JP5013155B2 - Manufacturing method of diamond emitter array - Google Patents
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Description
本発明は、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子のエミッタにダイヤモンド膜を用い、このようなダイヤモンドエミッタをアレイ状に配置したダイヤモンドエミッタアレイ及びその製造方法に係り、特に、ダイヤモンド膜の水素終端面を電子放出面とするダイヤモンドエミッタアレイ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a diamond emitter array in which a diamond film is used as an emitter of a field emission type electron-emitting device that emits electrons by a strong electric field and the diamond emitters are arranged in an array, and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a diamond emitter array in which a hydrogen termination surface of a film is an electron emission surface and a manufacturing method thereof.
従来より、電子ディスプレイデバイスとして陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電子銃のカソードから熱電子を放出させるものであるため、エネルギー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要とするなどの問題があった。 Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, since the cathode ray tube emits thermal electrons from the cathode of an electron gun, it consumes a large amount of energy and has a large structural volume. There was a problem such as need.
このため、熱電子ではなく冷電子を利用できるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減させ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディスプレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現することも強く求められている。 For this reason, there is a demand for a flat display that can use cold electrons instead of thermal electrons to reduce energy consumption as a whole, and further downsize the device itself. Realization of high-speed response and high resolution is strongly demanded for the type display.
このような冷電子を利用する平面型ディスプレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。そして、そのために使用する電子放出素子として、電界放射現象を利用した電界放射型の電子放出素子が注目されている。この電界放射型の電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が107V/cm以上の強電界となると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、そのため、物質から電子が放出されるという現象を利用している。 As a structure of a flat display using such cold electrons, a structure in which minute electron-emitting devices are arranged in an array in a flat plate cell of high vacuum is promising. As an electron-emitting device used for this purpose, a field-emission type electron-emitting device using a field emission phenomenon has attracted attention. In this field emission type electron-emitting device, when the strength of the electric field applied to the substance is increased, the width of the energy barrier on the surface of the substance is gradually reduced according to the strength, and the electric field strength is 10 7 V / cm or more. Then, the electrons in the material can break through the energy barrier by the tunnel effect, and therefore, the phenomenon that electrons are emitted from the material is utilized.
この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材(エミッタ)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。 In this case, since the electric field follows Poisson's equation, if a portion where the electric field concentrates is formed on the member (emitter) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.
このような電界放射型の電子放出素子の一般的なものとしては、図4に示すように、先端が尖った円錐形の電子放出素子を例示することができる(例えば、非特許文献1参照)。この素子においては、絶縁性基板41上に導電層42、絶縁層43及びゲート電極44が順次積層されており、その絶縁層43及びゲート電極44には開口部Aが形成され、それによって導電層42が露出している。そして、開口部A内の導電層42上には、少なくともゲート電極44に接触しないように、点状突起を有する円錐形状のエミッタ45が形成されている。このような円錐形エミッタとしては、スピント型エミッタが広く知られている。
As a general type of such a field emission type electron-emitting device, a conical electron-emitting device having a pointed tip can be illustrated as shown in FIG. 4 (see, for example, Non-Patent Document 1). . In this element, a
スピント型エミッタを備えた電子放出素子の製造例を、図5を参照して説明する。 An example of manufacturing an electron-emitting device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIG.
まず、図5(a)に示すように、予め導電層52が形成された絶縁性基板51上に、絶縁層53及びゲート電極54をスパッタ法又は真空蒸着法等により順次成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング法(RIE)とを利用して絶縁層53及びゲート電極54の一部を、導電層52が露出するまで、円形の孔(ゲート孔)が開口するようにエッチングする。
First, as shown in FIG. 5A, an
次に、図5(b)に示すように、斜方蒸着により剥離層55をゲート電極54上面と側面にのみ形成する。剥離層55の材料としては、Al、MgO等が多く使用されている。
Next, as shown in FIG. 5B, a
続いて、図5(c)に示すように、全面に、即ち導電層52及び剥離層55上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、エミッタ56用の金属材料を蒸着する。このとき、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると同時に導電層52上に円錐形のエミッタ56が自己整合的に形成される。蒸着は、最終的にゲート孔が閉じるまで行なう。エミッタの材料としては、Mo、Ni等を使用している。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a metal material for the
最後に、図5(d)に示すように、剥離層材55をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲート電極54をパターニングする。これによりスピント型エミッタを備えた電子放出素子が得られる。
Finally, as shown in FIG. 5D, the
一方、半導体集積回路製造技術を応用して製造されるシリコンエミッタもまた広く知られている。このようなシリコンエミッタを備えた電子放出素子の製造例を、図6(a)〜(e)を参照して説明する。 On the other hand, silicon emitters manufactured by applying semiconductor integrated circuit manufacturing technology are also widely known. An example of manufacturing an electron-emitting device having such a silicon emitter will be described with reference to FIGS.
まず、図6(a)に示すように、単結晶シリコン基板61を熱酸化して表面に酸化シリコン層を形成し、この酸化シリコン層をフォトリソグラフィー法を利用して円形にパターニングすることにより、円形のエッチングマスク用酸化シリコン層62を形成する。この酸化シリコン層62は、後述するように、リフトオフ材としても機能する。なお、酸化シリコン層62の径はほぼゲート径に相当する。
First, as shown in FIG. 6A, a single
次に、図6(b)に示すように、酸化シリコン層62をエッチングマスクとして用いて、サイドエッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法(RIE)によりシリコン基板61をエッチングし、エミッタ63を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, using the
続いて、図6(c)に示すように、熱酸化によりシリコン基板61及びエミッタ63の表面にエミッタ先端先鋭化用酸化シリコン層64を形成する。この酸化シリコン層64の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層64の内側のエミッタ63の先端が容易に尖鋭化される。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, an emitter tip sharpening
そして、図6(d)に示すように、異方性蒸着法により絶縁層65、ゲート電極66を積層する。
Then, as shown in FIG. 6D, an
最後に、図6(e)に示すように、リフトオフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコン層62をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ63の表面の酸化シリコン層64をエッチング除去する。そして、必要に応じてゲート電極66をパターニングする。これにより、シリコンエミッタを備えた電子放出素子が得られる。
Finally, as shown in FIG. 6E, the etching mask
しかしながら、上述したスピント型エミッタならびにシリコンエミッタにおいては、いずれもエミッタ材料である金属、シリコン又はそれらの化合物は、正の電子親和力(PEA;Positive Electron Affinity)を有するため、電子放出能が低く、エミッタ部への電界集中を行うことが不可欠であった。そのため、それらのエミッタ材料表面から電子を放出させるためには、電子放出部の曲率半径をできるだけ小さくする必要があり、上記に示したように、エミッタに微細加工を施し、放出部の先端形状をコーン型として、その先端の曲率半径を数ナノメーター以下とすることが不可欠であった。 However, in the above-mentioned Spindt-type emitter and silicon emitter, the metal, silicon, or a compound thereof, which is an emitter material, has a positive electron affinity (PEA), and therefore has a low electron emission ability, and the emitter. It was indispensable to concentrate the electric field on the part. Therefore, in order to emit electrons from the surface of the emitter material, it is necessary to make the radius of curvature of the electron emitting portion as small as possible. As shown above, the emitter is finely processed to form the tip shape of the emitting portion. As a cone type, it was indispensable that the radius of curvature of its tip was several nanometers or less.
更に、ディスプレイ用等の電子源として応用するためには、上記のような微細加工を施して得られるエミッタを多数作製し、アレイ状に配置する必要がある。しかしながら、超精密加工が必要であるため、構造的欠陥が生じやすく、大面積に均一に作製することは容易ではなく、歩留まりが低下する上に、欠陥検査等も不可欠となり、製造コストが高くなるという問題があった。
本発明は、上記問題点を考慮してなされ、極微細加工を要する微細構造を持たない簡単な構造のダイヤモンドエミッタアレイを、簡便な製造工程により形成することの可能な、ダイヤモンドエミッタアレイの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems , and a diamond emitter array manufacturing method capable of forming a diamond emitter array having a simple structure that does not have a fine structure that requires microfabrication by a simple manufacturing process. The purpose is to provide.
本発明者は、ダイヤモンド膜表面に水素及び酸素を化学吸着させて、水素終端面と酸素終端面を得た場合の表面物性(仕事関数、電子親和力)について詳細に検討した結果、水素終端面では仕事関数が小さく、かつ負の電子親和力(NEA)を有すること、一方、酸素終端面では仕事関数が大きく、かつ正の電子親和力(PEA)を有することを、実験により見出した。このような物性は、ダイヤモンド膜表面に化学吸着された水素及び酸素の電子供与性あるいは電子吸引性に基づくものと考えることが出来る。即ち、ダイヤモンド膜表面の水素終端部は、電子放出能が非常に高く、何ら高電界を必要とせずに電子の放出が可能である。 As a result of detailed examination of surface physical properties (work function, electron affinity) when hydrogen and oxygen are chemically adsorbed on the diamond film surface to obtain a hydrogen termination surface and an oxygen termination surface, Experiments have found that the work function is small and has a negative electron affinity (NEA), while the oxygen-terminated surface has a large work function and a positive electron affinity (PEA). Such physical properties can be considered to be based on the electron donating or electron withdrawing properties of hydrogen and oxygen chemisorbed on the diamond film surface. That is, the hydrogen termination portion on the surface of the diamond film has a very high electron emission capability and can emit electrons without requiring any high electric field.
従って、ダイヤモンド膜の表面を水素のような電子供与基で終端した部分と、電子供与基を含まない部分又は酸素のような電子吸引基で終端した部分に分離して形成することで、電子放出能が高い部分と低い部分を、同一材料で同一平面上に形成することが可能である。また、そのパターンは、自在に制御して作製することが可能であるため、アレイ構造を形成することでマトリクス駆動も可能な、面電子源を構成することができる。 Therefore, the surface of the diamond film is separated into a part terminated with an electron donating group such as hydrogen and a part terminated with an electron withdrawing group such as oxygen, or an electron emitting group. It is possible to form a high performance portion and a low performance portion on the same plane with the same material. Further, since the pattern can be freely controlled and manufactured, a surface electron source capable of matrix driving can be formed by forming an array structure.
本発明は、このような知見に基づきなされたものである。 The present invention has been made based on such findings.
即ち、本発明の第1の態様は、基体上にダイヤモンド膜を形成する工程、前記ダイヤモンド膜の全面を炭化水素、水酸基、メトキシ基、アルコール類、及び水蒸気からなる群から選ばれた少なくとも1種のガス雰囲気中でプラズマ処理することにより、前記ダイヤモンド膜の全面を水素終端面とする工程、前記ダイヤモンド膜の水素終端面に所定パターンのマスクを設ける工程、前記水素終端面の前記マスクから露出する部分を、ハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱することによりハロゲン終端面に変換し、前記マスクで覆われた部分に所定のパターンの水素終端面を残す工程、及び前記マスクを除去する工程を具備することを特徴とするダイヤモンドエミッタアレイの製造方法を提供する。
本発明の第2の態様は、基体上にダイヤモンド膜を形成する工程、前記ダイヤモンド膜の全面を、ハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱することにより前記ダイヤモンド膜の全面をハロゲン終端面とする工程、前記ダイヤモンド膜のハロゲン終端面に所定パターンのマスクを設ける工程、前記ハロゲン終端面の前記マスクから露出する部分を炭化水素、水酸基、メトキシ基、アルコール類、及び水蒸気からなる群から選ばれた少なくとも1種のガス雰囲気中でプラズマ処理することにより水素終端面に変換し、前記マスクで覆われた部分に所定のパターンの水素終端面を残す工程、及び前記マスクを除去する工程を具備することを特徴とするダイヤモンドエミッタアレイの製造方法を提供する。
That is, the first aspect of the present invention is a step of forming a diamond film on a substrate, and the entire surface of the diamond film is at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, hydroxyl groups, methoxy groups, alcohols, and water vapor. Plasma treatment in a gas atmosphere, a step of making the entire surface of the diamond film a hydrogen termination surface , a step of providing a mask having a predetermined pattern on the hydrogen termination surface of the diamond film, and exposing the hydrogen termination surface from the mask Converting the portion into a halogen termination surface by heating in a gas atmosphere containing a halogen-based gas, leaving a hydrogen termination surface of a predetermined pattern in the portion covered with the mask, and removing the mask A method for manufacturing a diamond emitter array is provided.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a step of forming a diamond film on a substrate, and a step of heating the entire surface of the diamond film in a gas atmosphere containing a halogen-based gas to thereby make the entire surface of the diamond film a halogen termination surface. A step of providing a mask having a predetermined pattern on the halogen termination surface of the diamond film, at least a portion of the halogen termination surface exposed from the mask is selected from the group consisting of hydrocarbons, hydroxyl groups, methoxy groups, alcohols, and water vapor Converting to a hydrogen termination surface by plasma treatment in one kind of gas atmosphere , leaving a hydrogen termination surface of a predetermined pattern in a portion covered with the mask, and removing the mask. A method for manufacturing a featured diamond emitter array is provided.
以上のように構成される本発明の第1及び第2の態様に係るダイヤモンドエミッタアレイの製造方法により製造されたダイヤモンドエミッタアレイでは、ダイヤモンド膜の表面に電子供与基終端部と電子吸引基終端部が相互に分離して形成されるという非常に単純な構造で、従来の構造のように、ゲート電極を必要とせず、また、エミッタを先鋭化することなく、平面状の電子供与基終端部から低い引出し電圧で電子を放出させることが出来る。そのため、高性能のダイヤモンドエミッタアレイを低コストで得ることが出来る。その結果、フラットパネルディスプレイに適用した場合に、高速、高精細度の画像を低消費電力で得ることが可能となる。 In the diamond emitter array manufactured by the method for manufacturing a diamond emitter array according to the first and second aspects of the present invention configured as described above, an electron donating group termination portion and an electron withdrawing group termination portion are formed on the surface of the diamond film. Are formed so as to be separated from each other. Unlike the conventional structure, the gate electrode is not required, and the emitter is not sharpened. Electrons can be emitted with a low extraction voltage. Therefore, a high performance diamond emitter array can be obtained at low cost. As a result, when applied to a flat panel display, a high-speed, high-definition image can be obtained with low power consumption.
ダイヤモンドの水素終端面は導電性を示すことが知られており、この性質を利用することにより、ダイヤモンド表面の水素終端部分では、高い電子放出能だけではなく、導電性も付与されているため、エミッタアレイにおける配線も兼ねることができる。したがって、エミッタ配線として金属膜等による良導体による配線を設ける必要がない。 The hydrogen-terminated surface of diamond is known to exhibit conductivity, and by utilizing this property, the hydrogen-terminated portion of the diamond surface has not only high electron emission ability but also conductivity, It can also serve as wiring in the emitter array. Therefore, it is not necessary to provide a wiring with a good conductor such as a metal film as the emitter wiring.
以上のように構成される本発明の第1及び第2の態様に係るダイヤモンドエミッタアレイの製造方法では、ダイヤモンド膜の表面にマスクを介して処理して、処理面を電子供与基又は電子吸引基終端面に変換するという簡単な工程で、ミクロンオーダーあるいはナノオーダーの微細なパターンの電子供与基終端面、即ち電子放出部を極めて簡単に形成することが出来る。そのため、高性能のダイヤモンドエミッタアレイを低コストで製造することが出来、その結果、高速、高精細度の画像を低消費電力で得ることが可能なフラットパネルディスプレイを製造することが出来る。 In the method of manufacturing a diamond emitter array according to the first and second aspects of the present invention configured as described above, the surface of the diamond film is processed through a mask, and the processed surface is treated with an electron donating group or an electron withdrawing group. By a simple process of converting to an end surface, an electron donating group end surface, that is, an electron emission portion having a fine pattern of micron order or nano order can be formed very easily. Therefore, a high-performance diamond emitter array can be manufactured at low cost, and as a result, a flat panel display capable of obtaining high-speed and high-definition images with low power consumption can be manufactured.
また、電子吸引基終端面は酸素又はハロゲン終端面であり、被処理面を、酸素系ガスを含むガス雰囲気で加熱するか、酸化性溶液に浸漬するか、又はハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱することにより得ることが出来る。 The electron-withdrawing group termination surface is an oxygen or halogen termination surface, and the surface to be treated is heated in a gas atmosphere containing an oxygen-based gas, immersed in an oxidizing solution, or in a gas atmosphere containing a halogen-based gas. It can be obtained by heating.
また、マスクを設ける工程は、被処理面にレジストパターンを形成すること、又は被処理面に金属マスク若しくはステンシルマスクを載置することにより行うことが出来る。前者のレジストパターンを形成する方法では、マスクがダイヤモンド膜と密着しているため、境界の明確なパターンを得ることが出来るという利点があり、後者の金属マスク若しくはステンシルマスクを載置する方法では、より工程の簡略化が可能であるという利点がある。 The step of providing a mask can be performed by forming a resist pattern on the surface to be processed or placing a metal mask or a stencil mask on the surface to be processed. In the former method of forming a resist pattern, since the mask is in close contact with the diamond film, there is an advantage that a pattern with a clear boundary can be obtained, and in the method of placing the latter metal mask or stencil mask, There is an advantage that the process can be further simplified.
本発明の第1及び第2の態様において、所定パターンは、ストライプパターンとすることが出来る。 In the first and second aspects of the present invention, the predetermined pattern may be a stripe pattern.
本発明によると、ダイヤモンド膜表面の処理により表面の化学吸着構造を制御することで、即ち、水素のような電子供与基終端構造では高い電子放出能と導電性を示し、一方、酸素のような電子吸引基終端構造では低い電子放出能と絶縁性を示すというダイヤモンド材料特有の構造制御と物性を利用し、これによって、同一材料表面上で電子放出能の異なる表面を得ることが可能となり、さらには配置を制御することにより、用途に応じたエミッタアレイを構成することが出来る。 According to the present invention, by controlling the surface chemisorption structure by the treatment of the diamond film surface, that is, the electron donating group termination structure such as hydrogen exhibits high electron emission ability and conductivity, while oxygen such as oxygen The electron withdrawing group termination structure utilizes the structural control and physical properties unique to diamond materials that exhibit low electron emission ability and insulation, which makes it possible to obtain surfaces with different electron emission ability on the same material surface. By controlling the arrangement, an emitter array according to the application can be configured.
従って、微構造の作製、制御、及びゲート電極並びに配線の形成が不要であるため、単純な構造であり、素子欠陥が生じず、かつ簡便な工程で作製できるため、低コストで、更にダイヤモンドのNEA特性を利用した高性能の電子放出素子およびアレイを得ることができる。また、フラットパネルディスプレイに応用した場合にも、高速、高精細度の画像が、低消費電力で得ることが可能となる。 Therefore, since it is not necessary to fabricate and control the microstructure, and to form the gate electrode and the wiring, the structure is simple, the element defect does not occur, and it can be manufactured by a simple process. A high-performance electron-emitting device and array using the NEA characteristics can be obtained. Also, when applied to a flat panel display, high-speed and high-definition images can be obtained with low power consumption.
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the invention will be described below.
図1は、本発明の一実施形態に係るダイヤモンドエミッタアレイを示す断面図である。図1に示すように、このダイヤモンドエミッタアレイは、基体1上にダイヤモンド膜2が積層された構造を有する。そして、ダイヤモンド膜上には、電子供与基終端部1Aと電子供与基不存在部又は電子吸引基終端部分1Bが分離して形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a diamond emitter array according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this diamond emitter array has a structure in which a
本発明の一実施形態に係るダイヤモンドエミッタアレイにおいて、基体1は、ダイヤモンドエミッタアレイの支持基板として用いられている。このような基板としては、ダイヤモンド基板、シリコン基板、金属基板、ガラス基板、セラミックス基板、石英基板などを使用することができる。
In the diamond emitter array according to one embodiment of the present invention, the
ダイヤモンド膜2は、単結晶、多結晶、ナノ結晶からなるダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素から構成することができる。また、不純物をドープしたダイヤモンド膜を用いることもできる。
The
ダイヤモンド膜表面の電子供与基終端部分1Aは、電子供与基を化学吸着した構造であり、電子放出能が高く、かつ導電性の高い物性を示す。電子供与基としては、水素基、炭化水素基、水酸基を挙げることができ、これらの基を化学吸着することにより、電子放出能及び導電性付与性能が良好な水素終端面が得られる。
The electron donating
このような水素終端面は、ダイヤモンド膜表面を、水素、炭化水素、水酸基、メトキシ基、アルコール類、及び水蒸気等のガス雰囲気中でプラズマ処理することにより得ることが出来る。なお、炭化水素としては、メタン、エタン等が好ましい。また、アルコール類としては、メタノール、エタノールが好ましい。 Such a hydrogen termination surface can be obtained by subjecting the diamond film surface to plasma treatment in a gas atmosphere such as hydrogen, hydrocarbon, hydroxyl group, methoxy group, alcohols, and water vapor. The hydrocarbon is preferably methane, ethane or the like. Moreover, as alcohols, methanol and ethanol are preferable.
なお、ダイヤモンド膜は、水素及び炭化水素を原料ガスとするプラズマCVDで得ることが出来るが、この場合、表面にはある程度水素終端面が形成されている。従って、この場合には、ダイヤモンド膜に特別な水素終端を行う必要がない場合もある。 The diamond film can be obtained by plasma CVD using hydrogen and hydrocarbon as a source gas. In this case, a hydrogen termination surface is formed to some extent on the surface. Therefore, in this case, it may not be necessary to perform special hydrogen termination on the diamond film.
ダイヤモンド膜表面の電子供与基不存在部又は電子吸引基終端部1Bは、何ら終端基を有していないダイヤモンド面であるか、又は電子吸引基を化学吸着した構造であり、電子放出能が低く、かつ導電性の低い物性を示す。電子吸引基としては、酸素、ハロゲンを挙げることができ、これらの基を化学吸着することにより、電子吸引能及び絶縁性付与性能を有する酸素又はハロゲン終端面が得られる。 The electron donating group absent portion or the electron withdrawing group terminal portion 1B on the surface of the diamond film is a diamond surface having no terminal group, or has a structure in which an electron withdrawing group is chemisorbed and has a low electron emission ability. In addition, it exhibits physical properties with low conductivity. Examples of the electron-withdrawing group include oxygen and halogen. By chemically adsorbing these groups, an oxygen or halogen-terminated surface having electron-withdrawing ability and insulating property-providing performance can be obtained.
このような酸素又はハロゲン終端面は、ダイヤモンド膜表面を、酸素系ガス又はハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱するか、又は酸化性もしくはハロゲン化性溶液に浸漬することにより得ることが出来る。 Such an oxygen or halogen termination surface can be obtained by heating the surface of the diamond film in a gas atmosphere containing an oxygen-based gas or a halogen-based gas, or immersing it in an oxidizing or halogenating solution.
ハロゲンとしては、フッ素、塩素を挙げることが出来る。また、酸素系ガスとしては、酸素、オゾン、窒素酸化物(N2O、NO、NO2)、過酸化水素(H2O2)を、ハロゲン系ガスとしては、CF4、SF6、Cl2を挙げることが出来る。また、酸化性溶液としては、硝酸、過酸化水素水、次亜塩素酸、二クロム酸、過マンガン酸を挙げることが出来る。 Examples of halogen include fluorine and chlorine. Further, oxygen, ozone, nitrogen oxides (N 2 O, NO, NO 2 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) are used as oxygen-based gases, and CF 4 , SF 6 , Cl are used as halogen-based gases. 2 can be mentioned. Examples of the oxidizing solution include nitric acid, hydrogen peroxide solution, hypochlorous acid, dichromic acid, and permanganic acid.
以上のような処理方法で、ダイヤモンド膜表面に、水素終端面を所定のパターンで形成する際には、ダイヤモンド膜表面を所定のパターンのマスクを介して処理することにより水素終端面を形成する場合と、最初に全面に水素終端面を形成した後に所定のパターンのマスクを介して処理することにより酸素又はハロゲン終端面を形成する場合と、最初に全面に酸素又はハロゲン終端面を形成した後に所定のパターンのマスクを介して処理することにより水素終端面を形成する場合とがある。 When the hydrogen termination surface is formed in a predetermined pattern on the diamond film surface by the above processing method, the hydrogen termination surface is formed by processing the diamond film surface through a mask having a predetermined pattern. A case where an oxygen or halogen termination surface is formed by first forming a hydrogen termination surface on the entire surface and then processing through a mask of a predetermined pattern; In some cases, the hydrogen termination surface is formed by processing through a mask having the above pattern.
エミッタアレイにおいては、原理上、電子放出面と電子を放出しない面とがあればよいので、水素終端面がパターン状に存在していれば、必ずしも酸素又はハロゲン終端面を形成しなくてもよい。ただし、上述したように、ダイヤモンド膜はその成膜方法により既に全面に水素終端面が存在している場合がある。この場合、水素終端面からの水素の脱着は非常に困難であるため、電子放出を望まない部分の不要な水素終端面を置換反応により部分的に酸素又はハロゲン終端面に変換する必要がある。或いは、あらかじめダイヤモンド膜の全面を酸素又はハロゲン終端面とする必要がある。 In principle, the emitter array only needs to have an electron emission surface and a surface that does not emit electrons. Therefore, if the hydrogen termination surface exists in a pattern, it is not always necessary to form an oxygen or halogen termination surface. . However, as described above, the diamond film may already have a hydrogen termination surface on the entire surface depending on the film formation method. In this case, since desorption of hydrogen from the hydrogen termination surface is very difficult, it is necessary to partially convert an unnecessary hydrogen termination surface where electron emission is not desired to an oxygen or halogen termination surface by a substitution reaction. Alternatively, the entire surface of the diamond film needs to be an oxygen or halogen termination surface in advance.
いずれの場合にも、マスクとしては、レジストパターン、又は金属マスク若しくはステンシルマスクを用いることが出来る。レジストとしては、有機レジストでも無機レジストでもよい。 In either case, a resist pattern, a metal mask, or a stencil mask can be used as the mask. The resist may be an organic resist or an inorganic resist.
以下に、本発明のダイヤモンドエミッタを製造する実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。 Examples of manufacturing the diamond emitter of the present invention will be shown below to describe the present invention more specifically.
実施例1
本実施例では、図2を参照して、全面に水素終端面を形成した後に所定のパターンのマスクを介した処理により酸素又はハロゲン終端面を形成する例について示す。
Example 1
In this embodiment, an example in which an oxygen or halogen termination surface is formed by processing through a mask having a predetermined pattern after a hydrogen termination surface is formed on the entire surface will be described with reference to FIG.
まず、図2(a)に示すように、シリコン基板21上にマイクロ波プラズマCVD法により、ダイヤモンド膜22を成膜した。
First, as shown in FIG. 2A, a
マイクロ波プラズマCVDの条件は、下記の通りである。
原料ガス:メタン(50sccm)、水素(450sccm)、
基板温度:820℃
反応圧力:80Torr
MWパワー:2.5kW
膜厚:1μm。
The conditions of microwave plasma CVD are as follows.
Source gas: methane (50 sccm), hydrogen (450 sccm),
Substrate temperature: 820 ° C
Reaction pressure: 80 Torr
MW power: 2.5kW
Film thickness: 1 μm.
ダイヤモンド膜22を成膜した後、同じマイクロ波プラズマCVD装置を用い、ダイヤモンド膜22の表面に対し、直ちに水素プラズマ処理を行った。その条件は、下記の通りである。
After the
原料ガス:水素(500sccm)、
基板温度:820℃
反応圧力:80Torr
MWパワー:2.5kW
時間:5分。
Source gas: Hydrogen (500 sccm),
Substrate temperature: 820 ° C
Reaction pressure: 80 Torr
MW power: 2.5kW
Time: 5 minutes.
微小領域XPS分析の結果により、水素プラズマ処理を行ったダイヤモンド膜22の表面には、酸素が吸着していないことを確認した。
From the results of the micro-region XPS analysis, it was confirmed that oxygen was not adsorbed on the surface of the
続いて、図2(b)に示すように、フォトレジストを2μmの膜厚で塗布後、フォトリソグラフィー法によりレジストパターン23を形成した。ここで、ラインピッチ100μm、レジスト部の幅は80μmとした。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, a photoresist was applied with a film thickness of 2 μm, and then a resist
次いで、図2(c)に示すように、露出するダイヤモンド膜22に表面に対し、高周波を用いて酸素プラズマ処理を行った。プラズマ処理条件は下記の通りである。
Next, as shown in FIG. 2C, the surface of the exposed
原料ガス:酸素(100sccm)、
基板温度:室温
反応圧力:0.1Torr
高周波パワー:300W
時間:3分。
Source gas: oxygen (100 sccm),
Substrate temperature: room temperature Reaction pressure: 0.1 Torr
High frequency power: 300W
Time: 3 minutes.
微小領域XPS分析の結果より、酸素プラズマ処理を行ったダイヤモンド表面には、酸素が吸着していることを確認した。 From the results of microscopic XPS analysis, it was confirmed that oxygen was adsorbed on the diamond surface subjected to the oxygen plasma treatment.
次に、図2(d)に示すように、専用剥離液を用い、レジストパターン23を剥離し、ダイヤモンドエミッタアレイを得た。
Next, as shown in FIG.2 (d), the resist
このようにして作製されたダイヤモンドエミッタアレイの表面から1mmのギャップを隔てて、アノード(図示せず)を設置し、アノードに電圧を印加して電子放出特性を確認したところ、10Vのアノード電圧を印加することで、水素終端部分からのみ電子が放出されることが確認された。 An anode (not shown) was installed with a gap of 1 mm from the surface of the diamond emitter array thus fabricated, and a voltage was applied to the anode to confirm the electron emission characteristics. It was confirmed that the electrons were emitted only from the hydrogen termination portion by applying the voltage.
実施例2
本実施例では、図3を参照して、全面に酸素又はハロゲン終端面を形成した後に所定のパターンのマスクを介した処理により水素終端面を形成する例について示す。
Example 2
In this embodiment, an example in which an oxygen or halogen termination surface is formed on the entire surface and then a hydrogen termination surface is formed by processing through a mask having a predetermined pattern will be described with reference to FIG.
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板31上にマイクロ波プラズマCVD法により、ダイヤモンド膜32を成膜した。
First, as shown in FIG. 3A, a
マイクロ波プラズマCVDの条件は下記の通りである。
原料ガス:メタン(50sccm)、水素(450sccm)、
基板温度:820℃
反応圧力:80Torr
MWパワー:2.5kW
膜厚:1μm。
The conditions of microwave plasma CVD are as follows.
Source gas: methane (50 sccm), hydrogen (450 sccm),
Substrate temperature: 820 ° C
Reaction pressure: 80 Torr
MW power: 2.5kW
Film thickness: 1 μm.
続いて、ダイヤモンド膜32の表面に対し、高周波を用いて酸素プラズマ処理を行った。プラズマ処理条件は下記の通りである。
Subsequently, the surface of the
原料ガス:酸素(100sccm)
基板温度:室温
反応圧力:0.1Torr
高周波パワー:300W
時間:3分。
Source gas: Oxygen (100 sccm)
Substrate temperature: room temperature Reaction pressure: 0.1 Torr
High frequency power: 300W
Time: 3 minutes.
微小領域XPS分析の結果により、酸素プラズマ処理を行ったダイヤモンド膜32の表面には、酸素が吸着していることを確認した。
From the results of the micro-region XPS analysis, it was confirmed that oxygen was adsorbed on the surface of the
続いて、図3(b)に示すように、フォトレジストを2μmの膜厚で塗布して後、フォトリソグラフィー法によりレジストパターン33を形成した。ここで、ラインピッチ100μm、レジスト部の幅を20μmとした。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a photoresist was applied to a thickness of 2 μm, and then a resist
次いで、図3(c)に示すように、露出したダイヤモンド膜32の表面に対し、高周波を用いて水素プラズマ処理を行った。プラズマ処理条件は下記の通りである。
Next, as shown in FIG. 3C, the exposed surface of the
原料ガス:水素(100sccm)
基板温度:室温
反応圧力:0.1Torr
高周波パワー:300W
時間:3分。
Source gas: Hydrogen (100 sccm)
Substrate temperature: room temperature Reaction pressure: 0.1 Torr
High frequency power: 300W
Time: 3 minutes.
微小領域XPS分析の結果により、水素プラズマ処理を行ったダイヤモンド表面には、酸素が吸着していないことを確認した。 It was confirmed from the results of microscopic XPS analysis that oxygen was not adsorbed on the diamond surface subjected to the hydrogen plasma treatment.
次に、図3(d)に示すように、専用剥離液を用いてレジストを剥離し、ダイヤモンドエミッタアレイを得た。 Next, as shown in FIG. 3 (d), the resist was stripped using a dedicated stripping solution to obtain a diamond emitter array.
このようにして作製したダイヤモンドエミッタアレイの表面から1mmのギャップを隔ててアノード(図示せず)を設置し、アノードに電圧を印加して電子放出特性を確認したところ、10Vのアノード電圧の印加で、水素終端部分からのみ電子が放出されることが確認された。 An anode (not shown) was installed with a gap of 1 mm from the surface of the diamond emitter array thus prepared, and the electron emission characteristics were confirmed by applying a voltage to the anode. It was confirmed that electrons were emitted only from the hydrogen termination part.
本発明のダイヤモンドエミッタアレイは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃として、あるいは照明ランプの超小型照明源として、更には、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源として、有用に適用することが出来る。 The diamond emitter array of the present invention is used as an electron generation source or electron gun for an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure apparatus or the like, or as an ultra-compact illumination source for an illumination lamp, and further to an array-like field constituting a flat display. It can be usefully applied as a surface electron source of an emitter array.
1,21,31,41,51,61…基体、2,22,32…ダイヤモンド膜、23,33…レジストパターン、42,52,62・・・導電層、43,53,65・・・絶縁層、44,54,66・・・ゲート電極、62・・・エッチングマスク用酸化シリコン層、64・・・先端先鋭化用酸化シリコン層。 1, 21, 31, 41, 51, 61 ... base, 2, 22, 32 ... diamond film, 23, 33 ... resist pattern, 42, 52, 62 ... conductive layer, 43, 53, 65 ... insulation Layers 44, 54, 66 ... gate electrodes, 62 ... silicon oxide layer for etching mask, 64 ... silicon oxide layer for sharpening the tip.
Claims (4)
前記ダイヤモンド膜の全面を炭化水素、水酸基、メトキシ基、アルコール類、及び水蒸気からなる群から選ばれた少なくとも1種のガス雰囲気中でプラズマ処理することにより、前記ダイヤモンド膜の全面を水素終端面とする工程、
前記ダイヤモンド膜の水素終端面に所定パターンのマスクを設ける工程、
前記水素終端面の前記マスクから露出する部分を、ハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱することによりハロゲン終端面に変換し、前記マスクで覆われた部分に所定のパターンの水素終端面を残す工程、及び
前記マスクを除去する工程
を具備することを特徴とするダイヤモンドエミッタアレイの製造方法。 Forming a diamond film on the substrate;
Plasma treatment of the entire surface of the diamond film in at least one gas atmosphere selected from the group consisting of hydrocarbons, hydroxyl groups, methoxy groups, alcohols, and water vapor makes the entire surface of the diamond film a hydrogen termination surface. The process of
Providing a mask having a predetermined pattern on the hydrogen termination surface of the diamond film;
The portions exposed from the mask of the hydrogen terminated surface, converted into the halogen termination surface by heating in a gas atmosphere containing a halogen gas, thereby leaving the hydrogen termination surface of the predetermined pattern portion covered by the mask And a step of removing the mask. A method of manufacturing a diamond emitter array, comprising:
前記ダイヤモンド膜の全面を、ハロゲン系ガスを含むガス雰囲気で加熱することにより前記ダイヤモンド膜の全面をハロゲン終端面とする工程、
前記ダイヤモンド膜のハロゲン終端面に所定パターンのマスクを設ける工程、
前記ハロゲン終端面の前記マスクから露出する部分を炭化水素、水酸基、メトキシ基、アルコール類、及び水蒸気からなる群から選ばれた少なくとも1種のガス雰囲気中でプラズマ処理することにより水素終端面に変換し、前記マスクで覆われた部分に所定のパターンの水素終端面を残す工程、及び
前記マスクを除去する工程
を具備することを特徴とするダイヤモンドエミッタアレイの製造方法。 Forming a diamond film on the substrate;
Heating the entire surface of the diamond film in a gas atmosphere containing a halogen-based gas to make the entire surface of the diamond film a halogen termination surface;
Providing a mask having a predetermined pattern on the halogen termination surface of the diamond film;
The portion of the halogen termination surface exposed from the mask is converted to a hydrogen termination surface by plasma treatment in at least one gas atmosphere selected from the group consisting of hydrocarbons, hydroxyl groups, methoxy groups, alcohols, and water vapor. And a step of leaving a hydrogen termination surface of a predetermined pattern in a portion covered with the mask, and a step of removing the mask.
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