JPH0398234A - Monocrystal silicon electron emission gun array and manufacture thereof - Google Patents

Monocrystal silicon electron emission gun array and manufacture thereof

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JPH0398234A
JPH0398234A JP1235969A JP23596989A JPH0398234A JP H0398234 A JPH0398234 A JP H0398234A JP 1235969 A JP1235969 A JP 1235969A JP 23596989 A JP23596989 A JP 23596989A JP H0398234 A JPH0398234 A JP H0398234A
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JP
Japan
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electron emission
crystal silicon
forming
emission gun
insulating film
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JP1235969A
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Japanese (ja)
Inventor
Gen Hashiguchi
原 橋口
Atsushi Kawasaki
川崎 篤
Mitsuhiko Goto
光彦 後藤
Shoichi Masui
昇一 桝井
Tomoshi Kanazawa
金沢 智志
Hikari Sakamoto
光 坂本
Norihito Horinouchi
堀之内 礼仁
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Publication of JPH0398234A publication Critical patent/JPH0398234A/en
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Abstract

PURPOSE:To form a monocrystal silicon electron emission gun and a voltage applying electrode without the necessity of an assembly process by etching embedded monocrystal silicon through etching holes, etching-formed on the surface of a monocrystal silicon substrate. CONSTITUTION:A silicon oxide film 2 and a silicon nitride film 3 are formed in sequence on a monocrystal silicon substrate 1. In the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2, there are a number of square electron emission holes 4 formed at equal spaces in array. Etching holes 5 are arranged at equal spaces with each other on one circle with the respective electron emission holes 4 as centers. Just under the electron emission holes 4, monocrystal silicon electron emission guns 6 are formed by isotropically etching the monocrystal silicon substrate 1 through the respective etching holes 5.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子線により蛍光体を励起するフラットパネ
ルディスプレイ、電子線リソグラフィ、走査型電子顕微
鏡、走査トンネル顕微鏡等に用いて好適な、単結晶シリ
コンを素材とした電子放出銃アレイ及びその製造方法に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention provides a single unit suitable for use in flat panel displays, electron beam lithography, scanning electron microscopes, scanning tunneling microscopes, etc. that excite phosphors with electron beams. The present invention relates to an electron emission gun array made of crystalline silicon and a method for manufacturing the same.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、単結晶シリコンを用いた電子放出銃アレイとして
は、例えば、エイチ・エイチ・パスタ(H.H.Bus
ta ) 、エイ・ディー・ファイナーマン(A. D
. Feinerman ) 、ジェイ・ビー・ケッタ
ースン(J.B, Ketterson )及びアール
・ディー・キュラー(R. D. Cueller )
による「微細構造のための線、ループ及びビラくツド構
築体ブロック(STRINGS, LOOPS AND
 PYRAMIDS−BUILDING BLOCKS
 FOR MICROSTRUCTURES) J  
(マイクロロボット及びテレオペレータワークショップ
会報(Proceedings of Micro R
obots and Teleoperators W
orkshop) ..マサチューセッツ州ヒャニス(
 lyann i,s)11月、9−LH1987) 
)において提案されたものが知られている。その概要を
述べると次の通りである。
Conventionally, as an electron emission gun array using single crystal silicon, for example, H.H. Bus
ta), A.D. Feinerman (A.D.
.. Feinerman), J.B. Ketterson and R.D. Cueller
“STRINGS, LOOPS AND
PYRAMIDS-BUILDING BLOCKS
FOR MICROSTRUCTURES) J
(Proceedings of Micro R
robots and teleoperators W
orkshop). .. Hyannis, Massachusetts (
lyann i,s) November, 9-LH1987)
) is known. The outline is as follows.

即ち、まず単結晶シリコン基板上に酸化シリコン膜など
のエッチング保護膜を形成する。次に、このエッチング
保護膜をエッチングによりパターニングして例えば一辺
の長さが5μm程度の正方形のパターンを適当な間隔で
多数形成する。次に、このエッチング保護膜をエッチン
グマスクとして、水酸化カリウム水溶液やエチレンジア
ごンピロカテコール水溶液のような単結晶シリコンに対
してエッチング速度が結晶方位依存性(異方性)を持つ
異方性エッチング液で単結晶シリコン基板をエッチング
することにより、このエッチング保護膜下にビラ壽ツド
型の単結晶シリコンを形成する。
That is, first, an etching protection film such as a silicon oxide film is formed on a single crystal silicon substrate. Next, this etching protective film is patterned by etching to form a large number of square patterns each side having a length of about 5 μm, for example, at appropriate intervals. Next, using this etching protective film as an etching mask, anisotropic etching is performed on single-crystal silicon, such as a potassium hydroxide aqueous solution or an ethylene diagonal pyrocatechol aqueous solution, in which the etching rate is dependent on crystal orientation (anisotropy). By etching the single-crystal silicon substrate with a liquid, a flat-shaped single-crystal silicon is formed under the etching protection film.

これによって、ピラミッド型の単結晶シリコンから或る
単結晶シリコン電子放出銃アレイが形成される。このと
き、各々の単結晶シリコン電子放出銃の先端部には、正
方形にバターニングされたエッチング保護膜が残るが、
このエッチング保護膜は、このエッチング保護膜の物質
はエッチングするが単結晶シリコンはエッチングしない
ようなエッチング液(例えばエッチング保護膜が酸化シ
リコン膜ならばバッファ一弗酸)によりエッチング除去
する。この後、必要に応じてこの単結晶シリコン電子放
出銃上にLPCVD法によりタングステンを選択的に成
長させる。
This forms a single crystal silicon electron emission gun array from the pyramidal single crystal silicon. At this time, a square patterned etching protective film remains on the tip of each single-crystal silicon electron emission gun.
This etching protective film is removed by etching with an etching solution that etches the material of this etching protective film but does not etch single crystal silicon (for example, buffered monofluoric acid if the etching protective film is a silicon oxide film). Thereafter, if necessary, tungsten is selectively grown on the single crystal silicon electron emission gun by LPCVD.

なお、単結晶シリコン以外の素材を用いた電子放出銃ア
レイとしては、モリブデン電子放出銃アレイが提案され
ている(例えば、シー・エイ・スピント(C.A.Sp
tndt) 、アイ・ブロディ−(1.Brodie)
 、エル・ハンフリー(L. Humphrey )及
びイー・アール・ウェスターバーグ( R. R. H
e−s terberg )による「ジャーナル・オブ
・アブライド・フィジンクス(J. Appl. Ph
ys.) J 、第47巻、5248頁(1976) 
)。
As an electron emission gun array using a material other than single crystal silicon, a molybdenum electron emission gun array has been proposed (for example, C.A. Sp.
tndt), I Brodie (1.Brodie)
, L. Humphrey and R.R.H.
``Journal of Ablide Physics (J. Appl. Ph.
ys. ) J, Vol. 47, p. 5248 (1976)
).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上述の従来の単結晶シリコン電子放出銃を最終的に完威
させるためには、この単結晶シリコン電子放出銃から電
子を引き出すための対向電極、即ちゲート電極を設ける
必要があり、このためには、このゲート電極の機械的な
アセンブリ工程が必要である。ところで、電子放出を効
率よく行うには、電子放出銃に大きな電界を印加するこ
とが必要であるが、これは、高電圧を印加したり、電子
放出銃とゲート電極との間の距離を小さくしたりするこ
とにより達成することができる。後者の方法では、電子
放出銃とゲート電極間に印加する電圧はそれほど大きく
なくてもよい。これらの電子放出銃を半導体集積回路で
制御して用いる場合には、電子放出銃に対する印加電圧
は高くとも数十■であるのが望ましい。また安全性や信
頼性の観点からも印加電圧は低い方がよいので、電子放
出銃と電極との間の距離をできる限り小さくして高電界
を実現するほうがよい。ところが、実際問題として、ゲ
ート電極を形成するのに機械的なアセンブリ工程を用い
る場合、そのハンドリングの精度限界から電子放出銃と
電極との間の距離を数十μm以下にすることは困難であ
る。半導体集積回路で制御可能な電圧である数十■で動
作させるためには、電子放出銃と電極との間の距離を少
なくとも数百nm以下にすることが必要である。
In order to finally perfect the conventional single-crystal silicon electron-emitting gun described above, it is necessary to provide a counter electrode, that is, a gate electrode, for extracting electrons from the single-crystal silicon electron-emitting gun. , a mechanical assembly process for this gate electrode is required. By the way, in order to emit electrons efficiently, it is necessary to apply a large electric field to the electron emission gun. This can be achieved by doing. In the latter method, the voltage applied between the electron emission gun and the gate electrode does not need to be very large. When these electron-emitting guns are controlled and used by a semiconductor integrated circuit, it is desirable that the voltage applied to the electron-emitting guns is at most several tens of microns. Also, from the viewpoint of safety and reliability, the lower the applied voltage, the better, so it is better to make the distance between the electron emission gun and the electrode as small as possible to achieve a high electric field. However, as a practical matter, when using a mechanical assembly process to form the gate electrode, it is difficult to reduce the distance between the electron emission gun and the electrode to less than several tens of micrometers due to the limits of handling accuracy. . In order to operate at a voltage of several tens of square meters, which is a controllable voltage in a semiconductor integrated circuit, it is necessary to keep the distance between the electron emission gun and the electrode at least several hundred nanometers or less.

また、上述した従来のビラくツド型の単結晶シリコン電
子放出銃では、異方性エッチング液に対する単結晶シリ
コンの面方位によるエッチングレートの違いによって本
質的に決まってしまう方位の面でそのビラ逅ツドの側面
が囲まれるため、電子放出銃の先端のコーン角を或る程
度以上は小さくすることができず、結果として、先端部
の曲率半径を小さくすることも困難である。従って、電
子放出銃の先端部に充分な電界の集中が起こらず、その
結果、電子放出銃への印加電圧を大きくせざるを得ない
ことになる。
In addition, in the conventional single-crystal silicon electron emission gun of the single-crystalline silicon electron emission gun described above, the single-crystal silicon electron-emitting gun suffers from the difference in orientation, which is essentially determined by the difference in etching rate due to the plane orientation of the single-crystal silicon with respect to the anisotropic etching solution. Since the sides of the tube are surrounded, it is not possible to reduce the cone angle of the tip of the electron emission gun beyond a certain degree, and as a result, it is difficult to reduce the radius of curvature of the tip. Therefore, sufficient electric field concentration does not occur at the tip of the electron emission gun, and as a result, the voltage applied to the electron emission gun must be increased.

本発明は、これらの課題を解決し、半導体集積回路で制
御可能であり、しかも通常の半導体製造技術であるプレ
ーナー技術のみで作製可能な単結晶シリコン電子放出銃
アレイ及びその製造方法を提供することを目的とする。
The present invention solves these problems and provides a single-crystal silicon electron emission gun array that can be controlled by a semiconductor integrated circuit and that can be manufactured using only planar technology, which is a common semiconductor manufacturing technology, and a method for manufacturing the same. With the goal.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記課題を解決するための本発明の単結晶シリコン電子
放出銃アレイでは、 単結晶シリコン基板に等方性エッチング等のエッチング
により形成された電子放出銃と、この電子放出銃の形成
された単結晶シリコン基板の面に設けられた、例えば酸
化シリコン膜、窒化シリコン膜等からなる絶縁膜と、 電子放出銃の先端部分を中心とした1つの円周上に互い
に等間隔で絶縁膜に形成されたエッチングホールである
複数の第1の開口と、 電子放出銃の直上の絶縁膜に形成された電子放出用の第
2の開口と、 この第2の開口の周囲における絶縁膜上に形成された電
極とからなる素子が上記単結晶シリコン基板にアレイ状
に複数個配置されている。
The single-crystal silicon electron-emitting gun array of the present invention for solving the above problems includes an electron-emitting gun formed on a single-crystal silicon substrate by etching such as isotropic etching, and a single crystal on which the electron-emitting gun is formed. An insulating film made of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, etc., provided on the surface of a silicon substrate, and an insulating film formed at equal intervals on one circumference centered on the tip of the electron emission gun. A plurality of first openings that are etching holes, a second opening for electron emission formed in an insulating film directly above the electron emission gun, and an electrode formed on the insulating film around the second opening. A plurality of elements are arranged in an array on the single crystal silicon substrate.

9 l0 そして、好ましくは、電子放出銃部分の単結晶シリコン
上に金属薄膜が形成されている。
9 l0 Preferably, a metal thin film is formed on the single crystal silicon of the electron emission gun portion.

上記の単結晶シリコン電子放出銃アレイを製造するため
の本発明の製造方法は、 単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、 1つの円周上に互いに等間隔で配された複数の第1の開
口からなる開口群を絶縁膜にアレイパターン状に形成す
る工程と、 この複数の第lの開口を通じて単結晶シリコン基板をア
ンダーエッチングして電子放出銃を形成する工程と、 電子放出銃形成後、複数の第1の開口が形成する円の中
心位置の絶縁膜に第2の開口を形成する工程と、 絶縁膜の表面に対して θ≦tan−1(t/d)  
(t :絶縁膜の膜厚、d:第2の開口の最大径)を満
足する角度θをなす方向から金属を斜め蒸着して第2の
開口の周囲の絶縁膜上に電極を形成する工程とを具備し
ている。
The manufacturing method of the present invention for manufacturing the above-mentioned single-crystal silicon electron emission gun array includes the steps of: forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate; a step of forming an opening group consisting of first openings in an array pattern in an insulating film; a step of under-etching a single crystal silicon substrate through the plurality of first openings to form an electron emission gun; After the formation, a step of forming a second opening in the insulating film at the center position of the circle formed by the plurality of first openings, and a step of forming a second opening in the insulating film at the center position of the circle formed by the plurality of first openings;
(t: thickness of the insulating film, d: maximum diameter of the second opening) Forming an electrode on the insulating film around the second opening by obliquely depositing metal from a direction forming an angle θ that satisfies the following: It is equipped with.

この場合、上記第2の開口を形成する工程の前に上記電
極を形成する工程を行ってもよい。
In this case, the step of forming the electrode may be performed before the step of forming the second opening.

また、電子放出銃を形成した後、絶縁膜に上記第2の開
口を形成し、その後、絶縁膜の表面に対して実質的に垂
直な方向から金属を蒸着して電子放出銃の部分の単結晶
シリコン基板上に金属薄膜を形成し、しかる後、上記ゲ
ート電極を形成する工程を行ってもよい。
Further, after forming the electron emission gun, the second opening is formed in the insulating film, and then metal is deposited in a direction substantially perpendicular to the surface of the insulating film to form a single portion of the electron emission gun. A metal thin film may be formed on a crystalline silicon substrate, and then the step of forming the gate electrode may be performed.

また、金属を蒸着して上記金属薄膜を形成する代わりに
、気相或長法により電子放出銃の部分の単結晶シリコン
基板上に金属薄膜を選択成長させてもよい。
Furthermore, instead of forming the metal thin film by vapor deposition, the metal thin film may be selectively grown on the single crystal silicon substrate in the electron emission gun portion by a vapor phase deposition method.

〔作 用〕[For production]

半導体集積回路の製造プロセスは、一般に、単結晶シリ
コン基板やその他の基板上にほぼ2次元的に加工を加え
ていくものであり、あまり大きな凹凸のある面での加工
は基本的には不向きである。
The manufacturing process for semiconductor integrated circuits generally involves processing almost two-dimensionally on single crystal silicon substrates or other substrates, and processing on surfaces with large irregularities is basically unsuitable. be.

一方、電子放出銃は、通常、その素材がなんであれ、先
端部を極力細くしなければならないために、必然的に3
次元的な構造となる。従って、今まで11 12 は、単結晶シリコンを電子放出銃に加工はできても、そ
れを動作させるための例えばゲー、ト電極や周辺素子を
形成するために、機械的なアセンブリ工程を必要として
いた。
On the other hand, the tip of an electron emission gun must be made as thin as possible, no matter what material it is made of, so it must be
It becomes a dimensional structure. Therefore, although it has been possible to process single-crystal silicon into an electron emission gun, mechanical assembly processes have been required to form, for example, gate electrodes and peripheral elements to operate it. there was.

これに対し、本発明による単結晶シリコン電子放出銃で
は、単結晶シリコン基板表面に、例えばシリコンをエッ
チングするエッチング液にエッチングされないような絶
縁膜を形成した後、その絶縁膜の所定箇所にエッチング
ホールである複数の第lの開口を形成し、下地の単結晶
シリコンのエッチングはすべてそのエッチングホールを
通じて行う。従って、単結晶シリコン電子放出銃は、そ
の単結晶シリコン基板上に形成した絶縁膜の直下に形成
されることになり、依然として基板表面は数箇所に開い
たエッチングホールの他は平坦になっているので、引き
続き通常の半導体集積回路製造技術でもって2次元的な
加工を加えていくことができる。
In contrast, in the single-crystal silicon electron emission gun according to the present invention, an insulating film that is not etched by an etching solution that etches silicon is formed on the surface of a single-crystal silicon substrate, and then etching holes are formed at predetermined locations in the insulating film. A plurality of first openings are formed, and the underlying single crystal silicon is etched entirely through the etching holes. Therefore, the single-crystal silicon electron emission gun is formed directly under the insulating film formed on the single-crystal silicon substrate, and the surface of the substrate is still flat except for a few etching holes. Therefore, two-dimensional processing can be continued using normal semiconductor integrated circuit manufacturing technology.

また本発明の単結晶シリコン電子放出銃においては、電
子放出銃が、絶縁膜の下にできたいわゆるトンネルの中
に形成されているため、その電子放出銃が形成されてい
る部分の絶縁股上に、金属薄膜などの導電層を真空蒸着
などの通常の半導体素子製造プロセスでもって形成すれ
ば、電子放出銃から電子を取り出すために必要な電圧を
印加するための電極を簡単に設けることができる。
Furthermore, in the single-crystal silicon electron emission gun of the present invention, since the electron emission gun is formed in a so-called tunnel formed under the insulating film, the insulating crotch of the part where the electron emission gun is formed is If a conductive layer such as a metal thin film is formed using a normal semiconductor device manufacturing process such as vacuum deposition, electrodes for applying the voltage necessary to extract electrons from the electron emission gun can be easily provided.

更に、本発明により形成された単結晶シリコン電子放出
銃と電圧を印加するための電極とは、おおよそ単結晶シ
リコン上に形成された絶縁膜の厚さ程度の距離しか離れ
ていないため、小さい印加電圧で大きな電界を作ること
が可能であり、電子放出銃はわずか数■から数十Vの印
加電圧で十分動作させることが可能となる。
Furthermore, since the single-crystal silicon electron emission gun formed according to the present invention and the electrode for applying voltage are separated by a distance approximately equal to the thickness of the insulating film formed on the single-crystal silicon, a small voltage can be applied. It is possible to create a large electric field with a voltage, and an electron emission gun can be sufficiently operated with an applied voltage of only a few volts to several tens of volts.

従来における単結晶シリコン電子放出銃では、既述した
ように、水酸化カリウム水溶液やエチレンジアミンピロ
力テコール水溶液のような単結晶シリコンに対してエッ
チング速度に結晶方位依存性(異方性)を持つエッチン
グ液でその単結晶シリコンをエッチングすることにより
、ビラごツド型の電子放出銃を形成していた。しかし、
この場13 14 合には、ピラミッドの側面は、エッチング速度の異方性
により本質的に決まってしまう或る特定の面( {2 
1 2}面と言われている)で形成されてしまい、十分
な先端部の曲率半径が得られていなかった。先端部の曲
率半径は、その先端部での電界集中に大きく影響し、そ
れが小さければ小さいほど電子の放出効率が大きくなる
As mentioned above, conventional single-crystal silicon electron emission guns use etching methods such as potassium hydroxide aqueous solution and ethylenediamine pyrotechol aqueous solution, which have crystal orientation dependence (anisotropy) on the etching rate for single-crystal silicon. By etching the single-crystal silicon with liquid, a virago-type electron-emitting gun was formed. but,
In this case, the sides of the pyramid are defined by a certain plane ({2
1 2} plane), and a sufficient radius of curvature at the tip was not obtained. The radius of curvature of the tip greatly affects the electric field concentration at the tip, and the smaller the radius of curvature, the greater the electron emission efficiency.

これに対し、本発明によれば、例えば、等方性エッチン
グ(単結晶シリコンのどの方位に対しても同しレートで
エッチングするエッチング液)単独又は等方性エッチン
グ液と異方性エッチング液の両方を用いてエッチングを
行うことができるため、従来よりも、電子放出銃側面の
なす角度、いわゆるコーン角が小さく、先端部の曲率半
径も小さい単結晶シリコン電子放出銃を形成することが
でき、結果として、先端部への電界集中を大きくして、
電子の放出効率を向上させることができる。
In contrast, according to the present invention, for example, isotropic etching (an etching solution that etches at the same rate in any direction of single crystal silicon) alone or a combination of an isotropic etching solution and an anisotropic etching solution is possible. Since etching can be performed using both, it is possible to form a single-crystal silicon electron-emitting gun with a smaller angle formed by the side surface of the electron-emitting gun, the so-called cone angle, and a smaller radius of curvature at the tip than before. As a result, the electric field concentration at the tip increases,
Electron emission efficiency can be improved.

また本発明の単結晶シリコン電子放出銃では、電子放出
銃が、電子放出ホールである第2の開口を通じて露出し
ており、ここに、仕事関数の小さな金属を付着させるこ
とができる。例えば、セシウムを高真空下において50
0人程度蒸着すればよい。セシウムの仕事関数は2.1
4eV程度で、シリコンの半分程度であるため、電子の
放出効率がよくなる。また、電子放出ホールを通じて露
出している電子放出銃上に、減圧気相成長法等によるタ
ングステンの選択成長技術によってタングステン薄膜を
形成すれば、絶縁膜上に形成される電極と電子放出銃と
の間隔を調整することができ、より高電界を電子放出銃
に印加することが可能となる。減圧気相成長法によるタ
ングステン薄膜は、下地のシリコンの形状を保存した状
態で形成されるため、単結晶シリコン電子放出銃と同程
度の小さな曲率半径をもつタングステン電子放出銃アレ
イを形成することが可能である。なお、タングステン薄
膜以外の金属薄膜の場合には、膜厚が厚くなると、下地
の単結晶シリコン電子放出銃の形状を保存した状態で形
成することが困難なため、電子放出銃先端のコーン角及
び曲率半径が大きくなってしまい、好ましくない。
Furthermore, in the single-crystal silicon electron emission gun of the present invention, the electron emission gun is exposed through the second opening, which is an electron emission hole, and a metal with a small work function can be attached here. For example, cesium is heated at 50% under high vacuum.
Approximately 0 people need to evaporate. The work function of cesium is 2.1
Since the voltage is about 4 eV, which is about half that of silicon, the electron emission efficiency is improved. In addition, if a tungsten thin film is formed on the electron emission gun exposed through the electron emission hole using a tungsten selective growth technique such as low pressure vapor deposition, the electrode formed on the insulating film and the electron emission gun can be formed. The spacing can be adjusted, making it possible to apply a higher electric field to the electron emission gun. Since tungsten thin films are formed using low-pressure vapor deposition while preserving the shape of the underlying silicon, it is possible to form tungsten electron-emission gun arrays with a radius of curvature as small as that of single-crystal silicon electron-emission guns. It is possible. Note that in the case of metal thin films other than tungsten thin films, when the film thickness increases, it is difficult to form the film while preserving the shape of the underlying single-crystal silicon electron-emitting gun, so the cone angle and The radius of curvature becomes large, which is not preferable.

15 16 以上のように、本発明による単結晶シリコン電子放出銃
は、実質的に通常の半導体集積回路製造技術のみでゲー
ト電極をも簡単に形成することができるという特徴を持
ち、しかも電子放出銃と電極との間の距離を数百nm以
下にでき、更に、電子放出銃の先端部も従来より細く形
成することが可能であるため、動作電圧を半導体集積回
路で直接制御できる程度の小さい電圧まで下げることが
可能となる。
15 16 As described above, the single-crystal silicon electron emission gun according to the present invention has the feature that the gate electrode can be easily formed using substantially only ordinary semiconductor integrated circuit manufacturing techniques. The distance between the electron emission gun and the electrode can be reduced to several hundred nanometers or less, and the tip of the electron emission gun can also be formed thinner than before, so the operating voltage can be controlled directly by the semiconductor integrated circuit. It is possible to lower it to.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

なお、実施例の全図において、同一又は対応する部分に
は同一の符号を付す。
In addition, in all the figures of the embodiment, the same or corresponding parts are given the same reference numerals.

尖巖尉上 第3図は本発明の実施例1による単結晶シリコン電子放
出銃アレイの全体構威を示し、第1図及び第2図は第3
図に示す単結晶シリコン電子放出銃アレイの要部を示す
。第1図は第2図の1−1線に沿っての断面図である。
FIG. 3 shows the overall structure of a single crystal silicon electron emission gun array according to the first embodiment of the present invention, and FIGS.
The main parts of the single-crystal silicon electron emission gun array shown in the figure are shown. FIG. 1 is a sectional view taken along line 1--1 in FIG. 2.

第1図に示すように、この実施例1による単結晶シリコ
ン電子放出銃アレイにおいては、単結晶シリコン基板l
上に酸化シリコン膜2及び窒化シリコン膜3が順次形成
されている。ここで、単結晶シリコン基板Iは、後述す
る電子放出銃形成時に等方性エッチング液のみを用いる
場合にはどのような面方位のものであってもよいが、異
方性エッチング液を用いる場合には面方位が(001)
であるものを用いるのが好ましい。また、この単結晶シ
リコン基板1の導電型は、電子放出効率が高いn型とす
ることが好ましい。具体的には、この単結晶シリコン基
板lとして、例えば面方位が(001)で比抵抗が0.
8〜1.2Ωcmのn型単結晶シリコン基板を用いる。
As shown in FIG. 1, in the single crystal silicon electron emission gun array according to the first embodiment, the single crystal silicon substrate l
A silicon oxide film 2 and a silicon nitride film 3 are sequentially formed thereon. Here, the single crystal silicon substrate I may have any plane orientation if only an isotropic etching solution is used when forming an electron emission gun, which will be described later, but if an anisotropic etching solution is used, The plane direction is (001)
It is preferable to use one that is. Further, the conductivity type of this single crystal silicon substrate 1 is preferably n-type, which has high electron emission efficiency. Specifically, this single crystal silicon substrate l has, for example, a surface orientation of (001) and a resistivity of 0.
An n-type single crystal silicon substrate of 8 to 1.2 Ωcm is used.

一方、酸化シリコン膜2及び窒化シリコン膜3の膜厚は
、後述のゲート電極7を支えることができる機械的強度
を持つヨウに設定する。具体的には、酸化シリコン膜2
の膜厚は例えば50nm,窒化シリコン膜3の膜厚は例
えば500nmとする。
On the other hand, the film thicknesses of the silicon oxide film 2 and the silicon nitride film 3 are set to have a mechanical strength capable of supporting a gate electrode 7, which will be described later. Specifically, silicon oxide film 2
The film thickness of the silicon nitride film 3 is, for example, 50 nm, and the film thickness of the silicon nitride film 3 is, for example, 500 nm.

第1図〜第3図に示すように、窒化シリコン膜3及び酸
化シリコン膜2には、多数の正方形状のl7 l8 電子放出ホール4が等間隔でアレイ状に形成されている
。この電子放出ホール4の間隔は、例えば40μm程度
とする。符号5は窒化シリコン膜3及び酸化シリコン膜
2に形成されたエッチングホールを示し、後述のように
単結晶シリコン電子放出銃を形成する際に用いられるも
のである。このエッチングホール5は、各電子放出ホー
ル4を中心とした1つの円周上に互いに等間隔で配置さ
れている。この実施例1においては、各電子放出ホール
4の周囲に4個のエッチングホール5が配置されている
As shown in FIGS. 1 to 3, a large number of square l7 l8 electron emission holes 4 are formed in an array in the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2 at equal intervals. The distance between the electron emission holes 4 is, for example, about 40 μm. Reference numeral 5 indicates an etching hole formed in the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2, which is used when forming a single crystal silicon electron emission gun as described later. The etching holes 5 are arranged at equal intervals on one circumference with each electron emission hole 4 at the center. In this first embodiment, four etching holes 5 are arranged around each electron emission hole 4.

このエッチングホール5の形状は、後述のように電子放
出ホール4の真下に単結晶シリコン電子放出銃の先端部
分が形成されるように正多角形若しくは円形とする。こ
のエッチングホール5の大きさは1μm角以下とするこ
とも機能上は可能であるが、後述のフォトリソグラフィ
を行う際の物理的制約及び形成される電子放出銃アレイ
の間隔を考慮した適当な大きさとする。具体的には、こ
のエッチングホール5の大きさは、例えば2μm角とす
る。また各電子放出ホール4の周囲に配置するエッチン
グホール5同士の間隔は、例えば10μm程度とする。
The shape of the etching hole 5 is a regular polygon or a circle so that the tip of the single crystal silicon electron emission gun is formed directly below the electron emission hole 4 as described later. Although it is functionally possible to set the size of this etching hole 5 to 1 μm square or less, it may be set to an appropriate size taking into consideration the physical constraints when performing photolithography, which will be described later, and the spacing of the electron emission gun array to be formed. Satoru. Specifically, the size of this etching hole 5 is, for example, 2 μm square. Further, the distance between the etching holes 5 arranged around each electron emission hole 4 is, for example, about 10 μm.

なお、この各電子放出ホール4の周囲に配置するエッチ
ングホール5の個数は必ずしも4個である必要はなく、
3個以上であれば単結晶シリコン電子放出銃を形成する
ことが可能である。
Note that the number of etching holes 5 arranged around each electron emission hole 4 does not necessarily have to be four;
If there are three or more, it is possible to form a single crystal silicon electron emission gun.

この実施例lにおいては、上述の電子放出ホール4の真
下に単結晶シリコン電子放出銃6が形成されている。後
述のように、この単結晶シリコン電子放出銃6は、各エ
ッチングホール5を通じて単結晶シリコン基板1を等方
性エッチングすることにより形成されたものである。こ
の場合、この単結晶シリコン電子放出銃6は、電子放出
ホール4の周囲に配置された各エッチングホール5を中
心とする4個の球面によりその側面が形成され、全体と
してほぼ円錐若しくは多角錐状の形状を有している。な
お、各電子放出ホール4の周囲に配置されるエッチング
ホール5の個数によって単結晶シリコン電子放出銃6の
形状は異なってくるが、l9 20 いずれの場合でも、ほぼ円錐若しくは多角錐状の形状で
先端が鋭くとがった電子放出銃が形成される。
In this embodiment 1, a single crystal silicon electron emission gun 6 is formed directly below the electron emission hole 4 described above. As will be described later, this single-crystal silicon electron emission gun 6 is formed by isotropically etching the single-crystal silicon substrate 1 through each etching hole 5. In this case, the single crystal silicon electron emission gun 6 has side surfaces formed by four spherical surfaces centered around each etching hole 5 arranged around the electron emission hole 4, and has an approximately conical or polygonal pyramidal shape as a whole. It has the shape of The shape of the single-crystal silicon electron-emitting gun 6 varies depending on the number of etching holes 5 arranged around each electron-emitting hole 4, but in any case, it has a substantially conical or polygonal pyramidal shape. An electron-emitting gun with a sharp tip is formed.

第1図において、符号7は、窒化シリコン膜3の上に形
成されたゲート電極である。このゲート電極7の材料と
しては、アル5ニウム、金、銅など、電極材料になるも
のであればどのような材料を用いてもよい。このゲート
電極7の厚さは、例えば 0.3〜1.0pm程度とす
る。
In FIG. 1, reference numeral 7 denotes a gate electrode formed on the silicon nitride film 3. As shown in FIG. The gate electrode 7 may be made of any material that can be used as an electrode material, such as aluminum, gold, or copper. The thickness of this gate electrode 7 is, for example, about 0.3 to 1.0 pm.

この実施例1においては、第1図及び第2図に示すよう
な単結晶シリコン電子放出銃6が、第3図に示すように
アレイ状に多数配置されている。
In this first embodiment, a large number of single crystal silicon electron emission guns 6 as shown in FIGS. 1 and 2 are arranged in an array as shown in FIG.

次に、上述のように構威された実施例1による単結晶シ
リコン電子放出銃アレイの製造方法を説明する。
Next, a method of manufacturing the single-crystal silicon electron emission gun array according to the first embodiment configured as described above will be described.

まず、第4図Aに示すように、単結晶シリコン基板1上
に、例えば熱酸化法により酸化シリコン膜2を形成した
後、この酸化シリコン膜2上にスパッタ法、LPCVD
法、プラズマCVD法等により窒化シリコン膜3を形成
する。しかる後、窒化シリコン膜3上に、上述した電子
放出ホール4及びエッチングホール5に対応する部分が
開口したレジストパターン8をリソグラフィにより形成
する。
First, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide film 2 is formed on a single crystal silicon substrate 1 by, for example, a thermal oxidation method.
A silicon nitride film 3 is formed by a method such as a plasma CVD method or a plasma CVD method. Thereafter, a resist pattern 8 having openings corresponding to the electron emission holes 4 and etching holes 5 described above is formed on the silicon nitride film 3 by lithography.

次に、第4図Bに示すように、レジストパターン8をマ
スクとして窒化シリコン膜3を、例えばりアクティブイ
オンエッチング(R I E)法によりエッチングした
後、このレジストパターン8を除去する。これにより、
図示の如く、窒化シリコン膜3のうち電子放出ホール4
及びエッチングホール5に対応する部分が開口する。な
お、この窒化シリコン膜3のエッチングは、この窒化シ
リコン膜3上に更に、例えば膜厚が数百nm程度の酸化
シリコン膜(図示せず)を形成し、この酸化シリコン膜
上にリソグラフィによりレジストパターンを形成した後
、このレジストパターンをマスクとして酸化シリコン膜
をエッチングすることによりこの酸化シリコン膜をパタ
ーンニングし、この酸化シリコン膜をマスクとして、例
えば熱りん酸により行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, the silicon nitride film 3 is etched by, for example, active ion etching (RIE) using the resist pattern 8 as a mask, and then the resist pattern 8 is removed. This results in
As shown in the figure, electron emission holes 4 in the silicon nitride film 3
A portion corresponding to the etching hole 5 is opened. Note that the etching of the silicon nitride film 3 is performed by further forming a silicon oxide film (not shown) with a thickness of, for example, several hundred nm on the silicon nitride film 3, and then forming a resist on the silicon oxide film by lithography. After forming the pattern, the silicon oxide film may be patterned by etching the silicon oxide film using the resist pattern as a mask, using hot phosphoric acid, for example, using the silicon oxide film as a mask.

21 22 次に、上述した電子放出ホール4に対応する開口部を覆
うレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジス
トパターンをマスクとして酸化シリコン膜2を、例えば
バッファ一弗酸でエッチングする。これにより、第4図
Cに示すように、エッチングホール5を形成して、その
部分の単結晶シリコン基板lを露出させ、しかる後、そ
のレジストパターンを除去する。
21 22 Next, a resist pattern (not shown) is formed to cover the opening corresponding to the electron emission hole 4 described above, and using this resist pattern as a mask, the silicon oxide film 2 is etched with, for example, buffered monofluoric acid. As a result, as shown in FIG. 4C, an etching hole 5 is formed to expose that portion of the single crystal silicon substrate 1, and then the resist pattern is removed.

次に、第4図Dに示すように、窒化シリコン膜3及び酸
化シリコン膜2に形成したエッチングホール5を通じて
、単結晶シリコン基板1を、例えば弗酸一硝酸系エッチ
ング液により等方性エッチングする。この等方性エッチ
ングにおいては、同図に示すように、酸化シリコン膜2
の下の部分の単結晶シリコン基板1を大きくアンダーエ
ッチングする。このアンダーエッチングの進み具合は、
エッチングを一時中断して金属顕微鏡などの光学顕微鏡
で観察することにより、酸化シリコン膜2及び窒化シリ
コン膜3を通じて観察することができるので、適当な時
間エッチングしたら水洗し観察することを繰り返すこと
により、各エッチングホール5からのアンダーエッチン
グ領域が全てつながった直後にエッチングを終了するよ
うにする。
Next, as shown in FIG. 4D, the single crystal silicon substrate 1 is isotropically etched using, for example, a hydrofluoric acid mononitric acid based etching solution through the etching holes 5 formed in the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2. . In this isotropic etching, as shown in the figure, the silicon oxide film 2
The lower portion of the single crystal silicon substrate 1 is largely under-etched. The progress of this under-etching is as follows:
By temporarily suspending etching and observing with an optical microscope such as a metallurgical microscope, it is possible to observe through the silicon oxide film 2 and silicon nitride film 3, so by repeating etching for an appropriate time, washing with water, and observing. Etching is made to end immediately after all the under-etched regions from each etching hole 5 are connected.

なお、この単結晶シリコン基板1のエッチングは、等方
性エッチング液及び異方性エッチング液の両方を用いて
行っても、また異方性エッチング液だけを用いて行って
も、目的の単結晶シリコン電子放出銃は形成することが
できるが、等方性エッチング液のみで形成した場合と、
等方性エッチング液及び異方性エッチング液の両エッチ
ング液を用いた2段階エッチングの場合は、異方性エッ
チング液のみで形成した場合よりも、先端部のコーン角
及び曲率半径の小さい単結晶シリコン電子放出銃を作製
することができる。
Note that the single crystal silicon substrate 1 may be etched using both an isotropic etching solution and an anisotropic etching solution, or only an anisotropic etching solution. A silicon electron emission gun can be formed using only an isotropic etching solution.
In the case of two-step etching using both an isotropic etching solution and an anisotropic etching solution, a single crystal with a smaller cone angle and radius of curvature at the tip than when formed using only an anisotropic etching solution. A silicon electron emission gun can be made.

上述した2段階エッチングを用いる単結晶シリコン基板
1のエッチングでは、まず等方性エッチング液で、互い
に隣接するエッチングホール5からのアンダーエッチン
グ領域がつながるまでエッチングし、次に、異方性エソ
チンダ液で、全エッチングホール5からのアンダーエッ
チング領域が23 24 つながるまでエッチングを行う。
In etching the single-crystal silicon substrate 1 using the two-step etching described above, etching is first performed using an isotropic etching solution until the under-etched regions from adjacent etching holes 5 are connected, and then etching is performed using an anisotropic etching solution. , etching is performed until the under-etched regions from all the etching holes 5 are connected by 23 24 .

なお、上述した等方性エッチング用の弗酸一硝酸系エッ
チング液や、異方性エッチングに用いる水酸化カリウム
水溶液、エチレンジアミンピロ力テコール水溶液等のエ
ッチング液は、酸化シリコン膜2及び窒化シリコン膜3
に対してもエッチング効果を持つが、これらに対するエ
ッチングは、シリコンに対するエッチング速度に対して
十分エッチング速度が遅いこと及び単結晶シリコン電子
放出銃形成時のエッチング時間が非常に短く、例えば数
分であること等により、殆ど無視することができる。
Note that the above-mentioned etching solution such as the hydrofluoric acid mononitric acid based etching solution for isotropic etching, the potassium hydroxide aqueous solution, and the ethylenediamine pyrotechol aqueous solution used for anisotropic etching can be used for the silicon oxide film 2 and the silicon nitride film 3.
However, the etching speed for these materials is sufficiently slow compared to the etching speed for silicon, and the etching time when forming a single crystal silicon electron emission gun is very short, for example, several minutes. Therefore, it can be almost ignored.

なお、上述の等方性エッチングは、本実施例のようなウ
エットエッチング以外の方法、例えばプラズマエッチン
グにより行うことも可能である。
Note that the above-described isotropic etching can also be performed by a method other than wet etching as in this embodiment, such as plasma etching.

次に、第4図Eに示すように、窒化シリコン膜3の表面
に対して蒸着原子の飛来方向が角度θをなす方向からゲ
ート電極形成用の金属材料の真空蒸着を行う。この真空
蒸着は、基板1をその法線の回りに回転させながら行う
。ここで、角度θは、酸化シリコン膜2及び窒化シリコ
ン膜3の合計膜厚をt、エッチングホール5及び窒化シ
リコン膜3に形成された電子放出ホール4の一辺の長さ
をそれぞれaとした場合、それらのホール4及び5の最
大径である対角線の長さdはd = JT aであるの
で、θ≦tan− ’ (t/,/Ta)を満足するよ
うな値に選ばれる。この真空蒸着によって、窒化シリコ
ン膜3上にゲート電極7が形成される。なお、この真空
蒸着の際には、単結晶シリコン電子放出銃6の先端の近
傍の電子放出ホール40部分の酸化シリコン膜l上には
ゲート電極形成用の金属材料は蒸着されず、窒化シリコ
ン膜3上にだけ選択的に蒸着されることになる。この後
、形成された電極用の金属薄膜に、必要に応じてフォト
リソグラフィ工程によりバターニングを行う。
Next, as shown in FIG. 4E, a metal material for forming a gate electrode is vacuum-deposited from a direction in which the flying direction of the vapor-deposited atoms forms an angle θ with respect to the surface of the silicon nitride film 3. This vacuum deposition is performed while rotating the substrate 1 around its normal line. Here, the angle θ is when t is the total thickness of the silicon oxide film 2 and the silicon nitride film 3, and a is the length of one side of the etching hole 5 and the electron emission hole 4 formed in the silicon nitride film 3, respectively. , the length d of the diagonal line, which is the maximum diameter of the holes 4 and 5, is selected to satisfy θ≦tan−′ (t/, /Ta) since d=JT a. Gate electrode 7 is formed on silicon nitride film 3 by this vacuum deposition. Note that during this vacuum deposition, the metal material for forming the gate electrode is not deposited on the silicon oxide film l in the electron emission hole 40 portion near the tip of the single-crystal silicon electron emission gun 6, but the silicon nitride film is It will be selectively deposited only on 3. Thereafter, the formed metal thin film for electrodes is patterned by a photolithography process, if necessary.

なお、本実施例においては、エッチングホール5及び電
子放出ホール4を同じ大きさの正方形状としたが、エッ
チングホール5の大きさ及び形状と電子放出ホール4の
大きさ及び形状とは互いに一致させる必要はなく、各々
別の形状及び大きさ25 26 のものであってよい。その場合、蒸着原子の飛来方向θ
は.電子放出ホール4の最大径dを基準として決めれば
よく、θ≦tan− ’ (t/d )となるように設
定すればよい。
In this example, the etching hole 5 and the electron emission hole 4 are square-shaped with the same size, but the size and shape of the etching hole 5 and the size and shape of the electron emission hole 4 are made to match each other. They do not have to be, and may be of different shapes and sizes 25 26 . In that case, the flying direction θ of the evaporated atoms
teeth. It may be determined based on the maximum diameter d of the electron emission hole 4, and may be set so that θ≦tan−′ (t/d).

次に、第4図Fに示すように、単結晶シリコン電子放出
銃6上の酸化シリコン膜2をエッチング除去して、この
部分を開口する。この場合、まずリアクティブイオンエ
ッチング法によりこの単結晶シリコン電子放出銃7上の
酸化シリコン膜2の膜厚が100人程度になるまでエッ
チングし、その後、バッファ一弗酸に約30秒程度浸し
て、残りの酸化シリコン膜2をエッチング除去する。こ
のリアクティブイオンエッチングのエッチングガスとし
て、ゲート電極形成用の金属薄膜がエッチングされない
ようなガスを選ぶのが好ましい。例えば、ゲート電極形
成用の金属薄膜としてアルξニウムを用いた場合には、
塩素系ガスは避け、弗酸一水素系ガスを用いることによ
り、そのアルミニウム薄膜を、酸化シリコン膜2のエッ
チング時のエッチングマスクとして利用することができ
る。
Next, as shown in FIG. 4F, the silicon oxide film 2 on the single-crystal silicon electron emission gun 6 is removed by etching to open this portion. In this case, first, the silicon oxide film 2 on the single-crystal silicon electron emission gun 7 is etched using a reactive ion etching method until the thickness of the silicon oxide film 2 becomes about 100 mm. , the remaining silicon oxide film 2 is removed by etching. As the etching gas for this reactive ion etching, it is preferable to select a gas that does not etch the metal thin film for forming the gate electrode. For example, when aluminum is used as the metal thin film for forming the gate electrode,
By avoiding chlorine-based gas and using hydrofluoric acid monohydrogen-based gas, the aluminum thin film can be used as an etching mask when etching the silicon oxide film 2.

またバッファ一弗酸は、アルくニウムを多少侵しはする
が、30秒程度のエッチングでは無視することができ、
更に、窒化シリコンに対するエッチング速度は酸化シリ
コンに対して十分遅いので、酸化シリコン膜2だけを選
択的にエッチングすることができる。なお、上述したり
アクティブイオンエッチングのみで全部の酸化シリコン
膜2をエッチングしようとすると、電子放出銃6の部分
の単結晶シリコン基板1をもエッチングするおそれがあ
るので、好ましくない。
In addition, although buffered monofluoric acid does attack aluminium to some extent, it can be ignored after etching for about 30 seconds.
Furthermore, since the etching rate for silicon nitride is sufficiently slower than that for silicon oxide, only the silicon oxide film 2 can be selectively etched. It should be noted that if the entire silicon oxide film 2 is to be etched by only active ion etching as described above, there is a risk that the single crystal silicon substrate 1 in the electron emission gun 6 portion will also be etched, which is not preferable.

なお、この実施例1においては、ゲート電極7の形成前
に単結晶シリコン電子放出銃6上の酸化シリコン膜2の
エッチングを行っても、上述と同様の単結晶シリコン電
子放出銃アレイを製造することができる。
In this first embodiment, even if the silicon oxide film 2 on the single crystal silicon electron emission gun 6 is etched before forming the gate electrode 7, the same single crystal silicon electron emission gun array as described above can be manufactured. be able to.

上述のようにして64個の単結晶シリコン電子放出銃6
からなる単結晶シリコン電子放出銃アレイを製造し、そ
の単結晶シリコン基板1及びゲート電極7に直流電圧を
印加して電流一電圧特性を測定したところ、1個の単結
晶シリコン電子放出27 28 銃6当たり約0.3μAの放出電流が得られた。
As described above, 64 single crystal silicon electron emission guns 6
When a single-crystal silicon electron-emitting gun array was manufactured and the current-voltage characteristics were measured by applying a DC voltage to the single-crystal silicon substrate 1 and gate electrode 7, it was found that one single-crystal silicon electron-emitting gun An emission current of approximately 0.3 μA per 6 was obtained.

以上のように、この実施例1によれば、単結晶シリコン
基板1をエッチングホール5を通じて等方性エッチング
することにより単結晶シリコン電子放出銃6を形成して
いるので、先端の曲率半径が数百A程度の鋭い先端部を
有する単結晶シリコン電子放出銃6を得ることができる
。しかも、真空蒸着によりこの単結晶シリコン電子放出
銃6の先端に近接して且つ精度よくゲート電極7を形成
することができるので、単結晶シリコン電子放出銃6と
ゲート電極7との間の間隔を極めて小さくすることがで
きる。これによって、単結晶シリコン電子放出銃6に印
加する電圧は小さくて済む。
As described above, according to the first embodiment, since the single crystal silicon electron emission gun 6 is formed by isotropically etching the single crystal silicon substrate 1 through the etching hole 5, the radius of curvature of the tip is A single crystal silicon electron emission gun 6 having a sharp tip of about 100 A can be obtained. Moreover, since the gate electrode 7 can be formed close to the tip of the single-crystal silicon electron-emitting gun 6 with high accuracy by vacuum evaporation, the distance between the single-crystal silicon electron-emitting gun 6 and the gate electrode 7 can be reduced. It can be made extremely small. As a result, the voltage applied to the single-crystal silicon electron emission gun 6 can be small.

なお、この実施例1においては、第3図に示すように、
各電子放出銃6の素子毎に独立的にエッチングホール5
を形成したが、例えば、隣接する素子のエッチングホー
ルをそれぞれの素子に共有させてもよい。即ち、lつの
エッチングホールからのアンダーエッチングによって、
そのエッチングホールの両側にそれぞれ電子放出銃が形
成されるようにしてもよい。
In addition, in this Example 1, as shown in FIG.
Etching holes 5 are made independently for each element of each electron emission gun 6.
However, for example, the etching holes of adjacent elements may be shared by each element. That is, by under-etching from one etching hole,
Electron emission guns may be formed on both sides of the etching hole.

実益班1 第5図は本発明の実施例2による単結晶シリコン電子放
出銃アレイを示す。
Practical Group 1 FIG. 5 shows a single crystal silicon electron emission gun array according to a second embodiment of the present invention.

第5図に示すように、この実施例2による単結晶シリコ
ン電子放出銃アレイにおいては、単結晶シリコン電子放
出銃6め先端部の近傍に金属薄膜9が形成されている。
As shown in FIG. 5, in the single crystal silicon electron emission gun array according to the second embodiment, a metal thin film 9 is formed near the tip of the single crystal silicon electron emission gun 6. As shown in FIG.

その他の構或は上述の実施例1による単結晶シリコン電
子放出銃アレイと同様である。
Other structures are similar to the single crystal silicon electron emission gun array according to the first embodiment described above.

この金属薄膜9を形成する理由は、第一には、単結晶シ
リコン電子放出銃6の電子放出効率を高めるためであり
、第二には、この金属薄膜9の形成により単結晶シリコ
ン電子放出銃6とゲート電極7との間隔を更に小さくし
、電子放出銃により高い電界を加えることができるよう
にするためである。
The reason for forming this metal thin film 9 is, first, to increase the electron emission efficiency of the single crystal silicon electron emission gun 6, and secondly, the reason for forming this metal thin film 9 is to increase the electron emission efficiency of the single crystal silicon electron emission gun 6. This is to further reduce the distance between the gate electrode 6 and the gate electrode 7 so that a higher electric field can be applied to the electron emission gun.

第一の目的では、金属薄膜9としては、単結晶シリコン
に比べてより仕事関数の小さいセシウム、バリウム、セ
リウム等の材料を用いるのが好まし29 30 い。この場合、後述の製造工程において形成される単結
晶シリコン電子放出銃先端部の小さなコーン角及び曲率
半径を持つ形状を金属薄膜9がそのまま引き継ぐことが
望ましい。但し、あまり厚くこれらの金属を蒸着すると
、この金属薄膜9が単結晶シリコン電子放出銃先端部の
形状をそのまま引き継がず、結果として曲率半径が大き
くなってしまう。このため、金属薄膜8の膜厚は約50
0人程度若しくはそれ以下とするのが好ましい。
For the first purpose, it is preferable to use a material such as cesium, barium, or cerium, which has a smaller work function than single crystal silicon, for the metal thin film 9. In this case, it is desirable that the metal thin film 9 inherits the shape having a small cone angle and radius of curvature of the tip of the single-crystal silicon electron emission gun, which is formed in the manufacturing process described later. However, if these metals are deposited too thickly, the metal thin film 9 will not take over the shape of the tip of the single-crystal silicon electron-emitting gun, resulting in a large radius of curvature. Therefore, the thickness of the metal thin film 8 is approximately 50 mm.
It is preferable to set the number to about 0 or less.

一方、第二の目的では、実施例3で説明するように、減
圧気相成長法によるタングステンのシリコン上への選択
或長技術を用いるのが有効である。
On the other hand, for the second purpose, as described in Example 3, it is effective to use a technique for selectively growing tungsten on silicon by low pressure vapor phase growth.

この選択或長技術により成長させるタングステン薄膜は
、タングステンとシリコンとの化学的反応により形成さ
れるため、下地の単結晶シリコン電子放出銃の形状通り
に形成される。従って、電子放出銃先端部の曲率半径及
びコーン角はタングステン薄膜を形成した後においても
、下地の単結晶シリコン電子放出銃と殆ど変わらない。
Since the tungsten thin film grown by this selective growth technique is formed by a chemical reaction between tungsten and silicon, it is formed in the shape of the underlying single-crystal silicon electron emission gun. Therefore, the radius of curvature and cone angle of the tip of the electron-emitting gun are almost the same as those of the underlying single-crystal silicon electron-emitting gun even after the tungsten thin film is formed.

次に、上述のように構威されたこの実施例2による単結
晶シリコン電子放出銃アレイの製造方法を説明する。
Next, a method of manufacturing the single crystal silicon electron emission gun array according to the second embodiment configured as described above will be explained.

この実施例2による単結晶シリコン電子放出銃アレイの
製造方法においては、まず実施例1の第4図Cに示す工
程まで工程を進める。
In the method for manufacturing a single-crystal silicon electron emission gun array according to the second embodiment, the steps are first advanced to the step shown in FIG. 4C of the first embodiment.

次に、バッファ一弗酸により酸化シリコン膜2をエッチ
ングする。この場合、窒化シリコン膜3がエッヂングマ
スクとなって、第6図Aに示すように、単結晶シリコン
電子放出銃6の先端直上の部分の酸化シリコン膜2が選
択的にエッチングされ、電子放出ホール4が形成される
Next, the silicon oxide film 2 is etched using buffer monofluoric acid. In this case, the silicon nitride film 3 serves as an etching mask, and as shown in FIG. 6A, the silicon oxide film 2 immediately above the tip of the single-crystal silicon electron emission gun 6 is selectively etched to form electron emission holes. 4 is formed.

次に、第6図Bに示すように、窒化シリコン膜3の表面
に対してほぼ垂直な方向からセシウム等の仕事関数の小
さな金属を蒸着する。これによって、電子放出ホール4
を通じ、セシウム等の金属が蒸着されることにより、単
結晶シリコン電子放出銃6の先端部分にセシウム等の金
属薄膜9が形成される。なお、この蒸着によりエッチン
グホール5の下方の単結晶シリコン基板1上にも金属薄
膜9が形成されるが、素子の機能上、一向に差し31 32 支えない。この金属薄膜9の膜厚は例えば数十nmあれ
ばよい。
Next, as shown in FIG. 6B, a metal with a small work function, such as cesium, is deposited in a direction substantially perpendicular to the surface of the silicon nitride film 3. As a result, the electron emission hole 4
By vapor-depositing a metal such as cesium through the process, a thin metal film 9 of cesium or the like is formed at the tip of the single-crystal silicon electron emission gun 6. Although the metal thin film 9 is also formed on the single crystal silicon substrate 1 below the etching hole 5 by this vapor deposition, it does not affect the functionality of the device in any way. The thickness of this metal thin film 9 may be, for example, several tens of nanometers.

次に、第6図Cに示すように、実施例1と同様にして金
属を斜め蒸着することにより窒化シリコン膜3上にゲー
ト電極7を形成する。これによって、第3図に示したも
のと同様の単結晶シリコン電子放出銃アレイが完威され
る。
Next, as shown in FIG. 6C, a gate electrode 7 is formed on the silicon nitride film 3 by diagonally depositing metal in the same manner as in Example 1. This completes a single crystal silicon electron emission gun array similar to that shown in FIG.

金属薄膜9としてセシウム膜を蒸着により形成した単結
晶シリコン電子放出銃アレイでは、l00vの印加電圧
において1個の電子放出銃当たり約0.5μAの放出電
流が得られた。
In the single crystal silicon electron emission gun array in which a cesium film was formed as the metal thin film 9 by vapor deposition, an emission current of about 0.5 μA per electron emission gun was obtained at an applied voltage of 100V.

尖巌拠主 第7図は本発明の実施例3による単結晶シリコン電子放
出銃アレイを示す。
Figure 7 shows a single crystal silicon electron emission gun array according to a third embodiment of the present invention.

第7図に示すように、この実施例3による単結晶シリコ
ン電子放出銃アレイにおいては、等方性エッチングによ
り形成されたほぼ球面状の単結晶シリコン基板1の全面
に、例えばタングステンからなる金属薄膜9が形成され
ている。その他の構或は実施例1と同様である。
As shown in FIG. 7, in the single-crystal silicon electron emission gun array according to the third embodiment, a metal thin film made of, for example, tungsten is coated on the entire surface of a substantially spherical single-crystal silicon substrate 1 formed by isotropic etching. 9 is formed. Other structures are the same as in the first embodiment.

次に、上述のように構威されたこの実施例3による単結
晶シリコン電子放出銃アレイの製造方法を説明する。
Next, a method of manufacturing the single crystal silicon electron emission gun array according to the third embodiment configured as described above will be explained.

この実施例3による単結晶シリコン電子放出銃アレイの
製造方法においては、まず実施例1の第4図Cに示す工
程まで工程を進める。
In the method for manufacturing a single-crystal silicon electron emission gun array according to this third embodiment, the steps are first advanced to the step shown in FIG. 4C of the first embodiment.

次に、減圧気相成長法によりタングステンの選択成長を
行う。この場合、電子放出ホール4及びエッチングホー
ル5を通じて反応ガスが入り込むことにより、第8図に
示すように、単結晶シリコン電子放出銃6及び等方性エ
ッチングにより形成された単結晶シリコン基板1の球面
部分の全面にタングステン薄膜9が形成される。このタ
ングステン薄膜9はシリコンとの化学的反応により形成
されるため、酸化シリコン層2及び窒化シリコン層3で
被覆されている部分にはこのタングステン薄膜9は形成
されない。
Next, selective growth of tungsten is performed by low pressure vapor phase growth. In this case, as the reactive gas enters through the electron emission hole 4 and the etching hole 5, as shown in FIG. A tungsten thin film 9 is formed on the entire surface of the portion. Since this tungsten thin film 9 is formed by a chemical reaction with silicon, this tungsten thin film 9 is not formed in the portion covered with the silicon oxide layer 2 and the silicon nitride layer 3.

この後、実施例1と同様にしてゲート電極7を形成する
Thereafter, gate electrode 7 is formed in the same manner as in Example 1.

金属薄膜9としてタングステンを選択戒長によ33 34 り形成した単結晶シリコン電子放出銃アレイでは、10
0Vの印加電圧において1個の電子放出銃当たり約0.
4μAの放出電流が得られた。
In the single-crystal silicon electron emission gun array formed by selecting tungsten as the metal thin film 9, 10
Approximately 0.0 V per electron emission gun at an applied voltage of 0 V.
An emission current of 4 μA was obtained.

以上、本発明の実施例を具体的に説明したが、本発明は
上述の実施例に限定されるものではなく、上記実施例は
、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で各種の変形
が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and the above embodiments may be modified in various ways without departing from the technical idea of the present invention. It is possible.

例えば、上記実施例1〜3においては、単結晶シリコン
基板1上に絶縁膜として酸化シリコン膜2及び窒化シリ
コン膜3の二層を形成しているが、絶縁膜は必ずしもこ
のように二層形成する必要はなく、必要に応じて一層又
は三層以上とすることも可能である。また上記実施例2
において、金属薄膜9は、例えばリフトオフ法により形
成することも可能である。
For example, in Examples 1 to 3 above, two layers of silicon oxide film 2 and silicon nitride film 3 are formed as insulating films on single crystal silicon substrate 1, but insulating films are not necessarily formed in two layers in this way. It is not necessary to have one layer or three or more layers as necessary. In addition, the above Example 2
In this case, the metal thin film 9 can also be formed by, for example, a lift-off method.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、単結晶シリコン
電子放出銃及び電圧を印加するための電極を、アセンブ
リ工程等を必要とせず、通常の半導体集積回路製造技術
のみで簡単に且つ精度よく製造することができる。
As explained above, according to the present invention, a single-crystal silicon electron emission gun and an electrode for applying voltage can be easily and accurately manufactured using only ordinary semiconductor integrated circuit manufacturing techniques without the need for an assembly process or the like. can be manufactured.

また、先端部の曲率半径が従来よりも小さい単結晶シリ
コン電子放出銃を容易に実現することが可能である。
Furthermore, it is possible to easily realize a single-crystal silicon electron emission gun whose tip has a smaller radius of curvature than conventional ones.

更に、電圧を印加するための電極を、電子放出銃と数百
nm以下の間隔で非常に近接して形成することができ、
これにより、電子放出銃の動作電圧の低減を図ることが
できる。
Furthermore, the electrode for applying voltage can be formed very close to the electron emission gun at an interval of several hundred nm or less,
Thereby, the operating voltage of the electron emission gun can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例1による単結晶シリコン電子放
出銃アレイの要部断面図、第2図は同上の単結晶シリコ
ン電子放出銃アレイの要部平面図、第3図は同上の単結
晶シリコン電子放出銃アレイの全体構或を示す斜視図、
第4図A−Fは同上の単結晶シリコン電子放出銃アレイ
の製造方法を工程順に説明するための断面図、第5図は
本発明の実施例2による単結晶シリコン電子放出銃アレ
イの要部断面図、第6図A−Cは同上の単結晶シリコン
電子放出銃アレイの製造方法を工程順に説明するための
断面図、第7図は本発明の実施例3に35 36 よる単結晶シリコン電子放出銃アレイの要部断面図、第
8図は同上の単結晶シリコン電子放出銃アレイの製造方
法を工程順に説明するための断面図である。 なお、図面に用いた符号において、 ■  −・・一単結晶シリコン基板 2   一 酸化シリコン膜 3    窒化シリコン膜 4−・一・・・−・−−−−−一電子放出ホール(第2
の開口)5−−−−−一・・−・−−−−一エッチング
ホール(第1の開口)6−・−・−−−−−−−−−−
一単結晶シリコン電子放出銃7   − ゲート電極 9 −−−−−−−−−−−−・−・金属薄膜である。
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a single crystal silicon electron emission gun array according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a main part of the same single crystal silicon electron emission gun array, and FIG. A perspective view showing the overall structure of a crystalline silicon electron emission gun array;
4A to 4F are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the single-crystal silicon electron-emission gun array in the order of steps, and FIG. 5 is a main part of the single-crystal silicon electron-emission gun array according to the second embodiment of the present invention. 6A-6C are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the same single-crystal silicon electron emission gun array in the order of steps, and FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part of the emission gun array, and is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the single-crystal silicon electron emission gun array in the order of steps. In addition, in the symbols used in the drawings, ■ -... one single-crystal silicon substrate 2 one silicon oxide film 3 silicon nitride film 4- one electron emission hole (second
opening) 5-------1...-------1 etching hole (first opening) 6-----------
Single-crystal silicon electron emission gun 7 - Gate electrode 9 ------------- Metal thin film.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)単結晶シリコン基板にエッチングにより形成され
た電子放出銃と、 上記電子放出銃の形成された上記単結晶シリコン基板の
面に設けられた絶縁膜と、 上記電子放出銃の先端部分を中心とした1つの円周上に
互いに等間隔で上記絶縁膜に形成された複数の第1の開
口と、 上記電子放出銃の直上の上記絶縁膜に形成された電子放
出用の第2の開口と、 上記第2の開口の周囲における上記絶縁膜上に形成され
た電極とからなる素子が上記単結晶シリコン基板にアレ
イ状に複数個配置されていることを特徴とする単結晶シ
リコン電子放出銃アレイ。
(1) An electron emission gun formed by etching on a single crystal silicon substrate; an insulating film provided on the surface of the single crystal silicon substrate on which the electron emission gun is formed; a plurality of first openings formed in the insulating film at equal intervals on one circumference, and a second opening for electron emission formed in the insulating film directly above the electron emission gun; , a single-crystal silicon electron emission gun array, characterized in that a plurality of elements each comprising an electrode formed on the insulating film around the second opening are arranged in an array on the single-crystal silicon substrate. .
(2)上記電子放出銃部分の上記単結晶シリコン基板上
に金属薄膜が形成されていることを特徴とする請求項1
記載の単結晶シリコン電子放出銃アレイ。
(2) Claim 1 characterized in that a metal thin film is formed on the single crystal silicon substrate of the electron emission gun portion.
Single crystal silicon electron emission gun array as described.
(3)単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と
、 1つの円周上に互いに等間隔で配された複数の第1の開
口からなる開口群を上記絶縁膜にアレイパターン状に形
成する工程と、 上記複数の第1の開口を通じて上記単結晶シリコン基板
をアンダーエッチングして電子放出銃を形成する工程と
、 上記電子放出銃形成後、上記複数の第1の開口が形成す
る円の中心位置の上記絶縁膜に第2の開口を形成する工
程と、 上記絶縁膜の表面に対してθ≦tan^−^1(t/d
)(t:上記絶縁膜の膜厚、d:上記第2の開口の最大
径)を満足する角度θをなす方向から金属を斜め蒸着し
て上記第2の開口の周囲の上記絶縁膜上に電極を形成す
る工程とを具備することを特徴とする単結晶シリコン電
子放出銃アレイの製造方法。
(3) forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate, and forming an opening group consisting of a plurality of first openings arranged at equal intervals on one circumference in an array pattern on the insulating film; forming an electron emission gun by under-etching the single crystal silicon substrate through the plurality of first openings; after forming the electron emission gun, forming a circle formed by the plurality of first openings; a step of forming a second opening in the insulating film at a central position; and a step of forming a second opening in the insulating film at a central position;
) (t: thickness of the insulating film, d: maximum diameter of the second opening) by diagonally vapor depositing metal onto the insulating film around the second opening. A method of manufacturing a single crystal silicon electron emission gun array, comprising the step of forming an electrode.
(4)上記第2の開口を形成する工程の前に上記電極を
形成する工程を行うことを特徴とする請求項3記載の単
結晶シリコン電子放出銃アレイの製造方法。
(4) The method of manufacturing a single-crystal silicon electron emission gun array according to claim 3, wherein the step of forming the electrode is performed before the step of forming the second opening.
(5)単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と
、 1つの円周上に互いに等間隔で配された複数の第1の開
口からなる開口群を上記絶縁膜にアレイパターン状に形
成する工程と、 上記複数の第1の開口を通じて上記単結晶シリコン基板
をアンダーエッチングして電子放出銃を形成する工程と
、 上記電子放出銃形成後、上記複数の第1の開口が形成す
る円の中心位置の上記絶縁膜に第2の開口を形成する工
程と、 上記絶縁膜の表面に対して実質的に垂直な方向から金属
を蒸着して上記電子放出銃の部分の上記単結晶シリコン
基板上に金属薄膜を形成する工程と、 上記絶縁膜の表面に対してθ≦tan^−^1(t/d
)(t:上記絶縁膜の膜厚、d:上記第2の開口の最大
径)を満足する角度θをなす方向から金属を斜め蒸着し
て上記第2の開口の周囲の上記絶縁膜上に電極を形成す
る工程とを具備することを特徴とする単結晶シリコン電
子放出銃アレイの製造方法。
(5) forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate, and forming an opening group consisting of a plurality of first openings arranged at equal intervals on one circumference in an array pattern on the insulating film; forming an electron emission gun by under-etching the single crystal silicon substrate through the plurality of first openings; after forming the electron emission gun, forming a circle formed by the plurality of first openings; forming a second opening in the insulating film at a central position, and depositing metal on the single crystal silicon substrate in the electron emission gun portion from a direction substantially perpendicular to the surface of the insulating film; a step of forming a metal thin film on the surface of the insulating film, and θ≦tan^-^1(t/d
) (t: thickness of the insulating film, d: maximum diameter of the second opening) by diagonally vapor depositing metal onto the insulating film around the second opening. A method of manufacturing a single crystal silicon electron emission gun array, comprising the step of forming an electrode.
(6)単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と
、 1つの円周上に互いに等間隔で配された複数の第1の開
口からなる開口群を上記絶縁膜にアレイパターン状に形
成する工程と、 上記複数の第1の開口を通じて上記単結晶シリコン基板
をアンダーエッチングして電子放出銃を形成する工程と
、 上記電子放出銃形成後、上記複数の第1の開口が形成す
る円の中心位置の上記絶縁膜に第2の開口を形成する工
程と、 気相成長法により上記電子放出銃の部分の上記単結晶シ
リコン基板上に金属薄膜を選択成長させる工程と、 上記絶縁膜の表面に対してθ≦tan^−^1(t/d
)(t:上記絶縁膜の膜厚、d:上記第2の開口の最大
径)を満足する角度θをなす方向から金属を斜め蒸着し
て上記第2の開口の周囲の上記絶縁膜上に電極を形成す
る工程とを具備することを特徴とする単結晶シリコン電
子放出銃アレイの製造方法。
(6) forming an insulating film on a single-crystal silicon substrate, and forming an opening group consisting of a plurality of first openings arranged at equal intervals on one circumference in an array pattern on the insulating film; forming an electron emission gun by under-etching the single crystal silicon substrate through the plurality of first openings; after forming the electron emission gun, forming a circle formed by the plurality of first openings; forming a second opening in the insulating film at a central position; selectively growing a metal thin film on the single crystal silicon substrate in the electron emission gun portion by vapor phase growth; and a surface of the insulating film. θ≦tan^−^1(t/d
) (t: thickness of the insulating film, d: maximum diameter of the second opening) by diagonally vapor depositing metal onto the insulating film around the second opening. A method of manufacturing a single crystal silicon electron emission gun array, comprising the step of forming an electrode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003096931A (en) * 2001-09-19 2003-04-03 Misawa Homes Co Ltd Mounting structure of throating and execution method of the throating

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