JP4414728B2 - Carbon processed body, manufacturing method thereof, and electron-emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、電子銃、電子管、真空管、フィールド・エミッション・ディスプレイ(FED)等に応用可能な電子放出素子などのカーボン加工体及びその製造方法並びに電子放出素子に関するものである。 The present invention relates to a carbon processed body such as an electron-emitting device applicable to an electron gun, an electron tube, a vacuum tube, a field emission display (FED) and the like, a manufacturing method thereof, and an electron-emitting device.
導電性カーボンの一つにカーボンナノチューブ(以下、CNTという)がある。このCNTは、非常に細いために先端に電界が集中し、低い電圧で電子を放出させることできる。また、印刷技術を使って、CNTよりFED等を形成することができると報告されている。 One of the conductive carbons is a carbon nanotube (hereinafter referred to as CNT). Since this CNT is very thin, an electric field is concentrated on the tip, and electrons can be emitted at a low voltage. It has also been reported that FEDs can be formed from CNTs using printing technology.
このようなCNTからなるカーボン加工体としては、例えば非特許文献1に記載されている電子放出素子が知られている。この文献に記載の電子放出素子は、基板上にNiやFe等の金属触媒をドット状に配置し、その部分にのみCNTを成長させることにより、基板上に複数の突起を形成したものである。
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、金属触媒を使ってCNTを成長させるため、突起の先端内部に触媒金属が残ってしまうことが多い。この触媒金属は、耐薬品性を有するカーボン中に埋め込まれているので、除去することが極めて困難である。また、成長を利用するので、突起の側壁面は、CNTが閉じた導電層となっており電子的に不活性である。以上により、電子放出素子の電子放出特性が低くなってしまう。 However, the following problems exist in the prior art. That is, since CNT is grown using a metal catalyst, the catalyst metal often remains inside the tip of the protrusion. Since this catalytic metal is embedded in the carbon having chemical resistance, it is very difficult to remove. In addition, since the growth is utilized, the side wall surface of the protrusion is a conductive layer in which the CNTs are closed and is electronically inactive. As a result, the electron emission characteristics of the electron-emitting device are lowered.
本発明の目的は、基板上の突起を電子的に活性にすることで、電気的特性を向上させることができるカーボン加工体及びその製造方法並びに電子放出素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a carbon processed body capable of improving electrical characteristics by electronically activating a protrusion on a substrate, a manufacturing method thereof, and an electron-emitting device.
本発明は、基板上に導電性カーボンからなる突起を形成してなるカーボン加工体であって、基板はSiC基板であり、突起は、導電性カーボンの六員環がSiC基板の上面に対して実質的に垂直に立った状態で根元まで延びている構造を有していると共に、熱分解法によってSiC基板上に導電性カーボンからなる層を形成してから、導電性カーボンからなる層をエッチング加工することにより形成されたものであり、突起の側面部には、エッチング加工によって六員環の壊れた導電性カーボンが存在していることを特徴とするものである。 The present invention is a carbon processed body formed by forming a protrusion made of conductive carbon on a substrate, wherein the substrate is a SiC substrate, and the protrusion has a six-membered ring of conductive carbon with respect to the upper surface of the SiC substrate. It has a structure that extends to the root in a substantially vertical state, forms a layer made of conductive carbon on the SiC substrate by pyrolysis , and then etches the layer made of conductive carbon machining der those formed by is, the side surface portion of the projection, and is characterized in that there exists a broken conductive carbon six-membered ring by an etching process.
このようなカーボン加工体を形成する場合は、カーボンの六員環が基板の上面に対して立った構造をもつような導電性カーボン層を基板の少なくとも上面側に形成し、この導電性カーボン層をエッチング加工することにより、基板上に突起を形成する。このとき、カーボンの六員環が基板の上面に対して立った構造を有する導電性カーボン層をエッチング加工するので、突起の側面部には六員環の壊れた(切れた)導電性カーボンが存在するようになり、突起が電子的に活性になる。また、導電性カーボンを成長させて突起を形成する場合と異なり、突起の先端内部に触媒金属が残ることは無い。以上により、本発明のカーボン加工体を電子放出素子として使用する場合には、突起から電子を放出させるためのしきい値電圧を低くできるため、電子放出特性を向上させることが可能となる。
このとき、基板はSiCからなっている。この場合には、上面が平坦なSiC基板を用意し、例えば熱分解法によって、カーボンナノチューブからなる導電性カーボン層をSiC基板の上面側に形成することで、カーボンの六員環がSiC基板の上面に対して立った構造を有する平坦なカーボン含有基板を得ることができる。これにより、カーボン含有基板の導電性カーボン層をエッチング加工して、カーボンナノチューブからなる複数の突起を形成した場合に、各突起の高さが殆ど均一になる。従って、カーボン加工体を電子放出素子として使用する場合に、各突起から効果的に電子放出電流を引き出すことができるため、電子放出特性を更に向上させることが可能となる。
In the case of forming such a carbon processed body, a conductive carbon layer is formed on at least the upper surface side of the substrate so that the six-membered ring of carbon stands on the upper surface of the substrate. Is etched to form protrusions on the substrate. At this time, since the conductive carbon layer having a structure in which the six-membered ring of carbon stands with respect to the upper surface of the substrate is etched, the broken (broken) conductive carbon of the six-membered ring is formed on the side surface of the protrusion. And the protrusion becomes electronically active. Further, unlike the case where the protrusion is formed by growing conductive carbon, the catalytic metal does not remain inside the tip of the protrusion. As described above, when the carbon processed body of the present invention is used as an electron-emitting device, the threshold voltage for emitting electrons from the protrusions can be lowered, so that the electron emission characteristics can be improved.
At this time, the substrate is made of SiC. In this case, an SiC substrate having a flat upper surface is prepared, and a conductive carbon layer made of carbon nanotubes is formed on the upper surface side of the SiC substrate by, for example, pyrolysis, so that the carbon six-membered ring is formed on the SiC substrate. A flat carbon-containing substrate having a structure standing with respect to the upper surface can be obtained. Thereby, when the conductive carbon layer of the carbon-containing substrate is etched to form a plurality of protrusions made of carbon nanotubes, the heights of the protrusions are almost uniform. Accordingly, when the carbon processed body is used as an electron-emitting device, an electron-emitting current can be effectively extracted from each protrusion, so that the electron-emitting characteristics can be further improved.
好ましくは、突起の先端が突起の根元に対して細くなっている。このような形状を有する突起は、導電性カーボン層をエッチング加工することによって形成可能であり、導電性カーボンの成長を利用して形成することは極めて困難である。突起の先端を突起の根元に対して細くすることにより、カーボン加工体を電子放出素子として使用する場合に、低電圧で突起に大きな電界をかけることができるので、突起から電子が放出されやすくなる。従って、しきい値電圧をより低くできるため、電子放出特性を更に向上させることが可能となる。 Preferably, the tip of the protrusion is thin with respect to the root of the protrusion. The protrusion having such a shape can be formed by etching the conductive carbon layer, and it is extremely difficult to form the protrusion using the growth of the conductive carbon. By making the tip of the protrusion thin with respect to the base of the protrusion, a large electric field can be applied to the protrusion at a low voltage when the carbon processed body is used as an electron-emitting device, so that electrons are easily emitted from the protrusion. . Therefore, since the threshold voltage can be further lowered, the electron emission characteristics can be further improved.
また、好ましくは、導電性カーボンはカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは非常に細いために、突起に電界をかけたときに、突起の先端に電界が集中しやすくなる。従って、カーボン加工体を電子放出素子として使用する場合に、非常に低い電圧で電子を放出させることできる。 Preferably, the conductive carbon is a carbon nanotube. Since carbon nanotubes are very thin, when an electric field is applied to the protrusion, the electric field tends to concentrate on the tip of the protrusion. Therefore, when the carbon processed body is used as an electron-emitting device, electrons can be emitted at a very low voltage.
さらに、好ましくは、突起は複数有し、複数の突起は、基板上に規則的に整列配置されている。これにより、カーボン加工体を電子放出素子として使用する場合に、各突起が有効に利用されるため、より良好な電子放出特性を得ることができる。 Further, preferably, a plurality of protrusions are provided, and the plurality of protrusions are regularly arranged on the substrate. Accordingly, when the carbon processed body is used as an electron-emitting device, each projection is effectively used, and thus better electron-emitting characteristics can be obtained.
また、好ましくは、突起は複数有し、各突起の高さの均一性が10%以下である。このように各突起の高さの均一性を高くすることにより、各突起から効果的に電子放出電流が引き出されるため、更に良好な電子放出特性が得られる。 Preferably, a plurality of protrusions are provided, and the height uniformity of each protrusion is 10% or less. By making the height uniformity of the protrusions in this way, an electron emission current is effectively drawn from each protrusion, so that even better electron emission characteristics can be obtained.
本発明のカーボン加工体の製造方法は、少なくとも上面側に導電性カーボンからなる層が設けられたカーボン含有基板を形成する工程と、カーボン含有基板上にマスクをパターンニングする工程と、導電性カーボンからなる層をエッチングすることにより突起を形成する工程とを含み、熱分解法によってSiC基板に導電性カーボンからなる層を形成することにより、カーボン含有基板を形成することを特徴とするものである。 The method for producing a carbon processed body of the present invention includes a step of forming a carbon-containing substrate provided with a layer made of conductive carbon on at least the upper surface side, a step of patterning a mask on the carbon-containing substrate, and conductive carbon. look including a step of forming a projection by etching a layer made of, by forming a layer of conductive carbon SiC substrate by thermal decomposition method, characterized in that to form a carbon-containing substrate is there.
このようにしてカーボン加工体を作ることにより、突起の側面部には六員環の壊れた(切れた)導電性カーボンが存在するようになり、突起が電子的に活性になる。また、導電性カーボンを成長させて突起を形成する場合と異なり、突起の先端内部に触媒金属が残ることは無い。以上により、カーボン加工体を電子放出素子として使用する場合には、突起から電子を放出させるためのしきい値電圧を低くできるため、電子放出特性を向上させることが可能となる。 By producing the carbon processed body in this manner, the conductive carbon having a broken (cut) six-membered ring is present on the side surface portion of the protrusion, and the protrusion becomes electronically active. Further, unlike the case where the protrusion is formed by growing conductive carbon, the catalytic metal does not remain inside the tip of the protrusion. As described above, when the carbon processed body is used as an electron-emitting device, the threshold voltage for emitting electrons from the protrusion can be lowered, so that the electron emission characteristics can be improved.
また、熱分解法によってSiC基板に導電性カーボンからなる層を形成することにより、カーボン含有基板を形成する。この場合には、カーボンの六員環がSiC基板の上面に対して立った構造を有する平坦なカーボン含有基板を得ることができる。これにより、カーボン含有基板における導電性カーボンからなる層をエッチング加工して、カーボンナノチューブからなる複数の突起を形成した場合に、各突起の高さが殆ど均一になる。 Moreover , a carbon-containing substrate is formed by forming a layer made of conductive carbon on the SiC substrate by a thermal decomposition method. In this case, a flat carbon-containing substrate having a structure in which a carbon six-membered ring stands with respect to the upper surface of the SiC substrate can be obtained. Thus, when the conductive carbon layer on the carbon-containing substrate is etched to form a plurality of protrusions made of carbon nanotubes, the heights of the protrusions are almost uniform.
また、本発明は、基板上に導電性カーボンからなる複数の突起を形成してなる電子放出素子であって、基板はSiC基板であり、突起は、導電性カーボンの六員環がSiC基板の上面に対して実質的に垂直に立った状態で根元まで延びている構造を有していると共に、熱分解法によってSiC基板上に導電性カーボンからなる層を形成してから、導電性カーボンからなる層をエッチング加工することにより形成されたものであり、突起の側面部には、エッチング加工によって六員環の壊れた導電性カーボンが存在していることを特徴とするものである。 The present invention is also an electron-emitting device in which a plurality of protrusions made of conductive carbon are formed on a substrate , the substrate is a SiC substrate, and the protrusions are made of a six-membered ring of conductive carbon made of a SiC substrate. It has a structure extending to the base in a state of being substantially perpendicular to the upper surface, and after forming a layer made of conductive carbon on the SiC substrate by a thermal decomposition method, der those formed by etching a layer serving is, the side surface portion of the projection, and is characterized in that there exists a broken conductive carbon six-membered ring by an etching process.
このような電子放出素子を形成する場合は、カーボンの六員環が基板の上面に対して立った構造をもつような導電性カーボン層を基板の少なくとも上面側に形成し、その導電性カーボン層をエッチング加工することにより、基板上に突起を形成する。このとき、カーボンの六員環が基板の上面に対して立った構造を有する導電性カーボン層をエッチング加工するので、突起の側面部には六員環の壊れた(切れた)導電性カーボンが存在するようになり、突起が電子的に活性になる。また、導電性カーボンを成長させて突起を形成する場合と異なり、突起の先端内部に触媒金属が残ることは無い。以上により、突起から電子を放出させる時のしきい値電圧を低くできるため、電子放出特性を向上させることが可能となる。 When forming such an electron-emitting device, a conductive carbon layer having a structure in which a carbon six-membered ring stands with respect to the upper surface of the substrate is formed on at least the upper surface side of the substrate. Is etched to form protrusions on the substrate. At this time, since the conductive carbon layer having a structure in which the six-membered ring of carbon stands with respect to the upper surface of the substrate is etched, the broken (broken) conductive carbon of the six-membered ring is formed on the side surface of the protrusion. And the protrusion becomes electronically active. Further, unlike the case where the protrusion is formed by growing conductive carbon, the catalytic metal does not remain inside the tip of the protrusion. As described above, the threshold voltage when electrons are emitted from the protrusions can be lowered, so that the electron emission characteristics can be improved.
本発明によれば、基板上に形成された突起は、導電性カーボンの六員環が基板の上面に対して実質的に垂直に立った状態で根元まで延びている構造を有していると共に、基板上に導電性カーボンからなる層を形成してから、導電性カーボンからなる層をエッチング加工することにより形成されている構成としたので、例えば突起の近傍に電極を配置して、突起から電子を放出させる場合に、電子放出特性を向上させることができる。 According to the present invention, the collision force, which is formed on the substrate, the six-membered ring of the conductive carbon has a structure which extends up to the base in a state of standing substantially perpendicular to the upper surface of the substrate In addition, since a layer made of conductive carbon is formed on the substrate and then the layer made of conductive carbon is etched, the electrode is arranged in the vicinity of the protrusion, for example. When electrons are emitted from the electron emission characteristics, the electron emission characteristics can be improved.
以下、本発明に係るカーボン加工体及びその製造方法並びに電子放出素子の好適な実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a carbon processed body, a manufacturing method thereof, and an electron-emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るカーボン加工体として電子放出素子の第1の実施形態を示す斜視図である。本実施形態の電子放出素子1は、基板2と、この基板2上に形成された複数の円柱状や角柱状の突起3(図では円柱状)とを備えている。このような電子放出素子1において、基板2にゲート電極(図示せず)を設けると共に、基板2の上面と対向するようにアノード電極(図示せず)を配置した状態で、ゲート電極とアノード電極との間に電圧を印加すると、各突起3に電界がかかり、各突起3の先端から電子が放出される。
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of an electron-emitting device as a carbon processed body according to the present invention. The electron-
各突起3は、基板2上に規則的に整列配置されている。各突起3の整列形態は、図1に示すような四角形状でも良いし、三角形状等であっても良い。また、各突起3をランダムに配列することも可能であるが、一つ一つの突起3を有効に利用し、高効率な電子放出特性を得るためには、各突起3を整列させたほうが有利である。なお、各突起3の直径は、例えば最大10μm程度であり、各突起3の高さは、例えば最大3μm程度である。
Each
突起3は、カーボンナノチューブ(以下、CNTという)、高配向グラファイト(Highly Oriented Pyrolitic Graphite:以下、HOPGという)、グラファイト等の導電性カーボンからなっている。突起3は、そのような導電性カーボンからなる層(以下、導電性カーボン層という)をエッチング加工することにより形成されている。
The
突起3がCNTからなる場合は、基板2は、SiCからなる基板(以下、SiC基板という)であるのが望ましい。突起3がHOPGからなる場合は、基板2は、HOPGからなる高配向グラファイト基板(以下、HOPG基板という)であるのが望ましい。
When the
また、突起3がCNTからなる構造では、図2(a)に示すように、突起3を形成する複数のCNT4が殆ど隙間なく束状に配置されている。このとき、突起3は、CNT4を形成するカーボンの六員環が基板2の上面に対して実質的に垂直に立った構造を有している。ここで、「カーボンの六員環が実質的に垂直に立った構造」とは、基板2の上面に対して斜めであっても突起3の根元まで延びている六員環をも含むものをいう。
In the structure in which the
一方、突起3がHOPGからなる構造では、図2(b)に示すように、突起3を形成する複数のグラファイト層5が殆ど隙間なく束状に配置されている。このとき、突起3は、グラファイト層5を形成するカーボンの六員環が基板2の上面に対して実質的に垂直に立った構造を有している。
On the other hand, in the structure in which the
突起3は、上述したように導電性カーボン層をエッチング加工して形成されるが、カーボンの六員環が基板2の上面に対して立った構造を有する導電性カーボン層をエッチングすると、突起3の側面部の至るところで、六員環が切れた(破壊された)状態となる。また、カーボンの六員環が立った構造では、六員環同士が剥離しにくいため、電界や機械的な強度に対して強くなり、突起3の耐久性が高くなる。
The
次に、以上のような電子放出素子1を製造する方法について、図3により説明する。
Next, a method for manufacturing the electron-emitting
まず、図3(a)に示すように、少なくとも上面側に導電性カーボン層11aが設けられたカーボン含有基板11を形成する。このとき、カーボン含有基板11(導電性カーボン層11a)の上面が平坦であることが重要である。例えば、カーボン含有基板11の上面の平坦性Rmaxは1μm以下であり、好ましくは光沢の状態の0.1μm以下である。
First, as shown in FIG. 3A, a carbon-containing
このように平坦性の良いカーボン含有基板11を用意するのは、後に形成される突起3の高さの均一性に影響すると共に、後述するフォトリソグラフィ(紫外光利用)を用いたプロセスにおいてカーボン含有基板11を加工する時に影響するからである。即ち、カーボン含有基板11の上面の凹凸が大きいと、その分だけ突起3の高さがばらつくだけでなく、カーボン含有基板11上のパターン形状が滲んだり、微細なパターニングが困難になる。
The preparation of the carbon-containing
例えば、カーボン含有基板11の上面の平坦性Rmaxが1μmよりも大きいと、フォトリソグラフィの密着型マスクの上に形成するAlマスクのサイズの不均一性が滲みで30%と大きくなる。また、高さ3μmの突起3を形成する場合には、約30%の高さ不均一性が発生し、高さ1μmの突起3を形成する場合には、約50%の高さ不均一性が発生する。この場合には、電子放出特性として1〜3桁以上のばらつきが生じてしまい、均質な電子放出素子が作製できなくなる。平坦性Rmaxが5μm以上の場合には、パターニングそのものが不可能になってしまう虞がある。一方、例えば平坦性Rmaxが1〜10nmの上面をもったカーボン含有基板11を用いれば、高さ1μmの突起3を形成した場合に、高さの不均一性を0.1〜1%に抑えることができる。
For example, if the flatness R max of the upper surface of the carbon-containing
ここで、CNTからなる突起3を形成する場合には、SiC基板を使って、上面が平坦なカーボン含有基板11を形成する。具体的には、まず図4(a)に示すように、上面が平坦なSiC基板12を用意する。そして、熱分解法によって、図4(b)に示すように、SiC基板12の上面側にCNTからなる層(CNT層)13を形成する。例えば、真空中においてSiC基板12を1500〜1700℃で6〜10時間加熱すると、SiC基板12の上面側のSiのみが選択的に除去され、残ったカーボンがナノチューブを自己組織化することによってCNT層13が形成される。これにより、カーボンの六員環が上面に対して実質的に垂直に立った構造を有する平坦性の良好なカーボン含有基板11が得られる。
Here, when forming the
一方、HOPGからなる突起3を形成する場合には、HOPG基板を使って、上面が平坦なカーボン含有基板11を形成する。具体的には、c軸配向した厚い原HOPG基板あるいは薄い複数枚の原HOPG基板を用意する。そして、図5(a)に示すように、原HOPG基板14を縦にした状態で配列し、その状態で原HOPG基板14を樹脂15によりモールドして固めて、HOPG基板16を形成する。これにより、原HOPG基板14のグラファイトのc軸方向がHOPG基板16の基板面(上面)16aに沿って揃うようになる。続いて、図5(b)に示すように、モールドされた原HOPG基板14を含むようにHOPG基板16の上面16aを、グラファイトのc軸方向に研磨(平坦加工)する。これにより、カーボンの六員環が上面に対して実質的に垂直に立った構造を有する平坦性の良好なカーボン含有基板11が得られる。なお、原HOPG基板14の固定は、特に樹脂モールドに限らず、金属等で接合してもよい。
On the other hand, when forming the
次いで、図3(b)に示すように、上記のようなカーボン含有基板11上に、Al等の金属あるいはSiO2等の酸化物あるいはTiN等の窒化物を形成し、フォトリソグラフィ技術や電子線露光技術を使って、微小な整列したマスク17のパターニングを行う。マスク17の材料としては、CNTやHOPGと極力反応を起こさない材料を使用するが、パターニングのし易さからはAlが望ましい。また、SiO2やTiNは、CNTやHOPGと反応しにくく、所望の形状を形成する上でも特性の上でも好適である。
Next, as shown in FIG. 3B, a metal such as Al, an oxide such as SiO 2 or a nitride such as TiN is formed on the carbon-containing
また、マスク17の形状は、図示のように丸形でも良いし、四角形、三角形、六角形等の多角形でも良い。丸形は、その後できた形状が良好になり、素子の作製に好適である。多角形は、フォトリソグラフィのマスクを形成する場合に有利な形状である。
The shape of the
その後、図3(c)に示すように、パターニングされたマスク17の付いたカーボン含有基板11の導電性カーボン層11aをプラズマ中でドライエッチングする。このとき、カーボンが酸素でエッチングされやすい事から、酸素を多く含む(酸素が100%でも良い)ガス中で導電性カーボン層11aをドライエッチングするのが望ましい。さらには、そのガス中にCF4が0.5〜5%含まれていると、垂直に加工できて、電子放出素子としては好適である。ここで、マスク17が無くなる前にエッチングが終了すると、マスク17の形状に対応して、導電性カーボン層11aは円柱もしくは多角柱となる。
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the
最後に、マスク17を除去することにより、図1に示すように、導電性カーボンからなる複数の突起3が基板2上に配列されて出来上がる。
Finally, by removing the
なお、前述したように突起3から電子を放出させる際には、突起3の縁に電界がかかり、電子が出てきやすい。この突起3の縁が多ければ、電子放出効果も大きいので、突起3のサイズ(直径等)は小さい方が望ましい。
As described above, when electrons are emitted from the
ところで、CNTからなる突起を基板上に形成する方法としては、基板上に触媒金属をパターニングし、その部分にのみCNTを成長させる方法がある。しかし、成長によって形成された突起の先端部には、触媒金属が残ってしまうことが多い。その触媒金属は、CNTの中に埋めこまれているので、耐薬品性のあるカーボンに守られることになる。このため、薬品等を用いても、触媒金属を除去することは非常に困難である。また、触媒金属が突起の先端部ではなく根元部に残ったとしても、突起の先端部では、CNT(六員環)が閉じていて不活性な状態となっているので、電子放出特性が低くなってしまう。 By the way, as a method of forming protrusions made of CNTs on a substrate, there is a method in which a catalytic metal is patterned on a substrate and CNTs are grown only on that portion. However, the catalyst metal often remains at the tip of the protrusion formed by the growth. Since the catalyst metal is embedded in the CNT, it is protected by carbon having chemical resistance. For this reason, it is very difficult to remove the catalytic metal even if chemicals are used. Even if the catalyst metal remains at the root portion instead of the tip portion of the projection, the CNT (six-membered ring) is closed and inactive at the tip portion of the projection, so that the electron emission characteristic is low. turn into.
突起に存在する触媒金属は、物理的な衝撃で除去することも考えられるが、この場合には、突起の高さが一様でなくなるという欠点がある。また、触媒金属を酸素プラズマでエッチングすることも考えられるが、触媒金属をうまく除去できず、また突起の高さの均一性が悪くなる。 The catalytic metal present on the protrusion may be removed by physical impact, but in this case, there is a disadvantage that the height of the protrusion is not uniform. It is also conceivable to etch the catalyst metal with oxygen plasma. However, the catalyst metal cannot be removed well, and the height of the projections becomes poor.
また、基板上にSiからなる円錐状のチップ部を形成し、そのチップ部の周りに触媒金属を形成し、そこからCNTをチップ部に沿って成長させる方法もある。しかし、チップ部の形成後にCNTの成長を行うので、高温処理が加わることや成長により高さが変わるので、突起の高さの均一性が確保しにくくなる。また、突起がチップ部に沿って延びることになるので、ゲート電極に対して斜めにならざるを得ず、突起に電界が均一にかかりにくいという欠点がある。 There is also a method in which a conical tip portion made of Si is formed on a substrate, a catalytic metal is formed around the tip portion, and CNT is grown along the tip portion therefrom. However, since the CNT is grown after the formation of the chip portion, the height changes due to the addition of high-temperature treatment or the growth, and it becomes difficult to ensure the uniformity of the height of the protrusions. Further, since the protrusions extend along the chip portion, there is a disadvantage that the protrusions must be inclined with respect to the gate electrode, and the electric field is not easily applied to the protrusions.
これに対し本実施形態では、カーボンの六員環が立った構造をもった導電性カーボン層11aを有するカーボン含有基板11を用意し、導電性カーボン層11aをエッチングして突起3を形成するので、エッチング加工の際にカーボンの六員環が削られる。このため、基板2上に形成された突起3の側面部は、カーボンの六員環が途中で切れた(開放された)状態となる。つまり、各突起3は、壊れた六員環が多数存在することになる。これにより、突起3が電子的に活性になる。また、金属触媒を成長させて突起を形成するものではないため、突起3の先端部の内部に、除去し難い金属が存在することがない。従って、突起3に電界をかけて突起3から電子を放出させる際に、しきい値電圧を低くできるため、電子放出特性を向上させることができる。
On the other hand, in this embodiment, the carbon-containing
また、上面が平坦な導電性カーボン層11aをエッチングするので、各突起3の高さが揃うようになる。これにより、各突起3から電子を放出させる際に、各突起3からゲート電極(図示せず)を介して効果的に電流を引き出すことができるため、全体として大電流を得ることが可能となる。この点でも、電子放出特性を向上させることができる。
In addition, since the
このとき、各突起3の高さの均一性は10%以下であることが望ましい。ここで、「各突起3の高さの均一性」とは、各突起3の高さの平均値に対する高さのばらつきをいう。そして、「各突起の高さの均一性が10%」とは、例えば各突起3の高さの平均値が1μmのときは10nmであり、各突起3の高さの平均値が3μmのときは30nmである。
At this time, the height uniformity of each
さらに、金属触媒を成長させて突起を形成する構造と比べて、突起形状の自由度が大きくなる。また、緻密な導電性カーボンから出発し、エッチング加工面は平坦なままであるので、ガスの吸着がほとんどなく、真空中でも動作時にガスが出てきて放電し突起3の先端を損傷させることはない。また、金属触媒の成長を利用する場合と異なり、突起3を形成する際に高温状態にする必要はない。
Furthermore, the degree of freedom of the protrusion shape is increased as compared with a structure in which the metal catalyst is grown to form the protrusion. Also, starting from dense conductive carbon, the etched surface remains flat, so there is almost no gas adsorption, and even during vacuum operation, the gas is discharged during operation and does not damage the tip of the
図6は、本発明に係るカーボン加工体として電子放出素子の第2の実施形態を示す斜視図である。図中、第1の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 6 is a perspective view showing a second embodiment of the electron-emitting device as the carbon processed body according to the present invention. In the figure, the same or equivalent members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
同図において、本実施形態の電子放出素子20は、基板2上に形成された複数の先細り形状の突起21を備えている。この突起21は、図示のように円錐状でも良いし、三角錐状や四角錐状等であっても良い。
In the figure, an electron-emitting
突起21は、第1の実施形態における突起3と同様に、CNTやHOPG等からなる導電性カーボン層をエッチングすることにより形成されている。突起21がCNTからなる構造では、図7(a)に示すように、突起21を形成する複数のCNT4が殆ど隙間なく束状に配置されている。一方、突起21がHOPGからなる構造では、図7(b)に示すように、突起21を形成する複数のグラファイト層5が殆ど隙間なく束状に配置されている。このとき、突起21は、カーボンの六員環が基板2の上面に対して実質的に垂直に立った構造を有している。そして、突起21の根元部における六員環の層数に対して、突起21の先端部における六員環の層数が少なくなっている。
The
次に、以上のような電子放出素子20を製造する方法について、図8により説明する。
Next, a method for manufacturing the electron-emitting
まず、図8(a)に示すように、少なくとも上面側に導電性カーボン層11aが設けられたカーボン含有基板11を作製する。この作製方法は、図3(a)と同様である。次いで、図8(b)に示すように、フォトリソグラフィ等を使って、カーボン含有基板11上にマスク17のパターニングを行う。このパターニング方法は、図3(b)と同様である。
First, as shown in FIG. 8A, a carbon-containing
続いて、図8(c)に示すように、パターニングされたマスク17の付いたカーボン含有基板11の導電性カーボン層11aをドライエッチングし、導電性カーボン層11aを突起状にする。このドライエッチングにおいて使用されるガスは、図3(c)と同様である。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, the
このエッチング工程において、マスク17が小さくなってくるまでエッチングを行うと、突起状の導電性カーボン層11aの先端が細くなる。このとき、導電性カーボン層11aの先端径が所望径となるところでエッチングを止めれば良い。例えば、導電性カーボン層11aの先端径が2nm以下まで細くなるまで導電性カーボン層11aを先細り形状とすることができる。
If etching is performed until the
また、別の方法としては、途中からマイクロ波プラズマ中で処理することによって、突起状の導電性カーボン層11aの先端を細くすることができる。この時のプラズマとしては、主に水素ガスを用いるのが好ましい。特に、水素ガスに酸素原子が微量添加されていると、加工しやすく一層好ましい。酸素原子としては、O2、CO、CO2、NO、NO2等の形で導入してよい。その場合は、酸素の無い場合の10倍以上の効果がある。
As another method, the tip of the protruding
最後に、もしマスク17が残っていれば、そのマスク17を除去する。これにより、図6に示すように、導電性カーボンからなる先端の尖った複数の突起21が基板2上に配列されて出来上がる。
Finally, if the
以上のような本実施形態においては、突起21の形状を先細り状としたので、突起21に電界をかけて突起21から電子を放出させる際に、非常に低電圧でも大きな電界が生じ、突起21から電子が出てきやすい状態となる。従って、しきい値電圧をより一層低くすることができる。また、突起21に電流を流したときに、突起21全体の抵抗が低くなるので、突起21が発熱し難く、熱伝導率も大きくなるため、放熱が効率良く行える。このため、突起21に大きな電流を流すことができる。以上により、第1の実施形態における電子放出素子1よりも、電子放出特性を向上させることが可能となる。
In the present embodiment as described above, since the shape of the
また、突起21を先細り構造とすることで、突起21が倒れることなく堅固に立つようになるので、ゲート電極等を作製するプロセスにおいて突起21を損傷させることなく、有効に歩留まり良く電子放出素子を作製することができる。また、グラファイトは六員環の面内方向に熱伝導率が良いので、突起21の高さ方向に熱や電気を良く伝える。このため、末広がり構造の突起21が、その熱や電気の伝導をさらに助けることになり、非常に有効である。
In addition, since the
さらに、突起21の先端部のサイズを小さくできるので、ゲート電極をもった電子放出素子を作る場合には、突起21を形成した後に、ゲート電極を作りこむことができるという利点もある。
Further, since the size of the tip portion of the
なお、先端が根元に対して細くなっている突起としては、上記の突起21に限られず、種々変形可能である。そのような突起の具体例を図9に示す。
In addition, as a protrusion whose front-end | tip is thin with respect to the root, it is not restricted to said
図9(a)に示す突起30は、円柱状の基部31と、この基部31上に設けられ、基部31の径よりも小さな径をもった円柱状の電子放出部32とを有している。図9(b)に示す突起34は、円柱状の基部35と、この基部35上に設けられ、根元から先端に向けて先細りとなる略円錐状の電子放出部36とを有している。図9(c)に示す突起38は、根元から先端に向けて先細りとなる断面略台形状をなしている。
The
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、基板2上に形成された突起全体において、カーボンの六員環が基板2の上面に対して立った構造を有しているが、突起の少なくとも先端部において六員環が基板2の上面に対して立っていれば良く、突起の根元部においては必ずしも六員環が立っている必要はない。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the entire projection formed on the
また、上記実施形態は、カーボン加工体を電子放出素子に適用したものであるが、本発明に係るカーボン加工体は、走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunnel Microscope:STM)、原子力間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)、走査型近視野光学顕微鏡(Scanning Near-field Optical Microscope:SNOM)等や、これらの原理を用いた電子機器に応用可能な原子プローブに適用することも可能である。この場合には、プローブ特性が良好な原子プローブを得ることができる。 In the above-described embodiment, the carbon processed body is applied to an electron-emitting device. However, the carbon processed body according to the present invention includes a scanning tunnel microscope (STM), an atomic force microscope (Atomic Force microscope). It can also be applied to atomic probes applicable to electronic devices using these principles, such as Microscope (AFM), Scanning Near-field Optical Microscope (SNOM), and the like. In this case, an atomic probe with good probe characteristics can be obtained.
[実施例1]
市販の原HOPG基板(1cm角、厚さ1mm)5枚を樹脂により積層させて接合し、その端面を平坦性Rmaxが0.1μm以下となるように研磨した。このとき、原HOPG基板全体を樹脂に埋めて固めた。その結果、1cm×6mmの基板面(端面)が上面になると共に、カーボンの六員環が上面に対して立った構造を有するカーボン含有基板が用意できた。
[Example 1]
Five commercially available original HOPG substrates (1 cm square, 1 mm thick) were laminated and bonded with resin, and the end surfaces thereof were polished so that the flatness R max was 0.1 μm or less. At this time, the entire original HOPG substrate was buried in resin and hardened. As a result, a carbon-containing substrate having a structure in which a 1 cm × 6 mm substrate surface (end surface) was an upper surface and a carbon six-membered ring stood with respect to the upper surface was prepared.
続いて、フォトリソグラフィ技術により、カーボン含有基板上にAlマスクをドット状にパターニングした。そのAlマスクの直径は、0.3μm〜5μmとした。なお、Alマスクの直径は、フォトリソグラフィ用のフォトマスクのサイズ設計によって変更可能であるし、Alのエッチング時間を調整することでも可能である。 Subsequently, an Al mask was patterned into dots on the carbon-containing substrate by photolithography. The diameter of the Al mask was 0.3 μm to 5 μm. The diameter of the Al mask can be changed depending on the size design of the photomask for photolithography, and can also be adjusted by adjusting the etching time of Al.
続いて、Alマスクを利用して、CF4ガスを微量(1%)に含む酸素ガス中でHOPGをエッチングして、Alマスクのない部分のHOPGを除去することにより、HOPGからなる突起を形成した。このとき、Alマスクが無くならないうちにエッチングを止めたものと、Alマスクが無くなる直前までエッチングを行ったものと、Alマスクが無くなった直後ぐらいまでエッチングを行ったものを用意した。CF4ガス濃度を0.5%〜3%とした条件では、突起を同じような形状に仕上げることができた。 Subsequently, using an Al mask, HOPG is etched in an oxygen gas containing a small amount (1%) of CF 4 gas to remove HOPG in a portion without the Al mask, thereby forming a projection made of HOPG. did. At this time, there were prepared one in which the etching was stopped before the Al mask disappeared, one that was etched until immediately before the Al mask disappeared, and one that was etched until just after the Al mask disappeared. Under the condition that the CF 4 gas concentration was 0.5% to 3%, the protrusion could be finished in the same shape.
このような実験で得られたHOPG製の突起の形状を図10に示す。HOPGは、基板を厚く設定することができるので、Alマスクの厚さに応じてエッチング時間を長く取ると、突起の先端部を尖らせることができた。 FIG. 10 shows the shape of a HOPG protrusion obtained in such an experiment. Since HOPG can set the substrate to be thick, if the etching time is increased according to the thickness of the Al mask, the tip of the protrusion could be sharpened.
このようにして形成された突起の歩留まりと電子放出特性とを図11に示す。同図の表において、「縦HOPG」は、カーボンの六員環が基板の上面に対して垂直に立った構造を有する突起のことであり、本実施例で形成された突起の性能を示している。この表から分かるように、本実施例のように突起を形成すると、電子放出特性が良好になることを確認できた。また、突起の形成歩留まりも良好であることが明らかであった。
[比較例1]
実施例1で用いた市販の原HOPG基板(1cm角、厚さ1mm)を、そのグラファイトのc軸方向が基板面(上面)に対して垂直になっているままで利用した。そして、その原HOPG基板の基板面を平坦に研磨した。このとき、層状の剥離が起こるので、きれいに研磨することが困難であった。続いて、研磨したHOPG基板上に実施例1と同様なプロセスで突起を形成したが、基板の平坦な研磨が困難であったので、基板全面に突起をきれいに形成することができなかった。また、一部平坦な部分でも突起が壊れやすく、耐久性に乏しかった。ただ、基板を垂直に近い斜めに研磨したものは、実施例1と同様に突起の状態や特性は良好であった。
FIG. 11 shows the yield and electron emission characteristics of the protrusions formed in this way. In the table of the figure, “vertical HOPG” refers to a protrusion having a structure in which a carbon six-membered ring stands perpendicular to the upper surface of the substrate, and indicates the performance of the protrusion formed in this example. Yes. As can be seen from this table, it was confirmed that when the protrusions were formed as in this example, the electron emission characteristics were improved. It was also clear that the formation yield of the protrusions was good.
[Comparative Example 1]
The commercially available original HOPG substrate (1 cm square, 1 mm thickness) used in Example 1 was used while the c-axis direction of the graphite was perpendicular to the substrate surface (upper surface). Then, the substrate surface of the original HOPG substrate was polished flat. At this time, since layered peeling occurred, it was difficult to cleanly polish. Subsequently, protrusions were formed on the polished HOPG substrate by the same process as in Example 1. However, since it was difficult to polish the substrate flatly, the protrusions could not be formed cleanly on the entire surface of the substrate. In addition, even in a flat part, the protrusion was easily broken, and the durability was poor. However, when the substrate was polished obliquely close to the vertical, the state and characteristics of the protrusions were good as in Example 1.
このようにして形成された突起の歩留まりと電子放出特性とを図11に示す。同図の表において、「横HOPG」は、カーボンの六員環がHOPG基板の基板面に対して平行な構造を有する突起のことであり、本比較例で形成された突起の性能を示している。この表から分かるように、実施例1の場合に比べて電子放出特性が良くなかった。
[実施例2]
片側研磨による鏡面の単結晶SiC(111)基板を1×10−2Paの真空中において1700℃の高温で2〜20時間加熱し、SiC基板上に直立したカーボンの六員環(CNT)を有するCNT層を高密度に形成した。次いで、フォトリソグラフィ技術によって、CNT層上にAlマスクをドット状にパターニングした。そのAlマスクの直径は、0.3μm〜5μmとした。なお、Alマスクの直径は、フォトリソグラフィ用のフォトマスクのサイズ設計によって変更可能であるし、Alのエッチング時間を調整することでも可能である。
FIG. 11 shows the yield and electron emission characteristics of the protrusions formed in this way. In the table of the figure, “horizontal HOPG” is a projection having a structure in which a carbon six-membered ring is parallel to the substrate surface of the HOPG substrate, and indicates the performance of the projection formed in this comparative example. Yes. As can be seen from this table, the electron emission characteristics were not good as compared with the case of Example 1.
[Example 2]
A single-crystal SiC (111) substrate having a mirror surface by single-side polishing is heated at a high temperature of 1700 ° C. for 2 to 20 hours in a vacuum of 1 × 10 −2 Pa, and a carbon six-membered ring (CNT) standing upright on the SiC substrate is obtained. A CNT layer having high density was formed. Next, an Al mask was patterned in a dot shape on the CNT layer by photolithography. The diameter of the Al mask was 0.3 μm to 5 μm. The diameter of the Al mask can be changed depending on the size design of the photomask for photolithography, and can also be adjusted by adjusting the etching time of Al.
次いで、Alマスクを利用して、CF4ガスを微量(1%)に含む酸素ガス中でCNTをエッチングして、Alマスクのない部分のCNTを除去することにより、CNTからなる突起を形成した。このとき、Alマスクが無くならないうちにエッチングを止めたものと、Alマスクが無くなる直前までエッチングを行ったものと、Alマスクが無くなった直後ぐらいまでエッチングを行ったものを用意した。CF4ガス濃度を0.5%〜3%とした条件では、突起を同じような形状に仕上げることができた。 Next, by using the Al mask, the CNTs were etched in oxygen gas containing a small amount (1%) of CF 4 gas to remove the CNTs without the Al mask, thereby forming protrusions made of CNTs. . At this time, there were prepared one in which the etching was stopped before the Al mask disappeared, one that was etched until immediately before the Al mask disappeared, and one that was etched until just after the Al mask disappeared. Under the condition that the CF 4 gas concentration was 0.5% to 3%, the protrusion could be finished in the same shape.
このような実験で得られたCNT製の突起の形状を図12に示す。図12は、CNT層の厚さが1μm程度と薄い場合の実験結果である。このとき、Alマスクが0.3μmと薄いときは、エッチング時間等の種々の条件で、突起の先端が根元よりも細くなった。ただし、Alマスクが薄すぎて、エッチング時間が長すぎるとCNT層がなくなってしまうので注意を要した。Alマスクの厚さが0.5μmと厚いときは、エッチング時間が短いとCNT製の突起も円柱状となり、突起の先端が尖らなかった。しかし、Alマスクが厚くても、エッチング時間を長く取ると突起の先端を尖らせることができた。 The shape of the CNT projections obtained in such an experiment is shown in FIG. FIG. 12 shows the experimental results when the thickness of the CNT layer is as thin as about 1 μm. At this time, when the Al mask was as thin as 0.3 μm, the tip of the protrusion became thinner than the base under various conditions such as etching time. However, if the Al mask was too thin and the etching time was too long, the CNT layer would disappear, so care was required. When the thickness of the Al mask was as thick as 0.5 μm, the CNT protrusions also became cylindrical when the etching time was short, and the tips of the protrusions were not sharp. However, even if the Al mask was thick, the tip of the protrusion could be sharpened if the etching time was increased.
以上は、CNT層の厚さが1μm程度の場合の結果であるが、CNT層を2μmと厚くすると、Alマスクを厚くする方向に形状の傾向が移った。即ち、厚さ0.1μm、直径0.5μmのAlマスクから作られる突起の形状は、CNT層の厚さを2μmとすることによって、厚さ0.3μm、直径1μmのAlマスクから得られた。 The above is the result when the thickness of the CNT layer is about 1 μm. When the CNT layer was thickened to 2 μm, the tendency of the shape shifted in the direction of increasing the thickness of the Al mask. That is, the shape of the protrusion made from an Al mask having a thickness of 0.1 μm and a diameter of 0.5 μm was obtained from an Al mask having a thickness of 0.3 μm and a diameter of 1 μm by setting the thickness of the CNT layer to 2 μm. .
なお、CNT層は、大気圧力100Pa〜10−9Pa、温度1400℃〜1900℃の範囲で形成することができた。形成されるCNT層の膜厚は、時間の平方根に比例して大きくなり、時間をかければ厚いものができた。 The CNT layer could be formed at atmospheric pressure of 100 Pa to 10 −9 Pa and temperature of 1400 ° C. to 1900 ° C. The film thickness of the formed CNT layer increased in proportion to the square root of time, and was thicker as time was spent.
このようにして形成された突起の歩留まりと電子放出特性とを図11に示す。同図の表において、「CNT」は、本実施例で形成された突起の性能を示している。この表から分かるように、本実施例のように突起を形成すると、電子放出特性が良好になることを確認できた。また、突起の形成歩留まりも良好であることが明らかであった。
[比較例2]
導電性基板(Si)を用意し、フォトリソグラフィ技術によりFe(金属)の微細ドットパターンを整列させて形成した。そして、これを反応容器内に入れ、メタンガスと水素ガスとの混合ガスをメタンガス/水素ガス濃度10%で反応容器内に流し、温度900℃でCNTを成長させた。このとき、反応容器内にプラズマを発生させた方がメタンガスの分解が促進され、成長速度が高まった。以上により、Feがある部分にのみCNT製の突起が形成された。その突起の直径は、300〜500nmであった。
FIG. 11 shows the yield and electron emission characteristics of the protrusions formed in this way. In the table of the figure, “CNT” indicates the performance of the protrusions formed in this example. As can be seen from this table, it was confirmed that when the protrusions were formed as in this example, the electron emission characteristics were improved. It was also clear that the formation yield of the protrusions was good.
[Comparative Example 2]
A conductive substrate (Si) was prepared and formed by aligning fine dot patterns of Fe (metal) by photolithography. Then, this was put in a reaction vessel, and a mixed gas of methane gas and hydrogen gas was flowed into the reaction vessel at a methane gas / hydrogen gas concentration of 10% to grow CNTs at a temperature of 900 ° C. At this time, the generation of plasma in the reaction vessel promoted the decomposition of methane gas and increased the growth rate. As described above, CNT protrusions were formed only on the portions where Fe was present. The diameter of the protrusion was 300 to 500 nm.
このようにして形成された突起の歩留まりと電子放出特性とを図11に示す。同図の表から分かるように、実施例1,2の場合に比べて、電子放出素子の電子放出特性が良くなかった。
[実施例3]
実施例1,2と同じ方法で導電性グラファイトを加工し、グラファイト製の突起を作製することを試みた。ただし、Alマスクがエッチングされないうちに加工を止めて、円柱および角柱の突起を形成した。このとき、丸、四角、三角及び星型のドットパターンを用いたので、それに対応した柱状体が形成された。
FIG. 11 shows the yield and electron emission characteristics of the protrusions formed in this way. As can be seen from the table in the figure, the electron emission characteristics of the electron-emitting device were not good as compared with the cases of Examples 1 and 2.
[Example 3]
The conductive graphite was processed in the same manner as in Examples 1 and 2, and an attempt was made to produce a graphite projection. However, the processing was stopped before the Al mask was etched, and cylindrical and prismatic protrusions were formed. At this time, since round, square, triangular, and star-shaped dot patterns were used, corresponding columnar bodies were formed.
このようにして形成された突起の電子放出特性を図13に示す。同図の表から分かるように、本実施例のように突起を形成すると、比較例2のように金属触媒を成長させてCNT製の突起を形成した場合に比べて、電子放出特性が良好になることを確認できた。このとき、星型のように鋭角の角の多い形状のほうが、比較的特性が良かった。また、本実施例のような柱状の突起では、実施例1、2のように先端が先細り形状である突起に比べて、しきい値電界(しきい値電圧)が大きくなる傾向であった。
[実施例4]
実施例1,2と同じ方法によって、ランダムに配置された突起を形成した。整列配置された突起の場合と電子放出特性を比べると、整列配置された突起では、突起の間隔によってしきい値電圧や電流密度等が異なるものの、電子が放出し始める特性の分布は非常に近く、非常に均一な電子放出特性が得られた。一方、ランダムに配列された突起では、密に配置された複数の突起のうち一つの突起から電子が放出されることが多く、全体としては突起の数ほどは電子放出点が得られず、整列配置されたものよりは電流密度は30〜50%ほど小さくなった。これにより、突起を整列させた場合のほうが電子放出特性が良いことが明らかとなった。
[実施例5]
実施例1あるいは実施例2において、Alマスクの代わりに、SiO2マスクやTiNマスクを形成し、そのマスクを突起の形成に利用した。このとき、Alマスクの場合と同様に、突起を形成することが確認された。Alマスクの場合は、セミコクリンのウェットエッチングあるいはBCl3のドライエッチングによってAlのみの選択エッチングを行ったが、SiO2マスクの場合は、BHFのウェットエッチングあるいはCF4系ガスのドライエッチングによって選択エッチングを行い、TiNマスクの場合は、BCl3のドライエッチングによってエッチングを行った。SiO2マスクで導電性カーボン膜をエッチングして形成した突起は、Alマスクの場合に比べて、電子放出電流密度が2倍程度大きかった。また、TiNマスクで導電性カーボン膜をエッチングして形成した突起は、Alマスクの場合に比べて、電子放出電流密度が3倍程度大きかった。これは、カーボンがマスク材料と若干反応するため、Alのような単体金属より酸化あるいは窒化した金属のほうが良いためと思われる。
[実施例6]
実施例1あるいは実施例2と同じ基板を用意し、基板面(上面)の平坦性Rmaxが10nm以下になるように仕上げた。その基板上に、電子線リソグラフィによって直径300nm以下の微細なAlマスクを形成し、導電性カーボン膜をエッチングして、突起を形成した。この直径のAlマスクで突起を形成すると、フォトリソグラフィを用いる場合よりも高さが低くて先端の尖った形状をもった突起を形成することができた。
FIG. 13 shows the electron emission characteristics of the protrusions thus formed. As can be seen from the table in the figure, when the protrusions are formed as in this example, the electron emission characteristics are better than when the metal catalyst is grown and the protrusions made of CNT are formed as in Comparative Example 2. I was able to confirm. At this time, the shape with a lot of acute angles such as a star shape had relatively good characteristics. Further, in the columnar protrusion as in the present embodiment, the threshold electric field (threshold voltage) tended to be larger than the protrusion having a tapered tip as in the first and second embodiments.
[Example 4]
Randomly arranged protrusions were formed by the same method as in Examples 1 and 2. Comparing the electron emission characteristics with the aligned protrusions, although the threshold voltage and current density differ depending on the protrusion interval, the distribution of characteristics at which electrons start to be emitted is very close. Very uniform electron emission characteristics were obtained. On the other hand, with randomly arranged protrusions, electrons are often emitted from one of a plurality of closely arranged protrusions, and as a whole, the number of protrusions is not sufficient to obtain an electron emission point. The current density was about 30 to 50% smaller than the arranged one. This revealed that the electron emission characteristics are better when the protrusions are aligned.
[Example 5]
In Example 1 or Example 2, instead of the Al mask, an SiO 2 mask or a TiN mask was formed, and the mask was used for forming the protrusions. At this time, it was confirmed that protrusions were formed as in the case of the Al mask. In the case of the Al mask, only Al was selectively etched by semi-cocrine wet etching or BCl 3 dry etching. However, in the case of the SiO 2 mask, selective etching was performed by BHF wet etching or CF 4 gas dry etching. In the case of a TiN mask, etching was performed by dry etching of BCl 3 . The protrusion formed by etching the conductive carbon film with the SiO 2 mask had an electron emission current density about twice as large as that of the Al mask. Further, the protrusion formed by etching the conductive carbon film with a TiN mask had an electron emission current density about three times higher than that of the Al mask. This seems to be because a metal that is oxidized or nitrided is better than a single metal such as Al because carbon reacts slightly with the mask material.
[Example 6]
Providing a same substrate as in Example 1 or Example 2, flatness R max of the substrate surface (upper surface) is finished to be 10nm or less. A fine Al mask having a diameter of 300 nm or less was formed on the substrate by electron beam lithography, and the conductive carbon film was etched to form protrusions. When the protrusions were formed with the Al mask having this diameter, the protrusions having a lower tip and a pointed shape could be formed than when photolithography was used.
このような突起の形状を図14に示す。本図から分かるように、Alマスクのサイズが小さい場合であっても、先端の尖った突起や円柱形状の突起などを形成することができた。また、電子放出特性も良好であった。 The shape of such a protrusion is shown in FIG. As can be seen from this figure, even when the size of the Al mask is small, a pointed protrusion, a cylindrical protrusion, or the like could be formed. Also, the electron emission characteristics were good.
1…電子放出素子(カーボン加工体)、2…基板、3…突起、4…カーボンナノチューブ(CNT)、5…グラファイト層、11…カーボン含有基板、11a…導電性カーボン層(導電性カーボンからなる層)、12…SiC基板、13…CNT層(導電性カーボンからなる層)、14…原HOPG基板(導電性カーボンからなる層)、16…HOPG基板(高配向グラファイト基板)、16a…基板面(上面)、17…マスク、20…電子放出素子(カーボン加工体)、21…突起、30…突起、34…突起、38…突起。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板はSiC基板であり、
前記突起は、前記導電性カーボンの六員環が前記SiC基板の上面に対して実質的に垂直に立った状態で根元まで延びている構造を有していると共に、熱分解法によって前記SiC基板上に前記導電性カーボンからなる層を形成してから、前記導電性カーボンからなる層をエッチング加工することにより形成されたものであり、
前記突起の側面部には、前記エッチング加工によって前記六員環の壊れた前記導電性カーボンが存在していることを特徴とするカーボン加工体。 A carbon processed body formed by forming protrusions made of conductive carbon on a substrate,
The substrate is a SiC substrate;
The projection has a structure in which the six-membered ring of the conductive carbon extends to the root in a state of being substantially perpendicular to the upper surface of the SiC substrate, and the SiC substrate by a thermal decomposition method. after forming a layer composed of the conductive carbon on state, and are not formed by etching a layer made of the conductive carbon,
The carbon processed body , wherein the conductive carbon in which the six-membered ring is broken by the etching process is present on a side surface portion of the protrusion .
前記複数の突起は、前記基板上に規則的に整列配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のカーボン加工体。 A plurality of protrusions;
The carbon workpiece according to any one of claims 1 to 3 , wherein the plurality of protrusions are regularly arranged on the substrate.
前記カーボン含有基板上にマスクをパターンニングする工程と、
前記導電性カーボンからなる層をエッチングすることにより突起を形成する工程とを含み、
熱分解法によってSiC基板に前記導電性カーボンからなる層を形成することにより、前記カーボン含有基板を形成することを特徴とするカーボン加工体の製造方法。 Forming a carbon-containing substrate provided with a layer made of conductive carbon at least on the upper surface side;
Patterning a mask on the carbon-containing substrate;
Look including a step of forming a projection by etching a layer consisting of the conductive carbon,
A method for producing a carbon workpiece , wherein the carbon-containing substrate is formed by forming a layer made of the conductive carbon on a SiC substrate by a thermal decomposition method.
前記基板はSiC基板であり、
前記突起は、前記導電性カーボンの六員環が前記SiC基板の上面に対して実質的に垂直に立った状態で根元まで延びている構造を有していると共に、熱分解法によって前記SiC基板上に前記導電性カーボンからなる層を形成してから、前記導電性カーボンからなる層をエッチング加工することにより形成されたものであり、
前記突起の側面部には、前記エッチング加工によって前記六員環の壊れた前記導電性カーボンが存在していることを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device formed by forming a plurality of protrusions made of conductive carbon on a substrate,
The substrate is a SiC substrate;
The projection has a structure in which the six-membered ring of the conductive carbon extends to the root in a state of being substantially perpendicular to the upper surface of the SiC substrate, and the SiC substrate by a thermal decomposition method. after forming a layer composed of the conductive carbon on state, and are not formed by etching a layer made of the conductive carbon,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the conductive carbon having the six-membered ring broken by the etching process is present on a side surface of the protrusion .
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