JP3235512B2 - 電界放射冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射冷陰極の
構造及びその製造方法に関し、特に絶縁特性が改善され
た電界放射冷陰極の構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電子放出を利用した熱陰極に代わる電
子源として、電界放射冷陰極が開発されている。電界放
射冷陰極は、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、先端の先鋭度がデバイス
の特性を左右する条件であるが、おおよそ数百オングス
トローム以下の曲率半径が必要であると言われている。
また、電界発生のためには、電極を１μｍ程度、あるい
はそれ以下の近接した位置に配し、数１０〜数１００Ｖ
の電圧を印加する必要がある。また、実際には、このよ
うな素子が同一の基板上に数千〜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い。このよ
うなことから、一般的に半導体の微細加工技術を応用し
て製造される。

【０００３】このような電界放射冷陰極の具体的な製法
の一つは、アメリカのＳＲＩ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅ
ｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のスピント（Ｓｐ
ｉｎｄｔ）らによって開発された方法（Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．３９．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６に示す。

【０００４】まず、図６（ａ）に示すように、シリコン
基板４０を用意し、酸化膜を成長させ絶縁層４１とす
る。続いてゲート層４５としてモリブデンを真空蒸着に
より堆積する。その後、フォトリソグラフィーとエッチ
ングにより直径約１μｍの開口４７を形成する。

【０００５】次に、図６（ｂ）に示すように、回転斜め
蒸着を行いアルミニウムの犠牲層４８を形成し、続い
て、モリブデンを垂直方向から真空蒸着して、エミッタ
電極４６を堆積させる。

【０００６】最後に、図６（ｃ）に示すように、犠牲層
４８上に堆積したモリブデン膜４９を、犠牲層４８を選
択エッチングすることによりリフトオフし、デバイスの
構造を得る。

【０００７】こうして作られた素子は、エミッタ電極４
６が負、ゲート層４５が正となるように電圧を印加する
ことで、エミッタ電極４６の先端から、シリコン基板４
０と垂直な方向に電子が放射される。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。

【０００８】電界放射冷陰極は、上述したように１μｍ
程度の間隔を置いた電極間に数１０Ｖ以上の電圧を印加
するため、電極間の絶縁特性が非常に重要な特性のひと
つである。絶縁層４１のバルクとしての絶縁特性も重要
ではあるが、リーク電流のパスを考える際には、開口４
７内部の絶縁層側壁５０が重要となる。プロセス上で、
ゴミ・汚れを防ぐことは重要であるが、使用環境での劣
化も無視できない要因である。

【０００９】図１０は、電界放射冷陰極の使用状態を概
略的に示す断面図である。使われる環境は、少なくとも
１０^ー4ｐａ程度の高真空であるとは言えども、残留ガス
を皆無にすることほできない。この環境で電子を放射さ
せると、残留ガスがイオン化される。この放射電子と反
対の電荷を持つイオン５１は、電子とは逆の経路をたど
って、エミッタ電極４６に衝突し、エミッタ電極４６を
スパッタさせる。印加電圧、真空度などの動作条件を考
えると、スパッタの起きる程度は、短時間で軽微である
ものの、長時間の実使用においては、無視できない量に
なり得る。スパッタされた導電性のエミッタ材料５２
は、ゲート開口内に飛散し、絶縁層側壁５０に再付着
し、絶縁層側壁５０の絶縁特性を低下させる。

【００１０】これに対する対策のひとつとしては、特開
平７−２４０１４３号には、図７に示すような構造の電
界放射冷陰極が開示されている。これは、基板７０上に
第１の絶縁層７１、ゲート層７５を積層し、開口７７を
形成した後に、ゲート層７５の上面から開口７７の内側
壁を連続した第２の絶縁層７２で被覆し、エミッタ電極
７６と第１の絶縁層７１とを第２の絶縁層７２で隔離し
た構造のものであった。特開平７−２４０１４３号によ
れば、第２の絶縁層７２がゲート層７５を自由空間領域
から実質的に絶縁するため、エミッタ電極７６とゲート
層７５との間の破壊的放電を防止できるとされている。
また、上述のスパッタ再付着による絶縁特性低下に対し
ても、ゲート層７５が第２の絶縁層７２で覆われている
ことにより、有効であるとされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】エミッション電流の一
部は、ゲート層へ飛び込んでゲート電流となることが、
一般的には起こり得る。上述した従来技術では、ゲート
層７５が第２の絶縁層７２で完全に覆われているため、
ゲート層７５へ向かった電子は、第２の絶縁層７２の表
面に衝突し、表面を負に帯電させる。第２の絶縁層７２
の表面が負に帯電するということは、ゲート層７５、エ
ミッタ電極７６間に印加した電圧による電界を弱めるよ
うに作用するため、放射電流を低下させるという問題が
あった。

【００１２】その理由は、図６のように導電性のゲート
層４５が露出している場合には、ゲート層４５へ飛び込
んだ電子は、電流となって流れるため、ゲート層４５の
表面は電源によって印加された所定の電位に保たれ、エ
ミッタ電極４６の先端電界も変化しないのに対して、図
７のように、ゲート層７５の表面を絶縁材料で覆った場
合には、電子は電流として流れず、表面に滞留するため
である。

【００１３】本発明の目的は、電子放射特性を劣化させ
ることなく、絶縁特性に優れ、残留ガスのイオン化によ
るスパッタ物の再付着が生じても、エミッタ、ゲート間
の絶縁特性を良好に保つことができる電界放射冷陰極及
びその製造方法を提供することことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る電界放射冷陰極は、基板上に絶縁層を
介在して形成された導電性ゲート層と、前記絶縁層及び
前記導電性ゲート層に開口された複数の開口部と、前記
開口部内に位置して前記基板上に設けられた略円錐状の
エミッタ電極と、前記絶縁層の前記開口部の前記導電性
ゲート層側から前記基板側に延在して前記基板に当接し
ない、前記絶縁層とは異なる材質の絶縁材料からなる筒
状の隔壁と、前記筒状の隔壁の外面側の前記絶縁層の一
部を除去して形成され前記筒状の隔壁の基板側縁から前
記絶縁層の前記開口部と連通する空洞とを有するもので
ある。

【００１５】また、前記隔壁は前記絶縁層をイオン注入
により改質して形成し、前記エミッタ電極は、導電性基
板をエッチングして形成することができる。

【００１６】また本発明に係る電界放射冷陰極は、第１
の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第４の工程
と、第５の工程と、第６の工程と、第７の工程とを少な
くとも含む電界放射冷陰極の製造方法であって、 前記第
１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の絶縁層
をこの順に堆積する処理であり、前記第２の工程は、前
記２層の絶縁層をエッチングして、開口の底部に前記第
１の絶縁層が僅かに残る深さの開口を形成する処理であ
り、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形成された開
口部の内側面を含む基板全面に第３の絶縁層を形成する
処理であり、 前記第４の工程は、前記開口内の充填を行
うと同時に、基板全面に充填層を形成して平坦化した
後、前記充填層及び第３の絶縁層を前記第２の絶縁層の
表面までエッチバックする処理であり、 前記第５の工程
は、前記第４の工程でエッチバックされた表面上にゲー
ト層を形成したのち、異方性エッチングにより、前記開
口と同位置に基板表面に達する深さで、かつ前記第３の
工程で開口の内側面に形成され隔壁とするための第３の
絶縁層がエッチング除去されない形状寸法の開口を形成
する処理であり、 前記第６の工程は、前記ゲート層と第
３の絶縁層とをエッチング保護層として、隔壁となる前
記第３の絶縁層と基板との隙間を介して、前記第１の絶
縁層をウエットエッチングして空洞を形成する処理であ
り、 前記第７の工程は、前記第５の工程で形成された開
口内の基板上にエミッタ電極を形成する処理である。

【００１７】また本発明に係る電界放射冷陰極は、第１
の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第４の工程
と、第５の工程と、第６の工程と、第７の工程とを少な
くとも含む電界放射冷陰極の製造方法であって、前記第
１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の絶縁層
をこの順に堆積する処理であり、 前記第２の工程は、前
記２層の絶縁層をエッチングして、開口の底部に前記第
１の絶縁層が僅かに残る深さの開口を形成する処理であ
り、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形成された開
口部の内側面を含む基板全面に第３の絶縁層を形成する
処理であり、 前記第４の工程は、前記第３の絶縁層を前
記第２の絶縁層の表面までエッチバックする処理であ
り、 前記第５の工程は、前記第４の工程でエッチバック
された表面上にゲート層を形成したのち、エッチング処
理により、前記開口と同位置に基板表面に達する深さ
で、かつ前記第３の工程で開口の内側面に形成され隔壁
とするための第３の絶縁層がエッチング除去されない形
状寸法の開口を形成する処理であり、 前記第６の工程
は、前記ゲート層と第３の絶縁層とをエッチング保護層
として、隔壁となる前記第３の絶縁層と基板との隙間を
介して、前記第１の絶縁層をウエットエッチングして空
洞を形成する処理であり、 前記第７の工程は、前記第５
の工程で形成された開口内の基板上にエミッタ電極を形
成する処理である。

【００１８】また本発明に係る電界放射冷陰極は、第１
の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第４の工程
と、第５の工程と、第６の工程とを少なくとも含む電界
放射冷陰極の製造方法であって、 前記第１の工程は、基
板上に第１の絶縁層を堆積する処理であり、 前記第２の
工程は、前記第１の絶縁層をエッチングして、開口の底
部に前記第１の絶縁層が僅かに残る深さの開口を形成す
る処理であり、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形
成された開口部の内側面を含む基板全面に第２の絶縁層
を形成する処理であり、 前記第４の工程は、前記第３の
工程による前記第２の絶縁層上にゲート層を形成したの
ち、エッチング処理により、前記開口と同位置に基板表
面に達する深さで、かつ前記第３の工程で形成され隔壁
とするための第２の絶縁層がエッチング除去されない形
状寸法の開口を形成する処理であり、 前記第５の工程
は、前記ゲート層と第２の絶縁層とをエッチング保護層
として、隔壁となる前記第２の絶縁層と基板との隙間を
介して、前記第１の絶縁層をウエットエッチングして空
洞を形成する処理であり、 前記第６の工程は、前記第４
の工程で形成された開口内の基板上にエミッタ電極を形
成する処理である。

【００１９】また前記基板としてシリコン、第１の絶縁
層としてシリコン酸化膜、第２、第３の絶縁層としてシ
リコン窒化膜を用いる。

【００２０】また本発明に係る電界放射冷陰極は、第１
の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第４の工程
と、第５の工程とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製
造方法であって、前記第１の工程は、基板上に、第１の
絶縁層，後の第４の工程のウェットエッチングにおける
エッチングレートが前記第１の絶縁層よりも低い第２の
絶縁層，及び導電性材料からなるゲート層をこの順に積
層する処理であり、前記第２の工程は、前記ゲート層，
第２の絶縁層，第１の絶縁層をエッチングして、基板の
表面に達する開口を形成する処理であり、前記第３の工
程は、基板を基板面に垂直な軸を中心として回転させな
がら、前記開口内の前記第２の絶縁層の側壁面に斜め方
向から、前記第２の絶縁層の後の第４の工程のウェット
エッチングにおけるエッチングレートを低下させる元素
をイオン注入して、第２の絶縁層の側壁面に隔壁とする
イオン注入層を形成する処理であり、前記第４の工程
は、前記隔壁となるイオン注入層と基板との隙間を介し
て、前記第１及び第２の絶縁層をウエットエッチングし
て空洞を形成する処理であり、前記第５の工程は、前記
開口を通して露出した基板上にエミッタ電極を形成する
処理である。

【００２１】また基板としてシリコン、第２の絶縁層と
してシリコン酸化膜、イオン注入にホウ素を用いる。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【作用】ゲート層から基板に至る開口内の絶縁層は、エ
ミッタ電極を取り囲んで筒状をなす表層部（隔壁、以下
同じ）を側壁部に有し、表層部は、基板側縁が基板から
切り離されている。さらに、絶縁層は、表層部の基板側
縁と基板との間隙の奥、すなわち、筒状の表層部の外面
側に後退している。そのため、エミッタ電極をスパッタ
して発生したエミッタ材料は、表層部の存在によって、
基板とゲート層との間の絶縁層に再付着することが阻止
され、絶縁層の絶縁特性が長期間にわたって維持される
こととなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２７】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る電界放射冷陰極を示す断面図である。

【００２８】図に示す本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極においては、シリコン基板１０上に第１の絶縁
層１１、第２の絶縁層１２、ゲート層１５を積層し、こ
の積層構造に直径１μｍ程度の開口１７をシリコン基板
１０に至る深さに複数開口する。さらに、各開口１７内
のシリコン基板１０上には、円錐状のエミッタ電極１６
を上向きにそれぞれ形成する。

【００２９】さらに、第２の絶縁層１２に設けた開口１
７の開口縁には、エミッタ電極１６の周囲を囲む筒状の
第３の絶縁層１３を表層部（隔壁、以下同じ）２０とし
て一体に形成する。また筒状の第３の絶縁層１３の基板
側縁は、シリコン基板１０の表面から離間して円錐状の
エミッタ電極１６の基部側の途中まで達している。さら
に、筒状の表層部２０の外面側の絶縁層１１に空洞２４
を形成することにより、絶縁層１１を表層部２０の外面
側に後退させている。

【００３０】この空洞２４は、絶縁層１１を、エミッタ
電極１６から見通せない、表層部２０の基板側縁の外側
に後退させることにより、シリコン基板１０からゲート
層１５に至る第１の絶縁層１１及び第２の絶縁層１２並
びに第３の絶縁層１３の連続した面に、エミッタ電極１
６のスパッタによるエミッタ材料５２が付着することを
回避し、シリコン基板１０とゲート層１５との間の絶縁
特性が低下することを防止する構造となっている。

【００３１】実際のデバイスとしての使用では、必要な
機能を持たせるための構成要素が必要であるが、図１に
は示していない。ただし、あらゆるデバイスに共通して
言えることは、放射された電子を捕獲するための陽極が
必要なことであり、通常は、ゲート層１５よりも高い電
位（用途によっては、数１００Ｖ〜数１０ｋＶ）を与え
られることが一般的である。

【００３２】図に示す本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極を動作させるには、真空中にてシリコン基板１
０を介してエミッタ電極１６を負、ゲート層１５を正と
するように数１０Ｖの電圧を印加する。すると、エミッ
タ電極１６、ゲート層１５の間に電界が発生するが、円
錐状エミッタ電極１６の先端部に電界が集中し、エミッ
タ電極１６の先端部から電子を放射する。放射した電子
は、陽極（図示略）の作る電界で加速されながら図示し
ない該陽極へ到達する。

【００３３】電界放射冷陰極が使われる環境は真空であ
るとは言えども、残留ガスを皆無にすることはできな
い。この環境で電子を放出させると、ある確率で残留ガ
スがイオン化される。図９に示すように、こうして生成
したイオン５１は、電子とは逆の経路をたどって、エミ
ッタ電極１６をスパッタする。印加電圧、真空度などの
動作条件を考えると、スパッタの起きる程度は、短時間
では軽微であるものの、長時間の実使用においては、無
視できない量になり得る。スパッタされたエミッタ材料
５２は、開口７内に飛散し、再付着する。

【００３４】ところで、本発明の実施形態１に係る電界
放射冷陰極では、図９に示すように、絶縁層１８（第１
の絶縁層１１，第２の絶縁層１２，第３の絶縁層１３を
含めて絶縁層１８と総称する。）に、開口１７に面する
筒状の表層部２０を残して、その背部に空洞２４を形成
している。ゲート層１５に設けた開口１７の内径が約１
μｍであり、実質的には動作真空度は１０^ー4ｐａ以下で
あることを考慮すると、スパッタされたエミッタ材料５
２は、開口１７内の領域では、直線的な軌跡を描くこと
は明らかである。エミッタ電極１６のどの部分がスパッ
タされてエミッタ材料５２が飛散しても、絶縁層１８の
表層部２０で遮断され、シリコン基板１０とゲート層１
５との間に位置する第１の絶縁層１１及び第２の絶縁層
１２並びに第３の絶縁層１３からなる連続した面にエミ
ッタ材料５２が再付着しないものである。これによっ
て、図１０に示すようなシリコン基板４０からゲート層
４５に至る絶縁層側壁の表面全体に、エミッタ材料５２
の再付着が起こり得るような従来の構造に比べ、本発明
の実施形態１では、シリコン基板１０とゲート層１５と
の間の絶縁特性を長期間にわたって維持することができ
る。

【００３５】また、エミッタ電極１６から放射された電
子の一部は、ゲート層１５へ飛び込むが、図７に示すよ
うにゲート層７５が第２の絶縁層７２で被覆されていな
いため、ゲート層１５を通じてゲート電流となるため、
過剰な電荷として滞留し、電子放射特性に悪影響を与え
ることはない。

【００３６】本発明の実施形態１を説明する図１及び図
９には、エミッタ電極１６は、導電性材料を堆積して形
成した場合を図示しているが、基板の一部をエッチング
して円錐形状に形成してエミッタ電極１６を構成した場
合でも、同様の効果を得ることができることは言うまで
もない。

【００３７】なお、本発明の実施形態１に係る電界放射
冷陰極の構造と類似した構造として、特開平６−２１５
６８９号には図８に図示した構造のものが開示されてい
る。これは、図８に示すようにエッチングと熱酸化との
組み合わせてよってシリコン基板６０の一部にエミッタ
電極６６を形成し、シリコン基板６０上のエミッタ電極
６６を取り囲んで絶縁層６２及びゲート層６５を堆積
し、酸化膜をエッチングしたものである。ゲート層６５
の開口縁は、開口６７内の斜め下方へ向けて張り出した
形状になっている。図８に示した従来例の構造と、図９
に示した本発明の実施形態１の構造とを比較すると、開
口内に下方へ向いて張り出しがあるという点では共通し
ている。

【００３８】しかし、本発明の実施形態１では、シリコ
ン基板１０とゲート層１５との間に位置する第１の絶縁
層１１及び第２の絶縁層１２並びに第３の絶縁層１３か
らなる連続した面にエミッタ材料５２が再付着すること
は、筒状の表層部２０の存在によって阻止され、しか
も、第３の絶縁層１３の基板側縁はシリコン基板１０か
ら離間されているため、シリコン基板１０とゲート層１
５との間の絶縁特性を長期間にわたって維持することが
できる。

【００３９】これに対して、特開平６−２１５６８９号
の電界放射冷陰極では、シリコン基板６０からゲート層
５１に至る絶縁層６２の側壁面が、エミッタ電極６６か
らのエミッタ材料に晒されるため、この側壁面にエミッ
タ材料が再付着しやすく、シリコン基板６０とゲート層
５１との間の絶縁特性が低下することとなる。また、開
口内への張り出しの先端部は、図８から明らかなよう
に、傾斜した絶縁層６２上に蒸着された金属膜（ゲート
層６５）の膜端であり、不安定な部分である。すなわ
ち、金属膜先端の形状はばらつきが大きく、ゲート層６
５の延長であることから、エミッタ電極６６周辺の電界
を乱すおそれがある。また、開口６７に張り出したゲー
ト層６５の先端部の膜厚は極薄であるから、プロセス途
中、あるいは、使用中に開口６７内に金属片となって脱
落し、絶縁破壊の原因にもなり得る。イオンは電界に沿
って入射するとはいうものの、電界放射冷陰極からある
程度離れた領域で生成したイオンは、陽極の電位でも加
速され、エミッタ電極６６の底部付近をスパッタする可
能性は十分ある。従って、図８の形状は、スパッタ再付
着を防止する構造としては、効果が不十分である。

【００４０】以下、本発明の実施形態に係る電界放射冷
陰極の製造方法について説明する。

【００４１】図２は、本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極の製造方法を工程順に説明する断面図である。

【００４２】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
基板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．
３５μｍ成長させる。次に第２の絶縁層１２として窒化
シリコン膜をＣＶＤ（化学気相堆積法）を用いて約０．
１５μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーによ
り直径約０．９μｍの開口を持つフォトレジスト層（図
示略）を形成する。この開口をマスクとして、四フッ化
炭素等を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によ
り、第２の絶縁層１２、第１の絶縁層１１をエッチング
し、第２の絶縁層１２及び第１の絶縁層１１に第１の開
口２１を設け、その後レジスト層を除去する。このとき
に、第１の絶縁層１１の厚さを約０．１μｍ残して、エ
ッチングを終了させる。ここで、第１の開口２１は、エ
ミッタ電極形成のための開口２３よりも、直径にして第
３の絶縁層１３の厚さの約２倍の大きさをもつように設
定する。

【００４３】続いて図２（ｂ）に示すように、第３の絶
縁層１３として窒化シリコン膜をＣＶＤを用いて、第２
の絶縁層１２の上面および開口２１の内面に約０．１５
μｍ堆積する。

【００４４】続いて図２（ｃ）に示すように、充填層１
４としてＢＰＳＧ（ボロン・リンガラス）を第３の絶縁
層１３に形成される第２の開口２２内にＣＶＤにより十
分に充填可能な膜厚に堆積する。このとき、当然、第３
の絶縁層１３の開口２２以外の領域上にも堆積するが、
引き続いて９５０〜１０００℃で、０．５〜１時間程度
の加熱を行うと、ＢＰＳＧがリフローし、表面張力によ
って充填層１４の表面が平坦になる。

【００４５】続いて図２（ｄ）に示すように、充填層１
４及び第３の絶縁層１３を第２の絶縁層１２の表面まで
エッチバックする。このとき、充填層１４と第３の絶縁
層１３のエッチングレートに差が生じないような条件で
エッチングを行うと、表面を平坦化することができる。
そして、平坦化された充填層１４及び第３の絶縁層１３
上にゲート層１５としてタングステンをスパッタ法で約
０．２ｍ堆積する。

【００４６】続いて図２（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示せず）を形成する。この開口をマス
クとして、ＲＩＥにより、ゲート層１５，充填層１４，
第３の絶縁層１３，第１の絶縁層１１をエッチングし、
ゲート層１５，第３の絶縁層１３，第１の絶縁層１１に
第３の開口２３を設け、開口２３を通してシリコン基板
１０の表面を露出させ、その後、レジスト層を除去す
る。充填層１４を形成して平坦化しているため、ゲート
層１５の成膜及びフォトリソグラフィーは、平坦な面上
で行うことができる。したがって、開口２３の開口縁部
でのゲート層１５の断面形状を再現性よく形成すること
ができる。

【００４７】続いて図２（ｆ）に示すように、フッ化水
素酸により、開口２３内の第３の絶縁層１３の基板側縁
から露出した第１の絶縁層１１をウェットエッチングす
る。第３の絶縁層１３の外面側に存在する第１の絶縁層
１１をウェットエッチングすると、第１の絶縁層１１と
第３の絶縁層１３とのエッチングレートの違いにより、
第３の絶縁層１３はエッチングされずに張り出した形状
で残り、第３の絶縁層１３の外面側に存在する第１の絶
縁層１１の側壁面側がエッチングされ、エミッタ電極か
ら見通せない空洞２４が形成される。

【００４８】最後に、回転斜め蒸着によって犠牲層（図
示略）として、アルミニウムによる犠牲層を設けた後、
これに続けて垂直方向からエミッタ電極材料としてモリ
ブデンを真空蒸着で堆積し、エミッタ電極１６を形成す
る。しかる後、犠牲層を選択エッチングすることによ
り、不要なエミッタ電極の材料層をリフトオフして、図
１のような電界放射冷陰極を完成する。

【００４９】実施形態１では、特定の寸法を示したが、
この寸法に限定されるものではなく、ほかの組合わせに
おいても、同様の効果が得られる。

【００５０】また、本実施形態では、基板にシリコン、
絶縁層にシリコン酸化物、シリコン窒化物、充填層にＢ
ＰＳＧを用いる例を示したが、エッチング選択性、絶縁
性を満足すれば、材料構成は、この組合わせに限定され
るものではない。

【００５１】また、本実施形態の平坦化には、ＢＰＳＧ
のリフローとエッチバックを用いる方法を説明したが、
ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）を充填し、リフローす
る方法や、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカルポリッシン
グ）で平坦に研削する方法などを用いても良い。

【００５２】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。

【００５３】まず図３（ａ）に示すように、シリコン基
板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．３
５μｍ、第２の絶縁層１２として窒化シリコン膜を約
０．１５μｍ堆積した後、フォトリソグラフィーとＲＩ
Ｅにより第１の絶縁層１１の厚さ約０．１μｍを残して
エッチングを終了させ、直径約０．９μｍの第１の開口
２１を開口する。ここで、第１の開口２１は、エミッタ
電極形成のための開口２３よりも、直径にして第３の絶
縁層１３の厚さの約２倍の大きさをもつように設定す
る。

【００５４】次に図３（ｂ）に示すように、第３の絶縁
層１３として窒化シリコン膜を、第２の絶縁層１２の上
面および開口２１の内面に約０．１５μｍ堆積する。

【００５５】続いて図３（ｃ）に示すように、異方性の
ＲＩＥを行うと、第１の絶縁層１１上と開口２２の底の
基板面に平行な部分の第３の絶縁層１３がエッチングで
除去され、開口２２の側壁に筒状の第３の絶縁層１３を
残留する。

【００５６】続いて図３（ｄ）に示すように、第２の絶
縁層１２及び第３の絶縁層１３に形成される開口２２の
内面に、ゲート層１５としてタングステンをスパッタ法
で約０．２μｍ堆積する。

【００５７】続いて図３（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示略）を形成する。この開口をマスク
として、ＲＩＥによりゲート層１５，第１の絶縁層１１
をエッチングして開口２３を開口し、開口２３を通して
シリコン基板１０の表面を露出させ、その後レジスト層
を除去する。

【００５８】続いて図３（ｆ）に示すように、第３の絶
縁層１３の基板側縁から開口２３内に露出した第１の絶
縁層１１をウェットエッチングすると、第１および第３
の絶縁層１１，１３のエッチングレートの違いにより、
第３の絶縁層１３はエッチングされ、張り出した形状で
残るため、第３の絶縁層１３の外面側に空洞２４が形成
される。最後にエミッタ電極１６を形成し、図１のよう
な電界放射冷陰極を完成する。

【００５９】本実施形態２は、実施形態１に比べ、平坦
化のプロセスを省いているため、工程を短縮することが
可能である。

【００６０】本実施形態２においても、寸法は例示した
値に限定されるものではなく、また、材料構成について
も、この組み合わせに限定されるものではない。

【００６１】（実施形態３）図４は、本発明の実施形態
３に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。本実施例は図４のように、実施形態２をさら
に変形したものであり、同様の構成要素については、図
２及び３と同じ参照符号を付し、実施形態２と異なる部
分を主に説明する。

【００６２】まず、図４（ａ）に示すように、シリコン
基板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．
３５μｍ成長させた後、フォトリソグラフィーとＲＩＥ
により、直径０．９μｍの第１の開口２１を第１の絶縁
層１１に形成し、第１の絶縁層１１の厚さ約０．１μｍ
を残してエッチングを終了する。ここで、第１の開口２
１は、エミッタ電極形成のための開口２３よりも、直径
にして第２の絶縁層１２の厚さの約２倍の大きさをもつ
ように設定する。

【００６３】次に、図４（ｂ）に示すように、第２の絶
縁層１２として窒化シリコン膜を、第１の絶縁層１１の
上面および、開口２１の内面に約０．１５μｍ堆積す
る。

【００６４】続いて図４（ｃ）に示すように、第２の絶
縁層１２に形成される開口２２を含む第２の絶縁層１２
の表面にゲート層１５としてタングステンをスパッタ法
で約０．２μｍ堆積する。

【００６５】続いて図４（ｄ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示せず）を形成する。この開口をマス
クとして、ＲＩＥにより、ゲート層１５，第２の絶縁層
１２，第１の絶縁層１１をエッチングし、ゲート層１
５，第２の絶縁層１２，第１の絶縁層１１に開口２３を
開口し、開口２３を通してシリコン基板１０の表面を露
出させ、その後レジスト層を除去する。

【００６６】続いて図４（ｅ）に示すように、第２の絶
縁層１２の基板側縁から開口２３に露出した第１の絶縁
層１１をウェットエッチングすると、第１，２の絶縁層
１１，１２のエッチングレートの違いにより、第２の絶
縁層１２は、エッチングされずに張り出した形状で残る
ため、空洞２４が形成される。

【００６７】最後に、開口２３を通して露出したシリコ
ン基板１０上にエミッタ電極１６を形成し、図１のよう
な電界放射冷陰極を完成する。

【００６８】本実施形態３は、実施形態２に比べ、絶縁
層の成膜プロセスおよび、ＲＩＥが少なくなっているた
め、さらに工程の短縮が可能である。

【００６９】本実施形態においても、寸法は例示した値
に限定されるものではなく、また、材料構成について
も、この組み合わせに限定されるものではない。

【００７０】（実施形態４）図５は、本発明の実施形態
４に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。

【００７１】本実施形態では、まず図５（ａ）に示すよ
うに、シリコン基板３０上に第１の絶縁層３１としてＰ
ＳＧ（リンガラス）をＣＶＤにより約０．１μｍ堆積さ
せる。次に、第２の絶縁層３２としてシリコン酸化膜を
ＣＶＤを用いて約０．４μｍ堆積し、第２の絶縁層３２
上にゲート層３５としてタングステンをスパッタ法で約
０．２μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーに
より直径約０．６μｍの開口を持つフォトレジスト層
（図示せず）を形成する。この開口をマスクとして、Ｒ
ＩＥにより、ゲート層３５，第２の絶縁層３２，第１の
絶縁層３１をエッチングして第１の開口３７を形成し、
その後レジスト層を除去する。

【００７２】続いて図５（ｂ）に示すように、シリコン
基板３０を基板面に垂直な軸を中心として回転させなが
ら、シリコン基板３０に対して垂直から約４０〜４５°
傾けた角度から、ボロン（ホウ素）をイオン注入する。
ドーズ量は５〜１０×１０¹⁵ｃｍ^-2、エネルギーは３０
〜５０ｋｅＶが適当である。このイオン注入によって、
開口３７内の第２の絶縁層３２の側壁面にイオン注入層
３３を表層部２０として形成する。

【００７３】続いて図５（ｃ）に示すように、イオン注
入層３３の基板側縁から開口３７内に露出した第１の絶
縁層３１を、フッ化水素酸によってエッチングする。こ
のとき、第１の絶縁層３１のＰＳＧは、第２の絶縁層３
２のＣＶＤ酸化膜よりも早くエッチングが進行するが、
逆にイオン注入層３３は、第２の絶縁層３２に比べて数
分の１程度までエッチング速度が低下している。従っ
て、イオン注入領域３３が下向きに張り出した形状で残
り、その外面側に空洞３４が形成される。

【００７４】最後に、実施形態１と同様にして、エミッ
タ電極１６を形成し、図５（ｄ）のような電界放射冷陰
極を完成する。

【００７５】本実施形態によれば、実施形態１〜３のよ
うな、フォトリソグラフィーでの精密な目合わせが不要
となる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子放射特性および、本質的な絶縁特性に影響を与えるこ
となく、ゲート−エミッタ間の絶縁特性を長期間にわた
って、良好な状態に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る電界放射冷陰極を示
す断面図である。

【図２】本発明の実施形態１に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態２に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図４】本発明の実施形態３に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態４に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図６】従来例に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程
順に示す断面図である。

【図７】従来例に係る電界放射冷陰極の構造を示す断面
図である。

【図８】従来例に係る電界放射冷陰極の製造工程と構造
を示す断面図である。

【図９】本発明の実施形態における効果を説明する断面
図である。

【図１０】従来例における問題点を説明する断面図であ
る。

【符号の説明】 １０ シリコン基板 １１ 第１の絶縁層 １２ 第２の絶縁層 １３ 第３の絶縁層 １４ 充填層 １５ ゲート層 １６ エミッタ層 １７ 開口 ２０ 絶縁層の表層部 ２１，２２，２３ 開口 ２４ 空洞 ３０ シリコン基板 ３１ 第１の絶縁層 ３２ 第２の絶縁層 ３３ イオン注入層 ３４ 空洞 ３５ ゲート層 ３６ エミッタ電極 ３７ 開口

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に絶縁層を介在して形成された導
   電性ゲート層と、前記絶縁層及び前記導電性ゲート層に
   開口された複数の開口部と、前記開口部内に位置して前
   記基板上に設けられた略円錐状のエミッタ電極と、前記
   絶縁層の前記開口部の前記導電性ゲート層側から前記基
   板側に延在して前記基板に当接しない、前記絶縁層とは
   異なる材質の絶縁材料からなる筒状の隔壁と、前記筒状
   の隔壁の外面側の前記絶縁層の一部を除去して形成され
   前記筒状の隔壁の基板側縁から前記絶縁層の前記開口部
   と連通する空洞とを有することを特徴とする電界放射冷
   陰極。
2. 【請求項２】 前記隔壁が前記絶縁層をイオン注入によ
   り改質したものであることを特徴とする請求項１に記載
   の電界放射冷陰極。
3. 【請求項３】 前記エミッタ電極は、導電性基板をエッ
   チングして形成されたものであることを特徴とする請求
   項１に記載の電界放射冷陰極。
4. 【請求項４】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第
   ７の工程とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法
   であって、 前記第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の
   絶縁層をこの順に堆積する処理であり、 前記第２の工程は、前記２層の絶縁層をエッチングし
   て、開口の底部に前記第１の絶縁層が僅かに残る深さの
   開口を形成する処理であり、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形成された開口部
   の内側面を含む基板全面に第３の絶縁層を形成する処理
   であり、 前記第４の工程は、前記開口内の充填を行うと同時に、
   基板全面に充填層を形成して平坦化した後、前記充填層
   及び第３の絶縁層を前記第２の絶縁層の表面までエッチ
   バックする処理であり、 前記第５の工程は、前記第４の工程でエッチバックされ
   た表面上にゲート層を形成したのち、異方性エッチング
   により、前記開口と同位置に基板表面に達する深さで、
   かつ前記第３の工程で開口の内側面に形成され隔壁とす
   るための第３の絶縁層がエッチング除去されない形状寸
   法の開口を形成する処理であり、 前記第６の工程は、前記ゲート層と第３の絶縁層とをエ
   ッチング保護層として、隔壁となる前記第３の絶縁層と
   基板との隙間を介して、前記第１の絶縁層をウエットエ
   ッチングして空洞を形成する処理であり、 前記第７の工程は、前記第５の工程で形成された開口内
   の基板上にエミッタ電極を形成する処理であることを特
   徴とする電界放射冷陰極の製造方法。
5. 【請求項５】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第
   ７の工程とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法
   であって、 前記第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の
   絶縁層をこの順に堆積する処理であり、 前記第２の工程は、前記２層の絶縁層をエッチングし
   て、開口の底部に前記第１の絶縁層が僅かに残る深さの
   開口を形成する処理であり、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形成された開口部
   の内側面を含む基板全面に第３の絶縁層を形成する処理
   であり、 前記第４の工程は、前記第３の絶縁層を前記第２の絶縁
   層の表面までエッチバックする処理であり、 前記第５の工程は、前記第４の工程でエッチバックされ
   た表面上にゲート層を形成したのち、エッチング処理に
   より、前記開口と同位置に基板表面に達する深さで、か
   つ前記第３の工程で開口の内側面に形成され隔壁とする
   ための第３の絶縁層がエッチング除去されない形状寸法
   の開口を形成する処理であり、 前記第６の工程は、前記ゲート層と第３の絶縁層とをエ
   ッチング保護層として、隔壁となる前記第３の絶縁層と
   基板との隙間を介して、前記第１の絶縁層をウエットエ
   ッチングして空洞を形成する処理であり、 前記第７の工程は、前記第５の工程で形成された開口内
   の基板上にエミッタ電極を形成する処理であることを特
   徴とする電界放射冷陰極の製造方法。
6. 【請求項６】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程とを少
   なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法であって、 前記第１の工程は、基板上に第１の絶縁層を堆積する処
   理であり、 前記第２の工程は、前記第１の絶縁層をエッチングし
   て、開口の底部に前記第１の絶縁層が僅かに残る深さの
   開口を形成する処理であり、 前記第３の工程は、前記第２の工程で形成された開口部
   の内側面を含む基板全面に第２の絶縁層を形成する処理
   であり、 前記第４の工程は、前記第３の工程による前記第２の絶
   縁層上にゲート層を形成したのち、エッチング処理によ
   り、前記開口と同位置に基板表面に達する深さで、かつ
   前記第３の工程で形成され隔壁とするための第２の絶縁
   層がエッチング除去されない形状寸法の開口を形成する
   処理であり、 前記第５の工程は、前記ゲート層と第２の絶縁層とをエ
   ッチング保護層として、隔壁となる前記第２の絶縁層と
   基板との隙間を介して、前記第１の絶縁層をウエットエ
   ッチングして空洞を形成する処理であり、 前記第６の工程は、前記第４の工程で形成された開口内
   の基板上にエミッタ電極を形成する処理であることを特
   徴とする電界放射冷陰極の製造方法。
7. 【請求項７】 前記基板としてシリコン、第１の絶縁層
   としてシリコン酸化膜、第２、第３の絶縁層としてシリ
   コン窒化膜を用いることを特徴とする請求項４，５又は
   ６に記載の電界放射冷陰極の製造方法。
8. 【請求項８】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程とを少なくとも含む電
   界放射冷陰極の製造方法であって、 前記第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層、後の第４
   の工程のウェットエッチングにおけるエッチングレート
   が前記第１の絶縁層よりも低い第２の絶縁層、及び導電
   性材料からなるゲート層をこの順に積層する処理であ
   り、 前記第２の工程は、前記ゲート層，第２の絶縁層，第１
   の絶縁層をエッチングして、基板の表面に達する開口を
   形成する処理であり、 前記第３の工程は、基板を基板面に垂直な軸を中心とし
   て回転させながら、前記開口内の前記第２の絶縁層の側
   壁面に斜め方向から、前記第２の絶縁層の後の第４の工
   程のウェットエッチングにおけるエッチングレートを低
   下させる元素をイオン注入して、第２の絶縁層の側壁面
   に隔壁とするイオン注入層を形成する処理であり、 前記第４の工程は、前記隔壁となるイオン注入層と基板
   との隙間を介して、前記第１及び第２の絶縁層をウエッ
   トエッチングして空洞を形成する処理であり、前記第５
   の工程は、前記開口を通して露出した基板上にエミッタ
   電極を形成する処理であることを特徴とする電界放射冷
   陰極の製造方法。
9. 【請求項９】 基板としてシリコン、第２の絶縁層とし
   てシリコン酸化膜、イオン注入にホウ素を用いることを
   特徴とする請求項８に記載の電界放射冷陰極の製造方
   法。