JP2008091263A - Field electron emission device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ等を用いたカーボンファイバー型の電界電子放出装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon fiber type field electron emission device using carbon nanotubes and the like and a method for manufacturing the same.
FED(フィールドエミッションディスプレイ)、STM(走査トンネル顕微鏡)、電子描画装置の電子放出源には、電界電子放出装置が用いられている。この電界電子放出装置には、最近、高い機械的強度及び優れた電気的性能を有するカーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)、グラファイトナノファイバー(GNF)などのカーボンファイバー型エミッタが用いられる。 A field electron emission device is used as an electron emission source of an FED (Field Emission Display), STM (Scanning Tunneling Microscope), and electron drawing device. Recently, carbon fiber emitters such as carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), and graphite nanofibers (GNF) having high mechanical strength and excellent electrical performance are used in this field electron emission device. .
カーボンファイバー型エミッタを有する電界電子放出装置は、例えば、特許文献1や特許文献2に示されるように、下部には基板上に形成されるカソード電極が存在し、上部には電子を引き出すための電極としてゲート電極が、カソード電極とゲート電極との間には絶縁層が設けられた構造を有する。カソード電極の一部を露出させるエミッタホールの内部には、エミッタが形成されている。
A field electron emission device having a carbon fiber type emitter has, for example, a cathode electrode formed on a substrate at a lower portion and an electron extraction portion at an upper portion as shown in
そして、カソード電極とゲート電極との間に電圧を印加すると、エミッタの先端に大きな電界が加わり、電子放出が起きる。カーボンファイバー型の電界電子放出装置は、エミッタの先端がナノオーダーで細く、アスペクト比が高いため、比較的低い電圧で電界集中が、エミッタ先端に生じ、低電圧での駆動が可能となる利点がある。
しかし、上記従来の電界電子放出装置におけるエミッタ材料は、カーボン(炭素)により構成されているので、カーボンファイバーを構成しているグラファイトに欠陥が存在し、装置内の真空度が悪い場合には、電子放出の際に酸素の影響を受けて酸化現象が発生し、エミッタ材料の一部が、CO2、COと炭素酸化物となって、空中に遊離するので、先端部から短くなっていくという問題があった。 However, since the emitter material in the conventional field electron emission device is composed of carbon (carbon), there is a defect in the graphite constituting the carbon fiber, and when the degree of vacuum in the device is poor, Oxidation occurs due to the influence of oxygen during electron emission, and part of the emitter material becomes CO 2 , CO, and carbon oxide, which are released into the air and become shorter from the tip. There was a problem.
また、先端部分が短くなると、ゲート電極とエミッタ先端との距離が離れるために、エミッタ先端部の電界が弱まり、電子を引き出すためには、さらに大きな電圧を印加する必要があるが、このように印加電圧を増大させると、電子放出の際、再びエミッタ先端部が上記のように酸素の影響を受けて、エミッタ材料の炭素が空中に遊離して、エミッタの長さは一層短くなり、再び印加電圧を増加させなければならない。以上の作用が繰り返されると、エミッタ先端部はどんどん短くなり、最終的には、電界電子放出装置として使えなくなるので、寿命が非常に短くなっていた。 In addition, when the tip portion is shortened, the distance between the gate electrode and the emitter tip is increased, so that the electric field at the emitter tip is weakened, and in order to extract electrons, it is necessary to apply a larger voltage. When the applied voltage is increased, when the electron is emitted, the emitter tip is again affected by oxygen as described above, and the carbon of the emitter material is released into the air, the emitter length is further shortened, and the emitter is applied again. The voltage must be increased. When the above operation is repeated, the tip of the emitter becomes shorter and eventually becomes unusable as a field electron emission device, resulting in a very short lifetime.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、電子放出の際、酸素の影響を受けず、カーボンファイバー型エミッタ先端の劣化を防止することができる電界電子放出装置とその製造方法を提供することを目的としている。 The present invention was devised to solve the above-described problems, and is a field electron emission device capable of preventing deterioration of the tip of a carbon fiber emitter without being affected by oxygen during electron emission, and its The object is to provide a manufacturing method.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置であって、前記エミッタの表面に、エミッタの劣化を防止する炭化膜を形成したことを特徴とする電界電子放出装置である。
In order to achieve the above object, the invention according to
また、請求項2記載の発明は、前記炭化膜は、炭素より仕事関数が低いことを特徴とする請求項1に記載の電界電子放出装置である。
The invention according to
また、請求項3記載の発明は、前記炭化膜は、TiC、ZrC、TaC、NbCのいずれかであることを特徴とする請求項2に記載の電界電子放出装置である。
The invention according to
また、請求項4記載の発明は、カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置の製造方法であって、前記エミッタの表面に炭化膜を形成するための材料を堆積させる第1工程と、アニールにより前記材料とエミッタを構成する炭素との反応から炭化膜をエミッタ表面に形成する第2工程とを備えたことを特徴とする電界電子放出装置の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a field electron emission device including a carbon fiber type emitter, the first step of depositing a material for forming a carbide film on the surface of the emitter, and annealing. And a second step of forming a carbonized film on the surface of the emitter from the reaction between the material and carbon constituting the emitter.
また、請求項5記載の発明は、前記エミッタが設けられるカソード電極とゲート電極との間には絶縁膜が形成されており、前記第1工程の前に、隣接するゲート電極間の絶縁膜を所定深さまで除去しておくことを特徴とする請求項4に記載の電界電子放出装置の製造方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, an insulating film is formed between a cathode electrode provided with the emitter and a gate electrode, and before the first step, an insulating film between adjacent gate electrodes is formed. 5. The method for manufacturing a field electron emission device according to
本発明によれば、カーボンファイバー型エミッタの劣化を防止する炭化膜をエミッタ表面に形成しており、この炭化膜は、電界集中による先端部の加熱や酸化に強い保護膜となるので、特にエミッタ先端部の劣化を防止することができる。また、この炭化膜の仕事関数を炭素よりも小さくすることで、エミッタ先端の電界強度を高めることができ、駆動電圧を低減できる。 According to the present invention, a carbonized film that prevents deterioration of the carbon fiber type emitter is formed on the emitter surface, and this carbonized film is a protective film that is resistant to heating and oxidation of the tip due to electric field concentration. Deterioration of the tip can be prevented. Further, by making the work function of the carbonized film smaller than that of carbon, the electric field strength at the tip of the emitter can be increased and the driving voltage can be reduced.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1(a)は本発明の電界電子放出装置の1素子分の基本的断面構造を示す。また、図1(b)は、図1(a)のカーボンファイバー5の1本分を拡大表示したものを示す。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A shows a basic cross-sectional structure of one element of the field electron emission device of the present invention. Moreover, FIG.1 (b) shows what expanded and displayed one
図1(a)のように、ガラス基板1上にカソード電極(陰極)2が形成され、カソード電極2上には、開口部を有する絶縁膜3が形成されている。絶縁膜3の上には、同じく開口部を有するゲート電極4が設けられている。開口部内の露出したカソード電極2上にはカーボンファイバー(炭素ファイバー)5が形成されている。
As shown in FIG. 1A, a cathode electrode (cathode) 2 is formed on a
カーボンファイバー5は、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)、グラファイトナノファイバー(GNF)等の炭素ナノ構造体により構成されている。カーボンファイバー5は、電界電子放出装置におけるエミッタに相当するもので、カソード電極2とゲート電極4との間に電圧が印加されると、エミッタ先端(カーボンファイバー5の先端)から電子が放出されるものである。
The
特徴的なのは、図1(b)に示すように、カーボンファイバー5は先端部を含め、表面が炭化膜5aで覆われていることである。この炭化膜5aは、エミッタ先端部の電界集中による加熱や酸化に強いので、電子放出の際、先端部が酸化され、カーボンファイバー5を構成する炭素がCOやCO2となって遊離することを防止することができ、カーボンファイバー5の長さが短くなることを防ぐことができる。
Characteristically, as shown in FIG. 1B, the surface of the
この炭化膜5aには、TiC(チタンカーバイド)、ZrC(ジルコニアカーバイド)、TaC(タンタルカーバイド)、NbC(ニオブカーバイド)等が用いられる。例えば、TiC(チタンカーバイド)の場合、融点が3000℃以上と高く、化学的に安定であり、また、仕事関数が3.7〜3.8eVと炭素の仕事関数4〜5eVよりも低くなるので、低電圧駆動を行うことができる。
TiC (titanium carbide), ZrC (zirconia carbide), TaC (tantalum carbide), NbC (niobium carbide), or the like is used for the
なお、上記TiC以外の炭化膜による仕事関数は、ZrCでは3.5eV、TaCでは3.05〜3.98eV、NbCでは、2.24〜4.1eVであり、いずれも炭素の仕事関数よりも低くなっており、融点が3000℃以上と高い。 The work function of the carbonized film other than TiC is 3.5 eV for ZrC, 3.05 to 3.98 eV for TaC, and 2.24 to 4.1 eV for NbC, both of which are higher than the work function of carbon. The melting point is as low as 3000 ° C. or higher.
次に、図1の電界電子放出装置の製造方法を説明する。まず、図3に示すように、ガラス基板1上にカソード電極層21をスパッタ等により積層する。カソード電極層21にはCr、Mo等を用いる。本実施例では、Crを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the field electron emission device of FIG. 1 will be described. First, as shown in FIG. 3, the cathode electrode layer 21 is laminated on the
次にレジスト6を塗布し、露光を行ってレジスト6をストライプ状にパターニングを行い、酸エッチャントを用いたウエットエッチングにより、ストライプ状のカソード電極2を複数ライン形成し、図4のように、レジスト6を有機溶剤による超音波洗浄等で除去する。このとき、ストライプ状のカソード電極2は、例えば、図2のように作製される。
Next, a resist 6 is applied, exposed to pattern the resist 6 in a stripe shape, and a plurality of stripe-
その後、例えばSiO2の絶縁膜3を形成し、図5のように絶縁膜3上にゲート電極層41を堆積させる。ゲート電極層41には、Cr、Mo等を用いることができるが、本実施例ではカソード電極2と同様Crを用い、スパッタによりゲート電極層41を積層する。
Thereafter, for example, an
図6のように、レジスト7を塗布し、露光を行ってレジスト7を図7のようにストライプ状にパターニングを行い、酸エッチャントを用いたウエットエッチングにより、図8のようにストライプ状のゲート電極4を複数ライン形成する。このとき、ゲート電極4だけでなく、絶縁膜3についても緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングを行い、図のように、絶縁膜3を少し掘り下げておく。カソード電極2とゲート電極4とはいずれもストライプ状に形成され、縦横にクロスするように形成される。
As shown in FIG. 6, a
次に、レジスト7を有機溶剤による超音波洗浄等で除去した後、図9のように、レジスト8を塗布する。エミッタホールを形成するために、図10のように、露光を行ってレジスト8の一部に開口部を形成するようにパターニングを行う。開口部は円形状や多角形状等環状に形成される。図11に示すように、ウエットエッチングを行って、ゲート電極4の一部を除去し、さらに、絶縁層3のウエットエッチングを行って、カソード電極2を露出させ、エミッタホールとなる凹部を作製する。
Next, after removing the
ゲート電極4は、酸系溶液でウエットエッチングを行い、絶縁膜3のウエットエッチングには、緩衝フッ酸溶液を用いる。
The
次に、図12に示すように、レジスト8の上から炭素の触媒9をスパッタにより堆積させる。そして、レジスト8をリフトオフしてエミッタホール内のカソード電極2上に堆積した触媒9のみを残すようにした後、図13に示すように、CVD装置内に一酸化炭素(CO)と水素(H2)を供給して、触媒9を基礎としてカーボンファイバー(エミッタ)5を成長させる。
Next, as shown in FIG. 12, a
そして、図14に示すように、炭化膜の原材料となるTi、Zr、Ta、Nb等の炭化材料10をスパッタにより数nm程度堆積させる。このとき、図のAで示される領域を挟んで隣接するゲート電極4の間にも炭化材料10が堆積する。
Then, as shown in FIG. 14, a
図のAで示される領域を挟んで隣接する2つのゲート電極4は、異なる素子のエミッタに電界を加えるためのものであり、別々に動作するものである。しかし、炭化材料10は金属であり、導電性を有するために隣接するゲート電極4を繋ぐように炭化材料10がAの領域に堆積してしまうと、隣接するゲート電極4間で短絡が発生してしまう。
Two
しかし、図8の製造工程で、炭化材料10の堆積高さよりも絶縁膜3の掘り下げ深さが大きくなるようにウエットエッチングを行っているので、堆積した炭化材料10によって、隣接するゲート電極4間が接続されることを防ぐことができ、短絡を防止できる。
However, since wet etching is performed in the manufacturing process of FIG. 8 so that the depth of digging of the insulating
次に、水素(H2)を供給した還元雰囲気中における急速アニール(RTA:Rapid Thermal Anneal)によって、室温から550℃〜600℃まで急速加熱を行い、図15に示すように、エミッタ表面に炭化膜5aを形成する。炭化材料10が、上記のようにTi、Zr、Ta、Nbのいずれかであれば、炭化膜5aは、各々TiC、ZrC、TaC、NbCとなる。以上のようにして、電界電子放出装置が完成する。
Next, rapid heating is performed from room temperature to 550 ° C. to 600 ° C. by rapid annealing (RTA: Rapid Thermal Anneal) in a reducing atmosphere supplied with hydrogen (H 2 ), and as shown in FIG. A
1 ガラス基板
2 カソード電極
3 絶縁膜
4 ゲート電極
5 カーボンファイバー(エミッタ)
5a 炭化膜
1
5a Carbonized film
Claims (5)
前記エミッタの表面に、エミッタの劣化を防止する炭化膜を形成したことを特徴とする電界電子放出装置。 A field electron emission device including a carbon fiber type emitter,
A field electron emission device characterized in that a carbonized film for preventing deterioration of an emitter is formed on a surface of the emitter.
前記エミッタの表面に炭化膜を形成するための材料を堆積させる第1工程と、
アニールにより前記材料とエミッタを構成する炭素との反応から炭化膜をエミッタ表面に形成する第2工程とを備えたことを特徴とする電界電子放出装置の製造方法。 A method for manufacturing a field electron emission device including a carbon fiber emitter,
A first step of depositing a material for forming a carbide film on the surface of the emitter;
A method of manufacturing a field electron emission device, comprising: a second step of forming a carbide film on the surface of the emitter by a reaction between the material and carbon constituting the emitter by annealing.
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