JP4285304B2 - 電界放射型電子源の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源の製造方法に関するものである。

従来から、この種の電界放射型電子源として、例えば、図７に示す構成の電界放射型電子源１０’が知られている。

図７に示す構成の電界放射型電子源１０’は、絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に導電性層（例えば、金属膜）からなる下部電極１２が形成され、下部電極１２上に酸化した多孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。なお、表面電極７の厚さ寸法は例えば１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定されている。また、図７に示す構成の電界放射型電子源１０’では、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３が介在しており、多結晶シリコン層３と強電界ドリフト層６とで、下部電極１２と表面電極７との間に介在し電子が通過する電子通過部を構成し、下部電極１２と電子通過部と表面電極７とで電子源素子を構成しているが、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間に多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフト層６のみで電子通過部を構成したものも提案されている。

上述の電界放射型電子源１０’から電子を放出させるには、例えば、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。ここに、直流電圧Ｖpsを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図７中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。

上述の電界放射型電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図７参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電界放射型電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。

上述の強電界ドリフト層６は、下部電極１２上に形成したノンドープの多結晶シリコン層３をフッ酸系溶液を含む電解液（つまり、フッ酸系溶液）中で所定深さまで陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリコン層を形成し、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法ないし電気化学的な酸化方法によって酸化することで形成されており、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコンのグレイン、多数のナノメータオーダのシリコン微結晶、各グレインそれぞれの表面に形成された薄いシリコン酸化膜、各シリコン微結晶それぞれの表面に形成されシリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化膜からなる絶縁膜とを有している。

また、ディスプレイ用の電子源として、図７に示した構成の電界放射型電子源１０’における下部電極１２と電子通過部と表面電極７とで構成される電子源素子を１枚の基板の一表面上に多数形成した電界放射型電子源も提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

図８および図９に示す電界放射型電子源１０は、ディスプレイ用の電子源を構成した一例であって、絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の一表面上に列設された複数本の帯板状の下部電極１２と、絶縁性基板１１の上記一表面側で各下部電極１２の両端部以外の部分を覆うように形成された強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６上に形成され各電子源素子それぞれに対応する部位に窓孔８ａが形成された絶縁層８と、強電界ドリフト層６の表面側で下部電極１２と交差する方向（直交する方向）に列設された複数本の帯板状の表面電極７と、絶縁層８上において下部電極１２と交差する方向（直交する方向）に列設され各表面電極７それぞれと接続された複数本のバス電極９とを備えている。ここにおいて、各表面電極７は、各電子源素子に対応する部位が絶縁層８の窓孔８ａを通して強電界ドリフト層６上に形成され、その他の部分が絶縁層８の表面側に形成されている。また、強電界ドリフト層６は、各下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数のノンドープの多結晶シリコン層３と、各多結晶シリコン層３それぞれに重なる形で形成された複数の酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部６ａと、絶縁性基板１１の上記一表面上でドリフト部６の幅方向の両側に形成されたノンドープの多結晶シリコン層よりなる分離部６ｂとで構成されている。なお、図８および図９に示す電界放射型電子源１０では、下部電極１２と表面電極７とが交差する部位において、ドリフト部６ａと多結晶シリコン層３とで電子通過部を構成している。

図８および図９に示した構成の電界放射型電子源１０では、絶縁性基板１１の一表面上に列設された複数本の下部電極１２と、強電界ドリフト層６の表面側に形成された複数本の表面電極７との間に強電界ドリフト層６のドリフト部６ａが挟まれており、各表面電極７はそれぞれバス電極９に接続されているから、バス配線９と下部電極１２との組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することにより、選択されたバス電極９に接続された表面電極７と下部電極１２との交点に相当する部位のドリフト部６ａにのみ強電界が作用して電子が放出される。つまり、図８および図９に示した構成の電界放射型電子源１０は、絶縁性基板１１の厚み方向において表面電極７とドリフト部６ａと下部電極１２とが重なる部分それぞれが電子源素子を構成していることとなり、電圧を印加するバス電極９と下部電極１２との組を選択することによって所望の電子源素子から電子を放出させることが可能になる。ここに、上述の電界放射型電子源１０では、強電界ドリフト層６が電子通過層を構成しており、電子通過層におけるドリフト部６ａを電子が下部電極１２から表面電極７へ向かって通過する。

上述の電界放射型電子源１０の製造にあたっては、絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極用の導電性層を成膜した後で当該導電性層をパターニングすることで複数の下部電極１２を形成し、その後、絶縁性基板１１の上記一表面側に強電界ドリフト層６の基礎となるノンドープの多結晶シリコン層をＣＶＤ法などによって形成し、この多結晶シリコン層のうち下部電極１２に重なる部分を、電解液としてフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液（フッ酸系溶液）を用いて陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリコン層を形成し、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法ないし電気化学的な酸化方法によって酸化することでドリフト部６ａを形成し、その後、強電界ドリフト層６上に上記窓孔８ａを有する絶縁層８を形成し、続いて、絶縁層８上にバス電極２５を形成してから、表面電極７を形成している。なお、ドリフト部６ａは、多結晶シリコンのグレイン、多数のナノメータオーダのシリコン微結晶、各グレインの表面に形成された薄いシリコン酸化膜、各シリコン微結晶の表面に形成されたシリコン酸化膜とを有している。
特開２０００−１８８０５７号公報 特開２００２−３４３２３０号公報 特開２００３−１９７０８８号公報

ところで、図８および図９に示した構成の電界放射型電子源１０では、絶縁性基板１１の上記一表面上にパターニングされた下部電極１２を形成した後で絶縁性基板１１の上記一表面側に強電界ドリフト層６の基礎となるノンドープの多結晶シリコン層を堆積させ、その後、この多結晶シリコン層のうち下部電極１２に重ならない部分の表面を覆い下部電極１２に重なる部分の表面が露出するように開孔されたマスク層を形成してから、マスク層をマスクとして多結晶シリコン層のうち下部電極１２に重なる部分を陽極酸化することによって多孔質化し、さらに酸化することによって強電界ドリフト層６を形成しているものである。ここにおいて、本願発明者らは強電界ドリフト層６の厚さを薄くするにつれて単位面積当たりの電子放出量が多くなり電子放出効率が高くなることを実験的に確かめている。

しかしながら、図８および図９に示した構成の電界放射型電子源１０では、その製造にあたって下部電極１２の厚さにもよるが電子通過層たる強電界ドリフト層６の基礎となる多結晶シリコン層の膜厚が比較的薄い場合（例えば、多結晶シリコン層の膜厚が１．５μｍ程度の場合）、多結晶シリコン層の表面に下部電極１２の形状に起因した段差部が形成され、結果的に、下部電極１２に交差する方向に形成されたバス電極９の膜厚が上記段差部に対応する部位で薄くなるので、駆動時にバス電極９に流れる電流によるジュール熱でバス電極の構成原子が凝集してバス電極９が断線してしまうことがあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、バス電極の断線を防止することができる電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。

請求項１，３の発明は、絶縁性基板の一表面上に配列された複数本の下部電極と、絶縁性基板の前記一表面側に形成され各下部電極それぞれに重なる部分に多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成した半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を含むドリフト部を有する電子通過層と、電子通過層上において下部電極の一部に重なるように形成された表面電極とを備え、絶縁性基板の厚み方向において下部電極とドリフト部と表面電極とが重なった各部分がそれぞれ表面電極を通して電子を放出する電子源素子を構成し、絶縁性基板の前記一表面に平行な面内で下部電極に交差する方向に配列された電子源素子の表面電極が接続された複数本のバス電極を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上に複数本の下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に電子通過層の基礎となる半導体層を形成する半導体層形成工程と、半導体層の表面において少なくとも各バス電極の形成予定部位に重なる領域を平坦化する平坦化工程と、平坦化工程の後で半導体層のうち下部電極に重なる部分を電解液を用いてナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に複数本のバス電極を形成するバス電極形成工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、バス電極形成工程よりも前に、電子通過層の基礎となる半導体層の表面において少なくとも各バス電極の形成予定部位に重なる領域が平坦化されているので、結果的にバス電極に段差部が形成されるのを防止することができてバス電極が局所的に薄くなるのを防止できるから、バス電極の断線を防止することができる電界放射型電子源を提供できる。

また、請求項１の発明は、平坦化工程では、半導体層の表面において下部電極に重なる部分に比べて凹んだ部分に埋込層を形成することで前記領域を平坦化することを特徴とする。

この発明によれば、前記ナノ結晶化工程において埋込層をマスクとして利用することができ、別途にレジスト層をマスクとして形成する必要がなくなるとともに、前記ナノ結晶化工程におけるマスクとしての位置精度を高めることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体層形成工程にて形成する前記半導体層が多結晶シリコン層であり、前記ナノ結晶化工程で用いる前記電解液がフッ化水素水溶液とエタノールとを混合した混合液であり、前記平坦化工程では、前記埋込層の材料として窒化シリコンを採用することを特徴とする。

この発明によれば、前記埋込層と前記半導体層との密着性を高めることができる。

また、請求項３の発明は、平坦化工程では、半導体層の表面において下部電極に重ならない部位からなる基準面よりも突出した部分を酸化し、酸化された部分をエッチングにより除去することを特徴とする。

この発明によれば、請求項２の発明に比べてバス電極とバス電極の下地との密着性を向上させることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記半導体層形成工程では、前記絶縁性基板の前記一表面側に前記半導体層と同じ半導体材料からなるアモルファス半導体層を形成してから前記半導体層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記半導体層形成工程において形成する前記半導体層にクラックが入りにくくなり、前記ナノ結晶化工程において用いる電解液により前記下部電極や前記絶縁性基板が腐食されるのを防止することが可能となる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記半導体層形成工程にて形成する前記半導体層が多結晶シリコン層であり、前記ナノ結晶化工程で用いる前記電解液がフッ化水素水溶液とエタノールとを混合した混合液であり、前記下部電極形成工程と前記半導体層形成工程との間に、窒化シリコンからなり前記下部電極の幅方向における両側の角部を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記ナノ結晶化工程で用いる前記電解液により前記下部電極が腐食されるのを防止することができ、しかも、保護膜と半導体層との密着性を高めることができる。

請求項１の発明では、バス電極の断線を防止することができる電界放射型電子源を提供できるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の電界放射型電子源１０の基本構成は図８および図９に示した従来構成と略同じであって、図１（ｇ）および図２（ｇ）に示すように、強電界ドリフト層６の表面において下部電極１２に重なる部分に比べて凹んだ部分に窒化シリコンからなる埋込層４が形成され、ドリフト部６ａの表面と埋込層４の表面とが略面一となっており、絶縁層８の表面が窓孔８ａ以外では平坦となっている点が相違する。すなわち、本実施形態では、バス電極９が絶縁層８の平坦な表面上に形成されているので、バス電極９の膜厚が局所的に薄くなるのを防止することができる。なお、図８および図９に示した従来例と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、本実施形態の電界放射型電子源１０における強電界ドリフト層６のドリフト部６ａは、後述の製造方法にて説明するように絶縁性基板１１の上記一表面側に各下部電極１２を形成した後で絶縁性基板１１の上記一表面側に成膜した半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層に対してナノ結晶化プロセス、酸化プロセスを順次施すことにより形成されており、図３に示すように、少なくとも、下部電極１２の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１１の厚み方向に延びている）。図３中の矢印は、電界放射型電子源１０を駆動する際に表面電極７を高電位側として表面電極７と下部電極１２との間に電圧を印加した時に下部電極１２から注入された電子ｅ⁻の流れを示しており、下部電極１２から注入された電子はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、ドリフト部６ａにおけるグレイン５１間の領域を表面電極７に向かってドリフトし、表面電極７を通して放出される。

なお、下部電極１２の材料としては、上記半導体層との熱膨張係数が近い材料を採用することが好ましく、本実施形態では熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近いクロムを採用しているが、クロム以外に、タングステン、チタン、ジルコニウム、ゲルマニウム、あるいは、これらの合金を採用してもよい。また、表面電極７の材料として金を採用しているが、金に限らず、白金などの他の貴金属を採用してもよい。また、バス電極９の材料としては、例えば、アルミニウム、白金などの低抵抗金属を採用することが低抵抗化の点からは好ましい。ただし、バス電極９の構成原子のマイグレーションによる凝集を抑制するためには、バス電極９として、例えば、炭化ハフニウム、窒化タンタルなどの高融点金属からなる凝集防止層と上記低抵抗金属からなる低抵抗金属層との積層構造を採用することが望ましい。ここにおいて、下部電極１２の膜厚は例えば３０００Å程度に設定すればよく、表面電極７の膜厚は例えば１０〜１５ｎｍ程度に設定すればよい。

以下、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法について図１および図２を参照しながら説明する。

まず、絶縁性を有するガラス基板からなる絶縁性基板１１の一表面上に下部電極１２用の導電性層（例えば、クロム膜）を例えばスパッタ法などによって成膜してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記導電性層をパターニングする下部電極形成工程を行うことでそれぞれ上記導電性層の一部からなる複数本の下部電極１２を形成することにより、図１（ａ）および図２（ａ）に示す構造を得る。

その後、絶縁性基板１１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの多結晶シリコン層３ａをＣＶＤ法によって成膜することにより、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面は、下部電極１２に重ならない部分が下部電極１２に重なる部分に比べて凹んでいる。なお、本実施形態では、このノンドープの多結晶シリコン層３ａが電子通過層たる強電界ドリフト層６の基礎となる半導体層を構成しており、当該多結晶シリコン層３ａの成膜工程が、電子通過層の基礎となる半導体層を形成する半導体層形成工程となる。

次に、多結晶シリコン層３ａ上に埋込層４用のＳｉ_３Ｎ_４膜をＣＶＤ法によって成膜し、ノンドープの多結晶シリコン層３ａにおいて下部電極１２に重なる部分の表面が露出するまでエッチバックを行うことでノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面において下部電極１２に重なる部分に比べて凹んだ部分にそれぞれ上記Ｓｉ_３Ｎ_４膜の一部からなる埋込層４を形成することにより、図１（ｃ）および図２（ｃ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、埋込層４を形成する工程が半導体層の表面において少なくとも各バス電極９の形成予定部位に重なる領域を平坦化する平坦化工程となる。

続いて、埋込層４をマスクとして利用して上述のノンドープの多結晶シリコン層３ａのうちドリフト部６ａの形成予定部位に対して、ナノ結晶化プロセス（ナノ結晶化工程）、酸化プロセス（絶縁膜形成工程）を順次施すことで強電界ドリフト層６を形成することにより、図１（ｄ）および図２（ｄ）に示す構造を得る。

上述のナノ結晶化プロセスでは、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において上記多結晶シリコン層３ａに白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により上記多結晶シリコン層３の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層をドリフト部６ａの形成予定領域に形成する。また、上述の酸化プロセスでは、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなるドリフト部６ａを形成するようになっている。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３ａのうち絶縁性基板１１の上記一表面上でドリフト部６の幅方向の両側に形成されている部分がノンドープの多結晶シリコン層よりなる分離部６ｂを構成し、ドリフト部６ａと下部電極１２との間に形成されている部分が、ドリフト部６ａとともに電子通過部を構成する多結晶シリコン層３を構成している。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、ドリフト部６ａにおいてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第２の複合ナノ結晶層は従来例と同様の酸化した多孔質多結晶シリコン層と同じ構成とみなすことができる。

上述の強電界ドリフト層６を形成した後、絶縁性基板１１の上記一表面側に、上記窓孔８ａが開口されたＳｉＯ_２膜からなる絶縁層８を例えばリフトオフ法によって形成することにより、図１（ｅ）および図２（ｅ）に示す構造を得る。ここにおいて、絶縁層８をリフトオフ法により形成するにあたっては、強電界ドリフト層６の形成後に絶縁性基板１１の上記一表面側にフォトレジストを塗布してから、強電界ドリフト層６に重なる部分のうち窓孔８ａの形成予定部位に対応した部分以外が開口されたレジスト層を形成し、続いて、絶縁性基板１１の上記一表面側にＳｉＯ_２膜を例えばスパッタ法により成膜し、レジスト層およびレジスト層上のＳｉＯ_２膜を除去することで強電界ドリフト層６上でパターニングされたＳｉＯ_２膜からなる絶縁層８を形成する。なお、絶縁層８は、ＳｉＯ_２膜に限らず、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜でもよい。また、絶縁層８となるＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えば、電子ビーム蒸着法などの他の成膜方法を採用してもよい。また、絶縁層８のパターン形成方法についてもリフトオフ法に限らず、例えば、成膜工程とリソグラフィ工程とエッチング工程とを組み合わせたパターン形成方法でもよい。

次に、絶縁性基板１１の上記一表面側に所定形状にパターニングされた複数本のバス電極９を形成するバス電極形成工程を行うことによって、図１（ｆ）および図２（ｆ）に示す構造を得る。なお、バス電極形成工程では、例えば、リフトオフ法を利用してバス電極９を形成するようにしてもよいし、バス電極用の金属膜を成膜した後でリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングするようにしてもよい。

続いて、絶縁性基板１１の上記一表面側に表面電極７用の金属薄膜（例えば、金薄膜）を例えば蒸着法によって成膜し、上記金属薄膜をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでそれぞれ上記金属薄膜の一部からなる複数の表面電極７を形成することにより、図１（ｇ）および図２（ｇ）に示す構造の電界放射型電子源１０を得る。

以上説明した製造方法によれば、バス電極形成工程よりも前に、強電界ドリフト層６の基礎となるノンドープの多結晶シリコン層３の表面において少なくとも各バス電極９の形成予定部位に重なる領域が平坦化されているので、絶縁層８において窓孔８ａ以外の部分の表面が平坦となり、結果的にバス電極９に段差部が形成されるのを防止することができてバス電極９が局所的に薄くなるのを防止できるから、熱などに起因したバス電極９の断線を防止することができる電界放射型電子源１０を提供できる。また、上記平坦化工程では、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面において下部電極１２に重なる部分に比べて凹んだ部分に埋込層４を形成することで上記領域を平坦化しているので、ナノ結晶化工程において埋込層４をマスクとして利用することができ、別途にレジスト層をマスクとして形成する必要がなくなるとともに、ナノ結晶化工程におけるマスクとしての位置精度を高めることが可能となる。

ところで、図８および図９に示した構成の電界放射型電子源１０の製造にあたっては、強電界ドリフト層６の基礎となる多結晶シリコン層における段差部のところで深さ方向へ走るクラックが発生することがあり、陽極酸化時に電解液が多結晶シリコン層のうちマスク層により覆われていない表面からクラックを通って浸入し下部電極１２や絶縁性基板１１に到達する恐れがあった。このため、下部電極１２や絶縁性基板１１の材料として上記電解液（フッ酸系溶液）に対する耐性（耐腐食性）の低い材料を採用している場合、下部電極１２や絶縁性基板１１が腐食されてしまい、下部電極１２が断線したり多結晶シリコン層が剥離してしまうことがあるので、歩留まりが低くなるとともに信頼性が低くなるという問題があった。

これに対して、本実施形態の製造方法では、埋込層４の材料として窒化シリコンを採用しており、埋込層４がナノ結晶化工程で用いる電解液に対して耐性を有するので、半導体層形成工程にて形成したノンドープの多結晶シリコン層３ａの段差部に深さ方向に走るクラックが形成されていてもナノ結晶化工程において電解液がクラックを通して浸入するのを防止することができ、下部電極１２や絶縁性基板１１が電解液によって腐食されるのを防止することが可能となって、絶縁性基板１１および下部電極１２それぞれの材料の選択肢が多くなるとともに、製造時の歩留まりの向上、長期的な信頼性の向上を図れる。なお、埋込層４の材料は窒化シリコンに限定するものではなく、ナノ結晶化工程で用いる電解液（フッ酸系溶液）に対して耐性を有する材料であればよいが、窒化シリコンを採用すれば、埋込層４とノンドープの多結晶シリコン層３ａとの密着性を高めることができる。

（実施形態２）
本実施形態の電界放射型電子源１０の構成は実施形態１と同じであって、図４（ｇ）および図５（ｇ）に示すように、強電界ドリフト層６の表面が平坦であり、絶縁層８の表面が窓孔８ａ以外では平坦となっている点が相違する。したがって、本実施形態でも、実施形態１と同様に、バス電極９が絶縁層８の平坦な表面上に形成されているので、バス電極９の膜厚が局所的に薄くなるのを防止することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

以下、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法について図４および図５を参照しながら説明するが、実施形態１と同様の製造工程については説明を適宜省略する。

まず、実施形態１と同様に、絶縁性基板１１の上記一表面側に複数本の下部電極１２を形成する下部電極形成工程を行うことによって、図４（ａ）および図５（ａ）に示す構造を得た後、絶縁性基板１１の上記一表面側に半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層３ａを形成する半導体層形成工程を行うことにより、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面は、下部電極１２に重ならない部分が下部電極１２に重なる部分に比べて凹んでいる。

次に、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面において、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面を平坦化することによって、図４（ｃ）および図５（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面を平坦化するにあたっては、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面のうち下部電極１２に重ならない部位からなる基準面よりも突出した部分を電気化学的に酸化する酸化工程を行い、酸化工程にて酸化された部分をウェットエッチングにより選択的に除去している。ここで、上述の酸化工程では、下部電極１２形成時と同じようにパターニングされたレジスト層をノンドープの多結晶シリコン層３ａ上に形成した後、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムかｒなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、電解液中において多結晶シリコン層３ａに白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流を流すことによって上記突出した部分を電気化学的に酸化している。したがって、平坦化工程では電気学的な酸化工程とウェットエッチング工程とを利用してノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面を平坦化しているので、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面にダメージが発生するのを抑制することができる。なお、本実施形態では、ノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面を平坦化する工程が、半導体層の表面において少なくとも各バス電極９の形成予定部位に重なる領域を平坦化する平坦化工程となる。

続いて、上記平坦化工程にて用いたレジスト層をマスクとして利用して上述の平坦化したノンドープの多結晶シリコン層３ａのうちドリフト部６ａの形成予定部位に対して、実施形態１にて説明したナノ結晶化プロセス（ナノ結晶化工程）、酸化プロセス（絶縁膜形成工程）を順次施すことで強電界ドリフト層６を形成することにより、図４（ｄ）および図５（ｄ）に示す構造を得る。

上述の強電界ドリフト層６を形成した後、絶縁性基板１１の上記一表面側に、実施形態１と同様に、上記窓孔８ａが開口されたＳｉＯ_２膜からなる絶縁層８を形成することにより、図４（ｅ）および図５（ｅ）に示す構造を得る。

次に、絶縁性基板１１の上記一表面側に所定形状にパターニングされた複数本のバス電極９を形成するバス電極形成工程を行うことによって、図４（ｆ）および図５（ｆ）に示す構造を得る。

続いて、絶縁性基板１１の上記一表面側に表面電極７用の金属薄膜（例えば、金薄膜）を例えば蒸着法によって成膜し、上記金属薄膜をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでそれぞれ上記金属薄膜の一部からなる複数の表面電極７を形成することにより、図４（ｇ）および図５（ｇ）に示す構造の電界放射型電子源１０を得る。

以上説明した製造方法によれば、バス電極形成工程よりも前に、強電界ドリフト層６の基礎となるノンドープの多結晶シリコン層３の表面において少なくとも各バス電極９の形成予定部位に重なる領域が平坦化されているので、絶縁層８において窓孔８ａ以外の部分の表面が平坦となり、結果的にバス電極９に段差部が形成されるのを防止することができてバス電極９が局所的に薄くなるのを防止できるから、熱などに起因したバス電極９の断線を防止することができる電界放射型電子源１０を提供できる。

ところで、上記実施形態１，２では、絶縁性基板１１の上記一表面側に下部電極１２を形成した後、半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層３ａを成膜する半導体層形成工程を行っているが、半導体層形成工程において、絶縁性基板１１の上記一表面側に半導体層（ここでは、多結晶シリコン層３ａ）と同じ半導体材料（ここでは、シリコン）からなるアモルファス半導体層（ここでは、アモルファスシリコン層）を形成してから半導体層を形成するようにすれば、半導体層形成工程において形成する半導体層にクラックが入りにくくなり、ナノ結晶化工程において用いる電解液により下部電極１２や絶縁性基板１１が腐食されるのを防止することが可能となる。

また、下部電極形成工程と半導体層形成工程との間に、ナノ結晶化工程で用いる電解液に対して耐性を有する材料（例えば、窒化シリコン）からなり下部電極１２の幅方向における両側の角部を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程を追加すれば、ナノ結晶化工程で用いる電解液により下部電極１２が腐食されるのを防止することができる。なお、上記保護膜の材料として窒化シリコンを採用すれば、上記保護膜と多結晶シリコン層３ａとの密着性を高めることができる。

（参考例）
本参考例の電界放射型電子源１０の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、絶縁性基板１１の上記一表面上において下部電極１２の幅方向（図６（ｂ）の左右方向）の両側に表面が下部電極１２の表面と面一になる絶縁分離部１３が形成されており、強電界ドリフト層６の表面が平坦であり、絶縁層８の表面が窓孔８ａ以外では平坦となっている点が相違する。したがって、本参考例でも、実施形態１と同様に、バス電極９が絶縁層８の平坦な表面上に形成されているので、バス電極９の膜厚が局所的に薄くなるのを防止することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

また、本参考例の電界放射型電子源１０の製造方法は、実施形態１にて説明した製造方法と略同じであって、下部電極１２を形成する下部電極形成工程で後述の処理を行っている点、実施形態１にて説明した平坦化工程を行わない点が相違するだけである。

本参考例の製造方法における下部電極形成工程では、絶縁性基板１１の上記一表面上の全面に下部電極１２用の金属材料（例えば、クロム）からなる導電性層を形成した後、当該導電性層上へ下部電極１２のパターンに対応してパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をマスクとして導電性層の露出部位をオゾンにより酸化して酸化クロムからなる絶縁分離部１３とすることでパターニングされた導電性層からなる下部電極１２を形成する。したがって、下部電極１２の表面と絶縁分離部１３の表面とが面一になるので、半導体層形成工程にて形成されるノンドープの多結晶シリコン層３ａの表面が平坦となるのである。

しかして、本参考例の製造方法では、電子通過層たる強電界ドリフト層６の基礎となる半導体層（ノンドープの多結晶シリコン層３ａ）の表面が平坦となるので、結果的にバス電極９に段差部が形成されるのを防止することができてバス電極９が局所的に薄くなるのを防止できるから、バス電極９の断線を防止することができる電界放射型電子源１０を提供できる。また、半導体層形成工程にて形成した半導体層に深さ方向に走るクラックが形成されるのを防止することができ、ナノ結晶化工程において用いる電解液により下部電極１２や絶縁性基板１１が腐食されるのを防止することが可能となって、下部電極１２および絶縁性基板１１それぞれの材料の選択肢が多くなるとともに、製造時の歩留まりの向上、長期的な信頼性の向上を図れる。また、絶縁分離部１３の形成方法としてオゾンによる酸化方法を採用しているので、陽極酸化処理にて酸化する場合に比べて絶縁性基板１１の材料の選択肢が多くなるとともに、絶縁分離部１３の形成が容易になる。

なお、本参考例の製造方法においても、半導体層形成工程において、アモルファス半導体層を形成してから半導体層を形成すれば、半導体層の膜質向上およびクラック発生の防止につながる。

実施形態１における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程平面図である。 同上における電界放射型電子源の要部説明図である。 実施形態２における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程平面図である。 参考例における電界放射型電子源を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。 同上を応用したディスプレイ用の電界放射型電子源を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は要部断面図である。 同上を応用したディスプレイ用の電界放射型電子源を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

３ 多結晶シリコン層
３ａ 多結晶シリコン層
４ 埋込層
６ 強電界ドリフト層
６ａ ドリフト部
６ｂ 分離部
７ 表面電極
８ 絶縁層
８ａ 窓孔
９ バス電極
１０ 電界放射型電子源
１１ 絶縁性基板
１２ 下部電極

Claims (5)

1. 絶縁性基板の一表面上に配列された複数本の下部電極と、絶縁性基板の前記一表面側に形成され各下部電極それぞれに重なる部分に多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成した半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を含むドリフト部を有する電子通過層と、電子通過層上において下部電極の一部に重なるように形成された表面電極とを備え、絶縁性基板の厚み方向において下部電極とドリフト部と表面電極とが重なった各部分がそれぞれ表面電極を通して電子を放出する電子源素子を構成し、絶縁性基板の前記一表面に平行な面内で下部電極に交差する方向に配列された電子源素子の表面電極が接続された複数本のバス電極を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上に複数本の下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に電子通過層の基礎となる半導体層を形成する半導体層形成工程と、半導体層の表面において少なくとも各バス電極の形成予定部位に重なる領域を平坦化する平坦化工程と、平坦化工程の後で半導体層のうち下部電極に重なる部分を電解液を用いてナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に複数本のバス電極を形成するバス電極形成工程とを備え、平坦化工程では、半導体層の表面において下部電極に重なる部分に比べて凹んだ部分に埋込層を形成することで前記領域を平坦化することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
2. 前記半導体層形成工程にて形成する前記半導体層が多結晶シリコン層であり、前記ナノ結晶化工程で用いる前記電解液がフッ化水素水溶液とエタノールとを混合した混合液であり、前記平坦化工程では、前記埋込層の材料として窒化シリコンを採用することを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法。
3. 絶縁性基板の一表面上に配列された複数本の下部電極と、絶縁性基板の前記一表面側に形成され各下部電極それぞれに重なる部分に多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成した半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を含むドリフト部を有する電子通過層と、電子通過層上において下部電極の一部に重なるように形成された表面電極とを備え、絶縁性基板の厚み方向において下部電極とドリフト部と表面電極とが重なった各部分がそれぞれ表面電極を通して電子を放出する電子源素子を構成し、絶縁性基板の前記一表面に平行な面内で下部電極に交差する方向に配列された電子源素子の表面電極が接続された複数本のバス電極を備えた電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上に複数本の下部電極を形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に電子通過層の基礎となる半導体層を形成する半導体層形成工程と、半導体層の表面において少なくとも各バス電極の形成予定部位に重なる領域を平坦化する平坦化工程と、平坦化工程の後で半導体層のうち下部電極に重なる部分を電解液を用いてナノ結晶化することで多数のナノメータオーダの半導体微結晶を形成するナノ結晶化工程と、各半導体微結晶それぞれの表面に半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜形成工程の後で絶縁性基板の前記一表面側に複数本のバス電極を形成するバス電極形成工程とを備え、平坦化工程では、半導体層の表面において下部電極に重ならない部位からなる基準面よりも突出した部分を酸化し、酸化された部分をエッチングにより除去することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
4. 前記半導体層形成工程では、前記絶縁性基板の前記一表面側に前記半導体層と同じ半導体材料からなるアモルファス半導体層を形成してから前記半導体層を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。
5. 前記半導体層形成工程にて形成する前記半導体層が多結晶シリコン層であり、前記ナノ結晶化工程で用いる前記電解液がフッ化水素水溶液とエタノールとを混合した混合液であり、前記下部電極形成工程と前記半導体層形成工程との間に、窒化シリコンからなり前記下部電極の幅方向における両側の角部を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。

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