(57)【要約】【課題】  ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面をナノスケールで微細加工するダイヤモンド様カーボンの加工方法に関し、特にダイヤモンド様カーボンの薄膜表面の位置又は高さを特定して微細加工するダイヤモンド様カーボンの加工方法に関する。【解決手段】  不純物をドープしたダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に電極を所定間隔離隔し、この電極と薄膜表面間に放電が生じる電位差未満の電位差による電界を印加するようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面における電極対向位置の組成変化を生じさせることができることとなり、任意の特定位置に電界が印加された電極を単に近接対向させるのみで、ナノスケールの突起を簡易且つ確実に微細に加工・処理できる。【選択図】図１
2005166411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド様カーボンに対して不純物をドープし、当該不純物をドープしたダイヤモンド様カーボンが薄膜表面に電極を対向して配設し、当該電極を負電位としてダイヤモンド様カーボンの薄膜表面との間に放電が生じる電位差未満の電位差による電界を印加することを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のダイヤモンド様カーボンの加工方法において、
前記印加する電界の強度を、トンネル電流が発生する電界以上であって放電電流が発生する電界未満で変化させることを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載のダイヤモンド様カーボンの加工方法において、
前記電極がダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に対する間隔を変化させることを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれかに記載のダイヤモンド様カーボンの加工方法において、
前記印加する電界を変化させることを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載のダイヤモンド様カーボンの加工方法において、
前記電極がダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に対する対向位置を移動することを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【請求項６】
前記請求項１ないし５のいずれかに記載のダイヤモンド様カーボンの加工方法において、
前記不純物を窒素とし、当該窒素をダイヤモンド様カーボンにドープすることを
特徴とするダイヤモンド様カーボンの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面をナノスケールで微細加工するダイヤモンド様カーボンの加工方法に関し、特にダイヤモンド様カーボンの薄膜表面の位置又は高さを特定して微細加工するダイヤモンド様カーボンの加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のダイヤモンド様カーボンの加工方法として特開２００３−１１５２５８号公報（以下、第１の背景技術）及び特開２００２−１８４３００号（以下、第２の背景技術）に開示されるものがあり、この第１の背景技術を図５及び図６に示し、また第２の背景技術を図７及び図８に示す。
【０００３】
前記図５及び図６において第１の背景技術に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は、半導体、金属、ガラス又はセラミックスからなる基板１１１上にダイヤモンド様炭素膜１１２Ａを形成し（図６（ａ）を参照）、次に、そのダイヤモンド様炭素膜１１２Ａに酸素プラズマ処理を施し、表面が粗いダイヤモンド様炭素膜からなるエミッタ電極１１２を形成し（図６（ｂ）を参照）、エミッタ電極１１２をマスクすることにより絶縁層を形成して絶縁スペーサ１１３を形成し（図６（ｃ）を参照）、その絶縁スペーサ１１３上にゲート電極１１４を形成（図５（ｄ））する構成である。
ここで、前記酸素プラズマ処理として、その条件は圧力１Ｐａないし５Ｐａ，電力５Ｗないし２０Ｗ，処理時間は１０分?３０分が望ましい。また、ダイヤモンド様炭素膜の酸素プラズマ処理、つまり、酸素反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を圧力１Ｐａ、パワー２０Ｗで行うる。
【０００４】
このようにエミッタ電極１１２を酸素プラズマ処理により形成できるので、高額な微細加工装置を必要とせず、安価な電界電子放出源を実現できる。また、エミッタ電極１１２を任意の場所に形成することができる。さらに、表面が粗い突起形成物からなるエミッタ電極１１２が形成されるため、電界集中が起こりやすくなり、電界放出電流を増大させ、閾値の減少を図ることができ、低い電圧で電界電子放出を効率的に行うことができる。
【０００５】
次に、前記図７及び図８において第２の背景技術に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は、絶縁性基板２０１にエミッタ配線層２０２及び抵抗層２０３を形成し（図８（ａ）を参照）、この抵抗層２０３上に窒化シリコン膜２０４及びゲート電極２０５を順次積層して形成し（図８（ｂ）を参照）、このゲート電極２０５上を絶縁性基板２０１に対して斜め蒸着してゲート電極２０５上にのみ剥離層２０７を形成し（図８（ｃ）を参照）、この抵抗層２０３及び剥離層２０７上に絶縁性基板２０１に対して垂直な方向からエミッタ材料を蒸着してエミッタ２０６を形成し（図８（ｄ）を参照）、この剥離層２０７を剥離すると同時に剥離層２０７上のエミッタ材料を剥落させて最上層にゲート電極２０５を形成（図８（ｅ）を参照）する構成である。
【０００６】
前記抵抗層２０３としては、例えばダイヤモンド様カーボンを成膜して形成する。このようにダイヤモンド様カーボンのようなカーボンを主成分とする材料で抵抗層２０３を形成することにより、温度特性がアルモファスシリコン等より安定していることからエミッション電流を容易且つ高度に制御できることが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−１１５２５８号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１の技術背景は以上のように構成されていたことから、ダイヤモンド様カーボン１１２Ａの所定領域に酸素プラズマ処理を施して表面が粗い突起形成物を生成することができても、この突起の一つ一つを任意の特定位置に前記酸素プラズマ処理にて形成できないという課題を有する。
【０００８】
また、第２の背景技術は以上のように構成されていたことから、マスクとレジストとを用いたフォトリソグラフィ技術によってマスクパターンを転写した後にこのマスクパターンにより突起となるエミッタを所定位置に形成することができるが、加工工程が複雑化して簡易且つ迅速にダイヤモンド様カーボンに突起等の加工処理ができないという課題を有していた。
【０００９】
特に、第１及び第２の各背景技術においても、ナノスケールでの精度で突起等の加工処理ができない。この第１の背景技術は、フォトリソグラフィをナノスケールで加工処理には露光用の波長を現在の深紫外領域より短波長としなければならず、加工処理が困難となる課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は、ダイヤモンド様カーボンに対して不純物をドープし、当該不純物をドープしたダイヤモンド様カーボンが薄膜表面に電極を対向して配設し、当該電極を負電位としてダイヤモンド様カーボンの薄膜表面との間に放電が生じる電位差未満の電位差による電界を印加するものである。
【００１１】
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は必要に応じて、印加する電界の強度を、トンネル電流が発生する電界以上であって放電電流が発生する電界未満で変化させるものである。
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は必要に応じて、電極がダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に対する間隔を変化させるものである。
【００１２】
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は必要に応じて、印加する電界を変化させるものである。
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は必要に応じて、電極がダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に対する対向位置を移動するものである。
本発明に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は必要に応じて、不純物を窒素とし、当該窒素をダイヤモンド様カーボンにドープするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、不純物をドープしたダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に電極を所定間隔離隔し、この電極と薄膜表面間に放電が生じる電位差未満の電位差による電界を印加するようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面における電極対向位置の組成変化を生じさせることができることとなり、任意の特定位置に電界が印加された電極を単に近接対向させるのみで、ナノスケールの突起を簡易且つ確実に微細に加工・処理できる。
【００１４】
また、本発明は必要に応じて、トンネル電流が発生する電界以上であって放電電流が発生する電界未満の電界強度を印加するようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面組成を確実に変化させることができることとなり、ナノスケール突起の微細加工処理を正確に実行できる。
【００１５】
また、本発明は必要に応じて、電界を印加する電極とダイヤモンド様カーボンの薄膜表面との間隔を変化させるようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面における組成変化の程度を調整できることとなり、ナノスケール突起の高さを任意に生成できることとなる。
【００１６】
また、本発明は必要に応じて、電極とダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に印加する電界強度を変化させるようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面における組成変化の程度を調整できることとなり、ナノスケール突起の高さを任意に生成できることとなる。
【００１７】
また、本発明は必要に応じて、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面に対する電極の対向位置を移動させるようにしているので、ダイヤモンド様カーボンの薄膜表面における組成変化の位置を変化せせることができることとなり、任意の特定位置に移動してナノスケールの突起を微細加工・処理できる。特に、電界を印加しつつ電極を移動させることにより、線状の突起部分を微細加工・処理できることとなる。
【００１８】
また、本発明は必要に応じて、ダイヤモンド様カーボンにドープする不純物を窒素としているので、化学気相成長法によりプラズマ化した窒素ガスをドープしつつダイヤモンド様カーボンを簡易に生成できることとなり、導電性のダイヤモンド様カーボンを確実に形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法を図１ないし図４に基づいて説明する。この図１は本実施形態に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法の動作フローチャート、図２は図１により微細加工・処理された装置観察結果に基づく表面斜視図、図３は図２に対応する加工時の各印加電圧の相違による加工部分からの電子放出マッピング、図４は図１により微細加工・処理されたダイヤモンド様カーボンのトンネル電流−電圧特性図を示す。
【００２０】
前記各図において本実施形態に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法は、ダイヤモンド様カーボン（以下、ＤＬＣ）に対して不純物をドープし、当該不純物をドープしたＤＬＣが薄膜表面に電極となる金属ティップを対向して配設し、この金属ティップを負電位としてＤＬＣの薄膜表面との間にトンネル電流が発生する電界以上であって放電電流が発生する電圧未満の電位差による電圧を印加するものである。
【００２１】
前記金属ティップは、タングステンにて形成され、Ｘ−Ｙ軸の平面上で任意の特定位置に位置決め制御できるように構成される。また、この金属ティップとＤＬＣの薄膜表面とは、２×１０−８Ｐａの超高真空容器内に収納され、この超高真空状態で前記電圧が印加される構成である。
【００２２】
次に、前記構成に基づく本実施形態に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法の具体的動作について説明する。まず、被加工対象となるＤＬＣの製造は、メタンガス及び窒素ガスを原料ガスとして用い、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置によりシリコン及びガラス基板からなるＤＬＣに対して窒素をドープし、窒化したＤＬＣの薄膜を堆積して形成する（ステップ１）。
【００２３】
前記ＤＬＣ薄膜の堆積条件は、窒素分圧力が１０ｍTorr、全圧力が２０ｍTorr、陰極の自己バイアスが−１２００Ｖ、堆積時間が８分とした。この堆積条件によりＤＬＣ薄膜は、２００ｎｍの膜厚まで成長させることができる。この窒素のドープ処理によりＤＬＣ薄膜は、導電性（σ＝０．１〜１０ｓ／ｃｍ）を有することとなる。
【００２４】
前記窒化したＤＬＣの薄膜を２×１０−８Ｐａの超高真空の容器に収納し（ステップ２）、この超高真空条件下で前記ＤＬＣの薄膜表面の所定位置に金属ティップを対向させ（ステップ３）、この金属ティップとＤＬＣの薄膜表面との間に所定の微弱直流電圧を印加して０．１ｍＡのトンネル電流が流れる状態とし（ステップ４）、この状態で前記金属ティップとＤＬＣ薄膜表面との間に−１０Ｖの直流電圧を印加する（ステップ５）。前記ＤＬＣの薄膜表面の加工位置の特定は、金属ティップを位置決め装置によりＸ−Ｙ座標の二次元平面上で金属ティップを移動させることにより決定される。なお、前記微弱直流電圧は、金属ティップ及びＤＬＣの各特性又は、間隔により異なり、少なくとも前記加工処理時の電圧（−１０Ｖ）より小さな例えば、−０．１ないし−１Ｖの値が選定される場合がある。
【００２５】
この位置決めされた金属ティップに対向するＤＬＣの薄膜は、３〜５ｎｍの突起が形成されることとなる（ステップ６）。このＤＬＣの薄膜上の突起は、金属ティップに負電位として電圧が印加されていることから金属ティップを形成するタングステンの原子が移動して形成されたのではなく、ＤＬＣの薄膜表面における組成がアルモファス様に変化して隆起形成されたのもと考えられる。
【００２６】
このようにＤＬＣ薄膜表面に形成された突起を走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）により表面観察を行った。この表面観察は、ＳＴＭの金属探針でＤＬＣの薄膜表面との間に０．１ｎＡのトンネル電流が流れる状態を維持しつつ走査したところ、前記金属ティップにより電圧を印加してＤＬＣの薄膜表面位置に３ｎｍ〜５ｎｍの突起が検出された。
【００２７】
図２は２００ｎｍ×３００ｎｍの領域で、金属ティップを間歇的に移動させてスポットで電圧を印加して文字「Ｆ」を描画したものである。文字の大きさは、白色ドット状に文字「Ｆ」に表れる２００ｎｍ×２５０ｎｍである。図２と同じ領域で、ＳＴＭの金属探針に流れるトンネル電流の大きさを２次元像で表したものを図３に示す。図中、白色部分は電流値が高い領域であり、また図中の電圧は加工処理の際に金属ティップに印加した電圧を示す。このように金属ティップに電圧を印加して突起を形成した部分から、電流が流れ始めていたことが分かる。これは、ＰＤＰのような表示装置においてＤＬＣの電子陰極として利用する際に有効な技術となる。
【００２８】
図２における突起が形成された部分とそうでない部分でのトンネル電流−電圧特性を図４に示す。どちらもトンネル電流に特徴的な非線形性を示したが、突起を形成した部分の電流値が高いことが分かる。このことから、電圧印加のみによるＤＬＣ加工によって効率の高い電子源となる微細突起の電極を形成することが可能なことが分かる。
【００２９】
（本発明の他の実施形態）
なお、前記実施形態においては、ＤＬＣの薄膜表面と金属ティップとの間に印加する電圧を一定にして加工処理を実行したが、この印加電圧をトンネル電流が発生する電圧以上であって放電電流が発生しない電圧未満の電圧値で変化させてＤＬＣの薄膜表面に形成される突起の高さを調整することができる。
【００３０】
また、前記実施形態において、ＤＬＣの薄膜表面に対する金属ティップの間隔を一定（１ｎｍ）にして加工処理を実行したが、この間隔を変化させてＤＬＣの薄膜表面に形成される突起の高さを調整することができる。
【００３１】
また、前記実施形態においては、ＤＬＣの薄膜表面に対して金属ティップを間歇的にいどうさせてスポットで電圧を印加するように構成したが、金属ティップの移動に伴って連続的に電圧を印加する構成とすることもできる。この場合には連続して電圧を印加した部分が、所定高さの隔壁として突出部分を形成できることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
カーボン経済料であるダイヤモンド、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド様カーボン（以下ＤＬＣ）等は、ナノテクノロジー分野で様々な応用が期待されている。例えば、電界放出ディスプレイの陰極材料として高い放出電流が得られている。陰極を形成する際、放出特性を高めるために表面の微細加工及び表面処理が必要である。また、導電性を有するこれらのカーボン材料を電極として利用する際にも電極形成のための加工が必要となる。さらに、ナノテクノロジー分野での微細加工・変形も必要である。これらの加工、処理には、通常マスクとレジストを用いたフォトリソグラフィ転写技術でレジストパターンを形成し、化学的にエッチングすることによって微細な突起が形成される。このような微細加工において本発明は、上記のマスクを用いることなく、ナノスケールで微細加工・処理を行う技術に関するものであり、ナノテクノロジーの産業化に欠かせない技術となり得る。特に、ＤＬＣが透明性を有することから、表示装置の透明電極として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンド様カーボンの加工方法の動作フローチャートである。
【図２】図１により微細加工・処理された装置観察結果に基づく表面斜視図である。
【図３】図２に対応する加工時の各印加電圧の相違による加工部分からの電子放出マッピングである。
【図４】図１により微細加工・処理されたダイヤモンド様カーボンのトンネル電流−電圧特性図である。
【図５】第１の技術背景におけるダイヤモンド様カーボンの加工方法によって形成された突起形態図である。
【図６】図５に示す突起を形成する動作説明図である。
【図７】第２の技術背景におけるダイヤモンド様カーボンの加工方法によって形成された突起形態図である。
【図８】図６に示す突起を形成する動作説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１１  基板
１１２  エミッタ電極
１１２Ａ  ダイヤモンド様カーボン１１
１１３  絶縁スペーサ
１１４，２０５  ゲート電極
２０１  絶縁性基板
２０２  エミッタ配線層
２０３  抵抗層
２０４  窒化シリコン膜
２０７  剥離層
【図１】
2005166411.tif 000003
【図２】
2005166411.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005166411.tif 000006
【図５】
2005166411.tif 000007
【図６】
2005166411.tif 000008
【図７】
2005166411.tif 000009
【図８】
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