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JP3020155B2 - 針状ダイヤモンド配列構造体の作製方法 - Google Patents

針状ダイヤモンド配列構造体の作製方法

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JP3020155B2
JP3020155B2 JP10164772A JP16477298A JP3020155B2 JP 3020155 B2 JP3020155 B2 JP 3020155B2 JP 10164772 A JP10164772 A JP 10164772A JP 16477298 A JP16477298 A JP 16477298A JP 3020155 B2 JP3020155 B2 JP 3020155B2
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diamond
porous alumina
mask
anodized porous
diamond substrate
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昭 藤嶋
秀樹 益田
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東京大学長
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30Cold cathodes
    • H01J2201/304Field emission cathodes
    • H01J2201/30446Field emission cathodes characterised by the emitter material
    • H01J2201/30453Carbon types
    • H01J2201/30457Diamond

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンド針状
構造体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンド針状構造体、特にドーピン
グを施すことにより導電性を付与したダイヤモンド針状
構造体は、ディスプレー用電子放出源、ガスセンサ、電
極材料等に用いられるが、これらの目的には、通常、微
細、且つ規則的な構造を形成することが性能を向上する
上で重要とされている。この目的のためには、従来、ダ
イヤモンド基板上に耐エッチング性を有するレジストの
塗布およびフォトマスクを用いることでパターニングを
し、その後、ドライエッチング法による選択的にエッチ
ングする方法がとられている。
【0003】このほか、あらかじめ微細、且つ規則的な
窪みの配列を有する構造を通常のリソグラフィーにより
Si等の材料により形成し、これを鋳型としてダイヤモ
ンドを気相成長させ、その後、鋳型を選択的に溶解除去
することにより微細針状構造の規則配列を得る方法等が
知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記通常のレジストと
露光を行う方法においては、微細加工のサイズに光の回
折限界に由来する限界を有している。更に、より微細な
パターン描画が可能な電子ビーム描画においては、描画
に長時間を要し、費用の大幅な増大をまねく。更に、こ
れらレジストを用いるパターニング方法においては、共
通に、レジスト塗布、露光、レジスト除去という煩雑な
工程が作製に必要であるという問題点を有していた。
【0005】また、通常のリソグラフィーにより鋳型構
造を作製し、これに気相成長法によりダイヤモンド薄膜
を形成する方法においては、微細化の限界は気相成長ダ
イヤモンド薄膜の均一性に依存し、気相成長法における
ダイヤモンドの核発生密度が低いことから、微細化には
限界を有していた。
【0006】本発明の課題は、微細な、針状構造が規則
的に配列した針状ダイヤモンドの規則配列を作製する方
法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、ダイヤモンド
基板上に貫通孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナをマ
スクとして載せ、酸素プラズマエッチングに対する耐性
を有する物質を真空蒸着法により蒸着することでダイヤ
モンド基板上に蒸着ドットを形成し、陽極酸化ポーラス
アルミナを前記ダイヤモンド基板から水酸化ナトリウム
等により除去したのち、蒸着ドットをマスクとしてダイ
ヤモンド基板を酸素プラズマエッチングすることによっ
て、針状ダイヤモンドが規則的に配列した構造体を形成
することを特徴とする、針状ダイヤモンド配列構造体の
作製方法に係るものである。陽極酸化ポーラスアルミナ
は、微細で直行した貫通孔を多数有する。真空蒸着用マ
スクとして用いる陽極酸化ポーラスアルミナの細孔径、
細孔間隔は、陽極酸化時の条件、および後処理により調
整することができる。陽極酸化ポーラスアルミナを蒸着
用マスクとして用いるためには、陽極酸化ポーラスアル
ミナを地金アルミニウムを除去した後、皮膜底部をリン
酸等の溶液を用いて溶解除去し得ることができる〔Japa
nese Journal of Applied Physics Vol.35, P.L126(199
6) 〕。陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとして真空
蒸着法によりダイヤモンド上に微小ドットを形成する物
質としては、Au,Ag,Ni,Cr等の金属のほか、
金属酸化物、金属窒化物等真空蒸着法により蒸着可能
で、その後のプラズマエッチングに対する耐性を有する
ものであれば広範なものを利用することができる。
【0008】ダイヤモンド上に形成された蒸着ドットを
マスクとして、プラズマエッチング処理を施し、その後
マスクとした物質を選択的に溶解除去することにより、
蒸着ドットの配列に対応した規則配列を有する微小針状
ダイヤモンド配列構造体を得ることができる。作製され
る針状構造の直径、および間隔は、陽極酸化ポーラスア
ルミナをマスクとして形成される蒸着ドットの直径、お
よび間隔に一致することから、陽極酸化ポーラスアルミ
ナの幾何学形状を調整することにより得られる針状ダイ
ヤモンドの構造を制御することが可能となる。
【0009】本発明による方法によりダイヤモンド基板
に形成される多孔構造は、マスクとして用いる陽極酸化
ポーラスアルミナの形状により決定される。陽極酸化ポ
ーラスアルミナは、孔径10nm〜400nmの範囲で
均一な孔径を有する孔を有することが知られており、陽
極酸化時の条件、および後処理工程によりその孔径を制
御することが可能である。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の実施の具体的な方法につ
いて図面を用い説明する。図1は、本発明において蒸着
用マスクとして用いられるポーラスな陽極酸化ポーラス
アルミナを示したものである。陽極酸化ポーラスアルミ
ナ1は、図2に模式的に示したような規則細孔配列を有
しており、細孔2の径および細孔2の間隔をそれぞれ、
5〜500nm、および、100〜500nmの範囲の
ものを用いることができる。蒸着用マスクとして用いる
ためには、厚さ0.1〜0.5ミクロンの範囲で良好な
結果が得られる。
【0011】図3は、ダイヤモンド基板3上に陽極酸化
ポーラスアルミナ1をマスクとして設置した様子を示し
たものである。基板となるダイヤモンドとしては、天然
あるいは合成法により作製されたダイヤモンド単結晶、
あるいは多結晶を用いることができる。これらダイヤモ
ンドは、必要に応じて表面の研磨加工を施す。
【0012】図4に示すように、表面にマスクを載せた
ダイヤモンド基板3に真空蒸着器を用い、金属、金属酸
化物、あるいは、金属窒化物を蒸着する。蒸着量は、こ
の後のプラズマエッチング処理において、耐プラズマエ
ッチング用マスクとして機能するのに十分な厚みがあれ
ば十分であり、通常、20nm〜30nmの厚みの真空
蒸着層である蒸着ドットが形成される。真空蒸着後、マ
スクとした陽極酸化ポーラスアルミナを溶解除去するこ
とにより、図5に示すようにダイヤモンド基板3の表面
上に微小の蒸着ドット4の配列を得ることができる。マ
スクを選択的に除去するためには、水酸化ナトリウムを
はじめとするアルカリ性溶液、あるいは酸溶液の中か
ら、陽極酸化ポーラスアルミナに対し溶解性を有し、一
方、蒸着ドットとして用いた物質を溶解しない溶液を用
いることができる。
【0013】図6に示すように、表面に蒸着ドット4の
配列を形成したダイヤモンド基板3を、プラズマエッチ
ング容器内のプラズマ用電極5上に置き、プラズマエッ
チングを施す。プラズマにより励起された活性種は、ダ
イヤモンドをエッチングするが、このとき蒸着ドットが
存在する部では蒸着ドットがマスクとなりダイヤモンド
はエッチングされない。この結果、ダイヤモンドの選択
的なエッチングが進行し、図7に示すように、蒸着ドッ
ト配列に対応したかたちで針状ダイヤモンドの規則配列
構造6が得られる。このとき、プラズマ励起用気体中に
酸素を加えることにより、エッチング速度の著しい向上
をはかることが可能となる。
【0014】その後、エッチング用マスクとした微小な
蒸着ドット4を選択溶解することにより、図8に示す微
細な針状ダイヤモンド配列構造体7を得ることができ
る。
【0015】
【実施例】実施例1 次に実施の形態1を挙げ、本発明を更に具体的に説明す
る。気相成長法により作製したダイヤモンド基板の表面
を研磨した。その後、貫通孔を有する陽極酸化ポーラス
アルミナをダイヤモンド基板上に載せた。陽極酸化ポー
ラスアルミナの孔径、および孔間隔は、それぞれ、70
nm,100nm、厚さは、0.2ミクロンとした。
【0016】真空蒸着装置を用い、金を20nm真空蒸
着した。真空度は、1×10-5Torr、蒸着速度は、
毎秒0.2nmとした。蒸着後、陽極酸化ポーラスアル
ミナを0.1M水酸化ナトリウムにより溶解除去し、ダ
イヤモンド基板上に金の蒸着ドット配列を得た。
【0017】金の蒸着ドット配列を形成したダイヤモン
ド基板を、並行板型プラズマエッチング装置の電極上に
置き、濃度100%の酸素を放電ガスとして用い、ガス
圧1Torr、放電周波数13.56MHz、放電入力
150Wで、10分間エッチング処理を行った。エッチ
ング終了後、金を王水〔硝酸:塩酸=1:3混合溶液〕
により溶解除去し、母型陽極酸化ポーラスアルミナの細
孔配列と同一の配列を有する針状ダイヤモンド配列を得
た。針状ダイヤモンドの高さは、1.5ミクロンであっ
た。
【0018】実施例2 実施例1と同様の方法で、孔径20nmの陽極酸化ポー
ラスアルミナマスクをダイヤモンド基板上に載せた。こ
れを実施例1と同様の方法により金の真空蒸着用マスク
として用い、その後、実施例1と同様の方法でエッチン
グ加工することにより、直径20nmの針状構造からな
る規則配列を得た。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、微細な針状ダイヤモン
ドが規則的に配列した構造の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明において蒸着用マスクとして用いる陽
極酸化ポーラスアルミナを示す断面図である。
【図2】 陽極酸化ポーラスアルミナにおける細孔配列
を示す平面図である。
【図3】 蒸着用マスクを載せたダイヤモンド基板を示
す断面図である。
【図4】 マスクを用い蒸着を行った状態を示す断面図
である。
【図5】 ダイヤモンド基板上に形成されたドット配列
を示す断面図である。
【図6】 プラズマエッチング装置におけるエッチング
の様子を示す模式図である。
【図7】 エッチング後のダイヤモンド基板を示す断面
図である。
【図8】 形成された針状ダイヤモンド配列構造体を示
す断面図である。
【符号の説明】
1 陽極酸化ポーラスアルミナ 2 細孔 3 ダイヤモンド基板 4 蒸着ドット 5 プラズマ用電極 6 針状ダイヤモンドの規則配列構造 7 針状ダイヤモンド配列構造体

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ダイヤモンド基板上に貫通孔を有する陽
    極酸化ポーラスアルミナをマスクとして載せ、酸素プラ
    ズマエッチングに対する耐性を有する物質を真空蒸着法
    により蒸着することで前記ダイヤモンド基板上に蒸着ド
    ットを形成し、前記陽極酸化ポーラスアルミナを前記ダ
    イヤモンド基板から除去したのち、前記蒸着ドットをマ
    スクとして前記ダイヤモンド基板を酸素プラズマエッチ
    ングすることによって、針状ダイヤモンドが規則的に配
    列した構造体を形成することを特徴とする、針状ダイヤ
    モンド配列構造体の作製方法。
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