JPH08203422A - 電界放射型冷陰極の製造方法、およびその製造方法により作製された電界放射型冷陰極素子を用いたｃｄｔ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 適切なエミッター先端とゲート電極の位置に
することが可能な電界放射型冷陰極の製造方法を提供す
る。 【構成】 （ａ）単結晶基板表面のエミッターを形成す
る領域を所定径のマスクで被覆する。（ｂ）該被覆され
たマスク以外の部分を該マスクの径から予測される最適
な厚みまで導電性を有する層に変質させて導電性層を形
成する。（ｃ）被覆したマスクを除去し、該マスクを除
去した部分に面方位に依存したエッチングを選択的に行
ってＶ溝あるいは逆錘形のピットを形成する。（ｄ）ピ
ットが形成された面の全面に、所定の厚みの絶縁層を形
成し、該絶縁層上にエミッター材料を成膜する。（ｅ）
成膜したエミッター材料の面を絶縁体からなる別の支持
基板に接合する。（ｆ）単結晶基板および絶縁層の一部
の層を順次除去してエミッター部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面型ディスプレー、
進行波管、ＣＤＴ装置、あるいは電子顕微鏡、真空度測
定装置などの電子ビーム源として用いられている三極管
構成の電界放射型冷陰極の製造方法、およびその製造方
法により作製された電界放射型冷陰極を用いたコンピュ
ーター用ＣＲＴ装置やテレビ受像機等に具備されるＣＤ
Ｔ装置（ブラウン管）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電界放射型冷陰極の製造方法とし
ては、それぞれエミッターの製造方法が異なる以下に述
べる第１〜第４のタイプものが知られている。

【０００３】第１のタイプの電界放射型冷陰極の製造方
法は、熱酸化を用いてエミッターを形成することを特徴
とする方法で、例えば許開平４−９４０３３号公報や特
開平３−２２５７２１号公報に開示されているような以
下の方法がある。

【０００４】図４は、特開平４−９４０３３号公報に開
示されている電界放射型冷陰極の製造方法を説明するた
めの工程図で、（ａ）〜（ｇ）に各工程手順を示す。こ
の公報による製造方法は、シリコン基板１１６のエミッ
ター形成位置をマスク（マスク１０２）し（図４（ａ）
の工程）、その周囲をまずドライエッチングによって除
去することで台形状あるいは錘状のリセス構造を作成し
（図４（ｂ）の工程）、その後、熱酸化を用いることで
先鋭なＳｉのエミッター１０７を形成することを特徴と
する（図４（ｃ）の工程）。そして、エミッター形成後
は、該エミッター１０７上に絶縁物による不導体層１０
５を介してゲート電極となる導電性層１０７を形成し
（図４（ｄ）の工程）、フォトレジスト１１５を塗布し
て平坦化し（図４（ｅ）の工程）、適切な量エッチバッ
クし（図４（ｆ）の工程）、最後にエミッター先端部を
露出させて三極管構成にする工程が行われる（図４
（ｇ）の工程）。なお、不導体層１０５の形成は、シリ
コンの熱酸化膜をそのまま用いるか、または一度熱酸化
膜を剥離した後に再度絶縁膜を形成するものとする。

【０００５】他方、特開平３−２２５７２１号公報に開
示されている電界放射型冷陰極の製造方法は、上述の製
造方法とエミッターの形成（図４（ａ）〜（ｃ）の工
程）が異なる。すなわち、この公報によると、シリコン
基板のエミッター形成位置をマスクし、周囲からの熱酸
化によってマスク材下部に先鋭なコーン型のＳｉのエミ
ッターを形成することを特徴とする。エミッター形成後
は、上述の製造方法と同様、図４（ｄ）〜（ｇ）の工程
が行われる。

【０００６】第２のタイプの電界放射型冷陰極の製造方
法は、例えば特開平３−６２４８２号公報に開示されて
いるように、シリコン基板のエミッター形成位置をマス
クし、ドライエッチングによってマスク下部に直接先鋭
なＳｉのエミッターを形成することを特徴とする。すな
わち、上述の第１のタイプとは異なり、サイドエッチン
グの大きなエッチング条件が用いられることを特徴とす
る。

【０００７】また、「プロシーディングス・オブ・アイ
・イー・ディー・エム・８６」（７７６ページ、１９８
６年）に開示されているような、シリコン基板のエミッ
ター形成位置をマスクし、その下部にウェットエッチン
グによって先鋭なＳｉのエミッターを形成する方法もあ
る。なお、ゲート電極の形成方法は、上述の第１のタイ
プと同じで、エミッター上に不導体層をまず形成し、該
不導体層上にゲート電極用導電性層を形成して三極管構
成とすることが行われる。

【０００８】第３のタイプの電界放射型冷陰極のエミッ
ターの製造方法は、上述の各製造方法とはエミッターの
製造方法が基本的に異なり、例えば、米国特許第４３０
７５０７号明細書に開示されるような、単結晶基板に対
して面方位に依存したエッチングを行うことでＶ溝ある
いは逆錘形のピットを形成し、該Ｖ溝あるいはピットに
埋め込まれた材料を電界放射型冷陰極のエミッターとし
て利用することを特徴とする。この手法の利点は、上述
の第１、第２のタイプの製造方法は酸化、あるいはエッ
チングによってエミッター形状が作製されることから適
用可能な材料に制限が多いのに対して、あらかじめ作製
した溝あるいはピットにエミッター材料を埋め込むこと
でエミッター形状が作製されるため比較的広範な材料を
エミッター材料として選択し得る点である。従って、電
界放出の容易な低仕事関数の材料をエミッター材料に用
いることができる。

【０００９】また、「１９９４年春期応用物理学会講演
予稿集」（第２９ａ−ＺＮ−２号、５４２ページ）に開
示されているような、低電圧での電子放出が可能な電界
放射型冷陰極も知られている。この場合、エミッター材
料としてＳｉよりも低い仕事関数を有するＴｉＮ等の材
料を用いることができる。

【００１０】以下、上述の第３のタイプの電界放射型冷
陰極の製造方法について、具体的に説明する。

【００１１】図５は、上述の第３のタイプの電界放射型
冷陰極の製造方法を示す工程図で、（ａ）〜（ｆ）に各
工程手順を示す。

【００１２】エミッター形状を残すためにマスクパター
ン２０２を適切に配置した単結晶基板２０ｌに対して、
面方位に依存するエッチングを行うことでＶ溝あるいは
逆錘形のピットを形成する（図５（ａ）の工程）。該Ｖ
溝あるいはピットのある面の全面を一定の厚みまで不導
体化（絶縁化）した後、不導体化した前記溝あるいはピ
ットに対してエミッター材料２０６を埋め込む（図５
（ｂ）の工程）。エミッター材料２０６を形成した側を
別の支持基板２０８に接着し、元の単結晶基板２０１側
を不導体層２０５まで除去して該不導体層２０５を露出
させる（図５（ｃ）の工程）。エミッター２０７を覆う
不導体層２０５が露出した支持基板２０８表面に、ゲー
ト電極用の導電性層２０３を成膜し、平坦化材としてフ
ォトレジスト２１５を塗布（図５（ｄ）の工程）、適切
な量エッチバックすることでエミッター先端部近傍を露
出し（図５（ｅ）の工程）、エミッター２０７先端部に
当たる部分の導電性層２０３、不導体層２０５を除去し
て、三極管構成の電界放射型冷陰極素子を作製する（図
５（ｆ）の工程）。

【００１３】第４のタイプの電界放射型冷陰極の製造方
法は、上述の第３のタイプと同様に、単結晶基板に対す
る面方位に依存したエッチングを行うことで溝あるいは
逆錐形のピットを形成し、続いて該溝あるいはピットを
導電性を有する層に変質させ、その後に該溝あるいはピ
ットの表面近傍のみを不導体に変質することで、ピット
部分を表面から不導体層、導電層の構成にし、この後単
結晶基板側を上記不導体層まで溶解することを特徴とす
る。この方法では、第３のタイプの方法に見られるよう
なゲート電極層を後から形成する工程は必要ない。

【００１４】以上、電界放射型冷陰極の製造方法として
第１〜第４のタイプの製造方法について説明したが、Ｃ
ＤＴ装置としては、電界放射型冷陰極を用いるものは一
般的ではなく、図６に示されるような、漏斗状のガラス
製チューブ３１２中に電子放出源であるタングステンフ
ィラメント等の熱陰極素子３１７、該電子放出源から放
出される電子を集束する電子レンズ系３１１、該電子レ
ンズ系３１１によって集束された電子ビームが照射され
る蛍光体３１９、およびシャドーマスク３１８を封入し
た構成のガラス製ＣＤＴ装置が広く市販されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】

＜従来の各電界放射型冷陰極素の製造方法についての問
題点＞ （１）第１のタイプの電界放射型冷陰極の製造方法につ
いて コーン形状が形成される理由は、次のようなことによ
る。上述した図４の熱酸化工程において、円錐台基部の
平坦部近傍（ドライエッチングした面）や円錐台側壁面
に比べてその端面の隅の部分は同一体積のＳｉに対する
酸素の供給量が少なくなるため、その酸化速度が平坦部
近傍等における酸化速度より若干低下する。そのため、
円錐台内部では上部に行くほど酸化膜厚が厚くなり、そ
の内部には上部にいくほど先鋭化したコーン形状（酸化
されなかった部分）のＳｉが形成されることとなる。こ
のように、局所的な酸化速度の差を利用してコーン形状
が形成される方法では、酸化速度の差は酸素の微妙な供
給量の差だけのため非常に小さく、わずかな酸化時間の
差や酸化条件の違いにより、すぐに過剰酸化されてコー
ンの高さ（すなわち、エミッターの高さ）が大きく減少
してしまう。本出願人らの検討では、図４において、熱
酸化がマスクの下部に進行し、同じくマスクの反対側か
ら進行してくる酸化膜とちょうど出会った地点でその酸
化を終了することは、非常に困難であった。このよう
に、コーンの高さが熱酸化時間および酸化条件によって
大きくばらつく第１のタイプの製造方法においては、コ
ーン先端位置の最適化（コーンの形状およびゲート電極
用の導電性層との位置関係とから実験的に得られる電子
放出を効率的に行えるようコーン先端の位置を最適なも
のとする）が困難であり、また一般にコーン先端部に対
するゲート電極の位置は電界放射型冷陰極素子の電流一
電圧特性に大きな影響があることが知られていることか
ら、冷陰極素子の製造方法に適用した場合に分留まりが
向上しないという問題点がある。

【００１６】また、上記のコーン先端位置を運良く最適
位置とすることができたとしても、通常マスク径にはそ
の製造精度から±０．０５μｍ程度の製造ばらつきがあ
るため、この第１のタイプの製造方法では、電界放射型
冷陰極のある部分においては酸化が不足してエミッター
となるべきコーン先端部が先鋭に形成されないために電
子の放出ができない素子が形成されたり、またある部分
においては酸化が過剰となって急速にコーンの高さが減
少して電界放出現象に重要なコーンのアスベクト比（コ
ーン高さ／コーン下部長さ）が小さな素子が形成された
りてしまうという問題点がある。

【００１７】また、ゲート電極を形成して三極管構造と
する場合には、エミッター先端部近傍のゲート電極用の
導電性層と不導体層（上記熱酸化膜でよい）とを順次除
去する必要がある。この導電性層を除去する工程として
は半導体製造プロセスにおけるエッチバック平坦化に類
するものが用いられる。このようにゲート電極を形成し
て三極管構造とする場合に、エミッター先端部近傍のゲ
ート電極用の導電性層を除去（エッチバック）する必要
のある第１のタイプの製造方法では、そのエッチバック
において、コーン先端部の位置がエッチバック時には不
明であるため、最適な位置（コーンの形状およびゲート
電極用の導電性層との位置関係とから実験的に得られる
電子放出を効率的に行える最適な導電性層の位置）まで
導電性層を除去することは困難である。このことから、
第１のタイプの製造方法には、最適なコーン先端／ゲー
ト電極位置（コーンの形状およびゲート電極用の導電性
層との位置関係とから実験的に得られる電子放出を効率
的に行える最適なコーン先端／ゲート電極位置）を得る
ことが困難なため、三極管を量産する際の分留まりが低
下してしまうという問題点がある。なお、一旦絶縁層を
除去した場合に、再度絶縁層とゲート電極層を復旧し
て、最適なコーン先端／ゲート電極位置を設定すること
は不可能である。

【００１８】また、第１のタイプの製造方法の場合、エ
ミッターに用いることのできる材料が、酸化によって内
部にコーンを形成することのできる材料に限定されてし
まうという問題点がある。

【００１９】（２）第２のタイプの電界放射型冷陰極の
製造方法について 第２のタイプの製造方法では、エミッター先端の高さは
エッチング時間とマスク径によって決定される。エッチ
ングが不足した場合には先鋭なコーンが形成されず、オ
ーバーエッチングした場合には急速にコーン高さが減少
することから、この方法においても、上述の第１のタイ
プの方法と同じように、コーン先端位置が最適化しにく
いため、冷陰極素子の製造方法に適用した場合に分留ま
りが向上しないという問題点がある。

【００２０】さらに、上述のマスク径のばらつきを考え
ると、この方法においても、上述の第１のタイプの方法
と同じように、電界放射型冷陰極のある部分では電子の
放出ができない素子が形成されたり、コーンのアスベク
ト比（コーン高さ／コーン下部長さ）が小さな素子が形
成されたりしまうという問題点がある。

【００２１】この第２のタイプの製造方法では、エッチ
ングの面内方向に対するばらつきを考慮すると、上述の
問題点となる条件はさらにきびしいものとなる。そもそ
も、この（エッチングの面内ばらつき）は市販されてい
る装置では±５％程度以上に向上することは困難であ
る。電界放射型冷陰極の製造精度としては、コーン先端
部で１０ｎｍ程度の曲率半径が必要なため、約１ｎｍ、
緩く見積もっても２ｎｍ程度の製造制御精度が必要であ
る。従って、現在のエツチング装置でこの精度を保証す
るためには、直径約０．０４μｍ以下のコーンを形成す
る必要があり、現実的に非常に困難といえる。

【００２２】さらには、運良く比較的良い時点でエッチ
ングを終了したとしても、残存したエッチングマスクが
コーン先端部から外れる際に、コーン先端部を損傷する
という問題点がある。

【００２３】さらには、この第２のタイプの製造方法に
おいても、上述した第１のタイプの製造方法と同じよう
に、エミッター材料がエッチングにより先鋭なコーン形
成が可能な材料に限定されてしまうという問題点があ
る。

【００２４】また、この第２のタイプの製造方法の最大
の問題点は、電界放射型冷陰極素子を三極管構造で作製
する際に、絶縁層、ゲート電極層を既に出来上がったコ
ーン上に形成する必要があるという点である。前述した
ように、電界放射型冷陰極を製造する際には、コーン先
端部の形状を高精度で制御する必要があるにも関わら
ず、このようなコーン上ヘの成膜が必要な製造方法は好
ましいものとはいえない。例えば、絶縁膜をスパッタリ
ング法を用いて形成する際には、コーン先端部ヘの高速
の被スパッタ粒子の衝突を避けられない。このように出
来上がったコーン上に絶縁層およびゲート電極層が形成
される第２のタイプの製造方法には、その絶縁層等の形
成によってコーンの先端部が損傷することがあり、その
ため各素子における電子放出が不均一なものとなるとい
う問題点がある。

【００２５】（３）第３のタイプの電界放射型冷陰極の
製造方法について 第３のタイプの製造方法では、第１のタイプの製造方法
の問題点でも述ベたように、ゲート電極を形成して三極
管構造とする場合に、エミッター先端部近傍のゲート電
極様の導電性層を除去するエッチバックにおいて、コー
ン先端部の高さ位置がエッチバック時には不明であるた
め、最適な位置まで導電性層を除去することは困難であ
る。このように、導電性層を最適なコーン先端／ゲート
電極位置の関係となるようエッチバックすることが困難
な第３の製造方法においては、最適なコーン先端／ゲー
ト電極位置を有する三極管を量産する際の分留まりが低
下してしまうという問題がある。

【００２６】（４）第４のタイプの電界放射型冷陰極の
製造方法について 第４のタイプの電解放射型冷陰極素子では、ゲート電極
の位置とエミッター先端部の位置は比較的良好な精度で
位置決定できるものの、導電性を有する層を不導体層に
変質するために、その膜質が非常に悪いものになってし
まうという問題点がある。具体的には、単結晶材料とし
てＳｉを用いた場合、Ｂ（ボロン）のイオン注入あるい
は拡散によって単結晶基板の表面に導電性を改善した層
をまず形成し、続いて熱酸化によって不導体化しても、
その酸化膜の膜質は良好な絶縁層とはならなかった。

【００２７】＜従来のＣＤＴ装置の問題点＞従来のＣＤ
Ｔ装置は、電界放射型冷陰極素子を用いておらず、Ｗ
（タングステン）製の熱陰極素子を電子放出源として用
いており、その特性から電子放出させて走査駆動するの
に高電圧が必要なため、省エネルギーの製品を作製する
という観点から問題がある。また、熱陰極素子部をＣＤ
Ｔ装置本体のガラスチューブと全く別の構成の部品で作
製する必要があり、部品の構成が複雑化し、量産効率の
向上に限界があるという問題点がある。

【００２８】本発明の目的は、上記各電界放射型冷陰極
の製造方法についての問題点を解決し、基板表面に形成
されるエミッターの高さを適切なエミッター先端とゲー
ト電極の位置にすること可能な電界放射型冷陰極の製造
方法を提供することにある。さらには、上述のＣＤＴ装
置についての問題点を解決し、装置の作製工程数の簡略
化、部品点数の削減を図ることができるＣＤＴ装置を提
供することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の電界放射型冷陰
極の製造方法は、単結晶基板表面のエミッターを形成す
る領域を所定径のマスクで被覆し、該被覆されたマスク
以外の部分を該マスクの大きさに応じて求められる厚さ
まで導電性を有する層に変質させて導電性層を形成する
第１の工程と、前記第１の工程で被覆したマスクを除去
し、該マスクを除去した部分に面方位に依存したエッチ
ングを選択的に行ってＶ溝あるいは逆錘形のピットを形
成する第２の工程と、前記第２の工程でピットが形成さ
れた面の全面に、所定の厚みの絶縁層を形成する第３の
工程と、前記第３の工程で形成された絶縁層上に、エミ
ッター材料を成膜する第４の工程と、前記第４の工程で
成膜したエミッター材料の面を絶縁体からなる別の支持
基板に接合し、単結晶基板および前記第３の工程で形成
された絶縁層の一部の層を順次除去してエミッター部を
形成する第５の工程とを含むことを特徴とする。

【００３０】また、本発明の電界放射型冷陰極の製造方
法は、単結晶基板表面のエミッターを形成する領域を所
定径のマスクで被覆し、該被覆されたマスク以外の部分
を凹部とするリセス構造を形成する第１の工程と、前記
第１の工程で形成されたリセス構造の凹部を、前記マス
クの大きさに応じて求められる厚みまで導電性を有する
層に変質させて導電性層を形成する第２の工程と、前記
第１の工程で被覆したマスクを除去し、前記第２の工程
で形成された導電性層上に第１の絶縁層を形成して、リ
セス構造を平坦化する第３の工程と、前記第３の工程で
形成された第１の絶縁層をマスクとして、前記第３の工
程でマスクが除去された部分に対して面方位に依存した
エッチングを選択的に行ってＶ溝あるいは逆錘形のピッ
トを形成する第４の工程と、前記第４の工程でＶ溝ある
いは逆錘形のピットが形成された面の全面に、所定の厚
みの第２の絶縁層を形成する第５の工程と、前記第５の
工程で形成された第２の絶縁層上に、エミッター材料を
成膜する第６の工程と、前記第６の工程で成膜したエミ
ッター材料の面を絶縁体からなる別の支持基板に接合
し、単結晶基板および前記第５の工程で形成された第２
の絶縁層の一部の層を順次除去してエミッター部を形成
する第７の工程とを含むことを特徴とする。

【００３１】上記の製造方法において、第２の工程にお
ける導電性層の形成が、第１の工程で形成されたリセス
構造の凹部にマスクの大きさに応じて求められる厚さま
で導電性を有する材料を被覆することにより行われても
よい。

【００３２】本発明のＣＤＴ装置は、漏斗状のガラスチ
ューブ中に電子放出源から放出される電子を集束する電
子レンズ系と該電子レンズ系によって集束された電子ビ
ームが照射される蛍光体とが封入されたＣＤＴ装置にお
いて、上述のいずれかの製造方法により作製された電界
放射型冷陰極素子を前記電子放出源として用いたことを
特徴とする。

【００３３】上記の場合、電界放射型冷陰極素子はガラ
ス基板を基板としており、該電界放射型冷陰極素子のガ
ラス基板を封止部材として用いてもよい。

【００３４】

【作用】本発明の電界放射型冷陰極の製造方法では、単
結晶基板に対してまず基板表面のエミッターを形成する
領域をマスク材料で被覆し、該マスク部以外を任意の厚
さの導電性を有する層に変質させることにより導電性層
を形成し、この形成された導電性層をマスクとして単結
晶基板に面方位に依存したエッチングを選択的に行って
Ｖ溝あるいは逆錘形のピットを形成する。そして、この
形成されたＶ溝あるいは逆錘形のピットにエミッター材
料を埋めこむことによりエミッターが形成される。この
ように、本発明では、単結晶基板表面に形成されたＶ溝
あるいは逆錘形のピットの形状がそのままエミッターの
形状となり、このＶ溝あるいはピットの頂点がエミッタ
ーの先端位置となる。このエミッターの先端位置は単結
晶基板表面に被覆したマスクの径によって決ることか
ら、単結晶基板表面に被覆したマスクの径を基にエミッ
ターの先端位置を予測することがきる。したがって、本
発明では、その予測されたエミッターの先端位置に基づ
いて、そのコーン先端位置に対して導電性層の位置が最
適な位置となるような厚みまで導電性層を形成すれば、
結果的に、最適なコーン先端／ゲート電極位置を有する
電界放射型冷陰極を作製することが可能となる。

【００３５】さらに、本発明では、上述の如く単結晶基
板表面に形成されたＶ溝あるいは逆錘形のピットにエミ
ッター材料を埋めこむことによりエミッターが形成され
るので、従来の熱酸化によってエミッターを形成するも
のように、エミッターの高さが各素子間で大きくばらつ
くことはない。

【００３６】さらに、本発明では、エミッター材料は単
結晶基板に形成されたＶ溝あるいは逆錘形のピットに埋
めこむことが可能で、電子放出が容易な材料であればど
のような材料でも使用できるので、従来のようにエミッ
ター材料がエッチングにより先鋭なコーン形成が可能な
材料に限定されることはない。

【００３７】さらには、エミッター先端部と導電性層上
端部との間に形成される絶縁層は、単結晶基板の一部を
不導体層に変質して形成しているので、導電性層を熱酸
化によって不導体化する従来の製造方法のように、絶縁
層の膜質が非常に悪いものになってしまうということは
生じない。

【００３８】本発明のうちリセス構造を形成する製造方
法においては、上述の各作用の他に、次のような作用を
有する。ゲート電極層を形成する部分をあらかじめエッ
チングしてリセス構造とし、このリセス構造の凹部に導
電性層を形成する。このリセス構造の凹部は、その深さ
を自由に設定することができるので、導電性層を単結晶
基板の初期表面よりも低い任意の位置に設定できる。こ
れにより、導電性層（ゲート電極層）を形成する深さに
対する自由度を高めることができる。このリセス構造を
形成する製造方法のうち、リセス構造の凹部に導電性を
有する材料を所定の厚みまで被覆することにより導電性
層が形成される製造方法においては、ゲート電極材料と
して単結晶基板を導電性を有する層に変化させる必要が
ないので、導電性層を形成する材料の選択の自由度を高
めることができる。

【００３９】本発明のうち、上述の各電界放射型冷陰極
の製造方法のいずれかにより作製された電界放射型冷陰
極素子を電子放出源として用いたガラス製ＣＤＴ装置に
おいては、電界放射型冷陰極はガラス基板を用いている
ので、ＣＤＴ装置の真空封止のガラス封着の際に冷陰極
素子の基板そのものを封止部材として用いることができ
る。

【００４０】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００４１】＜第１の実施例＞図１は、本発明の第１の
実施例の電界放射型冷陰極の製造方法を説明するための
工程図で、（ａ）〜（ｆ）に各工程手順を示す。

【００４２】以下に、図１（ａ）〜（ｆ）を参照して電
界放射型冷陰極の製造方法の各工程を順次説明する。

【００４３】（１）マスクパターン形成（図１（ａ）の
工程） 単結晶基板１上のエミッター形成部に正方形状のマスク
２を形成する。単結晶基板１としては、例えば抵抗率３
０ΩｃｍのＳｉ基板を用い、マスク２としては、例えば
Ｓｉの熱酸化膜を用いる。このマスク２の形成方法とし
てはどのような方法を用いても良く、本実施例では、熱
酸化膜上に、ＡＺｌ３５０Ｊフォトレジスト（シップレ
イ社製）を用いて、ＵＶリソグラフィー法により一辺
０．７μｍの正方形型レジストパターンを形成し、ＣＨ
Ｆ₃ガスを用いたリアクティブ・イオン・エッチング法
によって該レジストパターンを熱酸化膜に転写し、その
後、Ｏ₂ガスを用いたアッシングを行ってレジストを剥
離してマスク２を形成した。

【００４４】（２）導電性層形成およびマスク剥離（図
１（ｂ）の工程） マスク２が形成された単結晶基板１に対して、導電性を
有する層を形成するためのボロンイオン注入を行って導
電性層３を形成し、その後、単結晶基板１表面のマスク
２を剥離する。本実施例では、後述するようにこの導電
性層３をマスクとして単結晶基板１表面に形成されるＶ
溝あるいは逆錘形のピットの形状がそのままエミッター
の形状となり、このＶ溝あるいはピットの頂点がエミッ
ターの先端位置となることから、ここでは、マスクの大
きさに応じて求められる厚さ（コーンの形状およびゲー
ト電極用の導電性層との位置関係とから実験的に得られ
る電子放出を効率的に行える最適な導電性層の厚さ）ま
で導電性を有する層に変質させて導電性層３を形成す
る。具体的には、ボロンイオン注入を、基板表面から深
さ０．４μｍまでの位置でボロン濃度が８×１０²⁰個／
ｃｍ³以上となるように行う。このイオン注入では、加
速するイオンのエネルギーをコントロールすることで注
入深さを調節することができる。このようにして形成さ
れた導電性層３は、電極として十分な特性を有してい
る。今回、単結晶基板１（Ｓｉ基板）上の熱酸化膜マス
クの除去には、５％の濃度の弗化水素水溶液を用いてい
る。

【００４５】（３）面方位依存性エッチング（図１
（ｃ）の工程） 単結晶基板１表面の非イオン注入部４（マスク２に被覆
されていた部分）に対して、面方位に依存したエッチン
グを行い、エミッター用のピットを形成する。但し、面
方位依存性エッチングを行う際は、同時に基板表面の導
電性層３を溶解しないエッチャントを行う。これによ
り、エッチングは非イオン注入部４の正方形の領域での
み起こることとなる。本実施例では、エッチャントとし
て約５０％の濃度の強アルカリ水溶液（例えばヒドラジ
ン水和物）を用いている。

【００４６】上述の面方位依存性エッチングでは、最初
表面に露出している（ｌ００）面のエッチング速度は速
く、逆に（１１１）面の速度は遅いため、エッチング開
始からしばらくすると、エッチング面での不均一なエッ
チングの進行から（１１１）面が表面に現れ始め、最終
的には非イオン注入部４の正方形を底面とする四角錐を
逆にしたようなピット形状が基板表面に形成される。こ
のとき、四角錐の側面は（１１１）面になっている。こ
のピット形状は、前述した従来の第３のタイプの製造方
法によるものと同一の形状である。

【００４７】（４）全面不導体化およびエミッター材料
成長（図１（ｄ）の工程） ピットを形成した単結晶基板１全面に、０．２μｍの厚
みで不導体層５を形成する。ここでは、単結晶基板１全
面を熱酸化することで、その表面に熱酸化膜を生成す
る。この場合、エミッターの形状に問題がなければ、単
結晶基板１全面に不導体層５用の材料をスパッタリング
法などで形成しても良い。

【００４８】続いて、上述のように形成された不導体層
５の上に、スパッタリング法を用いてエミッター材料６
を成膜する。ここでは、ＴｉＮを厚さ０．４μｍだけ成
膜する。このエミッター材料６の形成にはスパッタリン
グ法を用いたが、もちろん他の方法、例えばＣＶＤ法や
真空蒸着法を用いてもよい。なお、エミッター材料はＴ
ｉＮに限られるものではなく、電子放出が容易な材料で
あればどのような材料であってもよい。例えば、タンタ
ルあるいはルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レ
ニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、タンタル
カーバイド、チタンカーバイド、シリコンカーバイド、
タングステンカーバイド、及びこれらの合金をエミッタ
ー材料として用いることができる。図中、内部にエミッ
ター７が形成されている。

【００４９】（５）指示基板接合（図１（ｅ）の工程） エミッター材料６を形成した面を、別に準備した支持基
板８と接合する。この接合には、静電接合、熱圧着、あ
るいは接着剤による接合など、いずれの手法を用いても
良い。ここでは、あらかじめエミッター材料６を電極材
料９と電気的に接合し、電流端子を設けるために該電極
材料９をパターン化した後、支持基板８としてガラス基
板を用い、これに該電極材料９のパターンを形成した面
を静電圧着する。この静電圧着は、基板温度を２５０
℃、支持基板８と単結晶基板１の間に３００Ｖの電圧を
印加することにより行う。

【００５０】（６）単結晶基板と不導体層の一部の除去
（図１（ｆ）の工程） 支持基板８上の単結晶基板１を除去する。この単結晶基
板１を除去する際は、導電性層３を溶解せず、同時に単
結晶基板ｌ表面の不導体層５を溶解しないエッチャント
を用いることで、単結晶基板１だけを除去する。ここで
用いられるエッチャントとしては、約５０％の濃度の強
アルカリ水溶液（例えば、ヒドラジン水和物）を用い
る。

【００５１】続いて、不導体層５を溶解するエッチャン
トで、エミッター７の先端部を露出させる。ここでは、
エッチャントとして５％の濃度の弗化水素水溶液を用
い、これにより不導体層５のＳｉ熱酸化膜を除去する。
このとき、必要に応じて電極材料９および支持基板８を
そのエッチャントから保護する。

【００５２】以上の（１）〜（６）の工程により、三極
管構造を有する電界放射型冷陰極を作製できる。この作
製した電界放射型冷陰極は、ゲート電極である導電性層
３とエミッター７先端の位置関係が面内で高い均一性を
有している。ＳＥＭ観察では、１０００個のエミッター
７をアレイ化したサンプル（同時に多数の素子に同じ電
圧を印加して多数のエミッターから電子放出させる素
子）において、エミッター先端位置はゲート電極の下面
から０．９５μｍの位置にあり、そのばらつきは土０．
０５μｍ以内であった。この値は、従来の製造方法で作
製したアレイ化素子において±０．２μｍ程度であった
ことと比較すると格段に製造精度が向上している。ま
た、１０００個のうちの９０％の素子から電子放出が観
察され、従来の製造方法のものでは、約３０％の素子か
らの電子放出であったことと比較すると、格段の進歩と
いえる。

【００５３】次に、上述の電界放射型冷陰極の製造方法
により作製された電界放射型冷陰極素子を電子放出源と
して用いたガラス製ＣＤＴ装置について説明する。

【００５４】図２（ａ）は上述の電界放射型冷陰極の製
造方法により作製された電界放射型冷陰極素子を電子放
出源として用いたＣＤＴ装置の概略構成図、図２（ｂ）
はＣＤＴ装置の電子レンズ系の拡大図である。

【００５５】図２において、ＣＤＴ装置は、漏斗状のガ
ラス製のチューブ１２中に電子放出源である電界放射型
冷陰極素子１０、該電界放射型冷陰極素子１０から放出
される電子を集束する電子レンズ系１１、該電子レンズ
系１１によって集束された電子ビームが照射される蛍光
体１９、およびシャドーマスク１８を封入した構成とな
っている。

【００５６】上記ＣＤＴ装置は、次のような手順で作製
される。まず、電子レンズ系１１をチューブ１２内部の
適切な位置に設置し、シャドーマスク１８に向けて電子
放出が可能な位置に電界放射型冷陰極素子１０を支持基
板８（ガラス基板）にて融着する。電子レンズ系１１か
らの電極、および電界放射型冷陰極素子１０からの電極
を、あらかじめ設けられた孔からチューブ１２外ヘ引き
出し、その後（あるいは融着と同時）、チューブ内を所
定の真空度まで真空引きし、ＣＤＴ装置を完成する。

【００５７】＜第２の実施例＞図３は、本発明の第２の
実施例の電界放射型冷陰極の製造方法を説明するための
工程図で、（ａ）〜（ｄ）に各工程手順を示す。

【００５８】以下に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して電
界放射型冷陰極の製造方法の各工程を順次説明する。な
お、図３（ｄ）の工程は、上述した第１の実施例の製造
方法における図１（ｃ）〜（ｆ）の工程（あるいは、こ
れらの工程とほぼ同じ工程）を総括した工程である。

【００５９】（１）リセス構造形成（図３（ａ）の工
程） 単結晶基板２１上のエミッター形成部に正方形状のマス
ク２２を形成し、適当な深さのエッチングにより単結晶
基板２１表面に凸型のリセス構造を形成する。ここで
は、単結晶基板２１として抵抗率３０ΩｃｍめＳｉ（１
００）基板を用い、マスク２２にはＳｉの熱酸化膜を用
いる。マスク２２の形成方法としては、第１の実施例の
ところで説明したように、どのような方法を用いても良
い。ここでは、熱酸化膜上に、ＡＺｌ３５０Ｊフォトレ
ジスト（シップレイ社製）を用いて、ＵＶリソグラフィ
ー法により一辺０．９μｍの正方形型レジストパターン
が０．３μｍの間隔を隔てて並んだパターンを形成し、
ＣＨＦ₃ガスを用いたリアクティブ・イオン・エッチン
グ法によって単結晶基板２１表面が露出するまで熱酸化
膜をエッチングし、その後、Ｏ₂ガスを用いたアッシン
グを行ってレジストを剥離することによりマスク２２を
形成する。続いて、その形成したマスク２２をマスクに
して、Ｃｌ₂ガスを用いたリアクティブ・イオン・エッ
チング法を用いて深さ０．５μｍだけ単結晶基板２１を
エッチングし、リセス構造を形成する。

【００６０】（２）導電層形成（図３（ｂ）の工程） マスク２２をマスクとしてリセス構造が形成されたを単
結晶基板２１に対して、固体ソースを用いたボロン拡散
を行うことにより、導電性層２３を形成する。ここで
は、単結晶基板１表面から深さ０．２μｍまでの位置で
ボロン濃度が８×１０²⁰個／ｃｍ³以上になるようにボ
ロン拡散を行う。このボロン拡散では、拡散処理時間と
温度をコントロールすることで、拡散深さを調節するこ
とができる。本実施例では、電気炉中に１０００℃に保
った試料に対して、２０分間拡散し、その後、５％フッ
化水素水溶液にてマスク２２を剥離した。

【００６１】また、上記形成方法とは異なる方法とし
て、Ｃｒ／Ａｕ／Ｃｒの構成で金属膜を蒸着法で成膜し
て導電性層２３を形成することもできる。ここでは、導
電性層２３の全体の厚みを０．１μｍとなるように成膜
する。この厚みの金属膜では、リセス構造の凹部の側壁
には金属膜がほとんど付着せず、リセス上面及びリセス
周囲のリアクティブ・イオン・エッチングによって掘り
下げた部分に主に金属膜が付着することとなる。成膜
後、５％フッ化水素水溶液にてマスク２２を剥離する。
このマスクの剥離では、リセス上面に付着していた金属
膜はマスク２２と共に除去され、わずかにリセス側壁に
付着していた金属膜も除去される。

【００６２】（３）平坦化（図３（ｃ）の工程） 上述のようにして形成された導電性層２３上に、絶縁性
のＰＳＧ（リンケイ酸ガラス）膜１４を塗布、焼成する
ことで、リセス構造をおおむね平坦化する。その後、そ
の上面にさらに平坦化材としてフォトレジストを塗布
し、ＣＦ₄−１５％Ｏ₂系の混合ガスを用いてリアクテイ
ブ・イオン・エッチング法によって全面をエッチバック
し、元の単結晶基板２１表面をリセス上面部だけ露出さ
せる。このようにして、エミッター形成部であるリセス
構造の上面のみが基板表面に露出し、それ以外の部分は
導電性層２３の上面がＰＳＧ膜１４で覆われた構造とな
る。

【００６３】（４）面方位依存性エッチング〜全面不導
体化とエミッター材料成長〜支持基板接合〜単結晶基板
と不導体層の一部の除去（図３（ｄ）の工程） 上述のようにして平坦化が行われた後は、前述した第１
の実施例の製造方法における図１（ｃ）〜（ｆ）の工程
を実施する。その結果、第１の実施例のものと同様、ゲ
ート電極である導電性層２３とエミッター２７先端の位
置関係が面内で高い均一性を有する電界放射型冷陰極を
得ることができる。

【００６４】ＳＥＭ観察では、１０００個のエミッター
２７をアレイ化したサンプル（同時に多数の素子に同じ
電圧を印加して多数のエミッターから電子放出させる素
子）において、導電性層２３が固体ソースを用いたボロ
ン拡散により形成された素子では、エミッター先端位置
がゲート電極の下面から０．８５μｍ上部にあり、その
ばらつきは±０．０８μｍ以内という結果が得られた。
また、導電性層２３が蒸着法で成膜された素子では、エ
ミッター先端位置がゲート電極の下面から０．１５μｍ
下部にあり、そのばらつきは±０．０７μｍ以内という
結果が得られた。いずれの結果からも、従来の製造方法
で作製したアレイ化素子において±０．２μｍ程度であ
ったことと比較すると、格段に製造精度が向上している
ことがいえる。また、１０００個のうちの９５％の素子
から電子放出が観察されており、これは、従来の製造方
法のものでは約３０％の素子からの電子放出であったこ
とと比較すると、格段の進歩といえる。

【００６５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような特徴を有
するので、以下に記載するような効果を奏する。

【００６６】請求項１に記載の製造方法においては、単
結晶基板表面に被覆したマスクの径を基にエミッターの
先端位置を予測することができるので、その予測された
エミッターの先端位置に基づいて、導電性層形成時にそ
の導電性層の位置をエミッター先端位置に対して最適な
位置とすることができ、最適なコーン先端／ゲート電極
位置を有する電界放射型冷陰極を作製することが可能と
なるという効果がある。

【００６７】さらには、単結晶基板表面に形成されたＶ
溝あるいは逆錘形のピットにエミッター材料を埋めこむ
ことによりエミッターが形成されるので、各素子間での
エミッターの高さのばらつきがすくない電界放射型冷陰
極を作製することができるという効果がある。

【００６８】さらには、エミッター材料は単結晶基板に
形成されたＶ溝あるいは逆錘形のピットに埋めこむこと
が可能で、電子放出が容易な材料であればどのような材
料でも使用できるので、エミッター材料の選択の自由度
が高くなるという効果がある。

【００６９】請求項２および請求項３に記載の製造方法
においては、上述の各効果に加えて、単結晶基板表面の
導電性層（ゲート電極層）を形成する部分をあらかじめ
エッチングしてリセス構造とし、このリセス構造の凹部
に導電性層を形成するので、導電性層（ゲート電極層）
を単結晶基板の初期表面よりも低い任意の位置に設定で
き、これにより、導電性層（ゲート電極層）を形成する
深さに対する自由度が高くなるという効果がある。これ
らのうち請求項３に記載の製造方法においては、単結晶
基板を導電性を有する層に変化させる必要がないので、
導電性層を形成する材料の選択の自由度が高くなるとい
う効果がある。

【００７０】請求項４および請求項５に記載のＣＤＴ装
置においては、上述の各電界放射型冷陰極の製造方法の
いずれかにより作製された電界放射型冷陰極を電子放出
源として用いたＣＤＴ装置を提供することができるとい
う効果がある。これらのうち請求項５に記載のＣＤＴ装
置においては、電界放射型冷陰極はガラス基板を用いて
いるので、ＣＤＴ装置の真空封止のガラス封着の際に冷
陰極素子の基板そのものを封止部材として用いることが
できるので、装置の製造工程の簡略化、部品点数の削減
による装置の低コスト化を図ることでき、さらには、製
造歩留りを向上することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の電界放射型冷陰極の製
造方法を説明するための工程図で、（ａ）〜（ｆ）に各
工程手順を示す。

【図２】（ａ）は上述の電界放射型冷陰極の製造方法に
より作製された電界放射型冷陰極素子を電子放出源とし
て用いたＣＤＴ装置の概略構成図、（ｂ）はＣＤＴ装置
の電子レンズ系の拡大図である。

【図３】本発明の第２の実施例の電界放射型冷陰極の製
造方法を説明するための工程図で、（ａ）〜（ｄ）に各
工程手順を示す。

【図４】特開平４−９４０３３号公報に開示されている
電界放射型冷陰極の製造方法を説明するための工程図
で、（ａ）〜（ｇ）に各工程手順を示す。。

【図５】従来の第３のタイプの電界放射型冷陰極の製造
方法を示す工程図で、（ａ）〜（ｆ）に各工程手順を示
す。

【図６】従来のＣＤＴ装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１，２１ 単結晶基板 ２，２２ マスク ３，２３ 導電性層 ４ 非イオン注入部 ５，２５ 不導体層 ６ エミッター材料 ７，２７ エミッター ８，２８ 支持基板 ９ 電極材料 １０ 電界放射型冷陰極素子 １１ 電子レンズ系 １２ チューブ １４ ＰＳＧ膜 １８ シャドーマスク １９ 蛍光面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 拓也 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶基板表面のエミッターを形成する
   領域を所定径のマスクで被覆し、該被覆されたマスク以
   外の部分を該マスクの大きさに応じて求められる厚さま
   で導電性を有する層に変質させて導電性層を形成する第
   １の工程と、 前記第１の工程で被覆したマスクを除去し、該マスクを
   除去した部分に面方位に依存したエッチングを選択的に
   行ってＶ溝あるいは逆錘形のピットを形成する第２の工
   程と、 前記第２の工程でピットが形成された面の全面に、所定
   の厚みの絶縁層を形成する第３の工程と、 前記第３の工程で形成された絶縁層上に、エミッター材
   料を成膜する第４の工程と、 前記第４の工程で成膜したエミッター材料の面を絶縁体
   からなる別の支持基板に接合し、単結晶基板および前記
   第３の工程で形成された絶縁層の一部の層を順次除去し
   てエミッター部を形成する第５の工程とを含むことを特
   徴とする電界放射型冷陰極の製造方法。
2. 【請求項２】 単結晶基板表面のエミッターを形成する
   領域を所定径のマスクで被覆し、該被覆されたマスク以
   外の部分を凹部とするリセス構造を形成する第１の工程
   と、 前記第１の工程で形成されたリセス構造の凹部を、前記
   マスクの大きさに応じて求められる厚みまで導電性を有
   する層に変質させて導電性層を形成する第２の工程と、 前記第１の工程で被覆したマスクを除去し、前記第２の
   工程で形成された導電性層上に第１の絶縁層を形成し
   て、リセス構造を平坦化する第３の工程と、 前記第３の工程で形成された第１の絶縁層をマスクとし
   て、前記第３の工程でマスクが除去された部分に対して
   面方位に依存したエッチングを選択的に行ってＶ溝ある
   いは逆錘形のピットを形成する第４の工程と、 前記第４の工程でＶ溝あるいは逆錘形のピットが形成さ
   れた面の全面に、所定の厚みの第２の絶縁層を形成する
   第５の工程と、 前記第５の工程で形成された第２の絶縁層上に、エミッ
   ター材料を成膜する第６の工程と、 前記第６の工程で成膜したエミッター材料の面を絶縁体
   からなる別の支持基板に接合し、単結晶基板および前記
   第５の工程で形成された第２の絶縁層の一部の層を順次
   除去してエミッター部を形成する第７の工程とを含むこ
   とを特徴とする電界放射型冷陰極の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の電界放射型冷陰極の製
   造方法において、 第２の工程における導電性層の形成が、第１の工程で形
   成されたリセス構造の凹部にマスクの大きさに応じて求
   められる厚さまで導電性を有する材料を被覆することに
   より行われることを特徴とする電界放射型冷陰極の製造
   方法。
4. 【請求項４】 漏斗状のガラスチューブ中に電子放出源
   から放出される電子を集束する電子レンズ系と該電子レ
   ンズ系によって集束された電子ビームが照射される蛍光
   体とが封入されたＣＤＴ装置において、 請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の電界放射型
   冷陰極の製造方法により作製された電界放射型冷陰極素
   子を前記電子放出源として用いたことを特徴とするＣＤ
   Ｔ装置。
5. 【請求項５】 請求項５に記載のガラス製ＣＤＴ装置に
   おいて、 電界放射型冷陰極素子はガラス基板を基板としており、
   該電界放射型冷陰極素子のガラス基板を封止部材として
   用いたことを特徴とするＣＤＴ装置。