JP2001351512A

JP2001351512A - 電界放出陰極の製造方法

Info

Publication number: JP2001351512A
Application number: JP2000167631A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakatani; 忠司中谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2001-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は電極放出陰極の製造方法に関し、
高輝度かつ電子線の広がりを少なくした電界放出陰極を
提供することを課題とする。【解決手段】基板上に複数のエミッタティップを形成
する工程と、第一絶縁層を形成する工程と、ゲート電極
を形成する工程と、エミッタティップ上方のゲート電極
をエッチングしてゲート開口部を形成する工程と、第二
絶縁層を形成する工程と、収束電極を形成する工程と、
ゲート開口部の上方に、ゲート開口部の開口径よりも大
きな収束電極の第一開口部を形成する工程と、エミッタ
ティップの先端が露出するように、第一開口部内の第一
絶縁層及び第二絶縁層をエッチングする開口工程とから
なり、前記開口工程が、レジストのエッチバックにより
第一開口部の上に、第一開口部の開口径よりも小さい第
二開口部を形成する工程と、第二開口部を通して第一開
口部内の第二及び第一絶縁層をエッチングする工程とか
らなること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出陰極の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微小な電界放出陰極は、熱陰極よりも高
効率，高輝度の電子源として、ＦＥＤ（Field Emission
Display）や高速演算素子，センサーなどへの応用が期
待されている。

【０００３】図８はスピント型と呼ばれる最も一般的な
微小電界放出陰極の構造である。直径１μｍ程度の開口
部内に、高さ（Ｌ０）１μｍ程度の円錐状のエミッタテ
ィップ１０１が形成されている。ゲート電極１０３にエ
ミッタティップ１０１に対して正電圧を与えると、エミ
ッタティップ１０１先端から電子が放出される。

【０００４】このような微小電界放出陰極の製造方法と
しては、C.A.SpindtらによりJournal of Applied Physi
cs, Vol.47,5248(1976)に開示されているような回転蒸
着による方法，K.BetsuiらによりTechnical Digest of
the 4th Int.Vacuum Microelectronics Conf., Nagaham
a, Japan, p26(1991)に開示されているようなシリコン
のエッチングによる方法がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図８のようなエミッタ
ティップ１０１は、半導体の微細加工技術を用いて、５
μｍ程度という非常に小さい間隔Ｌ１で集積形成するこ
とが可能である。しかしながら、エミッタティップ１０
１先端から放出された電子線は４５°（＝θ１）程度の
角度を持って広がりながら進むため、隣接するエミッタ
から放出された電子線はすぐに重なりあってしまう。

【０００６】例えば、ディスプレイに応用する場合、高
輝度の表示を得るためには電界放出陰極と蛍光膜１０７
の間に５kV程度の高電圧を印加する必要がある。このと
き電気的絶縁を確保するために、陰極と蛍光膜１０７と
の間の距離Ｌ３は２mm程度離して配置しなければならな
い。１個のエミッタティップ１０１から出た電子線は蛍
光膜１０７上では約1.65mm径のスポットに広がる。

【０００７】したがって、図８の間隔Ｌ１をより狭い間
隔でエミッタティップを形成しても、蛍光膜１０７上で
独立した発光を得ることができない。すなわち高精細な
表示ができない。

【０００８】精細度を上げるための手段として、ゲート
電極の上にもう一つ電極を設け、そこにゲートに対して
負電位を印加して電子線を収束する方法がある。実際に
L.V.DvorsonらはTechnical Digest of SID‘99, p926(1
999)’に記載されているように、ゲート電極の上に収束
電極を設けた電界放出陰極が試作されている。このDvor
sonらが試作した電界放出陰極は、従来の回転蒸着法を
用いて作られており、ゲート電極と収束電極の間の絶縁
膜厚は0.6μｍ程度である。

【０００９】しかしながら、ゲート電位を与えて電子を
放出させた状態で収束電位を与えると、収束電位の影響
を受けてゲート電位が負側にシフトしてしまうため、エ
ミッタからの放出電流量が減少し、十分な量の電流が引
き出せなくなってしまっていた。

【００１０】このような問題が生じる原因は、ゲート電
極と収束電極との距離が近過ぎることにある。回転蒸着
法やシリコンエッチング法など良く知られている従来の
製造方法では、ゲート電極と収束電極の間の絶縁膜厚を
より厚くすることは、絶縁膜の剥離や開口部側壁への付
着などの問題が生じるため、この絶縁膜厚を１μｍ以上
とすることは、困難であった。

【００１１】そこで、この発明は以上のような事情を考
慮してなされたものであり、収束電極の開口部を形成し
た後に、さらにその開口径よりも小さな開口部を形成す
る工程を経て電界放出陰極を形成することにより、隣接
するエミッタティップから放出された電子線が重ならな
いようにした十分な収束性と放出電流量を持つ微小な電
界放出陰極を製造することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、基板上ある
いは基板上に形成されたエミッタ電極上に複数のエミッ
タティップを形成する工程と、第一絶縁層を形成する工
程と、ゲート電極を形成する工程と、レジストのエッチ
バックにより前記エミッタティップ上方のゲート電極を
エッチングしてゲート開口部を形成する工程と、第二絶
縁層を形成する工程と、収束電極を形成する工程と、レ
ジストのエッチバックにより前記ゲート開口部の上方
に、ゲート開口部の開口径よりも大きな収束電極の第一
開口部を形成する工程と、エミッタティップの先端が露
出するように、前記第一開口部内の第一絶縁層及び第二
絶縁層をエッチングする開口工程とからなり、前記開口
工程が、レジストのエッチバックにより前記第一開口部
の上に、前記第一開口部の開口径よりも小さい第二開口
部を形成する工程と、第二開口部を通して前記第一開口
部内の第二絶縁層及び第一絶縁層をエッチングする工程
とからなる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。

【００１３】ここで、前記エミッタティップの先端を露
出させるための第一絶縁層をエッチングする工程は、電
界放出特性の点でがウェットエッチングを用いることが
好ましい。さらに、前記第一絶縁層のエッチング工程の
後、収束電極上にメッキ膜を堆積する工程を経て形成す
るようにしてもよい。

【００１４】また、この発明は、基板上に、エミッタテ
ィップ，第一絶縁層，ゲート電極，第二絶縁層，収束電
極が順に積層され、第一絶縁層，ゲート電極，第二絶縁
層，収束電極を全て貫通する開口部が個々のエミッタテ
ィップに対応して設けられ、エミッタティップから出た
電子が前記開口部の開口面を貫いてほぼ垂直方向に放出
されるように前記第二絶縁層の膜厚が設定され、ゲート
電極の開口中心及び収束電極の開口中心と、エミッタテ
ィップの中心とがほぼ一致するように前記開口部内にエ
ミッタティップが設けられてい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。また、基板上に、所定
のパターン形状にエミッタ電極を形成し、このエミッタ
電極上にエミッタティップを形成するようにしてもよ
い。

【００１５】ここで、電界放出特性の点で、収束電極の
膜厚は１μｍ以上とすることが好ましい。また、前記エ
ミッタティップは、円錐形状の金属材料で形成される
他、複数個の金属微粒子で形成してもよい。前記第二絶
縁層は、電界放出特性の点で、できるだけ厚い方が好ま
しいが、たとえば、３μｍ以上とすればよい。基板の材
料は、シリコン，ガラス等を用いることができる。エミ
ッタティップの材料は、シリコン，ニッケル，モリブデ
ン等を用いることができる。第一，第二絶縁膜は、二酸
化シリコン，ＰＳＧで形成できる。ゲート電極，収束電
極は、ニッケル，モリブデン，ニオブ，クロム等の金属
材料を用いることができる。

【００１６】この発明の製造方法によれば、隣接するエ
ミッタティップから放出された電子線が重ならないよう
にした十分な収束性と放出電流量を持つ電界放出陰極を
提供できる。

【００１７】

【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。

【００１８】図１に、この発明の電界放出陰極の一実施
例の構造の断面図を示す。この発明の電界放出陰極は、
シリコンなどの基板６上に、先端から電子を放出する円
錐状のエミッタティップ１が、５μｍ程度の間隔（Ｌ
１）で形成される。基板６上には、図示していないが、
エミッタ電極膜を形成し、このエミッタ電極膜上にエミ
ッタティップ１を形成してもよい。

【００１９】エミッタティップが存在する領域を開口部
８として、基板６上に、第一絶縁層２，ゲート電極３，
第二絶縁層４，収束電極５が、この順に形成されてい
る。ここで、収束電極５の開口中心とゲート電極３の開
口中心とは、各エミッタティップ１の中心とほぼ一致し
ている。

【００２０】また、基板６の厚さ＝４００μｍ，エミッ
タティップの高さ＝１μｍ，第一絶縁層の厚さ（Ｌ０）
＝０．７μｍ，ゲート電極膜の厚さ＝０．３μｍ，第二
絶縁層の厚さ（Ｌ２）＝５μｍ，収束電極の厚さ＝０．
３μｍ程度である。この数値は一例であってこれに限る
ものではなく、利用される表示装置等の仕様によって適
宜変更される。

【００２１】特に、電子を開口部８の開口面を貫いてほ
ぼ垂直上方に放出させるためには、第二絶縁層の厚さと
収束電極の厚さはどちらも厚い方が好ましいが、収束電
極の厚さを１μｍ程度とした場合には、第二絶縁層の厚
さは３μｍ程度以上とする。また、収束電極の厚さは１
μｍ程度以上の厚さとすればよい。

【００２２】表示装置を構成する場合には、電界放出陰
極と対向するように、表面に蛍光膜７が形成された陽極
板が設けられるが、収束電極５と蛍光膜７との距離Ｌ３
は０．１mm程度である。

【００２３】ここで、この発明は後述する製造方法を用
いることで、ゲート電極３と収束電極５との間の距離Ｌ
２をエミッタティップの高さに比べて大きくすることが
できるので、エミッタティップ１からの放出電流量が減
少することはなく、高輝度の表示装置を提供することが
できる。さらに、この収束電極によって、エミッタティ
ップ１から出た電子は、開口部８の開口面をほぼ垂直方
向に通過するように放出されるので、隣接するエミッタ
ティップからの電子線１１が重なることも防止できる。

【００２４】図２から図５にこの発明の電界放出陰極の
製造方法を示す。工程（ａ）［図２］まず、シリコンウェハ３１に直径２μｍのディスク状の
レジストパターンをフォトリソグラフィを用いて形成す
る。ディスクのピッチは１０μｍとする。次にSF₆ガス
を用いてRIEを行い、シリコンウエハ３１を1.5μｍの深
さまでエッチングした後、レジストをアッシングして除
去する。これにより、高さ1.2μｍ程度の円錐状のエミ
ッタティップ３０が形成される。このとき、エミッタテ
ィップ３０は基板と同じシリコンで形成される。

【００２５】また、シリコンウェハ上に形成された所定
形状のエミッタ電極の上に、エミッタティップ３０を形
成してもよい。これは、従来から行われている転写モー
ルド法を用いて行うことができる。転写モールド法は、
エミッタティップの型となる逆ピラミッド形状のくぼみ
を持つ母型を用い、そのくぼみにニッケル等のエミッタ
電極及びエミッタティップの材料をスパッタにより形成
した後、その上に接着用膜を塗布し、さらに基板となる
シリコンウェハを貼りつけて、母型と切りはなすことに
よってエミッタティップを形成する方法である。

【００２６】工程（ｂ）［図２］次に、工程（ａ）で形成された表面全体に、第一絶縁層
３２としての二酸化シリコンを、プラズマＣＶＤを用い
て、１μｍの厚さで成膜する。さらに、スパッタリング
によって、ゲート電極３３材料であるモリブデンを０．
２μｍの厚さで成膜する。そして、所定のゲート電極用
パターンのマスクを用いて、レジストをフォトリソグラ
フィで形成した後、モリブデンをエッチングをすること
により、ゲート電極３３を形成する。このとき、エミッ
タティップ３０の上のゲート電極３３は突起した形状と
なっている。

【００２７】工程（ｃ）［図２］次に、レジスト３４をスピンコーターを用いて２μｍ程
度スピンコートした後、酸素プラズマアッシングにより
レジスト３４をエッチバックする。このエッチバック
は、エミッタティップ３０上部の突起が直径０．５μｍ
程度露出したところで止める。この露出したゲート電極
３３の部分が、ゲート開口３５となる。このとき、ゲー
ト開口３５の開口中心とエミッタティップ３０の中心と
は、ほぼ一致する。工程（ｄ）［図２］次に、ＲＩＥを用いて、露出したゲート電極３３をエッ
チングし、ゲート開口３５を形成する。このエッチング
は、ＣＦ₄ガスで行う。

【００２８】工程（ｅ）［図２］レジスト３４をアッシングで除去した後、第二絶縁層３
６として二酸化シリコンをプラズマＣＶＤにより約５μ
ｍの厚さで成膜し、さらにその構造の上に収束電極３７
となるモリブデンをスパッタリングにより0.3μｍの厚
さで成膜する。そして収束電極３７用のマスクパターン
を用いレジストを形成し、モリブデン３７をエッチング
して、収束電極３７を形成する。

【００２９】工程（ｆ）［図３］次に、レジスト３８をスピンコーターを用いて、２μｍ
程度スピンコートした後、酸素プラズマアッシング（条
件：１Ｔｏｒｒ）によりレジスト３８をエッチバックす
る。このエッチバックは、エミッタティップ３０上部の
突起が直径３μｍ程度露出したところで止める。工程（ｇ）［図３］収束電極３７のモリブデンをＲＩＥを用いてエッチング
し、収束開口３９を形成する。このエッチングは、ＣＦ
₄ガスで行う。このとき収束開口３９の開口径は５μｍ
程度となる。また、収束開口３９の中心は、ゲート開口
３５の中心及びエミッタティップ３０の中心とほぼ一致
する。

【００３０】工程（ｈ）［図３］次に、アッシングによりレジスト３８を除去した後、再
度レジスト４０をスピンコーターによってスピンコート
した後、所定のマスクパターンを用いて、エミッタティ
ップ上方に収束開口よりも小さな直径１μｍ程度の開口
部パターン４１をフォトリソグラフィで形成する。工程（ｉ）［図４］次に、フッ酸溶液により開口部パターン４１を介して、
第二絶縁層３６の二酸化シリコンをエッチングする。こ
のエッチングは収束電極３７にアンダーカットが入って
膜剥離を生じないように、３μｍ程度の深さで停止す
る。すなわち収束電極３７の直下の第二絶縁層３６がエ
ッチングされない程度まで、第二絶縁層３６をエッチン
グする。

【００３１】工程（ｊ）［図４］レジスト４０をアッシング除去した後、もう一度レジス
ト４３をスピンコーターによってスピンコートした後、
マスクパターンを用いてエミッタティップ上方であって
開口部パターン４１と同じ位置に、直径１μｍの開口部
パターン４２をフォトリソグラフィで形成する。工程（ｋ）［図５］次にフッ酸溶液によるウェットエッチングにより、開口
部パターン４２を介して、第二絶縁層３６の二酸化シリ
コンと第一絶縁層３２の二酸化シリコンを計３μｍの深
さまでエッチングする。工程（ｌ）［図５］最後にレジスト４３をアッシングにより除去すると、エ
ミッタティップ３０が露出して電界放出陰極が完成す
る。

【００３２】ここで、工程（ｋ）のエミッタティップを
露出させるための第一絶縁層３２の二酸化シリコンのエ
ッチングは、CF₄などのガスによるRIEは適さない。エミ
ッタティップもエッチングされたり、イオン損傷を受け
て特性が劣化するからである。

【００３３】また、この工程（ｌ）の絶縁層エッチング
工程を複数回繰り返すことにより、さらに厚い第二絶縁
層に対しても穴開けができる。

【００３４】この発明の製造方法によれば、第一絶縁層
のエッチングにRIEを使わずにエミッタティップを露出
させているので、エミッタティップの変形、イオン損傷
が避けられ、安定な電子放出が得られる。また、収束電
極の開口部形成と、ゲート電極の開口部形成をエッチバ
ックで行うので、収束電極の開口中心とゲート電極の開
口中心をともに自己整合的にエミッタティップ中心に合
わせることができる。

【００３５】図６に、図２から図５のプロセス完了後、
この構造の上にさらにメッキした電界放出陰極を示す。
金、あるいはニッケルのメッキ膜４４を形成することに
より、収束電極の膜厚を10μｍ程度まで厚くする。これ
により、エミッタティップ３０から放出された電子の収
束性を向上できる。ここで、メッキ膜を含む収束電極の
膜厚は、特に１０μｍに限定されるものではなく、用い
られる薄型表示装置の仕様によって、適切な数値に定め
られる。

【００３６】図８に示した従来の電界放出陰極では、１
つのエミッタティップ１０１から放出された電子線は、
エミッタティップの先端から100μｍ離れた陽極板の蛍
光膜１０７に達したとき、約80μｍ径のビームとなり、
５μｍ（Ｌ１）の間隔で隣接するエミッタティップから
放出された電子線は重なっていた。一方、図１に示した
この発明の電界放出陰極では、エミッタティップ３０の
先端から100μｍ離れた陽極板の蛍光膜７上での電子線
のビーム径は約５μｍ程度であり、５μｍ（Ｌ１）の間
隔で隣接するエミッタティップから放出された電子線は
重なることがなく、高い収束性を示すことが確認でき
た。さらに、図６に示したこの発明の電極放出陰極で
は、同様の蛍光膜上での電子ビーム径は約４μｍ程度と
なり、より収束性が向上した。

【００３７】図７に、エミッタティップとして金属の微
粒子４５を用いた電界放出陰極を示す。ニッケルなどの
微粒子４５を用いることで製造コストの削減が実現でき
る。この金属の微粒子４５は、前記した工程（ａ）のと
ころで、スクリーン印刷等の方法により形成することが
できる。

【００３８】

【発明の効果】この発明によれば、電子線を収束する収
束電極をゲート電極から十分離れた位置に、かつ個々の
エミッタティップに対応して設けることができるので、
エミッタティップからの放出電流量を維持したまま電子
線を収束することができる。また、隣接するエミッタテ
ィップから放出された電子線を、表示装置の陽極板上で
も重ならないようにできる。その結果、高精細な電子源
および表示装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の構造
を示した断面図である。

【図２】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の製造
方法の説明図である。

【図３】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の製造
方法の説明図である。

【図４】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の製造
方法の説明図である。

【図５】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の製造
方法の説明図である。

【図６】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の構造
を示した断面図である。

【図７】この発明の一実施例の微小電界放出陰極の構造
を示した断面図である。

【図８】従来の微小電界放出陰極の構造を示した断面図
である。

【符号の説明】

１エミッタティップ２第一絶縁層３ゲート電極４第二絶縁層５収束電極６基板７蛍光膜８開口部１１電子線３０エミッタティップ３１シリコンウェハ（基板）３２第一絶縁層３３ゲート電極３４レジスト３５ゲート開口部３６第二絶縁層３７収束電極３８レジスト３９収束開口４０レジスト４１開口部パターン４２開口部パターン４３レジスト４４メッキ膜４５金属微粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上あるいは基板上に形成されたエミ
ッタ電極上に複数のエミッタティップを形成する工程
と、第一絶縁層を形成する工程と、ゲート電極を形成す
る工程と、レジストのエッチバックにより前記エミッタ
ティップ上方のゲート電極をエッチングしてゲート開口
部を形成する工程と、第二絶縁層を形成する工程と、収
束電極を形成する工程と、レジストのエッチバックによ
り前記ゲート開口部の上方に、ゲート開口部の開口径よ
りも大きな収束電極の第一開口部を形成する工程と、エ
ミッタティップの先端が露出するように、前記第一開口
部内の第一絶縁層及び第二絶縁層をエッチングする開口
工程とからなり、前記開口工程が、レジストのエッチバ
ックにより前記第一開口部の上に、前記第一開口部の開
口径よりも小さい第二開口部を形成する工程と、第二開
口部を通して前記第一開口部内の第二絶縁層及び第一絶
縁層をエッチングする工程とからなることを特徴とする
電界放出陰極の製造方法。
【請求項２】前記エミッタティップの先端を露出させ
るための開口工程のうち第一絶縁層のエッチング工程の
後、収束電極上にメッキ膜を堆積する工程を経て形成さ
れることを特徴とする請求項１の電界放出陰極の製造方
法。
【請求項３】基板上に、エミッタティップ，第一絶縁
層，ゲート電極，第二絶縁層，収束電極が順に積層さ
れ、第一絶縁層，ゲート電極，第二絶縁層，収束電極を
全て貫通する開口部が個々のエミッタティップに対応し
て設けられ、エミッタティップから出た電子が前記開口
部の開口面を貫いてほぼ垂直方向に放出されるように前
記第二絶縁層の膜厚が設定され、ゲート電極の開口中心
及び収束電極の開口中心と、エミッタティップの中心と
がほぼ一致するように前記開口部内にエミッタティップ
が設けられていることを特徴とする電界放出陰極。
【請求項４】前記基板上にエミッタ電極が形成され、
このエミッタ電極上にエミッタティップが形成されてい
ることを特徴とする請求項３の電界放出陰極。
【請求項５】前記収束電極の膜厚が１μｍ以上である
ことを特徴とする請求項３の電界放出陰極。
【請求項６】前記エミッタティップが複数個の金属微
粒子で形成されることを特徴とする請求項３，４または
５の電界放出陰極。