JP2005078850A

JP2005078850A - 炭素系超微細冷陰極およびその製造方法

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Publication number: JP2005078850A
Application number: JP2003305113A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Hirakawa; 正明平川; Osamu Miura; 治三浦; Hirohiko Murakami; 村上　　裕彦
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】ゲート電極−カソード電極間の短絡をなくし、ゲートホール側壁へのカーボン系物質の付着が生じないようにした炭素系超微細冷陰極およびその製造方法の提供。
【解決手段】ゲート電極層のゲートホール開口部の径が絶縁層に設けたゲートホールの径よりも大きいこと。基板上に、カソード電極層、絶縁層を順次成膜し、絶縁層にゲートホールを形成した後に、このゲートホールの底部に触媒金属層を成膜し、次いで、熱ＣＶＤ法によりゲートホールの底部の触媒金属層上にＧＮＦを成長させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、炭素系超微細冷陰極およびその製造方法に関するものである。特に、真空デバイス用途、ディスプレイ用途等に利用され得る炭素系超微細冷陰極及びその製造方法に関するものである。

従来、熱ＣＶＤ法にてＧＮＦ（グラファイトナノファイバ）を成長させる場合、ＧＮＦ成長時のゲートホールの側壁へのカーボン系物質の付着により、ゲート電極−カソード電極間の耐電圧低下、また、ＧＮＦの異常成長による短絡等の現象が発生していた。

従来は、これらの問題を解決するためにＧＮＦ成長後にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチング処理を追加して対応してきた。しかしながら、この方法では、ゲートホール形成（ウエットエッチングによる）時にＧＮＦ用触媒金属層がエッチングされ、ゲート電極に付着するために、オーバーエッチングが許されず、ウエットエッチングでジャストエッチングすることが要求されていた。そのため、製造上のプロセス余裕度がなく、効率がよくないプロセスとなっていた。

また、触媒金属層の成膜をゲートホール形成前に実施している従来のプロセスでは、ゲート電極−カソード電極間の短絡現象を少しでも回避するために、デバイス構造において絶縁層を厚めに形成せざるを得ない。そのために、得られた冷陰極では、駆動電圧が高くなり、駆動回路のコスト高となっていた。

一方、電子放出出力をできるだけ上げるためには、触媒金属層を厚く成膜することが必要であるが、上記と同様に、ゲート電極−カソード電極間を多くとりたいためには、薄く成膜することを余儀なくさせられていた。

図１(ａ)〜(ｇ)に、炭素系超微細冷陰極作製の従来プロセスを示す。

まず、図１(ａ)および(ｂ)に示すように、ガラス基板１上に、膜厚１５０ｎｍのＣｒカソード電極層(母線)２を２００℃の基板加熱を行いながらＤＣスパッタリングにより形成し、このカソード電極層２の上に、連続的に存在する膜厚２５ｎｍのＧＮＦ成長触媒金属層(Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの金属の少なくとも１種類を含む合金)３を形成した後、触媒金属層３およびカソード電極層２をライン状にパターニングする。

次いで、図１(ｃ)および(ｄ)に示すように、膜厚３μｍの絶縁層(ＳｉＯ_２)４、膜厚３００ｎｍのＣｒゲート電極層５を順次形成する。この絶縁層４は、３００℃の基板加熱を行いながらＲＦスパッタリングにより形成する。これは、成膜後の絶縁層の応力による破損を防ぐためである。この絶縁層形成の際、ＲＦスパッタリング時に基板に付着するダストによるピンホールを防ぐため、ＳｉＯ_２膜は１．５μｍずつ２回にわけて形成し、ＳｉＯ_２(１．５μｍ)を成膜した後、純水でこすり洗浄を行う。また、Ｃｒゲート電極層５は、カソード電極層２の場合と同様に、２００℃の基板加熱をしながらＤＣスパッタリングにより形成する。

次いで、図１(ｅ)に示すように、上記のようにして得られたゲート電極層５上にフォトレジスト６を塗布し、パターニングする。

その後、図１(ｆ)に示すように、ゲート電極層５および絶縁層４をエッチングし、ゲートホール開口部およびゲートホールを形成する。この場合、ゲート電極層がゲートホールの内側にはり出しており、ゲートホール開口部の径がゲートホールの径より小さくなるようにエッチングされる。

最後に、図１(ｇ)に示すように、かくして形成されたゲートホール内に熱ＣＶＤ法によりＧＮＦを成長せしめ、冷陰極を得る。この場合、ゲートホール側壁およびゲート電極層５に異常成長したＧＮＦが付着している。

上記したように触媒金属層を成膜し、パターニングした後にゲート電極層を成膜し、ゲート電極層の加工を行ってゲートホールを形成していた従来の場合、ＧＮＦの異常成長によるゲート電極−カソード電極間の短絡、ゲートホール側壁へのカーボン系物質の付着によるゲート電極−カソード電極間の耐電圧低下が発生し、安定な製造プロセスを効率よく実施することが困難であった。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、ゲート電極−カソード電極間の短絡をなくし、かつゲートホール側壁へのカーボン系物質の付着が生じないようにした炭素系超微細冷陰極およびその製造方法を提供することにある。

本発明の炭素系超微細冷陰極は、基板上にカソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびＧＮＦ層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極において、ゲート電極層のゲートホール開口部の径が絶縁層に設けたゲートホールの径よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の炭素系超微細冷陰極の製造方法は、基板上にカソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびＧＮＦ層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極の製造方法において、基板上に、カソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびレジスト層を順次成膜し、ゲートマスクを用いてゲート電極層を加工してゲートホール開口部を形成し、次いで新しいレジスト層を成膜し、パターニングし、このパターンを用いて絶縁層のエッチングを行い、形成するゲートホールの径がゲートホール開口部の径よりも小さくなるようにゲートホールを形成し、このゲートホールの底部と該新しいレジスト層の上に触媒金属層を成膜した後、該新しいレジスト層およびこのレジスト層上の触媒金属層を除去し、次いで、熱ＣＶＤ法によりゲートホールの底部に残った触媒層上にＧＮＦを成長させることを特徴とする。

上記したように構成することにより、ゲートホール形成後に触媒金属層の成膜処理を行い、ゲート電極層−カソード電極間の短絡やゲートホール側壁へのカーボン系物質の付着を全く気にすることなく、安定に安心して製造可能となる。

なお、上記製造方法では、マスクをゲート電極用とゲートホール用とに分割して用い、また、ゲート電極層形成後に触媒金属層を成膜させている。これに対し、従来技術では、ゲート電極形成時には１枚のマスクでゲート電極層を形成していた。

本発明の製造方法により、ゲート電極層の汚染を気にすることもなく、絶縁層を薄くすることが可能であり、また、低電圧にて駆動できる構造の冷陰極を提供できる。

本発明によれば、ＧＮＦの異常成長によるゲート電極−カソード電極間の短絡、ホール側壁へのカーボン系物質の付着による耐電圧の低下の問題が解決されるという効果を奏する。

ゲートホール形成後に触媒金属層を成膜するため、また、ゲートホール形成時絶縁層とゲート電極層との界面がレジスト層によりカバーされているため、プロセス中に汚染が発生しないという効果を奏する。

また、絶縁層を薄くすること（３μｍ→１μｍ）が可能となり、ＧＮＦ駆動電圧が約半分（８０Ｖ→４０Ｖ）に低減でき、駆動回路が安価になり、大型基板で安いＦＥＤパネルが期待できる。

また、触媒金属層も厚くすることが可能となり、ＧＮＦからの電子放出出力のアップが可能となる。

さらに、本発明の炭素系超微細冷陰極は、高電子出力が可能であり、また、効率よく安定に製造できる。

さらにまた、製造面からしても、プロセス中の汚染等の問題が解決でき、かつ量産化への問題点を克服することができるという効果を奏する。

以下、本発明の炭素系超微細冷陰極（カソード基板）におけるＧＮＦを熱ＣＶＤ法で成長させるための熱ＣＶＤ装置の一例について説明する。

この装置は、図２に示すように、真空容器内部にカソード基板１１を載置してＧＮＦ成長を行うものであり、この真空容器には、Ｌ／Ｌチャンバ１２および真空ポンプ１３が接続されており、容器上方には基板１１のみを加熱することが可能な赤外線ランプ１４が設置されている。Ｌ／Ｌチャンバ１２には真空ポンプ１５が接続されている。また、Ｌ／Ｌチャンバ１２を経て真空容器内へ被処理物を搬送できるように、このチャンバには搬送ロボット１６が連結されている。本装置は、ＧＮＦ成長用ガス、例えばＣＯ＋Ｈ_２混合ガス１７を真空容器内へ導入し、本発明のカソード基板上でＧＮＦを成長せしめるように構成されている。

次に、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

ゲート電極層を持つ冷陰極（カソード基板）の作製方法は、図３(ａ)〜(ｆ)に示すような半導体加工技術を用いて行われている。すなわち、カソード電極層(母線)２２付ガラス基板２１上に１μｍ厚さの絶縁層２３、ゲート電極層２４、およびレジスト層２５を順次成膜し(図３(ａ))、ゲートマスクを用いてゲート電極層２４をパターニングして直径１０μｍのゲートホール開口部が形成されたゲート電極層を作製した(図３(ｂ))。その後、犠牲層(フォトレジスト層)２６を形成し、直径１０μｍのゲートホール開口部内に直径５μｍのホールを持つようにパターニングした(図３(ｃ))。このパターンを用いて絶縁層２３のウエットエッチング（ホールマスク使用）を行って、ゲートホールを形成した(図３(ｄ))。この時、ゲートホールとゲート電極層との寸法は十分余裕があるようにマスク寸法を決めることが重要である。この場合のゲートホール周辺の状態は、図３(ｄ)に示されたように、ゲート電極層２４が絶縁層２３より引っ込んでいる、すなわちゲート電極層のゲートホール開口部の径がゲートホールの径より大きくなるようにエッチングされている。これはレジスト２６のパターンに依る。次いで、ゲートホールの底部とレジスト層２６の上に触媒金属層２７を２５ｎｍ成膜し(図１(ｅ))、最後にレジスト２６およびレジスト上の触媒金属層２７を除去した。このように処理された基板を用い、図２に示す熱ＣＶＤ装置により、低温合成が可能なＣＯガスとＣＯガス触媒反応を促進させるためのＨ_２ガスとの混合ガス（ＣＯ／Ｈ_２＝５０％／５０％）を導入して、５５０℃で５分間の間、ゲートホールの底部に残った触媒層２７上にＧＮＦ２８を成長させ、カソード基板を作製した。

かくして得られたＧＮＦ成長後のサンプルの断面ＳＥＭ写真を図４に示す。サンプルのゲート電極−カソード電極間短絡を調べたところ、全面に渡り高抵抗であり、短絡していなかった。このサンプルを用い、ゲート駆動によるＩ−Ｖ特性評価を行ったところ、ＧＮＦ駆動電圧が８０Ｖから４０Ｖに低減でき、ゲート効率は８０％以上を示した。

本発明によれば、ＧＮＦの異常成長によるゲート電極−カソード電極間の短絡やホール側壁へのカーボン系物質の付着がなく、また、絶縁膜を薄く成膜することができる炭素系超微細冷陰極を提供できるので、特に真空デバイス用途、ディスプレイ用途等において従来より大幅に低電圧化できる冷陰極として適用可能である。

従来のＧＮＦ冷陰極製造プロセスの概要を示すフロー図。熱ＣＶＤ法で用いる装置の一例の概要を示す構成図。本発明のＧＮＦ冷陰極の構造と基板作製プロセスの概要を示すフロー図。実施例１で得られたサンプルの断面ＳＥＭ写真。

符号の説明

１ガラス基板２カソード電極層
３触媒金属層４絶縁層
５ゲート電極層６レジスト層
７成長したＧＮＦ１１カソード電極
１２Ｌ／Ｌチャンバ１３真空ポンプ
１４赤外線ランプ１５ゲート電極層
１６搬送ロボット１７ＣＯ＋Ｈ_２混合ガス
２１ガラス基板２２カソード電極層
２３絶縁層２４ゲート電極層
２５レジスト層２６レジスト層
２７触媒金属層２８成長したＧＮＦ

Claims

基板上にカソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびＧＮＦ層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極において、ゲート電極層のゲートホール開口部の径が絶縁層に設けたゲートホールの径よりも大きいことを特徴とする炭素系超微細冷陰極。
基板上にカソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびＧＮＦ層を少なくとも有する炭素系超微細冷陰極の製造方法において、基板上に、カソード電極層、絶縁層、ゲート電極層、およびレジスト層を順次成膜し、ゲートマスクを用いてゲート電極層を加工してゲートホール開口部を形成し、次いで新しいレジスト層を成膜し、パターニングし、このパターンを用いて絶縁層のエッチングを行い、形成するゲートホールの径がゲートホール開口部の径よりも小さくなるようにゲートホールを形成し、このゲートホールの底部と該新しいレジスト層の上に触媒金属層を成膜した後、該新しいレジスト層およびこのレジスト層上の触媒金属層を除去し、次いで、熱ＣＶＤ法によりゲートホールの底部に残った触媒層上にＧＮＦを成長させることを特徴とする炭素系超微細冷陰極の製造方法。