(57)【要約】【課題】炭素系超微細冷陰極を効率よく、かつ安定して製造できる方法の提供。【解決手段】カソード電極層、触媒金属層、絶縁層およびゲート電極層を順次成膜し、絶縁層にゲートホールを形成し、ゲートホールの底部の触媒金属層上に、熱ＣＶＤ法によりＧＮＦを成長させ、このＧＮＦ成長基板をＨ２ガスを用いてマイクロ波エッチングまたはＲＩＥによりドライエッチングする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にカソード電極層、触媒金属層、絶縁層、およびゲート電極層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極の製造方法において、基板上に、カソード電極層、触媒金属層を順次成膜し、これらの層をパターニングした後、その上に絶縁層およびゲート電極層を順次成膜し、この絶縁層にゲートホールを形成し、このゲートホールの底部の触媒金属層上に、熱ＣＶＤ法によりＧＮＦを成長させ、次いで、このＧＮＦ成長した基板をＨ２ガスまたはＨ２含有ガスを用いてマイクロ波エッチング法または反応性イオンエッチング法によりドライエッチングすることを特徴とする炭素系超微細冷陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系超微細冷陰極の製造方法に関するものである。特に、真空デバイス用途、ディスプレイ用途等に利用され得る炭素系超微細冷陰極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭素系超微細冷陰極熱を製造する場合、プラズマＣＶＤ法を使用してきた。しかし、この方法は次のような課題を有しており、工業的連続生産には適していなかった。すなわち、成膜温度が６５０℃と高く、ガラス基板への影響が大であること、プラズマエッチングによる欠陥の発生があること、および電子放出分布が不均一（大面積のプラズマ発生源が難しい）であることなどである。こにため、大型基板で安定して生産できる技術が要求されていた。
【０００３】
上記従来技術の問題点を克服して大型基板で炭素系超微細冷陰極を作製するために、低温処理が可能な熱ＣＶＤ法を適用し、ＣＯ＋Ｈ２Ｏの混合ガスを使うことが考えられる。しかしながら、次のような新しい問題が発生する。
【０００４】
すなわち、ゲート電極を形成後、ＧＮＦ（グラファイトナノファイバ）を成長させたときに、ゲートホールの側壁にカーボン系物質が付着し、ゲート電極−カソード電極間の耐電圧が劣化する。また、ＧＮＦが異常成長し、ゲート電極と短絡することがある。これらの点を解決するためには、ゲート電極−カソード電極間の絶縁層を厚くする必要があるが、絶縁層を厚くすると、駆動電圧が高くなってしまうという問題がある。
【０００５】
また、一方で、ＧＮＦからの電子放出出力を多くするためには、触媒金属層を厚く成膜させることが効果があると解っているが、ゲート電極−カソード電極間の絶縁層が厚くなってしまうため、触媒金属層を薄くせざるを得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１は、従来技術の熱ＣＶＤ法により得られた炭素系超微細冷陰極において、ＧＮＦ成長後のゲートホールの周辺の状態を模式的に表現したものである。
【０００７】
図１に示されるように、ガラス基板１の上にカソード電極層２、このカソード電極層の上に触媒金属（Ｆｅ系合金）層３が形成され、さらにゲート電極層５とカソード電極層２との間は絶縁層４で絶縁されており、絶縁層にはゲートホールが形成されている。このゲートホールでは、異常成長したＧＮＦ６がゲート電極層５に接続しており、また、ゲートホールの側壁にカーボン系物質７が付着している。
【０００８】
しかし、このような問題が従来技術のプラズマＣＶＤ法で見られないのは、プロセスガスがＨ２リッチのＨ２＋ＣＨ４ガスを使用していたため、Ｈ２エッチングされながらＧＮＦ成長を行っているので、ゲート電極層へのＧＮＦの接続や、ゲートホール側壁へのカーボン系物質の付着という問題は避けられていたと考えられる。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、熱ＣＶＤ法により炭素系超微細冷陰極を効率よく、かつ安定して製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の炭素系超微細冷陰極の製造方法は、基板上にカソード電極層、触媒金属層、絶縁層、およびゲート電極層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極の製造方法において、基板上に、カソード電極層、触媒金属層を順次成膜し、これらの層をパターニングした後、その上に絶縁層およびゲート電極層を順次成膜し、この絶縁層にゲートホールを形成し、このゲートホールの底部の触媒金属層上に、熱ＣＶＤ法によりＧＮＦを成長させ、次いで、このＧＮＦ成長した基板をＨ２ガスまたはＨ２含有ガスを用いてマイクロ波エッチング法または反応性イオンエッチング法によりドライエッチングすることを特徴とする。
【００１０】
上記のように、熱ＣＶＤ法で製造される炭素系超微細冷陰極において、ＧＮＦ成長後さらにＨ２ガスを用いてマイクロ波エッチング法またはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法に従ってドライエッチング工程を実施することにより、効率よく、安定に炭素系超微細冷陰極を製造することができる。このエッチング装置は、通常のマイクロ波エッチング装置またはＲＩＥ装置で十分目的を達成できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＧＮＦ成長後Ｈ２ガスによる一般的なドライエッチング工程を実施するだけでゲート電極に接続するＧＮＦおよびゲートホールの側壁に付着するカーボン系物質を除去でき、炭素系超微細冷陰極を効率よく、かつ安定して製造できるという効果を奏する。
【００１２】
また、次のような効果も期待できる。すなわち、本発明によれば、ゲート電極に接触するような異常成長したＧＮＦがエッチングされるので、ゲート電極−カソード電極間の短絡を回避できる。また、ＧＮＦ全体が同時にエッチングされ、やせ細り(約半分程度の３０μｍ)するので、ＧＮＦから電子が出力されやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２(ａ)〜(ｈ)に、本発明の炭素系超微細冷陰極製造プロセス（追加のＲＩＥ等によるＨ２エッチングを含む）のフロー図を示す。
【００１４】
まず、図２(ａ)および(ｂ)に示すように、ガラス基板１１上に、膜厚１５０ｎｍのＣｒカソード電極層(母線)１２を２００℃の基板加熱を行いながらＤＣスパッタリングにより形成し、このカソード電極層１２の上に、連続的に存在する膜厚２５ｎｍのＧＮＦ成長触媒金属層(Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも１種類を含む合金)１３を形成した後、触媒金属層１３およびカソード電極層１２をライン状にパターニングする。
【００１５】
次いで、図２(ｃ)および(ｄ)に示すように、膜厚３μｍの絶縁層(ＳｉＯ２)１４、膜厚３００ｎｍのＣｒゲート電極層１５を順次形成する。この絶縁層１４は、３００℃の基板加熱を行いながらＲＦスパッタリングにより形成する。これは、成膜後の絶縁層の応力による破損を防ぐためである。この絶縁層形成の際、ＲＦスパッタリング時に基板に付着するダストによるピンホールを防ぐため、ＳｉＯ２膜は１．５μｍずつ２回にわけて形成し、ＳｉＯ２(１．５μｍ)を成膜した後、純水でこすり洗浄を行う。また、Ｃｒゲート電極層１５は、カソード電極層１２の場合と同様に、２００℃の基板加熱をしながらＤＣスパッタリングにより形成する。
【００１６】
次いで、図２(ｅ)に示すように、上記のようにして得られたゲート電極層１５上にフォトレジスト１６を塗布し、パターニングする。
【００１７】
次いで、図２(ｆ)に示すように、ゲート電極層１５および絶縁層１４をエッチングし、ゲートホール開口部およびゲートホールを形成する。
【００１８】
その後、図２(ｇ)に示すように、かくして形成されたゲートホール内に熱ＣＶＤ法によりＧＮＦを成長せしめる。この場合、ゲート電極には異常成長したＧＮＦが接続され、ゲートホール側壁にはカーボン系物質が付着している。
最後に、図２(ｆ)に示すように、マイクロ波エッチング法またはＲＩＥ法により所定の圧力下でＨ２エッチングを行い、所望の冷陰極を得る。この場合、ゲート電極に接続したＧＮＦおよびゲートホール側壁に付着したカーボン系物質はエッチ除去される。
【００１９】
以下、本発明の炭素系超微細冷陰極（カソード基板）におけるＧＮＦを熱ＣＶＤ法で成長せしめるための熱ＣＶＤ装置について説明する。
【００２０】
この装置は、図３に示すように、真空容器内部にカソード基板２１を載置してＧＮＦ成長を行うものであり、この真空容器には、Ｌ／Ｌチャンバ２２および真空ポンプ２３が接続されており、容器上方には基板２１のみを加熱することが可能な赤外線ランプ２４が設置されている。Ｌ／Ｌチャンバ２２には真空ポンプ２５が接続されている。また、Ｌ／Ｌチャンバ２２を経て真空容器内へ被処理物を搬送できるように、このチャンバには搬送ロボット２６が連結されている。本装置は、ＧＮＦ成長用ガス、例えばＣＯ＋Ｈ２混合ガス２７を真空容器内へ導入し、本発明のカソード基板上でＧＮＦを成長せしめるように構成されている。
【００２１】
次に、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
図３に示す熱ＣＶＤ装置を用いて、通常のプロセス条件で、２ゲート電極６０本、カソード電極９０本を持つ基板にＧＮＦを成長させた。この場合、ＧＮＦ成長後Ｈ２エッチングは行わなかった。ゲート電極およびカソード電極の１０本を一塊りとし、それぞれａ〜ｆ、Ａ〜Ｉと名付け、ゲート電極−カソード電極間の抵抗を調べた。その結果を表１に示す。表中の単位はｋΩである。
【００２３】
（表１）エッチング未処理
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表１から明らかなように、どのポイントでも、数ｋΩ程度の抵抗であった。
【００２４】
上記ＧＮＦ成長させた基板に対して、通常の条件で、Ｈ２ガスを用いてエッチングを行った。すなわち、プラズマＣＶＤ装置のチャンバ内のステージ上に基板を載置し、２．７Ｐａまで真空排気した後、Ｈ２ガスを２．７×１０３Ｐａまで導入した。その後、ステージ位置を９０ｍｍあげ、Ｈ２エッチングを３０ｍｉｎ行い、ゲート電極−カソード電極間の抵抗を調べた。この結果を表２に示す。 表中の単位はΩである。
【００２５】
（表２）２．７×１０３Ｐａでの３０ｍｉｎ−Ｈ２エッチング
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【００２６】
表２から明らかなように、Ｈ２エッチングを実施することにより、抵抗値が数１００Ωから数ＭΩに上昇した。このエッチング処理により、短絡を除去できたことがわかる。
次いで、エッチング効果をさらに上げるために、圧力を２．７×１０３Ｐａから１．３×１０２Ｐａに下げてエッチング処理した。その結果を表３に示す。表中の単位はΩであり、また、＊は２０ＭΩ以上を表す。
【００２７】
（表３）１．３×１０２Ｐａでの３０ｍｉｎ−Ｈ２エッチング
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【００２８】
表３から明らかなように、多くの部分が２０ＭΩ以上の高抵抗になり、エッチング圧力を低くして行うＨ２エッチングにより、さらに短絡を除去することができたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明により得られた炭素系超微細冷陰極は、真空デバイス用途、ディスプレイ用途等に有用に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】冷陰極においてＧＮＦ成長後のゲートホールの構造を示す模式図。
【図２】本発明のＧＮＦ冷陰極の作製プロセスの概要を示すフロー図。
【図３】熱ＣＶＤ法で用いる装置の一例の概要を示す構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１  ガラス基板                          ２  カソード電極層
３  触媒金属層                          ４  絶縁層
５  ゲート電極層                        ６  異常成長したＧＮＦ
７  ホール側壁付着カーボン系物質      １１  ガラス基板
１２  カソード電極層                    １３  触媒金属層
１４  絶縁層                            １５  ゲート電極層
１６  レジスト層                        １７  成長したＧＮＦ
２１  カソード基板                      ２２  Ｌ／Ｌチャンバ
２３  真空ポンプ                        ２４  赤外線ランプ
２５  真空ポンプ                        ２６  搬送ロボット
２７  混合ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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