JPH01149349A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子放出素子に係り、特に非核形成面上に設け
られた尖頭部を１有する電極と、前記堆積面上に設けら
れた絶縁部材を介して、前記尖頭部の近傍に設けられた
引き出し電極とを有する電子放出素子に関する。

［従来技術］ 従来、電子放出源としては熱陰極型電子放出素子が多く
用いられていたが、熱陰極を利用した電子放出は加熱に
よるエネルギーロスが大きく、予備加熱が必要等の問題
点を有していた。

これらの問題点を解決すべく、冷陰極型の電子放出素子
がいくつか提案されており、その中に局部的に高電界を
発生させ、電界放出により電子放出を行なわせる電界効
果型の電子放出素子がある。

第゛５図は電界効果型の電子放出素子の一例を示す概略
的部分断面図である。

第　５図に示すように、Ｓｔ等の基体２０上にＭｏ（モ
リブデン）等の円錐形状の電極１８を蒸着によって設け
、この電極１８を中心として開口部が設けられた５ｉ０
２等の絶縁層１９が形成され、この上に、前記円錐形状
の尖頭部の近傍にその端部が形成された引き出し電極１
７を設ける。

このような構造の電子放出素子において、基体２０と引
き出し電極１７との間に電圧を印加すると、電界強度の
強い尖頭部から電子が放出される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の電子放出素子は、円錐形状の
尖頭部に強電界がかかり、電流密度が高くなるために、
発熱が大きくなって尖頭部が溶融することから、特性変
化を起し、動作電圧や電子放出効率が変動してしまう問
題点を有していた。

また上記従来の電子放出素子では、電子放出用の電極が
蒸着によって形成されるため、その尖頭部の円錐形状が
蒸着材料の堆積条件等の製造工程によって大きくバラつ
いてしまう、したがって特に素子を同一基体上に同時に
複数個形成した場合、尖頭部の円錐形状に関する各素子
間のバラつきから尖頭部の電流密度もバラつき、上述の
発熱による特性変化の問題は一層深刻なものとなる。

本発明の目的は安定した形状をもち耐熱性に優れた電子
放出部の電極を有する電子放出素子を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、核形成密度の小さい非核形成面上に設けられ
た尖頭部を有する電子放出用の電極と、前記非核形成面
上に設けられた絶縁部材を介して、前記尖頭部の近傍に
設けられた引き出し電極とを有する電子放出素子におい
て、前記尖頭部を有する電極を、特定の面方位をもちか
つ特定の結晶面からなるファセットに囲まれた尖頭部を
有する導電性の単結晶と、この単結晶上に形成された耐
熱性導電性膜とから構成したことを特徴とする。

［作用］ 本発明の電子放出素子は、電子放出部の電極を特定の面
方位をもち、かつ特定の結晶面からなるファセットに囲
まれた安定な結晶構造の尖頭部を有する単結晶と、この
単結晶上に形成された耐熱性導電膜とから構成したこと
により、電極尖頭部の形状を製造工程のバラッ率によら
ない安定なものとし、また同時に電子放出部の耐熱性を
高めたことから、発熱による溶融等のための尖頭部の形
状変化及び複数の素子間でのそれらのバラツキを防ぐも
のである。

以下に本発明をよりよく理解するために、本発明の主要
な構成要件を作用とともに項目別に説明を加える。

く基体〉 本発明では、まず基体を用意する。基体は、表面に非核
形成面（核形成密度が小さい面）を有していればその材
質、形状、寸法等には特に限定されず任意の材質、形状
、寸法のものを使用できる。

結局本発明で使用される基体は、非核形成面を有してい
れば良く、それ以外の構成的な要件は必要としない。

ここで、表面に非核形成面を有する基体とは、まず、あ
る基体自身の表面が非核形成面である場合は当然に該当
する０例えば、５ｉ０２基体（ガラス、石英基板等）が
あげられる、また、ある基体自身の表面は非核形成面で
はなくとも（例えば結晶性の基体の場合）、その基体表
面に非核形成面を生ずる材料からなる膜を堆積した場合
にも、表面に非核形成面を有する基体に該当する６例え
　　、ば、金属、半導体、磁性体、圧電体あるいは絶縁
体よりなる基板表面に、ＮＳＣ膜、ＰＳＧ膜、熱酸化Ｓ
　ｉ　０２膜等を堆積せしめたような場合である。

結局、別言するならば、非核形成面は、基体の表面がそ
うである必要はなく、基板と同じか、又は異なる材質で
なる非核形成面を形成する材料を堆積させたものであっ
てもよい。

なお、非核形成面を有する膜を堆積せしめる場合におけ
る堆積方法は１例えば、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＬＰＥ
法、ＭＢＥ法その他の任意の堆積法を用いればよい。

なお、上記において非核形成面とは、核形成密度の小さ
な表面のことであり、核形成密度が小さ−いとは、絶対
的基準において小さい場合と、種子結晶の表面との比較
において小さい場合の両者が含まれる。すなわち、非核
形成面に対し種子結晶表面において選択的にエピタキシ
ャル成長が起こり種子結晶から成長した結晶が単結晶と
なり、非核形成面上には、核形成及び堆積が生じなけれ
ばればよいので相対的基準において小さい場合も含まれ
る。

また、核形成密度は、温度、圧力、添加ガス（ＨＣＩガ
ス等のエツチングガスを結晶成長を行なうためのソース
ガスと同時に供給し、核形成を抑制すれば核形成密度は
一層低くなる）その他の結晶形成処理時の条件によって
変化するが、変化させた条件下で、非核形成面の核形成
密度は小さいほどよい。

く結晶形成処理〉 本発明においては、基体の非核形成面に種子結晶を配設
した後、結晶形成処理を行なう。結晶形成処理とは、種
子単結晶を種子として結晶成長をせしめ、より大きな単
結晶とする処理である。

結晶形成処理の方法としては、例えば、ＣＶＤ法、ＬＰ
Ｅ法、ＭＯＣＶＤ法等があげられるが、もちろんこれら
の方法以外の方法を用いてもよい。

なお、結晶成長させる材質は、種子単結晶の材質と同一
でもよいし異なってもよい。例えば、種子単結晶をＧｅ
とした場合、結晶成長させる材質はＧｅ、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓ、ＧａＡＪ２Ａｓその他の化合物半導体とすることが
できる。また、種子単結晶がＳｉの場合にも同様に結晶
成長させる材質はＧｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＡｊ２Ａ
ｓその他の化合物半導体とすることができる。

以下に結晶成長の作用を説明する。

その基本原理は、選択エピタキシャル成長とエピタキシ
ャル横方法成長の原理にある。選択エピタキシャル成長
を説明する前に、本発明の理解を容易にするために、−
船釣な結晶成長のメカニズムを以下に説明する。

・−船釣メカニズム 堆積面の基板が、飛来する原子と異なる種類の材料、特
に非晶質材料よりなる場合、飛来する原子は基板表面を
自由に拡散し、又は、再蒸発する。そして原子同志の衝
突の末、核が形成され、その自由エネルギＧの変化ΔＧ
が最大となるような核（この核は一般に安定核、成長核
あるいは臨界核と呼ばれる）の大きさｒｃ以上になると
、ΔＧは減少し、核は安定に三次元的に成長を続け、島
状となる。

このように核が成長して島状になり、更に成長して島同
志が接触して網目状に基板表面を覆い、最後に連続膜と
なって基板表面を完全に覆う。このような過程を経て基
板上に薄膜が堆積する。特に基体が非晶質の場合に良好
な多結晶薄膜となる。

・選択エピタキシャルを長 上記した一般的成長に対し１選択エピタキシャル成長の
場合は、表面エネルギー、付着係数、表面拡散速度等の
結晶成長下過程での核形成を左右する因子の材料間での
差を利用して、基板上に選択的にエピタキシャル成長を
行なわしめるものである。

すなわち、基体上における安定核の発生を抑止しく従っ
て、基体からの結晶成長は生じない）。

種子単結晶表面からのみエピタキシャル成長を行なわし
めるものである。

本発明では、基体表面は非核形成面であるので、かかる
安定核の発生は抑制され、種子単結晶のみから選択的に
結晶成長が生ずる。

さらに１本発明においては１種子単結晶表面から次第に
結晶は、横方向にもエピタキシャル成長し、やがて基体
を覆う形で単結晶が形成されていく。

なお、非核形成面となる理由は、次のように考えられる
。

一般的には飛来原子の基板表面上で表面拡散距離が異常
に大きいか、あるいは吸着係数が異常に小さい事に起因
する。また、飛来原子と基板物質が化学反応を起こし、
生成物質の蒸気圧が高く、蒸発してしまう事もある。

例えば、ＳｔをＳｉｎ、基体上に９００℃以上で堆積さ
せると、 Ｓｉ＋ＳｉＯ，→２ＳｉＯ↑ となりＳｔは堆積できない（Ｔ、　Ｙｏｎａｈａｒａ　
ｅｔａｌ。

Ｊ、Ａ、Ｐ、５３．Ｐ、８８３９．１９８２　）　。

また、 Ｇｅ＋Ｓ　ｉ　０２−＊ＧｅＯｉ　＋Ｓ　ｉ　Ｏｊの反
応も起こり得る。また、吸着原子と反応する添加ガスを
送る事も可能であり、吸着原子は全てエツチングされて
しまう０例えばＳｉ、Ｇｅに対してＨＣｆｔが有効であ
る。主に、Ｈ２ガスのＳ　ｉ　０２基板表面吸着によっ
て、Ｓｔの５ｉｎ２上の吸着サイトが皆無となる事もあ
る（Ｗ、Ａ、Ｐ。

Ｃ１ａｓｓｅｎ　＆　　Ｂｌｏｅｍ、　Ｊ、　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ。

５ｏｃｉｅｔｙ、１２８，１３５３．１９８１）　　。

このような非核形成とする条件は、温度、圧力、供給さ
れる原料ガスの流量等で調整すればよい。

さらに、本発明では、種子単結晶の表面の方位は方位制
御されており、表面が方位制御された単結晶を種子単結
晶として選択エピタキシャル成長と横方向エピタキシャ
ル成長を行うと、表面から成長した単結晶の面方位は一
定しており、その単結晶に半導体装置を形成した場合に
その特性が一定していることは、本発明による幾多の実
験により確認されているところである。

以上のように結晶形成処理の成長させる材料としては、
Ｇｅ、Ｓ　ｔ、ＧａＡｓ、ＧａＡＪ！Ａｓ等があげられ
る。すなわち、ホモエピタキシャル成長、ヘテロエピタ
キシャル成長のどちらをも行なうことができる。

本発明の非晶質絶縁基板上の単結晶シリコン微粒子を単
結晶のまま２次元的あるいは３次元的に成長させる方法
としては、ＣＶＤエピタキシャル成長法や液相エピタキ
シャル成長法などを用いることができる。ＣＶＤエピタ
キシャル成長法に用いるソースガスとしては、ＳｉＨ４
゜５ｉＨ２Ｃｆ２．５ｉＨＣｊ１３，５ｉＣｆＬ４゜Ｓ
ｉ、Ｈ６などが用いられる。エツチングガスとしてはＨ
ＣＪ！、Ｆ２　、Ｃ４！２　、ＣＨＦ３　。

ＣＦ４　、ＣＣＪ２２　Ｆ２　、ＣＣＪｌｓ　Ｆなどを
用いることができる。このエツチングガスの存在が、５
ｉ０２上へのシリコンの直接堆積をおさえるのに重要で
ある。基板温度はソースガスの種類により異なるが、８
００〜１１００℃、圧力は減圧がよく、２０〜２００Ｔ
ｏｒｒ程度である。液相エピタキシャル成長法のソース
溶液としては、Ｓｎを溶媒としたＳｔ温溶液Ｇａを溶媒
としたＳｔ温溶液どを用いることができる。Ｓｎ溶媒の
場合、例えば成長温度９００℃、冷却速度０．２’ｅ　
／　ｍ　ｉ　ｎで結晶成長が可能である。

また、本発明の非晶質絶縁物基板上のゲルマニウム単結
晶微粒子を種子にてＧａＡｓなとの単結晶をヘテロエピ
タキシャル成長させて大きなＧａＡｓなとの単結晶を得
る方法としてはＭＯＣＶＤ法、液相エピタキシャル法な
どがある。

く種子結晶〉 本発明者は、面方位の制御された（すなわち、面方位が
ほぼ一定の方向に配向ないし揃っている）薄膜の種子単
結晶を非核形成面に容易に配設する方法について各種の
探索を行なったところ、次の方法を発見した。すなわち
、 （方法１） 非核形成面に、表面の面方位が方位制御され、かつ、表
面の面積が微小な薄膜の種子多結晶を配し、次いで該多
結晶を熱処理することにより該他結晶を種子単結晶とす
る方法。

（方法２） 非核形成面に溶融固化されることで単結晶化するに充分
微小な大きさを有する、結晶成長の種子となる材料を配
し、前記種子となる材料に熱処理を施して溶融固化する
ことで面方位の制御された種子単結晶とする方法。

（方法３） 非核形成面に凝集するに充分薄く、かつ、単一体のまま
凝集するに充分微細な面積を有する。結晶の種子となる
材料を配し、該種子となる材料に熱処理を施して凝集を
生起させることで面方位の制御された種子結晶とする方
法。

以上の方法について以下に詳細に説明する。

（方法１の説明） 本発明者は、面方位が制御された薄膜の種子単結晶を、
非核形成面に容易に配設する方法について、各種の探索
を行っていたところ、ある特定の場合に１面方位が制御
された多結晶を熱処理すると、制御された面方位は維持
されたまま多結晶は異常粒成長して大粒径の単結晶薄膜
に変質することを発見した。

そこで１本発明者はその特定の条件が何であるかにつき
、数多くの実験を重ねた結果、制御された面方位は維持
されたまま単結晶に変質するか否かは表面の面積に関係
していることを知見し、さらなる研究を重ねた結果、該
面積が微小の場合に制御された面方位は維持されたまま
微小面積中に粒界を含まない単結晶に変質することを確
認した。

この現象は１本発明者により発見されたものであり、微
小部における異常粒成長（アブノーマルグレイングロウ
ス）、２次再結晶又は表面エネルギーを駆動力とした２
次再結晶の作用であると考えられる。

本実施態様は以上の事情のもとになされたものであり、
以下に本実施態様例を詳細に説明する。

く多結晶〉 ・方位制御 本実施態様例の１つの特徴は、種子多結晶となる堆積薄
膜の表面の面方位を方位制御する点にある。

所望の面方位に制御するには、該所望の面方位に応じた
堆積法において所定の堆積条件に設定すればよい。

・厚さ 種子多結晶の厚さとしては、ｌｐｍ以下が好ましく、よ
り好ましくは０．５μｍ以下である。

・面積 ただ、未実施Ｍ様例においては、堆積膜をスポット状に
加工し、表面の面積を微小に形成することに特徴がある
。、＠小であることは熱処理と関係し、微小であるほど
単結晶に変質しやすい。粒径で面積を表わすと、１０μ
ｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。

く熱処理〉 本実施態様例の最大の特徴は、上記微小な堆積薄膜の種
子多結晶を熱処理することにより微小種子単結晶に固相
過程によって変質せしめることにある。

面方位制御された微小な面積の薄膜の種子多結晶は、熱
処理を行うことより固相で面方位制御された微小な種子
単結晶に変質する。

例えば、Ｓｉ又は、Ｇｅかうなる数百人の粒径で１μｍ
以下、好ましくは０．５μｍ以下の厚さで、最長１０μ
ｍ以下、好ましくは５μｍ以下の大きさの方位制御され
た種子多結晶は、温度７００〜１３００℃で数ｌθ分分
数数時間熱処理を施す事により該種子多結晶と同一の方
位に制御された粒界を含まない種子単結晶に粒成長し変
質する。方位制御された種子多結晶膜の材質、厚さ、大
きさ、熱処理の温度等のパラメータは、相互に関係する
ものである０種子多結晶膜の厚さが薄い程および大きさ
が小さい程、単結晶化し易い。

熱処理の好ましい温度は１種子多結晶の材質の融点の関
係から材質により変わる１例えばＳｉ多結晶膜の時は８
００〜！４００℃が好ましく、Ｇｅ種子多結晶の場合は
６００〜９００℃が好ましい。

熱処理温度の具体的な温度は上記したとおりであるが、
Ｓｉ、Ｇｅ以外の材質の場合は、概略として、Ｔ自Ｘ０
．４以上の温度で熱処理を行えばよい、ただし、Ｔ、は
絶対温度における融点である。ただ、多結晶の結晶状態
（各種の結晶欠陥の有無１例えば不純物、空孔の存在等
）により上記温度は変動するが、その都度、熱処理温度
は適宜選択すればよい。

なお、種子多結晶膜に第３族系の元素であるＢ　＊　Ａ
　ｌ　ｍ　Ｇ　＆　＊　Ｉ　ｎ　＋　Ｔｌや、第５族系
の元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等の不純物を添加す
ると粒界に沿って原子の易動度が増加、あるいは粒界を
越えて原子がジャンプする頻度が促進され、粒界の易動
速度が極めて増速される。すなわち、固相における異常
な粒成長が誘起されるので、熱処理に先立ち、多結晶に
かかる不純物を注入することが好ましい。

（方法２の説明） 方法２は、核形成密度の小さい非核形成面に、溶融固化
されることで単結晶化するに十分微小な大きさを有する
、結晶成長の種子となる材料を配し、前記種子となる材
料に熱処理を施して溶融固化することで面方位の制御さ
れた種子単結晶とし、該種子結晶を種子として単結晶を
成長させることを特徴とする結晶の成長方法である。

く非核形成面〉 非核形成面とは核形成密度の小さな面をいう。

核形成密度が小さいため、この面からは結晶成長は起こ
らず、種子結晶である微小な単結晶から選択的に結晶成
長する。

本発明における基体としては、石英ガラス（非晶質５ｉ
０２）の他、シリコンウェハやアルミナやセラミックな
どの耐熱性基板の表面に非晶質ＳｉＯ２膜釡非膜質非晶
質５ｉ３Ｎｓ膜堆積したものも用いることができる。

く種子となる材料〉 種子となる材料は非晶質でも多結晶でもよい。

非晶質あるいは多結晶の材料としては、減圧ＣＶＤ法、
プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＥＢ（エレクトロンビ
ーム）蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ法などで堆積した非
晶質シリコン、非晶質ゲルマニウム、結晶方位のそろっ
ていない多結晶シリコン、結晶方位のそろっていない多
結晶ゲルマニウム、配向した（基板に垂直な結晶方位が
ほぼそろった）多結晶シリコン、配向した多結晶ゲルマ
ニウムなどを用いることができる。

乙の種子となる材料は後述する溶融固化されることで単
結晶化するに十分微小な大きさである。

なお、この材料を以下スポット状の膜あるいは微粒子と
いうことがある。

く溶融固化〉 本方法では、上記スポット状の膜に熱処理を施して溶融
固化することで面方位の制御された種子単結晶とする。

スポット状の堆積膜を溶融固化して種子単結晶に変える
ためには、例えばエネルギービームを照射すればよい、
照射するエネルギービームとしては、各種レーザー（例
えばＣＯ２レーザー、エキシマレーザ−、Ａｒレーザー
）、電子線、各種ランプなどを用いることができる。

なお、熱処理条件によっては面方位が制御されないこと
があるが、照射条件、冷却条件等を適宜選択することに
より面方位を制御する。

（方法３の説明） く種子となる材料〉 種子となる材料は、多結晶でも非晶質でもよく、また、
その材料としては、Ｇｅ、Ｓｉ等があげられる。

この材料の厚さは、後述する熱処理を施した時に凝集す
るに充分薄い厚さである。例えば、０．１μｍ以下の膜
厚が好ましい。

また、面積として、単一体のまま凝集するに充分微細な
面積を有する。例えば、径で７μｍ以下が好ましく、２
μｍ以下がより好ましい。

以下この材料を超薄膜という場合がある。

く熱処理・凝集〉 本発明では上述した結晶の種子となる材料に熱処理を施
して凝集を生起させる。すなわち、上述した結晶の種子
となる材料に融点以下の温度で熱処理を施すと、あたか
も、液相の様に凝集現象が起こり、該超薄膜は凝集体と
なる。そして、その特徴的な点は、形成された凝集体は
、単結晶であり、かつ、その面方位は一定の方位を有し
ているという点である。つまり、本発明は、凝集時単結
晶化現象を利用し、方位の揃った種子単結晶を配置し、
そこから、選択的エピタキシャル成長をさせようとする
ものである、なお、上記の凝集化現象は１表面エネルギ
ーを最小にするため、固相でも原子が移動することを示
している。

結局、本発明の結晶の種子となる材料のような超薄膜の
場合、体積に対する表面積の占める割合が著しく増大し
、その結果、表面エネルギーの減少を駆動力として融点
よりはるかに低い温度で凝集現象が起こる。なお、他の
材料の場合にも同様の現象が得られる。

また、本発明における結晶の種子となる材料は、単一体
のまま凝集するに充分微細な面積を有しているので、熱
処理によって分裂することはなく単一性は保持される。

く結晶形成処理によるファセット 及び尖頭部の形成〉 上述したような結晶形成処理を施すと、成長した単結晶
は成長速度の異方性のために特定の結晶面からなるファ
セットに囲まれた成長形をとる。

ファセットをなす結晶面は一般に成長速度の遅い面であ
るが、成長速度は成長中の環境相の変化に敏感でその異
方性も大きいために結果として単結晶の成長形は成長方
法及び成長条件に依存する。

そこで、成長させる結晶に応じて適当な面方位をもった
上記種子単結晶を配し、これに適当な成長方法及び適当
な成長条件を選択し、結晶形成処理を施すならファセッ
トに囲まれた尖頭部を有する単結晶を得ることができる
０例えば、面方位が（１００）に制御されたＳｉ種子単
結晶を前述したよな方法で成長させると、尖頭部を有す
る単結晶が形成される。第３図はその形成過程を示して
いる。まず、第３図（ａ）の如く、基体３１の非核形成
面３２に前述したような方法で面方位を＜１００＞方向
に制御されたＳｉ種子単結晶３３を配し、これにＣＶＤ
法などによってＳｉの結晶形成処理を施すなら、第３図
（ｂ）の如く、ファセットによって囲まれた尖頭部３５
を有するＳｉ単結晶３４に成長する。第４図はこのよう
にして基体上に形成されたＳｉ単結晶の斜視図である。

上記の方法で成長したＳｉ単結晶はそれぞれ４つの（ｌ
　ｌ　ｌ）面４６と（３１１）と（４１１）の間の高次
の結晶面４７からなるファセットを有し、４つの三角形
の面４７によって尖頭部４５を形成する（第４図）、フ
ァセット面４７は結晶学的に結晶面であるから、尖頭部
４５の頂点は原理的には原子レベルのシャープさを備え
ている０本発明による電子放出素子はこのような安定し
た構造をもち、シャープな尖頭部を有する電極を所望の
位置に制御性よく形成することによりその゛性能の向上
を得ている。

なお、上記種子単結晶を種子として結晶を成長させるに
あたって、成長させる結晶の材料はかならずしも種子単
結晶と同一である必要はなく、尖頭部を形成する必要に
応じて異なった材料の結晶をヘテロエピタキシャル成長
させてもよい。

［実施例］ （第１実施例） 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の電子放出素子の一実施例を示す概略的
部分断面図である。

同図に示すように、基体１上に絶縁部材であるＳｉＯ２
等の絶縁層２を形成し、この絶縁層をフォトエツチング
等によって加工し、凹部７を形成する。なお、本実施例
では、凹部７の底面７ａが非核形成面となり、且つ凹部
７の側壁部が絶縁部材となっており、同一工程で形成さ
れるが、絶縁部材を、別工程で非核形成面上に設けても
よい、また絶縁部材の材料は非核形成面材料と別な材料
で構成してもよい。

次に非核形成面となる凹部７の底面７ａに熱処理を経て
特定の面方位に制御されている種子単結晶３を形成し、
これを種子として結晶形成処理を施し特定の結晶面から
なるファセットで囲まれた尖頭部を有する単結晶４を成
長させる。ここで種子単結晶３を形成する方法及び結晶
形成処理については後に詳述する。さらにこの上に耐熱
性導電膜５を形成して、尖頭部を有する電極８を設ける
。この導電部材４の材料は、一定の電流を供給できるも
のであればよく、半導体、導体を問わず用いることがで
きる。なお、前記導電部材の単結晶の成長方法の詳細は
前述した通りである。

耐熱性導電膜５としては、Ｗ、ＬａＢ６等が用いられ、
所望の製造方法で導電部材４上に形成される０例えば、
Ｓｉ単結晶の導電部材上に膜を形成する場合は、ＣＶＤ
法を用いて、Ｓｉ単結晶上で、Ｓｉ＋ＷＦ６→Ｗ＋５ｉ
Ｆｓなる化学反応を起こさせ、Ｓｉ単結晶にＳｉ単結晶
ｇｗ膜を形成する。

絶縁層２の上の、前記電極８の尖頭部の近傍にには、引
き出し電極６が形成される。この引き出し電極６は、レ
ジストで凹部７を埋めて、このレジスト及び絶縁層２上
にＭｏ等の金属層を形成し、さらに、この金属層をフォ
トエツチングを用いて電極８の尖頭部の近傍に開口部を
形成し、レジストを除去することによって形成される。

なお、上記実施例においては、非核形成面材料は絶縁材
料に限定されず、半導体材料、導体材料を用いてもよい
が、絶縁材料を用いれば、耐電圧を向上させることがで
きる。また、上記実施例においては、基体１上に絶縁層
２を設けて非核形成面を構成したが、絶縁基体そのもの
を非核形成面として用いることもできる。

第２図は上記実施例の電子放出素子の配線を説明するた
めの概略的斜視図である。

同図に示すように、上記実施例の電子放出素子の配線は
、凹部７の底面７ａに尖頭部を有する電極８を形成した
後、絶縁層２に溝を設け、この溝に配線９を設けること
によって形成することができ、尖頭部を有する電極８と
接続させ、配線９と前記引き出し電極６との間に引き出
し電極６側を高電位とする電圧を印加し、電子放出を行
わせることができる。なお、上記実施例においては、引
き出し電極６は、Ｍｏ等の金属層をプロセス中でエツチ
ングすることによって作製したが、前記溝の形成後に開
口部を有する金属板を絶縁層２に接着することによって
作製してもよい。

（第２実施例） 本実施例では、４ｉｎｃｈのＳｉ単結晶ウェハを熱酸化
処理して表面に約２０００人の厚さの５１０２　ＩＮ！
を形成し、第１実施例と同様に凹部を形成した。

次に、Ｓ　ｉ　Ｏ２膜上にＬＰＣＶＤ法により以下の条
件で、出発種子結晶となる薄膜のＳｉ多結晶を形成した
。

圧カニ１．０Ｔｏｒｒ 使用ガス：ＳｉＨ４（Ｈｅ希釈） 温度ニア００℃ 膜　厚　：５００人 Ｘ線回折でこのＳｉｇ膜の面方位を測定したところ、そ
の面方位は＜１００＞であった、このＳｉ単結晶の粒径
を測定したところ、約５００の多結晶薄膜である事がわ
かった。

この得られた薄膜のＳｉ多結晶に、イオン注入により％
７　、５　Ｘ　１０　”／ｃ　ｍ　’のＰをドーピング
した。

次に、ステッパーを用いたフォトリソグラフと、ＳＦ６
ガスによる反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）で、１
１００ｐ間隙で格子状に配列したｌＩＬｍ角のＳｉ多結
晶を５００Ｘ５００個残し、その他の部位をエツチング
した。

次に、熱処理炉にてＮ２ガス中で、１１００℃Ｘ３０ｍ
１　ｎ熱処理を行った後、透過電子顕微鏡で詳細に調べ
た結果、１ｇｍ角の中に結晶粒界はなかった。

上記測定後、ＣＶＤ装置に投入し、次のＳｉ結晶形成処
理を施した。本実施例もホモエピタキシャル成長である
。

圧カニ１５０Ｔｏｒｒ 使用ガス：５ｉＨｚＣ皇２ 流量−０，６交／　ｍ　ｉ　ｎ 温度：９５０℃ 結晶形成処理時間：３０ｍ１ｎ エツチングガス：Ｎ０文　１交／　ｍ　ｉ　ｎキャリア
ガス：Ｎ２　　１００４１／ｍｉｎ結晶形成処理を施し
た後、ＣＶＤ装置から結晶物品を取り出し、単結晶を高
倍率の金属顕微鏡により観察した。Ｓｉ単結晶は、格子
状に配列した最初の多結晶の位置を中心に、成長してい
た。このＳｉ単結晶の粒径分布はほとんどなく、約４０
弘ｍであった。

成長後の単結晶を、Ｘ線回折装置を用いて、面方位をｍ
察したところ、最初の多結晶の方位と等しい＜１００＞
である事を確認した。

ここで得られた＜１００＞配向のＳｉ単結晶群は全て上
述した通り第４図に示したようなファセットからなる尖
頭部を有していた。走査型電子顕微鏡を用いてこの尖頭
部を観察したところ先端の曲率は約３０００Å以下と極
めてシャープであることがわかった。

他の点は第１実施例と同様である。

（第３実施例） 本例では、まず石英ガラス基板上に減圧ＣＶＤ法で非晶
質シリコン膜を０．２１Ｌｍ堆積した。堆積条件は、５
ｉＨｓガス流量５０ｓｅｃｍ、ガス圧力ｏ、３”ｒｏｒ
ｒ、基板温度５６０℃、堆積時間１時間とした。この薄
膜をＸ線回折で調べて、非晶質であることを確認した。

次にフォトリングラフ工程により、非晶質シリコン膜２
を直径的１ｐｍのスポット状に５０１Ｌｍ間隔にパター
ニングした。

次に基板温度を４５０℃に保って出力４ＷのＡｒイオン
レーザ−を光学系を用いることによりレーザースポット
径約８０７ｚｍに絞り、基板を移動しながらレーザーを
走査し照射した。その結果スポット状の非晶質シリコン
膜が溶融固化し、シリコン単結晶微粒子４に変わった。

この微粒子が単結晶であることはＴＥＭ　（透過電子顕
微鏡）観察により確認した。

以下第１実施例と同様の処理−を施したところ第１実施
例と同様の結果が得られた。

（第４実施例） 本例では、５ｉ０２表面（ガラス、石英、熱酸化膜、Ｃ
ＶＤ膜）を有する基体に、常圧ＣＶＤ法（温度４００℃
）で５ｉ０２層を堆積してなる基体１上に、ＲＦスパッ
タ法により、６００℃で、Ｇｅよりなる超薄！！（本例
では２００人）を堆積する。この超薄膜の面方位は＜１
００＞であった。

次に、２ＩＬｍ角で、５０ＩＬｍ間隔にパターニングす
る。パターニング法としては、フォトリングラフと反応
性エツチングを用いた。

次に、Ａｒ中で、７５０℃×１時間熱処理する。かかる
熱処理を行なうと、超薄膜は、あたかも、液相の様に凝
集現象が起こり、凝集体が得られた。

透過電子顕微鏡による観察から、各々のＧｅ凝集体は内
部に粒界をもたない単結晶であり、＜１００＞に面方位
が揃っていることが確認された。すなわち、面方位は熱
処理前の面方位が維持されていた。

この後、上記凝集体を種子結晶として、ＣＶＤ法で、Ｓ
ｉのへテロエピタキシャル成長を行なった。この成長条
件は、 温度＝９５０℃ ソースガス：５ｉＨｚＣｕｚ ０．６Ｊｌ／■ｉ蔵 エツチングガス：　ＨＣ！１ １１／ｍｉ　ｎ〜２Ｊｌ／ｍｉ　ｎ キャリアガス：Ｈ２ １００文／　ｍ　ｉ　ｎ 圧カニ１５０Ｔｏｒｒの減圧下 である。

上記成長を行なうと１種子結晶から、非核形成面である
Ｓ　ｉ　Ｏ２層上へと成長が進み、４０〜５０ＪＬｍも
の大きさの単結晶（結晶島ともいう）が成長した。

微小部Ｘ線回折装置において、３０ＩＬｍφはどに絞っ
たＸ線で回折を各結晶島について行った結果、＜１００
＞方位を向いていることが確認された。すなわち、Ｇｅ
種子結晶の方位が承継されて成長したと理解される。

本例においても第４図に示したようなファセットからな
る尖頭部を有していた。走査型電子顕微鏡を用いてこの
尖頭部を観察したところ、先端の曲率半径は約３００Å
以下と極めてシャープであることがわかった。

他の点は第１実施例と同様である。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明においては、特定の
面方位をもち特定の結晶面からなるファセットで囲まれ
た尖頭部を有する単結晶上に耐熱性導電膜を形成し、こ
れを電子放出効率極としたことにより、電流密度の高く
なる尖頭部の発熱による溶融等の形状変化の為の特性変
化並びに素子を複数個同時に形成した場合の各素子間の
特性変化のバラツキを防ぎ、安定した特性の電子放出素
子を提供できる。

なお、尖頭部を有する単結晶の製造方法として、非核形
成面に種子材料を微小に配し、これを熱処理して種子単
結晶とし、さらにこれを種子として単結晶を成長させる
結晶成長方法を用いれば、次のような効果がある。

（１）尖頭部を有する単結晶電極の形状が、非核形成面
１種子材料及びその面方位、成長させる単結晶の材質、
結晶成長条件等の製造条件で決定され５絶縁部材、引き
出し電極の開口部の寸法精度と独立して形成されるので
、所望の大きさの電極を形成することができ、またその
大きさのバラツキを抑えることができる。

（２）尖頭部を有する電極の位置が種子単結晶の位置精
度で決められるので、所望の位置に高精度に作成するこ
とができ、複数の電子放出口を有するマルチ型電子放出
素子をファインピッチで作成することができる。

（３）面方位制御された単結晶特有のファセットに囲ま
れた尖頭部が形成され、電子放出部の形状がシャープに
形成されるので、特別な針状加工が不要であり、電界強
度を強いものとし、動作開始電圧の範囲のバラツキを抑
え、電子放出効率を向−上させることができる。

（４）従来、単結晶の成長が困難であった非晶質の絶縁
基板にも単結晶を成長させることが容易となり、高耐圧
な電子放出素子を提供することができる。

（５）通常の半導体製造プロセスで製造することができ
るので、簡易な工程で高集積化を行なうことができる。

また、上記製造方法においては、非核形成面を所望の材
料の下地大村上に形成することができ、例えば核形成面
を放熱性の高い基体に形成することで、信頼性を向上さ
せることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子放出素子の一実施例を説明するた
めの概略的部分断面図である。第２図は上記実施例によ
る電子放出素子の配線を説明するための概略的斜視図で
ある。第３図は本発明の電子放出素子のファセットによ
る尖頭部を有する単結晶電極の形成方法の実施例による
工程図である。第４図は尖頭部を有するＳｉ単結晶の斜
視図である。第５図は従来技術による電子放出素子の構
成図である。 １・・基体、６・・引き出し電極、２・・絶縁層、７・
・開口部、３・・種子単結晶、８・、・尖頭部を有する
電極、４・・単結晶、５・・耐熱性導電膜、９・・配線
、３１・・基体、３２・・非核形成面（Ｓ　ｉ　Ｏ，面
）、３３・・＜１００＞配向種子結晶、３４・・成長し
たＳｉ単結晶、３５・・尖頭部、３６・・（１１１）面
、３７・・高次の面。 第１図 第２図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）核形成密度の小さい非核形成面上に設けられた尖
   頭部を有する電子放出用の電極と、前記非核形成面上に
   設けられた絶縁部材を介して、前記尖頭部の近傍に設け
   られた引き出し電極とを有する電子放出素子において、
   前記尖頭部を有する電極を、特定の面方位をもちかつ特
   定の結晶面からなるファセットに囲まれた尖頭部を有す
   る導電性の単結晶と、この単結晶上に形成された耐熱性
   導電性膜とから構成したことを特徴とする電子放出素子
   。
2. （２）前記尖頭部を有する電極が核形成密度の小さい非
   核形成面を有する基体の上に配され た、熱処理を経て特定の面方位に制御されている種子単
   結晶を種子として成長させて得られる特定の結晶面から
   なるファセットで囲まれた尖頭部を有する単結晶によつ
   て形成されている特許請求の範囲第１項記載の電子放出
   素子。
3. （３）前記非核形成面が所望の下地材料からなる基体上
   に形成された特許請求の範囲第２項記載の電子放出素子
   。