JP5264055B2 - 電界放射チップ - Google Patents

Description

本発明は、炭素構造体、冷陰極型の電界放射チップおよび電界放射チップの製造方法ならびにこの製造方法の実施に用いる治具に係り、より詳しくは、本発明は、電子線ホログラフィー装置、荷電粒子装置、Ｘ線発生装置、電子線描画装置、電子顕微鏡等において電子線発生に用いて好適な冷陰極型の電界放射チップに関する。

電子線を発生することができる電界放射チップは、各種のマイクロ波真空管装置、電力増幅器、イオン銃、高エネルギー加速器、自由電子レーザー、および電子顕微鏡、そして特にフラットパネルディスプレーに用いることができる。この電界放射チップでは、例えば、電子顕微鏡では、電子線をより細く絞りかつ微細構造の観察が可能な電子線を発生できることが好ましい。この電界放射チップは、モリブデン等の、またはシリコン等の半導体から作られる。最近では、ナノサイズの炭素材料が電界放射チップに用いられている。電界放射チップに用いるナノサイズの炭素膜材料にはカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール等が提案されている。しかしながら、金属チップのチップ面積は小さいために、そのチップ面上に電界放射特性に優れた炭素膜に成長させることは難しい。なお、この分野の従来技術の特許文献１を下記する。
特開平０８−１２９９８１号公報

本発明により解決すべき課題は、電界放射特性に優れた炭素構造体、それを用いた電界放射チップおよびその製造方法ならびにこの製造方法の実施に用いる治具を提供することである。

電子顕微鏡などで電子線を発生させる仕組みは，熱電子放出を利用するものと，金属表面付近に強い電界をつくり，仕事関数のポテンシャル障壁を通してトンネル効果（電界放射）によって電子を引き出すものとに分かれる。前者が熱陰極，後者が冷陰極である。

本発明に係る炭素構造体は、冷陰極型の電界放射チップにおいて、陰極基板上に配置されて陽陰極間での電界放射により電子放出を行うために用いることができるものであり、炭素核表面に多数のナノメートルスケールの微細突起を備えて全体がボール形状になっていることを特徴とするものである。この微細突起はカーボンナノウォールやカーボンナノファイバや炭素からなる針状の突起等であり、電界放射可能な形状を備えるナノメートルスケールのものである。

本発明の炭素構造体は、表面に多数の微細突起を備え全体がボール形状であるので、容易に電界放射して電子放出することができる。

本発明の炭素構造体はさらに、ボール形状であるから、陰極基板上における支持強度に優れ、かつ、陰極基板との電気的コンタクト性に優れ、安定して電子線を放出することができる。

本発明に係る電界放射チップは、金属製の陰極基板の基板面上に上記炭素構造体が多数形成されていることを特徴とするものである。

陰極基板は、ディスク形状の基板面を有することが好ましい。

陰極基板は、円柱状の基板であることが好ましい。

本発明の電界放射チップは、陰極基板上に炭素構造体が安定して支持されるので、電子線を細く絞り込み、高精度に走査させることが必要な電子線発生装置（電子銃）に好適する。この電子線発生装置を組み込むことができる装置には、例えば、電子線ホログラフィー装置、荷電粒子装置、Ｘ線発生装置、電子線描画装置、電子顕微鏡等があり、本発明の電界放射チップの応用分野は極めて広範囲である。

本発明による電界放射チップの製造方法は、真空チャンバと、この真空チャンバ内に平行に対向配置された一対の平板電極とを備えたプラズマＣＶＤ装置を用いて電界放射チップを製造する方法において、一方の平板電極上に陰極基板を収納する収納部を備えた治具を配置し、その治具の収納部に陰極基板をその基板面を他方の平板電極に向けて突出させた状態で収納し、この収納状態で上記陰極基板の基板面上に請求項１に記載の炭素構造体を成膜することを特徴とするものである。

本発明の製造方法では、一方の平板電極上に複数の陰極基板を治具を用いて配置するので、多数の陰極基板の基板面上に一度に炭素構造体を成膜することができるので製造上の歩留まりが高くなり量産性を向上することができる。また、平板電極上の陰極基板は平板電極の電極面積と比較して小さく、そのため、両平板電極間に平行に発生する等電位面は陰極基板上で歪む結果、効果的にその基板面上に電界放射特性に優れた炭素構造体を生成することができる。

上記治具は貫通した内周面が円筒面をなす複数の収納孔を有し、これら複数の収納孔それぞれに外周面が円筒面をなす複数の陰極基板を収納することが好ましい。

陰極基板の基板面の形状がディスク形状であることが好ましい。

上記陰極基板は、鉄にクロムを含む材料であることが好ましい。

本発明によれば、陰極基板上に安定支持することができ、陰極基板との電気的コンタクトにも優れ、安定して電子線を電界放射することができる炭素構造体を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る炭素構造体、これを備えた電界放射チップ、ならびにこの電界放射チップの製造方法を詳細に説明する。

実施の形態の炭素構造体は、多数の微細突起で覆われたボール形状の炭素構造体になっている。ボール形状は図１、図２のＳＥＭ写真に示すように完全に丸い形状のボールという意味に限定されるものではなく、各種に変形したボール形状を含む。図１のＳＥＭ写真はこの炭素構造体の成長過程で炭素核と称することができるものを倍率×１００００倍で撮影したものである。図１のＳＥＭ写真にはボール形状の炭素核が多数写されている。また、炭素核表面にはウォール状物が網目状になって存在していることを確認することができる。図１のＳＥＭ写真で示すように炭素核はほぼ直径が揃っていて炭素核同士間には隙間が存在していることを確認することができる。図２に倍率×５０００倍で撮影したＳＥＭ写真を示す。この図２のＳＥＭ写真では図１の炭素核の表面に対してその後の成長過程で多数の微細突起が成長した状態を示す。炭素構造体は図１の炭素核の状態に成長し、この炭素核表面に多数の微細突起が成長して図２のＳＥＭ写真に示す状態になったものである。図２のＳＥＭ写真では炭素構造体の表面は微細突起で覆われて全体がボール形状になっていることを確認することができる。これらＳＥＭ写真中には１μｍの単位表記があり、この単位表記で明らかであるように、炭素核の直径は０．数μｍであり、この炭素核表面のウォール状物はｎｍサイズであり、この炭素核表面の微細突起はウォール状物の高さよりも高く、数μｍないし１０数μｍ以上の高さであり、炭素構造体全体では表面が微細突起で覆われたボール形状になって高い電界放射特性を備えたものとなっていることを確認することができる。

ＳＥＭ写真にはこのボール形状以外の炭素構造体が見られなかった。

図３にＳＥＭ写真で示す炭素構造体の電圧電流特性（電界放射特性）を示す。図３で横軸は陽陰極間の電圧Ｖ（ｋＶ／ｍｍ）を示し、縦軸は電界放射電流Ｉ（ｍＡ／ｃｍ²）を示す。電界放射電流Ｉは、陰極からの電子放出量を示す電流である。この電界放射特性は、上記炭素構造体を以下で説明する製造方法でＳＵＳ基板上に成膜してなる電界放射チップによるものである。この電界放射チップを陰極としこの陰極と陽極とを対向配置し、これらの間に電圧を印加して電界放射電流を測定したものである。図３に示すように電圧Ｖが２．１ｋＶ/ｍｍで、電界放射電流Ｉが４０ｍＡ／ｃｍ²であったことから理解することができるように、実施の形態の炭素構造体は、電界放射チップに用いられて、極めて良好な電界放射特性を提供することができるものである。実施の形態のボール形状の炭素構造体の電子放出点は、ＳＥＭ写真から明らかであるように、ボール形状の炭素構造体以外にカーボンナノチューブ等の他の炭素構造体が見られないことから、ボール形状の炭素構造体が電子放出点を構成しているものと考えられる。炭素構造体を成長させた陰極基板をステンレス鋼材（ＳＵＳ）とした場合に特に良好な電界放射特性を得ることができたが、Ｎｉ基板、Ｓｉ基板等に炭素構造体を成膜させた場合でも電界放射特性を有することを確認している。

炭素構造体は、以下に説明する製造工程を経ることにより、図１のＳＥＭ写真で示すように陰極基板上に炭素核が生成され、この炭素核表面にはカーボンナノウォール状の炭素膜が成膜されており、さらに、図２のＳＥＭ写真で示すように、炭素核の表面に多数の微細突起が生成されたものである。この微細突起が炭素核の全表面に生成されることによりボール形状の炭素構造体の全体が電子放出点として作用しているものと考えられる。

実施の形態の炭素構造体を備えた電界放射チップは、従来では無かったものであり、以下の製造方法により陰極基板上に製造することができた。

以下、図４ないし図７を参照して実施の形態の電界放射チップの製造方法を説明する。図４を参照して実施の形態の炭素構造体の製造に用いる直流プラズマＣＶＤ装置を説明すると、この直流プラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に平行に対向配置した一対の第１、第２平板電極４，６とを備える。真空チャンバ２はガス導入口２ａとガス排気口２ｂとを備える。直流電源８の負極側を上側の第１平板電極４に接続し、直流電源８の正極側を接地する。下側の第２平板電極６を接地する。第２平板電極６上には陰極基板１０を当該第２平板電極６上に配置するための治具１２が配置されている。

この治具１２について図５を参照して説明する。図５（ａ）に治具１２の斜視図、図５（ｂ）に治具１２の断面図を示す。図５（ｃ）は第２平板電極６上に治具１２を用いて配置した陰極基板１０上の等電位面を示している。

治具１２は、平面視形状が第２平板電極６の平面形状と一致する形状であり、多数の陰極基板収納孔１２ａが貫通形成されている。この収納孔１２ａの内周面は円筒面である。陰極基板１０の外周面は収納孔１２ａにほぼ一致する円筒面をなしている。治具１２の収納孔１２ａの治具収納深さｄは、陰極基板１０の基板高さｈ以下であり、第２平板電極６上に治具１２を搭載し、その収納孔１２ａに陰極基板１０を収納した状態で陰極基板１０の基板面１０ａが収納孔１２ａから若干突出することができるようになっている。収納孔１２ａから陰極基板１０の基板面１０ａが突出する突出高さは陰極基板１０の側面に炭素構造体が成膜されない高さが好ましい。陰極基板の１０の基板面１０ａはディスク形状をなしている。以上により、陰極基板１０の基板面１０ａにのみ炭素構造体を成膜することにより、電界放射チップとしての性能を高くすることができる。

治具１２は例えばモリブデン（Ｍｏ）で構成されている。陰極基板１０は、円柱形状に形成されたＳＵＳ基板である。ＳＵＳはＦｅに、Ｃｒ、Ｎｉ等を加えた合金であり、ＣｒやＮｉ等の成分の割合により種々に分類することができる。この陰極基板１０は直径が数ｍｍ程度であり、高さが０．数ｍｍないし１．数ｃｍ程度である。基板面積は微小である。もちろん、陰極基板１０の形状は円柱形状に限定されない。

図５（ｃ）で示すように第２平板電極６上に治具１２を用いて配置した陰極基板１０上では、第１平板電極４と第２平板電極６との間に電圧を印加した場合に陰極基板１０周辺の等電位面の状態を示している。図５（ｃ）で明らかであるように陰極基板１０周辺では等電位面１８は歪んでいる。この等電位面１８の歪みは陰極基板１０の基板面１０ａ上に実施の形態の炭素構造体を成膜するための１つの条件となる。

図６を参照して炭素構造体成膜前の陰極基板１０と成膜後の陰極基板１０とを示す。図６（ａ）は炭素構造体成膜前の陰極基板１０を示し、図６（ｂ）は、炭素構造体成膜後の陰極基板１０を示す。炭素構造体成膜後の陰極基板１０の基板面１０ａには図６（ｂ）で示すように炭素構造体１４が成膜されており、この陰極基板１０と炭素構造体１４とで電界放射チップ１６が構成される。

次に、図７を参照して電界放射チップ１６の製造方法を説明する。

（第１工程）
真空チャンバ２内に水素ガスを導入する。

直流電源８から両平板電極４，６間に電圧を印加して、両平板電極４，６間にプラズマを発生させる。

水素ガス流量は５００ｃｃｍである。

圧力は３０ｔｏｒｒである。

電流は２．５Ａである。

工程時間は２０分間である。

第１工程は陰極基板１０の基板面のアニーリングである。このアニーリングにより陰極基板１０の基板面１０ａは酸化状態を無くされ、炭素構造体の成膜に適した表面となる。

（第２工程）
真空チャンバ２内に水素ガスとメタンガスとを導入する。

水素ガス流量は５００ｃｃｍである。

メタンガス流量は５０ｃｃｍである。

圧力は３０ｔｏｒｒである。

電流は４．０Ａである。

工程時間は５分間である。

以上の第１、第２工程が炭素核の生成工程である。実施の形態では、この炭素核の生成後に、以下の第３工程以降の工程を実施して微細突起を生成させたことに特徴がある。

（第３工程）
水素ガス流量、メタンガス流量、圧力は第２工程と同じである。

圧力は、３０ｔｏｒｒから７５ｔｏｒｒに増加する。

電流は４．０Ａから６．０Ａに増加する。

工程時間は１０分間である。

（第４工程）
水素ガス流量は第３工程と同じである。

メタンガス流量を５０ｃｃｍから４０ｃｃｍに減らす。

圧力と電流は第３工程と同じである。

工程時間は６５分間である。

（第５工程）
水素ガス流量は第４工程と同じである。

メタンガス流量を４０ｃｃｍから３０ｃｃｍに減らす。

圧力と電流は第２工程と同じである。

工程時間は１５分間である。

以上の第３ないし第５工程が炭素核表面の微細突起の生成工程である。

以上の工程後に圧力を徐々に抜き、ガスの導入を停止し、電流の印加を停止し、自然冷却する。

以上の工程を実施することにより陰極基板１０の基板面１０ａ上に炭素構造体を成膜して電界放射チップを得ることができる。

なお、メタンガスに代えて他の炭素を含むガス、例えば、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレン等の炭化水素ガスを用いることができる。

なお、発生プラズマにより、陰極基板１０の温度は９００℃ないし１１５０℃程度となって、メタンガスが分解され、基板面１０ａに炭素構造体が成膜される。

本発明は、上述の実施の形態に限定されず、種々な変形が考えられる。

図１は本発明の炭素構造体のＳＥＭ写真である。 図２は本発明の炭素構造体のＳＥＭ写真である。 図３は本発明の炭素構造体を備えた電界放射チップの電界放射特性図である。 図４は電界放射チップを製造するための直流プラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。 図５（ａ）は本発明の炭素構造体を直流プラズマＣＶＤ装置の平板電極上に配置する治具の斜視図、図５（ｂ）は同治具の断面図、図５（ｃ）は陰極基板周辺の等電位面を示す図である。 図６（ａ）は本発明の炭素構造体が成膜される陰極基板の斜視図、図６（ｂ）は基板面に炭素構造体が成膜されて電界放射チップとされた陰極基板の斜視図である。 図７は電界放射チップの製造方法の説明に用いる工程図である。

符号の説明

２ 真空チャンバ
４ 第１平板電極
６ 第２平板電極
８ 直流電源
１０ 陰極基板
１２ 治具
１４ 炭素構造体
１６ 電界放射チップ

Claims (3)

1. 陰極基板の表面に炭素核が形成され、この炭素核の表面にナノメートルサイズの網目状のウォール状物と、このウォール状物よりも高さが高い微細突起を備えて全体がボール形状になっている炭素構造体が形成されていることを特徴とする電界放射チップ。
2. 前記陰極基板は、ディスク形状の基板面を有する、請求項１に記載の電界放射チップ。
3. 前記陰極基板は、円柱状の基板である、請求項２に記載の電界放射チップ。