JP2005310724A - Field emission type electron source and manufacturing method for it - Google Patents

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夏生 辰巳
Yoshiki Nishibayashi
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field emission type electron source and a manufacturing method for it using a high-quality diamond with a sharp tip as a negative electrode for easily controlling respective emitters and hardly causing the breakage of the insulation or separation of an insulation layer and reduced in leak current. <P>SOLUTION: This field emission type electron source 2a is provided with the negative electrode 1a having an electron emission part 1 containing diamond as a material and having a projecting shape, a gate electrode 4, the insulation layer 3 separating the negative electrode 1a and the gate electrode 4 from each other, and an anode electrode 5. An intermediate layer 6 is formed in at least a part of the area between the negative electrode 1a and the insulation layer 3. The intermediate layer 6 has a plurality of layers 6a and 6b. The electron emission part 1 is doped with one or more kinds of elements selected from a group composed of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as an impurity. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電界放射型電子源、特にダイヤモンド陰極を有する電界放射型電子源に関するものである。   The present invention relates to a field emission electron source, and more particularly to a field emission electron source having a diamond cathode.

従来、電子線を取り出すには熱電子放出を利用する場合が多かったが、低消費電力で大電流密度が得られることから電界放射型電子源を用いる場合があった。このような電子源には例えば非特許文献1に見られるようなSpindt型冷陰極がある。この電子源の構造は、陰極上に絶縁層を形成し、その上に引き出し電極を作製したもので、引き出し電極に電圧をかけて電子放出部から電子を電界放射させる。例えば、図20に示すように、陰極100、絶縁層101、引出し電極(ゲート電極)102が順に積層された構造のものがある(特許文献2)。   Conventionally, thermionic emission is often used to extract an electron beam, but a field emission electron source is sometimes used because a large current density is obtained with low power consumption. As such an electron source, for example, there is a Spindt-type cold cathode as found in Non-Patent Document 1. In this electron source structure, an insulating layer is formed on a cathode, and an extraction electrode is formed thereon. A voltage is applied to the extraction electrode to cause electrons to be emitted from the electron emission portion. For example, as shown in FIG. 20, there is a structure in which a cathode 100, an insulating layer 101, and an extraction electrode (gate electrode) 102 are sequentially stacked (Patent Document 2).

この製造方法は例えば上記文献の場合には、開口を有する引き出し電極をフォトリソグラフィーなどを用いて基板上に事前に形成し、後から電子放出部となる突起状のMoなどを成膜している。また非特許文献2に見られるように、電子放出部をイオンビームによって形成することもある。非特許文献3に見られるように、凹凸を形成したSi基板上に酸化シリコンと引き出し電極を形成し、突起先端のみ露出するようフォトレジストを塗布してエッチングにより電子放出部となるSiを露出させている。   In this manufacturing method, for example, in the case of the above-mentioned document, an extraction electrode having an opening is formed in advance on a substrate by using photolithography or the like, and a projection-like Mo or the like that becomes an electron emission portion is formed later. . As can be seen in Non-Patent Document 2, the electron emission part may be formed by an ion beam. As seen in Non-Patent Document 3, silicon oxide and a lead electrode are formed on a Si substrate on which irregularities are formed, a photoresist is applied so that only the tip of the protrusion is exposed, and Si serving as an electron emission portion is exposed by etching. ing.

電子源の材料としては、タングステンやモリブデン等の耐熱金属が従来から用いられてきた。しかし、低い電圧で高密度の電子線電流を得ようとする場合には、LaB等の低仕事関数材料を用いることが望ましい。近年では新規の材料も開発され、高アスペクト比で先鋭な構造を持つカーボンナノチューブと共にダイヤモンド陰極が注目されている。特にダイヤモンドは負性電子親和力、化学的安定性、高い熱伝導性など特有の性質を持っており、電子源材料の中でも有望視されている。
特開WO98/44529号公報 特開平7−272618号公報 Journal of Applied Physics 47 (1976) 5248 信学技報Vol.103, No. 497 (2003) p.11 Japanese Journal of Applied Physics Vol.31, No.7B, L883 (1995) Applied Surface Science 146 (1999) 328 J. Vac. Sci. Technol. B, 14(3), 1996, p1986-1989
As materials for electron sources, refractory metals such as tungsten and molybdenum have been used conventionally. However, in order to obtain a high-density electron beam current at a low voltage, it is desirable to use a low work function material such as LaB 6. In recent years, new materials have been developed, and diamond cathodes are attracting attention together with carbon nanotubes having a sharp structure with a high aspect ratio. Diamond, in particular, has unique properties such as negative electron affinity, chemical stability, and high thermal conductivity, and is considered promising among electron source materials.
Japanese Patent Laid-Open No. WO98 / 44529 JP-A-7-272618 Journal of Applied Physics 47 (1976) 5248 IEICE Technical Report Vol.103, No. 497 (2003) p.11 Japanese Journal of Applied Physics Vol.31, No.7B, L883 (1995) Applied Surface Science 146 (1999) 328 J. Vac. Sci. Technol. B, 14 (3), 1996, p1986-1989

しかしながら、炭素系材料は、絶縁層として一般に用いられる酸化物との密着性が悪いという問題がある。特に電子源を高い電流密度で動作させ、数百度以上の温度環境になった場合、炭素系材料表面からはCO分子の形で一部脱離が始まり、酸化物絶縁層の剥離が促進される。絶縁層として弗化物などが用いられた場合であっても、やはり炭素系材料と絶縁層との密着性は良くない。   However, the carbon-based material has a problem of poor adhesion with an oxide generally used as an insulating layer. In particular, when the electron source is operated at a high current density and becomes a temperature environment of several hundred degrees or more, partial desorption starts in the form of CO molecules from the surface of the carbon-based material, and peeling of the oxide insulating layer is promoted. . Even when fluoride or the like is used as the insulating layer, the adhesion between the carbon-based material and the insulating layer is still not good.

また、電界放射型冷陰極においては、熱電子放出型陰極と異なり加熱は不要であるが、放射される高電流密度の電子によって発熱が起こる。したがって、発熱に基づく冷陰極の温度変化によって、陰極と絶縁層との間には、熱膨張係数の差に応じた大きさの応力が加わることになる。実際、冷陰極の温度は数百度以上に達することがある。特に近年では冷陰極の微細化に伴って、発熱密度が益々上昇してきている。それゆえ、陰極及び絶縁層の密着の良し悪し、及び両社の熱膨張係数差の大小如何によっては、両者間に剥離が発生してしまうという問題がある。   In addition, unlike the thermionic emission cathode, the field emission type cold cathode does not require heating, but heat is generated by the emitted high current density electrons. Therefore, due to the temperature change of the cold cathode due to heat generation, a stress having a magnitude corresponding to the difference in thermal expansion coefficient is applied between the cathode and the insulating layer. In fact, the temperature of the cold cathode can reach several hundred degrees or more. Particularly in recent years, the heat generation density has been increasing more and more with the miniaturization of the cold cathode. Therefore, there is a problem that peeling occurs between the cathode and the insulating layer depending on whether the adhesion between the cathode and the insulating layer is good or not, and the difference in thermal expansion coefficient between the two companies.

また、ダイヤモンド陰極に電界放射型電子源の製造方法を適用するのは困難であった。例えば非特許文献4に開示されているように、事前に形成した引き出し電極の開口部内にダイヤモンド粒を形成する場合、ダイヤモンドは粒子状のものしか形成できず、鋭い先端を持つダイヤモンドを形成しにくい。また粒子状では結晶面方位が定まらないためドーピングの制御は困難である。またこの方法ではマイクロ波プラズマCVD法を用いてダイヤモンドを形成しようとすると、引き出し電極に渦電流が発生して加熱されて電極が剥離してしまうため、マイクロ波プラズマCVD法を用いることができない。従ってフィラメント法でダイヤモンドを形成することになり、高品質なダイヤモンドを形成しにくい。   Moreover, it has been difficult to apply the method of manufacturing a field emission electron source to a diamond cathode. For example, as disclosed in Non-Patent Document 4, when diamond grains are formed in the opening of the extraction electrode formed in advance, only diamond particles can be formed, and it is difficult to form diamonds having sharp tips. . In addition, since the crystal plane orientation is not determined in the form of particles, it is difficult to control doping. Further, in this method, when diamond is formed by using the microwave plasma CVD method, an eddy current is generated in the extraction electrode and the electrode is peeled off by heating, so that the microwave plasma CVD method cannot be used. Therefore, diamond is formed by the filament method, and it is difficult to form high-quality diamond.

一方、先に突起形状を形成したダイヤモンド上の先端近傍に電極を形成する方法は例えば特許文献2に開示されている。この文献では、ホウ素ドープの多結晶ダイヤモンド突起上に絶縁材料と電極材料を成膜したのち、レジストを塗布し、レジストの薄い突起先端からエッチングすることによって突起周辺の電極と絶縁材料を除去することによって、突起近傍に電極を形成している。しかし、この方法では絶縁材料の膜厚がそのまま突起先端と電極の距離となり、距離を近づけるためには絶縁材料の膜厚を小さくする必要がある。しかし、また膜厚を小さくすると絶縁破壊を起こしやすく、リーク電流も増大するという問題がある。またこの文献ではダイヤモンド全体に導電性があるため、個々のエミッタを制御することができなかった。また多結晶ダイヤモンドは結晶性が悪く、電気特性も悪いため電気放出特性を良くするのは困難だった。   On the other hand, for example, Patent Document 2 discloses a method of forming an electrode in the vicinity of a tip on a diamond on which a protrusion shape has been formed. In this document, after depositing an insulating material and an electrode material on a boron-doped polycrystalline diamond protrusion, a resist is applied, and the electrode and the insulating material around the protrusion are removed by etching from the thin protrusion tip of the resist. Thus, an electrode is formed in the vicinity of the protrusion. However, in this method, the thickness of the insulating material is directly the distance between the tip of the protrusion and the electrode, and it is necessary to reduce the thickness of the insulating material in order to reduce the distance. However, if the film thickness is reduced, there is a problem that dielectric breakdown is likely to occur and the leakage current increases. Further, in this document, since the entire diamond is conductive, it is impossible to control individual emitters. Polycrystalline diamond has poor crystallinity and poor electrical characteristics, so it has been difficult to improve electrical emission characteristics.

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極として、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない電界放射型電子源およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention uses a high-quality diamond having a sharp tip as a cathode, can easily control individual emitters, does not easily cause dielectric breakdown or peeling of the insulating layer, and has a low leakage current, and its manufacture It aims to provide a method.

上記課題を解決するため、本発明の電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極と絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、中間層は、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含み、電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a field emission electron source according to the present invention includes a cathode having a projecting electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and an anode electrode A field emission electron source comprising: an intermediate layer provided at least in part between the cathode and the insulating layer, the intermediate layer comprising a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon A group consisting of a carbide layer and a nitride layer made of a transition metal of group IVa to VIa, a nitride of aluminum or silicon, and the electron emission part is made of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon One or more elements selected from the above are doped as impurities.

また、本発明の電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極と絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、中間層は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属からなる層を含み、電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする。   The field emission electron source of the present invention is an electric field including a cathode having a projecting electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and an anode electrode. A radiation electron source comprising an intermediate layer provided at least in part between a cathode and an insulating layer, wherein the intermediate layer is at least one transition metal of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium The electron emission portion is doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as impurities.

かかる構成を有する電界放射型電子源では、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極として、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。   In a field emission electron source having such a configuration, individual emitters can be easily controlled using high-quality diamond having a sharp tip as a cathode, dielectric breakdown and peeling of the insulating layer are unlikely to occur, and leakage current is small.

前述の通り炭素系材料と絶縁層との密着性は良くないが、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンからなる層、上記炭化物層及び上記窒化物層は、炭素系材料との密着性が良い。特にIVa〜VIa族の遷移金属は化学的に活性であるため炭素系材料との密着性が良く、IVa〜VIa族の遷移金属の炭化物は炭素系材料との密着性が更に良い。したがって、上述の中間層と絶縁層との密着性は良好であり、この中間層を入れることによって陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。また、電子放出部の材料であるダイヤモンドの熱伝導率は他の材料のそれに比べて高い。よって、上記電界放射型電子源が動作中に発熱しても電子放出部から効率的に放熱されるので、熱応力の発生による剥離を防ぐことが出来る。   As described above, the adhesion between the carbon-based material and the insulating layer is not good, but the IVa-VIa group transition metal or silicon layer, the carbide layer, and the nitride layer have good adhesion with the carbon-based material. . In particular, IVa to VIa group transition metals are chemically active and therefore have good adhesion to carbon-based materials, and IVa to VIa group transition metal carbides have better adhesion to carbon-based materials. Therefore, the adhesiveness between the above-described intermediate layer and the insulating layer is good, and peeling is hardly generated between the cathode and the insulating layer by inserting this intermediate layer. Moreover, the thermal conductivity of diamond, which is the material of the electron emission portion, is higher than that of other materials. Therefore, even if the field emission type electron source generates heat during operation, heat is efficiently radiated from the electron emission portion, so that peeling due to generation of thermal stress can be prevented.

また、IVa〜VIa族の遷移金属としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン等が挙げられる。IVa〜VIa族の遷移金属は高融点の方が好ましい。例えばTiよりはIVa族でもZr、HfあるいはVa、VIa族の方がより好ましい。ただし、Mo及びWは、酸化されると蒸気圧が高くなる、脆くなるなどの性質を持つため、VIa族でもCrや、Va、IVa族の方がより好ましい。   Examples of the IVa to VIa group transition metals include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, and tungsten. The transition metal of group IVa to VIa preferably has a high melting point. For example, Zr, Hf or Va, VIa group is more preferable in Ti group than Ti. However, Mo and W have properties such that when oxidized, the vapor pressure becomes high and becomes brittle, even in the VIa group, the Cr, Va, and IVa groups are more preferable.

また、中間層は、絶縁層側に金属酸化物層を更に含み、絶縁層が酸化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層が窒化物層を含み、絶縁層が窒化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層は、絶縁層側に金属弗化物層を更に含み、絶縁層が弗化物を材料として含むことが好ましい。   The intermediate layer preferably further includes a metal oxide layer on the insulating layer side, and the insulating layer preferably includes an oxide as a material. The intermediate layer preferably includes a nitride layer, and the insulating layer preferably includes nitride as a material. The intermediate layer preferably further includes a metal fluoride layer on the insulating layer side, and the insulating layer preferably includes fluoride as a material.

これらの場合、絶縁層と中間層とが同一元素を含むので、中間層と絶縁層との密着性も改善する。また、中間層が二層以上の場合には、密着性を向上させる観点から、中間層を構成する複数の層が同一の遷移金属又はシリコンを含むことが好ましい。例えば、絶縁層が酸化物からなる場合、中間層が炭化タンタル層及び炭化タンタル層上に設けられた酸化タンタル層からなることが好ましい。   In these cases, since the insulating layer and the intermediate layer contain the same element, the adhesion between the intermediate layer and the insulating layer is also improved. Moreover, when an intermediate | middle layer is two or more layers, it is preferable from the viewpoint of improving adhesiveness that the several layer which comprises an intermediate | middle layer contains the same transition metal or silicon | silicone. For example, when the insulating layer is made of an oxide, the intermediate layer is preferably made of a tantalum carbide layer and a tantalum oxide layer provided on the tantalum carbide layer.

また、中間層が電子放出部とオーミックコンタクトし、配線として機能することが好ましい。さらに、中間層が、電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分と、電子放出部と直接接続されていない接着部分とに分離されていることが好ましい。   Further, it is preferable that the intermediate layer is in ohmic contact with the electron emission portion and functions as a wiring. Furthermore, it is preferable that the intermediate layer is separated into a wiring portion that is in ohmic contact with the electron emission portion and an adhesive portion that is not directly connected to the electron emission portion.

上記中間層は導電性を持つものが多く、配線として用いることも出来る反面、電気的な分離をすることが出来なくなる。従来のFEDで用いられるX−Y配線などでは、配線のみを基板と絶縁層との間に設置してきた。しかし、本発明では、例えば、より密着性を向上させる観点から、配線部分とは分離して配置され、絶縁層との密着性を向上させる接着部分が設けられている。中間層がこのようにパターニングされているので、各電子放出部の個別制御を可能にしつつ、接着部分の面積を広くすることができ、激しい発熱などが起こっても密着性を維持することが出来る。なお、より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンドからなる電子放出部の表面にアルゴンイオンを注入することにより、電子放出部をグラファイト化してもよい。   Many of the intermediate layers have conductivity, and can be used as wiring, but cannot be electrically separated. In the XY wiring and the like used in the conventional FED, only the wiring has been installed between the substrate and the insulating layer. However, in the present invention, for example, from the viewpoint of further improving the adhesiveness, an adhesive portion that is arranged separately from the wiring portion and improves the adhesiveness with the insulating layer is provided. Since the intermediate layer is patterned in this manner, the area of the adhesion portion can be increased while allowing individual control of each electron emission portion, and adhesion can be maintained even if severe heat generation occurs. . In order to obtain better ohmic contact, the electron emission portion may be graphitized by implanting argon ions into the surface of the electron emission portion made of diamond.

なお、これら中間層を配線として用いない場合、金属層の厚みは10nm以下が望ましい。厚さが10nm以下でも各層間の密着力を増加する上で充分であり、薄い分絶縁層を厚くすることができるので、陰極とゲート電極との間に良好な絶縁性を保つことができる。   When these intermediate layers are not used as wiring, the thickness of the metal layer is desirably 10 nm or less. Even if the thickness is 10 nm or less, it is sufficient to increase the adhesion between the layers, and the insulating layer can be made thicker, so that good insulation can be maintained between the cathode and the gate electrode.

また、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極及び絶縁層の熱膨張係数の間の値であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the thermal expansion coefficient of at least one layer constituting the intermediate layer is a value between the thermal expansion coefficients of the cathode and the insulating layer.

これにより、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層との間のそれぞれの熱膨張係数の差は、絶縁層と陰極との間の熱膨張係数の差より小さくなる。したがって、電界放射型電子源の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層を陰極上に直接設ける場合に比べて緩和されている。このため、中間層が無い電界放射型電子源に比して剥離が発生しにくい。   Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the intermediate layer and between the cathode and the intermediate layer is smaller than the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the cathode. Therefore, the stress applied with the temperature change of the field emission electron source is relaxed compared to the case where the insulating layer is provided directly on the cathode. For this reason, peeling is less likely to occur compared to a field emission electron source having no intermediate layer.

また、金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。   The metal oxide layer is made of titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, zinc oxide, or aluminum oxide. It is preferable to consist of either.

また、窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム、又は窒化シリコンのいずれかからなることが好ましい。   The nitride layer is preferably made of any one of titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, aluminum nitride, or silicon nitride.

また、絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。   The insulating layer is made of any of silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, or aluminum fluoride. It is preferable.

また、中間層の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることが好ましい。   Moreover, it is preferable that at least a part of the surface of the intermediate layer is made of a conductive material that does not dissolve in hydrofluoric acid.

この場合、中間層がフッ酸に腐食されることを防止できる。具体的には、例えば、中間層の表面が金、白金、モリブデン又はシリコン等によって被覆されていると好ましい。   In this case, the intermediate layer can be prevented from being corroded by hydrofluoric acid. Specifically, for example, the surface of the intermediate layer is preferably covered with gold, platinum, molybdenum, silicon, or the like.

例えば、オーミックコンタクトを取る場合の中間層は、ダイヤモンドの不純物の種類にもよるが、例えばチタン等からなる。チタン等はフッ酸に腐食されるので、電界放射型電子源を作製することは難しい。   For example, the intermediate layer in the case of making an ohmic contact is made of, for example, titanium or the like, depending on the type of impurities of diamond. Since titanium and the like are corroded by hydrofluoric acid, it is difficult to produce a field emission electron source.

また、中間層が電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分を有し、配線部分のうち、絶縁層から露出し陰極と外部とを電気的に接続する部分の少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることが好ましい。   In addition, the intermediate layer has a wiring portion in ohmic contact with the electron emission portion, and at least a part of the wiring portion exposed from the insulating layer and electrically connecting the cathode and the outside is chemically stable. It is preferable that the metal film is covered.

化学的に安定な金属膜は、例えば金、白金、高融点のモリブデン、タングステン等からなる。さらに、化学的に安定な金属膜が、Au/Pt、Au/Mo、Au/Ni等の積層体であってもよい。   The chemically stable metal film is made of, for example, gold, platinum, molybdenum having a high melting point, tungsten, or the like. Further, the chemically stable metal film may be a laminate of Au / Pt, Au / Mo, Au / Ni, or the like.

また、中間層に選ばれた遷移金属は一般的には腐食しやすい。しかし、絶縁層との密着性に関係せず、陰極と外部とを電気的に接続する部分は中間層と同一の材料からなる必要はない。作製工程を考えれば、中間層の上に保護膜として働く安定な金属膜を被覆すれば、長時間、繰返し使用に対しても安定して動作する電界放射型電子源を提供することが出来る。   Moreover, the transition metal selected for the intermediate layer is generally susceptible to corrosion. However, regardless of the adhesion to the insulating layer, the portion that electrically connects the cathode and the outside does not need to be made of the same material as the intermediate layer. Considering the manufacturing process, if a stable metal film serving as a protective film is coated on the intermediate layer, it is possible to provide a field emission electron source that operates stably even for repeated use for a long time.

また、上記電界放射型電子源は、ゲート電極上に設けられた別の絶縁層と、別の絶縁層上に設けられた集束電極とを更に備えることが好ましい。   The field emission electron source preferably further includes another insulating layer provided on the gate electrode and a focusing electrode provided on the other insulating layer.

この集束電極によって、電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。   By this focusing electrode, the electrons emitted from the tip of the projection of the electron emitting portion proceed with good straightness without divergence.

また、電子放出部が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。また、電子放出部が、陰極を構成する基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that an electron emission part contains a single crystal diamond as a material. In addition, the electron emission portion includes doping diamond formed by vapor phase synthesis on the substrate constituting the cathode as a material, and the substrate is synthesized by single crystal diamond synthesized at high temperature and high pressure or by vapor phase synthesis. It is preferable to contain non-doped diamond as a material.

ここで、基板の材料は特に限定されず、ダイヤモンド以外でも良いが、Siもしくはダイヤモンドであることが好ましい。また、基板の材料がダイヤモンドの場合、当該材料は多結晶ダイヤモンドでも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが好ましい。特に、電子放出部の材料は単結晶ダイヤモンドが好ましい。このようにすれば、結晶欠陥が少なく良好なドーピングをされたダイヤモンド表面が得られるため、低電圧で電流密度の高い高品質の電界放射型電子源を得ることが出来る。   Here, the material of the substrate is not particularly limited and may be other than diamond, but is preferably Si or diamond. When the substrate material is diamond, the material may be polycrystalline diamond, but single crystal diamond is preferable from the viewpoints of doping control, crystal defects, electron emission characteristics, and the like. In particular, the material of the electron emission portion is preferably single crystal diamond. In this way, a well-doped diamond surface with few crystal defects can be obtained, so that a high-quality field emission electron source with a low voltage and a high current density can be obtained.

また、電子放出部の高さをz、電子放出部の先端とゲート電極との距離をd、絶縁層の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすことが好ましい。さらに、z、d、hが、d<z/2かつd<h/2の条件を満たすことが好ましい。   Further, it is preferable that the condition of d <z and d <h is satisfied, where z is the height of the electron emission portion, d is the distance between the tip of the electron emission portion and the gate electrode, and h is the thickness of the insulating layer. Furthermore, it is preferable that z, d, and h satisfy the conditions of d <z / 2 and d <h / 2.

また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺のゲート電極と絶縁層とを除去する工程とを含む。   The field emission electron source manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a field emission electron source including a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode. A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities on the substrate; and etching A step of forming an electron emission portion from at least doping diamond, a step of forming an insulating layer on the cathode, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, and a step of applying a resist on the gate electrode And a step of removing the gate electrode and the insulating layer around the electron emission portion by etching.

また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺のゲート電極と絶縁層とを除去する工程とを含む。   The field emission electron source manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a field emission electron source including a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode. A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities on the substrate; and etching A step of forming an electron emission portion from at least doped diamond, and a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium on the substrate, a transition metal of group IVa to VIa Or a carbide layer made of silicon carbide, and transition metals of groups IVa to VIa, aluminum A step of forming an intermediate layer including at least one nitride layer of nitride of silicon or silicon, a step of forming an insulating layer on the cathode, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, and a gate The method includes a step of applying a resist on the electrode and a step of removing the gate electrode and the insulating layer around the electron emission portion by etching.

また、本発明の電界放射型電子源の製造方法は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する工程と、基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、陰極上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上に別の絶縁層を形成する工程と、別の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、電子放出部周辺の集束電極、ゲート電極、絶縁層及び別の絶縁層を除去する工程とを含む。   The field emission electron source manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a field emission electron source including a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode. A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities on the substrate; and etching A step of forming an electron emission portion from at least doped diamond, and a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium on the substrate, a transition metal of group IVa to VIa Or a carbide layer made of silicon carbide, and transition metals of groups IVa to VIa, aluminum A step of forming an intermediate layer including at least one nitride layer of nitride of silicon or silicon, a step of forming an insulating layer on the cathode, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, and a gate Forming a separate insulating layer on the electrode, forming a focusing electrode on the other insulating layer, applying a resist on the focusing electrode, and focusing around the electron emission region by etching; Removing the electrode, the gate electrode, the insulating layer and another insulating layer.

また、中間層を形成する工程では、基板上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して基板と金属膜との界面に金属炭化物層を形成することが好ましい。   In the step of forming the intermediate layer, it is preferable to heat the metal film during or after the metal film is deposited on the substrate to form a metal carbide layer at the interface between the substrate and the metal film.

また、絶縁層を形成する工程では、絶縁層を形成し、絶縁層の上にレジストを塗布し、電子放出部周辺の絶縁層を除去する一連の工程を複数回行い、電子放出部の高さをz、電子放出部の先端とゲート電極との距離をd、絶縁層の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすように絶縁層を形成することが好ましい。   In addition, in the step of forming the insulating layer, a series of steps of forming the insulating layer, applying a resist on the insulating layer, and removing the insulating layer around the electron emitting portion is performed a plurality of times, thereby increasing the height of the electron emitting portion. It is preferable that the insulating layer be formed so as to satisfy the conditions d <z and d <h, where z is the distance between the tip of the electron emission portion and the gate electrode and d is the thickness of the insulating layer.

また、絶縁層を形成する工程において、最後に形成した絶縁層の厚みが最大であることが好ましい。   In the step of forming the insulating layer, it is preferable that the thickness of the insulating layer formed last is the maximum.

また、基板が、ダイヤモンド基板であることが好ましい。   The substrate is preferably a diamond substrate.

また、基板が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the substrate is a diamond substrate and includes a step of forming a protrusion shape on the diamond substrate by etching before the step of forming the doped diamond.

また、基板が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる電子放出部を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the substrate is a diamond substrate, and after forming the projection shape, an electron emission portion made of doped diamond is formed, and the subsequent projection shape forming step is not included.

本発明によれば、電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層と電極層を形成することができると共に、高出力動作においても絶縁層と陰極との高い密着性を維持し、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子より長寿命で、エミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。   According to the present invention, an insulating layer and an electrode layer can be formed on diamond having excellent properties as an electron emission material, and high adhesion between the insulating layer and the cathode can be maintained even in high output operation. The gate electrode can be formed near the tip of the emitter with a longer life than the conventional diamond electron-emitting device, and excellent electron emission characteristics can be obtained.

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものとは必ずしも一致していない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

(第1実施形態)
本発明の第1の実施の形態を製造方法を絡めて説明する。図4に示すように、まず、基板2を準備し、この基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンド1を形成する。このドーピングダイヤモンド上に、マスク材料として例えばAlを成膜し、フォトリソグラフィーによってドット状のAlマスクを形成する。そして、RIE法によって、ドーピングダイヤモンドをエッチングし、図4(a)に示すように、少なくともドーピングダイヤモンド1を突起形状にする。その後、突起形状のダイヤモンドの表面終端を変えるため、マイクロ波プラズマによる表面水素化処理や、大気中アニールによる表面酸素化処理を行ってもよい。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described in connection with a manufacturing method. As shown in FIG. 4, first, a substrate 2 is prepared, and a doped diamond 1 doped with one or more elements selected from the group of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as impurities is formed on the substrate 2. Form. On the doped diamond, for example, Al is deposited as a mask material, and a dot-like Al mask is formed by photolithography. Then, the doping diamond is etched by the RIE method, and at least the doping diamond 1 is formed into a protruding shape as shown in FIG. Thereafter, in order to change the surface termination of the projection-shaped diamond, surface hydrogenation treatment by microwave plasma or surface oxygenation treatment by atmospheric annealing may be performed.

次に、図4(b)に示すように、絶縁層3として酸化シリコンを形成し、絶縁層の上にゲート電極4を形成する。このゲート電極の上にレジスト20を塗布する(図4(c))。レジスト塗布条件を最適化することにより、前記突起形状のダイヤモンドの突起先端直上のレジストは薄くなり、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する(図4(d))。その後、レジストを除去する(図4(e))。電極と絶縁層のエッチングは、ドライエッチングではなく、フッ酸で行うことが望ましい。ダイヤモンドは、化学的に安定であるため、ドライエッチングでは、ダイヤモンド突起先端の鋭さが損なわれることがあるからである。   Next, as shown in FIG. 4B, silicon oxide is formed as the insulating layer 3, and the gate electrode 4 is formed on the insulating layer. A resist 20 is applied on the gate electrode (FIG. 4C). By optimizing the resist coating conditions, the resist immediately above the protrusion tip of the protrusion-shaped diamond is thinned, and the gate electrode and the insulating layer of the protrusion-shaped diamond portion are removed by etching (FIG. 4D). Thereafter, the resist is removed (FIG. 4E). Etching of the electrode and the insulating layer is preferably performed with hydrofluoric acid instead of dry etching. This is because diamond is chemically stable, and thus the sharpness of the tip of the diamond protrusion may be impaired by dry etching.

このような製造方法により、図1に示すように、導電性のダイヤモンド1に簡易にゲート電極4を付け、電子放出の制御を行なうことが出来る電子源を得ることができる。あるいは、前記方法の途中、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にした後、前記基板上に中間層(中間層をカソード電極として用いてもよい)を形成する工程と、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させる工程を挿入すれば、図2に示すように、突起形状のダイヤモンドの電子放出部1(電子放出部は陰極を構成する)と、該電子放出部1とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層6と、アノード電極5と、ゲート電極4を備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層3が、酸化シリコンからなり、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングされたダイヤモンドである電界放射型電子源を得ることができる。   With such a manufacturing method, as shown in FIG. 1, it is possible to obtain an electron source capable of controlling the electron emission by simply attaching the gate electrode 4 to the conductive diamond 1. Alternatively, in the middle of the method, at least the doped diamond is formed into a protruding shape by etching, and then an intermediate layer (the intermediate layer may be used as a cathode electrode) is formed on the substrate, and a resist is applied to the intermediate layer If a step of exposing at least the protrusion tip of the protrusion-shaped diamond is inserted, as shown in FIG. 2, the protrusion-shaped diamond electron emission portion 1 (the electron emission portion constitutes a cathode) and the electron emission portion 1 is a field emission electron source having an intermediate layer 6 formed between the protrusions except on the protrusion tips and on the protrusion side surfaces, the anode electrode 5 and the gate electrode 4 and insulatively separating the cathode and the gate electrode. Layer 3 is made of silicon oxide, and the electron emission portion is one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon. It is possible to obtain a field emission electron source which is doped diamond as an impurity.

このように中間層を形成することで、単独のリンドープや窒素ドープなどの高抵抗のダイヤモンドにもキャリアを付与することができ、電子放出特性を向上させることが出来る。この中間層は少なくとも表面がフッ酸で溶けない導電性材料からなることが望ましく、その場合絶縁層の酸化シリコンをフッ酸で除去しても中間層が腐食することはない。突起部分やゲート電極の近辺は立体形状で複雑であるため、垂直加工性の高すぎるドライエッチングはむしろあまり適さず、フッ酸などのウェットエッチングが望ましい。   By forming the intermediate layer in this way, carriers can be imparted to high-resistance diamond such as single phosphorus-doped or nitrogen-doped, and electron emission characteristics can be improved. This intermediate layer is preferably made of a conductive material whose surface is not soluble in hydrofluoric acid. In that case, even if the silicon oxide of the insulating layer is removed with hydrofluoric acid, the intermediate layer does not corrode. Since the vicinity of the protruding portion and the gate electrode is a three-dimensional shape and complicated, dry etching with too high vertical workability is rather not suitable, and wet etching such as hydrofluoric acid is desirable.

オーミックコンタクトを取れる中間層は、ダイヤモンドの不純物にもよるが、チタンやアルミニウムなどがある。チタンやアルミニウムなどは、フッ酸に腐食されるので、その上に金、白金、モリブデン、アモルファスシリコンなどを積層することができる。より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンド表面をアルゴンイオン注入などでグラファイト化してもよい。   The intermediate layer capable of making ohmic contact includes titanium and aluminum, although it depends on the impurities of diamond. Titanium, aluminum, and the like are corroded by hydrofluoric acid, so that gold, platinum, molybdenum, amorphous silicon, or the like can be stacked thereon. In order to obtain a better ohmic contact, the diamond surface may be graphitized by argon ion implantation or the like.

また、前記製造工程の途中で、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させた後、第1の絶縁層3として酸化シリコンを形成し、第1の絶縁層の上にゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第2の絶縁層7として酸化シリコンを形成し、第2の絶縁層の上に集束電極を形成し、集束電極の上にレジストを塗布して突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第1と第2の絶縁層エッチング除去すれば、図3に示すように、突起形状の電子放出部1と、該電子放出部1とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層6と、アノード電極5と、ゲート電極4、集束電極8とを備えた電界放射型電子源を得ることができる。集束電極により電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。   Further, in the course of the manufacturing process, after applying a resist to expose at least the protrusion tip of the protrusion-shaped diamond from the intermediate layer, silicon oxide is formed as the first insulating layer 3, and the first insulating layer A gate electrode is formed thereon, silicon oxide is formed as a second insulating layer 7 on the gate electrode, a focusing electrode is formed on the second insulating layer, and a resist is applied on the focusing electrode. If the focusing electrode, the gate electrode, and the first and second insulating layers of the protruding diamond portion are removed by etching, the protruding electron emitting portion 1 and the electron emitting portion 1 are in ohmic contact as shown in FIG. A field emission type electron source including the intermediate layer 6 formed between the protrusions excluding the protrusion tips and on the protrusion side surfaces, the anode electrode 5, the gate electrode 4, and the focusing electrode 8 can be obtained. Electrons emitted from the projection tip of the electron emission portion by the focusing electrode proceed with good straightness without divergence.

ここで基板は特に指定せず、ダイヤモンド以外でも良いが、基板はSiもしくはダイヤモンドが望ましい。また、ダイヤモンド基板の場合、多結晶でも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが望ましい。特に、ダイヤモンドの突起部分は単結晶が望ましい。   Here, the substrate is not particularly specified and may be other than diamond, but the substrate is preferably Si or diamond. In the case of a diamond substrate, polycrystal may be used, but single crystal diamond is preferable from the viewpoint of doping control, crystal defects, electron emission characteristics, and the like. In particular, the diamond protrusion is preferably a single crystal.

また、図5に示すように、ダイヤモンド基板2にエッチングで突起10を作製した後にドーピングダイヤモンド11を成長させ、ドーピングダイヤモンドのエッチング以降は、上記と同様の工程をとれば、図5に示すように、ダイヤモンドの突起10の先端部付近のみドーピングされたダイヤモンド11とすることができるので、中間層により個々のエミッタの電子放出を制御することが可能になる。   Further, as shown in FIG. 5, if a projection 10 is formed on the diamond substrate 2 by etching and then a doped diamond 11 is grown, and after the etching of the doped diamond, the same steps as above are taken, as shown in FIG. Since the diamond 11 can be doped only in the vicinity of the tip of the diamond projection 10, the intermediate layer can control the electron emission of each emitter.

また、図6に示すように、ダイヤモンド基板2にエッチングで先端が先鋭な突起10を作製した後にドーピングダイヤモンド11を成長させ、例えばピラミッド状の突起を作成しても良い。これにより、より先鋭度が良く、エッチングの場合と比べて表面の結晶欠陥の少ないダイヤモンドエミッタを得ることが出来る。この場合、ドーピングダイヤモンドのエッチングによる突起形状形成工程を省略することができる。   Further, as shown in FIG. 6, after forming a projection 10 having a sharp tip by etching on the diamond substrate 2, a doping diamond 11 may be grown to create a pyramidal projection, for example. Thereby, it is possible to obtain a diamond emitter with better sharpness and less crystal defects on the surface as compared with etching. In this case, the protrusion shape forming step by etching of the doping diamond can be omitted.

本実施形態では絶縁層を形成する工程が、(1)絶縁層の成膜と、(2)レジストの塗布と、(3)突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回繰返して、絶縁層を形成しても良い。これは図7に示すように、1回で、突起形状のダイヤモンド1の高さと同じ程度の高さまで、絶縁層3を形成すると、絶縁層をエッチングする際、縦方向と共に突起形状の電子放出部(エミッタ)周辺の横方向にも同じ厚みだけ絶縁層がエッチングされて広がり、これがゲート電極の直径の拡大につながる。しかし、図8に示すように、絶縁層3を1回で、突起形状のダイヤモンド1の高さまで形成しないで、それより薄く絶縁層3を形成し、絶縁層を形成するごとにエミッタ周辺の絶縁層をエッチング除去することで、エミッタから絶縁層の端の部分までの距離を短く保ったまま絶縁膜厚を増加することが出来る。例えば単純計算では2回に分けて絶縁層を形成した場合、エミッタ先端とゲート電極の距離は1回で絶縁層を形成した場合の1/2になる。   In this embodiment, the step of forming the insulating layer includes (1) film formation of the insulating layer, (2) application of the resist, and (3) a series of steps of removing the insulating layer of the protruding diamond portion. The insulating layer may be formed repeatedly. As shown in FIG. 7, when the insulating layer 3 is formed up to the same height as the protrusion-shaped diamond 1 at one time, when the insulating layer is etched, the protrusion-shaped electron emission portion is formed along with the vertical direction. The insulating layer is etched and spread in the lateral direction around the (emitter) by the same thickness, which leads to an increase in the diameter of the gate electrode. However, as shown in FIG. 8, the insulating layer 3 is not formed to the height of the protrusion-shaped diamond 1 at a time, but the insulating layer 3 is formed thinner than that, and the insulation around the emitter is formed each time the insulating layer is formed. By etching away the layer, the insulating film thickness can be increased while keeping the distance from the emitter to the edge of the insulating layer short. For example, in a simple calculation, when the insulating layer is formed in two steps, the distance between the tip of the emitter and the gate electrode is ½ that in the case where the insulating layer is formed once.

このような方法で、電子放出部の突起の高さをz、突起先端とゲート電極の距離をd、ダイヤモンドとゲート電極の間の絶縁層の厚みをhとした場合、d<zかつd<hとすることができ、従来の電極形成技術と比べて絶縁層厚を大きくしてリーク電流と絶縁耐圧を高く保ったまま、エミッタとゲート電極の距離を短くすることが出来、電子放出の制御電圧を低く抑えることが出来る。望ましくは、本実施形態の電子源においてはd<z/2かつd<h/2であることが良い。   In such a method, when the height of the projection of the electron emission portion is z, the distance between the tip of the projection and the gate electrode is d, and the thickness of the insulating layer between the diamond and the gate electrode is h, d <z and d < h, and the distance between the emitter and the gate electrode can be shortened while keeping the leakage current and withstand voltage high by increasing the thickness of the insulating layer as compared with the conventional electrode formation technology, thereby controlling the electron emission. The voltage can be kept low. Desirably, d <z / 2 and d <h / 2 in the electron source of this embodiment.

また、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁膜の厚みが最大であることが好ましい。これは、複数回絶縁層を形成する場合、全ての膜厚を一定にすると、エミッタ周辺の窪み部分が埋まらず、最終的なゲート電極の形状が悪くなってしまうからである。最後の絶縁層の厚みを一番厚くすることによって、窪みが完全に埋まるため、エッジの平滑なゲート電極を作成することが出来る。   In the step of performing the insulating layer a plurality of times, it is preferable that the last formed insulating film has the maximum thickness. This is because in the case where the insulating layer is formed a plurality of times, if all the film thicknesses are made constant, the recessed portion around the emitter is not filled, and the shape of the final gate electrode is deteriorated. By making the last insulating layer the thickest, the recess is completely filled, so that a gate electrode having a smooth edge can be formed.

本実施形態のダイヤモンドは、任意のドーピングを行なうことが出来る。ホウ素ドープは水素終端表面の電子親和力が負であり、優れた電子放出特性が得られる。また、リンや硫黄などn型ドーピングを行なうことで、キャリアの電子密度が高く、電子放出障壁も小さいことからより優れた電子放出が知られている。n型ダイヤモンドの場合は、p型の水素終端ではキャリアが補償される問題があるため、酸素終端でも良い。これらは単独の不純物を用いても良いし、複数を同時にドーピングしても良い。ドーピングの形態は、CVDやイオン注入など任意の形態を用いることができる。   The diamond of this embodiment can be arbitrarily doped. Boron dope has a negative electron affinity on the hydrogen-terminated surface and provides excellent electron emission characteristics. Further, by performing n-type doping such as phosphorus and sulfur, electron emission of carriers is high and electron emission barrier is also small, so that more excellent electron emission is known. In the case of n-type diamond, there is a problem that carriers are compensated for at the p-type hydrogen termination, and therefore oxygen termination may be used. These may use a single impurity or may be doped at the same time. Arbitrary forms such as CVD and ion implantation can be used as the form of doping.

電極や絶縁層をエッチングする際のレジスト材料は、通常のフォトリソグラフィーに用いられる物で良い。この際、レジスト塗布後に露光と現像工程を加えて、ゲートなどの電極をパターニングしても良い。   The resist material used for etching the electrode and the insulating layer may be a material used in normal photolithography. At this time, exposure and development processes may be added after resist application to pattern electrodes such as gates.

また、望ましくはダイヤモンドは単結晶を用いる。単結晶であれば、特にCVDによってドーピングを行なう場合、不純物の混入量の制御も精度良く行なうことが出来る。一方、多結晶ダイヤモンドで電子源を作製しても良い。多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドより大面積の試料を得やすく、ホウ素ドープでは導電性の優れたウェハが得られている。また、多結晶でも配向制御が可能であり、例えば(111)配向した多結晶ダイヤモンド上にリンドープダイヤを部分的にエピタキシャル成長させるなど、様々な陰極を用いることができる。   Desirably, the diamond is a single crystal. In the case of a single crystal, particularly when doping is performed by CVD, the amount of impurities mixed in can be controlled with high accuracy. On the other hand, the electron source may be made of polycrystalline diamond. Polycrystalline diamond makes it easier to obtain a sample with a larger area than single-crystal diamond, and boron-doped wafers have excellent conductivity. Further, the orientation can be controlled even in a polycrystal, and various cathodes can be used, for example, a phosphorous doped diamond is partially epitaxially grown on a (111) oriented polycrystal diamond.

(実施例1)
高圧合成Ib(100)単結晶ダイヤモンド基板上に、マイクロ波プラズマCVDを用いてホウ素ドープダイヤモンドを形成した。水素(H)流量200sccm、メタン/水素(CH/H)濃度は6.0%、ジボラン/メタン(B/CH)濃度は167ppm、圧力5.3kPa、基板温度830℃、膜厚は5μmとした。次にホウ素ドープダイヤモンドの上に、スパッタ法でアルミニウム(Al)を成膜し、フォトリソグラフィーで直径3μmのドットを形成した。これをRIE法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量50sccm、CF/O濃度2%、圧力2Pa、RFパワー250Wとした。形成した突起の高さは3μmである。次にスパッタ法で酸化シリコンを3μm成膜し、その上に、Moを0.2μm成膜する。これに粘度30cpのレジストを4000rpmで30秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から3.0μmの距離に形成された。
(Example 1)
Boron-doped diamond was formed on a high-pressure synthetic Ib (100) single crystal diamond substrate using microwave plasma CVD. Hydrogen (H 2 ) flow rate 200 sccm, methane / hydrogen (CH 4 / H 2 ) concentration 6.0%, diborane / methane (B 2 H 6 / CH 4 ) concentration 167 ppm, pressure 5.3 kPa, substrate temperature 830 ° C. The film thickness was 5 μm. Next, an aluminum (Al) film was formed on the boron-doped diamond by sputtering, and dots having a diameter of 3 μm were formed by photolithography. This was etched by the RIE method to form a diamond having a protrusion shape. The reaction conditions were an oxygen flow rate of 50 sccm, a CF 4 / O 2 concentration of 2%, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 250 W. The height of the formed protrusion is 3 μm. Next, a silicon oxide film having a thickness of 3 μm is formed by sputtering, and a Mo film having a thickness of 0.2 μm is formed thereon. A resist with a viscosity of 30 cp is spin-coated at 4000 rpm for 30 seconds, and Mo and silicon oxide around the protrusion are etched with aqua regia and buffered hydrofluoric acid from the tip of the protrusion where the resist becomes thin. The electrode thus formed was formed at a distance of 3.0 μm from the tip of the protrusion.

(実施例2)
次にRIE法で高さ3μmの突起を形成するまでは実施例1と同様に行ったあと、スパッタ法で厚さ1.5μmの酸化シリコンを形成した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンをエッチングで除去した。有機溶剤でレジストを除去した後、第2の酸化シリコンを1.5μm成膜し、電極としてMoを0.2μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、王水と緩衝フッ酸でレジストが薄くなった突起先端のMoと酸化シリコンをエッチングした。これによって実施例1の高さz=3μmの突起と酸化シリコン膜厚h=3μm、d=3μmに対し、zとhは同じであるが、dが半分のd=1.5μmの距離にゲート電極を形成することができた。
(Example 2)
Next, the same process as in Example 1 was performed until a protrusion having a height of 3 μm was formed by RIE, and then a silicon oxide having a thickness of 1.5 μm was formed by sputtering. A resist was spin-coated on this, and silicon oxide around the protrusions was removed by etching with buffered hydrofluoric acid. After removing the resist with an organic solvent, a second silicon oxide film having a thickness of 1.5 μm was formed, and an Mo film having a thickness of 0.2 μm was formed as an electrode. A resist was spin-coated on this, and Mo and silicon oxide at the tip of the protrusions where the resist became thin with aqua regia and buffered hydrofluoric acid were etched. As a result, the height z = 3 μm and the silicon oxide film thickness h = 3 μm and d = 3 μm in Example 1 are the same as z and h, but the gate is at a distance d = 1.5 μm where d is half. An electrode could be formed.

(実施例3)
実施例1と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でNbを0.05μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のNbを除去した。次にこの上にPtを0.1μmスパッタし、同様にレジストをスピンコートして王水で突起先端のPtを除去して、中間層を完成させた。次に、第1の酸化シリコンを1μm形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第2の酸化シリコンを1μm形成した後、同様に除去し、さらに第3の酸化シリコンを1.5μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本実施形態の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例2では図9に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図10に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, after 2.5 μm of boron-doped diamond was formed by microwave plasma CVD and an emitter having a height of 3 μm was formed by RIE, Nb was 0.05 μm by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist, and Nb at the tip of the emitter was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, Pt was sputtered to 0.1 μm thereon, and similarly, a resist was spin-coated and Pt at the tip of the protrusion was removed with aqua regia to complete the intermediate layer. Next, 1 μm of a first silicon oxide was formed, a resist was spin-coated, and the silicon oxide around the protrusions was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, after forming 1 μm of second silicon oxide, it was removed in the same manner, and further 1.5 μm of third silicon oxide was formed, and 0.1 μm of Mo was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present embodiment, a gate electrode that allows an electron emission by concentrating an electric field in the vicinity of the protrusion can be formed. Further, in Example 2, as shown in FIG. 9, there was a case where the edge of the gate electrode was distorted in a part of the gate electrode, because the depression around the emitter was not filled, but in this example, As shown in FIG. 10, all the gate electrodes had smooth edges.

(実施例4)
実施例1と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でTaを0.05μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のTaを除去した。次にこの上にPtを0.1μmスパッタで成膜し、同様にレジストをスピンコートして王水で突起先端のPtを除去して、中間層を完成させた。次に、第1の酸化シリコンを1μm形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第2の酸化シリコンを1μm形成した後、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。さらに第3の酸化シリコンを1μm形成し、集束電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で交互に突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本実施形態の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極と、放出した電子を収束させる集束電極を形成することができ、従来より電子の取出し効率が向上した電子源を得ることができた。
Example 4
In the same manner as in Example 1, after 2.5 μm of boron-doped diamond was formed by microwave plasma CVD and an emitter having a height of 3 μm was formed by RIE, Ta was 0.05 μm by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist, and Ta at the tip of the emitter was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, Pt was formed thereon by sputtering with 0.1 μm, and similarly, a resist was spin-coated and Pt at the tip of the protrusion was removed with aqua regia to complete the intermediate layer. Next, 1 μm of a first silicon oxide was formed, a resist was spin-coated, and the silicon oxide around the protrusions was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, 1 μm of second silicon oxide was formed, and then 0.1 μm of Mo was formed as a gate electrode. Further, 3 μm of third silicon oxide was formed, and 0.1 μm of Mo was formed as a focusing electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed alternately with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present embodiment, a gate electrode that emits electrons by concentrating the electric field in the vicinity of the protrusion and a focusing electrode that converges the emitted electrons can be formed, and an electron source with improved electron extraction efficiency can be obtained. I was able to.

(実施例5)
高圧合成Ib(100)単結晶ダイヤモンド基板上に、スパッタ法でAlを成膜し、フォトリソグラフィーで直径3μmのドットを形成した。これをRIE法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量50sccm、CF/O濃度2%、圧力2Pa、RFパワー250Wとした。形成した突起の高さは3μmである。次にマイクロ波プラズマCVDを用いてリンドープダイヤモンドを形成する。H流量200sccm、CH/H濃度は0.05%、PH/CH濃度は10000ppm、圧力13.3kPa、基板温度870℃、膜厚は5μmとし、側面が(111)面で囲まれたピラミッド状の突起が形成された。
(Example 5)
An Al film was formed by sputtering on a high-pressure synthetic Ib (100) single crystal diamond substrate, and dots having a diameter of 3 μm were formed by photolithography. This was etched by the RIE method to form a diamond having a protrusion shape. The reaction conditions were an oxygen flow rate of 50 sccm, a CF 4 / O 2 concentration of 2%, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 250 W. The height of the formed protrusion is 3 μm. Next, phosphorus-doped diamond is formed using microwave plasma CVD. H 2 flow rate is 200 sccm, CH 4 / H 2 concentration is 0.05%, PH 3 / CH 4 concentration is 10,000 ppm, pressure is 13.3 kPa, substrate temperature is 870 ° C., film thickness is 5 μm, and the side is surrounded by (111) plane A pyramidal protrusion was formed.

次に、実施例3と同様に中間層を形成した後、実施例2と同様に酸化シリコン素を1.5μmずつ2回に分けて計3μm成膜し、Moを0.2μm成膜する。これに粘度30cpのレジストを4000rpmで30秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から1.5μmの距離に形成された。   Next, after forming an intermediate layer in the same manner as in Example 3, silicon oxide is divided into 1.5 μm portions each twice in the same manner as in Example 2 to form a total film thickness of 3 μm, and Mo is formed in a thickness of 0.2 μm. A resist with a viscosity of 30 cp is spin-coated at 4000 rpm for 30 seconds, and Mo and silicon oxide around the protrusion are etched with aqua regia and buffered hydrofluoric acid from the tip of the protrusion where the resist becomes thin. The electrode thus formed was formed at a distance of 1.5 μm from the tip of the protrusion.

以上説明したように、本実施形態の方法で電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層・電極層を形成することができると共に、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子よりエミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。このような電界放射型電子源は、進行波管やクライストロンなどのマイクロ波管、高周波増幅素子やSEMや電子線露光機などの電子ビーム機器、FEDなどの発光素子などの性能を向上させることができる。   As described above, the insulating layer / electrode layer can be formed on diamond having excellent properties as an electron emission material by the method of the present embodiment, and closer to the emitter tip than the conventionally produced diamond electron emission element. A gate electrode can be formed, and excellent electron emission characteristics can be obtained. Such a field emission type electron source can improve the performance of microwave tubes such as traveling wave tubes and klystrons, high-frequency amplification elements, electron beam equipment such as SEMs and electron beam exposure machines, and light-emitting elements such as FEDs. it can.

また、本実施形態を包含する発明の電界放射型電子源は、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層を有し、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングされていることを特徴とする。   Further, the field emission electron source of the invention including this embodiment includes a projection-shaped electron emission portion, an intermediate layer formed between the projections and on the projection side surface except for the projection tip by ohmic contact with the electron emission portion, and an anode A field emission electron source having an electrode and a gate electrode, having an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and an electron emission portion selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon It is characterized by being doped with one or more elements as impurities.

また、本実施形態を包含する発明の他の形態の電界放射型電子源は、突起起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極と、集束電極とを備えた電界放射型電子源であって、陰極とゲート電極とを隔てる絶縁層を有し、電子放出部が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングされていることを特徴とする。   In addition, a field emission electron source according to another aspect of the invention including the present embodiment is formed on a protrusion-protruding electron emission portion, between the protrusions except for the protrusion tip, and on the protrusion side surfaces in ohmic contact with the electron emission portion. A field emission electron source having an intermediate layer, an anode electrode, a gate electrode, and a focusing electrode, and having an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and the electron emission portion is made of boron, nitrogen, phosphorus And doped with one or more elements selected from the group consisting of sulfur, lithium and silicon as impurities.

前記中間層の少なくとも表面は、フッ酸で溶けない導電性材料からなることは好ましい。また、前記電子放出部は、単結晶であることが好ましく、前記電子放出部が、基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドであることが更に好ましい。また、前記基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、もしくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドであることが好ましい。   It is preferable that at least the surface of the intermediate layer is made of a conductive material that does not dissolve in hydrofluoric acid. The electron emission part is preferably a single crystal, and the electron emission part is more preferably doped diamond formed on a substrate by a vapor phase synthesis method. The substrate is preferably single crystal diamond synthesized at high temperature and high pressure or non-doped diamond synthesized by a vapor phase synthesis method.

更に、前記電子放出部の高さをz、電子放出部の突起の先端とゲート電極との距離をd、絶縁層である酸化シリコンの厚みをhとして、d<zかつd<hであることが好ましく、前記z、d、hが、d<z/2かつd<h/2であることが更に好ましい。   Furthermore, d <z and d <h, where z is the height of the electron emission portion, d is the distance between the tip of the projection of the electron emission portion and the gate electrode, and h is the thickness of the silicon oxide that is the insulating layer. And z, d and h are more preferably d <z / 2 and d <h / 2.

また、本実施形態を包含する発明の電界放射型電子源の製造方法は、突起形状の電子放出部と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する工程とを含む。   A method for manufacturing a field emission electron source according to the invention including the present embodiment is a method for manufacturing a field emission electron source including a protruding electron emission portion, an anode electrode, and a gate electrode. A step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon on the substrate, and at least a doped diamond by etching. A step of forming a protrusion shape, a step of forming an insulating layer, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, a step of applying a resist on the gate electrode, and a gate electrode of a diamond portion having a protrusion shape by etching And a step of removing the insulating layer.

あるいは、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極を備えた電界放射型電子源であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、前記基板上に中間層を形成する工程と、絶縁層として酸化シリコンを形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する工程とを含む電界放射型電子源の製造方法である。   Alternatively, it is a field emission electron source including a protrusion-shaped electron emission portion, an intermediate layer formed between the protrusion and the protrusion side surface except for the protrusion tip by ohmic contact with the electron emission portion, an anode electrode, and a gate electrode. A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as impurities on the substrate, and at least by etching A step of forming a doped diamond into a protrusion shape, a step of forming an intermediate layer on the substrate, a step of forming silicon oxide as an insulating layer, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, A step of applying a resist to the substrate, and a step of removing the gate electrode and the insulating layer of the diamond-shaped protrusion by etching. A method of manufacturing a field emission electron source comprising.

あるいは、突起形状の電子放出部と、該電子放出部とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層と、アノード電極と、ゲート電極、集束電極とを備えた電界放射型電子源であって、基板を準備する工程と、基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にする工程と、前記基板上に中間層を形成する工程と、第1の絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上に第2の絶縁層を形成する工程と、第2の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第1と第2の絶縁層を除去する工程とを含む電界放射型電子源の製造方法である。   Alternatively, a field emission type including a projection-shaped electron emission portion, an intermediate layer formed between the projection and the side surface of the projection except for the tip of the projection by ohmic contact with the electron emission portion, an anode electrode, a gate electrode, and a focusing electrode An electron source, a step of preparing a substrate, and a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as impurities on the substrate; A step of forming at least doping diamond by etching, a step of forming an intermediate layer on the substrate, a step of forming a first insulating layer, a step of forming a gate electrode on the insulating layer, Forming a second insulating layer on the gate electrode; forming a focusing electrode on the second insulating layer; and applying a resist on the focusing electrode That process and a method of manufacturing a field emission electron source comprising a step of removing the focusing electrode and the gate electrode and the first diamond portion of the projection shape by etching the second insulating layer.

前記基板は、ダイヤモンド基板であることが好ましく、前記基板が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより該ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。また、前記基板が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドを形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。   The substrate is preferably a diamond substrate, and the substrate is a diamond substrate, and preferably includes a step of forming a protrusion shape on the diamond substrate by etching before the step of forming the doped diamond. Further, it is preferable that the substrate is a diamond substrate, and after forming the protrusion shape, doping diamond is formed and the subsequent protrusion shape forming step is not included.

また、前記絶縁層を形成する工程が、絶縁層を形成し、絶縁層の上にレジストを塗布し、突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回行うことが好ましい。更に、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁層の厚みが最大であることは好ましい。   In addition, it is preferable that the step of forming the insulating layer is performed a plurality of times as a series of steps of forming the insulating layer, applying a resist on the insulating layer, and removing the insulating layer of the protruding diamond portion. Furthermore, in the step of performing the insulating layer a plurality of times, it is preferable that the last formed insulating layer has a maximum thickness.

また、中間層を形成する工程では、レジストを塗布して中間層から突起形状のダイヤモンドの少なくとも突起先端を露出させる工程を含めても良い。また、この際に露光を行なって、中間層のパターニングを行なっても良い。   Further, the step of forming the intermediate layer may include a step of applying a resist to expose at least the protrusion tip of the protrusion-shaped diamond from the intermediate layer. At this time, exposure may be performed to pattern the intermediate layer.

以上説明した本実施形態を包含する発明によれば、電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層と電極層を形成することができると共に、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子よりエミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。   According to the invention including the present embodiment described above, an insulating layer and an electrode layer can be formed on diamond having excellent properties as an electron emitting material, and the emitter tip can be formed more than a conventionally produced diamond electron emitting device. A gate electrode can be formed in the vicinity, and excellent electron emission characteristics can be obtained.

(第2実施形態)
以下、図面を参照しつつ、電界放射型冷陰極及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, preferred embodiments of a field emission cold cathode and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

図11は、電界放射型冷陰極の一実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極301は、Spindt型のものであり、陰極310(陰極310をカソード電極として用いてもよい)、金属炭化物層311、絶縁層15、及びゲート電極16を備える。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing an embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 301 is of the Spindt type, and includes a cathode 310 (the cathode 310 may be used as a cathode electrode), a metal carbide layer 311, an insulating layer 15, and a gate electrode 16.

陰極310は、炭素を主成分とする材料からなり、導電性を有する。陰極310の材料としては、例えば、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等を用いることができる。また、例えば炭素を主成分とする材料にドーピングを施すことにより、陰極310に導電性を持たせることができる。ダイヤモンドを陰極310の材料として用いる場合であれば、ホウ素、窒素、リン、硫黄、及びリチウム等のうち、いずれか一つ又は複数を組み合わせたものをドーパントとすることができる。あるいは、ドーピングによらずに、ダイヤモンド表面を水素終端することによって、ダイヤモンドに導電性を付与してもよい。また、陰極310は、その表面の一部領域に円錐状の突出部310a(電子放出部)が形成された構造をしている。この突出部310aの先端は尖鋭な形状をしており、この先端から電子が電界放射される。一方、陰極310の表面のうち、突出部310aが形成されていない領域は、平坦な形状をしている。   The cathode 310 is made of a material whose main component is carbon and has conductivity. As the material of the cathode 310, for example, single crystal diamond, polycrystalline diamond, or the like can be used. For example, the cathode 310 can be made conductive by doping a material containing carbon as a main component. When diamond is used as the material of the cathode 310, any one or a combination of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and the like can be used as the dopant. Alternatively, conductivity may be imparted to diamond by hydrogen-termination of the diamond surface regardless of doping. The cathode 310 has a structure in which a conical protrusion 310a (electron emitting portion) is formed in a partial region of the surface. The tip of the protrusion 310a has a sharp shape, and electrons are emitted from the tip from the electric field. On the other hand, the area | region where the protrusion part 310a is not formed among the surfaces of the cathode 310 has a flat shape.

陰極310の平坦部分には、金属炭化物層311が積層されている。金属炭化物層311の一部は開口部311aとなっており、この開口部311aが陰極310の突出部310aを包囲している。金属炭化物層311は、例えばスパッタ法などにより形成することができる。また、金属炭化物層311の金属は、IVa〜VIa族に属する金属である。金属炭化物層311としては、例えば、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、及び炭化タングステン等を用いることができる。   A metal carbide layer 311 is laminated on the flat portion of the cathode 310. A part of the metal carbide layer 311 is an opening 311 a, and the opening 311 a surrounds the protrusion 310 a of the cathode 310. The metal carbide layer 311 can be formed by sputtering, for example. The metal of the metal carbide layer 311 is a metal belonging to groups IVa to VIa. As the metal carbide layer 311, for example, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, niobium carbide, tantalum carbide, chromium carbide, molybdenum carbide, tungsten carbide, or the like can be used.

金属炭化物層311上には、絶縁層15が積層されている。絶縁層15の一部は開口部15aとなっており、この開口部15aが突出部310aを包囲している。この絶縁層15は、陰極310とゲート電極16との間の電位差を確保するためのものである。絶縁層15は、例えば、スパッタ法及びCVD法等により形成することができる。また、絶縁層15としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、及び弗化アルミニウム等を用いることができる。   An insulating layer 15 is laminated on the metal carbide layer 311. A part of the insulating layer 15 is an opening 15a, and the opening 15a surrounds the protrusion 310a. The insulating layer 15 is for ensuring a potential difference between the cathode 310 and the gate electrode 16. The insulating layer 15 can be formed by, for example, a sputtering method or a CVD method. As the insulating layer 15, for example, silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, aluminum fluoride, etc. Can be used.

絶縁層15上には、ゲート電極16が積層されている。ゲート電極16の一部は開口部16aとなっており、この開口部16aの絶縁層15側の入口付近に突出部310aの先端が位置している。このゲート電極16は陰極310との間に電圧を印加するための電極である。この電圧により突出部310aの先端部分に電界が発生し、その先端部分から電子が電界放射される。ゲート電極16は、例えばスパッタ法等により形成することができる。また、ゲート電極16としては、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、及びニオブ等の高融点金属、或いはモリブデンシリサイド等の高融点シリサイドを用いることが好ましい。   A gate electrode 16 is stacked on the insulating layer 15. A part of the gate electrode 16 is an opening 16a, and the tip of the protrusion 310a is located near the entrance of the opening 16a on the insulating layer 15 side. The gate electrode 16 is an electrode for applying a voltage between the cathode 310. This voltage generates an electric field at the tip of the protrusion 310a, and electrons are emitted from the tip. The gate electrode 16 can be formed by sputtering, for example. The gate electrode 16 is preferably made of, for example, a refractory metal such as molybdenum, tungsten, tantalum, or niobium, or a refractory silicide such as molybdenum silicide.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極301においては、陰極310と絶縁層15との間に金属炭化物層311が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層311との密着性も良い。また、金属炭化物層311の金属はIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属炭化物層311と絶縁層15との密着性が良い。以上より、絶縁層15を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310及び絶縁層15間、すなわち陰極310−金属炭化物層311間及び金属炭化物層311−絶縁層15間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極301が実現されている。   In the field emission cold cathode 301 according to the present embodiment, a metal carbide layer 311 is provided between the cathode 310 and the insulating layer 15. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 mainly composed of carbon and the metal carbide layer 311 is also good. Further, the metal of the metal carbide layer 311 is chemically active because it belongs to groups IVa to VIa, and the adhesion between the metal carbide layer 311 and the insulating layer 15 is good. From the above, as compared with the case where the insulating layer 15 is directly laminated on the cathode 310, peeling is caused between the cathode 310 and the insulating layer 15, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 311 and between the metal carbide layer 311 and the insulating layer 15. Hard to occur. For this reason, the field emission type cold cathode 301 having high reliability and long operating life is realized.

また、金属炭化物層311として、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、又は炭化タングステンを用いた場合、これらの炭化物における金属は絶縁層15との密着性に特に優れるため、陰極310及び絶縁層15間において剥離がより発生しにくくなる。なお、金属炭化物層311として炭化アルミニウムを用いることもできるが、炭化アルミニウムは水によって分解されたり、真空中において2000℃で昇華したりするため、金属炭化物層311が陰極310から剥離してしまう可能性がある。よって、金属炭化物層311の材料としては、炭化チタン等の上記の材料を用いることが好適である。   When titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, niobium carbide, tantalum carbide, chromium carbide, molybdenum carbide, or tungsten carbide is used as the metal carbide layer 311, the metal in these carbides is the insulating layer 15. In particular, the adhesion between the cathode 310 and the insulating layer 15 is less likely to occur. Although aluminum carbide can be used as the metal carbide layer 311, the aluminum carbide is decomposed by water or sublimated at 2000 ° C. in a vacuum, so that the metal carbide layer 311 may be separated from the cathode 310. There is sex. Therefore, as the material of the metal carbide layer 311, it is preferable to use the above materials such as titanium carbide.

また、陰極310として、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドを用いた場合、これらの材料は炭素系材料の中でも特に小さい電界で電子を放射するため、電界放射型冷陰極301の動作電圧を低くすることができる。   Further, when single crystal diamond or polycrystalline diamond is used as the cathode 310, these materials emit electrons with a particularly small electric field among carbon-based materials, so that the operating voltage of the field emission cold cathode 301 is lowered. Can do.

また、絶縁層15として、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムを用いた場合、これらの絶縁体は金属炭化物層311との密着性に優れるため、陰極310及び絶縁層15間において剥離がより発生しにくくなる。また、これらの絶縁体は耐電圧性も高いため、絶縁層15として好適に機能する。   When the insulating layer 15 is made of silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, or aluminum fluoride These insulators are excellent in adhesion to the metal carbide layer 311, so that peeling between the cathode 310 and the insulating layer 15 is less likely to occur. In addition, since these insulators have high voltage resistance, they function as the insulating layer 15 suitably.

図12は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極302は、図11のものと同様に、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層21、絶縁層15、及びゲート電極16が順に積層された構造をしている。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission type cold cathode 302 is a Spindt type as in FIG. 11 and has a structure in which the cathode 310, the metal carbide layer 21, the insulating layer 15, and the gate electrode 16 are sequentially laminated.

金属炭化物層21は、その一部が開口部21aとなっている点は図11の金属炭化物層311と同様である。また、金属炭化物層21の熱膨張係数は、陰極310の熱膨張係数と絶縁層15の熱膨張係数の間の値をとる。例えば、陰極310、金属炭化物層21、及び絶縁層15として、リンがドーピングされたn型電気伝導のダイヤモンド、炭化チタン、及び弗化カルシウムをそれぞれ用いることができる。この場合、ダイヤモンド及び弗化カルシウムの熱膨張係数がそれぞれ1×10−6/℃、20×10−6/℃であるのに対して、炭化チタンの熱膨張係数は7.4×10−6/℃とこれらの間の値である。なお、炭化チタンからなる金属炭化物層21の形成は、上記のダイヤモンドの突出部310a以外の部分に炭化チタンをスパッタしても良いし、チタンを200℃以上に加熱しながら蒸着するなどよっても行うことができる。 The metal carbide layer 21 is the same as the metal carbide layer 311 in FIG. 11 in that a part of the metal carbide layer 21 is an opening 21a. Further, the thermal expansion coefficient of the metal carbide layer 21 takes a value between the thermal expansion coefficient of the cathode 310 and the thermal expansion coefficient of the insulating layer 15. For example, as the cathode 310, the metal carbide layer 21, and the insulating layer 15, n-type conductive diamond doped with phosphorus, titanium carbide, and calcium fluoride can be used, respectively. In this case, the thermal expansion coefficients of diamond and calcium fluoride are 1 × 10 −6 / ° C. and 20 × 10 −6 / ° C., respectively, whereas the thermal expansion coefficient of titanium carbide is 7.4 × 10 −6. / ° C and values between them. The formation of the metal carbide layer 21 made of titanium carbide may be performed by sputtering titanium carbide on a portion other than the above-described diamond protrusion 310a, or by vapor deposition while heating titanium to 200 ° C. or higher. be able to.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極302においては、陰極310と絶縁層15との間に金属炭化物層21が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層21との密着性も良い。また、金属炭化物層21の熱膨張係数は陰極310の熱膨張係数と絶縁層15の熱膨張係数との間の値をとっている。これにより、絶縁層15−金属炭化物層21間及び陰極310−金属炭化物層21間それぞれの熱膨張係数差は、絶縁層15及び陰極310間の熱膨張係数差よりも小さい。このため、絶縁層15−金属炭化物層21間及び陰極310−金属炭化物層21間のそれぞれに冷陰極の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層15を陰極310上に直接設ける場合に絶縁層15−陰極310間に加わる応力に比して小さくなる。   In the field emission cold cathode 302 according to the present embodiment, the metal carbide layer 21 is provided between the cathode 310 and the insulating layer 15. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 mainly composed of carbon and the metal carbide layer 21 is also good. In addition, the thermal expansion coefficient of the metal carbide layer 21 takes a value between the thermal expansion coefficient of the cathode 310 and the thermal expansion coefficient of the insulating layer 15. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 15 and the metal carbide layer 21 and between the cathode 310 and the metal carbide layer 21 is smaller than the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 15 and the cathode 310. For this reason, the stress applied with the temperature change of the cold cathode between the insulating layer 15 and the metal carbide layer 21 and between the cathode 310 and the metal carbide layer 21 is caused when the insulating layer 15 is provided directly on the cathode 310. It becomes smaller than the stress applied between 15 and the cathode 310.

以上のように、金属炭化物層21は、陰極310との密着性が良く、且つ陰極310及び絶縁層15間の熱膨張係数差を緩和する。その結果、絶縁層15を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層15との間、すなわち陰極310−金属炭化物層21間及び金属炭化物層21−絶縁層15間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極302が実現されている。   As described above, the metal carbide layer 21 has good adhesion to the cathode 310 and relaxes the difference in thermal expansion coefficient between the cathode 310 and the insulating layer 15. As a result, as compared with the case where the insulating layer 15 is directly laminated on the cathode 310, between the cathode 310 and the insulating layer 15, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 21 and between the metal carbide layer 21 and the insulating layer 15. Peeling hardly occurs. For this reason, the field emission type cold cathode 302 having high reliability and long operating life is realized.

図13は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極303は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属層32、絶縁層15、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31が積層され、さらに金属炭化物層31上に金属層32が積層されている。また、金属層32上には、絶縁層15及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 303 is of the Spindt type, and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal layer 32, an insulating layer 15, and a gate electrode 16. A metal carbide layer 31 is stacked on the cathode 310, and a metal layer 32 is stacked on the metal carbide layer 31. An insulating layer 15 and a gate electrode 16 are sequentially stacked on the metal layer 32.

金属炭化物層31の一部は、突出部310aを包囲する開口部31aとなっている。この金属炭化物層31としては、図11の金属炭化物層311と同様にIVa〜VIa族に属する金属の炭化物、又は図12の金属炭化物層21と同様に熱膨張係数が陰極310及び絶縁層15の間の値をもつ金属炭化物を用いることが好ましいが、これらの金属炭化物を用いることは必須ではない。   A part of the metal carbide layer 31 is an opening 31a surrounding the protrusion 310a. As the metal carbide layer 31, the metal carbide belonging to groups IVa to VIa as in the metal carbide layer 311 in FIG. 11 or the thermal expansion coefficient of the cathode 310 and the insulating layer 15 as in the metal carbide layer 21 in FIG. Although it is preferable to use metal carbide having a value between, it is not essential to use these metal carbides.

金属層32は、IVa〜VIa族に属する金属の薄膜からなる層であり、その一部が突出部310aを包囲する開口部32aとなっている。例えば、陰極310、金属炭化物層31、金属層32、及び絶縁層15として、ダイヤモンド、炭化にオブ、ニオブ、及び弗化カルシウムをそれぞれ用いることができる。   The metal layer 32 is a layer made of a thin film of a metal belonging to groups IVa to VIa, and a part of the metal layer 32 serves as an opening 32a surrounding the protrusion 310a. For example, as the cathode 310, the metal carbide layer 31, the metal layer 32, and the insulating layer 15, diamond, carbonization, ob, niobium, and calcium fluoride can be used, respectively.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極303においては、陰極310と絶縁層15との間に、陰極310側から順に金属炭化物層31及び金属層32が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層31との密着性も良い。また、金属層32の金属はIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層32−金属炭化物層31間の密着性及び金属層32−絶縁層15間の密着性はともに良い。以上より、絶縁層15を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層15との間、すなわち陰極310−金属炭化物層31間、金属炭化物層31−金属層32間、及び金属層32間−絶縁層15間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極303が実現されている。   In the field emission cold cathode 303 according to this embodiment, a metal carbide layer 31 and a metal layer 32 are provided between the cathode 310 and the insulating layer 15 in this order from the cathode 310 side. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 containing carbon as a main component and the metal carbide layer 31 is also good. Moreover, since the metal of the metal layer 32 is a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active. Thereby, both the adhesion between the metal layer 32 and the metal carbide layer 31 and the adhesion between the metal layer 32 and the insulating layer 15 are good. From the above, as compared with the case where the insulating layer 15 is directly laminated on the cathode 310, between the cathode 310 and the insulating layer 15, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 31, between the metal carbide layer 31 and the metal layer 32, In addition, separation between the metal layer 32 and the insulating layer 15 hardly occurs. For this reason, the field emission type cold cathode 303 having high reliability and long operating life is realized.

また、金属層32を設けることにより、これを陰極310上の配線として用いることができる。なお、金属層32をこのように配線として用いない場合には、金属層32の厚さは、10nm以下であることが望ましい。このように金属層32の厚さを10nm以下としても、各層間の密着力を増加する上で充分である。また、金属層32を薄くする分、絶縁層を厚くすることができるので、陰極310とゲート電極16との間における良好な絶縁性を保つことができる。   Further, by providing the metal layer 32, it can be used as a wiring on the cathode 310. When the metal layer 32 is not used as a wiring in this way, the thickness of the metal layer 32 is desirably 10 nm or less. Thus, even if the thickness of the metal layer 32 is 10 nm or less, it is sufficient to increase the adhesion between the layers. Further, since the insulating layer can be made thicker as the metal layer 32 is made thinner, good insulation between the cathode 310 and the gate electrode 16 can be maintained.

また、金属炭化物層31として炭化ニオブを用い、金属層32としてニオブを用いた場合、これらの金属が同一であるため、金属炭化物層31及び金属層32間の密着性がより良くなる。   Further, when niobium carbide is used as the metal carbide layer 31 and niobium is used as the metal layer 32, since these metals are the same, the adhesion between the metal carbide layer 31 and the metal layer 32 is improved.

図14は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極304は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属酸化物層44、絶縁層45、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31が積層され、さらに金属炭化物層31上に金属酸化物層44が積層されている。また、金属酸化物層44上には、絶縁層45及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 304 is of the Spindt type, and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal oxide layer 44, an insulating layer 45, and the gate electrode 16. A metal carbide layer 31 is laminated on the cathode 310, and a metal oxide layer 44 is further laminated on the metal carbide layer 31. An insulating layer 45 and a gate electrode 16 are sequentially stacked on the metal oxide layer 44.

金属酸化物層44の一部は突出部310aを包囲する開口部44aとなっている。また、金属酸化物層44の金属は、金属炭化物層31の金属と同一である。例えば金属炭化物層31として炭化ニオブを用いる場合、金属酸化物層44としては酸化ニオブを用いる。また、金属酸化物層44としては、酸化ニオブの他に、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、及び酸化アルミニウム等が用いられる。   A part of the metal oxide layer 44 serves as an opening 44a surrounding the protrusion 310a. The metal of the metal oxide layer 44 is the same as the metal of the metal carbide layer 31. For example, when niobium carbide is used as the metal carbide layer 31, niobium oxide is used as the metal oxide layer 44. In addition to niobium oxide, the metal oxide layer 44 includes titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, and oxide. Zinc, aluminum oxide and the like are used.

絶縁層45は、酸化シリコン等の酸化物絶縁体からなり、図11の絶縁層15と同様にその一部が突出部310aを包囲する開口部45aとなっている。   The insulating layer 45 is made of an oxide insulator such as silicon oxide, and a part of the insulating layer 45 is an opening 45a surrounding the protruding portion 310a, as in the insulating layer 15 of FIG.

この電界放射型冷陰極304においては、陰極310と絶縁層45との間に、陰極310側から順に金属炭化物層31、及び金属酸化物層44が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層31との密着性も良い。また、金属炭化物層31の金属と金属酸化物層44の金属とは同一である。このため、金属炭化物層31と金属酸化物層44との密着性が良い。さらに、絶縁層45の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層44と絶縁層45との密着性も良い。以上より、絶縁層45を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層45との間、すなわち陰極310−金属炭化物層31間、金属炭化物層31−金属酸化物層44間、及び金属酸化物層44間−絶縁層45間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極304が実現されている。   In this field emission type cold cathode 304, a metal carbide layer 31 and a metal oxide layer 44 are provided between the cathode 310 and the insulating layer 45 in order from the cathode 310 side. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 containing carbon as a main component and the metal carbide layer 31 is also good. The metal of the metal carbide layer 31 and the metal of the metal oxide layer 44 are the same. For this reason, the adhesion between the metal carbide layer 31 and the metal oxide layer 44 is good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer 45 is an oxide, the adhesion between the metal oxide layer 44 and the insulating layer 45 which are also oxides is good. As described above, as compared with the case where the insulating layer 45 is directly laminated on the cathode 310, between the cathode 310 and the insulating layer 45, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 31, and between the metal carbide layer 31 and the metal oxide layer 44. Peeling hardly occurs between the metal oxide layer 44 and the insulating layer 45. Therefore, a field emission cold cathode 304 having a high reliability and a long operation life is realized.

また、金属酸化物層44として、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムを用いた場合、これらの金属酸化物は特に金属炭化物及び酸化物絶縁体の両者との密着性に優れるため、金属炭化物層31−金属酸化物層44間、及び金属酸化物層44及び絶縁層45間の密着性がより良くなる。   Further, as the metal oxide layer 44, titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, zinc oxide, or oxide When aluminum is used, these metal oxides are particularly excellent in adhesion to both the metal carbide and the oxide insulator, and therefore between the metal carbide layer 31 and the metal oxide layer 44 and between the metal oxide layer 44 and the insulation. The adhesion between the layers 45 becomes better.

図15は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極305は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属窒化物層54、絶縁層55、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31が積層され、さらに金属炭化物層31上に金属窒化物層54が積層されている。また、金属窒化物層54上には、絶縁層55及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 305 is of the Spindt type and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal nitride layer 54, an insulating layer 55, and the gate electrode 16. A metal carbide layer 31 is stacked on the cathode 310, and a metal nitride layer 54 is further stacked on the metal carbide layer 31. In addition, an insulating layer 55 and a gate electrode 16 are sequentially stacked on the metal nitride layer 54.

金属窒化物層54の一部は突出部310aを包囲する開口部54aとなっている。また、金属窒化物層54の金属は、金属炭化物層31の金属と同一である。例えば金属炭化物層31として炭化チタンを用いる場合、金属窒化物層54としては窒化チタンを用いる。また、金属窒化物層54としては、窒化チタンの他に、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、及び窒化アルミニウム等が用いられる。   A part of the metal nitride layer 54 is an opening 54a surrounding the protrusion 310a. The metal of the metal nitride layer 54 is the same as the metal of the metal carbide layer 31. For example, when titanium carbide is used as the metal carbide layer 31, titanium nitride is used as the metal nitride layer 54. In addition to titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, aluminum nitride, or the like is used as the metal nitride layer 54.

絶縁層55は、窒化シリコン等の窒化物絶縁体からなり、図11の絶縁層15と同様にその一部が突出部310aを包囲する開口部55aとなっている。   The insulating layer 55 is made of a nitride insulator such as silicon nitride, and a part of the insulating layer 55 is an opening 55a surrounding the protruding portion 310a as in the insulating layer 15 of FIG.

この電界放射型冷陰極305においては、陰極310と絶縁層55との間に、陰極310側から順に金属炭化物層31、及び金属窒化物層54が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層31との密着性も良い。また、金属炭化物層31の金属と金属窒化物層54の金属とは同一である。このため、金属炭化物層31と金属窒化物層54との密着性が良い。さらに、絶縁層55の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層54と絶縁層55との密着性も良い。以上より、絶縁層55を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層55との間、すなわち陰極310−金属炭化物層31間、金属炭化物層31−金属窒化物層54間、及び金属窒化物層54間−絶縁層55間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極305が実現されている。   In the field emission cold cathode 305, a metal carbide layer 31 and a metal nitride layer 54 are provided between the cathode 310 and the insulating layer 55 in order from the cathode 310 side. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 containing carbon as a main component and the metal carbide layer 31 is also good. The metal of the metal carbide layer 31 and the metal of the metal nitride layer 54 are the same. For this reason, the adhesion between the metal carbide layer 31 and the metal nitride layer 54 is good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer 55 is nitride, the adhesion between the metal nitride layer 54 and the insulating layer 55, which are also nitrides, is good. As described above, as compared with the case where the insulating layer 55 is directly laminated on the cathode 310, it is between the cathode 310 and the insulating layer 55, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 31, and between the metal carbide layer 31 and the metal nitride layer 54. Peeling hardly occurs between the metal nitride layer 54 and the insulating layer 55. For this reason, the field emission type cold cathode 305 having high reliability and long operating life is realized.

また、金属窒化物層54として、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、又は窒化アルミニウムを用いた場合、これらの金属窒化物は特に金属炭化物及び窒化物絶縁体の両者との密着性に優れるため、金属炭化物層31−金属窒化物層54間、及び金属窒化物層54及び絶縁層55間の密着性がより良くなる。   When titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, or aluminum nitride is used as the metal nitride layer 54, these metal nitrides are In particular, since the adhesion between both the metal carbide and the nitride insulator is excellent, the adhesion between the metal carbide layer 31 and the metal nitride layer 54 and between the metal nitride layer 54 and the insulating layer 55 is improved.

図16は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極306は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属層62、金属酸化物層64、絶縁層65、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31、金属層62、金属酸化物層64、絶縁層65、及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 306 is of the Spindt type, and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal layer 62, a metal oxide layer 64, an insulating layer 65, and a gate electrode 16. On the cathode 310, the metal carbide layer 31, the metal layer 62, the metal oxide layer 64, the insulating layer 65, and the gate electrode 16 are laminated in this order.

金属層62は、図13の金属層32と同様に、IVa〜VIa族に属する金属の薄膜からなる層であり、その一部が突出部310aを包囲する開口部62aとなっている。また、金属酸化物層64の一部は、突出部310aを包囲する開口部64aとなっている。この金属酸化物層64の金属は、図14の金属酸化物層44とは異なり、金属炭化物層31の金属と同一である必要はない。また、絶縁層65は、図14の絶縁層45と同様に、酸化物絶縁体からなり、その一部が突出部310aを包囲する開口部65aとなっている。例えば、金属炭化物層31、金属層62、金属酸化物層64、及び絶縁層65として、それぞれ炭化チタン、チタン、酸化チタン、及び酸化シリコンを用いることができる。   Similarly to the metal layer 32 of FIG. 13, the metal layer 62 is a layer made of a thin film of a metal belonging to groups IVa to VIa, and a part of the metal layer 62 serves as an opening 62a surrounding the protrusion 310a. A part of the metal oxide layer 64 is an opening 64a surrounding the protrusion 310a. Unlike the metal oxide layer 44 of FIG. 14, the metal of the metal oxide layer 64 does not have to be the same as the metal of the metal carbide layer 31. In addition, the insulating layer 65 is made of an oxide insulator like the insulating layer 45 in FIG. 14, and a part of the insulating layer 65 is an opening 65a surrounding the protruding portion 310a. For example, titanium carbide, titanium, titanium oxide, and silicon oxide can be used as the metal carbide layer 31, the metal layer 62, the metal oxide layer 64, and the insulating layer 65, respectively.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極306においては、陰極310と絶縁層65との間に、陰極310側から順に金属炭化物層31、金属層62、及び金属酸化物層64が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層31との密着性も良い。また、金属層62の金属がIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層62−金属炭化物層31間の密着性及び金属層62−金属酸化物層64間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層65の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層64と絶縁層65との密着性も良い。以上より、絶縁層65を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層65との間、すなわち陰極310−金属炭化物層31間、金属炭化物層31−金属層62間、金属層62間−金属酸化物層64間、及び金属酸化物層64間−絶縁層65間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極306が実現されている。   In the field emission cold cathode 306 according to this embodiment, a metal carbide layer 31, a metal layer 62, and a metal oxide layer 64 are provided in this order from the cathode 310 side between the cathode 310 and the insulating layer 65. . In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 containing carbon as a main component and the metal carbide layer 31 is also good. Further, since the metal of the metal layer 62 is a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active, and the adhesion between the metal layer 62 and the metal carbide layer 31 and the adhesion between the metal layer 62 and the metal oxide layer 64 Both sexes are good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer 65 is an oxide, the adhesion between the metal oxide layer 64 and the insulating layer 65, which are also oxides, is good. From the above, as compared with the case where the insulating layer 65 is directly laminated on the cathode 310, between the cathode 310 and the insulating layer 65, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 31, between the metal carbide layer 31 and the metal layer 62, Separation hardly occurs between the metal layers 62 and between the metal oxide layers 64 and between the metal oxide layers 64 and between the insulating layers 65. For this reason, the field emission type cold cathode 306 having high reliability and long operating life is realized.

また、金属炭化物層31、金属層62、金属酸化物層64、及び絶縁層65として、それぞれ炭化ジルコニウム、ジルコニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化シリコンを用いる場合、ジルコニウムは化学的に活性であるため、陰極上にジルコニウムを直接形成するとき、例えば加熱しながら成膜するなどすれば両者の間に炭化ジルコニウム層が自然と形成される。同様に、ジルコニウム上に酸化シリコンを直接形成するときにも、両者の間に酸化ジルコニウム層が自然と形成される。このため、中間の化合物層を形成する工程を省くことができる。   Further, when zirconium carbide, zirconium, zirconium oxide, and silicon oxide are used as the metal carbide layer 31, the metal layer 62, the metal oxide layer 64, and the insulating layer 65, respectively, since zirconium is chemically active, the cathode When zirconium is directly formed thereon, for example, if a film is formed while heating, a zirconium carbide layer is naturally formed between the two. Similarly, when silicon oxide is directly formed on zirconium, a zirconium oxide layer is naturally formed between the two. For this reason, the process of forming an intermediate compound layer can be omitted.

図17は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極307は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属層62、金属窒化物層74、絶縁層75、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31、金属層62、金属窒化物層74、絶縁層75、及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 17 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 307 is of the Spindt type and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal layer 62, a metal nitride layer 74, an insulating layer 75, and the gate electrode 16. On the cathode 310, the metal carbide layer 31, the metal layer 62, the metal nitride layer 74, the insulating layer 75, and the gate electrode 16 are laminated in this order.

金属窒化物層74の一部は、突出部310aを包囲する開口部74aとなっている。この金属窒化物層74の金属は、図15の金属窒化物層54とは異なり、金属炭化物層31の金属と同一である必要はない。また、絶縁層75は、図15の絶縁層55と同様に、窒化物絶縁体からなり、その一部が突出部310aを包囲する開口部75aとなっている。   A part of the metal nitride layer 74 serves as an opening 74a surrounding the protrusion 310a. Unlike the metal nitride layer 54 of FIG. 15, the metal of the metal nitride layer 74 does not have to be the same as the metal of the metal carbide layer 31. In addition, the insulating layer 75 is made of a nitride insulator like the insulating layer 55 in FIG. 15, and a part of the insulating layer 75 is an opening 75a surrounding the protruding portion 310a.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極307においては、陰極310と絶縁層75との間に、陰極310側から順に金属炭化物層31、金属層62、及び金属窒化物層74が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極310と金属炭化物層31との密着性も良い。また、金属層62の金属がIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層62−金属炭化物層31間の密着性及び金属層62−金属窒化物層74間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層75の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層74と絶縁層75との密着性も良い。以上より、絶縁層75を陰極310上に直接積層する場合に比して、陰極310と絶縁層75との間、すなわち陰極310−金属炭化物層31間、金属炭化物層31−金属層62間、金属層62間−金属窒化物層74間、及び金属窒化物層74間−絶縁層75間において剥離が発生しにくい。このため、信頼性が高く且つ動作寿命が長い電界放射型冷陰極307が実現されている。   In the field emission cold cathode 307 according to the present embodiment, the metal carbide layer 31, the metal layer 62, and the metal nitride layer 74 are provided in this order from the cathode 310 side between the cathode 310 and the insulating layer 75. . In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode 310 containing carbon as a main component and the metal carbide layer 31 is also good. In addition, since the metal of the metal layer 62 is a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active, and the adhesion between the metal layer 62 and the metal carbide layer 31 and the adhesion between the metal layer 62 and the metal nitride layer 74. Both sexes are good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer 75 is nitride, the adhesion between the metal nitride layer 74 and the insulating layer 75 which are also nitrides is good. As described above, as compared with the case where the insulating layer 75 is directly laminated on the cathode 310, between the cathode 310 and the insulating layer 75, that is, between the cathode 310 and the metal carbide layer 31, between the metal carbide layer 31 and the metal layer 62, Separation hardly occurs between the metal layers 62 and the metal nitride layers 74 and between the metal nitride layers 74 and the insulating layer 75. For this reason, the field emission type cold cathode 307 having high reliability and long operating life is realized.

図18は、電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。電界放射型冷陰極308は、Spindt型のものであり、陰極310、金属炭化物層31、金属層82、金属酸化物層64、絶縁層65、及びゲート電極16を備える。陰極310上に金属炭化物層31、金属層82、金属酸化物層64、絶縁層65、及びゲート電極16が順に積層されている。   FIG. 18 is a cross-sectional view showing another embodiment of a field emission cold cathode. The field emission cold cathode 308 is of the Spindt type, and includes a cathode 310, a metal carbide layer 31, a metal layer 82, a metal oxide layer 64, an insulating layer 65, and the gate electrode 16. On the cathode 310, the metal carbide layer 31, the metal layer 82, the metal oxide layer 64, the insulating layer 65, and the gate electrode 16 are laminated in this order.

金属層82の一部は、突出部310aを包囲する開口部82aとなっている。また、金属層82は、2種類のIVa〜VIa族に属する金属83a,83bの薄膜が積層されてなる。例えば、金属炭化物層31側のIVa〜VIa族に属する金属83aとしてタンタルを用い、金属酸化物層64側のIVa〜VIa族に属する金属83bとしてアルミを用いることができる。   A part of the metal layer 82 is an opening 82a surrounding the protrusion 310a. The metal layer 82 is formed by laminating thin films of two types of metals 83a and 83b belonging to groups IVa to VIa. For example, tantalum can be used as the metal 83a belonging to the IVa to VIa group on the metal carbide layer 31 side, and aluminum can be used as the metal 83b belonging to the IVa to VIa group on the metal oxide layer 64 side.

本実施形態に係る電界放射型冷陰極308においては、IVa〜VIa族に属する金属83a,83b間で強固な接合面が形成される。また、2種類の金属を積層して金属層82を形成しているため、金属層82を挟む2つの層(ここでは金属炭化物層31及び金属酸化物層64)のそれぞれに対して異なる種類の金属が密着することになる。したがって、例えば、金属炭化物層31及び金属酸化物層64がそれぞれ炭化タンタル及び酸化アルミニウムである場合、金属炭化物層31側にタンタルを、金属酸化物層64側にアルミを配置することによって、金属層82−金属炭化物層31間及び金属層82−金属酸化物層64間の密着性をともに向上させることができる。なお、本実施形態においては、金属酸化物層64及び絶縁層65の代わりに、それぞれ金属窒化物層74及び絶縁層75を用いてもよい。   In the field emission cold cathode 308 according to the present embodiment, a strong bonding surface is formed between the metals 83a and 83b belonging to groups IVa to VIa. In addition, since the metal layer 82 is formed by stacking two kinds of metals, different types of the two layers (here, the metal carbide layer 31 and the metal oxide layer 64) sandwiching the metal layer 82 are used. The metal will adhere. Therefore, for example, when the metal carbide layer 31 and the metal oxide layer 64 are tantalum carbide and aluminum oxide, respectively, tantalum is disposed on the metal carbide layer 31 side and aluminum is disposed on the metal oxide layer 64 side, whereby the metal layer The adhesion between the 82 and the metal carbide layer 31 and between the metal layer 82 and the metal oxide layer 64 can be improved. In the present embodiment, a metal nitride layer 74 and an insulating layer 75 may be used instead of the metal oxide layer 64 and the insulating layer 65, respectively.

上記電界放射型冷陰極は、上述した実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各実施形態においてはSpindt型の冷陰極を示したが、平面型の冷陰極を用いてもよい。図19は、平面型冷陰極の一例として、表面全体が平坦な陰極90上に、図11と同様の金属炭化物層311、絶縁層15、及びゲート電極16が順に積層された構造のものを示している。また、金属層としては、1種又は2種の金属からなるものを示したが、3種以上の金属からなるものであってもよい。   The field emission cold cathode is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, in each embodiment, a Spindt-type cold cathode is shown, but a flat-type cold cathode may be used. FIG. 19 shows an example of a planar cold cathode having a structure in which a metal carbide layer 311, an insulating layer 15, and a gate electrode 16 similar to those in FIG. 11 are sequentially laminated on a cathode 90 having a flat entire surface. ing. Moreover, although the thing which consists of 1 type or 2 types of metals was shown as a metal layer, you may consist of 3 or more types of metals.

また、本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層は、IVa〜VIa族に属する金属を含有していることを特徴とする。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode mainly composed of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, an insulating layer provided on the metal carbide layer, and an insulating material. And a metal carbide layer containing a metal belonging to groups IVa to VIa.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に金属炭化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属はIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属炭化物層と絶縁層との密着性が良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、及び金属炭化物層−絶縁層間のことである。   In this field emission type cold cathode, a metal carbide layer is provided between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. Moreover, since the metal of the metal carbide layer is a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active and the adhesion between the metal carbide layer and the insulating layer is good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In the present invention, the term “between the cathode and the insulating layer” specifically means a cathode-metal carbide layer and a metal carbide layer-insulation layer.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVa〜VIa族に属する金属からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode mainly composed of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal layer provided on the metal carbide layer, and a metal layer. And a gate electrode provided on the insulating layer, and the metal layer may be made of a metal belonging to groups IVa to VIa.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層及び金属層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属はIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−絶縁層間の密着性はともに良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、及び金属層間−絶縁層間のことである。   In this field emission cold cathode, a metal carbide layer and a metal layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. Further, the metal of the metal layer is chemically active because it belongs to groups IVa to VIa. Thereby, both the adhesion between the metal layer and the metal carbide layer and the adhesion between the metal layer and the insulating layer are good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In the invention including this embodiment, the term “between the cathode and the insulating layer” specifically refers to the cathode-metal carbide layer, the metal carbide layer-metal layer, and the metal layer-insulation layer.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属酸化物層と、金属酸化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層と金属酸化物層とは、同一の金属を含有しており、絶縁層は、酸化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode composed mainly of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal oxide layer provided on the metal carbide layer, and a metal. An insulating layer provided on the oxide layer, and a gate electrode provided on the insulating layer, wherein the metal carbide layer and the metal oxide layer contain the same metal, It may be characterized by comprising an oxide insulator.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、及び金属酸化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属と金属酸化物層の金属とは同一である。このため、金属炭化物層と金属酸化物層との密着性が良い。さらに、絶縁層の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属酸化物層間、及び金属酸化物層間−絶縁層間のことである。   In this field emission cold cathode, a metal carbide layer and a metal oxide layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. The metal of the metal carbide layer and the metal of the metal oxide layer are the same. For this reason, the adhesiveness of a metal carbide layer and a metal oxide layer is good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer is an oxide, the adhesion between the metal oxide layer, which is also an oxide, and the insulating layer is good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In the invention including the present embodiment, between the cathode and the insulating layer is specifically between the cathode and the metal carbide layer, between the metal carbide layer and the metal oxide layer, and between the metal oxide layer and the insulating layer. It is.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属窒化物層と、金属窒化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属炭化物層と金属窒化物層とは、同一の金属を含有しており、絶縁層は、窒化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode composed mainly of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal nitride layer provided on the metal carbide layer, and a metal. An insulating layer provided on the nitride layer, and a gate electrode provided on the insulating layer, wherein the metal carbide layer and the metal nitride layer contain the same metal, It may be characterized by comprising a nitride insulator.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、及び金属窒化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属炭化物層の金属と金属窒化物層の金属とは同一である。このため、金属炭化物層と金属窒化物層との密着性が良い。さらに、絶縁層の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属窒化物層間、及び金属窒化物層間−絶縁層間のことである。   In this field emission type cold cathode, a metal carbide layer and a metal nitride layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. The metal of the metal carbide layer and the metal of the metal nitride layer are the same. For this reason, the adhesion between the metal carbide layer and the metal nitride layer is good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer is a nitride, the adhesion between the metal nitride layer, which is also a nitride, and the insulating layer is good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In the invention including this embodiment, the space between the cathode and the insulating layer is specifically between the cathode and the metal carbide layer, the metal carbide layer and the metal nitride layer, and the metal nitride layer and the insulating layer. It is.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた金属酸化物層と、金属酸化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVa〜VIa族に属する金属からなり、絶縁層は、酸化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode mainly composed of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal layer provided on the metal carbide layer, and a metal layer. A metal oxide layer, an insulating layer provided on the metal oxide layer, and a gate electrode provided on the insulating layer, wherein the metal layer is made of a metal belonging to groups IVa to VIa. The insulating layer may be made of an oxide insulator.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、金属層、及び金属酸化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属がIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性であり、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−金属酸化物層間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層の絶縁体が酸化物であるため、同じく酸化物である金属酸化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、金属層間−金属酸化物層間、及び金属酸化物層間−絶縁層間のことである。   In this field emission type cold cathode, a metal carbide layer, a metal layer, and a metal oxide layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. Further, since the metal of the metal layer is a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active, and both the adhesion between the metal layer and the metal carbide layer and the adhesion between the metal layer and the metal oxide layer are good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer is an oxide, the adhesion between the metal oxide layer, which is also an oxide, and the insulating layer is good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In addition, in the invention including this embodiment, between the cathode and the insulating layer, specifically, the cathode-metal carbide layer, the metal carbide layer-metal layer, the metal layer-metal oxide layer, and the metal oxide Interlayer-insulation layer.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられ、酸化アルミニウムからなる絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVa〜VIa族に属する金属からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode mainly composed of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal layer provided on the metal carbide layer, and a metal layer. And an insulating layer made of aluminum oxide and a gate electrode provided on the insulating layer, and the metal layer may be made of a metal belonging to groups IVa to VIa.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層及び金属層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属はIVa〜VIa族に属する金属であるため化学的に活性である。これにより、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−絶縁層間の密着性はともに良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。   In this field emission cold cathode, a metal carbide layer and a metal layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. Further, the metal of the metal layer is chemically active because it belongs to groups IVa to VIa. Thereby, both the adhesion between the metal layer and the metal carbide layer and the adhesion between the metal layer and the insulating layer are good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、陰極上に設けられた金属炭化物層と、金属炭化物層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられた金属窒化物層と、金属窒化物層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、金属層は、IVa〜VIa族に属する金属からなり、絶縁層は、窒化物絶縁体からなることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment includes a cathode mainly composed of carbon, a metal carbide layer provided on the cathode, a metal layer provided on the metal carbide layer, and a metal layer. A metal nitride layer, an insulating layer provided on the metal nitride layer, and a gate electrode provided on the insulating layer, and the metal layer is made of a metal belonging to groups IVa to VIa. The insulating layer may be made of a nitride insulator.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に、陰極側から順に金属炭化物層、金属層、及び金属窒化物層が設けられている。この場合、炭素系材料と金属炭化物との密着性が良いため、炭素を主成分とする陰極と金属炭化物層との密着性も良い。また、金属層の金属がIVa〜VIa族に属する金属からなるため化学的に活性であり、金属層−金属炭化物層間の密着性及び金属層−金属窒化物層間の密着性がともに良い。さらに、絶縁層の絶縁体が窒化物であるため、同じく窒化物である金属窒化物層と絶縁層との密着性も良い。以上より、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−金属炭化物層間、金属炭化物層−金属層間、金属層間−金属窒化物層間、及び金属窒化物層間−絶縁層間のことである。   In this field emission cold cathode, a metal carbide layer, a metal layer, and a metal nitride layer are provided in this order from the cathode side between the cathode and the insulating layer. In this case, since the adhesion between the carbon-based material and the metal carbide is good, the adhesion between the cathode mainly composed of carbon and the metal carbide layer is also good. Further, since the metal of the metal layer is made of a metal belonging to groups IVa to VIa, it is chemically active, and both the adhesion between the metal layer and the metal carbide layer and the adhesion between the metal layer and the metal nitride layer are good. Furthermore, since the insulator of the insulating layer is a nitride, the adhesion between the metal nitride layer, which is also a nitride, and the insulating layer is good. As described above, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to the conventional field emission cold cathode. In addition, in the invention including this embodiment, between the cathode and the insulating layer, specifically, the cathode-metal carbide layer, the metal carbide layer-metal layer, the metal layer-metal nitride layer, and the metal nitride Interlayer-insulation layer.

本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極は、炭素を主成分とする陰極と、絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極と、陰極と絶縁層との間に設けられ、金属炭化物層、金属酸化物層、金属窒化物層、及び金属層からなる群から選ばれる一以上の層により構成される中間層と、を備え、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極及び絶縁層の熱膨張係数の間の値であることを特徴としてもよい。   The field emission cold cathode according to the invention including this embodiment is provided between a cathode mainly composed of carbon, an insulating layer, a gate electrode provided on the insulating layer, and the cathode and the insulating layer. An intermediate layer composed of one or more layers selected from the group consisting of a metal carbide layer, a metal oxide layer, a metal nitride layer, and a metal layer, and heat of at least one of the layers constituting the intermediate layer The expansion coefficient may be a value between the thermal expansion coefficients of the cathode and the insulating layer.

この電界放射型冷陰極においては、陰極と絶縁層との間に中間層が設けられている。また、中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数は陰極の熱膨張係数と絶縁層の熱膨張係数との間の値をとっている。これにより、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層との間それぞれの熱膨張係数差は、絶縁層及び陰極間の熱膨張係数差よりも小さい。このため、絶縁層と中間層との間、及び陰極と中間層とのそれぞれに冷陰極の温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層を陰極上に直接設ける場合に絶縁層と陰極との間に加わる応力に比して小さくなる。   In this field emission type cold cathode, an intermediate layer is provided between the cathode and the insulating layer. The thermal expansion coefficient of at least one of the layers constituting the intermediate layer takes a value between the thermal expansion coefficient of the cathode and the thermal expansion coefficient of the insulating layer. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the intermediate layer and between the cathode and the intermediate layer is smaller than the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the cathode. For this reason, stress applied between the insulating layer and the intermediate layer and the temperature change of the cold cathode on each of the cathode and the intermediate layer is caused between the insulating layer and the cathode when the insulating layer is provided directly on the cathode. It becomes smaller than the stress applied to.

以上のように、中間層は、陰極と絶縁層との間の熱膨張係数差を緩和する。その結果、従来の電界放射型冷陰極に比して、陰極と絶縁層との間において剥離が発生しにくい。なお、本実施形態を包含する発明において陰極と絶縁層との間とは、具体的には、陰極−中間層間、及び金属炭化物層−中間層間のことである。   As described above, the intermediate layer relaxes the difference in thermal expansion coefficient between the cathode and the insulating layer. As a result, peeling is less likely to occur between the cathode and the insulating layer as compared to conventional field emission cold cathodes. In addition, in the invention including this embodiment, between the cathode and the insulating layer is specifically between the cathode and the intermediate layer and between the metal carbide layer and the intermediate layer.

金属酸化物層は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。   The metal oxide layer is any of titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, zinc oxide, or aluminum oxide. It is preferable to consist of these.

金属窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、又は窒化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。   The metal nitride layer is preferably made of any one of titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, or aluminum nitride.

金属炭化物層は、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン、又は炭化タングステンのいずれかからなることが好適である。   The metal carbide layer is preferably made of any of titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, niobium carbide, tantalum carbide, chromium carbide, molybdenum carbide, or tungsten carbide.

陰極は、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドのいずれかからなることが好適である。この場合、特に低い動作電圧で電子を引き出すことが可能となる。   The cathode is preferably made of either single crystal diamond or polycrystalline diamond. In this case, electrons can be extracted with a particularly low operating voltage.

絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好適である。この場合、耐電圧が耐電圧が特に高い絶縁層が実現される。   The insulating layer may be made of any of silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, or aluminum fluoride. Is preferred. In this case, an insulating layer having a particularly high withstand voltage is realized.

また、本実施形態を包含する発明による電界放射型冷陰極の製造方法は、炭素を主成分とする陰極を準備する工程と、陰極上に金属膜を加熱しながら堆積し、陰極と金属膜との界面に金属炭化物層を形成する工程と、金属膜上に絶縁層を堆積し、金属膜と絶縁層との界面に化合物層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。   In addition, the method of manufacturing a field emission cold cathode according to the invention including the present embodiment includes a step of preparing a cathode mainly composed of carbon, depositing a metal film on the cathode while heating, And a step of depositing an insulating layer on the metal film and forming a compound layer at the interface between the metal film and the insulating layer.

この製造方法によれば、陰極上に加熱しながら金属膜を形成する際に、陰極と金属膜との界面に金属炭化物層が形成される。このため、金属炭化物層を形成する工程を省くことができる。また、金属膜上に絶縁層を堆積する際に、金属膜と絶縁層との界面に化合物層が形成される。このため、化合物層を形成する工程も省くことができる。   According to this manufacturing method, when the metal film is formed on the cathode while heating, the metal carbide layer is formed at the interface between the cathode and the metal film. For this reason, the process of forming a metal carbide layer can be omitted. In addition, when an insulating layer is deposited on the metal film, a compound layer is formed at the interface between the metal film and the insulating layer. For this reason, the process of forming a compound layer can also be omitted.

上記電界放射型冷陰極においては、陰極の材料として炭素系材料を用いているにもかかわらず、陰極と絶縁層との間で剥離が発生しにくい。このため、大電力、高電流密度であっても、寿命の長い電界放射型冷陰極、及びその製造方法が実現される。   In the field emission type cold cathode, peeling is unlikely to occur between the cathode and the insulating layer, although a carbon-based material is used as the cathode material. Therefore, a field emission cold cathode having a long life and a method for manufacturing the same can be realized even with high power and high current density.

電子線の取出しには、従来から熱電子放出が用いられているが、近年では電界放射型冷陰極を用いた電界電子放出が利用されることが多くなりつつある。電界放射型冷陰極によれば、少ない消費電力で大きな電流密度の電子線を取り出すことが可能である。   Thermal electron emission has been conventionally used for extraction of an electron beam, but in recent years, field electron emission using a field emission type cold cathode has been increasingly used. According to the field emission type cold cathode, it is possible to take out an electron beam having a large current density with low power consumption.

従来の電界放射型冷陰極としては、例えば、図20に示すように、陰極100、絶縁層101、及び引出し電極102(ゲート電極)が順に積層された構造のものがある(特許文献2)。この電界放射型冷陰極においては、陰極と引出し電極との間に電圧を印加することにより、陰極から電子が電界放射される。   As a conventional field emission type cold cathode, for example, as shown in FIG. 20, there is a structure in which a cathode 100, an insulating layer 101, and an extraction electrode 102 (gate electrode) are sequentially laminated (Patent Document 2). In this field emission type cold cathode, electrons are emitted from the cathode by applying a voltage between the cathode and the extraction electrode.

ところで、陰極の材料としては、タングステンやモリブデン等の耐熱金属が従来から用いられてきた。しかし、低い電子電圧で高密度の電子線電流を得ようとする場合には、LaB等の低仕事関数材料を用いることが望ましい。低仕事関数材料の中でも、負性電子親和力を有するダイヤモンドは、陰極の材料として特に有望である。また、高アスペクト比で先鋭な構造をもつカーボンナノチューブ等の炭素系材料も、陰極の材料として注目を集めている。 By the way, refractory metals such as tungsten and molybdenum have been conventionally used as a material for the cathode. However, in order to obtain a high-density electron beam current at a low electron voltage, we are desirable to use a low work function material such as LaB 6. Among low work function materials, diamond having negative electron affinity is particularly promising as a cathode material. In addition, carbon-based materials such as carbon nanotubes having a sharp structure with a high aspect ratio are attracting attention as cathode materials.

しかしながら、炭素系材料は、絶縁層として一般に用いられる酸化物との密着性が悪いという問題がある。絶縁層として窒化物或いは弗化物が用いた場合であっても、やはり炭素系材料と絶縁層との密着性は良くない。   However, the carbon-based material has a problem of poor adhesion with an oxide generally used as an insulating layer. Even when nitride or fluoride is used as the insulating layer, the adhesion between the carbon-based material and the insulating layer is still not good.

また、電界放射型冷陰極においては、熱電子放出型陰極と異なり加熱は不要であるが、放射される高電流密度の電子によって発熱が起こる。したがって、発熱に基づく冷陰極の温度変化によって、陰極と絶縁層との間には、熱膨張係数の差に応じた大きさの応力が加わることになる。実際、冷陰極の温度は数百度以上にまで達することがある。特に、近年では冷陰極の微細化に伴って、発熱密度が益々上昇してきている。それゆえ、陰極及び絶縁層の密着の良悪し、及び両者の熱膨張係数差の大小如何によっては、両者間に剥離が発生してしまうという問題がある。   In addition, unlike the thermionic emission cathode, the field emission type cold cathode does not require heating, but heat is generated by the emitted high current density electrons. Therefore, due to the temperature change of the cold cathode due to heat generation, a stress having a magnitude corresponding to the difference in thermal expansion coefficient is applied between the cathode and the insulating layer. In fact, the temperature of the cold cathode can reach several hundred degrees or more. Particularly, in recent years, the heat generation density has been increasing with the miniaturization of the cold cathode. Therefore, there is a problem that peeling occurs between the cathode and the insulating layer depending on whether the adhesion between the cathode and the insulating layer is good or not and the difference in thermal expansion coefficient between them.

本実施形態を包含する発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、陰極の材料として炭素系材料を用いた場合であっても、陰極と絶縁層との間で剥離が発生しにくい電界放射型冷陰極及びその製造方法を提供することを目的とする。   The invention including this embodiment has been made in view of such circumstances, and even when a carbon-based material is used as a cathode material, an electric field in which separation between the cathode and the insulating layer hardly occurs. An object is to provide a radiation-type cold cathode and a method of manufacturing the same.

(第3実施形態)
図21は、第3実施形態の電界放射型電子源2aを模式的に示す断面図である。電界放射型電子源2aは、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部1を有する陰極1aと、ゲート電極4と、陰極1aとゲート電極4とを隔てる絶縁層3と、アノード電極5とを備える。陰極1aと絶縁層3との間の少なくとも一部には、中間層6が設けられている。中間層6は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む。電子放出部1には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされている。
(Third embodiment)
FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing a field emission type electron source 2a of the third embodiment. The field emission electron source 2a includes a cathode 1a having a protruding electron emission portion 1 containing diamond as a material, a gate electrode 4, an insulating layer 3 separating the cathode 1a and the gate electrode 4, and an anode electrode 5. Prepare. An intermediate layer 6 is provided at least partially between the cathode 1 a and the insulating layer 3. The intermediate layer 6 includes a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium, a carbide layer made of a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon, and a group IVa to VIa. And at least one nitride layer made of nitride of transition metal, aluminum or silicon. The electron emission portion 1 is doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities.

本実施形態では、図21に示されるように、中間層6は複数の層6a,6bを有している。層6a,6bは、互いに独立に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及び、IVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうちいずれか一つであるとすることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 21, the intermediate layer 6 has a plurality of layers 6a and 6b. Layers 6a and 6b are independently of each other a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium, a carbide layer made of a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon, And a nitride layer made of a transition metal of group IVa to VIa, a nitride of aluminum or silicon.

かかる構成を有する電界放射型電子源2aでは、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極1aとして、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層3の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。   In the field emission type electron source 2a having such a configuration, high quality diamond having a sharp tip is used as the cathode 1a, and individual emitters can be easily controlled, insulation breakdown and peeling of the insulating layer 3 are unlikely to occur, and leakage current is small. .

炭素系材料と絶縁層との密着性は良くないが、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンからなる層、上記炭化物層及び上記窒化物層は、炭素系材料との密着性が良い。特にIVa〜VIa族の遷移金属は化学的に活性であるため炭素系材料との密着性が良く、IVa〜VIa族の遷移金属の炭化物は炭素系材料との密着性が更に良い。したがって、上述の中間層6と絶縁層3との密着性は良好であり、この中間層6を入れることによって陰極1aと絶縁層3との間において剥離が発生しにくい。また、電子放出部1の材料であるダイヤモンドの熱伝導率は他の材料のそれに比べて高い。よって、上記電界放射型電子源2aが動作中に発熱しても電子放出部1から効率的に放熱されるので、熱応力の発生による剥離を防ぐことが出来る。   The adhesion between the carbon-based material and the insulating layer is not good, but the layer made of a IVa to VIa group transition metal or silicon, the carbide layer, and the nitride layer have good adhesion with the carbon-based material. In particular, IVa to VIa group transition metals are chemically active and therefore have good adhesion to carbon-based materials, and IVa to VIa group transition metal carbides have better adhesion to carbon-based materials. Therefore, the adhesion between the above-described intermediate layer 6 and the insulating layer 3 is good, and peeling between the cathode 1a and the insulating layer 3 is less likely to occur when this intermediate layer 6 is inserted. In addition, the thermal conductivity of diamond, which is the material of the electron emission portion 1, is higher than that of other materials. Therefore, even if the field emission type electron source 2a generates heat during operation, heat is efficiently radiated from the electron emission portion 1, so that peeling due to generation of thermal stress can be prevented.

また、IVa〜VIa族の遷移金属としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン等が挙げられる。特に、IVa〜VIa族の遷移金属がタンタル、ニオブなど高融点金属であると好ましい。   Examples of the IVa to VIa group transition metals include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, and tungsten. In particular, the transition metal of group IVa to VIa is preferably a refractory metal such as tantalum or niobium.

また、中間層6は、絶縁層3側に金属酸化物層を更に含み、絶縁層3が酸化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層6が窒化物層を含み、絶縁層3が窒化物を材料として含むことが好ましい。また、中間層6は、絶縁層3側に金属弗化物層を更に含み、絶縁層3が弗化物を材料として含むことが好ましい。   The intermediate layer 6 preferably further includes a metal oxide layer on the insulating layer 3 side, and the insulating layer 3 preferably includes an oxide as a material. Moreover, it is preferable that the intermediate layer 6 includes a nitride layer and the insulating layer 3 includes a nitride as a material. The intermediate layer 6 preferably further includes a metal fluoride layer on the insulating layer 3 side, and the insulating layer 3 preferably includes fluoride as a material.

これらの場合、絶縁層3と中間層6とが同一元素を含むので、中間層6と絶縁層3との密着性も改善する。また、中間層6が二層以上の場合には、密着性を向上させる観点から、中間層6を構成する複数の層6a,6bが同一の遷移金属又はシリコンを含むことが好ましい。例えば、絶縁層3が酸化物からなる場合、中間層6が炭化タンタル層6a及び炭化タンタル層6a上に設けられた酸化タンタル層6bからなることが好ましい。   In these cases, since the insulating layer 3 and the intermediate layer 6 contain the same element, the adhesion between the intermediate layer 6 and the insulating layer 3 is also improved. Moreover, when the intermediate layer 6 is two or more layers, it is preferable that the several layers 6a and 6b which comprise the intermediate layer 6 contain the same transition metal or silicon from a viewpoint of improving adhesiveness. For example, when the insulating layer 3 is made of an oxide, the intermediate layer 6 is preferably made of a tantalum carbide layer 6a and a tantalum oxide layer 6b provided on the tantalum carbide layer 6a.

図22(a)は、別の実施形態の電界放射型電子源200aを模式的に示す平面図であり、図22(b)は、図22(a)のX−X矢印に沿った断面図である。電界放射型電子源200aは、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部1を有する陰極1aと、ゲート電極4と、陰極1aとゲート電極4とを隔てる絶縁層3と、アノード電極5とを備える。陰極1aと絶縁層3との間の少なくとも一部には、中間層6が設けられている。電子放出部1には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされている。   FIG. 22A is a plan view schematically showing a field emission electron source 200a of another embodiment, and FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. It is. The field emission electron source 200a includes a cathode 1a having a projecting electron emission portion 1 containing diamond as a material, a gate electrode 4, an insulating layer 3 separating the cathode 1a and the gate electrode 4, and an anode electrode 5. Prepare. An intermediate layer 6 is provided at least partially between the cathode 1 a and the insulating layer 3. The electron emission portion 1 is doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities.

本実施形態では、図22(a)及び図22(b)に示されるように、中間層6が電子放出部1とオーミックコンタクトし、配線として機能することが好ましい。さらに、中間層6が、電子放出部1とオーミックコンタクトしている配線部分219と、電子放出部1と直接接続されていない接着部分218とに分離されていることが好ましい。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 22A and 22B, the intermediate layer 6 is preferably in ohmic contact with the electron emission portion 1 and functions as a wiring. Furthermore, the intermediate layer 6 is preferably separated into a wiring portion 219 that is in ohmic contact with the electron emission portion 1 and an adhesive portion 218 that is not directly connected to the electron emission portion 1.

中間層6は導電性を持つものが多く、配線として用いることも出来る反面、電気的な分離をすることが出来なくなる。従来のFEDで用いられるX−Y配線などでは、配線のみを基板2と絶縁層3との間に設置してきた。しかし、本発明では、例えば、より密着性を向上させる観点から、配線部分219とは分離して配置され、絶縁層3との密着性を向上させる接着部分218が設けられている。中間層6がこのようにパターニングされているので、各電子放出部1の個別制御を可能にしつつ、接着部分218の面積を広くすることができ、激しい発熱などが起こっても密着性を維持することが出来る。なお、より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンドからなる電子放出部1の表面にアルゴンイオンを注入することにより、電子放出部1をグラファイト化してもよい。   The intermediate layer 6 is often conductive and can be used as a wiring, but it cannot be electrically separated. In the XY wiring or the like used in the conventional FED, only the wiring has been installed between the substrate 2 and the insulating layer 3. However, in the present invention, for example, from the viewpoint of improving the adhesion, an adhesive portion 218 that is disposed separately from the wiring portion 219 and improves the adhesion with the insulating layer 3 is provided. Since the intermediate layer 6 is patterned in this manner, the area of the bonding portion 218 can be increased while enabling individual control of each electron emitting portion 1, and adhesion is maintained even if severe heat generation occurs. I can do it. In order to obtain better ohmic contact, the electron emission portion 1 may be graphitized by implanting argon ions into the surface of the electron emission portion 1 made of diamond.

また、中間層6は、複数の層6a,6bを有している。層6a,6bは、互いに独立に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及び、IVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうちいずれか一つであるとすることができる。   The intermediate layer 6 includes a plurality of layers 6a and 6b. Layers 6a and 6b are independently of each other a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium, a carbide layer made of a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon, And a nitride layer made of a transition metal of group IVa to VIa, a nitride of aluminum or silicon.

かかる構成を有する電界放射型電子源200aでは、鋭い先端を有する高品質なダイヤモンドを陰極1aとして、個々のエミッタを容易に制御でき、絶縁破壊や絶縁層3の剥離を起こしにくく、リーク電流も少ない。   In the field emission electron source 200a having such a configuration, high quality diamond having a sharp tip is used as the cathode 1a, individual emitters can be easily controlled, insulation breakdown and peeling of the insulating layer 3 are unlikely to occur, and leakage current is small. .

また、中間層6を構成する層6a,6bのうち少なくとも一層の熱膨張係数が、陰極1a及び絶縁層3の熱膨張係数の間の値であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the thermal expansion coefficient of at least one layer of the layers 6 a and 6 b constituting the intermediate layer 6 is a value between the thermal expansion coefficients of the cathode 1 a and the insulating layer 3.

これにより、絶縁層3と中間層6との間、及び陰極1aと中間層6との間のそれぞれの熱膨張係数の差は、絶縁層3と陰極1aとの間の熱膨張係数の差より小さくなる。したがって、電界放射型電子源2a,200aの温度変化に伴って加わる応力は、絶縁層3を陰極1a上に直接設ける場合に比べて緩和されている。このため、中間層が無い電界放射型電子源に比して剥離が発生しにくい。   Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 3 and the intermediate layer 6 and between the cathode 1a and the intermediate layer 6 is greater than the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 3 and the cathode 1a. Get smaller. Therefore, the stress applied with the temperature change of the field emission electron sources 2a and 200a is relaxed compared to the case where the insulating layer 3 is provided directly on the cathode 1a. For this reason, peeling is less likely to occur compared to a field emission electron source having no intermediate layer.

また、金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。   The metal oxide layer is made of titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, zinc oxide, or aluminum oxide. It is preferable to consist of either.

また、窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム、又は窒化シリコンのいずれかからなることが好ましい。   The nitride layer is preferably made of any one of titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, aluminum nitride, or silicon nitride.

また、絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることが好ましい。   The insulating layer is made of any of silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, or aluminum fluoride. It is preferable.

また、中間層6の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることが好ましい。この場合、中間層6がフッ酸に腐食されることを防止できる。具体的には、例えば、中間層6の表面が金、白金、モリブデン又はシリコン等によって被覆されていると好ましい。例えば、オーミックコンタクトを取る場合の中間層6は、ダイヤモンドの不純物の種類にもよるが、例えばチタン等からなる。チタン等はフッ酸に腐食されるので、電界放射型電子源を作製することは難しい。   Moreover, it is preferable that at least a part of the surface of the intermediate layer 6 is made of a conductive material that does not dissolve in hydrofluoric acid. In this case, the intermediate layer 6 can be prevented from being corroded by hydrofluoric acid. Specifically, for example, the surface of the intermediate layer 6 is preferably covered with gold, platinum, molybdenum, silicon, or the like. For example, when the ohmic contact is made, the intermediate layer 6 is made of, for example, titanium or the like, although depending on the type of impurities of diamond. Since titanium and the like are corroded by hydrofluoric acid, it is difficult to produce a field emission electron source.

また、中間層6が電子放出部1とオーミックコンタクトしている配線部分219を有し、配線部分219のうち、絶縁層3から露出し陰極1aと外部とを電気的に接続する部分219aの少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることが好ましい。   In addition, the intermediate layer 6 has a wiring portion 219 that is in ohmic contact with the electron emission portion 1, and of the wiring portion 219, at least a portion 219 a that is exposed from the insulating layer 3 and electrically connects the cathode 1 a and the outside. It is preferable that a part is coated with a chemically stable metal film.

化学的に安定な金属膜は、例えば金、白金、高融点のモリブデン、タングステン等からなる。さらに、化学的に安定な金属膜が、Au/Pt、Au/Mo、Au/Ni等の積層体であってもよい。   The chemically stable metal film is made of, for example, gold, platinum, molybdenum having a high melting point, tungsten, or the like. Further, the chemically stable metal film may be a laminate of Au / Pt, Au / Mo, Au / Ni, or the like.

また、中間層6に選ばれた遷移金属は一般的には腐食しやすい。しかし、絶縁層3との密着性に関係せず、陰極1aと外部とを電気的に接続する部分は中間層6と同一の材料からなる必要はない。作製工程を考えれば、中間層6の上に保護膜として働く安定な金属膜を被覆すれば、長時間、繰返し使用に対しても安定して動作する電界放射型電子源2a,200aを提供することが出来る。   Further, the transition metal selected for the intermediate layer 6 is generally easily corroded. However, regardless of the adhesion to the insulating layer 3, the portion that electrically connects the cathode 1 a and the outside need not be made of the same material as the intermediate layer 6. Considering the manufacturing process, it is possible to provide field emission electron sources 2a and 200a that operate stably for a long period of time when a stable metal film serving as a protective film is coated on the intermediate layer 6. I can do it.

また、電界放射型電子源2a,200aは、ゲート電極4上に設けられた別の絶縁層と、別の絶縁層上に設けられた集束電極とを更に備えることが好ましい。この集束電極によって、電子放出部1の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。   The field emission electron sources 2a and 200a preferably further include another insulating layer provided on the gate electrode 4 and a focusing electrode provided on another insulating layer. By this focusing electrode, the electrons emitted from the tip of the projection of the electron emission portion 1 proceed with good straightness without divergence.

また、電子放出部1が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。また、電子放出部1が、陰極1aを構成する基板2の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、基板2が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the electron emission part 1 contains a single crystal diamond as a material. In addition, the electron emission portion 1 includes, as a material, doping diamond formed by vapor phase synthesis on the substrate 2 constituting the cathode 1a, and the substrate 2 is single crystal diamond synthesized at high temperature and high pressure, or vapor phase synthesis. It is preferable to include as a material non-doped diamond synthesized by the method.

ここで、基板2の材料は特に限定されず、ダイヤモンド以外でも良いが、Siもしくはダイヤモンドであることが好ましい。また、基板2の材料がダイヤモンドの場合、当該材料は多結晶ダイヤモンドでも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが好ましい。特に、電子放出部1の材料は単結晶ダイヤモンドが好ましい。このようにすれば、結晶欠陥が少なく良好なドーピングをされたダイヤモンド表面が得られるため、低電圧で電流密度の高い高品質の電界放射型電子源2a,200aを得ることが出来る。   Here, the material of the substrate 2 is not particularly limited and may be other than diamond, but is preferably Si or diamond. When the material of the substrate 2 is diamond, the material may be polycrystalline diamond, but single crystal diamond is preferable from the viewpoint of control of doping, crystal defects, electron emission characteristics, and the like. In particular, the material of the electron emission portion 1 is preferably single crystal diamond. In this way, a diamond surface with good crystal doping with few crystal defects can be obtained, and therefore, high-quality field emission electron sources 2a and 200a with a low voltage and a high current density can be obtained.

また、電子放出部1の高さをz、電子放出部1の先端とゲート電極4との距離をd、絶縁層3の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすことが好ましい。さらに、z、d、hが、d<z/2かつd<h/2の条件を満たすことが好ましい。   Further, the condition of d <z and d <h is satisfied, where the height of the electron emission portion 1 is z, the distance between the tip of the electron emission portion 1 and the gate electrode 4 is d, and the thickness of the insulating layer 3 is h. preferable. Furthermore, it is preferable that z, d, and h satisfy the conditions of d <z / 2 and d <h / 2.

次に、本実施形態の電界放射型電子源の製造方法について説明する。例えば、図1に示される電界放射型電子源は、ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部1を有する陰極と、ゲート電極4と、アノード電極5とを備える。この電界放射型電子源は、例えば次のように製造される。基板2を準備する。基板2上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部1を形成する。陰極1a上に絶縁層3を形成する。絶縁層3の上にゲート電極4を形成する。ゲート電極4の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部1周辺のゲート電極4と絶縁層3とを除去する。   Next, the manufacturing method of the field emission type electron source of this embodiment is demonstrated. For example, the field emission electron source shown in FIG. 1 includes a cathode having a protruding electron emission portion 1 containing diamond as a material, a gate electrode 4, and an anode electrode 5. This field emission electron source is manufactured as follows, for example. A substrate 2 is prepared. On the substrate 2, a doped diamond is formed by doping one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities. The electron emission portion 1 is formed from at least the doping diamond by etching. An insulating layer 3 is formed on the cathode 1a. A gate electrode 4 is formed on the insulating layer 3. A resist is applied on the gate electrode 4. The gate electrode 4 and the insulating layer 3 around the electron emission portion 1 are removed by etching.

また、次のように電界放射型電子源を製造してもよい。この電界放射型電子源は、例えば、図21に示される。基板2を準備する。基板2上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部を形成する。基板2上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層6を形成する。陰極1a上に絶縁層3を形成する。絶縁層3の上にゲート電極4を形成する。ゲート電極4の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部1周辺のゲート電極4と絶縁層3とを除去する。   Moreover, you may manufacture a field emission type electron source as follows. This field emission electron source is shown, for example, in FIG. A substrate 2 is prepared. On the substrate 2, a doped diamond is formed by doping one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities. An electron emission portion is formed at least from the doped diamond by etching. A layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium, a carbide layer made of a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon, and groups IVa to VIa. An intermediate layer 6 including at least one of the nitride layers made of nitride of transition metal, aluminum or silicon is formed. An insulating layer 3 is formed on the cathode 1a. A gate electrode 4 is formed on the insulating layer 3. A resist is applied on the gate electrode 4. The gate electrode 4 and the insulating layer 3 around the electron emission portion 1 are removed by etching.

また、次のように電界放射型電子源を製造してもよい。この電界放射型電子源は、例えば、図3に示される。基板2を準備する。基板2上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する。エッチングにより、少なくともドーピングダイヤモンドから電子放出部1を形成する。基板2上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層6を形成する。陰極1a上に絶縁層3を形成する。絶縁層3の上にゲート電極4を形成する。ゲート電極4の上に別の絶縁層7を形成する。別の絶縁層7の上に集束電極8を形成する。集束電極8の上にレジストを塗布する。エッチングにより、電子放出部1周辺の集束電極8、ゲート電極4、絶縁層3及び別の絶縁層7を除去する。   Moreover, you may manufacture a field emission type electron source as follows. This field emission electron source is shown, for example, in FIG. A substrate 2 is prepared. On the substrate 2, a doped diamond is formed by doping one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities. The electron emission portion 1 is formed from at least the doping diamond by etching. A layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium, a carbide layer made of a transition metal of group IVa to VIa or a carbide of silicon, and groups IVa to VIa. An intermediate layer 6 including at least one of the nitride layers made of nitride of transition metal, aluminum or silicon is formed. An insulating layer 3 is formed on the cathode 1a. A gate electrode 4 is formed on the insulating layer 3. Another insulating layer 7 is formed on the gate electrode 4. A focusing electrode 8 is formed on another insulating layer 7. A resist is applied on the focusing electrode 8. The focusing electrode 8, the gate electrode 4, the insulating layer 3, and the other insulating layer 7 around the electron emission portion 1 are removed by etching.

また、中間層6を形成する工程では、基板2上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して基板と金属膜との界面に金属炭化物層を形成することが好ましい。また、絶縁層3を形成する工程では、絶縁層3を形成し、絶縁層3の上にレジストを塗布し、電子放出部1周辺の絶縁層3を除去する一連の工程を複数回行い、電子放出部1の高さをz、電子放出部1の先端とゲート電極4との距離をd、絶縁層3の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすように絶縁層3を形成することが好ましい。また、絶縁層3を形成する工程において、最後に形成した絶縁層3の厚みが最大であることが好ましい。   In the step of forming the intermediate layer 6, it is preferable to heat the metal film during or after the metal film is deposited on the substrate 2 to form a metal carbide layer at the interface between the substrate and the metal film. Further, in the step of forming the insulating layer 3, a series of steps of forming the insulating layer 3, applying a resist on the insulating layer 3, and removing the insulating layer 3 around the electron emission portion 1 are performed a plurality of times. Assume that the height of the emitting portion 1 is z, the distance between the tip of the electron emitting portion 1 and the gate electrode 4 is d, and the thickness of the insulating layer 3 is h, so that the conditions of d <z and d <h are satisfied. Is preferably formed. Moreover, in the process of forming the insulating layer 3, it is preferable that the thickness of the last formed insulating layer 3 is the maximum.

また、基板2が、ダイヤモンド基板であることが好ましい。基板2が、ダイヤモンド基板であり、ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことが好ましい。基板2が、ダイヤモンド基板であり、突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる電子放出部1を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことが好ましい。   The substrate 2 is preferably a diamond substrate. It is preferable that the substrate 2 is a diamond substrate and includes a step of forming a protrusion shape on the diamond substrate by etching before the step of forming the doped diamond. It is preferable that the substrate 2 is a diamond substrate, and after forming the protrusion shape, the electron emission portion 1 made of doping diamond is formed, and the subsequent protrusion shape forming step is not included.

(第4実施形態)
本発明の第4の実施の形態を製造方法を絡めて説明する。図4に示すように、まず、基板2を準備し、この基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンド1を形成する。このドーピングダイヤモンド上に、マスク材料として例えばAlを成膜し、フォトリソグラフィーによってドット状のAlマスクを形成する。そして、RIE法によって、ドーピングダイヤモンドをエッチングし、図4(a)に示すように、少なくともドーピングダイヤモンド1を突起形状にする。その後、突起形状のダイヤモンドの表面終端を変えるため、マイクロ波プラズマによる表面水素化処理や、大気中アニールによる表面酸素化処理を行ってもよい。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described in connection with a manufacturing method. As shown in FIG. 4, first, a substrate 2 is prepared, and a doped diamond 1 doped with one or more elements selected from the group of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium, and silicon as impurities is formed on the substrate 2. Form. On the doped diamond, for example, Al is deposited as a mask material, and a dot-like Al mask is formed by photolithography. Then, the doping diamond is etched by the RIE method, and at least the doping diamond 1 is formed into a protruding shape as shown in FIG. Thereafter, in order to change the surface termination of the projection-shaped diamond, surface hydrogenation treatment by microwave plasma or surface oxygenation treatment by atmospheric annealing may be performed.

次に、図4(b)に示すように、絶縁層3を形成し、絶縁層3の上にゲート電極4を形成する。このゲート電極4の上にレジスト20を塗布する(図4(c))。ここでは絶縁層3として酸化シリコンを用いた。レジスト塗布条件を最適化することにより、前記突起形状のダイヤモンドの突起先端直上のレジストは薄くなり、エッチングにより突起形状のダイヤモンド部分のゲート電極と絶縁層を除去する(図4(d))。その後、レジストを除去する(図4(e))。ダイヤモンドは化学的に安定であるため、絶縁層3のエッチングは、ドライエッチングではなく、フッ酸などのウェットエッチングで行うことが望ましい。ドライエッチングでは、ダイヤモンド突起先端の鋭さが損なわれることがあるからである。電極層はドライエッチングでパターニングしても構わない。   Next, as shown in FIG. 4B, the insulating layer 3 is formed, and the gate electrode 4 is formed on the insulating layer 3. A resist 20 is applied on the gate electrode 4 (FIG. 4C). Here, silicon oxide was used as the insulating layer 3. By optimizing the resist coating conditions, the resist immediately above the protrusion tip of the protrusion-shaped diamond is thinned, and the gate electrode and the insulating layer of the protrusion-shaped diamond portion are removed by etching (FIG. 4D). Thereafter, the resist is removed (FIG. 4E). Since diamond is chemically stable, the insulating layer 3 is preferably etched by wet etching such as hydrofluoric acid instead of dry etching. This is because in the dry etching, the sharpness of the tip of the diamond protrusion may be impaired. The electrode layer may be patterned by dry etching.

このような製造方法により、図1に示すように、導電性のダイヤモンド1に簡易にゲート電極4を付け、電子放出の制御を行なうことが出来る電子源を得ることができる。あるいは、前記方法の途中、エッチングにより少なくともドーピングダイヤモンドを突起形状にした後、前記基板上に中間層6を形成してパターニングする工程を挿入すれば、図2に示すように、突起形状の電子放出部1と、該電子放出部1と中間層6と、アノード電極5と、ゲート電極4を備えた電界放射型電子源であって、電子放出部1が、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム、シリコンの群から選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングされたダイヤモンドである電界放射型電子源を得ることができる。   With such a manufacturing method, as shown in FIG. 1, it is possible to obtain an electron source capable of controlling the electron emission by simply attaching the gate electrode 4 to the conductive diamond 1. Alternatively, if at least the doped diamond is formed into a protrusion shape by etching in the middle of the method, and then a step of forming the intermediate layer 6 on the substrate and patterning it is inserted, as shown in FIG. A field emission electron source including a portion 1, the electron emission portion 1, an intermediate layer 6, an anode electrode 5, and a gate electrode 4, wherein the electron emission portion 1 is boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium A field emission electron source which is diamond doped with one or more elements selected from the group of silicon as impurities can be obtained.

このように中間層6を形成することで、陰極と絶縁層3との密着性を改善し、高出力動作などでも剥離することのない長寿命の電子源を得ることができる。また中間層6を配線として用いた場合、単独のリンドープや窒素ドープなどの高抵抗のダイヤモンドにもキャリアを付与することができ、電子放出特性を向上させることが出来る。この中間層6は少なくとも一部の表面がフッ酸で溶けない導電性材料からなることが望ましい。その場合、絶縁層3をフッ酸で除去しても中間層6が腐食することはない。突起部分やゲート電極の近辺は立体形状で複雑であるため、垂直加工性の高すぎるドライエッチングはむしろあまり適さず、フッ酸などのウェットエッチングが望ましい。   By forming the intermediate layer 6 in this way, it is possible to improve the adhesion between the cathode and the insulating layer 3 and to obtain a long-life electron source that does not peel off even during high output operation. In addition, when the intermediate layer 6 is used as a wiring, carriers can be imparted to high-resistance diamond such as single phosphorus-doped or nitrogen-doped, and electron emission characteristics can be improved. The intermediate layer 6 is preferably made of a conductive material whose at least part of the surface is insoluble in hydrofluoric acid. In that case, even if the insulating layer 3 is removed with hydrofluoric acid, the intermediate layer 6 is not corroded. Since the vicinity of the protruding portion and the gate electrode is a three-dimensional shape and complicated, dry etching with too high vertical workability is rather not suitable, and wet etching such as hydrofluoric acid is desirable.

オーミックコンタクトを取れる中間層6は、ダイヤモンドの不純物にもよるが、チタンや炭化チタンなどがある。チタンなどは、フッ酸に腐食されるので、その上に金、白金、モリブデン、シリコンなどを積層することができる。より良いオーミックコンタクトを取るために、ダイヤモンド表面をアルゴンイオン注入などでグラファイト化してもよい。   The intermediate layer 6 capable of making ohmic contact includes titanium, titanium carbide, and the like, although depending on the impurities of diamond. Since titanium and the like are corroded by hydrofluoric acid, gold, platinum, molybdenum, silicon, and the like can be stacked thereon. In order to obtain a better ohmic contact, the diamond surface may be graphitized by argon ion implantation or the like.

中間層6で炭化物層を用いる場合、炭化チタンなど始めから炭化物である材料をスパッタ法などで成膜しても良い。また加熱しながら金属を成膜したり、低温で成膜後に加熱して炭化物層を形成しても良い。   When a carbide layer is used for the intermediate layer 6, a material that is carbide from the beginning, such as titanium carbide, may be formed by sputtering or the like. Further, a metal film may be formed while heating, or a carbide layer may be formed by heating after film formation at a low temperature.

このように配線として機能する中間層6を形成する場合、図22(a)のように電子放出部1と接続して絶縁層3の外部に引き出した配線部分219と、配線の機能は果たさず密着性のみを向上する接着部分218に分離して形成し、その上に絶縁層3を形成することもできる。このようにすれば広い面積で絶縁層3の密着性を保ちつつ、一度のプロセスで配線部分219と接着部分218を形成でき、個々の電子放出部1の動作を制御することができる。なお、図22(a)では見やすさのため、ゲート電極などは省略してある。   When the intermediate layer 6 functioning as a wiring is formed in this way, the wiring portion 219 connected to the electron emission portion 1 and drawn out of the insulating layer 3 as shown in FIG. It is also possible to separate the adhesive portion 218 that improves only the adhesion and form the insulating layer 3 thereon. In this way, the wiring portion 219 and the bonding portion 218 can be formed in a single process while maintaining the adhesion of the insulating layer 3 over a wide area, and the operation of each electron emission portion 1 can be controlled. Note that the gate electrode and the like are omitted in FIG.

このとき、特に配線部分219が突起形状のダイヤモンド上に付着している場合、レジストを塗布して陰極1aの少なくとも突起先端を露出させ、エッチングにより突起先端の配線材料を除去する工程を加える。エッチング前に露光でレジストをパターニングして、配線部分219と接着部分218とを分離しても良い。   At this time, in particular, when the wiring portion 219 is attached on the projection-shaped diamond, a step of applying a resist to expose at least the projection tip of the cathode 1a and removing the wiring material at the projection tip by etching is added. Prior to etching, the resist may be patterned by exposure to separate the wiring portion 219 and the adhesive portion 218.

さらにこの構造では、絶縁層3から露出した配線部分219を化学的に安定な金属膜で被覆しても良い。このようにすれば配線部分219のうち外部回路との接点となる部分219aの変質が抑えられ、安定した動作が得られる。化学的に安定な金属膜としては、例えばAu、Ptなどがある。また高融点のMo、W、Ta、Nbなどを被覆しても良い。また、Au/Pt、Au/Mo、Au/Niなど、積層構造であっても良い。   Furthermore, in this structure, the wiring portion 219 exposed from the insulating layer 3 may be covered with a chemically stable metal film. In this way, the deterioration of the portion 219a that becomes a contact point with the external circuit in the wiring portion 219 is suppressed, and a stable operation can be obtained. Examples of chemically stable metal films include Au and Pt. Further, high melting point Mo, W, Ta, Nb or the like may be coated. Also, a laminated structure such as Au / Pt, Au / Mo, or Au / Ni may be used.

また、前記製造工程の途中で、中間層6を形成した後、第1の絶縁層3を形成し、第1の絶縁層の上にゲート電極を形成し、ゲート電極の上に第2の絶縁層7を形成し、第2の絶縁層の上に集束電極を形成し、集束電極の上にレジストを塗布して突起形状のダイヤモンド部分の集束電極とゲート電極と第1と第2の絶縁層エッチング除去すれば、図3に示すように、突起形状の電子放出部1と、該電子放出部1とオーミックコンタクトし突起先端を除く突起間及び突起側面に形成した中間層6と、アノード電極5と、ゲート電極4、集束電極8とを備えた電界放射型電子源を得ることができる。集束電極により電子放出部の突起先端から放出された電子は発散することなしに直進性良く進行する。   In the course of the manufacturing process, after the intermediate layer 6 is formed, the first insulating layer 3 is formed, the gate electrode is formed on the first insulating layer, and the second insulating layer is formed on the gate electrode. A layer 7 is formed, a focusing electrode is formed on the second insulating layer, a resist is applied on the focusing electrode, and the focusing electrode, the gate electrode, and the first and second insulating layers of the protruding diamond portion are formed. If removed by etching, as shown in FIG. 3, a projection-shaped electron emission portion 1, an intermediate layer 6 formed between the projections and on the side surfaces of the projection except for the tip of the projection in ohmic contact with the electron emission portion 1, and the anode electrode 5 A field emission electron source including the gate electrode 4 and the focusing electrode 8 can be obtained. Electrons emitted from the projection tip of the electron emission portion by the focusing electrode proceed with good straightness without divergence.

ここで基板は特に指定せず、ダイヤモンド以外でも良いが、基板はSiもしくはダイヤモンドが望ましい。また、ダイヤモンド基板の場合、多結晶でも良いが、ドーピングの制御や結晶欠陥や電子放出特性などの観点から、単結晶ダイヤモンドが望ましい。特に、ダイヤモンドの突起部分は単結晶が望ましい。   Here, the substrate is not particularly specified and may be other than diamond, but the substrate is preferably Si or diamond. In the case of a diamond substrate, polycrystal may be used, but single crystal diamond is preferable from the viewpoint of doping control, crystal defects, electron emission characteristics, and the like. In particular, the diamond protrusion is preferably a single crystal.

また、図5に示すように、ダイヤモンド基板2にエッチングで突起10を作製した後にドーピングダイヤモンド11を成長させ、ドーピングダイヤモンドのエッチング以降は、上記と同様の工程をとれば、図5に示すように、ダイヤモンドの突起10の先端部付近のみドーピングされたダイヤモンド11とすることができるので、カソード電極により個々のエミッタの電子放出を制御することが可能になる。   Further, as shown in FIG. 5, if a projection 10 is formed on the diamond substrate 2 by etching and then a doped diamond 11 is grown, and after the etching of the doped diamond, the same steps as above are taken, as shown in FIG. Since the diamond 11 can be doped only in the vicinity of the tip of the diamond protrusion 10, it becomes possible to control the electron emission of each emitter by the cathode electrode.

また、図6に示すように、ダイヤモンド基板2にエッチングで先端が先鋭な突起10を作製した後にドーピングダイヤモンド11を成長させ、例えばピラミッド状の突起を作成しても良い。これにより、より先鋭度が良く、エッチングの場合と比べて表面の結晶欠陥の少ないダイヤモンドエミッタを得ることが出来る。この場合、ドーピングダイヤモンドのエッチングによる突起形状形成工程を省略することができる。   Further, as shown in FIG. 6, after forming a projection 10 having a sharp tip by etching on the diamond substrate 2, a doping diamond 11 may be grown to create a pyramidal projection, for example. Thereby, it is possible to obtain a diamond emitter with better sharpness and less crystal defects on the surface as compared with etching. In this case, the protrusion shape forming step by etching of the doping diamond can be omitted.

本発明では絶縁層を形成する工程が、(1)絶縁層の成膜と、(2)レジストの塗布と、(3)突起形状のダイヤモンド部分の絶縁層を除去する一連の工程を、複数回繰返して、絶縁層を形成しても良い。これは図7に示すように、1回で、突起形状のダイヤモンド1の高さと同じ程度の高さまで、絶縁層3を形成すると、絶縁層をエッチングする際、縦方向と共に突起形状の電子放出部(エミッタ)周辺の横方向にも同じ厚みだけ絶縁層がエッチングされて広がり、これがゲート電極の直径の拡大につながる。しかし、図8に示すように、絶縁層3を1回で、突起形状のダイヤモンド1の高さまで形成しないで、それより薄く絶縁層3を形成し、絶縁層を形成するごとにエミッタ周辺の絶縁層をエッチング除去することで、エミッタから絶縁層の端の部分までの距離を短く保ったまま絶縁膜厚を増加することが出来る。例えば単純計算では2回に分けて絶縁層を形成した場合、エミッタ先端とゲート電極の距離は1回で絶縁層を形成した場合の1/2になる。   In the present invention, the step of forming the insulating layer includes (1) film formation of the insulating layer, (2) application of the resist, and (3) a series of steps of removing the insulating layer of the protruding diamond portion a plurality of times. The insulating layer may be formed repeatedly. As shown in FIG. 7, when the insulating layer 3 is formed up to the same height as the protrusion-shaped diamond 1 at one time, when the insulating layer is etched, the protrusion-shaped electron emission portion is formed along with the vertical direction. The insulating layer is etched and spread in the lateral direction around the (emitter) by the same thickness, which leads to an increase in the diameter of the gate electrode. However, as shown in FIG. 8, the insulating layer 3 is not formed to the height of the protrusion-shaped diamond 1 at a time, but the insulating layer 3 is formed thinner than that, and the insulation around the emitter is formed each time the insulating layer is formed. By etching away the layer, the insulating film thickness can be increased while keeping the distance from the emitter to the edge of the insulating layer short. For example, in a simple calculation, when the insulating layer is formed in two steps, the distance between the tip of the emitter and the gate electrode is ½ that in the case where the insulating layer is formed once.

このような方法で、電子放出部の突起の高さをz、突起先端とゲート電極の距離をd、ダイヤモンドとゲート電極の間の絶縁層の厚みをhとした場合、d<zかつd<hとすることができ、従来の電極形成技術と比べて絶縁層厚を大きくしてリーク電流と絶縁耐圧を高く保ったまま、エミッタとゲート電極の距離を短くすることが出来、電子放出の制御電圧を低く抑えることが出来る。望ましくは、本発明の電子源においてはd<z/2かつd<h/2であることが良い。   In such a method, when the height of the projection of the electron emission portion is z, the distance between the tip of the projection and the gate electrode is d, and the thickness of the insulating layer between the diamond and the gate electrode is h, d <z and d < h, and the distance between the emitter and the gate electrode can be shortened while keeping the leakage current and withstand voltage high by increasing the thickness of the insulating layer as compared with the conventional electrode formation technology, thereby controlling the electron emission. The voltage can be kept low. Desirably, d <z / 2 and d <h / 2 in the electron source of the present invention.

また、前記絶縁層を複数回行う工程において、最後に形成した絶縁膜の厚みが最大であることが好ましい。これは、複数回絶縁層を形成する場合、全ての膜厚を一定にすると、エミッタ周辺の窪み部分が埋まらず、最終的なゲート電極の形状が悪くなってしまうからである。最後の絶縁層の厚みを一番厚くすることによって、窪みが完全に埋まるため、エッジの平滑なゲート電極を作成することが出来る。   In the step of performing the insulating layer a plurality of times, it is preferable that the last formed insulating film has the maximum thickness. This is because in the case where the insulating layer is formed a plurality of times, if all the film thicknesses are made constant, the recessed portion around the emitter is not filled, and the shape of the final gate electrode is deteriorated. By making the last insulating layer the thickest, the recess is completely filled, so that a gate electrode having a smooth edge can be formed.

本発明のダイヤモンドは、任意のドーピングを行なうことが出来る。ホウ素ドープは水素終端表面の電子親和力が負であり、優れた電子放出特性が得られる。また、リンや硫黄などn型ドーピングを行なうことで、キャリアの電子密度が高く、電子放出障壁も小さいことからより優れた電子放出が知られている。これらは単独の不純物を用いても良いし、複数を同時にドーピングしても良い。ドーピングの形態は、CVDやイオン注入など任意の形態を用いることができる。n型の場合には表面は酸素終端でも良い。   The diamond of the present invention can be arbitrarily doped. Boron dope has a negative electron affinity on the hydrogen-terminated surface and provides excellent electron emission characteristics. Further, by performing n-type doping such as phosphorus and sulfur, electron emission of carriers is high and electron emission barrier is also small, so that more excellent electron emission is known. These may use a single impurity or may be doped at the same time. Arbitrary forms such as CVD and ion implantation can be used as the form of doping. In the case of n-type, the surface may be oxygen-terminated.

電極や絶縁層をエッチングする際のレジスト材料は、通常のフォトリソグラフィーに用いられる物で良い。この際、レジスト塗布後に露光と現像工程を加えて、ゲートなどの電極をパターニングしても良い。レジスト膜厚は陰極の突起の高さより薄くなるように塗布した方が良い。この場合、ウェットエッチング液で容易に突起先端からエッチングが始まり、良好な形状の電極を作ることができる。レジスト膜厚が厚い場合、ドライエッチングなどでレジストから突出部分を露出させる必要がある。   The resist material used for etching the electrode and the insulating layer may be a material used in normal photolithography. At this time, exposure and development processes may be added after resist application to pattern electrodes such as gates. It is better to apply the resist so that the thickness of the resist film becomes thinner than the height of the projection of the cathode. In this case, etching starts easily from the tip of the protrusion with a wet etching solution, and an electrode having a good shape can be produced. When the resist film thickness is large, it is necessary to expose the protruding portion from the resist by dry etching or the like.

また、望ましくはダイヤモンドは単結晶を用いる。単結晶であれば、特にCVDによってドーピングを行なう場合、不純物の混入量の制御も精度良く行なうことが出来る。一方、多結晶ダイヤモンドで電子源を作製しても良い。多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドより大面積の試料を得やすく、ホウ素ドープでは導電性の優れたウェハが得られている。また、多結晶でも配向制御が可能であり、例えば(111)配向した多結晶ダイヤモンド上にリンドープダイヤを部分的にエピタキシャル成長させるなど、様々な陰極を用いることができる。   Desirably, the diamond is a single crystal. In the case of a single crystal, particularly when doping is performed by CVD, the amount of impurities mixed in can be controlled with high accuracy. On the other hand, the electron source may be made of polycrystalline diamond. Polycrystalline diamond makes it easier to obtain a sample with a larger area than single-crystal diamond, and boron-doped wafers have excellent conductivity. Further, the orientation can be controlled even in a polycrystal, and various cathodes can be used, for example, a phosphorous doped diamond is partially epitaxially grown on a (111) oriented polycrystal diamond.

(実施例6)
高圧合成Ib(100)単結晶ダイヤモンド基板上に、マイクロ波プラズマCVDを用いてホウ素ドープダイヤモンドを形成した。水素(H)流量200sccm、メタン/水素(CH/H)濃度は6.0%、ジボラン/メタン(B/CH)濃度は167ppm、圧力5.3kPa、基板温度830℃、膜厚は5μmとした。次にホウ素ドープダイヤモンドの上に、スパッタ法でアルミニウム(Al)を成膜し、フォトリソグラフィーで直径3μmのドットを形成した。これをRIE法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量50sccm、CF/O濃度2%、圧力2Pa、RFパワー250Wとした。形成した突起の高さは3μmである。次にスパッタ法で酸化シリコンを3μm成膜し、その上に、Moを0.2μm成膜する。これに粘度30cpのレジストを4000rpmで30秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から3.0μmの距離に形成された。
(Example 6)
Boron-doped diamond was formed on a high-pressure synthetic Ib (100) single crystal diamond substrate using microwave plasma CVD. Hydrogen (H 2 ) flow rate 200 sccm, methane / hydrogen (CH 4 / H 2 ) concentration 6.0%, diborane / methane (B 2 H 6 / CH 4 ) concentration 167 ppm, pressure 5.3 kPa, substrate temperature 830 ° C. The film thickness was 5 μm. Next, aluminum (Al) was formed on the boron-doped diamond by sputtering, and dots having a diameter of 3 μm were formed by photolithography. This was etched by the RIE method to form a diamond having a protrusion shape. The reaction conditions were an oxygen flow rate of 50 sccm, a CF 4 / O 2 concentration of 2%, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 250 W. The height of the formed protrusion is 3 μm. Next, a silicon oxide film having a thickness of 3 μm is formed by sputtering, and a Mo film having a thickness of 0.2 μm is formed thereon. A resist with a viscosity of 30 cp is spin-coated at 4000 rpm for 30 seconds, and Mo and silicon oxide around the protrusion are etched with aqua regia and buffered hydrofluoric acid from the tip of the protrusion where the resist becomes thin. The electrode thus formed was formed at a distance of 3.0 μm from the tip of the protrusion.

(実施例7)
次にRIE法で高さ3μmの突起を形成するまでは実施例6と同様に行ったあと、スパッタ法で厚さ1.5μmの酸化シリコンを形成した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンをエッチングで除去した。有機溶剤でレジストを除去した後、第2の酸化シリコンを1.5μm成膜し、電極としてMoを0.2μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、王水と緩衝フッ酸でレジストが薄くなった突起先端のMoと酸化シリコンをエッチングした。これによって実施例6の高さz=3μmの突起と酸化シリコン膜厚h=3μm、d=3μmに対し、zとhは同じであるが、dが半分のd=1.5μmの距離にゲート電極を形成することができた。
(Example 7)
Next, the same process as in Example 6 was performed until a protrusion having a height of 3 μm was formed by RIE, and then silicon oxide having a thickness of 1.5 μm was formed by sputtering. A resist was spin-coated on this, and silicon oxide around the protrusions was removed by etching with buffered hydrofluoric acid. After removing the resist with an organic solvent, a second silicon oxide film having a thickness of 1.5 μm was formed, and an Mo film having a thickness of 0.2 μm was formed. A resist was spin-coated on this, and Mo and silicon oxide at the tip of the protrusions where the resist became thin with aqua regia and buffered hydrofluoric acid were etched. As a result, the height z = 3 μm of the projection of Example 6 and the silicon oxide film thickness h = 3 μm and d = 3 μm, while z and h are the same, but d is halved at a distance of d = 1.5 μm. An electrode could be formed.

(実施例8)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを0.1μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のタンタルを除去した。次に真空中で300℃にアニールし、炭化チタン層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第1の絶縁層の酸化シリコンを3μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。
(Example 8)
Similarly to Example 6, after forming boron-doped diamond by 2.5 μm by microwave plasma CVD and forming an emitter having a height of 3 μm by RIE method, 0.1 μm of tantalum is formed by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. A resist was spin-coated on this, and tantalum at the tip of the emitter was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, annealing was performed at 300 ° C. in a vacuum to form a titanium carbide layer, thereby completing an intermediate layer capable of taking ohmic contact with the cathode. Next, 3 μm of silicon oxide for the first insulating layer was formed, and Mo of 0.1 μm was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present invention, it was possible to improve the adhesion between the cathode and the insulating layer, and to form a gate electrode that emits electrons by concentrating the electric field near the protrusion.

(実施例9)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを0.1μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、露光することで電子放出部を個別に配線するようパターニングし、緩衝フッ酸でエミッタ先端と分離部分のタンタルを除去した。次に真空中で300℃にアニールし、炭化タンタル層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第1の絶縁層の酸化シリコンを3μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化タンタルを除去した。本発明の方法によって、電子放出部を個別に制御する配線を施しつつ、陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を持つ電界放射型電子源を形成できた。
Example 9
Similarly to Example 6, after forming boron-doped diamond by 2.5 μm by microwave plasma CVD and forming an emitter having a height of 3 μm by RIE method, 0.1 μm of tantalum is formed by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist and exposed to pattern so that the electron emission portions were individually wired, and the tantalum at the emitter tip and the separation portion was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, annealing was performed at 300 ° C. in vacuum to form a tantalum carbide layer, thereby completing an intermediate layer capable of taking ohmic contact with the cathode. Next, 3 μm of silicon oxide for the first insulating layer was formed, and Mo of 0.1 μm was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and tantalum oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present invention, a field emission electron source having a gate electrode that improves the adhesion between the cathode and the insulating layer while concentrating the electric field in the vicinity of the protrusion while providing wiring for individually controlling the electron emission portion. I was able to form.

(実施例10)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でタンタルを0.1μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、露光することで配線部分と接着部分を分離するようパターニングし、緩衝フッ酸でエミッタ先端と分離部分のタンタルを除去した。次に真空中で300℃にアニールし、炭化タンタル層を形成することで、陰極とオーミック接合が取れる中間層を完成させた。次に、第1の絶縁層の酸化シリコンを3μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、電子放出部を個別に制御する配線を施し、かつ接着部分を形成することでより陰極と絶縁層の密着性を向上し、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を持つ電界放射型電子源を形成できた。
(Example 10)
Similarly to Example 6, after forming boron-doped diamond by 2.5 μm by microwave plasma CVD and forming an emitter having a height of 3 μm by RIE method, 0.1 μm of tantalum is formed by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist and exposed to patterning so as to separate the wiring portion and the adhesion portion, and the tantalum at the emitter tip and the separation portion was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, annealing was performed at 300 ° C. in vacuum to form a tantalum carbide layer, thereby completing an intermediate layer capable of taking ohmic contact with the cathode. Next, 3 μm of silicon oxide for the first insulating layer was formed, and Mo of 0.1 μm was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present invention, a gate electrode for individually controlling the electron emission portion and forming an adhesion portion improves adhesion between the cathode and the insulating layer, and concentrates an electric field near the protrusion to emit electrons. A field emission electron source with

(実施例11)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でニオブを0.05μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のニオブを除去して中間層を完成させた。次に、第1の絶縁層の酸化シリコンを1μm形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第2の酸化シリコンを1μm形成した後、同様に除去し、さらに第3の酸化シリコンを1.5μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例7では図9に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図10に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
(Example 11)
Similarly to Example 6, boron-doped diamond was formed to 2.5 μm by microwave plasma CVD, an emitter having a height of 3 μm was formed by RIE, and then niobium was formed to 0.05 μm by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. A resist was spin-coated thereon, and niobium at the tip of the emitter was removed with buffered hydrofluoric acid to complete the intermediate layer. Next, 1 μm of silicon oxide for the first insulating layer was formed, a resist was spin-coated, and the silicon oxide around the protrusions was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, after forming 1 μm of second silicon oxide, it was removed in the same manner, and further 1.5 μm of third silicon oxide was formed, and 0.1 μm of Mo was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present invention, a gate electrode for electron emission by concentrating the electric field in the vicinity of the protrusion could be formed. Further, in Example 7, as shown in FIG. 9, there was a case where the edge of the gate electrode was distorted in a part of the gate electrode because the depression around the emitter was not filled, but in this example, As shown in FIG. 10, all the gate electrodes had smooth edges.

(実施例12)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上に中間層としてスパッタ法でクロムを0.05μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、稀硫酸でエミッタ先端のクロムを除去した。次にこの上にPtを0.1μmスパッタし、同様にレジストをスピンコートした後露光でパターニングし、突起から10μm以上離れた部分と突起先端のPtを王水で除去して中間層を完成させた。次に、第1の酸化シリコンを1μm形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第2の酸化シリコンを1μm形成した後、同様に除去し、さらに第3の酸化シリコンを1.5μm形成し、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極を形成できた。また、実施例7では図9に示すように、ゲート電極の一部で、エミッタ周辺の窪みが埋まり切らなかったことからゲート電極のエッジに歪みが発生する場合があったが、本実施例では図10に示すようにゲート電極は全て平滑なエッジを持っていた。
(Example 12)
As in Example 6, boron-doped diamond was formed to 2.5 μm by microwave plasma CVD, an emitter having a height of 3 μm was formed by RIE, and then chromium was deposited to 0.05 μm by sputtering as an intermediate layer on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist, and chromium at the tip of the emitter was removed with dilute sulfuric acid. Next, Pt is sputtered to 0.1 μm on this, and similarly, a resist is spin-coated and patterned by exposure, and the intermediate layer is completed by removing Pt at a distance of 10 μm or more from the protrusion and the tip of the protrusion with aqua regia. It was. Next, 1 μm of a first silicon oxide was formed, a resist was spin-coated, and the silicon oxide around the protrusions was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, after forming 1 μm of second silicon oxide, it was removed in the same manner, and further 1.5 μm of third silicon oxide was formed, and 0.1 μm of Mo was formed as a gate electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. According to the method of the present invention, a gate electrode for electron emission by concentrating the electric field in the vicinity of the protrusion could be formed. Further, in Example 7, as shown in FIG. 9, there was a case where the edge of the gate electrode was distorted in a part of the gate electrode because the depression around the emitter was not filled, but in this example, As shown in FIG. 10, all the gate electrodes had smooth edges.

(実施例13)
実施例6と同様に、マイクロ波プラズマCVDで、ホウ素ドープダイヤモンドを2.5μm形成し、RIE法で高さ3μmのエミッタを形成した後、エミッタ上にカソード電極としてスパッタ法でタンタルを0.05μm成膜した。これにレジストをスピンコートし、緩衝フッ酸でエミッタ先端のタンタルを除去して、中間層を完成させた。次に、第1の酸化シリコンを1μm形成し、レジストをスピンコートして緩衝フッ酸で突起周辺の酸化シリコンを除去した。次に第2の酸化シリコンを1μm形成した後、ゲート電極としてMoを0.1μm形成した。さらに第3の酸化シリコンを1μm形成し、集束電極としてMoを0.1μm形成した。これにレジストをスピンコートして、王水と緩衝フッ酸で交互に突起周辺のMoと酸化シリコンを除去した。本発明の方法によって、突起近傍に電界集中させて電子放出させるゲート電極と、放出した電子を収束させる集束電極を形成することができ、従来より電子の取出し効率が向上した電界放射型電子源を得ることができた。
(Example 13)
Similarly to Example 6, boron-doped diamond was formed to 2.5 μm by microwave plasma CVD, an emitter having a height of 3 μm was formed by RIE, and then tantalum was 0.05 μm by sputtering as a cathode electrode on the emitter. A film was formed. This was spin-coated with a resist, and tantalum at the tip of the emitter was removed with buffered hydrofluoric acid to complete the intermediate layer. Next, 1 μm of a first silicon oxide was formed, a resist was spin-coated, and the silicon oxide around the protrusions was removed with buffered hydrofluoric acid. Next, 1 μm of second silicon oxide was formed, and then 0.1 μm of Mo was formed as a gate electrode. Further, 3 μm of third silicon oxide was formed, and 0.1 μm of Mo was formed as a focusing electrode. A resist was spin-coated thereon, and Mo and silicon oxide around the protrusions were removed alternately with aqua regia and buffered hydrofluoric acid. By the method of the present invention, it is possible to form a gate electrode that emits electrons by concentrating the electric field in the vicinity of the protrusion, and a focusing electrode that converges the emitted electrons, and a field emission electron source with improved electron extraction efficiency compared to the conventional method. I was able to get it.

(実施例14)
高圧合成Ib(100)単結晶ダイヤモンド基板上に、スパッタ法でAlを成膜し、フォトリソグラフィーで直径3μmのドットを形成した。これをRIE法でエッチングし、突起形状のダイヤモンドを形成した。反応条件は酸素流量50sccm、CF/O濃度2%、圧力2Pa、RFパワー250Wとした。形成した突起の高さは3μmである。次にマイクロ波プラズマCVDを用いてリンドープダイヤモンドを形成する。H流量200sccm、CH/H濃度は0.05%、PH/CH濃度は10000ppm、圧力13.3kPa、基板温度870℃、膜厚は5μmとし、側面が(111)面で囲まれたピラミッド状の突起が形成された。
(Example 14)
An Al film was formed by sputtering on a high-pressure synthetic Ib (100) single crystal diamond substrate, and dots having a diameter of 3 μm were formed by photolithography. This was etched by the RIE method to form a diamond having a protrusion shape. The reaction conditions were an oxygen flow rate of 50 sccm, a CF 4 / O 2 concentration of 2%, a pressure of 2 Pa, and an RF power of 250 W. The height of the formed protrusion is 3 μm. Next, phosphorus-doped diamond is formed using microwave plasma CVD. H 2 flow rate is 200 sccm, CH 4 / H 2 concentration is 0.05%, PH 3 / CH 4 concentration is 10,000 ppm, pressure is 13.3 kPa, substrate temperature is 870 ° C., film thickness is 5 μm, and the side is surrounded by (111) plane A pyramidal protrusion was formed.

次に、実施例8と同様にカソード電極を形成した後、実施例7と同様に酸化シリコンを1.5μmずつ2回に分けて計3μm成膜し、Moを0.2μm成膜する。これに粘度30cpのレジストを4000rpmで30秒スピンコートし、レジストが薄くなった突起先端から王水と緩衝フッ酸で突起周辺のMoと酸化シリコンをエッチングする。これによってできた電極は突起先端から1.5μmの距離に形成された。   Next, after the cathode electrode is formed in the same manner as in Example 8, silicon oxide is divided into 1.5 μm portions each twice in the same manner as in Example 7 to form a total film thickness of 3 μm, and Mo is formed in a thickness of 0.2 μm. A resist with a viscosity of 30 cp is spin-coated at 4000 rpm for 30 seconds, and Mo and silicon oxide around the protrusion are etched with aqua regia and buffered hydrofluoric acid from the tip of the protrusion where the resist becomes thin. The electrode thus formed was formed at a distance of 1.5 μm from the tip of the protrusion.

以上説明したように、本発明の方法で電子放出材料として優れた性質を持つダイヤモンドに絶縁層・電極層を形成することができると共に、高出力動作においても絶縁層と陰極との高い密着性を維持し、従来作られていたダイヤモンド電子放出素子より長寿命で、エミッタ先端近傍にゲート電極を形成することができ、優れた電子放出特性を得ることができる。このような電界放射型電子源は、進行波管やクライストロンなどのマイクロ波管、高周波増幅素子やSEMや電子線露光機などの電子ビーム機器、FEDなどの発光素子などの性能を向上させることができる。   As described above, an insulating layer / electrode layer can be formed on diamond having excellent properties as an electron emission material by the method of the present invention, and high adhesion between the insulating layer and the cathode can be achieved even in high output operation. The gate electrode can be formed in the vicinity of the tip of the emitter with a longer life than a conventionally produced diamond electron emission device, and excellent electron emission characteristics can be obtained. Such a field emission type electron source can improve the performance of microwave tubes such as traveling wave tubes and klystrons, high-frequency amplification elements, electron beam equipment such as SEMs and electron beam exposure machines, and light-emitting elements such as FEDs. it can.

第1実施形態の製造方法で作成した電界放射型電子源の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the field emission type electron source created with the manufacturing method of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の電界放射型電子源の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the field emission type electron source of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the other field emission type electron source of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の製造工程の一例を示す。An example of the manufacturing process of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the other field emission type electron source of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の他の電界放射型電子源の断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of the other field emission type electron source of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の絶縁層のエッチング工程の一例を示す。An example of the etching process of the insulating layer of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態の絶縁層のエッチング工程の他の一例を示す。The other example of the etching process of the insulating layer of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態のゲート電極の断面模式図の一例を示す。An example of the cross-sectional schematic diagram of the gate electrode of 1st Embodiment is shown. 第1実施形態のゲート電極の断面模式図の他の一例を示す。The other example of the cross-sectional schematic diagram of the gate electrode of 1st Embodiment is shown. 電界放射型冷陰極の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 電界放射型冷陰極の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a field emission type cold cathode. 平面型冷陰極の一構造例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one structural example of a planar cold cathode. 従来の電界放射型冷陰極を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional field emission type cold cathode. 第3実施形態の電界放射型電子源を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the field emission type electron source of 3rd Embodiment. 図22(a)は、別の実施形態の電界放射型電子源を模式的に示す平面図であり、図22(b)は、図22(a)のX−X矢印に沿った断面図である。FIG. 22A is a plan view schematically showing a field emission electron source according to another embodiment, and FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. is there.

符号の説明Explanation of symbols

1…突起形状の電子放出部、2…基板、3…絶縁層、4…ゲート電極、5…アノード電極、6…中間層、7…別の絶縁層、8…集束電極、10…突起形状ダイヤモンド、11…ドーピングダイヤモンド、20…レジスト、301〜308…電界放射型冷陰極、310,1a…陰極、310a…突出部、311,21,31…金属炭化物層、15,45,55,65,75…絶縁層、16…ゲート電極、32,62,82…金属層、44,64…金属酸化物層、54,74…金属窒化物層、2a,200a…電界放射型電子源、218…接着部分、219…配線部分。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Projection-shaped electron emission part, 2 ... Substrate, 3 ... Insulating layer, 4 ... Gate electrode, 5 ... Anode electrode, 6 ... Intermediate layer, 7 ... Another insulating layer, 8 ... Focusing electrode, 10 ... Projection-shaped diamond 11 ... Doping diamond, 20 ... Resist, 301-308 ... Field emission cold cathode, 310, 1a ... Cathode, 310a ... Projection, 311, 21, 31 ... Metal carbide layer, 15, 45, 55, 65, 75 ... Insulating layer, 16 ... Gate electrode, 32, 62, 82 ... Metal layer, 44, 64 ... Metal oxide layer, 54, 74 ... Metal nitride layer, 2a, 200a ... Field emission electron source, 218 ... Adhesive part 219 ... wiring part.

Claims (27)

ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、前記陰極と前記ゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源であって、
前記陰極と前記絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、
前記中間層は、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含み、
前記電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする電界放射型電子源。
A field emission electron source comprising a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and an anode electrode,
An intermediate layer provided at least in part between the cathode and the insulating layer;
The intermediate layer includes at least one of a carbide layer made of a transition metal of Group IVa to VIa or a carbide of silicon, and a nitride layer made of a transition metal of Group IVa to VIa, aluminum or silicon,
The field emission electron source, wherein the electron emission portion is doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities.
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、前記陰極と前記ゲート電極とを隔てる絶縁層と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源であって、
前記陰極と前記絶縁層との間の少なくとも一部に設けられた中間層を備え、
前記中間層は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属からなる層を含み、
前記電子放出部には、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素が不純物としてドーピングされていることを特徴とする電界放射型電子源。
A field emission electron source comprising a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, an insulating layer separating the cathode and the gate electrode, and an anode electrode,
An intermediate layer provided at least in part between the cathode and the insulating layer;
The intermediate layer includes a layer made of at least one transition metal of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium,
The field emission electron source, wherein the electron emission portion is doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon as impurities.
前記中間層は、前記絶縁層側に金属酸化物層を更に含み、前記絶縁層が酸化物を材料として含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to claim 1 or 2, wherein the intermediate layer further includes a metal oxide layer on the insulating layer side, and the insulating layer includes an oxide as a material. 前記中間層が前記窒化物層を含み、前記絶縁層が窒化物を材料として含むことを特徴とする請求項1に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to claim 1, wherein the intermediate layer includes the nitride layer, and the insulating layer includes nitride as a material. 前記中間層は、前記絶縁層側に金属弗化物層を更に含み、前記絶縁層が弗化物を材料として含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to claim 1 or 2, wherein the intermediate layer further includes a metal fluoride layer on the insulating layer side, and the insulating layer includes fluoride as a material. 前記中間層が前記電子放出部とオーミックコンタクトし、配線として機能することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to claim 1, wherein the intermediate layer is in ohmic contact with the electron emission portion and functions as a wiring. 前記中間層が、前記電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分と、前記電子放出部と直接接続されていない接着部分とに分離されていることを特徴とする請求項6に記載の電界放射型電子源。   7. The field emission according to claim 6, wherein the intermediate layer is separated into a wiring portion that is in ohmic contact with the electron emission portion and an adhesive portion that is not directly connected to the electron emission portion. Type electron source. 前記中間層を構成する層のうち少なくとも一層の熱膨張係数が、前記陰極及び前記絶縁層の熱膨張係数の間の値であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   8. The thermal expansion coefficient of at least one layer among the layers constituting the intermediate layer is a value between the thermal expansion coefficients of the cathode and the insulating layer. Field emission electron source. 前記金属酸化物層は酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化亜鉛、又は酸化アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする請求項3に記載の電界放射型電子源。   The metal oxide layer is any one of titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, zinc oxide, or aluminum oxide. The field emission electron source according to claim 3, wherein 前記窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化アルミニウム又は窒化シリコンのいずれかからなることを特徴とする請求項4に記載の電界放射型電子源。   The nitride layer is made of any one of titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, aluminum nitride, or silicon nitride. 5. The field emission electron source according to 4. 前記絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、又は弗化アルミニウムのいずれかからなることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The insulating layer is made of any one of silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, or aluminum fluoride. The field emission type electron source according to any one of claims 1 to 10. 前記中間層の少なくとも一部表面が、フッ酸で溶けない導電性材料からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to any one of claims 1 to 11, wherein at least a part of the surface of the intermediate layer is made of a conductive material that is not soluble in hydrofluoric acid. 前記中間層が前記電子放出部とオーミックコンタクトしている配線部分を有し、前記配線部分のうち、前記絶縁層から露出し前記陰極と外部とを電気的に接続する部分の少なくとも一部が化学的に安定な金属膜で被覆されていることを特徴とする請求項6に記載の電界放射型電子源。   The intermediate layer has a wiring portion in ohmic contact with the electron emission portion, and at least a part of the wiring portion exposed from the insulating layer and electrically connecting the cathode and the outside is chemically The field emission electron source according to claim 6, wherein the field emission electron source is coated with a stable metal film. 前記ゲート電極上に設けられた別の絶縁層と、前記別の絶縁層上に設けられた集束電極と、を更に備えたことを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   14. The apparatus according to claim 1, further comprising: another insulating layer provided on the gate electrode; and a focusing electrode provided on the another insulating layer. Field emission electron source. 前記電子放出部が、単結晶ダイヤモンドを材料として含むことを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to any one of claims 1 to 14, wherein the electron emission portion includes single crystal diamond as a material. 前記電子放出部が、前記陰極を構成する基板の上に気相合成法により形成されたドーピングダイヤモンドを材料として含み、前記基板が、高温高圧合成された単結晶ダイヤモンド、若しくは気相合成法により合成されたノンドープダイヤモンドを材料として含むことを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The electron emission portion includes a doping diamond formed by vapor phase synthesis on the substrate constituting the cathode as a material, and the substrate is synthesized by single crystal diamond synthesized at high temperature and high pressure, or synthesized by vapor phase synthesis. The field emission electron source according to any one of claims 1 to 15, wherein the non-doped diamond is included as a material. 前記電子放出部の高さをz、前記電子放出部の先端と前記ゲート電極との距離をd、前記絶縁層の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすことを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の電界放射型電子源。   The height of the electron emission portion is z, the distance between the tip of the electron emission portion and the gate electrode is d, and the thickness of the insulating layer is h, and the conditions of d <z and d <h are satisfied. The field emission electron source according to any one of claims 1 to 16. 前記z、d、hが、d<z/2かつd<h/2の条件を満たすことを特徴とする請求項17に記載の電界放射型電子源。   The field emission electron source according to claim 17, wherein the z, d, and h satisfy the conditions of d <z / 2 and d <h / 2. ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記ゲート電極と前記絶縁層とを除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
A method of manufacturing a field emission electron source comprising a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode,
A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon on the substrate, and etching; A step of forming the electron-emitting portion from at least the doping diamond, a step of forming an insulating layer on the cathode, a step of forming the gate electrode on the insulating layer, and a resist on the gate electrode. A method of manufacturing a field emission electron source, comprising: a step of applying; and a step of removing the gate electrode and the insulating layer around the electron emission portion by etching.
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記ゲート電極と前記絶縁層とを除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
A method of manufacturing a field emission electron source comprising a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode,
A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon on the substrate, and etching; A step of forming the electron emission portion from at least the doping diamond, and a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium on the substrate, transitions of groups IVa to VIa Forming an intermediate layer including at least one of a carbide layer made of a metal or silicon carbide and a nitride layer made of a transition metal of group IVa to VIa, aluminum or silicon, and an insulating layer on the cathode And forming the gate electrode on the insulating layer And a step of applying a resist on the gate electrode, and a step of removing the gate electrode and the insulating layer around the electron emission portion by etching. .
ダイヤモンドを材料として含む突起形状の電子放出部を有する陰極と、ゲート電極と、アノード電極と、を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、
基板を準備する工程と、前記基板上に、ホウ素、窒素、リン、イオウ、リチウム及びシリコンからなる群より選ばれる1種以上の元素を不純物としてドーピングしたドーピングダイヤモンドを形成する工程と、エッチングにより、少なくとも前記ドーピングダイヤモンドから前記電子放出部を形成する工程と、前記基板上に、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル及びクロムのうち少なくとも一つの遷移金属又はシリコンからなる層、IVa〜VIa族の遷移金属又はシリコンの炭化物からなる炭化物層、及びIVa〜VIa族の遷移金属、アルミニウム又はシリコンの窒化物からなる窒化物層のうち少なくとも一層を含む中間層を形成する工程と、前記陰極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上に別の絶縁層を形成する工程と、前記別の絶縁層の上に集束電極を形成する工程と、前記集束電極の上にレジストを塗布する工程と、エッチングにより、前記電子放出部周辺の前記集束電極、前記ゲート電極、前記絶縁層及び前記別の絶縁層を除去する工程と、を含む電界放射型電子源の製造方法。
A method of manufacturing a field emission electron source comprising a cathode having a projection-shaped electron emission portion containing diamond as a material, a gate electrode, and an anode electrode,
A step of preparing a substrate, a step of forming a doped diamond doped with one or more elements selected from the group consisting of boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, lithium and silicon on the substrate, and etching; A step of forming the electron emission portion from at least the doping diamond, and a layer made of at least one transition metal or silicon of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum and chromium on the substrate, transitions of groups IVa to VIa Forming an intermediate layer including at least one of a carbide layer made of a metal or silicon carbide and a nitride layer made of a transition metal of group IVa to VIa, aluminum or silicon, and an insulating layer on the cathode And forming the gate electrode on the insulating layer A step of forming another insulating layer on the gate electrode, a step of forming a focusing electrode on the other insulating layer, a step of applying a resist on the focusing electrode, and etching. Removing the focusing electrode, the gate electrode, the insulating layer, and the another insulating layer around the electron emitting portion.
前記中間層を形成する工程では、前記基板上に金属膜を堆積中又は堆積後に該金属膜を加熱して前記基板と前記金属膜との界面に金属炭化物層を形成することを特徴とする請求項20又は21に記載の電界放射型電子源の製造方法。   The step of forming the intermediate layer includes heating the metal film during or after depositing the metal film on the substrate to form a metal carbide layer at the interface between the substrate and the metal film. Item 22. The method for producing a field emission electron source according to Item 20 or 21. 前記絶縁層を形成する工程では、前記絶縁層を形成し、前記絶縁層の上にレジストを塗布し、前記電子放出部周辺の前記絶縁層を除去する一連の工程を複数回行い、
前記電子放出部の高さをz、前記電子放出部の先端と前記ゲート電極との距離をd、前記絶縁層の厚みをhとして、d<zかつd<hの条件を満たすように前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項19〜22のいずれか一項に記載の電界放射型電子源の製造方法。
In the step of forming the insulating layer, the insulating layer is formed, a resist is applied on the insulating layer, and a series of steps of removing the insulating layer around the electron emission portion is performed a plurality of times,
The height of the electron emission part is z, the distance between the tip of the electron emission part and the gate electrode is d, and the thickness of the insulating layer is h, so that the insulation satisfies the conditions of d <z and d <h. The method for manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 19 to 22, wherein a layer is formed.
前記絶縁層を形成する工程において、最後に形成した前記絶縁層の厚みが最大であることを特徴とする請求項23に記載の電界放射型電子源の製造方法。   24. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 23, wherein in the step of forming the insulating layer, the thickness of the last formed insulating layer is the maximum. 前記基板が、ダイヤモンド基板であることを特徴とする請求項19〜22のいずれか一項に記載の電界放射型電子源の製造方法。   The method of manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 19 to 22, wherein the substrate is a diamond substrate. 前記基板が、ダイヤモンド基板であり、前記ドーピングダイヤモンドを形成する工程の前に、エッチングにより、前記ダイヤモンド基板上に突起形状を形成する工程を含むことを特徴とする請求項25に記載の電界放射型電子源の製造方法。   The field emission type according to claim 25, wherein the substrate is a diamond substrate, and includes a step of forming a protrusion shape on the diamond substrate by etching before the step of forming the doped diamond. Manufacturing method of electron source. 前記基板が、ダイヤモンド基板であり、前記突起形状を形成した後、ドーピングダイヤモンドからなる前記電子放出部を形成し、その後の突起形状形成工程を含まないことを特徴とする請求項26に記載の電界放射型電子源の製造方法。   27. The electric field according to claim 26, wherein the substrate is a diamond substrate, and after forming the protrusion shape, the electron emission portion made of doped diamond is formed and does not include a subsequent protrusion shape forming step. A method for manufacturing a radiation electron source.
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