(57)【要約】【課題】  電子放出性能を向上可能な突起構造体を提供する。【解決手段】  突起構造体１は、基体部２と突起部３とからなる。突起部３は、基体部２上に設けられている。基体部２及び突起部３はダイヤモンド結晶を含む。突起部３の先端３２から基体部２と突起部３との境界面Ｓまでの距離ｈ３は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。突起部３は、境界面Ｓから先端３２に向けて先細る形状を有している。突起部３の側面３１は、突起部３の内側に湾曲している。突起部３の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍである。【選択図】図１
2011249033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体部と、該基体部上に設けられた突起部と、からなり、
前記基体部及び前記突起部は、ダイヤモンド結晶を含み、
前記突起部の先端から前記基体部と前記突起部との境界面までの距離は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記突起部は、前記境界面から前記先端に向けて先細る形状を有し、
前記突起部の側面は、前記突起部の内側に湾曲しており、
前記突起部の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である、
ことを特徴とする突起構造体。
【請求項２】
前記基体部は、前記境界面の反対側において、前記境界面に沿って延びる端面を有し、
前記突起部の前記先端から前記境界面までの前記距離は、前記基体部の前記端面と前記境界面との間の距離の半分以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の突起構造体。
【請求項３】
前記ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【請求項４】
前記ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突起構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及び電子線描画装置等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等を利用した電子放出素子が用いられている。このような電子放出素子は、一般に１５００℃以上の高温の状態において利用される（例えば、非特許文献１参照）。一方、このような電子放出素子を冷陰極やショットキー陰極等として利用する場合には、電子放出部への電界集中の観点から、この電子放出素子を、１００μｍ以上の長さの突起構造を有するものとすることが好ましい。他方、電子放出素子は、仕事関数の低減の観点から、ダイヤモンドを含んで構成されることが好ましい。しかしながら、ダイヤモンドは、共有結合性が強く、金属と比べて粘性や展性が小さい。このため、例えばダイヤモンド片を引き伸ばして１００μｍ以上の長さの突起構造を形成することは困難である。さらには、機械研磨によってダイヤモンド片の幅を狭くして、上記のような突起構造を形成することも、強度の点から非常に困難である。そこで、ダイヤモンドを含む１００μｍ以上の長さの基材を用意し、用意した基材をエッチングすることによって、基材の先端部分の１０μｍのみを先鋭化し、基材の先端部に突起を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、長さが１００μｍ以上の突起構造を有し、ダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１０７７５号公報
【特許文献２】特開２００７−０９５４７８号公報
【特許文献３】特開２００５−０４４６３４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.Vac.Sci.Techno.B 3(1),Jan/Feb(1985)220
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイヤモンドは、仕事関数が低く、電子を放出し易い。また、ダイヤモンドは、半導体であるので、導体に比べて内部に電界が浸透し易い。このため、ダイヤモンドは、金属等の導体に比べて電界の影響を受け易い。したがって、上記のようにダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子においては、余計な電界集中点が生じて、電子放出性能が低下する場合がある。そこで、本発明は、電子放出性能を向上可能な突起構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の突起構造体は、基体部と、該基体部上に設けられた突起部と、からなり、基体部及び突起部は、ダイヤモンド結晶を含み、突起部の先端から基体部と突起部との境界面までの距離は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、突起部は、境界面から先端に向けて先細る形状を有し、突起部の側面は、突起部の内側に湾曲しており、突起部の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である、ことを特徴とする。このように、本発明の突起構造体においては、突起部の側面が内側に湾曲しているので、突起構造体に電界をかけたときに、突起部の側面において余計な電界集中点が生じにくい。その結果、突起部の先端における電界強度の低下が防止される。また、本発明の突起構造体においては、突起部の先端径が１０ｎｍ以上３０μｍ以下であるので、比較的低い引き出し電圧により突起部の先端から電子を放出させることができる。よって、本発明の突起構造体によれば、電子放出性能を向上できる。また、基体部及び突起部がダイヤモンド結晶を含むので、仕事関数が低減されると共に、薬品耐性が高く、酸或いはアルカリに対しても溶けることなく安定である。
【０００７】
本発明の突起構造体では、基体部は、境界面の反対側において、境界面に沿って延びる端面を有し、突起部の先端から境界面までの距離は、基体部の端面と境界面との間の距離の半分以上である、ことができる。この場合、基体部と突起部との境界面から、突起部の先端がある程度離れることとなるので、突起部の先端に電界が集中し易い。
【０００８】
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかである、ことができる。このように、何れのダイヤモンド結晶を用いた場合でも、例えば金属等を用いる場合に比べて、仕事関数が低減される。
【０００９】
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことができる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなるので、実効的な仕事関数が低減される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子放出性能を向上可能な突起構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。
【図２】図１に示された突起構造体を製造する方法の主要な工程を示す図である。
【図３】実施例に係る突起構造体の撮影画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係る突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下に示す各数値は所定の誤差を含む。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。図１に示される突起構造体１は、例えば電子顕微鏡、電子線描画装置等の電子放出素子として利用することができる。また、突起構造体１は、種々の分野で導電性ナノ針として利用することができる。さらには、突起構造体１は、導電性工具として利用することができる。
【００１４】
突起構造体１は、基体部２と突起部３とからなる。基体部２と突起部３とは一体に形成されている。基体部２は、基体部２と突起部３との境界面Ｓの反対側において境界面Ｓに沿って延びる端面２１を有している。また、基体部２は、基体部２の中心軸Ａに対する回転対称性が高い形状（例えば円柱形状）を有する。
【００１５】
突起部３は、基体部２上に設けられている。突起部３は、突起部３の中心軸Ｂに対する回転対称性が高い形状を有している。なお、本実施形態においては、基体部２の中心軸Ａと突起部３の中心軸Ｂとは略一致している。突起部３は、境界面Ｓから離れるにしたがって先細る形状を有している。つまり、突起部３は、境界面Ｓから先端部３２に向けて先細る形状を有している。また、突起部３の先端３２から境界面Ｓまで延びる突起部３の側面３１は、突起部３の内側に湾曲している。突起部３の側面３１の湾曲の曲率半径は、特に限定されないが、例えば突起部３の長さｈ３の１００倍以下とすることができる。
【００１６】
基体部２及び突起部３は、ダイヤモンド結晶を含む。より具体的には、基体部２及び突起部３は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる。基体部２及び突起部３が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等をからなる場合に比べて、仕事関数が低減される。
【００１７】
特に、基体部２及び突起部３がＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶が他のダイヤモンド結晶に比べて安価なことから、突起構造体１を比較的安価に製造できる。また、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の温度依存性が比較的小さいので、基体部２及び突起部３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、安定して電子を放出できる。また、基体部２及び突起部３がＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合も、基体部２及び突起部３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合と同様に、安定して電子を放出できる。また、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の絶対値が比較的小さいので、基体部２及び突起部３がＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、比較的大きな電流を放出できる。
【００１８】
なお、基体部２及び突起部３は、例えばＬｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有するダイヤモンド結晶を含むものとすることもできる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなる（Ｌｉであれば０．１ｅＶ程度、Ｐであれば０．６ｅＶ程度、Ｓであれば０．３ｅＶ以上０．４ｅＶ以下、Ｎであれば１．７ｅＶ程度）ので、実効的な仕事関数が低減される。
【００１９】
突起部３の長さｈ３は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。ここで、突起部３の長さｈ３とは、突起部３の先端３２から境界面Ｓまでの距離である。また、突起部３の長さｈ３は、基体部２の長さｈ２の半分以上（ｈ３≧０．５・ｈ２）であることができる。この場合、突起部３の先端３２が境界面Ｓからある程度離れることとなるので、突起部３の先端３２に電界が集中し易い。ここで、基体部２の長さｈ２とは、基体部２の端面２１と境界面Ｓとの間の距離である。突起部３の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である。ここで、先端径とは、突起部３の先端部３２の最大径であって、突起部３の先端面３３の幅Ｗ３３である。先端径の最小値１０ｎｍは、加工で得られた最小の値である。一方、先端径の最大値３０μｍは、実用的な引き出し電圧（８ｋＶ）で電子ビームを得ることができる最大の値である。
【００２０】
以上説明したように、突起構造体１においては、突起部３の側面３１が内側に湾曲しているので、突起構造体１に電界をかけたときに、突起部３の側面３１において余計な電界集中点が生じにくい。その結果、突起部３の先端３２における電界強度の低下が防止される。また、突起構造体１においては、突起部３の先端径が１０ｎｍ以上３０μｍ以下であるので、比較的低い引き出し電圧で突起部３の先端３２から電子を放出できる。よって、突起構造体１によれば、電子放出性能を向上できる。また、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、仕事関数が低減される。
【００２１】
ところで、突起構造体１は、酸やアルカリ等によって洗浄することにより、その表面を清浄な面とすることができる。また、ダイヤモンドは、表面修飾で様々な形態と特性を付与することができることから、種々の薬品と接触させる場合がある。このため、突起構造体１も、例えばふっ酸、王水及び水酸化ナトリウムと接触させる場合があるが、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、ふっ酸、王水及び水酸化ナトリウムと接触させても、形状を維持できる。すなわち、突起構造体１は、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、薬品耐性が高く、酸或いはアルカリ等に対しても溶けることなく安定である。
【００２２】
なお、突起部３の高さを１００μｍ以上とすることで、突起部３の先端３２における電界強度を向上できる。また、突起部３の先端面３３は、境界面Ｓに沿って延びる平面とするともできるし、突起部３の内側に湾曲する凹面とするこもできる。つまり、突起部３の先端面３３は、突起部３の先端３２から取り出す電子ビームの形状を所望の形状とすべく、任意の形状の曲面とすることができる。
【００２３】
また、突起構造体１を、例えば医療、工学等の分野において電子放出素子以外のものとして利用する場合には、突起部３の高さｈ３は上記のものに限られない。突起構造体１を電子放出素子以外のものとして利用する場合には、例えば、以下のようなものとすることができる。すなわち、突起構造体は、ダイヤモンドで作られた１μｍ以上１０００μｍ以下の突起高さの突起状形成物を有し、突起状形成物の側面は湾曲しており、この湾曲は曲率の変曲点がなく、円錐を形成する工程と、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の先端径を有する上記の突起状形成物を、マスクを用いないエッチングによって円錐から形成する工程と、によって得られる対称性の良い突起構造体とすることができる。
【００２４】
次に、図２を参照して、突起構造体１を製造する方法について説明する。まず、図２（ａ）に示されるように、長尺状の母材１０を用意する。母材１０の大きさは、従来の電子放出素子との互換性を考慮すると、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下であることが好ましい。母材１０の大きさが、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下から外れると、母材１０から得られる突起構造体１を、電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器へ取り付けることが困難となる。
【００２５】
母材１０は、柱状のダイヤモンド結晶からなる。ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れかの型のものとすることができる。また、ダイヤモンド結晶は、導電性及び絶縁性のどちらでもよいが、導電性のものとする場合には、ドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことができる。ドナー不純物はＰとすることができ、アクセプタ不純物はＢとすることができる。一方、ダイヤモンド結晶を絶縁性のものとする場合には、電子放出点の近傍に電極を取り付けることが好ましい。また、母材１０の先端面９は、ダイヤモンド結晶におけるどの結晶面であってもよいが、特に、（００１）面、（０１１）面、（１１１）面及び（２１１）面とすることができる。
【００２６】
なお、リンドープダイヤモンドのダイヤモンド単結晶を厚さ数ｍｍのオーダーで他材料上に合成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いことや、ダイヤモンドの熱膨張係数と他材料の熱膨張係数とが異なることに起因する格子定数のズレによって、膜中のひずみが大きくなり、エピタキシャル成長膜が割れ易くなる。このため、母材１０としては、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶を用いることが好ましい。
【００２７】
Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶は、それぞれＮ型半導体、絶縁体、Ｐ型半導体とその特徴が異なるが、違いは不純物濃度のみであり、結晶系は互いに同一である。このため、これらのダイヤモンド単結晶は、全てＮ型ドープダイヤモンドで被覆することができる。また、良質なエピタキシャル成長膜を作製するためには、これらのダイヤモンド単結晶が不可欠であり、また、どの種類のダイヤモンド単結晶も、金属に比べて仕事関数が小さい。
【００２８】
続いて、母材１０の先端部の端面９の外周９ａを研磨して、端面９の面積を小さくする。すなわち、母材１０を研磨して、図２（ｂ）に示されるように、先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する。このとき、母材１０ａの先端部１１の端面１２を滑らかな平面とする。また、先端部１１の先端の幅Ｗ１１を１０μｍ以上１００μｍ以下とする。さらに、母材１０ａの中心軸Ｃに直交する方向からみた先端部１１の稜線１３と中心軸Ｃとのなす角θを、略４５度とする。
【００２９】
続いて、ＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスをＣＦ４過多として、マスクを用いない反応性イオンエッチングにより、母材１０ａの先端部１１を母材１０ａの長手方向（中心軸Ｃに沿った方向）からエッチングして、図２（ｃ）に示されるように、突起構造体１を形成する。なお、ＣＦ４過多とは、エッチングガスにおけるＣＦ４の濃度が５０％以上である状態である。その後、必要に応じて、ＦＩＢ（収束イオンビーム）装置を用いて、突起部３の先端面３３を任意の曲面に整形してもよい。また、同様にＦＩＢ装置を用いて、突起部３の形状を所望の形状に整形してもよい。
【００３０】
（実施例）
次に、本発明の突起構造体の一実施例の製造方法について説明する。まず、柱状のＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる母材１０を用意した。続いて、この母材１０の先端部の端面９の外周を研磨して、端面９の一部を残しつつ先端部を先鋭化し、母材１０ａを形成した。このとき、母材１０ａの中心軸Ｃに直交する方向からみた先端部１１の稜線１３と中心軸Ｃとのなす角θを、略４５度とした。続いて、ＣＦ４の濃度とＯ２濃度との比が略９：１であるエッチングガスにより、マスクを用いることなく、直接ＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma：誘導結合プラズマ）エッチングにより母材１０ａをその長手方向からエッチングして、突起構造体１を形成した。突起部３の長さｈ３は５５０μｍであった。また、突起部３の先端径は１０μｍ以下であった。なお、機械研磨とレーザー加工とを併用し、突起構造体１の製造を試みたところ、突起部３の先端径を５０μｍ以下にはできなかった。また、この場合には、グラファイトが発生してしまうため、これの除去プロセスが必要となり、コストの低下にもならないことがわかった。
【００３１】
このようにして得られた突起構造体１のＳＥＭ写真を図３に示す。この突起構造体１を用いた電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。一方、突起構造体１を用いない従来の電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１００μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。この結果から、突起構造体１によれば、電子放出性能が向上されることが明らかとなった。また、熱電子放出成分と電界放出成分とをそれぞれ独立して取り出すことのできる比率が高まり、電子ビームの安定性が１０％程度向上した。また、突起部３における１０点平均の表面粗さが１０００ｎｍ以下程度であれば、電子ビームの安定性の低下を５％以下に保つことができた。
【００３２】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。また、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００３３】
１…突起構造体、２…基体部、２１…端面、３…突起部、３１…側面、３２…先端、Ｓ…境界面。
【図１】
2011249033.tif 000003
【図２】
2011249033.tif 000004
【図３】
2011249033.tif 000005