JP2742749B2 - 電界放出電子エミッタ及びその形成方法 - Google Patents

電界放出電子エミッタ及びその形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、概して電界放出電子エ
ミッタ、特に、低／負電子親和性コーティング（ｌｏｗ
／ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｆｆｉｎｉ
ｔｙ）を用いた電界放出電子エミッタ及びその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】優先的に形成された導電性／半導電性電
極を電子エミッタとして用いた電界放出デバイスが当該
技術分野において周知である。従来技術における電子エ
ミッタハは、作動電圧が高い、表面安定性に乏しい、そ
してイオン衝撃損傷を被りやすい等の特性上の欠点を示
すことが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このため、従来技術の
電子エミッタにおける上述したような欠点のうち、少な
くともいくつかを解消した電子エミッタ／電子源を用い
た電子デバイスが要望されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段および作用】上記及び他の
要望は、次の各ステップを含む電子エミッタを形成する
方法を提供することによって達成される。すなわち：選
択的に形成され主表面をもつ基板を提供するステップ；
選択的に形成された基板の主表面の少なくとも一部上へ
核形成位置（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓ）とし
てイオン注入するステップ；各核形成位置少なくともい
くつかに優先的にダイヤモンドクリスタライト（微結
晶）を成長させるステップ；基板主表面の少なくとも一
部上及びダイヤモンドクリスタライト上に導電性／半導
電性物質層を堆積するステップ；選択的に形成された基
板の少なくとも一部を除去し、これによって導電性／半
導電性層の少なくとも一部上に形成されたダイヤモンド
のコーティングを有する電子エミッタを形成するステッ
プである。
【０００５】上記及び他の要件は、更に、本発明の一実
施例においては、選択的に形成された基板の少なくとも
一部上に形成された炭素核形成位置から成長したダイヤ
モンドコーティングを含む電界放出電子エミッタを提供
することにより、また本発明の他の実施例においては、
選択的に形成された基板の一部上に選択的に形成された
炭素核形成位置から成長したダイヤモンドコーティング
を有する電界放出電子エミッタを提供することにより、
それぞれ達成される。
【０００６】
【実施例】図１に、イオン注入装置（ｉｏｎ ｉｍｐｌ
ａｎｔａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ）の１実施例の
模式図を示す。排気容器１０１が設けられ、その内部に
は、少なくともイオン源１０６及び基板（ターゲット）
保持固定体１０３が配置されている。イオン物質（また
は材料）源孔１０５が図示の如く形成されており、イオ
ン源１０６に物質または材料を供給する。容器１０１を
排気するように不図示の排気装置が動作可能に接続され
た排気口（ｐｏｒｔ）１０２が設けられている。注入装
置の動作中、イオンビーム１０７が電圧源１０８により
誘起された電界によってターゲット、図示例では半導体
基板１０４へ向けられる。これにより、イオンビーム１
０７を構成するイオンのうち少なくとも一部は基板１０
４内に注入されることとなる。
【０００７】図２は、イオン２０１が注入された基板１
０４の拡大側面図である。イオンは、その加速電界（不
図示）強度に応じて、基板１０４材料中へ選択的に所望
深さまで注入される。これに対応して、電界強度は、注
入されたイオンが基板１０４の表面に実質上配設される
ように選択される。
【０００８】図３は、ダイヤモンド成長環境装置の一実
施例を示す模式図である。内部に基板（ターゲット）ホ
ルダ３０５及び加熱素子３０４が配置された排気容器３
０１が設けられている。ガス供給マニホールドの一部で
ある源管３０３は、ダイヤモンド成長環境内へ反応ガス
成分源を供給する。容器３０１は、排気ポンプ（不図
示）を排気口３０２へ機能可能に接続することによって
適切に排気される。動作中、ターゲット、図示例では基
板３０６は、加熱素子３０４が近接配置されたターゲッ
トホルダ３０５上に配置される。電源３０７は、加熱素
子３０４を介して電流を供給して基板３０６を加熱し、
適切なガス成分の存在下で、ダイヤモンドの成長中に基
板３０６の表面に反応が発生する。
【０００９】ダイヤモンドの成長は、少なくとも部分的
には材料表面における核形成能力に依存する。多くのダ
イヤモンド形成方法では、核形成はランダムであり、十
分に分布しないためにフィルム成長に欠陥が生じたり、
不完全であったりする。基板３０６の表面に注入された
炭素イオンによって、ほぼ均一に分布した複数の核形成
位置が得られ、該核形成位置からダイヤモンド成長が始
まる。
【００１０】図４は、本発明方法に係る各ステップを実
行することにより得られた構造４００の拡大側面図を示
す。構造４００は、以下基板４０１と呼ぶ主表面を有す
る選択的に形成された単一又は複数の支持層を含む。基
板４０１は、それらに限定されるものではないが、異方
性エッチングやイオンミリングを含む多くの周知技術に
より選択的に形成され、これによって選択的に形成され
た領域、図示例では略ノッチ形状の凹部４０２が得られ
る。矢印４０５で示した炭素イオンビームは、基板４０
１において炭素核形成位置４０４へ注入を行なう。
【００１１】図５は、本発明方法の付加ステップを受け
た構造４００の側面図である。同図において、矢印４２
０で示した反応物質源が、基板４０１と近位加熱素子
（図３における番号３０４）との間の介在領域内に配置
され、注入された炭素核形成位置に優先的にダイヤモン
ドクリスタライトコーティング４０６を成長させる。
【００１２】図６は、本発明方法の付加ステップを受け
た構造４００の側面図である。同図において、導電性／
半導電性物質層４０７が基板４０１の主表面のいずれの
露出部上及びダイヤモンドクリスタライトコーティング
４０６上にも堆積されている。導電性／半導電性物質４
０７は、凹部４０２を突起４０８によって充填するよう
に堆積されている。
【００１３】図７は、本発明方法の付加処理ステップを
受けた構造４００の側面図である。同図において、基板
４０１の少なくとも一部が除去されている。基板４０１
の材料を除去することによって、導電性／半導電性物質
層４０７、特に突起４０８が効果的に露出される。突起
４０８上にはダイヤモンドクリスタライトコーティング
４０６が形成されている。基板４０１の材料（単数又は
複数）及び導電性／半導電性物質４０７は、クリスタラ
イトコーティング４０６又は導電性／半導電性物質４０
７に対して実質上影響を及ぼすことなく、エッチングや
溶解その他の適切な方法により基板４０１比較的容易に
除去されるように、選択される。
【００１４】ダイヤモンドコーティングを含む得られた
構造は、低作動電圧、改善された表面安定性、及びイオ
ン衝突損傷を受けにくい、等を含む数多くの望ましい動
作特性を示す電界放出電子エミッタを構成する。注入さ
れた炭素核形成位置を組み込むことによって、改善され
たダイヤモンドクリスタライト被覆構造が得られ、望ま
しくないクリスタライトの大成長を含む不均一コーティ
ングの形成を抑制できる。
【００１５】図８は、本発明に係る他の方法の各ステッ
プを実行することによって得られた構造５００の拡大側
面図である。主表面を有する支持層又は基板５０１が形
成されている。フォトレジスト又は絶縁性材料等のパタ
ーン化可能物質層５０９が、基板５０１上に形成されて
いる。その後、パターン化可能物質層５０９が選択的に
露出及び現像され、少なくとも一の孔部５０３を得る。
この孔部５０３を介して、基板５０１の選択的異方性形
成が行われ、選択的形成領域、図示例では略ノッチ形状
に形成された凹部５０２が得られる。矢印５０５で示し
た炭素イオンビームにより、基板５０１の凹部５０２内
で核形成位置５０４の注入が行なわれる。
【００１６】図９は、核形成位置５０４の注入後に除去
されるパターン化可能物質層５０９を示す構造５００の
側面図である。
【００１７】図１０は、本発明方法の各付加ステップを
受けた基板５００の側面図を示す。同図において、矢印
５２０で示した反応物質源は、基板５０１と近位加熱素
子（図３参照）との間の介在領域内に配置され、注入さ
れた炭素核形成位置に優先的にダイヤモンドクリスタラ
イト５０６を成長させる。
【００１８】図１１は、本発明方法の付加ステップを受
けた構造５００の側面図である。同図において、導電性
／半導電性物質層５０７は、基板５０１の主表面におけ
るいずれの露出部にもかつダイヤモンドクリスタライト
５０６上に堆積されている。導電性／半導電性物質５０
７は、凹部５０２を突起５０８によって充填するように
堆積されている。
【００１９】図１２は、本発明方法の付加ステップを受
けた構造５００の側面図である。同図において、基板５
０１の少なくとも一部が除去されている。基板５０１の
物質を除去することにより、導電性／半導電性物質層５
０７、特にその上面にダイヤモンドクリスタライト５０
６が形成されている突起５０８が露出される。
【００２０】そこからダイヤモンド結晶子の成長が始ま
る注入された核形成位置を用いることにより、一層均一
なコーティングが得られる。１０オングストロームから
５０００オングストローム以下の程度のコーティング厚
が望ましいので、コーティング厚及び被覆の不規則性を
最小限に抑制することがコーティング形成の重要特徴と
なる。ダイヤモンドフィルム成長を行う他の方法では、
ほぼ均一に成長した厚さや被覆を得ることはできない。
【００２１】図１３は、本発明の更に他の方法に従って
形成された構造６００の側面図である。構造６００は、
先に図９を参照しつつ説明した構造５００に類似してお
り，従って同等の構成要素には「６」で始まる同等の番
号を付した。図１３では、更に、基板６０１上に物質６
１０を堆積するために使用される低角度材料蒸着を示
す。これにより、基板６０１の選択的に形成された領域
６０２が部分的に閉止されることとなる。図１３はま
た、矢印６０５で示したイオンビームを表す。ここか
ら、炭素核形成位置６０４が基板６０１の選択的形成領
域６０２内、及びほぼ選択的形成領域６０２の好適な一
部、図示例ではノッチ部の先に注入される。
【００２２】図１４は、物質６１０が除去される付加ス
テップを受けた構造６００を示す。
【００２３】図１５は、本発明方法の各付加ステップを
受けた構造６００の側面図を示す。同図において、矢印
６２０で示した反応物質源が基板６０１と近位加熱素子
（図３参照）との間の介在領域内に配置され、注入され
た炭素核形成位置に優先的にダイヤモンドクリスタライ
ト６０６を成長させる。図１５に示した構造例では、ク
リスタライトの成長は、基板６０１の露出面の一部上に
のみ、具体的には選択的形成領域６０２の頂端部にのみ
発生する。
【００２４】図１６は、本発明方法の付加ステップを受
けた構造６００の側面図である。同図において、導電性
／半導電性物質層６０７は、基板６０１の主表面におけ
るいずれの露出部上にもかつ及びダイヤモンドクリスタ
ライト６０６上に堆積されている。導電性／半導電性物
質６０７は、選択形成領域６０２が突起６０８によって
充填されるように堆積される。
【００２５】図１７は、本発明方法の付加ステップを受
けた構造６００の側面図である。同図において、基板６
０１の少なくとも一部が除去されている。基板６０１の
材料を除去することにより、導電性／半導電性物質６０
７の層、特にその頂端上にダイヤモンド結晶子６０６が
形成された突起６０８が効果的に露出される。
【００２６】
【発明の効果】上述された各方法は、電界放出デバイス
に用いられた時に、従来技術の周知手段では達成不可能
な動作特性を示す。本発明方法によって形成された電子
エミッタを用いた電界放出デバイスにより、動作が改善
され、安定性が増大し、そしてデバイスの寿命も長くな
る。この電子エミッタのダイヤモンドコーティングは、
従来電子エミッタに使用されていた材料により得られる
ものよりも、固有の低／負電子親和性から派生したはる
かに低い仕事関数を示し、またより安定性の高い結晶子
構造が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン注入装置の模式図である。
【図２】イオン注入の断面図である。
【図３】ダイヤモンド成長環境装置の模式図である。
【図４】本発明方法の各ステップを実行することにより
得られる構造の側面図である。
【図５】本発明方法の各ステップを実行することにより
得られる構造の側面図である。
【図６】本発明方法の各ステップを実行することにより
得られる構造の側面図である。
【図７】本発明方法の各ステップを実行することにより
得られる構造の側面図である。
【図８】本発明の他の方法における各ステップを実行す
ることにより得られる構造の側面図である。
【図９】本発明の他の方法における各ステップを実行す
ることにより得られる構造の側面図である。
【図１０】本発明の他の方法における各ステップを実行
することにより得られる構造の側面図である。
【図１１】本発明の他の方法における各ステップを実行
することにより得られる構造の側面図である。
【図１２】本発明の他の方法における各ステップを実行
することにより得られる構造の側面図である。
【図１３】本発明に係る更に他の方法の各ステップを実
行することにより得られる構造の側面図である。
【図１４】本発明に係る更に他の方法の各ステップを実
行することにより得られる構造の側面図である。
【図１５】本発明に係る更に他の方法の各ステップを実
行することにより得られる構造の側面図である。
【図１６】本発明に係る更に他の方法の各ステップを実
行することにより得られる構造の側面図である。
【図１７】本発明に係る更に他の方法の各ステップを実
行することにより得られる構造の側面図である。
【符号の説明】
１０１ 容器 １０２ 排気口 １０３ 基板保持固定体 １０４ 半導体基板（ターゲット） １０５ イオン材料源孔 １０６ イオン源 １０７ イオンビーム １０８ 電圧源 ２０１ イオン ３０１ 排気容器 ３０２ 排気口 ３０３ 源管 ３０４ 加熱素子 ３０５ ターゲットホルダ ３０６ 基板 ３０７ 電源 ４００ 構造体 ４０１ 基板 ４０２ 凹部 ４０４ 炭素核形成位置 ４０５ イオンビーム ４０６ ダイヤモンドクリスタライトコーティング ４０７ 導電性／半導電性材料 ４０８ 突起
フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・イー・ジャスキー アメリカ合衆国アリゾナ州85259、スコ ッツデイル、イースト・マウンテン・ビ ュー 12256 (56)参考文献 特開 平５−135687（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−205617（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主表面を有し、選択的に形成された基板
    （４０１）を提供するステップと、 核形成位置（４０４）としてのイオンを、選択的に形成
    された基板（４０１）の主表面の少なくとも一部上に注
    入するステップと、 核形成位置（４０４）の少なくとも一部に優先的にダイ
    ヤモンドクリスタライト（４０６）を成長させるステッ
    プと、 基板（４０１）の主表面の少なくとも一部上及びダイヤ
    モンドクリスタライト（４０６）上に導電性／半導電性
    物質層（４０７）を堆積するステップと、 選択的に形成された基板（４０１）の少なくとも一部を
    除去し、これによって導電性／半導電性層（４０７）の
    少なくとも一部上に形成されたダイヤモンド（４０６）
    のコーティングを有する電子エミッタを形成するステッ
    プと、 を含むことを特徴とする電子エミッタの形成方法。
  2. 【請求項２】 主表面を有する基板（５０１）を提供す
    るステップと、 基板（５０１）の主表面上にパターン化可能物質層（５
    ０９）を堆積するステップと、 パターン化可能物質層（５０９）をパターン化して貫通
    する孔部（５０３）を形成し、基板（５０１）の主表面
    の一部を露出させるステップと、 露出した基板を異方性エッチングして、ほぼ露出部分に
    おいて基板を選択的に成形するステップと、 核形成位置（５０４）としてのイオンを、ほぼ孔部（５
    ０３）に対応する領域において選択的に形成された基板
    （５０１）の少なくとも一部上へ注入するステップと、 核形成位置（５０４）の少なくとも一部に優先的にダイ
    ヤモンドクリスタライト（５０６）を成長させるステッ
    プと、 基板（５０１）の表面上及びダイヤモンドクリスタライ
    ト（５０６）上に導電性／半導電性物質層（５０７）を
    堆積するステップと、 選択的に形成された基板（５０１）のすくなくとも一部
    を除去し、これによってダイヤモンドクリスタライトの
    コーティングを上面に有する選択的に形成された電子エ
    ミッタを得るステップと、 を含むことを特徴とする電界放出電子エミッタの形成方
    法。 【請求請３】 主表面を有する選択的に形成された導電
    性／半導電性電極（４０７）と、 導電性／半導電性電極（４０７）の主表面上に形成され
    た複数のイオン注入炭素核形成位置（４０４）と、 導電性／半導電性電極（４０７）の主表面上及び複数の
    炭素核形成位置（４０４）の一炭素核形成位置に配置さ
    れた少なくとも一のダイヤモンドクリスタライト（４０
    ６）と、 を含むことを特徴とする電子エミッタ。
JP23650892A 1991-08-20 1992-08-12 電界放出電子エミッタ及びその形成方法 Expired - Lifetime JP2742749B2 (ja)

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US747,562 1991-08-20

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