JPH04312739A - 微小冷陰極の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微小冷陰極の製造方法に
関する。詳しくは、電子を放出するエミッタコーンを所
定の形状に再現性よく安定に形成する微小冷陰極の製造
方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】微小冷陰極は極微小のマイクロ波真空管
や微小な表示素子など，いわゆる、真空マイクロデバイ
ス用の放射電極として欠くことのできない構成要素であ
る。

【０００３】図５は微小冷陰極の構造例を示す図である
。たとえば、半導体からなる基板１’にエミッタティッ
プ２２を形成し、その先端を取り囲むようにゲート電極
８０’を形成する。基板１’とゲート電極８０’は図示
してないゲード絶縁膜で分離されており、また，　コー
ンの先端の周囲はゲート電極開口部３０が開いている構
造である。微小冷陰極の動作特性を決める主なパラメー
タはゲート電極開口部３０の半径，エミッタティップ２
２の高さ，ゲート絶縁膜の厚さなどである。

【０００４】このような微小冷陰極を形成する方法は既
に提案されている（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ
．，ｖｏｌ．７６，ｐ２５，１９８７）。たとえば、図
６は従来の製造方法の例を示す図（その１）である。

【０００５】先ず、シリコン基板１’の上に、一様な厚
さの第１の絶縁膜，たとえば、ＳｉＯ２膜を公知の熱酸
化法で形成したあと、公知のホトリソグラフィ法で，た
とえば、円形の絶縁膜マスクパターン５’　が残るよう
に弗酸でエッチング除去する。

【０００６】次に、前記処理済み基板を，　たとえば、
ＨＦとＨＮＯ３の混合液の中でシリコンのみを等方的に
化学エッチングして、前記絶縁膜マスクパターン５’　
の下にコーン部２０’を形成する。この時、コーン頭部
から絶縁膜マスクパターン５’　が取れてしまう前にエ
ッチングを中止する。

【０００７】次いで、前記処理済み基板の上方から第２
の絶縁膜７’，たとえば、ＳｉＯ２膜を電子ビーム蒸着
で形成する。この時、前記コーン部２０’の周囲には若
干の空間が生じるようにする。

【０００８】さらに、前記処理済み基板の上方からゲー
ト電極膜８’，　たとえば、Ｍｏ膜を公知の方法で一様
に被着する。この時、前記絶縁膜マスクパターン５’　
の側面の少なくとも一部が露出されているようにする。

【０００９】最後に、前記処理済み基板の絶縁膜マスク
パターン５’　，　たとえば、ＳｉＯ２膜を弗酸（ＨＦ
）を用いて選択的にエッチングを行い、前記コーン部２
０’の回りの空間が外部空間に充分通じるようにする。 この時、コーン部２０’の頭部には前記絶縁膜マスクパ
ターン５’　が残っている程度にエッチングを止める。 その後で、ＨＦとＨＮＯ３の混合液の中でシリコンのみ
を等方的にエッチングして、前記コーン部２０’の先端
を尖らすと共に前記絶縁膜マスクパターン５’を切り離
し除去して、シリコン基板上にシリコンからなるエミッ
タティップ２２を有する微小冷陰極を形成している。な
お、必要によりゲート電極膜８’のパターンエッチング
を行ってゲート電極８０’の整形を行う。

【００１０】しかし、この場合エッチングの終点を決め
るのが困難で再現性のよいエミッタティップ２２を形成
しがたい難点がある。図７は従来の製造方法の例を示す
図（その２）である。この例は前記図６の絶縁膜マスク
パターン５’を切り離したところでエッチングを止め、
その先端部に残った平頭部にイオンビーム，たとえば、
Ａｒ＋　イオンを照射して〔同図（イ）〕、図示した点
線部分から上を除去し安定した先端を有するエミッタテ
ィップ２２を形成する〔同図（ロ）〕。

【００１１】この例の場合には再現性はよいが、先端部
にイオンビームによる照射損傷があり電子の放出特性が
劣化する欠点がある。図８は従来の製造方法の例を示す
図（その３）であり、本発明者らが既に提案している例
である。

【００１２】この例では前記図６の絶縁膜マスクパター
ン５’を切り離したところでエッチングを止め、シリコ
ンの表面を一様に熱酸化させてから、ＳｉＯ２膜３’だ
けを弗酸（ＨＦ）を用いて選択的にエッチングを行って
〔同図（イ）〕、エミッタティップ２２を形成するもの
で、再現性が極めてよく，かつ、電子の放出の劣化もな
く優れた微小冷陰極が作製される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例（
その３）の方法はシリコン基板を用いる場合には好適な
方法であるが、一般にシリコンは比較的高抵抗であり大
電流を必要とする用途には使用できないことがある。

【００１４】このような場合にはエミッタティップとし
て金属を使用することが求められるが、金属陰極に酸化
膜を形成しその酸化膜だけを選択的にエッチングするよ
い手段あるとは限らず、したがって，エミッタティップ
を再現性よく安定に形成することは必ずしも容易ではな
く、微小冷陰極の製造上大きな問題となっており、その
解決が必要であった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、絶縁性基
板１の上に金属２からなるコーン２０を形成する工程と
、該コーン２０の表面に酸化膜３を形成する工程と、該
酸化膜３を前記コーン２０の表面から除去して前記金属
２からなるエミッタティップ２１を形成する工程とを少
なくとも含む微小冷陰極の製造方法によって解決するこ
とができる。

【００１６】具体的には、前記酸化膜３の形成が陽極酸
化により行われ、かつ，該酸化膜３を溶液４の中で除去
する際に、前記コーン２０を形成する金属２を陰極とし
て電気防食的に処理する微小冷陰極の製造方法により効
果的に解決できる。

【００１７】

【作用】本発明によれば、金属２からなるコーン２０の
表面に形成された酸化膜３をエッチング除去する溶液４
の中でコーン２０を処理する時に、金属２を陰極として
電気防食的に処理するので、酸化膜３だけが選択的に除
去され金属２は防食されて再現性のよいエミッタティッ
プ２１が形成できるのである。とくに、酸化膜３が陽極
酸化により形成されゝば膜厚の制御が安定に行われるの
で一層効果的である。

【００１８】

【実施例】図１は本発明方法の実施例を示す図で、以下
工程順にその要点を説明する。工程（１）：絶縁性基板
１として，たとえば、厚さ１．１　ｍｍのガラス板を使
用し、その上に金属２，たとえば、厚さ２μｍのＴａ膜
をスパッタ法で形成し、さらにその上にマスク用の絶縁
膜５，たとえば、厚さ１μｍのＳｉＯ２膜を同じくスパ
ッタ法で形成する。

【００１９】工程（２）：前記処理済み基板の絶縁膜５
，　すなわち、ＳｉＯ２膜上にレジストマスク６を形成
したあと、たとえば、ＣＦ４　ガスを用いたイオンエッ
チング法により、直径がエミッタコーンの高さの２倍程
度，たとえば、２μｍφのＳｉＯ２膜からなる絶縁膜マ
スクパターン５’を形成する。

【００２０】工程（３）：前記処理済み基板をエッチン
グ，たとえば、ＳＦ６　ガスを用いて金属２，たとえば
、Ｔａ膜だけを等方的にリアクティブイオンエッチング
する。すなわち、マスク下部がアンダーエッチングされ
るようにして、前記絶縁膜マスクパターン５’　の下に
コーン部２０を形成する。この時、コーン頭部に，　た
とえば、０．３　μｍφ程度の金属２が残り絶縁膜マス
クパターン５がくっついている状態でエッチングを中止
する。

【００２１】工程（４）：前記処理済み基板を，　たと
えば、りん酸系水溶液の中で金属２，たとえば、Ｔａ膜
を陽極にして陽極酸化し，たとえば、厚さ１５０ｎｍの
酸化膜３を形成したあと、上方からゲート絶縁膜７，た
とえば、厚さ１μｍ程度のＳｉＯ２スパッタ膜と、ゲー
ト金属膜８，たとえば、厚さ２００　ｎｍ程度のＣｒ蒸
着膜を連続して形成する。この時、前記エミッタティッ
プ形成部２１’の周囲には図示したごとき空間が生じ、
また，絶縁膜マスクパターン５’　の側面の少なくとも
一部は露出されている。

【００２２】工程（５）：前記処理済み基板の絶縁膜マ
スクパターン５’　，　たとえば、ＳｉＯ２膜を弗酸（
ＨＦ）を用いて選択的にエッチングを行い、前記エミッ
タティップ形成部２１’の回りの空間を露出させ，さら
に、引き続いて、露出したエミッタティップ形成部２１
’の円錐側面部に形成されている酸化膜３，たとえば、
陽極酸化膜Ｔａ２０５　を溶解する溶液，たとえば、高
温のＮａＯＨ水溶液の中でＴａ膜を陰極にして電気防食
的に処理して酸化膜３だけを溶解除去し、絶縁性基板１
上に金属２からなるエミッタティップ２１を形成する。

【００２３】工程（６）：前記処理済み基板のゲート絶
縁膜７の上に残ったゲート金属膜８を、公知のホトリソ
グラフィ技術により所定の形状にパターンエッチングし
てゲート電極８０を形成すれば本発明の微小冷陰極が作
製される。

【００２４】上記の実施例方法により底面の直径が約１
μｍ，高さが約１μｍで先端の曲率半径が０．１　μｍ
以下の微小冷陰極が再現性よく安定に形成することがで
きた。図２は本発明のエミッタティップの電気防食的形
成を示す図である。

【００２５】図中、４は金属２の酸化膜３を溶解する溶
液で，たとえば、Ｔａ２０５　膜に対しては高温のＮａ
ＯＨ水溶液が使用できる。１００はガラス製などの容器
、１０１は陽極で，たとえば、Ｐｔ板、１０２は導線、
１０３は電源，たとえば、直流電源である。

【００２６】なお、前記の諸図面で説明したものと同等
の部分については同一符号を付し、かつ、同等部分につ
いての説明は省略する。すなわち、酸化膜３，たとえば
、陽極酸化したＴａ２０５　膜を溶解する溶液４，たと
えば、９０℃，３０％のＮａＯＨ水溶液中で処理する際
に、金属２，たとえば、Ｔａ膜を陰極にして約１．５　
ｖの電圧を印加しながら２分間程度処理した結果、極め
てシャープなエミッタティップ２１が再現性よく形成さ
れた。

【００２７】図３はＴａ膜と酸化膜のエッチングレート
を比較する図で、縦軸にエッチングレートを，横軸に印
加電圧をとってある。図中の実線■は酸化膜３である陽
極酸化Ｔａ２０５　膜のエッチングレートであり、破線
の■は金属２であるスパッタＴａ膜のエッチングレート
である。

【００２８】たとえば、陽極酸化Ｔａ２０５　膜では印
加電圧の有無あるいは大小に関係なく一定のエッチング
レート１３０ｎｍ／ｍｉｎであるが、スパッタＴａ膜で
は印加電圧依存性が顕著であり−１〜−３ｖでエッチン
グレートが５０〜７０ｎｍ／ｍｉｎと陽極酸化Ｔａ２０
５　膜のエッチングレートに比較して１／２〜１／３と
極めて低い値を示している。

【００２９】すなわち、金属であるスパッタＴａ膜がマ
イナスに付勢されているので、電気化学的に溶解が抑制
されて，いわゆる、電気防食効果が顕著に現れているこ
とがわかる。

【００３０】図４は本発明の効果を示す図で、縦軸に放
出電流，すなわち、アノード電流を、横軸にゲート電圧
をとってある。図中、■は本発明による試料のデータ、
■は従来の方法，すなわち、陽極酸化膜形成とそれの電
気防食的溶解処理を行わないで作製した場合の試料デー
タを比較のために示したものであり、いずれも試作した
微小冷陰極の上方に陽極を配置し陰極との間に５００　
ｖの電圧を印加しゲート電圧を変えて陰陽極間の放出電
流を測定したものである。なお、データはいずれも１０
０　個のエミッタをアレイ状に配列した試料の測定デー
タの平均値である。

【００３１】図からわかるように、本発明方法による微
小冷陰極は非常に鋭いエミッタティップが再現性よく形
成されており、従来例に比較して１００ｖ以上も低いゲ
ート電圧で放出電流が流れることがわかる。

【００３２】以上述べた実施例は一例を示したもので、
本発明の趣旨に添うものである限り、使用する素材や個
々のプロセスなど適宜好ましいもの、あるいはそれらの
組み合わせを用いてもよいことは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば金
属２からなるコーン２０の表面に形成された酸化膜３を
エッチング除去する溶液４の中でコーン２０を処理する
時に、金属２を陰極として電気防食的に処理するので、
酸化膜３だけが選択的に除去され金属２は防食されて再
現性のよいエミッタティップ２１が形成でき、微小冷陰
極の性能・品質の向上に寄与するところが極めて大きい
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施例を示す図である。

【図２】本発明のエミッタティップの電気防食的形成を
示す図である。

【図３】Ｔａ膜と酸化膜のエッチングレートを比較する
図である。

【図４】本発明の効果を示す図である。

【図５】微小冷陰極の構造例を示す図である。

【図６】従来の製造方法の例を示す図（その１）である
。

【図７】従来の製造方法の例を示す図（その２）である
。

【図８】従来の製造方法の例を示す図（その３）である
。

【符号の説明】

１は絶縁性基板、 ２は金属、 ３は酸化膜、 ４は溶液、 ５は絶縁膜、 ６はレジストパターン、 ７はゲート絶縁膜、 ８はゲート金属膜、 ２０はコーン、 ２１はエミッタティップ、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁性基板（１）　の上に金属（２）
   からなるコーン（２０）を形成する工程と、該コーン（
   ２０）の表面に酸化膜（３）を形成する工程と、該酸化
   膜（３）を前記コーン（２０）の表面から除去して前記
   金属（２）からなるエミッタティップ（２１）を形成す
   る工程とを少なくとも含むことを特徴とした微小冷陰極
   の製造方法。
2. 【請求項２】　　前記酸化膜（３）の形成が陽極酸化に
   より行われることを特徴とした請求項１記載の微小冷陰
   極の製造方法。
3. 【請求項３】　　前記酸化膜（３）を溶液（４）の中で
   除去する際に、前記コーン（２０）を形成する金属（２
   ）を陰極として電気防食的に処理することを特徴とした
   請求項１または２記載の微小冷陰極の製造方法。