(57)【要約】【課題】  鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極として、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない電界放射型電子源およびその製造方法を提供する。【解決手段】  電界放射型電子源２ａは、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部１を有する陰極１ａと、ゲート電極４と、陰極１ａとゲート電極４とを隔てる絶縁層３と、アノード電極５とを備える。陰極１ａと絶縁層３との間の少なくとも一部には、中間層６が設けられている。中間層６は複数の層６ａ，６ｂを有している。電子放出部１には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされている。【選択図】  図２１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、前記陰極と前記ゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源であって、
前記陰極と前記絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、
前記中間層は、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含み、
前記電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、前記陰極と前記ゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源であって、
前記陰極と前記絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、
前記中間層は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属からなる層を含み、
前記電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項３】
前記中間層は、前記絶縁層側に金属酸化物層を更に含み、前記絶縁層が酸化物を材料として含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放射型電子源。
【請求項４】
前記中間層が前記窒化物層を含み、前記絶縁層が窒化物を材料として含むことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
【請求項５】
前記中間層は、前記絶縁層側に金属弗化物層を更に含み、前記絶縁層が弗化物を材料として含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放射型電子源。
【請求項６】
前記中間層が前記電子放出部とオーミックコンタクトし、配線として機能することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項７】
前記中間層が、前記電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分と、前記電子放出部と直接接続されていない接着部分とに分離されていることを特徴とする請求項６に記載の電界放射型電子源。
【請求項８】
前記中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、前記陰極及び前記絶縁層の熱膨張係数の間の値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項９】
前記金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする請求項３に記載の電界放射型電子源。
【請求項１０】
前記窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム又は窒化シリコンのいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の電界放射型電子源。
【請求項１１】
前記絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１２】
前記中間層の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１３】
前記中間層が前記電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分を有し、前記配線部分のうち、前記絶縁層から露出し前記陰極と外部とを電気的に接続する部分の少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の電界放射型電子源。
【請求項１４】
前記ゲート電極上に設けられた別の絶縁層と、前記別の絶縁層上に設けられた集束電極と、を更に備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１５】
前記電子放出部が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１６】
前記電子放出部が、前記陰極を構成する基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、前記基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１７】
前記電子放出部の高さをｚ、前記電子放出部の先端と前記ゲート電極との距離をｄ、前記絶縁層の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。
【請求項１８】
前記ｚ、ｄ、ｈが、ｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２の条件を満たすことを特徴とする請求項１７に記載の電界放射型電子源。
【請求項１９】
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記ゲート電極と前記絶縁層とを除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２０】
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記ゲート電極と前記絶縁層とを除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２１】
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上に別の絶縁層を形成する工程と、前記別の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、前記集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記集束電極、前記ゲート電極、前記絶縁層及び前記別の絶縁層を除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２２】
前記中間層を形成する工程では、前記基板上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して前記基板と前記金属膜との界面に金属炭化物層を形成することを特徴とする請求項２０又は２１に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２３】
前記絶縁層を形成する工程では、前記絶縁層を形成し、前記絶縁層の上にレジストを塗布し、前記電子放出部周辺の前記絶縁層を除去する一連の工程を複数回行い、
前記電子放出部の高さをｚ、前記電子放出部の先端と前記ゲート電極との距離をｄ、前記絶縁層の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすように前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２４】
前記絶縁層を形成する工程において、最後に形成した前記絶縁層の厚みが最大であることを特徴とする請求項２３に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２５】
前記基板が、ダイヤモンド基板であることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２６】
前記基板が、ダイヤモンド基板であり、前記ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、前記ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことを特徴とする請求項２５に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２７】
前記基板が、ダイヤモンド基板であり、前記突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる前記電子放出部を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことを特徴とする請求項２６に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放射型電子源、特にダイヤモンド陰極を有する電界放射型電子源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子線を取り出すには熱電子放出を利用する場合が多かったが、低消費電力で大電流密度が得られることから電界放射型電子源を用いる場合があった。このような電子源には例えば非特許文献１に見られるようなＳｐｉｎｄｔ型冷陰極がある。この電子源の構造は、陰極上に絶縁層を形成し、その上に引き出し電極を作製したもので、引き出し電極に電圧をかけて電子放出部から電子を電界放射させる。例えば、図２０に示すように、陰極１００、絶縁層１０１、引出し電極（ゲート電極）１０２が順に積層された構造のものがある（特許文献２）。
【０００３】
この製造方法は例えば上記文献の場合には、開口を有する引き出し電極をフォトリソグラフィーなどを用いて基板上に事前に形成し、後から電子放出部となる突起状のＭｏなどを成膜している。また非特許文献２に見られるように、電子放出部をイオンビームによって形成することもある。非特許文献３に見られるように、凹凸を形成したＳｉ基板上に酸化シリコンと引き出し電極を形成し、突起先端のみ露出するようフォトレジストを塗布してエッチングにより電子放出部となるＳｉを露出させている。
【０００４】
電子源の材料としては、タングステンやモリブデン等の耐熱金属が従来から用いられてきた。しかし、低い電圧で高密度の電子線電流を得ようとする場合には、ＬａＢ６等の低仕事関数材料を用いることが望ましい。近年では新規の材料も開発され、高アスペクト比で先鋭な構造を持つカーボンナノチューブと共にダイヤモンド陰極が注目されている。特にダイヤモンドは負性電子親和力、化学的安定性、高い熱伝導性など特有の性質を持っており、電子源材料の中でも有望視されている。
【特許文献１】特開ＷＯ９８／４４５２９号公報
【特許文献２】特開平７−２７２６１８号公報
【非特許文献１】Journal of Applied Physics 47 (1976) 5248
【非特許文献２】信学技報Vol.103, No. 497 (2003) p.11
【非特許文献３】Japanese Journal of Applied Physics Vol.31, No.7B, L883 (1995)
【非特許文献４】Applied Surface Science 146 (1999) 328
【非特許文献５】J. Vac. Sci. Technol. B, 14(3), 1996, p1986-1989
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、炭素系材料は、絶縁層として一般に用いられる酸化物との密着性が悪いという問題がある。特に電子源を高い電流密度で動作させ、数百度以上の温度環境になった場合、炭素系材料表面からはＣＯ分子の形で一部脱離が始まり、酸化物絶縁層の剥離が促進される。絶縁層として弗化物などが用いられた場合であっても、やはり炭素系材料と絶縁層との密着性は良くない。
【０００６】
また、電界放射型冷陰極においては、熱電子放出型陰極と異なり加熱は不要であるが、放射される高電流密度の電子によって発熱が起こる。したがって、発熱に基づく冷陰極の温度変化によって、陰極と絶縁層との間には、熱膨張係数の差に応じた大きさの応力が加わることになる。実際、冷陰極の温度は数百度以上に達することがある。特に近年では冷陰極の微細化に伴って、発熱密度が益々上昇してきている。それゆえ、陰極及び絶縁層の密着の良し悪し、及び両社の熱膨張係数差の大小如何によっては、両者間に剥離が発生してしまうという問題がある。
【０００７】
また、ダイヤモンド陰極に電界放射型電子源の製造方法を適用するのは困難であった。例えば非特許文献４に開示されているように、事前に形成した引き出し電極の開口部内にダイヤモンド粒を形成する場合、ダイヤモンドは粒子状のものしか形成できず、鋭い先端を持つダイヤモンドを形成しにくい。また粒子状では結晶面方位が定まらないためドーピングの制御は困難である。またこの方法ではマイクロ波プラズマCVD法を用いてダイヤモンドを形成しようとすると、引き出し電極に渦電流が発生して加熱されて電極が剥離してしまうため、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いることができない。従ってフィラメント法でダイヤモンドを形成することになり、高品質なダイヤモンドを形成しにくい。
【０００８】
一方、先に突起形状を形成したダイヤモンド上の先端近傍に電極を形成する方法は例えば特許文献２に開示されている。この文献では、ホウ素ドープの多結晶ダイヤモンド突起上に絶縁材料と電極材料を成膜したのち、レジストを塗布し、レジストの薄い突起先端からエッチングすることによって突起周辺の電極と絶縁材料を除去することによって、突起近傍に電極を形成している。しかし、この方法では絶縁材料の膜厚がそのまま突起先端と電極の距離となり、距離を近づけるためには絶縁材料の膜厚を小さくする必要がある。しかし、また膜厚を小さくすると絶縁破壊を起こしやすく、リーク電流も増大するという問題がある。またこの文献ではダイヤモンド全体に導電性があるため、個々のエミッタを制御することができなかった。また多結晶ダイヤモンドは結晶性が悪く、電気特性も悪いため電気放出特性を良くするのは困難だった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極として、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない電界放射型電子源およびその製造方法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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極と絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、中間層は、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含み、電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極と絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、中間層は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属からなる層を含み、電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成を有する電界放射型電子源では、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極として、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。
【００１３】
前述の通り炭素系材料と絶縁層との密着性は良くないが、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンからなる層、上記炭化物層及び上記窒化物層は、炭素系材料との密着性が良い。特にIVａ〜VIａ族の遷移金属は化学的に活性であるため炭素系材料との密着性が良く、IVａ〜VIａ族の遷移金属の炭化物は炭素系材料との密着性が更に良い。したがって、上述の中間層と絶縁層との密着性は良好であり、この中間層を入れることによって陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。また、電子放出部の材料であるダイヤモンドの熱伝導率は他の材料のそれに比べて高い。よって、上記電界放射型電子源が動作中に発熱しても電子放出部から効率的に放熱されるので、熱応力の発生による剥離を防ぐことが出来る。
【００１４】
また、IVａ〜VIａ族の遷移金属としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン等が挙げられる。IVａ〜VIａ族の遷移金属は高融点の方が好ましい。例えばＴｉよりはIVａ族でもＺｒ、ＨｆあるいはVａ、VIａ族の方がより好ましい。ただし、Ｍｏ及びＷは、酸化されると蒸気圧が高くなる、脆くなるなどの性質を持つため、VIａ族でもＣｒや、Vａ、IVａ族の方がより好ましい。
【００１５】
また、中間層は、絶縁層側に金属酸化物層を更に含み、絶縁層が酸化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層が窒化物層を含み、絶縁層が窒化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層は、絶縁層側に金属弗化物層を更に含み、絶縁層が弗化物を材料として含むことが好ましい。
【００１６】
これらの場合、絶縁層と中間層とが同一元素を含むので、中間層と絶縁層との密着性も改善する。また、中間層が二層以上の場合には、密着性を向上させる観点から、中間層を構成する複数の層が同一の遷移金属又はシリコンを含むことが好ましい。例えば、絶縁層が酸化物からなる場合、中間層が炭化タンタル層及び炭化タンタル層上に設けられた酸化タンタル層からなることが好ましい。
【００１７】
また、中間層が電子放出部とオーミックコンタクトし、配線として機能することが好ましい。さらに、中間層が、電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分と、電子放出部と直接接続されていない接着部分とに分離されていることが好ましい。
【００１８】
上記中間層は導電性を持つものが多く、配線として用いることも出来る反面、電気的な分離をすることが出来なくなる。従来のＦＥＤで用いられるＸ−Ｙ配線などでは、配線のみを基板と絶縁層との間に設置してきた。しかし、本発明では、例えば、より密着性を向上させる観点から、配線部分とは分離して配置され、絶縁層との密着性を向上させる接着部分が設けられている。中間層がこのようにパターニングされているので、各電子放出部の個別制御を可能にしつつ、接着部分の面積を広くすることができ、激しい発熱などが起こっても密着性を維持することが出来る。なお、より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンドからなる電子放出部の表面にアルゴンイオンを注入することにより、電子放出部をグラファイト化してもよい。
【００１９】
なお、これら中間層を配線として用いない場合、金属層の厚みは１０ｎｍ以下が望ましい。厚さが１０ｎｍ以下でも各層間の密着力を増加する上で充分であり、薄い分絶縁層を厚くすることができるので、陰極とゲート電極との間に良好な絶縁性を保つことができる。
【００２０】
また、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極及び絶縁層の熱膨張係数の間の値であることが好ましい。
【００２１】
これにより、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層との間のそれぞれの熱膨張係数の差は、絶縁層と陰極との間の熱膨張係数の差より小さくなる。したがって、電界放射型電子源の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層を陰極上に直接設ける場合に比べて緩和されている。このため、中間層が無い電界放射型電子源に比して剥離が発生しにくい。
【００２２】
また、金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。
【００２３】
また、窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム、又は窒化シリコンのいずれかからなることが好ましい。
【００２４】
また、絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。
【００２５】
また、中間層の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることが好ましい。
【００２６】
この場合、中間層がフッ酸に腐食されることを防止できる。具体的には、例えば、中間層の表面が金、白金、モリブデン又はシリコン等によって被覆されていると好ましい。
【００２７】
例えば、オーミックコンタクトを取る場合の中間層は、ダイヤモンドの不純物の種類にもよるが、例えばチタン等からなる。チタン等はフッ酸に腐食されるので、電界放射型電子源を作製することは難しい。
【００２８】
また、中間層が電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分を有し、配線部分のうち、絶縁層から露出し陰極と外部とを電気的に接続する部分の少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることが好ましい。
【００２９】
化学的に安定な金属膜は、例えば金、白金、高融点のモリブデン、タングステン等からなる。さらに、化学的に安定な金属膜が、Ａｕ／Ｐｔ、Ａｕ／Ｍｏ、Ａｕ／Ｎｉ等の積層体であってもよい。
【００３０】
また、中間層に選ばれた遷移金属は一般的には腐食しやすい。しかし、絶縁層との密着性に関係せず、陰極と外部とを電気的に接続する部分は中間層と同一の材料からなる必要はない。作製工程を考えれば、中間層の上に保護膜として働く安定な金属膜を被覆すれば、長時間、繰返し使用に対しても安定して動作する電界放射型電子源を提供することが出来る。
【００３１】
また、上記電界放射型電子源は、ゲート電極上に設けられた別の絶縁層と、別の絶縁層上に設けられた集束電極とを更に備えることが好ましい。
【００３２】
この集束電極によって、電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。
【００３３】
また、電子放出部が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。また、電子放出部が、陰極を構成する基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。
【００３４】
ここで、基板の材料は特に限定されず、ダイヤモンド以外でも良いが、Ｓｉもしくはダイヤモンドであることが好ましい。また、基板の材料がダイヤモンドの場合、当該材料は多結晶ダイヤモンドでも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが好ましい。特に、電子放出部の材料は単結晶ダイヤモンドが好ましい。このようにすれば、結晶欠陥が少なく良好なドーピングをされたダイヤモンド表面が得られるため、低電圧で電流密度の高い高品質の電界放射型電子源を得ることが出来る。
【００３５】
また、電子放出部の高さをｚ、電子放出部の先端とゲート電極との距離をｄ、絶縁層の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすことが好ましい。さらに、ｚ、ｄ、ｈが、ｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２の条件を満たすことが好ましい。
【００３６】
また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺のゲート電極と絶縁層とを除去する工程とを含む。
【００３７】
また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺のゲート電極と絶縁層とを除去する工程とを含む。
【００３８】
また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上に別の絶縁層を形成する工程と、別の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺の集束電極、ゲート電極、絶縁層及び別の絶縁層を除去する工程とを含む。
【００３９】
また、中間層を形成する工程では、基板上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して基板と金属膜との界面に金属炭化物層を形成することが好ましい。
【００４０】
また、絶縁層を形成する工程では、絶縁層を形成し、絶縁層の上にレジストを塗布し、電子放出部周辺の絶縁層を除去する一連の工程を複数回行い、電子放出部の高さをｚ、電子放出部の先端とゲート電極との距離をｄ、絶縁層の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすように絶縁層を形成することが好ましい。
【００４１】
また、絶縁層を形成する工程において、最後に形成した絶縁層の厚みが最大であることが好ましい。
【００４２】
また、基板が、ダイヤモンド基板であることが好ましい。
【００４３】
また、基板が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。
【００４４】
また、基板が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる電子放出部を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層と電極層を形成することができると共に、高出力動作においても絶縁層と陰極との高い密着性を維持し、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子より長寿命で、エミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面においては、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、図面の寸法比率は、説明のものとは必ずしも一致していない。
【００４７】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施の形態を製造方法を絡めて説明する。図４に示すように、まず、基板２を準備し、この基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンド１を形成する。このドーピングダイヤモンド上に、マスク材料として例えばＡｌを成膜し、フォトリソグラフィーによってドット状のＡｌマスクを形成する。そして、ＲＩＥ法によって、ドーピングダイヤモンドをエッチングし、図４（ａ）に示すように、少なくともドーピングダイヤモンド１を突起形状にする。その後、突起形状のダイヤモンドの表面終端を変えるため、マイクロ波プラズマによる表面水素化処理や、大気中アニールによる表面酸素化処理を行ってもよい。
【００４８】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁層３として酸化シリコンを形成し、絶縁層の上にゲート電極４を形成する。このゲート電極の上にレジスト２０を塗布する（図４（ｃ））。レジスト塗布条件を最適化することにより、前記突起形状のダイヤモンドの突起先端直上のレジストは薄くなり、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する（図４（ｄ））。その後、レジストを除去する（図４（ｅ））。電極と絶縁層のエッチングは、ドライエッチングではなく、フッ酸で行うことが望ましい。ダイヤモンドは、化学的に安定であるため、ドライエッチングでは、ダイヤモンド突起先端の鋭さが損なわれることがあるからである。
【００４９】
このような製造方法により、図１に示すように、導電性のダイヤモンド１に簡易にゲート電極４を付け、電子放出の制御を行なうことが出来る電子源を得ることができる。あるいは、前記方法の途中、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にした後、前記基板上に中間層（中間層をカソード電極として用いてもよい）を形成する工程と、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させる工程を挿入すれば、図２に示すように、突起形状のダイヤモンドの電子放出部１（電子放出部は陰極を構成する）と、該電子放出部１とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層６と、アノード電極５と、ゲート電極４を備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層３が、酸化シリコンからなり、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングされたダイヤモンドである電界放射型電子源を得ることができる。
【００５０】
このように中間層を形成することで、単独のリンドープや窒素ドープなどの高抵抗のダイヤモンドにもキャリアを付与することができ、電子放出特性を向上させることが出来る。この中間層は少なくとも表面がフッ酸で溶けない導電性材料からなることが望ましく、その場合絶縁層の酸化シリコンをフッ酸で除去しても中間層が腐食することはない。突起部分やゲート電極の近辺は立体形状で複雑であるため、垂直加工性の高すぎるドライエッチングはむしろあまり適さず、フッ酸などのウェットエッチングが望ましい。
【００５１】
オーミックコンタクトを取れる中間層は、ダイヤモンドの不純物にもよるが、チタンやアルミニウムなどがある。チタンやアルミニウムなどは、フッ酸に腐食されるので、その上に金、白金、モリブデン、アモルファスシリコンなどを積層することができる。より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンド表面をアルゴンイオン注入などでグラファイト化してもよい。
【００５２】
また、前記製造工程の途中で、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させた後、第１の絶縁層３として酸化シリコンを形成し、第１の絶縁層の上にゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第２の絶縁層７として酸化シリコンを形成し、第２の絶縁層の上に集束電極を形成し、集束電極の上にレジストを塗布して突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第１と第２の絶縁層エッチング除去すれば、図３に示すように、突起形状の電子放出部１と、該電子放出部１とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層６と、アノード電極５と、ゲート電極４、集束電極８とを備えた電界放射型電子源を得ることができる。集束電極により電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。
【００５３】
ここで基板は特に指定せず、ダイヤモンド以外でも良いが、基板はＳｉもしくはダイヤモンドが望ましい。また、ダイヤモンド基板の場合、多結晶でも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが望ましい。特に、ダイヤモンドの突起部分は単結晶が望ましい。
【００５４】
また、図５に示すように、ダイヤモンド基板２にエッチングで突起１０を作製した後にドーピングダイヤモンド１１を成長させ、ドーピングダイヤモンドのエッチング以降は、上記と同様の工程をとれば、図５に示すように、ダイヤモンドの突起１０の先端部付近のみドーピングされたダイヤモンド１１とすることができるので、中間層により個々のエミッタの電子放出を制御することが可能になる。
【００５５】
また、図６に示すように、ダイヤモンド基板２にエッチングで先端が先鋭な突起１０を作製した後にドーピングダイヤモンド１１を成長させ、例えばピラミッド状の突起を作成しても良い。これにより、より先鋭度が良く、エッチングの場合と比べて表面の結晶欠陥の少ないダイヤモンドエミッタを得ることが出来る。この場合、ドーピングダイヤモンドのエッチングによる突起形状形成工程を省略することができる。
【００５６】
本実施形態では絶縁層を形成する工程が、(1)絶縁層の成膜と、(2)レジストの塗布と、(3)突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回繰返して、絶縁層を形成しても良い。これは図７に示すように、１回で、突起形状のダイヤモンド１の高さと同じ程度の高さまで、絶縁層３を形成すると、絶縁層をエッチングする際、縦方向と共に突起形状の電子放出部（エミッタ）周辺の横方向にも同じ厚みだけ絶縁層がエッチングされて広がり、これがゲート電極の直径の拡大につながる。しかし、図８に示すように、絶縁層３を１回で、突起形状のダイヤモンド１の高さまで形成しないで、それより薄く絶縁層３を形成し、絶縁層を形成するごとにエミッタ周辺の絶縁層をエッチング除去することで、エミッタから絶縁層の端の部分までの距離を短く保ったまま絶縁膜厚を増加することが出来る。例えば単純計算では２回に分けて絶縁層を形成した場合、エミッタ先端とゲート電極の距離は１回で絶縁層を形成した場合の１／２になる。
【００５７】
このような方法で、電子放出部の突起の高さをｚ、突起先端とゲート電極の距離をｄ、ダイヤモンドとゲート電極の間の絶縁層の厚みをｈとした場合、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈとすることができ、従来の電極形成技術と比べて絶縁層厚を大きくしてリーク電流と絶縁耐圧を高く保ったまま、エミッタとゲート電極の距離を短くすることが出来、電子放出の制御電圧を低く抑えることが出来る。望ましくは、本実施形態の電子源においてはｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２であることが良い。
【００５８】
また、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁膜の厚みが最大であることが好ましい。これは、複数回絶縁層を形成する場合、全ての膜厚を一定にすると、エミッタ周辺の窪み部分が埋まらず、最終的なゲート電極の形状が悪くなってしまうからである。最後の絶縁層の厚みを一番厚くすることによって、窪みが完全に埋まるため、エッジの平滑なゲート電極を作成することが出来る。
【００５９】
本実施形態のダイヤモンドは、任意のドーピングを行なうことが出来る。ホウ素ドープは水素終端表面の電子親和力が負であり、優れた電子放出特性が得られる。また、リンや硫黄などn型ドーピングを行なうことで、キャリアの電子密度が高く、電子放出障壁も小さいことからより優れた電子放出が知られている。n型ダイヤモンドの場合は、p型の水素終端ではキャリアが補償される問題があるため、酸素終端でも良い。これらは単独の不純物を用いても良いし、複数を同時にドーピングしても良い。ドーピングの形態は、ＣＶＤやイオン注入など任意の形態を用いることができる。
【００６０】
電極や絶縁層をエッチングする際のレジスト材料は、通常のフォトリソグラフィーに用いられる物で良い。この際、レジスト塗布後に露光と現像工程を加えて、ゲートなどの電極をパターニングしても良い。
【００６１】
また、望ましくはダイヤモンドは単結晶を用いる。単結晶であれば、特にＣＶＤによってドーピングを行なう場合、不純物の混入量の制御も精度良く行なうことが出来る。一方、多結晶ダイヤモンドで電子源を作製しても良い。多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドより大面積の試料を得やすく、ホウ素ドープでは導電性の優れたウェハが得られている。また、多結晶でも配向制御が可能であり、例えば（１１１）配向した多結晶ダイヤモンド上にリンドープダイヤを部分的にエピタキシャル成長させるなど、様々な陰極を用いることができる。
【００６２】
（実施例１）
高圧合成Ｉｂ（１００）単結晶ダイヤモンド基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤを用いてホウ素ドープダイヤモンドを形成した。水素（Ｈ２）流量２００ｓｃｃｍ、メタン／水素（ＣＨ４／Ｈ２）濃度は６．０％、ジボラン／メタン（Ｂ２Ｈ６／ＣＨ４）濃度は１６７ｐｐｍ、圧力５．３ｋＰａ、基板温度８３０℃、膜厚は５μｍとした。次にホウ素ドープダイヤモンドの上に、スパッタ法でアルミニウム（Ａｌ）を成膜し、フォトリソグラフィーで直径３μｍのドットを形成した。これをＲＩＥ法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量５０ｓｃｃｍ、ＣＦ４／Ｏ２濃度２％、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー２５０Ｗとした。形成した突起の高さは３μｍである。次にスパッタ法で酸化シリコンを３μｍ成膜し、その上に、Ｍｏを０．２μｍ成膜する。これに粘度３０ｃｐのレジストを４０００ｒｐｍで３０秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から３．０μｍの距離に形成された。
【００６３】
（実施例２）
次にＲＩＥ法で高さ３μｍの突起を形成するまでは実施例１と同様に行ったあと、スパッタ法で厚さ１．５μｍの酸化シリコンを形成した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンをエッチングで除去した。有機溶剤でレジストを除去した後、第２の酸化シリコンを１．５μｍ成膜し、電極としてＭｏを０．２μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、王水と緩衝フッ酸でレジストが薄くなった突起先端のＭｏと酸化シリコンをエッチングした。これによって実施例１の高さｚ＝３μｍの突起と酸化シリコン膜厚ｈ＝３μｍ、ｄ＝３μｍに対し、ｚとｈは同じであるが、ｄが半分のｄ＝１．５μｍの距離にゲート電極を形成することができた。
【００６４】
（実施例３）
実施例１と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でＮｂを０．０５μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のＮｂを除去した。次にこの上にＰｔを０．１μｍスパッタし、同様にレジストをスピンコートして王水で突起先端のＰｔを除去して、中間層を完成させた。次に、第１の酸化シリコンを１μｍ形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第２の酸化シリコンを１μｍ形成した後、同様に除去し、さらに第３の酸化シリコンを１．５μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本実施形態の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例２では図９に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図１０に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
【００６５】
（実施例４）
実施例１と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でＴａを０．０５μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のＴａを除去した。次にこの上にＰｔを０．１μｍスパッタで成膜し、同様にレジストをスピンコートして王水で突起先端のＰｔを除去して、中間層を完成させた。次に、第１の酸化シリコンを１μｍ形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第２の酸化シリコンを１μｍ形成した後、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。さらに第３の酸化シリコンを１μｍ形成し、集束電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で交互に突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本実施形態の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極と、放出した電子を収束させる集束電極を形成することができ、従来より電子の取出し効率が向上した電子源を得ることができた。
【００６６】
（実施例５）
高圧合成Ｉｂ（１００）単結晶ダイヤモンド基板上に、スパッタ法でＡｌを成膜し、フォトリソグラフィーで直径３μｍのドットを形成した。これをＲＩＥ法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量５０ｓｃｃｍ、ＣＦ４／Ｏ２濃度２％、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー２５０Ｗとした。形成した突起の高さは３μｍである。次にマイクロ波プラズマＣＶＤを用いてリンドープダイヤモンドを形成する。Ｈ２流量２００ｓｃｃｍ、ＣＨ４／Ｈ２濃度は０．０５％、ＰＨ３／ＣＨ４濃度は１００００ｐｐｍ、圧力１３．３ｋＰａ、基板温度８７０℃、膜厚は５μｍとし、側面が（１１１）面で囲まれたピラミッド状の突起が形成された。
【００６７】
次に、実施例３と同様に中間層を形成した後、実施例２と同様に酸化シリコン素を１．５μｍずつ２回に分けて計３μｍ成膜し、Ｍｏを０．２μｍ成膜する。これに粘度３０ｃｐのレジストを４０００ｒｐｍで３０秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から１．５μｍの距離に形成された。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態の方法で電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層・電極層を形成することができると共に、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子よりエミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。このような電界放射型電子源は、進行波管やクライストロンなどのマイクロ波管、高周波増幅素子やＳＥＭや電子線露光機などの電子ビーム機器、ＦＥＤなどの発光素子などの性能を向上させることができる。
【００６９】
また、本実施形態を包含する発明の電界放射型電子源は、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層を有し、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングされていることを特徴とする。
【００７０】
また、本実施形態を包含する発明の他の形態の電界放射型電子源は、突起起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極と、集束電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層を有し、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングされていることを特徴とする。
【００７１】
前記中間層の少なくとも表面は、フッ酸で溶けない導電性材料からなることは好ましい。また、前記電子放出部は、単結晶であることが好ましく、前記電子放出部が、基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドであることが更に好ましい。また、前記基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、もしくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドであることが好ましい。
【００７２】
更に、前記電子放出部の高さをｚ、電子放出部の突起の先端とゲート電極との距離をｄ、絶縁層である酸化シリコンの厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈであることが好ましく、前記ｚ、ｄ、ｈが、ｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２であることが更に好ましい。
【００７３】
また、本実施形態を包含する発明の電界放射型電子源の製造方法は、突起形状の電子放出部と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する工程とを含む。
【００７４】
あるいは、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、前記基板上に中間層を形成する工程と、絶縁層として酸化シリコンを形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する工程とを含む電界放射型電子源の製造方法である。
【００７５】
あるいは、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極、集束電極とを備えた電界放射型電子源であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、前記基板上に中間層を形成する工程と、第１の絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上に第２の絶縁層を形成する工程と、第２の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第１と第２の絶縁層を除去する工程とを含む電界放射型電子源の製造方法である。
【００７６】
前記基板は、ダイヤモンド基板であることが好ましく、前記基板が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより該ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。また、前記基板が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドを形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。
【００７７】
また、前記絶縁層を形成する工程が、絶縁層を形成し、絶縁層の上にレジストを塗布し、突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回行うことが好ましい。更に、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁層の厚みが最大であることは好ましい。
【００７８】
また、中間層を形成する工程では、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させる工程を含めても良い。また、この際に露光を行なって、中間層のパターニングを行なっても良い。
【００７９】
以上説明した本実施形態を包含する発明によれば、電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層と電極層を形成することができると共に、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子よりエミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。
【００８０】
（第２実施形態）
以下、図面を参照しつつ、電界放射型冷陰極及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００８１】
図１１は、電界放射型冷陰極の一実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０１は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０（陰極３１０をカソード電極として用いてもよい）、金属炭化物層３１１、絶縁層１５、及びゲート電極１６を備える。
【００８２】
陰極３１０は、炭素を主成分とする材料からなり、導電性を有する。陰極３１０の材料としては、例えば、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等を用いることができる。また、例えば炭素を主成分とする材料にドーピングを施すことにより、陰極３１０に導電性を持たせることができる。ダイヤモンドを陰極３１０の材料として用いる場合であれば、ホウ素、窒素、リン、硫黄、及びリチウム等のうち、いずれか一つ又は複数を組み合わせたものをドーパントとすることができる。あるいは、ドーピングによらずに、ダイヤモンド表面を水素終端することによって、ダイヤモンドに導電性を付与してもよい。また、陰極３１０は、その表面の一部領域に円錐状の突出部３１０ａ（電子放出部）が形成された構造をしている。この突出部３１０ａの先端は尖鋭な形状をしており、この先端から電子が電界放射される。一方、陰極３１０の表面のうち、突出部３１０ａが形成されていない領域は、平坦な形状をしている。
【００８３】
陰極３１０の平坦部分には、金属炭化物層３１１が積層されている。金属炭化物層３１１の一部は開口部３１１ａとなっており、この開口部３１１ａが陰極３１０の突出部３１０ａを包囲している。金属炭化物層３１１は、例えばスパッタ法などにより形成することができる。また、金属炭化物層３１１の金属は、IVａ〜VIａ族に属する金属である。金属炭化物層３１１としては、例えば、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、及び炭化タングステン等を用いることができる。
【００８４】
金属炭化物層３１１上には、絶縁層１５が積層されている。絶縁層１５の一部は開口部１５ａとなっており、この開口部１５ａが突出部３１０ａを包囲している。この絶縁層１５は、陰極３１０とゲート電極１６との間の電位差を確保するためのものである。絶縁層１５は、例えば、スパッタ法及びＣＶＤ法等により形成することができる。また、絶縁層１５としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、及び弗化アルミニウム等を用いることができる。
【００８５】
絶縁層１５上には、ゲート電極１６が積層されている。ゲート電極１６の一部は開口部１６ａとなっており、この開口部１６ａの絶縁層１５側の入口付近に突出部３１０ａの先端が位置している。このゲート電極１６は陰極３１０との間に電圧を印加するための電極である。この電圧により突出部３１０ａの先端部分に電界が発生し、その先端部分から電子が電界放射される。ゲート電極１６は、例えばスパッタ法等により形成することができる。また、ゲート電極１６としては、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、及びニオブ等の高融点金属、或いはモリブデンシリサイド等の高融点シリサイドを用いることが好ましい。
【００８６】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０１においては、陰極３１０と絶縁層１５との間に金属炭化物層３１１が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１１との密着性も良い。また、金属炭化物層３１１の金属はIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属炭化物層３１１と絶縁層１５との密着性が良い。以上より、絶縁層１５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０及び絶縁層１５間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１１間及び金属炭化物層３１１−絶縁層１５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０１が実現されている。
【００８７】
また、金属炭化物層３１１として、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、又は炭化タングステンを用いた場合、これらの炭化物における金属は絶縁層１５との密着性に特に優れるため、陰極３１０及び絶縁層１５間において剥離がより発生しにくくなる。なお、金属炭化物層３１１として炭化アルミニウムを用いることもできるが、炭化アルミニウムは水によって分解されたり、真空中において２０００℃で昇華したりするため、金属炭化物層３１１が陰極３１０から剥離してしまう可能性がある。よって、金属炭化物層３１１の材料としては、炭化チタン等の上記の材料を用いることが好適である。
【００８８】
また、陰極３１０として、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドを用いた場合、これらの材料は炭素系材料の中でも特に小さい電界で電子を放射するため、電界放射型冷陰極３０１の動作電圧を低くすることができる。
【００８９】
また、絶縁層１５として、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムを用いた場合、これらの絶縁体は金属炭化物層３１１との密着性に優れるため、陰極３１０及び絶縁層１５間において剥離がより発生しにくくなる。また、これらの絶縁体は耐電圧性も高いため、絶縁層１５として好適に機能する。
【００９０】
図１２は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０２は、図１１のものと同様に、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層２１、絶縁層１５、及びゲート電極１６が順に積層された構造をしている。
【００９１】
金属炭化物層２１は、その一部が開口部２１ａとなっている点は図１１の金属炭化物層３１１と同様である。また、金属炭化物層２１の熱膨張係数は、陰極３１０の熱膨張係数と絶縁層１５の熱膨張係数の間の値をとる。例えば、陰極３１０、金属炭化物層２１、及び絶縁層１５として、リンがドーピングされたｎ型電気伝導のダイヤモンド、炭化チタン、及び弗化カルシウムをそれぞれ用いることができる。この場合、ダイヤモンド及び弗化カルシウムの熱膨張係数がそれぞれ１×１０−６／℃、２０×１０−６／℃であるのに対して、炭化チタンの熱膨張係数は７．４×１０−６／℃とこれらの間の値である。なお、炭化チタンからなる金属炭化物層２１の形成は、上記のダイヤモンドの突出部３１０ａ以外の部分に炭化チタンをスパッタしても良いし、チタンを２００℃以上に加熱しながら蒸着するなどよっても行うことができる。
【００９２】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０２においては、陰極３１０と絶縁層１５との間に金属炭化物層２１が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層２１との密着性も良い。また、金属炭化物層２１の熱膨張係数は陰極３１０の熱膨張係数と絶縁層１５の熱膨張係数との間の値をとっている。これにより、絶縁層１５−金属炭化物層２１間及び陰極３１０−金属炭化物層２１間それぞれの熱膨張係数差は、絶縁層１５及び陰極３１０間の熱膨張係数差よりも小さい。このため、絶縁層１５−金属炭化物層２１間及び陰極３１０−金属炭化物層２１間のそれぞれに冷陰極の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層１５を陰極３１０上に直接設ける場合に絶縁層１５−陰極３１０間に加わる応力に比して小さくなる。
【００９３】
以上のように、金属炭化物層２１は、陰極３１０との密着性が良く、且つ陰極３１０及び絶縁層１５間の熱膨張係数差を緩和する。その結果、絶縁層１５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層１５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層２１間及び金属炭化物層２１−絶縁層１５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０２が実現されている。
【００９４】
図１３は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０３は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属層３２、絶縁層１５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１が積層され、さらに金属炭化物層３１上に金属層３２が積層されている。また、金属層３２上には、絶縁層１５及びゲート電極１６が順に積層されている。
【００９５】
金属炭化物層３１の一部は、突出部３１０ａを包囲する開口部３１ａとなっている。この金属炭化物層３１としては、図１１の金属炭化物層３１１と同様にIVａ〜VIａ族に属する金属の炭化物、又は図１２の金属炭化物層２１と同様に熱膨張係数が陰極３１０及び絶縁層１５の間の値をもつ金属炭化物を用いることが好ましいが、これらの金属炭化物を用いることは必須ではない。
【００９６】
金属層３２は、IVａ〜VIａ族に属する金属の薄膜からなる層であり、その一部が突出部３１０ａを包囲する開口部３２ａとなっている。例えば、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属層３２、及び絶縁層１５として、ダイヤモンド、炭化にオブ、ニオブ、及び弗化カルシウムをそれぞれ用いることができる。
【００９７】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０３においては、陰極３１０と絶縁層１５との間に、陰極３１０側から順に金属炭化物層３１及び金属層３２が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１との密着性も良い。また、金属層３２の金属はIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層３２−金属炭化物層３１間の密着性及び金属層３２−絶縁層１５間の密着性はともに良い。以上より、絶縁層１５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層１５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１間、金属炭化物層３１−金属層３２間、及び金属層３２間−絶縁層１５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０３が実現されている。
【００９８】
また、金属層３２を設けることにより、これを陰極３１０上の配線として用いることができる。なお、金属層３２をこのように配線として用いない場合には、金属層３２の厚さは、１０ｎｍ以下であることが望ましい。このように金属層３２の厚さを１０ｎｍ以下としても、各層間の密着力を増加する上で充分である。また、金属層３２を薄くする分、絶縁層を厚くすることができるので、陰極３１０とゲート電極１６との間における良好な絶縁性を保つことができる。
【００９９】
また、金属炭化物層３１として炭化ニオブを用い、金属層３２としてニオブを用いた場合、これらの金属が同一であるため、金属炭化物層３１及び金属層３２間の密着性がより良くなる。
【０１００】
図１４は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０４は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属酸化物層４４、絶縁層４５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１が積層され、さらに金属炭化物層３１上に金属酸化物層４４が積層されている。また、金属酸化物層４４上には、絶縁層４５及びゲート電極１６が順に積層されている。
【０１０１】
金属酸化物層４４の一部は突出部３１０ａを包囲する開口部４４ａとなっている。また、金属酸化物層４４の金属は、金属炭化物層３１の金属と同一である。例えば金属炭化物層３１として炭化ニオブを用いる場合、金属酸化物層４４としては酸化ニオブを用いる。また、金属酸化物層４４としては、酸化ニオブの他に、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、及び酸化アルミニウム等が用いられる。
【０１０２】
絶縁層４５は、酸化シリコン等の酸化物絶縁体からなり、図１１の絶縁層１５と同様にその一部が突出部３１０ａを包囲する開口部４５ａとなっている。
【０１０３】
この電界放射型冷陰極３０４においては、陰極３１０と絶縁層４５との間に、陰極３１０側から順に金属炭化物層３１、及び金属酸化物層４４が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１との密着性も良い。また、金属炭化物層３１の金属と金属酸化物層４４の金属とは同一である。このため、金属炭化物層３１と金属酸化物層４４との密着性が良い。さらに、絶縁層４５の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層４４と絶縁層４５との密着性も良い。以上より、絶縁層４５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層４５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１間、金属炭化物層３１−金属酸化物層４４間、及び金属酸化物層４４間−絶縁層４５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０４が実現されている。
【０１０４】
また、金属酸化物層４４として、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムを用いた場合、これらの金属酸化物は特に金属炭化物及び酸化物絶縁体の両者との密着性に優れるため、金属炭化物層３１−金属酸化物層４４間、及び金属酸化物層４４及び絶縁層４５間の密着性がより良くなる。
【０１０５】
図１５は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０５は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属窒化物層５４、絶縁層５５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１が積層され、さらに金属炭化物層３１上に金属窒化物層５４が積層されている。また、金属窒化物層５４上には、絶縁層５５及びゲート電極１６が順に積層されている。
【０１０６】
金属窒化物層５４の一部は突出部３１０ａを包囲する開口部５４ａとなっている。また、金属窒化物層５４の金属は、金属炭化物層３１の金属と同一である。例えば金属炭化物層３１として炭化チタンを用いる場合、金属窒化物層５４としては窒化チタンを用いる。また、金属窒化物層５４としては、窒化チタンの他に、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、及び窒化アルミニウム等が用いられる。
【０１０７】
絶縁層５５は、窒化シリコン等の窒化物絶縁体からなり、図１１の絶縁層１５と同様にその一部が突出部３１０ａを包囲する開口部５５ａとなっている。
【０１０８】
この電界放射型冷陰極３０５においては、陰極３１０と絶縁層５５との間に、陰極３１０側から順に金属炭化物層３１、及び金属窒化物層５４が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１との密着性も良い。また、金属炭化物層３１の金属と金属窒化物層５４の金属とは同一である。このため、金属炭化物層３１と金属窒化物層５４との密着性が良い。さらに、絶縁層５５の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層５４と絶縁層５５との密着性も良い。以上より、絶縁層５５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層５５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１間、金属炭化物層３１−金属窒化物層５４間、及び金属窒化物層５４間−絶縁層５５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０５が実現されている。
【０１０９】
また、金属窒化物層５４として、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、又は窒化アルミニウムを用いた場合、これらの金属窒化物は特に金属炭化物及び窒化物絶縁体の両者との密着性に優れるため、金属炭化物層３１−金属窒化物層５４間、及び金属窒化物層５４及び絶縁層５５間の密着性がより良くなる。
【０１１０】
図１６は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０６は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属層６２、金属酸化物層６４、絶縁層６５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１、金属層６２、金属酸化物層６４、絶縁層６５、及びゲート電極１６が順に積層されている。
【０１１１】
金属層６２は、図１３の金属層３２と同様に、IVａ〜VIａ族に属する金属の薄膜からなる層であり、その一部が突出部３１０ａを包囲する開口部６２ａとなっている。また、金属酸化物層６４の一部は、突出部３１０ａを包囲する開口部６４ａとなっている。この金属酸化物層６４の金属は、図１４の金属酸化物層４４とは異なり、金属炭化物層３１の金属と同一である必要はない。また、絶縁層６５は、図１４の絶縁層４５と同様に、酸化物絶縁体からなり、その一部が突出部３１０ａを包囲する開口部６５ａとなっている。例えば、金属炭化物層３１、金属層６２、金属酸化物層６４、及び絶縁層６５として、それぞれ炭化チタン、チタン、酸化チタン、及び酸化シリコンを用いることができる。
【０１１２】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０６においては、陰極３１０と絶縁層６５との間に、陰極３１０側から順に金属炭化物層３１、金属層６２、及び金属酸化物層６４が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１との密着性も良い。また、金属層６２の金属がIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層６２−金属炭化物層３１間の密着性及び金属層６２−金属酸化物層６４間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層６５の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層６４と絶縁層６５との密着性も良い。以上より、絶縁層６５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層６５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１間、金属炭化物層３１−金属層６２間、金属層６２間−金属酸化物層６４間、及び金属酸化物層６４間−絶縁層６５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０６が実現されている。
【０１１３】
また、金属炭化物層３１、金属層６２、金属酸化物層６４、及び絶縁層６５として、それぞれ炭化ジルコニウム、ジルコニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化シリコンを用いる場合、ジルコニウムは化学的に活性であるため、陰極上にジルコニウムを直接形成するとき、例えば加熱しながら成膜するなどすれば両者の間に炭化ジルコニウム層が自然と形成される。同様に、ジルコニウム上に酸化シリコンを直接形成するときにも、両者の間に酸化ジルコニウム層が自然と形成される。このため、中間の化合物層を形成する工程を省くことができる。
【０１１４】
図１７は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０７は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属層６２、金属窒化物層７４、絶縁層７５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１、金属層６２、金属窒化物層７４、絶縁層７５、及びゲート電極１６が順に積層されている。
【０１１５】
金属窒化物層７４の一部は、突出部３１０ａを包囲する開口部７４ａとなっている。この金属窒化物層７４の金属は、図１５の金属窒化物層５４とは異なり、金属炭化物層３１の金属と同一である必要はない。また、絶縁層７５は、図１５の絶縁層５５と同様に、窒化物絶縁体からなり、その一部が突出部３１０ａを包囲する開口部７５ａとなっている。
【０１１６】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０７においては、陰極３１０と絶縁層７５との間に、陰極３１０側から順に金属炭化物層３１、金属層６２、及び金属窒化物層７４が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極３１０と金属炭化物層３１との密着性も良い。また、金属層６２の金属がIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層６２−金属炭化物層３１間の密着性及び金属層６２−金属窒化物層７４間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層７５の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層７４と絶縁層７５との密着性も良い。以上より、絶縁層７５を陰極３１０上に直接積層する場合に比して、陰極３１０と絶縁層７５との間、すなわち陰極３１０−金属炭化物層３１間、金属炭化物層３１−金属層６２間、金属層６２間−金属窒化物層７４間、及び金属窒化物層７４間−絶縁層７５間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極３０７が実現されている。
【０１１７】
図１８は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極３０８は、Ｓｐｉｎｄｔ型のものであり、陰極３１０、金属炭化物層３１、金属層８２、金属酸化物層６４、絶縁層６５、及びゲート電極１６を備える。陰極３１０上に金属炭化物層３１、金属層８２、金属酸化物層６４、絶縁層６５、及びゲート電極１６が順に積層されている。
【０１１８】
金属層８２の一部は、突出部３１０ａを包囲する開口部８２ａとなっている。また、金属層８２は、２種類のIVａ〜VIａ族に属する金属８３ａ，８３ｂの薄膜が積層されてなる。例えば、金属炭化物層３１側のIVａ〜VIａ族に属する金属８３ａとしてタンタルを用い、金属酸化物層６４側のIVａ〜VIａ族に属する金属８３ｂとしてアルミを用いることができる。
【０１１９】
本実施形態に係る電界放射型冷陰極３０８においては、IVａ〜VIａ族に属する金属８３ａ，８３ｂ間で強固な接合面が形成される。また、２種類の金属を積層して金属層８２を形成しているため、金属層８２を挟む２つの層（ここでは金属炭化物層３１及び金属酸化物層６４）のそれぞれに対して異なる種類の金属が密着することになる。したがって、例えば、金属炭化物層３１及び金属酸化物層６４がそれぞれ炭化タンタル及び酸化アルミニウムである場合、金属炭化物層３１側にタンタルを、金属酸化物層６４側にアルミを配置することによって、金属層８２−金属炭化物層３１間及び金属層８２−金属酸化物層６４間の密着性をともに向上させることができる。なお、本実施形態においては、金属酸化物層６４及び絶縁層６５の代わりに、それぞれ金属窒化物層７４及び絶縁層７５を用いてもよい。
【０１２０】
上記電界放射型冷陰極は、上述した実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各実施形態においてはＳｐｉｎｄｔ型の冷陰極を示したが、平面型の冷陰極を用いてもよい。図１９は、平面型冷陰極の一例として、表面全体が平坦な陰極９０上に、図１１と同様の金属炭化物層３１１、絶縁層１５、及びゲート電極１６が順に積層された構造のものを示している。また、金属層としては、１種又は２種の金属からなるものを示したが、３種以上の金属からなるものであってもよい。
【０１２１】
また、本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層は、IVａ〜VIａ族に属する金属を含有していることを特徴とする。
【０１２２】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に金属炭化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属はIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属炭化物層と絶縁層との密着性が良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、及び金属炭化物層−絶縁層間のことである。
【０１２３】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVａ〜VIａ族に属する金属からなることを特徴としてもよい。
【０１２４】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層及び金属層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属はIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−絶縁層間の密着性はともに良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、及び金属層間−絶縁層間のことである。
【０１２５】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属酸化物層と、金属酸化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層と金属酸化物層とは、同一の金属を含有しており、絶縁層は、酸化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。
【０１２６】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、及び金属酸化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属と金属酸化物層の金属とは同一である。このため、金属炭化物層と金属酸化物層との密着性が良い。さらに、絶縁層の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属酸化物層間、及び金属酸化物層間−絶縁層間のことである。
【０１２７】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属窒化物層と、金属窒化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層と金属窒化物層とは、同一の金属を含有しており、絶縁層は、窒化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。
【０１２８】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、及び金属窒化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属と金属窒化物層の金属とは同一である。このため、金属炭化物層と金属窒化物層との密着性が良い。さらに、絶縁層の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属窒化物層間、及び金属窒化物層間−絶縁層間のことである。
【０１２９】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた金属酸化物層と、金属酸化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVａ〜VIａ族に属する金属からなり、絶縁層は、酸化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。
【０１３０】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、金属層、及び金属酸化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属がIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−金属酸化物層間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、金属層間−金属酸化物層間、及び金属酸化物層間−絶縁層間のことである。
【０１３１】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられ、酸化アルミニウムからなる絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVａ〜VIａ族に属する金属からなることを特徴としてもよい。
【０１３２】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層及び金属層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属はIVａ〜VIａ族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−絶縁層間の密着性はともに良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。
【０１３３】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた金属窒化物層と、金属窒化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVａ〜VIａ族に属する金属からなり、絶縁層は、窒化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。
【０１３４】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、金属層、及び金属窒化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属がIVａ〜VIａ族に属する金属からなるため化学的に活性であり、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−金属窒化物層間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、金属層間−金属窒化物層間、及び金属窒化物層間−絶縁層間のことである。
【０１３５】
本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、陰極と絶縁層との間に設けられ、金属炭化物層、金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属層からなる群から選ばれる一以上の層により構成される中間層と、を備え、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極及び絶縁層の熱膨張係数の間の値であることを特徴としてもよい。
【０１３６】
この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に中間層が設けられている。また、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数は陰極の熱膨張係数と絶縁層の熱膨張係数との間の値をとっている。これにより、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層との間それぞれの熱膨張係数差は、絶縁層及び陰極間の熱膨張係数差よりも小さい。このため、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層とのそれぞれに冷陰極の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層を陰極上に直接設ける場合に絶縁層と陰極との間に加わる応力に比して小さくなる。
【０１３７】
以上のように、中間層は、陰極と絶縁層との間の熱膨張係数差を緩和する。その結果、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−中間層間、及び金属炭化物層−中間層間のことである。
【０１３８】
金属酸化物層は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。
【０１３９】
金属窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、又は窒化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。
【０１４０】
金属炭化物層は、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、又は炭化タングステンのいずれかからなることが好適である。
【０１４１】
陰極は、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドのいずれかからなることが好適である。この場合、特に低い動作電圧で電子を引き出すことが可能となる。
【０１４２】
絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。この場合、耐電圧が耐電圧が特に高い絶縁層が実現される。
【０１４３】
また、本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極の製造方法は、炭素を主成分とする陰極を準備する工程と、陰極上に金属膜を加熱しながら堆積し、陰極と金属膜との界面に金属炭化物層を形成する工程と、金属膜上に絶縁層を堆積し、金属膜と絶縁層との界面に化合物層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【０１４４】
この製造方法によれば、陰極上に加熱しながら金属膜を形成する際に、陰極と金属膜との界面に金属炭化物層が形成される。このため、金属炭化物層を形成する工程を省くことができる。また、金属膜上に絶縁層を堆積する際に、金属膜と絶縁層との界面に化合物層が形成される。このため、化合物層を形成する工程も省くことができる。
【０１４５】
上記電界放射型冷陰極においては、陰極の材料として炭素系材料を用いているにもかかわらず、陰極と絶縁層との間で剥離が発生しにくい。このため、大電力、高電流密度であっても、寿命の長い電界放射型冷陰極、及びその製造方法が実現される。
【０１４６】
電子線の取出しには、従来から熱電子放出が用いられているが、近年では電界放射型冷陰極を用いた電界電子放出が利用されることが多くなりつつある。電界放射型冷陰極によれば、少ない消費電力で大きな電流密度の電子線を取り出すことが可能である。
【０１４７】
従来の電界放射型冷陰極としては、例えば、図２０に示すように、陰極１００、絶縁層１０１、及び引出し電極１０２（ゲート電極）が順に積層された構造のものがある（特許文献２）。この電界放射型冷陰極においては、陰極と引出し電極との間に電圧を印加することにより、陰極から電子が電界放射される。
【０１４８】
ところで、陰極の材料としては、タングステンやモリブデン等の耐熱金属が従来から用いられてきた。しかし、低い電子電圧で高密度の電子線電流を得ようとする場合には、ＬａＢ６等の低仕事関数材料を用いることが望ましい。低仕事関数材料の中でも、負性電子親和力を有するダイヤモンドは、陰極の材料として特に有望である。また、高アスペクト比で先鋭な構造をもつカーボンナノチューブ等の炭素系材料も、陰極の材料として注目を集めている。
【０１４９】
しかしながら、炭素系材料は、絶縁層として一般に用いられる酸化物との密着性が悪いという問題がある。絶縁層として窒化物或いは弗化物が用いた場合であっても、やはり炭素系材料と絶縁層との密着性は良くない。
【０１５０】
また、電界放射型冷陰極においては、熱電子放出型陰極と異なり加熱は不要であるが、放射される高電流密度の電子によって発熱が起こる。したがって、発熱に基づく冷陰極の温度変化によって、陰極と絶縁層との間には、熱膨張係数の差に応じた大きさの応力が加わることになる。実際、冷陰極の温度は数百度以上にまで達することがある。特に、近年では冷陰極の微細化に伴って、発熱密度が益々上昇してきている。それゆえ、陰極及び絶縁層の密着の良悪し、及び両者の熱膨張係数差の大小如何によっては、両者間に剥離が発生してしまうという問題がある。
【０１５１】
本実施形態を包含する発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、陰極の材料として炭素系材料を用いた場合であっても、陰極と絶縁層との間で剥離が発生しにくい電界放射型冷陰極及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０１５２】
（第３実施形態）
図２１は、第３実施形態の電界放射型電子源２ａを模式的に示す断面図である。電界放射型電子源２ａは、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部１を有する陰極１ａと、ゲート電極４と、陰極１ａとゲート電極４とを隔てる絶縁層３と、アノード電極５とを備える。陰極１ａと絶縁層３との間の少なくとも一部には、中間層６が設けられている。中間層６は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む。電子放出部１には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされている。
【０１５３】
本実施形態では、図２１に示されるように、中間層６は複数の層６ａ，６ｂを有している。層６ａ，６ｂは、互いに独立に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及び、IVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうちいずれか一つであるとすることができる。
【０１５４】
かかる構成を有する電界放射型電子源２ａでは、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極１ａとして、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層３の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。
【０１５５】
炭素系材料と絶縁層との密着性は良くないが、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンからなる層、上記炭化物層及び上記窒化物層は、炭素系材料との密着性が良い。特にIVａ〜VIａ族の遷移金属は化学的に活性であるため炭素系材料との密着性が良く、IVａ〜VIａ族の遷移金属の炭化物は炭素系材料との密着性が更に良い。したがって、上述の中間層６と絶縁層３との密着性は良好であり、この中間層６を入れることによって陰極１ａと絶縁層３との間において剥離が発生しにくい。また、電子放出部１の材料であるダイヤモンドの熱伝導率は他の材料のそれに比べて高い。よって、上記電界放射型電子源２ａが動作中に発熱しても電子放出部１から効率的に放熱されるので、熱応力の発生による剥離を防ぐことが出来る。
【０１５６】
また、IVａ〜VIａ族の遷移金属としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン等が挙げられる。特に、IVａ〜VIａ族の遷移金属がタンタル、ニオブなど高融点金属であると好ましい。
【０１５７】
また、中間層６は、絶縁層３側に金属酸化物層を更に含み、絶縁層３が酸化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層６が窒化物層を含み、絶縁層３が窒化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層６は、絶縁層３側に金属弗化物層を更に含み、絶縁層３が弗化物を材料として含むことが好ましい。
【０１５８】
これらの場合、絶縁層３と中間層６とが同一元素を含むので、中間層６と絶縁層３との密着性も改善する。また、中間層６が二層以上の場合には、密着性を向上させる観点から、中間層６を構成する複数の層６ａ，６ｂが同一の遷移金属又はシリコンを含むことが好ましい。例えば、絶縁層３が酸化物からなる場合、中間層６が炭化タンタル層６ａ及び炭化タンタル層６ａ上に設けられた酸化タンタル層６ｂからなることが好ましい。
【０１５９】
図２２(ａ)は、別の実施形態の電界放射型電子源２００ａを模式的に示す平面図であり、図２２(ｂ)は、図２２(ａ)のＸ−Ｘ矢印に沿った断面図である。電界放射型電子源２００ａは、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部１を有する陰極１ａと、ゲート電極４と、陰極１ａとゲート電極４とを隔てる絶縁層３と、アノード電極５とを備える。陰極１ａと絶縁層３との間の少なくとも一部には、中間層６が設けられている。電子放出部１には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素が不純物としてドーピングされている。
【０１６０】
本実施形態では、図２２(ａ)及び図２２(ｂ)に示されるように、中間層６が電子放出部１とオーミックコンタクトし、配線として機能することが好ましい。さらに、中間層６が、電子放出部１とオーミックコンタクトしている配線部分２１９と、電子放出部１と直接接続されていない接着部分２１８とに分離されていることが好ましい。
【０１６１】
中間層６は導電性を持つものが多く、配線として用いることも出来る反面、電気的な分離をすることが出来なくなる。従来のＦＥＤで用いられるＸ−Ｙ配線などでは、配線のみを基板２と絶縁層３との間に設置してきた。しかし、本発明では、例えば、より密着性を向上させる観点から、配線部分２１９とは分離して配置され、絶縁層３との密着性を向上させる接着部分２１８が設けられている。中間層６がこのようにパターニングされているので、各電子放出部１の個別制御を可能にしつつ、接着部分２１８の面積を広くすることができ、激しい発熱などが起こっても密着性を維持することが出来る。なお、より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンドからなる電子放出部１の表面にアルゴンイオンを注入することにより、電子放出部１をグラファイト化してもよい。
【０１６２】
また、中間層６は、複数の層６ａ，６ｂを有している。層６ａ，６ｂは、互いに独立に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及び、IVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうちいずれか一つであるとすることができる。
【０１６３】
かかる構成を有する電界放射型電子源２００ａでは、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極１ａとして、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層３の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。
【０１６４】
また、中間層６を構成する層６ａ，６ｂのうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極１ａ及び絶縁層３の熱膨張係数の間の値であることが好ましい。
【０１６５】
これにより、絶縁層３と中間層６との間、及び陰極１ａと中間層６との間のそれぞれの熱膨張係数の差は、絶縁層３と陰極１ａとの間の熱膨張係数の差より小さくなる。したがって、電界放射型電子源２ａ，２００ａの温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層３を陰極１ａ上に直接設ける場合に比べて緩和されている。このため、中間層が無い電界放射型電子源に比して剥離が発生しにくい。
【０１６６】
また、金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。
【０１６７】
また、窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム、又は窒化シリコンのいずれかからなることが好ましい。
【０１６８】
また、絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。
【０１６９】
また、中間層６の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることが好ましい。この場合、中間層６がフッ酸に腐食されることを防止できる。具体的には、例えば、中間層６の表面が金、白金、モリブデン又はシリコン等によって被覆されていると好ましい。例えば、オーミックコンタクトを取る場合の中間層６は、ダイヤモンドの不純物の種類にもよるが、例えばチタン等からなる。チタン等はフッ酸に腐食されるので、電界放射型電子源を作製することは難しい。
【０１７０】
また、中間層６が電子放出部１とオーミックコンタクトしている配線部分２１９を有し、配線部分２１９のうち、絶縁層３から露出し陰極１ａと外部とを電気的に接続する部分２１９ａの少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることが好ましい。
【０１７１】
化学的に安定な金属膜は、例えば金、白金、高融点のモリブデン、タングステン等からなる。さらに、化学的に安定な金属膜が、Ａｕ／Ｐｔ、Ａｕ／Ｍｏ、Ａｕ／Ｎｉ等の積層体であってもよい。
【０１７２】
また、中間層６に選ばれた遷移金属は一般的には腐食しやすい。しかし、絶縁層３との密着性に関係せず、陰極１ａと外部とを電気的に接続する部分は中間層６と同一の材料からなる必要はない。作製工程を考えれば、中間層６の上に保護膜として働く安定な金属膜を被覆すれば、長時間、繰返し使用に対しても安定して動作する電界放射型電子源２ａ，２００ａを提供することが出来る。
【０１７３】
また、電界放射型電子源２ａ，２００ａは、ゲート電極４上に設けられた別の絶縁層と、別の絶縁層上に設けられた集束電極とを更に備えることが好ましい。この集束電極によって、電子放出部１の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。
【０１７４】
また、電子放出部１が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。また、電子放出部１が、陰極１ａを構成する基板２の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、基板２が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。
【０１７５】
ここで、基板２の材料は特に限定されず、ダイヤモンド以外でも良いが、Ｓｉもしくはダイヤモンドであることが好ましい。また、基板２の材料がダイヤモンドの場合、当該材料は多結晶ダイヤモンドでも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが好ましい。特に、電子放出部１の材料は単結晶ダイヤモンドが好ましい。このようにすれば、結晶欠陥が少なく良好なドーピングをされたダイヤモンド表面が得られるため、低電圧で電流密度の高い高品質の電界放射型電子源２ａ，２００ａを得ることが出来る。
【０１７６】
また、電子放出部１の高さをｚ、電子放出部１の先端とゲート電極４との距離をｄ、絶縁層３の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすことが好ましい。さらに、ｚ、ｄ、ｈが、ｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２の条件を満たすことが好ましい。
【０１７７】
次に、本実施形態の電界放射型電子源の製造方法について説明する。例えば、図１に示される電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部１を有する陰極と、ゲート電極４と、アノード電極５とを備える。この電界放射型電子源は、例えば次のように製造される。基板２を準備する。基板２上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部１を形成する。陰極１ａ上に絶縁層３を形成する。絶縁層３の上にゲート電極４を形成する。ゲート電極４の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部１周辺のゲート電極４と絶縁層３とを除去する。
【０１７８】
また、次のように電界放射型電子源を製造してもよい。この電界放射型電子源は、例えば、図２１に示される。基板２を準備する。基板２上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する。基板２上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層６を形成する。陰極１ａ上に絶縁層３を形成する。絶縁層３の上にゲート電極４を形成する。ゲート電極４の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部１周辺のゲート電極４と絶縁層３とを除去する。
【０１７９】
また、次のように電界放射型電子源を製造してもよい。この電界放射型電子源は、例えば、図３に示される。基板２を準備する。基板２上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部１を形成する。基板２上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVａ〜VIａ族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVａ〜VIａ族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層６を形成する。陰極１ａ上に絶縁層３を形成する。絶縁層３の上にゲート電極４を形成する。ゲート電極４の上に別の絶縁層７を形成する。別の絶縁層７の上に集束電極８を形成する。集束電極８の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部１周辺の集束電極８、ゲート電極４、絶縁層３及び別の絶縁層７を除去する。
【０１８０】
また、中間層６を形成する工程では、基板２上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して基板と金属膜との界面に金属炭化物層を形成することが好ましい。また、絶縁層３を形成する工程では、絶縁層３を形成し、絶縁層３の上にレジストを塗布し、電子放出部１周辺の絶縁層３を除去する一連の工程を複数回行い、電子放出部１の高さをｚ、電子放出部１の先端とゲート電極４との距離をｄ、絶縁層３の厚みをｈとして、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈの条件を満たすように絶縁層３を形成することが好ましい。また、絶縁層３を形成する工程において、最後に形成した絶縁層３の厚みが最大であることが好ましい。
【０１８１】
また、基板２が、ダイヤモンド基板であることが好ましい。基板２が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。基板２が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる電子放出部１を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。
【０１８２】
（第４実施形態）
本発明の第４の実施の形態を製造方法を絡めて説明する。図４に示すように、まず、基板２を準備し、この基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンド１を形成する。このドーピングダイヤモンド上に、マスク材料として例えばＡｌを成膜し、フォトリソグラフィーによってドット状のＡｌマスクを形成する。そして、ＲＩＥ法によって、ドーピングダイヤモンドをエッチングし、図４（ａ）に示すように、少なくともドーピングダイヤモンド１を突起形状にする。その後、突起形状のダイヤモンドの表面終端を変えるため、マイクロ波プラズマによる表面水素化処理や、大気中アニールによる表面酸素化処理を行ってもよい。
【０１８３】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁層３を形成し、絶縁層３の上にゲート電極４を形成する。このゲート電極４の上にレジスト２０を塗布する（図４（ｃ））。ここでは絶縁層３として酸化シリコンを用いた。レジスト塗布条件を最適化することにより、前記突起形状のダイヤモンドの突起先端直上のレジストは薄くなり、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する（図４（ｄ））。その後、レジストを除去する（図４（ｅ））。ダイヤモンドは化学的に安定であるため、絶縁層３のエッチングは、ドライエッチングではなく、フッ酸などのウェットエッチングで行うことが望ましい。ドライエッチングでは、ダイヤモンド突起先端の鋭さが損なわれることがあるからである。電極層はドライエッチングでパターニングしても構わない。
【０１８４】
このような製造方法により、図１に示すように、導電性のダイヤモンド１に簡易にゲート電極４を付け、電子放出の制御を行なうことが出来る電子源を得ることができる。あるいは、前記方法の途中、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にした後、前記基板上に中間層６を形成してパターニングする工程を挿入すれば、図２に示すように、突起形状の電子放出部１と、該電子放出部１と中間層６と、アノード電極５と、ゲート電極４を備えた電界放射型電子源であって、電子放出部１が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる１種以上の元素を不純物としてドーピングされたダイヤモンドである電界放射型電子源を得ることができる。
【０１８５】
このように中間層６を形成することで、陰極と絶縁層３との密着性を改善し、高出力動作などでも剥離することのない長寿命の電子源を得ることができる。また中間層６を配線として用いた場合、単独のリンドープや窒素ドープなどの高抵抗のダイヤモンドにもキャリアを付与することができ、電子放出特性を向上させることが出来る。この中間層６は少なくとも一部の表面がフッ酸で溶けない導電性材料からなることが望ましい。その場合、絶縁層３をフッ酸で除去しても中間層６が腐食することはない。突起部分やゲート電極の近辺は立体形状で複雑であるため、垂直加工性の高すぎるドライエッチングはむしろあまり適さず、フッ酸などのウェットエッチングが望ましい。
【０１８６】
オーミックコンタクトを取れる中間層６は、ダイヤモンドの不純物にもよるが、チタンや炭化チタンなどがある。チタンなどは、フッ酸に腐食されるので、その上に金、白金、モリブデン、シリコンなどを積層することができる。より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンド表面をアルゴンイオン注入などでグラファイト化してもよい。
【０１８７】
中間層６で炭化物層を用いる場合、炭化チタンなど始めから炭化物である材料をスパッタ法などで成膜しても良い。また加熱しながら金属を成膜したり、低温で成膜後に加熱して炭化物層を形成しても良い。
【０１８８】
このように配線として機能する中間層６を形成する場合、図２２(ａ)のように電子放出部１と接続して絶縁層３の外部に引き出した配線部分２１９と、配線の機能は果たさず密着性のみを向上する接着部分２１８に分離して形成し、その上に絶縁層３を形成することもできる。このようにすれば広い面積で絶縁層３の密着性を保ちつつ、一度のプロセスで配線部分２１９と接着部分２１８を形成でき、個々の電子放出部１の動作を制御することができる。なお、図２２(ａ)では見やすさのため、ゲート電極などは省略してある。
【０１８９】
このとき、特に配線部分２１９が突起形状のダイヤモンド上に付着している場合、レジストを塗布して陰極１ａの少なくとも突起先端を露出させ、エッチングにより突起先端の配線材料を除去する工程を加える。エッチング前に露光でレジストをパターニングして、配線部分２１９と接着部分２１８とを分離しても良い。
【０１９０】
さらにこの構造では、絶縁層３から露出した配線部分２１９を化学的に安定な金属膜で被覆しても良い。このようにすれば配線部分２１９のうち外部回路との接点となる部分２１９ａの変質が抑えられ、安定した動作が得られる。化学的に安定な金属膜としては、例えばＡｕ、Ｐｔなどがある。また高融点のＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂなどを被覆しても良い。また、Ａｕ／Ｐｔ、Ａｕ／Ｍｏ、Ａｕ／Ｎｉなど、積層構造であっても良い。
【０１９１】
また、前記製造工程の途中で、中間層６を形成した後、第１の絶縁層３を形成し、第１の絶縁層の上にゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第２の絶縁層７を形成し、第２の絶縁層の上に集束電極を形成し、集束電極の上にレジストを塗布して突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第１と第２の絶縁層エッチング除去すれば、図３に示すように、突起形状の電子放出部１と、該電子放出部１とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層６と、アノード電極５と、ゲート電極４、集束電極８とを備えた電界放射型電子源を得ることができる。集束電極により電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。
【０１９２】
ここで基板は特に指定せず、ダイヤモンド以外でも良いが、基板はＳｉもしくはダイヤモンドが望ましい。また、ダイヤモンド基板の場合、多結晶でも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが望ましい。特に、ダイヤモンドの突起部分は単結晶が望ましい。
【０１９３】
また、図５に示すように、ダイヤモンド基板２にエッチングで突起１０を作製した後にドーピングダイヤモンド１１を成長させ、ドーピングダイヤモンドのエッチング以降は、上記と同様の工程をとれば、図５に示すように、ダイヤモンドの突起１０の先端部付近のみドーピングされたダイヤモンド１１とすることができるので、カソード電極により個々のエミッタの電子放出を制御することが可能になる。
【０１９４】
また、図６に示すように、ダイヤモンド基板２にエッチングで先端が先鋭な突起１０を作製した後にドーピングダイヤモンド１１を成長させ、例えばピラミッド状の突起を作成しても良い。これにより、より先鋭度が良く、エッチングの場合と比べて表面の結晶欠陥の少ないダイヤモンドエミッタを得ることが出来る。この場合、ドーピングダイヤモンドのエッチングによる突起形状形成工程を省略することができる。
【０１９５】
本発明では絶縁層を形成する工程が、(1)絶縁層の成膜と、(2)レジストの塗布と、(3)突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回繰返して、絶縁層を形成しても良い。これは図７に示すように、１回で、突起形状のダイヤモンド１の高さと同じ程度の高さまで、絶縁層３を形成すると、絶縁層をエッチングする際、縦方向と共に突起形状の電子放出部（エミッタ）周辺の横方向にも同じ厚みだけ絶縁層がエッチングされて広がり、これがゲート電極の直径の拡大につながる。しかし、図８に示すように、絶縁層３を１回で、突起形状のダイヤモンド１の高さまで形成しないで、それより薄く絶縁層３を形成し、絶縁層を形成するごとにエミッタ周辺の絶縁層をエッチング除去することで、エミッタから絶縁層の端の部分までの距離を短く保ったまま絶縁膜厚を増加することが出来る。例えば単純計算では２回に分けて絶縁層を形成した場合、エミッタ先端とゲート電極の距離は１回で絶縁層を形成した場合の１／２になる。
【０１９６】
このような方法で、電子放出部の突起の高さをｚ、突起先端とゲート電極の距離をｄ、ダイヤモンドとゲート電極の間の絶縁層の厚みをｈとした場合、ｄ＜ｚかつｄ＜ｈとすることができ、従来の電極形成技術と比べて絶縁層厚を大きくしてリーク電流と絶縁耐圧を高く保ったまま、エミッタとゲート電極の距離を短くすることが出来、電子放出の制御電圧を低く抑えることが出来る。望ましくは、本発明の電子源においてはｄ＜ｚ／２かつｄ＜ｈ／２であることが良い。
【０１９７】
また、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁膜の厚みが最大であることが好ましい。これは、複数回絶縁層を形成する場合、全ての膜厚を一定にすると、エミッタ周辺の窪み部分が埋まらず、最終的なゲート電極の形状が悪くなってしまうからである。最後の絶縁層の厚みを一番厚くすることによって、窪みが完全に埋まるため、エッジの平滑なゲート電極を作成することが出来る。
【０１９８】
本発明のダイヤモンドは、任意のドーピングを行なうことが出来る。ホウ素ドープは水素終端表面の電子親和力が負であり、優れた電子放出特性が得られる。また、リンや硫黄などn型ドーピングを行なうことで、キャリアの電子密度が高く、電子放出障壁も小さいことからより優れた電子放出が知られている。これらは単独の不純物を用いても良いし、複数を同時にドーピングしても良い。ドーピングの形態は、ＣＶＤやイオン注入など任意の形態を用いることができる。n型の場合には表面は酸素終端でも良い。
【０１９９】
電極や絶縁層をエッチングする際のレジスト材料は、通常のフォトリソグラフィーに用いられる物で良い。この際、レジスト塗布後に露光と現像工程を加えて、ゲートなどの電極をパターニングしても良い。レジスト膜厚は陰極の突起の高さより薄くなるように塗布した方が良い。この場合、ウェットエッチング液で容易に突起先端からエッチングが始まり、良好な形状の電極を作ることができる。レジスト膜厚が厚い場合、ドライエッチングなどでレジストから突出部分を露出させる必要がある。
【０２００】
また、望ましくはダイヤモンドは単結晶を用いる。単結晶であれば、特にＣＶＤによってドーピングを行なう場合、不純物の混入量の制御も精度良く行なうことが出来る。一方、多結晶ダイヤモンドで電子源を作製しても良い。多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドより大面積の試料を得やすく、ホウ素ドープでは導電性の優れたウェハが得られている。また、多結晶でも配向制御が可能であり、例えば（１１１）配向した多結晶ダイヤモンド上にリンドープダイヤを部分的にエピタキシャル成長させるなど、様々な陰極を用いることができる。
【０２０１】
（実施例６）
高圧合成Ｉｂ（１００）単結晶ダイヤモンド基板上に、マイクロ波プラズマＣＶＤを用いてホウ素ドープダイヤモンドを形成した。水素（Ｈ２）流量２００ｓｃｃｍ、メタン／水素（ＣＨ４／Ｈ２）濃度は６．０％、ジボラン／メタン（Ｂ２Ｈ６／ＣＨ４）濃度は１６７ｐｐｍ、圧力５．３ｋＰａ、基板温度８３０℃、膜厚は５μｍとした。次にホウ素ドープダイヤモンドの上に、スパッタ法でアルミニウム（Ａｌ）を成膜し、フォトリソグラフィーで直径３μｍのドットを形成した。これをＲＩＥ法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量５０ｓｃｃｍ、ＣＦ４／Ｏ２濃度２％、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー２５０Ｗとした。形成した突起の高さは３μｍである。次にスパッタ法で酸化シリコンを３μｍ成膜し、その上に、Ｍｏを０．２μｍ成膜する。これに粘度３０ｃｐのレジストを４０００ｒｐｍで３０秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から３．０μｍの距離に形成された。
【０２０２】
（実施例７）
次にＲＩＥ法で高さ３μｍの突起を形成するまでは実施例６と同様に行ったあと、スパッタ法で厚さ１．５μｍの酸化シリコンを形成した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンをエッチングで除去した。有機溶剤でレジストを除去した後、第２の酸化シリコンを１．５μｍ成膜し、電極としてＭｏを０．２μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、王水と緩衝フッ酸でレジストが薄くなった突起先端のＭｏと酸化シリコンをエッチングした。これによって実施例６の高さｚ＝３μｍの突起と酸化シリコン膜厚ｈ＝３μｍ、ｄ＝３μｍに対し、ｚとｈは同じであるが、ｄが半分のｄ＝１．５μｍの距離にゲート電極を形成することができた。
【０２０３】
（実施例８）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを０．１μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のタンタルを除去した。次に真空中で３００℃にアニールし、炭化チタン層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第１の絶縁層の酸化シリコンを３μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。
【０２０４】
（実施例９）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを０．１μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、露光することで電子放出部を個別に配線するようパターニングし、緩衝フッ酸でエミッタ先端と分離部分のタンタルを除去した。次に真空中で３００℃にアニールし、炭化タンタル層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第１の絶縁層の酸化シリコンを３μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化タンタルを除去した。本発明の方法によって、電子放出部を個別に制御する配線を施しつつ、陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を持つ電界放射型電子源を形成できた。
【０２０５】
（実施例１０）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを０．１μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、露光することで配線部分と接着部分を分離するようパターニングし、緩衝フッ酸でエミッタ先端と分離部分のタンタルを除去した。次に真空中で３００℃にアニールし、炭化タンタル層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第１の絶縁層の酸化シリコンを３μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、電子放出部を個別に制御する配線を施し、かつ接着部分を形成することでより陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を持つ電界放射型電子源を形成できた。
【０２０６】
（実施例１１）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でニオブを０．０５μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のニオブを除去して中間層を完成させた。次に、第１の絶縁層の酸化シリコンを１μｍ形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第２の酸化シリコンを１μｍ形成した後、同様に除去し、さらに第３の酸化シリコンを１．５μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例７では図９に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図１０に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
【０２０７】
（実施例１２）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でクロムを０．０５μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、稀硫酸でエミッタ先端のクロムを除去した。次にこの上にＰｔを０．１μｍスパッタし、同様にレジストをスピンコートした後露光でパターニングし、突起から１０μm以上離れた部分と突起先端のＰｔを王水で除去して中間層を完成させた。次に、第１の酸化シリコンを１μｍ形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第２の酸化シリコンを１μｍ形成した後、同様に除去し、さらに第３の酸化シリコンを１．５μｍ形成し、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例７では図９に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図１０に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
【０２０８】
（実施例１３）
実施例６と同様に、マイクロ波プラズマＣＶＤで、ホウ素ドープダイヤモンドを２．５μｍ形成し、ＲＩＥ法で高さ３μｍのエミッタを形成した後、エミッタ上にカソード電極としてスパッタ法でタンタルを０．０５μｍ成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のタンタルを除去して、中間層を完成させた。次に、第１の酸化シリコンを１μｍ形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第２の酸化シリコンを１μｍ形成した後、ゲート電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。さらに第３の酸化シリコンを１μｍ形成し、集束電極としてＭｏを０．１μｍ形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で交互に突起周辺のＭｏと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極と、放出した電子を収束させる集束電極を形成することができ、従来より電子の取出し効率が向上した電界放射型電子源を得ることができた。
【０２０９】
（実施例１４）
高圧合成Ｉｂ（１００）単結晶ダイヤモンド基板上に、スパッタ法でＡｌを成膜し、フォトリソグラフィーで直径３μｍのドットを形成した。これをＲＩＥ法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量５０ｓｃｃｍ、ＣＦ４／Ｏ２濃度２％、圧力２Ｐａ、ＲＦパワー２５０Ｗとした。形成した突起の高さは３μｍである。次にマイクロ波プラズマＣＶＤを用いてリンドープダイヤモンドを形成する。Ｈ２流量２００ｓｃｃｍ、ＣＨ４／Ｈ２濃度は０．０５％、ＰＨ３／ＣＨ４濃度は１００００ｐｐｍ、圧力１３．３ｋＰａ、基板温度８７０℃、膜厚は５μｍとし、側面が（１１１）面で囲まれたピラミッド状の突起が形成された。
【０２１０】
次に、実施例８と同様にカソード電極を形成した後、実施例７と同様に酸化シリコンを１．５μｍずつ２回に分けて計３μｍ成膜し、Ｍｏを０．２μｍ成膜する。これに粘度３０ｃｐのレジストを４０００ｒｐｍで３０秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のＭｏと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から１．５μｍの距離に形成された。
【産業上の利用可能性】
【０２１１】
以上説明したように、本発明の方法で電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層・電極層を形成することができると共に、高出力動作においても絶縁層と陰極との高い密着性を維持し、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子より長寿命で、エミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。このような電界放射型電子源は、進行波管やクライストロンなどのマイクロ波管、高周波増幅素子やＳＥＭや電子線露光機などの電子ビーム機器、ＦＥＤなどの発光素子などの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】第１実施形態の製造方法で作成した電界放射型電子源の断面模式図を示す。
【図２】第１実施形態の電界放射型電子源の断面模式図を示す。
【図３】第１実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。
【図４】第１実施形態の製造工程の一例を示す。
【図５】第１実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。
【図６】第１実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。
【図７】第１実施形態の絶縁層のエッチング工程の一例を示す。
【図８】第１実施形態の絶縁層のエッチング工程の他の一例を示す。
【図９】第１実施形態のゲート電極の断面模式図の一例を示す。
【図１０】第１実施形態のゲート電極の断面模式図の他の一例を示す。
【図１１】電界放射型冷陰極の一実施形態を示す断面図である。
【図１２】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１３】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１４】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１５】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１６】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１７】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１８】電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。
【図１９】平面型冷陰極の一構造例を示す断面図である。
【図２０】従来の電界放射型冷陰極を示す断面図である。
【図２１】第３実施形態の電界放射型電子源を模式的に示す断面図である。
【図２２】図２２(ａ)は、別の実施形態の電界放射型電子源を模式的に示す平面図であり、図２２(ｂ)は、図２２(ａ)のＸ−Ｘ矢印に沿った断面図である。
【符号の説明】
【０２１３】
１…突起形状の電子放出部、２…基板、３…絶縁層、４…ゲート電極、５…アノード電極、６…中間層、７…別の絶縁層、８…集束電極、１０…突起形状ダイヤモンド、１１…ドーピングダイヤモンド、２０…レジスト、３０１〜３０８…電界放射型冷陰極、３１０，１ａ…陰極、３１０ａ…突出部、３１１，２１，３１…金属炭化物層、１５，４５，５５，６５，７５…絶縁層、１６…ゲート電極、３２，６２，８２…金属層、４４，６４…金属酸化物層、５４，７４…金属窒化物層、２ａ，２００ａ…電界放射型電子源、２１８…接着部分、２１９…配線部分。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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