(57)【要約】 【課題】効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するフィールドエミッション装置等を提供する。【解決手段】フィールドエミッション装置１０１は、導電体からなるカソード層１０２と、カソード層上に配置される絶縁層１０３と、絶縁層１０３上に配置され、スリット１０６を設けた導電体からなるゲート層１０４と、エミッタ１０５と、を備え、絶縁層１０３は、当該スリット１０６から、カソード層１０２において当該スリット１０６に対向する対向領域１０８に至る空隙が設けられ、エミッタ１０５は、当該対向領域１０８上に配置された複数の、典型的には単層乃至３層の細いカーボンナノチューブが絡み合った棘状の突端を有する構造体からなる。【選択図】図１
2009245672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体からなるカソード層と、
前記カソード層上に配置される絶縁層と、
前記絶縁層上に配置され、スリットを設けた導電体からなるゲート層と、
を備え、
前記絶縁層は、当該スリットから、前記カソード層において当該スリットに対向する対向領域に至る空隙が設けられ、
当該対向領域上に配置された複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタと、
をさらに備えることを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフィールドエミッション装置であって、
当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部は、当該対向領域から当該スリットに向かって伸び、
当該構造体の概形は、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフィールドエミッション装置であって、
当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、もしくは、３層カーボンナノチューブである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項４】
請求項３に記載のフィールドエミッション装置であって、
当該スリットの幅は、０.１μｍ乃至３μｍであり、
当該スリットの長さは、１０μｍ乃至５００μｍであり、
当該絶縁層の厚さは、０.０３μｍ乃至１０μｍであり、
当該カーボンナノチューブの直径は、０.４ｎｍ乃至１０ｎｍであり、
当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、１μｍ2あたり１０2本乃至１０5本である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項５】
請求項４に記載のフィールドエミッション装置であって、
当該スリットは、平行に複数設けられ、
当該複数のスリットの間隔は、１μｍ乃至１０００μｍである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項６】
請求項３から５のいずれか１項に記載のフィールドエミッション装置であって、
前記エミッタと、前記カソード層と、の間に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層
をさらに備え、
当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制するために、当該触媒層を担持する触媒担体層
をさらに備えることを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項７】
請求項６に記載のフィールドエミッション装置であって、
前記カソード層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物、ｎ型もしくはｐ型のドープ多結晶シリコンによる単層構造、もしくは、これらとAlまたはCuの積層構造、もしくは、AlまたはCuのクラッド構造により形成され、
前記ゲート層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物による単層構造、ｎ型もしくはｐ型のドープ多結晶シリコンの一部をシリサイド化した積層構造により形成され、
前記触媒担体層は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか１つ以上の元素を含む物質により形成され、
前記触媒層は、コバルト、鉄、ニッケル、モリブデン、もしくは、これらを含む混合物により形成され、
前記絶縁層は、SiOx、SiOxNy、SiNxの単層構造、もしくは、これらの積層構造により形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。
【請求項８】
基板上に、導電体からなるカソード層を成膜するカソード層成膜工程、
前記成膜されたカソード層上に、絶縁体からなる絶縁層を成膜する絶縁層成膜工程、
前記成膜された絶縁層上に、導電体からなるゲート層を成膜するゲート層成膜工程、
前記成膜されたゲート層に、スリットを設けるスリット工程、
前記設けられたスリットを介して、前記カソード層の当該スリットに対向する対向領域が露出するように、前記絶縁層を除去して空隙を設ける空隙工程、
当該対向領域上に、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタを形成するエミッタ形成工程
を備えることを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
前記エミッタ形成工程では、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部を、当該対向領域から当該スリットに向かって伸ばし、当該構造体の概形を、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状とする
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
当該カーボンナノチューブは、炭素を供給する化学気相成長法により形成され、
当該カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、もしくは、３層カーボンナノチューブとなるように、当該炭素源の供給濃度ならびに供給時間を設定する
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
当該スリットの幅は、０.１μｍ乃至３μｍであり、
当該スリットの長さは、１０μｍ乃至５００μｍであり、
当該絶縁層の厚さは、０.０３μｍ乃至１０μｍであり、
当該カーボンナノチューブの直径は、０.４ｎｍ乃至１０ｎｍであり、
当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、１μｍ2あたり１０2本乃至１０5本である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
当該スリットは、平行に複数設けられ、
当該複数のスリットの間隔は、１μｍ乃至１０００μｍである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
当該スリットは、当該ゲート層上にレジスト層を形成し、リソグラフィ、スタンプ、スクラッチ、もしくは、亀裂形成によって、当該レジスト層にスリットを形成し、当該スリットを介して、当該ゲート層をエッチングすることにより形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１０から１３のいずれか１項に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
当該対向領域が露出した後に、当該スリットを介して、当該対向領域上に、触媒担体層を形成する触媒担体層工程、
当該スリットを介して、当該触媒担体層の上に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層を形成して、当該触媒担体層に担持させる触媒層工程
をさらに備え、
触媒担体層に、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制させる
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のフィールドエミッション装置の製造方法であって、
前記カソード層と、前記ゲート層と、は、モリブデンを供給するスパッタ法により形成され、
前記触媒担体層は、酸化アルミニウムを供給するスパッタ法により形成され、
前記触媒層は、コバルトを供給するスパッタ法により形成され、
前記絶縁層は、酸化ケイ素を供給する化学気相成長法により形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カーボンナノチューブを利用した電子装置が各種提案されている。このような技術は、たとえば、下記の文献に開示されている。
【特許文献１】特開２００６−０３５３７９号公報
【０００３】
ここで、[特許文献１]には、基板上に穴の開いたマスクを設置し、触媒物質を供給して基板上に担持し、そこからカーボンナノチューブを成長させる形成する技術が開示されている。
【０００４】
ここで、穴の空いた導体をゲート層とし、導体である基板をカソード層とし、カーボンナノチューブをエミッタとして利用すれば、フィールドエミッション装置が形成できると考えられる。
【０００５】
従来、カーボンナノチューブを利用したフィールドエミッション装置では、カーボンナノチューブ自身を支えるため、その直径を太くするのが一般的であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、太いカーボンナノチューブをエミッタとして利用すると、電界集中の度合が低くなり、駆動電圧が高くなるほか、エミッタとなるカーボンナノチューブの実装密度が低く、カーボンナノチューブ１本あたりの電流量が増加するために、カーボンナノチューブ自体が破壊される可能性が高くなり、ますますカーボンナノチューブを太くしなければならない、という悪循環に陥ってしまう。
【０００７】
一方、[特許文献１]に開示される技術では、細いカーボンナノチューブを形成できるため、電界集中を効率的に起こすことはできるものの、エミッタから放出される電子の量が少ないことが多い。
【０００８】
そこで、細いカーボンナノチューブを利用して電界集中を効率良く起こす一方で、放出される電子の量もできるだけ多くしたい、という要望は強い。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、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】
本発明の第１の観点に係るフィールドエミッション装置は、導電体からなるカソード層と、カソード層上に配置される絶縁層と、絶縁層上に配置され、スリットを設けた導電体からなるゲート層と、エミッタと、を備え、以下のように構成する。
【００１１】
すなわち、絶縁層は、当該スリットから、カソード層において当該スリットに対向する対向領域に至る空隙が設けられる。
【００１２】
一方、エミッタは、当該対向領域上に配置された複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなる。
【００１３】
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部は、当該対向領域から当該スリットに向かって伸び、当該構造体の概形は、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状であるように構成することができる。
【００１４】
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、もしくは、３層カーボンナノチューブであるように構成することができる。
【００１５】
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該スリットの幅は、０.１μｍ乃至３μｍであり、当該スリットの長さは、１０μｍ乃至５００μｍであり、当該絶縁層の厚さは、０.０３μｍ乃至１０μｍであり、当該カーボンナノチューブの直径は、０.４ｎｍ乃至１０ｎｍであり、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、１μｍ2あたり１０2本乃至１０5本であるように構成することができる。
【００１６】
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該スリットは、平行に複数設けられ、当該複数のスリットの間隔は、１μｍ乃至１０００μｍであるように構成することができる。
【００１７】
また、本発明のフィールドエミッション装置は、エミッタと、カソード層と、の間に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層をさらに備え、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制するために、当該触媒層を担持する触媒担体層をさらに備えるように構成することができる。
【００１８】
また、本発明のフィールドエミッション装置は、以下のように構成することができる。
【００１９】
すなわち、カソード層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物、ｎ型もしくはｐ型のドープ多結晶シリコンによる単層構造、もしくは、これらとAlまたはCuの積層構造、もしくは、AlまたはCuのクラッド構造により形成される。
【００２０】
一方、ゲート層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物による単層構造、ｎ型もしくはｐ型のドープ多結晶シリコンの一部をシリサイド化した積層構造により形成される。
【００２１】
さらに、触媒担体層は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか１つ以上の元素を含む物質により形成される。
【００２２】
そして、触媒層は、コバルト、鉄、ニッケル、モリブデン、もしくは、これらを含む混合物により形成される。
【００２３】
一方、絶縁層は、SiOx、SiOxNy、SiNxの単層構造、もしくは、これらの積層構造により形成される。
【００２４】
本発明のその他の観点に係るフィールドエミッション装置の製造方法は、カソード層成膜工程、絶縁層成膜工程、ゲート層成膜工程、スリット工程、空隙工程、エミッタ形成工程を備え、以下のように構成する。
【００２５】
すなわち、カソード層成膜工程では、基板上に、導電体からなるカソード層を成膜する。
【００２６】
一方、絶縁層成膜工程では、成膜されたカソード層上に、絶縁体からなる絶縁層を成膜する。
【００２７】
さらに、ゲート層成膜工程では、成膜された絶縁層上に、導電体からなるゲート層を成膜する。
【００２８】
そして、スリット工程では、成膜されたゲート層に、スリットを設ける。
【００２９】
一方、空隙工程では、設けられたスリットを介して、カソード層の当該スリットに対向する対向領域が露出するように、絶縁層を除去して空隙を設ける。
【００３０】
さらに、エミッタ形成工程では、当該対向領域上に、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタを形成する。
【００３１】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、エミッタ形成工程では、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部を、当該対向領域から当該スリットに向かって伸ばし、当該構造体の概形を、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状とするように構成することができる。
【００３２】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該カーボンナノチューブは、炭素を供給する化学気相成長法により形成され、当該カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、もしくは、３層カーボンナノチューブとなるように、当該炭素源の供給濃度ならびに供給時間を設定するように構成することができる。
【００３３】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットの幅は、０.１μｍ乃至３μｍであり、当該スリットの長さは、１０μｍ乃至５００μｍであり、当該絶縁層の厚さは、０.０３μｍ乃至１０μｍであり、当該カーボンナノチューブの直径は、０.４ｎｍ乃至１０ｎｍであり、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、１μｍ2あたり１０2本乃至１０5本であるように構成することができる。
【００３４】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットは、平行に複数設けられ、当該複数のスリットの間隔は、１μｍ乃至１０００μｍであるように構成することができる。
【００３５】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットは、当該ゲート層上にレジスト層を形成し、リソグラフィ、スタンプ、スクラッチ、もしくは、亀裂形成によって、当該レジスト層にスリットを形成し、当該スリットを介して、当該ゲート層をエッチングすることにより形成されるように構成することができる。
【００３６】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法は、触媒担体層工程、触媒層工程をさらに備え、以下のように構成することができる。
【００３７】
すなわち、触媒担体層工程では、当該対向領域が露出した後に、当該スリットを介して、当該対向領域上に、触媒担体層を形成する。
【００３８】
一方、触媒層工程では、当該スリットを介して、当該触媒担体層の上に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層を形成して、当該触媒担体層に担持させる。
【００３９】
このようにして、触媒担体層に、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制させる。
【００４０】
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、カソード層と、ゲート層と、は、モリブデンを供給するスパッタ法により形成され、触媒担体層は、酸化アルミニウムを供給するスパッタ法により形成され、触媒層は、コバルトを供給するスパッタ法により形成され、絶縁層は、酸化ケイ素を供給する化学気相成長法により形成されるように構成することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【実施例１】
【００４３】
図１は、本発明の実施形態の１つに係るフィールドエミッション装置の様子を示す斜視図であり、図２は、当該フィールドエミッション装置の断面図である。以下、これらの図を参照して説明する。
【００４４】
これらの図に示すように、フィールドエミッション装置１０１は、カソード層１０２、絶縁層１０３、ゲート層１０４、エミッタ１０５を備える。
【００４５】
カソード層１０２およびゲート層１０４は、モリブデンなどの導電体からなる薄膜平板状の形状を有し、この両者に酸化ケイ素などの絶縁体からなる絶縁層１０３が挟まれている。
【００４６】
なお、カソード層１０２としてモリブデン等を利用する場合には、酸化膜付きシリコン基板やガラス板などの基板１２１の上に導電体の薄膜を形成するのが一般的であるが、カソード層１０２として導電性を有するドープシリコン基板そのものを利用することも可能である。
【００４７】
そして、ゲート層１０４には、スリット１０６が設けられており、このスリット１０６からカソード層１０２に至るまでの間、絶縁層１０３には空隙１０７が設けられる。
【００４８】
一般に、空隙１０７の形状は、本図では、理解を容易にするため、斜面状に描いているが（以下同様）、スリット１０６を中心とするような半円柱、蒲鉾状、直方体状などの形状をなすように構成することも可能である。これらの形状は、エッチングに採用する手法やその条件によって、適宜選択が可能である。
【００４９】
エミッタ１０５は、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなり、当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ、もしくは、３層カーボンナノチューブ等、細い構造である。
【００５０】
当該エミッタ１０５が配置されるのは、カソード層１０２のうち、空隙１０７に対して露出しており、スリット１０６に対向している対向領域１０８上である。その概形は、細いカーボンナノチューブが互いに支え合うとともに、その突端の一部が棘のように外部に突き出ている。
【００５１】
典型的には、カソード層１０２表面を平野と考えた場合の山脈のような形状、カソード層１０２表面を平地と考えた場合の樹列状もしくは帯状に芝生が生えているような形状、あるいは、ブラシの毛の部分が平面上に帯状に生えているような形状である。以下、これらの形状、構造を「棘状構造」と呼ぶ。本図においては、この棘状構造の概形が山脈状のものを図示している。
【００５２】
本図においては、スリット１０６は１個だけ示しているが、フィールドエミッション装置１０１をフィールドエミッションディスプレイ（Field Emission Display）用の素子として利用する場合には、同じ幅（たとえば、０.１μｍ乃至３μｍ）、同じ長さ（たとえば、１０μｍ乃至５００μｍ）のスリット１０６を複数、平行に等間隔（たとえば、１μｍ乃至１０００μｍ間隔。）配置して、そのそれぞれに対向する対向領域１０８から、棘状構造のカーボンナノチューブによるエミッタ１０５が、スリット１０６の方向へ伸びている。
【００５３】
絶縁層１０３の厚さは、典型的には０.０３μｍ乃至１０μｍであり、エミッタ１０５を構成するカーボンナノチューブは単層乃至３層であるから、その直径は、典型的には、０.４ｎｍ乃至１０ｎｍである。また、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、１μｍ2あたり１０2本乃至１０5本である。
【００５４】
なお、エミッタ１０５を構成するカーボンナノチューブを上記のような数密度で成長させるため、エミッタ１０５と、カソード層１０２と、の間には、モリブデン、コバルト、鉄もしくはニッケル等の遷移金属からなる触媒層１１２が配置されている。触媒層１１２に用いる触媒としては、コバルト−モリブデン、もしくは、鉄−モリブデンの２元系が、特に有効と考えられるが、これには限られず、上記の遷移金属を含む混合物を利用することができる。
【００５５】
また、触媒層１１２とカソード層１０２との合金化を抑制するため、ならびに、当該触媒層１１２を担持するため、触媒担体層１１１が配置されている。
【００５６】
触媒担体層１１１は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか１つ以上の元素を含む物質により形成され、たとえば、AlOxやアルミノシリケート（AlOxとSiOxの複合酸化物）などにより形成される。
【００５７】
従来のフィールドエミッション装置では、ゲート層に丸い穴を形成し、この穴に向かって数本のカーボンナノチューブを自立させてエミッタとしていた。このため、カーボンナノチューブの直径は太くなり、電界集中の効率が悪くなるため駆動電圧が高くなり、このためさらにカーボンナノチューブの直径が太くしなければならず、という悪循環が生じていた。
【００５８】
本実施形態では、細いカーボンナノチューブが互いに絡み合い、支え合って棘状構造となってスリット１０６に向かうため、エミッタ１０５の各先端は細いままとすることができ、極めて先鋭になる。したがって、効率的に電界集中を図ることができ、たとえばＦＥＤとして使用する場合には、駆動電圧を低減することができる。
【００５９】
また、エミッタ１０５を形成するカーボンナノチューブは、触媒層１１２を適切な密度で分布させることで、短時間（典型的には、数秒程度である。）で自己組織的に並んで成長するため、製造が容易である。
【００６０】
また、従来のフィールドエミッション装置においてゲート層に丸い穴を空けるには、リソグラフィー等の高価なパターン形成技術を使わざるをえなかったが、本実施形態では、スリット１０６の形成にあたっては、リソグラフィーはもちろん、スタンプやスクラッチ、亀裂形成など、機械的なパターン形成技術を利用することもでき、製造コストを低減することができる。
【００６１】
従来提案されていたゲート層に穴を形成しその下にエミッタを点状に配置する手法比べると、本実施形態ではゲート層１０４にスリット１０６を形成しその下にエミッタ１０５を直線状に配置することで、エミッタ１０５の実装密度を大きく向上することができる。このため、結果としてエミッション電流を大きく向上できる。なお、エミッタ１０５の実装密度は、少なくとも２桁程度向上させることができることが、実験により判明している。
【００６２】
なお、本実施形態においてエミッタ１０５を直線状に配置できるのは、電界集中が効果的に起きる細いカーボンナノチューブでエミッタ１０５を構成しているからである。従来の太いカーボンナノチューブでは電界集中が不十分なために直線状の配置は不適である。
【００６３】
以下、本実施形態に係るフィールドエミッション装置１０１の製造方法の一例について、詳細に説明する。なお、以下に示す数値諸元は、用途に応じて適宜変更、調整が可能である。
【００６４】
図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ｅ）〜（ｆ）、図５（ｇ）〜（ｈ）、図６（ｉ）〜（ｊ）、図７（ｋ）〜（ｌ）は、フィールドエミッション装置１０１を製造する過程を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。
【００６５】
まず、フィールドエミッション装置１０１が形成されるべき基板１２１として、ガラス板もしくは酸化膜付きのシリコン基板を用意し（図３（ａ））、当該基板１２１上にモリブデンをスパッタ法で約１００ｎｍ厚に成膜して、カソード層１０２を形成する（図３（ｂ））。
【００６６】
さらに、酸化ケイ素をＣＶＤ法で１μｍ厚に成膜して、絶縁層１０３を形成する（図３（ｃ））。
【００６７】
ついで、モリブデンをスパッタ法で約１００ｎｍ厚に成膜して、ゲート層１０４を形成する（図３（ｄ））。
【００６８】
さらに、パターン成形のためのレジストを塗布してレジスト層３０１を形成し（図４（ｅ））、電子ビームリソグラフィやフォトリソグラフィ等により、レジスト層３０１にパターン３０２を形成する（図４（ｆ））。一般には、スリット１０６が複数あるのに合わせてパターン３０２の数も複数となり、パターン３０２のスリット幅は、本実施形態では、０.１μｍ〜０.５μｍとし、パターン３０２同士の間隔は、５μｍ間隔としているが、本図では、パターン３０２が１個の状態を図示している。
【００６９】
そして、リン酸、酢酸、硝酸の混合液により、ゲート層１０４のエッチングを行ってスリット１０６を形成する（図５（ｇ））。
【００７０】
なお、スリット１０６の形成には、レジスト層３０１の塗布からエッチングに至るまでの処理を実行する他、上記のように、スタンプやスクラッチ等の機械的なパターニング手法を採用することもできる。
【００７１】
さらに、フッ酸水溶液により、絶縁層１０３のエッチングを行って空隙１０７を形成する（図５（ｈ））。
【００７２】
次に、酸化アルミニウムをスパッタ法により１０ｎｍ厚で成膜して、カソード層１０２が空隙１０７に対して露出している対向領域１０８上に、触媒担体層１１１を形成する（図６（ｉ））。なお、この際には、レジスト層３０１上にも、同程度の厚さの酸化アルミニウム層３０３が形成される。
【００７３】
この後、レジスト層３０１およびレジスト層３０１上の酸化アルミニウム層３０３を剥離液により剥離する（図６（ｊ））。
【００７４】
そして、スリット１０６を介してコバルトをスパッタ法により供給し、触媒担体層１１１の表面に１ｎｍの厚さで成膜することにより、触媒層１１２を形成する（図７（ｋ））。
【００７５】
触媒担体層１１１は、触媒層１１２とカソード層１０２とが合金化するのを防止するとともに、触媒層１１２の上にカーボンナノチューブが成長する際に、その成長をさらに促す役割を果たす。
【００７６】
なお、ゲート層１０４上にも触媒層が形成されるが、触媒担体層が間に存在しないために、この触媒層はゲート層１０４と合金化してしまう。したがって、ゲート層１０４上に触媒層が形成されたとしても、その作用をなくすことができる。
【００７７】
なお、レジスト層３０１および酸化アルミニウム層３０３の剥離と、触媒層１１２の形成との順序は入れ換えても良い。
【００７８】
この後、アルコール等の炭素源を供給するＣＶＤ処理により、触媒層１１２からカーボンナノチューブを成長させて、エミッタ１０５を形成する（図７（ｌ））。ＣＶＤ装置を駆動する条件の例としては、触媒還元時には、水素とアルゴンの混合体を、気圧２０トリチェリ（約２６７０Ｐａ）、気温８００℃で最大１０分間供給することができ、カーボンナノチューブ成長時には、エタノールとアルゴンの混合体を、気圧３０トリチェリ（約４０００Ｐａ）、気温８００℃で最大１分間供給することができる。
【００７９】
このようにして、フィールドエミッション装置１０１が製造される。なお、上記の製造条件は、変更が可能であり、種々の変形例についても、本発明の範囲に含まれる。
【００８０】
たとえば、各部材の材料については、以下のような態様を考えることができる。
【００８１】
まず、カソード層１０２やゲート層１０４としては、Mo，W，Ta，MoW，MoTa，Cr等の金属ないし合金、ｎ型もしくはｐ型のドープ多結晶シリコン、TaSix，MoSix，WSix，CrSixなどの金属シリサイド、TiN，TaNなどの金属窒化物を採用することができ、両層で異なる材料を採用しても良い。
【００８２】
次に、カソード層１０２としては、上記材料の単層構造を採用するのが典型的であるが、パネルの大型化で抵抗が問題になる場合には、低温プロセスによってフィールドエミッション装置１０１を製造することも可能である。この場合、カソード層１０２としては、上記共通材料とAlないしCuの積層構造、もしくは、上記共通材料とAlないしCuのクラッド構造とすることもできる。ここで、「クラッド構造」とは、AlないしCuの表面を上記材料で覆い、耐薬品性等を付与したものである。
【００８３】
さらに、ゲート層１０４としては、多結晶シリコンの一部をシリサイド化したものとしても良い。これは、触媒層１１２を形成するためにCo，Nｉ，Mo，Feなどを撒くと、ゲートのシリコンの一部がCoSix，NｉSix，MoSix，FeSixとなり抵抗が下がるためである。
【００８４】
ゲート層１０４をポリシリコンにした場合は、触媒層１１２の形成時にセルフアラインが生じるため、ゲート層１０４は、必然的にシリサイドとの積層構造になる。この場合は、低抵抗化を図ることができるというメリットがあるが、パネルサイズによっては、ゲート層１０４を全体で一枚の層状とするのではなく、部材と配線とを組み合わせることで構成しても良い。
【００８５】
このほか、絶縁層１０３としては、上記のようなSiOxだけでなく、SiOxNy、SiNx、あるいは、これらの積層構造といった、Si，C，O，Nのいずれか１以上の元素を含む絶縁体を採用することも可能である。
【００８６】
（実験例）
以下では、種々の製造条件にて製造したフィールドエミッション装置１０１の性能を、実験により確かめた結果について説明する。実験は、Ａ〜Ｅの５種類のフィールドエミッション装置１０１を製造することにより行った。
【００８７】
フィールドエミッション装置１０１のゲート層１０４には、幅０.５μｍ、間隔５μｍ、長さ約０.５ｍｍのスリット１０６を、２ｍｍ×２ｍｍの区画に配置した。
【００８８】
酸化ケイ素による絶縁層１０３の厚さは１μｍとし、モリブデンによるゲート層１０４の厚さは１２０ｎｍとし、酸化アルミニウムによる触媒担体層１１１の厚さは１０ｎｍとし、触媒層１１２にはコバルトを使用した。
【００８９】
また、Ａ〜Ｅの５種類のそれぞれの諸元は以下の通りである。
【００９０】
（Ｓａｍｐｌｅ  Ａ）カソード層１０２はシリコン基板、触媒層１１２の厚さは１ｎｍ、ＣＶＤ時間は１５秒、ＣＶＤ温度は７００℃。
【００９１】
（Ｓａｍｐｌｅ  Ｂ）カソード層１０２はシリコン基板、触媒層１１２の厚さは１ｎｍ、ＣＶＤ時間は５秒、ＣＶＤ温度は８００℃。
【００９２】
（Ｓａｍｐｌｅ  Ｃ）カソード層１０２はシリコン基板、触媒層１１２の厚さは１.２ｎｍ、ＣＶＤ時間は５秒、ＣＶＤ温度は８００℃。
【００９３】
（Ｓａｍｐｌｅ  Ｄ）カソード層１０２はシリコン基板、触媒層１１２の厚さは１ｎｍ、ＣＶＤ時間は１５秒、ＣＶＤ温度は８００℃。
【００９４】
（Ｓａｍｐｌｅ  Ｅ）カソード層１０２は酸化膜付きシリコン基板の上にモリブデンを厚さ１４０ｎｍで形成し、触媒層１１２の厚さは１ｎｍ、ＣＶＤ時間は５秒、ＣＶＤ温度は８００℃。
【００９５】
図８、図９、図１０、図１１は、上記諸元で製造されたフィールドエミッション装置１０１の電子顕微鏡写真を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。図８には、Ｓａｍｐｌｅ  Ａが、図９には、Ｓａｍｐｌｅ  Ｂが、図１０には、Ｓａｍｐｌｅ  Ｃが、図１１には、Ｓａｍｐｌｅ  Ｄが、それぞれ示されている。
【００９６】
これらの写真に見られるように、カーボンナノチューブが絡み合って棘状構造をなしており、その外形がブラシ状、山脈状、芝生状、あるいは、樹列状の形状をなしていることがわかる。
【００９７】
また、特に図１０、図１１を見れば明らかなように、空隙１０７の形状は、スリット１０６を中心軸とする半円柱状、あるいは、蒲鉾型であることがわかる。
【００９８】
図１２は、Ｓａｍｐｌｅ  Ａ乃至Ｄにおけるゲート電圧とエミッタ（アノード）電流密度との関係を示すグラフである。以下、本図を参照して説明する。本図は、横軸がカソード層１０２とゲート層１０４の間に印加されるゲート電圧（Gate Voltage）を、縦軸がエミッタ１０５から電子が放出されることにより流れるアノード電流密度（Anode Current Density）を、それぞれ示す。
【００９９】
本図からは、Ｓａｍｐｌｅ  ＡおよびＳａｍｐｌｅ  Ｂが、Ｓａｍｐｌｅ  ＣおよびＳａｍｐｌｅ  Ｃに比べて、フィールドエミッション装置としての性能が高いことがわかる。
【０１００】
また、Ｓａｍｐｌｅ  Ｂにおいては、ゲート電圧７０Ｖに対してアノード電流密度１ｍＡ／ｃｍ2と、良好な値が得られていることがわかる。
【０１０１】
図１３は、Ｓａｍｐｌｅ  Ａ乃至Ｃを、フィールドエミッションディスプレーとして利用して発光させた様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。
【０１０２】
本図に示すように、Ｓａｍｐｌｅ  Ａでは２５Ｖを印加した時点で、Ｓａｍｐｌｅ  Ｂでは２０Ｖを印加した時点で、一様に発光が開始され、特にＳａｍｐｌｅ  Ｂにおいては、良好な発光現象が見られることがわかる。
【０１０３】
図１４は、Ｓａｍｐｌｅ  Ｂ、Ｓａｍｐｌｅ  Ｅにおけるゲート電圧とエミッション（アノード）電流密度との関係を示すグラフである。以下、本図を参照して説明する。本図は、横軸がカソード層１０２とゲート層１０４の間に印加されるゲート電圧（Gate Voltage）と、縦軸がエミッタ１０５から電子が放出されることにより流れるアノード電流密度（Anode Current Density）との関係を示している。
【０１０４】
本実験では、ゲート層１０４とアノード電極との間隔は１５０μｍとし、ゲート電圧は０Ｖ〜７０Ｖの間で変化され、アノード電圧（カソード層１０２とアノード電極との間の電圧）は、３００Ｖとし、真空度を１×１０-5Ｐａとした。
【０１０５】
本図に示す例とＳａｍｐｌｅ  Ｂとを比較すると、エミッション開始電圧が１５Ｖに低下するとともに、同じゲート電圧でみたときのアノード電流密度が向上していることがわかる。
【０１０６】
このように、本実施例に係るフィールドエミッション装置１０１の性能が良好であることが、実験により示された。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明によれば、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施形態の１つに係るフィールドエミッション装置の様子を示す斜視図である。
【図２】当該フィールドエミッション装置の断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、フィールドエミッション装置を製造する過程を示す断面図である。
【図４】（ｅ）〜（ｆ）は、フィールドエミッション装置を製造する過程を示す断面図である。
【図５】（ｇ）〜（ｈ）は、フィールドエミッション装置を製造する過程を示す断面図である。
【図６】（ｉ）〜（ｊ）は、フィールドエミッション装置を製造する過程を示す断面図である。
【図７】（ｋ）〜（ｌ）は、フィールドエミッション装置を製造する過程を示す断面図である。
【図８】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ａの電子顕微鏡写真を示す説明図である。
【図９】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ｂの電子顕微鏡写真を示す説明図である。
【図１０】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ｃの電子顕微鏡写真を示す説明図である。
【図１１】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ｄの電子顕微鏡写真を示す説明図である。
【図１２】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ａ乃至Ｄにおけるゲート電圧とエミッタ（アノード）電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ａ乃至Ｃを、フィールドエミッションディスプレーとして利用して発光させた様子を示す説明図である。
【図１４】フィールドエミッション装置のＳａｍｐｌｅ  Ｂ、Ｓａｍｐｌｅ  Ｅにおけるゲート電圧とエミッション（アノード）電流密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
１０１  フィールドエミッション装置
１０２  カソード層
１０３  絶縁層
１０４  ゲート層
１０５  エミッタ
１０６  スリット
１０７  空隙
１０８  対向領域
１１１  触媒担体層
１１２  触媒層
１２１  基板
３０１  レジスト層
３０２  パターン
３０３  酸化アルミニウム層
【図１】
2009245672.tif 000003
【図２】
2009245672.tif 000004
【図３】
2009245672.tif 000005
【図４】
2009245672.tif 000006
【図５】
2009245672.tif 000007
【図６】
2009245672.tif 000008
【図７】
2009245672.tif 000009
【図８】
2009245672.tif 000010
【図９】
2009245672.tif 000011
【図１０】
2009245672.tif 000012
【図１１】
2009245672.tif 000013
【図１２】
2009245672.tif 000014
【図１３】
2009245672.tif 000015
【図１４】
2009245672.tif 000016