JPH10312735A

JPH10312735A - 電子放出素子用ダイヤモンド部材、その製造方法及び電子デバイス

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Publication number: JPH10312735A
Application number: JP6936898A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Saito; 裕久斉藤; Takashi Chikuno; 孝築野; Hiroshi Shiomi; 弘塩見; Yoshiaki Kumazawa; 佳明熊澤; Takahiro Imai; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1998-11-24
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JP3903577B2

Abstract

(57)【要約】【課題】十分な電子放出を行うことが可能な電子放出
素子用ダイヤモンド部材、その製造方法及び電子デバイ
スを提供することを目的とする。【解決手段】電子放出素子１０は、ダイヤモンド基板
１１と、電子放出可能な形状の先端部を有するようにダ
イヤモンド基板１１の表面上に成長させたダイヤモンド
突起１２とを有する。成長によって形成されたダイヤモ
ンド突起は非常に尖鋭な先端部を有するため、十分な電
子放出が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子用ダ
イヤモンド部材、その製造方法及びフィールド・エミッ
ション・ディスプレイ（ＦＥＤ）や電界放射顕微鏡（Ｆ
ＥＭ）等の電子放出素子用ダイヤモンド部材を用いた電
子デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体技術の微細加工の進展と共
に、真空マイクロエレクトロニクスの分野が急速に発達
している。この結果、表示等の機能を有する次世代の電
子デバイスの一つとして、フィールド・エミッション・
ディスプレイ（ＦＥＤ）が期待されるようになった。こ
れは、ＦＥＤが従来のＣＲＴディスプレイと異なり、電
界放出型の電子放出素子として機能する微小電極が２次
元状に配列されているので、電子の偏向・収束が原則不
要となって薄型化・平板化等が容易に図れるからであ
る。

【０００３】このような微小電極に用いられる材料とし
てはダイヤモンドが近年注目されている。これは、ダイ
ヤモンドには電子親和力が負という電子放出素子として
非常に有利な性質があるからである。したがって、ダイ
ヤモンドを尖鋭化して微小電極に適用すれば、低電圧で
もって電子の放出が可能となる。

【０００４】尖鋭化したダイヤモンドの製造方法として
は、以下の方法が報告されている。例えば、特開平７−
９４０７７号公報では、部分的にマスクされているダイ
ヤモンド基板をエッチングすることにより、基板表面か
ら突出した尖鋭化ダイヤモンドが得られることが報告さ
れている。また、NEW DIAMOND,39,vol11,No.4,p.24〜p.
25(1995)によれば、Ｃｕ基板上に結晶粒界のない尖鋭化
した形状を有する孤立粒子ダイヤモンドが（１１１）面
に配向して得られることが報告されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電子放出素子においては、十分な電子放出を行うことが
できなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなさ
れたものであり、十分な電子放出を行うことが可能な電
子放出素子、その製造方法及び電子デバイスを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために、結晶粒界のない単結晶ダイヤモンド
にまず着目した。単結晶ダイヤモンドには様々な結晶形
態が存在する。図１（ａ）〜図１（ｅ）は、ダイヤモン
ド単結晶の様々形態のうち代表的なものを示した斜視図
である。図１（ａ）〜図１（ｅ）に明示されるように、
ダイヤモンド単結晶１〜５は結晶面で囲まれたところで
尖鋭化している。また、この場所では炭素原子が１つし
かなく、電子顕微鏡等による微視的な原子レベルで、尖
鋭化が極限に達している。特に、ダイヤモンド１，３，
５では、尖鋭化したところの曲率半径が非常に小さくな
っている。

【０００７】ところで、ダイヤモンドは立方晶系に属
し、図１（ａ）,図１（ｃ）及び図１（ｅ）の尖鋭化し
たところは、それぞれ結晶方位＜１１１＞方向、＜１１
０＞方向及び＜１００＞方向上に位置している。しか
も、これらの方向はそれぞれ面指数｛１１１｝面、｛１
１０｝面及び｛１００｝面に垂直である。ここで、結晶
方位とは、単位格子の共通点を通る３つの稜の座標軸で
ある結晶軸を基準にして面指数で表す結晶固有の方向を
いい、面指数とは、共通点から面が結晶軸と交わる点ま
での距離を結晶軸の単位長さで割った値の逆数をいう。

【０００８】したがって、このような単結晶ダイヤモン
ド１，３，５が、このような面指数を有する基材上の所
望の位置に、ホモエピタキシャル成長等により一体的に
形成されれば、基材に対して垂直上方に原子レベルで尖
鋭化して、上記問題が解決されることになる。そこで、
本発明者等はこの点を考慮して以下に述べる発明に至っ
たのである。

【０００９】すなわち、本発明の電子放出素子は、ダイ
ヤモンド基板と、電子放出可能な形状の先端部を有する
ようにダイヤモンド基板の表面上に成長させたダイヤモ
ンド突起とを有する。成長によって形成されたダイヤモ
ンド突起は非常に尖鋭な先端部を有するため、十分な電
子放出が可能である。

【００１０】また、ダイヤモンド基板の表面は｛１０
０｝面であり、ダイヤモンド突起は｛１１１｝面によっ
て囲まれていることが望ましい。ダイヤモンド基板の表
面は｛１１０｝面であり、ダイヤモンド突起は｛１１
１｝面及び｛１００｝面によって囲まれていてもよい。
ダイヤモンド基板の前記表面は｛１１１｝面であり、ダ
イヤモンド突起は｛１００｝面によって囲まれていても
よい。

【００１１】このようなダイヤモンド部材のダイヤモン
ド突起、すなわち突起部分はいずれも、ダイヤモンドの
結晶構造の対称性に支配された固有の結晶面で囲まれ
て、いわゆる自形が現れている。この場合、突起部分の
電気的及び機械的特性等は単結晶ダイヤモンド本来のも
のになっている。また、突起部分は原子レベルで尖鋭化
されるようになり、基材表面の面指数によって決まる形
状を有している。さらに、突起部分の表面はエネルギ的
にも非常に安定している。かくして、品質の揃ったダイ
ヤモンド部材が容易に得られるようになる。

【００１２】しかしながら、前述したように、ダイヤモ
ンドは負の電子親和力を有し、電子放出の特性が優れた
材質であるため、その突起先端が完全には尖っていない
状態、すなわち、先端に微小面積の平面や稜線を残した
状態にすることで、放出電子の電流を増やす効果も期待
できる。すなわち、十分な電子放出可能なダイヤモンド
突起の形状としては以下のものが列挙される。

【００１３】まず、ダイヤモンド突起は、先端部が露出
した四角錘部を有することが望ましい。特に、｛１０
０｝ダイヤモンド基板を用いた場合には、四角錘部の裾
側に四角錘台部が広がっている。詳説すれば、このダイ
ヤモンド突起は、その上面が四角錘部の底面に、その底
面が前記ダイヤモンド基板の表面に連続した四角錘台部
を有し、四角錘台部の側稜線とダイヤモンド基板の表面
のなす角度は、四角錘部の側稜線とダイヤモンド基板の
表面のなす角度よりも小さい。

【００１４】また、ダイヤモンド突起は上面が露出した
四角錘台部を有することとしてもよい。

【００１５】さらに、ダイヤモンド突起は、基板表面と
平行な第１稜線と、第１稜線の一端から表面に向かって
広がるように延びた第２及び第３稜線と、第１稜線の他
端から表面に向かって広がるように延びた第４及び第５
稜線と、によって囲まれる形状を有することとしてもよ
い。

【００１６】ダイヤモンド基板がダイヤモンド突起と格
子整合するように、ダイヤモンド基板は単結晶ダイヤモ
ンドであることが望ましい。これにより、突起に結晶欠
陥が導入されにくくなり、品質の低下が抑制されるから
である。なお、ダイヤモンド基板としては多結晶ダイヤ
モンドを用いることもできる。

【００１７】また、本発明の電子放出素子の製造方法
は、（ａ）ダイヤモンド基板を用意する工程と、（ｂ）
ダイヤモンドの表面上にダイヤモンドによって隆起部分
を形成する工程と、（ｃ）隆起部分を核にして、隆起部
分にダイヤモンドを気相合成によりエピタキシャル成長
させてダイヤモンド突起を形成する工程と、を備える。

【００１８】このように、結晶成長の核を隆起部分とし
て意図的に基材上に設けた結果、突起部分を基材の表面
に一体的に形成する位置を一意的に決めることができる
ので、かかるダイヤモンド部材からなる電子放出素子を
容易に製造することができる。

【００１９】突起部分のダイヤモンドを表面上で好適に
エピタキシャル成長させるため、表面を｛１００｝面、
｛１１０｝面及び｛１１１｝面からなる群から選ばれた
ものとするのがよい。

【００２０】また、隆起部分のダイヤモンドを基材と格
子整合させて、結晶欠陥の導入を抑制するために、基材
を単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドとするの
がより好適である。これにより、隆起部分に形成される
突起部分に結晶欠陥を伝搬させることなく、ダイヤモン
ド部材の品質低下を防止することができる。

【００２１】また、表面が｛１００｝面である場合は、
成長速度の比を√３以上とするのが望ましい。表面が
｛１１１｝面である場合には、成長速度の比を１／√３
以下とするのが望ましい。さらに、表面が｛１１０｝面
である場合には、成長速度の比を（√３）／２とするの
が望ましい。

【００２２】このように、基材表面の有する面指数に応
じて、隆起部分にエピタキシャル成長させるダイヤモン
ドの＜１１１＞方向の成長速度に対する＜１００＞方向
の成長速度の比を変えることにより、突起部分の尖鋭化
を好適に行うことができるようになる。なお、この値の
根拠は、ダイヤモンドの結晶構造が立方晶系に属し、
｛１００｝面の面間隔に対する｛１１１｝面の面間隔の
比が√３であることに基づいている。

【００２３】また、上記工程（ｂ）は、ダイヤモンド基
板の表面の前記隆起部分を形成すべき部分上にマスクを
形成する工程と、ダイヤモンド基板の表面の前記マスク
を形成しない部分をエッチングする工程と、エッチング
後に前記マスクを取り除く工程とを有することが好まし
い。これにより、隆起部分を基材表面の所望の位置に形
成することができる。

【００２４】また、上記工程（ｂ）は、ダイヤモンド基
板の表面の隆起部分を形成すべきところのみを露出させ
るようにマスクを形成する工程と、ダイヤモンド基板の
表面の隆起部分を形成すべきところに、気相合成により
ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる工程と、エピ
タキシャル成長後にマスクを取り除く工程と、を有する
こととしてもよい。

【００２５】隆起部分の高さについては高すぎると、側
面から異常成長が生じるおそれがある。また、隆起部分
の直径が大きすぎると、突起部分の先鋭化に非常に長い
時間が必要とされる。このため、例えば表面が｛１１
０｝の場合は、突起部分に｛１１０｝面の自形が現れな
いので、基材表面が荒れるいう問題が生じる。そこで、
隆起部分を、１〜１００μｍの高さと０．５〜１０μｍ
の直径とを有する略円柱の形状とするのが望ましい。隆
起部分をこのような大きさにすることにより、異常成長
が発生じることなく、突起部分の先鋭化のための時間の
低減を図ることができるので、突起部分を好適に尖鋭化
することができる。特に、隆起部分を２〜１０μｍの高
さと０．５〜１０μｍの直径とを有する略円柱の形状に
すれば、突起部分の尖鋭化をより顕著にすることがで
き、後述する電子デバイスにも有効に適用できる。

【００２６】換言すれば、前記マスクは隆起部分を内部
に形成すべき開口を有し、開口の直径は前記隆起部分の
直径が０．５〜１０μｍとなるように設定されることが
好ましい。そして、上記エッチング又は上記エピタキシ
ャル成長は隆起部分の高さが好ましくは１〜１００μ
ｍ、更に好ましくは２〜１０μｍになるまで行うことが
好ましい。

【００２７】また、本発明の電子デバイスは、上記電子
放出素子が内部に配置される真空容器と、前記真空容器
内に配置され前記電子放出素子との間に電圧が印加され
る電子引き出し用電極と、を備えることを特徴とする電
子デバイス。

【００２８】ダイヤモンド部材からなる電子放出素子の
ダイヤモンド突起には、上述したように、自形が現れて
原子レベルで尖鋭化がされている。このような突起部分
は、電界放出に非常に有利な形状を有している。また、
突起部分は基材と一体的に形成されて、両者の間には接
触抵抗等発生の原因となる界面が存在しない。したがっ
て、突起部分から電子を引き出すために制御電極に印加
される電圧が低減されるようになる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同
一又は相当部分には同一符号を付すこととする。

【００３０】図２は、ダイヤモンド部材１０の一部（基
本単位部分）の斜視図である。図示のダイヤモンド部材
１０は、表面が結晶性の高いＩｂ型の単結晶ダイヤモン
ドの｛１００｝面になっている基材又は基板１１と、基
材１１表面に結晶粒界のないダイヤモンドによって一体
的に形成された突起部分、すなわちダイヤモンド突起１
２とを備えている。

【００３１】ダイヤモンドは立方晶系に属している。こ
のため、表面がダイヤモンドの｛１００｝面である基材
１１に一体的に形成された突起部分１２は、ダイヤモン
ドの｛１１１｝面によって囲まれた結晶形態を有するこ
とになる。この場合、突起部分１２は、結晶方位＜１０
０＞方向上で尖鋭化している。この＜１００＞方向は、
ダイヤモンド｛１００｝面に対して垂直である。したが
って、この突起部分１２は基材１１表面に対して垂直に
尖鋭化して、一体的に形成されるようになる。

【００３２】突起部分１２の最先端部では理想的には炭
素原子が１つしかない。このため、電子顕微鏡等による
微視的な原子レベルでは尖鋭化が極限に達していると共
に、曲率半径も小さい。

【００３３】また、突起部分１２は、ダイヤモンドの結
晶構造の対称性に支配された固有の結晶面によって囲ま
れ、いわゆる自形が現れている。この場合、突起部分１
２の電気的及び機械的特性等は、単結晶ダイヤモンド本
来のものになっている。しかも、突起部分１２の表面は
エネルギ的にも非常に安定している。したがって、品質
の揃ったダイヤモンド部材１０が容易に得られるように
なる。

【００３４】特に、本実施形態では、基材がＩｂ型の単
結晶ダイヤモンドからなるので、このような基材と突起
部分との界面で両者が格子整合し、突起部分に結晶欠陥
が導入されにくい。その結果、ダイヤモンド部材は優れ
た品質を有するようになる。

【００３５】ただし、基材はＩｂ型の単結晶ダイヤモン
ドからなるものに限定されない。基材が天然型のダイヤ
モンド単結晶からなるものであっても、高い結晶性を有
しているので、Ｉｂ型の単結晶ダイヤモンド同様の作用
効果が生じるようになる。また、結晶性は劣るものの経
済性を考慮して、Ｃｕ、ｃ−ＢＮ等の基板上にヘテロエ
ピタキシャル成長して得られた単結晶ダイヤモンド膜
や、結晶面の配向性の高い多結晶ダイヤモンド膜を基材
としても、有用な突起部分は形成されうる。

【００３６】つぎに、本発明のダイヤモンド部材の製造
方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｅ）は、図
２の基本単位部分が２次元状に配列されたダイヤモンド
部材２０を製造する工程の一部を示す斜視図である。

【００３７】まず、表面が｛１００｝面のＩｂ型の単結
晶ダイヤモンドからなる基材２１を用意する（図３
（ａ））。つぎに、基材２１上にレジスト層２２を形成
し、その上に所望のパターン、例えばピッチ幅が１〜５
００μｍの２次元状のドット状パターンを形成するため
のフォトマスク２３を配置する。その後、フォトリソグ
ラフィ技術によりレジスト層２２に上述したパターンを
形成する（図３（ｂ））。そして、エッチング技術によ
りレジスト層２２のパターンに対応したマスク層２４を
形成する（図３（ｃ））。

【００３８】つぎに、この基材２１を反応性イオンエッ
チング(Reactive Ion Etching:RIE)法によりドライエッ
チングし（図３（ｄ））、円柱状の隆起部分２５を基材
２１上に一体的に形成する。ダイヤモンド部材２０の突
起部分２６が尖鋭化して形成されるよう、隆起部分２５
を１〜１００μｍの高さと０．５〜１０μｍの直径とを
有する略円柱の形状にするのが好適である。

【００３９】すなわち、マスクに形成された開口の直径
は０．５〜１０μｍよりも若干大きく、隆起部分２５の
高さが１〜１００μｍになるまでエッチングを行う。隆
起部分２５の高さについては高すぎると、側面から異常
成長が生じるおそれがあり、また、隆起部分２５の直径
が大きすぎると、突起部分２６の先鋭化に非常に長い時
間が必要とされるからである。例えば、表面が｛１１
０｝の場合は、突起部分２６に｛１１０｝面の自形が現
れないので、側面から異常成長が生じて基材が荒れるい
う問題が生じる。隆起部分２５をこのような大きさにす
ることにより、異常成長が発生じることなく、突起部分
２６の先鋭化のための時間の低減を図ることができるの
で、突起部分２６を好適に尖鋭化することができる。特
に、隆起部分２５を２〜１０μｍの高さと０．５〜１０
μｍの直径とを有する略円柱の形状にすれば、突起部分
２６の尖鋭化を顕著にすることができ、後述する電子デ
バイスにも有効に適用できる。すなわち、マスクに形成
された開口の直径は０．５〜１０μｍよりも若干大き
く、隆起部分２５の高さが２〜１０μｍになるまでエッ
チングを行う。

【００４０】ここで、ＲＩＥ法を用いたのは、隆起部分
が容易に形成可能であるだけでなく、隆起部分以外の部
分を平滑にエッチングするためである。これは、マスク
層２４に対して垂直に掘りやすいという利点があるから
である。このため、基材の隆起部分とそれ以外の部分と
の差が明確に現れるようにしている。なお、ＲＩＥ法で
用いられる反応性ガスは、Ｏ₂をのみ、又は、ＣＦ₄及び
Ｏ₂を少なくとも含む混合ガスとするのが好適である。
また、混合ガスの体積比はエッチング速度と基材表面の
平滑度を考慮して決定されるが、Ｏ₂の体積分率に対す
るＣＦ₄の体積分率の比を０より大きく０．５以下にす
れば、比較的所望の基材表面を得ることができる。

【００４１】つぎに、この基材２１上の隆起部分２５を
ダイヤモンドの気相成長の核としてマイクロ波ＣＶＤ法
によりダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。

【００４２】図４は、このマイクロ波ＣＶＤ法を行うた
めのマイクロ波ＣＶＤ装置３０の概要を示す図である。
マイクロ波ＣＶＤ装置３０の反応室３１は、マイクロ波
を通すために石英管からなっている。また、反応室３１
と交差するように導波管３２が設けられている。導波管
３２の一端側には、マグネトロンの発振によりマイクロ
波を発生させるマイクロ波電源３３とマイクロ波を一方
向のみに通す図示されないアイソレータとからなるマイ
クロ波発生部が設けられている。マイクロ波発生部と反
応室３１との間には３本柱整合器３４が設けられ、ま
た、導波管３２の他端側には短絡プランジャ整合器３５
が設けられており、マイクロ波の反射電力が最小になる
よう、インピーダンスが調整されている。反応室３１と
導波管３２とが交差する位置には基板ホルダ３６が設け
られ、基材ホルダ３６上に基材１１が設置されるように
なっている。反応室３１の上部には反応ガスを供給する
ための供給口３７が設けられ、反応室３１の下部には反
応室２１内をロータリポンプ等で真空排気するための排
気口３８が設けられている。

【００４３】このようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用
い、成長核の隆起部分２５が形成された基材２１上にダ
イヤモンドをエピタキシャル成長させるために、まず、
基材２１を基材ホルダ３６に設置する。つぎに、ロータ
リポンプで反応室３１を所定圧力まで真空排気する。そ
の後、供給口３７から原料ガスを適当な流速でもって導
入し、反応室３１内を所要の圧力に保持する。なお、突
起部分２６の電界放出特性を向上させるために、原料ガ
スには窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）等のＶ族元素を含むガス
が含まれているのが好適である。

【００４４】つぎに、マイクロ波電源３３を投入し反応
室３１内にマイクロ波を導入して原料ガスを励起し、図
４の点線の円で示されるプラズマを発生させる。この
際、マイクロ波電源３３への投入電力を適宜調整し、基
材２１の温度を所定の値にする。なお、基材２１の温度
は反応室３１上方からパイロメータ（図示せず）により
測定する。このような状態で所要時間結晶成長を行う
と、ダイヤモンドの＜１１１＞方向の成長速度に対する
＜１００＞方向の成長速度の比が√３以上になって、図
３（ｅ）に示されるように、ダイヤモンドの｛１１１｝
面によって囲まれた結晶形態を有する突起部分２６を、
隆起部分２５の位置に形成することができる。

【００４５】このように、結晶成長の核を隆起部分２５
として意図的に基材２１上に設けた結果、突起部分２６
を基材２１の表面に一体的に形成する位置を一意的に決
めることができるので、かかるダイヤモンド部材２０を
容易に製造することができる。

【００４６】なお、成長速度の比が√３より小さい場合
は、突起部分の尖鋭化が実現されない傾向にある。ま
た、成長速度の比が√３という値は、１つの炭素原子か
ら結晶成長が進む場合を想定したものである。したがっ
て、多数の炭素原子からなる基材表面から結晶成長が進
む場合、基材の表面状態によっては、いつまでもダイヤ
モンドが尖鋭化せず、基板表面の形状が維持されたまま
ダイヤモンドが結晶成長することがある。そこで、成長
速度の比を√３以上とした。

【００４７】以上のように、本発明のダイヤモンド部材
の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに
限定されるものではない。

【００４８】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明のダ
イヤモンド部材の他の実施形態を示す斜視図である。図
５（ａ）に明示されるダイヤモンド部材１０ａは、上記
実施形態のダイヤモンド部材１０と異なり、表面がダイ
ヤモンドの｛１１０｝面になっている基材又は基板１１
ａを備えている。また、表面に自形が現れている突起部
分１２ａも、｛１１１｝面によって囲まれた結晶形態を
有する突起部分１２と異なり、ダイヤモンドの｛１１
１｝面及び｛１００｝面によって囲まれた結晶形態を有
している。この場合、突起部分１２ａは、結晶方位＜１
１０＞方向上で尖鋭化している。この＜１１０＞方向
は、ダイヤモンド｛１１０｝面に対して垂直である。し
たがって、この突起部分１２ａは、上記実施形態の突起
部分１２と同様、基材１１表面に対して垂直に尖鋭化し
て、一体的に形成されるようになる。

【００４９】また、図５（ａ）のダイヤモンド部材１０
ａの製造方法は、上述したダイヤモンド部材２０の製造
方法と実質的に同じであるが、用意する基材１１ａの表
面がダイヤモンドの｛１１０｝面になっている点で、上
述の方法と異なっている。さらに、隆起部分にダイヤモ
ンドをエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガスの
組成及び基材１１ａの温度等も、上述したダイヤモンド
部材２０の製造方法を実施するための原料ガスの組成及
び基材２１の温度等と異なっている。これは、ダイヤモ
ンド部材１０ａの突起部分１２ａを形成するときに、ダ
イヤモンドの＜１１１＞方向の成長速度に対する＜１０
０＞方向の成長速度の比を（√３）／２として、所望の
ダイヤモンド部材を得るためである。

【００５０】図５（ｂ）に明示されるダイヤモンド部材
１０ｂは、図２又は図５（ａ）のダイヤモンド部材１
０，１０ａと異なり、表面がダイヤモンドの｛１１１｝
面になっている基材１０ｂを備えている。また、表面に
自形が現れている突起部分１２ｂも、｛１１１｝面、又
は、｛１１１｝面及び｛１００｝によって囲まれた結晶
形態を有する図２又は図５（ａ）の突起部分１２，１２
ａと異なり、ダイヤモンドの｛１００｝面によって囲ま
れた結晶形態を有している。この場合、突起部分１２ｂ
は、結晶方位＜１１１＞方向上で尖鋭化している。この
＜１１１＞方向は、ダイヤモンド｛１１１｝面に対して
垂直である。したがって、この突起部分１２ｂは、上述
した突起部分１２，１２ａと同様、基材１１ｂ表面に対
して垂直に尖鋭化して、一体的に形成されるようにな
る。

【００５１】図５（ｂ）のダイヤモンド部材１０ｂの製
造方法も、上述したダイヤモンド部材２０，１０ａの製
造方法と実質的に同じであるが、用意する基材１１ｂの
表面がダイヤモンドの｛１１１｝面になっている点で、
上述の方法と異なっている。さらに、隆起部分にダイヤ
モンドをエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガス
の組成及び基材１１ｂの温度等も、上述したダイヤモン
ド部材２０，１０ａの製造方法を実施するための原料ガ
スの組成及び基材２１，１１ａの温度等と異なってい
る。これは、ダイヤモンド部材１０ｂの突起部分１２ｂ
を形成するときに、ダイヤモンドの＜１１１＞方向の成
長速度に対する＜１００＞方向の成長速度の比を１／√
３以下として、所望のダイヤモンド部材を得るためであ
る。

【００５２】なお、成長速度の比が１／√３より大きい
場合は、突起部分の尖鋭化が実現されない傾向にある。
また、成長速度の比が１／√３という値は、１つの炭素
原子から結晶成長が進む場合を想定したものである。し
たがって、多数の炭素原子からなる基材表面から結晶成
長が進む場合、基材の表面状態によっては、いつまでも
ダイヤモンドが尖鋭化せず、基板表面の形状が維持され
たままダイヤモンドが結晶成長することがある。そこ
で、成長速度の比を１／√３以下とした。

【００５３】図６は、上記図２、図５（ａ）及び図５
（ｂ）に示したダイヤモンド部材の製造を途中で中止す
ることによって得られるダイヤモンド部材の斜視図であ
る。このダイヤモンド部材は、ダイヤモンド基板１１，
１１ａ，１１ｂ上に先端部が露出した四角錘部１２，１
２ａ，１２ｂを有する。このようなダイヤモンド部材
も、良好な電子放出素子として機能することができる。

【００５４】図７は、上記図２及び図５（ａ）に示した
ダイヤモンド部材の製造時における隆起部分２５形成時
に、隆起部分２５の形状を円柱から多少歪ませた形状、
例えば楕円柱とすることによって得られるダイヤモンド
部材の斜視図である。このダイヤモンド部材のダイヤモ
ンド突起１２，１２ａは、基板１１，１１ａの表面と平
行な第１稜線Ｒ１と、第１稜線Ｒ１の一端から基板表面
に向かって広がるように延びた第２及び第３稜線Ｒ２，
Ｒ３と、第１稜線Ｒ１の他端から基板表面に向かって広
がるように延びた第４及び第５稜線Ｒ４，Ｒ５とによっ
て囲まれる形状を有する。このようなダイヤモンド部材
も、良好な電子放出素子として機能することができる。

【００５５】なお、（１００）ダイヤモンド基板の表面
上にダイヤモンド突起を成長させた場合には、その形状
は図２に示したように略四角錘であるが、実際には正確
な四角錘ではない。

【００５６】図８は、実際のダイヤモンド突起１２の形
状を示す斜視図である。このダイヤモンド突起１２は先
端部が露出した四角錘部１２Ｕと、その上面が四角錘部
１２Ｕの底面に、その底面がダイヤモンド基板１１の表
面に連続した四角錘台部１２Ｌとを有する。四角錘台部
１２Ｌの側稜線１２Ｒ_Lとダイヤモンド基板１１の表面
のなす角度Ａは、四角錘部１２Ｕの側稜線１２Ｒ_Uとダ
イヤモンド基板１１の表面のなす角度Ｂよりも小さい。
詳説すれば、四角錘台部１２Ｌの底面を構成する四角形
の１つの対角線ＤＬと、対角線ＤＬと交差する四角錘台
部１２Ｌの側稜線１２Ｒ_Lとのなす角度をＡとし、対角
線ＤＬと、側稜線１２Ｒ_Lに一端が連続する四角錘部１
２Ｕの側稜線１２Ｒ_Uとのなす角度をＢとすれば、角度
Ａ及び角度Ｂは共に鋭角であり、角度Ａは角度Ｂよりも
小さい。

【００５７】また、本発明のダイヤモンド部材の製造方
法も上記実施形態に限定されるものではない。例えば、
隆起部分を基材上に形成する方法は上記に限定されず、
図９（ａ）〜図９（ｄ）に示される方法に従ってもよ
い。まず、所定の基材２１を用意する（図９（ａ））。
つぎに、基材２１上に所望のパターンが形成されたマス
ク２７を配置した後、隆起部分２５を作りたい部分以外
のところに金属を蒸着してマスク層２８を形成する（図
９（ｂ））。つぎに、マスク２７を取り除いて基材２１
上にダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、隆起部分
２５を形成する（図９（ｃ））。ここで、上述の理由か
ら、マスク２７に形成された開口の直径は０．５〜１０
μｍよりも若干大きく、エッチングは隆起部分２５の高
さが１〜１００μｍ、好ましくは２〜１０μｍになるま
で行う。その後、基材２１を酸性溶液で洗浄してマスク
層２８を除去することにより、基材２１上には隆起部分
２５だけを形成する（図９（ｄ））。なお、この場合、
ＲＩＥ法によるエッチングを行わないので、基材２１表
面を予め研磨処理して平滑度を高めるのが望ましい。

【００５８】つぎに、実施の形態に係る電子デバイスに
ついて説明する。

【００５９】図１０は、本発明が適用される電子デバイ
ス４０の概略断面図である。図示の電子デバイス４０は
電界放出素子として機能するためのものであって、本発
明に従って構成されたダイヤモンド部材１０からなる電
界放出型電子放出素子４１と、制御電極４２とからなっ
ている。電界放出型電子放出素子４１は真空容器４３内
下部に設けられた絶縁性の基台４４を介して配置されて
いる。真空容器４３内上部には、制御電極４２が電界放
出型電子放出素子４１と離隔対向して配置されている。

【００６０】以上のような構成において、制御電極４２
は電界放出型電子放出素子４１に対して所定の正の電圧
とされている。これにより、電界放出型電子放出素子４
１を構成しているダイヤモンド部材１０の突起部分１２
が微小電極として機能し、突起部分１２から電子
（ｅ^-）が引き出されるようになる。各微小電極の電界
放出電流は、Fowler-Nordheimの式に従って電界強度に
対しては指数関数的に変化する。このため、小さい曲
率半径を有する突起部分１２は電界放出にとても有利な
形状である。また、基材１１と突起部分１２とが一体的
となっているので、基材１１と突起部分１２との間には
界面が形成されず、接触抵抗等による電界放出特性に望
ましくない影響を与えるおそれがなくなる。

【００６１】したがって、電界放出型電子放出素子４１
と制御電極４２との間に電圧が印加された場合、その値
が低くても従来よりも多くの電子が放出され、省電力型
の電子デバイスの実現が可能となる。

【００６２】図１１は、電子放出素子２０を備えたディ
スプレイを示す。このディスプレイは、電子放出素子２
０が内部に配置される真空容器ＶＥと、真空容器ＶＥ内
に配置され電子放出素子２０との間に電圧が印加される
電子引き出し用電極ＥＬと、を備えている。電子放出素
子２０の各突起２６に対向する位置には電子引き出し用
電極ＥＬが配置されており、電極ＥＬ上には電子の入射
に応じて発光する蛍光体ＰＥが配置されている。個々の
蛍光体ＰＥの領域毎に着色樹脂からなる３原色カラーフ
ィルタＲ、Ｇ、Ｂが設けられており、各カラーフィルタ
Ｒ、Ｇ、Ｂ間はブラックマスクＢＭによって隔離されて
いる。突起２６の表面領域２６’にはＡｓ、Ｂ、Ｎ、Ｐ
などの不純物がドープされている。電子放出素子の特定
のダイヤモンド突起２６と、電極ＥＬとの間に電圧を印
加すると、この突起２６から電子が放出され、蛍光体Ｐ
Ｅ上に照射される。蛍光体ＰＥが電子の入射に応じて発
光すると、発光した光は対応するいずれかのカラーフィ
ルタＲ、Ｇ、Ｂを通過する。電子放出される電極ＥＬを
切り替えれば、個々のカラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂからの
光を独立に制御することができ、これらのカラーフィル
タＲ、Ｇ、Ｂは画素を構成する。

【００６３】図１２は、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）装置を示す。電子放出素子２０と引き出し電極Ｅ
Ｌ’との間には数十ｋＶの電圧が印加されており、放出
電子の軌道は電磁石ＭＧで調整されて試料ＳＭ上に照射
される。試料ＳＭの表面で反射された電子線は蛍光板Ｐ
Ｌ’上に照射され、蛍光板ＰＬ’上には回折像が表示さ
れる。これらの電子放出素子２０、引き出し電極Ｅ
Ｌ’、試料ＳＭ及び蛍光板ＰＬ’は真空容器ＶＥ’であ
る鏡筒内に配置されており、真空容器ＶＥ’内はポンプ
ＰＭによって排気されている。

【００６４】

【実施例】

（実施例１）上記電子放出素子を製造した。表面が｛１
００｝面であるＩｂ型の単結晶ダイヤモンドからなる基
材を高温高圧合成により予め作製して用意した。そし
て、基材上にレジスト層を形成してその上にフォトマス
クを配置した後、フォトリソグラフィ技術によりレジス
ト層に所定のパターンを形成した。その後、エッチング
技術によりレジスト層のパターンに対応したマスク層を
形成した。なお、本実施例ではこの方法により、ピッチ
幅が２８μｍの正方格子状で、直径が約８μｍの円板状
の複数のマスク層を形成した。

【００６５】つぎに、この基材を反応性イオンエッチン
グ法によりドライエッチングした。その際、反応性ガス
としてモル分率が２０％のＣＦ₄及び８０％のＯ₂からな
る混合ガスを用い、高さが３〜４μｍで直径が３μｍの
円柱状の隆起部分を基材上に一体的に形成し、その後マ
スク層を除去した。図１３は１つの隆起部分の電子顕微
鏡写真を示す。

【００６６】つぎに、マイクロ波ＣＶＤ装置の基材ホル
ダに基材を設置し、ロータリポンプで反応室を所定圧力
まで真空排気した。その後、供給口から原料ガスとし
て、メタンガスと水素とからなり、モル比［メタン］／
［水素］が６〜７％である混合ガスを２１３sccmでもっ
て導入し、反応室内の圧力を約１４０Torrに保持した。
そして、マイクロ波電源を投入し反応室内にマイクロ波
を導入して原料ガスを励起し、プラズマを発生させた。
この際、マイクロ波電源への投入電力を適宜調整し、基
材温度を９４０〜９６０℃となるようにした。このよう
な状態で約１時間結晶成長を行ったところ、｛１１１｝
面によって囲まれた結晶形態を有する突起部分が基材上
に一体的に形成された。したがって、この結果から、か
かる実験条件での＜１１１＞方向に対する＜１００＞方
向の成長速度の比が、√３若しくはそれより大きいと確
認され、所望のダイヤモンド部材を得ることができた。

【００６７】（実施例２）基材として、表面が｛１１
０｝面であるＩｂ型の単結晶ダイヤモンドを用意した。
この単結晶ダイヤモンドは実施例１と同様に高温高圧合
成により作製されたものである。そして、実施例１と同
様の方法で円柱状の隆起部分を基材上に形成した後、実
施例１と同じマイクロ波ＣＶＤ装置を用いてダイヤモン
ドを基材上にエピタキシャル成長させた。このとき、原
料ガスとして、メタンと水素からなり、モル比［メタ
ン］／［水素］が０．０３である混合ガスを２０６sccm
でもって供給し、反応室内の圧力を約１４０Torrに保持
した。さらに、基材温度を１０４０〜１０６０℃となる
ようにした。この状態で約１時間結晶成長を行ったとこ
ろ、｛１１１｝面及び｛１００｝面によって囲まれた結
晶形態を有する突起部分を基材上に一体的に形成した。
したがって、この結果から、かかる実験条件での＜１１
１＞方向に対する＜１００＞方向の成長速度の比が、
（√３）／２(=0.87)であると確認され、所望のダイヤ
モンド部材を得ることができた。

【００６８】（実施例３）実施例３では、実施例１の結
晶成長工程において、原料ガスとして、メタンガスと水
素とからなり、モル比［メタン］／［水素］が１０％で
ある混合ガスを１１０sccmでもって導入し、反応室内の
圧力を約１４０Torrとし、基板温度１０００℃、結晶成
長時間を１時間とし、他の条件は実施例１と同じとし
た。図１４は、形成されたダイヤモンド突起の電子顕微
鏡写真を示す。同図には複数のダイヤモンド突起が示さ
れている。図１５は、このような方法によって形成され
たダイヤモンド突起の先端部の電子顕微鏡写真である。
本方法によるダイヤモンド突起の先端部の曲率半径は数
ｎｍのオーダであり、エッチングによって形成されたダ
イヤモンド突起の曲率半径よりも極めて小さい。

【００６９】（実施例４）実施例４では、実施例３の結
晶成長工程において、結晶成長時間を５０分間とし、他
の条件は実施例３と同じとした。図１６は、このような
方法によって形成されたダイヤモンド突起の先端部の電
子顕微鏡写真であり、先端部が平坦となっている。

【００７０】（実施例５）実施例５では、実施例３の結
晶成長工程において、結晶成長時間を４０分間とし、他
の条件は実施例３と同じとした。図１７は、このような
方法によって形成されたダイヤモンド突起の先端部の電
子顕微鏡写真であり、先端部に稜線が残っている。な
お、同一の結晶成長時間においても、隆起部分の大きさ
のバラツキによって図１４に示したような形状のダイヤ
モンド突起が得られる場合もある。

【００７１】（実施例６）実施例６では、実施例２の結
晶成長工程において、表面が｛１１０｝面であるＩｂ型
の単結晶ダイヤモンドからなる基材をエッチングするこ
とにより隆起部分を形成し、その結晶成長工程におい
て、原料ガスとして、メタンガスと水素とからなり、モ
ル比［メタン］／［水素］が３％である混合ガスを２０
６sccmでもって導入し、反応室内の圧力を約１４０Torr
とし、基板温度１０５０℃、結晶成長時間を１時間と
し、他の条件は実施例３と同じとした。図１８は、この
ような方法によって形成されたダイヤモンド突起の先端
部の電子顕微鏡写真であり、先端部に稜線が残ってい
る。

【００７２】以上、好適な実施形態及び実施例に従って
本発明のダイヤモンド部材の製造方法を説明したが、本
発明はこれらに限定されるものではない。図５（ｂ）に
示されるようなダイヤモンド部材も、原料ガスの組成や
流量、反応室内圧力及び基材の温度等を適当に定めるこ
とにより得られうる。

【００７３】

【発明の効果】本発明のダイヤモンド部材によれば、表
面に自形が現れた突起部分が基材上の所定位置に一体的
に形成されている。この場合、突起部分は原子レベルで
尖鋭化し、ダイヤモンド単結晶本来の種々の特性を有し
ている。また、突起部分の表面はエネルギ的に安定して
いる。したがって、品質の揃ったダイヤモンド部材が容
易に得られるようになる。

【００７４】また、本発明のダイヤモンドの製造方法に
よれば、結晶成長の核を隆起部分として意図的に基材上
に設けた結果、突起部分を基材の表面に一体的に形成す
る位置を、一意的に決めることができる。このため、か
かるダイヤモンド部材を容易に製造することができる。

【００７５】また、原子レベルで尖鋭化した突起部分が
電界放出に非常に有利であることに着目した本発明の電
子デバイスは、ＦＥＤといった表示デバイスへの適用が
期待され、省電力化が図れるようになる。

【００７６】ただし、本発明の電子デバイスはＦＥＤに
だけに適用されるとは限らない。例えば、走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）や電子回折用の電子銃、電界放射顕微鏡
（ＦＥＭ）用の電子源、整流素子、電流増幅素子、電圧
増幅素子、電力増幅素子高周波スイッチ又はセンサ等に
も適用可能である。また、本発明のダイヤモンド部材は
上述した電子デバイスにだけ適用されるとは限らない。
その形状及び機械的及び光学的特性の観点から、滑り防
止用のスパイクや装飾品への適用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダイヤモンドの結晶形態の斜視図である。

【図２】本発明のダイヤモンド部材の一実施形態を示し
た斜視図である。

【図３】本発明のダイヤモンド部材を製造する工程の一
部を示す斜視図である。

【図４】マイクロ波ＣＶＤ装置の断面図である。

【図５】本発明のダイヤモンド部材の他の実施形態を示
した斜視図である。

【図６】本発明のダイヤモンド部材の他の実施形態を示
した斜視図である。

【図７】本発明のダイヤモンド部材の他の実施形態を示
した斜視図である。

【図８】本発明のダイヤモンド部材を詳細に示した斜視
図である。

【図９】ダイヤモンド部材を製造する他の方法の一部を
示す断面図である。

【図１０】本発明の電子デバイスの一実施形態を概略的
に示した断面図である。

【図１１】ディスプレイの構成を示す断面図である。

【図１２】反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）装置の断
面図である。

【図１３】隆起部分の電子顕微鏡写真である。

【図１４】ダイヤモンド突起の電子顕微鏡写真である。

【図１５】ダイヤモンド突起の先端部電子顕微鏡写真で
ある。

【図１６】ダイヤモンド突起の電子顕微鏡写真である。

【図１７】ダイヤモンド突起の電子顕微鏡写真である。

【図１８】ダイヤモンド突起の電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１０，１０ａ，１０ｂ…電子放出素子、１１，１１ａ，
１１ｂ…基板、１２，１２ａ，１２ｂ…突起部分、１６
…隆起部分、２０…マイクロ波ＣＶＤ装置、３０…電子
デバイス、３１…電界放出型電子放出素子、３２…制御
電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者熊澤佳明兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者今井貴浩兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンド基板と、電子放出可能な形
状の先端部を有するように前記ダイヤモンド基板の表面
上に成長させたダイヤモンド突起とを有することを特徴
とする電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項２】前記ダイヤモンド基板の前記表面は｛１
００｝面であり、前記ダイヤモンド突起は｛１１１｝面
によって囲まれていることを特徴とする請求項１に記載
の電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項３】前記ダイヤモンド基板の前記表面は｛１
１０｝面であり、前記ダイヤモンド突起は｛１１１｝面
及び｛１００｝面によって囲まれていることを特徴とす
る請求項１に記載の電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項４】前記ダイヤモンド基板の前記表面は｛１
１１｝面であり、前記ダイヤモンド突起は｛１００｝面
によって囲まれていることを特徴とする請求項１に記載
の電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項５】前記ダイヤモンド突起は先端部が露出し
た四角錘部を有することを特徴とする請求項１に記載の
電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項６】前記ダイヤモンド突起は、その上面が前
記四角錘部の底面に、その底面が前記ダイヤモンド基板
の前記表面に連続した四角錘台部を有し、前記四角錘台
部の側稜線と前記ダイヤモンド基板の前記表面のなす角
度は、前記四角錘部の側稜線と前記ダイヤモンド基板の
前記表面のなす角度よりも小さいことを特徴とする請求
項５に記載の電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項７】前記ダイヤモンド突起は上面が露出した
四角錘台部を有することを特徴とする請求項１に記載の
電子放出素子用ダイヤモンド部材。
【請求項８】前記ダイヤモンド突起は、前記表面と平
行な第１稜線と、前記第１稜線の一端から前記表面に向
かって広がるように延びた第２及び第３稜線と、前記第
１稜線の他端から前記表面に向かって広がるように延び
た第４及び第５稜線と、によって囲まれる形状を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子用ダイ
ヤモンド部材。
【請求項９】請求項１に記載の電子放出素子用ダイヤ
モンド部材の製造方法において、（ａ）前記ダイヤモン
ド基板を用意する工程と、（ｂ）前記ダイヤモンドの表
面上にダイヤモンドによって隆起部分を形成する工程
と、（ｃ）前記隆起部分を核にして、前記隆起部分にダ
イヤモンドを気相合成によりエピタキシャル成長させて
前記ダイヤモンド突起を形成する工程と、を備えること
を特徴とする電子放出素子用ダイヤモンド部材の製造方
法。
【請求項１０】前記工程（ｂ）は、前記ダイヤモンド基板の表面の前記隆起部分を形成すべ
き部分上にマスクを形成する工程と、前記ダイヤモンド基板の表面の前記マスクを形成しない
部分をエッチングする工程と、前記エッチング後に前記マスクを取り除く工程と、を有
することを特徴とする請求項９に記載の電子放出素子用
ダイヤモンド部材の製造方法。
【請求項１１】前記工程（ｂ）は、前記ダイヤモンド基板の表面の前記隆起部分を形成すべ
きところのみを露出させるようにマスクを形成する工程
と、前記ダイヤモンド基板の表面の前記隆起部分を形成すべ
きところに、気相合成によりダイヤモンドをエピタキシ
ャル成長させる工程と、前記エピタキシャル成長後に前記マスクを取り除く工程
と、を有することを特徴とする請求項９に記載の電子放
出素子用ダイヤモンド部材の製造方法。
【請求項１２】請求項１に記載の電子放出素子用ダイ
ヤモンド部材が内部に配置される真空容器と、前記真空
容器内に配置され前記電子放出素子用ダイヤモンド部材
との間に電圧が印加される電子引き出し用電極と、を備
えることを特徴とする電子デバイス。