JPH11130589A - Deposition of diamond film or diamondlike carbon film and apparatus therefor and cold anode produced by using the same deposition and apparatus - Google Patents
Deposition of diamond film or diamondlike carbon film and apparatus therefor and cold anode produced by using the same deposition and apparatusInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンド膜ま
たはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法および成膜装置に
係り、特に、冷陰極作製に用いて良好な電子放出特性が
得られるそれら膜の成膜方法および装置に関する。本発
明はまた、上記成膜方法および装置を用いて作製された
冷陰極にも関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film. Method and apparatus. The present invention also relates to a cold cathode manufactured using the above-described film forming method and apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】冷陰極は、蛍光体と組み合わせて画像や
文字のディスプレイ装置に、また、光導電膜と組み合わ
せて撮像素子に応用されるほか、超高周波素子や磁気セ
ンサーなどさまざまな方面での応用が考えられている。2. Description of the Related Art Cold cathodes are applied to display devices for images and characters in combination with phosphors, imaging devices in combination with photoconductive films, and in various fields such as ultra-high frequency devices and magnetic sensors. Applications are being considered.
【０００３】尖鋭な先端のコーン形状を有する陰極とそ
れを取り囲むゲート電極の間に電圧を印加して電界で電
子を放出させる冷陰極の電子放出効率は、陰極表面に生
成される電界集中と陰極材料の仕事関数φとで大きく左
右される。電界集中は、陰極形状の尖鋭度、陰極−ゲー
ト電極間距離で決まるので、それの大幅な改善はリソグ
ラフィーを中心とする冷陰極の加工精度の進展を待たね
ばならない。The electron emission efficiency of a cold cathode that emits electrons by an electric field by applying a voltage between a cathode having a sharp cone shape and a gate electrode surrounding the cathode depends on the concentration of the electric field generated on the surface of the cathode and the cathode. It largely depends on the work function φ of the material. Since the electric field concentration is determined by the sharpness of the cathode shape and the distance between the cathode and the gate electrode, a significant improvement in the electric field concentration must wait for the progress of cold cathode processing accuracy mainly in lithography.
【０００４】一方、冷陰極材料には主としてモリブデン
（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属や、シリ
コンが用いられてきたが、これらの材料ではφ＝４−５
ｅＶであるので、さらに低仕事関数の材料が求められて
きた。この観点から、ダイヤモンドは化学的に安定であ
り、高硬度であるばかりでなく、負性電子親和力（ＮＥ
Ａ：Negative Electron Affinity) 特性をもつので冷陰
極材料として有望であると考えられている。On the other hand, refractory metals such as molybdenum (Mo) and nickel (Ni) and silicon have been mainly used as cold cathode materials, but φ = 4-5 in these materials.
Because of eV, a material with a lower work function has been required. From this perspective, diamond is not only chemically stable and hard, but also has a negative electron affinity (NE).
A: Negative Electron Affinity) properties are considered promising as a cold cathode material.
【０００５】通常、ダイヤモンド結晶は、ＣＨ4 ，Ｃ2
Ｈ2 などの水素炭化物やＣＯなどを原料として、化学的
気相堆積法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition ) な
どの方法で基板上に成長が行われている。この方法で
は、基板をおよそ８００℃以上の高温にし、上記原料を
分解して基板上にダイヤモンド膜を堆積する。これらの
材料は上記性質のために、そのままでは冷陰極の形状に
加工することは困難であるので、冷陰極を作製する場合
には、あらかじめモリブデン（Ｍｏ）やシリコン（Ｓ
ｉ）などで尖鋭な先端のコーン形状を有する陰極と、絶
縁物を介してその陰極を取り囲むゲート電極とから成る
冷陰極を作製しておき、その陰極の上方から、ＣＶＤ法
で多結晶ダイヤモンドを陰極先端に堆積しその表面をコ
ーティングする方法が採られている。[0005] Usually, diamond crystals are CH 4 , C 2
Growth is performed on a substrate by a method such as chemical vapor deposition (CVD) using a hydrogen carbide such as H 2 or CO as a raw material. In this method, the substrate is heated to a temperature of about 800 ° C. or higher, and the above-described raw materials are decomposed to deposit a diamond film on the substrate. Since these materials are difficult to process into the shape of a cold cathode as they are because of the above properties, when producing a cold cathode, molybdenum (Mo) or silicon (S
A cold cathode consisting of a cathode having a sharp cone shape at i) and a gate electrode surrounding the cathode via an insulator is prepared in advance, and polycrystalline diamond is deposited from above the cathode by CVD. A method has been adopted in which it is deposited on the tip of a cathode and its surface is coated.
【０００６】また、シリコンなどの基板に、あらかじめ
ピラミッド型の凹みを作製しておいて、これにＣＶＤ法
で多結晶ダイヤモンドを堆積し、その後基板を除去する
方法も試みられている。こうした、コーティングでも、
上述のように基板冷陰極を８００℃以上の高温にする必
要があり、しかも、ダイヤモンドの表面層は多量の欠陥
を含んだ状態か、非晶質層になっているとの報告があ
る。冷陰極の特性は表面層の状態に大きく左右されるの
で、このような表面層の構造は好ましくない。Further, a method has been attempted in which a pyramid-shaped dent is formed in advance on a substrate such as silicon, polycrystalline diamond is deposited on the dent by CVD, and then the substrate is removed. In such a coating,
As described above, it has been reported that the substrate cold cathode needs to be heated to a high temperature of 800 ° C. or higher, and that the surface layer of diamond contains a large number of defects or is an amorphous layer. Since the characteristics of the cold cathode greatly depend on the state of the surface layer, such a structure of the surface layer is not preferable.
【０００７】さらに、尖鋭な先端のコーン形状をもたな
い薄膜型の冷陰極作製には低温でできる作製法として、
グラファイトターゲットに強力なレーザ光を照射して炭
素原子や分子、イオン、クラスタなどを蒸発させ基板に
堆積させるレーザアブレーション法も試みられている。
照射するレーザ光にはＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ），Ｋ
ｒＦ（波長：２５６ｎｍ）などのエキシマレーザのパル
ス光が用いられる。ただし、この方法で作製できるダイ
ヤモンド結晶のサイズは非常に小さく、ダイヤモンド状
炭素膜になっているとの報告もある。このような膜が冷
陰極としてまだ十分な性能を発揮していないのは、ダイ
ヤモンド膜全体に対する結晶成分の割合が小さいことに
よると考えられる。Further, a thin-film type cold cathode having no sharp-pointed cone shape can be manufactured at a low temperature.
A laser ablation method of irradiating a graphite target with a powerful laser beam to evaporate carbon atoms, molecules, ions, clusters and the like and depositing it on a substrate has also been attempted.
ArF (wavelength: 193 nm), K
Excimer laser pulse light such as rF (wavelength: 256 nm) is used. However, there is also a report that the size of a diamond crystal produced by this method is very small and a diamond-like carbon film is formed. It is considered that such a film has not yet exhibited sufficient performance as a cold cathode because the ratio of the crystal component to the entire diamond film is small.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、通
常、ＣＶＤ法でダイヤモンド膜を成膜する場合、基板温
度を８００℃以上の高温にする必要がある。それでも堆
積速度は０．１μｍ／ｈｒのオーダと小さく、しかも十
分な品質のものは得られない。その理由の一つは、炭素
の拡散係数が非常に小さく、結晶成長のための原子移動
が十分でないことによると考えられる。As described above, when a diamond film is formed by the CVD method, it is usually necessary to raise the substrate temperature to 800 ° C. or higher. Nevertheless, the deposition rate is as low as 0.1 μm / hr, and sufficient quality cannot be obtained. One of the reasons is considered to be that the diffusion coefficient of carbon is very small and the atom transfer for crystal growth is not sufficient.
【０００９】また、レーザアブレーション法でサイズの
大きい良質な結晶が育成できない理由については、１）
常圧では、ダイヤモンド相よりグラファイト相の方が安
定相であるので、パルスレーザアブレーション法では成
膜中にグラファイト相が出現し、これがダイヤモンド結
晶の表面を覆うことになりダイヤモンド相成長を阻害す
る、２）ダイヤモンド結晶の成長には高エネルギーのイ
オンが必要であるが、レーザアブレーションでは、低エ
ネルギーのイオンや中性分子など、結晶の育成に不要な
粒子も多量に基板に付着するのでダイヤモンド相のみの
成長が妨げられることなどによると考えられる。[0009] The reason why a large-sized good quality crystal cannot be grown by the laser ablation method is as follows.
At normal pressure, the graphite phase is more stable than the diamond phase, so the pulsed laser ablation method causes the graphite phase to appear during film formation, which covers the diamond crystal surface and inhibits the diamond phase growth. 2) High energy ions are required for diamond crystal growth, but laser ablation involves a large amount of low energy ions and neutral molecules, such as neutral molecules, that are not necessary for crystal growth. It is thought that this is because growth is hindered.
【００１０】他の方法として、堆積膜表面に高エネルギ
ーの炭素イオンを付着させるために、ＣＶＤ法で基板に
バイアス電圧を印加する方法も採られている。しかし、
この方法はイオンの運動エネルギーの増加を図ることを
目的とするもので、これまでの実験結果をみても、効果
はまだ不十分と言える。As another method, a method of applying a bias voltage to a substrate by a CVD method in order to attach high-energy carbon ions to the surface of a deposited film has been adopted. But,
The purpose of this method is to increase the kinetic energy of ions, and it can be said that the effect is still insufficient according to the experimental results so far.
【００１１】本発明の第１の目的は、成膜されたダイヤ
モンド膜またはダイヤモンド状炭素膜中の結晶成分が膜
全体に占める割合を大きくして、良好な電子放射をする
ことが可能な冷陰極を作製することのできるダイヤモン
ド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法および装置
を提供することにある。A first object of the present invention is to increase the ratio of crystal components in a formed diamond film or diamond-like carbon film to the whole film and to provide a cold cathode capable of emitting good electrons. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film which can be used for producing a diamond film.
【００１２】また、本発明の第２の目的は、本発明ダイ
ヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法およ
び装置を用いて作製された冷陰極を提供することにあ
る。It is a second object of the present invention to provide a cold cathode manufactured by using the method and apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film of the present invention.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるダイヤモンド膜またはダイヤモンド状
炭素膜の成膜方法は、レーザアブレーション法またはＣ
ＶＤ法によって基板上にダイヤモンド膜またはダイヤモ
ンド状炭素膜を成膜するにあたり、前記基板上へのダイ
ヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の堆積中または
堆積後に、それら膜の堆積面に炭素または不純物の多価
イオンビームを照射するようにしたことを特徴とするも
のである。In order to achieve the above-mentioned object, a method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention comprises a laser ablation method and a C-type carbon film.
In forming a diamond film or a diamond-like carbon film on a substrate by the VD method, during or after the deposition of the diamond film or the diamond-like carbon film on the substrate, a polyvalent carbon or impurity is deposited on the deposition surface of the film. It is characterized in that an ion beam is irradiated.
【００１４】また、本発明によるダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の成膜方法は、前記炭素または不
純物の多価イオンビームを集束するとともに、該集束さ
れた多価イオンビームを前記堆積面に局所的に照射する
ようにしたことを特徴とするものである。Further, in the method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention, the multivalent ion beam of carbon or impurities is focused and the focused multivalent ion beam is locally applied to the deposition surface. Is irradiated.
【００１５】また、本発明によるダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の成膜方法は、前記局所的に照射
するにあたっては、前記集束された多価イオンビームの
照射点の一次元または二次元的走査によって行うように
したことを特徴とするものである。Further, in the method of forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention, the local irradiation is performed by one-dimensional or two-dimensional scanning of the irradiation point of the focused polyvalent ion beam. It is characterized in that it is performed.
【００１６】また、本発明によるダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の成膜装置は、レーザアブレーシ
ョン法またはＣＶＤ法によって基板上にダイヤモンド膜
またはダイヤモンド状炭素膜を成膜する成膜装置におい
て、該装置は、前記基板上にダイヤモンド膜またはダイ
ヤモンド状炭素膜の堆積中または堆積後に、それら膜の
堆積面に炭素または不純物の多価イオンビームを照射す
るための手段をさらに具えていることを特徴とするもの
である。Further, the apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention is a film formation apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film on a substrate by a laser ablation method or a CVD method. Means for irradiating a deposition surface of a diamond film or a diamond-like carbon film on or above the substrate with a polyvalent ion beam of carbon or impurities during or after the deposition of the diamond film or the diamond-like carbon film on the substrate. It is.
【００１７】また、本発明によるダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の成膜装置は、前記装置が、前記
基板を補助的に加熱または冷却し、および／または負の
バイアス電圧を印加する手段をさらに具えていることを
特徴とするものである。In the apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention, the apparatus may further include means for supplementarily heating or cooling the substrate and / or applying a negative bias voltage. It is characterized by the fact that
【００１８】また、本発明による冷陰極は、前記成膜方
法によって成膜されたダイヤモンド膜またはダイヤモン
ド状炭素膜が陰極を覆っていることを特徴とするもので
ある。Further, the cold cathode according to the present invention is characterized in that a diamond film or a diamond-like carbon film formed by the film forming method covers the cathode.
【００１９】また、本発明による冷陰極は、シリコン基
板に陰極として使用する低抵抗のパターンを形成し、該
パターンの部分を含めてシリコン基板の表面にレーザア
ブレーション法またはＣＶＤ法により高抵抗のダイヤモ
ンド膜またはダイヤモンド状炭素膜を堆積し、該堆積さ
れた膜の表面に不純物の多価イオンビームを局所的に照
射することで該照射された部分の前記膜を低抵抗の領域
に変えて電子放出がし易い領域を形成し、そして前記膜
の表面に前記領域を内側に含む広い面積の開口を有する
ゲート電極を配置する過程を経て作製されたことを特徴
とするものである。The cold cathode according to the present invention has a low-resistance pattern used as a cathode formed on a silicon substrate, and a high-resistance diamond is formed on the surface of the silicon substrate including the pattern by laser ablation or CVD. Depositing a film or a diamond-like carbon film, and locally irradiating the surface of the deposited film with a polyvalent ion beam of impurities, thereby changing the irradiated portion of the film into a low-resistance region to emit electrons. And a gate electrode having a large-area opening including the region inside on the surface of the film.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照し、発明の
実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。まず、
本発明では、ダイヤモンドの結晶化を促進させるため、
レーザアブレーション中、あるいはＣＶＤ中にＣ+4，Ｃ
+5などの炭素の多価イオンをダイヤモンド膜またはダイ
ヤモンド状炭素膜の堆積面に照射する。この原理を、レ
ーザアブレーション法の場合を例にとり、図１に基づい
て説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below based on embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. First,
In the present invention, in order to promote the crystallization of diamond,
C +4 , C during laser ablation or CVD
A multiply charged ion of carbon such as +5 is irradiated on the deposition surface of the diamond film or the diamond-like carbon film. This principle will be described with reference to FIG. 1 taking the case of the laser ablation method as an example.
【００２１】通常、レーザアブレーション法やＣＶＤ法
では堆積膜は、図１（ａ）に示すように、非晶質状態の
ダイヤモンド状炭素膜となっている。この状態におい
て、膜表面にＣ+4，Ｃ+5などの炭素の多価イオン（図１
（ｂ）に、多重丸で示す）が付着すると、多価イオンの
内殻空孔を電子で埋めるように多価イオンと周辺の原子
との間で電荷の移動が起り、○の中に斜線を入れて示す
（図１（ｂ）参照）ように、周辺の複数原子がイオン化
される。このイオン化原子群はクーロン反発のために高
エネルギー状態となる。例えば、ＳｉＨ4 分子の内殻電
子を励起すると、オージェ緩和過程を経てＳｉ+4，Ｓｉ
+5，Ｓｉ+6などの多価イオンが形成され、いわゆる「ク
ーロン爆発」によってＳｉＨ4 分子がばらばらになるこ
とが知られている。Usually, in a laser ablation method or a CVD method, a deposited film is an amorphous diamond-like carbon film as shown in FIG. In this state, multi-charged ions of carbon such as C +4 , C +5 (FIG. 1)
(Indicated by multiple circles in (b)), charge transfer occurs between the multiply charged ion and surrounding atoms so as to fill the inner shell vacancy of the multiply charged ion with electrons. As shown in FIG. 1 (see FIG. 1B), a plurality of peripheral atoms are ionized. This group of ionized atoms enters a high energy state due to Coulomb repulsion. For example, when the inner shell electrons of the SiH 4 molecule are excited, the Si +4 , Si
It is known that polyvalent ions such as +5 and Si + 6 are formed, and the so-called “Coulomb explosion” causes SiH 4 molecules to be separated.
【００２２】図１（ｂ）に示す過程はこの「クーロン爆
発」の前段階に類似している。イオン化原子群からなる
領域は静電的に高エネルギー状態となるが、そのエネル
ギーレベルは、通常の電気炉などによる加熱では達し得
ないポテンシャルエネルギーを有する。その結果、図１
（ｃ）に示すように、イオンが中性化する過程で膜の結
晶化が促進される。The process shown in FIG. 1B is similar to the previous stage of the "Coulomb explosion". The region consisting of the ionized atom group is in a high-energy state electrostatically, but has an energy level having a potential energy that cannot be reached by heating with a normal electric furnace or the like. As a result, FIG.
As shown in (c), crystallization of the film is promoted in the process of neutralizing ions.
【００２３】上述例においては、レーザアブレーション
中やＣＶＤの堆積膜に多価イオンの照射を行ったが、こ
れはまた、ダイヤモンド膜やダイヤモンド状炭素膜の成
膜後に、その膜に対し、基板を補助的に加熱するなどし
てＣ+4，Ｃ+5などの炭素の多価イオンビームを照射して
も固相での結晶化を促進することができる。In the above-mentioned example, irradiation of polyvalent ions was performed during the laser ablation or the CVD deposited film. Crystallization in the solid phase can be promoted even by irradiation with a polyvalent ion beam of carbon such as C +4 , C +5, for example, by auxiliary heating.
【００２４】次に、本発明によるダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の成膜方法ないし装置について、
その実施形態に基づいて詳細に説明する。図２は、尖鋭
な先端のコーン形状を有する陰極と絶縁膜をはさんでそ
れを取り囲むゲート電極とからなる通常のSpindt型冷陰
極の作製時に本発明を適用して陰極先端をレーザアブレ
ーション法によりダイヤモンド状炭素膜でコーティング
する場合の実施形態を示している。図２において、１は
Spindt型冷陰極であり、これはコーン形状を有しその底
部において繋がっているシリコン（Ｓｉ）などからなる
陰極２と、この陰極２との間で電界を付与するための陰
極とは絶縁層３によって絶縁されたゲート電極４とから
なっている。Next, a method or an apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention will be described.
A detailed description will be given based on the embodiment. FIG. 2 shows that the present invention is applied to a normal Spindt-type cold cathode comprising a cathode having a sharp cone shape at the tip of a cone and a gate electrode sandwiching the insulating film, and the tip of the cathode is formed by a laser ablation method. The embodiment in the case of coating with a diamond-like carbon film is shown. In FIG. 2, 1 is
A Spindt-type cold cathode, which has a cone-shaped cathode 2 made of silicon (Si) and the like connected at the bottom thereof, and a cathode for applying an electric field between the cathode 2 and an insulating layer 3 And a gate electrode 4 insulated by the gate electrode 4.
【００２５】陰極２のコーン状部分から電子放射がし易
いように同部分にダイヤモンド膜またはダイヤモンド状
炭素膜５を堆積するために、レーザーアブレーション法
では、ＡｒＦエキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ）をグ
ラファイトターゲット６に照射し、そこからアブレーシ
ョン粒子を発生させ、冷陰極１（粒子が堆積される基
板）の表面に堆積させるようにする（破線で示す）。こ
こまでは、従来のレーザアブレーション法によるダイヤ
モンド膜の成膜に変わりがない。In order to deposit a diamond film or a diamond-like carbon film 5 on the conical portion of the cathode 2 so as to easily emit electrons from the conical portion, an ArF excimer laser (wavelength: 193 nm) is applied to a graphite target by a laser ablation method. Irradiation is performed on the surface of the cold cathode 1 (substrate on which the particles are deposited) (shown by a broken line). Up to this point, there is no change in the formation of a diamond film by the conventional laser ablation method.
【００２６】本発明においては、このレーザアブレーシ
ョンによるダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜
の堆積中または堆積後に、図２に示すように、Ｃ+4やＣ
+5などの炭素多価イオンビームを冷陰極１に照射し（実
線で示す）、陰極先端とくにコーン形状部分に堆積され
たダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の結晶化
が促進されるようにする。また、この炭素多価イオンビ
ームの照射に際して、バイアス電源７から陰極１に負バ
イアスを印加することにより、陰極先端部のみの結晶化
を促進することができる。[0026] In the present invention, after deposition during or deposition of the diamond film or a diamond-like carbon film by laser ablation, as shown in FIG. 2, C +4 or C
The cold cathode 1 is irradiated with a carbon multiply charged ion beam such as +5 (shown by a solid line) so that the crystallization of the diamond film or the diamond-like carbon film deposited at the cathode tip, particularly at the cone-shaped portion, is promoted. In addition, by applying a negative bias to the cathode 1 from the bias power supply 7 during the irradiation of the carbon multiply-charged ion beam, crystallization of only the tip of the cathode can be promoted.
【００２７】図３は、同じSpindt型冷陰極の陰極先端
を、本発明を適用して電子サイクロトロン共鳴プラズマ
ＣＶＤ法によりダイヤモンド膜でコーティングする場合
の実施形態を示している。本実施形態においては、例え
ばメタン（ＣＨ4 ）などの炭化水素系原料ガスを、プラ
ズマ生成室８（９は、プラズマ発生用の磁場コイルを示
す）で生成させたプラズマで分解し、それを原料分子と
して冷陰極１上に堆積する（破線で示す）。また、本実
施形態では、上記分解した原料と同時にＣ+4，Ｃ+5など
の炭素多価イオンを冷陰極１に照射し（実線で示す）、
ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の結晶化が
促進されるようにする。なお、冷陰極１の構造、および
冷陰極をバイアス電源７によって負バイアスにすること
は、図２で説明したレーザアブレーション法の場合と変
らないので、同じ符号を付して示しその説明を省略す
る。FIG. 3 shows an embodiment in which the cathode tip of the same Spindt-type cold cathode is coated with a diamond film by electron cyclotron resonance plasma CVD according to the present invention. In the present embodiment, for example, a hydrocarbon-based source gas such as methane (CH 4 ) is decomposed by plasma generated in a plasma generation chamber 8 (9 indicates a magnetic field coil for generating plasma), and is decomposed into a raw material. They are deposited as molecules on the cold cathode 1 (shown by broken lines). In the present embodiment, the cold cathode 1 is irradiated with carbon multivalent ions such as C +4 and C +5 simultaneously with the decomposed raw material (shown by a solid line).
The crystallization of the diamond film or the diamond-like carbon film is promoted. Note that the structure of the cold cathode 1 and that the cold cathode is negatively biased by the bias power supply 7 is the same as the case of the laser ablation method described with reference to FIG. .
【００２８】最後に、上述した尖鋭な先端のコーン形状
を有するSpindt冷陰極とは異なる種類の、本発明による
ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法
ないし装置を用いて作製された本発明による冷陰極につ
いて説明する。Finally, according to the present invention, which is manufactured by using a method or an apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention, which is different from the above-mentioned Spindt cold cathode having a sharp tip cone shape. The cold cathode will be described.
【００２９】図４（ａ）〜（ｄ）は、その冷陰極が作製
される過程を示す図で、それぞれ冷陰極アレーの平面図
（上段）と横断面図（下段）とで示している（ただし、
図４（ｂ）には平面図がない）。まず、シリコン基板に
選択的にイオン注入とアニールを施して陰極ラインとし
て使用する低抵抗のストライプパタンを形成する（図４
（ａ））。次に、レーザアブレーション法により、高抵
抗ダイヤモンド状炭素膜を堆積する（図４（ｂ））。こ
の後、ｎ型不純物の多価イオンビームのビームスポット
を絞るなどして、陰極ラインが形成されている部分をダ
イヤモンド状炭素膜の上から局所的に照射し、図中、○
で示すｎ型の低抵抗領域、さらには負性電子親和力特性
（ＮＥＡ）を有して電子放出がよく行われる微小領域を
形成する（図４（ｃ））。なお、この低抵抗領域の形成
に際しては、補助的にここまでの作製過程で得られた基
板を加熱する必要がある。最後に、陰極ラインと平面的
に直交する方向にゲート電極ライン（金属）を堆積する
（図４（ｄ））。ゲート電極の開口の直径は、図４
（ｃ）に示す過程で作製した低抵抗（ＮＥＡ）領域の直
径より大きくとり、高抵抗ダイヤモンド状炭素膜が陰極
（陰極ライン）と、ゲート電極（ゲート電極ライン）と
で挟まれる構造とし、両者の間に電界が作用し得るよう
にする。なお、上記において、図４（ｂ）に示す過程
は、レーザアブレーション法に代えてＣＶＤ法を使用し
てもよいこと勿論である。FIGS. 4 (a) to 4 (d) are views showing a process of manufacturing the cold cathode, which are shown in a plan view (upper) and a cross-sectional view (lower) of the cold cathode array, respectively. However,
FIG. 4B does not have a plan view). First, a silicon substrate is selectively subjected to ion implantation and annealing to form a low-resistance stripe pattern used as a cathode line (FIG. 4).
(A)). Next, a high-resistance diamond-like carbon film is deposited by a laser ablation method (FIG. 4B). Thereafter, the portion where the cathode line is formed is locally irradiated from above the diamond-like carbon film by, for example, narrowing the beam spot of the polyvalent ion beam of the n-type impurity.
Then, an n-type low-resistance region indicated by, and a minute region having negative electron affinity characteristics (NEA) and emitting electrons well are formed (FIG. 4C). In forming the low-resistance region, it is necessary to supplementally heat the substrate obtained in the above manufacturing process. Finally, a gate electrode line (metal) is deposited in a direction orthogonal to the cathode line in a plane (FIG. 4D). The diameter of the opening of the gate electrode is shown in FIG.
The structure is such that the diameter of the high resistance diamond-like carbon film is larger than the diameter of the low resistance (NEA) region produced in the process shown in (c) and is sandwiched between the cathode (cathode line) and the gate electrode (gate electrode line). During which an electric field can act. In the above description, the process shown in FIG. 4B may, of course, use a CVD method instead of the laser ablation method.
【００３０】一般に、ダイヤモンドにｎ型の不純物を多
量に添加（低抵抗化）するのは困難といわれている。そ
の理由として、これら不純物が格子位置に固溶されない
のは、ダイヤモンド中における原子拡散が非常に遅く不
純物周辺での歪緩和が十分でないためであると考えられ
ている。It is generally said that it is difficult to add a large amount of n-type impurities (lower resistance) to diamond. It is considered that the reason why these impurities do not form a solid solution at the lattice positions is that the diffusion of atoms in diamond is extremely slow and the strain relaxation around the impurities is not sufficient.
【００３１】しかし、図４に示される作製過程、とくに
図４（ｃ）のｎ型不純物の多価イオンを高抵抗ダイヤモ
ンド状炭素膜に照射して、局所的（図４（ｃ), (ｄ）に
直径の小さい○で示す部分）に低抵抗（ＮＥＡ）の領域
を作製できるのは、添加する不純物自体が多価イオンに
なっているため、その周辺の原子群を含めて高エネルギ
ー状態となるので歪緩和も十分進行し、電気的に活性化
されやすいからであろうと考えられる。However, the high-resistance diamond-like carbon film is irradiated with poly-charged ions of the n-type impurity shown in FIG. 4 (c), in particular, locally (FIG. 4 (c), (d)). The area with a small diameter in ()) and the area with low resistance (NEA) can be formed because the impurity itself to be added is a polyvalent ion, so that it has a high energy state including the atomic group around it. Therefore, it is considered that strain relaxation sufficiently progresses and electrical activation is easy.
【００３２】[0032]
【発明の効果】本発明によれば、炭素または不純物の多
価イオンビームを照射することによって、レーザアブレ
ーション法やＣＶＤ法によって成膜されまたは成膜され
つつあるダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の
結晶成分の全体に占める割合を大きくすることができ
る。According to the present invention, a crystal of a diamond film or a diamond-like carbon film formed or being formed by a laser ablation method or a CVD method by irradiating a polyvalent ion beam of carbon or impurities. The proportion of the components in the whole can be increased.
【００３３】また、この結晶成分の大きいダイヤモンド
膜またはダイヤモンド状炭素膜をその作製過程に取り込
んで冷陰極をつくることにより、良好な電子放射をさせ
ることの可能な冷陰極を得ることができる。In addition, a cold cathode capable of emitting good electrons can be obtained by incorporating a diamond film or a diamond-like carbon film having a large crystal component into the manufacturing process to form a cold cathode.
【００３４】さらに、本発明による方法ないし装置は、
多価イオンビームのビームスポットを絞るなどして局所
的な照射が可能であるので、従来のように多結晶ダイヤ
モンド膜をリソグラフィーなどで加工することなしに冷
陰極アレイを作製することができる。Further, the method or apparatus according to the present invention comprises:
Since local irradiation can be performed by narrowing the beam spot of the polyvalent ion beam, a cold cathode array can be manufactured without processing a polycrystalline diamond film by lithography or the like as in the related art.
【００３５】なお、本発明による方法ないし装置は、冷
陰極だけでなく、コーティング材料としてのダイヤモン
ド膜や、その他の電子デバイス用ダイヤモンド結晶など
の作製にも適用することができるものである。The method and apparatus according to the present invention can be applied not only to cold cathodes but also to the production of diamond films as coating materials and diamond crystals for other electronic devices.
【図１】レーザアブレーション中、あるいはＣＶＤ中
に、炭素の多価イオンを成膜中のダイヤモンド膜または
ダイヤモンド状炭素膜の堆積面に照射することによっ
て、ダイヤモンド状炭素膜の結晶化が促進されることを
説明する図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a state in which polyvalent ions of carbon are irradiated on a deposition surface of a diamond film or a diamond-like carbon film during laser ablation or CVD to promote crystallization of the diamond-like carbon film. FIG.
【図２】Spindt型冷陰極の作製時に、本発明を適用して
陰極先端をレーザアブレーション法によりダイヤモンド
状炭素膜でコーティングする場合の実施形態を示す図で
ある。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied and a cathode tip is coated with a diamond-like carbon film by a laser ablation method when a Spindt-type cold cathode is manufactured.
【図３】同じくSpindt型冷陰極先端を、本発明を適用し
て電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ法によりダイ
ヤモンド膜でコーティングする場合の実施形態を示す図
である。FIG. 3 is a view showing an embodiment in which a Spindt-type cold cathode tip is coated with a diamond film by an electron cyclotron resonance plasma CVD method to which the present invention is applied.
【図４】Spindt型でない冷陰極が、本発明によるダイヤ
モンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法または
装置を用いて作製される過程を示す図である。FIG. 4 is a view showing a process in which a cold cathode that is not a Spindt type is produced by using the method or the apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film according to the present invention.
１ 冷陰極 ２ 陰極 ３ 絶縁層 ４ ゲート電極 ５ ダイヤモンド状炭素膜 ６ グラファイトターゲット ７ バイアス電源 ８ プラズマ生成室 ９ 磁場コイル Reference Signs List 1 cold cathode 2 cathode 3 insulating layer 4 gate electrode 5 diamond-like carbon film 6 graphite target 7 bias power supply 8 plasma generation chamber 9 magnetic field coil
フロントページの続き (72)発明者 大西 弘幸 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 谷岡 健吉 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内Continuing from the front page (72) Inventor Hiroyuki Onishi 1-10-11 Kinuta, Setagaya-ku, Tokyo Japan Broadcasting Corporation Japan Broadcasting Research Institute (72) Inventor Kenkichi Tanioka 1-110 Kinuta, Setagaya-ku, Tokyo Japan Transmission Association, Broadcasting Technology Laboratory
Claims (7)
によって基板上にダイヤモンド膜またはダイヤモンド状
炭素膜を成膜するにあたり、前記基板上へのダイヤモン
ド膜またはダイヤモンド状炭素膜の堆積中または堆積後
に、それら膜の堆積面に炭素または不純物の多価イオン
ビームを照射するようにしたことを特徴とするダイヤモ
ンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法。In forming a diamond film or a diamond-like carbon film on a substrate by a laser ablation method or a CVD method, during or after the deposition of the diamond film or the diamond-like carbon film on the substrate, A method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film, wherein a deposition surface is irradiated with a polyvalent ion beam of carbon or impurities.
炭素または不純物の多価イオンビームを集束するととも
に、該集束された多価イオンビームを前記堆積面に局所
的に照射するようにしたことを特徴とするダイヤモンド
膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法。2. The film forming method according to claim 1, wherein said carbon or impurity polyvalent ion beam is focused and said focused polyvalent ion beam is locally irradiated on said deposition surface. A method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film.
局所的に照射するにあたっては、前記集束された多価イ
オンビームの照射点の一次元または二次元的走査によっ
て行うようにしたことを特徴とするダイヤモンド膜また
はダイヤモンド状炭素膜の成膜方法。3. The film forming method according to claim 2, wherein the local irradiation is performed by one-dimensional or two-dimensional scanning of an irradiation point of the focused multiply-charged ion beam. Characteristic method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film.
によって基板上にダイヤモンド膜またはダイヤモンド状
炭素膜を成膜する成膜装置において、該装置は、前記基
板上にダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の堆
積中または堆積後に、それら膜の堆積面に炭素または不
純物の多価イオンビームを照射するための手段をさらに
具えていることを特徴とするダイヤモンド膜またはダイ
ヤモンド状炭素膜の成膜方法。4. A film forming apparatus for forming a diamond film or a diamond-like carbon film on a substrate by a laser ablation method or a CVD method. A method for forming a diamond film or a diamond-like carbon film, further comprising a means for irradiating a deposition surface of the films with a polyvalent ion beam of carbon or impurities after the deposition.
装置は、前記基板を補助的に加熱または冷却し、および
／または負のバイアス電圧を印加する手段をさらに具え
ていることを特徴とするダイヤモンド膜またはダイヤモ
ンド状炭素膜の成膜装置。5. The film forming apparatus according to claim 4, wherein said apparatus further comprises means for supplementarily heating or cooling said substrate and / or applying a negative bias voltage. For forming a diamond film or a diamond-like carbon film.
れたダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜が陰極
を覆っていることを特徴とする冷陰極。6. A cold cathode, wherein a diamond film or a diamond-like carbon film formed by the film forming method according to claim 1 covers the cathode.
抗のパターンを形成し、該パターンの部分を含めてシリ
コン基板の表面にレーザアブレーション法またはＣＶＤ
法により高抵抗のダイヤモンド膜またはダイヤモンド状
炭素膜を堆積し、該堆積された膜の表面に不純物の多価
イオンビームを局所的に照射することで該照射された部
分の前記膜を低抵抗の領域に変えて電子放出がし易い領
域を形成し、そして前記膜の表面に前記領域を内側に含
む広い面積の開口を有するゲート電極を配置する過程を
経て作製されたことを特徴とする冷陰極。7. A low-resistance pattern to be used as a cathode is formed on a silicon substrate, and a laser ablation method or a CVD method is performed on the surface of the silicon substrate including the pattern.
A high-resistance diamond film or a diamond-like carbon film is deposited by a method, and the surface of the deposited film is locally irradiated with a polyvalent ion beam of impurities to thereby lower the irradiated portion of the film to a low-resistance film. A cold cathode formed through a process of forming a region in which electrons are easily emitted in place of a region, and arranging a gate electrode having a wide area opening including the region inside on the surface of the film. .
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1209716A2 (en) * | 2000-11-20 | 2002-05-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Cold cathode forming process and electron emission element, and applied device of the same |
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| GB2511752A (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-17 | Gurit Uk Ltd | Sealing foam surfaces |
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| JP2018052784A (en) * | 2016-09-30 | 2018-04-05 | 株式会社長町サイエンスラボ | Method for producing conductive dlc film |
| CN116813350A (en) * | 2023-05-11 | 2023-09-29 | 清华大学 | Preparation device and method for laser-shock high-pressure coal-made diamond film |
-
1997
- 1997-10-28 JP JP29537797A patent/JP3819566B2/en not_active Expired - Fee Related
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