder protrudes from the substantially pyramid state even when the substantially pyramidal body is greatly grown in a later process. After the etching, the Al film is removed with an acid.
以上のプロセスにより、(100)面である基板の表面から複数の円柱が垂直に突出している構造が得られる。次に、基板を、水素を主成分とするガスのマイクロ波プラズマに曝す。このガスは、全て水素で構成されている、あるいは水素ガスにO2、CO、CO2などの酸素原子を含むガスが微量に混入したもの(例えば、H2にCO2が0.1%混入したガス)である。 By the above process, a structure in which a plurality of cylinders protrude vertically from the surface of the substrate which is the (100) plane is obtained. Next, the substrate is exposed to a microwave plasma of a gas mainly containing hydrogen. This gas is composed entirely of hydrogen, or hydrogen gas containing a small amount of gas containing oxygen atoms such as O 2 , CO, CO 2 (eg, 0.1% CO 2 is mixed in H 2) Gas).
ダイヤモンド結晶がエッチングされる最低限のエネルギー付近に、水素含有ガスをマイクロ波で励起する。マイクロ波で励起するのが好ましいが、RFやDCにより励起してもよい。基板温度は700〜900℃、ガスの圧力は2.5〜6.7kPaとする。 A hydrogen-containing gas is excited by microwaves in the vicinity of the minimum energy at which the diamond crystal is etched. Excitation with microwaves is preferred, but excitation with RF or DC is also possible. The substrate temperature is 700 to 900 ° C., and the gas pressure is 2.5 to 6.7 kPa.
このようなプラズマガスに曝すことにより、微小円柱付き基板が緩やかにエッチングされると共に、微小円柱付き基板上にダイヤモンド結晶が(111)方向に成長する。その結果、微小円柱付き基板の形状は次のように変化していく。 By exposing to such a plasma gas, the substrate with the microcylinder is gently etched, and a diamond crystal grows in the (111) direction on the substrate with the microcylinder. As a result, the shape of the substrate with the minute cylinders changes as follows.
円柱は、(100)面を側面とする四角柱に再構成される。さらに、四角柱の先端部は先鋭化されていく。同時に、四角柱の根元から(111)方向にダイヤモンド結晶が成長していく。ダイヤモンド結晶は(100)方向にも成長するが、(111)方向の成長の方が約20倍早い。 The cylinder is reconfigured into a quadrangular prism with the (100) plane as the side surface. Furthermore, the tip of the quadrangular column is sharpened. At the same time, a diamond crystal grows in the (111) direction from the base of the quadrangular prism. Diamond crystals grow in the (100) direction, but the growth in the (111) direction is about 20 times faster.
基板の表面を底面とし、(111)面を側面とし、中心軸が四角柱と重なる略四角錐が成長していく。他方、四角柱の先端部は、先鋭化されるものの、基板表面に垂直な方向にはほとんど成長しない。略四角錐が、四角柱の半分以上を覆い、かつ四角柱の先端部が露出している状態でプラズマ処理を止める。特に、複数の四角柱の高さのバラツキを小さくするためには、略四角錐の側面と四角柱の側面とを区別する境界が存在するうち、すなわち略四角錐の側面を構成する結晶面と四角柱の側面を構成する結晶面とが不連続に変化する境界線が存在するうちにプラズマ処理を止めるのが好ましい。以上のプロセスの結果、本発明のダイヤモンド素子が得られる。 A substantially quadrangular pyramid grows with the surface of the substrate as the bottom, the (111) plane as the side, and the central axis overlapping the quadrangular prism. On the other hand, the tip of the quadrangular column is sharpened but hardly grows in the direction perpendicular to the substrate surface. The plasma processing is stopped in a state where the substantially quadrangular pyramid covers more than half of the quadrangular column and the tip of the quadrangular column is exposed. In particular, in order to reduce the variation in the height of a plurality of quadrangular prisms, there is a boundary that distinguishes the side surfaces of the substantially quadrangular pyramid and the side surface of the quadrangular prism, that is, the crystal planes that constitute the side surface of the substantially quadrangular pyramid. It is preferable to stop the plasma treatment while there is a boundary line that discontinuously changes with the crystal plane constituting the side surface of the quadrangular prism. As a result of the above process, the diamond element of the present invention is obtained.
上記のプロセスでは、断面の直径が200nm以下の微小円柱が形成された上、この微小円柱が微小四角柱に再構成される。微小四角柱が非常に細いので、短時間のプラズマ処理で微小四角柱の先端部が先鋭化される。そのため、略四角錐の先端部が微小四角柱の先端部に追いつく前に、微小四角柱の先端部が先鋭化される。 In the above process, a microcylinder having a cross-sectional diameter of 200 nm or less is formed, and the microcylinder is reconfigured into a microsquare column. Since the minute square column is very thin, the tip of the minute square column is sharpened by a short plasma treatment. Therefore, before the tip of the substantially quadrangular pyramid catches up with the tip of the minute quadrangular prism, the tip of the minute quadrangular prism is sharpened.
また、(111)方向成長速度の(100)方向成長速度に対する比が大きいので、略四角錐が微小四角柱の先端部付近まで成長したときでも、微小四角柱の高さはプラズマ処理の開始時と大きく変わっていない。そのため、プラズマ処理後の複数の微小四角柱の高さのバラツキが大きくならない。特に、微小四角柱の断面の最大径(対角線の長さ)を300nm以下にして先鋭化に要する時間を短くすることにより、本発明のダイヤモンド素子が完成したときの微小四角柱の高さのバラツキ100nm以下にすることができる。微小四角柱の断面の最大径が300〜400nm付近で、好適な構造(微小四角柱の先端部が先鋭化されており、かつ微小四角柱の高さのバラツキが100nm)の達成可能性が大きく変わる。 Further, since the ratio of the (111) direction growth rate to the (100) direction growth rate is large, the height of the minute square column is the same as that at the start of the plasma treatment even when the substantially quadrangular pyramid grows to the vicinity of the tip of the minute square column. It has not changed greatly. For this reason, the variation in the height of the plurality of small quadrangular prisms after the plasma treatment does not increase. In particular, by reducing the maximum diameter (diagonal length) of the cross section of the small quadrangular column to 300 nm or less and shortening the time required for sharpening, variation in the height of the small quadrangular column when the diamond element of the present invention is completed is achieved. It can be 100 nm or less. There is a large possibility of achieving a suitable structure (the tip of the small quadrangular column is sharpened and the height variation of the small quadrangular prism is 100 nm) when the maximum diameter of the cross section of the small quadrangular column is around 300 to 400 nm. change.
上記の製造方法では表面が(100)面に平行になるように基板が研磨されたが、表面と(100)面との間に所定のオフ角が生じるように基板が研磨されてもよい。その場合には、(100)面を底面とする四角錐が基板の表面に対して傾いて成長することになる。このように、四角錐が四角柱に対して傾いている構造が、ダイヤモンド素子を近接場光プローブ又は原子プローブに適用するのに好適である。 In the above manufacturing method, the substrate is polished so that the surface is parallel to the (100) plane, but the substrate may be polished so that a predetermined off angle is generated between the surface and the (100) plane. In that case, a quadrangular pyramid with the (100) plane as the bottom grows with an inclination to the surface of the substrate. As described above, the structure in which the quadrangular pyramid is inclined with respect to the quadrangular prism is suitable for applying the diamond element to the near-field optical probe or the atomic probe.
基板表面にオフ角が設けられている場合において、プラズマ処理の前に形成する微小円柱を太めにし、プラズマ処理時間を短くすると、四角錐は、隣り合う側面の境界が削られたような形状になりやすい。図2Dに示すように、凹入部が2重になっている構造、すなわち両側面のサイドにおいて境界に平行になるように凹入部が形成されている構造が微小四角柱の高さの均一性を維持する点で好ましい。 When the off-angle is provided on the substrate surface, if the microcylinder formed before plasma processing is thickened and the plasma processing time is shortened, the quadrangular pyramid has a shape in which the boundary between adjacent side surfaces is cut off. Prone. As shown in FIG. 2D, the structure in which the recessed portions are doubled, that is, the structure in which the recessed portions are formed so as to be parallel to the boundary on the sides of the both side surfaces improves the uniformity of the height of the minute quadrangular prism. It is preferable in terms of maintenance.
(製造方法の実施例1)
(100)単結晶ダイヤモンド基板の表面を研磨して、高低差数nmに平坦化した。基板の表面にAl膜を蒸着する。さらに、Al膜上に第2のレジスト(ウエットエッチング用レジスト)を塗布する。第2のレジストを、フォトリソグラフィーにより、直径0.8μmのドットが配列されたパターンにした。
(Example 1 of manufacturing method)
The surface of the (100) single crystal diamond substrate was polished and flattened to a height difference of several nm. An Al film is deposited on the surface of the substrate. Further, a second resist (wet etching resist) is applied on the Al film. The second resist was formed into a pattern in which dots having a diameter of 0.8 μm were arranged by photolithography.
この基板をウエットエッチングによりオーバーエッチングした上、第2のレジストを除去することにより、直径0.2〜0.5μmのAlドットが配列されたパターンを形成した。 This substrate was over-etched by wet etching, and the second resist was removed to form a pattern in which Al dots having a diameter of 0.2 to 0.5 μm were arranged.
CF4/O2=1%のガス中でRIEを施すことにより、この基板を表面から複数の円柱が垂直に突出している構造に加工した。いくつかのAlドットの下では、過度にサイドエッチングされたために円柱が消滅してしまった。しかし、多くのAlの下では、断面直径0.2〜0.3μmの円柱が形成された。図4は、実施例1において円柱が形成された(100)単結晶ダイヤモンド基板の撮像図である。 By performing RIE in a gas of CF 4 / O 2 = 1%, this substrate was processed into a structure in which a plurality of cylinders protruded vertically from the surface. Under some Al dots, the cylinder disappeared due to excessive side etching. However, under much Al, a cylinder having a cross-sectional diameter of 0.2 to 0.3 μm was formed. FIG. 4 is an imaging diagram of a (100) single crystal diamond substrate on which a cylinder is formed in Example 1.
MPCVD装置を用いて、この基板を水素100%ガスのマイクロ波プラズマに曝した。処理条件は、水素ガス流量100〜300sccm、ガス圧力3.3〜5.3kPa、基板ステージ温度750℃、マイクロ波出力1300Wとした。処理時間は、15〜360分とした。 The substrate was exposed to microwave plasma of 100% hydrogen gas using an MPCVD apparatus. The processing conditions were a hydrogen gas flow rate of 100 to 300 sccm, a gas pressure of 3.3 to 5.3 kPa, a substrate stage temperature of 750 ° C., and a microwave output of 1300 W. The processing time was 15 to 360 minutes.
上記のプラズマ処理を開始すると、円柱は更に細くなり、径が50〜200nmの四角柱に再構成された。同時に、四角柱の根元からピラミッド状の成長丘が成長していった。図5Aは、成長丘の成長が始まった様子を示す撮像図であり、図5Bは、その一部拡大図である。 When the above plasma treatment was started, the cylinder became thinner and was reconstructed into a square column having a diameter of 50 to 200 nm. At the same time, a pyramid-shaped growth hill grew from the base of the quadrangular prism. FIG. 5A is an imaging diagram showing the growth of the growth hill, and FIG. 5B is a partially enlarged view thereof.
プラズマ処理を継続すると、成長丘が成長すると共に四角柱の先端部が先鋭化していった。成長丘の成長速度は四角柱の表面の成長速度よりもはるかに大きかった。成長丘の先端部が四角柱の先端部に近づいたときでも、四角柱の高さにはほとんど変化がなかった。成長丘の先端部が四角柱の先端部を追い越す前に、四角柱の先端部が十分に先鋭化した。図6Aないし図6Cは、四角柱の根元から成長丘が成長すると同時に、四角柱の先端部が先鋭化する過程を示す撮像図である。 When the plasma treatment was continued, the growth hill grew and the tip of the quadrangular column sharpened. The growth rate of the growth hill was much larger than the growth rate of the surface of the square column. Even when the tip of the growth hill approached the tip of the quadrangular column, there was little change in the height of the quadrangular column. Before the tip of the growth hill overtakes the tip of the square column, the tip of the square column was sharpened sufficiently. 6A to 6C are imaging diagrams illustrating a process in which the growth hill grows from the base of the quadrangular column and the tip of the quadrangular column sharpens at the same time.
図7Aは、成長丘の側面同士の境界部の形状を示す図である。図7Aに示すように、側面同士の境界部(図6A及び図7Aに示す領域a)は、凹入部が境界線に平行な面になるように削られたような形状になった。 FIG. 7A is a diagram showing the shape of the boundary between the side surfaces of the growth hill. As shown in FIG. 7A, the boundary portion between the side surfaces (region a shown in FIGS. 6A and 7A) was shaped to be cut so that the recessed portion became a plane parallel to the boundary line.
図7Bは、図6Aに示すプラズマ処理の初期における四角柱先端部の拡大図である。図7Cは、図6Cに示すプラズマ処理の末期における四角柱先端部の拡大図である。図7Bに示す先端部は先が丸まっている。図7Cに示す先端部は、図7Bに示す先端部よりも太くなったが、先が鋭く尖っている。 FIG. 7B is an enlarged view of the front end portion of the quadrangular prism in the initial stage of the plasma processing shown in FIG. 6A. FIG. 7C is an enlarged view of the front end portion of the quadrangular prism in the final stage of the plasma processing shown in FIG. 6C. The tip shown in FIG. 7B has a rounded tip. The tip shown in FIG. 7C is thicker than the tip shown in FIG. 7B, but has a sharp point.
四角柱の先端部が十分に先鋭化した時点でプラズマ処理を止めた。以上のプロセスにより完成したダイヤモンド素子の四角柱の標準の高さは3μmであり、標準高さからのバラツキは1%以内であった。 The plasma treatment was stopped when the tip of the quadrangular column was sufficiently sharpened. The standard height of the square prism of the diamond element completed by the above process was 3 μm, and the variation from the standard height was within 1%.
(製造方法の実施例2)
実施例2の製造方法は、次の点で実施例1の製造方法と異なる。(100)ダイヤモンド単結晶基板の表面に蒸着したAl膜を、電子線リソグラフィー及びエッチングにより、直径0.3μmのAlドットが配列されたパターンにした。CF4/O2=1%のガス中でRIEを施すことにより、断面直径0.2μmの円柱を形成した。
(Example 2 of manufacturing method)
The manufacturing method of Example 2 differs from the manufacturing method of Example 1 in the following points. The Al film deposited on the surface of the (100) diamond single crystal substrate was formed into a pattern in which Al dots having a diameter of 0.3 μm were arranged by electron beam lithography and etching. By performing RIE in a gas of CF 4 / O 2 = 1%, a cylinder having a cross-sectional diameter of 0.2 μm was formed.
この円柱付き基板をプラズマ処理したところ、先端が先鋭化した断面径が80〜100nmの四角柱及び実施例1と同じ形の成長丘が得られた。このダイヤモンド素子の四角柱の標準の高さは3μmであり、標準高さからのバラツキは1%以内であった。 When this cylindrical substrate was subjected to plasma treatment, a square pillar with a sharpened tip and a diameter of 80 to 100 nm and a growth hill having the same shape as in Example 1 were obtained. The standard height of the square prism of this diamond element was 3 μm, and the variation from the standard height was within 1%.
(製造方法の比較例)
比較例の製造方法は、次の点で実施例1の製造方法と異なる。プラズマ処理を施す前の円柱の断面直径を0.8μmとした。
(Comparative example of manufacturing method)
The manufacturing method of the comparative example differs from the manufacturing method of Example 1 in the following points. The cross-sectional diameter of the cylinder before the plasma treatment was set to 0.8 μm.
この円柱付き基板をプラズマ処理したところ、先端が尖る前に成長丘の先端部が四角柱の先端部に追いついてしまった。この時、四角柱の標準の高さは6μmであり、標準高さからのバラツキは5%以内であった。 When this cylindrical substrate was plasma treated, the tip of the growth hill caught up with the tip of the quadrangular column before the tip was sharp. At this time, the standard height of the quadrangular prism was 6 μm, and the variation from the standard height was within 5%.
例えば、電子銃、電子管、真空管、FED(Field Emission Display)における電子放出素子、STM(Scanning Tunneling Microscope)、AFM(Atomic Force Microscope)、SNOM(Scanning Near-field Optical Microscope)における原子プローブ及び近接場光プローブに適用可能である。 For example, electron guns, electron tubes, vacuum tubes, electron emission elements in FED (Field Emission Display), STM (Scanning Tunneling Microscope), AFM (Atomic Force Microscope), atomic probes and near-field light in SNOM (Scanning Near-field Optical Microscope) Applicable to probes.
1・・・ダイヤモンド素子、11・・・ダイヤモンド単結晶基板、11a・・・表面、13・・・四角柱、13a・・・先端部、15・・・略四角錐、15a・・・側面、2・・・ダイヤモンド素子、21・・・ダイヤモンド単結晶基板、21a・・・表面、23・・・四角柱、23a・・・先端部、25・・・四角錐、25a・・・側面、31・・・ダイヤモンド単結晶基板、33・・・微小円柱体、35・・・角錐状体。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記基板上に設けられ、前記特定の結晶面とは異なる第2の結晶面を側面とする略角錐状体と、
略角錐状体の先端部から突出し、先端部が先鋭化している柱状体とを備え、
前記特定の結晶面が(100)面であり、
前記第2の結晶面が(111)面である
ことを特徴とするダイヤモンド素子。 A substrate whose surface is a plane substantially parallel to a specific crystal plane of the diamond crystal;
A substantially pyramidal body provided on the substrate and having a second crystal plane different from the specific crystal plane as a side surface;
A columnar body that protrudes from the tip of the substantially pyramidal body and has a sharpened tip.
The specific crystal plane is a (100) plane;
The diamond element, wherein the second crystal plane is a (111) plane .
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 The diamond element according to claim 1, wherein the maximum diameter of a cross section perpendicular to the length direction of the columnar body is 300 nm or less.
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 2. The diamond element according to claim 1, wherein a difference between a height of one of the columnar bodies and a height of the other columnar body is 100 nm or less.
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 2. The diamond element according to claim 1, wherein a boundary between a side surface of the columnar body and a side surface of the substantially pyramidal body is a boundary where different crystal planes are in contact with each other.
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 The diamond element according to claim 1, wherein a boundary between adjacent side surfaces of the substantially pyramid is a ridge line including a concave angle.
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 The diamond element according to claim 1, wherein a central axis of the substantially pyramid is inclined with respect to a central axis of the columnar body.
ことを特徴とする請求項5又は6に記載のダイヤモンド素子。 The diamond element according to claim 5 or 6 , wherein there is a predetermined off angle between the surface of the substrate and the specific crystal plane.
ことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド素子。 2. The diamond element according to claim 1, wherein a length of a portion of the columnar body protruding from the substantially pyramidal body is less than a half of a height of the columnar body.
前記第1のステップで得られた基板を、水素を主成分とするガスのプラズマに曝すことにより、前記柱状体の根元から前記結晶面とは異なる第2の結晶面を露出面とするダイヤモンド結晶を成長させると同時に、前記柱状体の先端部を先鋭化させる第2のステップとを含み、
前記柱状体の根元から成長するダイヤモンド結晶が前記柱状体の先端に到達する前に前記第2のステップを終了することにより、前記基板を底面とし、前記第2の結晶面を側面とする略角錐状体の先端部から前記柱状体が突出している構造を形成する
ことを特徴とするダイヤモンド素子製造方法。 A first step of forming a structure in which a columnar body protrudes from a substrate whose surface is a plane substantially parallel to a specific crystal plane of a diamond crystal;
By exposing the substrate obtained in the first step to plasma of a gas containing hydrogen as a main component, a diamond crystal having a second crystal face different from the crystal face from the base of the columnar body as an exposed face. And a second step of sharpening the tip of the columnar body,
By completing the second step before the diamond crystal growing from the base of the columnar body reaches the tip of the columnar body, a substantially pyramid having the substrate as a bottom surface and the second crystal surface as a side surface. Forming a structure in which the columnar body protrudes from the tip of the body.
ことを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド素子製造方法。 The diamond element manufacturing method according to claim 9 , wherein the specific crystal plane is a (100) plane.
ことを特徴とする請求項10に記載のダイヤモンド素子製造方法。 The method for manufacturing a diamond element according to claim 10 , wherein the second crystal plane is a (111) plane.
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