JP2005209360A - Manufacturing method of needle carbon film, needle carbon film, and field emission structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method forming a needle carbon film by a chemical vapor phase growth method without passing work for forming a substrate or a carbon film in a needle shape. <P>SOLUTION: Potential of a wall surface 2b of the substrate 2 facing voids 3 having a width W of 10 mm or less is made equipotential. Pulse voltage is applied to atmosphere containing raw gas containing a carbon source to produce discharge plasma 1, and the needle carbon film 7 having an aspect ratio of diameter and length of 1 or more is formed on the wall surface 2b. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、針状カーボン膜の製造方法、針状カーボン膜および電界放出構造に係るものである。   The present invention relates to a method for producing an acicular carbon film, an acicular carbon film, and a field emission structure.

電界放出型冷陰極は、近年ディスプレイ応用等で注目されている。エミッタ材料として、例えばコーン型に形成された微小電子源の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を薄くコーティングする方法がある。これはコーン型の電界放出型冷陰極にCVD法によりコーン先端にダイヤモンド薄膜を堆積する方法である。これによって針状カーボン膜を形成する方法としては、ダイヤモンドライクカーボン膜を平面上に成膜した後、プラズマエッチング技術により針状とする方法が知られている(特許文献1)。また、カーボン膜成膜前に基板を針形状に加工し、その後、針状の加工面にダイヤモンドライクカーボン膜を成膜する方法が知られている(特許文献2、3、4、5)。
特開2000-215788号公報 特開平8-306300号公報 特開平9-63460号公報 特開平9-185942号公報 特開2002-117753号公報
Field emission-type cold cathodes have recently attracted attention for display applications and the like. As an emitter material, for example, there is a method of thinly coating a diamond-like carbon film on the surface of a minute electron source formed in a cone shape. This is a method in which a diamond thin film is deposited on the cone tip by a CVD method on a cone-type field emission cold cathode. As a method for forming a needle-like carbon film by this, a method is known in which a diamond-like carbon film is formed on a flat surface and then made into a needle-like shape by a plasma etching technique (Patent Document 1). Further, a method is known in which a substrate is processed into a needle shape before forming a carbon film, and then a diamond-like carbon film is formed on the needle-like processed surface (Patent Documents 2, 3, 4, 5).
JP 2000-215788 A JP-A-8-306300 JP-A-9-63460 Japanese Patent Laid-Open No. 9-185942 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-117753

しかし、上記した製造方法では、いずれも、針状のダイヤモンドライクカーボン膜を得るためには、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程、レジスト剥離工程、洗浄工程など、多数の工程を実行する必要があり、生産性が低い。   However, in any of the manufacturing methods described above, in order to obtain a needle-like diamond-like carbon film, it is necessary to perform a number of processes such as a photolithography process, an etching process, a resist stripping process, and a cleaning process. The nature is low.

本発明の課題は、化学的気相成長法によって、基板やカーボン膜を針状とするための加工を経ることなしに、針状カーボン膜を成膜する方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for forming a needle-like carbon film by chemical vapor deposition without undergoing processing for making the substrate or the carbon film into a needle shape.

本発明は、幅10mm以下の空隙に面する基体の壁面の電位を等電位とし、炭素源を含む雰囲気にパルス電圧を印加して放電プラズマを生じさせることにより、基体の壁面上に針状カーボン膜を成膜することを特徴とする、針状カーボン膜の製造方法に係るものである。
また、本発明は、前記方法によって製造された針状カーボン膜に係るものである。
In the present invention, acicular potential is applied to the wall surface of a substrate facing a gap having a width of 10 mm or less, and a discharge voltage is generated by applying a pulse voltage to an atmosphere containing a carbon source, whereby acicular carbon is formed on the wall surface of the substrate. The present invention relates to a method for producing a needle-like carbon film characterized by forming a film.
The present invention also relates to the acicular carbon film produced by the above method.

また、本発明は、針状カーボン膜であって、直径と長さのアスペクト比が1以上であり、ラマン分光測定において、1300〜1580cm−1のピークおよび約2250m−1のピークが観察される針状カーボン膜に係るものである。 Further, the present invention is an acicular carbon film having an aspect ratio of diameter to length of 1 or more, and a peak of 1300 to 1580 cm −1 and a peak of about 2250 m −1 are observed in Raman spectroscopic measurement. This relates to a needle-like carbon film.

本発明によれば、化学的気相成長法によって、基板やカーボン膜を針状とするための加工を経ることなしに、針状カーボン膜を成膜する方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a method for forming a needle-like carbon film by chemical vapor deposition without undergoing processing for making the substrate or the carbon film into a needle-like shape.

また、本発明に係る針状カーボン膜は、直径と長さのアスペクト比が1以上であり、ラマン分光測定において、1300〜1580cm−1の通常のダイヤモンドライクカーボンのピークに加えて約2250m−1のピークが観察されるものである。このような針状カーボン膜は冷陰極として使用したときに電子放出特性を示すことを見いだした。 In addition, the needle-like carbon film according to the present invention has an aspect ratio of 1 or more in diameter and length, and in Raman spectroscopy, in addition to a normal diamond-like carbon peak of 1300 to 1580 cm −1 , about 2250 m −1. The peak is observed. It has been found that such a needle-like carbon film exhibits electron emission characteristics when used as a cold cathode.

本発明においては、幅10mm以下の空隙が設けられた基体の空隙に面する壁面の電位を等電位とし、この壁面上に放電プラズマを含むガスを流すことによって、壁面上に針状カーボン膜を生成させることができる。
例えば図1に模式的に示すように、基体2に幅Wが10mm以下の空隙3を設ける。この基体2の上面2a上の空間4に所定の炭素源ガスを流し、矢印Aのように電界を印加し、プラズマ1を生成させる。このプラズマ生成ガス1は空隙3内に流入する。この際、上面6上にはほぼ平滑な膜6が生成するが、これと共に、空隙に面する内壁面2bの少なくとも一部には針状カーボン膜7が生成することを見いだした。このように、化学的気相成長プロセスのみで平坦な壁面上に針状カーボン膜を生成させる技術は初めて提供されるものである。
In the present invention, an acicular potential is applied to the wall surface facing the gap of the substrate provided with a gap of 10 mm or less in width, and a gas containing discharge plasma is caused to flow on the wall surface, thereby forming the acicular carbon film on the wall surface. Can be generated.
For example, as schematically shown in FIG. 1, the base 2 is provided with a gap 3 having a width W of 10 mm or less. A predetermined carbon source gas is caused to flow in the space 4 on the upper surface 2a of the substrate 2 and an electric field is applied as indicated by an arrow A to generate plasma 1. The plasma generation gas 1 flows into the gap 3. At this time, it was found that a substantially smooth film 6 was formed on the upper surface 6 and, at the same time, a needle-like carbon film 7 was formed on at least a part of the inner wall surface 2b facing the void. Thus, a technique for forming a needle-like carbon film on a flat wall surface only by a chemical vapor deposition process is provided for the first time.

ここで、基体に幅10mm以下の空隙を設け、空隙内にプラズマガスを流す必要がある。この基体の形状、空隙の形状は特に限定されない。一実施形態においては、基体が一体物であり、基体中に一つあるいは複数の空隙が形成されている。この空隙はガスが通過可能な貫通孔であることが好ましいが、貫通孔である必要はない。また空隙の形状は特に限定されない。空隙の横断面の形状は例えば真円形、楕円形、曲線状、三角形、正方形、長方形ないし溝状、六角形などの多角形であってよい。   Here, it is necessary to provide a gap having a width of 10 mm or less in the substrate and to flow a plasma gas in the gap. The shape of the substrate and the shape of the gap are not particularly limited. In one embodiment, the substrate is a single piece, and one or more voids are formed in the substrate. The void is preferably a through-hole through which gas can pass, but need not be a through-hole. The shape of the void is not particularly limited. The shape of the cross section of the gap may be, for example, a perfect circle, an ellipse, a curve, a triangle, a square, a rectangle or a groove, or a polygon such as a hexagon.

例えば、図2(a)は基体2Aを示す平面図であり、図2(b)は基体2Aの断面図である。基体2Aには、複数個の貫通孔3Aが形成されている。本例では各貫通孔3Aの平面形状は略正方形である。各貫通孔3Aの幅Wは10mm以下とする。この基体を使用し、基体の上面2a側からプラズマ生成ガスを流し、図3に示すように、貫通孔3Aに面する壁面2bに針状カーボン膜7を形成する。   For example, FIG. 2A is a plan view showing the base 2A, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the base 2A. A plurality of through holes 3A are formed in the base 2A. In this example, the planar shape of each through-hole 3A is substantially square. The width W of each through-hole 3A is 10 mm or less. Using this substrate, a plasma generating gas is allowed to flow from the upper surface 2a side of the substrate to form a needle-like carbon film 7 on the wall surface 2b facing the through hole 3A as shown in FIG.

あるいは、複数の基体の間に空隙を形成することができる。この場合には、複数の基体の各壁面に同時に針状カーボン膜を形成することが可能である。これには以下のタイプを例示できる。
(1) 平行平板型
2つの平板状基体を一定間隔で平行に設置する。一定間隔の平板形状の空隙が一対の基体間に形成される。
例えば図4(a)に模式的に示す例では、一対の平板状基体2Bを互いに平行となるように設置し、一対の基体2Bを電源10に接続し、同電位とする。基体2Bの間の空隙3Bは一定幅Wの平板状の空間であり、幅Wは10mm以下とする。上述の方法に従い、各基体2Bの内壁面2b上にそれぞれ針状カーボン膜7を成膜する。
(2) 同軸円筒対向平板型
2つの円筒状基体を同軸に設置する。一定間隔の円筒形状の空隙が一対の基体間に形成される。
例えば図4(b)に模式的に示す例では、一対の円筒状基体2Cを同軸に設置し、一対の基体2Cを電源10に接続し、同電位とする。基体2Cの間には円筒状の空隙3Cが生成する。空隙3Cは一定幅Wの空間であり、幅Wは10mm以下とする。上述の方法に従い、各基体2Cの内壁面2b上にそれぞれ針状カーボン膜7を成膜する。
(3) 球対向平板型
2つの球状基体を一定間隔で平行に設置する。一定間隔の球状の空隙が一対の基体間に形成される。
Alternatively, voids can be formed between the plurality of substrates. In this case, it is possible to simultaneously form the acicular carbon film on each wall surface of the plurality of substrates. This can be exemplified by the following types.
(1) Parallel plate type Two flat substrates are installed in parallel at regular intervals. Flat plate-shaped gaps at regular intervals are formed between the pair of substrates.
For example, in the example schematically shown in FIG. 4A, a pair of flat bases 2B are installed so as to be parallel to each other, and the pair of bases 2B are connected to the power source 10 to have the same potential. The space 3B between the base bodies 2B is a flat space having a constant width W, and the width W is 10 mm or less. According to the above-described method, the acicular carbon film 7 is formed on the inner wall surface 2b of each substrate 2B.
(2) Coaxial cylindrical opposed flat plate type Two cylindrical substrates are installed coaxially. Cylindrical voids with a constant interval are formed between the pair of substrates.
For example, in the example schematically shown in FIG. 4B, a pair of cylindrical base bodies 2C are installed coaxially, and the pair of base bodies 2C are connected to the power source 10 to have the same potential. A cylindrical gap 3C is generated between the base bodies 2C. The gap 3C is a space having a constant width W, and the width W is 10 mm or less. According to the above-described method, the acicular carbon film 7 is formed on the inner wall surface 2b of each base 2C.
(3) Sphere-facing flat plate type Two spherical substrates are installed in parallel at regular intervals. Spherical voids at regular intervals are formed between the pair of substrates.

空隙の大きさは10mm以下とするが、針状カーボン膜生成という観点からは、2mm以下であることが好ましく、1mm以下であることが更に好ましい。また、空隙の大きさの下限は特にないが、空隙が小さすぎるとプラズマ生成ガスが流入しにくいので、空隙の大きさは1μm以上であることが好ましく、5μm以上であることが更に好ましい。   The size of the gap is 10 mm or less, but is preferably 2 mm or less, and more preferably 1 mm or less from the viewpoint of forming a needle-like carbon film. The lower limit of the size of the void is not particularly limited, but if the void is too small, the plasma generating gas is difficult to flow in. Therefore, the size of the void is preferably 1 μm or more, and more preferably 5 μm or more.

基体の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイト、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属を例示できる。基材の形態は特に限定されず、板状、フィルム状、様々な立体形状であってよい。   Examples of the material of the substrate include plastics such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfite, polyether ether ketone, polytetrafluoroethylene, and acrylic resin, glass, ceramic, and metal. The form of the substrate is not particularly limited, and may be a plate shape, a film shape, or various three-dimensional shapes.

本発明においては電極間にパルス状電圧を印加する。
この際、電極の一方または双方を固体誘電体によって被覆することができる。この固体誘電体としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複合酸化物を例示できる。
In the present invention, a pulse voltage is applied between the electrodes.
At this time, one or both of the electrodes can be covered with a solid dielectric. Examples of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal dioxide such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide, and titanium dioxide, and composite oxide such as barium titanate.

パルス電圧の波形は特に限定されず、インパルス型、方形波型(矩形波型)、変調型のいずれであってもよい。直流バイアス電圧を同時に印加することができる。   The waveform of the pulse voltage is not particularly limited, and may be any of an impulse type, a square wave type (rectangular wave type), and a modulation type. A DC bias voltage can be applied simultaneously.

好適な実施形態においては、パルス電圧のパルス幅を0.01〜1000μsecとすることが好ましい。このパルス幅を1000μsec以下とすることによって、薄膜の品質が向上する。この観点からは、パルス幅を500μsec以下とすることが好ましく、300μsec以下とすることが一層好ましい。また、このパルス幅を0.01μsec未満とすることは現実的ではない。   In a preferred embodiment, the pulse width of the pulse voltage is preferably 0.01 to 1000 μsec. By setting the pulse width to 1000 μsec or less, the quality of the thin film is improved. From this point of view, the pulse width is preferably 500 μsec or less, and more preferably 300 μsec or less. Moreover, it is not realistic to set the pulse width to less than 0.01 μsec.

パルス電圧のパルス周期は、0.1〜100kHzであることが好ましい。0.1kHz未満であると処理に時間がかかりすぎ、100kHzを超えるとアーク放電が発生し易くなる。
電界の大きさは特に限定されないが、例えば対向電極間の電界強度を0.1〜100kV/cmとすることが好ましい。
The pulse period of the pulse voltage is preferably 0.1 to 100 kHz. If it is less than 0.1 kHz, the process takes too much time, and if it exceeds 100 kHz, arc discharge tends to occur.
Although the magnitude | size of an electric field is not specifically limited, For example, it is preferable that the electric field strength between opposing electrodes shall be 0.1-100 kV / cm.

前述のようなパルス電圧は、急峻パルス発生電源によっても印加できる。このような電源としては、磁気圧縮機構を必要としない静電誘導サイリスタ素子を用いた電源、磁気圧縮機構を備えたサイラトロン、ギャップスイッチ、IGBT素子、MOF−FET素子、静電誘導サイリスタ素子を用いた電源を例示できる。
本発明における雰囲気圧力は限定されないが、好ましくは0.05〜100Paである。
The pulse voltage as described above can also be applied by a steep pulse generating power source. As such a power source, a power source using an electrostatic induction thyristor element that does not require a magnetic compression mechanism, a thyratron equipped with a magnetic compression mechanism, a gap switch, an IGBT element, a MOF-FET element, or an electrostatic induction thyristor element is used. An example of a power supply that has been used.
Although the atmospheric pressure in this invention is not limited, Preferably it is 0.05-100 Pa.

化学的気相成長時には、炭素源を含む原料ガスを使用する。炭素源としては、以下を例示できる。
メタノ−ル、エタノ−ル等のアルコ−ル
メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等のアルカン
エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン等のアルケン
ペンタジエン、ブタジエン等のアルカジエン
アセチレン、メチルアセチレン等のアルキン、
ベンゼン、トルエン、キシレン、インデン、ナフタレン、フェナントレン等の芳香族炭化水素
シクロプロパン、シクロヘキサン等のシクロアルカン
シクロペンテン、シクロヘキセン等のシクロアルケン
During chemical vapor deposition, a source gas containing a carbon source is used. The following can be illustrated as a carbon source.
Alcohols such as methanol and ethanol Alkanes such as methane, ethane, propane, butane, pentane and hexane Alkenes such as ethylene, propylene, butene and pentene Pentadiene, alkadienes such as butadiene, alkynes such as methylacetylene,
Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, indene, naphthalene and phenanthrene Cycloalkanes such as cyclopropane and cyclohexane Cycloalkenes such as cyclopentene and cyclohexene

炭素源に加えて、以下のガスのうち少なくとも一つを併用することができる。
(a) 酸素ガス
(b) 水素ガス
酸素や水素は放電中に原子状となり、ダイヤモンドと同時に生成するグラファイトを除去する効果を有する。
(c) 一酸化炭素、二酸化炭素
(d) 希釈ガス
(e) シリコン添加用ガス(モノシラン、ジクロルシラン、四塩化珪素、テトラメチルシラン、トリメチルシラン等)
In addition to the carbon source, at least one of the following gases can be used in combination.
(A) Oxygen gas (b) Hydrogen gas Oxygen or hydrogen becomes atomic during discharge and has the effect of removing graphite that is generated simultaneously with diamond.
(C) Carbon monoxide, carbon dioxide (d) Diluting gas (e) Gas for adding silicon (monosilane, dichlorosilane, silicon tetrachloride, tetramethylsilane, trimethylsilane, etc.)

炭素源と二酸化炭素ガスとを使用する場合には、炭素源ガス/二酸化炭素ガスの混合比率を、1/1〜1/3(vol比)とすることが好ましい。
炭素源の原料ガス雰囲気中に占める濃度は、2〜80vol%が好ましい。
酸素ガス又は水素ガスのガス雰囲気中に占める濃度は、70vol%以下であることが好ましい。
When a carbon source and carbon dioxide gas are used, it is preferable that the mixing ratio of carbon source gas / carbon dioxide gas is 1/1 to 1/3 (vol ratio).
The concentration of the carbon source in the source gas atmosphere is preferably 2 to 80 vol%.
The concentration of oxygen gas or hydrogen gas in the gas atmosphere is preferably 70 vol% or less.

希釈ガスとしては、周期律第8族の元素のガス及び窒素ガスが挙げられ、これらの少なくとも1種が使用でき、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノンが挙げられる。希釈ガスの原料ガス雰囲気中に占める濃度は、20〜90vol%が好ましい。   Examples of the dilution gas include group 8 element gas and nitrogen gas, and at least one of them can be used, and examples include helium, argon, neon, and xenon. The concentration of the dilution gas in the source gas atmosphere is preferably 20 to 90 vol%.

更に、放電時のガス雰囲気にジボラン(BH3BH3)、トリメチルボロン(B(CH)、ホスフィン(PH3)、メチルホスフィン(CH3PH2)等のボロン元素、燐元素を含有するガス及び窒素ガスを加えることもできる。 Furthermore, boron elements such as diborane (BH 3 BH 3 ), trimethylboron (B (CH 3 ) 3 ), phosphine (PH 3 ), and methylphosphine (CH 3 PH 2 ) are contained in the gas atmosphere during discharge. Gas and nitrogen gas can also be added.

以上の方法により、直径−長さのアスペクト比が1以上である針状カーボン膜を生成させることができる。一般的なダイヤモンドライクカーボン膜は、中心線平均表面粗さRa=0.1nm以下の平滑な表面を有している。
また、本発明の針状カーボン膜は、ラマン分光測定において、1300〜1580cm−1のピークおよび約2250m−1のピークが観察されるものである。
針状カーボン膜の粒子の粒径(直径)は特に限定されないが、1nm〜1000nmが好ましい。
By the above method, a needle-like carbon film having a diameter-length aspect ratio of 1 or more can be generated. A typical diamond-like carbon film has a smooth surface with a center line average surface roughness Ra = 0.1 nm or less.
In the acicular carbon film of the present invention, a peak of 1300 to 1580 cm −1 and a peak of about 2250 m −1 are observed in Raman spectroscopic measurement.
The particle size (diameter) of the acicular carbon film particles is not particularly limited, but is preferably 1 nm to 1000 nm.

また、本発明の針状カーボン膜は、エミッタとして電子放出特性を有していることが分かった。例えば、針状カーボン膜をエミッタとして使用したとき、ギャップ距離(エミッタコレクター間距離)10μmにおいて、300V以下で1×10−7A程度の放出電流が可能であった。 Moreover, it turned out that the acicular carbon film of this invention has an electron emission characteristic as an emitter. For example, when a needle-like carbon film was used as an emitter, an emission current of about 1 × 10 −7 A was possible at 300 V or less at a gap distance (emitter-collector distance) of 10 μm.

本発明の針状カーボン膜をエミッタとして使用する限り、電界放出構造の具体的形態は特に限定されない。一例としては、図5に示す電界放出構造においては、導電性のカソード電極となる基板17上に針状カーボン膜7が形成されている。基板17は下部電極を兼ねている。針状カーボン膜7は電子放出を起こす材料である。絶縁膜18は、針状カーボン膜7とゲート電極19を電気的に分離する絶縁材料であり、主に酸化膜等で形成される。ゲート電極19は、針状カーボン膜7から電子を引き出すための電極であり、金属薄膜で構成される。   As long as the acicular carbon film of the present invention is used as an emitter, the specific form of the field emission structure is not particularly limited. As an example, in the field emission structure shown in FIG. 5, a needle-like carbon film 7 is formed on a substrate 17 to be a conductive cathode electrode. The substrate 17 also serves as a lower electrode. The acicular carbon film 7 is a material that causes electron emission. The insulating film 18 is an insulating material that electrically separates the acicular carbon film 7 and the gate electrode 19 and is mainly formed of an oxide film or the like. The gate electrode 19 is an electrode for extracting electrons from the acicular carbon film 7 and is formed of a metal thin film.

(針状カーボン膜の生成)
前述のようにしてパルスプラズマCVD法によってダイヤモンド状カーボン膜を成膜した。電源としては、一般的な直流パルス電源を用いた。チャンバーはステンレス製である。電極上に、図2、図3に示すような形態の基体2Aを設置した。空隙3Aの幅Wは1mmであり、深さHは15mmであった。基体2Aの材質はシリコンウエハであった。
(Generation of acicular carbon film)
A diamond-like carbon film was formed by the pulse plasma CVD method as described above. As a power source, a general DC pulse power source was used. The chamber is made of stainless steel. A substrate 2A having a configuration as shown in FIGS. 2 and 3 was placed on the electrode. The width W of the gap 3A was 1 mm, and the depth H was 15 mm. The material of the base 2A was a silicon wafer.

油回転ポンプを用いて、チャンバー内の圧力が0.1Torrになるまで排気を行った。次いで、アルゴンを希釈ガス供給孔から、3.5sccmでチャンバー内圧力が3Paになるまで供給した。次いで、アセチレンガスを流速25sccmで導入しながら、上部電極と下部電極の間にパルス電圧を印加した。パルス電圧の波高値は−8kVであり、周波数は5kHzであり、パルス幅は20μsecである。このパルス電圧を印加して10分間放電を行い、針状カーボン膜7を成膜した。   Using an oil rotary pump, evacuation was performed until the pressure in the chamber reached 0.1 Torr. Subsequently, argon was supplied from the dilution gas supply hole at 3.5 sccm until the pressure in the chamber reached 3 Pa. Next, a pulse voltage was applied between the upper electrode and the lower electrode while introducing acetylene gas at a flow rate of 25 sccm. The peak value of the pulse voltage is −8 kV, the frequency is 5 kHz, and the pulse width is 20 μsec. The pulse voltage was applied to discharge for 10 minutes to form a needle-like carbon film 7.

得られた膜について、走査型電子顕微鏡(倍率10000と40000倍)で膜表面を撮影した。図6、図7は、それぞれ異なる場所での表面写真を示す。明らかに針状のカーボン膜が生成していることが分かる。また、膜について、ラマン分光装置(日本分光社製、「NRS−1000」)を使用して、ラマン分光分析を行った。この結果を図8に示す。この結果、1300〜1580cm−1のメインピークおよび約2250m−1のショルダーピークが観察された。 About the obtained film | membrane, the film | membrane surface was image | photographed with the scanning electron microscope (10000 times and 40000 times magnification). 6 and 7 show surface photographs at different locations. It can be clearly seen that a needle-like carbon film is formed. The film was subjected to Raman spectroscopic analysis using a Raman spectroscopic device (“NRS-1000” manufactured by JASCO Corporation). The result is shown in FIG. As a result, a main peak of 1300 to 1580 cm −1 and a shoulder peak of about 2250 m −1 were observed.

(電界放出特性)
図9に模式的に示す装置を使用し、針状カーボン膜の電界放出特性を試験した。チャンバー14の内部空間15内において、基体17上に針状カーボン膜7を成膜した試料12を下側電極11上に設置した。試料12上の空間に、タングステン針(直径2mm)からなるコレクター13を固定した。試料12の表面とコレクター13とのギャップを10μmとした。内部空間15の圧力を1×10−8Torrとし、電源10からの電圧を0〜1000Vまで変化させた。この結果、図10に示すような電界放出特性が得られた。
(Field emission characteristics)
Using the apparatus schematically shown in FIG. 9, the field emission characteristics of the acicular carbon film were tested. In the internal space 15 of the chamber 14, a sample 12 in which the acicular carbon film 7 was formed on the substrate 17 was placed on the lower electrode 11. A collector 13 made of a tungsten needle (diameter 2 mm) was fixed in the space above the sample 12. The gap between the surface of the sample 12 and the collector 13 was 10 μm. The pressure in the internal space 15 was set to 1 × 10 −8 Torr, and the voltage from the power source 10 was changed to 0 to 1000 V. As a result, field emission characteristics as shown in FIG. 10 were obtained.

この結果から分かるように、電圧250ボルト以上で急激に電流値が増大し、300V以下で1×10-7A以上の放出電流が可能であった。 As can be seen from this result, the current value increased rapidly at a voltage of 250 volts or more, and a discharge current of 1 × 10 −7 A or more was possible at 300 V or less.

本発明における針状カーボン膜の製造プロセスを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing process of the acicular carbon film in this invention. (a)は、基体2Aを示す平面図であり、(b)は、基体2Aを示す断面図である。(A) is a top view which shows 2 A of base | substrates, (b) is sectional drawing which shows 2 A of base | substrates. 基体2Aの壁面2bに針状カーボン膜3Aが成膜された状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state by which the acicular carbon film 3A was formed into the wall surface 2b of 2 A of base | substrates. (a)は、基体2Bに針状カーボン膜3Bが形成された状態を模式的に示す平面図であり、(b)は、基体2Cに針状カーボン膜3Cが形成された状態を模式的に示す平面図である。(A) is a top view which shows typically the state by which the acicular carbon film 3B was formed in the base | substrate 2B, (b) is the state in which the acicular carbon film 3C was formed in the base | substrate 2C typically. FIG. 電界放出構造12の一例を示す模式的断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a field emission structure 12. FIG. 針状カーボン膜の表面の写真である。It is a photograph of the surface of an acicular carbon film. 針状カーボン膜の表面の写真である。It is a photograph of the surface of an acicular carbon film. 針状カーボン膜のラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum of an acicular carbon film. 電界放出特性の測定システムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measurement system of a field emission characteristic. 針状カーボン膜の電界放出特性を示すグラフである。It is a graph which shows the field emission characteristic of an acicular carbon film.

符号の説明Explanation of symbols

1 放電プラズマ 2、2A、2B、2C 基体 2b 基体の空隙に面する壁面 3、3A、3B、3C 空隙 7 針状カーボン膜 10 電源 W 空隙の幅   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Discharge plasma 2, 2A, 2B, 2C base | substrate 2b Wall surface facing the space | gap of a base | substrate 3, 3A, 3B, 3C space | gap 7 Needle-like carbon film 10 Power supply W Width | variety width

Claims (6)

幅10mm以下の空隙に面する基体の壁面の電位を等電位とし、炭素源を含む雰囲気にパルス電圧を印加して放電プラズマを生じさせることにより、前記壁面上に針状カーボン膜を成膜することを特徴とする、針状カーボン膜の製造方法。   A needle-like carbon film is formed on the wall surface by generating an electric discharge plasma by applying a pulse voltage to an atmosphere containing a carbon source by setting the potential of the wall surface of the substrate facing a gap having a width of 10 mm or less to an equipotential. A method for producing a needle-like carbon film, wherein 前記針状カーボン膜がダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする、請求項1記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein the acicular carbon film is made of diamond-like carbon. 前記針状カーボン膜が電界放出特性を有することを特徴とする、請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the acicular carbon film has a field emission characteristic. 請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする、針状カーボン膜。   An acicular carbon film produced by the method according to any one of claims 1 to 3. 針状カーボン膜であって、直径と長さのアスペクト比が1以上であり、ラマン分光測定において、1300〜1580cm−1のピークおよび約2250m−1のピークが観察される針状カーボン膜。 An acicular carbon film having an aspect ratio of a diameter to a length of 1 or more and having a peak of 1300 to 1580 cm −1 and a peak of about 2250 m −1 observed by Raman spectroscopy. 請求項4または5記載の針状カーボン膜をエミッタとして有することを特徴とする、電界放出構造。   A field emission structure comprising the acicular carbon film according to claim 4 as an emitter.
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