JP2009016233A - Manufacturing method of field emission type electron source - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】 図4
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method capable of obtaining a field emission type electron source having good electron emission characteristics and a long life without requiring an annealing treatment.
The manufacturing method includes an ion implantation step of implanting carbon ions 40 at least at the tip of the emitter 18 after forming the emitter 18 mainly composed of silicon. The coordinates of the points P 1 to P 6 on the orthogonal coordinates with the energy (unit: keV) of the carbon ion 40 as one axis and the implantation amount (unit: × 10 17 ions / cm 2 ) as the other axis are (energy , Injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), P 4 (15,3.0), P 5 (15, 2.0) and P 6 (10, 1.6) are implanted with carbon ions 40 under conditions that are within a range surrounded by a straight line.
[Selection] Figure 4
Description
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。 The present invention relates to, for example, a field emission electron used for an ion beam space charge neutralization device, a field emission display, a light source (field emission lamp), an electron source used in an environment where high environmental resistance is required, and the like. The present invention relates to a method for manufacturing a source.
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。
An example of a method for manufacturing this type of field emission electron source is described in
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。
In this conventional manufacturing method, carbon ions are implanted into the surface of an emitter constituting a field emission electron source, and then annealed at a temperature of 300 ° C. to 1200 ° C. for several hours, thereby making the surface of the emitter have a low work function SiC. It is what turns into a layer. Thereby, it is said that good electron emission characteristics can be obtained. However,
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。 In the above conventional manufacturing method, in order to obtain good electron emission characteristics, an annealing process is required in which annealing is performed at a temperature of 300 ° C. to 1200 ° C. for several hours after carbon ions are implanted into the emitter surface. As a result, the number of processes increases, and there is a problem that it takes time and cost to manufacture.
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。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of obtaining a field emission electron source having good electron emission characteristics and a long life without requiring annealing.
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。 One of the manufacturing methods according to the present invention is a method of manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon, wherein at least the tip of the emitter is formed after the emitter is formed. An ion implantation step of implanting carbon ions, and in the ion implantation step, the carbon ion energy (unit is keV) is set on one axis, and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / When the coordinates of the points P 1 to P 6 on the orthogonal coordinates with the other axis as cm 2 ) are represented by (energy, injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1. 5), 6 points of P 3 (10,2.5), P 4 (15,3.0), P 5 (15,2.0) and P 6 (10,1.6) are connected with a straight line. In the range surrounded by (including straight line, the same applies below) It is characterized by implanting ions.
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。 According to the above manufacturing method, it can be confirmed by experiments and simulations that a field emission electron source having good electron emission characteristics and a long life can be obtained without performing annealing treatment after the ion implantation step. It was.
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。 The annealing treatment may not be performed because the carbon atoms implanted into the surface layer of the emitter under the above implantation conditions are interposed around the silicon atoms constituting the emitter, thereby making the emitter mainly composed of silicon. However, it is considered that the material has a metal-like electric conduction rather than a semiconductor, and therefore, good electron emission characteristics can be expressed without annealing.
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。 The lifetime of the electron emission could be extended because the carbon atom concentration distribution in the surface layer of the emitter due to the carbon ions implanted under the above implantation conditions was combined with the silicon atoms constituting the emitter, and the oxidation of silicon. This is because the distribution is effective in suppressing the above.
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。 In the ion implantation step, P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), P 4 (12,2.7), P 5 (12 , 1.7) and P 6 (10, 1.6) may be implanted with carbon ions under conditions within a range surrounded by a straight line.
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。 Another aspect of the manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon, wherein at least the tip of the emitter is formed after the emitter is formed. An ion implantation step of implanting carbon ions into the plasma, and a plasma treatment step of irradiating at least a tip of the emitter with plasma generated using a gas containing carbon after the ion implantation step, and In the ion implantation step, the point P 1 on the orthogonal coordinates with the carbon ion energy (unit is keV) as one axis and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / cm 2 ) as the other axis. coordinates (energy, implantation dose) of to P 6 expressed respectively, P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), P 4 ( 15, 2.0), it is characterized by implanting carbon ions under the conditions in the range surrounded by the straight line connecting the two adjacent six points P 5 (15,1.5) and P 6 (10,1.0) .
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。 According to the above manufacturing method, it is possible to confirm by experiments and simulations that a field emission electron source having good electron emission characteristics and a longer life can be obtained without performing annealing treatment after the ion implantation step. did it.
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。 The reason why the lifetime of electron emission is further extended by adding the plasma treatment step is that a carbon-based film is formed on the surface of the emitter, and this serves to suppress oxidation of the emitter surface.
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。 In the ion implantation step, P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), P 4 (12,2.7), P 5 (12 , 1.2) and P 6 (10, 1.0) may be implanted with carbon ions under conditions within a range surrounded by a straight line.
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。 Negative carbon ions may be used as carbon ions in the ion implantation step.
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。 According to the first aspect of the present invention, a field emission electron source having good electron emission characteristics and a long lifetime can be obtained without performing an annealing treatment after the ion implantation step. As a result, the annealing process can be omitted, and the number of processes and the manufacturing cost can be reduced.
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。
According to invention of
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。
According to invention of
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。
According to invention of Claim 4, in addition to the effect similar to the effect of
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。
According to invention of
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。 FIG. 1 is an enlarged schematic plan view showing an example of a field emission electron source. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing one emitter around the field emission electron source shown in FIG.
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。
This field
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。
The field
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。
The
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。
Each
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。
Each
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。
The
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。
The insulating
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。
Between the cathode substrate 16 (in other words, each
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。
An example of a method for manufacturing the field
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。
First, the
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。
Next, an etching process is performed on the
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。
Next,
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。
In the above example, the
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。
Further, for example,
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。
In the
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。
An example of the experimental results is shown in FIG. This is because the
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。
Lines A to C in FIG. 5 indicate that the implantation amount of
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。 When carbon ion implantation is not performed (D), electrons are emitted, but the emission current decreases rapidly with the passage of time, indicating that the lifetime is very short. The time until the emission current is halved is about 5 hours. In contrast, with the injection amount of (A), the time until the emission current is halved is about 12 hours, the injection amount of (B) is about 20 hours, and the injection amount of (C) is 50 hours. Degree. It can be seen that the life is extended as compared with the comparative example of (D), and the life is extended as the injection amount is increased.
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。
Based on the above experimental results and the like, a preferable range of energy and implantation amount of the implanted
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。
In order to prevent the deterioration of the electron emission characteristics by suppressing the oxidation of silicon by combining carbon atoms by ion implantation with silicon atoms constituting the
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)。 An example of ion implantation conditions that satisfy this is shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents the carbon ion energy [keV], and the vertical axis represents the carbon ion implantation amount [× 10 17 ions / cm 2 ], and the points P 1 to P 6 on this orthogonal coordinate are shown. Are expressed by (energy, injection amount), respectively (the same applies to FIGS. 7, 10, and 11).
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)。
The
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。
The reason why the lower limit value of the energy of the
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。
The upper limit value of the energy of the
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。
The upper limit of the implantation amount of the
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。
The lower limit of the implantation amount of the
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。
In the
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。
In the manufacturing method, as described above, the annealing treatment is not performed after the ion implantation step. The annealing treatment may not be performed because the carbon atoms implanted into the surface layer portion of each
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。 Incidentally, in normal ion implantation for forming a semiconductor, the crystal of silicon is broken and becomes amorphous by the ion implantation, so that a recrystallization process, that is, an annealing process is required in order to obtain good characteristics as a semiconductor. Become. On the other hand, when silicon is used as the emitter in the field emission electron source, it is not always necessary to obtain good properties as a semiconductor, and it is only necessary to have the above-described metallic electrical conductivity. It is not necessary to perform processing. Of course, annealing treatment may be performed as necessary within a range where the carbon introduction layer does not change significantly.
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。
Therefore, according to the above manufacturing method, the field
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。
As in the example shown in FIG. 7, the upper limit value of the energy of the
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。
In this way, since the upper limit value of the energy of the
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。
After the
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。
For example, as in the example of the plasma processing step shown in FIG. 8, the plasma 42 is irradiated (incident) into a region including the tip portions of the plurality of
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。
Note that the plasma 42 may be applied only to the tip of each
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。
By the plasma processing step, a carbon-based film is formed on the surface of the tip of each
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。 An example of the experimental results is shown in FIG. This is an example in which a plasma treatment with CHF 3 plasma is further performed after carbon ion implantation under the same conditions (that is, the same energy and implantation amount) as in the case of lines A to C shown in FIG. Lines E to G correspond to lines A to C, respectively. A reactive etching apparatus was used for this plasma treatment. The plasma treatment conditions were such that the flow rate of CHF 3 gas was 80 sccm, the gas pressure in the apparatus was 2.5 Pa, the input high frequency power was 80 W, and the plasma treatment time was 30 seconds.
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。
As shown by lines E to G in FIG. 9, it can be seen that, at any implantation amount, the decrease in emission current with the passage of time is much smaller than in the case of only carbon ion implantation shown in FIG. 5. . That is, it can be seen that the lifetime of the field
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。
FIG. 10 shows an example of a preferable range of energy and implantation amount of the
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。
That is, when the plasma treatment process is performed in addition to the
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。
Even when the plasma treatment step is performed after the
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。
As the
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。
However, when the
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。
Further, when the
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。 In the case of a negative ion, a method similar to the method of positive ion (b), except that an alkali metal such as cesium is supplied to a carbon target, and electrons are released together with carbon atoms into a vacuum to generate negative carbon ions. Can be made. The negative carbon ion release efficiency is optimized, and is known to have an efficiency of, for example, about 20%. For this reason, it is easier to make carbon ions with negative ions than with positive ions.
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。
In addition, as a method of implanting the
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。
The
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。
Further, in the manufacturing method according to the present invention, as shown in the example shown in FIG. 12, the second method is provided along the
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
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 In a method of manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon,
An ion implantation step of implanting carbon ions into at least the tip of the emitter after the formation of the emitter;
In the ion implantation step, the carbon ion energy (unit is keV) is one axis, and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / cm 2 ) is the other axis. When the coordinates of the points P 1 to P 6 are expressed by (energy, injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), Carbon ions are implanted under the condition of being surrounded by a straight line connecting 6 points of P 4 (15,3.0), P 5 (15,2.0) and P 6 (10,1.6). A method of manufacturing a field emission electron source.
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。 In a method of manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon,
An ion implantation step of implanting carbon ions into at least the tip of the emitter after the formation of the emitter;
In the ion implantation step, the carbon ion energy (unit is keV) is one axis, and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / cm 2 ) is the other axis. When the coordinates of the points P 1 to P 6 are expressed by (energy, injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), Carbon ions are implanted under the condition of being surrounded by a straight line connecting 6 points of P 4 (12, 2.7), P 5 (12, 1.7) and P 6 (10, 1.6). A method of manufacturing a field emission electron source.
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。 In a method of manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon,
An ion implantation step of implanting carbon ions at least at the tip of the emitter after the formation of the emitter;
A plasma treatment step of irradiating at least a tip of the emitter with a plasma generated using a gas containing carbon after the ion implantation step;
In the ion implantation step, the carbon ion energy (unit is keV) is one axis, and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / cm 2 ) is the other axis. When the coordinates of the points P 1 to P 6 are expressed by (energy, injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), Carbon ions are implanted under the condition of being surrounded by a straight line connecting 6 points of P 4 (15,3.0), P 5 (15,1.5) and P 6 (10,1.0). A method of manufacturing a field emission electron source.
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。 In a method of manufacturing a field emission electron source having a pointed tip and an emitter mainly composed of silicon,
An ion implantation step of implanting carbon ions at least at the tip of the emitter after the formation of the emitter;
A plasma treatment step of irradiating at least a tip of the emitter with a plasma generated using a gas containing carbon after the ion implantation step;
In the ion implantation step, the carbon ion energy (unit is keV) is one axis, and the carbon ion implantation amount (unit is × 10 17 ions / cm 2 ) is the other axis. When the coordinates of the points P 1 to P 6 are expressed by (energy, injection amount), P 1 (5,0.8), P 2 (5,1.5), P 3 (10,2.5), Carbon ions are implanted under the condition of being surrounded by a straight line connecting 6 points of P 4 (12, 2.7), P 5 (12, 1.2) and P 6 (10, 1.0). A method of manufacturing a field emission electron source.
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