JP2004531863A

JP2004531863A - 集積化された集束放出器

Info

Publication number: JP2004531863A
Application number: JP2003505963A
Authority: JP
Inventors: チェン，ツィーツァン; エンク，ロナルド，エル; ラマムアーシ，スリラム; リウ，キン
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-10-14
Also published as: EP1396004A2; WO2002103738A2; US7148621B2; US20040251805A1; CN1299311C; WO2002103738A3; US20020190623A1; TW546689B; AU2002303995A1; US6758711B2; CN1515015A

Abstract

【課題】コスト及びプロセスステップ数の削減を可能とする、集積化された集束放出器を提供すること。
【解決手段】電子レンズ(28)の形成方法は、電子放出器(60)の放出器表面(36)上にポリマー層(12)を付与し、次いで揮発性成分を低減させるようポリマー層(12)を硬化させる、という各ステップを含む。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出器、特に多数の電子装置に組み込まれることが多い大容量記憶装置及びディスプレイ装置で使用される電子放出器のためのレンズ構造の作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピューティング技術は一層低コスト化すると共に一層大容量化し続けている。コンピューティング技術がこれらの好ましい動向を続けられるようにするためには、大容量記憶装置及びディスプレイ装置といった周辺装置が進歩し続けなければならない。最新のパーソナルコンピュータに見られるマイクロプロセッサの処理速度の上昇に応じてデータレートが向上した大容量記憶装置（ディスクドライブ、CDーROMドライブ、及びDVDドライブ等）が欠如していることに関する多くの批判の声が業界紙にあがっている。例えば、ハードディスクは、ここ10年間にその記憶密度を著しく高めることができたが、現在では、この分野ではそれ以上の進歩を妨げる物理的な限界に直面している。LCDモニタといったディスプレイ装置は、ほぼ欠陥がないように製造するのが複雑であることに起因して、要求を満たすにあたり問題を抱えてきた。更に、パッシブLCD技術を用いる場合には、バックライトを追加して様々な周囲光条件で視認可能となるようにする必要があり、このためコスト及び電力要件が増大することになる。
【０００３】
テレビ（TV）受像管及びコンピュータ用モニタといったコンシューマ製品では、長年にわたり電子ビーム技術が用いられてきた。これらの装置は、「熱陰極」電極として知られているものを使用して電子源を生成し、その電子が視認画面に向けられてその上に集束される。放出素子に関して多数の新しい技術分野で研究が行われてきたが、Spindt先端放出器及びフラット放出器といった「冷陰極」電子放出器の分野が多数の製造業者の注目を集めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この冷陰極技術を製品に展開する際には幾つかの問題がある。１つのかかる問題は、高密度の冷陰極放出素子を必要とする数多くの応用形態（大容量記憶装置及びディスプレイ装置の場合等）で用いることができる電子集束構造を作り出すことである。従来は、電子集束構造と電子放出器との間のスペーサ材料として誘電体材料が使用されてきた。しかし、誘電体材料を用いた電子集束構造の構成はコストを要し複雑なものであり、このため冷陰極技術を用いた新製品の迅速な開発が妨げられる。冷陰極技術を用いた新たな製品を更に導入するためには、電子集束構造（最終的には大容量記憶装置及びディスプレイ装置）を形成するための費用効率が一層高く一層単純なプロセスが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電子レンズの形成方法は、電子放出器の放出器表面上にポリマー層を付与し、次いで該ポリマー層を硬化させて揮発性成分を低減させる、という各ステップを含む。
【０００６】
本発明は添付の図面を参照することにより理解しやすくなる。図中の各構成要素は必ずしも互いに実際の縮尺にはなっておらず、本発明を明示することに重点が置かれている。更に、幾つかの図面を通して、類似した符号は、必ずしも同一ではないが、対応する類似した構成要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
コストを削減し、及びプロセスステップ数の削減を可能とするために、本発明は、電子放出器と集束レンズとの間のスペーサ材料としてポリマー層を使用し、これにより集積化された集束レンズを形成することを含む。ポリマースペーサ層の組み込みを可能とするために、幾つかの問題を解決しなければならない。
【０００８】
第１に、ポリマー材料は一般に時間と共にガスを放出することができる揮発性成分を有する。このガス放出は、電子放出器が真空（一般には10^-5Torr未満の気圧）で動作する際に問題となる。ポリマー材料のガス放出は気圧レベルに影響を与え得るものであり、このため、放出された揮発性成分を除去するために能動真空ポンプ又はゲッタ材料が必要となる。更に、動作中にポリマーの揮発性成分が真空内に放出される場合には、放出された電子がその揮発性成分の一部に衝突して該揮発性成分をイオン化させる可能性がある。電子放出器を含む装置内の構成要素間に高い電位差が存在する場合には、イオン化された揮発性成分が放出器の陰極に向けて加速されて該陰極に衝突し、これにより損傷が生じることになる。したがって、ガスを放出しないスペーサ材料を用いることが通例になっている。本発明に含まれるポリマー材料の硬化プロセスは、ポリマー材料の揮発性成分を著しく低減させ、能動真空ポンプを使用することなく10^-5Torr未満の真空を維持することを可能にするものである。
【０００９】
第２に、材料の界面特性に起因して、電子レンズを形成するために使用されるポリマースペーサ材料と導電性材料との間に高い応力を有する界面が存在し得る。高い応力を有する界面が存在する結果として、導電性材料が粗面になって亀裂が生じ、これが電子レンズの性能に影響を及ぼす可能性がある。本発明は、好適には、電子レンズに使用される導電層にほぼ金からなる材料を使用することを含む。
【００１０】
第３に、ポリマー材料は、電子レンズのための導電層内の開口部を、該ポリマー材料をエッチングするためのマスクとして使用することによりエッチングされるので、そのエッチングプロセスは、電子レンズのために使用される導電層の下側のアンダーカットを最小限に抑えるエッチングプロファイルを提供するものとなることが好ましい。アンダーカットが大きすぎると、導電層が十分に支持されないようになり、このため電子レンズが変形して適切に動作しなくなる可能性がある。
【００１１】
第４に、ポリマー材料のエッチングプロセスは、電子レンズに使用する導電層を著しくエッチングしてはならない、すなわち放出器表面上にエッチングプロセスからの残留物を残してはならない。導電性レンズ層又はポリマー材料のトレースといった放出器表面上のあらゆる材料は、電子放出器の放出特性を変化させることにより該電子放出器の性能に影響を与え得るものである。
【００１２】
第５に（そして最も重要なことに）、ポリマーエッチングプロセスのエッチング選択性が重要である。これは、電子放出器に損傷を与え得る放出器表面の著しいエッチングを行わないようにするためである。このため、本発明のエッチングプロセスは、エッチング速度と、エッチング残留物と、導電性レンズ層のエッチング選択性と、放出器表面のエッチング選択性と、使用されるエッチング電力との間のトレードオフを考慮するようにエッチング条件のバランスを取る。適当なパラメータを選択することにより、1000：1より大きなポリマーと放出器表面との間のエッチング選択性が達成される。
【００１３】
本発明の更に多くの態様が、本発明の好ましい実施形態及び代替実施形態の以下に記載される説明から明らかとなろう。本発明の半導体素子は、広範な半導体素子技術に適用可能なものであり、また様々な半導体材料から製造可能なものである。
【００１４】
以下の説明は、好ましくはシリコン基板で実施される、本発明の半導体素子の幾つかの現時点での好適な実施形態を説明したものである。これは、現時点で入手可能な半導体素子の大部分がシリコン基板に作製され、また本発明の最も一般的に遭遇する応用形態がシリコン基板を含むものとなるからである。しかし、本発明はまた、有利にも、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、及びその他の半導体材料で採用することが可能である。したがって、本発明は、シリコン半導体材料に作製される素子に限定することを意図したものではなく、入手可能な半導体材料及び当業者にとって利用可能な技術（例えばガラス基板上にポリシリコンを用いる薄膜トランジスタ（TFT）技術）のうちの１つ又は２つ以上で作製される素子を含むものとなる。
【００１５】
図面は実際の縮尺とは異なるものであることに留意されたい。更に、能動素子の様々な部分は実際の縮尺で描かれていない。本発明のより明瞭な例示及び理解を提供するために、特定の寸法が他の寸法に対して誇張されている。
【００１６】
更に、本書に示す実施形態は、深さ及び幅を有する様々な領域を使用して２次元の図で示されるが、これらの領域は、実際には３次元の構造である素子の一部を例示するにすぎない。したがって、これらの領域は、実際の素子上に製造される場合には、長さ、幅、及び深さを含む３次元を有することになる。更に、本発明は、能動素子及び電子素子を対象とした好ましい実施形態及び代替的な実施形態によって示されるが、かかる例示は、本発明の範囲又は適用可能性を限定することを意図したものではない。本発明の能動素子及び電子素子は、図示する物理的な構造に限定されることを意図していない。これらの構造は、現時点で好ましい実施形態及び代替実施形態に対する本発明の有用性及び応用形態を例示するために記載したものである。
【００１７】
図１Ａは、電子レンズ及び好ましくは（随意選択による）静電シールドを電子放出器と一体にした本発明の例示的な実施形態を示す平面図である。同図では、電子放出器20が電子を放出し、該電子がレンズ開口部18を有する共面電子レンズ16を使用して集束される。共面レンズ16は導電層上に形成され、電子放出器20の陰極表面に対して一定の電位に保持される。選択した電圧の大きさ、レンズ形状、及び電子放出器20からの距離が、共面電子レンズ16により実行される集束の量を決定する。随意選択的に、共面レンズ16と同じ導電層上に、該共面レンズ16とは異なる電圧に保持される共面シールド14が配設される。好適には、該共面シールド14の電圧は、電子放出器20により放出される電子ビームのための陽極ターゲットとほぼ同じ電圧に保持される。電気的な絶縁を提供するために、共面レンズ16は間隙22だけ共面シールド14から離隔される。
【００１８】
図１Ｂは、図１Ａの集束放出器のIーI断面図である。同図には、電子放出器20からの電子ビームのターゲットである陽極76も含まれる。電子放出器20は、数例を挙げると、直接トンネル放出器、金属−絶縁体−金属放出器、金属−絶縁体−半導体放出器、spindt先端放出器のアレイ、又は単一のspindt先端放出器といった幾つかのタイプのうちの１つを用いることができる。電子放出器20は、基板10（好ましくはシリコン基板）内に形成され又は基板10上に配置される。ここで、前記基板10には、シリコン基板の代わりに、例えばガラス、ゲルマニウム、又はガリウムヒ素といった他の基板を用いることが可能であり、かかる場合であって本発明の思想及び範囲は満たされる。基板10上にはポリマー層12が配置され、該ポリマー層12は、導電層に形成される共面レンズ16及び共面シールド14のためのスペーサとして使用される。電子放出器20により放出される電子は、レンズ開口部18内に形成される電界により集束され、好ましくは電子放出器20に対して高い正の電圧に保持された陽極76に引き付けられる。該陽極76は、陽極上に集束されたスポットを実現するために陽極−レンズ距離24に配置される。選択されたレンズ設計が、陽極−レンズ距離24を短くすることにより大きな静電引力26を生成することを必要とするものである場合には、共面シールド層14を随意選択的に使用し、該共面シールド層14を陽極76とほぼ同じ電位に保持して、静電力26を低下させる。所与の応用形態に関して静電力26が十分に弱くなるように陽極76が陽極−レンズ距離24に保持される場合には、共面シールド14は不要である。
【００１９】
図２は、集積化された集束放出器60を形成するために本発明の集積化された電子レンズを組み込んだ例示的な直接トンネル放出器を示す説明図である。この実施形態では、基板10は、好ましくは高濃度にドープされたシリコン基板であることが好ましい。代替的には、基板10は、電子の供給源を提供する他のあらゆる導電性材料又は基板とすることが可能である。基板10上に薄膜層のスタック38が付与され又は処理されて直接トンネル放出器が形成される。トンネル層30は、基板10上に配置され、500オングストローム未満であることが好ましく、約100オングストロームであることが更に好ましい。該トンネル層上には、約50〜約100オングストロームのプラチナといった好ましくは金属の薄膜からなる陰極層36が配置されるが、プラチナ以外の金属を用いることも可能である。例えば、他の金属として、金、イリジウム、モリブデン、クロム、及びタングステンが挙げられる（但し、これらには限定されない）。薄膜層のスタック38上には、電子レンズ28を電子放出器から離隔して配置するために使用されるポリマー層12が配置される。該ポリマー層は、約2〜約12マイクロメール又はそれ以上の厚さを有することが好ましい。陽極76は陽極−レンズ間隔24で配置される。電子レンズ28は、陰極層36に対して一定の電位に保持されて電界34を生成し、該電界により電子放出器から放出された電子が集束されて、集束されたビーム32が生成される。電界34、レンズ開口部、及び陽極−レンズ間隔24は、陽極76上に所望のスポットサイズが提供されるよう選択される。
【００２０】
図３は、本発明を組み込んだ例示的なディスプレイ装置70の一実施形態の部分図である。陰極層78は、その上部に配置され又はその内部に形成された電子放出器20を有しており、該電子放出器20が電子ビーム50を生成する。陰極層上にはポリマー層12が配置され、その上には更にレンズ層40が配置される。レンズ層40及びポリマー層12内に開口部42が形成され、該開口部42により、電子ビーム50が放出して陽極76（好ましくはディスプレイ画面）上の画素72に到達することが可能となる。画素は、単色、又は赤、緑、青といった多色の配列の何れかからなる燐光材料で形成されることが好ましい。電子ビーム50が画素72に到達すると、該電子により燐光材料が励起されて可視光を生成する光子が放出される。
【００２１】
図４は、集積化されたディスプレイ装置80の代替的な実施形態を示す断面図である。該集積化されたディスプレイ装置80は、基板10（好ましくはシリコン基板）を有し、該基板は、電子放出器20を組み込む薄膜層のスタック38を含むよう半導体プロセスで処理される。電子放出器20は電子ビーム50を生成し、該電子ビーム50は、燐光材料から形成されるディスプレイ画素84を励起させるために使用される。薄膜層のスタック38上にはポリマー層12が配置され、該ポリマー層12は、該ポリマー層12上に配置されたレンズ層40を電子ビーム50が通り抜けることを可能にする開口部を有する。該レンズ層40は、ディスプレイ画素84上に電子ビーム50を集束させるための開口部を有する。ディスプレイ画素84は、あらゆる漂遊電子を捕捉する陽極86内に形成される。ディスプレイ画素84及び陽極86は、ディスプレイ画面82（好ましくはガラスその他の透明な基板）上に配置される。陽極86は、スペーサ88（好ましくはハーメチックシールでもあるもの）によってレンズ層40から離隔して配置される。随意選択的に、代替的なシール86をディスプレイの周囲に配置して、ディスプレイ画面82と薄膜層のスタック38及びポリマー層12を有する基板10との間にハーメチックシール又は接着結合部を更に配設することが可能である。
【００２２】
図５は、本発明を組み込んだ大容量記憶素子90の例示的な実施形態の部分図である。この実施形態では、大容量記憶素子90は、少なくとも３つの基板、すなわち、基板10、ロータ基板92、及びステータ基板94を有する。該基板10は、電子放出器20等の能動素子を含む薄膜層のスタックを有する。薄膜層のスタック38上には、電子レンズ28のための間隔を与えるポリマー層12が配置される。電子レンズ28は集束されたビーム32を生成し、該ビーム32はロータ基板92上の媒体96の表面上で情報の読み出し／書き込みを行うために使用される。該媒体表面は好適には相変化材料から形成され、該相変化材料は、集束された電子ビームが該材料上で費やしたエネルギーの時間及び量に応じて、結晶状態又は非晶質状態の何れかで存在することができるものである。低電力の電子ビームを使用して結晶状態又は非晶質状態を読み出す際、リーダ回路98によりロータ基板92において電子が検出される。該リーダ回路98は、媒体接点91と基板接点97との間でロータ基板92内の電流を検出する増幅器95を含む。集束されたビーム32が非晶質スポット93に衝突すると、増幅器回路に流入する電流の量は、集束されたビーム32が結晶領域に衝突するときとは異なる。好適には、従来のデジタル媒体記録形式を使用して、媒体96に情報を記録する。非晶質スポットを形成するために、高エネルギーの集束されたビームが短時間だけ媒体96の表面に与えられ、次いで急冷される。非晶質スポットを除去して媒体96を結晶状態に戻すには、非晶質スポット93を高エネルギーの集束されたビーム32で加熱し、次いで該集束されたビーム32のエネルギーをゆっくりと変化させることにより徐々に冷却する。
【００２３】
図６は、本発明を組み込んだ例示的な集積大容量記憶素子100を示す断面図である。基板10は、電子放出器20を組み込んだ薄膜層のスタック38を有する。該薄膜層のスタック38上にポリマー層12が配置される。該ポリマー層12上には、電子放出器20からの電子を集束させて集束ビーム32を生成するために使用される電子レンズ層28が配置される。基板10、薄膜層のスタック32、及びポリマー層12は、スペーサ88及びシール89を使用してロータ基板92に取り付けられ、真空環境（好ましくは10^-5Torr未満）が与えられる。ロータ基板92は、媒体96を含む可動部を有する。該可動部は、ばね152を使用してロータ基板92に取り付けられ、好ましくは微細機械加工(micro-mechanical machining)技術を用いてロータ基板92から形成され及びエッチングされる。該ロータ基板92はシール／接着剤158によりステータ基板94に取り付けられる。電気的接点は、基板間接点156により形成される。ステータ基板94及びロータ基板92は、静電ステッパモータ154を用いることによりロータ基板92の可動部の動きを制御する。該静電ステッパモータ154は、第１及び第２の方向に移動できることが好ましいが、実施形態によってはその動きを単一方向に制限することが可能である。媒体96を移動できるようにすることにより、各電子放出器20は媒体96上の幾つかの場所に読み出し／書き込みを行うことができ、これにより情報の記憶密度が増大する。ポリマー層12は、電子放出器20からの電子レンズ層28の分離を提供する。
【００２４】
図７は、ポリマースペーサ層を使用して電子レンズを形成するためのステップを含む、集積化された集束放出器を形成するための例示的なプロセスを示すフローチャートである。これらのプロセスステップは、当業者に知られている従来の半導体プロセス技術を使用して集積化された集束放出器を形成するための幾つかの異なる技術で実施することが可能である。集積化された集束放出器は、基板の選択で開始する。該基板は好ましくはシリコンであるが、他の基板もまた当業者に既知のものであり、それらを代わりに用いた場合にも依然として本発明の思想及び範囲を満たすことができる。該基板の目的は、電子源を提供することにあり、また、電子放出器を含む薄膜層のスタックの更なる処理及び集積化された電子レンズの処理を行うための安定したプラットフォームを提供することにある。
【００２５】
ステップ102で、少なくとも１つの開口部を有する分離層が形成される。該開口部は、例えばマスキング及び成長処理又は堆積処理により基板上に誘電体材料を配設することで電子放出器の場所を画定するためのものである。シリコン基板の場合には、該分離層は、好適には、熱酸化物(thermal oxide)、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、又は炭化ケイ素といったフィールド酸化膜成長（FOX:Field Oxide Growth）その他の誘電体である。随意選択のステップ104では、使用する分離層に応じて、タンタル等の接着層を分離層上に配置（又は配設）して、ステップ106で付与される第１の導電層の接着を一層良好にすることが可能である。ステップ108で、第１の導電層が好適にはフォトレジストを使用してパターニングされて、電子放出器のウェルのための開口部が形成される。ステップ110で、該第１の導電層が、好適にはウエットエッチングを使用して開口部でエッチングされて異方性プロファイルが形成されるが、ドライエッチング等の他のエッチング技術を代わりに用いることも可能である。ステップ112で、接着層がドライエッチングされて等方性プロファイルが形成されることが好ましい。該接着層のエッチングは、随意選択の接着層がステップ104で使用されず又は付与されない場合には当然のことながら実行されない。ステップ116で、トンネル層が、露出した基板表面上と、第１の導電層及び接着層に開口部を形成するために使用されるパターニング材料の上部とに堆積されることが好ましい。ステップ118で、リフトオフ(lift off)プロセスを使用して、基板上に配置されたトンネル材料を除去することなく、パターニング材料を除去して、該パターニング材料上に配置されたトンネル材料を剥離させる(lift off)ことが好ましい。ポジティブ・フォトレジストの場合には、好ましいリフトオフプロセスは、酸素アッシング（灰化）エッチングプロセスを用いる。
【００２６】
ステップ120で、処理された基板がアニーリングプロセスにかけられ、これにより電子放出器の放出電流密度が増大される。
【００２７】
ステップ122で、処理された基板上にポリマー層が堆積される。次いでステップ124で、該ポリマー層を有する該処理された基板が、該ポリマー層を硬化させてそのポリマー材料から揮発性の成分及び化合物を除去することにより、調整される。使用される実際の硬化プロセスは、選択したポリマー材料のタイプによって決まる。ステップ126で、電子レンズ及び随意選択のシールドの形成に使用するための第２の導電層が、前記ポリマー層上に堆積される。
【００２８】
ステップ128で、第２の導電層がマスクされ及びパターニングされて集束レンズが形成される。ステップ130で、パターン開口部内の第２の導電層がエッチングされて、レンズ開口部が形成される。次いでステップ132で、ポリマー層上で、電子放出器の表面までの選択的なエッチングが実行され、好適には電子レンズの下方が僅かにアンダーカットされる。ステップ134では、第２の導電層上と、電子放出器の表面上のレンズ開口部内とに第３の導電層が堆積されて、電子放出器のトンネル層上に陰極層が形成される。
【００２９】
図８〜図２２は、半導体処理ステップの特定の実施形態を使用して集積化された電子放出器を形成するための基板10（好ましくはシリコン基板）の処理を示す例示的な説明図である。図示のプロセスステップは、特定の実施形態において本発明をより明確に理解できるようにするための例示であり、本発明を形成する方法を限定するつもりはない。
【００３０】
図８は、電子放出器表面のための場所を画定するようパターニングされたFOXマスク44を有する基板10を示している。該FOXマスク44は、誘電体等のハードマスクであることが好ましいが、フォトレジストを用いることもまた可能である。
【００３１】
図９は、フィールド酸化膜の成長、及び図８のFOXマスク44の除去を示している。該フィールド酸化膜の厚さは、典型的には3000〜10,000オングストロームの範囲内となる。
【００３２】
図１０は、基板10の表面上のFOX及び放出器表面領域上への随意選択の接着層48（好ましくはタンタル）の付与を示している。該接着層48は、堆積プロセスを使用して、約500オングストロームの厚さに付与されることが好ましい。
【００３３】
図１１は、接着層48上への第１の金属層52（好ましくは金）の付与を示している。第１の金属層52の好ましい厚さは約2000オングストロームである。選択された絶縁層に対して良好な接着性を有する第１の金属層52を選択した場合には、接着層48は不要である。
【００３４】
図１２は、第１の金属層52及び接着層48のエッチングの結果を示している。エッチングを実行するために、最初に、第１の金属のフォトレジストが第１の金属層52に付与され、及びパターニングされて、エッチングが行われることになる開口部が画定される。第１の金属のフォトマスク内の開口部は、FOX材料内に画定される放出器表面上に位置合わせされることが好ましい。第１の導電層をウエットエッチングして異方性プロファイルを形成し、第１の金属のフォトレジスト54に隣接する第１の金属層52の部分が開口部からアンダーカットされるようにすることが好ましい。随意選択的に、ドライエッチングプロセスを用いることが可能である。接着層48を使用する場合には、該接着層48をドライエッチングして、第１の金属層52から基板10の表面までほぼ平行な側壁を有する等方性プロファイルを形成することが好ましい。第１の金属層52及び接着層48のエッチングは放出器ウェル68を形成する。
【００３５】
図１３は、処理された基板10上へのトンネル層30の堆積の結果を示している。トンネル層30は、第１の金属のフォトマスク54の表面と、放出器ウェル68内の基板10の露出された表面とに付与され、かつ配置される。トンネル層30は、TiO_x、WSiN、TaAlO_x、AlO_x、AlO_xN_y及びTaAlO_xN_yといった高い誘電性の薄膜を使用して約50〜約100オングストロームの厚さまで、好ましくはTiO_xを使用して約100オングストロームの厚さで付与されることが好ましい。他の用いることができる誘電体薄膜は、約200〜約500オングストロームのSiN及びSiCといったシリコン系の誘電体を含む。金属−絶縁体−半導体放出器を形成するために用いることができる他の誘電体は当業者に知られている。
【００３６】
図１４は、第１の金属のフォトレジスト54と、その上に堆積されたトンネル層30とを除去するために使用されるリフトオフプロセスの図である。酸素を豊富に用いるアッシング−エッチングを使用して、第１の金属のフォトレジスト54と、第１の金属のフォトレジスト54上のトンネル層30の部分とが除去される。使用されるプロセスは、放出器ウェル68内に配置されるトンネル層30の部分に影響を及ぼさないよう十分な方向性を有するものであることが好ましい。
【００３７】
図１５及び図１６はそれぞれ、放出器から放出器電流を増加させるために使用される別のアニーリングプロセス140,142のための時間にわたる温度を示すグラフである。図１５では、図１４のアッシング−エッチング後の処理された基板10が約10分以内に400℃の温度まで高められ、約30分間そのまま保持される。次いで、処理された基板10は、約55分かけて徐々に室温（約25℃）まで戻される。図１６では、処理された基板10は、約10分以内に室温から約600℃まで高められ、約30分間そのまま保持される。次いで、処理された基板10は約100分かけて徐々に室温まで戻される。
【００３８】
図１７は、処理された基板10上の薄膜層のスタック38上へのポリマー層56の付与を示している。ポリマー層56は、ノボラック系レジスト等のポジフォトレジストを使用して付与されることが好ましいが、SU8材料も同じ役割を果たすものと予想される。レジストは、約5.5〜約6.5ミクロン厚までスピンコーティングされ、約125℃で2分間にわたり接触ホットプレート上でベーキングされることが好ましい。ポリマー材料の厚さは、レンズ設計によって決まり、通常は約2ミクロン〜約12ミクロンの範囲にすることができる。ポリマー材料は揮発性成分を含むので、好ましいプロセスは、ポリマー材料の硬化を実行して揮発性成分の大部分を除去するものとなる。
【００３９】
図１８は、ポリマー層56の材料から揮発性成分を除去するための例示的な硬化プロセスを示すグラフである。ポリマー層56が付与された処理済の基板10をオーブン内に配置し、温度を約1時間かけて室温（約25℃）から180℃まで上昇させる。次いで、該ポリマーが約4時間かけて180℃で硬化された後、基板が約1時間かけて室温まで戻される。該硬化プロセスは、様々なポリマー材料に関して最適化することを考慮するよう容易に調整される。ノボラック系レジストでこのプロセスを用いると、その実験結果は、ポリマー層56を使用して5×10^ー ⁸Torrの真空を保持できることを示す。
【００４０】
図１９は、レンズ層として使用されるポリマー層56上への第２の導電層58の付与の結果を示している。第２の導電層58とポリマーとの間の界面は、表面を滑らかにし、かつ亀裂及び空隙を避けるために、低い応力を有さなければならない。実験結果は、第２の導電層58のために（可鍛性である）金を用いると、かかる低応力の界面が提供されることを示した。選択されたポリマー材料にほぼ等しい温度膨張率を有する他の可鍛性の導電層又は金属及び半導体もまた第２の導電層58として用いることができる。したがって、第２の導電層のための材料の実際の選択は、放出器とレンズ層との間にスペーサ層を形成するために使用されるポリマー材料の選択に依存するものとなる。
【００４１】
図２０は、レンズ直径64を有するレンズ開口部を形成するための第２の導電層58のエッチングの結果を示している。エッチングを実行するために、第２の導電層のマスク62（好ましくはフォトレジスト）が第２の導電層58の表面に付与され、かつパターニングされて、第２の導電層58がエッチングされる開口部が設けられる。その開口部は、所望のレンズ形状によって決定されるが、放出器ウェル68内にある放出器表面上に中心を有することが好ましい。レンズ開口部を使用してポリマー層56のエッチングも実行され、それにより基板10の表面上のトンネル層30が露出される。
【００４２】
図２１はポリマー層56のエッチングの結果である。該エッチングはDryTek384Tで行われることが好ましい。第２の導電層のマスク62が第２の導電層58上に残され、第２の導電層がポリマーエッチングプロセスにおいて部分的にエッチングされるのを防ぐことが好ましい。ポリマーエッチング中、O₂レベルは約200sccmであり、圧力は約2500mTであり、電力は約85Wに設定され、He圧力は約10Torrに設定され、最高温度は約20℃に、また最低温度は約12℃に設定される。そのエッチングプロセスは約135分かけて約6.5ミクロンのレジストを除去する。そのエッチング手法は約95VのDCバイアスを生成する。そのエッチングプロセスは、DCバイアスをできる限り低く保つために、エッチング速度、エッチング残留物、及び電力のバランスをとる。電力が高くなると、エッチング速度は速くなるが、エッチング残留物が多く生成される。電力は、第２の導電層58がスパッタし、それにより除去するのが難しい残留物が生成されるのを防ぐように選択されるべきである。結果として生成されるエッチングプロファイルは、ポリマー層56の6.5ミクロンの厚さがエッチングされる度に、約1〜約2ミクロンのアンダーカット61を生成することが好ましい。ポリマーエッチングプロセスを用いることにより、ポリマーと、TiO_xといったトンネル層材料との間のエッチング選択性が大きくなり、好ましくは1000：1より大きくなる。実証的な試験結果は、好ましいプロセスの場合のエッチング選択性が約6000：1であることを示しており、それは、ポリマーのためのエッチング速度が毎分約6000オングストロームであり、TiO_xが毎分約1オングストローム未満であることを意味する。
【００４３】
図２２は、第２の導電層のマスク62が除去された後に、トンネル層36の表面と、放出器ウェル68の側壁と、第２の導電層58の表面とへの陰極36の付与を示す。陰極層36は、プラチナを使用して約50〜約150オングストロームの厚さまで堆積されることが好ましく、約100オングストロームの厚さまで堆積されることが更に好ましい。陰極層36のための他の材料は数例を挙げるとイリジウム、金及びタングステンを含むが、プラチナが好ましい。
【００４４】
本発明から大きく逸脱することなく、開示される実施形態に対して数多くの変形形態及び変更形態がなされることは、当業者であれば明らかであることに留意されたい。全てのかかる変形形態及び変更形態は、添付の特許請求の範囲に述べられるような、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１Ａ】集積化された集束放出器の例示的な実施形態を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す例示的な実施形態の断面図である。
【図２】直接トンネル放出器を有する集積化された集束放出器の代替的な実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明を組み込んだディスプレイ装置の例示的な実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明を組み込んだディスプレイ装置の代替的な例示的な実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明を組み込んだ大容量記憶素子の例示的な実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明を組み込んだ大容量記憶素子の代替的な例示的な実施形態を示す断面図である。
【図７】ポリマースペーサ層を組み込んだ電子レンズを形成するための各ステップを含む、集積化された集束放出器を形成するために使用される例示的なプロセスを示すブロック図である。
【図８】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図９】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１０】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１１】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１２】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１３】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１４】本発明の電子レンズの基礎を提供する電子放出器を形成するための例示的なプロセスステップを示す説明図である。
【図１５】電子放出器を形成するために使用される代替的なアニーリングプロセスのための例示的な温度プロファイルを示すグラフである。
【図１６】電子放出器を形成するために使用される代替的なアニーリングプロセスのための例示的な温度プロファイルを示すグラフである。
【図１７】電子放出器の基部に対するポリマー層の付与を示す説明図である。
【図１８】図１７に示すポリマー層から揮発性成分を抽出するために用いる例示的な硬化プロセスを示すグラフである。
【図１９】ポリマー層上への導電層の堆積を示す説明図である。
【図２０】図１９の導電層のマスクキング及びエッチングを介した電子レンズ開口部の形成を示す説明図である。
【図２１】ポリマー層をエッチングして電子放出器表面を露出させる選択的なエッチングプロセスの結果を示す説明図である。
【図２２】集積化された集束放出器の形成を終了させるための放出器陰極層の堆積の結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
10 基板
12 ポリマー層
24 陽極−レンズ間隔
28 電子レンズ
30 トンネル層
32 ビーム
34 電界
36 陰極層
38 薄膜層スタック
60 集積化された集束放出器
76 陽極

Claims

集束放出器(60)であって、
半導体基板(10)上に配置された約500オングストローム未満の厚さのトンネル層(30)と、
前記半導体基板(10)上に配置され、前記トンネル層(30)上に配置された第１の開口部を画定する、ポリマースペーサ層(12)と、
該ポリマースペーサ層(12)上に配置され、前記トンネル層(30)上に配置された第２の開口部を画定する、集束レンズ層(28)と、
前記トンネル層(30)上に配置された陰極層(36)と
を含む、集束放出器(60)。
前記ポリマースペーサ層(12)が、約2ミクロン〜約12ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の集束放出器(60)。
前記ポリマースペーサ層(12)が、揮発性成分を除去するよう硬化されている、請求項１に記載の集束放出器(60)。
前記収束レンズ層(28)及び前記ポリマースペーサ層(12)がほぼ同じ温度膨張率を有する、請求項１に記載の集束放出器(60)。
電子レンズを形成するための方法であって、
放出器表面上にポリマー層を付与し(122)、
揮発性成分を低減させるよう該ポリマー層を硬化させ(124)、
該ポリマー層上に第１の導電層を付与し(126)、
該第１の導電層上にフォトレジスト層を付与し、
該フォトレジスト層をパターニングし電子レンズを画定し(128)、
前記第１の導電層をエッチングして開口部を形成する(130)、
という各ステップを含む、電子レンズを形成するための方法。
前記フォトレジスト層をパターニングする前記ステップ(128)が、シールド層を画定するよう前記フォトレジスト層をパターニングするステップを含む、請求項５に記載の方法。
前記放出器表面に対する前記ポリマー層のエッチングの比が1000：1より大きくなるような選択的なエッチング(132)を用いて前記開口部内の前記ポリマー層をエッチングするステップを更に含む、請求項５に記載の方法。
前記フォトレジスト層が、前記選択的なエッチングを用いて前記ポリマー層をエッチングする前記ステップの前に除去されない、請求項７に記載の方法。
前記ポリマーエッチングのプロセス条件が、エッチング速度、エッチング残留物、エッチングプロファイル、及び最小DCバイアス間の条件を平衡させるよう設定される、請求項７に記載の方法。
前記エッチングプロファイルが、約6.5ミクロンのエッチング深度につき約1ミクロン〜約2ミクロンのアンダーカットを有する、請求項７に記載の方法。