DE69817642T2

DE69817642T2 - Elektronen-emittierendes Element, Herstellungsverfahren desselben, und Elektronenvorrichtung

Info

Publication number: DE69817642T2
Application number: DE69817642T
Authority: DE
Inventors: Hirohisa Itami-shi Saito; Takashi Itami-shi Tsuno; Hiromu Itami-shi Shiomi; Yoshiaki Itami-shi Kumazawa; Takahiro Itami-shi Imai
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: US6267637B1; EP0865065A1; EP0865065B1; DE69817642D1; US6184611B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronenemittierendes Element, ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine elektronische Einrichtung, z. B. eine Feldemissionsanzeige (FED), ein Feldemissions-Mikroskop (FEM) oder dergleichen, die ein elektronenemittieren- des Element verwendet.
Verwandte Hintergrundtechnik
Mit dem jüngsten Fortschritt in der Feinverarbeitung in der Halbleitertechnologie hat sich das Gebiet der Vakuum-Mikroelektronik rasch entwickelt. Als eine elektronische Einrichtung für die nächste Generation mit einer Funktion zum Anzeigen oder dergleichen ist folglich die Feldemissionsanzeige (FED) in Erwartung gekommen. Es liegt an der Tatsache, dass, anders als herkömmliche CRT-Anzeigen, die FED zweidimensional angeordnete Feinelektroden besitzt, die als elektronenemittierende Einrichtungen des Feldemissionstyps fungieren, sodass es im Prinzip unnötig ist, die Elektronen abzulenken und zu bündeln, wodurch die Anzeige leicht dünner und flacher gemacht werden kann.
Als ein für eine solche Feinelektrode benutztes Material hat in letzter Zeit der Diamant Beachtung gefunden. Es liegt an der Tatsache, dass ein Diamant eine sehr vorteilhafte Eigenschaft als eine elektronenemittierende Einrichtung besitzt, d.h., seine Elektronenaffinität ist negativ. Wenn ein Diamant zugespitzt und als eine Feinelektrode eingesetzt wird, kann er folglich Elektronen bei einer niedrigen Spannung emittieren.
Als ein Verfahren zum Herstellen zugespitzter Diamanten ist über die folgenden Verfahren berichtet worden. Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung Laid-Open Nr. 7-94077, dass, wenn ein teilweise maskiertes Diamantsubstrat geätzt wird, ein spitzer Diamant, der aus dem Substrat hervorragt, erhalten werden kann. Außerdem berchtet NEW DIAMOND, 39, Vol. 11, Nr. 4, Seiten 24–25 (1995), dass ein isolierter Diamantpartikel mit einer zugespitzten Form ohne Korngrenze als auf die (111) Oberfläche auf einem Cu-Substrat ausgerichtet erhalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die herkömmlichen elektronenemittierenden Elemente sind jedoch nicht in der Lage gewesen, genügend Elektronen zu emittieren. Angesichts eines solchen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronenemittierendes Element, das genügend Elektronen emittieren kann, ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine elektronische Vorrichtung bereitzustellen.
Um das vorerwähnte Problem zu überwinden, haben die Erfinder zuerst einen Einkristall-Diamanten ohne Korngrenzen in Betracht gezogen. In einem Einkristall-Diamanten gibt es viele Kristall-Morphologien. 1A bis 1E sind perspektivische Ansichten, die jeweils typische Morphologien eines Einkristall-Diamanten zeigen. Wie in 1A bis 1E deutlich gezeigt, ist jeder der Einkristall-Diamanten 1 bis 5 an einem Teil zugespitzt, der von Kristallflächen umgeben ist. Dieser Teil enthält nur ein Kohlenstoffatom. Die Zuspitzung erreicht hier ihre Grenze auf einer mikroskopischen Atomstufe, wie durch ein Elektronenmikroskop oder dergleichen beobachtet. Bei den Diamanten 1, 3 und 5 insbesondere ist der Krümmungsradius des zugespitzten Teils sehr klein.
Mittlerweile gehört der Diamant zu dem kubischen System, und die in 1A, 1C und 1E gezeigten zugespitzten Teile sind jeweils in den Richtungen der Kristallausrichtungen <111>, <110> und <100> gelegen. Außerdem sind diese Richtungen jeweils senkrecht zu Flächen mit Flächenindizes {111}, {110} und {100}. Die Kristallausrichtung bezieht sich hier auf eine in einem Kristall inhärente Richtung, die durch einen Flächenindex mit Bezug auf eine kristallographische Achse angegeben wird, die eine Koordinatenachse von drei Rippen ist, die sich an einem gemeinsamen Punkt eines Einheitsgitters kreuzen, während sich der Flächenindex auf einen Kehrwert des Werts bezieht, der erhalten wird, wenn der Abstand von dem gemeinsamen Punkt zu einem Punkt, wo sich die Fläche mit der kristallographischen Achse kreuzt, durch eine Einheitslänge der kristallographischen Achse geteilt wird.
Wenn ein solcher Einkristall-Diamant 1, 3 oder 5 durch homoepitaktisches Züchten oder dergleichen an einer gewünschten Stelle auf einer Matrix mit einem solchen Flächenindex integral gebildet wird, wird der Diamant folglich senkrecht über der Matrix auf einer Atomstufe zugespitzt, wodurch das vorerwähnte Problem überwunden wird. Indem dieser Punkt in Betracht gezogen wird, haben die Erfinder die folgende Erfindung zustande gebracht.
Nämlich, das erfindungsgemäße elektronenemittierende Element umfasst ein Diamant-Substrat, einen Diamant-Vorsprung, der auf einer Fläche des Diamant-Substrats so gezüchtet wird, dass er einen spitzen Abschnitt in einer Form aufweist, die in der Lage ist, ein Elektron zu emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant-Vorsprung einen Keim-Vorsprung als einen Kern dann enthält, wobei der Keim-Vorsprung im Voraus auf der Oberfläche des Diamant-Substrats gebildet wurde. Der durch Züchten gebildete Diamant-Vorsprung hat einen scharf zugespitzten Spitzenteil, wodurch er imstande ist, genügend Elektronen zu emittieren.
Die Oberfläche des Diamant-Substrats ist vorzugsweise eine {100}-Fläche, und der Diamant-Vorsprung hat {111}-Flächen. Alternativ kann, während die Oberfläche des Diamant-Substrats eine {110}-Fläche ist, der Diamant-Vorsprung {111}- und {100}-Flächen haben. Außerdem kann die Oberfläche des Diamant-Substrats eine {111}-Fläche sein, wobei der Diamant-Vorsprung {100}-Flächen hat.
Jeder Diamant-Vorsprung eines solchen Diamantelements, d. h., der vorspringende Teil, ist von seinen inhärenten Kristallflächen umgeben, die von der symmetrischen Eigenschaft der Kristallstruktur beherrscht werden, um dadurch einen so genannten Automorphismus zu zeigen. In diesem Fall sind die elektrischen und mechanischen Eigenschaften und dergleichen diejenigen, die dem Einkristall-Diamant eigen sind. Außerdem ist der vorspringende Teil auf einer Atomstufe zugespitzt und hat eine durch den Flächenindex der Substratoberfläche bestimmte Form. Des Weiteren ist die Oberfläche des vorspringenden Teils hinsichtlich Energie sehr stabil. Ein Diamantelement mit einer gleichmäßigen Güte kann somit leicht erhalten werden.
Andererseits ist, wie oben erwähnt, der Diamant ein Material mit einer negativen Elektronenaffinität und ist hinsichtlich der Elektronen-Emissionseigenschaften hervorragend. Wenn seine Vorsprungsspitze nicht ganz zugespitzt ist, d. h., ein kleiner Bereich von Ebene oder Rippenlinie bleibt an der Spitze zurück, kann folglich erwartet werden, dass er in der Zunahme des Stromes von emittierten Elektronen wirksam wird. Als die Form des Diamant-Vorsprungs, der genug Elektronen emittieren kann, kann nämlich das Folgende bemerkt werden.
Erstens, der Diamant-Vorsprung hat vorzugsweise einen vierseitigen Pyramidenabschnitt, der seinen Spitzenteil freilegt. Insbesondere wird, wenn ein {100}-Diamant-Substrat benutzt wird, ein abgestumpfter vierseitiger Pyramidenabschnitt auf der Randseite des vierseitigen Pyramidenabschnitts ausgebreitet. Das heißt, dieser Diamant-Vorsprung hat einen abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitt, dessen obere und untere Oberflächen jeweils stetig mit der Bodenoberfläche des vierseitigen Pyramidenabschnitt und der Oberfläche des Diamant-Substrats sind, während der zwischen einer Seitenrippenlinie des abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitts und der Oberfläche des Diamant-Substrats gebildete Win kel kleiner ist als der Winkel, der zwischen einer Seitenrippenlinie des vierseitigen Pyramidenabschnitts und der Oberfläche des Diamant-Substrats gebildet wird.
Der Diamant-Vorsprung kann einen abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitt haben, dessen obere Oberfläche freiliegt.
Der Diamant-Vorsprung kann eine Form haben, die von einer ersten Rippenlinie parallel zu der Substratoberfläche, einer zweiten und dritten Rippenlinie, die so verlaufen, dass sie sich von einem Ende der ersten Rippenlinie in Richtung der Oberfläche ausbreiten, und einer vierten und fünften Rippenlinie umgeben ist, die so verlaufen, dass sie sich von dem anderen Ende der ersten Rippenlinie in Richtung der Oberfläche ausbreiten.
Damit das Diamant-Substrat dem Diamant-Vorsprung in Form des Gitters entspricht, ist das Diamant-Substrat bevorzugt ein Einkristall-Diamant. Es liegt an der Tatsache, dass Kristalldefekte folglich kaum in den Vorsprung einzuführen sind, wodurch verhindert wird, dass die Güte sich verschlechtert. Als das Diamant-Substrat kann auch ein Polykristall-Diamant benutzt werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Elements umfasst: (a) einen Schritt zum Herstellen eines Diamant-Substrats; (b) einen Schritt zum Bilden eines Keim-Vorsprungs auf einer Oberfläche des Diamant-Substrats durch Diamant, und (c) einen Schritt zum Bilden eines Diamant-Vorsprungs durch epitaktisches Züchten des Diamants auf dem Keim-Vorsprung vorzugsweise durch Dampfphasensynthese unter Verwendung des Keim-Vorsprungs als einen Kern.
Da der Kern der Kristallzüchtung somit absichtlich als der Keim-Vorsprung auf dem Substrat angeordnet wird, kann die Stelle, an der der vorspringende Teil auf der Oberfläche des Substrats integral zu bilden ist, definitiv bestimmt werden, wodurch das aus einem Diamantelement bestehende elektronenemittierende Element leicht hergestellt werden kann.
Damit ein Diamant des vorspringenden Teils auf einer Oberfläche in einer vorteilhaften Weise wächst, wird die Oberfläche bevorzugt aus der Gruppe gewählt, die aus {100}-, {110}- und {111}-Flächen besteht.
Damit der Diamant des Keim-Vorsprungs mit dem Substrat in Form des Gitters übereinstimmt, um zu verhindern, dass Kristalldefekte eingebracht werden, besteht das Substrat bevorzugt aus Einkristall-Diamant oder Polykristall-Diamant. Als Folge werden Kristalldefekte davon abgehalten, sich in den an dem Keim-Vorsprung gebildeten vorspringenden Teil zu verbreiten, wodurch verhindert werden kann, dass die Qualität des Diamantelements verschlechtert wird.
Wenn die Oberfläche eine {100}-Fläche ist, wird das Züchtungsratenverhältnis vorzugsweise auf 1.73 oder größer gesetzt. Wenn die Oberfläche eine {111}-Fläche ist, wird das Züchtungsratenverhältnis vorzugsweise auf 1/1.73 gesetzt. Wenn die Oberfläche eine {110}-Fläche ist, wird das Züchtungsratenverhältnis vorzugsweise auf 1.73/2 gesetzt.
In dem Fall, wo das Verhältnis der Züchtungsrate des auf dem Keim-Vorsprung in der <111> Richtung epitaktisch gezüchteten Diamanten zu der in der <100> Richtung so geändert wird, kann der vorspringende Teil vorteilhaft zugespitzt werden. Die vorerwähnten Werte basieren auf der Tatsache, dass die Kristallstruktur des Diamanten zu dem kubischen System gehört, bei dem das Verhältnis des Gitterabstands in der {111}-Fläche zu dem Gitterabstand in der {100}-Fläche 1.73 beträgt.
Der oben erwähnte Schritt (b) umfasst vorzugsweise: Einen Schritt zum Bilden einer Maske auf einem Teil der Oberfläche des Diamantsubstrats, wo der Keim-Vorsprung zu bilden ist; einen Schritt zum Ätzen eines Teils der Oberfläche des Diamantsubstrats, wo die Maske nicht gebildet ist, und einen Schritt zum Entfernen der Maske nach dem Ätzen. Als Folge kann der Keim-Vorsprung an einer gewünschten Stelle der Substratoberfläche gebildet werden.
Alternativ kann der oben erwähnte Schritt (b) umfassen: Einen Schritt zum Bilden einer Maske, sodass nur ein Teil der Oberfläche des Substrats freigelegt wird, wo der Keim-Vorsprung zu bilden ist; einen Schritt zum epitaxialen Züchten von Diamant durch Dampfphasensynthese auf dem Teil der Oberfläche des Diamant-Substrats, wo der Keim-Vorsprung zu bilden ist, und einen Schritt zum Entfernen der Maske nach dem epitaxialen Züchten.
Wenn die Höhe des Keim-Vorsprungs zu groß ist, kann abnormales Züchten von seiner Seitenfläche auftreten. Wenn der Durchmesser des Keim-Vorsprungs zu groß ist, kann es eine sehr lange Zeit dauern, um den vorspringenden Abschnitt zuzuspitzen. In dem Fall, wo die Oberfläche z. B. eine {110}-Fläche ist, kann folglich der Automorphismus der {110}-Fläche an dem vorspringenden Abschnitt nicht erscheinen, wodurch die Substrat-Oberfläche nachteilig gerauht wird. Es wird daher vorgezogen, dass der Keim-Vorsprung im Wesentlichen wie ein runder Zylinder mit einer Höhe von 1 bis 100 μm und einem Durchmesser von 0.5 bis 10 μm gebildet wird. Wenn der Keim-Vorsprung eine solche Größe hat, ohne abnormales Züchten zu erzeugen, kann die zum Zuspitzen des vorspringenden Abschnitts benötigte Zeit reduziert werden, wodurch der vorspringende Abschnitt vorteilhaft zugespitzt werden kann. Insbesondere kann, wenn der Keim-Vorsprung im Wesentlichen wie ein runder Zylinder mit einer Höhe von 2 bis 10 μm und einem Durchmesser von 0.5 bis 10 μm gebildet wird, der vorspringende Abschnitt hervorstehender zugespitzt werden, um so auf eine später erklärte elektronische Einrichtung wirkungsvoll anwendbar zu sein.
Mit anderen Worten, es wird vorgezogen, dass die Maske eine Öffnung hat, in der der Keim-Vorsprung zu bilden ist, wobei der Durchmesser der Öffnung so festgelegt wird, dass der Durchmesser des Keim-Vorsprungs 0.5 bis 10 μm wird. Das vorerwähnte Ätzen oder epitaxiale Züchten wird vorzugsweise durchgeführt, bis die Höhe des Keim-Vorsprungs 1 bis 100 μm oder besser 2 bis 10 μm wird.
Die erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung umfasst eine Vakuum-Verkleidung, in der das elektronenemittierende Element angeordnet ist, und eine elektronenziehende Elektrode, die in der Vakuum-Verkleidung angeordnet ist, wobei eine Spannung zwischen der elektronenziehenden Elektrode und dem elektronenemittierenden Element angelegt werden kann.
Wie oben erwähnt, erscheint Automorphismus an dem Diamant-Vorsprung des aus einem Diamantelement bestehenden elektronenemittierenden Elements, wodurch der Diamant-Vorsprung auf einer Atomstufe zugespitzt wird. Ein solcher vorspringender Abschnitt besitzt eine Form, die für Feldemission sehr vorteilhaft ist. Außerdem wird der vorpringende Abschnitt integral mit dem Substrat gebildet, was zu keiner Grenzfläche dazwischen führt, die Kontaktwiderstand oder dergl. verursachen kann. Die an die Steuerlektrode angelegte Spannung, um Elektronen von dem vorspringenden Abschnitt zu ziehen, kann folglich reduziert werden.
Die vorliegende Erfindgung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, die nur der Veranschaulichung dienen und daher nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend zu betrachten sind.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden. Man sollte jedoch verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und spezifische Beispiele, während bevorzugte Ausführungen der Erfindung dargelegt werden, nur der Veranschaulichung dienen.
Beispiele von Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Inhalt der Zeichnungen:
1A, 1B, 1C, 1D und 1E sind perspektivische Ansichten von Kristall-Morphologien des Diamanten.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Diamantelements.
3A, 3B, 3C, 3D und 3E sind perspektivische Ansichten, die jeweilige Teile eines Prozesses zur Herstellung des Diamantelements zeigen.
4 ist eine Schnittansicht einer Mikrowellen-CVD-Vorrichtung.
5A und 5B sind perspektivische Ansichten, die jeweils andere Ausführungen des Diamantelements zeigen.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine andere Ausführung des Diamantelements zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine andere Ausführung des Diamantelements zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die das Diamantelement im Detail zeigt.
9A, 9B, 9C und 9D sind Schnittansichten, die jeweilige Teile eines anderen Prozesses zur Herstellung des Diamantelements zeigen.
10 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Ausführung einer elektronischen Vorrichtung zeigt.
11 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Anzeige zeigt.
12 ist eine Schnittansicht einer Reflexions-Hochenergie-Elektronendiffraktions-(RHEED) Vorrichtung.
13 ist ein Elektronen-Mikrobild eines Keim-Vorsprungs.
14 ist ein Elektronen-Mikrobild von Diamant-Vorprüngen.
15 ist ein Elektronen-Mikrobild eines Spitzenteils des Diamant-Vorsprungs.
16 ist ein Elektronen-Mikrobild eines Diamant-Vorsprungs.
17 ist ein Elektronen-Mikrobild eines Diamant-Vorsprungs.
18 ist ein Elektronen-Mikrobild eines Diamant-Vorsprungs.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen werden einander identische oder gleichwertige Teile mit den gleichen Verweiszeichen bezeichnet.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils (Grundeinheitsteil) eines Diamantelements 10. Das dargestellte Diamantelement 10 umfasst eine Matrix oder Substrat 11, dessen Oberfläche eine {100}-Fläche des Ib-Typ Einkristall-Diamants mit einer hohen Kristallisierbarkeit ist, und einen vorspringenden Teil, der durch Diamant ohne Korngrenze auf der Oberfläche des Substrats 11 integral gebildet ist, d. h., Diamant-Vorsprung 12.
Der Diamant gehört zu dem kubischen System. Der vorspringende Teil 12, der integral mit dem Substrat 11 gebildet wird, dessen Oberfläche eine {100}-Diamantfläche ist, hat folglich eine von {111}-Diamantflächen umgebene Kristall-Morphologie. In diesem Fall wird der vorspringende Teil 12 in der Richtung der Kristallausrichtung <100> zugespitzt. Diese <100> Richtung ist senkrecht zu der Diamant-{100}-Fläche. Der vorpringende Teil 12 wird folglich senkrecht in Bezug auf die Oberfläche des Substrats 11 zugespitzt und wird integral damit gebildet.
Der Vorderkantenteil des vorspringenden Teils 12 hat ideal nur ein Kohlenstoffatom. Das Zuspitzen hat folglich seine Grenze auf einer mikroskopischen Atomstufe erreicht, wie durch ein Elektronenmikroskop oder dergleichen beobachtet, und der Krümmungsradius ist klein.
Außerdem ist der vorspringende Teil von seinen inhärenten Kristallflächen umgeben, die von der Symmetrieeigenschaft der Kristallstruktur des Diamants beherrscht werden, um dadurch so genannten Automorphismus zu zeigen. In diesem Fall sind die elektrischen und mechanischen Eigenschaften und dergleichen des vorspringenden Teils diejenigen, die dem Einkristall-Diamant eigen sind. Außerdem ist die Oberfläche des vorspringenden Teils 12 hinsichtlich Energie sehr stabil. Das Diamantelement 10 mit einer gleichmäßigen Qualität kann daher leicht gewonnen werden.
Insbesondere entsprechen, da in dieser Ausführung das Substrat aus Ib-Typ Einkristall-Diamat besteht, dieses Substrat und der vorspringende Teil einander in Form des Gitters an ihrer Grenzfläche, wodurch Kristalldefekte kaum in den vorspringenden Teil eingebracht werden. Als Ergebnis zeigt das Diamantelement eine ausgezeichnete Qualität.
Trotzdem sollte die Matrix nicht auf die aus Ib-Typ Einkristall-Diamant bestehende beschränkt werden. Effekte ähnlich denen des Ib-Typ Einkristall-Diamants werden auch erhalten, wenn die Matrix aus Naturtyp-Diamant-Einkristall besteht, da er eine hohe Kristallisierbarkeit aufweist. Außerdem kann, wenn ein auf einem Substrat aus Cu, c-BN oder dergleichen hetero-epitaxial gezüchteter Einkristall-Diamantfilm oder ein Polykristall-Diamantfilm, dessen Kristallfläche eine hohe Ausrichtungseigenschaft hat, aus wirtschaftlicher Sicht als die Matrix benutzt wird, ein brauchbarer vorspringender Teil gebildet werden.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Diamantelements gemäß einer Ausfürhrung der vorliegenden Erfindung erklärt. 3A bis 3E sind perspektivische Ansichten, die jeweilige Teile eines Prozesses zur Herstellung eines Diamantelements 20 zeigen, wobei Grundeinheitsabschnitte, jeweils in 2 gezeigt, zweidimensional angerodnet sind.
Zu Anfang wird ein Substrat 21 bestehend aus Ib-Typ Einkristall-Diamant hergestellt, dessen Oberfläche eine {100}-Fläche ist (3A). Dann wird eine Resistschicht 22 auf dem Substrat 21 gebildet, und eine Photomaske 23 zum Bilden eines gewünschten Musters, d. h., ein zweidimensionales Punktmuster mit einer Abstandsbreite von 1 bis 500 μm, wird darauf angeordnet. Danach wird Photolithographie-Technik zum Bilden des vorerwähnten Musters auf der Resistschicht 22 benutzt (3B). Dann wird Ätztechnik benutzt, um Maskenschichten 24 entsprechend dem Muster der Resistschicht 22 zu bilden (3C).
Danach wird reaktive Ionenätztechnik (RIE) zum Trockenätzen des Substrats 21 (3D) benutzt, wodurch zylindrisch vorspringende Teile (Keim-Vorsprung) 25 gebildet werden. Damit vorspringende Teile 26 des Diamantelements 20 zugespitzt geformt werden, wird bevorzugt, dass jeder vorspringende Teil in einen im Wesentlichen runden Zylinder mit einer Höhe von 1 bis 100 μm und einem Durchmesser von 0.5 bis 10 μm geformt wird.
Der Durchmesser jeder in der Maske gebildeten Öffnung ist nämlich etwas größer als 0.5 bis 10 μm, und das Ätzen wird durchgeführt, bis die Höhe jedes vorspringenden Teils 25 1 bis 100 μm wird. Wenn die Höhe des vorspringenden Teils 25 zu groß ist, kann abnormales Züchten von seiner Seitenfläche auftreten, während, wenn der Durchmesser des vorspringenden Teils 25 zu groß ist, es eine lange Zeit zum Zuspitzen des vorspringenden Teils 26 dauern kann. In dem Fall, wo die Oberfläche z. B. eine {110}-Fläche ist, kann der Automorphismus der {110}-Fläche nicht an dem vorspringenden Teil 26 erscheinen, wodurch das Substrat unvorteilhaft gerauht wird. Wenn im Gegensatz dazu der vorspringende Teil die vorerwähnte Größe hat, ohne abnormales Züchten zu erzeugen, kann die benötigte Zeit zum Zuspitzen des vorspringenden Teils 26 reduziert werden, wodurch der vorspringende Teil 26 vorteilhaft zugespitzt werden kann. Insbesondere kann, wenn der vorspringende Teil 25 im Wesentlichen wie ein runder Zylinder mit einer Höhe von 2 bis 10 μm und einem Durchmesser von 0.5 bis 10 μm geformt wird, der vorspringende Teil 26 hervortretender zugespitzt werden, um so auf die später erklärte elektronische Vorrichtung wirksam anwendbar zu sein. Das heißt, der Durchmesser jeder in der Maske gebildeten Öffnung ist etwas größer als 0.5 bis 10 μm, und das Ätzen wird durchgeführt, bis die Höhe jedes vorspringenden Teils 25 2 bis 10 μm wird.
Hier wird die RIE-Technik benutzt, weil nicht nur der vorspringende Teil damit einfach gebildet werden kann, sondern auch der Teil anders als der vorspringende Teil damit sanft geätzt werden kann. Es liegt an der Tatsache, dass diese Technik vorteilhaft ist, weil sie leicht die Maskenschicht 24 graben kann. Als Ergebnis kann der Unterschied zwischen dem vorspringenden Teil der Matrix und dem anderen Teil deutlich erscheinen. Hier ist das in der RIE-Technik benutzte Reaktionsgas vorzugsweise ein Gas, das aus O₂ allein oder einem gemischten Gas besteht, das wenigstens CF₄ und O₂ umfasst. Während das Volumenverhältnis des gemischten Gases im Hinblick auf die Ätzrate und die Glattheit der Matrixoberfläche bestimmt wird, kann eine gewünschte Matrixoberfläche relativ leicht erhalten werden, wenn das Verhältnis des Volumenanteils von CF₄ zu dem Volumenanteil von O₂ größer als 0, aber nicht größer als 0.5 ist.
Dann wird unter Verwendung jedes vorspringenden Teil 25 auf dem Substrat 21 als ein Kern zur Dampfphasenzüchtung von Diamant die Mikrowellen-CVD-Technik zum epitaxialen Züchten des Diamants verwendet (3E).
4 ist eine Ansicht, die schematisch eine Mikrowellen-CVD-Vorrichtung 30 zum Durchführen dieser Mikrowellen-CVD-Technik zeigt. Die Mikrowellen-CVD-Vorrichtung 30 besitzt eine Reaktionskammer 31, die aus einem Silika-Rohr besteht, um Mikrowellen hindurchzuführen. Ein Wellenleiterrohr 32 ist so angeordnet, dass es sich mit der Reaktionskammer 31 kreuzt. An einem Ende des Wellenleiterrohrs 32 ist ein Mikrowellen-Erzeugungsabschnitt angeordder, der eine Mikrowellen-Stromversorgung 33, die Mikrowellen entsprechend der Schwingung eines Magnetrons erzeugt, und einen nicht gezeigten Isolator umfasst, der Mikrowellen nur in einer Richtung durchlässt. Eine Drei-Säulen-Anpassungseinrichtung 34 ist zwischen dem Mikrowellen-Erzeugungsabschnitt und der Reaktionskammer 31 angeordnet, während eine Kurzschlusskolben-Anpassungseinrichtung an der anderen Endseite des Wellenleiter rohrs 32 angeordnet ist, wodurch die Impedanz so angepasst wird, dass die Reflexion von elektrischer Mikrowellenleistung minimiert wird. Ein Substrathalter 36 ist an einer Stelle angeordnet, wo die Reaktionskammer 31 und das Wellenleiterrohr 32 einander kreuzen, während das Substrat 21 auf dem Substrathalter 36 befestigt wird. Der obere Teil der Reaktionskammer 31 ist mit einer Zuführöffnung 37 zum Zuführen des Reaktionsgases versehen, während der untere Teil der Reaktionskammer 31 mit einer Absaugöffnung 38 zum Evakuieren der Reaktionskammer 31 mittels einer Rotationspumpe oder dergleichen versehen ist.
Um eine solche Mikrowellen-CVD-Vorrichtung 30 zu benutzen, um einen Diamant epitaxial auf dem Substrat 21 zu züchten, auf dem der vorspringende Teil 25 für den Züchtungskern gebildet wird, wird das Substrat zu Anfang auf dem Substrathalter 36 befestigt. Dann wird die Reaktionskammer 31 durch die Rotationspumpe auf einen vorbestimmten Druck evakuiert. Danach wird ein Materialgas von der Zuführöffnung 37 bei einer geeigneten Flussrate eingeführt, und der Druck in der Reaktionskammer 31 wird auf einem vorbestimmten Pegel gehalten. Um die Feldemissionseigenschaft des vorspringenden Teils 26 zu verbessern, enthält das Materialgas bevorzugt ein Gas, das ein Gruppe-V-Element, z. B. Stickstoff (N) oder Phosphor (P), enthält.
Anschließend wird die Mikrowellen-Stromversorgung 33 eingeschaltet, um das Materialgas zu erregen, wodurch Plasma erzeugt wird, wie durch den gestrichelten Kreis in 4 angedeutet. Die an die Mikrowellen-Stromversorgung 33 angelegte elektrische Leistung wird geeignet justiert, um die Temperatur des Substrats 21 auf einen vorbestimmten Pegel einzustellen. Die Temperatur des Substrats 21 wird durch ein Pyrometer (nicht gezeigt) oberhalb der Reaktionskammer 31 bestimmt. Wenn Kristalle in einem solchen Zustand für einen vorgegebenen Zeitraum gezüchtet werden, wird das Verhältnis der Züchtungsrate von Diamant in <100> Richtung zu der in <111> Richtung 1.73 oder größer, wodurch der vorspringende Teil 26 mit einer von {111}-Flächen von Diamant umgebenen Kristall-Morphologie an der Stelle jedes vorspringenden Teils 25, wie in 3E gezeigt, gebildet werden kann.
Da der Kern der Kristallzüchtung absichtlich als der vorspringende Teil 25 auf dem Substrat 21 angeordnet wird, kann die Stelle, an der der vorspringende Teil 26 auf der Oberfläche des Substrats 21 intergral zu bilden ist, definitiv bestimmt werden, wodurch das Diamantelement 20 leicht hergestellt werden kann.
Wenn das Züchtungsratenverhältnis kleiner als 1.73 ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass der vorspringende Teil zugespitzt wird. Außerdem nimmt das Züchtungsratenverhältnis 1.73 den Fall an, wo das Kristallzüchten von einem Kohlenstoffatom voranschreitet. In dem Fall, wo das Kristallzüchten von einer aus einer Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehenden Substratoberfläche voranschreitet, kann folglich, abhängig vom Oberflächenzustand des Substrats, das Zuspitzen von Diamant für immer fehlschlagen, wodurch seinem Kristall zu wachsen erlaubt wird, während die Form der Substratoberfläche behalten wird. Das Züchtungsratenverhältnis wird daher auf 1.73 oder größer festgesetzt.
Obwohl eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Diamantelements im Vorangehenden erklärt wurde, sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt sein.
5A und 5B sind Perspektivansichten, die jeweils andere Ausführungen des erfindungsgemäßen Diamantelements zeigen. Anders als das Diamantelement 10 der oben erwähnten Ausführung hat das in 5A gezeigte Diamantelement 10a eine Matrix oder Substrat 11a, dessen Oberfläche eine {110}-Diamantfläche ist. Außerdem hat sein vorspringender Teil 12a, der Automorphismus auf der Oberfläche zeigt, eine Kristall-Morphologie, die von {111}- und {100}-Diamantflächen umgeben ist, im Gegensatz zu dem Vorsprung 12 mit einer Kristall-Morphologie, die von {111}-Flächen umgeben ist. In diesem Fall wird der vorspringende Teil 12a in der Richtung der Kristallausrichtung <110> zugespitzt. Die Richtung <110> ist senkrecht zu der {110}-Diamantfläche. Folglich wird, wie bei dem vorspringenden Teil 12 der oben erwähnten Ausführung, der vorpringende Teil 12a senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 11a zugespitzt und integral damit gebildet.
Das Herstellungsverfahren des in 5A gezeigten Diamantelements 10a ist im Wesentlichen das gleiche wie das des Herstellens des oben erwähnten Diamantelements 20, unterscheidet sich aber davon dadurch, dass die herzustellende Oberfläche des Substrats 11a eine {110}-Diamantfläche ist. Des Weiteren sind die Zusammensetzung des zum epitaxialen Züchten von Diamant an dem vorspringenden Teil benutzten Materialgases, die Temperatur des Substrats 11a und dergleichen jeweils abweichend von der Zusammensetzung des Materialgases, der Temperatur des Substrats 21 und dergleichen zum Durchführen des Herstellungsverfahrens des Diamantelements 20 sind. Es liegt an der Tatsache, dass, wenn der vorspringende Teil 12a des Diamantelements 10a zu bilden ist, das Verhältnis der Züchtungsrate von Diamant in der <100> Richtung zu der in <111> Richtung auf 1.7312 gesetzt wird, um so ein gewünschtes Diamantelement zu ergeben.
Anders als die in 2 und 5A gezeigten Diamantelemente 10 bzw. 10a umfasst das in 5B gezeigte Diamantelement 10b ein Substrat 11b, dessen Oberfläche eine {111}-Diamantfläche ist. Außerdem hat sein vorspringender Teil 12b, der Automorphismus auf der Oberfläche zeigt, eine Kristall-Morphologie, die von {100}-Diamantflächen umgeben ist, im Ge gensatz zu den in 2 und 5A gezeigten Vorsprüngen 12 und 12a mit Kristall-Morphologien, die von {111}-Flächen und {100}-Flächen umgeben sind. In diesem Fall wird der vorspringende Teil 12b in der Richtung der Kristallausrichtung <111> zugespitzt. Die Richtung <111> ist senkrecht zu der {111}-Diamantfläche. Folglich wird, wie bei den oben erwähnten vorspringenden Teilen 12 und 12a, der vorpringende Teil 12b senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 11b zugespitzt und integral damit gebildet.
Das Herstellungsverfahren des in 5B gezeigten Diamantelements 10b ist im Wesentlichen das gleiche wie das des Herstellens der oben erwähnten Diamantelements 20 und 10a, unterscheidet sich aber davon dadurch, dass die herzustellende Oberfläche des Substrats 11b eine {111}-Diamantfläche ist. Des Weiteren sind die Zusammensetzung des zum epitaxialen Züchten von Diamant an dem vorspringenden Teil benutzten Materialgases, die Temperatur des Substrats 11b und dergleichen jeweils abweichend von der Zusammensetzung des Materialgases, der Temperatur des Substrats 21 oder 11a und dergleichen zum Durchführen des Herstellungsverfahrens des Diamantelements 20 oder 10a sind. Es liegt an der Tatsache, dass, wenn der vorspringende Teil 12b des Diamantelements 10b zu bilden ist, das Verhältnis der Züchtungsrate von Diamant in der <100> Richtung zu der in <111> Richtung auf 1/1.73 gesetzt wird, um so ein gewünschtes Diamantelement zu ergeben.
Wenn hier das Züchtungsratenverhältnis größer als 1/1.73 ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass der vorspringende Teil zugespitzt wird. Außerdem nimmt der Züchtungsratenverhältniswert von 1/1.73 den Fall an, wo das Kristallzüchten von einem Kohlenstoffatom voranschreitet. In dem Fall, wo das Kristallzüchten von einer aus einer Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehenden Substratoberfläche voranschreitet, kann folglich, abhängig vom Oberflächenzustand des Substrats, das Zuspitzen von Diamant für immer fehlschlagen, wodurch seinem Kristall zu wachsen erlaubt wird, während die Form der Substratoberfläche behalten wird. Das Züchtungsratenverhältnis wird daher auf 1/1.73 oder kleiner festgesetzt.
6 ist eine Perspektivansicht eines Diamantelements, das erhalten wird, wenn das Herstellen des in 2, 5A oder 5B gezeigten Diamantelements unfertig gelassen wird. Dieses Diamantelement hat einen vierseitigen Pyramidenteil 12, 12a oder 12b mit einem freigelegten Spitzenteil, der auf dem Diamantsubstrat 11, 11a oder 11b angeordnet ist. Ein solches Diamantelement kann ebenfalls als ein vorteilhaftes elektronenemittierendes Element fungieren.
7 ist eine Perspektivansicht eines Diamantelements, das erhalten wird, wenn beim Bilden des vorspringenden Teils 25 bei der Herstellung des in 2 oder 5a gezeigten Dia mantelements die Form des vorspringenden Teils 25 leicht von einem runden Zylinder z. B. in einen elliptischen Zylinder verformt wird. Der Diamant-Vorsprung 12 oder 12a dieses Diamantelements hat eine Form, die von einer ersten Rippenlinie R1 parallel zu der Oberfläche des Substrats 11 oder 11a, einer zweiten und dritten Rippenlinie R2 und R3, die so verlaufen, dass sie sich von einem Ende der ersten Rippenlinie R1 in Richtung auf die Substratoberfläche ausbreiten, und einer vierten und fünften Rippenlinie R4 und R5 umgeben ist, die so verlaufen, dass sie sich von dem anderen Ende der ersten Rippenlinie R1 in Richtung auf die Oberfläche des Substrats ausbreiten. Ein solches Diamantelement kann ebenfalls als ein vorteilhaftes elektronenemittierendes Element fungieren.
In dem Fall, wo ein Diamant-Vorsprung auf einer (100)-Diamantsubstratoberfläche gezüchtet wird, ist seine Form im Wesentlichen ein vierseitiger Pyramidenteil, wie in 2 gezeigt, ist aber in der Praxis nicht genau ein vierseitiger Pyramidenteil.
8 ist eine Perspektivansicht, die die Form eines wirklichen Diamant-Vorsprungs 12 zeigt. Dieser Diamant-Vorsprung 12 umfasst einen vierseitigen Pyramidenteil 12U mit einem freigelegten Spitzenteil und einen abgestumpften vierseitigen Pyramidenteil 12L, dessen obere und untere Oberfläche jeweils stetig mit der Bodenoberfläche des vierseitigen Pyramidenteils 12U und der Oberfläche eines Diamantsubstrats 11 sind. Der Winkel A, der zwischen einer Seitenrippenlinie 12RL des abgestumpften vierseitigen Pyramidenteils 12L und der Oberfläche des Diamantsubstrats 11 gebildet wird, ist kleiner als der Winkel B, der zwischen einer Seitenrippenlinie 12RU des vierseitigen Pyramidenteils 12U und der Oberfläche des Diamantsubstrats 11 gebildet wird. Das heißt, angenommen, dass der Winkel, der zwischen einer Diagonalen DL des Vierecks, das die Bodenoberfläche des abgestumpften vierseitigen Pyramidenteils 12L bildet, und der Seitenrippenlinie 12RL des abgestumpften vierseitigen Pyramidenteils 12L, die die Diagonale DL schneidet, gebildet wird, A ist, und dass der Winkel, der zwischen der Diagonalen DL und der Seitenrippenlinie 12RU des vierseitigen Pyramidenteils 12U, dessen eines Ende mit der Seitenrippenlinie 12RL stetig ist, gebildet wird, B ist, sind beide Winkel A und B spitze Winkel, wobei der Winkel A kleiner als der Winkel B ist.
Das Verfahren zur Herstellung des Diamantelements nach der vorliegenden Erfindung sollte nicht auf die oben erwähnte Ausführung beschränkt sein. Zum Beispiel ist der Prozess des Bildens des vorspringenden Teils auf dem Substrat nicht auf den vorerwähnten beschränkt und kann in Übereinstimmung mit dem in 9A bis 9C gezeigten sein. Zuerst wird ein vorbestimmtes Substrat 21 hergestellt (9A). Anschließend wird, nachdem eine mit einem gewünschten Muster gebildete Maske 27 auf dem Substrat angeordnet wurde, ein Metall auf dem Teil des Substrats 21 anders als der Teil, wo vorspringende Teile 25 herzustellen sind, abgelagert, um dadurch eine Maskenschicht 28 zu bilden (9B). Dann wird mit der Maske 27 entfernt Diamant epitaxial auf dem Substrat 21 gezüchtet, um so die vorspringenden Teile 25 zu bilden (9C). Hier ist aus dem oben erwähnten Grund der Durchmesserfeder in der Maske 27 gebildeten Öffnung etwas größer als 0.5 bis 10 μm, und Ätzen wird durchgeführt, bis der vorspringende Teil 25 eine Höhe von 1 bis 100 μm oder besser 2 bis 10 μm erreicht. Danach wird das Substrat 21 mit einer säurehaltigen Lösung gewaschen, um die Maskenschicht 28 zu beseitigen, wodurch die vorspringenden Teile 25 nur auf dem Substrat 21 gebildet werden (9D). Da in diesem Fall kein Ätzen mit dem RIE-Verfahren durchgeführt wird, ist es vorzuziehen, dass die Oberfläche des Substrats im Voraus poliert wird, um ihre Glattheit zu erhöhen.
Im Folgenden wird die elektronische Vorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erklärt.
10 ist eine schematische Schnittansicht einer elektronischen Einrichtung 40, auf die eine Ausführung der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Die gezeigte elektronische Einrichtung 40, die eingerichtet ist, als ein Feldemissionselement zu arbeiten, umfasst ein elektronenemittierendes Element 41 des Feldemissionstyps, das aus einem Diamantelement 10, das gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist, besteht, und eine Steuerelektrode 42. Das elektronenemittierende Element 41 des Feldemissionstyps ist auf einem isolierenden Tisch 44 montiert, der im unteren Teil innerhalb einer Vakuumhülle 43 platziert ist. Im oberen Teil der Vakuumhülle 43 ist die Steuerelektrode 42 so angeordnet, dass sie gegenüber dem elektronenemittierenden Element 41 liegt, wobei sie davon getrennt ist.
In dieser Konfiguration wird die Steuerelektrode 42 auf eine vorbestimmte positive Spannung in Bezug auf das elektronenemittierende Element 41 gelegt. Jeder vorspringende Teil 12 des Diamantelements 10, das das Feldemissionstyp-Elektronenemissionselement 41 bildet, arbeitet folglich als eine kleine Elektrode, wodurch ein Elektron (e) aus dem vorspringenden Teil 12 gezogen wird. Der Feldemissionsstrom jeder kleinen Elektrode ändert sich gemäß der Fowler-Nordheim-Formel exponentiell in Bezug auf die Feldintensität.
Der vorspringende Teil 12 mit einem kleinen Krümmungsradius ist folglich sehr vorteilhaft für die Feldemission. Da außerdem das Substrat 11 und der vorspringende Teil 12 intergral miteinander sind, wird keine Grenzfläche dazwischen gebildet, wodurch keine Befürchtung dahin gehend besteht, dass die Feldemissionseigenschaft durch Kontaktwiderstand oder der gleichen unerwünscht beeinflusst wird.
Folglich können, wenn eine Spannung zwischen das Feldemissionstyp-Elektronenemissionselement 41 und die Steuerelektrode 42 auch mit einem niedirigen Pegel angelegt wird, Elektronen in einer größeren Zahl emittiert werden als herkömmlich emittiert werden, wodurch eine stromsparende Einrichtung verwirklicht werden kann.
11 zeigt eine Anzeige, die mit dem elektronenemittierenden Element 20 ausgestattet ist. Die Anzeige umfasst eine Vakuumhülle VE, in der das elektronenemittierende Element 20 angeordnet ist, und eine elektronenziehende Elektrode EL, die in der Vakuumhülle VE angeordnet ist, sodass eine Spannung zwischen die elektronenziehende Elektrode EL und das elektronenemittierende Element 20 angelegt wird. Die elektronenziehende Elektrode EL liegt an einer Stelle gegenüber jedem Vorsprung 26 des elektronenemittierenden Elements 20, während ein Phosphor PE, der als Reaktion auf das Auftreffen des Elektrons Licht emittiert, auf der elektronenziehenden Elektrode EL angeordnet ist. Drei aus jeweiligen farbigen Harzen bestehende Primärfarbenfilter R, G und B sind auf bestimmten Bereichen des Phosphors PE gebildet, während sie durch eine schwarze Maske BM voneinander getrennt sind. Ein Oberflächenbereich 26' jedes Vorsprungs 26 ist mit Fremdatomen wie As, B, N und P dotiert. Wenn eine Spannung zwischen einen bestimmten Diamant-Vorsprung 26 und seine entsprechende Elektrode angelegt wird, wird ein Elektron aus dem Vorsprung 26 emittiert, um auf dem Phosphor PE aufzuschlagen. Wenn der Phosphor PE als Reaktion auf das auftreffende Elektron Licht emittiert, läuft das so emittierte Licht durch sein entsprechendes Farbfilter R, G und B. Durch Schalten der Elektroden EL, von denen Elektronen emittiert werden, können Lichtstrahlen von den einzelnen Farbfiltern R, G und B unabhängig voneinander gesteuert werden. Diese Farbfilter R, G und B bilden Pixel.
12 zeigt eine Reflexions-Hochenergie-Diffraktions-(RHEED)-Vorrichtung. Eine Spannung von mehreren zehn kV wird zwischen das elektronenemittierende Element 20 und einen ziehende Elektrode EL' gelegt, und die Flugbahn des emittierten Elektrons wird durch einen Elektromagneten MG eingestellt, um so auf einer Probe SM aufzutreffen. Der von der Oberfläche der Probe SM reflektierte Elektronenstrahl tritt auf eine Phosphorplatte PL', wodurch ein Diffraktionsbild darauf angezeigt wird. Das elektronenemittierende Element 20, die elektronenziehende Elektrode EL', die Probe SM und die Phosphorplatte PL' sind in einer Röhre angeordnet, die eine Vakuumhülle VE' ist. Die Vakuumhülle wird mit einer Pumpe PM evakuiert.
Beispiel 1
Das oben erwähnte elektronenemittierende Element wurde hergestellt. Ein aus Ib-Typ Einkristall-Diamant bestehendes Substrat, dessen Oberfläche eine {100}-Fläche war, wurde im Voraus durch Hochtemperatur-Hochdruck-Synthese hergestellt. Eine Resistschicht wurde auf dem Substrat gebildet, und eine Photomaske wurde darauf gelegt. Dann wurde durch Photolithographietechnik ein vorbestimmtes Muster auf der Resistschicht gebildet. Danach wurde durch Ätztechnik eine dem Muster der Resistschicht entsprechende Maskenschicht gebildet. In diesem Beispiel wurde eine Vielzahl von Maskenschichten, jede in der Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 8 μm, als in quadratischen Gittern mit einem Abstand von 28 μm angeordnet gebildet.
Anschließend wurde dieses Substrat durch reaktive Ionenätzung trocken geätzt. Hier wurde ein gemischtes Gas bestehend aus CF₄ mit einem Stoffanteil von 20% und O₂ mit einem Stoffanteil von 80% als Reaktionsgas benutzt, wodurch zylindrische vorspringende Teile mit je einer Höhe von 3 bis 4 μm und einem Durchmesser von 3 μm integral auf dem Substrat gebildet wurden. Danach wurden die Maskenschichten enfernt. 13 ist einen Elektronen-Mikrobild eines vorspringenden Teils.
Dann wurde das Substrat auf dem Substrathalter einer Mikrowellen-CVD-Vorrichtung montiert, und ihre Reaktionskammer wurde mit einer Rotationspumpe auf einen vorbestimmten Druck evakuiert. Anschließend wurde als Materialgas ein gemischtes Gas aus Methangas und Wasserstoff mit einem Molverhältnis von [Methan]/[Wasserstoff] von 6% bis 7% von der Zuführoffnung bei 213 sccm eingeführt, und der Druck in der Reaktionskammer wurde auf etwa 18.7 kPa (140 Torr) gehalten. Dann wurde die Mikrowellen-Stromversorgung eingeschaltet, um Mikrowellen in die Reaktionskammer einzuleiten, um so das Materialgas zu erregen und Plasma zu erzeugen. Hier wurde die an die Mikrowellen-Stromversorgung angelegte elektrische Leistung geeignet eingestellt, sodass die Substrattemperatur 940° bis 960° wurde. Wenn Kristallzüchtung für etwa eine Stunde in diesem Zustand durchgeführt wurde, wurde ein vorspringender Teil mit einer von {111}-Flächen umgebenen Kristall-Morphologie integral auf dem Substrat gebildet. Als Ergenbis wurde unter dieser experimentellen Bedingung das Verhältnis der Züchtungsrate in <100> Richtung zu der in <111> Richtung als 1.73 oder größer gefunden, um so ein gewünschtes Diamantelement zu ergeben.
Beispiel 2
Hergestellt als das Substrat wurde Ib-Typ Einkristall-Diamant, dessen Oberfläche eine {110 Fläche ist. Wie bei Beispiel 1 wurde der Einkristall-Diamant durch Hochtemperatur-Hoch druck-Synthese hergestellt. In einem Verfahren ähnlich dem von Beispiel 1 wurden zylindrische vorspringende Teile auf dem Substrat gebildet, und dann wurde die Mikrowellen-CVD-Vorrichtung identisch mit der von Beispiel 1 benutzt, um Diamant epitaxial auf dem Substrat zu züchten. Hier wurde als Materialgas ein gemischtes Gas aus Methan und Wasserstoff mit einem Molverhältnis von [Methan]/[Wasserstoff] von 0.03 von der Zuführöffnung bei 206 sccm eingeführt, und der Druck in der Reaktionskammer wurde auf etwa 18.7 kPa (140 Torr) gehalten. Weiter wurde die Substrattemperatur auf 1,040° bis 1,060° eingestellt. Wenn Kristallzüchtung für etwa eine Stunde in diesem Zustand durchgeführt wurde, wurde ein vorspringender Teil mit einer von {111}- und {100}-Flächen umgebenen Kristall-Morphologie integral auf dem Substrat gebildet. Als Ergebnis wurde das Verhältnis der Züchtungsrate in <100> Richtung zu der in <111> Richtung unter dieser experimentellen Bedingung als 1.73/2 (= 0.87) gefunden, um so ein gewünschtes Diamantelement zu ergeben.
Beispiel 3
Die Bedingungen von Beispiel 3 waren die gleichen wie die für Beispiel 1, außer dass in dem Kristallzüchtungsprozess als Materialgas ein gemischtes Gas aus Methangas und Wasserstoff mit einem Molverhältnis [Methan]/[Wasserstoff] von 10% bei 110 sccm eingeführt wurde, der Druck in der Reaktionskammer etwa 18.7 kPa (140 Torr) betrug, die Substrattemperatur 1,000° war, und die Kristallzüchtungszeit eine Stunde betrug. 14 ist ein Elektronen-Mikrobild der so gebildeten Diamant-Vorsprünge. Diese Photographie zeigt eine Vielzahl von Diamant-Vorsprüngen. 15 ist einen Elektronen-Mikrobild des Spitzenteils eines mit einem solchen Verfahren gebildeten Diamant-Vorsprungs. Der Krümmungsradius des Spitzenteil des mit diesem Verfahren gebildeten Diamant-Vorsprungs liegt in der Größe von einigen nm, womit er viel kleiner ist als der des durch Ätzen gebildeten Diamant-Vorsprungs.
Beispiel 4
Die Bedingungen von Beispiel 4 waren die gleichen wie die von Beispiel 3, außer dass in dem Kristallzüchtungsprozess die Kristallzüchtungszeit 50 Minuten betrug. 16 ist ein Elektronen-Mikrobild des Spitzenteils eines mit einem solchen Verfahren gebildeten Diamant-Vorsprungs, wobei der Spitzenteil flach gemacht wurde.
Beispiel 5
Die Bedingungen von Beispiel 5 waren die gleichen wie die von Beispiel 3, außer dass in dem Kristallzüchtungsprozess die Kristallzüchtungszeit 40 Minuten betrug. 17 ist ein Elektronen-Mikrobild des Spitzenteils eines mit einem solchen Verfahren gebildeten Diamant-Vorsprungs, wobei Rippenlinien in dem Spitzenteil bleiben. Hier kann es auch bei der gleichen Kristallzüchtungszeit, abhängig von Abweichungen in der Größe unter vorspringenden Teilen, einen Fall geben, wo der wie in 14 gezeigt geformte Diamant-Vorsprung erhalten wird.
Beispiel 6
Die Bedingungen von Beispiel 6 waren die gleichen wie die von 2, außer dass ein Substrat aus Ib-Typ Einkristall-Diamant, dessen Oberfläche eine {110}-Fläche war, in dem Kristallzüchtungsprozess geätzt wurde, um vorspringende Teile zu bilden, und dass in seinem Kristallzüchtungsprozess als ein Materialgas ein gemischtes Gas aus Methangas und Wasserstoff mit einem Molverhältnis [Methan]/[Wasserstoff] von 3% bei 206 sccm eingeführt wurde, der Druck in der Reaktionskammer 18.7 kPa (140 Torr) betrug, die Substrattemperatur 1,050° war, und die Kristallzüchtungszeit eine Stunde betrug. 18 ist ein Elektronen-Mikrobild des Spitzenteils eines mit diesem Verfahren gebildeten Diamant-Vorsprungs, wobei Rippenlinien in dem Spitzenteil bleiben.
Obwohl das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Diamantelements im Vorangehenden mit Verweis auf bevorzugte Ausführugen und Beispiele beschrieben wurde, sollte die vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt sein. Das in 5B gezeigte Diamantelement kann auch erhalten werden, wenn die Zusammensetzung und die Flussrate des Materialgases, der Druck in der Reaktionskammer, die Temperatur des Substrats und dergleichen geeignet festgelegt werden.
In dem vorerwähnten Diamantelement wird der vorstehende Teil, der Automorphismus an seiner Spitze aufweist, auf dem Substrat an einer vorbestimmten Stelle gebildet. In diesem Fall wird der vorspringende Teil auf einer Atomstufe zugespitzt und besitzt verschiedene, einem Einkristall-Diamant eigenen Eigenschaften. Außerdem ist die Oberfläche des vorspringenden Teils in Form von Energie stabil. Folglich kann ein Diamantelement mit einer gleichmäßigen Qualität leicht erhalten werden.
Außerdem kann mit dem oben erwähnten Verfahren zur Herstellung eines Diamantelements, da der Kern der Kristallzüchtung absichtlich als der vorspringende Teil auf dem Substrat angeordnet wird, die Stelle, an der der vorspringende Teil auf der Oberfläche des Substrats integral zu bilden ist, definitiv bestimmt werden. Als Ergebnis kann das Diamantelement leicht hergestellt werden.
Von der elektronischen Vorrichtung nach Ausführungen der vorliegenden Erfindung, die die Tatsache in Betracht zieht, dass der auf einer Atomstufe zugespitzte, vorpringende Teil für Feldemission sehr vorteilhaft ist, wird erwartet, dass sie auf Anzeigeeinrichtungen, wie z. B. eine FED, anwendbar ist, wodurch elektrische Leistung gespart werden kann.
Die elektronische Vorrichtung ist nicht nur auf die FED anwendbar. Sie ist z. B. auch auf eine Elektronenkanone für ein Abtast-Elektronenmikroskop (SEM) oder Elektronendiffraktions-Elektronenquelle für ein Feldemissionsmikroskop (FEM), eine Gleichrichtungseinrichtung, eine Stromverstärkungseinrichtung, eine Spannungsverstärkungseinnchtung, einen Hochfrequenzschalter für eine Leistungsverstärkungseinrichtung, einen Sensor oder dergleichen anwendbar.

Claims

Elektronenemittierendes Element, das ein Diamant-Substrat (11, 21), einen Diamant-Vorsprung (12, 26) umfasst, der so auf einer Fläche des Diamant-Substrats (11, 21) gezüchtet ist, dass er einen spitzen Abschnitt in einer Form aufweist, die in der Lage ist, ein Elektron zu emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant-Vorsprung (12, 26) einen Keim-Vorsprung (25) als einen Kern darin enthält, wobei der Keim-Vorsprung im Voraus auf der Fläche des Diamant-Substrats (11, 21) ausgebildet wurde.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei die Fläche des Diamant-Substrats (11a) eine {100}-Fläche ist und wobei der Diamant-Vorsprung (12) {111}-Flächen hat.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei die Fläche des Diamant-Substrats (11a) eine {110}-Fläche ist und wobei der Diamant-Vorsprung (12a) {111}- und {100}-Flächen hat.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei die Fläche des Diamant-Substrats (10b) eine {111}-Fläche ist und wobei der Diamant-Vorsprung (12b) {100}-Flächen hat.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei der Diamant-Vorsprung (12) einen vierseitigen Pyramidenvorsprung (12, 12a, 12b) hat, der einen Spitzenteil desselben freilegt.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 5, wobei der Diamant-Vorsprung (12) einen abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitt (12L) aufweist, dessen Ober- und Unterseite sich an die Unterseite des vierseitigen Pyramidenabschnitts (12, 12a, 12b) bzw. die Fläche des Diamant-Substrats (11) anschließen, wobei ein Winkel (A), der zwischen einer Seitenkantenlinie (12RL) des abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitts (12L) und der Fläche des Diamantsubstrats (11) ausgebildet ist, kleiner ist als ein Winkel (B), der zwischen einer Seitenkantenlinie (12RU) des vierseitigen Pyramidenabschnitts (12, 12a, 12b) und der Fläche des Diamant-Substrats (11) ausgebildet ist.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei der Diamant-Vorsprung (12) einen abgestumpften vierseitigen Pyramidenabschnitt (12L) aufweist, der eine Oberseite desselben freilegt.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei der Diamant-Vorsprung (12) eine Form hat, die von einer ersten Kantenlinie (R1) parallel zu der Fläche (11, 11a), einer zweiten (R2) und einer dritten (R3) Kantenlinie, die sich so erstrecken, dass sie sich von einem Ende der ersten Kantenlinie (R1) in Richtung der Fläche ausdehnen, sowie einer vierten (R4) und einer fünften (R5) Linie umgeben wird, die sich so erstrecken, dass sie sich von dem anderen Ende der ersten Kantelinie (R1) in Richtung der Fläche ausdehnen.
Elektronenemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei das Substrat (11, 21) aus Einkristall-Diamant besteht.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen eines Diamant-Substrats (21); b) Ausbilden eines Diamant-Keim-Vorsprungs (25) an einer Fläche des Diamant-Substrats (21); und c) Ausbilden eines Diamant-Vorsprungs (26) durch epitaxiales Züchten von Diamant an dem Keim-Vorsprung (20).
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 10, wobei der Schritt b) die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer Maske (23) auf einem Teil der Fläche des Diamant-Substrats (21), auf dem der Keim-Vorsprung (25) ausgebildet werden soll; Ätzen eines Teils der Fläche des Diamant-Substrats (21), auf dem die Maske (23) nicht ausgebildet ist; und Entfernen der Maske (23) nach dem Ätzen.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 10, wobei der Schritt b) die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer Maske (23, 27), so dass nur ein Teil der Fläche des Substrats (21) freigelegt wird, auf dem der Keim-Vorsprung (25) ausgebildet werden soll; epitaxiales Züchten von Diamant durch Dampfphasensynthese auf dem Teil der Fläche des Diamant-Substrats (21 ), auf dem der Keim-Vorsprung (25) ausgebildet werden soll; und Entfernen der Maske (23, 27) nach dem epitaxialen Züchten.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Maske (23, 27) eine Öffnung aufweist, in der der Keim-Vorsprung (25) ausgebildet werden soll, und die Öffnung einen Durchmesser hat, durch den der Keim-Vorsprung (25) einen Durchmesser von 0,5 bis 10 μm hat.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 11, wobei das Ätzen durchgeführt wird, bis der Keim-Vorsprung (25) eine Höhe von 1 bis 100 μm hat.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 11, wobei das Ätzen durchgeführt wird, bis der Keim-Vorsprung (25) eine Höhe von 2 bis 10 μm hat.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 12, wobei das epitaxiale Züchten durchgeführt wird, bis der Keim-Vorsprung (25) eine Höhe von 1 bis 100 μm hat.
Verfahren zum Herstellen des elektronenemittierenden Elementes nach Anspruch 12, wobei das epitaxiale Züchten durchgeführt wird, bis der Keim-Vorsprung (25) eine Höhe von 2 bis 10 μm hat.
Elektronische Vorrichtung (40), die eine Vakuum-Verkleidung (43), in der das elektronenemittierende Element (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist, sowie eine elektronenziehende Elektrode (42) umfasst, die in der Vakuum-Verkleidung (43) angeordnet ist, wobei eine Spannung zwischen der elektronenziehende Elektrode (42) und dem elektronenemittierenden Element (41) angelegt werden kann.