JPH0887958A

JPH0887958A - 電界放出型冷陰極装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0887958A
Application number: JP22224694A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ichimura; 厚一市村; Masayuki Nakamoto; 正幸中本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】電界放出電圧が低く且つ効率が高い電界放出
型冷陰極装置と、それを均一性、再現性よくしかも短時
間で生産性よく製造する方法を提供する。【構成】Ｓｉ単結晶基板１１に、底に平坦な若しくは
湾曲する底部３２を有する逆ピラミッド形状の穴１２を
設ける。次に基板１１を熱酸化し、底部３２の幅の約
１．５倍の厚さを有するＳｉＯ₂ 絶縁層１３を穴１２の
内外に形成する。次に、穴１２を埋めるように絶縁層１
３上にエミッタ材料層１４を形成する。次に、エミッタ
材料層１４側にガラス基板１７を接合した後、Ｓｉ基板
１１をエッチングにより除去し、絶縁層１３を露出させ
る。絶縁層１３上にゲート電極層１９を形成した後、エ
ミッタ材料層１４の凸部１８の先端が露出するように、
絶縁層１３及びゲート電極層１９の一部を除去して、エ
ミッタ４４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、電界放出型冷陰極装置
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放出型冷陰極装置及びその製
造方法の代表的な例としては、スピント（Ｃ．Ａ．Ｓｐ
ｉｎｄｔ）らが、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４７，５２
４８（１９７６）に記載したものが知られている。ここ
に記載されている電界放出型冷陰極装置及びその製造方
法を図５を参照して説明する。

【０００３】この例においては、先ず、Ｓｉ単結晶基板
１上に絶縁層としてＳｉＯ₂ 層２がＣＶＤ等の堆積法に
より形成される。次に、その上にＭｏ層３及びゲート電
極層となるＡｌ層４がスパッタリング法等で形成され
る。次に、エッチングにより直径約１．５μｍ程度の穴
５が層２、３、４に形成される（図５（ａ））。

【０００４】次に、この穴５の中に、電界放出を行なう
ための円錐形状のエミッタ７が蒸着法により作製される
（図５（ｂ））。このエミッタ７の形成は、エミッタの
材料となる金属、例えばＭｏが、回転した状態の基板１
に対して垂直方向から真空蒸着されることにより行われ
る。この際、穴５の開口に相当するピンホール径は、Ａ
ｌ層４上にＭｏ層６が堆積するにつれて減少し、最終的
には０となる。このため、ピンホールを通して堆積する
穴５内のエミッタ７も、その径がしだいに減少し、円錐
形状となる。Ａｌ層４上に堆積した余分のＭｏ層６は後
に除去される（図５（ｃ））。

【０００５】しかし、上述の製造方法及びその方法によ
り作製された電界放出型冷陰極装置においては以下に述
べるような問題点がある。先ず、第１には、回転蒸着法
により、穴５の開口に相当するピンホールの直径が少し
ずつ小さくなることを利用してエミッタを形成している
ため、エミッタ高さ、先端部の形状などがばらつき、電
界放出の均一性が悪くなる。また、電界放出効率を向上
させるのに必要なエミッタ先端部の鋭さが欠けるため、
電界放出効率の低下、消費電力の増大等の問題が生じ
る。更に、形状の再現性や歩留まりが悪いため、特性の
揃った多数の電界放出型冷陰極装置を同一基板上に作製
しようとする場合には、生産コストが非常に高くなる。

【０００６】また、第２に、ＳｉＯ₂ 絶縁層をＣＶＤ法
により厚く形成しているため、電界放出の効率を大きく
左右するゲート−エミッタ間の距離が正確に制御でき
ず、電界放出の均一性が良好でなく、ばらつきが発生す
る。また、ゲート−エミッタ間距離が小さい方がより低
電圧で素子を駆動させることができるが、制御よくゲー
トとエミッタとを近接させることが困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】上述したように、
従来の電界放出型冷陰極装置の製造方法及びその方法に
より作製された電界放出型冷陰極装置においては、エミ
ッタ形状の再現性や均一性の不良及び先端部の鋭さが不
十分であることから、電界放出特性の不均一、電界放出
電圧の上昇、電界放出効率の低下、消費電力の増大等の
問題点がある。また、エミッタ形状の再現性や歩留まり
が悪いため、特性の揃った多数の電界放出型冷陰極装置
を同一基板上に作製しようとする場合のコストの増大と
いう問題もある。

【０００８】また、ＳｉＯ₂ 絶縁層をＣＶＤ法により厚
く形成しているため、ゲート−エミッタ間の距離が正確
に制御できず、電界放出の均一性が良好でなく、ばらつ
きが発生する。また、より低電圧での素子駆動のために
ゲート−エミッタ間距離を制御性よく小さくすることも
困難である。

【０００９】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、電界放出特性が均一で且つ低電圧駆動
が可能で電界放出効率も高いエミッタが得られる電界放
出型冷陰極装置の製造方法及びその方法により作製され
た電界放出型冷陰極装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、エミッタ製作時間を必要最小限に抑える
ことが可能で、生産性に富んだ電界放出型冷陰極装置の
製造方法及びその方法により作製された電界放出型冷陰
極装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電界放出型
冷陰極装置の製造方法は、側面が底に向かって収束する
形状をなし且つ側面から底にかけて平坦な若しくは湾曲
する穴を第１基板の主表面に形成する工程と、前記第１
基板の前記主表面を酸化し、前記穴の内部を含む前記主
表面上を覆うように酸化絶縁層を形成する工程と、前記
穴を埋めるように、前記絶縁層上にエミッタ材料層を形
成する工程と、前記第１基板に対して、前記エミッタ材
料層が介在するように第２基板を接合する工程と、前記
第１基板をエッチングにより除去し、前記穴内に充填さ
れた前記エミッタ材料で形成された凸部を内部に含む前
記絶縁層を露出させる工程と、前記絶縁層上にゲート電
極層を形成する工程と、前記凸部の先端部が露出するよ
うに、前記ゲート電極層及び前記絶縁層の一部を除去し
エミッタを形成する工程と、を具備することを特徴とす
る。

【００１１】ここで、前記酸化絶縁層の形成により、前
記穴の側面が内側へ成長した距離を、前記穴の底の元の
幅の０．５倍以上で且つ前記穴の入口の元の幅以下とす
ることができる。

【００１２】前記第１基板をＳｉ基板とした場合、前記
穴は異方性エッチングにより逆ピラミッド形状に形成す
ることができる。前記絶縁層はＳｉの酸化により形成さ
れるＳｉＯ₂ 絶縁層となる。この場合、前記ＳｉＯ₂ 絶
縁層の厚さを、前記穴の底の元の幅の約１．５倍以上で
且つ前記穴の入口の元の幅以下とすることができる。

【００１３】本発明に係る電界放出型冷陰極装置は、支
持基板と、前記支持基板上に配設されたエミッタ材料層
と、前記エミッタ材料層の一部からなり、側面が先端に
向かって収束する形状を有するエミッタと、前記エミッ
タ材料層上に、前記エミッタの先端が露出するように設
けられた絶縁層と、前記絶縁層を介して前記エミッタに
沿って設けられると共に、該エミッタの先端部を囲う開
口部を有するゲート電極層と、を具備し、前記エミッタ
が、側面の収束角が第１角度をなす基部と、第１角度よ
りも大きな第２角度をなす段部と、前記第１及び第２角
度よりも小さな第３角度をなす尖端部と、を有すること
を特徴とする。

【００１４】本発明に係る電界放出型冷陰極装置は、前
記製造方法において、前記酸化絶縁層の形成により、前
記穴の側面が内側へ成長した距離を、前記穴の底の元の
幅の０．５倍程度とすることにより製造される。

【００１５】

【作用】本発明の電界放出型冷陰極装置の製造方法にお
いては、ゲート−エミッタ間の距離を前記酸化絶縁層に
より制御することができる。また、前記エミッタは、前
記穴内に充填された前記エミッタ材料層の一部に相当す
るため、予め前記穴を正確に形成しておくことにより、
所定形状のエミッタが再現性よく得られる。

【００１６】更に、穴の尖鋭化に最低必要な熱酸化絶縁
層の厚さを酸化前の穴の底の形状に応じて見積もること
が可能であるため、尖鋭化のためにいたずらに酸化絶縁
層を厚くしてゲート−エミッタ間距離を増大させること
がない。また、前記穴が平坦な或いは湾曲する底部を有
するため、前記酸化絶縁層厚を最低必要値とすることに
より、先端のみが尖鋭化したエミッタを得ることができ
る。

【００１７】

【実施例】以下に図示の実施例を参照して本発明を詳述
する。図１は本発明の一実施例に係る電界放出型冷陰極
装置の製造工程を示す模式図である。この方法では、先
ず、例えば単結晶からなる基板の片側表面に先細りの穴
を形成した。このような穴を形成する方法として、次の
ようなＳｉ単結晶基板の異方性エッチングを利用する方
法を用いた。

【００１８】先ず、ｐ型で（１００）結晶面方位のＳｉ
単結晶基板１１上に厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂ 熱酸化層
をドライ酸化法により形成した。次に、その上にレジス
トをスピンコート法により塗布すると共に、ステッパを
用いて、例えば１μｍ角の正方形開口部が得られるよう
に露光、現像等の処理を施し、レジストをパターニング
した。次に、レジストをマスクとして、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ
混合溶液により、ＳｉＯ₂ 膜のエッチングを行なった。

【００１９】レジストを除去した後、３０ｗｔ％のＫＯ
Ｈ水溶液を用いて異方性エッチングを行い、図１（ａ）
に示すように、深さ０．７１μｍの穴１２をＳｉ単結晶
基板上に形成した。次に、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ混合溶液を用
いて、ＳｉＯ₂ 酸化層を除去した。ＫＯＨ水溶液により
エッチングされることにより、穴１２は（１１１）面か
らなる４斜面により規定される逆ピラミッドの形状とな
った。ここで、穴１２の底には、図２（ａ）に示すよう
に、約２０ｎｍの平坦な底部３２を残した。

【００２０】この様にして穴１２を形成したＳｉ単結晶
基板１１をウエット酸化法により熱酸化し、穴１２を含
む全面にＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層１３を形成した。この
時、絶縁層１３は、基板１１の（１１１）面、すなわち
穴１２の側面において厚さ約３０ｎｍ程度となるように
した。Ｓｉ単結晶の（１００）面における熱酸化層の厚
さは（１１１）面における厚さと±１０％以内で一致す
る。従って、（１００）面での酸化絶縁層の厚さから
（１１１）面での厚さを見積もることができる。

【００２１】熱酸化後、穴１２は、全側面から成長した
ＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層１３により、平坦な底部３２が消
滅し、底に向かって尖鋭化された状態となった。より詳
細には、図２（ｂ）及び図３に示すように、穴１２の底
では、平坦な底部３２からのＳｉＯ₂ 熱酸化物の成長に
より、絶縁層１３に環状の凸部３４が発生した。これに
より、穴１２の底には、収束角の小さな尖った凹部３６
が形成された。

【００２２】熱酸化絶縁層１３形成後、この上に、エミ
ッタ材料層１４として、Ｗ層を形成した。エミッタ材料
としては、Ｗの他、Ｍｏ、Ｔａ、Ｓｉ等、種々の材料を
用いることができる。エミッタ材料層１４は、穴１２が
十分に埋められると共に、穴１２以外の部分も一様とな
るように形成した。この実施例では厚さ２μｍとなるよ
うにエミッタ材料層をスパッタリング法により形成し
た。

【００２３】更に、エミッタ材料層１４上に、ＩＴＯ層
等の導電層１５を同じくスパッタリング法により例えば
厚さ１μｍとなるように形成した（図１（ｂ））。な
お、この導電層１５はエミッタ材料層１４の材質によっ
ては省くことができ、その場合にはエミッタ材料層１４
がカソード電極層を兼ねることとなる。

【００２４】一方、支持基板となる、背面に厚さ０．４
μｍのＡｌ層１６をコートしたパイレックスガラス基板
（厚さ１ｍｍ）１７を用意した。そして、図１（ｃ）に
示すように、ガラス基板１７とＳｉ単結晶基板１１とを
エミッタ材料層１４及び導電層１５を介するように接着
した。この接着には、例えば、静電接着法を適用するこ
とができる。静電装着法は、冷陰極装置の軽量化や薄型
化に寄与する。

【００２５】次に、ガラス基板１７背面のＡｌ層１６
を、ＨＮＯ₃ ・ＣＨ₃ ＣＯＯＨ・ＨＦの混酸溶液で除去
した。また、エチレンジアミン・ピロカテコール・ピラ
ジンから成る水溶液（エチレンジアミン：ピロカテコー
ル：ピラジン：水＝７５ｃｃ：１２ｇ：３ｍｇ：１０ｃ
ｃ）でＳｉ単結晶基板１１のみをエッチング除去した。
この様にして、図１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂ 熱酸
化層１３を露出させると共に、ＳｉＯ₂ 熱酸化層１３に
覆われたエミッタ材料によるピラミッド形状の凸部１８
を突出させた。

【００２６】次に、ゲート電極層として、例えば、Ｗ層
１９を厚さ０．５μｍとなるように、スパッタリング法
によりＳｉＯ₂ 熱酸化層１３上に形成した。その後、フ
ォトレジストの層２０をスピンコート法により約０．９
μｍ程度、すなわち僅かに、ピラミッドの先端が隠れる
程度の厚さに塗布した。この状態を図１（ｅ）に示す。

【００２７】更に、酸素プラズマによるドライエッチン
グを行い、ピラミッド先端部が０．７μｍほど現れるよ
うに、レジスト層２０をエッチング除去した（図１
（ｆ））。その後、反応性イオンエッチングにより、ピ
ラミッド先端部のゲート金属１９をエッチングし、開口
部を形成した（図１（ｇ））。

【００２８】レジスト層２０を除去した後、ＮＨ₄ Ｆ・
ＨＦ混合溶液を用いて、ＳｉＯ₂ 熱酸化層１３を選択的
に除去した。これによって、図１（ｈ）に示すように、
ゲート電極層１９の開口部４２が形成されると共に、エ
ミッタ材料によるピラミッド状凸部１８の頂部が露出さ
れ、ピラミッド状の冷陰極、すなわちエミッタ４４が形
成された。

【００２９】この様にして、エミッタ４４は、ＳｉＯ₂
熱酸化絶縁層１３の形成により尖鋭化された穴１２を鋳
型として形成された。このため、エミッタ４４の先端
は、図４に示すような穴１２の底の形状を引継いだ形状
となった。すなわち、エミッタ４４は、側面の収束角が
第１角度をなす基部４６と、第１角度よりも大きな第２
角度をなす段部４７と、第１及び２角度よりも小さな第
３角度をなす尖端部４８と、を有するものであった。こ
こで、段部４７から尖端部４８へは側面の収束角が急激
に変化した。

【００３０】このように、本発明の一実施例に係る電界
放出型の冷陰極装置は、Ｓｉ単結晶の異方性エッチング
により設けた穴１２内部を含むＳｉ単結晶１１表面にＳ
ｉＯ₂ 熱酸化絶縁層１３を形成させ、エミッタ４４とな
る物質をこの穴１２内に充填して形成している。従っ
て、異方性エッチングによる形状再現性、及びＳｉＯ₂
熱酸化絶縁層１３の成長作用による穴１２の尖鋭化によ
り、穴１２の形状に応じた曲率半径５ｎｍ以下の先端鋭
利なエミッタ４４を再現性良く得ることができる。

【００３１】また、エミッタ４４とゲート電極層１９と
がＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層１３を挟み形成されているた
め、ゲート−エミッタ間距離をこの絶縁層の厚さにより
精度良く制御することが可能となる。エミッタ４４の尖
鋭化に必要な最低の厚さの熱酸化絶縁層１３を形成する
ことにより、ゲート−エミッタ間距離が小さく駆動電圧
の低い電界放出エミッタが得られる。しかも、熱酸化に
要する時間も短縮が可能で生産性も大幅に上がる。

【００３２】また、エミッタ４４は、最先端の尖端部４
８のみが、小さな収束角を有するようになるため、その
放熱効果を低下させることなく、電界放出効率を向上さ
せることができる。エミッタ４４のバルクからの放熱効
果を維持することにより、エミッタ４４の過熱が防止さ
れ、寿命が向上することとなる。

【００３３】上述の実施例に係るエミッタを有する電界
放出型冷陰極装置を作成し、実験を行ったところ、同冷
陰極装置は１０Ｖで十分良好な電流放出特性を示した。
アノードをエミッタから６μｍ離れた位置に対向させ、
１０Ｖの電圧印加で測定したエミッタ電流は、エミッタ
としてＳｉの異方性エッチングにより作製した先端曲率
半径約１０ｎｍのエミッタを有する冷陰極装置を用い
て、同一条件で測定した場合のエミッタ電流の７から８
倍であった。

【００３４】次に、基板の穴１２の側面に形成する酸化
絶縁層１３の最低限必要な厚さについてここで説明す
る。例えば、エミッタの鋳型となる穴の、平坦な或いは
湾曲する底部、すなわち側面の収束角が急激に大きくな
る穴の底部の幅をＬとする。ここで、穴の底に幅２０ｎ
ｍの平坦な底部が存在すればＬ＝２０ｎｍである。また
穴の底に半径２０ｎｍの半球状の底部が存在すればＬ＝
４０ｎｍとなる。この様な場合、尖鋭な先端のエミッタ
を得るため、穴の底を尖鋭化するには、穴の側面に形成
される酸化層が重なるまで成長させる必要がある。換言
すると、穴の側面が酸化によって元の位置から穴の内側
へ向かい成長した距離が少なくとも０．５×Ｌに達する
ことが必要となる。

【００３５】また、上述の実施例のように、Ｓｉ基板の
表面、例えば（１００）面に異方性エッチングで開けた
逆ピラミッド形状の穴１２を用いる場合、熱酸化絶縁層
１３の厚さにより、穴１２の形状の尖鋭化が判断でき
る。例えば、図２（ａ）に示すように、熱酸化前の穴１
２の底に幅２０ｎｍの平坦な底部３２が存在する場合、
熱酸化絶縁層１３の厚さが約３０ｎｍに達すると穴１２
の平坦な底部３２が消滅し、穴１２の形状が尖鋭化され
る。図２（ｂ）は（１１１）面における熱酸化絶縁層が
３０ｎｍに成長したときの穴１２の底の状態である。

【００３６】すなわち、Ｓｉ基板を酸化する場合、熱酸
化絶縁層１３の厚さの約１／３が穴１２の側面より内側
にせり出すこととなる。従って、Ｓｉ基板を使用する場
合、穴１２の底の尖鋭化に最低必要な酸化絶縁層の厚さ
は約１．５×Ｌとなる。換言すれば、エミッターゲート
間の距離を約１．５×Ｌまでは近づけることが可能とな
る。

【００３７】最先端のみが小さな収束角を有するエミッ
タ４４を形成するため、穴１２の底に形成する平坦な或
いは湾曲する底部３２の幅は、１０ｎｍ〜１μｍの範囲
に設定することが望ましい。この範囲以下では、図３に
示すような凹部３６ができ難く、この範囲以上では、必
要な酸化絶縁層が厚くなり、エミッタ−ゲート間距離が
長くなる。

【００３８】更に、実験のため、約１０μｍの入口幅を
有し且つ底に約１００ｎｍの平坦な底部を有する大きな
穴をＳｉ基板に形成し、熱酸化絶縁層の厚さと、各条件
で形成されたエミッタを有する電界放出型冷陰極装置の
特性との関係を調べた。熱酸化絶縁層の厚さをそれぞ
れ、５０、１００、１５０、２００、５００ｎｍとし、
各条件で形成されたエミッタを有する電界放出型冷陰極
装置による電界放出電流を、前述のアノードを用いた二
極管構造で測定した。

【００３９】その結果、絶縁層厚５０及び１００ｎｍで
は電界放出電流は観測されなかった。しかし、絶縁層厚
１５０、２００、５００ｎｍでは、Ｓｉの異方性エッチ
ングにより作製した先端極率半径約１０ｎｍのエミッタ
を有する冷陰極装置を用いて同一条件で測定した場合の
それぞれ７倍、７倍、８倍の電界放出電流が観測され
た。

【００４０】この様に、電界放出型冷陰極装置の電界放
出電流特性は、酸化絶縁層厚を、少なくとも本発明で規
定する必要最低値とすることにより急激に向上する。し
かし、該必要最低値以上では、酸化絶縁層厚の増加に比
べて電界放出電流特性の向上は小さくなる。寧ろ逆に、
酸化絶縁層厚を概ね最低必要値とすることにより、酸化
時間の短縮による生産性の向上、ゲート−エミッタ間距
離の減少による駆動電圧の低下、エミッタの放熱効果低
下の防止等の利点が得られることとなる。

【００４１】図５図示の冷陰極装置は、真空容器内に配
置し、Ｍｏ層３及びＡｌ層４をアノード電極として使用
することにより二極管として使用することができる。し
かしこの装置は、前述の如く、エミッタ高さ、先端部の
形状などがばらつき、エミッタ先端部の鋭さが欠けると
共に形状の再現性や歩留まりが悪いという問題がある。
また、エミッタとアノードとの間隔を狭く且つ正確に制
御することも困難である。また、絶縁層２、アノード電
極層３、４の堆積や、エミッタを配置する穴５の形成等
の複雑な製造工程が必要であり低価格化を図り難い。ま
た、高融点等の性質が必要であるアノード材料の選択性
にも限界がある。

【００４２】上述の問題を解決した本発明に係る真空マ
イクロ装置及びその製造方法を以下に述べる。図６は本
発明の別の実施例に係る二極管構造の真空マイクロ装置
の製造工程を示す断面図である。この方法では、先ず、
例えば単結晶からなる基板の片側表面に先細りの穴を形
成した。このような穴を形成する方法として、次のよう
なＳｉ単結晶基板の異方性エッチングを利用する方法を
用いた。

【００４３】先ず、ｐ型で（１００）結晶面方位のＳｉ
単結晶基板５１上に厚さ０．０５μｍのＳｉＯ₂ 熱酸化
層をドライ酸化法により形成した。次に、その上にレジ
ストをスピンコート法により塗布すると共に、ステッパ
を用いて、例えば０．１２μｍ角の正方形開口部が得ら
れるように露光、現像等の処理を施し、レジストをパタ
ーニングした。次に、レジストをマスクとして、ＮＨ₄
Ｆ・ＨＦ混合溶液により、ＳｉＯ₂ 膜のエッチングを行
なった。

【００４４】レジストを除去した後、３０ｗｔ％のＫＯ
Ｈ水溶液を用いて異方性エッチングを行い、図６（ａ）
に示すように、深さ０．０８５μｍの穴５２をＳｉ単結
晶基板上に形成した。次に、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ混合溶液を
用いて、ＳｉＯ₂ 酸化層を除去した。ＫＯＨ水溶液によ
りエッチングされることにより、穴５２は（１１１）面
からなる４斜面により規定される逆ピラミッドの形状と
なった。

【００４５】この様にして穴５２を形成したＳｉ単結晶
基板５１をウエット酸化法により熱酸化し、穴５２を含
む全面にＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層５３を形成した（図６
（ｂ））。この時、比較的低温の９００℃の酸化条件を
使用し、絶縁層５３は、基板５１の（１１１）面におい
て約０．１５μｍ程度となるようにした。その結果、Ｓ
ｉが酸化されてＳｉＯ₂ となる際の体積膨脹により、穴
５２付近の形状が変化し、新たな逆ピラミッドの形状の
穴５２ａが形成され、その底部、すなわち逆ピラミッド
の先端が、基板５１の平坦部に形成されたＳｉＯ₂ 膜の
表面よりも上に位置するようになった。

【００４６】熱酸化絶縁層５３形成後、この上に、エミ
ッタ材料層５４として、Ｍｏ層を形成した。エミッタ材
料としては、Ｍｏの他、Ｗ、Ｔａ、Ｓｉ等、種々の材料
を用いることができる。エミッタ材料層５４は、穴５２
ａが十分に埋められると共に、穴５２ａ以外の部分も一
様となるように形成した。この実施例では厚さ２μｍと
なるようにエミッタ材料層をスパッタリング法により形
成した。

【００４７】更に、エミッタ材料層５４上に、ＩＴＯ層
等の導電層５５を同じくスパッタリング法により例えば
厚さ１μｍとなるように形成した（図６（ｃ））。な
お、この導電層５５はエミッタ材料層５４の材質によっ
ては省くことができ、その場合にはエミッタ材料層５４
がカソード電極層を兼ねることとなる。

【００４８】一方、支持基板となる、背面に厚さ０．４
μｍのＡｌ層５６をコートしたパイレックスガラス基板
（厚さ１ｍｍ）５７を用意した。そして、図６（ｄ）に
示すように、ガラス基板５７とＳｉ単結晶基板５１とを
エミッタ材料層５４及び導電層５５を介するように接着
した。この接着には、例えば、静電接着法を適用するこ
とができる。静電装着法は、冷陰極装置の軽量化や薄型
化に寄与する。

【００４９】次に、ガラス基板５７背面のＡｌ層５６
を、ＨＮＯ₃ ・ＣＨ₃ ＣＯＯＨ・ＨＦの混酸溶液で除去
した。また、エチレンジアミン・ピロカテコール・ピラ
ジンから成る水溶液（エチレンジアミン：ピロカテコー
ル：ピラジン：水＝７５ｃｃ：１２ｇ：３ｍｇ：１０ｃ
ｃ）でＳｉ単結晶基板５１のみをエッチング除去した。
この様にして、図６（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂ 熱酸
化層５３の底面を露出させた。

【００５０】次に、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ混合溶液を用いて、
ＳｉＯ₂ 酸化層５３を除去し、エミッタ材料によるピラ
ミッド形状の凸部５８をその内部に含む凹部６２を露出
させた（図６（ｆ））。すなわち、穴の中にエミッタを
配置した構造が得られた。

【００５１】次に、基板５７を回転させながら、凸部５
８及び凹部６２に被着しない角度で、ＥＢ蒸着法等によ
りエミッタ材料層５４上にＳｉＯ₂ を斜めに蒸着した。
この様にして、図６（ｇ）に示すように、凹部６２の周
りに厚さ約４０ｎｍの絶縁層６１を形成した。

【００５２】次に、アノード電極層として、例えばＷ層
５９を、絶縁層６１を介してエミッタ材料層５４と対向
するように配置した。そして、図６（ｈ）に示すよう
に、アノード電極層５９を絶縁性の接着剤層６３により
固定した。この際、エミッタ材料層５４とアノード電極
層５９との間の空間を真空な気密空間６０とした。この
様にすることにより、本装置を収容するための真空容器
が不要となる。

【００５３】図７は本発明の別の実施例に係るゲート付
きエミッタ構造の真空マイクロ装置の製造工程を示す断
面図である。この製造工程は、図６（ｆ）までは先の実
施例と同じであるため、それ以降の工程について説明す
る。

【００５４】図６（ｆ）工程後、露出したエミッタ材料
層５４上に、まず、ＳｉＯ₂ 等からなる絶縁層７１をス
パッタリング法により形成した。絶縁層７１はＣＶＤ法
により形成してもよい。次に、ゲート電極層として、例
えば、Ａｌ層７２を厚さ０．０５μｍとなるように、ス
パッタリング法により絶縁層７１上に形成した（図７
（ａ））。この時、凹部６２に起因する凹部７３を残す
ようにした。

【００５５】次に、全面にフォトレジスト層７４をスピ
ンコート法により塗布した。そして、酸素プラズマによ
るドライエッチングを行い、凹部７３内にのみ、レジス
ト層７４を残存させた（図７（ｂ））。そして、電気メ
ッキにより、ゲート電極層７２上にＡｌからなる電極層
７５を形成した（図７（ｃ））。

【００５６】次に、酸素プラズマによりレジスト層７４
をエッチバックし、エミッタ凸部５８の位置に対応する
ゲート電極層７２の部分を露出させた。この時、その周
囲には、レジスト層残部７４ａを残すようにした（図７
（ｄ））。そして、レジスト層残部７４ａをマスクとし
て、ゲート電極層７２及び絶縁層７１をエッチングし、
エミッタ凸部５８を露出させた（図７（ｅ））。この
時、電気メッキにより平坦部のゲート電極層７２が厚く
なっているので、エッチング後も、エミッタ先端部を除
くゲート電極層７２は残った。レジスト層残部７４ａは
その後除去した。この様にして、ゲート電極層７２で包
囲されたピラミッド状の冷陰極、すなわちエミッタが形
成された。

【００５７】このように、図６及び図７図示の本発明の
二極管及びゲート付きエミッタ構造の真空マイクロ装置
によれば、Ｓｉ単結晶の異方性エッチングにより設けた
穴５２内部を含むＳｉ単結晶５１表面にＳｉＯ₂ 熱酸化
絶縁層５３を形成させ、エミッタとなる物質をこの穴５
２内に充填して形成している。従って、異方性エッチン
グによる形状再現性、及びＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層５３の
成長作用による穴５２の尖鋭化により、穴５２の形状に
応じた曲率半径５ｎｍ以下の先端鋭利なエミッタを再現
性良く得ることができる。

【００５８】また、エミッタ先端部５８とアノード電極
層５９との間隔は、再現性のよいＳｉＯ₂ 熱酸化絶縁層
５３の形状と、エミッタ材料層５４とアノード電極層５
９との間に薄く蒸着した絶縁層の厚さで決まるため、精
度よく制御することができる。このため、アノードとエ
ミッタ間距離が小さく、駆動電圧の低い装置が得られ
る。その上、アノード材料として融点が高い等の、所望
の性質を持つ材料を自由に選ぶことが可能となる。

【００５９】

【発明の効果】本発明に係る電界放出型冷陰極装置によ
れば、基板に形成した穴を酸化し、これを鋳型としてエ
ミッタを形成しているため、先端が鋭利なエミッタを再
現性良く得ることができる。基板の穴を尖鋭化のために
いたずらに酸化絶縁層を厚くしてゲート−エミッタ間距
離を増大させることがないため、駆動電圧の低い電界放
出エミッタが得られ、熱酸化に要する時間も短縮でき
る。

【００６０】また、エミッタの鋳型となる穴の底に平坦
な或いは湾曲する底部、すなわち穴側面の収束角が急激
に大きくなる底部を設け、絶縁層厚を最低必要値とする
ことにより、先端のみが尖鋭化したエミッタを得ること
ができる。これにより、エミッタの放熱効果を低下させ
ることなく、電界放出効率を向上させることができる。

【００６１】従って、本発明によれば、電界放出特性の
均一性、再現性及び電界放出効率が高く、駆動電圧の低
い、高性能の電界放出型冷陰極装置を、生産性よく製造
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電界放出型冷陰極装置
の製造工程を示す断面図。

【図２】Ｓｉ基板に形成された逆ピラミッド形状の穴の
底が熱酸化ＳｉＯ₂ 膜の成長により尖鋭化されることを
説明する断面図。

【図３】図１図示の製造工程における熱酸化後の穴の底
を拡大して示す断面図。

【図４】図１図示の製造工程により形成された電界放出
型冷陰極装置のエミッタの先端を拡大して示す断面図。

【図５】従来の電界放出型冷陰極装置の製造工程を示す
図。

【図６】本発明の別の実施例に係る二極管構造の真空マ
イクロ装置の製造工程を示す断面図。

【図７】本発明の別の実施例に係るゲート付きエミッタ
構造の真空マイクロ装置の製造工程を示す断面図。

【符号の説明】

１１…Ｓｉ単結晶基板、１２…穴、１３…ＳｉＯ₂ 熱酸
化絶縁層、１４…エミッタ材料層、１５…導電層、１６
…Ａｌ層、１７…ガラス基板、１８…ピラミッド状凸
部、１９…ゲート電極層、２０…フォトレジスト層、３
２…穴の底部、３４…環状凸部、３６…凹部、４２…開
口部、４４…エミッタ、４６…基部、４７…段部、４８
…尖端部、５１…Ｓｉ単結晶基板、５２…穴、５３…Ｓ
ｉＯ₂ 熱酸化絶縁層、５４…エミッタ材料層、５５…導
電層、５６…Ａｌ層、５７…ガラス基板、５８…ピラミ
ッド状凸部、５９…アノード電極層、６０…真空気密空
間、６１…絶縁層、６２…凹部、６３…接着剤層、７１
…絶縁層、７２…ゲート電極層、７４…レジスト層、７
５…ゲート電極層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】側面が底に向かって収束する形状をなし且
つ側面から底にかけて平坦な若しくは湾曲する穴を第１
基板の主表面に形成する工程と、前記第１基板の前記主表面を酸化し、前記穴の内部を含
む前記主表面上を覆うように酸化絶縁層を形成する工程
と、前記穴を埋めるように、前記絶縁層上にエミッタ材料層
を形成する工程と、前記第１基板に対して、前記エミッタ材料層が介在する
ように第２基板を接合する工程と、前記第１基板をエッチングにより除去し、前記穴内に充
填された前記エミッタ材料で形成された凸部を内部に含
む前記絶縁層を露出させる工程と、前記絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、前記凸部の先端部が露出するように、前記ゲート電極層
及び前記絶縁層の一部を除去しエミッタを形成する工程
と、を具備することを特徴とする電界放出型冷陰極装置
の製造方法。
【請求項２】前記酸化絶縁層の形成により、前記穴の側
面が内側へ成長した距離が、前記穴の底の元の幅の０．
５倍以上で且つ前記穴の入口の元の幅以下であることを
特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】逆ピラミッド形状をなし且つ側面から底に
かけて平坦な若しくは湾曲する穴をＳｉ基板の主表面に
異方性エッチングにより形成する工程と、前記Ｓｉ基板の前記主表面を酸化し、前記穴の内部を含
む前記主表面上を覆うようにＳｉＯ₂ 絶縁層を形成する
工程と、前記穴を埋めるように、前記絶縁層上にエミッタ材料層
を形成する工程と、前記Ｓｉ基板に対して、前記エミッタ材料層が介在する
ように支持基板を接合する工程と、前記Ｓｉ基板をエッチングにより除去し、前記穴内に充
填された前記エミッタ材料で形成された凸部を内部に含
む前記絶縁層を露出させる工程と、前記絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、前記凸部の先端部が露出するように、前記ゲート電極層
及び絶縁層の一部を除去しエミッタを形成する工程と、
を具備することを特徴とする電界放出型冷陰極装置の製
造方法。
【請求項４】支持基板と、前記支持基板上に配設されたエミッタ材料層と、前記エミッタ材料層の一部からなり、側面が先端に向か
って収束する形状を有するエミッタと、前記エミッタ材料層上に、前記エミッタの先端が露出す
るように設けられた絶縁層と、前記絶縁層を介して前記エミッタに沿って設けられると
共に、該エミッタの先端部を囲う開口部を有するゲート
電極層と、を具備し、前記エミッタが、側面の収束角が第１角度をなす基部
と、第１角度よりも大きな第２角度をなす段部と、前記
第１及び第２角度よりも小さな第３角度をなす尖端部
と、を有することを特徴とする電界放出型冷陰極装置。