JPH08321255A - 電界放射冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁特性に優れ、たとえ素子の一部分に絶縁
破壊が生じてもその影響を最小限にとどめ、素子全体の
機能に致命的なダメージを与えないような、素子構造を
提供する。 【解決手段】 絶縁層に異種材料あるいは成膜方法およ
び条件の異なる材料による積層膜あるいは厚さ方向に連
続的に組成を変化させた膜を用いて、素子断面、特に絶
縁層断面の形状を、凹凸を持つ形状にし、かつ、ゲート
層を支えるようにする。また基板、絶縁層、真空の三重
接点を外部から見通せない位置に配置している。 【効果】 素子構造の機械的強度を損ねること無く、リ
ーク電流の低減、絶縁耐圧の向上をもたらす、また、素
子の一部で破壊が生じても破壊の連鎖を防ぐことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放射冷陰極の構
造及びその製造方法に関し、特に絶縁特性が改善された
電界放射冷陰極の構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電子膨出を利用した熱陰極に代わる電
子源として、電界放射冷陰極が開発されている。電界放
射冷陰極は先鋭な突起を持つ電極の先端に、高電界（２
〜５×１０⁷ Ｖ／ｃｍ以上）を発生させることで電子を
空間に放出させる。このため、先端の先鋭度がデバイス
特性を左右する条件であるが、おおよそ数百オングスト
ローム以下の曲率半径が必要であると言われている。ま
た、電界発生のためには電極を１μｍ程度あるいはそれ
以下の近接した位置に配して、数１０〜数１００Ｖの電
圧を印加する必要がある。また、実際にはこのような阻
止が、同一の基板上に数千〜数万形成され、並列に接続
されたアレイとして使用されることが多い。このような
ことから、一般的に半導体の微細加工技術を応用して製
造される。

【０００３】このような電界放射冷陰極の具体的な製造
方法の一つは、アメリカのＳＲＩ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ
Ｒｅｓｅｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のスピント（Ｓ
ｐｉｎｄｔ）らによって開発された方法（Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．３９，ｐ３５０４，１９６８）で、導電
性の基板上にモリブデンのような高融点金属を堆積させ
て先端形状の先鋭な構造を得るものである。この製造方
法を図２０に示す。まず、シリコン基板３１を用意し、
酸化膜を成長させ絶縁層３２とする。続いてゲート層３
４としてモリブデンを真空蒸着により堆積する。その
後、フォトリソグラフィーにより直径約１μｍの開口３
７を持つフォトレジスタ層３６を形成する（図２０
（ａ））。このフォトレジスト層３６をマスクとしてゲ
ート層３４と絶縁層３２をエッチングする（図２０
（ｂ））。次に、フォトレジスタ層３６除去した後に、
回転斜め蒸着を行いアルミニウムの犠牲層３８を形成。
続いて、モリブデンを垂直方向から真空蒸着して、エミ
ッタ電極３５を堆積させる（図２０（ｃ））。最後に、
犠牲層３８の上に堆積したモリブデン膜３０を、犠牲層
３８を選択エッチングする事によりリフトオフし、デバ
イスの構造を得る（図２０（ｄ））。

【０００４】こうして作られた素子はエミッタ電極３５
に負、ゲート層３４が正となるように電圧を印加するこ
とで、エミッタ電極３５の先端から、シリコン基板３１
と垂直な方向に電子が放射される。このような構造は一
般に縦型電界放射冷陰極と呼ばれている。

【０００５】デバイスの断面構造に関しては前述の構造
の他に、以下のようないくつかの構造および製法が公知
である。

【０００６】特開平４−１６７３２６には図２１に示す
ように、絶縁層３２の内側面３９の断面形状が逆テーパ
状になった電界放射冷陰極の技術が開発されている。こ
のような形状は、まず、異方性エッチングによりテーパ
のない穴形状を作った後に１〜１０％のフッ酸で絶縁層
３２をライトエッチングすることにより得られるとさ
れ、その後、図２０と同様のプロセスによりデバイスの
構造が得られる。

【０００７】特開平４−２６２３３７には図２２に示す
ように、ホウ素のイオン注入を利用して、ひさし状の張
り出しを作った電界放射冷陰極の技術が開示されてい
る。工程の概要は、シリコン基板４１上に酸化膜４２を
形成し、その上にＣＶＤにより多結晶シリコン膜４３を
堆積する。多結晶シリコン膜４３全面にホウ素をイオン
注入した後、フォトリソグラフィーとエッチングにより
開口部４６を形成する（図２２（ａ））。続いて熱酸化
を行う（図２２（ｂ））。ホウ素の注入された酸化膜４
４と酸化層４５のエッチングレートの差を利用して酸化
層４５を除去する。さらにレジスタを埋め込みエッチン
グにより表面を平坦化してひさし状の張り出しのある開
口部４７を得る（図２２（ｃ））。次に真空蒸着により
金属を堆積して、エミッタ電極４８とゲート層４０を同
時に形成しデバイスの構造を得る（図２２（ｄ））。

【０００８】また、上述した電界放射冷陰極から放射さ
れた電子は、発散角（一般的には約３０°程度）を持っ
て拡がっている。そこで、図２３に示すように、ゲート
層７４の上に、さらに中間絶縁層７８と、電子ビームの
発散を抑制するための制御電極層７９を積層した構造の
電界放射冷陰極も提案されている。工程の概要は、シリ
コン基板７１上に酸化膜からなる絶縁層７２を成長させ
その上にゲート層７４として多結晶シリコンを成膜す
る。そして中間絶縁層７８として酸化膜を成長させ、さ
らに制御電極層７９として多結晶シリコンを成膜する
（図２４（ａ））。その後、フォトリソグラフィーによ
りフォトレジスト層７６を形成し、これをマスクとし
て、制御電極層７９、中間絶縁層７８の順に異方性エッ
チングを行って、ゲート層７４上面までの開口７７を形
成する（図２４（ｂ））。次に、フォトレジスト層７６
を除去した後に、ＣＶＤにより酸化膜を成長させ、続い
て酸化膜に対して垂直方向から異方性エッチングを行う
ことによりゲート層７４を露出させ、サイドウォール８
０を形成する（図２４（ｃ））。次にゲート層７４、絶
縁層７２の順に異方性エッチングを行い、ゲート層７４
と制御電極層７９の開口径に差をもたせた形状が得られ
る（図２４（ｄ））。最後に真空蒸着によるエミッタ電
極を形成した後、サイドウォール８０を選択エッチング
する事により図２３のようなデバイスの構造を得る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電界放射冷陰極は、上
述のように１μｍ程度の間隔を置いた電極間に数１０Ｖ
以上の電圧を印加するために絶縁耐圧やリーク電流とい
った、電極間の絶縁特性が非常に重要な特性のひとつに
なる。すなわち、絶縁耐圧が低ければ、素子が容易に破
壊して致命的なダメージを被り、リーク電流が多いと電
力消費が増えたり、素子の安定動作を妨げる原因にな
る。

【００１０】また、電界放射冷陰極は多数の素子を並列
に接続して配置したアレイに用いることが多いため、た
とえその内の１つの素子が何らかの原因で破壊し、その
部分をショートしたとしても、デバイス全体が動作しな
くなってしまう。従って、たとえ破壊が生じても、その
部分がオープンになること。また破壊が周辺の素子へ伝
播しないことが求められる。

【００１１】前述の公知例の断面形状については、図２
１（特開平４−１６７３２６）の断面形状では、ゲート
層３４は絶縁層からの張り出しがなく、絶縁層３２によ
り支えられているために構造的な強度が高い、といった
特徴はあるものの、絶縁層３２の断面形状が基板３１に
近い方で広くなる逆テーパ状になっているため、基板３
１と絶縁層３２と空間の接する三重接点３９から放出さ
れた電子が、電界によって加速される方向に対して、絶
縁層３２の壁が、それを遮る角度で連続して存在してい
るために、絶縁層表面への電子衝撃、２次電子放出の面
で、絶縁特性を悪化させる、という問題があった。

【００１２】また、図２２（ｄ）（特開平４−２６２３
３７）の断面形状では、エミッタ電極４８の形成される
面は、シリコン基板４１を一段掘り下げた位置にあるた
めに、シリコン基板４１と酸化膜４２と空間の接する三
重接点４９が円周状の凸部になっている。この部分に電
界が集中しやすくなり、絶縁耐圧を下げるという問題が
あった。

【００１３】一方、図２３のように制御電極層７９を有
する電界放射冷陰極においては、ゲート層７４と制御電
極層７９の間に数１０Ｖ以上の電圧を印加することか
ら、ゲート層７９と制御電極層７９間の絶縁特性も非常
に重要な特性の一つになる。すなわち、この場合にも、
絶縁耐圧が低ければ、素子が容易に破壊して致命的なダ
メージを被り、リーク電流が多いと、電力消費が増えた
り、素子の安定動作を妨げる原因になる。

【００１４】また、制御電極を有する電界放射冷陰極で
は、中間絶縁層にも異種材料あるいは成膜方法及び条件
の異なる積層膜、あるいは厚さ方向に連続的に組成を変
化させた膜を用いて、素子断面、特に中間絶縁層断面の
形状を、凹凸をもつ形状にし、かつ制御電極層を支える
ようにすることを特徴としている。

【００１５】本発明の目的は、絶縁特性に優れ、たとえ
素子の一部分に絶縁破壊が生じてもその影響を最小限に
とどめ、素子全体の機能に致命的なダメージを与えない
ような素子構造を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】ゲート電極とエミッタ電
極、すなわち基板に絶縁層を介して積層された断面が、
真空中におかれた場合の絶縁破壊に関しては、絶縁層表
面に沿って沿面放電が主であると考えられ、次のように
説明することができる（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅ
ｃｔｒ．Ｉｎｓｌ．Ｖｏｌ．２４，ｐｐ７６５−７８
６，１９８９．）。

【００１７】基板表面の、絶縁層、基板、真空が接す
る、三重接点は電界が集中しやすいので、ここから電子
が放出される。この電子が絶縁層の表面を衝撃すると、
表面から２次電子が放出される。このとき電子１個に対
して１個以上の２次電子が放出されるような場合の増幅
作用、あるいは、表面から放出されたガスのイオン化な
どの機構により絶縁破壊にいたる。

【００１８】本発明の電界放射冷陰極は、絶縁層に異種
材料あるいは成膜方法および条件の異なる材料による積
層膜あるいは厚さ方向に連続的に組成を変化させた膜を
用いて、素子断面、特に絶縁層断面の形状を、凹凸を持
つ形状にし、かつ、ゲート層を支えるようにする。また
基板、絶縁層、真空の三重接点を外部から見通せない位
置に配することを特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明について、図面を参
照して説明する。

【００２０】図２は本発明の電界放射冷陰極の製造方法
の第１の実施形態例を概略的に示す断面図である。本実
施形態例ではまず、シリコン基板１の上に第１の絶縁層
２として熱酸化膜を約０．６μｍ成長させる。次に第２
の絶縁層３として窒化シリコン膜をＣＶＤ（化学気相堆
積法）を用いて約０．２μｍ堆積する。さらにその上に
ゲート層４としてモリブデンを真空蒸着によって約０．
２μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーにより
直径約１μｍの開口７を持つフォトレジスト層６を形成
する（図２（ａ））。この開口をマスクとして四フッ化
炭素等を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によ
り、ゲート層４、第２の絶縁層３、第１の絶縁層２をエ
ッチングする（図２（ｂ））。続いて、フッ酸により第
１の絶縁層２をウェットエッチングする事により第２の
絶縁層３との間に段差８を形成する（図２（ｃ））。フ
ォトレジスト層６を除去した後、基板を回転させながら
斜め方向から、アルミニウムを真空蒸着し犠牲層９を形
成する。続いて基板の正面からモリブデンを真空蒸着し
てエミッタ電極５を形成する（図２（ｄ））。最後に犠
牲層９をリン酸でエッチングして、ゲート上のモリブデ
ン膜１０を除去すると図１のような電界放射冷陰極が完
成する。

【００２１】本実施形態例ではシリコン基板を使用する
例を示したが、ガラスやセラミック等の絶縁性基板の上
にモリブデンやタングステン等の導電性薄膜を形成した
ものを基板として使用してもよい。また、第１、第２の
絶縁層の組み合わせとしては、実施形態例では熱酸化シ
リコンと、ＣＶＤ窒化シリコンを用いているが、絶縁特
性を満たし、第２の絶縁層に対して第１の絶縁層が選択
エッチング可能な組み合わせであれば、他の材料、製法
の組み合わせによっても可能であることは言うまでもな
い。さらに、本実施形態例は第１の絶縁層２をＲＩＥに
よってエッチングした例を示したが、ゲート層４と第２
の絶縁層３をＲＩＥでエッチングし、そのフッ酸で第１
の絶縁層２をウェットエッチングしても同様な効果を得
ることができる。

【００２２】本実施形態例と類似した構造として、図２
５のように絶縁層に酸化膜５２と窒化膜５３を積層し、
この両者に段差を設けた電界放射冷陰極の断面構造が特
開平６−１３１９７０に開示されている。本実施形態例
と図２５の構造を比較すると、この構造では、ゲート層
５６が窒化膜５３から大きく張り出した上にきわめて薄
くなっているため、ゲート層張り出し部分５９の機械的
強度が劣る。また、素子の使用中に起こりうるイオンボ
ンバードを受けた場合にも、ゲート張り出し部分が受け
るダメージが大きく、素子自体を致命的な破壊に導く恐
れが強い。さらには、同一のゲート系の素子をアレイと
して使用する場合を考えると、ひとつのエミッタが占め
る面積が大きく、集積度を高めて、電流密度を上げるよ
うな用途には適さない。本実施形態例にはこの公知例と
は異なり、以上のような問題点を全て解決できる点で優
位性がある。

【００２３】本実施形態例では、図３（ａ）のようにゲ
ート層４の開口径Ｄｇと、ゲート層４に最も近い第２の
絶縁層３の開口径Ｄｉが同一の場合を示したが、ＲＩＥ
の条件設定によっては、図３（ｂ），（ｃ）のようにＤ
ｇ＞ＤｉまたはＤｇ＜Ｄｉにすることも可能である。

【００２４】次にゲート層４の開口径Ｄｇと第２の絶縁
層３の開口径Ｄｉの関係が、−Ｄｇ／２＜Ｄｇ−Ｄｉ＜
Ｄｇ／３と限定される根拠を以下に示す。

【００２５】モリブデンを真空蒸着しエミッタ電極５を
形成する工程において、エミッタ電極５の先端角は、蒸
着条件に寄与せず常に４０°〜４６°となる。故に、エ
ミッタ電極５を形成する孔の開口径及び犠牲層９の形成
条件より一義的に決定する開口径の減少分により、エミ
ッタ電極５の大きさは決定する。以下の説明は、実施形
態例に示す寸法によるが、孔径を変更してもその寸法比
が変わらなければ、ゲート層４とエミッタ電極５の位相
関係は変わらない。

【００２６】第２の絶縁層３の開口径Ｄｉがゲート層４
の開口径Ｄｇより大きい場合（図３（ｂ））、エミッタ
電極５から見るとゲート層４が張り出す構造となる。故
に、実施形態例で述べるエミッタ電極５の大きさを得る
ためには、ゲート層４の開口径Ｄｇを１μｍとする必要
がある。また、本発明の電界放出冷陰極が有する耐絶縁
破壊性を考慮した場合、第２の絶縁層３の開口径Ｄｉは
ゲート層の開口径Ｄｇと等しいことが望ましい。但し、
犠牲層のエッチング条件により、第２の絶縁層３は若干
量をエッチングされることがある。さらにステッパ縮小
露光機等の露光機における加工寸法加減付近の加工寸法
では、最も充填率を上げた場合に孔径と隣接する孔同志
の距離の比が２対１となる。つまり、１μｍを最小加工
寸法とした場合には、孔径１μｍ、孔周ピッチは１．５
μｍ（隣接する孔同志のゲート層４上の最小寸法が０．
５μｍ）になる。故に第２と絶縁層３の開口径Ｄｉは
１．５μｍ未満でなければならず、ゲート層の開口径Ｄ
ｇと第２の絶縁層３の開口径Ｄｉの関係が、−Ｄｇ／２
＜Ｄｇ−Ｄｉに限定される。

【００２７】第２の絶縁層３の開口径Ｄｉがゲート層４
の開口径Ｄｇより小さい場合（図３（ｃ））、エミッタ
電極５から見ると絶縁層が張り出す構造となる。故に、
実施形態例で述べるエミッタ電極５の大きさを得るため
には、第２の絶縁層３の開口径Ｄｉを１μｍとする必要
がある。またゲート層４の開口径Ｄｇと第２の絶縁層３
の開口径Ｄｉの関係をＤｇ−Ｄｉ＝Ｄｇ／３とすると、
ゲート層４の開口径Ｄｇは１．５μｍとなる。同じエミ
ッタ形状でゲート層４の開口径を大きくすることは、エ
ミッタ電極５の先端に形成される電界が弱くなり、エミ
ッション特性が悪くなってしまう。発明者らの実験によ
れば、ゲート層４の開口径Ｄｇを１．５μｍにした場
合、エミッションが出始めるゲート層４印加電圧は、Ｄ
ｇを１．０μｍにした場合に比べ約２０Ｖ上昇してしま
う結果が得られた。さらに、ゲート層４印加電圧増加分
に対するエミッション量の伸びは緩慢となってしまう。
故に電界放射冷陰極を電子源として実用する場合、ゲー
ト層４の開口径Ｄｇと第２の絶縁層３の開口径Ｄｉの関
係はＤｇ−Ｄｉ＜Ｄｇ／３である必要性を有している。

【００２８】図４は本発明の第２の実施形態例を概略的
に示す断面図である。この図には絶縁層に段差を形成す
る工程について示してあるが、他の工程は第１の実施形
態例と同じである。この実施形態例では、フォトレジス
タ（図示せず）をマスクとしてゲート層４、第２の絶縁
層３、第１の絶縁層２をエッチングした後（図４
（ａ））、犠牲層（図示せず）、エミッタ電極５を形成
し犠牲層（図示せず）のエッチング後にフッ酸で第１の
絶縁層２をエッチングして、段差８を形成する（図４
（ｂ））。本実施形態例によれば、エミッタ電極５を真
空蒸着で形成する際に第１の絶縁層２の表面に回り込ん
で付着したモリブデンを除去することができる。ここ
で、エミッタ電極５を構成する材料としては、モリブデ
ンの他に、タングステン、ニッケル、パラジウム、白
金、金、シリコン等のフッ酸に耐性のある材料を使用す
ることにより、段差８を形成する際にエミッタ電極５が
エッチングされない。また、第１の絶縁層２を他の材料
に変えることにより、別の材料構成によっても同様の効
果を得られることは言うまでもない。

【００２９】図５は本発明の第３の実施形態例を概略的
に示す断面図である。この図には絶縁層に段差を形成す
る工程について示してあるが、他の工程は第１の実施形
態例と同じである。この実施形態例では、ＲＩＥによる
第１の絶縁層２のエッチングを第１の絶縁層２がエッチ
ングし終る手前で止め（図５（ａ））、続いてフッ酸で
第１の絶縁層２をエッチングして、シリコン基板を露出
させるとともに、段差８を形成する（図５（ｂ））。本
実施形態例によれば、第１の絶縁層２をＲＩＥでエッチ
ングする際のシリコン基板１へのオーバーエッチを皆無
にすることができ、シリコン基板上に突起を残すことが
無くなる。また、ＲＩＥの終点に対するプロセス上のマ
ージンが大きくなるという利点がある。

【００３０】図６は本発明の第４の実施形態例を概略的
に示す断面図である。ここでは絶縁層形成と絶縁層に段
差を形成する工程を中心に示すが、他の工程は第１の実
施形態例と同じである。本実施形態例ではまず、シリコ
ン基板１の上に第１の絶縁層１１として酸化シリコン膜
を約０．１３μｍ堆積する。次に第２の絶縁層１２とし
て窒化シリコン膜を約０．１３μｍ堆積する。さらにそ
の上に第３から第６の絶縁層１３〜１６として酸化シリ
コンと窒化シリコンを同様に積層する。その上にゲート
層４としてモリブデンを約０．２μｍ堆積する。その
後、フォトリソグラフィーにより直径約１μｍの開口７
を持つフォトレジスト層６を形成する（図６（ａ））。
この開口をマスクとして四フッ化炭素等を用いたＲＩＥ
により、ゲート層４、第６の絶縁層１６から第１の絶縁
層１１までをエッチングする（図６（ｂ））。続いて、
フッ酸により第１の絶縁層１１、第３の絶縁層１３、第
５の絶縁層１５をウェットエッチングするにより図６
（ｃ）のような凹凸を持つ断面形状を形成する。その
後、第１の実施形態例と同様にしてエミッタ電極５を形
成すると、図７のような電界放射冷陰極が完成する。

【００３１】本実施形態例において第１の絶縁層１１の
フッ酸による横向きのエッチング量を０．１５３μｍを
越える量にすると基板、絶縁層、空間の三重接点をゲー
トの外部から見通せない位置になり隣接する素子が破壊
した飛沫が侵入しても、三重接点に付着しにくくなる。

【００３２】本実施形態例においても第２の実施形態例
と同様に、コーン形成後に酸化シリコン層をエッチング
する事で凸凹を形成する方法を採ることが可能である。
また、実施例３のように第１の絶縁層１１のＲＩＥによ
るエッチングを第１の絶縁層１１がエッチングし終わる
手前で止め、続いてフッ酸によるウェットエッチングを
行って、シリコン基板１を露出させるとともに、凸凹を
形成する方法を採ることも可能である。

【００３３】特開平４−２８００３７には図２６のよう
に絶縁耐圧向上に関する一般的な技術が紹介されてい
る。高電圧が印加される電極６１，６２を支えるセラミ
ック製絶縁物６３の形状をコルゲート状にすることで電
極６１，６２の絶縁耐圧が改善されるというものであ
る。通常この公知例のような構造を得るには、金型によ
る成形や、切削、研削などによる機械加工が一般的であ
る。しかし、この公知例の場合、各部は少なくともｍｍ
（ミリメートル）のオーダーの寸法をもつものであり、
本実施形態例のようなμｍ（マイクロメートル）のオー
ダーで同様の構造を得ることは従来の方法では不可能で
ある。本実施形態例は、きわめて容易に凸凹を持つ構造
を得られることで大きな優位性がある。

【００３４】図８は本発明の第５の実施形態例を概略的
に示す断面図である。ここでは絶縁層形成と絶縁層に凸
凹を形成する工程を中心に示すが、他の工程は第１の実
施形態例と同じである。本実施形態例ではまず、シリコ
ン基板１の上に絶縁層２２として酸化シリコン膜をモノ
シラン（ＳｉＨ₄ ）と酸化（Ｏ₂ ）の混合ガスを用いた
ＣＶＤにより約０．８μｍ堆積する。この際に酸化シリ
コンの堆積膜圧０．３μｍから、０．５μｍまでの間ホ
スフィン（ＰＨ₃ ）を微量反応ガスに混入する。これに
よる絶縁層２２の中間の０．２μｍの範囲を中心とする
部分にはリンガラス層２３が形成される。その上にゲー
ト層４としてモリブデンを約０．２μｍ堆積する。その
後、フォトリソグラフィーにより直径約１μｍの開口７
を持つフォトレジスト層６を形成する（図８（ａ））。
この開口をマスクとして四フッ化炭素を用いたＲＩＥに
より、ゲート層４、絶縁層２２をエッチングする（図８
（ｂ））。続いて、フッ酸によりウェットエッチングす
るリンガラスのエッチングレートは通常の酸化シリコン
膜に比べて速いので、図８（ｃ）のような凹凸を持つ断
面形状が形成される。その後、第１の実施形態例と同様
にしてエミッタ電極５を形成すると、図９のような電界
放射冷陰極が完成する。

【００３５】本実施形態例と類似した断面形状として、
特開平４−２６２３３７には図２２（ｄ）のような断面
形状が示されている。この断面形状が本実施形態例と根
本的に異なるのは、シリコン基板４１が堀り込まれてい
ることである。このため、シリコン基板４１と酸化膜４
２の接する三重接点４９でシリコン基板４１に円周状の
突起ができているため、この部分に電界が集中しやすく
なり、絶縁耐圧を下げるという問題がある。また、シリ
コン基板４１からゲート層４０にいたる酸化膜４２，４
３の表面パスを長くする効果がない。

【００３６】また、特開平３−２５２０２９には図２７
に示すような断面形状が示されているが、本発明で対象
としている縦型とは異なり、電子が基板面に平行に放射
される横型の微小冷陰極に関する技術であり、同一平面
上に形成された、カソード電極６４とアノード電極６３
の間のアンドープ半導体６２にエッチングで溝６８を形
成して表面経路を長くするというものである。本実施形
態例は図９のようにシリコン基板１とその上に積層され
た最上層のゲート層４の間にある絶縁層２の断面に凹凸
を形成するという技術であり、この公知例とは異なる技
術である。

【００３７】本実施形態例においては絶縁層２２を堆積
する際に一回だけホスフィンを混入させる例を説明した
が、複数回行うことも可能であり、例えば３回の混入操
作を行った場合、図１０のような断面形状が得られる。

【００３８】本実施形態例においては、絶縁層２２の成
膜中のホスフィンを混入する方法を示したが、ジボロン
（Ｂ₆ Ｈ₆ ）を用いれば、酸化シリコン膜のエッチング
レートを下げることができるので、これによって断面形
状に凹凸を形成することも可能である。さらに、本実施
形態例では断続的にガスを混入する方法を示した、この
場合にも反応室内のガス組成は急激に変化するわけでは
ないので、連続的に絶縁層の組成が変化するが、ガスの
混合比を連続的に変化させることで絶縁層の組成を変調
し、断面形状に反映させることも可能である。

【００３９】図１１は本発明の第６の実施形態例を概略
的に示す断面図である。本実施形態例ではまず、シリコ
ン基板１の上に第１の絶縁層２、第２の絶縁膜３、ゲー
ト層４を形成させる。ここまでの工程は第１の実施形態
例と同じである。次にさらにゲート層４の上に第１の中
間絶縁層８１として酸化シリコン膜をＣＶＤ（化学気相
堆積法）を用いて約０．６μｍ堆積させる。次に第２の
中間絶縁層８２として窒化シリコン膜をＣＶＤ（化学気
相堆積法）を用いて約０．２μｍ堆積させる。さらにそ
の上に制御電極層８９としてモリブデンを真空蒸着によ
って約０．２μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフ
ィーにより直径約１．４μｍの開口をもつフォトレジス
ト層６を形成する（図１１（ａ））。この開口をマスク
として四フッ化炭素等を用いた異方性のＲＩＥ（反応性
イオンエッチング）により、制御電極層８９、第２の中
間絶縁層８２、第１の中間絶縁層８１をエッチングする
（図１１（ｂ））。フォトレジスト層６を除去した後、
酸化シリコン膜をＣＶＤを用いて約０．２μｍ堆積す
る。このときＣＶＤによる酸化シリコン膜の膜厚は開口
の底部にあたるゲート層４の上の部分が他の場所よりも
薄くなる。

【００４０】次に、ＲＩＥにより酸化シリコン膜をエッ
チングすると、図１１（ｃ）のように、酸化シリコン膜
を直径約１μｍの開口をもつサイドウォール８０の形状
とすることができる。さらに、この開口をマスクとして
ＲＩＥにより、ゲート層４、第２の絶縁層３、第１の絶
縁層２をエッチングすると図１１（ｄ）のようになる。
続いてサイドウォール８０と第１の絶縁層２、第１の中
間絶縁層８１を選択的にエッチングすると、図１１
（ｅ）のように段差８を有する断面形状が出来上がる。
次に第１の実施形態例と同様にしてエミッタ電極５を形
成することにより、図１２のような電界放射冷陰極が完
成する。

【００４１】特開平７−２８２７１８には図２８、図２
９に示すように、ゲート層１０４あるいは偏向電極１０
７の上に上部の絶縁層１０８と絶縁層１１１Ａを介して
電圧を印加できる偏向手段１１０が積層された構造が開
示されている。これはゲート層１０４あるいは偏向電極
１０７とその上にある別の電極の間に２種類の絶縁層と
して、上部の絶縁層１０８と絶縁層１１１Ａが挟まれた
構成である。しかし、その２種類の絶縁層の断面は同一
面で連続しており、凹凸はない。また、この構造を得る
にはゲート層１０４あるいは偏向電極１０７の上に上部
の絶縁層１０８を形成した下側部分と、金属板からなる
偏向手段１１０の両面に絶縁層１１１Ａ，１１１Ｂを形
成した後にパンチングやエッチングによって開口部を形
成した中間部分、そしてガラス基板１２０に導電膜（図
示せず）と螢光膜１２１を形成した上側部分をそれぞれ
別々に準備し、これらを接着するという手順を経てい
る。

【００４２】本実施形態例では複数の絶縁層を積層し、
あらかじめ凹凸のない断面形状を作った後、それぞれの
絶縁層のエッチング特性の差を利用して断面の凹凸形状
を得る。このため非常に精度よく凹凸形状を得ることが
できる。

【００４３】一方、上述の公知例では、単に２つの絶縁
層が重なった状態にあるだけで、本実施形態例のように
断面に凹凸を再現性よく形成して、沿面距離を長くする
効果は現れない。また、別々に加工した３つの部品を位
置合わせして接着する方法であり、上部の絶縁層１０８
と絶縁層１１１Ａの界面も接着面のひとつである。も
し、この方法によって断面に凹凸を形成しようとして
も、エミッタ電極１０５の直径が１μｍ以下であるこ
と、加工精度、位置合わせ精度等を考慮すると現実的に
は不可能である。さらに、全てのエミッタ電極１０５に
対応する開口部に凹凸断面を持つ絶縁層を介して別の電
極を形成することは明らかに不可能である。

【００４４】以上のことから、上述の公知例と本発明が
異なる技術であることは明らかである。

【００４５】図１３は本発明の第７の実施形態例の製造
工程を概略的に示す断面図である。本実施形態例では、
図１１（ａ）から（ｄ）までは第６の実施形態例と同様
であるが、続いて基板の正面からモリブデンを真空蒸着
してエミッタ電極５を形成する。（図１３）最後にサイ
ドウォール８０と第１の絶縁層２、第１の中間絶縁層８
１をエッチングしすると、図１２のような電界放射冷陰
極が完成する。本実施形態例では、制御電極層８９の上
に堆積したモリブデン膜１０はサイドウォール８０のエ
ッチングによって除去されるので、特別な犠牲層を設け
る必要がない。また、エミッタ電極５の蒸着の際に生じ
る回り込みよって開口内の側壁に付着するモリブデン膜
はサイドウォール８０上に堆積し、エッチングの際に取
り除かれるので、ゲート層４と制御電極層８９の間の絶
縁特性を劣化させる恐れはない。さらに、第２の実施形
態例と同様に、別の材料構成によっても同様の効果が得
られる。

【００４６】図１４は本発明の第８の実施形態例の製造
方法を概略的に示す断面図である。この図には絶縁層に
段差を形成する工程について示してあるが、他の工程は
第６の実施形態例と同じである。この実施形態例では、
ＲＩＥによる第１の絶縁層２のエッチングを第１の絶縁
層２がエッチングし終わる手前で止め（図１４
（ａ））、続いてフッ酸でサイドウォール８０、第１の
絶縁層２、第１の中間絶縁層８１をエッチングして、シ
リコン基板１を露出させるとともに、段差８が形成する
（図１４（ｂ））。本実施形態例によれば、第１の絶縁
層２をＲＩＥでエッチングする際のシリコン基板１への
オーバーエッチを皆無にすることができ、シリコン基板
上に突起を残すことが無くなる。また、ＲＩＥの終点に
対すプロセス上のマージンが大きくなるという利点があ
る。

【００４７】図１５は本発明の第９の実施形態例の製造
工程を概略的に示す断面図である。ここでは絶縁層形成
と絶縁層に段差を形成する工程を中心に示すが、他の工
程は第６の実施形態例と同じである。本実施形態例では
まず、シリコン基板１の上に第１の絶縁層１１として酸
化シリコン膜を約０．１３μｍ堆積する。次に第２の絶
縁膜１２として窒化シリコン膜を約０．１３μｍ堆積す
る。さらにその上に第３から第６の絶縁層１３〜１６と
して酸化シリコンと窒化シリコンを同様に積層する。そ
の上にゲート層４としてモリブデンを約０．２μｍ堆積
する。さらにその上に第１から第６の中間絶縁層８１か
ら８６として酸化シリコンと窒化シリコンを同様に堆積
する。その上に制御電極層８９としてモリブデンを約
０．２μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーに
より直径約１．４μｍの開口をもつフォトレジスト層６
を形成する（図１５（ａ））。この開口をマスクとして
四フッ化炭素等を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）により、制御電極層８９、第６から第１の中間絶縁
層８６〜８１をエッチングする（図１５（ｂ））。フォ
トレジスト層６を除去した後、酸化シリコン膜をＣＶＤ
を用いて約０．２μｍ堆積する。このときＣＶＤによる
酸化シリコン膜の膜厚を開口の底部にあたるゲート層４
の上の部分が他の場所よりも薄くなる。次に、ＲＩＥに
より酸化シリコン膜をエッチングすると、図１５（ｃ）
のように、酸化シリコン膜を直径約１μｍの開口をもつ
サイドウォール８０の形状とすることができる。さら
に、この開口をマスクとしてＲＩＥにより、ゲート層
４、第６から第１の絶縁層１６〜１１をエッチングする
と図１５（ｄ）のようになる。続いてサイドウォール８
０と第１、第３、第５の絶縁層１１、１３、１５、第
１、第３、第５の中間絶縁層８１、８３、８５が選択的
にエッチングすると、図１５（ｅ）のように段差を有す
る断面形状が出来上がる。次に第１の実施形態例と同様
にしてエミッタ電極を形成することにより、図１６のよ
うな電界放射冷陰極が完成する。

【００４８】本実施形態例においても第２の実施形態例
と同様に、サイドウォール８０の付いた図１５（ｄ）の
状態でコーンを形成し、その後に酸化シリコン層をエッ
チングすることで凹凸を形成する方法をとることが可能
である。また、実施形態例８の様に第１の絶縁層１１の
ＲＩＥによるエッチングを第１の絶縁層１１がエッチン
グし終わる手前で止め、続いてフッ酸によるウェットエ
ッチングを行って、シリコン基板を露出させるととも
に、凹凸を形成する方法を採ることも可能である。

【００４９】図１７は本発明の第１０の実施形態例の製
造工程を概略的に示す断面図である。ここでは絶縁層形
成と絶縁層に凹凸を形成する工程を中心に示すが、他の
工程は第６の実施形態例と同じである。まず、シリコン
基板１の上に第１の酸化シリコン膜２２を約０．８μ
ｍ、ゲート層４としてモリブデンを約０．２μｍ形成
し、その上に第２の酸化シリコン膜９２を約０．８μ
ｍ、制御電極層８９としてモリブデンを約０．２μｍ堆
積する。この際、第１および第２の酸化シリコン膜２
２，９２は、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）と酸素（Ｏ₂ ）の
混合ガスを用いたＣＶＤをもちいて成膜する。さらに第
１、第２それぞれの酸化シリコン膜の堆積膜厚０．３μ
ｍから０．５μｍまでの間ホスフィン（ＰＨ₃ ）を微量
反応ガスに混入する。これによって第１および第２の酸
化シリコン膜２２、９２それぞれの中間の０．２μｍの
範囲を中心とする部分には第１、および第２のリンガラ
ス層２３，９３が形成される。その後、フォトリソグラ
フィーにより直径約１．４μｍの開口をもつフォトレジ
スト層６を形成する（図１７（ａ））。この開口をマス
クとして四フッ化炭素等を用いたＲＩＥ（反応性イオン
エッチング）により、制御電極層８９、第２の酸化シリ
コン膜９２をエッチングする（図１７（ｂ））。フォト
レジスト層６を除去した後、酸化シリコン膜をＣＶＤを
用いて約０．２μｍ堆積する。次に、ＲＩＥにより酸化
シリコン膜をエッチングし、直径約１μｍの開口をもつ
サイドウォールを形成する（図１７（ｃ））。この開口
をマスクとしてＲＩＥにより、ゲート層４、第１の酸化
シリコン膜２２をエッチングする（図１７（ｄ））。続
いて、フッ酸によりサイドウォール８０、第１、第２の
酸化シリコン膜２２，９２をウェットエッチングする。
リンガラスのエッチングレートは通常の酸化シリコンに
比べて速いので、図１７（ｅ）のような凹凸を持つ断面
形状が形成される。その後、第１の実施形態例と同様に
してエミッタ電極を形成すると、図１８のような電界放
射冷陰極が完成する。

【００５０】本実施形態例においては、第１および第２
の酸化シリコン膜２２，９２が形成する際にそれぞれ１
回だけホイフィンを混入させる例を説明したが、複数回
行うことも可能であり、例えばそれぞれ３回の混入操作
を行った場合図１９のような断面形状が得られる。

【００５１】本実施形態例においては第１および第２の
酸化シリコン膜２２，９２の成膜中にホスフィンを混入
する方法を示したが、第５の実施形態例で絶縁膜の成膜
について説明しているのと同様に、ジボラン（Ｂ
₂ Ｈ₆ ）を用いれば酸化シリコン膜のエッチングレート
下げることが出来るので、これによって断面形状に凹凸
を形成することも可能である。

【００５２】第６から第１０の実施形態例においてはゲ
ート層４の上方、下方の絶縁層部分に同じ膜構成を用い
て、それぞれに凹凸形状を形成する方法を説明したが、
上方、下方のいずれかのみに凹凸形状を形成し、他方を
単層で凹凸の無い断面形状とすることも可能である。ま
た、上方、下方の両方に凹凸形状を形成する場合に、例
えば上方をＣＶＤのガス組成を変化させる方法、下方を
酸化膜と窒化膜の積層というように、それぞれ異なる膜
構成を組み合わせたものとすることも可能である。

【００５３】第６からの第１０の実施形態例ではゲート
層の上方に制御電極層が１層の場合を説明したが、この
上にさらに、中間絶縁層を介して第２、第３、…の複数
の制御電極を重ねた構造に対しても、それぞれの中間絶
縁層の断面を凹凸にすることが可能である。

【００５４】

【発明の効果】絶縁層はゲート層を支える位置にあり、
素子構造の機械的強度を維持することができ、絶縁層表
面の形状を凹凸にすることで、絶縁層表面のリークパス
を長く、しかも電界の向きに対して非連続的方向のパス
にすることができるため、リーク電流の低減、絶縁耐圧
の向上をもたらす。また、リーク電流の電子放射位置で
ある三重接点は、ゲート開口部の外側から見通せない位
置にあるために、コーン形成中の蒸着粒子や、素子完成
後に侵入するごみ、隣接した素子の破壊により侵入する
飛沫などがあっても、三重接点付近に付着することが無
く、粒子付着による突起を形成することがないため、無
用な電界の集中が無く、破壊が連鎖することが妨げる。
そのため、歩留まりが向上し、安定な電界放射冷陰極を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態例による電界放射冷陰
極の部分的断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態例による電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態例においてゲート層及
び絶縁層の開口径の関係を説明する部分的断面図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施形態例による電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態例による電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図６】本発明の第４の実施形態例による電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図７】本発明の第４の実施形態例による電界放射冷陰
極の部分的断面図である。

【図８】本発明の第５の実施形態例による電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図９】本発明の第５の実施形態例による電界放射冷陰
極の部分的断面図である。

【図１０】本発明の第５の実施形態例の変形例による電
界放射冷陰極の部分的断面図である。

【図１１】本発明の第６の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の製造工程を示す部分的断面図で
ある。

【図１２】本発明の第６の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の部分的断面図である。

【図１３】本発明の第７の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の製造工程を示す部分的断面図で
ある。

【図１４】本発明の第８の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の製造工程を示す部分的断面図で
ある。

【図１５】本発明の第９の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の製造工程を示す部分的断面図で
ある。

【図１６】本発明の第９の実施形態例による制御電極を
有する電界放射冷陰極の部分的断面図である。

【図１７】本発明の第１０の実施形態例による制御電極
を有する電界放射冷陰極の製造工程を示す部分的断面図
である。

【図１８】本発明の第１０の実施形態例による制御電極
を有する電界放射冷陰極の部分的断面図である。

【図１９】本発明の第１０の実施形態例の変形例による
制御電極を有する電界放射冷陰極の部分的断面図であ
る。

【図２０】従来例による電界放射冷陰極の製造工程を示
す部分的断面図である。

【図２１】従来例による電界放射冷陰極の絶縁層断面形
状を示す部分的断面図である。

【図２２】従来例による電界放射冷陰極の製造工程を示
す部分的断面図である。

【図２３】従来例による制御電極を有する電界放射冷陰
極の絶縁層断面形状を示す部分的断面図である。

【図２４】従来例による制御電極を有する電界放射冷陰
極の製造工程を示す部分的断面図である。

【図２５】従来例による電界放射冷陰極の絶縁層断面形
状を示す部分的断面図である。

【図２６】絶縁耐圧向上のための従来技術を説明する側
面図である。

【図２７】従来例による電界放射冷陰極の断面形状を示
す部分的断面図である。

【図２８】従来例による電界放射冷陰極を用いた表示素
子の断面形状を示す部分的断面図である。

【図２９】従来例による電界放射冷陰極を用いた表示素
子の断面形状を示す部分的断面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 第１の絶縁層 ３ 第２の絶縁層 ４ ゲート層 ５ エミッタ電極 ８ 段差 ９ 犠牲層 １０ モリブデン層 １１〜１６ 絶縁層 ２２ 絶縁層 ２３ リンガラス層 ６，７６ フォトレジスト層 ７１ 基板 ８０ サイドウォール ８１〜８６ 中間絶縁層 ８９ 制御電極層 ９２ 酸化シリコン層 ９３ リンガラス層

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一表面が導電性を有する基板
   と、前記一表面上に形成した絶縁層と導電性のゲート
   層、およびその絶縁層と導電性のゲート層に形成した空
   洞内に設けられたエミッタ電極とを有する電界放射冷陰
   極において、上記絶縁層が異なる材料、または製法の異
   なる同一材料の組み合わせによる、少なくとも２層で積
   層形成され、上記エミッタ電極を形成すべき空洞の絶縁
   層内壁面が、ゲート層にもっとも近い絶縁層を除く少な
   くとも一層においてくぼんだ断面形状を有することを特
   徴とする電界放射冷陰極。
2. 【請求項２】 前記絶縁層の組成が連続的に変化してい
   ることを特徴とする請求項１記載の電界放射冷陰極。
3. 【請求項３】 前記ゲート層の開口径Ｄｇ、ゲート層に
   最も近い絶縁層の内壁面の直径をＤｉとしたときに−Ｄ
   ｇ／２＜Ｄｇ−Ｄｉ＜Ｄｇ／３であることを特徴とする
   請求項１または２記載の電界放射冷陰極。
4. 【請求項４】 前記エミッタ電極を形成すべき空洞内の
   基板露出部と、絶縁層、および空間が接する三重接点
   が、外部から見通すことができない構造であることを特
   徴とする請求項１、２または３記載の電界放射冷陰極。
5. 【請求項５】 前記エミッタ電極を形成すべき空洞内の
   基板露出部が、絶縁層と基板の界面と連続した同一平面
   であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の
   電界放射冷陰極。
6. 【請求項６】 導電性基板、あるいは絶縁性基板上に導
   電性層を積層した基板と、その上に堆積した絶縁層と導
   電性のゲート層、さらにその上に中間絶縁層と導電性の
   制御電極層からなる組み合わせを、少なくとも１回積層
   し、その制御電極層、中間絶縁層、ゲート層および絶縁
   層とに形成した空洞内に設けられた先端の先鋭な略円錐
   状のエミッタ電極とを有する電界放射冷陰極において、
   上記中間絶縁層が異なる材料、あるいは製法の異なる同
   一材料の組み合わせによる、少なくとも２層を積層し、
   上記エミッタ電極を形成すべき空洞の絶縁層内壁面が、
   制御電極層にもっとも近い中間絶縁層を除く少なくとも
   １層においてくぼんだ断面形状を有することを特徴とす
   る電界放射冷陰極。
7. 【請求項７】 前記中間絶縁層の組成が連続的に変化し
   ていることを特徴とする請求項６記載の電界放射冷陰
   極。
8. 【請求項８】 請求項１、２、６、７記載の電界放射冷
   陰極を作製する方法であって、絶縁層の上にゲート層を
   形成した後、あるいは、さらに中間絶縁層と制御電極層
   を形成した後に、異方性エッチングにより凹凸のない穴
   を形成したあと、選択的なエッチングにより、断面に凹
   凸を形成することを特徴とする電界放射冷陰極の製造方
   法。
9. 【請求項９】 前記絶縁層材料および中間絶縁層材料は
   シリコン酸化物、シリコン窒化物であることを特徴とす
   る請求項１または６記載の電界放射冷陰極。
10. 【請求項１０】 前記選択的なエッチングを、前記エミ
    ッタ電極の形成後に行うことを特徴とする請求項８記載
    の電界放射冷陰極の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記絶縁層あるいは中間絶縁層の組成
    を変化させる方法として、ＣＶＤの反応ガスの組成を変
    化させる方法を採用したことを特徴とする請求項７記載
    の電界放射冷陰極の製造方法。