JPH04167326A - 電界放出型エミッタ及びその製造方法 - 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〕 この発明は、電界放出型エミッタ及びその製造方法に関
し、例えばフラットＣＲＴのような平面型デイスプレィ
に適用して好適なものである。

〔発明の概要〕

この発明は、導電性基板と、導電性基板上に形成された
絶縁膜と、絶縁膜に形成されたキャビティと、キャビテ
ィの内部の導電性基板上に形成されたカソードと、絶縁
膜上に形成されたゲート電極とを具備する電界放出型エ
ミッタにおいて、キャビティの部分の絶縁膜の側壁を逆
テーパ状にすることによって、ゲート電極を構造的に強
くするとともに、カソードの形状不良によるカソードと
ゲート電極との間の絶縁不良を防止することができるよ
うにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、ミクロンオーダーのサイズの電界放出型エミッタ
として、スピンド（Ｓｐｉｎｄｔ）型と呼ばれる第５図
に示すようなものが知られている。

第５図に示すように、この電界放出型エミッタにおいて
は、導電性のシリコン（Ｓｉ　）基板１０１上に、膜厚
が１μｍ程度の二酸化シリコン（Ｓｉ０８）Ｉｌ！１０
２が形成されている。このＳｉＯ□膜１０２には、キャ
ビティ１０２ａが形成されている。そして、このキャビ
ティ１０２ａの内部のＳｉ基板１０１上に、モリブデン
（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などの高融点かつ低仕事
関数の金属から成る先端が尖った円錐状のカソード１０
３が形成されている。

また、キャビティ１０２ａの周囲の５ｉｎ２膜１０２上
には、カソード１０３を囲むように例えばＭＯやＷやク
ロム（Ｃｒ）などの高融点金属から成るゲート電極１０
４が形成されている。ここで、このゲート電極１０４の
、カソード１０３の直上の開口部の径は１μｍ程度であ
る。

この第５図に示す電界放出型エミッタは、ゲート電極１
０４とカソード１０３との間に１０’Ｖ／ＣＩ程度以上
の電界を印加することにより、カソード１０３を熱する
ことなく電子放出を行わせることができる。そして、こ
のようなミクロンオーダーのサイズの電界放出型エミッ
タによれば、ゲート電圧は数１０〜１００■程度でよい
ことになる。

なお、カソード１０３からの電子放出は１０１Ｔｏｒｒ
程度以下の真空中で行わせる必要があるので、上述の電
界放出型エミッタは、実際には図示省略した対向板その
他の部材により真空封止される。

次に、第５図に示す電界放出型エミッタの製造方法につ
いて説明する。

第６図Ａに示すように、まずＳｉ基板１０１上に例えば
ＣＶＤ法によりＳｉｎｇ膜１０２を形成した後、このＳ
ｉｎｇ膜１０膜上０２上ばスパッタリング法によりＭｏ
やＷやＣｒなどのゲート電極形成用の金属膜１０５を形
成する０次に、この金属膜１０５上に、形成すべきゲー
ト電極に対応した形状のレジストパターン１０６をリソ
グラフィーにより形成する。

次に、このレジストパターン１０６をマスクとして金属
Ｍ１０５をウェットエツチング法またはドライエツチン
グ法によりエツチングして、第６図Ｂに示すように、ゲ
ート電極１０４を形成する。

次に、レジストパターン１０６及びゲート電極１０４を
マスクとしてＳｔｏｗ膜１０２をウェットエツチング法
によりエツチングして、第６図Ｃに示すように、キャビ
ティ１０２ａを形成する。

次に、レジストパターン１０６を除去した後、第６図り
に示すように、基板表面に対して傾斜した方向から斜め
蒸着を行うことにより、ゲート電極１０４上に例えばア
ルミニウム（ＡＩ）やニッケル（Ｎｉ）から成る剥離層
１０７を形成する。この後、基板表面に対して垂直な方
向からカソード形成用の材料として例えばＭｏやＷなど
を蒸着する。

これによって、キャビティ１０２ａの内部のＳｉ基板１
０１上にカソード１０３が形成される。符号１０８は剥
離層１０７上に蒸着された金属膜を示す。

この後、剥離層１０７をその上に形成された金属膜１０
８とともにリフトオフ法により除去し、第５図に示すよ
うに目的とする電界放出型エミッタを完成させる。

一方、第７図に示すような構造の電界放出型エミッタも
知られている。すなわち、第７図に示すように、この電
界放出型エミッタにおいては、キャビティ１０２ａの側
壁は基板表面に対して垂直になっている。その他の構成
は第５図に示す電界放出型エミッタと同様である。

この第７図に示す電界放出型エミッタは、キャビティ１
０２ａを反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）法により形
成することにより製造される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の第５図に示す従来の電界放出型エミッタは、キャ
ビティ１０２ａの内側に基板表面と平行にゲート電極１
０４が突き出たひさし構造になっているため、ゲート電
極１０４が構造的に弱く、ＳｉＯ□膜１０２からの剥離
などが生じやすいという問題があった。

一方、第７図に示す従来の電界放出型エミッタは、ゲー
ト電極１０４の全体がＳｉＯ□膜１０２により支持され
た構造となっているので、ゲート電極１０４は構造的に
は強い。しかし、この場合には次のような問題がある。

すなわち、実際にキャビティ１０２ａｆＲＩＥ法により
形成する場合には、キャビティ１０２ａの径が小さいこ
とから、その底部の形状制御は必ずしも容易でない。こ
のため、キャビティ１０２ａの側壁は必ずしも基板表面
に対して垂直とならず、底部の径が小さくなったりする
ことがある。このような場合には、このキャビティ１０
２ａの内部に形成されるカソード１０３の形状不良が生
じ、カソード１０３とゲート電極１０４との間の絶縁不
良が生しるおそれがあった。

従って、この発明の目的は、ゲート電極が構造的に強く
、しかもカソードの形状不良によるカソードとゲート電
極との間の絶縁不良を防止することができる電界放出型
エミッタを提供することにある。

この発明の他の目的は、ゲート電極が構造的に強く、し
かもカソードの形状不良によるカソードとゲート電極と
の間の絶縁不良を防止することができる電界放出型エミ
ッタの製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１の発明は、導電性基板
（１）と、導電性基板（１）上に形成された絶縁膜（２
）と、絶縁膜（２）に形成されたキャビティ（２ａ）と
、キャビティ（２ａ）の内部の導電性基板（１）上に形
成されたカソード（３）と、絶縁膜（２）上に形成され
たゲート電極（４）とを具備する電界放出型エミッタに
おいて、キャビティ（２ａ）の部分の絶縁膜（２）の側
壁が逆テーパ状になっている。

第２の発明は、導電性基板（１）と、導電性基板（１）
上に形成された絶縁膜（２）と、絶縁膜（２）に形成さ
れたキャビティ（２ａ）と、キャビティ（２ａ）の内部
の導電性基板（１）上に形成されたカソード（３）と、
絶縁膜（２）上に形成されたゲート電極（４）とを具備
する電界放出型エミッタの製造方法において、導電性基
板（１）上に絶縁膜（２）及びゲート電極形成用の導体
膜（５）を順次形成する工程と、ゲート電極形成用の導
体膜（５）上にゲート電極（４）に対応した形状のレジ
ストパターン（６）を形成する工程と、レジストパター
ン（６）をマスクとしてゲート電極形成用の導体膜（５
）をエツチングすることによりゲート電極（４）を形成
する工程と、ゲート電極（４）をマスクとして導電性基
板（１）の表面に対してほぼ垂直な方向から絶縁膜（２
）を異方性エツチングする工程と、絶縁膜（２）をウェ
ットエツチングする工程とを具備する。

〔作用〕

上述のように構成されたこの発明の電界放出型エミッタ
によれば、キャビティの部分の絶縁膜の側壁が逆テーパ
状になっていることにより、ゲート電極のほぼ全ての部
分が絶縁膜により支持された構造となり、従ってゲート
電極を構造的に強くすることができる。また、キャビテ
ィの底部の径を十分に大きくすることができるので、カ
ソードの形状不良によるカソードとゲート電極との間の
絶縁不良を防止することができる。

また、上述のように構成されたこの発明の電界放出型エ
ミッタの製造方法によれば、ゲート電極をマスクとして
導電性基板の表面に対してほぼ垂直な方向から絶縁膜を
異方性エツチングした後に絶縁膜をウェットエツチング
することにより、キャビティの部分の絶縁膜の側壁を逆
テーパ状にすることができる。これによって、ゲート電
極を構造的に強くすることができ、しかもカソードの形
状不良によるカソードとゲート電極との間の絶縁不良を
防止することができる。

Ｃ実施例〕 以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。

第１図はこの発明の第１実施例による電界放出型エミッ
タを示す。

第１図に示すように、この第１実施例による電界放出型
エミッタにおいては、例えばｎ型またはＰ型の不純物が
高濃度にドープされたＳｉ基板のような導電性基板１上
に、例えば膜厚が１μｍ程度のＳｉＣ２膜のような絶縁
膜２が形成されている。

二の絶縁ｗＩ２には、例えば円形の平面形状を有するキ
ャビティ２ａが形成されている。

この第１実施例においては、このキャビティ、２ａの部
分の絶縁膜２の側壁は逆テーパ状になっている。すなわ
ち、このキャビティ２ａの底部の径は上部の径に比べて
大きくなっている。

このキャビティ２ａの内部の導電性基板１上には、Ｍｏ
やＷなどの高融点かつ低仕事関数の金属から成る先端が
尖った円錐状のカソード３が形成されている。

また、キャビティ２ａの周囲の絶縁膜２上には、カソー
ド３を囲むように例えばＭＯやＷやＣｒなどから成るゲ
ート電極４が形成されている。このゲート電極４の、カ
ソード３の直上の開口部の径は例えば１μｍ程度である
。

なお、キャビティ２ａ及びカソード３を、用途に応じた
個数だけ同一の導電性基板１上に配置することにより、
電界放出型エミッタアレイを構成することができる。

また、この第１実施例による電界放出型エミッタにおい
ては、すでに述べた従来の電界放出型エミッタと同様に
、ゲート電極４とカソード３との間にＩＯ’Ｖ／α程度
以上の電界を印加することにより、カソード３を熱する
ことなく電子放出を行わせることができ、ゲート電圧は
数１０〜１００■程度で済む。また、カソード３からの
電子放出は１０−’Ｔｏｒｒ程度以下の真空中で行わせ
る必要があるので、この第１実施例による電界放出型エ
ミッタは、実際には図示省略した対向板その他の部材に
より真空封止される。

次に、上述のように構成されたこの第１実施例による電
界放出型エミッタの製造方法について説明する。

第２図Ａに示すように、まず導電性基板１上に例えばＣ
ＶＤ法により絶縁膜２を形成した後、この絶縁膜２上に
例えばスパッタリング法によりＭ。

やＷやＣｒなどのゲート電極形成用の金属膜５を形成す
る。次に、この金属膜５上に、形成すべきゲート電極に
対応した形状のレジストパターン６をリソグラフィーに
より形成する。

次に、このレジストパターン６をマスクとして金属膜５
をウェットエツチング法またはドライエツチング法によ
りエツチングして、第２図Ｂに示すように、ゲート電極
４を形成する。

次に、レジストパターン６及びゲート電極４をマスクと
して絶縁膜２を例えばＲＩＥ法により基板表面に対して
垂直方向に異方性エツチングして、第２図Ｃに示すよう
に、基板表面に対してほぼ垂直な側壁を有するキャビテ
ィ２ａを形成する。

次に、レジストパターン６及びゲート電極４をマスクと
して絶縁膜２を例えばフッ化水素（ＨＦ）系のエツチン
グ液を用いたウェットエツチング法によりライトエツチ
ングする。ここで、このＨＦ系エツチング液のＨＦ濃度
は、例えば１〜１０％である。このライトエツチングに
よって、第２図りに示すように、キャビティ２ａの底部
の径が上部の径に比べて大きくなり、このキャビティ２
ａの部分の絶縁膜２の側壁が逆テーパ状になる。

次に、レジストパターン６を除去した後、第２図Ｅに示
すように、基板表面に対して傾斜した方向から斜め蒸着
を行うことにより、ゲート電極４上に例えばＡ】やＮｉ
から成る剥離層７を形成する。

この後、基板表面に対して垂直な方向からカソード形成
用の材料として例えばＭｏやＷなどを蒸着する。これに
よって、キャビティ２ａの内部の導電性基板１上にカソ
ード３が形成される。符号８は剥離層７上に蒸着された
金属膜を示す。。

この後、剥離層７をその上に形成された金属膜８ととも
にリフトオフ法により除去し、第１図に示すように目的
とする電界放出型エミッタを完成させる。

以上のように、この第１実施例によれば、キャビティ２
ａの部分の絶縁膜２の側壁が逆テーパ状になっていて、
ゲート電極４のほぼ全ての部分が絶縁膜２により支持さ
れた構造になっているので、ゲート電極４を構造的に強
くすることができる。

このため、ゲート電極４が絶縁膜２から剥離することが
なくなる。また、キャビティ２ａの底部の径は上部の径
に比べて大きくなっているので、カソード３を良好な形
状に形成することができ、従ってカソード３とゲート電
極４との間の絶縁不良を防止することができる。

また、ウェットエツチング法によるライトエツチングに
用いるエツチング液の濃度を変えることにより・キャビ
ティ２ａのチー）ｉ角度を制御することができる。具体
的には、ＨＦ系エツチング液のＨＦ濃度を高くすればテ
ーパ角度を大きくすることができ、濃度を低くすればテ
ーパ角度を小さくすることができる。また、このライト
エツチングのエツチング時間を変えることにより、絶縁
膜２ａの側壁の後退量、従ってキャビティ２ａの大きさ
を制御することができる。

この第１実施例による電界放出型エミッタは、例えばフ
ラットＣＲＴに適用して好適なものである。

第３図はこの発明の第２実施例による電界放出型エミッ
タを示す。

第３図に示すように、この第２実施例においては、キャ
ビティ２ａの周囲の絶縁膜２上に、多結晶Ｓｉ膜９を介
して例えばタングステンシリサイド（ＷＳｉ、　）やモ
リブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ　）のような高融点金
属シリサイドから成るゲート電極４がカソード３を囲む
ように形成されている。その他の構成は第１実施例と同
様である。

多結晶５ｉ１１９の膜厚は、例えば５００〜１０００人
程度である。また、ゲート電極４を形成する高融点金属
シリサイド膜、例えばＷ　Ｓ　ｉ、膜の膜厚は、例えば
０．２〜０．５μｍである。ここで、このＷ　Ｓ　ｉ、
のＳｉ組成比Ｘは、好適には例えば２゜４〜２．８の範
囲内に選ばれる。Ｘがこの範囲内にある場合には、Ｗ　
Ｓ　ｉ＊膜の成膜時の内部残留応力は最小となる。さら
に、ｘ＞２の場合には、ＷＳｉ、ｔが酸化を受けたとき
にＳｉｎｇが形成されやすく、従ってＷの酸化が有効に
抑えられる。

この第２実施例による電界放出型エミッタの製造方法は
、第２図Ａに示す工程において絶縁膜２上に例えばＣＶ
Ｄ法により多結晶Ｓｉ膜９及びゲート電極形成用の導体
膜としての高融点金属シリサイド膜を順次形成した後、
その上にレジストパターン６を形成することを除いて、
第１実施例の電界放出型エミッタの製造方法と同様であ
る。

この第２実施例によれば、第１実施例と同様な利点に加
えて、次のような利点がある。すなわち、ゲート電極４
が高融点金属シリサイドにより形成されているので、ゲ
ート電極４が製造工程で酸化されることがなくなり、従
って酸化によるゲート電極４の電気伝導度の低下を防止
することができる。これによって、カソード３からの電
子放出を安定に行わせることができる。

また、酸化によるゲート電極４の変形を防止することが
できる。しかも、このゲート電極４の材料である高融点
金属シリサイドをＣＶＤ法により形成しているので、Ｓ
ｉ組成比Ｘの制御によりこのゲート電極４の内部残留応
力を緩和することができ、従ってこれによってもゲート
電極４の変形を防止することができる。さらに、ゲート
電極４と絶縁膜２との間に多結晶Ｓｉ膜９が形成されて
いることにより、ゲート電極４の下地に対する密着性の
向上を図ることができる。これによって、ゲート電極４
が変形により下地から剥離するのを有効に防止すること
ができる。

また、ゲート電極４の材料であるＷ　Ｓ　ｉ、のような
高融点金属シリサイドは、化学的に安定で耐薬品性が良
好であるので、製造上都合がよい。

第４図はこの発明の第３実施例による電界放出型エミッ
タを示す。

第４図に示すように、この第３実施例による電界放出型
エミッタは、例えばガラス基板やセラミック基板のよう
な絶縁性基板１０上に例えばＣｒやＡ】のような金属か
ら成る例えばライン状の導体膜（カソードライン）１１
を形成したものを基板として用いていることが、第１実
施例による電界放出型エミッタと異なる。その他の構成
は第１実施例と同様である。

なお、絶縁性基板１０としてガラス基板を用いる場合に
は、好適にはこのガラス基板上にＳｉ０ｇ膜やＳｉＮ、
膜のような絶縁膜を形成し、その上に導体膜１１が形成
される。これによって、ガラス基板の表面の不安定性に
起因する不定電位の問題を解決することができ、カソー
ド３からの電子放出を安定に行わせることができる。

この第３実施例によれば、Ｓｉ基板に比べて安価で割れ
や反りが生じる危険性が少なく、しかも大面積のものが
容易に得られるガラス基板やセラミック基板を基板とし
て用いているので、電界放出型エミッタの製造コストの
低減を図ることができ、基板の割れや反りによる製造歩
留まりの低下を防止することができ、しかも電界放出型
エミッタアレイによるフラットＣＲＴのような平面型デ
イスプレィなどの大面積化にも容易に対応することがで
きる。

以上、この発明の実施例につき具体的に説明したが、こ
の発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、こ
の発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

（発明の効果〕 以上述べたように、この発明によれば、キャビティの部
分の絶縁膜の側壁が逆テーパ状になっているので、ゲー
ト電極を構造的に強くすることができるとともに、カソ
ードの形状不良によるカソードとゲート電極との間の絶
縁不良を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例による電界放出型エミッ
タを示す断面図、第２図Ａ〜第２図Ｅは第１図に示す電
界放出型エミッタの製造方法を工程順に説明するための
断面図、第３図はこの発明の第２実施例による電界放出
型エミッタを示す断面図、第４図はこの発明の第３実施
例による電界放出型エミッタを示す断面図、第５図は従
来の電界放出型エミッタを示す断面図、第６図Ａ〜第６
図りは従来の電界放出型エミッタの製造方法を工程順に
説明するための断面図、第７図は他の従来の電界放出型
エミッタを示す断面図である。 図面における主要な符号の説明 １：導電性基板、　２二絶縁膜、　２ａ：キャビティ、
　　３：カソード、　　４：ゲート電極、９：多結晶５
ｉｌｌ、　１０：絶縁性基板。 躬　２　慢ｒｙｔ丑イクリ 第３実施例 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性基板と、上記導電性基板上に形成された絶
   縁膜と、上記絶縁膜に形成されたキャビティと、上記キ
   ャビティの内部の上記導電性基板上に形成されたカソー
   ドと、上記絶縁膜上に形成されたゲート電極とを具備す
   る電界放出型エミッタにおいて、 上記キャビティの部分の上記絶縁膜の側壁が逆テーパ状
   になっていることを特徴とする電界放出型エミッタ。
2. （２）導電性基板と、上記導電性基板上に形成された絶
   縁膜と、上記絶縁膜に形成されたキャビティと、上記キ
   ャビティの内部の上記導電性基板上に形成されたカソー
   ドと、上記絶縁膜上に形成されたゲート電極とを具備す
   る電界放出型エミッタの製造方法において、上記導電性
   基板上に上記絶縁膜及び上記ゲート電極形成用の導体膜
   を順次形成する工程と、上記ゲート電極形成用の導体膜
   上に上記ゲート電極に対応した形状のレジストパターン
   を形成する工程と、 上記レジストパターンをマスクとして上記ゲート電極形
   成用の導体膜をエッチングすることにより上記ゲート電
   極を形成する工程と、 上記ゲート電極をマスクとして上記導電性基板の表面に
   対してほぼ垂直な方向から上記絶縁膜を異方性エッチン
   グする工程と、 上記ゲート電極をマスクとして上記絶縁膜をウェットエ
   ッチングする工程と を具備することを特徴とする電界放出型エミッタの製造
   方法。