説明

電子放出素子、及び、電子放出素子の作製方法

【課題】電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供する。
【解決手段】基材3と、基材3の端部3aに設けられた突起5と、突起5の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜7と、を備え、突起5は、一辺が1000μmである立方体内に収容可能な形状を有し、突起5の先端部5bの表面は露出しており、導電性皮膜7の厚さは、突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に減少している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子放出素子、及び、電子放出素子の作製方法に関する。
【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(非特許文献1)。このような高温の状態において電子放出素子から放出される電子のエネルギーの分散は、フェルミ分布の広がり及びフォノン散乱等によって大きくなる。これに対して、仕事関数の低いダイヤモンドを電子放出素子に利用することにより、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。この場合、特に、n型にドープされたダイヤモンドの利用が有効であることが知られている(特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−095478号公報
【特許文献2】特開2008−210775号公報
【特許文献3】特許第3851861号公報
【特許文献4】WO 2005/034165
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】J.Vac.Sci.Techno.B 3(1),Jan/Feb(1985)220
【非特許文献2】Phys.Rev.B,60,4(1999)R2139
【非特許文献3】J.Vac.Sci.Technol.B 22(3),May/Jun(2004)1349
【非特許文献4】Diam.Relat.Mater.11,12(2002)1897
【非特許文献5】Nature,393,4,June(1998)432
【非特許文献6】Appl.Phys.Lett,81,5,July(2005)232102
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のような電子放出素子は、ダイヤモンドが、S(硫黄)ドープされている場合、B(ボロン)ドープされている場合、ノンドープの場合、N(窒素)ドープされている場合の何れの場合においても、仕事関数が低く、比較的低温において電子放出が可能との報告がある。このような電子放出素子においては、電子放出性能の向上が望まれている。そこで、本発明の目的は、電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の電子放出素子は、基材と、該基材の端部に設けられた突起と、該突起の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜と、を備え、突起は、一辺が1000μmである立方体内に収容可能な形状を有し、突起の先端部の表面は露出しており、導電性皮膜の厚さは、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜の厚さが突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜の表面には、電界集中点となり得る角部が少ない、若しくは無いので、余分な電界集中点が生じることに起因する突起の先端部における電界強度の低下が抑制される。その結果、突起の先端部における電子放出性能を向上させることができる。
【0007】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は突起の融点より低い融点を有する、ことが好ましい。この場合、突起に異常発熱が生じた場合であっても、突起より先に導電性皮膜が融解する。その結果、導電性皮膜が融解する際の融解熱により突起を冷却できるので、突起の熱破壊を防止できる。
【0008】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は多層構造を有する、ことが好ましい。この場合、多層構造における複数の層のうちの、突起の表面と接する層を、突起の表面との密着性の高い材料により形成し、多層構造における複数の層のうちの他の層を、当該電子放出素子に所望する特性に応じた材料により形成できる。
【0009】
本発明の電子放出素子においては、突起はダイヤモンド結晶を含む、ことが好ましい。この場合、ダイヤモンドの仕事関数が比較的小さいので、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【0010】
本発明の電子放出素子においては、突起はn型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。
【0011】
本発明の電子放出素子においては、n型ドーパントはリン又は窒素である、ことが好ましい。n型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低いので、実効的な仕事関数が比較的低い。このため、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【0012】
本発明の電子放出素子においては、突起はp型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。
【0013】
本発明の電子放出素子においては、p型ドーパントはボロン又はガリウムである、ことが好ましい。p型ドーパントがボロンである場合、ボロンが安価であることから、当該電子放出素子を比較的低コストにより得ることができる。一方、ガリウムは収束イオンビーム装置等によって簡便にドーピングできる上に、ガリウムのドーピングを行うことで欠陥準位を導入することができる。その結果、p型ドーパントがガリウムである場合、例えば、突起に金属被覆を行う際、突起の界面と金属との間のオーム性接触抵抗を低くすることができる。
【0014】
本発明の電子放出素子においては、突起はIIa型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、IIa型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性が少ないので、抵抗値が変化し難い。このため、本発明の電子放出素子は、安定して電子を放出できる。
【0015】
本発明の電子放出素子においては、突起はIIb型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、IIb型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性こそ大きいが、抵抗値の絶対値が小さい。このため、本発明の電子放出素子は、比較的大きな電流を放出できる。
【0016】
本発明の電子放出素子においては、突起はIb型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、Ib型ダイヤモンドがIIa型ダイヤモンド結晶やIIb型ダイヤモンド結晶に比べて安価であることから、比較的安価に当該電子放出素子を作製できる。
【0017】
本発明の電子放出素子においては、突起はCVDダイヤモンド結晶を含む、ことが好ましい。CVD(ChemicalVapor Deposition)により形成されたダイヤモンド結晶は、他の方法により形成されたダイヤモンド結晶に比べて意図的に結晶欠陥を多く含ませることができる。このため、本発明の電子放出素子においては、通常の電子放出に加えて、結晶欠陥を介しての電子放出が増大される。したがって、この電子放出素子によれば、電子の放出量を増大させることができる。なお、本発明におけるCVDダイヤモンド結晶とは、CVDにより形成されたダイヤモンド結晶である。
【0018】
本発明の電子放出素子においは、突起は、突起本体と該突起本体の表面に形成され該突起本体を被覆する被覆体とからなり、突起本体は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うちの何れかからなり、被覆体はn型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、突起本体の材料による特性と、被覆体の材料による特性とを併せて発揮することができる。例えば、当該電子放出素子は、突起本体がIb型ダイヤモンドからなる場合には比較的安価に作製でき、IIa型ダイヤモンド結晶からなる場合には安定した電子放出が可能であり、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、さらに、被覆体がn型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなるので、被覆体の活性化エネルギーが比較的低く、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【0019】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は、融点が600℃より高く3500℃より低い金属からなる、ことが好ましい。この場合、導電性皮膜の融点は、電極形成の際のアニール温度、電子放出動作温度及びエミッション電流による発熱温度より高く、ダイヤモンドの融点(およそ3500℃)よりも低い。このため、導電性皮膜は、ダイヤモンド結晶からなる突起を備える電子放出素子の作製時や通常動作時において融解せず、突起が異常発熱した時には突起より先に融解する。
【0020】
本発明の電子放出素子の作製方法は、基材を用意する工程と、基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が1000μmの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、突起を形成した後に、突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、導電性皮膜を形成した後に、収束イオンビーム法を用いて、突起の先端部の表面に形成された導電性皮膜を除去し突起の先端部の表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少するように前記導電性皮膜を加工する工程と、を備える、ことを特徴とする。本発明の電子放出素子の作成方法によれば、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜を備える電子放出素子を作製することができる。
【0021】
本発明の電子放出素子の作製方法は、基材を用意する工程と、基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が1000μmの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、突起を形成した後に、突起の先端部を含み突起の基端部を除く突起の先端領域を、突起の表面に接することなく被覆可能な箱状のマスクを用意する工程と、マスクを用意した後に、該マスクを突起に被せて、突起の先端領域を突起の表面に接することなく被覆する工程と、先端領域を被覆した後に、マスクを用いたスパッタリングにより、突起の先端部を除く突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、を備える、ことを特徴とする。本発明の電子放出素子の作成方法によれば、導電性皮膜を形成する工程において、スパッタリングのターゲット物質が突起の表面とマスクとの間へ回り込んで突起の表面に堆積されるので、突起の基端部から先端部に向かう方向に連続的に厚さが減少する導電性皮膜を形成することができる。したがって、本発明の電子放出素子の作製方法によれば、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜を備える電子放出素子を作製することができる。
【発明の効果】
【0022】
電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本実施形態に係る電子放出素子の断面構成を示す図である。
【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に示された導電性皮膜の変形例を示す図である。
【図4】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の主要な工程を示す図である。
【図5】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の主要な工程を示す図である。
【図6】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の変形例の主要な工程を示す図である。
【図7】本実施形態に係る電子放出素子の撮影画像を示す図である。
【図8】実施例に係る電子放出素子の電子放出特性を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、図面を参照して、本発明に係る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。図1は、本実施形態に係る電子放出素子の断面構成を示す図である。図1に示されるように、電子放出素子1は、基材3、突起5及び導電性皮膜7を備える。このような電子放出素子1は、例えば、電子銃チップとして利用される。
【0025】
基材3は、Ia型、Ib型、IIa型及びIIb型のいずれかの型のダイヤモンド結晶からなるが、例えば、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)及びCBN(立体晶窒化ホウ素)等の窒化物、或いは、ZnO(酸化亜鉛)等の酸化物等を含む材料からなることもできる。
【0026】
突起5は、基材3の長手方向の端部3aにおいて、基材3と一体に形成されている。突起5は、基材3と同様に、Ia型、Ib型、IIa型及びIIb型の何れかの型のダイヤモンド結晶からなるが、例えば、GaN、AlN及びCBN等の窒化物、或いは、ZnO等の酸化物等を含む材料からなることもできる。突起5がIb型ダイヤモンド結晶からなる場合、Ibダイヤモンド結晶がIIa型ダイヤモンド結晶やIIb型ダイヤモンド結晶等に比べて安価であることから、比較的安価に電子放出素子1を作製できる。また、IIa型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性が少ないので、抵抗値が変化し難い。このため、突起5がIIa型ダイヤモンド結晶からなる場合、電子放出素子1は、安定して電子を放出できる。さらに、IIb型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性こそ大きいが、抵抗値の絶対値が小さい。このため、突起5がIIb型ダイヤモンド結晶からなる場合、電子放出素子1は、比較的大きな電流を放出できる。
【0027】
突起5は、端部3aにおける基材3の端面3bから突出して形成されており、一辺が1000μmの立方体内に収容可能な形状を有している。電子放出素子1を電子銃チップとして用いる場合、十分な電界集中を行わせる必要があることから、突起5は、底面の直径が100μmであり高さが400μmである円柱体内に収容可能な形状とすることが好ましい。突起5は、円柱形状の基端部5aと円錐形上の先端部5bとを組み合わせた形状を有している。先端部5bは、例えば、突起5の先端部分の領域であって突起5全体の長さ(高さ)の10%程度の長さを有するものとすることができる。なお、電子放出素子1は、突起5に替えて、図2(a)に示されるような円錐形状又は角錐形状の突起6aを有することができる。また、電子放出素子1は、突起5に替えて、図2(b)に示されるような円柱形状又は角柱形状の突起6bを有することもできる。
【0028】
導電性皮膜7は、基材3の表面及び突起5の表面に形成されており、導電性を有する。ただし、突起5の先端部5bの表面には導電性皮膜7が形成されておらず、突起5の先端部5bの表面は露出している。導電性皮膜7の材料は、Ti(チタン)であるが、導電性を有し突起の融点より低い融点を有する任意の材料とすることができる。本実施形態においては、突起はダイヤモンド結晶からなるので、導電性皮膜7の材料は、ダイヤモンドの融点(およそ3500℃)より低い融点を有する材料とすることができる。一方で、導電性皮膜7の材料は、電極形成の際のアニール温度、電子放出動作温度及びエミッション電流による発熱温度を考慮すると、600℃より高い融点を有する材料であることが好ましい。このような導電性皮膜7の材料としては、600℃より高く3500℃より低い融点を有する金属、例えば、Ir(イリジウム)、Os(オスミウム)、W(タングステン)、Ta(タンタル)、Tc(テクネチウム)、Nb(ニオブ)、Hf(ハフニウム)、B(ボロン)、Mo(モリブデン)、Ru(ルテニウム)及びRe(レニウム)や、これらの金属による合金を利用できる。これらの金属は、真空に対する仕事関数が2eV以上であり、且つ、2000℃以上の融点を有するので、ダイヤモンド結晶からなる突起5の発熱に十分対応することができる。
【0029】
導電性皮膜7の厚さは、突起5の基端部5aから先端部5bに向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜7は滑らかな表面を有しており、その終端部においては、導電性皮膜7の表面と突起5の表面とが滑らかに接続されている。また、電子放出素子1を側面視した際の、導電性皮膜7の表面7aと突起5の側面5cとの成す角θは、45°以下であることが好ましい。このような導電性皮膜7は、フィラメント電極(共通端子)Fに接続されている。このため、導電性皮膜7の電位は、導電性皮膜7内において略一定に保たれる。
【0030】
以上説明したように、本実施形態に係る電子放出素子1においては、導電性皮膜7の厚さが突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜7は滑らかな表面を有しており、その終端部においては、導電性皮膜7の表面と突起5の表面とが滑らかに接続されている。したがって、導電性皮膜7の表面には、電界集中点となり得る角部が少ない、若しくは無いので、先端部5bの頂点以外の他の余分な電界集中点が生じることに起因する突起5の先端部5bにおける電界強度の低下が抑制される。その結果、突起5の先端部5bにおける電子放出性能を向上させることができる。また、導電性皮膜7は、突起5の融点より低い融点を有する。このため、突起5に異常発熱が生じた場合であっても、突起5より先に導電性皮膜7が融解する。その結果、導電性皮膜7が融解する際の融解熱によって突起5を冷却できるので、突起5の熱破壊を防止できる。さらに、導電性皮膜7の電位は、導電性皮膜7内において略一定に保たれている。このため、導電性皮膜7によって突起5が電気的にシールドされるので、突起5内における電界の影響を低減できる。
【0031】
また、突起5は仕事関数が比較的小さいダイヤモンド結晶を含むので、電子放出素子1は、比較的低温の状態において電子の放出が可能である。また、導電性皮膜7が突起5の先端部5b近くまで形成されているので、導電性皮膜7と突起5の先端部5bとの間の抵抗が低減される。その結果、本実施形態に係る電子放出素子1によれば、導電性皮膜7から突起5の先端部5bまで比較的低抵抗で電子を輸送できるので、電子放出で生じる損失を低減できる。また、導電性皮膜7が突起5の先端部5b近くまで形成されているため、フィラメント電極Fから電子放出素子に注入される電流は、突起5の先端部5bに至るまで、ダイヤモンド結晶からなる突起5ではなく導電性皮膜7内を流れるので、電流によって生じる突起5の発熱を抑制できる。その結果、突起5の熱破壊を抑制可能であるとともに、エミッション電流を効率良くビーム電流とすることができる。さらに、突起5が発熱した場合であっても、基材3がラジエータとして機能するので、突起5における急激な過熱状態の発生が防止される。このため、先端部5bの急激な過熱による電子分布の急激な変化が抑制され、その結果、安定した電子放出を行うことができる。
【0032】
なお、突起5はn型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなることができる。つまり、突起5は、n型の導電型を有するダイヤモンド結晶により形成することができる。n型ドーパントとしては、例えば、リンや窒素等が好ましい。n型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低い(リンの場合0.6eV程度、窒素の場合1.7eV程度である)ので、実効的な仕事関数が比較的低い。このため、電子放出素子1がn型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなる突起5を備える場合、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。なお、突起5においては、活性化エネルギーが0.3〜0.4eV程度とされている硫黄や、活性化エネルギーが0.1eVと報告されているリチウムをドーパントとして含有するダイヤモンド結晶を用いることができる。この場合もリンや窒素をドーパントとする場合と同様に、実効的な仕事関数を下げることができる。
【0033】
また、突起5は、p型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなることができる。つまり、突起5は、p型の導電型を有するダイヤモンド結晶により形成
することができる。p型ドーパントとしては、例えば、ボロンやガリウム等が好ましい。p型ドーパントがボロンである場合、ボロンが安価であることから、電子放出素子1を比較的安価に作製できる。一方、ガリウムは収束イオンビーム装置等によって簡便にドーピングできる上に、ガリウムのドーピングを行うことで欠陥準位を導入することができる。その結果、p型ドーパントがガリウムである場合、例えば、突起5に金属被覆を行う際、突起5の界面と金属との間のオーム性接触抵抗を低くすることができる。
【0034】
また、突起5は、CVDダイヤモンド結晶を含むことができる。CVDにより形成されたダイヤモンド結晶は、他の方法により形成されたダイヤモンド結晶に比べて意図的に結晶欠陥を多く含ませることができる。このため、電子放出素子1がCVDダイヤモンド結晶を含む突起5を備える場合、通常の電子放出に加えて、結晶欠陥を介した電子放出が増大する。したがって、この電子放出素子1によれば、電子の放出量を増大させることができる。
【0035】
さらに、突起5は、突起本体(不図示)と、この突起本体の表面に形成され突起本体を被覆する被覆体(不図示)からなる構成とすることができる。この場合、突起本体は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うちの何れかからなり、被覆体はn型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなることが好ましい。この構成によれば、電子放出素子1は、突起本体の材料による特性と、被覆体の材料による特性とを併せて発揮することができる。例えば、電子放出素子1は、突起本体がIb型ダイヤモンドからなる場合には比較的安価に作製でき、IIa型ダイヤモンド結晶からなる場合には安定した電子放出が可能であり、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、さらに、被覆体がn型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなるので、被覆体の活性化エネルギーが比較的低く、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【0036】
また、突起5は、基材3と異なる材料によって形成されてもよい。例えば、突起5は、基材3の端面3b上に、ヘテロエピタキシャル成長によって形成されてもよい。
【0037】
ここで、電子放出素子1は、図3(a)に示されるように、導電性皮膜7に替えて導電性皮膜9を備えることができる。導電性皮膜9の稜線は、突起5側に凸となる曲線状をなしている。導電性皮膜9におけるその他の構成・形状は導電性皮膜7と同様である。また、電子放出素子1は、図3(b)に示されるように、導電性皮膜7に替えて導電性皮膜11を備えることができる。導電性皮膜11は、第1の層11aと第2の層11bとからなる多層構造を有している。第1の層11a及び第2の層11bは、基材3及び突起5の表面上にこの順番で形成されている。この場合、突起5の表面と接する第1の層11aを突起5の表面との密着性の高い材料により形成し、第1の層11aの表面上に形成される第2の層11bを所望の特性に応じた材料により形成することができる。本実施形態においては、突起5がダイヤモンド結晶からなるので、第1の層11aの材料は、例えば、ダイヤモンドとの密着性の高いTiやRu等とすることが好ましい。Tiは、比較的低い温度でのアニールによって、ダイヤモンドとのオーミック性接触がとれるので、第1の層11aの材料として特に好ましい。また、第2の層11bの材料は、例えば、WやMo等とすることができる。
【0038】
次に、図4及び図5を参照して、電子放出素子1の作製方法について説明する。まず、図4(a)に示されるように、基材13を用意する。基材13は、Ia型、Ib型、IIa型及びIIb型のいずれかの型のダイヤモンドからなる。続いて、基材13の端部13aを研磨し、図4(b)に示されるような基材15を形成する。この基材15は、メサ形状の端部15aを有する。その後、ICPエッチング装置(ICP:Inductively coupled Plasma)を用いて、基材15の端部15aをエッチングし、図4(c)に示されるように、基材3と突起5とを形成する。
【0039】
その後、RFスパッタ法等の周知の成膜方法を用いて、図5(b)に示されるように、基材3及び突起5の表面に導電性皮膜17を形成する。導電性皮膜17の材料はTiである。そして、収束イオンビーム法を用いて、突起5の先端部5bの表面に形成された導電性皮膜を除去し突起5の先端部5bの表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に減少するように導電性皮膜17を加工して導電性皮膜7を形成する。この工程により、滑らかな表面を有する導電性皮膜7が形成される。この導電性皮膜7の表面と突起5の表面とは、導電性皮膜7の終端部において、滑らかに接続されている。以上の工程によって、電子放出素子1が作製される。以上説明した電子放出素子1の作成方法によれば、突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜7を備える電子放出素子を作製することができる。なお、突起5の先端部5bの表面を露出させる工程に用いられる加工方法は、収束イオンビーム法に限られない。例えば、金属粒子のようなクラスターを含むペーストを突起5の先端部5bに付着させた後に導電性皮膜を形成し、その後に有機溶剤中での超音波洗浄によってペーストを除去し、突起5の先端部5bを露出させる、という方法でもよい。また、導電性皮膜17を加工する工程においては、収束イオンビーム法に限らす、ナノスケールの加工が可能な周知の方法を用いることができる。
【0040】
ここで、電子放出素子1の作製方法は、上記の作製方法に限らず、例えば、次のような作製方法でもよい。基材15の端部15aをエッチングし、基材3と突起5とを形成した後に、底壁と側壁からなる箱状のマスクMを用意する。このマスクMは、突起5の先端部5bを含み基端部5aを除く突起5の先端領域5dを、突起5の表面に接することなく被覆可能である。続いて、図6(a)示されるように、マスクMを突起5に被せる。この場合、マスクMは、突起5の先端領域5dを突起5の表面に接することなく被覆する。ここで、マスクMの内面と突起5の側面との間隔Wは、例えば、0.1μm程度とすることが好ましい。そして、このマスクMを用いたスパッタリングにより、基材3の表面と、突起5の先端部5bの表面を除く突起の表面と、に導電性皮膜7を形成する。この電子放出素子1の作成方法によれば、導電性皮膜7を形成する工程において、スパッタリングのターゲット物質が突起5の表面とマスクMとの間へ回り込んで突起5の表面に堆積されので、突起5の基端部5aから先端部5bに向かう方向に連続的に厚さが減少する導電性皮膜7を形成することができる。したがって、この電子放出素子1の作製方法によれば、突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜7を備える電子放出素子1を作製することができる。
【実施例1】
【0041】
次に、実施例1に係る電子放出素子1について説明する。まず、実施例1に係る電子放出素子1の具体的な作製方法について説明する。IIb型ダイヤモンド結晶からなる基材13を用意し、その端部13aを機械研磨し、メサ形状の端部15aを有する基材15を形成した。続いて、この基材15の端部15aを、ICPエッチング装置を用いてエッチングし、高さ30μm、太さ6μmの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有する突起5を形成するとともに基材3を形成した。続いて、基材3及び突起5の表面上に、RFスパッタ法により、厚さ略100nmのTi層と厚さ略1000nmのW層とが、この順に積層されてなる導電性皮膜17を形成した。その後、真空中において略1000℃でアニールを施した。その結果、基材3及び突起5の表面と導電性皮膜17とは、アニールにより発生したTiC層によりオーミック接触がとられている。そして、収束イオンビーム法を用いて、突起5の先端部5bの表面に形成された導電性皮膜を除去し突起5の先端部5bの表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起5の基端部5aから先端部5bへ向かう方向に連続的に減少するように導電性皮膜17を加工して導電性皮膜7を形成した。以上の工程によって、実施例1に係る電子放出素子1が作製された。
【0042】
以上のようにして作製された実施例1に係る電子放出素子1のSEM写真を図7に示す。図7における矢印R1は、導電性皮膜7が形成されている領域を示しており、矢印R2は、導電性皮膜7が形成されておらず、突起5の表面が露出している領域を示している。図7に示されたSEM写真によれば、突起5の先端部5bは表面が露出しており、突起5の先端部5b以外の領域には導電性皮膜7が形成されていることがわかる。この電子放出素子1の電子放出特性を図8に示す。図8に示された図表によれば、実施例1に係る電子放出素子1は、従来の電子放出素子に比べて、エミッション電流に対する角電流密度が大きいことがわかる。
【実施例2】
【0043】
次に、実施例2に係る電子放出素子1について説明する。実施例2に係る電子放出素子1の突起5は、IIa型ダイヤモンド結晶からなる。また、突起5の先端部5bは、エピタキシャル成長膜によって被覆された後に、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例2に係る電子放出素子1のその他の構成は実施例1に係る電子放出素子1と同様である。この電子放出素子1は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子1によれば、略1000℃の動作温度において略150μAのエミッション電流を得ることができた。また、この電子放出素子1によれば、略500℃の動作温度において略50μAのエミッション電流を得ることができた。
【実施例3】
【0044】
次に、実施例3に係る電子放出素子1について説明する。実施例3に係る電子放出素子1の突起5は、Ib型ダイヤモンド結晶からなり、高さ50μm、太さ10μmの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起5の先端部5bは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例3に係る電子放出素子1のその他の構成は、実施例1に係る電子放出素子1と同様である。この電子放出素子1は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子1は、略1000℃の動作温度において、略100μAのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略1mA/srであった。
【実施例4】
【0045】
次に、実施例4に係る電子放出素子1について説明する。実施例4に係る電子放出素子1の突起5は、IIb型ダイヤモンド結晶からなり、高さ20μm、太さ6μmの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起5の先端部5bは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例4に係る電子放出素子1のその他の構成は、実施例1に係る電子放出素子1と同様である。この電子放出素子1は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子1は、略1000℃の動作温度において、略100μAのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略0.5mA/srであった。
【実施例5】
【0046】
次に、実施例5に係る電子放出素子1について説明する。実施例5に係る電子放出素子1の突起5は、Ib型ダイヤモンド結晶からなり、高さ30μm、太さ6μmの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起5の先端部5bは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例5に係る電子放出素子1のその他の構成は、実施例1に係る電子放出素子1と同様である。この電子放出素子1は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子1は、略1000℃の動作温度において、略100μAのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略1mA/srであった。
【0047】
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】
【0048】
1…電子放出素子、3,13,15…基材、3a,13a,15a…端部、3b…端面、5,6a,6b…突起、5a…基端部、5b…先端部、5c…側面、5d…先端領域、7,9,11,17…導電性皮膜、7a…表面、11a…第1の層、11b…第2の層。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、該基材の端部に設けられた突起と、該突起の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜と、を備え、
前記突起は、一辺が1000μmである立方体内に収容可能な形状を有し、
前記突起の先端部の表面は露出しており、
前記導電性皮膜の厚さは、前記突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項2】
前記導電性皮膜は前記突起の融点より低い融点を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
【請求項3】
前記導電性皮膜は多層構造を有する、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電子放出素子。
【請求項4】
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〜請求項3の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項5】
前記突起はn型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項6】
前記n型ドーパントはリン又は窒素である、ことを特徴とする請求項5に記載の電子放出素子。
【請求項7】
前記突起はp型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項8】
前記p型ドーパントはボロン又はガリウムである、ことを特徴とする請求項7に記載の電子放出素子。
【請求項9】
前記突起はIIa型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項10】
前記突起はIIb型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項11】
前記突起はIb型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項12】
前記突起はCVDダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項13】
前記突起は、突起本体と該突起本体の表面に形成され該突起本体を被覆する被覆体とからなり、
前記突起本体は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うちの何れかからなり、
前記被覆体はn型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
【請求項14】
前記導電性皮膜は、融点が600℃より高く3500℃より低い金属からなる、ことを特徴とする請求項5〜請求項13の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項15】
基材を用意する工程と、
前記基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が1000μmの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、
前記突起を形成した後に、前記突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、
前記導電性皮膜を形成した後に、収束イオンビーム法を用いて、前記突起の先端部の表面に形成された前記導電性皮膜を除去し前記突起の先端部の表面を露出させると共に、前記導電性皮膜の厚さが前記突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少するように前記導電性皮膜を加工する工程と、を備える、
ことを特徴とする電子放出素子の作製方法。
【請求項16】
基材を用意する工程と
前記基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が1000μmの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、
前記突起を形成した後に、前記突起の先端部を含み前記突起の基端部を除く前記突起の先端領域を、前記突起の表面に接することなく被覆可能な箱状のマスクを用意する工程と、
前記マスクを用意した後に、該マスクを前記突起に被せて、前記突起の前記先端領域を前記突起の表面に接することなく被覆する工程と、
前記先端領域を被覆した後に、前記マスクを用いたスパッタリングにより、前記突起の先端部を除く前記突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、を備える、
ことを特徴とする電子放出素子の作製方法。






【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図8】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−44254(P2011−44254A)
【公開日】平成23年3月3日(2011.3.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−190175(P2009−190175)
【出願日】平成21年8月19日(2009.8.19)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】