JPH046729A - 電界放出素子およびその製造方法 - 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］ 本発明は発光型表示装置、プリンタヘッド、多極電子装
置などに利用される電子源のうち、電界効果による電子
放出が可能な電界放出素子およびその製造方法に関する
。

［従来の技術］ 従来の電界放出素子は、スピンド（Ｃ，Ａ、　　５ｐｉ
ｎｄｔ）らがジャーナル・オブ・アブライド・フィジッ
クス（Ｊ、　　Ａ、　　Ｐ）、ｖｏｌ、４７、Ｎｏ、１
２（１９７６）に発表したものが知られている。これは
第４図に示すようにシリコン基板１の表面に絶縁層２と
ゲート電極３を積層し、絶縁層とゲート電極を開口した
のち、この開口をマスクとしてシリコン基板上にモリブ
デンなどの金属をスパッタ法などにより堆積させる自己
整合化技術によって、電子を電界放出する鐘状突起４を
形成した電界放出素子である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし前述した従来技術による電界放出素子は、以下に
述べるいくつかの問題点をもつ。すなわち、■　特に大
きな平面基板上に一面にわたって鐘状突起を形成する場
合、スパッタあるいは蒸着などの方法では線源からみた
基板に仰角が生じ、基板の中心付近と周辺付近で鐘状突
起の錘軸の基板面に対する角度が異なり、この結果電子
放出の電圧あるいは電流密度に分布が生じてしまう。

■　また、ゲート電極の開口のためのエツチングにおい
て開口径にばらつきが生じ、この結果、鐘状突起の先端
とゲート電極との距Ｍ１がばらつき、放出電界のしきい
値がばらついてしまう。

などの問題点があった。

そこで本発明は上述した従来技術の問題点を克服するた
めのもので、その目的とするところは、大面積基板上に
均一で歩留まり高く形成でき、鐘状突起とゲート電極を
サブミクロンの距離で正確に制御できる電界放出素子お
よびその製造方法を提供するところにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の電界放出素子は、平面基板と、該平面基板表面
に形成された鐘状突起と、前記平面基板表面に形成され
た絶縁層と、該絶縁層表面に形成され前記鐘状突起の先
端で開口されたゲート電極と、を有する電界放出素子に
おいて、前記ゲート電極は前記錘状突起上部において前
記鐘状突起と錘軸を同じくする踵状電極部を有すること
を特徴とする。

また、前記鐘状突起は円錐型あるいは角錘型あるいは角
が丸まった準角錘型の構造を有することを特徴とする。

本発明の電界放出素子の製造方法は、平面基板表面に鐘
状突起を形成する工程と、前記鐘状突起を含む前記平面
基板表面に絶縁層およびゲート電極層を積層して形成す
る工程と、前記ゲート電極層表面にレジスト層を形成す
る工程と、前記レジスト層を表面より均一にエツチング
除去する工程と、前記煙状突起部においてレジスト面に
露出した前言己ゲート電極層をエツチング除去する工程
と、前記煙状突起部に露出した前記絶縁層をエツチング
除去する工程を含むことを特徴とする。

また、前記レジストおよびゲート電極層をドライエツチ
ングすることを特徴とする。

［実施例］ 本発明の電界放出素子およびその製造方法を実施例に従
いさらに詳述する。

〈実施例１〉 第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第１の実施例を
説明するためのもので、円錐型の鐘状突起をもつ電界放
出素子の概略平面図およびＡ−Ａ′線に沿った概略断面
図をそれぞれ示している。

この電界放出素子は、単結晶のシリコン基板１の表面に
円錐型の鐘状突起４をもち、煙状突起部を除くシリコン
基板表面に二酸化シリコン薄膜よりなる絶縁層２をもち
、絶縁層２の表面にモリブデン（ＭＯ）金属薄膜よりな
るゲート電極３をもつ構造である。ゲート電極３は煙状
突起部において鐘状突起４と錘軸８を同じくする踵状電
極部６をもち、鐘状突起４の錘先端５の上部に電極間ロ
アを有する。

シリコン基板１は（１００）面方位をもち、キャリア濃
度は約Ｉ　Ｘ　１０１５ｃｍ−’である。ただし低抵抗
化のためにシリコン基板全体もしくは錘状突起付近に不
純物をＩ　Ｘ　Ｉ　ＱＩ９ｃ　ｍ−’程度ドーピングし
たものを用いてもよい。鐘状突起４はシリコン基板１を
エツチングして作製され、その高さは約８０００Ａ、断
面の頂角は約９０°である。

絶縁層２は膜厚が雌状突起の高さより小さいほうが好ま
しく、約６０００Ａであり、直流の絶縁破壊耐圧が６ｘ
ｌＯ６ＭＶ／ｃｍ以上と大きいものが望ましい。ゲート
電極３のうち、煙状電極部６は雌状突起４の壁面に平行
に形成されている。本発明の電界放出素子においては、
電子放出のゲートしきい値電圧を均一にするために、錘
先端５と煙状電極部６の距離が一定になるよう、錘先端
５より煙状電極部６にひかれた垂線が煙状電極部６を横
切るように、煙状電極部６の電極間ロアの位置を選ぶこ
とが重要である。本実施例では錘先端５と煙状電極部６
の距離は５０００Ａである。煙状電極部６とゲート電極
３は厚さ３０００ＡのＭＯ薄膜によって一体的に形成さ
れている。

本実施例において作製された電界放出素子は、約１ｘｌ
Ｏ−”Ｔｏｒｒの真空下で動作させたとき、ゲート電圧
が４０Ｖにおいてカソード電流は３゜μＡであった。ま
た３インチシリコン基板上でのカソード電流のばらつき
は１０％以下であった。

〈実施例２〉 第２図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２の実施例を
説明するためのもので、角錐型の雌状突起をもつ電界放
出素子の概略平面図およびＢ−Ｂ″線に沿った概略断面
図をそれぞれ示している。

この電界放出素子の構成は、実施例１で示した円錐型の
雌状突起をもつ電界放出素子とほぼ同様である。すなわ
ち本実施例の電界放出素子はシリコン基板１の表面に形
成した角錐型の雌状突起４゜と、雌状突起４゛を除くシ
リコン基板１の表面に形成した絶縁層２と、絶縁層２の
表面に形成した煙状電極部６′をもつゲート電極３より
構成される。角錐型の雌状突起４″はシリコン基板１の
表面を異方性エツチングすることによって作製される。

錘先端５を通る離軸８°は煙状電極部６゛の離軸と同一
である。

本実施例においても実施例１で述べたように、電子放出
のゲートしきい値電圧を均一にするために、錘先端５と
煙状電極部６′の距離が一定になるよう、錘先端５より
煙状電極部６′にひがれた垂線が煙状電極部６°を横切
るように煙状電極部６”の電極間ロアの位置を選ぶこと
が重要である。

なお、角錐型の雌状突起を作製するときに、角錐の角が
丸みを帯びた準角錐型の雌状突起が作製される場合があ
るが、本発明の電界放出素子は、このような準角錐型の
雌状突起であっても十分に適用できるものである。

〈実施例３〉 第３図（ａ）〜（ｆ）は実施例１で述べた円錐型の雌状
突起をもつ電界放出素子の製造方法を説明するもので、
ポイントとなる製造工程終了後のシリコン基板の概略断
面図を示したものである。

実施例２で説明した角錐型の雌状突起をもつ電界放出素
子についても同様の製造工程で作製される。

第３図に基き電界放出素子の製造工程を説明する。まず
、直径３インチ、厚さ４００μｍのｎ型シリコン基板１
の表面にＫＯＨ系エツチング液を用いたシリコンの異方
性エツチングによって雌状突起４を形成する（第３図（
ａ））。エツチングマスクには常圧ＣＶＤ法によって堆
積した二酸化シリコン薄膜を０．５μｍ口に加工したも
のを用い、異方性エツチング液の組成としてＫＯＨ：　
　ＩＰＡ：　　Ｈ２Ｏ＝　１：　　２：　　８　（ｗｔ
比）を用い、液温度を３０℃とした。約４０分のエツチ
ングによって、高さ８０００Ａ、頂角９０″のほぼ円錐
型の雌状突起が作製される。つぎに、雌状突起を含むシ
リコン基板１の表面全体に、高周波スパッタ法によって
二酸化シリコン薄膜よりなる絶縁層２およびＭＯ薄膜よ
りなるゲート電極３を連続的に堆積する（同図（ｂ））
。絶縁層２の膜厚は約６０００人であるが、雌状突起４
の斜面ではやや薄く約５０００人である。これはスパッ
タ粒子がシリコン基板面に垂直な方向性をもっためであ
る。

ゲート電極３の膜厚は約３０００Ａである。つぎに、ゲ
ート電極３の表面にフォトレジスト薄膜９をスピンコー
ド法によって塗布し形成する（同図（Ｃ））。フォトレ
ジスト薄膜は塗布時に粘性が低いため、突起の上部では
膜厚が薄くなる性質がある。したがってフォトレジスト
薄膜９の膜厚は煙状突起４の上部では約３４０ＯＡ、平
面部では約１００００人となる。つぎに、フォトレジス
ト薄膜９およびゲート電極３をドライエツチングし、煙
状突起４の上部の絶縁層２を露出させる（同図（ｄ））
。ドライエツチング装置にはマイクロ波プラズマエツチ
ング装置を用い、エツチングガスとしてＣＦ　ａ７０２
の混合ガスを用いる。エツチングのはじめは、０２ガス
°によってフォトレジスト薄膜９が表面より均一にアッ
シングされていく。

約３４００人のフォトレジスト薄膜９がエツチングされ
たところで、錘状突起４上部のＭｏ薄膜よりなるゲート
電極３が表面に現われる。表面に現われたＭｏ薄膜はＣ
Ｆ−ガスによってエツチングされ、同時にフォトレジス
ト薄膜９もエツチングが進行していく。ＣＦ　ａ　／　
０２比を適当に選ぶことによってＭｏ薄膜とフォトレジ
スト薄膜のエツチング速度を同等にすることが可能であ
り、エツチング時間を適度に設定することで、第３図（
ｄ）のような断面のエツチング形状を得ることが可能で
ある。本実施例では、ＣＦ　４　／　０２　＝　３０　
／　２０Ｏとし、２３分間のドライエツチングを行った
。

このときゲート電極３の電極間ロアの直径は約５０００
Ａであった。つぎに、ＨＦ系エツチング液によって開口
部の絶縁層２をエツチング除去し、煙状突起４を露出さ
せる（同図（ｅ））。ＨＦ系エツチング液は二酸化シリ
コン薄膜が溶け、Ｍ。

薄膜やシリコン基板が溶けないものを選ぶ。　例えばＨ
Ｆバッファエツチング液などが好ましい。最後にフォト
レジスト薄膜９を剥離液によって除去する（同図（ｆ）
）。

本実施例による電界放出素子の製造方法においては、錘
先端５とゲート電極の錘状電極部６との距離は、煙状突
起４の斜面に形成された絶縁層２の膜厚によって決定さ
れる。したがって、絶縁層２の膜厚の均一性をよく制御
すれば、ゲートしきい値電圧の均一な電界放出素子が得
られることになる。また前述のように、シリコン基板の
平面部に比べ煙状突起の斜面部では絶縁層２の膜厚が薄
くなるため、絶縁層２の絶縁破壊電界強度以下で十分お
おきな電界を錘先端５に印加することが可能である。

なお煙状突起４の突起部分に仕事関数のちいさいＢａＯ
のような誘電体薄膜を形成するとゲートしきい値電圧を
低下できる。

以上の三つの実施例において平面基板にシリコン基板を
用いたが、本発明はこれにとられれることなく、他の結
晶性基板やガラス基板などの絶縁性基板を利用すること
も可能である。またゲート電極や絶縁膜についても同様
である。

［発明の効果］ 本発明の電界放出素子およびその製造方法はつぎに列記
する発明の効果を有する。

■錘状突起とゲート電極の距離が絶縁層の膜厚によって
よく制御されるため再現性がよく、距離を短くできるた
め、より低しきい値化が可能である。

■大面積にわたって均一な特性が得られる。

■製造方法が比較的簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第１の実施例を
説明するためのもので、円錐型の睡状突起をもつ電界放
出素子の概略平面図およびＡ−Ａ′線に沿った概略断面
図をそれぞれ示している。 第２図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２の実施例を
説明するためのもので、角錐型の煙状突起をもつ電界放
出素子の概略平面図およびＥ−Ｂ′線に沿った概略断面
図をそれぞれ示している。 第３図（ａ）〜（ｆ）は実施例１で述べた円錐型の煙状
突起をもつ電界放出素子の製造方法を説明するもので、
ポイントとなる製造工程終了後のシリコン基板の概略断
面図を示したものである。 第４図は従来例を示す＃報国である。 １・・・シリコン基板 ２・・・絶縁層 ３・・・ゲート電極 ４．４′　・・・煙状突起 ５・・・錘先端 ６．６゛　・・・錘状電極部 電極開口 ８． ８′ 離軸 ・フォ トレリス ト薄膜 以上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平面基板と、該平面基板表面に形成された錘状突
   起と、前記平面基板表面に形成された絶縁層と、該絶縁
   層表面に形成され前記錘状突起の先端で開口されたゲー
   ト電極と、を有する電界放出素子において、前記ゲート
   電極は前記錘状突起上部において前記錘状突起と錘軸を
   同じくする錘状電極部を有することを特徴とする電界放
   出素子。
2. （２）前記錘状突起は円錐型あるいは角錘型あるいは角
   が丸まった準角錘型の構造を有することを特徴とする請
   求項１に記載の電界放出素子。
3. （３）平面基板表面に錘状突起を形成する工程と、前記
   錘状突起を含む前記平面基板表面に絶縁層およびゲート
   電極層を積層して形成する工程と、前記ゲート電極層表
   面にレジスト層を形成する工程と、前記レジスト層を表
   面より均一にエッチング除去する工程と、前記錘状突起
   部においてレジスト面に露出した前記ゲート電極層をエ
   ッチング除去する工程と、前記錘状突起部に露出した前
   記絶縁層をエッチング除去する工程を含むことを特徴と
   する電界放出素子の製造方法。
4. （４）前記レジストおよびゲート電極層をドライエッチ
   ングすることを特徴とする請求項３に記載の電界放出素
   子の製造方法。