JPH06251693A - Manufacture of electric field emission cold cathode - Google Patents

Manufacture of electric field emission cold cathode

Info

Publication number
JPH06251693A
JPH06251693A JP3653593A JP3653593A JPH06251693A JP H06251693 A JPH06251693 A JP H06251693A JP 3653593 A JP3653593 A JP 3653593A JP 3653593 A JP3653593 A JP 3653593A JP H06251693 A JPH06251693 A JP H06251693A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cold cathode
emitter
field emission
aspect ratio
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP3653593A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3204778B2 (en
Inventor
Hiroyuki Nakamura
裕之 中村
Masayuki Nakamoto
正幸 中本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP3653593A priority Critical patent/JP3204778B2/en
Publication of JPH06251693A publication Critical patent/JPH06251693A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3204778B2 publication Critical patent/JP3204778B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a method of manufacturing an electric field emission cold cathode capable of manufacturing the electric field emission cold cathode sharper than sharpness, limited by lithography, and excellent in uniformity and reproducibility of emitter shape with high aspect ratio. CONSTITUTION:In a method of manufacturing an electric field emission cold cathode having a sharp point end with high aspect ratio, an SiO2 layer 12 is formed on an Si substrate 11 of face orientation (100) and worked by photolithography, to form an etching mask 13. Next by etching the Si substrate 11 with a solution of tetramethyl ammonium hydroxide, an octagonal pyramid-shaped emitter 15, surrounded by a face {112}, is formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、真空マイクロエレクト
ロニクス素子等に用いられる電界放出型冷陰極の製造方
法に係わり、特に溶液エッチングを利用した電界放出型
冷陰極の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a field emission cold cathode used in vacuum microelectronic devices and the like, and more particularly to a method for manufacturing a field emission cold cathode utilizing solution etching.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体の微細加工技術を用いて、
ミクロンサイズの微小で集積可能な真空マイクロエレク
トロニクス素子の実現を目指す研究が行われており、平
面型画像表示装置,超高速マイクロ波素子,パワー素
子,電子線装置等への応用が進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, using fine processing technology for semiconductors,
Research is underway to realize micron-sized, microintegratable vacuum microelectronic devices, and application to flat-panel image display devices, ultra-high-speed microwave devices, power devices, electron beam devices, etc. is underway. .

【0003】この真空マイクロエレクトロニクス素子の
キーとなる部分は、電界により電子を放出する電界放出
型冷陰極(マイクロエミッタ)であり、これを作成する
有力な方法として、グレイ(H.F.Gray)等によって提案
された、Siの異方性エッチングを利用する方法があ
る。以下、この方法について図5を参照して簡単に説明
する。
The key part of this vacuum microelectronics element is a field emission cold cathode (microemitter) that emits electrons by an electric field. As a promising method for producing this, gray (HFGray) has been proposed. There is also a method of utilizing anisotropic etching of Si. Hereinafter, this method will be briefly described with reference to FIG.

【0004】まず、図5(a)に示すように、Si(1
00)ウェハ51上にエッチングのマスク材となる層5
2(Si02 ,Si3 4 )を形成する。次いで、図5
(b)に示すように、リソグラフィとエッチングによ
り、例えば2.4μm角の正方形のエッチング用マスク
53を作成し、異方性エッチング(KOH15%溶液,
液温40℃で13分間)によって、マスク53の下部の
Siを錐型54に加工する。その後、図5(c)に示す
ように、絶縁層55となるSiO2 等と、ゲート金属層
56となる金属層を順に蒸着する。最後に、図5(c)
に示すように、超音波洗浄などによりエミッタ上部のマ
スク53を除去してマイクロエミッタ57が形成され
る。
First, as shown in FIG. 5 (a), Si (1
00) Layer 5 serving as an etching mask material on the wafer 51
2 (Si0 2 , Si 3 N 4 ) is formed. Then, FIG.
As shown in (b), for example, a 2.4 μm square square etching mask 53 is formed by lithography and etching, and anisotropic etching (KOH 15% solution,
Si under the mask 53 is processed into a conical shape 54 by a liquid temperature of 40 ° C. for 13 minutes. Thereafter, as shown in FIG. 5C, SiO 2 or the like to be the insulating layer 55 and a metal layer to be the gate metal layer 56 are sequentially deposited. Finally, FIG. 5 (c)
As shown in, the mask 53 above the emitter is removed by ultrasonic cleaning or the like to form the micro-emitter 57.

【0005】このマイクロエミッタ57は、実際にはS
i{212}面によって囲まれた八角錐形状を有してい
る。例えば、2.4μm角のマスクを使用した場合は、
エミッタの底面の直径は約1.3μm、アスペクト比
(高さと底面半径との比)は約1.0、エミッタ先端の
曲率半径はおよそ70±40nmで、平均値に対して±
60%程度のばらつきがある。
This micro-emitter 57 is actually S
It has an octagonal pyramid shape surrounded by the i {212} plane. For example, when using a 2.4 μm square mask,
The diameter of the bottom surface of the emitter is about 1.3 μm, the aspect ratio (the ratio of the height to the radius of the bottom surface) is about 1.0, and the radius of curvature of the tip of the emitter is about 70 ± 40 nm.
There is a variation of about 60%.

【0006】一方、真空マイクロエレクトロニクス素子
のエミッタに要求される特性として、高いアスペクト
比、エミッタ形状の均一性及び再現性、エミッタ先端の
尖鋭性がある。一般に、真空マイクロエレクトロニクス
素子においては、エミッタに対向してアノード電極を配
置し、アノードをエミッタに対して正の電位にする。こ
の電子放出が低い電圧で起こるためには、エミッタのア
スペクト比が高く、先端が尖鋭である必要がある。ま
た、真空マイクロエレクトロニクス素子として安定な性
能を得るためには、エミッタ形状が均一で、しかも再現
性が良好である必要がある。
On the other hand, the characteristics required for the emitter of the vacuum microelectronic device include a high aspect ratio, uniformity and reproducibility of the emitter shape, and sharpness of the tip of the emitter. Generally, in a vacuum microelectronic device, an anode electrode is arranged to face the emitter, and the anode has a positive potential with respect to the emitter. In order for this electron emission to occur at a low voltage, the aspect ratio of the emitter must be high and the tip must be sharp. Further, in order to obtain stable performance as a vacuum microelectronic device, it is necessary that the emitter shape is uniform and the reproducibility is good.

【0007】しかしながら、上述したような従来の電界
放出型冷陰極の製造方法においては次のような問題があ
った。即ち、KOH溶液によるエッチングではエミッタ
のアスペクト比は約1.0に止まるため、電界放出型冷
陰極としては甚だ不十分であり、低電圧で電界放出を起
こさせることが困難であった。
However, the conventional method for manufacturing a field emission cold cathode as described above has the following problems. That is, since the aspect ratio of the emitter is kept at about 1.0 by etching with the KOH solution, it is extremely insufficient as a field emission cold cathode, and it is difficult to cause field emission at a low voltage.

【0008】また、KOHを用いたエッチングでは、エ
ッチング速度が速いために、エミッタ先端が最も尖鋭化
した状態でエッチングを終了するように時間で制御する
ことが困難である。そのため、エミッタの先端形状にば
らつきが大きく、しかも尖鋭度及び形状再現性に欠けて
おり、電界放出率の不均一や低下、さらには歩留まりの
悪化といった問題があった。エッチング速度を遅くする
ためにはKOHの濃度を下げればよいのだが、そうする
とSiとKOHの副反応生成物が表面に残存するように
なるため、エッチング速度を下げることが難しかった。
Further, in the etching using KOH, since the etching speed is high, it is difficult to control the etching time so that the etching is completed in the state where the tip of the emitter is sharpest. For this reason, the tip shape of the emitter has a large variation, and the sharpness and shape reproducibility are lacking, and there are problems that the field emission rate is nonuniform or lowered, and further the yield is deteriorated. In order to slow down the etching rate, it is sufficient to lower the KOH concentration, but then the side reaction product of Si and KOH will remain on the surface, making it difficult to lower the etching rate.

【0009】また、エミッタ先端を鋭くするには、マス
クの大きさを小さくすることが望ましいが、その限界は
リソグラフィの分解能によって制約される。そのため、
鋭いエミッタを製作することができない、という欠点が
あった。
Further, in order to sharpen the tip of the emitter, it is desirable to reduce the size of the mask, but the limit is limited by the resolution of lithography. for that reason,
There is a drawback that it is not possible to manufacture a sharp emitter.

【0010】さらに、半導体微細加工プロセスにおいて
は、アルカリ金属は電子デバイスの特性を劣化させるた
め、可能な限り用いないことが望ましい。しかるに、K
OHにはカリウムイオンが含まれているため、高価な微
細加工プロセスの設備を他のSi半導体デバイスと共用
した場合、当該設備内及び他の電子デバイスへの汚染が
無視できない、という問題があった。
Furthermore, in the semiconductor microfabrication process, alkali metals deteriorate the characteristics of electronic devices, so it is desirable not to use them as much as possible. However, K
Since OH contains potassium ions, there is a problem that, when the expensive equipment for the microfabrication process is shared with other Si semiconductor devices, the contamination in the equipment and other electronic devices cannot be ignored. .

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の電界放出型冷陰極の製造方法では、高アスペクト比の
エミッタを得るためにはエッチング液の性質による限界
があり、また先端を鋭くしようとしてもリソグラフィの
分解能に制約されるため、高アスペクト比で先端の鋭い
エミッタを得ることができないという問題があった。ま
た、エミッタ形状の均一性や再現性が非常に低く、電界
放出効率の低下や不均一化、歩留まりの低下といった問
題が生じていた。さらに、他のSiプロセスへのカリウ
ムイオンの汚染の懸念もあった。
As described above, in the conventional field emission type cold cathode manufacturing method, there is a limit due to the nature of the etching solution in order to obtain an emitter with a high aspect ratio, and the tip should be sharp. However, there is a problem in that it is not possible to obtain an emitter having a high aspect ratio and a sharp tip, because the resolution of lithography is limited. Further, the uniformity and reproducibility of the emitter shape are very low, and there have been problems such as reduction in field emission efficiency, non-uniformity, and reduction in yield. In addition, there was a concern about contamination of other Si processes with potassium ions.

【0012】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、アスペクト比が高く、
エミッタ形状の均一性、再現性に優れ、リソグラフィに
よって制限される尖鋭度よりもさらに尖鋭な電界放出型
冷陰極を製造することのできる電界放出型冷陰極の製造
方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is to have a high aspect ratio,
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a field emission cold cathode which is excellent in uniformity and reproducibility of the emitter shape and which can manufacture a field emission cold cathode having a sharpness higher than the sharpness limited by lithography.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、異方性
エッチング液として従来より用いられてきたKOH溶液
に代わって、水酸化テトラアルキルアンモニウム溶液を
用いたことにある。
The essence of the present invention resides in that a tetraalkylammonium hydroxide solution is used in place of the KOH solution which has been conventionally used as an anisotropic etching solution.

【0014】即ち本発明は、先端が尖鋭でアスペクト比
の高い電界放出型冷陰極の製造方法において、面方位
{100}のSi基板上に所望の大きさのエッチングマ
スクを形成したのち、Si基板を水酸化テトラアルキル
アンモニウム溶液によってエッチングし、錐型に加工す
ることを特徴としている。ここで、面方位は{100}
から5°以内であれば多少傾いても同様の性質を持つた
め、使用できる。ここで、本発明の望ましい実施態様と
しては次のものが上げられる。 (1) エッチングマスクとして正方形又は円形のマスクを
用いること。
That is, according to the present invention, in a method for manufacturing a field emission type cold cathode having a sharp tip and a high aspect ratio, an etching mask having a desired size is formed on a Si substrate having a plane orientation of {100}, and then the Si substrate is formed. Is etched with a tetraalkylammonium hydroxide solution to form a conical shape. Here, the plane orientation is {100}
Within 5 °, it can be used because it has the same property even if it is slightly inclined. Here, the following are preferred embodiments of the present invention. (1) Use a square or circular mask as an etching mask.

【0015】(2) 上記のエッチングにより、Si{11
2}面により囲まれた八角錐形状の電界放出型冷陰極を
形成すること。ここでのSi面も{112}面から5°
以内であれば多少傾いていても同様の性質を持つため、
使用できる。
(2) By the above etching, Si {11
Form an octagonal pyramid-shaped field emission cold cathode surrounded by the 2} plane. The Si plane here is also 5 ° from the {112} plane
If it is within the range, it has the same property even if it is slightly inclined,
Can be used.

【0016】[0016]

【作用】本発明者らは、先端が尖鋭で高アスペクト比の
エミッタ形状が得られる異方性エッチング液として種々
の溶液を用い、鋭意研究及び実験を繰り返したところ、
水酸化テトラアルキルアンモニウムが最も望ましいのを
見出した。
The inventors of the present invention repeated various studies and experiments using various solutions as the anisotropic etching solution capable of obtaining an emitter shape with a sharp tip and a high aspect ratio.
We have found that tetraalkylammonium hydroxide is the most desirable.

【0017】水酸化テトラアルキルアンモニウム溶液
は、従来用いられてきたKOH溶液に比較して、マスク
下部の{111}結晶軸方向のエッチング速度が速いた
め、リソグラフィ技術によって制約されるマスクの大き
さに対して、よりエミッタ基底部の半径が小さく、先端
が一層尖鋭化したエミッタを得ることができる。しか
も、Siに対するエッチング速度が比較的小さく、エッ
チングの時間制御が容易であるため、高さや先端形状の
均一性に優れた電界放出型冷陰極を再現性良く得ること
も可能になる。従って、Siエッチング液としてKOH
を用いて作成された場合と比較して、高アスペクト比の
電界放出型冷陰極が得られ、電界放出効率を大幅に向上
させることができる。
The tetraalkylammonium hydroxide solution has a higher etching rate in the {111} crystal axis direction under the mask than the conventionally used KOH solution, so that the size of the mask is restricted by the lithography technique. On the other hand, it is possible to obtain an emitter having a smaller radius at the base of the emitter and a sharper tip. Moreover, since the etching rate for Si is relatively low and the etching time can be easily controlled, it becomes possible to obtain a field emission cold cathode having excellent height and uniformity of the tip shape with good reproducibility. Therefore, KOH is used as the Si etching liquid.
A field emission type cold cathode having a high aspect ratio can be obtained, and the field emission efficiency can be significantly improved, as compared with the case of being manufactured using.

【0018】また、水酸化テトラアルキルアンモニウム
溶液は、Si半導体微細加工プロセス及びデバイスに対
する汚染の原因となるアルカリ金属、即ちカリウムイオ
ン等を含んでいないため、他のSiプロセスへのカリウ
ムイオンの汚染を招くこともない。
Further, since the tetraalkylammonium hydroxide solution does not contain an alkali metal such as potassium ion, which causes contamination of the Si semiconductor microfabrication process and device, it does not pollute other Si processes with potassium ion. There is no invitation.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0020】図1は、本発明の第1の実施例に係わる電
界放出型冷陰極の製造工程を示す断面図である。まず、
図1(a)に示すように、Si(100)ウェハ11上
に、ドライ酸化により厚さ約0.1μmのSiO2 層1
2を形成する。次いで、この上にレジストを塗布し、ス
テッパにより2.4μm角の正方形パターンを作成した
後、NH4 ・HF混合溶液によりSiO2 層12のエッ
チングを行い、図1(b)に示すように、正方形のSi
2 マスク13を形成する。
FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a field emission cold cathode according to the first embodiment of the present invention. First,
As shown in FIG. 1A, a SiO 2 layer 1 having a thickness of about 0.1 μm is formed on a Si (100) wafer 11 by dry oxidation.
Form 2. Next, a resist is applied on this, a 2.4 μm square pattern is created by a stepper, and then the SiO 2 layer 12 is etched by a NH 4 / HF mixed solution, as shown in FIG. Square Si
The O 2 mask 13 is formed.

【0021】次いで、レジストを除去した後、水酸化テ
トラメチルアンモニウム22%溶液をエッチング液とし
て、液温30℃で38分間、上記ウェハ11のエッチン
グを行い、図1(c)に示すように、マスク13下部に
錐型のエミッタ原型を完成した。その後、アセトン中5
分間の超音波洗浄によりエミッタ上部のマスク13を除
去して、図1(d)に示すように、エミッタ15を得
た。ここで、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液は、
KOHに比較してマスク下部の(111)結晶軸方向の
エッチング速度が速く、一般に{112}面が出易くな
る。
Next, after removing the resist, the wafer 11 is etched at a liquid temperature of 30 ° C. for 38 minutes using a 22% tetramethylammonium hydroxide solution as an etching solution, and as shown in FIG. A cone-shaped emitter prototype was completed under the mask 13. Then 5 in acetone
The mask 13 on the upper part of the emitter was removed by ultrasonic cleaning for 1 minute to obtain an emitter 15 as shown in FIG. Here, the tetramethylammonium hydroxide solution is
The etching rate in the (111) crystal axis direction under the mask is higher than that of KOH, and the {112} plane is generally likely to appear.

【0022】以上の工程により得られたエミッタは、S
i{112}面によって囲まれた八角錐形状をしてお
り、底面の直径が約0.85μm、アスペクト比が約
2.0、エミッタ先端の曲率半径が50±10nmで、
曲率半径のばらつきはKOHの場合が±60%であるの
に対して±20%程度と大幅に改善された。
The emitter obtained by the above steps is S
It has an octagonal pyramid shape surrounded by i {112} planes, the bottom surface has a diameter of about 0.85 μm, the aspect ratio is about 2.0, and the radius of curvature of the emitter tip is 50 ± 10 nm.
The variation in the radius of curvature was ± 60% in the case of KOH, which was significantly improved to about ± 20%.

【0023】このように本実施例によれば、従来の方法
を用いて作成された場合のアスペクト比1.0に対して
2.0と大幅に向上している。また、均一性,再現性に
ついても、先端形状のばらつきが従来±60%であった
ものが本実施例によれば20%と縮小し、大幅に改善さ
れている。尖鋭度についても、従来と同等以上の値が得
られた。さらに、本実施例の方法では、アルカリ金属が
一切含まれていないため、Si半導体微細加工設備、及
び他のデバイスに対する汚染の恐れはない。
As described above, according to the present embodiment, the aspect ratio of 1.0 produced by the conventional method is greatly improved to 2.0. Further, regarding the uniformity and reproducibility, the variation of the tip shape of ± 60% in the past is reduced to 20% according to the present embodiment, which is greatly improved. Regarding the sharpness, a value equal to or higher than the conventional value was obtained. Furthermore, in the method of this embodiment, since no alkali metal is contained, there is no risk of contamination of the Si semiconductor fine processing equipment and other devices.

【0024】つまり、Siのエッチング液として水酸化
テトラメチルアンモニウムを用いることにより、アスペ
クト比が高く、エミッタ形状の均一性、再現性に優れ、
リソグラフィによって制限される尖鋭度よりもさらに尖
鋭な電界放出型冷陰極を製造することができ、各種マイ
クロエレクトロニクス素子のエミッタとして使用するに
極めて有効である。
That is, by using tetramethylammonium hydroxide as the Si etchant, the aspect ratio is high and the emitter shape is uniform and reproducible.
It is possible to manufacture a field emission cold cathode having a sharpness higher than the sharpness limited by lithography, and it is extremely effective for use as an emitter of various microelectronic devices.

【0025】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。この実施例では、まず、図2(a)に示すよう
に、Si(100)ウェハ(p型,5Ωcm)21上に、
ドライ酸化により厚さ約0.1μmのSiO2 層22を
形成する。次いで、この上にレジストを塗布し、ステッ
パにより2.4μm角の正方形パターンを作成した後、
NH4 ・HF混合液によりSiO2 層22のエッチング
を行い、図2(b)に示すように、正方形のSiO2
スク23を得た。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, first, as shown in FIG. 2A, a Si (100) wafer (p-type, 5 Ωcm) 21 is
A SiO 2 layer 22 having a thickness of about 0.1 μm is formed by dry oxidation. Then, a resist is applied on this, and a 2.4 μm square pattern is formed by a stepper,
The SiO 2 layer 22 was etched with a mixed solution of NH 4 and HF, and a square SiO 2 mask 23 was obtained as shown in FIG.

【0026】次いで、レジスト除去後、水酸化テトラメ
チルアンモニウム5%溶液をエッチング液として、液温
30℃で65分間、上記ウェハ21のエッチングを行
い、図2(c)に示すように、マスク23下部に錐型の
エミッタ原型を形成した。この後、図2(d)に示すよ
うに、絶縁層となるSiO2 層25をCVDにより形成
し、その上にゲート金属層となるMo層26を真空蒸着
した。最後に、アセトン中5分間の超音波洗浄によりマ
スク23を除去して、図2(e)に示すように、エミッ
タ27を得た。
Next, after removing the resist, the wafer 21 is etched at a liquid temperature of 30 ° C. for 65 minutes using a 5% tetramethylammonium hydroxide solution as an etching solution, and as shown in FIG. A conical emitter prototype was formed on the bottom. Thereafter, as shown in FIG. 2D, a SiO 2 layer 25 serving as an insulating layer was formed by CVD, and a Mo layer 26 serving as a gate metal layer was vacuum-deposited thereon. Finally, the mask 23 was removed by ultrasonic cleaning in acetone for 5 minutes to obtain an emitter 27 as shown in FIG.

【0027】以上の工程により得られたエミッタは、第
1の実施例と同様にSi{112}面によって囲まれた
八角錐形状をしており、底面の直径が0.95μm、ア
スペクト比が約1.8、エミッタ先端の曲率半径がおよ
そ60±20nmで、そのばらつきはKOHの場合の±
60%に比較して±30%程度と小さくなり改善され
た。本実施例においても第1の実施例と同様、アスペク
ト比及び先端形状の均一性はKOH溶液を用いた場合に
比べて格段に向上している。
The emitter obtained through the above steps has an octagonal pyramid shape surrounded by Si {112} planes as in the first embodiment, the bottom diameter is 0.95 μm, and the aspect ratio is approximately. 1.8, the radius of curvature of the tip of the emitter is about 60 ± 20 nm, and the variation is ±± for KOH.
Compared to 60%, it was reduced to about ± 30% and improved. In this embodiment, as in the first embodiment, the aspect ratio and the uniformity of the tip shape are remarkably improved as compared with the case of using the KOH solution.

【0028】次に、本発明の第3の実施例を説明する。
なお、本実施例方法の基本的な工程は第2の実施例と同
様であるので、工程図としては前記図2を参照すること
にする。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
Since the basic steps of the method of this embodiment are the same as those of the second embodiment, FIG. 2 will be referred to as a process chart.

【0029】まず、Si(100)ウェハ31上に、ド
ライ酸化により厚さ約0.1μmのSi3 4 層32を
形成する(図2(a))。この上にレジストを塗布し、ステ
ッパにより直径2.4μmの円形パターンを作成した
後、NH4 ・HF混合液によりSi3 4 層32のエッ
チングを行い、円形のSi3 4 マスク33を得た(図
2(b))。
First, a Si 3 N 4 layer 32 having a thickness of about 0.1 μm is formed on a Si (100) wafer 31 by dry oxidation (FIG. 2A). A resist is coated on this, a circular pattern with a diameter of 2.4 μm is created by a stepper, and then the Si 3 N 4 layer 32 is etched by a NH 4 / HF mixed solution to obtain a circular Si 3 N 4 mask 33. (Fig. 2 (b)).

【0030】次いで、レジスト除去後、水酸化テトラメ
チルアンモニウム35%溶液をエッチング液として、液
温30℃で15分間、上記ウェハ31のエッチングを行
い、マスク33下部に錐型のエミッタ原型34を形成し
た(図2(c))。この後、絶縁層となるSiO2 層35を
CVDにより形成し、その上にゲート金属層となるTa
層36を真空蒸着し(図2(d))、最後にアセトン中5分
間の超音波洗浄によりマスク33を除去してエミッタ3
7を得た(図2(e))。
Next, after removing the resist, the wafer 31 is etched for 15 minutes at a liquid temperature of 30 ° C. using a 35% tetramethylammonium hydroxide solution as an etching solution to form a cone-shaped emitter prototype 34 under the mask 33. (Fig. 2 (c)). After that, a SiO 2 layer 35 to be an insulating layer is formed by CVD, and Ta to be a gate metal layer is formed thereon.
The layer 36 is vacuum-deposited (FIG. 2 (d)), and finally the mask 33 is removed by ultrasonic cleaning in acetone for 5 minutes to remove the emitter 3
7 was obtained (FIG. 2 (e)).

【0031】以上の工程により得られたエミッタは、底
面の直径が0.92μm、アスペクト比が約1.85、
エミッタ先端の曲率半径がおよそ70±20nmで、そ
のばらつきはKOHの場合の±60%に比較して±30
%程度と小さくなり改善された。本実施例においても第
1の実施例と同様、アスペクト比及び先端形状の均一性
はKOH溶液を用いた場合に比べて格段に向上してい
る。
The emitter obtained by the above steps has a bottom diameter of 0.92 μm and an aspect ratio of about 1.85.
The radius of curvature of the tip of the emitter is approximately 70 ± 20 nm, and the variation is ± 30% compared to ± 60% in the case of KOH.
%, Which was small and improved. In this embodiment, as in the first embodiment, the aspect ratio and the uniformity of the tip shape are remarkably improved as compared with the case of using the KOH solution.

【0032】以下、上述した作成法と同様の方法で、水
酸化テトラメチルアルミニウム溶液の濃度及び溶液温度
を変化させて作成したエミッタを、実施例4〜実施例1
6とした。 実施例4 …濃度15%,溶液温度30℃ 実施例5 …濃度 5%,溶液温度25℃ 実施例6 …濃度15%,溶液温度25℃ 実施例7 …濃度22%,溶液温度25℃ 実施例8 …濃度35%,溶液温度25℃ 実施例9 …濃度 5%,溶液温度40℃ 実施例10…濃度15%,溶液温度40℃ 実施例11…濃度22%,溶液温度40℃ 実施例12…濃度35%,溶液温度40℃ 実施例13…濃度 5%,溶液温度60℃ 実施例14…濃度15%,溶液温度60℃ 実施例15…濃度22%,溶液温度60℃ 実施例16…濃度35%,溶液温度60℃
In the following, the emitters prepared by changing the concentration and the solution temperature of the tetramethylaluminum hydroxide solution by the same method as the above-described manufacturing method are used in Examples 4 to 1
It was set to 6. Example 4 ... concentration 15%, solution temperature 30 ° C Example 5 ... concentration 5%, solution temperature 25 ° C Example 6 ... concentration 15%, solution temperature 25 ° C Example 7 ... concentration 22%, solution temperature 25 ° C Example 8 ... concentration 35%, solution temperature 25 ° C. Example 9 ... concentration 5%, solution temperature 40 ° C. Example 10 ... concentration 15%, solution temperature 40 ° C. Example 11 ... concentration 22%, solution temperature 40 ° C. Example 12 ... Concentration 35%, solution temperature 40 ° C. Example 13 ... concentration 5%, solution temperature 60 ° C. Example 14 ... concentration 15%, solution temperature 60 ° C. Example 15 ... concentration 22%, solution temperature 60 ° C. Example 16 ... concentration 35 %, Solution temperature 60 ℃

【0033】これらの実施例1〜16から得られる、水
酸化テトラメチルアンモニウム溶液の溶液温度を変化さ
せた場合の、エミッタのアスペクト比と水酸化テトラメ
チルアンモニウム溶液濃度との関係を図3に示す。エミ
ッタのアスペクト比は、従来の方法によって作成したエ
ミッタのアスペクト比1.0を基準として表わしてい
る。エッチング時間は、各々の溶液濃度及び溶液温度に
おいて、アスペクト比及び先端形状が最適となる時間を
とっている。
FIG. 3 shows the relationship between the aspect ratio of the emitter and the concentration of the tetramethylammonium hydroxide solution obtained when changing the solution temperature of the tetramethylammonium hydroxide solution obtained from Examples 1 to 16. . The aspect ratio of the emitter is expressed with reference to the aspect ratio of 1.0 of the emitter created by the conventional method. The etching time is such that the aspect ratio and the tip shape are optimal at each solution concentration and solution temperature.

【0034】溶液温度30℃の場合、溶液濃度が5%で
はアスペクト比が1.8、溶液濃度15%ではアスペク
ト比が1.95、溶液濃度が22%ではアスペクト比が
2.0、溶液濃度が35%ではアスペクト比が1.85
となり、全実施例において従来方法に比べて著しいアス
ペクト比の向上が見られ、特に溶液濃度22%において
最大のアスペクト比となった。
When the solution temperature is 30 ° C., the aspect ratio is 1.8 when the solution concentration is 5%, the aspect ratio is 1.95 when the solution concentration is 15%, and the aspect ratio is 2.0 when the solution concentration is 22%. Is 35%, the aspect ratio is 1.85.
Thus, in all the examples, the aspect ratio was remarkably improved as compared with the conventional method, and the maximum aspect ratio was obtained especially at the solution concentration of 22%.

【0035】同様に、溶液温度が25℃の場合はアスペ
クト比が1.7〜1.9、溶液温度が40℃の場合はア
スペクト比が1.6〜1.75、溶液温度が60℃の場
合はアスペクト比が1.5〜1.66となり、いずれの
実施例においても従来例を大幅に上回るものであった。
Similarly, when the solution temperature is 25 ° C., the aspect ratio is 1.7 to 1.9, when the solution temperature is 40 ° C., the aspect ratio is 1.6 to 1.75 and the solution temperature is 60 ° C. In this case, the aspect ratio was 1.5 to 1.66, which was much higher than the conventional example in any of the examples.

【0036】上述したように、水酸化テトラメチルアン
モニウム溶液を用いた本発明の方法は、従来のKOHを
用いた場合に比べて、エミッタのアスペクト比が高く、
形状の再現性や均一性に優れた、より高性能の電界放出
型冷陰極を製造することが可能であった。
As described above, the method of the present invention using the tetramethylammonium hydroxide solution has a higher emitter aspect ratio than the case of using the conventional KOH.
It was possible to manufacture a higher performance field emission type cold cathode having excellent shape reproducibility and uniformity.

【0037】次に、本発明による電界放出型冷陰極を用
いた平板型画像表示装置について、図4を参照して説明
する。なお、図2と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。
Next, a flat panel image display device using the field emission type cold cathode according to the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0038】この実施例の平板型画像表示装置40は、
エミッタ27が多数形成されたSi(100)基板21
が、土台となる別の基板41の上に配置され(以下これ
を冷陰極板42と記す)、これに対向して蛍光体43及
びITOからなる透明電極(アノード電極)層44が順
に積層形成されたガラスフェースプレート45が所定の
間隔を設けて配置されており、これらにより真空筐体が
構成されている。
The flat panel image display device 40 of this embodiment is
Si (100) substrate 21 having a large number of emitters 27 formed
Is placed on another substrate 41 serving as a base (hereinafter referred to as a cold cathode plate 42), and a transparent electrode (anode electrode) layer 44 made of a phosphor 43 and ITO is sequentially laminated to face this. The glass face plates 45 thus formed are arranged at a predetermined interval, and these constitute a vacuum housing.

【0039】冷陰極板42には、図4に示すように、カ
ソード電極を兼ねるSi(100)基板21とゲート電
極層26とが、互いに交差するネットワークとして形成
されており、これらの各交点に各画素を形成する冷陰極
形成領域46がそれぞれ設定されている。1画素に対応
する各冷陰極形成領域46は、それぞれ多数、例えば1
00個のエミッタ27を有している。また、ガラスフェ
ースプレート45に形成された蛍光体層43は、各画素
に対応する赤色発光蛍光体層43a、緑色発光蛍光体層
43b、及び青色発光蛍光体層43cにより構成されて
おり、これらは各冷陰極形成領域46にそれぞれ対応し
て設けられている。各蛍光体層43a,43b,43c
は、それぞれ水平方向に順次繰り返し形成されている。
As shown in FIG. 4, on the cold cathode plate 42, a Si (100) substrate 21 which also serves as a cathode electrode and a gate electrode layer 26 are formed as a network intersecting with each other, and at each intersection thereof. A cold cathode forming region 46 forming each pixel is set. Each cold cathode forming region 46 corresponding to one pixel has a large number, for example, 1
It has 00 emitters 27. The phosphor layer 43 formed on the glass face plate 45 is composed of a red light emitting phosphor layer 43a, a green light emitting phosphor layer 43b, and a blue light emitting phosphor layer 43c corresponding to each pixel. It is provided corresponding to each cold cathode forming region 46. Each phosphor layer 43a, 43b, 43c
Are sequentially and repeatedly formed in the horizontal direction.

【0040】上述したような平板型画像表示装置40を
用い、画素信号に応じて、ゲート−カソード間に40V
の電圧、及びアノード−カソード間に250Vの電圧を
印加して駆動させたところ、画素の発光輝度に優れると
共に、各画素間の輝度ばらつきの少ない良好な画像を得
ることができた。
Using the flat panel image display device 40 as described above, 40 V is applied between the gate and the cathode in accordance with the pixel signal.
When the pixel was driven by applying a voltage of 2 V and a voltage of 250 V between the anode and the cathode, it was possible to obtain a good image with excellent emission luminance of pixels and little variation in luminance between pixels.

【0041】この実施例の平板型画像表示装置において
は、前述した形状均一性に優れたエミッタ27を用いて
いるため、発光輝度のばらつきの少ない画像を安定して
得ることができる。さらに、ここで用いた電界放出型冷
陰極は電子の放出効率に優れているため、低電圧駆動や
消費電力の軽減にも寄与する。
In the flat panel image display device of this embodiment, since the emitter 27 having excellent shape uniformity as described above is used, it is possible to stably obtain an image with little variation in emission brightness. Further, since the field emission cold cathode used here is excellent in electron emission efficiency, it contributes to low voltage driving and reduction of power consumption.

【0042】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、Siの異方性エッチン
グ液として水酸化テトラメチルアンモニウム溶液のみを
用いたが、これを主成分とする溶液であればよい。さら
に、この水酸化テトラメチルアンモニウム溶液の濃度や
液温等の条件は、仕様に応じて適宜定めればよい。ま
た、他の水酸化テトラアルキルアンモニウム、例えば水
酸化テトラエチルアンモニウム溶液や水酸化テトラブチ
ルアンモニウム溶液を単独のエッチング液として使用し
てもよく、これらのエッチング液を混合して使用しても
よい。さらに、エッチングマスクはSiO2 やSi3
4 に何等限定されるものではなく、Siに対して十分な
選択比の得られるものであればよい。
The present invention is not limited to the above embodiments. In the examples, only tetramethylammonium hydroxide solution was used as the anisotropic etching solution for Si, but any solution containing this as a main component may be used. Furthermore, the conditions such as the concentration of the tetramethylammonium hydroxide solution and the liquid temperature may be appropriately determined according to the specifications. Further, other tetraalkylammonium hydroxide, for example, tetraethylammonium hydroxide solution or tetrabutylammonium hydroxide solution may be used as a single etching solution, or these etching solutions may be mixed and used. Furthermore, the etching mask is SiO 2 or Si 3 N
The number is not limited to 4 , but may be any as long as a sufficient selection ratio with respect to Si can be obtained.

【0043】また、シリコン基板は(100)主面を持
つもの以外でも、他の{100}面方位、例えば(01
0),(-100),(0-10)等でもよい。また、実施
例においては本発明による電界放出型冷陰極を平板型画
像表示装置に適用した例について説明したが、本発明の
電界放出型冷陰極はそれに限らず、例えば超高速マイク
ロ波素子、パワー素子、電子線装置等の各種電子装置に
適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。
Further, the silicon substrate is not limited to one having a (100) main surface, and other {100} plane orientations, for example, (01
It may be 0), (-100), (0-10) or the like. Further, in the embodiment, an example in which the field emission cold cathode according to the present invention is applied to a flat panel image display device has been described, but the field emission cold cathode according to the present invention is not limited thereto, and, for example, an ultrafast microwave element, power It can be applied to various electronic devices such as elements and electron beam devices. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように本発明の電界放出型
冷陰極の製造方法によれば、Siのエッチング液として
水酸化テトラメチルアンモニウムを用いることにより、
アスペクト比が高く、形状の再現性や均一性に優れた尖
鋭なエミッタが安定して得られるため、電界放出率に優
れると共に、そのばらつきを大幅に抑制した、高性能の
電界放出型冷陰極を再現性良く実現することが可能とな
る。また、エッチング液にカリウムイオンを含まないた
め、他のSiプロセスラインに対する汚染がないと言う
効果もある。
As described above, according to the method for producing a field emission cold cathode of the present invention, by using tetramethylammonium hydroxide as an etching solution for Si,
Since a sharp emitter with a high aspect ratio and excellent shape reproducibility and uniformity can be stably obtained, a high-performance field-emission cold cathode that excels in field emission rate and greatly suppresses its variation is provided. It can be realized with good reproducibility. Further, since the etching solution does not contain potassium ions, there is also an effect that there is no contamination with respect to other Si process lines.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係わる電界放出型冷陰
極の製造工程を示す断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a field emission cold cathode according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例に係わる電界放出型冷陰
極の製造工程を示す断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a field emission cold cathode according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1〜16の実施例に基づく、エミッ
タアスペクト比向上率と水酸化テトラメチルアンモニウ
ム溶液の濃度との関係を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an emitter aspect ratio improvement rate and a concentration of a tetramethylammonium hydroxide solution based on the first to sixteenth examples of the present invention.

【図4】本発明を平板型画像表示装置に適用した場合の
要部構成を示す斜視図。
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a main part when the present invention is applied to a flat panel image display device.

【図5】従来の電界放出型冷陰極の製造工程を示す断面
図。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional field emission cold cathode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,21,31…Si(100)単結晶基板 12,22…SiO2 熱酸化膜 13,23…エッチング用SiO2 マスク 14,24,34…エミッタ原型となる凸部 15,27,37…エミッタ 25,35…SiO2 絶縁層 26,36…ゲート電極層 32…Si3 4 熱酸化膜 33…エッチング用Si3 4 マスク 40…平板型画像表示装置 41…冷陰極板の土台となる基板 42…冷陰極板 43…蛍光体層 43a…赤色発光蛍光体層 43b…緑色発光蛍光体層 43c…青色発光蛍光体層 44…アノード電極層 45…ガラスフェースプレート11, 21, 31 ... Si (100) single crystal substrate 12, 22 ... SiO 2 thermal oxide film 13, 23 ... Etching SiO 2 mask 14, 24, 34 ... Embossed convex portion 15, 27, 37 ... Emitter 25, 35 ... SiO 2 insulating layer 26, 36 ... Gate electrode layer 32 ... Si 3 N 4 thermal oxide film 33 ... Etching Si 3 N 4 mask 40 ... Flat plate image display device 41 ... Substrate which is a base of a cold cathode plate 42 ... Cold cathode plate 43 ... Phosphor layer 43a ... Red light emitting phosphor layer 43b ... Green light emitting phosphor layer 43c ... Blue light emitting phosphor layer 44 ... Anode electrode layer 45 ... Glass face plate

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】面方位{100}のSi基板上にエッチン
グマスクを形成する工程と、前記基板を水酸化テトラア
ルキルアンモニウム溶液によってエッチングし錐型に加
工する工程と、を含むことを特徴とする電界放出型冷陰
極の製造方法。
1. A method comprising: forming an etching mask on a Si substrate having a plane orientation of {100}; and etching the substrate with a tetraalkylammonium hydroxide solution to form a conical shape. Method for manufacturing field emission cold cathode.
JP3653593A 1993-02-25 1993-02-25 Method of manufacturing field emission cold cathode Expired - Fee Related JP3204778B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3653593A JP3204778B2 (en) 1993-02-25 1993-02-25 Method of manufacturing field emission cold cathode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3653593A JP3204778B2 (en) 1993-02-25 1993-02-25 Method of manufacturing field emission cold cathode

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06251693A true JPH06251693A (en) 1994-09-09
JP3204778B2 JP3204778B2 (en) 2001-09-04

Family

ID=12472482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3653593A Expired - Fee Related JP3204778B2 (en) 1993-02-25 1993-02-25 Method of manufacturing field emission cold cathode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3204778B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP3204778B2 (en) 2001-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2141698C1 (en) Process of manufacture of systems of display with planar screen and of their components
US6491561B2 (en) Conductive spacer for field emission displays and method
EP0434330A2 (en) Field emission device and process for producing the same
US20020011770A1 (en) Thin film type field emission display and method of fabricating the same
JP3253683B2 (en) Method of manufacturing field emission cold cathode plate
JP2728813B2 (en) Field emission type electron source and method of manufacturing the same
JP2969081B2 (en) Electron emitting device having horizontal field effect and method of manufacturing the same
JP3204778B2 (en) Method of manufacturing field emission cold cathode
US6008064A (en) Fabrication of volcano-shaped field emitters by chemical-mechanical polishing (CMP)
JPH03225721A (en) Field electron emission element and manufacture thereof
US6426233B1 (en) Uniform emitter array for display devices, etch mask for the same, and methods for making the same
US6045425A (en) Process for manufacturing arrays of field emission tips
JP2694889B2 (en) Method of forming self-aligned gate structure and focusing ring
US5916004A (en) Photolithographically produced flat panel display surface plate support structure
JPH06111712A (en) Field emission cathode and its manufacture
JP2002015658A (en) Electric field emission type cold cathode device and its manufacturing method, as well as vacuum microdevice
KR100513652B1 (en) Field emission device and manufacturing method thereof
KR100569269B1 (en) Method of manufacturing field emission display device
KR100405971B1 (en) Structure and formation method for focusing electrode in field emssion display
KR100285316B1 (en) Large-scaled field emission display device
JPH07254355A (en) Field emission cold-cathode array
US6824855B1 (en) Coated beads and process utilizing such beads for forming an etch mask having a discontinuous regular pattern
KR100343212B1 (en) Horizontal field emission display and fabricating method thereof
JP3143679B2 (en) Electron emitting device and method of manufacturing the same
KR100370246B1 (en) Field emission display

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees