JP2900837B2

JP2900837B2 - 電界放射型冷陰極装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2900837B2
Application number: JP13370395A
Authority: JP
Inventors: 稔秋 ▲高▼田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH08329824A; FR2734946B1; US5739628A; KR960042876A; KR100233692B1; FR2734946A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子放出装置に関し、特
に絶縁特性が改善された電界放射型冷陰極の構造及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出装置としては熱陰極型電
子放出装置が多く用いられていたが熱陰極を利用した電
子放出は、加熱による消費電力が大きいこと等の問題点
を有していた。これらの問題点を解決するため、いくつ
かの冷陰極型電子放出装置が考案されている。その中に
局所的に高電界を発生させ、電界により電子放出を行な
う電界放射型の電子放出装置がある。

【０００３】電界放射型冷陰極装置は、先鋭な突起を持
つ電極の先端に高電界（２〜５×１０⁷Ｖ／ｃｍ以上）
を発生させることで電子を空間に放出させる。このた
め、突起先端の先鋭度が電子放出特性に影響するが、一
般に、数百オングストローム以下の曲率半径が必要であ
る。また、電界発生のためには、突起先端をゲート電極
から１μｍ以下の近接した位置に配して、ゲート電極に
数十〜数百Ｖの電圧を印加する。このような構造を持つ
単位素子が同一基板上に数千〜数万形成され、並列に接
続されたアレイとして使用されることが多く、半導体の
微細加工技術を応用して製造される。

【０００４】このような電界放射型冷陰極の代表的な製
造方法の一つは、アメリカのＳＲＩ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ
ＲｅｓｅｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）のスピントら
によって開発された方法（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３
９，ｐ３５０４，１９６８）で導電性の基板上にモリブ
デンのような高融点金属を堆積させて先端形状の先鋭な
構造を得るものである。この製造方法を図５（ａ）〜
（ｄ）に示す。まず、図５（ａ）に示すように、シリコ
ン基板４１上にシリコン酸化膜４２を形成し、続いてゲ
ート層４４としてモリブデンを真空蒸着により堆積す
る。さらに、フォトリソグラフィー技術によりフォトレ
ジスト４６を塗布し、パターンニングする。次に、図５
（ｂ）に示すように、フォトレジスト４６をマスクにし
てゲート層４４及びシリコン酸化膜４２をエッチング
し、直径がおよそ１μｍの開口部４７を設ける。その
後、フォトレジスト４６を除去する。次に、図５（ｃ）
に示すように、真空蒸着装置により回転斜め蒸着を行
い、アルミニウムの犠牲層４８を堆積し、さらに、モリ
ブデンを垂直方向から堆積し、エミッタ電極４５を形成
する。また、そのとき同時に、アルミニウム犠牲層４８
上にモリブデン層４０が堆積される。次に、図５（ｄ）
に示すように、アルミニウム犠牲層４８を選択エッチン
グすることによりモリブデン層４０をリフトオフする。
このようにして作られた素子は、エミッタ電極４５に
負、ゲート層４４（ゲート電極）に正となるように電圧
を印加することでエミッタ電極４５の先端に電界を集中
させ、その先端からシリコン基板４１と垂直な方向に電
子を放射する。このような構造は、一般に縦型電界放射
冷陰極と呼ばれている。

【０００５】デバイスの断面構造に関しては、前述の構
造の他に、以下のようないくつかの構造及び製法が公知
である。特開平４−２７４１２３には、図６（ａ）〜
（ｄ）に示すように、面方位が〈１１１〉の単結晶シリ
コン基板５１上に形成した絶縁層５２，５３，５５に四
角形の開口部を設ける（図６（ｂ））。その開口部に露
出した単結晶シリコン基板面５６を起点として、選択的
に単結晶アルミニウムを気相成長させるものである（図
６（ｃ））。この単結晶アルミニウムの気相成長は、面
方位が〈１００〉で早く成長し、〈１１１〉で遅く成長
する性質を利用したもので先端の尖ったエミッタ電極５
７を形成できるとしている。また、さらに、この気相成
長の途中で高周波を印加すると、これまで成長しなかっ
た絶縁層上にも非晶質アルミニウムが成長するようにな
り、上層の絶縁層５５上にコレクタ電極５８が形成さ
れ、エミッタ電極５７には、さらに単結晶アルミニウム
が成長する（図６（ｄ））というものである。

【０００６】特開平１−１４９３５１は、図７（ａ）〜
（ｄ）に示すように、面方位が〈１００〉の単結晶シリ
コン基板６１上に形成した絶縁層６２に四角形の開口部
を設ける（図７（ａ））。その開口部に露出した単結晶
シリコン基板面６６を起点として、選択的に単結晶シリ
コンを気相成長させるものである（図７（ｂ））。この
単結晶シリコンの気相成長は、面方位が〈１００〉で最
も早く成長し、他の面方位でそれぞれの成長速度がある
ため高次の結晶面のファセットを作りながら先端の尖っ
たエミッタ電極６７を形成するとしている。この気相成
長は、１０３０℃という高い温度を使用するため、上層
絶縁層６５及びゲート電極６４は、エミッタ電極６７を
形成した後の工程で形成する（図７（ｃ），（ｄ））。

【０００７】特開平６−５２７８８は、図８（ａ）〜
（ｅ）に示すように、シリコン基板７１上のシリコン酸
化膜７２をマスクにシリコン基板７１を等方性エッチン
グして、エミッタ電極７７の基本となる円錐形状の凸部
をシリコン基板７１表面に形成する（図８（ｂ））。次
に、シリコン基板７１表面を熱酸化する（図８
（ｃ））。その後、絶縁機能を強化するシリコン絶縁補
助層７５を蒸着し、さらに、モリブデンを蒸着してゲー
ト電極７４を形成する（図８（ｄ））。次に、シリコン
酸化膜７２，７３をエッチングすることにより、エミッ
タ電極７７上のシリコン及びモリブデンをリフトオフす
る。同時に、シリコン基板７１からなるエミッタ電極７
７の先端部を露出させ、エミッタ電極７７とゲート電極
７４間距離を短縮するというものである（図８
（ｅ））。

【０００８】特開平５−１５１８８７は、図９（ａ）〜
（ｅ）に示すように、大口径の基板を傾けることなく素
子を作成する方法である。まず、ガラス基板８０上に第
１の金属膜８１−絶縁膜８２−第２の金属膜８４という
順で３つの層を形成する。次に、第２の金属膜８４上に
フォトレジスト８９を塗布し、フォトリソグラフィー技
術を使って第２の金属膜８４に微小な穴８６を形成す
る。次に、その穴８６を介して絶縁膜８２をハーフエッ
チングする（図９（ａ））。さらに、穴８６を介して穴
８６の真下の絶縁膜８２を除去して第１の金属膜８１が
露出するように溝部８８を形成する（図９（ｂ））。次
に、ガラス基板８０を水平に保持した状態で穴８６周囲
の第２の金属膜８４上及び溝部８８にニッケル９０を蒸
着する（図９（ｃ））。次に、穴８６を介して穴８６の
上部よりモリブデン９１を垂直入射蒸着し、溝部８８内
のニッケル９０上にエミッタ電極８７を形成する（図９
（ｄ））。最後に、穴８６周囲の第２の金属膜８４上の
ニッケル９０をエッチングすることにより、その上のモ
リブデン９１をリフトオフする（図９（ｅ））。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電界放射型冷陰極装置
は、上述のように１μｍ以下の非常に短い間隔を置いた
電極間に数十Ｖ以上の電圧を印加するために、絶縁耐圧
やリーク電流といった、電極間の絶縁特性が特に重要な
特性の要素になる。すなわち、絶縁耐圧が低ければ、エ
ミッタ電極から十分な電子を放出する電界に達する前
に、素子が破壊して致命的なダメージを与えたり、リー
ク電流が多いと電力消費が増えたり、さらに、素子の安
定動作を妨げる原因になる。また、電界放射型冷陰極装
置は、多数の素子を並列に接続したアレーで用いること
が多いため、たとえその内の１つの素子が何らかの原因
で破壊し、その部分をショートしたとしても、デバイス
全体が動作しなくなってしまう。従って、歩留まりや品
質を高くし、それを維持するためには、絶縁耐圧を高く
することはもとより、破壊が生じても、その部分がオー
プンになりやすいこと、さらに、破壊が周辺の素子へ伝
播しないことが求められる。

【００１０】この絶縁耐圧には、基板とゲート電極間
の絶縁層で決まる耐圧、絶縁層に穴を空けたときにで
きる側面の距離で決まる耐圧、エミッタ電極とゲート
電極間の放電が開始する電圧の３つに分類できる。その
中で、特に、については、の放電を起こす原因にも
なる。すなわち、穴内の絶縁層の側壁と基板との間にで
きるトリプルジャンクションを起点として沿面放電を起
こしたり、沿面放電に至らないまでも、局所的に真空度
を落としエミッタ電極とゲート電極間の放電の引き金に
なる。ここで沿面放電の一般的に言われているメカニズ
ムについて説明する。強い電界により、基板から飛び出
した電子がトリプルジャンクション近傍で絶縁層の壁に
ぶつかり、その衝撃エネルギーにより、絶縁層の壁から
２次電子を放出させる。その２次電子が上方の絶縁層の
壁にぶつかり、さらに２次電子を放出する。このサイク
ルを繰り返して、どんどん２次電子を増殖させ、ついに
は、放電破壊に至る（ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃ
ｔｒ．Ｉｎｓｌ．Ｖｏｌ．２４，ｐｐ７６５−７８６，
１９８９）。

【００１１】前述の公知例をもとにして、具体的に、従
来技術の問題点を説明する。図５に示すスピントらによ
って開発された構造は、シリコン酸化膜４５の側壁がシ
リコン基板４１からゲート電極４４に直接、延びてつな
がっている。トリプルジャンクション近傍のシリコン基
板４１から放出した電子は、電界により上方に向かうた
め、テーパ上のシリコン酸化膜４２の側壁にある確率で
ぶつかり２次電子を放出させ、沿面放電を起こしたり、
電子衝突による局所的な発熱により真空度を落としエミ
ッタ電極４５とゲート電極４４間の放電の引き金になっ
た。それゆえ、シリコン酸化膜４２の側面がテーパな分
だけ絶縁特性がやや改善されたものの完全な対策ではな
かった。

【００１２】図６に示す公知例は、シリコン基板５１の
面方位が〈１１１〉であること、エミッタ電極５７の底
面のパターンが選択エピタキシャル成長により特定のフ
ァセットで囲まれた形状の単結晶を成長させるに必要上
四角形であること、エミッタ電極５７がアルミニウムで
あること等の限定があり、製造に幅がないという欠点が
ある。また、気相成長により、選択的に単結晶アルミニ
ウムを成長させるため、実際には、図６に示す様な絶縁
層５２上にまで張り出した結晶成長とはならず、寧ろ絶
縁層５２と単結晶アルミニウムの関に隙間が空き、極め
て安定な構造になる。さらに、この気相成長の途中で高
周波を印加して、これまで成長しなかった絶縁層上に
も、非晶質アルミニウムを成長するようにして、上層の
絶縁層５５上にコレクタ電極５８を形成すると、同時
に、上層、下層絶縁層５５，５３の側壁にも非晶質アル
ミニウムが成長し、エミッタ電極５７，ゲート電極５
４、さらにコレクタ電極５８のすべてが側壁の非晶質ア
ルミニウムによりショートする。このためこの公知例で
は、実用的に所望の素子が形成できないという問題があ
る。

【００１３】図７に示す公知例は、シリコン基板６１の
面方位が〈１００〉であること、エミッタ電極６７の底
面のパターンが四角形であること、エミッタ電極６７が
シリコンであること、気相成長が高温であるため、上層
絶縁層６５及びゲート電極６４は、エミッタ電極６７を
形成した後の工程で形成すること等の限定があり、製造
に幅がないという欠点がある。さらに、最終工程でフォ
トリソグラフィー技術を使ってゲート電極６４を形成す
るため、エミッタ電極６７との間にずれが生じ易くなる
という製造上の欠点もあり、そのため、エミッタ電極６
７とゲート電極６４間距離が設計許容値以下に接近する
とエミッタ電極６７から放出された電子がゲート電極６
４に入り込み、これをきっかけに放電破壊を起こし易く
なる。また、気相成長により選択的に単結晶シリコンを
成長させるため、絶縁層６２上に這い出した単結晶シリ
コンは、その界面で極めてざらざらな隙間ができ、その
影響でいろいろな面方位が表れるため、素子毎に異なる
形状のエミッタ電極６７ができあがる欠点がある。さら
に、底面の四角形パターンの角部は、厳密には、丸みが
あり、パターンニングの影響をうける。この丸みにもま
た多くの面方位が表れているため、パターンニング毎に
異なる形状のエミッタ電極６７ができあがる欠点もあ
る。

【００１４】図８に示す公知例は、シリコン基板７１を
加工して、エミッタ電極７７の基礎となる円錐形状の凸
部を形成し、最終工程でシリコン酸化膜７２，７３をエ
ッチングして、エミッタ電極７７の先端部を露出させる
製法であり、エミッタ電極７７とゲート電極７４の間隔
より、絶縁膜の側面距離の方が短く、絶縁膜の側面がエ
ミッタ電極７７からゲート電極７４に直接つながって延
びた構造になっている。さらに、ゲート電極７４が上方
に湾曲しているためエミッタ電極７７と絶縁膜の側面の
交点にできるトリプルジャンクション近傍の電界方向が
ゲート電極７４に向かう構造になる。そのため、トリプ
ルジャンクション近傍のエミッタ電極７７から放出した
電子は、絶縁膜の側面に衝突し、そこから、２次電子を
放出させ、間隔も短いことも手伝って、容易に、沿面放
電や局所的低真空によるエミッタ電極７７とゲート電極
７４間の放電が発生しやすい欠点をもっている。また、
この構造は、エミッタ電極７７とゲート電極７４間距離
が短く、上面にエミッタ電極７７とゲート電極７４があ
るため、放電破壊するとショートの発生や放電が周辺素
子に伝播しやすい欠点もある。

【００１５】図９に示す公知例は、前述したスピントら
の図５とシリコン基板の加工によりエミッタ電極を形成
する図８を合わせた構造であり、絶縁膜８２の側壁がエ
ミッタ電極８７からゲート電極８４に直接つながって延
びている。さらに、エミッタ電極８７と絶縁膜８２側面
の交点にできるトリプルジャンクション近傍では、電界
がエミッタ電極８７の側面に対して垂直方向に向いてい
るため、エミッタ電極８７から放出した電子は、絶縁膜
８２の側壁に衝突し、その側面から２次電子を放出さ
せ、沿面放電や局所的低真空によるエミッタ電極８７と
ゲート電極８４間の放電の引き金になり、絶縁特性を悪
化させるという欠点がある。また、この構造は、いった
ん放電破壊すると、上述したようにショートの発生や放
電が周辺素子に伝播しやすい欠点もある。

【００１６】本発明の目的は、絶縁特性に優れ、たとえ
素子の一部に絶縁破壊が生じても、その影響を最小限に
とどめ、素子全体の機能に致命的なダメージを与えない
ような素子構造を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放射型冷陰極装置は、上面が導電性の
ある基板上に堆積した絶縁層と導電性のゲート層、およ
び前記絶縁層と前記ゲート層に形成した空洞内に設けら
れた先端の先鋭な略円錐状のエミッタ電極から構成して
なる電界放射型冷陰極装置において、前記エミッタ電極
の側面または前記エミッタ電極と同電位の前記基板上に
絶縁膜を有し、前記絶縁膜上に前記エミッタ電極の先端
を中心とした前記絶縁層を除去した空洞を有し、前記空
洞内の前記絶縁膜の表面位置が前記空洞以外の部分より
同一かまたは下がっていることを特徴とするものであ
る。

【００１８】また、本発明の電界放射型冷陰極装置の製
造方法は、半導体または、金属からなる基板の表面に、
気相成長もしくは熱酸化を施すことによって、前記基板
上に第１の絶縁層を形成する工程と前記第１の絶縁層に
穴を開けて前記基板を露出する工程と前記第１の絶縁層
及び穴から露出した基板表面に、気相成長を施すことに
よって、第２の絶縁層を形成する工程と前記第２の絶縁
層表面に、気相成長もしくは真空蒸着やスパッタを施す
ことによって導電性皮膜を形成する工程と前記導電性皮
膜を前記第１の絶縁層に設けた穴と同心になるように前
記第２の絶縁層が露出する穴を設けゲート電極をゲート
電極を形成する工程と前記導電性皮膜か前工程で使用し
たフォトレジストをマスクにして、前記第２の絶縁層が
前記第１の絶縁層に対し、選択比が大きく、前記第２の
絶縁層のエッチングレートが早いエッチング液もしくは
ガスでエッチングを施し、前記第１の絶縁層に開けた穴
から前記基板を露出させる工程と前記導電性皮膜上に無
機あるいは、有機材料からなる犠牲層を形成する工程と
前記導電性皮膜に開けた穴の上方より高融点金属を入射
させ、前記第１の絶縁層の穴から露出している前記基板
とその周辺を底面とする円錐状のエミッタ電極を形成す
る工程と前記導電性皮膜上にも堆積した前記高融点金属
を前記犠牲層を取りのぞくことで除去する工程と前記第
１の絶縁層表面の露出部分をエッチングし、くぼみを形
成する工程とにより成ることを特徴とする。

【００１９】

【作用】以上の構成を有する本発明の電界放射型冷陰極
装置は、エミッタ電極底面の外周が確実に第１の絶縁層
上にあり、トリプルジャンクションの導体側（エミッタ
電極）が基板に対して垂直方向に、絶縁体側（第１の絶
縁層）が水平になるような構造になっている。沿面放電
あるいは、局所な低真空発生による放電のきっかけは、
導体側から電界によって放出した電子が絶縁体側の表面
に衝突して２次電子を次から次に発生させることや、そ
のために局所的な発熱が起こり、吸着物質の離脱による
低真空化が起こることによる。そのため、絶縁体側から
の２次電子放出を抑制する方法は、導体側から放出した
電子を絶縁体側の表面に衝突しにくくなるような構造に
することが重要になる。本発明の電界放射型冷陰極装置
の構造は、前述したように、導体側（エミッタ電極）を
基板に対して垂直に、絶縁体側（第１の絶縁層）を水平
にし、電界集中によってトリプルジャンクション近傍の
エミッタ電極から放出した電子を上方向の電界で上向き
に進行させ、水平な第１の絶縁層表面には衝突しない構
造にしていることが特徴となっている。それゆえ、第１
の絶縁層表面からの２次電子放出がなく、放電が起こる
きっかけがなくなるため、絶縁耐圧が大幅に向上し、歩
留まりや品質を高く維持することができる。

【００２０】ここで重要なことは、電子が電界の方向に
向かって進行することを利用し、電界方向に対してトリ
プルジャンクションを構成している絶縁層表面の角度を
広げ、導体側から放出した電子が絶縁層表面に衝突しな
い構造にすることにある。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の電界放射型冷陰極装置の主要素
子の第１の実施例の断面図である。この実施例によれ
ば、半導体または表面が金属からなる基板１上に開口径
Ａを持つ開口穴を有する第１の絶縁層２があり、この第
１の絶縁層２の開口穴より一回り大きく、その一部を底
面が覆う第１の絶縁層２上の底部径Ｂを持つ円錐状のエ
ミッタ電極５が立ち、この円錐状のエミッタ電極５の底
面よりさらに一回り大きい開口径Ｃの開口穴を有する第
２の絶縁層３があり、エミッタ電極５と第２の絶縁層３
の間に露出している第１の絶縁層２の表面位置が露出し
ていない位置より下がった構造になっている。言い換え
ると、エミッタ電極５が基板１に対して垂直に立ち、一
方、第１の絶縁層２が水平なため、電界集中でトリプル
ジャンクション６近傍のエミッタ電極５から電子が放出
したとしても、その電子は、図２に示すように上方向の
電界に影響されて上向きに進行し、第１の絶縁層２の表
面に衝突しにくくなる。ここでトリプルジャンクション
とは、エミッタ電極の底部においてエミッタ電極と第１
の絶縁層が接する接点をいう。これは、このトリプルジ
ャンクション６を構成する第１の絶縁層２の表面がトリ
プルジャンクション６近傍の電界方向に対して、開いて
遠ざかる方向に向いているためである。そのため、第１
の絶縁層２から２次電子の放出がなく、沿面放電や発熱
からの局所低真空による放電等を起こすきっかけがなく
なる。例えば、従来の図５に示すようなスピントタイプ
の構造では、７０Ｖ付近に分布していた絶縁耐圧が本発
明の構造にすると、１５０Ｖ付近に分布するまでに改善
された。

【００２２】次に、図３を参照して、本発明の第２の実
施例の電界放射型冷陰極装置の主要素子における製造方
法について説明する。図３の（ａ）〜（ｇ）は本発明の
電界放射型冷陰極装置の主要工程の断面図である。ま
ず、図３（ａ）に示すように、Ｎ型シリコン基板１の表
面に、気相成長あるいは、熱酸化を施すことによって、
第１の絶縁層２を８００オングストローム形成する。次
に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技
術により、第１の絶縁層２に直径がおよそ０．７μｍの
開口穴７を形成する。次に、図３（ｃ）に示すように、
第１の絶縁層２及び開口穴７から露出したＮ型シリコン
基板１の表面に、気相成長を施すことによって、第２の
絶縁層３を形成し、さらに、第２の絶縁層３の表面に、
気相成長もしくは真空蒸着やスパッタを施すことによっ
て導電性皮膜４′を形成する。この導電性皮膜４′は、
モリブデン，タングステン，タングステンシリサイド等
の金属や不純物をドープしたポリシリコンなどを用い
る。

【００２３】次に、図３（ｄ）に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術により、導電性皮膜４′に直径がおよ
そ１．０μｍの開口穴８を設け、ゲート電極４を形成す
る。次に、図３（ｅ）に示すように、導電性皮膜４′
か、ゲート電極４の形成に用いたマスク材（例えば、フ
ォトレジスト）をマスクにして、第２の絶縁層３に開口
穴９を形成する。このとき、第１の絶縁層２は、第２の
絶縁層３のエッチングに対して、選択比が大きい材料を
選ぶ。例えば、第１の絶縁層２の材料にシリコン窒化膜
を用い、第２の絶縁層３にシリコン酸化膜を用いると弗
酸系のエッチングで所望の形状が得られる。このエッチ
ングは、第１の絶縁層２の開口穴７から、Ｎ型シリコン
基板１の表面が露出してからも、さらに十分に時間をか
けて行うと、第２の絶縁層３の表面がサイドエッチされ
るため、直径が第１の絶縁層２の開口穴７及びゲート電
極４の開口穴８より大きい開口穴９が形成できる。例え
ば、エッチング時間を適切にとれば、第１の絶縁層２の
開口穴７の直径が０．７μｍ、ゲート電極４の開口穴８
の直径が１．０μｍに対して一回り大きい、およそ１．
２μｍの開口穴９ができる。また、シリコン窒化膜を直
接、Ｎ型シリコン基板１の上に形成すると、開口穴７の
エッチング（例えば、四弗化炭素を用いるドライエッ
チ）時に、露出したＮ型シリコン基板表面が荒れるた
め、Ｎ型シリコン基板１上に、あらかじめ熱酸化でシリ
コン酸化膜を薄く（およそ３００オングストローム）形
成した後、気相成長でシリコン窒化膜を堆積し、第１の
絶縁層２を形成することもできる。

【００２４】次に、図３（ｆ）に示すように、真空蒸着
装置により、回転斜め蒸着を行い、犠牲層１０を堆積
し、さらに高融点金属を垂直方向から堆積し、エミッタ
電極５を形成する。また、そのとき同時に、犠牲層１０
上に高融点金属層１１が堆積される。次に、図３（ｇ）
に示すように、犠牲層１０を選択エッチングすることに
より、高融点金属層１１をリフトオフする。このとき、
犠牲層の材料は、アルミニウム，アルミナ等を用い、高
融点金属の材料は、タングステン，ニッケル，モリブデ
ン等を用いる。さらに、露出している第１の絶縁層２の
表面に等方性のエッチングを施すことにより、くぼみ１
２を形成する。この等方性エッチングは、第１の絶縁層
２の材料にシリコン窒化膜を用いる場合、リン酸系の薬
液を使用しても良いし、四弗化炭素などのガスを用いて
も良い。

【００２５】このような本発明の電界放射型冷陰極装置
の製造方法は、ゲート電極形成工程の１回のフォトリソ
グラフィ技術により、ゲート電極の開口穴８，第２の絶
縁層の開口穴９及び円錐状のエミッタ電極５がセルフア
ラインでずれがなく形成できるため、開口穴９が第１絶
縁層２と接する位置と第１絶縁層２上に乗ったエミッタ
電極５の外周の位置が高精度に構成することができる。

【００２６】ここで、前述した公知例に基づいて、本発
明の電界放射型冷陰極装置がいかにすぐれているか簡単
に述べる。まず、図５のスピントらの公知例は、絶縁体
（シリコン酸化膜）の側壁が導体（シリコン基板）から
導体（ゲート電極）に直接、延びてつながっており、ト
リプルジャンクション近傍の導体（シリコン基板）から
放出した電子は、電界方向に飛び出し、絶縁体（シリコ
ン酸化膜）の側面に衝突しやすい構造になっている。

【００２７】次に、図８及び図９の公知例は、絶縁体
（絶縁膜）の側壁が導体（エミッタ電極）から導体（ゲ
ート電極）に直接、延びてつながっており、トリプルジ
ャンクション近傍の電界方向が絶縁体（絶縁膜）の側壁
に沿う方向に向いている。そのため、導体（エミッタ電
極）から放出した電子は、絶縁体（絶縁膜）の側面にき
わめて衝突しやすい構造になっている。

【００２８】本発明の電界放射型冷陰極装置は、上述し
た公知例のこのような欠点を図１の例に示すような構造
にすることにより解決した。つまり、導体（エミッタ電
極５）を基板に対して垂直に、絶縁体（第１の絶縁層
２）を水平にし、さらに、絶縁体（第１の絶縁層２）に
くぼみ１２を形成することにより、電界集中によってト
リプルジャンクション近傍の導体（エミッタ電極５）か
ら放出した電子を上方向の電界で上向きに進行させ、水
平な絶縁体（第１の絶縁層２）の表面には衝突しない構
造にすることが特徴となっている。それゆえ、絶縁体
（第１の絶縁層２）の表面からの２次電子放出がなく、
放電が起こるきっかけがなくなるため、絶縁耐圧が大幅
に向上し、歩留まりや品質を高く維持することができ
る。重要なことは、電界方向に対してトリプルジャンク
ションを構成している絶縁体（第１の絶縁層２）の角度
を広げ、導体（エミッタ電極５）から放出した電子が絶
縁体（第１の絶縁層２）の表面に衝突しない構造にする
ことにある。また、万が一放電が起き、素子を破壊した
としても、基板１上に第１の絶縁層２が覆っているた
め、その破壊規模も小さく、周辺の素子に放電破壊を伝
播することがない。

【００２９】さらに、図６と図７の公知例の製造方法で
は、前述したようにシリコン基板上だけに選択的に単結
晶を気相成長させようとする方法なので絶縁層表面で
は、単結晶を成長させる原子の吸着を抑えている。その
ため、絶縁層と単結晶の間に隙間が必ず形成され基板の
一部が露出し、本発明のような構造には決してならな
い。それゆえ、絶縁層に開けた開口部に露出した小さな
表面積のシリコン基板の面だけにエミッタ電極の底部が
接着した極めて不安定な構造になることは明らかであ
る。本発明の電界放射型冷陰極装置と構造上、異なるこ
とは明らかである。

【００３０】また、図６の公知例では、気相成長の途中
で高周波を印加することで上層，下層の絶縁層の側壁に
成長した非晶質アルミニウムにより、エミッタ電極，ゲ
ート電極，コレクタ電極がショートし、電界放射型冷陰
極の素子が形成できないという問題もある。本発明の製
造方法では、決してこのようなことが起こらず、耐電圧
特性の良い電界放射型冷陰極装置を提供することができ
る。

【００３１】また、図７の公知例では、エミッタ電極を
形成した後フォトリソグラフィー技術を使いゲート電極
を形成するため、エミッタ電極との間にずれが生じる。
そのため、エミッタ電極とゲート電極間の距離が製造毎
に変化し、さらに、左右における距離も異なってくるた
め、電子放出の閾値が変動し、不安定な特性になる。本
発明の電界放射型冷陰極装置の製造方法は、セルフアラ
インでエミッタ電極とゲート電極の位置が決定されるた
め、ずれがなく安定した特性を提供することができる。

【００３２】本発明の第３の実施例として図４（ａ）〜
（ｇ）に主要素子の製造方法の断面図を示す。まず、図
４の（ａ）〜（ｃ）に示すような方法でエミッタ電極の
凸部をシリコン基板３１に形成した後、シリコン酸化膜
を除去する（図４（ｄ））。次に、第１の絶縁膜３２，
第２の絶縁膜３３，ゲート電極３４，塗布膜３９を順次
形成する（図４（ｅ））。例えば、気相成長により、第
１の絶縁膜３２にはシリコン窒化膜を用い、第２の絶縁
膜３３にはシリコン酸化膜を用いる。さらに、ゲート電
極３４にはポリシリコンを用いる。最後に、塗布機で酸
化膜系の塗布膜３９を塗布し、凸部に薄く、凹部に厚く
形成する。それを４００℃程度の熱処理で固める。

【００３３】次に、上面より全面にドライエッチング
し、凸部のポリシリコン３４をエミッタ電極３５の先端
位置になるまでエッチングする。次に、弗酸系の薬液で
シリコン窒化膜３２が露出するところまでシリコン酸化
膜３３をエッチングする。この時、塗布膜３９も同時
に、エッチング除去される。次に、リン酸系の薬液でシ
リコン窒化膜３２をエッチングし、エミッタ電極３５の
先端を露出する（図４（ｆ））。次に、再び、弗酸系の
薬液でシリコン酸化膜３３をエッチングし、シリコン酸
化膜３３を後退させる（図４（ｇ））。この実施例の特
徴は、第１の絶縁層３２，第２の絶縁層３３及びゲート
電極３４をエミッタ電極３５を形成した後に形成し、エ
ミッタ電極３５の先端を露出させるエッチングを施すこ
とにより、露出部分を少なくし、製造中のゴミ，汚れの
付着や吸着物質が吸着する確率を低く抑えている。

【００３４】このような、本発明のこの実施例は、シリ
コン窒化膜３２を３００オングストローム程度に薄く
し、エミッタ電極３５とシリコン窒化膜３２との間にで
きたトリプルジャンクション近傍の電子の衝突による影
響を極力小さくした。そのため、エミッタ電極３５の側
面に平行にシリコン窒化膜３２がある構造となり、トリ
プルジャンクション近傍のエミッタ電極３５から飛び出
した電子がエミッタ電極３５の側面に対し、垂直方向の
電界により、垂直に進行するため、シリコン窒化膜３２
の表面に衝突しない。この実施例は、シリコン基板を直
接エミッタ電極として用い、より微細化した電界放出型
冷陰極装置を提供する。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の電界放出型
冷陰極装置は、電界方向に対してトリプルジャンクショ
ンを構成している絶縁体の角度を広げ、トリプルジャン
クションを構成している導体から放出した電子が絶縁体
の表面に衝突しにくい構造になっている。それゆえ、絶
縁体の表面からの２次電子放出がなく、放電が起こるき
っかけがなくなるため、絶縁耐圧が大幅に向上する。ま
た、万が一、放電が起き、素子が破壊したとしても、導
体上が絶縁層で保護されているため、導体とゲート電極
がショートすることなく、オープン破壊にとどまりやす
い。それゆえ、１個の素子の破壊が装置全体に影響を及
ぼすことが少なくなる。このような効果により、本発明
は、歩留まりや品質を高く維持できる電界放出型冷陰極
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放射型冷陰極装置の主要素子の第
１の実施例の断面図である。

【図２】本発明の電界放射型冷陰極装置の主要素子の等
電位面と電界方向を示した断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の電界放射型冷陰極
装置の主要素子の製造方法を示す第２の実施例の工程断
面図である。

【図４】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の電界放射型冷陰極
装置の主要素子の製造方法を示す第３の実施例の工程断
面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、従来の代表的な電界放射型
冷陰極装置の主要素子の製造方法を示す工程断面図であ
る。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は、特開平４−２７４１２３で
公知な電界放射型冷陰極装置の製造方法を示す工程断面
図である。

【図７】（ａ）〜（ｄ）は、特開平１−１４９３５１で
公知な電界放射型冷陰極装置の製造方法を示す工程断面
図である。

【図８】（ａ）〜（ｅ）は、特開平６−５２７８８で公
知な電界放射型冷陰極装置の製造方法を示す工程断面図
である。

【図９】（ａ）〜（ｅ）は、特開平５−１５１８８７で
公知な電界放射型冷陰極装置の製造方法を示す工程断面
図である。

【符号の説明】

１基板２第１の絶縁層３第２の絶縁層４，３４ゲート電極４′ 導電性皮膜５，３５エミッタ電極６トリプルジャンクション７第１の絶縁層の開口穴８ゲート電極の開口穴９第２の絶縁層の開口穴１０犠牲層１１高融点金属層１２くぼみ３１シリコン基板３２第１の絶縁膜３３第２の絶縁膜３９塗布膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上面が導電性のある基板上に堆積した絶
縁層と導電性のゲート層、および前記絶縁層と前記ゲー
ト層に形成した空洞内に設けられた先端の先鋭な略円錐
状のエミッタ電極とを有する電界放射型冷陰極装置にお
いて、前記エミッタ電極の側面または前記エミッタ電極
と同電位の前記基板上に絶縁膜を有し、前記絶縁膜上に
前記エミッタ電極の先端を中心とした前記絶縁層を除去
した空洞を有し、前記空洞内の前記絶縁膜の表面位置が
前記空洞以外の部分の絶縁膜の表面位置より窪んでいる
ことを特徴とする電界放射型冷陰極装置。
【請求項２】前記絶縁膜の表面に対して前記絶縁膜の
終端近傍の電界が離れていく方向を向いていることを特
徴とする請求項１記載の電界放射型冷陰極装置。
【請求項３】上面が導電性のある基板上に、気相成長
もしくは熱酸化を施すことによって第１の絶縁層を形成
する工程と、前記第１の絶縁層に穴を開けて前記基板を
露出する工程と、前記第１の絶縁層及び穴から露出した
基板表面に気相成長を施すことによって第２の絶縁層を
形成する工程と、前記第２の絶縁層表面に気相成長もし
くは真空蒸着やスパッタを施すことによって導電性皮膜
を形成する工程と、前記導電性皮膜を前記第１の絶縁層
に設けた穴と同心になるように前記第２の絶縁層が露出
する穴を設けゲート電極を形成する工程と、前記導電性
皮膜か前工程で使用したフォトレジストをマスクにして
前記第２の絶縁層が前記第１の絶縁層に対し、選択比が
大きく、前記第２の絶縁層のエッチングレートが早いエ
ッチング液もしくはガスでエッチングを施し、前記第１
の絶縁層に開けた穴から前記基板を露出させる工程と、
前記導電性皮膜上に無機あるいは、有機材料からなる犠
牲層を形成する工程と、前記導電性皮膜に開けた穴の上
方より高融点金属を入射させ、前記第１の絶縁層の穴か
ら露出している前記基板とその周辺を底面とする円錐状
のエミッタ電極を形成する工程と、前記導電性皮膜上に
も堆積した前記高融点金属を前記犠牲層を取りのぞくこ
とで除去する工程と、前記第１の絶縁層表面の露出部分
をエッチングし、窪みを形成する工程とを有することを
特徴とする電界放射型冷陰極装置の製造方法。
【請求項４】前記第１の絶縁層を前記エミッタ電極を
形成した後に形成することを特徴とする請求項３記載の
電界放射型冷陰極装置の製造方法。