JP2003100198A - Field electron emission element, manufacturing method of same, and image display device - Google Patents

Field electron emission element, manufacturing method of same, and image display device

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JP2003100198A
JP2003100198A JP2001293297A JP2001293297A JP2003100198A JP 2003100198 A JP2003100198 A JP 2003100198A JP 2001293297 A JP2001293297 A JP 2001293297A JP 2001293297 A JP2001293297 A JP 2001293297A JP 2003100198 A JP2003100198 A JP 2003100198A
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JP
Japan
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layer
needle
conductor
group
opening
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Application number
JP2001293297A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Motoi
雄一 元井
Toshie Sato
利江 佐藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture an array of a field electron emission element which is driven with a low voltage applied between an emitter and a gate and converges well to an anode electrode of the emission electron, with the less number of processes and high yields, by using a relatively low-cost fine processing device. SOLUTION: The field electron emission element comprises a substrate, a conductive fixed layer formed on the substrate, a group of needle conductors standing on the fixed layer, a conductor layer thicker than the group of the needle conductors, formed on the fixed layer and the group of the needle conductors, and exposing a part of the group of the needle conductors on an opening part, an insulating layer formed on the conductor layer, and a gate electrode formed on the insulating layer.

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、平面型ディスプレ
イその他へ応用される電界電子放出素子と、その製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field electron emission device applied to a flat panel display or the like and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界電子放出素子にカーボンナノチュー
ブなどの針状の導体を用いたものが提案されてきてい
る。
2. Description of the Related Art A field electron emission device using a needle-shaped conductor such as carbon nanotube has been proposed.

【0003】カーボンナノチューブは、ナノメートル・
オーダーの先端径を持っているので、微細加工技術を用
いることなく非常にアスペクト比の大きい針状の導体と
することができる。また、炭素のsp2結合だけで構成
されているため化学的に安定である。さらに、負の電子
親和力を持っていると考えられている。従って、電界電
子放出素子のエミッタ材料として適した性質を持つ。
Carbon nanotubes are nanometers
Since it has a tip diameter of the order, it can be made into a needle-shaped conductor having a very large aspect ratio without using a fine processing technology. Further, it is chemically stable because it is composed only of carbon sp 2 bonds. Furthermore, it is considered to have a negative electron affinity. Therefore, it has properties suitable as an emitter material of a field electron emission device.

【0004】実際、カーボンナノチューブをディスプレ
イ用いられる電界電子放出素子に応用する研究が各所で
精力的に進められている。Rinzlerら(A.
G.Rinzler et al., Science
269(1995)1550)やde Heerら
(W. A. de Herr et al., Sc
ience 270(1995)1179) によって
カーボンナノチューブからの電界放出の実験がなされ、
大きな放出電流が観測された。また、カーボンナノチュ
ーブをエミッタとして利用した電界電子放出素子を平面
型に配置したディスプレイが、三重大学の斎藤らと伊勢
電子工業のグループ(S. Uemuraet a
l., Proc. Euro Dispay `99
(19thIDRC),93)によって作られた。しか
し、エミッタとグリッドの間の駆動電圧が100Vから
800Vと高かった。これはエミッタとグリッドの間の
距離が200μmと長いためである。
In fact, various researches have been actively conducted in various places to apply carbon nanotubes to field electron emission devices used for displays. Rinzler et al. (A.
G. Rinzler et al. , Science
269 (1995) 1550) and de Heer et al. (W.A. de Herr et al., Sc.
270 (1995) 1179) conducted a field emission experiment from carbon nanotubes.
A large emission current was observed. In addition, a display in which a field electron emission device using carbon nanotubes as an emitter is arranged in a plane type is disclosed by Saito et al. Of Mie University and a group of S. Uemura et a.
l. , Proc. Euro Display `99
(19th IDRC), 93). However, the driving voltage between the emitter and the grid was as high as 100V to 800V. This is because the distance between the emitter and the grid is as long as 200 μm.

【0005】カーボンナノチューブから電子を引き出す
ための電界強度は、他のエミッタ材料に比較して低い値
ではある。しかし、それでも数十Vのエミッタ−グリッ
ド間の駆動電圧を実現するには、エミッタ−グリッド間
を数μm以下にする必要がある。このことは、エミッタ
−ゲート間が数μmの場合、ゲート電極の孔の大きさも
数μm以下でなければならないことを示す。従って、数
μm程度のパターン幅の微細加工技術が必要となる。
The electric field strength for extracting electrons from carbon nanotubes is a low value as compared with other emitter materials. However, in order to realize an emitter-grid drive voltage of several tens of V, the emitter-grid gap must be several μm or less. This indicates that when the distance between the emitter and the gate is several μm, the size of the hole of the gate electrode must be several μm or less. Therefore, a fine processing technique with a pattern width of about several μm is required.

【0006】一方,カーボンナノチューブから引き出さ
れた電子がゲート電極により導かれ、アノード電極に効
率よく到達するようにする必要がある。これは、例え
ば、ディスプレイであれば、同じエミッタ−ゲート間の
駆動電圧での輝度増大に寄与する。効率よく電子を導く
には、収束性の高い電子線を得られるようにエミッタ周
辺の電界分布を工夫する必要がある。たとえば、特開20
01-118488には、エミッタの周辺部を被覆し、エミッタ
の露出部分をゲートホールの径より小さくすることで、
電子線の集束を高める方法が述べられている。
On the other hand, it is necessary that the electrons extracted from the carbon nanotube are guided by the gate electrode and efficiently reach the anode electrode. For example, in the case of a display, this contributes to increase in brightness with the same emitter-gate drive voltage. In order to guide electrons efficiently, it is necessary to devise the electric field distribution around the emitter so that an electron beam with high convergence can be obtained. For example, JP 20
In 01-118488, by covering the peripheral part of the emitter and making the exposed part of the emitter smaller than the diameter of the gate hole,
A method for enhancing the focusing of electron beams is described.

【0007】しかし、このような加工をフォトリソグラ
フィーでおこなうためには、ゲートホールの径よりも高
い位置あわせ精度を持つ露光装置を用いることが要求さ
れる。例えば、ゲートホールの径が5μmの場合、露光
装置の位置あわせ精度を少なくとも2.5μm以下と厳
しい条件でおこなう必要があり、それに伴う製造装置の
コスト上の問題があった。
However, in order to perform such processing by photolithography, it is necessary to use an exposure apparatus having a positioning accuracy higher than the diameter of the gate hole. For example, when the diameter of the gate hole is 5 μm, it is necessary to perform the alignment accuracy of the exposure device under a strict condition of at least 2.5 μm or less, which causes a problem in the cost of the manufacturing device.

【0008】また、図12に従来の典型的なエミッタ構
造を示す。基板上に形成された絶縁層の開口底部に起立
するカーボンナノチューブを設け、その絶縁層上にゲー
ト電極が形成されている。
FIG. 12 shows a conventional typical emitter structure. Carbon nanotubes standing on the bottom of the opening of an insulating layer formed on a substrate are provided, and a gate electrode is formed on the insulating layer.

【0009】エミッタ-ゲート間に電圧を印加すると、
その等電位線は点線で示すように、ゲートホールの中央
部で上に凸になる。したがって、放出される電子は外側
に拡がるため、絶縁層壁に衝突したり、アノード電極上
で広いスポットを作ったりして電子線の収束性が悪い。
さらに、カーボンナノチューブが成長している部分に合
わせてゲートホールを作製するのは、ゲートホール径が
小さい場合、パターンニングの際にゲートホール径より
も高い位置合わせ精度を要求される。
When a voltage is applied between the emitter and the gate,
The equipotential line is convex upward at the center of the gate hole, as shown by the dotted line. Therefore, the emitted electrons spread outward and collide with the wall of the insulating layer or form a wide spot on the anode electrode, resulting in poor convergence of the electron beam.
Further, when the gate hole diameter is small, the gate hole is formed in conformity with the portion where the carbon nanotubes are growing. When the gate hole diameter is small, alignment accuracy higher than the gate hole diameter is required at the time of patterning.

【0010】このような問題から、駆動電圧が低く、電
子収束度の高い電界電子放出素子のアレイを大面積化す
るための安価な作製方法が求められていた。
Due to these problems, there has been a demand for an inexpensive manufacturing method for increasing the area of an array of field electron emission devices having a low driving voltage and a high electron focusing degree.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】エミッタとゲートとの
間に印加する駆動電圧を低くし、かつ放出電子のアノー
ド電極への収束度の高い電界電子放出素子のアレイを工
程数少なく、しかも比較的安価な微細加工装置を用いて
作製する。
SUMMARY OF THE INVENTION An array of field electron emission devices having a low drive voltage applied between an emitter and a gate and having a high degree of convergence of emitted electrons to an anode electrode is manufactured in a relatively small number of steps. It is manufactured by using a fine processing device.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の一態様は、基板
と、前記基板上に形成された導電性固定層と、前記固定
層上に立つ針状導体群と、前記針状導体群よりも厚く、
前記固定層及び前記針状導体群上に形成され、導電体開
口部全底に前記針状導体群の一部を露出する導体層と、
前記導体層上に形成され、前記導電体開口部に連続する
絶縁開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成さ
れ、前記絶縁開口部端に延びるゲート電極とを備えたこ
とを特徴とする電界電子放出素子を提供する。
According to one aspect of the present invention, a substrate, a conductive fixing layer formed on the substrate, a group of needle-like conductors standing on the fixing layer, and a group of needle-like conductors are provided. Thicker,
A conductor layer formed on the fixed layer and the needle-shaped conductor group, and exposing a part of the needle-shaped conductor group on the entire bottom surface of the conductor opening,
An insulating layer formed on the conductor layer and having an insulating opening continuous with the conductive opening; and a gate electrode formed on the insulating layer and extending to an end of the insulating opening. A field electron emission device is provided.

【0013】ここで、前記針状導体はカーボンナノチュ
ーブであってもよい。
Here, the needle-shaped conductor may be a carbon nanotube.

【0014】また、前記固定層は、基板上に形成された
下地層と前記下地層上に設けられた触媒層からなるもの
であってもよい。
The fixed layer may be composed of a base layer formed on a substrate and a catalyst layer provided on the base layer.

【0015】本発明の一態様は、基板と、前記基板上に
形成された導電性固定層と、前記固定層上に立つ針状導
体群と、前記針状導体群よりも厚く、前記固定層及び前
記針状導体群上に形成され、導電体開口部全底に前記針
状導体群の一部を露出する導体層と、前記導体層上に形
成され、前記導電体開口部に連続する絶縁開口部を有す
る絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記絶縁開口部
端に延びるゲート電極と、アノード電極とを備え、1画
素ごとに前記針状導体群が形成されていることを特徴と
する画像表示装置を提供する。
According to an aspect of the present invention, a substrate, a conductive fixing layer formed on the substrate, a group of needle-like conductors standing on the fixing layer, and a thicker layer than the group of needle-like conductors, the fixing layer. And a conductor layer formed on the needle-shaped conductor group and exposing a part of the needle-shaped conductor group on the entire bottom surface of the conductor opening, and insulation formed on the conductor layer and continuous to the conductor opening. An insulating layer having an opening, a gate electrode formed on the insulating layer and extending to the end of the insulating opening, and an anode electrode, and the needle-shaped conductor group is formed for each pixel. An image display device is provided.

【0016】本発明の一態様は、基板上に導電性固定層
を形成する工程と、前記固定層上に針状導体群を成長さ
せる工程と、前記針状導体群よりも厚く、前記固定層及
び前記針状導体群上に導体層を形成する行程と、前記導
電層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にゲー
ト電極層を形成する工程と、前記絶縁層及び前記ゲート
電極層に開口を設け、前記開口底部に前記導電層を露出
させる工程と、前記開口底部の導電層を選択的に除去
し、前記針状導体群を露出させる工程とを備えることを
特徴とする電界電子放出素子の製造方法を提供する。
According to an aspect of the present invention, a step of forming a conductive fixed layer on a substrate, a step of growing a needle-shaped conductor group on the fixed layer, and a step of thicker than the needle-shaped conductor group, the fixed layer And a step of forming a conductor layer on the needle-shaped conductor group, a step of forming an insulating layer on the conductive layer, a step of forming a gate electrode layer on the insulating layer, the insulating layer and the gate electrode An electric field comprising: providing an opening in a layer, exposing the conductive layer at the bottom of the opening; and selectively removing the conductive layer at the bottom of the opening to expose the needle-shaped conductor group. A method for manufacturing an electron-emitting device is provided.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below.

【0018】本発明の一実施形態は、図1に示すよう
に、基板1上に導電性の固定層2が形成され、固定層2
上にカーボンナノチューブ等の針状導体群3が起立し、
さらに、この針状導体群3を覆う導電層4が設けられて
いる。導電層4は針状導体群3の間を埋めている。この
導電層4上にカソード電極5が設けられている。ここで
は、カソード電極5を備えたものを説明するが、導電層
4に導電性があるので、カソード電極5は無くてもよ
い。さらに、カソード電極5上に絶縁層6及びゲート電
極7が設けられている。
In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a conductive fixing layer 2 is formed on a substrate 1, and the fixing layer 2 is formed.
The needle-shaped conductor group 3 such as carbon nanotube stands up on the top,
Further, a conductive layer 4 covering the needle-shaped conductor group 3 is provided. The conductive layer 4 fills the space between the needle-shaped conductor groups 3. A cathode electrode 5 is provided on the conductive layer 4. Here, a device including the cathode electrode 5 will be described, but the cathode electrode 5 may be omitted because the conductive layer 4 has conductivity. Further, an insulating layer 6 and a gate electrode 7 are provided on the cathode electrode 5.

【0019】針状導体群3は、導電層4等の開口11の
底部のみならず、その周辺にも起立している。ただ、針
状導体群3は、少なくとも開口11底部に設けられてい
る必要があるが、開口部の周辺には在っても、無くても
良い。
The needle-shaped conductor group 3 stands up not only on the bottom of the opening 11 of the conductive layer 4 and the like, but also on the periphery thereof. However, the needle-shaped conductor group 3 needs to be provided at least at the bottom of the opening 11, but may be provided around the opening or may not be provided.

【0020】このような構造では、導電層4の電位は固
定層2、針状導電体群3及びカソード電極5は同電位と
なる。ここで、エミッタ-ゲート間に電圧を印加した場
合、その等電位線は点線で示すように、ほぼ水平か、あ
るいは凹型の形となる。そのため、エミッタから放出し
た電子は、ほぼ基板に垂直か、もしくは開口11の中心
に集まるような軌道を描いてアノードに到達するため、
電子線の収束性が高くなる。
In such a structure, the electric potential of the conductive layer 4 is the same as that of the fixed layer 2, the acicular conductor group 3 and the cathode electrode 5. Here, when a voltage is applied between the emitter and the gate, the equipotential line has a substantially horizontal or concave shape as shown by a dotted line. Therefore, the electrons emitted from the emitter reach the anode in a trajectory that is almost perpendicular to the substrate or gathered at the center of the opening 11.
The electron beam convergence is enhanced.

【0021】さらに、導電層4の開口部と絶縁層6の開
口部は、その側面が連続し、ゲート電極7が開口部の端
部に設けられていることから、開口内の電界はより一層
収束性を高めるように分布する。ここでは、開口11の
底部全体に針状導体群3が形成されているので、開口の
面積を最大限活用して電子を放出することが可能とな
る。
Further, since the side surfaces of the opening of the conductive layer 4 and the opening of the insulating layer 6 are continuous and the gate electrode 7 is provided at the end of the opening, the electric field in the opening is further improved. It is distributed so as to improve convergence. Here, since the needle-shaped conductor group 3 is formed over the entire bottom of the opening 11, it is possible to maximize the area of the opening to emit electrons.

【0022】図2は本実施形態の電界電子放出素子をア
レイ状に並べたときの平面図、図3は図2中の開口11
近傍の拡大図、図4は図3のA−Bに沿う部分断面図で
ある。
FIG. 2 is a plan view when the field electron emission devices of this embodiment are arranged in an array, and FIG. 3 is an opening 11 in FIG.
FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity and FIG. 4 is a partial sectional view taken along the line AB of FIG.

【0023】基板1上に、平行に導電層4及びカソード
電極5が形成されている。また、カソード電極5とは垂
直方向にゲート電極7が形成されている。カソード電極
5とゲート電極7との間には絶縁層6が設けられてい
る。この絶縁層6はカソード電極5とゲート電極7との
交差部のみならず、カソード電極5の間を覆っていても
よい。
A conductive layer 4 and a cathode electrode 5 are formed in parallel on the substrate 1. Further, the gate electrode 7 is formed in the direction perpendicular to the cathode electrode 5. An insulating layer 6 is provided between the cathode electrode 5 and the gate electrode 7. The insulating layer 6 may cover not only the intersection of the cathode electrode 5 and the gate electrode 7 but also the space between the cathode electrodes 5.

【0024】カソード電極5とゲート電極7との交差部
には、固定層2上に起立する針状導体群3が露出してい
る開口11が複数設けられている。
At the intersection of the cathode electrode 5 and the gate electrode 7, a plurality of openings 11 are provided to expose the needle-shaped conductor group 3 standing on the fixed layer 2.

【0025】このようにして、針状導体群3を覆う導体
層4を設けることにより、図1を用いて説明した通り、
開口11内の等電位面に凹部を形成することができる。
これにより、針状導体3の先端より放出された電子は、
開口11内の電界により、中心部に収束しながら放出さ
れることになる。
In this way, by providing the conductor layer 4 covering the needle-shaped conductor group 3, as described with reference to FIG.
A recess can be formed on the equipotential surface in the opening 11.
As a result, the electrons emitted from the tip of the needle-shaped conductor 3 are
Due to the electric field in the opening 11, the light is emitted while converging in the central portion.

【0026】次に、本実施形態に係る電界電子放出素子
の製造方法の例を、図5から図13を用いて、説明す
る。
Next, an example of a method of manufacturing the field electron emission device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0027】厚さ約0.5mmの石英からなる基板1を
準備する。ここで、基板1は石英に限らず、電子放出素
子を支持できるものであればよい。
A substrate 1 made of quartz and having a thickness of about 0.5 mm is prepared. Here, the substrate 1 is not limited to quartz as long as it can support an electron-emitting device.

【0028】この基板1上に、スパッタ法により下地層
21としてCrを約1nm、その上に触媒層22として
Niを約20nm堆積する。ここで、Crは、Niと基板
との間の密着性向上の機能を持ち、素子アレイの歩留ま
り向上に寄与する。しかし、基板1と触媒層22の密着
性を確保できれば、下地層21を省略し、Niによる触
媒層のみで代用することが可能である。また、下地層2
1と触媒層22の間にTaを堆積し、Taカソード層と
することも可能である。このときもCrは、基板1とT
aカソード層との密着性を向上させる。
On this substrate 1, Cr is deposited as a base layer 21 to a thickness of about 1 nm and Ni as a catalyst layer 22 is deposited to a thickness of about 20 nm by a sputtering method. Here, Cr has the function of improving the adhesion between Ni and the substrate, and contributes to the improvement of the yield of the element array. However, if the adhesion between the substrate 1 and the catalyst layer 22 can be secured, it is possible to omit the base layer 21 and substitute only the catalyst layer made of Ni. In addition, the underlayer 2
It is also possible to deposit Ta between 1 and the catalyst layer 22 to form a Ta cathode layer. Also at this time, Cr is added to the substrate 1 and T.
a Improves adhesion with the cathode layer.

【0029】続いて、触媒層22上にポジレジストを塗
布し、触媒層22を残す部分にポジレジストが残るよう
なマスクパターンを用いて露光・現像・ポストベークを
おこう。触媒層22を残すのは、この後に針状導電体を
形成する領域、即ち、カソード電極とゲート電極の交差
部である。Niを除去するエッチング液は、8重量パー
セントの第二塩化鉄水溶液に硝酸と燐酸を加えたものを
用いることができる。ウェットエッチングは室温でおこ
なえばよい。そして、レジスト剥離液を用いてレジスト
を除去した後、純水で洗浄をおこなう。
Subsequently, a positive resist is applied on the catalyst layer 22, and exposure, development and post-baking are performed using a mask pattern such that the positive resist remains on the portion where the catalyst layer 22 is left. The catalyst layer 22 is left in the region where the needle-shaped conductor is formed after that, that is, in the intersection of the cathode electrode and the gate electrode. An etching solution for removing Ni may be an 8 wt% ferric chloride aqueous solution to which nitric acid and phosphoric acid are added. Wet etching may be performed at room temperature. Then, after removing the resist using a resist stripping solution, cleaning is performed with pure water.

【0030】次に、下地層21を平行にパターン形成す
るため、下地層21のCrのウェットエッチングをおこ
なう。即ち、カソード配線のパターンに合わせて、ポジ
レジストが残るようなマスクパターンを用いて、露光・
現像・ポストベークをおこなう。Crを除去するエッチ
ング液は、硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液に過塩
素酸と硝酸を加えたものを用いることができる。ウェッ
トエッチングは室温でおこなえばよい。そして、レジス
ト剥離液を用いてレジストを除去した後、純水で洗浄を
おこなう。このようにして、下地層21、触媒層22を
パターニングした後の様子を図5に示す。
Next, in order to pattern the base layer 21 in parallel, wet etching of Cr of the base layer 21 is performed. That is, exposure / exposure is performed by using a mask pattern that leaves a positive resist in accordance with the pattern of the cathode wiring.
Develop and post bake. As an etching solution for removing Cr, a solution of perchloric acid and nitric acid added to an aqueous solution of cerium ammonium nitrate can be used. Wet etching may be performed at room temperature. Then, after removing the resist using a resist stripping solution, cleaning is performed with pure water. FIG. 5 shows a state after patterning the underlayer 21 and the catalyst layer 22 in this manner.

【0031】次いで、図6に示すように、プラズマCV
D法でカーボンナノチューブを触媒層22上に選択的に
成長させ、針状導体群3を形成する。このため、まず、
基板1上のパターンニング済みの下地層21に約−14
0Vの直流負バイアス電圧を印加しつつ、約3Torr
のH2ガス中で、マイクロ波で30分間プラズマ放電さ
せ、触媒層22表面をエッチングする。次に、H2:C
H4=4:1の混合ガス中で基板上の下地層21に約−
185Vの直流負バイアス電圧を印加しつつ、全圧が約
3Torrの条件で、マイクロ波で30分間プラズマ放
電させ、触媒層22表面にカーボンナノチューブを選択
的に成長させる。
Next, as shown in FIG. 6, plasma CV
Carbon nanotubes are selectively grown on the catalyst layer 22 by the D method to form the needle-shaped conductor group 3. For this reason, first
-14 on the patterned underlayer 21 on the substrate 1
Approximately 3 Torr while applying 0V DC negative bias voltage
Of H 2 gas, the surface of the catalyst layer 22 is etched by causing plasma discharge with microwaves for 30 minutes. Next, H 2 : C
In the mixed gas of H4 = 4: 1, the underlayer 21 on the substrate is about −
While applying a DC negative bias voltage of 185 V, plasma discharge is performed by microwaves for 30 minutes under the condition that the total pressure is about 3 Torr, and carbon nanotubes are selectively grown on the surface of the catalyst layer 22.

【0032】ここで成長したカーボンナノチューブは、
典型的には、平均的長さが約2μm、直径が約30nm
〜70nmである。
The carbon nanotubes grown here are
Typical length is about 2 μm and diameter is about 30 nm
~ 70 nm.

【0033】このようにして、触媒層22上に針状導体
3が固定される。
In this way, the needle-shaped conductor 3 is fixed on the catalyst layer 22.

【0034】次に、図7に示すように、スパッタ法で基
板1の表面全面に、導電層4となる約2μmの厚さのア
ルミニウムを堆積する。
Next, as shown in FIG. 7, aluminum having a thickness of about 2 μm to be the conductive layer 4 is deposited on the entire surface of the substrate 1 by the sputtering method.

【0035】この導電層4は、針状導電体3からの放出
電子の収束性を向上させる効果の他に、後の工程でのカ
ーボンナノチューブのダメージを低減する効果もある。
即ち、カーボンナノチューブに直接レジストを塗布し、
また、レジスト剥離をおこなうと、その過程でカーボン
ナノチューブが損傷しやすい。しかし、アルミニウムな
どの金属をスパッタ法などでカーボンナノチューブの上
に被覆し、その後レジストの塗布・剥離、スパッタリン
グ、エッチング、酸素プラズマによるアッシングなどを
行ない、その後にウェットプロセスで除去する場合に
は、カーボンナノチューブの加工ダメージは小さい。
The conductive layer 4 has the effect of improving the convergence of the emitted electrons from the needle-shaped conductor 3, and also has the effect of reducing damage to the carbon nanotubes in the subsequent step.
That is, the resist is directly applied to the carbon nanotube,
Further, when the resist is peeled off, the carbon nanotubes are easily damaged in the process. However, if a metal such as aluminum is coated on the carbon nanotubes by a sputtering method, then coating / peeling of a resist, sputtering, etching, ashing with oxygen plasma, etc. are performed, and then the carbon is removed by a wet process, the carbon Nanotube processing damage is small.

【0036】この後、堆積した導体層4を画素の大きさ
に合わせて約180μm×180μmの大きさとなるように、
ウェットエッチングによってパターンニングをおこな
う。ウェットエッチングには、例えば、希釈した硝酸
に、リン酸、酢酸を加えた水溶液を用い、約40℃でおこ
なう。ここでは、導体層4を画素の大きさにあわせて残
したが、導体層4を下地層21に合わせて残してもよ
い。
After that, the deposited conductor layer 4 has a size of about 180 μm × 180 μm in accordance with the size of the pixel.
Patterning is performed by wet etching. The wet etching is performed at about 40 ° C. using, for example, an aqueous solution obtained by adding phosphoric acid and acetic acid to diluted nitric acid. Here, the conductor layer 4 is left according to the size of the pixel, but the conductor layer 4 may be left according to the base layer 21.

【0037】なお、カーボンナノチューブの成長工程
で、触媒層22の上以外にも、例えば、基板1や下地層
21が露出している部分にも、アモルファスカーボン粒
子などの炭素物質が微量ながら付着する。この炭素物質
は、カソード配線間の絶縁性を損なったり、後の工程で
堆積する層の密着性を損なったりする虞がある。そのた
め、プラズマアッシャー装置により、酸素プラズマ中で
処理し、導電層4で被覆されていない部分に付着してい
る炭素物質を除去する。
In addition, in the carbon nanotube growth step, a small amount of carbon substance such as amorphous carbon particles adheres to not only the catalyst layer 22 but also the exposed portion of the substrate 1 and the underlying layer 21, for example. . This carbon substance may impair the insulation between the cathode wirings or the adhesion of a layer deposited in a later step. Therefore, the plasma asher apparatus is used to perform treatment in oxygen plasma to remove the carbon substance adhering to the portion not covered with the conductive layer 4.

【0038】その後、カソード電極5となるTaをスパッ
タで約200nm堆積し、フォトリソグラフィーとCF4ガスに
よる反応性イオンエッチングによりカソード電極5のパ
ターンニングをおこなう(図8)。
Thereafter, Ta to be the cathode electrode 5 is deposited by sputtering to a thickness of about 200 nm, and the cathode electrode 5 is patterned by photolithography and reactive ion etching with CF4 gas (FIG. 8).

【0039】次に、図9のようにスパッタ法で絶縁層6
としてSiO2を約3μm堆積する。
Next, as shown in FIG. 9, the insulating layer 6 is formed by the sputtering method.
As a result, SiO2 is deposited by about 3 μm.

【0040】その後、図10のように、絶縁層6の上
に、ゲート電極7として、Taを約200nm堆積する。
Thereafter, as shown in FIG. 10, Ta of about 200 nm is deposited as the gate electrode 7 on the insulating layer 6.

【0041】続いて、カソード電極5と交差する方向に
ゲート電極7のパターンニングをフォトリソグラフィー
とCF4ガスを用いた反応性イオンエッチングによりおこ
なう。
Subsequently, the gate electrode 7 is patterned in a direction intersecting with the cathode electrode 5 by photolithography and reactive ion etching using CF4 gas.

【0042】しかる後に、ゲート電極7の上にフォトレ
ジストを塗布して露光・現像して、約5μm×5μmの
正方形の開口パターンをフォトレジストに形成する。露
光は密着露光方式により行なうことができる。
Thereafter, a photoresist is applied on the gate electrode 7, exposed and developed to form a square opening pattern of about 5 μm × 5 μm in the photoresist. The exposure can be performed by a contact exposure method.

【0043】この工程に用いられるフォトリソグラフィ
ーは、全工程中で最も微細な精度が必要であり、約5μ
mより精密な位置あわせ精度が要求される。この他に、
これ以上の精度を要求される工程は無い。従って、プロ
キシミティー露光装置などを用いることができ、製造装
置のコストを低く抑えることができる。
The photolithography used in this process requires the finest precision among all the processes, and is about 5 μm.
Alignment accuracy more precise than m is required. Besides this,
There is no process that requires higher accuracy. Therefore, a proximity exposure device can be used, and the cost of the manufacturing device can be kept low.

【0044】また、カーボンナノチューブに導電層4を
被覆してから絶縁層6とゲート電極7を堆積し、開口を
形成するので、カソード電極5の線幅で決まる位置あわ
せマージンを持たせれば良く、ゲートホール径よりも位
置あわせ精度を荒くすることが可能である。このことか
らも、微小なゲートホール径でありながら、比較的安価
な露光装置を用いることが可能である。
Since the carbon nanotube is covered with the conductive layer 4 and then the insulating layer 6 and the gate electrode 7 are deposited to form the opening, it is sufficient to provide a positioning margin determined by the line width of the cathode electrode 5. It is possible to make the alignment accuracy rougher than the gate hole diameter. From this, it is possible to use an exposure apparatus that is relatively inexpensive even though it has a small gate hole diameter.

【0045】この後、CF4プラズマを用いた反応性イオ
ンエッチングにより、図11のように、ゲート電極7お
よび絶縁層6に開口11を形成する。ここで、導電層4
のアルミニウムは、CF4プラズマでエッチングされにく
い性質があるため、エッチング時間を大きめにとって、
エッチングを導電層の表面で均一に終端させることがで
きる。続いて、開口パターンを形成したフォトレジスト
をレジスト剥離液により除去する。
After that, the opening 11 is formed in the gate electrode 7 and the insulating layer 6 by reactive ion etching using CF4 plasma, as shown in FIG. Here, the conductive layer 4
Aluminum has a property that it is difficult to be etched by CF4 plasma, so increase the etching time,
The etching can be uniformly terminated on the surface of the conductive layer. Subsequently, the photoresist having the opening pattern formed thereon is removed by a resist stripping solution.

【0046】次いで、針状導体群3を覆っている導電層
4のアルミニウムをウェットエッチングにより除去す
る。このときのエッチング液には、約40℃に加熱した
約1重量パーセントの濃度の水酸化カリウム水溶液を用
い、静かに攪拌しながら約6分〜約8分浸してウェット
エッチングをおこなえばよい。この導電層4のウェット
エッチング際のエッチング液としてアルカリ性溶液を用
いることにより、ゲート電極7のタンタルや、触媒層2
2となっているニッケルを侵さずに、導電層4のアルミ
ニウムのみを選択的にエッチングすることができる。カ
ーボンナノチューブの触媒金属の多くは、酸性溶液でエ
ッチングされてしまうので、導電層4の材料としては、
アルミニウムのように、アルカリ性溶液でエッチングで
きるものが好ましい。他に、アルカリ性溶液でエッチン
グできる導電層の材料とエッチング液の組み合わせとし
て、例えば導電層として銅、エッチング液としてアンモ
ニア水溶液を用いることができる。
Next, the aluminum of the conductive layer 4 covering the needle-shaped conductor group 3 is removed by wet etching. As an etching solution at this time, an aqueous solution of potassium hydroxide having a concentration of about 1% by weight heated to about 40 ° C. may be used, and it may be soaked for about 6 minutes to about 8 minutes while gently stirring to perform wet etching. By using an alkaline solution as an etching solution during the wet etching of the conductive layer 4, the tantalum of the gate electrode 7 and the catalyst layer 2 can be formed.
Only the aluminum of the conductive layer 4 can be selectively etched without attacking the nickel of 2. Most of the catalytic metals of carbon nanotubes are etched by an acidic solution, so the material for the conductive layer 4 is
Those that can be etched with an alkaline solution, such as aluminum, are preferable. In addition, as a combination of the material of the conductive layer that can be etched with the alkaline solution and the etching solution, for example, copper can be used as the conductive layer and an aqueous ammonia solution can be used as the etching solution.

【0047】ウェットエッチング終了後、アセトン中に
浸し、ホットプレート上で乾燥させ、図4に示すような
電界電子放出素子を完成する。
After the completion of the wet etching, it is immersed in acetone and dried on a hot plate to complete a field electron emission device as shown in FIG.

【0048】なお、以上ではドットマトリックス型ディ
スプレイを例にとって説明したが、電子源の用途に応じ
て適宜触媒層やグリッド層のパターンを変更することが
可能である。
Although the dot matrix type display has been described above as an example, the patterns of the catalyst layer and the grid layer can be appropriately changed according to the use of the electron source.

【0049】以上のようにして基板1上に形成した電界
電子放出素子を電子源とし、この基板1に所定間隔に離
間配置させた対向電極(アノード)を設けることによ
り、画像表示装置を形成することができる。このとき、
カソード電極5、ゲート電極7の一方に画像信号を、他
方に走査信号を供給する。
The field electron emission device formed on the substrate 1 as described above is used as an electron source, and the substrate 1 is provided with the counter electrodes (anode) which are arranged at a predetermined interval so as to form an image display device. be able to. At this time,
An image signal is supplied to one of the cathode electrode 5 and the gate electrode 7, and a scanning signal is supplied to the other.

【0050】また、以上ではカーボンナノチューブを用
いる例を説明したが、この他、針状導体群としては、例
えば特開平8−264108号にあるような、β―タン
グステンの柱状結晶の集合体などを用いることも可能で
ある。
Although an example using carbon nanotubes has been described above, in addition to this, as the acicular conductor group, for example, an aggregate of β-tungsten columnar crystals as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-264108 can be used. It is also possible to use.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明の目的は、エミッタとグリッドと
の間に印加する低い電圧で駆動し、かつ放出電子のアノ
ード電極への収束度の高い電界電子放出素子のアレイを
工程数少なく、歩留まり高く、しかも比較的安価な微細
加工装置を用いて作製することができる。
The object of the present invention is to provide an array of field electron emission devices which are driven by a low voltage applied between the emitter and the grid and have a high degree of convergence of emitted electrons to the anode electrode, with a small number of steps and a high yield. Moreover, it can be manufactured using a relatively inexpensive fine processing apparatus.

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

【図1】実施形態に係る電界電子放出素子の開口内の電
位分布を説明する図。
FIG. 1 is a diagram illustrating a potential distribution in an opening of a field electron emission device according to an embodiment.

【図2】実施形態に係る電界電子放出素子の平面図。FIG. 2 is a plan view of a field electron emission device according to the embodiment.

【図3】図2の部分拡大図。FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG.

【図4】図2の部分断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view of FIG.

【図5】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法の
説明図。
FIG. 5 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図6】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法の
説明図。
FIG. 6 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図7】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法の
説明図。
FIG. 7 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図8】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法の
説明図。
FIG. 8 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図9】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法の
説明図。
FIG. 9 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図10】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法
の説明図。
FIG. 10 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図11】実施形態に係る電界電子放出素子の製造方法
の説明図。
FIG. 11 is an explanatory view of the method for manufacturing the field electron emission device according to the embodiment.

【図12】従来の電界電子放出素子の開口内電位分布を
説明する図。
FIG. 12 is a diagram illustrating a potential distribution in an aperture of a conventional field electron emission device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・基板 2・・・固定層 21・・・下地層 22・・・触媒層 3・・・カーボンナノチューブ 4・・・導電層 5・・・カソード電極 6・・・絶縁層 7・・・ゲート電極 1 ... Substrate 2. Fixed layer 21 ... Underlayer 22 ... Catalyst layer 3 ... Carbon nanotube 4 ... Conductive layer 5 ... Cathode electrode 6 ... Insulating layer 7 ... Gate electrode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板と、前記基板上に形成された導電性固
定層と、前記固定層上に立つ針状導体群と、前記針状導
体群よりも厚く、前記固定層及び前記針状導体群上に形
成され、導電体開口部全底に前記針状導体群の一部を露
出する導体層と、前記導体層上に形成され、前記導電体
開口部に連続する絶縁開口部を有する絶縁層と、前記絶
縁層上に形成され、前記絶縁開口部端に延びるゲート電
極とを備えたことを特徴とする電界電子放出素子。
1. A substrate, a conductive fixed layer formed on the substrate, a group of needle-shaped conductors standing on the fixed layer, and a thicker layer than the group of needle-shaped conductors, the fixed layer and the needle-shaped conductor. Insulation having a conductor layer formed on the conductor group and exposing a part of the acicular conductor group on the entire bottom of the conductor opening, and an insulation aperture formed on the conductor layer and continuous with the conductor opening. A field electron emission device comprising a layer and a gate electrode formed on the insulating layer and extending to an end of the insulating opening.
【請求項2】前記針状導体はカーボンナノチューブであ
ることを特徴とする請求項1記載の電界電子放出素子。
2. The field electron emission device according to claim 1, wherein the needle-shaped conductor is a carbon nanotube.
【請求項3】前記固定層は、基板上に形成された下地層
と前記下地層上に設けられた触媒層からなることを特徴
とする請求項2記載の電界電子放出素子。
3. The field electron emission device according to claim 2, wherein the fixed layer comprises an underlayer formed on a substrate and a catalyst layer provided on the underlayer.
【請求項4】基板と、前記基板上に形成された導電性固
定層と、前記固定層上に立つ針状導体群と、前記針状導
体群よりも厚く、前記固定層及び前記針状導体群上に形
成され、導電体開口部全底に前記針状導体群の一部を露
出する導体層と、前記導体層上に形成され、前記導電体
開口部に連続する絶縁開口部を有する絶縁層と、前記絶
縁層上に形成され、前記絶縁開口部端に延びるゲート電
極と、アノード電極とを備え、1画素ごとに前記針状導
体群が形成されていることを特徴とする画像表示装置。
4. A substrate, a conductive fixed layer formed on the substrate, a group of needle-shaped conductors standing on the fixed layer, and a thicker layer than the group of needle-shaped conductors, the fixed layer and the needle-shaped conductor. Insulation having a conductor layer formed on the conductor group and exposing a part of the acicular conductor group on the entire bottom of the conductor opening, and an insulation aperture formed on the conductor layer and continuous with the conductor opening. A layer, a gate electrode formed on the insulating layer and extending to the end of the insulating opening, and an anode electrode, and the needle-shaped conductor group is formed for each pixel. .
【請求項5】基板上に導電性固定層を形成する工程と、
前記固定層上に針状導体群を成長させる工程と、前記針
状導体群よりも厚く、前記固定層及び前記針状導体群上
に導体層を形成する行程と、前記導電層上に絶縁層を形
成する工程と、前記絶縁層上にゲート電極層を形成する
工程と、前記絶縁層及び前記ゲート電極層に開口を設
け、前記開口底部に前記導電層を露出させる工程と、前
記開口底部の導電層を選択的に除去し、前記針状導体群
を露出させる工程とを備えることを特徴とする電界電子
放出素子の製造方法。
5. A step of forming a conductive fixing layer on a substrate,
Growing a needle-shaped conductor group on the fixed layer, a step of forming a conductor layer thicker than the needle-shaped conductor group on the fixed layer and the needle-shaped conductor group, and an insulating layer on the conductive layer A step of forming a gate electrode layer on the insulating layer, forming an opening in the insulating layer and the gate electrode layer, exposing the conductive layer at the opening bottom, and And a step of selectively removing the conductive layer to expose the acicular conductor group, the method for manufacturing a field electron emission device.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007087676A (en) * 2005-09-21 2007-04-05 Hitachi High-Technologies Corp Field emission type electron gun and electron beam device using it

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