JP2000353467A - 冷陰極装置の製造方法 - Google Patents

冷陰極装置の製造方法

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JP2000353467A
JP2000353467A JP2000066668A JP2000066668A JP2000353467A JP 2000353467 A JP2000353467 A JP 2000353467A JP 2000066668 A JP2000066668 A JP 2000066668A JP 2000066668 A JP2000066668 A JP 2000066668A JP 2000353467 A JP2000353467 A JP 2000353467A
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cathode electrode
diamond
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insulating film
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Hisashi Takemura
久 武村
Masayuki Yoshiki
政行 吉木
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カーボン材料膜より成るエミッタを有する冷
陰極装置において、カソード電極上に連続膜よりなるカ
ーボン材料膜を選択的に形成する製造方法を提供する。 【解決手段】 カソード電極と、カソード電極上に形成
されたカーボン材料膜と、開口を有するゲート電極より
なる冷陰極装置において、少なくとも絶縁膜３の開口に
露出したカソード電極２上を選択的に連続的なカーボン
材料膜５ａで覆うとともに絶縁膜の開口に露出したカソ
ード電極上以外の領域は成長開始速度が遅い犠牲層８を
形成することにより、非連続なカーボン材料膜５ｂが形
成される。これにより、容易に不要なカーボン材料膜は
リフトオフ除去され、簡便に連続的なカーボン材料膜を
カソード電極上に形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は冷陰極装置の製造方
法に関し、特に電子を放出する平面状のカーボン、カー
ボンナノチューブあるいはダイヤモンドを主成分とする
エミッタを有する冷陰極装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】冷陰極装置はエミッタに電界をかけるこ
とにより、真空中に電子を放出ことができる熱カソード
に代わる電子銃として、近年ディスプレイ応用などで注
目されている。特に微小な形状を有するコーン形状のエ
ミッタやエミッタとしてカーボン材料を用いる方法が注
目されている。微小なコーン形状を有するエミッタは半
導体素子の微細加工技術の進展によりミクロン以下の加
工が可能になったことにより、容易に微小電子源を形成
することが可能となったことによる。また、カーボン材
料は例えばダイヤモンドは硬度が高いこと、化学的に安
定で有ること、さらには伝導体表面のエネルギー準位が
真空のエネルギー準位よりも低くなる負の電子親和力と
いった電子放出素子としては有利な特性も有している。
負の電子親和力の特性を有しているとダイヤモンドの伝
導体に電子が供給されダイヤモンド表面に電子が到達す
ると電子が真空中に放出させることが可能となる利点が
ある。また、近年はカーボンナノチューブをエミッタと
して使用する方法も提案されてきている。カーボンナノ
チューブは微小な径を有するチューブ形状であることか
ら、微小な先端曲率と高アスペクト比という電界放出に
有利である。
【０００３】そこで、これまでにもエミッタ材料として
カーボン材料・ダイヤモンドを利用する技術が提案され
てきている。ダイヤモンドよりなるエミッタを有する冷
陰極をパターニングされたカソード電極上に形成する製
造方法は例えば特開平１０−４０８０５号公報に開示さ
れている。
【０００４】図５（ａ）から（ｆ）はこの従来例の工程
順断面図である。まず図５（ａ）に示すように、シリコ
ンあるいは石英よりなる基板１上に例えば金属材料より
なるカソード電極２を堆積する。次に図５（ｂ）に示す
ように、カソード電極２を所望の配線パターンに通常の
フォトリソグラフィ技術で加工する。ついでシリコン酸
化膜などよりなる絶縁層３を堆積する。次に図５（ｃ）
に示すように、絶縁層３上にレジスト膜を塗布しフォト
リソグラフィによりレジスト４をパターニングし、この
レジスト４をマスクとして絶縁膜３をエッチング除去し
カソード電極上に開口を形成する。次に図５（ｄ）に示
すように、例えば平均粒径が０．０２μｍのダイヤモン
ド粒子を分散させた溶液を塗布し乾燥させダイヤモンド
粒子層９を形成する。次に図５（ｅ）に示すように、レ
ジスト４を除去することにより、レジスト上のダイヤモ
ンド粒子層がリフトオフ除去され、絶縁膜３の開口に露
出したカソード電極２上に５×１０10個／ｃｍ2〜５×
１０11個／ｃｍ2程度の粒子密度のダイヤモンド粒子層
９が残った形状が得られる。次にマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法などの方法によりダイヤモンド粒子層９上にダイ
ヤモンド１０を形成する。この工程で、０．０２μｍ程
度の粒径のダイヤモンド粒子層９は０．２〜０．５μｍ
の粒径のダイヤモンド７に成長し変換される。さらに絶
縁層３上にアルミニウムなどのゲート電極６を選択的に
形成しダイヤモンド粒よりなるエミッタを有する冷陰極
が形成される（図５（ｆ））。
【０００５】上述した説明ではダイヤモンド形成後にゲ
ート電極を形成する方法を示したが、引例にはゲート電
極形成後にダイヤモンド粒子層を形成する方法について
も示されている。このように上記方法は、簡便にカソー
ド電極上に選択的にダイヤモンドよりなるエミッタを形
成することが可能である利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の第１の問題
点は、形成されたダイヤモンドよりなるエミッタが連続
膜でなく粒子状に限定され、ダイヤモンド粒子密度を高
くとることが必要となることである。これは粒子形状で
あるために余分な領域のダイヤモンド粒子がリフトオフ
されやすくなり選択的にカソード電極上に形成すること
は容易である。しかしその反面、連続膜が形成されない
ために十分なエミッション電流量を得るためにダイヤモ
ンド粒子密度を高くとることが必要であり、また、その
ために粒径のサイズも小さく限定する必要があった。こ
れによりダイヤモンド粒子層形成工程における粒子密度
向上技術が必要であるとともに、用意されるダイヤモン
ド粒子径の制御も精密である必要がありコストが上昇す
る問題もあった。
【０００７】従来技術の第２の問題点は、ダイヤモンド
の形状が粒であるために、放出された電子がカソード電
極から垂直方向に放出されず、ある角度を持って放出さ
れることである。これにより、エミッションが広がるこ
とがあった。これはダイヤモンドの粒形状にそってダイ
ヤモンド上の電位分布が形成されるために、電位面にそ
って垂直方向に電子は進むためである。従って、広がっ
たエミッションを小さく制御する必要が生じゲート電極
に加えビーム整形用電極を形成するなどの付加機能が必
要となり、素子が複雑になるなどの問題が有った。
【０００８】また、カーボンナノチューブではＣＶＤ法
において触媒金属上に選択的にカーボンナノチューブを
形成する方法では、触媒金属を選択的に予めゲート開口
内にのみ形成する方法が必要である。しかしながら、カ
ソード電極上の触媒金属上の絶縁膜に開口を形成する際
に、触媒金属が開口時の衝撃により絶縁膜側壁やゲート
電極上に触媒金属が付着しカーボンナノチューブが必要
領域以外に形成されるという問題が有った。
【０００９】本発明は、前述した事情に鑑みてなされた
もので、その目的はカソード電極上に連続的な電子放出
材料、例えばダイヤモンド膜やダイヤモンドライクカー
ボン膜あるいはカーボンナノチューブなどよりなるエミ
ッタを必要領域にのみ多数のエミッションポイントを有
するように形成できエミッション特性を向上させ、低電
圧で高電流のエミッションが得られる冷陰極装置の製造
方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、下記（１）〜（１３）に示す本発明にか
かる冷陰極装置の製造方法を提供する。 （１）カソード電極と、カソード電極上に形成された電
子放出材料と、電子放出材料上に開口を有するゲート電
極よりなる冷陰極装置の製造方法であって、少なくとも
前記絶縁膜の開口に露出したカソード電極上に、選択的
に、連続的な電子放出材料を覆う工程を有していること
を特徴とする冷陰極装置の製造方法。
【００１１】（２）カソード電極と、カソード電極上に
形成された電子放出材料と、電子放出材料上に開口を有
するゲート電極よりなる冷陰極装置の製造方法であっ
て、少なくとも絶縁膜の開口に露出したカソード電極上
に、選択的に、連続的な電子放出材料を覆うとともに、
絶縁膜の開口に露出したカソード電極上以外の領域は非
連続な電子放出材料を形成する工程を有することを特徴
とする冷陰極装置の製造方法。
【００１２】（３）絶縁膜の開口に露出したカソード電
極上以外の非連続な電子放出材料が形成される領域に、
絶縁膜の開口に露出したカソード電極上よりも電子放出
材料の成長開始速度が遅い犠牲層を形成する工程を有す
ることを特徴とする（２）の冷陰極の製造方法。
【００１３】（４）絶縁膜の開口に露出したカソード電
極上に、非連続な電子放出材料が形成される領域の表面
層よりも絶縁膜の開口に露出したカソード電極上に電子
放出材料の成長開始速度が速い表面層を形成する工程を
有することを特徴とする（２）の冷陰極装置の製造方
法。
【００１４】（５）絶縁膜の開口に露出したカソード電
極上以外の非連続な電子放出材料が形成される領域に、
絶縁膜の開口に露出したカソード電極上よりも電子放出
材料の成長開始速度が遅い犠牲層を形成する工程を有
し、かつ、非連続な電子放出材料が形成される領域の表
面層よりも絶縁膜の開口に露出したカソード電極上に電
子放出材料の成長開始速度が速い表面層を形成する工程
を有することを特徴とする（２）の冷陰極の製造方法。
【００１５】（６）電子放出材料がカーボンを主成分と
する材料であることを特徴とする（１）〜（５）の冷陰
極装置の製造方法。
【００１６】（７）電子放出材料がダイヤモンドあるい
はダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする
（６）の冷陰極装置の製造方法。
【００１７】（８）電子放出材料の形成に熱フィラメン
トＣＶＤを用いることを特徴とする（７）の冷陰極装置
の製造方法。
【００１８】（９）熱フィラメントＣＶＤ成膜時のＣＨ
4／Ｈ2流量比を５０％〜７０％、ガス圧を６６５〜１３
３０Ｐａ Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を４００℃から
６５０℃とすることを特徴とする（８）の冷陰極装置の
製造方法。
【００１９】（１０）熱フィラメントＣＶＤ成膜時のＣ
Ｈ4／Ｈ2流量比を５％以下、ガス圧を２０００〜３３０
０Ｐａ Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を８００℃から９
００℃とすることを特徴とする（８）の冷陰極装置の製
造方法。
【００２０】（１１）電子放出材料がカーボンナノチュ
ーブであることを特徴とする（６）の冷陰極装置の製造
方法。
【００２１】（１２）電子放出材料の形成にプラズマＣ
ＶＤを用いることを特徴とする（１１）の冷陰極装置の
製造方法。
【００２２】（１３）カソード電極上に触媒金属を形成
する工程と、触媒金層上に形成された絶縁膜に開口を形
成する工程を有することを特徴とする（１２）の冷陰極
装置の製造方法。
【００２３】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は第１の実施の形態の工程順の
実施例を示す断面図である。図１（ａ）において、基板
１として例えばガラス基板を用意する。基板はこれに限
ったものではなく例えば絶縁膜で覆われたシリコン基板
でも良い。この基板１の上にカソード電極２となる金
属、例えばニッケル、白金、タングステン、クロム、
銀、導電性のシリコンなどよりなる導電性の材料層を、
例えば２００ｎｍ厚にＣＶＤ法あるいはスパッタ法など
の方法で形成する。
【００２４】次いで、図１（ｂ）に示すように、カソー
ド電極２を通常のフォトリソグラフィ法により加工し配
線を形成し、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜３を
ＣＶＤ法により約１μｍ厚に形成する。絶縁膜はこの実
施例ではシリコン酸化膜で説明しているが、これに限っ
たものではなく絶縁性の材料で有れば他の無機材料でも
有機材料でも限らず、膜厚も５μｍから１０μｍ以上で
も構わない。
【００２５】次に図１（ｃ）に示すように、例えばタン
グステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に堆積し所
望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工し
ゲート電極６を形成する。次に、例えばアルミナ膜やシ
リコン酸化膜などよりなる犠牲層８を約２００ｎｍ膜厚
に形成する。ここで犠牲層としてアルミナ膜やシリコン
酸化膜を例にとって説明したが、これに限ったものでは
なくダイヤモンドや配線材料に対して選択的に除去でき
るもので有れば良い。
【００２６】次に図１（ｄ）に示すように、通常のフォ
トリソグラフィ法を使用し、所定のカソード電極２上の
犠牲層８とゲート電極６と絶縁膜３を異方性エッチング
により除去し、カソード電極上に開口を形成する。
【００２７】次に図１（ｅ）に示すように、例えば熱フ
ィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成する。
この工程で形成条件をＣＨ4／Ｈ2流量比が５％以下、ガ
ス圧が２０００〜３３００Ｐａ、成長時の基板温度を８
００℃から９００℃とすることにより、図のようにカソ
ード電極上には連続膜であるダイヤモンド膜５ａが形成
され犠牲層８上には不連続なダイヤモンド膜５ｂが形成
される。ここではダイヤモンド膜を形成した条件を示し
たがＣＶＤ成長時のＣＨ4／Ｈ2流量比が５０％〜７０
％、ガス圧が６６５〜１３３０Ｐａ、成長時の基板温度
を４００度から６５０度とする事によりダイヤモンドラ
イクカーボン（ＤＬＣ）膜をこのように形成することも
可能である。なお、上記成長条件以外の成膜条件では、
例えば高ＣＨ4／Ｈ2流量比、あるいは、高ガス圧の領域
ではカソード電極上および犠牲層上ともに連続的な膜が
形成され、例えば低温、低ＣＨ4／Ｈ2流量比、あるいは
低ガス圧では成膜しないか、カソード電極上も不連続な
膜が形成されるかして実用的な電子放出材料は得られな
い。
【００２８】次に図１（ｆ）に示すように、アルミナ膜
よりなる犠牲層をリン酸溶液中でエッチング除去する。
この工程で犠牲層９上のダイヤモンド膜５ｂはリフトオ
フされ除去される。これによりカソード電極上に連続膜
よりなるダイヤモンド膜を有する冷陰極装置を形成する
ことができる。
【００２９】上述したように、エミッタ形成領域となる
カソード電極上以外の領域をダイヤモンドの成膜形状が
異なる犠牲層で覆うことにより、カソード電極上は連続
膜で形成され、犠牲層上は分離した粒状のダイヤモンド
を形成することができる。犠牲層上のダイヤモンドが粒
径となることにより犠牲層をエッチングする際の溶液が
ダイヤモンド粒径間から入りやすくなり、リフトオフの
ための犠牲層除去工程が容易となる利点がある。さらに
カソード電極上のダイヤモンドは連続膜となるために従
来の実施例のような粒子状のダイヤモンドよりも容易に
エミッションポイントを増やすことができ高電流化が可
能となる。さらにダイヤモンド表面が比較的平坦な平面
構造で形成できるためにエミッションの広がりも低減す
ることができる利点がある。
【００３０】また、カソード電極としてニッケル、白金
を表面に有するカソード電極を形成するとその触媒作用
によりより容易に連続膜のダイヤモンドあるいはダイヤ
モンドライクカーボンを形成することが可能となる利点
がある。さらには、電子放出素子であるダイヤモンド膜
はゲート電極と絶縁膜の開口のカソード電極上に形成さ
れるために、例えばカソード電極上の全面に形成され、
絶縁膜下にもダイヤモンドが形成された場合に生じる絶
縁膜中への電子の放出による絶縁膜の絶縁耐性の劣化も
起こることもない。
【００３１】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施の形態について図面を参照して説明する。図２は第
２の実施形態を示す工程順断面図である。図２（ａ）に
おいて、基板１として例えばガラス基板を用意する。基
板はこれに限ったものではなく例えば絶縁膜で覆われた
シリコン基板でも良い。この基板１の上にカソード電極
２となる金属、例えばニッケル、白金、タングステン、
クロム、銀、導電性のシリコンなどよりなる導電性の材
料層を、例えば２００ｎｍ厚にＣＶＤ法あるいはスパッ
タ法などの方法で形成する。
【００３２】次いで、図２（ｂ）に示すように、カソー
ド電極２を通常のフォトリソグラフィ法により加工し配
線を形成し、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜３を
ＣＶＤ法により約１μｍ厚に形成する。絶縁膜はこの実
施例ではシリコン酸化膜で説明しているが、これに限っ
たものではなく絶縁性の材料で有れば他の無機材料でも
有機材料でも限らず、膜厚も５μｍから１０μｍ以上で
も構わない。
【００３３】次に図２（ｃ）に示すように、例えばタン
グステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に堆積し所
望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工し
ゲート電極６を形成する。
【００３４】次に、図２（ｄ）に示すように、ゲート電
極６と絶縁膜３にフォトリソグラフィ技術によりカソー
ド電極２が露出する開口を形成する。その後、例えばア
ルミナ膜やシリコン酸化膜などよりなる犠牲層８を斜め
方向からの蒸着法により約２００ｎｍ膜厚に形成する。
この工程では、露出したカソード電極上に犠牲層が堆積
しない角度で蒸着を行うことにより、図のように、ゲー
ト電極６の上表面と側面を覆うように犠牲層８を堆積す
る。ここで犠牲層としてアルミナ膜やシリコン酸化膜を
例にとって説明したが、これに限ったものではなくダイ
ヤモンドや配線材料に対して選択的に除去できるもので
有ればよい。
【００３５】次に図２（ｅ）に示すように、例えば熱フ
ィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成する。
この工程で形成条件をＣＨ4／Ｈ2流量比が５％以下、ガ
ス圧が２０００〜３３００Ｐａ、成長時の基板温度を８
００℃から９００℃とすることにより、図のようにカソ
ード電極上には連続膜であるダイヤモンド膜５ａが形成
され犠牲層８上には不連続なダイヤモンド膜５ｂが形成
される。ここではダイヤモンド膜を形成した条件を示し
たがＣＶＤ成長時のＣＨ4／Ｈ2流量比が５０％〜７０
％、ガス圧が６６５〜１３３０Ｐａ、成長時の基板温度
を４００℃から６５０℃とすることによりダイヤモンド
ライクカーボン（ＤＬＣ）膜をこのように形成すること
も可能である。
【００３６】次に図２（ｆ）に示すように、アルミナ膜
よりなる犠牲層８をリン酸溶液中でエッチング除去す
る。この工程で犠牲層８上のダイヤモンド膜５ｂはリフ
トオフされ除去される。これによりカソード電極上に連
続膜よりなるダイヤモンド膜を有する冷陰極装置を形成
することができる。
【００３７】上述のように、エミッタ形成領域となるカ
ソード電極上以外の領域をダイヤモンドの成膜形状が異
なる犠牲層で覆うことにより、カソード電極上は連続膜
で形成され、犠牲層上は分離した粒状のダイヤモンドを
形成することができる。犠牲層上のダイヤモンドが粒径
となることにより犠牲層をエッチングする際の溶液がダ
イヤモンド粒径間から入りやすくなり、リフトオフのた
めの犠牲層除去工程が容易となる利点がある。これによ
り、従来の実施例のような粒子状のダイヤモンドよりも
容易に選択性が高く保持されエミッションポイントを増
やすことができ高電流化が可能となる。
【００３８】さらにダイヤモンド表面が比較的平坦な平
面構造で形成できるためにエミッションの広がりも低減
することができる利点がある。
【００３９】（第３の実施形態）次に、本発明の第３実
施の形態について図面を参照して説明する。図３は第３
の実施形態を示す工程順断面図である。図３（ａ）にお
いて、基板１として例えばガラス基板を用意する。基板
はこれに限ったものではなく例えば絶縁膜で覆われたシ
リコン基板でも良い。この基板１の上にカソード電極２
となる金属、例えばニッケル、白金、タングステン、ク
ロム、銀、導電性のシリコンなどよりなる導電性の材料
層を、例えば２００ｎｍ厚にＣＶＤ法あるいはスパッタ
法などの方法で形成する。さらに、０．０１μｍから数
μｍの粒径のダイヤモンド粒子を付着させダイヤモンド
粒子層９をカソード電極２上に形成する。
【００４０】次いで、図３（ｂ）に示すように、カソー
ド電極２とダイヤモンド粒子層９を通常のフォトリソグ
ラフィ法により加工し配線を形成し、例えばシリコン酸
化膜よりなる絶縁膜３をＣＶＤ法により約１μｍ厚に形
成する。絶縁膜はこの実施例ではシリコン酸化膜で説明
しているが、これに限ったものではなく絶縁性の材料で
有れば他の無機材料でも有機材料でも限らず、膜厚も５
μｍから１０μｍ以上でも構わない。
【００４１】次に図３（ｃ）に示すように、例えばタン
グステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に堆積し所
望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工し
ゲート電極６を形成する。次に、例えばアルミナ膜やシ
リコン酸化膜などよりなる犠牲層８を約２００ｎｍ膜厚
に形成する。ここで犠牲層としてアルミナ膜やシリコン
酸化膜を例にとって説明したが、これに限ったものでは
なくダイヤモンドや配線材料に対して選択的に除去でき
るもので有ればよい。
【００４２】次に図３（ｄ）に示すように、通常のフォ
トリソグラフィ法を使用し、所定のカソード電極２上の
犠牲層８とゲート電極６と絶縁膜３を異方性エッチング
により除去し、カソード電極２及びその上のダイヤモン
ド粒子層９上に開口を形成する。
【００４３】次に図３（ｅ）に示すように、例えば熱フ
ィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形成する。
この工程で形成条件をＣＨ4／Ｈ2流量比が５％以下、ガ
ス圧が２０００〜３３００Ｐａ、成長時の基板温度を８
００℃から９００℃とすることにより、図のようにカソ
ード電極上には連続膜であるダイヤモンド膜５ａが形成
され犠牲層８上には不連続なダイヤモンド膜５ｂが形成
される。ここではダイヤモンド膜を形成した条件を示し
たがＣＶＤ成長時のＣＨ4／Ｈ2流量比が５０％〜７０
％、ガス圧が６６５〜１３３０Ｐａ、成長時の基板温度
を４００℃から６５０℃とする事によりダイヤモンドラ
イクカーボン（ＤＬＣ）膜をこのように形成することも
可能である。
【００４４】次に図３（ｆ）に示すように、アルミナ膜
よりなる犠牲層をリン酸溶液中でエッチング除去する。
この工程で犠牲層８上のダイヤモンド膜５ｂはリフトオ
フされ除去される。これによりカソード電極上に連続膜
よりなるダイヤモンド膜を有する冷陰極装置を形成する
ことができる。
【００４５】上述のように、カソード電極２上にあらか
じめダイヤモンド粒子層９を形成することにより、初期
のダイヤモンド形成速度が速くなり連続膜を形成する事
が容易となる。特に、本実施例のようにダイヤモンド成
長前にカソード電極上に選択的にダイヤモンド粒子層を
形成することによりカソード電極上への連続膜よりなる
ダイヤモンド膜の形成が短時間で可能となる。これによ
り、不要な領域へのダイヤモンド粒子の形成が薄くかつ
ランダムに形成されることとなり、不要な領域へのダイ
ヤモンドのリフトオフ除去は容易となる利点がある。な
お、本実施例ではリフトオフのための犠牲層８を形成す
る方法を示したが、選択的にダイヤモンド粒子層９をカ
ソード電極２の必要領域に選択的に形成する実施例では
不必要な粒径のダイヤモンド膜５ｂの形成開始が遅くあ
るいは成長速度が遅くなるために、特にリフトオフ用の
犠牲層を形成する必要はない。
【００４６】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施の形態について図面を参照して説明する。図４は第
４の実施形態を示す工程順断面図である。図４（ａ）に
おいて、基板１として例えばガラス基板を用意する。基
板はこれに限ったものではなく例えば絶縁膜で覆われた
シリコン基板でも良い。この基板１の上にカソード電極
２となる金属、例えばニッケル、白金、タングステン、
クロム、銀、導電性のシリコンなどよりなる導電性の材
料層を、例えば２００ｎｍ厚にＣＶＤ法あるいはスパッ
タ法などの方法で形成する。さらに、０．０１μｍから
数μｍの膜厚の触媒金属膜１０として例えばニッケルあ
るいはニッケルを含む合金膜をカソード電極２上に形成
する。ここで、カソード配線を触媒金属材料で形成した
場合には、触媒金属膜１０を形成しなくても構わない。
【００４７】次いで、図４（ｂ）に示すように、カソー
ド電極２と触媒金属膜１０を通常のフォトリソグラフィ
法により加工し配線を形成し、例えばシリコン酸化膜よ
りなる絶縁膜３をＣＶＤ法により約１μｍ厚に形成す
る。絶縁膜はこの実施例ではシリコン酸化膜で説明して
いるが、これに限ったものではなく絶縁性の材料で有れ
ば他の無機材料でも有機材料でも限らず、膜厚も５μｍ
から１０μｍ以上でも構わない。
【００４８】次に図４（ｃ）に示すように、例えばタン
グステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に堆積し所
望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工し
ゲート電極６を形成する。次に、例えばアルミナ膜やシ
リコン酸化膜などよりなる犠牲層８を約２００ｎｍ膜厚
に形成する。ここで犠牲層としてアルミナ膜やシリコン
酸化膜を例にとって説明したが、これに限ったものでは
なく触媒金属膜１０やゲート電極６に対して選択的に除
去できるもので有ればよい。
【００４９】次に図４（ｄ）に示すように、通常のフォ
トリソグラフィ法を使用し、所定のカソード電極２上の
犠牲層８とゲート電極６と絶縁膜３を異方性エッチング
により除去し、カソード電極２及びその上の触媒金属膜
１０上に開口を形成する。
【００５０】次に図４（ｅ）に示すように、例えばプラ
ズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ膜１１を約１
μｍの長さに開口内に露出した触媒金属膜１０上に選択
的に成長する。次いで、犠牲層８をリン酸溶液中でエッ
チング除去する。この工程で図４（ｄ）の絶縁膜３の開
口時に触媒金属膜１０がアタックされ基板上に飛散した
としても、飛散した触媒金属膜１０ａは犠牲層上に非連
続的に付着することになる。従って、飛散した触媒金属
膜１０ａ上にカーボンナノチューブが成長したとして
も、不要な領域に成長したカーボンナノチューブは非連
続的な形状となるために、犠牲層８は容易に除去でき、
犠牲層８上のカーボンナノチューブも同時にリフトオフ
される。これにより、エミッタとしてカーボンナノチュ
ーブを選択性良く形成した冷陰極を製造することが可能
となる。
【００５１】以上説明したように、本発明の実施形態に
よれば、連続膜よりなるダイヤモンドを選択的にカソー
ド電極上に形成することにより、容易に高エミッション
が得られる効果がある。これは、ダイヤモンド形成条件
をカソード電極上とそれ以外の領域とで成長形状が異な
るように設定し、カソード電極上では連続的に、それ以
外の領域では不連続な膜となるようにし、かつ、ダイヤ
モンド膜を形成しない領域に犠牲層を形成して、不要領
域をリフトオフ除去することにより可能となる。
【００５２】また、連続膜よりなるダイヤモンドを形成
することにより、ダイヤモンド上の形状は平坦なものに
なる。これにより、ダイヤモンドから放出された電子は
ほぼ垂直方向に放出されることとなり、電子軌跡の制御
が容易になるという利点がある。
【００５３】さらには、カソード電極上に予めダイヤモ
ンド粒子層を形成することにより、ダイヤモンドの上面
の形状は平坦なものになる。これにより、ダイヤモンド
から放出された電子はほぼ垂直方向に放出されることと
なり、電子の軌跡の制御が容易になるという利点があ
る。
【００５４】さらには、カソード電極を予めダイヤモン
ドの粒子層とすることにより、ゲート電極開口部上にの
みダイヤモンドの連続膜を形成することが容易になる効
果がある。これは、予めダイヤモンド粒子を形成した後
にダイヤモンドを成長すると、成長時間が早まり、成長
速度も向上するからである。この効果はさらにカソード
電極以外のダイヤモンドの形成を実質的に遅らせ、容易
に選択的なダイヤモンド膜形成が可能となり、カソード
電極以外への電子放出源となるダイヤモンド粒の形成を
抑制することが可能となる効果も併せて発生する。
【００５５】また、熱フィラメントＣＶＤ法を用い、Ｃ
Ｈ4／Ｈ2流量比が５％以下、ガス圧が２０００〜３３０
０Ｐａ、成長時の基板温度を８００℃から９００℃と
し、あるいは、ＣＨ4／Ｈ2流量比が５０％〜７０％、ガ
ス圧が６６５〜１３３０Ｐａ、成長時の基板温度を４０
０℃から６５０℃として、ダイヤモンドあるいはダイヤ
モンドライクカーボンの成膜を行うことにより、カソー
ド電極上に連続膜が形成され、それ以外の領域に非連続
な膜が形成されやすくなる効果が顕著に得られる。これ
によって、より選択性のよい電子放出領域の形成が可能
となる利点が得られる。
【００５６】また、エミッタとしてカーボンナノチュー
ブを用いる際において、カソード電極上に触媒金属膜を
形成し、絶縁膜の開口時にはゲート電極上に犠牲層を形
成し、カーボンナノチューブをプラズマＣＶＤ法を用い
選択的に形成することにより、カソード電極上には連続
膜よりなるカーボンナノチューブが形成され、ゲート電
極上の犠牲層上には非連続なカーボンナノチューブが形
成されるために、用意にリフトオフされ選択性の良いカ
ーボンナノチューブ層がカソード電極の所望領域に形成
できる利点がある。
【００５７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、カ
ソード電極と、カソード電極上に形成された電子放出材
料と電子放出材料上に開口を有するゲート電極とを備え
た冷陰極装置を製造するに当たり、カソード電極上に連
続的な電子放出材料、例えばダイヤモンド膜あるいはダ
イヤモンドライクカーボン膜、またはカーボンナノチュ
ーブを形成し、さらに、所望のカソード電極上以外の領
域へは非連続的に電子放出材料、例えばダイヤモンド膜
あるいはダイヤモンドライクカーボン膜、またはカーボ
ンナノチューブが形成されるようにし不要な領域の電子
放出材料を選択性良く除去して、選択性の良いエミッシ
ョンが得られ、エミッションポイントの増加、エミッシ
ョン特性が向上して低電圧で高電流のエミッションを提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の冷陰極装置の製造
工程の実施例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の冷陰極装置の製造
工程の実施例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の冷陰極装置の製造
工程の実施例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の冷陰極装置の製造
工程の実施例を示す模式的断面図である。
【図５】従来の冷陰極装置の製造工程の実施例を示す模
式的断面図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ カソード電極 ３ 絶縁膜 ４ レジスト ５ ダイヤモンド膜 ５ａ ダイヤモンド膜 ５ｂ ダイヤモンド膜 ６ ゲート電極 ７ ダイヤモンド ８ 犠牲層 ９ ダイヤモンド粒子層 １０ 触媒金属膜 １０ａ 触媒金属膜 １１カーボンナノチューブ膜

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カソード電極と、前記カソード電極上に
    形成された電子放出材料と、前記電子放出材料上に開口
    を有するゲート電極よりなる冷陰極装置の製造方法であ
    って、少なくとも前記絶縁膜の開口に露出した前記カソ
    ード電極上に、選択的に、連続的な電子放出材料を覆う
    工程を有することを特徴とする冷陰極装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 カソード電極と、前記カソード電極上に
    形成された電子放出材料と、前記電子放出材料上に開口
    を有するゲート電極よりなる冷陰極装置の製造方法であ
    って、少なくとも前記絶縁膜の開口に露出した前記カソ
    ード電極上に、選択的に、連続的な電子放出材料を覆う
    とともに、前記絶縁膜の開口に露出した前記カソード電
    極上以外の領域は非連続な電子放出材料が形成される工
    程を有することを特徴とする冷陰極装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記絶縁膜の開口に露出した前記カソー
    ド電極上以外の前記非連続な電子放出材料が形成される
    領域に前記絶縁膜の開口に露出した前記カソード電極上
    よりも前記電子放出材料の成長開始速度が遅い犠牲層を
    形成する工程を有することを特徴とする請求項２記載の
    冷陰極装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記非連続な電子放出材料が形成される
    領域の表面層よりも前記絶縁膜の開口に露出した前記カ
    ソード電極上に前記電子放出材料の成長開始速度が速い
    表面層を形成する工程を有することを特徴とする請求項
    ２記載の冷陰極装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記絶縁膜の開口に露出した前記カソー
    ド電極上以外の前記非連続な電子放出材料が形成される
    領域に前記絶縁膜の開口に露出した前記カソード電極上
    よりも前記電子放出材料の成長開始速度が遅い犠牲層を
    形成する工程を有し、かつ、前記非連続な電子放出材料
    が形成される領域の表面層よりも前記絶縁膜の開口に露
    出した前記カソード電極上に前記電子放出材料の成長開
    始速度が速い表面層を形成する工程を有することを特徴
    とする請求項２記載の冷陰極装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記電子放出材料がカーボンを主成分と
    する材料であることを特徴とする請求項１から５のいず
    れか１項に記載の冷陰極装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記電子放出材料がダイヤモンドあるい
    はダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする
    請求項６記載の冷陰極装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記電子放出材料の形成に熱フィラメン
    トＣＶＤを用いることを特徴とする請求項７記載の冷陰
    極装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記熱フィラメントＣＶＤ成膜時のＣＨ
    4／Ｈ2流量比を５０％〜７０％、ガス圧を６６５〜１３
    ３０Ｐａ、成長時の基板温度を４００℃から６５０℃と
    することを特徴とする請求項８記載の冷陰極装置の製造
    方法。
  10. 【請求項１０】 前記熱フィラメントＣＶＤ成膜時のＣ
    Ｈ4／Ｈ2流量比を５％以下、ガス圧を２０００〜３３０
    ０Ｐａ、成長時の基板温度を８００℃から９００℃とす
    ることを特徴とする請求項８記載の冷陰極装置の製造方
    法。
  11. 【請求項１１】 前記電子放出材料がカーボンナノチュ
    ーブであることを特徴とする請求項６記載の冷陰極装置
    の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記電子放出材料の形成にプラズマＣ
    ＶＤを用いることを特徴とする請求項１１記載の冷陰極
    装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記カソード電極上に触媒金属を形成
    する工程と、前記触媒金層上に形成された前記絶縁膜に
    開口を形成する工程を有することを特徴とする請求項１
    ２記載の冷陰極装置の製造方法。
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