JP2004259561A - Method of manufacturing field emission type electron source - Google Patents

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JP2004259561A
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Yoshifumi Watabe
祥文 渡部
Koichi Aizawa
浩一 相澤
Takuya Komoda
卓哉 菰田
Takashi Hatai
崇 幡井
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Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a field emission type electron source enhancing a yield in manufacturing compared with the current method. <P>SOLUTION: A conductive layer 12a is laminated on an insulating substrate 11, and a semiconductor layer 3a is laminated on the conductive layer 12a. Then, nano-crystallization process is conducted by using an electrolyte comprising a mixed solution of hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol and oxidization process is conducted to form a second composite nano-crystalline layer 6a. By continuously patterning the second composite nano-crystalline layer 6, the semiconductor layer 3b, and the conductive layer 12a, a pattern of a drift part 6, a polycrystalline silicon layer 3, and an lower electrode 12 is formed. An insulating layer 17 is formed on both sides of the lower electrode 12 in an oxidizing atmosphere. A surface electrode 7 is formed, and then a pad 28 is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、ナノ結晶シリコン(ナノメータオーダのシリコン微結晶)を利用した電子デバイスとして図12や図13に示す構成の電界放射型電子源10’,10”が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
【0003】
図12に示す構成の電界放射型電子源10’は、導電性基板としてのn形シリコン基板1の主表面(一表面)側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界ドリフト層6が形成され、強電界ドリフト層6上に金属薄膜(例えば、金薄膜)よりなる表面電極7が形成されている。また、n形シリコン基板1の裏面にはオーミック電極2が形成されており、n形シリコン基板1とオーミック電極2とで下部電極12を構成している。なお、図12に示す例では、n形シリコン基板1と強電界ドリフト層6との間にノンドープの多結晶シリコン層3を介在させてあり、多結晶シリコン層3と強電界ドリフト層6とで電子が通過する電子通過部を構成しているが、多結晶シリコン層3を介在させずに強電界ドリフト層6のみで電子通過部を構成したものも提案されている。
【0004】
図12に示す構成の電界放射型電子源10’から電子を放出させるには、例えば、表面電極7に対向配置されたコレクタ電極21を設け、表面電極7とコレクタ電極21との間を真空とした状態で、表面電極7が下部電極12に対して高電位側となるように表面電極7と下部電極12との間に直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極21が表面電極7に対して高電位側となるようにコレクタ電極21と表面電極7との間に直流電圧Vcを印加する。ここに、直流電圧Vpsを適宜に設定すれば、下部電極12から注入された電子が強電界ドリフト層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(図12中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。なお、表面電極7の厚さは10〜15nm程度に設定されている。
【0005】
ところで、図12に示した構成の電界放射型電子源10’では、n形シリコン基板1とオーミック電極2とで下部電極12を構成しているが、図13に示すように、例えば絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板11の一表面上に金属薄膜よりなる下部電極12を形成した電界放射型電子源10”も提案されている。ここに、上述の図12に示した電界放射型電子源10’と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0006】
図13に示す構成の電界放射型電子源10”から電子を放出させるには、例えば、表面電極7に対向配置されたコレクタ電極21を設け、表面電極7とコレクタ電極21との間を真空とした状態で、表面電極7が下部電極12に対して高電位側となるように表面電極7と下部電極12との間に直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極21が表面電極7に対して高電位側となるようにコレクタ電極21と表面電極7との間に直流電圧Vcを印加する。ここに、直流電圧Vpsを適宜に設定すれば、下部電極12から注入された電子が強電界ドリフト層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(図13中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。なお、強電界ドリフト層6の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。
【0007】
上述の各電界放射型電子源10’,10”では、表面電極7と下部電極12との間に流れる電流をダイオード電流Ipsと呼び、コレクタ電極21と表面電極7との間に流れる電流をエミッション電流(放出電子電流)Ieと呼ぶことにすれば(図12および図13参照)、ダイオード電流Ipsに対するエミッション電流Ieの比率(=Ie/Ips)が大きいほど電子放出効率(=(Ie/Ips)×100〔%〕)が高くなる。なお、上述の電界放射型電子源10’,10”では、表面電極7と下部電極12との間に印加する直流電圧Vpsを10〜20V程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Vpsが大きいほどエミッション電流Ieが大きくなる。
【0008】
また、図13に示した電界放射型電子源10”をディスプレイの電子源とし応用する場合には、例えば図14に示す構成を採用すればよい。
【0009】
図14に示すディスプレイは、電界放射型電子源10に対向して平板状のガラス基板よりなるフェースプレート30が配置され、フェースプレート30における電界放射型電子源10との対向面には透明な導電膜(例えば、ITO膜)よりなるコレクタ電極(以下、アノード電極と称す)21が形成されている。また、アノード電極21における電界放射型電子源10との対向面には、画素ごとに形成された蛍光物質と蛍光物質間に形成された黒色材料からなるブラックストライプとが設けられている。ここに、蛍光物質はアノード電極21における電界放射型電子源10との対向面に塗布されており、電界放射型電子源10から放射される電子線によって可視光を発光する。なお、蛍光物質には電界放射型電子源10から放射されアノード電極21に印加された電圧によって加速された高エネルギの電子が衝突するようになっており、蛍光物質としてはR(赤色),G(緑色),B(青色)の各発光色のものを用いている。また、フェースプレート30は図示しない矩形枠状のフレームによって電界放射型電子源10と離間させてあり、フェースプレート30と電界放射型電子源10との間に形成される気密空間を真空にしてある。
【0010】
図14に示した電界放射型電子源10は、絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板11と、絶縁性基板11の一表面上に列設された複数の下部電極12と、下部電極12にそれぞれ重なる形で形成された複数のノンドープの多結晶シリコン層3と、多結晶シリコン層3にそれぞれ重なる形で形成された酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる複数のドリフト部6と、ドリフト部6の周辺(隣り合うドリフト部6a間など)および多結晶シリコン層3の周辺(隣り合う多結晶シリコン層3間など)および下部電極12の周辺(隣り合う下部電極12間など)を埋めるノンドープの多結晶シリコン層よりなる分離部16と、ドリフト部6と多結晶シリコン層3と分離部16とからなる電子通過部5の上でドリフト部6および分離部16に跨って下部電極12に交差する方向に列設された複数の表面電極7とを備えている。
【0011】
ここにおいて、図14に示す電界放射型電子源10では、上述のようにドリフト部6と多結晶シリコン層3と分離部16とで電子通過部5を構成しており、図15に示すように、絶縁性基板11の一表面上に列設された複数の下部電極12と絶縁性基板11の一表面に平行な面内で下部電極12に直交する方向に列設された複数の表面電極7とで電子通過部5を挟んでいる。なお、ドリフト部6と下部電極12との間に多結晶シリコン層3を介在させずにドリフト部6と分離部16とで電子通過部5を構成したものも提案されている。
【0012】
この電界放射型電子源10では、絶縁性基板11の一表面上に列設された複数の下部電極12と、下部電極12に交差する方向に列設された複数の表面電極7との交点に相当する部位にドリフト部6の一部が挟まれているから、表面電極7と下部電極12との組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することにより、ドリフト部6において選択された表面電極7と下部電極12との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極7の群と複数の下部電極12の群とからなるマトリクス(格子)の格子点に、下部電極12と、下部電極12上の多結晶シリコン層3と、多結晶シリコン層3上のドリフト部6と、ドリフト部6上の表面電極7とからなる電子源素子10aを配置したことに相当し、電圧を印加する表面電極7と下部電極12との組を選択することによって所望の電子源素子10aから電子を放出させることが可能になる。なお、上述の記載から分かるように、電子源素子10aは画素ごとに設けられることになる。
【0013】
ところで、上述の電界放射型電子源10は、図16に示すように、下部電極12の長手方向の両端部上にそれぞれパッド27が形成され、表面電極7の長手方向の両端部上にそれぞれパッド28が形成されている。
【0014】
以下、図16に示す構成の電界放射型電子源10の製造方法について図17および図18を参照しながら説明する。
【0015】
まず、絶縁性基板11の上記一表面側の全面に下部電極12用の導電性層12aを形成することにより、図17(a)に示す構造を得る。
【0016】
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性層12aの不要部分をエッチングすることでそれぞれ導電性層12aの一部からなる下部電極12をパターン形成することにより、図17(b)に示す構造を得る。
【0017】
その後、絶縁性基板11の上記一表面側の全面に、電子通過部5を構成するドリフト部6および分離部16の基礎となるノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3aをプラズマCVD法や減圧CVD法などによって成膜することにより、図17(c)に示す構造を得る。
【0018】
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して半導体層3aの不要部分をエッチングすることで各下部電極12の両端部を露出させることにより、図18に示す構造を得る。なお、図18は図16(a)におけるB−B’断面に対応する断面図である。
【0019】
続いて、半導体層3aのうち下部電極12に重ならない部分の表面を覆い下部電極12に重なる部分の表面が露出するように開孔されたレジスト層からなるマスク層13を形成することにより、図17(d)に示す構造を得る。
【0020】
その後、マスク層13をマスクとして半導体層3aのうち下部電極12に重なる部分を所定深さまでフッ化水素水溶液を含む電解液中で陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリコン層を形成し、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法ないし電気化学的な酸化方法によって酸化することでドリフト部6を形成し、マスク層13を除去することにより、図17(e)に示す構造を得る。ここに、ドリフト部6は、多結晶シリコンのグレイン、多数のナノメータオーダのシリコン微結晶、各グレインの表面に形成された薄いシリコン酸化膜、各シリコン微結晶の表面に形成されたシリコン酸化膜とを有している。なお、上述の半導体層3aのうち上記マスク13に重なっていた部分が上述の分離部16となり、ドリフト部6と下部電極12との間の部分が多結晶シリコン層3となる。
【0021】
その後、表面電極7を形成してから、表面電極7と電気的に接続されるパッド27を形成することにより、図17(f)に示す構造を得る。
【0022】
ところで、本願発明者らはドリフト部6の厚さを薄くするにつれて単位面積当たりの電子放出量が多くなり電子放出効率が高くなることを実験的に確かめており、ノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3aの成膜時の膜厚を例えば2μm以下に設定することを提案している。
【0023】
しかしながら、下部電極12の厚さにもよるが半導体層3aの膜厚が比較的薄い場合(例えば、半導体層3aの膜厚が1.5μm程度の場合)には図17(c)に示したように半導体層3aの表面が平坦化されずに段差部が形成され、半導体層3aにおける段差部のところで深さ方向へ走るクラックが発生してしまう。このため、陽極酸化時に電解液が半導体層3aのうちマスク層13により覆われていない表面からクラックを通って浸入して下部電極12に到達すると、絶縁性基板11としてガラスなど、下部電極12としてクロムやチタンなどのようなフッ化水素に対する耐性(耐腐食性)の低い材料を採用している場合、絶縁性基板11や下部電極12が腐食されてしまい、下部電極12や半導体層3aが剥離して歩留まりが低下してしまうので、上述のマスク層13は、半導体層3aの段差部を覆うように形成されている。
【0024】
【特許文献1】
特許第2987140号公報(第4頁−第7頁、図1−図3)
【特許文献2】
特許第3112456号公報(第10頁−第14頁、図1、図2、図8、図9)
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の電界放射型電子源10の製造方法では、半導体層3aのうち下部電極12に重なる部分を所定深さまでフッ化水素水溶液を含む電解液中で陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する際のマスクとしてレジスト層からなるマスク層13を利用しているが、レジスト層は電解液であるフッ化水素水溶液に対する耐性が低いので、マスク層13を設けているにもかかわらず電解液が半導体層3aのクラックを通って浸入して下部電極12に到達してしまい、絶縁性基板11としてガラスなど、下部電極12としてクロムやチタンなどのようなフッ化水素に対する耐性(耐腐食性)の低い材料を採用している場合、絶縁性基板11や下部電極12が腐食されて下部電極12や半導体層3aが剥離して歩留まりが低下してしまう。
【0026】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて製造時の歩留まりを向上できる電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。
【0027】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、絶縁性基板の一表面側に多数の電子源素子がマトリクス状に配置され、各電子源素子が、絶縁性基板の前記一表面上の下部電極と、絶縁性基板の厚み方向において下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極の間に介在し多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成された半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有するドリフト部とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板の前記一表面に下部電極用の導電性層を積層する第1の成膜工程と、導電性層上にドリフト部の基礎となる半導体層を積層する第2の成膜工程と、電解液を用いて半導体層をナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を有する第1の複合ナノ結晶層を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を成膜することで多数の半導体微結晶および多数の絶縁膜を有する第2の複合ナノ結晶層を形成する絶縁膜形成工程と、第2の複合ナノ結晶層および導電性層の不要部分を連続的にエッチングすることでそれぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなるドリフト部およびそれぞれ導電性層の一部からなる下部電極をパターン形成する一括パターニング工程と、ドリフト部上に表面電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴とし、ナノ結晶化工程において下部電極用の導電性層や絶縁性基板が電解液によって腐食されるのを防止することが可能となって、下部電極が絶縁性基板から剥がれたり下部電極上の層が下部電極から剥がれるのを防止することができ、製造時の歩留まりを向上できるとともに長期的な信頼性を向上できる。
【0028】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第2の成膜工程では、前記導電性層のうち前記各下部電極におけるコンタクト部となる部位の表面にマスク材を配置した状態で前記半導体層を前記導電性層に積層するので、前記半導体層を前記導電性層に積層した後でマスク材を取り除けば、前記導電性層のうち前記各下部電極におけるコンタクト部となる部位の表面が露出することになるから、前記半導体層を前記導電性層に積層した後で前記下部電極においてコンタクト部となる部位の表面を露出させるためのパターニング工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れる。
【0029】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成するので、前記一括パターニング工程でパターン形成される前記各ドリフト部および前記各下部電極の形状の再現性を高めることができる。
【0030】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料としてタングステンを採用するとともに、前記第2の成膜工程で前記導電性層に積層する前記半導体層の材料として多結晶シリコンを採用し、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングするにあたって、エッチングガスとしてフッ素系ガスを用いるので、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をエッチング条件を変更することなしに連続してドライエッチングすることができ、スループットが向上するとともに工程管理が容易になる。
【0031】
請求項5の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をウェットエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成するので、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングする場合のようにドライエッチング装置のような真空装置を必要としないから、製造装置の低コスト化を図ることができ、特に前記絶縁性基板の大面積化を図る際に有利になる。
【0032】
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記一括パターニング工程では、前記ドリフト部下の前記下部電極がサイドエッチングされるようにエッチング条件を設定するので、前記電極形成工程で形成する前記表面電極のパターンによらず、前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができる。
【0033】
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記下部電極の露出表面を酸化することで前記導電性材料の酸化物からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えるので、前記電極形成工程で前記表面電極を形成する前に前記下部電極の露出表面に絶縁層を形成することができるから、前記電極形成工程で形成する前記表面電極のパターンによらず、前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができる。
【0034】
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記絶縁膜形成工程では、酸化性ガス雰囲気中での急速熱酸化法を採用するので、前記各半導体微結晶それぞれの表面に絶縁膜を形成する際に、前記下部電極の露出表面に前記導電性材料の酸化物からなる絶縁層を形成することができるから、前記下部電極の露出表面に絶縁層を形成するために別途の工程を設ける必要がなく、請求項7の発明に比べて工程数を削減することができる。
【0035】
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8の発明において、前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺を埋める絶縁材料からなる絶縁部を形成する絶縁分離工程を備えるので、前記電極形成工程にて形成する前記表面電極のパターンによらず前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができ、しかも、前記表面電極形成前における前記絶縁性基板の前記一表面側の露出表面の凹凸を少なくすることができ、前記表面電極のパターンによらず前記表面電極の断線を防止することができる。
【0036】
請求項10の発明は、請求項9の発明において、前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として絶縁性を有する感光性材料を採用し、感光性材料を前記絶縁性基板の前記一表面側に塗布してからフォトリソグラフィによりパターニングし、絶縁部を形成するので、リフトオフ法を利用して前記絶縁部を形成する場合に比べて前記絶縁部を容易に形成することができる。
【0037】
請求項11の発明は、請求項9の発明において、前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として窒化物を採用し、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺に窒化物の粒子を含むペーストを印刷法により埋め込み、絶縁部を形成するので、リフトオフ法を利用して前記絶縁部を形成する場合に比べて前記絶縁部を容易に形成することができる。
【0038】
請求項12の発明は、請求項9ないし請求項11の発明において、前記電極形成工程の後に、前記表面電極と電気的に接続される複数のパッドを前記絶縁部に重なる位置に形成するパッド形成工程を備えるので、前記表面電極と前記パッドとの間で断線が起こるのを防止することができる。
【0039】
請求項13の発明は、請求項1ないし請求項12の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記電解液中で前記半導体層に陰極を対向配置して前記導電性層を陽極とし、陽極と陰極との間に電流を流す際に前記導電性層の周部の全周から電流を流すので、前記ナノ結晶化工程において陽極と陰極との間に電流を流している際に前記導電性層の電気抵抗による電圧降下が軽減され、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性が向上する。
【0040】
請求項14の発明は、請求項1ないし請求項13の発明において、前記絶縁膜形成工程は電気化学的な酸化工程であって、酸化用の電解液中で前記第1の複合ナノ結晶層に陰極を対向配置してから前記導電性層を陽極として陽極と陰極との間に定電流を流し、陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加した後は陽極と陰極との間の電圧を増加後の電圧に維持して電流が所定値まで減少したときに酸化を終了させるので、陽極と陰極との間に定電流を流して陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加したときに酸化を終了させる場合に比べて、前記各電子源素子の絶縁耐圧が向上する。
【0041】
請求項15の発明は、請求項9ないし請求項12の発明において、前記一括パターニング工程と前記絶縁分離工程との間に、前記一括パターニング工程によりパターニングされたドリフト部のうち前記電子源素子に対応する部位の間の部分を前記下部電極が露出するまでエッチングするエッチング工程を備えるので、隣り合う電子源素子間をより確実に絶縁することができ、各電子源素子の電子放出特性を向上できる。
【0042】
請求項16の発明は、請求項1の発明において、前記導電性層の形成前における前記絶縁性基板として前記電界放射型電子源を複数個形成可能な大面積基板を用い、前記電極形成工程よりも後で前記絶縁性基板を前記電界放射型電子源に対応する大きさに分割する分割工程を備えるので、製造コストを低減することが可能となる。
【0043】
請求項17の発明は、請求項16の発明において、前記絶縁膜形成工程よりも後に、前記第2の複合ナノ結晶層の一部をエッチングすることにより前記下部電極の一部を露出させるエッチング工程を備えるので、前記導電性層の成膜時に前記導電性層をパターニングする必要がないという利点がある。
【0044】
請求項18の発明は、請求項16の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記各電界放射型電子源それぞれに対応した領域にのみ前記第1の複合ナノ結晶層を形成するので、前記導電性層での電圧降下を低減することができ、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができる。
【0045】
請求項19の発明は、請求項16の発明において、前記第2の成膜工程の前に、前記第1の成膜工程により前記大面積基板に積層した前記導電性層を前記各電界放射型電子源に対応する領域ごとに分けて電気的に分離する分離工程を備え、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して個別に前記第1の複合ナノ結晶層を形成するので、前記導電性層での電圧降下を低減することができ、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができる。
【0046】
請求項20の発明は、請求項19の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して前記第1の複合ナノ結晶層を順次形成するので、前記ナノ結晶化工程での消費電力を低減することができる。
【0047】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本実施形態の電界放射型電子源10は、図4に示すように、絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板11と、絶縁性基板11の一表面上に列設された複数の帯板状の下部電極12と、下部電極12にそれぞれ重なる形で形成された複数のノンドープの多結晶シリコン層3と、多結晶シリコン層3にそれぞれ重なる形で形成された複合ナノ結晶層(後述の第2の複合ナノ結晶層)よりなる複数のドリフト部6と、下部電極12の幅方向の両側面それぞれに形成された絶縁層17,17と、下部電極12に交差する方向に列設された複数の表面電極7とを備えている。ここにおいて、表面電極7は、絶縁性基板11の厚み方向において一部が下部電極12と対向している。また、下部電極12は長手方向の両端部上にそれぞれパッド27が形成され、表面電極7は長手方向の両端部上にそれぞれパッド28が形成されている。また、本実施形態では、表面電極7の断面形状が矩形波状に形成されているが、下部電極12の両側面には下部電極12の材料を構成元素として含み絶縁性を有する酸化物(例えば、Al、SiOなど)からなる絶縁層17,17が形成されているので、表面電極7と下部電極12とが短絡することはない。なお、下部電極12はドリフト部6に比べて幅方向の寸法がやや小さく、幅方向の両側の絶縁層17,17を合わせた幅寸法がドリフト部6の幅寸法に略等しくなっている。
【0048】
下部電極12の材料としては、耐酸化性が低く酸化されやすい導電性材料(例えば、Al、高濃度ドープの多結晶シリコンなど)を採用している。したがって、下部電極12の両側面を酸化することによって上述の絶縁層17を形成することができる。なお、本実施形態では、下部電極12の膜厚を3000Å程度に設定してある。
【0049】
一方、表面電極7の表面が酸化などの変質を起こすと電子放出効率が減少するので、表面電極7には耐酸化性が高く化学的に安定な貴金属材料(例えば、金)を採用しているが、表面電極7の材料は金に限定するものではない。また、表面電極7は単層構造に限らず、多層構造としてもよい。なお、表面電極7の厚さはドリフト部6を通ってきた電子がトンネルできる厚さであればよく、6nm〜15nm程度に設定すればよい。
【0050】
本実施形態における電界放射型電子源10は、図14および図16に示した従来構成と同様に、絶縁性基板11の一表面上に列設された複数の下部電極12と、下部電極12に交差する方向に列設された複数の表面電極7との交点に相当する部位にドリフト部6の一部が挟まれているから、表面電極7と下部電極12との組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することにより、ドリフト部6において選択された表面電極7と下部電極12との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極7の群と複数の下部電極12の群とからなるマトリクス(格子)の格子点に、下部電極12と、下部電極12上の多結晶シリコン層3と、多結晶シリコン層3上のドリフト部6と、ドリフト部6上の表面電極7とからなる電子源素子10aを配置したことに相当し、電圧を印加する表面電極7と下部電極12との組を選択することによって所望の電子源素子10aから電子を放出させることが可能になる。なお、表面電極7を電子源素子10aに対応する部位にのみ形成して下部電極12に直交する方向に並んだ複数の表面電極7を低抵抗のバス電極により電気的に接続するようにしてもよい。
【0051】
ドリフト部6は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図5に示すように、少なくとも、下部電極12の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン(半導体結晶)51と、グレイン51の表面に形成された薄いシリコン酸化膜52と、グレイン51間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶(半導体微結晶)63と、各シリコン微結晶63の表面に形成され当該シリコン微結晶63の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜64とから構成されると考えられる。なお、各グレイン51は、下部電極12の厚み方向に延びている。
【0052】
本実施形態の電界放射型電子源10の電子源素子10aでは、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極7と下部電極12との間に表面電極7を高電位側として直流電圧Vpsを印加することにより、下部電極12からドリフト部6へ電子eが注入される。一方、ドリフト部6に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜64にかかるから、注入された電子eはシリコン酸化膜64にかかっている強電界により加速され、ドリフト部6におけるグレイン51の間の領域を表面に向かって図5中の矢印の向き(図5における上向き)へドリフトし、表面電極7をトンネルし真空中に放出される。しかして、ドリフト部6では下部電極12から注入された電子がシリコン微結晶63でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜64にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極7を通して放出され、ドリフト部6で発生した熱がグレイン51を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。なお、ドリフト部6の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。
【0053】
以下、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法について図1〜図3を参照しながら説明する。
【0054】
まず、絶縁性基板11の上記一表面上に所定膜厚(例えば、3000Å)のアルミニウム膜からなる導電性層12aを例えばスパッタ法によって積層(成膜)する第1の成膜工程を行うことにより、図1(a)に示す構造を得る。なお、導電性層12aは、下部電極12用であり、後述の一括パターニング工程で複数の下部電極12にパターニングされる。
【0055】
続いて、導電性層12a上に所定膜厚(例えば、1.5μm)のノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3aをプラズマCVD法によって積層する(成膜)する第2の成膜工程を行うことにより、図1(b)に示す構造を得る。ただし、第2の成膜工程では、導電性層12aのうち各下部電極12におけるコンタクト部となる部位の表面にガラスや金属などで作製されたマスク材(図示せず)を配置した状態(マスク材を密着させた状態)で半導体層3aを導電性層12aに積層する。したがって、半導体層3aを導電性層12aに積層した後でマスク材を取り除けば、導電性層12aのうち各下部電極12におけるコンタクト部となる部位の表面が露出することになるから、半導体層3aを導電性層12aに積層した後で下部電極12においてコンタクト部となる部位の表面を露出させるためのパターニング工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れる。ここにおけるマスク材としては例えば導電性層12aの周部を全周に亘って覆う矩形枠状のものを用いれば、図2に示すように導電性層12aの周部を露出させることができる。なお、半導体層3aは、ドリフト部6の基礎となるものであり、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを施すことによりドリフト部6と同じ構成となる。また、第2の成膜工程における半導体層3aの成膜方法は、プラズマCVD法に限らず、LPCVD法や触媒CVD法などを採用してもよい。
【0056】
上述の半導体層3aを成膜した後、上述のナノ結晶化プロセス(ナノ結晶化工程)を行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン51(図5参照)と多数のシリコン微結晶63(図5参照)とが混在する複合ナノ結晶層(以下、第1の複合ナノ結晶層と称す)を形成し、続いて、上述の酸化プロセスを行うことで第1の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図5のような構成の複合ナノ結晶層(以下、第2の複合ナノ結晶層と称す)6aを形成することにより、図1(c)に示す構造を得る。なお、図1(c)では上述の半導体層3aのうち第2の複合ナノ結晶層6a下の部分を半導体層3bとしてある。
【0057】
ナノ結晶化プロセスでは、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した混合液よりなる電解液を用い、導電性層12aを陽極とし、電解液中において半導体層3aに白金電極よりなる陰極を対向配置して、500Wのタングステンランプからなる光源により半導体層3aの主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流(例えば、電流密度が12mA/cmの電流)を所定時間(例えば、10秒)だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン51およびシリコン微結晶63を含む第1の複合ナノ結晶層を形成する。なお、ナノ結晶化プロセスでは、半導体層3aの主表面の周部および露出した導電性層12aが電解液に触れないようにシールした形で絶縁性基板11をセットできるようにした処理槽を利用している。ここにおいて、本実施形態では、上述の半導体層3aが平坦な導電性層12aに積層されていて半導体層3aの厚さに関係なく半導体層3aの表面が平坦になっており、半導体層3aに従来のようなクラック(亀裂)が発生していないので、半導体層3aのクラックを通して電解液が浸入するという問題の発生を防止することができ、下部電極12用の導電性層12aや絶縁性基板11が腐食されるのを防止することができる。なお、本実施形態のナノ結晶化プロセスを行う際には、上述の図2に示したように導電性層12aの周部が露出しており、上記電解液中で半導体層3aに陰極を対向配置して導電性層12aを陽極とし、陽極と陰極との間に電流を流す際に導電性層12aの周部の全周から電流を流すので、ナノ結晶化プロセスにおいて陽極と陰極との間に電流を流している際に導電性層12aの電気抵抗による電圧降下が軽減され、上記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性が向上する。
【0058】
酸化プロセスでは、例えば、1mol/lのHSO溶液からなる電解液を用い、導電性層12aを陽極とし、電解液中において第1の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、電源から陽極と陰極との間に一定の化成電流密度の電流を流し続けて陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ上昇した後は陽極と陰極との間の電圧を増加後の電圧に維持して化成電流密度が所定値まで減少したときに通電を停止させることで第1の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン51、シリコン微結晶63、各シリコン酸化膜52,64を含む第2の複合ナノ結晶層6aを形成するようになっている。この酸化プロセスにおいては、通電開始からの時間経過にともなって化成電流密度が図3中に実線で示した「イ」のように変化し、陽極と陰極との間の電圧が同図中に一点鎖線で示した「ロ」のように変化する。なお、本実施形態では、上記一定の化成電流密度を2.5mA/cmとし、陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加することで20Vまで上昇した後、陽極と陰極との間の電圧を20Vに維持して化成電流密度が0.01A/cmまで上昇した時点で通電を停止した。なお、上述の酸化プロセスで用いる電解液は1mol/lのHSO溶液に限定するものではなく、各種酸(例えば、HSO、HNO、王水など)の水溶液や、有機溶媒(例えば、エチレングリコールなど)中に電解質(例えば、硝酸カリウムなど)を溶かした溶液を用いてもよい。また、本実施形態では、シリコン酸化膜64が絶縁膜を構成しており、酸化プロセスが絶縁膜形成工程となる。また、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第1の複合ナノ結晶層においてグレイン51、シリコン微結晶63以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、第2の複合ナノ結晶層においてグレイン51、シリコン微結晶63、各シリコン酸化膜52,64以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域65となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域65が孔となり、このような場合の第1の複合ナノ結晶層は従来例で説明した多孔質多結晶シリコン層と同じ構成とみなすことができる。
【0059】
上述の酸化プロセスが終了した後、第2の複合ナノ結晶層6a上に、それぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなる複数のドリフト部6およびそれぞれ半導体層3bの一部からなる多結晶シリコン層3およびそれぞれ導電性層12aの一部からなる複数の下部電極12をパターン形成するためのエッチングマスク層(図示せず)を形成するマスク層形成工程を行ってから、エッチングマスク層をマスクとして、第2の複合ナノ結晶層6aおよび半導体層3bおよび導電性層12aを連続的にパターニングする一括パターニング工程を行うことでドリフト部6および多結晶シリコン層3および下部電極12をパターン形成し、エッチングマスク層を除去することにより、図1(d)に示す構造が得られる。ここにおいて、エッチングマスク層の材料としては、例えば、フォトレジストを採用すればよく、エッチングマスク層の材料としてフォトレジストを採用する場合には、スピンコーティングにより絶縁性基板11の上記一表面側の全面にレジスト層を形成し、リソグラフィ技術によってレジスト層のうち不要部分を除去することでパターニングされたレジスト層からなるエッチングマスク層を形成することができる。なお、本実施形態における一括パターニング工程では、第2の複合ナノ結晶層6aおよび導電性層12aそれぞれの不要部分をウェットエッチングで除去しているが、ドリフト部6下の下部電極12の幅がドリフト部6の幅に比べてやや狭くなる(つまり、下部電極12がサイドエッチングされる)ようにエッチング条件を設定してある。なお、第2の複合ナノ結晶層6aの基礎となる半導体層3aの材料が多結晶シリコンで、導電性層12aの材料がアルミニウムであれば、フッ酸と硝酸との混酸を用いて第2の複合ナノ結晶層6aの不要部分および半導体層3bの不要部分および導電性層12aの不要部分を連続してウエットエッチングしてそれぞれ第2の複合ナノ結晶層6aの一部からなるドリフト部6およびそれぞれ半導体層3bの一部からなる多結晶シリコン層3およびそれぞれ導電性層12aの一部からなる下部電極12をパターン形成することができる。
【0060】
その後、酸化性ガス(例えば、Oガス、NOガスなど)雰囲気中で絶縁性基板11を所定の基板温度(例えば、600℃)に加熱して各下部電極12aの露出表面を酸化することで下部電極12の構成材料(導電性材料)の酸化物(例えば、Alなど)からなる絶縁層17を各下部電極12の幅方向の両側面に形成する絶縁層形成工程を行うことにより、図1(e)に示す構造を得る。なお、この絶縁層形成工程では、下部電極12の露出表面に絶縁層17が形成されるのと同時に、上述のドリフト部6が酸化性ガス雰囲気中でアニール処理されることになるので、ドリフト部6の各シリコン酸化膜52,64の膜質が改善される。また、上述の絶縁膜形成工程では電気化学的な酸化方法を採用しているが、絶縁膜形成工程において酸素ガス雰囲気中での急速熱酸化法(RTO法)を採用するようにすれば、各シリコン微結晶63それぞれの表面にシリコン酸化膜64を形成する際に、下部電極12の露出表面に下部電極12の構成材料(導電性材料)の酸化物からなる絶縁層17を形成することができるから、下部電極12の露出表面に絶縁層17を形成するために別途に上記絶縁層形成工程を設ける必要がなく、工程数を削減することができる。
【0061】
絶縁層17を形成した後、例えば蒸着法などによって金薄膜からなる表面電極7を形成する電極形成工程を行い、続いて、各表面電極7の両端部上にパッド28を形成するとともに各下部電極12の両端部上にパッド27を形成するパッド形成工程を行うことにより、図1(f)に示す構造の電界放射型電子源10が得られる。
【0062】
以上説明した製造方法にて製造した本実施形態の電界放射型電子源10は、ナノ結晶化工程において電解液が半導体層3aに形成されたクラックを通して浸入するという問題の発生を防止することができ、製造時の歩留まりを向上できるとともに長期的な信頼性を向上できる。また、ナノ結晶化工程において下部電極12用の導電性層12aや絶縁性基板11が電解液によって腐食されるのを防止することが可能となって、絶縁性基板11から下部電極12が剥離したり下部電極12から下部電極12上の多結晶シリコン層3が剥離したりするのを防止することができる。
【0063】
また、第1の成膜工程で絶縁性基板11の上記一表面に積層する導電性層12aの材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、一括パターニング工程と電極形成工程との間に、下部電極12の露出表面を酸化することで導電性材料の酸化物からなる絶縁層17を形成する絶縁層形成工程を備えるので、電極形成工程で表面電極7を形成する前に下部電極12の露出表面に絶縁層17を形成することができるから、電極形成工程で形成する表面電極7のパターンによらず、表面電極7と下部電極12とが短絡するのを防止することができる。
【0064】
なお、本実施形態では、ノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3aに対してナノ結晶化プロセスを行って、その後、酸化プロセスを行うことによりドリフト部6を形成しているが、半導体層3aとしてノンドープの多結晶シリコン層の代わりに他の半導体層を採用してもよい。また、絶縁膜形成工程としては、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には図5にて説明した各シリコン酸化膜52,64がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜52,64がシリコン酸窒化膜となる。すなわち、酸化プロセスを採用した場合にはシリコン酸化膜64が半導体微結晶たるシリコン微結晶63の表面に形成された絶縁膜を構成しているが、窒化プロセスを採用した場合にはシリコン酸化膜64の代わりに形成されるシリコン窒化膜が絶縁膜を構成し、酸窒化プロセスを採用した場合にはシリコン酸化膜64の代わりに形成されるシリコン酸窒化膜が絶縁膜を構成する。
【0065】
(実施形態2)
ところで、実施形態1の電界放射型電子源10では、表面電極7の断面形状が矩形波状に形成されているので、表面電極7が断線してしまう恐れがある。そこで、表面電極7を電子源素子10aに対応する部位のみに形成して下部電極12に交差する方向に列設された表面電極7を表面電極7に比べて膜厚を大きくできるバス電極により共通接続することも考えられるが、各ドリフト部6aの両側面および各多結晶シリコン層3の両側面および各絶縁層17の側面でのバス電極の膜厚が他の部位に比べて薄くなり断線してしまう恐れがある。
【0066】
これに対して、本実施形態の電界放射型電子源10の基本構成は実施形態1と略同じであって、下部電極12の両側面に絶縁層17,17を形成する代わりに、図7に示すように、下部電極12の幅をドリフト部6および多結晶シリコン層3の幅と揃えてドリフト部6の周辺(隣り合うドリフト部6a間など)および多結晶シリコン層3の周辺(隣り合う多結晶シリコン層3間など)および下部電極12の周辺(隣り合う下部電極12間など)を埋める絶縁材料(例えば、絶縁性を有する感光性材料、絶縁性を有する窒化物など)からなる絶縁部18を設けている点、表面電極7が、ドリフト部6と多結晶シリコン層3と絶縁部18とからなる電子通過部5の上でドリフト部6および絶縁部18に跨って下部電極12に交差する方向に列設されている点が相違する。ここにおいて、絶縁部18は、当該絶縁部18の表面をドリフト部6の表面と同一平面上に揃えるように厚さを設定してある。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0067】
本実施形態では、実施形態1のように下部電極12の露出表面を酸化することで絶縁層17を形成する絶縁層形成工程が不要となるから、下部電極12の材料としては、例えば、W,Ti,Mo,Cr,Ta,Ni,Al,Cu,Au,Ptなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物、高濃度ドープの多結晶シリコンなどの導電性材料を採用すればよい。また、下部電極12は、単層構造でもよいし多層構造でもよい。なお、本実施形態では、一例として下部電極12の材料をWとし、下部電極12の膜厚を3000Å程度に設定した場合について説明する。
【0068】
以下、本実施形態の電界放射型電子源の製造方法について図6を参照しながら説明するが、実施形態1と同様の工程については説明を適宜省略する。
【0069】
まず、絶縁性基板11の上記一表面上に所定膜厚(例えば、3000Å)のタングステン膜からなる導電性層12aを例えばスパッタ法によって積層(成膜)する第1の成膜工程を行うことにより、図6(a)に示す構造を得る。なお、導電性層12aは、下部電極12用であり、後述の一括パターニング工程で複数の下部電極12にパターニングされる。
【0070】
続いて、導電性層12a上に所定膜厚(例えば、1.5μm)のノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3aをプラズマCVD法によって積層する(成膜)する第2の成膜工程を行うことにより、図6(b)に示す構造を得る。ただし、第2の成膜工程では、導電性層12aのうち各下部電極12におけるコンタクト部となる部位の表面にガラスや金属などで作製されたマスク材(図示せず)を配置した状態(マスク材を密着させた状態)で半導体層3aを導電性層12aに積層する。したがって、半導体層3aを導電性層12aに積層した後でマスク材を取り除けば、導電性層12aのうち各下部電極12におけるコンタクト部となる部位の表面が露出することになるから、半導体層3aを導電性層12aに積層した後で下部電極12においてコンタクト部となる部位の表面を露出させるためのパターニング工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れる。ここにおけるマスク材としては例えば導電性層12aの周部を全周に亘って覆う矩形枠状のものを用いれば、上述の図2に示すように導電性層12aの周部を露出させることができる。なお、半導体層3aは、ドリフト部6の基礎となるものであり、実施形態1にて説明したナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを施すことによりドリフト部6と同じ構成となる。また、第2の成膜工程における半導体層3aの成膜方法は、プラズマCVD法に限らず、LPCVD法や触媒CVD法などを採用してもよい。
【0071】
上述の半導体層3aを成膜した後、実施形態1にて説明したナノ結晶化プロセス(ナノ結晶化工程)を行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン51(図5参照)と多数のシリコン微結晶63(図5参照)とが混在する複合ナノ結晶層(以下、第1の複合ナノ結晶層と称す)を形成し、続いて、実施形態1にて説明した酸化プロセスを行うことで第1の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図5のような構成の複合ナノ結晶層(以下、第2の複合ナノ結晶層と称す)6aを形成することにより、図6(c)に示す構造を得る。なお、図6(c)では上述の半導体層3aのうち第2の複合ナノ結晶層6a下の部分を半導体層3bとしてある。なお、本実施形態においても、実施形態1と同様、上述の半導体層3aが平坦な導電性層12aに積層されていて半導体層3aの厚さに関係なく半導体層3aの表面が平坦になっており、半導体層3aに従来のようなクラック(亀裂)が発生していないので、半導体層3aのクラックを通して電解液が浸入するという問題の発生を防止することができ、下部電極12用の導電性層12aや絶縁性基板11が腐食されるのを防止することができる。
【0072】
上述の酸化プロセスが終了した後、第2の複合ナノ結晶層6a上に、それぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなる複数のドリフト部6およびそれぞれ半導体層3bの一部からなる多結晶シリコン層3およびそれぞれ導電性層12aの一部からなる複数の下部電極12をパターン形成するためのエッチングマスク層(図示せず)を形成するマスク層形成工程を行ってから、エッチングマスク層をマスクとして、第2の複合ナノ結晶層6aおよび半導体層3bおよび導電性層12aを連続的にパターニングする一括パターニング工程を行うことでドリフト部6および多結晶シリコン層3および下部電極12をパターン形成し、エッチングマスク層を除去することにより、図6(d)に示す構造が得られる。ここにおいて、エッチングマスク層の材料としては、例えば、フォトレジストを採用すればよく、エッチングマスク層の材料としてフォトレジストを採用する場合には、スピンコーティングにより絶縁性基板11の上記一表面側の全面にレジスト層を形成し、リソグラフィ技術によってレジスト層のうち不要部分を除去することでパターニングされたレジスト層からなるエッチングマスク層を形成することができる。なお、本実施形態における一括パターニング工程では、第2の複合ナノ結晶層6aおよび半導体層3a,3bおよび導電性層12aそれぞれの不要部分を反応性イオンエッチングなどの異方性の高いドライエッチングで除去しており、ドリフト部6下の下部電極12の幅がドリフト部6の幅および多結晶シリコン層3の幅と略同じになっている。ここにおいて、第2の複合ナノ結晶層の基礎となる半導体層3aの材料が多結晶シリコンで、導電性層12aの材料がタングステンであれば、フッ素系ガス(例えば、SFガスなど)を用いることにより、第2の複合ナノ結晶層6aおよび導電性層12aの不要部分をエッチング条件を変更することなしに連続してドライエッチングすることができ、スループットが向上するとともに工程管理が容易になる。なお、上述のように、第2の複合ナノ結晶層6aの基礎となる半導体層3aの材料が多結晶シリコンで、導電性層12aの材料がタングステンであれば、フッ酸と硝酸との混酸を用いて第2の複合ナノ結晶層6aの不要部分および半導体層3bの不要部分をウエットエッチングしてそれぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなるドリフト部6をパターン形成することができ、ドリフト部6をマスクとして過酸化水素水を用いて導電性層12aの不要部分をウェットエッチングしてそれぞれ導電性層12aの一部からなる下部電極12をパターン形成することもできる。
【0073】
その後、各下部電極12の周辺および各多結晶シリコン層3の周辺および各ドリフト部6の周辺を埋める絶縁材料(例えば、絶縁性を有する感光性材料、絶縁性を有する窒化物など)からなる絶縁部18を形成する絶縁分離工程を行うことにより、図6(e)に示す構造を得る。このような絶縁分離工程を設けることにより、後述の電極形成工程において形成する表面電極7のパターンによらず表面電極7と下部電極12とが短絡するのを防止することができ、しかも、表面電極7形成前における絶縁性基板11の上記一表面側の露出表面の凹凸を少なくすることができ、表面電極7のパターンによらず表面電極7の断線を防止することができる。ところで、絶縁部18を形成する方法としては、ドリフト部6上にリフトオフ用のフォトレジストからレジスト層を形成してから、蒸着法などによって絶縁性基板11の上記一表面側の全面に絶縁体層を形成し、リフトオフ法により上記レジスト層および上記レジスト層上の絶縁体層を除去することでそれぞれ上記絶縁体層の一部からなる絶縁部18をパターン形成することが考えられる。しかしながら、このようなリフトオフ法を採用した場合には、絶縁性基板11の大面積化を図った場合に処理が難しくなってしまうという不具合や、製造プロセスが複雑になるという不具合がある。これに対して、本実施形態における絶縁分離工程では、上記絶縁材料として例えば絶縁性を有する感光性材料を採用した場合には、感光性材料を上記絶縁性基板11の上記一表面側に塗布してからフォトリソグラフィによりパターニングし、その後に熱処理を施すことにより絶縁部18を形成するので、リフトオフ法を利用して絶縁部18を形成する場合に比べて絶縁部18を容易に形成することができる。また、本実施形態における絶縁分離工程では、上記絶縁材料として例えば絶縁性を有する窒化物を採用した場合には、各下部電極12の周辺および各多結晶シリコン層3の周辺および各ドリフト部6の周辺に窒化物の粒子を含むペーストを印刷法により埋め込み、その後に熱処理を施すことにより絶縁部18を形成するので、リフトオフ法を利用して絶縁部18を形成する場合に比べて絶縁部18を容易に形成することができる。
【0074】
絶縁部18を形成した後には、例えば蒸着法などによって金薄膜からなる表面電極7を形成する電極形成工程を行い、続いて、各表面電極7の両端部上にパッド28を形成するとともに各下部電極12の両端部上にパッド27を形成するパッド形成工程を行うことにより、図6(f)に示す構造の電界放射型電子源10が得られる。なお、パッド形成工程では、表面電極7と電気的に接続されるパッド28を絶縁部18に重なる位置に形成しているので、表面電極7とパッド28との間で断線が起こるのを防止することができる。
【0075】
以上説明した製造方法にて製造した本実施形態の電界放射型電子源10は、ナノ結晶化工程において電解液が半導体層3aに形成されたクラックを通して浸入するという問題の発生を防止することができ、製造時の歩留まりを向上できるとともに長期的な信頼性を向上できる。また、ナノ結晶化工程において下部電極12用の導電性層12aや絶縁性基板11が電解液によって腐食されるのを防止することが可能となって、絶縁性基板11から下部電極12が剥離したり下部電極12から下部電極12上の多結晶シリコン層3が剥離したりするのを防止することができる。
【0076】
また、一括パターニング工程では、第2の複合ナノ結晶層6aおよび半導体層3bおよび導電性層12aの不要部分をドライエッチングすることで各ドリフト部6および各多結晶シリコン層3および各下部電極12をパターン形成するので、一括パターニング工程でパターン形成される各ドリフト部6および各多結晶シリコン層3および各下部電極12の形状の再現性を高めることができる。
【0077】
なお、上述の実施形態では表面電極7を下部電極12に交差する方向に形成してあるが、表面電極7を電子源素子10aに対応する部位のみに形成して下部電極12に交差する方向に列設された表面電極7を表面電極7に比べて膜厚を大きくできるバス電極により共通接続するようにしてもよいことは勿論である。
【0078】
(実施形態3)
ところで、実施形態2の電界放射型電子源10では、下部電極12の長手方向において隣り合う電子源素子10a間にもドリフト部6の一部が形成されているので、下部電極12の長手方向において隣り合う電子源素子10a間の電気的な絶縁が不十分になってクロストークが発生してしまう恐れがある。これに対して、本実施形態の電界放射型電子源10は、図8に示すように、各電子源素子10aの周囲が絶縁部18により囲まれている点が相違する。すなわち、本実施形態では、下部電極12の長手方向において隣り合う電子源素子10a間にも絶縁部18が形成されている点が実施形態2と相違する。
【0079】
本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法は実施形態2にて説明した製造方法と略同じであって、上記一括パターニング工程と上記絶縁分離工程との間に、一括パターニング工程によりパターニングされたドリフト部6のうち電子源素子10aに対応する部位の間の部分を下部電極12が露出するまでエッチングするエッチング工程を備えている点が相違するだけである。
【0080】
しかして、本実施形態の製造方法により製造した電界放射型電子源10では、るので、隣り合う電子源素子10a間をより確実に絶縁することができ、各電子源素子10aの電子放出特性を向上できる。
【0081】
(実施形態4)
本実施形態の電界放射型電子源10の構成は実施形態2と同じであり、製造方法が相違するだけである。
【0082】
本実施形態の製造方法では、導電性層12aの形成前における絶縁性基板11として図9に示すように電界放射型電子源10を複数個形成可能な大面積基板を用い、上記電極形成工程よりも後で絶縁性基板11を電界放射型電子源10に対応する大きさに分割する分割工程を備えている点に特徴がある。
【0083】
しかして、本実施形態の製造方法では、製造コストを低減することが可能となる。また、本実施形態の製造方法においては、上記絶縁膜形成工程よりも後に、第2の複合ナノ結晶層6の一部をエッチングすることにより下部電極12の一部を露出させるエッチング工程を備えるので、導電性層12aの成膜時に導電性層12aをパターニングする必要がないという利点がある。
【0084】
ところで、本実施形態の製造方法においては、上記第2の成膜工程の前に、第1の成膜工程により大面積基板(絶縁性基板11)に積層した導電性層12aを図10に示すように各電界放射型電子源10に対応する領域ごと(図示例では、4つの領域)に分けて電気的に分離する分離工程を備え、上記ナノ結晶化工程では、半導体層3aのうち分離工程において分離された導電性層12aそれぞれに重なる部分に対して個別に第1の複合ナノ結晶層を形成するので、導電性層12aでの電圧降下を低減することができ、第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができる。つまり、本実施形態におけるナノ結晶化工程では、半導体層3aのうち各電界放射型電子源10それぞれに対応した領域にのみ上記第1の複合ナノ結晶層を形成するので、導電性層12aでの電圧降下を低減することができ、上記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができ、結果的に上記第2の複合ナノ結晶層6aの面内均一性を向上させることができる。
【0085】
なお、本実施形態におけるナノ結晶化工程では、図11に示すように、上記分離工程において分離された導電性層12aごとに、表面側に矩形枠状のシール壁41を密着させて、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した混合液よりなる電解液Bを入れ、導電性層12aを陽極とし、電解液B中において半導体層3aに白金電極よりなる陰極42を対向配置して、500Wのタングステンランプ(図示せず)からなる光源により半導体層3aの主表面に光照射を行いながら、電源43から陽極(導電性層12a)と陰極42との間に定電流を所定時間だけ流すことによって、上記第1の複合ナノ結晶層を形成している。しかして、本実施形態におけるナノ結晶化工程では、半導体層3aのうち分離工程において分離された導電性層12aそれぞれに重なる部分に対して上記第1の複合ナノ結晶層を順次形成するので、ナノ結晶化工程での消費電力を低減することができる。
【0086】
なお、本実施形態のように導電性層12aの形成前における絶縁性基板11として電界放射型電子源10を複数個形成可能な大面積基板を用い、上記電極形成工程よりも後で絶縁性基板11を電界放射型電子源10に対応する大きさに分割する分割工程を設けるという技術思想は他の実施形態においても適用することができる。
【0087】
【発明の効果】
請求項1の発明は、絶縁性基板の一表面側に多数の電子源素子がマトリクス状に配置され、各電子源素子が、絶縁性基板の前記一表面上の下部電極と、絶縁性基板の厚み方向において下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極の間に介在し多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成された半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有するドリフト部とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板の前記一表面に下部電極用の導電性層を積層する第1の成膜工程と、導電性層上にドリフト部の基礎となる半導体層を積層する第2の成膜工程と、電解液を用いて半導体層をナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を有する第1の複合ナノ結晶層を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を成膜することで多数の半導体微結晶および多数の絶縁膜を有する第2の複合ナノ結晶層を形成する絶縁膜形成工程と、第2の複合ナノ結晶層および導電性層の不要部分を連続的にエッチングすることでそれぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなるドリフト部およびそれぞれ導電性層の一部からなる下部電極をパターン形成する一括パターニング工程と、ドリフト部上に表面電極を形成する電極形成工程とを備えるので、ナノ結晶化工程において下部電極用の導電性層や絶縁性基板が電解液によって腐食されるのを防止することが可能となって、下部電極が絶縁性基板から剥がれたり下部電極上の層が下部電極から剥がれるのを防止することができ、製造時の歩留まりを向上できるとともに長期的な信頼性を向上できるという効果がある。
【0088】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第2の成膜工程では、前記導電性層のうち前記各下部電極におけるコンタクト部となる部位の表面にマスク材を配置した状態で前記半導体層を前記導電性層に積層するので、前記半導体層を前記導電性層に積層した後でマスク材を取り除けば、前記導電性層のうち前記各下部電極におけるコンタクト部となる部位の表面が露出することになるから、前記半導体層を前記導電性層に積層した後で前記下部電極においてコンタクト部となる部位の表面を露出させるためのパターニング工程を別途に設ける必要がなく、製造プロセスの簡略化を図れるという効果がある。
【0089】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成するので、前記一括パターニング工程でパターン形成される前記各ドリフト部および前記各下部電極の形状の再現性を高めることができるという効果がある。
【0090】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料としてタングステンを採用するとともに、前記第2の成膜工程で前記導電性層に積層する前記半導体層の材料として多結晶シリコンを採用し、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングするにあたって、エッチングガスとしてフッ素系ガスを用いるので、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をエッチング条件を変更することなしに連続してドライエッチングすることができ、スループットが向上するとともに工程管理が容易になるという効果がある。
【0091】
請求項5の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をウェットエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成するので、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングする場合のようにドライエッチング装置のような真空装置を必要としないから、製造装置の低コスト化を図ることができ、特に前記絶縁性基板の大面積化を図る際に有利になるという効果がある。
【0092】
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記一括パターニング工程では、前記ドリフト部下の前記下部電極がサイドエッチングされるようにエッチング条件を設定するので、前記電極形成工程で形成する前記表面電極のパターンによらず、前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができるという効果がある。
【0093】
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記下部電極の露出表面を酸化することで前記導電性材料の酸化物からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えるので、前記電極形成工程で前記表面電極を形成する前に前記下部電極の露出表面に絶縁層を形成することができるから、前記電極形成工程で形成する前記表面電極のパターンによらず、前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができるという効果がある。
【0094】
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記絶縁膜形成工程では、酸化性ガス雰囲気中での急速熱酸化法を採用するので、前記各半導体微結晶それぞれの表面に絶縁膜を形成する際に、前記下部電極の露出表面に前記導電性材料の酸化物からなる絶縁層を形成することができるから、前記下部電極の露出表面に絶縁層を形成するために別途の工程を設ける必要がなく、請求項7の発明に比べて工程数を削減することができるという効果がある。
【0095】
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項8の発明において、前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺を埋める絶縁材料からなる絶縁部を形成する絶縁分離工程を備えるので、前記電極形成工程にて形成する前記表面電極のパターンによらず前記表面電極と前記下部電極とが短絡するのを防止することができ、しかも、前記表面電極形成前における前記絶縁性基板の前記一表面側の露出表面の凹凸を少なくすることができ、前記表面電極のパターンによらず前記表面電極の断線を防止することができるという効果がある。
【0096】
請求項10の発明は、請求項9の発明において、前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として絶縁性を有する感光性材料を採用し、感光性材料を前記絶縁性基板の前記一表面側に塗布してからフォトリソグラフィによりパターニングし、絶縁部を形成するので、リフトオフ法を利用して前記絶縁部を形成する場合に比べて前記絶縁部を容易に形成することができるという効果がある。
【0097】
請求項11の発明は、請求項9の発明において、前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として窒化物を採用し、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺に窒化物の粒子を含むペーストを印刷法により埋め込み、絶縁部を形成するので、リフトオフ法を利用して前記絶縁部を形成する場合に比べて前記絶縁部を容易に形成することができるという効果がある。
【0098】
請求項12の発明は、請求項9ないし請求項11の発明において、前記電極形成工程の後に、前記表面電極と電気的に接続される複数のパッドを前記絶縁部に重なる位置に形成するパッド形成工程を備えるので、前記表面電極と前記パッドとの間で断線が起こるのを防止することができるという効果がある。
【0099】
請求項13の発明は、請求項1ないし請求項12の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記電解液中で前記半導体層に陰極を対向配置して前記導電性層を陽極とし、陽極と陰極との間に電流を流す際に前記導電性層の周部の全周から電流を流すので、前記ナノ結晶化工程において陽極と陰極との間に電流を流している際に前記導電性層の電気抵抗による電圧降下が軽減され、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性が向上するという効果がある。
【0100】
請求項14の発明は、請求項1ないし請求項13の発明において、前記絶縁膜形成工程は電気化学的な酸化工程であって、酸化用の電解液中で前記第1の複合ナノ結晶層に陰極を対向配置してから前記導電性層を陽極として陽極と陰極との間に定電流を流し、陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加した後は陽極と陰極との間の電圧を増加後の電圧に維持して電流が所定値まで減少したときに酸化を終了させるので、陽極と陰極との間に定電流を流して陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加したときに酸化を終了させる場合に比べて、前記各電子源素子の絶縁耐圧が向上するという効果がある。
【0101】
請求項15の発明は、請求項9ないし請求項12の発明において、前記一括パターニング工程と前記絶縁分離工程との間に、前記一括パターニング工程によりパターニングされたドリフト部のうち前記電子源素子に対応する部位の間の部分を前記下部電極が露出するまでエッチングするエッチング工程を備えるので、隣り合う電子源素子間をより確実に絶縁することができ、各電子源素子の電子放出特性を向上できるという効果がある。
【0102】
請求項16の発明は、請求項1の発明において、前記導電性層の形成前における前記絶縁性基板として前記電界放射型電子源を複数個形成可能な大面積基板を用い、前記電極形成工程よりも後で前記絶縁性基板を前記電界放射型電子源に対応する大きさに分割する分割工程を備えるので、製造コストを低減することが可能となるという効果がある。
【0103】
請求項17の発明は、請求項16の発明において、前記絶縁膜形成工程よりも後に、前記第2の複合ナノ結晶層の一部をエッチングすることにより前記下部電極の一部を露出させるエッチング工程を備えるので、前記導電性層の成膜時に前記導電性層をパターニングする必要がないという利点がある。
【0104】
請求項18の発明は、請求項16の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記各電界放射型電子源それぞれに対応した領域にのみ前記第1の複合ナノ結晶層を形成するので、前記導電性層での電圧降下を低減することができ、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができるという効果がある。
【0105】
請求項19の発明は、請求項16の発明において、前記第2の成膜工程の前に、前記第1の成膜工程により前記大面積基板に積層した前記導電性層を前記各電界放射型電子源に対応する領域ごとに分けて電気的に分離する分離工程を備え、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して個別に前記第1の複合ナノ結晶層を形成するので、前記導電性層での電圧降下を低減することができ、前記第1の複合ナノ結晶層の面内均一性を向上させることができるという効果がある。
【0106】
請求項20の発明は、請求項19の発明において、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して前記第1の複合ナノ結晶層を順次形成するので、前記ナノ結晶化工程での消費電力を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図2】同上における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図3】同上における電界放射型電子源の製造方法の説明図である。
【図4】同上における電界放射型電子源を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図である。
【図5】同上における電界放射型電子源の要部概略構成図である。
【図6】実施形態2における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図7】同上における電界放射型電子源を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図である。
【図8】実施形態3における電界放射型電子源を示す概略平面図である。
【図9】実施形態4における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図10】同上における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図11】同上における電界放射型電子源の製造方法の説明図である。
【図12】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図13】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図14】同上を応用したディスプレイの概略構成図である。
【図15】同上を応用したディスプレイにおける電界放射型電子源の概略斜視図である。
【図16】同上を応用したディスプレイにおける電界放射型電子源を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図である。
【図17】同上を応用したディスプレイにおける電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図18】同上を応用したディスプレイにおける電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【符号の説明】
3 多結晶シリコン層
3a 半導体層
3b 半導体層
6 ドリフト部
6a 第2の複合ナノ結晶層
7 表面電極
10 電界放射型電子源
10a 電子源素子
11 絶縁性基板
12 下部電極
12a 導電性層
17 絶縁層
27 パッド
28 パッド
51 グレイン
52 シリコン酸化膜
63 シリコン微結晶
64 シリコン酸化膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a field emission type electron source that emits an electron beam by field emission.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Hitherto, field emission electron sources 10 ′ and 10 ″ having the configuration shown in FIGS. 12 and 13 have been proposed as electronic devices using nanocrystalline silicon (silicon microcrystals on the order of nanometers) (for example, Patent Document 1) , Patent Document 2).
[0003]
In the field emission type electron source 10 ′ having the configuration shown in FIG. 12, a strong electric field drift layer 6 made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is provided on the main surface (one surface) side of an n-type silicon substrate 1 as a conductive substrate. A surface electrode 7 formed of a metal thin film (for example, a gold thin film) is formed on the strong electric field drift layer 6. An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1, and the n-type silicon substrate 1 and the ohmic electrode 2 constitute a lower electrode 12. In the example shown in FIG. 12, a non-doped polycrystalline silicon layer 3 is interposed between the n-type silicon substrate 1 and the strong electric field drift layer 6, so that the polycrystalline silicon layer 3 and the strong electric field drift layer 6 Although an electron passing portion through which electrons pass is formed, a device in which the electron passing portion is formed only by the strong electric field drift layer 6 without interposing the polycrystalline silicon layer 3 has been proposed.
[0004]
In order to emit electrons from the field emission electron source 10 ′ having the configuration shown in FIG. 12, for example, a collector electrode 21 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided, and a vacuum is applied between the surface electrode 7 and the collector electrode 21. In this state, a DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 so that the surface electrode 7 is on the higher potential side with respect to the lower electrode 12, and the collector electrode 21 is DC voltage Vc is applied between collector electrode 21 and surface electrode 7 so as to be on the high potential side. Here, if the DC voltage Vps is appropriately set, the electrons injected from the lower electrode 12 drift in the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. Electronic e Shows the flow of). The thickness of the surface electrode 7 is set to about 10 to 15 nm.
[0005]
By the way, in the field emission type electron source 10 ′ having the configuration shown in FIG. 12, the lower electrode 12 is composed of the n-type silicon substrate 1 and the ohmic electrode 2, but as shown in FIG. A field emission type electron source 10 ″ in which a lower electrode 12 made of a metal thin film is formed on one surface of an insulating substrate 11 made of a glass substrate having the same has been proposed. The field emission type electron source shown in FIG. The same components as those of the electron source 10 'are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0006]
In order to emit electrons from the field emission type electron source 10 ″ having the configuration shown in FIG. 13, for example, a collector electrode 21 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided, and a vacuum is applied between the surface electrode 7 and the collector electrode 21. In this state, a DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 so that the surface electrode 7 is on the higher potential side with respect to the lower electrode 12, and the collector electrode 21 is A DC voltage Vc is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 so as to be on the high potential side.If the DC voltage Vps is appropriately set here, electrons injected from the lower electrode 12 cause strong electric field drift. Drift through the layer 6 and emitted through the surface electrode 7 (dotted line in FIG. Shows the flow of). The electrons that have reached the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons and are easily tunneled through the surface electrode 7 and discharged into a vacuum.
[0007]
In each of the field emission electron sources 10 ′ and 10 ″ described above, a current flowing between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 is called a diode current Ips, and a current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is emitted. If the current (emission electron current) Ie is referred to (see FIGS. 12 and 13), the larger the ratio of the emission current Ie to the diode current Ips (= Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency (= (Ie / Ips)). × 100 [%]) In the above-described field emission electron sources 10 ′ and 10 ″, the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 is reduced to a low voltage of about 10 to 20 V. The emission current Ie increases as the DC voltage Vps increases.
[0008]
When the field emission electron source 10 ″ shown in FIG. 13 is applied as an electron source of a display, for example, the configuration shown in FIG. 14 may be adopted.
[0009]
In the display shown in FIG. 14, a face plate 30 made of a flat glass substrate is arranged to face the field emission electron source 10, and a transparent conductive surface is provided on the face of the face plate 30 facing the field emission electron source 10. A collector electrode (hereinafter, referred to as an anode electrode) 21 made of a film (for example, an ITO film) is formed. Further, on the surface of the anode electrode 21 facing the field emission electron source 10, a fluorescent material formed for each pixel and a black stripe made of a black material formed between the fluorescent materials are provided. Here, the fluorescent material is applied to the surface of the anode electrode 21 facing the field emission type electron source 10, and emits visible light by the electron beam emitted from the field emission type electron source 10. The high-energy electrons emitted from the field emission electron source 10 and accelerated by the voltage applied to the anode electrode 21 collide with the fluorescent material, and R (red), G (Green) and B (blue) are used. The face plate 30 is separated from the field emission type electron source 10 by a rectangular frame (not shown), and an airtight space formed between the face plate 30 and the field emission type electron source 10 is evacuated. .
[0010]
The field emission type electron source 10 shown in FIG. 14 includes an insulating substrate 11 made of an insulating glass substrate, a plurality of lower electrodes 12 arranged on one surface of the insulating substrate 11, and a lower electrode 12. A plurality of non-doped polycrystalline silicon layers 3 formed so as to overlap with each other; a plurality of drift portions 6 each formed of an oxidized porous polycrystalline silicon layer formed so as to overlap with the polycrystalline silicon layer 3; Non-doped to fill the periphery of portion 6 (such as between adjacent drift portions 6a), the periphery of polycrystalline silicon layer 3 (such as between adjacent polycrystalline silicon layers 3), and the periphery of lower electrode 12 (such as between adjacent lower electrodes 12). Of the drift portion 6, the polycrystalline silicon layer 3, and the isolation portion 16 on the drift portion 6 and the isolation portion 16. And a plurality of surface electrodes 7 that are arrayed in a direction intersecting with the lower electrode 12 I.
[0011]
Here, in the field emission type electron source 10 shown in FIG. 14, the electron passage section 5 is constituted by the drift section 6, the polycrystalline silicon layer 3, and the separation section 16 as described above, and as shown in FIG. A plurality of lower electrodes 12 arranged on one surface of the insulating substrate 11 and a plurality of surface electrodes 7 arranged in a direction parallel to the one surface of the insulating substrate 11 in a direction perpendicular to the lower electrodes 12. And sandwich the electron passage section 5. It has been proposed that the drift portion 6 and the separation portion 16 constitute the electron passage portion 5 without interposing the polycrystalline silicon layer 3 between the drift portion 6 and the lower electrode 12.
[0012]
In this field emission type electron source 10, a plurality of lower electrodes 12 arranged on one surface of an insulating substrate 11 and a plurality of surface electrodes 7 arranged in a direction intersecting with the lower electrode 12 intersect. Since a part of the drift portion 6 is sandwiched between the corresponding portions, the combination of the surface electrode 7 and the lower electrode 12 is appropriately selected, and a voltage is applied between the selected pair to select the pair in the drift portion 6. A strong electric field acts on a portion corresponding to the intersection of the surface electrode 7 and the lower electrode 12 to emit electrons. That is, the lower electrode 12, the polycrystalline silicon layer 3 on the lower electrode 12, and the polycrystalline silicon layer are formed at lattice points of a matrix (lattice) composed of a group of the plurality of surface electrodes 7 and a group of the plurality of lower electrodes 12. 3 corresponds to the arrangement of the electron source element 10a including the drift portion 6 on the drift portion 3 and the surface electrode 7 on the drift portion 6. By selecting a set of the surface electrode 7 and the lower electrode 12 to which a voltage is applied, Electrons can be emitted from the desired electron source element 10a. As can be seen from the above description, the electron source element 10a is provided for each pixel.
[0013]
In the field emission type electron source 10 described above, as shown in FIG. 16, pads 27 are formed on both ends of the lower electrode 12 in the longitudinal direction, and pads 27 are formed on both ends of the surface electrode 7 in the longitudinal direction. 28 are formed.
[0014]
Hereinafter, a method of manufacturing the field emission electron source 10 having the configuration shown in FIG. 16 will be described with reference to FIGS.
[0015]
First, a structure shown in FIG. 17A is obtained by forming a conductive layer 12a for the lower electrode 12 on the entire surface on the one surface side of the insulating substrate 11.
[0016]
Next, unnecessary portions of the conductive layer 12a are etched using a photolithography technique and an etching technique to pattern the lower electrodes 12 each of which is a part of the conductive layer 12a. The structure shown in FIG.
[0017]
Thereafter, a semiconductor layer 3a made of a non-doped polycrystalline silicon layer serving as a basis for the drift portion 6 and the separation portion 16 constituting the electron passing portion 5 is formed on the entire surface on the one surface side of the insulating substrate 11 by plasma CVD or decompression. By forming a film by the CVD method or the like, the structure shown in FIG. 17C is obtained.
[0018]
Thereafter, unnecessary portions of the semiconductor layer 3a are etched using photolithography technology and etching technology to expose both ends of each lower electrode 12, thereby obtaining the structure shown in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view corresponding to the BB ′ cross-section in FIG.
[0019]
Subsequently, a mask layer 13 made of a resist layer which is opened so as to cover the surface of the portion of the semiconductor layer 3a not overlapping the lower electrode 12 and to expose the surface of the portion overlapping the lower electrode 12 is formed. The structure shown in FIG. 17D is obtained.
[0020]
Thereafter, using the mask layer 13 as a mask, a portion of the semiconductor layer 3a overlapping the lower electrode 12 is anodized to a predetermined depth in an electrolytic solution containing an aqueous solution of hydrogen fluoride, thereby forming grains of polycrystalline silicon and a large number of nanometer-order silicon. Forming a drift layer 6 by oxidizing the porous polycrystalline silicon layer containing a microcrystal by a rapid heating method or an electrochemical oxidation method, and removing the mask layer 13 As a result, the structure shown in FIG. Here, the drift portion 6 includes a polycrystalline silicon grain, a large number of nanocrystal silicon microcrystals, a thin silicon oxide film formed on the surface of each grain, and a silicon oxide film formed on the surface of each silicon microcrystal. have. The portion of the semiconductor layer 3a that overlaps the mask 13 serves as the separation portion 16, and the portion between the drift portion 6 and the lower electrode 12 serves as the polycrystalline silicon layer 3.
[0021]
Thereafter, the surface electrode 7 is formed, and then the pad 27 electrically connected to the surface electrode 7 is formed, thereby obtaining the structure shown in FIG.
[0022]
By the way, the present inventors have experimentally confirmed that the electron emission amount per unit area increases and the electron emission efficiency increases as the thickness of the drift portion 6 decreases, and the non-doped polysilicon layer is used. It is proposed to set the thickness of the semiconductor layer 3a at the time of film formation to, for example, 2 μm or less.
[0023]
However, depending on the thickness of the lower electrode 12, when the thickness of the semiconductor layer 3a is relatively small (for example, when the thickness of the semiconductor layer 3a is about 1.5 μm), it is shown in FIG. As described above, the step portion is formed without flattening the surface of the semiconductor layer 3a, and a crack running in the depth direction at the step portion in the semiconductor layer 3a occurs. Therefore, at the time of anodization, when the electrolytic solution penetrates through cracks from the surface of the semiconductor layer 3a not covered by the mask layer 13 and reaches the lower electrode 12, when the lower electrode 12 is made of glass or the like as the insulating substrate 11, When a material having low resistance to hydrogen fluoride (corrosion resistance) such as chromium or titanium is used, the insulating substrate 11 and the lower electrode 12 are corroded, and the lower electrode 12 and the semiconductor layer 3a are separated. As a result, the yield decreases, so that the above-described mask layer 13 is formed so as to cover the step portion of the semiconductor layer 3a.
[0024]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2987140 (pages 4 to 7, FIGS. 1 to 3)
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 311456 (Pages 10 to 14, FIGS. 1, 2, 8, and 9)
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described method of manufacturing the field emission type electron source 10, a portion of the semiconductor layer 3a overlapping the lower electrode 12 is anodized to a predetermined depth in an electrolytic solution containing an aqueous solution of hydrogen fluoride, thereby forming grains of polycrystalline silicon. In addition, a mask layer 13 made of a resist layer is used as a mask when forming a porous polycrystalline silicon layer containing a large number of nanometer-sized silicon microcrystals. Since the resistance is low, the electrolytic solution penetrates through the cracks in the semiconductor layer 3a and reaches the lower electrode 12 even though the mask layer 13 is provided. When a material having low resistance (corrosion resistance) to hydrogen fluoride such as chromium or titanium is used as the insulating substrate 11 or Department electrode 12 is corroded yield by peeling the lower electrode 12 and the semiconductor layer 3a decreases.
[0026]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a field emission electron source capable of improving the yield at the time of manufacturing as compared with the related art.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a large number of electron source elements are arranged in a matrix on one surface side of an insulating substrate, and each electron source element is disposed on the one surface of the insulating substrate. A lower electrode, a surface electrode facing the lower electrode in the thickness direction of the insulating substrate, and a number of nanometer-order semiconductor microcrystals interposed between the lower electrode and the surface electrode and formed on the surface of each semiconductor microcrystal. A drift portion having a large number of insulating films having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystal, and a method for manufacturing a field emission type electron source, the method comprising: A first film formation step of stacking a conductive layer, a second film formation step of stacking a semiconductor layer serving as a basis for a drift portion on the conductive layer, and nano-crystallization of the semiconductor layer using an electrolytic solution Many nanometer-order semiconductors A nanocrystallizing step of forming a first composite nanocrystal layer having microcrystals, and forming an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals on the surface of each semiconductor microcrystal, thereby increasing the number of layers. An insulating film forming step of forming a second composite nanocrystal layer having a semiconductor microcrystal and a large number of insulating films, and by continuously etching unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer, respectively. A collective patterning step of patterning a drift part composed of a part of the second composite nanocrystal layer and a lower electrode composed of part of a conductive layer, respectively; and an electrode forming step of forming a surface electrode on the drift part. It is possible to prevent the conductive layer and the insulating substrate for the lower electrode from being corroded by the electrolytic solution in the nano crystallization process, and the lower electrode is separated from the insulating substrate. Peeling or can layer on the lower electrode can be prevented from peeling from the lower electrode, thereby improving the long-term reliability it is possible to improve the yield in manufacturing.
[0028]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the second film forming step, a mask material is disposed on a surface of a portion of the conductive layer that becomes a contact portion in each of the lower electrodes. Since the semiconductor layer is laminated on the conductive layer, if the mask material is removed after laminating the semiconductor layer on the conductive layer, the surface of a portion of the conductive layer serving as a contact portion in each of the lower electrodes is removed. Since the semiconductor layer is exposed, there is no need to separately provide a patterning step for exposing the surface of a portion serving as a contact portion in the lower electrode after laminating the semiconductor layer on the conductive layer, thereby simplifying the manufacturing process. Can be achieved.
[0029]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, in the collective patterning step, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are dry-etched to form the drift portions. In addition, since the lower electrodes are formed in a pattern, the reproducibility of the shapes of the drift portions and the lower electrodes patterned in the collective patterning step can be improved.
[0030]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, in the first film forming step, tungsten is adopted as a material of the conductive layer laminated on the one surface of the insulating substrate, and the second Polycrystalline silicon is adopted as a material of the semiconductor layer to be laminated on the conductive layer in the film forming step, and unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are dry-etched in the collective patterning step. In this case, since a fluorine-based gas is used as an etching gas, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer can be continuously dry-etched without changing etching conditions, thereby improving throughput. Process management becomes easier.
[0031]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, in the collective patterning step, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are wet-etched to form the drift portions. Also, since the lower electrodes are formed in a pattern, a vacuum device such as a dry etching device is not required unlike the case where the unnecessary portion of the second composite nanocrystal layer and the unnecessary portion of the conductive layer are dry-etched. The cost of the device can be reduced, which is particularly advantageous when increasing the area of the insulating substrate.
[0032]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention of the fifth aspect, in the collective patterning step, an etching condition is set such that the lower electrode below the drift portion is side-etched, so that the surface formed in the electrode forming step is formed. Regardless of the electrode pattern, it is possible to prevent the short circuit between the surface electrode and the lower electrode.
[0033]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, the material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate in the first film forming step is easily oxidized and is oxidized. An insulating layer made of an oxide of the conductive material is formed by oxidizing an exposed surface of the lower electrode between the collective patterning step and the electrode forming step using a conductive material having an insulating property. Since the insulating layer is formed on the exposed surface of the lower electrode before the surface electrode is formed in the electrode forming step, the insulating layer can be formed on the exposed surface of the lower electrode. Irrespective of the pattern, it is possible to prevent a short circuit between the surface electrode and the lower electrode.
[0034]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 1 to claim 6, wherein the material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate in the first film forming step is easily oxidized and oxidized. Since the object uses a conductive material having an insulating property, and in the insulating film forming step, a rapid thermal oxidation method in an oxidizing gas atmosphere is employed, an insulating film is formed on the surface of each of the semiconductor microcrystals. In addition, since an insulating layer made of the oxide of the conductive material can be formed on the exposed surface of the lower electrode, it is not necessary to provide a separate process for forming the insulating layer on the exposed surface of the lower electrode. The number of steps can be reduced as compared with the invention of claim 7.
[0035]
According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, an insulating material that fills the periphery of each lower electrode and the periphery of each drift portion is provided between the collective patterning step and the electrode forming step. Since an insulating separation step of forming an insulating portion is provided, it is possible to prevent a short circuit between the surface electrode and the lower electrode regardless of the pattern of the surface electrode formed in the electrode forming step, and Unevenness of the exposed surface on the one surface side of the insulating substrate before the formation of the surface electrode can be reduced, and disconnection of the surface electrode can be prevented regardless of the pattern of the surface electrode.
[0036]
According to a tenth aspect of the invention, in the ninth aspect of the invention, in the insulation separating step, a photosensitive material having an insulating property is adopted as the insulating material, and the photosensitive material is applied to the one surface side of the insulating substrate. Then, since the insulating portion is formed by patterning by photolithography, the insulating portion can be formed more easily than when the insulating portion is formed using a lift-off method.
[0037]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the ninth aspect of the invention, in the insulating isolation step, nitride is adopted as the insulating material, and nitride particles are included around each of the lower electrodes and around each of the drift portions. Since the insulating portion is formed by embedding the paste by a printing method, the insulating portion can be formed more easily than when the insulating portion is formed using a lift-off method.
[0038]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the ninth to eleventh aspects of the present invention, after the electrode forming step, a plurality of pads electrically connected to the surface electrode are formed at positions overlapping the insulating portion. Since the step is provided, disconnection between the surface electrode and the pad can be prevented.
[0039]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the first to twelfth aspect of the present invention, in the nano-crystallization step, a cathode is arranged to face the semiconductor layer in the electrolytic solution so that the conductive layer serves as an anode, Since a current flows from the entire periphery of the conductive layer when a current flows between the cathode and the cathode, the conductive layer flows when a current flows between the anode and the cathode in the nanocrystallization step. The voltage drop due to the electric resistance of the first composite nanocrystal layer is reduced, and the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer is improved.
[0040]
According to a fourteenth aspect, in the first to thirteenth aspects, the insulating film forming step is an electrochemical oxidation step, and the first composite nanocrystal layer is formed in an oxidizing electrolyte. After a cathode is arranged oppositely, a constant current is passed between the anode and the cathode using the conductive layer as the anode, and after the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount, the voltage between the anode and the cathode is increased. Since the oxidation is terminated when the current decreases to a predetermined value while maintaining the voltage after the increase, a constant current is passed between the anode and the cathode, and the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount. The breakdown voltage of each of the electron source elements is improved as compared with the case where the oxidation is sometimes terminated.
[0041]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the invention of the ninth to twelfth aspects, the drift portion patterned by the collective patterning step corresponds to the electron source element between the collective patterning step and the insulating separation step. Since an etching step of etching the portion between the portions to be exposed until the lower electrode is exposed is provided, it is possible to more reliably insulate between adjacent electron source elements and improve the electron emission characteristics of each electron source element.
[0042]
According to a sixteenth aspect, in the first aspect, a large-area substrate on which a plurality of the field emission electron sources can be formed is used as the insulating substrate before the formation of the conductive layer. Since the method further includes a dividing step of dividing the insulating substrate into a size corresponding to the field emission electron source later, the manufacturing cost can be reduced.
[0043]
According to a seventeenth aspect, in the sixteenth aspect, an etching step of exposing a part of the lower electrode by etching a part of the second composite nanocrystal layer after the insulating film forming step Therefore, there is an advantage that it is not necessary to pattern the conductive layer when forming the conductive layer.
[0044]
In the invention according to claim 18, in the invention according to claim 16, in the nanocrystallization step, the first composite nanocrystal layer is formed only in a region of the semiconductor layer corresponding to each of the field emission electron sources. Therefore, the voltage drop in the conductive layer can be reduced, and the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer can be improved.
[0045]
According to a nineteenth aspect, in the sixteenth aspect, prior to the second film forming step, the conductive layer laminated on the large-area substrate in the first film forming step is formed by each of the electric field emission type. The semiconductor device further includes a separation step of electrically separating the regions corresponding to the electron sources, and in the nano crystallization step, a portion of the semiconductor layer overlapping each of the conductive layers separated in the separation step Since the first composite nanocrystal layer is individually formed, a voltage drop in the conductive layer can be reduced, and the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer can be improved.
[0046]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the nineteenth aspect, in the nano-crystallization step, a portion of the semiconductor layer that overlaps with each of the conductive layers separated in the separation step is the first composite nano-layer. Since the crystal layers are sequentially formed, power consumption in the nanocrystallization step can be reduced.
[0047]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 4, the field emission electron source 10 of the present embodiment includes an insulating substrate 11 made of an insulating glass substrate and a plurality of strips arranged on one surface of the insulating substrate 11. Lower electrode 12, a plurality of non-doped polycrystalline silicon layers 3 formed so as to overlap with the lower electrode 12, respectively, and a composite nanocrystalline layer formed so as to overlap with the polycrystalline silicon layer 3 (described later). A plurality of drift portions 6 composed of two composite nanocrystal layers), insulating layers 17 and 17 formed on both side surfaces of the lower electrode 12 in the width direction, and a plurality of rows arranged in a direction intersecting the lower electrode 12. And the surface electrode 7. Here, part of the surface electrode 7 faces the lower electrode 12 in the thickness direction of the insulating substrate 11. The lower electrode 12 has pads 27 formed on both ends in the longitudinal direction, and the surface electrode 7 has pads 28 formed on both ends in the longitudinal direction. Further, in the present embodiment, the cross-sectional shape of the surface electrode 7 is formed in a rectangular wave shape. However, on both sides of the lower electrode 12, an oxide having a material containing the lower electrode 12 as a constituent element and having an insulating property (for example, Al 2 O 3 , SiO 2 ), The surface electrode 7 and the lower electrode 12 are not short-circuited. The width of the lower electrode 12 in the width direction is slightly smaller than that of the drift portion 6, and the width of the insulating layers 17 on both sides in the width direction is substantially equal to the width of the drift portion 6.
[0048]
As a material of the lower electrode 12, a conductive material having low oxidation resistance and easily oxidized (for example, Al, highly-doped polycrystalline silicon, or the like) is used. Therefore, the above-described insulating layer 17 can be formed by oxidizing both side surfaces of the lower electrode 12. In this embodiment, the thickness of the lower electrode 12 is set to about 3000 °.
[0049]
On the other hand, if the surface of the surface electrode 7 undergoes alteration such as oxidation, the electron emission efficiency decreases. Therefore, the surface electrode 7 is made of a chemically stable precious metal material (eg, gold) having high oxidation resistance. However, the material of the surface electrode 7 is not limited to gold. The surface electrode 7 is not limited to a single-layer structure, but may have a multilayer structure. The thickness of the surface electrode 7 may be any thickness as long as electrons passing through the drift portion 6 can tunnel, and may be set to about 6 nm to 15 nm.
[0050]
The field emission type electron source 10 according to the present embodiment includes a plurality of lower electrodes 12 arranged on one surface of an insulating substrate 11 and a lower electrode 12 as in the conventional configuration shown in FIGS. Since a part of the drift portion 6 is sandwiched at a portion corresponding to an intersection with a plurality of surface electrodes 7 arranged in a direction intersecting with each other, a set of the surface electrode 7 and the lower electrode 12 is appropriately selected and selected. By applying a voltage between the pairs, a strong electric field acts on a portion corresponding to the intersection of the selected surface electrode 7 and the lower electrode 12 in the drift portion 6 to emit electrons. That is, the lower electrode 12, the polycrystalline silicon layer 3 on the lower electrode 12, and the polycrystalline silicon layer are formed at lattice points of a matrix (lattice) composed of a group of the plurality of surface electrodes 7 and a group of the plurality of lower electrodes 12. 3 corresponds to the arrangement of the electron source element 10a including the drift portion 6 on the drift portion 3 and the surface electrode 7 on the drift portion 6. By selecting a set of the surface electrode 7 and the lower electrode 12 to which a voltage is applied, Electrons can be emitted from the desired electron source element 10a. The surface electrode 7 may be formed only at a portion corresponding to the electron source element 10a, and a plurality of surface electrodes 7 arranged in a direction orthogonal to the lower electrode 12 may be electrically connected by a low-resistance bus electrode. Good.
[0051]
The drift portion 6 is formed by performing a nano crystallization process and an oxidation process described later, and as shown in FIG. 5, at least a grain of columnar polycrystalline silicon arranged on the surface side of the lower electrode 12. (Semiconductor crystal) 51, a thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the grains 51, a number of nanometer-order silicon microcrystals (semiconductor microcrystals) 63 interposed between the grains 51, and each silicon microcrystal 63. It is considered to be composed of a large number of silicon oxide films 64 which are formed on the surface and are insulating films having a thickness smaller than the crystal grain size of the silicon microcrystal 63. Each of the grains 51 extends in the thickness direction of the lower electrode 12.
[0052]
In the electron source element 10a of the field emission electron source 10 of the present embodiment, it is considered that electron emission occurs in the following model. That is, by applying the DC voltage Vps between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 with the surface electrode 7 being on the high potential side, electrons e are transferred from the lower electrode 12 to the drift portion 6. Is injected. On the other hand, most of the electric field applied to the drift portion 6 is applied to the silicon oxide film 64, so that the injected electrons e Is accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film 64, and drifts in the region between the grains 51 in the drift portion 6 toward the surface in the direction of the arrow in FIG. 5 (upward in FIG. 5). And is released into a vacuum. In the drift portion 6, electrons injected from the lower electrode 12 are accelerated and drifted by the electric field applied to the silicon oxide film 64 without being scattered by the silicon microcrystal 63, and are emitted through the surface electrode 7. Since the heat generated in the drift portion 6 is radiated through the grains 51, the popping phenomenon does not occur at the time of emitting electrons, and electrons can be stably emitted. The electrons that have reached the surface of the drift portion 6 are considered to be hot electrons and are easily tunneled through the surface electrode 7 and released into a vacuum.
[0053]
Hereinafter, a method for manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0054]
First, a first film-forming step of laminating (film-forming) a conductive layer 12a made of an aluminum film having a predetermined thickness (for example, 3000 °) on the one surface of the insulating substrate 11 by, for example, a sputtering method is performed. 1A is obtained. The conductive layer 12a is for the lower electrode 12, and is patterned into a plurality of lower electrodes 12 in a collective patterning step described later.
[0055]
Subsequently, a second film forming step of laminating (film forming) a semiconductor layer 3a made of a non-doped polycrystalline silicon layer having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) on the conductive layer 12a by a plasma CVD method. As a result, the structure shown in FIG. 1B is obtained. However, in the second film forming step, a state in which a mask material (not shown) made of glass, metal, or the like is arranged on the surface of the conductive layer 12a on the surface of the contact portion of each lower electrode 12 (mask) The semiconductor layer 3a is laminated on the conductive layer 12a in a state where the material is brought into close contact. Therefore, if the mask material is removed after laminating the semiconductor layer 3a on the conductive layer 12a, the surface of the conductive layer 12a that is to be a contact portion in each lower electrode 12 will be exposed. It is not necessary to separately provide a patterning step for exposing the surface of a portion to be a contact portion in the lower electrode 12 after laminating the conductive layer on the conductive layer 12a, and the manufacturing process can be simplified. As the mask material here, for example, if a rectangular frame that covers the entire periphery of the conductive layer 12a is used, the periphery of the conductive layer 12a can be exposed as shown in FIG. The semiconductor layer 3a is the basis of the drift portion 6, and has the same configuration as the drift portion 6 by performing a nanocrystallization process and an oxidation process described later. Further, the method for forming the semiconductor layer 3a in the second film forming step is not limited to the plasma CVD method, but may be an LPCVD method, a catalytic CVD method, or the like.
[0056]
After the above-described semiconductor layer 3a is formed, by performing the above-described nanocrystallization process (nanocrystallization step), a number of grains 51 (see FIG. 5) of polycrystalline silicon and a number of silicon microcrystals 63 (see FIG. 5) 5) are formed (hereinafter referred to as a first composite nanocrystal layer), and then the above-described oxidation process is performed to convert the first composite nanocrystal layer to an electrochemical process. By forming a composite nanocrystal layer (hereinafter, referred to as a second composite nanocrystal layer) 6a having a configuration as shown in FIG. 5 by oxidation, the structure shown in FIG. 1C is obtained. In FIG. 1C, a portion of the semiconductor layer 3a below the second composite nanocrystal layer 6a is defined as a semiconductor layer 3b.
[0057]
In the nano crystallization process, an electrolytic solution composed of a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol in a ratio of about 1: 1 is used, the conductive layer 12a is used as an anode, and platinum is applied to the semiconductor layer 3a in the electrolytic solution. A cathode composed of electrodes is disposed opposite to each other, and while a main surface of the semiconductor layer 3a is irradiated with light by a light source composed of a 500 W tungsten lamp, a constant current (for example, a current density of 12 mA / cm 2 Is passed for a predetermined time (for example, 10 seconds) to form a first composite nanocrystal layer including the polycrystalline silicon grains 51 and the silicon microcrystals 63. In the nano crystallization process, a processing tank is used in which the insulating substrate 11 can be set in such a manner that the periphery of the main surface of the semiconductor layer 3a and the exposed conductive layer 12a are sealed so as not to come into contact with the electrolytic solution. are doing. Here, in the present embodiment, the semiconductor layer 3a is stacked on the flat conductive layer 12a, and the surface of the semiconductor layer 3a is flat regardless of the thickness of the semiconductor layer 3a. Since the conventional crack (crack) does not occur, it is possible to prevent the problem that the electrolyte solution penetrates through the crack in the semiconductor layer 3a, and the conductive layer 12a for the lower electrode 12 and the insulating substrate can be prevented. 11 can be prevented from being corroded. When performing the nanocrystallization process of the present embodiment, as shown in FIG. 2 described above, the periphery of the conductive layer 12a is exposed, and the cathode faces the semiconductor layer 3a in the electrolytic solution. Since the conductive layer 12a is disposed as an anode and a current flows from the entire periphery of the conductive layer 12a when a current flows between the anode and the cathode, the current flows between the anode and the cathode in the nanocrystallization process. The voltage drop due to the electric resistance of the conductive layer 12a when a current is flowing through is reduced, and the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer is improved.
[0058]
In the oxidation process, for example, 1 mol / l of H 2 SO 4 Using an electrolytic solution composed of a solution, the conductive layer 12a is used as an anode, and a cathode composed of a platinum electrode is opposed to the first composite nanocrystal layer in the electrolytic solution. After the current of the formation current density continues to flow and the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount, the voltage between the anode and the cathode is maintained at the increased voltage and the formation current density decreases to a predetermined value. The first composite nanocrystal layer is electrochemically oxidized by stopping the current supply when the second composite nanocrystal layer including the grain 51, the silicon microcrystal 63, and the silicon oxide films 52 and 64 is formed. A crystal layer 6a is formed. In this oxidation process, the formation current density changes as time elapses from the start of energization as shown by the solid line "a" in FIG. 3, and the voltage between the anode and the cathode changes by one point in FIG. It changes like "b" shown by the chain line. In this embodiment, the constant formation current density is set to 2.5 mA / cm. 2 After the voltage between the anode and the cathode is increased by a specified amount to 20 V, the voltage between the anode and the cathode is maintained at 20 V and the formation current density is 0.01 A / cm. 2 The power supply was stopped at the time of the rise. The electrolyte used in the above oxidation process is 1 mol / l H 2 SO 4 It is not limited to a solution, and various acids (for example, H 2 SO 4 , HNO 3 , Aqua regia, etc.) or a solution in which an electrolyte (eg, potassium nitrate, etc.) is dissolved in an organic solvent (eg, ethylene glycol, etc.). In the present embodiment, the silicon oxide film 64 forms an insulating film, and the oxidation process is an insulating film forming step. In the present embodiment, regions other than the grains 51 and the silicon microcrystals 63 in the first composite nanocrystal layer formed by performing the above-described nanocrystallization process are amorphous regions made of amorphous silicon, In the second composite nanocrystal layer, regions other than the grains 51, the silicon microcrystals 63, and the silicon oxide films 52 and 64 are amorphous regions 65 made of amorphous silicon or partially oxidized amorphous silicon. Depending on the conditions of the conversion process, the amorphous region 65 becomes a hole, and in such a case, the first composite nanocrystalline layer can be regarded as having the same configuration as the porous polycrystalline silicon layer described in the conventional example.
[0059]
After the above-described oxidation process is completed, a plurality of drift portions 6 each composed of a part of the second composite nanocrystal layer and a polycrystal composed of a part of the semiconductor layer 3b are formed on the second composite nanocrystal layer 6a. After performing a mask layer forming step of forming an etching mask layer (not shown) for patterning the silicon layer 3 and the plurality of lower electrodes 12 each formed of a part of the conductive layer 12a, the etching mask layer is masked. By performing a batch patterning step of continuously patterning the second composite nanocrystal layer 6a, the semiconductor layer 3b, and the conductive layer 12a, the drift portion 6, the polycrystalline silicon layer 3, and the lower electrode 12 are patterned. The structure shown in FIG. 1D is obtained by removing the etching mask layer. Here, as a material of the etching mask layer, for example, a photoresist may be used. When a photoresist is used as a material of the etching mask layer, the entire surface on the one surface side of the insulating substrate 11 by spin coating is used. A resist layer is formed on the substrate, and an unnecessary portion of the resist layer is removed by a lithography technique, whereby an etching mask layer including a patterned resist layer can be formed. In the collective patterning step of the present embodiment, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer 6a and the conductive layer 12a are removed by wet etching. However, the width of the lower electrode 12 below the drift portion 6 is reduced. The etching conditions are set so as to be slightly smaller than the width of the portion 6 (that is, the lower electrode 12 is side-etched). If the material of the semiconductor layer 3a which is the basis of the second composite nanocrystal layer 6a is polycrystalline silicon and the material of the conductive layer 12a is aluminum, the second layer is formed by using a mixed acid of hydrofluoric acid and nitric acid. Unnecessary portions of the composite nanocrystal layer 6a, unnecessary portions of the semiconductor layer 3b, and unnecessary portions of the conductive layer 12a are continuously wet-etched, and the drift portions 6 each formed of a part of the second composite nanocrystal layer 6a, respectively. The polycrystalline silicon layer 3 composed of a part of the semiconductor layer 3b and the lower electrode 12 composed of a part of the conductive layer 12a can be pattern-formed.
[0060]
Thereafter, an oxidizing gas (for example, O 2 Gas, N 2 The insulating substrate 11 is heated to a predetermined substrate temperature (for example, 600 ° C.) in an atmosphere (eg, O gas) to oxidize the exposed surface of each lower electrode 12a, thereby reducing the constituent material (conductive material) of the lower electrode 12. Oxides (eg, Al 2 O 3 1) is obtained by performing an insulating layer forming step of forming insulating layers 17 of the lower electrode 12 on both side surfaces in the width direction. In this insulating layer forming step, the above-described drift portion 6 is annealed in an oxidizing gas atmosphere at the same time that the insulating layer 17 is formed on the exposed surface of the lower electrode 12. The film quality of each of the silicon oxide films 52 and 64 of No. 6 is improved. Further, in the above-described insulating film forming step, an electrochemical oxidation method is employed. However, if the rapid thermal oxidation method (RTO method) in an oxygen gas atmosphere is employed in the insulating film forming step, each method may be used. When forming the silicon oxide film 64 on the surface of each of the silicon microcrystals 63, the insulating layer 17 made of an oxide of the constituent material (conductive material) of the lower electrode 12 can be formed on the exposed surface of the lower electrode 12. Therefore, there is no need to separately provide the insulating layer forming step for forming the insulating layer 17 on the exposed surface of the lower electrode 12, and the number of steps can be reduced.
[0061]
After the insulating layer 17 is formed, an electrode forming step of forming the surface electrodes 7 made of a gold thin film by, for example, a vapor deposition method is performed. Subsequently, pads 28 are formed on both ends of each surface electrode 7 and each lower electrode is formed. By performing a pad forming step of forming pads 27 on both ends of the field emitter 12, the field emission electron source 10 having the structure shown in FIG. 1 (f) is obtained.
[0062]
The field emission type electron source 10 of the present embodiment manufactured by the manufacturing method described above can prevent the problem that the electrolytic solution penetrates through the cracks formed in the semiconductor layer 3a in the nanocrystallization step. In addition, the yield during manufacturing can be improved, and long-term reliability can be improved. In addition, it is possible to prevent the conductive layer 12a for the lower electrode 12 and the insulating substrate 11 from being corroded by the electrolytic solution in the nano crystallization step, and the lower electrode 12 is peeled off from the insulating substrate 11. Also, it is possible to prevent the polycrystalline silicon layer 3 on the lower electrode 12 from peeling off from the lower electrode 12.
[0063]
Further, in the first film forming step, a conductive layer 12a to be laminated on the one surface of the insulating substrate 11 is made of a conductive material which is easily oxidized and the oxide has an insulating property. An insulating layer forming step of forming an insulating layer 17 made of a conductive material oxide by oxidizing the exposed surface of the lower electrode 12 is provided between the forming step and the surface electrode 7 in the electrode forming step. Since the insulating layer 17 can be formed beforehand on the exposed surface of the lower electrode 12, short circuit between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 is prevented regardless of the pattern of the surface electrode 7 formed in the electrode forming step. be able to.
[0064]
In this embodiment, the drift portion 6 is formed by performing a nano-crystallization process on the semiconductor layer 3a made of a non-doped polycrystalline silicon layer and then performing an oxidation process. Alternatively, another semiconductor layer may be employed instead of the non-doped polycrystalline silicon layer. As the insulating film forming step, a nitriding process or an oxynitriding process may be adopted instead of the oxidizing process. When the nitriding process is adopted, each of the silicon oxide films 52 and 64 described in FIG. Also becomes a silicon nitride film, and when the oxynitriding process is adopted, each of the silicon oxide films 52 and 64 becomes a silicon oxynitride film. That is, when the oxidation process is adopted, the silicon oxide film 64 constitutes an insulating film formed on the surface of the silicon microcrystal 63 which is a semiconductor microcrystal, but when the nitridation process is adopted, the silicon oxide film 64 is formed. When the oxynitriding process is adopted, the silicon oxynitride film formed instead of the silicon oxide film 64 forms the insulating film.
[0065]
(Embodiment 2)
By the way, in the field emission electron source 10 of the first embodiment, since the cross-sectional shape of the surface electrode 7 is formed in a rectangular wave shape, the surface electrode 7 may be disconnected. Therefore, the surface electrode 7 is formed only at a portion corresponding to the electron source element 10a, and the surface electrodes 7 arranged in a direction intersecting the lower electrode 12 are shared by bus electrodes that can have a larger film thickness than the surface electrode 7. Although connection may be considered, the thickness of the bus electrode on both side surfaces of each drift portion 6a, both side surfaces of each polycrystalline silicon layer 3 and the side surface of each insulating layer 17 becomes thinner than other portions, resulting in disconnection. There is a risk that it will.
[0066]
On the other hand, the basic configuration of the field emission electron source 10 of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and instead of forming the insulating layers 17 on both sides of the lower electrode 12, FIG. As shown, the width of the lower electrode 12 is made equal to the width of the drift portion 6 and the width of the polycrystalline silicon layer 3, and the periphery of the drift portion 6 (between adjacent drift portions 6 a and the like) and the periphery of the polycrystalline silicon layer 3 (adjacent polycrystalline silicon layer 3). An insulating portion 18 made of an insulating material (for example, a photosensitive material having an insulating property, a nitride having an insulating property, or the like) filling the periphery of the lower electrode 12 (e.g., between adjacent lower electrodes 12) and the periphery of the lower electrode 12. The surface electrode 7 crosses the lower electrode 12 over the drift portion 6 and the insulating portion 18 on the electron passing portion 5 including the drift portion 6, the polycrystalline silicon layer 3, and the insulating portion 18. Lined up in the direction And that point is different. Here, the thickness of the insulating portion 18 is set so that the surface of the insulating portion 18 is flush with the surface of the drift portion 6. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0067]
In the present embodiment, the insulating layer forming step of forming the insulating layer 17 by oxidizing the exposed surface of the lower electrode 12 as in the first embodiment is not required. A conductive material such as a metal or alloy such as Ti, Mo, Cr, Ta, Ni, Al, Cu, Au, and Pt, an intermetallic compound such as silicide, and highly doped polycrystalline silicon may be used. The lower electrode 12 may have a single-layer structure or a multilayer structure. In the present embodiment, as an example, a case where the material of the lower electrode 12 is W and the thickness of the lower electrode 12 is set to about 3000 ° will be described.
[0068]
Hereinafter, a method for manufacturing a field emission electron source according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0069]
First, a first film forming step of laminating (forming) a conductive layer 12a made of a tungsten film having a predetermined thickness (for example, 3000 °) on the one surface of the insulating substrate 11 by, for example, a sputtering method is performed. 6A is obtained. The conductive layer 12a is for the lower electrode 12, and is patterned into a plurality of lower electrodes 12 in a collective patterning step described later.
[0070]
Subsequently, a second film forming step of laminating (film forming) a semiconductor layer 3a made of a non-doped polycrystalline silicon layer having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) on the conductive layer 12a by a plasma CVD method. As a result, the structure shown in FIG. 6B is obtained. However, in the second film forming step, a state in which a mask material (not shown) made of glass, metal, or the like is arranged on the surface of the conductive layer 12a on the surface of the contact portion of each lower electrode 12 (mask) The semiconductor layer 3a is laminated on the conductive layer 12a in a state where the material is brought into close contact. Therefore, if the mask material is removed after laminating the semiconductor layer 3a on the conductive layer 12a, the surface of the conductive layer 12a that is to be a contact portion in each lower electrode 12 will be exposed. It is not necessary to separately provide a patterning step for exposing the surface of a portion to be a contact portion in the lower electrode 12 after laminating the conductive layer on the conductive layer 12a, and the manufacturing process can be simplified. As the mask material here, for example, if a rectangular frame that covers the entire periphery of the conductive layer 12a is used, the periphery of the conductive layer 12a can be exposed as shown in FIG. it can. The semiconductor layer 3a is the basis of the drift portion 6, and has the same configuration as the drift portion 6 by performing the nanocrystallization process and the oxidation process described in the first embodiment. Further, the method for forming the semiconductor layer 3a in the second film forming step is not limited to the plasma CVD method, but may be an LPCVD method, a catalytic CVD method, or the like.
[0071]
After the above-described semiconductor layer 3a is formed, by performing the nano-crystallization process (nano-crystallization step) described in the first embodiment, many grains 51 (see FIG. 5) of polycrystalline silicon and many silicon A composite nanocrystal layer (hereinafter, referred to as a first composite nanocrystal layer) in which microcrystals 63 (see FIG. 5) are mixed is formed, and then the oxidation process described in the first embodiment is performed. By electrochemically oxidizing the composite nanocrystal layer of No. 1 to form a composite nanocrystal layer (hereinafter, referred to as a second composite nanocrystal layer) 6a having the configuration shown in FIG. 5, FIG. The structure shown in c) is obtained. In FIG. 6C, a portion of the semiconductor layer 3a below the second composite nanocrystal layer 6a is a semiconductor layer 3b. In this embodiment, as in the first embodiment, the semiconductor layer 3a is stacked on the flat conductive layer 12a, and the surface of the semiconductor layer 3a becomes flat regardless of the thickness of the semiconductor layer 3a. Since the semiconductor layer 3a does not have a crack (crack) unlike the related art, it is possible to prevent the problem of electrolyte infiltration through the cracks in the semiconductor layer 3a and to prevent the lower electrode 12 from being electrically conductive. Corrosion of the layer 12a and the insulating substrate 11 can be prevented.
[0072]
After the above-described oxidation process is completed, a plurality of drift portions 6 each composed of a part of the second composite nanocrystal layer and a polycrystal composed of a part of the semiconductor layer 3b are formed on the second composite nanocrystal layer 6a. After performing a mask layer forming step of forming an etching mask layer (not shown) for patterning the silicon layer 3 and the plurality of lower electrodes 12 each formed of a part of the conductive layer 12a, the etching mask layer is masked. By performing a batch patterning step of continuously patterning the second composite nanocrystal layer 6a, the semiconductor layer 3b, and the conductive layer 12a, the drift portion 6, the polycrystalline silicon layer 3, and the lower electrode 12 are patterned. The structure shown in FIG. 6D is obtained by removing the etching mask layer. Here, as a material of the etching mask layer, for example, a photoresist may be used. When a photoresist is used as a material of the etching mask layer, the entire surface on the one surface side of the insulating substrate 11 by spin coating is used. A resist layer is formed on the substrate, and an unnecessary portion of the resist layer is removed by a lithography technique, whereby an etching mask layer including a patterned resist layer can be formed. In the collective patterning step in the present embodiment, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer 6a, the semiconductor layers 3a and 3b, and the conductive layer 12a are removed by highly anisotropic dry etching such as reactive ion etching. The width of the lower electrode 12 below the drift portion 6 is substantially the same as the width of the drift portion 6 and the width of the polycrystalline silicon layer 3. Here, if the material of the semiconductor layer 3a which is the basis of the second composite nanocrystal layer is polycrystalline silicon and the material of the conductive layer 12a is tungsten, a fluorine-based gas (for example, SF) 6 Gas, etc.), unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer 6a and the conductive layer 12a can be continuously dry-etched without changing the etching conditions, thereby improving the throughput and controlling the process. Becomes easier. As described above, if the material of the semiconductor layer 3a which is the basis of the second composite nanocrystal layer 6a is polycrystalline silicon and the material of the conductive layer 12a is tungsten, a mixed acid of hydrofluoric acid and nitric acid is used. Unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer 6a and unnecessary portions of the semiconductor layer 3b can be wet-etched to pattern-form the drift portions 6 each of which is a part of the second composite nanocrystal layer. Unnecessary portions of the conductive layer 12a may be wet-etched using the hydrogen peroxide solution with the portion 6 as a mask to pattern-form the lower electrodes 12 each formed of a part of the conductive layer 12a.
[0073]
Thereafter, an insulating material (for example, a photosensitive material having an insulating property, a nitride having an insulating property, or the like) filling the periphery of each lower electrode 12, the periphery of each polycrystalline silicon layer 3, and the periphery of each drift portion 6 is used. The structure shown in FIG. 6E is obtained by performing an insulation separation step of forming the portion 18. By providing such an insulating separation step, it is possible to prevent a short circuit between the surface electrode 7 and the lower electrode 12 irrespective of the pattern of the surface electrode 7 formed in the electrode forming step described later, Unevenness of the exposed surface on the one surface side of the insulating substrate 11 before the formation of the surface electrode 7 can be reduced, and disconnection of the surface electrode 7 can be prevented regardless of the pattern of the surface electrode 7. Incidentally, as a method of forming the insulating portion 18, a resist layer is formed from a photoresist for lift-off on the drift portion 6, and then an insulating layer is formed on the entire surface on the one surface side of the insulating substrate 11 by a vapor deposition method or the like. It is conceivable that the resist layer and the insulator layer on the resist layer are removed by a lift-off method to pattern the insulating portions 18 each of which is a part of the insulator layer. However, when such a lift-off method is employed, there is a problem that the processing becomes difficult when the insulating substrate 11 is enlarged, and a problem that the manufacturing process becomes complicated. On the other hand, in the insulation separation step of the present embodiment, when a photosensitive material having an insulating property is adopted as the insulating material, for example, the photosensitive material is applied to the one surface side of the insulating substrate 11. After that, patterning is performed by photolithography, and then heat treatment is performed to form the insulating portion 18, so that the insulating portion 18 can be formed more easily than when the insulating portion 18 is formed using a lift-off method. . Further, in the insulation separation step in this embodiment, when, for example, a nitride having an insulating property is adopted as the insulating material, the periphery of each lower electrode 12, the periphery of each polycrystalline silicon layer 3, and the Since the insulating portion 18 is formed by embedding a paste containing particles of nitride in the periphery by a printing method and then performing a heat treatment, the insulating portion 18 is formed as compared with the case where the insulating portion 18 is formed using a lift-off method. It can be easily formed.
[0074]
After the insulating portion 18 is formed, an electrode forming step of forming a surface electrode 7 made of a gold thin film by, for example, a vapor deposition method is performed. Subsequently, pads 28 are formed on both end portions of each surface electrode 7 and each lower electrode is formed. By performing a pad forming step of forming pads 27 on both ends of the electrode 12, the field emission electron source 10 having the structure shown in FIG. 6F is obtained. In the pad forming step, since the pad 28 electrically connected to the surface electrode 7 is formed at a position overlapping the insulating portion 18, disconnection between the surface electrode 7 and the pad 28 is prevented. be able to.
[0075]
The field emission type electron source 10 of the present embodiment manufactured by the manufacturing method described above can prevent the problem that the electrolytic solution penetrates through the cracks formed in the semiconductor layer 3a in the nanocrystallization step. In addition, the yield during manufacturing can be improved, and long-term reliability can be improved. In addition, it is possible to prevent the conductive layer 12a for the lower electrode 12 and the insulating substrate 11 from being corroded by the electrolytic solution in the nano crystallization step, and the lower electrode 12 is peeled off from the insulating substrate 11. Also, it is possible to prevent the polycrystalline silicon layer 3 on the lower electrode 12 from peeling off from the lower electrode 12.
[0076]
In the batch patterning step, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer 6a, the semiconductor layer 3b, and the conductive layer 12a are dry-etched, so that each drift portion 6, each polysilicon layer 3, and each lower electrode 12 are etched. Since the pattern is formed, the reproducibility of the shape of each drift portion 6, each polycrystalline silicon layer 3, and each lower electrode 12 patterned in the collective patterning step can be improved.
[0077]
In the above-described embodiment, the surface electrode 7 is formed in a direction intersecting the lower electrode 12, but the surface electrode 7 is formed only in a portion corresponding to the electron source element 10a, and is formed in a direction intersecting the lower electrode 12. Needless to say, the surface electrodes 7 arranged in a row may be commonly connected by a bus electrode whose film thickness can be made larger than that of the surface electrodes 7.
[0078]
(Embodiment 3)
In the field emission electron source 10 according to the second embodiment, a part of the drift portion 6 is formed between the electron source elements 10 a adjacent to each other in the longitudinal direction of the lower electrode 12. There is a possibility that electrical insulation between the adjacent electron source elements 10a becomes insufficient and crosstalk occurs. On the other hand, the field emission type electron source 10 of the present embodiment is different in that the periphery of each electron source element 10a is surrounded by an insulating portion 18 as shown in FIG. That is, the present embodiment is different from the second embodiment in that the insulating part 18 is also formed between the electron source elements 10 a adjacent to each other in the longitudinal direction of the lower electrode 12.
[0079]
The manufacturing method of the field emission electron source 10 of the present embodiment is substantially the same as the manufacturing method described in the second embodiment, and is patterned by the collective patterning step between the collective patterning step and the insulating separation step. The only difference is that an etching step of etching a portion of the drift portion 6 between the portions corresponding to the electron source elements 10a until the lower electrode 12 is exposed is provided.
[0080]
Thus, in the field emission type electron source 10 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, the adjacent electron source elements 10a can be more reliably insulated from each other, and the electron emission characteristics of each electron source element 10a can be improved. Can be improved.
[0081]
(Embodiment 4)
The configuration of the field emission electron source 10 of the present embodiment is the same as that of the second embodiment, except for the manufacturing method.
[0082]
In the manufacturing method of this embodiment, a large-area substrate on which a plurality of field emission electron sources 10 can be formed as shown in FIG. 9 is used as the insulating substrate 11 before the formation of the conductive layer 12a. This is also characterized in that a dividing step for dividing the insulating substrate 11 into a size corresponding to the field emission electron source 10 later is provided.
[0083]
Thus, according to the manufacturing method of the present embodiment, the manufacturing cost can be reduced. Further, the manufacturing method of the present embodiment includes an etching step of exposing a part of the lower electrode 12 by etching a part of the second composite nanocrystal layer 6 after the insulating film forming step. There is an advantage that it is not necessary to pattern the conductive layer 12a when forming the conductive layer 12a.
[0084]
By the way, in the manufacturing method of the present embodiment, before the second film forming step, the conductive layer 12a laminated on the large-area substrate (insulating substrate 11) by the first film forming step is shown in FIG. As described above, a separation step is provided in which each of the regions corresponding to each field emission type electron source 10 (in the illustrated example, four regions) is electrically separated. Since the first composite nanocrystal layer is individually formed on the portion overlapping with each of the separated conductive layers 12a, the voltage drop in the conductive layer 12a can be reduced, and the first composite nanocrystal can be reduced. The in-plane uniformity of the layer can be improved. That is, in the nanocrystallization step of the present embodiment, the first composite nanocrystal layer is formed only in a region of the semiconductor layer 3a corresponding to each of the field emission electron sources 10, so that the conductive layer 12a Voltage drop can be reduced, the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer can be improved, and as a result, the in-plane uniformity of the second composite nanocrystal layer 6a can be improved. Can be.
[0085]
In the nano-crystallization step of the present embodiment, as shown in FIG. 11, a rectangular frame-shaped seal wall 41 is adhered to the front surface side of each conductive layer 12a separated in the separation step, so that 55 wt% Of the mixed solution obtained by mixing approximately 1: 1 of an aqueous hydrogen fluoride solution and ethanol, and using the conductive layer 12a as an anode, a cathode 42 formed of a platinum electrode is formed on the semiconductor layer 3a in the electrolyte B. A constant current is supplied between the anode (conductive layer 12a) and the cathode 42 from the power supply 43 while irradiating the main surface of the semiconductor layer 3a with a light source composed of a 500 W tungsten lamp (not shown) arranged oppositely. Is flowed for a predetermined time to form the first composite nanocrystal layer. However, in the nano-crystallization step of the present embodiment, the first composite nano-crystal layer is sequentially formed on a portion of the semiconductor layer 3a that overlaps each of the conductive layers 12a separated in the separation step. Power consumption in the crystallization step can be reduced.
[0086]
Note that, as in the present embodiment, a large-area substrate on which a plurality of field emission electron sources 10 can be formed is used as the insulating substrate 11 before the formation of the conductive layer 12a, and the insulating substrate is formed after the electrode forming step. The technical idea of providing a dividing step for dividing the electron beam 11 into a size corresponding to the field emission electron source 10 can be applied to other embodiments.
[0087]
【The invention's effect】
According to the invention of claim 1, a large number of electron source elements are arranged in a matrix on one surface side of an insulating substrate, and each electron source element has a lower electrode on the one surface of the insulating substrate, From the surface electrode opposed to the lower electrode in the thickness direction, the number of semiconductor microcrystals interposed between the lower electrode and the surface electrode, and a number of nanometer-order semiconductor microcrystals, and the crystal grain size of the semiconductor microcrystals formed on the surface of each semiconductor microcrystal. A method of manufacturing a field emission type electron source comprising a drift portion having a large number of insulating films having a small thickness, wherein a conductive layer for a lower electrode is laminated on the one surface of the insulating substrate. A second film-forming step of laminating a semiconductor layer serving as a basis for a drift portion on a conductive layer, and nano-crystallizing the semiconductor layer using an electrolytic solution to produce a large number of nanometer-order semiconductors. First composite having microcrystals A nano-crystallization step of forming a semiconductor crystal layer, and forming an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor micro crystal on the surface of each semiconductor micro crystal, thereby forming a large number of semiconductor micro crystals and a large number of insulating layers. An insulating film forming step of forming a second composite nanocrystal layer having a film, and an unnecessary portion of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are continuously etched to form the second composite nanocrystal layer. Since the method includes a batch patterning step of patterning a drift part composed of a part and a lower electrode composed of a part of each conductive layer, and an electrode forming step of forming a surface electrode on the drift part, a lower part is formed in the nanocrystallization step. It is possible to prevent the conductive layer for the electrode and the insulating substrate from being corroded by the electrolytic solution, so that the lower electrode is peeled off from the insulating substrate or the layer on the lower electrode is a lower electrode. Peeling the can be prevented, there is an effect that can be improved long-term reliability is possible to improve the yield in manufacturing.
[0088]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the second film forming step, a mask material is disposed on a surface of a portion of the conductive layer that becomes a contact portion in each of the lower electrodes. Since the semiconductor layer is laminated on the conductive layer, if the mask material is removed after laminating the semiconductor layer on the conductive layer, the surface of a portion of the conductive layer serving as a contact portion in each of the lower electrodes is removed. Since the semiconductor layer is exposed, there is no need to separately provide a patterning step for exposing the surface of a portion serving as a contact portion in the lower electrode after laminating the semiconductor layer on the conductive layer, thereby simplifying the manufacturing process. There is an effect that can be achieved.
[0089]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, in the collective patterning step, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are dry-etched to form the drift portions. In addition, since the lower electrodes are patterned, the reproducibility of the shapes of the drift portions and the lower electrodes patterned in the collective patterning step can be improved.
[0090]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, in the first film forming step, tungsten is adopted as a material of the conductive layer laminated on the one surface of the insulating substrate, and the second Polycrystalline silicon is adopted as a material of the semiconductor layer to be laminated on the conductive layer in the film forming step, and unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are dry-etched in the collective patterning step. In this case, since a fluorine-based gas is used as an etching gas, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer can be continuously dry-etched without changing etching conditions, thereby improving throughput. And the process management becomes easy.
[0091]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, in the collective patterning step, unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer are wet-etched to form the drift portions. Also, since the lower electrodes are formed in a pattern, a vacuum device such as a dry etching device is not required unlike the case where the unnecessary portion of the second composite nanocrystal layer and the unnecessary portion of the conductive layer are dry-etched. The cost of the device can be reduced, and this is advantageous particularly when the area of the insulating substrate is increased.
[0092]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention of the fifth aspect, in the collective patterning step, an etching condition is set such that the lower electrode below the drift portion is side-etched, so that the surface formed in the electrode forming step is formed. There is an effect that a short circuit between the surface electrode and the lower electrode can be prevented regardless of the electrode pattern.
[0093]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, the material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate in the first film forming step is easily oxidized and is oxidized. An insulating layer made of an oxide of the conductive material is formed by oxidizing an exposed surface of the lower electrode between the collective patterning step and the electrode forming step using a conductive material having an insulating property. Since the insulating layer is formed on the exposed surface of the lower electrode before the surface electrode is formed in the electrode forming step, the insulating layer can be formed on the exposed surface of the lower electrode. Irrespective of the pattern, there is an effect that a short circuit between the surface electrode and the lower electrode can be prevented.
[0094]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 1 to claim 6, wherein the material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate in the first film forming step is easily oxidized and oxidized. Since the object uses a conductive material having an insulating property, and in the insulating film forming step, a rapid thermal oxidation method in an oxidizing gas atmosphere is employed, an insulating film is formed on the surface of each of the semiconductor microcrystals. In addition, since an insulating layer made of the oxide of the conductive material can be formed on the exposed surface of the lower electrode, it is not necessary to provide a separate process for forming the insulating layer on the exposed surface of the lower electrode. Thus, there is an effect that the number of steps can be reduced as compared with the invention of claim 7.
[0095]
According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, an insulating material that fills the periphery of each lower electrode and the periphery of each drift portion is provided between the collective patterning step and the electrode forming step. Since an insulating separation step of forming an insulating portion is provided, it is possible to prevent a short circuit between the surface electrode and the lower electrode regardless of the pattern of the surface electrode formed in the electrode forming step, and Unevenness of the exposed surface on the one surface side of the insulating substrate before the formation of the surface electrode can be reduced, and disconnection of the surface electrode can be prevented regardless of the pattern of the surface electrode. .
[0096]
According to a tenth aspect of the invention, in the ninth aspect of the invention, in the insulation separating step, a photosensitive material having an insulating property is adopted as the insulating material, and the photosensitive material is applied to the one surface side of the insulating substrate. Thereafter, patterning is performed by photolithography to form an insulating portion. Therefore, there is an effect that the insulating portion can be easily formed as compared with a case where the insulating portion is formed using a lift-off method.
[0097]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the ninth aspect of the invention, in the insulating isolation step, nitride is adopted as the insulating material, and nitride particles are included around each of the lower electrodes and around each of the drift portions. Since the insulating portion is formed by embedding the paste by the printing method, there is an effect that the insulating portion can be easily formed as compared with the case where the insulating portion is formed by using the lift-off method.
[0098]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the ninth to eleventh aspects of the present invention, after the electrode forming step, a plurality of pads electrically connected to the surface electrode are formed at positions overlapping the insulating portion. Since the process is provided, there is an effect that disconnection between the surface electrode and the pad can be prevented.
[0099]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the first to twelfth aspect of the present invention, in the nano-crystallization step, a cathode is arranged to face the semiconductor layer in the electrolytic solution so that the conductive layer serves as an anode, Since a current flows from the entire periphery of the conductive layer when a current flows between the cathode and the cathode, the conductive layer flows when a current flows between the anode and the cathode in the nanocrystallization step. This has the effect of reducing the voltage drop due to the electric resistance of the first composite nanocrystal layer and improving the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer.
[0100]
According to a fourteenth aspect, in the first to thirteenth aspects, the insulating film forming step is an electrochemical oxidation step, and the first composite nanocrystal layer is formed in an oxidizing electrolyte. After a cathode is arranged oppositely, a constant current is passed between the anode and the cathode using the conductive layer as the anode, and after the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount, the voltage between the anode and the cathode is increased. Since the oxidation is terminated when the current decreases to a predetermined value while maintaining the voltage after the increase, a constant current is passed between the anode and the cathode, and the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount. As compared with the case where the oxidation is sometimes terminated, there is an effect that the withstand voltage of each of the electron source elements is improved.
[0101]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the invention of the ninth to twelfth aspects, the drift portion patterned by the collective patterning step corresponds to the electron source element between the collective patterning step and the insulating separation step. Since an etching step for etching the portion between the portions to be exposed is performed until the lower electrode is exposed, it is possible to more reliably insulate between adjacent electron source elements and improve the electron emission characteristics of each electron source element. effective.
[0102]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the first aspect, a large-area substrate on which a plurality of the field emission electron sources can be formed is used as the insulating substrate before the formation of the conductive layer. Since the method further includes a dividing step of dividing the insulating substrate into a size corresponding to the field emission electron source later, there is an effect that the manufacturing cost can be reduced.
[0103]
According to a seventeenth aspect, in the sixteenth aspect, an etching step of exposing a part of the lower electrode by etching a part of the second composite nanocrystal layer after the insulating film forming step Therefore, there is an advantage that it is not necessary to pattern the conductive layer when forming the conductive layer.
[0104]
In the invention according to claim 18, in the invention according to claim 16, in the nanocrystallization step, the first composite nanocrystal layer is formed only in a region of the semiconductor layer corresponding to each of the field emission electron sources. Therefore, it is possible to reduce a voltage drop in the conductive layer and to improve an in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer.
[0105]
According to a nineteenth aspect, in the sixteenth aspect, prior to the second film forming step, the conductive layer laminated on the large-area substrate by the first film forming step is formed by the electric field emission type. The semiconductor device further includes a separation step of electrically separating the regions corresponding to the electron sources, and in the nano crystallization step, a portion of the semiconductor layer overlapping each of the conductive layers separated in the separation step Since the first composite nanocrystal layer is individually formed, a voltage drop in the conductive layer can be reduced, and the in-plane uniformity of the first composite nanocrystal layer can be improved. effective.
[0106]
In a twentieth aspect of the present invention, in the nineteenth aspect of the present invention, in the nano crystallization step, the first composite nano layer is formed on a portion of the semiconductor layer overlapping each of the conductive layers separated in the separation step. Since the crystal layers are sequentially formed, there is an effect that power consumption in the nano crystallization step can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main process sectional view for explaining a method of manufacturing a field emission electron source according to a first embodiment.
FIG. 2 is a main process plan view for explaining a method of manufacturing the field emission electron source in the above.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the field emission electron source in the above.
FIGS. 4A and 4B show the field emission electron source in the above embodiment, wherein FIG. 4A is a schematic plan view and FIG.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a main part of the field emission electron source in the above.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main process for describing a method for manufacturing a field emission electron source according to the second embodiment.
7A and 7B show the field emission type electron source in the above embodiment, wherein FIG. 7A is a schematic plan view, and FIG.
FIG. 8 is a schematic plan view showing a field emission electron source according to a third embodiment.
FIG. 9 is a main process plan view for describing the method for manufacturing the field emission electron source according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a main process plan view for describing the method for manufacturing the field emission electron source in the above.
FIG. 11 is an explanatory diagram of the method for manufacturing the field emission electron source in Embodiment 1;
FIG. 12 is an operation explanatory view of a field emission type electron source showing a conventional example.
FIG. 13 is an operation explanatory view of a field emission type electron source showing another conventional example.
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a display to which the above is applied.
FIG. 15 is a schematic perspective view of a field emission electron source in a display to which the above is applied.
16A and 16B show a field emission type electron source in a display to which the above is applied, FIG. 16A is a schematic plan view, FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. FIG. 14 is a sectional view taken along the line B-B ′.
FIG. 17 is a main process sectional view for describing the method of manufacturing the field emission electron source in the display to which the above is applied.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing main processes for describing a method of manufacturing the field emission electron source in the display to which the above is applied.
[Explanation of symbols]
3 Polycrystalline silicon layer
3a Semiconductor layer
3b Semiconductor layer
6 Drift section
6a Second composite nanocrystal layer
7 Surface electrode
10. Field emission electron source
10a electron source element
11 Insulating substrate
12 lower electrode
12a conductive layer
17 Insulating layer
27 pads
28 pads
51 Grain
52 silicon oxide film
63 Silicon microcrystal
64 silicon oxide film

Claims (20)

絶縁性基板の一表面側に多数の電子源素子がマトリクス状に配置され、各電子源素子が、絶縁性基板の前記一表面上の下部電極と、絶縁性基板の厚み方向において下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極の間に介在し多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成された半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有するドリフト部とを備えた電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板の前記一表面に下部電極用の導電性層を積層する第1の成膜工程と、導電性層上にドリフト部の基礎となる半導体層を積層する第2の成膜工程と、電解液を用いて半導体層をナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を有する第1の複合ナノ結晶層を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を成膜することで多数の半導体微結晶および多数の絶縁膜を有する第2の複合ナノ結晶層を形成する絶縁膜形成工程と、第2の複合ナノ結晶層および導電性層の不要部分を連続的にエッチングすることでそれぞれ第2の複合ナノ結晶層の一部からなるドリフト部およびそれぞれ導電性層の一部からなる下部電極をパターン形成する一括パターニング工程と、ドリフト部上に表面電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。A large number of electron source elements are arranged in a matrix on one surface side of the insulating substrate, and each electron source element faces the lower electrode on the one surface of the insulating substrate and the lower electrode in the thickness direction of the insulating substrate. A surface electrode, a large number of semiconductor microcrystals interposed between the lower electrode and the surface electrode and having a film thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals formed on the surface of each of the semiconductor microcrystals of the order of many nanometers and each semiconductor microcrystal. A method for manufacturing a field emission type electron source including a drift portion having an insulating film, wherein a first film forming step of laminating a conductive layer for a lower electrode on the one surface of the insulating substrate; A second film forming step of laminating a semiconductor layer serving as a basis for a drift portion on the conductive layer, and a first step of forming a plurality of semiconductor microcrystals on the order of nanometers by nanocrystallizing the semiconductor layer using an electrolytic solution. Form composite nanocrystal layers A second step of forming a second crystal having a large number of semiconductor microcrystals and a large number of insulating films by forming a nanocrystallizing step and forming an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals on the surface of each semiconductor microcrystal; An insulating film forming step of forming the composite nanocrystal layer, and a drift portion formed by continuously etching unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer, each of which is formed by a part of the second composite nanocrystal layer. A method of manufacturing a field emission type electron source, comprising: a collective patterning step of patterning a lower electrode formed of a part of a conductive layer; and an electrode forming step of forming a surface electrode on a drift portion. 前記第2の成膜工程では、前記導電性層のうち前記各下部電極におけるコンタクト部となる部位の表面にマスク材を配置した状態で前記半導体層を前記導電性層に積層することを特徴とする請求項1記載の電界放射型電子源の製造方法。In the second film forming step, the semiconductor layer is laminated on the conductive layer in a state where a mask material is arranged on a surface of a portion of the conductive layer that becomes a contact portion in each of the lower electrodes. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 1. 前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成することを特徴とする請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の製造方法。The said collective patterning process WHEREIN: The said each drift part and each said lower electrode are pattern-formed by dry-etching the unnecessary part of the said 2nd composite nanocrystal layer and the said conductive layer, The characterized by the above-mentioned. A method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 2. 前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料としてタングステンを採用するとともに、前記第2の成膜工程で前記導電性層に積層する前記半導体層の材料として多結晶シリコンを採用し、前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をドライエッチングするにあたって、エッチングガスとしてフッ素系ガスを用いることを特徴とする請求項3記載の電界放射型電子源の製造方法。The semiconductor layer, which employs tungsten as a material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate in the first film forming step, and which is laminated to the conductive layer in the second film forming step Wherein polycrystalline silicon is used as a material for the second step, and in the collective patterning step, a fluorine-based gas is used as an etching gas when dry-etching unnecessary portions of the second composite nanocrystal layer and the conductive layer. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 3. 前記一括パターニング工程では、前記第2の複合ナノ結晶層および前記導電性層の不要部分をウェットエッチングすることで前記各ドリフト部および前記各下部電極をパターン形成することを特徴とする請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の製造方法。The said collective patterning process WHEREIN: Unnecessary part of the said 2nd composite nanocrystal layer and the said conductive layer is wet-etched, and each said drift part and each said lower electrode are pattern-formed, The characterized by the above-mentioned. A method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 2. 前記一括パターニング工程では、前記ドリフト部下の前記下部電極がサイドエッチングされるようにエッチング条件を設定することを特徴とする請求項5記載の電界放射型電子源の製造方法。6. The method according to claim 5, wherein in the collective patterning step, etching conditions are set so that the lower electrode below the drift portion is side-etched. 前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記下部電極の露出表面を酸化することで前記導電性材料の酸化物からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。In the first film forming step, a material that is easily oxidized as the material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate and the oxide is a conductive material having an insulating property; The method according to claim 1, further comprising an insulating layer forming step of oxidizing an exposed surface of the lower electrode to form an insulating layer made of an oxide of the conductive material, between the electrode forming step. 7. The method for manufacturing a field emission electron source according to any one of 6. 前記第1の成膜工程で前記絶縁性基板の前記一表面に積層する前記導電性層の材料として酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する導電性材料を用い、前記絶縁膜形成工程では、酸化性ガス雰囲気中での急速熱酸化法を採用することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。In the first film forming step, a conductive material which is easily oxidized and the oxide has an insulating property is used as a material of the conductive layer to be laminated on the one surface of the insulating substrate, and in the insulating film forming step, 7. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 1, wherein a rapid thermal oxidation method in an oxidizing gas atmosphere is employed. 前記一括パターニング工程と前記電極形成工程との間に、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺を埋める絶縁材料からなる絶縁部を形成する絶縁分離工程を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。The method according to claim 1, further comprising an insulation separating step of forming an insulating portion made of an insulating material that fills a periphery of each of the lower electrodes and a periphery of each of the drift portions, between the collective patterning step and the electrode forming step. A method for manufacturing a field emission electron source according to any one of claims 1 to 8. 前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として絶縁性を有する感光性材料を採用し、感光性材料を前記絶縁性基板の前記一表面側に塗布してからフォトリソグラフィによりパターニングし、絶縁部を形成することを特徴とする請求項9記載の電界放射型電子源の製造方法。In the insulating separation step, a photosensitive material having an insulating property is adopted as the insulating material, and the photosensitive material is applied to the one surface side of the insulating substrate and then patterned by photolithography to form an insulating portion. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 9, wherein: 前記絶縁分離工程では、前記絶縁材料として窒化物を採用し、前記各下部電極の周辺および前記各ドリフト部の周辺に窒化物の粒子を含むペーストを印刷法により埋め込み、絶縁部を形成することを特徴とする請求項9記載の電界放射型電子源の製造方法。In the insulating separation step, a nitride containing particles of nitride is adopted by a printing method by adopting nitride as the insulating material, and surrounding the respective lower electrodes and the periphery of the respective drift portions by a printing method, thereby forming an insulating portion. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 9. 前記電極形成工程の後に、前記表面電極と電気的に接続される複数のパッドを前記絶縁部に重なる位置に形成するパッド形成工程を備えることを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。12. The method according to claim 9, further comprising, after the electrode forming step, a pad forming step of forming a plurality of pads electrically connected to the surface electrode at positions overlapping the insulating portion. 3. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 1. 前記ナノ結晶化工程では、前記電解液中で前記半導体層に陰極を対向配置して前記導電性層を陽極とし、陽極と陰極との間に電流を流す際に前記導電性層の周部の全周から電流を流すことを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。In the nano-crystallization step, a cathode is disposed opposite to the semiconductor layer in the electrolytic solution, the conductive layer is used as an anode, and a current flows between the anode and the cathode. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 1, wherein a current flows from all around. 前記絶縁膜形成工程は電気化学的な酸化工程であって、酸化用の電解液中で前記第1の複合ナノ結晶層に陰極を対向配置してから前記導電性層を陽極として陽極と陰極との間に定電流を流し、陽極と陰極との間の電圧が規定量だけ増加した後は陽極と陰極との間の電圧を増加後の電圧に維持して電流が所定値まで減少したときに酸化を終了させることを特徴とする請求項1ないし請求項13のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。The insulating film forming step is an electrochemical oxidation step in which a cathode is disposed to face the first composite nanocrystal layer in an oxidizing electrolyte, and then the conductive layer is used as an anode and an anode and a cathode. When a constant current flows during the time, after the voltage between the anode and the cathode increases by a specified amount, when the voltage between the anode and the cathode is maintained at the increased voltage and the current decreases to a predetermined value 14. The method according to claim 1, wherein the oxidation is terminated. 前記一括パターニング工程と前記絶縁分離工程との間に、前記一括パターニング工程によりパターニングされたドリフト部のうち前記電子源素子に対応する部位の間の部分を前記下部電極が露出するまでエッチングするエッチング工程を備えることを特徴とする請求項9ないし請求項12のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。An etching step of etching a portion of the drift portion patterned by the batch patterning step between portions corresponding to the electron source elements until the lower electrode is exposed, between the batch patterning step and the insulation separation step; The method for manufacturing a field emission type electron source according to any one of claims 9 to 12, comprising: 前記導電性層の形成前における前記絶縁性基板として前記電界放射型電子源を複数個形成可能な大面積基板を用い、前記電極形成工程よりも後で前記絶縁性基板を前記電界放射型電子源に対応する大きさに分割する分割工程を備えることを特徴とする請求項1記載の電界放射型電子源の製造方法。A large-area substrate on which a plurality of the field emission type electron sources can be formed is used as the insulating substrate before the formation of the conductive layer, and the field emission type electron source is used after the electrode forming step. 2. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 1, further comprising a dividing step of dividing the electron source into a size corresponding to the following. 前記絶縁膜形成工程よりも後に、前記第2の複合ナノ結晶層の一部をエッチングすることにより前記下部電極の一部を露出させるエッチング工程を備えることを特徴とする請求項16記載の電界放射型電子源の製造方法。17. The electric field emission according to claim 16, further comprising an etching step of exposing a part of the lower electrode by etching a part of the second composite nanocrystal layer after the insulating film forming step. Method of manufacturing a type electron source. 前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記各電界放射型電子源それぞれに対応した領域にのみ前記第1の複合ナノ結晶層を形成することを特徴とする請求項16記載の電界放射型電子源の製造方法。17. The field emission type according to claim 16, wherein in the nano crystallization step, the first composite nanocrystal layer is formed only in a region of the semiconductor layer corresponding to each of the field emission type electron sources. Manufacturing method of electron source. 前記第2の成膜工程の前に、前記第1の成膜工程により前記大面積基板に積層した前記導電性層を前記各電界放射型電子源に対応する領域ごとに分けて電気的に分離する分離工程を備え、前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して個別に前記第1の複合ナノ結晶層を形成することを特徴とする請求項16記載の電界放射型電子源の製造方法。Before the second film forming step, the conductive layer laminated on the large-area substrate in the first film forming step is divided into regions corresponding to the respective field emission electron sources and electrically separated. And forming the first composite nanocrystal layer individually on a portion of the semiconductor layer that overlaps with each of the conductive layers separated in the separation process in the nanocrystallization step. 17. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 16, wherein: 前記ナノ結晶化工程では、前記半導体層のうち前記分離工程において分離された前記導電性層それぞれに重なる部分に対して前記第1の複合ナノ結晶層を順次形成することを特徴とする請求項19記載の電界放射型電子源の製造方法。20. The nanocrystallizing step, wherein the first composite nanocrystal layer is sequentially formed on a portion of the semiconductor layer overlapping each of the conductive layers separated in the separation step. A method for manufacturing the field emission electron source according to the above.
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