JPH09265895A - Vacuum microelement - Google Patents

Vacuum microelement

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Publication number
JPH09265895A
JPH09265895A JP7562596A JP7562596A JPH09265895A JP H09265895 A JPH09265895 A JP H09265895A JP 7562596 A JP7562596 A JP 7562596A JP 7562596 A JP7562596 A JP 7562596A JP H09265895 A JPH09265895 A JP H09265895A
Authority
JP
Japan
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layer
anode
gate
emitter
opening
Prior art date
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Pending
Application number
JP7562596A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Sakai
忠司 酒井
Tomio Ono
富男 小野
Toshi Cho
利 張
Hisashi Sakuma
尚志 佐久間
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP7562596A priority Critical patent/JPH09265895A/en
Publication of JPH09265895A publication Critical patent/JPH09265895A/en
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable anode to be integrated by forming an anode, an anode gate, and a gate layer based on the three-layer structure board of Si/oxidation film/Si being structurally stable and providing high pressure resistance, structural strength, and stability. SOLUTION: An Si layer 1 is made by anode-formation, an anode-formation Si layer 2 is formed, this layer is oxidized, an anode-formation thermal oxidation Si layer 3 is formed, them then it is adhered to another Si layer. Here, the thickness of the anode-formation thermal oxidation Si layer 3 is 1 to 200 micrometers and 1/2 of the Si layer 1, and deformation due to stress is prevented. Next, boron is diverged in a gate Si layer with high concentration, and a p++ diffusion layer 6 is formed. Further, an emitter mold 7 is etched, and a thermal; oxidation Si layer 8 is formed to be a gate insulation film. Furthermore, an anode Si layer is etched, and an anode opening 9 is formed. Moreover, an emitter layer 11, an anode gate insulation spacer opening 10, a gate opening 12, and an insulation layer 13 are formed. Thereby, high pressure resistance, structural strength, stability, and integration are ensured.

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、電界放出型冷陰極
を有する真空マイクロ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vacuum micro device having a field emission cold cathode.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界放出型の真空マイクロ素子はその高
速応答の可能性、耐放射線・耐高温特性の向上の可能
性、さらに高精細で自発光型のディスプレイの可能性な
どから、近年活発に研究開発が行われている。その、発
端となったのは1961年のK.R.Shoulder
sらの提案したトンネル効果真空トリオードの提案(M
icroelectronics using ele
ctron−beam−activated mach
ining techniques, Advance
s in Computers Vol 2, p.
p.135−293)であるが、一般的にこの分野が注
目を集めるに至ったのは同じSRI(Stanford
Research Institute)のC.A.
Spindtの薄膜を用いた冷陰極の報告(J. Ap
pl. Phys. 39, p.3504, 196
8)からである。彼は回転斜め蒸着法と犠牲層エッチン
グによる巧妙な手段を用いて、スピント法と呼ばれてい
る現在までにおいても最も広く用いられているデバイス
の作製方法と構造の基本を提案・報告している。この方
法の概略は図6従来例1に示したように、まず、Si基
板20に熱酸化膜21を形成し、これにゲートとなるメ
タル層として例えばMo金属層22を形成し、これをパ
ターニングしてゲート開口部23を形成した後、下地の
酸化膜層をエッチングする。これに犠牲層となるメタル
として例えばAl金属層24を薄く蒸着した後に、エミ
ッタ層を形成するメタルとして例えばMo金属層25を
回転斜め蒸着法で蒸着形成する。蒸着金属は開口部の周
囲にも付着するため、開口部が次第に狭くなり、図のよ
うに、円錐型の尖端を持ったMoエミッタ26が内部に
形成される。最後に犠牲層Alとともにゲート上に付着
したよけいなMo層を除去し、エミッタが完成する。
2. Description of the Related Art A field emission type vacuum micro device has been actively used in recent years because of its high-speed response, improved radiation resistance and high temperature resistance, and high definition, self-luminous display. Research and development is being conducted. The beginning was K.K. in 1961. R. Shoulder
Proposed tunnel effect vacuum triode proposed by s et al.
icroelectronics using ele
ctron-beam-activated match
ining techniques, Advance
s in Computers Vol 2, p.
p. 135-293), but in general, the same SRI (Stanford) has attracted attention in this field.
Research Institute) C.I. A.
Report of cold cathode using thin film of Spindt (J. Ap.
pl. Phys. 39, p. 3504, 196
It is from 8). He proposed and reported the basic method of manufacturing and the structure of the most widely used device known as the Spindt method up to the present, by using the sophisticated technique of rotating oblique deposition and sacrificial layer etching. . As shown in the conventional example 1 in FIG. 6, an outline of this method is as follows. First, a thermal oxide film 21 is formed on a Si substrate 20, and, for example, a Mo metal layer 22 is formed as a metal layer to be a gate, and this is patterned. After forming the gate opening 23, the underlying oxide film layer is etched. After thinly depositing, for example, an Al metal layer 24 as a metal serving as a sacrifice layer, for example, a Mo metal layer 25 as a metal forming an emitter layer is deposited by a rotary oblique deposition method. Since the vapor-deposited metal also adheres to the periphery of the opening, the opening becomes narrower, and the Mo emitter 26 having a conical tip is formed inside as shown in the figure. Finally, the extra Mo layer deposited on the gate together with the sacrificial layer Al is removed to complete the emitter.

【0003】しかし、この技術によるエミッタ蒸着法で
形成できる材料に限定され、エミッタ材料の構造の不均
一が特性にも不均一をもたらす問題があった。また、先
端形状の制御が困難であるという問題もあった。
However, there is a problem that the non-uniformity of the structure of the emitter material causes the non-uniformity of the characteristics because the material is limited to the material which can be formed by the emitter vapor deposition method by this technique. There is also a problem that it is difficult to control the tip shape.

【0004】これに対して、より高純度で再現性の良い
単結晶Siを用いてエミッタを作製しようとする試みが
なされた。図7の従来例2として示したのは、Betu
iらの例(K. Betui,1991 Fabric
ation and characteristics
of Si field emitter arra
ys, Technical Digest 4th
Int. Vacuum Microelectron
ics Conf. (Nagahama,Japa
n),pp 26−29.)で、図中、Si基板27を
熱酸化して形成したマスク熱酸化Si層28をパターニ
ングして、マスクを形成し、等方的なエッチングによっ
てマスク下のSiをアンダーエッチングする。これを更
に熱酸化し、熱酸化Si層29を形成することによっ
て、Siを先鋭化する。さらに、マスクを残したまま、
堆積ゲート絶縁層30として例えばSiO2 を形成し、
続いて、ゲート金属層31として、Moなどを形成す
る。その後に、熱酸化膜をエッチングして、マスク部分
をリフトオフすることによってSiエミッタ32をゲー
ト開口部に形成する。この方法は、材料として安定で再
現性の良い、単結晶Siを用いてしかも、ゲートと自己
整合的にエミッタを形成できる優れた方法がある。
On the other hand, attempts have been made to manufacture an emitter using single crystal Si having higher purity and good reproducibility. In the conventional example 2 of FIG. 7, Betu is shown.
i et al. (K. Betui, 1991 Fabric).
ation and charactersistics
of Si field emitter arra
ys, Technical Digest 4th
Int. Vacuum Microelectron
ics Conf. (Nagahama, Japan
n), pp 26-29. ), In the drawing, the mask thermally oxidized Si layer 28 formed by thermally oxidizing the Si substrate 27 is patterned to form a mask, and Si under the mask is under-etched by isotropic etching. This is further thermally oxidized to form a thermally oxidized Si layer 29, thereby sharpening Si. Furthermore, with the mask left,
For example, SiO 2 is formed as the deposited gate insulating layer 30,
Subsequently, Mo or the like is formed as the gate metal layer 31. Then, the thermal oxide film is etched and the mask portion is lifted off to form the Si emitter 32 in the gate opening. This method is an excellent method in which a single crystal Si is used as a material, which is stable and has good reproducibility, and an emitter can be formed in a self-aligned manner with a gate.

【0005】しかし、実際にこの方法を実施すると、次
のような問題点がある。まず、Siの等方性エッチング
によるエミッタの形成はエッチングの進行方向や速度を
一定に制御することが困難である上に、エンドポイント
を判断することができないため、再現性のある形状作製
が極めて難しい。類似の方法として、この工程をSiの
異方性エッチングによって行うものもあるが、これも同
様の問題がある。特に何れにおいても、エミッタを細く
するために、ぎりぎりまでエッチングをしていくとマス
クが取れてしまい、その後のプロセスができなくなって
しまう。
However, when this method is actually carried out, there are the following problems. First, in the formation of an emitter by isotropic etching of Si, it is difficult to control the etching progress direction and speed at a constant level, and the end point cannot be determined. difficult. As a similar method, there is a method in which this step is performed by anisotropic etching of Si, but this also has the same problem. Especially in any case, if the emitter is thinned and etching is performed to the last, the mask is removed, and the subsequent processes cannot be performed.

【0006】更に上記いずれの方法においても、ゲート
までは一体に形成することができるが、アノードは別個
に用意する必要があり、これが素子としての実用化を阻
害していた。即ち、一体の素子として扱うことができ
ず、外部に絶縁された状態で、かつ一定の間隔を保持し
て電極を設ける必要があり、取り扱いが厄介であった。
また、これらの煩雑さが特性上も再現性・信頼性を損ね
る原因になっていた。これは、真空マイクロ素子が一般
には数百から数千V、パワー素子応用を考えた場合には
数十kVという高いアノード電圧を用いるため、これに
耐える充分な耐圧・機械強度を有する一体型アノードの
形成が困難であるためである。
Further, in any of the above methods, the gate can be integrally formed, but the anode must be prepared separately, which impedes practical use as an element. That is, it cannot be handled as an integrated element, and it is necessary to provide electrodes in a state of being insulated to the outside and maintaining a constant interval, which makes the handling difficult.
In addition, these complexities have been a cause of impairing reproducibility and reliability in terms of characteristics. This is because the vacuum micro element generally uses a high anode voltage of several hundred to several thousand V, and several tens of kV when considering a power element application, and therefore an integrated anode having sufficient withstand voltage and mechanical strength to withstand this. Is difficult to form.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように従
来の真空マイクロ素子においてはエミッタを細かくする
ことができなく、又数百V〜数十kVという高いアノー
ド電圧に耐える充分な耐圧、機械的強度を有する一体型
アノード形成が困難であった。
As described above, in the conventional vacuum micro device, the emitter cannot be made fine, and the sufficient withstand voltage and mechanical strength to withstand a high anode voltage of several hundreds V to several tens of kV. It was difficult to form a strong one-piece anode.

【0008】本発明は、上述の真空マイクロ素子の現状
に鑑みて、エミッタとゲートのみでなく、高耐圧で電気
的にも機械的にも信頼性の高いアノードを一体集積した
デバイス構造を提供しようとするものである。これによ
り一体型の素子として実用的な使いやすさを確保すると
共に、耐圧と安定性・耐熱性に優れた素子を実現しよう
とするものである。また、アノード一体化によって損な
われやすい充分なエミッタ密度を確保し、上述のような
特性改善と併せて高耐圧・大電流密度・高信頼性の必要
なパワー応用に好適な素子を提供しようとするものであ
る。
In view of the above-mentioned current state of the vacuum micro device, the present invention provides a device structure in which not only an emitter and a gate but also an anode having a high withstand voltage and having high electrical and mechanical reliability are integrated. It is what As a result, it is intended to secure practical usability as an integrated element and to realize an element excellent in withstand voltage, stability and heat resistance. In addition, it aims to secure a sufficient emitter density that is easily damaged by the integration of the anode, and to provide an element suitable for power application that requires high breakdown voltage, large current density, and high reliability in addition to the above-mentioned characteristic improvement. It is a thing.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、まず第
1に熱酸化陽極化成或いはCVDによって形成した多孔
質Si層を熱酸化することによって形成した厚い熱酸化
Si層を有する単結晶Si基板を、好ましくは直接接着
によって接着剤層などなしに原子オーダーで互いに接合
し、単結晶Si/厚いSiO2 /単結晶Siの3層基板
を用意し、これをそれぞれアノード/スペーサー/ゲー
トとして用いることにある。また、第2にエミッタをゲ
ートSi層に非接合面側から例えば異方性エッチングな
どによって形成した尖端型鋳型に導電材料を充填して形
成し、基板反対側からエミッタ層の形成領域だけを尖端
が露出するまでSiおよび酸化Si層を除去することに
よって形成する点にある。さらに望ましくは、このエミ
ッタ鋳型ともなるゲートSi層を〈100〉方位とし、
異方性エッチングによってピラミッド型の鋳型を形成
し、これを熱酸化して、ゲート絶縁膜を形成すると共
に、尖端を先鋭化すること、また、アノードSi層を
〈110〉方位とし、同じく異方性エッチングによって
基板表面に対して鉛直な側壁を有するアノードを形成す
ることにより、エミッタ密度を高く保つことにある。さ
らに、必要に応じてゲートSi層、エミッタ層を例えば
直交ライン状にパターニングし、各エミッタ或いはエミ
ッタアレイセルをアドレス可能にすることも可能であ
り、これらを平坦化絶縁層を介して、支持基板に接着
し、機械強度を向上させることもできる。なお上述した
方位は、多少ずれていても良く、例えば〈100〉方向
から2〜3度傾けても問題はない。
The essence of the present invention is that, first of all, single crystal Si having a thick thermally oxidized Si layer formed by thermally oxidizing a porous Si layer formed by thermal oxidation anodization or CVD. The substrates are bonded to each other in atomic order, preferably by direct bonding without an adhesive layer or the like, and a three-layer substrate of single crystal Si / thick SiO 2 / single crystal Si is prepared, which is used as an anode / spacer / gate respectively. Especially. Secondly, the emitter is formed by filling the gate Si layer from the non-bonding surface side with a conductive material in a sharpened template formed by, for example, anisotropic etching, and only the emitter layer formation region is sharpened from the opposite side of the substrate. Is formed by removing the Si and Si oxide layers until exposed. More desirably, the gate Si layer also serving as the emitter template has a <100> orientation,
A pyramid-shaped template is formed by anisotropic etching, and this is thermally oxidized to form a gate insulating film, and the tip is sharpened. Also, the anode Si layer has a <110> orientation, which is also anisotropic. The purpose is to keep the emitter density high by forming an anode having vertical sidewalls with respect to the substrate surface by reactive etching. Further, if necessary, the gate Si layer and the emitter layer can be patterned into, for example, orthogonal lines so that each emitter or emitter array cell can be addressed. It can also be adhered to to improve mechanical strength. The azimuths described above may be slightly deviated, and there is no problem even if they are tilted by 2 to 3 degrees from the <100> direction, for example.

【0010】本発明によれば、まずエミッタからゲー
ト、アノードまでを全て一体の基板上に集積化でき、し
かも、ゲート絶縁膜、ゲート、ゲート・アノード間絶縁
スペーサ、アノードまでの層を接着剤等を用いずにモノ
リシックに積層形成できる。それぞれの間は、ほぼ原子
オーダーで接合させることができる。これは素子の耐熱
性、機械的強度を向上させ、信頼性の向上をもたらす。
また、アノード層とゲート層にそれぞれ異なる方位のS
iを選ぶことができることから、ゲート層には〈10
0〉方位基板を用いて、エミッタの尖端形状の鋳型を作
製し、一方でアノードには〈110〉方位基板を用い
て、垂直の開口部を形成する事ができる。
According to the present invention, the emitter, the gate, and the anode can all be integrated on a single substrate, and the layers from the gate insulating film, the gate, the gate-anode insulating spacer, and the anode can be glued or the like. It can be monolithically laminated without using. It is possible to join them in the order of atoms. This improves the heat resistance and mechanical strength of the device and improves the reliability.
In addition, the anode layer and the gate layer have different orientations of S.
Since i can be selected, <10
A 0-oriented substrate can be used to make a tip-shaped template for the emitter, while a <110> -oriented substrate can be used for the anode to form the vertical opening.

【0011】さらに、アノード・ゲート層の層間に陽極
化成熱酸化Siを用いることによって、従来実現できな
かった厚く、高品質の酸化Si層が得られ、アノード・
ゲート一体型でありながら、耐圧を大幅に向上させるこ
とができる。さらに、エミッタ層材料として、ほぼ任意
の材料が可能であり、Mo、Ta、Wなどの高融点金属
をはじめ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボ
ン、AlN、LaB6 などの停止後と関数が期待できる
材料などを鋳型によって、形状再現性よくエミッタにす
る事ができる。特にSiエミッタ材料に選べば全体をS
iとその酸化物で形成することが可能であり、耐熱性・
強度を向上させることができる。
Furthermore, by using anodized thermal oxidation Si between the layers of the anode / gate layer, a thick and high-quality oxidized Si layer which could not be realized in the past can be obtained.
Although it is a gate-integrated type, the breakdown voltage can be greatly improved. In addition, almost any material can be used as the material for the emitter layer, including refractory metals such as Mo, Ta, and W, as well as materials such as diamond, diamond-like carbon, AlN, and LaB 6 that can be expected to function after stopping. The mold can be used as an emitter with good shape reproducibility. Especially if the Si emitter material is selected, the whole S
i and its oxide can be formed,
Strength can be improved.

【0012】さらにまた、素子全体は厚い陽極化成酸化
Si層・アノードSi層からなるボディによって強固に
保持されているため、エミッタ裏面は特に補強が無くて
も強度を保つことができる。このため、裏面に抵抗層
や、各種の配線、更にTFTトランジスタなどを積層形
成することが容易にできる。また、強度は上述のように
酸化Si層とアノード層で保っているため、ゲート層を
パターニングして、例えばライン状に分離することもで
きる。
Furthermore, since the entire device is firmly held by the body composed of a thick anodized Si oxide layer / anode Si layer, the back surface of the emitter can maintain its strength without any particular reinforcement. Therefore, it is possible to easily form a resistance layer, various wirings, and a TFT transistor on the back surface. Further, since the strength is maintained by the Si oxide layer and the anode layer as described above, the gate layer can be patterned to be separated into, for example, lines.

【0013】また、エミッタも表面に露出していること
から、同様にパターニングすることができる。これによ
ってエミッタ、ゲートを例えば直交状にパターニング
し、アドレス駆動可能なマトリックスアレイを形成する
ことも可能になる。また、ゲート開口とアノードの開口
は必ずしも一対一に対応する必要はなく、複数のエミッ
タおよびそれに対応したゲート開口部に対して、集合的
に1つのアノード開口を設けることができる。
Since the emitter is also exposed on the surface, it can be patterned in the same manner. This makes it possible to pattern the emitters and gates, for example, orthogonally to form an address-driven matrix array. Further, the gate openings and the openings of the anodes do not necessarily have to correspond to each other one by one, and one anode opening can be collectively provided for the plurality of emitters and the gate openings corresponding thereto.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1に示したのは、本発明の主た
る実施の形態の作製工程図である。本実施の形態では、
まず、〈110〉Si層1として、p- 型のSi基板を
用意し、これをフッ酸中で陽極化成することによって、
表面に厚さ10μmの陽極化成Si層2を形成した。こ
の作製にフッ酸とエタノールを2:3の体積比で混合し
たエッチング液を用い、10〜80mA/cm2 の電流
密度で陽極化成した。この際に、後の酸化後に細孔が最
小になると共に、過剰に膨れて、基板自体を変形させな
いように多孔率を55%〜70%となるように調整し
た。そして、これを熱酸化することによって、陽極化成
熱酸化Si層3を形成した。必要に応じて表面を平坦化
研磨した後に、別に用意した#5〈100〉Si層と接
着した。この際に、該〈100〉基板表面も熱酸化によ
って酸化Si膜を形成しておくことが耐圧を高め、リー
クを低減するために有効である。また、こちらの界面も
陽極化成熱酸化してもよい。また、耐圧がそれほど必要
でない素子の場合には両方の基板とも熱酸化のみによっ
て酸化膜を形成してもよい。この場合には、それぞれ最
大3μm程度の膜厚を得ることができ、両者あわせて6
μm程度、耐圧にして、6000v程度までは得ること
ができる。一方、陽極化成熱酸化膜の場合には膜厚には
ほぼ制約がないが、厚くするに従って、基板Siとのス
トレスによる変形が生じやすくなる。これを避けるため
には、Siの厚みに対して、最大でも1/2を越えない
厚みの酸化膜層にとどめるのが望ましい。このようにし
て、Si/厚い酸化膜/Siの三層構造基板を得、これ
を機械研磨などによって、厚み調整する。具体的には、
ゲートSi層を3〜10μm厚に調整する。次に、ゲー
トSi層にボロンを高濃度に拡散し、p++拡散層6を形
成する。これは、後にゲートSi層を選択的にエッチス
トップするためである。次に、エミッタモールド7を高
さがp++領域とほぼ同じになるように異方性エッチング
によって形成し、熱酸化Si膜8を形成して、ゲート絶
縁膜とすると同時にエミッタ鋳型の尖端を先鋭化する。
この際に、ゲート酸化膜の最先端がp++領域よりも突き
出しているようにする。次に、アノードSi層を異方性
エッチングによって基板に対して垂直な壁面を持つよう
に開口し、アノード開口部9を形成する。この開口部は
例えば、図2に示したように、基板上面から見た場合に
ストライプ状とし、エミッタアレイはこのストライプ状
の開口部に対応して形成する。これにより、通常の〈1
00〉基板を用いた場合に比べて有効開口領域を大きく
取ることができ、実効的なエミッタ密度を高めることが
できる。この開口部の形成は、通常のエッチングによっ
てもよいし、RIEなどを用いて行ってもよい。また、
開口形状もストライプ状に限定されるものでなく、任意
の形状が可能である。さらに、ストライプ状の開口形状
の場合、適宜、ブリッジングするようにして、構造強度
を向上させることもできる。次に、エミッタ層11とし
て、本実施例ではCVD法によってダイヤモンドライク
カーボンを堆積し、さらに、アノード・ゲート絶縁スペ
ーサ開口部10をエッチング開口する。この状態でSi
層表面が露出するので、表面をエチレンジアミンとピロ
カテコールと水とピラジンの混合エッチング液によって
異方性エッチングする。これにより、ボロンの高濃度に
拡散されたp++領域がエッチストップされ、ゲートが自
己整合的に形成される。次に緩衡フッ酸で露出したエミ
ッタ尖端近傍のゲート酸化膜をエッチング除去し、ゲー
ト開口部12を形成する。更に、ここでは、エミッタの
裏面にポリイミドワニスをスピンコートにより被覆し、
キュアして、絶縁層13を形成する。この、絶縁層は必
須ではないが、エミッタ層の外部とのショートや変質を
防ぐため有用である。このようにして、作製されたエミ
ッタは高い耐熱性を有しており、350℃以上のベーキ
ングに耐える。これにより、充分なエミッタ表面の脱ガ
スが可能になり、真空封止においても、真空度を高く保
つことができる。本実施例のエミッタはエミッタ基底寸
法2μm、ゲート酸化膜厚0.1μm、ゲート・アノー
ド間酸化膜厚み10μmのとき、アノード電圧100V
で、ゲート電圧15Vから電流が流れ、ファウラーノル
ドハイムの関係に従った電流・電圧特性を示した。ま
た、アノード耐圧は約10kVとほぼ熱酸化Si層の耐
圧から予想される値と一致する結果が得られた。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a main embodiment of the present invention. In this embodiment,
First, as a <110> Si layer 1, a p type Si substrate is prepared, and this is anodized in hydrofluoric acid.
Anodized Si layer 2 having a thickness of 10 μm was formed on the surface. An etching solution in which hydrofluoric acid and ethanol were mixed at a volume ratio of 2: 3 was used for this preparation, and anodization was performed at a current density of 10 to 80 mA / cm 2 . At this time, the porosity was adjusted to 55% to 70% so that the pores would be minimized after the subsequent oxidation and not excessively swollen to deform the substrate itself. Then, the anodized thermally oxidized Si layer 3 was formed by thermally oxidizing this. If necessary, the surface was flattened and polished, and then adhered to a separately prepared # 5 <100> Si layer. At this time, it is effective to increase the breakdown voltage and reduce leakage by forming a Si oxide film on the <100> substrate surface by thermal oxidation. Also, this interface may be subjected to anodization thermal oxidation. Further, in the case of an element which does not require a high breakdown voltage, an oxide film may be formed on both substrates only by thermal oxidation. In this case, a maximum film thickness of about 3 μm can be obtained, and the total film thickness is 6 μm.
It is possible to obtain up to about 6000 v with a withstand voltage of about μm. On the other hand, in the case of the anodized thermal oxide film, there is almost no restriction on the film thickness, but as the film thickness increases, deformation due to stress with the substrate Si easily occurs. In order to avoid this, it is desirable that the thickness of the oxide film layer is not more than 1/2 of the thickness of Si at the maximum. In this way, a three-layer structure substrate of Si / thick oxide film / Si is obtained, and its thickness is adjusted by mechanical polishing or the like. In particular,
The thickness of the gate Si layer is adjusted to 3 to 10 μm. Next, boron is highly diffused in the gate Si layer to form the p ++ diffusion layer 6. This is to selectively etch stop the gate Si layer later. Next, the emitter mold 7 is formed by anisotropic etching so that the height thereof is almost the same as the p ++ region, and a thermally oxidized Si film 8 is formed to serve as a gate insulating film and at the same time, the tip of the emitter mold is removed. Sharpen.
At this time, the tip of the gate oxide film is made to protrude beyond the p ++ region. Next, the anode Si layer is opened by anisotropic etching so as to have a wall surface perpendicular to the substrate, and the anode opening 9 is formed. For example, as shown in FIG. 2, the openings have a stripe shape when viewed from the top surface of the substrate, and the emitter array is formed corresponding to the stripe openings. As a result, the normal <1
The effective opening region can be made larger than that in the case of using the 00> substrate, and the effective emitter density can be increased. This opening may be formed by ordinary etching or RIE or the like. Also,
The opening shape is not limited to the stripe shape, and any shape is possible. Further, in the case of a striped opening shape, the structural strength can be improved by appropriately bridging. Next, as the emitter layer 11, diamond-like carbon is deposited by the CVD method in this embodiment, and further, the anode / gate insulating spacer opening 10 is opened by etching. Si in this state
Since the layer surface is exposed, the surface is anisotropically etched with a mixed etching solution of ethylenediamine, pyrocatechol, water and pyrazine. As a result, the p ++ region diffused with a high concentration of boron is etch-stopped, and the gate is formed in a self-aligned manner. Next, the gate oxide film near the emitter tip exposed by buffered hydrofluoric acid is removed by etching to form the gate opening 12. Furthermore, here, the back surface of the emitter is coated with polyimide varnish by spin coating,
The insulating layer 13 is formed by curing. Although this insulating layer is not essential, it is useful for preventing a short circuit and deterioration of the emitter layer with the outside. The emitter thus manufactured has high heat resistance and can withstand baking at 350 ° C. or higher. This enables sufficient degassing of the emitter surface, and a high degree of vacuum can be maintained even in vacuum sealing. The emitter of this embodiment has an emitter base dimension of 2 μm, a gate oxide film thickness of 0.1 μm, and a gate-anode oxide film thickness of 10 μm, and an anode voltage of 100 V.
Then, the current flows from the gate voltage of 15 V, and the current-voltage characteristics according to the Fowler-Nordheim relationship are shown. Further, the anode breakdown voltage was about 10 kV, which was almost the same as the value expected from the breakdown voltage of the thermally oxidized Si layer.

【0015】図3に示したのは、アノード上部を真空封
止した実施例で有り、アノード層の開口部を例えば静電
接着法などにより真空に引いた状態で封止することによ
り、真空室も一体に備えた完全セルフスタンディングな
真空マイクロ素子が得られる。通常、実効的なアノード
電極すなわち、実際に電子が入射するのは開口部の内壁
であるが、この蓋体に伝導性を持たせ、アノード層とコ
ンタクトしてアノードの一部として機能させることもで
きる。さらに、開口部を制御電極として用い、この部分
とは絶縁して導電性の蓋体を設け、これをアノードとし
て用いることもできる。この場合、蓋体をガラスと同盟
電極とし、蛍光体を塗布して上部より発光が観察できる
ようにし、蛍光表示素子あるいはそのアレイ、或いはデ
ィスプレイなどに用いることもできる。
FIG. 3 shows an embodiment in which the upper part of the anode is vacuum-sealed, and the opening of the anode layer is sealed in a vacuumed state by, for example, an electrostatic bonding method to seal the vacuum chamber. It is possible to obtain a completely self-standing vacuum micro device that is equipped with a single unit. Usually, the effective anode electrode, that is, the electron is actually incident on the inner wall of the opening, but it is also possible to make the lid body conductive and make it contact with the anode layer to function as a part of the anode. it can. Further, it is also possible to use the opening as a control electrode, provide a conductive lid that is insulated from this portion, and use this as an anode. In this case, the lid may be made of glass and an alliance electrode, and a phosphor may be applied so that light emission can be observed from the upper side, so that it can be used for a fluorescent display element or an array thereof, a display, or the like.

【0016】図4に示したのは、ゲートライン及びエミ
ッタラインがパターニングされた実施例であり、図5に
その作製工程を示した。この例では、(d)に示したよ
うに、エミッタモールド形成時に、モールド以外の領域
のSi層も同時にエッチングする事によって、パターニ
ングされたゲートSiライン層16を形成した。本実施
例では、ゲートSi層を後に開口するアノード開口部9
のストライプに沿ってライン状にパターニングした。こ
れを熱酸化して、ゲート絶縁膜を形成した後に、エミッ
タ層11を積層形成した。さらに、このエミッタ層をパ
ターニングして、パターニングされたエミッタライン層
を形成した。さらに、ここでは、パターニングされたラ
インの補強のために、絶縁層13を形成してエミッタ裏
面を平坦化した後、接着層15としてAl電極を形成
し、支持基板19としてガラスを静電接着した。絶縁層
としては、絶縁性や耐熱性・脱ガスの少なさに加えて、
表面を平坦化する能力が重要で、SOGやポリイミドが
好適である。いずれの材料もスピンコートして、熱処理
することによって、リフローとともに最終化合物が生成
され、表面を平滑にすることができる。SOGの場合に
は、厚みが数μm程度と薄目だが、有機物を完全にとば
すことによって、高耐熱性で脱ガスの恐れの小さい平坦
化絶縁層を実現できる。また、ポリイミドの場合には、
ポリイミドワニスの材料・粘度を選ぶことによって、1
0μm以上の厚い膜も得ることができる。これは、平坦
化の面だけでなく、エミッタ層と接着層との間の浮遊容
量を低減するうえで好都合である。また、このようなデ
バイスを作製する際には、レイヤー間の位置合わせが重
要であるが、このための位置合わせマークには、通常の
マークではなく、エミッタモールドと同じか、あるいは
それよりも小さいドットを用いることが有効である。即
ち、本発明のように、エミッタモールドを形成する工程
を有する場合には、そのエッチングマスクに同時に位置
合わせパターンなどが形成されていれば、それもエッチ
ングされてしまう。これを避ける方法として、位置合わ
せマークとして、エミッタと同じか或いはそれよりも小
さいドットパターンを用い、望ましくはそれを複数集合
させて、実用的なサイズのマークとして用いればよい。
エミッタモールドと同様に位置合わせマークも一旦〈1
11〉面に到達し、ピラミッド形状になれば、そこから
エッチングは進行せず、パターンの精度を保つことがで
きる。
FIG. 4 shows an embodiment in which the gate line and the emitter line are patterned, and FIG. 5 shows the manufacturing process thereof. In this example, as shown in (d), the patterned gate Si line layer 16 was formed by simultaneously etching the Si layer in regions other than the mold when the emitter mold was formed. In this embodiment, the anode opening 9 that opens the gate Si layer later is used.
Was patterned into lines along the stripes. This was thermally oxidized to form a gate insulating film, and then the emitter layer 11 was laminated. Further, this emitter layer was patterned to form a patterned emitter line layer. Further, here, in order to reinforce the patterned line, after forming the insulating layer 13 and flattening the back surface of the emitter, an Al electrode is formed as the adhesive layer 15 and glass is electrostatically adhered as the supporting substrate 19. . As an insulating layer, in addition to insulating properties, heat resistance and low degassing,
The ability to flatten the surface is important, and SOG and polyimide are suitable. By spin-coating and heat-treating any of these materials, a final compound is generated with reflow, and the surface can be smoothed. In the case of SOG, the thickness is as thin as about several μm, but by completely skipping the organic substance, a flattened insulating layer having high heat resistance and less risk of degassing can be realized. In the case of polyimide,
By selecting the material and viscosity of the polyimide varnish, 1
A thick film having a thickness of 0 μm or more can be obtained. This is advantageous not only for planarization, but also for reducing the stray capacitance between the emitter layer and the adhesive layer. Also, when manufacturing such a device, alignment between layers is important, but the alignment mark for this purpose is not a normal mark but the same as or smaller than the emitter mold. It is effective to use dots. That is, in the case of including the step of forming the emitter mold as in the present invention, if the alignment pattern and the like are simultaneously formed on the etching mask, it is also etched. As a method of avoiding this, a dot pattern that is the same as or smaller than the emitter is used as the alignment mark, and it is preferable to collect a plurality of dot patterns and use them as marks of practical size.
Just like the emitter mold, the alignment mark is once <1
When it reaches the 11> plane and becomes a pyramid shape, etching does not proceed from there and the accuracy of the pattern can be maintained.

【0017】以上により、微細なラインが保護され、相
互の絶縁性が完全に保たれると共に、機械的にも強化さ
れ、真空引きなどに対しても充分な強度を示す。また、
実施例では一列のエミッタに対して、ストライプ状のゲ
ート開口を形成しているが、複数列のエミッタに対して
一つのアノード開口を形成しても良いし、補強をかね
て、アノード上部に蓋体を接着しても良い。また上記実
施形態で用いた酸化Si層は熱酸化、陽極酸化に限ら
ず、CVD法によるものであっても良い。
As described above, fine lines are protected, mutual insulation is completely maintained, mechanically strengthened, and sufficient strength against vacuum drawing is exhibited. Also,
In the embodiment, the stripe-shaped gate openings are formed for the emitters in one row, but one anode opening may be formed for the emitters in a plurality of rows. May be adhered. Further, the Si oxide layer used in the above embodiment is not limited to thermal oxidation and anodic oxidation, but may be formed by a CVD method.

【0018】[0018]

【発明の効果】本発明によって、エミッタ・ゲート部分
だけでなく、高耐圧と構造的な強度・安定性を備えたう
えでアノードまで集積化することができる。これは、耐
圧を確保するに必要な絶縁層厚みを有し、構造的にも安
定なSi・酸化膜・Siの3層構造をベースにし、それ
ぞれをアノード層、アノード・ゲート絶縁層、ゲート層
として用いたことによって実現した。また、素子の構造
的な強度をアノード層とアノード・ゲート間絶縁層に持
たせているため、ゲート層およびエミッタ層を自由に加
工することができる。これにより、従来、困難であった
ゲートとエミッタ層のパターニングが実現できる。さら
に、鋳型を使ってエミッタを作製することから、形状制
御の難しいものでも再現性良くエミッタを形成すること
ができる。また、エミッタ層は鋳型に形成した後に裏面
をそのまま自由にアクセス可能であり、抵抗層やトラン
ジスタなどの付帯回路構成をつけ加えることが容易にで
きる。また、構造を支持しているアノード層も通常は深
さ方向にエッチングすればそれだけ開口径が広がり、結
果的にエミッタの密度を大きく取れないが、本発明で
は、アノード層とゲート層にそれぞれ任意の方位・特性
のSiを選ぶことができることから、アノード層側に
〈110〉基板を用いることによってほぼ、垂直に開口
部を形成することが可能になり、エミッタの実効密度を
大きくすることができる。
According to the present invention, not only the emitter / gate portion but also the anode can be integrated while having a high breakdown voltage and structural strength / stability. This is based on a three-layer structure of Si, an oxide film, and Si that has a thickness of an insulating layer necessary to secure a breakdown voltage and is structurally stable. Each of them has an anode layer, an anode / gate insulating layer, and a gate layer. It was realized by using as. Further, since the anode layer and the anode-gate insulating layer have the structural strength of the device, the gate layer and the emitter layer can be freely processed. This makes it possible to realize patterning of the gate and emitter layers, which has been difficult in the past. Further, since the emitter is manufactured using the mold, it is possible to form the emitter with good reproducibility even if it is difficult to control the shape. Moreover, the back surface of the emitter layer can be freely accessed as it is after it is formed in the mold, and an auxiliary circuit structure such as a resistance layer or a transistor can be easily added. In addition, the anode layer supporting the structure is usually expanded by etching in the depth direction, so that the opening diameter is widened, and as a result, the density of the emitter cannot be increased. However, in the present invention, the anode layer and the gate layer can be arbitrarily formed. Since it is possible to select Si having the azimuth and characteristics, it is possible to form an opening substantially vertically by using the <110> substrate on the anode layer side, and it is possible to increase the effective density of the emitter. .

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

【図1】 本発明の第1の実施形態を説明するための工
程断面図。
FIG. 1 is a process cross-sectional view for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の第1の実施形態を説明するための斜
視図。
FIG. 2 is a perspective view for explaining the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明のアノード上部を真空封止した実施形
態を説明するための断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining an embodiment of the present invention in which the anode upper part is vacuum-sealed.

【図4】 本発明の実施形態を説明するための断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining an embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の第2の実施形態を説明するための工
程断面図。
FIG. 5 is a process cross-sectional view for explaining the second embodiment of the present invention.

【図6】 従来例を説明するための図。FIG. 6 is a diagram for explaining a conventional example.

【図7】 従来例を説明するための図。FIG. 7 is a diagram for explaining a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:〈110〉Si層 2:陽極化成Si層 3:陽極化成熱酸化Si層 4:直接接着界面 5:〈100〉Si層 6:p++拡散層 7:エミッタモールド 8:熱酸化Si膜 9:アノード開口部 10:アノード・ゲート絶縁スペーサ開口部 11:エミッタ層 12:ゲート開口部 13:絶縁層1: <110> Si layer 2: anodized Si layer 3: anodized thermally oxidized Si layer 4: direct bonding interface 5: <100> Si layer 6: p + + diffusion layer 7: emitter mold 8: thermally oxidized Si film 9: Anode opening 10: Anode / gate insulating spacer opening 11: Emitter layer 12: Gate opening 13: Insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐久間 尚志 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Naoshi Sakuma 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Incorporated Toshiba Research and Development Center

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】アノードを形成する第1の単結晶Si層
と、ゲートを形成する〈100〉方位を持つ第2の単結
晶Si層とが酸化Si層を介して接合されており、前記
第2のSi層に非接着面側から形成された凹部を鋳型と
して形成したエミッタ層と、該エミッタ層の尖端が露出
するように形成された貫通開口部を有することを特徴と
する真空マイクロ素子。
1. A first single crystal Si layer forming an anode and a second single crystal Si layer having a <100> orientation forming a gate are bonded to each other through an Si oxide layer. 2. A vacuum microdevice comprising: an emitter layer formed by using a recess formed in the second Si layer from the non-adhesive surface side as a template; and a through opening formed so that a tip of the emitter layer is exposed.
【請求項2】第1のSi層が〈110〉方位面を主面に
有しており、貫通開口部のアノード側が主面に対して垂
直な側壁を有するように形成されていることを特徴とす
る請求項1記載の真空マイクロ素子。
2. The first Si layer has a <110> orientation plane as a main surface, and the anode side of the through opening is formed so as to have a side wall perpendicular to the main surface. The vacuum micro-element according to claim 1.
【請求項3】酸化Si層の厚みが1μm以上、200μ
m以内で、アノードSi層の厚みの1/2を越えないこ
とを特徴とする請求項1記載の真空マイクロ素子。
3. The thickness of the Si oxide layer is 1 μm or more and 200 μm.
2. The vacuum micro device according to claim 1, wherein the thickness does not exceed 1/2 of the thickness of the anode Si layer within m.
【請求項4】酸化Si層が熱酸化、陽極酸化或いはCV
D法により形成されたことを特徴とする請求項1記載の
真空マイクロ素子。
4. The oxidized Si layer is thermally oxidized, anodized or CV.
The vacuum micro device according to claim 1, wherein the vacuum micro device is formed by a D method.
【請求項5】貫通開口部を異方性エッチングにより形成
されたことを特徴とする請求項1記載の真空マイクロ素
子。
5. The vacuum micro device according to claim 1, wherein the through opening is formed by anisotropic etching.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008540070A (en) * 2005-04-29 2008-11-20 ユニバーシティー オブ ロチェスター Ultrathin porous nanoscale membrane, its production method and use

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008540070A (en) * 2005-04-29 2008-11-20 ユニバーシティー オブ ロチェスター Ultrathin porous nanoscale membrane, its production method and use
JP2013150978A (en) * 2005-04-29 2013-08-08 Univ Of Rochester Ultrathin porous nanoscale membranes, methods of manufacturing, and uses thereof

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