JP2011249033A - Projection structure - Google Patents
Projection structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011249033A JP2011249033A JP2010118359A JP2010118359A JP2011249033A JP 2011249033 A JP2011249033 A JP 2011249033A JP 2010118359 A JP2010118359 A JP 2010118359A JP 2010118359 A JP2010118359 A JP 2010118359A JP 2011249033 A JP2011249033 A JP 2011249033A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- protrusion
- tip
- diamond
- diamond crystal
- base portion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
本発明は、突起構造体に関する。 The present invention relates to a protruding structure.
従来、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及び電子線描画装置等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等を利用した電子放出素子が用いられている。このような電子放出素子は、一般に１５００℃以上の高温の状態において利用される（例えば、非特許文献１参照）。一方、このような電子放出素子を冷陰極やショットキー陰極等として利用する場合には、電子放出部への電界集中の観点から、この電子放出素子を、１００μｍ以上の長さの突起構造を有するものとすることが好ましい。他方、電子放出素子は、仕事関数の低減の観点から、ダイヤモンドを含んで構成されることが好ましい。しかしながら、ダイヤモンドは、共有結合性が強く、金属と比べて粘性や展性が小さい。このため、例えばダイヤモンド片を引き伸ばして１００μｍ以上の長さの突起構造を形成することは困難である。さらには、機械研磨によってダイヤモンド片の幅を狭くして、上記のような突起構造を形成することも、強度の点から非常に困難である。そこで、ダイヤモンドを含む１００μｍ以上の長さの基材を用意し、用意した基材をエッチングすることによって、基材の先端部分の１０μｍのみを先鋭化し、基材の先端部に突起を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、長さが１００μｍ以上の突起構造を有し、ダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子が得られる。 Conventionally, electron-emitting devices using ZrO / W or LaB6 are used in electron microscopes, transmission electron microscopes, electron beam drawing apparatuses, and the like. Such an electron-emitting device is generally used at a high temperature of 1500 ° C. or higher (see, for example, Non-Patent Document 1). On the other hand, when such an electron-emitting device is used as a cold cathode, a Schottky cathode, or the like, this electron-emitting device has a protruding structure with a length of 100 μm or more from the viewpoint of electric field concentration on the electron-emitting portion. Preferably. On the other hand, the electron-emitting device is preferably configured to include diamond from the viewpoint of reducing the work function. However, diamond has a strong covalent bond and is less viscous and malleable than metal. For this reason, for example, it is difficult to stretch a diamond piece to form a protrusion structure having a length of 100 μm or more. Furthermore, it is very difficult from the viewpoint of strength to form the protruding structure as described above by narrowing the width of the diamond piece by mechanical polishing. Therefore, a method of preparing a base material having a length of 100 μm or more containing diamond, etching the prepared base material, sharpening only 10 μm of the tip portion of the base material, and forming a protrusion on the tip portion of the base material Has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to this method, an electron-emitting device having a protrusion structure with a length of 100 μm or more and including diamond is obtained.
ダイヤモンドは、仕事関数が低く、電子を放出し易い。また、ダイヤモンドは、半導体であるので、導体に比べて内部に電界が浸透し易い。このため、ダイヤモンドは、金属等の導体に比べて電界の影響を受け易い。したがって、上記のようにダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子においては、余計な電界集中点が生じて、電子放出性能が低下する場合がある。そこで、本発明は、電子放出性能を向上可能な突起構造体を提供することを目的とする。 Diamond has a low work function and tends to emit electrons. In addition, since diamond is a semiconductor, an electric field easily penetrates inside compared to a conductor. For this reason, diamond is more susceptible to an electric field than a conductor such as metal. Therefore, in the electron-emitting device configured to include diamond as described above, an extra electric field concentration point may occur, and the electron emission performance may be deteriorated. Therefore, an object of the present invention is to provide a protruding structure that can improve electron emission performance.
本発明の突起構造体は、基体部と、該基体部上に設けられた突起部と、からなり、基体部及び突起部は、ダイヤモンド結晶を含み、突起部の先端から基体部と突起部との境界面までの距離は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、突起部は、境界面から先端に向けて先細る形状を有し、突起部の側面は、突起部の内側に湾曲しており、突起部の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である、ことを特徴とする。このように、本発明の突起構造体においては、突起部の側面が内側に湾曲しているので、突起構造体に電界をかけたときに、突起部の側面において余計な電界集中点が生じにくい。その結果、突起部の先端における電界強度の低下が防止される。また、本発明の突起構造体においては、突起部の先端径が１０ｎｍ以上３０μｍ以下であるので、比較的低い引き出し電圧により突起部の先端から電子を放出させることができる。よって、本発明の突起構造体によれば、電子放出性能を向上できる。また、基体部及び突起部がダイヤモンド結晶を含むので、仕事関数が低減されると共に、薬品耐性が高く、酸或いはアルカリに対しても溶けることなく安定である。 The protruding structure of the present invention includes a base portion and a protruding portion provided on the base portion. The base portion and the protruding portion include diamond crystals, and the base portion and the protruding portion from the tip of the protruding portion. The distance to the boundary surface is 10 μm or more and 1000 μm or less, the protrusion has a shape that tapers from the boundary surface toward the tip, and the side surface of the protrusion is curved to the inside of the protrusion. The tip diameter of the part is 10 nm or more and 30 μm or less. As described above, in the protruding structure of the present invention, the side surface of the protruding portion is curved inward, so that when an electric field is applied to the protruding structure, an extra electric field concentration point hardly occurs on the side surface of the protruding portion. . As a result, a decrease in electric field strength at the tip of the protrusion is prevented. In the protrusion structure of the present invention, since the tip diameter of the protrusion is 10 nm or more and 30 μm or less, electrons can be emitted from the tip of the protrusion with a relatively low extraction voltage. Therefore, according to the protruding structure of the present invention, the electron emission performance can be improved. Further, since the base part and the protrusion part contain diamond crystals, the work function is reduced, the chemical resistance is high, and the base part and the protrusion part are stable without being dissolved in acid or alkali.
本発明の突起構造体では、基体部は、境界面の反対側において、境界面に沿って延びる端面を有し、突起部の先端から境界面までの距離は、基体部の端面と境界面との間の距離の半分以上である、ことができる。この場合、基体部と突起部との境界面から、突起部の先端がある程度離れることとなるので、突起部の先端に電界が集中し易い。 In the protruding structure of the present invention, the base portion has an end surface extending along the boundary surface on the opposite side of the boundary surface, and the distance from the tip of the protruding portion to the boundary surface is the distance between the end surface of the base portion and the boundary surface. Can be more than half of the distance between. In this case, since the tip of the protrusion is separated to some extent from the boundary surface between the base portion and the protrusion, the electric field tends to concentrate on the tip of the protrusion.
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかである、ことができる。このように、何れのダイヤモンド結晶を用いた場合でも、例えば金属等を用いる場合に比べて、仕事関数が低減される。 In the protruding structure of the present invention, the diamond crystal can be any one of a type Ia diamond crystal, a type Ib diamond crystal, a type IIa diamond crystal, and a type IIb diamond crystal. Thus, even when any diamond crystal is used, the work function is reduced as compared with the case where, for example, a metal or the like is used.
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことができる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなるので、実効的な仕事関数が低減される。 In the protruding structure of the present invention, the diamond crystal contains at least one dopant of Li, P, S, and N at a concentration of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less. be able to. In this case, since the activation energy of the diamond crystal is relatively low, the effective work function is reduced.
本発明によれば、電子放出性能を向上可能な突起構造体を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the protrusion structure which can improve electron emission performance can be provided.
以下、図面を参照して、本発明に係る突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、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、以下に示す各数値は所定の誤差を含む。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a projection structure according to the present invention and a preferred embodiment of a method for manufacturing the projection structure will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, if possible, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Each numerical value shown below includes a predetermined error.
図１は、本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。図１に示される突起構造体１は、例えば電子顕微鏡、電子線描画装置等の電子放出素子として利用することができる。また、突起構造体１は、種々の分野で導電性ナノ針として利用することができる。さらには、突起構造体１は、導電性工具として利用することができる。 FIG. 1 is a side view showing a protruding structure according to the present embodiment. The protruding structure 1 shown in FIG. 1 can be used as an electron-emitting device such as an electron microscope or an electron beam drawing apparatus. Further, the protruding structure 1 can be used as a conductive nanoneedle in various fields. Furthermore, the protruding structure 1 can be used as a conductive tool.
突起構造体１は、基体部２と突起部３とからなる。基体部２と突起部３とは一体に形成されている。基体部２は、基体部２と突起部３との境界面Ｓの反対側において境界面Ｓに沿って延びる端面２１を有している。また、基体部２は、基体部２の中心軸Ａに対する回転対称性が高い形状（例えば円柱形状）を有する。 The protruding structure 1 includes a base portion 2 and a protruding portion 3. The base body 2 and the protrusion 3 are integrally formed. The base portion 2 has an end surface 21 that extends along the boundary surface S on the opposite side of the boundary surface S between the base portion 2 and the protrusion 3. In addition, the base portion 2 has a shape (for example, a cylindrical shape) with high rotational symmetry with respect to the central axis A of the base portion 2.
突起部３は、基体部２上に設けられている。突起部３は、突起部３の中心軸Ｂに対する回転対称性が高い形状を有している。なお、本実施形態においては、基体部２の中心軸Ａと突起部３の中心軸Ｂとは略一致している。突起部３は、境界面Ｓから離れるにしたがって先細る形状を有している。つまり、突起部３は、境界面Ｓから先端部３２に向けて先細る形状を有している。また、突起部３の先端３２から境界面Ｓまで延びる突起部３の側面３１は、突起部３の内側に湾曲している。突起部３の側面３１の湾曲の曲率半径は、特に限定されないが、例えば突起部３の長さｈ３の１００倍以下とすることができる。 The protrusion 3 is provided on the base body 2. The protrusion 3 has a shape with high rotational symmetry with respect to the central axis B of the protrusion 3. In the present embodiment, the central axis A of the base portion 2 and the central axis B of the protruding portion 3 substantially coincide with each other. The protrusion 3 has a shape that tapers away from the boundary surface S. That is, the protrusion 3 has a shape that tapers from the boundary surface S toward the tip 32. Further, a side surface 31 of the protrusion 3 that extends from the tip 32 of the protrusion 3 to the boundary surface S is curved inward of the protrusion 3. The curvature radius of the curvature of the side surface 31 of the protrusion 3 is not particularly limited, but can be, for example, 100 times or less the length h3 of the protrusion 3.
基体部２及び突起部３は、ダイヤモンド結晶を含む。より具体的には、基体部２及び突起部３は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる。基体部２及び突起部３が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等をからなる場合に比べて、仕事関数が低減される。 Base part 2 and projection part 3 contain a diamond crystal. More specifically, the base 2 and the protrusion 3 are made of any one of an Ia type diamond crystal, an Ib type diamond crystal, an IIa type diamond crystal, and an IIb type diamond crystal. Even when the base portion 2 and the projection portion 3 are made of any of these diamond crystals, the work function is reduced as compared with, for example, a case of being made of metal or the like.
特に、基体部２及び突起部３がＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶が他のダイヤモンド結晶に比べて安価なことから、突起構造体１を比較的安価に製造できる。また、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の温度依存性が比較的小さいので、基体部２及び突起部３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、安定して電子を放出できる。また、基体部２及び突起部３がＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合も、基体部２及び突起部３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合と同様に、安定して電子を放出できる。また、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の絶対値が比較的小さいので、基体部２及び突起部３がＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、比較的大きな電流を放出できる。 In particular, when the base portion 2 and the protruding portion 3 are made of an Ib type diamond crystal, the protruding structure 1 can be manufactured relatively inexpensively because the Ib type diamond crystal is less expensive than other diamond crystals. Further, since the temperature dependence of the resistance value of the IIa type diamond crystal is relatively small, electrons can be stably emitted when the base portion 2 and the protrusion 3 are made of the IIa type diamond crystal. Further, when the base portion 2 and the protrusion 3 are made of Ia type diamond crystal, electrons can be stably emitted as in the case where the base portion 2 and the protrusion 3 are made of type IIa diamond crystal. In addition, since the absolute value of the resistance value of the IIb type diamond crystal is relatively small, a relatively large current can be emitted when the base portion 2 and the protrusion 3 are made of the IIb type diamond crystal.
なお、基体部２及び突起部３は、例えばＬｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有するダイヤモンド結晶を含むものとすることもできる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなる（Ｌｉであれば０．１ｅＶ程度、Ｐであれば０．６ｅＶ程度、Ｓであれば０．３ｅＶ以上０．４ｅＶ以下、Ｎであれば１．７ｅＶ程度）ので、実効的な仕事関数が低減される。 In addition, the base | substrate part 2 and the projection part 3 contain the diamond which contains at least 1 dopant of Li, P, S, and N, for example in the density | concentration of 1 * 10 < 13 > cm < -3 > or more and 1 * 10 < 22 > cm < -3 > or less. Crystals can also be included. In this case, the activation energy of the diamond crystal is relatively low (about 0.1 eV for Li, about 0.6 eV for P, 0.3 eV or more and 0.4 eV or less for S, and N for N. Therefore, the effective work function is reduced.
突起部３の長さｈ３は、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。ここで、突起部３の長さｈ３とは、突起部３の先端３２から境界面Ｓまでの距離である。また、突起部３の長さｈ３は、基体部２の長さｈ２の半分以上（ｈ３≧０．５・ｈ２）であることができる。この場合、突起部３の先端３２が境界面Ｓからある程度離れることとなるので、突起部３の先端３２に電界が集中し易い。ここで、基体部２の長さｈ２とは、基体部２の端面２１と境界面Ｓとの間の距離である。突起部３の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である。ここで、先端径とは、突起部３の先端部３２の最大径であって、突起部３の先端面３３の幅Ｗ３３である。先端径の最小値１０ｎｍは、加工で得られた最小の値である。一方、先端径の最大値３０μｍは、実用的な引き出し電圧（８ｋＶ）で電子ビームを得ることができる最大の値である。 The length h3 of the protrusion 3 is not less than 10 μm and not more than 1000 μm. Here, the length h3 of the protrusion 3 is a distance from the tip 32 of the protrusion 3 to the boundary surface S. Further, the length h3 of the protrusion 3 can be at least half the length h2 of the base body 2 (h3 ≧ 0.5 · h2). In this case, since the tip 32 of the projection 3 is separated from the boundary surface S to some extent, the electric field tends to concentrate on the tip 32 of the projection 3. Here, the length h2 of the base portion 2 is the distance between the end surface 21 of the base portion 2 and the boundary surface S. The tip diameter of the protrusion 3 is 10 nm or more and 30 μm or less. Here, the tip diameter is the maximum diameter of the tip 32 of the protrusion 3 and is the width W33 of the tip surface 33 of the protrusion 3. The minimum tip diameter of 10 nm is the minimum value obtained by processing. On the other hand, the maximum value of the tip diameter of 30 μm is the maximum value at which an electron beam can be obtained with a practical extraction voltage (8 kV).
以上説明したように、突起構造体１においては、突起部３の側面３１が内側に湾曲しているので、突起構造体１に電界をかけたときに、突起部３の側面３１において余計な電界集中点が生じにくい。その結果、突起部３の先端３２における電界強度の低下が防止される。また、突起構造体１においては、突起部３の先端径が１０ｎｍ以上３０μｍ以下であるので、比較的低い引き出し電圧で突起部３の先端３２から電子を放出できる。よって、突起構造体１によれば、電子放出性能を向上できる。また、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、仕事関数が低減される。 As described above, in the protrusion structure 1, since the side surface 31 of the protrusion 3 is curved inward, an extra electric field is applied to the side surface 31 of the protrusion 3 when an electric field is applied to the protrusion structure 1. Concentration points are unlikely to occur. As a result, a decrease in electric field strength at the tip 32 of the protrusion 3 is prevented. In the protruding structure 1, since the tip diameter of the protruding portion 3 is 10 nm or more and 30 μm or less, electrons can be emitted from the tip 32 of the protruding portion 3 with a relatively low extraction voltage. Therefore, according to the protrusion structure 1, the electron emission performance can be improved. Moreover, since the base | substrate part 2 and the protrusion part 3 contain a diamond crystal, a work function is reduced.
ところで、突起構造体１は、酸やアルカリ等によって洗浄することにより、その表面を清浄な面とすることができる。また、ダイヤモンドは、表面修飾で様々な形態と特性を付与することができることから、種々の薬品と接触させる場合がある。このため、突起構造体１も、例えばふっ酸、王水及び水酸化ナトリウムと接触させる場合があるが、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、ふっ酸、王水及び水酸化ナトリウムと接触させても、形状を維持できる。すなわち、突起構造体１は、基体部２及び突起部３がダイヤモンド結晶を含むので、薬品耐性が高く、酸或いはアルカリ等に対しても溶けることなく安定である。 By the way, the surface of the protruding structure 1 can be made a clean surface by washing with an acid or an alkali. Further, since diamond can impart various forms and characteristics by surface modification, it may be brought into contact with various chemicals. For this reason, the protruding structure 1 may also be brought into contact with, for example, hydrofluoric acid, aqua regia and sodium hydroxide. However, since the base portion 2 and the protruding portion 3 contain diamond crystals, hydrofluoric acid, aqua regia and sodium hydroxide are included. The shape can be maintained even if it is brought into contact with. That is, the protrusion structure 1 has high chemical resistance because the base portion 2 and the protrusion portion 3 contain diamond crystals, and is stable without being dissolved in acid or alkali.
なお、突起部３の高さを１００μｍ以上とすることで、突起部３の先端３２における電界強度を向上できる。また、突起部３の先端面３３は、境界面Ｓに沿って延びる平面とするともできるし、突起部３の内側に湾曲する凹面とするこもできる。つまり、突起部３の先端面３３は、突起部３の先端３２から取り出す電子ビームの形状を所望の形状とすべく、任意の形状の曲面とすることができる。 In addition, the electric field strength in the front-end | tip 32 of the projection part 3 can be improved because the height of the projection part 3 shall be 100 micrometers or more. Further, the tip surface 33 of the protrusion 3 can be a flat surface extending along the boundary surface S, or can be a concave surface curved inward of the protrusion 3. That is, the tip surface 33 of the protrusion 3 can be a curved surface having an arbitrary shape so that the shape of the electron beam extracted from the tip 32 of the protrusion 3 is a desired shape.
また、突起構造体１を、例えば医療、工学等の分野において電子放出素子以外のものとして利用する場合には、突起部３の高さｈ３は上記のものに限られない。突起構造体１を電子放出素子以外のものとして利用する場合には、例えば、以下のようなものとすることができる。すなわち、突起構造体は、ダイヤモンドで作られた１μｍ以上１０００μｍ以下の突起高さの突起状形成物を有し、突起状形成物の側面は湾曲しており、この湾曲は曲率の変曲点がなく、円錐を形成する工程と、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の先端径を有する上記の突起状形成物を、マスクを用いないエッチングによって円錐から形成する工程と、によって得られる対称性の良い突起構造体とすることができる。 Further, when the protruding structure 1 is used as a device other than the electron-emitting device in the fields of medical treatment, engineering, etc., the height h3 of the protruding portion 3 is not limited to the above. When the protruding structure 1 is used as a device other than the electron-emitting device, for example, the following structure can be used. That is, the protrusion structure has a protrusion-shaped formation made of diamond and having a protrusion height of 1 μm or more and 1000 μm or less, and the side surface of the protrusion-shaped formation is curved, and this curvature has an inflection point of curvature. A step of forming a cone, and a step of forming the above-mentioned projection-shaped formation having a tip diameter of 10 nm or more and 100 μm or less from the cone by etching without using a mask; can do.
次に、図２を参照して、突起構造体１を製造する方法について説明する。まず、図２（ａ）に示されるように、長尺状の母材１０を用意する。母材１０の大きさは、従来の電子放出素子との互換性を考慮すると、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下であることが好ましい。母材１０の大きさが、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下から外れると、母材１０から得られる突起構造体１を、電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器へ取り付けることが困難となる。 Next, a method for manufacturing the protruding structure 1 will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, a long base material 10 is prepared. The size of the base material 10 is preferably 50 μm × 50 μm × 100 μm or more and 1 mm × 1 mm × 5 mm or less in consideration of compatibility with conventional electron-emitting devices. When the size of the base material 10 deviates from 50 μm × 50 μm × 100 μm or more and 1 mm × 1 mm × 5 mm or less, the protruding structure 1 obtained from the base material 10 is transferred to an electron beam apparatus such as an electron microscope or an electron beam exposure machine. It becomes difficult to install.
母材１０は、柱状のダイヤモンド結晶からなる。ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れかの型のものとすることができる。また、ダイヤモンド結晶は、導電性及び絶縁性のどちらでもよいが、導電性のものとする場合には、ドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことができる。ドナー不純物はＰとすることができ、アクセプタ不純物はＢとすることができる。一方、ダイヤモンド結晶を絶縁性のものとする場合には、電子放出点の近傍に電極を取り付けることが好ましい。また、母材１０の先端面９は、ダイヤモンド結晶におけるどの結晶面であってもよいが、特に、（００１）面、（０１１）面、（１１１）面及び（２１１）面とすることができる。 The base material 10 is made of a columnar diamond crystal. The diamond crystal can be of any of the Ia type, Ib type, IIa type and IIb type. In addition, the diamond crystal may be either conductive or insulating, but in the case of being conductive, the diamond crystal can contain 1 × 10 17 cm −3 or more of donor or acceptor impurities. The donor impurity can be P and the acceptor impurity can be B. On the other hand, when the diamond crystal is insulative, an electrode is preferably attached in the vicinity of the electron emission point. Further, the front end surface 9 of the base material 10 may be any crystal plane in the diamond crystal, and in particular, can be a (001) plane, a (011) plane, a (111) plane, and a (211) plane. .
なお、リンドープダイヤモンドのダイヤモンド単結晶を厚さ数ｍｍのオーダーで他材料上に合成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いことや、ダイヤモンドの熱膨張係数と他材料の熱膨張係数とが異なることに起因する格子定数のズレによって、膜中のひずみが大きくなり、エピタキシャル成長膜が割れ易くなる。このため、母材１０としては、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶を用いることが好ましい。 In addition, when synthesizing a diamond single crystal of phosphorus-doped diamond on another material in the order of several millimeters of thickness, the hardness of diamond is high, and the thermal expansion coefficient of diamond and the thermal expansion coefficient of other materials are different. Due to the deviation of the resulting lattice constant, the strain in the film increases, and the epitaxially grown film is easily cracked. For this reason, as the base material 10, it is preferable to use Ib type, IIa type, and IIb type diamond single crystals.
Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶は、それぞれＮ型半導体、絶縁体、Ｐ型半導体とその特徴が異なるが、違いは不純物濃度のみであり、結晶系は互いに同一である。このため、これらのダイヤモンド単結晶は、全てＮ型ドープダイヤモンドで被覆することができる。また、良質なエピタキシャル成長膜を作製するためには、これらのダイヤモンド単結晶が不可欠であり、また、どの種類のダイヤモンド単結晶も、金属に比べて仕事関数が小さい。 Ib-type, IIa-type, and IIb-type diamond single crystals have different characteristics from N-type semiconductors, insulators, and P-type semiconductors, respectively, but the only difference is the impurity concentration, and the crystal systems are the same. For this reason, all of these diamond single crystals can be coated with N-type doped diamond. In addition, these diamond single crystals are indispensable for producing a good quality epitaxially grown film, and all kinds of diamond single crystals have a work function smaller than that of metal.
続いて、母材１０の先端部の端面９の外周９ａを研磨して、端面９の面積を小さくする。すなわち、母材１０を研磨して、図２（ｂ）に示されるように、先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する。このとき、母材１０ａの先端部１１の端面１２を滑らかな平面とする。また、先端部１１の先端の幅Ｗ１１を１０μｍ以上１００μｍ以下とする。さらに、母材１０ａの中心軸Ｃに直交する方向からみた先端部１１の稜線１３と中心軸Ｃとのなす角θを、略４５度とする。 Subsequently, the outer periphery 9 a of the end surface 9 at the tip of the base material 10 is polished to reduce the area of the end surface 9. That is, the base material 10 is polished to form a base material 10a with a sharpened tip 11 as shown in FIG. At this time, the end surface 12 of the front end portion 11 of the base material 10a is a smooth flat surface. Further, the width W11 of the tip of the tip portion 11 is set to 10 μm or more and 100 μm or less. Furthermore, the angle θ formed by the ridge line 13 of the tip 11 and the central axis C as viewed from the direction orthogonal to the central axis C of the base material 10a is approximately 45 degrees.
続いて、ＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスをＣＦ４過多として、マスクを用いない反応性イオンエッチングにより、母材１０ａの先端部１１を母材１０ａの長手方向（中心軸Ｃに沿った方向）からエッチングして、図２（ｃ）に示されるように、突起構造体１を形成する。なお、ＣＦ４過多とは、エッチングガスにおけるＣＦ４の濃度が５０％以上である状態である。その後、必要に応じて、ＦＩＢ（収束イオンビーム）装置を用いて、突起部３の先端面３３を任意の曲面に整形してもよい。また、同様にＦＩＢ装置を用いて、突起部３の形状を所望の形状に整形してもよい。 Subsequently, the etching gas containing CF 4 and O 2 is made excessive in CF 4 , and the tip portion 11 of the base material 10a is moved in the longitudinal direction of the base material 10a (along the central axis C) by reactive ion etching without using a mask. Etching from the direction), as shown in FIG. 2C, the protruding structure 1 is formed. Note that the CF 4 excess is a state in which the concentration of CF 4 in the etching gas is 50% or more. Thereafter, if necessary, the tip surface 33 of the protrusion 3 may be shaped into an arbitrary curved surface using a FIB (focused ion beam) device. Similarly, the shape of the protrusion 3 may be shaped into a desired shape using an FIB apparatus.
（実施例）
次に、本発明の突起構造体の一実施例の製造方法について説明する。まず、柱状のＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる母材１０を用意した。続いて、この母材１０の先端部の端面９の外周を研磨して、端面９の一部を残しつつ先端部を先鋭化し、母材１０ａを形成した。このとき、母材１０ａの中心軸Ｃに直交する方向からみた先端部１１の稜線１３と中心軸Ｃとのなす角θを、略４５度とした。続いて、ＣＦ４の濃度とＯ２濃度との比が略９：１であるエッチングガスにより、マスクを用いることなく、直接ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）エッチングにより母材１０ａをその長手方向からエッチングして、突起構造体１を形成した。突起部３の長さｈ３は５５０μｍであった。また、突起部３の先端径は１０μｍ以下であった。なお、機械研磨とレーザー加工とを併用し、突起構造体１の製造を試みたところ、突起部３の先端径を５０μｍ以下にはできなかった。また、この場合には、グラファイトが発生してしまうため、これの除去プロセスが必要となり、コストの低下にもならないことがわかった。
(Example)
Next, the manufacturing method of one Example of the protrusion structure of this invention is demonstrated. First, a base material 10 made of a columnar IIa type diamond crystal was prepared. Subsequently, the outer periphery of the end face 9 of the tip end portion of the base material 10 was polished, the tip end portion was sharpened while leaving a part of the end face 9, and the base material 10a was formed. At this time, the angle θ formed by the ridge line 13 of the distal end portion 11 and the central axis C viewed from the direction orthogonal to the central axis C of the base material 10a was set to about 45 degrees. Subsequently, the base material 10a is longitudinally etched by ICP (Inductively Coupled Plasma) etching without using a mask with an etching gas in which the ratio of CF 4 concentration to O 2 concentration is approximately 9: 1. The protrusion structure 1 was formed by etching from the direction. The length h3 of the protrusion 3 was 550 μm. The tip diameter of the protrusion 3 was 10 μm or less. In addition, when mechanical polishing and laser processing were used in combination to try to manufacture the protruding structure 1, the tip diameter of the protruding portion 3 could not be reduced to 50 μm or less. Further, in this case, since graphite is generated, it has been found that a process for removing the graphite is necessary and the cost is not reduced.
このようにして得られた突起構造体１のＳＥＭ写真を図３に示す。この突起構造体１を用いた電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。一方、突起構造体１を用いない従来の電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１００μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。この結果から、突起構造体１によれば、電子放出性能が向上されることが明らかとなった。また、熱電子放出成分と電界放出成分とをそれぞれ独立して取り出すことのできる比率が高まり、電子ビームの安定性が１０％程度向上した。また、突起部３における１０点平均の表面粗さが１０００ｎｍ以下程度であれば、電子ビームの安定性の低下を５％以下に保つことができた。 An SEM photograph of the protruding structure 1 obtained in this way is shown in FIG. The electron emission performance of the electron-emitting device using this protruding structure 1 was an angular current density of 100 μA / sr at an emission current of 1 μA. On the other hand, the electron emission performance of the conventional electron-emitting device that does not use the protruding structure 1 was an angular current density of 100 μA / sr at an emission current of 100 μA. From this result, it became clear that according to the protrusion structure 1, the electron emission performance is improved. In addition, the ratio at which the thermionic emission component and the field emission component can be extracted independently has increased, and the stability of the electron beam has been improved by about 10%. Moreover, if the 10-point average surface roughness of the protrusion 3 was about 1000 nm or less, the decrease in the stability of the electron beam could be maintained at 5% or less.
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。また、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. Further, the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
１…突起構造体、２…基体部、２１…端面、３…突起部、３１…側面、３２…先端、Ｓ…境界面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Projection structure, 2 ... Base | substrate part, 21 ... End surface, 3 ... Projection part, 31 ... Side surface, 32 ... Tip, S ... Boundary surface.
Claims (4)
前記基体部及び前記突起部は、ダイヤモンド結晶を含み、
前記突起部の先端から前記基体部と前記突起部との境界面までの距離は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記突起部は、前記境界面から前記先端に向けて先細る形状を有し、
前記突起部の側面は、前記突起部の内側に湾曲しており、
前記突起部の先端径は、１０ｎｍ以上３０μｍ以下である、
ことを特徴とする突起構造体。 A base portion, and a protrusion provided on the base portion,
The base portion and the protrusion include a diamond crystal,
The distance from the tip of the protruding portion to the boundary surface between the base portion and the protruding portion is 10 μm or more and 1000 μm or less,
The protrusion has a shape that tapers from the boundary surface toward the tip.
The side surface of the protrusion is curved inward of the protrusion,
The tip diameter of the protrusion is 10 nm or more and 30 μm or less.
A protrusion structure characterized by that.
前記突起部の前記先端から前記境界面までの前記距離は、前記基体部の前記端面と前記境界面との間の距離の半分以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の突起構造体。 The base portion has an end surface extending along the boundary surface on the opposite side of the boundary surface,
2. The protrusion structure according to claim 1, wherein the distance from the tip of the protrusion to the boundary surface is half or more of a distance between the end surface of the base portion and the boundary surface. body.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010118359A JP2011249033A (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Projection structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010118359A JP2011249033A (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Projection structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011249033A true JP2011249033A (en) | 2011-12-08 |
Family
ID=45414077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010118359A Pending JP2011249033A (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Projection structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011249033A (en) |
-
2010
- 2010-05-24 JP JP2010118359A patent/JP2011249033A/en active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4857769B2 (en) | Electron emitter | |
| JP6459135B2 (en) | Emitter manufacturing method | |
| US8040034B2 (en) | Electron source | |
| TWI782961B (en) | Electrical device and method of forming an electrical device | |
| Wang et al. | Field emission characteristics of single crystal LaB6 field emitters fabricated by electrochemical etching method | |
| US11417491B2 (en) | Emitter, electron gun in which same is used, electronic device in which same is used, and method for manufacturing same | |
| JP2004119018A (en) | Electron emission element | |
| KR20090023328A (en) | Diamond electron radiation cathode, electron source, electron microscope, and electron beam exposer | |
| JP2011249033A (en) | Projection structure | |
| JP4292108B2 (en) | Electron source and manufacturing method thereof | |
| JP2011249034A (en) | Projection structure, and method of manufacturing projection structure | |
| JP2016207319A (en) | Electric field emission electron source and method of manufacturing the same | |
| JP5119457B2 (en) | Field emission electron source and manufacturing method thereof | |
| JP4340776B2 (en) | Carbon-terminated diamond electron source and manufacturing method thereof | |
| JP2011044254A (en) | Electron emitting element and method of fabricating the same | |
| JP2016100121A (en) | Electron emission device and transistor including the same | |
| JP2011003361A (en) | Electron emission element, and manufacturing method of electron emission element | |
| EP4379767A1 (en) | Electron source, manufacturing method therefor, and device comprising electron source | |
| JP2010272504A (en) | Electron source made of carbonaceous material and manufacturing method therefor | |
| JP4867643B2 (en) | Manufacturing method of Schottky emitter | |
| JP2009140815A (en) | Electron emission element, electron source, and electron beam apparatus | |
| JP2010287341A (en) | Electron emission element and manufacturing method thereof | |
| JP2007265924A (en) | Diamond electron source element | |
| JP2015043394A (en) | Manufacturing method of thermal electron emission source and manufacturing method of cathode | |
| JP2010238367A (en) | High-efficiency diamond electron gun |