JP3699114B2 - パッキング密度の高い電子放出デバイスの構造 - Google Patents

Description

利用分野
本発明は電子放出に関する。本発明は、特に、フラットパネル型のＣＲＴディスプレイ等の製品に適するような、一般にカソードと称される電子放出デバイスの構造、及びその製造技術に関する。
背景技術
カソードは、光電子放出、熱電子放出、及び電界放出、もしくは負の電子親和力の効果によって電子を放出する。十分な強度の電界を受けた場合、電界放出カソード（もしくは電界エミッタ）は電子を供給する。電界は、カソードと、そこから近接した部位に配置された一般的にはアノードもしくはゲート電極と称される電極との間に適当な電圧を印加することによって生成される。
フラットパネル型テレビ、ビデオモニタのようなフラットパネル型ディスプレイを用いる場合、電界エミッタは、支持構造体全体にわたって分散するように配置された独立した電子放出性素子からなる電子放出性素子群（多くの場合大きな電子放出性素子群）を含むのが一般的である。このような構成は、ここでは面積方向配列型（area）電界エミッタと称される。Ｂｕｓｔａの論文“Ｖａｃｕｕｍ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−−１９９２，”（Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，Ｖｏｌ．２，１９９２，ｐｐ．４３−７４）には、面積方向配列型電界エミッタにおける電子放出性素子の製造のために研究された、多くの様々な技術が記載されている。
Ｓｐｏｈｒによる米国特許第４，３３８，１６４号明細書には、複製技術にもとづき、非ゲート制御式電界エミッタの製造において核トラックを用いる方法が記載されている。同様の複製技術は、Ｆｉｓｃｈｅｒ等による論文“Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｔｒａｃｋｓ：ｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ ｓｏｌｉｄｓ，”（Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．，Ｏｃｔ．１９８３，ｐｐ．９０７−９４８）において用いられている。
Ｓｐｏｈｒの特許明細書を再び参照すると、ここでは核トラックは初めにマイカ基板全体に生成される。基板の一方に金被膜を形成された後、トラックにエッチングがなされて基板を貫通する小孔が形成される。金被膜の上には薄膜絶縁箔が被着される。カソードに金を用いる場合、基板の一方の側に銅が電気化学的被着処理により被着されて、前記小孔に電子放出性の銅製の針が形成されるとともに、露出された基板の表面が銅層でカバーされることになる。金被膜、絶縁箔を除去し、所望に応じて基板それ自体を除去した後、形成された構造はサンプルプレートの上に載せられる。銅製の針及び隣接する銅層によって、基板の表面形状を複製した形の面積方向配列型電界エミッタが形成される。
面積方向配列型電界エミッタの中には、ゲート制御式のエミッタを構成する延長された電子放出性素子が用いられているものがある。例えば、Ｙｏｓｈｉｄａ等による米国特許第５，１６４，６３２号明細書においては、誘電体層の中に延びる孔の中に形成された中実の細長い形状の電子放出性素子を備えたゲート制御式電界エミッタが記載されている。Ｇｒｅｅｎｅ等による米国特許第５，１５０，１９２号明細書においては、中空の細長い形状の電子放出性素子を用いたものが記載されている。
他のゲート制御式面積方向配列型電界エミッタにおいては、一般的には円錐形のコーン型電子放出性素子が用いられる。これについてはＳｐｉｎｄｔ等による米国特許第３，６６５，２４１号明細書を参照されたい。同様に、Ｂｏｒｅｌによる米国特許第４，９４０，９１６号明細書、及びＢｅｔｓｕｉによる論文“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｉ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ，”（Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．ＩＶＭＣ９１，ｐｐ．２６−２９）、及びＦｕｋｕｔａ等による欧州特許公告第５０８，７３７Ａ１号の明細書を参照されたい。
また、他のゲート制御式面積方向配列型電界エミッタには、様々な形状及び／もしくは寸法の電子放出性粒子が、支持体層の上層をなすゲート構造の中に延びる開口部の底部に設けられ、支持体層全体にわたって分散するように配置されているものがある。Ｃｈａｓｏｎによる米国特許第５，０１９，００３の明細書において、この型の電界エミッタが例示されている。他の例としては、Ｔｈｏｍａｓ等による米国特許第５，１５０，０１９号明細書、及びＪａｓｋｉｅ等による米国特許第５，２７８，４７５号明細書、及びＫａｎｅ等による米国特許第５，２５２，８３３号明細書に記載されているものがある。
フラットパネル型ＣＲＴにおける面積方向配列型電界放出デバイスの一部が、適当な電圧を印加されて電子を放出する場合、放出された電子によって生成された電流密度は、理想的には活性化部分全体にわたって均一であるべきである。実際の電界エミッタでは、エミッタのパッキング密度、即ち単位面積当たりの電子放出性素子数が増加し、それに応じて電子放出性素子によって占められる横方向の面積が減少するにつれて、電流密度の均一性が増すのが一般的である。
従来の構成の電子エミッタの製造においては、フォトリソグラフィ等の技術を用いていたが、これによる限り、特に大量生産環境下においては、電子放出性素子もしくは電子放出性素子用の開口部等の電子放出機構の横方向の寸法を小さくすることに関しては克服し難い限界があった。詳述すると、フォトリソグラフィ技術のような光照射を用いるパターニング技術においては、焦点深度とも称される被写界深度によって特性が与えられる。被写界深度とは、簡単に述べると、光軸に対して一般に垂直な平面上において許容できるパターンが得られるような、その平面までの光軸に沿って測定された（最大）距離をさす。
フォトリソグラフィに於ける被写界深度は有限であり、特に、面積方向配列型電子エミッタの、量産規模での効率的な製造のために望ましい被写界深度と比較して比較的小さい。フォトリソグラフィによってパターニングされる全表面積が数平方センチメートル程度の電子放出デバイスについて考察されたい。パターニングされる表面が平坦であること、表面に於ける機構部分の存在、及びフォトリソグラフィにおける照射に対する表面の露光部分の位置合わせの必要が、フォトリソグラフィで用いられる被写界深度が小さいことと結びついて、フォトリソグラフィ技術を用いた場合に、一回の照射によって表面上に画定される機構部分の横方向の最小寸法を小さくすることが著しく制限されることになる。
個々の露光−移動工程において、パターニングのための照射が行われる露光部分を全面積の内のごく一部分に限ることによって、フォトリソグラフィによるパターニングをより良くすることができる。しかし、このような露光−移動工程は、各露光処理に前もって再位置合わせ及び再焦点合わせが必要なため、時間がかかり、従ってコストも高くなる。
例えば、Ｂｅｔｓｕｉ及びＦｕｋｕｔａ等によるコーン型電子放出性素子においては、個々のフォトリソグラフィ処理によって画定される部分の直径は１〜３μｍである。電子放出機構の横方向の寸法がより小さい、高品質の面積方向配列型電子エミッタを形成することが可能となるように、前述のような限界を克服することが望まれている。また、より均一な放出電流密度が得られるように、エミッタのパッキング密度を増加させることも望まれている。
発明の概要
本発明は、典型的にはエミッタのパッキング密度の高い電子放出デバイスの構造及びその製造工程を開示したものである。本発明の、面積方向配列型エミッタに於ける電子放出性素子には、フィラメント型、コーン型、及びコーントップペデスタル型（cone-topped pedestals）等の様々な形状のものがある。本発明における電子エミッタは、典型的にはゲート制御式であるが、非ゲート制御式のものも実現可能である。
例えば、本発明に基づく非ゲート制御式面積方向配列型電子エミッタは、構造支持体たる基板を有する。基板である電気的絶縁性材料の上には、一般に平行な複数のライン状にパターニングされた下側電気的非絶縁性領域が形成される。後に述べるように、「電気的非絶縁性」が意味するのは、ここでは、電気的に導電性であること、若しくは電気的に抵抗性であることである。
下側非絶縁性領域の上には電気的絶縁性層が設けられる。多数の電子放出性フィラメントが、絶縁性層を貫通し下側非絶縁性領域に達する孔の中に形成される。各電子放出性フィラメントの下側の一端は、下側非絶縁性領域に接続されている。（ａ）電子エミッタの上側のすぐ近くに設けられたアノードの部分と、（ｂ）下側非絶縁性領域におけるラインの選択された１本との間に適当な電圧を印加すると、選択されたライン上に位置するフィラメントが電子を放出し、それがアノードに集められる。
絶縁性層の上にパターニングされた電気的非絶縁性ゲート層が設けられた構造にすることによって、非ゲート制御式面積方向配列型エミッタがゲート制御式面積方向配列型エミッタにたやすく変換されることになる。ゲート開口部は、電子放出性フィラメントの概ね中心部においてゲート層を通して延在する。ゲート層は適当な方法で制御されてフィラメントから電子を抽出し、それによってフィラメントからアノードへの電子の流れを制御する。
本発明の電子エミッタの製造において、さまざまな製造技術が用いられる。本発明に基づき製造される電子放出デバイスにおける電子放出機構、即ち電子放出性素子若しくは１または２以上の電子放出性素子のための開口部の位置決めを行うべく、好ましくは、荷電粒子トラックが用いられる。荷電粒子トラックを用いることによって、電子放出性素子の横方向の面積を非常に小さくするのが可能となるのが一般的である。例えば、本発明のトラックによって達成された各電子放出性素子の占める横方向の面積は、平均径０．１〜０．２μｍであって、Ｂｅｔｓｕｉ及びＦｕｋｕｔａ等による従来の電子エミッタにおける各電子放出性素子の場合と比較して、著しく小さい面積を占めることになる。
本発明の電子放出性素子によって占められる横方向の面積を小さくすることに貢献する１つの要素は、荷電粒子トラックが、平均径が典型的にはナノメータスケールであるような損傷ゾーンを形成するという事実である。更に、被写界深度が有限で、実際比較的小さいものであるフォトリソグラフィーとは異なり、荷電粒子トラックを用いた場合は被写界深度が無限遠となる効果がある。この結果、本発明においてエミッタ機構の横方向の寸法を最小化しようとする場合に、被写界深度のために、それが著しく妨げられることはなくなる。荷電粒子トラックの生成及びエッチングの工程の複雑さは、フォトリソグラフィーを用いる工程の複雑さと同程度である。
本発明に基づいて形成されたゲート制御式電子エミッタにおけるゲート開口部は、好ましくは電子放出性素子が配置される開口部に対して、若しくは電子放出性素子に対して自己整合するように生成される。これによって、電子放出性素子が互いに近接した形で配置されることになる。本発明の製造工程は、フラットパネル型ディスプレイのようなＣＲＴアプリケーションのためのゲート制御式面積方向配列型電子放出デバイスの商業的大量生産に適するものである。要するに、本発明によって従来技術からの大いなる前進がもたらされるのである。
詳述すると、本発明の実施例の１つに基づく荷電粒子トラックを利用したゲート制御式面積方向配列型エミッタの製造においては、荷電粒子がトラック層を通過して、トラック層に多数の荷電粒子トラックを形成する。トラック層は荷電粒子トラックに沿ってエッチングされ、トラック層の対応部分において開口空間が形成される。次に、電子放出性素子がトラック層の開口空間の比較的中央に位置する部分において形成される。
例えば各電子放出性素子は、トラック層における開口空間の対応する１つの中に形成される。これによって、電子放出性素子の形成にあたっては、必然的に、それにトラック層における開口空間を通してアクセスできるような形に電子放出性素子が形成されることになる。別の形として、電子放出性素子が、トラック層の下に設けられるエミッタ領域において画定されるものもある。
次に、電子放出性素子の上にパターニングされたゲート層が生成される。ゲート開口部は、各ゲート開口部が１または２以上の電子放出性素子を露出するように、ゲート層の中に延びる形で設けられる。好ましくは、各ゲート開口部は、対応する電子放出性素子の１つがその中心に位置するように設けられる。このような形にゲート開口部を形成すべく、電子放出性素子に位置合わせするためのさまざまなプロセシング技術が利用される。
本発明に基づく、荷電粒子トラックを利用した他の製造方法においては、初めに、上述のように荷電粒子トラックを形成しエッチングすることにより、トラック層を通してアパーチャ（aperture）が形成される。ここで、ゲート開口部がトラック層の下層をなすゲート層を通して形成され、その後に電子放出性素子が生成されるという点で、この製造方法は、第１の荷電粒子トラックを用いた製造方法とは異なる。これは、第１の製造方法の実施例において、ゲート層を通してゲート開口部を生成する前に、電子放出性素子を形成するのと順番が逆である。
例えば、本発明の製造方法の第２実施例において、ゲート開口部は、トラック層のアパーチャを中心においた形で形成される。次に、電子放出性素子の少なくとも一部分を形成すべく、ゲート開口部と位置を整合させた形で、ゲート開口部を通して材料の被着が行われる。
本発明の製造方法の更に別の実施例においては、同様に上述の方法で、初めに荷電粒子トラックを形成し、エッチングすることによって、トラック層を貫通するアパーチャが生成される。下層をなす電気的非絶縁性層、典型的にはゲート層が、トラック層における開口部を通してエッチングされ、対応するアパーチャ、典型的にはゲート開口部が非絶縁性層を通して形成される。
次に、非絶縁性層の下に設けられた電気的絶縁性層が非絶縁性層におけるアパーチャを通してエッチングされ、絶縁性層を通して下層をなす下側電気的非絶縁性領域に達する、対応する誘電性開口空間が形成される。典型的には、電子放出性素子は、下側非絶縁性領域と電気的に接続するように、下側非絶縁性領域の上に設けられる。
本発明に基づいて形成された電子エミッタにおける電子放出性素子の寸法が小さいことにより、数多くの利点がもたらされる。例えば、従来の他の同等の電子エミッタと比較して、動作電圧をかなり低く抑えることができる。特に重要なことは、エミッタのパッキング密度を、従来のものと較べて極めて大きくすることができるということである。これによって電子エミッタ全体にわたって均一度の非常に高められた放出電流密度が得られる。
典型的には、ゲート層は電子放出機構に自己整合される。フォトリソグラフィー等の技術による、電子放出機構の寸法及び配置間隔の制限は生じない。この結果、電子エミッタの構成要素を、横方向の寸法についてナノメータスケールで製造することが可能となる。しかも、本発明の製造工程は簡単なものである。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図〜第１ｋ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造工程を示す横断正面図である。
第２ａ図〜第２ｋ図は、第１ａ図〜第１ｋ図に対応するそれぞれの平面図である。第１ａ図〜第１ｋ図の断面は、第２ａ図〜第２ｋ図における面１−１に沿って切った断面である。
第３ａ図〜第３ｆ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第１ｆ図及び第２ｆ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第４ａ図〜第４ｆ図は、第３ａ図〜第３ｆ図に対応するそれぞれの平面図である。第３ａ図〜第３ｆ図の断面は、第４ａ図〜第４ｆ図における面３−３に沿って切った断面である。
第５ａ図〜第５ｊ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造工程を示す横断正面図である。
第６ａ図〜第６ｊ図は、第５ａ図〜第５ｊ図に対応するそれぞれの平面図である。第５ａ図〜第５ｊ図の断面は、第６ａ図〜第６ｊ図における面５−５に沿って切った断面である。
第７ａ図〜第７ｅ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｉ図及び第６ｉ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第８ａ図及び第８ｂ図は、それぞれ第７ｃ図及び第７ｅ図における電子放出性素子の１つの拡大断面図である。
第９ａ図〜第９ｈ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｆ図及び第６ｆ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第１０ａ図〜第１０ｅ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｆ図及び第６ｆ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第１１ａ図〜第１１ｅ図は、第１０ａ図〜第１０ｅ図に対応するそれぞれの平面図である。第１０ａ図〜第１０ｅ図の断面は、第１１ａ図〜第１１ｅ図における面１０−１０に沿って切った断面である。
第１２ａ図及び第１２ｂ図は、第５ｄ図及び第５ｅ図で示される工程と置換可能な工程を示す横断正面図である。
第１３．１図及び第１３．２図は、下側非絶縁性領域が電気的に導電性の部分と電気的に抵抗性の部分とからなるとき、第１ａ図若しくは第５ａ図で示される始めの段階の構造を示す横断正面図及び側断面図である。第１３．１図の断面は、第１３．２図における面１３．１−１３．１に沿って切った断面である。第１３．２図の断面は、第１３．１図における面１３．２−１３．２に沿って切った断面である。
第１４．１図〜第１４．４図は、第５ｊ図、第７ｅ図、第９ｈ図、及び第１０ｅ図に示される最終的な段階の構造が第１３．１図の下側非絶縁性領域の２つの部分を含む場合、どのような構造となるかを示した、それぞれの横断正面図である。
第１５．１図及び第１５．２図は、各電子放出性素子が電気的に抵抗性の部分とその上に設けられた電子放出性の部分とからなるような、本発明の電界エミッタにおいて利用可能な別の電子放出性素子の拡大横断正面図である。
第１６．１図及び第１６．２図は、本発明の電界エミッタにおけるコーン型電子放出性素子の２つの形状を示す拡大横断正面図である。
第１７．１図〜第１７．４図は、第１ｋ図、第３ｆ図、及び第５ｊ図の電界放出構造体において使用可能な、４つの形状の電子放出性フィラメントの長手方向の断面図である。
第１８図は、本発明において用いられる電気化学的被着装置の構成要素の機能図である。
第１９ａ図〜第１９ｄ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｆ図及び第６ｆ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第２０ａ図〜第２０ｄ図は、第１９ａ図〜第１９ｄ図に対応するそれぞれの平面図である。第１９ａ図〜第１９ｄの断面は、第２０ａ図〜第２０ｄ図における面１９−１９に沿って切った断面である。
第２１ａ図〜第２１ｅ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｆ図及び第６ｆ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第２２ａ図〜第２２ｃ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第５ｆ図及び第６ｆ図の構造を変形させた構造から開始される一連の工程を示す横断正面図である。
第２３ａ図〜第２３ｊ図は、本発明に基づくゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造工程を示す横断正面図である。
第２４ａ図〜第２４ｄ図は、第２３ｂ図、第２３ｃ図、第２３ｆ図、及び第２３ｊ図に対応するそれぞれの平面図である。第２３ｂ図、第２３ｃ図、第２３ｆ図、及び第２３ｊ図の断面は、第２３ａ図〜第２４ｄ図における面２３ｂ−２３ｂ、２３ｃ−２３ｃ、２３ｆ−２３ｆ、及び２３ｊ−２３ｊに沿って切った断面である。
第２５ａ図及び第２５ｂ図は、エミッタラインが、電気的に抵抗性の半導体基板に形成された導電性ドープをなされた領域であるような実施例の、第２３ａ図及び第２３ｊ図に対応するそれぞれの側断面図である。第２３ａ図及び第２３ｊ図の断面は、それぞれ第２５ａ図及び第２５ｂ図の面２３ａ−２３ａ、及び２３ｊ−２３ｊに沿って切った断面である。第２５ａ図の断面は、第２３ａ図における平面ａ−ａに沿って切った断面である。第２５ｂ図の断面は、第２３ｊ図及び第２４ｄ図における面ｂ−ｂに沿って切った断面である。
第２６ａ図及び第２６ｂ図は、エミッタラインが、電気的に絶縁性若しくは抵抗性の基板上に形成された金属若しくは導電性ドープをなされた半導体材料からなるような実施例の、第２３ａ図及び第２３ｊ図に対応するそれぞれの側断面図である。第２３ａ図及び第２３ｊ図の断面は、それぞれ第２６ａ図及び第２６ｂ図の面２３ａ−２３ａ及び２３ｊ−２３ｊに沿って切った断面である。第２６ａ図の断面は、第２３ａ図の面ａ−ａに沿って切った断面である。第２６ｂ図の断面は、第２３ｊ図及び第２４ｄの面ｂ−ｂに沿って切った断面である。
第２７ａ図〜第２７ｌ図は、本発明に基づく集束電極を組み込んだゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造工程を示す横断正面図である。
第２８ａ図〜第２８ｄは、本発明に基づくフォーカシング電極を組み込んだゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第２７ｇ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第２９ａ図及び第２９ｂ図は、本発明に基づく非ゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第１ｅ図及び第２ｅ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第３０ａ図及び第３０ｂ図は、第２９ａ図及び第２９ｂ図に対応するそれぞれの側断面図である。第２９ａ図及び第２９ｂ図の断面は、第３０ａ図及び第３０ｂ図における面２９−２９に沿って切った断面である。第３０ａ図及び第３０ｂ図の断面は、同様に第２９ａ図及び第２９ｂ図の面３０−３０に沿って切った断面である。
第３１ａ図及び第３１ｂ図は、本発明に基づく非ゲート制御式面積方向配列型電界エミッタの製造のための、第１ｅ図及び第２ｅ図の構造から開始される別の一連の工程を示す横断正面図である。
第３２ａ図及び第３２ｂ図は、第３１ａ図及び第３１ｂ図に対応するそれぞれの側断面図である。第３１ａ図及び第３１ｂ図の断面は、第３２ａ図及び第３２ｂ図における面３１−３１に沿って切った断面である。第３２ａ図及び第３２ｂ図の断面は、同様に第３１ａ図及び第３１ｂ図における面３２−３２に沿って切った断面である。
図面、及び以下の好適実施例の説明においては、同一の要素、若しくは非常に似た要素に対しては同じ符号を付して示してある。
発明の好適実施例の説明
次に続く用語の定義は、以下の説明において用いられるものである。非円形の形状を有する二次元の要素の「平均径」は、非円形の形状の要素と同じ面積を有する円の直径を指す。非球形の形状の三次元の要素の「平均径」とは、同様に非球形状の要素と同じ体積を有する球の直径、若しくは同じ体積を有する直円柱の直径を指す。要素が円筒形若しくは細長い形状である場合は、一般に等積円柱の直径が用いられる。
ここで、「電気的に絶縁性の」若しくは「誘電性の」という言葉は、１０¹⁰オーム−ｃｍ以上の抵抗率を有する材料に対して用いられるものである。従って、「電気的に非絶縁性の」という言葉は、抵抗率が１０¹⁰オーム−ｃｍ未満の材料に対して用いられる。電気的に非絶縁性の材料は、（ａ）低効率が１オーム−ｃｍ未満の電気的に導電性の材料と、（ｂ）抵抗率が１オーム−ｃｍ以上１０¹⁰オーム−ｃｍ未満の範囲にある電気的に抵抗性の材料とに分けられる。これらの分類は電界が１Ｖ／μｍ以下のところで決定される。
電気的に導電性の材料（または導体材料）の例としては、金属、金属半導体化合物（例えばケイ化金属）、及び金属−半導体共有混合物（例えば金−ゲルマニウム共有混合物）がある。電気的に導電性の材料には、中濃度で若しくは高濃度で（ｎ型若しくはｐ型の）ドーピングをなされた半導体も含まれる。電気的に抵抗性の材料には、真性半導体及び低濃度で（ｎ型若しくはｐ型の）ドーピングをなされた半導体がある。更に電気的に抵抗性の材料の例としては、サーメット（埋封金属粒子を含むセラミック）、この他金属−絶縁体複合材料、グラファイト、非晶質炭素、及び改質（即ちドーピングをされた、またはレーザー改質された）ダイヤモンドなどがある。
本発明は、（溶液に）溶解された（イオン化された）電解質から通常金属である材料を被着させる電気化学的被着処理を利用する。電気化学的被着処理は、典型的には、一対の電極間に電流を流し、一方の電極に材料を蓄積させることによって行われる。しかしながら、電気化学的被着処理を、印加される電圧が０の無電解方式で行うこともできる。
第１ａ図〜第１ｋ図（まとめて“第１図”）及び第２ａ図〜第２ｋ図（まとめて“第２図”）を参照すると、本発明の教えるところに基づく、荷電粒子トラックを用いたゲート制御式面積方向配列型電界放出カソード構造の製造工程が示されている。電界放出構造は、フラットパネル型ディスプレイのＣＲＴにおけるフェースプレート上の蛍光体を励起させるのに用いられるのが一般的である。フラットパネル型ディスプレイの例には、パソコン、ラップトップコンピュータ、若しくはワークステーション用のフラットパネル型テレビ若しくはフラットパネル型ビデオモニタがある。
製造工程は、典型的にはセラミック若しくはガラスからなる電気的に絶縁性の基板２０から開始される。基板２０は概ね平坦な上側表面と、上側表面に実質的に平行で概ね平坦な下側表面とを有するプレートであるのが一般的である。フラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおいては、基板２０はバックプレート（若しくはベースプレート）の少なくとも一部を構成する。
基板２０は電界放出構造に対する支持をなす。基板それ自体の厚みは少なくとも５００μｍである。２５ｃｍ（対角線長さ）フラットパネル型ＣＲＴディスプレイで、蛍光体被覆されたフェースプレートと電界エミッタとの間に内部支持体が設けられているようなものの場合は、基板の厚みは１〜２ｍｍ程度が一般的である。基板２０が、電界エミッタの実質的に唯一の支持体である場合は、基板の厚みは４〜１４ｍｍ程度が一般的である。
第１ａ図及び第２ａ図に示すように、基板２０の上に電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域２２が形成される。下側非絶縁性領域２２は、通常導電体、好ましくはクロムのような金属からなる。この場合、下側非絶縁性領域２２の厚みは０．０５〜１．５μｍ程度である。下側非絶縁性領域２２の材料の他の候補には、タンタル、タングステン、ニッケル、及びモリブデン等がある。下側非絶縁性領域２２は、（ａ）（中濃度若しくは高濃度の）導電性ドーピングをなされたｎ型若しくはｐ型シリコン等の半導体材料、（ｂ）ケイ化金属のような金属−半導体化合物、及び／若しくは（ｃ）金−ゲルマニウム共有混合物のような金属−半導体共有混合物で形成されても良い。
下側非絶縁性領域２２は、第２ａ図に２本のラインとして示されているような平行線群を含む形にパターニングされた層であるのが一般的である。下側非絶縁領域２２がこのような形状に設けられている場合、最終的な電界放出構造は、フラットパネル型ディスプレイにおいて蛍光体を選択的に励起させるのに、特に適したものとなる。２５ｃｍフラットパネル型ディスプレイに対しては、これらのラインの幅は３００μｍ以下であるのが一般的である。しかしながら、下側非絶縁性領域２２を他のさまざまなパターンに形成したり、パターニングされていない形にすることも可能である。
基板の上に、概ね均一な電気的絶縁性の絶縁性トラック（若しくはトラック記録）層２４が形成される。第１ｂ図及び第２ｂ図を参照されたい。ここでは絶縁性トラック層２４の一部が、基板２０及び下側非絶縁性領域２２の双方の上層をなしているのが示されている。絶縁性トラック層２４の厚みは０．１〜２μｍである。絶縁性トラック層２４の適切な誘電性材料の例としては、以下のものがある。即ち、（ａ）ポリカーボネイト、ポリスチレン、及びアセテート等の有機ポリマー、（ｂ）リン酸エステル、ケイ酸塩、ソーダ石灰、及びスピングラス等の無機ガラス、（ｃ）マイカ及び水晶のような結晶体である。絶縁性トラック層２４は、厚みが１μｍの無機ガラスからなるのが好ましい。
絶縁性トラック層２４は、基板２０の下側表面に対して概ね垂直な方向で、即ち構造の上側表面に対して概ね垂直な方向で絶縁性トラック層２４の上に衝当してくる高エネルギーの荷電粒子を受けなければならない。荷電粒子は、絶縁性トラック層２４上の任意の位置において、絶縁性トラック層２４を通して直線トラックを形成するのに十分なエネルギーを有する。荷電粒子トラックは、荷電粒子の経路に沿って生成された損傷領域を構成する。各トラックは、平均径約４ｎｍの高水準の損傷を受けたコア部分を有する。第１ｃ図及び第２ｃ図に示すように、トラックは、（ａ）絶縁性トラック層２４の非絶縁性領域２２の上層をなす一部分を通して形成された荷電粒子トラック２６₁と、（ｂ）絶縁性トラック層２４の直接基板２０の上層をなす一部分を通して形成された荷電粒子トラック２６₂とからなる。
荷電粒子トラック２６₁及び２６₂（まとめて“２６”）は、構造の上側表面に対して概ね垂直な向きで、かつ互いに平行に延在している。荷電粒子トラック２６は絶縁性トラック層２４全体にランダムに分散する形で配置されているが、その間隔の平均値は画定されている。トラック密度は、普通１０⁵〜１０⁹本／ｃｍ²の範囲内にある。典型的な数値は１０⁷〜１０⁸本／ｃｍ²の狭い範囲内にあり、この数値では平均トラック間隔が約１〜３μｍとなる。例示のため、第１ｃ図及び第２ｃ図においてはトラック２６のごく小さな一部分のみが示されている。
荷電粒子は絶縁性トラック層２４の下の材料に浸透する。このような浸透はここでは重要ではないので、図面には示されていない。
典型的な実施態様においては、平行度の高いイオンの平行ビームを形成する荷電粒子加速器が用いられて、トラック２６が形成される。イオンビームは絶縁性トラック層２４全体に不均一にスキャンされる。好適な荷電粒子の種は、二重荷電状態にイオン化されたアルゴン（Ａｒ⁺⁺）であって、８ＭｅＶのエネルギーで注入される。別の例で、トラック２６が、例えば放射性元素であるカリホルニウム２５２によって生成された核分裂粒子をコリメートして発する、核分裂粒子源から生成される場合もある。
絶縁性トラック層２４は、適切な化学的エッチング剤に（例えば浸漬することによって）接触させられるが、この化学的エッチング剤は、絶縁性トラック層２４の損傷を生じていない材料の部分よりも、トラック２６に沿った損傷を生じさせられた部分に対して強く作用するものである。これによって、孔２８₁及び２８₂が、絶縁性トラック層２４を通して、それぞれトラック２６₁及び２６₂に沿ってエッチングにより形成される。第１ｄ図及び第２ｄ図を参照されたい。例示のため、導電性層たる下側非絶縁領域２２を形成するラインの幅と比較して、孔２８₁及び２８₂（まとめて“２８”）の横方向の寸法は、平面図において拡大して示されている。ここで、絶縁性トラック層２４の残りの部分は、多数の孔が形成された均一な絶縁性トラック層２４Ａを構成する。
孔２８の形状は、第２ｄ図の平面図の状態で上から見たとき、概ね円形である。トラックのエッチングのやり方いかんによっては、孔２８の三次元的形状を、円筒形若しくは（わずかに）円錐形に形成することも可能である。孔２８は、図面においては円筒形のものが例示されている。孔の直径は４ｎｍ〜２μｍの間でさまざまな大きさをとることが可能である。孔の直径としては、１０〜２００ｎｍの範囲にあるものが好ましい。典型値は１００ｎｍである。
孔２８を形成するのに用いられるエッチング剤は、基板２０若しくは非絶縁性領域２２を著しく損なわないものが好ましい。構成要素２０、２２、及び２４Ａがそれぞれセラミック、クロム、及びポリカーボネートからなるとき、エッチング処理は、５０℃の６．２５規定過酸化水素水によって行われる。エッチング時間は、典型的な厚みが１μｍであるトラック層に対しては１０分未満である。
中実の電子放出性金属のフィラメント３０は、孔２８₁の中に形成され、非絶縁性領域２２の上層をなしており、適当なフィラメント材料の電気化学的被着によって形成される。第１ｅ図及び第２ｅ図を参照されたい。被着処理は電気化学セルで行われるが、このとき、以下に述べるように、非絶縁性領域２２が被着カソードとして機能する。構造をセルの電解液に接触させ、セルを起動させると、カソード２２と隔てられたアノードとの間に電流が流れる。フィラメント材料は、非絶縁性領域２２を底とする孔２８₁の中に均一に蓄積される。フィラメント３０の下側端部は領域２２と接触する。
基板２０に直接連通する孔２８₂の中には、フィラメント材料は実質的に蓄積されないが、これは、孔２８₂の底部には電気的接続がなされていないからである。第２ｅ図において、黒丸はフィラメント３０で満たされた孔２８₁を表し、一方白丸は空の孔２８₂を表す。電気化学的被着処理の間に、導電性層たる下側非絶縁性領域２２をカソードとして用いることによって、被着処理を選択的に実施することができる。
電気化学的被着処理は、典型的には、フィラメント３０が、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの上面と概ね同一平面の孔の上端部に達するだけの十分な時間実施される。この状態は第１ｅ図において示されている。しかし、フィラメント３０が孔２８₁からやや突き出る形となるように被着処理を長時間行うことも、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの上面よりも著しく低いところにフィラメント３０の上端部が来るように被着処理を短時間行うようにすることも可能である。
フィラメント３０の上端部は好ましくは貴金属で形成される。典型的な実施例においては、非絶縁性領域２２がクロム製であるとき、フィラメント３０の上端部はプラチナからなる。フィラメント上端部に用いられる材料の貴金属の他の候補としては、金及びパラジウムがある。フィラメント３０の残りの部分は、典型的には、上端部と同じ（貴）金属からなるものでもよいが、ニッケル、銅、コバルト、モリブデン、若しくはニオブのような他の金属製のものも可能である。
要素３０は、最大径に対する長さの比が少なくとも２、一般的には少なくとも３であるような真正のフィラメントである。好適な最大径に対する長さの比は、５以上である。フィラメント３０は、典型的には断面が円形の円筒形である。しかし、断面はある程度非円形でもよい。何れの場合も、各フィラメント３０の最小径に対する最大径の比は２以内であるのが普通である。
フィラメント３０の長さは、実質的にすべて同じである。フィラメント長は０．１〜２μｍで、典型的には１μｍである。これに関して、平均トラック間隔、即ち、平均フィラメント間隔は、フィラメント長よりもある程度大きくなるように構成される。
構造のゲート電極を生成するべく、導電性キャップ３２が、各フィラメント３０上に電気化学的被着処理により設けられる。第１ｆ図及び第２ｆ図を参照されたい。キャップ３２は、一般に第２ｆ図の状態で上から見たとき円形となるような形状である。
各キャップ３２は、対応するフィラメント３０の上端部を中心に設けられる。トラック層２４Ａの上側表面に沿って、各キャップ３２は、下のフィラメント３０よりも大きな直径をなすように設けられる。この結果、各キャップ３２の横方向の周辺部が、トラック層２４Ａの上に沿った下のフィラメント３０の横方向の周辺部を外囲する形となる。典型的には、トラック層２４Ａの上に沿ったキャップ３２の平均径は、フィラメント３０の平均径の少なくとも１．５倍である。
キャップ３２を生成するための電気化学的被着処理は、電気化学セルの中で
行われるが、以下に述べるように、フィラメント３０（非絶縁性領域２２に接触している）がカソードとして機能する。構造をセルの電解質に接触するようにし、セルが起動させると、フィラメント３０と、それから隔てられたアノードとの間に電流が流れる。これによって、キャップの材料は、所望の直径のキャップが生成されるまでフィラメント３０の上に蓄積されることになる。
キャップ３２は、フィラメント３０の上側端部における金属材料とは異なる金属からなる。特に、キャップの金属は、下のフィラメントの金属材料に対して選択的にエッチングすることが可能なものである。フィラメント３０がプラチナからなるとき、キャップ３２は、半電池電位がプラチナのそれよりもより低い銀のような金属で形成される。
次に、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの一部が、層の上側に沿って均一に厚みを減らすように除去されて、第１ｇ図及び第２ｇ図に示すような構造が生成される。要素２４Ｃは、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの残りの部分である。第１ｇ図に示すように、キャップ３２は、残りのトラック層２４Ｃから垂直方向に隔てられた形となる。
トラック層の材料の除去工程は、フィラメント若しくはキャップの金属に対してはあまり強く作用しないエッチング剤を用いて行われる。同様に、このエッチング剤は、基板２０若しくは非絶縁性領域２２を著しく損なうこともない。このエッチング処理は、トラック材料の厚みを約０．３μｍ減らすのに十分なだけの時間をかけて実施される。
ここで、電気的に非絶縁性のゲート材料が、構造の上部に、多数の孔が形成された材料の除去された部分の厚みより薄い厚みをなすように被着される。ゲート材料の厚みは典型的には０．１μｍである。被着処理は、基板２０の下側表面に対して概ね垂直な方向に、即ち構造の上側表面に対して一般に垂直な方向に被着がなされるように行われる。これによって、第１ｈ図及び第２ｈ図に示すように、ゲート材料の非絶縁性層３４Ａが、トラック層２４Ｃのキャップ３２によって防護されていない部分の上に材料の蓄積により形成されることになる。同様に、各キャップ３２の上には、ゲート材料の非絶縁性層３４Ｂが蓄積されて形成される。重要なことは、トラック層２４Ｃのキャップ３２の下の部分においては、ゲート材料の蓄積がキャップ３２によって実質的に防止されるということである。
一般に導体であるゲート材料を選択する基準は、下記のようにキャップ３２を除去するのに用いられる技術によって決まる。キャップの除去が電気化学的に行われる場合は、後にゲート電極となる非絶縁性層３４Ａは電気的に防護されうる。結果的に、ゲート材料には、反応性のあまり高くない金属ならば、いかなるものも一般に用いることができることになる。このような金属の候補には、モリブデン、銅、及びアルミニウムが含まれる。
キャップの除去に化学的エッチング若しくはプラズマエッチングが用いられる場合は、ゲート材料はキャップ金属とは異なる金属からなる。特に、キャップ材料の金属は、ゲート材料に対して選択的にエッチングすることが可能なものでなければならない。ゲート材料は、この選択的エッチングが可能であるという条件を満たす、適切なものであるならば、導電性のドーピングをなされた半導体材料でもよい。
非絶縁性層３４Ａ及び３４Ｂを形成するためには、蒸着技術が用いられるのが一般的である。蒸着処理は適当な真空チャンバの中で低圧の下に行われる。非絶縁性層３４Ａ及び３４Ｂは、スパッタリングのような他の方向制御式物理的被着技術を用いることによっても形成することができる。
キャップ３２は、フィラメント３０の上端部の材料の金属、若しくはゲート材料よりもキャップ材料の金属に強く作用するエッチング剤によって除去される。これによって、非絶縁性層３４Ｂも同時に除去される。領域３０、３２及び３４Ａが、それぞれプラチナ、銀、及びモリブデンからなるとき、エッチング処理は、非絶縁性層３４Ａがキャップ３２と異なる電位に保たれるような電気化学的処理によって行われるのが一般的である。これは、非絶縁性層３４Ａに一方の電位を、下側非絶縁性領域２２に他方の電位を加えることによって実施される。別の方法として、上述のように、キャップ３２及びその上の非絶縁層３４Ｂを、化学的エッチング材若しくはプラズマエッチング剤によって除去することも可能である。
このようにして形成された構造が第１ｉ図及び第２ｉ図において示されており、ここではフィラメント３０の上端部が露出されている。ここで、パターニングされた上側非絶縁性層３４Ａは、電界放出構造におけるゲート電極を構成する。ゲート電極となる非絶縁性層３４Ａは、それぞれがフィラメント３０を中心とするゲート開口部３６を有する。ゲート材料被着処理時のキャップ３２による防護のために、各ゲート開口部３６の大きさは、対応するフィラメント３０よりも大きくなっている。この結果、ゲート電極となる非絶縁性層３４Ａはフィラメント３０から横方向に隔てられた形となる。
第１ｉ図及び第２ｉ図のカソード／ゲート構造は、そのまま電界エミッタとして利用することができる。それでも、フィラメント３０がトラック材料の層から延出した形とし、フィラメント３０の上端部を尖った形状とすることは有益なことである。
このために、多数の孔が形成されたトラック層２４Ｃの開口部３６を通して露出された部分を等方性エッチング剤を用いて除去し、各フィラメント３０の周りにキャビティ３８を形成する。第１ｊ図及び第２ｊ図を参照されたい。キャビティ３８を生成するのに用いられる等方性エッチング剤は、構造の他の部分を著しく損なうことはない。このようにして、フィラメント３０が、多数の孔が形成されたトラック層２４Ｃの残りの部分２４Ｄから延出する形となる。各キャビティ３８は非常に幅の広いものであり、即ち対応する孔２８₁よりも非常に大きな断面を有する。
キャビティ３８は、典型的には下側非絶縁性領域２２に向かって途中まで延在する。この状態は第１ｊ図に示されている。しかし、キャビティ３８が領域２２に達するまで延びていてもよい。どちらの場合においても、適当に製造上のパラメータを選択することにより、トラック層２４Ｄは、ゲート層たる非絶縁性層３４Ａを十分に支持する形となる。
電解研磨処理及びエッチング処理を行うことにより、フィラメント３０の上端部が成形加工されて、尖った形状にされる。初めに行われる電解研磨処理により、フィラメント３０の上端部が丸められ、その長さがいくらか短くされる。更に、丸められたフィラメントの末端部が、エッチング処理により尖った形状にされる。
電解研磨処理は、フィラメント３０がアノードを構成する電界セルの中で行われる。第１ｊ図及び第２ｊ図の構造をセルの電解質に接触するようにした後、適当な電圧が、（ａ）非絶縁性領域２２を介し、フィラメント３０と、（ｂ）典型的にはゲート層たる非絶縁性層３４であるカソードプレートとの間に印加されて、フィラメント３０とカソードプレートとの間に電流が流れることになる。電解研磨処理は、典型的には、電界強度が高められるにつれ金属の除去速度も高められるような処理状況のもとに行われる。各フィラメント３０の外側頂端部においては、電界強度が最大となり、従って材料の除去速度も最大となるので、フィラメント３０の上側端部は丸められることになる。
基板２０の下側表面が、電解セルの中のカソードプレートに対してほぼ平行となるように配置することによって、フィラメント３０の中の長いものの上端部は最大の電界強度を受けることになる。このために、電解研磨処理において、長めのフィラメント３０の上端部からは、短めのものと比べて、より多くの材料が除去されることになる。従って、電解研磨処理によって、フィラメント３０の長さの均一性が高められることにもなる。
フィラメントのエッチング処理も、典型的には、電界放出構造を電解セルの電解質に接触させることによって行われるが、この電解セルでは、非絶縁性領域２２を介して駆動電圧が印加されるアノードをフィラメント３０が構成している。金属の除去速度は電界強度及びフィラメントの形態によって変化して、フィラメント３０の丸められた上端部が尖った形状にされる。エッチングは化学的技術に基づいて行うことも可能である。エッチングが電気化学的技術でなく化学的技術に基づいて行われた場合は、適当な電圧を非絶縁性層３４Ａに印加すること、及び／若しくは適当な材料の選択を行うことによって、ゲート層たる非絶縁性層３４Ａの不要なエッチングを回避することができる。第１ｋ図及び第２ｋ図は、フィラメント３０の残りの部分が尖った形状のフィラメント３０Ｂとなっている、最終的な電界エミッタの形状を示したものである。
電解研磨処理は、典型的には、キャビティ３８の上層をなすパターニングされたゲート層たる非絶縁性層３４Ａのエッジを丸めるのにも用いられる。非絶縁性層３４Ａはこの工程においてアノードとして機能し、一方フィラメント３０Ｂは非絶縁性領域２２を介してカソードとしての役目を果たす。第１ｋ図及び第２ｋ図におけるパターニングされたゲート層たる非絶縁性層３４Ｂは、ゲート層たる非絶縁性層３４Ａのエッジを丸めた残りの部分である。
第３ａ図〜第３ｆ図（まとめて“第３図”）及び第４ａ図〜第４ｆ図（まとめて“第４図”）に示すのは、自己整合されたゲート構造を有する第１ｆ図及び第２ｆ図のカソード構造を設けるための、別の一連の工程を示したものである。第１ｆ図及び第２ｆ図は、ここでは第３ａ図及び第４ａ図として再度示されている。この別の実施例において、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの厚みは典型的には０．５μｍである。
多数の孔が形成されたトラック層２４Ａ及び構造体の上部に沿って設けられたキャップ３２の上に、電気的に非絶縁性のゲート材料からなる被覆層４０が被着される。第３ｂ図及び第４ｂ図を参照されたい。被覆層４０の厚みは、典型的には０．１μｍである。
ゲート材料は、一般に導電体、好ましくはキャップの金属に対して選択的にエッチング可能な金属からなる。ゲート材料の金属にプラチナを利用することができる。ゲート材料は、必要な選択的エッチングが可能なものである限り、他の金属及び／若しくは、導電性のドーピングをなされた半導体材料でもかまわない。ゲート材料の被着には様々な技術を用いることができるが、ただしゲート用金属材料からなる被覆層４０の、トラック層２４Ａの上層をなす部分の厚みが、比較的均一なものとなる必要がある。
ゲート材料の被覆層４０のキャップ３２の上の部分は、キャップ３２と被覆層４０との組合せによってなる部分を概ね平坦な上側表面を有する形にする平坦化処理において除去される。このとき、キャップ３２の上端部もわずかに除去されることになる。第３ｃ図及び第４ｃ図に示すのは、この処理の結果作られた構造であって、ここで要素３２Ａはキャップ３２の残りの部分である。要素４０Ａはゲート材料の被覆層４０の残りの部分である。
平坦化処理は何段階かの工程によって実施される。第１に、フォトレジストのようなフロー可能な材料が構造の上部に被着される。第２に、フロー可能な材料がフローされて、その上側表面が概ね平坦となる。第３に、フロー可能な材料とゲート材料とをほぼ等速度で腐食するエッチング剤を用いてエッチバックが行われる。フロー可能な材料が全て除去されたとき、エッチバックは終了する。エッチング剤は、フロー可能な材料に作用するのとほぼ等しい速度でゲート材料に作用するので、ゲート材料の被覆層４０の上方向に延出した部分、即ちキャップ３２の上層をなす部分が同時に除去されるのである。
キャップ３２は、フィラメント３０、若しくは非絶縁性層４０Ａを著しく損なわないエッチング剤で除去される。第３ｄ図及び第４ｄ図を参照されたい。ここで、非絶縁性層４０Ａは構造のゲート電極を構成しており、それぞれフィラメント３０を中心としたゲート開口部４２を有する。各キャップ３２は対応するフィラメント３０よりも大きいので、ゲート層たる非絶縁層４０Ａはフィラメント３０から横方向に隔てられた形となる。
第１ｉ図及び第２ｉ図のカソード／ゲート構造と同様に、第３ｄ及び第４ｄ図のカソード／ゲート構造は、そのまま電界エミッタとして用いることができる。しかし、第１ｉ図及び第２ｉ図の場合と同様に、第３ｄ図及び第４ｄ図の構造を更に処理することは、同様の利点がある。従って、多数の孔が形成されたトラック層４２Ａの、開口部４２を通して露出された部分は、等方性エッチング剤を用いて除去され、第３ｅ図及び第４ｅ図に示すように、フィラメント３０の周りにキャビティ４４が形成される。フィラメント３０は、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの残りの部分２４Ｅから外向きに延出する形となる。各キャビティ４４の大きさは、対応する孔２８₁よりかなり大きい。
キャビティ４４は、典型的には、非絶縁性領域２２に向かって途中まで延在している。第３ｅ図においてこの状態が示されている。第１図及び第２図の製造工程の場合と同様に、キャビティ４４が下側非絶縁性領域２２に達するまで延びていても良い。
電解研磨処理及びエッチング処理が行われて、フィラメント３０の上端部が成形加工され、尖った形状にされる。第３ｆ図及び第４ｆ図を参照されたい。要素３０Ｂは、フィラメント３０の尖った形状に処理された残りの部分である。一般的には、追加的な電解研磨処理も行われて、キャビティ４４の上のパターニングされたゲート層たる非絶縁性層４０Ａのエッジが丸められる。第３ｆ図及び第４ｆ図における要素４０Ｂは、エッジを丸められたゲート層たる非絶縁性層４０Ａの残りの部分である。
第５ａ図〜第５ｊ図（まとめて“第５図”）及び第６ａ図〜第６ｊ図（まとめて“第６図”）に示すのは、本発明に基づく、荷電粒子トラックを用いたゲート制御式面積方向配列型電界放出構造の製造方法の、更に別の実施例である。この電界エミッタは、構造的には第１ｋ図及び第２ｋ図の構造、及び第３ｆ図及び第４ｆ図の構造の双方と似ている。同様に、第５図及び第６図の工程に従って製造された電界エミッタは、典型的にはフラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおける蛍光体を励起させるのに用いられる。
ここでも、工程は絶縁性基板２０から開始され、この基板の上に非絶縁性領域２２が設けられる。第５ａ図及び第６ａ図を参照されたい。基板２０及び非絶縁性領域２２は前述のような特徴を有する。特に、非絶縁性領域２２は、典型的には概ね平行な複数のラインをなす形状で、このラインのうち２本が第６ａ図において示されている。
ここでも、絶縁性トラック層２４が構造の上に形成される。第５ｂ図及び第６ｂ図を参照されたい。後に荷電粒子トラックが絶縁性トラック層２４において形成されることになるので、この絶縁性トラック層２４も前述のような特徴を有する。
ここで、第５図及び第６図の工程は、前述の本発明に基づく工程と異なったものとなる。後にゲート電極になる被覆非絶縁性層４６が、第５ｂ図に示すように、絶縁性層２４の上部に形成される。非絶縁性層４６は、典型的には０．０５μｍの厚みを有する。非絶縁性層４６はモリブデン、銅、若しくはアルミニウムのような金属からなる。非絶縁性層４６は導電性のドーピングをなされた半導体材料から形成されても良い。非絶縁性層４６を生成する方法は、その厚みが比較的均一なものとなる限り特に重要ではない。非絶縁性層４６の形成には、典型的には物理的蒸着技術が用いられる。
非絶縁性層４６の上には更に絶縁性トラック（若しくはトラック／記録）層４８が形成される。再び第５ｂ図を参照されたい。絶縁性トラック層４８は０．２〜０．５μｍの範囲の厚みを有する。絶縁性トラック層２４と同様に、絶縁性トラック層４８は、（ａ）ポリカーボネート、ポリスチレン、若しくは酢酸アセテートのような有機ポリマー、（ｂ）リン酸エステル、ケイ酸塩、ソーダ石灰、及びスピングラスのような無機ガラス、若しくは（ｃ）マイカ若しくは水晶のような結晶体からなる。トラック層４８がトラック層２４と同じ絶縁体からなるような実施例もあるが、トラック層４８は、トラック層２４に関して選択的にエッチング可能な絶縁体で形成されるのが一般的である。
ここでこの構造は、基板２０の平坦な下側表面（図示せず）に対して概ね垂直な方向、即ち構造の上側表面に対して概ね垂直な方向で絶縁性トラック層４８の上に衝当してくる高エネルギーの荷電粒子を受けなければならない。荷電粒子は層４８、４６、及び２４を通過して下層をなす材料に達し、トラック層２４及び４８の任意の位置において直線トラックを形成する。第５ｃ図及び第６ｃ図に示すのはトラックの形成である。荷電粒子トラックは粒子の経路に沿った損傷領域を形成する。
荷電粒子トラックは第５ｃ図及び第６ｃ図において、“５０”で始まる符合によって示されている。各トラックは、（ａ）絶縁性トラック層２４を通して延在する部分である“５０Ａ”セグメントと、（ｂ）５０Ａセグメントのラインの中の絶縁性トラック層４８を通して延在する“５０Ｂ”セグメントに分けられる。荷電粒子は非絶縁性層４６を通過するが、層４６に著しく損傷を与えることはなく、従って非絶縁性層４６を通して荷電粒子トラックが生成されることはない。荷電粒子トラックは以下の２つに分類することができる。即ち（ａ）トラック層２４及び４８の、非絶縁性領域２２の上層をなす部分を通して延在するセグメント５０Ａ₁及び５０Ｂ₁（まとめて“５０₁”）、（ｂ）トラック層２４及び４８の非絶縁性領域２２の上でない部分を通して延在するセグメント５０Ａ₂及び５０Ｂ₂（まとめて“５０₂”）である。
前述した本発明の製造工程における荷電粒子トラック２６の場合と同様に、荷電粒子トラック５０₁及び５０₂（まとめて“５０”）は、構造の上側表面に対して概ね垂直な向きで、かつ互いに平行に延在する。トラック５０は、トラック２６と同様の特徴、即ち寸法及び間隔を有する。トラック５０も、トラック２６と同様に形成される。明示のために、第５ｃ図及び第６ｃ図においては、トラック５０のごく小さな一部分のみが示されている。
絶縁性トラック層４８におけるトラックセグメント５０Ｂに沿った損傷を受けた絶縁材料は、トラック層４８の損傷を受けていない材料よりも損傷を受けたトラックセグメント５０Ｂの材料に強く作用するような適当な化学的エッチング剤にトラック層４８を接触させることによって除去される。この結果、トラックセグメント５０Ｂに沿って、トラック層４８を通して非絶縁性層４６に達する概ね円形の孔が、エッチングにより形成されることになる。エッチング剤は、電界放出構造の他のいかなる部分をも著しく損なうことがないのが好ましい。
エッチング処理は絶縁性トラック層４８の概ね損傷を与えられていない材料の部分にも続けて施され、孔が拡大される。このようにして、トラックセグメント５０Ｂ₁及び５０Ｂ₂に沿ってアパーチャ（aperture）５２₁及び５２₂がそれぞれ生成される。第５ｄ図及び第６ｄ図を参照されたい。アパーチャ５２₁及び５２₂（まとめて“５２”）は、非絶縁性層４６の上側表面の対応する部分を露出する。エッチング処理は横方向に均一に施される。従って、各アパーチャ５２は、対応するトラックセグメント５０Ｂを中心におくように配置されることになる。トラック層４８の厚みも、このエッチング処理において薄くされる。
絶縁材料のエッチング処理の第２過程は、第１過程で用いたエッチング剤若しくは他のエッチング剤を用いて行うことができる。どちらのエッチング剤を利用した場合も、構成要素２０、２２、２４、及び２６は、エッチング処理の第２段階の間に著しく損なわれることはない。これによって、アパーチャ５２は、その平均径の平均が１５〜３００ｎｍ、典型的には１４０ｎｍ程度になる。この直径は、厚みが薄くされた絶縁性トラック層の残りの部分４８Ａの底部に沿った直径である。全てのアパーチャ５２の直径は、実質的に等しくなる。
アパーチャ５２は、第６ｄ図の平面図の状態で上から見たときの形状が一般に円形である。アパーチャ５２も、第５ｄ図に示すように、底部よりも頂部の方がいくらか広い形状をしている。このようにアパーチャ５２を傾斜した形状にする理由は、後に行う非絶縁性層４６のリアクティブイオンエッチング処理を容易にするためである。アパーチャの傾斜を得るために、選択性、即ち損傷を受けたトラック層の材料に作用する速度と、損傷を受けていないトラック層の材料に作用する速度の比が比較的小さい、即ち１０以下となるようなエッチング剤が用いられる。
アパーチャ５２₂はアパーチャ５２₁の副産物として形成されるが、エミッタの製造工程においては有用な役目を果たすことはない。必要ならば、アパーチャ５２₂、及びそれによって後に形成される追加的な（有用でない）機構の形成を止めることもできる。例えば、トラック層４８のエッチング処理の間に、適当なマスクを用いて、トラックセグメント５０Ｂ₂を被覆することができる。
エッチング用マスクとしてトラック層４８Ａを用いる場合は、非絶縁性層４６のアパーチャ５２を通して露出されている部分が、異方性のエッチング剤で除去されて、トラック層２４に達する一般に円形の開口部が生成される。第５ｅ図及び第６ｅ図には、このようにして形成された構造が示されており、ここではゲート開口部５４₁が層４６の非絶縁性領域２２の上側に位置する部分を通して延在し、更にゲート開口部５４₂が非絶縁性層４６の領域２２の上側でない部分を通して延在している。非絶縁性層４６の残りの部分４６Ａはパターニングされた電界エミッタのゲート電極である。異方性のエッチング処理は、典型的にはリアクティブイオンエッチング技術に基づいて行われる。
開口部５４₁及び５４₂（まとめて“５４”）を生成するのに用いられるエッチング剤は、構造の他の部分に対して著しく作用するのを回避するように調節される。エッチングの異方性のために、各開口部５４は断面が概ね等しい、即ち概ね円形であり、その直径は対応するアパーチャ５２の（トラック層４８Ａの底部に沿った部分）の直径とほぼ等しくなる。各開口部５４は、対応するアパーチャ５２と垂直方向に位置が整合される。各アパーチャ５２が対応するトラックセグメント５２Ｂを中心とする配置となっているため、各開口部５４も対応するセグメント５０Ｂを中心とする配置となる。
トラック層４８Ａは、開口部５４が生成された後のどこかの段階で除去されるのが普通である。例えば、第５ｆ図及び第６ｆ図に示すように、トラック層４８Ａは開口部５４が形成された直後に除去されることもある。
絶縁性トラック層２４の上側表面の一部分はトラックセグメント５０Ａ上において露出されているが、ここで、セグメント５０Ａに沿った損傷を与えられた材料に対して、トラック層２４の損傷を与えられていない材料よりも強く作用する化学的エッチング剤に、構造体は接触させられる。これによって、第５ｇ図及び第６ｇ図に示すように、孔２８₁及び２８₂は、それぞれトラックセグメント５０Ａ₁及び５０Ａ₂に沿った形でトラック層２４を通して形成される。孔２８₁及び２８₂（まとめて“２８”）は、前述の本発明の製造工程における孔２８と同じ物理的／空間的特徴を有する。ここで孔２８を生成するのに用いられるエッチング処理は、典型的には前述の第１ｄ図及び第２ｄ図の構造に関するのと同様の方法で行われる。トラック層２４の残りの部分は均一な多数の孔が形成されたの絶縁性トラック層２４Ａである。
重要なことは、第５ｇ図及び第６ｇ図における各孔２８は、対応する開口部５４と比較して著しく狭いものであるということである。例えば、アパーチャ５２の１つの底部の直径が４０ｎｍで、対応する開口部５４の直径が１５０ｎｍであるとき、対応する孔２８の直径は、典型的には５０〜１００ｎｍである。各孔２８は、対応するトラックセグメント５０Ａが中心となるように配置されている。（ａ）各トラックセグメント５０Ｂが対応するトラックセグメント５０Ａと一直線上に配置され、（ｂ）各開口部５４が対応するトラックセグメント５０Ｂを中心とするように配置されているので、各開口部５４は対応する孔２８を中心とする形となる。
ここで、適当なフィラメントの金属材料が電気化学的に被着されて、第５ｈ図及び第６ｈ図に示すように、下側非絶縁性領域２２の上の、孔２８₁の中に電子放出金属フィラメント３０が形成される。この材料の被着は、第１ｅ図及び第２ｅ図の構造に関連して前述したのと同様の方法で行われる。基板２０の上に直接設けられた孔２８₂の底部には電気的接続がなされていないので、孔２８₂には実質的にフィラメント金属が蓄積されることはない。第６ｈ図において、黒丸で示されているのがフィラメント３０で満たされた孔２８₁であり、白丸で示されているのが空の孔２８₂である。全ての孔２８に対して開口部５４が存在するが、この工程の電気化学的性質により選択的な被着が可能とされているのである。
ここで、フィラメント３０は前述のような特徴と有する。孔２８₁はトラック層２４上の任意の位置に置かれているので、フィラメント３０はトラック層２４上の任意の場所に存在することになる。トラックを形成しエッチング処理した結果、中心が一致するので、フィラメント３０は開口部５４₁に自己整合され、従ってゲート電極たる非絶縁性層４６Ａにも自己整合されることになる。
第５ｈ図及び第６ｈ図のカソード／ゲート構図は、そのまま電界エミッタとして用いることができる。それでも、フィラメント３０が多数の孔が形成された材料から延出した形とし、フィラメント３０の上端部を尖った形状とすることは有益なことである。従って、第５ｈ図及び第６ｈ図の構造は、前述の、本発明に基づくゲート制御式電界エミッタの製造における方法と同様の方法で更に処理される。
多数の孔が形成されたトラック層２４Ａのゲート開口部５４₁を通して露出されている部分は、等方性エッチング剤によって除去され、第５ｉ図及び第６ｉ図に示すように、フィラメント３０の周りにキャビティ５６₁が形成される。ゲート層たる非絶縁性層４６Ａも開口部５４₂を有しているので、トラック層２４Ａの開口部５４₂を通して露出されている部分は、同時に除去されてキャビティ５６₂が形成される。キャビティ５６₁及び５６₂（まとめて“５６”）は、非絶縁性領域２２に向かって途中まで若しくは領域２２に達するまで延びる形とすることができる。第５ｉ図に示すのは前者の場合である。いずれの場合も、ここでフィラメント３０は、多数の孔が形成されたトラック層２４Ａの残りの部分２４Ｆを越えて突出した形となる。
フィラメント３０の上端部は、電解研磨処理若しくはエッチング処理によって尖った形状にされる。キャビティ５６₁の上のパターニングされたゲート層たる非絶縁性層４６Ａのエッジを丸めるための電解研磨処理によって、電界エミッタの基本的な製造工程が終了する。第５ｊ図及び第６ｊ図に示すのは、最終的な構造であって、要素３０が尖った形状にされたフィラメント３０の残りの部分である。要素４６Ｂは、エッジを丸められたゲート層たる非絶縁性層４６Ａの残りの部分である。
電子放出性素子３０Ｂは、孔２８₁に金属を電気化学的に充填する過程と、次に（望ましくは）金属の一部を除去して先端部を尖った形状にする過程とを含む工程によって形成されるので、要素３０Ｂの上端部は、普通、パターニングされたゲート層たる非絶縁性層４６Ａ若しくは４６Ｂの底部より下にくることになる。応用例によっては、ゲート制御式電界エミッタの電子放出性素子が、ゲート電極の底部より上に、場合によってはゲート電極の上端より上まで延びた形となるのが望ましいものがある。第７ａ図〜第７ｅ図（まとめて“第７図”）に戻ると、ここには第５ｉ図及び第６ｉ図の構造のフィラメント３０を、ゲート電極の上端より延びた尖った形状の電子放出性素子に変える一連の工程が示されている。ここでは、第５ｉ図が第７ａ図として再度示されている。
リフトオフ（lift-off）材料の薄いマスキング層であるリフトオフ層８６は、第７ａ図の部分的に仕上げ処理された電界放出構造の上に形成される。このときリフトオフ材料によってゲート層たる非絶縁性層４６Ａは完全にカバーされるが、フィラメント３０の先端部はカバーされないようにされる。第７ｂ図を参照されたい。キャビティ５６₁のフィラメント３０の横に配置された一部分においてはリフトオフ材料が存在していないのが好ましい。リフトオフ層８６の厚みは、典型的にはゲート開口部５４の平均径の数分の１に（即ち平均径より小さく）される。
リフトオフ層８６は、例えば蒸着のような物理的被着技術を用いて形成されるが、このとき、リフトオフ材料は、ゲート層たる非絶縁性層４６Ａの上に、基板２０の下側表面（図示せず）に対して小さな角度をなす向き、即ちゲート層たる非絶縁性層４６の上部に対して小さな角度をなす向きに衝当し、蓄積されるのである。空間的に均一な被着をなすべく、部分的に仕上げ処理された電界エミッタ、若しくはリフトオフ材料ソースのどちらか一方が、基板２０の下側表面に対して垂直な軸の周りに一定の速度で回転させられる。リフトオフ材料がゲート開口部５４に沿ったゲート層たる非絶縁性層４６の側面には蓄積するが、リフトオフ材料が開口部５４を通過することは実質的に防止されるように、材料の原子が衝当する角度は十分な小さな角度に設定される。
次に、第７ｃ図に示すように、各太い針形状の金属製の先端部８８Ａ₁がフィラメント３０の上側面上にそれぞれ形成される。金属先端部８８Ａ₁は、好ましくは蒸着のような物理的被着技術を用いて形成されるが、このとき、先端部の金属材料の原子は、基板２０の下側表面に対して概ね垂直な向き、即ちゲート層たる非絶縁性層４６Ａの上側に対して概ね垂直な向きで、電界放出構造の上部に衝当させられる。この結果、先端部の金属材料の原子はゲート開口部５４₁を通過して、先端部８８Ａ₁を形成する。
先端部の被着処理の間、各キャビティ５６₁の底部において、フィラメント３０の周りに、先端部の金属材料からなる環状の要素８８Ｂ₁が材料の蓄積により形成される。先端部の金属材料の原子は、各開口部５４₂（図示せず）も通過して、絶縁性層２４Ｆのキャビティ５６₂（図示せず）を通して露出された部分に沿って先端部の金属材料からなる要素（図示せず）が形成される。先端部の金属材料からなるこれらの要素は、下側非絶縁性領域２２と接触していない。従って、これらが最終的な電界エミッタの電気的な動作に影響を与えることはない。
先端部金属材料層８８Ｃは、先端部の被着処理過程においてリフトオフ層８６の上に材料の蓄積により形成される。先端部金属材料層８８Ｃの厚みが増すにつれ、一般に、先端部金属材料層８８Ｃは多少横方向にも成長する。この横方向の成長によって、先端部金属材料が、フィラメント３０に被着するときに通過する開口部の寸法が狭められ、金属要素８８Ｂ₁の形状にも影響を与えることになるが、先端部金属材料層８８Ｃを通して設けられた先端部被着用開口部が小さくなって先端部金属材料がフィラメント３０の上側表面上に不均一に蓄積され始める（即ち円錐形の末端部分を有する先端部が形成され始める）前に、先端部金属材料の被着は終了される。
各フィラメント３０及びその上の先端部８８Ａ₁の組合せによって、複合式に延長された電子放出性フィラメントが形成される。第８ａ図に示すのは、第７ｃ図の段階における、延長されたフィラメント３０／８８Ａ₁の１つの拡大図である。フィラメント３０／８８Ａ₁の長さ方向に沿った金属要素８８Ｂ₁の存在は、普通電気的にはあまり重要なものではない。
先端部金属材料には好ましくは貴金属が用いられる。典型的な実施例においては、構成要素２２、４６Ａ及び３０がそれぞれクロム製、モリブデン製、及びプラチナ製である場合、先端部の金属がプラチナからなる。この場合、各フィラメント３０及びその上にある先端部８８Ａ₁は、同種の金属からなる。これとは別に、先端部の金属が非貴金属、例えばモリブデン若しくはニオブであってもよく、これらの材料は上述の方法で物理的被着をなすことができる。先端部の金属材料を被着する量は、電子放出性素子の所望の最終的な長さ（若しくは高さ）によって決まる。
ここで、リフトオフ層８６は、構造を化学的エッチング剤にさらすことによって除去されるが、この場合の化学的エッチング剤は、リフトオフ材料には作用するが、構造の他の材料を著しく損なうことのないものである。リフトオフ層８６を除去する工程において、先端部金属材料層８８Ｃもリフトオフされて、第７ｄ図に示す構造が生成される。
フィラメント３０／８８Ａ₁の上端部を成形加工し、尖った形状とすべく、電解研磨処理及びエッチング処理が前述の方法で実施される。第１図及び第２図の工程と同様に、電解研磨処理によって、フィラメント３０／８８Ａ₁の長さがより均一となる。フィラメントのエッチング処理によって、フィラメント３０／８８Ａ₁の上端部は尖った形状にされる。第７ｅ図には、３０／８８Ａ₁に成形加工処理、尖った形状にする処理が実質的に完全に施され、先端部８８Ｂ₁が尖った形状となったところが例示されている。ここで、各キャビティ５６₁は、下にある孔２８Ａ₁と共に、対応するフィラメント３０／８８Ｄ₁のための誘電性開口空間を形成する。第８ｂ図において、第７ｅ図の段階の典型的なフィラメント３０／８８Ｄ₁の拡大図が示されている。
ここで更に電解研磨処理が前述の方法で実施され、キャビティ５６₁の上のゲート層たる非絶縁性層４６Ａのエッジが丸められる。第７ｅ図のパターニングされたゲート電極たる非絶縁性層４６Ｂは、エッジを丸められたゲート層たる非絶縁性層４６Ａの残りの部分である。
第７ｅ図における各金属先端部８８Ｄ₁の基部の平均径は、下にあるフィラメント３０の平均径と等しい。別の実施例においては、円錐形の先端部を有するフィラメント型の電子放出性素子で、各先端部の基部の平均径が、下のフィラメントの平均径よりもかなり大きくなっているものが生成される。第９ａ図〜第９ｈ図（まとめて“第９図”）に示すのは、先端部の基部の大きさが下にあるフィラメント部分よりかなり大きい、円錐形状の尖ったフィラメント型電子放出性素子を有するゲート制御式電界エミッタを生成するための一連の製造工程であって、第５図及び第６図の工程の第５ｆ図及び第６ｆ図以降を変更したものである。第５ｆ図は、ここでは第９ａ図として再度示されている。
絶縁性トラック層２４のゲート開口部５４₁を通して露出された部分は等方性化学的エッチング剤を用いて除去され、第９ｂ図に示すように、トラック層２４を貫通はせず途中まで延在するキャビティ９４₁が形成される。トラック層２４のゲート開口部５４₂を通して露出された部分（図示せず）も同時に除去されて、トラック層２４の途中まで延びるキャビティ９４₂（同様に図示せず）も形成される。各キャビティ９４₁及び９４₂（まとめて“９４”）はゲート層たる非絶縁層４６Ａのやや下方にまで延在した形となる。
エッチング剤は、好ましくは、トラック層２４の損傷を受けていない絶縁性材料とほぼ同じ速度で、トラックセグメント５４ａに沿って損傷を受けた材料の部分に作用する。この結果各トラックセグメント５０Ａ（第９ｂ図においてその中の１つのセグメント５０Ａ₁が示されている）の対応するキャビティ９４の底部は、エッチング処理の間に著しく損なわれることはない。絶縁性トラック層２４の残りの部分は第９ｂ図において要素２４Ｇとして示されている。
ここで、この構造は、絶縁性トラック層２４Ｇの損傷を受けていない材料よりも損傷を受けたトラック材料５０Ａに対して強く作用するような化学的エッチング剤に接触させられる。これによって、第９ｃ図に示すように、キャビティ９４₁の底部のトラックセグメント５０Ａ₁の残りの部分に沿って、トラック層２４Ｇを貫通する９６₁が形成される。孔９６₂（図示せず）も、エッチング処理により、キャビティ９４₁（図示せず）の底部の５０Ａ₂の残りの部分（図示せず）に沿って、トラック層２４Ｇを貫通する形で同時に形成される。第９ｃ図の要素２４Ｈは絶縁性トラック層２４Ｇの残りの部分である。
孔９６₁及び９６₂（まとめて“９６”）を形成するのに用いられるエッチング処理は、孔２８の生成の場合と概ね同様に均一に施される。これによって、各孔９６は対応するトラックセグメント５０Ａを中心においた形に設けられることになる。孔９６は、典型的には前述の孔２８と同様の物理的／空間的特徴を有する。各孔９６は、その上に存在するキャビティ９４よりも幅の狭いものであることに加えて、対応するゲート開口部よりもかなり幅の狭いものである。（ａ）各トラックセグメント５０Ｂが対応するトラックセグメント５０Ａと一直線上に配置され、（ｂ）各ゲート開口部５４が対応するトラックセグメント５０Ｂを中心においた形で設けられているので、各開口部５４は対応する孔９６を中心においた形となる。
適当なフィラメント金属材料を電気化学的に被着して、第９ｄ図に示すように、非絶縁性領域２２の上の孔９６₁を実質的に満たす金属フィラメント９８を生成する。このフィラメント被着処理は、第５図及び第６図の工程のフィラメント３０の生成において用いられたのと同じ方法で行われる。基板２０のすぐ上に位置する孔９６₂の底部においては電気的接続がなされていないので、孔９６₂には実質的にフィラメント材料が蓄積しない。従って、この工程の電気化学的性質によって、たとえ全ての孔９６に対してそれぞれゲート開口部が存在していたとしても、被着を選択的に行うことが可能となる。
フィラメント９８はプラチナ、金、若しくはパラジウムのような貴金属から形成することができる。フィラメント金属材料はニッケル、銅、コバルト、モリブデン、若しくはニオブのような非貴金属でもよい。
金属フィラメント９８の、基本的な長さ、直径、直径に対する長さの比、及び断面の特徴はフィラメント３０と同じである。特に、フィラメント９８の最大直径に対する長さの比は５以上であることが好ましい。第９ｄ図と第５ｉ図とを比較すると、フィラメント９８がフィラメント３０よりも短いように見えるかもしれないが、トラック層２４の厚みを増し、キャビティのエッチングの深度を適当に制御することによって、フィラメント９８がフィラメント３０よりも長くなるように形成することもできる。フィラメント３０と同様に、トラックを形成しエッチング処理した結果、中心が一致するので、フィラメント９８は開口部５４と自己整合され、従って、ゲート層たる非絶縁性層４６Ａにも自己整合されることになる。
リフトオフ材料の薄いマスクであるリフトオフ層１００が、電界放電性構造の上に、ゲート層たる非絶縁層４６Ａは完全にカバーするが、フィラメント９８の上端部はカバーしない形に形成される。第９ｅ図を参照されたい。リフトオフ層１００は、第７図の製造工程におけるリフトオフ層８６の生成に用いられたのと同様の技術によって生成されることが好ましい。
先端部の金属材料はゲート開口部５４₁を通してキャビティ９４₁に導入されて、尖った、全体に円錐形のコーン型金属先端部１０２₁を形成するが、この金属先端部はそれぞれ第９ｆ図に示すようにフィラメント９８と接触する形となる。先端部の金属材料は、普通は、第７図の工程のものと同じである。
各金属先端部１０２₁の基部平均径は、普通下のフィラメント９８の直径よりも大きい。この結果、先端部１０２₁は、トラック層２４Ｈの隣接する部分の上に横向きに延在する形となる。各先端部１０２₁の基部平均径は、対応するゲート開口部５４₁の平均径と同じか、やや大きいものである。各フィラメント９８及びその上の先端部１０２₁によって、複合式の電子放出性素子が形成されるが、この電子放出性素子は、その両端部の間の点、即ち両端部から隔てられた点において最大直径を呈する形となる。
金属先端部１０２₁は典型的にはダブルソース物理的被着技術を用いて形成されるのが一般的であり、このダブルソース物理的被着技術においては、（ａ）先端部用金属の原子を、基板２０の下側表面（図示せず）に対して概ね垂直な向き、即ちゲート層たる非絶縁性層４６Ａの上側表面に対して概ね垂直な向きで構造の上部に衝当させて被着させ、（ｂ）それと同時に、密封材料の原子を、基板２０の下側表面に対して小さな角度をなす方向に層４６Ａの上側表面上に衝当させて蓄積させる一方、空間的に均一な被着をなさしめるべく、部分的に仕上げ処理された電界エミッタか、若しくは先端部材料及び密封材料ソースかのどちらか一方を、基板２０の下側表面に対して垂直な向きの軸の周りに一定の速度で回転させる。両被着処理は、普通蒸着によってなされる。
先端部金属材料がキャビティ９４に入るときに通過する開口部を密封するために密封材料を衝当させるときの角度は、密封材料がゲート開口部５４₁を通過してフィラメント９８上に蓄積したり、トラック層２４Ｈのキャビティ９４₁を通して露出されている部分に蓄積することのないように、十分に小さな角度にする。先端部の金属材料のみが開口部５４₁を通過する。先端部金属材料はゲート開口部５４₂（図示せず）も通過し、トラック層２４Ｈのキャビティ９４₂（図示せず）を通して露出された部分に沿って先端金属材料からなる要素（図示せず）が形成される。先端部金属材料からなる要素は下側非絶縁性領域２２と接触しないので、電気的には重要ではない。
先端部の複合層１０４及び密封材料は、被着処理の間にリフトオフ層１００の上に蓄積する。密封材料を衝当させる角度は９０°未満なので、複合層１０４はその厚みが増すにつれて横向きに延在する形となり、先端部１０２₁を形成すべく先端部金属材料が蓄積できるように通過していく開口部を漸次封止してゆくことになる。被着処理は十分に長時間行い、複合層１０４を通して設けられた先端部被着用開口部が完全に封止され、複合層１０４が途切れのない薄膜状となるようにする。従って、先端部１０２₁は、それぞれフィラメント９８を中心部においた円錐形の形状に形成される。また、先端部１０２₁はゲート開口部５４₁に自己整合される。各フィラメント９８及びその上のコーン型の金属先端部１０２₁は複合式電子放出性素子を形成する。
リフトオフ層１００及び複合層１０４は従来の方法で除去される。第９ｇ図に示すのは、その処理の結果形成された構造である。
製造工程の最終段階は、第９ｈ図に示すように、キャビティ９４₁の上のゲート層たる非絶縁層４６Ａのエッジを丸める過程である。エッジを丸める過程は、上述の電解研磨処理によって実施されるのが好ましい。また、第９ｈ図の要素４６Ｂはエッジを丸められたゲート層たる非絶縁層４６Ａの残りの部分である。各キャビティ９４₁及び下の孔９６₁は、対応する電子放出性素子９８／１０２₁用の誘電性開口空間を形成する。孔９６₁はトラック層２４Ｈ上の任意の位置に分散して設けられるので、電子放出性素子９８／１０２₁は非絶縁性領域２２上の任意の位置に設けられることになる。
下側非絶縁性領域２２と、第７図及び第９図の工程によって生成されたコーン型先端部８８Ｄ₁及び１０２₁とを接続させる金属部分は、フィラメントとして記述されてきた。しかし、これらの金属部分は単に金属ペデスタル（pedestal）であっても良く、この金属製ペデスタルは、第５図及び第６図の工程におけるフィラメント３０について述べたフィラメントとしての特徴のような、フィラメント状の細長い形状を有する必要はない。例えば、ペデスタルの長さ（若しくは高さ）はその直径より小さくても良い。第７図若しくは第９図の工程に基づいて変形された第５図及び第６図の工程に基づくゲート制御式電界エミッタの製造において、フィラメントに関して言及されたことについては、ペデスタルに関することに拡張することができる。
第５図及び第６図の工程は、電子放出性素子が単に円錐形状のものからなるようなゲート制御式電界放出性構造を生成するための工程に変形することができる。即ち、下側非絶縁性領域２２と円錐形部分との間にフィラメント若しくはペデスタルは存在しないのである。第１０ａ図〜第１０ｅ図（まとめて“第１０図”）及び第１１ａ図〜第１１ｅ図（まとめて“第１１図”）に示すのは、第５ｆ図及び第６ｆ図に示す構造からこのようなコーン型ゲート制御式面積方向配列型電界エミッタを生成するための一連の工程である。第５ｆ図及び第６ｆ図は、それぞれ第１０ａ図及び第１１ａ図として再度示されている。
ゲート層たる非絶縁性層４６Ａをエッチング用のマスクとして用いることによって、誘電性開口空間１１４₁はゲート開口部５４₁上の下側非絶縁性領域２２に達するまで絶縁性トラック層２４を通してエッチングされる。第１０ｂ図及び第１１ｂ図を参照されたい。誘電性開口空間１１２₂は同様にゲート開口部５４₂上のトラック層２４を通して形成される。誘電性開口空間１１４₁及び１１４₂（まとめて“１１４”）のそれぞれは、ゲート層たる非絶縁性層４６Ａのやや下に至るまで延在する。第１０ｂ図における要素２４Ｍはトラック層２４の残りの部分である。
薄膜マスクであるリフトオフ層１１６は構造体の上に形成され、第１０ｃ図及び第１１ｃ図に示すようにゲート層たる非絶縁性層４６Ａを完全にカバーする形となる。リフトオフ層１１６は、開口部５４に沿ったゲート層たる非絶縁性層４６Ａのエッジにやや覆い被さる形で延在する。リフトオフ層１１６は、第７図の製造工程においてリフトオフ層８６を形成するのに用いられた技術によって形成されるのが好ましい。
コーン型電子放出素子の金属材料は、ゲート開口部５４₁を通してキャビティ１１４₁に導入され、非絶縁性領域２２の上に一般にコーン型の電子放出性素子１１８₁を形成する。第１０ｄ図及び第１１ｄ図を参照されたい。電子放出性コーン１１８₁は、第７図の工程においてフィラメント先端部１０２₁を生成するのに用いられたダブルソース物理的被着技術によって形成されるのが好ましい。ここでは、第７図の工程における先端部金属材料はコーン型の金属要素となる。コーン型金属要素には、ゲート開口部５４₂を通してキャビティ１１４₂の中に金属要素１１８₂を形成するものもある。金属要素１１８₂は下側非絶縁性領域２２と接触していないので、最終的に完成した電界エミッタの電気的な動作に影響を与えることはない。
円錐形の要素であるコーンを被着させる処理の間に、コーン材料と密封材料との複合層１２０が、第９図の製造工程において形成された複合層１０４と同様にリフトオフ層１１６の上に蓄積によって形成される。コーン金属材料がキャビティ１１４の中に入るときに通るコーン被着用開口部は、実質的に均一な形で密封される。この結果、先端部１１８₁はゲート開口部５４₁に自己整合された電子放出性コーンの形に形成される。各コーン１１８₁の基部平均径は、対応するゲート開口部５４₁の平均径と同じか、やや大きい。
リフトオフ層１１６及び複合層１２０は従来の方法で除去される。第１０ｅ図及び第１１ｅ図に示すのは、このような工程の結果形成された構造である。開口部５４₁がゲート層たる非絶縁性層４６Ａ上の任意の位置にあるため、電子放出性コーン１１８₁は非絶縁性領域２２上の任意の場所に存在することになる。電解研磨処理を前述の方法で実施して、ゲート層たる非絶縁性層４６の残りの部分４６Ａのsrエッジを丸めてもよい。
第７図〜第１１図の工程について、リフトオフ層に関するさまざまな改善をなすことができる。キャビティ５６、９４、若しくは１１４が絶縁性トラック層２４の中に形成された後、ゲート層たる非絶縁層４６Ａの上に、一定の角度をもって被着をなすことによってリフトオフ層を生成する代わりに、工程の早い段階でリフトオフ層を設けることもできる。例えば、第５ｂ図におけるトラック層４８を被着する過程の前の、工程の早い段階においてゲート層たる非絶縁性層４６上にリフトオフ層を被着させることができる。ここで、層４６と４８の間にリフトオフ層が設けられている場合、リフトオフ層はトラック層４８に施される処理と同じ処理を施されることになる。ただし、トラック層４８のエッチング処理された残りの部分４８Ａが除去されるとき、リフトオフ層は除去されない。実際、トラック層４８Ａをリフトオフ層として用いることさえ可能である。
別の実施例として、ゲート開口部５４を、開口部５４とほぼ同じ直径のアパーチャ５２ではなく、かなり直径の小さい孔を通してエッチングすることによって生成することができる。第１２ａ図及び第１２ｂ図は、この別の実施例がいかにして実現されるかを、第５ｃ図の構造から開始される形で示したものである。
荷電粒子トラックセグメント５０Ｂが絶縁性トラック層４８を通して生成された後、構造を、絶縁性トラック層４８の損傷を受けた材料の部分に対して損傷を受けていない材料の部分よりも強く作用するエッチング剤に接触させることによって、比較的小さい孔５８₁が生成される。孔５８₁は、第１２ａ図に示すように、非絶縁性層４６に達するまで延びる形で設けられる。比較的小さい孔５８₂（図示せず）も、同様にトラックセグメント５８Ｂ₂に沿って非絶縁性層４６に達する形で生成される。第１２ａ図の要素４８Ｂは、絶縁性層４８の残りの部分である。
次に、非絶縁性層４６の孔５８₁を通して露出された部分が、層４６に対して絶縁性層トラック２４及び４８よりも強く作用する等方性エッチング剤を用いて除去され、トラック層２４にまで達する開口部５４₁が形成される。エッチング処理の等方性のために、開口部５４₁は第１２ｂ図に示すように層４８Ｂのやや下にまで延びる形となる。非絶縁性層４６の開口部５８₂を通して露出された部分も、同時に除去されて、開口部５４₁と同様の方法で開口部５４₂（図示せず）が生成される。要素４６Ａは、非絶縁性層４６の残りの部分である。この段階以降、この構造は上述の第５ｆ図〜第５ｊ図に示すような処理を更に施される。
第１３．１図及び第１３．２図に示すのは、本発明の電界エミッタの製造の開始段階であって、ここでは下側非絶縁性領域２２が、電気的に抵抗性の層２２Ｂと、その下層をなす電気的に導電性の層２２Ａからなる。第１３．２図に示すように、領域２２を形成する各ラインは、層２２Ａ及び２２Ｂの双方の部分からなる。導電性層２２Ａは層２２に関して上述した１または２以上の導電性の材料からなる。抵抗性層２２Ｂは、典型的には、サーメット若しくは低濃度のドーピングをなされた多結晶シリコンで形成される。
第１４．１図〜第１４．４図は、それぞれ、下側非絶縁性領域２２が導電性層２２Ａ及び抵抗性層２２Ｂからなるとき、第５ｊ図、第７ｅ図、第９ｈ図、及び第１０ｅ図の最終的な構造がどのようなものになるかを示したものである。電子放出性素子３０Ｂ、３０／８８Ｄ₁、９８／１０２₁若しくは１１８₁の下端部は、抵抗性層２２Ｂに接触する。各電子放出性素子と層２２Ａの間の抵抗は、少なくとも１６⁶オーム、典型的には１０⁸オーム以上である。
応用例によっては、短絡及びアーキング破損を防止すべくエミッタ電流を制限し、電子放出の均一性を改善するために各電子放出性素子が電気的に抵抗性の部分を有する形にするのが望ましい。抵抗性部分は、下側非絶縁性領域２２と接触するのが好ましい。抵抗性部分の抵抗値は、普通少なくとも１０⁶オーム、好ましくは１０⁸オーム以上である。特定の実施例においては、抵抗性部分の抵抗値は少なくとも１０¹⁰オームである。抵抗性部分は、典型的にはサーメット若しくは低濃度のドーピングをなされた多結晶シリコンからなる。
第１５．１図は、第１ｋ図、第３ｆ図、若しくは第５ｊ図の各電子放出性フィラメント３０Ｂが下側電気的抵抗性部分３０Ｃ及び尖った形状の上側電気的導電性電子放出先端部３０Ｄからなるような実施例を示したものである。第１５．２図は、第１０ｅ図における各電子放出性コーン１１８₁が、下側電気的抵抗性部分１１８Ａ₁及び上側電気的導電性電子放出性部分１１８Ｂ₁からなるような実施例を示した図である。電子放出性素子に抵抗性部分３０Ｃ若しくは１１８Ａ₁を設けた形とすべく、被着によってエミッタを形成する最初の段階では、上述のような材料を用いるのでなく、電気的に抵抗性の材料を用いる。第１図、第３図若しくは第５図のフィラメント３０に対しては、各フィラメント３０の全体若しくは下側の部分かのどちらかが電気的に抵抗性の材料から形成される。同じ処理が第９図のフィラメント９８にも適用される。
本発明の電界エミッタにおける電子放出性コーンは、図面においては簡単なため直円錐（即ち正三角形をその１つの足を中心に回転させた形状）の形状で示されている。しかし、この円錐形の要素であるコーンは常に直円錐とはいくらか異なった表面の形状をなしている。例えば、第９ｈ図のコーン１０２₁については第１６．１図に示すように、及び第１０ｅ図のコーン１１８₁については第１６．２図に示すように、コーンの表面はやや内側に曲がった形状をなす。
第１７．１図〜第１７．４図に示すいくつかの細長い形状のものは、第１ｋ図、第３ｆ図、及び第５ｊ図の電界エミッタの最終的な状態において、フィラメント３０Ｂが呈しうる形状である。第１７．１図及び第１７．２図に示すように、フィラメント３０Ｂはその上端部を除いて中実の円筒形の形状をなしうる。孔２８を逆向きの円筒形の形状に生成するようにトラック５０がエッチングされる場合、フィラメント３０Ｂは、第１７．３図及び第１７．４図に示すように、その横断面が頂端部のすぐ下から下端部に至るまで傾斜をなすような、中実の逆向き円錐形にすることができる。電解研磨処理及びエッチング処理がいかになされるかによって、フィラメント３０Ｂの頂端部における電子放出性先端部は、第１７．１図及び第１７．３図で示されるように丸められた形状か、若しくは第１７．２図及び第１７．４図に示されるように鋭く尖った形状か、どちらかの形にすることができる。
第１８図は、上述した電気化学的なフィラメントの形成処理に用いられる電気化学的被着装置を示している。この電気化学的装置は、電気化学的セル７２及び電力供給及び制御装置７４を有している。電気化学セル７２は、セル電解質７６、周囲の側壁７８、Ｏリング８０、アノード８２、及びカソード８４を含んでいる。カソード８４の一部は、上に金属が被着した構造となっている。カソード８４は下側非絶縁性領域２２を含んでおり、そこに電力供給及び制御装置７４が接続されている。第１８図は、第１図、第３図、及び第５図のプロセスにおけるフィラメントの形成について詳細に示している。
第１８図に示されている電気化学装置は定電流法に従って動作する。別の方法として、定電圧電気化学的被着装置を用いることもできる。
上述した電界エミッタでは、各ゲート開口部は唯一つの電子放出性素子を露出する。別の手法として、本発明に基づき荷電粒子トラックを用い、ゲート電極がこれらの荷電粒子トラックとそれぞれ中心が揃った複数のゲート開口部を有し、各ゲート開口部がそのゲート開口部とグループとして概ね中心が揃った複数の電子放出性素子を露出するようなゲート制御式面積方向配列型電界エミッタを形成することもできる。
第１９ａ図〜第１９ｄ図（まとめて“第１９図”）及び第２０ａ図〜第２０ｄ図（まとめて“１３６”）は、各ゲート開口部５４₁が一群の電子放出性素子を含むようなゲート制御式面積方向配列型電界エミッタを形成するべく、第５ｆ図及び第６ｆ図の中間構造に対して適用することのできる一連の過程を示している。ここで、第５ｆ図及び第６ｆ図を、それぞれ第１９ａ図及び第２０ａ図として再度示す。
第１９図及び第２０図のプロセスでは、各ゲート開口部５４₁は複数の電子放出性素子を露出するため、ゲート開口部５４₁は通常上述した前の形成プロセスに比べてより広くなっている。詳述すると、第１９ａ図及び第２０ａ図における開口部５４₁の平均径の平均は、０．５〜５μｍであり、典型的には１μｍである。開口部５４₁を形成するのにフォトリソグラフィーによるエッチング法を用いるのに較べて、本発明による荷電粒子トラックを使用することは、開口部の平均直径が１μｍ以下のとき特に利点がある。開口部５４₁の平均密度は１０⁶〜１０⁸個／ｃｍ²であり、典型的には１０⁷個／ｃｍ²である。
非絶縁性層４６Ａをマスクとして用い、ゲート開口部５４₁を通じて絶縁性トラック層２４をエッチングし、第１９ｂ図及び第２０ｂ図に示すように、下向きに下側非絶縁性領域２２まで達する対応する誘電性開口空間１２８₁を生成する。ゲート開口部５４₂が非絶縁性層４６Ａに存在する場合、層２４の開口部５４₂を通じて露出された部分もエッチング剤によって蝕刻され、第２０ｂ図にしか示されていないが、対応する誘電性開口空間１２８₂が形成される。これらは絶縁性基板２０に達し、おそらく部分的にその中に入り込む。エッチングは、通常、誘電性開口空間１２８₁及び１２８₂（まとめて“１２８”）が、第１９ｂ図に示すように、概ね均一に層４６Ａの下において横方向に広がるようになされる。しかしながら、開口空間１２８の側壁がそれぞれゲート開口部５４のエッジに揃うようにエッチングしてもよい。何れの場合も、各誘電性開口空間１２８はゲート開口部５４と中心が揃うようにされる。第１９ｂ図及び第２０ｂ図に示されている部材２４Ｐはトラック層２４の残りである。
一群の予め形成された粒子１３０を各誘電性開口空間１２８₁を内に導入し、下側非絶縁性領域２２の上面の開口空間１２８₁の底にあたる部分に比較的均一に分布させる。第１９ｃ図及び第２０ｃ図を参照されたい。この分布過程は、粒子１３０が互いに横方向に離隔し、かつ非絶縁性領域２２に強固に付着して電気的に接続するようになされる。
この分布過程は、通常、粒子１３０を開口空間１２８₁の底面にランダムに分布させる過程と、粒子１３０を非絶縁性領域２２に接着する過程とを含む。電気的に非絶縁性の粒子接着剤（図示せず）によって、粒子１３０は所定の位置に保持される。粒子１３０が実際に領域２２に接触しない程度に、接着剤は粒子１３０を領域２２に電気的に接続する。粒子１３０の平均径の平均は５ｎｍ〜１μｍであり、典型的には１００ｎｍである。
粒子１３０は誘電性開口空間１２８₁内に導入される前においても電子放出性であることが好ましい。しかしながら、粒子１３０を非放出性の状態で開口空間１２８₁内に導入し、その後、接着過程の後または間に電子放出性にすることもできる。どちらの場合も、粒子１３０は電子放出性素子として働く。
一実施例では、非絶縁性領域２２の上面の露出された部分への粒子１３０の分布及びそれに続く粒子１３０の領域２２への接着は、Ｔｗｉｃｈｅｌｌらによる、同時出願の国際出願番号“ＰＣＴ／ＵＳ９４／０９６５０”と対応する１９９４年６月２９日に出願された米国特許出願第０８／２６９，２８３号“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｓｓｉｖｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｈｉｃｈ Ｔｙｐｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔａｉｎ Ｃａｒｂｏｎ”明細書中に記載されているように行われる。粒子１３０は、電気的に非絶縁性のダイアモンド、黒鉛、非晶質炭素、または／及び電気的に非絶縁性の炭化珪素の形態の少なくとも５０原子百分率の炭素を含んでいる。
粒子１３０を開口空間１２８₁内に導入する際、予め形成された粒子の幾つか（図示せず）が、誘電性開口空間１２８₂内にも入ることがある。このようなことが起きても、開口１２８₂の底では電子放出性粒子は基板２０の絶縁性材料に接触するため、デバイスの動作に大きな悪影響を及ぼすことはない。
パターニングされたゲート層４６ａのエッジを丸めるべく電解研磨を行ってもよい。最終的なゲート制御式電界エミッタ装置を第１９ｄ図及び第２０ｄ図に示す。ここでも部材４６Ｂはゲート層４６Ａのエッジを丸められた残りを表す。誘電性開口空間１２８₁はそれぞれゲート開口部５４₁と中心が揃っているため、各開口空間１２８₁内の電子放出性粒子１３０は、グループとして、上に位置するゲート開口部５４₁と中心が揃う。
粒子１３０は炭素以外の材料から形成することもできる。例えば、モリブデンまたは／及びドーピングされた炭化珪素を用いることもできる。粒子１３０を非絶縁性領域２２に予め形成された状態で分布させる代わりに、領域２２上で成長させてもよい。
第２１ａ図〜第２１ｅ図（まとめて“第２１図”）は、各ゲート開口部５４₁が複数の電子放出性素子を含むようなゲート制御式電界エミッタを生成するため、第５ｆ図及び第６ｆ図の中間構造に適用することができる別の一連の処理過程を示している。ここで第５ｆ図を第２１ａ図として再度使用しているが、非絶縁性領域２２がより厚くなっている点が異なる。詳述すると、第２１ａ図の構造では領域２２の厚さは０．１〜２μｍであり、典型的には０．５μｍである。この値は第５ｆ図の構造における値よりも大きい。この例では、ゲート開口部５４₁の平均径の平均は０．５〜５μｍであり、典型的には１μｍである。開口部５４₁の平均密度はここでも１０⁶〜１０⁸個／ｃｍ²であり、典型的には１０⁷個／ｃｍ²である。
絶縁性トラック層２４をゲート開口部５４₁を通してエッチングし、第２１ｂ図に示されているように下向きに下側非絶縁性領域２２まで達する誘電性開口空間１２８₁を形成する。各誘電性開口空間１２８₁内に予め形成された一群の粒子１３０を導入し、開口空間１２８₁の底において領域２２に均一に分布させ、粒子１３０が互いに横方向に離隔し、かつ領域２２に強固に付着して電気的に接続するようにする。第２１ｃ図を参照されたい。この分布過程は上記で説明したように行われる。粒子１３０が開口空間１２８₁内への導入前に電子放出性でない場合、領域２２への接着後または間に電子放出性にすることができる。
粒子１３０によって覆われていない（即ち陰になっていない）非絶縁性領域２２の材料を、領域２２の厚さに達しない程度の深さに除去して、第２１ｄ図に示すように、電気的に非絶縁性のペデスタル１３２を粒子１３０の下にそれぞれ形成する。この除去処理は、上記に示したＴｗｉｃｈｅｌｌらの特許出願に開示されている方法で行われることが好ましい。より詳細には、この除去処理は典型的には粒子１３０をマスクとして用いた領域２２の異方性エッチングまたはミリング処理（milling）を含む。各ペデスタル１３２の側面は垂直に延在するか、または頂部から底部にかけて（即ち下向きに）ペデスタル１３２の底部またはその少し上の点に向かって内向きに傾斜する。
ペデスタル１３２の平均高さは０．１〜２μｍであり、典型的には０．５μｍである。各ペデスタル１３２とその上に位置する電子放出性粒子１３０の組み合わせにより、電子放出性の柱が形成される。第２１ｄ図における部材２２Ｃは下側非絶縁性領域２２の残りである。
ここでもゲート層４６Ａのエッジを丸めるため電解研磨処理を行うことができる。第２１ｅ図は、最終的なゲート制御式電界エミッタを示している。誘電性開口空間１２８₁はゲート開口部５４₁と中心が揃っているため、各開口空間１２８₁内の電子放出性の柱１３０／１３２は、グループとして、上に位置するゲート開口部５４₁と中心が揃う。
第２２ａ〜第２２ｃ図（まとめて“第２２図”）は、第１９ｄ図及び第２０ｄ図と非常によく似た構造を有するゲート制御式面積方向配列型電界エミッタを製造するための手順の一部を示したものである。第２２ａ図に示されている形成段階は、第１９ａ図に示されている形成段階と類似している（従って第５ｆ図に示した段階にも類似している）が、下側非絶縁性領域２２と絶縁性トラック層２４との間のインタフェース部分に沿って、横方向に離隔された粒子１３４の層が配置されている点が異なる。第２２ａ図の構造は、予め形成された粒子１３４を、絶縁性トラック層２４の形成に先だって（即ち、第５ａ図に示した段階と第５ｂ図に示した段階の間に）領域２２の上面に分布させることを除くと、第５図及び第６図の形成過程に従って形成される。
粒子１３４は、それらが非絶縁性領域２２に強固に付着し電気的に接続されるように領域２２上に分布される。この分布過程は典型的には粒子１３４を領域２２全体にランダムに分布させる過程と、続いて粒子１３４を領域２２に電気的に非絶縁性の粒子接着剤（図示せず）を用いて接着する過程とを含む。粒子１３４は、粒子１３０に対して上述したような特性を有することが好ましい。一実施例では、粒子１３４の領域２２への分布は、上述したＴｗｉｃｈｅｌｌらの特許出願に開示されているようになされる。
非絶縁性層４６Ａをマスクとして用い絶縁性トラック層２４をゲート開口部５４₁を通して概ね下向きに下側非絶縁性領域２２に達するまでエッチングし、第２２ｂ図に示すように、対応する誘電性開口空間１３６₁を形成する。粒子１３４のグループ１３４Ａは、従って各開口空間１３６₁の底面において露出される。ゲート開口部５４₂が非絶縁性層４６Ａ内に存在する場合、トラック層２４はゲート開口部５４₂を通してエッチングされ、絶縁性基板２０に達する（おそらく部分的にその中に食い込む）電気的に非導通の誘電性開口空間１３６₂（図示せず）が形成される。誘電性開口空間１３６₁及び１３６₂（まとめて“１３６”）は図示されているように通常ゲート層４６Ａの下において横方向に広がるが、それらの側壁が層４６Ａのエッジと整合するようにすることもできる。
粒子１３４は、下側非絶縁性領域２２上に分布される前に電子放出性であることが好ましい。別の方法として、少なくとも粒子１３４Ａを、誘電性開口空間１３６の形成後を含む後のある時点において電子放出性にすることもできる。何れの場合も、粒子１３４Ａは電子放出性素子として働く。パターニングされたゲート層４６Ａのエッジは電解研磨処理によって丸められる。第２２ｃ図に示されている最終的なゲート制御式電界エミッタは、第１９ａ図のそれと極めてよく似ている。
粒子１３０に関して上述した変形例は、一般に粒子１３４に対しても適用することができる。また、下側非絶縁性領域２２の厚さを増加することにより、第２２ｃ図の構造を第２１ｄ図及び第２１ｅ図に対して説明した過程に従ってさらに処理して、ペデスタルの上に粒子１３４が配置された柱状の電子放出性素子を有するゲート制御式電界エミッタを形成することができる。
第２３ａ図〜第２３ｈ図（まとめて“第２３図”）及び第２４ａ図〜第２４ｄ図（まとめて“第２４図”）は、本発明に基づく荷電粒子トラック及びエミッタエッチング法を用いたゲート制御式面積方向配列型電界放出カソード構造を形成するための過程を示したものである。第２３図及び第２４図の電界放出構造は、典型的には、フラットパネル型テレビジョンスクリーンやビデオモニタのようなフラットパネル型ディスプレイＣＲＴの前面の蛍光体を励起するのに用いられる。
この形成過程の開始点は、広く平坦な上面とこの上面に概ね平行に延在する広く平坦な下面（図示せず）とを有するプレートから通常形成される基板１４０である。第２３ａ図を参照されたい。基板１４０は、通常少なくともその上面に沿って（固有のまたは低濃度ドーピングによる）電気抵抗性半導体材料または／及び電気絶縁性材料を含んでいる。抵抗性の半導体材料は好ましくはシリコンであるが、ゲルマニウムまたはガリウム砒素とすることもできる。絶縁性材料はセラミックまたは／及びガラスである。
第２３ａ図に示されているように、電気的に非絶縁性のエミッタ層１４２が基板１４０の上面に沿って形成されている。エミッタ層１４２は導体を含んでいることが好ましい。より詳細には、導電性を有するようにドーピングされた半導体材料または／及び金属を含んでいることが好ましい。導電性を有するようにドーピングされた半導体材料は、典型的にはｎ型またはｐ型の導電性シリコンであるが、ゲルマニウムまたはガリウム砒素とすることもできる。層１４２の概ね全体が導電性を有するようにドーピングされたシリコンである場合、このエミッタの厚さは０．１〜１μｍであり、典型的には０．２μｍである。層１４２を形成するのに金属が用いられる場合、その金属は典型的にはチタンである。
エミッタ層１４２は、上述した下側非絶縁性領域２２と概ね同様に構成され用いられる。詳述すると、層１３２は典型的には一群の平行なエミッタラインを含むパターニングされた層である。
基板１４０が少なくとも基板上面に沿って電気抵抗性半導体材料を含む場合、エミッタラインは典型的には抵抗性半導体材料に適切な不純物を選択的に添加することにより形成された、導電性を有するようにドーピングされた半導体材料からなる。第２５ａ図は、そのような実施例に対し第２３ａ図の構造において取られた垂直断面図である。第２６ａ図は、エミッタラインが基板１４０の上面の上に形成された金属または導電性を有するようにドーピングされた半導体材料からなる実施例に対し第２３ａ図の構造において取られた垂直断面図である。
電気的に絶縁性のトラック層（またはトラック記録層）１４４は、この構造の上面に形成されている。トラック層１４４の一部は、構造１４０とエミッタ層１４２の両方の上に位置する。層１４４の厚さは０．１〜２μｍであり、典型的には０．５μｍである。この厚さは後に層１４４を貫通して形成されるアパーチャの直径に依存する。層１３４に適した材料は、絶縁性トラック層２４に対して上記したのと同じである。
この構造は、高エネルギー荷電粒子に曝され、それらの粒子は基板１４０の平坦な下面（図示せず）に対し概ね垂直な向きに（従ってこの構造の上面に対しても概ね垂直な向きに）トラック層１４４の上面に衝当する。これらの荷電粒子は層１４４を貫通するのに十分なエネルギーを有しており、層１４４を貫通する直線状のトラックを層１４４の全面にわたってランダムな位置に形成する。第２３ｂ図及び第２４ａ図はこのようなトラックの形成を示している。荷電粒子トラックは、粒子の経路に沿った損傷領域を形成する。
荷電粒子トラックは、第２３ｂ図及び第２４ａ図において、“１４６”で始まる参照符号によって示されている。荷電粒子はエミッタ層１４２も（典型的には基板１４０内へと）通過するが、これらの荷電粒子は層１４２をあまり損傷しないため、層１４２を通る荷電粒子トラックは生成されない。第２４ａ図では、層１４２を典型的に形成するラインのうち２本が点線で示されている。この図に示されているように、これらのトラックは２つのカテゴリーに分類される。即ち、（ａ）層１４４のエミッタ層１４２の上に位置する部分を貫通して延在するトラック１４６₁と、（ｂ）層１４２の横の層１４４の基板１４０上に直接位置する部分を貫通するトラック１４６₂に分類される。
上記の荷電粒子トラック２６と同様に、荷電粒子トラック１４６₁及び１４６₂（まとめて“１４６”）は、互いに平行に概ね構造上面に対し垂直な向きに延在する。トラック１４６はトラック２６と同様の特性を有し、トラック２６に対して用いたのと同様の技術に基づいて形成される。トラック１４６の密度は同様に１０⁶〜１０⁹個／ｃｍ²であり、典型的には１０⁷〜１０⁸個／ｃｍ²である。例示のため、第２３ｂ図及び第２４ａ図にはトラック１４６の一部しか示されていない。
トラック１４６に沿った損傷を受けた絶縁性材料は、トラック層１４４を適切な化学的エッチング剤に接触させることによって除去される。損傷を受けたトラック材料の方が層１４４の損傷を受けていない材料よりもエッチング剤によってより著しく蝕刻される。その結果、エッチングにより、トラック１４６に沿って層１４４を貫通しエミッタ層１４２に達する概ね円形の細孔が形成される。エッチング剤は電界放出構造の他の部分をあまり蝕刻しないことが好ましい。
エッチングは、トラック１４４の概ね損傷を受けていない材料中にまで続けられ、細孔が広げられる。こうして、アパーチャ１４８₁及び１４８₂（まとめて“１４８”）が、それぞれトラック１４６₁及び１４６₂に沿って生成される。第２３ｃ図及び第２４ｂ図を参照されたい。アパーチャ１４８₁は、エミッタ層１４２の上面の対応する部分を露出する。
トラック層１４４を横方向に均一に完全にエッチングすると、各アパーチャ１４８は、第２４ｂ図に示されているように、平面図において概ね円形となる。また、各アパーチャ１４８は対応するトラック１４６と概ね中心を共有する。層１４４の厚さはエッチングの間に減少する。
絶縁性材料のエッチングの第２部は、第１部で用いたエッチング剤を用いてまたは他のエッチング剤を用いて行うことができる。どちらの場合も、構成要素１４０及び１４２は、第２のエッチング処理のあいだにひどく損傷されることはない。トラック層１４４がポリマーからなる場合、どちらのエッチングも、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを用いてなされることが好ましい。
トラック層１４４の厚さが減少された残り１４４Ａの底面に沿って、アパーチャ１４８の平均径の平均は０．１〜２μｍに達し、典型的には０．２μｍである。アパーチャの直径は全てのアパーチャ１４８で概ね同じである。例示のためこれらの平面図では、アパーチャ１４８の横方向寸法はエミッタ層１４４を形成するラインの幅と比較してかなり強調して示されている。
トラック層１４４Ａの基板１４０上に直接位置する部分を貫通するアパーチャ１４８₂は、デバイスの動作に大きく影響することはない。従って、アパーチャ１４８₂についてはこれ以上述べない。また、残りの図面においても図示しない。実際、トラック形成過程またはアパーチャを形成するためのエッチング過程のどちらかで適切なマスクを用いることによって、アパーチャ１４８₂が生成されないようにすることができる。
第２３ｄ図に示されているように、この構造の上面にキャップ層１５０が形成される。キャップ層１５０は、（ａ）アパーチャ１４８₁の底にあたるエミッタ層１４２上に位置する主キャップ領域１５０Ａと、（ｂ）トラック層１４４Ａの上面に位置する付加的キャップ領域１５０Ｂとを含む。キャップ層１５０は、電気的絶縁性材料または電気的非絶縁性材料（または等量の両タイプの材料）によって形成することができる。例えば、エミッタ層１３２が導電性を有するようにドーピングされたシリコンであるとき、層１５０は典型的にはクロムのような金属からなる。
キャップ層１５０は、所望のキャップ材料を蒸着またはスパッタリングすることによって形成することができる。別の方法として、主キャップ領域１５０Ａは、例えば電気化学的被着のような選択被着技術によって形成することもできる。この場合、トラック層１４４Ａ上にキャップ材料は実質的に蓄積しない。即ち、付加的キャップ領域１５０Ｂは形成されない。
キャップ層１５０の厚さはトラック層１４４Ａよりも薄い。詳述すると、キャップ厚さは０．０５〜１μｍであり、典型的には０．２μｍである。第２３ｄ図には示されていないが、微量のキャップ材料が、主キャップ領域１５０Ａ上に、トラック層１４４Ａの側壁に沿って蓄積するかもしれない。これらの側壁のキャップ材料は、このような側壁のキャップ材料が形成され、以下に述べるトラック材料溶解処理においても除去されない程度にまで、領域１５０Ａ及び１５０Ｂの厚さを若干減らすことになるかもしれないが、従来技術に従って除去される。
この構造は、トラック層１４４Ａは溶解するがキャップ層１５０や他の構造要素にはあまり影響しない溶剤に浸される。このエッチング処理の間に、層１４４Ａは全て除去される。付加的キャップ領域１５０Ｂ（存在する場合）は、層１４４Ａの除去過程の間にリフトオフされ、第２３ｅ図に示す構造が形成される。層１４４Ａがポリカーボネートのようなポリマーからなる場合、この溶解過程はクロロホルムを用いて行われる。層１４４Ａがガラスの場合は、希釈されたフッ化水素酸溶液が溶剤として用いられる。残されるキャップ領域１５０Ａはアパーチャ１４８₁内に形成されていたため、キャップ領域１５０Ａはそれぞれ荷電粒子トラック１４６₁の位置と中心が揃う。
続いて、この構造は、エミッタ層１４２は蝕刻するがキャップ領域１５０Ａは蝕刻しないようなエッチング剤によってエッチングされる。このエミッタのエッチングは、（ａ）キャップ領域１５０Ａによって覆われていないエミッタ材料と（ｂ）横方向に隣接する領域１５０Ａの下に部分的に延在するエミッタ材料を均一に除去するように行われ、それによって層１４２内に窪み１５２が形成される。第２３ｆ図及び第２４ｃ図を参照されたい。領域１５０Ａはエッチングの横方向の広がりを制御するエッチングマスクとして働く。エッチング剤は好ましくはリアクティブイオンエッチング剤であることが好ましい。
エミッタのエッチングは、各キャップ領域１５０Ａの下面の大部分をアンダーエッチングするのに十分な長さ行われるが、窪み１５２が基板１４０に達するかあるいは窪み１５２の側壁の頂部が領域１５０Ａの下側において点になるほど長くは行われない。その結果、領域１５０Ａはその位置に維持される。第２３ｆ図における部材１４２Ａはエミッタ層１４２の残りである。残ったエミッタ層１４２Ａの上面に沿って、窪み１５２は先端が切り取られた概ね円錐形状のエミッタ部分１４２Ｂを層１４２Ａ内に画定する。エッチングは均一になされるため、各エミッタ部分１４２Ｂはキャップ領域１５０Ａと中心が揃い、従って上に位置するキャップ領域１５０Ａと整合している。
エミッタ部分１４２Ｂは、層１４２Ａの上面に沿ってエミッタ材料を１または複数の他の材料と反応させることによって鋭くされ、また、これらの材料の化合物からなる層１５４が形成される。第２３ｇ図は結果として得られる構造を示している。部材１４２Ｃはエミッタ層１４２Ａの残りである。この反応過程は概ね円錐形状の電子放出性部分１４２Ｄが層１４２Ｃの上面に沿ってエミッタ材料内に形成されるように十分な量のエミッタ材料を消費する。各エミッタ部分１４２Ｄはキャップ領域１５０Ａの対応する一つに向かう鋭く尖った先端部を有している。
エミッタ部分１４２Ｄは、横から見たとき側面が窪んでいるが、概ねコーン形状をしている。各電子放出性コーン１４２Ｄは上に位置するキャップ領域１５０Ａと中心が揃っており、従って、対応する荷電粒子トラック１４６₁の位置と中心が揃っている。コーン１４２Ｄは平均高さ０．１〜２μｍであり、典型的には０．２μｍである。コーン１４２の底面の直径はキャップ領域１５０Ａの直径と概ね同じであり、従って、アパーチャ１４８₁の直径と概ね等しい。即ち、コーン１４２Ｄの底面の平均径の平均は０．１〜２μｍであり、典型的には０．２μｍである。
化合物層１５４はエミッタ材料の酸化物であることが好ましい。エミッタ酸化物は、通常、高温で、湿ったまたは乾燥した酸素のような酸素含有ガスに構造を曝すことによって生成される。エミッタ層１４２Ｃが導電性を有するようにドーピングされたシリコンである場合、層１５４は酸化シリコンである。同時に、層１４２Ｃが金属の場合、層１５４は金属酸化物である。
この構造の下面に対し概ね垂直な向きに、絶縁性材料の成分を構造の上面に向かって移動させることにより、この構造の上に電気的絶縁性材料を被着させる。第２３ｈ図に示されているように、絶縁性材料からなる部分１５６Ａはキャップ領域１５０Ａ上に蓄積する。絶縁性材料からなる部分１５６Ｂは、化合物層１５４の領域１５０Ａによって覆われていない（陰になっていない）部分の上に蓄積する。絶縁性部分１５６Ａ及び１５６Ｂは合わさって非連続的な絶縁性層１５６をなす。このような絶縁性層１５６の形成は、通常、スパッタリングまたは化学蒸着によってなされる。層１５６は典型的にはシリコン酸化物である。
更に、同様にして、電気的非絶縁性ゲート材料が構造の下面に概ね垂直な向きに構造の上面に被着される。第２３ｈ図に示されているように、ゲート材料の部分１５８Ａ及び１５８Ｂは、それぞれ絶縁性部分１５６Ａ及び１５６Ｂの上に形成される。ゲート部分１５８Ａ及び１５８Ｂは合わさって非連続的なゲート層１５８をなす。このようなゲート層１５８の形成は、典型的にはスパッタリングまたは蒸着によりなされる。層１５８は通常導電体からなり、典型的にはモリブデンのような金属である。層１５８はまた、例えばｎ型またはｐ型の多結晶シリコンのような導電性を有するようにドーピングされた半導体材料から形成することもできる。絶縁性層１５６とゲート層１５８を合わせた厚さは、エミッタコーン１４２Ｄの高さよりも小さい。
キャップ領域１５０Ａは、キャップ領域１５０Ａの下の露出された化合物層１５４は蝕刻するがゲート材料やエミッタ層１４２Ｃはあまり蝕刻しないようなエッチング剤に構造を曝すことによって除去される。例えば、層１５４が酸化シリコンからなる場合、干渉剤を加えられたフッ化水素酸溶液をここでも用いることができる。こうして、層１５４のキャップ領域１５０Ａの下に位置する部分が除去される。その結果、領域１５０Ａは上に位置する絶縁性部分１５６Ａ及びゲート部分１５８Ａと共に除去される。この層１５４のエッチングは通常ゲート部分１５６Ａの若干下側まで達する。第２３ｉ図は、結果として得られる構造を示しており、ここで部材１５４Ａは層１５４の残りである。
エッチング剤は典型的には絶縁性部分１５６Ｂのサイドエッジを蝕刻し、従って残ったゲート部１５８Ｂは若干アンダーカットされることになる。第２３ｉ図における部材１５６Ｃは、部分１５６Ｂの残りである。エッチング剤が層１５６Ｂを蝕刻しなければ、当然であるが、層１５６Ｂは所定の場所に完全に残り、ゲート部１５８Ｂを支持する。
残ったゲート部分１５８Ｂはパターニングされたゲート層を形成する。エミッタコーン１４２Ｄは、パターニングされたゲート層１５８Ｂ内のゲート開口部１６０を部分的に突き抜けて延在していることが好ましい。キャップ領域１５０Ａはそれぞれコーン１４２Ｄと中心が揃っていたため、ゲート開口部１６０はそれぞれコーン１４２Ｄと中心が揃い、整合する。
残った絶縁性部分１５６Ｃ（または１５６Ｂ）は、パターニングされた絶縁性層を形成し、この層を貫通して誘電性開口部１６２が延在する。残った化合物部分１５４Ａが絶縁性材料からなる場合、部分１５４Ａはこのパターニングされた絶縁性層の一部をなす。ゲート開口部１６０と同様に、誘電性開口部１６２は、製造プロセスにおいて起きる自己整合の結果、コーン１４２Ｄと中心が揃っている。各コーン１４２Ｄは、対応する荷電粒子トラック１４６₁の位置と中心が揃っているため、各ゲート開口部１６０及びその下に位置する誘電性開口部１６２も、対応するトラック１４６₁の位置と中心が揃っている。
適切なフォトレジストマスク（図示せず）を用いゲート層１５８Ｂはパターニングされ、エミッタ層１４２Ｃを形成するラインに対し垂直に延在する一群のラインが形成される。第２３ｊ図及び第２４ｄ図は最終的な構造を示しており、ここで部材１５８Ｃはパターニングされたゲート層１５８Ｂの残りである。第２４ｄ図はパターニングされたゲート層１５８Ｃを形成するラインの一つを表したものである。エミッタコーン１４２Ｄは電子放出性素子であり、下に位置する構造要素と協働して、ゲート制御式電界エミッタを形成している。
第２５ｂ図及び第２６ｂ図は、第２３ｊ図及び第２４ｄ図の最終的な構造の典型的な垂直断面図である。第２５ｂ図は、エミッタライン１４２が電気抵抗性半導体材料内に形成された導電性を有するようにドーピングされた領域であるような実施態様を表している。第２６ｂ図は、ライン１４２が基板１４０上に形成された金属または導電性を有するようにドーピングされた半導体材料からなるような実施態様を表している。
上述した本発明に基づく電界エミッタにおける下側非絶縁性領域２２と同様に、第２３ｊ図及び第２４ｄ図の電界エミッタにおけるエミッタ層１４２も下側導電性サブレイヤー及び上側電気抵抗性サブレイヤーとして形成することができる。導電性サブレイヤーは、層１４２に対して上述したような１または複数の導電体により形成することができる。抵抗性サブレイヤーは、典型的には、サーメットまたは低濃度にドーピングされた多結晶シリコンから形成することができる。
第５図及び第６図のゲート制御式電界エミッタを形成するのに用いられたプロセス技術は、ゲート電極上に１または複数の付加的な制御電極を有するゲート制御式面積方向配列型電界放出構造を形成するのに容易に拡張適用することができる。第２７ａ図〜第２７ｌ図（まとめて“第２７図”）を参照されたい。これらの図は、集束用制御電極を有するゲート制御式面積方向配列型電界エミッタがどのようにして製造されるかを示している。この電界エミッタはフラットパネル型テレビジョンに応用するのにも適している。
この電界エミッタは、第２７ａ図に示されているように、上に下側非絶縁性領域２２が形成された絶縁性基板２０の上に形成される。絶縁性層２４、非絶縁性層４６、及び第２絶縁性層４８は、順にこの構造の上に形成される。第２７ｂ図を参照されたい。構成要素２０、２２、２４、４６、及び４８は、全て上記で述べた特徴を有する。
第２７ｂ図に対し説明を続ける。第２の電気的非絶縁性層６０が第２絶縁性層４８の上に形成される。非絶縁性層６０は後に集束電極となる。更に電気的に絶縁性の層６２が層６０の上に形成される。層６２及び６０は、それぞれ絶縁性層４８及び非絶縁性層４６と概ね同じ特性を有する。従って、層６２は絶縁性材料からなり、層６０は金属からなる。
この構造は、基板下面（図示せず）に対し概ね垂直（従って構造の上面に対しても概ね垂直）な向きに移動する高エネルギー荷電粒子に曝される。荷電粒子は層６２、６０、４８、４６、及び２４を通過して下に位置する材料内へと入り、絶縁性層６２、４８、及び２４を通る直線状のトラックを形成する。第２７ｃ図を参照されたい。
第２７ｃ図では、“６４”で始まる参照符号が荷電粒子トラックを示すのに用いられている。各トラックは、（ａ）絶縁性層２４を通るセグメント“６４Ａ”、（ｂ）絶縁性層４８を通るセグメント“６４Ｂ”、及び（ｃ）絶縁性層６２を通るセグメント“６４Ｃ”に分けられる。荷電粒子は、非絶縁性層６０及び４６をあまり損傷しないので、層６０及び４６を通るトラックは形成されない。トラックは２つのカテゴリーに分けられる。即ち、（ａ）層２４、４８、及び６２の下側非絶縁性領域２２の上に位置する部分をそれぞれ通るセグメント６４Ａ₁、６４Ｂ₁、及び６４Ｃ₁（まとめて“６４₁”）と、（ｂ）層２４、４８、及び６２の領域２２上に位置しない部分をそれぞれ通るセグメント６４Ａ₂、６４Ｂ₂、及び６４Ｃ₂（まとめて“６４₂”）に分けられる。トラックセグメント６４₂は図には示されていないが、トラックセグメント５０₂と同様である。即ち、第５図及び第６図のプロセスに対して第５ｃ図及び第５ｅ図において示したセグメント５０Ａ₂及び５０Ｂ₂と同様である。
荷電粒子トラック６４₁及び６４₂（まとめて“６４”）は、互いに平行に、構造の上面に対し概ね垂直な向きに延在する。トラック６４は上述したトラック５０と同じ基本特性を有し、同様にして形成される。
層６２を化学的エッチング剤に接触させることによって、トラックセグメント６４Ｃに沿って絶縁性層６２を貫通し非絶縁性層６０に達する概ね円形の細孔が形成される。このエッチング剤は損傷を受けたトラック６４Ｃの部分を、層６２の損傷を受けていない材料よりもより激しく蝕刻する。これらの細孔は、損傷を受けていない材料内へとエッチングを続けることによって広げられ、それによって、エッチングトラック６４Ｂ₁及び６４Ｂ₂によって生成された細孔に沿ってそれぞれアパーチャ６６₁及び６６₂が生成される。第２７ｄ図を参照されたい。アパーチャ６６₂は図には示されていないが、第６ｄ図に示したアパーチャ５２₂と同様である。
アパーチャ６６₁及び６６₂（まとめて“６６”）を生成するのに用いられるエッチング手順は、アパーチャ５２を生成するのに上記において述べた方法と概ね同様にして均一になされるが、一つ顕著な違いがある。即ち、アパーチャ６６に対するエッチング時間は、アパーチャ５２に対するエッチング時間より幾分か長く、その結果、アパーチャ６６はアパーチャ５２と概ね同じ特徴を有するが、直径がより大きい。詳述すると、絶縁性層６２の残り６２Ａの底面に沿って、アパーチャ６６の平均直径は２０〜４００ｎｍに達し、典型的には１９０ｎｍである。
絶縁性層６２Ａをエッチングマスクとして用い、非絶縁性層６０のアパーチャ６６によって露出された部分が異方性エッチング剤によって除去される。開口部６８₁は、従って、第２７ｅ図に示されているように、層６０の下側非絶縁性領域２２の上に位置する部分を貫通して絶縁性層４８に達するように生成される。同時に、開口部６８₂が、層６０の領域２２の上に位置しない部分を貫通して層４８に達するように生成される。開口部６８₂は図示されていないが、第６ｅ図に示した開口部５４₂と同様である。第２７ｅ図に示されている層６０の残り６０Ａは、この電界エミッタに対するパターニングされた集束電極となる。
開口部６８₁及び６８₂（まとめて“６８”）を形成するのに用いられるエッチング手順は、典型的には第５図及び第６図のプロセスにおいて開口部５４を生成するのに用いられたエッチングと同様にして行われる。その結果、各開口部６８は対応するトラックセグメント６４Ｃの位置と中心が揃う。
こうして絶縁性層４８の上面の一部がトラックセグメント６４Ｂにおいて露出され、この構造を化学的エッチング剤に接触させることによって、セグメント６４Ｂに沿って損傷された絶縁性材料において細孔が生成される。このエッチング剤は損傷を受けたトラック６４Ｂの材料を層４８の損傷を受けていない材料よりもより激しく蝕刻する。エッチングは層４８の損傷を受けていない絶縁性材料内にまで続けられ、細孔が広げられる。こうして、アパーチャ７０₁及び７０₂がそれぞれトラックセグメント６４Ｂ₁の及び６４Ｂ₂に沿って生成される。第２７ｆ図を参照されたい。図示されてはいないが、アパーチャ７０₂は第６ｄ図に示したアパーチャ５２₂と同様である。
絶縁性層６２Ａの厚さ及び横方向長さは、絶縁性層４８が層６２Ａに対し選択的にエッチングされるか否かに依存して、エッチングの間に減少する。第２７ｆ図は層６２Ａがあまり影響を受けない場合の例である。
アパーチャ７０₁及び７０₂（まとめて“７０”）のエッチング手順は、第５図及び第６図のプロセスにおいてアパーチャ５２のエッチングに対し上述したように横方向に均一に行われる。通常、このエッチングの間に、開口部６８に沿って集束用層６０Ａの下側に位置する絶縁性材料の微小部分が除去され、層６０Ａは若干アンダーカットされる。第２７ｆ図における部材４８Ｂは絶縁性層４８の残りである。層６０Ａのアンダーカットを除けば、アパーチャ７０はアパーチャ５２と概ね同じ特徴を有し、ゲート層４６に沿ったアパーチャの平均直径も等しい。
絶縁性層４８Ｂをエッチングマスクとして用い、非絶縁性層４６のアパーチャ７０₁を通して露出された部分は異方性エッチング剤によって除去され、第２７ｇ図に示されているように、絶縁性層２４の下側非絶縁性領域２２の上に位置する部分に達する概ね円形の開口部５４₁が形成される。開口部７０₂を介して露出された層４６の部分も同時に除去され、層２４の基板２０の上に直接位置する部分に達する概ね円形の開口部５４₂（図示せず）が形成される。第２７ｇ図におけるゲート層４６の残りの部分４６Ａは、ここでも電界エミッタに対するゲート電極である。
ここで、開口部５４を生成するのに用いられるエッチング法は、第５図及び第６図のプロセスと同様に行われる。従って、各開口部５４は対応するトラックセグメント６４Ｂの位置と中心が揃う。
ゲート開口部５４を生成するのに用いられる異方性エッチング剤が集束電極６０Ａも激しく蝕刻し得るような典型的な場合、絶縁性層６２Ａは開口部５４が生成された後のある時点において除去される。これは、例えば、第２７ｈ図に示されているように、開口部５４の生成の直後であってもよい。エッチング剤が電極６０Ａをあまり蝕刻しない場合、層６２Ａは、開口部６８の生成（電極６０Ａの画定）過程と開口部５４の生成過程の間に除去することができる。
非絶縁性層６０Ａと絶縁性層４８Ｂが存在することを除くと、第２７ｈ図の構造は第５ｆ図の構造と概ね同じである。第２７ｈ図におけるトラックセグメント６４Ａ₁は、第５ｆ図におけるトラックセグメント５０Ａ₁と同じである。層６０Ａ及び４８Ｂに関するいくつかの付加的な処理に続いて、第２７ｈ図の構造は更に第５ｆ図の構造に対し行われたのと同様に処理される。第２７ｉ図〜第２７ｌ図はそれぞれ第５ｇ図〜第５ｊ図に対応する。第５ｇ図〜第５ｊ図に関連して上記したプロセスに関する説明は、各トラックセグメント“５０Ａ”を“６４Ａ”に置き換えて、第２７ｉ図〜第２７ｌ図に対しても直接適用することができる。
集束電極６０Ａのエッジの下側の絶縁性層４８Ｂの露出された部分は、部分的にエッチバックされる。層４８Ｂ及び２４Ａの特性に依存して、このエッチバックは、多数の孔が形成された絶縁性層２４Ａにキャビティ５６を生成するためのエッチングの際に行われるか、または別個の過程として行われる。第２７ｋ図に示されているように、層６０Ａのエッジは絶縁性層４８Ｂの残り４８Ｃを越えて横方向に延在する。部材２４Ｆは、ここでもトラック層２４Ａの残りである。
集束用層６０Ａのエッジは、通常、ゲート層４６Ａのエッジを丸めるのに用いられる電解研磨過程の際に丸められる。第２７ｌ図における部材６０Ｂは集束用層６０Ａのエッジを丸められパターニングされた残りである。部材４６Ｂは、ここでもゲート層４６Ａのエッジを丸められパターニングされた残りである。同様に、部材３０Ｂはここでも尖端化されたフィラメントである。トラック形成及びエッチングに於けるセンタリングのため、ゲート電極４６Ｂ及び集束電極６０Ｂはどちらもフィラメント３０Ｂに対し自己整合する。
第２７ｌ図における下側非絶縁性領域２２も、上述したように抵抗性層２２Ａ及び上に位置する導電層２２Ｂから形成することができる。また、絶縁性層４８Ｃの上に位置する集束電極を生成するのに用いた過程は、層６０Ｂの上に更に１または複数の制御電極を生成するのに繰り返し用いることができる。このとき、トラック形成及びエッチングの性質によりセンタリングが生じるため、各制御電極をフィラメント３０Ｂに自己整合させることができる。
第２７図のプロセスは、ゲート電極の上に１または複数の制御電極を有しかつ第７ｅ図、第９ｈ図、または第１０ｅ図に示すようなタイプの電子放出性素子を有するゲート制御式電界エミッタを生成するように、変形を加えることができる。この変形は、第７図、第９図、または第１０図に示した過程に従って第５図のプロセスを変形したのと同様に行うことができる。
第２８ａ図〜第２８ｄ図（まとめて“第２８図”）は、第１０図の一連の過程を第２７図の過程に適用することにより、集束電極と円錐形状電子放出性素子の両方を有するゲート制御式面積方向配列型電界エミッタが生成される様子を概ね示している。この変形プロセスの開始は第２７ｇ図であり、ここで第２８ａ図として再度示す。
絶縁性層２４の一部がゲート開口部５４₁を通して露出されており、誘電性開口空間１１４₁が層２４を通って下向きに下側非絶縁性領域２２に達するまで、上述したのと同様に、エッチングが行われる。第２８ｂ図に結果として得られる構造を示す。誘電性開口空間１１４₂（図示せず）も、層２４を通るように、同様に形成される。
集束電極６０Ａのエッジの下側の絶縁性層４８Ｂの露出部分もエッチバックされる。層４８Ｂ及び２４の特性に依存して、このエッチパックは誘電性開口空間１１４を形成するためのエッチング過程の際になされるか、或いは別個の過程としてなされる。層４８Ｂと２４が同時にエッチングされる場合、トラックセグメント６４Ａ₁に沿って損傷を受けた絶縁性材料は通常絶縁性層２４の損傷を受けていない材料よりも大幅に速く蝕刻される。これによって、層４８Ｂのエッチングは軽減され、従って集束用層６０Ａが過度にアンダーカットされるのを避けることができる。何れの場合も、第２８ｂ図における部材２４Ｍは層２４の残りを表す。また、部材４８Ｄは層４８Ｂの残りである。
第２８Ｃ図に示されているように、続いて円錐形状の電子放出性素子１１８₁が誘電性開口空間１１４₁内に形成される。集束電極６０Ａを考慮した様々な技術を用いることができる。例えば、第１０図のプロセスにおいてリフトオフ層１１６を生成したのと同様に、集束電極６０Ａの上にリフトオフ層を生成してもよいが、ただし衝当角度をより大きくし、リフトオフ材料片がゲート層４６Ａのゲート開口部５４₁を通して露出された部分に蓄積するようにする。金属コーン１１８₁を生成するためのこの手順の残りは、続いて第１０図のプロセスに対して上述したのと同様に実行される。リフトオフ層と上に位置するコーン及び被覆材料の複合層とを除去する際、ゲート層４６Ａ上のリフトオフ材料片も上に位置するコーン及び被覆材料の複合体と共に除去される。
ゲート層４６Ａのエッジを丸めるため、上述したのと同様にして、電解研磨過程が実行される。通常、集束電極６０Ａのエッジも同時に丸められる。第２８ｄ図に最終的な構造を示す。ここでも部材４６Ｂ及び６０Ｂは、エッジが丸められた層４６Ａ及び６０Ａの残りである。コーン１１８₁を生成するのに用いられる成膜／リフトオフ技術の均一特性によって、層４６Ｂ及び６０Ｂはどちらもコーン１１８₁に自己整合する。
本発明のゲート制御式電界エミッタは、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおいて用いられるとき以下のように動作する。この場合エミッタ層１４２（第２３ｊ図及び第２４ｄ図の実施例）または下側非絶縁性領域２２（他の実施例）は、ゲート層のラインの下にそれらとクロスする向きに配置されたエミッタラインを含む。アノード（またはコレクタ）構造は、各エミッタの頂部から少し離れた距離に配置される。アノードはゲート及びエミッタラインに対し高電圧に維持される。
（ａ）ゲートラインの中の選択された一つと（ｂ）エミッタラインの中の選択された一つとの間に適切な電圧が加えられると、選択されたゲートラインは、選択された２つのラインの交点に位置する電子放出性素子から電子を引き出し、得られる電子電流の大きさを制御する。所望の大きさの電子放出は、通常、印加されるゲート・エミッタ間の電界強度が、蛍光剤がコーティングされたフラットパネル型ディスプレイの前面において測定されたとき、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度に対し２０ボルト／μｍ以下のときに得られる。引き出された電子はアノードにおいて集められる。集束電極は（存在する場合）、電子ビームを集束する働きをする。
平行なラインにパターニングされた下側非絶縁性領域２２を含む第１ｅ図及び第２ｅ図の構造は、非ゲート制御式電界エミッタとして用いることもできる。ただし、フィラメント３０が孔２８₁から突出し、尖った上端を有していることに利点がある場合が多い。第２９ａ図、第２９ｂ図、第３０ａ図、及び第３０ｂ図を参照されたい。これらの図は、第１ｅ図及び第２ｅ図の構造に対してこれらの２つの目的を達成するべく加えることのできる付加的な過程を示している。
第１の過程は、フィラメントの金属をあまり蝕刻しないエッチング剤によってトラック層２４Ａの厚さを均一に減らすことである。エッチング剤が、基板２０または非絶縁性領域２２をあまり蝕刻しないことが好ましい。第２９ａ図及び第３０ａ図は、このエッチング過程の終わりにおける構造を示している。部材２４Ｂは厚さを減らされたトラック層２４Ａの残りを示している。
続いて、フィラメント３０の上端が、上述したのと同様に、電解研磨過程とエッチング処理を実行することによって尖端化される。電解研磨によってフィラメント３０の上端は丸められ、長さは幾分か短くなる。丸められたフィラメントの端部はエッチングによって尖端化される。第２９ｂ図及び第３０ｂ図に最終的な構造を示す。ここで、フィラメント３０Ａは、尖端化された元のフィラメント３０の残りである。
別の手法として、フィラメント３０を尖端化する前に、トラック層２４Ａの概ね全てを除去してもよい。第３１ａ図、第３１ｂ図、第３２ａ図、及び第３２ｂ図は、第１ｅ図及び第２ｅ図の構造から開始してこの変形手順がどのように行われるかを示している。第３１ａ図及び第３２ａ図に示されているように、トラック層２４Ａが最初に除去される。構成要素２２、２４Ａ、及び３０がそれぞれクロム、ポリカーボネート、及びプラチナである場合、この除去過程は通常層２４Ａをジクロロメタンによって溶解することによって実行される。
続いて電解研磨及びエッチング処理が行われ、第３１ｂ図及び第３２ｂ図に示されているように、フィラメント３０の上端が尖端化される。部材３０Ａは、ここでも尖端化されたフィラメント３０の残りである。
本発明の非ゲート制御式電界エミッタは、以下のように動作する。各電界エミッタの上端からわずかな距離だけ離してアノード構造が配置され、アノードの選択された部分と下側非絶縁性領域２２を形成するラインの中の選択された一つとの間に電圧が印加される。選択されたラインの上に位置する特定のフィラメント３０は電子を放出し、アノード構造において集められる。
“下側”及び“下向き”といった向きを示す用語は、本発明の説明では、本発明の様々な部分がどのように互いに適合しているかがより分かりやすくなるように、基準となるフレームが確立されるよう用いられている。実際には、電界エミッタの構成要素は、本明細書中で用いた向きを示す用語によって示されるのとは異なる向きに配置することもできる。同じことが、本発明に基づいて行われる製造過程についても言える。向きを示す用語は、説明の簡素化という便宜のために用いられているのであり、本発明は、本明細書で用いられた向きを示す用語によって限定的に示されているのとは向きが異なるような実施形態も含むものである。
様々な電子放出性素子及び荷電粒子トラック（またはトラックセグメント）は、長手方向軸（図示せず）を有する。各電子放出性素子は、その長手方向軸について概ね対称である。エッチングについての、トラック層を貫通する荷電粒子トラックに沿って行われるという記述は、除去される材料が占めていた体積がトラック層内においてトラックの長手方向軸の少なくとも一部を含んでいたことを意味する。
本発明を特定の実施例に基づき説明してきたが、これらの説明は例示を目的としたものであって後に示す本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。例えば、本発明のゲート制御式面積方向配列型電子エミッタは、パターニングされたゲート電極の中の選択されたものに、選択された電子放出性素子から電子を引き出すのに十分な電圧が加えられる電界放出モードに基づいて動作するものとして示されている。しかしながら、光電子放出または熱電子放出のような別の機構を用いて電子放出の一部または全てを実現することもできる。そのような実施形態では、ゲート電極の選択された部分は、通常、アノードの対応する部分へと流れる電子流をカットオフするべく電子を収集する。
ある条件の下では、第９図の製造プロセスにおいて円錐形の先端部１０２₁を形成するのに用いられたダブルソース被着法を、シングルソース物理蒸着法で置き換えることもできる。この方法では先端部の材料だけが蒸着される。別の被覆材料は用いられない。第１０図及び第１１図のプロセスにおいてコーン１１８₁の形成に用いられるダブルソース被着法に対しても同様である。
金属で形成する代わりに、先端部８８Ｄ₁、コーン１０２₁及び１１８₁を、例えば導電性を有するようにドーピングされた半導体などの他の導電体によって形成することもできる。構成要素８８Ｄ₁、１０２₁、及び１１８₁は、ゲート層３４、４０、４６、及び１５８とともに、例えば低濃度にドーピングされた半導体のような電気抵抗性材料によって形成することもできる。ゲート層３４、４０、または４６は、領域２２を形成するラインに対し垂直方向に走るラインにパターニングすることもできる。
ゲート電極３４Ｂ、４０Ｂ、４６Ｂ（または４６Ａ）、及び１５８Ｃの各々は、アノードによって引き出された電子の動きを変調するのに用いることができる。このように様々な変形変更が添付の請求の範囲によって画定される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者によってなされ得る。

Claims (15)

1. 電気的絶縁性材料からなる基板と、
   前記基板上に配置された電気的に非絶縁性の材料からなる下側電気的非絶縁性領域と、
   前記下側非絶縁性領域の上に配置された電気的に絶縁性の層と、
   前記絶縁性の層を貫通して前記下側非絶縁性領域まで延在する孔の中に配置され、かつその下端が前記下側非絶縁性領域に接触している電気的に非絶縁性の細長い形状の部材と、を有しており、
   前記細長い形状の部材が２００ｎｍ以下の平均径を有し、かつ、前記細長い形状の部材の長さと最大径の比が、少なくとも５であることを特徴とする電子放出デバイス。
2. 前記下側電気的非絶縁性領域は、電気抵抗性部分と該電気抵抗性部分と前記基板との間に配置された導電性部分とを含み、
   前記抵抗性部分の上に前記絶縁性の層が配置されており、
   前記細長い形状の部材の下端が前記抵抗性部分に接触していることを特徴とする請求項１に記載の電子放出デバイス。
3. 更に、前記絶縁性層の上に配置された、開口部を有する電気的に非絶縁性のゲート層を含み、
   前記開口部が、前記細長い形状の部材から離隔するように、かつ、前記細長い形状の部材と概ね中心が揃うように、前記ゲート層を貫通していることを特徴とする請求項１若しくは２に記載の電子放出デバイス。
4. 前記細長い形状の部材は、前記下側非絶縁性領域から遠ざかる向きに尖った先端部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電子放出デバイス。
5. 前記細長い形状の部材と前記電気的抵抗性部分との間の抵抗が少なくとも１０⁸Ω以上であることを特徴とする請求項２に記載の電子放出デバイス。
6. 前記細長い形状の部材の直径が４ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の電子放出デバイス。
7. 前記細長い形状の部材の直径が１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の電子放出デバイス。
8. 前記細長い形状の部材の直径が５０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の電子放出デバイス。
9. 前記細長い形状の部材の最小径に対する最大径の比が２以内であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の電子放出デバイス。
10. 前記細長い形状の部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の電子放出デバイス。
11. 前記孔および前記細長い形状の部材は、前記基板上に複数配置されており、前記細長い形状の部材は、１０⁵〜１０⁹個／ｃｍ²の密度で配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の電子放出デバイス。
12. 前記絶縁性の層は、無機ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の電子放出デバイス。
13. 前記細長い形状の部材は、０．１〜２μｍの長さを備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の電子放出デバイス。
14. 電子放出デバイスを備えるフラットパネル型のＣＲＴディスプレイであって、前記電子放出デバイスが請求項１乃至１３の何れかに記載の電子放出デバイスであることを特徴とするフラットパネル型のＣＲＴディスプレイ。
15. 前記フラットパネル型のＣＲＴディスプレイは、蛍光体が被覆されたフェースプレートと、該フェースプレートと前記基板との間に設けられた内部支持体とを備えることを特徴とする請求項１４に記載のフラットパネル型のＣＲＴディスプレイ。

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