JP3431414B2 - 微小冷陰極の製造方法 - Google Patents
微小冷陰極の製造方法Info
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- JP3431414B2 JP3431414B2 JP24278696A JP24278696A JP3431414B2 JP 3431414 B2 JP3431414 B2 JP 3431414B2 JP 24278696 A JP24278696 A JP 24278696A JP 24278696 A JP24278696 A JP 24278696A JP 3431414 B2 JP3431414 B2 JP 3431414B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微小な凸状の電子放
出冷陰極の改良に係わる。
出冷陰極の改良に係わる。
【０００２】
【従来の技術】微小な凸状の冷陰極からの電子放出に基
づく真空マイクロ素子は近年、その高速応答性や大電力
の可能性、自発光の平面ディスプレイへの可能性などか
ら、急速に注目を集めており、活発な研究開発が行われ
ている。中でも、最近、大電流で、且つ低電圧で駆動で
きる微小冷陰極の候補として、ダイヤモンドを用いた素
子の開発が活発化している。これは、ダイヤモンドが負
の電子親和力を有しているとの報告をきっかけにしたも
のであり、従来の微小冷陰極の弱点の一つであった電子
引き出しに高い電圧が必要であるという問題を解決でき
る可能性を持っている。これらの一例として、Ｓｉに形
成した逆ピラミッド型モールドにダイヤモンド膜を形成
し、これを他の基板に転写することによって、ピラミッ
ド型のダイヤモンドエミッタを形成し、２極測定によっ
て従来に比べて極めて低い電界で電子放出が開始される
ことが報告されている。
づく真空マイクロ素子は近年、その高速応答性や大電力
の可能性、自発光の平面ディスプレイへの可能性などか
ら、急速に注目を集めており、活発な研究開発が行われ
ている。中でも、最近、大電流で、且つ低電圧で駆動で
きる微小冷陰極の候補として、ダイヤモンドを用いた素
子の開発が活発化している。これは、ダイヤモンドが負
の電子親和力を有しているとの報告をきっかけにしたも
のであり、従来の微小冷陰極の弱点の一つであった電子
引き出しに高い電圧が必要であるという問題を解決でき
る可能性を持っている。これらの一例として、Ｓｉに形
成した逆ピラミッド型モールドにダイヤモンド膜を形成
し、これを他の基板に転写することによって、ピラミッ
ド型のダイヤモンドエミッタを形成し、２極測定によっ
て従来に比べて極めて低い電界で電子放出が開始される
ことが報告されている。
【０００３】図４に示したのは、この時の素子構造と素
子作製工程の概略である。即ち、Ｓｉ基板１７に異方性
エッチングによって微小な逆ピラミッド状の凹部を形成
し、これの上に、ＣＶＤ法によってダイヤモンド膜１８
を成長させ（図４（ｂ））、これを導電性エポキシ樹脂
１９でＰｔ板２０に接着し（図４（ｃ））、さらにウェ
ットエッチングによって該Ｓｉ基板を除去してピラミッ
ド状の微小冷陰極を形成する（図４（ｄ））。これによ
り、先端半径０．２μｍ程度のまずまずの先鋭度を有す
るダイヤモンド冷陰極を形成することが出来、アノード
を対向配置させた実験で、電子放出を確認した。
子作製工程の概略である。即ち、Ｓｉ基板１７に異方性
エッチングによって微小な逆ピラミッド状の凹部を形成
し、これの上に、ＣＶＤ法によってダイヤモンド膜１８
を成長させ（図４（ｂ））、これを導電性エポキシ樹脂
１９でＰｔ板２０に接着し（図４（ｃ））、さらにウェ
ットエッチングによって該Ｓｉ基板を除去してピラミッ
ド状の微小冷陰極を形成する（図４（ｄ））。これによ
り、先端半径０．２μｍ程度のまずまずの先鋭度を有す
るダイヤモンド冷陰極を形成することが出来、アノード
を対向配置させた実験で、電子放出を確認した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、ダイヤ
モンドをピラミッド状の冷陰極にすることはこれまでに
も報告されているが、このような鋳型法において、制御
電極付きの実用的な冷陰極を形成するには至っていな
い。鋳型法において制御電極付きの冷陰極を作製する方
法としては、これまで本発明者らが提案している方法
（特開平6-36682 など）があり、Ｓｉに逆ピラミッド型
の鋳型を形成後、これに熱酸化Ｓｉ膜を形成することに
よってゲート絶縁膜を形成すると共に、鋳型先端を鋭く
してから、冷陰極材料を充填する。ところが、原因は明
確ではないが、一般にダイヤモンドは酸化Ｓｉ表面には
極めて成長し難し、均一な薄膜形成が出来ない。
モンドをピラミッド状の冷陰極にすることはこれまでに
も報告されているが、このような鋳型法において、制御
電極付きの実用的な冷陰極を形成するには至っていな
い。鋳型法において制御電極付きの冷陰極を作製する方
法としては、これまで本発明者らが提案している方法
（特開平6-36682 など）があり、Ｓｉに逆ピラミッド型
の鋳型を形成後、これに熱酸化Ｓｉ膜を形成することに
よってゲート絶縁膜を形成すると共に、鋳型先端を鋭く
してから、冷陰極材料を充填する。ところが、原因は明
確ではないが、一般にダイヤモンドは酸化Ｓｉ表面には
極めて成長し難し、均一な薄膜形成が出来ない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、上述の
ような問題を解決するために、Ｓｉの凹状鋳型の表面を
直接熱窒化し、表面を窒化シリコンに転換することによ
ってダイヤモンドの成膜性を改善すると共に、ダイヤモ
ンド冷陰極先鋭化と表面改質を行おうとするところにあ
る。また、これは、必要に応じて一旦熱酸化膜を形成し
てからさらに、その表面を窒化して２層の絶縁層構造と
してもよい。すなわち、本発明の主旨は鋳型内表面を窒
化Ｓｉ表面にすることと、このための手段としてＣＶＤ
のような膜堆積を用いるのではなく、元々の鋳型を構成
しているＳｉ原子を窒化する事によって先鋭な形状を実
現し、且つダイヤモンドの成膜性のよい鋳型を実現する
ところにある。
ような問題を解決するために、Ｓｉの凹状鋳型の表面を
直接熱窒化し、表面を窒化シリコンに転換することによ
ってダイヤモンドの成膜性を改善すると共に、ダイヤモ
ンド冷陰極先鋭化と表面改質を行おうとするところにあ
る。また、これは、必要に応じて一旦熱酸化膜を形成し
てからさらに、その表面を窒化して２層の絶縁層構造と
してもよい。すなわち、本発明の主旨は鋳型内表面を窒
化Ｓｉ表面にすることと、このための手段としてＣＶＤ
のような膜堆積を用いるのではなく、元々の鋳型を構成
しているＳｉ原子を窒化する事によって先鋭な形状を実
現し、且つダイヤモンドの成膜性のよい鋳型を実現する
ところにある。
【０００６】
【作用】本発明によれば、鋳型表面へのダイヤモンドの
成膜が可能となり、良好な連続薄膜が鋳型に沿って形成
される。また、鋳型の形状が例えば（１００）方位のＳ
ｉを異方性エッチングして形成した逆ピラミッド型の鋳
型を用いたときには、元々のＳｉ鋳型表面はリニアなピ
ラミッド形状だが、熱窒化により、内壁表面層の体積が
膨脹し、先端部はより先鋭な形状となる。これに従っ
て、形成されたダイヤモンド膜もより先鋭な凸状構造と
なる。また、さらに、最終的に冷陰極の表面となるダイ
ヤモンドの表面に窒化膜界面から窒素が微量ドープさ
れ、表面の電導度が向上し、電子放出特性が向上する効
果がある。
成膜が可能となり、良好な連続薄膜が鋳型に沿って形成
される。また、鋳型の形状が例えば（１００）方位のＳ
ｉを異方性エッチングして形成した逆ピラミッド型の鋳
型を用いたときには、元々のＳｉ鋳型表面はリニアなピ
ラミッド形状だが、熱窒化により、内壁表面層の体積が
膨脹し、先端部はより先鋭な形状となる。これに従っ
て、形成されたダイヤモンド膜もより先鋭な凸状構造と
なる。また、さらに、最終的に冷陰極の表面となるダイ
ヤモンドの表面に窒化膜界面から窒素が微量ドープさ
れ、表面の電導度が向上し、電子放出特性が向上する効
果がある。
【０００７】
【実施例】図１に本発明の主たる実施例の構造を、また
図２にこの実施例の作製工程図を示す。以下、本図に従
ってこの実施例を説明する。まず、ｐ型Ｓｉ層１２にリ
ンなどをドーピングすることによって、表面にｎ型Ｓｉ
層１３を形成する（図２（ａ））。これは、後のＳｉエ
ッチング時に選択的にｎ層を残し、ゲート層として用い
るためである。次に、ピラミッド型に開口部をエッチン
グ形成し、熱酸化Ｓｉ層２を形成した後（図２（ｂ），
図２（ｃ））、その表面を熱窒化する事によって、鋳型
の内壁を熱チッ化Ｓｉ層４に転換する（図２（ｄ））。
そして、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモン
ド冷陰極層１を鋳型に充填形成する（図２（ｅ））。こ
の際に、成膜前に、成膜性を更に良くするために、ダイ
ヤモンドの微粒子などを用いて表面を処理することも有
効である。さらに、この膜表面にＴｉ層５とＣｕ層６を
順次蒸着形成した（図２（ｆ））。一方、ガラス基板９
にＮｉ層８を蒸着し、これにハンダ層７をコートしてお
き、前述のダイヤモンド膜形成済み基板とハンダ接合す
る（図２（ｆ），図２（ｇ））。次いで、電気化学エッ
チングによって、Ｓｉ鋳型のうち、ｐ型領域だけを選択
的に除去し、制御電極開口部１１を形成する（図２
（ｈ））。次いで、ウェットエッチング、ＲＩＥによっ
て、熱酸化Ｓｉ層２熱チッ化Ｓｉ層４を順次除去し、冷
陰極先端部１０を露出させる（図２（ｉ））。以上によ
って、先端が鋭く、形状が鋳型通りに再現性良く形成さ
れた制御電極付きの冷陰極管が作製される。得られたダ
イヤモンドの冷陰極は先端形状が先端半径０．１μｍ以
下とシャープで、且つその他の側壁などの表面形状も均
一で、成膜時の核生成の抜けなどが少ない。この実施例
では冷陰極材料としてダイヤモンドを用いたが、これに
代えてダイヤモンドライクカーボン（いわゆるＤＬＣ）
系材料を用いることもできる。
図２にこの実施例の作製工程図を示す。以下、本図に従
ってこの実施例を説明する。まず、ｐ型Ｓｉ層１２にリ
ンなどをドーピングすることによって、表面にｎ型Ｓｉ
層１３を形成する（図２（ａ））。これは、後のＳｉエ
ッチング時に選択的にｎ層を残し、ゲート層として用い
るためである。次に、ピラミッド型に開口部をエッチン
グ形成し、熱酸化Ｓｉ層２を形成した後（図２（ｂ），
図２（ｃ））、その表面を熱窒化する事によって、鋳型
の内壁を熱チッ化Ｓｉ層４に転換する（図２（ｄ））。
そして、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモン
ド冷陰極層１を鋳型に充填形成する（図２（ｅ））。こ
の際に、成膜前に、成膜性を更に良くするために、ダイ
ヤモンドの微粒子などを用いて表面を処理することも有
効である。さらに、この膜表面にＴｉ層５とＣｕ層６を
順次蒸着形成した（図２（ｆ））。一方、ガラス基板９
にＮｉ層８を蒸着し、これにハンダ層７をコートしてお
き、前述のダイヤモンド膜形成済み基板とハンダ接合す
る（図２（ｆ），図２（ｇ））。次いで、電気化学エッ
チングによって、Ｓｉ鋳型のうち、ｐ型領域だけを選択
的に除去し、制御電極開口部１１を形成する（図２
（ｈ））。次いで、ウェットエッチング、ＲＩＥによっ
て、熱酸化Ｓｉ層２熱チッ化Ｓｉ層４を順次除去し、冷
陰極先端部１０を露出させる（図２（ｉ））。以上によ
って、先端が鋭く、形状が鋳型通りに再現性良く形成さ
れた制御電極付きの冷陰極管が作製される。得られたダ
イヤモンドの冷陰極は先端形状が先端半径０．１μｍ以
下とシャープで、且つその他の側壁などの表面形状も均
一で、成膜時の核生成の抜けなどが少ない。この実施例
では冷陰極材料としてダイヤモンドを用いたが、これに
代えてダイヤモンドライクカーボン（いわゆるＤＬＣ）
系材料を用いることもできる。
【０００８】図３に示したのは、本発明の別の実施例で
あり、Ｓｉ鋳型内壁を熱酸化せずに、直接熱窒化した例
である。この例では、絶縁膜は熱チッ化Ｓｉ層４の単層
である。
あり、Ｓｉ鋳型内壁を熱酸化せずに、直接熱窒化した例
である。この例では、絶縁膜は熱チッ化Ｓｉ層４の単層
である。
【０００９】
【発明の効果】本発明の要件を用いることによって、こ
れまで困難であった制御電極付きのモールド法による先
鋭なダイヤモンドエミッタが実現される。さらに、熱窒
化Ｓｉ膜は絶縁膜としても、それ自体欠陥が少なく、耐
圧が高くとれる効果がある。また、ダイヤモンドの表面
がドーパントとして有効な窒素に触れ、僅かにドーピン
グされるためと考えられるが、表面での伝導度が改善さ
れ、電子放出特性が向上する。
れまで困難であった制御電極付きのモールド法による先
鋭なダイヤモンドエミッタが実現される。さらに、熱窒
化Ｓｉ膜は絶縁膜としても、それ自体欠陥が少なく、耐
圧が高くとれる効果がある。また、ダイヤモンドの表面
がドーパントとして有効な窒素に触れ、僅かにドーピン
グされるためと考えられるが、表面での伝導度が改善さ
れ、電子放出特性が向上する。
【図１】 本発明実施例の構造断面図
【図２】 本発明実施例の工程断面図
【図３】 その他の実施例を示す構造断面図
【図４】 従来例を説明するための説明図
１ ダイヤモンド冷陰極層
２ 熱酸化Ｓｉ層
３ ｎ型Ｓｉ層
４ 熱チッ化Ｓｉ層
５ Ｔｉ層
６ Ｃｕ層
７ ハンダ層
８ Ｎｉ層
９ ガラス基板
１０ 冷陰極先端部
１１ 制御電極開口部
１２ ｐ型Ｓｉ層
１３ ｎ型Ｓｉ層
１４ ポリＳｉ層
１５ Ｃｒメタルゲート
１６ Ａｇエポキシ接着剤
１７ （１００）Ｓｉ基板
１８ ダイヤモンド層
１９ Ａｇエポキシ樹脂
２０ Ｐｔ板
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平９−259740（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−77917（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 1/304
H01J 9/02
Claims (2)
- 【請求項１】Ｓｉ基板表面に凹状の鋳型を形成する工程
と、前記Ｓｉ基板の凹状部に熱窒化によって窒化シリコ
ン膜を形成する工程と、該窒化シリコン膜表面に冷陰極
層としてダイヤモンド或いはダイヤモンドライクカーボ
ン系材料をＣＶＤ法によって成長させる工程と、前記Ｓ
ｉ基板と構造基板とを前記冷陰極層を間に介して接着す
る工程と、前記Ｓｉ基板を前記冷陰極層と反対側から除
去する工程とを有することを特徴とする微小冷陰極の製
造方法。 - 【請求項２】前記Ｓｉ基板の凹状部に熱酸化によって酸
化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜の表面を熱
窒化することにより前記窒化シリコン膜を形成すること
を特徴とする請求項１記載の微小冷陰極の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24278696A JP3431414B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 微小冷陰極の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24278696A JP3431414B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 微小冷陰極の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1092297A JPH1092297A (ja) | 1998-04-10 |
| JP3431414B2 true JP3431414B2 (ja) | 2003-07-28 |
Family
ID=17094278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24278696A Expired - Fee Related JP3431414B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | 微小冷陰極の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3431414B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010097569A (ko) * | 2000-04-24 | 2001-11-08 | 권상직 | 이방성 전도필름을 이용한 결합에 의해 유리 기판상에 3극구조의 다이아몬드 전계 방출 어레이를 제조하는 방법 및이를 사용하여 만들어지는 장치 |
-
1996
- 1996-09-13 JP JP24278696A patent/JP3431414B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1092297A (ja) | 1998-04-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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