JPH08138531A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゲート電極に対して傾斜したエミッタ電極が
高い位置精度で再現性よく形成されており、フォトリソ
グラフ法のデザインルールに制限されることなく極めて
小さい間隙幅でゲート電極がエミッタ電極に対して自己
整合的に配設された電子放出素子を提供する。 【構成】 基板１、絶縁層２及びゲート電極３が順次積
層され、ゲート電極３と絶縁層２とには該基板に達する
開孔部Ａが設けられ、その開孔部Ａ内の基板１上にエミ
ッタ電極４がゲート電極３に接触しないように積層され
てなる電界放射型電子放出素子において、基板１に逆錐
体形状の凹部１ａを形成し、その凹部１ａの斜面に沿っ
てエミッタ電極４を形成する。その際、エミッタ電極４
の周縁部４ａが基板の凹部１ａの上縁部から突き出るよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強電界によって電子を
放出する電界放射型の電子放出素子及びその製造方法に
関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子
ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃として、ある
いは照明ランプの超小型照明源として、特に、平面ディ
スプレイを構成するアレイ状のＦＥＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｅ
ｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙ）の電子発生源として有用な
電子放出素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。

【０００３】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。

【０００４】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されてい
る。そして、そのために使用する電子放出素子として、
電界放射現象を利用した電界放射型の電子放出素子が注
目されている。この電界放射型の電子放出素子は、物質
に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物
質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度
が１０⁷Ｖ／ｃｍ以上の強電界となると、物質中の電子
がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できる
ようになり、そのため物質から電子が放出されるという
現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方
程式に従うために、電子を放出する部材（エミッタ電
極）に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引
き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。

【０００５】このような電界放射型の電子放出素子の一
般的なものとしては、図７（ａ）に示すように、先端が
尖ったコーン型の電子放出素子を例示することができ
る。この素子においては、導電層７１上に絶縁層７２及
びゲート電極７３が順次積層されており、その絶縁層７
２及びゲート電極７３には、導電層７１に達する開口部
７４が形成されている。そして、その開口部７４内の導
電層７１上には、少なくともゲート電極７３に接触しな
いように、点状突起Ｐｏを有する円錐形状（コーン型）
のエミッタ電極７５が形成されている。この場合、電子
放出効率を更に向上させるために、ゲート電極７３の表
面が、コーン型のエミッタ電極７５の点状突起Ｐｏより
高い位置にくるようになっている。このような電子放出
素子においては、エミッタ電極７５に印加された電圧
は、その点状突起Ｐｏに効率よく集中するので、比較的
低い印加電圧で冷電子を放出することができる。

【０００６】しかしながら、図７（ａ）に示すようなコ
ーン型エミッタ電極を有する電子放出素子を大面積の平
面型ディスプレイに使用するＦＥＡに応用しようとした
場合、径１μｍ以下の開口部７４の中に、数百ｎｍ以下
の曲率半径の点状突起Ｐｏを有するエミッタ電極７５の
多数個を、ゲート電極７３との相対的位置関係を一定に
保持したままバラツキなく均一に形成することが望まれ
るが、実際上、そのように形成することは非常に困難で
あるという問題がある。

【０００７】このため、図７（ｂ）に示すように、エミ
ッタ電極をコーン型とせずに、均一加工性の良好なディ
スク型のエミッタ電極（ディスク型エミッタ電極）７５
とすることが提案されている。このディスク型エミッタ
電極７５においては、エミッタ電極表面７５ａとエミッ
タ電極周面７５ｂとの境界線であるエミッタ電極７５の
輪線状の周縁Ｐｅに電界が集中し、そこから冷電子が放
出される。なお、エミッタ電極７５と導電層７１との間
には、エミッタ電極下地層７６を形成しておくことが一
般的に行なわれている。このようなエミッタ電極下地層
７６は、ディスク状のエミッタ電極７５の周縁Ｐｅに電
界が集中しやすくなるように、エミッタ電極７５の径よ
りも小さい径とすることが好ましいとされ、そのために
エミッタ電極下地層７６は通常エミッタ電極７５よりも
エッチングされやすい材料から形成されている。

【０００８】しかしながら、図７（ｂ）に示すようなデ
ィスク型エミッタ電極を有する電子放出素子の場合、電
界の集中する輪線状の周縁Ｐｅは、それがゲート電極７
３の主面に平行なエミッタ電極表面７５ａと、基板７１
の垂直方向に平行なエミッタ電極周面７５ｂとから形成
されているために、図７（ｃ）に示すように、Ｐｅの向
きｘは、基板７１の垂直方向及びゲート電極７３の主面
方向に対し、それぞれ４５°傾いている。そのために次
に説明するような問題がある。

【０００９】即ち、エミッタ電極から放射された電子を
電子放出素子として利用できるようにするためにはゲー
ト電極に捕捉されないようにする必要がある。そのため
は、輪線状の周縁Ｐｅの向きｘを基板の垂直方向に近づ
けることが望まれる。しかしながら、図７（ｂ）に示す
ような素子の場合、エミッタ電極７５から電子がゲート
電極７３の主面方向に対し４５°の向きで放射されるた
めに、ゲート電極７３に捕捉される電子の割合が多くな
り、相対的に素子内部から外部へ放射される電子の割合
（分配率）が低くなるので、電子発生源としての機能が
不十分であるという問題がある。

【００１０】この問題を解決すべく、ディスク型エミッ
タ電極の輪線状周縁Ｐｅの向きを基板の垂直方向へ近づ
ける技術として、特開平４−８７１３５号公報あるいは
特開平４−２０６１２３号公報に開示されたものがあ
る。

【００１１】特開平４−８７１３５号公報によれば、ま
ず、図８（ａ）に示すように、導電層７１上に、周縁部
がオーバーハング状態となるようにディスク状エミッタ
電極７５を形成し、その周囲に絶縁層７２及びゲート電
極７３を１００℃以上の雰囲気温度下で形成する。次い
で、雰囲気温度を常温に戻す。すると、導電層７１とエ
ミッタ電極７５との間の熱膨脹率の相違により、エミッ
タ電極７５の周縁部７５ｃが自然にめくれあがる（図８
（ｂ））。この現象を利用することにより、図８（ｃ）
に示すように、エミッタ電極７５の輪線状の周縁Ｐｅの
向きｘを導電層７１の垂直方向に近づけることができ
る。

【００１２】また、特開平４−２０６１２３号公報によ
れば、まず、図９（ａ）に示すように、絶縁性基板７７
上に部分的に導電層７１を形成し、さらにその周囲にテ
ーパーをつけて絶縁層７２を形成し、更に、全面にゲー
ト電極及びエミッタ電極用の金属材料薄膜層７８を積層
する。次に、金属材料薄膜層７８のゲート電極とエミッ
タ電極とに相当する部分に選択的にレジスト層７９を形
成し、そのレジスト層をマスクとして金属材料薄膜層７
８をエッチングし、更に絶縁層７２をオーバーエッチン
グする（図９（ｂ））。これにより、周縁部７５ｃがゲ
ート電極７３の方向へせりあがったエミッタ電極７５が
形成される。よって、図９（ｃ）に示すように、エミッ
タ電極７５の輪線状の周縁Ｐｅの向きｘを基板７７の垂
直方向に近づけることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８の
場合、エミッタ電極７５の周縁部７５ｃのめくれあがり
は、導電層７１とエミッタ電極７５との間の熱膨脹率の
相違に依存しているために、めくれあがりの程度の再現
性が極めて乏しく、電界集中部分の幾何的な位置精度を
向上させることができないという問題があった。従っ
て、特開平４−８７１３５号公報に記載の技術を、一定
の特性のエミッタ電極を有する電子放出素子を多数個集
積形成する場合に適用することは実際上不可能であっ
た。

【００１４】また、図９の電子放出素子の構造では、エ
ミッタ電極７５を位置的に確定的に形成し、それに対し
てゲート電極７３を自己整合的に形成することができな
いという問題があった。即ち、図９の電子放出素子のゲ
ート電極７３とエミッタ電極７５とは、金属材料薄膜層
７８にレジスト層７９を選択的に形成し、そのレジスト
層をエッチングマスクとして使用して金属材料薄膜層７
８をエッチングすることにより同時に形成されるため
に、ゲート電極７３とエミッタ電極７５との相対的位置
精度には、レジスト層パターニング精度（マスク精度、
露光精度、レジスト層の除去精度等）やエッチング精度
などの累積の精度誤差が含まれるという問題があった。
このため、ゲート電極７３とエミッタ電極７５との間の
ギャップ（間隙）が一定せず、しかもそのギャップ長
（間隙幅）がフォトリソグラフ法のデザインルールに依
存せざるを得ず、ギャップ長をデザインルールよりも小
さくして素子の機能を向上させることが困難であるとい
う問題があった。

【００１５】従って、図８や図９の電子放出素子は、Ｆ
ＥＡに使用するような超微細な電子放出素子としては不
向きであった。

【００１６】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決しようとするものであり、エミッタ電極の輪線状
の周縁の向きが基板の垂直方向により近づくようにエミ
ッタ電極がゲート電極に対して高い位置精度で再現性よ
く傾斜して形成されており、しかもフォトリソグラフ法
のデザインルールに制限されることなく極めて小さい間
隙幅（ギャップ長）を有し、且つゲート電極をエミッタ
電極に対して自己整合的に配設できる構造を有する電子
放出素子を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、（１）基板
に逆円錐体や逆正四角錐体などの逆錐体形状の凹部を形
成し、その凹部に沿ってエミッタ電極を形成することに
より、ゲート電極に対して高い位置精度で再現性よく傾
斜したエミッタ電極が形成できること、（２）そのエミ
ッタ電極をマスクとして基板を等方的にエッチングする
ことによりエッチングの周縁部を凹部から突き出させる
ことができ、その上に絶縁層とゲート電極とを蒸着法な
どにより順次積層し、エミッタ電極上に積層した両層を
リフトオフすると、ゲート電極をエミッタ電極と接触さ
せずに極めて小さい均一なギャップ長でその周囲に積層
できること、（３）この場合、全体が傾斜したエミッタ
電極上に積層された絶縁層は、平坦な基板上に積層され
た絶縁層に比べてリフトオフしやすいこと、及び（４）
これらを組み合わせることにより上述の目的が達成でき
ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

【００１８】即ち、本発明は、基板、絶縁層及びゲート
電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該基
板に達する開孔部が設けられ、その開孔部内の基板上に
エミッタ電極が、該ゲート電極に接触しないように形成
されてなる電界放射型の電子放出素子において、基板に
逆錐体形状の凹部が形成され、その凹部の斜面に沿って
エミッタ電極が形成されており、且つエミッタ電極の周
縁部が基板の凹部の上縁部から突き出ていることを特徴
とする電子放出素子を提供する。

【００１９】また、本発明は、上述の電子放出素子の製
造方法であって、 （ａ）基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
形成し、そのレジスト層をパターニングする工程； （ｂ）パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程； （ｃ）レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
る工程； （ｄ）基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
れるように、基板の凹部側にエミッタ電極用材料の薄膜
層を形成する工程； （ｅ）絶縁層を、その上に形成されたエミッタ電極用材
料の薄膜層とともにリフトオフしてエミッタ電極を形成
する工程； （ｆ）エミッタ電極はエッチングしないが、露出した基
板をエッチングできるエッチャントを使用して、エミッ
タ電極の周縁部が基板の凹部の上縁部から突き出るよう
に基板をエッチングする工程； （ｇ）基板の凹部側に新たに絶縁層を積層し、更に、ゲ
ート電極用材料薄膜を積層する工程；及び （ｈ）エミッタ電極上の新たに形成された絶縁層を、そ
の上のゲート電極用材料薄膜層ともにリフトオフして、
エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート電極
を形成する工程を含んでなることを特徴とする製造方法
を提供する。

【００２０】以下、本発明を図面に従って詳細に説明す
る。

【００２１】まず、本発明の電子放出素子の断面図を図
１（ａ）に示す。同図に示されるように、本発明の電子
放出素子においては、基板１、絶縁層２及びゲート電極
３が順次積層され、ゲート電極３と絶縁層２とには基板
１に達する開孔部Ａが設けられ、その開孔部Ａ内の基板
１に逆錐体形状の凹部１ａが形成され、そしてその凹部
１ａの斜面に沿ってエミッタ電極４がゲート電極３に接
触しないように形成され、しかもエミッタ電極４の周縁
部４ａが基板１の凹部１ａの上縁部１ｂから突き出るよ
うに積層されている。

【００２２】本発明において基板１は、電子放出素子の
支持体として機能している。このような基板１として
は、逆円錐や逆正四角錐といった逆錐体形状の凹部１ａ
を形成することができる限り特に制限はないが、中で
も、（１００）面方位の主面の単結晶シリコン基板を使
用することが特に好ましい。この理由は、このような単
結晶シリコン基板は水酸化アルカリ金属水溶液で異方性
エッチングでき、その結果、（１１１）面方位の斜面か
らなる逆正四角錐形状の凹部を形成することができるた
めである。この場合の凹部１ａの中心角を２θとすると
角度θは約３５°とすることができる。一方、エミッタ
電極４の周側面４ｂは基板１の垂直方向となっているた
め、エミッタ電極４の周縁Ｐｅの向きｘは基板１の垂直
方向から１７．５°（＝３５°／２）傾斜した向きとな
る。よって、エミッタ電極４の周縁Ｐｅから放射された
電子が、ゲート電極３に捕捉される割合を低減させるこ
とができる。

【００２３】絶縁層２は、基板１とゲート電極３とを電
気的に絶縁するための層であり、ゲート電極３とエミッ
タ電極４との間隙の幅（ギャップ幅）を規定する層でも
ある。絶縁層２がそのギャップ幅を規定する理由は、エ
ミッタ電極４とゲート電極３との間隙の幅が、後述する
ように絶縁層２とゲート電極３とを形成するための材料
を蒸着法により堆積する際に、基板と平行な方向への堆
積膜の広がりにより決定されるからである。

【００２４】このような絶縁層２としては、電子放出素
子の絶縁層として用いられている公知の材料から形成す
ることができるが、特に、緩衝フッ酸により容易にリフ
トオフすることができるという点からシリコン酸化膜が
好ましい。また、絶縁層２の厚みとしては、エミッタ電
極４とゲート電極３との好ましい相対的位置関係を実現
する厚みとすればよく、例えば、０．２〜２μｍ、好ま
しくは０．５〜１μｍとする。

【００２５】ゲート電極３は、エミッタ電極４に強電界
を集中させるための電極である。ゲート電極３の材料と
しては、金属、その窒化物又は炭化物、半導体、半導体
の金属化合物、例えば、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ｗ、
Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉなど
の単体、それらのケイ素化合物、窒化物あるいは炭化物
等の中から適宜選択することができるが、耐電流性の点
から高融点金属、特に、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂを
好ましく例示することができる。中でも、Ｎｂを使用す
ることが好ましい。

【００２６】ゲート電極３の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、約０．１〜０．２μｍとする
ことが好ましい。

【００２７】エミッタ電極４は、その表面から電子を直
接的に放出する部材として機能している。このようなエ
ミッタ電極４の材料としては、仕事関数が小さく電子放
出特性が良好で、強電圧耐性があり、高い融点を有する
ものを使用する。このような材料としては、基本的にゲ
ート電極３として使用できる材料群の中から適宜選択す
ることができるが、後述するようにエミッタ電極の形成
時のリフトオフ条件に対する耐性や耐電流性の点からＣ
ｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂを好ましく例示することがで
きる。中でもＣｒを使用することが好ましい。

【００２８】エミッタ電極４の厚みは、必要に応じて適
宜決定することができるが、通常０．０５〜０．５μｍ
とすることが好ましい。

【００２９】本発明においては、エミッタ電極の周縁部
４ａが、基板１の凹部１ａの上縁部１ｂから突き出るよ
うに形成され、これにより、周縁部４ａに電界をより集
中させ、より低電圧で電子放出を行うことができるよう
になる。この形成方法については、後述の本発明の製造
方法の説明において詳説する。

【００３０】なお、本発明の電子放出素子においては、
エミッションを開始させるゲート電圧（引き出し電圧）
を引き下げるために、図１（ｂ）に示すように、エミッ
タ電極４の少なくとも上面に、通常２〜１００ｎｍ厚、
好ましくは５〜５０ｎｍの導電性のエミッタ被膜１０を
形成することが好ましい。このようなエミッタ被膜の材
料としては耐電流性を有するものを使用することができ
る。例えば、ゲート電極材料として挙げた金属、その窒
化物、炭化物などを使用することができる。中でも、Ｃ
ｒやＭｏなどの高融点金属を使用することができる。こ
の場合、エミッタ電極材料とエミッタ被膜材料とは同じ
でもよい。

【００３１】また、エミッタ電極４の断面形状は、図１
に示した通りであるが、平面図へ投影した形状が点対称
形状、例えば円形、正方形などとすることが、安定した
電子放出特性を得る上で好ましい。

【００３２】特に、エミッタ電極の平面投影形状を円形
とすると、エミッタ電極４の周縁Ｐｅに過度に尖鋭なエ
ッジ部が形成されることを防止し、素子の動作安定性を
向上させることができるので好ましい。このようなエミ
ッタ電極としては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形
成されたエミッタ電極であって、その平面図投影形状
が、図２（ａ）に示すように円形であり且つその斜視形
状が、図２（ｂ）に示すように４つの花弁の集合体形状
となるものを挙げることができる。

【００３３】一方、本発明においては、必要に応じて、
エミッタ電極の周縁部に尖鋭なエッジ部を設けることが
できる。この場合には、そのエッジ部に効率的に電界集
中させることができるので、電子放出素子の動作電圧を
低減させることができる。このようなエミッタ電極とし
ては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形成されたエミ
ッタ電極であって、その平面図投影形状が、図２（ｃ）
に示すように正方形であり且つその斜視形状が、図２
（ｄ）に示すように星型となるものを挙げることができ
る。

【００３４】なお、エミッタ電極４の周縁部４ａの上端
（周縁Ｐｅ）のレベルに関し、電子放出素子のエミッシ
ョン特性、特にエミッションを開始させるゲート電圧を
引き下げるという観点と分配率（アノード電流／エミッ
タ電流）を向上させるという観点から、その上端レベル
をゲート電極３の上面レベルを超えないようにすること
が好ましく、なかでもゲート電極３の厚みの範囲内とす
ることがより好ましい。

【００３５】また、エミッタ電極４とゲート電極３との
間の間隙の幅に関し、電子放出素子のエミッション特
性、特にエミッションが開始させるゲート電圧を引き下
げるという観点から、間隙の最短幅を０．５μｍ以下と
することが好ましい。この場合、エミッタ電極４が円形
ディスク形状を有する場合には、エミッタ電極４の周縁
部４ａの上端（周縁Ｐｅ）とゲート電極３との間の間隙
の幅は周縁部のどの部分でも実質的に同一であり、した
がって最短幅と最大幅は同じとなるが、尖鋭なエッジ部
を有する場合には、そのエッジ部とゲート電極３との間
の間隙が最短幅となる。

【００３６】次に、本発明の電子放出素子の製造方法
を、基板として主面が（１００）面方位の単結晶シリコ
ン基板を使用し、その基板に逆正四角錐形状の凹部を形
成し、更に、エミッタ電極を平面図投影形状が円形とな
るように形成する場合を例にとり、図３及び図４に従っ
て詳細に説明する。

【００３７】工程（ａ） まず、図３（ａ）に示すように、基板１上に絶縁層５を
形成し、その上にレジストを塗布し、パターニングする
ことによりレジスト層６を形成する。この場合には絶縁
層５としては熱酸化法により形成されるシリコン酸化膜
を好ましく使用することができる。

【００３８】レジスト層６の材料やそのパターニング方
法としては、公知のレジスト材料やパターニング方法を
適用することができ、例えば図３（ａ）の平面図に示す
ように円形の開孔部Ａを有するレジスト層６は、通常の
フォトリソグラフ法により形成することができる。

【００３９】工程（ｂ） 次にパターニングされたレジスト層６をマスクとして絶
縁層５を、基板１が円形に露出するまでエッチングする
（図３（ｂ））。この場合、絶縁層５としてシリコン酸
化膜を使用する場合には、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）をエッ
チャントとして好ましく使用することができる。

【００４０】工程（ｃ） 次に、レジスト層６を除去し、更に、絶縁層５をマスク
として基板１をエッチングし凹部１ａを基板１に形成す
る（図３（ｃ））。この場合、基板１として主面が（１
００）面方位の単結晶シリコン基板を使用した場合に
は、エッチャントとしてＫＯＨやＮａＯＨなどの水酸化
アルカリ金属水溶液を使用することにより、絶縁層５
（エッチングマスク）の平面形状に因らず（１１１）面
でエッチングを停止させることができ、その結果、図３
（ｃ）に示すように、逆四角錐（逆ピラミッド）形状の
凹部１ａを形成することができる。この凹部１ａの内側
面の傾き２θは、エッチャントとして水酸化アルカリ金
属水溶液を使用した場合、常に約７０°となり、従って
凹部１ａは常に一定の形状となり、よって、その凹部１
ａの斜面に形成されるエミッタ電極も、再現性よく一定
の傾斜となる。

【００４１】工程（ｄ） 次に、基板１の凹部１ａ側の全面にエミッタ電極用材料
を真空蒸着法やスパッタ法などの通常の蒸着方法により
積層してエミッタ電極４を形成する（図３（ｄ））。こ
のとき、凹部１ａ周辺の絶縁層５上にもエミッタ電極用
材料薄膜層７が形成されるが、このエミッタ電極用材料
層７あるいはエミッタ電極層４の厚みは、基板１の凹部
１ａの内側面上に形成されるエミッタ電極４との間が連
続せずに段切れの状態となる厚み、例えば０．２μｍ程
度の厚みとする。このように段切れの状態とする理由
は、次工程において絶縁層５を容易にリフトオフできる
ようにするためである。

【００４２】工程（ｅ） 次に絶縁層５を、その上に形成されたエミッタ電極用材
料薄膜層７とともにリフトオフし、基板１の凹部１ａの
斜面に沿ったエミッタ電極４を残存させる（図４
（ｅ））。絶縁層５がシリコン酸化膜である場合には、
緩衝フッ酸により容易にリフトオフすることができる。

【００４３】工程（ｆ） 次にエミッタ電極４はエッチングしないが、露出した基
板１をエッチングできるエッチャントを使用して基板１
を異方性エッチングする（図４（ｆ））。このとき、エ
ミッタ電極４の周縁部４ａの下方に位置する基板１がサ
イドエッチングされるようにする。すると、基板１の凹
部１ａの上縁部１ｂから、エミッタ電極４の周縁部４ａ
が突き出た構造となる。この場合のエッチング方法とし
ては、基板１としてシリコン基板を使用し、エミッタ電
極４としてＣｒを用いた場合には、ＳＦ₆ガスをエッチ
ャントとする反応性イオンエッチングを好ましく行うこ
とができる。

【００４４】なお、電子放出素子のエミッション特性を
向上させるために、エミッタ電極４の周縁部４ａの上端
（周縁Ｐｅ）のレベルを、ゲート電極３の上面レベルを
超えないようにしたり、あるいはゲート電極の厚みの範
囲内とすることが望まれるが、この場合には基板１のエ
ッチング深さをコントロールすればよい。

【００４５】工程（ｇ） 次に、基板１の凹部１ａ側に新たに絶縁層８を積層し、
更に、ゲート電極用材料薄膜９を常法により積層してゲ
ート電極３を形成する。これにより、エミッタ電極４と
微小な間隙を保持しながら、その周囲に絶縁層２とゲー
ト電極３とを自己整合的に積層することができる（図４
（ｇ））。従って、マスクパターン形成技術やフォトリ
ソグラフ技術の累積誤差の影響を受けることがなく、エ
ミッタ電極４とゲート電極３との間の相対位置を高精度
で制御できることになり、とくに多数個の素子を一度に
集積形成した場合にも各素子おけるエミッタ電極４とゲ
ート電極３との間の位置精度をほぼ同様とすることがで
きる。

【００４６】なお、電子放出素子のエミッション特性を
向上させるために、エミッタ電極４とゲート電極３との
間の間隙の最短幅を０．５μｍ以下とすることが望まれ
るが、この場合には絶縁層８の層厚を変えることにより
コントロールすることができる。

【００４７】工程（ｈ） 最後に、エミッタ電極４上の絶縁層８を、その上のゲー
ト電極用材料薄膜９とともにリフトオフして、エミッタ
電極３に接触せずにそれを囲むようにゲート電極３を形
成する。これにより図４（ｈ）に示す電子放出素子が得
られる。

【００４８】なお、この工程のリフトオフ方法として
は、例えば、基材１としてシリコン基板を使用し、絶縁
層２としてシリコン酸化膜を使用した場合には、緩衝フ
ッ酸で軽くエッチングすることにより、Ｃｒなどの耐緩
衝フッ酸性のエミッタ電極４上の絶縁層８をその上のゲ
ート電極用材料薄膜９とともにリフトオフする方法を挙
げることができる。これは、斜面に蒸着されたシリコン
酸化膜が、平面に蒸着されたシリコン酸化膜よりもエッ
チングされやすい性質を利用したものである。

【００４９】工程（ｉ） このようにして得られた電子放出素子は、必要応じ更
に、ゲート電極エミッタ電極上に導電性エミッタ被膜を
形成する。これにより、エミッション開始電圧が低下し
た電子放出素子が得られる（図１（ｂ））。

【００５０】その後は、必要に応じ、工程（ｈ）後、も
しくは工程（ｉ）の後で、ゲート電極３をエミッタ電極
４を取り囲む実効ゲート部分と、当該実効ゲート部分に
対し外部電源からの電気的接続を取るための配線部分と
にパターニングすればよい。

【００５１】なお、図３及び図４は、レジスト層６の形
状を円形開孔パターンとして、絶縁層５をエッチング
し、その絶縁層５を蒸着マスクとして使用することによ
り、図２（ｂ）に示すような花弁状のエミッタ電極４を
形成した例であるが、図６に示すように、当該レジスト
層６の開孔パターンＡをシリコン基板の（０１１）面方
向に平行な辺を持つ正方形とすれば、図２（ｄ）に示す
ような星型状のエミッタ電極４を形成することができ
る。このように、レジスト層６の開孔パターンに応じ
て、エミッタ電極４の周縁部に電界集中点となるエッジ
を多数個作製することが可能となる。

【００５２】

【作用】本発明の電子放出素子においては、基板の逆錐
体形状の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が配設され、
しかもエミッタ電極がその下地の基板よりも上部斜方に
突き出した形状となっている。そして、そのような形状
のエミッタ電極は僅かな間隙を持ってゲート電極により
囲まれている。従って、ゲート電極に対してエミッタ電
極が傾斜した構造となっており、エミッタ電極の周縁Ｐ
ｅの方向ｘが基板の垂直方向に近づいたものとなる。こ
のため、ゲート電極電圧によってエミッタ電極から放出
される電子が、ゲート電極にトラップされる確率を非常
に小さくし、素子外部へ放出される電子の分配率を大幅
に向上させることが可能となる。

【００５３】特に、本発明において、基板として、主面
が（１００）面方位の単結晶シリコン基板を使用した場
合には、絶縁層としてシリコン酸化膜を容易に形成する
ことができ、このシリコン酸化膜をエッチングマスクと
した水酸化アルカリ金属水溶液による異方性エッチング
により、そのエッチングマスクの形状に関わらず、マス
クの開孔パターン形状が外接する矩形（長方形または正
方形）を底辺とする逆四角錘の凹部が得られるので好ま
しい。

【００５４】なお、このとき、エミッタ電極はこのシリ
コン酸化膜からなるエッチングマスクを蒸着マスクとし
て使用して形成されるため、エッチングマスクの形状に
応じて、種々の形状にエミッタ電極が形成可能となる。

【００５５】

【実施例】本発明の電子放出素子の製造例を以下の実施
例で具体的に説明する。

【００５６】なお、実施例２〜３は、エミッタ電極上に
形成した導電性エミッタ被膜の影響を調べるための実施
例であり、実施例４〜５は、図５に示すように、ゲート
電極３の上面レベルに対するエミッタ電極高さｈ_aの電
子放出素子に及ぼず影響を調べるための実施例であり、
実施例６〜７は、エミッタ電極４とゲート電極３との間
の間隙幅Ｌの電子放出素子に及ぼず影響を調べるための
実施例である。

【００５７】実施例１ 図３（ａ）に示すように、導電性を有する面方位（１０
０）のシリコン基板を用意し、このシリコン基板の上
に、熱酸化法により約０．３μｍ厚シリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂膜）を形成した。その上に直径７μｍの円形開孔
パターンを有するレジスト層（ＯＦＰＲ８６００、東京
応化工業株式会社）をフォトリソグラフ法により形成し
た。

【００５８】このパターン化したレジスト層をマスクと
して、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウム／フッ酸＝９／
１）によりシリコン酸化膜を、図３（ｂ）に示すように
シリコン基板が露出するまでエッチングした。

【００５９】その後、レジスト層を除去し、３０％水酸
化カリウム（ＫＯＨ）水溶液によりシリコン基板を異方
性エッチングした。これにより、図３（ｃ）に示すよう
に、逆ピラミッド型の凹部を形成した。

【００６０】次に、図３（ｄ）に示すように、基板の凹
部周辺のシリコン酸化膜を残した状態で、エミッタ電極
用材料のＣｒを約０．２μｍの厚さに蒸着した。このと
き、凹部の内側面上に形成されたＣｒ薄膜（エミッタ電
極）と、基板の凹部周辺のシリコン酸化膜上に形成され
たＣｒ薄膜とは段切れし、両者は不連続であった。

【００６１】その後、図４（ｅ）に示すように、基板の
凹部周辺のシリコン酸化膜を、その上に形成されたＣｒ
薄膜とともに緩衝フッ酸によってリフトオフした。

【００６２】更に、図４（ｆ）に示すように、反応性イ
オンエッチング（導入ガス：ＳＦ₆４０ｓｃｃｍ／パワ
ー１００Ｗ／ガス圧４．５Ｐａ）により、基板を約１．
３μｍ程度エッチング除去した。このとき、エミッタ電
極はエッチングされなかったが、エミッタ電極の下のシ
リコン基板はわずかにサイドエッチされ、その結果、エ
ミッタ電極は基板の凹部の上縁部から少し突き出た状態
となった。

【００６３】その後、図４（ｇ）に示すように、絶縁層
として約０．７μｍ厚のシリコン酸化膜（ＳｉＯもしく
はＳｉＯ₂）を蒸着し、更に、その上にゲート電極用材
料のＮｂを約０．３μｍ厚で蒸着した。これにより、エ
ミッタ電極の周囲に位置する絶縁層とＮｂ薄膜（ゲート
電極）とは、エミッタ電極に接触することなくわずかな
間隙をもってエミッタ電極の周囲に形成することができ
た。よって、ゲート電極は、当該ゲート電極に対向する
側面を持つエミッタ電極に対し、自己整合的に形成でき
たことになる。

【００６４】次に、エミッタ電極上に付着した絶縁層を
その上のＮｂ薄膜とともに緩衝フッ酸によりリフトオフ
した。この結果、図４（ｈ）に示される電子放出素子を
得た。

【００６５】上述の電子放出素子を２００個集積したア
レイを試作し以下のように試験・評価した。即ち、各素
子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離を約０．３μｍ
とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布した透明電極
（アノード）を有するガラス板部材を距離３０ｍｍで対
向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側が
正となる極性で引き出し電圧１２０Ｖを印加したとこ
ろ、供給エミッタ電流２０μＡに対し、約１０μＡのア
ノード電流が流れ、分配率は約５０％であった。これら
の値は、図７（ｂ）に示した従来の電子放出素子の代表
的な値に比べて、各電流値及び分配率共に１０倍以上の
優れた値であった。

【００６６】実施例２〜３ 実施例１を繰り返すことにより図４（ｈ）に示す素子を
作製した。更に、この素子のエミッタ電極上に、５ｎｍ
厚の導電性エミッタ被膜としてＭｏ（実施例２）又はＣ
ｒ（実施例３）の薄膜を蒸着法により形成した。これに
より図１（ｂ）に示すような電子放出素子が得られた。

【００６７】上述の電子放出素子を２００個集積したア
レイを試作し以下のようにエミッション特性を評価し
た。即ち、各素子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離
を約０．３μｍとした構造の素子に対し、蛍光体を塗布
した透明電極（アノード）を有するガラス板部材を距離
３０ｍｍで対向させ、エミッタ電極を１１０ｋΩの抵抗
を介して接地し、アノードに５００Ｖを印加した状態
で、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側が正と
なる極性で引き出し電圧を可変して印加し、それにとも
なうエミッション電流、アノード電流を測定し、分配率
（アノード電流／エミッション電流）を算出した。代表
的な素子構造における結果を表１にまとめて示す。

【００６８】なお、表１に、実施例１の電子放出素子に
ついて得られたデータを参照のために併記する。

【００６９】

【表１】 表１から、導電性エミッタ被膜を形成すると、大幅に低
いゲート電圧（引き出し電圧）でエミッションが可能で
あり、しかも高い分配率を達成できることがわかる。

【００７０】実施例４〜５ 面方位（１００）のシリコン基板を、実施例１と同様の
操作により、図３（ａ）〜図４（ｅ）に示す流れに従っ
て加工した。

【００７１】更に、図４（ｆ）に示すように、反応性イ
オンエッチング（導入ガス：ＳＦ₆４０ｓｃｃｍ／パワ
ー１００Ｗ／ガス圧４．５Ｐａ）により、シリコン基板
を表２に示す深さ、即ち０．８μｍ〜１．７μｍの範囲
の深さでエッチング除去した。このエッチングにより、
エッチングされたシリコン基板表面とエミッタ電極４の
エッジ先端Ｐｅとの距離ｈ_e（図５参照）は、表２に示
すように０．５μｍ〜１．４μｍの範囲であった。この
とき、エミッタ電極はエッチングされなかったが、エミ
ッタ電極の下のシリコン基板はわずかにサイドエッチさ
れ、その結果、エミッタ電極は基板の凹部の上縁部から
少し突き出た状態となった。

【００７２】その後、図４（ｇ）に示すように、絶縁層
として０．７μｍ厚のシリコン酸化膜（ＳｉＯもしくは
ＳｉＯ₂）を蒸着し、更に、その上にゲート電極用材料
のＮｂを０．３μｍ厚で蒸着した。これにより、エミッ
タ電極の周囲に位置する絶縁層とＮｂ薄膜（ゲート電
極）とは、エミッタ電極に接触することなく、エミッタ
電極に対してわずかな間隙をもって形成することができ
た。よって、ゲート電極は、当該ゲート電極に対向する
側面を持つエミッタ電極に対し、自己整合的に形成でき
たことになる。

【００７３】次に、エミッタ電極上に付着した絶縁層を
その上のＮｂ薄膜とともに緩衝フッ酸によりリフトオフ
した。この結果、表２に示すように、エミッタ電極高さ
ｈ_a（図５参照）が異なる実施例４〜５の電子放出素子
を得た。

【００７４】上述の電子放出素子を２００個集積したア
レイを試作し、実施例２〜３と同様にエミッション特性
を評価した。その結果を表２に示す。

【００７５】なお、実施例１の電子放出素子について得
られた結果も参照のために表２に併記する。

【００７６】

【表２】 エッチンク゛ 距離 エミッタ電極 エミッション 深さ ｈ_e 高さｈ_a 開始電圧 分配率 （μｍ）（μｍ） （μｍ） （Ｖ） （％） 実施例４ ０．８ ０．５ ＋０．４ ９５ ５０ 実施例１ １．３ １．０ −０．０１ ６２ ＞９０実施例５ １．７ １．４ −０．５ ７０ ８７ 表２の結果から、基板のエッチング深さを変えることに
よりエミッタ電極高さｈ_aをコントロールできることが
わかる。

【００７７】また、エミッタ電極高さｈ_aが約０の場合
（即ち、エミッタ電極４の上端Ｐｅのレベルがゲート電
極３の上面にほぼ一致している場合）には、特に、低い
ゲート電圧（引き出し電圧）でエミッションが得られ、
しかも高い分配率が達成できることがわかる。また、エ
ミッタ電極４の上端Ｐｅのレベルがゲート電極３の上面
を超える場合には、エミッションを開始させるゲート電
圧が上昇し、分配率も低下する傾向があることがわか
る。

【００７８】なお、実施例４〜５の電子放出素子は、い
ずれもゲート電圧１００Ｖ以上で５０μＡ程度のエミッ
ション電流が得られることが確認できた。

【００７９】実施例６〜７ 面方位（１００）のシリコン基板を、実施例１と同様の
操作により、図３（ａ）〜図４（ｅ）に示す流れに従っ
て加工した。

【００８０】更に、図４（ｆ）に示すように、反応性イ
オンエッチング（導入ガス：ＳＦ₆４０ｓｃｃｍ／パワ
ー１００Ｗ／ガス圧４．５Ｐａ）により、シリコン基板
を１．３μｍの深さでエッチング除去した。このエッチ
ングにより、、エッチングされたシリコン基板表面とエ
ミッタ電極のエッジ先端との距離ｈ_e（図５参照）は１
μｍであった。このとき、エミッタ電極はエッチングさ
れなかった。一方、エミッタ電極の下のシリコン基板は
わずかにサイドエッチされ、その結果、エミッタ電極は
基板の凹部の上縁部から少し突き出た状態となった。

【００８１】その後、図４（ｇ）に示すように、絶縁層
として表３に示すような厚み、即ち０．７〜１．１μｍ
厚のシリコン酸化膜（ＳｉＯもしくはＳｉＯ₂）を蒸着
し、更に、その上にゲート電極用材料のＮｂを０．３μ
ｍ厚で蒸着した。このとき、エミッタ電極とゲート電極
との間の間隙幅Ｌは、表３に示すように０．３〜０．５
μｍの範囲であった。これにより、エミッタ電極の周囲
に位置する絶縁層とＮｂ薄膜（ゲート電極）とは、エミ
ッタ電極に接触することなく、エミッタ電極に対してわ
ずかな間隙をもって形成することができた。よって、ゲ
ート電極は、当該ゲート電極に対向する側面を持つエミ
ッタ電極に対し、自己整合的に形成できたことになる。

【００８２】次に、エミッタ電極上に付着した絶縁層を
その上のＮｂ薄膜とともに緩衝フッ酸によりリフトオフ
した。この結果、表３に示すように、エミッタ電極とゲ
ート電極との間の間隙幅Ｌが異なる実施例６〜７の電子
放出素子を得た。

【００８３】上述の電子放出素子、即ち各素子のエミッ
タ電極高さｈ_aをゲート電極の上面とほぼ一致させた構
造の素子を２００個集積したアレイを試作し、実施例２
〜３と同様にエミッション特性を評価した。その結果を
表３にまとめて示す。

【００８４】なお、実施例１の電子放出素子について得
られたデータも参照のために表３に併記する。

【００８５】

【表３】 表３から、シリコン酸化膜の厚みを変えることによりエ
ミッタ電極とゲート電極との間隙幅Ｌをコントロールで
きることがわかる。

【００８６】また、エミッタ電極とゲート電極との間隙
幅Ｌが短いほど低いゲート電圧（引き出し電圧）でエミ
ッションが達成できることがわかる。なお、実施例１、
６及び７の結果からは、エミッタ電極とゲート電極との
間隙幅Ｌは分配率に大きく影響を及ぼすことはないこと
がわかる。

【００８７】なお、実施例６〜７の電子放出素子は、い
ずれもゲート電圧１００Ｖ以上で５０μＡ程度のエミッ
ション電流が得られることが確認できた。

【００８８】

【発明の効果】本発明の電子放出素子によれば、エミッ
タ電極の周縁の向きが基板の垂直方向に近づくように、
そのエミッタ電極がゲート電極に対して傾斜しており、
しかもその位置精度及び再現性が高い。また、フォトリ
ソグラフ法のデザインルールに制限されることなく極め
て小さいギャップ長でゲート電極がエミッタ電極に対し
て自己整合的に配設されたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の概略断面図（同図
（ａ）及び（ｂ））である。

【図２】エミッタ電極の平面図（同図（ａ）及び
（ｃ））と斜視図（同図（ｂ）及び（ｄ））である。

【図３】本発明の電子放出素子の製造工程図である。

【図４】本発明の電子放出素子の製造工程図である。

【図５】電子放出素子のゲート電極とエミッタ電極との
相対的位置関係を示す部分拡大図である。

【図６】レジスト層の開孔パターンの説明図である。

【図７】従来の電子放出素子の概略断面図である。

【図８】従来の電子放出素子の製造説明図である。

【図９】従来の電子放出素子の製造説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁層 ３ ゲート電極 ４ エミッタ電極 ５ 絶縁層 ６ レジスト層 １０ 導電性エミッタ被膜 ｈ_a ゲート電極上面に対するエミッタ電極高さ ｈ_e シリコン基板とエミッタ電極のエッジ先端との距
離 Ｌ エミッタ電極とゲート電極との間の間隙幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金丸 正剛 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 伊藤 順司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板、絶縁層及びゲート電極が順次積層
   され、該ゲート電極と絶縁層とには該基板に達する開孔
   部が設けられ、その開孔部内の基板上にエミッタ電極が
   該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電界放
   射型の電子放出素子において、基板に逆錐体形状の凹部
   が形成され、その凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形
   成されており、且つエミッタ電極の周縁部が基板の凹部
   の上縁部から突き出ていることを特徴とする電子放出素
   子。
2. 【請求項２】 該エミッタ電極の周縁部の上端のレベル
   が、ゲート電極の上面レベルを超えない請求項１記載の
   電子放出素子。
3. 【請求項３】 該エミッタ電極の周縁部の上端のレベル
   が、ゲート電極の厚みの範囲内である請求項２記載の電
   子放出素子。
4. 【請求項４】 エミッタ電極の平面図に投影した形状が
   円である請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素
   子。
5. 【請求項５】 エミッタ電極の平面図に形成した形状が
   周縁部に尖ったエッジ部を有する請求項１〜３のいずれ
   かに記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 該基板が（１００）面方位の主面を有す
   る単結晶シリコン基板であり、その基板に形成された凹
   部が（１１１）面方位の斜面を有する逆正四角錐形状の
   凹部である請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素
   子。
7. 【請求項７】 エミッタ電極及びゲート電極が、独立的
   にＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ又はＮｂから形成されている請
   求項１〜６のいずれかに記載の電子放出素子。
8. 【請求項８】 エミッタ電極がＣｒ薄膜層であり、ゲー
   ト電極がＮｂ薄膜層である請求項７記載の電子放出素
   子。
9. 【請求項９】 絶縁層が、シリコン酸化膜である請求項
   １〜８のいずれかに記載の電子放出素子。
10. 【請求項１０】 該エミッタ電極と該ゲート電極との間
    の間隙の最短幅が０．５μｍ以下である請求項１〜９の
    いずれかに記載の電子放出素子。
11. 【請求項１１】 該エミッタ電極の少なくとも上面に、
    導電性エミッタ被膜が形成されている請求項１〜１０の
    いずれかに記載の電子放出素子。
12. 【請求項１２】 請求項１に記載の電子放出素子の製造
    方法において、 （ａ）基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
    形成し、そのレジスト層をパターニングする工程； （ｂ）パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
    縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程； （ｃ）レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
    基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
    る工程； （ｄ）基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
    れるように、基板の凹部側にエミッタ電極用材料の薄膜
    層を形成する工程； （ｅ）絶縁層を、その上に形成されたエミッタ電極用材
    料の薄膜層とともにリフトオフしてエミッタ電極を形成
    する工程； （ｆ）エミッタ電極はエッチングしないが、露出した基
    板をエッチングできるエッチャントを使用して、エミッ
    タ電極の周縁部が基板の凹部の上縁部から突き出るよう
    に基板をエッチングする工程； （ｇ）基板の凹部側に新たに絶縁層を積層し、更に、ゲ
    ート電極用材料薄膜を積層する工程；及び （ｈ）エミッタ電極上の新たに形成された絶縁層を、そ
    の上のゲート電極用材料薄膜層とともにリフトオフし
    て、エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート
    電極を形成する工程を含んでなることを特徴とする製造
    方法。
13. 【請求項１３】 工程（ａ）において、レジスト層に円
    形の開孔パターンをパターニングする請求項１２記載の
    製造方法。
14. 【請求項１４】 工程（ａ）において、レジスト層に尖
    ったエッジ部を有する開孔パターンをパターニングする
    請求項１２記載の製造方法。
15. 【請求項１５】 基板として、（１００）方位の主面を
    有する単結晶シリコン基板を使用する請求項１２〜１４
    のいずれかに記載の製造方法。
16. 【請求項１６】 工程（ｃ）において、基板に凹部をエ
    ッチングにより形成する際に、エッチャントとして水酸
    化アルカリ金属水溶液を使用する請求項１５記載の製造
    方法。
17. 【請求項１７】 工程（ａ）及び工程（ｇ）において、
    絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する請求項１２〜１
    ６いずれかに記載の製造方法。
18. 【請求項１８】 工程（ｅ）及び工程（ｈ）において、
    絶縁層のリフトオフに緩衝フッ酸を使用する請求項１７
    の製造方法。
19. 【請求項１９】 更に、 （ｉ） エミッタ電極上に導電性エミッタ被膜を形成す
    る工程を含む請求項１２〜１８のいずれかに記載の製造
    方法。