JP2013235799A - Method of manufacturing field emission electron source - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a field emission electron source capable of further improving electron emission characteristics and reliability respectively.SOLUTION: A method of manufacturing a field emission electron source comprising a first electrode 2, a second electrode 7 opposed to the first electrode 2, and a strong field drift layer 6 provided between the first electrode 2 and the second electrode 7, and being capable of emitting electrons via the second electrode 7, includes: a first step of forming a semiconductor layer 3 on one surface side of the first electrode 2; a second step of forming a porous semiconductor layer 4 by making at least a part of the semiconductor layer 3 porous by anode oxidation treatment; a third step of forming the strong field drift layer 6 by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer 4; and a fourth step of forming the second electrode 7. The method includes a fifth step of removing impurities remaining on the strong field drift layer 6 by utilizing supercritical fluid, after the fourth step.

Description

本発明は、電界放射型電子源の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a field emission electron source.

従来から、導電性基板と、この導電性基板の一表面側に形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備えた電界放射型電子源が知られている(例えば、特許文献1)。この電界放射型電子源は、表面電極が導電性基板に対して高電位側となるように表面電極と導電性基板との間に電圧を印加することにより、導電性基板から強電界ドリフト層に注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし、表面電極を通して放出される。なお、この種の電界放射型電子源では、導電性基板の少なくとも一部が、下部電極(第1電極)を構成し、表面電極が、上部電極(第2電極)を構成している。   Conventionally, a conductive substrate, a strong electric field drift layer made of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer are provided. A field emission electron source is known (for example, Patent Document 1). In this field emission electron source, a voltage is applied between the surface electrode and the conductive substrate so that the surface electrode is on the high potential side with respect to the conductive substrate, so that the strong electric field drift layer is formed from the conductive substrate. The injected electrons drift through the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode. In this type of field emission electron source, at least a part of the conductive substrate constitutes the lower electrode (first electrode), and the surface electrode constitutes the upper electrode (second electrode).

ところで、特許文献1には、電界放射型電子源の電子放出特性および信頼性を向上できる製造方法が提案されている。この製造方法は、導電性基板の一表面側に半導体層を形成する第1の工程と、陽極酸化処理にて上記半導体層の少なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する第2の工程と、多孔質半導体層を酸化若しくは窒化することにより強電界ドリフト層を形成する第3の工程とを有している。さらに、この製造方法は、第2の工程と第3の工程との間、第3の工程の後の少なくとも1段階で導電性基板の一表面側に残留している水分を超臨界流体を利用して除去する超臨界乾燥工程を有している。   By the way, Patent Document 1 proposes a manufacturing method capable of improving the electron emission characteristics and reliability of a field emission electron source. In this manufacturing method, a porous semiconductor layer is formed by making at least a part of the semiconductor layer porous by a first step of forming a semiconductor layer on one surface side of a conductive substrate and anodizing treatment. A second step and a third step of forming a strong electric field drift layer by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer. Further, this manufacturing method uses a supercritical fluid for moisture remaining on one surface side of the conductive substrate in at least one stage after the third process between the second process and the third process. And a supercritical drying step for removing the same.

特開2002−352705号公報JP 2002-352705 A

電界放射型電子源は、上述の製造方法を採用することにより電子放出特性および信頼性が向上するが、電子放出特性および信頼性それぞれのより一層の向上が期待されている。   The field emission electron source is improved in electron emission characteristics and reliability by adopting the above-described manufacturing method, but further improvements in the electron emission characteristics and reliability are expected.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、電子放出特性および信頼性それぞれのより一層の向上を図ることが可能な電界放射型電子源の製造方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a field emission electron source capable of further improving the electron emission characteristics and reliability. It is.

本発明の電界放射型電子源の製造方法は、第1電極と、前記第1電極に対向した第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間にある強電界ドリフト層とを備え、前記第2電極を通して電子を放出可能な電界放射型電子源の製造方法であって、前記第1電極の一表面側に半導体層を形成する第1の工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する第2の工程と、前記多孔質半導体層を酸化若しくは窒化することにより前記強電界ドリフト層を形成する第3の工程と、前記第2電極を形成する第4の工程とを備え、前記第4の工程の後に、前記強電界ドリフト層に残留している不純物を超臨界流体を利用して除去する第5の工程を備えることを特徴とする。   The method of manufacturing a field emission electron source according to the present invention includes: a first electrode; a second electrode opposed to the first electrode; and a strong electric field drift layer between the first electrode and the second electrode. A method of manufacturing a field emission electron source capable of emitting electrons through the second electrode, the first step of forming a semiconductor layer on one surface side of the first electrode, A second step of forming a porous semiconductor layer by making at least a portion of the semiconductor layer porous; and a third step of forming the strong electric field drift layer by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer. And a fourth step of forming the second electrode, and a fifth step of removing impurities remaining in the strong electric field drift layer using a supercritical fluid after the fourth step. It is characterized by providing.

この電界放射型電子源の製造方法において、前記第2の工程と前記第3の工程との間、前記第3の工程の後の少なくとも1段階で前記第1電極の前記一表面側に残留している水分および不純物を超臨界流体を利用して除去する超臨界乾燥工程を備えることが好ましい。   In this method of manufacturing a field emission electron source, it remains on the one surface side of the first electrode in at least one stage after the third step between the second step and the third step. It is preferable to provide a supercritical drying step of removing moisture and impurities that are present using a supercritical fluid.

本発明の電界放射型電子源の製造方法においては、電子放出特性および信頼性それぞれのより一層の向上を図ることが可能な電界放射型電子源を提供することが可能となる。   In the method for manufacturing a field emission electron source of the present invention, it is possible to provide a field emission electron source capable of further improving the electron emission characteristics and the reliability.

実施形態の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。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the field emission type electron source of embodiment. 実施形態の電界放射型電子源の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the field emission type electron source of an embodiment. (a)は実施形態の電界放射型電子源の一部破断した概略断面図、(b)は実施形態の電界放射型電子源の一部破断した他の概略断面図である。(A) is the schematic sectional drawing which the field emission type electron source of embodiment partly fractured, (b) is the other schematic sectional drawing which partly fractured the field emission type electron source of example embodiment. (a)は実施形態の電界放射型電子源の要部概略断面図、(b)は実施形態の電界放射型電子源の動作原理説明図である。(A) is a principal part schematic sectional drawing of the field emission type electron source of embodiment, (b) is an operation | movement principle explanatory drawing of the field emission type electron source of embodiment. 実施形態の電界放射型電子源の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the field emission type electron source of embodiment. 実施形態および比較例それぞれの電界放射型電子源の電子放出特性図である。It is an electron emission characteristic figure of the field emission type electron source of each of an embodiment and a comparative example.

本実施形態における電界放射電子源10は、図2〜図4に示すように、第1電極2と、この第1電極2に対向した第2電極7と、第1電極2と第2電極7との間にある強電界ドリフト層6とを備え、第2電極7を通して電子を放出可能なものである。ここで、第1電極2は、基板1の一表面側に形成されている。また、第1電極2と第2電極7とは、第1電極2の厚み方向に離れて配置されている。第2電極7の厚さは、10nm〜15nm程度の範囲で設定することが好ましい。   As shown in FIGS. 2 to 4, the field emission electron source 10 according to the present embodiment includes a first electrode 2, a second electrode 7 facing the first electrode 2, a first electrode 2, and a second electrode 7. And a strong electric field drift layer 6 between them, and can emit electrons through the second electrode 7. Here, the first electrode 2 is formed on one surface side of the substrate 1. Further, the first electrode 2 and the second electrode 7 are arranged apart from each other in the thickness direction of the first electrode 2. The thickness of the second electrode 7 is preferably set in the range of about 10 nm to 15 nm.

電界放射型電子源10は、第1電極2および第2電極7それぞれを帯状の形状としてある。また、電界放射型電子源10は、基板1の上記一表面上において複数の第1電極2が列設されており、強電界ドリフト層6を含む機能層16が基板1の上記一表面側において各第1電極2および基板1の上記一表面を覆うように形成されている。そして、電界放射型電子源10は、機能層16における第1電極2側とは反対の表面側において、複数の第2電極7が列設されている。これら複数の第2電極7は、第1電極2に交差する方向に列設されている。   In the field emission electron source 10, each of the first electrode 2 and the second electrode 7 has a band shape. In the field emission electron source 10, a plurality of first electrodes 2 are arranged on the one surface of the substrate 1, and the functional layer 16 including the strong electric field drift layer 6 is disposed on the one surface side of the substrate 1. Each of the first electrodes 2 and the substrate 1 are formed so as to cover the one surface. The field emission electron source 10 has a plurality of second electrodes 7 arranged in a row on the surface side of the functional layer 16 opposite to the first electrode 2 side. The plurality of second electrodes 7 are arranged in a direction intersecting the first electrode 2.

この電界放射型電子源10は、複数の第1電極2の群と複数の第2電極7の群とからなるマトリクス(格子)の格子点に、第1電極2と強電界ドリフト層6と第2電極7とを備えた電子源素子10aを配置したことに相当する。したがって、この電界放射型電子源10では、電圧を印加する第2電極7と第1電極2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となる。第1電極2の長手方向の両端部上には、パッド27が形成されている。また、第2電極7の長手方向の両端部上には、パッド28が形成されている。   The field emission electron source 10 includes a first electrode 2, a strong electric field drift layer 6, and a first electrode at lattice points of a matrix (lattice) including a plurality of first electrode 2 groups and a plurality of second electrode 7 groups. This corresponds to the arrangement of the electron source element 10 a having two electrodes 7. Therefore, in the field emission electron source 10, it is possible to emit electrons from a desired electron source element 10a by selecting a set of the second electrode 7 and the first electrode 2 to which a voltage is applied. Pads 27 are formed on both ends of the first electrode 2 in the longitudinal direction. Further, pads 28 are formed on both ends of the second electrode 7 in the longitudinal direction.

機能層16は、第1電極2の厚み方向において第1電極2と第2電極7との両方に重なる各領域の各々に、強電界ドリフト層6を備えている。また、機能層16は、強電界ドリフト層6以外の部分が、半導体層3により構成されている。機能層16は、半導体層3の一部が強電界ドリフト層6と第1電極2との間に介在している。機能層16は、強電界ドリフト層6と、半導体層3のうち強電界ドリフト層6と第1電極2との間に介在している部分3aとで、電子通過層を構成している。電子通過層は、第1電極2から注入された電子が第2電極7へ向って通過する層である。機能層16は、強電界ドリフト層6と第1電極2との間に半導体層3の一部が介在していない構成でもよい。すなわち、電子通過層は、強電界ドリフト層6のみにより構成してもよい。また、機能層16は、半導体層3のうち互いに隣り合う強電界ドリフト層6の間にある領域が、隣り合う電子源素子10a間でのクロストークの発生を抑制する素子分離部3bを構成している。   The functional layer 16 includes a strong electric field drift layer 6 in each of the regions overlapping both the first electrode 2 and the second electrode 7 in the thickness direction of the first electrode 2. In addition, the functional layer 16 is configured by the semiconductor layer 3 except for the strong electric field drift layer 6. In the functional layer 16, a part of the semiconductor layer 3 is interposed between the strong electric field drift layer 6 and the first electrode 2. The functional layer 16 constitutes an electron passage layer by the strong electric field drift layer 6 and the portion 3 a interposed between the strong electric field drift layer 6 and the first electrode 2 in the semiconductor layer 3. The electron passage layer is a layer through which electrons injected from the first electrode 2 pass toward the second electrode 7. The functional layer 16 may have a configuration in which a part of the semiconductor layer 3 is not interposed between the strong electric field drift layer 6 and the first electrode 2. In other words, the electron passage layer may be constituted only by the strong electric field drift layer 6. In the functional layer 16, a region between the adjacent strong electric field drift layers 6 in the semiconductor layer 3 constitutes an element isolation portion 3 b that suppresses the occurrence of crosstalk between adjacent electron source elements 10 a. ing.

また、電界放射型電子源10は、各第2電極7の幅方向の両側の各々に、第2電極7の長手方向に沿って配置され第2電極7に電気的に接続されたバス電極25を備えている。   In addition, the field emission electron source 10 is disposed along the longitudinal direction of the second electrode 7 on each side of the width direction of each second electrode 7 and is electrically connected to the second electrode 7. It has.

また、電界放射型電子源10は、機能層16のうち第2電極7の長手方向に沿った方向において隣り合う強電界ドリフト層6の間の素子分離部3b上に、素子分離部3bと第2電極7との間に介在する絶縁層8を備えている。電界放射型電子源10は、絶縁層8を備えていることにより、クロストークの発生をより抑制することが可能となる。絶縁層8は、シリコン酸化膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。   In addition, the field emission electron source 10 includes the element isolation unit 3b and the element isolation unit 3b on the element isolation unit 3b between the strong electric field drift layers 6 adjacent to each other in the direction along the longitudinal direction of the second electrode 7 in the functional layer 16. An insulating layer 8 is provided between the two electrodes 7. Since the field emission electron source 10 includes the insulating layer 8, it is possible to further suppress the occurrence of crosstalk. The insulating layer 8 is formed of a silicon oxide film, but is not limited thereto, and may be formed of, for example, a silicon nitride film or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. .

基板1は、絶縁性を有するガラス基板により構成してある。ガラス基板としては、例えば、無アルカリガラス基板や石英ガラス基板などを用いることができる。また、基板1としては、絶縁性のセラミック基板なども用いることができる。   The substrate 1 is composed of an insulating glass substrate. As the glass substrate, for example, an alkali-free glass substrate or a quartz glass substrate can be used. As the substrate 1, an insulating ceramic substrate or the like can be used.

第1電極2は、導電層により構成してある。第1電極2の厚さは、例えば、100nm〜400nm程度の範囲で設定することが好ましい。第1電極2を構成する導電層は、単層構造でもよいし、2層以上の多層構造でもよい。第1電極2は、多層構造を有する導電層により構成する場合、例えば、基板1上のTi膜と当該Ti膜上のW膜との積層膜を採用することができる。この場合、第1電極2は、例えば、厚さが50nmのTi膜と厚さが250nmのW膜との積層膜からなる導電層により構成することができる。導電層の材料としては、例えば、Cr,W,Ti,Ta,Ni,Al,Cu,Au,Pt,Moなどの金属あるいは合金あるいは金属間化合物(シリサイドなど)などを採用することができる。   The first electrode 2 is composed of a conductive layer. The thickness of the first electrode 2 is preferably set in a range of about 100 nm to 400 nm, for example. The conductive layer constituting the first electrode 2 may have a single layer structure or a multilayer structure of two or more layers. When the first electrode 2 is formed of a conductive layer having a multilayer structure, for example, a laminated film of a Ti film on the substrate 1 and a W film on the Ti film can be employed. In this case, the 1st electrode 2 can be comprised by the conductive layer which consists of a laminated film of Ti film | membrane with a thickness of 50 nm, and W film | membrane with a thickness of 250 nm, for example. As a material for the conductive layer, for example, a metal such as Cr, W, Ti, Ta, Ni, Al, Cu, Au, Pt, or Mo, an alloy, an intermetallic compound (silicide, or the like) can be employed.

機能層16は、各第1電極2と基板1の上記一表面とに跨って形成されている。要するに、機能層16は、各第1電極2および基板1の上記一表面を覆うように形成されている。機能層16は、基板1の上記一表面側に各第1電極2を形成した後に基板1の上記一表面側に成膜された半導体層3から形成されている。機能層16における強電界ドリフト層6は、半導体層3の一部を陽極酸化処理することで形成された多孔質半導体層を酸化若しくは窒化することにより形成されている。半導体層3は、ノンドープの多結晶シリコン層により構成することが好ましい。なお、本実施形態では、機能層16の厚さを1.5μmに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。機能層16の厚さは、例えば、0.5μm〜2μm程度の範囲で設定することが好ましい。   The functional layer 16 is formed across each first electrode 2 and the one surface of the substrate 1. In short, the functional layer 16 is formed so as to cover each surface of the first electrodes 2 and the substrate 1. The functional layer 16 is formed from the semiconductor layer 3 formed on the one surface side of the substrate 1 after the first electrodes 2 are formed on the one surface side of the substrate 1. The strong electric field drift layer 6 in the functional layer 16 is formed by oxidizing or nitriding a porous semiconductor layer formed by anodizing a part of the semiconductor layer 3. The semiconductor layer 3 is preferably composed of a non-doped polycrystalline silicon layer. In the present embodiment, the thickness of the functional layer 16 is set to 1.5 μm, but this numerical value is an example and is not particularly limited. The thickness of the functional layer 16 is preferably set in a range of about 0.5 μm to 2 μm, for example.

強電界ドリフト層6は、少なくとも、図4(b)に示すように、第1電極2(図4(a)参照)の厚み方向に沿って形成された複数のグレイン32と、各グレイン32それぞれの表面に形成された薄い第1の絶縁膜35と、互いに隣り合うグレイン32間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶半導体33と、微結晶半導体33それぞれの表面に形成され微結晶半導体33の結晶粒径よりも小さな膜厚の第2の絶縁膜34とを有している。電界放射型電子源10は、微結晶半導体33が、微結晶シリコンにより構成され、第1の絶縁膜35および第2の絶縁膜34が、シリコン酸化膜により構成されている。ここで、機能層16における素子分離部3bには、上述の微結晶半導体33や各絶縁膜34,35は形成されていない。   As shown in FIG. 4B, the strong electric field drift layer 6 includes a plurality of grains 32 formed along the thickness direction of the first electrode 2 (see FIG. 4A), and each of the grains 32. A thin first insulating film 35 formed on the surface of the semiconductor substrate, a large number of nanometer-order microcrystalline semiconductors 33 interposed between adjacent grains 32, and a microcrystalline semiconductor 33 formed on the surface of each microcrystalline semiconductor 33. A second insulating film 34 having a thickness smaller than the crystal grain size. In the field emission electron source 10, the microcrystalline semiconductor 33 is made of microcrystalline silicon, and the first insulating film 35 and the second insulating film 34 are made of a silicon oxide film. Here, the microcrystalline semiconductor 33 and the insulating films 34 and 35 are not formed in the element isolation portion 3 b in the functional layer 16.

第2電極7の厚さは、10〜15nm程度の範囲で設定することが好ましい。第2電極7は、機能層16側の第1導電層と、第1導電層に積層された第2導電層とで構成されている。第1導電層の材料としては、Crを採用しているが、Crに限らず、例えば、Ni,Pt,Ti,Zr,Rh,Hf,Irなどを採用してもよい。第2導電層の材料としては、Auが好ましい。なお、電界放射型電子源10は、第1導電層、第2導電層の厚さをそれぞれ2nm、10nmに設定してあるが、これらの数値に特に限定するものではない。   The thickness of the second electrode 7 is preferably set in the range of about 10 to 15 nm. The second electrode 7 includes a first conductive layer on the functional layer 16 side and a second conductive layer laminated on the first conductive layer. As the material of the first conductive layer, Cr is employed, but is not limited to Cr, and for example, Ni, Pt, Ti, Zr, Rh, Hf, Ir, or the like may be employed. As a material of the second conductive layer, Au is preferable. In the field emission electron source 10, the thicknesses of the first conductive layer and the second conductive layer are set to 2 nm and 10 nm, respectively, but are not particularly limited to these numerical values.

第2電極7の材料は、導電率が比較的高く且つ仕事関数が比較的小さく、耐酸化性に優れ化学的に安定な金属が好ましい。第2電極7は、2層構造に限らず、単層構造でもよい。   The material of the second electrode 7 is preferably a metal that has a relatively high conductivity, a relatively low work function, excellent oxidation resistance, and is chemically stable. The second electrode 7 is not limited to a two-layer structure, and may be a single-layer structure.

電子源素子10aから電子を放出させる場合には、例えば、図5に示すように、第2電極7が第1電極2に対して高電位側となるように第2電極7と第1電極2との間に直流の駆動電圧Vpsを印加すればよい。また、電界放射型電子源10の電子放出特性を測定する場合や、電界放射型電子源10を使用する場合などには、電界放射型電子源10に対向するコレクタ電極9を設け、コレクタ電極9が第2電極7に対して高電位側となるようにコレクタ電極9と第2電極7との間に直流の加速電圧Vcを印加することが好ましい。図5中の一点鎖線の矢印は、第2電極7を通して放出された電子eの流れを示す(図4(b)中の実線の矢印は、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電子eの流れを示す)。なお、第1電極2から強電界ドリフト層6に注入されて強電界ドリフト層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、第2電極7を容易にトンネルし放出される。つまり、強電界ドリフト層6では、第1電極2に対して第2電極7を高電位側としたときに作用する電界により第1電極2から第2電極7へ向かう向きへ電子が加速されてドリフトする量子効果が発現することになる。 When electrons are emitted from the electron source element 10a, for example, as shown in FIG. 5, the second electrode 7 and the first electrode 2 so that the second electrode 7 is on the high potential side with respect to the first electrode 2. A DC drive voltage Vps may be applied between the two. When measuring the electron emission characteristics of the field emission electron source 10 or using the field emission electron source 10, a collector electrode 9 facing the field emission electron source 10 is provided. It is preferable to apply a DC acceleration voltage Vc between the collector electrode 9 and the second electrode 7 so that is on the high potential side with respect to the second electrode 7. 5 indicates the flow of electrons e emitted through the second electrode 7 (the solid line arrow in FIG. 4B drifts through the strong electric field drift layer 6 and passes through the surface electrode 7). Shows the flow of emitted electrons e ). The electrons injected from the first electrode 2 into the strong electric field drift layer 6 and reaching the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the second electrode 7 and emitted. That is, in the strong electric field drift layer 6, electrons are accelerated in the direction from the first electrode 2 toward the second electrode 7 by the electric field that acts when the second electrode 7 is set to the high potential side with respect to the first electrode 2. A drifting quantum effect will appear.

各パッド27,28の材料としては、例えば、Al,Al−Si,Au,Pdなどを採用することができる。   As the material of each pad 27, 28, for example, Al, Al-Si, Au, Pd or the like can be adopted.

バス電極25の材料としては、例えば、AlやCuなどの抵抗率の小さな材料が好ましい。また、バス電極25の厚さ寸法は、第2電極7の厚さ寸法よりも大きいのが好ましい。   As a material of the bus electrode 25, for example, a material having a low resistivity such as Al or Cu is preferable. The thickness dimension of the bus electrode 25 is preferably larger than the thickness dimension of the second electrode 7.

以下の説明では、電子源素子10aにおいて第2電極7と第1電極2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9と第2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。電子源素子10aは、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〔%〕)が高い。電子源素子10aは、第2電極7と第1電極2との間に印加する駆動電圧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る。また、電子源素子10aは、電子放出特性の真空度依存性が小さい。また、電子源素子10aは、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。   In the following description, the current flowing between the second electrode 7 and the first electrode 2 in the electron source element 10a is referred to as a diode current Ips, and the current flowing between the collector electrode 9 and the second electrode 7 is referred to as an emission current ( This is called emission electron current (Ie). The electron source element 10a has a higher electron emission efficiency (= (Ie / Ips) × 100 [%]) as the ratio of the emission current Ie to the diode current Ips (= Ie / Ips) increases. The electron source element 10a can emit electrons even when the drive voltage Vps applied between the second electrode 7 and the first electrode 2 is a low voltage of about 10 to 20V. Further, the electron source element 10a has a small degree of vacuum dependency of electron emission characteristics. Further, the electron source element 10a can stably emit electrons without causing a popping phenomenon.

上述の電子源素子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。電子源素子10aから電子を放出させるには、例えば、第2電極7と第1電極2との間に第2電極7を高電位側として駆動電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極9と第2電極7との間にコレクタ電極9を高電位側として加速電圧Vcを印加する。すると、電子源素子10aでは、第1電極2から強電界ドリフト層6へ電子が熱的に励起されて注入される。そして、強電界ドリフト層6に注入された電子は、第2の絶縁膜34にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層6内でグレイン32の間の部分を第2電極7に向かってドリフトする。したがって、電子源素子10aは、駆動電圧Vpsが所定値(例えば、第2電極7の電位が仕事関数以上となる電圧)以上であれば、第2電極7に到達した電子が第2電極7をトンネルし真空中に放出される。強電界ドリフト層6中の各微結晶半導体33は、ボーア半径程度の大きさである。このため、微結晶半導体33表面の薄い第2の絶縁膜34にかかっている強電界で加速された電子は、強電界ドリフト層6中をほとんど散乱されることなくドリフトし、第2電極7を通して真空中に放出される。また、強電界ドリフト層6で発生した熱はグレイン32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、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、第2電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。この電子源素子10aは、真空中に限らず、大気中でも安定して電子を放出することができる。   In the above-described electron source element 10a, it is considered that electron emission occurs in the following model. In order to emit electrons from the electron source element 10a, for example, the drive voltage Vps is applied between the second electrode 7 and the first electrode 2 with the second electrode 7 at the high potential side, and the collector electrode 9 and the second electrode 7 An acceleration voltage Vc is applied between the electrode 7 and the collector electrode 9 as a high potential side. Then, in the electron source element 10a, electrons are thermally excited from the first electrode 2 and injected into the strong electric field drift layer 6. The electrons injected into the strong electric field drift layer 6 are accelerated by the strong electric field applied to the second insulating film 34, and the portion between the grains 32 in the strong electric field drift layer 6 is directed toward the second electrode 7. Drift. Therefore, when the driving voltage Vps is equal to or higher than a predetermined value (for example, a voltage at which the potential of the second electrode 7 is equal to or higher than the work function), the electron source element 10a causes the electrons that have reached the second electrode 7 to Tunnel and release into vacuum. Each microcrystalline semiconductor 33 in the strong electric field drift layer 6 is about the Bohr radius. For this reason, electrons accelerated by a strong electric field applied to the thin second insulating film 34 on the surface of the microcrystalline semiconductor 33 drift in the strong electric field drift layer 6 with almost no scattering, and pass through the second electrode 7. Released into vacuum. Further, since the heat generated in the strong electric field drift layer 6 is dissipated through the grains 32, no popping phenomenon occurs during electron emission, and electrons can be stably emitted. The electrons reaching the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the second electrode 7 and released into the vacuum. The electron source element 10a can stably emit electrons not only in a vacuum but also in the atmosphere.

以下、電界放射型電子源10の製造方法について図1を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the field emission electron source 10 will be described with reference to FIG.

電界放射型電子源10の製造にあたっては、まず、基板1を準備する(図1(a))。なお、基板1は、電界放射型電子源10を複数形成することが可能なウェハ状態のものが好ましい。また、基板1の厚さは、0.7mmとしたが、特に限定するものではない。   In manufacturing the field emission electron source 10, first, the substrate 1 is prepared (FIG. 1A). The substrate 1 is preferably in a wafer state in which a plurality of field emission electron sources 10 can be formed. Moreover, although the thickness of the board | substrate 1 was 0.7 mm, it does not specifically limit.

基板1を準備した後には、基板1の上記一表面側に第1電極2を形成する第1電極形成工程を行うことによって、図1(b)に示す構造を得る。第1電極形成工程では、例えば、基板1の上記一表面側の全面に第1電極2の基礎となる導電層を、スパッタ法や蒸着法などにより成膜してから、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層をパターニングすることで第1電極2を形成する。また、第1電極形成工程では、リフトオフ法とスパッタ法とを利用して第1電極2を形成するようにしてもよい。導電層としては、例えば、基板1の上記一表面上のTi膜と、このTi膜上のW膜との積層膜を採用しているが、導電層として単層膜を採用してもよい。   After the substrate 1 is prepared, a structure shown in FIG. 1B is obtained by performing a first electrode forming step of forming the first electrode 2 on the one surface side of the substrate 1. In the first electrode forming step, for example, a conductive layer serving as a basis of the first electrode 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 on the one surface side by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like, and then a photolithography technique and an etching technique. The first electrode 2 is formed by patterning the conductive layer using the above. In the first electrode formation step, the first electrode 2 may be formed using a lift-off method and a sputtering method. As the conductive layer, for example, a laminated film of a Ti film on the one surface of the substrate 1 and a W film on the Ti film is employed, but a single layer film may be employed as the conductive layer.

第1電極形成工程の後には、基板1の上記一表面側にノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層3を形成する半導体層形成工程を行うことにより、図1(c)に示す構造を得る。半導体層形成工程では、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によってノンドープの多結晶シリコン層あるいはアモルファスシリコン層を成膜してから、アニール処理を行うことで半導体層3を形成するようにしている。アニール処理は、例えば、Hガス雰囲気中、Nガス雰囲気中あるいはHガスとNガスとの混合ガス雰囲気中などで行えばよい。また、多結晶シリコン層の形成方法は、プラズマCVD法に限らず、例えば、CGS(Continuous Grain Silicon)法や触媒CVD法などを採用してもよい。半導体層3の厚さは、1.5μmに設定してあるが、特に限定するものではない。なお、本実施形態では、半導体層形成工程が、第1電極2の一表面側に半導体層3を形成する第1の工程を構成している。 After the first electrode forming step, a semiconductor layer forming step for forming a semiconductor layer 3 made of a non-doped polycrystalline silicon layer on the one surface side of the substrate 1 is performed to obtain the structure shown in FIG. . In the semiconductor layer forming step, a non-doped polycrystalline silicon layer or an amorphous silicon layer is formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), and then the semiconductor layer 3 is formed by annealing. The annealing process may be performed, for example, in an H 2 gas atmosphere, an N 2 gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere of H 2 gas and N 2 gas. The method for forming the polycrystalline silicon layer is not limited to the plasma CVD method, and for example, a CGS (Continuous Grain Silicon) method, a catalytic CVD method, or the like may be employed. The thickness of the semiconductor layer 3 is set to 1.5 μm, but is not particularly limited. In the present embodiment, the semiconductor layer forming step constitutes a first step of forming the semiconductor layer 3 on the one surface side of the first electrode 2.

半導体層3を形成した後には、半導体層3における多孔質半導体層4の形成予定領域以外の表面を覆うレジスト層(図示せず)をフォトリソグラフィ技術を利用して形成するレジスト層形成工程を行う。このレジスト層形成工程の後には、陽極酸化処理にて半導体層3の少なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層4を形成する陽極酸化処理工程を行うことによって、図1(d)に示す構造を得る。陽極酸化処理では、まず、所定の電解液の入った処理槽(図示せず)を準備し、半導体層3の表面が電解液に接した状態で、半導体層3の表面側に白金電極などからなる陰極(図示せず)を対向配置する。次に、陽極酸化処理では、陰極と第1電極2との間に電圧を印加して、第1の所定の電流密度の定電流を第1の所定時間だけ流すことによって、多孔質半導体層4を形成する。陽極酸化処理工程では、半導体層3のうち、第1電極2の厚み方向において第1電極2に重なる部分に、所定厚さ寸法の多孔質半導体層4が形成されるが、第1電極2に重ならない部分では半導体層3がそのまま残存する。多孔質半導体層4の所定厚さ寸法は、陽極酸化処理工程前の半導体層3の厚さ寸法よりも小さく設定してあるが、同じ値に設定してもよい。陽極酸化処理においては、半導体層3の半導体材料がシリコンなので、電解液として、例えば、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した混合液からなるフッ酸系溶液を用いることができる。フッ化水素水溶液の濃度やエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体も、エタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール(IPA)などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。また、電解液は、半導体層3の半導体材料に応じて適宜の混合液を用いればよい。また、陽極酸化処理においては、第1の所定の電流密度を12mA/cm、第1の所定時間を12秒に設定してあるが、これらの数値はいずれも一例であり、特に限定するものではない。陽極酸化処理では、隣り合うグレイン32の粒界付近で陽極酸化反応が優先的に進むので、多数の微結晶半導体33が半導体層3の厚み方向に連なって形成されるものと推考される。また、本実施形態では、半導体層3をノンドープの多結晶シリコン層により構成しているので、陽極酸化処理中に、半導体層3に光源から光照射を行いながら電流を流すようにしているが、p形の多結晶シリコン層により構成する場合には、光照射の必要はない。なお、本実施形態では、陽極酸化処理工程が、陽極酸化処理にて半導体層3の少なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層4を形成する第2の工程を構成している。 After the semiconductor layer 3 is formed, a resist layer forming step is performed in which a resist layer (not shown) covering the surface of the semiconductor layer 3 other than the region where the porous semiconductor layer 4 is to be formed is formed using photolithography technology. . After this resist layer forming step, an anodizing treatment step for forming the porous semiconductor layer 4 by making at least a part of the semiconductor layer 3 porous by anodizing treatment is carried out, so that FIG. The structure shown in is obtained. In the anodic oxidation treatment, first, a treatment tank (not shown) containing a predetermined electrolytic solution is prepared, and a surface of the semiconductor layer 3 is in contact with the electrolytic solution. The cathodes (not shown) are arranged to face each other. Next, in the anodizing treatment, the porous semiconductor layer 4 is applied by applying a voltage between the cathode and the first electrode 2 and allowing a constant current having a first predetermined current density to flow for a first predetermined time. Form. In the anodizing process, the porous semiconductor layer 4 having a predetermined thickness is formed in a portion of the semiconductor layer 3 that overlaps the first electrode 2 in the thickness direction of the first electrode 2. In the non-overlapping portion, the semiconductor layer 3 remains as it is. The predetermined thickness dimension of the porous semiconductor layer 4 is set to be smaller than the thickness dimension of the semiconductor layer 3 before the anodizing treatment step, but may be set to the same value. In the anodizing treatment, since the semiconductor material of the semiconductor layer 3 is silicon, for example, a hydrofluoric acid solution made of a mixed solution obtained by mixing a 55 wt% hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol in a ratio of approximately 1: 1 is used as the electrolytic solution. be able to. The concentration of the aqueous hydrogen fluoride solution and the mixing ratio with ethanol are not particularly limited. In addition, the liquid mixed with the aqueous hydrogen fluoride solution is not limited to ethanol, and is not particularly limited as long as it is a liquid that can remove bubbles generated in the anodizing reaction, such as alcohol such as methanol, propanol, and isopropanol (IPA). Absent. Further, as the electrolytic solution, an appropriate mixed solution may be used according to the semiconductor material of the semiconductor layer 3. Further, in the anodizing treatment, the first predetermined current density is set to 12 mA / cm 2 and the first predetermined time is set to 12 seconds. However, these numerical values are only examples and are particularly limited. is not. In the anodic oxidation treatment, the anodic oxidation reaction preferentially proceeds in the vicinity of the grain boundaries of adjacent grains 32, so that it is assumed that a large number of microcrystalline semiconductors 33 are formed continuously in the thickness direction of the semiconductor layer 3. In the present embodiment, since the semiconductor layer 3 is composed of a non-doped polycrystalline silicon layer, a current is allowed to flow while irradiating light from the light source to the semiconductor layer 3 during the anodic oxidation process. When the p-type polycrystalline silicon layer is used, there is no need for light irradiation. In the present embodiment, the anodizing process constitutes a second process for forming the porous semiconductor layer 4 by making at least a part of the semiconductor layer 3 porous by anodizing.

陽極酸化処理工程の後には、多孔質半導体層4を酸化もしくは窒化することにより強電界ドリフト層6を形成する強電界ドリフト層形成工程を行うことによって、図1(e)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、強電界ドリフト層形成工程が、多孔質半導体層4を酸化若しくは窒化することにより強電界ドリフト層を形成する第3の工程を構成している。   After the anodizing treatment step, the structure shown in FIG. 1E is obtained by performing a strong electric field drift layer forming step of forming the strong electric field drift layer 6 by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer 4. In the present embodiment, the strong electric field drift layer forming step constitutes a third step of forming the strong electric field drift layer by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer 4.

強電界ドリフト層形成工程では、多孔質半導体層4を酸化する場合、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に0.04mol/Lの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解質溶液の入った酸化処理槽を準備する。その後には、多孔質半導体層3と電解質溶液とが接した状態で白金電極などからなる対向電極(図示せず)を配置する。その後には、対向電極と第1電極2との間に所定の電圧を印加して第2の所定の電流密度の定電流を流し、対向電極と第1電極2との間の電圧が規定電圧だけ上昇するまで多孔質半導体層4を電気化学的に酸化する。これにより、強電界ドリフト層形成工程では、グレイン32、微結晶半導体33、第1の絶縁膜35、および第2の絶縁膜34を少なくとも含む強電界ドリフト層6が形成される。本実施形態では、第2の所定の電流密度を0.1mA/cmとし、規定電圧を20Vとしているが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、多孔質半導体層4を窒化する方法は、例えば、電気化学的な窒化方法を採用することができる。 In the strong electric field drift layer forming step, when the porous semiconductor layer 4 is oxidized, for example, an oxidation containing an electrolyte solution made of a solution obtained by dissolving 0.04 mol / L potassium nitrate in an organic solvent consisting of ethylene glycol. Prepare a treatment tank. Thereafter, a counter electrode (not shown) made of a platinum electrode or the like is disposed in a state where the porous semiconductor layer 3 and the electrolyte solution are in contact with each other. Thereafter, a predetermined voltage is applied between the counter electrode and the first electrode 2 to cause a constant current having a second predetermined current density to flow, and the voltage between the counter electrode and the first electrode 2 becomes a specified voltage. The porous semiconductor layer 4 is electrochemically oxidized until it rises only. Thereby, in the strong electric field drift layer forming step, the strong electric field drift layer 6 including at least the grain 32, the microcrystalline semiconductor 33, the first insulating film 35, and the second insulating film 34 is formed. In the present embodiment, the second predetermined current density is 0.1 mA / cm 2 and the specified voltage is 20 V. However, these numerical values are merely examples and are not particularly limited. Further, as a method for nitriding the porous semiconductor layer 4, for example, an electrochemical nitriding method can be employed.

強電界ドリフト層6を形成した後には、上記レジスト層を除去する。その後には、絶縁層8を形成する絶縁層形成工程を行ってから、第2電極7を形成する第2電極形成工程を行う。なお、本実施形態では、第2電極形成工程が、第2電極7を形成する第4の工程を構成している。   After the strong electric field drift layer 6 is formed, the resist layer is removed. Thereafter, an insulating layer forming step for forming the insulating layer 8 is performed, and then a second electrode forming step for forming the second electrode 7 is performed. In the present embodiment, the second electrode forming step constitutes a fourth step for forming the second electrode 7.

第2電極形成工程の後には、バス電極25を形成するバス電極形成工程を行うことによって、図1(f)に示す構造を得る。その後には、各パッド27,28を形成するパッド形成工程、紫外光とオゾンとの少なくも一方を第2電極7に照射することで第2電極7の表面の有機物などを除去する有機物除去工程を行うことによって、電界放射型電子源10を得ることができる。なお、ウェハレベルで1枚のウェハに複数個の電界放射型電子源10を形成した後で、個々の電界放射型電子源10に裁断するダイシング工程を行えばよい。   After the second electrode forming step, the bus electrode forming step for forming the bus electrode 25 is performed, thereby obtaining the structure shown in FIG. Thereafter, a pad forming process for forming the pads 27 and 28, an organic substance removing process for removing organic substances on the surface of the second electrode 7 by irradiating the second electrode 7 with at least one of ultraviolet light and ozone. Thus, the field emission electron source 10 can be obtained. It should be noted that after forming a plurality of field emission electron sources 10 on one wafer at a wafer level, a dicing process for cutting into individual field emission electron sources 10 may be performed.

絶縁層形成工程では、例えば、絶縁層8の基礎となるシリコン酸化膜をスパッタ法によって成膜した後、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シリコン酸化膜をパターニングすることで絶縁層8を形成すればよい。   In the insulating layer forming step, for example, after forming a silicon oxide film as a base of the insulating layer 8 by sputtering, the insulating layer 8 is formed by patterning the silicon oxide film using a photolithography technique and an etching technique. do it.

第2電極形成工程では、例えば、第2電極7の基礎となる第1導電層と第2導電層との積層膜からなる導電膜を蒸着法やスパッタ法などによって成膜した後、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上記導電膜をパターニングすることで第2電極7を形成すればよい。   In the second electrode formation step, for example, after forming a conductive film made of a laminated film of the first conductive layer and the second conductive layer serving as the basis of the second electrode 7 by vapor deposition or sputtering, photolithography technology Then, the second electrode 7 may be formed by patterning the conductive film using an etching technique.

バス電極形成工程では、例えば、バス電極25の基礎となる第1の金属膜を蒸着法やスパッタ法などによって成膜した後、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第1の金属膜をパターニングすることでバス電極25を形成すればよい。   In the bus electrode formation step, for example, after forming a first metal film serving as the basis of the bus electrode 25 by vapor deposition or sputtering, the first metal film is patterned using photolithography technology and etching technology. Thus, the bus electrode 25 may be formed.

パッド形成工程では、例えば、パッド27,28の基礎となる第2の金属膜を蒸着法やスパッタ法などによって成膜した後、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第2の金属膜をパターニングすることでパッド27,28を形成すればよい。   In the pad forming step, for example, a second metal film that is the basis of the pads 27 and 28 is formed by vapor deposition or sputtering, and then the second metal film is patterned using photolithography technology and etching technology. Thus, the pads 27 and 28 may be formed.

ダイシング工程は、例えば、レーザ光を利用したダイシング方法を採用することが好ましい。なお、ダイシング工程は、必ずしも必須の工程ではない。   For the dicing step, for example, it is preferable to employ a dicing method using laser light. The dicing process is not necessarily an essential process.

また、電界放射型電子源10の構造は、図2の構造のように複数の第2電極7の群と複数の第1電極2の群とからなるマトリクス(格子)の格子点に、電子源素子10aを配置した構成に限らず、電子源素子10aを1つだけ備えた構成でもよい。この場合、バス電極25は不要である。   The structure of the field emission electron source 10 is such that the electron source is located at a lattice point of a matrix (lattice) composed of a plurality of groups of second electrodes 7 and a plurality of groups of first electrodes 2 as in the structure of FIG. The configuration is not limited to the configuration in which the element 10a is disposed, and may be a configuration in which only one electron source element 10a is provided. In this case, the bus electrode 25 is unnecessary.

ところで、本願発明者らは、第2電極7について、SEM(ScanningElectron Microscopy)による断面観察を行い、強電界ドリフト層6の表面における単位面積当たりの第2電極7の被覆率を推定した。その結果、本願発明者らは、上述の被覆率に関して、70%という推定値を得た。そして、本願発明者らは、第2電極形成工程において、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上記導電膜をパターニングしていることに起因して、有機溶剤、リンス液、純水、フォトレジストなどが、強電界ドリフト層6のうち第2電極7により被覆されていない箇所から強電界ドリフト層6へ浸入し、強電界ドリフト層6中に残留しているのではないかと推考した。   By the way, the inventors of the present application performed cross-sectional observation on the second electrode 7 using SEM (Scanning Electron Microscopy), and estimated the coverage of the second electrode 7 per unit area on the surface of the strong electric field drift layer 6. As a result, the inventors of the present application obtained an estimated value of 70% with respect to the above-described coverage. Then, the inventors of the present application have patterned the conductive film using a photolithography technique and an etching technique in the second electrode formation step, so that an organic solvent, a rinsing liquid, pure water, a photoresist are formed. It was inferred that the strong electric field drift layer 6 penetrated into the strong electric field drift layer 6 from a portion not covered with the second electrode 7 and remained in the strong electric field drift layer 6.

そこで、本願発明者らは、第4の工程の後に、強電界ドリフト層6に残留している不純物を超臨界流体を利用して除去する第5の工程を行うことを考えた。第5の工程は、強電界ドリフト層形成工程よりも後に形成するレジスト層を除去する際に用いる有機溶剤やリンス液や純水やフォトレジストなどの残留成分からなる不純物を除去するための工程であり、バス電極形成工程やパッド形成工程がある場合には、これらの工程の後に行う。要するに、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法では、第2電極7の形成が終わり、且つ、フォトレジストなどのレジストを除去する工程が終了した後で、第5の工程を行う。
第5の工程では、超臨界流体として二酸化炭素の超臨界流体を利用することが好ましい。
Therefore, the inventors of the present application considered performing a fifth step of removing impurities remaining in the strong electric field drift layer 6 using a supercritical fluid after the fourth step. The fifth step is a step for removing impurities composed of residual components such as an organic solvent, a rinsing liquid, pure water, and a photoresist used when removing a resist layer formed after the strong electric field drift layer forming step. If there is a bus electrode forming step and a pad forming step, these steps are performed after these steps. In short, in the method of manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment, the fifth step is performed after the formation of the second electrode 7 is completed and the step of removing the resist such as the photoresist is completed.
In the fifth step, it is preferable to use a supercritical fluid of carbon dioxide as the supercritical fluid.

図6は、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10および比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源それぞれの電子放出特性を示している。比較例の製造方法は、第5の工程を行わない点のみが実施形態の電界放射型電子源の製造方法と相違している。   FIG. 6 shows the electron emission characteristics of the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of this embodiment and the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example. Yes. The manufacturing method of the comparative example is different from the manufacturing method of the field emission electron source of the embodiment only in that the fifth step is not performed.

図6は、横軸が駆動電圧Vps、縦軸がダイオード電流Ipsの電流密度であり、A1、A2が、比較例の電界放射型電子源の電子放出特性、実施形態の電界放射型電子源10の電子放出特性をそれぞれ示している。すなわち、図6では、A1(黒丸)が、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源の電子放出特性を示し、A2(黒四角)が、実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10の電子放出特性を示している。   In FIG. 6, the horizontal axis represents the drive voltage Vps, the vertical axis represents the current density of the diode current Ips, A1 and A2 represent the electron emission characteristics of the field emission electron source of the comparative example, and the field emission electron source 10 of the embodiment. The electron emission characteristics of each are shown. That is, in FIG. 6, A1 (black circle) indicates the electron emission characteristics of the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example, and A2 (black square) indicates the field emission electron source 10 of the embodiment. The electron emission characteristic of the field emission type electron source 10 manufactured by the manufacturing method is shown.

図6から、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10では、駆動電圧Vpsが12V以上の場合、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源よりもダイオード電流Ipsの電流密度が若干小さくなっていることが分かる。また、図6から、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10では、駆動電圧Vpsが12V未満の場合、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源に比べてダイオード電流Ipsの電流密度が小さくなっていることが分かる。また、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10では、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源に比べて、長寿命化を図れることが確認された。よって、本願発明者らは、駆動電圧Vpsが12V未満のときに流れる電流はリーク電流に起因したものが多いと推考した。また、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10では、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源に比べて電子放出効率が向上していることが確認された。   From FIG. 6, in the field emission type electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission type electron source 10 of the present embodiment, the field emission type manufactured by the manufacturing method of the comparative example when the drive voltage Vps is 12V or more. It can be seen that the current density of the diode current Ips is slightly smaller than that of the electron source. Also, from FIG. 6, in the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of this embodiment, the electric field manufactured by the manufacturing method of the comparative example when the drive voltage Vps is less than 12V. It can be seen that the current density of the diode current Ips is smaller than that of the radiation electron source. In addition, the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment can have a longer lifetime than the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example. It was confirmed. Therefore, the inventors of the present application have inferred that most of the current that flows when the drive voltage Vps is less than 12 V is caused by the leakage current. Further, in the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment, the electron emission efficiency is improved as compared with the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example. It was confirmed that

また、本願発明者らは、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10および比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源それぞれについてのSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)による不純物の深さ方向プロファイルを比較検討した。その結果、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法により製造された電界放射型電子源10では、比較例の製造方法により製造された電界放射型電子源に比べて強電界ドリフト層6中のCおよびHそれぞれの濃度が低くなっていることが確認された。これは、有機溶剤、リンス液、純水、フォトレジストなどに起因して強電界ドリフト層6中に残留していたCおよびHが、第5の工程を行うことにより、強電界ドリフト層6のうち第2電極7により被覆されていない箇所から脱離したためであると推考される。   The inventors of the present application also have SIMS for each of the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment and the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example. Comparison of impurity depth profiles by (Secondary Ion Mass Spectroscopy) was conducted. As a result, the field emission electron source 10 manufactured by the method of manufacturing the field emission electron source 10 of the present embodiment has a stronger electric field drift layer 6 than the field emission electron source manufactured by the manufacturing method of the comparative example. It was confirmed that the concentration of C and H in each was low. This is because C and H remaining in the strong electric field drift layer 6 due to an organic solvent, a rinsing liquid, pure water, a photoresist, and the like perform the fifth step, so that the strong electric field drift layer 6 It is presumed that this is due to the separation from the portion not covered with the second electrode 7.

以上説明した本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法では、第5工程よりも前の段階で強電界ドリフト層6中に残留していた不純物を、第5の工程により、強電界ドリフト層6の構造を破壊することなく低減することが可能となり、電子放出特性および信頼性それぞれのより一層の向上を図ることが可能となる。   In the method of manufacturing the field emission electron source 10 according to the present embodiment described above, the impurities remaining in the strong electric field drift layer 6 before the fifth step are removed from the strong electric field drift by the fifth step. It becomes possible to reduce the structure of the layer 6 without destroying it, and it becomes possible to further improve the electron emission characteristics and the reliability.

また、上述の電界放射型電子源10の製造方法では、第2の工程と第3の工程との間、第3の工程の後の少なくとも1段階で第1電極2の上記一表面側に残留している水分および不純物(ここでは、強電界ドリフト層6に残留している水分および不純物)を超臨界流体を利用して除去する超臨界乾燥工程を備えるようにしてもよい。これにより、本実施形態の電界放射型電子源10の製造方法では、強電界ドリフト層6の構造を破壊することなく強電界ドリフト層6中の水分および不純物を除去することが可能となる。このような電界放射型電子源10の製造方法では、電子放出特性および信頼性それぞれの更なる向上を図ることが可能となる。   Further, in the method of manufacturing the field emission electron source 10 described above, it remains on the one surface side of the first electrode 2 between the second step and the third step and at least one stage after the third step. A supercritical drying step of removing the moisture and impurities (here, moisture and impurities remaining in the strong electric field drift layer 6) using a supercritical fluid may be provided. Thereby, in the manufacturing method of the field emission electron source 10 of this embodiment, it becomes possible to remove moisture and impurities in the strong electric field drift layer 6 without destroying the structure of the strong electric field drift layer 6. In the method of manufacturing the field emission electron source 10 as described above, it is possible to further improve the electron emission characteristics and the reliability.

超臨界乾燥工程では、超臨界流体として二酸化炭素の超臨界流体を利用することが好ましい。   In the supercritical drying process, it is preferable to use a supercritical fluid of carbon dioxide as the supercritical fluid.

2 第1電極
3 半導体層
4 多孔質半導体層
6 強電界ドリフト層
7 第2電極
10 電界放射型電子源
2 First electrode 3 Semiconductor layer 4 Porous semiconductor layer 6 Strong electric field drift layer 7 Second electrode 10 Field emission electron source

Claims (2)

第1電極と、前記第1電極に対向した第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間にある強電界ドリフト層とを備え、前記第2電極を通して電子を放出可能な電界放射型電子源の製造方法であって、前記第1電極の一表面側に半導体層を形成する第1の工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する第2の工程と、前記多孔質半導体層を酸化若しくは窒化することにより前記強電界ドリフト層を形成する第3の工程と、前記第2電極を形成する第4の工程とを備え、前記第4の工程の後に、前記強電界ドリフト層に残留している不純物を超臨界流体を利用して除去する第5の工程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。   An electric field comprising a first electrode, a second electrode facing the first electrode, and a strong electric field drift layer between the first electrode and the second electrode, and capable of emitting electrons through the second electrode A method for manufacturing a radiation electron source, wherein a first step of forming a semiconductor layer on one surface side of the first electrode, and at least part of the semiconductor layer is made porous by anodizing treatment A second step of forming a porous semiconductor layer; a third step of forming the strong electric field drift layer by oxidizing or nitriding the porous semiconductor layer; and a fourth step of forming the second electrode. And a fifth step of removing impurities remaining in the strong electric field drift layer using a supercritical fluid after the fourth step. Production method. 前記第2の工程と前記第3の工程との間、前記第3の工程の後の少なくとも1段階で前記第1電極の前記一表面側に残留している水分および不純物を超臨界流体を利用して除去する超臨界乾燥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。   Between the second step and the third step, a supercritical fluid is used for moisture and impurities remaining on the one surface side of the first electrode in at least one stage after the third step. The method of manufacturing a field emission electron source according to claim 1, further comprising a supercritical drying step of removing the step.
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