JPH10247452A - Cold-electron emitting element and its manufacture - Google Patents

Cold-electron emitting element and its manufacture

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JPH10247452A
JPH10247452A JP4817897A JP4817897A JPH10247452A JP H10247452 A JPH10247452 A JP H10247452A JP 4817897 A JP4817897 A JP 4817897A JP 4817897 A JP4817897 A JP 4817897A JP H10247452 A JPH10247452 A JP H10247452A
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秀典 蒲生
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a tip sharp via reactive ion etching(RIE), use an inexpensive substrate easily having a large area, and maintain the homogeneity of the characteristic of an element regardless of the large area by using non-monocrystalline silicone as the emitter material of the cold-electron emitting element. SOLUTION: This cold-electron emitting element is laminated with an insulating substrate 1, a conductive layer 2, an insulating layer 4, and a gate electrode 5 in sequence. An opening section A reaching the conductive layer 2 is provided on the gate electrode 5 and insulating layer 4, and an emitter layer 3 made of non-monocrystalline silicone is formed on the conductive layer 2 in the opening section A in no contact with the gate electrode 5. The emitter layer 3 functions as a member directly emitting electrons from its surface, and it is preferably formed into a conical shape. Polysilicone or amorphous silicone with about 0.1-10<10> Ω.cm is used for the material of the emitter layer 3.

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、強電界によって電
子を放出する電界放射型の冷電子放出素子およびその製
造方法に関し、より詳しくは、光プリンタ、電子顕微
鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃とし
て、あるいは照明ランプの超小型照明源として、そして
特には、平面型ディスプレイを構成できるアレイ状のF
EA(Field Emi-tter Array )の電子発生源として有用
な技術である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type cold electron emitting device that emits electrons by a strong electric field and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electron generation device such as an optical printer, an electron microscope, and an electron beam exposure device. As an electron source or as an electron gun, or as a micro-illumination source for an illumination lamp, and in particular, an array of F
This technology is useful as an electron source of an EA (Field Emi-tter Array).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy to emit thermoelectrons from a cathode of an electron gun, and is structurally large. There were problems such as requiring a volume.

【0003】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。
[0003] For this reason, there has been a demand for a flat display in which cold electrons can be used instead of thermoelectrons, thereby reducing the energy consumption as a whole and further reducing the size of the device itself. There is also a strong demand for such a flat display to realize high-speed response and high resolution.

【0004】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
冷電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されて
いる。そして、そのために使用する冷電子放出素子とし
て、電界放射現象を利用した電界放射型の冷電子放出素
子が注目されている。この電界放射型の冷電子放出素子
は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に
応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、
電界強度が107 V/cm以上の強電界となると、物質
中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突
破できるようになり、そのため物質から電子が放出され
るという現象を利用している。この場合、電場がポアッ
ソンの方程式に従うために、電子を放出する部材(エミ
ッタ)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い
引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。
As a structure of such a flat display utilizing cold electrons, a structure in which minute cold electron-emitting devices are arranged in an array in a flat plate cell in a high vacuum is considered to be promising. As a cold electron-emitting device used therefor, a field-emission cold electron-emitting device utilizing a field emission phenomenon has been receiving attention. In this field emission type cold electron-emitting device, when the intensity of an electric field applied to a substance is increased, the width of an energy barrier on the surface of the substance is gradually reduced according to the intensity,
When the electric field intensity becomes a strong electric field of 10 7 V / cm or more, electrons in a substance can break through the energy barrier by a tunnel effect, and the phenomenon that electrons are emitted from the substance is used. In this case, since the electric field complies with Poisson's equation, if a portion where the electric field is concentrated is formed on a member (emitter) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.

【0005】このような電界放射型の冷電子放出素子の
一般的なものとしては、図4に示すように、先端が尖っ
たコーン型の冷電子放出素子を例示することができる。
この素子においては、絶縁性基板41上の導電層42上
に絶縁層43及びゲート電極44が順次積層されてお
り、その絶縁層43及びゲート電極44には、導電層4
2に達する開口部Aが形成されている。そして、その開
口部A内の導電層42上には、少なくともゲート電極4
4に接触しないように、点状突起Poを有する円錐形状
(コーン型)のエミッタ45が形成されている。
As a general example of such a field emission type cold electron emitting element, a cone type cold electron emitting element having a sharp tip as shown in FIG. 4 can be exemplified.
In this device, an insulating layer 43 and a gate electrode 44 are sequentially laminated on a conductive layer 42 on an insulating substrate 41, and the insulating layer 43 and the gate electrode 44
2 is formed. At least the gate electrode 4 is provided on the conductive layer 42 in the opening A.
A conical (cone-shaped) emitter 45 having a point-like projection Po is formed so as not to come into contact with 4.

【0006】このようなコーン型エミッタはそれらの製
法の相違によって、スピント型エミッタ(J.Vac.Sci. an
d Tech. Bll.468(1993))と、Siコーン型エミッタ(Tec
h.Dig.IVMC.,(1991)p26)とに大別されている。
[0006] Such cone type emitters are different from each other in their manufacturing method, and are different from Spindt type emitters (J. Vac. Sci. An.
d Tech. Bll. 468 (1993)) and a Si cone type emitter (Tec.
h.Dig.IVMC., (1991) p26).

【0007】まず、スピント型エミッタを備えた冷電子
放出素子の製造例を、図5(a)〜図5(d)を参照し
ながら説明する。
First, an example of manufacturing a cold electron-emitting device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (d).

【0008】まず、図5(a)に示すように、予め導電
層52が形成された絶縁性基板51上に、絶縁層53及
びゲート電極54をスパッタリング法又は真空蒸着法等
により順次成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法
と反応性イオンエッチング(一般にいうRIEであり、
いかでは単にRIEと称する。)とを利用して絶縁層5
3及びゲート電極54の一部を、導線層52が露出する
まで円形の孔(ゲート孔)が開口するようにエッチング
する。
First, as shown in FIG. 5A, an insulating layer 53 and a gate electrode 54 are sequentially formed on an insulating substrate 51 on which a conductive layer 52 has been formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method. . Subsequently, a photolithography method and reactive ion etching (in general, RIE,
It is simply called RIE. ) And the insulating layer 5
3 and a part of the gate electrode 54 are etched such that a circular hole (gate hole) is opened until the conductive layer 52 is exposed.

【0009】次に、図5(b)に示すように、斜方蒸着
によりリフトオフ材55をゲート電極54上にのみ形成
する。リフトオフ材55の材料としては、Al、MgO
等を使用している。
Next, as shown in FIG. 5B, a lift-off material 55 is formed only on the gate electrode 54 by oblique evaporation. The material of the lift-off material 55 is Al, MgO
And so on.

【0010】続いて、図5(c)に示すように、絶縁性
基板51上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着に
より、エミッタ56用の金属材料を蒸着する。このと
き、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると
同時にエミッタ配線52上にコーン型のエミッタ55が
自己整合的に形成される。蒸着は、最終的にゲート孔が
閉じるまで行なう。エミッタ56の材料としては、M
o、Ni等を使用している。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a metal material for the emitter 56 is deposited on the insulating substrate 51 by normal anisotropic deposition from a direction perpendicular to the insulating substrate 51. At this time, as the vapor deposition progresses, the cone-shaped emitter 55 is formed on the emitter wiring 52 in a self-aligned manner at the same time as the opening diameter of the gate hole is reduced. The vapor deposition is performed until the gate hole is finally closed. The material of the emitter 56 is M
o, Ni, etc. are used.

【0011】最後に、図5(d)に示すように、リフト
オフ材55をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲ
ート電極54をパターニングする。これによりスピント
型エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。
Finally, as shown in FIG. 5D, the lift-off material 55 is peeled off by etching, and the gate electrode 54 is patterned if necessary. Thus, a cold electron emitting device having a Spindt-type emitter is obtained.

【0012】このようなスピント型エミッタは、異方性
蒸着法により自己整合的にコーン形状のエミッタが簡便
に形成できるために、エミッタ材料も広範囲に選定で
き、また、エミッタ材料が蒸着可能な材料である限り任
意の種類の基板、特に、大面積化の可能なガラス基板を
利用できるという利点を有している。
In such a Spindt-type emitter, a cone-shaped emitter can be easily formed in a self-aligned manner by anisotropic vapor deposition, so that a wide range of emitter materials can be selected. This has the advantage that any type of substrate, in particular, a glass substrate that can have a large area can be used.

【0013】次に、Siコーン型エミッタを備えた冷電
子放出素子の製造例を、図6(a)〜(e)を参照しな
がら説明する。
Next, an example of manufacturing a cold electron-emitting device having a Si cone-type emitter will be described with reference to FIGS.

【0014】まず、図6(a)に示すように、単結晶S
i基板61を熱酸化して表面に酸化シリコン層を形成
し、その酸化シリコン層をフォトリソグラフィー法を利
用して円形にパターニングすることにより、円形のエッ
チングマスク用酸化シリコン層62を形成する。この酸
化シリコン層62は後述するようにリフトオフ材として
も機能する。なお、酸化シリコン層62の径はゲート径
に相当する。
First, as shown in FIG.
The i-substrate 61 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer on the surface, and the silicon oxide layer is patterned into a circular shape using a photolithography method, thereby forming a circular silicon oxide layer 62 for an etching mask. This silicon oxide layer 62 also functions as a lift-off material as described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 62 corresponds to the gate diameter.

【0015】次に、図6(b)に示すように、サイドエ
ッチレートの高い条件のRIEによりSi基板61をエ
ッチングし、エミッタ63を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, the Si substrate 61 is etched by RIE under a condition of a high side etch rate to form an emitter 63.

【0016】続いて、図6(c)に示すように、熱酸化
によりSi基板61及びエミッタ63の表面にエミッタ
先端先鋭化用酸化シリコン層64を形成する。この酸化
シリコン層64の形成時に発生する応力により、酸化シ
リコン層64の内側のエミッタ63の先端が容易に尖鋭
化される。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, a silicon oxide layer 64 for sharpening the tip of the emitter is formed on the surfaces of the Si substrate 61 and the emitter 63 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 64 is formed, the tip of the emitter 63 inside the silicon oxide layer 64 is easily sharpened.

【0017】そして、図6(d)に示すように、蒸着法
により絶縁膜65、ゲート電極66を積層する。
Then, as shown in FIG. 6D, an insulating film 65 and a gate electrode 66 are laminated by a vapor deposition method.

【0018】最後に、図6(e)に示すように、リフト
オフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコ
ン層62をエッチングによりリフトオフし、更に、エミ
ッタ63の表面の酸化シリコン層64をエッチング除去
する。そして必要に応じてゲート電極66をパターニン
グする。これによりSiコーン型エミッタを備えた冷電
子放出素子が得られる。
Finally, as shown in FIG. 6E, the silicon oxide layer 62 for the etching mask, which also functions as a lift-off material, is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 64 on the surface of the emitter 63 is removed by etching. . Then, the gate electrode 66 is patterned as necessary. As a result, a cold electron-emitting device having a Si cone-type emitter is obtained.

【0019】このようなSiコーン型エミッタは、従来
考えられる通常の物理的手法では到底得られ難い非常に
シャープな先端形状を形成できるという利点を有する。
Such a Si-cone type emitter has an advantage that it can form a very sharp tip shape which is hardly attainable by ordinary physical methods considered conventionally.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記ス
ピント型エミッタの場合には、異方性蒸着法を利用して
形成されているが、蒸着中に拡散する蒸着粒子も皆無で
はないために、基板全体に対して均一な蒸着を行なうこ
とは困難であり、従って、同一基板内の複数の冷電子放
出素子の出来具合が個々にバラついてしまい、各冷電子
放出素子の特性を均一に保つことは技術的に困難である
という問題があった。この冷電子放出素子のバラツキの
傾向は、特に基板を大面積化してそれに伴いエミッタを
多数形成する場合にはとりわけ顕著となってくることか
ら、それらの特性を均一に保つことは極めて大変な問題
といえる。
However, in the case of the above-mentioned Spindt-type emitter, the anisotropic vapor deposition method is used, but since there are no vapor-deposited particles that are diffused during vapor deposition, the substrate is not made. It is difficult to perform uniform vapor deposition on the whole, so that the state of the plurality of cold electron emitting devices on the same substrate varies individually, and it is difficult to keep the characteristics of each cold electron emitting device uniform. There was a problem that it was technically difficult. Since the tendency of the variation of the cold electron-emitting devices becomes particularly remarkable particularly when the substrate is made large in area and a large number of emitters are formed, it is extremely difficult to keep the characteristics uniform. It can be said that.

【0021】一方、前記Siコーン型エミッタの場合に
は、その形成時に異方性蒸着法を利用せずに、基板全体
に亘って均一なエッチングが可能なRIEを利用するた
めに、基板内での複数の冷電子放出素子の特性の均一性
を保つことが可能である。ところが、その形成時に単結
晶Siの熱酸化処理が不可欠であることから、使用する
基板が高価な単結晶Si基板に限定されるという問題が
あった。また、単結晶Siは、ガラス基板のように大面
積のものが入手できないために、冷電子放出素子の大面
積化が実質的には不可能といえる問題があった。
On the other hand, in the case of the Si cone type emitter, the RIE which can uniformly etch over the entire substrate is used without using an anisotropic deposition method at the time of forming the Si cone type emitter. It is possible to maintain the uniformity of the characteristics of the plurality of cold electron-emitting devices. However, since thermal oxidation treatment of single crystal Si is indispensable at the time of formation, there is a problem that a substrate to be used is limited to an expensive single crystal Si substrate. Further, since single crystal Si having a large area such as a glass substrate is not available, there has been a problem that it is practically impossible to increase the area of the cold electron-emitting device.

【0022】それから、エミッタへ電界を集中させると
いう観点から、これらのコーン型エミッタの先端形状
は、できるだけ小さい曲率半径となるようにすることが
望まれるが、現状の微細加工技術では、このような理想
形状を大面積にわたって均一に形成することは、けっし
て容易ではないどころか極めて困難といえる。
From the viewpoint of concentrating an electric field on the emitter, it is desired that the tip shape of these cone-shaped emitters has a radius of curvature as small as possible. It can be said that forming an ideal shape uniformly over a large area is extremely difficult, if not impossible.

【0023】本発明は以上の従来の技術の問題点を解決
しようとするものであり、電界放射型の冷電子放出素子
のエミッタを形成する場合に、異方性蒸着を利用せず、
RIE等の技術を利用することによってその先端を尖鋭
化させることができ、しかも、単結晶Si基板以外であ
って大面積化が容易な基板、例えば単結晶Si基板より
も安価で入手できるガラス基板を使用することができ、
且つ、その基板を大面積化した場合であっても基板内の
複数の冷電子放出素子の特性が均一性を保つことができ
る技術を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and does not use anisotropic deposition when forming an emitter of a field emission type cold electron emission element.
By using a technique such as RIE, the tip can be sharpened, and a substrate other than a single-crystal Si substrate, which can be easily enlarged, for example, a glass substrate that can be obtained at a lower cost than a single-crystal Si substrate Can be used,
Further, it is an object of the present invention to provide a technique capable of maintaining uniform characteristics of a plurality of cold electron emitting elements in a substrate even when the substrate has a large area.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明者は、冷電子放出
素子のエミッタ材料として、金属や単結晶Siではなく
非単結晶、例えばアモルファスシリコンを使用すること
で、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成
させるに至った。即ち、アモルファスシリコンは、35
0℃以下の低温でかつ大面積に均一に成膜が可能な材料
であり、したがって安価で大面積化の容易な基板、例え
ばガラス基板上に作製できる。さらに、アモルファスシ
リコン表面にある特定の金属、例えばAl、Auなどを
積層した場合、350℃以下の低温アニール処理を施す
と、二層の界面で低温固相反応が起き、アモルファスシ
リコン層と選択エッチングが可能な層がその表面に生成
される。したがって、アモルファスシリコンをエミッタ
材料に適用した場合、この化学反応を利用してエミッタ
の先鋭化が可能となる。
The present inventors have found that the above object can be achieved by using a non-single crystal, for example, amorphous silicon, instead of metal or single crystal Si, as the emitter material of the cold electron emission element. Thus, the present invention has been completed. That is, amorphous silicon has 35
It is a material capable of forming a film uniformly over a large area at a low temperature of 0 ° C. or less, and thus can be formed on a substrate that is inexpensive and has a large area, for example, a glass substrate. Furthermore, when a specific metal such as Al or Au is laminated on the surface of the amorphous silicon, if a low-temperature annealing treatment at 350 ° C. or less is performed, a low-temperature solid-state reaction occurs at the interface between the two layers, and the amorphous silicon layer is selectively etched. A layer is created on the surface that allows for Therefore, when amorphous silicon is applied to the emitter material, the chemical reaction can be used to sharpen the emitter.

【0025】即ち、前記課題を解決する為に本発明が提
供する手段とは、まず、請求項1に示すように、絶縁性
基板、導電層、絶縁層及びゲート電極が順次積層され、
該ゲート電極と絶縁層とには該導電層に達する開口部が
設けられ、その開口部内の該導電層上に、エミッタが該
ゲート電極に接触しないように形成されてなり、特に、
エミッタ材料が非単結晶シリコンであることを特徴とす
る冷電子放出素子である。
That is, the means provided by the present invention in order to solve the above-mentioned problems is that, as set forth in claim 1, an insulating substrate, a conductive layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated,
An opening reaching the conductive layer is provided in the gate electrode and the insulating layer, and the emitter is formed on the conductive layer in the opening so as not to contact the gate electrode.
A cold electron emission device characterized in that the emitter material is non-single-crystal silicon.

【0026】さらに好ましくは、請求項2に示すよう
に、請求項1に記載の冷電子放出素子を基本構成とし
て、前記非単結晶シリコンが、アモルファスシリコンで
ある冷電子放出素子である。
More preferably, as described in claim 2, the cold electron-emitting device according to claim 1 is a basic structure, wherein the non-single-crystal silicon is amorphous silicon.

【0027】また好ましくは、請求項3に示すように、
請求項1に記載の冷電子放出素子を基本構成として、前
記非単結晶シリコンが、水素化アモルファスシリコンで
ある冷電子放出素子である。
Preferably, as set forth in claim 3,
The non-single-crystal silicon is a cold electron-emitting device, wherein the non-single-crystal silicon is hydrogenated amorphous silicon.

【0028】また好ましくは、請求項4に示すように、
請求項1に記載の冷電子放出素子を基本構成として、前
記非単結晶シリコンが、不純物をドープした水素化アモ
ルファスシリコンである冷電子放出素子である。
Preferably, as set forth in claim 4,
A cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the non-single-crystal silicon is hydrogenated amorphous silicon doped with impurities.

【0029】さらに好ましくは、請求項5に示すよう
に、請求項1乃至4のいずれかに記載の冷電子放出素子
を基本構成として、前記絶縁性基板が、ガラス基板であ
る冷電子放出素子である。
More preferably, according to a fifth aspect of the present invention, the cold electron emission element according to any one of the first to fourth aspects has a basic structure, wherein the insulating substrate is a glass substrate. is there.

【0030】また好ましくは、請求項6に示すように、
絶縁性基板、導電層、絶縁層及びゲート電極が順次積層
され、該ゲート電極と絶縁層とには該導電層に達する開
口部が設けられ、その開口部内の該導電層上に、エミッ
タが該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電
界放射型の冷電子放出素子の製造方法であって、 (a)絶縁性基板上に導電層を形成する工程; (b)該導電層上に非単結晶シリコンからなるエミッタ
層を形成する工程; (c)該エミッタ層上に、円形のエッチングマスク層を
形成する工程; (d)反応性イオンエッチングにより該エミッタ層を円
錐台形状に加工しつつ、導電層を露出させる工程; (e)加工されたエミッタ層上にエミッタ先鋭化材料層
を形成した後にアニールし、エミッタ表面にエミッタ先
鋭化反応層を形成する工程; (f)絶縁性基板のエミッタ先鋭化反応層側の表面上
に、絶縁材料とゲート電極材料とを順次積層することに
より、導電層上に絶縁層とゲート電極とを形成し、ま
た、エッチングマスク層上に絶縁材料層とゲート電極材
料層とを形成する工程;及び (g)前記エッチングマスク層用のエッチング液を用い
て、リフトオフ材としてのエッチングマスク層を除去す
るとともに、その上に積層された絶縁材料層及びゲート
電極材料層を剥落させ、また、エミッタ先鋭化反応層と
エミッタ層の一部を剥落する工程;以上の(a)〜
(g)の工程を全て具備することを特徴とする冷電子放
出素子の製造方法である。
Preferably, as set forth in claim 6,
An insulating substrate, a conductive layer, an insulating layer, and a gate electrode are sequentially stacked, an opening reaching the conductive layer is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is provided on the conductive layer in the opening. A method for manufacturing a field emission type cold electron emission element formed so as not to contact a gate electrode, comprising: (a) forming a conductive layer on an insulating substrate; (b) forming a non-conductive layer on the conductive layer. Forming an emitter layer made of single crystal silicon; (c) forming a circular etching mask layer on the emitter layer; (d) processing the emitter layer into a truncated cone by reactive ion etching. Exposing the conductive layer; (e) forming an emitter sharpening material layer on the processed emitter layer and annealing the resulting material to form an emitter sharpening reaction layer on the emitter surface; Emi An insulating material and a gate electrode material are sequentially laminated on the surface on the side of the sharpening reaction layer to form an insulating layer and a gate electrode on the conductive layer, and an insulating material layer on the etching mask layer. Forming a gate electrode material layer; and (g) removing the etching mask layer as a lift-off material using the etching solution for the etching mask layer, and further stacking thereon an insulating material layer and a gate electrode. Removing the material layer and removing a part of the emitter sharpening reaction layer and part of the emitter layer;
A method for manufacturing a cold electron-emitting device, comprising all the steps of (g).

【0031】さらに好ましくは、請求項7に示すよう
に、請求項6に記載の冷電子放出素子の製造方法を基本
構成として、前記工程(e)において、エミッタ先鋭化
材料層の材料が、アルミニウムである冷電子放出素子の
製造方法である。
More preferably, according to a seventh aspect of the present invention, based on the method of manufacturing a cold electron emitting device according to the sixth aspect, the step (e) includes the step of (e) wherein the material of the emitter sharpening material layer is aluminum. This is a method for manufacturing a cold electron-emitting device.

【0032】また好ましくは、請求項8に示すように、
請求項6に記載の冷電子放出素子の製造方法を基本構成
として、前記工程(e)において、アニールは空気中で
且つ300℃以下である条件下で行う冷電子放出素子の
製造方法である。
Preferably, as set forth in claim 8,
A method for manufacturing a cold electron-emitting device according to claim 6, wherein the annealing in the step (e) is performed in air and at a temperature of 300 ° C. or less.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明を
さらに詳細に説明する。図1は、本発明の冷電子放出素
子の断面斜視図である。同図に示すように、この冷電子
放出素子は、絶縁性基板1、導電層2、絶縁層4及びゲ
ート電極5が順次積層された構造を有する。そして、ゲ
ート電極5と絶縁層4とには導電層2に達する開口部A
が設けられており、その開口部A内の導電層2上には、
非単結晶シリコンからなる円錐形のエミッタ3がゲート
電極5に接触しないように形成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a cold electron emitting device of the present invention. As shown in the figure, this cold electron emission element has a structure in which an insulating substrate 1, a conductive layer 2, an insulating layer 4, and a gate electrode 5 are sequentially stacked. An opening A reaching the conductive layer 2 is formed between the gate electrode 5 and the insulating layer 4.
Is provided on the conductive layer 2 in the opening A.
The conical emitter 3 made of non-single-crystal silicon is formed so as not to contact the gate electrode 5.

【0034】本発明において絶縁性基板1は、冷電子放
出素子の支持絶縁性基板として用いられており、大面積
化が容易な絶縁性基板を好ましく使用することができ
る。このような絶縁性基板としては、ガラス基板、セラ
ミックス基板、石英基板などを使用することができる。
なお、単結晶シリコンの表面に絶縁膜が形成された基板
も使用することもできる。
In the present invention, the insulating substrate 1 is used as a supporting insulating substrate for a cold electron emission element, and an insulating substrate that can be easily enlarged can be preferably used. As such an insulating substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or the like can be used.
Note that a substrate in which an insulating film is formed over the surface of single crystal silicon can also be used.

【0035】導電層2は、電気抵抗が低く、絶縁性基板
1との密着性が良好な材料から形成する。更に、後述す
るエミッタ5の形成の際に利用するRIEに使用するエ
ッチングガス、あるいはリフトオフの際に使用するエッ
チング液に耐性を有する材料から形成する。これは、導
電層2をエミッタ形成時のエッチングストッパーとして
機能させるためである。このような材料として、特に好
ましい例としては、Cr膜であるか、又はAl層とCr
層からなる積層膜かのいずれかを挙げることができる。
The conductive layer 2 is formed of a material having low electric resistance and good adhesion to the insulating substrate 1. Further, it is formed of a material having resistance to an etching gas used for RIE used for forming an emitter 5 described later or an etching solution used for lift-off. This is to make the conductive layer 2 function as an etching stopper when forming the emitter. A particularly preferred example of such a material is a Cr film, or an Al layer and a Cr film.
One of the laminated films composed of layers can be given.

【0036】導電層2の膜厚としては、十分な電気抵抗
と密着性が得られる限り特に制限はないが、通常0.0
5〜0.5μm、好ましくは0.1〜0.3μmとす
る。
The thickness of the conductive layer 2 is not particularly limited as long as sufficient electric resistance and adhesion can be obtained.
The thickness is 5 to 0.5 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm.

【0037】エミッタ3は、その表面から電子を直接的
に放出する部材として機能している。本発明において、
エミッタ3の形状としては、円錐型の形状であることが
好ましい。
The emitter 3 functions as a member that directly emits electrons from its surface. In the present invention,
The shape of the emitter 3 is preferably a conical shape.

【0038】このようなエミッタ3の材料としては、本
発明では非単結晶シリコンを使用する。非単結晶シリコ
ンとして、例えば、抵抗率:0.1〜1010Ω・cm程
度のポリシリコンやアモルファスシリコンを使用する。
この場合、素子駆動の際の抵抗層としても機能し、エミ
ッション電流の安定化が可能となる。ここで使用するア
モルファスシリコンは、薄膜X線回折法による分析で結
晶性を示すピークが観察されないシリコンを意味する。
従って、アモルファスシリコンには、部分的に微結晶と
なっているシリコンも含まれる。なお、アモルファスシ
リコンの抵抗率の制御は、その成膜時に使用するシリコ
ンスパッタリングターゲットのドーパントの種類とドー
ズ量との調整により容易に行うことができる。
As the material of such an emitter 3, non-single-crystal silicon is used in the present invention. As the non-single-crystal silicon, for example, polysilicon or amorphous silicon having a resistivity of about 0.1 to 10 10 Ω · cm is used.
In this case, it also functions as a resistance layer at the time of driving the element, and the emission current can be stabilized. The amorphous silicon used here means silicon in which a peak showing crystallinity is not observed by analysis by a thin film X-ray diffraction method.
Therefore, amorphous silicon includes silicon that is partially microcrystalline. Note that the control of the resistivity of amorphous silicon can be easily performed by adjusting the type and dose of the dopant of the silicon sputtering target used at the time of film formation.

【0039】さらに、エミッタ材料として特に水素化ア
モルファスシリコンを用いた場合には、構造制御性並び
に電気特性の両面で良好な冷電子放出素子を得ることが
可能となる。まず、構造制御性に関しては、水素化アモ
ルファスシリコンは特に微結晶の少ないアモルファス状
態を持つために、RIEでコーンを形成する際により均
一なエッチングが可能となり、したがってプロセス許容
度が高まり、大面積化が容易となる。また、電気特性に
関しては、水素化アモルファスシリコンでは、よく知ら
れるように不純物のドーピングがさらに容易となり、単
結晶シリコンに近い不純物制御が可能となる。したがっ
て、広範囲な抵抗値制御が可能となる。
Further, particularly when hydrogenated amorphous silicon is used as the emitter material, it is possible to obtain a cold electron-emitting device having good structure controllability and electric characteristics. First, with regard to structure controllability, hydrogenated amorphous silicon has an amorphous state with particularly few microcrystals, so that more uniform etching can be performed when forming a cone by RIE, thereby increasing the process tolerance and increasing the area. Becomes easier. Regarding the electrical characteristics, in the hydrogenated amorphous silicon, as is well known, the doping of impurities is further facilitated, and impurity control close to that of single crystal silicon can be performed. Therefore, a wide range of resistance value control is possible.

【0040】特に、高濃度にリンドープした水素化アモ
ルファスシリコン膜はn型の電気伝導を示し、比抵抗と
して数Ω・cm以上の低抵抗化も可能となる。これによ
り、冷電子放出素子の放出電流の増加と放出電圧の低電
圧化の実現が可能となる。一方、高濃度にボロンドープ
した水素化アモルファスシリコン膜はp型の電気伝導を
示し、比較的比抵抗は高いが制限電流が支配的となり非
常に安定した冷電子放出素子を得ることが可能となる。
In particular, a hydrogenated amorphous silicon film doped with phosphorus at a high concentration exhibits n-type electric conduction, and the specific resistance can be reduced to several Ω · cm or more. As a result, it is possible to increase the emission current of the cold electron emission element and lower the emission voltage. On the other hand, a hydrogenated amorphous silicon film doped with boron at a high concentration exhibits p-type electric conduction, and has a relatively high specific resistance but a limited current is dominant, so that a very stable cold electron-emitting device can be obtained.

【0041】エミッタ3の厚み(高さ)は、必要に応じ
て適宜決定することができるが、通常は0.3〜2μm
とすることが好ましい。
The thickness (height) of the emitter 3 can be appropriately determined as necessary, but is usually 0.3 to 2 μm.
It is preferable that

【0042】絶縁層4は、導電層2とゲート電極5とを
電気的に絶縁するための層である。このような絶縁層4
としては、冷電子放出素子の絶縁層として用いられてい
る公知の材料から形成することができるが、良好な絶縁
性を示し、しかも異方性蒸着法で形成できる酸化シリコ
ンを挙げることができる。
The insulating layer 4 is a layer for electrically insulating the conductive layer 2 from the gate electrode 5. Such an insulating layer 4
Can be formed from a known material used as an insulating layer of a cold electron emission element, and examples thereof include silicon oxide which exhibits good insulating properties and can be formed by an anisotropic vapor deposition method.

【0043】絶縁層4の厚みとしては、エミッタ配線2
とゲート電極5との間に十分な絶縁性が保たれればよ
く、例えば、0.2〜2μm、好ましくは0.3〜0.
7μmとする。
The thickness of the insulating layer 4 depends on the emitter wiring 2
It is sufficient that sufficient insulation is maintained between the gate electrode 5 and the gate electrode 5, for example, 0.2 to 2 μm, preferably 0.3 to 0.
7 μm.

【0044】ゲート電極5は、エミッタ3に強電界を集
中させるための電極である。ゲート電極5の材料として
は、耐電圧性の点から高融点金属であって、エミッタ形
成時に使用するエッチング液に耐性を有する材料を使用
することができ、好ましい例としてはCr、W、Ta又
はNbを挙げることができ、例えば、このうちのいずれ
かを適宜選択して使用してよい。尚、本発明に係る冷電
子放出素子の製造が容易であるというメリットを考慮す
ると、これらの中でも、特にNbを使用することが好ま
しい。
The gate electrode 5 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 3. As a material of the gate electrode 5, a material having a high melting point from the viewpoint of withstand voltage and having a resistance to an etching solution used at the time of forming an emitter can be used. Preferred examples thereof include Cr, W, Ta and Nb can be mentioned, for example, any of them may be appropriately selected and used. Considering the merit that the cold electron emitting device according to the present invention is easy to manufacture, it is particularly preferable to use Nb among these.

【0045】ゲート電極5の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、0.1〜0.5μmとする。
The thickness of the gate electrode 5 can be appropriately determined as needed, and is set to 0.1 to 0.5 μm.

【0046】次に、エミッタ3材料としてアモルファス
シリコンを使用した本発明の冷電子放出素子の製造方法
を、図2に従って詳細に説明する。
Next, a method of manufacturing the cold electron emitting device of the present invention using amorphous silicon as the material of the emitter 3 will be described in detail with reference to FIG.

【0047】工程(a) まず、絶縁性基板1上にスパッタリング法等により導電
層2を形成する(図2(a))。この場合も、導電層2
としては、Cr膜又はAl/Cr積層膜を好ましく使用
することができる。
Step (a) First, a conductive layer 2 is formed on an insulating substrate 1 by a sputtering method or the like (FIG. 2A). Also in this case, the conductive layer 2
For example, a Cr film or an Al / Cr laminated film can be preferably used.

【0048】工程(b) 次に、導電層2上にエミッタ層3としてアモルファスシ
リコン層を形成する(図2(b))。この場合、アモル
ファスシリコン層の形成は、常温から350℃程度の温
度範囲で成膜が可能なスパッタリング法により導電層2
上に成膜することが好ましい。このような温度で成膜す
ると、絶縁性基板1の熱膨脹を小さい範囲にとどめるこ
とができるので、ガラス基板を使用することができるよ
うになる。
Step (b) Next, an amorphous silicon layer is formed as the emitter layer 3 on the conductive layer 2 (FIG. 2B). In this case, the amorphous silicon layer is formed by a sputtering method capable of forming a film in a temperature range from room temperature to about 350 ° C.
It is preferable to form a film thereon. When the film is formed at such a temperature, the thermal expansion of the insulating substrate 1 can be kept in a small range, so that a glass substrate can be used.

【0049】またここで、上記アモルファスシリコン層
を、特に水素化アモルファスシリコン層とする場合に
は、上記スパッタリング法に換えてプラズマCVD法
(CVDはいわゆる化学的気相成長を指す)を用いて導
電層2上に成膜する。尚、比抵抗が数〜数十Ω・cmの
リンドープアモルファスシリコン膜を成膜する条件の一
例としては、 基板温度 250℃ 導入ガス SiH4 (10%水素希釈):300scc
m、H2 :150sccm、及び、PH3 (1000p
pm水素希釈):90sccmからなる混合ガス パワー 60W ガス圧 1Torr を示すことができる。
In the case where the amorphous silicon layer is a hydrogenated amorphous silicon layer, a conductive film is formed by a plasma CVD method (CVD indicates chemical vapor deposition) instead of the sputtering method. A film is formed on the layer 2. An example of conditions for forming a phosphorus-doped amorphous silicon film having a specific resistance of several to several tens Ω · cm is as follows: substrate temperature 250 ° C. introduced gas SiH 4 (10% hydrogen dilution): 300 scc
m, H 2 : 150 sccm and PH 3 (1000p
pm hydrogen dilution): a mixed gas power of 90 sccm, a power of 60 W, and a gas pressure of 1 Torr.

【0050】工程(c) 次に、エミッタ層3上に、エッチングマスク用材料を蒸
着法やスパッタリング法などにより成膜し、フォトリソ
グラフィー法を利用して円形にパターニングすることに
よりエッチングマスク層6を形成する(図2(c))。
Step (c) Next, an etching mask material is formed on the emitter layer 3 by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like, and is patterned into a circular shape using a photolithography method to form the etching mask layer 6. It is formed (FIG. 2C).

【0051】エッチングマスク層6としては、後述する
RIEに対して耐性を有する材料から形成する。このよ
うな材料としては、好ましくはSiO2 を挙げることが
できる。
The etching mask layer 6 is formed from a material having resistance to RIE described later. As such a material, SiO 2 can be preferably mentioned.

【0052】なお、円形パターンの径は、冷電子放出素
子特性、フォトリソグラフィー法のデザインルールに応
じた操作の難易度及びエッチング工程の歩留まり等を考
慮すると、1.0〜2.0μm程度とすることが好まし
い。
The diameter of the circular pattern is about 1.0 to 2.0 μm in consideration of the characteristics of the cold electron emitting element, the difficulty of operation according to the design rule of the photolithography method, the yield of the etching step, and the like. Is preferred.

【0053】工程(d) 次に、サイドエッチレートの高い条件のRIEによりエ
ミッタ層3を、導電層2が露出するまでエッチングす
る。これにより、エミッタ層3が円錐台形状に加工され
る(図2(d))。これは、エミッタ層3全体が等方的
にエッチングされるためである。このようなRIE条件
としては、例えば、 導入ガス SF6 、O2 等を30〜70sccm パワー 80〜120W ガス圧 4〜5Pa を示すことができる。尚、特に、SF6 :O2 =3:1
(流量比)からなる混合ガスを使用することにより、ア
モルファスシリコン層のエッチング面が平坦となり、ほ
ぼ断面が台形状となるエミッタ層3を加工することがで
きる。
Step (d) Next, the emitter layer 3 is etched by RIE under conditions of a high side etch rate until the conductive layer 2 is exposed. Thereby, the emitter layer 3 is processed into a truncated cone shape (FIG. 2D). This is because the entire emitter layer 3 is isotropically etched. As such RIE conditions, for example, the introduced gas SF 6 , O 2, and the like can be set to 30 to 70 sccm, power 80 to 120 W, and gas pressure 4 to 5 Pa. In particular, SF 6 : O 2 = 3: 1
By using the mixed gas (flow rate ratio), the etched surface of the amorphous silicon layer becomes flat and the emitter layer 3 having a substantially trapezoidal cross section can be processed.

【0054】工程(e) 続いて、スパッタリング法または斜方回転蒸着法等によ
り、エミッタ層3側面及び導電層2表面に、エミッタ先
鋭化材料層7aを成膜する(図2(e))。エミッタ先
鋭化材料としては、Siとの界面で固相反応を起こす材
料として、Al、Au等が挙げられるが、エッチングの
選択性の面からAlを用いることが、特に好ましい。ま
た、成膜の厚みは、先鋭化するエミッタ層3のエッチン
グマスク層6側の残り量、即ち、円錐台の上面の大きさ
によって決まるが、通常0.1μm〜0.5μmの範囲
が好ましい。
Step (e) Subsequently, an emitter sharpening material layer 7a is formed on the side surface of the emitter layer 3 and the surface of the conductive layer 2 by a sputtering method or an oblique rotation evaporation method (FIG. 2E). Examples of the material for sharpening the emitter include Al, Au, and the like as materials that cause a solid-phase reaction at the interface with Si. However, it is particularly preferable to use Al from the viewpoint of etching selectivity. The thickness of the film is determined by the remaining amount of the sharpened emitter layer 3 on the side of the etching mask layer 6, that is, the size of the upper surface of the truncated cone, but is usually preferably in the range of 0.1 μm to 0.5 μm.

【0055】さらに、先鋭化のためのアニール処理を施
す。アニール条件としては、雰囲気は空気または酸素
中、温度は350℃以下、時間は10分以上とする。こ
れにより、エミッタ層3とエミッタ先鋭化材料層7aの
界面において固相反応が起こり、エミッタ層3表面にエ
ミッタ先鋭化反応層7bが生成する(図2(e’))。
Further, an annealing treatment for sharpening is performed. As the annealing conditions, the atmosphere is air or oxygen, the temperature is 350 ° C. or less, and the time is 10 minutes or more. As a result, a solid phase reaction occurs at the interface between the emitter layer 3 and the emitter sharpening material layer 7a, and an emitter sharpening reaction layer 7b is generated on the surface of the emitter layer 3 (FIG. 2 (e ')).

【0056】工程(f) 次に、絶縁性基板1の導電層2側の表面上に、SiOx
等などの絶縁材料とNb等のゲート電極材料とを蒸着法
などにより積層することにより、導電層2上に絶縁層4
とゲート電極5とを形成するとともに、エッチングマス
ク層6上に絶縁材料層4aとゲート電極材料層5aとを
形成する(図2(f))。ここで、絶縁層4を蒸着法に
より形成する場合には、反応ガスとしてオゾンを10%
程度含有した酸素ガスを導入し、蒸着材料としてSiO
を充填したチムニー式の抵抗加熱法を用いて成膜するこ
とが好ましい。このような方法で形成された絶縁層4は
良好な絶縁性を示す。
Step (f) Next, a SiOx film is formed on the surface of the insulating substrate 1 on the conductive layer 2 side.
By stacking an insulating material such as Nb and a gate electrode material such as Nb by an evaporation method or the like, the insulating layer 4 is formed on the conductive layer 2.
And the gate electrode 5, and an insulating material layer 4a and a gate electrode material layer 5a are formed on the etching mask layer 6 (FIG. 2F). Here, when the insulating layer 4 is formed by a vapor deposition method, ozone is used as a reaction gas at 10%.
Oxygen gas containing a certain amount of gas is introduced, and SiO
It is preferable to form a film using a chimney-type resistance heating method in which is filled. The insulating layer 4 formed by such a method shows good insulating properties.

【0057】工程(g) 次に、緩衝フッ酸溶液を用いて、リフトオフ材としての
エッチングマスク層6をエッチング除去する。その結
果、その上に積層されていた絶縁材料層4a及びゲート
電極材料層5aからなる積層体は剥落する。これによ
り、円錐形状のエミッタ層3を有する冷電子放出素子が
得られる(図2(g))。
Step (g) Next, the etching mask layer 6 as a lift-off material is removed by etching using a buffered hydrofluoric acid solution. As a result, the stacked body composed of the insulating material layer 4a and the gate electrode material layer 5a stacked thereon is peeled off. As a result, a cold electron-emitting device having the conical emitter layer 3 is obtained (FIG. 2G).

【0058】このように、本発明においては、電界放射
型の冷電子放出素子のエミッタを形成する際に、異方性
蒸着を利用することなくRIE等を利用することにより
その先端を尖鋭化させることができ、しかも単結晶Si
基板以外の大面積化が容易な基板、例えばガラス基板を
使用することができ、且つその基板を大面積化した場合
でも基板内の複数の冷電子放出素子の特性の均一性を保
つことができる。
As described above, in the present invention, when forming the emitter of the field emission type cold electron-emitting device, the tip is sharpened by utilizing RIE or the like without using anisotropic vapor deposition. And single crystal Si
It is possible to use a substrate other than the substrate, which can be easily increased in area, for example, a glass substrate, and to maintain uniformity of characteristics of a plurality of cold electron emission elements in the substrate even when the substrate is enlarged. .

【0059】[0059]

【実施例】本発明の冷電子放出素子の製造例を以下の実
施例で具体的に説明する。
EXAMPLES The production examples of the cold electron-emitting device of the present invention will be specifically described in the following examples.

【0060】工程(a) まず、絶縁性基板1としてガラス基板上に導電層2の材
料としてCrを膜厚約0.2μmでスパッタリング成膜
した(図2(a))。
Step (a) First, Cr was formed as a material for the conductive layer 2 by sputtering to a thickness of about 0.2 μm on a glass substrate as the insulating substrate 1 (FIG. 2A).

【0061】工程(b) 次に、導電層2上にエミッタ層3として、以下に示す条
件; 基板温度 250℃ 導入ガス SiH4 (10%水素希釈):300scc
m、H2 :150sccm、及び、PH3 (1000p
pm水素希釈):90sccmからなる混合ガス パワー 60W ガス圧 1Torr の下でプラズマCVD法により、リンドープ水素化アモ
ルファスシリコン層を1μm厚で成膜した(図2
(b))。
Step (b) Next, as the emitter layer 3 on the conductive layer 2, the following conditions: substrate temperature 250 ° C. introduced gas SiH 4 (10% hydrogen dilution): 300 scc
m, H 2 : 150 sccm and PH 3 (1000p
(pm hydrogen dilution): A 90-cm mixed gas power of 60 W, a gas pressure of 1 Torr, and a phosphorus-doped hydrogenated amorphous silicon layer having a thickness of 1 μm was formed by a plasma CVD method (FIG. 2).
(B)).

【0062】工程(c) 次に、酸化シリコンを反応性蒸着法により約0.2μm
厚で成膜し、続いて、フォトリソグラフィー法により、
エミッタ形成用に直径1.2μmの円形マスク形状にパ
ターニングすることにより、エッチングマスク層6を形
成した(図2(c))。
Step (c) Next, silicon oxide is deposited to a thickness of about 0.2 μm by a reactive evaporation method.
Thick film, and then by photolithography,
An etching mask layer 6 was formed by patterning into a circular mask shape having a diameter of 1.2 μm for forming an emitter (FIG. 2C).

【0063】工程(d) 次に、以下に示す条件; 導入ガス SF6 :60sccm パワー 100W ガス圧 4.5Pa の下でRIE法により、リンドープ水素化アモルファス
シリコン層3cを3分間エッチングした(図2
(d))。これにより、エミッタ層3であるリンドープ
水素化アモルファスシリコン層は円錐台形状に加工され
た。
Step (d) Next, the phosphorus-doped hydrogenated amorphous silicon layer 3c was etched for 3 minutes by RIE under the following conditions; introduced gas SF 6 : 60 sccm, power 100 W, and gas pressure 4.5 Pa (FIG. 2).
(D)). As a result, the phosphorus-doped hydrogenated amorphous silicon layer serving as the emitter layer 3 was processed into a truncated cone shape.

【0064】工程(e) 続いて、Alを0.3μm厚でスパッタリングし、エミ
ッタ先鋭化材料層7aを形成した(図2(e))。この
とき、円錐台形状のエミッタ層3の側面にAlが均一に
成膜された。
Step (e) Subsequently, Al was sputtered to a thickness of 0.3 μm to form an emitter sharpening material layer 7a (FIG. 2 (e)). At this time, Al was uniformly deposited on the side surfaces of the emitter layer 3 having a truncated cone shape.

【0065】さらに、エミッタ層3を先鋭化するために
アニール処理を施した。アニール条件は、200℃、3
0分間(空気中)とした。これにより、エミッタ層3表
面にエミッタ先鋭化反応層7bが生成し、エミッタ層3
は先鋭化された(図2(e’))。
Further, an annealing treatment was performed to sharpen the emitter layer 3. Annealing conditions are 200 ° C, 3
0 minutes (in air). As a result, an emitter sharpening reaction layer 7b is formed on the surface of the emitter layer 3, and the emitter layer 3
Was sharpened (FIG. 2 (e ')).

【0066】工程(f) 次に、絶縁層4として約0.8μm厚のシリコン酸化膜
を以下の条件; 蒸着源 SiO 反応ガス 酸素+10%オゾン 蒸着真空度 5×10-6Torr の下で蒸着し、続いて、その上にゲート電極用材料のN
bを約0.3μm厚で蒸着した(図2(f))。これに
より、エミッタ層3の周囲に位置する絶縁層4とゲート
電極5とは、エミッタ層3に接触することなく、エミッ
タ層3に対して一定の間隙をもって自己整合的に形成す
ることができた。
Step (f) Next, a silicon oxide film having a thickness of about 0.8 μm is formed as the insulating layer 4 under the following conditions: evaporation source SiO reactive gas oxygen + 10% ozone evaporation under a vacuum degree of 5 × 10 -6 Torr Then, N on the gate electrode material
b was deposited to a thickness of about 0.3 μm (FIG. 2 (f)). As a result, the insulating layer 4 and the gate electrode 5 located around the emitter layer 3 could be formed in a self-aligned manner with a certain gap from the emitter layer 3 without contacting the emitter layer 3. .

【0067】工程(g) 工程(f)で得られたものを、緩衝フッ酸溶液に室温で
2分間浸漬することによりエッチングマスク層6をリフ
トオフし、その上に積層されていた絶縁材料層4a及び
ゲート電極材料層5bの積層体が剥落した。これによ
り、図2(g)の冷電子放出素子が得られた。
Step (g) The etching mask layer 6 is lifted off by immersing the material obtained in the step (f) in a buffered hydrofluoric acid solution at room temperature for 2 minutes, and the insulating material layer 4a And the laminated body of the gate electrode material layer 5b peeled off. Thus, the cold electron-emitting device shown in FIG. 2 (g) was obtained.

【0068】上述の冷電子放出素子を100個集積した
アレイを試作し以下のように試験し、評価した。即ち、
各素子のエミッタ電極からゲート電極までの間の距離を
約0.6μmとした構造の素子に対し、蛍光体を塗布し
た透明電極(アノード)を有するガラス板部材に500
V印加しつつ距離30mmで対向させ、エミッタ電極−
ゲート電極間にゲート電極側が正となる極性で引き出し
電圧を印加したところ、良好なエミッション特性を示し
た。
An array in which 100 cold electron-emitting devices described above were integrated was prototyped, tested and evaluated as follows. That is,
For an element having a structure in which the distance between the emitter electrode and the gate electrode of each element is about 0.6 μm, a glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a fluorescent material has a thickness of 500 μm.
V is applied and the electrodes are opposed to each other at a distance of 30 mm.
When an extraction voltage was applied between the gate electrodes with a polarity where the gate electrode side was positive, good emission characteristics were exhibited.

【0069】ここで、本発明で用いた、シリコンとある
特定の金属との界面で生じる低温固相反応について、図
3(a),(b)を参照して説明する。
Here, the low-temperature solid-state reaction occurring at the interface between silicon and a specific metal used in the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).

【0070】まず、図3(a)に示すような、例えば単
結晶シリコン31上に0.1μmのAl32を成膜し、
空気中で200℃程度に熱すると10分程度で、図3
(b)に示すように、表面に0.1μmの酸化シリコン
33が成長する。このときAl32は、酸化シリコン3
3層の下地のシリコン31中に拡散しAl−Si層34
を形成している。この反応が低温固相反応または低温界
面反応と呼ばれるもので、他にAuでも同様の反応が見
られることが知られている。但し、このような反応が低
温で起こるメカニズムについては、未だに定説はない。
また、アモルファスシリコンの場合には、単結晶シリコ
ンより、このような低温固相反応の反応性が高いこと
が、発明者の経験から明らかとなっている。ここで、シ
リコン31の表面に生成した酸化シリコン33とAl−
Si層34はフッ酸によりエッチングが可能であり、シ
リコンとのエッチングの選択性から、これまでに詳述し
たようにエミッタの先鋭化に利用できた。
First, as shown in FIG. 3A, for example, a 0.1 μm Al32 film is formed on a single crystal silicon 31.
When heated to about 200 ° C in air, it takes about 10 minutes.
As shown in (b), a 0.1 μm silicon oxide 33 grows on the surface. At this time, Al32 is silicon oxide 3
The Al-Si layer 34 diffuses into the three underlying silicon layers 31.
Is formed. This reaction is called a low-temperature solid-state reaction or a low-temperature interfacial reaction, and it is known that a similar reaction is also observed in Au. However, the mechanism by which such a reaction occurs at a low temperature has not yet been established.
Further, it is clear from the experience of the inventor that amorphous silicon has higher reactivity in such a low-temperature solid-state reaction than single-crystal silicon. Here, silicon oxide 33 generated on the surface of silicon 31 and Al-
The Si layer 34 can be etched with hydrofluoric acid, and can be used for sharpening the emitter, as described in detail above, from the selectivity of etching with silicon.

【0071】[0071]

【発明の効果】本発明によれば、冷電子放出素子のエミ
ッタ材料として、金属や単結晶Siではなく非単結晶、
例えばアモルファスシリコンを使用することで、異方性
蒸着を利用することなくRIE等を利用することにより
その先端を尖鋭化させることができ、しかも単結晶Si
基板以外の大面積化が容易な基板、例えばガラス基板を
使用することができ、且つその基板を大面積化した場合
でも基板内の複数の冷電子放出素子の特性の均一性を保
つことができるようになった。
According to the present invention, non-single crystal, not metal or single crystal Si, is used as the emitter material of the cold electron emission device.
For example, by using amorphous silicon, the tip can be sharpened by using RIE or the like without using anisotropic deposition.
It is possible to use a substrate other than the substrate, which can be easily increased in area, for example, a glass substrate, and to maintain uniformity of characteristics of a plurality of cold electron emission elements in the substrate even when the substrate is enlarged. It became so.

【0072】従って、低電圧で動作可能な冷電子放出素
子を大面積にわたって得ることができる。更に、フラッ
トパネルディスプレイに応用した場合にも、大画面で高
画質の画像を得ることが可能となる。
Therefore, a cold electron emitting device operable at a low voltage can be obtained over a large area. Further, even when applied to a flat panel display, it is possible to obtain a high-quality image on a large screen.

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

【図1】本発明の冷電子放出素子の概略断面斜視図であ
る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional perspective view of a cold electron emission element of the present invention.

【図2】本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the cold electron emission device of the present invention.

【図3】本発明の冷電子放出素子の製造方法の一工程の
説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view of one step of a method for manufacturing a cold electron emission device of the present invention.

【図4】従来の冷電子放出素子の概略断面斜視図であ
る。
FIG. 4 is a schematic sectional perspective view of a conventional cold electron emission element.

【図5】従来の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a conventional cold electron emission element.

【図6】従来の冷電子放出素子の別の製造工程図であ
る。
FIG. 6 is another manufacturing process diagram of the conventional cold electron-emitting device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・絶縁性基板 2・・・・導電層 3・・・・エミッタ層 4・・・・絶縁層 4a・・・絶縁材料層 5・・・・ゲート電極 5a・・・ゲート電極層 6・・・・エッチングマスク層 31・・・シリコン 32・・・Al 33・・・酸化シリコン 34・・・Al−Si層 41・・・絶縁性基板 42・・・導電層 43・・・絶縁層 44・・・ゲート電極 45・・・エミッタ 51・・・絶縁性基板 52・・・導電層 53・・・絶縁層 54・・・ゲート電極 55・・・リフトオフ材 56・・・エミッタ 61・・・Si基板 62・・・酸化シリコン層 63・・・エミッタ 64・・・酸化シリコン層 65・・・絶縁膜 66・・・ゲート電極 A・・・・開口部 Po・・・点状突起 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating substrate 2 ... Conductive layer 3 ... Emitter layer 4 ... Insulating layer 4a ... Insulating material layer 5 ... Gate electrode 5a ... Gate electrode layer 6 Etching mask layer 31 Silicon 32 Al 33 Silicon oxide 34 Al-Si layer 41 Insulating substrate 42 Conductive layer 43 Insulation Layer 44 Gate electrode 45 Emitter 51 Insulating substrate 52 Conductive layer 53 Insulating layer 54 Gate electrode 55 Lift-off material 56 Emitter 61 ..Si substrate 62 ... Silicon oxide layer 63 ... Emitter 64 ... Silicon oxide layer 65 ... Insulating film 66 ... Gate electrode A ... Opening Po ... Point projection

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁性基板、導電層、絶縁層及びゲート電
極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該導電
層に達する開口部が設けられ、その開口部内の該導電層
上に、エミッタが該ゲート電極に接触しないように形成
されてなる電界放射型の冷電子放出素子であって、 エミッタ材料が非単結晶シリコンであることを特徴とす
る冷電子放出素子。
An insulating substrate, a conductive layer, an insulating layer, and a gate electrode are sequentially laminated, an opening reaching the conductive layer is provided in the gate electrode and the insulating layer, and the opening in the opening is provided on the conductive layer. A field emission type cold electron-emitting device, wherein the emitter is formed so as not to contact the gate electrode, wherein the emitter material is non-single-crystal silicon.
【請求項2】前記非単結晶シリコンが、アモルファスシ
リコンであることを特徴とする請求項1記載の冷電子放
出素子。
2. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein said non-single-crystal silicon is amorphous silicon.
【請求項3】前記非単結晶シリコンが、水素化アモルフ
ァスシリコンであることを特徴とする請求項1に記載の
冷電子放出素子。
3. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein said non-single-crystal silicon is hydrogenated amorphous silicon.
【請求項4】前記非単結晶シリコンが、不純物をドープ
した水素化アモルファスシリコンであることを特徴とす
る請求項1に記載の冷電子放出素子。
4. The cold electron emitting device according to claim 1, wherein said non-single-crystal silicon is hydrogenated amorphous silicon doped with impurities.
【請求項5】前記絶縁性基板がガラス基板であることを
特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の冷電子放
出素子。
5. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein said insulating substrate is a glass substrate.
【請求項6】絶縁性基板、導電層、絶縁層及びゲート電
極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該導電
層に達する開口部が設けられ、その開口部内の該導電層
上に、エミッタが該ゲート電極に接触しないように形成
されてなる電界放射型の冷電子放出素子の製造方法にお
いて、 (a)絶縁性基板上に導電層を形成する工程; (b)該導電層上に非単結晶シリコンからなるエミッタ
層を形成する工程; (c)該エミッタ層上に、円形のエッチングマスク層を
形成する工程; (d)反応性イオンエッチングにより該エミッタ層を円
錐台形状に加工しつつ、導電層を露出させる工程; (e)加工されたエミッタ層上にエミッタ先鋭化材料層
を形成した後にアニールし、エミッタ表面にエミッタ先
鋭化反応層を形成する工程; (f)絶縁性基板のエミッタ先鋭化反応層側の表面上
に、絶縁材料とゲート電極材料とを順次積層することに
より、導電層上に絶縁層とゲート電極とを形成し、ま
た、エッチングマスク層上に絶縁材料層とゲート電極材
料層とを形成する工程;及び (g)前記エッチングマスク層用のエッチング液を用い
て、リフトオフ材としてのエッチングマスク層を除去す
るとともに、その上に積層された絶縁材料層及びゲート
電極材料層を剥落させ、また、エミッタ先鋭化反応層と
エミッタ層の一部を剥落する工程;以上の(a)〜
(g)の工程を全て具備することを特徴とする冷電子放
出素子の製造方法。
6. An insulating substrate, a conductive layer, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated, an opening reaching the conductive layer is provided between the gate electrode and the insulating layer, and an opening is formed on the conductive layer in the opening. A method for manufacturing a field emission type cold electron emitting element, wherein an emitter is formed so as not to contact the gate electrode; (a) forming a conductive layer on an insulating substrate; (b) forming the conductive layer (C) forming a circular etching mask layer on the emitter layer; (d) forming the emitter layer into a truncated cone by reactive ion etching. Exposing the conductive layer while processing; (e) forming an emitter sharpening material layer on the processed emitter layer and then annealing to form an emitter sharpening reaction layer on the emitter surface; (f) insulating By sequentially laminating an insulating material and a gate electrode material on the surface of the substrate on the side of the emitter sharpening reaction layer, an insulating layer and a gate electrode are formed on the conductive layer, and an insulating material is formed on the etching mask layer. Forming a layer and a gate electrode material layer; and (g) using the etchant for the etching mask layer to remove the etching mask layer as a lift-off material, and further form an insulating material layer laminated thereon. Removing the gate electrode material layer and removing a part of the emitter sharpening reaction layer and the emitter layer;
A method for manufacturing a cold electron-emitting device, comprising all the steps of (g).
【請求項7】前記工程(e)において、エミッタ先鋭化
材料層の材料が、アルミニウムであることを特徴とする
請求項6に記載の冷電子放出素子の製造方法。
7. The method according to claim 6, wherein in the step (e), the material of the emitter sharpening material layer is aluminum.
【請求項8】前記工程(e)において、アニールは空気
中で且つ300℃以下である条件下で行うことを特徴と
する請求項6に記載の冷電子放出素子の製造方法。
8. The method according to claim 6, wherein in the step (e), annealing is performed in air and at a temperature of 300 ° C. or lower.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000173442A (en) * 1998-12-01 2000-06-23 Toppan Printing Co Ltd Cold electron emitting element and its manufacture
JP2006040863A (en) * 2004-07-26 2006-02-09 Samsung Sdi Co Ltd Field emission display equipped with carbon nanotube emitter, and its manufacturing method

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