JP2002075171A - 電子放出素子の製造方法及び電子デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出部の高さと底面積を独立に制御する
ことができ、且つ、電子放出部の形成位置を制御するこ
とができる電子放出素子の製造方法及び電子デバイスを
提供すること。 【解決手段】 ダイヤモンドから電子を放出させる電子
放出素子２０の製造方法において、ダイヤモンド基板２
１にダイヤモンドの柱状体２５を形成する第１ステップ
（図１（ｄ））と、柱状体２５にエッチング処理を施し
て、基台部３６と当該基台部３６よりも先端側に位置し
て電子が放出される尖鋭部３２とを有する電子放出部３
０を形成する第２ステップ（図１（ｅ））と、を含むこ
とを特徴とする。

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（Ｆ
ＥＤ）等に応用可能な電子放出素子の製造方法及び電子
デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体技術の微細加工の進展と共
に、真空マイクロエレクトロニクスの分野が急速に発展
している。中でも、表示機能を有する次世代の電子デバ
イスの一つとして、フィールド・エミッション・ディス
プレイ（ＦＥＤ）が着目されている。これは、ＦＥＤが
従来のＣＲＴディスプレイと異なり、電界放出型の電子
放出素子として機能する微小電極が２次元状に配列され
ていることから、電子の偏向・収束が原則不要となって
ディスプレイの薄型化・平坦化が図れるためである。

【０００３】そして、このようなＦＥＤの微小電極に用
いられる材料として、ダイヤモンドが脚光を浴びてい
る。これは、ダイヤモンドには電子親和力が負という電
子放出素子として非常に有効な性質があるためである。
ダイヤモンドによって微小電極を形成することにより、
当該微小電極から低電圧下で電子を放出させることがで
きる。

【０００４】ダイヤモンドによって形成された電子放出
素子としては、例えばNEW DIAMOND,Vol.13 No.4, p28
(1997)や、特開平１０−３１２７３５号公報に記載され
たものが知られている。前者には、ドーピングしたダイ
ヤモンドを針状に加工した電子放出素子（図１８参照）
が開示されており、一方、後者には、ダイヤモンド合成
技術によってピラミッド状によって形成された電子放出
素子（図１９参照）が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電子放出素子には、次のような問題があった。すな
わち、前者の電子放出素子では、尖鋭な針状の電子放出
部がエッチングによって自然に形成されるため、電子放
出部の位置を制御することができなかった。また、後者
の電子放出素子では、ピラミッド状の電子放出部におけ
る最大高さと底辺の長さとが比例関係にあるため、先端
までの高さとエミッタの径を独立して制御することがで
きなかった。このため、複数のピラミッドの密度を高め
るために各ピラミッドの底面積を小さくすると、ピラミ
ッドの高さが低くなり、同じ電圧でも先端部の電界が小
さくなり、電子が放出されにくいという問題を引き起こ
していた。

【０００６】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、電子放出部の高さと底面積を独立に制
御することができ、且つ、電子放出部の形成位置を制御
することができる電子放出素子の製造方法、及びこの方
法によって製造された電子放出素子を用いた電子デバイ
スを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ダイヤモンドから電子を放出させる電子
放出素子の製造方法において、ダイヤモンド基板にダイ
ヤモンドの柱状体を形成する第１ステップと、柱状体に
エッチング処理を施して、基台部と当該基台部よりも先
端側に位置して電子が放出される尖鋭部とを有する電子
放出部を形成する第２ステップと、を含むことを特徴と
する。

【０００８】本発明に係る電子放出素子の製造方法によ
れば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整する
ことで、電子放出部の位置を制御することができる。ま
た、柱状体にエッチング処理を施して先端に尖鋭部を有
する電子放出部を形成するが、完成された電子放出部の
底面積は、エッチングを施す前の柱状体の底面積に依存
し、電子放出部の高さは、エッチングを施す前の柱状体
の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。さらに、
柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整するこ
とによって所望の値にすることができるため、従来のよ
うに電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピ
ラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積
と高さを独立に制御することができる。

【０００９】また、本発明の電子放出素子の製造方法に
おいて、上記第２ステップのエッチングをプラズマエッ
チングとすることができる。

【００１０】また、本発明の電子放出素子の製造方法に
おいて、第２ステップにおいて、ダイヤモンド基板の柱
状体が形成された部分以外をマスクし、柱状体に反応性
イオンエッチングを施すことが好ましい。この場合、電
子放出部の先端の尖鋭部を針状に形成することができ
る。

【００１１】さらに、本発明の電子放出素子の製造方法
において、第１ステップにおいて、ダイヤモンド基板の
表面に円形のマスク部を形成した後にダイヤモンド基板
にエッチングを施すことで柱状体を形成し、第２ステッ
プにおいて、第１ステップのエッチングと比較して縦方
向に対する横方向のエッチング速度の割合が高いエッチ
ングを柱状体に施して電子放出部を形成することが好ま
しい。

【００１２】この場合、第１ステップにおいて円形のマ
スク部を形成する場所を調整することで、電子放出部の
位置を制御することができる。また、第２ステップにお
けるエッチングの横方向の速度が速くされているため、
柱状体の先端に尖鋭部を形成することができる。また、
得られた電子放出部の底面積は、第１ステップのエッチ
ングで得られた柱状体の底面積に依存し、電子放出部の
高さは、第１ステップ及び第２ステップのエッチング条
件に依存する。そして、柱状体の底面積はマスク部の面
積を調整することで制御でき、電子放出部の高さは第１
ステップのエッチングでダイヤモンド基板を除去する量
を調整することで制御できるため、電子放出部の高さと
底面積とを独立して制御することができる。

【００１３】また、本発明に係る他の電子放出素子の製
造方法は、ダイヤモンドから電子を放出させる電子放出
素子の製造方法において、ダイヤモンド基板にダイヤモ
ンドの柱状体を形成する第１ステップと、柱状体にダイ
ヤモンド合成処理を施し、基台部、電子が放出される尖
鋭部、及び、基台部と尖鋭部との間に位置する柱状の中
間部を有する電子放出部を形成する第２ステップと、を
含むことを特徴とする。

【００１４】本発明に係る電子放出素子の製造方法によ
れば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所を調整する
ことで、電子放出部の位置を制御することができる。ま
た、柱状体にダイヤモンド合成処理を施して基台部、中
間部、及び尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、得
られた電子放出部の底面積は、ダイヤモンド合成処理を
施す前の柱状体の形状に依存し、電子放出部の高さは、
ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形状及びダイ
ヤモンド合成処理の条件に依存する。さらに、柱状体の
高さと底面積はエッチングの条件を調整することによっ
て所望の値にすることができるため、従来のように電子
放出部全体をダイヤモンド合成技術によってピラミッド
状にする場合とは異なり、電子放出部の底面積と高さを
独立に制御することができる。

【００１５】また、本発明の電子デバイスは、上記の各
方法によって製造された電子放出素子と、尖鋭部と対向
配置されると共に電子放出素子との間に電圧が印加され
る電子引出電極と、を備えることを特徴とする。

【００１６】本発明に係る電子デバイスによれば、電子
引出電極と電子放出素子との間に電圧を印加すること
で、電子放出部の尖鋭部から電子引出電極に向けて電子
が放出される。

【００１７】また、本発明の電子デバイスにおいて、電
子放出素子の基台部の周囲に設けられた金属製のゲート
電極と、ゲート電極に電圧を印加する電源と、を備える
ことが好ましい。

【００１８】このような構成を採用した場合、金属製の
ゲート電極が設けられた部分はショットキー接合とな
り、基台部の内側には空乏層が形成される。そして、ゲ
ート電極に印加する電圧値を調整することで、空乏層の
大きさを制御することができる。空乏層を大きくすれ
ば、尖鋭部からの電子放出量が低減し、空乏層を小さく
すれば、尖鋭部からの電子放出量が増加する。尚、ゲー
ト電極と基台部との間に絶縁層を設けてＭＩＳ接合とし
ても、電子放出量を調整することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る電子放出素子の製造方法及び電子デバイスの好
適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素に
は同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略す
る。

【００２０】［第１実施形態］図１（ａ）〜図１（ｅ）
は、本発明に係る電子放出素子の製造方法の第１実施形
態を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すよう
な、表面が｛００１｝面のＩｂ型の単結晶ダイヤモンド
からなる基板２１を用意する。次に、図１（ｂ）の工程
で、基板２１上にレジスト層２２を形成し、この上に２
次元状に円形の遮光板２３ａが形成されたフォトマスク
２３を配置する。フォトマスク２３の各遮光板２３ａの
ピッチは、例えば約１μｍ〜約５０μｍとする。そし
て、フォトリソグラフィ技術によって、レジスト層２２
に、フォトマスク２３の遮光板２３ａに対応する位置に
２次元状のパターンを形成する。

【００２１】その後、図１（ｃ）に示す工程で、エッチ
ング技術によってレジスト層２２の上記パターンに対応
したマスク部２４を形成する。さらに、図１（ｄ）に示
す工程で、基板２１に反応性イオンエッチング（Reacti
ve Ion Etching: RIE）を施して、基板２１に単結晶ダ
イヤモンドからなる複数本の柱状体２５を形成する。本
実施形態では柱状体２５は断面円形とされているが、こ
の他、四角形、三角形等としてもよい。また、柱状体２
５の高さを約１μｍ〜約２０μｍとし、柱状体２５の直
径を約０．５μｍ〜約１０μｍとすることが好ましく、
さらに、柱状体２５の直径に対する高さの比（以下、
「アスペクト比」と称する）は、約１〜約５にすること
が好ましい。

【００２２】また、柱状体２５を形成するのに反応性イ
オンエッチングを用いたのは、隆起状の柱状体２５を容
易に形成できるだけでなく、柱状体２５が形成された部
分以外を平滑にエッチングすることができるためであ
る。尚、反応性イオンエッチングで用いられる反応ガス
は、Ｏ₂のみ、又は、ＣＦ₄及びＯ₂を含む混合ガスとす
ることが好適である。

【００２３】また、柱状体２５を形成するにあたって
は、反応性イオンエッチング以外の手法を用いてもよ
く、例えば、イオンビームエッチング、ＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴：Electron Cyclotron Resonance）エ
ッチング、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ：Inductive Coup
led Plasma）によるエッチング等を用いることができ
る。

【００２４】続いて、図１（ｅ）に示す工程で、マイク
ロ波プラズマ中で柱状体２５にプラズマエッチングを施
して、電子放出部３０を形成する。図２に、電子放出部
３０の拡大図を示す。同図に示すように、電子放出部３
０は、角柱状の基台部３６とこの基台部３６よりも先端
側に位置する尖鋭部３２とを有している。基台部３６が
角柱状（ここでは四角柱）になるのは、基板２１の表面
が｛００１｝面とされているためである。また、電子放
出素子２０に電圧を印加すると、尖鋭部３２の先端から
電子が放出されることになる。

【００２５】また、プラズマエッチングは、酸素１００
％のガス中で、反応室温度が室温〜約２００℃、反応室
内の圧力が０．１〜４０Ｐａ（特に、５Ｐａ付近が好ま
しい）の条件下、或いは、ＣＦ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏ
ｌ）≦約０．２５の混合ガス中で、反応室温度が室温〜
約２００℃、反応室内の圧力が０．１〜４０Ｐａ（特
に、５Ｐａ付近が好ましい）の条件下で行うことが好適
である。また、プラズマエッチングは、マイクロ波プラ
ズマ中ではなく、ＤＣプラズマ、アークジェットプラズ
マ、火炎プラズマ等の他のプラズマ中で行ってもよい。

【００２６】ここで、本実施形態の電子放出素子２０の
製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体２５を形成す
る場所を調整することで、電子放出部３０の位置を制御
することができる。また、プラズマエッチングによって
形成された電子放出部３０の底面積は、エッチングを施
す前の柱状体２５の底面積に依存し、電子放出部３０の
高さは、エッチングを施す前の柱状体２５の高さ及びエ
ッチングの処理内容に依存する。さらに、柱状体２５の
高さと底面積は反応性イオンエッチングの条件を調整す
ることによって所望の値にすることができるため、従来
のように電子放出部３０全体をダイヤモンド合成技術に
よってピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部
３０の底と高さを独立に制御することができる。このた
め、柱状体２５のアスペクト比を高くしておけば、電子
放出部３０の高さを低くすることなく、すなわち電子放
出部３０の先端部にかかる電圧が小さくなって電子の放
出量が低下することなく、電子放出素子２０における電
子放出部３０の密度を高めることができる。

【００２７】尚、本実施形態では、単結晶ダイヤモンド
からなる基板２１を使用しているが、ヘテロエピタキシ
ャルダイヤ基板や高配向膜基板を使用してもよい。但
し、高配向膜基板を使用する場合は、一つの柱状体２５
に複数の粒子が含まれることを防ぐために、柱状体２５
の径よりも粒子のサイズが大きくなるようにすることが
好ましい。また、電子放出素子の特性は多少劣化する
が、面方位がバラバラの多結晶ダイヤモンドによって基
板を形成することも可能である。また、基板２１は、
（１００）基板に限られず、（１１０）基板や（１１
１）基板としてもよい。

【００２８】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態
の電子放出素子２０の変形例を示す斜視図である。各変
形例は、電子放出部３０の形状が図２に示す電子放出部
３０と異なる。図３（ａ）の電子放出素子では、基台部
３６が四角柱ではなく、四角錐台状にされている。ま
た、図３（ｂ）の電子放出素子では、四角錐台状の基台
部３６と尖鋭部３２との間に、四角柱状の中間部３４が
形成されている。図３（ａ）に示す形状は、非常に細い
柱状体（径が１μｍ未満）からメタンを含むエッチング
条件で形成でき、図３（ｂ）に示す形状は、通常の柱状
体（径が１μｍ以上）からメタンを含むエッチング条件
で形成することができる。

【００２９】また、本実施形態で得られた電子放出部３
０の中間部３４や基台部３６には、低次指数面が現れる
傾向がある。このため、低次指数面が現れた中間部３４
や基台部３６に金属を蒸着させて、ダイヤモンド／金属
構造を有するショットキー接合を形成することができ
る。また、低次指数面が現れた中間部３４や基台部３６
に絶縁体／金属を蒸着させることで、ダイヤモンド／絶
縁体／金属構造を有するＭＩＳ接合を形成することがで
きる。

【００３０】図４は、図３（ｂ）に示す電子放出部３０
の基台部３６の周囲に、Ａｌ製のゲート電極４０を蒸着
してショットキー接合を形成したものであり、図５は、
この電子放出素子２０に、カソード電極４２及びアノー
ド電極（電子引出電極）４４を取り付けた電子デバイス
５０を示す図である。アノード電極４４は、電子放出部
３０の尖鋭部３２と対向配置されている。図５に示すよ
うに、電子放出部３０のゲート電極４０が取り付けられ
た内側部分には、空乏層４７が形成されている。また、
カソード電極４２とアノード電極４４との間には、電子
放出用の電源４６が設けられ、ゲート電極４０とカソー
ド電極４２との間には、電源４８が設けられている。

【００３１】そして、電源４６をオンにすると、電子放
出素子２０とアノード電極４４との間に電圧が印加さ
れ、電子放出部３０の尖鋭部３２から放出された電子が
アノード電極４４に向かう。また、電子放出部３０のダ
イヤモンドにボロン等がドーピングされてｐ型となって
いる場合は、電源４８の出力を上げてゲート電極４０に
正のバイアスをかけると、空乏層４７が広がり、尖鋭部
３２からの電子の放出量を低減させることができる。一
方、電源４８によるゲート電極４０へのバイアス電圧を
低下させると、空乏層４７が狭まり、尖鋭部３２からの
電子放出量を増加させることができる。このように、低
次指数面が現れて平坦になった基台部３６にショットキ
ー接合を形成することで、電子放出部３０からの電子放
出量を調整することができる。尚、ゲート電極４０は、
基台部３６の周囲ではなく中間部３４の周囲に形成して
もよいし、或いは基台部３６の周囲と中間部３４の周囲
の双方に形成してもよい。また、電子放出部３０のダイ
ヤモンドがｎ型になっている場合は、ゲート電極４０に
負の電圧を印加した場合に空乏層４７が広がる。

【００３２】図６は、図５に示す電子デバイス５０のゲ
ート電極４０に代えて、基台部３６の周囲に、ＳｉＯ₂
製の絶縁層４１及びＡｌ製のゲート電極４０を蒸着して
ＭＩＳ接合を形成した電子デバイス５２を示す図であ
る。このように、ＭＩＳ接合を形成した場合も、電源４
８の出力を調整して空乏層４７の大きさを変化させるこ
とで、尖鋭部３２からの電子放出量を増減させることが
できる。

【００３３】［第２実施形態］次に、図７（ａ）〜図７
（ｆ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方
法の第２実施形態を説明する。図７（ａ）〜図７（ｄ）
に示す工程では、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示す工程と
同様の処理を行い、図示のように基板２１に複数の柱状
体２５を形成する。次いで、図７（ｅ）に示す工程で、
柱状体２５を除く部分をＳｉＯ₂又はＡｌによってマス
クした状態で柱状体２５に対して純酸素（酸素１００
％）の反応性イオンエッチングを施し、柱状体２５の先
端に針状の尖鋭部３２を形成する。さらに、この尖鋭部
３２に酸処理を施すことによって、当該尖鋭部３２を一
層鋭くすることができる。

【００３４】続いて、図７（ｆ）に示す工程で、マイク
ロ波プラズマ中でプラズマエッチングを行うことによ
り、四角錐状の基台部３６が形成され、図８に詳細を示
した電子放出部３０が完成する。図８に明示するよう
に、電子放出部３０は、四角錐台状の基台部３６とこの
基台部３６よりも先端側に位置する針状の尖鋭部３２と
を有している。

【００３５】本実施形態の電子放出素子２０の製造方法
によっても、第１実施形態と同様に、ダイヤモンドの柱
状体２５を形成する場所を調整することで、電子放出部
３０の位置を制御することができる。また、反応性イオ
ンエッチングによって形成された電子放出部３０の底面
積は、エッチングを施す前の柱状体２５の底面積に依存
し、電子放出部３０の高さは、エッチングを施す前の柱
状体２５の高さ及びエッチングの処理内容に依存する。
さらに、柱状体２５の高さと底面積は形成時のエッチン
グ条件を調整することによって所望の値にすることがで
きるため、従来のように電子放出部３０全体をダイヤモ
ンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異な
り、電子放出部３０の底面積と高さを独立に制御するこ
とができる。このため、柱状体２５のアスペクト比を高
くしておけば、電子放出部３０の高さを低くすることな
く、電子放出素子２０における電子放出部３０の密度を
高めることができる。

【００３６】尚、本実施形態では、反応性イオンエッチ
ングによって尖鋭部３２を形成した後に、当該尖鋭部３
２をさらに鋭くするために酸処理を施しているが、これ
に代えて、フッ素原子を含む酸処理、フッ素原子を含む
プラズマ処理等を施してもよい。

【００３７】［第３実施形態］次に、図９（ａ）〜図９
（ｄ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方
法の第３実施形態を説明する。まず、図９（ａ）に示す
工程で、単結晶ダイヤモンドからなる基板２１の表面
に、Ａｌ製の円形のマスク部２４を形成する。次に、図
９（ｂ）に示す工程で、Ｏ₂含有量がほぼ１００％のガ
ス中で基板２１にエッチングを施し、柱状体２５を形成
する。この場合、エッチングガスはＯ₂含有量がほぼ１
００％とされているため、横方向のエッチング速度が縦
方向のエッチング速度と比べて非常に遅くなり、柱状体
２５は円柱形状となる。

【００３８】次いで、図９（ｃ）に示す工程で、Ｏ₂と
Ａｒを含んだガス中で柱状体２５にエッチングを施す。
この場合、エッチングガスはＡｒを含んでいるため、図
９（ｂ）の工程のエッチングと比較して縦方向に対する
横方向のエッチング速度の割合が高くなり、柱状体２５
の上部に傾斜面を有する円錐台状の尖鋭部３２が形成さ
れる。この際、基板２１のみならず、マスク部２４も横
方向にエッチングされる。また、傾斜面が形成されてい
ない尖鋭部３２の下方の部分は、円柱状の基台部３６と
なり、尖鋭部３２と基台部３６を有する電子放出部３０
が形成される。そして、図９（ｄ）に示す工程で、マス
ク部２４の残余部分を除去して、本実施形態の電子放出
素子２０が完成する。

【００３９】ここで、本実施形態によれば、図９（ａ）
に示す工程においてマスク部２４を形成する場所を調整
することで、電子放出部３０の位置を制御することがで
きる。また、得られた電子放出部３０の底面積は、図９
（ｂ）に示す工程のエッチングで得られた柱状体２５の
底面積に依存し、電子放出部３０の高さは、図９（ｂ）
及び図９（ｃ）に示す各工程のエッチング条件に依存す
る。そして、柱状体２５の底面積はマスク部２４の面積
を調整することで制御でき、電子放出部３０の高さは図
９（ｂ）のエッチングで基板２１を除去する量を調整す
ることで制御できるため、電子放出部３０の高さと底面
積とを独立して制御することができる。尚、柱状体２５
は円柱形状に限られず、円錐台状にしてもよい。

【００４０】尚、図９（ｃ）に示す工程において、柱状
体２５の上面にマスク部２４を載せたままエッチングを
施すことで、柱状体２５の上面を削られにくくすること
ができ、尖鋭部３２を鋭くすることができる。また、図
９（ｄ）に示すように、電子放出部３０の頂上部は平坦
になっているが、このようなものも本発明においては尖
鋭部３２と称する。また、図９（ｃ）に示す工程におい
て、エッチングガス中のＡｒの含有率を高めることで、
横方向のエッチング速度が速くなり、尖鋭部３２の先端
を鋭くすることができる。さらに、エッチング時間を制
御して、横方向からエッチングされるＡｌが丁度無くな
る程度にするか、少しだけオーバーする程度にすると、
尖鋭部３２の先端を尖鋭化できる。また、図９（ｃ）に
示す工程のエッチングガスは、上記のＯ₂とＡｒを含ん
だ混合ガスに限られず、図９（ｂ）の工程のエッチング
と比較して縦方向に対する横方向のエッチング速度の割
合が高くなるものであればよい。

【００４１】［第４実施形態］次に、図１０（ａ）〜図
１０（ｅ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製
造方法の第４実施形態を説明する。図１０（ａ）〜図１
０（ｄ）に示す工程では、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示
す工程と同様の処理を行い、基板２１に複数の柱状体２
５を形成する。次いで、図１０（ｅ）に示す工程で、こ
の柱状体２５を核としてマイクロ波ＣＶＤ法を用いたダ
イヤモンド合成処理よってダイヤモンドをエピタキシャ
ル成長させ、電子放出部３０を形成する。

【００４２】図１１は、電子放出部３０の拡大斜視図で
ある。同図に示すように、電子放出部３０は、四角錐台
状の基台部３６と、ピラミッド状の尖鋭部３２と、基台
部３６と尖鋭部３２との間に位置する四角柱状の中間部
３４と、から構成されている。このように基台部３６、
中間部３４、及び尖鋭部３２の３段構造を有する電子放
出部３０を形成するには、アスペクト比が２以上の柱状
体２５を形成し、ＣＨ ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）が
０．０２以下の条件下でダイヤモンド合成を行い、次い
で、ＣＨ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）が０．０３以上、
柱状体２５近傍の温度が９００℃以下の条件下でダイヤ
モンド合成を行う。

【００４３】ここで、本実施形態によれば、ダイヤモン
ドの柱状体２５を形成する場所を調整することで、電子
放出部３０の位置を制御することができる。また、柱状
体２５にマイクロ波ＣＶＤ法を施して基台部３６、中間
部３４、及び尖鋭部３２を有する電子放出部３０を形成
するが、得られた電子放出部３０の底面積は、マイクロ
波ＣＶＤ法を施す前の柱状体２５の形状に依存し、電子
放出部３０の高さは、マイクロ波ＣＶＤ法を施す前の柱
状体２５の形状及びマイクロ波ＣＶＤ法の条件に依存す
る。さらに、柱状体２５の高さと底面積はエッチングの
条件を調整することによって所望の値にすることができ
るため、従来のように電子放出部全体をダイヤモンド合
成技術によってピラミッド状にする場合とは異なり、電
子放出部３０の底面積と高さを独立に制御することがで
きる。

【００４４】

【実施例】次に、実施例を用いて、本発明をより具体的
に説明する。

【００４５】［実施例１］本実施例は、上記第１実施形
態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤ
モンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフ
ィ技術によってＡｌの微細な円形のマスクを二次元状に
形成した。次に、（ａ）ＣＦ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏ
ｌ）＝０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２
００Ｗの条件下で、或いは、（ｂ）ＣＦ₄（ｍｏｌ）／
Ｏ₂（ｍｏｌ）＝０．２５の組成のガス中で、５．３３
Ｐａ、３０Ｗの条件下で、基板に反応性イオンエッチン
グを０．５〜２時間施し、柱状体（円柱）を形成した。
柱状体は計７つ形成したが、各柱状体の寸法を図１２の
表に示す。柱状体の高さは、ＣＦ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍ
ｏｌ）の比率とエッチング時間を変えることで制御し
た。高さが５μｍ以上の柱状体は上記（ａ）の条件で形
成し、高さが５μｍ未満の柱状体は、（ｂ）の条件で形
成した。

【００４６】柱状体を形成した後、ＣＯ₂（ｍｏｌ）／
Ｈ₂（ｍｏｌ）＝０．００５の組成のガス中で、基板温
度約１０５０℃、圧力１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワ
ー４００Ｗの条件下で、柱状体にプラズマエッチングを
４時間施した。その結果、基板の面方位に形状が依存し
た基台部とこれよりも先端側に位置する尖鋭部とを有す
る電子放出部が得られた。この電子放出部のアスペクト
比は、図１２に示すように、１〜２．３の範囲にするこ
とができた。この結果より、従来のピラミッド型の電子
放出部ではアスペクト比を約０．７にすることしかでき
なかったのに対し、本発明では、電子放出部の高さと底
面積を独立して自由に制御することができることが判明
した。

【００４７】また、得られた電子放出素子の顕微鏡写真
を、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示す。図１３（ａ）
の電子放出部はアスペクト比が２．３で、図１３（ｂ）
の電子放出部はアスペクト比が１．４で、図１３（ｃ）
の電子放出部はアスペクト比が１とされている。

【００４８】［実施例２］本実施例は、上記第２実施形
態に対応するものである。Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンド
からなる（１００）基板上に、フォトリソグラフィ技術
によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ
₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス
中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で基板に反応性イ
オンエッチングを０．５時間施し、柱状体（円柱）を形
成した。次いで、基板の柱状体が形成された部分以外の
箇所をＡｌによってマスクし、柱状体に酸素１００％の
反応性イオンエッチングを施し、針状の尖鋭部と基台部
とを有する電子放出部を形成した。さらに、フッ酸処理
を施して尖鋭部を鋭くした。

【００４９】得られた電子放出部の尖鋭部の顕微鏡写真
を、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示す。図１４
（ａ）は低倍率の顕微鏡写真で、図１４（ｂ）は高倍率
の顕微鏡写真である。各写真から分かるように、尖鋭部
は鋭い針状にされていた。尚、柱状体の径を１μｍ以上
にしたものについては、一つの電子放出部に複数の針状
の尖鋭部を形成することができた。

【００５０】［実施例３］本実施例は、実施例２と同様
に、上記第２実施形態に対応するものである。まず、Ｉ
ｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる（１００）基板上
に、フォトリソグラフィ技術によってＡｌ製のマスク部
を形成した。次に、ＣＦ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝
０．００１の組成のガス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗ
の条件で基板に反応性イオンエッチングを０．５時間施
し、柱状体（円柱）を形成した。次いで、基板の柱状体
が形成された部分以外の箇所をＡｌによってマスクし、
柱状体に酸素１００％の反応性イオンエッチングを施
し、針状の尖鋭部と基台部とを有する電子放出部を形成
した。その後、ＣＯ₂（ｍｏｌ）／Ｈ₂（ｍｏｌ）＝０．
０５の組成のガス中で、基板温度約１０８０℃、圧力１
３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、
電子放出部にプラズマエッチングを施した。

【００５１】得られた電子放出素子の顕微鏡写真を、図
１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示す。図１５（ａ）は、電
子放出部全体を示す顕微鏡写真であり、図１５（ｂ）
は、電子放出部の尖鋭部の低倍率の顕微鏡写真で、図１
５（ｃ）は、尖鋭部の高倍率の顕微鏡写真である。図１
５（ｃ）の写真から分かるように、尖鋭部の先端は非常
に鋭くされていた。

【００５２】［実施例４］本実施例は、上記第３実施形
態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤ
モンドからなる（１００）基板上に、フォトリソグラフ
ィ技術によってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、Ｃ
Ｆ₄（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガ
ス中で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で基板に反応性
イオンエッチングを０．５時間施し、柱状体（円柱）を
形成した。次に、Ａｒ（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝１
の組成のガス中で柱状体にエッチングを施したところ、
図１６（ａ）の顕微鏡写真に示す電子放出部を得ること
ができた。この写真から分かるように、電子放出部の根
本部分には基台部が形成され、先端側には尖鋭部が形成
されている。

【００５３】また、Ａｒ（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝
１の組成のエッチングガスに代えて、Ａｒ１００％のガ
スによって柱状体にエッチングを施したところ、図１６
（ｂ）の顕微鏡写真に示す電子放出部を得ることができ
た。この写真から分かるように、Ａｒ含有率の高いエッ
チングガスによって形成された電子放出部は、図１６
（ａ）よりも尖鋭部の先端が鋭くされていた。尚、Ａｒ
（ｍｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝１の組成のエッチングガ
スを使用した場合も、エッチング時間を長くすること
で、Ａｒ１００％のエッチングガスを使用した場合のよ
うに尖鋭部の先端が鋭くなった。

【００５４】［実施例５］本実施例は、上記第４実施形
態に対応するものである。まず、Ｉｂ型の単結晶ダイヤ
モンドの（１００）基板、（１１０）基板、（１１１）
基板の３つの基板にそれぞれフォトリソグラフィ技術に
よってＡｌ製のマスク部を形成した。次に、ＣＦ₄（ｍ
ｏｌ）／Ｏ₂（ｍｏｌ）＝０．００１の組成のガス中
で、５．３３Ｐａ、２００Ｗの条件で各基板に反応性イ
オンエッチングを施し、アスペクト比が２の柱状体（円
柱）を形成した。

【００５５】続いて、ＣＨ₄（ｍｏｌ）／Ｈ₂（ｍｏｌ）
＝０．０４５、ＣＯ₂（ｍｏｌ）／Ｈ₂（ｍｏｌ）＝０．
００５の組成のガス中で、基板温度約１０５０℃、圧力
１３．３ｋＰａ、マイクロ波パワー４００Ｗの条件下
で、柱状体を核として３０分間ダイヤモンドを合成させ
た。その結果、図１７（ａ）の顕微鏡写真に示すよう
な、基台部、中間部、及び尖鋭部を有する電子放出部が
形成された。尚、図１７（ａ）は、（１００）基板を用
いて形成された電子放出部を示す写真である。

【００５６】（１１０）基板の試料の成長はここで止
め、（１００）基板では、さらに、ＣＨ₄（ｍｏｌ）／
Ｈ₂（ｍｏｌ）＝０．０８、ＣＯ₂（ｍｏｌ）／Ｈ₂（ｍ
ｏｌ）＝０．００５の組成のガス中で、基板温度約９０
０℃、圧力８．０ｋＰａ、マイクロ波パワー３００Ｗの
条件下で、柱状体を核として６０分間ダイヤモンドを合
成させた。この結果得られた電子放出部の側方からの写
真を図１７（ｂ）に示す。

【００５７】一方、（１１１）基板では、さらに、ＣＨ
₄（ｍｏｌ）／Ｈ₂（ｍｏｌ）＝０．００１５の組成のガ
ス中で、基板温度約１０５０℃、圧力１３．３ｋＰａ、
マイクロ波パワー４００Ｗの条件下で、柱状体を核とし
て４時間ダイヤモンドを合成させた。この結果得られた
電子放出部の上方からの写真を図１７（ｃ）に示す。

【００５８】また、エッチングガスにＢ₂Ｈ₆／Ｈ₂＝１
０００×１０^-6という条件を加えることで、導電性のダ
イヤモンドを合成することができ、電子放出素子に電流
を流すことができた。

【００５９】以上、本発明者らによってなされた発明を
実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各
実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施
形態〜第４実施形態で形成された電子放出素子について
も、尖鋭部に電子引出電極を対向配置させることで、尖
鋭部から電子引出電極に向けて電子を放出できる電子デ
バイスを形成することができる。さらに、このような電
子デバイスの低次指数面が現れた基台部の周囲に金属製
のゲート電極を形成することで、ショットキー接合やＭ
ＩＳ接合を形成することができ、電子放出量を調整する
ことができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る電子
放出素子の製造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を
形成する場所を調整することで、電子放出部の位置を制
御することができる。また、柱状体にエッチング処理を
施して先端に尖鋭部を有する電子放出部を形成するが、
完成された電子放出部の底面積は、エッチングを施す前
の柱状体の底面積に依存し、電子放出部の高さは、エッ
チングを施す前の柱状体の高さ及びエッチングの処理内
容に依存する。さらに、柱状体の高さと底面積はエッチ
ングの条件を調整することによって所望の値にすること
ができるため、従来のように電子放出部全体をダイヤモ
ンド合成技術によってピラミッド状にする場合とは異な
り、電子放出部の底面積と高さを独立に制御することが
できる。

【００６１】また、本発明に係る他の電子放出素子の製
造方法によれば、ダイヤモンドの柱状体を形成する場所
を調整することで、電子放出部の位置を制御することが
できる。また、柱状体にダイヤモンド合成処理を施して
基台部、中間部、及び尖鋭部を有する電子放出部を形成
するが、得られた電子放出部の底面積は、ダイヤモンド
合成処理を施す前の柱状体の形状に依存し、電子放出部
の高さは、ダイヤモンド合成処理を施す前の柱状体の形
状及びダイヤモンド合成処理の条件に依存する。さら
に、柱状体の高さと底面積はエッチングの条件を調整す
ることによって所望の値にすることができるため、従来
のように電子放出部全体をダイヤモンド合成技術によっ
てピラミッド状にする場合とは異なり、電子放出部の底
面積と高さを独立に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明に係る電子
放出素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図であ
る。

【図２】図１（ｅ）に示す電子放出部の拡大図である。

【図３】第１実施形態の電子放出素子の変形例を示す図
である。

【図４】図３（ｂ）に示す電子放出部の基台部の周囲
に、ゲート電極を蒸着してショットキー接合を形成した
状態を示す図である。

【図５】図４に示す電子放出素子にカソード電極及びア
ノード電極（電子引出電極）を取り付けた電子デバイス
を示す図である。

【図６】基台部の周囲に絶縁層及びのゲート電極を蒸着
してＭＩＳ接合を形成した電子デバイスを示す図であ
る。

【図７】図７（ａ）〜図７（ｆ）は、本発明に係る電子
放出素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図であ
る。

【図８】図７（ｆ）に示す電子放出部の拡大図である。

【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、本発明に係る電子
放出素子の製造方法の第３実施形態を示す工程図であ
る。

【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、本発明に係
る電子放出素子の製造方法の第４実施形態を示す工程図
である。

【図１１】図１０（ｅ）に示す電子放出部の拡大図であ
る。

【図１２】実施例１の柱状体及び電子放出部の寸法を示
す表である。

【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、実施例１で
得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。

【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、実施例２
で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。

【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、実施例３で
得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。

【図１６】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、実施例４
で得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。

【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、実施例５で
得られた電子放出素子の顕微鏡写真である。

【図１８】従来の針状構造の電子放出素子を示す斜視図
である。

【図１９】従来のピラミッド構造の電子放出素子を示す
斜視図である。

【符号の説明】

２０…電子放出素子、２１…基板（ダイヤモンド基
板）、２４…マスク部、２５…柱状体、３０…電子放出
部、３２…尖鋭部、３４…中間部、３６…基台部、４０
…ゲート電極、４１…絶縁層、４２…カソード電極、４
４…アノード電極（電子引出電極）、４６…電源、４７
…空乏層、４８…電源、５０，５２…電子デバイス。

フロントページの続き (72)発明者 目黒 貴一 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 今井 貴浩 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンドから電子を放出させる電子
   放出素子の製造方法において、 ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第
   １ステップと、 前記柱状体にエッチング処理を施して、基台部と当該基
   台部よりも先端側に位置して前記電子が放出される尖鋭
   部とを有する電子放出部を形成する第２ステップと、 を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第２ステップの前記エッチングは、
   プラズマエッチングであることを特徴とする請求項１記
   載の電子放出素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第２ステップにおいて、前記ダイヤ
   モンド基板の前記柱状体が形成された部分以外をマスク
   し、前記柱状体に反応性イオンエッチングを施すことを
   特徴とする請求項１記載の電子放出素子の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１ステップにおいて、前記ダイヤ
   モンド基板の表面に円形のマスク部を形成した後に前記
   ダイヤモンド基板にエッチングを施すことで前記柱状体
   を形成し、 前記第２ステップにおいて、前記第１ステップの前記エ
   ッチングと比較して縦方向に対する横方向のエッチング
   速度の割合が高いエッチングを前記柱状体に施して前記
   電子放出部を形成することを特徴とする請求項１記載の
   電子放出素子の製造方法。
5. 【請求項５】 ダイヤモンドから電子を放出させる電子
   放出素子の製造方法において、 ダイヤモンド基板にダイヤモンドの柱状体を形成する第
   １ステップと、 前記柱状体にダイヤモンド合成処理を施して、基台部、
   前記電子が放出される尖鋭部、及び、前記基台部と前記
   尖鋭部との間に位置する柱状の中間部を有する電子放出
   部を形成する第２ステップと、 を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜請求項５のうち何れか一項記
   載の電子放出素子の製造方法によって製造された電子放
   出素子と、 前記尖鋭部と対向配置されると共に前記電子放出素子と
   の間に電圧が印加される電子引出電極と、 を備えることを特徴とする電子デバイス。
7. 【請求項７】 前記電子放出素子の前記基台部の周囲に
   設けられた金属製のゲート電極と、 前記ゲート電極に電圧を印加する電源と、 を備えることを特徴とする請求項６記載の電子デバイ
   ス。