JP2003524282A - 改良形安定抵抗器を有した電界放出デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カソード（１１０）とカソード（１１０）に接続している安定抵抗器（１１２）を含む電界放出デバイス（１００）に関する。安定抵抗器（１１２）は、薄い金属層（１１３）及び金属層（１１３）上に配置された保護層（１１４）を有する。金属層（１１３）はクロムから形成され、約４０オングストロームの厚さを有する。保護層（１１４）は、スパッタ・シリコンから形成され、約５００オングストロームの厚さを有する。金属層（１１３）の一部は、カソード（１１０）に物理的に接触し、カソード（１１０）と保護層（１１４）との間にサンドイッチ状に挟まれている。保護層（１１４）は高い遷移電圧から金属層（１１３）を遮蔽するためのものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は電界放出デバイスの分野に関する。より詳細には、電子エミッタと電
界放出デバイスのカソード導体との間に流れる電流を制御するための安定抵抗器
に関する。

【０００２】 （発明の背景） 電界放出デバイスのカソード・プレート内に安定抵抗器を設置することは、当
業者に公知である。安定抵抗器は、電子エミッタに接続されたカソード金属に結
合されている。安定抵抗器の抵抗はカソード金属の抵抗より高い。安定抵抗器は
、カソード導体を通して流れる電流を制御する役割を果たす。

【０００３】 安定抵抗器用にスパッタ成膜されたスパッタ・シリコンを使用することは、当
業者に公知である。しかし、この従来技術の安定抵抗器にはいくつかの欠点があ
る。第一に、スパッタ・シリコンの比抵抗は非常に高い。必要な抵抗にするため
に、安定抵抗器の厚さは比較的厚く作られる、すなわち、１０^４オングストロー
ム程度の厚さに作られる。安定抵抗器が比較的厚いために、その後の成膜工程の
間に段差被覆に関する問題が発生し得る。

【０００４】 第二に、スパッタ・シリコンの抵抗温度係数（ＴＣＲ）は比較的高い。それ故
、通常の特定の動作温度範囲（−４０℃〜８０℃）に亙り正規化した抵抗の比は
、通常２０〜５０の範囲内にある。例えば、スパッタ・シリコンからなる安定抵
抗器の真空ベーキング後におけるシート抵抗は、１０^９〜１０^１２オーム／平方
の範囲内であることは公知だが、この値は所望の値より遥かに高い。抵抗にこの
ような大きなバラツキは、温度範囲の両端のところで画像の品質が劣化する恐れ
がある。

【０００５】 シリコンのプラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、及びその後の燐又はホウ素によ
りドーピングを使用して安定抵抗器を製造することも当業者に公知である。プラ
ズマ化学蒸着によるシリコンの問題点は、抵抗温度係数が高いことである。−４
０℃〜８０℃の範囲内の従来技術による安定抵抗器に対する典型的な正規化抵抗
比は、３０〜１００である。

【０００６】 さらに、従来技術による安定抵抗器の抵抗は、高温処理工程中に相当に変化す
る場合がある。例えば、プラズマ化学蒸着によるシリコンから形成された安定抵
抗器のシート抵抗は、４２５〜５５０℃の範囲内の温度でベーキングした場合、
１０メガオーム／平方〜５００メガオーム／平方の範囲の値に達する場合がある
。

【０００７】 従って、従来技術の安定抵抗器との比較において、標準動作温度範囲内での抵
抗の変動が少なく、高温処理工程中の抵抗の変化が少ない改良形安定抵抗器を有
した電界放出デバイスの開発が待望されている。

【０００８】 図面を簡単にし、分かりやすくするために、図面の素子の縮尺は、必ずしも正
確なものでないことを理解されたい。例えば、ある素子の寸法は相互に誇張され
ている。さらに、適当であると思われた場合には、図面の対応する素子には、同
じ参照符号を使用している。

【０００９】 （好適な実施形態の説明） 本発明は、改良形二層安定抵抗器を有する電界放出デバイスに関する。安定抵
抗器の第１の層は、好適には金属、好適には耐熱性金属から形成されている。安
定抵抗器の第２の層は、第１の層上に設けられ、好適にはスパッタ・シリコンか
ら形成される。第２の層は第１の層を遮蔽し、保護する役割を果たす。本発明の
好適な実施形態は、−４０℃〜８０℃の動作温度範囲で、１．５〜３の範囲内の
正規化抵抗比を示す安定抵抗器を有する。

【００１０】 本明細書に記載する電界放出デバイスは、スピント型先端部エミッタ構造を使
用する電界放出ディスプレイに関する。しかし、本発明の範囲は、表示装置又は
スピント型先端部エミッタ構造を有するデバイスに限定されない。本発明はむし
ろ、マイクロ波電力アンプ管、イオン源、電子リソグラフィ用のマトリックス−
アドレス指定可能な電子源等など他のタイプの電界放出デバイスによっても実施
可能である。また、本発明は、スピント型先端、エッジエミッタ、ウェッジ型エ
ミッタ、表面伝導エミッタ等の、１つ以上の種類の電界放出エミッタ構造を有す
る電界放出デバイスにも使用可能である。別な方法としては、本発明は、集積回
路、又は高抵抗値の抵抗を必要とする個別半導体デバイスにも使用可能である。

【００１１】 図１は、本発明の電界放出デバイス（ＦＥＤ）１００の好適な実施形態の部分
断面図である。ＦＥＤ１００は、カソード・プレート１０２及びアノード・プレ
ート１０４を有する。カソード・プレート１０２は、ガラス、シリコン等から形
成可能な基板１０６を有する。好適には、基板１０６は、ガラスから形成する。

【００１２】 第１の誘電層１０８は、基板１０６上に設けられる。第１の誘電層１０８は、
酸化物、窒化物などの誘電材料から形成される。好適には第１の誘電層１０８は
、窒化シリコンから形成され、約３０００オングストロームの厚さを有する。カ
ソード１１０は、第１の誘電層１０８上に設けられる。カソード１１０は導体、
好適にはモリブデンから形成される。

【００１３】 安定抵抗器１１２も第１の誘電層１０８上に設けられる。安定抵抗器１１２は
、カソード１１０に接続され、第１の電圧源１３０に接続するように設計されて
いる。図１の実施形態の場合には、安定抵抗器１１２はカソード１１０の別々の
部分の間に延伸している。カソード１１０の一方の部分は電子エミッタ１１８に
接続され、もう一方の部分は第１の電圧源１３０に接続される。

【００１４】 本発明によれば、安定抵抗器１１２は金属層１１３及び保護層１１４を有する
。金属層１１３は第１の誘電層１０８上に設けられ、カソード１１０に物理的に
結合している。保護層１１４は、金属層１１３を覆っている。金属層１１３がカ
ソード１１０に物理的に接触している位置において、金属層１１３の一部は好適
にはカソード１１０と保護層１１４との間にサンドイッチ状に挟まれている。

【００１５】 金属層１１３は、好適には、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、
これらの金属のうちの１つを含む合金等などの耐熱性金属から形成される。最適
には金属層１１３はクロムを含有する。金属層１１３は、純粋なクロム源のみで
成膜することができる。別な方法としては、金属層１１３をクロム−シリコン合
金ターゲットにより成膜することもできる。好適な実施形態の場合には、金属層
１１３は、主要成分としてクロムとシリコンとを含み、少量の酸素及び窒素を含
む金属合金である。酸素及び窒素は、隣接層、及び真空チャンバ内で水蒸気に触
れた場合に発生するものと考えられている。さらに、金属層１１３は、好適には
１０〜２００オングストロームの範囲内の厚さ、最適には約４０オングストロー
ムの厚さを有する。

【００１６】 好適には、金属層１１３及び保護層１１４の材料及び寸法は、保護層１１４の
シート抵抗が、金属層１１３のシート抵抗より少なくとも２桁高くなるようにさ
らに選択される。

【００１７】 好適な実施形態の場合には、保護層１１４はシリコンから形成され、５００〜
２０００オングストロームの範囲内の厚さ、最適には５００オングストロームの
厚さを有する。最適には、保護層１１４は、スパッタ・シリコンの層である。

【００１８】 図１の実施形態の場合には、カソード・プレート１０２はさらに、安定抵抗器
１１２上に設けられた第２の誘電層１１５を有する。カソード１１０の材料は保
護層１１４の材料とは異なり、保護層１１４の材料は第２の誘電層１１５の材料
とは異なる。第２の誘電層１１５は好適には窒化シリコンから形成され、約７０
００オングストロームの厚さを有する。別な方法としては、誘電層１１５は、二
酸化シリコン又は窒化シリコン層及び二酸化シリコン層の組合せから形成するこ
ともできる。第２の誘電層１１５はさらに、電子エミッタ１１８が設けられるエ
ミッタ井戸１１６を形成する。ゲート電極１２０は第２の誘電層１１５上に形成
され、第２の電圧源（図示せず）に接続されている。

【００１９】 カソード１１０及びゲート電極１２０に選択した電圧を印加すると電子エミッ
タ１１８は、電子ビーム１２８を放射することができる。保護層１１４は、高い
遷移電圧が加えられた場合に、安定抵抗器１１２の絶縁破壊特性を改善するよう
な方式に金属層１１３の電界を変化させる。

【００２０】 アノード・プレート１０４は、電子ビーム１２８を捕捉すべく設けられている
。図１の好適な実施形態の場合には、アノード・プレート１０４はカソード・プ
レート１０２から離間して設けられ、空間領域１２１を形成している。アノード
・プレート１０４は、ガラスなど固体の透明材料から形成された透明基板１２２
を有する。アノード１２４は、透明基板１２２上に設けられ、好適には酸化イン
ジウム錫などの、透明の導電性材料から形成される。アノード１２４は、第３の
電圧源１３２に接続される。

【００２１】 蛍光体１２６がアノード１２４上に配置設けられることにより表示装置を形成
している。蛍光体１２６は陰極発光性であり、電子ビーム１２８により作動する
と発光する。マトリックス−アドレス指定可能な電界放出デバイス用のアノード
・プレートの製造方法は当業者に公知である。電界放出デバイス１００の動作中
、蛍光体１２６に指向して電子ビーム１２８を引き寄せるためにアノード１２４
に電圧が加えられる。

【００２２】 図２〜４は、図１の好適な実施形態の製造中における構造体の断面図である。
窒化シリコンがプラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）など従来の蒸着技術により基板
１０６上に蒸着されることにより、第１の誘電層１０８が形成される。その後で
、カソード導体材料の層１３４が、約３０００オングストロームの厚さで第１の
誘電層１０８上に成膜される。その後、フォトレジストであってもよいマスク層
１３６が層１３４上に成膜される。マスク層１３６はエッチングにより層１３４
となるべきパターンを規定する。次に、層１３４は、選択的にエッチングされ、
それによりカソード１１０が形成される。

【００２３】 その後、図３に示すように、金属の第１の層１３８が、カソード１１０及び第
１の誘電層１０８上に成膜される。好適には第１の層１３８は、約１２０〜１８
０ワットの範囲内の低電力、及び０．４２パスカルのアルゴン分圧で、クロムを
スパッタリングすることにより形成される。クロムスパッタ電力が低ければ低い
ほど安定抵抗器１１２のシート抵抗が高くなり、また安定抵抗器１１２に対する
抵抗比（Ｒ（２５℃）／Ｒ（８０℃））が高くなることが観察された。

【００２４】 第１の層１３８を形成した後で、シリコンの第２の層１３９が第１の層１３８
上にスパッタリングされる。第１の層１３８の成膜から第２の層１３９の成膜に
移る間には真空状態は破られない。第１の層１３８は、第１の誘電層１０８と第
２の層１３９との間に設けられた面間層を形成し、選択された金属及びシリコン
、酸素及び窒素を含有する。

【００２５】 第２の層１３９の形成後、第２の層１３９上にパッシベーション層１４０が形
成される。パッシベーション層１４０は以降の処理工程中、この下にある層を保
護する役割を果たす。好適にはパッシベーション層１４０は、プラズマ化学蒸着
など適当な成膜方法により約１０００オングストロームの厚さに窒化シリコンを
成膜することによって形成される。その後、フォトレジストであってもよいマス
ク層１４２が安定抵抗器のパターンを形成するために成膜される。

【００２６】 パッシベーション層１４０、第２の層１３９、及び第１の層１３８は選択的に
エッチングされ、それにより図４に示すような安定抵抗器１１２が形成される。
次に、窒化シリコン層１４３がプラズマ化学蒸着によって６０００オングストロ
ームの厚さに成膜される。層１４３はパターン形成され、マスク層１４４により
エッチングされ、第２の誘電層１１５（図１）が形成される。

【００２７】 カソード・プレート１０２（図１）の素子を成膜した後、カソード・プレート
１０２が約４２５℃の温度で真空中でベーキングされる。クロム成膜電力が１２
０〜１８０ワットの範囲内である場合には、安定抵抗器１１２のベーキング後の
シート抵抗は約１．５×１０^４〜約９×１０^６オーム／平方の範囲内であること
が観察された。さらに、２５℃での抵抗温度係数は、約３０００ｐｐｍ／℃に等
しいことが観察された。正規化抵抗比は、−４０℃〜８０℃の動作温度範囲の場
合、１．５〜３の範囲内であることも判明した。これらの値は、従来技術の安定
抵抗器の値より１〜２桁低い。さらに、ベーキング・ステップによるシート抵抗
の百分率の変化が、約５％に等しいことが観察され、これも従来技術の安定抵抗
器よりも優れていた。

【００２８】 図５は、本発明の電界放出デバイスのもう１つの実施形態の製造中の構造体の
断面図である。図５の実施形態の場合には、カソード１１０は、安定抵抗器１１
２の下ではなく、安定抵抗器１１２上に設けられている。さらに、金属層１１３
は、保護層１１４を越えて延びていて、カソード１１０と物理的に接触している
。

【００２９】 本発明は要約すると、電子エミッタの箇所における電流を制御するための改良
形安定抵抗器を有した電界放出デバイス用のものである。本発明の安定抵抗器は
、保護層により遮蔽されている薄い金属層を含む。本発明の安定抵抗器の抵抗は
十分に高いので、所望の電流制御を行うことができる。さらに、本発明の安定抵
抗器は、従来技術の安定抵抗器より抵抗温度係数が低い。

【００３０】 本発明の特定の実施形態を図示し、説明してきたが、当業者であれば他の種々
の修正及び改良を想到可能である。例えば、本発明の安定抵抗器は、金属層及び
スパッタ・シリコン層の他に１つ又はそれ以上の層を含むことができる。本発明
は、例えば、スパッタ・シリコン層の材料とは異なる材料から形成され、スパッ
タ・シリコン層上に成膜される第２の保護層を有する電界放出デバイスにより実
行される。さらに、このような構成により、電界をさらに修正することができる
。それ故、本発明は、図示の特定の形に限定されるものではなく、添付の特許請
求の範囲は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしにすべての修正を含む
ことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電界放出デバイスの好ましい実施形態の部分断面図。

【図２】 図１の好適な実施形態の製造中の構造体の断面図。

【図３】 図１の好適な実施形態の製造中の構造体の断面図。

【図４】 図１の好適な実施形態の製造中の構造体の断面図。。

【図５】 本発明の電界放出デバイスの別の実施形態による製造中の構造体
の断面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 チン、ガンミン アメリカ合衆国 85224 アリゾナ州 チ ャンドラー エヌ．ブラックストーン ド ライブ 1294 (72)発明者 オブライエン、バリー ビー． アメリカ合衆国 85226 アリゾナ州 チ ャンドラー ダブリュ．ジェノア ウェイ 3250 Ｆターム(参考） 5C031 DD17 5C036 EE01 EE19 EF01 EF06 EF09 EG12 EH04 5C135 AA02 AA08 AA09 AC09 BB16 FF02 HH03 HH12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子エミッタと、 第１の材料から形成され、前記電子エミッタに接続されたカソードと、 同カソードに物理的に結合された金属層と、 この金属層上に設けられ、第２の材料から形成された保護層と、 この保護層上に設けられ、第３の材料から形成された誘電層とからなり、前記
   カソードの第１の材料は前記保護層の第２の材料とは異なり、前記保護層の第２
   の材料は前記誘電層の第３の材料とは異なっている電界放出デバイス。
2. 【請求項２】 透明基板と、 この透明基板上に設けられたアノードと、 同アノードに接続されるとともに、前記電子エミッタからの電子を捕捉すべく
   設けられた蛍光体とからなる請求項１に記載の電界放出デバイス。
3. 【請求項３】 電子エミッタと、 この電子エミッタに接続されたカソードと、 このカソードに物理的に連結された金属層と、 この金属層上に設けられ、スパッタ・シリコンから形成された保護層とからな
   る電界放出デバイス。