JP2000195412A - Cold cathode field electron emission device and its manufacture, and cold cathode field electron emission display apparatus - Google Patents

Cold cathode field electron emission device and its manufacture, and cold cathode field electron emission display apparatus

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JP2000195412A
JP2000195412A JP36878398A JP36878398A JP2000195412A JP 2000195412 A JP2000195412 A JP 2000195412A JP 36878398 A JP36878398 A JP 36878398A JP 36878398 A JP36878398 A JP 36878398A JP 2000195412 A JP2000195412 A JP 2000195412A
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layer
field emission
electron
cold cathode
conductive material
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Japanese (ja)
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Shinji Kubota
紳治 久保田
Kazuo Kikuchi
一夫 菊地
Hiroshi Sata
博史 佐多
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Sony Corp
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  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve uniformity of dimension or shape of an electron emission part and provide a field emission device, with easy manufacture, allowing correspondence to expansion of a picture of a display apparatus. SOLUTION: A field emission device is provided with a cathode electrode 11 formed on a supporting matter 10, an insulating layer 12 formed on the supporting matter 10 and the cathode electrode 11, a gate electrode 13 formed on the insulating layer 12, an opening part 19, penetrating through the gate electrode 13 and the insulating layer 12, in which the cathode electrode 11 is exposed at a bottom thereof and an electron emission part 18, formed on the cathode electrode 11 exposed on a bottom surface of the opening part 19, whose tip part has a conical form, made of polycrystalline or amorphous conductive material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極電界電子放
出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出
型表示装置に関し、より詳しくは、先端部が錐状形状を
有する冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並び
に、かかる冷陰極電界電子放出素子を2次元マトリクス
状に配列した平面型の冷陰極電界電子放出型表示装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode field emission device, a method of manufacturing the same, and a cold cathode field emission display device, and more particularly, to a cold cathode field emission device having a conical tip. The present invention relates to an emission device, a method of manufacturing the same, and a flat-type cold cathode field emission display device in which such cold cathode field emission devices are arranged in a two-dimensional matrix.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在主流の陰極線管(CRT)に代わる
画像表示装置として、平面型(フラットパネル形式)の
表示装置が種々検討されている。このような平面型の表
示装置としては、液晶表示装置(LCD)、エレクトロ
ルミネッセンス表示装置(ELD)、プラズマ表示装置
(PDP)が例示される。また、熱的励起によらず固体
から真空中に電子を放出することが可能な冷陰極電界電
子放出型の表示装置、所謂フィールドエミッションディ
スプレイ(FED)も提案されており、画面の明るさ及
び低消費電力の観点から注目を集めている。
2. Description of the Related Art Various types of flat-panel (flat-panel) display devices have been studied as image display devices to replace the current mainstream cathode ray tube (CRT). Examples of such a flat display device include a liquid crystal display device (LCD), an electroluminescence display device (ELD), and a plasma display device (PDP). In addition, a cold cathode field emission display device capable of emitting electrons from a solid into a vacuum without thermal excitation, a so-called field emission display (FED), has been proposed. Attention is drawn from the viewpoint of power consumption.

【0003】冷陰極電界電子放出型の表示装置(以下、
単に、表示装置と称する場合がある)は、一般に、2次
元マトリクス状に配列された各画素に対応して電子放出
部を有するカソード・パネルと、この電子放出部から放
出された電子との衝突により励起されて発光する蛍光体
層を有するアノード・パネルとが、真空層を介して対向
配置された構成を有する。カソード・パネル上の各画素
においては、通常、複数の電子放出部が形成され、更
に、電子放出部から電子を引き出すためのゲート電極も
形成されている。この電子放出部とゲート電極を有する
部分を、電界放出素子と称することにする。
A display device of a cold cathode field emission type (hereinafter, referred to as a cold cathode field emission device)
Generally, a display device is simply referred to as a display device). In general, a collision between a cathode panel having an electron emission portion corresponding to each pixel arranged in a two-dimensional matrix and electrons emitted from the electron emission portion. And an anode panel having a phosphor layer that emits light when excited by the above. In each pixel on the cathode panel, usually, a plurality of electron emitting portions are formed, and further, a gate electrode for extracting electrons from the electron emitting portion is formed. The portion having the electron emission portion and the gate electrode will be referred to as a field emission device.

【0004】かかる表示装置の構成において、低い駆動
電圧で大きな放出電子電流を得るためには、電子放出部
の先端形状を鋭く尖らせた形状とすること、個々の電子
放出部を微細化して、一画素に対応する区画内における
電子放出部の存在密度を高めること、電子放出部の先端
とゲート電極との距離を短縮することが必要である。従
って、これらを実現するために、従来より様々な構成を
有する電界放出素子が提案されている。
In the structure of such a display device, in order to obtain a large emission electron current at a low driving voltage, the tip of the electron emission portion is formed to have a sharp pointed shape, and each electron emission portion is miniaturized. It is necessary to increase the density of the electron-emitting portions in the section corresponding to one pixel and to reduce the distance between the tip of the electron-emitting portion and the gate electrode. Therefore, in order to realize these, field emission devices having various configurations have been conventionally proposed.

【0005】かかる従来の表示装置の代表例の1つとし
て、電子放出部を円錐形の導電体で構成した、所謂スピ
ント(Spindt)型表示装置が知られている。この
スピント型表示装置の概念図を、図17に示す。スピン
ト型表示装置を構成するカソード・パネルCPは、支持
体200に形成されたカソード電極201と、絶縁層2
02と、絶縁層202上に形成されたゲート電極203
と、ゲート電極203及び絶縁層202を貫通して設け
られた開口部204内に形成された円錐形の電子放出部
205から構成されている。電子放出部205が所定
数、2次元マトリクス状に配列されて1画素が形成され
る。一方、アノード・パネルAPは、透明基板210上
に所定のパターンにより蛍光体層211が形成され、こ
の蛍光体層211がアノード電極212で覆われた構造
を有する。
As one of typical examples of such a conventional display device, a so-called Spindt type display device in which an electron emitting portion is formed of a conical conductor is known. FIG. 17 is a conceptual diagram of the Spindt-type display device. A cathode panel CP constituting a Spindt-type display device includes a cathode electrode 201 formed on a support 200 and an insulating layer 2.
02 and the gate electrode 203 formed on the insulating layer 202
And a conical electron emission portion 205 formed in an opening 204 provided through the gate electrode 203 and the insulating layer 202. A predetermined number of the electron emission portions 205 are arranged in a two-dimensional matrix to form one pixel. On the other hand, the anode panel AP has a structure in which a phosphor layer 211 is formed on a transparent substrate 210 in a predetermined pattern, and the phosphor layer 211 is covered with an anode electrode 212.

【0006】電子放出部205とゲート電極203との
間に電圧を印加すると、その結果生じた電界によって電
子放出部205の先端から電子eが引き出される。この
電子eは、アノード・パネルAPのアノード電極212
に引き付けられ、アノード電極212と透明基板210
との間に形成された発光体層である蛍光体層211に衝
突する。この結果、蛍光体層211が励起されて発光
し、所望の画像を得ることができる。この電界放出素子
の動作は、基本的にゲート電極203に印加される電圧
によって制御される。
When a voltage is applied between the electron-emitting portion 205 and the gate electrode 203, electrons e are extracted from the tip of the electron-emitting portion 205 by the resulting electric field. This electron e is supplied to the anode electrode 212 of the anode panel AP.
The anode electrode 212 and the transparent substrate 210
And the phosphor layer 211, which is a light emitting layer formed between the two. As a result, the phosphor layer 211 is excited to emit light, and a desired image can be obtained. The operation of the field emission device is basically controlled by the voltage applied to the gate electrode 203.

【0007】かかる表示装置における電界放出素子の製
造方法の概要を、以下、図18及び図19を参照しなが
ら説明する。この製造方法は、基本的には、円錐形の電
子放出部205を金属材料の垂直蒸着により形成する方
法である。即ち、開口部204に対して蒸着粒子は垂直
に入射するが、開口端付近に形成されるオーバーハング
状の堆積物による遮蔽効果を利用して、開口部204の
底部に到達する蒸着粒子の量を漸減させ、円錐形の堆積
物である電子放出部205を自己整合的に形成する。こ
こでは、不要なオーバーハング状の堆積物の除去を容易
とするために、ゲート電極203上に剥離層206を予
め形成しておく方法について説明する。
An outline of a method of manufacturing a field emission device in such a display device will be described below with reference to FIGS. This manufacturing method is basically a method of forming the conical electron emitting portion 205 by vertical vapor deposition of a metal material. That is, the vapor deposition particles enter the opening 204 perpendicularly, but the amount of the vapor deposition particles reaching the bottom of the opening 204 by utilizing the shielding effect of the overhanging deposit formed near the opening end. Is gradually reduced, and the electron emission portion 205 which is a conical deposit is formed in a self-aligned manner. Here, a method in which a release layer 206 is formed in advance on the gate electrode 203 in order to facilitate removal of unnecessary overhang-like deposits will be described.

【0008】[工程−10]先ず、例えばガラス基板か
ら成る支持体200の上にニオブ(Nb)から成るカソ
ード電極201を形成した後、その上にSiO2から成
る絶縁層202、導電層を順次成膜し、次に、かかる導
電層をパターニングすることによってゲート電極203
を形成し、更に、このゲート電極203と絶縁層202
に開口部204を形成する(図18の(A)参照)。
[Step-10] First, after a cathode electrode 201 made of niobium (Nb) is formed on a support 200 made of, for example, a glass substrate, an insulating layer 202 made of SiO 2 and a conductive layer are sequentially formed thereon. The gate electrode 203 is formed by forming a film and then patterning the conductive layer.
Is formed, and the gate electrode 203 and the insulating layer 202 are further formed.
An opening 204 is formed (see FIG. 18A).

【0009】[工程−20]次に、図18の(B)に示
すように、ゲート電極203上にアルミニウムを斜め蒸
着することにより、剥離層206を形成する。このと
き、支持体200の法線に対する蒸着粒子の入射角を十
分に大きく選択することにより、開口部204の底面に
はアルミニウムを殆ど堆積させることなく、ゲート電極
203の上に剥離層206を形成することができる。こ
の剥離層206は、開口部204の開口端から庇状に張
り出しており、これにより開口部204が実質的に縮径
される。
[Step-20] Next, as shown in FIG. 18B, a peeling layer 206 is formed by obliquely depositing aluminum on the gate electrode 203. At this time, the peeling layer 206 is formed on the gate electrode 203 without substantially depositing aluminum on the bottom surface of the opening 204 by selecting a sufficiently large incident angle of the deposition particles with respect to the normal line of the support 200. can do. The peeling layer 206 protrudes in an eave shape from the opening end of the opening 204, whereby the diameter of the opening 204 is substantially reduced.

【0010】[工程−30]次に、全面に例えば導電材
料としてモリブデン(Mo)を垂直蒸着する。このと
き、図19の(A)に示すように、剥離層206上でオ
ーバーハング形状を有する導電材料層205aが成長す
るに伴い、開口部204の実質的な直径が次第に縮小さ
れるので、開口部204の底部において堆積に寄与する
蒸着粒子は、次第に開口部204の中央付近を通過する
ものに限られるようになる。この結果、開口部204の
底部には円錐形の堆積物が形成され、この円錐形の堆積
物が電子放出部205となる。
[Step-30] Next, for example, molybdenum (Mo) is vertically deposited as a conductive material on the entire surface. At this time, as shown in FIG. 19A, as the conductive material layer 205a having the overhang shape grows on the separation layer 206, the substantial diameter of the opening 204 is gradually reduced. The deposition particles contributing to deposition at the bottom of the portion 204 gradually become limited to those passing near the center of the opening 204. As a result, a conical deposit is formed at the bottom of the opening 204, and the conical deposit becomes the electron-emitting portion 205.

【0011】[工程−40]その後、図19の(B)に
示すように、電気化学的プロセス及び湿式プロセスによ
って剥離層206をゲート電極203の表面から剥離
し、ゲート電極203の上方の導電材料層205aを選
択的に除去する。
[Step-40] Thereafter, as shown in FIG. 19B, the separation layer 206 is separated from the surface of the gate electrode 203 by an electrochemical process and a wet process, and a conductive material above the gate electrode 203 is formed. The layer 205a is selectively removed.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図19の
(B)に示した構造を有する電界放出素子の電子放出特
性は、開口部204の上端部を成すゲート電極203の
縁部203aから電子放出部205の先端部までの距離
に大きく依存する。そして、この距離は、開口部204
の形状の加工精度や直径の寸法精度、[工程−30]に
おいて成膜される導電材料層205aの膜厚精度やカバ
レージ(段差被覆性)、更にはその下地となる剥離層2
06の形状精度に大きく依存する。
The electron emission characteristics of the field emission device having the structure shown in FIG. 19B are such that the electron emission from the edge 203a of the gate electrode 203 forming the upper end of the opening 204 is performed. It largely depends on the distance to the tip of the portion 205. This distance is equal to the opening 204
Processing accuracy and diameter dimensional accuracy, film thickness accuracy and coverage (step coverage) of the conductive material layer 205a formed in [Step-30], and further, the release layer 2 serving as a base thereof.
06 greatly depends on the shape accuracy.

【0013】従って、均一な特性を有する複数の電界放
出素子から構成された表示装置を製造するためには、被
成膜体の全面に亙って導電材料層205aを均一に成膜
しなければならない。しかしながら、通常の蒸着装置で
は1地点に設置された蒸発源からある程度の広がり角を
もって導電材料粒子が放出されるため、被成膜体の中央
部近傍と周辺部とでは、層厚もカバレージの対称性も異
なってしまう。このため、電子放出部の高さがばらつい
たり、電子放出部の頂点の位置が開口部204の中心か
らずれ易く、円錐状の電子放出部205の先端部からゲ
ート電極203までの距離のばらつきを抑えることが難
しい。しかも、この距離のばらつきは、同一の製造ロッ
ト内はもちろん、製造ロット間でも発生し、表示装置の
画像表示特性、例えば画像の輝度ムラを発生させる原因
となる。更に、導電材料層205aは通常、約1μmあ
るいはそれ以上の厚さに成膜されるため、蒸着法では数
十時間単位の成膜時間が必要となり、スループット改善
が困難であること、大型の蒸着装置が必要となること等
の問題もある。
Therefore, in order to manufacture a display device composed of a plurality of field emission devices having uniform characteristics, the conductive material layer 205a must be formed uniformly over the entire surface of the object to be formed. No. However, in a normal vapor deposition apparatus, conductive material particles are emitted with a certain spread angle from an evaporation source installed at one point, so that the layer thickness is symmetrical to the coverage near the center of the film-forming body and at the periphery. Sex is different. For this reason, the height of the electron-emitting portion is likely to vary, or the position of the vertex of the electron-emitting portion is likely to be shifted from the center of the opening portion 204, and the variation in the distance from the tip of the conical electron-emitting portion 205 to the gate electrode 203 is reduced. Difficult to control. Moreover, this variation in distance occurs not only within the same manufacturing lot but also between manufacturing lots, and causes image display characteristics of the display device, for example, unevenness in image brightness. Further, since the conductive material layer 205a is generally formed to a thickness of about 1 μm or more, the deposition method requires a deposition time of several tens of hours, and it is difficult to improve the throughput. There is also a problem that a device is required.

【0014】また、剥離層206を斜め蒸着法にて大面
積の被成膜体全面に亙って均一に成膜することも極めて
困難である。ゲート電極203に設けられた開口部20
4の縁部から剥離層206が庇状に延びるように剥離層
206を高精度で堆積させることも極めて困難である。
しかも、剥離層206の成膜は、支持体面内でばらつく
だけでなく、ロット間でのばらつきも生じ易い。更に
は、大面積の表示装置を製造するために大面積のガラス
基板全体に亙って剥離層206の剥離を行うことは極め
て困難であるばかりか、剥離層206の剥離は汚染の原
因となり、表示装置の製造歩留まりの低下を招く。
It is also very difficult to form the peeling layer 206 uniformly over the entire surface of the object to be deposited having a large area by oblique evaporation. Opening 20 provided in gate electrode 203
It is also very difficult to deposit the peeling layer 206 with high accuracy so that the peeling layer 206 extends like an eave from the edge of the fourth layer.
In addition, the formation of the release layer 206 not only varies in the plane of the support, but also tends to vary from lot to lot. Further, in order to manufacture a display device having a large area, it is extremely difficult to peel the release layer 206 over the entire glass substrate having a large area, and the peeling of the release layer 206 causes contamination, The manufacturing yield of the display device is reduced.

【0015】加えて、円錐状の電子放出部205の高さ
は主に導電材料層205aの膜厚によって規定されるた
め、電子放出部205の設計上の自由度が低い。それば
かりか、電子放出部205の高さを任意に設定すること
が困難であるが故に、電子放出部205からゲート電極
203までの距離を短くする場合、絶縁層202の膜厚
を薄くせざるを得ない。然るに、絶縁層202の膜厚を
薄くすると、配線間(ゲート電極203とカソード電極
201との間)の静電容量を小さくすることができず、
表示装置の電気回路の負担が増えるばかりか、表示装置
の面内の均一性及び画質が劣化するといった問題があ
る。
In addition, since the height of the conical electron emitting portion 205 is mainly determined by the thickness of the conductive material layer 205a, the degree of freedom in designing the electron emitting portion 205 is low. In addition, since it is difficult to arbitrarily set the height of the electron-emitting portion 205, when the distance from the electron-emitting portion 205 to the gate electrode 203 is reduced, the thickness of the insulating layer 202 must be reduced. Not get. However, when the thickness of the insulating layer 202 is reduced, the capacitance between the wirings (between the gate electrode 203 and the cathode electrode 201) cannot be reduced.
Not only does the load on the electric circuit of the display device increase, but also the in-plane uniformity and image quality of the display device deteriorate.

【0016】更に、上述のような円錐形の電子放出部2
05においては、電子放出部205を構成する導電材料
の結晶粒界の配向性によって電子放出特性が異なる可能
性があるが、従来の電界放出素子の製造方法において
は、導電材料層の領域の中で最適な配向性を有する領域
を電子放出部205として利用する技術は知られていな
い。
Further, the above-mentioned conical electron emitting portion 2
In 05, the electron emission characteristics may be different depending on the orientation of the crystal grain boundaries of the conductive material constituting the electron emission portion 205. There is no known technique for using a region having an optimal orientation as the electron-emitting portion 205.

【0017】そこで本発明は、従来のスピント型の冷陰
極電界電子放出素子における製造上の問題点を解決する
ことができ、均一且つ良好な電子放出特性を有する複数
の冷陰極電界電子放出素子を簡便な方法で製造し得る冷
陰極電界電子放出素子(以下、電界放出素子と称する)
及びその製造方法、並びに、かかる電界放出素子を利用
して構成される冷陰極電界電子放出型表示装置(以下、
表示装置と称する)を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention can solve the manufacturing problems in the conventional Spindt-type cold cathode field emission device and provide a plurality of cold cathode field emission devices having uniform and good electron emission characteristics. Cold cathode field emission device (hereinafter referred to as field emission device) that can be manufactured by a simple method
And a method of manufacturing the same, and a cold cathode field emission display (hereinafter, referred to as a display) configured using the field emission device.
A display device).

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の電界放出素子は、(A)支持体上に形成さ
れたカソード電極、(B)支持体及びカソード電極上に
形成された絶縁層、(C)絶縁層上に形成されたゲート
電極、(D)ゲート電極と絶縁層とを貫通し、底部にカ
ソード電極が露出した開口部、及び、(E)開口部の底
面に露出したカソード電極上に形成され、先端部が錐状
形状を有し、多結晶質又は非晶質の導電材料から成る電
子放出部、を備えていることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a field emission device comprising: (A) a cathode electrode formed on a support; and (B) a cathode electrode formed on the support and the cathode electrode. (C) a gate electrode formed on the insulating layer, (D) an opening that penetrates through the gate electrode and the insulating layer and exposes a cathode electrode at the bottom, and (E) a bottom of the opening. An electron emission portion is formed on the exposed cathode electrode, has a conical tip, and is made of a polycrystalline or amorphous conductive material.

【0019】上記の目的を達成するための本発明の電界
放出素子の製造方法は、本発明の電界放出素子の製造方
法である。即ち、(イ)支持体上にカソード電極を形成
する工程と、(ロ)カソード電極上を含む支持体上に絶
縁層を形成する工程と、(ハ)絶縁層上にゲート電極を
形成する工程と、(ニ)ゲート電極と絶縁層とを貫通
し、底部にカソード電極が露出した開口部を形成する工
程と、(ホ)開口部内を含む全面に電子放出部形成用の
多結晶質又は非晶質の導電材料層を形成する工程と、
(ヘ)開口部の中央部に位置する導電材料層の領域を遮
蔽し得る平面配置をもって、マスク材料層から成るマス
ク・パターンを導電材料層上に選択的に形成する工程
と、(ト)導電材料層のエッチング速度がマスク・パタ
ーンのエッチング速度よりも速くなる異方性エッチング
条件下で導電材料層とマスク・パターンとをエッチング
することにより、先端部が錐状形状を有し、且つ導電材
料層から成る電子放出部を開口部内に形成する工程、か
ら成ることを特徴とする。
A method for manufacturing a field emission device according to the present invention for achieving the above object is a method for manufacturing a field emission device according to the present invention. That is, (a) a step of forming a cathode electrode on a support, (b) a step of forming an insulating layer on a support including the cathode electrode, and (c) a step of forming a gate electrode on the insulating layer (D) forming an opening that penetrates through the gate electrode and the insulating layer and exposes the cathode electrode at the bottom, and (e) polycrystalline or non-crystalline for forming the electron emitting portion over the entire surface including the inside of the opening. Forming a crystalline conductive material layer;
(F) selectively forming a mask pattern made of a mask material layer on the conductive material layer with a planar arrangement capable of shielding a region of the conductive material layer located at the center of the opening; By etching the conductive material layer and the mask pattern under anisotropic etching conditions in which the etching rate of the material layer is faster than the etching rate of the mask pattern, the tip has a conical shape, and the conductive material is etched. Forming an electron-emitting portion made of a layer in the opening.

【0020】上記の目的を達成するための本発明の表示
装置は、本発明の電界放出素子を適用した表示装置であ
る。即ち、複数の画素から構成され、各画素は、複数の
電界放出素子と、複数の電界放出素子に対向して透明基
板上に設けられたアノード電極及び蛍光体層から構成さ
れ、各電界放出素子は、(A)支持体上に形成されたカ
ソード電極、(B)支持体及びカソード電極上に形成さ
れた絶縁層、(C)絶縁層上に形成されたゲート電極、
(D)ゲート電極と絶縁層とを貫通し、底部にカソード
電極が露出した開口部、及び、(E)開口部の底面に露
出したカソード電極上に形成され、先端部が錐状形状を
有し、多結晶質又は非晶質の導電材料から成る電子放出
部を備えていることを特徴とする。
A display device of the present invention for achieving the above object is a display device to which the field emission device of the present invention is applied. That is, each pixel includes a plurality of pixels, and each pixel includes a plurality of field emission devices, an anode electrode provided on a transparent substrate facing the plurality of field emission devices, and a phosphor layer. (A) a cathode electrode formed on the support, (B) an insulating layer formed on the support and the cathode electrode, (C) a gate electrode formed on the insulating layer,
(D) penetrating through the gate electrode and the insulating layer and having the cathode electrode exposed at the bottom, and (E) formed on the cathode electrode exposed at the bottom of the opening, and the tip has a conical shape. And an electron emission portion made of a polycrystalline or amorphous conductive material.

【0021】本発明の電界放出素子、表示装置あるいは
電界放出素子の製造方法(以下、総称して単に本発明と
呼ぶ場合がある)において、電子放出部は多結晶質又は
非晶質の導電材料から成るので、表面の平滑さと、形状
や寸法の高い均一性とが達成されている。これは、電子
放出部の先端部を構成する導電材料の結晶粒界の方向に
関係している。結晶粒界は、結晶粒の内部に比べて表面
自由エネルギーが高く、例えばエッチング種の攻撃を受
けた場合に結晶粒よりも速くエッチングされる。特に、
電界放出素子を製造するための微細加工プロセスでは、
異方性ドライエッチングによる加工が行われる場合が多
く、異方性ドライエッチングにおけるエッチング種の多
くは、支持体に対して垂直に入射する。従って、支持体
に対して垂直な方向に沿った結晶粒界を多く持つ被加工
面は、異方性ドライエッチングにより表面荒れが増大し
易く、形状の制御も困難となる。これに対し、多結晶質
や非晶質の導電材料においては、結晶粒界が一方向に揃
っていないので、結晶粒界が被エッチング面に対して或
る特定の方向、特に支持体に対して垂直な方向に沿って
集中的に露出することがない。従って、被加工面、即ち
電子放出部の先端部の表面が平滑となり、且つ、電子放
出部の寸法や形状も高度に均一となる。
In the method of manufacturing a field emission device, a display device or a field emission device according to the present invention (hereinafter sometimes collectively simply referred to as the present invention), the electron emitting portion is made of a polycrystalline or amorphous conductive material. Therefore, smoothness of the surface and high uniformity of the shape and dimensions are achieved. This is related to the direction of the crystal grain boundary of the conductive material forming the tip of the electron-emitting portion. The grain boundary has a higher surface free energy than the inside of the crystal grain, and is etched faster than the crystal grain, for example, when attacked by an etching species. In particular,
In the microfabrication process for manufacturing field emission devices,
In many cases, processing by anisotropic dry etching is performed, and many types of etching in the anisotropic dry etching are perpendicularly incident on the support. Therefore, the surface to be processed having many crystal grain boundaries along the direction perpendicular to the support tends to increase in surface roughness due to anisotropic dry etching, and it is difficult to control the shape. On the other hand, in a polycrystalline or amorphous conductive material, since the crystal grain boundaries are not aligned in one direction, the crystal grain boundaries are oriented in a specific direction with respect to the surface to be etched, particularly with respect to the support. It is not intensively exposed along the vertical direction. Therefore, the surface to be processed, that is, the surface of the tip portion of the electron-emitting portion becomes smooth, and the size and shape of the electron-emitting portion become highly uniform.

【0022】本発明の電界放出素子及び表示装置におい
て、電子放出部は、多結晶質又は非晶質の状態をとり得
る導電材料であって、且つ高電界下での繰り返し電子放
出や電子放出に伴う昇温に対して十分な耐性を有し、し
かも製造工程に含まれる熱プロセスに耐え得る材料から
適宜選択することができる。また、本発明の電界放出素
子の製造方法において、導電材料層は、多結晶質又は非
晶質の状態をとり得る導電材料層であって、且つ高電界
下での繰り返し電子放出や電子放出に伴う昇温に対して
十分な耐性を有し、しかも製造工程に含まれる熱プロセ
スに耐え得る導電材料層から適宜選択することができ
る。中でも、ポリシリコン及びアモルファス・シリコン
は、CVD法による高速成膜が可能であること、半導体
プロセスにおける実績があること等の理由により、好ま
しい導電材料で材料である。ただし、ポリシリコン及び
アモルファス・シリコンに導電性を付与するためには、
10 16〜1020/cm3程度のオーダーで不純物を導入
することが好ましい。不純物の導入方法としては、CV
D法において原料ガスにドーパント(不純物)ガスを混
入し、成膜と同時に導入する方法、あるいは、不純物を
含まない状態で成膜されたポリシリコン層又はアモルフ
ァス・シリコン層にイオン注入法や拡散法により不純物
を導入する方法がある。
In the field emission device and display device of the present invention
Therefore, the electron emitting portion can be in a polycrystalline or amorphous state.
Conductive material that emits electrons repeatedly under a high electric field.
It has sufficient resistance to temperature rise due to emission and electron emission.
From materials that can withstand the thermal process involved in the manufacturing process
It can be selected as appropriate. Also, the field emission element of the present invention
In the manufacturing method of the element, the conductive material layer is polycrystalline or non-crystalline.
A conductive material layer that can assume a crystalline state and a high electric field
Electron emission under temperature and temperature rise accompanying electron emission
It has sufficient heat resistance and the heat
Can be appropriately selected from conductive material layers that can withstand
You. Above all, polysilicon and amorphous silicon
Means that high-speed film formation by CVD method is possible,
Preferred for reasons such as a proven track record in the process
It is a new conductive material. However, polysilicon and
In order to impart conductivity to amorphous silicon,
10 16-1020/ CmThreeImpurities introduced on the order of
Is preferred. As a method for introducing impurities, CV
In method D, a source gas is mixed with a dopant (impurity) gas.
And the method of introducing simultaneously with the film formation, or impurities
Polysilicon layer or amorphous layer deposited without
Impurity in the silicon layer by ion implantation or diffusion
There is a way to introduce.

【0023】電子放出部は、電子放出効率を高める観点
から、先端部が円錐形状等の錐状形状を有していること
が必要であるが、先端部がこのような形状を有する限り
において、下端部、即ちカソード電極に接触する部分の
形状は問わない。例えば、電子放出部を、開口部の底部
に埋め込まれた柱状部と、柱状部と一体的に形成された
錐状の先鋭部とから構成することができる。このような
場合、先鋭部の形状が後述する製造プロセス上の理由に
より自己整合的に規定されても、柱状部の高さを適宜選
択することにより、開口部内における電子放出部の高
さ、より具体的には、電子放出部の先端部からゲート電
極までの距離を調整することが可能となる。
From the viewpoint of enhancing the electron emission efficiency, it is necessary that the tip of the electron emitting portion has a conical shape such as a conical shape, but as long as the tip has such a shape, The shape of the lower end portion, that is, the portion in contact with the cathode electrode does not matter. For example, the electron emission portion can be composed of a columnar portion embedded in the bottom of the opening and a conical sharpened portion formed integrally with the columnar portion. In such a case, even if the shape of the sharp portion is defined in a self-aligned manner for reasons of a manufacturing process described later, by appropriately selecting the height of the columnar portion, the height of the electron emitting portion in the opening can be increased. Specifically, it is possible to adjust the distance from the tip of the electron emission section to the gate electrode.

【0024】本発明において、電子放出部を構成する導
電材料がポリシリコン又はアモルファス・シリコンであ
る場合、電子放出部は先端部表面にキャップ層を有し、
キャップ層はポリシリコン又はアモルファス・シリコン
よりも電子放出効率の高い材料から構成することができ
る。ここで、電子放出効率の高い材料とは、外部から与
えられた一定の強度の電界に対して電位障壁の高さの減
少割合が相対的に大きく、即ち仕事関数の低下が大き
く、依ってより多くの電子を放出し得る材料である。キ
ャップ層の構成材料としては、酸化バリウム(Ba
O)、酸化マグネシウム(MgO)、フッ化リチウム
(LiF)、フッ化バリウム(BaF2)も利用できる
が、高融点金属、高融点金属シリサイド、及び高融点金
属と高融点金属シリサイドの組み合わせが特に好適であ
る。高融点金属としては、タングステン(W)、ニオブ
(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブ
デン(Mo)、クロム(Cr)を代表的に使用すること
ができ、高融点金属シリサイドとして、これらの金属と
シリコンとの化合物を挙げることができる。キャップ層
が高融点金属と高融点金属シリサイドとが組み合わせに
より構成される場合には、キャップ層の層構造は、上層
側が高融点金属層、下層側が高融点金属シリサイド層と
なる。これは、自己整合的なシリサイド化プロセス、所
謂サリサイド(SALICIDE=Self-ALIgned SiliC
IDE)プロセスと関係しており、このプロセスについて
は後述する。
In the present invention, when the conductive material constituting the electron-emitting portion is polysilicon or amorphous silicon, the electron-emitting portion has a cap layer on the front end surface,
The cap layer can be made of a material having a higher electron emission efficiency than polysilicon or amorphous silicon. Here, a material having a high electron emission efficiency means that the reduction ratio of the height of the potential barrier is relatively large with respect to an externally applied electric field having a constant intensity, that is, the work function is greatly reduced. It is a material that can emit many electrons. As a constituent material of the cap layer, barium oxide (Ba)
O), magnesium oxide (MgO), lithium fluoride (LiF), barium fluoride (BaF 2 ) can also be used, but high melting point metal, high melting point metal silicide, and a combination of high melting point metal and high melting point metal silicide are particularly preferable. It is suitable. As the refractory metal, tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr) can be typically used. And compounds of these metals and silicon. When the cap layer is composed of a combination of a high melting point metal and a high melting point metal silicide, the layer structure of the cap layer is such that the upper layer side is a high melting point metal layer and the lower layer side is a high melting point metal silicide layer. This is a self-aligned silicidation process, so-called SALICIDE (Self-ALIgned SiliC).
IDE) process, which will be described later.

【0025】キャップ層を、高融点金属や高融点金属シ
リサイドを通常の薄膜形成技術により成膜すると、カソ
ード電極に対してほぼ垂直な方向に結晶粒界が配向した
結晶質となる場合が多い。このことは、キャップ層内部
における電子の流れが結晶粒界を横断しないことを意味
する。従って、キャップ層における結晶構造の乱れが生
じ難く、高電界に曝されて電子を放出する電子放出部の
耐久性を高めることができる。従って、電界放出素子、
ひいてはこれを組み込んだ表示装置の長寿命化を図るこ
とが可能となる。さらに、ポリシリコンやアモルファス
・シリコンを構成材料とする電子放出部が単独で使用さ
れる場合に比べて、キャップ層を形成した場合の方が電
子放出効率も向上する。
When the cap layer is formed of a high-melting-point metal or a high-melting-point metal silicide by an ordinary thin film forming technique, the cap layer often becomes crystalline with crystal grain boundaries oriented in a direction substantially perpendicular to the cathode electrode. This means that the electron flow inside the cap layer does not cross the grain boundaries. Therefore, disorder of the crystal structure in the cap layer is unlikely to occur, and the durability of the electron-emitting portion that emits electrons when exposed to a high electric field can be increased. Therefore, a field emission device,
As a result, it is possible to extend the life of a display device incorporating this. Furthermore, the electron emission efficiency is improved when the cap layer is formed, as compared with the case where the electron emission portion made of polysilicon or amorphous silicon is used alone.

【0026】また、本発明の電界放出素子若しくは表示
装置においては、ゲート電極上に更に第2絶縁層が形成
され、第2絶縁層上に収束電極が形成されていてもよ
い。収束電極は、アノード電極とカソード電極との間の
電位差が5kVのオーダーであって両電極間の距離が比
較的長い(距離1mm程度)、所謂高電圧タイプの表示
装置において、電子放出部から放出された電子の軌道の
発散を防止するために設けられる部材である。放出電子
軌道の収束性を高めることによって、画素間のクロスト
ークが低減され、特にカラー表示を行う場合の色濁りを
防止し、更に画素を微細化して表示画面の高精細度化を
図ることが可能となる。
In the field emission device or the display device according to the present invention, a second insulating layer may be further formed on the gate electrode, and a focusing electrode may be formed on the second insulating layer. In a so-called high-voltage type display device in which the potential difference between the anode electrode and the cathode electrode is on the order of 5 kV and the distance between the two electrodes is relatively long (distance is about 1 mm), the focusing electrode emits from the electron emission portion. This member is provided to prevent the divergence of the electron trajectory. By improving the convergence of the emitted electron trajectories, crosstalk between pixels is reduced, color turbidity is prevented particularly when color display is performed, and pixels are further miniaturized to achieve higher definition of a display screen. It becomes possible.

【0027】本発明の電界放出素子の製造方法において
は、工程(ホ)では、開口部の上端面と底面との間の段
差を反映した凹部を導電材料層の表面に発生させ、工程
(ヘ)では、導電材料層の全面にマスク材料層を表面が
略平坦となるように形成し、導電材料層の平坦面が露出
するまでマスク材料層をエッチングすることにより、凹
部を埋め込むマスク材料層から成るマスク・パターンを
形成することが好ましい。マスク材料層は、次の工程
(ト)におけるエッチング速度が導電材料層のエッチン
グ速度よりも遅く設定し得る材料であって、且つ表面を
平坦にできるよう、形成の適当な段階で流動性を持ち得
る材料により構成される。マスク材料層を構成する材料
として、例えば、レジスト材料やSOG(スピン・オン
・グラス)、ポリイミド系樹脂を挙げることができ、こ
れらの材料はスピンコート法により簡便に塗布すること
ができる。あるいは、BPSG(ホウ素/リン・シリケ
ート・ガラス)のように、成膜後に加熱リフローを行っ
て表面を平坦化できる材料であってもよい。
In the method for manufacturing a field emission device according to the present invention, in the step (e), a concave portion reflecting a step between the upper end surface and the bottom surface of the opening is generated on the surface of the conductive material layer. In the step (2), a mask material layer is formed on the entire surface of the conductive material layer so that the surface is substantially flat, and the mask material layer is etched until the flat surface of the conductive material layer is exposed. Preferably, a mask pattern is formed. The mask material layer is a material whose etching rate in the next step (g) can be set lower than the etching rate of the conductive material layer, and has fluidity at an appropriate stage of formation so that the surface can be flattened. It is composed of the material to be obtained. Examples of the material constituting the mask material layer include a resist material, SOG (spin-on-glass), and a polyimide resin, and these materials can be easily applied by a spin coating method. Alternatively, a material such as BPSG (boron / phosphorus silicate glass) that can be heated and reflowed after film formation to flatten the surface may be used.

【0028】また、工程(ト)では、開口部の底部を埋
め込む導電材料層の部分を電子放出部の柱状部として残
すように、導電材料層のエッチング・フロントがカソー
ド電極の表面に到達する前にエッチングを終了してもよ
い。ここで、エッチング・フロントとは、被エッチング
面の中でエッチングが最も速く、言い換えれば支持体方
向へ向かって最も深く進行している最先端である。本発
明の電界放出素子の製造方法においては、錐状形状の先
端部を有する電子放出部が自己整合的に形成されるの
で、エッチング・フロントがカソード電極の表面に到達
するまでエッチングを行うと、電子放出部全体が錐体と
なり、さらにエッチングを継続すると錐体の底面が次第
に縮小してしまう。しかし、カソード電極の表面に達す
る以前であれば、エッチング・フロントは開口部の内壁
面又はその近傍に沿って下降するだけであり、エッチン
グ・フロントからカソード電極の表面までの距離が柱状
部の高さと等しくなる。即ち、エッチングの条件や時間
制御によりエッチング・フロントを何処で停止させるか
により、柱状部の高さを調節することができる。
In the step (g), before the etching front of the conductive material layer reaches the surface of the cathode electrode, the portion of the conductive material layer filling the bottom of the opening is left as a columnar portion of the electron emission portion. The etching may be terminated at first. Here, the etching front is the forefront that is the fastest in the surface to be etched, in other words, the deepest that progresses toward the support. In the method for manufacturing the field emission device of the present invention, since the electron emission portion having the conical tip is formed in a self-aligned manner, etching is performed until the etching front reaches the surface of the cathode electrode. The entire electron emitting portion becomes a cone, and if the etching is further continued, the bottom surface of the cone gradually shrinks. However, before reaching the surface of the cathode electrode, the etching front only descends along or near the inner wall surface of the opening, and the distance from the etching front to the surface of the cathode electrode is higher than the height of the columnar portion. Is equal to That is, the height of the columnar portion can be adjusted by stopping the etching front by controlling the etching conditions and time.

【0029】また、工程(ト)の後で、(チ)電子放出
部の先端部表面に、ポリシリコン又はアモルファス・シ
リコンよりも電子放出効率の高い材料から構成されたキ
ャップ層を形成してもよい。キャップ層を構成する材料
として、高融点金属及び/又は高融点金属シリサイドを
挙げることができる。キャップ層の形成方法としては、
2通りの方法が考えられる。一つは選択成長、もう一つ
はサリサイド・プロセスである。
After the step (g), (h) a cap layer made of a material having a higher electron emission efficiency than polysilicon or amorphous silicon may be formed on the surface of the tip of the electron emission portion. Good. As a material for forming the cap layer, a high melting point metal and / or a high melting point metal silicide can be given. As a method for forming the cap layer,
Two methods are conceivable. One is selective growth and the other is the salicide process.

【0030】選択成長は、典型的にはCVD法により可
能であり、高融点金属を絶縁層の表面には成長させず
に、電子放出部の先端部表面に選択的に成長させること
ができる。このようにして形成された高融点金属から構
成されたキャップ層は、このままでも電子放出部の電子
放出効率の改善に寄与するが、キャップ層の一部又は全
体を電子放出部を構成するポリシリコン又はアモルファ
ス・シリコンと反応させることにより、一部又は全体を
高融点金属シリサイドに変化させてもよい。即ち、サリ
サイド・プロセスを適用するには、工程(チ)を更に、
(チ−1)電子放出部の先端部表面を含む全面に高融点
金属層を形成する工程と、(チ−2)熱処理により電子
放出部の先端部表面と高融点金属層とを反応させ、高融
点金属シリサイド層を形成する工程と、(チ−3)高融
点金属層の未反応部分を除去し、以て、高融点金属シリ
サイドから構成されたキャップ層を得る工程に分けて行
うことが好適である。工程(チ−2)においては、電子
放出部の先端部表面と高融点金属との界面からシリサイ
ド化反応が進行する。この時の熱処理の温度や時間を制
御することにより、高融点金属層の厚さの一部を未反応
のまま残したり、あるいは厚さの全体に亙って高融点金
属シリサイドに変化させることができる。
The selective growth is typically possible by the CVD method, and the refractory metal can be selectively grown on the surface of the tip of the electron-emitting portion without growing on the surface of the insulating layer. The cap layer formed of the refractory metal formed in this way contributes to the improvement of the electron emission efficiency of the electron emitting portion as it is, but a part or the whole of the cap layer is made of polysilicon constituting the electron emitting portion. Alternatively, a part or the whole may be changed to a high melting point metal silicide by reacting with amorphous silicon. That is, to apply the salicide process, the step (h) is further added.
(H-1) a step of forming a refractory metal layer on the entire surface including the tip surface of the electron emitting portion, and (h-2) reacting the refractory metal layer with the tip surface of the electron emitting portion by heat treatment; The step of forming the refractory metal silicide layer and the step of (h-3) removing an unreacted portion of the refractory metal layer to obtain a cap layer composed of the refractory metal silicide can be performed. It is suitable. In the step (h-2), the silicidation reaction proceeds from the interface between the tip surface of the electron-emitting portion and the refractory metal. By controlling the temperature and time of the heat treatment at this time, it is possible to leave a part of the thickness of the refractory metal layer unreacted or to change the refractory metal silicide over the entire thickness. it can.

【0031】本発明の電界放出素子を構成する支持体
は、少なくとも表面が絶縁性部材より構成されていれば
よく、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基
板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、表
面に絶縁膜が形成された半導体基板を用いることができ
る。
The support constituting the field emission device of the present invention only needs to have at least a surface made of an insulating member. A glass substrate, a glass substrate having an insulating film formed on the surface, a quartz substrate, and an insulating material provided on the surface A quartz substrate with a film formed thereon and a semiconductor substrate with an insulating film formed on the surface can be used.

【0032】絶縁層の構成材料としては、SiO2、S
iN、SiON、ガラス・ペースト硬化物を単独あるい
は適宜積層して使用することができる。絶縁層の成膜に
は、CVD法、塗布法、スパッタ法、印刷法等の公知の
プロセスが利用できる。
The constituent material of the insulating layer is SiO 2 , S
iN, SiON, or a cured glass paste can be used alone or appropriately laminated. Known processes such as a CVD method, a coating method, a sputtering method, and a printing method can be used for forming the insulating layer.

【0033】ゲート電極は、タングステン(W)、ニオ
ブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリ
ブデン(Mo)、クロム(Cr)、アルミニウム(A
l)、銅(Cu)、銀(Au)等の金属層、又はこれら
の金属元素を含む合金層、又はこれらの金属元素を含む
金属化合物層、あるいはダイヤモンド等の半導体層を用
いて形成することができる。なお、本発明では、エッチ
ングにより電子放出部を形成する際に、ゲート電極やカ
ソード電極がエッチングの下地となる場合がある。この
ような場合には、電子放出部を構成する導電材料層に対
してエッチング選択比を確保できる材料を選択すること
が好ましい。
The gate electrode is made of tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), aluminum (A).
l), a metal layer such as copper (Cu), silver (Au), or an alloy layer containing these metal elements, a metal compound layer containing these metal elements, or a semiconductor layer such as diamond. Can be. In the present invention, when the electron-emitting portion is formed by etching, the gate electrode or the cathode electrode may serve as a base for etching. In such a case, it is preferable to select a material that can secure an etching selectivity with respect to the conductive material layer that forms the electron-emitting portion.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発
明を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings based on embodiments of the present invention (hereinafter, abbreviated as embodiments).

【0035】(実施の形態1)実施の形態1は、本発明
の電界放出素子、かかる電界放出素子を備えた表示装
置、及び電界放出素子の製造方法に関する。実施の形態
1の電界放出素子の電子放出部を構成する導電材料は多
結晶質の導電材料、具体的にはポリシリコンであり、形
状的には柱状部と先鋭部とから構成されている。かかる
電界放出素子の模式的な部分断面図を図1に示す。ま
た、表示装置の模式的な部分断面図を図2に示す。更
に、電界放出素子の製造方法を図3乃至図7に示す。
Embodiment 1 Embodiment 1 relates to the field emission device of the present invention, a display device having such a field emission device, and a method of manufacturing the field emission device. The conductive material constituting the electron-emitting portion of the field emission device of the first embodiment is a polycrystalline conductive material, specifically, polysilicon, and is constituted by a columnar portion and a sharp portion. FIG. 1 shows a schematic partial cross-sectional view of such a field emission device. FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the display device. Further, a method of manufacturing the field emission device is shown in FIGS.

【0036】この電界放出素子は、例えばガラス基板か
ら成る支持体10と、クロム(Cr)から成るカソード
電極11と、SiO2から成る絶縁層12と、クロムか
ら成るゲート電極13と、円錐形状を有する電子放出部
18から構成されている。ここで、カソード電極11
は、支持体10上に設けられている。絶縁層12は、支
持体10及びカソード電極11上に形成され、更に、ゲ
ート電極13は絶縁層12上に形成されている。ゲート
電極13と絶縁層12には、底部にカソード電極11が
露出した円形の開口部19が設けられ、絶縁層12に設
けられた開口部19の側壁面の上部は、ゲート電極13
の開口端部よりも後退している。電子放出部18は、開
口部19の底部に埋め込まれた柱状部16cと、柱状部
16cと一体的に形成された錐状、具体的には円錐状の
先鋭部16tとから構成される。先鋭部16tの表面は
平滑であり、しかも先鋭部16tの高さや寸法は高度に
均一である。
This field emission device has, for example, a support 10 made of a glass substrate, a cathode electrode 11 made of chromium (Cr), an insulating layer 12 made of SiO 2 , a gate electrode 13 made of chromium, and a conical shape. It has an electron emission portion 18 having the same. Here, the cathode electrode 11
Is provided on the support 10. The insulating layer 12 is formed on the support 10 and the cathode electrode 11, and the gate electrode 13 is formed on the insulating layer 12. A circular opening 19 with the cathode electrode 11 exposed at the bottom is provided in the gate electrode 13 and the insulating layer 12, and the upper part of the side wall surface of the opening 19 provided in the insulating layer 12 is
Is receded from the open end of. The electron emission portion 18 is composed of a columnar portion 16c embedded in the bottom of the opening portion 19, and a cone-shaped, specifically, a cone-shaped sharpened portion 16t formed integrally with the columnar portion 16c. The surface of the sharpened portion 16t is smooth, and the height and dimensions of the sharpened portion 16t are highly uniform.

【0037】実施の形態1の表示装置は、図2に示すよ
うに、複数の画素から構成されている。各画素は、上述
の電界放出素子の複数個と、これらに対向配置して透明
基板100上に設けられたアノード電極102及び蛍光
体層101から成る。アノード電極102はアルミニウ
ムから成り、ガラスから成る透明基板100の上に所定
のパターンをもって形成された蛍光体層101を被覆す
るように形成されている。透明基板100上における蛍
光体層101とアノード電極102の積層順を上記と逆
にしても構わないが、この場合は、表示装置の観察面側
から見てアノード電極102が蛍光体層101の手前に
来るため、アノード電極102をITO(インジウム・
錫酸化物)等の透明導電材料にて構成する必要がある。
The display device according to the first embodiment is composed of a plurality of pixels as shown in FIG. Each pixel includes a plurality of the above-described field emission devices, and an anode electrode 102 and a phosphor layer 101 provided on a transparent substrate 100 so as to face each other. The anode electrode 102 is made of aluminum, and is formed so as to cover the phosphor layer 101 formed in a predetermined pattern on a transparent substrate 100 made of glass. The order of lamination of the phosphor layer 101 and the anode electrode 102 on the transparent substrate 100 may be reversed, but in this case, the anode electrode 102 is located in front of the phosphor layer 101 when viewed from the observation surface side of the display device. The anode electrode 102 with ITO (indium
It must be made of a transparent conductive material such as tin oxide.

【0038】実際の表示装置の構成においては、電界放
出素子はカソード・パネルCP、アノード電極102及
び蛍光体層101はアノード・パネルAPの構成要素で
あり、これらカソード・パネルCPとアノード・パネル
APとが枠体(図示せず)を介して接合され、両パネル
と枠体とに囲まれた空間が高真空に排気されている。電
子放出部18にはカソード電極11を通じて走査回路1
03から相対的に負電圧が印加され、ゲート電極13に
は制御回路104から相対的に正電圧が印加され、アノ
ード電極102にはゲート電極13よりも更に高い正電
圧が加速電源105から印加される。表示装置において
表示を行う場合、制御回路104にはビデオ信号、走査
回路103には走査信号が入力される。カソード電極1
1とゲート電極13とに電圧を印加した際に生ずる電界
により、電子放出部18の先端部から電子eが引き出さ
れる。この電子eが、アノード電極102に引き付けら
れて蛍光体層101に衝突すると、蛍光体層101が発
光し、所望の画像を得ることができる。
In the actual configuration of the display device, the field emission element is a component of the cathode panel CP, the anode electrode 102 and the phosphor layer 101 are components of the anode panel AP, and these cathode panel CP and anode panel AP are used. Are joined via a frame (not shown), and the space surrounded by both panels and the frame is evacuated to high vacuum. The scanning circuit 1 is connected to the electron emission section 18 through the cathode electrode 11.
03, a relatively positive voltage is applied to the gate electrode 13 from the control circuit 104, and a higher positive voltage than the gate electrode 13 is applied to the anode electrode 102 from the acceleration power supply 105. You. When display is performed on the display device, a video signal is input to the control circuit 104 and a scanning signal is input to the scanning circuit 103. Cathode electrode 1
Electrons e are extracted from the tip of the electron-emitting portion 18 by an electric field generated when a voltage is applied to the gate electrode 13 and the gate electrode 13. When the electrons e are attracted to the anode electrode 102 and collide with the phosphor layer 101, the phosphor layer 101 emits light and a desired image can be obtained.

【0039】以下、実施の形態1に係る電界放出素子の
製造方法を、図3〜図7を参照して説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing the field emission device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

【0040】[工程−100]先ず、ガラス基板から成
る支持体10上に、クロム(Cr)から成るカソード電
極11を設ける。具体的には、支持体10上に、例えば
DCマグネトロン・スパッタ法にて厚さ約0.5μmの
クロム層を堆積させ、かかるクロム層をパターニングす
ることによって、行方向に平行に延びる帯状の複数のカ
ソード電極11を形成することができる。成膜条件を以
下の表1に例示する。ここで、カソード電極11の構成
材料としてクロムを選択したのは、後工程で導電材料層
16(図3の(B)参照)としてポリシリコンをCVD
法で成膜する際の成膜温度(基板温度約600°C)に
対して耐熱性を有するからである。
[Step-100] First, a cathode electrode 11 made of chromium (Cr) is provided on a support 10 made of a glass substrate. Specifically, a chromium layer having a thickness of about 0.5 μm is deposited on the support 10 by, for example, a DC magnetron sputtering method, and the chromium layer is patterned to form a plurality of strips extending parallel to the row direction. Of the cathode electrode 11 can be formed. The film forming conditions are exemplified in Table 1 below. Here, the reason why chromium was selected as the constituent material of the cathode electrode 11 is that polysilicon is used as the conductive material layer 16 (see FIG. 3B) in a later step.
This is because it has heat resistance to a film forming temperature (substrate temperature of about 600 ° C.) when forming a film by the method.

【0041】[0041]

【表1】 Arガス流量:100SCCM 圧力 :0.67 Pa DCパワー :3kW 支持体加熱 :なし[Table 1] Ar gas flow rate: 100 SCCM Pressure: 0.67 Pa DC power: 3 kW Support heating: None

【0042】次に、カソード電極11上を含む支持体1
0上に、厚さ約0.7μmのSiO 2から成る絶縁層1
2をプラズマCVD法にて形成する。絶縁層12の成膜
は、TEOS(テトラエトキシシラン)を原料ガスとす
るプラズマCVD法により行うことができる。成膜条件
を以下の表2に例示する。
Next, the support 1 including on the cathode electrode 11
0, an approximately 0.7 μm thick SiO 2 TwoInsulating layer 1 made of
2 is formed by a plasma CVD method. Film formation of insulating layer 12
Uses TEOS (tetraethoxysilane) as a source gas.
Can be performed by a plasma CVD method. Deposition conditions
Are illustrated in Table 2 below.

【0043】[0043]

【表2】 TEOS流量:800SCCM O2流量 :600SCCM 圧力 :1.1×103Pa RFパワー :700W 支持体温度 :400°C[Table 2] TEOS flow rate: 800 SCCM O 2 flow rate: 600 SCCM Pressure: 1.1 × 10 3 Pa RF power: 700 W Support temperature: 400 ° C.

【0044】次に、絶縁層12上の全面にTiNから成
る導電層をDCマグネトロン・スパッタ法により約0.
1μmの厚さに成膜し、この導電層のパターニングを行
って列方向、即ちカソード電極11と直交する方向に平
行に延びる帯状の複数のゲート電極13を形成する。成
膜条件を以下の表3に例示する。
Next, a conductive layer made of TiN is formed on the entire surface of the insulating layer 12 by a DC magnetron sputtering method to a thickness of about 0.1 mm.
A film having a thickness of 1 μm is formed, and the conductive layer is patterned to form a plurality of strip-shaped gate electrodes 13 extending in the column direction, that is, in the direction orthogonal to the cathode electrode 11. The film forming conditions are exemplified in Table 3 below.

【0045】[0045]

【表3】 Ar流量 :25SCCM N2流量 :50SCCM 圧力 :0.4Pa DCパワー:6kW 支持体加熱:200°C(ガス加熱)[Table 3] Ar flow rate: 25 SCCM N 2 flow rate: 50 SCCM Pressure: 0.4 Pa DC power: 6 kW Support heating: 200 ° C. (gas heating)

【0046】更に、全面にエッチング停止層14を形成
する。このエッチング停止層14は、電界放出素子の機
能上不可欠な部材ではなく、後工程で行われる導電材料
層16のエッチング時に、ゲート電極13を保護する役
割を果たす。導電材料層16のエッチング条件に対して
ゲート電極13が十分に高いエッチング耐性を持ち得る
場合には、エッチング停止層14を省略しても構わな
い。ここでは、上述の表2の条件に従って、厚さ約0.
1μmの SiO2膜を成膜する。
Further, an etching stop layer 14 is formed on the entire surface. The etching stop layer 14 is not an indispensable member for the function of the field emission device, and serves to protect the gate electrode 13 when the conductive material layer 16 is etched in a later step. If the gate electrode 13 can have sufficiently high etching resistance with respect to the etching conditions of the conductive material layer 16, the etching stop layer 14 may be omitted. Here, according to the conditions of Table 2 described above, the thickness is about 0.5 mm.
A 1 μm SiO 2 film is formed.

【0047】次に、通常のフォトリソグラフィ技術によ
りエッチング停止層14上にレジスト材料層(図示せ
ず)を形成し、このレジスト材料層をマスクとしてエッ
チング停止層14、ゲート電極13、絶縁層12のエッ
チングを行い、底部にカソード電極11が露出した開口
部15を形成する。エッチング停止層14と絶縁層12
のエッチング条件を以下の表4に例示し、ゲート電極1
3のエッチング条件を以下の表5に例示する。以上のプ
ロセスにより、図3の(A)に示すように、直径約0.
5μmの開口部15が形成される。
Next, a resist material layer (not shown) is formed on the etching stopper layer 14 by the usual photolithography technique, and the etching stopper layer 14, the gate electrode 13, and the insulating layer 12 are formed using this resist material layer as a mask. Etching is performed to form an opening 15 at the bottom where the cathode electrode 11 is exposed. Etching stop layer 14 and insulating layer 12
Table 4 shows the etching conditions for the gate electrode 1.
Table 5 below illustrates the etching conditions of No. 3. By the above process, as shown in FIG.
An opening 15 of 5 μm is formed.

【0048】[0048]

【表4】エッチング装置:マグネトロンRIE装置 C48流量 :50SCCM 圧力 :2Pa RFパワー :1200W(13.56MHz)[Table 4] Etching equipment: Magnetron RIE equipment C 4 F 8 Flow rate: 50 SCCM Pressure: 2 Pa RF power: 1200 W (13.56 MHz)

【0049】[0049]

【表5】 エッチング装置 :RFバイアス印加型ECRエッ
チング装置 BCl3流量 :60SCCM Cl2流量 :90SCCM 圧力 :2.1Pa マイクロ波パワー :1000W(2.45GHz) RFバイアス・パワー:50W(2MHz)
[Table 5] Etching device: RF bias application type ECR etching device BCl 3 flow rate: 60 SCCM Cl 2 flow rate: 90 SCCM Pressure: 2.1 Pa Microwave power: 1000 W (2.45 GHz) RF bias power: 50 W (2 MHz)

【0050】[工程−110]次に、図3の(B)に示
すように、開口部15内を含む全面に電子放出部形成用
の導電材料層16を形成する。ここでは、導電材料層1
6として、厚さ約0.4μmのポリシリコン層を減圧C
VD法により成膜する。成膜条件を以下の表6に例示す
る。この条件では、成膜雰囲気中にドーパント・ガスと
してPH3が含まれており、成膜と同時に不純物である
燐(P)が約1020/cm3の濃度で導入される。ま
た、この時、成膜された導電材料層16の表面には、開
口部15の上端面と底面との間の段差を反映した凹部1
6aが形成される。成膜終了後には、炉アニール又は短
時間アニール(RTA)を行い、不純物を活性化させ
る。ポリシリコンの場合、600°Cのアニールでは抵
抗率を1Ω・cmのオーダー、900°Cのアニールで
は10-3Ω・cmのオーダーに下げることが可能であ
る。ここでは、支持体10を構成するガラスや、カソー
ド電極11を構成するクロムの耐熱性を考慮して600
°Cでアニールを行う。
[Step-110] Next, as shown in FIG. 3B, a conductive material layer 16 for forming an electron-emitting portion is formed on the entire surface including the inside of the opening 15. Here, the conductive material layer 1
6, a polysilicon layer having a thickness of about 0.4 μm is
The film is formed by the VD method. The film forming conditions are exemplified in Table 6 below. Under this condition, PH 3 is contained as a dopant gas in the film formation atmosphere, and phosphorus (P) as an impurity is introduced at a concentration of about 10 20 / cm 3 simultaneously with the film formation. At this time, the surface of the formed conductive material layer 16 has a recess 1 reflecting the step between the upper end surface and the bottom surface of the opening 15.
6a is formed. After the film formation, furnace annealing or short-time annealing (RTA) is performed to activate the impurities. In the case of polysilicon, the resistivity can be reduced to the order of 1 Ω · cm by annealing at 600 ° C. and to the order of 10 −3 Ω · cm by annealing at 900 ° C. Here, the heat resistance of the glass constituting the support 10 and the chromium constituting the cathode electrode 11 is taken into consideration.
Anneal at ° C.

【0051】[0051]

【表6】 SiH4流量:500SCCM PH3流量 :0.35SCCM He流量 :50SCCM 圧力 :80Pa 成長温度 :600°C[Table 6] SiH 4 flow rate: 500 SCCM PH 3 flow rate: 0.35 SCCM He flow rate: 50 SCCM Pressure: 80 Pa Growth temperature: 600 ° C

【0052】[工程−120]次に、図4の(A)に示
すように、導電材料層16の全面にスピンコート法によ
り厚さ約0.35μmのマスク材料層17を表面が略平
坦となるように形成する。
[Step-120] Next, as shown in FIG. 4A, a mask material layer 17 having a thickness of about 0.35 μm is formed on the entire surface of the conductive material layer 16 by spin coating to make the surface substantially flat. It forms so that it may become.

【0053】[工程−130]続いて、図4の(B)に
示すように、マスク材料層17を導電材料層16の平坦
面が露出するまでエッチングすることにより、凹部16
aを埋め込むマスク材料層17から成るマスク・パター
ン17eを形成する。エッチング条件を以下の表7に例
示する。このマスク材料層17は、導電材料層16の凹
部16aを吸収し、ほぼ平坦な表面を達成しており、ま
た、開口部15の中央部に位置する導電材料層16の領
域を遮蔽し得る平面配置をもって形成されている。
[Step-130] Subsequently, the mask material layer 17 is etched until the flat surface of the conductive material layer 16 is exposed, as shown in FIG.
A mask pattern 17e composed of a mask material layer 17 for embedding a is formed. The etching conditions are illustrated in Table 7 below. The mask material layer 17 absorbs the concave portions 16 a of the conductive material layer 16, achieves a substantially flat surface, and has a plane that can shield a region of the conductive material layer 16 located at the center of the opening 15. It is formed with an arrangement.

【0054】[0054]

【表7】 エッチング装置:平行平板型RIE装置 Ar流量 :50SCCM O2流量 :80SCCM 圧力 :26.7Pa RFパワー :120W(13.56MHz)[Table 7] Etching apparatus: Parallel plate type RIE apparatus Ar flow rate: 50 SCCM O 2 flow rate: 80 SCCM Pressure: 26.7 Pa RF power: 120 W (13.56 MHz)

【0055】[工程−140]次に、図5に示すよう
に、導電材料層16をエッチングし、電子放出部18を
形成する。エッチング条件を以下の表8に例示する。こ
のエッチングは、導電材料層16のエッチング速度がマ
スク・パターン17eのエッチング速度よりも速くなる
異方性エッチング条件下で行う。
[Step-140] Next, as shown in FIG. 5, the conductive material layer 16 is etched to form the electron emission portions 18. The etching conditions are illustrated in Table 8 below. This etching is performed under anisotropic etching conditions in which the etching rate of the conductive material layer 16 is higher than the etching rate of the mask pattern 17e.

【0056】[0056]

【表8】 エッチング装置 :RFバイアス印加型ECRエッ
チング装置 Cl2流量 :120SCCM O2流量 :4SCCM 圧力 :4Pa マイクロ波パワー :1200W(2.45GHz) RFバイアス・パワー:70W(2MHz)
[Table 8] Etching apparatus: RF bias application type ECR etching apparatus Cl 2 flow rate: 120 SCCM O 2 flow rate: 4 SCCM Pressure: 4 Pa Microwave power: 1200 W (2.45 GHz) RF bias power: 70 W (2 MHz)

【0057】[工程−150]その後、等方的なエッチ
ング条件でエッチング停止層14を除去すると共に、開
口部15の内部において絶縁層12に設けられた開口部
の上部の側壁面を後退させると、図1に示した電界放出
素子が完成される。等方的なエッチングは、ケミカルド
ライエッチングのようにラジカルを主エッチング種とし
て利用するドライエッチング、或いはエッチング液を利
用するウェットエッチングにより行うことができる。こ
こでは、49%フッ酸と純水の1:100(容量比)混
合液を用いたウェットエッチングを行う。次いで、かか
る電界放出素子が多数形成されたカソード・パネルCP
をアノード・パネルAPと組み合わせることにより、表
示装置を作製する。具体的には、セラミックスやガラス
から作製された高さ約1mmの枠体を用意し、枠体とア
ノード・パネルAP、及び枠体とカソード・パネルCP
との間にフリットガラスから成るシール材を塗布してお
き、かかるシール材を乾燥した後、約450゜Cで10
〜30分焼成すればよい。その後、表示装置の内部を1
-4Pa程度の真空度となるまで排気し、適切な方法で
封止する。
[Step-150] After that, the etching stop layer 14 is removed under isotropic etching conditions, and the side wall surface above the opening provided in the insulating layer 12 inside the opening 15 is receded. The field emission device shown in FIG. 1 is completed. The isotropic etching can be performed by dry etching using radicals as a main etching species, such as chemical dry etching, or wet etching using an etchant. Here, wet etching is performed using a mixture of 49% hydrofluoric acid and pure water at a ratio of 1: 100 (volume ratio). Next, a cathode panel CP on which a number of such field emission devices are formed
Is combined with the anode panel AP to produce a display device. Specifically, a frame made of ceramics or glass and having a height of about 1 mm is prepared, and the frame and the anode panel AP, and the frame and the cathode panel CP are prepared.
And a sealing material made of frit glass is applied in advance, and after the sealing material is dried, it is heated at about 450 ° C. for 10 minutes.
It may be fired for up to 30 minutes. After that, the inside of the display device is
Evacuation is performed until the degree of vacuum reaches about 0 -4 Pa, and sealing is performed by an appropriate method.

【0058】ここで、[工程−140]において、電子
放出部18が自己整合的に形成される機構について、図
6を参照して説明する。図6の(A)は、エッチングの
進行に伴って、被エッチング物の表面プロファイルが一
定時間毎にどのように変化するかを示す模式図であり、
図6の(B)は、エッチング時間と開口部中心における
被エッチング物の厚さとの関係を示すグラフである。開
口部中心におけるマスク・パターン17eの厚さを
p、開口部中心における電子放出部の高さをheとす
る。
Here, the mechanism in which the electron-emitting portions 18 are formed in a self-aligned manner in [Step-140] will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a schematic diagram showing how the surface profile of the object to be etched changes at regular intervals as the etching proceeds.
FIG. 6B is a graph showing the relationship between the etching time and the thickness of the object to be etched at the center of the opening. The thickness of the mask pattern 17e of aperture center h p, the height of the electron emission portion of the aperture center and h e.

【0059】上記のエッチング条件では当然、レジスト
材料から成るマスク・パターン17eのエッチング速度
よりも、導電材料層16のエッチング速度の方が速い。
マスク・パターン17eが存在しない領域では、導電材
料層16が直ぐにエッチングされ始め、被エッチング物
の表面が速やかに下降してゆく。これに対し、マスク・
パターン17eが存在する領域では、先ずこのマスク・
パターン17eが除去されないとその下の導電材料層1
6のエッチングが始まらないので、マスク・パターン1
7eがエッチングされている間は被エッチング物の厚さ
の減少速度は遅く(hp減少区間)、マスク・パターン
17eが消失した時点で初めて、被エッチング物の厚さ
の減少速度がマスク・パターン17eの存在しない領域
と同様に速くなる(he減少区間)。hp減少区間の開始
時期は、マスク・パターン17eが厚さが最大となる開
口部中心で最も遅く、マスク・パターン17eの薄い開
口部周辺に向かって早くなる。このようにして、電子放
出部18の先端部の形状が円錐形状となる。
Under the above etching conditions, the etching rate of the conductive material layer 16 is naturally higher than the etching rate of the mask pattern 17e made of the resist material.
In a region where the mask pattern 17e does not exist, the conductive material layer 16 starts to be etched immediately, and the surface of the object to be etched quickly descends. In contrast, the mask
In the area where the pattern 17e exists, first, the mask
If the pattern 17e is not removed, the underlying conductive material layer 1
Since the etching of 6 does not start, the mask pattern 1
While 7e is etched rate of decrease of the thickness of the object to be etched is slow (h p decreasing segment), the first time when the mask pattern 17e is lost, thickness reduction rate mask pattern of the etching object similar to 17e nonexistent region of faster (h e decreasing segment). start timing of h p decreasing segment is slowest at the opening center of the mask pattern 17e is maximum thickness, faster toward the periphery thin opening in the mask pattern 17e. In this manner, the shape of the tip of the electron emitting section 18 becomes conical.

【0060】ここで、エッチング・フロントを図6の
(A)に黒丸で示す。この図に示す例では、マスク・パ
ターン17eの最大径が開口部15の直径とほぼ一致し
ているため、エッチング・フロントはエッチングの進行
につれて、ほぼ開口部15の内壁面に沿って下降してゆ
く。マスク・パターン17eの最大径が開口部15の直
径とほぼ一致していない場合、例えばマスク・パターン
17eの最大径が開口部15の直径よりも小さい場合
は、エッチング・フロントは開口部15の内壁面より内
側の位置を下降することになる。開口部15の内部に残
る導電材料層のうち、エッチング・フロントよりも上の
部分が先鋭部、下の部分が柱状部となる。従って、エッ
チング・フロントがカソード電極11の表面に達した後
は、当然ながら柱状部は存在しない。換言すれば、柱状
部を残すためには、エッチング・フロントがカソード電
極11の表面に達する前にエッチングを終了しなければ
ならない。
Here, the etching front is shown by a black circle in FIG. In the example shown in this figure, since the maximum diameter of the mask pattern 17e substantially coincides with the diameter of the opening 15, the etching front descends substantially along the inner wall surface of the opening 15 as the etching proceeds. go. If the maximum diameter of the mask pattern 17 e does not substantially match the diameter of the opening 15, for example, if the maximum diameter of the mask pattern 17 e is smaller than the diameter of the opening 15, the etching front will be within the opening 15. It will descend at a position inside the wall. Of the conductive material layer remaining inside the opening 15, a portion above the etching front is a sharp portion, and a portion below the etching front is a columnar portion. Therefore, after the etching front reaches the surface of the cathode electrode 11, there is naturally no columnar portion. In other words, in order to leave the columnar portion, the etching must be completed before the etching front reaches the surface of the cathode electrode 11.

【0061】なお、先鋭部の円錐形状は、マスク・パタ
ーン17eのエッチング速度に対する導電材料層16の
エッチング速度の比、即ち「対レジスト選択比」によっ
て変化する。対レジスト選択比が大きいほど、マスク・
パターン17eの膜減りに比べて導電材料層16の膜減
りが激しくなるので、先鋭部16tの円錐形状は急峻と
なる。対レジスト選択比は、Cl2流量に対するO2流量
の割合を高めると低下する。また、基板バイアスを併用
してイオンの入射エネルギーを変化させることが可能な
エッチング装置を用いる場合には、RFバイアス・パワ
ーを高めたり、RFバイアス印加用の交流電源の周波数
を下げることで、対レジスト選択比を下げることができ
る。対レジスト選択比の値は1.5以上、好ましくは2
以上、より好ましくは3以上に選択される。
Note that the conical shape of the sharp portion changes depending on the ratio of the etching rate of the conductive material layer 16 to the etching rate of the mask pattern 17e, that is, the "selection ratio to resist". The higher the resist selectivity, the greater the mask
Since the film thickness of the conductive material layer 16 becomes more severe than the film thickness of the pattern 17e, the conical shape of the sharp portion 16t becomes steeper. The selectivity to resist decreases as the ratio of the O 2 flow rate to the Cl 2 flow rate increases. When an etching apparatus that can change the incident energy of ions by using a substrate bias is used, the RF bias power is increased, or the frequency of the AC power supply for applying the RF bias is decreased, thereby reducing the energy consumption. The resist selectivity can be reduced. The value of the resist selectivity is 1.5 or more, preferably 2
The above is selected, more preferably 3 or more.

【0062】実施の形態1に係る電界放出素子の製造方
法によれば、先鋭部16tの表面は極めて平滑である。
このように平滑な表面が達成される理由を、図7を参照
して説明する。図7の(A)は、開口部15内を含む全
面にポリシリコンから成る導電材料層16が形成された
状態を示す模式図であり、図7の(B)は、異方性ドラ
イエッチング条件下で導電材料層16がエッチングさ
れ、電子放出部18が形成された状態を示す。導電材料
層16は多結晶質であるため、粒界は一定方向に揃って
いない。このような層を異方性ドライエッチング条件下
でエッチングする場合、エッチング種が結晶粒界に入射
する確率は低く、しかも結晶粒界がエッチング種の入射
方向とほぼ一致している確率はさらに低い。つまり、エ
ッチングの大部分は、結晶粒界に入射するエッチング種
(図中、白丸で表示)ではなく、結晶粒に入射するエッ
チング種(図中、黒丸で表示)により進行することにな
る。従って、結晶粒界に沿って局部的にエッチングが増
速されたり、これによって被エッチング面の表面が荒れ
る等の不都合が回避され、平滑で寸法や形状の均一な電
子放出部を得ることが可能となる。
According to the method of manufacturing the field emission device according to the first embodiment, the surface of the sharp portion 16t is extremely smooth.
The reason why such a smooth surface is achieved will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a schematic diagram showing a state in which a conductive material layer 16 made of polysilicon is formed on the entire surface including the inside of the opening 15, and FIG. 7B is a diagram showing anisotropic dry etching conditions. The state where the conductive material layer 16 is etched below and the electron emission portion 18 is formed is shown. Since the conductive material layer 16 is polycrystalline, the grain boundaries are not aligned in a certain direction. When such a layer is etched under anisotropic dry etching conditions, the probability that the etching seed is incident on the crystal grain boundaries is low, and the probability that the crystal grain boundaries are substantially coincident with the incident direction of the etching seeds is even lower. . That is, most of the etching proceeds not by the etching species incident on the crystal grain boundaries (indicated by white circles in the figure) but by the etching species incident on the crystal grains (indicated by black circles in the figure). Therefore, it is possible to avoid an inconvenience such as a locally accelerated etching along the crystal grain boundary and a roughened surface of the surface to be etched, thereby obtaining a smooth electron emitting portion having a uniform size and shape. Becomes

【0063】(実施の形態2)実施の形態2は、実施の
形態1の変形例である。実施の形態2の電界放出素子が
実施の形態1の電界放出素子と相違する点は、電子放出
部の先端部表面、より具体的には、先鋭部16tの表面
にキャップ層を有し、キャップ層がポリシリコン又はア
モルファス・シリコンよりも電子放出効率の高い材料か
ら構成されている点にある。実施の形態2の電界放出素
子の模式的な部分断面図を図8に示し、このキャップ層
を選択成長プロセスにより製造する場合の途中工程図を
図9に示す。これらの図中の符号は図1と一部共通であ
り、図1と共通の構成要素については詳しい説明を省略
する。
(Second Embodiment) A second embodiment is a modification of the first embodiment. The field emission device of the second embodiment is different from the field emission device of the first embodiment in that a cap layer is provided on the surface of the tip portion of the electron emission portion, more specifically, on the surface of the sharp portion 16t. The layer is made of a material having a higher electron emission efficiency than polysilicon or amorphous silicon. FIG. 8 shows a schematic partial cross-sectional view of the field emission device of the second embodiment, and FIG. 9 shows a process chart in the case of manufacturing this cap layer by a selective growth process. The reference numerals in these figures are partially common to FIG. 1, and detailed description of the components common to FIG. 1 will be omitted.

【0064】実施の形態2の電界放出素子においては、
図8に示すように、電子放出部28は、実施の形態1の
電界放出素子における電子放出部の先端部にキャップ層
20cを有する構成とされている。ゲート電極13の開
口端面には析出層20dが形成されているが、この析出
層20dはキャップ層20cと同じくタングステンから
成り、選択成長プロセスにおいてキャップ層20cと同
時に形成されたものであって、特に意図はない。
In the field emission device of the second embodiment,
As shown in FIG. 8, the electron emission section 28 has a configuration in which a cap layer 20c is provided at the tip of the electron emission section in the field emission device of the first embodiment. A deposition layer 20d is formed on the opening end face of the gate electrode 13, and this deposition layer 20d is made of tungsten like the cap layer 20c, and is formed simultaneously with the cap layer 20c in the selective growth process. There is no intention.

【0065】以下、実施の形態2に係る電界放出素子の
製造方法について、図9を参照して説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing the field emission device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

【0066】先ず、実施の形態1の[工程−140]ま
でを同様に行い、開口部15の底部に埋め込まれた柱状
部16cと、柱状部16cと一体的に形成された円錐状
の先鋭部16tとから成る部分(実施の形態1における
電子放出部18に相当)を形成する。次に、減圧CVD
法により、タングステンの選択成長を行う。選択成長の
条件を以下の表9に例示する。これにより、図9に示す
ように、先鋭部16tの表面にキャップ層20cが形成
されて電子放出部28が形成されると共に、TiNから
成るゲート電極13の側端面に析出層20dが形成され
る。キャップ層20cは、実質的に電子放出に寄与する
層である。選択成長により得られたキャップ層20は、
結晶粒界の方向がカソード電極11に対してほぼ垂直に
揃った結晶質から成り、電子放出効率と耐久性が改善さ
れる。その後、等方的なエッチング条件でエッチング停
止層14を除去すると共に、開口部15の内部において
絶縁層12に設けられた開口部の上部の側壁面を後退さ
せて開口部19を形成すると、図8に示した電界放出素
子が完成される。
First, the steps up to [Step-140] of the first embodiment are performed in the same manner, and the columnar portion 16c embedded in the bottom of the opening 15 and the conical sharp portion formed integrally with the columnar portion 16c are formed. 16t (corresponding to the electron-emitting portion 18 in the first embodiment). Next, low pressure CVD
The tungsten is selectively grown by the method. The conditions for selective growth are shown in Table 9 below. Thereby, as shown in FIG. 9, the cap layer 20c is formed on the surface of the sharpened portion 16t to form the electron emission portion 28, and the precipitation layer 20d is formed on the side end surface of the gate electrode 13 made of TiN. . The cap layer 20c is a layer that substantially contributes to electron emission. The cap layer 20 obtained by the selective growth is
The direction of the crystal grain boundary is substantially perpendicular to the cathode electrode 11 and is made of crystalline material, so that the electron emission efficiency and the durability are improved. Thereafter, the etching stop layer 14 is removed under isotropic etching conditions, and the opening 19 is formed by retreating the side wall surface above the opening provided in the insulating layer 12 inside the opening 15. 8 is completed.

【0067】[0067]

【表9】 WF6流量 :10SCCM SiH4流量:7SCCM H2流量 :1000SCCM Ar流量 :10SCCM 圧力 :26.6Pa 支持体温度 :260°C[Table 9] WF 6 flow rate: 10 SCCM SiH 4 flow rate: 7 SCCM H 2 flow rate: 1000 SCCM Ar flow rate: 10 SCCM Pressure: 26.6 Pa Support temperature: 260 ° C.

【0068】(実施の形態3)実施の形態3は、実施の
形態2の変形である。実施の形態3の電界放出素子が実
施の形態2の電界放出素子と相違する点は、キャップ層
がサリサイド・プロセスにより形成され、その結果とし
て、キャップ層が高融点金属シリサイド層と高融点金属
層の2層から成る点にある。実施の形態3の電界放出素
子の模式的な部分断面図を図10に示し、このキャップ
層をサリサイド・プロセスにより製造する場合の製造方
法を図11及び図12に示す。これらの図中の符号は図
1と一部共通であり、図1と共通の構成要素については
詳しい説明を省略する。
(Embodiment 3) Embodiment 3 is a modification of Embodiment 2. The difference between the field emission device of the third embodiment and the field emission device of the second embodiment is that the cap layer is formed by a salicide process, and as a result, the cap layer is formed of a refractory metal silicide layer and a refractory metal layer. In two layers. FIG. 10 is a schematic partial cross-sectional view of the field emission device according to the third embodiment, and FIGS. 11 and 12 show a method of manufacturing the cap layer by a salicide process. The reference numerals in these figures are partially common to FIG. 1, and detailed description of the components common to FIG. 1 will be omitted.

【0069】実施の形態3の電界放出素子においては、
図10に示すように、電子放出部38は、実施の形態1
の電界放出素子の電子放出部18の先端部の表面、より
具体的には先鋭部16tの表面に、高融点金属シリサイ
ド層22と高融点金属層21eとから成るキャップ層2
3を有している。高融点金属シリサイド層22が形成さ
れることにより、高融点金属層21eが単独でキャップ
層を構成する場合に比べて電子放出部38全体としての
低抵抗化を図ることができる。
In the field emission device of the third embodiment,
As shown in FIG. 10, the electron emission section 38 is the same as that of the first embodiment.
The cap layer 2 composed of the refractory metal silicide layer 22 and the refractory metal layer 21e is provided on the surface of the tip of the electron emission portion 18 of the field emission device, more specifically, on the surface of the sharp portion 16t.
Three. By forming the high melting point metal silicide layer 22, the resistance of the entire electron emitting portion 38 can be reduced as compared with the case where the high melting point metal layer 21e alone forms the cap layer.

【0070】以下、実施の形態3に係る電界放出素子の
製造方法について、図11及び図12を参照して説明す
る。
Hereinafter, a method of manufacturing the field emission device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.

【0071】[工程−300]先ず、実施の形態1の
[工程−140]までを同様に行い、開口部15の底部
に埋め込まれた柱状部16cと、柱状部16cと一体的
に形成された円錐状の先鋭部16tとを形成する。次
に、開口部15内を含む全面に、高融点金属層21をス
パッタ法により成膜する。この高融点金属層21として
は、DCマグネトロン・スパッタ法によりチタン(T
i)層を成膜する。スパッタ条件を以下の表10に例示
する。
[Step-300] First, steps up to [Step-140] of the first embodiment are performed in the same manner, and the columnar portion 16c embedded in the bottom of the opening 15 and the columnar portion 16c are formed integrally. A conical pointed portion 16t is formed. Next, a refractory metal layer 21 is formed on the entire surface including the inside of the opening 15 by a sputtering method. The refractory metal layer 21 is made of titanium (T) by DC magnetron sputtering.
i) forming a layer; The sputtering conditions are illustrated in Table 10 below.

【0072】[0072]

【表10】 Arガス流量:100SCCM 圧力 :0.67 Pa DCパワー :3kW 支持体加熱 :なし[Table 10] Ar gas flow rate: 100 SCCM Pressure: 0.67 Pa DC power: 3 kW Heating of support: None

【0073】[工程−310]次に、例えば600°C
にて短時間アニール(RTA)を行い、チタンから成る
高融点金属層21とポリシリコンから成る先鋭部16t
とを反応させ、両者の界面に高融点金属シリサイド層2
2を形成する。この時形成される高融点金属シリサイド
層22は、チタンシリサイド層である。
[Step-310] Next, for example, at 600 ° C.
For a short time (RTA) to form a refractory metal layer 21 made of titanium and a sharp portion 16t made of polysilicon.
And a refractory metal silicide layer 2
Form 2 The refractory metal silicide layer 22 formed at this time is a titanium silicide layer.

【0074】[工程−320]次に、高融点金属層21
の未反応部分を、アンモニア−過酸化水素混合水溶液を
用いてエッチング除去する。これにより、図12に示す
ように、高融点金属シリサイド層22と高融点金属層2
1eとから成るキャップ層23が形成され、このキャッ
プ層23と、すでに形成されている先鋭部16t及び柱
状部16cとから成る電子放出部38が形成される。そ
の後、等方的なエッチング条件でエッチング停止層14
を除去すると共に、開口部15の内部において絶縁層1
2に設けられた開口部の上部の側壁面を後退させて開口
部19を形成すると、図10に示した電界放出素子が完
成される。
[Step-320] Next, the refractory metal layer 21
Is removed by etching using a mixed aqueous solution of ammonia and hydrogen peroxide. Thereby, as shown in FIG. 12, the refractory metal silicide layer 22 and the refractory metal
The cap layer 23 made of 1e is formed, and the electron emission portion 38 including the already formed sharp portion 16t and the columnar portion 16c is formed. After that, the etching stop layer 14 isotropically etched.
Is removed, and the insulating layer 1 inside the opening 15 is removed.
When the opening 19 is formed by retreating the side wall surface above the opening provided in 2, the field emission device shown in FIG. 10 is completed.

【0075】なお、シリサイド化アニールの温度やアニ
ール時間によっては、図13に示すように、先鋭部16
tと接触する領域の高融点金属層21の厚さ方向全体を
シリサイド化させ、高融点金属シリサイドのみから成る
キャップ層33を形成することもできる。
Depending on the temperature and annealing time of the silicidation annealing, as shown in FIG.
The entire melting direction of the refractory metal layer 21 in the region in contact with t may be silicided to form the cap layer 33 composed of only the refractory metal silicide.

【0076】(実施の形態4)実施の形態4も、実施の
形態1の変形である。実施の形態4の電界放出素子が実
施の形態1の電界放出素子と相違する点は、ゲート電極
上に更に第2絶縁層が形成され、第2絶縁層上に収束電
極が形成されている点にある。なお、実施の形態4で
は、支持体及びカソード電極上に形成されている絶縁層
を第1絶縁層と称し、第2絶縁層と区別することにす
る。
(Embodiment 4) Embodiment 4 is also a modification of Embodiment 1. The field emission device of the fourth embodiment is different from the field emission device of the first embodiment in that a second insulating layer is further formed on the gate electrode, and a focusing electrode is formed on the second insulating layer. It is in. Note that in Embodiment 4, the insulating layer formed over the support and the cathode electrode is referred to as a first insulating layer, and is distinguished from the second insulating layer.

【0077】実施の形態4の電界放出素子は、図14に
示すように、例えばガラス基板から成る支持体40と、
クロム(Cr)から成るカソード電極41と、SiO2
から成る第1絶縁層42と、クロムから成るゲート電極
43と、SiO2から成る第2絶縁層44と、クロムか
ら成る収束電極45と、電子放出部48から構成されて
いる。ここで、カソード電極41は、支持体40上に帯
状に複数配列されている。第1絶縁層42は、支持体4
0及びカソード電極41上に形成され、更に、ゲート電
極43は第1絶縁層42上に形成されている。第2絶縁
層44はゲート電極43上に形成され、更に、収束電極
45は第2絶縁層44上に形成されている。
As shown in FIG. 14, the field emission device of the fourth embodiment includes a support 40 made of, for example, a glass substrate,
A cathode electrode 41 made of chromium (Cr) and SiO 2
A first insulating layer 42 made of chromium, a gate electrode 43 made of chromium, a second insulating layer 44 made of SiO 2 , a focusing electrode 45 made of chromium, and an electron emission section 48. Here, a plurality of cathode electrodes 41 are arranged on the support 40 in a strip shape. The first insulating layer 42 is formed of the support 4
0 and the cathode electrode 41, and the gate electrode 43 is formed on the first insulating layer 42. The second insulating layer 44 is formed on the gate electrode 43, and the focusing electrode 45 is formed on the second insulating layer 44.

【0078】収束電極45、第2絶縁層44、ゲート電
極43及び第1絶縁層42には、底部にカソード電極4
1を露出させるように開口部47aが設けられている。
この開口部47aの側壁面は、収束電極45、第2絶縁
層44、ゲート電極43及び第1絶縁層42の各加工面
により構成されているが、滑らかな放出電子軌道を実現
するために、全体として上部側から底面側に向かって開
口寸法が縮小する形状とされていることが好ましい。ま
た、第2絶縁層44に設けられた開口部の側壁面上端は
収束電極45の先端部よりも後退し、第1絶縁層42に
設けられた開口部の側壁面上端はゲート電極43の先端
部よりも後退し、且つ、収束電極45とゲート電極43
は先端部に向けて厚さが薄くされることにより、開口部
47a内に効率よく所望の強度の電界が形成され得る構
造となっている。電子放出部48はポリシリコンから成
り、開口部47aの底部に埋め込まれた柱状部48c
と、柱状部48cと一体的に形成された円錐状の先鋭部
48tとから構成されている。
The converging electrode 45, the second insulating layer 44, the gate electrode 43 and the first insulating layer 42 have the cathode electrode 4
An opening 47a is provided so as to expose 1.
The side wall surface of the opening 47a is formed by the processing surfaces of the focusing electrode 45, the second insulating layer 44, the gate electrode 43, and the first insulating layer 42. In order to realize a smooth emitted electron trajectory, It is preferable that the overall shape is such that the opening dimension decreases from the upper side toward the bottom side. Further, the upper end of the side wall surface of the opening provided in the second insulating layer 44 is recessed from the front end of the focusing electrode 45, and the upper end of the side wall surface of the opening provided in the first insulating layer 42 is the front end of the gate electrode 43. And the focusing electrode 45 and the gate electrode 43
Has a structure in which an electric field of a desired intensity can be efficiently formed in the opening 47a by reducing the thickness toward the tip. The electron emission portion 48 is made of polysilicon, and has a columnar portion 48c embedded at the bottom of the opening 47a.
And a conical sharpened portion 48t integrally formed with the columnar portion 48c.

【0079】以下、実施の形態4に係る電界放出素子の
製造方法について、図15及び図16を参照して説明す
る。
Hereinafter, a method of manufacturing the field emission device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

【0080】[工程−400]先ず、ガラス基板から成
る支持体40上に、クロム(Cr)から成り、行方向に
平行に延びる帯状の複数のカソード電極41を設ける。
続いて、カソード電極41上を含む支持体40上に、S
iO2から成る第1絶縁層42をCVD法にて形成す
る。第1絶縁層42の膜厚を約0.7μmとする。次
に、第1絶縁層42上の全面にクロム層をスパッタ法に
て成膜し、このクロム層のパターニングを行って列方向
に平行に延びる帯状の複数のゲート電極43を形成する
(図15の(A)参照)。
[Step-400] First, a plurality of strip-shaped cathode electrodes 41 made of chromium (Cr) and extending in parallel with the row direction are provided on a support 40 made of a glass substrate.
Subsequently, on the support 40 including the cathode electrode 41, S
A first insulating layer made of iO 2 is formed by a CVD method. The thickness of the first insulating layer 42 is set to about 0.7 μm. Next, a chromium layer is formed on the entire surface of the first insulating layer 42 by a sputtering method, and the chromium layer is patterned to form a plurality of strip-shaped gate electrodes 43 extending parallel to the column direction. (A)).

【0081】[工程−410]次に、全面にSiO2
ら成る第2絶縁層44をCVD法にて約1.2μmの厚
さに形成する。更に、第2絶縁層44上の全面にクロム
層をスパッタ法にて成膜し、所定のパターニングを行っ
て収束電極45を形成する。(図15の(B)参照)。
ここでは、収束電極45のパターンは、ゲート電極43
と同様に円形の孔が多数配列されたパターンである。
[Step-410] Next, a second insulating layer 44 of SiO 2 is formed on the entire surface to a thickness of about 1.2 μm by the CVD method. Further, a chromium layer is formed on the entire surface of the second insulating layer 44 by a sputtering method, and a predetermined patterning is performed to form a focusing electrode 45. (See FIG. 15B).
Here, the pattern of the focusing electrode 45 is
This is a pattern in which a large number of circular holes are arranged in the same manner as in FIG.

【0082】[工程−420]次に、収束電極45の上
に所定のパターンにレジスト層46を形成し、このレジ
スト層46をマスクとして収束電極45、第2絶縁層4
4、ゲート電極43及び第1絶縁層42を順次エッチン
グすることにより、図16の(A)に示すように、底部
にカソード電極41が露出した円形の開口部47を形成
することができる。ここで、収束電極45、第2絶縁層
44、ゲート電極43及び第1絶縁層42に設けられた
各開口部の側壁面が傾斜しているが、この傾斜は、エッ
チング・ガス中の酸素流量比を高める等、例えば、レジ
スト層46の耐エッチング性を意図的に低下させる条件
を採用し、エッチングの進行に伴ってレジスト層46の
パターン・エッジを徐々に後退させることで得られる。
ただし、このような方法に限定するものではない。従っ
て、開口部47の開口径は深さ方向で一様ではなく、収
束電極45の近傍では直径約0.5μm、ゲート電極4
3の近傍では直径約0.35μmである。つまり、収束
電極45の先端部は、ゲート電極43の先端部よりも後
退している。収束電極45の本来の目的は、カソード電
極41に垂直な方向から大きく外れようとする電子の軌
道のみを修正することにあり、収束電極45の開口径が
余り小さいと、電界放出素子の電子放出効率が低下して
しまう虞がある。然るに、このように収束電極45がゲ
ート電極43に比べて大きく開口していれば、即ち、収
束電極45及びゲート電極43のエッチング条件を適切
に制御することによって収束電極45に設けられた開口
部の直径よりもゲート電極43の直径を小さくすれば、
電子放出を妨げずに必要な収束効果のみを得ることがで
き、極めて好ましい。
[Step-420] Next, a resist layer 46 is formed in a predetermined pattern on the focusing electrode 45, and the focusing layer 45 and the second insulating layer 4 are formed using the resist layer 46 as a mask.
4. By sequentially etching the gate electrode 43 and the first insulating layer 42, a circular opening 47 in which the cathode electrode 41 is exposed at the bottom can be formed as shown in FIG. Here, the side wall surfaces of the openings provided in the focusing electrode 45, the second insulating layer 44, the gate electrode 43, and the first insulating layer 42 are inclined. This inclination is caused by the oxygen flow rate in the etching gas. For example, a condition for intentionally lowering the etching resistance of the resist layer 46, such as an increase in the ratio, is employed, and the pattern edge of the resist layer 46 is gradually retreated as the etching proceeds.
However, it is not limited to such a method. Therefore, the opening diameter of the opening 47 is not uniform in the depth direction, and the diameter of the opening 47 is about 0.5 μm near the focusing electrode 45.
In the vicinity of No. 3, the diameter is about 0.35 μm. That is, the tip of the focusing electrode 45 is recessed from the tip of the gate electrode 43. The original purpose of the focusing electrode 45 is to correct only the trajectories of electrons that are likely to deviate greatly from the direction perpendicular to the cathode electrode 41. If the aperture diameter of the focusing electrode 45 is too small, the electron emission of the field emission device will be reduced. The efficiency may be reduced. However, if the focusing electrode 45 has a larger opening than the gate electrode 43 as described above, that is, the opening provided in the focusing electrode 45 by appropriately controlling the etching conditions of the focusing electrode 45 and the gate electrode 43. If the diameter of the gate electrode 43 is smaller than the diameter of
It is extremely preferable that only a necessary convergence effect can be obtained without hindering electron emission.

【0083】[工程−430]次に、図16の(B)に
示すように、開口部47内に電子放出部48を形成す
る。この電子放出部48の形成は、実施の形態1の[工
程−110]〜[工程−140]と同様に、導電材料層
の全面成膜、マスク材料層の全面成膜、マスク・パター
ンの形成、導電材料層のエッチングを組み合わせたプロ
セスで形成することができる。その後、等方性エッチン
グを行うことにより、開口部47内において第1絶縁層
42及び第2絶縁層44に設けられた開口部の側壁面を
後退させた開口部47aを形成すると、図14に示した
電界放出素子が得られる。次いで、実施の形態1の[工
程−150]と同様の工程を実行することによって表示
装置を完成させる。
[Step-430] Next, as shown in FIG. 16B, an electron emitting portion 48 is formed in the opening 47. The formation of the electron-emitting portion 48 is performed in the same manner as in [Step-110] to [Step-140] of the first embodiment, in which the entire surface of the conductive material layer is formed, the entire surface of the mask material layer is formed, and the mask pattern is formed. And a process combining etching of a conductive material layer. After that, by performing isotropic etching, an opening 47a is formed in the opening 47 by retreating the side wall surface of the opening provided in the first insulating layer 42 and the second insulating layer 44. FIG. The field emission device shown is obtained. Next, a display device is completed by performing the same steps as [Step-150] of the first embodiment.

【0084】以上、本発明を、発明の実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。電界放出素子の構造の細部、電界放出素子の製造方
法における加工条件や使用した材料等の詳細事項、電界
放出素子を適用した表示装置の構造の細部は例示であ
り、適宜変更、選択、組合せが可能である。例えば、実
施の形態2及び実施の形態3において説明した電界放出
素子に、実施の形態4にて説明した収束電極を設けても
よく、また、実施の形態4において説明した電界放出素
子に、実施の形態2あるいは実施の形態3にて説明した
キャップ層を設けてもよい。
Although the present invention has been described based on the embodiments of the present invention, the present invention is not limited to these embodiments. The details of the structure of the field emission device, the details of the processing conditions and the materials used in the method of manufacturing the field emission device, and the details of the structure of the display device to which the field emission device is applied are examples, and may be appropriately changed, selected, and combined. It is possible. For example, the field emission device described in the second and third embodiments may be provided with the focusing electrode described in the fourth embodiment. The cap layer described in the second embodiment or the third embodiment may be provided.

【0085】[0085]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の電界放出素子は、電子放出部の先端部が多結晶質又
は非晶質の導電材料から成るので、錐状形状を得るため
の加工に際して電子放出部の先端部の表面が平滑化さ
れ、しかも寸法と形状が高度に均一化され、電界放出素
子の電子放出特性が均一化される。電子放出部が先端部
にキャップ層を有する場合には、電子放出効率と耐久性
が改善される。かかる電界放出素子を適用した本発明の
表示装置においては、大画面化された場合にも画素間の
輝度のばらつきが抑制されると共に、長寿命化が達成さ
れる。
As is clear from the above description, in the field emission device of the present invention, since the tip of the electron emission portion is made of a polycrystalline or amorphous conductive material, it is necessary to obtain a conical shape. The surface of the tip portion of the electron-emitting portion is smoothed at the time of processing, and the dimensions and the shape are highly uniform, so that the electron-emitting characteristics of the field emission device are uniform. When the electron-emitting portion has a cap layer at the tip, the electron-emitting efficiency and durability are improved. In the display device of the present invention to which such a field emission device is applied, even when the screen is enlarged, variation in luminance between pixels is suppressed, and a long life is achieved.

【0086】本発明の電界放出素子の製造方法において
は、電子放出部の先端部の錐状形状を、一連の自己整合
的なプロセスにより得ることができる。従って、プロセ
スの煩雑さが軽減されることは勿論、大面積のカソード
・パネルの製造を想定した場合にも、カソード・パネル
の全面に亙って均一な寸法及び形状を有する電子放出部
を形成することができ、表示装置の大画面化に容易に対
応することが可能となる。自己整合的なプロセスを適用
することができるので、フォトリソグラフィ工程数が削
減され、更には製造設備投資の削減、プロセス時間の短
縮化、電界放出素子や表示装置の製造コストの低減を図
ることができる。
In the method of manufacturing a field emission device according to the present invention, the conical shape of the tip of the electron emission portion can be obtained by a series of self-aligned processes. Accordingly, not only the complexity of the process is reduced, but also in the case where a large-area cathode panel is to be manufactured, the electron-emitting portion having a uniform size and shape is formed over the entire surface of the cathode panel. It is possible to easily cope with an increase in the screen size of the display device. Since a self-aligned process can be applied, the number of photolithography steps can be reduced, and further, the investment in manufacturing equipment can be reduced, the processing time can be shortened, and the manufacturing cost of a field emission device and a display device can be reduced. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施の形態1の電界放出素子を示す模式的断面
図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a field emission device according to a first embodiment.

【図2】本発明の表示装置の構成例を示す模式的断面図
である。
FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a configuration example of a display device of the present invention.

【図3】実施の形態1の電界放出素子の製造方法を説明
する模式的断面図であり、(A)は開口部の形成工程、
(B)は導電材料層の形成工程をそれぞれ表す。
3A and 3B are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the field emission device according to the first embodiment, in which FIG.
(B) represents a step of forming a conductive material layer.

【図4】図3に続き、実施の形態1の電界放出素子の製
造方法を説明する模式的断面図であり、(A)はマスク
材料層の形成工程、(B)はマスク・パターンの形成工
程をそれぞれ表す。
4A to 4C are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the field emission device according to the first embodiment, in which FIG. 4A is a process for forming a mask material layer, and FIG. 4B is a process for forming a mask pattern; Each step is represented.

【図5】図4に続き、実施の形態1の電界放出素子の製
造方法を説明する模式的断面図であり、電子放出部の形
成工程を表す。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the field emission device of the first embodiment, following FIG. 4, showing a step of forming an electron emission portion.

【図6】自己整合的な電子放出部の形成機構を説明する
図であり、(A)は、エッチングの進行に伴う被エッチ
ング物の表面プロファイルの変化を示す模式図、(B)
は、エッチング時間と開口部中心における被エッチング
物の厚さとの関係を示すグラフである。
6A and 6B are diagrams for explaining a mechanism of forming a self-aligned electron-emitting portion, wherein FIG. 6A is a schematic diagram showing a change in a surface profile of an object to be etched with progress of etching, and FIG.
Is a graph showing the relationship between the etching time and the thickness of the object to be etched at the center of the opening.

【図7】ポリシリコンから成る導電材料層の異方性ドラ
イエッチングにおいて平滑な表面が形成される理由を説
明する模式図であり、(A)は開口部内を含む全面にポ
リシリコンから成る導電材料層が形成された状態、
(B)は導電材料層がエッチングされ、電子放出部が形
成された状態を示す。
FIGS. 7A and 7B are schematic views illustrating the reason why a smooth surface is formed in anisotropic dry etching of a conductive material layer made of polysilicon; FIG. The state where the layer is formed,
(B) shows a state in which the conductive material layer is etched to form an electron emission portion.

【図8】実施の形態2の電界放出素子を示す模式的断面
図である。
FIG. 8 is a schematic sectional view showing a field emission device according to a second embodiment.

【図9】実施の形態2の電界放出素子の製造方法におい
て、キャップ層を選択成長させた状態を示す模式的断面
図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a state where a cap layer is selectively grown in the method of manufacturing the field emission device of the second embodiment.

【図10】実施の形態3の電界放出素子を示す模式的断
面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a field emission device according to a third embodiment.

【図11】実施の形態3の電界放出素子の製造方法を説
明する模式的断面図であり、(A)は高融点金属層の形
成工程、(B)はシリサイド化アニール工程をそれぞれ
表す。
11A and 11B are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the field emission device according to the third embodiment, in which FIG. 11A shows a step of forming a refractory metal layer, and FIG. 11B shows a silicidation annealing step.

【図12】図11に続き、実施の形態3の電界放出素子
の製造方法を説明する模式的断面図であり、電子放出部
の形成工程を表す。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the field emission device of the third embodiment, following FIG. 11, illustrating a step of forming an electron-emitting portion.

【図13】実施の形態3の電界放出素子の変形例を示す
模式的断面図である。
FIG. 13 is a schematic sectional view showing a modification of the field emission device of the third embodiment.

【図14】実施の形態4の電界放出素子を示す模式的断
面図である。
FIG. 14 is a schematic sectional view showing a field emission device according to a fourth embodiment.

【図15】実施の形態4の電界放出素子の製造方法を説
明する模式的断面図であり、(A)はゲート電極形成用
の導電材料層の形成工程、(B)は収束電極形成用の導
電材料層の形成工程をそれぞれ表す。
15A and 15B are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a field emission device according to a fourth embodiment, wherein FIG. 15A is a step of forming a conductive material layer for forming a gate electrode, and FIG. The respective steps of forming a conductive material layer are shown.

【図16】図15に続き、実施の形態4の電界放出素子
の製造方法を説明する模式的断面図であり、(A)は開
口部の形成工程、(B)は電子放出部の形成工程をそれ
ぞれ表す。
16A to 16C are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the field emission device according to the fourth embodiment, wherein FIG. 16A is a step of forming an opening, and FIG. Respectively.

【図17】従来の表示装置の一般的な構成を示す部分模
式的断面図である。
FIG. 17 is a partial schematic cross-sectional view showing a general configuration of a conventional display device.

【図18】従来のスピント型電界放出素子の製造方法を
一例を説明するための模式的断面図であり、(A)は開
口部を形成した状態、(B)はゲート電極上に剥離層を
形成した状態をそれぞれ表す。
18A and 18B are schematic cross-sectional views illustrating an example of a conventional method for manufacturing a Spindt-type field emission device, wherein FIG. 18A shows a state in which an opening is formed, and FIG. 18B shows a state in which a release layer is formed on a gate electrode. The respective formed states are shown.

【図19】図18に続き、従来のスピント型の電界放出
素子の製造方法の一例を説明するための模式的断面図で
あり、(A)は導電材料層の成長に伴って円錐形状の電
子放出部が形成された状態、(B)は不要の導電材料層
を剥離層と共に除去した状態をそれぞれ表す。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a method for manufacturing a conventional Spindt-type field emission device, following FIG. 18, in which (A) shows a conical electron with the growth of a conductive material layer. (B) shows a state in which an emission portion is formed, and (B) shows a state in which an unnecessary conductive material layer is removed together with a release layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,40・・・支持体、11,41・・・カソード電
極、12・・・絶縁層、13,43・・・ゲート電極、
15,19,47,47a・・開口部、16・・・導電
材料層(電子放出部形成用)、16a・・・凹部、16
t,48t・・・先鋭部、16c,48c・・・柱状
部、18,28,38,48・・・電子放出部、17・
・・マスク材料層、17e・・・マスク・パターン、2
0c,23,33・・・キャップ層、21,21e・・
・高融点金属層、22・・・高融点金属シリサイド層、
42・・・第1絶縁層、44・・・第2絶縁層、45・
・・収束電極、CP・・・カソード・パネル、AP・・
・アノード・パネル、100・・・透明基板、101・
・・蛍光体層、102・・・アノード電極
10, 40: Support, 11, 41: Cathode electrode, 12: Insulating layer, 13, 43: Gate electrode,
15, 19, 47, 47a ··· Opening, 16 ··· Conductive material layer (for forming electron emitting portion), 16a ··· Concave, 16
t, 48t: pointed portion, 16c, 48c: columnar portion, 18, 28, 38, 48: electron emission portion, 17.
..Mask material layer, 17e ... Mask pattern, 2
0c, 23, 33... Cap layers, 21, 21e.
・ High melting point metal layer, 22 ・ ・ ・ High melting point metal silicide layer,
42 ... first insulating layer, 44 ... second insulating layer, 45
..Converging electrode, CP ... Cathode panel, AP
・ Anode panel, 100 ・ ・ ・ Transparent substrate, 101 ・
..Phosphor layer, 102... Anode electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐多 博史 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 5C031 DD09 DD17 DD19 5C036 EE02 EE14 EF01 EF06 EF09 EG12 EG15 EH06 EH08  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Sata 6-35, Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation F-term (reference) 5C031 DD09 DD17 DD19 5C036 EE02 EE14 EF01 EF06 EF09 EG12 EG15 EH06 EH08

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(A)支持体上に形成されたカソード電
極、 (B)支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層、 (C)絶縁層上に形成されたゲート電極、 (D)ゲート電極と絶縁層とを貫通し、底部にカソード
電極が露出した開口部、及び、 (E)開口部の底面に露出したカソード電極上に形成さ
れ、先端部が錐状形状を有し、多結晶質又は非晶質の導
電材料から成る電子放出部、を備えていることを特徴と
する冷陰極電界電子放出素子。
(A) a cathode electrode formed on a support; (B) an insulating layer formed on the support and the cathode electrode; (C) a gate electrode formed on the insulating layer; (E) formed on the cathode electrode exposed on the bottom surface of the opening, penetrating the gate electrode and the insulating layer, and exposing the cathode electrode on the bottom surface; 1. A cold cathode field emission device comprising: an electron emission portion made of a crystalline or amorphous conductive material.
【請求項2】電子放出部を構成する導電材料は、ポリシ
リコン又はアモルファス・シリコンであることを特徴と
する請求項1に記載の冷陰極電界電子放出素子。
2. The cold cathode field emission device according to claim 1, wherein the conductive material constituting the electron emission portion is polysilicon or amorphous silicon.
【請求項3】電子放出部は、開口部の底部に埋め込まれ
た柱状部と、柱状部と一体的に形成された錐状の先鋭部
とから構成されていることを特徴とする請求項2に記載
の冷陰極電界電子放出素子。
3. The electron emission section according to claim 2, wherein the electron emission section comprises a columnar portion embedded in the bottom of the opening and a conical sharpened portion formed integrally with the columnar portion. 4. The cold cathode field emission device according to item 1.
【請求項4】電子放出部は先端部表面にキャップ層を有
し、キャップ層はポリシリコン又はアモルファス・シリ
コンよりも電子放出効率の高い材料から構成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の冷陰極電界電子放出
素子。
4. The electron emission section according to claim 2, wherein the electron emission section has a cap layer on the tip surface, and the cap layer is made of a material having a higher electron emission efficiency than polysilicon or amorphous silicon. The cold cathode field emission device according to the above.
【請求項5】キャップ層を構成する材料は、高融点金属
及び/又は高融点金属シリサイドであることを特徴とす
る請求項4に記載の冷陰極電界電子放出素子。
5. The cold cathode field emission device according to claim 4, wherein the material constituting the cap layer is a high melting point metal and / or a high melting point metal silicide.
【請求項6】ゲート電極上に更に第2絶縁層が形成さ
れ、第2絶縁層上に収束電極が形成されていることを特
徴とする請求項2に記載の冷陰極電界電子放出素子。
6. The cold cathode field emission device according to claim 2, wherein a second insulating layer is further formed on the gate electrode, and a focusing electrode is formed on the second insulating layer.
【請求項7】(イ)支持体上にカソード電極を形成する
工程と、 (ロ)カソード電極上を含む支持体上に絶縁層を形成す
る工程と、 (ハ)絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、 (ニ)ゲート電極と絶縁層とを貫通し、底部にカソード
電極が露出した開口部を形成する工程と、 (ホ)開口部内を含む全面に電子放出部形成用の多結晶
質又は非晶質の導電材料層を形成する工程と、 (ヘ)開口部の中央部に位置する導電材料層の領域を遮
蔽し得る平面配置をもって、マスク材料層から成るマス
ク・パターンを導電材料層上に選択的に形成する工程
と、 (ト)導電材料層のエッチング速度がマスク・パターン
のエッチング速度よりも速くなる異方性エッチング条件
下で導電材料層とマスク・パターンとをエッチングする
ことにより、先端部が錐状形状を有し、且つ導電材料層
から成る電子放出部を開口部内に形成する工程、から成
ることを特徴とする冷陰極電界電子放出素子の製造方
法。
7. A step of forming a cathode electrode on a support, (b) a step of forming an insulating layer on a support including on the cathode electrode, (c) a step of forming a gate electrode on the insulating layer. (D) forming an opening penetrating through the gate electrode and the insulating layer and exposing the cathode electrode at the bottom; and (e) forming a polycrystal for forming an electron emitting portion on the entire surface including the inside of the opening. (F) forming a mask pattern comprising a mask material layer in a plane arrangement capable of shielding a region of the conductive material layer located at the center of the opening; (G) etching the conductive material layer and the mask pattern under anisotropic etching conditions in which the etching rate of the conductive material layer is higher than the etching rate of the mask pattern; By the tip It has a conical shape, and manufacturing method of a cold cathode field emission device characterized by comprising an electron-emitting portion made of a conductive material layer to form in the opening from.
【請求項8】導電材料層は、ポリシリコン層又はアモル
ファス・シリコン層から成ることを特徴とする請求項7
に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein said conductive material layer comprises a polysilicon layer or an amorphous silicon layer.
5. The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to item 1.
【請求項9】工程(ホ)では、開口部の上端面と底面と
の間の段差を反映した凹部を導電材料層の表面に発生さ
せ、 工程(ヘ)では、導電材料層の全面にマスク材料層を表
面が略平坦となるように形成し、導電材料層の平坦面が
露出するまでマスク材料層をエッチングすることによ
り、凹部を埋め込むマスク材料層から成るマスク・パタ
ーンを形成することを特徴とする請求項8に記載の冷陰
極電界電子放出素子の製造方法。
9. In the step (e), a concave portion reflecting the step between the upper end surface and the bottom surface of the opening is formed on the surface of the conductive material layer. In the step (f), a mask is formed on the entire surface of the conductive material layer. Forming the material layer so that the surface is substantially flat, and etching the mask material layer until the flat surface of the conductive material layer is exposed, thereby forming a mask pattern including the mask material layer filling the recess. The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to claim 8.
【請求項10】工程(ト)では、開口部の底部を埋め込
む導電材料層の部分を電子放出部の柱状部として残すよ
うに、導電材料層のエッチング・フロントがカソード電
極の表面に到達する前にエッチングを終了することを特
徴とする請求項8に記載の冷陰極電界電子放出素子の製
造方法。
In the step (g), before the etching front of the conductive material layer reaches the surface of the cathode electrode, the portion of the conductive material layer filling the bottom of the opening is left as a columnar portion of the electron emission portion. 9. The method according to claim 8, wherein the etching is completed.
【請求項11】工程(ト)の後に、 (チ)電子放出部の先端部表面に、ポリシリコン又はア
モルファス・シリコンよりも電子放出効率の高い材料か
ら構成されたキャップ層を形成する工程、を更に有する
ことを特徴とする請求項8に記載の冷陰極電界電子放出
素子の製造方法。
11. After the step (g), (h) forming a cap layer made of a material having higher electron emission efficiency than polysilicon or amorphous silicon on the surface of the tip of the electron emission portion. The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to claim 8, further comprising:
【請求項12】キャップ層を構成する材料は、高融点金
属及び/又は高融点金属シリサイドであることを特徴と
する請求項11に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造
方法。
12. The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to claim 11, wherein the material forming the cap layer is a high melting point metal and / or a high melting point metal silicide.
【請求項13】キャップ層を構成する材料は高融点金属
であり、 工程(チ)では、電子放出部の先端部表面に高融点金属
から成るキャップ層を選択成長させることを特徴とする
請求項12記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
13. A material for forming the cap layer is a refractory metal, and in the step (h), a cap layer made of the refractory metal is selectively grown on the surface of the tip of the electron-emitting portion. 13. The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to item 12.
【請求項14】キャップ層を構成する材料は高融点金属
シリサイドであり、 工程(チ)は更に、 (チ−1)電子放出部の先端部表面を含む全面に高融点
金属層を形成する工程と、 (チ−2)熱処理により電子放出部の先端部表面と高融
点金属層とを反応させ、高融点金属シリサイド層を形成
する工程と、 (チ−3)高融点金属層の未反応部分を除去し、以て、
高融点金属シリサイドから構成されたキャップ層を得る
工程、から成ることを特徴とする請求項12に記載の冷
陰極電界電子放出素子の製造方法。
14. A material forming the cap layer is a refractory metal silicide, and the step (h) further comprises: (h-1) a step of forming a refractory metal layer on the entire surface including the front end surface of the electron emission portion. (H-2) a step of reacting the tip surface of the electron-emitting portion with the high melting point metal layer by heat treatment to form a high melting point metal silicide layer; and (h-3) an unreacted portion of the high melting point metal layer. , So that
The method for manufacturing a cold cathode field emission device according to claim 12, comprising a step of obtaining a cap layer made of a high melting point metal silicide.
【請求項15】複数の画素から構成され、 各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷
陰極電界電子放出素子に対向して透明基板上に設けられ
たアノード電極及び蛍光体層から構成され、 各冷陰極電界電子放出素子は、 (A)支持体上に形成されたカソード電極、 (B)支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層、 (C)絶縁層上に形成されたゲート電極、 (D)ゲート電極と絶縁層とを貫通し、底部にカソード
電極が露出した開口部、及び、 (E)開口部の底面に露出したカソード電極上に形成さ
れ、先端部が錐状形状を有し、多結晶質又は非晶質の導
電材料から成る電子放出部、を備えていることを特徴と
する冷陰極電界電子放出表示装置。
15. A pixel comprising a plurality of pixels, each pixel comprising: a plurality of cold cathode field emission devices; an anode electrode and a phosphor provided on a transparent substrate facing the plurality of cold cathode field emission devices. Each of the cold cathode field emission devices comprises: (A) a cathode electrode formed on a support; (B) an insulating layer formed on the support and the cathode electrode; and (C) an insulating layer formed on the support. (D) an opening which penetrates the gate electrode and the insulating layer and has a cathode electrode exposed at the bottom; and (E) a tip formed at the cathode electrode exposed at the bottom of the opening. A cold cathode field emission display device comprising: an electron emission portion having a conical shape and made of a polycrystalline or amorphous conductive material.
【請求項16】電子放出部を構成する導電材料は、ポリ
シリコン又はアモルファス・シリコンであることを特徴
とする請求項15に記載の冷陰極電界電子放出表示装
置。
16. The cold cathode field emission display according to claim 15, wherein the conductive material forming the electron-emitting portion is polysilicon or amorphous silicon.
【請求項17】電子放出部は先端部表面にキャップ層を
有し、キャップ層はポリシリコン又はアモルファス・シ
リコンよりも電子放出効率の高い材料から構成されるこ
とを特徴とする請求項16に記載の冷陰極電界電子放出
表示装置。
17. The device according to claim 16, wherein the electron-emitting portion has a cap layer on the surface of the tip portion, and the cap layer is made of a material having a higher electron-emitting efficiency than polysilicon or amorphous silicon. Cold cathode field emission display.
【請求項18】キャップ層を構成する材料は、高融点金
属及び/又は高融点金属シリサイドであることを特徴と
する請求項17に記載の冷陰極電界電子放出表示装置。
18. The cold cathode field emission display according to claim 17, wherein the material constituting the cap layer is a high melting point metal and / or a high melting point metal silicide.
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