電界放出型電子源の製造方法
【課題】 アニール処理を要することなく、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源を得ることができる製造方法を提供する。
【解決手段】 この製造方法は、シリコンを主成分とするエミッタ１８の形成後に少なくともエミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入するイオン注入工程を備えている。この炭素イオン４０のエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオン４０を注入する。
【解決手段】 この製造方法は、シリコンを主成分とするエミッタ１８の形成後に少なくともエミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入するイオン注入工程を備えている。この炭素イオン４０のエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオン４０を注入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、イオンビームの空間電荷中和装置、フィールドエミッションディスプレイ、光源（フィールドエミッションランプ）、高い耐環境特性を要求される環境下で使用される電子源等に用いられる電界放出型電子源の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電界放出型電子源の製造方法の一例が特許文献１に記載されている。
【０００３】
この従来の製造方法は、電界放出型電子源を構成するエミッタの表面に炭素イオンを注入した後、３００℃〜１２００℃の温度で数時間アニールすることにより、エミッタの表面を仕事関数の低いＳiＣ層に変えるものである。これによって、良好な電子放出特性を得ることができるとされている。但し、炭素イオンのエネルギー、注入量等の注入条件は、特許文献１には何も記載されていない。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２４２７９６号公報（段落００１６−００１７、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の製造方法においては、良好な電子放出特性を得るために、エミッタ表面に炭素イオンを注入した後に、３００℃〜１２００℃の温度で数時間アニールするアニール処理が必要であり、このアニール処理の分、工程数が多くなり、製造に時間およびコスト等が多くかかるという課題がある。
【０００６】
そこでこの発明は、アニール処理を要することなく、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源を得ることができる製造方法を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る製造方法の一つは、先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内（直線上を含む。以下同様）にある条件で炭素イオンを注入することを特徴としている。
【０００８】
上記製造方法によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源が得られることを、実験およびシミュレーションで確認することができた。
【０００９】
アニール処理を行わなくても良いのは、上記注入条件でエミッタの表層部に注入された炭素原子が、エミッタを構成しているシリコン原子の周辺に介在することによって、シリコンを主成分とするエミッタが半導体というよりはむしろ金属的な電気伝導を持つ状態になり、そのために、アニール処理がなくても良好な電子放出特性を発現できたものと考えられる。
【００１０】
電子放出の寿命を延ばすことができたのは、上記注入条件で注入した炭素イオンによるエミッタの表層部内での炭素原子濃度分布が、炭素原子がエミッタを構成するシリコン原子と結合してシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布になったからである。
【００１１】
前記イオン注入工程において、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入しても良い。
【００１２】
この発明に係る製造方法の他のものは、先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴としている。
【００１３】
上記製造方法によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつより長寿命の電界放出型電子源が得られることを、実験およびシミュレーションで確認することができた。
【００１４】
プラズマ処理工程を付加することによって電子放出の寿命が更に延びるのは、エミッタの表面に炭素系の被膜が形成され、これがエミッタ表面の酸化を抑制する働きをするからである。
【００１５】
前記イオン注入工程において、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入しても良い。
【００１６】
前記イオン注入工程における炭素イオンとして、負の炭素イオンを用いても良い。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源を得ることができる。その結果、アニール工程を省いて、工程数の削減、製造コストの低減等を図ることが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、請求項１記載の発明に比べて、炭素イオンのエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタの表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタを構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ処理工程を付加することによって、エミッタの表面に炭素系の被膜が形成され、これがエミッタ表面の酸化を抑制する働きをするので、電子放出の寿命を更に延ばすことができる。即ち、より長寿命の電界放出型電子源を得ることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、請求項３記載の発明に比べて、炭素イオンのエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタの表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタを構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、次の更なる効果を奏する。即ち、炭素イオンが負の炭素イオンであるので、エミッタへのイオン注入と同時に、例えばゲート電極のような電気的に浮いた電極にイオン注入を行っても、当該電極の帯電を、正イオンを注入する場合に比べて小さく抑制することができる。従って、当該電極に特にリード線を接続して帯電を抑制することをしなくて済むので、製法を簡素化することができる。また、炭素イオンを作る場合は、正イオンよりも負イオンの方が、簡単にかつ大量に作ることができるので、上記のような注入量を実現することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、電界放出型電子源の一例を拡大して示す概略平面図である。図２は、図１に示す電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【００２３】
この電界放出型電子源１０は、電界放出型電子源アレイ（略してＦＥＡ）とも呼ばれるものであり、多数の（例えば１０００〜５０００個程度の）エミッタ１８を有している。但し、エミッタ１８の数は、これに限られるものではなく、１個以上で任意である。エミッタ１８の配置の仕方も任意である。
【００２４】
この電界放出型電子源１０は、図２にその一部分を拡大して示すように、導電性のカソード基板１６と、このカソード基板１６の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ１８と、この各エミッタ１８の先端付近を微小な間隙２６をあけて取り囲む、各エミッタ１８に共通のゲート電極（引出し電極とも呼ばれる）２２と、このゲート電極２２とカソード基板１６との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層２０とを備えている。カソード基板１６と各エミッタ１８とは互いに電気的に導通している。
【００２５】
カソード基板１６は、例えばシリコンを主成分とする材料から成る。即ち、カソード基板１６は、シリコン基板でも良いし、シリコン基板にホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａs ）、アンチモン（Ｓb ）等の不純物が含まれている基板でも良い。カソード基板１６は、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。また、絶縁性の基板の表面に、例えばシリコンを主成分とする導電性膜（層）を形成して表層部のみが導電性を有する構造のものでも良い。
【００２６】
各エミッタ１８は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図２に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。
【００２７】
各エミッタ１８は、シリコンを主成分とする材料から成る。例えば、シリコンのみから成っていても良いし、シリコンにホウ素、リン、ヒ素、アンチモン等の不純物が含まれていても良い。各エミッタ１８は、図２に示す例のように、カソード基板１６の表面に、当該カソード基板１６と一体的に形成しても良いし、別体で形成しても良い。いずれにしても、カソード基板１６と各エミッタ１８とは電気的に導通状態にある。
【００２８】
ゲート電極２２は、各エミッタ１８に対応する位置に微小な小孔２４を有している。各小孔２４は、例えば円形をしており、この各小孔２４の中心部に各エミッタ１８の先端付近が、小孔２４の内壁との間に微小な間隙２６をあけて位置している。
【００２９】
絶縁層２０は、例えば二酸化シリコン（ＳiＯ2 ）から成るが、その他の絶縁材から成るものでも良い。
【００３０】
上記カソード基板１６（換言すれば、当該カソード基板１６と導通状態にある各エミッタ１８）とゲート電極２２との間に、ゲート電極２２を正極側にして（換言すれば各エミッタ１８を負極側にして）例えば５０Ｖ〜１００Ｖ程度の直流電圧を印加すると、各エミッタ１８の先端部に電界が集中し、電界放射（電界放出）現象により、各エミッタ１８の先端部から電子１２が放出される。
【００３１】
上記のような電界放出型電子源１０の製造方法の一例を図３、図４を参照して説明する。
【００３２】
まず、カソード基板１６を準備する（基板準備工程５０）。その状態を図４Ａに示す。
【００３３】
次に、上記カソード基板１６にエッチングプロセスを施して、所定箇所に上記エミッタ１８を形成し（エミッタ形成工程５１）、かつ、薄膜形成プロセスによって、所定領域に上記絶縁層２０を形成し（絶縁層形成工程５２）、更に、薄膜形成プロセスによって、所定領域に上記ゲート電極２２を形成する（ゲート電極形成工程５３）。ゲート電極形成工程５３後の状態を図４Ｂに示す。
【００３４】
次に、各エミッタ１８の先端部を含む領域に、炭素イオン４０を注入する（イオン注入工程５４）。その状態を図４Ｃに示す。
【００３５】
上記例では、複数のエミッタ１８、絶縁層２０およびゲート電極２２の形成後に、複数のエミッタ１８の先端部を含む広い領域に炭素イオン４０を注入するようにしているけれども、必ずしもそのようにしなくても良い。要は、各エミッタ１８の形成後に少なくとも各エミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入すれば良い。電子１２の電界放出に寄与するのは各エミッタ１８の先端部であり、少なくともその先端部を改質することができれば良いからである。
【００３６】
また、例えば、絶縁層２０やゲート電極２２を形成する前に、各エミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入しても良い。その場合、各エミッタ１８の先端部だけに炭素イオン４０を注入しても良いし、各エミッタ１８の先端部を含む領域に炭素イオン４０を注入しても良い。
【００３７】
炭素イオン４０を注入する上記イオン注入工程５４においては、炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量が重要であることが実験およびシミュレーションによって確かめられた。これを以下に詳述する。
【００３８】
実験結果の一例を図５に示す。これは、図１、図２に示した構成をしていてカソード基板１６およびエミッタ１８がシリコンを主成分としており、かつ１０２４個のエミッタ１８を有しているものに、注入量を変えて、負の炭素イオン４０を注入して得られた各電界放出型電子源１０から放出される電子電流（放出電流）の時間変化を測定したものである。イオン注入後にアニールは行っていない。放出電流は、コレクタ電極に流れる電流で測定した。雰囲気は、酸素含有雰囲気を実現するために、酸素ガスを１×１０-6Ｐａ導入した状態で測定した。注入炭素イオン４０のエネルギーは５ｋｅＶとした。
【００３９】
図５中の線Ａ〜Ｃは、それぞれ、炭素イオン４０の注入量が、（Ａ）１×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2 、（Ｂ）３×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2 、（Ｃ）１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 の場合のものである。線Ｄは、比較例として、（Ｄ）炭素イオン注入を行わなかった場合のものである。初期電流はいずれも１５μＡ程度である。
【００４０】
炭素イオン注入を行わない（Ｄ）の場合は、電子は放出されるものの、放出電流は時間経過に伴って急激に低下しており、寿命が非常に短いことが分かる。放出電流が半減するまでの時間は５時間程度である。これに対して、（Ａ）の注入量では、放出電流が半減するまでの時間は１２時間程度であり、（Ｂ）の注入量では２０時間程度であり、（Ｃ）の注入量では５０時間程度である。いずれも（Ｄ）の比較例に比べて寿命が延びており、かつ注入量が増えるほど寿命が延びていることが分かる。
【００４１】
上記実験結果等に基づいて、注入炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量の好ましい範囲をシミュレーションによって求めた。
【００４２】
イオン注入による炭素原子がエミッタ１８を構成するシリコン原子と結合して、シリコンの酸化を抑制することで電子放出特性の悪化を防ぐためには、エミッタ１８の表層部内での炭素原子の濃度分布は、（１）表面から深さ４０ｎｍ程度までの深さの範囲内において、（２）炭素原子濃度の最低値が２０％、（３）炭素原子濃度のピーク値が４０％〜６０％の範囲内となるような分布が好ましいことが実験によって明らかになっている。
【００４３】
これを満たすイオン注入条件の一例を図６に示す。この図は、横軸を炭素イオンのエネルギー［ｋｅＶ］、縦軸を炭素イオンの注入量［×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ］とする直交座標であり、この直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すことにする（図７、図１０、図１１も同様）。
【００４４】
炭素イオン４０は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ1 内（直線上を含む。以下同様）にある条件で注入することが好ましい。その理由は次のとおりである。なお、上記範囲Ｒ1 を図６中にハッチングを付して示している（以下に述べる範囲Ｒ2 〜Ｒ4 も同様）。
【００４５】
炭素イオン４０のエネルギーの下限値を線ａで示すように５ｋｅＶにしているのは、エミッタ１８の表層部の炭素導入層の上記厚さ（４０ｎｍ程度）を最低限確保するためであり、これより低いエネルギーでは上記厚さの炭素導入層が形成できない。
【００４６】
炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１５ｋｅＶにしているのは、これよりも高いエネルギーだと炭素原子がエミッタ１８の内部の奥深くに入り過ぎるために、注入量を増加させても上記厚さの範囲での炭素原子濃度が上がらず、炭素イオン注入による改質の効果が失われるためである。
【００４７】
線ｂ、ｃで示す炭素イオン４０の注入量の上限は、エミッタ１８内部での炭素原子の上限側の濃度が上記ピーク値の６０％を超えないようにするためである。これよりも高濃度の炭素導入は、エミッタ１８の膨張を招き、電子放出特性の悪化、エミッタ１８の破壊等につながるので好ましくない。
【００４８】
線ｅ、ｆで示す炭素イオン４０の注入量の下限は、エミッタ１８の表層部（深さ４０ｎｍ程度までの範囲）での炭素原子濃度を、上記最低値の２０％以上、かつ上記ピーク値の４０％以上の範囲に維持するためである。炭素原子濃度がこの範囲よりも低いと、電子放出特性の劣化を抑制する効果を十分に発揮することができなくなるので好ましくない。
【００４９】
上記イオン注入工程５４において、上記範囲Ｒ1 内にある条件で炭素イオン４０を注入することによって、各エミッタ１８の先端部内での炭素原子濃度分布が、各エミッタ１８を構成するシリコン原子と結合してシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布になるので、各エミッタ１８からの電子放出の寿命を延ばすことができる。
【００５０】
また、上記製造方法では、上述したように、イオン注入工程後にアニール処理は行っていない。アニール処理を行わなくても良いのは、上記注入条件で各エミッタ１８の表層部に注入された炭素原子が、各エミッタ１８を構成しているシリコン原子の周辺に介在することによって、シリコンを主成分とするエミッタ１８が半導体というよりはむしろ金属的な電気伝導を持つ状態になり、そのために、アニール処理がなくても良好な電子放出特性を発現できたものと考えられる。
【００５１】
ちなみに、通常の半導体形成用のイオン注入では、イオン注入によってシリコンの結晶が壊されてアモルファス化するために、半導体としての良い特性を出すために、再結晶化のプロセス、即ちアニール処理が必要となる。これに対して、電界放出型電子源でエミッタにシリコンを用いる場合には、半導体としての良好な性質を得る必要は必ずしもなく、上述した金属的な電気伝導を有していれば良いので、アニール処理を行わなくても良い。もちろん、炭素導入層が著しく変化しない範囲で、必要に応じて、アニール処理を施してもかまわない。
【００５２】
従って、上記製造方法によれば、イオン注入工程５４の後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源１０を得ることができる。その結果、アニール工程を省いて、工程数の削減、製造コストの低減等を図ることが可能になる。
【００５３】
図７に示す例のように、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１２ｋｅＶに下げても良い。この場合の炭素イオン４０の注入条件の好ましい範囲は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ2 内となる。
【００５４】
このようにすれば、炭素イオン４０のエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ１８の内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタ１８の表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタ１８を構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００５５】
上記イオン注入工程５４の後に、更に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくともエミッタ１８の先端部に照射してプラズマ処理を行うプラズマ処理工程を実施しても良い。
【００５６】
例えば図８に示すプラズマ処理工程の例のように、複数のエミッタ１８の先端部を含む領域にプラズマ４２を照射する（入射させる）。このプラズマ処理工程は、例えば、公知のリアクティブエッチング装置等を用いて行うことができる。プラズマ４２は、例えば、ＣＨＦ3 （三フッ化メタン）ガスをプラズマ化したものである。但し、これ以外で炭素を含むガスをプラズマ化したものでも良い。
【００５７】
なお、プラズマ４２は、各エミッタ１８の先端部だけに照射しても良いし、図８に示す例のように各エミッタ１８の先端部を含む広い領域に照射しても良い。要は、少なくとも各エミッタ１８の先端部に照射すれば良い。電子１２の電界放出に寄与するのは各エミッタ１８の先端部であり、少なくともその先端部をプラズマ処理できれば良いからである。
【００５８】
上記プラズマ処理工程によって、各エミッタ１８の先端部の表面に炭素系の被膜が形成され、この被膜が各エミッタ１８の先端部表面の酸化を抑制する働きをするので、電界放出型電子源１０の寿命をより長くすることができる。上記炭素系の被膜は、ＣＨＦ3 ガスを用いた場合は、Ｃ、Ｈ、Ｆの元素から成る被膜である。
【００５９】
実験結果の一例を図９に示す。これは、図５に示した線Ａ〜Ｃの場合とそれぞれ同一条件（即ち同一のエネルギーおよび注入量）で炭素イオン注入後に、ＣＨＦ3 プラズマによるプラズマ処理を更に施した場合の例である。線Ｅ〜Ｇは、線Ａ〜Ｃにそれぞれ対応している。このプラズマ処理には、リアクティブエッチング装置を用いた。プラズマ処理条件は、ＣＨＦ3 ガスの流量を８０ｓｃｃｍ、装置内のガス圧を２．５Ｐａ、投入高周波電力を８０Ｗ、プラズマ処理時間を３０秒とした。
【００６０】
図９中の線Ｅ〜Ｇに示すように、いずれの注入量においても、図５に示した炭素イオン注入だけの場合に比べて、時間経過に伴う放出電流の低下が遥かに小さいことが分かる。即ち、電界放出型電子源１０の寿命をより長くすることが可能になったことが分かる。
【００６１】
イオン注入工程５４の後に更にプラズマ処理工程を施す場合の、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を図１０に示す。炭素イオン４０は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ3 内にある条件で注入することが好ましい。その理由は次のとおりである。
【００６２】
即ち、イオン注入工程５４に加えてプラズマ処理工程を実施すると、プラズマ処理によってエミッタ１８の表面付近（例えば深さ１０ｎｍ程度まで）の炭素原子濃度を高めることができるので、イオン注入工程５４によって浅い領域に導入する炭素原子は、イオン注入工程５４のみの場合に比べて若干少なくて済む。例えば、イオン注入によるエミッタ１８の表面での炭素原子濃度は、１０％以上を確保できれば良い。従って、線ｅ、ｆで示す炭素イオン４０の注入量の下限は、図６に示した場合に比べて小さくて済む。線ａ〜ｄは図６の場合と同じである。
【００６３】
イオン注入工程５４の後にプラズマ処理工程を実施する場合も、図１１に示す例のように、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１２ｋｅＶに下げても良い。この場合の炭素イオン４０の注入条件の好ましい範囲は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ4 内となる。このようにすることによる効果は、図７の所で述べた効果と同様である。
【００６４】
上記イオン注入工程５４における炭素イオン４０として、正の炭素イオン４０を用いても良いし、負の炭素イオン４０を用いても良い。各エミッタ１８にイオン注入された炭素の物性はどららも同じだからである。
【００６５】
もっとも、負の炭素イオン４０を用いると、図４を参照して、エミッタ１８へのイオン注入と同時に、例えばゲート電極２２のように電気的に浮いた（即ち電気的に絶縁されていてどこにも接続されていない）電極にイオン注入を行っても、当該ゲート電極２２の帯電を、正イオンを注入する場合に比べて小さく抑制することができる。これは、簡単に言えば次の理由による。即ち、正イオン注入ではゲート電極２２に正の電荷がどんどん蓄積されてゲート電極２２の電位が上がるのに対して、負イオン注入の場合は、負の炭素イオン４０の入射に伴ってゲート電極２２から二次電子が放出され、炭素イオン４０のエネルギーが上記範囲の場合は二次電子放出係数は１よりも大きいので、ゲート電極２２は負イオンを注入しているにも拘わらず若干正に帯電する。しかし、二次電子の運動エネルギーは小さいので、ゲート電極２２が正に帯電すると、二次電子は周辺の接地電位（これは相対的に電子にとっては高い電位になる）に追い返され、結果としてゲート電極２２に戻るしかなく、結局、イオン一つの入射に対して電子一つが放出されるようなゲート電極２２の電位（例えば数Ｖ程度）で帯電が停止する。従って、ゲート電極２２に特にリード線を接続して帯電を抑制することをしなくて済むので、製法を簡素化することができる。
【００６６】
また、炭素イオン４０を作る場合は、正イオンよりも負イオンの方が、簡単にかつ大量に作ることができるので、上記のような注入量を実現することが容易になるという利点もある。これは、簡単に言えば次の理由による。即ち、炭素イオンを作ろうとすると、通常のイオン源（正イオン源）では、典型的には次の方法による。（ａ）炭素系のガスを放電室に流してプラズマとし、炭素イオンを引き出す。（ｂ）炭素のターゲットにイオンを照射し、表面状態を調整する等して電子が炭素イオンと共に真空中に放出されないようにする。（ａ）の方法が一般的だが、炭化水素系のガスは放電室内で重合し高分子化合物を形成する等、装置への悪影響が大きい。（ｂ）の方法はそのような影響はないが、一般にこの方法で大量の炭素イオンを作るのは難しい。
【００６７】
負イオンの場合、正イオンの（ｂ）の方法に似た方法で、但し、セシウム等のアルカリ金属を炭素ターゲットに供給して、電子を炭素原子と共に真空中に放出させて負の炭素イオンを作ることができる。この負の炭素イオンの放出効率は最適化されており、例えば２０％程度の効率を有することが知られている。このため、炭素イオンを作るのは正イオンよりも負イオンの方が簡単である。
【００６８】
なお、炭素イオン４０を注入する方法として、例えば、（ａ）質量分離した炭素イオン４０を注入するイオン注入法、（ｂ）質量分離せずに炭素イオン４０を含むイオンを注入する非質量分離型のイオン注入法（これはイオンドーピング（登録商標）法とも呼ばれている）、（ｃ）炭素を含むガス中でグロー放電プラズマを発生させて炭素イオン４０を注入するプラズマドーピング法、等のいずれを採用しても良い。プラズマドーピング法の場合は、カソード基板１６（またはそれを保持するホルダ）に印加する負のバイアス電圧によって、炭素イオン４０のエネルギーを制御することができる。
【００６９】
注入に使用する炭素イオン４０は、原子状、二原子分子、その他の分子状（炭化水素も含む）、クラスター等いずれでも良い。
【００７０】
また、この発明に係る製造方法は、図１２に示す例のように、ゲート電極２２よりも電子１２の放出側にゲート電極２２に沿って設けられていて、多数の小孔３０を有する第２ゲート電極（これは第２引出し電極とも呼ばれる）２８を更に備えている電界放出型電子源１０の製造にも適用することができる。各エミッタ１８に対する炭素イオン注入およびプラズマ処理の効果は、図２に示す電界放出型電子源１０の場合と変わらないからである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】電界放出型電子源の一例を拡大して示す概略平面図である。
【図２】図１に示す電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【図３】この発明に係る電界放出型電子源の製造方法の一例を示す工程図である。
【図４】電界放出型電子源の製造工程の一部を示す断面図である。
【図５】エミッタにイオン注入を行った電界放出型電子源からの放出電流の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。
【図６】エミッタにイオン注入する場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を示す図である。
【図７】エミッタにイオン注入する場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の他の例を示す図である。
【図８】エミッタにイオン注入した後に更にプラズマ処理を行うプラズマ処理工程の一例を示す断面図である。
【図９】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行った電界放出型電子源からの放出電流の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。
【図１０】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行う場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を示す図である。
【図１１】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行う場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の他の例を示す図である。
【図１２】電界放出型電子源の他の例を、その一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 電界放出型電子源
１６ カソード基板
１８ エミッタ
２０ 絶縁層
２２ ゲート電極
２８ 第２ゲート電極
４０ 炭素イオン
４２ プラズマ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、イオンビームの空間電荷中和装置、フィールドエミッションディスプレイ、光源（フィールドエミッションランプ）、高い耐環境特性を要求される環境下で使用される電子源等に用いられる電界放出型電子源の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電界放出型電子源の製造方法の一例が特許文献１に記載されている。
【０００３】
この従来の製造方法は、電界放出型電子源を構成するエミッタの表面に炭素イオンを注入した後、３００℃〜１２００℃の温度で数時間アニールすることにより、エミッタの表面を仕事関数の低いＳiＣ層に変えるものである。これによって、良好な電子放出特性を得ることができるとされている。但し、炭素イオンのエネルギー、注入量等の注入条件は、特許文献１には何も記載されていない。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２４２７９６号公報（段落００１６−００１７、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の製造方法においては、良好な電子放出特性を得るために、エミッタ表面に炭素イオンを注入した後に、３００℃〜１２００℃の温度で数時間アニールするアニール処理が必要であり、このアニール処理の分、工程数が多くなり、製造に時間およびコスト等が多くかかるという課題がある。
【０００６】
そこでこの発明は、アニール処理を要することなく、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源を得ることができる製造方法を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る製造方法の一つは、先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内（直線上を含む。以下同様）にある条件で炭素イオンを注入することを特徴としている。
【０００８】
上記製造方法によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源が得られることを、実験およびシミュレーションで確認することができた。
【０００９】
アニール処理を行わなくても良いのは、上記注入条件でエミッタの表層部に注入された炭素原子が、エミッタを構成しているシリコン原子の周辺に介在することによって、シリコンを主成分とするエミッタが半導体というよりはむしろ金属的な電気伝導を持つ状態になり、そのために、アニール処理がなくても良好な電子放出特性を発現できたものと考えられる。
【００１０】
電子放出の寿命を延ばすことができたのは、上記注入条件で注入した炭素イオンによるエミッタの表層部内での炭素原子濃度分布が、炭素原子がエミッタを構成するシリコン原子と結合してシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布になったからである。
【００１１】
前記イオン注入工程において、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入しても良い。
【００１２】
この発明に係る製造方法の他のものは、先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴としている。
【００１３】
上記製造方法によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつより長寿命の電界放出型電子源が得られることを、実験およびシミュレーションで確認することができた。
【００１４】
プラズマ処理工程を付加することによって電子放出の寿命が更に延びるのは、エミッタの表面に炭素系の被膜が形成され、これがエミッタ表面の酸化を抑制する働きをするからである。
【００１５】
前記イオン注入工程において、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入しても良い。
【００１６】
前記イオン注入工程における炭素イオンとして、負の炭素イオンを用いても良い。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、イオン注入工程後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源を得ることができる。その結果、アニール工程を省いて、工程数の削減、製造コストの低減等を図ることが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、請求項１記載の発明に比べて、炭素イオンのエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタの表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタを構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ処理工程を付加することによって、エミッタの表面に炭素系の被膜が形成され、これがエミッタ表面の酸化を抑制する働きをするので、電子放出の寿命を更に延ばすことができる。即ち、より長寿命の電界放出型電子源を得ることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果と同様の効果に加えて次の更なる効果を奏する。即ち、請求項３記載の発明に比べて、炭素イオンのエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタの表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタを構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、次の更なる効果を奏する。即ち、炭素イオンが負の炭素イオンであるので、エミッタへのイオン注入と同時に、例えばゲート電極のような電気的に浮いた電極にイオン注入を行っても、当該電極の帯電を、正イオンを注入する場合に比べて小さく抑制することができる。従って、当該電極に特にリード線を接続して帯電を抑制することをしなくて済むので、製法を簡素化することができる。また、炭素イオンを作る場合は、正イオンよりも負イオンの方が、簡単にかつ大量に作ることができるので、上記のような注入量を実現することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、電界放出型電子源の一例を拡大して示す概略平面図である。図２は、図１に示す電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【００２３】
この電界放出型電子源１０は、電界放出型電子源アレイ（略してＦＥＡ）とも呼ばれるものであり、多数の（例えば１０００〜５０００個程度の）エミッタ１８を有している。但し、エミッタ１８の数は、これに限られるものではなく、１個以上で任意である。エミッタ１８の配置の仕方も任意である。
【００２４】
この電界放出型電子源１０は、図２にその一部分を拡大して示すように、導電性のカソード基板１６と、このカソード基板１６の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ１８と、この各エミッタ１８の先端付近を微小な間隙２６をあけて取り囲む、各エミッタ１８に共通のゲート電極（引出し電極とも呼ばれる）２２と、このゲート電極２２とカソード基板１６との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層２０とを備えている。カソード基板１６と各エミッタ１８とは互いに電気的に導通している。
【００２５】
カソード基板１６は、例えばシリコンを主成分とする材料から成る。即ち、カソード基板１６は、シリコン基板でも良いし、シリコン基板にホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａs ）、アンチモン（Ｓb ）等の不純物が含まれている基板でも良い。カソード基板１６は、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。また、絶縁性の基板の表面に、例えばシリコンを主成分とする導電性膜（層）を形成して表層部のみが導電性を有する構造のものでも良い。
【００２６】
各エミッタ１８は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図２に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。
【００２７】
各エミッタ１８は、シリコンを主成分とする材料から成る。例えば、シリコンのみから成っていても良いし、シリコンにホウ素、リン、ヒ素、アンチモン等の不純物が含まれていても良い。各エミッタ１８は、図２に示す例のように、カソード基板１６の表面に、当該カソード基板１６と一体的に形成しても良いし、別体で形成しても良い。いずれにしても、カソード基板１６と各エミッタ１８とは電気的に導通状態にある。
【００２８】
ゲート電極２２は、各エミッタ１８に対応する位置に微小な小孔２４を有している。各小孔２４は、例えば円形をしており、この各小孔２４の中心部に各エミッタ１８の先端付近が、小孔２４の内壁との間に微小な間隙２６をあけて位置している。
【００２９】
絶縁層２０は、例えば二酸化シリコン（ＳiＯ2 ）から成るが、その他の絶縁材から成るものでも良い。
【００３０】
上記カソード基板１６（換言すれば、当該カソード基板１６と導通状態にある各エミッタ１８）とゲート電極２２との間に、ゲート電極２２を正極側にして（換言すれば各エミッタ１８を負極側にして）例えば５０Ｖ〜１００Ｖ程度の直流電圧を印加すると、各エミッタ１８の先端部に電界が集中し、電界放射（電界放出）現象により、各エミッタ１８の先端部から電子１２が放出される。
【００３１】
上記のような電界放出型電子源１０の製造方法の一例を図３、図４を参照して説明する。
【００３２】
まず、カソード基板１６を準備する（基板準備工程５０）。その状態を図４Ａに示す。
【００３３】
次に、上記カソード基板１６にエッチングプロセスを施して、所定箇所に上記エミッタ１８を形成し（エミッタ形成工程５１）、かつ、薄膜形成プロセスによって、所定領域に上記絶縁層２０を形成し（絶縁層形成工程５２）、更に、薄膜形成プロセスによって、所定領域に上記ゲート電極２２を形成する（ゲート電極形成工程５３）。ゲート電極形成工程５３後の状態を図４Ｂに示す。
【００３４】
次に、各エミッタ１８の先端部を含む領域に、炭素イオン４０を注入する（イオン注入工程５４）。その状態を図４Ｃに示す。
【００３５】
上記例では、複数のエミッタ１８、絶縁層２０およびゲート電極２２の形成後に、複数のエミッタ１８の先端部を含む広い領域に炭素イオン４０を注入するようにしているけれども、必ずしもそのようにしなくても良い。要は、各エミッタ１８の形成後に少なくとも各エミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入すれば良い。電子１２の電界放出に寄与するのは各エミッタ１８の先端部であり、少なくともその先端部を改質することができれば良いからである。
【００３６】
また、例えば、絶縁層２０やゲート電極２２を形成する前に、各エミッタ１８の先端部に炭素イオン４０を注入しても良い。その場合、各エミッタ１８の先端部だけに炭素イオン４０を注入しても良いし、各エミッタ１８の先端部を含む領域に炭素イオン４０を注入しても良い。
【００３７】
炭素イオン４０を注入する上記イオン注入工程５４においては、炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量が重要であることが実験およびシミュレーションによって確かめられた。これを以下に詳述する。
【００３８】
実験結果の一例を図５に示す。これは、図１、図２に示した構成をしていてカソード基板１６およびエミッタ１８がシリコンを主成分としており、かつ１０２４個のエミッタ１８を有しているものに、注入量を変えて、負の炭素イオン４０を注入して得られた各電界放出型電子源１０から放出される電子電流（放出電流）の時間変化を測定したものである。イオン注入後にアニールは行っていない。放出電流は、コレクタ電極に流れる電流で測定した。雰囲気は、酸素含有雰囲気を実現するために、酸素ガスを１×１０-6Ｐａ導入した状態で測定した。注入炭素イオン４０のエネルギーは５ｋｅＶとした。
【００３９】
図５中の線Ａ〜Ｃは、それぞれ、炭素イオン４０の注入量が、（Ａ）１×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2 、（Ｂ）３×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2 、（Ｃ）１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 の場合のものである。線Ｄは、比較例として、（Ｄ）炭素イオン注入を行わなかった場合のものである。初期電流はいずれも１５μＡ程度である。
【００４０】
炭素イオン注入を行わない（Ｄ）の場合は、電子は放出されるものの、放出電流は時間経過に伴って急激に低下しており、寿命が非常に短いことが分かる。放出電流が半減するまでの時間は５時間程度である。これに対して、（Ａ）の注入量では、放出電流が半減するまでの時間は１２時間程度であり、（Ｂ）の注入量では２０時間程度であり、（Ｃ）の注入量では５０時間程度である。いずれも（Ｄ）の比較例に比べて寿命が延びており、かつ注入量が増えるほど寿命が延びていることが分かる。
【００４１】
上記実験結果等に基づいて、注入炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量の好ましい範囲をシミュレーションによって求めた。
【００４２】
イオン注入による炭素原子がエミッタ１８を構成するシリコン原子と結合して、シリコンの酸化を抑制することで電子放出特性の悪化を防ぐためには、エミッタ１８の表層部内での炭素原子の濃度分布は、（１）表面から深さ４０ｎｍ程度までの深さの範囲内において、（２）炭素原子濃度の最低値が２０％、（３）炭素原子濃度のピーク値が４０％〜６０％の範囲内となるような分布が好ましいことが実験によって明らかになっている。
【００４３】
これを満たすイオン注入条件の一例を図６に示す。この図は、横軸を炭素イオンのエネルギー［ｋｅＶ］、縦軸を炭素イオンの注入量［×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ］とする直交座標であり、この直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すことにする（図７、図１０、図１１も同様）。
【００４４】
炭素イオン４０は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ1 内（直線上を含む。以下同様）にある条件で注入することが好ましい。その理由は次のとおりである。なお、上記範囲Ｒ1 を図６中にハッチングを付して示している（以下に述べる範囲Ｒ2 〜Ｒ4 も同様）。
【００４５】
炭素イオン４０のエネルギーの下限値を線ａで示すように５ｋｅＶにしているのは、エミッタ１８の表層部の炭素導入層の上記厚さ（４０ｎｍ程度）を最低限確保するためであり、これより低いエネルギーでは上記厚さの炭素導入層が形成できない。
【００４６】
炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１５ｋｅＶにしているのは、これよりも高いエネルギーだと炭素原子がエミッタ１８の内部の奥深くに入り過ぎるために、注入量を増加させても上記厚さの範囲での炭素原子濃度が上がらず、炭素イオン注入による改質の効果が失われるためである。
【００４７】
線ｂ、ｃで示す炭素イオン４０の注入量の上限は、エミッタ１８内部での炭素原子の上限側の濃度が上記ピーク値の６０％を超えないようにするためである。これよりも高濃度の炭素導入は、エミッタ１８の膨張を招き、電子放出特性の悪化、エミッタ１８の破壊等につながるので好ましくない。
【００４８】
線ｅ、ｆで示す炭素イオン４０の注入量の下限は、エミッタ１８の表層部（深さ４０ｎｍ程度までの範囲）での炭素原子濃度を、上記最低値の２０％以上、かつ上記ピーク値の４０％以上の範囲に維持するためである。炭素原子濃度がこの範囲よりも低いと、電子放出特性の劣化を抑制する効果を十分に発揮することができなくなるので好ましくない。
【００４９】
上記イオン注入工程５４において、上記範囲Ｒ1 内にある条件で炭素イオン４０を注入することによって、各エミッタ１８の先端部内での炭素原子濃度分布が、各エミッタ１８を構成するシリコン原子と結合してシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布になるので、各エミッタ１８からの電子放出の寿命を延ばすことができる。
【００５０】
また、上記製造方法では、上述したように、イオン注入工程後にアニール処理は行っていない。アニール処理を行わなくても良いのは、上記注入条件で各エミッタ１８の表層部に注入された炭素原子が、各エミッタ１８を構成しているシリコン原子の周辺に介在することによって、シリコンを主成分とするエミッタ１８が半導体というよりはむしろ金属的な電気伝導を持つ状態になり、そのために、アニール処理がなくても良好な電子放出特性を発現できたものと考えられる。
【００５１】
ちなみに、通常の半導体形成用のイオン注入では、イオン注入によってシリコンの結晶が壊されてアモルファス化するために、半導体としての良い特性を出すために、再結晶化のプロセス、即ちアニール処理が必要となる。これに対して、電界放出型電子源でエミッタにシリコンを用いる場合には、半導体としての良好な性質を得る必要は必ずしもなく、上述した金属的な電気伝導を有していれば良いので、アニール処理を行わなくても良い。もちろん、炭素導入層が著しく変化しない範囲で、必要に応じて、アニール処理を施してもかまわない。
【００５２】
従って、上記製造方法によれば、イオン注入工程５４の後にアニール処理を行わなくても、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の電界放出型電子源１０を得ることができる。その結果、アニール工程を省いて、工程数の削減、製造コストの低減等を図ることが可能になる。
【００５３】
図７に示す例のように、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１２ｋｅＶに下げても良い。この場合の炭素イオン４０の注入条件の好ましい範囲は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ2 内となる。
【００５４】
このようにすれば、炭素イオン４０のエネルギーの上限値を小さくしているので、イオン注入による炭素原子がエミッタ１８の内部の奥深くに入り過ぎるのを抑制して、エミッタ１８の表層部内での炭素原子濃度分布を、より確実に、エミッタ１８を構成するシリコンの酸化を抑制するのに効果的な分布にすることができる。
【００５５】
上記イオン注入工程５４の後に、更に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくともエミッタ１８の先端部に照射してプラズマ処理を行うプラズマ処理工程を実施しても良い。
【００５６】
例えば図８に示すプラズマ処理工程の例のように、複数のエミッタ１８の先端部を含む領域にプラズマ４２を照射する（入射させる）。このプラズマ処理工程は、例えば、公知のリアクティブエッチング装置等を用いて行うことができる。プラズマ４２は、例えば、ＣＨＦ3 （三フッ化メタン）ガスをプラズマ化したものである。但し、これ以外で炭素を含むガスをプラズマ化したものでも良い。
【００５７】
なお、プラズマ４２は、各エミッタ１８の先端部だけに照射しても良いし、図８に示す例のように各エミッタ１８の先端部を含む広い領域に照射しても良い。要は、少なくとも各エミッタ１８の先端部に照射すれば良い。電子１２の電界放出に寄与するのは各エミッタ１８の先端部であり、少なくともその先端部をプラズマ処理できれば良いからである。
【００５８】
上記プラズマ処理工程によって、各エミッタ１８の先端部の表面に炭素系の被膜が形成され、この被膜が各エミッタ１８の先端部表面の酸化を抑制する働きをするので、電界放出型電子源１０の寿命をより長くすることができる。上記炭素系の被膜は、ＣＨＦ3 ガスを用いた場合は、Ｃ、Ｈ、Ｆの元素から成る被膜である。
【００５９】
実験結果の一例を図９に示す。これは、図５に示した線Ａ〜Ｃの場合とそれぞれ同一条件（即ち同一のエネルギーおよび注入量）で炭素イオン注入後に、ＣＨＦ3 プラズマによるプラズマ処理を更に施した場合の例である。線Ｅ〜Ｇは、線Ａ〜Ｃにそれぞれ対応している。このプラズマ処理には、リアクティブエッチング装置を用いた。プラズマ処理条件は、ＣＨＦ3 ガスの流量を８０ｓｃｃｍ、装置内のガス圧を２．５Ｐａ、投入高周波電力を８０Ｗ、プラズマ処理時間を３０秒とした。
【００６０】
図９中の線Ｅ〜Ｇに示すように、いずれの注入量においても、図５に示した炭素イオン注入だけの場合に比べて、時間経過に伴う放出電流の低下が遥かに小さいことが分かる。即ち、電界放出型電子源１０の寿命をより長くすることが可能になったことが分かる。
【００６１】
イオン注入工程５４の後に更にプラズマ処理工程を施す場合の、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を図１０に示す。炭素イオン４０は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ3 内にある条件で注入することが好ましい。その理由は次のとおりである。
【００６２】
即ち、イオン注入工程５４に加えてプラズマ処理工程を実施すると、プラズマ処理によってエミッタ１８の表面付近（例えば深さ１０ｎｍ程度まで）の炭素原子濃度を高めることができるので、イオン注入工程５４によって浅い領域に導入する炭素原子は、イオン注入工程５４のみの場合に比べて若干少なくて済む。例えば、イオン注入によるエミッタ１８の表面での炭素原子濃度は、１０％以上を確保できれば良い。従って、線ｅ、ｆで示す炭素イオン４０の注入量の下限は、図６に示した場合に比べて小さくて済む。線ａ〜ｄは図６の場合と同じである。
【００６３】
イオン注入工程５４の後にプラズマ処理工程を実施する場合も、図１１に示す例のように、イオン注入工程５４における炭素イオン４０のエネルギーの上限値を線ｄで示すように１２ｋｅＶに下げても良い。この場合の炭素イオン４０の注入条件の好ましい範囲は、点Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線ａ〜ｆで結んで囲まれる範囲Ｒ4 内となる。このようにすることによる効果は、図７の所で述べた効果と同様である。
【００６４】
上記イオン注入工程５４における炭素イオン４０として、正の炭素イオン４０を用いても良いし、負の炭素イオン４０を用いても良い。各エミッタ１８にイオン注入された炭素の物性はどららも同じだからである。
【００６５】
もっとも、負の炭素イオン４０を用いると、図４を参照して、エミッタ１８へのイオン注入と同時に、例えばゲート電極２２のように電気的に浮いた（即ち電気的に絶縁されていてどこにも接続されていない）電極にイオン注入を行っても、当該ゲート電極２２の帯電を、正イオンを注入する場合に比べて小さく抑制することができる。これは、簡単に言えば次の理由による。即ち、正イオン注入ではゲート電極２２に正の電荷がどんどん蓄積されてゲート電極２２の電位が上がるのに対して、負イオン注入の場合は、負の炭素イオン４０の入射に伴ってゲート電極２２から二次電子が放出され、炭素イオン４０のエネルギーが上記範囲の場合は二次電子放出係数は１よりも大きいので、ゲート電極２２は負イオンを注入しているにも拘わらず若干正に帯電する。しかし、二次電子の運動エネルギーは小さいので、ゲート電極２２が正に帯電すると、二次電子は周辺の接地電位（これは相対的に電子にとっては高い電位になる）に追い返され、結果としてゲート電極２２に戻るしかなく、結局、イオン一つの入射に対して電子一つが放出されるようなゲート電極２２の電位（例えば数Ｖ程度）で帯電が停止する。従って、ゲート電極２２に特にリード線を接続して帯電を抑制することをしなくて済むので、製法を簡素化することができる。
【００６６】
また、炭素イオン４０を作る場合は、正イオンよりも負イオンの方が、簡単にかつ大量に作ることができるので、上記のような注入量を実現することが容易になるという利点もある。これは、簡単に言えば次の理由による。即ち、炭素イオンを作ろうとすると、通常のイオン源（正イオン源）では、典型的には次の方法による。（ａ）炭素系のガスを放電室に流してプラズマとし、炭素イオンを引き出す。（ｂ）炭素のターゲットにイオンを照射し、表面状態を調整する等して電子が炭素イオンと共に真空中に放出されないようにする。（ａ）の方法が一般的だが、炭化水素系のガスは放電室内で重合し高分子化合物を形成する等、装置への悪影響が大きい。（ｂ）の方法はそのような影響はないが、一般にこの方法で大量の炭素イオンを作るのは難しい。
【００６７】
負イオンの場合、正イオンの（ｂ）の方法に似た方法で、但し、セシウム等のアルカリ金属を炭素ターゲットに供給して、電子を炭素原子と共に真空中に放出させて負の炭素イオンを作ることができる。この負の炭素イオンの放出効率は最適化されており、例えば２０％程度の効率を有することが知られている。このため、炭素イオンを作るのは正イオンよりも負イオンの方が簡単である。
【００６８】
なお、炭素イオン４０を注入する方法として、例えば、（ａ）質量分離した炭素イオン４０を注入するイオン注入法、（ｂ）質量分離せずに炭素イオン４０を含むイオンを注入する非質量分離型のイオン注入法（これはイオンドーピング（登録商標）法とも呼ばれている）、（ｃ）炭素を含むガス中でグロー放電プラズマを発生させて炭素イオン４０を注入するプラズマドーピング法、等のいずれを採用しても良い。プラズマドーピング法の場合は、カソード基板１６（またはそれを保持するホルダ）に印加する負のバイアス電圧によって、炭素イオン４０のエネルギーを制御することができる。
【００６９】
注入に使用する炭素イオン４０は、原子状、二原子分子、その他の分子状（炭化水素も含む）、クラスター等いずれでも良い。
【００７０】
また、この発明に係る製造方法は、図１２に示す例のように、ゲート電極２２よりも電子１２の放出側にゲート電極２２に沿って設けられていて、多数の小孔３０を有する第２ゲート電極（これは第２引出し電極とも呼ばれる）２８を更に備えている電界放出型電子源１０の製造にも適用することができる。各エミッタ１８に対する炭素イオン注入およびプラズマ処理の効果は、図２に示す電界放出型電子源１０の場合と変わらないからである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】電界放出型電子源の一例を拡大して示す概略平面図である。
【図２】図１に示す電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【図３】この発明に係る電界放出型電子源の製造方法の一例を示す工程図である。
【図４】電界放出型電子源の製造工程の一部を示す断面図である。
【図５】エミッタにイオン注入を行った電界放出型電子源からの放出電流の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。
【図６】エミッタにイオン注入する場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を示す図である。
【図７】エミッタにイオン注入する場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の他の例を示す図である。
【図８】エミッタにイオン注入した後に更にプラズマ処理を行うプラズマ処理工程の一例を示す断面図である。
【図９】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行った電界放出型電子源からの放出電流の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。
【図１０】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行う場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の一例を示す図である。
【図１１】エミッタにイオン注入およびプラズマ処理を行う場合の注入イオンのエネルギーおよび注入量の好ましい範囲の他の例を示す図である。
【図１２】電界放出型電子源の他の例を、その一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 電界放出型電子源
１６ カソード基板
１８ エミッタ
２０ 絶縁層
２２ ゲート電極
２８ 第２ゲート電極
４０ 炭素イオン
４２ プラズマ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項２】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項３】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項４】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項５】
前記イオン注入工程における炭素イオンが、負の炭素イオンである請求項１ないし４のいずれかに記載の電界放出型電子源の製造方法。
【請求項１】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，２．０）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項２】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程を備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．７）およびＰ6 （１０，１．６）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項３】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１５，３．０）、Ｐ5 （１５，１．５）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項４】
先端が尖っていてシリコンを主成分とするエミッタを有している電界放出型電子源の製造方法において、
前記エミッタの形成後に少なくとも前記エミッタの先端部に炭素イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程後に、炭素を含むガスを用いて発生させたプラズマを少なくとも前記エミッタの先端部に照射するプラズマ処理工程とを備えており、
かつ、前記イオン注入工程において、前記炭素イオンのエネルギー（単位はｋｅＶ）を一方の軸、前記炭素イオンの注入量（単位は×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）を他方の軸とする直交座標上の点Ｐ1 〜Ｐ6 の座標を（エネルギー，注入量）でそれぞれ表すと、Ｐ1 （５，０．８）、Ｐ2 （５，１．５）、Ｐ3 （１０，２．５）、Ｐ4 （１２，２．７）、Ｐ5 （１２，１．２）およびＰ6 （１０，１．０）の６点間を直線で結んで囲まれる範囲内にある条件で炭素イオンを注入することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項５】
前記イオン注入工程における炭素イオンが、負の炭素イオンである請求項１ないし４のいずれかに記載の電界放出型電子源の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１６２３３（Ｐ２００９−１６２３３Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７８００４（Ｐ２００７−１７８００４）
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
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