JP2005060920A - Method for manufacturing ultrafine carbon fiber and field emission element - Google Patents

Method for manufacturing ultrafine carbon fiber and field emission element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an ultrafine carbon fiber capable of controlling diameter thereof, and to provide a method for manufacturing a field emission element in which an electron emission portion is formed of an ultrafine carbon fiber and which is possible to control the density and the diameter thereof. <P>SOLUTION: A size and density of a metal element or a silicide of the metal element is controlled and cohered in a crystal grain boundary of a semiconductor film, and an ultrafine carbon fiber is formed by using the metal element or the metal silicide as a core. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、グラファイトナノファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、チューブ状グラファイト、先端が細く尖っているカーボンナノコーン、コーン状グラファイト等の極細炭素繊維、及び極細炭素繊維を有する電界放出素子の作製方法に関する。     The present invention relates to a graphite nanofiber, a carbon nanofiber, a carbon nanotube, a tube-shaped graphite, a carbon nanocone with a thin tip, a very fine carbon fiber such as cone-shaped graphite, and a method for producing a field emission device having an ultrafine carbon fiber About.

近年、極細炭素繊維は、様々なデバイスへの応用が期待されている。このため、様々な極細炭素繊維の製造方法が検討されている。   In recent years, ultrafine carbon fibers are expected to be applied to various devices. For this reason, various methods for producing ultrafine carbon fibers have been studied.

代表的な極細炭素繊維の製造方法としては、アーク放電法、レーザ蒸発法、CVD(Chemical vapor deposition)法等が挙げられる(非特許文献1参照。)。   Typical methods for producing ultrafine carbon fibers include an arc discharge method, a laser evaporation method, a CVD (Chemical vapor deposition) method, and the like (see Non-Patent Document 1).

極細炭素繊維の代表例としては、カーボンナノチューブ(以下、CNT(Carbon Nanotube)と示す)、カーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバ、チューブ状グラファイト、先端が細く尖っているカーボンナノコーン、コーン状グラファイトなどの極細炭素繊維、フラーレン等が挙げられる。   Representative examples of ultrafine carbon fibers include carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT (Carbon Nanotube)), carbon nanofibers, graphite nanofibers, tube-like graphite, carbon nanocones with sharp tips, cone-like graphite, etc. Examples include ultrafine carbon fibers and fullerenes.

CNTは、ナノメートルサイズの円筒状グラファイトのことをいう。CNTとしては、単層ナノチューブと多層ナノチューブがある。単層ナノチューブは、一枚のグラフェンシート(単原子層の炭素六角網面)が円筒状に閉じたチューブであり、その直径はおよそ1〜10nm程度、長さは1〜100μmである。多層ナノチューブは、円筒状のグラフェンシートが多層に積み重なったもので、その外径が5〜50nm、中心空洞の直径が3〜10nm、長さは1〜100μmである。   CNT refers to nanometer-sized cylindrical graphite. CNT includes single-wall nanotubes and multi-wall nanotubes. A single-walled nanotube is a tube in which a single graphene sheet (monoatomic carbon hexagonal network surface) is closed in a cylindrical shape, and has a diameter of about 1 to 10 nm and a length of 1 to 100 μm. Multi-walled nanotubes are obtained by stacking cylindrical graphene sheets in multiple layers, and have an outer diameter of 5 to 50 nm, a central cavity diameter of 3 to 10 nm, and a length of 1 to 100 μm.

CNTは、先鋭な先端及び針状の形状を有し、熱的及び化学的に安定であり、機械的に強靭であり、導電性を有する等の特性を有し、走査線型プローブ顕微鏡の探針(Scanning Probe Microscope;SPM)、電界放出表示装置(以下、FED(Field Emission Display)と示す。)の電界放出素子、FET(Field Effect Transistor)のチャネル領域に応用されている。また、チューブの中やチューブ間に本質的に大きな空間をもった一次元的細孔状という構造を生かして、リチウム電池の負極材料、ガス吸蔵物質等への研究が行われている。 CNT has a sharp tip and needle-like shape, is thermally and chemically stable, mechanically tough, and has electrical conductivity. (Scanning Probe Microscope; SPM), a field emission device of a field emission display (hereinafter referred to as FED (Field Emission Display)), and a channel region of an FET (Field Effect Transistor). In addition, research has been conducted on negative electrode materials, gas storage materials, and the like of lithium batteries by taking advantage of the structure of one-dimensional pores with essentially large spaces in and between tubes.

また、極細炭素繊維は、低仕事関数であり負の電子親和力を持つため、電界放出表示装置の電界放出素子として応用されている。 In addition, the ultrafine carbon fiber has a low work function and a negative electron affinity, so that it is applied as a field emission element of a field emission display device.

FEDの電界放出素子に極細炭素繊維を用いた作製方法の例として、特許文献1に記載されているように、一部露出されたシリコン基板表面に金属ドットを形成し、電磁石により金属ドットにシリコン基板表面に対して垂直方向に磁場を印加して、金属ドットを吸引しながら金属ドットとシリコン基板の間にCNTを成長させて電子放出部を形成したものがある(特許文献1参照。)。
「カーボンナノチューブ−期待される材料開発」,株式会社シーエムシー, 2001年11月10日, p3−4 特開2000−86216号公報
As an example of a manufacturing method using ultrafine carbon fiber for a field emission device of FED, as described in Patent Document 1, metal dots are formed on a partially exposed silicon substrate surface, and silicon is formed on the metal dots by an electromagnet. There is one in which a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the substrate surface and CNTs are grown between the metal dots and the silicon substrate while attracting the metal dots to form an electron emission portion (see Patent Document 1).
"Carbon Nanotubes-Expected Material Development", CMC Corporation, November 10, 2001, p3-4 JP 2000-86216 A

しかしながら、従来の製造方法では極細炭素繊維の直径と長さを独立に制御する事が難しく、直径のばらつきが大きいという問題がある。一般に、金属膜を触媒としてCNT等の極細炭素繊維を形成する場合、これらの直径は、金属膜の直径に依存するといわれている。特許文献1では、金属ドットを触媒として、CNTを形成しているが、数nm〜数十nmの金属ドットを形成する工程は複雑であり、即ちCNTの直径を制御するのは困難であるという問題があった。   However, in the conventional manufacturing method, it is difficult to control the diameter and length of the ultrafine carbon fiber independently, and there is a problem that the variation in diameter is large. In general, when forming ultrafine carbon fibers such as CNTs using a metal film as a catalyst, it is said that these diameters depend on the diameter of the metal film. In Patent Literature 1, CNTs are formed using metal dots as a catalyst, but the process of forming metal dots of several nm to several tens of nm is complicated, that is, it is difficult to control the diameter of CNTs. There was a problem.

本発明は、上記問題点を鑑みなされたものであり、直径を制御することが可能な極細炭素繊維の作製方法を提供することを目的とする。また、電子放出部が極細炭素繊維で形成されており、且つこれらの密度及び直径を制御することが可能な電界放出素子の作製方法を提案することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for producing an ultrafine carbon fiber capable of controlling the diameter. Another object of the present invention is to propose a method for manufacturing a field emission device in which the electron emission portion is formed of ultrafine carbon fibers and the density and diameter thereof can be controlled.

本発明は、半導体膜の結晶粒界において金属元素又は金属珪化物の大きさ及び密度を制御して凝集させ、該金属元素又は金属珪化物を核として極細炭素繊維を形成することを特徴とする。   The present invention is characterized by controlling the size and density of a metal element or metal silicide at the grain boundary of a semiconductor film and agglomerating to form ultrafine carbon fibers with the metal element or metal silicide as a nucleus. .

また、本発明は、絶縁性を有する表面上に形成された半導体膜の結晶粒の多重点の密度を制御し、該多重点の表面に金属元素又は金属珪化物を凝集した後、炭素を含む雰囲気で加熱処理又はプラズマ処理して、極細炭素繊維を形成し、該極細炭素繊維を結晶性半導体膜から解離することを特徴とする。   In addition, the present invention controls the density of multiple points of crystal grains of a semiconductor film formed on an insulating surface, and contains carbon after aggregating a metal element or a metal silicide on the surface of the multiple points. Heat treatment or plasma treatment is performed in an atmosphere to form ultrafine carbon fibers, and the ultrafine carbon fibers are dissociated from the crystalline semiconductor film.

また、本発明は、半導体膜の結晶粒界に金属元素又は金属珪化物の大きさ及び密度を制御して凝集させ、該金属元素又は金属珪化物を核として、極細炭素繊維を電子放出部とする電界放出素子を形成することを特徴とする。   In addition, the present invention controls the size and density of a metal element or metal silicide at the crystal grain boundary of a semiconductor film to cause aggregation, and uses the metal element or metal silicide as a nucleus to form ultrafine carbon fibers as an electron emission portion. A field emission device is formed.

また、本発明は、絶縁性を有する表面上に形成された半導体膜の結晶粒の多重点の密度を制御し、該多重点の表面に金属元素又は金属珪化物を凝集した後、炭素を含む雰囲気で加熱又はプラズマ処理して、極細炭素繊維で形成される電子放出部を有する電界放出素子を形成することを特徴とする。  In addition, the present invention controls the density of multiple points of crystal grains of a semiconductor film formed on an insulating surface, and contains carbon after aggregating a metal element or a metal silicide on the surface of the multiple points. A field emission device having an electron emission portion formed of ultrafine carbon fiber is formed by heating or plasma treatment in an atmosphere.

なお、本発明で形成される電子放出部は、電界放出素子のカソード電極表面に形成されている。カソード電極は、結晶性半導体膜で形成されており、電子放出部は、CNT、カーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバ、チューブ状グラファイト、先端が細く尖っているカーボンナノコーン、コーン状グラファイトなどの極細炭素繊維で形成されている。   The electron emission portion formed in the present invention is formed on the surface of the cathode electrode of the field emission device. The cathode electrode is formed of a crystalline semiconductor film, and the electron emission part is ultrafine carbon such as CNT, carbon nanofiber, graphite nanofiber, tube-shaped graphite, carbon nanocone with a sharp tip, cone-shaped graphite, etc. It is made of fiber.

また、本発明において、結晶性半導体膜の多重点に、金属元素又は金属珪化物を形成する方法としては、非晶質半導体膜上に金属元素を添加した後、非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜を形成すると共に、結晶粒の多重点に金属元素又は金属珪化物を形成する。   In the present invention, as a method of forming a metal element or a metal silicide at multiple points of a crystalline semiconductor film, after adding a metal element on the amorphous semiconductor film, the amorphous semiconductor film is crystallized. Thus, a crystalline semiconductor film is formed, and a metal element or a metal silicide is formed at multiple points of crystal grains.

また、本発明において、結晶性半導体膜の多重点に金属元素又は金属珪化物を形成する方法としては、結晶性半導体膜上に金属元素を添加した後加熱して、結晶粒の多重点に金属元素又は金属珪化物を形成する。   In the present invention, as a method for forming a metal element or a metal silicide at multiple points of a crystalline semiconductor film, a metal element is added to the crystalline semiconductor film and then heated to form metal at multiple points of crystal grains. Form elemental or metal silicides.

また、本発明において、結晶性半導体膜の多重点に金属元素又は金属珪化物を形成する方法としては、非晶質半導体膜上に金属元素を添加した後、レーザ光を照射して、非晶質半導体膜を結晶化すると共に、結晶粒の多重点に金属元素又は金属珪化物を形成する。   In the present invention, as a method of forming a metal element or a metal silicide at multiple points of a crystalline semiconductor film, a metal element is added to an amorphous semiconductor film, and then irradiated with laser light to be amorphous. The crystalline semiconductor film is crystallized, and a metal element or a metal silicide is formed at multiple points of crystal grains.

本発明においては、金属元素は、非晶質半導体膜の結晶化を促進させるものであり、代表的には、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を適応することができる。   In the present invention, the metal element promotes crystallization of the amorphous semiconductor film, and is typically nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium. (Ti), palladium (Pd), etc. can be applied.

また、本発明においては、上記極細炭素繊維を用いて、走査線型プローブ顕微鏡の探針、リチウム電池の負極材料、ガス吸蔵物質、FET、及び該FETを有する半導体装置を作製することができる。 In the present invention, the ultrafine carbon fiber can be used to produce a probe of a scanning line probe microscope, a negative electrode material of a lithium battery, a gas storage material, an FET, and a semiconductor device having the FET.

本発明の極細炭素繊維の作製方法により極細炭素繊維の直径を制御することが可能であり、この結果均一な直径を有する極細炭素繊維を形成することができる。また、均一な直径の極細炭素繊維を電子放出部として有する電界放出素子を形成することができる。また、電界放出素子の電子放出部の密度も制御することができる。このため、エミッション電流を各画素において均一に放出することが可能であり、ばらつきのない表示が可能なFEDを形成することが可能となる。   The diameter of the ultrafine carbon fiber can be controlled by the production method of the ultrafine carbon fiber of the present invention, and as a result, the ultrafine carbon fiber having a uniform diameter can be formed. In addition, a field emission device having an ultrafine carbon fiber with a uniform diameter as an electron emission portion can be formed. Further, the density of the electron emission portion of the field emission device can also be controlled. For this reason, it is possible to emit emission current uniformly in each pixel, and it is possible to form an FED capable of displaying without variation.

また、本発明により作製された極細炭素繊維は、均一な直径を有するため、信頼性の高い、走査線型プローブ顕微鏡の探針、FET、リチウム電池の負極材料、ガス吸蔵物質等を作製することができる。   In addition, since the ultrafine carbon fiber produced according to the present invention has a uniform diameter, it is possible to produce a highly reliable probe for a scanning line probe microscope, an FET, a negative electrode material for a lithium battery, a gas storage material, and the like. it can.

また、本発明は、大面積基板を用いて電界放出素子を形成することが可能であるため、量産プロセスに適している。このため、極細炭素繊維、極細炭素繊維を用いた半導体装置及び表示装置を量産性高く製造することができる。 In addition, since the field emission device can be formed using a large-area substrate, the present invention is suitable for a mass production process. For this reason, a semiconductor device and a display device using ultrafine carbon fibers and ultrafine carbon fibers can be manufactured with high productivity.

以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、各図面において共通の部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。   The best mode for carrying out the invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different modes, and those skilled in the art can easily understand that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiment modes. In the drawings, common portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

(第1実施形態) (First embodiment)

極細炭素繊維の作製方法を図1及び図3を用いて述べる。図1は、非晶質半導体膜及び結晶性半導体膜が形成された基板の斜視図である。図3は、図1のイ−イ'の断面図である。 A method for producing an ultrafine carbon fiber will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a substrate on which an amorphous semiconductor film and a crystalline semiconductor film are formed. 3 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG.

図1(A)及び図3(A)に示すように、基板100上に第1の絶縁膜101を介して非晶質半導体膜102を形成する。   As shown in FIGS. 1A and 3A, an amorphous semiconductor film 102 is formed over a substrate 100 with a first insulating film 101 interposed therebetween.

第1の絶縁膜101は、公知の方法(CVD法(化学的気相反応法 Chemical Vapor Deposition)、PVD法(物理的気相成長法 Physical Vapor Deposition)等)により珪素と酸素を主成分とする膜(酸化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、酸化窒化珪素膜等)で形成する。第1の絶縁膜は、ナトリウム(Na)などガラス基板に微量に含まれるアルカリ金属が拡散するのを防ぐことができる。 The first insulating film 101 is mainly composed of silicon and oxygen by a known method (CVD method (chemical vapor deposition), PVD method (physical vapor deposition), etc.)). A film (a silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, a silicon oxynitride film, or the like) is formed. The first insulating film can prevent diffusion of alkali metal such as sodium (Na) contained in a trace amount in the glass substrate.

第1の絶縁膜上に公知の方法(CVD法、PVD法等)より非晶質半導体膜102を形成する。非晶質半導体膜としては、シリコンを有するものであり、シリコン膜又はシリコンゲルマニウム(Si1-xGex(0<x<1、代表的には、x=0.001〜0.05))で形成する。また、非晶質半導体膜の膜厚は0.03〜0.3μmの範囲にとすることが望ましいが、かかる範囲に限定するものではない。 An amorphous semiconductor film 102 is formed on the first insulating film by a known method (CVD method, PVD method, or the like). The amorphous semiconductor film includes silicon and is formed using a silicon film or silicon germanium (Si 1-x Ge x (0 <x <1, typically x = 0.001 to 0.05)). The thickness of the amorphous semiconductor film is preferably in the range of 0.03 to 0.3 μm, but is not limited to this range.

次に、図3(A)に示すように、非晶質半導体膜表面に結晶化を助長する金属元素を1ppm〜1000ppm含有する溶液103を塗布する。金属元素としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を適応することができる。   Next, as shown in FIG. 3A, a solution 103 containing 1 ppm to 1000 ppm of a metal element that promotes crystallization is applied to the surface of the amorphous semiconductor film. As the metal element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), or the like can be applied.

次に、図1(B)及び図3(B)に示すように、非晶質半導体膜を結晶化して結晶性半導体膜111を形成する。結晶化方法は公知の方法(レーザ結晶化法、ラピッドサーマルアニール法(RTA)、ファーネスアニール炉を用いた熱結晶化法等)を用いることができる。ここでは、ファーネスアニール炉を用いた熱結晶化法により非晶質半導体膜を結晶化する。非晶質半導体膜の表面に、結晶化を助長する金属元素を含む溶液が塗布されているため、低温かつ短時間で結晶化を行う。代表的には、非晶質半導体膜を400〜1100度、好ましくは500〜650度で1分〜12時間加熱する。結晶化工程により、非晶質半導体膜が結晶化され結晶性半導体膜111が形成されると共に、結晶粒界(結晶粒の三重点)表面に、金属元素又は金属珪化物112が析出(凝集、偏析)する。なお、結晶粒界(結晶粒の三重点)の密度及び大きさは、結晶化条件、例えば結晶化温度、膜中の水素濃度、結晶化を助長する金属元素の量等によって制御することが可能である。すなわち、結晶粒界を制御することによって、結晶粒界(結晶粒の三重点)表面に形成される金属元素又は金属珪化物の密度及び面積を制御することができる。この結果、これらを核として形成される極細炭素繊維の密度及び直径を制御することができる。 Next, as shown in FIGS. 1B and 3B, the amorphous semiconductor film is crystallized to form a crystalline semiconductor film 111. As the crystallization method, known methods (laser crystallization method, rapid thermal annealing method (RTA), thermal crystallization method using a furnace annealing furnace, etc.) can be used. Here, the amorphous semiconductor film is crystallized by a thermal crystallization method using a furnace annealing furnace. Since a solution containing a metal element that promotes crystallization is applied to the surface of the amorphous semiconductor film, crystallization is performed at a low temperature in a short time. Typically, the amorphous semiconductor film is heated at 400 to 1100 degrees, preferably 500 to 650 degrees for 1 minute to 12 hours. Through the crystallization step, the amorphous semiconductor film is crystallized to form the crystalline semiconductor film 111, and a metal element or metal silicide 112 is precipitated (aggregated, aggregated) on the surface of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grain). Segregation). Note that the density and size of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grain) can be controlled by crystallization conditions, such as the crystallization temperature, the hydrogen concentration in the film, the amount of metal element that promotes crystallization, and the like. It is. That is, by controlling the crystal grain boundary, the density and area of the metal element or metal silicide formed on the surface of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grain) can be controlled. As a result, it is possible to control the density and diameter of the ultrafine carbon fibers formed using these as nuclei.

次に、図1(C)及び図3(C)に示すように、結晶粒界(結晶粒の三重点)表面に形成される金属元素または金属珪化物112を触媒として極細炭素繊維を形成する。極細炭素繊維は、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して形成する。また、極細炭素繊維は原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。   Next, as shown in FIGS. 1C and 3C, ultrafine carbon fibers are formed using a metal element or metal silicide 112 formed on the surface of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grains) as a catalyst. . The ultrafine carbon fiber is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. The ultrafine carbon fiber can also be formed by CVD using 1 to 760 torr using hydrocarbons such as methane or acetylene as a raw material. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side.

この後、リフトオフ法等により結晶性半導体膜111から極細炭素繊維121を解離することにより、極細炭素繊維を形成することができる。   Thereafter, the ultrafine carbon fibers 121 can be dissociated from the crystalline semiconductor film 111 by a lift-off method or the like, whereby ultrafine carbon fibers can be formed.

なお、ここでは、結晶性半導体膜として結晶粒界で三重点を形成する結晶性半導体膜を示したがこれに限られず、図2に示すような結晶粒界に四重点11を形成する結晶性半導体膜12、または、より多くの多重点を有する結晶性半導体膜を形成してもよい。なお、この結晶性半導体膜でも四重点又は多重点にて、金属元素又は金属珪化物が形成される。   Although a crystalline semiconductor film in which triple points are formed at the crystal grain boundary is shown here as the crystalline semiconductor film, the present invention is not limited to this, and the crystallinity that forms the four-point 11 at the crystal grain boundary as shown in FIG. The semiconductor film 12 or a crystalline semiconductor film having more multiple points may be formed. Note that even in this crystalline semiconductor film, metal elements or metal silicides are formed at four points or multiple points.

(第2実施形態) (Second Embodiment)

次に、本発明の上記とは異なる極細炭素繊維の作製方法を図1及び図4を用いて示す。   Next, a method for producing ultrafine carbon fibers different from the above of the present invention will be described with reference to FIGS.

図4は、図3と同様に図1のイ−イ'の断面図である。第1実施形態と同様に基板100上に第1の絶縁膜101、非晶質半導体膜102を順次形成する。次に、この非晶質半導体膜を結晶化させる。本実施形態では、結晶化方法にレーザ結晶化法を用いる。気体レーザ発振器、固体レーザ発振器、又は金属発振器を用いたレーザ光104を非晶質半導体膜102に照射して結晶性半導体膜を形成する。このときのレーザ光は、連続発振又はパルス発振のレーザ光を用いることができる。   4 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. Similar to the first embodiment, a first insulating film 101 and an amorphous semiconductor film 102 are sequentially formed on a substrate 100. Next, this amorphous semiconductor film is crystallized. In this embodiment, a laser crystallization method is used as the crystallization method. A crystalline semiconductor film is formed by irradiating the amorphous semiconductor film 102 with laser light 104 using a gas laser oscillator, a solid-state laser oscillator, or a metal oscillator. As the laser light at this time, continuous wave or pulsed laser light can be used.

次に、図4(B)に示すように、結晶性半導体膜131上に公知の手法(CVD法、PVD法等)により金属元素を有する薄膜132を形成する。この金属元素としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を用いることが可能である。ここでは、膜厚2〜5nmの金薄薄膜をスパッタ法により成膜する。なお、この工程に代えて、結晶性半導体膜上に上記の金属元素を含む溶液を塗布することも可能である。   Next, as shown in FIG. 4B, a thin film 132 containing a metal element is formed over the crystalline semiconductor film 131 by a known method (CVD method, PVD method, or the like). As this metal element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), or the like can be used. Here, a thin gold film having a thickness of 2 to 5 nm is formed by sputtering. Note that, instead of this step, a solution containing the above metal element can be applied over the crystalline semiconductor film.

次に、図1(B)及び図4(C)に示すように、代表的には、100〜1100度、好ましくは400〜600度で1〜5時間加熱し、結晶性半導体膜の結晶粒界(結晶粒の三重点)の表面に金属元素又は金属珪化物112を析出(凝集、偏析)させる。なお、レーザ光を用いて形成した結晶性半導体膜の結晶粒界は、図12に示すように、レーザ照射条件によって異なる。図12は、膜厚50nmの非晶質シリコン膜にXeClレーザを照射したときの三重点に密度を表す。レーザ光のエネルギー密度及びショット数によって三重点の密度が異なることが分かる。これらを制御することによって、三重点の密度及びそこに形成される金属元素又は金属珪化物の密度を制御することができる。また、結晶性半導体膜上に形成する金属薄膜の膜厚又は金属元素を含む溶液の濃度によって、三重点に凝集する金属元素又は金属珪化物の大きさを制御することができる。すなわち、これらを核として形成される極細炭素繊維の密度及び直径を制御することが可能である。   Next, as shown in FIGS. 1B and 4C, the crystal grains of the crystalline semiconductor film are typically heated at 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 600 degrees for 1 to 5 hours. A metal element or metal silicide 112 is deposited (aggregated or segregated) on the surface of the boundary (triple point of crystal grains). Note that the crystal grain boundary of the crystalline semiconductor film formed using laser light varies depending on laser irradiation conditions as shown in FIG. FIG. 12 shows a density at a triple point when an amorphous silicon film having a thickness of 50 nm is irradiated with a XeCl laser. It can be seen that the density of the triple point varies depending on the energy density of the laser beam and the number of shots. By controlling these, the density of the triple point and the density of the metal element or metal silicide formed therein can be controlled. Further, the size of the metal element or metal silicide aggregated at the triple point can be controlled by the thickness of the metal thin film formed over the crystalline semiconductor film or the concentration of the solution containing the metal element. That is, it is possible to control the density and diameter of the ultrafine carbon fiber formed using these as nuclei.

なお、金属元素を有する薄膜132を形成する前に、結晶性半導体膜131表面を水素化してもよい。この工程により、三重点に形成される金属元素又は金属珪化物の大きさを、より小さくすることができる。   Note that the surface of the crystalline semiconductor film 131 may be hydrogenated before the thin film 132 including a metal element is formed. By this step, the size of the metal element or metal silicide formed at the triple point can be further reduced.

次に、図1(C)及び図4(D)に示すように、金属元素または、金属珪化物を触媒として極細炭素繊維121を形成する。極細炭素繊維は、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して形成する。また、極細炭素繊維の原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。   Next, as shown in FIGS. 1C and 4D, ultrafine carbon fibers 121 are formed using a metal element or metal silicide as a catalyst. The ultrafine carbon fiber is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. Alternatively, a hydrocarbon such as methane or acetylene can be used as a raw material for the ultrafine carbon fiber, and the film can be formed by CVD at 1 to 760 torr. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side.

この後、リフトオフ法等により結晶性半導体膜から極細炭素繊維を解離することにより、極細炭素繊維を形成することができる。   Thereafter, the ultrafine carbon fiber can be formed by dissociating the ultrafine carbon fiber from the crystalline semiconductor film by a lift-off method or the like.

(第3実施形態) (Third embodiment)

次に、本発明の上記とは異なる極細炭素繊維の作製方法を示す。 Next, a method for producing ultrafine carbon fibers different from the above of the present invention will be described.

図5は、図3及び図4と同様に図1のイ−イ'の断面図である。第1実施形態と同様に基板100上に第1の絶縁膜101、非晶質半導体膜102を順次形成する。 5 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1 as in FIGS. Similar to the first embodiment, a first insulating film 101 and an amorphous semiconductor film 102 are sequentially formed on a substrate 100.

次に、図5(A)に示すように、非晶質半導体膜表面に金属元素を1ppm〜1000ppm含有する溶液103を塗布する。金属元素としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を適応することができる。   Next, as shown in FIG. 5A, a solution 103 containing 1 ppm to 1000 ppm of a metal element is applied to the surface of the amorphous semiconductor film. As the metal element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), or the like can be applied.

次に、非晶質半導体膜を結晶化させる。ここでは、結晶化方法にレーザ結晶化法を用いる。気体レーザ発振器、固体レーザ発振器、又は金属レーザ発振器を用いたレーザ光104を非晶質半導体膜102に照射して結晶性半導体膜を形成すると共に、金属元素又は金属珪化物112を結晶性半導体膜の結晶粒界(三重点)の表面に析出(凝集、偏析)させる。このときのレーザ光は、連続発振又はパルス発振のレーザ光を用いることができる(図5(A))。   Next, the amorphous semiconductor film is crystallized. Here, a laser crystallization method is used as the crystallization method. A crystalline semiconductor film is formed by irradiating the amorphous semiconductor film 102 with laser light 104 using a gas laser oscillator, a solid laser oscillator, or a metal laser oscillator, and a metal element or a metal silicide 112 is applied to the crystalline semiconductor film. It is precipitated (aggregated and segregated) on the surface of the crystal grain boundary (triple point). As the laser light at this time, continuous wave or pulsed laser light can be used (FIG. 5A).

なお、結晶粒界(結晶粒の三重点)の密度及び大きさは、結晶化条件、例えばレーザ光のエネルギー密度、ショット数、膜中の水素濃度、結晶化を助長する金属元素の量等によって制御することが可能である。すなわち、結晶粒界を制御することによって、結晶粒界(結晶粒の三重点)表面に形成される金属元素又は金属珪化物の密度及び面積を制御することができる。すなわち、これらを核として形成される極細炭素繊維の密度及び直径を制御することが可能である。 The density and size of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grain) depends on the crystallization conditions, such as the energy density of the laser beam, the number of shots, the hydrogen concentration in the film, the amount of the metal element that promotes crystallization, It is possible to control. That is, by controlling the crystal grain boundary, the density and area of the metal element or metal silicide formed on the surface of the crystal grain boundary (the triple point of the crystal grain) can be controlled. That is, it is possible to control the density and diameter of the ultrafine carbon fiber formed using these as nuclei.

次に、図1(C)及び図5(C)に示すように、金属元素または、金属珪化物を触媒として極細炭素繊維121を形成する。極細炭素繊維は、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して形成する。また、原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。   Next, as shown in FIGS. 1C and 5C, ultrafine carbon fibers 121 are formed using a metal element or metal silicide as a catalyst. The ultrafine carbon fiber is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. Alternatively, a hydrocarbon such as methane or acetylene can be used as a raw material, and it can be formed by a CVD method at 1 to 760 torr. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side.

この後、リフトオフ法等により結晶性半導体膜から極細炭素繊維を解離することにより、極細炭素繊維を形成することができる。   Thereafter, the ultrafine carbon fiber can be formed by dissociating the ultrafine carbon fiber from the crystalline semiconductor film by a lift-off method or the like.

(第4実施形態) (Fourth embodiment)

ここでは、電界放出素子、及びその電界放出素子を有する表示装置の構成及びその作製方法を示す。本発明の電界放出素子は、カソード電極とその表面に形成される電子放出部とで構成される。カソード電極は、結晶性半導体膜で形成され、電子放出部は、グラファイトナノファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、チューブ状グラファイト、先端が細く尖っているカーボンナノコーン、コーン状グラファイト等の極細炭素繊維を適応することができる。     Here, a structure of a field emission element, a display device including the field emission element, and a manufacturing method thereof are described. The field emission device of the present invention comprises a cathode electrode and an electron emission portion formed on the surface thereof. The cathode electrode is formed of a crystalline semiconductor film, and the electron emission part is an ultrafine carbon fiber such as graphite nanofiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, tube-shaped graphite, carbon nanocone with a sharp tip, cone-shaped graphite, etc. Can be adapted.

本実施形態では、二極管型FEDの電界放出素子、及びその電界放出素子を有する表示装置の構成及びその作製方法を示す。具体的には、第1の基板上に形成されたストライプ状のカソード電極と、第2の基板に形成されたストライプ状のアノード電極とが交差している点において、極細炭素繊維で形成される電子放出部を有する電界放出表示装置について図6及び図7を用いて述べる。なお、ここでは、電子放出部の作製工程に、第2実施形態で示す極細炭素繊維の作製工程を適応している。この工程に代わって、第1実施形態又は第3実施形態で示す作製工程を適応してもよい。   In this embodiment mode, a structure of a field emission element of a bipolar tube type FED, a display device including the field emission element, and a manufacturing method thereof will be described. Specifically, it is formed of ultrafine carbon fiber at the point where the stripe-shaped cathode electrode formed on the first substrate and the stripe-shaped anode electrode formed on the second substrate intersect. A field emission display device having an electron emission portion will be described with reference to FIGS. Here, the production process of the ultrafine carbon fiber shown in the second embodiment is applied to the production process of the electron emission portion. Instead of this process, the manufacturing process shown in the first embodiment or the third embodiment may be applied.

図6は、表示パネルの一部の斜視図である。第1の基板200上に結晶性半導体膜で形成されたストライプ状のカソード電極202が形成されており、その上には、極細炭素繊維で形成される電子放出部205が形成されている。一方、第2の基板203にはストライプ状のアノード電極207、蛍光体層206が形成されている。第1の基板アノード電極と第2の基板のカソード電極とが、所定の間隔を介して交差している領域において電界が印加され、カソード電極の電子放出部からアノード電極へ電子を放出する。   FIG. 6 is a perspective view of a part of the display panel. A striped cathode electrode 202 formed of a crystalline semiconductor film is formed on the first substrate 200, and an electron emission portion 205 formed of ultrafine carbon fiber is formed thereon. On the other hand, a striped anode electrode 207 and a phosphor layer 206 are formed on the second substrate 203. An electric field is applied in a region where the first substrate anode electrode and the cathode electrode of the second substrate intersect each other with a predetermined distance, and electrons are emitted from the electron emission portion of the cathode electrode to the anode electrode.

図7は、図6の第1の基板200のロ−ロ'の断面図である。図7を用いて、カソード電極及び電子放出部の作製方法を示す。なお、図6と同じ部分は同じ符号を用いて示す。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the first substrate 200 shown in FIG. A method for manufacturing the cathode electrode and the electron emission portion will be described with reference to FIGS. In addition, the same part as FIG. 6 is shown using the same code | symbol.

図7(A)に示すように、第1の基板200上に第1の絶縁膜201を形成し、公知の方法(CVD法、PVD法等)より非晶質半導体膜211を形成する。この後、気体レーザ発振器、固体レーザ発振器、又は金属発振器を用いたレーザ光213を非晶質半導体膜211に照射して結晶性半導体膜を形成する。このときのレーザ光は、連続発振又はパルス発振のレーザ光を用いることができる。   As shown in FIG. 7A, a first insulating film 201 is formed over a first substrate 200, and an amorphous semiconductor film 211 is formed by a known method (CVD method, PVD method, or the like). After that, the amorphous semiconductor film 211 is irradiated with laser light 213 using a gas laser oscillator, a solid-state laser oscillator, or a metal oscillator to form a crystalline semiconductor film. As the laser light at this time, continuous wave or pulsed laser light can be used.

次に、図7(B)に示すように結晶性半導体膜をエッチングしてストライプ状の結晶性半導体膜で形成されるカソード電極202を形成する。次に、結晶性半導体膜で形成されるカソード電極上に公知の手法(CVD法、PVD法等)により金属元素を有する薄膜を形成する。この金属元素としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を用いることが可能である。ここでは、膜厚2〜5nmの金薄薄膜をスパッタ法により成膜する。   Next, as shown in FIG. 7B, the crystalline semiconductor film is etched to form a cathode electrode 202 formed of a striped crystalline semiconductor film. Next, a thin film containing a metal element is formed on the cathode electrode formed of a crystalline semiconductor film by a known method (CVD method, PVD method, or the like). As this metal element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), or the like can be used. Here, a thin gold film having a thickness of 2 to 5 nm is formed by sputtering.

次に、100〜1100度、好ましくは400〜600度で1〜5時間加熱して、金属薄膜の金属元素を結晶性半導体膜の結晶粒界(結晶粒の三重点)の表面に偏析させる(領域221)。この後、カソード電極202間に形成された金属薄膜を除去する。   Next, the metal element of the metal thin film is heated at 100 to 1100 ° C., preferably 400 to 600 ° C. for 1 to 5 hours to segregate on the surface of the crystal grain boundary (crystal triple point) of the crystalline semiconductor film ( Region 221). Thereafter, the metal thin film formed between the cathode electrodes 202 is removed.

なお、金属元素を有する薄膜を形成する前に、結晶性半導体膜表面を水素化してもよい。この工程により、三重点に形成される金属元素又は金属珪化物の大きさを、より小さくすることができる。   Note that the surface of the crystalline semiconductor film may be hydrogenated before the thin film containing a metal element is formed. By this step, the size of the metal element or metal silicide formed at the triple point can be further reduced.

次に、図7(C)に示すように、金属元素または金属珪化物(領域221)を触媒として極細炭素繊維で形成される電子放出部205を形成する。ここでは、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気中で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して電子放出部205を形成する。また、原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により電子放出部205を形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。本実施形態の電子放出部の作製工程により、電子放出部の直径及び密度を制御することができるため、各画素においてエミッション電流を均一に放出することが可能な、FEDの基板を形成することが可能となる。   Next, as shown in FIG. 7C, an electron emission portion 205 formed of ultrafine carbon fiber is formed using a metal element or metal silicide (region 221) as a catalyst. Here, the electron emission portion 205 is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees, in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. Alternatively, a hydrocarbon such as methane or acetylene may be used as a raw material, and the electron emission portion 205 may be formed by a CVD method at 1 to 760 torr. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side. Since the diameter and density of the electron emission portion can be controlled by the manufacturing process of the electron emission portion of this embodiment, it is possible to form an FED substrate that can emit an emission current uniformly in each pixel. It becomes possible.

なお、導電性を高めるために結晶性半導体膜で形成されるカソード電極202にはn型を付与する不純物元素が添加されていることが好ましい。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いることができる。   Note that an impurity element imparting n-type conductivity is preferably added to the cathode electrode 202 formed of a crystalline semiconductor film in order to increase conductivity. As the impurity element imparting n-type conductivity, an element belonging to Group 15, typically phosphorus (P) or arsenic (As) can be used.

次に、図6に示すように、第2の基板203に公知の手法により蛍光体層206を形成し、その上に膜厚0.05〜0.1μmの導電膜を形成したのち、ストライプ状のアノード電極207を形成する。該導電膜には、アルミニウム、ニッケル、銀等の金属元素からなる薄膜、または、ITO(酸化インジウム酸化スズ合金)、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In23)―ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電膜を公知の手法により成膜し、公知のパターニング技術を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 6, a phosphor layer 206 is formed on the second substrate 203 by a known method, and a conductive film having a thickness of 0.05 to 0.1 μm is formed thereon, and then a stripe shape is formed. The anode electrode 207 is formed. The conductive film may be a thin film made of a metal element such as aluminum, nickel, silver, or ITO (indium tin oxide alloy), indium zinc oxide alloy (In 2 O 3 ) -ZnO), zinc oxide (ZnO). A transparent conductive film such as a film can be formed by a known method, and a known patterning technique can be used.

蛍光体層206は、赤色蛍光体層、青色蛍光体層、緑色蛍光体層からなり、これらの蛍光体層1組でひとつのピクセルとなる。なお、各蛍光体層の間に、コントラストを高めるためブラックマトリクスを形成してもよい。アノード電極は、各蛍光体層上に形成されていてもよく、また、赤色蛍光体層、青色蛍光体層、及び緑色蛍光体層からなるピクセル上に形成されていてもよい。   The phosphor layer 206 includes a red phosphor layer, a blue phosphor layer, and a green phosphor layer, and one set of these phosphor layers constitutes one pixel. A black matrix may be formed between the phosphor layers in order to increase the contrast. The anode electrode may be formed on each phosphor layer, or may be formed on a pixel composed of a red phosphor layer, a blue phosphor layer, and a green phosphor layer.

以上の工程で形成した第1の基板と第2の基板とを接着部材で封し、基板と封止部材とで囲まれた部分を減圧することで、電界放出表示パネルを形成する。   The first substrate and the second substrate formed in the above steps are sealed with an adhesive member, and a portion surrounded by the substrate and the sealing member is decompressed to form a field emission display panel.

ここでの電界放出表示装置は、パッシプ型駆動方法である。図6において、第1の基板200に形成されたカソード電極202は、カソード電極駆動回路に接続されており、第2の基板203に形成されたアノード電極207はアノード電極駆動回路に接続されている。カソード電極駆動回路からカソード電極を通じて相対的に負電圧が印加され、アノード電極にはアノード電極駆動回路から相対的に正電圧が印加される。これらの電圧印加によって生じた電界に応じ、電子放出部の先端から量子トンネル効果に基づき電子が放出され、アノード電極に誘導される。この電子が、アノード電極に形成された蛍光体層に衝突することにより、蛍光体層が励起されて発光し表示を得ることができる。なお、カソード電極駆動回路及びアノード電極駆動回路は、第1の基板上の外延部に形成することができる。また、ICチップ等の外付け回路用いることもできる。以上の工程により、電界放出表示装置を形成することができる。   The field emission display device here is a passive driving method. In FIG. 6, the cathode electrode 202 formed on the first substrate 200 is connected to the cathode electrode driving circuit, and the anode electrode 207 formed on the second substrate 203 is connected to the anode electrode driving circuit. . A relatively negative voltage is applied from the cathode electrode drive circuit through the cathode electrode, and a relatively positive voltage is applied to the anode electrode from the anode electrode drive circuit. In accordance with the electric field generated by applying these voltages, electrons are emitted from the tip of the electron emission portion based on the quantum tunnel effect and are induced to the anode electrode. When the electrons collide with the phosphor layer formed on the anode electrode, the phosphor layer is excited to emit light and display can be obtained. Note that the cathode electrode driving circuit and the anode electrode driving circuit can be formed in the extended portion on the first substrate. Also, an external circuit such as an IC chip can be used. Through the above steps, a field emission display device can be formed.

以上の工程により、カソード電極及びその表面に極細炭素繊維で形成される電子放出部を有する電界放出素子、及びそれを有する表示装置を形成する。なお、ここでは、カソード電極をストライプ状のものとしたが、カソード電極及びアノード電極を面状のものとして、エリアカラー用の表示装置に用いることもできる。   Through the above process, a field emission device having a cathode electrode and an electron emission portion formed of ultrafine carbon fibers on the surface thereof, and a display device having the same are formed. Although the cathode electrode is striped here, the cathode electrode and the anode electrode may be planar and used for an area color display device.

(第5実施形態) (Fifth embodiment)

次に、三極管型FEDの電界放出素子、及びそれを有する電界放出表示装置の構造及び作製方法について、図8及び図9を用いて説明する。なお、ここでは、電界放出素子は、1)ストライプ状にエッチングされ、かつn型の導電性を有する半導体膜で形成されるカソード電極、2)層間絶縁膜を介してカソード電極に対向するゲート電極、3)ゲート電極及び絶縁膜の開口部であって、かつカソード電極の表面に極細炭素繊維で形成される電子放出部、を含む。なお、ここで、電子放出部の作製工程に、第2実施形態を用いて述べた極細炭素繊維の作製工程を適応している。この工程に代わって、第1実施形態又は第3実施形態を用いた工程を適応してもよい。   Next, the structure and manufacturing method of a triode-type FED field emission device and a field emission display device having the same will be described with reference to FIGS. Here, the field emission element is 1) a cathode electrode formed by a semiconductor film etched in stripes and having n-type conductivity, and 2) a gate electrode facing the cathode electrode through an interlayer insulating film. 3) It includes an opening part of the gate electrode and the insulating film, and an electron emission part formed of ultrafine carbon fiber on the surface of the cathode electrode. Here, the production process of the ultrafine carbon fiber described with reference to the second embodiment is applied to the production process of the electron emission portion. Instead of this process, a process using the first embodiment or the third embodiment may be applied.

図8は、表示パネルの一部の斜視図である。第1の基板301上には、半導体膜で形成されたストライプ状のカソード電極302と、絶縁膜(図示しない。)を介して、ストライプ状のゲート電極303が形成されている。カソード電極302とゲート電極303とは、絶縁膜を介して直交している。カソード電極と、ゲート電極との交点には開口部307が形成されており、該開口部においてカソード電極の表面には極細炭素繊維で形成された電子放出部308が形成されている。第2の基板305には蛍光体層304とアノード電極306とが形成されている。   FIG. 8 is a perspective view of a part of the display panel. On the first substrate 301, a stripe-shaped cathode electrode 302 formed of a semiconductor film and a stripe-shaped gate electrode 303 are formed via an insulating film (not shown). The cathode electrode 302 and the gate electrode 303 are orthogonal to each other through an insulating film. An opening 307 is formed at the intersection of the cathode electrode and the gate electrode, and an electron emission portion 308 made of ultra fine carbon fiber is formed on the surface of the cathode electrode in the opening. A phosphor layer 304 and an anode electrode 306 are formed on the second substrate 305.

図9は、図8の第1の基板301のハ−ハ'の断面図である。図9を用いて、電界放出素子の作製方法を示す。   FIG. 9 is a cross-sectional view of the first substrate 301 in FIG. A method for manufacturing a field emission device will be described with reference to FIGS.

図9(A)に示すように、第1の基板301上に第1の絶縁膜311、その上に非晶質半導体膜を形成する。次に、非晶質半導体膜にレーザ光を照射して結晶性半導体膜312を形成する。   As shown in FIG. 9A, a first insulating film 311 is formed over a first substrate 301, and an amorphous semiconductor film is formed thereover. Next, the amorphous semiconductor film is irradiated with laser light, so that the crystalline semiconductor film 312 is formed.

この後、図9(B)に示すようにカソード電極を形成する部分にレジストマスク(図示しない。)を形成した後、露出している結晶性半導体膜をエッチングし、カソード電極であるストライプ状の結晶性半導体膜で形成されるカソード電極302を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 9B, a resist mask (not shown) is formed in a portion where the cathode electrode is to be formed, and then the exposed crystalline semiconductor film is etched to form a stripe-shaped cathode electrode. A cathode electrode 302 formed of a crystalline semiconductor film is formed.

次に、結晶性半導体膜で形成されるカソード電極302上に第2の絶縁膜321を形成する。第2の絶縁膜としては、公知の方法(CVD法、PVD法等)により形成された珪素と酸素を主成分とする膜(酸化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、酸化窒化珪素膜等)、または塗布法により形成された有機樹脂膜を用いる。   Next, a second insulating film 321 is formed over the cathode electrode 302 formed using a crystalline semiconductor film. As the second insulating film, a film containing silicon and oxygen as main components (silicon oxide film, silicon nitride oxide film, silicon oxynitride film, etc.) formed by a known method (CVD method, PVD method, etc.), or An organic resin film formed by a coating method is used.

次に、第1の導電性を高めるために結晶性半導体膜で形成されるカソード電極202にn型を付与する不純物元素を添加する。n型を付与する不純物元素として15族に属する元素、典型的にはリン(P)または砒素(As)を用いることができる。なお、n型不純物を添加する工程は、第2の絶縁膜を形成する前でもよい。   Next, an impurity element imparting n-type conductivity is added to the cathode electrode 202 formed of a crystalline semiconductor film in order to increase the first conductivity. As the impurity element imparting n-type conductivity, an element belonging to Group 15, typically phosphorus (P) or arsenic (As) can be used. Note that the step of adding the n-type impurity may be performed before the second insulating film is formed.

次に、第1の導電膜322を形成する。第1の導電膜としては、タングステン(W)、
ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等の金属又はこれらの金属元素を含む合金あるいは化合物(窒化チタン、窒化タンタル等の窒化物や、タングステンシリサイド、チタンシリサイド、マンガンシリサイド等の珪化物、ITO、IZO等の透光性導電膜など)を用いることができる。第1の導電膜にレジストマスクを形成してパターニングを行い、不要な部分を除去し、ストライプ状のゲート電極を形成する。
Next, a first conductive film 322 is formed. As the first conductive film, tungsten (W),
Metals such as niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), aluminum (Al), copper (Cu), or alloys or compounds containing these metal elements (such as titanium nitride and tantalum nitride) Nitride, silicides such as tungsten silicide, titanium silicide, and manganese silicide, translucent conductive films such as ITO and IZO, and the like can be used. A resist mask is formed on the first conductive film and patterned to remove unnecessary portions, thereby forming a stripe-shaped gate electrode.

次に、図9(C)に示すように、カソード電極とゲート電極とが第2の絶縁膜を介して交差する領域において、所望の形状に、レジストマスクを形成してパターニングを行った後、ゲート電極と第2の絶縁膜とを任意の形状にエッチングして半導体膜を露出させ、開口部307を形成する。   Next, as shown in FIG. 9C, after patterning by forming a resist mask in a desired shape in a region where the cathode electrode and the gate electrode intersect with each other through the second insulating film, The gate electrode and the second insulating film are etched into an arbitrary shape to expose the semiconductor film, and an opening 307 is formed.

次に、結晶性半導体膜表面に膜厚2〜5nmのニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、又はパラジウム(Pd)元素を有する金属薄膜331を公知の手法(CVD法、スパッタリング法、真空蒸着法等)により形成する。この後、100〜1100度、好ましくは400〜600度で1〜5時間加熱して、結晶粒界(結晶粒の三重点)に金属元素または金属珪化物341を析出させる(図9(D))。   Next, a metal thin film having nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), iron (Fe), titanium (Ti), or palladium (Pd) element having a thickness of 2 to 5 nm on the surface of the crystalline semiconductor film 331 is formed by a known method (a CVD method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like). Thereafter, heating is performed at 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 600 degrees for 1 to 5 hours, so that a metal element or a metal silicide 341 is precipitated at a crystal grain boundary (triple point of crystal grains) (FIG. 9D). ).

次に、図9(E)に示すように、金属元素または金属珪化物を触媒として極細炭素繊維で形成される電子放出部308を形成する。極細炭素繊維は、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して形成する。また、極細炭素繊維の原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。  Next, as shown in FIG. 9E, an electron emission portion 308 formed of ultrafine carbon fiber is formed using a metal element or metal silicide as a catalyst. The ultrafine carbon fiber is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. Alternatively, a hydrocarbon such as methane or acetylene can be used as a raw material for the ultrafine carbon fiber, and the film can be formed by CVD at 1 to 760 torr. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side.

なお、金属元素を有する薄膜を形成する前に、結晶性半導体膜表面を水素化してもよい。この工程により、三重点に形成される金属元素又は金属珪化物の大きさを、より小さくすることができる。本実施形態の電子放出部の作製工程により、電子放出部の直径及び密度を制御することができるため、各画素においてエミッション電流を均一に放出することが可能な、FEDの基板を形成することが可能となる。   Note that the surface of the crystalline semiconductor film may be hydrogenated before the thin film containing a metal element is formed. By this step, the size of the metal element or metal silicide formed at the triple point can be further reduced. Since the diameter and density of the electron emission portion can be controlled by the manufacturing process of the electron emission portion of this embodiment, it is possible to form an FED substrate that can emit an emission current uniformly in each pixel. It becomes possible.

また、図8において、カソード電極とゲート電極との交点309においては、2×2個の開口部が記載されているがこれに限られるものはなく、一つの開口部又は多数の開口部が形成されていても良い。   In FIG. 8, 2 × 2 openings are shown at the intersection 309 between the cathode electrode and the gate electrode, but the present invention is not limited to this, and one opening or multiple openings are formed. May be.

以上の工程により、第1の基板上に極細炭素繊維で形成される電子放出部を有する電界放出素子を有する基板を形成することができる。   Through the above steps, a substrate having a field emission element having an electron emission portion formed of ultrafine carbon fibers can be formed on the first substrate.

なお、図8においては、図9で示される第1の絶縁膜311、第2の絶縁膜321は省略している。 In FIG. 8, the first insulating film 311 and the second insulating film 321 shown in FIG. 9 are omitted.

図8に示すように、第2の基板305に公知の手法により蛍光体層304を形成し、その上に膜厚0.05〜0.1μmの第3の導電膜を形成し、これを所望の形状(ストライプ状、マトリクス状)にエッチングしてアノード電極306を形成する。蛍光体層304は、図6で示される蛍光体層206と同様の材料及び構造で形成することができる。また、アノード電極306は、図6で示されるアノード電極207と同様の材料及び構造とすることができる。   As shown in FIG. 8, a phosphor layer 304 is formed on a second substrate 305 by a known method, and a third conductive film having a thickness of 0.05 to 0.1 μm is formed thereon, which is desired. The anode electrode 306 is formed by etching into the shape (stripe shape, matrix shape). The phosphor layer 304 can be formed of the same material and structure as the phosphor layer 206 shown in FIG. Further, the anode electrode 306 can have the same material and structure as the anode electrode 207 shown in FIG.

以上の工程で形成した第1の基板と第2の基板とを接着部材で封し、基板と封止部材とで囲まれた部分を減圧し、電界放出表示装置の表示用パネルを形成する。   The first substrate and the second substrate formed in the above steps are sealed with an adhesive member, and a portion surrounded by the substrate and the sealing member is decompressed to form a display panel of the field emission display device.

上記の工程で形成される電界放出表示装置の駆動方法は、パッシプ型の駆動方法である。図8に示されるように、カソード電極302は、カソード電極駆動回路に接続されており、ゲート電極303はゲート電極駆動回路に接続されており、アノード電極306はアノード電極駆動回路に接続されている。カソード電極には、カソード電極駆動回路から相対的に負電圧(例えば、0kV)が印加され、ゲート電極には、ゲート電極駆動回路から相対的に正電圧(例えば、50V)が印加される。これらの電圧印加によって生じた電界に応じ、電子放出部の先端から量子トンネル効果に基づき電子が放出される。アノード電極には、アノード電極駆動回路により、ゲート電極に印加される正電圧よりも高い電圧(例えば、1kV)が印加され、電界放出素子から放出された電子を、アノード電極に形成された蛍光体層に誘導する。該電子が蛍光体層に衝突することにより、蛍光体層が励起され発光し表示を得ることができる。なお、第1の基板上に、電界放出素子を形成するのと同時に、カソード電極駆動回路及びゲート電極駆動回路形成することも可能である。また、ICチップ等の外付け回路用いることもできる。   The driving method of the field emission display device formed in the above process is a passive driving method. As shown in FIG. 8, the cathode electrode 302 is connected to the cathode electrode drive circuit, the gate electrode 303 is connected to the gate electrode drive circuit, and the anode electrode 306 is connected to the anode electrode drive circuit. . A relatively negative voltage (for example, 0 kV) is applied to the cathode electrode from the cathode electrode drive circuit, and a relatively positive voltage (for example, 50 V) is applied to the gate electrode from the gate electrode drive circuit. In accordance with the electric field generated by applying these voltages, electrons are emitted from the tip of the electron emission portion based on the quantum tunnel effect. A voltage higher than the positive voltage applied to the gate electrode (for example, 1 kV) is applied to the anode electrode by the anode electrode driving circuit, and the electrons emitted from the field emission device are formed on the anode electrode. Guide to layer. When the electrons collide with the phosphor layer, the phosphor layer is excited to emit light and display can be obtained. Note that it is also possible to form the cathode electrode driving circuit and the gate electrode driving circuit simultaneously with the formation of the field emission element on the first substrate. Also, an external circuit such as an IC chip can be used.

以上の工程により、電界放出表示装置を形成することができる。   Through the above steps, a field emission display device can be formed.

(第6実施形態) (Sixth embodiment)

次に、三極管型FEDの電界放出素子について、図10及び図11を用いて説明する。ここで述べる電界放出素子は、1)ソース領域及びドレイン領域を有し、所望の形状にエッチングされた半導体領域、2)半導体領域のソース領域に接するソース電極及びソース配線、3)層間絶縁膜を介して半導体膜に対向し、半導体膜のソース領域及びドレイン領域の間のキャリア濃度を制御するゲート電極及びゲート配線、4)ゲート電極及び絶縁膜の開口部であって、かつ半導体領域のドレイン領域表面に極細炭素繊維で形成された電子放出部、を含む。 Next, a triode FED field emission device will be described with reference to FIGS. The field emission device described here includes 1) a semiconductor region having a source region and a drain region, etched into a desired shape, 2) a source electrode and a source wiring in contact with the source region of the semiconductor region, and 3) an interlayer insulating film. A gate electrode and a gate wiring that oppose the semiconductor film and controls the carrier concentration between the source region and the drain region of the semiconductor film. An electron emission portion formed of ultrafine carbon fiber on the surface.

第2の基板405には、蛍光体層406とアノード電極407とが形成されている。   A phosphor layer 406 and an anode electrode 407 are formed on the second substrate 405.

図11は、図10のニ−ニ'の断面図である。図11を用いて、本実施の形態の電界放出素子の作製方法を示す。   FIG. 11 is a sectional view of the knee ′ of FIG. A method for manufacturing the field emission device of this embodiment mode will be described with reference to FIGS.

図11(A)に示すように第1の基板400上に第1の絶縁膜411形成する。次に図3で述べたような公知の手法により結晶性半導体膜を形成し、この一部をエッチングして所望の形状の半導体領域(図10の領域401)を形成する。   As shown in FIG. 11A, a first insulating film 411 is formed over the first substrate 400. Next, a crystalline semiconductor film is formed by a known method as described in FIG. 3, and a part of the crystalline semiconductor film is etched to form a semiconductor region having a desired shape (region 401 in FIG. 10).

次に、第1の基板上に第2の絶縁膜412を公知の手法で形成する。第2の絶縁膜は、珪素と酸素を主成分とする膜(酸化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、酸化窒化珪素膜等)で形成する。   Next, a second insulating film 412 is formed on the first substrate by a known method. The second insulating film is formed using a film containing silicon and oxygen as main components (a silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, a silicon oxynitride film, or the like).

次に、第1の導電膜を形成する。第1の導電膜としては、図9の第1の導電膜322と同様の材料で形成することができる。次に、第1の導電膜にレジストマスクを形成してパターニングを行い、不要な部分を除去し、ゲート電極及びゲート配線402を形成する。次に、ゲート電極をマスクとして結晶性半導体膜の一部に、n型を付与する不純物を添加してソース領域401a及びドレイン領域401bを形成する。   Next, a first conductive film is formed. The first conductive film can be formed using a material similar to that of the first conductive film 322 in FIG. Next, a resist mask is formed over the first conductive film, and patterning is performed. Unnecessary portions are removed, and a gate electrode and a gate wiring 402 are formed. Next, an impurity imparting n-type conductivity is added to part of the crystalline semiconductor film using the gate electrode as a mask, so that the source region 401a and the drain region 401b are formed.

次に、図11(B)に示すように、第3の絶縁膜421を形成する。第3の絶縁膜としては、公知の方法(CVD法、PVD法等)により形成された珪素と酸素を主成分とする膜(酸化ケイ素膜、窒化酸化ケイ素膜、酸化窒化珪素膜等)、または塗布法により形成された有機樹脂膜を用いる。   Next, as shown in FIG. 11B, a third insulating film 421 is formed. As the third insulating film, a film containing silicon and oxygen as main components (silicon oxide film, silicon nitride oxide film, silicon oxynitride film, etc.) formed by a known method (CVD method, PVD method, etc.), or An organic resin film formed by a coating method is used.

次に、第3の絶縁膜421及び第2の絶縁膜412の一部をエッチングし、第1の基板上に導電膜を成膜する。次に、この導電膜を所望の形状にエッチングしてソース配線及びソース電極403を形成する。   Next, part of the third insulating film 421 and the second insulating film 412 is etched, and a conductive film is formed over the first substrate. Next, this conductive film is etched into a desired shape to form a source wiring and a source electrode 403.

次に、図11(C)に示すように、第1の基板上に第4の絶縁膜431を成膜した後、第4の絶縁膜、第3の絶縁膜、及び第2の絶縁膜の一部をエッチングして、半導体領域の一部を露出する。この後、基板上に公知の手法(CVD法、PVD法等)により膜厚2〜5nmの金属薄膜432を形成する。この金属元素としては、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)、チタン(Ti)、パラジウム(Pd)等を用いることが可能である。   Next, as illustrated in FIG. 11C, after the fourth insulating film 431 is formed over the first substrate, the fourth insulating film, the third insulating film, and the second insulating film are formed. A part is etched to expose a part of the semiconductor region. Thereafter, a metal thin film 432 having a thickness of 2 to 5 nm is formed on the substrate by a known method (CVD method, PVD method, etc.). As this metal element, nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), or the like can be used.

次に、100〜1100度、好ましくは400〜650度で1〜5時間加熱して、結晶粒界(多重点)に金属元素または金属珪化物を析出する。 Next, heating is performed at 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees for 1 to 5 hours, so that a metal element or a metal silicide is precipitated at the grain boundaries (multiple points).

次に、図11(D)に示すように、金属元素または金属珪化物を触媒として極細炭素繊維で形成される電子放出部404を形成する。極細炭素繊維は、1〜760torrに減圧したメタンまたはアセチレン等の炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度、好ましくは400〜650度に加熱して形成する。また、極細炭素繊維は、原料にメタンまたはアセチレン等の炭化水素を用い、1〜760torrとしてCVD法により形成することもできる。なお、この場合、基板側に負の電圧を印加してもよい。本実施形態の電子放出部の作製工程により、電子放出部の直径及び密度を制御することができるため、各画素においてエミッション電流を均一に放出することが可能な、FEDの基板を形成することが可能となる。 Next, as shown in FIG. 11D, an electron emission portion 404 formed of ultrafine carbon fibers is formed using a metal element or metal silicide as a catalyst. The ultrafine carbon fiber is formed by heating to 100 to 1100 degrees, preferably 400 to 650 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon such as methane or acetylene decompressed to 1 to 760 torr. The ultrafine carbon fiber can also be formed by a CVD method using 1 to 760 torr of hydrocarbon such as methane or acetylene as a raw material. In this case, a negative voltage may be applied to the substrate side. Since the diameter and density of the electron emission portion can be controlled by the manufacturing process of the electron emission portion of this embodiment, it is possible to form an FED substrate that can emit an emission current uniformly in each pixel. It becomes possible.

なお、図10においては、図11で示される第1の絶縁膜411、第2の絶縁膜412、第3の絶縁膜421、第4の絶縁膜431は省略している。また、図11において、第4の絶縁膜431を形成せず、金属薄膜432を形成した後、ソース領域及びドレイン領域を絶縁するようにエッチングしてもよい。 In FIG. 10, the first insulating film 411, the second insulating film 412, the third insulating film 421, and the fourth insulating film 431 shown in FIG. 11 are omitted. Further, in FIG. 11, after the metal thin film 432 is formed without forming the fourth insulating film 431, etching may be performed so as to insulate the source region and the drain region.

上記の工程により形成した第1の基板と、第5実施形態の図8で示される第2の基板305とを接着部材で封し、基板と封止部材とで囲まれた部分を減圧して電界放出表示装置の表示用パネルを形成する。   The first substrate formed by the above process and the second substrate 305 shown in FIG. 8 of the fifth embodiment are sealed with an adhesive member, and the portion surrounded by the substrate and the sealing member is decompressed. A display panel of a field emission display device is formed.

この後、図8及び図9に示すように、電界放出表示装置を形成することができる。   Thereafter, as shown in FIGS. 8 and 9, a field emission display device can be formed.

以上の工程により、ソース領域及びドレイン領域を有する半導体領域、このソース領域に接するソース電極及びソース配線、ゲート電極、及び半導体領域のドレイン領域の表面に炭素で形成された電子放出部からなる電界放出素子を形成する。本実施の形態で形成された電界放出素子は、トランジスタ構造を有しているため、各々の電界放出素子においてスイッチング特性を有する。このため、画素ごとの表示を制御することができる。   Through the above steps, a field emission comprising a semiconductor region having a source region and a drain region, a source electrode and a source wiring in contact with the source region, a gate electrode, and an electron emission portion formed of carbon on the surface of the drain region of the semiconductor region. An element is formed. Since the field emission device formed in this embodiment has a transistor structure, each field emission device has switching characteristics. Therefore, display for each pixel can be controlled.

また、電界放出素子のON、OFFをより正確に制御するために、各電界放出素子に薄膜トランジスタやダイオード等のスイッチング素子を別途設けてもよい。   Further, in order to more accurately control ON / OFF of the field emission element, each field emission element may be provided with a switching element such as a thin film transistor or a diode.

本実施形態では、電界放出素子をトップゲート構造を用いて記載したが、これに限られず、ボトムゲート構造でも同様に電界放出素子を形成することができる。   In the present embodiment, the field emission device is described using the top gate structure, but the present invention is not limited to this, and the field emission device can be similarly formed even in the bottom gate structure.

(第7実施形態)
ここでは、実施形態に示される極細炭素繊維の応用例を提案する。第1実施形態乃至第3実施形態のいずれかで形成した極細炭素繊維を、走査線型プローブ顕微鏡の探針(Scanning Probe Microscope;SPM)、FET(電界効果トランジスタ、Field Effect Transistor)のチャネル領域に応用することができる。なお、極細炭素繊維をチャネル形成領域に用いたFET(TUBEFETともいう。)は、シリコン基板や金属膜、金属基板等の導電層上に絶縁膜が形成され、その上に金や白金で形成されたソース電極ドレイン電極が形成され、該電極間を極細炭素繊維で橋架けして形成されたものである。また、極細炭素繊維は、チューブの中やチューブ間に本質的に大きな空間をもった一次元的細孔状という構造を生かして、リチウム電池の負極材料、ガス吸蔵物質等に応用することができる。
(Seventh embodiment)
Here, an application example of the ultrafine carbon fiber shown in the embodiment is proposed. Application of the ultrafine carbon fiber formed in any one of the first to third embodiments to the channel region of a scanning probe microscope (SPM) and FET (Field Effect Transistor) can do. Note that an FET (also referred to as a TUBEFET) using an ultrafine carbon fiber for a channel formation region is formed of an insulating film on a conductive layer such as a silicon substrate, a metal film, or a metal substrate, and is formed of gold or platinum thereon. The source electrode and the drain electrode are formed, and the electrodes are formed by bridging the electrodes with ultrafine carbon fibers. In addition, ultrafine carbon fibers can be applied to negative electrode materials, gas storage materials, etc. for lithium batteries by taking advantage of the structure of one-dimensional pores with essentially large spaces in and between tubes. .

(第8実施形態)
ここでは、実施形態に示される極細炭素繊維を用いた半導体装置を提案する。第1実施形態乃至第3実施形態のいずれかで作製した極細炭素繊維をチャネル領域に有するFET(TUBEFET)を高集積した半導体装置、代表的には信号線駆動回路、コントローラ、CPU、音声処理回路のコンバータ、電源回路、送受信回路、メモリ、音声処理回路のアンプ、映像検波回路、映像処理回路、音声検波回路等の半導体装置を形成することができる。さらには、MPU(マイクロコンピュータ)、メモリ、I/Oインターフェースなどひとつのシステム(機能回路)を構成する回路がモノリシックに搭載され、高速化、高信頼性、低消費電力化が可能なシステムオンチップを形成することができる。これらの半導体装置又はシステムオンチップは、信頼性高く作製された極細炭素繊維を用いて形成されるため、歩留まり良く作製することができる。
(Eighth embodiment)
Here, a semiconductor device using the ultrafine carbon fiber shown in the embodiment is proposed. A semiconductor device in which an FET (TUBEFET) having the ultrafine carbon fiber produced in any of the first to third embodiments in a channel region is highly integrated, typically a signal line driver circuit, a controller, a CPU, and a sound processing circuit Semiconductor devices such as converters, power supply circuits, transmission / reception circuits, memories, audio processing circuit amplifiers, video detection circuits, video processing circuits, and audio detection circuits can be formed. In addition, a system-on-chip that is monolithically equipped with circuits that constitute a single system (functional circuit) such as an MPU (microcomputer), memory, and I / O interface, enabling high speed, high reliability, and low power consumption. Can be formed. Since these semiconductor devices or system-on-chip are formed using ultrafine carbon fibers manufactured with high reliability, they can be manufactured with high yield.

(第9実施形態)
上記実施形態に示される半導体装置、システムオンチップ、表示装置等を筺体に組み込むことによって様々な電子機器を作製することができる。電子機器としては、テレビジョン装置、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(DVD)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。ここでは、これらの電子機器の代表例としてテレビジョン装置を図13に示す。
(Ninth embodiment)
Various electronic devices can be manufactured by incorporating the semiconductor device, the system on chip, the display device, and the like described in the above embodiment into a housing. Electronic devices include television devices, video cameras, digital cameras, goggles-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, audio components, etc.), notebook-type personal computers, game machines, and portable information terminals (Mobile computer, mobile phone, portable game machine, electronic book, or the like), an image playback apparatus equipped with a recording medium (specifically, a recording medium such as a digital versatile disc (DVD) can be played back and the image can be displayed. And a device equipped with a display). Here, a television device is shown in FIG. 13 as a typical example of these electronic devices.

図13はテレビジョン装置を前面方向から見た斜視図であり、筐体1151、表示部1152、スピーカ部1153、操作部1154、ビデオ入力端子1155等を含む。   FIG. 13 is a perspective view of the television device as viewed from the front, and includes a housing 1151, a display portion 1152, a speaker portion 1153, an operation portion 1154, a video input terminal 1155, and the like.

表示部1152は、映像系出力部の一例であり、ここで映像を表示する。   The display unit 1152 is an example of a video output unit, and displays a video here.

スピーカ部1153は、音声系出力部の一例であり、ここで音声を出力する。   The speaker unit 1153 is an example of an audio system output unit, and outputs audio here.

操作部1154は、電源スイッチ、ボリュームスイッチ、選局スイッチ、チューナースイッチ、選択スイッチ等が設けられており、該ボタンの押下によりテレビジョン装置の電源のON/OFF、映像の選択、音声の調整、及びチューナの選択等を行う。なお、図示していないが、リモートコントローラ型操作部によって、上記の選択を行うことも可能である。   The operation unit 1154 is provided with a power switch, a volume switch, a channel selection switch, a tuner switch, a selection switch, and the like. By pressing the button, the power of the television apparatus is turned on / off, video selection, audio adjustment, And selecting a tuner. Although not shown, the above selection can also be performed by a remote controller type operation unit.

ビデオ入力端子1155は、VTR、DVD、ゲーム機等の外部からの映像信号をテレビジョン装置に入力する端子である。   The video input terminal 1155 is a terminal for inputting a video signal from the outside such as a VTR, a DVD, or a game machine to the television apparatus.

本実施形態で示されるテレビジョン装置を壁掛け用テレビジョン装置の場合、本体背面に壁掛け用の部位が設けられている。 In the case where the television device shown in the present embodiment is a wall-mounted television device, a wall-hanging portion is provided on the back surface of the main body.

テレビジョン装置の表示部に本発明の半導体装置の一例である表示装置を用いることにより、ばらつきのない、高画質なテレビジョン装置を作製することができる。また、テレビジョン装置の映像検波回路、映像処理回路、音声検波回路、及び音声処理回路、並びにこれらを制御するCPU等に本発明の半導体装置を用いることにより、歩留まり高くテレビジョン装置を作製することができる。このため、テレビジョン装置は、壁掛けテレビジョン装置、鉄道の駅や空港などにおける情報表示板や、街頭における広告表示板など、様々な大面積の表示媒体として様々な用途に適用することができる。 By using the display device which is an example of the semiconductor device of the present invention for the display portion of the television device, a high-quality television device without variation can be manufactured. In addition, a television device can be manufactured with high yield by using the semiconductor device of the present invention for a video detection circuit, a video processing circuit, an audio detection circuit, an audio processing circuit, and a CPU for controlling these in the television device. Can do. For this reason, the television device can be applied to various uses as a display medium of various large areas, such as a wall-mounted television device, an information display board in a railway station or airport, and an advertisement display board in a street.

本発明に係る極細炭素繊維の作製工程を説明する斜視図。The perspective view explaining the preparation process of the ultrafine carbon fiber which concerns on this invention. 本発明に係る結晶性半導体膜を説明する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a crystalline semiconductor film according to the present invention. 本発明に係る極細炭素繊維の作製工程を説明する断面図。Sectional drawing explaining the manufacturing process of the ultra-fine carbon fiber which concerns on this invention. 本発明に係る極細炭素繊維の作製工程を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing process of the ultrafine carbon fiber which concerns on this invention 本発明に係る極細炭素繊維の作製工程を説明する断面図。Sectional drawing explaining the manufacturing process of the ultra-fine carbon fiber which concerns on this invention. 本発明に係る電界放出表示装置の表示パネルを説明する斜視図。1 is a perspective view illustrating a display panel of a field emission display device according to the present invention. 本発明に係る電界放出素子の作製工程を説明する断面図Sectional drawing explaining the manufacturing process of the field emission element which concerns on this invention 本発明に係る電界放出表示装置の表示パネルを説明する斜視図。1 is a perspective view illustrating a display panel of a field emission display device according to the present invention. 本発明に係る電界放出素子の作製工程を説明する断面図。Sectional drawing explaining the manufacturing process of the field emission element which concerns on this invention. 本発明に係る電界放出表示装置の表示パネルを説明する斜視図。1 is a perspective view illustrating a display panel of a field emission display device according to the present invention. 本発明に係る電界放出素子の作製工程を説明する断面図。Sectional drawing explaining the manufacturing process of the field emission element which concerns on this invention. 三重点の密度を示す図。The figure which shows the density of a triple point. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device.

Claims (27)

絶縁性を有する表面上に半導体膜を形成し、前記半導体膜に金属元素を添加し、第1の処理により前記半導体膜の結晶粒界に金属元素又は金属珪化物を偏析したのち、第2の処理により前記金属元素又は金属珪化物の表面に極細炭素繊維を形成することを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   A semiconductor film is formed on the surface having an insulating property, a metal element is added to the semiconductor film, a metal element or a metal silicide is segregated at a crystal grain boundary of the semiconductor film by the first treatment, and then a second A method for producing an ultrafine carbon fiber, characterized in that an ultrafine carbon fiber is formed on the surface of the metal element or metal silicide by treatment. 請求項1において、前記半導体膜は非晶質半導体膜であって、前記第1の処理は、前記非晶質半導体膜を結晶化する工程を有することを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   2. The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the semiconductor film is an amorphous semiconductor film, and the first treatment includes a step of crystallizing the amorphous semiconductor film. 請求項1又は請求項2において、前記半導体膜は非晶質半導体膜であって、前記第1の処理は、400〜1100度の加熱又はレーザ光照射であることを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   3. The ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the semiconductor film is an amorphous semiconductor film, and the first treatment is heating at 400 to 1100 degrees or laser light irradiation. Manufacturing method. 請求項1において、前記半導体膜は結晶性半導体膜であって、前記第1の処理は、100〜1100度の加熱であることを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。     The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the semiconductor film is a crystalline semiconductor film, and the first treatment is heating at 100 to 1100 degrees. 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、前記第2の処理は炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度で加熱することを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   5. The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the second treatment is performed by heating at 100 to 1100 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、前記第2の処理は炭化水素を原料とする化学気相成長法であることを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   6. The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the second treatment is a chemical vapor deposition method using a hydrocarbon as a raw material. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、前記結晶粒界は結晶粒の多重点であることを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。     7. The method for producing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the crystal grain boundary is a multiple point of crystal grains. 請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、前記極細炭素繊維を形成した後、前記極細炭素繊維を前記半導体膜から解離することを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。   8. The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the ultrafine carbon fiber is dissociated from the semiconductor film after the ultrafine carbon fiber is formed. 9. 請求項1乃至請求項8のいずれか一項において、前記金属元素は、ニッケル、鉄、コバルト、又は白金であることを特徴とする極細炭素繊維の作製方法。 9. The method for manufacturing an ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the metal element is nickel, iron, cobalt, or platinum. 請求項1乃至請求項9のいずれか一項において、前記極細炭素繊維は、グラファイトナノファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、チューブ状グラファイト、カーボンナノコーン、又はコーン状グラファイトであることを特徴とする極細炭素繊維の
作製方法。
10. The ultrafine carbon fiber according to claim 1, wherein the ultrafine carbon fiber is a graphite nanofiber, a carbon nanofiber, a carbon nanotube, a tube-like graphite, a carbon nanocone, or a cone-like graphite. Method for producing ultrafine carbon fiber.
絶縁性を有する表面上に半導体膜を形成し、前記半導体膜に金属元素を添加し、第1の処理により前記半導体膜の結晶粒界に金属元素又は金属珪化物を偏析したのち、第2の処理により前記金属元素又は金属珪化物の表面に極細炭素繊維で形成される電子放出部を形成することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   A semiconductor film is formed on the surface having an insulating property, a metal element is added to the semiconductor film, a metal element or a metal silicide is segregated at a crystal grain boundary of the semiconductor film by the first treatment, and then a second A method of manufacturing a field emission device, comprising forming an electron emission portion formed of ultrafine carbon fiber on a surface of the metal element or metal silicide by treatment. 請求項11において、前記半導体膜をストライプ状に形成することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   12. The method for manufacturing a field emission device according to claim 11, wherein the semiconductor film is formed in a stripe shape. 絶縁性を有する表面上に所望の形状を有する半導体膜を形成した後、第1の絶縁膜を成膜し、前記第1の絶縁膜上に所望の形状を有する第1の導電膜を形成した後、前記第1の導電膜及び前記第1の絶縁膜の一部を除去して前記半導体膜を露出し、前記露出された半導体膜上に金属薄膜を形成した後、第1の処理によって前記半導体膜の結晶粒界に金属元素又は金属珪化物を偏析し、前記金属元素又は金属珪化物表面に第2の処理により極細炭素繊維で形成される電子放出部を形成することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   After forming a semiconductor film having a desired shape over the insulating surface, a first insulating film is formed, and a first conductive film having a desired shape is formed over the first insulating film. Thereafter, a part of the first conductive film and the first insulating film is removed to expose the semiconductor film, a metal thin film is formed on the exposed semiconductor film, and then the first process is performed. An electric field characterized by segregating a metal element or metal silicide at a crystal grain boundary of a semiconductor film and forming an electron emission portion formed of ultrafine carbon fibers by a second treatment on the surface of the metal element or metal silicide. A method for manufacturing an emission element. 請求項13において、前記所望の形状を有する第1の導電膜は、前記所望の形状を有する半導体膜と前記第1の絶縁膜を介して直交していることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   14. The field emission device according to claim 13, wherein the first conductive film having the desired shape is orthogonal to the semiconductor film having the desired shape with the first insulating film interposed therebetween. Method. 請求項13又は請求項14において、前記所望の形状を有する半導体膜と前記所望の形状を有する第1の導電膜は、ストライプ状であることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   15. The method for manufacturing a field emission element according to claim 13, wherein the semiconductor film having the desired shape and the first conductive film having the desired shape are in a stripe shape. 請求項11乃至請求項15のいずれか一項において、前記半導体膜は、n型の導電性を有することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   16. The method for manufacturing a field emission element according to claim 11, wherein the semiconductor film has n-type conductivity. 絶縁性を有する表面上に所望の形状を有する半導体膜を形成した後、第1の絶縁膜を成膜し、前記第1の絶縁膜上に所望の形状を有する第1の導電膜を形成し、前記半導体膜にソース領域及びドレイン領域を形成した後、第2の絶縁膜を形成し、前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜の一部を除去して前記半導体膜のソース領域を露出して、第2の導電膜を形成し、前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜の一部を除去して前記半導体膜のドレイン領域を露出して前記露出された半導体膜上に金属薄膜を形成した後、第1の処理によって前記半導体膜の結晶粒界に金属元素又は金属珪化物を偏析し、前記金属元素又は金属珪化物表面に第2の処理により極細炭素繊維で形成される電子放出部を形成することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   After forming a semiconductor film having a desired shape over the insulating surface, a first insulating film is formed, and a first conductive film having a desired shape is formed over the first insulating film. After forming the source region and the drain region in the semiconductor film, a second insulating film is formed, and a part of the second insulating film and the first insulating film is removed to remove the source region of the semiconductor film. Is exposed to form a second conductive film, and the second insulating film and a part of the first insulating film are removed to expose a drain region of the semiconductor film, thereby exposing the exposed semiconductor film. After the metal thin film is formed on the surface, the metal element or metal silicide is segregated on the crystal grain boundary of the semiconductor film by the first treatment, and the surface of the metal element or metal silicide is made of ultrafine carbon fiber by the second treatment. Fabrication of a field emission device characterized by forming an electron emission portion to be formed Law. 請求項17において、前記半導体膜のソース領域及びドレイン領域は、n型の導電性を有することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   18. The method for manufacturing a field emission element according to claim 17, wherein the source region and the drain region of the semiconductor film have n-type conductivity. 請求項17又は請求項18において、前記第1の導電膜はゲート電極であり、前記第2の導電膜はソース電極であることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   19. The method for manufacturing a field emission element according to claim 17, wherein the first conductive film is a gate electrode, and the second conductive film is a source electrode. 請求項11乃至請求項19のいずれか一項において、前記半導体膜は非晶質半導体膜であって、前記第1の処理は、前記非晶質半導体膜を結晶化する工程を有することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   20. The semiconductor device according to claim 11, wherein the semiconductor film is an amorphous semiconductor film, and the first treatment includes a step of crystallizing the amorphous semiconductor film. A method for manufacturing a field emission device. 請求項11乃至請求項20のいずれか一項において、前記半導体膜は非晶質半導体膜であって、前記第1の処理は、400〜1100度の加熱又はレーザ光照射であることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   The semiconductor film according to any one of claims 11 to 20, wherein the semiconductor film is an amorphous semiconductor film, and the first treatment is heating at 400 to 1100 degrees or laser light irradiation. A method for manufacturing a field emission device. 請求項11乃至請求項21のいずれか一項において、前記半導体膜は、結晶性半導体膜であって、前記第1の処理は、100〜1100度で加熱することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   The field emission device according to any one of claims 11 to 21, wherein the semiconductor film is a crystalline semiconductor film, and the first treatment is performed at 100 to 1100 degrees. Manufacturing method. 請求項11乃至請求項22のいずれか一項において、前記第2の処理は炭化水素を含む雰囲気で100〜1100度で加熱することを特徴とする電界放出素子の作製方法。   23. The method for manufacturing a field emission element according to claim 11, wherein the second treatment is performed by heating at 100 to 1100 degrees in an atmosphere containing a hydrocarbon. 請求項11又は請求項23において、前記第2の処理は炭化水素を原料とする化学気相成長法であることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   24. The method for manufacturing a field emission element according to claim 11, wherein the second treatment is a chemical vapor deposition method using a hydrocarbon as a raw material. 請求項11乃至請求項24のいずれか一項において、前記結晶粒界は結晶粒の多重点であることを特徴とする電界放出素子の作製方法。     25. The method for manufacturing a field emission device according to claim 11, wherein the crystal grain boundary is a multiple point of crystal grains. 請求項11乃至請求項25のいずれか一項において、前記金属元素は、ニッケル、鉄、コバルト、白金、チタン、又はパラジウムであることを特徴とする電界放出素子の作製方法。   26. The method for manufacturing a field emission element according to claim 11, wherein the metal element is nickel, iron, cobalt, platinum, titanium, or palladium. 請求項11乃至請求項26のいずれか一項において、前記極細炭素繊維で形成される電子放出部は、グラファイトナノファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、チューブ状グラファイト、カーボンナノコーン、又はコーン状グラファイトであることを特徴とする電界放出素子の作製方法。

27. The electron emission portion formed of the ultrafine carbon fiber according to claim 11, wherein the electron emission portion is a graphite nanofiber, a carbon nanofiber, a carbon nanotube, a tube-like graphite, a carbon nanocone, or a cone-like graphite. A method for manufacturing a field emission device, wherein:

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