JP2005353449A - ダイヤモンドの微細加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイヤモンド柱状体の先端の尖鋭化を可能とすると共に、数十ナノメートルサイズの任意形状のダイヤモンド微細構造をより精度高く形成でき、さらに先端上部にもコンタクトを形成することが可能であるダイヤモンド構造体を得る。
【解決手段】 ダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法及びダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ダイヤモンド基板上に形成した柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、任意形状にコントロールできるダイヤモンドの微細加工方法に関するものである。

近年、尖鋭化したダイヤモンドを用い、電界放出型の電子放出素子として機能する微小電極を２次元的に配列したＦＥＤ（フィールド・エミッション・ディスプレー）の開発が進められている。
これは、電子の偏向や収束が殆んど不要となるので、従来のディスプレーと比べてより薄型化又は平板化が可能となるという特徴を有する。また、ダイヤモンドは電子親和力が負であるという電子放出素子として非常に有利な特性を有しているために注目されている。

ダイヤモンドに電子放出素子として有利な機能を持たせるためには、ダイヤモンドの先端を錐のように尖鋭化する加工する必要がある。しかし、一般にダイヤモンドは金属、高分子有機材料、その他のセラミックス系材料に比べて、加工が極めて難しいという問題がある。
このようなことから、ダイヤモンドの先端を錐のように尖鋭化する加工方法がいくつか提案されている。例えば、ダイヤモンドの基板にマスク・エッチング法により、多数の整列したダイヤモンドの隆起部分を形成し、この隆起部分に気相成長法により尖鋭な先端部を有するダイヤモンドを形成する提案がある（特許文献１参照）。

この場合は、隆起部分のダイヤモンドの、結晶方位の選定及び調整が非常に大きな問題となる。それは、隆起部分に形成される尖鋭化部分がダイヤモンドの結晶面の稜線が交差する角錐部を利用し、したがって、その角錐部は面方位により支配されるからである。
ダイヤモンド（数十ナノオーダー）を気相成長させるに際しては、各ダイヤモンド結晶の隆起部分の上に、さらにダイヤモンドの微細な結晶方位を調整することは、実際には極めて難しいという問題がある。

また、特許文献１と同様に、ダイヤモンドの基板に、第１ステップとしてマスク・エッチング法により、整列した多数のダイヤモンドの柱状体を形成し、次に第２ステップとしてプラズマエッチング又は反応性イオンエッチングにより、前記柱状部分の、基板に対して反対側の先端を尖鋭化することが提案されている（特許文献２参照）。
この技術では、第２ステップで使用する反応性イオンエッチングを、第１ステップで使用したエッチングと異なるエッチング方法を採用する、すなわち横方向のエッチング速度の割合が高いエッチングとし、これによって柱状体の先端に尖鋭部を形成するというものである。しかし、横方向のエッチングを優先し、より細くするというエッチングに限定されているので、そのエッチングには自ずと限界があるという問題が存在する。
特開平１０−３１２７３５号公報 特開２００２−７５１７１号公報

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、ダイヤモンド柱状体の先端の尖鋭化を可能とすると共に、数十ナノメートルサイズの任意形状のダイヤモンド微細構造を、より精度良く形成でき、さらに先端上部にもコンタクトを形成することが可能であるダイヤモンド構造体を得ることを課題とする。

本発明の目的を達成するために鋭意研究を進めたところ、ダイヤモンド基板上に形成した柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、ダイヤモンドを微細にかつ任意形状にコントロールすることができるとの知見を得た。

本発明は、この知見に基づいて、
１）ダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法
２）垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを連続して行うことを特徴とする上記１記載のダイヤモンドの微細加工方法
３）ダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法
４）等方性エッチングと異方性エッチングを連続して行うことを特徴とする上記３記載のダイヤモンドの微細加工方法
５）エッチング後のダイヤモンドが、尖鋭化した先端部を備えていることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法
６）エッチング後のダイヤモンドが、截頭錐体の形状を備えていることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法
７）エッチング後のダイヤモンドが、紡錘形を備えていることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法
８）エッチング後のダイヤモンドの形状が紡錘形を呈し、かつ先端部のみが截頭錐形状を備えていることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法
９）微細加工をドライエッチングにより行うことを特徴とする上記１〜８のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法、を提供する。

本発明は、ダイヤモンド柱状体の先端の尖鋭化を可能とすると共に、数十ナノメートルサイズの自由な三次元形状のダイヤモンド微細構造を、精度良く形成でき、さらに先端上部にもコンタクトを形成することが可能であるダイヤモンド構造体を得ることができるという優れた効果を有する。

本発明は、まずダイヤモンド基板上に柱状体を形成する。この工程は従来の技術に開示された公知の方法を用いることができる。例えば、円形の微細なマスクを基板上に必要個数形成する。この後反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング、電子サイクロトロン共鳴エッチング、誘導結合プラズマエッチング法などのエッチング法によって形成することができる。柱状体の形状は任意である。
該形成された柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工する。
このエッチングは、柱状体を形成した後の工程であり、この垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを連続して行うことによって、数十ナノメートルサイズの自由な三次元形状のダイヤモンド微細構造を形成することができる。

具体的には、ダイヤモンド基板上に形成された柱状体を、等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングする。
等方性エッチングには、例えば、平行平板を利用したRFプラズマエッチングに代表されるようなドライエッチング、また、結晶の面方位依存性がない溶液によるエッチングも明確な等方性エッチングとして挙げることができる。
また、異方性エッチングとしては、例えば、本発明に挙げるプラズマの励起場とそこで励起されたガス種を基板に対して高バイアスで基板に入射させる手法等を挙げることができる。この等方性エッチングと異方性エッチングを連続して行う。
エッチング後のダイヤモンドは、尖鋭化した先端部、截頭錐体の形状、紡錘形、さらにはほぼ全体が紡錘形を呈し、かつ先端部のみが截頭錐形状を備えているダイヤモンド等の任意の形状に微細加工することができる。

このように、柱状体を垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、あるいは柱状体を等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングすることにより、数十ナノメートルサイズの任意構造、すなわち自由な三次元形状のダイヤモンド微細構造を形成することができる。
これによって、電子放出素子用ダイヤモンド部材として、例えばフィールド・エミッション・ディスプレーあるいは電界放射顕微鏡等の部材として使用することができる。また、ダイヤモンドの先端上部にも、コンタクトを形成することが可能であるという優れた特徴を備えている。

次に実際に製造した例について説明する。なお、本実施例は、理解を容易にするために記載したものであって、本発明はこの実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の実施態様又は他の実施例は全て本願発明に含まれるものである。

（実施例１）
ダイヤモンド基板上に、一般的なフォトリソグラフィプロセスにより円形のマスクを形成し、次に、このダイヤモンド基板上に形成された柱状体を等方性エッチングである表１(b)の条件で３０分間実施し、次に引き続いて（連続的に）異方性エッチングである表１(a)の条件で５分実施した。さらに、この後アルミマスク除去のために、フッ化水素処理を行った。
これによって、エッチング後のダイヤモンドは、尖鋭化した先端部を備えた底面の平均直径が約１μｍのダイヤモンド微細構造を得ることができる。この尖鋭化した先端部を持つダイヤモンド微細構造体を得るための途中の工程を図１に示す。図１では、まだ充分に尖鋭化していないが、最初の等方性エッチングの時間を延長することにより先鋭化が出来る。すなわち、エッチングの時間の制御で尖鋭化の形状を任意に制御可能である。

（実施例２）
ダイヤモンド基板上に、一般的なフォトリソグラフィプロセスにより円形のマスクを形成し、反応性イオンエッチングを行って柱状体を形成した。次に、このダイヤモンド基板上に形成された柱状体を異方性エッチングである表１(a)の条件で５分実施し、次に連続して等方性エッチングである表１(b)の条件で２０分間実施した。
これによって、エッチング後のダイヤモンドは、先端部は截頭円錐形状であり、その下が紡錘形状（ビール瓶を逆さにしたような形状）のダイヤモンド微細構造が得られた。平均直径は、約０．１〜０．２umのダイヤモンド微細構造であった。この截頭円錐形状先端部を持つダイヤモンド微細構造体を図２に示す。

このようにして得られたダイヤモンドロッドを、エッチング条件を変更し、かつ時間を延長することにより切断して上部を切り離し、図３のような円錐型の形状を得ることができる。すなわち、エッチングの進行と共に、図２で示す紡錘形状のくびれ部分が切断され、上部ロッド部分が切り離される。この切り離されたロッドを超音波で除去することにより、図３の先鋭化したダイヤモンド円錐体の構造が得られる。
なお、図３の等方性エッチング条件は、図２のそれと異なるエッチング条件を用いている。表１に示す(c)の条件は、(b)の条件と異なる等方性エッチング条件の一例を示す。
このように、柱状体を垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすること、あるいは柱状体を等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングすることは極めて重要である。
これによって数十ナノメートルサイズの任意構造、すなわち自由な三次元形状のダイヤモンド微細構造を形成することができ、また、ダイヤモンドの先端上部にも、コンタクトを形成することが可能である。

本発明は、電子放出素子用ダイヤモンド部材としての適用範囲を大幅に向上できるという特徴を有しており、フィールド・エミッション・ディスプレーあるいは電界放射顕微鏡等の部材として有用である。

実施例１で作製した、尖鋭化した先端部を持つダイヤモンド微細構造体のＳＥＭ画像である。 実施例２で作製した、截頭円錐形状先端部を持つダイヤモンド微細構造体のＳＥＭ画像である。 実施例２で作製した截頭円錐形状先端部を用いて、上部のダイヤモンドロッドを切断することによって、円錐型のダイヤモンド構造体を形成した後の、ＳＥＭ画像である。

Claims (9)

1. ダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法。
2. 垂直方向と水平方向のエッチング速度の異なるエッチングを連続して行うことを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドの微細加工方法。
3. ダイヤモンド基板上に柱状体を形成し、該形成された柱状体を、等方性エッチングと異方性エッチングを組合せてエッチングすることにより、柱状体を任意の形状に加工することを特徴とするダイヤモンドの微細加工方法。
4. 等方性エッチングと異方性エッチングを連続して行うことを特徴とする請求項３記載のダイヤモンドの微細加工方法。
5. エッチング後のダイヤモンドが、尖鋭化した先端部を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法。
6. エッチング後のダイヤモンドが、截頭錐体の形状を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法。
7. エッチング後のダイヤモンドが、紡錘形を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法。
8. エッチング後のダイヤモンドの形状が紡錘形を呈し、かつ先端部のみが截頭錐形状を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法。
9. 微細加工をドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のダイヤモンドの微細加工方法。