JP4916221B2 - Method for manufacturing cold cathode and method for manufacturing apparatus equipped with cold cathode - Google Patents

Method for manufacturing cold cathode and method for manufacturing apparatus equipped with cold cathode Download PDF

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本発明は、電界放出型の冷陰極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a field emission cold cathode.

電界放出型冷陰極は、微小な突起状の陰極を有し、突起に印加された電位により生じる電界を、ナノオーダー径の微小な先端に集中させる構造である。これにより、電子は、突起表面の仕事関数障壁をトンネル現象により通過するため、室温であっても電子を真空中に放出することができる。このような電界放出型冷陰極は、フィールドエミッションディスプレイ(FED)や、放射線源や、照明装置等に用いることができる。   A field emission type cold cathode has a minute projection-like cathode and has a structure in which an electric field generated by a potential applied to a projection is concentrated on a minute tip having a nano-order diameter. As a result, electrons pass through the work function barrier on the surface of the protrusion due to a tunnel phenomenon, so that the electrons can be emitted into a vacuum even at room temperature. Such a field emission cold cathode can be used for a field emission display (FED), a radiation source, a lighting device, and the like.

電界放出型冷陰極の微小突起の形成方法としては、薄膜加工技術により形成した小さな円形の開口の内部に電極材料を堆積することにより、円錐型の微小突起を形成する方法が知られている。また。特許文献1には、アーク法等により予め形成しておいたカーボンナノチューブをバインダー溶液に分散し、これを電極上に塗布した後加熱し固定することにより、多数のカーボンナノチューブ(微小突起)が備えられた陰極を製造する方法を開示している。このとき特許文献1では、塗布の前に、カーボンナノチューブの表面にシリカゲル層を定着させておくことにより、塗布するカーボンナノチューブと電極との密着性を向上させている。   As a method for forming a microprojection of a field emission type cold cathode, a method of forming a conical microprojection by depositing an electrode material inside a small circular opening formed by a thin film processing technique is known. Also. In Patent Document 1, a large number of carbon nanotubes (microprojections) are prepared by dispersing carbon nanotubes formed in advance by an arc method or the like in a binder solution, applying the solution onto an electrode, and then fixing by heating. Disclosed is a method of manufacturing a cathode. At this time, in Patent Document 1, the adhesion between the carbon nanotube to be applied and the electrode is improved by fixing the silica gel layer on the surface of the carbon nanotube before the application.

また、特許文献2には、表面が鏡面状のグラファイト基板をプラズマにさらすことにより、表面に微小な凹凸を形成し、凸部を微小突起として用いる電界放出型冷陰極の製造方法が開示されている。
特開2005−71863号公報 特開2005−32638号公報
Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a field emission cold cathode using a graphite substrate having a mirror-like surface exposed to plasma to form minute irregularities on the surface and using the convex portions as minute projections. Yes.
JP 2005-71863 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-32638

特許文献1に記載の方法で製造される冷陰極は、微小突起となるカーボンナノチューブと、それが固定される電極とは別部材であり、界面における電気抵抗が電圧降下を生じさせ、電流飽和の原因になる。   The cold cathode manufactured by the method described in Patent Document 1 is a separate member from the carbon nanotubes that form minute protrusions and the electrode to which the carbon nanotubes are fixed. The electrical resistance at the interface causes a voltage drop, and current saturation occurs. Cause.

一方、特許文献2に記載のように、グラファイト基板の表面に微小な凹凸を形成する方法は、形成される突起はもともと基板の一部であるため、基板と突起との密着性および導電性に優れた冷陰極を製造することができる。   On the other hand, as described in Patent Document 2, the method for forming minute irregularities on the surface of the graphite substrate is that the formed protrusion is originally a part of the substrate, so that the adhesion and conductivity between the substrate and the protrusion are improved. An excellent cold cathode can be produced.

特許文献2に記載の製造方法は、プラズマにグラファイト基板をさらす必要があるが、プラズマの生成方法には種々の方法がある。例えば、マイクロ波プラズマを用いる場合、図15のように、マイクロ波105の導波路101と交差するように石英管103を配置する構成にする。石英管103の内部に処理すべきグラファイト部材(グラファイトロッド)102が配置されたホルダー107を挿入する。また、石英管103の内側には、水素等の所定のガス106を供給する。この状態で、マイクロ波105を石英管103に照射すると、石英管103のマイクロ波照射部位(照射窓)の管内空間側に表面波が生じ、その電場によって電子が加速されることによりプラズマ104が発生する。   The manufacturing method described in Patent Document 2 needs to expose the graphite substrate to plasma, but there are various methods for generating plasma. For example, when microwave plasma is used, the quartz tube 103 is arranged so as to intersect the waveguide 101 of the microwave 105 as shown in FIG. A holder 107 in which a graphite member (graphite rod) 102 to be processed is placed is inserted into the quartz tube 103. A predetermined gas 106 such as hydrogen is supplied to the inside of the quartz tube 103. In this state, when the microwave tube 105 is irradiated with the microwave 105, a surface wave is generated in the space inside the tube at the microwave irradiation site (irradiation window) of the quartz tube 103, and the electrons are accelerated by the electric field, thereby generating the plasma 104. appear.

プラズマ104は、表面波の進行方向に沿って生じるため、石英管103のマイクロ波照射窓と、管内の複数のグラファイト部材102との位置関係によっては、プラズマに対して、他の部材102の影になる部材102が生じ、微細構造(凹凸)の生成にムラが生じることがある。また、マイクロ波プラズマを生成する装置は高価であるため、プラズマを用いながら安価に冷陰極を製造する方法が望まれる。   Since the plasma 104 is generated along the traveling direction of the surface wave, depending on the positional relationship between the microwave irradiation window of the quartz tube 103 and the plurality of graphite members 102 in the tube, the influence of the other members 102 on the plasma is affected. The member 102 to be formed is generated, and the generation of the fine structure (unevenness) may be uneven. Moreover, since the apparatus which produces | generates a microwave plasma is expensive, the method of manufacturing a cold cathode cheaply using plasma is desired.

プラズマを生成することができる装置としては、プラズマを利用する成膜装置、特にスパッタリング装置が広く普及している。しかしながら、スパッタリング装置は、プラズマ中の正イオンによって陰極をスパッタリングする構成であるため、飛び出した陰極材料がグラファイト部材に付着する恐れがある。このため、形成された冷陰極の電子放出特性に影響を及ぼす可能性が高い。   As apparatuses capable of generating plasma, film forming apparatuses using plasma, particularly sputtering apparatuses, are widely used. However, since the sputtering apparatus has a configuration in which the cathode is sputtered by positive ions in the plasma, the protruding cathode material may adhere to the graphite member. For this reason, there is a high possibility of affecting the electron emission characteristics of the formed cold cathode.

本発明の目的は、簡便なプラズマ発生装置を用いて、電子放出特性の優れた冷陰極を製造する方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing a cold cathode having excellent electron emission characteristics using a simple plasma generator.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様では、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、プラズマに冷陰極用部材をさらすことによって、冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する。これにより、簡便なスパッタリング装置を用いながら、陰極のスパッタリングによる不純物混入を防止でき、電子放出特性に優れた冷陰極を製造できる。   In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided an upper surface of a sputtering apparatus comprising a cathode having a coating layer made of the same element as the material serving as an electron emission source disposed on the upper surface. In addition, a cold cathode member made of a material serving as an electron emission source is disposed, a plasma is generated between the cathode and the anode, and the cold cathode member is exposed to the plasma, whereby the surface of the cold cathode member is exposed. Form microprojections. Thereby, while using a simple sputtering apparatus, mixing of impurities due to sputtering of the cathode can be prevented, and a cold cathode excellent in electron emission characteristics can be manufactured.

また、本発明の第2の態様では、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、プラズマに冷陰極用部材をさらすことによって、冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する。これにより、対向電極という簡便な構成で発生させたプラズマによって、不純物混入を防止しながら、電子放出特性に優れた冷陰極を製造できる。   Further, in the second aspect of the present invention, an electron is disposed between a cathode disposed on the upper surface of a coating layer made of the same element as the material serving as an electron emission source and an anode disposed so as to face the cathode. A cold cathode member is formed by disposing a cold cathode member made of a material to be an emission source, generating a plasma by applying a voltage between the cathode and the anode, and exposing the cold cathode member to the plasma. Microprotrusions are formed on the surface. As a result, a cold cathode having excellent electron emission characteristics can be produced while preventing contamination by the plasma generated with a simple configuration of the counter electrode.

第1および第2の態様の冷陰極の製造方法において、陰極の下に予め磁石を配置し、プラズマを陰極付近に発生させることが可能である。これにより、電界と磁界による電子のドリフトを利用してプラズマ密度を高めたマグネトロンプラズマを生じさせ、その中に冷陰極用部材を設置することにより、効率的に微小突起を作成することができる。また、冷陰極用部材は、グラファイトを用いることができ、被覆層は、炭素からなる構成とすることができる。冷陰極用部材には、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝を形成しておくことにより、形成される微小突起のアスペクト比及び密度を向上させることができる。   In the cold cathode manufacturing methods of the first and second embodiments, it is possible to previously arrange a magnet under the cathode and generate plasma near the cathode. Thereby, the magnetron plasma which raised the plasma density using the drift of the electron by an electric field and a magnetic field is produced, and a microprotrusion can be efficiently created by installing the member for cold cathodes in it. The cold cathode member can be made of graphite, and the coating layer can be made of carbon. By forming a predetermined groove in the cold cathode member in a region where electrons should be emitted, it is possible to improve the aspect ratio and density of the fine protrusions to be formed.

本発明の一実施の形態の冷陰極の製造方法について図面を用いて説明する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態として、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、冷陰極を製造する方法について図1および図2を用いて説明する。
A method for manufacturing a cold cathode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
As a first embodiment, a method of manufacturing a cold cathode using a magnetron sputtering apparatus will be described with reference to FIGS.

まず、電子放出源となる材料から形成され、所望の冷陰極の外形を有する部材20を用意する。部材20の形状は、冷陰極が用いられる装置に合わせて種々の形状のものを用いることができるが、部材20の電子放出部となる領域が、マグネトロンスパッタリング装置で形成されるプラズマ内に入る大きさのものであることが望ましい。   First, a member 20 made of a material that becomes an electron emission source and having a desired cold cathode shape is prepared. The member 20 can have various shapes depending on the device in which the cold cathode is used. However, the region of the member 20 serving as an electron emission portion is large enough to enter the plasma formed by the magnetron sputtering device. It is desirable that

例えば、照明や放射線源に用いる冷陰極の場合には、直径0.05〜2mm程度、長さ1〜100mmの棒状のグラファイト部材を用いることができる。   For example, in the case of a cold cathode used for illumination or a radiation source, a rod-shaped graphite member having a diameter of about 0.05 to 2 mm and a length of 1 to 100 mm can be used.

本実施の形態では、予め棒状(円柱状)に形成されたグラファイト部材20を用いる例について説明する。微小突起を形成する部分は、棒の先端面(上面)である。   In the present embodiment, an example using a graphite member 20 formed in a rod shape (columnar shape) in advance will be described. The portion where the minute protrusions are formed is the tip surface (upper surface) of the rod.

なお、部材20を構成する電子放出源となる材料としては、グラファイトの他に、炭素、窒化ホウ素、酸化亜鉛、モリブデン等を用いることができる。   In addition to graphite, carbon, boron nitride, zinc oxide, molybdenum, or the like can be used as a material that becomes an electron emission source constituting the member 20.

マグネトロンスパッタリング装置は、一般的には、図1に示す構造を有している。すなわち、対向配置された陰極11と陽極12と、陰極13の裏面側に配置された磁石13とを備えている。磁石13は、図1のように、中央に一方の極(図1ではS極)、陰極の周縁に沿って他方の極(図1ではN極)が配置されている。ここでは、一例として、陰極11と陽極12は円板状であり、磁石13のN極がリング状に配置され、陰極11の表面近傍の空間に円環状(ドーナツ状)のプラズマ17が発生する例について説明するが、陰極11と陽極12が円板状ではない装置であっても構わない。陰極11と陽極12は、真空容器(不図示)内に配置され、少なくとも陰極11と陽極12との間の空間を所定の圧力に減圧する。また、ガス供給管(不図示)により、陰極と陽極12との間の空間には所定のガスが供給される。   A magnetron sputtering apparatus generally has a structure shown in FIG. In other words, the cathode 11 and the anode 12 arranged opposite to each other, and the magnet 13 arranged on the back surface side of the cathode 13 are provided. As shown in FIG. 1, the magnet 13 has one pole (S pole in FIG. 1) at the center and the other pole (N pole in FIG. 1) along the periphery of the cathode. Here, as an example, the cathode 11 and the anode 12 are disk-shaped, the N poles of the magnet 13 are arranged in a ring shape, and an annular (doughnut-shaped) plasma 17 is generated in the space near the surface of the cathode 11. Although an example will be described, a device in which the cathode 11 and the anode 12 are not disk-shaped may be used. The cathode 11 and the anode 12 are disposed in a vacuum vessel (not shown), and at least a space between the cathode 11 and the anode 12 is reduced to a predetermined pressure. A predetermined gas is supplied to the space between the cathode and the anode 12 by a gas supply pipe (not shown).

グラファイト部材20の先端に微小突起を形成するために、プラズマによる化学的なエッチング作用を主に利用する場合には、供給するガスは、水素、酸素、CH、CF等を用いる。一方、物理的なスパッタリング現象を利用する場合には、Arや窒素等の不活性ガスを用いる。ガス圧は、0.1〜100Paの範囲に設定することが望ましい。 When a chemical etching action by plasma is mainly used to form microprotrusions at the tip of the graphite member 20, hydrogen, oxygen, CH 4 , CF 4 or the like is used as a gas to be supplied. On the other hand, when a physical sputtering phenomenon is used, an inert gas such as Ar or nitrogen is used. The gas pressure is desirably set in the range of 0.1 to 100 Pa.

陰極11と陽極12との間に、電源14から直流または高周波の電圧を電源14から印加する。電源14の出力は、10〜800W程度に設定することが望ましい。電圧の印加により、陰極11と陽極12との間の空間の電子が、磁石13の磁界17の磁力線と、それに直交する陽極12と陰極11との間の電界によってドリフト運動することによって、密度の高いマグネトロンプラズマ15が発生する。このとき、磁石13の形成する磁界と、陽極12と陰極11との間の電界が直交する場所が陰極11の近傍の空間でドーナツ状であるため、プラズマ15もドーナツ状に発生する。ここでは、一例として、陰極11の径が約7.2cm、陰極11と陽極12との間隔が約2.5cm、ガス圧4Pa、印加電力100Wに設定する。ドーナツ状プラズマ15は陰極11上に生じ、その密度は周方向に沿って一様である。   A direct current or high frequency voltage is applied from the power source 14 between the cathode 11 and the anode 12. The output of the power supply 14 is desirably set to about 10 to 800 W. By applying a voltage, electrons in the space between the cathode 11 and the anode 12 drift due to the magnetic field lines of the magnetic field 17 of the magnet 13 and the electric field between the anode 12 and the cathode 11 perpendicular to the magnetic field 17. A high magnetron plasma 15 is generated. At this time, the place where the magnetic field formed by the magnet 13 and the electric field between the anode 12 and the cathode 11 are orthogonal is a donut shape in the space near the cathode 11, so that the plasma 15 is also generated in a donut shape. Here, as an example, the diameter of the cathode 11 is set to about 7.2 cm, the distance between the cathode 11 and the anode 12 is set to about 2.5 cm, the gas pressure is 4 Pa, and the applied power is 100 W. The donut-shaped plasma 15 is generated on the cathode 11, and the density thereof is uniform along the circumferential direction.

マグネトロンスパッタ装置の通常の使用方法である成膜を行う場合には、陰極16の表面に薄膜の材料となるターゲット16を配置するが、本実施の形態では、ドーナツ状プラズマ15を用いてグラファイト部材の先端に微小突起を形成するため、ターゲット16は配置せず、図2のように、陰極11上のドーナツ状プラズマ15が形成される領域内に周方向に沿って、グラファイト部材20を垂直に配置する。例えば、予め陰極11の表面に設けておいた凹部にグラファイト部材20の下端を挿入することにより、グラファイト部材20を垂直に立てて配置することができる。なお、微小突起を形成したいグラファイト部材20の先端は、ドーナツ状のプラズマ15が発生する位置に配置しなければ効率的に加工できないため、生成されるプラズマ15の高さよりも短いグラファイト部材20を用いる必要がある。本実施例では、陰極11と陽極12との間隔の高さが2.5cmであるため、陰極11上に突出するグラファイト部材20の長さが、2.5cm以下のものを用い、グラファイト部材20の先端をプラズマ15が生成される位置に配置する。   When film formation, which is a normal method of using a magnetron sputtering apparatus, is performed, a target 16 that is a thin film material is disposed on the surface of the cathode 16. In this embodiment, a donut-shaped plasma 15 is used to form a graphite member. As shown in FIG. 2, the target 16 is not disposed, and the graphite member 20 is placed vertically along the circumferential direction in the region where the donut-shaped plasma 15 is formed on the cathode 11 as shown in FIG. Deploy. For example, the graphite member 20 can be vertically arranged by inserting the lower end of the graphite member 20 into a recess provided in advance on the surface of the cathode 11. Since the tip of the graphite member 20 where the microprojections are to be formed cannot be efficiently processed unless it is arranged at a position where the donut-shaped plasma 15 is generated, the graphite member 20 shorter than the height of the generated plasma 15 is used. There is a need. In this embodiment, since the distance between the cathode 11 and the anode 12 is 2.5 cm, the graphite member 20 protruding on the cathode 11 has a length of 2.5 cm or less, and the graphite member 20 is used. Is arranged at a position where the plasma 15 is generated.

また、ドーナツ状のプラズマ15は、周方向に沿って一様であるため、図2のように複数のグラファイト部材20を周方向に沿って配置し、一度に加工することが可能である。   Further, since the donut-shaped plasma 15 is uniform along the circumferential direction, a plurality of graphite members 20 can be arranged along the circumferential direction as shown in FIG. 2 and processed at a time.

このように、上記マグネトロンプラズマ15にグラファイト部材20をさらすことにより、化学的なエッチング作用、物理的なスパッタリング作用、または両者が入り交じった作用により、グラファイト部材20表面のプラズマ15に接している部分すべてに凹凸が形成される。これにより、グラファイト部材20の先端面(円柱上面)に微細な凹凸を形成することができる。よって、電子放出が可能な微小な多数の突起(凸部)を備えたグラファイト部材20(冷陰極)を製造することができる。   As described above, by exposing the graphite member 20 to the magnetron plasma 15, a portion in contact with the plasma 15 on the surface of the graphite member 20 by a chemical etching action, a physical sputtering action, or an action in which both are mixed. Unevenness is formed on all. Thereby, fine unevenness | corrugation can be formed in the front end surface (cylinder upper surface) of the graphite member 20. FIG. Therefore, the graphite member 20 (cold cathode) provided with a large number of minute protrusions (convex portions) capable of emitting electrons can be manufactured.

このとき、スパッタリング装置の陰極11自体にも、プラズマ15による化学的なエッチング作用、物理的なスパッタリング作用が生じるため、陰極11を構成する材料がスパッタリングされて、グラファイト部材20の先端に付着する。そのため、陰極11を構成する材料によっては、グラファイト部材20の先端の微小突起の電子放出特性に悪影響を及ぼす恐れがある。   At this time, since the chemical etching action and the physical sputtering action by the plasma 15 also occur in the cathode 11 itself of the sputtering apparatus, the material constituting the cathode 11 is sputtered and adheres to the tip of the graphite member 20. Therefore, depending on the material constituting the cathode 11, the electron emission characteristics of the fine protrusions at the tip of the graphite member 20 may be adversely affected.

そこで、本実施の形態では、金属製の陰極11の少なくとも上面に、部材20を構成する材料と同じ元素から構成される被覆層21を配置している。これにより、陰極11上面の被覆層21が、プラズマ15によってスパッタリングされることにより飛び出す材料は、電子放出源材料と同じ元素から成っている。よって、これがグラファイト部材20の先端に付着しても、電子放出特性に悪影響を生じさせない。   Therefore, in the present embodiment, the coating layer 21 made of the same element as the material constituting the member 20 is disposed on at least the upper surface of the metal cathode 11. Thereby, the material which jumps out when the coating layer 21 on the upper surface of the cathode 11 is sputtered by the plasma 15 is made of the same element as the electron emission source material. Therefore, even if it adheres to the tip of the graphite member 20, the electron emission characteristics are not adversely affected.

被覆層21を構成する材料としては、部材20と同じ電子放出源材料を用いることが好ましいが、結晶構造が部材20と同じである必要はなく、部材20の構成元素と同じ元素からなる材料であればよい。よって、部材20の結晶構造はアモルファスであってもよい。例えば、部材20がグラファイト製である場合には、被覆層21は、炭素によって構成される材料(同素体)によって構成されていればよく、アモルファスカーボン製でもよい。ただし、部材20が窒化ホウ素、酸化亜鉛等の化合物やモリブデンから成る場合には、被覆層21も部材20と同じ窒化ホウ素、酸化亜鉛等の化合物やモリブデンによって形成することが望ましい。   The material constituting the coating layer 21 is preferably the same electron emission source material as that of the member 20, but the crystal structure does not have to be the same as that of the member 20, and is a material composed of the same elements as the constituent elements of the member 20. I just need it. Therefore, the crystal structure of the member 20 may be amorphous. For example, when the member 20 is made of graphite, the coating layer 21 may be made of a material (allotropic body) made of carbon, and may be made of amorphous carbon. However, when the member 20 is made of a compound such as boron nitride or zinc oxide or molybdenum, it is desirable that the coating layer 21 is also formed of the same compound or molybdenum such as boron nitride or zinc oxide as the member 20.

このように、第1の実施の形態によれば、マグネトロンスパッタ装置を用いて部材20の先端面に微小な突起を形成することができる。よって、マイクロ波プラズマを用いる場合のように高価なマイクロ波発生器を利用する必要がなく、所定の特性を満たす高圧電源14でプラズマ15を生成できるため、低コストで冷陰極を製造できる。   Thus, according to the first embodiment, it is possible to form minute protrusions on the tip surface of the member 20 using the magnetron sputtering apparatus. Therefore, it is not necessary to use an expensive microwave generator as in the case of using microwave plasma, and the plasma 15 can be generated by the high-voltage power supply 14 satisfying predetermined characteristics, so that a cold cathode can be manufactured at low cost.

マグネトロンプラズマは、磁界を印加せず発生させたプラズマと比較して高密度であるため、効率よく微小突起を形成することができる。また、マグネトロン効果を利用したリング状のプラズマ15は周方向について一様であるため、周方向に部材20を設置することにより、形成される微細構造には設置場所によって生じる差が小さい。よって、複数のグラファイト部材20に一度にムラのない微細構造を形成することができる。   Since the magnetron plasma has a higher density than the plasma generated without applying a magnetic field, microprojections can be efficiently formed. Further, since the ring-shaped plasma 15 using the magnetron effect is uniform in the circumferential direction, the difference caused by the installation location is small in the microstructure formed by installing the member 20 in the circumferential direction. Therefore, a fine structure without unevenness can be formed on the plurality of graphite members 20 at a time.

また、陰極11を電子放出材料の被覆層21で覆うので、作製した部材20からなる冷陰極は、微小突起に不純物が付着せず、良好な電子放出特性を発揮することができる。   In addition, since the cathode 11 is covered with the electron emission material coating layer 21, the cold cathode made of the manufactured member 20 does not adhere impurities to the minute protrusions and can exhibit good electron emission characteristics.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、DC(直流)またはRF(高周波)スパッタリング装置を用いて、微小突起を備えた冷陰極を製造する方法について説明する。第2の実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、棒状(円柱状)のグラファイト部材20の先端(上面)に多数の微小突起を形成する場合を例に説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a method for manufacturing a cold cathode having minute protrusions using a DC (direct current) or RF (high frequency) sputtering apparatus will be described. Also in the second embodiment, as in the first embodiment, a case where a large number of minute protrusions are formed on the tip (upper surface) of a bar-shaped (columnar) graphite member 20 will be described as an example.

DCまたはRFスパッタリング装置は、図3に示したように、マグネトロンスパッタリング装置と同様に、対向配置された陰極11と陽極12とを有するが、磁石13は備えない。また、DCまたはRFスパッタリング装置は、陰極11と陽極12との間の空間に所定のガスを供給するためのガス供給管(不図示)、ならびに、電源14を備えている。ガス圧は、0.1〜100Paの範囲に設定することが望ましい。   As shown in FIG. 3, the DC or RF sputtering apparatus has a cathode 11 and an anode 12 arranged opposite to each other as in the magnetron sputtering apparatus, but does not include a magnet 13. Further, the DC or RF sputtering apparatus includes a gas supply pipe (not shown) for supplying a predetermined gas to the space between the cathode 11 and the anode 12 and a power source 14. The gas pressure is desirably set in the range of 0.1 to 100 Pa.

電源14から、陰極11と陽極12との間に直流または高周波電圧を印加する。電源14の出力は、10〜800W程度に設定することが望ましい。電圧の印加により、陰極11と陽極12との間にプラズマ31が生成される。このプラズマ31は、ドーナツ状ではなく、陰極11の径方向についてほぼ一様に発生する。ここでは、一例として、陰極11の径が約7.2cm、陰極11と陽極12との間隔が約2.5cm、ガス圧4Pa、印加電力100W(DC電圧)を用いる。これにより陰極11と陽極12との間に発生したプラズマは、径方向についても周方向についてもほぼ一様である。   A direct current or a high frequency voltage is applied from the power source 14 between the cathode 11 and the anode 12. The output of the power supply 14 is desirably set to about 10 to 800 W. A plasma 31 is generated between the cathode 11 and the anode 12 by applying a voltage. The plasma 31 does not have a donut shape, but is generated substantially uniformly in the radial direction of the cathode 11. Here, as an example, the diameter of the cathode 11 is about 7.2 cm, the distance between the cathode 11 and the anode 12 is about 2.5 cm, the gas pressure is 4 Pa, and the applied power is 100 W (DC voltage). As a result, the plasma generated between the cathode 11 and the anode 12 is substantially uniform both in the radial direction and in the circumferential direction.

一般的なスパッタリング装置の使用方法のように薄膜を形成する場合には、図3のようにターゲット16を陰極11上面に配置するが、本実施の形態では、図4のように微細凹凸を形成すべきグラファイト部材20を陰極11上面に立てて配置する。また、図4のように一度に複数の部材20を配置することができる。   When a thin film is formed as in a general method of using a sputtering apparatus, the target 16 is disposed on the upper surface of the cathode 11 as shown in FIG. 3, but in this embodiment, fine irregularities are formed as shown in FIG. The graphite member 20 to be placed is placed upright on the upper surface of the cathode 11. Moreover, the several member 20 can be arrange | positioned at once like FIG.

このとき、陰極11の上面は、第1の実施の形態と同様に、被覆層21で覆う。被覆層21は、部材20の電子放出源材料を構成する元素からなる材料によって形成する。例えば、炭素からなる被覆層21によって覆う。これにより、陰極11がスパッタリングされて飛び出した材料が、グラファイト部材20に付着した場合であっても、不純物とならず、グラファイト部材の電子放出特性に影響を与えにくい。被覆層21を構成する材料の結晶構造については、第1の実施の形態の被覆層21と同様である。   At this time, the upper surface of the cathode 11 is covered with the coating layer 21 as in the first embodiment. The covering layer 21 is formed of a material made of an element constituting the electron emission source material of the member 20. For example, it covers with the coating layer 21 which consists of carbon. Thereby, even if the material sputtered out from the cathode 11 adheres to the graphite member 20, it does not become an impurity and hardly affects the electron emission characteristics of the graphite member. About the crystal structure of the material which comprises the coating layer 21, it is the same as that of the coating layer 21 of 1st Embodiment.

第2の実施の形態では、DCまたはRFスパッタリング装置によって陰極11と陽極12との間に生成されるプラズマに、グラファイト部材20の先端面をさらすことができるため、この先端面に微細な凹凸を形成することができる。よって、多数の微小突起(凸部)を先端に備えたグラファイト部材20(冷陰極)を製造することができる。   In the second embodiment, since the tip surface of the graphite member 20 can be exposed to the plasma generated between the cathode 11 and the anode 12 by a DC or RF sputtering apparatus, fine tips are formed on the tip surface. Can be formed. Therefore, the graphite member 20 (cold cathode) provided with a large number of minute protrusions (convex portions) at the tip can be manufactured.

このように、第2の実施の形態では、DCまたはRFスパッタリング装置という広く普及した装置を用いながら、不純物の影響を受けることなく、微小突起を備えた冷陰極を製造することができる。   As described above, in the second embodiment, a cold cathode having minute protrusions can be manufactured without being affected by impurities while using a widely used apparatus such as a DC or RF sputtering apparatus.

なお、線材形状の冷陰極を製造する場合には、電子放出源材料で構成された線材形状の部材51を、図5のように、被覆層21に配置することにより、線状部材の外周の陽極21と対向する面をプラズマにさらすことができ、微小突起を形成することができる。   When manufacturing a wire-shaped cold cathode, a wire-shaped member 51 made of an electron emission source material is disposed on the covering layer 21 as shown in FIG. The surface facing the anode 21 can be exposed to plasma, and minute protrusions can be formed.

同様に、径の大きな面状の冷陰極を製造する場合にも、電子放出源となる材料で構成された板状部材または、図6(a)のような円柱状部材62等、広い上面を有する部材を、図5と同様に、被覆層21の上に陽極12と対向するように配置する。これにより、陽極12と対向する面に微小突起を形成することができる。   Similarly, when manufacturing a surface cold cathode having a large diameter, a wide upper surface such as a plate-shaped member made of a material serving as an electron emission source or a columnar member 62 as shown in FIG. The member having the same is disposed on the coating layer 21 so as to face the anode 12 as in FIG. Thereby, microprotrusions can be formed on the surface facing the anode 12.

(第3の実施の形態)
第1および第2の実施の形態においては、部材20の平らな上面をプラズマにさらすことにより微小突起を形成する方法について説明したが、第3の実施の形態は、図6(b)のように部材62の上面に、予め溝63を形成しておくことにより、アスペクト比が大きく、密度が大きい、微小突起を備えた冷陰極を製造する方法について説明する。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the method of forming the microprojections by exposing the flat upper surface of the member 20 to plasma has been described. However, the third embodiment is as shown in FIG. Next, a method of manufacturing a cold cathode having microprojections having a large aspect ratio and a high density by forming grooves 63 in advance on the upper surface of the member 62 will be described.

部材62の上面に形成しておく溝63の形状としては、断面が矩形またはU字型のものが好ましい。溝63の配置は、どのような配置であってもよく、格子状、平行配置、放射状のいずれであってもよい。   The groove 63 formed on the upper surface of the member 62 preferably has a rectangular or U-shaped cross section. The arrangement of the grooves 63 may be any arrangement, and may be any of a lattice, a parallel arrangement, and a radial arrangement.

部材62の形状は、どのような形状であってもよいが、例えば、後述する図8の構造をもった照明装置に用いる冷陰極の場合には、直径0.1〜2mm程度、長さ1〜10mmの棒状のグラファイト部材、または、直径1〜10mm、厚さ1mm程度の円板状部材を用いることができる。   The shape of the member 62 may be any shape. For example, in the case of a cold cathode used in a lighting device having the structure shown in FIG. 8 described later, the diameter is about 0.1 to 2 mm and the length is 1 A bar-shaped graphite member having a diameter of 10 mm or a disk-shaped member having a diameter of 1 to 10 mm and a thickness of about 1 mm can be used.

このように溝が形成された部材62を、第1および第2の実施の形態同様に、被覆21を備えた陰極11上に配置して、プラズマにさらす。これにより、溝63の内部にも、溝63と溝63との間の平らな部分64にも微小突起を形成することができる。   As in the first and second embodiments, the member 62 with the groove formed in this way is placed on the cathode 11 provided with the coating 21 and exposed to plasma. As a result, minute protrusions can be formed in the groove 63 as well as in the flat portion 64 between the groove 63 and the groove 63.

溝を形成しない場合と比較して、溝63の内部に形成される微小突起は、アスペクト比(突起の高さ/突起の基部の径)が大きく、しかも、密度高く形成することができる。また、平らな部分64についても、溝63を形成しない場合と比較して、形成される突起の密度が高くなる。特に、図7に示したように、溝63を形成した上面の周辺領域71の平らな部分64は、溝を形成しない場合の上面の周辺領域71の平らな部分よりも微小突起が密度高く形成される。   Compared with the case where no groove is formed, the fine protrusions formed inside the groove 63 have a large aspect ratio (the height of the protrusion / the diameter of the base of the protrusion) and can be formed with a high density. Further, in the flat portion 64, the density of the formed protrusions is higher than that in the case where the groove 63 is not formed. In particular, as shown in FIG. 7, the flat portion 64 of the peripheral region 71 on the upper surface where the groove 63 is formed has higher density of fine protrusions than the flat portion of the peripheral region 71 on the upper surface when the groove is not formed. Is done.

第3の実施の形態によって形成される微小突起は、アスペクト比が大きい程、電子を放出しやすく、突起の密度が高いほど、冷陰極の微小突起の数が増加するため、冷陰極から放出される電子量が大きい。よって、第3の実施の形態の製造方法を用いることにより、電子放出特性の優れた冷陰極を製造することができる。   The microprotrusions formed according to the third embodiment are more likely to emit electrons as the aspect ratio is larger, and the number of microprotrusions in the cold cathode increases as the density of the protrusions increases. Large amount of electrons. Therefore, by using the manufacturing method of the third embodiment, a cold cathode having excellent electron emission characteristics can be manufactured.

(第4の実施の形態)
つぎに、第4の実施の形態として、第1〜第3の実施の形態で製造した冷陰極を用いた照明装置について説明する。
(Fourth embodiment)
Next, as a fourth embodiment, an illumination device using the cold cathode manufactured in the first to third embodiments will be described.

図8に、本実施の形態の照明装置の断面図を示す。一端が閉じ他端が開放された円筒状のガラスバルブ810の開放端に、フェースガラス811が低融点フリットガラスにより接着され、外壁が構成されている。外壁の内部の空間は、圧力が1.33×10−3Pa(1×10−5Torr)以下になるように真空排気されている。ガラスバルブ810内に、その閉じられた端部からフェースガラス811の方に向かって、冷陰極812、グリッド(電子引出電極)813、及び陽極814が順番に配置されている。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of the lighting apparatus of the present embodiment. A face glass 811 is bonded with a low melting point frit glass to an open end of a cylindrical glass bulb 810 having one end closed and the other end open to form an outer wall. The space inside the outer wall is evacuated so that the pressure is 1.33 × 10 −3 Pa (1 × 10 −5 Torr) or less. In the glass bulb 810, a cold cathode 812, a grid (electron extraction electrode) 813, and an anode 814 are sequentially arranged from the closed end toward the face glass 811.

冷陰極812としては、上記第1〜第3の実施の形態の製造方法で作製されたグラファイト部材20、51、62のいずれを用いることも可能である。棒状(円柱状)のグラファイト部材20、62を用いる場合、その長さが長すぎる場合には切断して用いることができる。グラファイト部材20、51、62は、陰極配線(後述のリードピン817)に直接接着するか、別途用意した金属カップに固定した後、陰極配線(リードピン817)に取り付けることにより固定する。   As the cold cathode 812, any of the graphite members 20, 51, 62 produced by the manufacturing methods of the first to third embodiments can be used. When the rod-like (columnar) graphite members 20 and 62 are used, if the length is too long, they can be cut and used. The graphite members 20, 51 and 62 are fixed by directly adhering to the cathode wiring (lead pin 817 described later) or by fixing to a separately prepared metal cup and then attaching to the cathode wiring (lead pin 817).

グラファイト部材20、51、62は、プラズマ処理によりその凹凸を付された面がフェースガラス811に対向している。冷陰極12の凹凸が形成された面に対向するように、グリッド813が配置されている。グリッド813は平面に沿った形状にしてもよいが、冷陰極812から遠ざかる方向に膨らんだ球面に沿う形状にしてもよい。冷陰極812とグリッド813とに電圧を印加すると、両者が近づく向きの静電気力が発生する。グリッド813を球面に沿う形状にすることにより、グリッド813と冷陰極812との接触を生じにくくすることができる。   The graphite member 20, 51, 62 faces the face glass 811 on the surface that has been roughened by the plasma treatment. A grid 813 is disposed so as to face the surface of the cold cathode 12 where the irregularities are formed. The grid 813 may have a shape along a plane, or may have a shape along a spherical surface that swells away from the cold cathode 812. When a voltage is applied to the cold cathode 812 and the grid 813, an electrostatic force is generated in the direction in which both approach. By making the grid 813 into a shape along the spherical surface, the contact between the grid 813 and the cold cathode 812 can be made difficult to occur.

陽極814は円環状の導体で構成されている。なお、陽極814をメッシュ状にしてもよい。フェースガラス811の内面には厚さ20μmの蛍光体層816が密着するように配置され、その表面にアルミニウムからなる厚さ100〜200nmのメタルバック膜815が形成されている。例えば、白色ランプを作製する場合には、白色蛍光体、例えばYS:TbとY:Euとを混合した蛍光体を溶媒に溶かしてフェースガラス811の内面に塗布し、乾燥させることにより、蛍光体層816が形成される。 The anode 814 is composed of an annular conductor. Note that the anode 814 may have a mesh shape. A phosphor layer 816 having a thickness of 20 μm is disposed on the inner surface of the face glass 811, and a metal back film 815 having a thickness of 100 to 200 nm made of aluminum is formed on the surface. For example, when producing a white lamp, a white phosphor, for example, a phosphor in which Y 2 O 3 S: Tb and Y 2 O 3 : Eu are mixed, is dissolved in a solvent and applied to the inner surface of the face glass 811; The phosphor layer 816 is formed by drying.

冷陰極812、グリッド813、及び陽極814は、それぞれリードピン817、818、及び819により、ガラスバルブ810内に支持されている。リードピン817、818、及び819は、ガラスバルブ810の閉じられた端部を貫通して外部まで導出されている。ガラスバルブ810内のリードピン819の先端が、接触片820を介してメタルバック膜815に電気的に接続されている。リードピン817を介して冷陰極812に所定の電圧が印加され、リードピン818を介してグリッド813に所定の電圧が印加され、リードピン819を介して陽極814に所定の電圧が印加される。さらに、接続片820を介してメタルバック膜815に、陽極814に印加されている電圧と同じ電圧が印加される。   The cold cathode 812, the grid 813, and the anode 814 are supported in the glass bulb 810 by lead pins 817, 818, and 819, respectively. The lead pins 817, 818, and 819 are led out through the closed end of the glass bulb 810. The tip of the lead pin 819 in the glass bulb 810 is electrically connected to the metal back film 815 via the contact piece 820. A predetermined voltage is applied to the cold cathode 812 via the lead pin 817, a predetermined voltage is applied to the grid 813 via the lead pin 818, and a predetermined voltage is applied to the anode 814 via the lead pin 819. Further, the same voltage as that applied to the anode 814 is applied to the metal back film 815 via the connection piece 820.

リード線819のガラスバルブ810内にある部分の一部に、バリウム(Ba)、チタン(Ti)等のゲッター材が溶接等により固定されている。ゲッター材は、ガラスバルブ810内を高真空に保つ役割を果たす。   A getter material such as barium (Ba) or titanium (Ti) is fixed to a part of a portion of the lead wire 819 in the glass bulb 810 by welding or the like. The getter material plays a role of keeping the inside of the glass bulb 810 at a high vacuum.

冷陰極812とグリッド813との間に、冷陰極812から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。陽極814には、グリッド813に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極812から放出された電子が、グリッド813を通過し、陽極814に印加されている電圧によって加速され、メタルバック膜815に入射する。メタルバック膜815に入射した電子は、メタルバック膜815を貫通し、蛍光体層816まで到達する。これにより、蛍光体層816から蛍光が発生し、フェースガラス811を透過して外部に放射される。フェースガラス811に凸レンズの機能を持たせることにより、放射される蛍光を集光することができる。   A voltage large enough for electrons to be emitted from the cold cathode 812 is applied between the cold cathode 812 and the grid 813. A voltage higher than the voltage applied to the grid 813 is applied to the anode 814. Electrons emitted from the cold cathode 812 pass through the grid 813, are accelerated by the voltage applied to the anode 814, and enter the metal back film 815. The electrons incident on the metal back film 815 pass through the metal back film 815 and reach the phosphor layer 816. Thereby, fluorescence is generated from the phosphor layer 816 and is transmitted through the face glass 811 and emitted to the outside. By giving the face glass 811 the function of a convex lens, emitted fluorescence can be collected.

例えば、グリッド813と冷陰極812との間隔が0.5mmの場合、グリッド813を接地し、冷陰極812に−10kVの電圧を印加することにより、電流密度1mA/cmの電流を得ることができる。陽極814には、30kV程度の正電圧を印加する。これにより、エネルギー10〜30keVの電子がメタルバック膜815に衝突し、白色蛍光体を効率よく発光させることができる。 For example, when the distance between the grid 813 and the cold cathode 812 is 0.5 mm, a current of 1 mA / cm 2 can be obtained by grounding the grid 813 and applying a voltage of −10 kV to the cold cathode 812. it can. A positive voltage of about 30 kV is applied to the anode 814. As a result, electrons with an energy of 10 to 30 keV collide with the metal back film 815, and the white phosphor can efficiently emit light.

このように、第4の実施の形態によれば、第1〜第3の実施の形態で得られた冷陰極を用いて装置を提供することができる。ここでは、管状の照明装置(フィールドエミッションランプ)を例に説明したが、球状、平面状のランプを構成することも可能である。また、第1〜第3の実施の形態で得られた冷陰極を用いて、X線源等の放射線源を構成することもできる。また、フィールドエミッションディスプレイ等の他の冷陰極装置を構成することも可能である。   Thus, according to the fourth embodiment, an apparatus can be provided using the cold cathode obtained in the first to third embodiments. Although a tubular lighting device (field emission lamp) has been described as an example here, a spherical or planar lamp can be configured. A radiation source such as an X-ray source can also be configured using the cold cathodes obtained in the first to third embodiments. It is also possible to configure other cold cathode devices such as a field emission display.

(実施例1)
第1の実施例として、上記第1の実施の形態の製造方法により、マグネトロンスパッタリング装置を用いて冷陰極を製造した。使用したマグネトロンスパッタリング装置の構成および製造手順は、第1の実施の形態と同様である。マグネトロンスパッタリング装置は、陰極11および陽極12の径は約7.2cm、陰極11と陽極12との間隔は約2.5cmとした。また、導入ガスはArを用いた。陰極11の被覆層21は、グラファイト層である。
Example 1
As a first example, a cold cathode was manufactured using a magnetron sputtering apparatus by the manufacturing method of the first embodiment. The configuration and manufacturing procedure of the magnetron sputtering apparatus used are the same as in the first embodiment. In the magnetron sputtering apparatus, the diameter of the cathode 11 and the anode 12 was about 7.2 cm, and the distance between the cathode 11 and the anode 12 was about 2.5 cm. Ar was used as the introduced gas. The covering layer 21 of the cathode 11 is a graphite layer.

微小突起を形成する対象である部材20としては、直径0.9mm、長さ11mmの棒状グラファイト部材を用いた。   A rod-like graphite member having a diameter of 0.9 mm and a length of 11 mm was used as the member 20 that is a target for forming the minute protrusions.

このグラファイト部材20を、マグネトロンスパッタリング装置の陰極11上に予め設けた凹部に挿入して、図2のように立てて配置した。陰極11上には、グラファイト部材20が約5mm突出している状態であった。印加電力100W、ガス圧4Paで60分間プラズマ処理し、先端面に凹凸を形成した。   This graphite member 20 was inserted into a recess provided in advance on the cathode 11 of the magnetron sputtering apparatus, and was placed upright as shown in FIG. On the cathode 11, the graphite member 20 protruded by about 5 mm. Plasma treatment was performed at an applied power of 100 W and a gas pressure of 4 Pa for 60 minutes to form irregularities on the tip surface.

処理後のグラファイト部材20の凹凸が形成された先端面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図9および図10に示す。図9は、グラファイト部材20の先端面の中心領域72(図7参照)の写真であり、図10は、部材20の先端面の周辺領域71(図7参照)の写真である。図9および図10より、本実施例のプラズマ処理により、グラファイト部材20の先端面に微小な突起が多数形成されていることがわかる。   The photograph which image | photographed the front end surface in which the unevenness | corrugation of the graphite member 20 after a process was formed with the scanning electron microscope is shown in FIG. 9 and FIG. 9 is a photograph of the central region 72 (see FIG. 7) of the tip surface of the graphite member 20, and FIG. 10 is a photograph of the peripheral region 71 (see FIG. 7) of the tip surface of the member 20. 9 and 10, it can be seen that a number of minute protrusions are formed on the tip surface of the graphite member 20 by the plasma treatment of this embodiment.

同一のグラファイト部材20の先端面であっても、その中心領域72に形成された微小突起と、周辺領域71に形成された微小突起とは形状が異なっていた。先端面の中心領域72に形成された微小突起は、図9のような形状であり、根元の径が200〜1500nm程度、高さが500〜700nm程度であった。一方、周辺領域71に形成された微小突起は、図10のような形状であり、根元の径が300〜1000nm程度、高さが200〜1000nm程度であった。よって、先端面の中心領域72に形成された微小突起の方が、先端面の周辺領域71に形成された微小突起よりも、アスペクト比が大きく、鋭い突起であった。   Even on the tip surface of the same graphite member 20, the shape of the minute protrusion formed in the central region 72 and the shape of the minute protrusion formed in the peripheral region 71 were different. The microprotrusions formed in the center region 72 of the distal end surface have a shape as shown in FIG. 9 and have a root diameter of about 200 to 1500 nm and a height of about 500 to 700 nm. On the other hand, the microprotrusions formed in the peripheral region 71 have a shape as shown in FIG. 10 and have a root diameter of about 300 to 1000 nm and a height of about 200 to 1000 nm. Therefore, the minute protrusion formed in the center region 72 of the tip surface has a larger aspect ratio and sharper than the minute protrusion formed in the peripheral region 71 of the tip surface.

実施例1の方法でプラズマ処理されたグラファイト部材20(冷陰極)について、電子放出特性を測定した。その結果を図11に示す。図11の横軸は、冷陰極の表面の電界の大きさ(V/μm)であり、縦軸は、放出された電子による電流値(A)を示している。図11より、実施例1の冷陰極は、電界8V/μmから急峻に電流値が立ち上がっていた。このことから、本実施例の冷陰極は抵抗が小さく、電子放出特性に優れていることが確認された。   The electron emission characteristics of the graphite member 20 (cold cathode) plasma-treated by the method of Example 1 were measured. The result is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 11 represents the electric field magnitude (V / μm) on the surface of the cold cathode, and the vertical axis represents the current value (A) due to the emitted electrons. From FIG. 11, the current value of the cold cathode of Example 1 rose steeply from an electric field of 8 V / μm. From this, it was confirmed that the cold cathode of this example had low resistance and excellent electron emission characteristics.

このように、実施例1の製造方法を用いることにより、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、電子放出特性に優れた冷陰極を製造することできた。マグネトロンスパッタリング装置は、マイクロ波プラズマ発生装置よりも構成が簡単であり、しかも、発生するプラズマが高密度で一様であるため、複数の冷陰極を一度に効率よくプラズマ処理することができる。よって、実施例1の製造方法を用いることにより、電子放出特性に優れた冷陰極を、低コストに量産することが可能である。   Thus, by using the manufacturing method of Example 1, it was possible to manufacture a cold cathode having excellent electron emission characteristics using a magnetron sputtering apparatus. The magnetron sputtering apparatus has a simpler configuration than the microwave plasma generation apparatus, and the generated plasma is high density and uniform, so that a plurality of cold cathodes can be efficiently plasma processed at one time. Therefore, by using the manufacturing method of Example 1, it is possible to mass-produce cold cathodes having excellent electron emission characteristics at low cost.

(実施例2)
つぎに、第2の実施例として、上記第3の実施の形態の製造方法により、予め溝63を形成した部材62に、マグネトロンスパッタリング装置を用いて微小突起を形成することにより冷陰極を製造した。使用したマグネトロンスパッタリング装置の構成およびプラズマ処理の条件は、実施例1と同様である。
(Example 2)
Next, as a second example, a cold cathode was manufactured by forming minute protrusions on a member 62 in which a groove 63 was previously formed by using a magnetron sputtering apparatus by the manufacturing method of the third embodiment. . The configuration of the magnetron sputtering apparatus used and the conditions for the plasma treatment are the same as in Example 1.

微小突起を形成する対象である部材62は、実施例1の部材20と同じ大きさの棒状グラファイト部材を用い、先端面に溝63を予め形成した。溝63の形状は断面が矩形であった。溝63の配置は、放射状である。   The member 62 which is a target for forming the minute protrusions is a bar-shaped graphite member having the same size as the member 20 of Example 1, and a groove 63 is formed in advance on the tip surface. The shape of the groove 63 was rectangular in cross section. The arrangement of the grooves 63 is radial.

このように溝が形成された部材62を、図2のように被覆21を備えた陰極11上に配置して、印加電力100W、ガス圧4Paで60分間プラズマ処理し、先端面に凹凸を形成した。   As shown in FIG. 2, the member 62 having the groove formed thereon is arranged on the cathode 11 having the coating 21, and plasma treatment is performed at an applied power of 100 W and a gas pressure of 4 Pa for 60 minutes to form irregularities on the tip surface. did.

処理後のグラファイト部材62の凹凸が形成された先端面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図12および図13に示す。また、溝63部分の断面図を図14に示す。図12は、グラファイト部材62の先端面の中心領域72(図7参照)の写真であり、図13は、部材62の先端面の周辺領域71(図7参照)の写真である。図12および図13より、本実施例のプラズマ処理により、グラファイト部材62の先端面に微小な突起が多数形成されていることがわかる。中心領域72に形成された微小突起(図12)は、周辺領域71に形成された微小突起(図13)と比較して、アスペクト比が大きく、鋭い突起になっていることについては、実施例1と同様である。   The photograph which image | photographed the front end surface in which the unevenness | corrugation of the graphite member 62 after a process was formed with the scanning electron microscope is shown in FIG. 12 and FIG. A cross-sectional view of the groove 63 is shown in FIG. 12 is a photograph of the center region 72 (see FIG. 7) of the tip surface of the graphite member 62, and FIG. 13 is a photograph of the peripheral region 71 (see FIG. 7) of the tip surface of the member 62. 12 and 13, it can be seen that a number of minute protrusions are formed on the tip surface of the graphite member 62 by the plasma treatment of this embodiment. The microprotrusions (FIG. 12) formed in the central region 72 have a larger aspect ratio and are sharper than the microprotrusions (FIG. 13) formed in the peripheral region 71. Same as 1.

具体的には、先端面の中心領域に形成された微小突起は、図12のような形状であり、根元の径が200〜1000nm程度、高さが7〜30μm程度であった。周辺領域に形成された微小突起は、図13のような形状であり、根元の径が300〜900nm程度、高さが400〜1800nm程度であった。これにより、中心領域72および周辺領域71のいずれも、溝63を形成しない実施例1の中心領域72および周辺領域71の微小突起(図9,図10)よりもさらに、微小突起のアスペクト比および密度が大きくなっていることが確認された。   Specifically, the microprotrusions formed in the central region of the distal end surface have a shape as shown in FIG. 12, and have a root diameter of about 200 to 1000 nm and a height of about 7 to 30 μm. The microprotrusions formed in the peripheral region had a shape as shown in FIG. 13 and had a root diameter of about 300 to 900 nm and a height of about 400 to 1800 nm. As a result, both the central region 72 and the peripheral region 71 have an aspect ratio of the microprojections and the microprojections (FIGS. 9 and 10) of the central region 72 and the peripheral region 71 of the first embodiment in which the groove 63 is not formed. It was confirmed that the density was increased.

また、図14より、溝63の内部の突起は、溝63と溝63の間の平らな部分64(図6(b)参照)よりも、さらに高アスペクト比の微小突起が形成されていることがわかる。   Further, as shown in FIG. 14, the protrusion inside the groove 63 is formed with a fine protrusion having a higher aspect ratio than the flat portion 64 (see FIG. 6B) between the groove 63 and the groove 63. I understand.

このように、予め溝63を形成しておいた部材をプラズマ処理することによって、高アスペクト比の突起を形成できることが確認できた。特に、電子放出をさせたい部分に溝63を切ることによって、溝63の内部からも電子放出が生じるような高アスペクト比の突起を作製することができる。   As described above, it was confirmed that a projection having a high aspect ratio can be formed by performing plasma treatment on a member in which the groove 63 is formed in advance. In particular, by cutting the groove 63 in a portion where electron emission is desired, a projection with a high aspect ratio that causes electron emission from the inside of the groove 63 can be produced.

本実施例2の方法でプラズマ処理されたグラファイト部材62(冷陰極)について、電子放出特性を測定した。その結果を図11に示す。図11より、実施例2の冷陰極は、電界6V/μmから急峻に電流値が立ち上がっていた。このことから、実施例2の冷陰極は実施例1の冷陰極よりもさらに抵抗が小さく、電子放出特性に優れていることが確認された。   The electron emission characteristics of the graphite member 62 (cold cathode) plasma-treated by the method of Example 2 were measured. The result is shown in FIG. From FIG. 11, the current value of the cold cathode of Example 2 rose steeply from an electric field of 6 V / μm. From this, it was confirmed that the cold cathode of Example 2 had a smaller resistance than the cold cathode of Example 1 and was excellent in electron emission characteristics.

実施例2の製造方法のように予め処理対象部材に溝を形成しておくことにより、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、電子放出特性に優れた冷陰極を製造することできた。マグネトロンスパッタリング装置は、マイクロ波プラズマ発生装置よりも構成が簡単であり、しかも、発生するプラズマが高密度で一様であるため、複数の冷陰極を一度にプラズマ処理することができる。よって、実施例2の製造方法を用いることにより、実施例1の冷陰極よりもさらに電子放出特性に優れた冷陰極を、低コストに量産することが可能である。   By forming grooves in the processing target member in advance as in the manufacturing method of Example 2, a cold cathode having excellent electron emission characteristics could be manufactured using a magnetron sputtering apparatus. The magnetron sputtering apparatus has a simpler configuration than the microwave plasma generator, and the generated plasma is high density and uniform, so that a plurality of cold cathodes can be plasma-treated at once. Therefore, by using the manufacturing method of Example 2, it is possible to mass-produce cold cathodes having better electron emission characteristics than the cold cathode of Example 1 at a low cost.

第1の実施の形態で用いるマグネトロンスパッタリング装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the magnetron sputtering apparatus used by 1st Embodiment. 図1のマグネトロンスパッタリング装置の陰極11上に部材20を配置した状態を示す斜視図。The perspective view which shows the state which has arrange | positioned the member 20 on the cathode 11 of the magnetron sputtering apparatus of FIG. 第2の実施の形態で用いるDCまたはRFスパッタリング装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the DC or RF sputtering device used in 2nd Embodiment. 図3のDCまたはRFスパッタリング装置の陰極11上に部材20を配置した状態を示す斜視図。The perspective view which shows the state which has arrange | positioned the member 20 on the cathode 11 of the DC or RF sputtering device of FIG. 図3のDCまたはRFスパッタリング装置の陰極11上に線材状の部材51を配置した状態を示す斜視図。The perspective view which shows the state which has arrange | positioned the wire-shaped member 51 on the cathode 11 of the DC or RF sputtering apparatus of FIG. (a)上面が平らな円柱状部材を示す斜視図、(b)第3の実施の形態で用いる上面に溝を形成した円柱状部材を示す斜視図。(A) The perspective view which shows the cylindrical member with a flat upper surface, (b) The perspective view which shows the cylindrical member which formed the groove | channel in the upper surface used in 3rd Embodiment. 円柱状部材20、62の上面における周辺領域71と中心領域72とを示す斜視図。The perspective view which shows the peripheral area | region 71 and the center area | region 72 in the upper surface of the cylindrical members 20 and 62. FIG. 第4の実施の形態の照明装置の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the illuminating device of 4th Embodiment. 実施例1のプラズマ処理で形成された、部材20上面の中心領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the unevenness | corrugation of the center area | region of the member 20 upper surface formed by the plasma processing of Example 1. FIG. 実施例1のプラズマ処理で形成された、部材20上面の周辺領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the unevenness | corrugation of the peripheral area | region of the member 20 upper surface formed by the plasma processing of Example 1. FIG. 実施例1および実施例2で製造された冷陰極の電子放出特性を示すグラフ。3 is a graph showing electron emission characteristics of cold cathodes manufactured in Example 1 and Example 2. FIG. 実施例2のプラズマ処理で形成された、部材62上面の中心領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the unevenness | corrugation of the center area | region of the member 62 upper surface formed by the plasma processing of Example 2. FIG. 実施例2のプラズマ処理で形成された、部材62上面の周辺領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。6 is a scanning electron micrograph showing the irregularities in the peripheral region on the upper surface of the member 62 formed by the plasma treatment of Example 2. FIG. 実施例2のプラズマ処理で形成された、部材62の溝部分の断面についての走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph about the cross section of the groove part of the member 62 formed by the plasma processing of Example 2. FIG. マイクロ波プラズマ発生装置を用いてグラファイトロッドをプラズマ処理する場合の装置構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the apparatus structure in the case of carrying out plasma processing of the graphite rod using a microwave plasma generator.

符号の説明Explanation of symbols

11…陰極、12…陽極、13…磁石、14…電源、15…ドーナツ状プラズマ、16…ターゲット、17…電界、20…処理対象の部材、21…被覆層、31…プラズマ、62…処理対象部材、71…周辺領域、72…中心領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Cathode, 12 ... Anode, 13 ... Magnet, 14 ... Power supply, 15 ... Donut-shaped plasma, 16 ... Target, 17 ... Electric field, 20 ... Member of process object, 21 ... Covering layer, 31 ... Plasma, 62 ... Process object Member, 71 ... peripheral region, 72 ... central region.

Claims (7)

電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、前記被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成することを特徴とする微小突起を備えた冷陰極の製造方法。
A member for cold cathode, comprising a cathode having a coating layer made of the same element as the material to be an electron emission source and having a cathode disposed on the upper surface, the cold cathode member being made of the material to be an electron emission source on the coating layer And place
A cold projection having a microprojection is characterized by forming a microprotrusion on the surface of the cold cathode member by generating a plasma between the cathode and the anode and exposing the cold cathode member to the plasma. Manufacturing method of cathode.
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成することを特徴とする微小突起を備えた冷陰極の製造方法。
A cold cathode composed of a material serving as an electron emission source between a cathode disposed on the upper surface of a coating layer composed of the same element as the material serving as an electron emission source and an anode disposed so as to face the cathode Place the material for
Plasma is generated by applying a voltage between the cathode and the anode, and the cold cathode member is exposed to the plasma, thereby forming minute protrusions on the surface of the cold cathode member. A method for producing a cold cathode provided with fine protrusions.
請求項1または2に記載の冷陰極の製造方法において、前記陰極の下に予め磁石を配置し、プラズマを前記陰極付近に発生させることを特徴とする冷陰極の製造方法。   3. The method of manufacturing a cold cathode according to claim 1 or 2, wherein a magnet is previously disposed under the cathode and plasma is generated in the vicinity of the cathode. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の冷陰極の製造方法において、前記冷陰極用部材は、グラファイトであり、前記被覆層は、炭素からなることを特徴とする冷陰極の製造方法。   4. The method of manufacturing a cold cathode according to claim 1, wherein the cold cathode member is graphite, and the coating layer is made of carbon. 5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の冷陰極の製造方法において、前記冷陰極用部材には、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝が形成されていることを特徴とする冷陰極の製造方法。   5. The method of manufacturing a cold cathode according to claim 1, wherein a predetermined groove is formed in the cold cathode member in a region where electrons are to be emitted in advance. A method for producing a cold cathode. 電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法であって、
前記電界放出型冷陰極を製造する工程は、
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、前記被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置する工程と、
前記陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらす方法によって該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法。
A method of manufacturing a device provided with a field emission cold cathode,
The step of manufacturing the field emission cold cathode comprises:
A member for cold cathode, comprising a cathode having a coating layer made of the same element as the material to be an electron emission source and having a cathode disposed on the upper surface, the cold cathode member being made of the material to be an electron emission source on the coating layer A step of arranging
And a step of forming microprojections on the surface of the cold cathode member by a method of generating plasma between the cathode and the anode and exposing the cold cathode member to the plasma. A method for manufacturing a device having a cold cathode.
電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法であって、
前記電界放出型冷陰極を製造する工程は、
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法。
A method of manufacturing a device provided with a field emission cold cathode,
The step of manufacturing the field emission cold cathode comprises:
A cold cathode composed of a material serving as an electron emission source between a cathode disposed on the upper surface of a coating layer composed of the same element as the material serving as an electron emission source and an anode disposed so as to face the cathode Place the material for
Generating a plasma by applying a voltage between the cathode and the anode, and exposing the cold cathode member to the plasma to form microprotrusions on the surface of the cold cathode member. A method of manufacturing a device comprising a field emission cold cathode.
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