JP2001110300A

JP2001110300A - 電界放出陰極

Info

Publication number: JP2001110300A
Application number: JP28862799A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Inoue; 和則井上
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は電界放出陰極に関し、低電界動作
が可能で、電子放出特性の劣化が少ないＭＩＭＩＶ構造
の電界放出陰極を提供すること。【解決手段】表面の一部あるいは全面が誘電体膜に覆
われその誘電体膜の所定の位置では導電性を有する基板
と、絶縁膜を介して基板上に所定形状に形成されたゲー
ト電極を有し、前記基板が、前記誘電体膜に覆われた電
子を放出するための突起部を複数個備え、前記突起部
が、先鋭化された少なくともその表面は導電性を有する
下部突起と、前記誘電体膜を介して前記下部突起の上方
に形成された少なくともその表面の一部は導電性を有す
る微小片とから構成されることを特徴とする電界放出陰
極。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は電界放出陰極及び
その製造方法に関し、特に、マイクロ真空管、マイクロ
ウェーブ素子、超高速演算素子、放射線環境（宇宙、原
子炉等）や高温環境での表示素子等に応用される微小冷
陰極の一つである電界放出陰極及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電界放出陰極を用いた素子は、半導体素
子と比較し、電子の移動度が大きく、高速、高温動作、
放射損傷に強い。したがって今日、高輝度、低消費電力
が要求される表示素子として利用されつつある。

【０００３】図７に、従来から用いられている電界放出
陰極の一部分の構造の斜視図を示す。電界放出陰極は、
先端が尖ったエミッタティップ１０１と、エミッタティ
ップに負電圧を与えるエミッタ電極１０２と、電子引出
し用のゲート電極１０３とから構成される。図７に示す
ように、エミッタティップ１０１とゲート電極１０２と
の間に電圧を印加すると、エミッタティップの先端に大
きな電界が加わり、電子放出が起こる。

【０００４】図８に、従来の電界放出陰極を用いた表示
装置の概略構成の斜視図を示す。陰極板１０９では、ガ
ラス基板１０５上に、ストライプ状のエミッタ電極１０
２が形成され、絶縁層１０４を介して、エミッタ電極１
０２と直交する方向に、ゲート電極１０３が形成され
る。エミッタ電極１０２とゲート電極１０３の交差部分
である画素１０６に、複数の電界放出陰極からなる微小
陰極アレイ（ＦＥＡ）が形成される。上方の陽極基板１
０７の表面に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種の蛍
光体１０８が形成され、電界放出陰極から出た放出電子
が蛍光体１０８に当たることによって発光を生じる。

【０００５】このような電界放出陰極は、大別して２種
類の製造方法が用いられている。１つは、犠牲層を用い
てエミッタ電極材料を蒸着することによりエミッタティ
ップを形成するスピントらが開発した方法である。もう
１つは、シリコン基板上に酸化膜で円形マスクを形成
し、その後エッチングすることによりエミッタティップ
を形成する方法である。

【０００６】図９に、スピントらが開発した電界放出陰
極（陰極板）の製造工程の説明図を示す。まず、図９の
１）において、ガラスなどの絶縁性基板１１６上に、エ
ミッタ給電膜１１７を成膜し、２）において、パターニ
ングしてエミッタ電極１０２を形成する。この後、３）
において、プラズマＣＶＤ等により、絶縁膜１１８とゲ
ート給電膜１１９をこの順に成膜する。４）において、
円径のゲート開孔部レジストパターンを用いて、ゲート
給電膜１１９と絶縁膜１１８をそれぞれエッチングし
て、口径が約１μｍの円筒形のゲート開口部１２０を形
成する。

【０００７】次に、５）において、アルミニウム等の犠
牲層材料を、ゲート開孔部１２０の中のエミッタ給電膜
１１７には付着しないように、絶縁性基板１１６を回転
させながら斜め方向から蒸着し、犠牲層膜１２１を形成
する。さらに、６）において、モリブデンなどのエミッ
タ用金属材料１２２を絶縁性基板１１６に垂直に蒸着す
る。このとき、時間の経過とともに、エミッタ用金属材
料が堆積して、ゲート開口部１２０を徐々に塞ぐ。完全
に塞がった時には図の６）のようにゲート開口部１２０
内には円錐状のエミッタティップ１０１が形成されてい
る。

【０００８】次に、７）において、犠牲層膜１２１を燐
酸水溶液などで選択的に溶解してエミッタティップ１０
１以外のエミッタ用金属材料１２２を除去する。最後
に、８）のように、ゲート給電膜１１９を、所望の形状
にパターニングすれば微小な電界放出陰極が完成する。

【０００９】図１０に、シリコン基板のエッチングによ
る電界放出陰極の製造工程の説明図を示す。まず、図１
０の１）において、シリコン基板１３０の表面に、マス
クのための熱酸化膜１３１を形成する。次に、２）にお
いて、エミッタティップ１０１を形成する位置に直径約
１μｍの円形のマスクパターン１３１を形成する。この
パターン１３１は、まず酸化膜１３１表面にレジストを
塗布及び露光してレジストのパターニングを行い、その
後現像により露出した部分の酸化膜１３１をＲＩＥやフ
ッ酸エッチング等の方法により除去し、さらにレジスト
を除去することにより形成する。

【００１０】３）において、ＲＩＥのようなドライプロ
セス、あるいはＫＯＨ水溶液等を用いたエッチングによ
り、シリコン基板１３０をコーン形状に形成する。４）
において、基板全体の熱酸化を行い、コーン形状となっ
たシリコン基板の先端部を先鋭化する。これによりシリ
コン基板表面に酸化膜１３２が形成される。５）におい
て、蒸着により絶縁膜１３３を形成し、さらにその上に
ゲート電極１３４を形成する。６）において、酸化膜１
３１をフッ酸などでエッチングし、エミッタティップ１
０１上に堆積した絶縁膜１３３及びゲート電極１３４を
リフトオフにより除去する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなマ
イクロ真空管等において電子を放出すると、真空管の内
部で発生する残留ガスのために電子放出特性が劣化し、
真空管の寿命が短くなるという問題点があった。一方、
電子を放出するエミッタ１４０の構造として、ＭＩＭＩ
Ｖ（Metal-Insulator-Metal-Insulator-Vacuum）構造が
提案されている（ＩＤＷ’９７，Proceedings. 723ペー
ジ、R.A.Tuck,W.Taylor,R.V.Latham、１９９７年、１１
月２１日）。

【００１２】図１１に、このＭＩＭＩＶ構造のエミッタ
１４０の概略構造図を示す。ＭＩＭＩＶ構造とは、シリ
コンやガラス等の基板１４１上に、金属等の導電層１４
２を形成し、その上に導体あるいは半導体の微小粉１４
４が混じった誘電体層１４３が塗布された構造である。

【００１３】図１２に、ＭＩＭＩＶ構造のエミッタの電
子放出の過程の説明図を示す。図１２（ａ）において、
エミッタ１４０と対向するように、アノード電極１４５
を配置し、アノード電極１４５に正電位、エミッタの基
板１４１に負電位を印加する。このとき、誘電体層１４
３により微粒子１４４と基板１４１との間が絶縁されて
いるため、微粒子１４４のポテンシャルはアンテナ効果
により微粒子１４４と基板１４１との間に、電気的に導
電性のチャネル１４６が形成されるまで上昇する。

【００１４】図１２（ｂ）に示すように、上記チャネル
１４６が形成されると、その瞬間に、微粒子１４４の上
方先端の電界強度が急激に強くなる。そのため、図１２
（ｃ）に示すように微粒子１４４の先端部の誘電体１４
３において分極が起こる。この分極後の残留電荷により
微粒子１４４の先端に高電界が形成され、その電界によ
って誘電体１４３と微粒子１４４との間に第２の導電性
のチャネル１４７が形成される。すなわち、微粒子１４
４の先端に、電子を放出するためのＭＩＶ（Metal-Insu
lator-Vacuum）電子放出点が形成される。前記文献によ
れば、この電子放出点からは、４Ｖ／μｍの電圧を印加
するだけで１０μＡの電子が放出される。

【００１５】一般にスピント法により製造された電界放
出陰極は、ゲート口径１μｍ程度で１０μＡの電子を放
出するためには、１００Ｖの電圧を印加する必要があ
る。これと比較するとＭＩＭＩＶ構造のエミッタでは、
１μｍの間隔でエミッタ・ゲート間の距離を形成できれ
ば、４Ｖの電圧で同等の電子放出が得られることにな
り、従来よりも低電圧での駆動が期待できる。また、図
１１に示すように、エミッタ表面が誘電体層１４３で覆
われているため、このＭＩＭＩＶ構造は電子放出の際に
真空中の残留ガスの影響を受けにくく電子放出特性の劣
化が少ないと言える。

【００１６】しかし、図１１に示したＭＩＭＩＶ構造
は、一般に誘電体層１４３の中に混入される微粒子１４
４の大きさは一定でないので、たとえば表示素子として
用いた場合には、その微粒子の存在位置によって表示特
性が変化してしまうという問題点がある。また、表示素
子等として用いるためには、図１１のＭＩＭＩＶ構造の
エミッタに加えてゲート電極を形成する必要があるが、
現在まだ、ＭＩＭＩＶ構造のエミッタにゲート電極を形
成する製造プロセスは確立されていない。

【００１７】この発明は以上のような点を考慮してなさ
れたものであり、電子を放出する微粒子の位置による分
布のばらつきがなく、かつ形状が一定で、ゲート電極を
有したＭＩＭＩＶ構造の電界放出陰極を提供することを
課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明は、表面の一部
あるいは全面が、誘電体膜に覆われその誘電体膜の所定
の位置では導電性を有する基板と、絶縁膜を介して基板
上に所定形状に形成されたゲート電極を有し、前記基板
が、前記誘電体膜に覆われた電子を放出するための突起
部を複数個備え、前記突起部が、先鋭化された少なくと
もその表面は導電性を有する下部突起と、前記誘電体膜
を介して前記下部突起の上方に形成された少なくともそ
の表面の一部は導電性を有する微小片とから構成される
ことを特徴とする電界放出陰極を提供するものである。

【００１９】ここで、電子を放出するための給電を行う
ため、前記下部突起の表面は導電性を持つものであるこ
とが好ましい。また、前記微小片は、下部突起と同じ導
電性を持つ材料を用いてもよいが、より低電圧動作をさ
せるためには別種の導電性の材料を用いることが好まし
い。別種の導電性の材料としては、たとえば、Ｎｉ，Ｐ
ｔ，Ｍｏ，Ｔｉ，及びＷ等が挙げられる。

【００２０】前記突起部の構造は、下方から上方にかけ
て、少なくとも表面は、導電性を有する下部突起、誘電
体膜、少なくともその表面の一部は導電性を有する微小
片、誘電体膜がこの順に積層された構成となっており、
いわゆるＭＩＭＩＶ（Metal-Insulator-Metal-Insulato
r-Vacuum）構造を有している。

【００２１】また、この発明は、所定の領域において導
電性を有するシリコン基板上の所定の位置に所定の形の
酸化膜を形成する工程と、ドライプロセスにより、露出
したシリコン基板の部分を等方性エッチングして前記酸
化膜の下に柱状の突起部を形成する工程と、異方性エッ
チングにより前記突起部の側壁を削り、突起部をくびれ
を有する立体形状に加工する工程と、前記酸化膜を除去
する工程と、上記構造全体を熱酸化し、前記突起部のく
びれの部分で熱酸化膜によって突起部を下部突起とその
上方の微小片とに分離する工程と、プラズマＣＶＤによ
り上記構造全体を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
ゲート電極材料を上記構造の上の所定の位置に蒸着する
工程と、上記構造全体にレジストを塗布した後、所定量
のエッチングにより前記突起部の上方のレジストのみを
除去して開口部を形成する工程と、開口部の中の前記ゲ
ート電極材料及び前記絶縁膜とを除去する工程とを含む
ことを特徴とする電界放出陰極の製造方法を提供するも
のである。前記工程におけるドライプロセスとしては、
たとえば、ＳＦ₆ガスを用いたＲＩＥが挙げられる。

【００２２】ここで、前記突起部の熱酸化による分離工
程の後であって、プラズマＣＶＤによる絶縁膜の形成工
程の前に、前記突起部の微小片にイオンを注入する工程
と、微小片の結晶性を回復させるためのアニールを行う
工程とを含んでもよい。注入するイオンは、たとえば、
Ｐ⁺（燐）イオンを用いることができる。

【００２３】さらにこの発明は、所定の領域に、導電性
を有するシリコン基板上の所定の位置に所定の形の酸化
膜を形成する工程と、ＲＩＥによる異方性エッチングに
より、前記酸化膜の下部のシリコン基板の部分を先鋭化
された円錐またはピラミッド形状のような突起部となる
ように加工する工程と、突起部先端の酸化膜をドライあ
るいはウエットエッチングにより所定の形状に加工する
工程と、前記酸化膜の上に金属材料を蒸着する工程と、
プラズマＣＶＤにより上記構造全体を覆うように絶縁膜
を形成する工程と、ゲート電極材料を上記構造の上の所
定の位置に蒸着する工程と、上記構造全体にレジストを
塗布した後、所定量のエッチングにより前記突起部の上
方のレジストのみを除去して開口部を形成する工程と、
開口部の中の前記ゲート電極材料及び前記絶縁膜とを除
去する工程とを含むことを特徴とする電界放出陰極の製
造方法を提供するものである。

【００２４】ここで、前記酸化膜の下部のシリコン基板
の部分を加工する工程の後であって、金属材料を蒸着す
る工程の前に、前記突起部の先端を先鋭化するように突
起部全体を熱酸化する工程を含んでもよい。

【００２５】またこの発明は、基板上に、エミッタ給電
膜を形成する工程と、その構造の上に第１の絶縁膜を介
してゲート電極膜を形成する工程と、等方性エッチング
により所定の位置の第１の絶縁膜及びゲート電極膜を除
去してゲート口を形成する工程と、犠牲層材料を基板を
回転させながらななめ蒸着することにより、前記ゲート
電極膜の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上
に、第１の導電材料膜、第２の絶縁膜及び第２の導電材
料膜を順に蒸着して前記ゲート口内部に第１の導電材料
膜、第２の絶縁膜及び第２の導電材料膜からなるコーン
形状のエミッタを形成する工程と、犠牲層をエッチング
して、犠牲層の上に蒸着された構造を除去する工程と、
プラズマＣＶＤによりコーン形状のエミッタ全体を覆う
ように第３の絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴
とする電界放出陰極の製造方法を提供するものである。
この製造方法によれば、ゲート口内部に、第１の導電材
料膜、第２の絶縁膜、第２の導電材料膜及び第３の絶縁
膜がこの順に積層されたＭＩＭＩＶ構造のエミッタが形
成される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施の形態に基
づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発
明が限定されるものではない。

【００２７】第１実施例図１に、この発明のＭＩＭＩＶ構造の電界放出陰極の製
造工程の説明図を示す。

【００２８】１．抵抗率０．００１Ω・ｃｍのシリコン
基板１表面に熱酸化膜（ＳｉＯ₂）５０００Åが形成さ
れている基板を用い、その表面に酸化膜２の直径１μｍ
φの円形ドットマスクパターンを形成する。パターンの
形成は、まず、酸化膜２表面にレジストを塗布し露光を
行い、レジストのパターニングをする。続いて、現像に
より露出した部分の酸化膜を除去する。酸化膜２の除去
方法としては、例えば、緩衝フッ酸（Ｈ₂Ｏ：ＮＨ
₄Ｆ：ＨＦ＝２８：７：１）に３０分浸せきし除去す
る。その後、有機溶剤による超音波洗浄レジストを除去
して完了する。

【００２９】２．シリコン基板１を、ガスとしてＳＦ₆
（流量：２０ｓｃｃｍ、ガス圧力：８ｍＴｏｒｒ、ＲＦ
出力：５００Ｗ）を用いたＲＩＥにより等方性エッチン
グを行い、高さ１．５μｍの円柱状構造を形成する。

【００３０】３．その後、シリコン基板１をエチレンジ
アミンピロカテコール水溶液に、液温１１７℃で、浸せ
きし、結晶面の（１００）面よりも（１１１）面あるい
は（３１１）面のエッチングが遅い異方性エッチングを
行う。この際に、円柱の側壁に中央部に向かう（１１
１）面および（３１１）面が形成され、図１の３に示す
ような逆テーパーを持つ微小な立体構造が形成される。
形状は電子顕微鏡などで確認しながら調整する。

【００３１】４．酸化膜２を緩衝フッ酸などにより除去
する。

【００３２】５．上記構造全体に対して熱酸化を行い、
表面上に熱酸化膜３を形成する。この際、酸化時間は微
小な立体構造のくびれの径により決定する。例えば、く
びれの径が４０００Åの場合、水蒸気酸化雰囲気で１０
５０℃で１００分熱酸化することにより、根元の周辺が
それぞれ２０００Å程度酸化される。このとき、図１の
５に示すように、熱酸化膜３内にシリコンの突起部４と
その上に熱酸化膜３によって分離されたシリコンの微小
片５が形成され、ＭＩＭＩＶ構造が実現される。

【００３３】６．次に上記構造の上に、絶縁膜６とゲー
ト電極７を形成する。絶縁膜を形成する方法としては、
例えば、プラズマＣＶＤ（基板温度：３００℃、ガス
種：ＳｉＨ₄およびＮ₂Ｏ、流量：それぞれ、２００ｓ
ｃｃｍおよび４００ｓｃｃｍ、ガス圧力：０．６７ｍＴ
ｏｒｒ、ＲＦ出力：５０Ｗ、成膜時間：８分）を用い、
微小構造を覆うように絶縁膜６ＳｉＯ₂を７０００Å厚
形成する。その後、ゲート電極７としてＣｒを３０００
Åを蒸着する。

【００３４】７．上記構造の上に１０μｍ程度の厚さの
レジスト８を塗布後、酸素プラズマ（ガス：大気、出
力：２００Ｗ）によるレジスト８のアッシングによりエ
ッチバックを行い、立体構造を覆っている上部のレジス
ト８のみを取り除く。この際、上面から見た立体構造の
露出部分の直径は、光学および電子顕微鏡で確認しなが
ら１μφ程度になるようにエッチバックを行う。

【００３５】８．上部ゲート電極７のＣｒを硝酸第二セ
リウムアンモン水溶液（０．２５ｋｇ／ｌ）に２分間浸
せきすることによりエッチングして除去後、さらに、立
体構造部分に露出した絶縁膜６を緩衝フッ酸により除去
する。以上の製造方法によりゲート電極構造を持つＭＩ
ＭＩＶ構造の電界放出型陰極が完成する。

【００３６】このように、電子を放出するＭＩＭＩＶ構
造の位置を所定の位置に形成することができるので、場
所による電子放出点の分布や形状のばらつきのないゲー
ト電極を有する電界放出陰極を作製することができる。
また、このＭＩＭＩＶ構造の陰極と対向配置したアノー
ド電極とを組み合わせれば、４Ｖ／μｍ程度の低電界を
印加するだけで、立体構造の上方に分離された微小片５
から電子を放出することができる。さらに、電子放出点
である微小片５が誘電体で覆われているため、表示装置
として利用した場合に放電空間中の残留ガスの影響を受
けることがなく電子放出特性の劣化が少なく、安定した
電子放出が可能である。

【００３７】第２実施例作製した個々の突起部からの電子放出特性のばらつきを
さらに抑制するために、次のようなイオン注入工程を実
施してもよい。図２に、この発明の第２実施例の製造工
程の説明図を示す。この第２実施例では、基板１とし
て、比抵抗が０．４８ΩｃｍのＮ型のシリコン基板を用
いる。この基板１に対して、図１に示した工程１から工
程５のプロセスを実行し、図２の１に示すようなＭＩＭ
ＩＶ構造の電界放出陰極を形成する。

【００３８】次に、図２の２に示すように、この構造全
体に、Ｐ⁺（燐）イオンを７０ｋＶで１×１０^-14／ｃ
ｍ²だけ注入する。その後、窒素雰囲気中で、７５０
℃、３０分間のアニールを行う（図２の３）。これによ
り微小片５の結晶性を回復させると共に、図中の符号
１’の部分の不純物であるＰ（燐）を活性化させる。
次に、第１実施例の図１に示した工程６，７及び８を実
施すると、電界放出陰極が完成する。

【００３９】この第２実施例によれば、第１実施例と比
較して工程数は増えるが、微小片５にＮ型不純物Ｐ
（燐）をイオン注入することで、微小片５のみをＮ⁺型
の低抵抗物質にし、下部の立体構造部分の抵抗は高い状
態にできる。このような構造にすることで、下部構造の
高抵抗層で電子放出時の電流制限を行い、各ＭＩＭＩＶ
構造からの電子放出のばらつきを抑制することができ
る。

【００４０】第３実施例ここでは、第１実施例の図１で示した工程のうち、工程
１）から５）の代わりに、図３に示す工程１）から４）
を実施する。図３に、この発明の第３実施例の製造工程
の説明図を示す。

【００４１】１．シリコン基板１の表面にマスク用のた
めの熱酸化膜２を形成し、マスクパターンを形成する。
パターンの形成は、酸化膜２の表面にレジストを塗布し
露光を行い、レジストのパターニングをする。続いて、
現像により露出した部分の酸化膜を緩衝フッ酸エッチン
グ等の方法により除去する。その後、レジストを除去し
て完了する（図３の工程１）。

【００４２】２．シリコンを、ガスとしてＳＦ₆（流
量：４０ｓｃｃｍ、ガス圧力：９ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出
力：２５０Ｗ）を用いたＲＩＥで、サイドエッチングが
生じるようなエッチングを行い、酸化膜のマスクの根元
のＳｉのくびれが４０００Åになるまでエッチングし、
図３の２のような形状を形成する（図３の工程２）。

【００４３】３．金属１１（たとえばＣｒ，Ｍｏ）を５
０００Å蒸着し、Metal-Insulator-Metal （ＭＩＭ）構
造を形成する（図３の工程３）。４．プラズマＣＶＤ等
で、ＭＩＭ構造を覆うように絶縁膜１２（ＳｉＯ₂）を
１０００Å形成し、ＭＩＭＩＶ構造を形成する（図３の
工程４）。

【００４４】この後は、第１実施例の図１に示す工程
６，７及び８を実施すると電界放出陰極が完成する。こ
の第３実施例によれば、第１実施例と比較し、シリコン
以外の材料を、ＭＩＭＩＶ構造における先端部の微小片
の材料として選択できるという利点を有する。

【００４５】第４実施例ここでも、第１実施例の図１で示した工程のうち、工程
１）から５）の代わりに、図４に示す工程１）から５）
を実施する。図４に、この発明の第４実施例の製造工程
の説明図を示す。

【００４６】１．シリコン基板１の表面にマスク用のた
めの熱酸化膜２を形成し、マスクパターンを形成する。
パターンの形成は、酸化膜２の表面にレジストを塗布し
露光を行い、レジストのパターニングをする。続いて、
現像により露出した部分の酸化膜を緩衝フッ酸エッチン
グ等の方法により除去する。その後、レジストを除去し
て完了する（図４の工程１）。２．シリコンＳｉを、ガスとしてＳＦ₆（流量：４０ｓ
ｃｃｍ，ガス圧力：９ｍＴｏｒｒ，ＲＦ出力：２５０
Ｗ）を用いたＲＩＥで、サイドエッチングが生じるよう
なエッチングを行い、酸化膜のマスクの根元のＳｉのく
びれが４０００Åになるまでエッチングし、図４の２の
ような形状を形成する（図４の工程２）。

【００４７】３．次に、１０００℃以上で熱酸化を行
う。この際、酸化時間は酸化膜のかさの根元のくびれの
径により決定する。くびれが４０００Åの場合、水蒸気
酸化雰囲気で１０５０℃で１００分熱酸化することによ
り根元の周辺が２０００Å程度酸化され、内部でシリコ
ン１の下部の突起は先鋭化される（図４の工程３）。４．金属１１（たとえばＣｒ，Ｍｏ）を５０００Å蒸着
する（図４の工程４）。５．プラズマＣＶＤ等で、絶縁膜１２（ＳｉＯ₂）を１
０００Å形成し、ＭＩＭＩＶ構造を形成する（図４の工
程５）。

【００４８】この後、第１実施例の図１の工程６，７及
び８を実施すると、電界放出陰極が完成する。第１，２
実施例と比較すると、プロセスの工程数は増えるが、下
部のシリコンがより先鋭化されることで、図１２に示し
たような導電性チャネル１４６が低電圧で形成されるの
で、動作電圧の低電圧化が図れるという利点を有する。

【００４９】第５実施例図５に、この発明において、酸化膜２を形成するための
マスクパターンの概略図を示す。第１実施例から第４実
施例において、ＭＩＭＩＶ構造の立体形状を形成する際
に用いたマスクパターンは図５（ａ）に示すような円形
パターン１５であった。しかし、図５（ｂ）に示すよう
に、マスクパターンを矩形の形状１６にすれば、一方向
に長いウェッジ型のＭＩＭＩＶ構造を形成できる。

【００５０】このようなウェッジ型のＭＩＭＩＶ構造に
よれば、電子放出点を増加させることができるという利
点がある。なお、製造工程は、各実施例のマスクパター
ンを矩形１６（たとえば１μｍ×１０μｍの長方形）と
したものを用いるだけで、他の工程は全く同様でよい。

【００５１】第６実施例ここでは、ＭＩＭＩＶ構造を蒸着により形成する製造工
程について説明する。図６に、この発明の第６実施例の
製造工程の説明図を示す。

【００５２】１．はじめに青板ガラス基板６１上に、エ
ミッタ側の給電ライン６２用の金属膜Ｍｏを３０００Å
蒸着し、エミッタへの給電用となるラインパターンをレ
ジストで形成し、フッ硝酸などのＭｏエッチャントでエ
ッチングを行い、Ｍｏを除去する。その後、レジストを
有機溶剤による超音波洗浄により除去し、給電用ライン
パターンを形成する（図６の工程１）。

【００５３】２．プラズマＣＶＤなどの方法で第１の絶
縁膜６３（ＳｉＯ₂）を６０００Å程度の厚さに形成
し、その後、ゲート電極膜６４（Ｍｏ）を３０００Å蒸
着する（図６の工程２）。

【００５４】３．ゲート電極膜６４を蒸着後、１μｍφ
のゲート口６５のパターンを形成する。ゲート口６５の
パターンの形成は、前記基板全体の表面にレジストを塗
布し露光を行い、レジストのパターニングをする。続い
て、現像により露出した部分のゲート電極膜６４をまず
フッ硝酸などでエッチングし、その後、第１の絶縁膜６
３であるＳｉＯ₂を緩衝フッ酸によるエッチング等で除
去する。その後、有機溶剤による超音波洗浄によりレジ
ストを除去して完了する（図６の工程３）。

【００５５】４．犠牲層６６として、Ａｌをななめ蒸着
により１０００Å形成する（図６の工程４）。

【００５６】５．エミッタを形成する第１電極６７（Ｍ
ｏ）を４０００Å、第２の絶縁膜６８（ＳｉＯ）を２０
００Å、第２電極６９（Ｎｉ）を５０００Åの蒸着を行
う。この時蒸着が進むに連れて、ゲート口径は徐々に小
さくなり、最終的にコーン形状のＭＩＭ構造（Ｍｏ，Ｓ
ｉＯ，Ｎｉ）のエミッタが形成される（図６の工程
５）。

【００５７】６．犠牲層６６（Ａｌ）をリン酸、硝酸の
混合水溶液でエッチングを行い、ゲート電極６４上に堆
積したエミッタを形成する構造６７，６８，６９をリフ
トオフにより取り除く。その後、プラズマＣＶＤなどの
方法により第３の絶縁膜７０（ＳｉＯ₂）を１０００Å
程度の厚さに形成し、ＭＩＭＩＶ構造の電界放出陰極を
実現する（図６の工程５）。

【００５８】この実施例によれば、ＭＩＭＩＶ構造のエ
ミッタを蒸着によって形成できるので、蒸着可能な材料
を使用することができ、材料選択の余地を広げることが
できる。たとえば、エミッタの蒸着材料として上記に示
したＭｏの他、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ等を用いることが
できる。さらに、工程５の蒸着時のパラメータ（たとえ
ば第１電極６７を薄くし、第２の絶縁膜６８を厚くす
る。）を調節することにより、デバイスの形状を容易に
変更できるという利点を有する。

【００５９】

【発明の効果】この発明によれば、電子放出点の場所に
よるばらつきや形状のばらつきがなく、ゲート電極を有
するＭＩＭＩＶ構造の電界放出陰極及びその製造方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の電界放出陰極の第１実施例の製造工
程の説明図である。

【図２】この発明の電界放出陰極の第２実施例の製造工
程の説明図である。

【図３】この発明の電界放出陰極の第３実施例の製造工
程の説明図である。

【図４】この発明の電界放出陰極の第４実施例の製造工
程の説明図である。

【図５】この発明の製造工程において、酸化膜を形成す
るためのマスクパターンの概略図である。

【図６】この発明の電界放出陰極の第６実施例の製造工
程の説明図である。

【図７】従来の電界放出陰極の構造の斜視図である。

【図８】従来の電界放出陰極を用いた表示装置の概略構
成の斜視図である。

【図９】従来の電界放出陰極のスピント法による製造工
程の説明図である。

【図１０】従来の電界放出陰極の製造工程の説明図であ
る。

【図１１】ＭＩＭＩＶ構造のエミッタの概略構成図であ
る。

【図１２】ＭＩＭＩＶ構造のエミッタの電子放出の過程
の説明図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２酸化膜３熱酸化膜４突起部５微小片６絶縁膜７ゲート電極８レジスト１１金属１２絶縁膜１５マスクパターン（円形）１６マスクパターン（矩形）１４０エミッタ１４１基板１４２導電層１４３誘電体層１４４微粒子１４５アノード電極１４６導電性のチャネル１４７第２の導電性のチャネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面の一部あるいは全面が誘電体膜に覆
われその誘電体膜の所定の位置では導電性を有する基板
と、絶縁膜を介して基板上に所定形状に形成されたゲー
ト電極を有し、前記基板が、前記誘電体膜に覆われた電
子を放出するための突起部を複数個備え、前記突起部
が、先鋭化された少なくともその表面は導電性を有する
下部突起と、前記誘電体膜を介して前記下部突起の上方
に形成された少なくともその表面の一部は導電性を有す
る微小片とから構成されることを特徴とする電界放出陰
極。
【請求項２】前記下部突起が、導電性シリコンである
ことを特徴とする請求項１記載の電界放出陰極。
【請求項３】前記下部突起が、蒸着により形成された
金属材料であることを特長とする請求項１記載の電界放
出陰極。
【請求項４】前記微小片が、導電性シリコン又は金属
材料であることを特徴とする請求項２または３記載の電
界放出陰極。
【請求項５】所定の領域に導電性を有するシリコン基
板上の所定の位置に酸化膜を形成する工程と、ドライプ
ロセスにより、露出したシリコン基板の部分を等方性エ
ッチングして前記酸化膜の下に柱状の突起部を形成する
工程と、異方性エッチングにより前記突起部の側壁を削
り、突起部をくびれを有する立体形状に加工する工程
と、前記酸化膜を除去する工程と、上記構造全体を熱酸
化し、前記突起部のくびれの部分で熱酸化膜によって突
起部を下部突起とその上方の微小片とに分離する工程
と、プラズマＣＶＤにより上記構造全体を覆うように絶
縁膜を形成する工程と、ゲート電極材料を上記構造の上
の所定の位置に蒸着する工程と、上記構造全体にレジス
トを塗布した後、所定量のエッチングにより前記突起部
の上方のレジストのみを除去して開口部を形成する工程
と、開口部の中の前記ゲート電極材料及び前記絶縁膜と
を除去する工程とを含むことを特徴とする電界放出陰極
の製造方法。
【請求項６】前記突起部の熱酸化による分離工程の後
であって、プラズマＣＶＤによる絶縁膜の形成工程の前
に、前記突起部の微小片にイオンを注入する工程と、微
小片の結晶性を回復させるためのアニールを行う工程と
を含むことを特徴とする請求項５記載の電界放出陰極の
製造方法。
【請求項７】所定の領域に導電性を有するシリコン基
板上の所定の位置に所定の形の酸化膜を形成する工程
と、ＲＩＥによる異方性エッチングにより、前記酸化膜
の下部のシリコン基板の部分を先鋭化された円錐または
ピラミッド形状のような突起部となるように加工する工
程と、突起部先端の酸化膜をドライあるいはウェットエ
ッチングにより所定の形状に加工する工程と、前記酸化
膜の上に金属材料を蒸着する工程と、プラズマＣＶＤに
より上記構造全体を覆うように絶縁膜を形成する工程
と、ゲート電極材料を上記構造の上の所定の位置に蒸着
する工程と、上記構造全体にレジストを塗布した後、所
定量のエッチングにより前記突起部の上方のレジストの
みを除去して開口部を形成する工程と、開口部の中の前
記ゲート電極材料及び前記絶縁膜とを除去する工程とを
含むことを特徴とする電界放出陰極の製造方法。
【請求項８】前記酸化膜の下部のシリコン基板の部分
を加工する工程の後であって、金属材料を蒸着する工程
の前に、前記突起部の先端を先鋭化するように突起部全
体を熱酸化する工程を含むことを特徴とする請求項７記
載の電界放出陰極の製造方法。
【請求項９】基板上にエミッタ給電膜を形成する工程
と、その構造の上に第１の絶縁膜を介してゲート電極膜
を形成する工程と、等方性エッチングにより所定の位置
の第１の絶縁膜及びゲート電極膜を除去してゲート口を
形成する工程と、犠牲層材料を基板を回転させながらな
なめ蒸着することにより、前記ゲート電極膜の上に犠牲
層を形成する工程と、前記犠牲層の上に、第１の導電材
料膜、第２の絶縁膜及び第２の導電材料膜を順に蒸着し
て前記ゲート口内部に第１の導電材料膜、第２の絶縁膜
及び第２の導電材料膜からなるコーン形状のエミッタを
形成する工程と、犠牲層をエッチングして、犠牲層の上
に蒸着された構造を除去する工程と、プラズマＣＶＤに
よりコーン形状のエミッタ全体を覆うように第３の絶縁
膜を形成する工程とを含むことを特徴とする電界放出陰
極の製造方法。
【請求項１０】前記シリコン基板上に形成される酸化
膜の形状が、円形または矩形であることを特徴とする請
求項５、６、７または８記載の電界放出陰極の製造方
法。