JP2005310448A - Forming method of projection structure, projection structure, and electron emitting element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a projection structure in which thin projections are alignedly arranged regularly. <P>SOLUTION: A plate board 1 made of a diamond is prepared, and RCA cleaning is applied to the plate board 1. Raw materials of SiH<SB>4</SB>or the like are decomposed using plasma at a plate board temperature of around 530°C to accumulate a a-Si membrane 3 on the plate board 1. A resist is coated onto the a-Si membrane 3, and the resist is minutely processed with electron beam exposure or photolithography to form a resist pattern 4. Size of the resist pattern 4 is controlled by ashing. Etching is conducted using the resist pattern as a mask on the a-Si membrane by dry etching by using CF<SB>4</SB>gas to form a Si mask 5. The resist pattern 4 is removed with a sulfuric acid based solution. By using minutely processed Si mask 5, the etching is conducted on the plate board 1 made of the diamond in an oxygen gas added with a slight amount of CF<SB>4</SB>to form the projection 2 of more minute size than that of the mask. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、突起構造の形成方法、突起構造、および電子放出素子に関する。   The present invention relates to a method for forming a protrusion structure, a protrusion structure, and an electron-emitting device.

電子銃等の電子放出素子では、ダイヤモンド等の炭素を含む基板上に突起を形成した突起構造が用いられる。このような突起構造の形成は、非特許文献1に記載されているように、まずダイヤモンド基板上にAl膜を形成する。次に、フォトリソ技術でAl膜にドット状のパターンを形成する。さらに形成したパターンをマスクとして、ダイヤモンド基板をエッチングし、基板上に突起構造を形成する。
西林良樹、安藤豊、古田寛、小橋宏司、目黒貴一、今井貴浩、平尾孝、尾浦憲治郎;SEIテクニカルレビュー、2002年9月号
An electron-emitting device such as an electron gun uses a protrusion structure in which protrusions are formed on a substrate containing carbon such as diamond. In order to form such a protrusion structure, as described in Non-Patent Document 1, an Al film is first formed on a diamond substrate. Next, a dot-like pattern is formed on the Al film by photolithography. Further, using the formed pattern as a mask, the diamond substrate is etched to form a protruding structure on the substrate.
Yoshiki Nishibayashi, Yutaka Ando, Hiroshi Furuta, Koji Kobashi, Kiichi Meguro, Takahiro Imai, Takashi Hirao, Kenjiro Oura; SEI Technical Review, September 2002 issue

しかし、Alは微細加工がしにくい材料であるため、微細なサイズでパターンを加工することができなかった。そのため、上記手法で形成された突起の一つ一つは、その幅が300nm角以上のものであり、幅300nm以下の突起が規則的に整列配置された突起構造を形成することは不可能であった。   However, since Al is a material that is difficult to finely process, the pattern cannot be processed with a fine size. For this reason, each of the protrusions formed by the above method has a width of 300 nm square or more, and it is impossible to form a protrusion structure in which protrusions having a width of 300 nm or less are regularly arranged. there were.

本発明は、斯かる実情に鑑み、細い突起が配列された突起構造を形成することができる突起構造の形成方法、および細い突起が配列された突起構造、並びに細い突起が配列された電子放出素子を提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention provides a method for forming a protrusion structure in which a thin protrusion is arranged, a protrusion structure in which a thin protrusion is arranged, and an electron-emitting device in which the thin protrusion is arranged. Is to provide.

本発明は、(a)炭素を含む材料からなる基板上にSi膜を形成する第1工程と、(b)Si膜をエッチングして、基板上に配列された複数のパターンを有するSiマスクを形成する第2工程と、(c)Siマスクを用いて基板をエッチングして、基板に複数の突起を形成する第3工程と、を備えたことを特徴とする。   The present invention includes (a) a first step of forming a Si film on a substrate made of a material containing carbon, and (b) etching the Si film to form a Si mask having a plurality of patterns arranged on the substrate. A second step of forming, and (c) a third step of etching the substrate using a Si mask to form a plurality of protrusions on the substrate.

上記の構成によれば、微細加工しやすいSi膜からマスクを形成して、突起を形成することができる。   According to said structure, a mask can be formed from Si film which is easy to carry out microfabrication, and a processus | protrusion can be formed.

本発明では、Si膜は、非晶質Si膜であることが好ましい。
上記の構成によれば、微細加工での均一性が非常に良い非晶質Si膜(a−Si膜)より、Siマスクを形成することができる。
In the present invention, the Si film is preferably an amorphous Si film.
According to the above configuration, the Si mask can be formed from the amorphous Si film (a-Si film) having very good uniformity in microfabrication.

本発明では、各パターンは、各々の最大幅が300nm以下であることが好ましい。
上記の構成によれば、幅が300nm以下のSiマスクを用いて、根元の直径が300nm以下の突起を形成することができる。
In the present invention, each pattern preferably has a maximum width of 300 nm or less.
According to the above configuration, a protrusion having a root diameter of 300 nm or less can be formed using a Si mask having a width of 300 nm or less.

本発明では、各パターンの各々の高さHと最大幅Wとの比(H/W)は、0.5以上であることが好ましい。
上記の構成によれば、高さのバラツキが小さい突起を形成することができる。また、先端径が細い突起を形成することができる。
In the present invention, the ratio (H / W) between the height H and the maximum width W of each pattern is preferably 0.5 or more.
According to said structure, protrusion with small variation in height can be formed. Further, it is possible to form a protrusion having a small tip diameter.

本発明では、基板のTTV(Total Thickness variation)が50nm以下であることが好ましい。
上記の構成によれば、TTVが50nm以下の平坦な基板上に突起を形成することにより、高さのバラツキが小さい突起を形成することができる。
In the present invention, the TTV (Total Thickness variation) of the substrate is preferably 50 nm or less.
According to said structure, a projection with small variation in height can be formed by forming a projection on a flat substrate having a TTV of 50 nm or less.

本発明では、基板はダイヤモンドからなることが好ましい。
上記の構成によれば、ダイヤモンドの突起構造を形成することができる。
In the present invention, the substrate is preferably made of diamond.
According to said structure, the protrusion structure of a diamond can be formed.

本発明は、(a)炭素を含む材料からなる基板と、(b)基板上に形成された複数の突起と、を備えた突起構造であって、複数の突起は、基板上に配列されており、各突起の先端は、前記突起の根元より細くなっており、各突起の先端の幅が100nm以下であり、各突起の根元の幅が300nm以下であることを特徴とする。   The present invention is a projection structure comprising (a) a substrate made of a material containing carbon, and (b) a plurality of projections formed on the substrate, wherein the plurality of projections are arranged on the substrate. The tip of each projection is thinner than the base of the projection, the width of the tip of each projection is 100 nm or less, and the width of the base of each projection is 300 nm or less.

上記の構成によれば、突起が基板上に規則的に整列配置されているため、電流が均一に分散し、大電流を出すことができる。また、突起が先細りした形状であり、先端の直径が100nm以下であり、根元の直径が300nm以下と細いため、放出電流密度を大きくできる。   According to the above configuration, since the protrusions are regularly arranged on the substrate, the current is uniformly dispersed and a large current can be output. Further, since the protrusion has a tapered shape, the tip diameter is 100 nm or less, and the root diameter is as thin as 300 nm or less, the emission current density can be increased.

本発明では、突起は、4個/μm以上の密度で基板上に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、放出電流密度を、例えば100mA/mm以上とすることができる。
In the present invention, the protrusions are preferably provided on the substrate at a density of 4 pieces / μm 2 or more.
According to the above configuration, the emission current density can be set to, for example, 100 mA / mm 2 or more.

本発明では、突起構造はダイヤモンドから成るものとすることができる。
上記の構成によれば、ダイヤモンドのもつ負性電子親和力等の特性を活かすことができる。
In the present invention, the protrusion structure may be made of diamond.
According to said structure, characteristics, such as a negative electron affinity which a diamond has, can be utilized.

本発明は、(a)炭素を含む材料からなる基板と、(b)基板上に形成された複数の突起と、を備えた電子放出素子であって、複数の突起は、基板上に配列されており、各突起の先端は、前記突起の根元より細くなっており、各突起の先端の幅が100nm以下であり、各突起の根元の幅が300nm以下であることを特徴とする。
上記の構成によれば、従来の電子放出素子に比べて、微細な突起が形成された電子放出素子とできる。
The present invention is an electron-emitting device including (a) a substrate made of a material containing carbon, and (b) a plurality of protrusions formed on the substrate, wherein the plurality of protrusions are arranged on the substrate. The tip of each projection is thinner than the base of the projection, the width of the tip of each projection is 100 nm or less, and the width of the base of each projection is 300 nm or less.
According to said structure, it can be set as the electron emission element in which the fine protrusion was formed compared with the conventional electron emission element.

本発明の突起構造の形成方法によれば、微細加工しやすいSi膜からマスクを形成して、突起を形成することができる。また、本発明の突起構造によれば、従来の突起構造に比べて突起が基板上に規則的に整列配置されているため、電流が均一に分散し、大電流を出すことができる。また、突起が先細りした形状であり、先端の直径が100nm以下であり、根元の直径が300nm以下と細いため、放出電流密度を大きくできる。さらに、本発明の電子放出素子によれば、従来の電子放出素子に比べて、微細な突起が形成された電子放出素子とできる。   According to the method for forming a protrusion structure of the present invention, a protrusion can be formed by forming a mask from a Si film that is easily finely processed. Further, according to the protrusion structure of the present invention, since the protrusions are regularly arranged on the substrate as compared with the conventional protrusion structure, the current is uniformly distributed and a large current can be generated. Further, since the protrusion has a tapered shape, the tip diameter is 100 nm or less, and the root diameter is as thin as 300 nm or less, the emission current density can be increased. Furthermore, according to the electron-emitting device of the present invention, an electron-emitting device in which fine protrusions are formed as compared with the conventional electron-emitting device can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る突起構造の一部を示す図である。図1に示すように本実施形態に係る突起構造10は、ダイヤモンドからなる基板1と、基板1上に形成された複数の突起2を備えている。図1の例では、基板1はダイヤモンドからなるが、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜、アモルファスカーボンナイトライド(a−CN)、アモルファスカーボン(a−C)膜、カーボンナノチューブ(CNT)/SiC膜、グラファイト/SiC膜等の炭素を含む材料からなるものでも良い。突起2は、基板1上に配列されている。突起2は、突起2の先端が突起2の根元より細くなっている。突起2の先端の幅Wは100nm以下である。突起2の根元の幅Wは300nm以下であり、より好ましくは200nm以下である。そして、突起2の先端の幅Wは、根元の幅の1/2以下である。また、各々の突起2の根元の中心と、先端の中心は、各々の幅の1割以下の精度で配列している。また、突起のアスペクト比(突起の高さ/幅)は、1以上とされている。突起2は、4個/μm以上の密度で基板1上に設けられている。
このように、微細な突起が高密度で設けられているため、本実施形態の突起構造の放出電流密度は高いものとなる。また、先鋭突起が正確に中心にある突起となる。各々の突起の配列は従来のものに比べて精度が良い。そして、各々の微小な突起の高さは、従来に比べて均一なものとなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a view showing a part of the protruding structure according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the protrusion structure 10 according to the present embodiment includes a substrate 1 made of diamond and a plurality of protrusions 2 formed on the substrate 1. In the example of FIG. 1, the substrate 1 is made of diamond, but a diamond-like carbon (DLC) film, an amorphous carbon nitride (a-CN), an amorphous carbon (a-C) film, a carbon nanotube (CNT) / SiC film, It may be made of a material containing carbon such as a graphite / SiC film. The protrusions 2 are arranged on the substrate 1. In the protrusion 2, the tip of the protrusion 2 is thinner than the root of the protrusion 2. The width W 1 of the distal end of the projection 2 is 100nm or less. The width W 2 of the base of the projections 2 are 300nm or less, more preferably 200nm or less. Then, the width W 1 of the distal end of the projections 2 is less than half of the base width. The center of the base of each projection 2 and the center of the tip are arranged with an accuracy of 10% or less of each width. Further, the aspect ratio of the protrusion (height / width of the protrusion) is set to 1 or more. The protrusions 2 are provided on the substrate 1 with a density of 4 pieces / μm 2 or more.
As described above, since the fine protrusions are provided at a high density, the emission current density of the protrusion structure of the present embodiment is high. In addition, the sharp protrusion is a protrusion that is accurately in the center. The arrangement of the protrusions is more accurate than the conventional arrangement. And the height of each minute protrusion becomes uniform compared with the conventional one.

図2(a)〜(g)は、本実施形態に係る突起構造の形成工程を示す図である。まず、図2(a)に示すように、ダイヤモンドからなる基板1を用意し、基板1にRCA洗浄を施す。   FIGS. 2A to 2G are views showing a process for forming a protruding structure according to this embodiment. First, as shown in FIG. 2A, a substrate 1 made of diamond is prepared, and the substrate 1 is subjected to RCA cleaning.

次に、図2(b)に示すように、基板1に、530℃程度(600℃以下)の基板温度でSiHなどの原料をプラズマを用いて分解し、非晶質シリコン(a−Si)膜3を堆積する。 Next, as shown in FIG. 2B, a source material such as SiH 4 is decomposed on the substrate 1 using plasma at a substrate temperature of about 530 ° C. (600 ° C. or less), and amorphous silicon (a-Si) is obtained. ) Deposit film 3;

次に、図2(c)に示すように、a−Si膜3上に、レジストを塗布し、電子線露光あるいはフォトリソグラフィーでレジストを微細に加工して、レジストパターン4を形成する。   Next, as shown in FIG. 2C, a resist is applied on the a-Si film 3, and the resist is finely processed by electron beam exposure or photolithography to form a resist pattern 4.

次に、図2(d)に示すように、レジストパターン4をアッシングによりサイズを制御する。もとのレジストサイズから50%以上の縮小でなければ、それほどのバラツキにはならない。   Next, as shown in FIG. 2D, the size of the resist pattern 4 is controlled by ashing. Unless the resist size is reduced by 50% or more from the original resist size, the variation will not be so much.

そして、図2(e)に示すように、レジストパターン4をマスクとしてCFガスを用いたドライエッチングでa−Si膜をエッチングしてSiマスク5を形成する。 Then, as shown in FIG. 2E, the Si mask 5 is formed by etching the a-Si film by dry etching using CF 4 gas using the resist pattern 4 as a mask.

次に、図2(f)に示すように、レジストパターン4を、硫酸系の溶液で除去する。なお、レジストは必ずしも除去しなくてもよい。それは次のダイヤモンドをエッチングするプロセスはカーボン材料を除去するプロセスなので、短時間にレジストが除去されるからである。   Next, as shown in FIG. 2F, the resist pattern 4 is removed with a sulfuric acid-based solution. Note that the resist is not necessarily removed. This is because the resist is removed in a short time because the process of etching the next diamond is a process of removing the carbon material.

最後に、図2(g)に示すように、微細に加工されたSiマスク5を用いて、CFを微量に添加した酸素ガス中でダイヤモンドからなる基板1をエッチングして、先端がマスクサイズよりも微小なサイズの突起2を形成する。形成されたダイヤモンドの突起は、例えば、先端が細くなったアスペクト比が2以上の背の高い突起である。 Finally, as shown in FIG. 2 (g), the substrate 1 made of diamond is etched in an oxygen gas to which a small amount of CF 4 is added using a finely processed Si mask 5 so that the tip is the mask size. The projection 2 having a smaller size is formed. The formed diamond protrusion is, for example, a tall protrusion having a narrow tip and an aspect ratio of 2 or more.

本発明者は、前述の課題に鑑み、非常に微細な突起を得るためのダイヤモンド用のマスクとしてSiを用いることを見出した。SiはAlなどと比べても、微細加工しやすい材料である。Alは50nmより小さいサイズではパターニング加工し難い。これは、Alがレジストの現像液に対する耐性が低いことと関係している。一方、Siは、レジストの現像液に対する耐性が高い。そのため、Alより微細なパターニング加工が可能となる。従って、Siの利点は、マスクのサイズが50nm以下で、より顕著になる。   In view of the above-mentioned problems, the present inventor has found that Si is used as a mask for diamond for obtaining very fine protrusions. Si is a material that is easy to micro-process compared to Al and the like. Al is difficult to pattern when the size is smaller than 50 nm. This is related to the fact that Al has low resistance to resist developer. On the other hand, Si has high resistance to a resist developer. Therefore, patterning processing finer than that of Al becomes possible. Therefore, the advantage of Si becomes more prominent when the mask size is 50 nm or less.

また本発明者は、Siは酸素を主として用いるダイヤモンドのエッチングに対して、耐久性があり、十分マスクと成り得ることを見出した。また、Si材料は導電性を持たすことができる。微細加工に電子線描画を利用する場合は、絶縁性であるよりも導電性であった方がチャージアップの影響など受けにくくなり都合が良い。描画サイズが小さくなる場合にもその精度がよくなる。さらに、SiはCF系ガスでドライエッチングが可能である。これはダイヤモンドをエッチングするガスと組成比を変えるだけでエッチングでき、有害である塩素系ガスを用いなければならないという場合に比べても実用的に有利である。 Further, the present inventor has found that Si is durable against etching of diamond mainly using oxygen and can be a sufficient mask. Moreover, Si material can have electroconductivity. When electron beam drawing is used for microfabrication, it is more convenient for the conductive material to be less susceptible to the effects of charge-up than the insulating material. Even when the drawing size is reduced, the accuracy is improved. Furthermore, Si can be dry-etched with a CF 4 gas. This is practically advantageous as compared with the case where the etching can be performed only by changing the composition ratio of the gas for etching diamond and the harmful chlorine gas must be used.

なお、マスクに用いるSi膜は、非晶質Si(a−Si)膜からなることが好ましい。これは、非晶質Siでは、粒界がないため、ダイヤモンド基板をエッチングする際の均一性に非常に優れるからである。また、非晶質シリコン材料は300℃程度の温度で形成が可能である。ダイヤモンドは600℃を越える温度で酸素が存在すると、表面に損傷を受けるが、300℃程度の低温であるならば合成チャンバー中の残留酸素は損傷を与えるほど影響はしない。   Note that the Si film used for the mask is preferably an amorphous Si (a-Si) film. This is because amorphous Si does not have grain boundaries and therefore has excellent uniformity when etching a diamond substrate. The amorphous silicon material can be formed at a temperature of about 300 ° C. When oxygen is present at a temperature exceeding 600 ° C., the surface is damaged, but if the temperature is as low as 300 ° C., residual oxygen in the synthesis chamber is not affected so much as to be damaged.

なお、Si膜はμmサイズのものも作製可能であるが、尖鋭突起を形成するためには、500nm以上の厚さのSi膜を形成しなければならない。すなわち、基板上に形成したいマスクのサイズによって、Si膜の膜厚がほぼ決まってくる。直径200nm以下のサイズのマスクを形成するときは、300nm以下の厚さのSi膜でよい。例えば、直径50nmのマスクでは75nmの厚さのSi膜を形成する。   Although a Si film having a μm size can be produced, in order to form sharp protrusions, a Si film having a thickness of 500 nm or more must be formed. That is, the film thickness of the Si film is almost determined by the size of the mask to be formed on the substrate. When forming a mask having a diameter of 200 nm or less, a Si film having a thickness of 300 nm or less may be used. For example, a Si film having a thickness of 75 nm is formed with a mask having a diameter of 50 nm.

80nmを下回る非常に小さいサイズのマスクにおいて本発明のSiマスクの効果が発揮される。すなわち、微細加工において80nmのレジストの加工しかできなかった場合においても、オーバーエッチングにおいて、50nm程度にまで縮小することができる。ここまでなら、従来のAl等のマスク材料全体について同様な手法が適用できるが、実際に80nmのAlマスクを20nmまでオーバーエッチングで縮小加工することは精度上困難となってくる。それはエッチングされるまでの時間が、通常のエッチング速度でも、非常に微細なサイズを加工する場合に短時間となるからである。また、秒単位(例えば5秒以内)の制御が困難であることに加えて、75%と80%といったレベルの制御をしなければならないということになるからである。これに対して、Si膜では低温酸化により、非常に薄い層を酸化することができ、マスクの表面およびサイドを酸化して、その酸化部分をウェットエッチングする手法が使える。すなわちサイズの縮小は酸化層厚で制御でき、秒単位の時間制御を要しない。BHFなどの液は酸化膜とSi膜とで非常に大きなエッチング速度差が得られるから、自動的に縮小が止まるからである。とくに、a−Siでは、粒界が酸化されて、不均一に縮小することもない。また、低温で形成されたa−Siには水素が含まれており、プラズマ中で酸化する等して、水素を引き抜くことで低温で酸化することにも対応できる。そのため、高温で酸素に弱いダイヤモンドと非常に相性がよいことがわかった。   The effect of the Si mask of the present invention is exhibited in a mask having a very small size of less than 80 nm. That is, even in the case where only 80 nm resist can be processed by microfabrication, it can be reduced to about 50 nm by over-etching. Up to this point, the same technique can be applied to the entire conventional mask material such as Al. However, it is difficult to reduce the size of an 80 nm Al mask by overetching to 20 nm. This is because the time until etching is short when processing a very fine size even at a normal etching rate. In addition, it is difficult to control in units of seconds (for example, within 5 seconds), and it is necessary to control at levels of 75% and 80%. On the other hand, in the Si film, a very thin layer can be oxidized by low-temperature oxidation, and a method of oxidizing the surface and sides of the mask and performing wet etching on the oxidized portion can be used. That is, the size reduction can be controlled by the thickness of the oxide layer and does not require time control in seconds. This is because the liquid such as BHF can automatically stop shrinking because a very large etching rate difference is obtained between the oxide film and the Si film. In particular, in a-Si, the grain boundary is not oxidized and does not shrink non-uniformly. Further, a-Si formed at a low temperature contains hydrogen and can be oxidized at a low temperature by extracting hydrogen, for example, by oxidizing in plasma. Therefore, it was found that it is very compatible with diamond that is weak against oxygen at high temperatures.

図3(a)は本実施形態のSiマスクのパターンの配列を示す平面図であり、図3(b)はSiマスクの各々のパターンを示す図であり、図3(c)〜(f)は、Siマスクの他の態様を示す図である。図3(a)に示すように、本実施形態のSiマスク5は、基板1上に配列されている。図3(b)に示すように、Siマスク5の各々のパターンの最大幅Wは、300nm以下とされている。そして、Siマスク5の各々のパターンにおける高さHと最大幅Wとの比(H/W)は0.5以上である。
Siマスク5の各々のパターンは、図3(b)に示したものに限定されず、例えば図3(c)に示すような円筒形状や、図3(d)に示すような円筒形状の先端が丸まったものや、図3(e)に示すような水滴状のものや、図3(f)に示すようなH/Wが1以上のものを適用できる。
3A is a plan view showing the arrangement of the pattern of the Si mask according to the present embodiment, and FIG. 3B is a diagram showing each pattern of the Si mask, and FIGS. These are figures which show the other aspect of Si mask. As shown in FIG. 3A, the Si mask 5 of this embodiment is arranged on the substrate 1. As shown in FIG. 3B, the maximum width W of each pattern of the Si mask 5 is set to 300 nm or less. The ratio (H / W) between the height H and the maximum width W in each pattern of the Si mask 5 is 0.5 or more.
Each pattern of the Si mask 5 is not limited to that shown in FIG. 3B. For example, a cylindrical shape as shown in FIG. 3C or a cylindrical tip as shown in FIG. Can be applied, such as those with rounded corners, water droplets as shown in FIG. 3 (e), and those with H / W of 1 or more as shown in FIG. 3 (f).

このようなSiマスクを使って、ダイヤモンドをエッチングすると、非常に細い先端のとがった突起が形成でき、しかも、全体の幅のサイズが300nmよりも小さいにもかかわらず、非常に位置精度もよく形成できることがわかった。Siマスクのパターンのアスペクト比(H/W)は0.5以上あれば好ましく、さらに好ましくは1以上である。   When diamond is etched using such a Si mask, a very sharp tip with a sharp tip can be formed, and even though the overall width is smaller than 300 nm, it is formed with very good positional accuracy. I knew it was possible. The aspect ratio (H / W) of the Si mask pattern is preferably 0.5 or more, more preferably 1 or more.

例えば、a−Siマスクのパターンの直径を45nmにし、ダイヤモンドの突起を形成すると、根元の直径が45nmで、先端の直径が10nm以下の突起を形成することができる。例えば、このような微小突起は、1μm角に11個ないし25個の突起を形成することができる。さらに本実施形態の方法においては、100個の突起を作ることも可能である。   For example, if the diameter of the pattern of the a-Si mask is 45 nm and a diamond protrusion is formed, a protrusion having a root diameter of 45 nm and a tip diameter of 10 nm or less can be formed. For example, such fine protrusions can form 11 to 25 protrusions in a 1 μm square. Furthermore, in the method of the present embodiment, it is possible to make 100 protrusions.

本実施形態の方法ではダイヤモンドとSiの選択比が大きく取れるので、非常にアスペクト比の高い突起を形成することができる。突起の先端にマスクが残るようにエッチングをやめても、マスクサイズ自体が100nm以下と非常に小さいものを形成できるので、先端はおのずとマスクサイズ以下となり、非常に小さい先端を形成でき、高さバラツキも基板の表面粗さ程度に小さくすることができる。   In the method of the present embodiment, a large selection ratio between diamond and Si can be obtained, so that a protrusion having a very high aspect ratio can be formed. Even if etching is stopped so that the mask remains at the tip of the protrusion, it is possible to form a mask with a very small mask size of 100 nm or less. Therefore, the tip is naturally smaller than the mask size, so that a very small tip can be formed, and the height variation also varies. It can be made as small as the surface roughness of the substrate.

次に、基板上の突起の密度に関して高密度化が重要である理由について以下に述べる。1μm径の突起を形成したとき、突起の高さは少なくとも2μm以上となり、突起の密度は突起間隔も勘案して、せいぜい250000個/mmである。これは1本から安定して出せる電流を0.1μAとして、25mA/mmとなる。熱陰極材料を含む従来材料での放出電流密度は100mA/mm程度であったことを考えると少し足りないものである。しかし、300nm径以下の突起を形成すると、突起間隔は500nmとでき、突起密度は1000000個/mm以上まであげられる。そうすると、電流密度は100mA/mm以上にもなり、従来材料以上のものを形成することができるようになる。従って、1μm角内に4本以上の突起を形成することは、これを境に有意義なデバイスを形成できることになる。これまでは、そのような密度の突起を形成する方法は提案されていなかった。さらに、200nm径以下であるなら、1μm角内に6.25本以上となり、明らかに有効である。 Next, the reason why it is important to increase the density of protrusions on the substrate will be described below. When protrusions with a diameter of 1 μm are formed, the height of the protrusions is at least 2 μm, and the density of protrusions is at most 250,000 pieces / mm 2 in consideration of the protrusion interval. This is 25 mA / mm 2 where the current that can be stably output from one is 0.1 μA. Considering that the emission current density in the conventional material including the hot cathode material was about 100 mA / mm 2 , this is a little insufficient. However, when protrusions having a diameter of 300 nm or less are formed, the protrusion interval can be set to 500 nm, and the protrusion density can be increased to 1000000 pieces / mm 2 or more. As a result, the current density becomes 100 mA / mm 2 or more, and a material higher than the conventional material can be formed. Therefore, the formation of four or more protrusions within a 1 μm square can form a meaningful device with this as a boundary. Until now, no method for forming protrusions having such a density has been proposed. Furthermore, if the diameter is 200 nm or less, the number is 6.25 or more in 1 μm square, which is clearly effective.

ここで、本実施形態の突起構造はアスペクト比の高い突起で、規則性をもって配列している。なぜなら、アスペクト比1以下の低いものはゲート電極を有する構造とした場合と基板と間で大きな容量を発生し、高周波動作の妨げとなる。また、セルフアラインでゲートを作製する場合も、背が低いとエミッタ周辺に穴を開けることが困難となるからである。また、突起の配置がランダムな物も好ましくない。なぜならランダムなものは電流値の局部集中が防げず(電流に均一分散が設計できない)、大電流を出そうとする場合には、あまり意味を成さないからである。   Here, the protrusion structure of this embodiment is a protrusion with a high aspect ratio, and is arranged with regularity. This is because a low aspect ratio of 1 or less generates a large capacitance between the structure having a gate electrode and the substrate, and hinders high-frequency operation. Also, when the gate is fabricated by self-alignment, it is difficult to make a hole around the emitter if the gate is short. Also, a random arrangement of protrusions is not preferable. This is because random items cannot prevent local concentration of current values (cannot design uniform dispersion of currents), and do not make much sense when trying to output a large current.

以上のような、突起構造を形成するためにはSiマスクを用いてダイヤモンドを酸素を含むドライエッチングで加工することによって得ることができる。   In order to form the protruding structure as described above, it can be obtained by processing diamond by dry etching containing oxygen using a Si mask.

微細突起を実現するためには基板の平坦性は良好なものであることが好ましい。例えば、突起の高さは1μm以下のものを形成できるため、基板の平坦性(TTV)は100nm以下のものが好ましく、より好ましくは50nm以下のものが好ましく、さらに好ましくは20nm以下のものが好ましい。このような平坦性を有する基板は単結晶である方が形成しやすいが、多結晶であってもかまわない。   In order to realize fine protrusions, the flatness of the substrate is preferably good. For example, since the height of the protrusion can be 1 μm or less, the flatness (TTV) of the substrate is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and still more preferably 20 nm or less. . A substrate having such flatness is easier to form if it is a single crystal, but it may be a polycrystal.

さらに、突起自体はキャリアが消滅せずに先端まで到達する必要があることから、単独の単結晶であることが好ましい。これまでのサイズの突起では多結晶よりも、単結晶の方が好ましいのは突起中に粒界が含まれるためであるが、本発明の突起は非常に小さいものであるために、多結晶であってもかまわない。ただし、突起のサイズよりも大きな粒径の多結晶であることが好ましいのは前記の理由による。同じ理由で単結晶以外にも高配向の多結晶ダイヤモンドはランダムな配向の多結晶より好ましいし、ヘテロエピタキシャル基板はさらにより好ましい。   Furthermore, since the protrusion itself needs to reach the tip without disappearance of carriers, it is preferably a single crystal. In the projections of the past size, the single crystal is preferable to the polycrystal because the grain boundary is included in the projection, but the projection of the present invention is very small. It does not matter. However, the reason why it is preferable to use a polycrystal having a grain size larger than the size of the protrusion is due to the above reason. For the same reason, a highly oriented polycrystalline diamond other than a single crystal is preferred to a randomly oriented polycrystalline, and a heteroepitaxial substrate is even more preferred.

なお、本実施形態における突起を形成する基板はダイヤモンド基板でなくとも、非常に高い平坦性(100nm以下、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは20nm以下の平坦性)を有する炭素系材料、例えば、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜、アモルファスカーボンナイトライド(a−CN)、アモルファスカーボン(a−C)膜、カーボンナノチューブ(CNT)/SiC膜、グラファイト/SiC膜等に適用できる。   In addition, even if the substrate for forming the protrusions in this embodiment is not a diamond substrate, a carbon-based material having very high flatness (100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and even more preferably 20 nm or less), for example, It can be applied to diamond-like carbon (DLC) film, amorphous carbon nitride (a-CN), amorphous carbon (a-C) film, carbon nanotube (CNT) / SiC film, graphite / SiC film and the like.

図4(a)〜(c)は、本実施形態の電子放出素子の構造を示す斜視図である。図4(a)に示した電子放出素子100は、基板1が導電性材料の場合を示す。また図4(b)に示した電子放出素子100は、基板1が絶縁性材料の場合を示す。この場合、カソード電極11が設けられる。さらに図4(c)に示した電子放出素子100は、ゲート電極12が設けられている。   4A to 4C are perspective views showing the structure of the electron-emitting device of this embodiment. The electron-emitting device 100 shown in FIG. 4A shows a case where the substrate 1 is a conductive material. 4B shows a case where the substrate 1 is an insulating material. In this case, the cathode electrode 11 is provided. Further, the electron-emitting device 100 shown in FIG. 4C is provided with a gate electrode 12.

研磨によって数nm以下に平坦化した高圧合成単結晶ダイヤモンド基板(100)およびCVD多結晶ダイヤモンドウエーハ基板を用意し、図2に示す工程の上から順番に示しているように、その上にプラズマCVD法でa−Si膜を形成した。成膜の条件は、LPCVDで、温度525℃、SiH(He希釈50%):200sccm、N:150sccm、圧力0.29Torr(38.7Pa)で行なった。 A high-pressure synthetic single crystal diamond substrate (100) and a CVD polycrystalline diamond wafer substrate flattened to a few nm or less by polishing are prepared, and plasma CVD is performed thereon as shown in order from the top of the process shown in FIG. An a-Si film was formed by the method. The conditions for film formation were LPCVD, temperature 525 ° C., SiH 4 (He dilution 50%): 200 sccm, N 2 : 150 sccm, pressure 0.29 Torr (38.7 Pa).

膜厚については図5に示すとおりである。その後、その上に電子線露光用のネガ型レジストを塗布し、電子線露光してドット状のパターニングを行った。ネガ型を用いた理由は、ドットパターンが面積的に他の部分より少ないために時間短縮となるように用いた。時間の問題がなければ、ポジ型を利用しても差し支えない。レジストパターン形成の条件は、電子ビーム露光装置を用い、加速電圧50kVで行なった。   The film thickness is as shown in FIG. Thereafter, a negative resist for electron beam exposure was applied thereon, and electron beam exposure was performed to perform dot-like patterning. The reason for using the negative type was that the dot pattern had a smaller area than other parts, so that the time was shortened. If there is no problem with time, a positive type can be used. The resist pattern was formed using an electron beam exposure apparatus at an acceleration voltage of 50 kV.

できたレジストのドットはアッシングによって、サイズを若干制御した。アッシングの条件は、使用ガスO:50sccm、圧力0.6Torr(80.0Pa)、RFパワー140Wで行なった。所望のサイズのレジストが形成できた後に、CFガスで、マスクをパターニングした。エッチングの条件は、SiO用RIE、使用ガスCF4:20sccm、チャンバー圧力25mTorr(3.3Pa)で行なった。サイドエッチングの時間制御で直径の寸法も制御できる。 The size of the resist dots was slightly controlled by ashing. The ashing conditions were as follows: use gas O 2 : 50 sccm, pressure 0.6 Torr (80.0 Pa), and RF power 140 W. After a resist having a desired size was formed, the mask was patterned with CF 4 gas. Etching conditions were RIE for SiO 2 , working gas CF4: 20 sccm, and chamber pressure 25 mTorr (3.3 Pa). The size of the diameter can be controlled by controlling the time of side etching.

頃合いを見計らってエッチングをストップし、レジストを硫酸系の溶液であるSH(HSO:H=500:167)により、除去して完了する。なお、レジストは必ずしも除去しなくてもよい。それは次のダイヤモンドをエッチングするプロセスはカーボン材料を除去するプロセスなので、短時間にレジストが除去されるからである。 The etching is stopped at an appropriate time, and the resist is removed by SH (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 500: 167), which is a sulfuric acid-based solution, and is completed. Note that the resist is not necessarily removed. This is because the resist is removed in a short time because the process of etching the next diamond is a process of removing the carbon material.

図6(a)〜(c)は本実施形態に係るa−Siマスクの電子顕微鏡写真である。形成したマスクは台形状(円錐台)のものであることをSEM(=scanning electron microscope,走査型電子顕微鏡)で図6に示すように確認した。図6は上面からの写真と側面からの写真を示す。45nmのサイズのマスクが形成できた。
それをマスクとしてダイヤモンドを加工した例を図7に示す。図7(a)〜(d)は、本実施形態に係る突起構造を示す電子顕微鏡写真である。非常にアスペクト比が4〜5と高い突起ができていることが確認できた。
6A to 6C are electron micrographs of the a-Si mask according to this embodiment. It was confirmed by SEM (= scanning electron microscope) that the formed mask was trapezoidal (conical frustum) as shown in FIG. FIG. 6 shows a photograph from the top and a photograph from the side. A mask with a size of 45 nm could be formed.
FIG. 7 shows an example of processing diamond using this as a mask. FIGS. 7A to 7D are electron micrographs showing the protrusion structure according to the present embodiment. It was confirmed that protrusions having a very high aspect ratio of 4 to 5 were formed.

さらに個々の突起はほとんど同じ高さである。概略の計測によると5%以下になる。さらに簡単に見積もると、先端用のマスクサイズ(下部層)が45nmであるので、50%まで目減りした状態でエッチングをストップすると、先端の径は20nmになり、先端の高さのバラツキは基板の平坦性に一致する。われわれは最大でも2nmの平坦性の基板を利用したので、突起高さはほぼ250nmと考えると、高さバラツキは2/250、0.8%程度である。   Furthermore, the individual protrusions are almost the same height. According to the rough measurement, it is 5% or less. More simply, since the mask size for the tip (lower layer) is 45 nm, if etching is stopped with a reduction of 50%, the tip diameter becomes 20 nm and the tip height variation is Consistent with flatness. Since we used a flat substrate having a flatness of 2 nm at the maximum, assuming that the height of the protrusion is about 250 nm, the height variation is about 2/250, 0.8%.

図5は実験の結果であるが、マスク直径に対して、先端径の縮小比率が少なく、先端直径を大きく保持したものは高さバラツキは小さくなり、マスク直径に対して、先端径の縮小率を大きくし、先端径を小さくしたものはうまく止められず、高さバラツキが若干高くなっている。マスクサイズは最終先端径に近いものを選択し、マスク厚を大きく(マスクのアスペクト比を大きく)した方が、高さバラツキを小さく先端径を小さくできて都合がよい。
なお、図5の最下段に、H/Wの小さな(1/3)マスクの例を示す。この場合、できた突起は先端径の大きなものとなる。さらに、エッチングすると先端は小さくなるが、突起のサイズも小さくなり、できた突起の形状の制御性もよくなかった。このようにH/Wが小さなマスクよりも、H/Wが0.5以上と大きいマスクが好ましい。
FIG. 5 shows the result of the experiment. The reduction ratio of the tip diameter is small with respect to the mask diameter, and the height variation is small when the tip diameter is kept large. The reduction ratio of the tip diameter with respect to the mask diameter. The one with a larger diameter and smaller tip diameter cannot be stopped well, and the height variation is slightly higher. It is advantageous to select a mask size close to the final tip diameter and increase the mask thickness (increase the mask aspect ratio) because the height variation can be reduced and the tip diameter can be reduced.
An example of a (1/3) mask with a small H / W is shown at the bottom of FIG. In this case, the formed protrusion has a large tip diameter. Further, when the etching is performed, the tip is reduced, but the size of the protrusion is also reduced, and the controllability of the shape of the formed protrusion is not good. Thus, a mask having a large H / W of 0.5 or more is preferable to a mask having a small H / W.

尚、本発明の突起構造の形成方法および突起構造並びに電子放出素子は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   It should be noted that the protrusion structure forming method, protrusion structure, and electron-emitting device of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. It is.

本実施形態に係る突起構造の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of protrusion structure which concerns on this embodiment. (a)〜(g)は、本実施形態に係る突起構造の形成工程を示す図である。(A)-(g) is a figure which shows the formation process of the protrusion structure which concerns on this embodiment. (a)は本実施形態のSiマスクのパターンの配列を示す平面図であり、(b)はSiマスクの各々のパターンを示す図であり、(c)〜(f)は、Siマスクの他の態様を示す図である。(A) is a top view which shows the arrangement | sequence of the pattern of Si mask of this embodiment, (b) is a figure which shows each pattern of Si mask, (c)-(f) is other than Si mask It is a figure which shows the aspect of. (a)〜(c)は、本実施形態の電子放出素子の構造を示す斜視図である。(A)-(c) is a perspective view which shows the structure of the electron-emitting element of this embodiment. 実験結果を示す図である。It is a figure which shows an experimental result. (a)〜(c)は、本実施形態に係るa−Siマスクの電子顕微鏡写真である。(A)-(c) is an electron micrograph of the a-Si mask which concerns on this embodiment. (a)〜(d)は、本実施形態に係る突起構造を示す電子顕微鏡写真である。(A)-(d) is an electron micrograph which shows the protrusion structure which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板、2…突起、3…非晶質Si(a−Si)膜、4…レジストパターン、5…Siマスク、10…突起構造、11…カソード電極、12…ゲート電極、100…放電素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Protrusion, 3 ... Amorphous Si (a-Si) film, 4 ... Resist pattern, 5 ... Si mask, 10 ... Projection structure, 11 ... Cathode electrode, 12 ... Gate electrode, 100 ... Discharge element .

Claims (10)

炭素を含む材料からなる基板上にSi膜を形成する第1工程と、
前記Si膜をエッチングして、基板上に配列された複数のパターンを有するSiマスクを形成する第2工程と、
前記Siマスクを用いて前記基板をエッチングして、基板に複数の突起を形成する第3工程と、
を備えたことを特徴とする突起構造の形成方法。
A first step of forming a Si film on a substrate made of a material containing carbon;
Etching the Si film to form a Si mask having a plurality of patterns arranged on the substrate;
Etching the substrate using the Si mask to form a plurality of protrusions on the substrate;
A method for forming a protruding structure, comprising:
前記Si膜は、非晶質Si膜であることを特徴とする請求項1に記載の突起構造の形成方法。   The method for forming a protrusion structure according to claim 1, wherein the Si film is an amorphous Si film. 前記各パターンは、各々の最大幅が300nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の突起構造の形成方法。   The method for forming a protrusion structure according to claim 1, wherein each pattern has a maximum width of 300 nm or less. 前記各パターンの各々の高さHと最大幅Wとの比(H/W)は、0.5以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の突起構造の形成方法。   4. The protrusion according to claim 1, wherein a ratio (H / W) between the height H and the maximum width W of each of the patterns is 0.5 or more. 5. Structure formation method. 前記基板のTTV(Total Thickness variation)が50nm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の突起構造の形成方法。   5. The method for forming a protruding structure according to claim 1, wherein the substrate has a TTV (Total Thickness Variation) of 50 nm or less. 前記基板はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の突起構造の形成方法。   The method for forming a protrusion structure according to claim 1, wherein the substrate is made of diamond. 炭素を含む材料からなる基板と、
該基板上に形成された複数の突起と、
を備えた突起構造であって、
前記複数の突起は、前記基板上に配列されており、
各突起の先端は、前記突起の根元より細くなっており、
各突起の先端の幅が100nm以下であり、
各突起の根元の幅が300nm以下であることを特徴とする突起構造。
A substrate made of carbon-containing material;
A plurality of protrusions formed on the substrate;
A protrusion structure comprising:
The plurality of protrusions are arranged on the substrate,
The tip of each protrusion is thinner than the base of the protrusion,
The width of the tip of each protrusion is 100 nm or less,
A protrusion structure characterized in that the base width of each protrusion is 300 nm or less.
前記突起は、4個/μm以上の密度で基板上に設けられていることを特徴とする請求項7に記載の突起構造。 The protrusion structure according to claim 7, wherein the protrusions are provided on the substrate at a density of 4 pieces / μm 2 or more. 前記突起構造は、ダイヤモンドから成ることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の突起構造。   The protrusion structure according to claim 7, wherein the protrusion structure is made of diamond. 炭素を含む材料からなる基板と、
該基板上に形成された複数の突起と、
を備えた電子放出素子であって、
前記複数の突起は、前記基板上に配列されており、
各突起の先端は、前記突起の根元より細くなっており、
各突起の先端の幅が100nm以下であり、
各突起の根元の幅が300nm以下であることを特徴とする電子放出素子。
A substrate made of carbon-containing material;
A plurality of protrusions formed on the substrate;
An electron-emitting device comprising:
The plurality of protrusions are arranged on the substrate,
The tip of each protrusion is thinner than the base of the protrusion,
The width of the tip of each protrusion is 100 nm or less,
An electron-emitting device characterized in that the base width of each protrusion is 300 nm or less.
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