JPH06111712A

JPH06111712A - 電界放出陰極およびその製法

Info

Publication number: JPH06111712A
Application number: JP25621792A
Authority: JP
Inventors: Munehito Kumagai; 宗人熊谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロ真空デバイスなどに用いる電界放出
陰極材料において、金属が使え、特性がよく、信頼性の
高いかつ形状制御の容易な電界放出陰極をうる。【構成】基板１上に金属膜を形成し、マスクを使用し
イオンビームエッチングすると共にマスク材の側壁に前
記エッチングされた金属を再付着させて金属薄膜壁を形
成したのちマスク材を除去し、該エミッタ４の周囲基板
上に絶縁層２を介してゲート電極３を形成し、再付着金
属からなる金属薄膜エミッタ先端４ｂを有する電界放出
電極を形成する。【効果】金属で電極ができるため、性能、信頼性が高
く、かつ再付着を利用することで製造コストの安い電界
放出陰極をえることができる。また、大面積化に対して
も有利な構造をとることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ真空デバイス
における電界放出陰極およびその製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微小な電界放出陰極を利用し、超高速の
真空ＩＣや、高精細のフラットパネルＣＲＴをを形成し
ようという試みがはじまっている。これらの真空デバイ
スは、半導体の微細加工技術を用いて形成され、素子の
高機能化と高集積化を目指すものである。

【０００３】電界放出陰極を適用したデバイスとして
は、フラットパネルＣＲＴがある。フラットパネルＣＲ
Ｔは電界放出陰極の高集積度を最大限に利用しようとす
るものである。

【０００４】電界放出陰極はマイクロ真空デバイスの主
要構成要素であり、そのエミッタ形状から錐型とクサビ
型の２種類に分けることができる。錐型の電界放出陰極
は、基板と垂直の方向に電子を放出し、クサビ型は水平
方向に放出する。錐型の電界放出陰極はエミッタ形成方
法により、蒸着型とエッチング型との２種類に分けるこ
とができる。蒸着型はエミッタが金属の蒸着により形成
され、エッチング型はエミッタがシリコンの異方性エッ
チングによって形成される。一方、クサビ型は金属の蒸
着とそのエッチングによって形成される。

【０００５】前記電界放出陰極の製法については、従来
数多くの報告がある（ディスプレイス(DISPLAYS)、1987
年1月、37〜40頁、平成３年応用物理学会第52回秋季大
会講演予稿集、503頁、９Ｐ−ＺＣ−１など）。

【０００６】つぎに従来の錐型電界放出陰極のうちのエ
ッチング型の構造およびその製法の一例について具体的
に説明する。

【０００７】図５は、従来の錐型の電界放出陰極の断面
図を示す概念図である。図５において、７は基板、８は
ゲート電極、９は絶縁層、10はエミッタである。

【０００８】図５においてシリコン基板７上には円錐状
あるいは角錐上のエミッタ10が形成されており、ゲート
電極８はＳｉＯ₂の絶縁層９上に形成されている。エミ
ッタ10とアノード（図示していない）間に電圧をかけ、
かつ、エミッタ10とゲート電極８間に電圧を印加するこ
とにより、エミッタ先端から電子が引き出される。先端
の曲率半径は数百Åである。

【０００９】図６は錐型電界放出陰極のうちのエッチン
グ型の従来の製法を示す説明図である。図中の符号は図
５のばあいと同じものを表わす。

【００１０】基板であるＳｉウェハー７の（100）面
に、導電性を上げるためリンをドープし、Ｎ型Ｓｉにし
ておく。その上に、Ｓｉ₃Ｎ₄やＳｉＯ₂のエッチングマ
スク11を所望の大きさ（１〜２μｍの円形）に形成する
（図６（ａ））。つぎに、ＫＯＨなどの溶液でＳｉウェ
ハーを異方性エッチングするとＳｉウェハーはピラミッ
ド状に加工され、エミッタ10が形成される。このピラミ
ッドの先端曲率半径は1000Å以下である（図６
（ｂ））。陰極の周囲にＳｉＯの絶縁層９（厚さ１〜２
μｍ）をＣＶＤ法、スパッタ法などにより、さらに該絶
縁層９上にＷ、Ｍｏ、Ｔａなどのゲート用の金属膜（厚
さ約0.5μｍ）をＥＢ蒸着法により成膜し、ゲート電極
８とする（図６（ｃ））。絶縁層９およびゲート用金属
膜を成膜後、エッチングマスク11をフッ化水素酸水溶液
で除去することにより、リフトオフされエミッタ10周囲
のみに絶縁層９およびゲート電極８を形成できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述の錐型の電界放出
陰極のうちのエッチング型は、Ｓｉウェハーの異方性エ
ッチングを利用して電界放出陰極を形成するので大面積
に歩留まりよく形成することが難しいという問題があ
る。またＳｉウェハー自体が電極構成材料となるため、
電流密度が小さく、不規則な電流−電圧特性を有すると
いう問題がある。

【００１２】本発明は前記のような問題を解決するため
になされたもので、金属材料からなるエミッタを用いか
つ比較的容易な形状制御方法により形成することによ
り、大面積に高い歩留まりで形成でき、電流密度が高
く、また性能、信頼性も高く、製造コストの安い電界放
出陰極およびその製法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による電界放出陰
極は、基板上にエミッタが形成され、該エミッタの少な
くとも周囲にゲート電極が形成されてなる電界放出陰極
であって、前記エミッタが金属材料で形成され、かつそ
の先端が薄膜壁で尖鋭に形成されてなることを特徴とす
る。

【００１４】前記エミッタの薄膜壁の先端の形状は、前
記エミッタの薄膜壁で尖鋭に形成された先端の形状が線
状、円状、角状またはそれらを組み合わせた形状である
ことが好ましい。

【００１５】また、請求項３記載の電界放出陰極は、基
板上にエミッタが金属材料で円筒状に、かつ、その先端
が尖鋭に形成され、該円筒状のエミッタの中心部および
外周にゲート電極が形成されていることを特徴とする。

【００１６】さらに請求項４記載の電界放出陰極の製法
は、基板上に金属膜を形成し、該金属膜上に所望のエミ
ッタ形状のマスクを設け、該マスクを使用してイオンビ
ームにより非マスク部の金属膜を金属薄膜として残存す
る程度にエッチングすると共に、前記マスクの側壁部に
前記エッチングされた金属を再付着させて金属薄膜壁を
形成し、前記マスクを除去して金属膜上に筒状の金属薄
膜壁を残して先端が尖鋭なエミッタを形成し、ついで該
エミッタの周囲基板上に絶縁層を介してゲート電極を形
成してなることを特徴としている。

【００１７】さらに請求項５記載の電界放出陰極の製法
は、基板上に第１の金属膜を形成し、第１の金属膜上に
中心部ゲート電極の形状の第１のマスクを設け、第１の
マスクを使用してイオンビームにより非マスク部分の金
属を金属薄膜として残存する程度にエッチングし、つい
で全面に絶縁層および第２の金属膜を設け、第１のマス
クを同心とするエミッタ形成領域の外周に第２のマスク
を設け、イオンビームによりエッチングすると共に、第
２のマスクの側壁にエッチングされた金属を再付着させ
て金属薄膜壁を形成し、第２のマスクを除去することに
より第２の金属膜に連なる筒状の金属薄膜壁からなる先
端が尖鋭のエミッタを形成し、ついで該エミッタ先端の
周囲に第２の金属膜上に絶縁層を介して第３の金属膜を
形成し、かつ、第１の金属薄膜と電気的に接続してなる
ことを特徴としている。

【００１８】また、前記エッチングは、イオンビームの
入射角が基板面に対して70°〜90°のイオンビームによ
るエッチングであることが好ましい。

【００１９】

【作用】本発明は、基板に金属膜を形成し、マスクを使
用しイオンビームエッチングし、マスク材の側壁にエッ
チングされた金属を再付着させたのちマスク材を除去
し、再付着金属で先端が尖鋭なエミッタ先端をうるもの
であって、エミッタが金属なので、高い電流密度をうる
ことができ、また容易に種々の形状のエミッタが形成で
きるため、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界
放出陰極をうることができる。また、大面積に対しても
有利な構造をとることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面にしたがって詳細に説明
する。

【００２１】［実施例１］図１は本発明の電界放出陰極
の一実施例を示す斜視断面図である。図１において、１
は基板、２は絶縁層、３はゲート電極、４はエミッタ、
５は金属膜である。

【００２２】基板１は、たとえばセラミック基板などを
材料とした厚さ数百μｍ〜数mm程度のものであり、該基
板上の金属膜５の上に、台状の金属台４ａと、該金属台
４ａの上縁に沿って設けられた先端が尖鋭な金属薄膜壁
４ｂとからなるエミッタ４が設けられている。前記金属
台４ａは図１におけるごとき円錐台形に限定されるもの
ではなく、円柱状でも、また多角柱、多角錐台状、その
他任意の形をとりうる。台の高さは約１〜２μｍ、その
底辺の直径は１〜２μｍ程度が好ましい。また先端の金
属薄膜４ｂは厚さが約数百〜数千Å、高さが数百〜数千
Å程度、先端の曲率半径が数十〜数百Å程度のものが好
ましい。

【００２３】前記エミッタ４の材料としてはＷ、Ｍｏ、
Ｔａなどが好ましい。

【００２４】前記、金属台４ａと金属薄膜壁４ｂとから
なるエミッタ４を取り囲み前記基板１上の金属膜５の上
に絶縁層２を介してゲート電極３が設けられている。絶
縁層の厚さは１〜２μｍ程度、ゲート電極の厚さは数百
〜数千Å程度が好ましい。エミッタ４の薄膜壁４ｂの先
端より、前記ゲート電極３のほうが数十〜数百Å高いの
が好ましい。

【００２５】図２は図１に示す電界放出陰極の製法を示
す説明図である。

【００２６】まず、基板１上に金属膜５を形成する（図
２（ａ））。前記金属膜の厚さは、２〜３μｍ程度が好
ましい。

【００２７】つぎに、フォトレジストを形成し、写真製
版によりイオンビームエッチング用のマスクパターン６
をえる（図２（ｂ））。

【００２８】前記マスクパターンの形は任意にとりうる
が、たとえば円形のばあいは直径が１〜２μｍ、厚さが
２〜３μｍ程度のものが好ましい。

【００２９】つぎに、イオンビームの入射角を基板面に
対して70〜90°になるように設定して、前記金属膜をエ
ッチングして、エッチングされた金属をマスク６の側壁
に金属薄膜壁として再付着させる。

【００３０】マスク部分の金属膜はマスクが円形のばあ
いはイオンビームの入射角により円柱状（入射角90°の
あばあい）、または上部の直径が下部の直径より小さい
円錐台状（入射角が70°以上90°未満のとき）となって
残る（４ａ）。入射角が70°未満ではエッチングされた
金属はマスクの側壁にほとんど再付着しない。

【００３１】つぎに、前記マスクを除去すると金属台４
ａ上にその上縁に沿って筒状の金属薄膜壁４ｂをうる。
前記再付着部４ｂの厚さは数百〜数千Åが好ましい。こ
の再付着部が本発明の電界放出陰極のエミッタ先端（４
ｂ）となる。

【００３２】前記金属膜５は電圧印加用端子を兼ねるた
めに完全にはエッチングされずに一部が残され、かつ、
電圧印加用の端子のパターンになるようにエッチングさ
れている（図２（ｃ））。

【００３３】さらに、絶縁層２を前記金属膜５上に形成
し、その上にゲート電極３を形成する（図２（ｄ））こ
とにより、電界放出陰極（図１）を完成させる。

【００３４】前記絶縁層２の形成は前記エミッタ部分を
マスクで覆い、たとえばＳｉＯ₂、ＳｉＯ、ＳｉＮ、Ａ
ｌ₂Ｏ₃などを、ＣＶＤ法、スパッタ法などにより堆積さ
せる。その厚さは１〜２μｍが好ましい。また、ゲート
電極３は、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｔａなどの材料を用い
て、ＥＢ蒸着法などにより形成され、その厚さは数千Å
が好ましい。

【００３５】なお前記態様の説明ではマスクの形状を、
円形のばあいについて説明したが、円形は１つの例にす
ぎずマスクの形状はドーナツ型をはじめ三角、四角、星
形など、線状、円状、角状などを組合わせた、種々の形
状にすることができ、えられるエミッタ先端４ｂや金属
台４ａの形もそれに応じたものとなる。

【００３６】また、エッチングに際してのイオンビーム
の入射角が90°でないばあいは金属台は側面が勾配をも
つ。

【００３７】本実施例では、イオンビーム用マスク材と
しては、レジストを使用したが、陰極用金属と選択エッ
チングできる材料であればその他の材料でもよく、前記
材料の具体例としては、たとえばＳｉＯｘ、ＳｉＮなど
があげられる。

【００３８】［実施例２］図３は、本発明の、他の実施
例における電界放出陰極を示す斜視断面図である。図中
の符号は図１と同じものを表わす。本実施例ではイオン
ビームエッチング用のマスクパターンをドーナツ状にし
て、実施例１と同様にして製造したもので、エミッタは
先端が尖鋭な２重のリング状の金属薄膜壁からなるもの
である。他の構成については実施例１と同じである。

【００３９】［実施例３］本発明の、電界放出陰極のさ
らに他の実施例を、その製法にしたがい説明する。図
４（ａ）〜（ｅ）は、その製造工程を示す説明図であ
る。

【００４０】図４に記載の方法でえられる電界放出陰極
は、エミッタ先端のリング状の尖鋭な金属薄膜壁の内外
にゲート電極を有するものである。

【００４１】図４（ａ）〜（ｅ）において、実施例１と
同様にして基板１上に金属膜を設け、第１のマスク６を
用いて金属台３ａと第１の金属薄膜３ｂとを形成する
（図４（ａ））。つぎに絶縁層２および第２の金属膜５
ａを全面に設ける（図４（ｂ））。そののち金属台３ａ
を同心とするエミッタ形成の外周に第２のマスク６ｂを
設け、非マスク部分の金属層および絶縁層をイオンビー
ムエッチングで除去する。この際エッチングされる金属
が第２のマスク６ｂの側壁に再付着してエミッタ先端部
分となる金属薄膜壁４ｂが形成される（図４（ｃ））。
第２のマスク６ｂを除去すると第２の金属膜５ａにつら
なる金属の薄膜壁からなるエミッタ先端部分４ｂが残る
（図４（ｄ））。

【００４２】さらに前記薄膜壁および中心の金属台を第
３のマスク６ｃで遮蔽し、非マスク部分の前記第２の金
属膜５ａ上にさらに絶縁層２ａ、およびその上にゲート
電極３を設ける（図４（ｅ））。

【００４３】つぎに第１の金属薄膜３ｂとゲート電極３
とを接続する。

【００４４】このようにしてえられた電界放出陰極は、
ゲート電極３のほかにエミッタ先端である金属薄膜壁４
ｂの内側にある金属台３ａもゲート電極として作用する
構造のものである。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、電界放出陰極において、基板
に金属膜を形成し、マスクを使用してイオンビームエッ
チングし、マスク材の側壁に金属を再付着させたのちマ
スク材を除去し、再付着金属で尖鋭に形成されたエミッ
タ先端をうるのでエミッタを金属で形成でき、高い電流
密度をうることができ、また容易に任意の電極形状にで
きる。さらに、性能、信頼性が高く、製造コストの安い
電界放出陰極をうることができる。また、大面積化に対
しても有利な構造をとることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の電界放出陰極を示す斜視断
面図である。

【図２】本発明の実施例１の電界放出陰極の製法を示す
説明図である。

【図３】本発明の実施例２の電界放出陰極を示す斜視断
面図である。

【図４】本発明の実施例３の電界放出陰極の製法を示す
説明図である。

【図５】従来の電界放出陰極の断面図を示す説明図であ
る。

【図６】従来の電界放出陰極の製法を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１基板２絶縁層３ゲート電極３ａ金属台３ｂ第１の金属薄膜４エミッタ４ａ金属台４ｂエミッタ先端５金属膜５ａ第２の金属膜６エッチングマスク６ｂ第２のマスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にエミッタが形成され、該エミッ
タの少なくとも周囲にゲート電極が形成されてなる電界
放出陰極であって、前記エミッタが金属材料で形成さ
れ、かつその先端が薄膜壁で尖鋭に形成されてなる電界
放出陰極。
【請求項２】前記エミッタの薄膜壁で尖鋭に形成され
た先端の形状が線状、円状、角状またはそれらを組み合
わせた形状からなる請求項１記載の電界放出陰極。
【請求項３】基板上にエミッタが金属材料で円筒状
に、かつ、その先端が尖鋭に形成され、該円筒状のエミ
ッタの中心部および外周にゲート電極が形成されてなる
電界放出陰極。
【請求項４】基板上に金属膜を形成し、該金属膜上に
所望のエミッタ形状のマスクを設け、該マスクを使用し
てイオンビームにより非マスク部の金属膜を金属薄膜と
して残存する程度にエッチングすると共に、前記マスク
の側壁部に前記エッチングされた金属を再付着させて金
属薄膜壁を形成し、前記マスクを除去して金属膜上に筒
状の金属薄膜壁を残して先端が尖鋭なエミッタを形成
し、ついで該エミッタの周囲基板上に絶縁層を介してゲ
ート電極を形成してなる電界放出陰極の製法。
【請求項５】基板上に第１の金属膜を形成し、第１の
金属膜上に中心部ゲート電極の形状の第１のマスクを設
け、第１のマスクを使用してイオンビームにより非マス
ク部分の金属を金属薄膜として残存する程度にエッチン
グし、ついで全面に絶縁層および第２の金属膜を設け、
第１のマスクを同心とするエミッタ形成領域の外周に第
２のマスクを設け、イオンビームによりエッチングする
と共に、第２のマスクの側壁にエッチングされた金属を
再付着させて金属薄膜壁を形成し、第２のマスクを除去
することにより第２の金属膜に連なる筒状の金属薄膜壁
からなる先端が尖鋭のエミッタを形成し、ついで該エミ
ッタ先端の周囲に第２の金属膜上に絶縁層を介して第３
の金属膜を形成し、かつ、第１の金属薄膜と電気的に接
続してなる電界放出陰極の製法。
【請求項６】前記エッチングが、イオンビームの入射
角が基板面に対して70°〜90°のイオンビームによるエ
ッチングであることを特徴とする請求項４または５記載
の電界放出陰極の製法。