(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質炭素膜よりなり且つセシウム（ｍ）を含有する主体部（３ａ）と、その主体部（３ａ）を被覆し且つｓｐ3 性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層（３ｂ）とを有していて、前記表面層（３ｂ）において、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≦２．０ｅＶであり、
前記主体部（３ａ）が、前記表面層（３ｂ）との界面（ｉ）に前記セシウム（ｍ）の酸化物よりなる複数の突起（ｐ）を有すると共に、前記表面層（３ｂ）が、前記突起（ｐ）に倣って形成された複数の凸部（ｒ）を有している電子素子の製造方法であって、
負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により、セシウム（ｍ）が内部及び表面に点在する非晶質炭素膜よりなる前記主体部（３ａ）を形成し、
次いで、その主体部（３ａ）の表面に点在するセシウム（ｍ）を酸化させて、その酸化物による複数の突起（ｐ）を該主体部（３ａ）の表面に形成し、
その後、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により、前記主体部（３ａ）の、前記突起（ｐ）が点在する表面に、非晶質炭素膜よりなる前記表面層（３ｂ）を形成することを特徴とする、電子素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法により製造された電子素子であって、
電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子（３）として用いられる、電子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子素子、例えば電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子として用いられる電子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えば冷陰極素子として用いた場合、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能である等高い実用性を持つ前記電子素子の製造方法及び電子素子を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため請求項１の発明によれば、非晶質炭素膜よりなり且つセシウムを含有する主体部と、その主体部を被覆し且つｓｐ3 性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層とを有していて、前記表面層において、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≦２．０ｅＶであり、前記主体部が、前記表面層との界面に前記セシウムの酸化物よりなる複数の突起を有すると共に、前記表面層が、前記突起に倣って形成された複数の凸部を有している電子素子の製造方法であって、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により、セシウムが内部及び表面に点在する非晶質炭素膜よりなる前記主体部を形成し、次いで、その主体部の表面に点在するセシウムを酸化させて、その酸化物による複数の突起を該主体部の表面に形成し、その後、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により、前記主体部の、前記突起が点在する表面に、非晶質炭素膜よりなる前記表面層を形成することを特徴とする電子素子の製造方法が提案され、また請求項２の発明によれば、前記請求項１に記載の方法により製造された電子素子であって、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子として用いられることを特徴とする電子素子が提供される。
【０００６】
尚、本発明において、非晶質炭素膜のｓｐ3 性が高いことは、表面層において、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≦２．０ｅＶであることで示される。
【０００７】
金属結合半径が炭素の原子半径の２倍以上であるセシウムを非晶質炭素膜よりなる主体部内に存在させると、その内部に歪みが生じ、これにより、主体部の電気絶縁性を弱める一方、導電性を強めることが可能である。また表面層を構成する非晶質炭素膜は、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≦２．０ｅＶであってｓｐ3 性が高く、元来優れた電界放出特性を有する。またセシウムは、主体部の、表面層との界面にも点在するが、この場合、セシウムが活性であることから、界面のセシウムは空気中の酸素と化合して安定な酸化物となり、その酸化物は、微視的ではあるが、突起をなすものであり、その結果、表面層はそれらセシウム酸化物の突起に倣って形成された複数の凸部を有することとなり、その各凸部による電界集中効果と、非晶質炭素膜の前記した優れた電界放出特性とが相俟って、表面層の電界放出特性が一層高められる。
【０００８】
そして、このような電子素子よりなる冷陰極素子においては、その放出電界が低められるので、その冷陰極素子に対する印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させることが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は陰極ユニット１を示し、その陰極ユニット１はＡｌ製陰極板２と、その表面に形成された電子素子としての冷陰極素子３とよりなる。その冷陰極素子３は、非晶質炭素膜よりなり、且つ金属結合半径が炭素の原子半径の２倍以上であるＣｓ即ちセシウムｍを含有する主体部３ａと、その主体部３ａに接合され、且つｓｐ3 性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層３ｂとを有する。
【００１０】
炭素の原子半径は０．７７Åであり、またセシウムｍの金属結合半径は２．６６Åであって、炭素の原子半径の二倍以上のセシウム（Ｃｓ）が用いられる。このような金属結合半径を有するセシウムｍを非晶質炭素膜よりなる主体部３ａ内に存在させると、その内部に歪みが生じ、これにより、主体部３ａの電気絶縁性を弱める一方、導電性を強めることが可能である。またセシウムｍは主体部３ａの、表面層３ｂとの界面ｉにも点在する。この場合、前記セシウムｍが活性であることから、界面ｉのセシウムｍは空気中の酸素と化合して安定な酸化物となり、その酸化物は、微視的ではあるが、突起ｐをなす。その結果、表面層３ｂはそれら突起ｐに倣って形成された複数の凸部ｒを有する。そして、その表面層３ｂを構成する非晶質炭素膜は、後述するようにＸ線光電子分光法（ＥＳＣＡ、ＸＰＳ）によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≦２．０ｅＶであって、ｓｐ3 性が高いことから、元来優れた電界放出特性を有し、これに各凸部ｒによる電界集中効果が付加されるので、表面層３ｂの電界放出特性が一層高められる。
【００１１】
このような冷陰極素子３においては、その放出電界が低められるので、その冷陰極素子３に対する印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させることが可能である。
【００１２】
表面層３ｂにおいて、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ、ＸＰＳ）によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗはＨｗ≦２．０ｅＶであることが好ましい。半値幅Ｈｗは、図２に示すように、表面層３ｂについて、Ｘ線光電子分光法による分析を行い、得られたＣ1S電子の光電子スペクトル４から求められる。即ち、ピーク値の２分の１におけるスペクトルの幅（ｅＶ）を半値幅Ｈｗとする。表面層３ｂにおいて、半値幅Ｈｗを前記のように設定すると、その放出電界を低めることが可能である。
【００１３】
二層構成の非晶質炭素膜は、例えばＳｉよりなる冷陰極素子の性能向上を図るべく、その素子の表面被膜層構成材料としても用いられる。
【００１４】
主体部３ａおよび表面層３ｂはイオンビーム蒸着法により形成され、その形成に際し、入射イオンとしてセシウムイオンを用い、また形成条件を調整することによってセシウムｍを主体部３ａに均一に含有させることが可能となる。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、主体部３ａ等の原子密度は正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり、導電性はこの順序で強くなり、放出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は、負イオンの内部ポテンシャルエネルギ（電子親和力）が正イオンのそれ（電離電圧）よりも低いことに起因する。
【００１５】
以下、具体例について説明する。
【００１６】
図３は公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置（NIABNIS:Neutral and Ionized Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ５、フィラメント６、熱遮蔽体７等を有するセシウムプラズマイオン源８と、サプレッサ９と、高純度高密度炭素よりなるターゲット１０を備えたターゲット電極１１と、負イオン引出し電極１２と、レンズ１３と、マグネット１４を有する電子除去体１５と、偏向板１６とを備えている。
【００１７】
主体部３ａの形成に当っては、（ａ）図３に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）セシウムプラズマイオン源８によりセシウムの正イオンを発生させる、（ｃ）セシウムの正イオンによりターゲット１０をスパッタして炭素等の負イオンを発生させる、（ｄ）サプレッサ９を介して負イオン引出し電極１２により負イオンを引出して負イオンビーム１７を発生させる、（ｅ）レンズ１３により負イオンビーム１７を収束する、（ｆ）電子除去体１５により負イオンビーム１７に含まれる電子を除去する、（ｇ）偏向板１６により負イオンのみを陰極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１８】
図４は負イオンビーム１７の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム１７の主たる負イオンは構成原子数が１であるＣ- イオンと構成原子数が２であるＣ2 - イオンである。ただし、イオン電流はＣ- ＞Ｃ2 - である。
【００１９】
前記方法により、図５に示すように陰極板２の表面に主体部３ａが形成される。この主体部３ａにおいては、その内部および表面層３ｂとの界面ｉに複数のセシウムｍが点在する。図６に示すように界面ｉに点在する複数のセシウムｍは経時的に酸化して、その酸化物による突起ｐが形成される。
【００２０】
次いで、前記同様の負イオンビーム蒸着法を行って主体部３ａの界面ｉ上に非晶質炭素膜よりなる表面層３ｂを形成すると共にその層３ｂを主体部３ａに接合する。これにより、図１に示すように表面層３ｂは複数の突起ｐに倣って形成された複数の凸部ｒを有する。このようにして得られた冷陰極素子３を実施例とする。
【００２１】
比較のため、図７に示すように、前記と同様の方法で前記同様の主体部３ａを陰極板２表面に形成し、それを大気中に放置したところ、界面ｉに点在するセシウムｍの酸化物よりなる突起ｐの略全部が円錐状に成長していた。このような主体部３ａからなる冷陰極素子３を比較例とする。
【００２２】
表１は、負イオンビーム蒸着法による実施例および比較例の形成条件を示す。
【００２３】
【表１】
0004104248.tif 000002
【００２４】
実施例の主体部３ａ形成後、その主体部３ａの略中央部分についてラマン分光法による分析を行って、それが非晶質であるか否かを調べた。図８は分析結果を示し、波数１５００cm-1付近を中心としたブロードなラマンバンドが観察される。このことから主体部３ａは非晶質であることが判明した。表面層３ｂおよび比較例についても図８と同様の結果が得られた。
【００２５】
また原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により実施例および比較例の表面を撮影してそれらの表面写真を得た。図９は実施例に関する表面写真の要部拡大写図であり、本図より、表面に多数の凸部ｒが点在することが判る。図１０は比較例に関する表面写真の要部拡大写図であり、本図より表面に多数の円錐状突起ｐが点在することが判る。
【００２６】
さらに実施例および比較例について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて検鏡を行ったところ、実施例および比較例の内部にセシウムｍの存在が認められた。
【００２７】
さらにまた、オージエ電子分光法（ＡＥＳ）により実施例および比較例に関する表面の二次電子像を撮影したところ、実施例については、表面層３ｂの表面にセシウムの存在は認められなかったが、比較例の表面にはセシウムの存在が認められた。
【００２８】
さらに実施例および比較例について、図１１に示す方法で放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源１８にＡｌ製導電板１９を接続し、その導電板１９上に、中央部に縦０．８cm、横０．８cm（０．６４cm2 ）の開口２０を有する厚さ１５０μｍのカバーガラス２１を載せ、また、そのカバーガラス２１上に陰極ユニット１の冷陰極素子３を載せ、さらに、その陰極板２に電流計２２を接続した。次いで、電源１８より導電板１９に所定の電圧を印加して、電流計２２により電流を読取った。そして、測定電流と開口２０の面積とから、放出電流密度（μＡ／cm2 ）を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が８μＡ／cm2 に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス２１の厚さとから放出電界（Ｖ／μｍ）を求めた。
【００２９】
その結果、実施例の放出電界は０．８Ｖ／μｍであったが、比較例のそれは１．２Ｖ／μｍであり、実施例は比較例に比べて十分に低い放出電界を有することが判明した。
【００３０】
なお、主体部３ａが前記のようなセシウムｍを含有しない場合にも、それ相当の効果が得られる。この種の冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明方法により製造される電子素子は、印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させることが可能であり、例えば冷陰極素子として用いることが可能な、高い実用性を持つ電子素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  陰極ユニットの実施例の断面図である。
【図２】  表面層に関するＸ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルである。
【図３】  超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図４】  前記装置によるビームスペクトルである。
【図５】  形成直後の主体部の説明図である。
【図６】  経時変化後の主体部の説明図である。
【図７】  陰極ユニットの比較例の断面図である。
【図８】  主体部に関するラマン分光法による分析結果を示すチャートである。
【図９】  実施例に関する原子間力顕微鏡による表面写真の要部拡大写図である。
【図１０】  比較例に関する原子間力顕微鏡による表面写真の要部拡大写図である。
【図１１】  放出電界測定方法の説明図である。
【符号の説明】
１        陰極ユニット
２        陰極板
３        冷陰極素子（電子素子）
３ａ      主体部
３ｂ      表面層
ｉ        界面
ｍ        セシウム
ｐ        突起
ｒ        凸部
【図１】
0004104248.tif 000003
【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】
0004104248.tif 000008
【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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