JP3559440B2 - Field emission cold cathode and method of manufacturing the same - Google Patents

Field emission cold cathode and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型冷陰極及びその製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、Si半導体加工技術を利用した電界放出型冷陰極の開発が、活発に行なわれている。
【0003】
電界放出型冷陰極は、カソード電極上に形成された円錐状或いはピラミッド状のエミッタと、エミッタ電極層の先端部から電子を引き出すためのゲート電極とから形成される。
【0004】
電界放出型冷陰極の形成方法には、大別するとSpindt法と転写モールド法との二つある。Spindt法で形成した場合、円錐状のエミッタを囲むように形成された絶縁層上にゲート電極が形成される。また、転写モールド法で形成した場合、エミッタの側面上に形成された絶縁膜を介してゲート電極が形成される。
【0005】
円錐状のエミッタから電子を引き出すために、ゲート電極とエミッタの間に電圧差を与えると、形状不均一性等のために異常放電が発生したり、ゲート電極とエミッタとの間に電界誘起応力が働き、ゲート電極とエミッタとが電気的に接触して短絡し、エミッタから電子が放出されないことがあるという問題があった。
【0006】
また、電界放出型冷陰極が行方向及び列方向に2次元配列された小型のFEA(Field Emission Array)を基板上にタイリングして形成する技術が報告されている。ところが、小型のFEAに形成されたゲート電極を電気的に接続することが困難であるという問題があった。
【0007】
隣接するゲート電極をワイヤーボンディングを用いて電気的に接続し、大面積のFEAを形成する技術が報告されている。だが、ワイヤーボンディングを用いると製造コストが高いという問題点があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の電界放出型冷陰極には、電界誘起応力によってゲート電極とエミッタとが接触し短絡し、エミッタから電子が放出されないことがあるという問題があった。
【0009】
また、従来、大面積のFEAを安価に製造することができないという問題点があった。
【0010】
本発明の目的は、ゲート電極とエミッタとの短絡を防止して、信頼性の向上を図り得ると共に、大面積のFEAを容易に、且つ安価に製造することが可能となる電界放出型冷陰極及びその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
[構成]
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【0014】
) 本発明の電界放出型冷陰極は、絶縁基板上に行方向に沿って複数本配列形成されたカソード電極と、これらのカソード電極に電気的に接続され先端が先鋭な凸部が行方向及び列方向に2次元配置されたエミッタ電極層と、列方向に沿って複数本形成され、それぞれの凸部の先端部から電子を引き出し、該凸部の先端部上に開口部を有するゲート電極とを含む電界放出型冷陰極であって、前記エミッタ電極層は、前記カソード電極上に密接して配列された複数の構造基体にそれぞれ形成され、各構造基体のエミッタ電極層上には、該電極層の表面に沿って形成され、前記凸部の先端部領域が除去された絶縁層と、この絶縁層上に列方向に沿って配列形成され、前記凸部の先端部領域に開口部を有する剛体層とが順次積層され、前記ゲート電極は、列方向に隣接する構造基体の前記剛体層上に連続形成されていることを特徴とする。
【0015】
構成(3)に記載した発明の好ましい実施態様を以下に示す。
【0016】
隣接する構造基体の接合部と各ゲート電極との交差部を含む領域の前記ゲート電極上に、ゲート電極接続導電層が選択的に形成されている。
【0017】
隣接する構造基体の接合部を含む領域のカソード電極の下に、カソード電極接続導電層が形成されている。
【0018】
構成(2),(3)に記載した発明の好ましい実施態様を以下に示す。
【0019】
隣接する構造基体の隙間に、該隙間の開口部を塞ぐ第1の分離絶縁体が形成されている。
【0020】
隣接する構造基体の接合部は、前記絶縁基板上に形成された第2の分離絶縁体上に形成されている。
【0021】
構成()に記載した発明の好ましい実施態様を以下に示す。
【0022】
前記エッチング停止層が、不純物がドープされたシリコンである。
【0023】
前記エッチング停止層の表面は平坦である。
【0028】
) 本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、前記モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、前記エッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数形成する工程と、それぞれの構造基体と、絶縁基板上に行方向に沿って複数本形成されたカソード電極とを、前記エミッタ電極層が介在し、且つ隣接する構造基体が密着するように各構造基体を配列させて接着する工程と、それぞれのモールド基板をエッチングし、各凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層を露出させる工程とを含むことを特徴とする。
【0029】
) 本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、前記エッチング停止層に開口部を有し、且つ前記モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、前記モールド基板及びエッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数個形成する工程と、それぞれの構造基体と絶縁基板上に行方向に沿って複数本形成されたカソード電極とを、前記エミッタ電極層が介在し、且つ隣接する構造基体が密着するように各構造基体を配列させて接着する工程と、それぞれのモールド基板をエッチングし、各凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層を露出させる工程とを含むことを特徴とする。
【0030】
構成(),()に記載した発明の好ましい実施態様を以下に示す。
【0031】
前記ゲート電極を形成する工程の前に、隣接する構造基体間の隙間部の開口部を塞ぐ第1の分離絶縁体を形成することを特徴とする。
【0032】
第1の分離絶縁体が、ガラス、SOG(スピンオングラス)、シリコン酸化物,シリコン窒化物である。
【0033】
前記ゲート電極を形成した後、隣接する構造基体の接合部と該ゲート電極との交差部を含む領域のゲート電極上に、選択的にゲート電極接続導電層を形成する。
【0034】
それぞれの構造基体と、絶縁基板上に形成されたカソード電極とを接着する際、隣接する構造基体の接合部を、絶縁基板上に形成された第2の分離絶縁体上に形成する。
【0035】
) 本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、前記エッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数形成する工程と、それぞれの構造基体を支持基板上に、各モールド基板と該支持基板とが接し、且つ隣接する構造基体を密着させて配列する工程と、前記エミッタ電極層上にカソード電極を行方向に沿って複数本形成する工程と、前記カソード電極と構造基板とを接着する工程と、前記支持基板及びそれぞれのモールド基板を除去し、それぞれの凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする。
【0036】
) 本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、モールド基板に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、前記エッチング停止層に開口部を有し、且つ前記モールド基板に底部が先鋭な凹部を形成する工程と、前記モールド基板及びエッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数個形成する工程と、それぞれの構造基体を支持基板上に、各モールド基板と該支持基板とが接し、且つ隣接する構造基体が密着するように配列する工程と、前記エミッタ電極層上にカソード電極を行方向に沿って複数本形成する工程と、前記カソード電極と構造基板とを接着する工程と、前記支持基板及びそれぞれのモールド基板を除去し、それぞれの凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする。
【0037】
構成(),()に記載の発明の好ましい実施態様を以下に示す。
【0038】
前記構造基板は、絶縁基板と該絶縁基板上に形成されたカソード電極接続導電層とから形成され、前記カソード電極導電接続層上に隣接する構造基体の接合部と該カソード電極との交差部が位置するように、前記カソード電極と前記構造基板とを接着する。
【0039】
構成()〜()に記載の発明の好ましい実施実施態様を以下に示す。
【0040】
前記モールド基板はシリコン単結晶基板であり、前記エッチング停止層は、前記モールド基板に不純物をドープすることによって形成する。
【0041】
印刷法,電気メッキ法,蒸着法,或いはスパッタリング法を用いてゲート電極を形成する。
【0042】
[作用]
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
【0043】
ゲート電極は、絶縁層上に剛体層を介して形成されるため、電界誘起応力に対して働いても変位することがない。従って、ゲート電極とエミッタとは接触することがないので、エミッタから確実に電子が放出され、信頼性を向上させることができる。
【0044】
また、複数のエミッタが形成された複数の構造基体をタイルを貼るように、密着させて2次元配列し(タイリング)、ゲート電極又はカソード電極の形成を行うことによって、カソード電極又はゲート電極が寸断されて電気的接続が取れなくなるようなことはないので、大面積のFEAを容易に形成することができる。また、生産性の大幅な向上を図ることができる。
【0045】
また、タイリングの際、先端が先鋭な凸部上に、絶縁層,エッチング停止層及びモールド基板が形成されているので、エミッタ先端部が保護され、各構造基体の取り扱いが容易である。
【0046】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【0047】
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図である。
【0048】
ガラス基板11上にITO電極層(カソード電極)12を介してエミッタ電極層13が形成されている。エミッタ電極層13の一部には、その平面に対してピラミッド状に突き出した凸部20が形成されている。エミッタ電極層13上にシリコン酸化膜14が形成されている。シリコン酸化膜14は、凸部20の先端部を除いて形成され、凸部20の先端が露出している。シリコン酸化膜14上に、シリコンにボロンがドープされた拡散層15(エッチング停止層)を介して、タングステン膜からなるゲート電極16が形成されている。
【0049】
次に、図1に示した電解放出型冷陰極の製造工程を図2,3の斜視図を用いて説明する。
【0050】
先ず、図2(a)に示すように、p型の(001)シリコン単結晶基板(モールド基板)17の一方の表面に底部を尖らせた逆ピラミッド状の凹部18を形成する。シリコン単結晶基板に17に凹部18を形成する方法としては、シリコン単結晶基板の異方性エッチングを利用する方法がある。
【0051】
すなわち、先ず、(100)結晶面方位のシリコン単結晶基板の表面に、厚さ0.1μmのシリコン酸化膜をドライ酸化法により形成し、更にレジストをスピンコート法により塗布する。次いで、レジストに例えば0.8μm□の開口部が得られるようにパターニングを行った後、レジストをマスクとしてNHF・HF混合溶液により、シリコン酸化膜を選択的にエッチングする。レジストを除去した後、シリコン酸化膜をマスクとして、30wt%のKOH水溶液を用いてシリコン単結晶基板に対して異方性エッチングを行うと、深さ0.56μmの逆ピラミッド状の凹部がシリコン単結晶基板に形成される。
【0052】
次いで、シリコン単結晶基板17の表面に、熱拡散法を用いて3×1019cm−3以上の濃度になるようにボロンをドープし、エッチング停止層となる厚さ0.3μmの拡散層(剛体層)15を形成する。
【0053】
次いで、図2(b)に示すように、拡散層15の表面に、ドライ酸化法を用いて厚さ0.2μm程度のシリコン酸化膜(絶縁層)14を形成する。なお、シリコン酸化膜14は、CVD法等によりシリコン酸化物を堆積することによっても形成することができる。
【0054】
熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜は、緻密で厚さを制御することが容易であるので、熱酸化によってシリコン酸化膜を形成することが好ましい。シリコン酸化膜の膜厚を制御することによって、後に形成されるゲート電極とエミッタとの距離を精度良く調整することができる。
【0055】
また、熱酸化によってシリコン酸化膜14を形成した場合、シリコン酸化膜14の凹部18内部への成長作用によって、凹部18の底の先端部がシリコン酸化物を堆積によって形成した場合に比べて鋭くなり、後工程で形成されるエミッタの先がさらに鋭くなる。
【0056】
次いで、図2(c)に示すように、シリコン酸化膜14上に、スパッタ法を用いてW膜を厚さ0.9μm堆積しエミッタ電極層13を形成する。なお、W以外にも、MoやTa等の材料をエミッタ電極層13として用いることが可能である。
【0057】
次いで、エミッタ電極層13上に、スパッタリング法を用いて、カソード電極となる厚さ1μm程度のITO電極層12を形成する。なお、エミッタ電極層13の材質によっては、ITO電極層12の形成を省くことができる。ITO電極層12を形成しなかった場合、エミッタ電極層13がカソード電極を兼ねることとなる。
【0058】
次いで、図2(d)に示すように、絶縁基板として、一方の面に厚さ0.4μmのAl層19が形成された厚さ1mmの石英ガラス基板11を用意し、ガラス基板11とITO電極層12とを接着する。この接着には、例えば、静電接着法を適用することが出来る。静電接着法は、冷陰極装置の軽量化や薄型化に寄与する。
【0059】
次いで、図2(e)に示すように、ガラス基板11の表面に形成されているAl層19を、HNO・CHCOOH・HFの混酸溶液を用いて選択的に除去した後、エチレンジアミン・ピロカテコール・ピラジンから成る水溶液(エチレンジアミン:75cc,ピロカテコール:12g,ピラジン:3mg,水:10cc)を用いてSi単結晶基板17を選択的にエッチング除去し、拡散層15を露出させる。この工程までで、エミッタ電極層13,シリコン酸化膜14及び拡散層15の一部が、拡散層15の平坦部に対してピラミッド状に突き出した凸部20が形成される。
【0060】
Si単結晶基板17をエッチングする際、厚さ0.3μmの拡散層15は、前述したエッチング溶液による浸食を終了させるエッチング停止層の役割を持つと同時に、先端が鋭く尖ったエミッタ電極層13の凸部20をエッチング溶液の侵食から保護する役目を果たす。従って、シリコン酸化膜14の膜厚が薄い場合でも、エミッタ電極層13をエッチング溶液の浸食から保護し、凸部20先端からの電界放出効率およびその均一性を大幅に向上させることができる。
【0061】
次いで、図3(f)に示すように、拡散層15上に、スパッタ法を用いてタングステン層を厚さ0.5μmとなるように堆積し、ゲート電極16を形成する。なお、駆動時の電流値にも依存するが、拡散層15のボロン濃度が、例えば1020〜1021cm−3と高く、抵抗率が10−4Ω・cmと低い場合には、拡散層15もゲート電極の役割を果たし、工程数及びコスト削減のみならず、ゲート−エミッタ間距離の近接化にも大きく寄与する。
【0062】
次いで、図3(g)に示すように、ゲート電極16上にスピンコート法を用いてフォトレジスト21を塗布し、ピラミッド状の凸部20先端部上に約0.9μm程度のフォトレジスト21が形成されているようにする。
【0063】
次いで、図3(h)に示すように、酸素プラズマによるドライエッチングによって、凸部20の先端部が0.7μmほど現れるように、レジスト層21の表面層をエッチング除去する。そして、反応性イオンエッチング法を用いて、凸部20の先端部のゲート電極16及び拡散層15をエッチングする。
【0064】
次いで、図3(i)に示すように、レジスト21を除去した後、NHF・HF混合溶液を用いて、シリコン酸化膜14を選択的に除去する。以上の工程までで、ゲート電極16に開口部が形成されるとともに、エミッタ電極層13の凸部20の先端部が露出し、ピラミッド状の冷陰極、すなわちエミッタが形成される。
【0065】
なお、エミッタ電極層上にITO電極層を形成せずに、予め石英ガラス上に形成されたITO電極層とエミッタ電極層を接着して形成することも可能である。
【0066】
本実施形態によれば、ゲート電極が剛体からなる拡散層から形成されていることによって、ゲート電極とエミッタ電極層の凸部とが短絡することがない。
【0067】
ゲート配線が、ゲート電極と拡散層の2層から形成され、その抵抗率が従来に比べて低くなっている。従って、大面積化した場合に信号遅延を抑制することができる。
【0068】
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図である。図4において、図1と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0069】
本実施形態の特徴は、エミッタ電極層12のピラミッド状に形成された凸部20の先端付近まで、n型拡散層31が形成されており、拡散層31の表面がほぼ平坦になっていることである。
【0070】
本冷陰極は、第1実施形態の冷陰極に比べて拡散層31の膜厚が厚いうえ、さらにゲート配線の抵抗が減少し、大面積のFEAを形成しても信号遅延が起こりにくい。
【0071】
図5,6の工程断面図を用いて、図4に示した電界放出型冷陰極の製造工程を説明する。先ず、図5(a)に示すように、p型の(001)シリコン単結晶基板17の表面層に、熱拡散法或いはイオン注入法等を用いてn型拡散層31を形成する。
【0072】
次いで、図5(b)に示すように、逆ピラミッド状の凹部32を、拡散層31及びシリコン基板17上に形成する。凹部32を形成する際、凹部32の開口部が拡散層31に形成され、凹部32の底の先端部がシリコン基板中17に形成されるようにする。シリコン基板17に凹部32を形成するには、第1実施形態において説明した方法を用いて形成することができる。
【0073】
次いで、図5(c)に示すように、拡散層31及びシリコン基板17の表面に、ドライ酸化法を用いてシリコン酸化膜14を形成する。次いで、図7(d)に示すように、シリコン酸化膜14上にエミッタ電極層13及びカソード電極となるITO電極層12を順次積層する。エミッタ電極層13は、凹部内が埋め込まれるまで形成する。
【0074】
次いで、図5(e)に示すように、背面に厚さ0.4μmのAl層19が形成された厚さ1mmの石英ガラス基板11を用意し、ガラス基板11とシリコン単結晶基板17とをエミッタ電極層13が介するように接着する。この接着には、例えば、静電接着法を適用することが出来る。静電接着法は、冷陰極装置の軽量化や薄型化に寄与する。
【0075】
次いで、図5(f)に示すように、石英ガラス基板11背面のAl層19を除去した後、電気化学エッチング法を用いてシリコン単結晶基板17を選択的にエッチング除去し、拡散層31を露出させるとともに、拡散層31及びシリコン酸化膜14に覆われたエミッタ電極層13によるピラミッド形状の凸部33の先端部を露出させる。
【0076】
電気化学エッチング法は、例えばKOH水溶液中で、n型拡散層31とp型のシリコン単結晶基板17との界面に生じているpn接合に対して逆電圧を印加してp型のシリコン単結晶基板を選択的にエッチングする方法である。
【0077】
次いで、図6(g)に示すように、拡散層31上に、電気メッキ法を用いて、ゲート電極16を形成する。電界メッキ法を用いてゲート電極16を形成すると、ゲート電極16は導電性を有する拡散層31の表面にのみ選択的に形成されるので、凸部33の先端部の絶縁性のシリコン酸化膜14上には形成されない。
【0078】
次いで、図6(h)に示すように、NHF・HF混合溶液を用いて、シリコン酸化膜14を選択的に除去する。この工程までで、ゲート電極16,拡散層31及びシリコン酸化膜14に開口部が形成されるとともに、エミッタ電極層13によるピラミッド状の凸部33の先端部が露出し、ピラミッド状の冷陰極、すなわちエミッタが形成される。
【0079】
なお、エミッタ電極層上にITO電極層を形成せずに、予め石英ガラス上に形成されたITO電極層とエミッタ電極層を接着して形成することも可能である。
【0080】
[第3実施形態]
図7は、本発明の第3実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図である。なお、図1と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0081】
本実施形態の特徴は、ITO電極層12とエミッタ電極層35との間に芯状抵抗層34が形成されていることである。エミッタ電極層35は、凸部33毎にそれぞれ分離されて形成されており、芯状抵抗層34によってITO電極層12と電気的に接続されている。
【0082】
製造時のバラツキでエミッタ電極層35の形状がそれぞれ異なる場合があるため、ゲート電極16との間隔が短いエミッタ電極層35から大量の電流が流れることによって、ゲート電極16とエミッタ電極層35との間に短絡が生じる可能性がある。しかし、芯状抵抗層34をエミッタ電極層35とITO電極層12との間に挿入することでITO電極層12からエミッタ電極層35に流れる電流を制限し、短絡を抑えることができる。
【0083】
この図7に示した冷陰極の製造工程を図8の工程断面図を用いて説明する。図8(a),(b)は、第2実施形態の図5(a),(b)に示した工程と同様であるので、その説明を省略する。そして、図8(c)に示すように、シリコン酸化膜14上に電極材を堆積する。そして、凹部32を含む領域の電極材上にレジスト(不図示)を形成した後、レジストをマスクとしてRIE法を用いて電極材をエッチングしてエミッタ電極層35を形成し、レジストを除去する。
【0084】
次いで、図8(d)に示すように、シリコン酸化膜34及びエミッタ電極層35上に、芯状抵抗層34を堆積する。
【0085】
次いで、図8(e)に示すように、芯状抵抗層34上にITO電極層12を形成した後、第2実施形態と同様に、石英ガラス基板11とITO電極層12の接着,シリコン単結晶基板17の選択的除去及びゲート電極16の形成を順次行う。
【0086】
そして、図8(f)に示すように、第2実施形態と同様に、拡散層31及びシリコン酸化膜14を選択的にエッチングすることによって、エミッタ電極層35が露出し、電界放出型冷陰極が完成する。
【0087】
なお、芯状抵抗層上にITO電極層を形成せずに、予め石英ガラス上に形成されたITO電極層とエミッタ電極層を接着して形成することも可能である。
【0088】
[第4実施形態]
図9は、本発明の第4実施形態に係わるFEAの構成を示す断面図である。図9において、図7と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0089】
本実施形態の特徴は、先端が先鋭な凸部を有するエミッタ電極層35が複数個配列形成された構造基体43a〜dが、石英ガラス基板41上に行方向に沿って形成されたカソード電極ライン42a,b上に、行方向及び列方向に密着して2次元配置されていることである。そして、構造基体43a〜d上に、ゲート電極44a,bが列方向に沿って配列形成されている。
【0090】
なお、図7は、構造基体43a〜dの接合部を拡大して図示した図であり、各構造基体43には、図示されている部分以外に多くのエミッタ電極層35が形成されている。また、カソード電極42とゲート電極44の交差部に一つの構造基体が配置されているように図示されているが、一つの構造基体にカソード電極42とゲート電極44の交差部が複数個形成されている。
【0091】
この冷陰極の製造工程を図10〜12の工程図を用いて説明する。
【0092】
先ず、図10(a)に示すように、第3実施形態の図8(a)〜(d)に示した工程を用いて複数のエミッタ電極層35を形成した後、芯状抵抗層34の形成及びパターニングを行った構造基体43a〜dを用意する。また、表面にカソード電極42a,bが行方向に沿って形成された石英ガラス基板41を用意する。
【0093】
次いで、図11(b)に示すように、構造基体43a〜dと石英ガラス基板41のカソード電極42a,bが形成されている面とを、エミッタ電極層35が介在するように接着する。つまり芯状抵抗層34とカソード電極42a,bとを接着する。
【0094】
次いで、図11(c)に示すように、第3実施形態と同様にシリコン単結晶基板11を選択的にエッチング除去し、拡散層35の凸部33を露出させる。
【0095】
次いで、図12(d)に示すように、拡散層31上にスクリーン印刷方法を用いてゲート電極44a,bを列方向に沿って形成する。拡散層31の表面は、突起が一部にあるだけで、その表面は平坦であるため、容易にゲート電極44a,bをスクリーン印刷によって形成することができる。
【0096】
このとき、隣接する構造基体43の間の隙間が大きいと、ゲート電極44が断切れを起こすおそれがある。そのため、隙間を埋め込むようにゲート電極44を形成すると、断切れを起こす事を防止することができる。また、隙間を埋め込むように形成した際、カソード電極42と絶縁されていれば、ゲート電極44がガラス基板上に形成されていても良い。また、ゲート電極44が形成される位置のガラス基板上に接続電極を形成しておき、ゲート電極が接続電極上に形成されるようにすると、更にゲート電極の電気的接続を確実にすることができる。
【0097】
そして、図12(e)に示すように、ゲート電極44a,bをパターニングし、拡散層31を露出させた後、拡散層31及びシリコン酸化膜14を順次エッチングし、エミッタ電極層35の先端が先鋭な凸部を露出させる。以上説明した工程で本実施形態のFEAが形成される。
【0098】
本実施形態によれば、予め複数のエミッタが形成された構造基体を予めカソード電極が形成された石英ガラス基板上に配列した後、エミッタ上のシリコン単結晶基板を選択的に除去し、ゲート電極を形成することによって、ワイヤボンディングを用いることなく大面積のFEAを形成することができる。
【0099】
また、ゲート電極の形成に印刷法を用いることによって、簡易に列方向に沿ったゲート電極を形成することができる。
【0100】
なお、構造基体43は、第1実施形態の図2(a)〜(c)に示した工程を経て形成された構造、又は第2実施形態の図5(a)〜(d)に示した工程を経て形成された構造を用いても良い。
[第5実施形態]
図13は、本発明の第5実施形態に係わるFEAの構成を示す断面図である。図13において、図9と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0101】
本実施形態のFEAの特徴は、ゲート電極接続導電層51(51a,b)が、ゲート電極44(44a,b)上に形成されていることである。それぞれのゲート電極接続導電層51a,bは、隣接する構造基体43の接合部上に位置するゲート電極44上に選択的に形成されている。ゲート電極接続層51を形成することによって、隣接する構造基体43の間におけるゲート電極の電気的接続を確実に行うことができる。
【0102】
図13に示したFEAの製造工程を図14の工程図を用いて説明する。先ず、図14(a)に示すように、図10(a)〜図12(d)に示した工程を経て形成された構造に対して、隣接する構造基体43の接合部を含む領域のゲート電極44上に、スクリーン印刷法を用いてゲート電極接続導電層51a,bを形成する。なお、全面に電極材を堆積した後、パターニングしてゲート電極接続導電層51を形成することも可能である。
【0103】
次いで、図14(b)に示すように、先の実施形態で説明した工程と同様に、ゲート電極44,拡散層31及びシリコン酸化膜14をエッチングすることによってエミッタ電極層35の凸部先端を露出させて、本実施形態のFEAが完成する。
【0104】
なお、エミッタ電極層35の凸部先端を露出させた後、ゲート電極接続導電層を形成することも可能である。
【0105】
[第6実施形態]
図15は、本発明の第6実施形態に係わるFEAの構成を示す断面図である。図15において、図9と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0106】
本実施形態の特徴は、隣接する構造基体61a,bの隙間部62に、ガラス,SOG(Spin On Glass ),シリコン酸化物又はシリコン窒化物からなる絶縁層63が埋め込まれていることである。絶縁層63が隙間部62に埋め込まれていることによって、ゲート電極44a,bを堆積する際、構造基体の繋ぎ目の隙間部62において、ゲート電極44a,bがITO電極層44a上に形成されるのを防ぎ、ゲート電極44a,bとITO電極層42aとが短絡することを防ぐ。
【0107】
図15に示したFEAの製造工程を図16,17の工程図を用いて説明する。
【0108】
先ず、図16(a)に示した構造は、先に説明した図10(a)〜図11(c)に示した工程を経て形成されるものである。図示したように、構造基体61aと構造基体61bとの間に、隙間部62が生じている。
【0109】
次いで、図16(b)に示すように、基板61a,b間の隙間部62を埋めるように、絶縁層63を形成する。
【0110】
次いで、図17(c)に示すように、エッチバック法等を用いて、拡散層31上の絶縁層63を除去し、隙間部62に絶縁層63を埋め込み形成する。なお、隙間部62の全てを絶縁層63で埋め込む必要はなく、隙間部62の開口部を塞ぐように形成されていればよい。
【0111】
次いで、図17(d)に示すように、第4実施形態と同様にゲート電極44a,bを形成した後、ゲート電極,拡散層31及びシリコン酸化膜14を選択的に除去することによってFEAが完成する。
【0112】
なお、構造基体61は、第1実施形態の図2(a)〜(c)に示した工程を経て形成された構造、又は第2実施形態の図5(a)〜(d)に示した工程を経て形成された構造を用いても良い。
[第7実施形態]
図18は、本発明の第7実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図である。図18において、図9と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0113】
本実施形態のFEAの特徴は、隣接する構造基体43の接合部を含む領域の下に絶縁層71が形成されていることである。隣接する構造基体43の接合部の下に絶縁層が形成されていることによって、ゲート電極44とカソード電極42とが電気的に接続することを防止することができる。
【0114】
図19,20の工程図を用いて、図18に示したFEAの製造工程を説明する。
【0115】
先ず、図19(a)に示すように、図8(a)〜(d)に示した工程を経て形成された構造に対し、芯状抵抗層34がパターニングされた構造基体43a〜dを用意する。また、石英ガラス基板41上に、カソード電極ライン42a,b及び絶縁層71が形成された構造基板70を用意する。なお、絶縁層71は、後工程で構造基板70上に構造基体43をタイリングする際、隣接する基体43の接合部を含む領域に接する部位に形成されている。
【0116】
次いで、図20(b)に示すように、各構造基体43の抵抗層34が形成されている面と基板70のカソード電極42a,bが形成されている面とを接着する。このとき、絶縁層71上に、隣接する構造基体43の接合部が必ず存在するようにタイリングする。
【0117】
次いで、図20(c)に示すように、各シリコン単結晶基板17の除去、ゲート電極44a,bの形成、ゲート電極44,拡散層31及びシリコン酸化膜14のエッチングを順次行うことによって、本実施形態のFEAが完成する。
【0118】
なお、構造基体43は、第1実施形態の図2(a)〜(c)に示した工程を経て形成された構造、又は第2実施形態の図5(a)〜(d)に示した工程を経て形成された構造を用いても良い。
[第8実施形態]
図21,22は、本発明の第8実施形態に係わる電界放出型冷陰極の製造工程を示す工程断面図である。
【0119】
先ず、図21(a)に示すように、支持基板81と、図8(a)〜(d)に示した工程を経て形成された構造に対し、芯状抵抗層34がパターニングされた構造基体82a〜dのシリコン基板17面とを仮接着する。
【0120】
次いで、図21(b)に示すように、芯状抵抗層34上にカソード電極83a,bをスクリーン印刷法を用いて行方向に沿って形成する。
【0121】
次いで、図22(c)に示すように、カソード電極83a,bと石英ガラス基板84とを接着する。そして、支持基板81及びシリコン単結晶基板17を除去することによって、図11(c)に示した構造が形成される。後の工程は、図11(c)〜図12(e)に示した工程と同様の工程を行うことによって本実施形態のFEAが完成する。
【0122】
[第9実施形態]
図23は、本発明の第9実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図である。図23において、図9と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【0123】
本実施形態の特徴は、隣接する構造基体と接合部と接するカソード電極83の下部にカソード電極接続導電層92(92a,b)が形成されていることである。カソード電極接続導電層92を形成することによって、隣接する構造基体83間におけるカソード電極83の電気的接続を確実にすることができる。
【0124】
図23に示したFEAの製造工程を図24の工程図を用いて説明する。。
【0125】
先ず、図21(a),(b)に示した工程を経て形成された構造を用意する。そして、表面にカソード電極接続電極層92a,bが形成されている石英ガラス基板91を用意する。石英ガラス基板91上のカソード電極接続導電層92は、隣接する構造基体の接合部とカソード電極83a,bとの交差部を含む領域に面するガラス基板91上に形成されている。
【0126】
次いで、カソード電極接続導電層92とカソード電極83とを接着した後、支持基板81及びシリコン基板17を除去し、ゲート電極44の形成、拡散層31及びシリコン酸化膜14のエッチングを行うことによってFEAが完成する。
【0127】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上述したFEAを用いてFED(Field Emission Display)、或いは電子ビーム露光装置を形成することも可能である。
【0128】
また、剛体層(エッチング停止層)は、シリコンに不純物がドープされた拡散層に限らず、ゲート電極より固く、電界誘起応力によって変位しないものであれば任意の材料を用いることができる。また、シリコン基板(モールド基板)上に剛体層を堆積して形成しても良い。
【0129】
また、エミッタ電極層の材料としては、タングステンに限らず、仕事関数の低い種々の材料を用いることができる。
【0130】
また、上記第4〜9実施形態に示した製造方法を適宜組み合わせてFEAを形成することも可能である。
【0131】
また、ゲート電極の形成に際し、蒸着法、或いはスパッタリング法等を用いることが可能である。
【0132】
また、Spindt法等で形成された冷陰極が2次元配列され、且つゲート電極が列方向に沿って形成された複数の構造基体を密着配列した後、列方向に隣接する構造基体のゲート電極を膜状のゲート電極接続層で電気的に接続することも可能である。また、ゲート電極とカソード電極とが同一平面内に形成された平面型の冷陰極が形成された構造基体を同様にタイリングすることも可能である。
【0133】
ゲート電極接続層の形成の際、隣接する構造基体の接合部で上述した実施形態で説明したように断切れを起こす事がある。そのため、隙間を埋め込むようにゲート電極接続層を形成すると、断切れを起こす事を防止することができる。また、隙間を埋め込むように形成した際、カソード電極と絶縁されていれば、ゲート電極接続層が構造基板上に形成されていても良い。また、ゲート電極が形成される位置の構造基板上に接続電極を形成しておき、ゲート電極接続層が接続電極上に形成されるようにすると、更にゲート電極の電気的接続を確実にすることができる。
【0134】
また、構造基体が配列形成された複数の構造基板を2次元配列して、更に大面積のFEAを形成することも可能である。この場合、構造基板にカソード電極に接続するスルーホールを設け、該スルーホールを用いて隣接する構造基板のカソード電極を電気的に接続することが可能である。
【0135】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【0136】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ゲート電極が剛体層上に形成されているので、電界誘起応力によってゲート電極とエミッタとが短絡することが無く、信頼性の向上が図られる。
【0137】
また、基板上に複数の構造基体をタイリングし、ゲート電極、或いはカソード電極を形成することによって、電極を連続的に形成することが可能となり、隣接する構造基板の間で電極が切れることがなく、容易に大面積の電界放出型冷陰極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図。
【図2】図1に示した電界放出型冷陰極の製造工程を示す工程断面図。
【図3】図1に示した電界放出型冷陰極の製造工程を示す工程断面図。
【図4】第2実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図。
【図5】図4に示した電界放出型冷陰極の構成を示す工程断面図。
【図6】図4に示した電界放出型冷陰極の構成を示す工程断面図。
【図7】第3実施形態に係わる電界放出型冷陰極の構成を示す断面図。
【図8】図7に示した電界放出型冷陰極の製造工程を示す工程断面図。
【図9】第4実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図。
【図10】図9に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図11】図9に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図12】図9に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図13】第5実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図。
【図14】図13に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図15】第6実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図。
【図16】図15に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図17】図15に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図18】第7実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図。
【図19】図18に示したFEAの製造工程を示す斜視図。
【図20】図18に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【図21】第8実施形態に係わるFEAの製造工程を示す工程図。
【図22】第8実施形態に係わるFEAの製造工程を示す工程図。
【図23】第9実施形態に係わるFEAの構成を示す斜視図。
【図24】図23に示したFEAの製造工程を示す工程図。
【符号の説明】
11…ガラス基板
12…ITO電極層(カソード電極)
13…エミッタ電極層
14…シリコン酸化膜
15…拡散層
16…ゲート電極
17…シリコン単結晶基板
18…凹部
19…Al層
20…凸部
21…レジスト
31…拡散層
32…凹部
33…凸部
34…芯状抵抗層
35…エミッタ電極層
41…石英ガラス基板
42a,b…カソード電極
43a〜d…構造基体
44a,b…ゲート電極
51a,b…ゲート電極接続導電層
61…構造基体
62…隙間部
63…絶縁層
71…絶縁分離層
81…支持基板
83a,b…カソード電極
91…石英ガラス基板
92a,b…カソード電極接続導電層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission cold cathode and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, field emission cold cathodes utilizing Si semiconductor processing technology have been actively developed.
[0003]
The field emission cold cathode is formed of a conical or pyramid-shaped emitter formed on a cathode electrode, and a gate electrode for extracting electrons from the tip of the emitter electrode layer.
[0004]
Field emission cold cathode formation methods are roughly classified into two, a Spindt method and a transfer molding method. When formed by the Spindt method, a gate electrode is formed on an insulating layer formed so as to surround a conical emitter. Further, when formed by a transfer molding method, a gate electrode is formed via an insulating film formed on a side surface of the emitter.
[0005]
When a voltage difference is applied between the gate electrode and the emitter to extract electrons from the conical emitter, abnormal discharge occurs due to shape non-uniformity, etc., and electric field induced stress occurs between the gate electrode and the emitter. Works, and the gate electrode and the emitter come into electrical contact with each other to cause a short circuit, so that there is a problem that electrons are not emitted from the emitter.
[0006]
In addition, a technology has been reported in which a small field emission array (FEA) in which field emission cold cathodes are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction is formed by tiling on a substrate. However, there is a problem that it is difficult to electrically connect a gate electrode formed on a small FEA.
[0007]
A technique has been reported in which adjacent gate electrodes are electrically connected using wire bonding to form a large-area FEA. However, the use of wire bonding has a problem that the manufacturing cost is high.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional field emission cold cathode has a problem that the gate electrode and the emitter come into contact with each other due to the electric field-induced stress, causing a short circuit, so that electrons are not emitted from the emitter.
[0009]
Further, conventionally, there has been a problem that a large-area FEA cannot be manufactured at low cost.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to prevent a short circuit between a gate electrode and an emitter, to improve reliability, and to easily and inexpensively manufacture a large-area FEA. And a method for producing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
[Constitution]
The present invention is configured as described below to achieve the above object.
[0014]
(1The field emission cold cathode according to the present invention has a plurality of cathode electrodes arrayed and formed on an insulating substrate along a row direction, and a convex portion, which is electrically connected to the cathode electrodes and has a sharp tip, is formed in the row direction. An emitter electrode layer two-dimensionally arranged in a column direction, a plurality of emitter electrode layers formed along the column direction, extracting electrons from the tips of the respective projections, and a gate electrode having an opening on the tips of the projections; Wherein the emitter electrode layer is formed on each of a plurality of structural bases closely arranged on the cathode electrode, and the electrode is formed on the emitter electrode layer of each structural base. An insulating layer formed along the surface of the layer and having the tip region of the protrusion removed; and an array formed on the insulating layer along the column direction and having an opening in the tip region of the protrusion. Rigid layers are sequentially laminated, and It is characterized in that it is continuously formed on the rigid layer of the structure body adjacent to each other in the column direction.
[0015]
Preferred embodiments of the invention described in the configuration (3) are shown below.
[0016]
A gate electrode connection conductive layer is selectively formed on the gate electrode in a region including the intersection between the junction of the adjacent structural base and each gate electrode.
[0017]
A cathode electrode connecting conductive layer is formed below the cathode electrode in a region including a junction between adjacent structural bases.
[0018]
Preferred embodiments of the invention described in the constitutions (2) and (3) are shown below.
[0019]
A first isolation insulator that covers an opening of the gap is formed in a gap between adjacent structural bases.
[0020]
The joint between adjacent structural bases is formed on a second isolation insulator formed on the insulating substrate.
[0021]
Constitution(1The preferred embodiments of the invention described in (1) are shown below.
[0022]
The etching stop layer is silicon doped with impurities.
[0023]
The surface of the etching stop layer is flat.
[0028]
(2The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention includes the steps of: forming a plurality of concave portions having sharp bottoms on a mold substrate; forming a rigid etching stop layer on the mold substrate; Forming a plurality of structural bases including a step of forming an insulating layer on the stop layer, and a step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer; and forming each of the structural bases on the insulating substrate. A step of arranging and adhering a plurality of cathode electrodes formed along the row direction, arranging the respective structural bases so that the emitter electrode layer is interposed, and adjoining the adjacent structural bases; Etching, the emitter electrode layer, the insulating layer and the etching stop layer formed in each concave portion project from a flat portion of the etching stop layer, and a plurality of convex portions having sharp tips are formed. Exposing, forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions on the etching stop layer of the arranged structural base in the column direction, and forming the tips of the respective protrusions Removing the etching stop layer and the insulating layer formed on the substrate to expose the emitter electrode layer having a sharp tip.
[0029]
(3The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention includes a step of forming an etching stop layer made of a rigid body on a mold substrate, the method having an opening in the etching stop layer, and the mold substrate having a sharp bottom. Forming a plurality of concave portions, forming an insulating layer on the mold substrate and the etching stopper layer, and forming an emitter electrode layer on the insulating layer. Forming each of the structural bases and a plurality of cathode electrodes formed in a row direction on the insulating substrate so that the emitter electrode layer is interposed and the adjacent structural bases are in close contact with each other. Arranging and adhering the bases, etching each mold substrate, and forming the emitter electrode layer, the insulating layer and the etching stop layer formed in each concave portion by the etching; A step of exposing a plurality of projections having a sharp tip protruding from a flat portion of the stop layer, and a gate having an opening at the tip of each projection on the etching stop layer of the arrayed structural base. Forming a plurality of electrodes in the column direction, and removing the etching stop layer and the insulating layer formed at the tips of the respective protrusions to expose the emitter electrode layer having a sharp tip. Features.
[0030]
Constitution(2), (3The preferred embodiments of the invention described in (1) are shown below.
[0031]
Before the step of forming the gate electrode, a first isolation insulator for closing an opening in a gap between adjacent structural bases is formed.
[0032]
The first isolation insulator is glass, SOG (spin-on-glass), silicon oxide, or silicon nitride.
[0033]
After forming the gate electrode, a gate electrode connection conductive layer is selectively formed on the gate electrode in a region including a junction between the adjacent structural base and the gate electrode.
[0034]
When each structural base is bonded to the cathode electrode formed on the insulating substrate, a joint between adjacent structural bases is formed on the second isolation insulator formed on the insulating substrate.
[0035]
(4The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention includes a step of forming a plurality of concave portions having a sharp bottom in a mold substrate; a step of forming a rigid etching stop layer on the mold substrate; Forming an insulating layer on the layer;Insulating layerForming a plurality of structural bases including a step of forming an emitter electrode layer thereon; and forming each of the structural bases on a supporting substrate, wherein each mold substrate and the supporting substrate are in contact with and adjacent to each other. Arranging the substrates in close contact with each other, forming a plurality of cathode electrodes along the row direction on the emitter electrode layer, bonding the cathode electrodes to a structural substrate, The mold substrate is removed, and the emitter electrode layer, the insulating layer, and the etching stop layer formed in each of the recesses protrude from a flat portion of the etching stop layer and form a plurality of sharp protrusions having sharp tips. Exposing; and forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the etching stop layers of the arranged structural bases. It formed at the tip portion of the protrusionetchingRemoving the stop layer and the insulating layer and exposing the projection of the emitter electrode layer having a sharp tip.
[0036]
(5The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention includes a step of forming an etching stop layer made of a rigid body on a mold substrate, an opening in the etching stop layer, and a bottom of the mold substrate having a sharp bottom. Forming a plurality of structural bases including a step of forming a recess, a step of forming an insulating layer on the mold substrate and the etching stop layer, and a step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer A step of arranging the respective structural bases on a supporting substrate such that each mold substrate and the supporting substrate are in contact with each other and the adjacent structural bases are in close contact with each other; Forming a plurality of lines along the line, bonding the cathode electrode to the structural substrate, removing the support substrate and the respective mold substrates, and forming Exposing the emitter electrode layer, the insulating layer, and the etching stop layer to a flat portion of the etching stop layer, thereby exposing a plurality of sharp projections, and stopping the etching of the arranged structural base. Forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the layer, and forming the gate electrodes at the tips of the respective protrusions.etchingRemoving the stop layer and the insulating layer and exposing the projection of the emitter electrode layer having a sharp tip.
[0037]
Constitution(4), (5The preferred embodiments of the invention described in (1) are shown below.
[0038]
The structural substrate is formed from an insulating substrate and a cathode electrode connecting conductive layer formed on the insulating substrate, and a junction between the adjacent structural base on the cathode electrode conductive connecting layer and the cathode electrode has an intersection. The cathode electrode and the structural substrate are bonded so as to be positioned.
[0039]
Constitution(2) ~ (5The preferred embodiments of the invention described in (1) are shown below.
[0040]
The mold substrate is a silicon single crystal substrate, and the etching stop layer is formed by doping the mold substrate with an impurity.
[0041]
The gate electrode is formed by a printing method, an electroplating method, a vapor deposition method, or a sputtering method.
[0042]
[Action]
The present invention has the following operations and effects by the above configuration.
[0043]
Since the gate electrode is formed on the insulating layer via the rigid layer, the gate electrode is not displaced even if it acts on the electric field induced stress. Therefore, since the gate electrode and the emitter do not come into contact with each other, electrons are reliably emitted from the emitter, and reliability can be improved.
[0044]
In addition, a plurality of structural bases on which a plurality of emitters are formed are closely attached and two-dimensionally arranged (tiling) such that tiles are attached, and a gate electrode or a cathode electrode is formed. Since there is no possibility that electrical connection cannot be established due to the cutting, an FEA having a large area can be easily formed. Further, the productivity can be significantly improved.
[0045]
Also,At the time of tiling, the insulating layer, the etching stop layer, and the mold substrate are formed on the protruding portion having a sharp tip. Therefore, the tip of the emitter is protected, and handling of each structural base is easy.
[0046]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0047]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a field emission cold cathode according to the first embodiment of the present invention.
[0048]
An emitter electrode layer 13 is formed on a glass substrate 11 via an ITO electrode layer (cathode electrode) 12. A part of the emitter electrode layer 13 is formed with a protrusion 20 projecting in a pyramid shape with respect to the plane thereof. A silicon oxide film 14 is formed on emitter electrode layer 13. The silicon oxide film 14 is formed except for the tip of the projection 20, and the tip of the projection 20 is exposed. A gate electrode 16 made of a tungsten film is formed on the silicon oxide film 14 via a diffusion layer 15 (etching stop layer) in which boron is doped in silicon.
[0049]
Next, a manufacturing process of the field emission cold cathode shown in FIG. 1 will be described with reference to perspective views of FIGS.
[0050]
First, as shown in FIG. 2A, an inverted pyramid-shaped recess 18 having a sharpened bottom is formed on one surface of a p-type (001) silicon single crystal substrate (mold substrate) 17. As a method of forming the concave portion 18 in the silicon single crystal substrate 17, there is a method utilizing anisotropic etching of the silicon single crystal substrate.
[0051]
That is, first, a silicon oxide film having a thickness of 0.1 μm is formed on the surface of a silicon single crystal substrate having a (100) crystal orientation by a dry oxidation method, and a resist is applied by a spin coating method. Next, after patterning is performed on the resist so that an opening of, for example, 0.8 μm is obtained, NH 3 is formed using the resist as a mask.4The silicon oxide film is selectively etched by the F / HF mixed solution. After removing the resist, anisotropic etching is performed on the silicon single crystal substrate using a 30 wt% KOH aqueous solution using the silicon oxide film as a mask. Formed on a crystal substrate.
[0052]
Next, the surface of the silicon single crystal substrate 17 is 3 × 1019cm-3Boron is doped to the above concentration to form a diffusion layer (rigid layer) 15 having a thickness of 0.3 μm and serving as an etching stop layer.
[0053]
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film (insulating layer) 14 having a thickness of about 0.2 μm is formed on the surface of the diffusion layer 15 by using a dry oxidation method. Note that the silicon oxide film 14 can also be formed by depositing silicon oxide by a CVD method or the like.
[0054]
Since the silicon oxide film formed by thermal oxidation is dense and easily controlled in thickness, it is preferable to form the silicon oxide film by thermal oxidation. By controlling the thickness of the silicon oxide film, the distance between the gate electrode and the emitter formed later can be accurately adjusted.
[0055]
Further, when the silicon oxide film 14 is formed by thermal oxidation, the tip of the bottom of the recess 18 becomes sharper due to the growth of the silicon oxide film 14 inside the recess 18 than when silicon oxide is formed by deposition. The tip of the emitter formed in a later step becomes sharper.
[0056]
Next, as shown in FIG. 2C, a W film is deposited to a thickness of 0.9 μm on the silicon oxide film 14 by a sputtering method to form an emitter electrode layer 13. In addition, other than W, a material such as Mo or Ta can be used for the emitter electrode layer 13.
[0057]
Next, on the emitter electrode layer 13, an ITO electrode layer 12 having a thickness of about 1 μm to be a cathode electrode is formed by a sputtering method. The formation of the ITO electrode layer 12 can be omitted depending on the material of the emitter electrode layer 13. When the ITO electrode layer 12 is not formed, the emitter electrode layer 13 also serves as a cathode electrode.
[0058]
Next, as shown in FIG. 2D, a 1 mm-thick quartz glass substrate 11 having an Al layer 19 having a thickness of 0.4 μm formed on one surface was prepared as an insulating substrate. The electrode layer 12 is bonded. For this bonding, for example, an electrostatic bonding method can be applied. The electrostatic bonding method contributes to a reduction in the weight and thickness of the cold cathode device.
[0059]
Next, as shown in FIG. 2E, the Al layer 19 formed on the surface of the glass3・ CH3After selective removal using a mixed acid solution of COOH and HF, a silicon single crystal substrate was prepared using an aqueous solution composed of ethylenediamine, pyrocatechol, and pyrazine (ethylenediamine: 75 cc, pyrocatechol: 12 g, pyrazine: 3 mg, water: 10 cc). 17 is selectively removed by etching to expose the diffusion layer 15. Up to this step, a projection 20 is formed in which a part of the emitter electrode layer 13, the silicon oxide film 14, and the diffusion layer 15 protrudes in a pyramid shape with respect to the flat portion of the diffusion layer 15.
[0060]
When etching the Si single crystal substrate 17, the diffusion layer 15 having a thickness of 0.3 μm has a role of an etching stop layer for terminating the erosion by the above-mentioned etching solution, and at the same time, serves as the emitter electrode layer 13 having a sharp tip. It serves to protect the projections 20 from erosion of the etching solution. Therefore, even when the thickness of the silicon oxide film 14 is small, the emitter electrode layer 13 can be protected from the erosion of the etching solution, and the field emission efficiency from the tip of the projection 20 and its uniformity can be greatly improved.
[0061]
Next, as shown in FIG. 3F, a tungsten layer is deposited to a thickness of 0.5 μm on the diffusion layer 15 by using a sputtering method, and a gate electrode 16 is formed. Note that the boron concentration of the diffusion layer 15 is, for example, 1020-1021cm-3High and the resistivity is 10-4When the resistance is as low as Ω · cm, the diffusion layer 15 also plays a role of a gate electrode, and greatly contributes not only to reduction in the number of steps and cost but also to reduction in the distance between the gate and the emitter.
[0062]
Next, as shown in FIG. 3G, a photoresist 21 is applied on the gate electrode 16 by using a spin coating method, and a photoresist 21 of about 0.9 μm is formed on the tip of the pyramid-shaped protrusion 20. To be formed.
[0063]
Next, as shown in FIG. 3H, the surface layer of the resist layer 21 is removed by dry etching using oxygen plasma so that the tip of the projection 20 appears by about 0.7 μm. Then, the gate electrode 16 and the diffusion layer 15 at the tip of the projection 20 are etched using the reactive ion etching method.
[0064]
Next, as shown in FIG. 3I, after the resist 21 is removed, NH 3 is removed.4The silicon oxide film 14 is selectively removed using a mixed solution of F and HF. Through the above steps, an opening is formed in the gate electrode 16 and the tip of the projection 20 of the emitter electrode layer 13 is exposed, so that a pyramid-shaped cold cathode, that is, an emitter is formed.
[0065]
Note that, without forming the ITO electrode layer on the emitter electrode layer, the ITO electrode layer and the emitter electrode layer formed on quartz glass in advance can be bonded to each other.
[0066]
According to the present embodiment, since the gate electrode is formed from the diffusion layer made of a rigid body, there is no short circuit between the gate electrode and the projection of the emitter electrode layer.
[0067]
The gate wiring is formed of two layers, that is, a gate electrode and a diffusion layer, and has a lower resistivity than in the related art. Therefore, the signal delay can be suppressed when the area is increased.
[0068]
[Second embodiment]
FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of a field emission cold cathode according to the second embodiment of the present invention. 4, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0069]
The feature of this embodiment is that the n-type diffusion layer 31 is formed up to the vicinity of the tip of the pyramid-shaped projection 20 of the emitter electrode layer 12, and the surface of the diffusion layer 31 is substantially flat. It is.
[0070]
In the present cold cathode, the thickness of the diffusion layer 31 is larger than that of the cold cathode of the first embodiment, the resistance of the gate wiring is further reduced, and a signal delay hardly occurs even when a large-area FEA is formed.
[0071]
The manufacturing process of the field emission cold cathode shown in FIG. 4 will be described with reference to the process sectional views of FIGS. First, as shown in FIG. 5A, an n-type diffusion layer 31 is formed on a surface layer of a p-type (001) silicon single crystal substrate 17 by using a thermal diffusion method or an ion implantation method.
[0072]
Next, as shown in FIG. 5B, an inverted pyramid-shaped concave portion 32 is formed on the diffusion layer 31 and the silicon substrate 17. When forming the recess 32, the opening of the recess 32 is formed in the diffusion layer 31, and the tip of the bottom of the recess 32 is formed in the silicon substrate 17. The recess 32 can be formed in the silicon substrate 17 using the method described in the first embodiment.
[0073]
Next, as shown in FIG. 5C, a silicon oxide film 14 is formed on the surface of the diffusion layer 31 and the silicon substrate 17 by using a dry oxidation method. Next, as shown in FIG. 7D, an emitter electrode layer 13 and an ITO electrode layer 12 serving as a cathode electrode are sequentially stacked on the silicon oxide film 14. The emitter electrode layer 13 is formed until the inside of the recess is filled.
[0074]
Next, as shown in FIG. 5E, a 1 mm-thick quartz glass substrate 11 having a 0.4 μm-thick Al layer 19 formed on the back surface is prepared, and the glass substrate 11 and the silicon single crystal substrate 17 are separated. Adhesion is performed with the emitter electrode layer 13 interposed therebetween. For this bonding, for example, an electrostatic bonding method can be applied. The electrostatic bonding method contributes to a reduction in the weight and thickness of the cold cathode device.
[0075]
Next, as shown in FIG. 5F, after removing the Al layer 19 on the back surface of the quartz glass substrate 11, the silicon single crystal substrate 17 is selectively etched away using an electrochemical etching method, and the diffusion layer 31 is formed. At the same time, the tip of the pyramid-shaped projection 33 by the emitter electrode layer 13 covered with the diffusion layer 31 and the silicon oxide film 14 is exposed.
[0076]
In the electrochemical etching method, for example, in a KOH aqueous solution, a reverse voltage is applied to a pn junction generated at an interface between the n-type diffusion layer 31 and the p-type silicon single crystal substrate 17 to form a p-type silicon single crystal. This is a method of selectively etching a substrate.
[0077]
Next, as shown in FIG. 6G, the gate electrode 16 is formed on the diffusion layer 31 by using an electroplating method. When the gate electrode 16 is formed by using the electrolytic plating method, the gate electrode 16 is selectively formed only on the surface of the diffusion layer 31 having conductivity. Not formed on top.
[0078]
Next, as shown in FIG.4The silicon oxide film 14 is selectively removed using a mixed solution of F and HF. Up to this step, openings are formed in the gate electrode 16, the diffusion layer 31, and the silicon oxide film 14, and the tips of the pyramid-shaped projections 33 formed by the emitter electrode layer 13 are exposed. That is, an emitter is formed.
[0079]
Note that, without forming the ITO electrode layer on the emitter electrode layer, the ITO electrode layer and the emitter electrode layer formed on quartz glass in advance can be bonded to each other.
[0080]
[Third embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a field emission cold cathode according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0081]
The feature of this embodiment is that a core-shaped resistance layer 34 is formed between the ITO electrode layer 12 and the emitter electrode layer 35. The emitter electrode layer 35 is formed separately for each protrusion 33, and is electrically connected to the ITO electrode layer 12 by the core-shaped resistance layer 34.
[0082]
Since the shape of the emitter electrode layer 35 may be different due to manufacturing variations, a large amount of current flows from the emitter electrode layer 35 having a short distance from the gate electrode 16, and the gap between the gate electrode 16 and the emitter electrode layer 35 may be reduced. A short circuit may occur between them. However, by inserting the core-shaped resistance layer 34 between the emitter electrode layer 35 and the ITO electrode layer 12, the current flowing from the ITO electrode layer 12 to the emitter electrode layer 35 can be limited, and the short circuit can be suppressed.
[0083]
The manufacturing process of the cold cathode shown in FIG. 7 will be described with reference to the process sectional view of FIG. FIGS. 8A and 8B are the same as the steps shown in FIGS. 5A and 5B of the second embodiment, and a description thereof will be omitted. Then, as shown in FIG. 8C, an electrode material is deposited on the silicon oxide film 14. Then, after a resist (not shown) is formed on the electrode material in the region including the concave portion 32, the electrode material is etched using the resist as a mask by RIE to form an emitter electrode layer 35, and the resist is removed.
[0084]
Next, as shown in FIG. 8D, a core-shaped resistance layer 34 is deposited on the silicon oxide film 34 and the emitter electrode layer 35.
[0085]
Next, as shown in FIG. 8E, after the ITO electrode layer 12 is formed on the core-shaped resistance layer 34, the adhesion between the quartz glass substrate 11 and the ITO electrode layer 12, The selective removal of the crystal substrate 17 and the formation of the gate electrode 16 are sequentially performed.
[0086]
Then, as shown in FIG. 8F, similarly to the second embodiment, the emitter electrode layer 35 is exposed by selectively etching the diffusion layer 31 and the silicon oxide film 14, and the field emission type cold cathode is formed. Is completed.
[0087]
Instead of forming the ITO electrode layer on the core-shaped resistive layer, it is also possible to bond and form the ITO electrode layer and the emitter electrode layer previously formed on quartz glass.
[0088]
[Fourth embodiment]
FIG. 9 is a sectional view showing the configuration of the FEA according to the fourth embodiment of the present invention. 9, the same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0089]
The feature of the present embodiment is that a cathode electrode line is formed in which a plurality of structural bases 43a to 43d in which a plurality of emitter electrode layers 35 each having a sharp tip are formed in a row are formed on a quartz glass substrate 41 in a row direction. That is, the two-dimensional arrangement is made on the surfaces 42a and 42b in close contact with each other in the row direction and the column direction. Gate electrodes 44a and 44b are arranged and formed along the column direction on the structural bases 43a to 43d.
[0090]
FIG. 7 is an enlarged view of a junction between the structural bases 43a to 43d, and each structural base 43 has a large number of emitter electrode layers 35 in addition to the illustrated portions. Further, although one structural base is illustrated as being disposed at the intersection of the cathode electrode 42 and the gate electrode 44, a plurality of intersections of the cathode electrode 42 and the gate electrode 44 are formed on one structural base. ing.
[0091]
The manufacturing process of this cold cathode will be described with reference to FIGS.
[0092]
First, as shown in FIG. 10A, after forming a plurality of emitter electrode layers 35 by using the steps shown in FIGS. 8A to 8D of the third embodiment, The structural bases 43a to 43d which have been formed and patterned are prepared. Further, a quartz glass substrate 41 having cathode electrodes 42a and 42b formed on the surface thereof along the row direction is prepared.
[0093]
Next, as shown in FIG. 11B, the structural bases 43a to 43d are bonded to the surface of the quartz glass substrate 41 on which the cathode electrodes 42a and 42b are formed, with the emitter electrode layer 35 interposed therebetween. That is, the core-shaped resistance layer 34 and the cathode electrodes 42a and 42b are bonded.
[0094]
Next, as shown in FIG. 11C, the silicon single crystal substrate 11 is selectively etched away as in the third embodiment to expose the projections 33 of the diffusion layer 35.
[0095]
Next, as shown in FIG. 12D, gate electrodes 44a and 44b are formed on the diffusion layer 31 by using a screen printing method in the column direction. Since the surface of the diffusion layer 31 has only a protrusion and is flat, the gate electrodes 44a and 44b can be easily formed by screen printing.
[0096]
At this time, if the gap between the adjacent structural bases 43 is large, the gate electrode 44 may be cut off. Therefore, when the gate electrode 44 is formed so as to fill the gap, disconnection can be prevented. Further, when formed so as to fill the gap, the gate electrode 44 may be formed on the glass substrate as long as the gate electrode 44 is insulated from the cathode electrode 42. In addition, when a connection electrode is formed on the glass substrate at a position where the gate electrode 44 is formed, and the gate electrode is formed on the connection electrode, it is possible to further ensure electrical connection of the gate electrode. it can.
[0097]
Then, as shown in FIG. 12E, after patterning the gate electrodes 44a and 44b and exposing the diffusion layer 31, the diffusion layer 31 and the silicon oxide film 14 are sequentially etched so that the tip of the emitter electrode layer 35 is Exposing the sharp projections. The FEA of this embodiment is formed by the steps described above.
[0098]
According to the present embodiment, after arranging a structural base on which a plurality of emitters are formed in advance on a quartz glass substrate on which a cathode electrode is formed in advance, a silicon single crystal substrate on the emitter is selectively removed, and a gate electrode is formed. , A large-area FEA can be formed without using wire bonding.
[0099]
In addition, by using a printing method for forming the gate electrode, the gate electrode can be easily formed along the column direction.
[0100]
Note that the structural base 43 is a structure formed through the steps shown in FIGS. 2A to 2C of the first embodiment, or shown in FIGS. 5A to 5D of the second embodiment. Even if you use the structure formed through the processgood.
[Fifth Embodiment]
FIG. 13 is a sectional view showing the configuration of the FEA according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 13, the same portions as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0101]
The feature of the FEA of this embodiment is that the gate electrode connection conductive layer 51 (51a, b) is formed on the gate electrode 44 (44a, b). Each of the gate electrode connection conductive layers 51 a and 51 b is selectively formed on the gate electrode 44 located on the junction of the adjacent structural base 43. By forming the gate electrode connection layer 51, electrical connection of the gate electrode between the adjacent structural bases 43 can be reliably performed.
[0102]
The manufacturing process of the FEA shown in FIG. 13 will be described with reference to the process chart of FIG. First, as shown in FIG. 14 (a), the gate formed in the region including the junction of the adjacent structural base 43 with respect to the structure formed through the steps shown in FIGS. 10 (a) to 12 (d). The gate electrode connection conductive layers 51a and 51b are formed on the electrodes 44 by using a screen printing method. Note that it is also possible to form the gate electrode connection conductive layer 51 by patterning after depositing an electrode material on the entire surface.
[0103]
Next, as shown in FIG. 14B, the tip of the convex portion of the emitter electrode layer 35 is etched by etching the gate electrode 44, the diffusion layer 31, and the silicon oxide film 14 in the same manner as the process described in the previous embodiment. By exposing, the FEA of this embodiment is completed.
[0104]
It is also possible to form the gate electrode connection conductive layer after exposing the tip of the projection of the emitter electrode layer 35.
[0105]
[Sixth embodiment]
FIG. 15 is a sectional view showing the configuration of the FEA according to the sixth embodiment of the present invention. 15, the same parts as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0106]
The feature of this embodiment is that an insulating layer 63 made of glass, SOG (Spin On Glass), silicon oxide or silicon nitride is buried in the gap 62 between the adjacent structural bases 61a and 61b. Since the insulating layer 63 is embedded in the gap 62, when depositing the gate electrodes 44a, b, the gate electrodes 44a, b are formed on the ITO electrode layer 44a in the gap 62 at the joint of the structural base. To prevent short circuit between the gate electrodes 44a and 44b and the ITO electrode layer 42a.
[0107]
The manufacturing process of the FEA shown in FIG. 15 will be described with reference to FIGS.
[0108]
First, the structure shown in FIG. 16A is formed through the steps shown in FIGS. 10A to 11C described above. As illustrated, a gap 62 is formed between the structural base 61a and the structural base 61b.
[0109]
Next, as shown in FIG. 16B, an insulating layer 63 is formed so as to fill a gap 62 between the substrates 61a and 61b.
[0110]
Next, as shown in FIG. 17C, the insulating layer 63 on the diffusion layer 31 is removed using an etch-back method or the like, and the insulating layer 63 is buried in the gap 62. Note that it is not necessary to embed the entire gap 62 with the insulating layer 63, and it is sufficient that the gap 62 is formed so as to cover the opening of the gap 62.
[0111]
Next, as shown in FIG. 17D, after the gate electrodes 44a and 44b are formed in the same manner as in the fourth embodiment, the gate electrode, the diffusion layer 31 and the silicon oxide film 14 are selectively removed to reduce the FEA. Complete.
[0112]
Note that the structural base 61 is a structure formed through the steps shown in FIGS. 2A to 2C of the first embodiment, or shown in FIGS. 5A to 5D of the second embodiment. Even if you use the structure formed through the processgood.
[Seventh embodiment]
FIG. 18 is a perspective view showing the configuration of the FEA according to the seventh embodiment of the present invention. In FIG. 18, the same portions as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0113]
The feature of the FEA of the present embodiment is that the insulating layer 71 is formed below a region including a joint between adjacent structural bases 43. Since the insulating layer is formed below the junction between the adjacent structural bases 43, it is possible to prevent the gate electrode 44 and the cathode electrode 42 from being electrically connected.
[0114]
The manufacturing process of the FEA shown in FIG. 18 will be described with reference to the process charts of FIGS.
[0115]
First, as shown in FIG. 19A, for the structure formed through the steps shown in FIGS. 8A to 8D, structural bases 43a to 43d in which the core-shaped resistance layer 34 is patterned are prepared. I do. Further, a structural substrate 70 having the cathode electrode lines 42a and 42b and the insulating layer 71 formed on the quartz glass substrate 41 is prepared. Note that the insulating layer 71 is formed at a portion that comes into contact with a region including a joint portion of the adjacent base 43 when the structural base 43 is tiled on the structural substrate 70 in a later step.
[0116]
Next, as shown in FIG. 20B, the surface of each structural base 43 on which the resistance layer 34 is formed and the surface of the substrate 70 on which the cathode electrodes 42a and 42b are formed are bonded. At this time, tiling is performed so that the joining portion between the adjacent structural bases 43 always exists on the insulating layer 71.
[0117]
Next, as shown in FIG. 20C, the removal of each silicon single crystal substrate 17, the formation of gate electrodes 44a and 44b, and the etching of the gate electrode 44, the diffusion layer 31, and the silicon oxide film 14 are sequentially performed. The FEA of the embodiment is completed.
[0118]
Note that the structural base 43 is a structure formed through the steps shown in FIGS. 2A to 2C of the first embodiment, or shown in FIGS. 5A to 5D of the second embodiment. Even if you use the structure formed through the processgood.
[Eighth Embodiment]
FIGS. 21 and 22 are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the field emission cold cathode according to the eighth embodiment of the present invention.
[0119]
First, as shown in FIG. 21A, a support substrate 81 and a structure base obtained by patterning a core-shaped resistive layer 34 with respect to the structure formed through the steps shown in FIGS. 8A to 8D. The surfaces of the silicon substrates 17 of 82a to 82d are temporarily bonded.
[0120]
Next, as shown in FIG. 21B, the cathode electrodes 83a and 83b are formed on the core-shaped resistance layer 34 in the row direction by using a screen printing method.
[0121]
Next, as shown in FIG. 22C, the cathode electrodes 83a and 83b and the quartz glass substrate 84 are bonded. Then, by removing the support substrate 81 and the silicon single crystal substrate 17, the structure shown in FIG. 11C is formed. In the subsequent steps, the same steps as those shown in FIGS. 11C to 12E are performed to complete the FEA of the present embodiment.
[0122]
[Ninth embodiment]
FIG. 23 is a perspective view showing the configuration of the FEA according to the ninth embodiment of the present invention. 23, the same parts as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0123]
The feature of this embodiment is that a cathode electrode connection conductive layer 92 (92a, b) is formed below the cathode electrode 83 which is in contact with the adjacent structural base and the joint. By forming the cathode electrode connection conductive layer 92, electrical connection of the cathode electrode 83 between adjacent structural bases 83 can be ensured.
[0124]
The manufacturing process of the FEA shown in FIG. 23 will be described with reference to the process chart of FIG. .
[0125]
First, a structure formed through the steps shown in FIGS. 21A and 21B is prepared. Then, a quartz glass substrate 91 having the surface on which the cathode electrode connection electrode layers 92a and 92b are formed is prepared. The cathode electrode connection conductive layer 92 on the quartz glass substrate 91 is formed on the glass substrate 91 facing an area including the intersection between the junction of the adjacent structural base and the cathode electrodes 83a and 83b.
[0126]
Next, after bonding the cathode electrode connection conductive layer 92 and the cathode electrode 83, the support substrate 81 and the silicon substrate 17 are removed, and the gate electrode 44 is formed, and the diffusion layer 31 and the silicon oxide film 14 are etched to perform FEA. Is completed.
[0127]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, an FED (Field Emission Display) or an electron beam exposure apparatus can be formed using the above-described FEA.
[0128]
The rigid layer (etching stop layer) is not limited to a diffusion layer in which silicon is doped with impurities, but may be any material as long as it is harder than the gate electrode and does not displace due to electric field induced stress. Further, a rigid layer may be deposited on a silicon substrate (mold substrate).
[0129]
Further, the material of the emitter electrode layer is not limited to tungsten, and various materials having a low work function can be used.
[0130]
Further, the FEA can be formed by appropriately combining the manufacturing methods described in the fourth to ninth embodiments.
[0131]
In forming the gate electrode, an evaporation method, a sputtering method, or the like can be used.
[0132]
Further, after cold cathodes formed by the Spindt method or the like are two-dimensionally arranged, and a plurality of structural bases in which gate electrodes are formed in the column direction are closely arranged, the gate electrodes of the structural bases adjacent in the column direction are connected. It is also possible to electrically connect with a film-like gate electrode connection layer. It is also possible to similarly tile a structural base on which a flat cold cathode in which a gate electrode and a cathode electrode are formed in the same plane is formed.
[0133]
When the gate electrode connection layer is formed, disconnection may occur at the junction between adjacent structural bases as described in the above embodiment. Therefore, when the gate electrode connection layer is formed so as to fill the gap, disconnection can be prevented. Further, when formed so as to fill the gap, the gate electrode connection layer may be formed on the structural substrate as long as it is insulated from the cathode electrode. In addition, when a connection electrode is formed on the structure substrate at a position where the gate electrode is to be formed, and the gate electrode connection layer is formed on the connection electrode, the electrical connection of the gate electrode is further ensured. Can be.
[0134]
Further, it is also possible to two-dimensionally arrange a plurality of structural substrates on which structural bases are arranged to form an FEA having a larger area. In this case, it is possible to provide a through hole connected to the cathode electrode in the structural substrate, and to electrically connect the cathode electrodes of the adjacent structural substrates using the through hole.
[0135]
In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.
[0136]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the gate electrode is formed on the rigid layer, the gate electrode and the emitter are not short-circuited by the electric field induced stress, and the reliability is improved.
[0137]
Further, by forming a plurality of structural bases on a substrate and forming a gate electrode or a cathode electrode, the electrodes can be continuously formed, and the electrodes may be cut between adjacent structural substrates. Therefore, a field emission cold cathode having a large area can be easily formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a field emission cold cathode according to a first embodiment.
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the field emission cold cathode shown in FIG.
FIG. 3 is a process cross-sectional view showing a process of manufacturing the field emission cold cathode shown in FIG.
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a field emission cold cathode according to a second embodiment.
FIG. 5 is a process sectional view showing the configuration of the field emission cold cathode shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a process sectional view showing the configuration of the field emission cold cathode shown in FIG. 4;
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a field emission cold cathode according to a third embodiment.
8 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the field emission cold cathode shown in FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of an FEA according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 9;
FIG. 12 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 9;
FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of an FEA according to a fifth embodiment.
FIG. 14 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 13;
FIG. 15 is an exemplary perspective view showing the configuration of an FEA according to a sixth embodiment;
16 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG.
FIG. 17 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 15;
FIG. 18 is a perspective view showing the configuration of an FEA according to a seventh embodiment.
FIG. 19 is a perspective view showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 18;
FIG. 20 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 18;
FIG. 21 is a process chart showing a process of manufacturing the FEA according to the eighth embodiment.
FIG. 22 is a process chart showing a process of manufacturing the FEA according to the eighth embodiment.
FIG. 23 is an exemplary perspective view showing the configuration of an FEA according to a ninth embodiment;
FIG. 24 is a process chart showing a manufacturing process of the FEA shown in FIG. 23;
[Explanation of symbols]
11 ... Glass substrate
12: ITO electrode layer (cathode electrode)
13 ... Emitter electrode layer
14. Silicon oxide film
15 ... Diffusion layer
16 ... Gate electrode
17 ... Silicon single crystal substrate
18 ... recess
19 ... Al layer
20 ... convex part
21 ... Resist
31 ... Diffusion layer
32 ... recess
33 ... convex part
34: core-shaped resistance layer
35 ... Emitter electrode layer
41 ... Quartz glass substrate
42a, b ... cathode electrodes
43a-d ... structural base
44a, b ... gate electrodes
51a, b ... gate electrode connection conductive layer
61 ... Structure base
62: gap
63 ... insulating layer
71 ... Insulation separation layer
81 ... Support substrate
83a, b ... cathode electrodes
91 ... Quartz glass substrate
92a, b ... cathode electrode connection conductive layer

Claims (17)

絶縁基板上に行方向に沿って複数本配列形成されたカソード電極と、これらのカソード電極に電気的に接続され先端が先鋭な凸部が行方向及び列方向に2次元配置されたエミッタ電極層と、列方向に沿って複数本形成され、それぞれの凸部の先端部から電子を引き出し、該凸部の先端部上に開口部を有するゲート電極とを含む電界放出型冷陰極であって、
前記エミッタ電極層は、前記カソード電極上に密接して配列された複数の構造基体にそれぞれ形成され、
各構造基体のエミッタ電極層上には、該電極層の表面に沿って形成され、前記凸部の先端部領域が除去された絶縁層と、この絶縁層上に列方向に沿って配列形成され、前記凸部の先端部領域に開口部を有する剛体層とが順次積層され、
前記ゲート電極は、列方向に隣接する構造基体の前記剛体層上に連続形成されていることを特徴とする電界放出型冷陰極。
A plurality of cathode electrodes arrayed and formed in a row direction on an insulating substrate, and an emitter electrode layer electrically connected to the cathode electrodes and having two-dimensionally arranged convex portions having sharp tips in the row direction and the column direction. A field emission cold cathode comprising: a plurality of electrodes formed along the column direction; extracting electrons from the tips of the projections; and a gate electrode having an opening on the tips of the projections.
The emitter electrode layer is formed on each of a plurality of structural substrates closely arranged on the cathode electrode,
An insulating layer formed on the emitter electrode layer of each structural base along the surface of the electrode layer, the tip region of the protrusion is removed, and an insulating layer is formed on the insulating layer along the column direction. A rigid layer having an opening in the tip region of the convex portion is sequentially laminated,
The field emission cold cathode, wherein the gate electrode is continuously formed on the rigid layer of the structural base adjacent in the column direction.
隣接する構造基体の接合部と各ゲート電極との交差部を含む領域の前記ゲート電極上に、ゲート電極接続導電層が選択的に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。2. The electric field according to claim 1 , wherein a gate electrode connection conductive layer is selectively formed on the gate electrode in a region including a junction between the adjacent structural base and each gate electrode. 3. Emission cold cathode. 隣接する構造基体の隙間に、該隙間の開口部を塞ぐ第1の分離絶縁体が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。2. The field emission cold cathode according to claim 1, wherein a first isolation insulator for closing an opening of the gap is formed in a gap between adjacent structural bases. 隣接する構造基体の接合部は、前記絶縁基板上に形成された第2の分離絶縁体上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。2. The field emission cold cathode according to claim 1 , wherein a junction between adjacent structural bases is formed on a second isolation insulator formed on the insulating substrate. 隣接する構造基体の接合部を含む領域のカソード電極の下に、カソード電極接続導電層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。2. The field emission cold cathode according to claim 1 , wherein a cathode electrode connection conductive layer is formed under a cathode electrode in a region including a junction between adjacent structural bases. 前記剛体層が、不純物がドープされたシリコンであることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。The field emission cold cathode according to claim 1 , wherein the rigid layer is silicon doped with an impurity. 前記剛体層の表面は平坦であることを特徴とする請求項1に記載の電界放出型冷陰極。2. The field emission cold cathode according to claim 1 , wherein the surface of the rigid layer is flat. モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、
前記モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、
前記エッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数形成する工程と、
それぞれの構造基体と、絶縁基板上に行方向に沿って複数本形成されたカソード電極とを、前記エミッタ電極層が介在し、且つ隣接する構造基体が密着するように各構造基体を配列させて接着する工程と、
それぞれのモールド基板をエッチングし、各凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、
配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、
それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
A step of forming a plurality of concave portions with sharp bottoms on the mold substrate,
Forming a rigid etching stop layer on the mold substrate,
Forming an insulating layer on the etching stop layer;
Forming a plurality of structural substrates formed including the step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer,
Each structural base and a plurality of cathode electrodes formed along the row direction on the insulating substrate are arranged by arranging the respective structural bases such that the emitter electrode layer is interposed and the adjacent structural bases are in close contact with each other. Bonding step,
Each of the mold substrates is etched, and the emitter electrode layer, the insulating layer, and the etching stop layer formed in each of the concave portions project from a flat portion of the etching stop layer, and a plurality of convex portions having sharp tips are formed. Exposing the
A step of forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the etching stop layer of the arranged structure base,
Removing the etching stop layer and the insulating layer formed at the tips of the respective projections to expose the projections of the emitter electrode layer with sharp tips. Method.
モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、
前記エッチング停止層に開口部を有し、且つ前記モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、
前記モールド基板及びエッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数個形成する工程と、
それぞれの構造基体と絶縁基板上に行方向に沿って複数本形成されたカソード電極とを、前記エミッタ電極層が介在し、且つ隣接する構造基体が密着するように各構造基体を配列させて接着する工程と、
それぞれのモールド基板をエッチングし、各凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、
配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、
それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
Forming a rigid etching stop layer on the mold substrate;
Forming an opening in the etching stop layer, and forming a plurality of sharp recesses at the bottom of the mold substrate;
Forming an insulating layer on the mold substrate and the etching stop layer,
Forming a plurality of structural bases formed including a step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer;
The respective structural bases and a plurality of cathode electrodes formed along the row direction on the insulating substrate are bonded by arranging the respective structural bases such that the emitter electrode layer is interposed and the adjacent structural bases are in close contact with each other. The process of
Each of the mold substrates is etched, and the emitter electrode layer, the insulating layer, and the etching stop layer formed in each of the concave portions project from a flat portion of the etching stop layer, and a plurality of convex portions having sharp tips are formed. Exposing the
A step of forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the etching stop layer of the arranged structure base,
Removing the etching stop layer and the insulating layer formed at the tips of the respective projections to expose the projections of the emitter electrode layer with sharp tips. Method.
前記ゲート電極を形成する工程の前に、隣接する構造基体間の隙間部の開口部を塞ぐ第1の分離絶縁体を形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。10. The field emission cooling according to claim 8 , wherein a first isolation insulator for closing an opening of a gap between adjacent structural bases is formed before the step of forming the gate electrode. Manufacturing method of cathode. 前記ゲート電極を形成した後、隣接する構造基体の接合部と該ゲート電極との交差部を含む領域のゲート電極上に、選択的にゲート電極接続導電層を形成すること特徴とする請求項8又は9に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。After forming the gate electrode, according to claim, characterized by forming on the gate electrode region including the intersection of the joint and the gate electrode of the adjacent structural substrate, selectively a gate electrode connecting conductive layer 8 Or a method for producing a field emission cold cathode according to item 9 . それぞれの構造基体と、絶縁基板上に形成されたカソード電極とを接着する際、
隣接する構造基体の接合部を、絶縁基板上に形成された第2の分離絶縁体上に形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
When bonding each structural base and the cathode electrode formed on the insulating substrate,
The method according to claim 8 , wherein the joint between adjacent structural bases is formed on a second isolation insulator formed on an insulating substrate.
モールド基板に底部が先鋭な凹部を複数個形成する工程と、
モールド基板上に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、
前記エッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数形成する工程と、
それぞれの構造基体を支持基板上に、各モールド基板と該支持基板とが接し、且つ隣接する構造基体を密着させて配列する工程と、
前記エミッタ電極層上にカソード電極を行方向に沿って複数本形成する工程と、
前記カソード電極と構造基板とを接着する工程と、
前記支持基板及びそれぞれのモールド基板を除去し、それぞれの凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、
配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、
それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
A step of forming a plurality of concave portions with sharp bottoms on the mold substrate,
Forming a rigid etching stop layer on the mold substrate;
Forming an insulating layer on the etching stop layer;
Forming a plurality of structural substrates formed including the step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer ,
A step of arranging each of the structural bases on the support substrate, in which each mold substrate and the support substrate are in contact, and the adjacent structural bases are brought into close contact with each other;
Forming a plurality of cathode electrodes along the row direction on the emitter electrode layer;
Bonding the cathode electrode and a structural substrate,
The support substrate and the respective mold substrates are removed, and the emitter electrode layer, the insulating layer and the etching stop layer formed in the respective recesses protrude with respect to a flat portion of the etching stop layer, and have a sharp tip. Exposing a plurality of protrusions,
A step of forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the etching stop layer of the arranged structure base,
Removing the etching stop layer and the insulating layer formed at the tips of the respective projections to expose the projections of the emitter electrode layer with sharp tips. Method.
モールド基板に、剛体からなるエッチング停止層を形成する工程と、
前記エッチング停止層に開口部を有し、且つ前記モールド基板に底部が先鋭な凹部を形成する工程と、
前記モールド基板及びエッチング停止層上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にエミッタ電極層を形成する工程とを含んで形成される構造基体を複数個形成する工程と、
それぞれの構造基体を支持基板上に、各モールド基板と該支持基板とが接し、且つ隣接する構造基体が密着するように配列する工程と、
前記エミッタ電極層上にカソード電極を行方向に沿って複数本形成する工程と、
前記カソード電極と構造基板とを接着する工程と、
前記支持基板及びそれぞれのモールド基板を除去し、それぞれの凹部内に形成されていた前記エミッタ電極層,絶縁層及びエッチング停止層が、該エッチング停止層の平坦部に対して突出し、先端が先鋭な複数個の凸部を露出させる工程と、
配列された構造基体のエッチング停止層上に、それぞれの凸部の先端部に開口部を有するゲート電極を列方向に複数本配列形成する工程と、
それぞれの凸部の先端部に形成されたエッチング停止層及び絶縁層を除去し、先端が先鋭なエミッタ電極層の凸部を露出させる工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
Forming a rigid etching stop layer on the mold substrate;
Forming an opening in the etching stop layer, and forming a concave recess having a sharp bottom in the mold substrate;
Forming an insulating layer on the mold substrate and the etching stop layer,
Forming a plurality of structural bases formed including a step of forming an emitter electrode layer on the insulating layer;
A step of arranging the respective structural bases on the support substrate such that each mold substrate and the support substrate are in contact with each other and the adjacent structural bases are in close contact with each other;
Forming a plurality of cathode electrodes along the row direction on the emitter electrode layer;
Bonding the cathode electrode and a structural substrate,
The support substrate and the respective mold substrates are removed, and the emitter electrode layer, the insulating layer and the etching stop layer formed in the respective recesses protrude with respect to a flat portion of the etching stop layer, and have a sharp tip. Exposing a plurality of protrusions,
A step of forming a plurality of gate electrodes having openings at the tips of the respective protrusions in the column direction on the etching stop layer of the arranged structure base,
Removing the etching stop layer and the insulating layer formed at the tips of the respective projections to expose the projections of the emitter electrode layer with sharp tips. Method.
前記構造基板は、絶縁基板と該絶縁基板上に形成されたカソード電極接続導電層とから形成され、
前記カソード電極導電接続層上に隣接する構造基体の接合部と該カソード電極との交差部が位置するように、前記カソード電極と前記構造基板とを接着することを特徴とする請求項13又は14に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
The structural substrate is formed from an insulating substrate and a cathode electrode connection conductive layer formed on the insulating substrate,
15. The structure according to claim 13 , wherein the cathode electrode and the structural substrate are bonded so that a junction between the adjacent structural base and the intersection of the cathode electrode is located on the cathode electrode conductive connection layer. 3. The method for producing a field emission cold cathode according to item 1.
前記モールド基板はシリコン単結晶基板であり、
前記エッチング停止層は、前記モールド基板に不純物をドープすることによって形成することを特徴とする請求項8,9,13又は14の何れかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
The mold substrate is a silicon single crystal substrate,
15. The method of claim 8, 9, 13 or 14 , wherein the etching stop layer is formed by doping the mold substrate with an impurity.
前記ゲート電極を印刷法或いは電気メッキ法を用いて形成することを特徴とする請求項8,9,13又は14の何れかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。15. The method according to claim 8, wherein the gate electrode is formed by a printing method or an electroplating method.
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