JP2007227076A - 電界放射型電子源およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出の安定性、電子放出の制御性、等において優れた電界放射型電子源を提供すること。
【解決手段】基板１２上に、複数の炭素膜ブロック１４が配置されており、これら炭素膜ブロック１４は、先端ほど細くなる複数の針状炭素膜１６がほぼ一定の先端高さで基板面にほぼ垂直に成膜されて構成されている。炭素膜ブロック１６同士は、基板１２上において互いの間隔（ブロック間隔）が相互の電界放射を阻害しない間隔に制御されて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界放射型電子源およびその製造方法に関する。電界放射型電子源は、例えば、電界放射型ランプ、電子線ホログラフィー装置、荷電粒子装置、Ｘ線発生装置、電子線描画装置、電子顕微鏡等において電子線発生用の電子源に用いることができる。

電界放射は、真空に放出される電流密度を記述するファウラノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式で表すことができることが知られている。この式は、ｉ＝ｓＡＦ²／φｅｘｐ（−Ｂ^3/2／Ｆ）、Ｆ＝βＶで与えられる。ただし、ｉは電界放射電流、ｓは電界放射面積、Ａは定数、Ｆは電界強度、φは仕事関数、Ｂは定数、βは電界集中係数、Ｖは印加電圧である。

電界集中係数βは、印加電圧Ｖを、先端部分の形状や素子の幾何学的形状により電界強度Ｆ（Ｖ／ｃｍ）を変換する係数である。電界放射電流ｉは、仕事関数φが小さい材料ほど、また、電界集中係数βが大きいほど、強くなり、電界放射電流ｉが増大する。電子は仕事関数φであるポテンシャル障壁により固体中に閉じ込められている。この固体表面に電界が強く集中し、ポテンシャル障壁が１ｎｍ以下程度にまで薄くなると、電子はその波動性によるトンネリング現象により固体から真空に放射される確率が急激に増大する。このように、電界集中により電子が真空に放射される現象を電界放射（電界電子放出）という。

電界放射を行う炭素膜として例えば、特許文献１ないし３等で、高アスペクト比のカーボンナノチューブが多数開発されてきている。

しかしながら、カーボンナノチューブを用いた電界放射型電子源の場合、カーボンナノチューブの先端高さにばらつきがあり、かつ、電子放出点である先端がゆらぎやすい、基板上に機械的に支持しにくく安定性にかける、カーボンナノチューブに電流を流し込むための基板との電気的コンタクトがとりにくいなどにより、電子放出の安定性が高い電界放射型電子源を得難い。

さらに、カーボンナノチューブを用いた電界放射型電子源の場合、カーボンナノチューブの密集状態を制御しにくく、電子放出性能に優れた電界放射型電子源を得難い。

特に、カーボンナノチューブを用いた電界放射型電子源の場合、カーボンナノチューブが低い電界放射電流で容易に飽和して電子放出の制御範囲が広い電界放射型電子源を得難い。

以上のことから、カーボンナノチューブを含む他の炭素膜を用いた電界放射型電子源の場合、各種のデバイス、装置等への応用範囲が限定されている、という課題がある。
特開２００５−３１４２０６ 特開２００５−３１４２０４ 特開２００５−２７２２７１

本発明により解決すべき課題は、電子放出の安定性、電子放出の制御性、等において優れた電界放射型電子源およびその製造方法を提供することである。

（１）本発明による電界放射型電子源は、基板上に、複数の炭素膜ブロックが配置されており、これら炭素膜ブロックは、先端ほど細くなる複数の針状炭素膜がほぼ一定の先端高さで基板面にほぼ垂直に成膜されて構成されており、かつ、炭素膜ブロック同士は、基板上において互いの間隔（ブロック間隔）が互いの電界放射を阻害しない間隔に制御されて配置されていることを特徴とするものである。

本発明の電界放射型電子源の場合、針状炭素膜の先端高さにばらつきがなく、かつ、電子放出点である先端がゆらぎにくく、基板上に安定させて支持しやすく、かつ基板との電気的コンタクトがとりやすいなどにより、電子放出の安定性が高い。さらに、炭素膜ブロック同士の間隔は互いの電界放射を阻害しない間隔に制御されているので優れた電子放出性能を得ることができる。

特に、針状炭素膜は、カーボンナノチューブとは異なって、電界放射電流が飽和しにくいために電子放出の制御範囲が広く、したがって、各種のデバイス、装置等への応用範囲が拡大することができるものである。

本発明の好適な一態様は、上記針状炭素膜が、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒｘ、その位置から先端までの高さをｈｘとして、ｈｘ／ｒｘの式で表される形状を備えることである。

この態様を備えた針状炭素膜では、確実かつ効果的に電界放射を行うことができるものである。

本発明の好適な一態様は、上記針状炭素膜が、基板上の導電性炭化物膜に対する選択的なエッチング処理により形成されたものである。

（２）本発明による電界放射型電子源の製造方法は、上記（１）の電界放射型電子源の製造方法であって、基板上に有機フォトレジスト膜を一定厚さに形成するレジスト膜形成工程と、上記有機フォトレジスト膜を上記ブロック配置間隔に対応して選択除去するレジスト膜除去工程と、上記除去されずに残存した有機フォトレジスト膜を熱処理して導電性炭化物膜に変える導電性炭化物膜生成工程と、記導電性炭化物膜上に金属膜を成膜する金属膜成膜工程と、上記金属膜を熱処理して金属微粒子に変える金属微粒子生成工程と、上記金属微粒子をマスクにして導電性炭化物膜をエッチングして針状炭素膜を生成するエッチング工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明の製造方法においては、レジスト膜形成工程とレジスト膜除去工程とにより、炭素膜ブロック同士の間隔を制御するから、高精度にその制御を行うことが可能である。

本発明の製造方法においては、一定厚さに塗布されている有機フォトレジスト膜を熱処理して導電性炭化物膜に変えるので、一定厚さの導電性炭化物膜を得ることができ、その結果、その後のエッチング工程で得る針状炭素膜の先端高さを一定に揃わせることができる。

本発明の製造方法においては、エッチング工程で導電性炭化物膜をエッチングするから、先端ほど細い針状炭素膜を得ることができる。この形状の針状炭素膜は基板上の炭素膜基部が太いので基板上に安定支持されかつ基板との電気的コンタクトも得ることができるうえ、スピント形状となるので、電子放出性能も極めて高い炭素膜を得ることができる。

本発明によれば、電子放出の安定性、電子放出の制御性、等において優れた電界放射型電子源を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電界放射型電子源およびその製造方法を説明する。

図１は実施の形態の電界放射型電子源の断面図である。１０は電界放射型電子源を示す。この電界放射型電子源１０は、基板１２と、この基板１２上に配置されている複数の炭素膜ブロック１４とから構成されている。炭素膜ブロック１４は、先端ほど細くなる複数の針状炭素膜１６が基板面からほぼ一定の先端高さ（ｈ）で基板面にほぼ垂直に成膜されて構成されている。炭素膜ブロック１４同士は、基板１２上において互いの間隔（ｄ：ブロック間隔）が相互の電界放射を阻害しない間隔に制御されて配置されている。針状炭素膜１６は、好ましくは直径がｎｍオーダーで、高さがμｍオーダーである。またブロック間隔は、好ましくは、μｍオーダーである。

図２は実施の形態の電界放射型電子源１０において、炭素膜ブロック１４内の針状炭素膜１６が密集していて、炭素膜ブロック全体が１つの電子放出点を構成している例を示す。各炭素膜ブロック毎に等電位面１８が変化して電界集中し、破線２０で示すように電子放出が行われる。

図３は実施の形態の電界放射型電子源１０において、炭素膜ブロック１４内の針状炭素膜１６の配置間隔が粗くなっていて、炭素膜ブロック１４内の針状炭素膜１６が１つないしはいくつか毎に電子放出点を構成している例を示す。各針状炭素膜１６毎に等電位面２０が変化して電界集中し、破線で示すように電子放出が行われる。

図４を参照して実施の形態による針状炭素膜１６を説明する。針状炭素膜１６は、図４（ａ）で示すように、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈｘ、半径をｒｘとして、ｈｘ／ｒｘの式で表される形状を備える。上記構成の針状炭素膜１６においては、図４（ｂ）で示すように（実線は実施の形態の針状炭素膜により、二点鎖線はカーボンナノチューブによる）、実施の形態の電界放射型電子源１０を陰極とし、これに対向する陽極との間で印加する電圧Ｖが増大するにつれ先端部分Ｓ１から矢印Ａのように電界放射し、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分Ｓ１から遠くなる部分Ｓ２からも矢印Ｂのように電界放射が起こり、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分Ｓ１からさらに遠くなる部分Ｓ３からも矢印Ｃのように電界放射が起こる。

このようにして上記針状炭素膜１６では、印加電圧Ｖの増大により、電界放射電流ｉが従来のように印加電圧ＶがＶ０を超えても、電界放射電流ｉがカーボンナノチューブのように電流ｉ０で飽和せず、それ以上に増大することができる炭素膜である。

以下、図５を参照して実施の形態の電界放射型電子源１０の製造方法を説明する。なお、この製造方法の説明は、実施の形態の電界放射型電子源１０をこの製造方法で製造したものに限定するものではない。

（基板準備工程）
まず、図５（ａ）で示すように、基板１２を準備する。この基板１２の形状は、任意であり、特に限定されない。

（レジスト膜形成工程）
次いで、図５（ｂ）で示すように、基板１２上に有機フォトレジストを塗布して有機フォトレジスト膜２２を形成する。有機フォトレジストには、電子ビーム露光による超微細加工に適した有機フォトレジストが好ましく、高分解能電子線フォトレジストとして、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート：アクリル樹脂）がある。これにはＺＥＰ５２０、ＺＥＰ７００(日本ゼオン)がある。有機フォトレジスト膜２２の形成には、例えば、スピンコート法がある。有機フォトレジストはこのスピンコート法による遠心力によって基板上に均一な厚さに塗布することができる。

（レジスト膜除去工程）
次いで、図５（ｃ）で示すように、有機フォトレジスト膜２２を選択的に除去する。この選択的に除去する方法は、パターニング露光、現像することにより行われる。露光方法には特に限定されないが、例えば電子ビーム描画で作製されたフォトマスクを用いて縮小投影露光により行うか、あるいは、例えば電子ビームで直接描画させる電子ビーム露光により行うことができる。残存した有機フォトレジスト膜２２の間隔は、炭素膜ブロック１４の間隔（ｄ）に対応するものであり、この間隔（ｄ）に対応して有機フォトレジスト膜２２を選択的に除去する。

（導電性炭化物膜生成工程）
次いで、図５（ｄ）で示すように、除去されずに残存した有機フォトレジスト膜２２を熱処理して導電性炭化物膜２４に変える。この熱処理は真空中で例えば１０００℃前後で加熱することにより行う。有機フォトレジスト膜２２はこの加熱により導電性炭化物膜２４になる。この場合、導電性炭化物膜２４の膜厚は有機フォトレジスト膜２２の膜厚に対応する。

（金属膜成膜工程）
次いで、図５（ｅ）で示すように導電性炭化物膜２４上に金属膜２６を成膜する。この金属膜２６を成膜する方法には、特に限定されないが、例えば、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の周知の成膜技術を利用することができる。また、金属膜２６の材料は特に限定されないが、例えば、ＳＵＳ等の鉄材がある。

（金属微粒子生成工程）
次いで、図５（ｆ）で示すように、金属膜２６を例えば７００℃前後で熱処理して金属微粒子２８に変える。金属微粒子２８の粒径は、好ましくは直径１〜１００ｎｍ程度である。また、金属微粒子２８の形成間隔は、針状炭素膜１６の配置間隔に対応するものである。金属微粒子２８の形成間隔を狭くすると、図２で示すように炭素膜ブロック１４全体を１つの電子放出点とすることができ、金属微粒子２８の形成間隔を広くすると、図３で示すように炭素膜ブロック１４内の個々の針状炭素膜１６それぞれを１つの電子放出点とすることができるようになる。これらは金属膜２６の膜厚や、金属膜２６の熱処理温度等により制御することができる。

（エッチング生成）
次いで、図５（ｇ）で示すように金属微粒子２８をマスクにして導電性炭化物膜２４をエッチングして針状炭素膜１６を生成する。このエッチングは例えば周知のプラズマエッチング等を用いることにより行うことができる。このエッチングにより例えば、直径がｎｍオーダーで、高さがμｍオーダーの針状炭素膜１６を生成することができる。この場合、針状炭素膜１６は、エッチングにより、先端に向かうほど細くなる炭素膜に成膜される。そして、このエッチングにより、針状炭素膜１６は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒｘ、その位置から先端までの高さをｈｘとして、ｈｘ／ｒｘの式で表される形状に成膜することができる。

（金属微粒子除去工程）
最後に、図５（ｈ）で示すように金属微粒子２８を酸により除去する。なお、金属微粒子２８は残存していても電界放射することができるので、金属微粒子２８を除去することは必ずしも必須となるものではない。

以上により、実施の形態の電界放射型電子源１０を製造することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る電界放射型電子源の断面図である。 図２は図１の炭素膜ブロック上の針状炭素膜が密に成膜された場合の電界放射型電子源の断面図である。 図３は図１の炭素膜ブロック上の針状炭素膜が粗に成膜された場合の電界放射型電子源の断面図である。 図４（ａ）は針状炭素膜の特性の説明に用いる該針状炭素膜の断面図、図４（ｂ）は針状炭素膜とカーボンナノチューブとの電界放射特性を示す図である。 図５は実施の形態の電界放射型電子源の製造方法の説明に供する工程図である。

符号の説明

１０ 電界放射型電子源
１２ 基板
１４ 炭素膜ブロック
１６ 針状炭素膜

Claims (5)

1. 基板上に、複数の炭素膜ブロックが配置されており、
   これら炭素膜ブロックは、先端ほど細くなる複数の針状炭素膜がほぼ一定の先端高さで基板面にほぼ垂直に成膜されて構成されており、
   炭素膜ブロック同士は、基板上において互いの間隔（ブロック間隔）が相互の電界放射を阻害しない間隔に制御されて配置されている、
   ことを特徴とする電界放射型電子源。
2. 電界放射による電子放出点が上記炭素膜ブロック単位である、ことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
3. 電界放射による電子放出点が上記針状炭素膜単位である、ことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
4. 上記針状炭素膜が、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での半径をｒｘ、その位置から先端までの高さをｈｘ、として、ｈｘ／ｒｘの式で表される形状を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
5. 請求項１に記載の電界放射型電子源の製造方法であって、
   基板上に有機フォトレジスト膜を一定厚さに形成するレジスト膜形成工程と、
   上記有機フォトレジスト膜を上記ブロック間隔に対応して選択除去するレジスト膜除去工程と、
   上記除去されずに残存した有機フォトレジスト膜を熱処理して導電性炭化物膜に変える導電性炭化物膜生成工程と、
   上記導電性炭化物膜上に金属膜を成膜する金属膜成膜工程と、
   上記金属膜を熱処理して金属微粒子に変える金属微粒子生成工程と、
   上記金属微粒子をマスクにして導電性炭化物膜をエッチングして針状炭素膜を生成するエッチング工程と、
   を含む、ことを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。

Images