JPH09219143A - Electric field emitting cold cathode and its manufacture - Google Patents

Electric field emitting cold cathode and its manufacture

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JPH09219143A
JPH09219143A JP2259196A JP2259196A JPH09219143A JP H09219143 A JPH09219143 A JP H09219143A JP 2259196 A JP2259196 A JP 2259196A JP 2259196 A JP2259196 A JP 2259196A JP H09219143 A JPH09219143 A JP H09219143A
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JP
Japan
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layer
emitter
substrate
cold cathode
insulating layer
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Application number
JP2259196A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshimichi Hasegawa
利通 長谷川
Masayuki Nakamoto
正幸 中本
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To sufficiently pull electrons out, and thereby enlarge the quantity of current capable of being available by forming a gate electrode layer which is provided with an insulating layer having an opening, and also having an extruded part extruded higher than an opening end over the insulating layer. SOLUTION: An emitter 31 is made out of metals such as Mo and W, or Si and the like, and is opened at its tip end 32. Its opening part 33 is in a quadrangle, a recessed part 34, at its substrate side is filled with a core material, layer 35 spattered with Si , and is furthermore joined with a glass substrate 37 by way of an emitter feeding electrode layer 36 composed of Ta and the like. A gate electrode 38 has an extruded part extruded higher than an opening end over an insulating layer 40, and is so formed that the emitter tip end part 32 is thereby enclosed. A Si O2 layer 40 is formed between the electrode 38 and the emitter 31, and the opening part 33 at the tip end of the emitter is selectively etched so as to be removed in such a way as to be exposed thereto. By this constitution, the emitter tip end part 32 is thereby extruded, so that an emitter portion 31 is therefore completed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超高速マイクロ波
デバイス、パワーデバイス、電子線デバイス、平板型画
像表示装置等に使用される電界放出型冷陰極に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission cold cathode used in ultra-high speed microwave devices, power devices, electron beam devices, flat panel image display devices and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、発達したSi半導体加工技術を利
用して、電界放出型の冷陰極の開発が活発に行われてお
り、超高速マイクロ波デバイス、パワーデバイス、電子
線デバイス、平板型画像表示装置などへの応用が進めら
れている。なかでも大電流の電子源への応用は、適用範
囲が広く期待の大きい分野である。
2. Description of the Related Art In recent years, field emission type cold cathodes have been actively developed by utilizing advanced Si semiconductor processing technology, and ultra-high speed microwave devices, power devices, electron beam devices, flat plate type images. Application to display devices is being promoted. In particular, application to high-current electron sources is a field with wide application and high expectations.

【0003】このような電界放出型の電子放出素子の一
例としては、グレイ(H.F.Gray)等によって提案され
た、Siの異方性エッチングを利用する方法がある。こ
の方法を図14ないし図17を用いて説明する。まず図
14に示すように、Si(100)ウェハ1上にエッチ
ングのマスク材となる層2(SiO2 、Si3 4 )を
形成する。次いで、図15に示すように、リソグラフィ
とエッチングにより、例えば2.4μm角の正方形のエ
ッチング用マスク3を作成し、異方性エッチング(KO
H:15%溶液、液温40℃で13分間)によって、マ
スク3の下部のSiを錐型4に加工する。その後、図1
6に示すように、絶縁層となるSiO2 層5と、ゲート
電極層となる金属層6を順に蒸着する。最後に、図17
に示すように、超音波洗浄などによりエミッタ上部のマ
スク3を除去して、電界放出型冷陰極7を形成する。
As an example of such a field emission type electron-emitting device, there is a method utilizing anisotropic etching of Si, which is proposed by Gray (HF Gray). This method will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 14, a layer 2 (SiO 2 , Si 3 N 4 ) serving as an etching mask material is formed on a Si (100) wafer 1. Next, as shown in FIG. 15, a square etching mask 3 of, for example, 2.4 μm square is formed by lithography and etching, and anisotropic etching (KO
H: 15% solution, liquid temperature: 40 ° C. for 13 minutes) to process Si under the mask 3 into a pyramidal shape 4. Then, FIG.
As shown in FIG. 6, a SiO 2 layer 5 to be an insulating layer and a metal layer 6 to be a gate electrode layer are sequentially deposited. Finally, FIG.
As shown in, the mask 3 on the upper part of the emitter is removed by ultrasonic cleaning or the like to form the field emission cold cathode 7.

【0004】しかしながら、このような錐型の冷陰極は
電子放出部8が点状であるため、電子放出面積が小さ
く、あまり大きな電流がとれなかった。これに対し、大
電流のとれる電界放出型の冷陰極が、第56回応用物理
学会学術講演会予稿29p−ZT−1に記載されてい
る。
However, in such a pyramid-shaped cold cathode, the electron emission portion 8 is dot-shaped, so that the electron emission area is small and a large current cannot be obtained. On the other hand, a field emission type cold cathode capable of obtaining a large current is described in Proceedings 29p-ZT-1 of the 56th Academic Meeting of the Applied Physics Society of Japan.

【0005】ここに記載された電界放出型冷陰極は、ま
ず、図18に示すように、Si単結晶基板11上にg線
露光とドライエッチングを用いてドットマスク12を形
成した後、ウェットエッチングにより微小化し、Siを
垂直にドライエッチングした後、図19に示すように、
EPW系溶液を用いて異方性エッチングを行いカクテル
グラス構造13を形成し、次いで、図20に示すよう
に、ドットマスク12を除去した後、エミッタエッジ先
鋭化のための熱酸化を行い、蒸着法により絶縁膜14と
ゲート電極15を形成し、最後に、図21に示すよう
に、BHF溶液によりリフトオフして作製される。この
ような冷陰極16では、電子放出面積を大きくとること
ができ、また、エミッタ先端−ゲート間距離も近づけら
れるため、放出電流量を大きくとれ、動作電圧もある程
度低く抑えられる。
In the field emission cold cathode described herein, first, as shown in FIG. 18, a dot mask 12 is formed on a Si single crystal substrate 11 by g-line exposure and dry etching, and then wet etching is performed. After miniaturizing and dry etching Si vertically, as shown in FIG.
Anisotropic etching is performed using an EPW-based solution to form a cocktail glass structure 13, and then, as shown in FIG. 20, after removing the dot mask 12, thermal oxidation for sharpening the emitter edge is performed and vapor deposition is performed. The insulating film 14 and the gate electrode 15 are formed by the method, and finally, as shown in FIG. 21, the insulating film 14 and the gate electrode 15 are lifted off with a BHF solution. In such a cold cathode 16, the electron emission area can be made large, and the emitter tip-gate distance can be made short, so that the emission current amount can be made large and the operating voltage can be suppressed to some extent low.

【0006】また、第42回応用物理学関係連合講演予
稿集30a−T−4に記載の電界型冷陰極は、図22に
示すように、円状の熱酸化膜をマスクとしてSiをRI
Eによりエッチングし、先端が先鋭化する前にエッチン
グを止め、熱酸化を行った後、プラズマCVDによりア
モルファスSiを堆積し、最後に円状の熱酸化膜マスク
をHFで除去して作製されたものである。このような電
界放出型冷陰極でも、電子放出面積の増大により、放出
電流量の増大を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 22, the electric field type cold cathode described in Proceedings of the 42nd Joint Lecture on Applied Physics, 30a-T-4, uses RI of Si as a mask with a circular thermal oxide film as shown in FIG.
Etching was performed by E, etching was stopped before the tip was sharpened, thermal oxidation was performed, amorphous Si was deposited by plasma CVD, and finally the circular thermal oxide film mask was removed by HF. It is a thing. Even in such a field emission cold cathode, the amount of emission current can be increased by increasing the electron emission area.

【0007】しかしながら、図18ないし図21に示し
たカクテルグラス型の電界放出型冷陰極16の場合、電
子の引き出し方向にゲート電極15が近接して形成され
ているため、エミッタから放出される電流量は多くて
も、そのうちのかなりの部分がゲート電極15に捕獲さ
れ、非常に効率が悪い。
However, in the case of the cocktail glass type field emission cold cathode 16 shown in FIGS. 18 to 21, since the gate electrode 15 is formed close to the electron extraction direction, the current emitted from the emitter is reduced. Even if the amount is large, a considerable part of the amount is captured by the gate electrode 15, which is very inefficient.

【0008】また、図22に示した電界放出型冷陰極に
おいては、ゲート21がクレータ型エミッタ22の内側
に形成されているため、エミッタ先端23への電界集中
の程度が弱く、動作電圧が高くなってしまう。
Further, in the field emission type cold cathode shown in FIG. 22, since the gate 21 is formed inside the crater type emitter 22, the electric field concentration on the emitter tip 23 is weak and the operating voltage is high. turn into.

【0009】さらに、Siの等方性エッチングを利用し
て概略形状を形成するため、エミッタ22間のばらつき
が大きくなるという問題もある。
Further, since the rough shape is formed by using the isotropic etching of Si, there is a problem that the variation between the emitters 22 becomes large.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の問題を解決するためになされたもので、エミ
ッタ先端の電界集中が、十分に低電圧動作可能なレベル
であり、電子を十分に引き出すことができ、かつ実際に
利用可能な電流量を大きくとれる電界放出型冷陰極を提
供することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the concentration of the electric field at the tip of the emitter is at a level at which a sufficiently low voltage operation is possible and electrons are emitted. It is an object of the present invention to provide a field emission cold cathode which can be sufficiently drawn out and can have a large amount of current that can be actually used.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、第1に、構造
基板と、該構造基板上に形成され、頭部が潰れた錘体状
の突起を有する芯材層と、該芯材層の突起側面上に形成
され、該突起頭部よりも延出された先細りの延出部を有
し、該延出部が前記構造基板表面に対して急嵯な傾斜を
もつ内側面と、該内側面よりも緩やかな傾斜をもつ該側
面とを含むエミッタ層と、該エミッタ層及び前記芯材層
上に形成され、該エミッタ層延出部が露出するような開
口を有する絶縁層と、該絶縁層上に形成され、該絶縁層
の開口端よりも延出された延出部を有するゲート電極層
とを具備することを特徴とする電界放出型冷陰極を提供
する。
The present invention is, firstly, a structural substrate, a core layer formed on the structural substrate and having a cone-shaped projection with a crushed head, and the core layer. An inner side surface formed on a side surface of the protrusion, the tapered side portion extending beyond the head portion of the protrusion, the extending portion having a steep slope with respect to the surface of the structural substrate, An emitter layer including the side surface having a gentler slope than the inner side surface; an insulating layer formed on the emitter layer and the core material layer and having an opening such that the emitter layer extension part is exposed; A field emission type cold cathode, comprising: a gate electrode layer formed on an insulating layer, the gate electrode layer having an extending portion extending beyond an opening end of the insulating layer.

【0012】エミッタ層の延出部の高さは、好ましく
は、ゲート電極層の延出部の高さと同等である。
The height of the extension of the emitter layer is preferably equal to the height of the extension of the gate electrode layer.

【0013】本発明は、第2に、Si結晶からなる第1
の基板を異方性エッチングに供することにより、逆錘体
状の先の尖った凹部を形成する工程と、該凹部を有する
第1の基板表面に絶縁層を形成する工程と、該凹部先端
領域上に開口が設けられ、該開口端部が先細りされ、前
記第1の基板に対し急嵯な傾斜を有する内側面と、緩や
かな傾斜を有する外側面とを含むエミッタ層を、該凹部
内に形成する工程と、該絶縁層及びエミッタ層上に該エ
ミッタ層が設けられた凹部を埋めるように芯材層を形成
し、表面を平坦化する工程と、該芯材層上に第2の基板
を設ける工程と、前記第1の基板をエッチング除去し、
前記絶縁層を露出させる工程と、該絶縁層上にゲート電
極層を形成する工程と、該ゲート電極層の先端領域を選
択的にエッチング除去して開口させ、該絶縁層の先端領
域を露出させる工程と、該絶縁層及び芯材層の先端領域
を選択的にエッチングし、該ゲート電極層開口端及び前
記エミッタ層の先細りされた開口端を露出させる工程と
を具備することを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方
法を提供する。
The present invention secondly comprises a first crystal comprising a Si crystal.
Forming an inverted cone-shaped pointed concave portion by subjecting the substrate to anisotropic etching, forming an insulating layer on the surface of the first substrate having the concave portion, and the concave tip region. An opening is provided on the upper side, the opening end is tapered, and an emitter layer including an inner side surface having a steep slope with respect to the first substrate and an outer side surface having a gentle slope is provided in the recess. A step of forming, a step of forming a core material layer on the insulating layer and the emitter layer so as to fill the recess provided with the emitter layer, and planarizing the surface, and a second substrate on the core material layer. And a step of etching away the first substrate,
Exposing the insulating layer; forming a gate electrode layer on the insulating layer; selectively etching away the tip region of the gate electrode layer to expose the tip region of the insulating layer. An electric field comprising: a step of selectively etching the tip regions of the insulating layer and the core layer to expose the gate electrode layer opening end and the tapered opening end of the emitter layer. Provided is a method for manufacturing an emission type cold cathode.

【0014】なお、ここで逆錘体状の凹部とは、錘体を
逆さにしたような孔を有する凹部のことをいう。
Here, the inverted cone-shaped concave portion means a concave portion having a hole in which the weight body is inverted.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明の電界放出型冷陰極では、
頭部が潰れた錘体状の突起を有する芯材層の突起側面上
に、エミッタ層が形成され、このエミッタ層は側面に沿
って突起頭部を取り囲む周壁のように延出された延出部
を有する。この延出部の内側面は、構造基板に対して急
嵯な傾斜を、外側面が内側面よりも緩やかな傾斜を有し
ているため、延出されたエミッタ層先端は、錘体の中心
軸の延長上の方向に向かって内側に先細りになってい
る。また、延出部の周囲には、この延出部を取り囲むよ
うに、絶縁層を介してゲート電極が延出されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the field emission cold cathode of the present invention,
An emitter layer is formed on the protrusion side surface of a core material layer having a cone-shaped protrusion with a crushed head, and the emitter layer extends along the side surface like a peripheral wall surrounding the protrusion head. Parts. Since the inner surface of this extension has a steep slope with respect to the structural substrate and the outer surface has a more gentle slope than the inner surface, the tip of the extended emitter layer is at the center of the weight body. It is tapered inward in the direction of the extension of the shaft. Further, a gate electrode is extended around the extended portion so as to surround the extended portion via an insulating layer.

【0016】この延出部の開口形状としては、例えば円
状、角状またはそれらを組み合わせた形状、あるいは複
数の峰を連ねた形状が等あげられる。
Examples of the opening shape of the extending portion include a circular shape, a square shape, a combination thereof, or a shape in which a plurality of peaks are connected.

【0017】また、エミッタ層の延出部の高さは、好ま
しくはゲート電極層の延出部の高さと同等である。
The height of the extension of the emitter layer is preferably equal to the height of the extension of the gate electrode layer.

【0018】このように、本発明の電界放出型冷陰極に
おいては、エミッタの周囲を囲むようにゲートが形成さ
れているため、エミッタ先端での電界集中のレベルをほ
とんど低下させることがない。
As described above, in the field emission type cold cathode of the present invention, since the gate is formed so as to surround the periphery of the emitter, the level of electric field concentration at the tip of the emitter is hardly lowered.

【0019】また、エミッタ先端がエミッタ中心軸方向
に傾斜しているため、電子はエミッタ中心軸よりに放出
されることになり、引き出された電子のうちゲート電極
に捕獲される割合は非常に小さい。
Further, since the tip of the emitter is inclined in the direction of the central axis of the emitter, electrons are emitted from the central axis of the emitter, and the ratio of trapped electrons to the gate electrode is very small. .

【0020】さらに、放出される電子には、エミッタ中
心軸よりに放出される力と共に、最近接ゲート電極方
向、すなわちエミッタ中心軸の延長方向から離れる方向
の力が働くことから、結果として、放出された電子ビー
ムの広がりが抑えられることになる。
Further, the emitted electrons are subjected to the force emitted from the central axis of the emitter and the force in the direction of the closest gate electrode, that is, the direction away from the extension direction of the central axis of the emitter. The spread of the generated electron beam is suppressed.

【0021】また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方
法は、上述の電界放出型冷陰極を製造する方法の一例を
示すもので、Si結晶からなる第1の基板を異方性エッ
チングに供することにより、錘体を逆さにしたような形
状の孔を有する先の尖った凹部を形成し、基板表面に絶
縁層を形成した後、凹部内に、凹部先端に開口を有し、
開口端面が内側に傾斜されて該開口端が先細りになって
いるエミッタ層を設け、この開口及び凹部を芯材層で充
填して平坦化した後、第2の基板を設け、その後、第1
の基板のSi結晶部分を除去して、該凹部内面形状に相
当する先の尖った錘体状の突起をもつ絶縁層を露出さ
せ、ゲート電極層を形成し、突起先端領域のゲート電極
層、絶縁層および芯材層の先端領域を順にエッチングし
て、芯材層とその周囲に延出し、内側面が前記構造基板
表面に対して急嵯な傾斜を、外側面が内側面よりも緩や
かな傾斜を有し、端部にかけて先細りになっているエミ
ッタ層と、その周囲に絶縁層を介して延出されたゲート
電極とを有する電界放出型冷陰極を形成する。
The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the present invention shows an example of a method for manufacturing the field emission cold cathode described above. The first substrate made of Si crystal is anisotropically etched. By providing, by forming a pointed concave portion having a hole in the shape of inverted weights, after forming an insulating layer on the substrate surface, in the concave portion, having an opening at the tip of the concave portion,
An emitter layer whose opening end surface is inclined inward and whose opening end is tapered is provided, the opening and the recess are filled with a core material layer and flattened, and then a second substrate is provided, and then the first substrate is provided.
The Si crystal portion of the substrate is removed to expose an insulating layer having a pointed cone-shaped protrusion corresponding to the shape of the inner surface of the recess, and a gate electrode layer is formed. The tip end regions of the insulating layer and the core material layer are sequentially etched to extend to the core material layer and its periphery, the inner side surface has a steep slope with respect to the surface of the structural substrate, and the outer side surface is gentler than the inner side surface. A field emission cold cathode having an emitter layer that is inclined and is tapered toward the end and a gate electrode that extends around the emitter layer via an insulating layer is formed.

【0022】この電界放出型冷陰極の製造方法において
は、エミッタの概略形状の形成にSiの異方性エッチン
グを利用しているため、非常に均一性のよいエミッタを
作製でき、また、エミッタの尖鋭な先端部を金属を形成
できるため、電子放出能力を向上させることができる。
さらに、開口部を有するエミッタの内部を芯材で充填す
るため、エミッタの信頼性もあげられる。
In this field emission type cold cathode manufacturing method, since anisotropic etching of Si is used to form the general shape of the emitter, an extremely uniform emitter can be manufactured, and Since the sharp tip can be made of metal, the electron emission capability can be improved.
Furthermore, since the inside of the emitter having the opening is filled with the core material, the reliability of the emitter can be improved.

【0023】以下、画面を参照しつつ本発明の実施例に
ついて説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the screen.

【0024】第1の実施形態 図1は、本発明の第1の実施形態の構造を模式的に示す
断面図である。図2は第1の実施形態の外観を示す斜視
図である。エミッタ31は、Mo及びWなどの金属、あ
るいはSi等で形成され、その先端32は開口してい
る。本実施形態では、開口部33の形状は四角形をなし
ている。その基板側の凹部34はスパッタしたSiなど
の抵抗層35(芯材層)で埋められ、さらにTaなどの
エミッタ給電用電極層36を介してガラス基板37に接
合されている。ゲート電極38は、エミッタ形状に沿い
つつエミッタ先端部32を囲うような開口部39を有す
るように形成されている。ゲート電極38とエミッタ3
1との間には、SiO2 層40が絶縁層として形成され
ており、ゲート電極層38と同様にエミッタ先端の開口
部33が露出するよう選択的にエッチング除去されてい
る。
First Embodiment FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the first embodiment. The emitter 31 is made of a metal such as Mo and W, or Si, etc., and its tip 32 is open. In the present embodiment, the opening 33 has a quadrangular shape. The concave portion 34 on the substrate side is filled with a resistance layer 35 (core material layer) such as sputtered Si, and is further joined to a glass substrate 37 via an emitter feeding electrode layer 36 such as Ta. The gate electrode 38 is formed so as to have an opening 39 that surrounds the emitter tip 32 while following the shape of the emitter. Gate electrode 38 and emitter 3
1, a SiO 2 layer 40 is formed as an insulating layer, and is selectively etched and removed so that the opening 33 at the tip of the emitter is exposed like the gate electrode layer 38.

【0025】次に、本実施形態に示した電界放出型冷陰
極の製造方法を図3ないし図12に基づいて説明する。
まず、図3に示すように、p型で(100)結晶面方位
のSi単結晶基板41上に厚さ0.1μmのSiO2
酸化膜(図示せず)をドライ酸化法により形成し、さら
にレジスト(図示せず)をスピンコート法により塗布す
る。次にステッパを用いて、例えば1μm角の正方形の
開口部が得られるように露光・現像などのパターニング
を行った後、NH4 F・HF混合溶液により、SiO2
酸化層のエッチングを行う。レジストを除去した後、3
0wt%のKOH水溶液を用いて異方性エッチングを行
い、深さ0.71μmの逆四角錘状の凹部42がSi基
板41上に形成される。
Next, a method of manufacturing the field emission cold cathode shown in this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 3, a SiO 2 thermal oxide film (not shown) having a thickness of 0.1 μm is formed on a p-type (100) crystal plane orientation Si single crystal substrate 41 by a dry oxidation method. Further, a resist (not shown) is applied by spin coating. Next, using a stepper, for example, patterning such as exposure and development is performed so that a square opening of 1 μm square is obtained, and then SiO 2 is mixed with a NH 4 F / HF mixed solution.
Etch the oxide layer. 3 after removing the resist
Anisotropic etching is performed using a 0 wt% KOH aqueous solution to form an inverted quadrangular pyramidal recess 42 having a depth of 0.71 μm on the Si substrate 41.

【0026】次に、図4に示すように、NH4 F・HF
溶液を用いてSiO2 熱酸化層を一旦除去した後、Si
基板41上に凹部42内を含めてSiO2 熱酸化絶縁層
40を形成する。この実施形態では、膜厚が0.4μm
となるように熱酸化絶縁層40をウェット酸化法により
形成した。次いで、上記絶縁層40上にエミッタ層3
1、例えばW層やMo層などを、凹部42の先端領域4
3を除いて形成する。このW層やMo層の形成には、例
えば、真空蒸着法を用いることができ、その蒸着の角度
を、基板表面に対し、凹部の先端を通る逆四角錘の中心
軸との角度よりも小さくかつ凹部の傾斜面すなわち逆四
角錘の側面との角度よりも大きい範囲内に設定すること
ができる。この蒸着の角度は、逆四角錘の側面との角度
により近いことが好ましく、図4に示すように、例えば
凹部42の中心軸44を軸にSi基板41を回転させな
がら、Si基板41に対して逆四角錘の側面との角度に
より近い図中矢印Aで示す方向から、平坦部の厚さが
0.1μmとなるように、真空蒸着法を用いて、エミッ
タ層を形成することができる。得られるエミッタ層40
は、その開口端面が内側に傾斜しており、開口端が先細
りになっている。
Next, as shown in FIG. 4, NH 4 F.HF
After removing the SiO 2 thermal oxide layer using a solution,
The SiO 2 thermal oxidation insulating layer 40 is formed on the substrate 41 including the inside of the recess 42. In this embodiment, the film thickness is 0.4 μm.
The thermal oxidation insulation layer 40 was formed by the wet oxidation method so that Then, the emitter layer 3 is formed on the insulating layer 40.
1. For example, a W layer or a Mo layer is provided on the tip region 4 of the recess 42.
It is formed except for 3. For forming the W layer and the Mo layer, for example, a vacuum vapor deposition method can be used, and the vapor deposition angle is smaller than the angle with the central axis of the inverted quadrangular pyramid that passes through the tip of the recess with respect to the substrate surface. Further, it can be set within a range larger than the angle with the inclined surface of the recess, that is, the side surface of the inverted quadrangular pyramid. The angle of this vapor deposition is preferably closer to the angle with the side surface of the inverted quadrangular pyramid, and as shown in FIG. 4, for example, while rotating the Si substrate 41 about the central axis 44 of the recess 42, the Si substrate 41 is Then, the emitter layer can be formed by using the vacuum vapor deposition method so that the thickness of the flat portion becomes 0.1 μm from the direction indicated by the arrow A in the drawing which is closer to the angle with the side surface of the inverted quadrangular pyramid. Obtained emitter layer 40
Has an opening end face inclined inward, and the opening end is tapered.

【0027】そして、図5に示すように、この金属層3
1上にレジスト45をスピンコートする。その際、図示
するように、先端領域43を含むエミッタ形成用の凹部
42全体が、レジスト45で十分に埋められるように
し、レジスト表面が平坦に近い形状となるようにする。
Then, as shown in FIG.
1 is spin-coated with a resist 45. At this time, as shown in the drawing, the entire recess 42 for forming the emitter including the tip end region 43 is sufficiently filled with the resist 45 so that the resist surface has a nearly flat shape.

【0028】さらに、図6に示すように、酸素プラズマ
によるレジスト45のエッチバックを行い、エミッタ形
成用の凹部42内の金属層31とレジスト層45aのみ
を残して、レジストと金属層を除去する。
Further, as shown in FIG. 6, the resist 45 is etched back by oxygen plasma to remove the resist and the metal layer, leaving only the metal layer 31 and the resist layer 45a in the recess 42 for forming the emitter. .

【0029】その後、残したレジスト45aをすべて除
去し、スパッタリング法により例えば1μm厚のSi層
35を形成する。このSi層35の表面を研磨して平坦
化し、エミッタ31への給電用の電極と、ガラス基板3
7との接合用の金属層を兼ねる例えばTa等からなる金
属層36を形成する。一方、第2の基板となる構造基板
37として、背面に例えば厚さ0.3μmのAl層46
をコートした厚さ1mmのパイレックスガラス基板37
を用意し、図7に示すように、ガラス基板37とSi基
板41とを金属層36を介するように接着することがで
きる。接着には静電接着法が好ましく用いられる。ガラ
ス基板37の側にマイナス、Si基板41の側にプラス
の電圧をかけた状態で数百℃に加熱し、これによって接
着が行われる。
After that, all the remaining resist 45a is removed, and a Si layer 35 having a thickness of 1 μm, for example, is formed by a sputtering method. The surface of the Si layer 35 is polished and flattened, and an electrode for supplying power to the emitter 31 and the glass substrate 3 are formed.
A metal layer 36 made of, for example, Ta, which also serves as a metal layer for joining with 7, is formed. On the other hand, as the structural substrate 37 to be the second substrate, for example, an Al layer 46 having a thickness of 0.3 μm is formed on the back surface.
Pyrex glass substrate 37 with a thickness of 1 mm
Then, as shown in FIG. 7, the glass substrate 37 and the Si substrate 41 can be bonded to each other with the metal layer 36 interposed therebetween. An electrostatic adhesion method is preferably used for adhesion. A minus voltage is applied to the glass substrate 37 side and a plus voltage is applied to the Si substrate 41 side, and the glass substrate 37 is heated to several hundreds of degrees Celsius, whereby the bonding is performed.

【0030】さらに図8に示すように、ガラス基板37
背面のAl層46をNHO3 ・CH3 COOH・HFの
混酸溶液で除去した後、エチレンジアミン、ピロカテコ
ール、ピラジンの混合水溶液(エチレンジアミン:ピロ
カテコール:ピラジン:水=75cc:12g:3m
g:10cc)でSi基板41のみをエッチング除去
し、絶縁層40を露出させるとともに、絶縁層40に覆
われたエミッタ層31を有する凸部47を露出させる。
Further, as shown in FIG. 8, a glass substrate 37
After removing the Al layer 46 on the back surface with a mixed acid solution of NHO 3 , CH 3 COOH, and HF, a mixed aqueous solution of ethylenediamine, pyrocatechol, and pyrazine (ethylenediamine: pyrocatechol: pyrazine: water = 75 cc: 12 g: 3 m
With g: 10 cc), only the Si substrate 41 is removed by etching to expose the insulating layer 40 and the convex portion 47 having the emitter layer 31 covered with the insulating layer 40.

【0031】続いて図9に示すように、ゲート電極層3
8として例えばCr層を、絶縁層40に覆われた凸部4
7の形状に沿って、例えば膜厚が0.3μmとなるよう
に、絶縁層40上に形成する。W層は、例えばスパッタ
リング法を用いて形成することができる。さらに、ゲー
ト電極層38及び絶縁層40に覆われた凸部47の先端
が僅かに隠れる程度に、例えば約0.9μmの厚さでス
ピンコート法により、フォトレジスト層48を形成す
る。
Subsequently, as shown in FIG. 9, the gate electrode layer 3
As the reference numeral 8, for example, a Cr layer, the convex portion 4 covered with the insulating layer 40
It is formed on the insulating layer 40 so as to have a film thickness of 0.3 μm, for example, along the shape of 7. The W layer can be formed by using, for example, a sputtering method. Further, the photoresist layer 48 is formed by spin coating so that the tip of the protrusion 47 covered with the gate electrode layer 38 and the insulating layer 40 is slightly hidden, for example, with a thickness of about 0.9 μm.

【0032】次に、図10に示すように、酸素プラズマ
によるエッチングを行い、エミッタ凸部47に沿ったゲ
ート電極層38の先端38a(絶縁層40の先端を含
む)がある程度、例えば0.7μmほど現れるようにレ
ジスト48をエッチング除去する。
Next, as shown in FIG. 10, etching by oxygen plasma is performed, and the tip 38a of the gate electrode layer 38 (including the tip of the insulating layer 40) along the emitter protrusion 47 is, for example, 0.7 μm. The resist 48 is removed by etching so as to appear.

【0033】その後、図11に示すように、例えば反応
性イオンエッチング(RIE)法により凸部47の先端
部の上に位置するゲート電極層38aを除去し、ゲート
電極層38の、凸部の先端に相当する部分を開口させ
る。
After that, as shown in FIG. 11, the gate electrode layer 38a located on the tip of the convex portion 47 is removed by, for example, a reactive ion etching (RIE) method, and the convex portion of the gate electrode layer 38 is removed. Open the part corresponding to the tip.

【0034】そして、図12に示すように、レジスト4
8を除去した後、NH4 F・HF混合溶液を用いて、エ
ミッタ凸部47の先端部の周囲の絶縁層40を選択的に
エッチング除去し、最後に、エミッタ形成用凹部42の
最低部43(凸部の先端)のSiを、前述のエチレンジ
アミン、ピロカテコール、ピラジンの混合水溶液でエッ
チング除去しエミッタ先端を露出させる。これによって
エミッタ先端部が延出され、先端に尖鋭な開口部33を
有するエミッタ部分31が完成する。
Then, as shown in FIG.
8 is removed, the insulating layer 40 around the tip of the emitter protrusion 47 is selectively removed by etching using a NH 4 F / HF mixed solution, and finally, the lowest portion 43 of the emitter formation recess 42 is removed. Si (at the tip of the convex portion) is removed by etching with the above mixed aqueous solution of ethylenediamine, pyrocatechol and pyrazine to expose the tip of the emitter. As a result, the emitter tip portion is extended, and the emitter portion 31 having the sharp opening 33 at the tip is completed.

【0035】ここで示した電界放出型冷陰極及びその製
造方法の特徴は、エミッタ先端31がエミッタの中心軸
方向に傾斜しているため、これにより電子が中心軸より
に引き出され、ゲート38に捕獲される電子の割合を大
幅に低減できる。さらに、エミッタの中心軸よりに引き
出された電子ビームには、最近接ゲート電極方向、すな
わちエミッタ中心軸から離れる方向に力が働くため、結
果として放出電子ビームの広がりが抑えられることにな
る。
The feature of the field emission type cold cathode and the manufacturing method thereof shown here is that the tip 31 of the emitter is inclined in the direction of the central axis of the emitter, so that electrons are drawn out from the central axis and the gate 38 is exposed. The ratio of trapped electrons can be significantly reduced. Further, a force acts on the electron beam extracted from the central axis of the emitter in the direction of the closest gate electrode, that is, in the direction away from the central axis of the emitter, and as a result, the spread of the emitted electron beam is suppressed.

【0036】また、エミッタ電極層31の内側が芯材層
34で充填されているため、エミッタの耐久性、信頼性
が向上し、応力によるエミッタの変形を防止できる。ま
た、エミッタ電極層31を形成する際に、回転斜め蒸着
法を用いて、従来では先端部となる凹部42の最低部4
3を除いて選択的に形成することで、従来では点状であ
った電子放出部を線状(本実施形態では4本の線で形成
された四角形状)にしており、これによって電子放出面
積が広がり、放出電流量を大きくとれる。
Further, since the inside of the emitter electrode layer 31 is filled with the core material layer 34, the durability and reliability of the emitter are improved, and the deformation of the emitter due to stress can be prevented. Further, when the emitter electrode layer 31 is formed, the lowest portion 4 of the recess 42, which is the tip portion in the past, is formed by using the rotary oblique vapor deposition method.
By selectively forming with the exception of 3, the electron emission portion, which was conventionally dot-like, is made linear (quadrilateral formed by four lines in the present embodiment), and thus the electron emission area is increased. And the amount of emission current can be increased.

【0037】第2の実施形態 図13は第2の実施形態に係る電界放出型冷陰極の斜視
図を示す。この冷陰極では、電子放出部であるエミッタ
の開口先端部32が、4つの尖鋭な峯50を有する形状
をなしており、これにより、電子放出領域が点状の場合
と線状の場合の中間的な性能を有する。
Second Embodiment FIG. 13 is a perspective view of a field emission cold cathode according to the second embodiment. In this cold cathode, the opening tip portion 32 of the emitter, which is an electron emitting portion, has a shape having four sharp peaks 50, which allows the electron emitting region to be formed between the point-like shape and the line-like shape. Have the same performance.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明したように、本発明かかる電界
放出型冷陰極によれば、エミッタ先端での電界集中の程
度の大幅な低下を招くことなく、効率よく多くの電流量
が得られ、さらに、引き出された電子ビームの広がりも
抑えることができる。
As described above, according to the field emission type cold cathode of the present invention, a large amount of current can be efficiently obtained without causing a significant decrease in the degree of electric field concentration at the tip of the emitter. Further, the spread of the extracted electron beam can be suppressed.

【0039】また、本発明にかかる電界放出型冷陰極に
よれば、エミッタの均一性、再現性のよい電界放出型冷
陰極を提供できる。
Further, according to the field emission type cold cathode of the present invention, it is possible to provide the field emission type cold cathode having excellent uniformity and reproducibility of the emitter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の構
造を示す断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a field emission cold cathode according to a first embodiment.

【図2】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の外
観を示す斜視図。
FIG. 2 is a perspective view showing the external appearance of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図3】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 3 is a diagram for explaining a manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図4】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 4 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図5】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 5 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図6】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 6 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図7】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 7 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図8】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 8 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図9】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の製
造工程を説明するための図。
FIG. 9 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図10】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の
製造工程を説明するための図。
FIG. 10 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図11】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の
製造工程を説明するための図。
FIG. 11 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図12】 第1の実施形態に係る電界放出型冷陰極の
製造工程を説明するための図。
FIG. 12 is a view for explaining the manufacturing process of the field emission cold cathode according to the first embodiment.

【図13】 本発明の第2の実施形態に係る電界放出型
冷陰極の外観を示す斜視図。
FIG. 13 is a perspective view showing the appearance of a field emission cold cathode according to a second embodiment of the invention.

【図14】 従来の電界放出型冷陰極の製造工程を説明
するための図。
FIG. 14 is a view for explaining the manufacturing process of the conventional field emission cold cathode.

【図15】 従来の電界放出型冷陰極の製造工程を説明
するための図。
FIG. 15 is a view for explaining the manufacturing process of the conventional field emission cold cathode.

【図16】 従来の電界放出型冷陰極の一例の製造工程
を説明するための図。
FIG. 16 is a diagram for explaining a manufacturing process of an example of a conventional field emission cold cathode.

【図17】 従来の電界放出型冷陰極の一例の製造工程
を説明するための図。
FIG. 17 is a diagram for explaining a manufacturing process of an example of a conventional field emission cold cathode.

【図18】 従来の電界放出型冷陰極の他の例の製造工
程を説明するための図。
FIG. 18 is a diagram for explaining a manufacturing process of another example of the conventional field emission cold cathode.

【図19】 従来の電界放出型冷陰極の他の例の製造工
程を説明するための図。
FIG. 19 is a diagram for explaining a manufacturing process of another example of the conventional field emission cold cathode.

【図20】 従来の電界放出型冷陰極の他の例の製造工
程を説明するための図。
FIG. 20 is a diagram for explaining a manufacturing process of another example of the conventional field emission cold cathode.

【図21】 従来の電界放出型冷陰極の他の例の製造工
程を説明するための図。
FIG. 21 is a view for explaining the manufacturing process of another example of the conventional field emission cold cathode.

【図22】 従来の電界放出型冷陰極のさらに他の例の
エミッタ部分の外観を示す図。
FIG. 22 is a diagram showing an appearance of an emitter portion of still another example of the conventional field emission cold cathode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31…エミッタ層 32…エミッタ先端 33…エミッタ先端開口部 34…芯材層 35…抵抗層 36…エミッタ給電層 37…ガラス基板 38…ゲート電極層 39…ゲート電極開口部 40…SiO2 熱酸化絶縁層31 ... Emitter Layer 32 ... Emitter Tip 33 ... Emitter Tip Opening 34 ... Core Material Layer 35 ... Resistor Layer 36 ... Emitter Feeding Layer 37 ... Glass Substrate 38 ... Gate Electrode Layer 39 ... Gate Electrode Opening 40 ... SiO 2 Thermal Oxidation Insulation layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 構造基板と、該構造基板上に形成され、
頭部が潰れた錘体状の突起を有する芯材層と、該芯材層
の突起側面上に形成され、該突起頭部よりも延出された
先細りの延出部を有し、該延出部が前記構造基板表面に
対して急嵯な傾斜をもつ内側面と、該内側面よりも緩や
かな傾斜をもつ該側面とを含むエミッタ層と、該エミッ
タ層及び前記芯材層上に形成され、該エミッタ層延出部
が露出するような開口を有する絶縁層と、該絶縁層上に
形成され、該絶縁層の開口端よりも延出された延出部を
有するゲート電極層とを具備することを特徴とする電界
放出型冷陰極。
1. A structural substrate, formed on the structural substrate,
The core material layer has a cone-shaped protrusion with a crushed head portion, and a tapered extension portion formed on the side surface of the protrusion of the core material layer and extending from the protrusion head portion. Formed on the emitter layer and the core material layer, and the emitter layer including an inner side surface having a steep slope with respect to the surface of the structural substrate, and a side surface having a gentler slope than the inner side surface And an insulating layer having an opening such that the emitter layer extended portion is exposed, and a gate electrode layer formed on the insulating layer and having an extended portion extending beyond the opening end of the insulating layer. A field-emission cold cathode, comprising:
【請求項2】 前記エミッタ層の延出部の高さは、前記
ゲート電極層の延出部の高さと同等である請求項1に記
載の電界放出型冷陰極。
2. The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the height of the extension of the emitter layer is equal to the height of the extension of the gate electrode layer.
【請求項3】 Si結晶からなる第1の基板を異方性エ
ッチングに供することにより、逆錘体状の先の尖った凹
部を形成する工程と、該凹部を有する第1の基板表面に
絶縁層を形成する工程と、該凹部先端領域上に開口が設
けられ、該開口端部が先細りされ、前記第1の基板に対
し急嵯な傾斜を有する内側面と、緩やかな傾斜を有する
外側面とを含むエミッタ層を、該凹部内に形成する工程
と、該絶縁層及びエミッタ層上に該エミッタ層が設けら
れた凹部を埋めるように芯材層を形成し、表面を平坦化
する工程と、該芯材層上に第2の基板を設ける工程と、
前記第1の基板をエッチング除去し、前記絶縁層を露出
させる工程と、該絶縁層上にゲート電極層を形成する工
程と、該ゲート電極層の先端領域を選択的にエッチング
除去して開口させ、該絶縁層の先端領域を露出させる工
程と、該絶縁層及び芯材層の先端領域を選択的にエッチ
ングし、該ゲート電極層開口端及び前記エミッタ層の先
細りされた開口端を露出させ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の製造方法。
3. A step of forming an inverted cone-shaped pointed concave portion by subjecting a first substrate made of Si crystal to anisotropic etching, and insulating the surface of the first substrate having the concave portion. A step of forming a layer, an opening is formed on the tip region of the concave portion, the opening end portion is tapered, and an inner side surface having a steep slope with respect to the first substrate and an outer side surface having a gentle slope. And a step of forming a core material layer on the insulating layer and the emitter layer so as to fill the recess provided with the emitter layer and planarizing the surface. A step of providing a second substrate on the core material layer,
A step of etching away the first substrate to expose the insulating layer; a step of forming a gate electrode layer on the insulating layer; Exposing the tip region of the insulating layer, and selectively etching the tip regions of the insulating layer and the core layer to expose the gate electrode layer opening end and the tapered opening end of the emitter layer. A method for manufacturing a field emission cold cathode, comprising:
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