JPH05182583A - 電界放出型素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低電圧で安定な電界放出電流を均一性及び再
現性よく得られる電界放出型素子を提供する。 【構成】 単結晶シリコン基板１上に、（１００）結晶
面１３がシリコン酸化膜２で覆われている凸状部１５を
形成する。この凸状部１５を異方性エッチングして（１
００）結晶面１３と鋭角的に交わる（１１１）結晶面１
１を露出させて冷陰極１２を形成する。次に、基板１を
熱酸化して、（１００）結晶面１３と（１１１）結晶面
１１とが交わる稜線１４を更に鋭角化する。この後、シ
リコン酸化膜２′を介して、制御電極４を形成する。そ
して、シリコン酸化膜２の一部を除去して稜線１４を露
出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、走査型電子顕
微鏡やブラウン管等に用いられる電界放出型素子及びそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集積回路製造プロセス技術を用いてシリ
コン基板やガラス基板上に形成するミクロンサイズの電
界放出型素子は、近年研究が盛んになり、冷陰極、制御
電極及び陽極で構成される真空３極管構造を形成する真
空管集積回路への応用や、平面上に冷陰極を多数配列し
相対向する面に蛍光体を設けたフラットパネルディスプ
レイへの応用等新しい応用が期待されている。

【０００３】従来の代表的な電界放出型素子の製造方法
では、水酸化カリウム水溶液等のシリコンエッチング液
を用いて単結晶シリコンをピラミッド形に加工して冷陰
極を形成し、更に真空蒸着法を用いてシリコン酸化膜等
の絶縁膜を堆積し、その上にモリブデン等の金属を堆積
して冷陰極用制御電極を形成していた。例えば、まず、
（１００）結晶面の単結晶シリコン基板２１を熱酸化す
るか又は化学的気相成長法を用いることにより、シリコ
ン基板２１上にシリコン酸化膜を形成する。この後、フ
ォトリソグラフィ技術によりこのシリコン酸化膜を選択
的に除去し、図３（ａ）に示すように、シリコン基板２
１上にシリコンエッチングマスク２２を形成する。

【０００４】次に、約３０℃に加熱した水酸化カリウム
水溶液中にシリコン基板２１を浸し、シリコン基板２１
をエッチングする。水酸化カリウム水溶液による単結晶
シリコンのエッチング速度は、結晶面依存性を有し、
（１１１）結晶面のエッチング速度が最も遅いため、エ
ッチングの進行により（１１１）結晶面が露出する。そ
の結果、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板２１は
錐形に加工され、先端の尖った冷陰極２３を形成するこ
とができる。

【０００５】次に、この冷陰極２３上にエッチングマス
ク２２が残ったままの状態で、図３（ｃ）に示すよう
に、真空蒸着法によりシリコン酸化膜を絶縁膜２４とし
て堆積させ、更にこの絶縁膜２４の上から制御電極２５
となるモリブデン等の金属を堆積させる。

【０００６】そして、冷陰極２３上のシリコン酸化膜等
を希釈弗酸で除去し、冷陰極２３を露出させることによ
り、図３（ｄ）に示すような電界放出型素子を形成す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した電界放出型素
子は、冷陰極２３の周囲の制御電極２５に正の電圧を印
加し、冷陰極２３先端に高電界を発生させ、この電界に
より電子を放出させる。

【０００８】従って、素子特性を決定する重要な因子で
ある冷陰極２３の先端の曲率半径はできるだけ小さくす
る必要があり、また、冷陰極２３と制御電極２５との間
隔や相対的高さを均一化して、電界放出電流の均一化及
び再現性をよくする必要がある。

【０００９】ところが、上述した従来の電界放出型素子
の製造方法では、水酸化カリウム水溶液等によるシリコ
ンエッチングを利用して冷陰極２３を形成しているが、
この場合、単結晶シリコンのエッチング速度はエッチン
グ液の温度や濃度、更には、攪拌の程度や単結晶シリコ
ンの表面状態等により大きく変動してしまい、これらの
多くの因子を正確に制御することが難しいため、電界放
出特性に重要な影響を与える冷陰極２３の先端曲率半径
の微細化の正確な制御が困難であった。このため、この
ようにして製造された電界放出型素子は、電界放出開始
電圧が高く、電界放出電流の再現性や均一性が悪いとい
う問題があった。

【００１０】また、制御電極２５の下に真空蒸着法で形
成した絶縁膜２４であるシリコン酸化膜は、膜質が悪い
ためにリーク電流を増大させ、また、膜厚の均一性が悪
いために冷陰極２３と制御陰極２５との間の距離や相対
的高さのばらつきを増大させ、やはり、電界放出電流の
再現性や均一性を低下させるという問題もあった。

【００１１】更に、冷陰極２３と制御電極２５との間隔
が、冷陰極２３上のエッチングマスク２２の寸法で決ま
るために、そのフォトリソグラフィ技術の能力に制約さ
れ、冷陰極２３の先端曲率半径の微細化に限界があると
いう問題もあった。

【００１２】そこで、本発明の目的は、低電圧で安定な
電界放出電流を再現性よく得られる電界放出型素子及び
その製造方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明では、基板上に、少なくとも第１の結晶
面が薄膜で覆われている単結晶半導体材料からなる凸状
部を形成する工程と、前記薄膜をマスクとして前記単結
晶半導体材料を異方性エッチングすることにより前記第
１の結晶面と鋭角的に交わる第２の結晶面を露出させる
工程と、前記薄膜の少なくとも一部を除去して前記第１
の結晶面と前記第２の結晶面とが交わる稜を露出させる
工程とを設けている。

【００１４】本発明の電界放出型素子の製造方法におい
て、好ましくは、エッチングにより前記第２の結晶面を
露出させた後、前記単結晶半導体材料を熱酸化する。

【００１５】また、本発明の電界放出型素子の製造方法
において、前記第１の結晶面上に絶縁膜を介して制御電
極となる導電膜を形成するのが好ましい。

【００１６】この場合、好ましくは、前記薄膜が前記絶
縁膜であって、前記導電膜を形成した後、この絶縁膜の
少なくとも一部を除去することにより前記第１の結晶面
と第２の結晶面とが交わる稜を露出させる。

【００１７】また、本発明の一実施態様においては、前
記絶縁膜を除去することによって前記導電体と前記第１
の結晶面との間にギャップを形成する。

【００１８】また、本発明による電界放出型素子は、単
結晶半導体材料の面方位の異なる少なくとも２つの結晶
面の交わる頂点または稜線からなる電界放出用冷陰極
と、この冷陰極の前記結晶面の少なくとも一つの上に絶
縁膜を介して形成された制御電極とを有している。

【００１９】

【作用】本発明の電界放出型素子の製造方法において
は、単結晶半導体材料の所定の結晶面を薄膜で保護し、
この結晶面を侵すことなく、異方性エッチングにより単
結晶半導体材料の新たな結晶面を露出させる。例えば、
単結晶シリコンの異方性エッチングは、一般に、結晶面
に対するエッチング速度の選択比が大きいので、最もエ
ッチング速度の遅い結晶面が露出すると、この露出した
結晶面のエッチングはほとんど進行しない。このため、
エッチング液の温度や濃度等の変動にほとんど影響され
ずに、前記薄膜で覆った結晶面と新たに露出した結晶面
が交わる部分に非常に尖った稜線を均一に再現性よく形
成することができる。

【００２０】そして、この稜線を冷陰極として使用する
と、先端の鋭く尖った電界放出用冷陰極が安定に作製さ
れ、この冷陰極に外部から電圧を印加すると先端部分に
強い電界が集中するので低電圧で電子を放出させること
ができる。更に、この冷陰極は線状電子源であり、点状
電子源に比べてはるかに多くの電子を放出でき、大きな
電界放出電流が得られる。

【００２１】この冷陰極の制御電極を前記所定の結晶面
上に絶縁膜を介して形成すると、冷陰極と制御電極の間
隔はその絶縁膜の膜厚で決まり、電極間隔の縮小が容易
となって、低電圧で電子を放出させることができる。更
に、この場合、制御電極は冷陰極に対して自己整合的に
配置されるので、均一で再現性のよい電界放出電流が得
られる。

【００２２】また、電界放出型素子は真空中で動作する
ので、導電膜形成後に絶縁膜を除去してギャップを形成
すれば冷陰極と制御電極が真空で分離される。そして、
この真空による前記両電極の分離は、絶縁膜による分離
に比べて絶縁耐圧を向上させる。また、真空は誘電率が
小さく、前記両電極間の容量が小さくなるので動作速度
を速くできる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２を参照
して説明する。

【００２４】図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例に
よる電界放出型素子の製造方法を工程順に示す断面図で
ある。

【００２５】まず、図１（ａ）に示すように、（１０
０）ｎ型単結晶シリコン基板１を熱酸化し、５００ｎｍ
のシリコン酸化膜２を形成する。

【００２６】次に、フォトリソグラフィー技術を用いて
長方形の穴の開いた図示しないレジストパターンを形成
し、このレジストをマスクにしてリアクティブイオンエ
ッチングによりシリコン酸化膜２を貫通するまでエッチ
ングする。その後、図１（ｂ）に示すように、シリコン
酸化膜２をマスクにしてリアクティブイオンエッチング
によりシリコン基板１に約１μｍの深さの垂直な穴を開
け、凸状部１５を形成する。

【００２７】次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン
酸化膜２をマスクにして、３０℃に加熱した４０％水酸
化カリウム水溶液により、シリコン基板１を異方性エッ
チングする。この結果、４０％水酸化カリウム水溶液に
よるエッチング速度が最も遅いシリコン単結晶の（１１
１）結晶面１１が露出し、冷陰極１２が形成される。こ
の冷陰極１２においては、シリコン基板１の表面の（１
００）結晶面１３と、異方性エッチングにより露出した
（１１１）結晶面１１とが鋭角的に交差する稜線１４に
電界を集中させ、電子を放出させる。水酸化カリウムに
よる異方性エッチングは、エッチング速度の結晶面に対
する選択比が大きいので、非常に平坦な（１１１）結晶
面１１が露出し、露出した後のエッチングの進行もほと
んどないため、均一性や再現性がよい。なお、（１１
１）結晶面１１と（１００）結晶面１３とが交差する部
分は一様な鋭い稜線１４を形成する。

【００２８】次に、図１（ｄ）に示すように、９００℃
に加熱された水蒸気雰囲気中でシリコン基板１を熱酸化
し、稜線１４をさらに先鋭化させる。これは、シリコン
酸化膜２′及び３の応力の影響で凸状部１５の頂点の熱
酸化速度が他の部分に比べて減少し、凸状部１５の先端
の曲率半径が減少して鋭くなる現象を利用している。こ
れによって、低電圧で電子を放出させることができる。

【００２９】次に、図１（ｅ）に示すように、真空蒸着
法でモリブデンを３００ｎｍ堆積する。真空蒸着法を用
いると段差の側壁にモリブデンが付着せず、冷陰極１２
上に絶縁膜となるシリコン酸化膜２′を介してセルフア
ラインで制御電極４を形成することができる。

【００３０】次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、
モリブデン上にレジストパターンを形成して、このレジ
ストをマスクにしてリアクティブイオンエッチングによ
り、モリブデンを貫通するまでエッチングして制御電極
配線やボンディングパッドを形成する。

【００３１】そして、冷陰極１２の先端の稜線１４上の
シリコン酸化膜２′及びシリコン酸化膜３をバッファー
ド弗酸でエッチングし、冷陰極１２先端を露出させるこ
とにより、冷陰極１２とその制御電極４をもった電界放
出型素子が作製される。

【００３２】本実施例の電界放出型素子により、高真空
中で、冷陰極１２の近くに配置された制御電極４に正の
電圧を印加し、低電圧で安定に電界放出電流を得ること
ができる。

【００３３】なお、上述した実施例においては、図１
（ｂ）に示すように、シリコン基板１にエッチングによ
り凸状部１５を形成したが、例えばガラス基板の上に単
結晶半導体材料からなる凸状部１５を形成して、以下の
工程を同様に行ってもよい。

【００３４】また、上述した実施例においては、エッチ
ングマスクである薄膜として、絶縁膜であるシリコン酸
化膜２を用いたが、エッチングマスクである薄膜は絶縁
膜である必要はなく、その場合には、その薄膜を除去し
た後、結晶面１３の上に新たな絶縁膜を形成すればよ
い。

【００３５】図２に本発明の第２の実施例を示すが、こ
の実施例においては、上述した第１の実施例で、モリブ
デンを堆積する前に、減圧ＣＶＤ技術とフォトリソグラ
フィ技術を用いて、約５００ｎｍのシリコン窒化膜５
を、電極配線６及びボンディングパッド７が形成される
部分の下に形成し絶縁耐圧の向上と配線容量の低下を図
っている。

【００３６】そして、モリブデンを真空蒸着し、フォト
リソグラフィを行って制御電極４を形成した後、冷陰極
１２と制御電極４との間のシリコン酸化膜２をバッファ
ード弗酸で完全に除去する。これによって、電界放出型
素子の動作状態において冷陰極１２と制御電極４との間
は高真空空間または厚い絶縁膜を介して絶縁されるた
め、冷陰極１２と制御電極４との間に高い電圧を印加し
ても絶縁破壊を生じることがなく、素子故障率を低減さ
せ、電界放出電流を増大させることができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の電界放出型素子は、先端の曲率
半径が小さく鋭く尖った稜線状の冷陰極を有しており、
冷陰極と制御電極間の距離が非常に近い構造なので、低
電圧電界放出が可能で電界放出電流が大きい。また、本
発明の電界放出型素子の製造方法によれば、冷陰極先端
の形状や冷陰極と制御電極との間の距離及び配置を正確
に制御でき、電界放出電流の均一性や再現性を向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による電界放出型素子の製造
方法を示す断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例による電界放出型素子の
要部外観図である。

【図３】従来の電界放出型素子の製造方法を示す断面図
である。

【符号の説明】

１ （１００）ｎ型単結晶シリコン基板 ２ シリコン酸化膜 ２′シリコン酸化膜 ３ シリコン酸化膜 ４ 制御電極 １１ （１１１）結晶面 １２ 冷陰極 １３ （１００）結晶面 １４ 稜線 １５ 凸状部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、少なくとも第１の結晶面が薄
   膜で覆われている単結晶半導体材料からなる凸状部を形
   成する工程と、 前記薄膜をマスクとして前記単結晶半導体材料を異方性
   エッチングすることにより前記第１の結晶面と鋭角的に
   交わる第２の結晶面を露出させる工程と、 前記薄膜の少なくとも一部を除去して前記第１の結晶面
   と前記第２の結晶面とが交わる稜を露出させる工程とを
   有することを特徴とする電界放出型素子の製造方法。
2. 【請求項２】 エッチングにより前記第２の結晶面を露
   出させた後、前記単結晶半導体材料を熱酸化する工程を
   有することを特徴とする請求項１記載の電界放出型素子
   の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第１の結晶面上に絶縁膜を介して制
   御電極となる導電膜を形成する工程を有することを特徴
   とする請求項１又は２記載の電界放出型素子の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記薄膜が前記絶縁膜であって、前記導
   電膜を形成した後、この絶縁膜の少なくとも一部を除去
   することにより前記第１の結晶面と前記第２の結晶面と
   が交わる稜を露出させる工程を有することを特徴とする
   請求項３記載の電界放出型素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記絶縁膜を除去することによって前記
   導電体と前記第１の結晶面との間にギャップを形成する
   工程を有することを特徴とする請求項４記載の電界放出
   型素子の製造方法。
6. 【請求項６】 単結晶半導体材料の面方位の異なる少な
   くとも２つの結晶面の交わる頂点または稜線からなる電
   界放出用冷陰極と、この冷陰極の前記結晶面の少なくと
   も一つの上に絶縁膜を介して形成された制御電極とを有
   することを特徴とする電界放出型素子。