JPH06176685A - 電界放出型電子源及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造工程の依存度が少なく、また、高出力化
が容易でありかつ機械的強度の優れた電界放出型電子源
を提供する。 【構成】 金属又は半導体材料で形成された基板電極１
１と、前記基板電極上に設けられており電子を放出する
凸部の先端が平坦である電界放出型冷陰極１０と、前記
基板上に設けられたゲート電極１４とを備えた電界放出
型電子源である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界放出の原理により
電子を放出する電界放出型電子源に関し、特に電界放出
型電子源の冷陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、集積回路又は薄膜の分野において
用いられている微細加工技術により、真空中の高電界に
おいて電子を放出する電界放出型電子源製造技術の進歩
はめざましく、特に極めて小型な構造を有する電界放出
型冷陰極が製造されている。この種の電界放出型冷陰極
は、３極管型の超小型電子管又は超小型電子銃を構成す
る主要部品の内、最も基本的な電子放出デバイスであ
る。

【０００３】多数の電子放出デバイスを含む電界放出型
電子源は、例えば微小３極管や薄型表示素子等の構成要
素として考案されたもので、電界放出型電子源の動作及
び製造方法は、スタンフォード リサーチ インスティ
チュート（Stanford Research Institute ）のシー．エ
ー．スピント（C.A.Spindt）らによるジャーナル オブ
アプライド フィジックス（ Journal of Applied P
hysics）の第47巻、12号、5248〜5263頁（1976年12月）
に発表された研究報告により公知であり、エイチ．エ
フ．グレイ（H. F. Gray) 等によって米国特許第4,307,
507 号及び第4,513,308 号に開示されている。

【０００４】この電界放出型電子源は、その用途として
例えば微小３極管や薄型表示素子等の構成要素として考
案されており、デバイスとしては、多数の微小な冷陰極
を制御することによりその機能を発揮する。個々の冷陰
極は、電界放出の原理により電子を放出する冷陰極と、
冷陰極に電界を印加して電子を放出させるために正電圧
を印加する電界印加電極であるゲート電極とを備えてい
る。

【０００５】この電界放出型電子源にはさまざまな構造
が提案されているが、その代表的なものとして真空マイ
クロエレクトロニクス国際会議９１（The Forth Intern
ational Vacuum Microelectronics Conference ）で
富士通研の別井により報告されたものを例に取って、そ
の構造及び作製法について説明する。構造を図９に示
す。基板電極となるシリコン基板９１上に形成された円
錐上のシリコン突起物が、冷陰極９０となる。そして、
この電子放出部を囲むように熱酸化シリコン層９２と絶
縁層である二酸化シリコン層９３、及びゲート電極層９
４が、基板電極であるシリコン基板９１上に形成されて
いる。このとき、ゲート電極層９４は冷陰極９０の先端
の電子放出部と同程度の高さになるように、二酸化シリ
コン層の厚さを調整して形成される。

【０００６】次に作製方法について図１０を用いて説明
する。まず、図１０（ａ）に示すように、基板電極とな
るシリコン基板９１の表面を熱酸化し、熱酸化シリコン
層９５を形成する。次に、熱酸化シリコン層９５の表面
にレジストを用いて円形のパターンを形成し、熱酸化シ
リコン層９５をエッチングすることにより、図１０
（ｂ）に示すような円形の熱酸化シリコンマスク９５ａ
を形成する。

【０００７】この熱酸化シリコンマスク９５ａを用いて
シリコン基板９１の表面をドライエッチング法により等
方的にエッチングし、図１０（ｃ）に示すように基板か
ら突出した円錐形状を有する凸部９１ａをシリコン基板
９１の表面に形成する。

【０００８】更に、凸部９１ａが形成されたシリコン基
板９１の表面を再び熱酸化し、図１０（ｄ）に示すよう
に、熱酸化シリコン層９２ａを成長させる。この際、シ
リコン基板９１の凸部９１ａの表面も同時に熱酸化され
先端のとがった円錐状の冷陰極９０が形成される。

【０００９】この様な構造を有するシリコン基板９１を
真空蒸着装置内に配置し、基板に対して垂直方向にシリ
コン基板９１上に絶縁層となる二酸化シリコン層９３、
ゲート電極９４となるモリブデン金属を順次形成し、図
１０（ｅ）を得る。

【００１０】この後、フッ化水素とフッ化アンモニウム
との混合溶液中で熱酸化シリコンマスク９５ａ及び冷陰
極９０表面に形成された熱酸化シリコン層９２ａを除去
し、シリコン基板９１上の冷陰極９０を露出させ図１０
（ｆ）に示す電子源作製が終了する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】これら作製された電子
放出源は、多数アレイ状に配置されデバイスとして機能
する。そのため、個々の電子放出源の間にばらつきが生
じてしまうと、デバイスとしての機能は大きく低下す
る。前記電子放出源において、図１０（ｂ）に示した熱
酸化シリコンマスク９５ａの大きさにばらつきが生じた
とき、同一の作製工程を経た後どのような放出源が形成
されるか、図１１を用いて以下に示す。作製工程は図１
０と全く同じである。ここで示すのは、図１０（ｂ）に
示したものより熱酸化シリコンマスクが僅かに小さい場
合である（図１１（ｂ））。冷陰極１１０となる凸部１
１１ａを形成するためにシリコンのエッチングを行う
（図１１（ｃ））。この時、熱酸化シリコンマスク１１
５ａが小さかったため、シリコンエッチング後の凸部１
１１ａと熱酸化シリコンマスク１１５ａとの接触面積は
図１０（ｃ）に比べ小さくなる。そのため、シリコン基
板１１１の表面を再び熱酸化して（図１１（ｄ））最終
的に得られる電子放出源は、図１１（ｆ）のようにな
り、冷陰極１１０の高さは、ゲート電極層１１４に比べ
低くなってしまう。

【００１２】ここでは、熱酸化シリコンマスクのばらつ
きによる影響について述べたが、これがシリコンのエッ
チングのばらつきでも同様であり、このような冷陰極先
端を尖らせた構造においては、作製プロセスで生じる均
一性、再現性が敏感に素子特性に影響する。そのため、
素子の歩留りを上げる、品質を画一化するためには、作
製プロセスの管理を十分に行うことが必要になる。しか
し、より集積化させるために、素子を微小化したとき、
あるいは、素子を大型化、高出力化するためにデバイス
内の電子源の数を増やしたときには、より作製プロセス
の影響を受け易く、素子作製の障害となるなどの問題点
がある。

【００１３】従って、本発明の目的は作製プロセスに依
存することがなく、多数の電界放出型電子源で構成され
るデバイスを、歩留りかつ再現性良く作製することがで
きる電子源構造を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、前記目
的は、金属又は半導体材料で形成された基板電極と、前
記基板電極上に設けられており電子を放出する凸部の先
端が平坦である電界放出型冷陰極と、前記基板電極上に
設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられたゲート
電極とを備えた電界放出型電子源によって達成される。

【００１５】前記本発明の素子は、金属又は半導体材料
で形成された基板電極上に冷陰極パターンを形成する工
程と、その冷陰極パターンをマスクとして基板電極をサ
イドエッチングする工程と、前記サイドエッチングされ
た基板電極の表面を酸化する工程と、前記基板電極上に
絶縁層とゲート電極層を形成する工程と、前記冷陰極パ
ターンを除去する工程とによって製造することができ
る。本発明によれば、前記目的は、金属又は半導体材料
で形成された基板電極と、前記基板電極上に設けられて
おり電子を放出する凸部の先端が平坦である電界放出型
冷陰極と、前記基板電極及び前記冷陰極の凸部の側面上
に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたゲー
ト電極とを備えた電界放出型電子源によっても達成され
る。

【００１６】また、前記本発明の素子は、金属又は半導
体材料で形成された基板電極上に冷陰極パターンを形成
する工程と、その冷陰極パターンをマスクとして基板電
極をサイドエッチングする工程と、前記サイドエッチン
グされた基板電極の表面を酸化する工程と、前記基板電
極上に絶縁層とゲート電極層を形成する工程と、前記冷
陰極パターンを除去する工程とによって製造することが
できる。

【００１７】

【作用】本発明の素子では、電子放出部である冷陰極の
先端が平坦であり、作製プロセスの影響に依存しにくい
形状であるので、従来では作製プロセス中で生じる各電
極間距離とその位置関係、及び冷陰極先端の形状などの
従来の素子では特性に敏感に影響を及ぼした要素のばら
つきがあっても、均一性の良い素子を歩留り良く作製す
ることができる。

【００１８】さらに、前記本発明の素子は、金属又は半
導体材料で形成された基板電極上に冷陰極パターンを形
成する工程と、その冷陰極パターンをマスクとして基板
電極をサイドエッチングする工程と、前記サイドエッチ
ングされた基板電極の表面を酸化する工程と、前記基板
電極上に絶縁層とゲート電極層を形成する工程と、前記
冷陰極パターンを除去する工程とによって製造すること
ができる。

【００１９】さらに、本発明の素子のゲート電極として
は、基板電極及び冷陰極の凸部の側面上に形成された絶
縁層と、前記絶縁層上に形成されたゲート電極であって
もよく、これにより、電子放出部である冷陰極の先端と
ゲート電極とをより近くに近づけることができるので、
電子を冷陰極から放出させるためにゲート電極と冷陰極
との間に印加する電圧を減少できる。

【００２０】前記本発明の素子は、金属又は半導体材料
で形成された基板電極上に冷陰極パターンを形成する工
程と、その冷陰極パターンをマスクとして基板電極をサ
イドエッチングする工程と、前記サイドエッチングされ
た基板電極の表面を酸化して絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の表面にゲート電極層を形成する工程と、前
記冷陰極パターンを除去する工程とによって製造でき
る。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好ましい実施
例を説明する。図１及び３は、本発明に係る電界放出型
電子源の製造方法の一実施例を示す要部側面断面図、図
２及び４は、図１及び３に示した電界放出型電子源の製
造方法によって製造された電界放出型電子源の要部側面
断面図である。

【００２２】図２及び４において、冷陰極１０及び３０
の部分は、基板電極となるシリコン基板１１及び３１上
に円錐の先端を切り取った、断面が台形状である突起物
として形成されている。シリコン基板１１及び３１上の
冷陰極１０及び３０の周辺には熱酸化シリコン層１２及
び３２と絶縁層１３及び３３となる二酸化シリコン層、
及び冷陰極１０及び３０から電子を放出させるために正
電圧が印加される電界印加電極であるゲート電極層１４
及び３４が形成されている。

【００２３】この構造において、素子を１ｍｍ程度離し
てアノード電極に対向させて真空中に配置し、アノード
電極を正バイアス、ゲート電極１４及び３４を接地、冷
陰極１０及び３０を負バイアスとすると、冷陰極１０及
び３０の先端の平坦面周辺のエッジ部分から電子が放出
される。

【００２４】次に、図１及び３を参照して電界放出型電
子源の製造方法の一実施例について説明する。図１及び
３では、同一の素子において熱酸化シリコンマスク作製
の工程でのそのサイズに差が生じた場合について説明し
ている。熱酸化シリコンマスクのサイズは、図３の方が
図１より小さくなっている。

【００２５】まず、図１（ａ）及び３（ａ）に示すよう
に、比抵抗ρ＝０．０１〜０．０２Ω・ｃｍのｎ型シリ
コン基板１１及び３１の表面を熱酸化し、厚さが０．２
〜０．３μｍの熱酸化シリコン層１５及び３５を形成す
る。次に、熱酸化シリコン層１５及び３５の表面にレジ
ストを用いて例えば円形（又は四角形）のパターンを形
成し、熱酸化シリコン層１５及び３５をエッチングする
ことにより、図１（ｂ）及び３（ｂ）に示すような円形
の熱酸化シリコンマスク１５ａ及び３５ａを形成する。

【００２６】この熱酸化シリコンマスク１５ａ及び３５
ａを用いてシリコン基板１１及び３１の表面をドライエ
ッチング法により等方的にエッチングし、図１（ｃ）及
び３（ｃ）に示すように冷陰極１０及び３０の基本とな
る基板から突出した円錐形状を有する凸部１１ａ及び３
１ａをシリコン基板１１及び３１の表面に形成する。本
実施例では凸部１１ａ及び３１ａは円錐形状であるが、
冷陰極１０及び３０の形状はこれに限るものではない。

【００２７】更に、凸部１１ａ及び３１ａが形成された
シリコン基板１１及び３１の表面を熱酸化し、図１
（ｄ）及び３（ｄ）に示すように、０．２〜０．４μｍ
程度の厚さを有する熱酸化シリコン層１２ａ及び３２ａ
を成長させる。この際、シリコン基板１１及び３１の凸
部１１ａ及び３１ａの表面も同時に熱酸化され冷陰極１
０及び３０の成型が行われる。

【００２８】このような構造を有するシリコン基板１１
及び３１を真空蒸着装置内に配置し、真空蒸着法により
シリコン基板１１及び３１に垂直に、絶縁層１３及び３
３となる二酸化シリコン層を厚さ０．５〜１．０μｍ程
度、ゲート電極層１４及び３４となるモリブデン金属を
厚さ０．３μｍ程度熱酸化シリコン層１２ａ及び３２ａ
上に堆積し、図１（ｅ）及び３（ｅ）に示す構造を得
る。

【００２９】最後に、電子放出源として不要な熱酸化シ
リコンマスク１５ａ及び３５ａと熱酸化シリコン層１２
ａ及び３２ａの一部とをフッ化水素とフッ化アンモニウ
ムとの混合溶液により除去し、図１（ｆ）及び３（ｆ）
に示すようにシリコン基板１１及び３１の冷陰極１０及
び３０に相当する部分を露出させる。これによって、熱
酸化シリコン層１２及び３２と絶縁層１３及び３３であ
る二酸化シリコン層、及びケート電極層１４及び３４の
各層は、冷陰極１０及び３０の周囲を取り囲んで冷陰極
１０及び３０の先端部分が露出するように形成され、ゲ
ート電極層１４及び３４の冷陰極１０及び３０の近傍の
表面は、冷陰極１０及び３０の先端部の高さと同程の高
さを有するように形成される。

【００３０】この製造方法によって、作製される素子の
特性が、従来に比べ製造プロセスに依存せず、素子を歩
留まりかつ均一性良く作製することができる。

【００３１】また、電子放出面積が大きくなるため、高
出力化も容易であり、かつ機械的強度に優れる。

【００３２】図５及び７は、本発明に係る電界放出型電
子源の製造方法の他の実施例を示す要部側面断面図、図
６及び８は、図５及び７に示した電界放出型電子源の製
造方法によって製造された電界放出型電子源の要部側面
断面図である。

【００３３】図６及び８において、冷陰極５０及び７０
の部分は、基板電極となるシリコン基板５１及び７１上
に円錐の先端を切り取った断面が台形状である突起物と
して形成されている。シリコン基板５１及び７１上の冷
陰極５０及び７０の周辺には絶縁層５２及び７２となる
熱酸化シリコン層、冷陰極５０及び７０から電子を放出
させるために正電圧が印加される電界印加電極であるゲ
ート電極５３及び７３が形成されている。

【００３４】この構造を有することにより、冷陰極５０
及び７０とゲート電極５３及び７３との距離を近づける
ことができるので、電子を冷陰極５０及び７０から放出
させるためにゲート電極５３及び７３と冷陰極５０及び
７０との間に印加する電圧を減少できる。

【００３５】次に、図を参照して電界放出型電子源の製
造方法の一実施例について説明する。図５及び７では、
同一の素子において熱酸化シリコンマスク作製の工程で
のそのサイズに差が生じた場合について説明している。
熱酸化シリコンマスク５４ａ及び７４ａのサイズは、図
７の方が図５より小さくなっている。

【００３６】まず、図５（ａ）及び７（ａ）に示すよう
に、比抵抗ρ＝０．０１〜０．０２Ω・ｃｍのｎ型シリ
コン基板５１及び７１の表面を熱酸化し、厚さが０．２
〜０．３μｍの熱酸化シリコン層５４及び７４を形成す
る。次に熱酸化シリコン層５４及び７４の表面にレジス
トを用いて例えば円形（又は四角形）のパターンを形成
し、熱酸化シリコン層５４及び７４をエッチングするこ
とにより、図５（ｂ）及び７（ｂ）に示すような円形の
熱酸化シリコンマスク５４ａ及び７４ａを形成する。

【００３７】この熱酸化シリコンマスク５４ａ及び７４
ａを用いてシリコン基板５１及び７１の表面をドライエ
ッチング法により等方的にエッチングし、図５（ｃ）及
び７（ｃ）に示すように冷陰極５０及び７０の基本とな
る基板から突出した円錐形状を有する凸部５１ａ及び７
１ａをシリコン基板５１及び７１の表面に形成する。本
実施例では凸部５１ａ及び７１ａは円錐形状であるが、
冷陰極５０及び７０の形状はこれに限るものではない。

【００３８】更に、凸部５１ａ及び７１ａが形成された
シリコン基板５１及び７１の表面を熱酸化し、図５
（ｄ）及び７（ｄ）に示すように、０．３〜０．５μｍ
程度の厚さを有する熱酸化シリコン層５２ａ及び７２ａ
を成長させる。

【００３９】このような構造を有するシリコン基板５１
及び７１を真空蒸着装置内に配置し、スパッタリング法
によりゲート電極層５３及び７３となるモリブデン金属
を熱酸化シリコン層５２ａ及び７２ａ上に０．３μｍ程
度堆積させ、図５（ｅ）及び７（ｅ）を得る。

【００４０】次に、モリブデン金属層５３ａ及び７３ａ
において、酸化シリコンマスク５４ａ及び７４ａのシリ
コン基板５１及び７１側に堆積させた厚さが薄い部分
を、超音波洗浄により剥離させる。

【００４１】最後に、電子放出源として不要な熱酸化シ
リコンマスク５４ａ及び７４ａと絶縁層５２及び７２と
して機能する熱酸化シリコン層５２ａ及び７２ａの一部
とをフッ化水素とフッカ化アンモニウムとの混合液によ
り除去し、図５（ｆ）及び７（ｆ）に示すようにシリコ
ン基板５１及び７１の冷陰極５０及び７０に相当する部
分を露出させる。これによって、絶縁層５２及び７２と
なる熱酸化シリコン層５２ａ及び７２ａ、及びゲート電
極層５３及び７３の各層は、冷陰極５０及び７０の周囲
を取り囲んで冷陰極５０及び７０の先端部分が露出する
ように形成され、ゲート電極層５３及び７３の冷陰極５
０及び７０の近傍の表面は、冷陰極５０及び７０の先端
部の高さと同程度の高さを有するように形成される。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、半導
体又は金属からなる基板上に形成された突起状の冷陰極
形状を、従来よく作られている先端の尖ったものではな
く、先端を平坦にし電子放出部をその平坦面周辺のエッ
ジ部分にすることにより、作製される素子の特性が、従
来に比べ製造プロセスに依存しないため、素子を歩留ま
りかつ均一性良く作製することができる。

【００４３】また、電子放出面積が大きくなるため、高
出力化も容易であり、かつ機械的強度に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電界放出型電子源の製造方法の第
１の実施例を示す要部側面断面図である。

【図２】図１に示した電界放出型電子源の製造方法によ
って製造された電界放出型電子源の要部側面断面図であ
る。

【図３】本発明に係る電界放出型電子源の製造方法の第
１の実施例を示す要部側面断面図である。

【図４】図３に示した電界放出型電子源の製造方法によ
って製造された電界放出型電子源の要部側面断面図であ
る。

【図５】本発明に係る電界放出型電子源の製造方法の第
２の実施例を示す要部側面断面図である。

【図６】図５に示した電界放出型電子源の製造方法によ
って製造された電界放出型電子源の要部側面断面図であ
る。

【図７】本発明に係る電界放出型電子源の製造方法の第
２の実施例を示す要部側面断面図である。

【図８】図７に示した電界放出型電子源の製造方法によ
って製造された電界放出型電子源の要部側面断面図であ
る。

【図９】従来の電界放出型電子源の要部側面断面図であ
る。

【図１０】従来の電界放出型電子源の製造方法の一実施
例を示す要部側面断面図である。

【図１１】従来の電界放出型電子源の製造方法の一実施
例を示す要部側面断面図である。

【符号の説明】

１０，３０，５０，７０、９０、１１０ 冷陰極 １１，３１，５１，７１、９１、１１１ シリコン基板 １３，３３，５２，７２、９３、１１３ 絶縁層 １４，３４，５３，７３、９４、１１４ ゲート電極層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属又は半導体材料で形成された基板電
   極と、前記基板電極上に設けられており電子を放出する
   凸部の先端が平坦である電界放出型冷陰極と、前記基板
   電極上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ
   たゲート電極とを備えた電界放出型電子源。
2. 【請求項２】 金属又は半導体材料で形成された基板電
   極上に冷陰極パターンを形成する工程と、その冷陰極パ
   ターンをマスクとして基板電極をサイドエッチングする
   工程と、前記サイドエッチングされた基板電極の表面を
   酸化する工程と、前記基板電極上に絶縁層とゲート電極
   層を形成する工程と、前記冷陰極パターンを除去する工
   程とからなる請求項１に記載の電界放出型電子源の製造
   方法。
3. 【請求項３】 金属又は半導体材料で形成された基板電
   極と、前記基板電極上に設けられており電子を放出する
   凸部の先端が平坦である電界放出型冷陰極と、前記基板
   電極及び前記冷陰極の凸部の側面上に形成された絶縁層
   と、前記絶縁層上に形成されたゲート電極とを備えた電
   界放出型電子源。
4. 【請求項４】 金属又は半導体材料で形成された基板電
   極上に冷陰極パターンを形成する工程と、その冷陰極パ
   ターンをマスクとして基板電極をサイドエッチングする
   工程と、前記サイドエッチングされた基板電極の表面を
   酸化して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面に
   ゲート電極層を形成する工程と、前記冷陰極パターンを
   除去する工程とからなる請求項３に記載の電界放出型電
   子源の製造方法。