JPH0620592A - 電界放出陰極装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界放出陰極装置の製造方法に関し、比較的
に簡単な工程で、エミッタティップに個別に負帰還用の
抵抗部と低抵抗の電子放出部を設けた電界放出陰極装置
及びその製造方法を提供することを目的とする。 【構成】 カソード電極膜１６を形成すべき第１の材料
層４０、エミッタティップ１８の負帰還用抵抗部１８ｂ
を形成すべき第２の材料層４２、及びエミッタティップ
１８の電子放出部１８ａを形成すべき第３の材料層４４
を形成し、該第３の材料層４４のエミッタティップ１８
を形成する位置にマスク４６を設け、該材料層を該マス
ク４６の下部にアンダーカットが生じるまでエッチング
し、その後で絶縁膜２０及びゲート電極膜２２を形成す
る構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界放出陰極装置の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、電界放出陰極装置の説明図で
ある。同図において、１０’は電界放出陰極装置、１
４’は基板、１６’はカソード電極膜、１８’はエミッ
タティップ、２０’は絶縁膜、２２’はゲート電極膜で
ある。

【０００３】電界放出陰極装置１０’はカソード電極膜
１６’に接続された円錐状のエミッタティップ１８’を
有し、エミッタティップ１８’は電子引き出し用のゲー
ト電極膜２２’に設けた穴２４’内に配置され、エミッ
タティップ１８’先端の電子放出部がゲート電極膜２
２’の穴壁と対向し、エミッタティップ１８’とゲート
電極膜２２’との間に電圧を印加すると、エミッタティ
ップの先端の電子放出部に大きな電界がかかり、電界放
出が起きる。このようにして電界放出陰極装置は電子源
として利用される。

【０００４】電界放出陰極装置は、蒸着やエッチング等
の半導体の微細加工技術を用いて製造され、ミクロンオ
ーダーの微小な電界放出陰極をもつ。従って、電界放出
陰極装置は高密度の集積化が可能であって、電子源とし
ての性能を考えた場合、熱陰極と比べて高効率、高輝
度、などの利点を有している。また、放出された電子は
真空中を通過するので、固体素子よりも高速で移動でき
る。これらの特徴を生かして、高速演算素子や、薄型の
高輝度ディスプレイなどへの応用が期待されている。

【０００５】なお、従来の電界放出陰極装置の製造方法
については、本願出願人らが先に提案した特願平３−７
９４６４号に示されている。微小電界放出陰極装置で
は、印加電圧に対してエミッタティップの先端にかかる
電界強度が、エミッタティップの高さや、エミッタティ
ップの先端の電子放出部の曲率半径や、ゲート電極膜の
穴の直径等に敏感に変動する。このため、製造プロセス
においてわずかな誤差があると、微小電界放出陰極の電
子放出特性がバラツクようになる。このようなバラツキ
を低下するために、例えば特開平１─１５４４２６号公
報に記載されているように、エミッタティップとアース
との間に負帰還用の抵抗を設けることが提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方、微小電界放出陰
極装置の許容最大電流は、エミッタティップ先端に生じ
るジュール熱によって制限され、許容最大電流を超える
とエミッタティップの熱的破壊が生じる。この許容最大
電流を上げるためには、エミッタティップの構成材料の
抵抗率は小さいほうがよいが、微小電界放出陰極装置を
多数集積したアレイの放出電流の安定化向上を考える
と、上述のようにエミッタティップの電子放出特性のバ
ラツキが生じるため、上述のような負帰還用の抵抗を個
々のエミッタティップに設けて特性の差を抑える必要が
ある。

【０００７】しかし、このような電子放出のための低抵
抗部分と負帰還用抵抗となる高抵抗部分を具備したエミ
ッタティップを有する電界放出陰極装置の製造は比較的
に複雑な工程を必要とするものであった。そこで本発明
は、比較的に簡単な工程で、エミッタティップに個別に
負帰還用の抵抗部と低抵抗の電子放出部を設け、熱的破
壊を防止し、放出電流の安定性に優れた電界放出陰極装
置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による電界放出陰
極装置の製造方法は、基板１４上に、カソード電極膜１
６、絶縁膜２０及びゲート電極膜２２が積層され、積層
された絶縁膜２０及びゲート電極膜２２に設けられた穴
２４内で、エミッタティップ１８がカソード電極膜１６
から立ち上がり、エミッタティップ１８は先端側の電子
放出部１８ａと根元側の負帰還用抵抗部１８ｂを含む電
界放出陰極装置の製造方法であって、カソード電極膜１
６を形成すべき第１の材料層４０、エミッタティップ１
８の負帰還用抵抗部１８ｂを形成すべき第２の材料層４
２、及びエミッタティップ１８の電子放出部１８ａを形
成すべき第３の材料層４４を形成し、第３の材料層４４
のエミッタティップ１８を形成する位置にマスク４６を
設け、材料層をマスク４６の下部にアンダーカットが生
じるまでエッチングし、その後で絶縁膜２０及びゲート
電極膜２２を形成することを特徴とするものである。

【０００９】さらに、基板１４、第１の材料層４０、第
２の材料層４２及び第３の材料層４４が半導体材料であ
って、半導体基板に不純物を添加して抵抗率の異なる材
料層を形成することを特徴とするものである。さらに、
半導体基板をエッチングしてエミッタティップ１８を形
成したのち不純物を添加し、エミッタティップ１８の電
子放出部１８ａ及び負帰還用抵抗部１８ｂを形成するこ
とを特徴とするものである。

【００１０】さらに、半導体基板の表面結晶方位が（１
１０）、（１００）、（１１１）であることを特徴とす
るものである。また、エッチングをマスク４６が取れな
いうちに終了させ、それからエミッタティップ１８が形
成される材料層の表面を酸化させ、それからエミッタテ
ィップ１８が形成される材料層の酸化部分及びマスクを
エッチング除去することを特徴とするものである。

【００１１】あるいは、エッチングをマスク４６が取れ
るまで実施することを特徴とするものである。さらに、
本発明による電界放出陰極装置は、基板１４上に、カソ
ード電極膜１６、絶縁膜２０及びゲート電極膜２２が積
層され、積層された絶縁膜２０及びゲート電極膜２２に
設けられた穴２４内で、エミッタティップ１８がカソー
ド電極膜１６から立ち上がり、エミッタティップ１８は
先端側の電子放出部１８ａと根元側の負帰還用抵抗部１
８ｂを有する電界放出陰極装置において、ゲート電極膜
２２がエミッタティップ１８を包囲する高抵抗部分と、
高抵抗部分を電源に接続する低抵抗部分とを有すること
を特徴とするものである。

【００１２】

【作用】上記した構成においては、例えば蒸着により、
カソード電極膜を形成すべき第１の材料層、エミッタテ
ィップの負帰還用抵抗部を形成すべき第２の材料層、及
びエミッタティップの電子放出部を形成すべき第３の材
料層を設けて、深さにより抵抗率の異なる基板を形成す
る。そこで第３の材料層のエミッタティップを形成する
位置にマスクを設け、マスクの下部にアンダーカットが
生じるまでエッチングする。これによって、マスクの下
部の第２及び第３の材料層は、エッチングをマスクが取
れないうちに終了させた場合には切頭円錐状になり、エ
ッチングをマスクが取れるまで実施した場合に円錐状に
なる。このようにして先端側の電子放出部と根元側の負
帰還用抵抗部を含むエミッタティップが形成される。本
発明では、このエミッタティップの形成後に絶縁膜及び
ゲート電極膜を形成する。

【００１３】または、半導体基板に不純物を添加して深
さにより抵抗率の異なる基板を形成し、この基板のエミ
ッタティップを形成する位置にマスクを設け、マスクの
下部の第２及び第３の材料層は、エッチングをマスクが
取れないうちに終了させた場合には切頭円錐状になり、
エッチングをマスクが取れるまで実施した場合に円錐状
になる。このようにして先端側の電子放出部と根元側の
負帰還用抵抗部を含むエミッタティップが形成される。
本発明では、このエミッタティップの形成後に絶縁膜及
びゲート電極膜を形成する。

【００１４】または、半導体基板をエッチングしてエミ
ッタティップを形成したのち、エミッタティップに不純
物を添加し、エミッタティップ先端部の電子放出部と根
元側の負帰還用抵抗部を形成する。このように、あらか
じめ深さによる抵抗率の異なる基板を形成した後エッチ
ングすることにより、あるいは、形成後のエミッタティ
ップに不純物を添加するという簡単な工程により、個々
のエミッタティップに電子放出時のジュール熱を抑える
低抵抗の電子放出部と、放出電流を安定させる負帰還用
の高抵抗の抵抗部とを設けた電界放出陰極装置を製造す
ることができる。

【００１５】さらに、上述のような先端側の電子放出部
と根元側の負帰還用抵抗部からなるエミッタティップを
有する電界放出陰極装置において、ゲート電極膜をエミ
ッタティップを包囲する高抵抗部分と、高抵抗部分を電
源に接続する低抵抗部分からなる構成とすることによ
り、エミッタティップとゲート電極膜の短絡が生じた場
合でも、電子放出が停止するのは短絡が生じた高抵抗部
分に包囲された陰極群のみであって、装置全体の動作を
停止させることのない冗長性の高い電界放出陰極装置を
得ることができる。

【００１６】

【実施例】図８は、本発明により得られた電界放出陰極
装置と陽極とを示す図である。同図において、１０は電
界放出陰極装置、１２は陽極、１４は基板、１６はカソ
ード電極、１８はエミッタティップ、１８ａは電子放出
部、１８ｂは負帰還用抵抗部、２０は絶縁膜、２２はゲ
ート電極膜、２４は穴、２６は電源である。以下、実施
例を示す図において同一機能を有するものには同一符号
を付し、その説明は省略する。

【００１７】図８において、電界放出陰極装置１０と陽
極１２は真空中に封入され、電界放出陰極装置１０で生
じた電子が陽極１２に向かって飛び出すようになってい
る。また、電界放出陰極装置１０はガラス基板又はシリ
コン基板等の基板１４上に設けられたカソード電極膜１
６と、カソード電極膜１６に電気的に接続された円錐状
のエミッタティップ１８を有する。エミッタティップ１
８は、カソード電極膜１６から立ち上がり、先端側の電
子放出部１８ａと根元側の負帰還用抵抗部１８ｂを有し
ている。

【００１８】絶縁膜２０及びゲート電極膜２２はカソー
ド電極膜１６の上に積層される。エミッタティップ１８
は絶縁膜２０及びゲート電極膜２２に設けた穴２４内に
位置し、エミッタティップ１８の先端の電子放出部１８
ａがゲート電極膜２２の穴２４の壁と対向している。カ
ソード電極膜１６は電源２６のマイナス側に接続され、
ゲート電極膜２２は電源２６のプラス側に接続される。
よって、エミッタティップ１８とゲート電極膜２２との
間に電圧を印加すると、エミッタティップ１８の先端の
電子放出部１８ａに大きな電界がかかり、電界放出が起
きる。このようにして電界放出陰極装置１０は電子源と
して利用され、電子は陽極１２に向かって飛び出す。

【００１９】図９は、本発明により得られる電界放出陰
極装置の特性を示す図であり、負帰還用抵抗部１８ｂの
作用を説明するためのものである。同図において、縦軸
は放出電流（μＡ）、横軸はゲート電極に印加される引
き出し電圧（Ｖ）をそれぞれ示している。図中、曲線
Ｐ、曲線Ｑは負帰還用抵抗部１８ｂがない場合の性能に
バラツキのあるエミッタティップ１８の特性を示してお
り、曲線Ｐは印加電圧１２０ボルトのときに放出電流が
１８μＡ（Ａ点）となるのに対し、曲線Ｑは同じ条件で
放出電流が２μＡ（Ｂ点）となる場合を示している。エ
ミッタティップ１８に負帰還用抵抗部１８ｂ（例えば１
０ＭΩ）を設けると、上記特性はそれぞれ曲線Ｐ又は曲
線Ｑと破線Ｌとの交点Ｃ（２μＡ）、Ｄ（１μＡ）とな
る。従って、Ａ対Ｂの比が９であったのに対して、Ｃ対
Ｄの比は２となるので、特性のバラツキを小さくできる
ことになる。

【００２０】図１０は、本発明になる電界放出陰極装置
の一実施例である表示装置を示す図であり、（ａ）は平
面図、（ｂ）は（ａ）図における線Ａ−Ａ部分での断面
図である。同図において、２８はゲート電極膜２２の高
抵抗部分、３０はゲート電極膜２２の低抵抗部分であ
る。

【００２１】本実施例の表示装置においては、図に示す
ようにゲート電極膜２２がエミッタティップ１８を包囲
する高抵抗部分２８と、この高抵抗部分２８と電気的に
接続され、この高抵抗部分２８を電源２６に接続する低
抵抗部分３０とを有する構造となっている。そして、９
個のエミッタティップ１８が１ブロックとして１つのゲ
ート電極膜２２の高抵抗部分２８内に設けられ、表示装
置の一つの画素を形成するようになっている。このゲー
ト電極膜２２の高抵抗部分２８は低抵抗部分３０と電気
的に接続されていて、低抵抗部分３０はさらなる電極膜
又は導線により例えばカソード電極膜１６とともに、マ
トリクス状に図示しない電源に接続される。

【００２２】電界放出陰極装置を用いた表示装置などに
おいては、欠陥によってゲート電極とエミッタティップ
が短絡してしまうと、その画素全体の電子放出が止まっ
てしまう致命的な欠陥となる。従って、このような構成
をとることにより、エミッタティップ１８とゲート電極
膜２２との間で短絡が生じたとしても、電圧降下は高抵
抗部分２８で起きて周囲の低抵抗部分３０は元の電圧を
維持するので、同じゲート電極膜２２に接続された他の
ブロックは正常に作動することができる。

【００２３】次に、このような電界放出陰極装置１０の
製造方法を、図を参照しながら説明する。図１は、電界
放出陰極装置１０の製造方法の第１実施例を示す工程断
面図である。同図において、４０はカソード電極膜を形
成する材料層、４２および４４はエミッタティップを形
成する材料層、４６はマスク、４８は酸化部分、５０は
絶縁膜を形成する材料層、５２はゲート電極膜を形成す
る材料層である。

【００２４】まず（Ａ）に示されるように、基板１４上
に、カソード電極膜１６を形成すべき第１の材料層（例
えばタンタルやモリブデン）４０、エミッタティップ１
８の負帰還用抵抗部１８ｂを形成すべき第２の材料層
（例えばポリシリコン）４２、及びエミッタティップ１
８の電子放出部１８ａを形成すべき第３の材料層（例え
ばタンタルやモリブデン）４４を順番に形成する。この
工程は蒸着やエピタキシャルなどを利用する。

【００２５】次に（Ｂ）に示されるように、第３の材料
層４４のエミッタティップ１８を形成する位置に円形マ
スク４６を設ける。このマスク４６の大きさはミクロン
オーダーであり、図８及び図１０の穴２４に相当する。
次に（Ｃ）に示されるように、これらの材料層４４、４
２、４０を該マスク４６の下部にアンダーカットが生じ
るまでドライエッチング又は異方性エッチングによりエ
ッチングする。図１の実施例では、エッチングをマスク
４６が取れないうちに終了させる。従って、これらの材
料層４４、４２、４０は切頭円錐状になる。

【００２６】次に（Ｄ）に示されるように、切頭円錐状
となった材料層４４の部分を熱酸化、又は陽極酸化等に
より酸化すると、切頭円錐状となった材料層４４の部分
の外周部が酸化部分４８となり、中心部の未酸化部分が
鋭いティップ状になる。その後で（Ｅ）に示されるよう
に、絶縁膜２０及びゲート電極膜２２を形成する。この
場合、絶縁膜２０となる材料層５０及びゲート電極膜２
２となる材料層５２を蒸着より形成する。マスク４６が
まだ付着したままであるので、材料層５０、５２はマス
ク４６のない部位ではカソード膜１６となる第１の残量
層４０の上に堆積するが、マスク４６のある部位ではマ
スク４６の上に堆積し、絶縁膜２０及びゲート電極膜２
２の穴２４が自動的に形成されることになる。

【００２７】最後に、（Ｆ）に示されるように、切頭円
錐状となった材料層４４の部分の酸化部分４８を選択的
にエッチングする。すると、マスク４６及びその上の材
料層も除去される。このようにして電界放出陰極装置１
０が製造される。本実施例においては、基板１４上に材
料層４０、４２、４４を設けることにより深さによって
抵抗率の異なる基板を形成し、その後エッチングと材料
層４４の酸化により、電子放出部１８ａ及び抵抗部１８
ｂを有するエミッタティップ１８を形成している。

【００２８】このようにしてエミッタティップ１８に
は、低抵抗の材料層４４からなり電子放出時のジュール
熱が低く最大許容電流が大きい電子放出部１８ａと、高
抵抗の材料層４２からなり負帰還をかけられる抵抗部１
８ｂとが設けられる。図２は、電界放出陰極装置１０の
製造方法の第２実施例を示す工程断面図であり、第１実
施例の変形例である。

【００２９】同図において、５６は絶縁膜を形成する材
料層、５８はゲート電極膜を形成する材料層である。
（Ａ）から（Ｂ）は図１の工程と同じであり、基板１４
上に、カソード電極膜１６を形成すべき第１の材料層４
０、エミッタティップ１８の負帰還用抵抗部１８ｂを形
成すべき第２の材料層４２、及びエミッタティップ１８
の電子放出部１８ａを形成すべき第３の材料層４４を順
番に形成する。第３の材料層４４の上に円形マスク４６
を設ける。

【００３０】次に（Ｃ）に示されるように、これらの材
料層４４、４２、４０を該マスク４６の下部にアンダー
カットが生じるまでエッチングする。図２の実施例で
は、エッチングをマスク４６が取れるまで実施する。す
ると、第３の材料層４４はこの時点でエミッタティップ
１８の電子放出部１８ａとなるほどに充分に鋭くなって
いる。同時に、負帰還用抵抗部１８ｂも形成されてい
る。

【００３１】その後で（Ｄ）に示されるように、絶縁膜
２０及びゲート電極膜２２を形成する。この場合、絶縁
膜２０となる材料層５６及びゲート電極膜２２となる材
料層５８を蒸着などにより形成する。これらの材料層５
６、５８はエミッタティップ１８となる部位では上方に
盛り上がっている。それから、（Ｅ）に示されるよう
に、材料層５６、５８の盛り上がった部位をエッチバッ
クプロセスで平坦化してゲート電極膜２２となる材料層
５８に開口部を形成し、さらに絶縁膜２０となる材料層
５６をエッチングすることにより穴２４を開口させる。
このようにして電界放出陰極装置１０が製造される。

【００３２】本実施例は、第１実施例とエッチングの方
法が異なっており、エッチングのみで電子放出部１８ａ
及び抵抗部１８ｂを有するエミッタティップ１８を形成
している点以外は第１実施例と同様で、形成される電界
放出陰極装置も第１実施例と同様の効果を有するもので
ある。図３は、電界放出陰極装置１０の製造方法の第３
実施例を示す工程断面図である。

【００３３】まず（Ａ）に示されるように、本実施例に
おいては基板としてシリコン基板６０を用い、シリコン
基板６０上に、エミッタティップ１８の電子放出部１８
ａを形成すべき材料層（例えば不純物濃度の高いポリシ
リコン）４４を、エピタキシャル成長などにより形成す
る。次に（Ｂ）に示されるように、材料層４４のエミッ
タティップ１８を形成する位置に円形マスク４６を設け
る。このマスク４６は、図８及び図１０の穴２４に相当
する。

【００３４】次に（Ｃ）に示されるように、材料層４４
及びシリコン基板６０をマスク４６の下部にアンダーカ
ットが生じるまでドライエッチング又は異方性エッチン
グによりエッチングする。図３の本実施例では、エッチ
ングをマスク４６が取れないうちに終了させる。従っ
て、材料層４４及びシリコン基板６０上部は切頭円錐状
になる。

【００３５】次に（Ｄ）に示されるように、絶縁膜２０
及びゲート電極膜２２を形成する。この場合、絶縁膜２
０となる材料層５０及びゲート電極膜２２となる材料層
５２を蒸着などにより形成する。マスク４６がまだ付着
したままであるので、材料層５０、５２はマスク４６の
ない部位ではシリコン基板６０上に堆積するが、マスク
４６のある部位ではマスク４６の上に堆積し、絶縁膜２
０及びゲート電極膜２２の穴２４が自動的に形成される
ことになる。

【００３６】次に（Ｅ）に示されるように、切頭円錐状
となった材料層４４及びシリコン基板６０の表面部分を
熱酸化などにより酸化すると、切頭円錐状となった材料
層４４及びシリコン基板６０の部分の外周部が酸化部分
４８となり、中心部の未酸化部分が鋭いティップ状にな
る。最後に、（Ｆ）に示されるように、切頭円錐状とな
った材料層４４及びシリコン層６０の部分の酸化部分４
８を選択的にエッチングする。すると、マスク４６及び
その上の材料層も除去される。このようにして電界放出
陰極装置１０が製造される。

【００３７】電界放出陰極装置１０において、基板とし
てガラス基板などのように絶縁性の基板を用いる場合に
は、第１及び第２実施例のように基板上にカソード電極
膜を形成する必要があるが、本実施例のように、基板に
シリコン基板など導電性の基板を用いる場合において
は、前記実施例と同様に金属膜などによってカソード電
極膜を設けてもよいが、基板自体がカソード電極膜の機
能を有するためカソード電極膜をとくに設けなくてもよ
い。

【００３８】本実施例においては、シリコン基板６０上
に形成された材料層４４が不純物濃度の高いポリシリコ
ンで形成されているため、先端側の材料層４４は低抵抗
となって電子放出時のジュール熱が低下し、最大許容電
流が大きいエミッタティップ１８の電子放出部１８ａと
なり、エミッタティップ１８の根元側は負帰還が十分に
かけられる程度に高抵抗となるため抵抗部１８ｂとなっ
て、電界放出陰極装置１０が製造される。

【００３９】また、本実施例においては、シリコン基板
６０上に形成されるのはエミッタティップ１８の電子放
出部１８ａとなる材料層４４のみであるが、抵抗部１８
ｂとなる材料層４２、さらには、カソード電極膜１６と
なる材料層４０を第１実施例のように形成したのちに、
エッチングによりエミッタティップ１８を形成しても良
い。

【００４０】また、本実施例において、熱酸化などによ
ってエミッタティップ１８を形成する工程は、図３
（Ｅ）に示すように、絶縁膜２０となる材料層５０及び
ゲート電極膜２２となる材料層５２の形成後に行う方法
だけではなく、材料層５０及び５２の形成以前、すなわ
ち図３（Ｃ）の状態で全面を酸化した後に材料層５０及
び５２を形成し、その後に酸化部分を選択的にエッチン
グすることによっても同様な電界放出陰極装置を製造す
ることができる。

【００４１】さらに、本実施例においても、第２実施例
と同様にエッチングの工程としてマスクが取れるまで実
施する方法とすることは可能である。図４は、電界放出
陰極装置１０の製造方法の第４実施例を示す工程断面図
である。同図において、６２はイオン注入を示してい
る。まず（Ａ）に示されるように、シリコン基板６０表
面にイオン注入６２により不純物をドープし、エミッタ
ティップ１８の電子放出部１８ａを形成すべき材料層４
４を形成する。ここで、ｎ型基板にはドナーとなる不純
物、ｐ型基板にはアクセプタとなる不純物をドープす
る。

【００４２】次に（Ｂ）に示されるように、材料層４４
のエミッタティップ１８を形成する位置に円形マスク４
６を設ける。このマスク４６は、図８及び図１０の穴２
４に相当する。次に（Ｃ）に示されるように、材料層４
４及びシリコン基板６０をマスク４６の下部にアンダー
カットが生じるまでドライエッチング又は異方性エッチ
ングによりエッチングする。図４の本実施例では、エッ
チングをマスク４６が取れないうちに終了させる。従っ
て、材料層４４及びシリコン基板６０上部は切頭円錐状
になる。

【００４３】次に（Ｄ）に示されるように、絶縁膜２０
及びゲート電極膜２２を形成する。この場合、絶縁膜２
０となる材料層５０及びゲート電極膜２２となる材料層
５２を蒸着などにより形成する。マスク４６がまだ付着
したままであるので、材料層５０、５２はマスク４６の
ない部位ではシリコン基板６０上に堆積するが、マスク
４６のある部位ではマスク４６の上に堆積し、絶縁膜２
０及びゲート電極膜２２の穴２４が自動的に形成される
ことになる。

【００４４】次に（Ｅ）に示されるように、切頭円錐状
となった材料層４４及びシリコン基板６０の表面部分を
熱酸化などにより酸化すると、切頭円錐状となった材料
層４４及びシリコン基板６０の部分の外周部が酸化部分
４８となり、中心部の未酸化部分が鋭いティップ状にな
る。最後に、（Ｆ）に示されるように、切頭円錐状とな
った材料層４４及びシリコン層６０の部分の酸化部分４
８を選択的にエッチングする。すると、マスク４６及び
その上の材料層も除去される。このようにして電界放出
陰極装置１０が製造される。

【００４５】本実施例においては、シリコン基板６０表
面に形成された材料層４４がイオン注入６２により不純
物が添加されたシリコン層であるため、材料層４４は低
抵抗となって電子放出時のジュール熱が低下し、最大許
容電流が大きいエミッタティップ１８の電子放出部１８
ａとなり、エミッタティップ１８の根元側は負帰還が十
分にかけられる程度に高抵抗となるため負帰還用抵抗部
１８ｂとなって、電界放出陰極装置１０が製造される。

【００４６】また、本実施例において、熱酸化などによ
ってエミッタティップ１８を形成する工程は、図４
（Ｅ）に示すように、絶縁膜２０となる材料層５０及び
ゲート電極膜２２となる材料層５２の形成後に行う方法
だけではなく、材料層５０及び５２の形成以前、すなわ
ち図４（Ｃ）の状態で全面を酸化した後に材料層５０及
び５２を形成し、その後に酸化部分を選択的にエッチン
グすることによっても同様な電界放出陰極装置を製造す
ることができる。

【００４７】また、本実施例においては、直接シリコン
基板６０に不純物を添加して抵抗率の異なる材料層を形
成しているが、この不純物の添加はシリコン基板などに
限られたものではなく、金属膜などによるカソード電極
膜の上にシリコン層を設け、その後に不純物をシリコン
層に添加して高抵抗の材料層と低抵抗の材料層を形成す
るような方法にも応用できる。

【００４８】さらに、本実施例においても、第２実施例
と同様にエッチングの工程としてマスクが取れるまで実
施する方法とすることは可能である。図５は、電界放出
陰極装置１０の製造方法の第５実施例を説明する図であ
り、第４実施例の変形例である。図中、６４はマスクを
示している。本実施例は、第４の実施例とイオン注入の
部分が異なっており、図５は図４に示す第４実施例の工
程（Ａ）に相当する部分であり、第４実施例では工程
（Ａ）において半導体基板６０の全面にイオン注入６２
を行っているのに対して、本実施例においては、パター
ニングされたマスク６４を用いてエミッタティップ１８
を形成する部分にのみイオン注入６２を行うものであ
る。また、イオン注入６２を行った後はマスク６４を除
去し、その後の工程は第５実施例と同様である。

【００４９】本実施例においても、第４実施例と同様な
電界放出陰極装置１０を得ることができ、さらに、図４
（Ａ）に示されるイオン注入６２の工程以外であれば、
材料、その他の工程などについての変形は第４実施例に
示すのと同様に行うことができるものである。図６は、
電界放出陰極装置１０の製造方法の第６実施例を示す工
程断面図である。

【００５０】同図において、６６はイオン注入、６８は
不活性不純物注入領域である。まず（Ａ）に示されるよ
うに、シリコン基板６０表面のエミッタティップ１８を
形成する位置に円形マスクを設ける。このマスク４６
は、図８及び図１０の穴２４に相当する。次に（Ｂ）に
示されるように、シリコン基板６０をマスク４６の下部
にアンダーカットが生じるまでドライエッチング又は異
方性エッチングによりエッチングする。図６の本実施例
では、エッチングをマスク４６が取れないうちに終了さ
せる。従って、シリコン層６０上部は切頭円錐状にな
る。

【００５１】次に（Ｃ）に示されるように、絶縁膜２０
及びゲート電極膜２２を形成する。この場合、絶縁膜２
０となる材料層５０及びゲート電極膜２２となる材料層
５２を蒸着などにより形成する。マスク４６がまだ付着
したままであるので、材料層５０、５２はマスク４６の
ない部位ではシリコン基板６０上に堆積するが、マスク
４６のある部位ではマスク４６の上に堆積し、絶縁膜２
０及びゲート電極膜２２の穴２４が自動的に形成される
ことになる。

【００５２】次に（Ｄ）に示されるように、切頭円錐状
となった材料層４４及びシリコン基板６０の表面部分を
熱酸化などにより酸化すると、切頭円錐状となった材料
層４４及びシリコン基板６０の部分の外周部が酸化部分
４８となり、中心部の未酸化部分が鋭いティップ状にな
る。次に（Ｅ）に示されるように、切頭円錐状となった
材料層４４及びシリコン層６０の部分の酸化部分４８を
選択的にエッチングする。すると、マスク４６及びその
上の材料層も除去されエミッタティップ１８が露出す
る。

【００５３】最後に、（Ｆ）に示されるように、穴２４
上方よりエミッタティップ１８に、化学的に不活性なイ
オン（例えばアルゴン）をエミッタティップ１８表面が
スパッタされないような条件でイオン注入６６により添
加し、エミッタティップ１８下部に負帰還用抵抗部１８
ｂとなる不活性不純物注入領域６８を形成する。このよ
うにして電界放出陰極装置１０が製造される。

【００５４】本実施例においては、シリコン基板６０に
形成されたエミッタティップ１８の下部に設けられた不
活性不純物注入領域６８は、化学的に不活性な不純物が
添加された領域であるため、エミッタティップ１８の根
元側は負帰還が十分にかけられる程度に高抵抗となって
負帰還用抵抗部１８ｂとなり、エミッタティップ１８の
先端側は低抵抗の電子放出部１８ａとなって、電子放出
時のジュール熱が低下し、最大許容電流の大きい電界放
出陰極装置１０が製造される。

【００５５】また、本実施例において、エミッタティッ
プ１８を形成するまでの工程はとくに限定されるもので
はない。図７は、電界放出陰極装置１０の製造方法の第
７実施例を説明する図であり、第６実施例の変形例であ
る。同図において、１８ｃはエミッタティップ表面、７
０はシリコン基板６０表面の（１１０）面を示してお
り、（ａ）図は（１１０）面７０表面の拡大図、（ｂ）
図はエミッタティップ１８内部に不活性不純物注入領域
が形成された図であり、図６の工程（Ｆ）に相当する図
である。

【００５６】本実施例は、使用する基板に特徴があり表
面結晶方位が（１１０）であるシリコン基板６０を用い
ている。図７（ａ）に示すように、表面結晶方位が（１
１０）であるシリコン基板６０の表面を上側から見ると
チャネル（格子間空間）が見える。したがって、同図
（ｂ）に示すように、（１１０）面７０の上面よりイオ
ン注入６６を行うようにすると、イオンのチャネリング
効果によりエミッタティップ表面１８ｃの損傷を抑えな
がら、エミッタティップ１８の下部に効率よくイオンを
注入できるため不活性不純物注入領域６８を形成するこ
とが容易となり、第６の実施例と同様な電界放出陰極装
置１０を得ることができる。

【００５７】さらに、第６実施例の変形例として、シリ
コン基板６０を表面結晶方位が（１００）、（１１１）
である基板を用いても、第７実施例と同様な効果を得る
ことができる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による電界
放出陰極装置の製造方法によれば、比較的に簡単な工程
で、エミッタティップに個別に負帰還用の抵抗部と低抵
抗の電子放出部を有する、電子放出特性のバラツキの抑
制および熱的破壊の防止が可能な電界放出陰極装置の製
造方法を得ることができ、さらに、本発明による電界放
出陰極装置によれば、エミッタティップとゲート電極膜
の短絡に対しても装置全体の動作を停止させることのな
い、冗長性の高い電界放出陰極装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す工程断面図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す工程断面図である。

【図３】本発明の第３実施例を示す工程断面図である。

【図４】本発明の第４実施例を示す工程断面図である。

【図５】本発明の第５実施例の説明図である。

【図６】本発明の第６実施例を示す工程断面図である。

【図７】本発明の第７実施例の説明図である。

【図８】本発明により得られた電界放出陰極装置と陽極
を示す図である。

【図９】電界放出陰極装置の特性を示す図である。

【図１０】本発明になる電界放出陰極装置の一実施例を
示す図である。

【図１１】電界放出陰極装置の説明図である。

【符号の説明】

１０、１０’…電界放出陰極装置 １２、…陽極 １４、１４’…基板 １６、１６’…カソード電極膜 １８、１８’…エミッタティップ １８ａ…電子放出部 １８ｂ…抵抗部 ２０、２０’…絶縁膜 ２２、２２’…ゲート電極膜 ２４、２４’…穴 ２６…電源 ２８…高抵抗部分 ３０…低抵抗部分 ４０、４２、４４…材料層 ４６、６４…マスク ４８…酸化部分 ５０、５２、５６、５８…材料層 ６０…シリコン基板 ６２、６６…イオン注入 ６８…不活性不純物注入領域 ７０…（１１０）面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 忠司 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１４）上にカソード電極膜（１
   ６）、絶縁膜（２０）及びゲート電極膜（２２）が積層
   され、該積層された絶縁膜（２０）及びゲート電極膜
   （２２）に設けられた穴（２４）内で、エミッタティッ
   プ（１８）が該カソード電極膜（１６）から立ち上が
   り、該エミッタティップ（１８）は先端側の電子放出部
   （１８ａ）と根元側の負帰還用抵抗部（１８ｂ）を含む
   電界放出陰極装置の製造方法であって、カソード電極膜
   （１６）を形成すべき第１の材料層（４０）、エミッタ
   ティップ（１８）の負帰還用抵抗部（１８ｂ）を形成す
   べき第２の材料層（４２）、及びエミッタティップ（１
   ８）の電子放出部（１８ａ）を形成すべき第３の材料層
   （４４）を形成し、該第３の材料層のエミッタティップ
   を形成する位置にマスク（４６）を設け、該材料層を該
   マスクの下部にアンダーカットが生じるまでエッチング
   し、その後に絶縁膜及びゲート電極膜を形成することを
   特徴とする電界放出陰極装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記基板（１４）、前記第１の材料層
   （４０）、前記第２の材料層（４２）及び前記第３の材
   料層（４４）が半導体材料からなり、半導体基板に不純
   物を添加して抵抗率の異なる該材料層を形成することを
   特徴とする請求項１記載の電界放出陰極装置の製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記基板（１４）、前記第１の材料層
   （４０）、前記第２の材料層（４２）及び前記第３の材
   料層（４４）が半導体材料からなり、半導体基板をエッ
   チングしてエミッタティップ（１８）を形成したのち、
   エミッタティップ（１８）に不純物を添加し、エミッタ
   ティップ（１８）の電子放出部（１８ａ）及び負帰還用
   抵抗部（１８ｂ）を形成することを特徴とする請求項１
   記載の電界放出陰極装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記半導体基板の表面結晶方位が（１１
   ０）、（１００）、（１１１）であることを特徴とする
   請求項３記載の電界放出陰極装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記エッチングを前記マスク（４６）が
   取れないうちに終了させ、それから前記エミッタティッ
   プ（１８）が形成される材料層の表面を酸化させ、その
   後に該エミッタティップ（１８）が形成される材料層の
   酸化部分及び該マスク（４６）をエッチング除去するこ
   とを特徴とする請求項１記載の電界放出陰極装置の製造
   方法。
6. 【請求項６】 前記エッチングを前記マスク（４６）が
   取れるまで実施することを特徴とする請求項１記載の電
   界放出陰極装置の製造方法。
7. 【請求項７】 基板（１４）上にカソード電極膜（１
   ６）、絶縁膜（２０）及びゲート電極膜（２２）が積層
   され、該積層された絶縁膜（２０）及びゲート電極膜
   （２２）に設けられた穴（２４）内で、エミッタティッ
   プ（１８）が該カソード電極膜（１６）から立ち上が
   り、該エミッタティップ（１８）は先端側の電子放出部
   （１８ａ）と根元側の負帰還用抵抗部（１８ｂ）を有す
   る電界放出陰極装置であって、該ゲート電極膜（２２）
   が該エミッタティップ（１８）を包囲する高抵抗部分
   （２８）と、該高抵抗部分（２８）を電源に接続する低
   抵抗部分（３０）とを有することを特徴とする電界放出
   陰極装置。