JP2630280B2

JP2630280B2 - アレイ状電界放射冷陰極とその製造方法

Info

Publication number: JP2630280B2
Application number: JP28772594A
Authority: JP
Inventors: 秀男巻島
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1997-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JPH08148080A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子放出源となる冷陰
極、特にアレイ状に並んだ鋭利な先端から電子を放出す
るアレイ状電界放射冷陰極ならびにその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】微小な円錐状のエミッタと、エミッタの
すぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能ならびに電流制御機能を持つゲート電極で構成された
微小冷陰極をアレイ状に並べた冷陰極がＣ．Ａ．Ｓｐｉ
ｎｄｔ等によって提案されている（Ｊｏｕｒｎａｌｏ
ｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，
Ｎｏ．７，ｐｐ．３５０４，１９６８）。このスピント
（Ｓｐｉｎｄｔ）型冷陰極は、熱陰極と比較して高い電
流密度が得られ、放出電子の速度分散が小さい等の利点
を持つ。また、単一の電界放出エミッタと比較して電流
雑音が小さく、数１０〜２００Ｖの低い電圧で動作し、
比較的悪い真空度の環境中でも動作するとされている。

【０００３】図５（ａ）には前記文献に開示された従来
技術であるスピント型冷陰極主要部の構造の断面図を示
している。基板１０１の上に絶縁層１０２とゲート電極
１０３が堆積されている。絶縁層１０２とゲート電極１
０３には空洞１０４が形成されている。空洞１０４の中
には、高さ約１μｍの微小な円錐状のエミッタ１０５が
膜堆積法によって形成されている。

【０００４】基板１０１とエミッタ１０５とは電気的に
接続されており、エミッタ１０５とゲート電極１０３の
間には約１００Ｖの電圧が印加される。絶縁層１０２は
厚さは約１μｍ、ゲート電極１０３の開口径も約１μｍ
と狭く、エミッタ１０５の先端は１０ｎｍ程度と極めて
尖鋭に作られているので、エミッタ１０５の先端には強
い電界が加わる。この電界が２〜５×１０⁷Ｖ／ｃｍ以
上になるとエミッタ１０５の先端から電子が放出され
る。１０６はこの微小冷陰極の空洞１０４の中の等電位
線を示し、１０７は放出された電子の電子ビーム軌道を
示す。

【０００５】このような構造の微小冷陰極を基板１０１
の上にアレイ状に並べることにより大きな電流を放出す
る平面状の陰極が構成される。また、基板のエッチング
によってエミッタを形成する冷陰極がＧｒａｙによって
提案され、Ｇｒａｙタイプと呼ばれる。このＧｒａｙタ
イプの陰極を図５（ｂ）に示す。

【０００６】このような陰極では、エミッタ１０５とゲ
ート電極１０３の間に高い電界が加えられるため、陰極
の製造工程中あるいは陰極を実装した電子管等の電子装
置の製造工程中に塵埃等が絶縁層の側面につくと、エミ
ッタ１０５とゲート電極１０３の間の絶縁抵抗が低下し
て漏洩電流が流れたり、絶縁耐圧が低下して放電が発生
し、ゲート電極１０３やエミッタ１０５を破壊する恐れ
がある。

【０００７】図６は特開平６−５２７８８に開示された
従来技術を示す。図６において、シリコン基板１０８の
上に同じシリコン材料で形成されたエミッタ１０９とシ
リコン基板１０８の上にはエミッタ１０９の先端部を除
いて絶縁層１１０が積層され、絶縁層１１０の上には補
助絶縁層１１１とこの上にゲート電極１１２が形成され
ている。エミッタ１０９の先端部露出のためのエッチン
グ工程で用いるエッチング材料に対して耐腐食性が絶縁
層１１０よりも優れ、エッチングされにくい補助絶縁層
１１１材料を使用している。このため、エミッタ１０９
から絶縁層１１０、絶縁補助層１１１との間に段差が形
成される。この結果、ゲート電極１１２とエミッタ１０
９の間の表面距離が増加し、ゲート電極１１２の下部が
絶縁層で保護されるため、絶縁耐力が改善される。

【０００８】また、特開平６−１７６６８５にも図６と
同様に、エミッタ下部を、ゲート電極とエミッタを分離
している絶縁層で被覆する実施例が開示されている。

【０００９】図７は特開平６−１３１９６８に開示され
た従来技術を示す。図７において、エミッタ１０５の表
面には、硬質炭素膜または炭化物層からなる被覆膜が形
成されている。このため、エミッタ１０５に雰囲気ガス
が吸着されにくく、安定な電子放出特性が得られる。

【００１０】図８は米国特許第４９４０９１６号に開示
された従来技術である冷陰極の構造を示す。図８におい
て、絶縁基板１１３の上にエミッタ電極１１４が形成さ
れ、エミッタ電極１１４の上に抵抗層１１５、その上に
エミッタ１０５が形成されている。抵抗層１１５はエミ
ッタ１０５に直列の抵抗となる。

【００１１】図９は特開平４−２９２８３１に開示され
た従来技術を示す。図９において、絶縁基板１１３の上
に順にエミッタ電極１１４、抵抗層１１５、絶縁層１０
２、ゲート電極１０３が積層されている。しかし、エミ
ッタ１０５が形成されている部分にはエミッタ電極１１
４は欠如しているので、抵抗層１１５の拡がり抵抗がエ
ミッタ１０５と直列になる。

【００１２】図８、図９に示す陰極においては、エミッ
タの下の抵抗層が負帰還抵抗あるいは電流制限抵抗とな
り、エミッタから流れる電流を制限するので、たとえ
ば、エミッタとゲート電極の間に導電性の塵埃が挟まっ
てエミッタとゲート電極の間を短絡しても過大な電流に
よって、エミッタとゲート電極構造が破壊されることは
ない。また、放電が発生する条件になっても、この抵抗
によって流れる電流が制限される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】電界放射冷陰極では電
子を真空中に取り出すために、エミッタ１０５の上部を
絶縁膜などで被覆することができず、エミッタ１０５お
よびその周辺部であるゲート電極１０３は、陰極の製造
中ならびに冷陰極を収める電子デバイスを組み立てる途
中は外部の環境に曝される。

【００１４】電界放射冷陰極の製造工程中には微細な塵
埃や吸着物質が絶縁層１０２の側壁あるいはエミッタ１
０５の側面、ゲート電極１０３の表面に付着する機会が
数多く存在する。たとえば、ゲート電極１０３の上に堆
積したエミッタ材料をリフトオフ法によって除去する
際、ゲート電極１０３の上の犠牲層をエッチングするエ
ッチング工程においてもエッチング液中に溶解している
物質が付着する恐れがある。さらに、ウエハから個々の
チップに切断するダイシング工程では、ダイシングソー
によるきりかすが付着する可能性がある。この冷陰極を
実装して平面ディスプレイや電子管等の電子デバイスを
製造する場合、外囲器や内部の電極から放出されるガス
による汚染の恐れがある。

【００１５】これらの物質が絶縁層１０２の側面に付着
すると、ゲート電極１０３とエミッタ１０５の間の漏洩
電流の原因となるとともに、ゲート電極１０３とエミッ
タ１０５の間の放電の原因になる。

【００１６】図６に示す冷陰極や特開平６−１７６６８
５に示す構造においては、補助絶縁層１１１によって絶
縁特性を改善しているが、それでもエミッタ１０９とゲ
ート電極１１２の間の絶縁物表面の距離は０．５μｍ以
下と極めて短いので、陰極製造工程中などで発生する微
小粒子等が絶縁層に付着するとこの間の絶縁を劣化させ
る可能性が高い。

【００１７】図７に示す陰極においては、エミッタ上に
被覆されている硬質炭素膜あるいは炭素化合物は導体あ
るいは半導体となり、絶縁層の側面に付着した塵埃等の
微粒子や吸着物による絶縁抵抗や耐圧の劣化に対する改
善効果はない。

【００１８】図８、図９に示す陰極においては、陰極全
体が破壊されたり、エミッタとゲート電極間の短絡によ
り全陰極領域が使用不可能になる恐れはないが、導電性
塵埃が付着してエミッタ１０５とゲート電極間１０３を
短絡した場合には、エミッタ１０５の最大動作電流より
も大きな電流が流れ、電力を消費し、電流の流れている
抵抗の部分を加熱する。さらに、このエミッタからはエ
ミッション電流が流れず、有効な電子放出領域が縮小さ
れる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、Ｓｐ
ｉｎｄｔおよびＧｒａｙタイプの冷陰極において、電界
放射冷陰極のエミッタの先端とゲート電極の一部を除い
て、ゲート電極、絶縁層の側壁、エミッタを絶縁膜で被
覆する。

【００２０】この絶縁膜を形成するため、減圧ＣＶＤ法
あるいはＳＯＧ技術を使用する。

【００２１】

【作用】この結果、冷陰極の製造工程中ならびに冷陰極
を実装する電子装置の製作中に、塵埃の付着や汚染物質
の吸着によって生じるエミッターゲート電極間の絶縁抵
抗の低下や放電の恐れを取り除くことができる。

【００２２】これにより、冷陰極と冷陰極を使用した電
子デバイスの信頼性ならびに製造歩留まりが向上する。

【００２３】

【実施例】本発明について図面を参照して詳細に説明す
る。図１は本発明の第１の実施例を示す電界放射冷陰極
の構造の断面図を示す。図１において、シリコンの基板
１には下から順に絶縁層２、ゲート電極３が積層され、
ゲート電極３と絶縁層２には微小な空洞４が形成されて
いる。空洞４の中には、電子を放出する円錐状のエミッ
タ５がシリコンの基板１のエッチングによって形成さ
れ、空洞４の中ではゲート電極３の側面、絶縁層２の側
面、エミッタ５の下部には絶縁膜６が被覆されている。
エミッタ５、ゲート電極３の開口、空洞４で微小冷陰極
７が形成される。

【００２４】絶縁層２はシリコン酸化物あるいはシリコ
ン窒化物、ゲート電極３はポリシリコンで作られてい
る。ゲート電極３の開口の直径は約１μｍ、エミッタ５
の高さは約１μｍ、絶縁層２の厚さは約０．８μｍ、ゲ
ート電極３の厚さは約０．２μｍである。このような微
細な構造の微小冷陰極を単一あるいはアレイ状に並べて
電子源すなわち陰極として使用する。

【００２５】図１から明らかなように、この構造の陰極
においては、ゲート電極３と絶縁層２のそれぞれの側面
部ならびにエミッタ５の下部が共通の絶縁膜６で被覆さ
れている。このため、図６に示す従来の技術と比較し
て、ゲート電極３とエミッタ５との間の絶縁表面距離が
長くなり、絶縁体表面の汚染があってもこれを伝わって
流れる電流を十分小さく抑えることが可能になる。この
結果、絶縁抵抗劣化の可能性が極めて小さくなる。さら
に、微小な放電の引き金になる電子が放出され易いのは
負の電圧を印加した電極と誘電体、真空の３者が交わる
ところとされているが、図１の場合にはエミッタ５の先
端近くの絶縁膜６が途切れる絶縁膜端部８がこれに相当
する。ここから電子の放出があった場合にも、この電子
は絶縁層２や絶縁膜６のような絶縁体の表面に当たるこ
となく直接ゲート電極３あるいは図には示していないが
エミッタ５に対し正の電圧を印加した電極、たとえば陽
極に達する。従って、絶縁体表面に衝突して多数の２次
電子を発生させて放電の元になる電子を増倍させること
もない。さらに、微粒子が空洞４の中に付着した場合に
もエミッタ３の表面の絶縁膜６によってエミッタ５とゲ
ート電極３を短絡させる可能性は小さくなる。

【００２６】この陰極の基本構造はＧｒａｙタイプと呼
ばれ、製造方法は公知である（たとえば応用物理、第５
９巻、第２号、ｐｐ．１６４〜１６９、１９９０．）。
絶縁膜６の形成には、たとえばＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶ
Ｄ）によって空洞４の内部、エミッタ５の表面、ゲート
電極３の側面を含めて全面にシリコン酸化物、シリコン
窒化物などの絶縁体を堆積し、次にドライエッチング等
によって誘電体の一部を除去して図１に示すような構造
を得る。

【００２７】図２は本発明の第２の実施例を示す電界放
射冷陰極の構造の断面図を示す。図２において、図１と
同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素を示し、各構
成要素の材料、寸法は図１に示す第１の実施例と同じで
ある。図２においては、絶縁膜６は熱酸化法によって成
膜される。ゲート電極３にはポリシリコンを使用してい
るので、ゲート電極３の上および側面にシリコン酸化物
が形成される。第１の実施例と同様にゲート電極３の上
および、エミッタ５の先端の酸化物を除去することによ
って図２のような構造が実現される。

【００２８】本実施例においても第１の実施例と同様な
効果が期待できる。絶縁膜６がない場合には、ゲート電
極３と基板１（エミッタ５）との間の絶縁表面距離は絶
縁層２の厚さよりも僅かに長い程度であるが、絶縁膜６
を形成することによってこの絶縁表面距離を絶縁層２の
厚さの１．５倍以上にすることが出来る。さらに、エミ
ッタ５と絶縁層６が接する部分から電子が放出されて
も、直接ゲート電極に電子が到達し、絶縁体によって電
子が増倍されることもない。

【００２９】図３には図２の電界放射冷陰極の製造工程
図を示す。基板１の上にシリコン窒化物のような絶縁物
を用いたマスク用絶縁層９を成膜する（図３（ａ））。
次に、マスク用絶縁層９をパターンニングして、ゲート
電極３の開口に相当するマスクとする（図３（ｂ））。
このマスク用絶縁層９′をマスクとして基板１をエッチ
ングして図３（ｃ）を得る。この上に絶縁層２およびポ
リシリコンのゲート電極３を基板１に対し垂直方向から
堆積して図３（ｄ）を得る。次に、マスク用絶縁層９′
をエッチングによって除去し、さらに熱酸化によってポ
リシリコンのゲート電極３の側面および上部ならびにエ
ミッタ５の上にシリコン酸化物の絶縁膜層１０を成膜し
て、図３（ｅ）を得る。ここでは、エミッタ５の先端は
両側から酸化され、先端の尖った構造が得られる。さら
に、ゲート電極３およびエミッタ５の先端のシリコン酸
化物をエッチングによって除去して図３（ｆ）を得る。

【００３０】図４は本発明の第３の実施例を示す電界放
射冷陰極の構造の断面図を示す。図４において、図１と
同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素を示し、各構
成要素の材料、寸法は図１に示す第１の実施例と同じで
ある。図４においては、エミッタ１２はタングステンあ
るいはモリブデンのような耐熱金属で作られ、ゲート電
極１１はタングステン、モリブデン、ニオブ、タングス
テンシリサイド等の金属あるいは金属化合物で作られ、
絶縁層２には例えばシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ₂）を
使用する。ゲート開口の直径は約１μｍ、エミッタ１２
の高さは約１μｍ、絶縁層２の厚さは約０．８μｍ、ゲ
ート電極１１の厚さは約０．２μｍである。

【００３１】この陰極を製作するには、基本的には（Ｊ
ｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．７，ｐｐ．３５０４，１９６
８）等に開示されているように、ゲート電極１１と絶縁
層２に空洞を形成したのちウエハを回転させながら斜め
方向からアルミニウム、酸化アルミニウムなどの犠牲層
を堆積し、次にエミッタ材料をウエハの真上から堆積す
れば良い。次に、ＳＯＧによる絶縁体をウエハの上に成
膜して、エッチバック等の手段によってゲート電極１１
の上およびエミッタ１２の先端の絶縁体を除去し、図４
に示す絶縁膜１３を形成する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷陰極に
おいては、冷陰極の製造工程中ならびに冷陰極を実装す
る電子装置の製造中に、塵埃の付着や汚染物質の吸着に
よって生じるエミッターゲート電極間の絶縁抵抗の低下
や絶縁耐圧の低下および放電の恐れを取り除くことがで
きる。これにより、冷陰極と冷陰極を使用した電子デバ
イスの信頼性ならびに製造歩留まりが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す電界放射冷陰極の
断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す電界放出冷陰極の
構造図である。

【図３】（ａ）〜（ｆ）は本発明の第２の実施例を示す
電界放出冷陰極の製造工程図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す電界放出冷陰極の
構造図である。

【図５】従来技術のＳｐｉｎｄｔタイプ（ａ）およびＧ
ｒａｙタイプ（ｂ）の冷陰極の断面図である。

【図６】特開平６−５３７８８に開示された従来技術の
冷陰極の断面図である。

【図７】特開平６−１３１９６８に開示された従来技術
の冷陰極の断面図である。

【図８】米国特許第４９４０９１６号に開示された従来
技術の冷陰極の断面図である。

【図９】特開平４−２９２８３１に開示された従来技術
の冷陰極の断面図である。

【符号の説明】

１，１０１基板２，１０２，１１０絶縁層３，１１，１０３，１１２ゲート電極４，１０４空洞５，１２，１０５，１０９エミッタ６，１３絶縁膜７微小冷陰極８絶縁膜端部９マスク用絶縁層１０絶縁膜層１０６等電位面１０７電子ビーム軌道１０８シリコン基板１１１補助絶縁層１１３絶縁基板１１４エミッタ電極１１５抵抗層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板の上にエッチング法に
よって形成し、先端を先鋭化した電子放出電極と、前記
電子放出電極とその付近を除いて前記基板の上に形成し
た絶縁層と、前記電子放出電極を取り囲む開口を持つ制
御電極とから成る複数の微小冷陰極から構成されたアレ
イ状電界放射冷陰極において、少なくとも、絶縁層の側
壁と、電子放出電極の基板付近とを絶縁膜で被覆したこ
とを特徴とするアレイ状電界放射冷陰極。
【請求項２】前記絶縁膜が減圧ＣＶＤ法によって成膜
されたことを特徴とする請求項１記載のアレイ状電界放
射冷陰極の製造方法。
【請求項３】前記制御電極がポリシリコンで形成さ
れ、前記絶縁膜が熱酸化法によって成膜されたことを特
徴とする請求項１記載のアレイ状電界放射冷陰極の製造
方法。