JPH10308163A - 電界放射冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放射特性を劣化させることなく、絶縁特
性に優れ、残留ガスのイオン化によるスパッタ物の再付
着が生じても、エミッタ−ゲート間の絶縁特性を良好に
保つ。 【解決手段】 ゲート層１５に設けた開口１７内の絶縁
層側壁表層部２０を残し、絶縁層側壁表層部２０の背面
側を空洞２４とすることで、３次元の凹凸形状を形成
し、ゲート−エミッタ電極間の絶縁特性を長期間にわた
って、良好な状態に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射冷陰極の
構造及びその製造方法に関し、特に絶縁特性が改善され
た電界放射冷陰極の構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電子放出を利用した熱陰極に代わる電
子源として、電界放射冷陰極が開発されている。電界放
射冷陰極は、先鋭な突起を持つ電極の先端に高電界（２
〜５×１０⁷Ｖ／ｃｍ以上）を発生させることで電子を
空間に放出させる。このため、先端の先鋭度がデバイス
の特性を左右する条件であるが、おおよそ数百オングス
トローム以下の曲率半径が必要であると言われている。
また、電界発生のためには、電極を１μｍ程度、あるい
はそれ以下の近接した位置に配し、数１０〜数１００Ｖ
の電圧を印加する必要がある。また、実際には、このよ
うな素子が同一の基板上に数千〜数万形成され、並列に
接続されたアレイとして使用されることが多い。このよ
うなことから、一般的に半導体の微細加工技術を応用し
て製造される。

【０００３】このような電界放射冷陰極の具体的な製法
の一つは、アメリカのＳＲＩ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅ
ｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のスピント（Ｓｐ
ｉｎｄｔ）らによって開発された方法（Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．３９．ｐ３５０４，１９６８）で、導電性の
基板上にモリブデンのような高融点金属を堆積させて先
端形状の先鋭な構造を得るものである。この製造方法を
図６に示す。

【０００４】まず、図６（ａ）に示すように、シリコン
基板４０を用意し、酸化膜を成長させ絶縁層４１とす
る。続いてゲート層４５としてモリブデンを真空蒸着に
より堆積する。その後、フォトリソグラフィーとエッチ
ングにより直径約１μｍの開口４７を形成する。

【０００５】次に、図６（ｂ）に示すように、回転斜め
蒸着を行いアルミニウムの犠牲層４８を形成し、続い
て、モリブデンを垂直方向から真空蒸着して、エミッタ
電極４６を堆積させる。

【０００６】最後に、図６（ｃ）に示すように、犠牲層
４８上に堆積したモリブデン膜４９を、犠牲層４８を選
択エッチングすることによりリフトオフし、デバイスの
構造を得る。

【０００７】こうして作られた素子は、エミッタ電極４
６が負、ゲート層４５が正となるように電圧を印加する
ことで、エミッタ電極４６の先端から、シリコン基板４
０と垂直な方向に電子が放射される。このような構造
は、一般に縦型電界放射冷陰極と呼ばれている。

【０００８】電界放射冷陰極は、上述したように１μｍ
程度の間隔を置いた電極間に数１０Ｖ以上の電圧を印加
するため、電極間の絶縁特性が非常に重要な特性のひと
つである。絶縁層４１のバルクとしての絶縁特性も重要
ではあるが、リーク電流のパスを考える際には、開口４
７内部の絶縁層側壁５０が重要となる。プロセス上で、
ゴミ・汚れを防ぐことは重要であるが、使用環境での劣
化も無視できない要因である。

【０００９】図１０は、電界放射冷陰極の使用状態を概
略的に示す断面図である。使われる環境は、少なくとも
１０^ー4ｐａ程度の高真空であるとは言えども、残留ガス
を皆無にすることほできない。この環境で電子を放射さ
せると、残留ガスがイオン化される。この放射電子と反
対の電荷を持つイオン５１は、電子とは逆の経路をたど
って、エミッタ電極４６に衝突し、エミッタ電極４６を
スパッタさせる。印加電圧、真空度などの動作条件を考
えると、スパッタの起きる程度は、短時間で軽微である
ものの、長時間の実使用においては、無視できない量に
なり得る。スパッタされた導電性のエミッタ材料５２
は、ゲート開口内に飛散し、絶縁層側壁５０に再付着
し、絶縁層側壁５０の絶縁特性を低下させる。

【００１０】これに対する対策のひとつとしては、特開
平７−２４０１４３号には、図７に示すような構造の電
界放射冷陰極が開示されている。これは、基板７０上に
第１の絶縁層７１、ゲート層７５を積層し、開口７７を
形成した後に、ゲート層７５の上面から開口７７の内側
壁を連続した第２の絶縁層７２で被覆し、エミッタ電極
７６と第１の絶縁層７１とを第２の絶縁層７２で隔離し
た構造のものであった。特開平７−２４０１４３号によ
れば、第２の絶縁層７２がゲート層７５を自由空間領域
から実質的に絶縁するため、エミッタ電極７６とゲート
層７５との間の破壊的放電を防止できるとされている。
また、上述のスパッタ再付着による絶縁特性低下に対し
ても、ゲート層７５が第２の絶縁層７２で覆われている
ことにより、有効であるとされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】エミッション電流の一
部は、ゲート層へ飛び込んでゲート電流となることが、
一般的には起こり得る。上述した従来技術では、ゲート
層７５が第２の絶縁層７２で完全に覆われているため、
ゲート層７５へ向かった電子は、第２の絶縁層７２の表
面に衝突し、表面を負に帯電させる。第２の絶縁層７２
の表面が負に帯電するということは、ゲート層７５、エ
ミッタ電極７６間に印加した電圧による電界を弱めるよ
うに作用するため、放射電流を低下させるという問題が
あった。

【００１２】その理由は、図６のように導電性のゲート
層４５が露出している場合には、ゲート層４５へ飛び込
んだ電子は、電流となって流れるため、ゲート層４５の
表面は電源によって印加された所定の電位に保たれ、エ
ミッタ電極４６の先端電界も変化しないのに対して、図
７のように、ゲート層７５の表面を絶縁材料で覆った場
合には、電子は電流として流れず、表面に滞留するため
である。

【００１３】本発明の目的は、電子放射特性を劣化させ
ることなく、絶縁特性に優れ、残留ガスのイオン化によ
るスパッタ物の再付着が生じても、エミッタ、ゲート間
の絶縁特性を良好に保つことができる電界放射冷陰極及
びその製造方法を提供することことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る電界放射冷陰極は、ゲート層と、エミ
ッタ電極とを有する電界放射冷陰極であって、ゲート層
は、基板上に絶縁層を介して形成されたものであり、エ
ミッタ電極は、電子を放射するものであって、前記絶縁
層及びゲート層に形成した開口内に位置して前記基板上
に設けられたものであり、ゲート層から基板に至る開口
内の前記絶縁層は、前記エミッタ電極を取り囲んで筒状
をなす表層部を側壁部に有し、該表層部は、下縁側が前
記基板から切り離されており、該表層部の下縁側から前
記開口内に臨む前記絶縁層は、該表層部から後方に後退
したものである。

【００１５】また前記開口内に臨む前記絶縁層は、前記
表層部の背面側に抉られて空洞が形成され、後方に後退
したものである。

【００１６】また前記基板は、導電性基板、叉は絶縁性
基板上に導電層を積層したものである。

【００１７】また前記エミッタ電極は、絶縁性基板上に
導電材料を堆積して形成されたものである。

【００１８】前記エミッタ電極は、導電性基板をエッチ
ングして形成されたものである。

【００１９】また本発明に係る電界放射冷陰極の製造方
法は、第１の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第
４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第７の工程
とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法であっ
て、第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の
絶縁層を堆積する処理であり、第２の工程は、前記第１
の絶縁層を僅かに残して、第１の絶縁層及び第２の絶縁
層に第１の開口を形成する処理であり、第３の工程は、
前記第２の絶縁層上面及び、第１の開口の内面に連続し
た第３の絶縁層を形成する処理であり、、第４の工程
は、前記第３の絶縁層に形成される第２の開口内を充填
材で充填した後、第３の絶縁層及び充填材を第２の絶縁
層の表面までエッチバックし、表面を平坦化する処理で
あり、第５の工程は、前記平坦化された面にゲート層を
形成し、ゲート層，充填材，第３の絶縁層の底部，第１
の絶縁層を基板表面までエッチングして第３の開口を形
成し、基板を第３の開口を通して露出させる処理であ
り、第６の工程は、前記第３の絶縁層の下縁から第３の
開口内に露出した第１の絶縁層を第３の絶縁層の背面後
方に選択的にエッチングする処理であり、第７の工程
は、前記第３の開口内に露出した基板上にエミッタ電極
を形成する処理である。

【００２０】また本発明に係る電界放射冷陰極の製造方
法は、第１の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第
４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第７の工程
とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法であっ
て、第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の
絶縁層を堆積する処理であり、第２の工程は、前記第１
の絶縁層を僅かに残して、前記第１の絶縁層及び第２の
絶縁層に第１の開口を形成する処理であり、第３の工程
は、前記第２の絶縁層の上面及び前記第１の開口の内面
に連続した第３の絶縁層を形成する処理であり、第４の
工程は、異方性のエッチングを用いることにより、前記
第３の絶縁層のうち、基板面と平行な部分を除去し、か
つ第１の開口側面の基板に垂直な部分の前記第３の絶縁
層を残す処理であり、、第５の工程は、前記絶縁層の表
面にゲート層を形成し、ゲート層及び第１の絶縁層を基
板表面までエッチングして第２の開口を形成し、第２の
開口を通して基板の表面を露出する処理であり、第６の
工程は、前記第３の絶縁層の下縁から第２の開口内に露
出した第１の絶縁層を第３の絶縁層の背面後方に選択的
にエッチングする処理であり、第７の工程は、前記露出
した基板上にエミッタ電極を形成する処理である。

【００２１】また本発明に係る電界放射冷陰極の製造方
法は、第１の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第
４の工程と、第５の工程と、第６の工程とを少なくとも
含む電界放射冷陰極の製造方法であって、第１の工程
は、基板上に第１の絶縁層を堆積する処理であり、第２
の工程は、前記第１の絶縁層を僅かに残して、前記第１
の絶縁層に第１の開口を形成する処理であり、第３の工
程は、前記第１の開口の内面に連続した第２の絶縁層を
形成する処理であり、第４の工程は、前記第２の絶縁層
に形成される第２の開口内面を含む絶縁層表面にゲート
層を形成し、前記ゲート層、第２の絶縁層、第１の絶縁
層を基板表面までエッチングして第３の開口を形成し、
第３の開口を通して基板の表面を露出する処理であり、
第５の工程は、前記第２の絶縁層の下縁から第３の開口
内に露出した第１の絶縁層を第２の絶縁層の背面後方に
選択的にエッチングする処理であり、第６の工程は、前
記露出した基板上にエミッタ電極を形成する処理であ
る。

【００２２】また前記基板としてシリコン、第１の絶縁
層としてシリコン酸化膜、第２、第３の絶縁層としてシ
リコン窒化膜を用いるものである。

【００２３】また本発明に係る電界放射冷陰極の製造方
法は、第１の工程と、第２の工程と、第３の工程と、第
４の工程と、第５の工程とを少なくとも含む電界放射冷
陰極の製造方法であって、第１の工程は、基板上に、エ
ッチングレートの速い第１の絶縁層、エッチングレート
の遅い第２の絶縁層、及び導電性材料からなるゲート層
を積層する処理であり、第２の工程は、前記ゲート層，
第２の絶縁層，第１の絶縁層を基板の表面までエッチン
グして開口を形成し、該開口を通して基板の表面を露出
させる処理であり、第３の工程は、基板を基板面に垂直
な軸を中心として回転させながら、開口内の前記第２の
絶縁層の側壁面に、斜め方向から第２の絶縁層のエッチ
ングレートをさらに低下させる元素をイオン注入し、第
２の絶縁層の側壁面にイオン注入層を形成する処理であ
り、第４の工程は、前記第２の絶縁層の下縁から開口内
に露出した第１の絶縁層を第２の絶縁層の背面後方に選
択的にエッチングする処理であり、第５の工程は、前記
開口を通して露出した基板上にエミッタ電極を形成する
処理である。

【００２４】また基板としてシリコン、第２の絶縁層と
してシリコン酸化膜、イオン注入にホウ素を用いるもの
である。

【００２５】

【作用】ゲート層から基板に至る開口内の絶縁層は、エ
ミッタ電極を取り囲んで筒状をなす表層部を側壁部に有
し、表層部は、下縁側が基板から切り離されている。さ
らに、表層部の下縁側から開口内に臨む絶縁層は、表層
部から後方に後退している。そのため、エミッタ電極を
スパッタして発生したエミッタ材料は、表層部の存在に
よって、基板とゲート層との間の絶縁層に再付着するこ
とが阻止され、絶縁層の絶縁特性が長期間にわたって維
持されることとなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２７】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る電界放射冷陰極を示す断面図である。

【００２８】図に示す本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極においては、シリコン基板１０上に第１の絶縁
層１１、第２の絶縁層１２、ゲート層１５を積層し、こ
の積層構造に直径１μｍ程度の開口１７をシリコン基板
１０に至る深さに複数開口する。さらに、各開口１７内
のシリコン基板１０上には、円錐状のエミッタ電極１６
を上向きにそれぞれ形成する。

【００２９】さらに、第２の絶縁層１２に設けた開口１
７の開口縁には、エミッタ電極１６の周囲を囲む筒状の
第３の絶縁層１３を表層部２０として一体に形成する。
また筒状の第３の絶縁層１３の下縁は、シリコン基板１
０の表面から離間して円錐状のエミッタ電極１６の基部
側の途中までを覆っている。さらに、表層部２０の背面
側より外側の絶縁層１１の開口側側壁面を挾む、筒状の
表層部２０の背面側に空洞２４を形成することにより、
表層部２０の下縁側から開口１７内に臨む絶縁層１１を
表層部２０から後方に後退させている。

【００３０】この空洞２４は、表層部２０の下縁側から
開口１７内に臨む絶縁層１１をエミッタ電極１６から見
通せない後方に後退させることにより、シリコン基板１
０からゲート層１５に至る第１の絶縁層１１及び第２の
絶縁層１２並びに第３の絶縁層１３の連続した面に、エ
ミッタ電極１６のスパッタによるエミッタ材料５２が付
着することを回避し、シリコン基板１０とゲート層１５
との間の絶縁特性が低下することを防止する構造となっ
ている。

【００３１】実際のデバイスとしての使用では、必要な
機能を持たせるための構成要素が必要であるが、図１に
は示していない。ただし、あらゆるデバイスに共通して
言えることは、放射された電子を捕獲するための陽極が
必要なことであり、通常は、ゲート層１５よりも高い電
位（用途によっては、数１００Ｖ〜数１０ｋＶ）を与え
られることが一般的である。

【００３２】図に示す本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極を動作させるには、真空中にてシリコン基板１
０を介してエミッタ電極１６を負、ゲート層１５を正と
するように数１０Ｖの電圧を印加する。すると、エミッ
タ電極１６、ゲート層１５の間に電界が発生するが、円
錐状エミッタ電極１６の先端部に電界が集中し、エミッ
タ電極１６の先端部から電子を放射する。放射した電子
は、陽極（図示略）の作る電界で加速されながら図示し
ない該陽極へ到達する。

【００３３】電界放射冷陰極が使われる環境は真空であ
るとは言えども、残留ガスを皆無にすることはできな
い。この環境で電子を放出させると、ある確率で残留ガ
スがイオン化される。図９に示すように、こうして生成
したイオン５１は、電子とは逆の経路をたどって、エミ
ッタ電極１６をスパッタする。印加電圧、真空度などの
動作条件を考えると、スパッタの起きる程度は、短時間
では軽微であるものの、長時間の実使用においては、無
視できない量になり得る。スパッタされたエミッタ材料
５２は、開口７内に飛散し、再付着する。

【００３４】ところで、本発明の実施形態１に係る電界
放射冷陰極では、図９に示すように、絶縁層１８（第１
の絶縁層１１，第２の絶縁層１２，第３の絶縁層１３を
含めて絶縁層１８と総称する。）に、開口１７に面する
筒状の表層部２０を残して、その背部に空洞２４を形成
している。ゲート層１５に設けた開口１７の内径が約１
μｍであり、実質的には動作真空度は１０^ー4ｐａ以下で
あることを考慮すると、スパッタされたエミッタ材料５
２は、開口１７内の領域では、直線的な軌跡を描くこと
は明らかである。エミッタ電極１６のどの部分がスパッ
タされてエミッタ材料５２が飛散しても、絶縁層１８の
表層部２０で遮断され、シリコン基板１０とゲート層１
５との間に位置する第１の絶縁層１１及び第２の絶縁層
１２並びに第３の絶縁層１３からなる連続した面にエミ
ッタ材料５２が再付着しないものである。これによっ
て、図１０に示すようなシリコン基板４０からゲート層
４５に至る絶縁層側壁の表面全体に、エミッタ材料５２
の再付着が起こり得るような従来の構造に比べ、本発明
の実施形態１では、シリコン基板１０とゲート層１５と
の間の絶縁特性を長期間にわたって維持することができ
る。

【００３５】また、エミッタ電極１６から放射された電
子の一部は、ゲート層１５へ飛び込むが、図７に示すよ
うにゲート層７５が第２の絶縁層７２で被覆されていな
いため、ゲート層１５を通じてゲート電流となるため、
過剰な電荷として滞留し、電子放射特性に悪影響を与え
ることはない。

【００３６】本発明の実施形態１を説明する図１及び図
９には、エミッタ電極１６は、導電性材料を堆積して形
成した場合を図示しているが、基板の一部をエッチング
して円錐形状に形成してエミッタ電極１６を構成した場
合でも、同様の効果を得ることができることは言うまで
もない。

【００３７】なお、本発明の実施形態１に係る電界放射
冷陰極の構造と類似した構造として、特開平６−２１５
６８９号には図８に図示した構造のものが開示されてい
る。これは、図８に示すようにエッチングと熱酸化との
組み合わせてよってシリコン基板６０の一部にエミッタ
電極６６を形成し、シリコン基板６０上のエミッタ電極
６６を取り囲んで絶縁層６２及びゲート層６５を堆積
し、酸化膜をエッチングしたものである。ゲート層６５
の開口縁は、開口６７内の斜め下方へ向けて張り出した
形状になっている。図８に示した従来例の構造と、図９
に示した本発明の実施形態１の構造とを比較すると、開
口内に下方へ向いて張り出しがあるという点では共通し
ている。

【００３８】しかし、本発明の実施形態１では、シリコ
ン基板１０とゲート層１５との間に位置する第１の絶縁
層１１及び第２の絶縁層１２並びに第３の絶縁層１３か
らなる連続した面にエミッタ材料５２が再付着すること
は、筒状の表層部２０の存在によって阻止され、しか
も、第３の絶縁層１３の下縁はシリコン基板１０から離
間されているため、シリコン基板１０とゲート層１５と
の間の絶縁特性を長期間にわたって維持することができ
る。

【００３９】これに対して、特開平６−２１５６８９号
の電界放射冷陰極では、シリコン基板６０からゲート層
５１に至る絶縁層６２の側壁面が、エミッタ電極６６か
らのエミッタ材料に晒されるため、この側壁面にエミッ
タ材料が再付着しやすく、シリコン基板６０とゲート層
５１との間の絶縁特性が低下することとなる。また、開
口内への張り出しの先端部は、図８から明らかなよう
に、傾斜した絶縁層６２上に蒸着された金属膜（ゲート
層６５）の膜端であり、不安定な部分である。すなわ
ち、金属膜先端の形状はばらつきが大きく、ゲート層６
５の延長であることから、エミッタ電極６６周辺の電界
を乱すおそれがある。また、開口６７に張り出したゲー
ト層６５の先端部の膜厚は極薄であるから、プロセス途
中、あるいは、使用中に開口６７内に金属片となって脱
落し、絶縁破壊の原因にもなり得る。イオンは電界に沿
って入射するとはいうものの、電界放射冷陰極からある
程度離れた領域で生成したイオンは、陽極の電位でも加
速され、エミッタ電極６６の底部付近をスパッタする可
能性は十分ある。従って、図８の形状は、スパッタ再付
着を防止する構造としては、効果が不十分である。

【００４０】以下、本発明の実施形態に係る電界放射冷
陰極の製造方法について説明する。

【００４１】図２は、本発明の実施形態１に係る電界放
射冷陰極の製造方法を工程順に説明する断面図である。

【００４２】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
基板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．
３５μｍ成長させる。次に第２の絶縁層１２として窒化
シリコン膜をＣＶＤ（化学気相堆積法）を用いて約０．
１５μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーによ
り直径約０．９μｍの開口を持つフォトレジスト層（図
示略）を形成する。この開口をマスクとして、四フッ化
炭素等を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によ
り、第２の絶縁層１２、第１の絶縁層１１をエッチング
し、第２の絶縁層１２及び第１の絶縁層１１に第１の開
口２１を設け、その後レジスト層を除去する。このとき
に、第１の絶縁層１１の厚さを約０．１μｍ残して、エ
ッチングを終了させる。ここで、第１の開口２１は、エ
ミッタ電極形成のための開口２３よりも、直径にして第
３の絶縁層１３の厚さの約２倍の大きさをもつように設
定する。

【００４３】続いて図２（ｂ）に示すように、第３の絶
縁層１３として窒化シリコン膜をＣＶＤを用いて、第２
の絶縁層１２の上面および開口２１の内面に約０．１５
μｍ堆積する。

【００４４】続いて図２（ｃ）に示すように、充填層１
４としてＢＰＳＧ（ボロン・リンガラス）を第３の絶縁
層１３に形成される第２の開口２２内にＣＶＤにより十
分に充填可能な膜厚に堆積する。このとき、当然、第３
の絶縁層１３の開口２２以外の領域上にも堆積するが、
引き続いて９５０〜１０００℃で、０．５〜１時間程度
の加熱を行うと、ＢＰＳＧがリフローし、表面張力によ
って充填層１４の表面が平坦になる。

【００４５】続いて図２（ｄ）に示すように、充填層１
４及び第３の絶縁層１３を第２の絶縁層１２の表面まで
エッチバックする。このとき、充填層１４と第３の絶縁
層１３のエッチングレートに差が生じないような条件で
エッチングを行うと、表面を平坦化することができる。
そして、平坦化された充填層１４及び第３の絶縁層１３
上にゲート層１５としてタングステンをスパッタ法で約
０．２ｍ堆積する。

【００４６】続いて図２（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示せず）を形成する。この開口をマス
クとして、ＲＩＥにより、ゲート層１５，充填層１４，
第３の絶縁層１３，第１の絶縁層１１をエッチングし、
ゲート層１５，第３の絶縁層１３，第１の絶縁層１１に
第３の開口２３を設け、開口２３を通してシリコン基板
１０の表面を露出させ、その後、レジスト層を除去す
る。充填層１４を形成して平坦化しているため、ゲート
層１５の成膜及びフォトリソグラフィーは、平坦な面上
で行うことができる。したがって、開口２３の開口縁部
でのゲート層１５の断面形状を再現性よく形成すること
ができる。

【００４７】続いて図２（ｆ）に示すように、フッ化水
素酸により、開口２３内の第３の絶縁層１３の下縁から
露出した第１の絶縁層１１をウェットエッチングする。
第３の絶縁層１３の背面に存在する第１の絶縁層１１を
ウェットエッチングすると、第１の絶縁層１１と第３の
絶縁層１３とのエッチングレートの違いにより、第３の
絶縁層１３はエッチングされずに張り出した形状で残
り、第３の絶縁層１３の背面に存在する第１の絶縁層１
１の側壁面側がエッチングされ、エミッタ電極から見通
せない空洞２４が形成される。

【００４８】最後に、回転斜め蒸着によって犠牲層（図
示略）として、アルミニウムによる犠牲層を設けた後、
これに続けて垂直方向からエミッタ電極材料としてモリ
ブデンを真空蒸着で堆積し、エミッタ電極１６を形成す
る。しかる後、犠牲層を選択エッチングすることによ
り、不要なエミッタ電極の材料層をリフトオフして、図
１のような電界放射冷陰極を完成する。

【００４９】実施形態１では、特定の寸法を示したが、
この寸法に限定されるものではなく、ほかの組合わせに
おいても、同様の効果が得られる。

【００５０】また、本実施形態では、基板にシリコン、
絶縁層にシリコン酸化物、シリコン窒化物、充填層にＢ
ＰＳＧを用いる例を示したが、エッチング選択性、絶縁
性を満足すれば、材料構成は、この組合わせに限定され
るものではない。

【００５１】また、本実施形態の平坦化には、ＢＰＳＧ
のリフローとエッチバックを用いる方法を説明したが、
ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）を充填し、リフローす
る方法や、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカルポリッシン
グ）で平坦に研削する方法などを用いても良い。

【００５２】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。

【００５３】まず図３（ａ）に示すように、シリコン基
板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．３
５μｍ、第２の絶縁層１２として窒化シリコン膜を約
０．１５μｍ堆積した後、フォトリソグラフィーとＲＩ
Ｅにより第１の絶縁層１１の厚さ約０．１μｍを残して
エッチングを終了させ、直径約０．９μｍの第１の開口
２１を開口する。ここで、第１の開口２１は、エミッタ
電極形成のための開口２３よりも、直径にして第３の絶
縁層１３の厚さの約２倍の大きさをもつように設定す
る。

【００５４】次に図３（ｂ）に示すように、第３の絶縁
層１３として窒化シリコン膜を、第２の絶縁層１２の上
面および開口２１の内面に約０．１５μｍ堆積する。

【００５５】続いて図３（ｃ）に示すように、異方性の
ＲＩＥを行うと、第１の絶縁層１１上と開口２２の底の
基板面に平行な部分の第３の絶縁層１３がエッチングで
除去され、開口２２の側壁に筒状の第３の絶縁層１３を
残留する。

【００５６】続いて図３（ｄ）に示すように、第２の絶
縁層１２及び第３の絶縁層１３に形成される開口２２の
内面に、ゲート層１５としてタングステンをスパッタ法
で約０．２μｍ堆積する。

【００５７】続いて図３（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示略）を形成する。この開口をマスク
として、ＲＩＥによりゲート層１５，第１の絶縁層１１
をエッチングして開口２３を開口し、開口２３を通して
シリコン基板１０の表面を露出させ、その後レジスト層
を除去する。

【００５８】続いて図３（ｆ）に示すように、第３の絶
縁層１３の下縁から開口２３内に臨む第１の絶縁層１１
をウェットエッチングすると、第１および第３の絶縁層
１１，１３のエッチングレートの違いにより、第３の絶
縁層１３はエッチングされ、張り出した形状で残るた
め、第３の絶縁層１３の背面側に空洞２４が形成され
る。最後にエミッタ電極１６を形成し、図１のような電
界放射冷陰極を完成する。

【００５９】本実施形態２は、実施形態１に比べ、平坦
化のプロセスを省いているため、工程を短縮することが
可能である。

【００６０】本実施形態２においても、寸法は例示した
値に限定されるものではなく、また、材料構成について
も、この組み合わせに限定されるものではない。

【００６１】（実施形態３）図４は、本発明の実施形態
３に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。本実施例は図４のように、実施形態２をさら
に変形したものであり、同様の構成要素については、図
２及び３と同じ参照符号を付し、実施形態２と異なる部
分を主に説明する。

【００６２】まず、図４（ａ）に示すように、シリコン
基板１０上に第１の絶縁層１１として熱酸化膜を約０．
３５μｍ成長させた後、フォトリソグラフィーとＲＩＥ
により、直径０．９μｍの第１の開口２１を第１の絶縁
層１１に形成し、第１の絶縁層１１の厚さ約０．１μｍ
を残してエッチングを終了する。ここで、第１の開口２
１は、エミッタ電極形成のための開口２３よりも、直径
にして第２の絶縁層１２の厚さの約２倍の大きさをもつ
ように設定する。

【００６３】次に、図４（ｂ）に示すように、第２の絶
縁層１２として窒化シリコン膜を、第１の絶縁層１１の
上面および、開口２１の内面に約０．１５μｍ堆積す
る。

【００６４】続いて図４（ｃ）に示すように、第２の絶
縁層１２に形成される開口２２を含む第２の絶縁層１２
の表面にゲート層１５としてタングステンをスパッタ法
で約０．２μｍ堆積する。

【００６５】続いて図４（ｄ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーにより直径約０．６μｍの開口を持つフォ
トレジスト層（図示せず）を形成する。この開口をマス
クとして、ＲＩＥにより、ゲート層１５，第２の絶縁層
１２，第１の絶縁層１１をエッチングし、ゲート層１
５，第２の絶縁層１２，第１の絶縁層１１に開口２３を
開口し、開口２３を通してシリコン基板１０の表面を露
出させ、その後レジスト層を除去する。

【００６６】続いて図４（ｅ）に示すように、第２の絶
縁層１２の下縁から開口２３に臨む第１の絶縁層１１を
ウェットエッチングすると、第１，２の絶縁層１１，１
２のエッチングレートの違いにより、第２の絶縁層１２
は、エッチングされずに張り出した形状で残るため、空
洞２４が形成される。

【００６７】最後に、開口２３を通して露出したシリコ
ン基板１０上にエミッタ電極１６を形成し、図１のよう
な電界放射冷陰極を完成する。

【００６８】本実施形態３は、実施形態２に比べ、絶縁
層の成膜プロセスおよび、ＲＩＥが少なくなっているた
め、さらに工程の短縮が可能である。

【００６９】本実施形態においても、寸法は例示した値
に限定されるものではなく、また、材料構成について
も、この組み合わせに限定されるものではない。

【００７０】（実施形態４）図５は、本発明の実施形態
４に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程順に示す断面
図である。

【００７１】本実施形態では、まず図５（ａ）に示すよ
うに、シリコン基板３０上に第１の絶縁層３１としてＰ
ＳＧ（リンガラス）をＣＶＤにより約０．１μｍ堆積さ
せる。次に、第２の絶縁層３２としてシリコン酸化膜を
ＣＶＤを用いて約０．４μｍ堆積し、第２の絶縁層３２
上にゲート層３５としてタングステンをスパッタ法で約
０．２μｍ堆積する。その後、フォトリソグラフィーに
より直径約０．６μｍの開口を持つフォトレジスト層
（図示せず）を形成する。この開口をマスクとして、Ｒ
ＩＥにより、ゲート層３５，第２の絶縁層３２，第１の
絶縁層３１をエッチングして第１の開口３７を形成し、
その後レジスト層を除去する。

【００７２】続いて図５（ｂ）に示すように、シリコン
基板３０を基板面に垂直な軸を中心として回転させなが
ら、シリコン基板３０に対して垂直から約４０〜４５°
傾けた角度から、ボロン（ホウ素）をイオン注入する。
ドーズ量は５〜１０×１０¹⁵ｃｍ^-2、エネルギーは３０
〜５０ｋｅＶが適当である。このイオン注入によって、
開口３７内の第２の絶縁層３２の側壁面にイオン注入層
３３を表層部２０として形成する。

【００７３】続いて図５（ｃ）に示すように、イオン注
入層３３の下縁から開口３７内に臨む第１の絶縁層３１
を、フッ化水素酸によってエッチングする。このとき、
第１の絶縁層３１のＰＳＧは、第２の絶縁層３２のＣＶ
Ｄ酸化膜よりも早くエッチングが進行するが、逆にイオ
ン注入層３３は、第２の絶縁層３２に比べて数分の１程
度までエッチング速度が低下している。従って、イオン
注入領域３３が下向きに張り出した形状で残り、その背
面部に空洞３４が形成される。

【００７４】最後に、実施形態１と同様にして、エミッ
タ電極１６を形成し、図５（ｄ）のような電界放射冷陰
極を完成する。

【００７５】本実施形態によれば、実施形態１〜３のよ
うな、フォトリソグラフィーでの精密な目合わせが不要
となる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子放射特性および、本質的な絶縁特性に影響を与えるこ
となく、ゲート−エミッタ間の絶縁特性を長期間にわた
って、良好な状態に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る電界放射冷陰極を示
す断面図である。

【図２】本発明の実施形態１に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図３】本発明の実施形態２に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図４】本発明の実施形態３に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態４に係る電界放射冷陰極の製
造方法を工程順に示す断面図である。

【図６】従来例に係る電界放射冷陰極の製造方法を工程
順に示す断面図である。

【図７】従来例に係る電界放射冷陰極の構造を示す断面
図である。

【図８】従来例に係る電界放射冷陰極の製造工程と構造
を示す断面図である。

【図９】本発明の実施形態における効果を説明する断面
図である。

【図１０】従来例における問題点を説明する断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ シリコン基板 １１ 第１の絶縁層 １２ 第２の絶縁層 １３ 第３の絶縁層 １４ 充填層 １５ ゲート層 １６ エミッタ層 １７ 開口 ２０ 絶縁層の表層部 ２１，２２，２３ 開口 ２４ 空洞 ３０ シリコン基板 ３１ 第１の絶縁層 ３２ 第２の絶縁層 ３３ イオン注入層 ３４ 空洞 ３５ ゲート層 ３６ エミッタ電極 ３７ 開口

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゲート層と、エミッタ電極とを有する電
   界放射冷陰極であって、 ゲート層は、基板上に絶縁層を介して形成されたもので
   あり、 エミッタ電極は、電子を放射するものであって、前記絶
   縁層及びゲート層に形成した開口内に位置して前記基板
   上に設けられたものであり、 ゲート層から基板に至る開口内の前記絶縁層は、前記エ
   ミッタ電極を取り囲んで筒状をなす表層部を側壁部に有
   し、 該表層部は、下縁側が前記基板から切り離されており、 該表層部の下縁側から前記開口内に臨む前記絶縁層は、
   該表層部から後方に後退したものであることを特徴とす
   る電界放射冷陰極。
2. 【請求項２】 前記開口内に臨む前記絶縁層は、前記表
   層部の背面側に抉られて空洞が形成され、後方に後退し
   たものであることを特徴とする請求項１に記載の電界放
   射冷陰極。
3. 【請求項３】 前記基板は、導電性基板、叉は絶縁性基
   板上に導電層を積層したものであることを特徴とする請
   求項１に記載の電界放射冷陰極。
4. 【請求項４】 前記エミッタ電極は、絶縁性基板上に導
   電材料を堆積して形成されたものであることを特徴とす
   る請求項１に記載の電界放射冷陰極。
5. 【請求項５】 前記エミッタ電極は、導電性基板をエッ
   チングして形成されたものであることを特徴とする請求
   項１に記載の電界放射冷陰極。
6. 【請求項６】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第
   ７の工程とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法
   であって、 第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の絶縁
   層を堆積する処理であり、 第２の工程は、前記第１の絶縁層を僅かに残して、第１
   の絶縁層及び第２の絶縁層に第１の開口を形成する処理
   であり、 第３の工程は、前記第２の絶縁層上面及び、第１の開口
   の内面に連続した第３の絶縁層を形成する処理であ
   り、、 第４の工程は、前記第３の絶縁層に形成される第２の開
   口内を充填材で充填した後、第３の絶縁層及び充填材を
   第２の絶縁層の表面までエッチバックし、表面を平坦化
   する処理であり、 第５の工程は、前記平坦化された面にゲート層を形成
   し、ゲート層，充填材，第３の絶縁層の底部，第１の絶
   縁層を基板表面までエッチングして第３の開口を形成
   し、基板を第３の開口を通して露出させる処理であり、 第６の工程は、前記第３の絶縁層の下縁から第３の開口
   内に露出した第１の絶縁層を第３の絶縁層の背面後方に
   選択的にエッチングする処理であり、 第７の工程は、前記第３の開口内に露出した基板上にエ
   ミッタ電極を形成する処理であることを特徴とする電界
   放射冷陰極の製造方法。
7. 【請求項７】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程と、第
   ７の工程とを少なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法
   であって、 第１の工程は、基板上に、第１の絶縁層及び第２の絶縁
   層を堆積する処理であり、 第２の工程は、前記第１の絶縁層を僅かに残して、前記
   第１の絶縁層及び第２の絶縁層に第１の開口を形成する
   処理であり、 第３の工程は、前記第２の絶縁層の上面及び前記第１の
   開口の内面に連続した第３の絶縁層を形成する処理であ
   り、 第４の工程は、異方性のエッチングを用いることによ
   り、前記第３の絶縁層のうち、基板面と平行な部分を除
   去し、かつ第１の開口側面の基板に垂直な部分の前記第
   ３の絶縁層を残す処理であり、、 第５の工程は、前記絶縁層の表面にゲート層を形成し、
   ゲート層及び第１の絶縁層を基板表面までエッチングし
   て第２の開口を形成し、第２の開口を通して基板の表面
   を露出する処理であり、 第６の工程は、前記第３の絶縁層の下縁から第２の開口
   内に露出した第１の絶縁層を第３の絶縁層の背面後方に
   選択的にエッチングする処理であり、 第７の工程は、前記露出した基板上にエミッタ電極を形
   成する処理であることを特徴とする電界放射冷陰極の製
   造方法。
8. 【請求項８】 第１の工程と、第２の工程と、第３の工
   程と、第４の工程と、第５の工程と、第６の工程とを少
   なくとも含む電界放射冷陰極の製造方法であって、 第１の工程は、基板上に第１の絶縁層を堆積する処理で
   あり、 第２の工程は、前記第１の絶縁層を僅かに残して、前記
   第１の絶縁層に第１の開口を形成する処理であり、 第３の工程は、前記第１の開口の内面に連続した第２の
   絶縁層を形成する処理であり、 第４の工程は、前記第２の絶縁層に形成される第２の開
   口内面を含む絶縁層表面にゲート層を形成し、前記ゲー
   ト層、第２の絶縁層、第１の絶縁層を基板表面までエッ
   チングして第３の開口を形成し、第３の開口を通して基
   板の表面を露出する処理であり、 第５の工程は、前記第２の絶縁層の下縁から第３の開口
   内に露出した第１の絶縁層を第２の絶縁層の背面後方に
   選択的にエッチングする処理であり、 第６の工程は、前記露出した基板上にエミッタ電極を形
   成する処理であることを特徴とする電界放射冷陰極の製
   造方法。
9. 【請求項９】 前記基板としてシリコン、第１の絶縁層
   としてシリコン酸化膜、第２、第３の絶縁層としてシリ
   コン窒化膜を用いることを特徴とする請求項６，７又は
   ８に記載の電界放射冷陰極の製造方法。
10. 【請求項１０】 第１の工程と、第２の工程と、第３の
    工程と、第４の工程と、第５の工程とを少なくとも含む
    電界放射冷陰極の製造方法であって、 第１の工程は、基板上に、エッチングレートの速い第１
    の絶縁層、エッチングレートの遅い第２の絶縁層、及び
    導電性材料からなるゲート層を積層する処理であり、 第２の工程は、前記ゲート層，第２の絶縁層，第１の絶
    縁層を基板の表面までエッチングして開口を形成し、該
    開口を通して基板の表面を露出させる処理であり、 第３の工程は、基板を基板面に垂直な軸を中心として回
    転させながら、開口内の前記第２の絶縁層の側壁面に、
    斜め方向から第２の絶縁層のエッチングレートをさらに
    低下させる元素をイオン注入し、第２の絶縁層の側壁面
    にイオン注入層を形成する処理であり、 第４の工程は、前記第２の絶縁層の下縁から開口内に露
    出した第１の絶縁層を第２の絶縁層の背面後方に選択的
    にエッチングする処理であり、 第５の工程は、前記開口を通して露出した基板上にエミ
    ッタ電極を形成する処理であることを特徴とする電界放
    射冷陰極の製造方法。
11. 【請求項１１】 基板としてシリコン、第２の絶縁層と
    してシリコン酸化膜、イオン注入にホウ素を用いること
    を特徴とする請求項１０に記載の電界放射冷陰極の製造
    方法。