JP3792977B2

JP3792977B2 - 電子放出膜及び電界放出型冷陰極デバイス

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Publication number: JP3792977B2
Application number: JP2000020291A
Authority: JP
Inventors: 忠司酒井; 和也中山; 利張; ゲハン・エー・ジェイ・アマラトゥンガ; アイ・アレクサンドロ; マーク・バクセンダル; エヌ・ルパシング
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: GB2346731B; US6469425B1; JP2000231871A; GB2346731A; GB9903302D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子放出膜、同電子放出膜を用いた電界放出型冷陰極デバイス、並びにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界放出型の微小冷陰極デバイスは、エミッタとゲート電極（及び／またはアノード電極）とを有し、エミッタと電極との間に電圧が印加されるとエミッタから電子を放出する。この種の冷陰極デバイスは、高速応答、耐放射線、耐熱性、大電流化等の可能性があることから、多くの研究がなされている。例えば、本発明者等の一部による特願平９−２３６０４６に開示されるように、冷陰極デバイスは大電流且つ高電圧のスイッチングデバイスとしての可能性がある。
【０００３】
低電界での電子放出及び安定した大電流放出の観点から、エミッタの材料として炭素系材料が注目されている。これまで、エミッタの炭素系材料としてダイヤモンド、グラファイト、アモルファス炭素等が提案され、数Ｖ／μｍ以下の低電界電子放出特性が報告されている。
【０００４】
例えば、本発明者等の一部（G. A. J. Amaratunga 他）による文献 APL 68 (18) p.2529, 1996には、陰極アーク法によってＳｉ基板上に形成したアモルファス炭素膜による低電界電子放出が開示される。また、この文献には、アモルファス炭素中に窒素を含有させることによって、電子放出しきい電界が低下することが開示される。このような低電界化は陰極アーク法で作製した窒素含有アモルファス炭素膜（ａ−Ｃ：Ｎ）だけでなく、プラズマＣＶＤ法で作製した水素化アモルファス炭素膜（ａ−Ｃ：Ｎ：Ｈ）においても同様に見出されている。
【０００５】
また、中本正幸による特開昭１０−１４９７６０（１９９８年６月２日）には、カーボンナノチューブ或いはフラーレンをエミッタ上に配設した冷陰極デバイスが開示される。更に、バーナード・コールによる特開平１０−１１２２５３（１９９８年４月２８日）には、陰極アーク法により形成されたグラファイト構造の膜を電子放出膜として用いた冷陰極デバイスが開示される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、既提案の上記技術に比べて更に優れた電子放出、機械的強度及び加工特性を有する電子放出膜、同電子放出膜を用いた電界放出型冷陰極デバイス、並びにそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点によれば、電子放出膜が提供され、これは、アモルファス炭素から基本的になり且つマトリックスを形成する第１部分と、前記マトリックス中に分散されると共に前記マトリックスから部分的に突出する、炭素の６員環の２次元的連なりから基本的になる結晶構造を有する第２部分と、を具備する。前記第１及び第２部分の重量比は約５０：５０〜５：９５である。前記第１部分はドナーとして作用する不純物を約１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１０原子％の濃度で含有する。
【０００８】
本発明の第２の視点は、第１の視点の膜において、前記不純物が窒素である。
【０００９】
本発明の第３の視点によれば、第２の視点の電子放出膜の製造方法が提供され、これは、成膜装置を使用する。前記成膜装置は、被処理基板を収納するための真空チャンバと、真空チャンバ内に対面して配設された炭素電極及び対向電極と、前記電極間に低周波の交流パワーを印加するための電源と、前記炭素電極の近傍に窒素を供給するための供給口と、を具備する。前記方法は、前記真空チャンバ内に前記基板を配置すると共に、前記真空チャンバ内を真空に設定する準備工程と、前記供給口から窒素を供給すると共に前記電極間に前記交流パワーを印加してアーク放電を発生させることにより、前記炭素電極から炭素を昇華させて前記基板上に前記電子放出膜を堆積形成する成膜工程と、を具備する。
【００１０】
本発明の第４の視点は、第３の視点の方法において、前記成膜工程において、前記交流パワーの周波数が約１０Ｈｚ〜５００Ｈｚに設定される。交流パワーに代え、直流パワーを使用して上述の周波数でパルスとして印加してもよい。
【００１１】
本発明の第５の視点は、第３または第４の視点の方法において、前記成膜工程において、前記ターゲット電極よりも前記基板に近くなるように配置された排気口から、前記真空チャンバを排気する。
【００１２】
本発明の第６の視点は、第３乃至第５のいずれかの視点の方法において、前記成膜工程において、前記基板上の圧力が約１×１０^-4ｍｂａｒ〜１×１０^-1ｍｂａｒとなるように設定される。
【００１３】
本発明の第７の視点は、第３乃至第６のいずれかの視点の方法において、前記成膜工程後、前記第１部分を前記第２部分に対して優先的にエッチングするエッチャントにより、前記電子放出膜の表面をエッチングする工程を更に具備する。
【００１４】
本発明の第８の視点は、第７の視点の方法において、前記エッチャントがフッ酸を含む溶液を具備する。
【００１５】
本発明の第９の視点によれば、電界放出型冷陰極デバイスが提供され、これは、支持基板と、前記支持基板上に配設されたエミッタと、前記エミッタが第１または第２視点の電子放出膜からなる電子放出面を有することと、前記エミッタから電子を引出すための引出し電極と、を具備する。
【００１６】
本発明の第１０の視点は、第９の視点のデバイスにおいて、前記引出し電極が、前記エミッタと対向するようにゲート絶縁膜を介して前記支持基板に支持されたゲート電極からなり、前記ゲート絶縁膜がシリコン酸化物から基本的になる。
【００１７】
本発明の第１１の視点によれば、第１０の視点の電界放出型冷陰極デバイスの製造方法が提供され、これは、前記支持基板、前記電子放出膜、前記ゲート絶縁膜となるシリコン酸化物膜、及び前記ゲート電極となる導電膜がこの順で重なる積層構造を形成する工程と、前記エミッタに対応して前記導電膜の一部を除去し、前記シリコン酸化物膜の選択部部分を露出させる工程と、前記シリコン酸化物膜の前記選択部分をエッチャントによりエッチングし、前記エミッタの前記電子放出面を露出させると共に、前記エッチャントにより前記電子放出面をエッチングする工程と、前記エッチャントは、前記電子放出膜の前記第１部分を前記第２部分に対して優先的にエッチングすることと、を具備する。
【００１８】
本発明の第１２の視点は、第１１の視点の方法において、前記エッチャントがフッ酸を含む溶液を具備する。
【００１９】
なお、明細書において言及するフラーレン及びフラーレン様構造とは、以下のように定義される。
【００２０】
多くの文献に示されるように、フラーレンは、炭素の６員環を主体とする、炭素の５員環、６員環及び７員環の２次元的連なり、即ちグラファイトシートを殻とする球体或いは筒体状の立体構造からなる。図４（ａ）は、フラーレンの一種であるナノチューブを示す図である。また、複数のフラーレンが同心円状或いはスパイラル状に何層も重なった図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すような構造もあり、これらはスーパーフラーレンと呼ばれる。また、フラーレン様構造とは、フラーレン若しくはスーパーフラーレン、或いはその一部であるシート若しくは壁、即ち、炭素の６員環を主とした炭素原子の２次元的連なりの結晶から形成された微小構造をいう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の開発に際し、本発明者等は、電界放出型冷陰極デバイスのエミッタの材料として使用可能な炭素系材料に関して、種々の実験を行った。その結果、本発明者等は以下に述べるような知見を得た。
【００２２】
先ず、上述の文献 APL 68 (18) p.2529, 1996に開示されるアモルファス炭素膜、特に窒素等の不純物を含むこの種の膜は、冷陰極デバイスの作製プロセスで必要な耐薬品性が不充分であることが見出された。具体的には、ゲート付き冷陰極デバイスを作製する際、ゲート絶縁膜として一般的に用いられるＳｉＯ₂膜をアモルファス炭素膜上に形成し、次に、ＳｉＯ₂膜を選択的にエッチングし、パターニングする必要がある。この際、エッチャント、例えば緩衝フッ酸溶液にアモルファス炭素膜も晒される。しかしながら、アモルファス系炭素膜はこのエッチャントによって、著しくダメージを受ける。
【００２３】
図１５は窒素含有アモルファス炭素膜を緩衝フッ酸溶液でエッチングした後の表面を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真である。図１５図示の如く、エッチングにより膜面が不均一に剥離する等ダメージを受けている。
【００２４】
また、上述の特開平１０−１１２２５３に開示される陰極アーク法により形成されたグラファイト構造の膜は、フラーレン様微小構造のみを集めたような組織を有することが見出された。即ち、膜組織の３次元的な結合力が弱いため、冷陰極デバイスのエミッタの材料として十分な機械的強度が得られない。また、膜の表面をエッチング処理すると一様にエッチングされるため、膜の表面に電界放出用の凹凸を設け難い。
【００２５】
これに対して、陰極アーク法を特定の条件下で実施することにより、相当量のフラーレン様微小構造が窒素含有アモルファス炭素内に分散した膜を形成することができ、同膜が既提案の技術により形成された膜に比べて更に優れた電子放出、機械的強度及び加工特性を有することが見出された。
【００２６】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００２７】
図１は本発明に係る電子放出膜を形成するための、差圧型ＡＣアーク放電法を実施する成膜装置１２を示す概略図である。
【００２８】
成膜装置１２は被処理基板１０を収納するための真空チャンバ１４を有する。真空チャンバ１４は導電性ケーシング１６により形成され、接地ライン１８を介して接地される。基板１０の配置位置から数１０ｃｍ離れるように、真空チャンバ１４内の一端には炭素からなるターゲット電極２２が配設される。ターゲット電極２２に対向して棒状の対向電極２４が配設される。対向電極２４はターゲット電極２２に対して移動可能であり、電極２２、２４間の距離を調整することができる。ターゲット電極２２と導電性ケーシング１６との間に低周波の交流パワーを印加するため、交流電源２６が配設される。
【００２９】
対向電極２４は、先端に約１ｍｍの径の出口２８を有する導管として形成され、その基端には給気管３２が接続される。給気管３２は開閉バルブ及び流量調整バルブ（図示せず）を介して窒素ガス源３４に接続される。対向電極２４の出口、即ち窒素ガス供給口２８はターゲット電極２２に向けて窒素ガスを吹出すように配向される。また、基板１０の配置位置の近傍において真空チャンバ１４には排気管３６が接続される。排気管３６は開閉バルブ及び流量調整バルブ（図示せず）を介して排気ポンプ３８に接続される。なお、図１図中に点線で示すようにターゲット電極２２にガス供給路２３を形成して窒素ガス供給ノズルとして使用することもできる。
【００３０】
成膜装置１２においては、ターゲット電極２２の放電アークから炭素プラム（plume）４２を形成し、基板１０の被処理面上に本発明に係る電子放出膜Ｆを堆積形成する。成膜プロセス時には、先ず、真空チャンバ１４内に基板１０を配置すると共に、ポンプ３８により真空チャンバ１４内を例えば約２×１０-5ｍｂａｒの真空に設定する。次に、ポンプ３８により真空チャンバ１４内を排気しながら供給口２８から窒素ガス噴出すると共に電極２２、２４間に交流パワーを印加してアーク放電を発生させる。このようにして、炭素プラム４２を形成してターゲット電極２２から炭素を昇華させることにより、基板１０の被処理面上に電子放出膜Ｆを堆積形成する。
【００３１】
上述の方法によれば、放電アークを生じる部分にだけ選択的に窒素ガス圧を高めることができる。窒素ガス圧を高くして、アークを生じさせることは窒素を含んだ活性な炭素プラムを得るのに有効である。一方、このような高いガス圧は均一で緻密な膜を得るためには不向きである。基板１０の背部に排気口を設けることにより、基板１０の近傍は低圧とすることができるため、基板１０上に緻密で良好な電子放出膜を得ることができる。なお、望ましくは、成膜工程において、基板１０上の圧力が約１×１０^-4ｍｂａｒ〜１×１０^-1ｍｂａｒ、より望ましくは約１×１０^-3ｍｂａｒ〜１×１０^-2ｍｂａｒとなるように設定される。
【００３２】
また、上述の方法において、交流パワーは、入力エネルギーを変化させることにより、基板１０上にアモルファス炭素を堆積させる条件とフラーレン様微小構造を堆積させる条件とを交互に提供するという役割を果たす。従って、成膜工程において使用される交流パワーは低周波でなくてはならず、望ましくはその周波数は約１０Ｈｚ〜５００Ｈｚ、より望ましくは約２０Ｈｚ〜１００Ｈｚに設定される。
【００３３】
［実施例１］
図１図示の成膜装置１２を使用して本発明にかかる電子放出膜Ｆの付いた導電性基板のサンプルＳを形成した。成膜条件は次の通りである。
【００３４】
基板１０の材質：ｎ⁺型Ｓｉ
ターゲット電極２２の材質：グラファイト
対向電極２４の材質：グラファイト
基板１０の温度：室温
基板１０とターゲット電極２２との距離：２５ｃｍ
基板１０上の圧力：８×１０^-3ｍｂａｒ
交流パワーの電圧：２２Ｖ〜２４Ｖ
交流パワーの周波数：５０Ｈｚ
図２は実施例１で得られたサンプルＳの電子放出膜の表面を示すＡＦＭ（Atomic Force Microscope）写真である。図２図示の如く、膜表面に後から付着したとみられるパーティクルを除けば膜表面はスムースで均一である。図３は同電子放出膜の表面の微細構造を示すＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）写真である。図３図示の如く、膜中には非常に高密度に結晶グラファイト構造或いはフラーレン様構造の領域を観察することができる。図３示される規則な同心円状の多数の円は図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す断面に対応する。
【００３５】
サンプルＳの導電性基板１０をそのままカソード電極として用いて、電子放出膜Ｆの電界電子放出特性を図５に示す態様で測定した。測定において、基板１０をＡｌスラブ５２上に載置すると共に、スペーサ５４（グラスファイバ製）を介してアノードプレート５６（ＩＴＯ若しくはＡｌストリップガラス）を電子放出膜Ｆに対向させ、真空中で両電極１０、１２間に電圧を印加した。スペーサの直径は約７０μｍ、真空度は１×１０^-7Ｔｏｒｒとした。図６及び図７はこの測定により得られた電子放出膜Ｆの電界電子放出特性を示す。図６及び図７図示の如く、約３２０Ｖ付近から電流増加が観測され、低電界での電子放出が確認できた。
【００３６】
また、電子放出膜Ｆを緩衝フッ酸溶液に１０分間浸け、その表面をエッチングした。図８は緩衝フッ酸エッチング後の電子放出膜Ｆの表面を示すＡＦＭ写真である。図８図示の如く、本発明の電子放出膜Ｆでは、窒素含有アモルファス炭素のみからなる膜で生じる剥離等のダメージ（図１５参照）は生じなかった。しかし、微視的に見ると膜表面には微細なパターンが形成されていることが分かった。
【００３７】
図９は緩衝フッ酸エッチング後の電子放出膜Ｆの表面の断面プロファイルをＡＦＭで観察した結果を示す図である。図１０は同エッチング後の電子放出膜Ｆの表面の微細構造を示すＴＥＭ写真である。図９及び図１０図示の如く、電子放出膜Ｆの表面の微細なパターンは極めて微細でしかも鋭い凸部からなるものであった。更に、この膜の微細構造を詳細に観察したところ、フラーレン様構造の壁が互いに溝を挟んで膜のマトリックスから突出するように残置していることがわかった。
【００３８】
上記実験結果から、電子放出膜Ｆについて次のようなことを推測することができる。電子放出膜Ｆのマトリックスは、緩衝フッ酸溶液によりエッチングされやすい窒素含有アモルファス炭素からなる。なお、マトリックス中に分散するフラーレン様構造には通常窒素原子は殆ど含まれない。電子放出膜Ｆがこのような構造をなすため、エッチングによりマトリックスが優先的に削られ、フラーレン様構造が残ってマトリクスから突出するような状態になる。
【００３９】
また、緩衝フッ酸エッチングを施した電子放出膜Ｆの電界電子放出特性も図５に示す態様で測定した。測定条件は図６及び図７に結果を示す先の測定と全く同一とした。図１１及び図１２はこの測定により得られた電子放出膜Ｆの電界電子放出特性を示す。図１１及び図１２図示の如く、図６及び図７の結果より低い、約２３０Ｖという電圧から電流増加が観測された。また、電流の立ち上がりもより急峻にであった。この低電圧化は前述のようにフラーレン様構造の微細なエッジが膜面から突出することによってより高い電界集中を生じるためではないかと考えられる。
【００４０】
本発明に係る電子放出膜において、マトリクスを形成する窒素含有アモルファス炭素と、フラーレン様構造即ち炭素の６員環の２次元的連なりから基本的になる結晶構造との比は、膜の電子放出、機械的強度及び加工特性を決定する重要な要素となる。
【００４１】
例えば、窒素含有アモルファス炭素の割合が高すぎると、エッチングにより受ける膜のダメージが大きくなる。図１６はフラーレン様構造が低濃度に混在する窒素含有アモルファス炭素膜を緩衝フッ酸溶液でエッチングした後の表面を示すＳＥＭ写真である。図１６図示の如く、エッチングにより膜面が不均一に剥離する等ダメージを受けている。また、窒素含有アモルファス炭素の割合が高すぎると、マトリックスから突出するフラーレン様構造が少なくなるため、膜の電子放出特性が低下する。
【００４２】
逆に、フラーレン様構造の割合が高すぎると、膜組織の３次元的な結合力が弱いため十分な機械的強度が得られない。また、膜の表面が一様にエッチングされるようになるため、膜の表面に電界放出用の凹凸を設け難くなる。
【００４３】
かかる観点から、窒素含有アモルファス炭素とフラーレン様構造との重量比は約５０：５０〜５：９５、望ましくは約４０：６０〜２０：８０となるように成膜条件を設定する。
【００４４】
また、本発明に係る電子放出膜において、マトリクスを形成する窒素含有アモルファス炭素における窒素の濃度も、膜の電子放出、機械的強度及び加工特性を決定する重要な要素となる。
【００４５】
例えばアモルファス炭素中の窒素濃度が低すぎると、マトリクスの抵抗率が高くなるため、膜の電子放出特性が低下する。また、フラーレン様構造に対するエッチング選択性が低下するため、膜の表面に電界放出用の凹凸を設け難くなる。
【００４６】
かかる観点から、窒素含有アモルファス炭素における窒素の濃度は約１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１０原子％、望ましくは約１×１０²⁰ｃｍ^-3となるように成膜条件を設定する。
【００４７】
なお、アモルファス炭素に添加される不純物は窒素に限定されない。例えば、rリンのような、アモルファス炭素に対してドナーとして作用する不純物を使用することにより、マトリックスの抵抗率の低下及びエッチングの選択性の向上等の効果を得ることができる。また、フラーレン様構造に対してアモルファス炭素を選択的にエッチングするエッチャントとしては、フッ酸溶液に替えて酸素プラズマ等、他のエッチャントを使用することができる。
【００４８】
図１３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る電子放出膜を用いた電界放出型冷陰極デバイスの作製方法を工程順に示す断面図である。
【００４９】
先ず、図１図示の成膜装置１２を使用し、実施例１に示すような条件で、ｎ⁺型Ｓｉ基板６２上に本発明に係る電界放出膜６４を形成する（図１３（ａ））。次に、電界放出膜６４上にＳｉ酸化膜６６とゲート用金属膜６８とをこの順で形成する（図１３（ｂ））。次に、通常のＰＥＰ（フォトリソグラフィ・エッチング・プロセス）によって金属膜６８をパターニングし、Ｓｉ酸化膜６６が露出する孔６７を形成する。次に、金属膜６８をマスクとして緩衝フッ酸溶液でＳｉ酸化膜６６をエッチングし、電子放出膜６４の表面を露出させる（図１３（ｃ））。この際、上述のように緩衝フッ酸溶液により電子放出膜６４の表面をエッチングするようにする。
【００５０】
このようにして作製された電界放出型冷陰極デバイスにおいては、Ｓｉ酸化膜６６からなるゲート絶縁膜７４の孔６７に対応して露出する電子放出膜６４の一部がエミッタ７２として機能する。即ち、このエミッタ７２は電子放出膜６４からなる電子放出面を有する。また、ゲート絶縁膜７４上に配設された金属膜６８からなるゲート電極７６は、エミッタ７２を囲む縁部を有し、これが引出し電極として機能する。なお、基板６２は支持基板兼カソード電極として機能する。
【００５１】
図１４（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る電子放出膜を用いた別の電界放出型冷陰極デバイスの作製方法を工程順に示す断面図である。この作成方法は、所謂転写モールド法を利用している。
【００５２】
先ず、ｎ⁺型Ｓｉ基板８２に異方性エッチング等でモールドを形成し、これを熱酸化してＳｉ酸化膜８４を形成する。次に、図１図示の成膜装置１２を使用し、実施例１に示すような条件で、Ｓｉ酸化膜８４上に本発明に係る電界放出膜８６を形成する（図１４（ａ））。これによりモールド内に電界放出膜８６からなるピラミッド型のエミッタ９２が形成される。次に、導電層（図示せず）を介して電界放出膜８６に導電性基板８８を接着する（図１４（ｂ））。次に、モールド基板８２をエッチングし、Ｓｉ酸化膜８４で覆われたピラミッド型のエミッタ９２の先端を露出させる（図１４（ｃ））。次に、モールド基板８２をマスクとして緩衝フッ酸溶液でＳｉ酸化膜８４をエッチングし、エミッタ９２の先端に位置する電子放出膜８６の表面を露出させる（図１４（ｄ））。この際、上述のように緩衝フッ酸溶液により電子放出膜８６の表面をエッチングするようにする。
【００５３】
このようにして作製された電界放出型冷陰極デバイスにおいては、Ｓｉ酸化膜８４及びモールド基板８２が、夫々ゲート絶縁膜９４及びゲート電極９６として機能する。また、導電性基板８８は支持基板兼カソード電極として機能する。電子放出膜８６からなるピラミッド型のエミッタ９２の先端は、ゲート絶縁膜９４及びゲート電極９６に形成された開口から露出する。即ち、このエミッタ９２は電子放出膜８６からなる電子放出面を有する。図１４（ｄ）図示のデバイスは、形状的に先端が尖がったエミッタ９２を有するため、図１３（ｃ）図示のデバイスに比べて更に電界電子放出特性が良好となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る電子放出膜は、半導体デバイスの作製プロセスに不可欠な、緩衝フッ酸溶液等によるエッチングに膜が耐えることができる。このため、デバイスの設計をフレキシブルに行うことが可能となる。また、膜自体の耐食性及び機械的強度が高いため、通常の使用雰囲気下での腐食、剥離等のダメージが生じ難く、デバイスの寿命や性能の低下を抑えることができる。また、エッチングにより膜の電子放出面における電界集中度を上げることができ、より低電界での電子放出を実現することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子放出膜を形成するための成膜装置を示す概略図。
【図２】実施例１で得られた電子放出膜の表面を示すＡＦＭ（Atomic Force Microscope）写真。
【図３】図２図示の電子放出膜の表面の微細構造を示すＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）写真。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はフラーレンを説明するための図。
【図５】電子放出膜の電界電子放出特性を測定する態様を示す図。
【図６】図２図示の電子放出膜の電界電子放出特性を示すグラフ。
【図７】図６のグラフをｌｏｇスケールとしたグラフ。
【図８】緩衝フッ酸エッチング後の電子放出膜の表面を示すＡＦＭ写真。
【図９】図８図示の電子放出膜の表面の断面プロファイルをＡＦＭで観察した結果を示す図。
【図１０】図８図示の電子放出膜の表面の微細構造を示すＴＥＭ写真。
【図１１】図８図示の電子放出膜の電界電子放出特性を示すグラフ。
【図１２】図１１のグラフをｌｏｇスケールとしたグラフ。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る電子放出膜を用いた電界放出型冷陰極デバイスの作製方法を工程順に示す断面図。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る電子放出膜を用いた別の電界放出型冷陰極デバイスの作製方法を工程順に示す断面図。
【図１５】窒素含有アモルファス炭素膜の緩衝フッ酸エッチング後の表面を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真。
【図１６】フラーレン様構造が低濃度に混在する窒素含有アモルファス炭素膜の緩衝フッ酸エッチング後の表面を示すＳＥＭ写真。
【符号の説明】
１０…被処理基板
１２…成膜装置
１４…真空チャンバ
１６…導電性ケーシング
２２…ターゲット電極
２４…対向電極
２６…交流電源
３１…給気管
３４…窒素ガス源
３６…排気管
３８…排気ポンプ
４２…炭素プラム

Claims

アモルファス炭素から基本的になり且つマトリックスを形成する第１部分と、
前記マトリックスからエッジが突出するように前記マトリックス中に分散されたフラーレンの壁からなる第２部分と、
を具備し、前記第１及び第２部分の重量比が約５０：５０〜５：９５であり、且つ前記第１部分がドナーとして作用する不純物を約１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１０原子％の濃度で含有することを特徴とする電子放出膜。
前記不純物が窒素であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出膜。
請求項２に記載の電子放出膜の製造方法であって、
前記方法は成膜装置を使用し、前記装置が、
被処理基板を収納するための真空チャンバと、
真空チャンバ内に対面して配設された炭素電極及び対向電極と、
前記電極間に低周波の交流パワーを印加するための電源と、
前記炭素電極の近傍に窒素を供給するための供給口と、
を具備し、
前記方法が、
前記真空チャンバ内に前記基板を配置すると共に、前記真空チャンバ内を真空に設定する準備工程と、
前記供給口から窒素を供給すると共に前記電極間に前記交流パワーを印加してアーク放電を発生させることにより、前記炭素電極から炭素を昇華させて前記基板上に前記電子放出膜を堆積形成する成膜工程と、
を具備することを特徴とする電子放出膜の製造方法。
前記成膜工程において、前記交流パワーの周波数が約１０Ｈｚ〜５００Ｈｚに設定されることを特徴とする請求項３に記載の電子放出膜の製造方法。
前記成膜工程において、前記ターゲット電極よりも前記基板に近くなるように配置された排気口から、前記真空チャンバを排気することを特徴とする請求項３または４に記載の電子放出膜の製造方法。
前記成膜工程において、前記基板上の圧力が約１×１０^-4ｍｂａｒ〜１×１０^-1ｍｂａｒとなるように設定されることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の電子放出膜の製造方法。
前記成膜工程後、前記第１部分を前記第２部分に対して優先的にエッチングするエッチャントにより、前記電子放出膜の表面をエッチングする工程を更に具備することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の電子放出膜の製造方法。
前記エッチャントがフッ酸を含む溶液を具備することを特徴とする請求項７に記載の電子放出膜の製造方法。
支持基板と、
前記支持基板上に配設されたエミッタと、前記エミッタが請求項１または２に記載の電子放出膜からなる電子放出面を有することと、
前記エミッタから電子を引出すための引出し電極と、
を具備することを特徴とする電界放出型冷陰極デバイス。
前記引出し電極が、前記エミッタと対向するようにゲート絶縁膜を介して前記支持基板に支持されたゲート電極からなり、前記ゲート絶縁膜がシリコン酸化物から基本的になることを特徴とする請求項９に記載の電界放出型冷陰極デバイス。
請求項１０に記載の電界放出型冷陰極デバイスの製造方法であって、
前記支持基板、前記電子放出膜、前記ゲート絶縁膜となるシリコン酸化物膜、及び前記ゲート電極となる導電膜がこの順で重なる積層構造を形成する工程と、
前記エミッタに対応して前記導電膜の一部を除去し、前記シリコン酸化物膜の選択部分を露出させる工程と、
前記シリコン酸化物膜の前記選択部分をエッチャントによりエッチングし、前記エミッタの前記電子放出面を露出させると共に、前記エッチャントにより前記電子放出面をエッチングする工程と、前記エッチャントは、前記電子放出膜の前記第１部分を前記第２部分に対して優先的にエッチングすることと、
を具備することを特徴とする電界放出型冷陰極デバイスの製造方法。
前記エッチャントがフッ酸を含む溶液を具備することを特徴とする請求項１１に記載の電界放出型冷陰極デバイスの製造方法。