JP2001506395A - ゲート制御式電子放出デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 粒子（２６）を絶縁層（２４）の上に被着させる工程によって、ゲート制御式電子エミッタを製造する。ゲート材料を絶縁性上の粒子間の空間に被着した後、粒子とその上層をなす材料を除去する。残ったゲート材料はゲート層（２８Ａまたは４８Ａ）を形成し、除去された粒子の位置にはゲート層を貫通するゲート開口部（３０または５０）が形成される。ゲート材料の一部が粒子の下の空間に入り込むようにゲート材料の被着を行うと、ゲート開口部の側面が傾斜した形状となる。ゲート開口部を通して絶縁層をエッチングすることにより、誘電体開口部（３２または５２）が形成される。電子放出素子（３６Ａまたは５６Ａ）は、誘電体開口部に形成される。通常この工程は、エミッタ材料をゲート開口部を通して誘電体開口部に導入する過程と、リフトオフ層（３４）または電気化学技術を用いて過剰なエミッタ材料を除去する過程とを伴う。

Description

【発明の詳細な説明】 ゲート制御式電子放出デバイス及びその製造方法関連出願の相互参照 本出願は、（ａ）Ｈａｖｅｎ等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／＿＿＿＿ ／＿＿＿＿＿、及び（ｂ）Ｈａｖｅｎ等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／＿ ＿＿＿／＿＿＿＿＿に特に類似した内容を含んでいる。利用分野 本発明は、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイのような製品における使用に 適する、通常カソードと称する電子放出デバイスの製造と構造に関するものであ る。 背景技術 電界放出カソード（またはフィールドエミッタ）は、十分な強度の電界を受け たとき電子を放出する。電界は、カソードと、通常アノードまたはゲート電極と 称するカソードから僅かに離れた位置に配置された電極との間に適当な電圧を印 加することにより発生する。 電界放出カソードが、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおいて使用され るとき、カソードからの電子の放出は、かなり広い面積にわたって起こる。電子 放出領域は、通常電子放出部分の二次元配列に分割され、配列の各部分は対応す る発光部分に対向して配置され、画素（またはピクセル）の一部、または全てを 形成する。各電子放出部分から放出された電子は、対応する発光部分に衝突し、 発光部分から可視光線を放出させる。 通常、各発光部分の面積全体にわたって照度が一様（一定）であることが望ま しい。均一な照度を達成するための方法の１つは、対応する電子放出部分の面積 全体にわたって電子が一様に放射されるような構成にすることである。このため に通常は、僅かな距離だけ離隔して配置され た小形の電子放出素子の群として各電子放出部分を形成する。 僅かな距離だけ離隔して配置された小形の電子放出素子を含む電子放出デバイ スの製造のため、種々の技術が研究されてきた。Ｓｐｉｎｄｔ等の“Research i n Micron-Sized Field-Emission Tubes,”IEEE Conf．Rec．1966 Eighth Conf． Tube Techniques，20 September 1966，pp．143-147には、フラット形の電界放 出カソード上での円錐形の電子放出素子の位置を確定するために、球形の粒子を ランダムに分散させる方法が記載されている。この球形粒子の粒径が、円錐形電 子放出素子のベース部の直径を概ね決定する。 厚いアノードを備えた電子放出ダイオードの製造において、Ｓｐｉｎｄｔ等の 方法によれば、初めに上側モリブデン層が、下側モリブデン層の上に配設された 中間誘電体層の上層をなす構造を形成する。球形のポリスチレン粒子を上側モリ ブデン層上に分散した後、通常はアルミナである「レジスト」を、構造の上部に 被着する。球形粒子を除去して、レジストの球形粒子上の部分を除去することに より、レジストを貫通する開口部を形成する。 上側モリブデンを、レジストの開口部を通してエッチングし、上側モリブデン 層を貫通する開口部を形成する。次いでレジストと上側モリブデンの開口部を通 して中間誘電体層をエッチングし、中間誘電体層を通して下側モリブデン層に達 するキャビティを形成する。レジストの除去は、通常キャビティの形成時に行う 。 最後に、構造の上部及び中間誘電体層のキャビティの中にモリブデンを蒸着す る。この蒸着は、モリブデンが誘電体層に堆積するときに通過する開口部が次第 に閉じてゆくように行う。誘電体層のキャビティ内に円錐形の電子放出素子を形 成するとともに、上側モリブデン層と結合してダイオードのアノードを同時に形 成する連続的なモリブデン層を上側 モリブデン層上に堆積する。 Ｓｐｉｎｄｔ等の方法における、電子放出素子の位置、ベース部の直径を設定 するための球形の粒子の利用は、電子放出デバイスを形成するための独創的な方 法である。しかし、電子放出コーンにより放出された電子は、真上にあるアノー ドに収集され、従って発光領域を直接能動化するのに使用されない。フラットパ ネル型デバイスにおける発光素子を高い一様性をもって直接能動化するために用 いられ得る電子を放出する、僅かな距離だけ離隔して配置された小形の電子放出 素子群の位置を確定するためには球形の粒子を用いることが望ましい。発明の概要の開示 本発明は、上述のように、典型的には球形である粒子をゲート制御式電子放出 デバイスの製造において使用する製造プロセスの群を提供する。この粒子はゲー ト制御式電子エミッタにおける電子放出素子の位置や、横方向の領域もかなりの 程度まで確定する。重要な点は、本発明の製造プロセスが、電子放出素子によっ て放出される電子が例えばフラットパネル型デバイスにおける発光領域のような 素子を直接能動化するために使用され得るように構成されている点である。 粒子の表面密度は容易に高いレベルに設定することができる。電子放出素子の 位置が粒子によって確定されることから、電子放出素子の表面密度は粒子の表面 密度に等しくなる。従って、電子放出素子の表面密度を容易に高めることができ る。粒子の表面密度及び平均粒径を適切に調節することにより、電子放出素子群 を、互いに適切に近接した距離だけ離隔して配置することができる。 更に、この粒子は、その粒径分布が小さくなるように容易に選択することがで きる。即ち平均粒径の標準偏差は極めて小さくなる。従って、通常電子放出素子 は、特にそれが円錐形の形状であるとき、その大部分 が等しい横方向の面積を占めるようになる。電子エミッタが、本発明に従って通 常のプロセス制御を用いた従来の製造装置によって製造されるとき、電子放出素 子群は互いに極めて類似した形態に形成することができる。 この粒子群、更にはこれらの電子放出素子群は、通常互いに概ねランダムな位 置に配置される。それにもかかわらず、単位面積あたりの電子放出素子の数は全 電子放出領域にわたって比較的一様である。最終的には、本発明の製造プロセス に従った粒子の利用によって、高度に一様な電子放出が達成され得、これにより 発光領域を高度に一様な形態で直接能動化することが可能となる。 本発明の一実施例によるゲート制御式電子エミッタの製造では、多数の粒子を 電気的に絶縁性の層の上に分散させる。次いで、好ましくは球形の形状であるこ の粒子を用いて、電子エミッタのためのゲート開口部を形成する。これには、少 なくとも粒子間の空間において、絶縁性層の上層をなす電気的に非絶縁性のゲー ト材料を設けることが必要である。後に説明するように、「電気的に非絶縁性」 なる言葉が意味するのは、電気的な性質が導電性或いは抵抗性ということである 。次いでこの粒子群を除去する。粒子除去操作の際に、粒子の上に堆積した任意 のゲート材料が同時に除去されることになる。残ったゲート材料がゲート層を形 成し、このゲート層の除去された粒子の位置にはゲート層を貫通するゲート開口 部が形成される。 このゲート層をマスクとして使用して、絶縁性層をゲート開口部を通してエッ チングし、誘電体開口部を形成する。この誘電体開口部は、絶縁性層を貫通し、 実質的に縁性層の下に設けられた電気的に非絶縁性の領域に達する。電気的に非 絶縁性のエミッタ材料を誘電体開口部に導入して、ゲート開口部を通して外部に 露出される対応する電子放出素子を 形成する。この操作は、通常、ゲート層の上及びゲート開口部を通してエミッタ 材料を被着し、次いで誘電体開口部の外側のゲート層の上に堆積したエミッタ材 料の少なくとも一部を除去することにより行われる。電子放出素子は通常円錐形 の形状である。 ゲート層の上層をなす過剰なエミッタ材料の除去は様々な方法で行うことがで きる。例えば、エミッタ材料を被着する前に、ゲート材料の上に、リフトオフ層 を形成することができるが、このとき、このリフトオフ層を貫通し、ゲート開口 部と垂直方向に整合したリフトオフ開口部が形成されるようにする。エミッタ材 料の被着において、このエミッタ材料の一部がリフトオフ開口部及びゲート開口 部を通過して誘電体開口部に入ってゆく際に、エミッタ材料の他の部分はゲート 層の上のリフトオフ層上にも堆積することになる。次いでこのリフトオフ層を除 去して、ゲート層の上に蓄積された過剰なエミッタ材料を実質的に除去する。別 法として、リフトオフ層を必要としない電気化学的方法によってゲート層の上層 をなすエミッタ材料の一部又は全てを除去することができる。いずれの場合でも 、電子放出素子は形成された構造においてゲート開口部を通して外部に露出され る。 絶縁性層上に粒子を分散させる前、つまり構造の上にゲート材料を被着させる 前に、絶縁性層の上に中間層を設けることができる。この場合、粒子を絶縁性層 の上層をなす中間層の上に分散させる。この中間層は通常、後に形成されるゲー ト層のための接着層としての機能を果たす。 重要なことは、粒子分散過程の際、特にその粒子が電界の影響下で、即ち電気 泳動的或いは誘電泳動的に中間層の上に分散される場合に、粒子の凝集を抑止す ることもできる点である。粒子の凝集を抑止することにより、粒子の表面密度を 高めることができる。従って中間層を用いることにより、本発明によって作製さ れる電子エミッタの特性を著しく改 善することができる。 本発明の或る実施例においては、ゲート開口部が、その側面が傾斜した形態を 有する。即ち、各ゲート開口部の直径は、開口部を下側非絶縁性領域に向かって 進むにつれ次第に小さくなっている。各ゲート開口部の直径は、ゲート層の底部 、或いはその近傍において最小値に達する。電子放出素子を形成するべく誘電体 開口部の中にエミッタ材料を被着する際にゲート層上に堆積した過剰なエミッタ 材料の除去においてリフトオフ層を使用すると、ゲート開口部の傾斜のためにエ ミッタ材料が誘電体開口部に入る際に通過する開口部を著しく埋めずに、リフト オフ層を厚く形成することが可能となる。 傾斜したゲートを有する電子エミッタを形成するため、好ましくは球形である 多数の粒子を電気的に絶縁性の層の上に分散させる。絶縁性層の上には電気的に 非絶縁性のゲート材料が被着されるが、このときこのゲート材料が、粒子間の空 間をカバーするとともに、絶縁性層上の粒子の下の空間に入り込むようにする。 非コリメート（non-collimated）スパッタリングのような非コリメート式の技術 をゲート材料の被着に用いるのが好ましい。 この粒子は概ね除去される。粒子上に堆積した任意のゲート材料は粒子の除去 の際に同時に除去され、これにより形成されたゲート層の除去された粒子の位置 にゲート層を貫通するゲート開口部が形成される。このゲート材料はもともと粒 子の下に入り込んだものであることから、ゲート開口部はこの時点で側面が傾斜 した形態となっている。エッチング用のマスクとしてゲート層を用いて、側面が 傾斜したゲート開口部を通して絶縁性層のエッチングを行い、絶縁性層を貫通し て下側の電気的に非絶縁性の領域に達する、対応する誘電体開口部を形成する。 誘電体開口部の中の下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を形成する。 この電子放出素子の形成工程には、通常、ゲート層の上にリフトオフ層を被着す る過程と、リフトオフ層の上及びゲート開口部を通して誘電体開口部の中にエミ ッタ材料を被着する過程と、リフトオフ層を除去して該リフトオフ層上に堆積し た任意の過剰なエミッタ材料を除去する過程とが含まれる。初めに説明した本発 明の実施例のように、この時点で電子放出素子は、ゲート開口部を通して外部に 露出された形態となっている。 別法として、リフトオフ層を使用することなくエミッタ材料をゲート層の上、 及びゲート開口部を通して誘電体開口部の中に被着することができる。ゲート層 上の過剰なエミッタ材料の少なくとも一部分の除去は、通常電気化学的技術を用 いて行われ、この除去が行われると電子放出素子が外部に露出された形態となる 。この別法は、製造工程の数が少ない点、及び非コリメートスパッタリングのよ うな非コリメート技術によるゲート層の被着が平行技術を用いるよりコストがか さまない点で魅力的である。 本発明の更に別の実施例によるゲート制御式電子エミッタの製造においては、 絶縁性層上に形成されたパターン転写層の上に粒子を分散させる。パターン転写 層の、粒子の影になっていない（即ち粒子で垂直方向に覆われていない）部分を 除去することによりパターン転写層から粒子に対応する位置に台座状のペデスタ ル部を形成する。次いで少なくとも粒子の間の空間、つまり粒子の陰になってい ない空間に、絶縁性層の上にゲート材料を被着する。絶縁性層とパターン転写層 との間に、適切な電気的に非絶縁性の中間層を設けることにより、ゲート材料を 電気化学的に被着することができる。 ペデスタル部や粒子を含む上側の材料を除去する。残ったゲート材料がゲート 層を形成し、このゲート層のこのようにして除去されたペデス タル部の位置には層を貫通するゲート開口部が形成されている。次いでこの構造 を上述の方法で処理して、絶縁性層における誘電体開口部と、誘電体開口部内の 電子放出素子を形成する。 本発明による、いずれの製造プロセスを用いる場合も、本発明により製造され た電子エミッタの電子放出素子によって放出された電子の移動は、絶縁性層の上 に被着された導電性材料によって妨げられない。この電子は電子エミッタを越え て移動し、電子エミッタの上方の、電子エミッタから適切な距離の位置に配置さ れた発光領域のような素子を能動化することができる。最終的には、本発明によ り、特に大面積フラットパネル型ＣＲＴディスプレイのようなフラットパネル型 ＣＲＴデバイスに容易に組み込むことができる高性能の電子エミッタを製造する ための経済的なプロセスが提供される。 本発明の重要な特徴は、ゲート材料の候補として、そのゲート材料を通して小 形、典型的にはミクロン未満のサイズの開口部を正確にエッチングすることが困 難な、金のような金属を含めることができる点である。具体的には、ゲート材料 が粒子の上に被着されるとき、ゲート材料の被着が行われている際に粒子又はペ デスタル部の位置においてゲート開口部が形成される。つまりゲート開口部を形 成するのにエッチングを行う必要がない。この結果、ゲート材料としてエッチン グが困難な金属を用いることができるのである。図面の簡単な説明 第１ａ図〜第１ｈ図は、本発明によるゲート制御式電子エミッタの製造のため のプロセスの各段階を示す構造の断面図である。 第２ａ図〜第２ｊ図は、第１ａ図〜第１ｈ図に示す製造プロセスの或る実施例 における各段階を示す構造の断面図である。 第３ａ図〜第３ｈ図は、本発明によるゲート制御式フィールドエミッ タの製造のための別の製造プロセスの各段階を示す構造の断面図である。 第４図は、ゲート開口部を中心にした第３ｆ図の一部を拡大した構造の拡大断 面図である。 第５ａ図〜第５ｃ図は、第１ｅ図の中間構造から開始される、本発明によるゲ ート制御式フィールドエミッタの製造の終了までの一連の工程の各段階を示す構 造の断面図である。 第６ａ図〜第６ｉ図は、本発明によるゲート制御式フィールドエミッタの製造 のための別の工程の各段階を示す構造の断面図である。 第７ａ図〜第７ｇ図は、本発明によるゲート制御式フィールドエミッタの製造 のための一連の前段階工程の各段階を示す構造の断面図である。この第７ａ図〜 第７ｇ図に示す工程は、例えば第１ｅ図〜第１ｈ図の工程によって完了させるこ とができる。 第８図は、本発明により形成された、例えば第２ｊ図のようなゲート制御式フ ィールドエミッタを組み込んだフラットパネル型ＣＲＴディスプレイの構造の断 面図である。 図面及び以下の好適実施例の説明において、同一の、或いは著しく類似した要 素には同じ符号を付して示した。好適実施例の説明 本発明では、ゲート制御式電界放出カソードのゲート電極における開口部を確 定するために構造の表面に分散させた粒子を用いる。本発明により製造されたフ ィールドエミッタは、フラットパネル型装置のＣＲＴのフェースプレート上の励 起燐光体領域用として適したものである。前述のフラットパネル型装置の例とし ては、フラットパネル型テレビや、パーソナルコンピュータ、ラップトップコン ピュータ、又はワークステーション用のフラットパネル型モニタがある。 本発明は、ゲート開口部を確定するために通常は球形の形状を有する 粒子の種々の使用方法を提供する。このフィールドエミッタは多数の電子放出素 子を備え、各電子放出素子は対応するゲート開口部の一つを通して電子の一つを 放出する。粒子がゲート開口部の位置を確定しているため、その粒子は電子放出 素子の位置も確定することになる。 以下の説明に置いて、用語「電気的に絶縁性の」（又は「誘電体の」）は、一 般に抵抗率は１０¹⁰Ω−ｃｍ以上の材料を意味する。用語「電気的に非絶縁性」 は、従って抵抗率が１０¹⁰Ω−ｃｍ未満の材料を意味する。電気的に非絶縁性の 材料は、（ａ）抵抗率が１Ω−ｃｍ未満の導電性材料と、（ｂ）抵抗率が１〜１ ０¹⁰Ω−ｃｍの範囲にある（電気的に）抵抗性の材料とに分けられる。このよう な分類は、１Ｖ／μｍ以上の電界強度において設定されたものである。 導電性材料の例には、金属、金属−半導体化合物（例えば金属珪化物）、及び 金属−半導体共融混合物がある。導電性材料には、（Ｎ型又はＰ型の）中程度か ら高濃度のドーピングをされた半導体も含まれる。電気的に抵抗性の材料には、 真性半導体及び（Ｎ型又はＰ型の）低濃度のドーピングをされた半導体が含まれ る。電気的に抵抗性の材料の別の例には、（ａ）例えばサーメット（金属粒子を 埋没させたセラミック）のような金属−絶縁体複合材料、（ｂ）グラファイト、 アモルファスカーボン、及び改質ダイヤモンド（例えば、ドーピングされた、若 しくはレーザーにより改質されたダイヤモンド）のような種々の形態の炭素、（ ｃ）及び珪素−炭素−窒素のようなある種の珪素−炭素化合物がある。 図面に於いて、第１ａ図〜１ｈ図（集合的に「第１図」）には、本発明の技術 による円錐形電子放出素子のためのゲート開口部を確定するために球形粒子を用 いるゲート制御式電界放出カソードの製造のための工程が示されている。第１図 の製造工程では、開始点は、通常セラミック又はガラスで形成された電気的に絶 縁性の基板２０である。第１ａ図を 参照されたい。基板２０は電界エッミッタの支持帯を成し、板形状に形成されて いる。フラットパネル型ＣＲＴディスプレイに於いて、基板２０はバックプレー トの一部を構成する。 下側の電気的に非絶縁性のエミッタ領域である下側非絶縁性領域２２は基板２ ０の上に配設される。下側非絶縁性領域２２は、様々な形態に構成され得る。下 側非絶縁性領域２２の少なくとも一部は、通常行電極と称される、概ね平行なエ ミッタ電極ラインの群にパターニングされる。非絶縁性領域２２をこのように構 成した場合、最終的な電界放出カソードは、フラットパネル型ＣＲＴディスプレ イに於ける発光燐光体素子の励起のために特に適したものとなる。それにも関わ らず、非絶縁性領域２２を、他のパターンに形成したり、或いはパターニングせ ずに設けることもできる。 十分に一様な電気的に絶縁性の絶縁性層２４が構造の上部に設けられる。絶縁 性層２４は、通常シリコン酸化物からなる。別形態では、層２４をシリコン窒化 物で形成することもできる。第１ａ図には示されていないが、絶縁性層２４の一 部は、下側非絶縁性領域２２の形状によっては基板２２に接触し得る。絶縁性層 ２４の一部は、後にエミッタ／ゲート電極間層誘電体となる。 絶縁性層２４の厚みは、後に形成される電子放出素子が先端部が層２４の上よ りわずかに突出する円錐型部（コーン）として形成される程度の十分な厚さを有 しているべきである。各電子放出コーンの高さは、後に説明するように、電子放 出コーンのためのゲート開口部を確定するのに用いられる球形粒子の直径によっ て決まる、そのベース部の直径によって決まる。絶縁性層２４の厚みは通常球形 粒子の直径の１〜２倍である。絶縁性層の厚みは、通常０．１〜３μｍの範囲で ある。 固体の球形粒子２６は、第１ｂ図に示すように絶縁性層２４の上部全 体にわたってランダムに、又は概ねランダムに分散される。球形粒子２６は通常 ポリスチレンからなる。粒子２６の別の材料には、ガラス（例えばシリコン酸化 物）、ポリスチレン以外のポリマー（例えばラテックス）、及び水酸基（アルコ ール）、有機酸基、アミド基、及びスルホン化基のような官能基が付加された（ coated）ポリマーが含まれる。 粒子２６がポリスチレンからなるとき、粒子の平均粒径は０．１〜３μｍの範 囲にあり、典型的には０．３μｍである。平均粒径の標準偏差は通常非常に小さ く、１０％未満、典型的には２％未満である。絶縁性層２４表面の粒子４６の平 均表面密度は１０⁶〜１０¹⁰粒子／ｃｍ²の範囲であり、好ましくは１０⁷〜１０⁹ 粒子／ｃｍ²の範囲である。典型値は１０⁸粒子／ｃｍ²である。 球形粒子２６は絶縁性層２４に強力な接着力で接着する。この接着の仕組みに おいては、ファンデルワールス力が少なくとも部分的に寄与していると考えられ ている。球形粒子２６の一部又はすべては帯電した状態にあり得る。例えば、球 形粒子２６がポリスチレンからなる場合は負に帯電している。初期構造２０／２ ２／２４が逆の極性に帯電していると、それは粒子の貼着の助けとなり得る。い ずれの場合にも、粒子２６は層２４にひとたび貼着すると、層から容易に離れる ことはない。 球形粒子２６を絶縁性層２４表面上に分散させるために様々な技術を用いるこ とができる。この技術の一つでは、初めに適当な小さいポリスチレンの球を含む 脱イオン水を、ビーカー内で試薬級のアルコールに結合する。このアルコールは 通常イソプロパノールである。アルコールの他の候補にはエタノールがある。 イソプロパノールを用いた場合、得られたイソプロパノール／水溶液に於ける 成分はイソプロパノールであり、通常は容積比で９９％をイソプロパノールが占 める。ポリスチレン球をイソプロパノール／水溶液内 に懸濁する。溶液内に窒素の気泡を通して、溶液全体における球体分布をより一 様にする。別法では、溶液を超音波撹拌して、溶液全体における球体分布の均一 性を改善することもできる。 概ね円形のウエハの形態で形成された初期構造２０／２２／２４を準備し、こ のウエハをスピンチャンバ内に置く。ウエハがチャンバ内にある間、懸濁された ポリスチレン球体を含むイソプロパノール／水溶液の調整した量を、ウエハの上 に、ウエハの上側表面の選択された部分をカバーするがウエハの上部からこぼれ ないように被着する。ついでこのウエハを短時間スピンさせて、溶液の大部分を 取り除く。スピニング速度は２００〜２０００ｒｐｍで、好ましくは７５０ｒｐ ｍである。スピニング時間は５〜１２０秒で、好ましくは２０秒間である。エン クロージャ（即ちスピンチャンバ）内に於いてスピンさせることにより、エンク ロージャ内の雰囲気がイソプロパノールで飽和し、球体のより均一な分布が得ら れることになる。 スピンの間に、残りのイソプロパノール／水溶液は概ね全て蒸発し、ポリスチ レンの球形粒子２６が残る。イソプロパノール／水溶液がいくらか残っている場 合には、乾燥させてイソプロパノール／水を取り除く。乾燥操作は、例えば窒素 ガスの噴射により行うことができる。乾燥操作を行う、行わないに関わらず、続 けてウエハがスピンチャンバから取り出される。このようにして、第１ｂ図の構 造が形成される。 電気的に被絶緑性のゲート材料は、絶縁性層２４および球形粒子２６の上に被 着される。このゲート材料の被着は、通常蒸着又はコリメートスパッタリングの ような技術を用いて、層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに行われる。ゲ ート材料は球形粒子２６間の空間において層２４の上に堆積し、比較的一様な厚 みの電気的に非絶縁性のゲート層２８Ａが形成される。第１ｃ図を参照されたい 。ゲート材料の一部２８Ｂ は、粒子２６の上側半分（半球）上に同時に堆積している。ゲート材料の一部２ ８Ｂがゲート層２８にブリッジするのを回避するため、ゲート層２８Ａの厚みは 、通常球体２６の平均半径より小さい厚みとする。ゲート材料は、通常例えばク ロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン、又は金のような金属であ る。 この時点において、球形の粒子２６の除去を、構造の他の部分を著しく損なわ ない技術を用いて行う。粒子２６の除去の間、ゲート材料部分２８Ｂは同時に除 去されて、第１ｄ図に示す構造が形成される。このとき、ゲート開口部３０が、 除去された粒子２６の位置においてゲート層２８Ａを貫通する形態で形成されて いる。このようにして、粒子２６がゲート開口部３０の位置を直接確定する。ゲ ート開口部３０の形成が、粒子２６上のゲート材料の被着の際になされ、ゲート 材料のエッチングは行わないため、後に電子放出コーンが突出する小形の開口部 、即ちその直径が通常１μｍ未満の開口部をエッチングでは正確に形成すること が困難である金を、ゲート材料の候補に含められる。 除去された粒子２６は球形であるため、ゲート開口部３０は概ね円形の形状を 呈する。ゲート層２８を形成するための被着が、絶縁性層２４の上側表面に対し て概ね垂直な向きに行われたとき、各ゲート開口部５０の直径は、対応する除去 された球形粒子２６の直径に概ね等しくなる。 球形粒子２６がポリスチレンからなるとき、その除去には通常機械的工程が用 いられる。例えば、粒子２６を超音波／メガソニック処理により除去することが できる。別法として、球体２６の除去のために高圧水噴射を用いることもできる 。 球体の除去に超音波／メガソニック処理を用いる場合、球体２６の大部分は、 処理の中の超音波処理の間に除去される。超音波処理は、通常僅かな容積百分率 （例えば１％）のＶａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００アル カリ性界面活性剤（２−ブチルキシエタノール及び非イオン系界面活性剤）を含 む脱イオン水のバスにウエハを入れ、このバスに１０分間超音波振動を加えるこ とにより行われる。ウエハが超音波バスから取り出された後、このウエハを脱イ オン水でリンスする。メガソニック処理は、超音波処理の後に残った球体２６を 除去するために行われ、この処理では、通常わずかな容積百分率（例えば０．５ ％）のＶａｌｔｏｒｏｎ ＳＰ２２００アルカリ性界面活性剤を含む脱イオン水 のバスにウエハを入れ、このバスに１５分間メガソニック振動を加える。次いで このウエハをメガソニックバスから取り出し、脱イオン水でリンスして、スピン 乾燥する。 超音波処理及びメガソニック処理の両処理の際、Ｖａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２０ ０界面活性剤の代わりに、粒子２６の荷電を概ね中和する界面活性剤を用いるこ とができる。荷電中和界面活性剤には、通常イオン系界面活性剤が含まれる。 ゲート層２８Ａをエッチングマスクとして用いて、絶縁性層２４をゲート開口 部３０を通してエッチングし、対応する誘電体開口部（又は誘電体開口空間）３ ２を、層２４を貫通し下側非絶縁性領域２２に達する形態に形成する。第１ｅ図 を参照されたい。ここで要素２４Ａは、絶縁性層２４の残った部分である。電極 間誘電体エッチングは、通常流電帯開口部３２がゲート層２８Ａにいくらかアン ダーカットするように行われる。アンダーカットの量は、後に被着されるエミッ タコーン材料が誘電体開口空間３２の側壁（又は側面エッジ部分）上に堆積して 電子放出素子をゲート層２８Ａに短絡させないだけの十分な量となるように選択 される。 電極間誘電体エッチングは様々な方法で行うことができるが、例えば（ａ）１ 又は２以上の化学的エッチング剤を用いる等方性ウエットエッ チング、（ｂ）アンダーカット性（即ち不完全に異方性の）ドライエッチング、 及び（ｃ）アンダーカットのウエットエッチング又はドライエッチングを後で行 う非アンダーカット性（完全異方性）ドライエッチングなどがある。絶縁性層２ ４がシリコン酸化物からなるとき、エッチングは好ましくは二段階で行われる。 完全異方性（即ち概ね一方向性の）プラズマエッチングを四フッ化炭素を用いて 行って絶縁性層を概ね貫通する垂直な開口部を形成し、その後等方性ウエットエ ッチングを緩衝フッ化水素酸を用いて行って、初めの開口部の幅を広げて誘電性 開口部３２を形成する。 リフトオフ層３４は、構造を、リフトオフ材料源に対して、絶縁性層２４の上 側表面に対して垂直な軸の周りに回転させながら、ゲート層２８Ａの上側表面に 対して中程度の角度、通常は概ね４５度の向きで適切なリフトオフ材料を蒸着さ せることにより、構造の上部に形成される。第１ｆ図を参照されたい。リフトオ フ層３４の一部は、通常ゲート開口部３０の位置の層２８Ａのエッジ部をカバー している。リフトオフ層の被着角度は、リフトオフ材料が誘電体開口空間３２の 下側非絶縁性領域２２の上に事実上堆積しない程度の十分に小さい値に設定され る。 リフトオフ材料は通常アルミニウムのような金属である。別形態では、リフト オフ材料は、アルミニウム酸化物のような誘電体、又はフッ化マグネシウム、塩 化マグネシウム、若しくは塩化ナトリウムのような塩であり得る。リフトオフ材 料は金属／誘電体複合材料であってもよい。リフトオフ材料の組成は、ゲート層 ２８Ａ、絶縁性層２４Ａ、下側非絶縁性エミッタ領域２２、及び電子放出素子を 形成する材料に対して選択的エッチングが可能である限り、特に重要ではない。 電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、絶縁性層２４Ａの上側表面に対し て概ね垂直な向きに構造の上部に蒸着される。エミッタコーン 材料はリフトオフ層３４の上に蓄積し、且つゲート開口部３０を通過して誘電体 開口空間３２における下側の非絶縁性領域２２の上に蓄積する。リフトオフ層３ ４上えのコーン材料の蓄積のため、コーン材料が開口空間３２に入っていく時に 通過する開口部は次第に閉じられてゆく。この蒸着はこれらの開口部が完全に封 止されるまで行われる。この結果、コーン材料は誘電体開口部３２内に堆積し、 第１ｇ図に示すような対応する円錐形電子放出素子３６Ａを形成する。コーン材 料の連続層３６Ｂもリフトオフ層３４上に同時に形成される。このコーン材料は 通常、モリブデン、ニッケル、クロム、又はニオブのような金属、もしくは炭化 チタンのような耐熱性の金属炭化物である。 ここでリフトオフ層３４が適切なエッチング剤を用いて除去される。層３４の 除去の際、過剰なコーン材料層３６Ｂも同時に除去される。第１ｈ図に示すのは 、このようにして形成された電子エミッタである。電子放出コーン３６Ａは、こ のときゲート開口部３０を通して外部に露出される。コーン材料の被着がゲート 層２８Ａに対して概ね垂直な向きに行われたことから、各電子放出コーン３６Ａ は、対応するゲート開口部３０上に垂直方向に同心の位置に設けられ、従って対 応する除去された球形粒子２６の位置とも垂直方向に同心に形成される。結果的 に、コーン３６Ａの位置は球体２６（の位置）によって確定されることになる。 電子放出コーン３６Ａは、粒子２６Ａの表面への分散がランダムもしくは概ね ランダムであったことから、互いにランダム又は概ねランダムな位置に配置され ている。それにも関わらず、コーン３６Ａの単位面積当たりの数は全電子放出領 域にわたって余り変わらない。 各コーン３６Ａのベース部の直径は、蒸着されるコーン材料の原子の経路が平 行ビームからどの程度異なっているかによって決まる、対応する除去された球２ ６の直径と概ね等しい直径である。この結果、コーン ３６のベース部の平均直径は、粒子２６の平均直径を調節することにより制御さ れることになる。粒子の平均直径を小さくすることにより、コーンの平均直径も 概ね同程度に小さくなり、その逆も言える。このようにして、粒子２６は電子放 出コーンによって占められる横方向の面積を決定する。球体２６がコーン３６Ａ の位置を確定する限り、コーン３６Ａ間の平均距離は、球体２６の平均表面密度 及び平均粒径を調節することにより制御される。 粒子２６の平均粒径の標準偏差は、上述のように、粒子の平均粒径と比較して 極めて小さい。従って電子放出コーン３６Ａのベース部の平均直径の標準偏差は 、初めの概算ではコーンのベース部の平均直径と比較して同様に小さいものとな る。粒子２６が球形であるため、３６Ａのベース部も概ね円形になる。またコー ン３６Ａが占める横方向の面積は概ね等しい。球体の直径や電極間誘電体層２４ Ａの厚みのようなパラメータを適切に調節することにより、電子放出素子３６Ａ のサイズ及び形状を高度に均一なものとすることが容易にできる。 電子放出コーン３６Ａは、好ましくは小形で、互いに僅かな距離だけ離隔され て配置されるような形態に形成される。このことは、適切な平均粒径の小さい球 体２６を使用し、この球体２６を球体受容面上に適切な密度で分散させることに より達成される。コーン３６Ａのサイズ及び形状のばらつきが極くわずかである ため、電子の放出は、電子放出領域全体に亘って比較的一様になされる。重要な ことは、この非常に望ましい特徴が、粒子２６のサイズ及び表面密度を調節して 電子の流れがよく制御されるようにすることによって概ね達成されるという点で ある。 下側非絶縁性エミッタ領域２２は、通常下側導電性層と上側（電気的）抵抗性 層からなる。領域２２におけるこの２つの層の少なくとも下側導電性層は、同じ く相互に平行なラインにパターニングされて、エミッタ 行電極を形成する。 ゲート層２８Ａは、下側非絶縁性領域２２のエミッタ行電極に対して直角な方 向に走るゲートラインの群にパターニングされ得る。このゲートラインは列電極 としての役目を果たす。ゲート層２８Ａに適当なパターニングを施すことにより 、第１ｈ図のフィールドエミッタは、別形態としてゲート層２８Ａの一部に接触 し行電極に対して垂直な方向に走る独立した列電極を備えた形態となり得る。こ のゲートパターン形成と、それが含められる場合の独立した列電極形成とは、絶 縁性層２４をエッチングして誘電体開口部３２を形成する前に通常行われるが、 このプロセスの後の段階で行うこともできる。 第２ａ図〜第２ｊ図（集合的に「第２図」）は、前の二つの段落に記載された 特徴がフィールドエミッタに導入されるような、第１図のプロセスの実施態様を 示した図である。第２図のプロセスは基板２０から開始され、初めの仕事は行電 極を形成することである。導電性エミッタ電極材料、即ち好ましくはクロムまた はニッケルのような金属のブランケット層が基板２０上に０．１〜０．４μｍの 厚み、好ましくは０．２μｍの厚みに被着される。この被着処理は、通常スパッ タリングにより行われる。 適切なフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、ブランケット導電性層は 、平行なエミッタ電極ラインの群２２Ａにパターニングされる。第２ａ図に示す のは図面の平面に対して直交する向きに水平に延在するこのような導電性エミッ タ電極ライン２２Ａの１つである。ブランケット導電性層の不必要な部分は、例 えば硝酸のような、フォトレジストをアンダーカットするウエットエッチング剤 により除去される。この結果、導電性エミッタライン２２Ａのエッジ部には強い 傾斜がつけられる。この傾斜の角度、即ち基板２０の上部と各ライン２２Ａのエ ッジ部との間 の角度は、通常約２０度である。このようにエミッタライン２２Ａに傾斜を与え ることにより、後続の各処理の際のステップカバレッジ（段差被覆性）を改善す る助けとなる。 電気的に抵抗性の材料、好ましくはサーメットまたは珪素−炭素−窒素化合物 のブランケット層は、構造体の上部に被着される。ブランケット抵抗性層の厚み は０．２〜０．７μｍ、好ましくは０．３μｍである。通常この被着過程は同様 にスパッタリングにより行われる。 別の適切なフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、ブランケット抵抗性 層をそれぞれ導電性ライン２２Ａの上層をなす平行なラインの群２２Ｂにパター ニングする。第２ａ図に示すのは、抵抗性ライン２２Ｂの１つである。ブランケ ット抵抗性層の不必要な部分は、導電性ライン２２Ａを形成するのに用いたエッ チング剤のような、フォトレジストをアンダーカットするプラズマエッチング剤 を用いて除去する。抵抗性ライン２２Ｂのエッジ部は、同様に通常約２０度の角 度で傾斜が付けられ、これによって後続の被着段階における段差被覆性を改善す る。各導電性エミッタライン２２Ａ及びその上層をなす抵抗性ライン２２Ｂは行 電極を形成する。 絶縁性層２４はシリコン酸化物からなり、構造の上部に０．２〜１．０μｍ、 好ましくは０．３５μｍの厚みに形成される。絶縁性層２４の形成は、３５０℃ でのプラズマＣＶＤにより行われる。行電極への電気的接続をなすようにするた め、更に別のフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、第２ａ図の外側の絶 縁性層２４の部分が、構造の外周部において除去される。 球形の粒子２６は、上述のように構造の上部に分散され、第２ｂ図の構造が形 成される。通常はクロムであるゲート材料が、上述のように構造の上部に厚み０ ．０２〜０．０８μｍ、好ましくは厚み０．０４μｍ で被着される。これによって、第２ｃ図の構造が形成される。球体２６は上述の ように除去され、第２ｄ図の構造が形成される。この時ゲート開口部３０をを通 してゲート層２８Ａが露出されている。 適切なフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、ゲート層２８Ａはその第 ４部が列電極になる予定の位置の下にくる部分にパターニングされる。要素２８ Ｃがゲート層２８Ａのその残りの部分を示す第２ｅ図を参照されたい。このゲー ト層のパターニングは、通常、完全異方性プラズマエッチング剤を用いて行われ る。別法では、ゲート層のパターニングにウェットケミカルエッチングまたは部 分的異方性プラズマエッチングを用いることもできる。 ここで列電極が形成される。電気的に非絶縁性の列電極材料、好ましくは金属 からなるブランケット層が、構造体の上部に厚み０．１〜０．５μｍ、列電極材 料がニッケルからなる場合好ましくは０．１５μｍで被着される。クロムのよう な他の金属も、それがゲート材料に対して選択的にエッチング可能（即ちゲート 材料と異なっている）、若しくは列電極パターニング（以下に説明）が、ゲート 層２８Ｃを著しく損なわないように行われるという条件のもとで列電極材料とし て用いることができる。この列電極材料の被着は通常スパッタリングにより行わ れる。 適切なフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、ブランケット列電極層を ゲート層の部分２８Ｃの上層をなし、導電性エミッタライン２２Ａに対して直交 して延在する平行な列電極の群４０にパターニングされる。パターニング処理の 際に、電極４０がエミッタライン２２Ａと交差する位置の上において列電極４０ を貫通するアパーチャ４２が形成される。第２ｆ図には、図のようにして形成さ れた、列電極４０が図面の平面に対して平行に水平に延在する構造体が示されて いる。このパターニングはフォトレジストをアンダーカットする硝酸のようなエ ッチング 剤を用いて行われる。従って、列電極４０のエッジ部には通常約２０度の強い傾 斜が与えられ、これが後続の被着過程における段差被覆性を改善する。 電子エミッタ形成の残りの工程は、第１ｅ図〜第１ｈ図のゲート層２８Ａをゲ ート電極部分２８Ｃに置き換えた、第１ｅ図〜第１ｈ図のフィールドエミッタに ついて説明した方法と概ね同じ方法で行われる。誘電体開口部３２は、絶縁性層 ２４を通して形成され、第２ｈ図の構造が形成される。リフトオフ層３４は第２ ｈ図に示すような構造の上部に形成される。 円錐型の電子放出素子３６Ａ及び連続した過剰なゲート材料層３６Ｂを形成す るゲート材料被着により形成された構造は、第２ｉ図に示されている。第２ｊ図 に示すのは、リフトオフ層３４と過剰なエミッタ材料層３６Ｂの同時除去の後、 形成されたフィールドエミッタである。最終的なフィールドエミッタでは、抵抗 性層２２Ｂが、電子放出コーン３６Ａとその下層をなすエミッタ行ライン２２Ａ との間で少なくとも１０⁶オーム、典型的には１０⁸オーム以上の抵抗率を与える 。 別法では、列電極を上述よりも早い段階において、ゲート層が部分的に列電極 の上層をなすように形成することができる。具体的には、構造体の上部に球体２ ６を分散させる前に、列電極を絶縁性層２４の上に形成することができる。列電 極が平行なラインとして形成されることに加えて、この別法では、電子放出素子 の形成される予定の位置の上にアパーチャを備えた列電極が形成される。その後 、球体を分散させる過程、ゲート材料を被着させる過程、球体を除去する過程、 及びゲート材料のパターニング過程が、第２図のプロセスとして説明した方法で 行われる。 先述した別法においては、列電極はゲート層と同じ材料、例えばクロム若しく はゲート層のパターニングに用いられるエッチング剤が作用す る材料からなり得る。従って列電極のエッチングはゲートパターニングの際に行 われる。しかし、通常列電極はゲート層より極めて厚いものである。エッチング の際のゲートのパターニングの程度を限定することにより、列電極とゲート層が 共通のエッチング可能な材料によりなる場合でも、ゲートパターニングの際、列 電極が著しく損なわれないことになる。 リフトオフ層３４の被着の際、リフトオフ材料の一部は、第１ｆ図におけるゲ ート層２８Ａのエッジ部に沿って堆積し、且つ第２ｈ図におけるゲート部分２８ Ｃのエッジ部に沿って堆積する。これにより、エミッタコーン材料がコーン３６ Ａを形成するべく誘電体開口空間３２に入る際に通過する開口部の直径を小さく することができる。コーン３６Ａのベース部の直径及びコーンの高さは僅かに小 さくなる。 第３ａ図〜第３ｇ図（集合的に「第３図」）は、上述の問題点を概ね克服する ようなゲート制御式電界放出デバイスの製造工程を示した図であり、この工程で は球形粒子を用いて傾斜した形状にゲート開口部を形成する。第３図のプロセス において後に過剰なエミッタコーン材料を除去するために用いられるリフトオフ 層を形成するためのリフトオフ材料の被着の際、リフトオフ材料は、円錐型の電 子放出素子を形成するために後に被着されるコーン材料が通過する開口部の直径 をあまり小さくしないようにゲート層のエッジ部に沿って堆積する。 同じサイズのゲート開口部を用いた場合でも、第３図のプロセスに従って形成 された電子放出コーンは、第１図（または第２図）のプロセスに従って形成され たものよりいくらか広くまた高いものである。また、第３図のプロセスにより、 リフトオフ層を厚くして、リフトオフ処理を容易にすることができる。 第３図のプロセスにおいて、基板２０、下側非絶縁性エミッタ領域２ ２、及び絶縁性層２４からなる初期構造体は、第１図のプロセスと概ね同様な方 法で形成される。第１ａ図と同じ第３ａ図には、第３図のプロセスにおける初期 構造２０／２２／２４が示されている。球形粒子２６は、上述と同様の方法で絶 縁性層２４の上部に分散される。このような球体２６の１つが示されているが、 その他の点では第１ｂ図と同じである第３ｂ図を参照されたい。球体２６は、通 常ポリスチレンからなる。 電気的に非絶縁性のゲート材料は通常クロムまたはニッケルのような金属から なり、絶縁性層２４の上の球体２６の間の空間に堆積することに加えて、層２４ の球体２６の下にくる部分にも堆積するように構造の上部に被着される。第３ｃ 図には、ゲート材料がどのように絶縁性層２４の上に堆積し、層２４の間の空間 に堆積し球体２６の下側まで延在するゲート層４８Ａが形成されるかが示されて いる。 ゲート材料の被着は、例えば非コリメートスパッタリング（即ちスパッタされ る材料の原子の衝突する際の入射角が実質的に拡がっているようなスパッタリン グ処理）またはプラズマＣＶＤのような、同一の非コリメート式技術によって行 われる。非コリメートスパッタリングの際、その圧力は通常１０〜１００ミリト ルの範囲である。 別法として、非コリメート式ゲート材料被着を、傾斜回転スパッタリングや傾 斜回転蒸着のような傾斜回転技術によって行うこともできる。この傾斜回転被着 においては、ゲート材料が層２４の上側表面に対して９０度よりかなり小さい角 度で絶縁性層２４の上に被着されると共に、構造２０／２２／２４を、層２４の 上側表面に対して垂直な軸の周りに、ゲート材料源に対して回転させる。傾斜回 転被着の際に衝突するゲート材料の原子は、瞬間的には平行な（コリメート）ビ ームを形成し得るが、ゲート材料源に対する構造２０／２２／２４の傾斜回転に より全体的な被着は非平行なものとなる。 同一の非コリメート方式で粒子２６の下側の空間へのゲート材料の被着が行わ れる場合、ゲート層４８Ａの、球体２６により垂直方向に陰になった領域の中に 入り込む（または浸食する）部分の、球体の径方向の長さは、球体の平均直径の １／３に等しくなり得る。例えば球の直径が０．３μｍの時、各球形粒子２６の 中心を通る垂直な平面に沿って陰になった領域の両端から０．１μｍの浸食が達 成され得る。 ゲート材料の被着の際、ゲート材料の一部４８Ｂは、球体２６の上側半分の上 に同時に堆積する。ゲート材料の被着が非コリメート式に行われることから、ゲ ート材料部分４８Ｂは球体２６の下半分の上には僅かにしか伸びていかない。ゲ ート材料部分４８Ｂがゲート層４８Ａにブリッジするのを回避するため、ゲート 材料の厚みは通常球の平均半径よりも小さく、典型的には球の平均半径の６０％ にされる。 球形粒子２６が通常上述と同様の方法で除去され、同時にゲート材料の一部４ ８Ｂも除去される。第３ｂ図を参照されたい。ゲート材料が被着される方式のた めに、除去された球体２６の位置に、ゲート層４８を貫通する側壁が傾斜したゲ ート開口部５０が形成される。 各傾斜ゲート開口部５０の直径は、ゲート層４８Ａの上から絶縁性層２４の上 側表面に向かって次第に小さくなっている。従って、各ゲート開口部５０の直径 は層２４の上部において最小値に達する。更に、ゲート層４８Ａの傾斜したエッ ジ部は、開口部５０に沿って凹んだ形状（凹状の垂直断面）を有する。各ゲート 開口部５０の垂直方向に小さくなってゆく直径の変化率は開口部５０を下向きに 進むにつれ大きくなる。 絶縁性層２４は、ゲート層４８Ａをエッチングマスクとして用いて、ゲート開 口部５０を通してエッチングされ、絶縁性層２４を通して下側の非絶縁性領域２ ２に達する対応する誘電体開口部（または誘電体開口空間）５２が形成される。 が絶縁性層２４の残った部分が要素２４Ｂと して示されている第３ｅ図を参照されたい。第１図のプロセスと同様に、電極間 誘電体エッチングは、誘電体開口部５２がゲート層４８Ａをアンダーカットでき るような方法で行われる。 リフトオフ層５４は、リフトオフ材料をゲート層４８Ａの上側表面に対して選 択された角度で蒸着すると共に、構造体を、リフトオフ材料源に対して、絶縁性 層２４Ｂの上側表面に対して概ね垂直な軸の周りに回転させることにより、構造 体の上部に形成される。第３ｆ図を参照されたい。（回転）リフトオフ被着の角 度は、２０度〜５０度で、典型的には４５度である。このリフトオフ材料は、通 常アルミニウムまたは酸化アルミニウムよりなる。 リフトオフ材料の一部は、ゲート開口部５０に沿ってゲート層４８Ａの傾斜し たエッジ部上に堆積する。リフトオフ被着の角度が十分に小さいため、後に電子 放出素子が設けられる誘電体開口空間５２における下側絶縁性エミッタ領域２２ 上にはリフトオフ材料は実質的に堆積しない。被着の角度の大きさによって、リ フトオフ材料の一部は誘電体開口部５２の側壁上にも堆積し得るが、この材料は 通常（後の）リフトオフ層５４の除去の際に除去される。 第４図は、リフトオフ被着角度が約４５度であるシミュレーションのためのゲ ート開口部５０を中心にした第３ｆ図の一部の拡大図である。第４図に示すよう に、リフトオフ材料はゲート層４８Ａの傾斜したエッジ部に沿ってその上側表面 に沿った部分より厚く堆積している。リフトオフ層５４のゲート層４８Ａの上部 に沿った厚みをこのように厚くすることにより、リフトオフ層５４の厚みの最大 値は、ゲート開口部５０の傾斜したエッジ部に沿って約１．４ｔに達する。 重要な点は、リフトオフ材料が層４８Ａのエッジ部を著しく越えて延在しない ようにゲート層４８Ａの傾斜したエッジ部上に堆積する点であ る。即ち、リフトオフ層５４を貫通する各開口部の直径は、対応するゲート開口 部５０の最少直径と概ね等しくなる。第４図のシミュレーションでは、約４５度 のリフトオフ材料の被着角度の場合が示されているが、エミッタ材料が堆積して エミッタコーンを形成する際に通過する開口部の直径が、リフトオフ被着角度が ２０〜５０度の範囲にあった時でも著しく小さくならないことは明らかである。 通常はモリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブ、若しくは炭化チタンの ような耐熱性金属炭化物である電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、上述 のように構造体の上部に蒸着される。エミッタコーン材料が誘電体開口空間５２ に入る際に通過する開口部は、堆積が進行するにつれ閉じられてゆく。円錐型電 子放出素子５６Ａは、このようにして第３ｆ図に示すように、開口空間５２の中 にそれぞれ形成される。第３図のプロセスにおいてコーン材料が開口空間５２に 入る際に通過する開口部が、第１図のプロセスにおける対応する開口部より大き いことから、電子放出コーン５６Ａはゲート開口部の最少直径が同じである場合 コーン３６Ａより、より幅広くより高く成長する。コーン材料の連続層５６Ｂは 、エミッタ材料堆積の際リフトオフ層５４の上に堆積する。 リフトオフ層５４は、適切なエッチング剤で除去され、これにより過剰なコー ン材料層５６Ｂが除去される。このようにして形成されたフィールドエミッタは 、第３ｇ図に示されている。コーン５６Ａは、ゲート開口部３０を通して外部に 露出されている。エミッタ材料の堆積はゲート層４８の上側表面に対して概ね垂 直な向きに行われるため、各電子放出コーン５６Ａは、対応するゲート開口部５ ０の垂直向きの中心に配設される。各ゲート開口部５０は、対応する除去された 球体２６の位置の中心に設けられている。第１図のプロセスと同様に、球体２６ はコーン５６Ａの位置を確定する。 同様に、ゲート開口部５０はゲート層４８Ａの底部に沿って概ね円形の形状を なす。従って、コーン５６Ａのベース部は概ね円形である。球体２６は概ね球形 で、その直径が非常に小さいため、コーン５６Ａは全て概ね同じ大きさである。 製造工程パラメータに適切な制御を与えることにより、コーン５６Ａからの電子 の放出は電子放出領域全体に亘って比較的一様になる。コーン５６Ａ間の平均の 間隔は球体２６の表面密度と平均粒径を調節することにより制御され、これによ り電子放出のレベルを制御する。 第１図のプロセスにより製造されたフィールドエミッタにおける場合のように 、第３図のプロセスによって形成されたフィールドエミッタにおける下側の非絶 縁性エミッタ領域２２は、通常下側導電性層と上側抵抗性層とからなる。同様に 、少なくとも下側導電性層は互いに平行に走る複数の線にパターニングされて、 エミッタ行電極を形成する。 第３図のプロセスによって形成されたフィールドエミッタも、通常ゲート層４ ８Ａの一部に接触し、両電極に対して垂直に延在する列電極を備えている。この ような形状を形成するため、第３図のプロセスは、第１図のプロセスの１つの実 施形態である第２図に示したプロセスと概ね同様の形態で実現され得る。列電極 がゲート層の前に形成されるような上述の別プロセスを、第３図のプロセスの実 現において用いることができる。 第５ａ図〜第５ｃ図（集合的に「第５図」）が示すのは第１図のプロセスを変 更したプロセスであって、ここではゲート層２８Ａ上に堆積する過剰なエミッタ 材料がリフトオフ層を用いずに電気化学的に除去される。第５図の改変プロセス はここでは第５ａ図として示されている第１ｅ図から開始される。 電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、絶縁性層２４Ａの上側表 面に対して概ね垂直な向きに、第５ａ図の構造の上部に蒸着される。エミッタコ ーン材料はゲート層２８Ａ上に堆積すると共に、ゲート開口部３０として誘電体 開口部３２内の下側非絶縁性エミッタ領域２２上に対応する電子放出素子５８Ａ を形成する。エミッタ材料が誘電体開口部３２に入る際に通過する開口部は堆積 が進むにつれて閉じてゆく。堆積はこれらの開口部が完全に閉じるまで行われ、 このとき電子放出素子５８Ａは概ね円錐形状となる。第５ｂ図を参照されたい。 同時にエミッタコーン材料の連続層５８Ｂがゲート層２８Ａ上に形成される。 このプロセスにおけるコーン材料の候補には、モリブデン、ニッケル、クロム 、ニオブ、及び酸化チタンが含まれ、つまり、第１図のプロセスにおけるエミッ タコーン材料として上述した材料の全てが含まれている。しかし、過剰なエミッ タコーン材料が第５図のプロセスの中では電気化学的に除去されるため、このプ ロセスで用いられるコーン材料はゲート材料とは異なったものである。 過剰なエミッタ層５８Ｂは電気化学的に除去されるが、好ましくは１９９７年 ３月５日出願のＳｐｉｎｄｔらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７ ３（現在ＰＣＴ公開公報＿＿＿＿／＿＿＿＿＿）に記載の技術を用いて行われる 。上記特許出願は本明細書と一体に参照されたい。第５ｃ図には、第１ｇ図のフ ィールドエミッタと概ね同型の電界放出構造が形成されたところが示されている 。ここで電子放出コーン５８Ａはゲート開口部３０を通して外部に露出されてい る。第１図のプロセスにおけるコーン３６Ａと同様に、コーン５８Ａの位置は球 体２６によって確定される。 同様に、第３図のプロセスにおけるゲート層４８Ａの上に堆積する過剰なエミ ッタ材料を、リフトオフ層を用いずに電気化学的に除去することができる。この 変更した処理は、第１ｅ図の構造に対して行われた先 述した変更プロセスと同様に、第３ａ図の構造に対して行われる。即ち、電気的 に非絶縁性のエミッタ材料がゲート層４８Ａの上に堆積すると共に、傾斜したゲ ート開口部３０を通って誘電体開口部５２に入って円錐型電子放出素子を形成し 、その後誘電体開口部５２の外部のゲート層４８Ａの上の過剰なエミッタ材料が 電気化学的に除去される。 本発明により形成された電子エミッタでは、ゲート層が１又は２以上のサブレ イヤを備えた形態に形成されてもよい。様々な機能を果たす１又は２以上の中間 層を、電極間誘電体層とゲート層との間に堆積してもよい。例えば、このような 中間層には貼着機能を果たし得る。即ち、ゲート層自体が電極間誘電体材料に良 く貼着しない場合、中間層が絶縁性層２４とゲート層とを良く貼着させる。この 中間層は、このほか粒子２６の表面における球形粒子２６の分布を改善する役目 を果たし得る。この中間層が電気的に非絶縁性の材料からなる時、中間層は通常 ゲート電極の一部を構成する。 第６ａ図〜第６ｉ図（集合的に「第６図」）に示すのは、第１図のプロセスの 変更プロセスであり、ここでは前述の特徴を、本発明の全部に基づいてゲート制 御式電界放出カソードの製造において使用する。後に説明するように、第６図の プロセスにおける粒子２６の被着は、電気泳動又は誘電泳動技術に基づき、加え られた電界の影響下で行われる。第６図のプロセスはここでは第６ａ図として示 した第１ａ図に示す構造２０／２２／２４から開始される。 中間層６２は、第６ｂ図に示すように比較的一様な厚みで絶縁性層２４上に堆 積される。中間層６２は、通常層２４に良く貼着し、且つ続けて層６２上に堆積 されるゲート材料にも良く貼着する材料からなる。 絶縁性層２４は、中間層６２が存在しない場合、層２４上に粒子２６が電気泳 動技術または誘電泳動技術を用いて被着される際に粒子２６を 凝集させ得るような表面欠陥を有する場合がある。たとえ層２４がこのような表 面欠陥を有していない場合でも、層２４はやはり、中間層６２が存在しない場合 に粒子２６の電気泳動技術または誘電泳動技術を用いた層２４への被着の際に粒 子２６を凝集させ得る材料からなる場合もある。 中間層６２は、粒子２６が層６２上に電気泳動技術または誘電泳動技術を用い て被着される際に粒子２６が凝集するのを著しく抑制する材料からなる。中間層 ６２は絶縁性層２４の上層を成しているため、層６２の使用によって、粒子の電 気泳動技術または誘電泳動技術を用いた被着の際の凝集の問題は実質的に解決さ れる。粒子の凝集を防ぐことにより、粒子の表面密度を高めることができる。 中間層６２は、所望の接着力及び凝集抑制特性に応じて電気的に非絶縁性の材 料または電気的に絶縁性の材料からなり得る。層６２は、通常金属、好ましくは クロムからなり、厚みは５〜１０ｎｍ、通常は７．５ｎｍである。我々の指示に 従って行われた実験によって証明されたように、微小ポリスチレン球体が新たに 堆積されたクロム表面上に電気泳動技術によって被着された場合、その凝集は、 シリコン酸化物表面上で、特にそれが追加の処理を受けた時に、シリコン酸化物 表面上で起こるこのような粒子の凝集より著しく少なくなる。絶縁性層２４がシ リコン酸化物からなる時クロムを用いて中間層６２を形成することにより電気泳 動的被着の際の凝集が著しく低下する。クロムはまた、シリコン酸化物にもよく 貼着する。層６２は金属からなるため、層６４の一部が後にゲート電極の一部を 形成する。 球形粒子２６は中間層６２の上部に電気泳動的に若しくは誘電泳動的に被着さ れる。第６ｃ図を参照されたい。電気泳動的または誘電泳動的被着は、前出のＨ ａｖｅｎらによる国際特許出願ＰＣＴ／＿＿＿＿／＿ ＿＿＿＿に記載されているような方法で行われる。この出願の明細書を本明細書 と一体に参照されたい。特に、電気泳動的被着を用いて粒子２６の被着を行うと 、粒子の表面密度を約５×１０⁸粒子／ｃｍ²のレベルまで高めることができる。 上述のＨａｖｅｎらの国際特許出願ＰＣＴ／＿＿＿＿／＿＿＿＿＿の明細書に 記載されているように、電気泳動的被着は球体２６が懸濁された液体を含むセル の中で行われる。液体の中に配設された上側電極は電気泳動的被着の際カソード としての役目を果たす。中間層はアノードとして用いられる。１〜１００Ｖの範 囲の電圧、通常は１５Ｖの電圧をアノードとカソードとの間に印加し、電界を発 生させ、これにより球体２６が層６２の上に被着する。 球体の電気泳動的被着の終了後、電気的に非絶縁性のゲート材料が絶縁層２４ の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造体の上部に二段階で被着される。被着 の両段階は、通常コリメート蒸着により行われる。第１蒸着段階におけるゲート 材料は第２蒸着段階におけるゲート材料とは異なるものである。 第１段階のゲート材料は粒子２６の間の空間において中間層６２上に堆積し、 第６ｄ図に示すように比較的一様な厚みのゲートサブレイヤ６４Ａを形成する。 第１段階の材料の一部６４Ｂは球体２６の上半分の上に同時に堆積する。第２段 階のゲート材料は粒子２６の間のゲートにおけるゲートサブレイヤ６４Ａの上に 堆積して比較的一様な厚みの別のゲートサブレイヤ６６Ａを形成する。第２段階 材料の一部６６Ｂは、ゲートサブレイヤ６６Ａ形成の際、第１段階の堆積部６４ Ｂの上に堆積する。 第１段階のゲート材料はクロム、モリブデン、チタン、またはタングステンで あり得、中間層６２がクロムからなるとき、第１段階のゲート材料は、通常厚さ ２．５〜７．５ｎｍ、典型的には５ｎｍに堆積された クロムからなる。ゲートサブレイヤ６４Ａにおけるクロムは、ゲートサブレイヤ ６６Ａの接着性を改善する。第２段階のゲート材料は、通常２０〜５０ｎｍ、典 型的には３０ｎｍの厚みに被着された金からなる。 球体２６が除去され、これによりゲート材料の一部６４Ｂ及び６６Ｂも除去さ れる。第６ｅ図に示すのはこのようにして形成された構造である。ゲートサブレ イヤ６４Ａ及び６６Ａは複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを形成し、これを貫通して 概ね円形のゲート開口部６８が中間層６２に達している。ゲート開口部６８は第 １及び第２段階の球体２６の上のゲート材料の被着の際に形成されるが、この時 第２段階ゲート材料をエッチングすることが不要であることから、エッチングが 困難な金が第２段階のゲート材料として適したものとなる。 （ゲート材料の部分６４Ｂ及び６６Ｂの除去を伴う）球体２６の除去は、第１ 図の工程において用いられた技術に従って行われ得る。別法として、球体２６を キシレンのような溶媒に溶解することにより化学的に除去することもできる。 エッチングマスクとして複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを用いることにより、中 間層６２がゲート開口部６８を通して一様にエッチングされ、絶縁性層２４に達 する概ね円形の中間開口部７０が形成される。第６ｆ図ではこのようにして形成 された構造が示されており、ここでは要素６２Ａは中間層６２の残った部分であ る。残った中間層６２Ａはゲート電極の下側部分を形成する。 中間層のエッチングは通常塩素プラズマを用いて行われ、完全に異方性（概ね 一方向）に、或いは部分的に等方性エッチングで行うことができる。第６ｆ図に 示すのは中間層エッチングが部分的に等方性エッチングで行われ、中間開口部７ ０がゲートサブレイヤ６４Ａを僅かにアンダーカットしている例である。各中間 開口部７０は対応するゲート開口部 ６８に垂直方向に整合されており、複合ゲート開口部６８／７０を形成している 。 複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａをエッチング用マスクとして用いて絶縁 層２４を複合ゲート開口部６８／７０を通してエッチングし、下側非絶縁性エミ ッタ領域２２に達する複合開口空問（または誘電体開口部）７２が形成される。 要素２４Ｃが絶縁層２４の残った部分である第６ｇ図を参照されたい。電極間誘 電体のエッチングは、通常第１図の工程について説明したのと同じ方法で行われ 、誘電体開口空間７２が複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａに僅かにアンダー カットする形態となる。 電気的非絶縁性のエミッタコーン材料は、通常そのエミッタコーン材料がゲー ト材料とは異なったものであるという条件で、第１図の工程について説明したの と同じ材料のなかの任意のものからなり、絶縁性層２４Ｃの上側表面に対して概 ね垂直な方向に第６ｇ図の構造の上部に蒸着される。このコーン材料はゲート層 ６２Ａ／６４Ａ／６６Ａの上に堆積し、ゲート開口部６８／７０を通過して第６ ｈ図に示すように対応する円錐型の電子放出素子７４Ａを形成する。エミッタコ ーン材料の連続層７４Ｂはゲートサブレイヤ６６Ａの上側にも同時に形成される 。 過剰なコーン材料層７４ＢはＳｐｉｎｄｔらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ ９７／０２９７３（前出）に概要が記載されている方法で電気化学的に除去され る。このようにして形成されたフィールドエミッタを第６ｉ図に示す。電子放出 コーン７４Ａはゲート開口部６８／７０を通して外部に露出されている。 各電子放出コーン７４Ａはその複合ゲート開口部６８／７０と垂直方向に整合 されている。球体２６は元のゲート開口部６８の位置を確定することから、コー ン７４Ａの位置は球体２６によって決定されることに なる。また、各コーン７４Ａのベース部は概ね円形である。第１図の工程に従っ て形成された電子エミッタにおける高度に一様な電子放出の達成についての前の 説明は、第６ｉ図の電子放出素子についても同様にあてはまる。 前述の工程／プロセスシーケンスに於いては、ゲート開口部を直接的に確定す るために球形粒子２６を用いている。しかし粒子２６はゲート開口部のための所 望の横向きの形状を有する固体領域を初めに確定するために用いることができる 。このような固体領域は通常円形であり後にゲート開口部を確定するために用い られる。 第７ａ図〜第７ｇ図（集合的に「第７図」）に示すのは、ゲート制御式電界放 出カソード用のゲート開口部が固体領域から形成される製造工程の前工程部分の 例である。ここでは固体領域の形状が本発明により球形粒子２６により確定され る。第７図のプロセスシーケンスはここでは第７ａ図として示されている。第１ ａ図の構造２０／２２／２４から開始される。 後にゲート層の下側部としての役目を果たす電気的に非絶縁性の中間層８０は 、第７ｂ図に示すように絶縁性層２４の上に堆積される。中間の非絶縁性層８０ は、通常プロム又はチタンのような金属からなる。パターン転写層８２は中間層 ８０の上に形成される。パターン転写層８２はポトレジストや無機誘電材料のよ うな種々の材料からなり得る。 粒子２６は第１図のプロセスに於いて説明したランダム又は概ねランダムな分 散技術を用いてパターン転写層８２の上側表面上に転写される。第７ｃ図に示さ れるのはこの時点に於ける構造体である。粒子２６の陰になっていない、即ち垂 直方向に覆われていないパターン転写層８２部分は、第７ｄ図に示すように除去 される。概ね円形のペデスタル部８２ａはこのようにして層８２の残りの部分と して形成される。各ペデスタ ル部８２ａは粒子２６の対応する一つの下層を成す。 パターン転写層８２がフォトレジストからなるとき、層８２は球形粒子２６を 露出マスクとして、通常は紫外線である化学線作用のある放射線に露出される。 露出マスクとしての機能を果たす球形粒子２６によってその下のフォトレジスト の部分が化学線照射を受けないことになる。露出されたフォトレジストはその化 学的組成に変化を起こす。次いで構造の上に現像処理を施し、露出されたフォト レジストを除去し、これによって構造は第７ｄ図に示すような状態になる。層８ ２が無機誘電体からなるとき、粒子２６をエッチングマスクとして用いた絶縁性 層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きでの異方性エッチングが層８２に対し て行われる。層８２の陰になっていない部分はこのエッチングの際に除去され、 同様に第７ｂ図に示すような構造が形成される。 電気的に非絶縁性のゲート材料はこの構造の上部に堆積される。このゲート材 料堆積は、好ましくは非絶縁性中間層８２を堆積用カソードとして用いた電気化 学的技術によって行われる。堆積処理用のアノードは粒子２６の被着電解液内に 配設される。電気化学的被着の際、ゲート材料は中間層８０の露出された部分の 上に堆積して第７ｅ図に示すような電気的に非絶縁性の上側ゲートサブレイヤ８ ４が形成される。 ペデスタル部８２Ａ及び粒子２６が除去されて、第７ｆ図の構造が形成される 。上側ゲート開口部８６は粒子２６の下の除去されたペデスタル部８２Ａの位置 において上側ゲートサブレイヤ８４を貫通している。ペデスタル部８２及び粒子 ２６の除去は種々の方法により行われ得る。例えば、ペデスタル部８２を適当な 化学的エッチング剤又はプラズマエッチング剤を用いて除去し、これによって粒 子２６を同時に除去することができる。別法として、粒子２６を除去し、その後 ペデスタル８２を除去することができる。 上側ゲートサブレイヤ８４をエッチングマスクとして用いて、非絶縁性中間層 ８０に上側ゲート開口部８６を通して異方性エッチングを行い、中間層８０を貫 通して絶縁性層２４に達する対応する中間開口部８８を形成する。第７ｇ図を参 照されたい。各中間開口部８８は上層をなす上側開口部８６と垂直方向に同心で 概ね同じ直径を有する。中間層８０の残りの部分８０Ａは、このとき下側ゲート サブレイヤとなり、中間開口部８８は下側ゲート開口部となる。従って、ゲート サブレイヤ８０Ａ及び８４は複合ゲート層を構成し、各対応するゲート開口部８ ６及び８８の各対は複合ゲート開口部を形成する。 第７ｇ図の構造に於けるゲート層がサブレイヤ８０Ａ及び８４からなるという 点を除いて、第７ｇ図の構造は第１ｄ図の構造と、符号以外は実質的に同一であ る。第７ｇ図に於ける要素８０Ａ／８４及び８６／８８はそれぞれ第１ｄ図に於 ける要素２８Ａ及び４２に相当する。このような符号の違いを考慮すれば、第７ ｇ図の構造は第１ｅ図〜第１ｈ図の後工程によって終了する。同様にして、第７ 図の前工程は、第２ｅ図〜第２ｊ図の後工程又は第５図の後工程に従って完了す ることができる。 第８図に示すのは、本発明によって製作された第２ｊ図のような面積方向配列 形電界放出素子を用いたフラットパネル型ＣＲＴディスプレイのコア能動領域の 典型的な例である。基板２０はＣＲＴディスプレイのバックプレートを形成する 。下側非絶縁性領域２２はバックプレート２０の内側表面上に配設され、導電性 層２２Ａ及びその上層をなす抵抗性層２２Ｂからなる。ここで導電性層２２Ａの エミッタ電極ライン（行電極）は、第８図の面と平行に水平方向に延在する。 その一つが第８図に示されている列電極４０の群は、ゲート層２８の上に設け られる。列電極４０は、第８図の面に対して垂直方向に並んでいる。各列電極ア パーチャ４２は、第８図のフィールドエミッタにおけ る多数の電子放出素子３６Ａを露出している。 透明な、通常はガラス製のベースプレート９０はベースプレート２０に対向配 置されている。発光燐光体領域９２はその一つが第８図に示されており、ベース プレート９０の内部表面上の対応する列電極アパーチャ４２の正反対の位置に配 設されている。薄い導電性光反射層９４は通常アルミニウム製で、ベースプレー ト９０の内部表面に沿って燐光体領域９２の上層を成している。電子放出素子か ら放出された電子は光反射層９４を通り、燐光体領域９２を発光させて、ベース プレート９０の外部表面上に目に見える像を生成させる。 フラットパネル型ＣＲＴディスプレイのコア能動領域は、通常第８図に示すよ うな他の構成要素を含む。例えば、ベースプレート９０の内部表面に設けられた ブラックマトリクスは通常各燐光体領域９２を取り囲んで、各燐光体領域を別の 燐光体領域から横方向に分離する。電極間誘電体層上に設けられた集束用突条部 （focusing ridge）は、電子の軌跡の制御を補助する。また、バックプレート２ ０とベースプレート９０との間の間隔を比較的一様に維持するためにスペーサ壁 が用いられる。 第８図に示す型のフラットパネル型ディスプレイに組み込まれたとき、本発明 により製造されたフィールドエミッタは以下のように動作する。光反射層９４が 電界放出カソードのアノードとしての役目を果たす。このアノードはゲート及び エミッタラインに対して正の高い電位に維持される。 （ａ）ゲートライン（列電極）の選択された一つと、（ｂ）エミッタライン（ 行電極）の選択された一つとの間に適切な電圧が印加されると、選択されたゲー トラインは二つの選択されたラインの交点に於ける電子放出素子から電子を放出 させ、得られた電子の流れの強さを制御する。電子放出が所望のレベルに達する のは、燐光体領域９２が高電圧燐光体 であるとき、フラットパネル型ディスプレイの燐光体被覆フェイスプレートに於 いて測定した場合に印加されたゲート−エミッタ平行−プレート電界が２０Ｖ／ μｍ近くに達したときである。引き出された電子が衝突すると燐光体領域は発光 する。 「下側」及び「下向き」といった方向に関する言葉は、本発明を説明するため に便宜的に用いているものであり、本発明の種々の構成要素がどのように組み合 わされているかを読み手がより容易に理解できるように用いているものである。 実際の実施に於いては、電子放出デバイスの構成要素は、本明細書の説明に於い て用いられている、方向に関する表記によって指定されているのとは異なる向き に向けられることもあり得る。同じことが本発明に於ける製造工程の実行につい ても言える。方向についての用語は説明を容易にするための便宜上用いられてい るものであるが、本発明は、ここで用いた方向の用語が示すものとは異なる方向 を向いた実施例もその範囲に含んでいる。 本発明の特定の実施例について説明してきたが、その説明は単に本発明の内容 を説明する目的で記述されたものであり、請求の範囲に記載された本発明の範囲 を限定しようとするものではない。例えば、第１図〜第３図の任意のプロセスに 於いて、電極間誘電体層２４に粒子２６の分散を、第６図のプロセスに於いて用 いられているような抗凝集層の介入無しに、電気泳動的又は誘電泳動的に行うこ とができる。この場合も粒子の表面密度を高めることができる。前出のＨａｖｅ ｎらの国際特許出願ＰＣＴ／＿＿＿＿／＿＿＿＿＿に開示された技術を用いて粒 子２６を電気泳動的或いは誘電泳動的に被着することができる。 ゲート開口部がゲート層を貫通して下側非絶縁性領域エミッタ領域２２の上の 絶縁性層２４に達するような構造を形成した後、ゲート層の厚みはゲート層上に 非絶縁性ゲート材料を更に選択的に被着することによ って厚くすることができる。ゲート材料の更なる被着は電気化学的技術によって 行うことができる。一般に、このゲート材料の更なる被着は粒子２６の除去の前 か後に行うことができる。 回転式被着手順を用いてリフトオフ層３４または５４を形成する代わりに、リ フトオフ材料の被着を、典型的には少なくとも４つの複数の被着材料源から行う ことができる。この複数の被着材料源はウエハの周りの位置に固定されており、 これによってリフトオフ材料を絶縁性層２４の上側表面に対して通常はそれぞれ 等しい適切な角度で蒸着することができる。蒸着以外の透視線（line-of-sight ）被着技術を用いてリフトオフ層３４又は５４を形成することができる。電気的 研磨処理を行って、ゲート開口部のゲート層のエッジ部を面取りすることができ る。 下側非絶縁性領域２２が基板を支持するだけの十分な厚みを有する連続層であ る場合、基板２０を用いずにすますことができる。絶縁性基板２０の変わりに構 造支持体となる比較的厚い非絶縁性層の上に薄い絶縁性層が設けられた複合基板 を用いることができる。 この電子放出素子は円錐形以外の他の形状を有することもできる。本発明の製 造プロセスに従って形成された面積方向配列形電子エミッタを用いてフラットパ ネル型ＣＲＴディスプレイ以外の装置を形成することができる。特に、ゲート制 御式電子源が必要とする概ね真空の環境下において、本発明のエミッタを用いる ことができる。従って、当業者は、請求の範囲に記載の本発明の範囲及び精神を 逸脱することなく本発明を様々に改変して実施することができよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１月６日（１９９８．１．６） 【補正内容】 明細書 ゲート制御式電子放出デバイス及びその製造方法関連出願の相互参照 本出願は、（ａ）Ｈａｖｅｎ等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９７ ／０９１９７、及び（ｂ）Ｈａｖｅｎ等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／Ｕ Ｓ９７／０９１９８に特に類似した内容を含んでいる。利用分野 本発明は、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイのような製品における使用に 適する、通常カソードと称する電子放出デバイスの製造と構造に関するものであ る。 背景技術 電界放出カソード（またはフィールドエミッタ）は、十分な強度の電界を受け たとき電子を放出する。電界は、カソードと、通常アノードまたはゲート電極と 称するカソードから僅かに離れた位置に配置された電極との間に適当な電圧を印 加することにより発生する。 電界放出カソードが、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおいて使用され るとき、カソードからの電子の放出は、かなり広い面積にわたって起こる。電子 放出領域は、通常電子放出部分の二次元配列に分割され、配列の各部分は対応す る発光部分に対向して配置され、画素（またはピクセル）の一部、または全てを 形成する。各電子放出部分から放出された電子は、対応する発光部分に衝突し、 発光部分から可視光線を放出させる。 先述した別法においては、列電極はゲート層と同じ材料、例えばクロム若しく はゲート層のパターニングに用いられるエッチング剤が作用す る材料からなり得る。従って列電極のエッチングはゲートパターニングの際に行 われる。しかし、通常列電極はゲート層より極めて厚いものである。エッチング の際のゲートのパターニングの程度を限定することにより、列電極とゲート層が 共通のエッチング可能な材料によりなる場合でも、ゲートパターニングの際、列 電極が著しく損なわれないことになる。 リフトオフ層３４の被着の際、リフトオフ材料の一部は、第１ｆ図におけるゲ ート層２８Ａのエッジ部に沿って堆積し、且つ第２ｈ図におけるゲート部分２８ Ｃのエッジ部に沿って堆積する。これにより、エミッタコーン材料がコーン３６ Ａを形成するべく誘電体開口空間３２に入る際に通過する開口部の直径を小さく することができる。コーン３６Ａのベース部の直径及びコーンの高さは僅かに小 さくなる。 第３ａ図〜第３ｈ図（集合的に「第３図」）は、上述の問題点を概ね克服する ようなゲート制御式電界放出デバイスの製造工程を示した図であり、この工程で は球形粒子を用いて傾斜した形状にゲート開口部を形成する。第３図のプロセス において後に過剰なエミッタコーン材料を除去するために用いられるリフトオフ 層を形成するためのリフトオフ材料の被着の際、リフトオフ材料は、円錐型の電 子放出素子を形成するために後に被着されるコーン材料が通過する開口部の直径 をあまり小さくしないようにゲート層のエッジ部に沿って堆積する。 同じサイズのゲート開口部を用いた場合でも、第３図のプロセスに従って形成 された電子放出コーンは、第１図（または第２図）のプロセスに従って形成され たものよりいくらか広くまた高いものである。また、第３図のプロセスにより、 リフトオフ層を厚くして、リフトオフ処理を容易にすることができる。 通常はモリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブ、若しくは炭化チタンの ような耐熱性金属炭化物である電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、上述 のように構造体の上部に蒸着される。エミッタコーン材料が誘電体開口空間５２ に入る際に通過する開口部は、堆積が進行するにつれ閉じられてゆく。円錐型電 子放出素子５６Ａは、このようにして第３ｇ図に示すように、開口空間５２の中 にそれぞれ形成される。第３図のプロセスにおいてコーン材料が開口空間５２に 入る際に通過する開口部が、第１図のプロセスにおける対応する開口部より大き いことから、電子放出コーン５６Ａはゲート開口部の最少直径が同じである場合 コーン３６Ａより、より幅広くより高く成長する。コーン材料の連続層５６Ｂは 、エミッタ材料堆積の際リフトオフ層５４の上に堆積する。 リフトオフ層５４は、適切なエッチング剤で除去され、これにより過剰なコー ン材料層５６Ｂが除去される。このようにして形成されたフィールドエミッタは 、第３ｈ図に示されている。コーン５６Ａは、ゲート開口部３０を通して外部に 露出されている。エミッタ材料の堆積はゲート層４８の上側表面に対して概ね垂 直な向きに行われるため、各電子放出コーン５６Ａは、対応するゲート開口部５ ０の垂直向きの中心に配設される。各ゲート開口部５０は、対応する除去された 球体２６の位置の中心に設けられている。第１図のプロセスと同様に、球体２６ はコーン５６Ａの位置を確定する。 同様に、ゲート開口部５０はゲート層４８Ａの底部に沿って概ね円形の形状を なす。従って、コーン５６Ａのベース部は概ね円形である。球体２６は概ね球形 で、その直径が非常に小さいため、コーン５６Ａは全て概ね同じ大きさである。 製造工程パラメータに適切な制御を与えることにより、コーン５６Ａからの電子 の放出は電子放出領域全体に亘って比較的一様になる。コーン５６Ａ間の平均の 間隔は球体２６の表面密度と平均粒径を調節することにより制御され、これによ り電子放出のレベルを制御する。 第１図のプロセスにより製造されたフィールドエミッタにおける場合のように 、第３図のプロセスによって形成されたフィールドエミッタにおける下側の非絶 縁性エミッタ領域２２は、通常下側導電性層と上側抵抗性層とからなる。同様に 、少なくとも下側導電性層は互いに平行に走る複数の線にパターニングされて、 エミッタ行電極を形成する。 第３図のプロセスによって形成されたフィールドエミッタも、通常ゲート層４ ８Ａの一部に接触し、両電極に対して垂直に延在する列電極を備えている。この ような形状を形成するため、第３図のプロセスは、第１図のプロセスの１つの実 施形態である第２図に示したプロセスと概ね同様の形態で実現され得る。列電極 がゲート層の前に形成されるような上述の別プロセスを、第３図のプロセスの実 現において用いることができる。 このプロセスにおけるコーン材料の候補には、モリブデン、ニッケル、クロム 、ニオブ、及び酸化チタンが含まれ、つまり、第１図のプロセスにおけるエミッ タコーン材料として上述した材料の全てが含まれている。しかし、過剰なエミッ タコーン材料が第５図のプロセスの中では電気化学的に除去されるため、このプ ロセスで用いられるコーン材料はゲート材料とは異なったものである。 過剰なエミッタ層５８Ｂは電気化学的に除去されるが、好ましくは１９９７年 ３月５日出願のＳｐｉｎｄｔらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７ ３（現在ＰＣＴ公開公報ＷＯ９７／３３２９７）に記載の技術を用いて行われる 。上記特許出願は本明細書と一体に参照されたい。第５ｃ図には、第１ｇ図のフ ィールドエミッタと概ね同型の電界放出構造が形成されたところが示されている 。ここで電子放出コーン５８Ａはゲート開口部３０を通して外部に露出されてい る。第１図のプロセスにおけるコーン３６Ａと同様に、コーン５８Ａの位置は球 体２６によって確定される。 同様に、第３図のプロセスにおけるゲート層４８Ａの上に堆積する過剰なエミ ッタ材料を、リフトオフ層を用いずに電気化学的に除去することができる。この 変更した処理は、第１ｅ図の構造に対して行われた先 述した変更プロセスと同様に、第３ａ図の構造に対して行われる。即ち、電気的 に非絶縁性のエミッタ材料がゲート層４８Ａの上に堆積すると共に、傾斜したゲ ート開口部３０を通って誘電体開口部５２に入って円錐型電子放出素子を形成し 、その後誘電体開口部５２の外部のゲート層４８Ａの上の過剰なエミッタ材料が 電気化学的に除去される。 本発明により形成された電子エミッタでは、ゲート層が１又は２以上のサブレ イヤを備えた形態に形成されてもよい。様々な機能を果たす１又は２以上の中間 層を、電極間誘電体層とゲート層との間に堆積してもよい。例えば、このような 中間層には貼着機能を果たし得る。即ち、ゲート層自体が電極間誘電体材料に良 く貼着しない場合、中間層が絶縁性層２４とゲート層とを良く貼着させる。この 中間層は、このほか粒子２６の表面における球形粒子２６の分布を改善する役目 を果たし得る。この中間層が電気的に非絶縁性の材料からなる時、中間層は通常 ゲート電極の一部を構成する。 球形粒子２６は中間層６２の上部に電気泳動的に若しくは誘電泳動的に被着さ れる。第６ｃ図を参照されたい。電気泳動的または誘電泳動的被着は、前出のＨ ａｖｅｎらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０ ９１９７に記載されているような方法で行われる。この出願の明細書を本明細書 と一体に参照されたい。特に、電気泳動的被着を用いて粒子２６の被着を行うと 、粒子の表面密度を約５×１０⁸粒子／ｃｍ²のレベルまで高めることができる。 上述のＨａｖｅｎらの国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／Ｏ９１９７の明細書に 記載されているように、電気泳動的被着は球体２６が懸濁された液体を含むセル の中で行われる。液体の中に配設された上側電極は電気泳動的被着の際カソード としての役目を果たす。中間層はアノードとして用いられる。１〜１００Ｖの範 囲の電圧、通常は１５Ｖの電圧をアノードとカソードとの間に印加し、電界を発 生させ、これにより球体２６が層６２の上に被着する。 球体の電気泳動的被着の終了後、電気的に非絶縁性のゲート材料が絶縁層２４ の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造体の上部に二段階で被着される。被着 の両段階は、通常コリメート蒸着により行われる。第１蒸着段階におけるゲート 材料は第２蒸着段階におけるゲート材料とは異なるものである。 第１段階のゲート材料は粒子２６の間の空間において中間層６２上に堆積し、 第６ｄ図に示すように比較的一様な厚みのゲートサブレイヤ６４Ａを形成する。 第１段階の材料の一部６４Ｂは球体２６の上半分の上に同時に堆積する。第２段 階のゲート材料は粒子２６の間のゲートにおけるゲートサブレイヤ６４Ａの上に 堆積して比較的一様な厚みの別のゲートサブレイヤ６６Ａを形成する。第２段階 材料の一部６６Ｂは、ゲートサブレイヤ６６Ａ形成の際、第１段階の堆積部６４ Ｂの上に堆積する。 「下側」及び「下向き」といった方向に関する言葉は、本発明を説明するために 便宜的に用いているものであり、本発明の種々の構成要素がどのように組み合わ されているかを読み手がより容易に理解できるように用いているものである。実 際の実施に於いては、電子放出デバイスの構成要素は、本明細書の説明に於いて 用いられている、方向に関する表記によって指定されているのとは異なる向きに 向けられることもあり得る。同じことが本発明に於ける製造工程の実行について も言える。方向についての用語は説明を容易にするための便宜上用いられている ものであるが、本発明は、ここで用いた方向の用語が示すものとは異なる方向を 向いた実施例もその範囲に含んでいる。 本発明の特定の実施例について説明してきたが、その説明は単に本発明の内容 を説明する目的で記述されたものであり、請求の範囲に記載された本発明の範囲 を限定しようとするものではない。例えば、第１図〜第３図の任意のプロセスに 於いて、電極間誘電体層２４に粒子２６の分散を、第６図のプロセスに於いて用 いられているような抗凝集層の介入無しに、電気泳動的又は誘電泳動的に行うこ とができる。この場合も粒子の表面密度を高めることができる。前出のＨａｖｅ ｎらの国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９１９７に開示された技術を用いて粒 子２６を電気泳動的或いは誘電泳動的に被着することができる。 ゲート開口部がゲート層を貫通して下側非絶縁性領域エミッタ領域２２の上の 絶縁性層２４に達するような構造を形成した後、ゲート層の厚みはゲート層上に 非絶縁性ゲート材料を更に選択的に被着することによ って厚くすることができる。ゲート材料の更なる被着は電気化学的技術によって 行うことができる。一般に、このゲート材料の更なる被着は粒子２６の除去の前 か後に行うことができる。 回転式被着手順を用いてリフトオフ層３４または５４を形成する代わりに、リ フトオフ材料の被着を、典型的には少なくとも４つの複数の被着材料源から行う ことができる。この複数の被着材料源はウエハの周りの位置に固定されており、 これによってリフトオフ材料を絶縁性層２４の上側表面に対して通常はそれぞれ 等しい適切な角度で蒸着することができる。蒸着以外の透視線（line-of-sight ）被着技術を用いてリフトオフ層３４又は５４を形成することができる。電気的 研磨処理を行って、ゲート開口部のゲート層のエッジ部を面取りすることができ る。請求の範囲 １．電気的に絶縁性の絶縁性層の上に多数の粒子を分散させる分散過程と、 少なくとも前記粒子の間の空間において前記絶縁性層の上に電気的に非絶縁性 のゲート材料を供給するゲート材料供給過程と、 前記粒子及び前記粒子の上層をなす実質的に任意の材料を除去する粒子除去過 程であって、残ったゲート材料がゲート層を形成し、前記ゲート層の前記粒子が 除去された位置にゲート開口部が貫通するようにする、該粒子除去過程と、 前記ゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層を通し てその下に配設された下側の電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域に達する対応 する誘電体開口部を形成する絶縁性層エッチング過程と、 前記誘電体開口部の中に電気的に非絶縁性のエミッタ材料を導入して、前記下 側非絶縁性領域の上に対応する電子放出素子を形成する導入過程であって、前記 電子放出素子が前記ゲート開口部を通して外部に露出される、該導入過程とを含 むことを特徴とする方法。 ２．前記導入過程が、 前記ゲート層の上にリフトオフ層を形成する過程であって、前記リフトオフ層 を通して前記ゲート開口部に垂直方向に整合されたリフトオフ開口部が貫通して いる、該過程と、 前記リフトオフ層及び前記リフトオフ開口部及びゲート開口部を通して前記誘 電体開口部の中に前記エミッタ材料を堆積させる過程と、 前記リフトオフ層を除去して、前記リフトオフ層の上に堆積した任意のエミッ タ材料を概ね除去する過程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記ゲート材料供給過程が、前記絶縁性層の上の前記粒子の下の空間に前記 ゲート材料の一部を堆積させる過程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方 法。 ４．前記導入過程が、 前記ゲート層の上及び前記ゲート開口部を通して前記誘電体開口部の中に前記 エミッタ材料を堆積させる過程と、 前記誘電体開口部の内部の前記ゲート層の上に堆積した前記エミッタ材料の少 なくとも一部を除去するエミッタ材料除去過程とを含むことを特徴とする請求項 １に記載の方法。 ５．前記エミッタ材料除去過程が電気化学的に行われることを特徴とする請求項 ４に記載の方法。 ６．前記分散過程の前に、前記絶縁性層の上に中間層を設ける過程であって、前 記粒子が前記絶縁性層の上層をなす前記中間層の上に後に分散される、該過程を 更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ７．前記粒子除去過程と前記絶縁性層エッチング過程との間に、前記ゲート開口 部を通して前記中間層をエッチングし、前記中間層を貫通する対応する中間開口 部を形成する過程であって、前記絶縁性層エッチング過程も前記中間開口部を通 して行われる、該過程を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。 ８．前記中間層が、前記絶縁性層及び前記ゲート層の双方に蒸着されることを特 徴とする請求項７に記載の方法。 ９．前記中間層が、前記分散過程の間に前記粒子が凝集するのを抑制するのを特 徴とする請求項７に記載の方法。 １０．前記導入過程が、 前記ゲート層及び前記ゲート開口部及び中間開口部を通してエミッタ材料を堆 積させる過程と、 前記誘電体開口部の外側の前記ゲート層の上に堆積したエミッタ材料の少なく とも一部を電気化学的に除去する過程とを含むことを特徴とする請求項７に記載 の方法。 １１．前記中間層が、電気的に非絶縁性の材料を含むことを特徴とする請求項７ に記載の方法。 １２．前記ゲート層が、化学的組成の異なる少なくとも２つのサブレイヤーを含 むことを特徴とする請求項７に記載の方法。 １３．前記ゲート材料が、それを通して正確に微小な開口部をエッチングするこ とが困難な金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 １４．前記分散過程の前に、前記絶縁性層の上にパターン転写層を形成する過程 と、 前記分散過程と前記ゲート材料供給過程との間において、前記粒子の陰になっ ていない前記パターン転写層の材料を除去して、前記パターン転写層から対応す るペデスタル部を形成する過程と、 前記ゲート材料供給過程と前記絶縁性層エッチング過程との間において、前記 ペデスタル部を除去する過程とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方 法。 １５．前記ゲート材料供給過程が、前記粒子の陰になっていない前記絶縁性層の 材料の上に前記ゲート材料を選択的に被着する過程を含むことを特徴とする請求 項１４に記載の方法。 １６．各ゲート開口部の直径が一般にゲート開口部の下に進むにつれ小さくなる ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 １７．電気的に絶縁性の絶縁性層の上に多数の粒子を分散させる分散過程と、 前記絶縁性層の上に電気的に非絶縁性のゲート材料を供給するゲート材料供給 過程であって、前記ゲート材料が前記粒子の間の空間をカバー し、かつ前記絶縁性層の上の前記粒子の下の空間に実質的に入り込む、該ゲート 材料供給過程と、 前記粒子及び前記粒子の上の実質的に任意の材料を除去する粒子除去過程であ って、残りのゲート材料がゲート層を形成し、前記ゲート層の粒子が除去された 位置に傾斜したゲート開口部が貫通する、該粒子除去過程と、 前記傾斜したゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性 層の下に設けられた下側の電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域に達する絶縁性 層を貫通する対応する誘電体開口部を形成する絶縁性層エッチング過程と、 前記下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程で あって、各電子放出素子が電気誘電体開口部の対応する１つの中に少なくとも部 分的に配置される、該電子放出素子形成過程とを含むことを特徴とする方法。 １８．傾斜したゲート開口部のそれぞれが、前記下側非絶縁性領域に向かってゲ ート開口部を下向きに進むにつれ直径が小さくなっており、各ゲート開口部の直 径は、前記下側絶縁性領域に達した時、またはその近傍で最小値に達することを 特徴とする請求項１７に記載の方法。 １９．各ゲート開口部の直径の最小値が、そのゲート開口部の位置において前記 絶縁性層の上に配置された粒子の平均直径よりも小さいことを特徴とする請求項 １８に記載の方法。 ２０．前記ゲート材料供給過程が、非コリメート方式で行われることを特徴とす る請求項１８に記載の方法。 ２１．前記電子放出素子形成過程が、 前記ゲート層の上にリフトオフ層を被着するリフトオフ層被着過程であって、 前記リフトオフ層が前記ゲート開口部の前記ゲート層のエッジ 部を越えて著しく横向きに延在せずに、前記ゲート開口部において前記ゲート層 のエッジ部をカバーする、該リフトオフ層被着過程と、 前記リフトオフ層の上及び前記ゲート開口部を通して前記誘電体開口部の中に 電気的に非絶縁性のエミッタ材料を被着して、前記電子放出素子の少なくとも一 部を形成する過程と、 前記リフトオフ層を除去し、前記リフトオフ層の上の任意の材料を概ね除去す る過程とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。 ２２．前記リフトオフ層被着過程が、前記絶縁性層の上側表面に対して２０〜５ ０度の被着角度で行われることを特徴とする請求項２１に記載の方法。 ２３．前記電子放出素子形成過程が、 前記ゲート層の上及び前記ゲート開口部を通して前記誘電体開口部の中に電気 的に非絶縁性のエミッタ材料を被着し、前記電子放出素子を少なくとも部分的に 形成する過程と、 前記誘電体開口部の外側の前記ゲート層の上に堆積した前記エミッタ材料の少 なくとも一部を除去し、前記電子放出素子が前記傾斜したゲート開口部を通して 外部に露出されるようにするエミッタ材料除去過程とを含むことを特徴とする請 求項１８に記載の方法。 ２４．前記除去過程が電気化学的に行われることを特徴とする請求項２３に記載 の方法。 ２５．電気的に絶縁性の絶縁性層の上に形成されたパターン転写層の上に多数の 粒子を分散させる分散過程と、 前記粒子の陰になっていない前記パターン転写層の材料を除去することにより 前記パターン転写層から対応するペデスタル部を形成するペデスタル部形成過程 と、 少なくとも前記ペデスタル部の間の空間において前記絶縁性層の上に 電気的に非絶縁性のゲート材料を供給するゲート材料供給過程と、 前記ペデスタル部および前記ペデスタル部の上の、前記粒子を含む実質的に任 意の材料を除去し、残ったゲート材料がゲート層を形成し、ゲート層の粒子が除 去された位置にゲート開口部が貫通するようにする過程と、 前記ゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層の下側 の電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域に達する対応する誘電体開口部を前記絶 縁性層を通して形成する絶縁性層エッチング過程と、 前記下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程で あって、各電子放出素子が前記誘電体開口部の対応する１つの中に少なくとも部 分的に配置される、該電子放出素子形成過程とを含むことを特徴とする方法。 ２６．前記ゲート材料供給過程が、前記粒子の陰になっていない前記絶縁性層の 材料の上に前記ゲート材料を選択的に被着する過程を含むことを特徴とする請求 項２５に記載の方法。 ２７．前記分散過程の前に、（ａ）前記絶縁性層の上層をなす電気的に非絶縁性 の中間層、及び（ｂ）前記中間層の上層をなすパターン転写層を形成する過程と 、 前記ゲート材料供給過程の後に、前記ゲート開口部を通して前記中間層をエッ チングし、前記絶縁性層に達する前記中間層を貫通する対応する中間開口部を形 成する過程とを更に含むことを特徴とし、 前記絶縁性層エッチング過程も前記中間開口部を通して行われることを特徴と する請求項２６に記載の方法。 ２８．前記ゲート材料供給過程が、前記ペデスタル部の陰になっていない前記中 間層の材料の上に前記ゲート材料を電気化学的に被着する過程を含むことを特徴 とする請求項２７に記載の方法。 ２９．前記ペデスタル部形成過程が、 前記ペデスタル部を露出マスクとして用いて前記パターン転写層を化学線放射 に暴露し、前記パターン転写層の前記粒子の陰になっていない材料の化学的組成 に変化を生じさせる過程と、 前記パターン転写層の化学的に変化した材料を除去する過程とを含むことを特 徴とする請求項２５に記載の方法。 ３０．前記ペデスタル部形成過程が、前記粒子をエッチングマスクとして用いて 、前記パターン転写層を異方性エッチングする過程を含むことを特徴とする請求 項２５に記載の方法。 ３１．前記電子放出素子が、概ね円錐形の形状に形成されることを特徴とする請 求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３２．前記粒子が、概ね球形であることを特徴とする請求項１乃至３０の何れか に記載の方法。 ３３．前記電子放出素子が、電界放出モードで動作可能であることを特徴とする 請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３４．前記分散過程が、印加された電界の影響の下で行われることを特徴とする 請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３５．前記電子放出素子によって放出された電子を収集するためのアノード手段 を、前記電子放出素子の上で、かつ前記電子放出素子から離隔した形態で設ける 過程を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３６．前記アノード手段が、前記電子放出素子から放出された電子が衝当した時 発光する発光素子を有する発光構造の一部として設けられることを特徴とする請 求項３５に記載の方法。 ３７．下側の電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域と、 前記下側非絶縁性領域の上に配設された電気的に絶縁性の絶縁性層で あって、前記下側非絶縁性領域に達する多数の誘電体開口部が貫通している、該 絶縁性層と、 多数の電子放出素子であって、それぞれが前記誘電体開口部の対応する１つの 中に少なくとも部分的に配置され、且つ前記対応する誘電体開口部を通して前記 下側非絶縁性領域に電気的に接続されている、該多数の電子放出素子と、 前記絶縁性層の上に配設された電気的に非絶縁性のゲート層であって、前記ゲ ート層を通して多数の傾斜したゲート開口部が貫通し、前記電子放出素子の対応 する１つを前記ゲート開口部のそれぞれが露出し、前記ゲート開口部のそれぞれ の直径は前記ゲート開口部を前記下側非絶縁性領域に向かって進むにつれ次第に 小さくなっており、前記ゲート層の底部において、若しくはその近傍において直 径が最小値に達する、該電気的に非絶縁性のゲート層とを有することを特徴とす る構造体。 ３８．各ゲート開口部の直径が前記ゲート開口部を下向きに進むにつれ小さくな っていることを特徴とする請求項３７に記載の構造体。 ３９．前記下側非絶縁性領域が、 下側導電性層と、 前記導電性層の上層をなす上側抵抗性層とを含むことを特徴とする請求項３７ に記載の構造体。 ４０．前記ゲート層が、各ゲート開口部に沿って凹んだ断面形状を有しているこ とを特徴とする請求項３７乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４１．各電子放出素子が、概ね円錐形の形状であることを特徴とする請求項３７ 乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４２．前記電子放出素子が、電界放出モードで動作可能であることを特徴とする 請求項３７乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４３．前記電子放出素子の上で、かつ前記電子放出素子から離隔された 形態で配設された、前記電子放出素子から放出された電子を収集するためのアノ ード手段を更に含むことを特徴とする請求項３７乃至３９の何れかに記載の構造 体。 ４４．前記アノード手段が、前記電子放出素子から放出された電子が衝当したと き発光する発光素子を有する発光デバイスの一部であることを特徴とする請求項 ４３に記載の構造体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スピント、クリストファー・ジェイ アメリカ合衆国カリフォルニア州94025・ メンロパーク・ヒルサイドアベニュー 115 (72)発明者 ドブキン、ダニエル・エム アメリカ合衆国カリフォルニア州94086・ サニーベイル・サターアベニュー 877 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気的に絶縁性の絶縁性層の上に多数の粒子を分散させる分散過程と、 少なくとも粒子の間の空間において絶縁性層の上に電気的に非絶縁性のゲート 材料を供給するゲート材料供給過程と、 前記粒子を除去し、その粒子の上に堆積した任意の材料を実質的に除去する粒 子除去過程であって、残ったゲート材料がゲート層を形成し、そのゲート層の除 去された粒子の位置において層を貫通するゲート開口部が形成されるようにする 、該粒子除去過程と、 前記ゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層を貫通 して前記絶縁性層の下層をなす下側電気的非絶縁性領域に概ね達する対応する誘 電体開口部を形成する絶縁性層エッチング過程と、 電気的に非絶縁性のエミッタ材料を前記誘電体開口部に導入して、前記下側非 絶縁性領域の上に対応する電子放出素子を形成する導入過程であって、前記電子 放出素子が前記ゲート開口部を通して外部に露出される、該導入過程とを含むこ とを特徴とする方法。 ２．前記導入過程が、 前記ゲート層の上にリフトオフ層を形成する過程であって、前記ゲート開口部 に垂直方向に整合されたリフトオフ開口部が前記リフトオフ層を貫通している、 該過程と、 前記リフトオフ層の上及び前記リフトオフ開口部及びゲート開口部を通して前 記誘電体開口部の中に前記エミッタ材料を堆積させる過程と、 前記リフトオフ層を除去して前記リフトオフ層の上に堆積した任意のエミッタ 材料を概ね除去する過程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記ゲート材料供給過程が、前記絶縁性層の上の粒子の下の空間に 前記ゲート材料の一部を堆積させる過程を含むことを特徴とする請求項２に記載 の方法。 ４．前記導入過程が、 前記ゲート層の上及び前記ゲート開口部を通して前記誘電体開口部の中に前記 エミッタ材料を堆積させる過程と、 前記誘電体開口部の外部の前記ゲート層の上に堆積した前記エミッタ材料の少 なくとも一部を除去するエミッタ材料除去過程とを含むことを特徴とする請求項 １に記載の方法。 ５．前記エミッタ材料除去過程が、電気化学的に行われることを特徴とする請求 項４に記載の方法。 ６．前記分散過程の前に、前記絶縁性層の上の中間層を設ける過程であって、前 記粒子が前記絶縁性層の上層をなす前記中間層の上に続けて分散される、該過程 を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ７．前記粒子除去過程と前記絶縁性層エッチング過程との間に、前記ゲート開口 部を通して前記中間層をエッチングし、前記中間層を貫通する対応する中間開口 部を形成する過程であって、前記絶縁性層エッチング過程もこの中間開口部を通 して行われる、該過程を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。 ８．前記中間層が、絶縁性層及びゲート層の双方に蒸着されることを特徴とする 請求項７に記載の方法。 ９．前記中間層が、前記分散過程の際に粒子の凝集を抑制することを特徴とする 請求項７に記載の方法。 １０．前記導入過程が、 前記ゲート材料及び前記ゲート開口部及び前記中間開口部を通して前記エミッ タ材料を堆積させる過程と、 前記誘電体開口部の外部の前記ゲート層の上に堆積したエミッタ材料 の少なくとも一部を電気化学的に除去する過程とを含むことを特徴とする請求項 ７に記載の方法。 １１．前記中間層が電気的に非絶縁性の材料を含むことを特徴とする請求項７に 記載の方法。 １２．前記ゲート層が、化学的組成が異なる少なくとも２つのサブレイヤーを含 むことを特徴とする請求項７に記載の方法。 １３．前記ゲート材料が、それを通して微小な開口部を正確にエッチングするこ とが困難な金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 １４．前記分散過程の前に、前記絶縁性層の上にパターン転写層を形成する過程 と、 前記分散過程と前記ゲート材料供給過程との間において、前記粒子の陰になっ ていない前記パターン転写層の材料を除去して、前記パターン転写層から対応す るペデスタル部を形成する過程と、 前記ゲート材料供給過程と前記絶縁性層エッチング過程との間において、前記 ペデスタル部を除去する過程とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方 法。 １５．前記ゲート材料供給過程が、前記粒子の陰になっている前記絶縁性層の材 料の上に選択的に前記ゲート材料を被着する過程を含むことを特徴とする請求項 １４に記載の方法。 １６．各ゲート開口部の直径が前記ゲート開口部を下向きに進むにつれ小さくな ることを特徴とする請求項１に記載の方法。 １７．電気的に絶縁性の絶縁性層の上に多数の粒子を分散させる分散過程と、 前記絶縁性層の上に電気的に非絶縁性のゲート材料を供給するゲート材料供給 過程であって、前記ゲート材料が前記粒子間の空間をカバーし、且つ前記絶縁性 層の上の前記粒子の下の空間に実質的に入り込む、該ゲ ート材料供給過程と、 前記粒子及び前記粒子の上にある実質的に任意の材料を除去する粒子除去過程 であって、残りのゲート材料がゲート層を形成し、該ゲート層の粒子が除去され た位置に傾斜したゲート開口部が貫通する、該粒子除去過程と、 前記傾斜したゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性 層の下に配設された下側の電気的非絶縁性領域に達する、絶縁性層を貫通する対 応する誘電体開口部を形成する絶縁性層エッチング過程と、 前記下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程で あって、各電子放出素子が前記誘電体開口部の対応する１つの上に少なくとも部 分的に配置される、該電子放出素子形成過程とを含む方法。 １８．各傾斜開口部が、その直径がゲート開口部を下側非絶縁領域に向かって進 むにつれ小さくなっており、下側非絶縁性領域において、或いはその近傍におい て最小値に達することを特徴とする請求項１７に記載の方法。 １９．各ゲート開口部の直径の最小値が、前記絶縁性層の前記ゲート開口部の位 置に配置された粒子の平均直径より小さいことを特徴とする請求項１８に記載の 方法。 ２０．前記ゲート材料供給過程が非平コリメート式に行われることを特徴とする 請求項１８に記載の方法。 ２１．前記電子放出素子形成過程が、 前記ゲート層の上にリフトオフ層を被着するリフトオフ層被着過程であって、 前記リフトオフ層が前記ゲート開口部において前記ゲート層のエッジ面をカバー し、且つ前記ゲート開口部においてゲート層のエッジ 部を越えて横向きに著しく延在しない、該リフトオフ層被着過程と、 リフトオフ層上及びゲート開口部を通して誘電体開口部の中に電気的に非絶縁 性のエミッタ材料を被着して、少なくとも部分的に電子放出素子を形成する過程 と、 リフトオフ層を除去して、前記リフトオフ層の上層をなす任意の材料を実質的 に除去する過程とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。 ２２．前記リフトオフ層被着過程が、前記絶縁性層の上側表面に対して２０〜５ ０度の被着角度で行われることを特徴とする請求項２１に記載の方法。 ２３．前記電子放出素子形成過程が、 前記ゲート層及び前記ゲート開口部を通して前記誘電体開口部の上に電気的に 非絶縁性のエミッタ材料を被着して、少なくとも部分的に電子放出素子を形成す る過程と、 前記誘電体開口部の外部において前記ゲート層の上に堆積した前記エミッタ材 料の少なくとも一部を除去して、前記電子放出素子が前記傾斜したゲート開口部 を通して外部に露出されるようにするエミッタ材料除去過程とを含むことを特徴 とする請求項１８に記載の方法。 ２４．前記エミッタ材料除去過程が電気化学的に行われることを特徴とする請求 項２３に記載の方法。 ２５．電気的に絶緑性の絶緑性層の上に形成されたパターン転写層の上に多数の 粒子を分散させる分散過程と、 粒子の陰になっていない前記パターン転写層の材料を除去することにより前記 パターン転写層から対応するペデスタル部を形成するペデスタル部形成過程と、 少なくとも前記ペデスタル部の間の空間における前記絶縁性層の上に 電気的に非絶縁性のゲート材料を供給するゲート材料供給過程と、 前記ペデスタル部の上の粒子を含む任意の材料及びペデスタルを除去して、残 りのゲート材料がゲート層を形成し、該ゲート層の粒子が除去された位置にゲー ト開口部が貫通するようにする過程と、 前記ゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層の下側 の下側非絶縁性領域に達する絶縁性層を貫通する対応する誘電体開口部を形成す る絶縁性層エッチング過程と、 前記下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程で あって、各電子放出素子が前記誘電体開口部の対応する１つに少なくとも部分的 に配置されるようにする、該電子放出素子形成過程とを含むことを特徴とする方 法。 ２６．前記ゲート材料供給過程が、前記粒子の陰になっていない前記絶縁性層の 材料の上に前記ゲート材料を選択的に被着する過程を含むことを特徴とする請求 項２５に記載の方法。 ２７．前記分散過程の前に、（ａ）前記絶縁性層の上層をなす電気的に非絶縁性 の中間層、及び（ｂ）前記中間層の上層をなすパターン転写層を形成する過程と 、 前記ゲート材料供給過程の後に、前記ゲート開口部を通して前記中間層をエッ チングし、前記中間層を貫通して前記絶縁性層に概ね達する対応する中間開口部 を形成する過程を更に含むことを特徴とし、 前記絶縁性層エッチング過程も前記中間開口部を通して行われることを特徴と する請求項２６に記載の方法。 ２８．前記ゲート材料供給過程が、前記粒子の陰になっていない前記中間層の材 料および前記ゲート材料を電気化学的に被着する過程を含むことを特徴とする請 求項２７に記載の方法。 ２９．前記ペデスタル部形成過程が、 前記パターン転写層を粒子を露出マスクとして用いて化学線放射に露出し、パ ターン転写層の前記粒子の陰になっていない材料の化学的組成を変化させる過程 と、 前記パターン転写層の化学的に変化した材料を除去する過程とを含むことを特 徴とする請求項２５に記載の方法。 ３０．前記ペデスタル部形成過程が、前記粒子をエッチングマスクとして用いて 前記パターン転写層を異方性エッチングする過程を含むことを特徴とする請求項 ２５に記載の方法。 ３１．前記電子放出素子が概ね円錐形の形状に形成されることを特徴とする請求 項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３２．前記粒子が概ね球形であることを特徴とする請求項１乃至３０の何れかに 記載の方法。 ３３．前記電気放出素子が電界放出モードで動作可能であることを特徴とする請 求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３４．前記分散過程が、印加された電界の影響の下で行われることを特徴とする 請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３５．前記電子放出素子の上で、かつ前記電子放出素子からは離隔された、前記 電子放出素子により放出された電子を吸収するためのアノード手段を設ける過程 を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３０の何れかに記載の方法。 ３６．前記アノード手段が前記電子放出素子から放出された電子が衝当した時発 光する発光素子を有する発光構造の一部として設けられることを特徴とする請求 項３５に記載の方法。 ３７．下側の電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域と、 前記下側非絶縁性領域の上に配設された電気的に絶縁性の絶縁性層であって、 前記絶縁性層を通して前記下側非絶縁性領域に達する多数の誘 電体開口部が貫通している、該絶縁性層と、 それぞれ前記誘電体開口部の対応する１つの中に少なくとも部分的に配置され 、対応する誘電体開口部を通して前記下側非絶縁性領域に電気的に接続されてい る多数の電子放出素子と、 前記絶縁性層の上に配置された電気的に非絶縁性のゲート層であって、前記ゲ ート層を通して多数の傾斜したゲート開口部が設けられており、各ゲート開口部 が前記電子放出素子の対応する１つを露出し、各ゲート開口部の直径がゲート開 口部を前記下側非絶縁性領域に向かって下向きに進むにつれ小さくなっており、 前記ゲート層の底、または底の近傍において最小値になっている、該非絶縁性ゲ ート層とを有することを特徴とする構造体。 ３８．各ゲート開口部の直径がそれを下向きに進むにつれ次第に小さくなってい ることを特徴とする請求項３７に記載の構造体。 ３９．各ゲート開口部を下向きに進むにつれその直径が小さくなる率が次第に大 きくなっていることを特徴とする請求項３７に記載の構造体。 ４０．前記ゲート層が各ゲート開口部に沿って凹状の断面形状を有していること を特徴とする請求項３７乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４１．各電子放出素子が概ね円錐形の形状を有していることを特徴とする請求項 ３７乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４２．前記電子放出素子が電界放出モードで動作可能であることを特徴とする請 求項３７乃至３９の何れかに記載の構造体。 ４３．前記電子放出素子の上で、かつ前記電子放出素子から離隔された、前記電 子放出素子から放出された電子を収集するためのアノード手段が設けられている ことを特徴とする請求項３７乃至３９の何れかに記載の装置。 ４４．前記アノード手段が前記電子放出素子から放出された電子と衝当 した時に発光する発光素子を有する発光装置の一部であることを特徴とする請求 項４３に記載の方法。