JPH09245626A - アモルファス多層構造およびその製造方法 - Google Patents
アモルファス多層構造およびその製造方法Info
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- JPH09245626A JPH09245626A JP7901697A JP7901697A JPH09245626A JP H09245626 A JPH09245626 A JP H09245626A JP 7901697 A JP7901697 A JP 7901697A JP 7901697 A JP7901697 A JP 7901697A JP H09245626 A JPH09245626 A JP H09245626A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素含有による安定性の問題を招くことな
く、堆積条件を容易かつ正確に制御するアモルファス多
層構造の製造方法を提供する。 【解決手段】 アモルファス多層構造（１００，２０
０）は、ｉ）物理蒸着装置（３００，４００，５００）
内に堆積基板（１０１）を配置する段階；ｉｉ）物理蒸
着装置（３００，４００，５００）内でマルチ・フェー
ズ物質の先駆体をイオン化する段階；ｉｉｉ）イオンの
全イオン衝突エネルギを変調し、この全イオン衝突エネ
ルギ値に対応する所定の特性を有する層を堆積する段階
を含む方法によって形成する。
く、堆積条件を容易かつ正確に制御するアモルファス多
層構造の製造方法を提供する。 【解決手段】 アモルファス多層構造（１００，２０
０）は、ｉ）物理蒸着装置（３００，４００，５００）
内に堆積基板（１０１）を配置する段階；ｉｉ）物理蒸
着装置（３００，４００，５００）内でマルチ・フェー
ズ物質の先駆体をイオン化する段階；ｉｉｉ）イオンの
全イオン衝突エネルギを変調し、この全イオン衝突エネ
ルギ値に対応する所定の特性を有する層を堆積する段階
を含む方法によって形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファス多層
構造(amorphous multi-layered structure)に関し、更
に特定すれば、アモルファス炭素多層構造およびアモル
ファス多層構造の製造方法に関するものである。
構造(amorphous multi-layered structure)に関し、更
に特定すれば、アモルファス炭素多層構造およびアモル
ファス多層構造の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アモルファス超格子構造は当技術では既
知である。これらは、量子サイズ効果(quantum size ef
fects)を有する、異なる半導体、金属、または誘電体物
質、あるいはそれらの混合物の薄膜（ナノメートルの範
囲）から成る。従来技術の超格子構造は、通常、水素を
含有するシリコンを基本とした物質を用いて作成してい
た。これらの超格子構造では、通常、ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ
−ＳｉＮ，ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ，ａ−Ｓｉ：Ｈ／
ａ−ＳｉＯｘのような、物質の対を用いて作成してい
た。
知である。これらは、量子サイズ効果(quantum size ef
fects)を有する、異なる半導体、金属、または誘電体物
質、あるいはそれらの混合物の薄膜（ナノメートルの範
囲）から成る。従来技術の超格子構造は、通常、水素を
含有するシリコンを基本とした物質を用いて作成してい
た。これらの超格子構造では、通常、ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ
−ＳｉＮ，ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ，ａ−Ｓｉ：Ｈ／
ａ−ＳｉＯｘのような、物質の対を用いて作成してい
た。
【０００３】従来技術のアモルファス超格子構造の殆ど
は、ドーピング変調構造ではなく、バンド・ギャップ変
調構造を用いて、量子サイズ効果を観察していた。
は、ドーピング変調構造ではなく、バンド・ギャップ変
調構造を用いて、量子サイズ効果を観察していた。
【０００４】アモルファス炭素、即ち、「ダイヤモンド
状炭素」（ＤＬＣ：diamond-like carbon ）超格子多層
構造の製造について知られていることは非常に少ない。
従来技術のＤＬＣ超格子構造は水素含有量が多く、超格
子構造の層は、プラズマ・エンハンス化学蒸着Z 着（Ｐ
ＥＣＶＤ：plasmaenhanced chemical vapor depositio
n）システム内でメタン（ＣＨ4 ）含有プラズマから形
成していた。従来技術のアモルファス水素化炭素（ａ−
Ｃ：Ｈ）膜には水素が存在するために、その結果安定性
の問題が発生する。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ膜形成方法で
は、ガス・プラズマは約８％のメタンおよび９２％のア
ルゴンという組成を有する。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ膜堆
積ＰＥＣＶＤ方法は、堆積条件を容易かつ正確に制御す
る能力を提供することができない。
状炭素」（ＤＬＣ：diamond-like carbon ）超格子多層
構造の製造について知られていることは非常に少ない。
従来技術のＤＬＣ超格子構造は水素含有量が多く、超格
子構造の層は、プラズマ・エンハンス化学蒸着Z 着（Ｐ
ＥＣＶＤ：plasmaenhanced chemical vapor depositio
n）システム内でメタン（ＣＨ4 ）含有プラズマから形
成していた。従来技術のアモルファス水素化炭素（ａ−
Ｃ：Ｈ）膜には水素が存在するために、その結果安定性
の問題が発生する。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ膜形成方法で
は、ガス・プラズマは約８％のメタンおよび９２％のア
ルゴンという組成を有する。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ膜堆
積ＰＥＣＶＤ方法は、堆積条件を容易かつ正確に制御す
る能力を提供することができない。
【０００５】したがって、水素含有による安定性の問題
を招くことなく、堆積条件を容易かつ正確に制御する能
力を提供する、ＤＬＣ超格子構造の改良された製造方法
が必要とされている。
を招くことなく、堆積条件を容易かつ正確に制御する能
力を提供する、ＤＬＣ超格子構造の改良された製造方法
が必要とされている。
【０００６】堆積条件は、ガス種が成長する固体に衝突
する際に形成される結合(bond)の性質を決定する。結合
の性質および濃度は、個々の層の特性、ひいてはアモル
ファス多層構造の特性を決定する。例えば、ａ−Ｃ：Ｈ
の多層を用いたアモルファス超格子は、膜を堆積する条
件を変化させることにより、その光学バンド・ギャップ
を１／２ｅＶないし４．０ｅＶの範囲で変化させること
ができる。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ形成方法では、下側電
極、即ち、超格子が形成される基板は１３．５ＭＨｚの
電源で駆動され、上側電極は接地されている。プラズマ
を含む外装空間が下側電極および上側電極間に存在す
る。これによって、外装空間(sheath space)を横切って
負のｄｃ自己バイアス電圧が得られる。このＲＦ自己バ
イアス電圧は、プラズマ形成のための容量性結合電力を
変化させることによって様々な値を取ることができる。
堆積条件は、プラズマ形成のための容量性結合電力を変
化させることによって制御する。この容量性結合電力を
変化させることによって、例えば、−７０ないし−４５
０Ｖの範囲の負のｄｃ自己バイアス電圧が得られる。し
かしながら、プラズマ形成用容量性結合電力によるＲＦ
自己誘導バイアスの正確な操作は、困難で、実用的でな
く、費用がかかる。このプロセスの主要な欠点は、プラ
ズマを異なる電力条件の間で切り替える際に必要な時間
の間に、層厚の成長を１原子層未満に精度高く制御する
のが難しいことである。量子サイズ効果を発生するに
は、高精度の層圧制御および層間の急峻な界面(abrupt
interface)が要求される。
する際に形成される結合(bond)の性質を決定する。結合
の性質および濃度は、個々の層の特性、ひいてはアモル
ファス多層構造の特性を決定する。例えば、ａ−Ｃ：Ｈ
の多層を用いたアモルファス超格子は、膜を堆積する条
件を変化させることにより、その光学バンド・ギャップ
を１／２ｅＶないし４．０ｅＶの範囲で変化させること
ができる。従来技術のａ−Ｃ：Ｈ形成方法では、下側電
極、即ち、超格子が形成される基板は１３．５ＭＨｚの
電源で駆動され、上側電極は接地されている。プラズマ
を含む外装空間が下側電極および上側電極間に存在す
る。これによって、外装空間(sheath space)を横切って
負のｄｃ自己バイアス電圧が得られる。このＲＦ自己バ
イアス電圧は、プラズマ形成のための容量性結合電力を
変化させることによって様々な値を取ることができる。
堆積条件は、プラズマ形成のための容量性結合電力を変
化させることによって制御する。この容量性結合電力を
変化させることによって、例えば、−７０ないし−４５
０Ｖの範囲の負のｄｃ自己バイアス電圧が得られる。し
かしながら、プラズマ形成用容量性結合電力によるＲＦ
自己誘導バイアスの正確な操作は、困難で、実用的でな
く、費用がかかる。このプロセスの主要な欠点は、プラ
ズマを異なる電力条件の間で切り替える際に必要な時間
の間に、層厚の成長を１原子層未満に精度高く制御する
のが難しいことである。量子サイズ効果を発生するに
は、高精度の層圧制御および層間の急峻な界面(abrupt
interface)が要求される。
【０００７】したがって、アモルファス多層構造を構成
する層を堆積する間の条件を正確に変調するための改良
された方法が必要とされている。
する層を堆積する間の条件を正確に変調するための改良
された方法が必要とされている。
【０００８】アモルファス水素化炭素膜(amorphos hydr
ogenated carbonfilm)が開発されつつあり、マスキング
およびパシベーション被覆層の作成、高温用途用金属／
絶縁物／半導体（ＭＩＳ）素子のゲート絶縁体、メモリ
用途における使用、ならびに電気的または光学的情報書
き込みおよび電気的または光電的読み取りを伴う可逆性
メモリ素子(reversible memory device)の製造が考慮さ
れている。また、構成層の組成および寸法を変えること
によってａ−Ｃ：Ｈ膜の電気物理的パラメータを様々な
値に変化可能であることも認められている。
ogenated carbonfilm)が開発されつつあり、マスキング
およびパシベーション被覆層の作成、高温用途用金属／
絶縁物／半導体（ＭＩＳ）素子のゲート絶縁体、メモリ
用途における使用、ならびに電気的または光学的情報書
き込みおよび電気的または光電的読み取りを伴う可逆性
メモリ素子(reversible memory device)の製造が考慮さ
れている。また、構成層の組成および寸法を変えること
によってａ−Ｃ：Ｈ膜の電気物理的パラメータを様々な
値に変化可能であることも認められている。
【０００９】電界放出素子（ＦＥＤ：field emission d
evice)は当技術では既知である。また、ＤＣＬを含む低
仕事関数材料をＥＦＤに組み込み、それらの賞賛すべき
電子放出機能(electronemissiveness)を低電圧において
利用することも既知である。ＦＥＤは、電子放出の制御
に適した電気的条件を与える複数の層を含む。従来技術
の電界放出素子において、必要な電気的特性を有する層
を形成する方法は、種々の化学種を用意することを含
み、これは別個の堆積工程が必要となり、更に各工程は
固有の堆積条件および／または機器を必要とする可能性
がある。
evice)は当技術では既知である。また、ＤＣＬを含む低
仕事関数材料をＥＦＤに組み込み、それらの賞賛すべき
電子放出機能(electronemissiveness)を低電圧において
利用することも既知である。ＦＥＤは、電子放出の制御
に適した電気的条件を与える複数の層を含む。従来技術
の電界放出素子において、必要な電気的特性を有する層
を形成する方法は、種々の化学種を用意することを含
み、これは別個の堆積工程が必要となり、更に各工程は
固有の堆積条件および／または機器を必要とする可能性
がある。
【００１０】したがって、構成層を連続的製造すること
によって、長時間を要する多数工程プロセスの必要性を
なくする、電界放出素子の製造方法が必要とされてい
る。
によって、長時間を要する多数工程プロセスの必要性を
なくする、電界放出素子の製造方法が必要とされてい
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水素
含有による安定性の問題を招くことなく、堆積条件を容
易かつ正確に制御する能力を有する、ＤＬＣ超格子構造
の改良された製造方法を提供することである。
含有による安定性の問題を招くことなく、堆積条件を容
易かつ正確に制御する能力を有する、ＤＬＣ超格子構造
の改良された製造方法を提供することである。
【００１２】本発明の他の目的は、アモルファス多層構
造を構成する層を堆積する間の条件を正確に変調するた
めの改良された方法を提供することである。
造を構成する層を堆積する間の条件を正確に変調するた
めの改良された方法を提供することである。
【００１３】本発明の更に他の目的は、構成層を連続的
製造することによって、長時間を要する多数工程プロセ
スを不要とする、電界放出素子の製造方法を提供するこ
とである。
製造することによって、長時間を要する多数工程プロセ
スを不要とする、電界放出素子の製造方法を提供するこ
とである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、アモルファス
多層構造を形成する方法を提供し、この方法は、減圧容
器を有する物理蒸着装置を用意する段階と、減圧容器内
に堆積基板を用意する段階と、減圧容器内にマルチ・フ
ェーズ物質の先駆体を用意する段階と、マルチ・フェー
ズ物質の先駆体をイオン化することにより、全イオン衝
突エネルギを有する複数のプラズマ・イオンを有するガ
ス・プラズマを形成する段階と、時間に対して所定の態
様で全イオン衝突エネルギを変調することによって、堆
積基板上に、全イオン衝突エネルギの値に対応する所定
の特性を有する複数の層を堆積する段階とから成る。
多層構造を形成する方法を提供し、この方法は、減圧容
器を有する物理蒸着装置を用意する段階と、減圧容器内
に堆積基板を用意する段階と、減圧容器内にマルチ・フ
ェーズ物質の先駆体を用意する段階と、マルチ・フェー
ズ物質の先駆体をイオン化することにより、全イオン衝
突エネルギを有する複数のプラズマ・イオンを有するガ
ス・プラズマを形成する段階と、時間に対して所定の態
様で全イオン衝突エネルギを変調することによって、堆
積基板上に、全イオン衝突エネルギの値に対応する所定
の特性を有する複数の層を堆積する段階とから成る。
【００１５】また、本発明は、電界放出素子を提供し、
基板と、基板上に配置された導体行と、基板／導体行上
に形成された放出安定化構造と、非導電性であり、かつ
放出安定化構造上に配置された、無水素アモルファス炭
素層を含む、非導電性アモルファス炭素層と、非導電性
アモルファス炭素層上に形成された導体列と、導体列お
よび非導電性アモルファス炭素層を貫通して形成し、放
出安定化構造の電子放出面を露出させる開口とから成
り、電子放出面はエミッタ・ウエル内に配置され、１５
０ボルト／マイクロメートル未満の電界強度を有する電
界に晒されると放出状態となる。
基板と、基板上に配置された導体行と、基板／導体行上
に形成された放出安定化構造と、非導電性であり、かつ
放出安定化構造上に配置された、無水素アモルファス炭
素層を含む、非導電性アモルファス炭素層と、非導電性
アモルファス炭素層上に形成された導体列と、導体列お
よび非導電性アモルファス炭素層を貫通して形成し、放
出安定化構造の電子放出面を露出させる開口とから成
り、電子放出面はエミッタ・ウエル内に配置され、１５
０ボルト／マイクロメートル未満の電界強度を有する電
界に晒されると放出状態となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】ここで図１を参照すると、本発明
による方法の様々な工程を実施することによって実現さ
れる、アモルファス多層構造１００の断面図が示されて
いる。アモルファス多層構造１００は、堆積基板１０
１，１対の第１フェーズ層１０２，および第２フェーズ
層１０３を含む。堆積基板１０１は、ガラスまたはシリ
コンで作られている。この特定実施例では、１対の第１
フェーズ層１０２は、同一の物理的、電気的、および化
学的特性を有し、一方、第２フェーズ層１０３は、第１
フェーズ層１０２のそれとは異なる、物理的、電気的、
および／または化学的特性を有する。本発明による方法
の他の実施例では、構成層の各々が異なった１組の特性
を有する多層構造を実現したり、あるいは、特性が交互
に変化する多くの層を含み、構造に変調可能な周期性を
持たせた別の構造も実現することができる。各第１フェ
ーズ層１０２および第２フェーズ層１０３の間には、遷
移層１０４が配されている。第１フェーズ層群１０２の
厚さＤ2 は等しく、第２フェーズ層１０３の厚さＤ3 と
は異なる。通常、量子サイズ効果（量子井戸、結合量子
井戸、超格子、トンネリング等）を呈するためには、厚
さＤ2,Ｄ 3は、０ないし１００オングストロームの範囲
以内とし、遷移層１０４の厚さｔは１原子層未満とす
る。本発明の方法によれば、第１フェーズ層群１０２お
よび第２フェーズ層１０３は、マルチ・フェーズ物質(m
ulti-phase material)の先駆体(precursor) から作られ
る。即ち、元の物質が同一でる。他フェーズ物質は、異
なるフェーズまたは微小構造において存在し得る固体物
質であり、その相対的な組成が、多層フェーズ物質で構
成される所与の構造の特性を決定する。理解を助けるた
めに、第１フェーズ層１０２および第２フェーズ層１０
３の特性が異なるのは、形成イオン(formativeion)が成
長する固体層に衝突する際のエネルギ差に帰せられるこ
とを述べておく。これについて以下により詳細に説明す
る。このイオンの衝突エネルギは、第１フェーズ層１０
２および第２フェーズ層１０３の堆積の間に形成される
化学結合のタイプおよび相対量を決定する重要なファク
タである。本発明の方法によれば、マルチ・フェーズ物
質の先駆体は、黒鉛のように、複数のプラズマ・イオン
を含むガス・プラズマに気化、即ち、変換可能ないずれ
かの物質を含む。プラズマ・イオンは、アーク堆積(arc
dempsition)，レーザ切除(laser ablation)，イオン・
ビーム注入(ion beam implantation)、イオン・ビーム
蒸着(ion beam evaporation)，スパッタリングのよう
な、当技術では既知の多数の物理的堆積方法のいずれか
において、堆積基板１０１に堆積可能である。マルチ・
フェーズ物質の先駆体は、上記方法の少なくとも１つに
よってイオン化および堆積することによって、別個のフ
ェーズを有する層群および／またはフェーズ毎に相対組
成(relative composition)が変化する層群を形成可能な
ものである。堆積される構造はアモルファスであり、長
距離相互作用(long-range order)を有さない構造、およ
び長距離相互作用を有さないマトリクス内に配置された
ナノ・サイズのクラスタを含む複合構造から成る。例え
ば、本発明によるアモルファス多層構造を形成する方法
では、マルチ・フェーズ物質の先駆体は黒鉛であり、こ
れは気化して炭素イオンを形成する。堆積基板１０１上
に堆積されると、炭素イオンは固体に衝突し、ｓｐ3-結
合炭素原子およびｓｐ 2−結合炭素原子の相対組成を有
する固体層を形成する。ｓｐ3-結合炭素原子およびｓｐ
2−結合炭素原子の相対組成は、固体アモルファス炭素
層の特性の内のあるものを決定する。これらの特性は、
抵抗率，電子放出，バンド・ギャップ，密度，硬度，お
よび応力を含む。例えば、ｓｐ2 −結合炭素原子の相対
組成が高い炭素層は抵抗率が低く、これに対して、ｓｐ
3 −結合炭素原子の相対組成が高い炭素層は抵抗率が高
い。バンド・ギャップの値のように、ある特性値が所与
の層に望まれる場合、相対組成即ち％ｓｐ3 とこの特定
の特性との間の関係が既知であれば、その相対組成を特
定することができる。また、相対組成および全イオン衝
突エネルギ（Ｅ）間の関係がわかっている場合、全イオ
ン衝突エネルギを特定して、所与の特性の所望値を実現
することができる。全イオン衝突エネルギを特定する同
様のプロセスも、窒化硼素（ＢＮ）および酸化アルミニ
ウム（Ａｌ2O 3）のような、多数のフェーズにおいて存
在可能なあらゆる物質について実行することができる。
全イオン衝突エネルギの重要性については、以下で更に
詳細に説明する。例えば、窒化硼素は六角形および立方
体微小構造を呈し、その相対組成は、物理蒸着の間の全
イオン衝突エネルギにによって、変化させることができ
る。窒化硼素マルチ・フェーズ物質の先駆体は、ボラン
・ガス／蒸気および窒素ガスの混合物を含む。
による方法の様々な工程を実施することによって実現さ
れる、アモルファス多層構造１００の断面図が示されて
いる。アモルファス多層構造１００は、堆積基板１０
１，１対の第１フェーズ層１０２，および第２フェーズ
層１０３を含む。堆積基板１０１は、ガラスまたはシリ
コンで作られている。この特定実施例では、１対の第１
フェーズ層１０２は、同一の物理的、電気的、および化
学的特性を有し、一方、第２フェーズ層１０３は、第１
フェーズ層１０２のそれとは異なる、物理的、電気的、
および／または化学的特性を有する。本発明による方法
の他の実施例では、構成層の各々が異なった１組の特性
を有する多層構造を実現したり、あるいは、特性が交互
に変化する多くの層を含み、構造に変調可能な周期性を
持たせた別の構造も実現することができる。各第１フェ
ーズ層１０２および第２フェーズ層１０３の間には、遷
移層１０４が配されている。第１フェーズ層群１０２の
厚さＤ2 は等しく、第２フェーズ層１０３の厚さＤ3 と
は異なる。通常、量子サイズ効果（量子井戸、結合量子
井戸、超格子、トンネリング等）を呈するためには、厚
さＤ2,Ｄ 3は、０ないし１００オングストロームの範囲
以内とし、遷移層１０４の厚さｔは１原子層未満とす
る。本発明の方法によれば、第１フェーズ層群１０２お
よび第２フェーズ層１０３は、マルチ・フェーズ物質(m
ulti-phase material)の先駆体(precursor) から作られ
る。即ち、元の物質が同一でる。他フェーズ物質は、異
なるフェーズまたは微小構造において存在し得る固体物
質であり、その相対的な組成が、多層フェーズ物質で構
成される所与の構造の特性を決定する。理解を助けるた
めに、第１フェーズ層１０２および第２フェーズ層１０
３の特性が異なるのは、形成イオン(formativeion)が成
長する固体層に衝突する際のエネルギ差に帰せられるこ
とを述べておく。これについて以下により詳細に説明す
る。このイオンの衝突エネルギは、第１フェーズ層１０
２および第２フェーズ層１０３の堆積の間に形成される
化学結合のタイプおよび相対量を決定する重要なファク
タである。本発明の方法によれば、マルチ・フェーズ物
質の先駆体は、黒鉛のように、複数のプラズマ・イオン
を含むガス・プラズマに気化、即ち、変換可能ないずれ
かの物質を含む。プラズマ・イオンは、アーク堆積(arc
dempsition)，レーザ切除(laser ablation)，イオン・
ビーム注入(ion beam implantation)、イオン・ビーム
蒸着(ion beam evaporation)，スパッタリングのよう
な、当技術では既知の多数の物理的堆積方法のいずれか
において、堆積基板１０１に堆積可能である。マルチ・
フェーズ物質の先駆体は、上記方法の少なくとも１つに
よってイオン化および堆積することによって、別個のフ
ェーズを有する層群および／またはフェーズ毎に相対組
成(relative composition)が変化する層群を形成可能な
ものである。堆積される構造はアモルファスであり、長
距離相互作用(long-range order)を有さない構造、およ
び長距離相互作用を有さないマトリクス内に配置された
ナノ・サイズのクラスタを含む複合構造から成る。例え
ば、本発明によるアモルファス多層構造を形成する方法
では、マルチ・フェーズ物質の先駆体は黒鉛であり、こ
れは気化して炭素イオンを形成する。堆積基板１０１上
に堆積されると、炭素イオンは固体に衝突し、ｓｐ3-結
合炭素原子およびｓｐ 2−結合炭素原子の相対組成を有
する固体層を形成する。ｓｐ3-結合炭素原子およびｓｐ
2−結合炭素原子の相対組成は、固体アモルファス炭素
層の特性の内のあるものを決定する。これらの特性は、
抵抗率，電子放出，バンド・ギャップ，密度，硬度，お
よび応力を含む。例えば、ｓｐ2 −結合炭素原子の相対
組成が高い炭素層は抵抗率が低く、これに対して、ｓｐ
3 −結合炭素原子の相対組成が高い炭素層は抵抗率が高
い。バンド・ギャップの値のように、ある特性値が所与
の層に望まれる場合、相対組成即ち％ｓｐ3 とこの特定
の特性との間の関係が既知であれば、その相対組成を特
定することができる。また、相対組成および全イオン衝
突エネルギ（Ｅ）間の関係がわかっている場合、全イオ
ン衝突エネルギを特定して、所与の特性の所望値を実現
することができる。全イオン衝突エネルギを特定する同
様のプロセスも、窒化硼素（ＢＮ）および酸化アルミニ
ウム（Ａｌ2O 3）のような、多数のフェーズにおいて存
在可能なあらゆる物質について実行することができる。
全イオン衝突エネルギの重要性については、以下で更に
詳細に説明する。例えば、窒化硼素は六角形および立方
体微小構造を呈し、その相対組成は、物理蒸着の間の全
イオン衝突エネルギにによって、変化させることができ
る。窒化硼素マルチ・フェーズ物質の先駆体は、ボラン
・ガス／蒸気および窒素ガスの混合物を含む。
【００１７】次に図２を参照すると、全イオン衝突エネ
ルギの関数としての、堆積炭素層内のパーセントｓｐ3
−結合のグラフが示されている。このグラフからわかる
ことは、アモルファス炭素膜の特性は、ｓｐ3 −結合の
端数(fraction)に大きく左右されるということである。
加えて、図２に示すように、パーセントｓｐ3 −結合は
予測可能であり、全イオン衝突エネルギに対して敏感な
関数であることもわかる。最大パーセントｓｐ3 −結合
は、入射イオンエネルギが３０ないし１５０ｅＶの範囲
にあるときに発生することが観測されている。高いパー
セントｓｐ3 −結合は、アモルファス炭素層の高度なダ
イヤモンド状特性に対応する。ダイヤモンド状炭素（Ｄ
ＬＣ）物質は、例えば、低い仕事関数を有することが知
られており、そのために、電界放出素子のような、電界
放出素子の電子放出構造に利用されている。図２のデー
タを利用し、本発明にしたがって、アモルファス多層構
造１００の特性を精度高くしかも正確に制御し最適化す
る。即ち、層の特性値を設定し、対応するパーセントｓ
ｐ3 −結合を決定し、対応する全イオン衝突エネルギを
特定する。
ルギの関数としての、堆積炭素層内のパーセントｓｐ3
−結合のグラフが示されている。このグラフからわかる
ことは、アモルファス炭素膜の特性は、ｓｐ3 −結合の
端数(fraction)に大きく左右されるということである。
加えて、図２に示すように、パーセントｓｐ3 −結合は
予測可能であり、全イオン衝突エネルギに対して敏感な
関数であることもわかる。最大パーセントｓｐ3 −結合
は、入射イオンエネルギが３０ないし１５０ｅＶの範囲
にあるときに発生することが観測されている。高いパー
セントｓｐ3 −結合は、アモルファス炭素層の高度なダ
イヤモンド状特性に対応する。ダイヤモンド状炭素（Ｄ
ＬＣ）物質は、例えば、低い仕事関数を有することが知
られており、そのために、電界放出素子のような、電界
放出素子の電子放出構造に利用されている。図２のデー
タを利用し、本発明にしたがって、アモルファス多層構
造１００の特性を精度高くしかも正確に制御し最適化す
る。即ち、層の特性値を設定し、対応するパーセントｓ
ｐ3 −結合を決定し、対応する全イオン衝突エネルギを
特定する。
【００１８】全イオン衝突エネルギＥは、次の式で与え
られる。 Ｅ＝Ｅi ＋ｅ[ ｚ] （Ｖp ＋｜Ｕs ｜） ここで、Ｅi はマルチ・フェーズ物質の先駆体の位置か
ら堆積基板１０１まで移動した後に、イオンが保持する
元の射出エネルギ(original directed energy)の残余で
あり、ｅは電気素量に等しい定数、ｚはイオン当たりの
電気素量の平均数、Ｖpはプラズマ電位、｜Ｕ s｜は堆
積基板１０１に印加するバイアス電圧の絶対値である。
炭素イオンの場合、Ｃ2+およびＣ+ イオンとして存在
し、印加バイアス電圧Ｕs は、性炭素原子を堆積基板１
０１に向けて加速するために負とする。真空アーク堆積
方法では、第１近似において、ＥｉおよびＶp は、フィ
ルタリング磁場強度(filtering magnetic fieldstrengt
h)に独立であると仮定することがき、したがって、全イ
オン衝突エネルギは堆積基板１０１に印加する電圧バイ
アスに比例する。アモルファス炭素膜の堆積では、Ｅi
の典型値は２０ｅＶであり、Ｖpの典型値は−１５Ｖで
あり、Ｃ2+：Ｃ+ の比が１：９９であるので、ｚは１．
０１に等しい。アモルファス多層構造を形成する方法の
好適実施例では、全イオン衝突エネルギは、堆積基板１
０１に印加する電圧バイアスを変調することによって、
時間に関して、所定の態様で変調する。
られる。 Ｅ＝Ｅi ＋ｅ[ ｚ] （Ｖp ＋｜Ｕs ｜） ここで、Ｅi はマルチ・フェーズ物質の先駆体の位置か
ら堆積基板１０１まで移動した後に、イオンが保持する
元の射出エネルギ(original directed energy)の残余で
あり、ｅは電気素量に等しい定数、ｚはイオン当たりの
電気素量の平均数、Ｖpはプラズマ電位、｜Ｕ s｜は堆
積基板１０１に印加するバイアス電圧の絶対値である。
炭素イオンの場合、Ｃ2+およびＣ+ イオンとして存在
し、印加バイアス電圧Ｕs は、性炭素原子を堆積基板１
０１に向けて加速するために負とする。真空アーク堆積
方法では、第１近似において、ＥｉおよびＶp は、フィ
ルタリング磁場強度(filtering magnetic fieldstrengt
h)に独立であると仮定することがき、したがって、全イ
オン衝突エネルギは堆積基板１０１に印加する電圧バイ
アスに比例する。アモルファス炭素膜の堆積では、Ｅi
の典型値は２０ｅＶであり、Ｖpの典型値は−１５Ｖで
あり、Ｃ2+：Ｃ+ の比が１：９９であるので、ｚは１．
０１に等しい。アモルファス多層構造を形成する方法の
好適実施例では、全イオン衝突エネルギは、堆積基板１
０１に印加する電圧バイアスを変調することによって、
時間に関して、所定の態様で変調する。
【００１９】次に図３を参照すると、本発明によるアモ
ルファス多層構造を形成する方法の実施例にしたがっ
て、印加バイアス電圧｜Ｕs ｜を変調する工程のグラフ
が示されている。図３に示す関数はステップ関数(stepf
unction)であり、印加バイアス電圧の最大値｜Ｕs| max
は０ないし１５００ボルトの範囲の値を有し、印加バイ
アス電圧の最小値｜Ｕs| minは０ないし１０００ボルト
の範囲の値を有する。図３に示す特定の変調パターン
は、図１のアモルファス多層構造１００を形成するため
に利用されるものである。グラフにおいて、Ａと表記し
た部分は、堆積基板１０１上に形成される第１フェーズ
層１０２の形成の間に印加する電圧を表わす。この特定
実施例では、グラフのＡと表記した部分の間、｜Ｕs|
maxは図２のグラフの低％ｓｐ3 の範囲に対応する値を
有する。｜Ｕs maxの間、即ち、部分ＡのＴ1 は、堆積
基板１０１上に形成される第１フェーズ層１０２の厚さ
を決定する。Ｔ1 の値は、１０マイクロ秒ないし１０秒
の範囲である。次に、図３のグラフの「Ｂ」と表記した
部分に示すように、印加バイアス電圧を｜Ｕs| maxを｜
Ｕs| minに切り替える。この電圧切り替えの間、図１に
示すように、堆積基板１０１に最も近い遷移層１０４が
形成される。堆積システムの印加バイアス電圧に対する
応答時間は十分に速いので、遷移層１０４の厚さｔは１
原子層未満である。｜Ｕs| minの値は、第２フェーズ層
１０３の特性を決定する。グラフのＢと表記した部分の
期間は、第２フェーズ層１０３の厚さＤ2 を決定する。
次に、印加バイアス電圧を｜Ｕs| minを｜Ｕs| maxに切
り替える。この２回目の電圧切り替えの間、図１におい
て堆積基板１０１から最も離れている遷移層１０４が形
成される。グラフのＣと表記した部分の期間もＴ1 に等
しいので、第１フェーズ層群１０２の厚さは等しい。本
発明による方法の他の実施例では、全イオン衝突エネル
ギの値に対応する所定の特性を有するアモルファス多層
構造が実現される。例えば、本発明による方法の他の実
施例では、印加バイアス電圧を変調することにより、図
３のグラフにおいて周期Ｔを有するＡおよびＢと表記し
た部分によって表されるような周期を、０ないし１００
Ｋｈｚの範囲の周波数で、所定数の層、即ち、所定の膜
厚が得られるまで繰り返すことによって、複数の交互層
を堆積基板１０１上に形成する。この特定実施例では、
Ｔ1 のサイクル周期Ｔに対する比である、デューティ・
サイクルＤを規定すると有用である。デューティ・サイ
クルは、１０ないし１００％の範囲の値を有する。パラ
メータＴ1 ，Ｄは、個々の層の厚さを制御するため、そ
して多層構造の周期性を変調するために利用される。
ルファス多層構造を形成する方法の実施例にしたがっ
て、印加バイアス電圧｜Ｕs ｜を変調する工程のグラフ
が示されている。図３に示す関数はステップ関数(stepf
unction)であり、印加バイアス電圧の最大値｜Ｕs| max
は０ないし１５００ボルトの範囲の値を有し、印加バイ
アス電圧の最小値｜Ｕs| minは０ないし１０００ボルト
の範囲の値を有する。図３に示す特定の変調パターン
は、図１のアモルファス多層構造１００を形成するため
に利用されるものである。グラフにおいて、Ａと表記し
た部分は、堆積基板１０１上に形成される第１フェーズ
層１０２の形成の間に印加する電圧を表わす。この特定
実施例では、グラフのＡと表記した部分の間、｜Ｕs|
maxは図２のグラフの低％ｓｐ3 の範囲に対応する値を
有する。｜Ｕs maxの間、即ち、部分ＡのＴ1 は、堆積
基板１０１上に形成される第１フェーズ層１０２の厚さ
を決定する。Ｔ1 の値は、１０マイクロ秒ないし１０秒
の範囲である。次に、図３のグラフの「Ｂ」と表記した
部分に示すように、印加バイアス電圧を｜Ｕs| maxを｜
Ｕs| minに切り替える。この電圧切り替えの間、図１に
示すように、堆積基板１０１に最も近い遷移層１０４が
形成される。堆積システムの印加バイアス電圧に対する
応答時間は十分に速いので、遷移層１０４の厚さｔは１
原子層未満である。｜Ｕs| minの値は、第２フェーズ層
１０３の特性を決定する。グラフのＢと表記した部分の
期間は、第２フェーズ層１０３の厚さＤ2 を決定する。
次に、印加バイアス電圧を｜Ｕs| minを｜Ｕs| maxに切
り替える。この２回目の電圧切り替えの間、図１におい
て堆積基板１０１から最も離れている遷移層１０４が形
成される。グラフのＣと表記した部分の期間もＴ1 に等
しいので、第１フェーズ層群１０２の厚さは等しい。本
発明による方法の他の実施例では、全イオン衝突エネル
ギの値に対応する所定の特性を有するアモルファス多層
構造が実現される。例えば、本発明による方法の他の実
施例では、印加バイアス電圧を変調することにより、図
３のグラフにおいて周期Ｔを有するＡおよびＢと表記し
た部分によって表されるような周期を、０ないし１００
Ｋｈｚの範囲の周波数で、所定数の層、即ち、所定の膜
厚が得られるまで繰り返すことによって、複数の交互層
を堆積基板１０１上に形成する。この特定実施例では、
Ｔ1 のサイクル周期Ｔに対する比である、デューティ・
サイクルＤを規定すると有用である。デューティ・サイ
クルは、１０ないし１００％の範囲の値を有する。パラ
メータＴ1 ，Ｄは、個々の層の厚さを制御するため、そ
して多層構造の周期性を変調するために利用される。
【００２０】次に図４および図５を参照すると、本発明
によるアモルファス多層構造２００を形成する方法の他
の実施例にしたがって、堆積基板２０１（図５）に印加
する印加電圧を変調する工程のグラフ（図４）が示され
ている。この特定実施例では、堆積基板２０１に印加す
るバイアス電圧を傾斜させることによって、バイアス電
圧を時間に対して円滑にかつ連続的に変化させ、傾斜特
性を有する層２０５を形成する。この特定実施例では、
層２０５はアモルファス炭素膜であり、マルチ・フェー
ズ物質の先駆体は黒鉛である。印加電圧は初期段階では
低い％ｓｐ3 に対応する高い値を有する。この特定実施
例では、図４に示すように、時間に対して放物線関数を
有するように、印加電圧を低下させる。図５にこの実施
例で実現される構造を示す。図示した構造では、層２０
５の厚さ全体にわたって％ｓｐ3の傾斜があり、最も低
い相対ｓｐ3 組成が堆積基板２０１の次の層２０５の縁
部に存在し、最も高い相対ｓｐ3 組成が層２０５の外表
面２０７に存在する。時間に対して他の関数を有するバ
イアス電圧を供給することによって、所望の膜特性を実
現することも、当業者には想起されよう。
によるアモルファス多層構造２００を形成する方法の他
の実施例にしたがって、堆積基板２０１（図５）に印加
する印加電圧を変調する工程のグラフ（図４）が示され
ている。この特定実施例では、堆積基板２０１に印加す
るバイアス電圧を傾斜させることによって、バイアス電
圧を時間に対して円滑にかつ連続的に変化させ、傾斜特
性を有する層２０５を形成する。この特定実施例では、
層２０５はアモルファス炭素膜であり、マルチ・フェー
ズ物質の先駆体は黒鉛である。印加電圧は初期段階では
低い％ｓｐ3 に対応する高い値を有する。この特定実施
例では、図４に示すように、時間に対して放物線関数を
有するように、印加電圧を低下させる。図５にこの実施
例で実現される構造を示す。図示した構造では、層２０
５の厚さ全体にわたって％ｓｐ3の傾斜があり、最も低
い相対ｓｐ3 組成が堆積基板２０１の次の層２０５の縁
部に存在し、最も高い相対ｓｐ3 組成が層２０５の外表
面２０７に存在する。時間に対して他の関数を有するバ
イアス電圧を供給することによって、所望の膜特性を実
現することも、当業者には想起されよう。
【００２１】次に図６を参照すると、本発明によるアモ
ルファス多層構造を形成する方法の好適実施例の様々な
工程を実行する際に好適な、物理蒸着装置３００の実施
例の構成図が示されている。物理蒸着装置３００は、堆
積基板１０１を保持するように設計された基板保持固定
具３０４，減圧容器３０６，およびマルチ・フェーズ物
質の先駆体３０７を収容するように設計されたイオン源
固定具３０２を含む。物理蒸着装置３００は閉システム
としてもよいが、あるいは先駆体３０７のフィード・フ
ロー(feedflow)を与えるような構成としてもよい。直流
（ＤＣ）電源３１２が堆積基板１０１に動作可能に結合
されているため、ＤＣバイアス電圧を堆積基板１０１に
印加可能となっている。また、パルス電源３１０も堆積
基板１０１に動作可能に結合されているため、パルス状
電圧を堆積基板１０１に印加可能となっている。この特
定実施例では、イオン源固定具３０２は、ＤＣアーク電
源３０８に動作可能に結合されたアーク気化源(arc eva
poration source)を含み、先駆体３０７の気化およびイ
オン化を行い、減圧容器３０６内においてプラズマを形
成する。プラズマは複数のプラズマ・イオンを有し、こ
れが堆積基板１０１に向かって加速される。好適実施例
では、先駆体３０７は黒鉛を含むので、プラズマ・イオ
ンは正に帯電された炭素イオンである。したがって、堆
積基板に印加する加速電位は負でなければならない。図
１を参照して先に説明したように、炭素陽イオンが成長
する固体に衝突する際に形成される結合のタイプおよび
相対組成は、全イオン衝突エネルギによって異なる。こ
の全イオン衝突エネルギは、固体表面に衝突する直前の
イオン束の全エネルギである。固体層およびアモルファ
ス多層構造全体の特性は、形成される化学結合のタイプ
および相対組成に左右されるので、固体層の特性は全イ
オン衝突エネルギによって異なる。アモルファス多層構
造は、特性が異なる複数の固体層から成る。これら固体
層群は、本発明による方法を用いて全イオン衝突エネル
ギを変調することによって形成する。図２を参照して先
に説明したように、全イオン衝突エネルギは、ｚ（イオ
ン当たりの電気素量の平均数）と｜Ｕs ｜（堆積基板１
０１に印加するバイアス電圧の絶対値）との関数であ
る。変数Ｅi(元の射出エネルギの残余）およびＶ p（プ
ラズマ電位）は、第１近似では、現在検討中のシステム
の定数として扱うことができる。図６および図７の物理
堆積装置３００，４００は、全イオン衝突エネルギの｜
Ｕs ｜（堆積基板１０１に印加するバイアス電圧の絶対
値）に対する依存性を利用するように設計されたもので
ある。再度図６を参照して、物理蒸着装置３００は、図
３に示した印加バイアス電圧の変調を行う。この特定実
施例では、直流電源３１２が、｜Ｕs| minに等しい絶対
値を有する一定バイアス電圧信号を供給する。直流電源
３１２およびパルス電源３１０は、例えば、基板１０１
上に薄い電極層を設けることによって、基板１０１に電
気的に結合されている。電極層は、チタン・タングステ
ンまたはアルミニウム、あるいはその他の適切な物質の
いずれかで作ることができる。パルス電源３１０は、直
流電源３１２が供給する一定バイアス電圧上に重畳する
電圧パルスを発生する。パルス状電圧の振幅を変調する
には、パルス状電圧の振幅に周期的なステップ変化を与
える。本発明による方法の他の実施例では、パルス状電
圧の振幅を変調するために、パルス状電圧の振幅に傾斜
変化を与えることによって、傾斜状化学特性を有するマ
ルチ・フェーズ物質層を設ける。パルス電源３１０によ
って電圧パルスに重畳を行っている時間では、堆積基板
１０１に印加する電圧の絶対値は｜Ｕs ｜min 等しい。
｜Ｕ s｜min および｜Ｕs maxの値を選択することによ
って、結果的に得られるアモルファス炭素多層構造から
成るアモルファス炭素層における、ｓｐ3/ｓｐ 2結合比
が決定される。パルス期間は、層の厚さを決定する時間
Ｔ1 に対応する。パルス周波数は、図３を参照して先に
説明したように、０ないし１００Ｋｈｚの範囲である。
多層構造は、交互に濃厚なｓｐ3/ｓｐ 2アモルファス炭
素層を有することによって形成することができる。これ
らアモルファス炭素層の組成は、｜Ｕs| minおよび｜Ｕ
s| maxの値によって決定され、厚さはパルス期間および
サイクル周期Ｔによって決定される。再び図１および図
３を参照して、図３のＡと表記された部分、Ｂと表記さ
れた部分、およびＣと表記された部分は、それぞれ、下
側の第１フェーズ層１０２、第２フェーズ層１０３、お
よび上側の第１フェーズ層１０２の形成の間に印加する
電圧を示す。このプロセスの堆積速度をＤオングストロ
ーム／秒とすると、第１フェーズ層群１０２の厚さＤ2
は以下の式で与えられる。 Ｄ2 ＝Ｄ＊Ｔ1 ここでＴ1は秒であり、第２フェーズ層１０３の厚さＤ
1は以下の式で与えられる。 Ｄ1 ＝Ｄ＊（Ｔ−Ｔ1 ） ここでＴは秒である。アモルファス多層構造１００（図
１）では、第１フェーズ層群１０２は、ｓｐ2 結合が濃
厚なアモルファス炭素層群を含み、第２フェーズ層１０
３はｓp3結合が濃厚なアモルファス炭素の層を含む。対
応して、｜Ｕ s｜max の値は十分に大きく、低％ｓｐ３
結合領域において、図２のグラフの「尾」端内に含まれ
る全イオン衝突エネルギを与え、｜Ｕs| minの値は十分
に小さく、低％ｓｐ３結合の領域において、図２のグラ
フの「ピーク」領域（約１００ｅＶ）に含まれる全イオ
ン衝突エネルギを与える。全イオン衝突エネルギの堆積
基板１０１に印加する電圧の変調に対する応答速度は速
いので、遷移層１０４の厚さｔは１原子層よりも小さ
い。遷移層群１０４の化学的組成は、電圧ステップ変化
を行う時点における堆積条件が異なるために、同一では
ない。本発明による方法によって形成されるアモルファ
ス多層構造は連続的に堆積されるので、別個の開始材料
および別個の機器群(distinct pieces of equipment)を
設ける必要がない。加えて、炭素のような単一の化学元
素を含むアモルファス多層構造も、本発明による方法の
他の実施例によって形成可能である。
ルファス多層構造を形成する方法の好適実施例の様々な
工程を実行する際に好適な、物理蒸着装置３００の実施
例の構成図が示されている。物理蒸着装置３００は、堆
積基板１０１を保持するように設計された基板保持固定
具３０４，減圧容器３０６，およびマルチ・フェーズ物
質の先駆体３０７を収容するように設計されたイオン源
固定具３０２を含む。物理蒸着装置３００は閉システム
としてもよいが、あるいは先駆体３０７のフィード・フ
ロー(feedflow)を与えるような構成としてもよい。直流
（ＤＣ）電源３１２が堆積基板１０１に動作可能に結合
されているため、ＤＣバイアス電圧を堆積基板１０１に
印加可能となっている。また、パルス電源３１０も堆積
基板１０１に動作可能に結合されているため、パルス状
電圧を堆積基板１０１に印加可能となっている。この特
定実施例では、イオン源固定具３０２は、ＤＣアーク電
源３０８に動作可能に結合されたアーク気化源(arc eva
poration source)を含み、先駆体３０７の気化およびイ
オン化を行い、減圧容器３０６内においてプラズマを形
成する。プラズマは複数のプラズマ・イオンを有し、こ
れが堆積基板１０１に向かって加速される。好適実施例
では、先駆体３０７は黒鉛を含むので、プラズマ・イオ
ンは正に帯電された炭素イオンである。したがって、堆
積基板に印加する加速電位は負でなければならない。図
１を参照して先に説明したように、炭素陽イオンが成長
する固体に衝突する際に形成される結合のタイプおよび
相対組成は、全イオン衝突エネルギによって異なる。こ
の全イオン衝突エネルギは、固体表面に衝突する直前の
イオン束の全エネルギである。固体層およびアモルファ
ス多層構造全体の特性は、形成される化学結合のタイプ
および相対組成に左右されるので、固体層の特性は全イ
オン衝突エネルギによって異なる。アモルファス多層構
造は、特性が異なる複数の固体層から成る。これら固体
層群は、本発明による方法を用いて全イオン衝突エネル
ギを変調することによって形成する。図２を参照して先
に説明したように、全イオン衝突エネルギは、ｚ（イオ
ン当たりの電気素量の平均数）と｜Ｕs ｜（堆積基板１
０１に印加するバイアス電圧の絶対値）との関数であ
る。変数Ｅi(元の射出エネルギの残余）およびＶ p（プ
ラズマ電位）は、第１近似では、現在検討中のシステム
の定数として扱うことができる。図６および図７の物理
堆積装置３００，４００は、全イオン衝突エネルギの｜
Ｕs ｜（堆積基板１０１に印加するバイアス電圧の絶対
値）に対する依存性を利用するように設計されたもので
ある。再度図６を参照して、物理蒸着装置３００は、図
３に示した印加バイアス電圧の変調を行う。この特定実
施例では、直流電源３１２が、｜Ｕs| minに等しい絶対
値を有する一定バイアス電圧信号を供給する。直流電源
３１２およびパルス電源３１０は、例えば、基板１０１
上に薄い電極層を設けることによって、基板１０１に電
気的に結合されている。電極層は、チタン・タングステ
ンまたはアルミニウム、あるいはその他の適切な物質の
いずれかで作ることができる。パルス電源３１０は、直
流電源３１２が供給する一定バイアス電圧上に重畳する
電圧パルスを発生する。パルス状電圧の振幅を変調する
には、パルス状電圧の振幅に周期的なステップ変化を与
える。本発明による方法の他の実施例では、パルス状電
圧の振幅を変調するために、パルス状電圧の振幅に傾斜
変化を与えることによって、傾斜状化学特性を有するマ
ルチ・フェーズ物質層を設ける。パルス電源３１０によ
って電圧パルスに重畳を行っている時間では、堆積基板
１０１に印加する電圧の絶対値は｜Ｕs ｜min 等しい。
｜Ｕ s｜min および｜Ｕs maxの値を選択することによ
って、結果的に得られるアモルファス炭素多層構造から
成るアモルファス炭素層における、ｓｐ3/ｓｐ 2結合比
が決定される。パルス期間は、層の厚さを決定する時間
Ｔ1 に対応する。パルス周波数は、図３を参照して先に
説明したように、０ないし１００Ｋｈｚの範囲である。
多層構造は、交互に濃厚なｓｐ3/ｓｐ 2アモルファス炭
素層を有することによって形成することができる。これ
らアモルファス炭素層の組成は、｜Ｕs| minおよび｜Ｕ
s| maxの値によって決定され、厚さはパルス期間および
サイクル周期Ｔによって決定される。再び図１および図
３を参照して、図３のＡと表記された部分、Ｂと表記さ
れた部分、およびＣと表記された部分は、それぞれ、下
側の第１フェーズ層１０２、第２フェーズ層１０３、お
よび上側の第１フェーズ層１０２の形成の間に印加する
電圧を示す。このプロセスの堆積速度をＤオングストロ
ーム／秒とすると、第１フェーズ層群１０２の厚さＤ2
は以下の式で与えられる。 Ｄ2 ＝Ｄ＊Ｔ1 ここでＴ1は秒であり、第２フェーズ層１０３の厚さＤ
1は以下の式で与えられる。 Ｄ1 ＝Ｄ＊（Ｔ−Ｔ1 ） ここでＴは秒である。アモルファス多層構造１００（図
１）では、第１フェーズ層群１０２は、ｓｐ2 結合が濃
厚なアモルファス炭素層群を含み、第２フェーズ層１０
３はｓp3結合が濃厚なアモルファス炭素の層を含む。対
応して、｜Ｕ s｜max の値は十分に大きく、低％ｓｐ３
結合領域において、図２のグラフの「尾」端内に含まれ
る全イオン衝突エネルギを与え、｜Ｕs| minの値は十分
に小さく、低％ｓｐ３結合の領域において、図２のグラ
フの「ピーク」領域（約１００ｅＶ）に含まれる全イオ
ン衝突エネルギを与える。全イオン衝突エネルギの堆積
基板１０１に印加する電圧の変調に対する応答速度は速
いので、遷移層１０４の厚さｔは１原子層よりも小さ
い。遷移層群１０４の化学的組成は、電圧ステップ変化
を行う時点における堆積条件が異なるために、同一では
ない。本発明による方法によって形成されるアモルファ
ス多層構造は連続的に堆積されるので、別個の開始材料
および別個の機器群(distinct pieces of equipment)を
設ける必要がない。加えて、炭素のような単一の化学元
素を含むアモルファス多層構造も、本発明による方法の
他の実施例によって形成可能である。
【００２２】次に図７を参照すると、本発明によるアモ
ルファス多層構造を形成する方法の他の実施例の様々な
工程を実行する際に好適な物理蒸着装置４００の実施例
の構成図が示されている。この特定実施例では、ＤＣ電
源は堆積基板１０１に動作可能に結合されていない。物
理堆積装置４００の他の素子は全て、装置３００（図
６）の素子と同一であり、それらには先頭に番号「４」
を付した同様の参照番号で引用することにする。前述の
ように、パルス電源４１０は堆積基板１０１に動作可能
に結合されているので、パルス状電圧が堆積基板１０１
に印加可能となっている。図６を参照して説明した場合
と同様に、パルス電源４１０が供給するパルス状電圧
は、ステップ関数または傾斜関数のように、時間に対し
て所定の態様で変調され、構成層およびアモルファス多
層構造全体の所定の物理的、化学的、および電気的特性
を与える。例えば、パルス状電圧信号が、図３に示した
ようなステップ関数を含む場合、｜Ｕs| maxの値は、パ
ルス状電圧信号がオンのときのその大きさに等しく、｜
Ｕs| minの値は、パルス電源４１０の交互する低電圧(l
ow voltage alternance)に等しいが、これは無視し得る
印加電圧である。したがって、パルス電源４１０の「オ
フ」期間の間、全イオン衝突エネルギはＥi 、即ち、炭
素イオンの残留エネルギによって制御され、これは、典
型的な炭素真空アーク堆積プロセスでは、２０ないし３
０ｅＶの範囲であり、濃厚なｓｐ3 含有量を有する層の
成長を得るには十分である。変調された構造のｓｐ2 −
濃厚層群は、パルス電源４１０からの電圧を印加してい
る間に生成される。
ルファス多層構造を形成する方法の他の実施例の様々な
工程を実行する際に好適な物理蒸着装置４００の実施例
の構成図が示されている。この特定実施例では、ＤＣ電
源は堆積基板１０１に動作可能に結合されていない。物
理堆積装置４００の他の素子は全て、装置３００（図
６）の素子と同一であり、それらには先頭に番号「４」
を付した同様の参照番号で引用することにする。前述の
ように、パルス電源４１０は堆積基板１０１に動作可能
に結合されているので、パルス状電圧が堆積基板１０１
に印加可能となっている。図６を参照して説明した場合
と同様に、パルス電源４１０が供給するパルス状電圧
は、ステップ関数または傾斜関数のように、時間に対し
て所定の態様で変調され、構成層およびアモルファス多
層構造全体の所定の物理的、化学的、および電気的特性
を与える。例えば、パルス状電圧信号が、図３に示した
ようなステップ関数を含む場合、｜Ｕs| maxの値は、パ
ルス状電圧信号がオンのときのその大きさに等しく、｜
Ｕs| minの値は、パルス電源４１０の交互する低電圧(l
ow voltage alternance)に等しいが、これは無視し得る
印加電圧である。したがって、パルス電源４１０の「オ
フ」期間の間、全イオン衝突エネルギはＥi 、即ち、炭
素イオンの残留エネルギによって制御され、これは、典
型的な炭素真空アーク堆積プロセスでは、２０ないし３
０ｅＶの範囲であり、濃厚なｓｐ3 含有量を有する層の
成長を得るには十分である。変調された構造のｓｐ2 −
濃厚層群は、パルス電源４１０からの電圧を印加してい
る間に生成される。
【００２３】次に図８を参照すると、本発明によるアモ
ルファス多層構造を形成する方法の他の実施例の様々な
工程を実行する際に好適な物理蒸着装置５００の実施例
の構成図が示されている。物理蒸着装置５００は、図７
の物理蒸着装置４００の素子を殆ど含み、これらを
「５」で始まる番号で同様に引用することにする。物理
蒸着装置５００はそれ以外にレクティリニア磁気装置(r
ectilinear magnetic apparatus)５１２を含む。レクテ
ィリニア磁気装置５１２は、イオン源固定具５０２と基
板保持固定具５０４との間に配置されており、レクティ
リニア磁気装置５１２は減圧容器５０６内にイオンプラ
ズマを包囲する。レクティリニア磁気装置５１２は、磁
気コイル・パルス電源５１４に動作可能に結合されてい
る。アモルファス多層構造を形成する方法のこの特定実
施例では、イオン源固定具５０２と基板保持固定具５０
４との間に可制御磁場が与えられる。可制御磁場の磁場
強度を変調することによって、全イオン衝突エネルギに
所望の変調を行い、所望のアモルファス多層構造を作
る。他の実施例では、磁場はフィルタ・アーク源(filte
red arcsource)の磁気コイルによって与えられる。本発
明による方法のこの特定実施例では、全イオン衝突エネ
ルギの変調を行うには、炭素イオンを堆積基板１０１に
搬送する間の、当該炭素イオンの射出エネルギを変化さ
せる。磁場強度を変調することによって、陽イオンの加
速度を変調し、結果的に、全イオン衝突エネルギの変調
が得られるので、堆積基板１０１上に多層アモルファス
構造が形成される。
ルファス多層構造を形成する方法の他の実施例の様々な
工程を実行する際に好適な物理蒸着装置５００の実施例
の構成図が示されている。物理蒸着装置５００は、図７
の物理蒸着装置４００の素子を殆ど含み、これらを
「５」で始まる番号で同様に引用することにする。物理
蒸着装置５００はそれ以外にレクティリニア磁気装置(r
ectilinear magnetic apparatus)５１２を含む。レクテ
ィリニア磁気装置５１２は、イオン源固定具５０２と基
板保持固定具５０４との間に配置されており、レクティ
リニア磁気装置５１２は減圧容器５０６内にイオンプラ
ズマを包囲する。レクティリニア磁気装置５１２は、磁
気コイル・パルス電源５１４に動作可能に結合されてい
る。アモルファス多層構造を形成する方法のこの特定実
施例では、イオン源固定具５０２と基板保持固定具５０
４との間に可制御磁場が与えられる。可制御磁場の磁場
強度を変調することによって、全イオン衝突エネルギに
所望の変調を行い、所望のアモルファス多層構造を作
る。他の実施例では、磁場はフィルタ・アーク源(filte
red arcsource)の磁気コイルによって与えられる。本発
明による方法のこの特定実施例では、全イオン衝突エネ
ルギの変調を行うには、炭素イオンを堆積基板１０１に
搬送する間の、当該炭素イオンの射出エネルギを変化さ
せる。磁場強度を変調することによって、陽イオンの加
速度を変調し、結果的に、全イオン衝突エネルギの変調
が得られるので、堆積基板１０１上に多層アモルファス
構造が形成される。
【００２４】次に図９を参照すると、電界放出素子６０
０の断面図が示されており、その部分は、本発明による
方法の他の実施例の様々な工程を実行することによって
実現されたものである。電界放出素子６００は、基板６
０７，基板６０７上に配置された導体行６０６，ならび
に基板６０７および導体行６０６上に配置された非導電
性アモルファス炭素層６０１を含む。電界放出素子６０
０は、更に、放出安定化構造(ballasted emission stru
cture)６０８を含み、この放出安定化構造６０８は、バ
ラスト抵抗層６０２，電子放出端６１０を有する電子放
出層６０３，および放出制御層６０５を含む。電界放出
素子６００は導体列６１４も含み、この導体列６１４は
放出制御層６０５上に形成された金属層を含む。導体列
６１４は、放出安定化構造６０８の縁部から離れて位置
する、凹状縁部を有する。遷移層６０４が、バラスト抵
抗層６０２および電子放出層６０３の間、ならびに電子
放出層６０３および放出制御層６０５の間に存在する。
基板６０７は、主面を有する層ガラスまたはシリコンを
含み、更に、薄い誘電体層のような、主面上に形成され
た接着層を含んでもよい。導体行６０６は、電子の電界
放出のための電界を与える電極の一方を構成する、パタ
ーン導体である。導体行６０６および導体列６１４を形
成する方法は、当技術では既知である。非導電性アモル
ファス炭素層６０１および放出安定化構造６０８は、本
発明による方法の様々な工程を実行することによって実
現される。非導電性アモルファス炭素層６０１は非導電
性炭素層を含み、この層は高いパーセンテージｓｐ3 結
合を有するので、非導電性アモルファス炭素層６０１
は、導体行６０６を放出安定化構造６０８から電気的に
絶縁する。放出安定化構造６０８の特性は、電子が電子
放出端６１０から放出されるように、かつこれらの電子
が図９に曲線の矢印で示すような上向きの軌道を呈する
ように特定される。電子は、例えば、電界放出ディスプ
レイのアノード（図示せず）に向かって射出され、電界
放出ディスプレイは電子を受けて、例えば、アノード上
に配した蛍光体被膜において光を放出するように設計さ
れている。電界は、導体行６０６と導体列６１４とを、
所定の電圧を供給する電圧源（図示せず）に動作可能に
結合することによって与えられる。また、電界は図９で
は直線の矢印で表わされているが、放出された電子が導
体行６０６に向かって望ましくない漏れ電流を発生しな
いように、その形状が決められている。本発明による方
法のこの特定実施例では、特定の抵抗率および仕事関数
のバラスト抵抗層６０２，電子放出層６０３，および放
出制御層６０５を制御して、上述の放出特性を得てい
る。非導電性アモルファス炭素層６０１および放出安定
化構造６０８は、１回の連続運転の間に形成されるの
で、処理時間の短縮およびコスト削減が図られる。バラ
スト抵抗層６０２および放出制御層６０５の縁部は、約
２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度を有す
る電界に晒されると、非放出状態（１ピコアンペアより
大きな電流を放出しない）となる。バラスト抵抗層６０
２および放出制御層６０５の抵抗率は、均一な電圧が電
子放出端６１０に沿った全ての電位放出点に供給されよ
うに特定され、これによって放出の均一化を達成し、全
ての電流が１点から発生するランナウエイ状態を防止す
る。バラスト抵抗層６０２および放出制御層６０５につ
いても、電界線が電子放出端６１０に垂直となるような
電界に整形するように成長させる。これによって、初期
の電子軌道を、導体行６０６から離れた電界線に平行に
する。このように、バラスト抵抗層６０２および放出制
御層６０５双方は、安定化抵抗を与え、かつ電界を整形
するという二重の機能を提供する。最後に、バラスト抵
抗層６０２および放出制御層６０５は各々、１０オング
ストロームないし１０マイクロメートルの範囲内の厚さ
を有する。電子放出層６０３は、所定の電流値が電界強
度の低い値で得られるように、最適化された電子放出特
性を有する。電子放出層６０３の抵抗率は、バラスト抵
抗層６０２と放出制御層６０５との間で短絡が生じない
ように選択する。電子放出端６１０は、約１５０ボルト
／マイクロメートル未満の電界強度を有する電界に晒さ
れると、放出状態となる。電子放出層６０３の対応する
仕事関数は約１ｅＶ未満であると考えられる。アモルフ
ァス炭素構造の抵抗率および電子放出特性は、ｓｐ3 化
学結合の相対組成の関数であり、本発明によれば、構造
の物理蒸着の間の炭素イオンの全イオン衝突エネルギに
よって制御可能である。本発明による方法のこの特定実
施例では、第１に、アモルファス炭素（マルチ・フェー
ズ物質）の％ｓp3結合と抵抗率との間の関数 (function
ality)を決定する。また、アモルファス炭素の％ｓｐ3
結合と電子放出特性および／または仕事関数との間の関
数も決定する。これらの関係から、％ｓｐ3 結合の値
が、非導電性アモルファス炭素層６０１，バラスト抵抗
層６０２，電子放出層６０３，および放出制御層６０５
に対して特定され、上述のように、抵抗率および電子放
出特性および／または仕事関数に対して、所定の値が得
られる。図２に示した関係を利用して、こうして特定さ
れた％ｓｐ3 結合の値を得るために、全イオン衝突エネ
ルギに必要な値を決定する。図６、図７、および図８を
参照して説明したように、図２を参照して説明した全イ
オン衝突エネルギの式を利用して、適切なプロセス変数
の値を特定する。適切なプロセス変数とは、全イオン衝
突エネルギを変調するために利用した変数のことであ
る。この特定実施例では、基板６０７／導体行６０６構
造を、物理蒸着装置３００の物理蒸着チャンバ３００内
に配置し、基板６０７／導体６０６構造の表面に堆積を
行う。また、イオン源固定具３０２の物理蒸着チャンバ
３００内には黒鉛も設けられる。黒鉛をイオン化して、
減圧容器３０６内に、複数の炭素陽イオンを有するガス
状プラズマを形成する。黒鉛をイオン化する真空アーク
方法は、約９０ないし９９％のイオン結合度(ionicit
y)、即ち、プラズマ内のイオン数の中性子に対する比率
を与える。これは、帯電した種のみを基板６０７／導体
行６０６構造に向かって加速させることができるので望
ましいことである。図６および図３を参照して説明した
場合と同様に、パルス電源を基板６０７／導体行６０６
構造に動作可能に結合し、基板６０７／導体行６０６構
造にパルス状電圧を印加可能とする。第１パルス状電圧
を印加して第１全イオン衝突エネルギを与え、基板６０
７／導体行６０６構造上に、誘電体の特性を有する第１
の無水素アモルファス炭素層を形成することによって、
非導電性アモルファス炭素層６０１を形成する。所定の
厚さの非導電性アモルファス炭素層６０１（１０オング
ストロームないし３マイクロメートル）に達したなら、
第２パルス状電圧を印加して第２全イオン衝突エネルギ
を与え、非導電性アモルファス炭素層６０１上に、約２
００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度に晒され
ると非放出状態となることを含む、前述の所定の組の特
性を有する、第２の無水素アモルファス炭素層を形成す
ることにより、バラスト抵抗層６０２を形成する。バラ
スト抵抗層６０２は、１０オングストロームないし１０
マイクロメートルの範囲の厚さに堆積する。その後、第
２のパルス状電圧を印加し、バラスト抵抗層６０２上
に、約２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度
に晒されると電子放出端６１０において電子を放出する
ことを含む、上述の所定の組の特性を有する、第３の無
水素アモルファス炭素層を形成することにより、電子放
出層６０３を形成する。電子放出層６０３は、１０オン
グストロームないし１マイクロメートルの範囲の厚さに
堆積する。その後、第４パルス状電圧を印加して第４全
イオン衝突エネルギを与え、電子放出層６０３上に、約
２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度に晒さ
れると非放出状態となることを含む、前述の所定の組の
特性を有する、第４の無水素アモルファス炭素層を形成
することによって、放出制御層６０５を形成する。放出
制御層６０５は、１０オングストロームないし１０マイ
クロメートルの範囲に堆積する。次に、非導電性アモル
ファス炭素層６０１，バラスト抵抗層６０２，電子放出
層６０３，および放出制御層６０５を貫通する開口を形
成することにより、エミッタ・ウエル６１２を形成し、
放出構造を露出させる。放出構造は、この特定実施例で
は、エミッタ・ウエル６１２内に配された電子放出層６
０３の縁部を含み、電子放出端６１０を規定する。バラ
スト抵抗層６０２および放出制御層６０５の特性を同一
にすると決定した場合、第２パルス状電圧および第４パ
ルス状電圧は、同一の振幅および期間を有する。本発明
の方法の他の実施例では、第１，第２，第３，および／
または第４パルス状電圧は、図３ないし図５を参照して
説明したような、マルチ・ステップ電圧信号(multi-ste
p voltagesignal)または傾斜電圧信号として、所定の放
出および抵抗特性を有する構造を実現することも可能で
ある。例えば、電子放出層６０３は、電子放出層６０３
が量子サイズ効果を呈するように十分に薄い複数の炭素
層を有する超格子を含むことも可能である。これらの量
子サイズ効果を利用して、電子放出特性の改善およびそ
の制御性の向上を図ることができる。このように、非導
電性アモルファス炭素層６０１，バラスト抵抗層６０
２，電子放出層６０３，および／または放出制御層６０
５は、多層構造または傾斜特性を有する構造を含むこと
も可能である。
０の断面図が示されており、その部分は、本発明による
方法の他の実施例の様々な工程を実行することによって
実現されたものである。電界放出素子６００は、基板６
０７，基板６０７上に配置された導体行６０６，ならび
に基板６０７および導体行６０６上に配置された非導電
性アモルファス炭素層６０１を含む。電界放出素子６０
０は、更に、放出安定化構造(ballasted emission stru
cture)６０８を含み、この放出安定化構造６０８は、バ
ラスト抵抗層６０２，電子放出端６１０を有する電子放
出層６０３，および放出制御層６０５を含む。電界放出
素子６００は導体列６１４も含み、この導体列６１４は
放出制御層６０５上に形成された金属層を含む。導体列
６１４は、放出安定化構造６０８の縁部から離れて位置
する、凹状縁部を有する。遷移層６０４が、バラスト抵
抗層６０２および電子放出層６０３の間、ならびに電子
放出層６０３および放出制御層６０５の間に存在する。
基板６０７は、主面を有する層ガラスまたはシリコンを
含み、更に、薄い誘電体層のような、主面上に形成され
た接着層を含んでもよい。導体行６０６は、電子の電界
放出のための電界を与える電極の一方を構成する、パタ
ーン導体である。導体行６０６および導体列６１４を形
成する方法は、当技術では既知である。非導電性アモル
ファス炭素層６０１および放出安定化構造６０８は、本
発明による方法の様々な工程を実行することによって実
現される。非導電性アモルファス炭素層６０１は非導電
性炭素層を含み、この層は高いパーセンテージｓｐ3 結
合を有するので、非導電性アモルファス炭素層６０１
は、導体行６０６を放出安定化構造６０８から電気的に
絶縁する。放出安定化構造６０８の特性は、電子が電子
放出端６１０から放出されるように、かつこれらの電子
が図９に曲線の矢印で示すような上向きの軌道を呈する
ように特定される。電子は、例えば、電界放出ディスプ
レイのアノード（図示せず）に向かって射出され、電界
放出ディスプレイは電子を受けて、例えば、アノード上
に配した蛍光体被膜において光を放出するように設計さ
れている。電界は、導体行６０６と導体列６１４とを、
所定の電圧を供給する電圧源（図示せず）に動作可能に
結合することによって与えられる。また、電界は図９で
は直線の矢印で表わされているが、放出された電子が導
体行６０６に向かって望ましくない漏れ電流を発生しな
いように、その形状が決められている。本発明による方
法のこの特定実施例では、特定の抵抗率および仕事関数
のバラスト抵抗層６０２，電子放出層６０３，および放
出制御層６０５を制御して、上述の放出特性を得てい
る。非導電性アモルファス炭素層６０１および放出安定
化構造６０８は、１回の連続運転の間に形成されるの
で、処理時間の短縮およびコスト削減が図られる。バラ
スト抵抗層６０２および放出制御層６０５の縁部は、約
２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度を有す
る電界に晒されると、非放出状態（１ピコアンペアより
大きな電流を放出しない）となる。バラスト抵抗層６０
２および放出制御層６０５の抵抗率は、均一な電圧が電
子放出端６１０に沿った全ての電位放出点に供給されよ
うに特定され、これによって放出の均一化を達成し、全
ての電流が１点から発生するランナウエイ状態を防止す
る。バラスト抵抗層６０２および放出制御層６０５につ
いても、電界線が電子放出端６１０に垂直となるような
電界に整形するように成長させる。これによって、初期
の電子軌道を、導体行６０６から離れた電界線に平行に
する。このように、バラスト抵抗層６０２および放出制
御層６０５双方は、安定化抵抗を与え、かつ電界を整形
するという二重の機能を提供する。最後に、バラスト抵
抗層６０２および放出制御層６０５は各々、１０オング
ストロームないし１０マイクロメートルの範囲内の厚さ
を有する。電子放出層６０３は、所定の電流値が電界強
度の低い値で得られるように、最適化された電子放出特
性を有する。電子放出層６０３の抵抗率は、バラスト抵
抗層６０２と放出制御層６０５との間で短絡が生じない
ように選択する。電子放出端６１０は、約１５０ボルト
／マイクロメートル未満の電界強度を有する電界に晒さ
れると、放出状態となる。電子放出層６０３の対応する
仕事関数は約１ｅＶ未満であると考えられる。アモルフ
ァス炭素構造の抵抗率および電子放出特性は、ｓｐ3 化
学結合の相対組成の関数であり、本発明によれば、構造
の物理蒸着の間の炭素イオンの全イオン衝突エネルギに
よって制御可能である。本発明による方法のこの特定実
施例では、第１に、アモルファス炭素（マルチ・フェー
ズ物質）の％ｓp3結合と抵抗率との間の関数 (function
ality)を決定する。また、アモルファス炭素の％ｓｐ3
結合と電子放出特性および／または仕事関数との間の関
数も決定する。これらの関係から、％ｓｐ3 結合の値
が、非導電性アモルファス炭素層６０１，バラスト抵抗
層６０２，電子放出層６０３，および放出制御層６０５
に対して特定され、上述のように、抵抗率および電子放
出特性および／または仕事関数に対して、所定の値が得
られる。図２に示した関係を利用して、こうして特定さ
れた％ｓｐ3 結合の値を得るために、全イオン衝突エネ
ルギに必要な値を決定する。図６、図７、および図８を
参照して説明したように、図２を参照して説明した全イ
オン衝突エネルギの式を利用して、適切なプロセス変数
の値を特定する。適切なプロセス変数とは、全イオン衝
突エネルギを変調するために利用した変数のことであ
る。この特定実施例では、基板６０７／導体行６０６構
造を、物理蒸着装置３００の物理蒸着チャンバ３００内
に配置し、基板６０７／導体６０６構造の表面に堆積を
行う。また、イオン源固定具３０２の物理蒸着チャンバ
３００内には黒鉛も設けられる。黒鉛をイオン化して、
減圧容器３０６内に、複数の炭素陽イオンを有するガス
状プラズマを形成する。黒鉛をイオン化する真空アーク
方法は、約９０ないし９９％のイオン結合度(ionicit
y)、即ち、プラズマ内のイオン数の中性子に対する比率
を与える。これは、帯電した種のみを基板６０７／導体
行６０６構造に向かって加速させることができるので望
ましいことである。図６および図３を参照して説明した
場合と同様に、パルス電源を基板６０７／導体行６０６
構造に動作可能に結合し、基板６０７／導体行６０６構
造にパルス状電圧を印加可能とする。第１パルス状電圧
を印加して第１全イオン衝突エネルギを与え、基板６０
７／導体行６０６構造上に、誘電体の特性を有する第１
の無水素アモルファス炭素層を形成することによって、
非導電性アモルファス炭素層６０１を形成する。所定の
厚さの非導電性アモルファス炭素層６０１（１０オング
ストロームないし３マイクロメートル）に達したなら、
第２パルス状電圧を印加して第２全イオン衝突エネルギ
を与え、非導電性アモルファス炭素層６０１上に、約２
００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度に晒され
ると非放出状態となることを含む、前述の所定の組の特
性を有する、第２の無水素アモルファス炭素層を形成す
ることにより、バラスト抵抗層６０２を形成する。バラ
スト抵抗層６０２は、１０オングストロームないし１０
マイクロメートルの範囲の厚さに堆積する。その後、第
２のパルス状電圧を印加し、バラスト抵抗層６０２上
に、約２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度
に晒されると電子放出端６１０において電子を放出する
ことを含む、上述の所定の組の特性を有する、第３の無
水素アモルファス炭素層を形成することにより、電子放
出層６０３を形成する。電子放出層６０３は、１０オン
グストロームないし１マイクロメートルの範囲の厚さに
堆積する。その後、第４パルス状電圧を印加して第４全
イオン衝突エネルギを与え、電子放出層６０３上に、約
２００ボルト／マイクロメートル未満の電界強度に晒さ
れると非放出状態となることを含む、前述の所定の組の
特性を有する、第４の無水素アモルファス炭素層を形成
することによって、放出制御層６０５を形成する。放出
制御層６０５は、１０オングストロームないし１０マイ
クロメートルの範囲に堆積する。次に、非導電性アモル
ファス炭素層６０１，バラスト抵抗層６０２，電子放出
層６０３，および放出制御層６０５を貫通する開口を形
成することにより、エミッタ・ウエル６１２を形成し、
放出構造を露出させる。放出構造は、この特定実施例で
は、エミッタ・ウエル６１２内に配された電子放出層６
０３の縁部を含み、電子放出端６１０を規定する。バラ
スト抵抗層６０２および放出制御層６０５の特性を同一
にすると決定した場合、第２パルス状電圧および第４パ
ルス状電圧は、同一の振幅および期間を有する。本発明
の方法の他の実施例では、第１，第２，第３，および／
または第４パルス状電圧は、図３ないし図５を参照して
説明したような、マルチ・ステップ電圧信号(multi-ste
p voltagesignal)または傾斜電圧信号として、所定の放
出および抵抗特性を有する構造を実現することも可能で
ある。例えば、電子放出層６０３は、電子放出層６０３
が量子サイズ効果を呈するように十分に薄い複数の炭素
層を有する超格子を含むことも可能である。これらの量
子サイズ効果を利用して、電子放出特性の改善およびそ
の制御性の向上を図ることができる。このように、非導
電性アモルファス炭素層６０１，バラスト抵抗層６０
２，電子放出層６０３，および／または放出制御層６０
５は、多層構造または傾斜特性を有する構造を含むこと
も可能である。
【００２５】次に図１０を参照すると、構造７００の断
面図が示されている。図示した構造の部分は、本発明に
よる方法の他の実施例の様々な工程を実行することによ
って実現されたものである。構造７００は、ガラスまた
はシリコン層７０７を含む基板７０４と、層７０７上に
配置された誘電体層７０９とを含む。導体行７０６が誘
電体層７０９上に形成されている。構造７００は、更
に、放出安定化構造７０８を含み、この構造７０８は、
バラスト抵抗層７０２，電子放出層７０３，および放出
制御層７０５を含む。また、構造７００は、放出制御層
７０５上に形成された、アモルファス炭素の非導電性ア
モルファス炭素層７０１を含む。誘電体層７０９は接着
層である。他の実施例では、接着層は不要である。構造
７００を形成する方法の堆積工程、および結果的に得ら
れる構造の特性は、電界放出素子６００（図９）に対す
るものと同様である。図１０の構造は図９のそれと同様
であり、同一であるが「７」で始まる参照番号を有す
る。構造７００を形成する方法において、非導電性アモ
ルファス炭素層７０１を堆積する工程は、放出安定化構
造７０８を堆積する工程の後に行われる。電界放出素子
を形成するために使用する本発明による方法の他の実施
例では、放出安定化構造は、炭素以外のマルチ・フェー
ズ物質で作られ、均一特性を有するマルチ・フェーズ物
質の単一層を含んでもよい。この場合、マルチ・フェー
ズ物質は自己安定特性を呈する。
面図が示されている。図示した構造の部分は、本発明に
よる方法の他の実施例の様々な工程を実行することによ
って実現されたものである。構造７００は、ガラスまた
はシリコン層７０７を含む基板７０４と、層７０７上に
配置された誘電体層７０９とを含む。導体行７０６が誘
電体層７０９上に形成されている。構造７００は、更
に、放出安定化構造７０８を含み、この構造７０８は、
バラスト抵抗層７０２，電子放出層７０３，および放出
制御層７０５を含む。また、構造７００は、放出制御層
７０５上に形成された、アモルファス炭素の非導電性ア
モルファス炭素層７０１を含む。誘電体層７０９は接着
層である。他の実施例では、接着層は不要である。構造
７００を形成する方法の堆積工程、および結果的に得ら
れる構造の特性は、電界放出素子６００（図９）に対す
るものと同様である。図１０の構造は図９のそれと同様
であり、同一であるが「７」で始まる参照番号を有す
る。構造７００を形成する方法において、非導電性アモ
ルファス炭素層７０１を堆積する工程は、放出安定化構
造７０８を堆積する工程の後に行われる。電界放出素子
を形成するために使用する本発明による方法の他の実施
例では、放出安定化構造は、炭素以外のマルチ・フェー
ズ物質で作られ、均一特性を有するマルチ・フェーズ物
質の単一層を含んでもよい。この場合、マルチ・フェー
ズ物質は自己安定特性を呈する。
【００２６】次に図１１を参照すると、図１０の構造７
００によって形成された電界放出素子７１０の断面図が
示されている。導体列７１１が非導電性アモルファス炭
素層７０１上に形成されている。また、放出制御層７０
５，非導電性アモルファス炭素層７０１，および導体列
７１１を貫通する開口を設けることによって、エミッタ
・ウエル７１２を規定し、これによって、適切な電界条
件の下で電子を放出する電子放出面７１０を設ける。こ
の特定実施例では、電子放出面７１０は、約１５０ボル
ト／マイクロメートル未満の電界強度を有する電界に晒
されると、放出状態となる。電界を発生するには、導体
行７０６および導体列７１４を、所定の電圧を供給する
電圧源（図示せず）に動作可能に結合する。放出制御層
７０５の縁部は、約２００ボルト／マイクロメートル未
満の電界強度を有する電界に晒されると、非放出状態
（１ピコアンペアより大きな電流を放出しない）とな
る。バラスト抵抗層７０２の抵抗率は、電子放出面７１
０からの電子放出が電子放出面７１０全体にわたって均
一となるように特定する。放出制御層７０５の抵抗率
は、バラスト抵抗層７０２の抵抗率よりも少なくとも１
桁大きな大きさである。また、放出制御層７０５を成長
させ、電子の合焦(focusing)および焦点外れ(defocusin
g)を可能とし、かつ非導電性アモルファス炭素層７０１
への電子注入を防止するように電界を整形する。このよ
うに、放出制御層７０５は、電界を整形し安定化抵抗を
設けるという二重の機能を提供し、一方バラスト抵抗層
７０２は安定化抵抗を設けるという機能を提供する。
００によって形成された電界放出素子７１０の断面図が
示されている。導体列７１１が非導電性アモルファス炭
素層７０１上に形成されている。また、放出制御層７０
５，非導電性アモルファス炭素層７０１，および導体列
７１１を貫通する開口を設けることによって、エミッタ
・ウエル７１２を規定し、これによって、適切な電界条
件の下で電子を放出する電子放出面７１０を設ける。こ
の特定実施例では、電子放出面７１０は、約１５０ボル
ト／マイクロメートル未満の電界強度を有する電界に晒
されると、放出状態となる。電界を発生するには、導体
行７０６および導体列７１４を、所定の電圧を供給する
電圧源（図示せず）に動作可能に結合する。放出制御層
７０５の縁部は、約２００ボルト／マイクロメートル未
満の電界強度を有する電界に晒されると、非放出状態
（１ピコアンペアより大きな電流を放出しない）とな
る。バラスト抵抗層７０２の抵抗率は、電子放出面７１
０からの電子放出が電子放出面７１０全体にわたって均
一となるように特定する。放出制御層７０５の抵抗率
は、バラスト抵抗層７０２の抵抗率よりも少なくとも１
桁大きな大きさである。また、放出制御層７０５を成長
させ、電子の合焦(focusing)および焦点外れ(defocusin
g)を可能とし、かつ非導電性アモルファス炭素層７０１
への電子注入を防止するように電界を整形する。このよ
うに、放出制御層７０５は、電界を整形し安定化抵抗を
設けるという二重の機能を提供し、一方バラスト抵抗層
７０２は安定化抵抗を設けるという機能を提供する。
【００２７】本発明による方法のその他の応用も容易に
認められよう。本発明による方法の実施例によって実現
される構造は、導波路のような光学素子、電気素子、硬
質被膜、減摩の用途(tribological application)におい
て使用でき、力学的特性を改善する。例えば、多層炭素
超格子における量子サイズ効果は、素子の光学的特性お
よび電気的特性の改善が可能である。加えて、アモルフ
ァス多層構造は、厚膜構造(thick structures)において
応力を減少させたり、構造における応力分布を正確に制
御するように設計可能であるので、例えば、素子の活性
層から離れたところに応力を集中させることができる。
要約すれば、本発明による方法は、層の厚さ，層の組
成，再現性，および遷移層の鋭敏度(sharpness) の制御
性を大幅に改善することができる。
認められよう。本発明による方法の実施例によって実現
される構造は、導波路のような光学素子、電気素子、硬
質被膜、減摩の用途(tribological application)におい
て使用でき、力学的特性を改善する。例えば、多層炭素
超格子における量子サイズ効果は、素子の光学的特性お
よび電気的特性の改善が可能である。加えて、アモルフ
ァス多層構造は、厚膜構造(thick structures)において
応力を減少させたり、構造における応力分布を正確に制
御するように設計可能であるので、例えば、素子の活性
層から離れたところに応力を集中させることができる。
要約すれば、本発明による方法は、層の厚さ，層の組
成，再現性，および遷移層の鋭敏度(sharpness) の制御
性を大幅に改善することができる。
【図１】本発明による方法の様々な工程を実施すること
によって実現される構造を示す断面図。
によって実現される構造を示す断面図。
【図２】全イオン衝突エネルギの関数として、堆積炭素
層におけるパーセントｓｐ3 −結合を示すグラフ。
層におけるパーセントｓｐ3 −結合を示すグラフ。
【図３】本発明によるアモルファス多層構造を形成する
方法の実施例にしたがって、堆積基板に印加する印加電
圧を変調する工程を示す図。
方法の実施例にしたがって、堆積基板に印加する印加電
圧を変調する工程を示す図。
【図４】本発明によるアモルファス多層構造を形成する
方法の他の実施例にしたがって、堆積基板に印加する印
加電圧を変調する工程を示す図。
方法の他の実施例にしたがって、堆積基板に印加する印
加電圧を変調する工程を示す図。
【図５】本発明による方法の実施例（図４に特徴を図示
する）の様々な工程を実施することによって実現される
構造の断面図。
する）の様々な工程を実施することによって実現される
構造の断面図。
【図６】本発明による方法における様々な工程を実施す
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
【図７】本発明による方法における様々な工程を実施す
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
【図８】本発明による方法における様々な工程を実施す
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
る際に好適な物理蒸着装置を示す構成図。
【図９】本発明による方法の他の実施例の様々な方法を
実施することによって実現される電界放出素子の断面
図。
実施することによって実現される電界放出素子の断面
図。
【図１０】本発明による方法の他の実施例の様々な方法
を実施することによって実現される構造の断面図。
を実施することによって実現される構造の断面図。
【図１１】本発明による方法の他の実施例の様々な方法
を実施することによって実現される構造の断面図。
を実施することによって実現される構造の断面図。
１００ アモルファス多層構造 １０１ 堆積基板 １０２ 第１フェーズ層 １０３ 第２フェーズ層 １０４ 遷移層 ２００ アモルファス多層構造 ２０１ 堆積基板 ２０５ アモルファス炭素膜層 ３００ 物理蒸着装置 ３０４ 基板保持固定具 ３０６ 減圧容器 ３０７ マルチ・フェーズ物質の先駆体 ３０２ イオン源固定具 ３０８ ＤＣアーク電源 ４００ 物理堆積装置 ４１０ パルス電源 ５００ 物理蒸着装置 ５１２ レクティリニア磁気装置 ５０２ イオン源固定具 ５０４ 基板保持固定具 ５０６ 減圧容器 ５１４ 磁気コイル・パルス電源 ６００ 電界放出素子 ６０７ 基板 ６０６ 導体行 ６１０ 非導電性アモルファス炭素層 ６０８ 放出安定化構造 ６０２ バラスト抵抗層 ６１０ 電子放出端 ６０３ 電子放出層 ６０５ 放出制御層 ６１４ 導体列 ６１２ エミッタ・ウエル ７００ 構造 ７０７ ガラスまたはシリコン層 ７０４ 基板 ７０９ 誘電体層 ７０６ 導体行 ７０８ 放出安定化構造 ７０２ バラスト抵抗層 ７０３ 電子放出層 ７０５ 放出制御層 ７０１ 非導電性アモルファス炭素層 ７０９ 誘電体層 ７１１ 導体列 ７１２ エミッタ・ウエル ７１０ 電子放出面 ７１４ 導体列
フロントページの続き (72)発明者 バーナード・エフ・コール アメリカ合衆国ニュー・ジャージー州スパ ータ、グリーン・ロード111
Claims (5)
- 【請求項１】アモルファス多層構造（１００，２００）
を形成する方法であって：減圧容器（３０６，４０６，
５０６）を有する物理蒸着装置（３００，４００，５０
０）を用意する段階；前記減圧容器（３０６，４０６，
５０６）内に堆積基板（１０１）を用意する段階；前記
減圧容器（３０６，４０６，５０６）内にマルチ・フェ
ーズ物質の先駆体（３０７，４０７，５０７）を用意す
る段階；マルチ・フェーズ物質の前記先駆体（３０７，
４０７，５０７）をイオン化することにより、全イオン
衝突エネルギを有する複数のプラズマ・イオンを有する
ガス・プラズマを形成する段階；および時間に対して所
定の方法で前記全イオン衝突エネルギを変調することに
よって、前記堆積基板（１０１）上に、前記全イオン衝
突エネルギの値に対応する所定の特性を有する複数の層
を堆積する段階；から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項２】アモルファス多層構造（１００，２００）
を形成する方法であって：減圧容器（３０６，４０６，
５０６）を有する物理蒸着装置（３００，４００，５０
０）を用意する段階；前記減圧容器（３０６，４０６，
５０６）内に堆積基板（１０１）を用意する段階；前記
減圧容器（３０６，４０６，５０６）内に、黒鉛を含む
マルチ・フェーズ物質の先駆体（３０７，４０７，５０
７）を用意する段階；前記マルチ・フェーズ物質の前記
先駆体（３０７，４０７，５０７）をイオン化すること
により、全イオン衝突エネルギを有する複数のプラズマ
・イオンを有するガス・プラズマを形成する段階；およ
び時間に対して所定の方法で前記全イオン衝突エネルギ
を変調することによって、前記堆積基板（１０１）上
に、前記全イオン衝突エネルギの値に対応する所定の特
性を有する複数の層を堆積する段階；から成ることを特
徴とする方法。 - 【請求項３】電界放出素子（７１０）であって：基板
（７０４）；前記基板（７０４）上に配置された行導体
（７０６）；前記基板（７０４）／行導体（７０６）上
に形成された放出安定化構造（７０８）；非導電性であ
り、かつ前記放出安定化構造（７０８）上に配置され
た、無水素アモルファス炭素層を含む、非導電性アモル
ファス炭素層（７０１）；前記非導電性アモルファス炭
素層（７０１）上に形成された列導体（７１４）；およ
び前記列導体（７１４）および前記非導電性アモルファ
ス炭素層（７０１）を貫通して形成され、前記放出安定
化構造（７０８）の電子放出面（７１０）を露出させる
開口；から成り、 前記電子放出面（７１０）は前記エミッタ・ウエル（７
１２）内に配置され、１５０ボルト／マイクロメートル
未満の電界強度を有する電界が印加されると放出状態と
なる；ことを特徴とする電界放出素子（７１０）。 - 【請求項４】電界放出素子（６００）を形成する方法で
あって：基板（６０７）を用意する段階；前記基板（６
０７）上に行導体（６０６）を形成する段階；減圧容器
（３０６，４０６，５０６）を有する物理蒸着装置（３
００，４００，５００）を用意する段階；前記減圧容器
（３０６，４０６，５０６）内に前記基板（６０７）／
行導体（６０６）を配置する段階；前記減圧容器（３０
６，４０６，５０６）内にマルチ・フェーズ物質の先駆
体（３０７，４０７，５０７）を用意する段階；前記マ
ルチ・フェーズ物質の先駆体（３０７，４０７，５０
７）をイオン化することにより、全イオン衝突エネルギ
を有する複数のイオンを有するガス・プラズマを形成す
る段階；所定の第１方法で前記全イオン衝突エネルギを
変調することによって、前記基板（６０７）／行導体
（６０６）上に非導電性アモルファス層（６０１）を形
成する段階；所定の第２方法で前記全イオン衝突エネル
ギを変調することによって、放出安定化構造（６０８）
を形成する段階；前記放出安定化構造（６０８）上に列
導体（６１４）を形成する段階；および前記列導体（６
１４），前記放出安定化構造（６０８），および前記非
導電性アモルファス層（６１０）を貫通する開口を形成
することによって、エミッタ・ウエル（６１２）を形成
し、１５０ボルト／マイクロメートル未満の電界強度を
有する電界が印加されると放出状態となる、前記放出安
定化構造（６０８）の放出端部（６１０）を露出させる
段階；から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項５】電界放出素子（７１０）を形成する方法で
あって：基板（７０４）を用意する段階；前記基板（７
０４）上に行導体（７０６）を形成する段階；減圧容器
（３０６，４０６，５０６）を有する物理蒸着装置（３
００，４００，５００）を用意する段階；前記減圧容器
（３０６，４０６，５０６）内に前記基板（７０４）／
行導体（７０６）を配置する段階；前記減圧容器（３０
６，４０６，５０６）内にマルチ・フェーズ物質の先駆
体（３０７，４０７，５０７）を用意する段階；前記マ
ルチ・フェーズ物質の先駆体（３０７，４０７，５０
７）をイオン化することにより、全イオン衝突エネルギ
を有する複数のイオンを有するガス・プラズマを形成す
る段階；所定の第１方法で前記全イオン衝突エネルギを
変調することによって、前記基板（７０４）／行導体
（７０６）上に放出安定化構造（７０８）を形成する段
階；所定の第２方法で前記全イオン衝突エネルギを変調
することによって、前記放出安定化構造（７０８）上
に、非導電性アモルファス層（７０１）を形成する段
階；前記非導電性アモルファス層（７０１）上に列導体
（７１４）を形成する段階；および前記列導体（７１
４）および前記非導電性アモルファス炭素層（７０１）
を貫通する開口を形成することによって、エミッタ・ウ
エル（７１２）を形成し、１５０ボルト／マイクロメー
トル未満の電界強度を有する電界が印加されると放出状
態となる、前記放出安定化構造（７０８）の電子放出面
（７１０）を露出させる段階；から成ることを特徴とす
る方法。
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