JP5062761B2 - 集束電極一体型電界放出素子及びその作製方法 - Google Patents
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"Fabrication of Silicon Field emitter arrays Integrated with beam focusing lens",Yoshikazu Yamaoka他, Jpn. J. Appl.Phys., Vol.35, Part 1, No.12B, (1996) pp.6626-6628.
"Focusing Characteristics of Double-Gated Field-Emitter Arrays with a Lower Hight of the Focusing Electrode",Yoichiro Neo他, Appl.Phys.Exp.1 (2008), 053001-3.
"Fabrication of Volcano-Structured Double-Gate FEA by Etch-Back Technique", Takashi Soda他, Jpn. J. Appl.Phys., Vol.47, No.6, (2008) pp.5252-5255.
基板上に設けられ、先端が先鋭な電子放出端となっているエミッタと,同じく基板上に設けられ、エミッタ先端を露呈する開口を有する絶縁膜と,この絶縁膜の上に形成され、エミッタ先端を露呈する開口を有する引き出しゲート電極と,この引き出しゲート電極の上に形成された集束電極積層構造と,を含んで成り;
集束電極積層構造は、一層の絶縁膜と、その上に形成された一層の集束電極とを単位積層段として、この単位積層段を基板の鉛直方向に沿って少なくとも四段以上の複数段に積層して構成され、最下段に位置する単位積層段の絶縁膜は引き出しゲート電極の上に形成されていると共に、全ての単位積層段の絶縁膜及び集束電極にはエミッタ先端を露呈する開口が開けられていること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子を提案する。
基板上に先端が先鋭な電子放出端となるエミッタを形成する工程と;
当該基板上に、形成されたエミッタの外径形状に関しコンフォーマルに絶縁膜と導電性薄膜を順次成膜する工程と;
この導電性薄膜にあってエミッタの直上に当たる部分のみを選択的にエッチングし、開口を開けて引き出しゲート電極とする工程と;
一層の絶縁膜とその上に形成された一層の導電性薄膜とを単位積層段として、一つ上の単位積層段を積層する前に自身の単位積層段に属する導電性薄膜のエミッタ先端上に位置する部分をエッチング除去して当該導電性薄膜のエミッタ先端上に位置する部分に開口を形成し、開口付きの集束電極を形成する手順を繰り返しながら、上記の引き出しゲート電極上に四段以上の単位積層段を積層する工程と;
高さ方向に隣接する二段の単位積層段において上段の単位積層段の集束電極に開けられた開口を介し、当該上段の単位積層段の絶縁膜を等方性エッチングしてエミッタ先端上に位置する部分に開口を開け、かつ、当該上段の単位積層段の集束電極の開口内周縁に対し絶縁膜の開口内周縁を半径方向外方に後退させたならば、下段の単位積層段の絶縁膜を等方性エッチングする前にポジ型フォトレジストを塗布し、このフォトレジストを露光、現像して当該フォトレジストの露光部分は除去するが、当該フォトレジストの未露光残存部分で上段の集束電極の下における絶縁膜の後退距離に相当する空隙部分を埋め、その後に下段の絶縁膜を等方性エッチングしてエミッタ先端上に位置する部分に開口を開け、かつ、下段の単位積層段の集束電極の開口内周縁に対しその絶縁膜の開口内周縁を半径方向外方に後退させる手順を最上段の単位積層段から最下段の単位積層段まで順次繰り返す工程と;
その後、引き出しゲート電極の下に残っている絶縁膜を等方性エッチングしてエミッタ先端上に位置する部分に開口を開ける工程と;
を含んで成る集束電極一体型電界放出素子の作製方法も提案する。
まず、エミッタ11から放出された電子が各絶縁膜25〜28に衝突しない後退距離d1〜d4を確保する。電子がこれらの絶縁膜に衝突すると、その部分の絶縁耐圧が劣化し、リーク電流発生の虞を生み、信頼性が低下するからである。この観点からの後退距離決定には電子ビームの軌道計算を援用し得るが、本発明者等の実験では、概ね各絶縁膜の膜厚と同程度以上の後退距離とするのが望ましかった。
次の基準は、図示しないアノード電極から放射されてくる正イオンの存在に基づくものである。つまり、この種の電界放出素子では、エミッタ先端11tpから放出された電子は図示しないアノード電極にて最終的に捕獲されるが、アノード電極に電子が衝突すると、アノード電極表面でプラスの電荷を持つイオンが生成される。また、一部の電子はアノード電極に到達する前に残留ガス分子と衝突し、そのガス分子をイオン化する。そのようにして生成された正イオンは電子とは逆向きの軌道をとり、エミッタ11の方に向かって加速され、やがては基板10上に構築されている構造体のどこかに衝突する。その衝突が絶縁膜において起こると、やはり絶縁耐圧の劣化に繋がるため、そのような衝突が起きないように幾何的にも構造設計する必要がある。
11 エミッタ
11tp エミッタ先端(電子放出端)
12 絶縁膜
13 引き出しゲート電極
13e 引き出しゲート電極開口内周縁
20 積層集束電極構造
21,22,23,24 集束電極
21e,22e,23e,24e 集束電極開口内周縁
25e,26e,27e,28e 絶縁膜開口内周縁
31 エッチング耐性材料層
32 フォトレジスト
33 フォトレジストの未露光部分
d1,d2,d3,d4 絶縁膜開口内周縁の後退距離
Claims (8)
- 基板上に設けられ、先端が先鋭な電子放出端となっているエミッタと,該基板上に設けられ、該エミッタ先端を露呈する開口を有する絶縁膜と,該絶縁膜の上に形成され、該エミッタ先端を露呈する開口を有する引き出しゲート電極と,該引き出しゲート電極の上に形成された集束電極積層構造と,を含んで成り;
上記集束電極積層構造は、一層の絶縁膜と、その上に形成された一層の集束電極とを単位積層段として、該単位積層段を上記基板の鉛直方向に沿って少なくとも四段以上の複数段に積層して構成され、最下段に位置する単位積層段の上記絶縁膜は上記引き出しゲート電極の上に形成されていると共に、全ての単位積層段の上記絶縁膜及び上記集束電極には上記エミッタ先端を露呈する開口が開けられていること;
上記集束電極積層構造において最下段の上記単位積層段から上段の単位積層段に行く程、各単位積層段の上記絶縁膜及び上記集束電極に開けられている上記開口は大径となっていること;
上記各単位積層段の絶縁膜の上記開口の内周縁は、同じ単位積層段に属する集束電極の上記開口の内周縁よりも半径方向外方に後退していること;
上記各単位積層段の上記絶縁膜の上記開口内周縁の上記後退距離は、下段の単位積層段の上記絶縁膜程、長くなっていること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子。 - 請求項1に記載の集束電極一体型電界放出素子であって;
上記集束電極積層構造中に全部で複数枚ある上記集束電極の中、少なくとも一枚または複数枚の集束電極の上記開口内周縁は、そこからの電界放出を抑えるために、表面が角を持たない滑らかな形状になっていること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子。 - 基板上に先端が先鋭な電子放出端となるエミッタを形成する工程と;
該基板上に、該エミッタの外径形状に関しコンフォーマルに絶縁膜と導電性薄膜を順次成膜する工程と;
該導電性薄膜にあって該エミッタの直上に当たる部分のみを選択的にエッチングし、開口を開けて引き出しゲート電極とする工程と;
一層の絶縁膜とその上に形成された一層の導電性薄膜とを単位積層段として、一つ上の単位積層段を積層する前に自身の単位積層段に属する導電性薄膜の上記エミッタ先端上に位置する部分をエッチング除去して該導電性薄膜の該エミッタ先端上に位置する部分に開口を形成し、開口付きの集束電極を形成する手順を繰り返しながら上記引き出しゲート電極上に四段以上の単位積層段を積層する工程と;
高さ方向に隣接する二段の単位積層段において上段の単位積層段の集束電極に開けられた開口を介し、該上段の単位積層段の絶縁膜を等方性エッチングして上記エミッタ先端上に位置する部分に開口を開け、かつ、該上段の単位積層段の集束電極の開口内周縁に対し該絶縁膜の開口内周縁を半径方向外方に後退させたならば、下段の単位積層段の絶縁膜を等方性エッチングする前にポジ型のフォトレジストを塗布し、該フォトレジストを露光、現像して該フォトレジストの露光部分は除去するが該フォトレジストの未露光残存部分で上記上段の集束電極の下における上記絶縁膜の後退距離に相当する空隙部分を埋め、その後に下段の絶縁膜を等方性エッチングして上記エミッタ先端上に位置する部分に開口を開け、かつ、該下段の単位積層段の集束電極の開口内周縁に対し該絶縁膜の開口内周縁を半径方向外方に後退させる手順を最上段の単位積層段から最下段の単位積層段まで順次繰り返す工程と;
その後、上記引き出しゲート電極の下に残っている絶縁膜を等方性エッチングして上記エミッタ先端上に位置する部分に開口を開ける工程と;
を含んで成る集束電極一体型電界放出素子の作製方法。 - 請求項3に記載の集束電極一体型電界放出素子の作製方法であって;
上記各絶縁膜は、テトラエトキシシランガスを用いての化学気相成長法で形成すること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子の作製方法。 - 請求項3に記載の集束電極一体型電界放出素子の作製方法であって;
上記各単位積層段の上記集束電極の上記開口の径は、上段の集束電極の開口程、大径となっていること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子の作製方法。 - 請求項3に記載の集束電極一体型電界放出素子の作製方法であって;
上記各単位積層段の上記各絶縁膜の上記開口内周縁に関する後退距離は、下段に行く程、長くなっていること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子の作製方法。 - 請求項3に記載の集束電極一体型電界放出素子の作製方法であって;
少なくとも上記引き出しゲート電極の下の上記絶縁膜に開口を開ける工程の前に、複数の上記集束電極の中、一枚または複数枚の集束電極に関しては、その開口内周縁の表面を角を持たない滑らかな形状に加工する工程を有すること;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子の作製方法。 - 請求項7に記載の集束電極一体型電界放出素子の作製方法であって;
上記加工は、上記集束電極の上記開口内周縁に対するイオン照射により行うこと;
を特徴とする集束電極一体型電界放出素子の作製方法。
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