JP2001176377A - 真空マイクロ素子及びその製造方法 - Google Patents

真空マイクロ素子及びその製造方法

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JP2001176377A
JP2001176377A JP36159799A JP36159799A JP2001176377A JP 2001176377 A JP2001176377 A JP 2001176377A JP 36159799 A JP36159799 A JP 36159799A JP 36159799 A JP36159799 A JP 36159799A JP 2001176377 A JP2001176377 A JP 2001176377A
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JP36159799A
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Hisashi Sakuma
尚志 佐久間
Tomio Ono
富男 小野
Tadashi Sakai
忠司 酒井
Toshi Cho
利 張
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤモンドへの不純物拡散あるいはドーピ
ングを容易し、ドーピング効果を高める。 【解決手段】 ダイヤモンドを形成する支持基板、たと
えばSi基板101にイオンインプラ技術を用いて高濃
度のボロンを拡散する。又は別の領域にリンを拡散させ
る。拡散させた基板にダイヤモンド106を形成させる
ことにより形成初期過程に支持基板より不純物の拡散が
生じる。この技術により、ダイヤモンド106への不純
物の拡散が容易に行われ、且つ同一表面上に多種類の不
純物拡散領域を形成することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型冷陰極
を有する真空マイクロ素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電界放出型の真空マイクロ素子はその高
速応答の可能性、耐放射線、耐高温特性の向上の可能
性、さらに高精細で自発光型のディスプレイの可能性な
どから、近年活発に研究開発が行われている。
【0003】エミッタ材料は電子親和力の小さい材料が
使用されている。例えば、近年、ダイヤモンドの電子親
和力が0に近いことが見出され(例えばJ.Van ら
J.Yac.Sci.Technol.8,10,4,
‘1992').このダイヤモンドをエミッタ材料にし
た真空マイクロ素子の形成方法が種々提案されている。
【0004】しかしながら、ダイヤモンドをエミッタ材
料に使用する場合、次の問題が生じる。ダイヤモンド自
体非常に高抵抗な膜であり絶縁物に近い。即ち、ダイヤ
モンドへの電子の注入が非常に困難であると言うことで
ある。この課題を解決するために不純物をドーピング
し、低抵抗化することが試されている。不純物のドーピ
ング法はいくつか報告されている。例えば、イオン打ち
込み法あるいは化学気相成長法の場合、ボロンをドーピ
ングする時には原料ガス例えばメタンガスとジボランガ
スの混合ガスを反応室に導入し、ダイヤモンドを形成す
る。しかしながら、これらの方法は高度な技術が必要に
なったり、有害ガスの使用という安全性を確保する必要
性が生じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明では以上のよう
な真空マイクロ素子の現状に鑑みて、エミッタ材料とし
てダイヤモンドを使用する場合、ダイヤモンドに容易に
不純物ドープし、ダイヤモンド本来の特性を十分活用可
能な新しい真空マイクロ素子の作製方法と構造を提案す
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ために、本発明は、電子を電界放出するエミッタと、そ
の放出を制御するゲート電極とを有する真空マイクロ素
子においてエミッタ材料を形成する支持台にあらかじめ
所定の不純物を拡散しておき、エミッタ材料を形成する
際に支持台から不純物を拡散させることを特徴とする真
空マイクロ素子を提供する。
【0007】かかる本発明において、エミッタ材料とし
て炭素系材料を用いることが望ましい。
【0008】特に、エミッタ材料としてダイヤモンドを
用いることが望ましい。
【0009】また、エミッタ材料に拡散させる不純物と
して窒素、ホウ素、リン、砒素、硫黄のうち少なくとも
一つ以上を用いることが望ましい。
【0010】また、本発明は、第1の基板に底部を尖鋭
化した凹部を形成する工程と、この第1の基板上に少な
くとも前記凹部を覆う絶縁膜を形成する工程と、この絶
縁膜上にバンドギャップを連続的に変化させたエミッタ
層を形成する工程と、このエミッタ層を前記第1の基板
と第2の基板とで挟むようにこの第2の基板とエミッタ
層とを接着する工程と、前記第1の基板を除去して尖鋭
化されたエミッタ層を被覆する絶縁膜を露出する工程
と、この露出した絶縁膜上にゲート電極層を形成する工
程と、前記尖鋭化されたエミッタ層の頂部を被覆する前
記ゲート電極層及び絶縁膜を順次エッチング除去する工
程とを含むことを特徴とする真空マイクロ素子の製造方
法を提供する。
【0011】本発明の骨子は、Si基板に異方性エッチ
ングなどによって形成した尖端型鋳型に熱酸化膜を形成
し、更にイオン打ち込み法により所定の不純物を所定の
濃度だけ打ち込み、さらにダイヤモンドを形成すること
によりダイヤモンドに不純物を容易に拡散させることが
可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。
【0013】図1(a)から(i)は、本発明の実施の
形態に係わる真空マイクロ素子の製造方法を示す断面図
である。
【0014】まず図1(a)に示すように、第一の基板
101に底部を尖らせた凹部102を形成する。このよ
うな凹部の形成方法としては、以下に示すようなSi単
結晶基板の異方性エッチングを利用する方法が挙げられ
る。すなわち、まず(100)結晶方位のSi単結晶基
板上に、厚さ0.1um程度の熱酸化Si0層を形成
し、更にレジストをスピンコート法により塗布する。次
いで露光・現像を行い、NH4F・HF混合溶液により
Si0熱酸化膜のエッチングを行う。レジストを除去
した後、KOH水溶液を用いて異方性エッチングを行な
うことによりSi基板101上に逆ピラミッド状の凹部
102を形成する。
【0015】次に、図1(b)に示すように基板101
上にゲート絶縁層となる熱酸化膜103を形成する。次
にイオン打ち込み法により例えばボロン(B)を熱酸化
膜に打ち込みボロン拡散層104を形成する。ボロン拡
散層104上にエミッタ層となるダイヤモンドを形成す
る。本実施例ではダイヤモンドは熱フィラメント法を用
い形成した。ダイヤモンド層は水素(H)ガス流量1
00sccm、アセトン流量0.5sccmからなる混
合ガスを用い、フィラメント温度2000℃、圧力15
0Torr、基板温度900℃とし、0.5μm形成し
た。
【0016】ダイヤモンド形成時ボロン拡散層104
は、基板温度900℃、フィラメント温度2000℃と
高温に晒されるためボロンのダイヤモンド側への拡散が
生じる。すなわちダイヤモンドボロン拡散層(105)
が形成され、更に拡散しないダイヤモンド層106が形
成される。
【0017】次に、エミッタ電極として金属層107を
ダイヤモンド層上に形成する。金属材料としてはモリブ
デン(Mo)、チタン(Ti)等が挙げられる。電極用
金属の成膜方法は電子ビーム蒸着法、スパッタ法等があ
るが本実施例では電子ビーム蒸着法を用いて形成した。
ダイヤモンド層とエミッタ金属電極間の抵抗を出来るだ
け小さくするためさまざまな処理が考えられる。例え
ば、ダイヤモンド層表面のHプラズマ処理による表面
クリーニング、高真空下での金属電極の形成等である。
本実施例ではこれら両者の処理を行った。ダイヤモンド
層のHプラズマ処理はRFプラズマによって行った。
条件はHガスを100sccm流し、プラズマ処理圧
力を0.1Torr、RFパワーを300Wで30分行
った。金属電極の材料はMoを用い、10−7Torr
台の真空中において電子ビーム蒸着法で形成した。
【0018】一方、第2の基板となる構造基板として背
面に厚さ0.3μmのアルミニウム層(以下AL層と表
記。)108をコートしたパイレックスガラス基板(厚
さlmm)109を用意し、図1(e)に示すように、
ガラス基板109と上記Si基板101とをエミッタ材
料であるダイヤモンド層106を介するように接着す
る。この接着法には、例えば静電接着法を適用すること
ができる。ガラス基板109背面のAL層108をHN
・CHCOOH・HF混合液で除去した後、KO
H水溶液等でSi基板101のみエッチングする。ただ
し、図1(f)に示すようにゲート電極層として一部を
残し、絶縁膜となる熱酸化膜103を露出させる。
【0019】次に、図1(g)に示すように、ピラミッ
ド状凸部110の先端、この場合エミッタ層である10
5が所定の大きさまで露出するように熱酸化膜である絶
縁層103を弗化アンモニウム溶液によりエッチング
し、真空マイクロ素子が完成する。
【0020】上記実施例ではダイヤモンドエミッタ層は
熱フィラメント法を用いて作製したが、作製法は熱フィ
ラメント法に限ったものではない。平行平板型RFプラ
ズマ法、誘導コイル型RFプラズマ法、DCプラズマ
法、マイクロ波プラズマ法等を用いても作製可能であ
る。例えばマイクロ波CVD法によって作製する実施例
を以下に説明する。マイクロ波電源は一般的に用いられ
る2.45GHzの発振周波数を使用した。使用したガ
スは水素ガス、炭素源としてはメタン(CH)ガス、
又はアセトン、メタノール、エタノール等の有機溶剤で
も差し支えない。本実施例では炭素源としてアセトンを
用いた。Hガス流量は200sccm、アセトンは
0.5sccmとした。基板温度は900℃、マイクロ
波パワー3kW、反応圧力100Torrとし、基板上
に0.5μmの結晶性の良いダイヤモンドを形成する。
【0021】この様な低電界放出型の真空マイクロ素子
の用途としては、各種デバイスが考えられる。例えば、
図1(g)のエミッタ105に対向してアノード電極を
設けスイッチング用のパワーデバイスとして用いること
が可能である。
【0022】次に、上記実施例による真空マイクロ素子
を用いた平板型画像表示装置について図2を用いて述べ
る。この実施例の平板型画像表示装置図1(g)と同様
の構成の、真空マイクロ素子のピラミッド状エミッタが
多数アレイ状に形成された(ここでは便宜上1つのエミ
ッタで図示している)真空マイクロ素子部200とこの
素子部200と対向配置された蛍光体層201及びIT
Oから成る透明電極(アノード電極)層202が順次形
成されたガラスフェースプレート203とが所定の間隔
を設けられており、これらにより真空筐体が構成されて
いる。この様な画像表示装置によれば、低電圧でエミッ
タからの電子放出が可能であり低消費電力化を図ること
ができる。
【0023】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろ変形し
て実施できる。例えば、ダイヤモンド拡散層としてボロ
ンを拡散させたが、n型にする場合は窒素、リン、サル
ファを拡散させることも可能である。またゲート電極層
にはタングステン(W)以外にもモリブデン(Mo)で
も可能である。
【0024】又、本発明は真空マイクロ素子に限らず、
実施可能である。例えば、図3に示される製造過程につ
いて説明する。Si基板の所定の領域に例えばボロンの
イオン打ち込みを行い、同一表面上の他の領域にリンの
イオン打ち込みを行い、このSi基板上にダイヤモンド
を形成すると、ダイヤモンドの表面には異種類の不純物
を拡散することが可能である。又、打ち込み領域には制
限はなく複数領域に複数の不純物を打ち込むことが可能
であり、さまざまな応用が可能である。
【0025】
【発明の効果】以上のように、本発明を用いることで、
ダイヤモンドに容易に不純物をドーピングすることが可
能となり、ダイヤモンドエミッタの特性を最大限に活か
した即ち低電圧において電子放出が可能な真空マイクロ
素子を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による真空マイクロ素子の製
造工程を示す断面図。
【図2】本発明の一実施例による平板型画像表示装置を
示す断面図。
【符号の説明】
101…Si基板 102…凹部 103…ゲート絶縁層 104…ボロン拡散絶縁層 105…ダイヤモンドボロン拡散層 106…ダイヤモンド層 107…エミッタ電極層 108…AL層 109…ガラス基板 110…凸部 200…真空マイクロ素子部 201…フェースプレート 202…透明電極(アノード電極) 203…蛍光体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 忠司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 張 利 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子を電界放出するエミッタと、その放
    出を制御するゲート電極とを有する真空マイクロ素子に
    おいて、エミッタ材料を形成する支持台にあらかじめ所
    定の不純物を拡散しておき、エミッタ材料を形成する際
    に支持台から不純物を拡散させることを特徴とする真空
    マイクロ素子。
  2. 【請求項2】 エミッタ材料として炭素系材料を用いる
    ことを特徴とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
  3. 【請求項3】 エミッタ材料としてダイヤモンドを用い
    ることを特徴とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
  4. 【請求項4】 エミッタ材料に拡散させる不純物として
    窒素、ホウ素、リン、砒素、硫黄のうち少なくとも一つ
    以上を用いることを特徴とする請求項1記載の真空マイ
    クロ素子。
  5. 【請求項5】 第1の基板に底部を尖鋭化した凹部を形
    成する工程と、この第1の基板上に少なくとも前記凹部
    を覆う絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上にバンド
    ギャップを連続的に変化させたエミッタ層を形成する工
    程と、このエミッタ層を前記第1の基板と第2の基板と
    で挟むようにこの第2の基板とエミッタ層とを接着する
    工程と、前記第1の基板を除去して尖鋭化されたエミッ
    タ層を被覆する絶縁膜を露出する工程と、この露出した
    絶縁膜上にゲート電極層を形成する工程と、前記尖鋭化
    されたエミッタ層の頂部を被覆する前記ゲート電極層及
    び絶縁膜を順次エッチング除去する工程とを含むことを
    特徴とする真空マイクロ素子の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179411A (ja) * 2002-11-27 2004-06-24 Toppan Printing Co Ltd メンブレンマスク及び露光方法
JP2004179410A (ja) * 2002-11-27 2004-06-24 Toppan Printing Co Ltd ステンシルマスク及び露光方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179411A (ja) * 2002-11-27 2004-06-24 Toppan Printing Co Ltd メンブレンマスク及び露光方法
JP2004179410A (ja) * 2002-11-27 2004-06-24 Toppan Printing Co Ltd ステンシルマスク及び露光方法

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