JP3143679B2 - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強電界によって電子を
放出する電界放射型の電子放出素子及びその製造方法に
関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子
ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃として、ある
いは照明ランプの超小型照明源として、特に、平面ディ
スプレイを構成するアレイ状のＦＥＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｅ
ｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙ）の電子発生源として有用な
電子放出素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。

【０００３】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。

【０００４】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されてい
る。そして、そのために使用する電子放出素子として、
電界放射現象を利用した電界放射型の電子放出素子が注
目されている。この電界放射型の電子放出素子は、物質
に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物
質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度
が１０⁷ Ｖ／ｃｍ以上の強電界となると、物質中の電子
がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できる
ようになり、そのため物質から電子が放出されるという
現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方
程式に従うために、電子を放出する部材（エミッタ電
極）に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引
き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。

【０００５】このような電界放射型の電子放出素子の一
般的なものとしては、図６（ａ）に示すように、先端が
尖ったコーン型の電子放出素子を例示することができ
る。この素子においては、導電層６１上に絶縁層６２及
びゲート電極６３が順次積層されており、その絶縁層６
２及びゲート電極６３には、導電層６１に達する開口部
６４が形成されている。そして、その開口部６４内の導
電層６１上には、少なくともゲート電極６３に接触しな
いように、点状突起Ｐｏを有する円錐形状（コーン型）
のエミッタ電極６５が形成されている。この場合、電子
放出効率を更に向上させるために、ゲート電極６３の表
面が、コーン型のエミッタ電極６５の点状突起Ｐｏより
高い位置にくるようになっている。このような電子放出
素子においては、エミッタ電極６５に印加された電圧
は、その点状突起Ｐｏに効率よく集中するので、比較的
低い印加電圧で冷電子を放出することができる。

【０００６】しかしながら、図６（ａ）に示すようなコ
ーン型エミッタ電極を有する電子放出素子を大面積の平
面型ディスプレイに使用するＦＥＡに応用しようとした
場合、径１μｍ以下の開口部６４の中に、数百ｎｍ以下
の曲率半径の点状突起Ｐｏを有するエミッタ電極６５の
多数個を、ゲート電極６３との相対的位置関係を一定に
保持したままバラツキなく均一に形成することが望まれ
るが、実際上、そのように形成することは非常に困難で
あるという問題がある。

【０００７】このため、図６（ｂ）に示すように、エミ
ッタ電極をコーン型とせずに、均一加工性の良好なディ
スク型のエミッタ電極（ディスク型エミッタ電極）６５
とすることが提案されている。このディスク型エミッタ
電極６５においては、エミッタ電極表面６５ａとエミッ
タ電極周面６５ｂとの境界線であるエミッタ電極６５の
輪線状の周縁Ｐｅに電界が集中し、そこから冷電子が放
出される。なお、エミッタ電極６５と導電層６１との間
には、エミッタ電極下地層６６を形成しておくことが一
般的に行なわれている。このようなエミッタ電極下地層
６６は、ディスク状のエミッタ電極６５の周縁Ｐｅに電
界が集中しやすくなるように、エミッタ電極６５の径よ
りも小さい径とすることが好ましいとされ、そのために
エミッタ電極下地層６６は通常エミッタ電極６５よりも
エッチングされやすい材料から形成されている。

【０００８】しかしながら、図６（ｂ）に示すようなデ
ィスク型エミッタ電極を有する電子放出素子の場合、電
界の集中する輪線状の周縁Ｐｅは、それがゲート電極６
３の主面に平行なエミッタ電極表面６５ａと、基板６１
の垂直方向に平行なエミッタ電極周面６５ｂとから形成
されているために、図６（ｃ）に示すように、Ｐｅの向
きｘは、基板６１の垂直方向及びゲート電極６３の主面
方向に対し、それぞれ４５°傾いている。そのために次
に説明するような問題がある。

【０００９】即ち、エミッタ電極から放射された電子を
利用できるようにするためにはゲート電極に捕捉されな
いようにする必要がある。そのためは、輪線状の周縁Ｐ
ｅの向きｘを基板の垂直方向に近づけることが望まれ
る。しかしながら、図６（ｂ）に示すような素子の場
合、エミッタ電極６５から電子がゲート電極６３の主面
方向に対し４５°の向きで放射されるために、ゲート電
極６３に捕捉される電子の割合が多くなり、相対的に素
子内部から外部へ放射される電子の割合（分配率）が低
くなるので、電子発生源としての機能が不十分であると
いう問題がある。

【００１０】この問題を解決すべく、ディスク型エミッ
タ電極の輪線状周縁Ｐｅの向きを基板の垂直方向へ近づ
ける技術として、特開平４−８７１３５号公報あるいは
特開平２０６１２３号公報に開示されたものがある。

【００１１】特開平４−８７１３５号公報によれば、ま
ず、図７（ａ）に示すように、導電層６１上に、周縁部
がオーバーハング状態となるようにディスク状エミッタ
電極６５を形成し、その周囲に絶縁層６２及びゲート電
極６３を１００℃以上の雰囲気温度下で形成する。次い
で、雰囲気温度を常温に戻す。すると、導電層６１とエ
ミッタ電極６５との間の熱膨脹率の相違により、エミッ
タ電極６５の周縁部６５ｃが自然にめくれあがる（図７
（ｂ））。この現象を利用することにより、図７（ｃ）
に示すように、エミッタ電極６５の輪線状の周縁Ｐｅの
向きｘを導電層６１の垂直方向に近づけることができ
る。

【００１２】また、特開平４−２０６１２３号公報によ
れば、まず、図８（ａ）に示すように、絶縁性基板６７
上に部分的に導体層６１を形成し、さらにその周囲にテ
ーパーをつけて絶縁層６２を形成し、更に、全面にゲー
ト電極及びエミッタ電極用の金属材料薄膜層６８を積層
する。次に、金属材料薄膜層６８のゲート電極とエミッ
タ電極とに相当する部分に選択的にレジスト層６９を形
成し、そのレジスト層をマスクとして金属材料薄膜層６
８をエッチングし、更に絶縁層６２をオーバーエッチン
グする（図８（ｂ））。これにより、周縁部６５ｃがゲ
ート電極６３の方向へせりあがったエミッタ電極６５が
形成される。よって、図８（ｃ）に示すように、エミッ
タ電極６５の輪線状の周縁Ｐｅの向きｘを基板６７の垂
直方向に近づけることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７の
場合、エミッタ電極６５の周縁部６５ｃのめくれあがり
は、導電層６１とエミッタ電極６５との間の熱膨脹率の
相違に依存しているために、めくれあがりの程度の再現
性が極めて乏しく、電界集中部分の幾何的な位置精度を
向上させることができないという問題があった。従っ
て、特開平４−８７１３５号公報に記載の技術を、一定
の特性のエミッタ電極を有する電子放出素子を多数個集
積形成する場合に適用することは実際上不可能であっ
た。

【００１４】また、導電層６１及びエミッタ電極６５の
構成材料として、両者の熱伝導率の差が大きい組み合わ
せを選択する必要があり、材料選択に制約が生じてい
た。

【００１５】一方、図８の電子放出素子の構造では、エ
ミッタ電極６５を位置的に確定的に形成し、それに対し
てゲート電極６３を自己整合的に形成することができな
いという問題があった。即ち、図８の電子放出素子のゲ
ート電極６３とエミッタ電極６５とは、金属材料薄膜層
６８にレジスト層６９を選択的に形成し、そのレジスト
層をエッチングマスクとして使用して金属材料薄膜層６
８をエッチングすることにより同時に形成されるため
に、ゲート電極６３とエミッタ電極６５との相対的位置
精度には、レジスト層パターニング精度（マスク精度、
露光精度、レジスト層の除去精度等）やエッチング精度
などの累積の精度誤差が含まれるという問題があった。
このため、ゲート電極６３とエミッタ電極６５との間の
ギャップが一定せず、しかもそのギャップ長がフォトリ
ソグラフ法のデザインルールに依存せざるを得ず、ギャ
ップ長をデザインルールよりも小さくして素子の機能を
向上させることが困難であるという問題があった。

【００１６】従って、図７や図８の電子放出素子は、Ｆ
ＥＡに使用するような超微細な電子放出素子としては不
向きであった。

【００１７】また、一般に、電子放出素子を更に微細に
形成することが強く要請されており、このため、半導体
チップの形成手法を応用できるように、電子放出素子の
基板もしくは導電層としてシリコン基板を使用すること
が試みられている。

【００１８】シリコン基板を効率的にエッチングする方
法としては、ＳＦ₆ などのフッ素系ガスを用いるＲＩＥ
ドライエッチングが考えられる。従って、エミッタ電極
をシリコン基板上に形成した後にその基板をエッチング
する場合には、エミッタ電極としてはそのようなＲＩＥ
エッチングに耐性を有する材料、即ちＣｒを使用する必
要が生じる。

【００１９】しかしながら、Ｃｒの表面には、電子の放
出を妨げる自然酸化膜が生成しやすいために、動作電圧
も上昇しやすいという問題がある。また、Ｃｒの熱伝導
率が低いために、エミッタ電極の電界の集中部での熱の
伝導が遅れて局部的にエミッタ電極の温度が過度に上昇
し、電子放出素子が破壊される等の問題が起きる。この
ため、基板としてシリコン基板を使用し、その基板にエ
ミッタ電極を形成後、その基板に対してフッ素系ガスを
用いるＲＩＥドライエッチングを行う場合でも、Ｃｒ以
外の材料からエミッタ電極を構成できるようにすること
が強く望まれる。

【００２０】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決しようとするものであり、エミッタ電極の輪線状
の周縁の向きが基板の垂直方向により近づくようにエミ
ッタ電極がゲート電極に対して高い位置精度で再現性よ
く傾斜して形成されており、しかもフォトリソグラフ法
のデザインルールに制限されることなく極めて小さいギ
ャップ長を有し、ゲート電極をエミッタ電極に対して自
己整合的に配設できる構造を有し、且つエミッタ電極の
材料選択の幅が大きい電子放出素子を提供することを目
的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、（１）基板
に逆円錐体や逆正四角錐体などの逆錐体形状の凹部を形
成し、その凹部に沿ってエミッタ電極を形成することに
より、ゲート電極に対して高い位置精度で再現性よく傾
斜したエミッタ電極が形成できること、（２）そのエミ
ッタ電極をマスクとして基板を等方的にエッチングする
ことによりエッチングの周縁部を凹部から突き出させる
ことができ、その上に絶縁層とゲート電極とを蒸着法な
どにより順次積層し、エミッタ電極上に積層した両層を
リフトオフすると、ゲート電極をエミッタ電極と接触さ
せずに極めて小さい均一なギャップ長でその周囲に積層
できること、（３）この場合、全体が傾斜したエミッタ
電極上に積層された絶縁層は、平坦な基板上に積層され
た絶縁層に比べてリフトオフしやすいこと、（４）更
に、エミッタ電極の形成の際にその両面を保護層で被覆
し、最終的にエミッタ電極の少なくとも電子放出部の両
面の保護層を除去することによりエミッタ電極の材料選
択の幅が広がること、及び（５）これらを組み合わせる
ことにより上述の目的が達成できることを見出し、本発
明を完成させるに至った。

【００２２】即ち、本発明は、基板、絶縁層及びゲート
電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該基
板に達する開孔部が設けられ、その開孔部内の基板上に
エミッタ電極が、該ゲート電極に接触しないように形成
されてなる電界放射型の電子放出素子において、基板に
逆錐体形状の凹部が形成され、該基板が（１００）面方
位の主面の単結晶シリコン基板であり、その基板に形成
された凹部が（１１１）面方位の斜面を有する逆正四角
錐形状の凹部であり、その凹部の斜面に沿ってエミッタ
電極が形成され、エミッタ電極の周縁部が基板の凹部の
上縁部から突き出ており、且つエミッタ電極と基板との
間に、基板をエッチングする際にエミッタ電極を保護す
るための下層保護層が形成されていることを特徴とする
電子放出素子を提供する。

【００２３】また、本発明は、上述の電子放出素子の製
造方法であって、 （ａ）基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
形成し、そのレジスト層をパターニングする工程； （ｂ）パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程； （ｃ）レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
る工程； （ｄ）基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
れるように、基板の凹部側に、下層保護層用材料薄膜
層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材料薄
膜層を順次形成する工程； （ｅ）絶縁層を、その上に形成された下層保護層用材料
薄膜層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材
料薄膜層とともにリフトオフして下層保護層、エミッタ
電極及び上層保護層をパターニングする工程； （ｆ）下層保護層、エミッタ電極及び上層保護層の周縁
部が基板の凹部の上縁部から突き出るように基板をエッ
チングする工程； （ｇ）上層保護層をエッチング除去し且つ下層保護層の
周縁部をエッチング除去する工程； （ｈ）基板の凹部側の表面上に新たに絶縁層を積層し、
更に、ゲート電極用材料薄膜を積層する工程；及び （ｉ）エミッタ電極上に新たに形成された絶縁層を、そ
の上のゲート電極用材料薄膜層とともにリフトオフし
て、エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート
電極を形成する工程を含んでなることを特徴とする製造
方法を提供する。

【００２４】以下、本発明を図面に従って詳細に説明す
る。

【００２５】まず、本発明の電子放出素子の断面図を図
１に示す。同図に示されるように、本発明の電子放出素
子においては、基板１、絶縁層２及びゲート電極３が順
次積層され、ゲート電極３と絶縁層２とには基板１に達
する開孔部Ａが設けられ、その開孔部Ａ内の基板１に逆
錐体形状の凹部１ａが形成され、そしてその凹部１ａの
斜面に沿ってエミッタ電極４がゲート電極３に接触しな
いように形成され、しかもエミッタ電極４の周縁部４ａ
が基板１の凹部１ａの上縁部１ｂから突き出るように形
成されている。また、エミッタ電極４と基板の凹部１ａ
との間には、下層保護層５が設けられている。

【００２６】本発明において基板１は、電子放出素子の
支持体として機能している。このような基板１として
は、逆円錐や逆正四角錐といった逆錐体形状の凹部１ａ
を形成することができる限り特に制限はないが、中で
も、（１００）面方位の主面の単結晶シリコン基板を使
用することが特に好ましい。この理由は、このような単
結晶シリコン基板は水酸化アルカリ金属水溶液で異方性
エッチングでき、その結果（１１１）面方位の斜面から
なる逆正四角錐形状の凹部を形成することができるため
である。この場合の凹部１ａの中心角を２θとすると角
度θは約５５°とすることができる。一方、エミッタ電
極４の周側面４ｂは基板１の垂直方向となっているた
め、エミッタ電極４の周縁Ｐｅの向きｘは基板１の垂直
方向から２７．５°（＝５５°／２）傾斜した向きとな
る。よって、エミッタ電極４の周縁Ｐｅから放射された
電子が、ゲート電極３に捕捉される割合を低減させるこ
とができる。

【００２７】絶縁層２は、基板１とゲート電極３とを電
気的に絶縁するための層であり、ゲート電極３とエミッ
タ電極４とのギャップ巾を規定する層でもある。このよ
うな絶縁層２としては、電子放出素子の絶縁層として用
いられている公知の材料から形成することができるが、
特に、緩衝フッ酸により容易にリフトオフすることがで
きるという点からシリコン酸化膜が好ましい。また、絶
縁層２の厚みとしては、エミッタ電極４とゲート電極３
との好ましい相対的位置関係を実現する厚みとすればよ
く、例えば、０．２〜２μｍ、好ましくは０．５〜１μ
ｍとする。

【００２８】ゲート電極３は、エミッタ電極４に強電界
を集中させるための電極である。ゲート電極３の材料と
しては、金属、その窒化物又は炭化物、半導体、半導体
の金属化合物、例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ｗ、
Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉなど
の単体、それらのケイ素化合物、窒化物あるいは炭化物
等の中から適宜選択することができるが、耐電流性の点
から高融点金属、特に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂを
好ましく例示することができる。中でも、Ｎｂを使用す
ることが好ましい。

【００２９】ゲート電極３の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、約０．１〜０．２μｍとする
ことが好ましい。

【００３０】エミッタ電極４は、その表面から電子を直
接的に放出する部材として機能している。このようなエ
ミッタ電極４の材料としては、仕事関数が小さく電子放
出特性が良好で、強電圧耐性があり、高い融点を有する
ものを使用する。このような材料としては、基本的にゲ
ート電極３として使用できる材料群の中から適宜選択す
ることができるが、後述するようにエミッタ電極４の形
成時のリフトオフ条件に対する耐性や耐電流性の点か
ら、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂを好ましく例示するこ
とができる。中でも、Ｃｒ以外のＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ
を使用することが好ましい。

【００３１】エミッタ電極４の厚みは、必要に応じて適
宜決定することができるが、通常０．０５〜０．５μｍ
とすることが好ましい。

【００３２】本発明においては、エミッタ電極の周縁部
４ａが、基板１の凹部１ａの上縁部１ｂから突き出るよ
うに形成され、これにより、周縁部４ａに電界をより集
中させ、より低電圧で電子放出を行うことができるよう
になる。この形成方法については、後述の本発明の製造
方法の説明において詳説する。

【００３３】下層保護層５は、後述するように、エミッ
タ電極の周縁部４ａが基板１の凹部１ａの上縁部１ｂか
ら突き出るように基板１をエッチングする際に、基板１
側からエミッタ電極４に入射するイオン種からエミッタ
電極４を保護するためのものである。このような下層保
護層５としては、基板１の材料の種類やドライエッチン
グなどの加工条件に応じて、種々の材料の中から選択す
ることができる。例えば、基板１としてシリコン基板を
使用し、ＳＦ₆ などのフッ素系ガスのＲＩＥエッチング
を行う場合には、下層保護層５としてＣｒを特に好まし
く使用することができる。

【００３４】下層保護層５の層厚としては、エミッタ電
極４を保護できる限り特に制限はないが、通常０．０１
〜０．２μｍ、好ましくは０．０５〜０．１μｍとす
る。

【００３５】また、エミッタ電極４の断面形状は、図１
に示した通りであるが、平面図へ投影した形状が点対称
形状、例えば円形、正方形等になるように形成すること
が、安定した電子放出特性を得る上で好ましい。

【００３６】特に、エミッタ電極の平面投影形状を円形
とすると、エミッタ電極４の周縁Ｐｅに過度に尖鋭なエ
ッジ部が形成されることを防止し、素子の動作安定性を
向上させることができるので好ましい。このようなエミ
ッタ電極としては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形
成されたエミッタ電極であって、その平面図投影形状が
図２（ａ）に示すように円形であり、且つその斜視形状
が、図２（ｂ）に示すように４つの花弁集合体形状とな
るものを挙げることができる。

【００３７】一方、本発明においては、必要に応じて、
エミッタ電極の周縁部に尖鋭なエッジ部を設けることが
できる。この場合には、そのエッジ部に効率的に電界集
中させることができるので、電子放出素子の動作電圧を
低減させることができる。このようなエミッタ電極とし
ては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形成されたエミ
ッタ電極であって、その平面図投影形状が、図２（ｃ）
に示すように正方形であり、且つその斜視形状が、図２
（ｄ）に示すように星型となるものを挙げることができ
る。

【００３８】なお、エミッタ電極４の周縁部４ａの上端
（周縁Ｐｅ）のレベルが、ゲート電極３の上面レベルを
超えないようにすることがエミッション特性の点から好
ましい。

【００３９】次に、本発明の電子放出素子の製造方法
を、基板として主面が（１００）面方位の単結晶シリコ
ン基板を使用し、その基板に逆正四角錐形状の凹部を形
成し、更に、エミッタ電極を平面図投影形状が円形とな
るように形成する場合を例にとり、図３及び図４に従っ
て詳細に説明する。

【００４０】工程（ａ） まず、図３（ａ）に示すように、基板１上に絶縁層６を
形成し、その上にレジストを塗布し、パターニングする
ことによりレジスト層７を形成する。この場合には絶縁
層６としては熱酸化法により形成されるシリコン酸化膜
を好ましく使用することができる。

【００４１】レジスト層７の材料やそのパターニング方
法としては、公知のレジスト材料やパターニング方法を
適用することができ、例えば図３（ａ）の平面図に示す
ように円形の開孔部Ａを有するレジスト層７は、通常の
フォトリソグラフ法により形成することができる。

【００４２】工程（ｂ） 次にパターニングされたレジスト層７をマスクとして絶
縁層６を、基板１が円形に露出するまでエッチングする
（図３（ｂ））。この場合、絶縁層６としてシリコン酸
化膜を使用する場合には、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）をエッ
チャントとして好ましく使用することができる。

【００４３】工程（ｃ） 次に、レジスト層７を除去し、更に、絶縁層６をマスク
として基板１をエッチングし、凹部１ａを基板１に形成
する（図３（ｃ））。この場合、基板１として主面が
（１００）面方位の単結晶シリコン基板を使用した場合
には、エッチャントとしてＫＯＨやＮａＯＨなどの水酸
化アルカリ金属水溶液を使用することにより、絶縁層６
（エッチングマスク）の平面形状に因らず（１１１）面
でエッチングを停止させることができ、その結果、図３
（ｃ）に示すように、逆四角錐（逆ピラミッド）形状の
凹部１ａを形成することができる。この凹部１ａの内側
面の傾きθは、エッチャントとして水酸化アルカリ金属
水溶液を使用した場合、常に約５５°となり、従って凹
部１ａは常に一定の形状となり、よって、その凹部１ａ
の斜面に形成されるエミッタ電極も、再現性よく一定の
傾斜となる。

【００４４】工程（ｄ） 次に、基板１の凹部１ａ側に、下層保護層用材料薄膜
９、エミッタ電極用材料薄膜１０及び上層保護層用材料
薄膜１１をこの順で真空蒸着法やスパッタ法などの通常
の蒸着方法により積層する。これらの薄膜は、基板１の
凹部１ａ上で、下層保護層５、エミッタ電極４及び上層
保護層８を形成する（図３（ｄ））。

【００４５】ここで、上層保護層８は、すでに説明した
下層保護層５と同様に、後述の工程（ｆ）によりエミッ
タ電極の周縁部４ａが、基板１の凹部１ａの上縁部１ｂ
から突き出るように基板１をエッチングする際に、基板
１の表面側からエミッタ電極４に入射するイオン種から
エミッタ電極４を保護するためのものである。このよう
な上層保護層８としては、基板１の材料の種類やドライ
エッチングなどの加工条件に応じて、種々の材料の中か
ら選択することができる。例えば、基板１としてシリコ
ン基板を使用し、ＳＦ₆ などのフッ素系ガスのＲＩＥエ
ッチングを行う場合には、上層保護層８としてＣｒを特
に好ましく使用することができる。

【００４６】上層保護層８の層厚は、通常０．０５〜１
μｍ、好ましくは０．１〜０．５μｍ、下層保護層５の
層厚は、通常０．０１〜０．２μｍ、好ましくは０．０
５〜０．１μｍ、エミッタ電極４の厚さは、通常０．０
５〜０．２μｍ、好ましくは０．１〜０．３μｍとす
る。

【００４７】このように、エミッタ電極４が下層保護層
５及び上層保護層８により保護されているために、基板
１としてシリコン基板を使用し、後の工程でフッ素系ガ
スを用いるＲＩＥエッチングを行う場合でも、エミッタ
電極４を、本来的にはそのようなエッチング条件でエッ
チングされてしまう材料、例えばＮｂから構成すること
ができ、材料選択の幅を大きくすることができる。

【００４８】本工程において、凹部１ａ周辺の絶縁層６
上にも下層保護層用材料薄膜９、エミッタ電極用材料薄
膜１０及び上層保護層用材料薄膜１１が形成されるが、
基板１の凹部１ａ上に積層されたそれらの層に対応する
層と連続せず、段切れの状態となるように、各薄膜の厚
みを設定する。例えば、下層保護層用材料薄膜９を０．
０１〜０．２μｍ程度、エミッタ電極用材料薄膜１０を
０．０５〜０．５μｍ程度、そして上層保護層用材料薄
膜１１を０．０５〜１μｍ程度の厚みとする。このよう
に段切れの状態とする理由は、次工程において絶縁層６
を容易にリフトオフできるようにするためである。

【００４９】工程（ｅ） 次に絶縁層６を、その上に形成された下層保護層用材料
薄膜９、エミッタ電極用材料薄膜層１０及び上層保護層
用材料薄膜１１とともにリフトオフし、基板１の凹部１
ａの斜面に沿って下層保護層５、エミッタ電極４及び上
層保護層８を残存させる（図３（ｅ））。絶縁層６がシ
リコン酸化膜である場合には、緩衝フッ酸により容易に
リフトオフすることができる。

【００５０】工程（ｆ） 次に、上層保護層８及び下層保護層５はエッチングしな
いが、露出した基板１をエッチングできるエッチャント
を使用して基板１を異方性エッチングする（図４
（ｆ））。このとき、エミッタ電極４の周縁部４ａの下
方に位置する基板１がサイドエッチングされるようにす
る。すると、基板１の凹部１ａの上縁部１ｂから、上層
保護層８の周縁部８ａとエミッタ電極４の周縁部４ａと
下層保護層５の周縁部５ａが突き出た構造となる。

【００５１】この場合のエッチング方法としては、基板
１としてシリコン基板を使用し、上層保護層８及び下層
保護層５としてＣｒを使用した場合には、ＳＦ₆ ガスを
エッチャントとする反応性イオンエッチングを好ましく
行うことができる。このとき、エミッタ電極４として、
そのようなエッチング条件でエッチングされてしまうよ
うなＮｂなどを使用しても、その周面がわずかにサイド
エッチングされるにとどめることができる。

【００５２】工程（ｇ） 次に、上層保護層８及び下層保護層５の少なくとも周縁
部をエッチング除去する（図４（ｇ））。この場合、上
層保護層８は完全に除去してもよいが、下層保護層５
は、エミッタ電極４を支持するために基板１（凹部１
ａ）と接触する部分を残すようにエッチングする。

【００５３】ところで、下層保護層５が平面の膜であれ
ばエミッタ電極４をエッチングマスクとして等方性ウェ
ットエッチングすれば、基板１の凹部１ａ上だけに下層
保護層５が残存する構造が容易に得られる。しかし、本
発明の電子放出素子においては、上層保護層８、エミッ
タ電極４及び下層保護層５が基板１の表面に対して斜面
を形成している。従って、下層保護層５は、たとえエミ
ッタ電極４に覆われていても著しくサイドエッチングさ
れる。特に、等方性のウェットエッチング条件では、下
層保護層５は短時間でエッチング除去され、エミッタ電
極４がリフトオフされてしまう結果となる。よって、本
工程においては異方性エッチングすることが好ましい。
例えば、基板１がシリコン基板で上層保護層８及び下層
保護層５がＣｒでエミッタ電極４がＮｂである場合に
は、まず、塩素系ガスを用いるＲＩＥドライエッチング
を行う。具体的には、塩素系ガス（流量：約５０〜１０
０ｓｃｃｍ／例えば、クロロホルム）とその０．５〜２
倍の流量の酸素ガスとを装置に導入し、比較的に低いパ
ワー（５０〜１５０Ｗ）と低ガス圧（０．１〜０．３Ｔ
ｏｒｒ）という条件でエッチングを行うことができる。

【００５４】なお、このようなエッチングの終了時に
は、上層保護層８はエミッタ電極４上に若干残渣として
認められる場合があるが、実質的には除去される。ま
た、エミッタ電極４がエッチングされることにより、下
層保護層５がエミッタ電極４から飛び出すことになる部
分も除去される。

【００５５】更に、この異方性エッチングの後で軽くウ
ェットエッチングを行うことができる。この場合、エッ
チング液としては、例えば通常の酸性の硝酸セリウム系
エッチング液を好ましく使用することができる。このウ
ェットエッチングはリンス程度の軽い処理でよく、時間
的には約１〜２分程度の処理で十分である。このような
ウェットエッチングにより、上述の異方性エッチングに
よる残渣を完全に除去でき、しかも下層保護層５のシリ
コン基板１より露出した部分の除去が完了する。

【００５６】工程（ｈ）次に、基板１の凹部１ａ側の表
面上（即ち、エミッタ電極上及びその周囲の基板上）
に、新たに絶縁層１２を積層し、更に、ゲート電極用材
料薄膜１３を常法により積層する。これにより、エミッ
タ電極４と微小な間隙を保持しながら、その周囲に絶縁
層２とゲート電極３とを自己整合的に積層することがで
きる（図４（ｈ））。従って、マスクパターン形成技術
やフォトリソグラフ技術の累積誤差の影響を受けること
がなく、エミッタ電極４とゲート電極３との間の相対位
置を高精度で制御できることになり、とくに多数個の素
子を一度に集積形成した場合にも各素子おけるエミッタ
電極４とゲート電極３との間の位置精度をほぼ同様とす
ることができる。

【００５７】工程（ｉ） 最後に、エミッタ電極４上の絶縁層１２を、その上のゲ
ート電極用材料薄膜１３とともにリフトオフして、エミ
ッタ電極４に接触せずにそれを囲むようにゲート電極３
を形成する（図４（ｉ））。この場合のリフトオフ方法
としては、例えば、基材１としてシリコン基板を使用
し、絶縁層１２としてシリコン酸化膜を使用した場合に
は、緩衝フッ酸で軽くエッチングすることにより、Ｃｒ
などの耐緩衝フッ酸性のエミッタ電極４上の絶縁層２を
その上のゲート電極用材料薄膜１３とともにリフトオフ
することができる。これは、斜面に蒸着されたシリコン
酸化膜が、平面に蒸着されたシリコン酸化膜よりもエッ
チングされやすい性質を利用したものである。

【００５８】その後は、必要に応じ、ゲート電極３をエ
ミッタ電極４を取り囲む実効ゲート部分と、当該実効ゲ
ート部分に対し外部電源からの電気的接続を取るための
配線部分とにパターニングすればよい。

【００５９】なお、図３及び図４は、レジスト層７の形
状を円形開孔パターンとして、絶縁層６をエッチング
し、その絶縁層６を蒸着マスクとして使用することによ
り、図２（ｂ）に示すような花弁状のエミッタ電極４を
形成した例であるが、図５に示すように、当該レジスト
層７の開孔パターンＡをシリコン基板の（０１１）面方
向に平行な辺を持つ正方形とすれば、図２（ｄ）に示す
ような星型状のエミッタ電極４を形成することができ
る。このように、レジスト層７の開孔パターンに応じ
て、エミッタ電極４の周縁部に電界集中点となるエッジ
を多数個作製することが可能となる。

【００６０】

【作用】本発明の電子放出素子においては、基板の逆錐
体形状の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が配設され、
しかもエミッタ電極がその下地の基板よりも上部斜方に
突き出した形状となっている。そして、そのような形状
のエミッタ電極は僅かな間隙を持ってゲート電極により
囲まれている。従って、ゲート電極に対してエミッタ電
極が傾斜した構造となっており、エミッタ電極の周縁Ｐ
ｅの方向ｘが基板の垂直方向に近づいたものとなる。こ
のため、ゲート電極電圧によってエミッタ電極から放出
される電子が、ゲート電極にトラップされる確率を非常
に小さくし、素子外部へ放出される電子の分配率を大幅
に向上させることが可能となる。

【００６１】特に、本発明において、基板として、主面
が（１００）面方位の単結晶シリコン基板を使用した場
合には、絶縁層としてシリコン酸化膜を容易に形成する
ことができ、このシリコン酸化膜をエッチングマスクと
した水酸化アルカリ金属水溶液による異方性エッチング
により、そのエッチングマスクの形状に関わらず、マス
クの開孔パターン形状が外接する矩形（長方形または正
方形）を底辺とする逆四角錐の凹部が得られるので好ま
しい。

【００６２】なお、このとき、エミッタ電極はこのシリ
コン酸化膜からなるエッチングマスクを蒸着マスクとし
て使用して形成されるため、エッチングマスクの形状に
応じて、種々の形状にエミッタが形成可能となる。

【００６３】更に、エミッタ電極は、その周縁部を基板
の凹部から突き出るように加工（主としてＲＩＥ）する
工程時に、その上下が予め保護層で被覆されている。従
って、ＲＩＥ耐性のない材料からエミッタ電極を構成す
ることが可能となる。よって、エミッタ電極材料の選定
範囲が飛躍的に拡大し、特性の良好な電子放出素子を得
ることが可能となる。

【００６４】

【実施例】本発明の電子放出素子の製造例を以下の実施
例で具体的に説明する。

【００６５】実施例 図３（ａ）に示すように、導電性を有する面方位（１０
０）のシリコン基板を用意し、このシリコン基板１の上
に、熱酸化法により約０．３μｍ厚シリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂ 膜）を形成した。その上に直径６μｍの円形開孔
パターンを有するレジスト層（ＯＦＰＲ８６００、東京
応化工業株式会社）をフォトリソグラフ法により形成し
た。

【００６６】このパターン化したレジスト層をマスクと
して、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウム／フッ酸＝９／
１）によりシリコン酸化膜を、図３（ｂ）に示すように
シリコン基板が露出するまでエッチングした。

【００６７】その後、レジスト層を除去し、３０％水酸
化カリウム（ＫＯＨ）水溶液によりシリコン基板を異方
性エッチングした。これにより、図３（ｃ）に示すよう
に、逆ピラミッド型の凹部を形成した。

【００６８】次に、図３（ｄ）に示すように、基板の凹
部周辺のシリコン酸化膜を残した状態で、下層保護層用
材料のＣｒを０．０５μｍの厚さに蒸着し、その上にエ
ミッタ電極用材料のＮｂを約０．２μｍの厚さに蒸着
し、続いて上層保護層用材料のＣｒを０．１μｍの厚さ
に蒸着した。このとき、基板の凹部の内側面上に形成さ
れたＮｂ層（エミッタ電極）と、基板の凹部周辺のシリ
コン酸化膜上に形成されたＮｂ薄膜とは段切れし、両者
は不連続であった。

【００６９】その後、図３（ｅ）に示すように、基板の
凹部周辺のシリコン酸化膜を、その上に形成されたＣｒ
薄膜／Ｎｂ薄膜／Ｃｒ薄膜とともに緩衝フッ酸によって
リフトオフした。

【００７０】更に、図４（ｆ）に示すように、ＳＦ₆ ガ
スを用いた反応性イオンエッチングにより、基板を約
０．５μｍ程度エッチング除去した。このとき、凹部の
内側面上のＣｒ（下層保護層）／Ｎｂ（エミッタ電極）
／Ｃｒ（上層保護層）のうち、下層保護層及び上層保護
層のＣｒ薄膜はフッ素系ガスによるＲＩＥ耐性があるた
めエッチングされなかった。従って、これらの保護層は
エミッタ電極のエッチング保護層として機能した。よっ
て、エミッタ電極のＮｂ薄膜はわずかにサイドエッチさ
れたに止まった。一方、エミッタ電極の下のシリコン基
板はサイドエッチされ、その結果、エミッタ電極は基板
の凹部の上縁部から少し突き出た状態となった。

【００７１】次に、図４（ｇ）に示すように、上層保護
層及び下層保護層をＲＩＥ法（導入ガス：クロロホルム
（７５ｓｃｃｍ）及び酸素（７５ｓｃｃｍ）／パワー１
０Ｗ／ガス圧０．２Ｔｏｒｒ）により１５分間エッチン
グした。その後、２５℃の硝酸セリウム系エッチング液
に１分間浸漬することによりウェットエッチングを行っ
た。その結果、上層保護層は完全に除去され、下層保護
層の周縁部が除去された。

【００７２】その後、図４（ｈ）に示すように、絶縁層
として約０．５μｍ厚のシリコン酸化膜（ＳｉＯもしく
はＳｉＯ₂ ）を蒸着し、更に、その上にゲート電極用材
料のＮｂを約０．３μｍ厚で蒸着した。これにより、エ
ミッタ電極の周囲に位置する絶縁層とＮｂ薄膜（ゲート
電極）とは、エミッタ電極に接触することなく、エミッ
タ電極に対してわずかな間隙をもって形成することがで
きた。よって、ゲート電極は、当該ゲート電極に対向す
る側面を持つエミッタ電極に対し、自己整合的に形成で
きたことになる。

【００７３】次に、エミッタ電極上に付着した絶縁層を
その上のＮｂ薄膜とともに緩衝フッ酸によりリフトオフ
した。この結果、図４（ｉ）に示される電子放出素子を
得た。

【００７４】上述の電子放出素子を２００個集積したア
レイを試作し以下のように試験・評価した。即ち、各素
子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離を約０．３μｍ
とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布した透明電極
（アノード）を有するガラス板部材を距離３０ｍｍで対
向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側が
正となる極性で引き出し電圧１２０Ｖを印加したとこ
ろ、供給エミッタ電流１２μＡに対し、約１０μＡのア
ノード電流が流れ、分配率は約８５％であった。これら
の値は、図６（ｂ）に示した従来の電子放出素子の代表
的な値に比べて、各電流値及び分配率共に１０倍以上の
優れた値であった。

【００７５】

【発明の効果】本発明の電子放出素子によれば、エミッ
タ電極の周縁の向きが基板の垂直方向に近づくように、
そのエミッタ電極がゲート電極に対して傾斜しており、
しかもその位置精度及び再現性が高い。また、フォトリ
ソグラフ法のデザインルールに制限されることなく極め
て小さいギャップ長でゲート電極がエミッタ電極に対し
て自己整合的に配設されたものとなる。しかも、ＲＩＥ
耐性のない材料からエミッタ電極を構成することがで
き、よって、エミッタ電極材料の選定範囲が飛躍的に拡
大し、特性の良好な電子放出素子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の概略断面図である。

【図２】エミッタ電極の平面図（同図（ａ）及び
（ｃ））及び斜視図（同図（ｂ）及び（ｄ））である。

【図３】本発明の電子放出素子の製造工程図である。

【図４】本発明の電子放出素子の製造工程図である。

【図５】レジスト層の開孔パターンの説明図である。

【図６】従来の電子放出素子の概略断面図である。

【図７】従来の電子放出素子の製造説明図である。

【図８】従来の電子放出素子の製造説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁層 ３ ゲート電極 ４ エミッタ電極 ５ 下層保護層 ６ 絶縁層 ７ レジスト層 ８ 上層保護層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 順司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 石崎 守 東京都台東区台東一丁目５番１号 凸版 印刷株式会社内 審査官 小島 寛史 (56)参考文献 特開 平４−206123（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板、絶縁層及びゲート電極が順次積層
   され、該ゲート電極と絶縁層とには該基板に達する開孔
   部が設けられ、その開孔部内の基板上にエミッタ電極
   が、該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電
   界放射型の電子放出素子において、基板に逆錐体形状の
   凹部が形成され、該基板が（１００）面方位の主面の単
   結晶シリコン基板であり、その基板に形成された凹部が
   （１１１）面方位の斜面を有する逆正四角錐形状の凹部
   であり、その凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
   れ、エミッタ電極の周縁部が基板の凹部の上縁部から突
   き出ており、且つエミッタ電極と基板との間に、基板を
   エッチングする際にエミッタ電極を保護するための下層
   保護層が形成されていることを特徴とする電子放出素
   子。
2. 【請求項２】 エミッタ電極がＷ、Ｍｏ、Ｔａ又はＮｂ
   から形成されており、且つ下層保護層がＣｒから形成さ
   れている請求項１記載の電子放出素子。
3. 【請求項３】 絶縁層が、シリコン酸化膜である請求項
   １又は２記載の電子放出素子。
4. 【請求項４】 ゲート電極がＮｂ薄膜層である請求項１
   〜３のいずれかに記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の電子放出素子の製造方
   法において、 （ａ）基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
   形成し、そのレジスト層をパターニングする工程； （ｂ）パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
   縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程； （ｃ）レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
   基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
   る工程； （ｄ）基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
   れるように、基板の凹部側に、下層保護層用材料薄膜
   層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材料薄
   膜層を順次形成する工程； （ｅ）絶縁層を、その上に形成された下層保護層用材料
   薄膜層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材
   料薄膜層とともにリフトオフして下層保護層、エミッタ
   電極及び上層保護層をパターニングする工程； （ｆ）下層保護層、エミッタ電極及び上層保護層の周縁
   部が基板の凹部の上縁部から突き出るように基板をエッ
   チングする工程； （ｇ）上層保護層をエッチング除去し且つ下層保護層の
   周縁部をエッチング除去する工程； （ｈ）基板の凹部側の表面上に新たに絶縁層を積層し、
   更に、ゲート電極用材料薄膜を積層する工程；及び （ｉ）エミッタ電極上に新たに形成された絶縁層を、そ
   の上のゲート電極用材料薄膜層とともにリフトオフし
   て、エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート
   電極を形成する工程を含んでなることを特徴とする製造
   方法。
6. 【請求項６】 基板として、（１００）方位の主面を有
   する単結晶シリコン基板を使用する請求項５記載の製造
   方法。
7. 【請求項７】 工程（ｃ）において、基板に凹部をエッ
   チングにより形成する際に、エッチャントとして水酸化
   アルカリ金属水溶液を使用する請求項６記載の製造方
   法。
8. 【請求項８】 エミッタ電極をＷ、Ｍｏ、Ｔａ又はＮｂ
   から形成し、且つ下層保護層及び上層保護層をＣｒから
   形成する請求項５〜７のいずれかに記載の製造方法。
9. 【請求項９】 工程（ｇ）において、塩素系ガスを用い
   るＲＩＥエッチングを行い、その後、硝酸セリウム系エ
   ッチング液でウェットエッチングを行う請求項８記載の
   製造方法。
10. 【請求項１０】 工程（ａ）及び工程（ｈ）において、
    絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する請求項５〜９の
    いずれかに記載の製造方法。
11. 【請求項１１】 工程（ｅ）及び工程（ｉ）において、
    絶縁層のリフトオフに緩衝フッ酸を使用する請求項１０
    記載の製造方法。