JP2008097858A - Field emission element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微小な突起状のエミッタを備えた電界放出素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a field emission device having a minute protruding emitter and a method of manufacturing the same.
表示装置における電子放出源や、SEM、TEM、電子線リソグラフィー装置等の電子放出源には、スピント型エミッタを有する電界放出素子が用いられている。この電界放出素子は、特許文献1や非特許文献2に示されるように、円錐形状のエミッタとこれを取り囲むようにして形成された電子引き出し用のゲート電極等から構成されており、エミッタとゲート電極との間に電圧を印加すると、エミッタの先端に大きな電界が加わり、電子放出が起きる。
A field emission element having a Spindt-type emitter is used for an electron emission source in a display device and an electron emission source such as an SEM, TEM, or electron beam lithography apparatus. As shown in
上記スピント型エミッタの作製方法の一つとして、特許文献1の図9や非特許文献2に示されるように、犠牲層(剥離層)を用いてエミッタ電極材料を蒸着することにより、エミッタを形成する方法がある。
As one of the methods for manufacturing the Spindt-type emitter, as shown in FIG. 9 of
しかし、犠牲層を形成する際に、エミッタ給電膜やゲート開孔部内の絶縁膜内壁面に付着しないように、基板を回転させながら、斜め方向から蒸着するという、特殊な製造工程が存在するため、パネルの対角長の数倍の高さの大型蒸着装置を必要するという問題があった。また、円錐形状にエミッタを仕上げる際、基板を回転させながら、エミッタ金属材料を蒸着しなければならないという難しい技術が要求される。 However, when the sacrificial layer is formed, there is a special manufacturing process in which evaporation is performed from an oblique direction while rotating the substrate so that it does not adhere to the inner wall surface of the insulating film in the emitter feeding film or the gate opening. There is a problem that a large vapor deposition apparatus having a height several times the diagonal length of the panel is required. In addition, when finishing the emitter in a conical shape, a difficult technique is required in which the emitter metal material must be deposited while rotating the substrate.
一方、円錐形状にエミッタを形成する場合、特許文献1の図1に示されるように、等方性のドライエッチングにより、円柱構造を形成した後、異方性のウエットエッチングを行って円錐形状を形成する方法がある。
上記従来技術のうち、等方性のドライエッチングにより、円柱構造を形成した後、異方性のウエットエッチングを行って円錐形状を形成する方法は、犠牲層を設ける方法とは異なり、特殊な難しい技術が要求される工程が存在せず、製造は行いやすくなるが、エミッタ先端を針状に先鋭化することが困難である。これは、犠牲層を設ける電界放出素子の形成方法でも同じである。 Among the above-mentioned conventional techniques, the method of forming a conical shape by performing anisotropic wet etching after forming a columnar structure by isotropic dry etching is specially difficult, unlike the method of providing a sacrificial layer There is no process that requires technology, and manufacturing is easy, but it is difficult to sharpen the tip of the emitter into a needle shape. The same applies to the method of forming a field emission device in which a sacrificial layer is provided.
エミッタの先端が先鋭化されていないと、エミッタ先端に電界集中が行われにくくなり、電界強度が弱くなるので、多くの電子を放出させるためには、駆動電圧を高くしなければならないという問題があった。 If the tip of the emitter is not sharpened, it becomes difficult to concentrate the electric field on the tip of the emitter and the electric field strength is weakened. Therefore, in order to emit many electrons, there is a problem that the drive voltage must be increased. there were.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、突起状エミッタの作製を容易にするとともに、エミッタ先端を先鋭化して電界強度を高めた電界放出素子とその製造方法を提供することを目的としている。 The present invention was devised to solve the above-described problems, and provides a field emission device that facilitates the fabrication of a protruding emitter and sharpens the tip of the emitter to increase the electric field strength, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、突起状のエミッタを備えた電界放出素子であって、前記エミッタは、側面が内側に湾曲した角錐形状に形成されていることを特徴とする電界放出素子である。
In order to achieve the above object, the invention according to
また、請求項2記載の発明は、前記角錐形状の先端部の広がり角度は、10度以下であることを特徴とする請求項1記載の電界放出素子である。
The invention according to
また、請求項3記載の発明は、エミッタ用金属層に環状の開口部を有するマスクを形成する第1工程と、異方性のドライエッチングにより前記開口部からエミッタ用金属層を途中までエッチングする第2工程と、前記第2工程終了後に、等方性のウエットエッチングによりエミッタ用金属層の一部を突起状とし、エミッタを形成する第3工程とを備えたことを特徴とする電界放出素子の製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, a first step of forming a mask having an annular opening in the emitter metal layer, and etching the emitter metal layer halfway through the opening by anisotropic dry etching A field emission device comprising: a second step; and a third step of forming an emitter by forming a part of the emitter metal layer by isotropic wet etching after completion of the second step. It is a manufacturing method.
また、請求項4記載の発明は、前記第1工程におけるマスクの開口部は、前記第3工程で形成されるエミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されていることを特徴とする請求項3記載の電界放出素子の製造方法である。 The invention according to claim 4 is characterized in that a plurality of openings of the mask in the first step are arranged so as to surround the top vertex of the emitter formed in the third step. This is a method for manufacturing the field emission device.
また、請求項5記載の発明は、前記エミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されているマスクの開口部は3又は4個であることを特徴とする請求項4記載の電界放出素子の製造方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field emission device according to the fourth aspect, wherein the number of openings of a plurality of masks arranged so as to surround the top apex of the emitter is three or four. It is.
本発明によれば、環状の開口部を複数有するマスクをエミッタ用金属層上に形成した後に、異方性のドライエッチングをエミッタ用金属層の途中まで行い、その後等方性のウエットエッチングを行ってエミッタを作製しているので、角錐形状のエミッタが形成され、その側面(角錐面)が内側に湾曲した形状となって、エミッタ先端の広がり角度は小さくなり非常に鋭くなるので、エミッタ先端の電界強度を高めることができ、駆動電圧を低減することができる。 According to the present invention, after forming a mask having a plurality of annular openings on the emitter metal layer, anisotropic dry etching is performed partway through the emitter metal layer, and then isotropic wet etching is performed. Since the emitter is manufactured in this way, a pyramid-shaped emitter is formed, and its side surface (pyramidal surface) is curved inward, and the spread angle of the emitter tip becomes small and very sharp. The electric field strength can be increased and the driving voltage can be reduced.
また、特殊な製造工程や大型の装置も必要とせず、技術的に難しい作業が存在しないので、エミッタの作製を容易にすることができる。 In addition, no special manufacturing process or large apparatus is required, and there are no technically difficult operations, so that the emitter can be easily manufactured.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は本発明の電界放出素子の製造方法の主たる工程と、エミッタ側面の断面形状について示したものである。図1(a)のように、ガラス基板1上にエミッタ用金属層2を積層し、さらに環状の開口部3aを有するレジスト(マスク)3をエミッタ用金属層2上に形成する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the main steps of the method for manufacturing a field emission device of the present invention and the cross-sectional shape of the side surface of the emitter. As shown in FIG. 1A, an
次に、図1(b)に示すように、異方性のドライエッチングにより、レジスト3の開口部3aからエミッタ用金属層2の途中まで削り、凹部を形成する。この凹部は、底面の方向へ狭くなっていく錐台形状に形成される。その後、図1(c)に示すように、等方性のウエットエッチングを用いて、エミッタ用金属層2の突起状部分を作製し、図1(d)に示すように、レジスト3を剥離すれば、エミッタ用金属層2の一部が突起状のエミッタ2aとして形成される。また、エミッタ用金属層2の下部領域の2bは、カソード電極として用いられる。
Next, as shown in FIG. 1B, by anisotropic dry etching, the
エミッタ2aは、3角錐や4角錐等の角錐形状を有しており、錐体面(側面)が、図1(d)に示すように、直線状でなく、内側に湾曲した形状となっている。このように、内側に湾曲した錐体面を持つように形成することで、エミッタ2aの頭頂点の広がり角度を非常に小さくすることができ、鋭い先端を形成することができる。また、エミッタ用金属層2は、エミッタ2aの形成のみならず、カソード電極2bの形成にも用いられ、材料としては仕事関数の低いMo(モリブテン)やCr(クロム)等が用いられる。
The
図1に示されている環状の開口部3aを有するレジスト(マスク)3の具体例を図2、3に示す。また、図16は、電界放出素子が2次元状に形成された電界放出装置の一部の構成を示したものであるが、ストライプ状のカソード電極2bとストライプ状のゲート電極5aとが縦横にクロスした領域に、例えば図2、3に示すような全体が正方形状のマスクを用いれば、エミッタ2aを作製することができる。
Specific examples of the resist (mask) 3 having the
図2、3では、レジスト3に設けられている開口部3aは、円形状としている。開口部3は、楕円のような形状でも良いが、最終的に形成されるエミッタの形状や、先端部の広がり角度を考えれば、円形状とするのが望ましい。また、図2、3で×の印を付けているのは、突起状エミッタ2aの頭頂点位置を示す。比較のために、図2、3ともに、レジスト3の面積は同じとし、開口部3aの面積も同じものにしている。
2 and 3, the opening 3a provided in the
図2では、円形状の開口部3aが正方形状に並んでおり、エミッタ2aの頭頂点位置(×印)を囲むようにして4個の開口部3aが配置された構造となっている。このように、開口部3aを並べた場合は、開口部3aからエッチングが円形状に奥の方へ拡がって進んでいくので、上から見たエミッタ形状は、図の破線で示すように四角形状となり、全体のエミッタ形状は四角錐体となる。
In FIG. 2, the
一方、図3では、円形状の開口部3aが上列と下列では互い違いになるように並んでおり、エミッタ2aの頭頂点位置(×印)を囲むようにして3個の開口部3aが配置された構造となっている。このように、開口部3aを並べた場合は、開口部3aからエッチングが円形状に奥の方へ拡がって進んでいくので、上から見たエミッタ形状は、図の破線で示すように三角形状となり、全体のエミッタ形状は三角錐体となる。
On the other hand, in FIG. 3, the
ところで、図2よりも図3の方が、エミッタ2aの頭頂点位置(×印)の数が多い。これは、作製するエミッタの形状と関連性があり、エミッタ形状を三角錐体とした場合が、開口部3aの配置密度を最も高めることができ、エミッタの個数を最も多く作製することができるためである。
By the way, the number of top vertex positions (x marks) of the
次に、図2、3のようなレジストを用いて電界放出素子を製造する方法を図4〜図14を用いて具体的に説明する。図4〜図14は、図15、16に示される電界放出装置の電界放出素子が形成される領域を取り出して示したものである。 Next, a method for manufacturing a field emission device using a resist as shown in FIGS. 2 and 3 will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 14 show the regions where the field emission elements of the field emission device shown in FIGS. 15 and 16 are formed.
まず、図4に示すように、ガラス基板1上にエミッタを作製するためのエミッタ用金属層2をスパッタ等により積層する。このエミッタ用金属層2は、最終的にエミッタの作製とカソード電極(陰極)の作製の両方に用いられる。エミッタ用金属層2は、図15に示される電界放出装置におけるカソード電極2bと同じように、ストライプ状に複数ライン形成される。
First, as shown in FIG. 4, an
エミッタ用金属層2の上には、エミッタ形成用のレジスト3を塗布する。その後、露光を行い、レジスト3のパターニングを行い、図5のように円形状の開口部3aを形成する。 エミッタ用金属層2にMoを用いた場合には、エッチングガスとしてCF4を用いたRIEよる異方性ドライエッチングを行い、図6に示すように、底面側の面積が小さい円錐台形状の凹部を形成する。凹部の断面は、図6のようになるが、このとき、凹部の側面には、鉛直方向との間に傾斜角度θ1が発生する。
An emitter forming resist 3 is applied on the
次に、H3PO4(リン酸)とHNO3(硝酸)を1:1の割合で混合した溶液を用いて等方性のウエットエッチングを行い、図7に示す形状にエミッタ用金属層2を加工する。エミッタ用金属層2の一部が突起状に形成され、この突起状部分がエミッタ2aとなる。
Next, isotropic wet etching is performed using a solution in which H 3 PO 4 (phosphoric acid) and HNO 3 (nitric acid) are mixed at a ratio of 1: 1, and the
上記等方性のウエットエッチングにより、エミッタ2aの側面は、直線状ではなく、内側に湾曲する形状に形成されるので、エミッタ2a先端の広がり角度θ2を狭くすることができる。また、エミッタ2a先端の広がり角度θ2は、θ2≒2×θ1となるので、図6の工程でθ1を小さくすれば、θ2も小さくなり、エミッタ2aの先端は、非常に鋭くすることができる。このエミッタ2a先端の広がり角度θ2は、10度以下の範囲で作製することができ、5度程度までは小さくすることができる。
By the isotropic wet etching, the side surface of the
その後、図8のように、レジスト3を有機溶剤による超音波洗浄等で除去する。次に、図9に示すように、SiO2等の絶縁膜4をエミッタ用金属層2の上に積層する。このとき、絶縁膜4の積層部分のベースの高さH1がエミッタ2aの頭頂点までの高さH2よりも高くなるように、堆積させる。そして、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりウエハ全体を回転研磨して図10に示すように、ウエハ表面を平坦化する。この場合、後述するゲート電極とエミッタ2a先端との距離を考慮して研磨する。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the resist 3 is removed by ultrasonic cleaning with an organic solvent or the like. Next, as shown in FIG. 9, an insulating film 4 such as SiO 2 is laminated on the
次に、図11に示すように、研磨された絶縁膜4の表面にゲート用金属層5をスパッタにより積層する。ゲート用金属層5は、エミッタ用金属層2と同様、MoかCrが用いられる。また、ゲート用金属層5とエミッタ用金属層2とはいずれもストライプ状に形成され、図15に示すように、縦横にクロスするように形成される。
Next, as shown in FIG. 11, a
レジスト6をゲート用金属層5上に塗布し、露光を行い、レジスト6のパターニングを行い、図12のように、円形状の開口部を形成する。その後、ウエットエッチングを行って、ゲート用金属層5の一部を除去し、さらに、エミッタ2aを露出させるためのウエットエッチングを行い、図13に示すように、エミッタホール7を作製して、エミッタ2aの先端部分を露出させる。
A resist 6 is applied on the
ここで、ゲート用金属層5にMoを用いた場合は、H3PO4(リン酸)とHNO3(硝酸)を1:1の割合で混合した溶液を用いて等方性のウエットエッチングを行い、SiO2の絶縁膜4のウエットエッチングには、緩衝フッ酸溶液を用いる。最後に、レジスト6を除去して図14のように、ゲート電極5a、エミッタ2a、カソード電極2bで構成される電界放出素子が完成する。
Here, when Mo is used for the
ここで、電界放出素子が2次元的に並べられた電界放出装置全体の概略図は、およそ、図15のようになるのであるが、図16にエミッタ2aが形成されている部分を拡大して示す。なお、図14に示されるように、断面図で3個のエミッタ2aを作製している場合には、図16において、ゲート電極5aとカソード電極2bとがクロスしている領域には、3×3のエミッタホール7とエミッタ2aが形成される。
Here, a schematic diagram of the entire field emission device in which the field emission elements are arranged two-dimensionally is as shown in FIG. 15, but the portion where the
1 ガラス基板
2 エミッタ用金属層
3 レジスト
3a 開口部
4 絶縁膜
5 ゲート用金属層
6 レジスト
7 エミッタホール
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記エミッタは、側面が内側に湾曲した角錐形状に形成されていることを特徴とする電界放出素子。 A field emission device having a protruding emitter,
The field emission device according to claim 1, wherein the emitter is formed in a pyramid shape with side surfaces curved inward.
異方性のドライエッチングにより前記開口部からエミッタ用金属層を途中までエッチングする第2工程と、
前記第2工程終了後に、等方性のウエットエッチングによりエミッタ用金属層の一部を突起状とし、エミッタを形成する第3工程とを備えたことを特徴とする電界放出素子の製造方法。 A first step of forming a mask having an annular opening in the emitter metal layer;
A second step of etching the metal layer for emitter partway through the opening by anisotropic dry etching;
A method of manufacturing a field emission device, comprising: a third step of forming an emitter by forming a part of a metal layer for emitter by isotropic wet etching after the second step is completed.
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JP2006274964A JP2008097858A (en) | 2006-10-06 | 2006-10-06 | Field emission element and its manufacturing method |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105386074A (en) * | 2015-11-17 | 2016-03-09 | 上海交通大学 | Emission needle wetting method and automatic wetting device thereof |
-
2006
- 2006-10-06 JP JP2006274964A patent/JP2008097858A/en not_active Withdrawn
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