JP3747291B2 - 材料、特に電子放出デバイスにおける過剰なエミッタ材料の電気化学的除去方法 - Google Patents

Description

利用分野
本発明は部分的に仕上げられた構造物、特にその構造物がフラットパネル型ＣＲＴディスプレイのような製品に適したものである一般にカソードと称される電子放出装置であるときに、材料の不必要な部分を除去する加工を、同じ型の材料の所望の部分を除去することなく行う技術に関するものである。
背景技術
面積型電界放出カソード（又は電界エミッタ）は、十分な強度の電界を受けたときに電子を放出する電子放出素子の群を含む。この電子放出素子は、通常パターンニングされたエミッタ電極層の上に配設されている。ゲート型電界エミッタにおいては、通常パターンニングされたゲート層が、エミッタ層の電子放出素子の上の位置に設けられる。各電子放出素子は、ゲート層における開口部を通して露出されている。ゲート層の選択された部分とエミッタ層の選択された部分との間に適切な電圧が印加されると、ゲート層は電子放出素子の二つの選択された部分の交点から電子を引き出す。
フラットパネルＣＲＴディスプレイ用のゲート型電界エミッタにおける電子放出素子は、円錐形に形成されているものが多い。従来技術に於て、円錐形の電子放出素子を形成するための様々な方法が研究されてきた。ここで図面を参照すると、第１Ａ図〜第１Ｄ図（集合的に第１図）には、例えば、Ｓｐｉｎｄｔらに賦与された米国特許第３，７５５，７０４号に開示されている従来技術の一つが示されている。
第１Ａ図に示す段階では、部分的に加工された電界エミッタが、絶縁性基板２０，エミッタ電極層２２，中間誘電体層２４，及びゲート層２６から成る。ゲート開口部２８は、ゲート層２６を通して延在している。これに対応して、いくらか大きい誘電体開口部３０が、誘電体層２４を通して下向きにエミッタ層２２に達するまで延在している。
リフトオフ層３２は、ゲート層２６の上側表面に対して概ね垂直な軸の周りにリフトオフ材料源に対して構造を回転させながら、ゲート層２６の上側表面をかすめて通る角度で適切なリフトオフ材料を被着させることによって、ゲート層２６の上に形成される。リフトオフ材料の僅かな部分がゲート開口部２８に沿ったゲート層２６のサイドエッジ上に堆積する。これにより、エミッタ層２２を露出するアパーチャの直径が小さくなる。
通常はモリブデンであるエミッタ材料は、エミッタ材料が開口部３２に入る際に通過するアパーチャが次第に閉じるように、構造の上部に被着され誘導体開口部３０の中に被着される。米国特許第３，７５５，７０４号には、モリブデン−アルミナ複合材料の同時並行被着について記載されており、ここでは、ゲート層２６の上側表面をかすめて通る角度で被着が行われ、これがエミッタ材料が開口部３０に入る際に通過するアパーチャを閉じる助けとなる。概ね円錐形の電子放出素子Ａは、このようにしてエミッタ層２２の上の複合開口部２８／３０内に形成される。第１Ｃ図を参照されたい。エミッタ／クロージャ材料の連続層３４Ｂは、ゲート層２６の上部を成す。リフトオフ層３２は、続いて除去され、過剰なエミッタ／クロージャ材料層３４Ｂを剥離する。第１Ｂ図に示すのはこの加工の結果得られた構造である。
過剰なエミッタ／クロージャ材料層３４Ｂを除去するためにリフトオフ層３２を使用することは、様々な理由で不利益である。ゲート層２６のエッジに沿ったリフトオフ材料の部分の存在により、電子放出素子３４Ａを小さく形成することが困難になり得る。また、リフトオフ層３２の形成時と同様に、本体部の上側表面に対して概ね垂直な軸の周りに本体部を被着源に対して回転させつつ、本体部をかすめて通る向きに被着を行うことは、本体部の横方向の面積が大きくなるにつれますます困難となる。この結果、リフトオフ層３２を使用することは、電界エミッタの横方向の面積を拡大するための障害となる。
リフトオフ材料の被着は、リフトオフ材料がエミッタ層２２の上に蓄積して、過剰な層３４Ｂの剥離の間に円錐形の部分であるコーン３４Ａが剥離しないようにするべく注意深く行わなければならない。層３４Ｂが、除去するリフトオフ層３２の人為構造物として除去されるので、除去されたエミッタ材料の粒子が、電界エミッタを汚染してしまうことがあり得る。さらに、リフトオフ材料の被着に時間がかかり、コストが高くなる。従って円錐形電子放出素子を備えたゲート型電界エミッタの製造においては、リフトオフ層を使用することなく過剰なエミッタ材料を含む層を除去するための技術が必要となる。
発明の概要の開示
本発明は、上述のような技術をその範囲に含む。本発明においては、構造からある材料の除去を行うが、除去される材料と化学的な型が同じである他の材料に対して著しい化学的作用を及ぼしたり除去したりすることなく除去を行うために電気化学的技術を用いる。
本発明による材料の電気化学的除去方法では、リフトオフ層を使用する必要はない。通常プロセシングステップの数は少なくなり、これによって製造にかかる時間とコストが節約できる。本発明の電気化学的技術を用いて、電子放出素子を形成するために、ゲート層における開口層を通してのエミッタ材料の被着時に電子エミッタのゲート層に蓄積するエミッタ材料の除去を行う場合、リフトオフ層の使用に伴って発生し得るエミッタ材料の粒子による汚染の問題が回避される。
本発明によって、電子放出素子のサイズを縮小したり電子エミッタの横方向の面積を拡大するときにリフトオフ層を使用した場合に生ずる問題を回避できる。リフトオフ層の使用のために電子放出素子が剥離してしまう可能性は、本発明においては回避される。従って、本発明の電気化学的除去技術により、効率的且つ経済的に電子放出素子を製造することが可能となる。
本発明の電気化学的除去の手順では、第１ステップとして、少なくとも部分的に第１の材料から成る第１の電気的に非絶縁性の層が、電気的に絶縁性の層の上層を成している構造から開始される。以下の「非絶縁性」なる用語は、導電性あるいは電気的に抵抗性であることを意味する。第１非絶縁性層は、例えば電子エミッタにおける電子放出素子の形成のためにエミッタ材料の被着を行う間に堆積する過剰なエミッタ材料を含む層であり得る。
開口部は絶縁性層を貫通して延在する。少なくとも部分的に第１の材料からなる非絶縁性部、例えば電子放出素子は、少なくとも部分的に開口部の中に入った形態で設けられている。このように編成された所与の構造において、非絶縁性部が露出されるように、第１非絶縁性層の第１材料の少なくとも一部分が、非絶縁部の第１材料には著しい化学的作用を及ぼすことなく電気化学的に除去される。
電気化学的除去操作は、通常、構造物が入れられる電解液をその中に含む電気化学セルを用いて実行される。電気化学セルの操作は、作用電極導線及び第１対電極導線を備えた制御システムによって調節される。作用電極導線は、第１非絶縁性層に電気的に接続される。第１対電極は、非絶縁性部に電気的に接続される。制御システムは、通常、始めの構造から分離された電解液の中に少なくとも部分的に入れられた対電極に電気的に接続された第２の対電極導線も有する。第２対電極導線及び対電極は、第１対電極導線に対して一定の電位、一般的にはゼロに維持される。
始めの構造物は、通常第２非電気的非絶縁性層、例えばゲート層を有し、これは第１非絶縁性層と絶縁性層との間に配設される。絶縁性層を貫通している開口部に連続した開口部が、第２非絶縁性層を貫通して延在している。非絶縁性部は、第２非絶縁性層からも離隔されている。この構造が第２非絶縁性層を含むとき、電気化学的除去過程は、除去ステップの間に、第２非絶縁性層が実質的に化学的作用を受けない形で実施される。また、第１対電極導線は、通常、絶縁性層の下に設けられた下側非絶縁性領域、例えば下側エミッタ領域により非絶縁性層に接続される。
詳述すると、本発明の電気化学的除去技術を、ゲート型電子エミッタの製造において使用する場合には、始めに、非絶縁性ゲート層が、下側電気的非絶縁性エミッタ領域の上に設けられた絶縁性層の上層を成している構造が提供される。多数の複合開口部は、ゲート及び絶縁性層を貫通する形で設けられ、下側エミッタ領域に達している。この開口部に対応する多数の電子放出素子は少なくとも部分的に非絶縁性エミッタ材料から成り、それぞれ複合開口部に配設されている。各電子放出素子は、下側エミッタ領域に電気的に接続されているが、ゲート層からは離隔されている。
少なくとも部分的に主たるエミッタ材料から成る過剰層は、ゲート層の上層を成し、それに電気的に接続されている。ゲート層の場合と同様に、エミッタ材料の過剰層は、各電子放出素子から離隔されている。エミッタ材料からなる過剰層は、電子放出素子を形成するための、複合式開口部への主たるエミッタ材料の被着処理の副産物として形成される。
本発明の電気化学的除去手順を用いて、電子放出素子の主たるエミッタ材料に著しい化学的作用を与えず、且つゲート層に実質的に化学的作用を及ぼさずにエミッタ材料の過剰層の少なくとも一部分、通常は全てを除去する。特に、電子放出素子の主たるエミッタ材料に化学作用を及ぼさないという本発明の電気化学的技術の選択性は、ゲート層に作用を及ぼさないような選択性より著しく高いものである。
好適実施例では、主たるエミッタ材料は、主としてモリブデンから成り、ゲート層は、クロムかニッケル、またはその両方からなる。作用電極は、規定水素電極を基準にして０．４〜１．０ボルトの範囲の概ね一定の駆動電位に維持される。この電解液は、０．００５〜０．５モルの金属水酸化物及び０．０５〜３．０モルの金属硝酸塩を含む。水酸化物及び硝酸塩の両方に対して用いられる金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムの内の１又は２以上である。この材料及びパラメータの選択は、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイの大面積型電子エミッタの製造に特に適するものである。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図〜第１ｄ図は、電子エミッタにおける電子放出素子を生成するための従来のプロセスにおける各工程における構造の断面図である。
第２ａ図〜第２ｃ図は、ゲート式電界エミッタにおける円錐型電子放出素子を形成するための、本発明の電気化学的技術に基づいたプロセスにおける各工程の構造の断面図である。
第３図は、第２図の手順において使用されるポテンシオスタット式電気化学セルの模式的な断面図である。
第４図は、第３図に示す型のポテンシオスタット式電気化学セルにおいて、ある金属を電気化学的に除去するためのセル電流を、駆動電圧の関数として示したグラフである。
第５ａ図〜第５ｄ図は、第２図のプロセスシーケンスの実施例の各ステップにおける構造の断面図である。
第６ａ図及び第６ｂ図は、第５ｃ図及び第５ｄ図の各構造の配置図である。第５ｃ図の断面は、第６ａ図における面５ｃ−５ｃで切った断面である。第５ｄ図の断面は、第６ｂ図における面５ｄ−５ｄで切った断面である。
第７図は、第２図のプロセスシーケンスの別実施形態に基づいて製造された構造の断面図である。
第８図は、本発明により形成された電子放出素子を備えたゲート型電界エミッタを含むフラットパネル型ＣＲＴディスプレイの構造の断面図である。
図面及び好適実施例の説明において、同一の或いは非常に類似したものについては同一の符号を付して示してある。
好適実施例の説明
本発明では、電気化学的技術を用いて、ゲート式電界放出カソード用の電子放出素子の形成に際して過剰なエミッタ材料を取り除く。このような電界エミッタは、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、又はワークステーション用のフラットパネルビデオモニタやフラットパネル型テレビのようなフラットパネル装置のＣＲＴにおけるフェースプレート上の励起燐光体領域に適するものである。
以下の説明において、「絶縁性」（又は「誘電性」）なる用語は、１０¹⁰Ω−ｃｍより大きい抵抗率を有する材料を意味する。「非絶縁性」なる用語は、抵抗率が１０¹⁰Ω−ｃｍ以下の材料を意味する。非絶縁性の材料は、（ａ）抵抗率が１Ω−ｃｍ未満である導電性材料と、（ｂ）抵抗率が１〜１０¹⁰Ω−ｃｍの範囲にある電気的に抵抗性の材料に分けられる。これらのカテゴリは、１Ｖ／μｍ以下の電界強度において決定されるものである。
導電性材料（又は導電材）の例には、金属、金属−半導体化合物（例えば金属ケイ化物）、及び金属−半導体共融混合物がある。導電性材料には、中或いは高濃度にドーピングされた（ｎ型又はｐ型）半導体も含まれる。抵抗性材料には、真性の及び低濃度でドーピングされた（ｎ型又はｐ型）半導体が含まれる。更に、抵抗性材料の例には、（ａ）サーメット（金属粒子埋め込まれたセラミック）のような金属−絶縁体複合物、（ｂ）グラファイト、アモルファスカーボン、及び変性（例えばドーピング又はレーザー変性）ダイヤモンドのような形態の炭素、（ｃ）シリコン−炭素−窒素のようなシリコン−炭素化合物がある。
本発明の電気化学除去技術の実行において使用される電位の値は、便宜上、ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｓの標準水素電極のスケールに基づいて定義される。この標準は、本明細書では規定水素電極（Normal Hydrogen Electrode）と称する。
第２ａ図〜第２ｃ図（集合的に第２図）は、ゲート式電界エミッタ用の電子放出素子の形成において過剰なエミッタ材料を取り除くために、本発明に基づく電気化学技術がどのように利用されるかを示した図である。第２図の手順における開始点は、通常セラミック又はガラスで形成された絶縁性基板４０である。第２ａ図を参照されたい。基板４０は、フィールドエミッタに対する支持を与えるものであり、板状に形成されている。フラットパネルＣＲＴディスプレイにおいて、基板４０はバックプレートの少なくとも一部を構成する。
下側非絶縁性エミッタ電極領域４２は、基板４０の上に設けられる。後に説明するように、下側非絶縁性領域４２は、通常下側導電性層及び上側抵抗性層と共に形成される。下側導電性層は、ニッケル又はアルミニウムのような金属からなる。上側抵抗性層は、サーメット又はシリコン−炭素−窒素化合物で形成される。
下側非絶縁性領域４２は、様々な方法で形成され得る。非絶縁性領域４２の少なくとも一部分は、通常列電極とも称される概ね平行なエミッタ電極ラインの群にパターニングされる。非絶縁性領域４２がこのように形成される場合、最終的な電界放出カソードは、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイにおける発光燐光体素子用として特に適切なものとなる。それでもなお、非絶縁性領域４２を別のパターンに編成したり、パターニングしないことすら可能である。
概ね同種の電気的に絶縁性の層４４は、エミッタ／ゲート電極間誘電体としての役目を果たし、構造の上部に設けられる。絶縁性層４４の厚みは通常０．２〜３μｍの範囲である。詳述すると、層４４は、２００ｎｍ〜５００ｎｍの厚みを有し、典型的な厚みは３００ｎｍである。絶縁性層４４は通常酸化シリコン又は窒化シリコンからなる。第２ａ図には示されていないが、絶縁性層４４の一部は、下側非絶縁性領域４２の形状に応じて基板４０に接触し得る。
電気的に非絶縁性のゲート層４６は、選択されたゲート材料からなり、電極間誘導体層４４の位置に配設されている。ゲート層４６は、通常３０〜５００ｎｍの厚みを有し、詳述すると、３０〜５０ｎｍ、典型的には４０ｎｍの厚みを有する。ゲート材料は、通常金属、好ましくはクロムかニッケル、或いはその両方である。ゲート材料の別の候補には、モリブデン、白金、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、及びチタン−タングステンがある。
ゲート層４６は、下側非絶縁性領域２２のエミッタ列電極に対して垂直な方向に延びるゲートラインの群にパターニングされ得る。ゲートラインは列電極としての役目を果たす。ゲート層４６に成された適切なパターニングにより、電界エミッタは、層４６の一部に属し、行電極に対して垂直に延在する分離された列電極を備える形にすることもできる。多数の概ね円形の開口部４８は、ゲート層４６を通して延在する。ゲート開口部４８の直径は、その開口部４８がどのように形成されたかに応じて変わってくるが、ゲート開口部の直径は、通常０．１〜２μｍの範囲である。詳述すると、ゲート開口部の直径は１００〜４００ｎｍ、典型的には３００ｎｍである。
多数の概ね円形の誘電性開口部（又は誘導性開口空間）５０は、絶縁性層４４を通して延在し、下側エミッタ領域４２に達している。各誘電性開口部５０は、対応するゲート開口部４８の１つと垂直方向に位置合わせされており、下側非絶縁性領域４２の一部を露出する複合開口部４８／５０を形成している。各誘電性開口空間５０は、対応するゲート開口部４８より幾らか幅が広く形成されている。この結果、絶縁性層４４は、複合開口部４８／５０に沿ってゲート層４６へのアンダーカットを形成する。
層４４及び４６に複合開口部４８／５０を形成するために様々な技術を利用することができる。例えば、開口部４８／５０は、通常フォトレジストであるマスクにおけるアパーチャを通してゲート層４６をエッチングしゲート開口部４８を形成して、次いで開口部４８を通して絶縁性層４４をエッチングし誘電性開口空間５０を形成することにより、形成することができる。複合開口部４８／５０も、ＭａｃａｕｌａｙらによるＰＣＴ特許出願ＷＯ９５／０７５４３に記載のエッチングされた荷電粒子トラックを用いることにより形成され得る。
マイクロマシニング又は選択的エッチング技術で、上に引用した米国特許第３，７５５，７０４号に記載されている型の技術を用いて、複合開口部４８／５０を形成することができる。異なる命名法及び異なる材料を仮定して、開口部４８／５０を、Ｓｐｉｎｄｔらによる“Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｍｉｃｒｏ−Ｓｉｚｅ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｕｂｅｓ”ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆ．Ｒｅｃ．１９６６ Ｅｉｇｈｔｈ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｔｕｂｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２０ Ｓｅｐｔ．１９９６，ｐａｇｅｓ １４３−１４７に記載された球体ベースの手順（sphere-based procedure）に従って形成することができる。
非絶縁性エミッタコーン材料は、絶縁性層４４（又はゲート層４６）の上側表面に対して概ね垂直な向きで、構造の上部に蒸着される。エミッタコーン材料はゲート層４６上に堆積し、ゲート開口部４８を通過して誘電性開口空間５０内の下側非絶縁性領域４２の上にも堆積する。ゲート層４６上へのコーン材料の体積のために、コーン材料が開口空間５０に入るときに通過する開口部は次第に閉じてしまう。蒸着はこれらの開口部が完全に閉じるまで行われる。この結果、コーン材料は誘電性開口空間５０内に蓄積して、第２ｂ図に示すように対応する円錐型電子放出素子５２Ａを形成する。コーン材料の連続層（ブランケット層）５２Ｂは、ゲート層４６上に同時に形成される。
エミッタコーン材料は通常金属であり、ゲート層４６がクロム及び／又はニッケルからなる場合は好ましくはモリブデンである。コーン材料の他の候補には、ニッケル、クロム、白金、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、チタン−タングステン、及び炭化チタンがあり、これらはコーン材料がゲート材料とは異なるという条件の下で用いられる。
適当なフォトレジストマスク（図示せず）を用いて、部分的に加工された電界放出構造の横方向の周辺部に沿った過剰なエミッタ材料層５２Ｂが除去される。この結果、ゲート層４６の一部、即ちゲート層４６を形成するゲートラインの一部又はゲート部分、及び／又はゲートライン又はゲートの一部に接触する分離された列電極の一部（それが存在する場合）が、電界エミッタの横方向の周辺部に沿って露出される。ゲートライン又はゲートの一部分の選択された内部の部分及び／又は列電極も、通常マスクを用いたエッチングの際に露出される。
ここで、第３図に模式的に示されているようなタイプのポテンシオスタット式電気化学システムを用いて、第２ｂ図に示すようなエッチングされた構造に対して電気化学的除去操作が行われる。第３図の符号５２Ｃで示されているものは、前の段落に記載されているマスクを用いたエッチング処理の後、残った過剰なエミッタ材料層５２Ｂの一部である。電気化学的操作の際、過剰なエミッタ材料層５２Ｃは、円錐（コーン）型電子放出素子５２Ａに対して著しい化学的な作用を及ぼすことなく、且つパターニングされたゲート層４６及び（存在する場合）分離された列電極に対して化学的作用を及ぼすことなく除去される。
ゲート層４６及びオプションで設けられる分離された列電極の量の僅かな損失は通常許容範囲であり得る。しかし、コーン５２Ａが比較的僅かな量除去されても、それは大きな害になり得る。従って、本発明の電気化学的除去技術は、コーン５２Ａのエミッタ材料の除去に対する過剰な層５２Ｂのエミッタ材料の除去の選択性が、ゲート材料及び（存在する場合）分離された列電極の材料の除去に対する過剰な層５２Ｂのエミッタ材料の除去の選択性より著しく高いような形で行われる。つまり、コーン５２Ａのエミッタ材料を除去しない選択性が、ゲート材料を除去しない選択性及び、分離された熱電極を使用する場合には列電極材料を除去しない選択性の双方よりずっと高いものなのである。
電気化学システムは、電気化学セル６０及びセルの動作を調節するポテンシオスタット式の制御システム６２を備えた形で形成される。電気化学セル６０は、電解液６４、周囲の壁部６６、Ｏ−リング６８、対電極７０、及び基準電極７２からなる。電界液６４は部分的に加工された電界エミッタの上部に沿った過剰なエミッタ材料層５２Ｃ及びゲート層４６に接触する。Ｏ−リング６８は、電解液６４が壁部６６の底の部分でセル６０から漏れるのを防ぐ。
対電極７０は通常白金であり、電極液６４に沈められ、過剰なエミッタ材料層５２Ｃと平行に延びた形で設けられる。基準電極７２は通常銀／塩化銀であり、電界液６４の中の好ましくは層５２Ｃの近傍に配置される。
制御システム６２は作用電極端子ＷＥ、基準電極端子ＲＥ、及び対電極端子ＣＥを有する。セル６０は作用電極導線７３、基準電極導線７４、第１対電極導線７５、及び第２対電極導線７６により制御システム６２に接続される。導線７３〜７６は全て通常銅のワイヤからなる。
作用電極導線７３は、第３図に示すように直接か、或いは分離された列電極によりライン／ゲート層４６の一部分に接続される。導線７３は通常第３図に示すようにセル６０の外部において電気的接続をなす。ゲート層４６は過剰なエミッタ材料層５２Ｃに接触しているため、層４６及び５２Ｃそして（存在する場合には）分離された列電極の組み合わせによりセル６０用の作用アノード電極が形成される。基準電極導線７４は、基準電極７２に接続される。
第１対電極導線７５は、セル６０の外部に沿った下側非絶縁性領域４２のエミッタ電極ラインに接続される。第２対電極導線７６は、通常第１対電極導線７５と対電極７０とを接続する。この結果、対電極７０及び導線７６は通常導線７５と同じ電位となる。それにもかかわらず、導線７６更には対電極７０を導線７５に対する、選択された異なる電位Ｖ₂₁に維持するために、電圧源７８（第３図において波線で示されている）が導線７５と７６との間に挿入され得る。電圧源７８が存在する場合、電位Ｖ₂₁は正又は負の何れかであり得る。しかし、電子放出コーン５２Ａの電位は、過剰層５２Ｃからのエミッタ材料がコーン５２Ａまでめっきしてしまう程、負の方向に高いものであってはならない。
電気化学セル６０は、ポテンシオスタット（定電位）モードで動作する。基準電極７２は、再現性の高い固定された基準電位Ｖ_Rを供給する。電極７２が銀／塩化銀基準電極であるとき、基準電位Ｖ_Rは規定水素電極に対して０．２１Ｖである。
ポテンシオスタットは、過剰なエミッタ材料が電気化学的除去プロセスの際に除去される場合である過剰層５２Ｃにおいて基準電極７２に対して一定の陽極電位Ｖ_Aを供給するための制御システム６２として使用される。規定水素電極を基準にして、過剰エミッタ材料層５２Ｃの電位Ｖ_WEはＶ_A＋Ｖ_Rである。
電子放出コーン５２Ａが下側エミッタ領域４２に接触している限り、コーン５２Ａ及び領域４２は、作用電極に対して負の電位にある。同様に対電極７０は作用電極に対して負の電位にある。コーン５２Ａ、下側エミッタ領域４２、及び対電極７０はセル６０のカソードとしての役目を果たす。
コーン５２Ａに過剰層５２Ｃのエミッタ材料がモリブデンであり、パターニングされたゲート層４６及び隣接する列電極（存在する場合）の材料がクロム及び／又はニッケルである場合には、電解液６２は好ましくは、
ａ． ０．００５〜０．０５（好適には０．０１）モル／リットルモル濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、及び
ｂ． ０．００５〜３．０（好適には２．０）のモル濃度の窒化ナトリウム（ＮａＮＯ₃）
を成分として含む水溶液である。好適な０．０１モルのＮａＯＨ及び２．０モルのＮａＮＯ₃の値では、印加される電位Ｖ_Aは、制御システム６２で適切な値に設定され、セル駆動電位Ｖ_WEが規定水素電極を基準にして０．４〜１．０Ｖの範囲、典型的には０．８Ｖの値に固定される。対電極−ブロッキングの電位差Ｖ₂₁は、好ましくはゼロである。
電気化学セル６０を前述の条件で作動させることにより、過剰なエミッタ材料層５２Ｃが構造の上部から電気化学的に除去される。特に、陽極電位Ｖ_WEにより供給される駆動力によって、過剰層５２Ｃにおけるモリブデンが、典型的にはＭｏ⁶⁺イオンとして、電解液６４の中に陽極酸化により溶解することになる。窒化ナトリウムを用いて層５２Ｃにおけるモリブデンが酸化し、これによって電界放出構造から除去される速度が調節される。ＮａＮＯ₃の溶解により生成されるＮＯ₃ ⁺イオンは酸化剤としての役目を果たす。ＮａＮＯ₃濃度が上昇することにより、層５２Ｃにおけるモリブデンが酸化される速度、及びその逆反応の速度が増加する。水素イオン（Ｈ⁺）の還元が対電極７０で起こり、水素ガスが発生する。
対電極導線７５に接続されたコーン５２Ａの表面では化学作用は実質的に起こらない。陽極電位Ｖ_WEに対する、導線７５上の低い陰極電位により、コーン５２Ａの中のモリブデンが溶解することが防止される。
誘電体開口部５０を通して露出されている下側エミッタ領域４２のカバーされていない部分に沿って、幾つかの化学反応が発生し得る。しかし、エミッタ領域４２のこれらのカバーされていない部分に沿って生ずる化学作用のレベルは極めて低い。
電気化学除去セルにおいては、（正の）陽極電流Ｉ_WEは、作用電極を通して流れ、これは電解液と駆動電位を受けて構造から電気化学的に除去される材料の除去速度を表すものである。この除去速度は、通常陽極電流Ｉ_WEが増加するにつれ大きくなる。
好適な０．０１モルＮａＯＨ及び２．０モルＮａＮＯ₃値における上述の好適なＶ_WE電位の範囲は、モリブデン、クロム、及びニッケルの試験片を取り除くように分離した形で合成された電気化学セル用として、陽極極性化曲線（電流Ｉ_WEを印加される駆動電位Ｖ_WEの関数として示した曲線）を実験的にモニタリングすることにより決定した。第４図には、実験結果が示されており、駆動電位Ｖ_WEが規定水素電極を基準にして０．４〜１．０Ｖの範囲にあるとき、クロム及びニッケルに対する除去速度が、モリブデンに対する除去速度と比較して非常に小さいことが示されている。
第５図には、電界エミッタが、パターニングされたゲート層４６と接触する分離列電極８０を備えている場合の、第３図のプロセスシーケンスの実施例が示されている。第５ａ図が示すのは、図面の平面に対して垂直な方向に延在する列電極８０の一実施例である。列電極アパーチャ８２の群は、その１つが第５ａ図に示されており、各列電極８０を通して延在する。各列電極アパーチャ８２は、多数の複合開口部４８／５０を露出している。第５ａ図における下側非絶縁性領域４２のエミッタ電極ラインは、図面の面に対して平行な方向に延在する。
第５ｂ図には、コーン５２Ａ及びブランケット過剰エミッタ材料層５２Ｂを被着した後の部分的に加工された電解放出構造の外観が示されている。過剰層５２Ｂは、列電極アパーチャ８２を通して以前に露出されていたゲート層４６の部分への接触しているだけでなく、列電極８０及び絶縁性層４４の一部の上にも達している。
第５ｃ図には、マスクを用いたエッチングを行って、構造の横方向の周縁部に沿って配置された過剰なエミッタ材料を含む、過剰エミッタ材料層５２Ｂの一部分を除去した後、構造物がどのような外形を呈しているかが示されている。過剰層５２Ｂの残った部分は、ゲート層４６の対応部分の対応する一部の上層をなす矩形の島状部の群５２Ｃからなる。第５Ｃ図の構造の配置図（平面図）は、第６図に示されている。過剰エミッタ材料島状部５２Ｃの形成において用いられるフォトレジストマスクを形成するために、パターニングされたゲート層４６を形成するためにゲート材料のパターニングにおいて使用するのと同一の十字線（rectile）を用いることによって、各島状部５２Ｃの外側境界部は、ゲート層４６の下層をなす部分の外側境界部と垂直方向に概ね位置合わせされる。
第５ｄ図に示すのは、各島状部５２Ｃを電気化学的に除去した後の構造の外観である。第５ｄ図に示すように、層５２Ｃの除去の際、ゲート層４６及び列電極８０の何れもが化学的作用を受けていない。同様に、電気化学的除去操作の際に、コーン５２Ａも著しい化学作用を受けず、（受けたとしても）コーン５２Ａに対する作用は、層４６及び電極への（ごく僅かの）作用レベルに満たない。第５ａ図の構造に対応するレイアウト図は、第６ｂ図に示されている。
第５図に示すプロセスシーケンスでは、列電極８０が、パターニングされたゲート層４６の一部の上に配置される。別形態として、ゲート層４６が、列電極の一部の上にくるようにすることもできる。第７図には、ゲート層４６が、図面の平面に対して垂直な向きに延在する列電極８４の群の上に部分的に延在しているような別実施例が示されている。第７図における波線で示す符号５２Ｄを示す部分は、マスクを利用したパターニングエッチングの後の、過剰エミッタ材料層５２Ｄの残りの部分である。過剰層５２Ｄの形状は、第５ｃ図のプロセスシーケンスにおける過剰層５２Ｃの形状と概ね同じである。
第８図に示すのは、本発明によって製造された第５ｄ図（又は第７図）のような面積型電界エミッタを採用しているフラットパネル型ＣＲＴディスプレイの中心的アクティブ領域の典型例である。基板４０はＣＲＴディスプレイのバックプレートを構成している。下側非絶縁性領域４２は、バックプレート４０の内部表面に沿って配置され、導電性層４２Ａ及び上層を成す抵抗性層４２Ｂからなる。１つの列電極８０は第８図に示されている。
透明な、典型的にはガラス製のフェースプレート９０はベースプレート４０の反対側に配置されている。発光燐光体領域９２は、その１つが第８図に示されており、対応する列電極アパーチャ８２の反対側のフェースプレート９０の内部表面上に配置されている。典型的にはアルミニウムである薄い光反射層９４は、フェースプレート９０の内部表面に沿った燐光体領域９２の上に設けられている。電子放出素子５２Ａから放出された電子は、光反射層９４を通り、燐光体領域９２に達して、それを発光させ、これによってフェースプレート９５の外部表面上に目に見える画像が生成される。
フラットパネルＣＲＴディスプレイの中心的アクティブ領域は、通常第８図には示されていない他の構成要素も含んでいる。例えば、フェースプレート９０の内部表面に沿って設けられているブラックマトリクスは、通常各燐光体領域９２を取り囲み、その燐光体領域を他の燐光体領域９２から横方向に分離する。電極間誘電体層４４の上に設けられた集束用突条部（focusing ridge）により、電子の飛しょう軌跡の制御が助けられる。又、バックプレート４０とフェースプレート９０との間の間隔を一定に維持するためにスペーサウォールが使用される。
第８図に示すタイプのフラットパネル型ＣＲＴディスプレイに組み込む場合、本発明に従って製造された電界エミッタは、以下のように動作する。光反射層９４は、電界放出カソード用の陽極としての役目を果たす。この陽極は、ゲート及びエミッタラインに対して非常に高い正の電位に維持されている。
（ａ）下側非絶縁性領域４２におけるエミッタ列電極の選択された１つと、（ｂ）ゲート層４６の一部に接触するか、それを構成する列電極の選択された１つとの間に適切な電位を印加したとき、このようにして選択されたゲート部分は、２つの選択された電極の交点の部分で電子放出素子からの電子を取り出し、これによって生ずる電流の大きさを制御する。所望のレベルの電子放出が発生するのは、通常燐光体領域９２が高電圧燐光体であるとき、ディスプレイの燐光体でコーティングされたフェースプレートの部分で測定された、値が０．１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で、ゲート−カソード平行プレート電界が２０Ｖ／μｍに達したときである。取り出された電子がぶつかったとき、燐光体領域９２は発光する。
（２１Ｂ）「下向き」及び「下方向」のような方向を表す用語が本発明の説明において使用されてきたが、これは様々な本発明の部分がどのように組み合わせられるかを読み手が容易に理解できるような表示のフレームを設定するために使用している用語である。実施の場面では、電子放出装置の構成要素が、ここで用いている方向を表す用語によって示されるものとは異なる姿勢で配置され得る。同じことが本発明によって実行される製造ステップについても当てはまる。方向を表す用語が、説明を容易にするために便宜上用いられている限り、本発明は、ここで用いている方向を表す用語によって表されるものとは厳密には異なる姿勢の実施例もその範囲に含む。
本発明について特定の実施例を参照しつつ説明してきたが、この説明は、単に発明の内容を具体的に示すことを目的としたものであり、本発明の範囲をこの実施例に限定しようとするものではない。例えば、異なる電解液組成を用いた候補の金属に対する電気化学的除去試験を行い、次いでその結果を検定して、第４図に示すように、駆動電位Ｖ_WEの適切な範囲を決定することにより、上述した好適なものとは異なる金属を、電子放出コーン５２Ａのエミッタ材料用として、及びゲート層４６及び（それが存在する場合）分離された列電極のゲート／列材料用として選択することができる。
作用電極導線、対電極、及び導線７５及び７６に類似しているが基準電極ではない（或いは基準電極導線ではない）一対の対電極導線を備えた電気化学除去システムを、第３図の電気化学的除去システムの代わりに用いることができる。この実施形態では、操作手順が単純化され、特に電子エミッタの大量生産ベースでの製造に適するものである。別形態として、或いは追加的に、更に単純化を達成するためにある条件の下では対電極７０（及びそれが関連する導線７６）を削除することが可能である。
対電極は、過剰層５２Ｃの上の電解液６４中に入れられる代わりに、基板４０の一部として電子エミッタそのものの中に設けることができる。対電極導線７５及び７６は、一般的に端子ＣＥに接続するのではなく制御システム６２の別の端子に接続することができる。
ガルバノスタット（定電流）式電気化学除去システムを、上述のポテンシオスタット式システムの代わりに用いることができた。第３図のポテンシオスタット制御システム６２は、作用電極導線７３及び対電極導線７６を流れる実質的に定電流である電流を発生する電流源を含むガルバノスタット式制御システムに置き換えられる。ガルバノスタット式システムにおける作用電極導線７３と対電極７０との間の電位が、ゲート層４６及び／又は（存在する場合）分離された列電極を電気化学的に除去するに充分な値まで上昇し得るため、電気化学的除去操作は、通常予め選択された除去時間が経過すると停止される。別形態として、導線７３と７６との間の予め選択された電位に達したとき除去プロセスが停止するように、電位測定装置がシステムに含められ得る。
第３図の電気化学除去システムは、導線７３を低電位に保持するのでなく、作用電極導線７３と対電極導線７６との間に制御可能な電位が存在するように変更することができる。導線７３と７６との間の電位差は、動作時に一定値にセットするか、或いはプログラミング式で制御することができる。
第２図及び第５図のプロセスは、非円錐型の形状の電子放出素子を生成するものに変更することができる。一例として、エミッタ材料の蒸着を、エミッタ材料が誘電体開口部５２に入っていく際に通過する開口部を完全に閉じる前に終了させることができる。電子放出素子５２Ａは、次いで円錐台形状に生成される。本発明の電気化学的除去操作、層５２Ｃのアパーチャを通して電解液６４に初めに露出されていた円錐台形のコーン５２Ａを備えた過剰なエミッタ材料層５２Ｃに対して施される。
硝酸リチウム（ＬｉＮＯ₃）、硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）、硝酸ルビジウム（ＲｂＮＯ₃）、及び硝酸セシウム（ＣｓＮＯ₃）の１又は２以上を、酸化イオン源として硝酸ナトリウムの代わりに、或いは硝酸ナトリウムと組み合わせて用いることができる。同様に、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、及び／又は水酸化ルビジウム（ＲｂＯＨ）及び水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）の１又は２以上を、電解液６４の中の塩基として水酸化ナトリウムの代わりに、或いは水酸化ナトリウムと組み合わせて用いることができる。１又は２種類以上の酸化剤を、任意の１又は２以上の塩基と共に使用することができる。それらの置換物質又は組み合わせについて、酸化剤及び塩基の全モル濃度は、それぞれ硝酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムについて前述したのと同一の濃度である。
第ＩＩ族の金属、特にマグネシウム、カルシウム、ストランチウム、及びバリウムの内の１又は２以上の硝酸塩を上述の第Ｉ族の金属の硝酸塩の代わりに、或いはそれに加えて電解液６４の中で使用することができる。同様に、これらの第ＩＩ族の金属の１又は２異常の水酸化物を、上述の第Ｉ族の金属の水酸化物の代わりに、或いはそれに加えて電解液６４の中で用いることができる。
（電気化学的除去操作の前に）ブランケット過剰エミッタ材料層５２Ｂに対するマスクを利用したエッチングを実行するとき、このマスクを利用したエッチング処理は、（ａ）電極８０上の過剰なエミッタ材料の島５２Ｃのみを残すのでなく、各列電極８０の全てが過剰なエミッタ材料でカバーされ、（ｂ）過剰なエミッタ材料が電極８０の間の領域から除去されるように、実行される。本発明の電気化学除去手順は、電子放出コーン５２Ａを露出するためにパターニングされた過剰エミッタ材料層５２Ｃを通しての開口部を形成するに充分な時間であるが、層５２Ｃの全てが除去されるほど長くない時間をかけて実行され得る。２つの前述した変更を組み合わせることにより、列電極８０上に配置された過剰エミッタ材料が、電極８０の一部としての役目を果たし得るようになり、これによってその導電能力が高められる。
電子放出コーンが、耐熱性金属炭化物のような、直接の電気化学的除去を容易に為し得ないエミッタ材料で形成された先端部を有することは、望ましいことであり得る。炭化チタンは、電子放出コーンの先端部用の材料として、魅力的な耐熱性炭化物である。このような場合には、電気化学的に除去され得る電気化学的に除去され得る（モリブデンのような）非絶縁性エミッタ材料が、第２ａ図または第５ａ図に示すような段階において構造の上部に被着され、誘導体開口部５０に入って、電子放出素子用の円錐台形のベース部を形成する。次いで、構造の上部に電気化学的に除去され得ない材料を被着して開口部５０に入れ、材料が開口部５０に入る際に通るアパーチャが完全に閉じられるまで被着を行うことによって、コーン形成プロセスが終了する。
次いで、電気化学的除去プロセスが上述のように実行されて、ゲート層４６及び（存在する場合には）分離された列電極上に直接のっている電気化学的に除去可能な過剰なエミッタ材料が除去される。この処理の際に、構造の上部に配置された、過剰な、電気化学的に除去され得ないエミッタ材料が剥離される。この結果、電気化学的に除去可能なエミッタ材料、及び電気化学的に除去できないエミッタ材料の先端部が、ゲート開口部４８を通して露出されることになる。
化学的に除去可能な材料からなるという条件の下で、本発明の原理を、ゲート層と過剰なエミッタ材料を含む層との間に配置された、例えば層３２のような中間層を電気化学的に除去するように拡張することができる。このような拡張においては、過剰な材料の層を、中間層の除去の結果として剥離するのが一般的である。上述の電気化学除去システムの何れかを、このような拡張プロセスにおいて使用することができる。
下側非絶縁性領域４２が基板を支持するに十分な厚みを有する連続的な層である場合には、基板４０を取り除いた形態とすることができる。絶縁性の基板４０の代わりに、薄い絶縁性層が構造支持体を備えた比較的厚い非絶縁性層の上層をなす複合基板を用いることができる。
電気化学的除去技術を、非ゲート型電子エミッタの製造において用いることができる。本発明に従って作られた電子エミッタを用いて、フラットパネル型ＣＲＴディスプレイ以外のフラットパネル型装置を作り出すことができる。従って、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明の様々な応用や実施形態の改変が可能であろう。

Claims (6)

1. 下側非絶縁性エミッタ領域と、該下側非絶縁性エミッタ領域上に配置された絶縁性層と、該絶縁性層上に配置された非絶縁性ゲート層と、
   前記ゲート層及び前記絶縁性層を貫通して前記下側非絶縁性エミッタ領域に達した複数の開口部と、
   前記ゲート層上に配置され且つ前記ゲート層に電気的に接続された、非絶縁性エミッタ材料を含む過剰層と、
   前記開口部の各々の中に配置されると共に前記下側エミッタ領域に電気的に接続され、且つ前記ゲート層及び前記過剰層からは離隔された前記非絶縁性エミッタ材料と同じ材料を含む電子放出素子と、を具備する構造物を準備する準備過程と、
   前記過剰層の少なくとも一部分を電気化学的に除去する除去過程とを有する構造物の電気化学的加工方法であって、
   前記除去過程は、前記過剰層および前記ゲート層を電解液に接触させた状態で、前記下側非絶縁性エミッタ領域に前記ゲート層の電位よりも低い電位を印加すると共に、前記電解液中に配置され且つ前記過剰層および前記ゲート層から離れて配置された対電極に前記ゲート層の電位より低い電位を印加する過程を含むことを特徴とする構造物の電気化学的加工方法。
2. 前記エミッタ材料が主としてモリブデンからなり、前記ゲート材料が主としてクロムかニッケルの何れか、またはその両方からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電解液が、
   ０．００５〜０．０５モル濃度の、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムの少なくとも１つの水酸化物と、
   ０．００５〜３．０モル濃度の、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムの少なくとも１つの硝酸塩とを含むことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の方法。
4. 前記電子放出素子が、
   前記非絶縁性エミッタ材料からなるベース部と、
   前記ベース部の上層をなす追加的エミッタ材料の先端部とを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の方法。
5. 前記追加的エミッタ材料が、耐熱性金属炭化物を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記金属炭化物が、炭化チタンを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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