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� ��界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡� ��して示す断面図である。

 この電界放出型電子源10は、電界放出型� �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1 8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� �ある。エミッタ18の配置の仕方も任意である 。

 この電界放出型電子源10は、図2にその一� ��分を拡大して示すように、導電性のカソー� ��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� �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� ��16との間に設けられていて両者間を絶縁す� �絶縁層20とを備えている。カソード基板16と� ��エミッタ18とは互いに電気的に導通してい� �。

 カソード基板16は、例えばシリコンを主� �分とする材料から成る。即ち、カソード基� �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、� ��縁性の基板の表面に、例えばシリコンを主� ��分とする導電性膜(層)を形成して表層部の� �が導電性を有する構造のものでも良い。

 各エミッタ18は、先端が鋭く尖った形状� �している。換言すれば、先端ほど尖った形� �をしている。図2に示した例は円錐状をして� ��るが、それ以外に角錐状等の形状をしてい� ��も良い。

 各エミッタ18は、シリコンを主成分とす� �材料から成る。例えば、シリコンのみから� �っていても良いし、シリコンにホウ素、リ� �、ヒ素、アンチモン等の不純物が含まれて� �ても良い。各エミッタ18は、図2に示す例の� �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� ��形成しても良い。いずれにしても、カソー� ��基板16と各エミッタ18とは電気的に導通状態 にある。

 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� �、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� �壁との間に微小な間隙26をあけて位置してい る。

 絶縁層20は、例えば二酸化シリコン(SiO ₂  )から成るが、その他の絶縁材から成るもの� �も良い。

 上記カソード基板16(換言すれば、当該カ� ��ード基板16と導通状態にある各エミッタ18)� �ゲート電極22との間に、ゲート電極22を正極� ��にして(換言すれば各エミッタ18を負極側に� ��て)例えば50V~100V程度の直流電圧を印加する� ��、各エミッタ18の先端部に電界が集中し、� �界放射(電界放出)現象により、各エミッタ18� ��先端部から電子12が放出される。

 上記のような電界放出型電子源10の製造� �法の一例を図3、図4A~図4Cを参照して説明す� �。

 まず、カソード基板16を準備する(基板準備� ��程50)。その状態を図4Aに示す。
 次に、上記カソード基板16にエッチングプ� �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� �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� �プロセスによって、所定領域に上記ゲート� �極22を形成する(ゲート電極形成工程53)。ゲ� �ト電極形成工程53後の状態を図4Bに示す。

 次に、各エミッタ18の先端部を含む領域� �、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。

 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� ��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� �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� �端部であり、少なくともその先端部を改質� �ることができれば良いからである。

 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� ��オン40を注入しても良い。その場合、各エ� �ッタ18の先端部だけに炭素イオン40を注入し� ��も良いし、各エミッタ18の先端部を含む領� �に炭素イオン40を注入しても良い。

 炭素イオン40を注入する上記イオン注入� �程54においては、炭素イオン40のエネルギー� ��よび注入量が重要であることが実験および� ��ミュレーションによって確かめられた。こ� ��を以下に詳述する。

 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� �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� ��して得られた各電界放出型電子源10から放� �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 ^-6 Pa導入した状態で測定した。注入炭素イオン4 0のエネルギーは5keVとした。

 図5中の線A~Cは、それぞれ、炭素イオン40の� ��入量が、(A)1×10 ¹⁶ ions/cm ²  、(B)3×10 ¹⁶ ions/cm ²  、(C)1×10 ¹⁷ ions/cm ²  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� �である。初期電流はいずれも15μA程度である 。

 炭素イオン注入を行わない(D)の場合は、� ��子は放出されるものの、放出電流は時間経� ��に伴って急激に低下しており、寿命が非常� ��短いことが分かる。放出電流が半減するま� ��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� �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。

 上記実験結果等に基づいて、注入炭素イ� ��ン40のエネルギーおよび注入量の好ましい� �囲をシミュレーションによって求めた。

 イオン注入による炭素原子がエミッタ18� �構成するシリコン原子と結合して、シリコ� �の酸化を抑制することで電子放出特性の悪� �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� �度までの深さの範囲内において、(2)炭素原� �濃度の最低値が20%、(3)炭素原子濃度のピー� �値が40%~60%の範囲内となるような分布が好ま� ��いことが実験によって明らかになっている� ��

 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[×10 ¹⁷ ions/cm ²  ]とする直交座標であり、この直交座標上の� �P ₁  ~P ₆  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)。

 炭素イオン40は、点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)およびP ₆  (10,1.6)の6点間を直線a~fで結んで囲まれる範囲 R ₁  内(直線上を含む。以下同様)にある条件で注� ��することが好ましい。その理由は次のとお� ��である。なお、上記範囲R ₁  を図6中にハッチングを付して示している(以� ��に述べる範囲R ₂  ~R ₄  も同様)。

 炭素イオン40のエネルギーの下限値を線a� ��示すように5keVにしているのは、エミッタ18� ��表層部の炭素導入層の上記厚さ(40nm程度)を� ��低限確保するためであり、これより低いエ� ��ルギーでは上記厚さの炭素導入層が形成で� ��ない。

 炭素イオン40のエネルギーの上限値を線d� ��示すように15keVにしているのは、これより� �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。

 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� ��度が上記ピーク値の60%を超えないようにす� ��ためである。これよりも高濃度の炭素導入� ��、エミッタ18の膨張を招き、電子放出特性� �悪化、エミッタ18の破壊等につながるので好 ましくない。

 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� �囲)での炭素原子濃度を、上記最低値の20%以� ��、かつ上記ピーク値の40%以上の範囲に維持� ��るためである。炭素原子濃度がこの範囲よ� ��も低いと、電子放出特性の劣化を抑制する� ��果を十分に発揮することができなくなるの� ��好ましくない。

 上記イオン注入工程54において、上記範囲R ₁  内にある条件で炭素イオン40を注入すること� ��よって、各エミッタ18の先端部内での炭素� �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� ��。

 また、上記製造方法では、上述したよう� ��、イオン注入工程後にアニール処理は行っ� ��いない。アニール処理を行わなくても良い� ��は、上記注入条件で各エミッタ18の表層部� �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� ��導を持つ状態になり、そのために、アニー� ��処理がなくても良好な電子放出特性を発現� ��きたものと考えられる。

 ちなみに、通常の半導体形成用のイオン� ��入では、イオン注入によってシリコンの結� ��が壊されてアモルファス化するために、半� ��体としての良い特性を出すために、再結晶� ��のプロセス、即ちアニール処理が必要とな� ��。これに対して、電界放出型電子源でエミ� ��タにシリコンを用いる場合には、半導体と� ��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� ��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� ��囲で、必要に応じて、アニール処理を施し� ��もかまわない。

 従って、上記製造方法によれば、イオン� ��入工程54の後にアニール処理を行わなくて� �、電子放出特性が良好でありかつ長寿命の� �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。

 図7に示す例のように、イオン注入工程54に� ��ける炭素イオン40のエネルギーの上限値を� �dで示すように12keVに下げても良い。この場� �の炭素イオン40の注入条件の好ましい範囲は 、点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)およびP ₆  (10,1.6)の6点間を直線a~fで結んで囲まれる範囲 R ₂  内となる。

 このようにすれば、炭素イオン40のエネ� �ギーの上限値を小さくしているので、イオ� �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� ��表層部内での炭素原子濃度分布を、より確� ��に、エミッタ18を構成するシリコンの酸化� �抑制するのに効果的な分布にすることがで� �る。

 上記イオン注入工程54の後に、更に、炭� �を含むガスを用いて発生させたプラズマを� �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。

 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� ��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、CHF ₃  (三フッ化メタン)ガスをプラズマ化したもの� ��ある。但し、これ以外で炭素を含むガスを� ��ラズマ化したものでも良い。

 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� �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� �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。

 上記プラズマ処理工程によって、各エミッ� ��18の先端部の表面に炭素系の被膜が形成さ� �、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。� ��記炭素系の被膜は、CHF ₃  ガスを用いた場合は、C、H、Fの元素から成る 被膜である。

 実験結果の一例を図9に示す。これは、図5� �示した線A~Cの場合とそれぞれ同一条件(即ち� ��一のエネルギーおよび注入量)で炭素イオン 注入後に、CHF ₃  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、CHF ₃  ガスの流量を80sccm、装置内のガス圧を2.5Pa、� ��入高周波電力を80W、プラズマ処理時間を30� �とした。

 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� �けの場合に比べて、時間経過に伴う放出電� �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。

 イオン注入工程54の後に更にプラズマ処理� �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� ��しい範囲の一例を図10に示す。炭素イオン40 は、点P ₁  (5,0.8)、P ₂  (5,1.5)、P ₃  (10,2.5)、P ₄  (15,3.0)、P ₅  (15,1.5)およびP ₆  (10,1.0)の6点間を直線a~fで結んで囲まれる範囲 R ₃  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。

 即ち、イオン注入工程54に加えてプラズ� �処理工程を実施すると、プラズマ処理によ� �てエミッタ18の表面付近(例えば深さ10nm程度� ��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� ��する炭素原子は、イオン注入工程54のみの� �合に比べて若干少なくて済む。例えば、イ� �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� �、図6に示した場合に比べて小さくて済む。� ��a~dは図6の場合と同じである。

 イオン注入工程54の後にプラズマ処理工程� �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� �ギーの上限値を線dで示すように12keVに下げ� �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)およびP ₆  (10,1.0)の6点間を直線a~fで結んで囲まれる範囲 R ₄  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。

 上記イオン注入工程54における炭素イオ� �40として、正の炭素イオン40を用いても良い� ��、負の炭素イオン40を用いても良い。各エ� �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。

 もっとも、負の炭素イオン40を用いると� �図4Cを参照して、エミッタ18へのイオン注入� ��同時に、例えばゲート電極22のように電気� �に浮いた(即ち電気的に絶縁されていてどこ� ��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� ��を注入する場合に比べて小さく抑制するこ� ��ができる。これは、簡単に言えば次の理由� ��よる。即ち、正イオン注入ではゲート電極2 2に正の電荷がどんどん蓄積されてゲート電� �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� ��ート電極22から二次電子が放出され、炭素� �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� �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� ��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� ��電位(例えば数V程度)で帯電が停止する。従� ��て、ゲート電極22に特にリード線を接続し� �帯電を抑制することをしなくて済むので、� �法を簡素化することができる。

 また、炭素イオン40を作る場合は、正イ� �ンよりも負イオンの方が、簡単にかつ大量� �作ることができるので、上記のような注入� �を実現することが容易になるという利点も� �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� �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。

 負イオンの場合、正イオンの(b)の方法に� ��た方法で、但し、セシウム等のアルカリ金� ��を炭素ターゲットに供給して、電子を炭素� ��子と共に真空中に放出させて負の炭素イオ� ��を作ることができる。この負の炭素イオン� ��放出効率は最適化されており、例えば20%程� ��の効率を有することが知られている。この� ��め、炭素イオンを作るのは正イオンよりも� ��イオンの方が簡単である。

 なお、炭素イオン40を注入する方法とし� �、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� ��のイオン注入法(これはイオンドーピング(� �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� ��ピング法の場合は、カソード基板16(または� ��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� ��制御することができる。

 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� ��)、クラスター等いずれでも良い。

 また、この発明に係る製造方法は、図12� �示す例のように、ゲート電極22よりも電子12� ��放出側にゲート電極22に沿って設けられて� �て、多数の小孔30を有する第2ゲート電極(こ� ��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� ��ことができる。各エミッタ18に対する炭素� �オン注入およびプラズマ処理の効果は、図2� ��示す電界放出型電子源10の場合と変わらな� �からである。

 以上のように本発明の実施の形態につい� ��説明を行なったが、上述の各実施の形態の� ��成を適宜組み合わせることも当初から予定� ��ている。また、今回開示した実施の形態は� ��べての点で例示であって制限的なものでは� ��いと考えられるべきである。本発明の範囲� ��、請求の範囲によって示され、請求の範囲� ��均等の意味および範囲内でのすべての変形� ��含まれる。