JPH0927266A - 電界放射型電子源及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常のフォトリソプロセス及び半導体プロセ
スにより容易に製造が可能であり、特にリフトオフプロ
セスを用いることなく、急峻な形状の陰極を有する電界
放射型電子源の製造方法を提供する。 【構成】 導電性基板１１の上に形成された円板状のエ
ッチングマスクを用い、半導体基板１１に対してサイド
エッチングを伴うドライエッチングを行なって、急峻な
先端部１３ａを有するコーン形状の陰極１３を形成す
る。導電性基板１１の上に絶縁膜１４及び金属膜１５を
順次堆積した後、金属膜１５の上に、陰極１３の上方に
円形の開口部１６ａを有するレジストパターン１６を形
成する。金属膜１５及び絶縁膜１４に対してレジストパ
ターン１６をマスクとするエッチングを行なって、陰極
１３を露出させると共に、導電性基板１１の上における
陰極１３の周辺部に絶縁膜１４Ａを介して引出し電極１
５Ａ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、自発光の平面型表示素
子、超高速の微小真空素子又は電子線励起の固体レーザ
等への応用が期待される冷電子源である電界放射型電子
源に関し、特に、既存のシリコン等の半導体プロセスと
の整合性及び素子の均一性に優れ、かつ集積化及び低電
圧化が実現可能な電界放射型電子源及びその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体に対する微細加工技術の進展によ
り、微小な電界放射型電子源の形成が可能となった。ス
ピントらがコーン型（縦型）の電界放射型電子源を提案
し、微小な電界放射型電子源が注目されるに至っている
（参考文献１：C. A. Spindt,J. Appl. Phys. Vol.39,
p.3504 (1986)）。

【０００３】以下、第１の従来例として、スピントの提
案した電界放射型電子源の構造及び製造方法について図
１７を参照しながら説明する。

【０００４】まず、図１７（ａ）に示すように、シリコ
ンよりなる導電性基板１０１上に絶縁膜１０２及び金属
よりなるゲート電極（引出し電極）１０３を順次形成し
た後、ゲート電極１０３及び絶縁膜１０２に円形の小穴
１０４を通常のフォトリソプロセスによって形成する。

【０００５】次に、図１７（ｂ）に示すように、アルミ
ナ等よりなる犠牲層１０５を導電性基板１０１に対して
浅い角度で蒸着する。この工程によりゲート口径は縮小
すると共にゲート電極１０３は犠牲層１０５に覆われ
る。

【０００６】次に、図１７（ｃ）に示すように、エミッ
タ電極となるモリブデン等の金属１０６を導電性基板１
０１に対して垂直方向から蒸着する。このようにする
と、ゲート口は蒸着の進展に伴って小さくなるので、小
穴１０４の内部に円錐形状のエミッタ電極（陰極）１０
７が形成される。

【０００７】次に、図１７（ｄ）に示すように、犠牲層
１０５をウェットエッチングによりリフトオフして不要
の金属１０６を除去する。

【０００８】この電界放射型電子源は、ゲート電極１０
３によってエミッタ電極１０７の先端から電子を真空中
に引き出し、引き出した電子をエミッタ電極１０７と対
向するように設けられたアノード電極（陽極）（図示は
省略している）により受けることによって動作する。

【０００９】また、第１の従来例と同様の縦型構造であ
って、シリコンの結晶異方性エッチング又は異方性ドラ
イエッチングと熱酸化とを用いて先端形状がより鋭いエ
ミッタ電極を形成する方法が提案されている（参考文献
２：H.F.Gray et al.,IEDM Tech.Dig.p.776,(1986)、及
び参考文献３：別井、１９９０年秋季信学全大論文集
５、ＳＣ−８−２(1990)）。

【００１０】以下、第２の従来例として別井らの提案し
た電界放射型電子源の構造及び作製方法について図１８
を参照しながら説明する。

【００１１】まず、シリコンよりなる導電性基板１１１
上に酸化シリコン膜を形成した後、該酸化シリコン膜に
対してフォトリソプロセスを施すことにより、図１８
（ａ）に示すように、円盤状のエッチングマスク１１３
を作製する。

【００１２】次に、導電性基板１１１に対してエッチン
グマスク１１３を用いてサイドエッチングを伴う条件で
ドライエッチングを行なうことにより、図１８（ｂ）に
示すように、エッチングマスク１１３の下側に先端部が
細い立体形状体１１４を形成する。その後、立体形状体
１１４に対して熱酸化を施すことにより、図１８（ｃ）
に示すように、立体形状体１１４を、内部のシリコンよ
りなるコーン形状体１１５と外部の熱酸化膜１１６とか
らなる構造に変化させる。

【００１３】次に、図１８（ｄ）に示すように、絶縁膜
１１７となる酸化シリコン、及びゲート電極（引出し電
極）１１８となる金属を、導電性基板１１１の表面に対
して垂直方向から真空蒸着することにより、導電性基板
１１１の上におけるエッチングマスク１１３の周辺部及
びエッチングマスク１１３の上に付着させる。

【００１４】次に、導電性基板１１１を弗酸の水溶液に
浸すことにより、コーン形状体１１５の周辺部の熱酸化
膜１１６を除去する共に、絶縁膜及び金属膜が付着した
エッチングマスク１１３をリフトオフにより除去する
と、図１８（ｅ）に示すように、コーン形状体１１５よ
りなるエミッタ電極（陰極）が形成され、スピント型と
類似の構造を有する電界放射型電子源を得ることができ
る。

【００１５】この電界放射型電子源は、第１の従来例と
同様、ゲート電極１１８によってエミッタ電極１１５の
先端から電子を真空中に引き出し、引き出した電子をエ
ミッタ電極１１５と対向するように設けられたアノード
電極（陽極）（図示は省略している）により受けること
によって動作する。

【００１６】

【発明が解決ようとする課題】第１及び第２の従来例に
係る電界放射型電子源によると、コーン型のエミッタ電
極を高密度に集積化することが可能であり、また、エミ
ッタ電極の先端の曲率半径として２０ｎｍ程度が得られ
るので、低電圧で大電流の電子源が実現可能である。

【００１７】しかしながら、第１の従来例によると、金
属蒸着によりエミッタ電極１０７を形成するため、エミ
ッタ電極１０７の形状、特に先端部の形状が素子の中央
部と周辺部とにおいて必然的に異なるので、電界放射型
電子源が一定以上の面積になると、均一な性能を得るこ
とができないという問題がある。また、犠牲層１０５を
リフトオフする必要があり、エッチング溶液中にダスト
が浮遊するので通常の半導体プロセスにおいては使用し
ないリフトオフが避けられないという問題がある。

【００１８】第２の従来例によると、コーン形状体１１
５よりなるエミッタ電極の形状が熱酸化膜１１６に対す
るドライエッチングの条件に左右されるので、エミッタ
電極の形状の面内バラツキを避けることができないとい
う問題がある。また、ゲート電極１１８の形成に蒸着法
及びリフトオフプロセスを用いるため、ゲート電極１１
８のエッジ部の形状が均一でなくなると共に、第１の従
来例と同様、電界放射型電子源が一定以上の面積になる
と、均一な性能を得ることができないという問題、及び
リフトオフが避けられないという問題がある。

【００１９】以上説明したように、従来の電界放射型電
子源においては、金属の蒸着及びこれに伴うリフトオフ
プロセスが避けられないという問題があった。

【００２０】前記に鑑み、本発明は、通常のフォトリソ
プロセス及び半導体プロセスにより容易に製造が可能で
あり、特にリフトオフプロセスを用いることなく、急峻
な形状の陰極を有していると共に陰極と引出し電極との
間隔がサブミクロンオーダーの精度で制御可能な電界放
射型電子源及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、陰極が形成された導電性基板の上に絶縁
膜を介して導電膜を形成した後、該導電膜をフォトリソ
グラフィにより均一な形状にパターン化して引出し電極
を形成するものである。

【００２２】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、電界放射型電子源を、導電性基板の上に該導電性基
板から突出するように形成され点状又は線状の先端部を
有する陰極と、前記導電性基板の上における前記陰極の
周辺部にフォトリソグラフィにより形成された絶縁膜
と、前記絶縁膜の上にフォトリソグラフィにより形成さ
れた引出し電極とを備えており、前記陰極と前記引出し
電極との間に電圧が印加されると前記陰極の先端部から
電子を放射する構成とするものである。

【００２３】請求項２の発明は、請求項１の構成に、前
記導電性基板は結晶性の基板であり、前記陰極の先端部
は、前記陰極の周面に特定の複数の結晶方位面が露出す
ることにより急峻な形状に形成されている構成を付加す
るものである。

【００２４】請求項３の発明は、請求項１の構成に、前
記導電性基板はシリコン基板であり、前記陰極の先端部
は、前記シリコン基板がエッチングされて凸状体に形成
された後、該凸状体の周面に熱処理により熱酸化膜が形
成され、その後、該熱酸化膜が除去されることにより急
峻な形状に形成されている構成を付加するものである。

【００２５】請求項４の発明は、前記導電性基板はシリ
コン基板であり、前記陰極の先端部は、前記シリコン基
板がエッチングされることにより急峻な形状に形成され
ており、前記絶縁膜は、前記シリコン基板の表面部に熱
処理により形成されたシリコン酸化膜よりなる構成を付
加するものである。

【００２６】請求項５の発明は、電界放射型電子源の製
造方法を、導電性基板の上に、点状又は線状の先端部を
有する陰極を前記導電性基板から突出するように形成す
る第１の工程と、前記導電性基板の上に全面に亘って絶
縁膜を形成した後、該絶縁膜の上に全面に亘って導電膜
を堆積する第２の工程と、前記導電膜の上に全面に亘っ
てレジスト膜を堆積した後、該レジスト膜に対してマス
クパターンを用いて露光することにより前記陰極の上方
に開口部を有するエッチング保護膜を形成する第３の工
程と、前記導電膜及び前記絶縁膜に対して前記エッチン
グ保護膜をマスクとしてエッチングを行なって、前記陰
極を露出させると共に該陰極の周辺部に絶縁膜を介して
引出し電極を形成する第４の工程とを備えている構成と
するものである。

【００２７】請求項６の発明は、請求項５の構成に、前
記第１の工程は、前記導電性基板の上に所定形状のエッ
チング保護膜を形成した後、前記導電性基板に対して前
記エッチング保護膜をマスクとして反応性イオンエッチ
ングを行なうことにより、急峻な先端部を有する陰極を
前記導電性基板から突出するように形成する工程を含む
構成を付加するものである。

【００２８】請求項７の発明は、請求項５の構成に、前
記第１の工程の導電性基板はシリコン基板であり、前記
第１の工程は、前記シリコン基板に対してエッチングを
行なうことにより該シリコン基板上に凸状体を形成する
工程と、前記シリコン基板に対して熱処理を行なうこと
により前記凸状体の周面に熱酸化膜を形成する工程と、
前記熱酸化膜を除去することにより急峻な先端部を有す
る陰極を形成する工程とを含む構成を付加するものであ
る。

【００２９】請求項８の発明は、請求項５の構成に、前
記第１の工程の導電性基板はシリコン基板であり、前記
第２の工程は、前記シリコン基板に対して熱処理を行な
うことにより前記絶縁膜を形成する工程を含む構成を付
加するものである。

【００３０】請求項９の発明は、請求項５の構成に、前
記第１の工程の導電性基板はシリコン基板であり、前記
第２の工程は、前記シリコン基板の上に絶縁膜を堆積し
た後、該絶縁膜の表面を熱処理により平坦化し、表面が
平坦化された絶縁膜の上に前記導電膜を堆積する工程を
含む構成を付加するものである。

【００３１】請求項１０の発明は、請求項５の構成に、
前記第３の工程は、前記マスクパターンのマスク合わせ
及び前記露光をそれぞれ複数回行なうことにより前記エ
ッチング保護膜を形成する工程を付加するものである。

【００３２】

【作用】請求項１の構成により、絶縁膜は導電性基板の
上における陰極の周辺部にフォトリソグラフィにより形
成され、引出し電極は絶縁膜の上にフォトリソグラフィ
により形成されているため、絶縁膜及び引出し電極はリ
フトオフプロセスを用いることなく通常の半導体プロセ
スにより得られる。

【００３３】請求項５の構成により、導電性基板の上に
絶縁膜を介して堆積された導電膜の上に、陰極の上方に
開口部を有するエッチング保護膜を形成した後、導電膜
及び絶縁膜に対して前記エッチング保護膜をマスクとし
てエッチングを行なって、陰極を露出させると共に該陰
極の周辺部に絶縁膜を介して引出し電極を形成するた
め、絶縁膜及び引出し電極をリフトオフプロセスを用い
ることなく通常の半導体プロセスにより形成することが
できる。

【００３４】請求項６の構成により、導電性基板に対し
て該導電性基板の上に形成された所定形状のエッチング
保護膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行なう
と、導電性基板上におけるエッチング保護マスクの下側
の部分に、中央部が反応性イオンエッチングによって湾
曲状に細くなった鼓状の立体構造が形成される。

【００３５】請求項９の構成により、シリコン基板の上
に堆積した絶縁膜の表面を熱処理により平坦化し、表面
が平坦化された絶縁膜の上に導電膜を堆積するため、導
電膜の表面も平坦になり、導電膜の上のエッチング保護
膜の厚さが均一になる。

【００３６】請求項１０の構成により、マスクパターン
のマスク合わせ及び露光をそれぞれ複数回行なうことに
よりエッチング保護膜を形成するため、各回のマスク合
わせにより形成されるマスク開口部の各中心が陰極の先
端部の位置に対して若干ずれても、各回のマスク合わせ
によるマスク開口部の中心点を合成した点の位置は陰極
の先端部の位置に収束する。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る電界放射型電子
源及びその製造方法について図面を参照しながら説明す
る。

【００３８】図１は本発明の第１実施例に係る電界放射
型電子源の構造を示しており、図１に示すように、金属
又は半導体よりなる導電性基板１Ａの上には急峻な先端
部２ａを有する陰極２Ａが形成されており、導電性基板
１Ａの上における陰極２Ａの周囲には投影露光法により
パターニングされた引出し電極３Ａが絶縁膜４Ａを介し
て形成されている。陰極２Ａに対して正の電界を引出し
電極３Ａに印加すると、陰極２Ａの先端部２ａから電子
が放射される。

【００３９】以下、第１実施例に係る電界放射型電子源
の第１の製造方法について図２及び図３を参照しながら
説明する。

【００４０】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
よりなる導電性基板１１の上に酸化膜を形成した後、該
酸化膜に対してフォトリソグラフィを行なうことによ
り、円板状のエッチングマスク１２を作製する。

【００４１】次に、導電性基板１１に対してエッチング
マスク１２を用いてサイドエッチングを伴うドライエッ
チングを行なうことにより、図２（ｂ）に示すように、
エッチングマスク１２の下側に急峻な先端部１３ａを有
するコーン形状の陰極１３を形成する。この場合、急峻
な先端部１３ａを有する陰極１３が形成された時点でエ
ッチングを終了し、その後、エッチングマスク１２を除
去する。

【００４２】次に、図２（ｃ）に示すように、導電性基
板１１の上に全面に亘ってスパッタリング法により酸化
シリコンよりなる絶縁膜１４及び金属膜１５を順次堆積
する。その後、金属膜１５の上に全面的にレジスト膜を
堆積した後、該レジスト膜に対して露光及び現像を行な
うことにより、陰極１３の上方に１μｍ程度の円形の開
口部１６ａを有するエッチング保護膜としてのレジスト
パターン１６を形成する。

【００４３】次に、金属膜１５に対してレジストパター
ン１６をマスクとするドライエッチングを行なって金属
膜１５に円形の開口部を形成した後、絶縁膜１４に対し
てレジストパターン１６をマスクとするウェットエッチ
ングを行なって絶縁膜１４にも円形の開口部を形成す
る。以下の説明においては、金属膜１５の開口部及び絶
縁膜１４の開口部をまとめて円形開口部１７と総称す
る。前記のようにエッチングを行なうと、コーン形状の
陰極１３が露出すると共に、導電性基板１１の上におけ
る陰極１３の周辺部に絶縁膜１４Ａを介して引出し電極
１５Ａが形成される。

【００４４】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極１５Ａにより陰極１３の先端部１３ａ
から電子を真空中に放射させ、放射した電子を陰極１３
の先端部１３ａと対向するように設けられた図示しない
アノード電極（陽極）で受けることにより動作する。

【００４５】ところで、円形開口部１７の中心と陰極１
３の先端部１３ａの位置とが完全に一致していることが
望ましいが、通常は、露光技術におけるマスク合わせの
ずれによって、円形開口部１７の中心と陰極１３の先端
部１３ａの位置とは若干ずれている。円形開口部１７の
径は約１μｍであり、通常の紫外線露光装置（ステッ
パ）におけるマスク合わせ精度は約０．０５μｍ程度で
あるので、通常はマスク合わせのずれに伴う円形開口部
１７の中心と陰極１３の先端部１３ａの位置とのずれは
大きな問題にはならない。

【００４６】しかしながら、陰極１３の先端部１３ａと
引出し電極１５Ａとの間隔を高精度に制御する場合に
は、円形開口部１７の中心と陰極１３の先端部１３ａの
位置とのずれが問題になる。この場合には、マスク合わ
せ及び低い光強度による露光を繰り返し複数回行なうこ
とにより、円形開口部１７の中心と陰極１３の先端部１
３ａの位置とを正確に一致させることができる。すなわ
ち、マスク合わせを例えば４回行なった場合、マスク開
口部の中心は、図４においてａ，ｂ，ｃ，ｄで示すよう
に、陰極１３の先端部１３ａの位置Ｏに対して若干ずれ
るが、低い光強度による露光を複数回行なうと、マスク
開口部の中心点ａ，ｂ，ｃ，ｄを合成することにより得
られる中心点つまり円形開口部１７の中心は陰極１３の
先端部１３ａの位置に収束する。このため、円形開口部
１７の中心と陰極１３の先端部１３ａの位置とが一致す
ることになる。尚、図４において、実線で示す４つの円
形は点ａ，ｂ，ｃ，ｄを中心とする円であり、一点鎖線
で示す円形は点Ｏを中心とする円である。

【００４７】以下、第１実施例に係る電界放射型電子源
の第２の製造方法について図５及び図６を参照しながら
説明する。

【００４８】まず、図５（ａ）に示すように、シリコン
よりなる導電性基板２１の上に酸化膜を形成した後、該
酸化膜に対してフォトリソグラフィを行なうことによ
り、円板状のエッチングマスク２２を作製する。

【００４９】次に、導電性基板２１に対してエッチング
マスク２２を用いてサイドエッチングを伴うドライエッ
チングを行なうことにより、図５（ｂ）に示すように、
エッチングマスク２２の下側に円錐台状体２３を形成す
る。この場合、第１の製造方法と異なり、円錐台状体２
３のコーン形状の先端部が先鋭化される直前にエッチン
グを終了し、その後、エッチングマスク２２を除去す
る。

【００５０】次に、導電性基板２１に対して熱処理を行
なって、図５（ｃ）に示すように、導電性基板２１の表
面部に熱酸化膜２５を形成する。このようにすると、円
錐台状体２３の表面部にも熱酸化膜２５が形成されるの
で、熱酸化膜２５の下側に急峻な先端部２６ａを有する
コーン形状の陰極２６が形成される。

【００５１】次に、図６（ａ）に示すように、熱酸化膜
２５の上にスパッタリング法により金属膜２７を堆積し
た後、金属膜２７の上に全面的にレジスト膜を堆積し、
その後、該レジスト膜に対して露光及び現像を行なうこ
とにより、陰極２６の上方に１μｍ程度の円形の開口部
２８ａを有するエッチング保護膜としてのレジストパタ
ーン２８を形成する。

【００５２】金属膜２７に対してレジストパターン２８
をマスクとするドライエッチングを行なって金属膜２７
に円形の開口部を形成した後、熱酸化膜２５に対してレ
ジストパターン２８をマスクとするウェットエッチング
を行なって熱酸化膜２５にも円形の開口部を形成する。
このようにエッチングを行なうと、コーン形状の陰極２
６が露出すると共に、導電性基板２１の上における陰極
２６の周辺部に絶縁膜２５Ａを介して引出し電極２７Ａ
が形成される。

【００５３】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極２７Ａにより陰極２６の先端部２６ａ
から電子を真空中に放射させ、放射した電子を陰極２６
の先端部２６ａと対向するように設けられた図示しない
アノード電極（陽極）で受けることにより動作する。

【００５４】第２の製造方法においては、シリコンより
なる導電性基板２１を用い、該導電性基板２１に対して
熱処理を行なうことにより熱酸化膜２５を形成するの
で、絶縁性に優れた絶縁膜２５Ａが得られると共に急峻
な先端部２６ａを有する陰極２６が得られる。

【００５５】以下、第１実施例に係る電界放射型電子源
の第３の製造方法について図７及び図８を参照しながら
説明する。

【００５６】まず、図７（ａ）に示すように、面方位が
（１００）であるシリコンよりなる導電性基板３１の上
に酸化膜を形成した後、該酸化膜に対してフォトリソグ
ラフィを行なうことにより、円板状のエッチングマスク
３２を作製する。

【００５７】次に、導電性基板３１に対してエッチング
マスク３２を用いて結晶異方性ウェットエッチングを行
なうことにより、図７（ｂ）に示すように、エッチング
マスク３２の下側に、側面が（１１１）面又は（３３
１）面であり、急峻な先端部３３ａを有するコーン形状
の陰極３３を形成する。この場合、急峻な先端部３３ａ
を有する陰極３３が形成された時点でエッチングを終了
し、その後、エッチングマスク３２を除去する。

【００５８】次に、図７（ｃ）に示すように、導電性基
板３１の上に全面に亘ってＣＶＤ法により、リンが添加
された酸化シリコン膜３４を形成した後、該酸化シリコ
ン膜３４に対して約５００度の温度で熱処理をすること
により、図８（ａ）に示すように、表面が平坦な絶縁膜
３５を形成する。

【００５９】次に、絶縁膜３５の上に全面に亘って金属
膜３６を堆積した後、金属膜３６の上に全面的にレジス
ト膜を堆積し、その後、該レジスト膜に対して露光及び
現像を行なうことにより、陰極３３の上方に１μｍ程度
の円形の開口部３７ａを有するエッチング保護膜として
のレジストパターン３７を形成する。

【００６０】次に、金属膜３６に対してレジストパター
ン３７をマスクとするドライエッチングを行なって金属
膜３６に円形の開口部を形成した後、絶縁膜３５に対し
てレジストパターン３７をマスクとするウェットエッチ
ングを行なって絶縁膜３５にも円形の開口部を形成す
る。このようにエッチングを行なうと、コーン形状の陰
極３３が露出すると共に、導電性基板３１の上における
陰極３３の周辺部に絶縁膜３５Ａを介して引出し電極３
６Ａが形成される。

【００６１】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極３６Ａにより陰極３３の先端部３３ａ
から電子を真空中に放射させ、放射した電子を陰極３３
の先端部３３ａと対向するように設けられた図示しない
アノード電極（陽極）で受けることにより動作する。

【００６２】第１又は第２の製造方法においては、絶縁
膜１４，２５ひいては金属膜１５，２７が凹凸状であっ
たために、レジストパターン１６，２８を形成するため
のレジスト膜が金属膜１５，２７上に不均一に付着して
しまうので、レジスト膜１５，２７に対する露光が均一
にならず、均一な厚さのレジストパターン１６，２８が
得られず、これにより、均一な形状の引出し電極１５
Ａ，２７Ａを形成できないという問題があった。ところ
が、第３の製造方法においては、低融点の誘電体材料で
あるリンが添加された酸化シリコン膜３４を形成した
後、該酸化シリコン膜３４に対して熱処理を加えて、表
面が平坦な絶縁膜３５を形成しているため、金属膜３６
が平坦になり、レジストパターン３７の厚さが均一にな
るので、均一な形状の引出し電極３６Ａを得ることがで
きる。

【００６３】尚、第１実施例に係る電界放射型電子源の
各製造方法においては、シリコンよりなる導電性基板を
用いたが、これに代えて、他の半導体又は金属よりなる
導電性基板を用いてもよい。また、絶縁膜及び金属膜の
形成方法として、スパッタリング法を用いたが、これに
代えて、蒸着法やＣＶＤ法を用いてもよい。

【００６４】図９は本発明の第２実施例に係る電界放射
型電子源の構造を示しており、図９に示すように、金属
又は半導体よりなる導電性基板１Ｂの上には、急峻な円
形の先端部２ｂを有するディスクエッジ形状の陰極２Ｂ
が形成されており、導電性基板１Ｂの上における陰極２
Ｂの周囲には投影露光法によりパターニングされた引出
し電極３Ｂが絶縁膜４Ｂを介して形成されている。陰極
２Ｂに対して正の電界を引出し電極３Ｂに印加すると陰
極２Ｂの先端部２ｂから電子が放射される。

【００６５】図１０は本発明の第３実施例に係る電界放
射型電子源の概略構造を示しており、図１０に示すよう
に、金属又は半導体よりなる導電性基板の上には、急峻
な直線状の先端部２ｃを有するウェッジ形状の陰極２Ｃ
が形成されており、導電性基板の上における陰極２Ｃの
周囲には投影露光法によりパターニングされた矩形状の
引出し電極３Ｃが絶縁膜を介して形成されている。

【００６６】以下、第２実施例に係る電界放射型電子源
の第１の製造方法について図１１及び図１２を参照しな
がら説明する。

【００６７】まず、図１１（ａ）に示すように、シリコ
ンよりなる導電性基板４１の上に酸化膜を形成した後、
該酸化膜に対してフォトリソグラフィを行なうことによ
り、直径約１．０μｍの円板状のエッチングマスク４２
を作製する。

【００６８】次に、導電性基板４１に対してエッチング
マスク４２を用いて反応性イオンエッチングを伴うドラ
イエッチングを行なうことにより、図１１（ｂ）に示す
ように、エッチングマスク４２の下側に、急峻な円形の
先端部４３ｂを有するディスクエッジ形状の陰極４３を
形成する。

【００６９】次に、図１１（ｃ）に示すように、導電性
基板４１の上に全面に亘ってスパッタリング法により酸
化シリコンよりなる絶縁膜４４及び金属膜４５を順次堆
積する。その後、金属膜４５の上に全面的にレジスト膜
を堆積した後、該レジスト膜に対して露光及び現像を行
なうことにより、陰極４３の上方に１μｍ程度の円形の
開口部４６ａを有するエッチング保護膜としてのレジス
トパターン４６を形成する。

【００７０】次に、金属膜４５に対してレジストパター
ン４６をマスクとするドライエッチングを行なって金属
膜４５に円形の開口部を形成した後、絶縁膜４４に対し
てレジストパターン４６をマスクとするウェットエッチ
ングを行なって絶縁膜４４にも円形の開口部を形成す
る。このようにエッチングを行なうと、ディスクエッジ
形状の陰極４３が露出すると共に、導電性基板４１の上
における陰極４３の周辺部に絶縁膜４４Ａを介して引出
し電極４５Ａが形成される。

【００７１】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極４５Ａにより陰極４３の円形状の先端
部４３ａから電子を真空中に放射させ、放射した電子を
陰極４３と対向するように設けられた図示しないアノー
ド電極（陽極）で受けることにより動作する。

【００７２】以下、第２実施例に係る電界放射型電子源
の第２の製造方法について図１３及び図１４を参照しな
がら説明する。

【００７３】まず、図１３（ａ）に示すように、面方位
が（１００）であるシリコンよりなる導電性基板５１の
上に酸化膜を形成した後、該酸化膜に対してフォトリソ
グラフィを行なうことにより、直径約１．０μｍの円板
状のエッチングマスク５２を作製する。

【００７４】次に、導電性基板５１に対してエッチング
マスク５２を用いて方向異方性ドライエッチングを行な
うことにより、図１３（ｂ）に示すように、エッチング
マスク５２の下側に円柱状体５１ａを形成した後、該円
柱状体５１ａに対してエッチングマスク５２を用いて結
晶異方性エッチングを行なうことにより、図１３（ｃ）
に示すように、側面に（１１１）面又は（３３１）面を
含み、上下一対の円錐台よりなる鼓形状の陰極５３を形
成する。この場合、結晶異方性エッチングにより、陰極
５３の上部は、ディスクエッジ形状に形成されていると
共に急峻な円形状の先端部５３ａを有している。

【００７５】次に、エッチングマスク５２を除去した
後、図１４（ａ）に示すように、導電性基板５１の上に
全面に亘ってスパッタリング法により酸化シリコンより
なる絶縁膜５４及び金属膜５５を順次堆積する。その
後、金属膜５５の上に全面的にレジスト膜を堆積した
後、該レジスト膜に対して露光及び現像を行なうことに
より、図１４（ｂ）に示すように、陰極５３の上方に１
μｍ程度の円形の開口部５６ａを有するエッチング保護
膜としてのレジストパターン５６を形成する。

【００７６】次に、図１４（ｃ）に示すように、金属膜
５５及び絶縁膜５４に対してレジストパターン５６をマ
スクとするエッチングを行なって金属膜５５及び絶縁膜
５４に円形の開口部を形成する。このようにエッチング
を行なうと、ディスクエッジ形状の陰極５３が露出する
と共に、導電性基板５１の上における陰極５３の周辺部
に絶縁膜５４Ａを介して引出し電極５５Ａが形成され
る。

【００７７】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極５５Ａにより陰極５３の先端部５３ａ
から電子を真空中に放射させ、放射した電子を陰極５３
と対向するように設けられた図示しないアノード電極
（陽極）で受けることにより動作する。

【００７８】以下、第２実施例に係る電界放射型電子源
の第３の製造方法について図１５及び図１６を参照しな
がら説明する。

【００７９】まず、図１５（ａ）に示すように、シリコ
ンよりなる導電性基板６１の上に酸化膜を形成した後、
該酸化膜に対してフォトリソグラフィを行なうことによ
り、円板状のエッチングマスク６２を作製する。

【００８０】次に、導電性基板６１に対してエッチング
マスク６２を用いて基板表面に垂直な方向から方向異方
性ドライエッチングを行なうことにより、図１５（ｂ）
に示すように、エッチングマスク６２の下側に円柱状体
６３を形成する。

【００８１】次に、導電性基板６１に対して熱処理を行
なって、図１５（ｃ）に示すように、導電性基板６１の
表面部に熱酸化膜６４を形成する。このようにすると、
円柱状体６３の表面部にも熱酸化膜６４が形成されるの
で、熱酸化膜６４の下側に鼓形状の陰極６５が形成され
る。この場合、熱処理により、陰極６５の上部はディス
クエッジ形状であると共に、急峻な円形状の先端部６５
ａを有している。

【００８２】次に、図１６（ａ）に示すように、熱酸化
膜６５の上にスパッタリング法により金属膜６６を堆積
した後、金属膜６６の上に全面的にレジスト膜を堆積
し、その後、該レジスト膜に対して露光及び現像を行な
って、陰極６５の上方に１μｍ程度の円形の開口部６７
ａを有するエッチング保護膜としてのレジストパターン
６７を形成する。

【００８３】金属膜６６及び熱酸化膜６４に対してレジ
ストパターン６７をマスクとするエッチングを行なって
金属膜６６及び熱酸化膜６４に円形の開口部を形成す
る。このようにエッチングを行なうと、ディスクエッジ
形状の陰極６５が露出すると共に、導電性基板６１の上
における陰極６５の周辺部に絶縁膜６４Ａを介して引出
し電極６６Ａが形成される。

【００８４】このようにして製造された電界放射型電子
源は、引出し電極６６Ａにより陰極６５の先端部６５ａ
から電子を真空中に放射させ、放射した電子を陰極６５
と対向するように設けられた図示しないアノード電極
（陽極）で受けることにより動作する。

【００８５】この第３の製造方法によると、急峻な先端
部６５ａを有する陰極６５及び均一な形状の引出し電極
６６Ａを再現性良く得ることができる。

【００８６】尚、第３の製造方法においては、円柱状体
６３を形成し、該円柱状体６３に熱処理を行なうことに
より、急峻な先端部６５ａを有する陰極６５を得たが、
第１又は第２の製造方法において得られる陰極４３，５
３に対してさらに熱処理を行なって、陰極４３，５３の
先端部４３ａ，５３ａをさらに急峻にしてもよい。

【００８７】また、第２実施例に係る電界放射型電子源
の各製造方法においては、シリコンよりなる導電性基板
を用いたが、これに代えて、他の半導体又は金属よりな
る導電性基板を用いてもよい。また、絶縁膜及び金属膜
の形成方法として、スパッタリング法を用いたが、これ
に代えて、蒸着法やＣＶＤ法を用いてもよい。

【００８８】

【発明の効果】請求項１の発明に係る電界放射型電子源
によると、絶縁膜及び引出し電極はリフトオフプロセス
を用いることなく通常の半導体プロセスにより得られる
ので、引出し電極は、陰極との間隔がサブミクロンオー
ダーの精度で制御されると共に均一な周面形状を有して
いる。

【００８９】請求項２の発明に係る電界放射型電子源に
よると、陰極の先端部は、陰極の周面に特定の複数の結
晶方位面が露出することにより形成されているため、陰
極の先端部は急峻な断面形状に形成されていると共に、
均一な形状の陰極が再現性良く得られる。

【００９０】請求項３の発明に係る電界放射型電子源に
よると、陰極の先端部は、シリコン基板がエッチングさ
れて凸状体に形成された後、該凸状体の周面に熱処理に
より熱酸化膜が形成され、その後、該熱酸化膜が除去さ
れることにより形成されているため、急峻な断面形状に
形成されているので、急峻な形状の先端部を有する陰極
が確実に得られる。

【００９１】請求項４の発明に係る電界放射型電子源に
よると、陰極の先端部がシリコン基板がエッチングされ
ることにより形成されているため、急峻な形状の先端部
を有する陰極が簡易に得られると共に、絶縁膜がシリコ
ン基板の表面部に熱処理により形成されたシリコン酸化
膜よりなるため、導電性基板と引出し電極との間の絶縁
性が向上する。

【００９２】請求項５の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、絶縁膜及び引出し電極をリフトオフ
プロセスを用いることなく通常の半導体プロセスにより
形成できるので、陰極との間隔がサブミクロンオーダー
の精度で制御されると共に均一な周面形状を有する引出
し電極を確実に形成することができる。

【００９３】請求項６の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、導電性基板に対してエッチング保護
膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行なうた
め、導電性基板上におけるエッチング保護マスクの下側
の部分においては、周面における中央部が反応性イオン
エッチングにより湾曲状に細くなった鼓状の立体が形成
されるので、急峻な断面形状を持ち且つ平面視リング状
の先端部を有する陰極を形成することができる。

【００９４】請求項７の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、シリコン基板に対するエッチングに
より形成された凸状体に対して熱処理を行なって凸状体
の周面に熱酸化膜を形成した後、該熱酸化膜を除去する
ため、急峻な断面形状の先端部を有する陰極を簡易に形
成することができる。

【００９５】請求項８の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、シリコン基板に対して熱処理を行な
うことにより導電膜の下の絶縁膜を形成するため、導電
性基板と引出し電極との間の絶縁性が向上する。

【００９６】請求項９の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、エッチング保護膜の厚さが均一にな
るため、エッチング保護膜に対する露光の強度が均一に
なるので、均一な周面形状を有する引出し電極を形成す
ることができる。

【００９７】請求項１０の構成により、各回のマスク合
わせにより形成されるマスク開口部の各中心が陰極の先
端部の位置に対して若干ずれていても、各回のマスク合
わせによるマスク開口部の中心は陰極の先端部の位置に
収束し、マスク開口部の中心と陰極の先端部の位置とが
一致するので、陰極の先端と引出し電極との距離が均一
になり、陰極の先端部から効率良く電子を放射させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る電界放射型電子源の
断面図である。

【図２】第１実施例に係る電界放射型電子源の第１の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図３】第１実施例に係る電界放射型電子源の第１の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図４】第１実施例に係る電界放射型電子源の第１の製
造方法において、マスク合わせを複数回行なう場合のマ
スクの円形開口部の中心と陰極の先端部の位置との関係
を説明する図である。

【図５】第１実施例に係る電界放射型電子源の第２の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図６】第１実施例に係る電界放射型電子源の第２の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図７】第１実施例に係る電界放射型電子源の第３の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図８】第１実施例に係る電界放射型電子源の第３の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【図９】本発明の第２実施例に係る電界放射型電子源の
断面図である。

【図１０】本発明の第３実施例に係る電界放射型電子源
の概略斜視図である。

【図１１】第２実施例に係る電界放射型電子源の第１の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１２】第２実施例に係る電界放射型電子源の第１の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１３】第２実施例に係る電界放射型電子源の第２の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１４】第２実施例に係る電界放射型電子源の第２の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１５】第２実施例に係る電界放射型電子源の第３の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１６】第２実施例に係る電界放射型電子源の第３の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１７】電界放射型電子源の従来の第１の製造方法の
各工程を示す断面図である。

【図１８】電界放射型電子源の従来の第２の製造方法の
各工程を示す断面図である。

【符号の説明】 １Ａ，１Ｂ 導電性基板 ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 陰極 ２ａ，２ｂ，２ｃ 陰極の先端部 ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 引出し電極 ４Ａ，４Ｂ 絶縁膜 １１ 導電性基板 １２ エッチングマスク １３ 陰極 １３ａ 先端部 １４ 絶縁膜 １４Ａ 絶縁膜 １５ 金属膜 １５Ａ 引出し電極 １６ レジストパターン（エッチング保護膜） １６ａ 開口部 １７ 円形開口部 ２１ 導電性基板 ２２ エッチングマスク ２３ 円錐台状体 ２５ 熱酸化膜 ２５Ａ 絶縁膜 ２６ 陰極 ２６ａ 先端部 ２７ 金属膜 ２７Ａ 引出し電極 ２８ レジストパターン（エッチング保護膜） ２８ａ 開口部 ３１ 導電性基板 ３２ エッチングマスク ３３ 陰極 ３３ａ 先端部 ３４ 酸化シリコン膜 ３５ 絶縁膜 ３５Ａ 絶縁膜 ３６ 金属膜 ３６Ａ 引出し電極 ３７ レジストパターン（エッチング保護膜） ３７ａ 開口部 ４１ 導電性基板 ４２ エッチングマスク ４３ 陰極 ４３ａ 先端部 ４４ 絶縁膜 ４５ 金属膜 ４６ レジストパターン（エッチング保護膜） ４６ａ 開口部 ５１ 導電性基板 ５１ａ 円柱状体 ５２ エッチングマスク ５３ 陰極 ５４ 絶縁膜 ５５ 金属膜 ５６ レジストパターン（エッチング保護膜） ５６ａ 開口部 ６１ 導電性基板 ６２ エッチングマスク ６３ 円柱状体 ６４ 熱酸化膜 ６５ 陰極 ６５ａ 先端部 ６６ 金属膜 ６７ レジストパターン（エッチング保護膜） ６７ａ 開口部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性基板の上に該導電性基板から突出
   するように形成され点状又は線状の先端部を有する陰極
   と、 前記導電性基板の上における前記陰極の周辺部にフォト
   リソグラフィにより形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜の上にフォトリソグラフィにより形成された
   引出し電極とを備えており、 前記陰極と前記引出し電極との間に電圧が印加されると
   前記陰極の先端部から電子を放射することを特徴とする
   電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記導電性基板は結晶性の基板であり、 前記陰極の先端部は、前記陰極の周面に特定の複数の結
   晶方位面が露出することにより急峻な形状に形成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子
   源。
3. 【請求項３】 前記導電性基板はシリコン基板であり、 前記陰極の先端部は、前記シリコン基板がエッチングさ
   れて凸状体に形成された後、該凸状体の周面に熱処理に
   より熱酸化膜が形成され、その後、該熱酸化膜が除去さ
   れることにより急峻な形状に形成されていることを特徴
   とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
4. 【請求項４】 前記導電性基板はシリコン基板であり、 前記陰極の先端部は、前記シリコン基板がエッチングさ
   れることにより急峻な形状に形成されており、 前記絶縁膜は、前記シリコン基板の表面部に熱処理によ
   り形成されたシリコン酸化膜よりなることを特徴とする
   請求項１に記載の電界放射型電子源。
5. 【請求項５】 導電性基板の上に、点状又は線状の先端
   部を有する陰極を前記導電性基板から突出するように形
   成する第１の工程と、 前記導電性基板の上に全面に亘って絶縁膜を形成した
   後、該絶縁膜の上に全面に亘って導電膜を堆積する第２
   の工程と、 前記導電膜の上に全面に亘ってレジスト膜を堆積した
   後、該レジスト膜に対してマスクパターンを用いて露光
   することにより前記陰極の上方に開口部を有するエッチ
   ング保護膜を形成する第３の工程と、 前記導電膜及び前記絶縁膜に対して前記エッチング保護
   膜をマスクとしてエッチングを行なって、前記陰極を露
   出させると共に該陰極の周辺部に絶縁膜を介して引出し
   電極を形成する第４の工程とを備えていることを特徴と
   する電界放射型電子源の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第１の工程は、前記導電性基板の上
   に所定形状のエッチング保護膜を形成した後、前記導電
   性基板に対して前記エッチング保護膜をマスクとして反
   応性イオンエッチングを行なうことにより、急峻な先端
   部を有する陰極を前記導電性基板から突出するように形
   成する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の電
   界放射型電子源の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第１の工程の導電性基板はシリコン
   基板であり、 前記第１の工程は、前記シリコン基板に対してエッチン
   グを行なうことにより該シリコン基板上に凸状体を形成
   する工程と、前記シリコン基板に対して熱処理を行なう
   ことにより前記凸状体の周面に熱酸化膜を形成する工程
   と、前記熱酸化膜を除去することにより急峻な先端部を
   有する陰極を形成する工程とを含むことを特徴とする請
   求項５に記載の電界放射型電子源の製造方法。
8. 【請求項８】 前記第１の工程の導電性基板はシリコン
   基板であり、 前記第２の工程は、前記シリコン基板に対して熱処理を
   行なうことにより前記絶縁膜を形成する工程を含むこと
   を特徴とする請求項５に記載の電界放射型電子源の製造
   方法。
9. 【請求項９】 前記第１の工程の導電性基板はシリコン
   基板であり、 前記第２の工程は、前記シリコン基板の上に絶縁膜を堆
   積した後、該絶縁膜の表面を熱処理により平坦化し、表
   面が平坦化された絶縁膜の上に前記導電膜を堆積する工
   程を含むことを特徴とする請求項５に記載の電界放射電
   子源の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第３の工程は、前記マスクパター
    ンのマスク合わせ及び前記露光をそれぞれ複数回行なう
    ことにより前記エッチング保護膜を形成する工程を含む
    ことを特徴とする請求項５に記載の電界放射型電子源の
    製造方法。