JP3397236B2 - 電界放出素子の製造方法 - Google Patents
電界放出素子の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は極薄型のディスプレ
イ装置である電界放出型カソードを電子放出源とする電
界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Displ
ay）に関する。更に詳しくはＦＥＤの電界放出素子の製
造方法に関するものである。
イ装置である電界放出型カソードを電子放出源とする電
界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Displ
ay）に関する。更に詳しくはＦＥＤの電界放出素子の製
造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種のディスプレイは、カソード電極
とエミッタとゲート電極とアノード電極を備え、ゲート
電極によってエミッタから電子を引き出して、これをア
ノード電極に放出させるものである。ゲート電極に印加
する電圧を制御することにより、エミッタから放出され
る電子の量が制御される。従来、このＦＥＤの縦形電界
放出素子として、スピント型、Ｓｉエッチング型などが
知られている。図２に示すように、スピント型の電界放
出素子はガラス基板１上のカソード電極２の表面に絶縁
層３及びゲート電極４が順次形成され、ゲート電極４と
絶縁層３を貫通する微小孔６の内部にモリブデンなどか
らなる略円錐形のエミッタ７が蒸着により形成される。
また図３に示すように、Ｓｉエッチング型の電界放出素
子は結晶方位が（１００）面のシリコンウェーハ８を異
方性エッチングすることにより略円錐形のエミッタ７が
作られる。ウェーハ８はカソード電極の機能を有する。
９はウェーハの熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）である。図３に
おいて、図２と同一符号は同一の構成要素を示す。
とエミッタとゲート電極とアノード電極を備え、ゲート
電極によってエミッタから電子を引き出して、これをア
ノード電極に放出させるものである。ゲート電極に印加
する電圧を制御することにより、エミッタから放出され
る電子の量が制御される。従来、このＦＥＤの縦形電界
放出素子として、スピント型、Ｓｉエッチング型などが
知られている。図２に示すように、スピント型の電界放
出素子はガラス基板１上のカソード電極２の表面に絶縁
層３及びゲート電極４が順次形成され、ゲート電極４と
絶縁層３を貫通する微小孔６の内部にモリブデンなどか
らなる略円錐形のエミッタ７が蒸着により形成される。
また図３に示すように、Ｓｉエッチング型の電界放出素
子は結晶方位が（１００）面のシリコンウェーハ８を異
方性エッチングすることにより略円錐形のエミッタ７が
作られる。ウェーハ８はカソード電極の機能を有する。
９はウェーハの熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）である。図３に
おいて、図２と同一符号は同一の構成要素を示す。
【０００３】エミッタはその先端の曲率半径を小さくし
て、ゲート電極との距離を近付けることがカソード電極
の動作電圧（閾値電圧）を低減する上で効果的であると
言われている。上記図２及び図３に示したエミッタ７の
基端の直径及び高さはそれぞれ約１μｍであり、その先
端の曲率半径は約０．０３μｍである。ＦＥＤは極めて
多数の微小孔６を有し、これらの微小孔６の中にそれぞ
れエミッタが設けられる。しかし、ガラス基板やシリコ
ンウェーハ上に直径及び高さが約１μｍの円錐形のエミ
ッタを再現性よく、かつ均一に形成することは非常に難
しい。エミッタの形状が不均一である場合にはカソード
電極の動作電圧が異なるようになり、欠陥となる。ＦＥ
Ｄの電界放出素子においては、エミッタが１個でも欠陥
があれば直ちに不良品となる。
て、ゲート電極との距離を近付けることがカソード電極
の動作電圧（閾値電圧）を低減する上で効果的であると
言われている。上記図２及び図３に示したエミッタ７の
基端の直径及び高さはそれぞれ約１μｍであり、その先
端の曲率半径は約０．０３μｍである。ＦＥＤは極めて
多数の微小孔６を有し、これらの微小孔６の中にそれぞ
れエミッタが設けられる。しかし、ガラス基板やシリコ
ンウェーハ上に直径及び高さが約１μｍの円錐形のエミ
ッタを再現性よく、かつ均一に形成することは非常に難
しい。エミッタの形状が不均一である場合にはカソード
電極の動作電圧が異なるようになり、欠陥となる。ＦＥ
Ｄの電界放出素子においては、エミッタが１個でも欠陥
があれば直ちに不良品となる。
【０００４】こうした円錐形のエミッタの不具合を解決
した電界放出素子として、カソード電極用導電体の実質
的に平坦な粒子放出面にダイヤモンド薄膜をエミッタと
して形成した電界放出素子が開示されている（例えば、
特開平８−２６４１０９、特開平９−３５６７０）。こ
のエミッタにダイヤモンド薄膜が用いられるのは、ダイ
ヤモンドは仕事関数が小さく、電子を放出しやすい性質
である負性電子親和力（ＮＥＡ：Negative Electron Af
finity）を有することによる。特開平８−２６４１０９
号公報に示されるダイヤモンド薄膜は、アモルファスダ
イヤモンドであり、また特開平９−３５６７０号公報に
示されるダイヤモンド薄膜はダイヤモンドライクカーボ
ン（以下、ＤＬＣという）である。一般にダイヤモンド
薄膜を構成するダイヤモンドには、結晶性ダイヤモン
ド、ＤＬＣ、アモルファスダイヤモンドがある。結晶性
ダイヤモンドは天然ダイヤモンドや化学的気相堆積（以
下、ＣＶＤという）法で作られたｓｐ2軌道の少ないダ
イヤモンド（以下、ＣＶＤダイヤモンドという）であ
り、ＤＬＣはｓｐ3とｓｐ2軌道が混在したダイヤモンド
状炭素である。またアモルファスダイヤモンドは完全な
ダイヤモンド構造を持った、Ｃの同素体ではなく、ダイ
ヤモンド構造が乱れていて、余っているダングリングボ
ンドには水素が結合しているものである。
した電界放出素子として、カソード電極用導電体の実質
的に平坦な粒子放出面にダイヤモンド薄膜をエミッタと
して形成した電界放出素子が開示されている（例えば、
特開平８−２６４１０９、特開平９−３５６７０）。こ
のエミッタにダイヤモンド薄膜が用いられるのは、ダイ
ヤモンドは仕事関数が小さく、電子を放出しやすい性質
である負性電子親和力（ＮＥＡ：Negative Electron Af
finity）を有することによる。特開平８−２６４１０９
号公報に示されるダイヤモンド薄膜は、アモルファスダ
イヤモンドであり、また特開平９−３５６７０号公報に
示されるダイヤモンド薄膜はダイヤモンドライクカーボ
ン（以下、ＤＬＣという）である。一般にダイヤモンド
薄膜を構成するダイヤモンドには、結晶性ダイヤモン
ド、ＤＬＣ、アモルファスダイヤモンドがある。結晶性
ダイヤモンドは天然ダイヤモンドや化学的気相堆積（以
下、ＣＶＤという）法で作られたｓｐ2軌道の少ないダ
イヤモンド（以下、ＣＶＤダイヤモンドという）であ
り、ＤＬＣはｓｐ3とｓｐ2軌道が混在したダイヤモンド
状炭素である。またアモルファスダイヤモンドは完全な
ダイヤモンド構造を持った、Ｃの同素体ではなく、ダイ
ヤモンド構造が乱れていて、余っているダングリングボ
ンドには水素が結合しているものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このエミッタをＣＶＤ
法により結晶性ダイヤモンド薄膜で形成しようとして
も、その薄膜形成は極めて困難であった。即ち、ダイヤ
モンドの核生成密度が十分に大きくないため、所定の膜
厚になったときに膜状のダイヤモンドを得ることが困難
であった。本発明の目的は、カソード電極の動作電圧を
一層低減して、電子放出効率が高い電界放出素子の製造
方法を提供することにある。本発明の別の目的は、薄膜
形成用の基板の材質によらずにダイヤモンド薄膜を基板
に蒸着し得る電界放出素子の製造方法を提供することに
ある。
法により結晶性ダイヤモンド薄膜で形成しようとして
も、その薄膜形成は極めて困難であった。即ち、ダイヤ
モンドの核生成密度が十分に大きくないため、所定の膜
厚になったときに膜状のダイヤモンドを得ることが困難
であった。本発明の目的は、カソード電極の動作電圧を
一層低減して、電子放出効率が高い電界放出素子の製造
方法を提供することにある。本発明の別の目的は、薄膜
形成用の基板の材質によらずにダイヤモンド薄膜を基板
に蒸着し得る電界放出素子の製造方法を提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すようにカソード電極用導電体１１の実質的に
平坦な粒子放出面１１ａにダイヤモンド薄膜１７を形成
して電界放出素子を製造する方法において、粉末表面に
極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する平均粒
径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモンド粉末を粒子放出面
１１ａに付着した後、この粒子放出面１１ａにダイヤモ
ンドを蒸着して結晶性ダイヤモンド薄膜１７を形成する
ことを特徴とする電界放出素子の製造方法である。粉末
表面に極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する
ので、種ダイヤモンド粉末を粒子放出面に種付けすると
きに、種ダイヤモンド粉末を高密度かつ高強度で付着す
ることができる。従って、ダイヤモンド蒸着時に高い核
生成密度を得ることができる。
図１に示すようにカソード電極用導電体１１の実質的に
平坦な粒子放出面１１ａにダイヤモンド薄膜１７を形成
して電界放出素子を製造する方法において、粉末表面に
極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する平均粒
径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモンド粉末を粒子放出面
１１ａに付着した後、この粒子放出面１１ａにダイヤモ
ンドを蒸着して結晶性ダイヤモンド薄膜１７を形成する
ことを特徴とする電界放出素子の製造方法である。粉末
表面に極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する
ので、種ダイヤモンド粉末を粒子放出面に種付けすると
きに、種ダイヤモンド粉末を高密度かつ高強度で付着す
ることができる。従って、ダイヤモンド蒸着時に高い核
生成密度を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、この実施の形態
のＦＥＤの電界放出素子１０では、シリコンウェーハか
らなるシリコン基板１１の表面に絶縁層１３とゲート電
極１４とが順次形成され、ゲート電極１４と絶縁層１３
には微小孔１６が貫通して形成される。絶縁層１３はＳ
ｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4等を真空蒸着、スパッタリング、ＣＶ
Ｄ等により厚さ１μｍ未満に形成され、ゲート電極１４
はクロム、タンタル、モリブデン、タングステン、タン
グステンシリサイド、アルミニウム等を真空蒸着、スパ
ッタリング、ＣＶＤ等により厚さ０．１〜０．５μｍに
形成される。微小孔１６の内底部に相当するシリコン基
板１１上の粒子放出面１１ａには結晶性ダイヤモンド薄
膜１７がエミッタとして蒸着により形成される。これら
の電極はダイヤモンド薄膜１７から電子が飛び出しやす
いように超高真空状態に維持される。そのためにこれら
の電極は厚い特殊な構造のガラスカバー１８及び１９の
中に収容され、ガラスカバー１８及び１９はガラスフリ
ット２１で封止される。ガラスカバー１８の内面にはＩ
ＴＯ（Indium Tin Oxide：Ｉｎ及びＳｎの混合酸化物）
等からなる透明アノード電極２２が形成され、アノード
電極２２の表面には蛍光体２３が形成される。
基づいて説明する。図１に示すように、この実施の形態
のＦＥＤの電界放出素子１０では、シリコンウェーハか
らなるシリコン基板１１の表面に絶縁層１３とゲート電
極１４とが順次形成され、ゲート電極１４と絶縁層１３
には微小孔１６が貫通して形成される。絶縁層１３はＳ
ｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4等を真空蒸着、スパッタリング、ＣＶ
Ｄ等により厚さ１μｍ未満に形成され、ゲート電極１４
はクロム、タンタル、モリブデン、タングステン、タン
グステンシリサイド、アルミニウム等を真空蒸着、スパ
ッタリング、ＣＶＤ等により厚さ０．１〜０．５μｍに
形成される。微小孔１６の内底部に相当するシリコン基
板１１上の粒子放出面１１ａには結晶性ダイヤモンド薄
膜１７がエミッタとして蒸着により形成される。これら
の電極はダイヤモンド薄膜１７から電子が飛び出しやす
いように超高真空状態に維持される。そのためにこれら
の電極は厚い特殊な構造のガラスカバー１８及び１９の
中に収容され、ガラスカバー１８及び１９はガラスフリ
ット２１で封止される。ガラスカバー１８の内面にはＩ
ＴＯ（Indium Tin Oxide：Ｉｎ及びＳｎの混合酸化物）
等からなる透明アノード電極２２が形成され、アノード
電極２２の表面には蛍光体２３が形成される。
【０００８】この電界放出素子１０ではシリコン基板１
１で構成されるカソード電極と透明アノード電極２２の
間に予め高い電圧を印加しておき、このカソード電極と
ゲート電極１４の間の電圧をに徐々に高くしていくと、
エミッタのダイヤモンド薄膜１７から電子が真空中に飛
び出し、蛍光体２３の表面に衝突する。蛍光体２３の表
面では発光に伴うエネルギ準位の変動が起きて、発光現
象を生じる。
１で構成されるカソード電極と透明アノード電極２２の
間に予め高い電圧を印加しておき、このカソード電極と
ゲート電極１４の間の電圧をに徐々に高くしていくと、
エミッタのダイヤモンド薄膜１７から電子が真空中に飛
び出し、蛍光体２３の表面に衝突する。蛍光体２３の表
面では発光に伴うエネルギ準位の変動が起きて、発光現
象を生じる。
【０００９】
本発明の特徴ある結晶性ダイヤモンド薄膜
は、２×１０11個／ｃｍ2以上の核形成密度を有する。
好ましくは５×１０11個／ｃｍ2〜４×１０12個／ｃｍ2
である。この結晶性ダイヤモンド薄膜はＣＶＤダイヤモ
ンドであり、次の前処理を行った後、蒸着により形成さ
れる。 (a) 前処理（種ダイヤモンド粉末の調製とこの粉末の種
付け） この前処理としてシリコン基板の粒子放出面に、粉末表
面に極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する平
均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモンド粉末を付着す
る。この付着は、平均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤ
モンド粉末をアルコール溶液に０．０３〜２．０ｇ／ｌ
の割合で分散し、このアルコール溶液にシリコン基板を
浸漬し乾燥することにより行うことが好ましい。種ダイ
ヤモンド粉末の表面に分布する極性基としては、水酸基
（ＯＨ）、カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）、アルデヒド基（Ｃ
ＨＯ）及びカルボキシル基（ＣＯＯＨ）からなる群より
選ばれた１種又は２種以上の基が挙げられる。また種ダ
イヤモンド粉末の表面に分布する非極性基としては、ア
ルキル基（ＣnＨ2n+1）、フェニル基（Ｃ6Ｈ5）、ビニ
ル基（ＣＨ＝ＣＨ2）、アセチル基（ＣＨ3ＣＯ）、アル
コシキル基（ＯＣnＨ2n+1）及びメタクリル基（ＣＨ2＝
ＯＣＨ3）からなる群より選ばれた１種又は２種以上の
基が挙げられる。
は、２×１０11個／ｃｍ2以上の核形成密度を有する。
好ましくは５×１０11個／ｃｍ2〜４×１０12個／ｃｍ2
である。この結晶性ダイヤモンド薄膜はＣＶＤダイヤモ
ンドであり、次の前処理を行った後、蒸着により形成さ
れる。 (a) 前処理（種ダイヤモンド粉末の調製とこの粉末の種
付け） この前処理としてシリコン基板の粒子放出面に、粉末表
面に極性基と非極性基とが表面結合して共存分布する平
均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモンド粉末を付着す
る。この付着は、平均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤ
モンド粉末をアルコール溶液に０．０３〜２．０ｇ／ｌ
の割合で分散し、このアルコール溶液にシリコン基板を
浸漬し乾燥することにより行うことが好ましい。種ダイ
ヤモンド粉末の表面に分布する極性基としては、水酸基
（ＯＨ）、カルボニル基（Ｃ＝Ｏ）、アルデヒド基（Ｃ
ＨＯ）及びカルボキシル基（ＣＯＯＨ）からなる群より
選ばれた１種又は２種以上の基が挙げられる。また種ダ
イヤモンド粉末の表面に分布する非極性基としては、ア
ルキル基（ＣnＨ2n+1）、フェニル基（Ｃ6Ｈ5）、ビニ
ル基（ＣＨ＝ＣＨ2）、アセチル基（ＣＨ3ＣＯ）、アル
コシキル基（ＯＣnＨ2n+1）及びメタクリル基（ＣＨ2＝
ＯＣＨ3）からなる群より選ばれた１種又は２種以上の
基が挙げられる。
【００１０】
種ダイヤモンド粉末の表面に極性基と非極
性基とを表面結合して共存分布するには、先ず極性基又
は非極性基を有する化合物の溶液に種ダイヤモンド粉末
を投入して所定時間撹拌して粉末を引上げた後、この粉
末を非極性基又は極性基を有する化合物の溶液に投入し
て所定時間撹拌して引上げ処理する。或いは、極性基を
有する化合物と非極性基を有する化合物との混合液に種
ダイヤモンド粉末を投入して所定時間撹拌して粉末を引
上げてもよい。極性基及び非極性基を有する化合物の処
理液の具体例を表１に示す。
性基とを表面結合して共存分布するには、先ず極性基又
は非極性基を有する化合物の溶液に種ダイヤモンド粉末
を投入して所定時間撹拌して粉末を引上げた後、この粉
末を非極性基又は極性基を有する化合物の溶液に投入し
て所定時間撹拌して引上げ処理する。或いは、極性基を
有する化合物と非極性基を有する化合物との混合液に種
ダイヤモンド粉末を投入して所定時間撹拌して粉末を引
上げてもよい。極性基及び非極性基を有する化合物の処
理液の具体例を表１に示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】(b) 結晶性ダイヤモンドの蒸着
前処理により粒子放出面にダイヤモンド粉末の種付けを
終了したシリコン基板をＣＶＤ法により結晶性ダイヤモ
ンドを蒸着する。結晶性ダイヤモンド薄膜はその厚さを
絶縁層の厚さより小さい、好ましくは絶縁層の厚さの１
／２以下の厚さに形成される。本発明の結晶性ダイヤモ
ンド薄膜は上記前処理により核生成密度が２×１０11個
／ｃｍ2以上になる。
終了したシリコン基板をＣＶＤ法により結晶性ダイヤモ
ンドを蒸着する。結晶性ダイヤモンド薄膜はその厚さを
絶縁層の厚さより小さい、好ましくは絶縁層の厚さの１
／２以下の厚さに形成される。本発明の結晶性ダイヤモ
ンド薄膜は上記前処理により核生成密度が２×１０11個
／ｃｍ2以上になる。
【００１３】なお、上記実施の形態では、微小孔の内底
部のシリコンウェーハ上に結晶性ダイヤモンド薄膜を形
成したが、本発明はこの構造に限らず、ガラス基板、Ｓ
ｉＯ2基板、基板表面にＳｉＯ2膜が形成された基板、サ
ファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板、ＺｒＯ2基板のような絶縁
性基板上にＩＴＯ、モリブデン、タングステンなどから
なる導電性薄膜をカソード電極として形成し、この導電
性薄膜の表面に結晶性ダイヤモンド薄膜を形成してもよ
い。
部のシリコンウェーハ上に結晶性ダイヤモンド薄膜を形
成したが、本発明はこの構造に限らず、ガラス基板、Ｓ
ｉＯ2基板、基板表面にＳｉＯ2膜が形成された基板、サ
ファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板、ＺｒＯ2基板のような絶縁
性基板上にＩＴＯ、モリブデン、タングステンなどから
なる導電性薄膜をカソード電極として形成し、この導電
性薄膜の表面に結晶性ダイヤモンド薄膜を形成してもよ
い。
【００１４】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
ダイヤモンド分散液の調製
先ず平均粒径が５ｎｍのダイヤモンド超微粉末を２５０
℃の硫酸１０％−硝酸１０％含有水溶液中に２時間保持
した後、水洗し粉末表面の不純物を除去した。次に水酸
基を粉末表面に表面結合させる処理液である過酸化水素
（１４％）／アンモニア（１４％）含有水溶液を用意し
た。この処理液を８０℃に加熱し、粉末表面の不純物を
除去したダイヤモンド超微粉末を投入し、６０分撹拌処
理した。処理液から粉末を引上げ乾燥して粉末表面に水
酸基（ＯＨ）を表面結合させた。次いでカルボニル基を
粉末表面に表面結合させる処理液である硫酸（５０％）
／過酸化水素（５０％）溶液を用意した。この処理液を
８０℃に加熱し、水酸基を表面に結合させたダイヤモン
ド超微粉末を投入し、６０分撹拌処理した。処理液から
粉末を引上げ乾燥して粉末表面にカルボニル基（Ｃ＝
Ｏ）を表面結合させた。
℃の硫酸１０％−硝酸１０％含有水溶液中に２時間保持
した後、水洗し粉末表面の不純物を除去した。次に水酸
基を粉末表面に表面結合させる処理液である過酸化水素
（１４％）／アンモニア（１４％）含有水溶液を用意し
た。この処理液を８０℃に加熱し、粉末表面の不純物を
除去したダイヤモンド超微粉末を投入し、６０分撹拌処
理した。処理液から粉末を引上げ乾燥して粉末表面に水
酸基（ＯＨ）を表面結合させた。次いでカルボニル基を
粉末表面に表面結合させる処理液である硫酸（５０％）
／過酸化水素（５０％）溶液を用意した。この処理液を
８０℃に加熱し、水酸基を表面に結合させたダイヤモン
ド超微粉末を投入し、６０分撹拌処理した。処理液から
粉末を引上げ乾燥して粉末表面にカルボニル基（Ｃ＝
Ｏ）を表面結合させた。
【００１５】
次に非極性基のビニル基（ＣＨ＝ＣＨ2）
を粉末表面に結合した。ビニル基を粉末表面に結合させ
る処理液であるトリメトキシビニルシラン（０．３％）
含有メチルアルコール溶液を用意した。この処理液を６
５℃に加熱し、水酸基とカルボニル基を表面に結合させ
たダイヤモンド超微粉末を投入し、６０分撹拌処理し
た。処理液から粉末を引上げ乾燥して粉末表面にビニル
基を結合させた。これにより、極性基と非極性基が表面
結合して共存分布するダイヤモンド超粉末が得られた。
このダイヤモンド超粉末を０．２ｇ／ｌの割合でメチル
アルコールに分散させ、ダイヤモンド粉末分散液を調製
した。
を粉末表面に結合した。ビニル基を粉末表面に結合させ
る処理液であるトリメトキシビニルシラン（０．３％）
含有メチルアルコール溶液を用意した。この処理液を６
５℃に加熱し、水酸基とカルボニル基を表面に結合させ
たダイヤモンド超微粉末を投入し、６０分撹拌処理し
た。処理液から粉末を引上げ乾燥して粉末表面にビニル
基を結合させた。これにより、極性基と非極性基が表面
結合して共存分布するダイヤモンド超粉末が得られた。
このダイヤモンド超粉末を０．２ｇ／ｌの割合でメチル
アルコールに分散させ、ダイヤモンド粉末分散液を調製
した。
【００１６】 シリコンウェーハ表面へのダイヤモン
ドの種付け （１００）面の結晶方位を有するシリコンウェーハの表
面に厚さ約６００ｎｍの熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）を形成
した後、この熱酸化膜をフォトレジストにより所定のパ
ターンで覆った。次いでＳＦ6を用いて反応性イオンエ
ッチングすることにより、熱酸化膜を部分的に除去し、
エミッタ部分となる直径１μｍの粒子放出面を露出させ
た後、残留するフォトレジストをアセトンで除去した。
次いでシリコンウェーハを５重量％のフッ酸水溶液に５
分間浸漬して、粒子放出面に形成された自然酸化膜を除
去し水洗した。これによりウェーハ上に厚さ約５００ｎ
ｍの酸化膜が残った。このシリコンウェーハを上記で
得られたダイヤモンド粉末分散液に超音波をかけながら
１０分間浸漬した。ウェーハを分散液から引上げ、イソ
プロピルアルコールに浸漬し、超音波をかけながら５分
間リンスした。リンス後、ウェーハを自然乾燥した。こ
れにより酸化膜上には殆ど微粉末は種付けされず、粒子
放出面にダイヤモンド超微粉末が種付けされた。
ドの種付け （１００）面の結晶方位を有するシリコンウェーハの表
面に厚さ約６００ｎｍの熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）を形成
した後、この熱酸化膜をフォトレジストにより所定のパ
ターンで覆った。次いでＳＦ6を用いて反応性イオンエ
ッチングすることにより、熱酸化膜を部分的に除去し、
エミッタ部分となる直径１μｍの粒子放出面を露出させ
た後、残留するフォトレジストをアセトンで除去した。
次いでシリコンウェーハを５重量％のフッ酸水溶液に５
分間浸漬して、粒子放出面に形成された自然酸化膜を除
去し水洗した。これによりウェーハ上に厚さ約５００ｎ
ｍの酸化膜が残った。このシリコンウェーハを上記で
得られたダイヤモンド粉末分散液に超音波をかけながら
１０分間浸漬した。ウェーハを分散液から引上げ、イソ
プロピルアルコールに浸漬し、超音波をかけながら５分
間リンスした。リンス後、ウェーハを自然乾燥した。こ
れにより酸化膜上には殆ど微粉末は種付けされず、粒子
放出面にダイヤモンド超微粉末が種付けされた。
【００１７】 ダイヤモンドの蒸着
ダイヤモンド超微粉末の種付けを終えたシリコンウェー
ハをＭＰＣＶＤ（Microwave Plasma Chemical Vapour D
eposition）炉に入れ、次の条件によりダイヤモンドを
蒸着した。 ・ガス流量： Ｈ2／ＣＨ4＝４００／８ｓｃｃｍ（stand
ard cubic centimeterper minute） ・圧力： ４０Ｔｏｒｒ ・ＭＷパワー： １５００Ｗ ・基板温度： ７５０℃ ・蒸着時間： １時間 この蒸着により、シリコンウェーハの粒子放出面に結晶
性ダイヤモンドであるＣＶＤダイヤモンドが約２００ｎ
ｍの厚さで形成された。このダイヤモンド核の形成密度
をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像から測定したところ、
約１．０×１０12個／ｃｍ2であった。
ハをＭＰＣＶＤ（Microwave Plasma Chemical Vapour D
eposition）炉に入れ、次の条件によりダイヤモンドを
蒸着した。 ・ガス流量： Ｈ2／ＣＨ4＝４００／８ｓｃｃｍ（stand
ard cubic centimeterper minute） ・圧力： ４０Ｔｏｒｒ ・ＭＷパワー： １５００Ｗ ・基板温度： ７５０℃ ・蒸着時間： １時間 この蒸着により、シリコンウェーハの粒子放出面に結晶
性ダイヤモンドであるＣＶＤダイヤモンドが約２００ｎ
ｍの厚さで形成された。このダイヤモンド核の形成密度
をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像から測定したところ、
約１．０×１０12個／ｃｍ2であった。
【００１８】 ゲート電極の形成
ＣＶＤダイヤモンドの薄膜が粒子放出面に形成されたシ
リコンウェーハの熱酸化膜である絶縁層の上にＭｏＳｉ
2膜をスパッタリングにより形成し、これをゲート電極
とした。
リコンウェーハの熱酸化膜である絶縁層の上にＭｏＳｉ
2膜をスパッタリングにより形成し、これをゲート電極
とした。
【００１９】＜実施例２＞実施例１と同一のダイヤモン
ド分散液を調製した。また実施例１と同一のシリコンウ
ェーハに熱酸化膜を形成した後、実施例１と同様にし
て、熱酸化膜を直径１００μｍの大きさで部分的に除去
した。この部分に上記分散液にシリコンウェーハを浸漬
処理して種付けを行った後、実施例１と同様にしてダイ
ヤモンドを蒸着した。次いでシリコンウェーハをフッ酸
水溶液に浸漬することにより、ウェーハ上に残っている
熱酸化膜を全て除去し、ウェーハ上にダイヤモンド薄膜
のみ残した。次にスパッタリングによりシリコンウェー
ハの表面全体にＳｉＯ2膜を５００ｎｍの厚さで形成
し、続いてダイヤモンドを蒸着した部分のうち粒子放出
面（直径１μｍ）となる部分を除いて、ＳｉＯ2膜をフ
ォトレジストでマスキングした後、ＳＦ6を用いて反応
性イオンエッチングした。これにより直径１μｍのダイ
ヤモンドが蒸着した粒子放出面を露出させた。更に続い
て残留するフォトレジストをアセトンで除去した。以
下、実施例１と同様にＳｉＯ2膜である絶縁層の上にＭ
ｏＳｉ2膜をスパッタリングにより形成し、これをゲー
ト電極とした。
ド分散液を調製した。また実施例１と同一のシリコンウ
ェーハに熱酸化膜を形成した後、実施例１と同様にし
て、熱酸化膜を直径１００μｍの大きさで部分的に除去
した。この部分に上記分散液にシリコンウェーハを浸漬
処理して種付けを行った後、実施例１と同様にしてダイ
ヤモンドを蒸着した。次いでシリコンウェーハをフッ酸
水溶液に浸漬することにより、ウェーハ上に残っている
熱酸化膜を全て除去し、ウェーハ上にダイヤモンド薄膜
のみ残した。次にスパッタリングによりシリコンウェー
ハの表面全体にＳｉＯ2膜を５００ｎｍの厚さで形成
し、続いてダイヤモンドを蒸着した部分のうち粒子放出
面（直径１μｍ）となる部分を除いて、ＳｉＯ2膜をフ
ォトレジストでマスキングした後、ＳＦ6を用いて反応
性イオンエッチングした。これにより直径１μｍのダイ
ヤモンドが蒸着した粒子放出面を露出させた。更に続い
て残留するフォトレジストをアセトンで除去した。以
下、実施例１と同様にＳｉＯ2膜である絶縁層の上にＭ
ｏＳｉ2膜をスパッタリングにより形成し、これをゲー
ト電極とした。
【００２０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、カ
ソード電極用導電体の実質的に平坦な粒子放出面に２×
１０11個／ｃｍ2以上の核形成密度を有する結晶性ダイ
ヤモンド薄膜を形成することができる。結晶性ダイヤモ
ンド薄膜は化学的に不活性であり、しかも薄膜自体が薄
くて微小孔の底面に存在しているため、ガラスカバー内
の超高真空雰囲気で生じるイオンによってスパッタリン
グされにくく、安定なエミッションを長時間持続でき
る。また粉末表面に極性基と非極性基とが表面結合して
共存分布する平均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモン
ド粉末を粒子放出面に付着した後、この粒子放出面にダ
イヤモンドを蒸着して結晶性ダイヤモンド薄膜を形成す
ることにより、薄膜形成用の基板の材質によらずにダイ
ヤモンド薄膜を高い核形成密度で基板に蒸着することが
できる。
ソード電極用導電体の実質的に平坦な粒子放出面に２×
１０11個／ｃｍ2以上の核形成密度を有する結晶性ダイ
ヤモンド薄膜を形成することができる。結晶性ダイヤモ
ンド薄膜は化学的に不活性であり、しかも薄膜自体が薄
くて微小孔の底面に存在しているため、ガラスカバー内
の超高真空雰囲気で生じるイオンによってスパッタリン
グされにくく、安定なエミッションを長時間持続でき
る。また粉末表面に極性基と非極性基とが表面結合して
共存分布する平均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモン
ド粉末を粒子放出面に付着した後、この粒子放出面にダ
イヤモンドを蒸着して結晶性ダイヤモンド薄膜を形成す
ることにより、薄膜形成用の基板の材質によらずにダイ
ヤモンド薄膜を高い核形成密度で基板に蒸着することが
できる。
【図１】本発明のＦＥＤの電界放出素子の断面構造を示
す図。
す図。
【図２】従来のスピント型電界放出素子の要部断面図。
【図３】従来のＳｉエッチング型電界放出素子の要部断
面図。
面図。
１０ 電界放出素子
１１ カソード電極用導電体（シリコン基板）
１１ａ 粒子放出面
１３ 絶縁層（ＳｉＯ2膜）
１７ ダイヤモンド薄膜
１８，１９ ガラスカバー
２２ 透明アノード電極
２３ 蛍光体
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 9/02
H01J 1/304
H01J 29/04
H01J 31/12
Claims (5)
- 【請求項１】 カソード電極用導電体(11)の実質的に平
坦な粒子放出面(11a)にダイヤモンド薄膜(17)を形成し
て電界放出素子を製造する方法において、 粉末表面に極性基と非極性基とが表面結合して共存分布
する平均粒径が５〜２００ｎｍの種ダイヤモンド粉末を
前記粒子放出面(11a)に付着した後、前記粒子放出面(11
a)にダイヤモンドを蒸着して結晶性ダイヤモンド薄膜(1
7)を形成することを特徴とする電界放出素子の製造方
法。 - 【請求項２】 種ダイヤモンド粉末をアルコール溶液に
分散し、前記アルコール溶液にカソード電極用導電体を
浸漬し乾燥することにより粒子放出面に種ダイヤモンド
粉末を付着する請求項１記載の電界放出素子の製造方
法。 - 【請求項３】 カソード電極用導電体(11)がシリコン基
板である請求項１記載の電界放出素子の製造方法。 - 【請求項４】 カソード電極用導電体(11)が絶縁性基板
表面に形成された導電性薄膜である請求項１記載の電界
放出素子の製造方法。 - 【請求項５】 極性基が水酸基（ＯＨ）、カルボニル基
（Ｃ＝Ｏ）、アルデヒド基（ＣＨＯ）及びカルボキシル
基（ＣＯＯＨ）からなる群より選ばれた１種又は２種以
上の基であり、非極性基がアルキル基（ＣnＨ2n+1）、
フェニル基（Ｃ6Ｈ5）、ビニル基（ＣＨ＝ＣＨ2）、ア
セチル基（ＣＨ3ＣＯ）、アルコシキル基（ＯＣ
nＨ2n+1）及びメタクリル基（ＣＨ2＝ＯＣＨ3）からな
る群より選ばれた１種又は２種以上の基である請求項１
記載の電界放出素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26267698A JP3397236B2 (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 電界放出素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26267698A JP3397236B2 (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 電界放出素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000090818A JP2000090818A (ja) | 2000-03-31 |
| JP3397236B2 true JP3397236B2 (ja) | 2003-04-14 |
Family
ID=17379054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26267698A Expired - Fee Related JP3397236B2 (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 電界放出素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3397236B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4783239B2 (ja) * | 2006-08-21 | 2011-09-28 | 株式会社神戸製鋼所 | 電子エミッタ材料および電子放出応用装置 |
| JP5334085B2 (ja) * | 2007-11-19 | 2013-11-06 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 基板への種付け処理方法、ダイヤモンド微細構造体及びその製造方法 |
| CN115637431A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-01-24 | 武汉莱格晶钻科技有限公司 | 一种硅片衬底表面预处理方法及其应用 |
-
1998
- 1998-09-17 JP JP26267698A patent/JP3397236B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000090818A (ja) | 2000-03-31 |
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