(57)【要約】【課題】エミッタの低閾値電界化、高電流密度化、大面積化、安定化、長寿命化、および、低価格化を実現可能とする素材を提供すること。【解決手段】  ナノスケールのシリコン微細針状突起群が形成された基板であって、当該シリコン微細針状突起の先端には略球状の炭素系微粒子が形成されている電界電子放出用素材である。ここで、炭素系微粒子がダイヤモンドを主成分とする微粒子であることが好ましく、これは、メタンガスプラズマＣＶＤにより形成できる。【選択図】図８
2009076340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールのシリコン微細針状突起群が形成された基板であって、当該シリコン微細針状突起の先端には略球状の炭素系微粒子が形成されていることを特徴とする電界電子放出用素材。
【請求項２】
炭素系微粒子がダイヤモンドを主成分とする微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出用素材。
【請求項３】
シリコン微細針状突起群は陽極化成法により、または陽極化成法と異方性エッチングとを組み合わせた方法により形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電界電子放出用素材。
【請求項４】
球状の炭素系微粒子はメタンガスプラズマＣＶＤにより形成されたものであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電界電子放出用素材。
【請求項５】
ナノスケールのシリコン微細針状突起群が形成された基板を、メタンガスを用いたプラズマＣＶＤにより処理し、当該シリコン微細針状突起先端に略球状の炭素系微粒子を形成することを特徴とする電界電子放出用素材形成方法。
【請求項６】
炭素系微粒子がダイヤモンドを主成分とする微粒子となるようにプラズマＣＶＤを制御することを特徴とする請求項５に記載の電界電子放出用素材形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界電子放出用素材および電界電子放出用素材形成方法に関し、特に、低閾値電圧、高効率電子放出を実現する安定な電界電子放出用素材およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源やエックス線源、またはディスプレイといったデバイスの電子放出源（エミッタ）の需要が急速に伸びている。中でも、半導体加工技術を駆使して基板上にミクロンサイズの電界放出型カソードを多数形成したフラットディスプレイ装置としてＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）が注目されている。特に、モバイル機器の普及と共に、携帯型情報通信機器のバックライトやディスプレイなどの光源には、軽量で低消費電力が要求されるようになってきており、この分野の重要度は今後も更に増すものと見込まれている。
【０００３】
ＦＥＤの原理は、強い電界によりマイクロディップと呼ばれる微小突起から放出された電子が加速され、蛍光物質と衝突して発光するもので、電子を放出するカソードは電界放出型カソード（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃａｔｈｏｄｅ）と呼ばれている。そして、このようなカソードとして、Ｍｏ，Ｓｉ，ダイヤモンドが候補材料として研究されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９３７７５号
【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、従来の技術では以下の問題点があった。まず、Ｍｏにあっては、高融点金属であるため電極蒸着に特殊な装置が必要であって加工が困難であるという問題点があった。また、シリコンは、加工は比較的容易であるもののエミッションが不安定で寿命が短く、高融点金属膜による被覆が必要なため、結果としてＭｏと同様の問題点を内包する。また、ダイヤモンドは、電子親和力の観点からエミッション効率が高いとされているが、これも加工が困難であって、また、要求される広面積の単結晶が製造しにくいなどの問題点があった。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、エミッタの低閾値電界化、高電流密度化、大面積化、安定化、長寿命化、および、低価格化を実現可能とする素材を提供することを目的とする。また、当該素材を簡便安価に製造する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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の電界電子放出用素材は、ナノスケールのシリコン微細針状突起群が形成された基板であって、当該シリコン微細針状突起の先端には略球状の炭素系微粒子が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、請求項１に係る発明は、針状突起により印加電圧が小さくとも高電界を形成し、その先端を電子親和力の小さな素材として、電子放出を重畳的に促進させる。
【０００９】
また、請求項２に記載の電界電子放出用素材は、請求項１に記載の電界電子放出用素材において、炭素系微粒子がダイヤモンドを主成分とする微粒子であることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、請求項２に係る発明は、極めて小さいもしくは負の電子親和力を有するダイヤモンドを介して、電子放出を容易とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の電界電子放出用素材は、請求項１または２に記載の電界電子放出用素材において、シリコン微細針状突起群は陽極化成法により、または陽極化成法と異方性エッチングとを組み合わせた方法により形成されたものであることを特徴とする。
【００１２】
すなわち、請求項３に係る発明は、基板上にシリコン微細針状突起群を簡便に形成可能となる。
【００１３】
また、請求項４に記載の電界電子放出用素材は、請求項１、２または３に記載の電界電子放出用素材において、球状の炭素系微粒子はメタンガスプラズマＣＶＤにより形成されたものであることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、請求項４に係る発明は、球状の炭素系微粒子を簡便に形成可能となる。
【００１５】
また、請求項５に記載の電界電子放出用素材形成方法は、ナノスケールのシリコン微細針状突起群が形成された基板を、メタンガスを用いたプラズマＣＶＤにより処理し、当該シリコン微細針状突起先端に略球状の炭素系微粒子を形成することを特徴とする。
【００１６】
すなわち、請求項５に係る発明は、簡便に電界電子放出用素材を形成可能となる。
【００１７】
また、請求項６に記載の電界電子放出用素材形成方法は、請求項５に記載の電界電子放出用素材形成方法において、炭素系微粒子がダイヤモンドを主成分とする微粒子となるようにプラズマＣＶＤを制御することを特徴とする。
【００１８】
すなわち、本発明は、電子放出の効率を高める基板を提供可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、放出電界閾値が低く放出電流は大きく安定長寿命の大面積基板が提供可能となる。また、当該基板を簡便安価に製造する方法を提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。ここではまず、陽極化成法によりシリコン基板にナノスケールの微細針状突起群を形成し、次にその先端に炭素系微粒子を付着する方法について説明する。
【００２１】
＜製造例＞
１．微細針状突起基板の形成
まず、加工の容易なシリコン基板を陽極化成法により処理する。図１は、シリコン基板を用いた陽極化成法の概念図である。シリコン基板を陽極、白金電極を陰極として、たとえば、フッ酸：水：イソプロピルアルコールを体積比で１：１：６にまぜた化成液に電流密度を４４ｍＡ／ｃｍ２として２７℃で３０分間化成する。これにより、シリコン基板表面に微小な針状突起群が形成される。図２は、上記の実験条件で陽極化成法によってシリコン基板を処理した後の表面の様子を示した写真である。図から明らかなように、１μｍ〜２μｍ径、高さが１０μｍ程度の微細な針状突起群が形成されていることが確認できる。
【００２２】
２．炭素系微粒子の形成
次に、針状突起の上に、略球状の炭素系微粒子を形成し電界電子放出用基板を作成する。これは、水素とメタンの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤによりおこなう。使用するチャンバーにより各種条件は異なるが、本願発明者の実験環境においては、たとえば、プラズマ電圧印加時間サイクルをＯＮ１５０μｓ、ＯＦＦ５０μｓ、炉内温度を５００℃として、体積比で水素：メタン＝９９：１の混合ガスを供給し、１２０Ｔｏｒｒの雰囲気下に基板を晒す。これにより、針状突起の先端のみに略球状の炭素系微粒子が形成される。図３は、炭素系微粒子が形成された様子を示した写真である。また、図４は、特に先端部分を拡大した写真である。図から明らかなように、粒子は略球状で針状突起の径と同程度であり、先端部分に形成されていることが確認できる。
【００２３】
この炭素系の微粒子のラマンスペクトルを測定したところ、１３３３ｃｍ−１にピークが観測され、ほとんどがダイヤモンド組成と特定でき、他の炭素成分が極めて少ないと特定できた（図５）。なお、図５では、ＣＶＤの処理時間と散乱強度の関係も図示している。また、図より６０分程度のＣＶＤ処理で十分にダイヤモンドが形成されることも確認できる。
【００２４】
３．特性評価
次に、得られた電界電子放出用素材基板の特性を評価した。図６に示すように、先端が半球面のプローブを基板に近づけ、印加電圧を調整し、電界と電流密度との関係を調べた。プローブの直径は５００μｍ、真空度は１０−７Ｔｏｒｒとして、基板とプローブとギャップを１０μｍ〜１００μｍ、印加電圧を２００Ｖ〜１９００Ｖに変化させて、電界強度と電流密度との関係を調べた。図７は、電界強度と電流密度との関係を示した図である。図示したように、ギャップが数十μｍ以上であれば、小さな電界であっても大きな電流密度が得られることが確認できた。
【００２５】
次に、基板とプローブとのギャップを４０μｍに固定して電流密度が１０−６Ａ／ｃｍ２となるときの電界強度を測定した。図８にその結果を示す。なお、ここでは、比較としてフラットなシリコン基板を上記と同様にＣＶＤ処理し、フラットな基板上に球状の炭素系微粒子を形成したものについても測定結果を印した。なお、横軸はＣＶＤの処理時間を示している。
【００２６】
図から明らかなように、ＣＶＤ処理していない場合には、基板は微細針状突起群のみが形成されている状態であるが、これと比して、球状の炭素系微粒子がその上に形成された場合では、電界強度は約半分まで低減することが確認できる。すなわち、同じエミッション電流密度を得るための電界強度が低くて済むことが確認できた。反対に、フラットな基板に炭素系微粒子が直接形成される場合では、微細針状突起群のみの場合と比較して、電界強度が上昇することが確認できた。すなわち、本実験から、針状突起形状だけでも球状微粒子だけでも電界強度は低下せず、両者を組み合わせて初めて電界強度が劇的に低下することが確認できる。換言すれば、所望のエミッション電流密度を得るときの電界強度、ひいては印加電圧が小さくて済み、効率のよい基板が作成できたということができる。
【００２７】
なお、本願発明者らは、種々の条件で製造をおこなった。微細針状突起基板の他の形成例としては、化成液として、フッ化水素：水：イソプロピルアルコール＝１：１：６を用い、化成時間３０分、化成電流密度２８Ａ／ｃｍ２として陽極化成法によりマクロポアを形成し、次いで、（１１１）面に対してエッチング速度が他の包囲を持つ面に比べて遅い性質を利用する異方性エッチング法により、マクロポアを有する基板をエッチングした。このときのエッチング液としては、８０℃のＫＯＨとイソプロピルアルコールの混合液を用いることができる。
【００２８】
また、ＣＶＤの条件としても、たとえば、基板５ｍｍ×５ｍｍをプラズマ反応炉内の陽極上におき、ＤＣプラズマ条件を以下のよう設定することができる。
ＤＣパルス電圧：５００Ｖ（ＯＮ２００μｓ、ＯＦＦ５０μｓ）
電流：１．０Ａ
炉内温度５００℃
ガス圧１２０Ｔｏｒｒ
Ｈ２ガス流量  １０００ｃｃ／ｍｉｎ，ＣＨ４ガス流量：１ｃｃ／ｍｉｎ
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、ＦＥＤの他、冷陰極管として種々の放電電極に適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】シリコン基板を用いた陽極化成法の概念図である。
【図２】陽極化成法によりシリコン基板を処理した後の表面の様子を示した写真である。
【図３】炭素系微粒子が形成された様子を示した写真である。
【図４】図３に示したもののうち、特に先端部分を拡大した写真である。
【図５】炭素系の微粒子に関するラマンスペクトルの測定結果を示した図である。
【図６】電界電子放出用素材基板の特性を評価する測定系の概念図である。
【図７】電界強度と電流密度との関係を示した図である。
【図８】基板とプローブとのギャップを４０μｍに固定して電流密度が１０−６Ａ／ｃｍ２となるときの電界強度を測定した結果を示した図である。
【図１】
2009076340.tif 000003
【図５】
2009076340.tif 000004
【図６】
2009076340.tif 000005
【図７】
2009076340.tif 000006
【図８】
2009076340.tif 000007
【図２】
2009076340.tif 000008
【図３】
2009076340.tif 000009
【図４】
2009076340.tif 000010