JPH0782811B2 - フィールドエミッタ構造および製造方法 - Google Patents

フィールドエミッタ構造および製造方法

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JPH0782811B2
JPH0782811B2 JP3501921A JP50192190A JPH0782811B2 JP H0782811 B2 JPH0782811 B2 JP H0782811B2 JP 3501921 A JP3501921 A JP 3501921A JP 50192190 A JP50192190 A JP 50192190A JP H0782811 B2 JPH0782811 B2 JP H0782811B2
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layer
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mesh
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バリラス、マリオ・エー
マノリー、アーサー・イー
ロンゴ、ロバート・テー
フォーマン、ラルフ
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Hughes Aircraft Co
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    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
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    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般的にフィールドエミッタアレイ、特に取
付けのための強固な金属ベースおよび良好な熱伝達率を
与えるメッシュを含むフィールドエミッタアレイを製造
する方法に関する。
関連技術の説明 フィールドエミッタアレイは典型的に下部金属層（エミ
ッタ電極として機能する）の上面を実効的に露出させた
上部金属層（加速装置またはゲート電極として機能す
る）の縁部を残すように上部金属および絶縁体層を貫通
する孔の多孔性アレイを有する金属と絶縁体と金属膜と
のサンドイッチを含んでいる。複数の円錐形状の電子エ
ミッタ素子は各々のチップは上部金属層中の各孔中に位
置されるように下部金属層に取付けられ、下部金属層か
ら上方に延在する。適切な電圧がエミッタ電極と、加速
装置電極と、加速装置電極より上に位置したアノードの
間に供給されるならば、電子は各々の円錐形チップから
アノードへ流れる。
この構造は３極真空管に匹敵し、加速装置またはゲート
電極に供給された信号の増幅を行い、電極が取付けられ
る空間が排気されるときに優良に動作する。３つの電極
形態はフィールド放射３極管または「フェトロード」と
して知られている。しかしながら、高解像度のフラット
パネルテレビ表示装置を含むフィールドエミッタアレイ
に対する多くの他の応用が提案されている。フィールド
エミッタアレイの概念の主な利点は、アレイが集積超小
型電子回路の製造に使用されるフォトリソグラフ技術に
よって形成されることが可能であることである。これ
は、単一チップ上の信号処理のその他の超小型電子回路
の形成のための集積処理段階を用いて、フィールドエミ
ッタ素子がサブミクロン間隙を形成することを可能にさ
せる。フィールドエミッタアレイは一般的に1988年８
月、K.Skidmore氏による文献（“The Comeback of the
Vacuum Tube:Will Semiconductor Versions Supplement
Transistors?",Semiconductor International Indusut
ry News,15−18頁）に記載されている。
フィールドエミッタアレイは従来は２つの方法によって
形成されていた。第１の方法は、C.A.Spindt氏他による
文献（1976年12月、“PHYSICAL PROPERTIES OF THIN−F
ILM FIELD−EMISSION CATHODES WITH MOLYBDENUM CONE
S",Journal of Applied Physics,vol.47,no.12,5248−5
263頁）に記載されている。その方法の主な段階はシリ
コン基体上の絶縁体層および金属ゲート電極層を付着
し、これらの層を基体まで貫通する孔を形成することを
含む。モリブデンは小さいソースからの電子ビームの蒸
発によって孔を通って基体上に付着される。孔の寸法は
その周辺側面のモリブデンの凝結により順次減少する。
モリブデン蒸気は孔の減少する寸法によって制限された
小さい区域上で凝縮するにしたがって円錐形体は各孔の
内部で成長し、電子の有効なソースを構成する１点で終
端する。
フィールドエミッタアレイを製造する第２の方法は1981
年12月29日、H.Gray氏他による米国特許4,307,507号明
細書“METHOD OF MANUFAKCTURAING A FIELD−EMISSION
CATHODE STRUCTURE"に開示されている。この方法におい
て、単結晶材料の基体はマスクされていない区域が下に
位置する基体上の島状部分を限定するように選択的にマ
スクされる。マスクされていない区域の下に位置する単
結晶材料は孔のアレイを形成するために方向性エッチン
グされ、その側面は結晶の鋭利な先端点で交差する。マ
スクの除去に続いて、基体は基体表面より上方に延在し
孔を充填する電子を放射することが可能な材料の厚い層
によって被覆される。その後、電子放射材料の層の下に
位置する基体の材料は複数の鋭利なフィールドエミッタ
チップを露出するためにエッチングされる。
これらの従来技術の両方法において、フィールドエミッ
タは比較的低い熱伝達率および物理的な強度を有するシ
リコンのような材料から構成された基体上に形成され
る。構造はもろく、次の処理中に構造的な故障が生じ易
く、高温半田付けのような方法を使用して装置パッケー
ジに取付けるのに困難であり或いは不可能である。
発明の概要 本発明は、フィールドエミッタ、ならびに関連するゲー
トおよびアノード構造に対する導電支持体を構成する金
属メッシュを設けることによって上述の従来技術の方法
の制限を克服する。また、金属メッシュを設けることに
より、導電層との接着力が強化され、剥離の防止が有効
になされ、信頼性の向上を図ることができる。メッシュ
とフィールドエミッタの間の直接のオーム接続は放射に
非常に耐える全金属フィールドエミッタ構造を与える。
メッシュは従来技術において使用されたシリコン基体よ
りも熱伝達度がずっと優れた構造に対する強固な金属ベ
ースを構成し、高温半田付けのような方法を使用して構
造を集積回路パッケージに取付けることを可能にする。
本発明の方法は、モールド型を構成する基体の表面の尖
った底部を有する少なくとも１つの孔即ち窪みを形成す
ることを含む。モリブデンその他の材料の導電層が孔の
壁および尖った底部を含む基体の表面上に形成される。
導電メッシュは高温鑞付けを使用して導電層に接着され
るので、導電層に電気的に接続される。基体はフィール
ドエミッタを構成する孔の壁および尖った底部に対応す
る導電層の直立した尖った部分を露出するためにエッチ
ングして除去される。第２の基体は第１の基体の除去よ
り前にメッシュの反対側に鑞付けされることができ、フ
ィールドエミッタと整列して導電層上にあるゲート手
段、アノード手段、およびその類似物の形成中に構造の
支持に対するベースとして機能する。第２の基体はゲー
トおよびアノード手段が形成された後に除去される。
本発明の方法によって製造された構造は導電層の表面か
ら延在する直立した尖った延錐または角錐の形状をとっ
た複数のフィールドエミッタを含む。導電体メッシュは
導電層との電気的接続の高温鑞付け処理によって導電層
の反対側表面に接着される。メッシュは取付けのための
良好な熱伝達率を有する強固な金属ベースを提供する。
ゲートおよびアノード構造のような付加的な素子はフィ
ールド効果３極管、フラットパネルディスプレイ、また
はその類似物を形成するためにフィールドエミッタと整
列して導電層上に形成されることができる。
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は添付図面と
共に以下説明される記述から当業者に明らかであろう。
同じ部分には同じ参照番号が付されている。
図面の説明 第１図は、本発明の第１の段階にしたがって形成された
表面にエッチングされた角錐形の孔を有する基体を示す
平面図である。
第２図は、表面にエッチングされた円錐形の孔を有する
基体を示す以外は第１図と類似した図である。
第3a図乃至第3f図は、本発明によるフィールドエミッタ
構造を製造する方法を示す簡単な断面図である。
発明の詳細な説明 第１図を参照にすると、基体10はその表面14に複数の角
錐形の孔12を形成され、それは本発明の方法の終了の際
におけるフィールドエミッタに対応する。孔12は尖った
底部12aを有する。基体10は孔12のエッチングを容易に
するために結晶シリコンから形成されることが好ましい
が、方向性エッチングを許容するゲルマニウム、その他
任意の結晶材料のような別の材料から形成されることも
できる。６個の孔からなる３行がそれぞれ本発明の原理
を説明するために図中に示されているが、１から数千以
上の任意数の孔がフィールドエミッタの高密度アレイを
形成するために設けられることができる。孔の数および
その間隔は現在使用されているフォトリソグラフ技術お
よび超小型回路製造の技術によってのみ制限される。現
在、ミクロンよりも幾分小さい間隔において孔を形成す
ることが可能である。
本発明はそのように限定されるものではないが、孔12は
Gray氏の上記参照された特許明細書に開示されたような
方向性エッチングによって基体の表面14に形成されるこ
とができる。さらに具体的に、孔12に対応してそこを通
過する孔を有するフォトレジストパターン（図示せず）
は基体10の表面14上に配置される。表面14はｎ型または
低い適度にドープされたｐ型シリコンの（100）結晶面
を選択的に浸蝕する水酸化カリウムまたは他の溶液中で
エッチングされる。エッチングはエッチングが停止し或
いは顕著に速度が遅くなる（111）結晶面と遭遇するま
で急速に浸蝕を行う。この動作は角錐形の孔を生成し、
その（111）結晶面の側面は底部12aを限定する結晶の鋭
利な点で交差する。フォトレジストは表面14を露出する
ために除去される。
第２図は、表面20に尖った底部18aを有する円錐形の孔1
8を形成する基体16の別の形態を示す。方向性エッチン
グは一般的に円錐孔を形成するのに適しておらず、本発
明の技術的範囲は任意の適切な手段を使用する円錐また
はその他の尖った形状を有する孔を形成することを含
む。いずれの場合においても、フィールドエミッタの高
さを決定する孔の深さは幅の範囲内の任意の値を有する
ように選択されることができる。同じ範囲内の隣接する
フィールドエミッタ間の間隔で１ミクロン以下程度の高
さを有するフィールドエミッタを形成することは現在の
技術の限界内で可能である。
本発明にしたがいフィールドエミッタ構造を製造する方
法が第3a図乃至第3f図に示されている。第3a図は基体30
の表面34に形成された尖った底部32aを有する孔32を有
する結晶基体30を示す簡単な断面図である。基体30はそ
れぞれ第１図および第２図の基体10または16のいずれか
に対応し、２つの孔32のみが説明の簡明のために示され
ている。後の記述から明らかになるように、表面34に形
成された孔32を有する基体30は直立したフィールドエミ
ッタを形成するためにモールド型を構成する。
本発明の方法の次の段階は第3b図に示されており、孔32
の壁および底部を含む表面34に化学的付着、蒸着、また
は任意の他の適切な方法により連続する層36,38,40,42
を形成することを含む。層36,38,40,42の厚さは数ミク
ロンから数千のミクロン以上の特定の適用に依存する広
範囲にわたって個々の基準として変化できる。層40はフ
ィールドエミッタ構造の主要動作層であり、モリブデ
ン、またはチタニウムとタングステンと金の合金のよう
な導電材料から構成されている。層38は任意であり、導
電層40よりも低い仕事関数を有する材料から構成されて
いる。低い仕事関数を有する層38の適切な材料はフィー
ルドエミッタの尖端からの電子放射を容易にする炭化チ
タニウムである。層38の別の材料は耐熱性材料および超
導電体を含む。層38の特別の別の材料はLaB6,GdB4,YB4,
NbC,HfC,ZrC,TaC,BaO,CaO,SrO,およびThO2を含む。層36
はシリコン基体30と層38または40の接着を容易にするク
ロムまたはニッケルのような材料から形成されている。
層36の材料はまた次の段階において基体30を溶解するた
めに使用されたエッチング液に対するエッチング停止体
として機能するように選択される。層42は銅銀合金のよ
うな高温鑞付け材料から形成され、導電層40および次の
処理段階において金属メッシュ材料に融着できるように
選択される。
第3c図は、鑞付け層42により行われた融着によって導電
層40に対してモリブデンまたは銅のような導電材料から
形成されたスクリーンまたはメッシュ44を鑞付けする段
階を含む本発明の方法の次の段階を示す。メッシュ44の
厚さは特定の適用に依存するかなりな範囲内で変化し、
例えば数千分の１インチ程度の直径を有するワイヤ、ま
たは数ミクロン程度の直径を有するファイバから形成さ
れることができる。構造の製造は例えばモリブデンの任
意の層48および銅銀合金の鑞付け材料層50を表面に有す
るシリコンから形成された第２の基体46を形成すること
によって製造されることができる。基体30と46の間に挟
まれたメッシュ44を有する構造はモリブデン層40をメッ
シュ44に鑞付けさせ電気接続する。
本発明の方法の次の段階が第3d図に示され、構造の残り
の層からシリコン基体30をエッチング或いは分解するこ
とを含む。この段階に対する適切なエッチング液は水酸
化カリウムである。クロムが層36に使用される場合、水
酸化カリウムはシリコン材料を完全に除去するが、クロ
ム層36およびその下に位置する素子に影響を与えない。
第3d図の段階ではさらにモリブデン層40（或いはもし設
けられるならば低い仕事関数を有する層38）を露出する
ためクロム層36を除去することを含む。これは例えば下
に位置する層38または40に悪影響を与えることなくクロ
ム層36を完全に除去する硝酸のようなエッチング液使用
によって達成されることができる。フィールドエミッタ
はまた選択的な金属付着、シャドーマスクを使用する金
属付着、優先エッチング等の種々の他の技術を使用して
形成されることが可能である。いずれの場合でも、メッ
シュ構造は第3d図に示されたようなフィールドエミッタ
のベースに取付けられることができる。
第3d図に示された本発明の基本的なフィールドエミッタ
構造はモリブデン層40に電気的に接続されるメッシュ44
を含む。基体30中の孔32の壁および底部に付着された層
40の部分は尖った電子放射尖端52aを有する直立した中
空のフィールドエミッタ52を構成する。フィールドエミ
ッタ52に設けられるならば、任意の炭化チタニウム層38
は尖端52aからの電子放射を容易にする。
第3e図はフィールド放射３極管（フェトロード）形態が
加速装置またはゲート電極54、およびアノード電極をベ
ース構造に追加することによって形成されることができ
る方法を示す。開口54aはフィールドエミッタ52の尖端5
2aと対応する或いは整列された隣接するゲート電極54間
に設けられ、尖端52aから放射された電子を個々の基準
としてゲート電極54に供給された電気信号の大きさにし
たがってアノード電極56に向って加速することを可能に
する。基体46はこれらの付加的な素子の製造を容易にす
るためにベースまたは支持体として機能する。さらに、
電極54,56に対してそれぞれ支持体およびスペーサとし
て機能する二酸化シリコンのような絶縁材料から形成さ
れた層58,60が示されている。素子54,56,58,60の製造工
程それ自体は、本発明の技術的範囲に属するものではな
く、フォトリソグラフ、化学的蒸着、およびエッチング
の技術を含む現在の技術において知られている任意の方
法で実行されることができる。
第3f図は、例えば水酸化カリウムエッチング液中での溶
解によって基体46を除去することを含む方法の最終段階
を示す。
メッシュ44は高温半田付けのような好ましい方法を使用
してパッケージに構造を取付けるための強固な金属ベー
スとなる。メッシュ44はまた高い熱伝達率を有し、製造
および動作中に熱を放散する。突出したフィールドエミ
ッタ52と共にメッシュ44およびモリブデン層40を含むフ
ィールドエミッタ構造は全体的に金属から形成され、非
常に高いレベルの放射線硬度を与える。
この構造は大気中でも動作可能であるが、フィールドエ
ミッタおよび関係する電極を囲む空間は効率的な電子放
射を容易にするために排気されることが好ましい。フィ
ールドエミッタに対する真空環境を設けるのに加えて、
構造の処理は構造の全素子の実質上完全な脱ガスを生じ
させるために十分に高い温度で実行されることが望まし
い。これは、典型的に約500乃至800℃の温度範囲内で実
行される好ましい高温鑞付け処理によって達成される。
鑞付け以外の方法を使用してメッシュをフィールドエミ
ッタ層に接着することは本発明の技術的範囲内で可能で
ある。例えば、導電性接着剤はこの目的のために使用さ
れることができる。しかしながら、接着剤の材料が装置
の動作中にガス放出しないことが望ましい。
メッシュ44が基体30,46に別々に形成され鑞付けされる
ことに関して説明されたが、本発明にしたがってメッシ
ュを設ける他の方法も可能である。例えば、メッシュは
適切なパターン化された付着方法によって基体46の表面
上に形成されることができる。
本発明の幾つかの例示的な実施例が示され説明された
が、多くの変形および別の実施例が本発明の技術的範囲
から逸脱することなく当業者によって為されるであろ
う。したがって、本発明は特別に記載された例示的な実
施例のみ制限されるものではない。種々の変更は予測さ
れ、本発明の技術的範囲から逸脱することなく実行され
ることが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マノリー、アーサー・イー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90274、ランチョ・パロス・ベルデス、バ スウッド・アビニュー 26630 (72)発明者 ロンゴ、ロバート・テー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91006、アルカディア、カリタ・ストリー ト 734 (72)発明者 フォーマン、ラルフ アメリカ合衆国、オハイオ州 44116、ロ ッキー・リヴァー、ヒリアード・ブールバ ード 21516 (56)参考文献 特開 昭50−23555（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−160740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−38256（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フィールドエミッタ構造を製造する方法に
    おいて、 （ａ）第１の基体の表面に尖った底部を有する少なくと
    も１つの窪みを形成し、 （ｂ）前記少なくとも１つの窪みの壁および尖った底部
    を含む前記基体の表面上に導電層を形成し、 （ｃ）導電層に電気的に接続されるように導電メッシュ
    を導電層に接着し、 （ｄ）導電層およびメッシュから前記基体を除去する段
    階を含み、 それによって、前記少なくとも１つの窪みのそれぞれの
    壁および尖った底部に対応する導電層の直立した尖った
    部分はフィールドエミッタを構成するフィールドエミッ
    タ構造の製造方法。
  2. 【請求項２】（ｅ）前記少なくとも１つの窪みの壁およ
    び尖った底部を含み、前記基体および導電層に接着さ
    れ、予め選択されたエッチング液に耐える中間層を前記
    基体の表面上に形成する段階を含み、 前記段階（ｄ）において、前記基体を予め選択されたエ
    ッチング液中に溶解し、 前記段階（ｅ）は、前記段階（ａ）と（ｂ）の間で実行
    され、 （ｆ）導電層およびメッシュから中間層を除去する段階
    を含み、 前記段階（ｆ）は、前記段階（ｄ）の後に実行される請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】（ｅ）前記少なくとも１つの窪みの壁およ
    び尖った底部を含む前記基体の表面上に導電層よりも低
    い仕事関数を有する層を形成する段階をさらに含み、 前記段階（ｄ）において、低い仕事関数を有する層、導
    電層、およびメッシュから前記基体を除去し、 前記段階（ｅ）は、前記段階（ａ）と（ｂ）の間で実行
    される請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】前記段階（ｂ）において、モリブデンの導
    電層を形成し、前記段階（ｅ）において、炭化チタニウ
    ムからなる前記低い仕事関数を有する層を形成する請求
    項３記載の方法。
  5. 【請求項５】（ｆ）前記少なくとも１つの窪みの壁およ
    び尖った底部を含み、前記基体および前記低い仕事関数
    を有する層に接着され、予め選択されたエッチング液に
    耐える中間層を前記基体の表面上に形成する段階を含
    み、 前記段階（ｄ）において、前記基体を予め選択されたエ
    ッチング液中に溶解し、前記段階（ｆ）は、前記段階
    （ａ）と（ｂ）の間でかつ前記段階（ｅ）の前に実行さ
    れ、 （ｇ）前記低い仕事関数を有する層、導電層、およびメ
    ッシュから中間層を除去し、 前記段階（ｇ）は、前記段階（ｄ）の後に実行される請
    求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】前記段階（ａ）において、結晶シリコンの
    形態をとる前記基体を設け、 前記段階（ｂ）において、モリブデンの導電層を形成
    し、前記段階（ｅ）は、LaB6,GdB4,YB4,NbC,HfC,TiC,Zr
    C,TaC,BaO,CaO,SrO,およびThO2からなる群から選択され
    た材料の前記低い仕事関数を有する層を形成し、 前記段階（ｆ）において、クロムの中間層を形成する請
    求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】前記段階（ｄ）において、水酸化カリウム
    を含む予め選択されたエッチング液中で前記基体を溶解
    する請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】前記段階（ｃ）において、さらにメッシュ
    が前記基体と第２の基体の間に挟まれるように、第２の
    基体をメッシュに接着する請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】第１の表面から延在するフィールドエミッ
    タを構成する少なくとも１つの直立した尖った部分を有
    する導電層と、 第１の表面と反対側に位置する導電層の第２の表面に接
    着され、導電層に電気的に接続されている導電メッシュ
    とを具備しているフィールドエミッタ構造。
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