JPH0963462A - 電界放出型電子銃素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界放出型電子銃素子において、エミッショ
ン電流値を確保しつつ、電子ビームを精度よく収束で
き、かつ高集積化が容易な電界放出型電子銃素子及びそ
の製造方法を提供することを課題とする。 【解決手段】 ゲート電極４と収束レンズ電極６とを別
層に形成するとともに、各電極の開口がエミッタ２の先
端とほぼ同一高さに配置される。収束レンズ電極６の形
成する電界は、ゲート電極４に遮蔽され、ゲート電極４
がエミッタ２上に形成する電界を弱めない。これにより
エミッション電流が確保される。また収束レンズ電極６
の開口は、ゲート電極４と別層で形成することにより、
ゲート電極４の開口を完全に囲むことができる。これに
より、電子ビームは、そのスポット形状が点状に精度良
く収束する。本電子銃のゲート電極４、収束レンズ電極
６はエミッタ２とセルフアラインに形成することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型電子銃
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放出型電子銃素子として既に
報告されているものに、同径２段電極型電子銃及び同一
平面２重電極型電子銃がある。

【０００３】図１０は、同径２段電極型電子銃（第４２
回応用物理学会連合講演会予稿集）の構造を示す断面図
である。シリコン単結晶基板１２１を加工して形成され
た尖頭形状のエミッタ１２２があり、エミッタ先端とほ
ぼ同じ高さにゲート電極１２３がある。ゲート電極１２
３上に絶縁層を介して収束レンズ電極１２４が形成され
ている。基板上方から見たゲート電極１２３、収束レン
ズ電極１２４の開口は、エミッタ１２２を中心としたほ
ぼ同径の円形開口である。

【０００４】エミッタ１２２の先端は極めて鋭く形成さ
れている。そのため、ゲート電極１２３を基板１２１に
対して正電位とした際に、エミッタ１２２の先端近傍の
電界は極めて強くなり、この部分に基板内の自由電子が
引き寄せられる。ゲート電極１２３の電位を高くする
と、エミッタ１２２の先端に誘引された電子は、先端か
ら外部空間に飛び出す、すなわち電界放出される。ゲー
ト電圧を大きくすれば、この電子放出量は多くなる。エ
ミッタ１２２から放出された電子ビームは、自己内部の
反発力やゲート電極１２３の電場を受けて拡散する。収
束レンズ電極１２４はそれが形成する電界によって、こ
の電子ビームを収束させるために設けられている。ゲー
ト電極１２３、収束レンズ電極１２４に、それぞれエミ
ッタ１２２を基準として約８０Ｖ、約５Ｖの正電圧を印
加すれば、収束平行電子ビーム１２７を得ることができ
る。

【０００５】図１１乃至図１３は、上記同径２段電極型
電子銃の製造方法を説明する工程図であって、主要な工
程における断面構造を順に示したものである。シリコン
単結晶上の熱酸化膜を直径１μｍ程度の円形に加工し、
これをエッチングマスク１３０とする。エッチングマス
ク１３０を用い、反応性プラズマエッチングにより、シ
リコン単結晶基板１２１を等方的にエッチングした後、
シリコン単結晶基板１２１の表面に熱酸化膜１３１を形
成する（図１１）。次に鉛直方向から真空蒸着法によ
り、酸化シリコン層１３２及びニオブ（Ｎｂ）膜１３３
を順次積層する（図１２）。さらに真空蒸着法により、
酸化シリコン層１３４及びニオブ膜１３５を順次積層す
る（図１３）。最後にエッチングマスク１３０を湿式エ
ッチングし、エミッタ１２２の尖頭上に積層された構造
物を除去する。これはいわゆるリフトオフの工程であ
り、この工程により図１０に示した電子銃の構造は完成
する。残ったニオブ膜１３３、１３５はそれぞれゲート
電極１２３、収束レンズ電極１２４となる。

【０００６】図１４、図１５は、それぞれ同一平面２重
電極型電子銃（第４２回応用物理学会連合講演会予稿
集）の構造を示す断面図、上面図である。シリコン単結
晶基板１４１を加工して、尖頭形状のエミッタ１４２が
形成されている。ゲート電極１４３及びその外側に収束
レンズ電極１４４が同一平面上に形成され、この平面は
エミッタ先端とほぼ同じ高さにある。エミッタ１４２の
先端は極めて鋭く形成されているので、上記同径２段電
極型電子銃と同様に、ゲート電極１４３に正電圧を印加
することにより係る電圧に応じた量の電子を電界放出さ
せることができる。エミッタ１４２から放出された電子
ビームは、自己内部の反発力やゲート電極１４３の電場
を受けて拡散する。収束レンズ電極１４４はそれが形成
する電界によって、この電子ビームを収束させるために
設けられている。ゲート電極１４３、収束レンズ電極１
４４に、それぞれエミッタ１４２を基準として約８０Ｖ
の正電圧、約−１０Ｖの負電圧を印加すれば、収束平行
電子ビーム１４７を得ることができる。

【０００７】図１６、図１７は、上記同一平面２重電極
型電子銃の製造方法を説明する工程図であって、主要な
工程における断面構造を順に示したものである。シリコ
ン単結晶上の熱酸化膜を直径１μｍ程度の円形に加工
し、これをエッチングマスク１５０とする。エッチング
マスク１５０を用い、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）により、シリコン単結晶基板１４１を等方的にエッ
チングした後、シリコン単結晶基板１４１の表面に熱酸
化膜１５１を形成する（図１６）。次に鉛直方向から真
空蒸着法により、酸化シリコン層１５２及びニオブ（Ｎ
ｂ）膜１５３を順次積層する。続いてエッチングマスク
１５０を湿式エッチングし、エミッタ１４２の尖頭上に
積層された構造物を除去する（図１７）。最後に、ニオ
ブ膜１５３をパターニングして、ゲート電極１４３及び
収束レンズ電極１４４を一括して形成し、図１４、図１
５に示した電子銃の構造は完成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、収束レ
ンズ電極の形成する電界が電子ビームを収束するために
は、その電圧はゲート電極に比べて相当に低くする必要
がある。つまり、収束レンズ電極の電圧はゲート電極の
電圧に比べて低い方が電子ビームの収束がよい。しかし
その一方で、上記従来技術の同径２段電極型電子銃にお
いては、収束レンズ電極１２４は、ゲート電極１２３が
エミッタ１２２上に形成する電界を低減するような影響
を及ぼすため、エミッタ１２２から放出される電子ビー
ム電流（エミッション電流）が低減するという問題点が
あった。

【０００９】この問題点は、ゲート電極１２３と収束レ
ンズ電極１２４とを垂直方向に間隔を置いて設けたこと
に起因する。つまり、収束レンズ電極１２４からエミッ
タ１２２を臨むことができる配置であるため、エミッタ
１２２が収束レンズ電極１２４の電圧の影響を直接受け
るのである。

【００１０】この点、上記従来技術の同一平面２重電極
型電子銃においては、収束レンズ電極１４４がエミッタ
１４２を臨む位置にないため、上記問題点は緩和され
る。しかしその一方で、ゲート電極１４３と収束レンズ
電極１４４とを同一層にリソグラフィ技術により形成し
ているため、次のような問題点があった。

【００１１】ゲート電極１４３へ電圧供給ラインを引
き込むため、収束レンズ電極１４４の一部に切欠きを形
成する必要がある。このため、収束レンズ電極１４４の
形成する電界の対称性が破れ、電子ビームスポットが線
状に拡がり点状に収束しない。

【００１２】ゲート電極１４３、収束レンズ電極１４
４がエミッタ１４２を形成したのと別のマスクを用いて
ニオブ膜１４４にパターニングされるので、エミッタ１
４２に対してセルフアラインでは形成されず、マスクの
目合わせずれに起因する相対的な位置ずれを生ずる。こ
のため、ゲート電極１４３、収束レンズ電極１４４の形
成する電界がエミッタ１４２に対して対称にならない。

【００１３】ゲート電極１４３、収束レンズ電極１４
４の電極間ギャップ、電極幅及びゲート電極１４３の開
口径がリソグラフィ技術で決まるパターンルールの制約
を受けるため、１電子銃当たりの素子面積が大きくな
り、素子の微細化・高集積化に不利である。

【００１４】そこで本発明は、大きなエミッション電流
が得られるとともに電子ビームの収束効果が高く、かつ
高集積化に有利な、電界放出型電子銃素子及びその製造
方法を提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電界放出
型電子銃素子においては、ゲート電極がエミッタの側面
及び導電性基板全面に第１の絶縁層を介して積層形成さ
れ、収束レンズ電極がゲート電極上に第２の絶縁層を介
して積層形成され、収束レンズ電極が有する第２の開口
部がゲート電極が有する第１の開口部よりも大きな径に
形成され、前記エミッタ先端とほぼ同一高さに配置され
ること、を特徴とする。

【００１６】この電界放出型電子銃素子によれば、収束
レンズ電極とエミッタとの間にゲート電極が位置し、エ
ミッタの先端から収束レンズ電極を臨めないか、または
エミッタの先端から収束レンズ電極を直接臨む立体角が
小さい。そのため、収束レンズ電極による、ゲート電極
がエミッタ上に形成する電界を低減するような影響は、
ゲート電極により遮蔽される。またゲート電極と収束レ
ンズ電極とが別々の層で形成されるため、収束レンズ電
極が切欠かれることなくゲート電極を完全に囲むことが
でき、かつゲート電極と収束レンズ電極とを互いに独立
のパターンルールに基づいて形成できる。

【００１７】ここで、エミッタの先端、ゲート電極の開
口及び収束レンズ電極の開口が同一高さにあることによ
り、ゲート電極が収束レンズ電極のエミッタに及ぼす電
界を遮蔽する効果が得られるので、エミッション電流が
確保される。この効果は、これら電極の開口等が同一高
さでなくても、これら電極の開口等がほぼ同一高さにあ
ることにより、エミッタの先端から収束レンズ電極を直
接臨むことができる立体角が小さい場合、特に収束レン
ズ電極がゲート電極に隠れる場合に、顕著に現れる効果
である。

【００１８】請求項２記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、導電性基板がシリコン単結晶基板であることを
特徴とする。

【００１９】請求項３記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、エミッタが半導体又は金属であることを特徴と
する。

【００２０】請求項４記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、導電性基板がシリコン単結晶基板であり、エミ
ッタが該シリコン単結晶基板を加工して形成されるこ
と、を特徴とする。

【００２１】請求項５記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、前記第１の絶縁層がシリコン熱酸化膜であるこ
とを特徴とする。

【００２２】請求項６記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、前記第２の絶縁層がスパッタリング法又は真空
蒸着法により堆積されたシリコン酸化膜であることを特
徴とする。

【００２３】請求項７記載の電界放出型電子銃素子にお
いては、前記第１の開口部の径が０．５μｍ以下であ
り、前記第２の開口部の径が１．５μｍ以上であるこ
と、を特徴とする。

【００２４】この電界放出型電子銃素子においては、エ
ミッタの位置において、収束レンズ電極が形成する電界
よりもゲート電極が形成する電界が支配的となる。その
ためエミッタ上における、収束レンズ電極の電界がゲー
ト電極の電界を低減する影響が小さい。

【００２５】請求項８記載の電界放出型電子銃素子の製
造方法においては、下記工程（１）乃至（７）を備えた
ことを特徴とする。

【００２６】（１）円形のエッチングマスクを前記導電
性基板であるシリコン単結晶基板上に形成する工程。

【００２７】（２）前記エッチングマスクを使用して、
前記シリコン単結晶基板の一主面を等方的にエッチング
し、該エッチングマスク直下に、円錐形状又は円柱形状
の前記エミッタを形成する工程。

【００２８】（３）前記工程（２）でエッチングされた
シリコン単結晶基板の表面に、熱酸化によって第１の絶
縁層であるシリコン熱酸化膜を形成する工程。

【００２９】（４）前記エッチングマスクをマスクとし
て使用し、スパッタリング法によって、該エッチングマ
スクの上面及び第１の絶縁層全面に選択的に、ゲート電
極となる金属膜を積層する工程。

【００３０】（５）前記エッチングマスク及び係るエッ
チングマスク上に堆積した前記金属膜をマスクとして使
用し、真空蒸着法又はスパッタリング法によって、前記
金属膜上に選択的に、第２の絶縁層を堆積する工程。

【００３１】（６）前記エッチングマスク並びに係るエ
ッチングマスク上に堆積した、前記金属膜及び第２の絶
縁層をマスクとして使用し、真空蒸着法又はスパッタリ
ング法によって、前記第２の絶縁層上に選択的に、収束
レンズ電極となる導電膜を堆積する工程。

【００３２】（７）湿式エッチング法によって、前記エ
ッチングマスクを選択的にエッチングし除去する工程。

【００３３】この製造方法によれば、エミッタ、ゲート
電極及び収束レンズ電極の相互の位置関係は工程（１）
のエッチングマスクによって決まり、マスクの目合わせ
ずれが生じることがない。すなわちエミッタ、ゲート電
極及び収束レンズ電極がセルフアラインで形成される。
特に、ゲート電極となる金属膜と収束レンズ電極となる
導電膜との双方を、エッチングマスク直下にも回り込み
堆積するスパッタリング法で形成する場合は、各電極の
開口である第１の開口及び第２の開口の高さもセルフア
ラインでほぼ同一に形成される。また第２の絶縁層及び
収束レンズ電極となる導電膜を比較的指向性のある真空
蒸着法で形成する場合は、収束レンズ電極の開口径は、
エッチングマスク上の堆積膜の肥大した径で決まり、ゲ
ート電極と収束レンズ電極との開口径の比が大きくな
る。またゲート電極と収束レンズ電極とが別々の層で形
成されるため、収束レンズ電極が切欠かれることなくゲ
ート電極を完全に囲むことができ、かつゲート電極と収
束レンズ電極とを互いに独立のパターンルールに基づい
て形成できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図中、同一の図面符号は同一
機能の要素を指すものとし、説明を省略する。

【００３５】［実施形態１］図１は、本発明の第１の実
施形態である電界放出型電子銃素子の断面構造を示す模
式図である。平坦な主面を有するシリコン単結晶基板１
に尖頭形状のエミッタ２が形成されている。シリコン単
結晶基板１の表面に絶縁層として形成したシリコン熱酸
化膜３上に、タングステン（Ｗ）で形成されたゲート電
極４がある。ゲート電極４上には、シリコン酸化膜の絶
縁層５を介してニオブ（Ｎｂ）で形成された収束レンズ
電極６がある。ゲート電極４、収束レンズ電極６は共
に、エミッタ２を中心とし、エミッタと同一の高さであ
るように形成された開口を有しており、エミッタ２の先
端はこの開口内に露出している。基板１を接地し、ゲー
ト電極４に５０Ｖ程度の電圧を印加すると、エミッタ２
の先端から電子ビームが放出される。収束レンズ電極６
に−１０Ｖ程度の電圧を印加すると、電子ビームは収束
された平行電子ビーム７となる。

【００３６】ここで、エミッタ２の先端、ゲート電極４
の開口及び収束レンズ電極６の開口が同一高さにあるこ
とにより、ゲート電極４が収束レンズ電極６のエミッタ
２に及ぼす電界を遮蔽する効果が得られるので、エミッ
ション電流が確保される。この効果は、これら電極の開
口等が同一高さでなくても、これら電極の開口等がほぼ
同一高さにあることにより、エミッタ２の先端から収束
レンズ電極６を直接臨むことができる立体角が小さい場
合、特に収束レンズ電極６がゲート電極４に隠れる場合
に、顕著に現れる効果である。

【００３７】［実施形態２］図２は、本発明の第２の実
施形態である電界放出型電子銃素子の断面構造を示す模
式図である。平坦な主面を有するシリコン単結晶基板１
１に尖頭形状のエミッタ１２が形成されている。シリコ
ン単結晶基板１１の表面に絶縁層として形成したシリコ
ン熱酸化膜１３上に、タングステンで形成されたゲート
電極１４がある。ゲート電極１４上には、シリコン酸化
膜の絶縁層１５を介してニオブで形成された収束レンズ
電極１６がある。ゲート電極１４、収束レンズ電極１６
は共に、エミッタ１２を中心とし、エミッタ１２とほぼ
同一の高さであるように形成された開口を有しており、
エミッタ１２の先端はこの開口内に露出している。基板
１１を接地し、ゲート電極１４に５０Ｖ程度の電圧を印
加すると、エミッタ１２の先端から電子ビームが放出さ
れる。収束レンズ電極１６に−１０Ｖ程度の電圧を印加
すると、電子ビームは収束された平行電子ビーム１７と
なる。

【００３８】エミッタ１２の先端、ゲート電極１４の開
口及び収束レンズ電極１６の開口の高さ関係については
実施形態１と同じことが言える。

【００３９】［実施形態３］図３乃至図８は、本発明の
第３の実施形態である電界放出型電子銃素子の製造方法
を説明する工程図であって、主要な工程における素子の
断面構造を順に示したものである。本実施形態は、上記
実施形態１の電界放出型電子銃素子を製造する方法であ
る。

【００４０】シリコン単結晶基板１の表面に厚さ３００
ｎｍのシリコン熱酸化膜を形成した後、これをパターニ
ングして直径１．０μｍの円形パターンのシリコン酸化
膜２１を形成する。シリコン酸化膜２１以外の領域は、
シリコン単結晶基板１が露出している（図３）。

【００４１】次にシリコン酸化膜２１をエッチングマス
クとして、等方的な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）
（条件：エッチングガス ＳＦ₆ 、４．５Ｐａ）により
シリコン基板１を選択的にドライエッチングする。シリ
コン基板１はサイドエッチングされて、エミッタとなる
高さ約１．０μｍの円錐形状２２が形成され、その上に
シリコン酸化膜２１がオーバーハング状態で残っている
（図４）。この状態で、シリコン基板１の表面に第１の
絶縁層となる厚さ３００ｎｍのシリコン熱酸化膜２３を
形成する（図５）。

【００４２】以上の工程は、従来技術の電界放出型電子
銃素子の製造に用いられてきた工程と同様である。

【００４３】続いて、ゲート電極となる厚さ約３００ｎ
ｍのタングステン膜２４をＲＦスパッタリング法（条
件：ワーキングガス Ａｒ、２２ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出力
２５０Ｗ）により堆積した状態を示している。ＲＦス
パッタリング法は物理的蒸着法（ＰＶＤ法）の一種であ
り、付着に方向性が少ない。このため、タングステン膜
２４は水平なシリコン熱酸化膜２３、シリコン酸化膜２
１のほか、シリコン酸化膜２１がオーバーハングしてい
る円錐形状２２の側面である斜面にも回り込んで付着・
成長し、またシリコン酸化膜２１の側面にも成長する。
しかしシリコン酸化膜２１のオーバーハングした裏面に
は付着しない領域が残る（図６）。

【００４４】次にまずＲＦスパッタリング法により、厚
さ約３００ｎｍのシリコン酸化膜２５を堆積し、第２の
絶縁層を形成する。そしてさらに、収束レンズ電極とな
る厚さ約１５０ｎｍのニオブ膜２６をＲＦスパッタリン
グ法により堆積する（図７）。この堆積においてもタン
グステン膜２４の堆積と同様に、シリコン酸化膜２５、
ニオブ膜２６は、シリコン酸化膜２１がオーバーハング
している円錐形状２２の側面である斜面にも回り込んで
付着・成長し、またシリコン酸化膜２１の上面及び側面
方向にも成長するが、シリコン酸化膜２１のオーバーハ
ングした裏面には付着しない領域が残る。

【００４５】そして最後に、シリコン酸化膜に対するウ
エットエッチングを行うと、シリコン酸化膜２１がその
オーバーハングした裏面に残された酸化膜露出部分から
エッチングされ、円錐形状２２の先端からその上の構造
物２７が遊離しリフトオフ除去され、電子銃の構造が完
成した図１に示された状態となる（図８）。つまり、円
錐形状２２、タングステン膜２４、ニオブ膜２６が、そ
れぞれエミッタ２、ゲート電極４、収束レンズ電極６と
なる。

【００４６】本発明に係る電界放出型電子銃素子の製造
方法の特徴は、エミッタ２である円錐形状２２、ゲート
電極４となるタングステン膜２４の開口及び収束レンズ
電極６となるニオブ膜２６の開口が互いにセルフアライ
ンに形成されることである。これはシリコン基板１のエ
ッチングに用いるシリコン酸化膜２１の円形パターンが
共通してこれら円錐形状２２、タングステン膜２４の開
口及びニオブ膜２６の開口の位置を決定することにより
実現できた。また、タングステン膜２４及びニオブ膜２
６を、エッチングマスク直下にも回り込み堆積するスパ
ッタリング法で形成したことにより、これら各膜で形成
されるゲート電極４、収束レンズ電極６の各開口の高さ
もセルフアラインでエミッタ２の先端と同じ高さに形成
される。

【００４７】上記実施形態は、これら本発明の特徴を実
現するため現在最適と考えられ、実際の製造に用いた材
料、具体的な製造方法及び製造パラメータを示したに過
ぎない。これら材料等については、種々の変更が可能で
あるが、本発明は上記本発明の特徴を有する全ての変更
を包含するものである。

【００４８】［実施形態４］図９は、本発明の第４の実
施形態である電界放出型電子銃素子の製造方法を説明す
る工程図であって、特徴的な工程における素子の断面構
造を示したものである。本実施形態は、上記実施形態２
の電界放出型電子銃素子を製造する方法である。

【００４９】本実施形態において、ゲート電極１４とな
るタングステン膜２４を形成する工程までは実施形態３
と同様である（図６）。

【００５０】本実施形態においては、タングステン膜２
４の形成に続いて、酸素雰囲気中でシリコン酸化物（Ｓ
ｉＯ）を蒸発させて行う真空蒸着法により、厚さ約４０
０ｎｍのシリコン酸化膜３５（ＳｉＯ_x ：ｘ〜１．９）
を蒸着し、第２の絶縁層を形成する。そしてさらに、収
束レンズ電極となる厚さ約１５０ｎｍのニオブ膜３６を
真空蒸着法により堆積する（図９）。このシリコン酸化
膜３５、ニオブ膜３６の真空蒸着は、シリコン酸化膜２
１上の堆積層をマスクとして利用して行う。シリコン酸
化膜２１の上に堆積するタングステン膜２４、シリコン
酸化膜３５は、鉛直方向ほどではないが横方向にも成長
する。つまりエミッタ間の基板領域上に堆積成長するシ
リコン酸化膜３５、ニオブ膜３６は、次第にその上方の
空間をシリコン酸化膜２１及びその上の堆積物によって
狭められるので、上ほど膜の断面の幅が小さくなる。こ
のことは、エミッタ１２の周囲に形成される収束レンズ
電極１６の開口はシリコン酸化膜２１上の堆積物の直径
以上の開口径に形成されるということである。

【００５１】そして最後に、シリコン酸化膜に対するウ
エットエッチングを行うと、シリコン酸化膜２１がその
オーバーハングした裏面に残された酸化膜露出部分から
エッチングされ、円錐形状２２の先端からその上の構造
物３７が遊離しリフトオフ除去され、電子銃の構造が完
成した図１に示された状態となる。つまり、円錐形状２
２、タングステン膜２４、ニオブ膜３６が、それぞれエ
ミッタ１２、ゲート電極１４、収束レンズ電極１６とな
る。ゲート電極１４、収束レンズ電極１６の開口径はそ
れぞれ０．３μｍ、１．６μｍである。また、ゲート電
極１４の開口は実施形態３と同様、エミッタ１２の先端
と同じ高さに位置する。一方、シリコン熱酸化膜２３の
厚さ約３００ｎｍの半分は熱酸化前のシリコン基板表面
より下にあることを考慮して、収束レンズ電極１６の開
口がエミッタ１２の先端と同じ高さに位置するように各
膜厚が決定されている。つまり、エミッタ１２の先端、
ゲート電極１４の開口、収束レンズ電極１６の開口の高
さは同じとなるように形成されている。

【００５２】本発明に係る電界放出型電子銃素子の製造
方法の特徴は、エミッタ２である円錐形状２２、ゲート
電極４となるタングステン膜２４の開口及び収束レンズ
電極６となるニオブ膜３６の開口が互いにセルフアライ
ンに形成されていることである。これはシリコン基板１
のエッチングに用いるシリコン酸化膜２１の円形パター
ンが共通してこれら円錐形状２２、タングステン膜２４
の開口及びニオブ膜３６の開口の位置を決定することに
より実現できた。またタングステン膜２４を、エッチン
グマスク直下にも回り込み堆積するスパッタリング法で
形成することにより、ゲート電極１４の開口径をシリコ
ン酸化膜２１の直径１．０μｍより小さくでき、一方、
ニオブ膜３６を、シリコン酸化膜２１上に肥大化した堆
積物をマスクとし比較的指向性のある真空蒸着法で形成
することにより、収束レンズ電極１６の開口径をシリコ
ン酸化膜２１の直径１．０μｍより大きくできた。これ
によりゲート電極１４、収束レンズ電極１６の各開口径
の比を大きくすることができた。

【００５３】上記実施形態は、これら本発明の特徴を実
現するため現在最適と考えられ、実際の製造に用いた材
料、具体的な製造方法及び製造パラメータを示したに過
ぎない。これら材料等については、種々の変更が可能で
あるが、本発明は上記本発明の特徴を有する全ての変更
を包含するものである。

【００５４】

【発明の効果】本発明の請求項１乃至請求項７記載の電
界放出型電子銃素子によれば、エミッタ先端、ゲート電
極の開口及び収束レンズ電極の開口が、基板面からほぼ
同一高さに配置されているため、収束レンズ電極がエミ
ッタに及ぼす電界に対するゲート電極による遮蔽効果が
高い。そのためエミッション電流の確保と高い収束効果
とがより効果的に実現されるという効果がある。またゲ
ート電極及び収束レンズ電極がエミッタを完全に囲むの
で、電子ビームのスポット形状の歪みが抑制されるとい
う効果がある。

【００５５】加えて本発明の請求項７の電界放出型電子
銃素子によれば、収束レンズ電極とゲート電極との開口
径の比が大きいため、エミッタに対する収束レンズ電極
の電界の影響が一層少なくなり、上記効果が大きくな
る。

【００５６】本発明の請求項８の電界放出型電子銃素子
の製造方法によれば、エミッタ、ゲート電極及び収束レ
ンズ電極がセルフアラインで形成される。そのためゲー
ト電極、収束レンズ電極の形成する電界がエミッタに対
して対称となり、電子ビームのスポット形状の歪みが抑
制されるという効果がある。また、ゲート電極となる金
属膜と収束レンズ電極となる導電膜との双方を、エッチ
ングマスク直下にも回り込み堆積するスパッタリング法
で形成する場合には、各電極の開口である第１の開口及
び第２の開口の高さもセルフアラインで同一に形成され
るので、上記遮蔽効果が確実に達成されるという効果が
ある。また第２の絶縁層及び収束レンズ電極となる導電
膜を比較的指向性のある真空蒸着法で形成する場合に
は、収束レンズ電極の開口径は、エッチングマスク上の
堆積膜の肥大した径で決まり、一方、ゲート電極の開口
径はシリコン熱酸化膜の膜厚で制御されるので、ゲート
電極と収束レンズ電極との開口径の比が大きくなる。こ
れによりエミッタに対する収束レンズ電極の電界の影響
が一層少なくなり、大きなエミッション電流が得られる
という効果がある。またゲート電極と収束レンズ電極と
を別々の層で形成するため、ゲート電極と収束レンズ電
極とを互いに独立のパターンルールに基づいて形成でき
るので、１電子銃当たりの素子面積を小さくでき、素子
を微細化・高集積化できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態１に係る電界放出型電子銃素子の構
造を示す断面図。

【図２】 実施形態２に係る電界放出型電子銃素子の構
造を示す断面図。

【図３】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図４】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図５】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図６】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図７】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図８】 実施形態３に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図９】 実施形態４に係る電界放出型電子銃素子の製
造工程を示す断面図。

【図１０】 従来技術である同径２段電極型電子銃の構
造を示す断面図。

【図１１】 従来技術である同径２段電極型電子銃の製
造工程を示す断面図。

【図１２】 従来技術である同径２段電極型電子銃の製
造工程を示す断面図。

【図１３】 従来技術である同径２段電極型電子銃の製
造工程を示す断面図。

【図１４】 従来技術である同一平面２重電極型電子銃
の構造を示す断面図。

【図１５】 従来技術である同一平面２重電極型電子銃
の構造を示す上面図。

【図１６】 従来技術である同一平面２重電極型電子銃
の製造工程を示す断面図。

【図１７】 従来技術である同一平面２重電極型電子銃
の製造工程を示す断面図。

【符号の説明】

１，１１ シリコン単結晶基板、２，１２ エミッタ、
３，１３，２３ シリコン熱酸化膜、４，１４，１２
３，１４３ ゲート電極、５，１５，２１，２５シリコ
ン酸化膜、６，１６，１２４，１４４ 収束レンズ電
極、７，１７，１２７，１４７ 平行電子ビーム、２２
円錐形状、２４ タングステン膜、２６ニオブ膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 順司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 金丸 正剛 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な主面を有する導電性基板と、該主
   面上に形成され、円錐形状又は円柱形状であるエミッタ
   と、エミッタ先端を中心とする第１の開口部を有しエミ
   ッタに隣接して設けられたゲート電極と、エミッタ先端
   を中心とする第２の開口部を有する収束レンズ電極とを
   備え、ゲート電極が形成する電場により、エミッタの先
   端から電子を電界放出させ、係る電子の軌道を収束レン
   ズ電極で収束する電界放出型電子銃素子において、 前記ゲート電極が前記エミッタの側面及び前記導電性基
   板全面に第１の絶縁層を介して積層形成され、 前記収束レンズ電極がゲート電極上に第２の絶縁層を介
   して積層形成され、 前記第２の開口部が前記第１の開口部よりも大きな径に
   形成され、前記エミッタ先端とほぼ同一高さに配置され
   ること、 を特徴とする電界放出型電子銃素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される電界放出型電子銃
   素子において、 導電性基板がシリコン単結晶基板であることを特徴とす
   る電界放出型電子銃素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載される電界
   放出型電子銃素子において、 エミッタが半導体又は金属であることを特徴とする電界
   放出型電子銃素子。
4. 【請求項４】 請求項１に記載される電界放出型電子銃
   素子において、 導電性基板がシリコン単結晶基板であり、 エミッタが該シリコン単結晶基板を加工して形成される
   こと、 を特徴とする電界放出型電子銃素子。
5. 【請求項５】 請求項４に記載される電界放出型電子銃
   素子において、 前記第１の絶縁層がシリコン熱酸化膜であることを特徴
   とする電界放出型電子銃素子。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５に記載される電界
   放出型電子銃素子において、 前記第２の絶縁層がスパッタリング法又は真空蒸着法に
   より堆積されたシリコン酸化膜であることを特徴とする
   電界放出型電子銃素子。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６に記載される電界
   放出型電子銃素子において、 前記第１の開口部の径が０．５μｍ以下であり、 前記第２の開口部の径が１．５μｍ以上であること、 を特徴とする電界放出型電子銃素子。
8. 【請求項８】 請求項５に記載される電界放出型電子銃
   素子の製造方法であって、 下記工程（１）乃至（７）を備えたことを特徴とする電
   界放出型電子銃素子の製造方法。 （１）円形のエッチングマスクを前記導電性基板である
   シリコン単結晶基板上に形成する工程。 （２）前記エッチングマスクを使用して、前記シリコン
   単結晶基板の一主面を等方的にエッチングし、該エッチ
   ングマスク直下に、円錐形状又は円柱形状の前記エミッ
   タを形成する工程。 （３）前記工程（２）でエッチングされたシリコン単結
   晶基板の表面に、熱酸化によって第１の絶縁層であるシ
   リコン熱酸化膜を形成する工程。 （４）前記エッチングマスクを使用し、スパッタリング
   法によって、該エッチングマスクの上面及び第１の絶縁
   層全面に、ゲート電極となる金属膜を積層する工程。 （５）真空蒸着法又はスパッタリング法によって、前記
   金属膜全面に第２の絶縁層を堆積する工程。 （６）真空蒸着法又はスパッタリング法によって、前記
   第２の絶縁層全面に、収束レンズ電極となる導電膜を堆
   積する工程。 （７）湿式エッチング法によって、前記エッチングマス
   クを選択的にエッチングし除去する工程。