突起構造体、及び、突起構造体を製造する方法
【課題】 電子放出性能を向上可能な突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法を提供する。
【解決手段】 突起構造体１は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能である。また、突起構造体１は、基材２と、基材２の先端部２１の端面２２に設けられており端面２２からの高さが１０μｍ以上である突起３と、を備える。さらに、この突起構造体１においては、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが５μｍ以下である。
【解決手段】 突起構造体１は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能である。また、突起構造体１は、基材２と、基材２の先端部２１の端面２２に設けられており端面２２からの高さが１０μｍ以上である突起３と、を備える。さらに、この突起構造体１においては、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが５μｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突起構造体、及び、突起構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及び電子線描画装置等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等を利用した電子放出素子が用いられている。このような電子放出素子は、一般に１５００℃以上の高温の状態において利用される（例えば、非特許文献１参照）。一方、このような電子放出素子を冷陰極やショットキー陰極等として利用する場合には、電子放出部への電界集中の観点から、この電子放出素子を、１００μｍ以上の長さの突起構造を有するものとすることが好ましい。他方、電子放出素子は、仕事関数の低減の観点から、ダイヤモンドを含んで構成されることが好ましい。しかしながら、ダイヤモンドは、共有結合性が強く、金属と比べて粘性や展性が小さい。このため、例えばダイヤモンド片を引き伸ばして１００μｍ以上の長さの突起構造を形成することは困難である。さらには、機械研磨によってダイヤモンド片の幅を狭くして、上記のような突起構造を形成することも、強度の点から非常に困難である。そこで、ダイヤモンドを含む１００μｍ以上の長さの基材を用意し、用意した基材をエッチングすることによって、基材の先端部分の１０μｍのみを先鋭化し、基材の先端部に突起を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、長さが１００μｍ以上の突起構造を有し、ダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１０７７５号公報
【特許文献２】特開２００７−０９５４７８号公報
【特許文献３】特開２００５−０４４６３４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.Vac.Sci.Techno.B 3(1),Jan/Feb(1985)220
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイヤモンドは、仕事関数が低く、電子を放出し易い。また、ダイヤモンドは、半導体であるので、導体に比べて内部に電界が浸透し易い。このため、ダイヤモンドは、金属等の導体に比べて電界の影響を受け易い。したがって、上記のようにダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子においては、余計な電界集中点が生じて、電子放出性能が低下する場合がある。そこで、本発明は、電子放出性能を向上可能な突起構造体、及びこの突起構造体を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意研究の結果、基材と基材の端面に設けられた突起とを備える突起構造体において、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍよりも大きくなると、当該突起構造体へ電界をかけた時に、基材の端面の外周へ電界が集中し、その結果、電子放出部である突起の先端における電界強度が低下して、電子放出性能が低下してしまうことを見出した。
【０００７】
そこで、本発明の突起構造体は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能な突起構造体であって、基材と、基材の先端部の端面に設けられており端面からの高さが１０μｍ以上である突起と、を備え、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍ以下である、ことを特徴とする。このように、本発明の突起構造体は、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍ以下であるので、当該突起構造体への電界をかけた時に、基材の外周へ電界が集中することが避けられる。その結果、突起の先端における電界強度の低下が防止され、電子放出性能が向上される。
【０００８】
本発明の突起構造体では、基材及び突起は、ダイヤモンド結晶を含む、ことができる。この場合、基材及び突起が比較的仕事関数の低いダイヤモンド結晶を含むので、電子放出性能が向上される。
【０００９】
本発明の突起構造体では、基材の先端部は先鋭化されており、基材の先端部の側面は、先端部の内側に凸となるように湾曲している、ことができる。この場合、突起の先端に電界が集中する。
【００１０】
本発明の突起構造体では、基材の先端部は先鋭化されており、基材の中心軸に沿った基材の先端部の断面形状は、台形状である、ことができる。この場合、突起の基端部から先端部へ向かう方向に対して平行に電界をかけることができるので、突起の先端から放出される電子の直進性が高まる。
【００１１】
本発明の突起構造体では、基材の先端部の長さは１００μｍ以上であり、突起の高さは１００μｍ未満である、ことができる。このように、加工が比較的容易な基材の先端部の長さを１００μｍ以上と長くし、加工が比較的困難な突起の高さを１００μｍ未満と低くすることによって、全体の長さを保ちつつ比較的容易に当該突起構造体を製造することができる。
【００１２】
本発明の突起構造体では、基材及び突起は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる、ことができる。基材及び突起が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等からなる場合に比べて、仕事関数が低減される。
【００１３】
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことができる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなるので、実効的な仕事関数が低減される。
【００１４】
本発明の突起構造体を製造する方法は、上記の突起構造体を製造する方法であって、基材及び突起のための母材を用意する工程と、母材を研磨して、母材の先端部を先鋭化する工程と、母材の先端部の端面の一部のエリア上に、突起を規定するためのマスクを形成する工程と、少なくともＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスでマスクを用いて母材をエッチングする工程と、を備え、母材をエッチングする工程は、エッチングガスをＣＦ４過多にして母材をエッチングすることにより、母材の先端部に突起部を設ける工程と、突起部を設けた後に、エッチングガスをＯ２過多にして母材をさらにエッチングすることにより、突起部を伸長させて突起と基材とを形成する工程と、を含む。このように、本発明の突起構造体を製造する方法においては、母材をエッチングする工程が、ＣＦ４過多のエッチングガスで母材をエッチングする工程と、この工程の後にＯ２過多のエッチングガスで母材をエッチングする工程と、を含むことにより、上記の突起構造体を製造できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子放出性能を向上可能な突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。
【図２】図１に示された突起の変形例を示す図である。
【図３】図１に示された基材の変形例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る突起構造体を製造する方法の主要な工程を示す図である。
【図５】本実施形態に係る突起構造体を製造する方法の主要な工程を示す図である。
【図６】実施例に係る突起構造体の撮影画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下に示す各数値は所定の誤差を含む。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。図１に示される突起構造体１は、例えば電子顕微鏡、電子線描画装置等の電子放出素子として利用することができる。また、突起構造体１は、種々の分野で導電性ナノ針として利用することができる。さらには、突起構造体１は、導電性工具として利用することができる。
【００１９】
突起構造体１は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能である。突起構造体１は、基材２と突起３とを備える。基材２は、長手方向に沿った中心軸Ａに対する回転対称性が高い形状を有する。基材２の先端部２１は、先鋭化されており、中心軸Ａに沿った断面形状が台形状である。中心軸Ａに直交する方向からみた先端部２１の稜線２５は、先端部２１の両端にかけて湾曲しておらず、先端部２１の両端にわたって略直線状となっている。このため、中心軸Ａに対して略平行に電界をかけることができるので、突起３の先端３２から放出される電子の直進性を高めることができる。
【００２０】
突起３は、基材２の先端部２１の端面２２に設けられている。したがって、基材２の先端部２１を、基材２の本体部２０上に設けられた一種の突起とみなせば、突起構造体１は、基材２の先端部２１と突起３とにより、中心軸Ａの方向に２段に配列された突起を備えるということもできる。突起３は、突起３の中心軸Ｂに対する回転対称性が高い形状であり、例えば円錐形状又は角錐形状を有する。なお、本実施形態においては、基材２の中心軸Ａと突起３の中心軸Ｂとは、略一致している。
【００２１】
基材２及び突起３は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなることができる。基材２及び突起３が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等をからなる場合に比べて、仕事関数が低減される。特に、基材２及び突起３がＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶が他のダイヤモンド結晶に比べて安価なことから、突起構造体１を比較的安価に製造できる。また、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の温度依存性が比較的小さいので、基材２及び突起３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、安定して電子を放出できる。また、基材２及び突起３がＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合も、基材２及び突起３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合と同様に、安定して電子を放出できる。また、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の絶対値が比較的小さいので、基材２及び突起３がＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、比較的大きな電流を放出できる。
【００２２】
なお、基材２及び突起３は、例えばＬｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有するダイヤモンド結晶を含むものとすることもできる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなる（Ｌｉであれば０．１ｅＶ程度、Ｐであれば０．６ｅＶ程度、Ｓであれば０．３ｅＶ以上０．４ｅＶ以下、Ｎであれば１．７ｅＶ程度）ので、実効的な仕事関数が低減される。
【００２３】
基材２の先端部２１の長さｈ２１は、１００μｍ以上である。ここで、長さｈ２１とは、中心軸Ａに沿った方向についての先端部２１の基端から先端までの距離である。基材２の端面２２からの突起３の高さｈ３は、１０μｍ以上である。特に、加工が比較的容易な基材２の先端部２１の長さｈ２１を１００μｍ以上と長くし、加工が比較的困難な突起３の高さｈ３を３０μｍ以上１００μｍ未満と低くすることによって、基材２の先端部２１と突起３とからなる突起全体の高さ（ｈ２１＋ｈ３）を電子放出に好適な高さに保ちつつ、比較的容易に当該突起構造体を製造することができる。一方、突起３の高さｈ３を１０μｍ以上４００μｍ以下とし、先端径を１０μｍ以上１００μｍ以下とすれば、突起構造体１を電子放出素子として利用する場合に十分な電界を突起３の先端３２へ集中できる。
【００２４】
突起３の高さｈ３及び基材２の先端部２１の長さｈ２１は、ｈ３＋ｈ２１＞１００μｍとなるように設定できる。この場合、突起３の先端３２へ電界を集中できる。また、突起３の高さｈ３は、基材２の先端部２１の長さｈ２１の半分以上（ｈ３≧０．５・ｈ２１）とすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。さらに、中心軸Ａに直交する方向からみた基材２の先端部２１の稜線２５と中心軸Ａとのなす角θは、４５度±２０度とすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。特に、突起３の先端３２における電界強度は、稜線２５と中心軸Ａとのなす角θが４５度で最大となる。また、稜線２５と中心軸Ａとのなす角θが４５度±２０度であれば、基材２の先端部２１を機械研磨によって作製可能である。
【００２５】
基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄは、５μｍ以下である。すなわち、端面２２が、外周２３を含む環状の第１のエリア２２ａと、第１のエリア２２ａの内側に位置しており突起３が配置されている第２のエリア２２ｂと、からなり、この第１のエリア２２ａの幅が５μｍ以下である。基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが５μｍよりも大きくなると、突起構造体１へ電界をかけた時に、基材２の端面２２の外周２３近傍へ電界が集中して、ここから電子が放出され易くなる。特に、突起３の高さｈ３が１０μｍ以下である場合には、このような電子放出が著しい。
【００２６】
ここで、突起３の形状は、円錐形状又は角錐形状に限らない。例えば、突起３は、図２（ａ）に示されるように、円柱形状又は角柱形状とすることができる。また、突起３は、図２（ｂ）に示されるように、基材２の端面２２上に配置されており円柱形状又は角柱形状を有する本体部３５と、本体部３５上に配置されており円錐形状又は角錐形状を有する先鋭部３６と、からなるものとすることができる。
【００２７】
また、基材２は、上述のものに限らない。例えば、基材２は、図３（ａ）に示されるように、先端部２１が先鋭化されており、中心軸Ａに沿った先端部２１の断面形状が台形状をなし、且つ、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが実質的に０であるものとすることができる。この場合、突起３の先端３２へ電界を集中できる。また、基材２は、図３（ｂ）に示されるように、先端部２１が先鋭化されており、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲したものとすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。なお、この場合においても、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄを実質的に０とすることにより、突起３の先端３２へさらに電界を集中できる。ここで、基材２の先端部２１の側面２４における湾曲の曲率半径は、例えば、突起３の高さｈ３の１００倍以下とすることができる。
【００２８】
以上説明したように、突起構造体１によれば、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離が５μｍ以下であるので、突起構造体１へ電界をかけた時に、基材２の外周２３へ電界が集中することが避けられる。その結果、突起３の先端３２における電界強度の低下が防止され、電子放出性能が向上される。
【００２９】
なお、突起３の高さｈ３を１００μｍ未満であるとしたが、これは、突起構造体１を電子放出素子として利用することを前提としたからであり、例えば、突起構造体１を医療、工学等の分野において電子放出素子以外のものとして利用する場合には、突起３の高さｈ３はこれに限られない。突起構造体１を電子放出素子以外のものとして利用する場合には、例えば、以下のようなものとすることができる。すなわち、突起構造体は、基材の端面に設けられており該端面からの高さが１μｍ以上１０００μｍ以下である突起を１つ以上備え、この突起の側面は湾曲しており、側面は曲率の変曲点を１つ以上有し、この突起における変曲点よりも先端側の部分の長さが２０μｍ以上であり、この突起における変曲点よりも基端側の部分の長さが１００μｍ以上であり、１段以上の段を持って突起を形成する工程と、その突起と基材との接続点における段差部分が０．１μｍ以上１０μｍ以下となるようにエッチングする工程と、によって得られる対称性の良いものとすることができる。
【００３０】
次に、図４及び図５を参照して、突起構造体１を製造する方法について説明する。まず、図４（ａ）に示されるように、母材１０を用意する。母材１０の大きさは、従来の電子放出素子との互換性を考慮すると、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下であることが好ましい。母材１０の大きさが、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下から外れると、母材１０から得られる突起構造体１を、電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器へ取り付けることが困難となる。母材１０は、柱状のダイヤモンド結晶からなる。ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れかの型のものとすることができる。また、ダイヤモンド結晶は、導電性及び絶縁性のどちらでもよいが、導電性のものとする場合には、ドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことができる。ドナー不純物はＰとすることができ、アクセプタ不純物はＢとすることができる。一方、ダイヤモンド結晶を絶縁性のものとする場合には、電子放出点の近傍に電極を取り付けることが好ましい。また、母材１０の先端面９は、ダイヤモンド結晶におけるどの結晶面であってもよいが、特に、（００１）面、（０１１）面、（１１１）面及び（２１１）面とすることができる。
【００３１】
なお、リンドープダイヤモンドのダイヤモンド単結晶を厚さ数ｍｍのオーダーで他材料上に合成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いことや、ダイヤモンドの熱膨張係数と他材料の熱膨張係数とが異なることに起因する格子定数のズレによって、膜中のひずみが大きくなり、エピタキシャル成長膜が割れ易くなる。このため、母材１０としては、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶を用いることが好ましい。Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶は、それぞれＮ型半導体、絶縁体、Ｐ型半導体とその特徴が異なるが、違いは不純物濃度のみであり、結晶系は互いに同一である。このため、これらのダイヤモンド単結晶は、全てＮ型ドープダイヤモンドで被覆することができる。また、良質なエピタキシャル成長膜を作製するためには、これらのダイヤモンド単結晶が不可欠であり、また、どの種類のダイヤモンド単結晶も、金属に比べて仕事関数が小さい。
【００３２】
続いて、母材１０を研磨して、図４（ｂ）に示されるように、先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する。このとき、母材１０ａの先端部１１の端面１２は、滑らかな平面とされている。以降の工程では、この母材１０ａの先端部１１をもとにして、長さが１００μｍを超える突起を形成する。続いて、図４（ｃ）に示されるように、母材１０ａの端面１２の中心を含むエリア１３上に、突起３を規定するマスク１４を形成する。マスク１４は、後に母材１０ａをエッチングする際に、マスク１４の後退を利用して所望の形状に母材１０ａの先端部１１を先鋭化可能な材料からなることができる。例えば、マスク１４は、金属からなる金属マスクとすることができる。金属の例としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ及びＷ等を挙げることができる。また、マスク１４の厚さＴは、例えば４μｍ以上であることができる。このようなマスク１４は、例えばＦＩＢ（収束イオンビーム）装置を用いて形成できる。なお、マスク１４の厚さＴが４μｍ未満である場合には、突起３の高さｈ３を５０μｍ以上とすることは困難である。
【００３３】
続く工程では、ＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスによる反応性イオンエッチングで、マスク１４を用いて母材１０ａ（母材１０ｂ）をエッチングする。この工程は、エッチングガスをＣＦ４過多としてエッチングを行う第１エッチング工程と、第１エッチング工程の後にエッチングガスをＯ２過多としてさらにエッチングを行う第２エッチング工程とを含む。ここで、ＣＦ４過多とは、エッチングガスにおけるＣＦ４の濃度が５０パーセント以上であることをいい、例えばＣＦ４の濃度とＯ２の濃度との比が４：１程度である状態とすることができる。また、Ｏ２過多とは、エッチングガスにおけるＯ２の濃度が５０パーセント以上であることをいい、例えばＣＦ４の濃度とＯ２の濃度との比が１：２程度である状態とすることができる。
【００３４】
第１エッチング工程では、母材１０ａのマスク１４直下の部分がマスク１４により保護されているので、母材１０ａのその他の部分から徐々にエッチングされる。その結果、図５（ａ）に示されるように、山形の突起部１５と新たな母材１０ｂが形成される。突起部１５は、母材１０ｂの先端部１１ｂに形成されている。この第１エッチング工程は、突起部１５の高さが、突起３の高さの１／３程度に到達するか、或いは、突起部１５の先端径が突起３の先端径の３倍程度に到達するまで行われる。第２エッチング工程では、母材１０ｂがさらにエッチングされて、突起部１５が伸長される。さらに、突起部１５の基端の幅Ｗ１５が広くなると共に、母材１０ｂの先端部１１ｂの幅Ｗ１１が減少する。その結果、基材２と突起３とが形成される。基材２の先端部２１と突起３とは、合計で１００μｍ以上の高さ（ｈ２１＋ｈ３）の突起となっている。その後、マスク１４を除去することで、図５（ｂ）に示されるように突起構造体１が製造される。なお、この後に、突起３の形状を、例えばＦＩＢ装置により所望の形状に整形してもよい。
【００３５】
この方法によれば、母材をエッチングする工程が、ＣＦ４過多のエッチングガスで母材１０ａをエッチングする第１エッチング工程と、この第１エッチング工程の後にＯ３過多のエッチングガスで母材１ｂをエッチングする第２エッチング工程と、を含むことにより、突起構造体１を製造することができる。なお、母材１０を研磨して先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する工程においては、先端部１１の半径を１０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、第１エッチング工程においては、突起部１５を、底辺幅１０μｍ以上５０μｍ以下、且つ、高さ１０μｍ以上とすることができる。母材をエッチングする工程が第１エッチング工程のみであると、突起部１５の根元がエッチングにより切削され、３０μｍ以上高くならずに折れてしまう。また、母材をエッチングする工程が第２エッチング工程のみであっても、突起部１５の根元がエッチングにより切削されてしまう。この方法においては、初期形状を形成することが重要である。
【００３６】
ここで、この方法によれば、基材２の先端部２１における突起３との接続部分近傍において、選択的にエッチングが進行し、その結果、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲する場合がある。特に、突起３の高さｈ３が、先端部２１の幅Ｗ２１よりも高い場合には、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲する。一方、突起３の高さｈ３が、先端部２１の幅Ｗ２１よりも低い場合には、この湾曲はほとんどみられない。先端部２１の側面２４が湾曲していない場合、即ち、中心軸Ａに直交する方向からみた先端部２１の稜線２５が先端部２１の両端にかけて略直線状となっている場合には、先端部２１の側面が先端部２１の内側に凸となるように湾曲している場合に比べて、突起３の先端３２における電界強度は低下するが、上述したように、突起３の先端３２から放出される電子の直進性を高めることができるというメリットがある。
【００３７】
（実施例）
次に、本発明の突起構造体の一実施例の製造方法について説明する。まず、柱状のＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる母材１０を用意した。続いて、この母材１０の先端面９を研磨して、これを滑らかな平面とした。続いて、母材１０をさらに研磨して、先端面９の一部を残しつつ先端部１１を先鋭化し、母材１０ａを形成した。このとき、母材１０ａの先端部１１の側面と母材１０ａの中心軸とのなす角が略４５度となるようにした。続いて、母材１０ａの端面１２の中心を含むエリア１３上に、ＦＩＢ装置を用いてマスク１４を形成した。続いて、ＣＦ４過多のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）エッチングにより、マスク１４を用いて母材１０ａをエッチングした。その結果、母材１０ｂと高さ３０μｍの突起部１５とが得られた。その後、Ｏ２過多のＩＣＰエッチングにより、マスク１４を用いて母材１０ｂをエッチングした。その結果、突起部１５が伸長され、基材２と高さ１００μｍの突起３とが得られた。このとき、基材２の先端部２１の長さは３５０μｍであった。つまり、基材２の先端部２１と突起３とからなる高さ４５０μｍの突起を備える突起構造体１が得られた。このようにして得られた突起構造体１のＳＥＭ写真を図６に示す。この突起構造体１を用いた電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。一方、突起構造体１を用いない従来の電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１００μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。この結果から、突起構造体１によれば、電子放出性能が向上されることが明らかとなった。
【００３８】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。また、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００３９】
１…突起構造体、２…基材、３…突起、１０，１０ａ，１０ｂ…母材、１４…マスク、１５…突起部、２１…先端部、２２…端面、２３…外周、２４…側面、３１…基端、３２…先端、Ａ…中心軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突起構造体、及び、突起構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及び電子線描画装置等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等を利用した電子放出素子が用いられている。このような電子放出素子は、一般に１５００℃以上の高温の状態において利用される（例えば、非特許文献１参照）。一方、このような電子放出素子を冷陰極やショットキー陰極等として利用する場合には、電子放出部への電界集中の観点から、この電子放出素子を、１００μｍ以上の長さの突起構造を有するものとすることが好ましい。他方、電子放出素子は、仕事関数の低減の観点から、ダイヤモンドを含んで構成されることが好ましい。しかしながら、ダイヤモンドは、共有結合性が強く、金属と比べて粘性や展性が小さい。このため、例えばダイヤモンド片を引き伸ばして１００μｍ以上の長さの突起構造を形成することは困難である。さらには、機械研磨によってダイヤモンド片の幅を狭くして、上記のような突起構造を形成することも、強度の点から非常に困難である。そこで、ダイヤモンドを含む１００μｍ以上の長さの基材を用意し、用意した基材をエッチングすることによって、基材の先端部分の１０μｍのみを先鋭化し、基材の先端部に突起を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、長さが１００μｍ以上の突起構造を有し、ダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１０７７５号公報
【特許文献２】特開２００７−０９５４７８号公報
【特許文献３】特開２００５−０４４６３４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.Vac.Sci.Techno.B 3(1),Jan/Feb(1985)220
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイヤモンドは、仕事関数が低く、電子を放出し易い。また、ダイヤモンドは、半導体であるので、導体に比べて内部に電界が浸透し易い。このため、ダイヤモンドは、金属等の導体に比べて電界の影響を受け易い。したがって、上記のようにダイヤモンドを含んで構成される電子放出素子においては、余計な電界集中点が生じて、電子放出性能が低下する場合がある。そこで、本発明は、電子放出性能を向上可能な突起構造体、及びこの突起構造体を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意研究の結果、基材と基材の端面に設けられた突起とを備える突起構造体において、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍよりも大きくなると、当該突起構造体へ電界をかけた時に、基材の端面の外周へ電界が集中し、その結果、電子放出部である突起の先端における電界強度が低下して、電子放出性能が低下してしまうことを見出した。
【０００７】
そこで、本発明の突起構造体は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能な突起構造体であって、基材と、基材の先端部の端面に設けられており端面からの高さが１０μｍ以上である突起と、を備え、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍ以下である、ことを特徴とする。このように、本発明の突起構造体は、基材の端面の外周から突起の基端までの距離が５μｍ以下であるので、当該突起構造体への電界をかけた時に、基材の外周へ電界が集中することが避けられる。その結果、突起の先端における電界強度の低下が防止され、電子放出性能が向上される。
【０００８】
本発明の突起構造体では、基材及び突起は、ダイヤモンド結晶を含む、ことができる。この場合、基材及び突起が比較的仕事関数の低いダイヤモンド結晶を含むので、電子放出性能が向上される。
【０００９】
本発明の突起構造体では、基材の先端部は先鋭化されており、基材の先端部の側面は、先端部の内側に凸となるように湾曲している、ことができる。この場合、突起の先端に電界が集中する。
【００１０】
本発明の突起構造体では、基材の先端部は先鋭化されており、基材の中心軸に沿った基材の先端部の断面形状は、台形状である、ことができる。この場合、突起の基端部から先端部へ向かう方向に対して平行に電界をかけることができるので、突起の先端から放出される電子の直進性が高まる。
【００１１】
本発明の突起構造体では、基材の先端部の長さは１００μｍ以上であり、突起の高さは１００μｍ未満である、ことができる。このように、加工が比較的容易な基材の先端部の長さを１００μｍ以上と長くし、加工が比較的困難な突起の高さを１００μｍ未満と低くすることによって、全体の長さを保ちつつ比較的容易に当該突起構造体を製造することができる。
【００１２】
本発明の突起構造体では、基材及び突起は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる、ことができる。基材及び突起が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等からなる場合に比べて、仕事関数が低減される。
【００１３】
本発明の突起構造体では、ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことができる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなるので、実効的な仕事関数が低減される。
【００１４】
本発明の突起構造体を製造する方法は、上記の突起構造体を製造する方法であって、基材及び突起のための母材を用意する工程と、母材を研磨して、母材の先端部を先鋭化する工程と、母材の先端部の端面の一部のエリア上に、突起を規定するためのマスクを形成する工程と、少なくともＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスでマスクを用いて母材をエッチングする工程と、を備え、母材をエッチングする工程は、エッチングガスをＣＦ４過多にして母材をエッチングすることにより、母材の先端部に突起部を設ける工程と、突起部を設けた後に、エッチングガスをＯ２過多にして母材をさらにエッチングすることにより、突起部を伸長させて突起と基材とを形成する工程と、を含む。このように、本発明の突起構造体を製造する方法においては、母材をエッチングする工程が、ＣＦ４過多のエッチングガスで母材をエッチングする工程と、この工程の後にＯ２過多のエッチングガスで母材をエッチングする工程と、を含むことにより、上記の突起構造体を製造できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子放出性能を向上可能な突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。
【図２】図１に示された突起の変形例を示す図である。
【図３】図１に示された基材の変形例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る突起構造体を製造する方法の主要な工程を示す図である。
【図５】本実施形態に係る突起構造体を製造する方法の主要な工程を示す図である。
【図６】実施例に係る突起構造体の撮影画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る突起構造体、及び、この突起構造体を製造する方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下に示す各数値は所定の誤差を含む。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る突起構造体を示す側面図である。図１に示される突起構造体１は、例えば電子顕微鏡、電子線描画装置等の電子放出素子として利用することができる。また、突起構造体１は、種々の分野で導電性ナノ針として利用することができる。さらには、突起構造体１は、導電性工具として利用することができる。
【００１９】
突起構造体１は、一辺が１０００μｍの立方体に収容可能である。突起構造体１は、基材２と突起３とを備える。基材２は、長手方向に沿った中心軸Ａに対する回転対称性が高い形状を有する。基材２の先端部２１は、先鋭化されており、中心軸Ａに沿った断面形状が台形状である。中心軸Ａに直交する方向からみた先端部２１の稜線２５は、先端部２１の両端にかけて湾曲しておらず、先端部２１の両端にわたって略直線状となっている。このため、中心軸Ａに対して略平行に電界をかけることができるので、突起３の先端３２から放出される電子の直進性を高めることができる。
【００２０】
突起３は、基材２の先端部２１の端面２２に設けられている。したがって、基材２の先端部２１を、基材２の本体部２０上に設けられた一種の突起とみなせば、突起構造体１は、基材２の先端部２１と突起３とにより、中心軸Ａの方向に２段に配列された突起を備えるということもできる。突起３は、突起３の中心軸Ｂに対する回転対称性が高い形状であり、例えば円錐形状又は角錐形状を有する。なお、本実施形態においては、基材２の中心軸Ａと突起３の中心軸Ｂとは、略一致している。
【００２１】
基材２及び突起３は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなることができる。基材２及び突起３が、これらの何れのダイヤモンド結晶からなる場合でも、例えば金属等をからなる場合に比べて、仕事関数が低減される。特に、基材２及び突起３がＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶が他のダイヤモンド結晶に比べて安価なことから、突起構造体１を比較的安価に製造できる。また、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の温度依存性が比較的小さいので、基材２及び突起３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、安定して電子を放出できる。また、基材２及び突起３がＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合も、基材２及び突起３がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合と同様に、安定して電子を放出できる。また、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は抵抗値の絶対値が比較的小さいので、基材２及び突起３がＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には、比較的大きな電流を放出できる。
【００２２】
なお、基材２及び突起３は、例えばＬｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有するダイヤモンド結晶を含むものとすることもできる。この場合、ダイヤモンド結晶の活性化エネルギーが比較的低くなる（Ｌｉであれば０．１ｅＶ程度、Ｐであれば０．６ｅＶ程度、Ｓであれば０．３ｅＶ以上０．４ｅＶ以下、Ｎであれば１．７ｅＶ程度）ので、実効的な仕事関数が低減される。
【００２３】
基材２の先端部２１の長さｈ２１は、１００μｍ以上である。ここで、長さｈ２１とは、中心軸Ａに沿った方向についての先端部２１の基端から先端までの距離である。基材２の端面２２からの突起３の高さｈ３は、１０μｍ以上である。特に、加工が比較的容易な基材２の先端部２１の長さｈ２１を１００μｍ以上と長くし、加工が比較的困難な突起３の高さｈ３を３０μｍ以上１００μｍ未満と低くすることによって、基材２の先端部２１と突起３とからなる突起全体の高さ（ｈ２１＋ｈ３）を電子放出に好適な高さに保ちつつ、比較的容易に当該突起構造体を製造することができる。一方、突起３の高さｈ３を１０μｍ以上４００μｍ以下とし、先端径を１０μｍ以上１００μｍ以下とすれば、突起構造体１を電子放出素子として利用する場合に十分な電界を突起３の先端３２へ集中できる。
【００２４】
突起３の高さｈ３及び基材２の先端部２１の長さｈ２１は、ｈ３＋ｈ２１＞１００μｍとなるように設定できる。この場合、突起３の先端３２へ電界を集中できる。また、突起３の高さｈ３は、基材２の先端部２１の長さｈ２１の半分以上（ｈ３≧０．５・ｈ２１）とすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。さらに、中心軸Ａに直交する方向からみた基材２の先端部２１の稜線２５と中心軸Ａとのなす角θは、４５度±２０度とすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。特に、突起３の先端３２における電界強度は、稜線２５と中心軸Ａとのなす角θが４５度で最大となる。また、稜線２５と中心軸Ａとのなす角θが４５度±２０度であれば、基材２の先端部２１を機械研磨によって作製可能である。
【００２５】
基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄは、５μｍ以下である。すなわち、端面２２が、外周２３を含む環状の第１のエリア２２ａと、第１のエリア２２ａの内側に位置しており突起３が配置されている第２のエリア２２ｂと、からなり、この第１のエリア２２ａの幅が５μｍ以下である。基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが５μｍよりも大きくなると、突起構造体１へ電界をかけた時に、基材２の端面２２の外周２３近傍へ電界が集中して、ここから電子が放出され易くなる。特に、突起３の高さｈ３が１０μｍ以下である場合には、このような電子放出が著しい。
【００２６】
ここで、突起３の形状は、円錐形状又は角錐形状に限らない。例えば、突起３は、図２（ａ）に示されるように、円柱形状又は角柱形状とすることができる。また、突起３は、図２（ｂ）に示されるように、基材２の端面２２上に配置されており円柱形状又は角柱形状を有する本体部３５と、本体部３５上に配置されており円錐形状又は角錐形状を有する先鋭部３６と、からなるものとすることができる。
【００２７】
また、基材２は、上述のものに限らない。例えば、基材２は、図３（ａ）に示されるように、先端部２１が先鋭化されており、中心軸Ａに沿った先端部２１の断面形状が台形状をなし、且つ、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄが実質的に０であるものとすることができる。この場合、突起３の先端３２へ電界を集中できる。また、基材２は、図３（ｂ）に示されるように、先端部２１が先鋭化されており、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲したものとすることができる。この場合にも、突起３の先端３２へ電界を集中できる。なお、この場合においても、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離Ｄを実質的に０とすることにより、突起３の先端３２へさらに電界を集中できる。ここで、基材２の先端部２１の側面２４における湾曲の曲率半径は、例えば、突起３の高さｈ３の１００倍以下とすることができる。
【００２８】
以上説明したように、突起構造体１によれば、基材２の端面２２の外周２３から突起３の基端３１までの距離が５μｍ以下であるので、突起構造体１へ電界をかけた時に、基材２の外周２３へ電界が集中することが避けられる。その結果、突起３の先端３２における電界強度の低下が防止され、電子放出性能が向上される。
【００２９】
なお、突起３の高さｈ３を１００μｍ未満であるとしたが、これは、突起構造体１を電子放出素子として利用することを前提としたからであり、例えば、突起構造体１を医療、工学等の分野において電子放出素子以外のものとして利用する場合には、突起３の高さｈ３はこれに限られない。突起構造体１を電子放出素子以外のものとして利用する場合には、例えば、以下のようなものとすることができる。すなわち、突起構造体は、基材の端面に設けられており該端面からの高さが１μｍ以上１０００μｍ以下である突起を１つ以上備え、この突起の側面は湾曲しており、側面は曲率の変曲点を１つ以上有し、この突起における変曲点よりも先端側の部分の長さが２０μｍ以上であり、この突起における変曲点よりも基端側の部分の長さが１００μｍ以上であり、１段以上の段を持って突起を形成する工程と、その突起と基材との接続点における段差部分が０．１μｍ以上１０μｍ以下となるようにエッチングする工程と、によって得られる対称性の良いものとすることができる。
【００３０】
次に、図４及び図５を参照して、突起構造体１を製造する方法について説明する。まず、図４（ａ）に示されるように、母材１０を用意する。母材１０の大きさは、従来の電子放出素子との互換性を考慮すると、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下であることが好ましい。母材１０の大きさが、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下から外れると、母材１０から得られる突起構造体１を、電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器へ取り付けることが困難となる。母材１０は、柱状のダイヤモンド結晶からなる。ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れかの型のものとすることができる。また、ダイヤモンド結晶は、導電性及び絶縁性のどちらでもよいが、導電性のものとする場合には、ドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことができる。ドナー不純物はＰとすることができ、アクセプタ不純物はＢとすることができる。一方、ダイヤモンド結晶を絶縁性のものとする場合には、電子放出点の近傍に電極を取り付けることが好ましい。また、母材１０の先端面９は、ダイヤモンド結晶におけるどの結晶面であってもよいが、特に、（００１）面、（０１１）面、（１１１）面及び（２１１）面とすることができる。
【００３１】
なお、リンドープダイヤモンドのダイヤモンド単結晶を厚さ数ｍｍのオーダーで他材料上に合成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いことや、ダイヤモンドの熱膨張係数と他材料の熱膨張係数とが異なることに起因する格子定数のズレによって、膜中のひずみが大きくなり、エピタキシャル成長膜が割れ易くなる。このため、母材１０としては、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶を用いることが好ましい。Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶は、それぞれＮ型半導体、絶縁体、Ｐ型半導体とその特徴が異なるが、違いは不純物濃度のみであり、結晶系は互いに同一である。このため、これらのダイヤモンド単結晶は、全てＮ型ドープダイヤモンドで被覆することができる。また、良質なエピタキシャル成長膜を作製するためには、これらのダイヤモンド単結晶が不可欠であり、また、どの種類のダイヤモンド単結晶も、金属に比べて仕事関数が小さい。
【００３２】
続いて、母材１０を研磨して、図４（ｂ）に示されるように、先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する。このとき、母材１０ａの先端部１１の端面１２は、滑らかな平面とされている。以降の工程では、この母材１０ａの先端部１１をもとにして、長さが１００μｍを超える突起を形成する。続いて、図４（ｃ）に示されるように、母材１０ａの端面１２の中心を含むエリア１３上に、突起３を規定するマスク１４を形成する。マスク１４は、後に母材１０ａをエッチングする際に、マスク１４の後退を利用して所望の形状に母材１０ａの先端部１１を先鋭化可能な材料からなることができる。例えば、マスク１４は、金属からなる金属マスクとすることができる。金属の例としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ及びＷ等を挙げることができる。また、マスク１４の厚さＴは、例えば４μｍ以上であることができる。このようなマスク１４は、例えばＦＩＢ（収束イオンビーム）装置を用いて形成できる。なお、マスク１４の厚さＴが４μｍ未満である場合には、突起３の高さｈ３を５０μｍ以上とすることは困難である。
【００３３】
続く工程では、ＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスによる反応性イオンエッチングで、マスク１４を用いて母材１０ａ（母材１０ｂ）をエッチングする。この工程は、エッチングガスをＣＦ４過多としてエッチングを行う第１エッチング工程と、第１エッチング工程の後にエッチングガスをＯ２過多としてさらにエッチングを行う第２エッチング工程とを含む。ここで、ＣＦ４過多とは、エッチングガスにおけるＣＦ４の濃度が５０パーセント以上であることをいい、例えばＣＦ４の濃度とＯ２の濃度との比が４：１程度である状態とすることができる。また、Ｏ２過多とは、エッチングガスにおけるＯ２の濃度が５０パーセント以上であることをいい、例えばＣＦ４の濃度とＯ２の濃度との比が１：２程度である状態とすることができる。
【００３４】
第１エッチング工程では、母材１０ａのマスク１４直下の部分がマスク１４により保護されているので、母材１０ａのその他の部分から徐々にエッチングされる。その結果、図５（ａ）に示されるように、山形の突起部１５と新たな母材１０ｂが形成される。突起部１５は、母材１０ｂの先端部１１ｂに形成されている。この第１エッチング工程は、突起部１５の高さが、突起３の高さの１／３程度に到達するか、或いは、突起部１５の先端径が突起３の先端径の３倍程度に到達するまで行われる。第２エッチング工程では、母材１０ｂがさらにエッチングされて、突起部１５が伸長される。さらに、突起部１５の基端の幅Ｗ１５が広くなると共に、母材１０ｂの先端部１１ｂの幅Ｗ１１が減少する。その結果、基材２と突起３とが形成される。基材２の先端部２１と突起３とは、合計で１００μｍ以上の高さ（ｈ２１＋ｈ３）の突起となっている。その後、マスク１４を除去することで、図５（ｂ）に示されるように突起構造体１が製造される。なお、この後に、突起３の形状を、例えばＦＩＢ装置により所望の形状に整形してもよい。
【００３５】
この方法によれば、母材をエッチングする工程が、ＣＦ４過多のエッチングガスで母材１０ａをエッチングする第１エッチング工程と、この第１エッチング工程の後にＯ３過多のエッチングガスで母材１ｂをエッチングする第２エッチング工程と、を含むことにより、突起構造体１を製造することができる。なお、母材１０を研磨して先端部１１が先鋭化された母材１０ａを形成する工程においては、先端部１１の半径を１０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、第１エッチング工程においては、突起部１５を、底辺幅１０μｍ以上５０μｍ以下、且つ、高さ１０μｍ以上とすることができる。母材をエッチングする工程が第１エッチング工程のみであると、突起部１５の根元がエッチングにより切削され、３０μｍ以上高くならずに折れてしまう。また、母材をエッチングする工程が第２エッチング工程のみであっても、突起部１５の根元がエッチングにより切削されてしまう。この方法においては、初期形状を形成することが重要である。
【００３６】
ここで、この方法によれば、基材２の先端部２１における突起３との接続部分近傍において、選択的にエッチングが進行し、その結果、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲する場合がある。特に、突起３の高さｈ３が、先端部２１の幅Ｗ２１よりも高い場合には、先端部２１の側面２４が先端部２１の内側に凸となるように湾曲する。一方、突起３の高さｈ３が、先端部２１の幅Ｗ２１よりも低い場合には、この湾曲はほとんどみられない。先端部２１の側面２４が湾曲していない場合、即ち、中心軸Ａに直交する方向からみた先端部２１の稜線２５が先端部２１の両端にかけて略直線状となっている場合には、先端部２１の側面が先端部２１の内側に凸となるように湾曲している場合に比べて、突起３の先端３２における電界強度は低下するが、上述したように、突起３の先端３２から放出される電子の直進性を高めることができるというメリットがある。
【００３７】
（実施例）
次に、本発明の突起構造体の一実施例の製造方法について説明する。まず、柱状のＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる母材１０を用意した。続いて、この母材１０の先端面９を研磨して、これを滑らかな平面とした。続いて、母材１０をさらに研磨して、先端面９の一部を残しつつ先端部１１を先鋭化し、母材１０ａを形成した。このとき、母材１０ａの先端部１１の側面と母材１０ａの中心軸とのなす角が略４５度となるようにした。続いて、母材１０ａの端面１２の中心を含むエリア１３上に、ＦＩＢ装置を用いてマスク１４を形成した。続いて、ＣＦ４過多のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）エッチングにより、マスク１４を用いて母材１０ａをエッチングした。その結果、母材１０ｂと高さ３０μｍの突起部１５とが得られた。その後、Ｏ２過多のＩＣＰエッチングにより、マスク１４を用いて母材１０ｂをエッチングした。その結果、突起部１５が伸長され、基材２と高さ１００μｍの突起３とが得られた。このとき、基材２の先端部２１の長さは３５０μｍであった。つまり、基材２の先端部２１と突起３とからなる高さ４５０μｍの突起を備える突起構造体１が得られた。このようにして得られた突起構造体１のＳＥＭ写真を図６に示す。この突起構造体１を用いた電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。一方、突起構造体１を用いない従来の電子放出素子の電子放出性能は、エミッション電流１００μＡ時に角電流密度１００μＡ／ｓｒであった。この結果から、突起構造体１によれば、電子放出性能が向上されることが明らかとなった。
【００３８】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。また、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００３９】
１…突起構造体、２…基材、３…突起、１０，１０ａ，１０ｂ…母材、１４…マスク、１５…突起部、２１…先端部、２２…端面、２３…外周、２４…側面、３１…基端、３２…先端、Ａ…中心軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一辺が１０００μｍの立方体に収容可能な突起構造体であって、
基材と、前記基材の先端部の端面に設けられており前記端面からの高さが１０μｍ以上である突起と、を備え、
前記基材の前記端面の外周から前記突起の基端までの距離が５μｍ以下である、ことを特徴とする突起構造体。
【請求項２】
前記基材及び前記突起は、ダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の突起構造体。
【請求項３】
前記基材の前記先端部は先鋭化されており、
前記基材の前記先端部の側面は、前記先端部の内側に凸となるように湾曲している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【請求項４】
前記基材の前記先端部は先鋭化されており、
前記基材の中心軸に沿った前記基材の前記先端部の断面形状は、台形状である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【請求項５】
前記基材の前記先端部の長さは１００μｍ以上であり、
前記突起の前記高さは１００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の突起構造体。
【請求項６】
前記基材及び前記突起は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の突起構造体。
【請求項７】
前記ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことを特徴とする請求項２に記載の突起構造体。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の突起構造体を製造する方法であって、
前記基材及び前記突起のための母材を用意する工程と、
前記母材を研磨して、前記母材の先端部を先鋭化する工程と、
前記母材の前記先端部の端面の一部のエリア上に、前記突起を規定するためのマスクを形成する工程と、
少なくともＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスで前記マスクを用いて前記母材をエッチングする工程と、を備え、
前記母材をエッチングする工程は、
前記エッチングガスをＣＦ４過多にして前記母材をエッチングすることにより、前記母材の先端部に突起部を設ける工程と、
前記突起部を設けた後に、前記エッチングガスをＯ２過多にして前記母材をさらにエッチングすることにより、前記突起部を伸長させて前記突起と前記基材とを形成する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１】
一辺が１０００μｍの立方体に収容可能な突起構造体であって、
基材と、前記基材の先端部の端面に設けられており前記端面からの高さが１０μｍ以上である突起と、を備え、
前記基材の前記端面の外周から前記突起の基端までの距離が５μｍ以下である、ことを特徴とする突起構造体。
【請求項２】
前記基材及び前記突起は、ダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の突起構造体。
【請求項３】
前記基材の前記先端部は先鋭化されており、
前記基材の前記先端部の側面は、前記先端部の内側に凸となるように湾曲している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【請求項４】
前記基材の前記先端部は先鋭化されており、
前記基材の中心軸に沿った前記基材の前記先端部の断面形状は、台形状である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の突起構造体。
【請求項５】
前記基材の前記先端部の長さは１００μｍ以上であり、
前記突起の前記高さは１００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の突起構造体。
【請求項６】
前記基材及び前記突起は、Ｉａ型ダイヤモンド結晶、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶の何れかからなる、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の突起構造体。
【請求項７】
前記ダイヤモンド結晶は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ及びＮのうちの少なくとも一つのドーパントを、１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の濃度で含有する、ことを特徴とする請求項２に記載の突起構造体。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の突起構造体を製造する方法であって、
前記基材及び前記突起のための母材を用意する工程と、
前記母材を研磨して、前記母材の先端部を先鋭化する工程と、
前記母材の前記先端部の端面の一部のエリア上に、前記突起を規定するためのマスクを形成する工程と、
少なくともＣＦ４とＯ２とを含むエッチングガスで前記マスクを用いて前記母材をエッチングする工程と、を備え、
前記母材をエッチングする工程は、
前記エッチングガスをＣＦ４過多にして前記母材をエッチングすることにより、前記母材の先端部に突起部を設ける工程と、
前記突起部を設けた後に、前記エッチングガスをＯ２過多にして前記母材をさらにエッチングすることにより、前記突起部を伸長させて前記突起と前記基材とを形成する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４９０３４（Ｐ２０１１−２４９０３４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１８３６１（Ｐ２０１０−１１８３６１）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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