(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、
面方位が｛００１｝であるダイヤモンド単結晶基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、
前記柱状体にエッチング処理を施して、基台部と当該基台部よりも先端側に位置して前記電子が放出される尖鋭部とを有する電子放出部を形成する第２ステップと、
を含み、
前記第２ステップの前記エッチングは、プラズマエッチングであり、
前記第２ステップにおいて、マイクロ波プラズマ中でエッチングを施して、前記電子放出部と角柱状の前記基台部とを形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、
ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、
前記柱状体にエッチング処理を施して、基台部と当該基台部よりも先端側に位置して前記電子が放出される尖鋭部とを有する電子放出部を形成する第２ステップと、
を含み、
前記第２ステップにおいて、前記ダイヤモンド基板の前記柱状体が形成された部分以外をマスクした状態で前記柱状体に純酸素（酸素１００％）を用いた反応性イオンエッチングを施し、針状の尖鋭部を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、
ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、
前記柱状体にＯ２及びＡｒを含んだガスを用いたエッチング処理を施して、基台部と当該基台部よりも先端側に位置して前記電子が放出される尖鋭部とを有する電子放出部を形成する第２ステップと、
を含み、
前記第１ステップでは、前記ダイヤモンド基板の表面にマスク部を形成した後にＯ２含有量がほぼ１００％のガス中で該ダイヤモンド基板にエッチングを施すことによって前記柱状体を形成し、
前記第２ステップにおいて、前記マスク部は横方向にエッチングされることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、
ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、
前記柱状体にダイヤモンド合成処理を施して、基台部、前記電子が放出される尖鋭部、及び、前記基台部と前記尖鋭部との間に位置する柱状の中間部を有する電子放出部を形成する第２ステップと、
を含み、
前記第１ステップで形成された前記柱状体のアスペクト比は２以上であることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうち何れか一項記載の電子放出素子の製造方法によって製造された電子放出素子と、
前記尖鋭部と対向配置されると共に前記電子放出素子との間に電圧が印加される電子引出電極と、
を備えることを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
前記電子放出素子の前記基台部の周囲に設けられた金属製のゲート電極と、
前記ゲート電極に電圧を印加する電源と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子銃、電子管、真空管、フィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）等に応用可能な電子放出素子の製造方法及び電子デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体技術の微細加工の進展と共に、真空マイクロエレクトロニクスの分野が急速に発展している。中でも、表示機能を有する次世代の電子デバイスの一つとして、フィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）が着目されている。これは、ＦＥＤが従来のＣＲＴディスプレイと異なり、電界放出型の電子放出素子として機能する微小電極が２次元状に配列されていることから、電子の偏向・収束が原則不要となってディスプレイの薄型化・平坦化が図れるためである。
【０００３】
そして、このようなＦＥＤの微小電極に用いられる材料として、ダイヤモンドが脚光を浴びている。これは、ダイヤモンドには電子親和力が負という電子放出素子として非常に有効な性質があるためである。ダイヤモンドによって微小電極を形成することにより、当該微小電極から低電圧下で電子を放出させることができる。
【０００４】
ダイヤモンドによって形成された電子放出素子としては、例えばNEW DIAMOND, Vol.13 No.4, p28 (1997)や、特開平１０−３１２７３５号公報に記載されたものが知られている。前者には、ドーピングしたダイヤモンドを針状に加工した電子放出素子（図１８参照）が開示されており、一方、後者には、ダイヤモンド合成技術によってピラミッド状によって形成された電子放出素子（図１９参照）が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電子放出素子には、次のような問題があった。すなわち、前者の電子放出素子では、尖鋭な針状の電子放出部がエッチングによって自然に形成されるため、電子放出部の位置を制御することができなかった。また、後者の電子放出素子では、ピラミッド状の電子放出部における最大高さと底辺の長さとが比例関係にあるため、先端までの高さとエミッタの径を独立して制御することができなかった。このため、複数のピラミッドの密度を高めるために各ピラミッドの底面積を小さくすると、ピラミッドの高さが低くなり、同じ電圧でも先端部の電界が小さくなり、電子が放出されにくいという問題を引き起こしていた。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電子放出部の高さと底面積を独立に制御することができ、且つ、電子放出部の形成位置を制御することができる電子放出素子の製造方法、及びこの方法によって製造された電子放出素子を用いた電子デバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、柱状体にエッチング処理を施して、基台部と当該基台部よりも先端側に位置して電子が放出される尖鋭部とを有する電子放出部を形成する第２ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る電子放出素子の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制御することができる。また、柱状体にエッチング処理を施して先端に尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、完成された電子放出部の底面積は、エッチングを施す前の柱状体の底面積に依存し、電子放出部の高さは、エッチングを施す前の柱状体の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。さらに、柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積と高さを独立に制御することができる。
【０００９】
また、本発明の電子放出素子の製造方法において、上記第２ステップのエッチングをプラズマエッチングとすることができる。
【００１０】
また、本発明の電子放出素子の製造方法において、第２ステップにおいて、ダイヤモンド基板の柱状体が形成された部分以外をマスクし、柱状体に反応性イオンエッチングを施すことが好ましい。この場合、電子放出部の先端の尖鋭部を針状に形成することができる。
【００１１】
さらに、本発明の電子放出素子の製造方法において、第１ステップにおいて、ダイヤモンド基板の表面に円形のマスク部を形成した後にダイヤモンド基板にエッチングを施すことで柱状体を形成し、第２ステップにおいて、第１ステップのエッチングと比較して縦方向に対する横方向のエッチング速度の割合が高いエッチングを柱状体に施して電子放出部を形成することが好ましい。
【００１２】
この場合、第１ステップにおいて円形のマスク部を形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制御することができる。また、第２ステップにおけるエッチングの横方向の速度が速くされているため、柱状体の先端に尖鋭部を形成することができる。また、得られた電子放出部の底面積は、第１ステップのエッチングで得られた柱状体の底面積に依存し、電子放出部の高さは、第１ステップ及び第２ステップのエッチング条件に依存する。そして、柱状体の底面積はマスク部の面積を調整することで制御でき、電子放出部の高さは第１ステップのエッチングでダイヤモンド基板を除去する量を調整することで制御できるため、電子放出部の高さと底面積とを独立して制御することができる。
【００１３】
また、本発明に係る他の電子放出素子の製造方法は、ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出素子の製造方法において、ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、柱状体にダイヤモンド合成処理を施し、基台部、電子が放出される尖鋭部、及び、基台部と尖鋭部との間に位置する柱状の中間部を有する電子放出部を形成する第２ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電子放出素子の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制御することができる。また、柱状体にダイヤモンド合成処理を施して基台部、中間部、及び尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、得られた電子放出部の底面積は、ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形状に依存し、電子放出部の高さは、ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形状及びダイヤモンド合成処理の条件に依存する。さらに、柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積と高さを独立に制御することができる。
【００１５】
また、本発明の電子デバイスは、上記の各方法によって製造された電子放出素子と、尖鋭部と対向配置されると共に電子放出素子との間に電圧が印加される電子引出電極と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る電子デバイスによれば、電子引出電極と電子放出素子との間に電圧を印加することで、電子放出部の尖鋭部から電子引出電極に向けて電子が放出される。
【００１７】
また、本発明の電子デバイスにおいて、電子放出素子の基台部の周囲に設けられた金属製のゲート電極と、ゲート電極に電圧を印加する電源と、を備えることが好ましい。
【００１８】
このような構成を採用した場合、金属製のゲート電極が設けられた部分はショットキー接合となり、基台部の内側には空乏層が形成される。そして、ゲート電極に印加する電圧値を調整することで、空乏層の大きさを制御することができる。空乏層を大きくすれば、尖鋭部からの電子放出量が低減し、空乏層を小さくすれば、尖鋭部からの電子放出量が増加する。尚、ゲート電極と基台部との間に絶縁層を設けてＭＩＳ接合としても、電子放出量を調整することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法及び電子デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すような、表面が｛００１｝面のＩｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる基板２１を用意する。次に、図１（ｂ）の工程で、基板２１上にレジスト層２２を形成し、この上に２次元状に円形の遮光板２３ａが形成されたフォトマスク２３を配置する。フォトマスク２３の各遮光板２３ａのピッチは、例えば約１μｍ〜約５０μｍとする。そして、フォトリソグラフィ技術によって、レジスト層２２に、フォトマスク２３の遮光板２３ａに対応する位置に２次元状のパターンを形成する。
【００２１】
その後、図１（ｃ）に示す工程で、エッチング技術によってレジスト層２２の上記パターンに対応したマスク部２４を形成する。さらに、図１（ｄ）に示す工程で、基板２１に反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching: RIE）を施して、基板２１に単結晶ダイヤモンドからなる複数本の柱状体２５を形成する。本実施形態では柱状体２５は断面円形とされているが、この他、四角形、三角形等としてもよい。また、柱状体２５の高さを約１μｍ〜約２０μｍとし、柱状体２５の直径を約０．５μｍ〜約１０μｍとすることが好ましく、さらに、柱状体２５の直径に対する高さの比（以下、「アスペクト比」と称する）は、約１〜約５にすることが好ましい。
【００２２】
また、柱状体２５を形成するのに反応性イオンエッチングを用いたのは、隆起状の柱状体２５を容易に形成できるだけでなく、柱状体２５が形成された部分以外を平滑にエッチングすることができるためである。尚、反応性イオンエッチングで用いられる反応ガスは、Ｏ2のみ、又は、ＣＦ4及びＯ2を含む混合ガスとすることが好適である。
【００２３】
また、柱状体２５を形成するにあたっては、反応性イオンエッチング以外の手法を用いてもよく、例えば、イオンビームエッチング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴：Electron Cyclotron Resonance）エッチング、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ：Inductive Coupled Plasma）によるエッチング等を用いることができる。
【００２４】
続いて、図１（ｅ）に示す工程で、マイクロ波プラズマ中で柱状体２５にプラズマエッチングを施して、電子放出部３０を形成する。図２に、電子放出部３０の拡大図を示す。同図に示すように、電子放出部３０は、角柱状の基台部３６とこの基台部３６よりも先端側に位置する尖鋭部３２とを有している。基台部３６が角柱状（ここでは四角柱）になるのは、基板２１の表面が｛００１｝面とされているためである。また、電子放出素子２０に電圧を印加すると、尖鋭部３２の先端から電子が放出されることになる。
【００２５】
また、プラズマエッチングは、酸素１００％のガス中で、反応室温度が室温〜約２００℃、反応室内の圧力が０．１〜４０Ｐａ（特に、５Ｐａ付近が好ましい）の条件下、或いは、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）≦約０．２５の混合ガス中で、反応室温度が室温〜約２００℃、反応室内の圧力が０．１〜４０Ｐａ（特に、５Ｐａ付近が好ましい）の条件下で行うことが好適である。また、プラズマエッチングは、マイクロ波プラズマ中ではなく、ＤＣプラズマ、アークジェットプラズマ、火炎プラズマ等の他のプラズマ中で行ってもよい。
【００２６】
ここで、本実施形態の電子放出素子２０の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体２５を形成する場所を調整することで、電子放出部３０の位置を制御することができる。また、プラズマエッチングによって形成された電子放出部３０の底面積は、エッチングを施す前の柱状体２５の底面積に依存し、電子放出部３０の高さは、エッチングを施す前の柱状体２５の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。さらに、柱状体２５の高さと底面積は反応性イオンエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部３０全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部３０の底と高さを独立に制御することができる。このため、柱状体２５のアスペクト比を高くしておけば、電子放出部３０の高さを低くすることなく、すなわち電子放出部３０の先端部にかかる電圧が小さくなって電子の放出量が低下することなく、電子放出素子２０における電子放出部３０の密度を高めることができる。
【００２７】
尚、本実施形態では、単結晶ダイヤモンドからなる基板２１を使用しているが、ヘテロエピタキシャルダイヤ基板や高配向膜基板を使用してもよい。但し、高配向膜基板を使用する場合は、一つの柱状体２５に複数の粒子が含まれることを防ぐために、柱状体２５の径よりも粒子のサイズが大きくなるようにすることが好ましい。また、電子放出素子の特性は多少劣化するが、面方位がバラバラの多結晶ダイヤモンドによって基板を形成することも可能である。また、基板２１は、（１００）基板に限られず、（１１０）基板や（１１１）基板としてもよい。
【００２８】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態の電子放出素子２０の変形例を示す斜視図である。各変形例は、電子放出部３０の形状が図２に示す電子放出部３０と異なる。図３（ａ）の電子放出素子では、基台部３６が四角柱ではなく、四角錐台状にされている。また、図３（ｂ）の電子放出素子では、四角錐台状の基台部３６と尖鋭部３２との間に、四角柱状の中間部３４が形成されている。図３（ａ）に示す形状は、非常に細い柱状体（径が１μｍ未満）からメタンを含むエッチング条件で形成でき、図３（ｂ）に示す形状は、通常の柱状体（径が１μｍ以上）からメタンを含むエッチング条件で形成することができる。
【００２９】
また、本実施形態で得られた電子放出部３０の中間部３４や基台部３６には、低次指数面が現れる傾向がある。このため、低次指数面が現れた中間部３４や基台部３６に金属を蒸着させて、ダイヤモンド／金属構造を有するショットキー接合を形成することができる。また、低次指数面が現れた中間部３４や基台部３６に絶縁体／金属を蒸着させることで、ダイヤモンド／絶縁体／金属構造を有するＭＩＳ接合を形成することができる。
【００３０】
図４は、図３（ｂ）に示す電子放出部３０の基台部３６の周囲に、Ａｌ製のゲート電極４０を蒸着してショットキー接合を形成したものであり、図５は、この電子放出素子２０に、カソード電極４２及びアノード電極（電子引出電極）４４を取り付けた電子デバイス５０を示す図である。アノード電極４４は、電子放出部３０の尖鋭部３２と対向配置されている。図５に示すように、電子放出部３０のゲート電極４０が取り付けられた内側部分には、空乏層４７が形成されている。また、カソード電極４２とアノード電極４４との間には、電子放出用の電源４６が設けられ、ゲート電極４０とカソード電極４２との間には、電源４８が設けられている。
【００３１】
そして、電源４６をオンにすると、電子放出素子２０とアノード電極４４との間に電圧が印加され、電子放出部３０の尖鋭部３２から放出された電子がアノード電極４４に向かう。また、電子放出部３０のダイヤモンドにボロン等がドーピングされてｐ型となっている場合は、電源４８の出力を上げてゲート電極４０に正のバイアスをかけると、空乏層４７が広がり、尖鋭部３２からの電子の放出量を低減させることができる。一方、電源４８によるゲート電極４０へのバイアス電圧を低下させると、空乏層４７が狭まり、尖鋭部３２からの電子放出量を増加させることができる。このように、低次指数面が現れて平坦になった基台部３６にショットキー接合を形成することで、電子放出部３０からの電子放出量を調整することができる。尚、ゲート電極４０は、基台部３６の周囲ではなく中間部３４の周囲に形成してもよいし、或いは基台部３６の周囲と中間部３４の周囲の双方に形成してもよい。また、電子放出部３０のダイヤモンドがｎ型になっている場合は、ゲート電極４０に負の電圧を印加した場合に空乏層４７が広がる。
【００３２】
図６は、図５に示す電子デバイス５０のゲート電極４０に代えて、基台部３６の周囲に、ＳｉＯ2製の絶縁層４１及びＡｌ製のゲート電極４０を蒸着してＭＩＳ接合を形成した電子デバイス５２を示す図である。このように、ＭＩＳ接合を形成した場合も、電源４８の出力を調整して空乏層４７の大きさを変化させることで、尖鋭部３２からの電子放出量を増減させることができる。
【００３３】
［第２実施形態］
次に、図７（ａ）〜図７（ｆ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第２実施形態を説明する。図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す工程では、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工程と同様の処理を行い、図示のように基板２１に複数の柱状体２５を形成する。次いで、図７（ｅ）に示す工程で、柱状体２５を除く部分をＳｉＯ2又はＡｌによってマスクした状態で柱状体２５に対して純酸素（酸素１００％）の反応性イオンエッチングを施し、柱状体２５の先端に針状の尖鋭部３２を形成する。さらに、この尖鋭部３２に酸処理を施すことによって、当該尖鋭部３２を一層鋭くすることができる。
【００３４】
続いて、図７（ｆ）に示す工程で、マイクロ波プラズマ中でプラズマエッチングを行うことにより、四角錐状の基台部３６が形成され、図８に詳細を示した電子放出部３０が完成する。図８に明示するように、電子放出部３０は、四角錐台状の基台部３６とこの基台部３６よりも先端側に位置する針状の尖鋭部３２とを有している。
【００３５】
本実施形態の電子放出素子２０の製造方法によっても、第１実施形態と同様に、ダイヤモンドの柱状体２５を形成する場所を調整することで、電子放出部３０の位置を制御することができる。また、反応性イオンエッチングによって形成された電子放出部３０の底面積は、エッチングを施す前の柱状体２５の底面積に依存し、電子放出部３０の高さは、エッチングを施す前の柱状体２５の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。さらに、柱状体２５の高さと底面積は形成時のエッチング条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部３０全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部３０の底面積と高さを独立に制御することができる。このため、柱状体２５のアスペクト比を高くしておけば、電子放出部３０の高さを低くすることなく、電子放出素子２０における電子放出部３０の密度を高めることができる。
【００３６】
尚、本実施形態では、反応性イオンエッチングによって尖鋭部３２を形成した後に、当該尖鋭部３２をさらに鋭くするために酸処理を施しているが、これに代えて、フッ素原子を含む酸処理、フッ素原子を含むプラズマ処理等を施してもよい。
【００３７】
［第３実施形態］
次に、図９（ａ）〜図９（ｄ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第３実施形態を説明する。まず、図９（ａ）に示す工程で、単結晶ダイヤモンドからなる基板２１の表面に、Ａｌ製の円形のマスク部２４を形成する。次に、図９（ｂ）に示す工程で、Ｏ2含有量がほぼ１００％のガス中で基板２１にエッチングを施し、柱状体２５を形成する。この場合、エッチングガスはＯ2含有量がほぼ１００％とされているため、横方向のエッチング速度が縦方向のエッチング速度と比べて非常に遅くなり、柱状体２５は円柱形状となる。
【００３８】
次いで、図９（ｃ）に示す工程で、Ｏ2とＡｒを含んだガス中で柱状体２５にエッチングを施す。この場合、エッチングガスはＡｒを含んでいるため、図９（ｂ）の工程のエッチングと比較して縦方向に対する横方向のエッチング速度の割合が高くなり、柱状体２５の上部に傾斜面を有する円錐台状の尖鋭部３２が形成される。この際、基板２１のみならず、マスク部２４も横方向にエッチングされる。また、傾斜面が形成されていない尖鋭部３２の下方の部分は、円柱状の基台部３６となり、尖鋭部３２と基台部３６を有する電子放出部３０が形成される。そして、図９（ｄ）に示す工程で、マスク部２４の残余部分を除去して、本実施形態の電子放出素子２０が完成する。
【００３９】
ここで、本実施形態によれば、図９（ａ）に示す工程においてマスク部２４を形成する場所を調整することで、電子放出部３０の位置を制御することができる。また、得られた電子放出部３０の底面積は、図９（ｂ）に示す工程のエッチングで得られた柱状体２５の底面積に依存し、電子放出部３０の高さは、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示す各工程のエッチング条件に依存する。そして、柱状体２５の底面積はマスク部２４の面積を調整することで制御でき、電子放出部３０の高さは図９（ｂ）のエッチングで基板２１を除去する量を調整することで制御できるため、電子放出部３０の高さと底面積とを独立して制御することができる。
尚、柱状体２５は円柱形状に限られず、円錐台状にしてもよい。
【００４０】
尚、図９（ｃ）に示す工程において、柱状体２５の上面にマスク部２４を載せたままエッチングを施すことで、柱状体２５の上面を削られにくくすることができ、尖鋭部３２を鋭くすることができる。また、図９（ｄ）に示すように、電子放出部３０の頂上部は平坦になっているが、このようなものも本発明においては尖鋭部３２と称する。また、図９（ｃ）に示す工程において、エッチングガス中のＡｒの含有率を高めることで、横方向のエッチング速度が速くなり、尖鋭部３２の先端を鋭くすることができる。さらに、エッチング時間を制御して、横方向からエッチングされるＡｌが丁度無くなる程度にするか、少しだけオーバーする程度にすると、尖鋭部３２の先端を尖鋭化できる。また、図９（ｃ）に示す工程のエッチングガスは、上記のＯ2とＡｒを含んだ混合ガスに限られず、図９（ｂ）の工程のエッチングと比較して縦方向に対する横方向のエッチング速度の割合が高くなるものであればよい。
【００４１】
［第４実施形態］
次に、図１０（ａ）〜図１０（ｅ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第４実施形態を説明する。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示す工程では、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工程と同様の処理を行い、基板２１に複数の柱状体２５を形成する。次いで、図１０（ｅ）に示す工程で、この柱状体２５を核としてマイクロ波ＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成処理よってダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、電子放出部３０を形成する。
【００４２】
図１１は、電子放出部３０の拡大斜視図である。同図に示すように、電子放出部３０は、四角錐台状の基台部３６と、ピラミッド状の尖鋭部３２と、基台部３６と尖鋭部３２との間に位置する四角柱状の中間部３４と、から構成されている。このように基台部３６、中間部３４、及び尖鋭部３２の３段構造を有する電子放出部３０を形成するには、アスペクト比が２以上の柱状体２５を形成し、ＣＨ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）が０．０２以下の条件下でダイヤモンド合成を行い、次いで、ＣＨ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）が０．０３以上、柱状体２５近傍の温度が９００℃以下の条件下でダイヤモンド合成を行う。
【００４３】
ここで、本実施形態によれば、ダイヤモンドの柱状体２５を形成する場所を調整することで、電子放出部３０の位置を制御することができる。また、柱状体２５にマイクロ波ＣＶＤ法を施して基台部３６、中間部３４、及び尖鋭部３２を有する電子放出部３０を形成するが、得られた電子放出部３０の底面積は、マイクロ波ＣＶＤ法を施す前の柱状体２５の形状に依存し、電子放出部３０の高さは、マイクロ波ＣＶＤ法を施す前の柱状体２５の形状及びマイクロ波ＣＶＤ法の条件に依存する。さらに、柱状体２５の高さと底面積はエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部３０の底面積と高さを独立に制御することができる。
【００４４】
【実施例】
次に、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明する。
【００４５】
［実施例１］
本実施例は、上記第１実施形態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフィ技術によってＡｌの微細な円形のマスクを二次元状に形成した。次に、（ａ）ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件下で、或いは、（ｂ）ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．２５の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、３０Ｗの条件下で、基板に反応性イオンエッチングを０．５〜２時間施し、柱状体（円柱）を形成した。柱状体は計７つ形成したが、各柱状体の寸法を図１２の表に示す。柱状体の高さは、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）の比率とエッチング時間を変えることで制御した。高さが５μｍ以上の柱状体は上記（ａ）の条件で形成し、高さが５μｍ未満の柱状体は、（ｂ）の条件で形成した。
【００４６】
柱状体を形成した後、ＣＯ2（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．００５の組成のガス中で、基板温度約１０５０℃、圧力１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、柱状体にプラズマエッチングを４時間施した。その結果、基板の面方位に形状が依存した基台部とこれよりも先端側に位置する尖鋭部とを有する電子放出部が得られた。この電子放出部のアスペクト比は、図１２に示すように、１〜２．３の範囲にすることができた。この結果より、従来のピラミッド型の電子放出部ではアスペクト比を約０．７にすることしかできなかったのに対し、本発明では、電子放出部の高さと底面積を独立して自由に制御することができることが判明した。
【００４７】
また、得られた電子放出素子の顕微鏡写真を、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示す。図１３（ａ）の電子放出部はアスペクト比が２．３で、図１３（ｂ）の電子放出部はアスペクト比が１．４で、図１３（ｃ）の電子放出部はアスペクト比が１とされている。
【００４８】
［実施例２］
本実施例は、上記第２実施形態に対応するものである。Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフィ技術によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で基板に反応性イオンエッチングを０．５時間施し、柱状体（円柱）を形成した。次いで、基板の柱状体が形成された部分以外の箇所をＡｌによってマスクし、柱状体に酸素１００％の反応性イオンエッチングを施し、針状の尖鋭部と基台部とを有する電子放出部を形成した。さらに、フッ酸処理を施して尖鋭部を鋭くした。
【００４９】
得られた電子放出部の尖鋭部の顕微鏡写真を、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示す。図１４（ａ）は低倍率の顕微鏡写真で、図１４（ｂ）は高倍率の顕微鏡写真である。各写真から分かるように、尖鋭部は鋭い針状にされていた。尚、柱状体の径を１μｍ以上にしたものについては、一つの電子放出部に複数の針状の尖鋭部を形成することができた。
【００５０】
［実施例３］
本実施例は、実施例２と同様に、上記第２実施形態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフィ技術によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で基板に反応性イオンエッチングを０．５時間施し、柱状体（円柱）を形成した。次いで、基板の柱状体が形成された部分以外の箇所をＡｌによってマスクし、柱状体に酸素１００％の反応性イオンエッチングを施し、針状の尖鋭部と基台部とを有する電子放出部を形成した。その後、ＣＯ2（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．０５の組成のガス中で、基板温度約１０８０℃、圧力１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、電子放出部にプラズマエッチングを施した。
【００５１】
得られた電子放出素子の顕微鏡写真を、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示す。図１５（ａ）は、電子放出部全体を示す顕微鏡写真であり、図１５（ｂ）は、電子放出部の尖鋭部の低倍率の顕微鏡写真で、図１５（ｃ）は、尖鋭部の高倍率の顕微鏡写真である。図１５（ｃ）の写真から分かるように、尖鋭部の先端は非常に鋭くされていた。
【００５２】
［実施例４］
本実施例は、上記第３実施形態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフィ技術によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で基板に反応性イオンエッチングを０．５時間施し、柱状体（円柱）を形成した。次に、Ａｒ（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝１の組成のガス中で柱状体にエッチングを施したところ、図１６（ａ）の顕微鏡写真に示す電子放出部を得ることができた。この写真から分かるように、電子放出部の根本部分には基台部が形成され、先端側には尖鋭部が形成されている。
【００５３】
また、Ａｒ（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝１の組成のエッチングガスに代えて、Ａｒ１００％のガスによって柱状体にエッチングを施したところ、図１６（ｂ）の顕微鏡写真に示す電子放出部を得ることができた。この写真から分かるように、Ａｒ含有率の高いエッチングガスによって形成された電子放出部は、図１６（ａ）よりも尖鋭部の先端が鋭くされていた。尚、Ａｒ（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝１の組成のエッチングガスを使用した場合も、エッチング時間を長くすることで、Ａｒ１００％のエッチングガスを使用した場合のように尖鋭部の先端が鋭くなった。
【００５４】
［実施例５］
本実施例は、上記第４実施形態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンドの（１００）基板、（１１０）基板、（１１１）基板の３つの基板にそれぞれフォトリソグラフィ技術によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ4（ｍｏｌ）／Ｏ2（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で各基板に反応性イオンエッチングを施し、アスペクト比が２の柱状体（円柱）を形成した。
【００５５】
続いて、ＣＨ4（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．０４５、ＣＯ2（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．００５の組成のガス中で、基板温度約１０５０℃、圧力１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、柱状体を核として３０分間ダイヤモンドを合成させた。その結果、図１７（ａ）の顕微鏡写真に示すような、基台部、中間部、及び尖鋭部を有する電子放出部が形成された。尚、図１７（ａ）は、（１００）基板を用いて形成された電子放出部を示す写真である。
【００５６】
（１１０）基板の試料の成長はここで止め、（１００）基板では、さらに、ＣＨ4（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．０８、ＣＯ2（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．００５の組成のガス中で、基板温度約９００℃、圧力８．０ｋＰａ、マイクロ波パワー３００Ｗの条件下で、柱状体を核として６０分間ダイヤモンドを合成させた。この結果得られた電子放出部の側方からの写真を図１７（ｂ）に示す。
【００５７】
一方、（１１１）基板では、さらに、ＣＨ4（ｍｏｌ）／Ｈ2（ｍｏｌ）＝０．００１５の組成のガス中で、基板温度約１０５０℃、圧力１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、柱状体を核として４時間ダイヤモンドを合成させた。この結果得られた電子放出部の上方からの写真を図１７（ｃ）に示す。
【００５８】
また、エッチングガスにＢ2Ｈ6／Ｈ2＝１０００×１０-6という条件を加えることで、導電性のダイヤモンドを合成することができ、電子放出素子に電流を流すことができた。
【００５９】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施形態〜第４実施形態で形成された電子放出素子についても、尖鋭部に電子引出電極を対向配置させることで、尖鋭部から電子引出電極に向けて電子を放出できる電子デバイスを形成することができる。さらに、このような電子デバイスの低次指数面が現れた基台部の周囲に金属製のゲート電極を形成することで、ショットキー接合やＭＩＳ接合を形成することができ、電子放出量を調整することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子放出素子の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制御することができる。また、柱状体にエッチング処理を施して先端に尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、完成された電子放出部の底面積は、エッチングを施す前の柱状体の底面積に依存し、電子放出部の高さは、エッチングを施す前の柱状体の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。さらに、柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積と高さを独立に制御することができる。
【００６１】
また、本発明に係る他の電子放出素子の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制御することができる。また、柱状体にダイヤモンド合成処理を施して基台部、中間部、及び尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、得られた電子放出部の底面積は、ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形状に依存し、電子放出部の高さは、ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形状及びダイヤモンド合成処理の条件に依存する。さらに、柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整することによって所望の値にすることができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積と高さを独立に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図２】図１（ｅ）に示す電子放出部の拡大図である。
【図３】第１実施形態の電子放出素子の変形例を示す図である。
【図４】図３（ｂ）に示す電子放出部の基台部の周囲に、ゲート電極を蒸着してショットキー接合を形成した状態を示す図である。
【図５】図４に示す電子放出素子にカソード電極及びアノード電極（電子引出電極）を取り付けた電子デバイスを示す図である。
【図６】基台部の周囲に絶縁層及びのゲート電極を蒸着してＭＩＳ接合を形成した電子デバイスを示す図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｆ）は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。
【図８】図７（ｆ）に示す電子放出部の拡大図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第３実施形態を示す工程図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第４実施形態を示す工程図である。
【図１１】図１０（ｅ）に示す電子放出部の拡大図である。
【図１２】実施例１の柱状体及び電子放出部の寸法を示す表である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、実施例１で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、実施例２で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、実施例３で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。
【図１６】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、実施例４で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、実施例５で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。
【図１８】従来の針状構造の電子放出素子を示す斜視図である。
【図１９】従来のピラミッド構造の電子放出素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０…電子放出素子、２１…基板（ダイヤモンド基板）、２４…マスク部、２５…柱状体、３０…電子放出部、３２…尖鋭部、３４…中間部、３６…基台部、４０…ゲート電極、４１…絶縁層、４２…カソード電極、４４…アノード電極（電子引出電極）、４６…電源、４７…空乏層、４８…電源、
５０，５２…電子デバイス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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