JPH07282717A - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】小孔中に冷陰極が形成された電子放出素子の構
造において、絶縁性基板１０上にエミッタ配線層１１
と、エミッタ配線層上に絶縁層１３と、ゲート電極層１
４と、絶縁層およびゲート電極層に形成された所要の大
きさの複数の小孔と、該小孔内に尖った先端部をもつエ
ミッタ電極１５を備えた電子放出素子において、ゲート
電極の断面を凹型もしくは少なくとも下端で突出部があ
る形状とする。 【効果】リフト・オフ用金属の斜方蒸着の際回り込んだ
蒸着材料は、大部分が凹型のゲート電極に付着するの
で、コーン型エミッタ電極の形成面に蒸着材料が回り込
みが少なり長期信頼性と初期の歩留まりが向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板型画像表示装置等
に用いられる電子放出素子ならびにその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、情報化社会の進展によりテレビや
コンピュータ等に用いられるディスプレイ装置は、マン
・マシン・インターフェースとして今や不可欠のものと
なっている。

【０００３】ディスプレイ装置のいろいろな用途への拡
大とともに、表示品質や性能に対する要求は、より厳し
くなってきた。現状の開発動向は、特に大型化と高精細
化と平面化であり、平面ディスプレイとして液晶ディス
プレイが伸びてきており、その理由としては、従来のＣ
ＲＴ表示に比べて小型で、重量が軽く、薄型であるこ
と、そのため航空機、鉄道、車等の狭い空間でのディス
プレイ装置として新たに用途が拡大した。

【０００４】この液晶ディスプレイの欠点は視野角が狭
いこと、バックライトの消費電力が大きいこと等であ
る。そこで、新しい薄型の自発光型ディスプレイ装置の
開発が望まれている。その薄型の自発光型ディスプレイ
装置に用いられる電子放出源として、熱電子よりも低消
費電力が可能な冷陰極の開発が活発に行なわれている。
特に電界放出型電子放出（放射）素子は、強電界（１０
⁷ Ｖ／ｃｍ）が冷陰極に集中するように、陰極の先端の
曲率半径がサブミクロン以下になるように加工されてい
る。このような電界放出型電子放出素子は、以下の特徴
を持っている。（１）電流密度が高い。（２）電力消費
が少ない。（３）近年のＬＳＩの製造技術である微細加
工技術が利用できる。

【０００５】従来、この電界放出型の電子放出（放射）
素子および製造方法として、幾つか提案がなされてい
る。すなわち、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジ
ックス（１９６８年，第３９巻７号，ｐ．３５０４〜３
５０５）や、特開昭６１ー２２１７８３号公報等に記載
されている。

【０００６】この従来の電子放出素子の代表的構造例を
図８の断面図、図９の概要斜視図に示す。図中２１は高
濃度に不純物が選択的にドープされた低抵抗率のシリコ
ン配線を持つ絶縁基板であり、この基板２１上に絶縁層
２３として熱酸化膜が形成されており、この絶縁層２３
はエッチングで形成された小孔２５が孔設されている。
小孔２５内には、クロムＣｒ、モリブデンＭｏ、タンタ
ルＴａ、アルミニウムＡｌ、酸化インジウムＩＴＯ等の
導電材料による第１導電膜２２（エミッタ配線パター
ン）が形成されている。この第１導電膜２２上には、電
子放出部（エミッタ）としてモリブデンＭｏ、タングス
テンＷ、ニオブＮｂ等の高融点金属で且つ低仕事関数金
属である尖った先端部を備えた電子放出部２６（コーン
型エミッタ電極（陰極））を備え、さらに小孔２５外側
の絶縁層２３（熱酸化膜等）上には、コーン型エミッタ
電極を囲んでゲート電極となるクロムＣｒやモリブデン
Ｍｏ等の薄膜による第２導電膜２４（ゲート電極）が形
成されているものである。

【０００７】上記従来の電子放出素子の製造方法は、図
１０〜図１３に示すように、まず、図１０に示す様に絶
縁性基板２１上に適宜パターン状の第１導電膜２２（エ
ミッタ配線パターン）と、絶縁層２３と、第２導電膜２
４、およびフォトリソグラフ法によりアレイ状に配列し
た直径１〜２μｍの複数の微小パターンから構成される
レジストパターン（エッチングマスクパターン）を順次
形成する。

【０００８】次に、図１１に示す様に異方性ドライエッ
チングで、第２導電膜２４と絶縁層２３に、第１導電膜
２２まで達する小孔２５を作製する。さらに、バッファ
ー弗酸で絶縁膜２３の一部をサイドエッチングする。

【０００９】続いて、図１２に示すように第２導電膜２
４上より回転斜方蒸着法により、銅Ｃｕやアルミニウム
Ａｌのリフト・オフ用金属等を用いて、直径１〜２μｍ
の小孔２５開口部が閉塞する方向（開口部の直径が小さ
くなる方向）に蒸着して、小孔２５の開口径を縮小させ
て、約０．２〜０．７μｍの直径の縮小開口部を備えた
小孔２５を形成する。

【００１０】続いて、図１３に示すように、この縮小開
口部の真上よりモリブデンＭｏやタングステンＷ等の高
融点で且つ低仕事関数の金属を絶縁性基板２１に対して
垂直方向より蒸着すると、小孔２５内における第１導電
膜２２（エミッタ配線パターン）上に、先端側が次第に
細く尖った形状のエミッタ電極２６が形成されると同時
に、開口部はモリブデンＭｏやタングステンＷ等の蒸着
材料の蒸着により塞がれる。

【００１１】最後に、縮小開口部を形成していた銅Ｃｕ
やアルミニウムＡｌのみを選択的にエッチング除去し
て、小孔２５の開口部が再び直径１〜２μｍに開くこと
により、図１３に示すような、小孔２５内の第１導電膜
２２（エミッタ配線パターン）上に先端側が次第に細
く、尖った形状のエミッタ電極２６（コーン型エミッタ
電極（陰極））を持ち、小孔２５の開口部上に絶縁層２
３を挟んで第２導電膜２４（ゲート電極）を備えたアレ
イ状の電子放出素子を作製する。

【００１２】上記従来の電子放出素子の構造及び製造方
法においては、銅ＣｕやアルミニウムＡｌのリフト・オ
フ用金属を回転斜方蒸着を用いて、直径１〜２μｍの小
孔２５の開口部が閉塞する方向に蒸着して、小孔２５の
開口径を縮小させるが、この斜方蒸着において、前記リ
フト・オフ用金属の一部が回り込んでコーン型エミッタ
電極２６形成面２９に付着し、コーン型エミッタ電極の
付着強度を弱める原因になり、その結果信頼性および歩
留まりの点で問題になっていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、
すなわち、電子放出素子の製造において、リフト・オフ
用金属を斜方蒸着で形成する際、リフト・オフ用金属が
コーン型エミッタ電極形成面に付着することが少ない構
造を与えるものであって、コーン型エミッタ電極が剥離
して、歩留まりや信頼性を低下させることのない電子放
出素子およびその製造方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明が提供する手段とは、絶縁性基板上にエミッタ
配線層と、エミッタ配線層上に絶縁層と、ゲート電極層
と、絶縁層およびゲート電極層に形成された所要の大き
さの複数の小孔と、該小孔内に尖った先端部をもつエミ
ッタ電極を備えた電子放出素子において、ゲート電極の
断面を凹型もしくは少なくとも下端で突出部のある形状
としたことを特徴とする電子放出素子である。

【００１５】また、前記ゲート電極の膜厚が０．４〜１
μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電子放出
素子である。

【００１６】また、前記ゲート電極をエッチング選択性
のある２種類の金属の積層構造とし、下層の金属の膜厚
は０．１〜０．３μｍ膜厚であることを特徴とする請求
項１に記載の電子放出素子である。

【００１７】また、絶縁性基板上にエミッタ配線層と、
エミッタ配線層上に絶縁層と、ゲート電極層とパターン
状レジストを順次形成し、ゲート電極層をサイドエッチ
ングし、レジストを除去した後、小孔内に尖った先端部
をもつエミッタ電極を形成することを特徴とする電子放
出素子の製造方法である。

【００１８】また、絶縁層をサイドエッチングする工程
を、パターン状レジストを順次形成した工程の所望の工
程間に付け加えた事を特徴する請求項４に記載の電子放
出素子の製造方法である。

【００１９】さらに、小孔内に尖った先端部をもつエミ
ッタ電極を形成する工程を、ゲート電極層上にリフト・
オフ用材を形成し、垂直方向に真空蒸着し、リフト・オ
フすることで行う事を特徴する請求項４ないし５に記載
の電子放出素子の製造方法である。

【００２０】

【作用】本発明によれば、電子放出素子の製造におい
て、リフト・オフ用金属を斜方蒸着で形成する際、ゲー
ト電極の断面形状が凹型であり、回り込んだリフト・オ
フ用金属は凹型のゲート電極にほとんど付着し、回り込
んでコーン型エミッタ電極形成面にまで付着することが
少ない構造となっている。そのため、その後のプロセス
で形成するコーン型エミッタ電極とエミッタ配線層の間
には、リフト・オフ用金属がほとんど存在しないので、
コーン型エミッタ電極はエミッタ配線層に強固に付着す
る。従って、コーン型エミッタ電極が剥離した際に生じ
るゲート電極とのショートや、消失して、点欠陥となっ
て歩留まりや信頼性を低下させることが少ない電子放出
素子を提供できる。

【００２１】特に請求項２のように、前記ゲート電極の
膜厚が０．４〜１μｍであることを特徴とする請求項１
に記載の電子放出素子である場合、ゲート電極の膜厚が
十分厚く凹型なので、回り込んでくるリフト・オフ用金
属を効率よく捕獲する事が出来るため、コーン型エミッ
タ電極形成面に回り込んで付着することは少ない。従っ
て、コーン型エミッタ電極が剥離した際に生じるゲート
電極とのショートや、消失して、点欠陥となって歩留ま
りや信頼性を低下させることは少ない電子放出素子を提
供できる。

【００２２】また、請求項３のように、ゲート電極をエ
ッチング選択性のある２種類の金属の積層構造とし、下
層の金属の膜厚は０．１〜０．３μｍ膜厚であることを
特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の場合には、
凹型ゲート電極形成プロセスの形状再現性に乏しい場合
でもコーン型エミッタ電極の先端の尖った部分とゲート
電極間の最近接距離が、一定となるため、コーン型エミ
ッタ電極の電流電圧特性のばらつきが少なく、特段に優
れている。

【００２３】また、請求項４の製造方法を採った場合
は、ゲート電極層をサイドエッチングで形成する場合
に、請求項１に記載の様な形状を容易にしかも安価に、
一度の工程で形成する技術が提供できる。

【００２４】また、請求項５の製造方法を採った場合
は、絶縁層をゲート電極層よりも後退する形状に容易に
しかも安価に形成する技術が提供できる。

【００２５】また、請求項６の製造方法を採った場合
は、コーン型エミッタ電極の先端の尖った部分の形成の
場合にゲート電極層の上等に乗っている不要な部材を確
実に除去する方法を容易にしかも安価確実にする方法が
提供できる。

【００２６】

【実施例】本発明の電子放出素子の製造方法を、図１〜
図７に示す実施例の製造工程に従って以下に順に説明す
る。

【００２７】本発明における電子放出素子の構造は、図
１の断面図に示すように、例えばｎ型またはｐ型の不純
物が、エミッタ配線層の低抵抗の導電層として絶縁性シ
リコン基板に高濃度にドープ（イオン注入）されている
ような導電層１１を備えた絶縁性基板１０上に尖った先
端を持ったエミッタ電極１５が形成され、その周りを囲
むように絶縁層１３が形成され、前記絶縁層１３上に断
面形状が凹型のゲート電極１４が形成された電子放出素
子である。

【００２８】本発明における電子放出素子の製造方法
は、図２の工程に示すように、例えばｎ型またはｐ型の
不純物が、エミッタ配線層の低抵抗の導電層として絶縁
性シリコン基板に高濃度にドープ（イオン注入）されて
いるようなエミッタ配線層１１を備えた絶縁性基板１０
上に、スパッタでＳｉＯ₂ よりなる絶縁層１３を膜厚約
１．２μｍ全面に形成し、引き続いてＭｏよりなるゲー
ト電極材料１４をスパッタで膜厚約０．７μｍ形成す
る。

【００２９】さらに、ドライエッチ耐性のあるノボラッ
ク系のフォトレジスト１６で、直径約１μｍ、膜厚が約
１．３５μｍ程度の複数のアレイ状に並んだ円形パター
ンをフォトリソ法で形成する。次に、そのレジスト１６
をマスクとして、Ｍｏよりなるゲート層１４をエッチン
グガスとしてＳＦ₆ を用いて、基板表面に対し垂直にド
ライエッチングする。引き続きＣ₂ Ｆ₆ ガスを用いて、
ＳｉＯ₂ よりなる絶縁層１３を基板表面に対し垂直にエ
ミッタ配線層１１の表面が露出するまでドライエッチン
グし、小孔１７を形成する。

【００３０】次に図３の工程に示すように、リン硝酸系
のウエットエッチング液（りん酸：硝酸：酢酸：水＝１
６：１：２：１）でゲート電極Ｍｏを液温２１℃、エッ
チング時間３分で等方エッチングし凹型の断面形状の先
端１３’を持ったゲート電極１３を形成した。

【００３１】次に、図４の工程に示すように、レジスト
１６を酸素プラズマでアッシングし、続いてＭｏゲート
電極をマスクとして、バッファー弗酸（ダイキン製ＢＨ
Ｆ：Ｕ−１２０）で１０分間液温２１℃で、ＳｉＯ₂ よ
りなる絶縁層１３をサイドエッチングした。

【００３２】次に、図５の工程に示すように、更にＡｌ
よりなるリフト・オフ用金属（剥離層）１２を基板表面
に対し１５〜２０度の角度の真空斜方蒸着で膜厚約０．
３μｍ形成した。

【００３３】更に図６の工程に示すように、Ｍｏを基板
に対し垂直に真空蒸着し先端の尖った形状のエミッタ電
極１５を形成する。この時、ゲート電極１４上にもＭｏ
膜１５’が堆積する。次にＡｌよりなるリフト・オフ用
金属（剥離層）１２をリン酸系のウェツトエッチング液
（リン酸：酢酸：水＝３：１：１）で除去する。その
際、前記リフト・オフ用金属（剥離層）１２ごとその上
に堆積しているＭｏ膜１５’も除去し、図７のように先
端の尖ったエミッタ電極１５が露出する。

【００３４】絶縁性基板は、シリコン、ガラス等の絶縁
性があるとともに、支持基材として０．５〜３ｍｍの厚
みがあるものである。エミッタ配線層は、ｎ型またはｐ
型の不純物がイオン注入されているシリコンのほか、金
属等でもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、電子放出素子の構造におい
て、ゲート電極の膜厚を厚め０．４〜１μｍとし、また
凹型にすることで、リフト・オフ用金属の斜方蒸着の
際、回り込んだ蒸着材料は、大部分が凹型のゲート電極
に付着するので、コーン型エミッタ電極の形成面に蒸着
材料が回り込んで、付着することが少なくなる。その結
果、コーン型エミッタ電極と下地のエミッタ配線層との
密着力に悪影響を与える材料が無くなり、長期信頼性と
初期の歩留まりが向上した電子放出素子が作製出来た。

【００３６】また、このゲート電極の膜厚が厚い構造で
は、コーン型エミッタ電極の尖った先端部から出る電子
が、ゲート電極膜が薄い場合に比べ、等電位面が基板面
と平行に近くなるので、あまり広がらずに対向のアノー
ド電極に到達し、アノード電極上の蛍光体を効率良く発
光させることが出来る。

【００３７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の製造方法による完成断
面図である。

【図２】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図３】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図４】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図５】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図６】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図７】図１の電子放出素子の製造方法による製造途中
の断面図である。

【図８】従来の電子放出素子の構造の断面図である。

【図９】従来の電子放出素子の構造の斜視図である。

【図１０】従来の電子放出素子の製造工程の断面図であ
る。

【図１１】図１０と同じ電子放出素子の製造工程の断面
図である。

【図１２】図１０と同じ電子放出素子の製造工程の断面
図である。

【図１３】図１０と同じ電子放出素子の製造工程の断面
図である。

【符号の説明】 １０…基板 １１…エミッタ配線層 １２…リフト・オフ用金属 １３…絶縁層 １４…ゲート電極 １５…コーン型エミッタ電極 １６…レジスト １７…小孔 ２１…絶縁性基板 ２２…エミッタ配線導電層（第１導電層） ２３…絶縁層 ２４…ゲート電極導電層（第２導電層） ２５…小孔 ２６…コーン型エミッタ電極 ２７…レジスト ２８…リフト・オフ用金属 ２９…コーン型エミッタ電極形成面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上にエミッタ配線層と、エミッ
   タ配線層上に絶縁層と、ゲート電極層と、絶縁層および
   ゲート電極層に形成された所要の大きさの複数の小孔
   と、該小孔内に尖った先端部をもつエミッタ電極を備え
   た電子放出素子において、ゲート電極の断面を凹型もし
   くは少なくとも下端で突出部がある形状としたことを特
   徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】前記ゲート電極の膜厚が０．４〜１μｍで
   あることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 【請求項３】前記ゲート電極をエッチング選択性のある
   ２種類の金属の積層構造とし、下層の金属の膜厚は０．
   １〜０．３μｍ膜厚であることを特徴とする請求項１に
   記載の電子放出素子。
4. 【請求項４】絶縁性基板上にエミッタ配線層と、エミッ
   タ配線層上に絶縁層と、ゲート電極層とパターン状レジ
   ストを順次形成し、ゲート電極層をサイドエッチング
   し、レジストを除去した後、小孔内に尖った先端部をも
   つエミッタ電極を形成することを特徴とする電子放出素
   子の製造方法。
5. 【請求項５】絶縁層をサイドエッチングする工程を、パ
   ターン状レジストを順次形成した工程の所望の工程間に
   付け加えた事を特徴する請求項４に記載の電子放出素子
   の製造方法。
6. 【請求項６】小孔内に尖った先端部をもつエミッタ電極
   を形成する工程を、ゲート電極層上にリフト・オフ用材
   を形成し、垂直方向に真空蒸着し、リフト・オフするこ
   とで行う事を特徴する請求項４乃至５何れか記載の電子
   放出素子の製造方法。