JP2008078081A - 電界放出電子源及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】面型で高出力の電子放出を実現することができるとともに、耐久性に優れ、長期に亘って安定的な電子放出を実現することのできる電界放出電子源及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電界放出電子源１は、基板２を具備している。基板２には、配線層３が形成されており、配線層３の上には絶縁層４が形成されている。絶縁層４には、複数の貫通孔５が設けられており、これらの貫通孔５内に導電性ビアプラグ６が配設されている。絶縁層４及び導電性ビアプラグ６の上部を覆うようにダイヤモンド層７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子を固体表面から放出する電界放出電子源に係り、特に電子管、Ｘ線管、画像表示装置等に好適に利用可能な電界放出電子源及びその製造方法に関する。

高出力の電界放出電子源は、さまざまな用途で求められているが、従来開発されてきたものには、さまざまな課題があり、特に面型で高出力の電子放出を実現することが困難であった。

このような電界放出電子源の1つとして、カーボンナノチューブ(ＣＮＴ)をカソードとして用いた電界放出電子源が知られている（例えば、非特許文献1参照）。この電界放出電子源では、その先鋭な先端形状と高いアスペクト比によって、平均電界としては1Ｖ/μｍ程度の低いしきい電界で電子放出を開始することができ、しかもマクロで見れば、面的な大面積の電子源を比較的容易に作製することができる。しかしながら、この電界放出電子源では、電子放出に寄与する最先端部分の構造が繊細で、経時変化が大きいという難点がある。特に低いしきい電界を示す開管型のカーボンナノチューブでは、数原子オーダーのグラフェンの積層断面が露出しており、それが放出に寄与しているが、これらは電子放出に伴う表面の加熱や、残留イオンによるアタックなどによって容易に変化を生じると見られており、実際に電子放出特性やポイントの変化が報告されている。

また、突起構造の上部にダイヤモンド薄膜を電子放出部分とする電界放出電子源も知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電界放出電子源では、表面の安定性の点ではカーボンナノチューブを用いた場合に比べ高い。しかしながら、現在の技術では十分な密度の伝導電子を表面の低仕事関数化と両立させるにいたっておらず、この結果、しきい電界強度はまだ高いのが現状である。これを回避するために、ダイヤ膜の先鋭化が試みられており、一定の効果を得ているが、先鋭化は上記したカーボンナノチューブを用いた電界放出電子源の場合と類似した表面構造敏感性をもたらし、耐久性までを含めた解決策として十分とはいえない。さらに、ダイヤモンドの抵抗が高いことも高出力電子源の実現のための課題となっており、自身の抵抗成分が発熱・熱損失等をもたらす恐れがある。
"NATURE"Vol.437 13 Oct.,2005 P.968 特開平９−２６５８９２号公報

上述したように、従来技術においては、耐久性の確保が困難であり、長期に亘って安定的な電子放出を実現することが困難であるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高出力の電子放出を実現することができるとともに、耐久性に優れ、長期に亘って安定的な電子放出を実現することのできる電界放出電子源及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に設けられた配線層と、前記配線層の上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層を貫通して設けられた複数の導電性ビアプラグと、前記絶縁層及び前記導電性ビアプラグの上に設けられたダイヤモンド薄膜層とを具備した電界放出電子源が提供される。

また、本発明の一態様によれば、基板上に配線層を形成する工程と、前記配線層の上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層を貫通する貫通孔を形成する工程と、複数の前記貫通孔内に導電性ビアプラグを形成する工程と、前記絶縁層及び前記導電性ビアプラグの上にダイヤモンド薄膜層を形成する工程とを具備した電界放出電子源の製造方法が提供される。

本発明によれば、高出力の電子放出を実現することができるとともに、耐久性に優れ、長期に亘って安定的な電子放出を実現することのできる電界放出電子源及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における電界放出電子源の要部断面構成を模式的に示すもので、図２は、図１に示した電界放出電子源の製造工程を模式的に示すものである。

（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態に係る電界放出電子源１は、例えば、シリコン、ガラス、金属、セラミック等からなる基板２を具備している。この基板２には、銅等の導体からなる配線層３が形成されており、配線層３の上には絶縁層４が形成されている。絶縁層４には、複数の貫通孔５（ビアホール）が設けられており、これらの貫通孔５内に導電性ビアプラグ６が配設されている。これらの導電性ビアプラグ６は、本実施形態では、カーボンナノチューブ束によって形成されている。そして、絶縁層４及び導電性ビアプラグ６の上部を覆うようにダイヤモンド層７が形成されている。なお、図１において、８は、カーボンナノチューブを形成するための触媒分散層を示している。

以下、図２を参照して、図１に示す電界放出電子源１の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示す基板２に、図２（ｂ）に示すように、導電性の配線層３をスパッタ法を用いて形成する。このとき、全面で単一の電子源とする場合は、配線層３は、基板２の全面に形成された導電性層でよいが、複数の電子放出部位を個別に制御する場合は、後述する図６に示す電界放出電子源１ｄのように、導電性層を分離・パターニングした配線層３ａとする。

次に、図２（ｃ）に示すように、上述の配線層３の表面にコロイド分散法や、アークプラズマ法により触媒分散層８を形成する。この触媒分散層８は、後述するカーボンナノチューブ束からなる導電性ビアプラグ６を形成するために触媒層となる。この触媒分散層８の触媒には、ＮｉやＣｏ、Ｆｅ等の微粒子や、それらの合金組成の微粒子等を用いることができる。また、当該形成した触媒分散層８表面にＡｌ₂Ｏ₃等からなる極薄の酸化物キャップ層を形成してもよい。この酸化物キャップ層は、カーボンナノチューブを形成する際に、カーボンが大きく粒成長してしまうことを防止する。

次に、図２（ｄ）に示すように、触媒分散層８を介して配線層３上に、絶縁性材料からなる絶縁層４を形成する。この絶縁層４の材料としては、例えばシリコン酸化物を使用することができるが、この他各種ポーラス酸化物や窒化物など低誘電率材料を用いることが好ましい。

上記の絶縁層４を形成した後に、フォトレジストを用いたフォトリソグラフィー技術等を用いて絶縁層４をパターニングし、エッチングして、図２（ｅ）に示すように、絶縁層４を貫通する複数の貫通孔（ビアホール）５を所定位置に所定間隔で形成する。これらのビアホール５の直径は、望ましくは絶縁層４の厚みよりも小さいこと、すなわち断面構造としては、縦寸法のほうが横寸法よりも長い、両者の比をアスペクト比とすれば、アスペクト比１以上の形状とすることが望ましい。これによって、より高い電界集中効果が期待できる。具体的な寸法としては、ビアホール５の直径は、例えば０．１μｍ程度であり、絶縁層４の厚さは例えば、１μｍ程度である。

次に、図２（ｆ）に示すように、ビアホール５内に、導電性ビアプラグ６を形成する。この導電性ビアプラグ６として、本実施形態では、カーボンナノチューブ束を用いている。このカーボンナノチューブ束の形成方法としては、種々の方法が知られており、カーボンナノチューブ束を形成することができれば、どのような方法を用いてもよい。一例としてマイクロ波プラズマＣＶＤを用いる場合、メタンと水素からなる混合ガス内でヒータ等により加熱することで、マイクロ波によって放電・励起されたカーボンプラズマ種がビアホール５の底部の触媒分散層８に作用し、ビアホール５内にカーボンナノチューブ束が成長する。マイクロ波プラズマＣＶＤのほかには、ホットフィラメントＣＶＤ、表面波プラズマＣＶＤ、ＥＣＲプラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ、ＤＣプラズマＣＶＤ等、主要なＣＶＤ手法を用いることができる。

上記の方法にて、カーボンナノチューブ束をビアホール５の開口部の上端５ａよりも高い位置まで過成長(オーバーグロース)させ、図２（ｆ）に示すように、しかる後に、このはみ出した部分をＣＭＰやＲＩＥなどの手法を用いることによって除去して平坦化する。次に、図２（ｇ）に示すように、導電性ビアプラグ６及び絶縁層４の表面を覆うように、ダイヤモンド層７を形成する。ダイヤモンド層７としては、ナノダイヤモンドで構成されていることが好ましい。ここでいうナノダイヤモンドは、従来の一般的な粒子径のダイヤモンドよりも微粒子化されたもので、１０００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下の粒子径のダイヤモンドカーボンクラスタから構成されている。また、ここでいうナノダイヤモンドの成分としては、純粋なダイヤモンドにて形成されたものの他、燐、窒素、又は、硫黄等のｎ型を示すものや、ボロン等のｐ型を示す物質を不純物としてドープしたものを用いることができる。なお、ナノダイヤモンドで構成されたダイヤモンド層７の形成方法は任意であり、例えば、プラズマＣＶＤ法にて形成することができる。ダイヤモンド７を塗布した後、これを焼結させて固着しても良い。なお、ダイヤモンド層７は、厚さが例えば０．１μｍ以下で構成されている。本実施例のように、ダイヤ層をナノダイヤモンドによって構成することで、多結晶ダイヤではできない薄い層でダイヤモンド表面を形成でき、これにより、ナノチューブ内に比べると抵抗が高いダイヤモンド内部での損失を最小限にして、電子を表面から放出させることができる。

ナノダイヤモンドのプラズマＣＶＤは、例えば、メタン＋水素の混合ガス雰囲気下で、２００−６００℃程度に昇温し、カーボンナノチューブ成長時よりも高パワー密度のプラズマをたてて、反応させる。なお、ナノダイヤモンドの結晶粒子の成長を抑えるため、基板２の裏面より冷却することも有効である。また、結晶成長に先立って、アダマンタン、ナノダイヤコロイドなどを表面に修飾することによって、結晶成長の核形成密度を向上させることができる。このようにして、カーボンナノチューブ（導電性ビアプラグ６）および周囲の絶縁層４の上に、ナノダイヤモンドからなるダイヤモンド層７を一様に形成し、本実施形態に係る電界放出電子源１が完成する。

以上の構成とすることで、本発明の実施形態によれば、絶縁層４内に、離間して細径化させた複数の導電性ビアプラグ６を設けることによって、各導電性プラグ層６への電界集中を、制御した状態で生じさせることができる。また、当該構造の導電性プラグ層６の表面にダイヤモンド層７を設けることによって、放出面の構造を平坦かつ強固にし、耐久性を向上させることができる。さらに、ダイヤモンド層７は、広いバンドギャップを有し電子の注入は容易でないが、裏面から接触する伝導層をビアプラグ化して細径化することによる電界集中作用と、バリスティック伝導性にすることによる電子の高速化により、電荷注入を生じ易くすることができる。

すなわち、本実施形態の電界放出電子源によれば、従来の先鋭型の電界放出電子源が抱えていた先端の先鋭構造の敏感性が著しく軽減される。実際の電子源利用装置、例えば、エックス線管や電子線発生装置等では、残留ガスイオンによる表面アタックの問題を完全に回避することはできないが、導電性ビアプラグ６がダイヤモンド層７に覆われているので、表面変化と寿命劣化を、大幅に軽減することができる。すなわち、一般的に、カーボンナノチューブやカーボンナノウォール等の先鋭な断面や表面構造は、イオンアタックによって容易に形状が変化するのに対して、前述したダイヤモンド層７の表面は、先鋭部に比べて著しく安定であり、また、多少のダメージがあっても先端部のポイント的な構造変化と異なり、大きな特性の変化に結びつきにくいという効果がある。

以上より、本実施形態の電界放出電子源は、高出力の電子放出を実現することができるとともに、耐久性に優れ、長期に亘って安定的な電子放出が可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施形態に係る電界放出電子源の断面構造を示すものである。なお、図３に示す第２の実施の形態にかかる電界放出電子源１ａにおいて、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態にかかる電界放出電子源１ａは、上述した第１の実施の形態にかかる電界放出電子源１の変形例であり、導電性ビアプラグ６が、絶縁層４の表面より上方に突出した導電性ビアプラグ６ａで構成され、その突出した導電性ビアプラグ６ａ上にダイヤモンド層７が被覆形成されたものである。このような構成は、ビアホール５にカーボンナノチューブ束を成長させる際、カーボンナノチューブ束の成長を絶縁層４の表面より上方まで突出させることで形成することができる。

以上の構成とすることで、本実施形態に係る電界放出電子源は、前述した第１の実施の形態の効果に加え、前述した表面の突出構造によって当該突出部分へより効果的に電界集中が生じ、電子放出をし易くする効果がある。

（第３の実施の形態）
図４（ａ）は、第３の実施形態に係る電界放出電子源の断面構造を示すものであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線で切った断面である。なお、図４に示す第３の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｂにおいて、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第３の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｂは、上述した第１の実施の形態にかかる電界放出電子源１の変形例であり、電界放出を電気的に制御する作用をもたらすゲート電極９を設けている。当該ゲート電極９は、前述した絶縁層４中に形成されており、カーボンナノチューブ束からなる導電性ビアプラグ６とは、絶縁層４を介して近接して形成されている。なお、ゲート電極９は、図４（ｂ）に示すように、導電性ビアプラグ６の周囲を囲むように形成されている。ゲート電極９は、電界放出電子源１ｂ外に設けられた図示しない電圧印加手段により導電性ビアプラグ６に電界を与えることができる。

例えば、ゲート電極９に対して正の電位、配線層３に対して負の電位を印加すると、電子にとって、配線層３から導電性ビアプラグ６内を通過する際に電位の障壁が形成され、結果として、電子放出面にいたるまでのコンダクタンスが低減し、放出電流が低下する。さらに、このゲート電極９に対する電圧をより強くかけることで、導電性ビアプラグ６内の伝導をなくし、放出電流を停止させることも可能である。また、ゲート電極９と配線層３との間に逆の電位をかければ、配線層３から導電性ビアプラグ６内への電子流入を促し、より電子の出やすい状況を形成することも可能である。

以上の構成とすることで、本実施形態に係る電界放出電子源は、前述した第１の実施の形態の効果に加え、電子の放出を制御する機能も備えることができる。

（第４の実施の形態）
図５（ａ）は、第４の実施形態に係る電界放出電子源の断面構造を示すものであり、図５（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線で切った断面である。なお、図５に示す第４の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｃにおいて、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第４の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｃは、上述した第１の実施の形態にかかる電界放出電子源１の変形例であり、ゲート電極９ａが、各々の導電性ビアプラグ６毎に独立して設けられた複数のゲート電極９a1、９a2、９a3・・・で構成され、各ゲート電極９a1、９a2、９a3・・・には、各々、電界放出電子源１ｃ外に設けられた図示しない電圧印加手段が設けられており、各々の導電性ビアプラグ６に個別に電界を与えることができる。

以上の構成とすることで、電子の放出制御を、個別あるいは、部分毎に行うことが可能となる。なお、当該ゲート電極９a1、９a2、９a3・・・は、図５に示すように絶縁層４内に埋設して設けることで、それよりも上部に位置する導電性ビアプラグ６への電界集中効果を失うことなく、放出制御動作を行うことができる。なお、ゲート電極９a1、９a2、９a3・・・は、絶縁層４中以外にも、表面のダイヤモンド層７の上面あるいは下面に形成してもよい。

（第５の実施の形態）
図６は、第５の実施形態に係る電界放出電子源の断面構造を示すものである。なお、図６に示す第５の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｄにおいて、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第５の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｄは、上述した第１の実施の形態にかかる電界放出電子源１の変形例であり、配線層３ａが、各導電性ビアプラグ６毎に分離して形成されるようにパターニングされており、配線層３ａの下側に制御回路層１０が設けられ、かつ、第４の実施形態で説明した複数のゲート電極９a1、９a2、９a3・・・が設けられている。以上の構成とすることで、電子の放出制御を、個別に制御やモニターを行うように構成してもよい。なお、図６において１１は、配線層３ａの間に形成された層間絶縁膜である。

（第６の実施の形態）
図７（ａ）は、第６の実施形態に係る電界放出電子源の断面構造を示すものであり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のα方向から見た平面図である。なお、図７に示す第６の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｆにおいて、上述した第１の実施の形態と同様の部材については、第１の実施の形態と同様の符号を付し、上記の説明を参照することでここでは詳細な説明は省略する。

第６の実施の形態にかかる電界放出電子源１ｆは、上述した第１の実施の形態にかかる電界放出電子源１の変形例であり、フォーカス電極１２が、各々の導電性ビアプラグ６毎に独立して設けられた複数のフォーカス電極１２ａ1、１２ａ2、１２ａ3・・・、ダイヤモンド層７の上面に形成した構成とされている、各フォーカス電極１２ａ1、１２ａ2、１２ａ3・・・には、各々、電界放出電子源１ｆ外に設けられた図示しない電圧印加手段が設けられており、各々の導電性ビアプラグ６に個別に電界を与えることができる。
以上のような構成をそなえることで、放出する電子のビームの偏向や整形等を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。 図１の電界放出電子源の製造方法を模式的に示す図。 本発明の第２の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。 本発明の第３の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。 本発明の第４の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。 本発明の第５の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。 本発明の第６の実施形態に係る電界放出電子源の断面構成を模式的に示す図。

符号の説明

１……電界放出電子源、２……基板、３……配線層、４……絶縁層、５……貫通孔（ビアホール）、６……導電性ビアプラグ（カーボンナノチューブ束）、７……ダイヤモンド層、８……触媒分散層。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた配線層と、
   前記配線層の上に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層を貫通して設けられた複数の導電性ビアプラグと、
   前記絶縁層及び前記導電性ビアプラグの上に設けられたダイヤモンド薄膜層と
   を具備したことを特徴とする電界放出電子源。
2. 請求項１記載の電界放出電子源であって、
   前記導電性ビアプラグが、バリスティック性の伝導特性を示すカーボンナノチューブによって構成されていることを特徴とする電界放出電子源。
3. 請求項２記載の電界放出電子源であって、
   前記配線層と前記絶縁層との間に、前記カーボンナノチューブを形成するための触媒分散層が形成されていることを特徴とする電界放出電子源。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の電界放出電子源であって、
   前記ダイヤモンド薄膜層は、０以下の電子親和力特性を備えることを特徴とする電界放出電子源。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の電界放出電子源であって、
   前記絶縁層中に、前記導電性ビアプラグ内の伝導制御用の電界印加用電極を配設したことを特徴とする電界放出電子源。
6. 基板上に配線層を形成する工程と、
   前記配線層の上に絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   複数の前記貫通孔内に導電性ビアプラグを形成する工程と、
   前記絶縁層及び前記導電性ビアプラグの上にダイヤモンド薄膜層を形成する工程と
   を具備したことを特徴とする電界放出電子源の製造方法。
7. 請求項６記載の電界放出電子源の製造方法であって、
   前記配線層を形成する工程と、前記絶縁層を形成する工程との間に、触媒分散層を形成する工程を具備し、
   前記導電性ビアプラグを形成する工程では、前記触媒分散層の上にバリスティック性の伝導特性を示すカーボンナノチューブを形成することを特徴とする電界放出電子源の製造方法。

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