JPH11149858A - Field emission type cold cathode and manufacture thereof - Google Patents

Field emission type cold cathode and manufacture thereof

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JPH11149858A
JPH11149858A JP31525097A JP31525097A JPH11149858A JP H11149858 A JPH11149858 A JP H11149858A JP 31525097 A JP31525097 A JP 31525097A JP 31525097 A JP31525097 A JP 31525097A JP H11149858 A JPH11149858 A JP H11149858A
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JP
Japan
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emitter
film
forming
silicon substrate
insulating film
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JP31525097A
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Japanese (ja)
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Hisashi Takemura
久 武村
Kazuo Konuma
和夫 小沼
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NEC Corp
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NEC Corp
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the deterioration of an emission characteristic, especially the generation of gate leakage current, and at the same time lower electric power consumption, prolong life, and enhance the reliability by covering the surface of an emitter with a protective film made of a high resistance material or an insulating material. SOLUTION: An emitter 5a having a sharp tip end, a gate electrode 3a, and an insulating film 2 are formed on a silicon substrate 1, and furthermore the emitter 5a and the exposed silicon substrate 1 surface are coated with a protective film 6 made of a semi-insulating film such as a diamond film. The electrons emitted from the emitter 5a have tracks within a certain spread and the residual gas ionized by collision of the electrons moves in the emitter 5a direction along the potential distribution. Although the ions generated in close proximity to the emitter 5a move towards the tip of the emitter 5a since the ions generated at remote positions have energy in the vertical direction, the ions enter in the sidewall of the emitter 5a. As a result, the generation of gate leakage current can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出型冷陰極に
関し、特に先鋭なエミッタを有する電界放出型冷陰極に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission cold cathode, and more particularly to a field emission cold cathode having a sharp emitter.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界放出型冷陰極はコーン形状の先鋭な
エミッタとサブミクロンオーダの開口を有しエミッタに
近接して形成されるゲート電極によりエミッタ先端に高
電界を集中し、真空中でエミッタ先端から電子を放出さ
せ、アノード電極でその電子を受ける素子である。しか
し、真空中といっても厳密には極低圧の残留ガスが動作
環境中に残っており、さらに電子流がアノード電極など
に入射した時に脱ガスが起こり、真空度が低下すること
がある。
2. Description of the Related Art A field emission type cold cathode has a sharp cone-shaped emitter and a submicron-order opening, and a gate electrode formed close to the emitter concentrates a high electric field at the tip of the emitter. An element that emits electrons from the tip and receives the electrons at the anode electrode. However, strictly speaking, even in a vacuum, residual gas at an extremely low pressure remains in the operating environment. Further, when an electron flow enters the anode electrode or the like, degassing occurs, and the degree of vacuum may decrease.

【0003】このような真空環境では電子により残留ガ
スを正にイオン化され、これがエミッタに入射してエミ
ッタ材料がスパッタされる。そのためエミッタ形状が変
形することにより電流変動が生じることがあった。さら
には、スパッタされたエミッタ材料がゲート電極とエミ
ッタ電極との間の絶縁膜の側壁に堆積し、エミッタ・ゲ
ート間に電流のリークを引き起こすことがあった。この
ようなリーク電流が発生すると、余剰な電流により実効
的なエミッタ・ゲート電圧が低下し、それによりエミッ
ション電流値も低下するため寿命が短くなっていた。
[0003] In such a vacuum environment, the residual gas is ionized positively by electrons, which is incident on the emitter and sputters the emitter material. For this reason, the current may fluctuate due to deformation of the emitter shape. Further, the sputtered emitter material may deposit on the side wall of the insulating film between the gate electrode and the emitter electrode, causing current leakage between the emitter and the gate. When such a leakage current occurs, the effective emitter-gate voltage is reduced due to the excess current, and the emission current value is also reduced, thereby shortening the lifetime.

【0004】このリーク電流防止にはエミッタ材料がス
パッタされないようにすることが有効である。そこで、
スパッタリング耐性の高い材料でエミッタを覆う方法が
提案されている。
To prevent this leakage current, it is effective to prevent the emitter material from being sputtered. Therefore,
A method of covering the emitter with a material having high sputtering resistance has been proposed.

【0005】この種の電界放出型冷陰極が、例えば特開
平7−192604号公報に開示されている。図8(断
面図)、図9(平面図)に示すように、支持基板となる
シリコン基板1上に突起形状のエミッタ5aが形成さ
れ、エミッタ5a上に開口を有する酸化膜よりなる絶縁
膜2とその上に形成された電極膜3が形成され、さらに
絶縁膜2の開口に露出したエミッタ5aおよびシリコン
基板1を覆うように、例えば有機ケイ素化合物等の有機
金属化合物8が形成された構造となっていた。このよう
に耐スパッタ性の高い導電性膜をエミッタ保護膜として
形成することにより、寿命を改善することが可能となっ
ている。
[0005] A field emission type cold cathode of this type is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-192604. As shown in FIGS. 8 (cross-sectional view) and FIG. 9 (plan view), a projection-shaped emitter 5a is formed on a silicon substrate 1 serving as a support substrate, and an insulating film 2 made of an oxide film having an opening on the emitter 5a. And an electrode film 3 formed thereon, and a structure in which an organometallic compound 8 such as an organosilicon compound is formed so as to cover the emitter 5a and the silicon substrate 1 exposed in the opening of the insulating film 2. Had become. By forming a conductive film having high sputter resistance as the emitter protective film in this manner, the life can be improved.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、エミッタ
材料よりも耐スパッタ性の高い材料を使用することによ
りアノード電流の変動は小さくなり寿命は改善する。し
かしながら、保護膜として導電性の金属化合物を使用す
ると、高エネルギーのイオンが入射する環境では保護膜
である有機金属化合物がスパッタされ絶縁膜側壁に堆積
しエミッタ・ゲート間にゲートリークパスが生じる問題
がある。
As described above, by using a material having higher sputter resistance than the emitter material, the fluctuation of the anode current is reduced and the life is improved. However, when a conductive metal compound is used as the protective film, in a case where high-energy ions are incident, the organic metal compound serving as the protective film is sputtered and deposited on the side wall of the insulating film, thereby causing a problem that a gate leak path occurs between the emitter and the gate. is there.

【0007】前記公開公報で試験されているような40
V程度のゲート電圧で発生するイオンのスパッタ性は小
さく、このような低電圧での評価では寿命改善の効果は
大きいと考えられるが、実評価環境下では1000V以
上の高電圧がアノード電極として印加されることがあ
る。一般にスパッタ率は1000V以上のエネルギーか
ら飽和傾向を示しながら増加していく。このため、高電
圧が印加された環境下ではエミッタ保護膜となる金属化
合物もスパッタされ、いずれゲートリーク起因の電流低
下が生じることがあった。さらにはゲートリーク電流の
発生により、余剰な電力が発生し低電力動作にも支障と
なっていた。
[0007] Forty as tested in the above publication.
The sputterability of ions generated at a gate voltage of about V is small, and it is considered that the effect of improving the life is large in the evaluation at such a low voltage. However, in an actual evaluation environment, a high voltage of 1000 V or more is applied as an anode electrode. May be done. Generally, the sputtering rate increases while showing a tendency of saturation from an energy of 1000 V or more. For this reason, in an environment where a high voltage is applied, a metal compound serving as an emitter protective film is also sputtered, and eventually, a current may decrease due to gate leakage. Furthermore, the generation of the gate leak current generates excess power, which hinders low power operation.

【0008】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
ものであり、エミッション特性の劣化、特にゲートリー
ク電流の発生を防止し、低消費電力で、寿命が長く、信
頼性の高い電界放出型冷陰極、およびその製造方法を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems in the related art, and prevents deterioration of emission characteristics, particularly generation of gate leakage current, low power consumption, long life, and high reliability of field emission. It is an object of the present invention to provide a cold cathode and a manufacturing method thereof.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、先
鋭な先端形状のエミッタと、このエミッタに近接して設
けられ、このエミッタ部分に開口を有するゲート電極と
を備えた電界放出型冷陰極において、前記エミッタの表
面が高抵抗材料または絶縁性材料からなる保護膜で覆わ
れていることを特徴とする電界放出型冷陰極である。
According to the present invention, there is provided a field emission type comprising a sharp-pointed emitter formed on a substrate and a gate electrode provided close to the emitter and having an opening in the emitter. In the field emission cold cathode, the surface of the cold cathode is covered with a protective film made of a high resistance material or an insulating material.

【0010】また、本発明は、先鋭な先端形状のエミッ
タと、このエミッタに近接して設けられ、このエミッタ
部分に開口を有するゲート電極とを備えた電界放出型冷
陰極において、前記エミッタの先端の電子放出領域が露
出し、電子放出領域以外の側壁表面が高抵抗材料または
絶縁性材料からなる保護膜で覆われていることを特徴と
する電界放出型冷陰極である。
The present invention is also directed to a field emission cold cathode having a sharp tip-shaped emitter and a gate electrode provided in close proximity to the emitter and having an opening in the emitter portion. The field emission type cold cathode is characterized in that the electron emission region is exposed and the side wall surface other than the electron emission region is covered with a protective film made of a high-resistance material or an insulating material.

【0011】本発明によれば、エミッタ表面に高抵抗材
料あるいは絶縁性の材料よりなる保護膜を形成すること
により、イオン化した残留ガスがエミッタに入射しても
エミッタ材料がスパッタされることを防止し、さらにス
パッタされた保護膜が絶縁膜側壁に付着したとしてもエ
ミッタ・ゲート電極間エミッション電流の低下につなが
るようなゲートリーク電流が流れることはなくなる。さ
らには、ゲートリーク電流の発生による余剰な電力の発
生も無く低電力動作にも有効である。
According to the present invention, by forming a protective film made of a high-resistance material or an insulating material on the surface of the emitter, the emitter material is prevented from being sputtered even when the ionized residual gas enters the emitter. Further, even if the sputtered protective film adheres to the side wall of the insulating film, a gate leak current that leads to a decrease in the emission current between the emitter and the gate electrode does not flow. Further, there is no generation of excess power due to the generation of a gate leak current, which is effective for low power operation.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1に本発明の実施形態の1例を
示す。シリコン基板1上に先鋭な先端を有するエミッタ
5a、それを取り囲むように形成されたゲート電極3a
と絶縁膜2および、エミッタ5aと露出したシリコン基
板1表面を覆う保護膜により構成されている。この図で
は、保護膜6はゲート電極3aと絶縁膜2上にも形成さ
れているがこれらは必ずしも必要ない。
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. Emitter 5a having a sharp tip on silicon substrate 1, gate electrode 3a formed so as to surround it
And an insulating film 2, and a protective film covering the emitter 5 a and the exposed surface of the silicon substrate 1. In this figure, the protective film 6 is also formed on the gate electrode 3a and the insulating film 2, but these are not necessarily required.

【0013】この実施形態の平面図を図2に示す。図1
は図2中A−B間の断面図である。図2に示すように、
表面に形成された保護膜6は、少なくともゲート電極3
aの電極取り出し部11の部分では除去されている。
FIG. 2 is a plan view of this embodiment. FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along a line AB in FIG. As shown in FIG.
The protective film 6 formed on the surface has at least the gate electrode 3
In the part of the electrode take-out part 11 shown in FIG.

【0014】ここで、図7に、エミッタからのエミッシ
ョン電子とその電子によりイオン化した残留ガスの軌跡
を模式的に示し本発明の効果を説明する。図7に示すよ
うにエミッタ5aから放出した電子は、ある広がりを持
った軌跡(点線で示す)を示す。この電子の衝突により
イオン化した残留ガスは電位分布に沿ってエミッタ方向
に進む。ここで、エミッタの極近傍で発生したイオン
(細い実線)はエミッタ先端に向かうが、離れた位置で
発生したイオン(太い実線)は垂直方向のエネルギーを
持っているため、エミッタの側壁に入射する。
FIG. 7 schematically shows the trajectories of the emission electrons from the emitter and the residual gas ionized by the electrons, and the effect of the present invention will be described. As shown in FIG. 7, the electrons emitted from the emitter 5a show a locus having a certain spread (indicated by a dotted line). The residual gas ionized by the collision of the electrons travels toward the emitter along the potential distribution. Here, ions (thin solid line) generated in the vicinity of the emitter are directed toward the tip of the emitter, while ions (thick solid line) generated at a distant position have energy in the vertical direction, and are incident on the side wall of the emitter. .

【0015】従来の電界放出型冷陰極では、このような
イオンの入射によりエミッタはスパッタされ近傍の絶縁
膜2の側壁に堆積したエミッタ材料によるゲートリーク
電流のパスを形成していく。
In the conventional field emission type cold cathode, the emitter is sputtered by the incidence of such ions, and a gate leak current path is formed by the emitter material deposited on the side wall of the insulating film 2 in the vicinity.

【0016】しかし、本発明のように絶縁性のエミッタ
表面保護膜が形成されていると、イオンによりスパッタ
され絶縁膜側壁に堆積しても、導電性でないエミッタ表
面材料が堆積するだけなのでエミッタ・ゲート電極間の
ゲートリークパスは形成されることはない。
However, when an insulating emitter surface protective film is formed as in the present invention, even if it is sputtered by ions and deposited on the side wall of the insulating film, only a nonconductive emitter surface material is deposited. No gate leak path is formed between the gate electrodes.

【0017】この保護膜の体積抵抗率は、10Ω・cm
以上であり、好ましくは105Ω・cm以上である。
The volume resistivity of the protective film is 10 Ω · cm.
And preferably at least 10 5 Ω · cm.

【0018】図1で示したように、エミッタ全面が保護
膜で覆われているときは、保護膜の厚さはトンネリング
によりエミッタ5aから電子が容易に放出される程度の
膜厚、たとえば10nm程度以下が望ましい。
As shown in FIG. 1, when the entire surface of the emitter is covered with a protective film, the thickness of the protective film is such that electrons are easily emitted from emitter 5a by tunneling, for example, about 10 nm. The following is desirable.

【0019】本発明では、図4(c)で示すようにエミ
ッタ5aの電子放出領域を保護膜で覆わないで露出させ
ておくことも好ましい。
In the present invention, as shown in FIG. 4C, it is preferable that the electron emission region of the emitter 5a is exposed without being covered with a protective film.

【0020】さらに、保護膜をスパッタ率の低い材料を
用いることによりエミッタ表面をより保護することが可
能でありエミッタ自体の損傷が無くなる。
Further, by using a material having a low sputtering rate for the protective film, the surface of the emitter can be further protected, and the emitter itself is not damaged.

【0021】保護膜として用いられる材料としては、ダ
イヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜、グラファイト等を挙げることが
できる。この中でも、ダイヤモンド、ダイヤモンドライ
クカーボン、シリコン酸化膜が好ましい。
Examples of the material used as the protective film include diamond, diamond-like carbon, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and graphite. Among them, diamond, diamond-like carbon, and silicon oxide film are preferable.

【0022】本発明の電界放出型冷陰極を、表示素子に
用いることにより輝度の安定した優れた表示装置が得ら
れる。
By using the field emission cold cathode of the present invention for a display element, an excellent display device with stable luminance can be obtained.

【0023】特に、多数の電界放出型冷陰極をアノード
電極と対向させて形成するフラットパネルディスプレイ
の場合には、エミッタへの正イオンの入射によりエミッ
ション電流量が低下すると、周辺との輝度と差が生じた
り、あるいは暗点として残ることになる。しかし、本発
明の電界放出型冷陰極を用いると、複数の多数の電界放
出型冷陰極が電流変動なく動作し寿命の長い表示動作が
可能になる。
In particular, in the case of a flat panel display in which a large number of field emission cold cathodes are formed so as to face an anode electrode, if the amount of emission current decreases due to the incidence of positive ions on the emitter, the difference between the brightness of the surroundings and the brightness is reduced. Occurs or remains as a dark spot. However, when the field-emission cold cathode of the present invention is used, a plurality of field-emission cold cathodes operate without current fluctuation and a long-life display operation can be performed.

【0024】さらに、本発明の電界放出型冷陰極を、デ
ィスプレイ用陰極管(CRT)に適用すると、電流特性
の安定した装置が実現できる。
Further, when the field emission cold cathode of the present invention is applied to a cathode ray tube (CRT) for a display, a device having stable current characteristics can be realized.

【0025】[0025]

【実施例】次に実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

【0026】[実施例1]図3(a)〜(d)は本発明
の第1の実施例の工程順断面図である。初めに、図3
(a)に示すように、約1015cm-3の不純物濃度のn
型シリコン基板1の表面に熱酸化により形成された酸化
膜などの約500nm厚の絶縁膜2を形成する。引き続
き、タングステン等の金属膜よりなる電極膜3をスパッ
タ等の方法で約200nm厚に堆積する。
[Embodiment 1] FIGS. 3A to 3D are sectional views in the order of steps of a first embodiment of the present invention. First, FIG.
As shown in (a), n having an impurity concentration of about 10 15 cm -3
An insulating film 2 having a thickness of about 500 nm, such as an oxide film formed by thermal oxidation, is formed on the surface of a mold silicon substrate 1. Subsequently, an electrode film 3 made of a metal film such as tungsten is deposited to a thickness of about 200 nm by a method such as sputtering.

【0027】次に図3(b)に示すように、電極膜3を
レジスト等のマスクを用いて選択的にエッチングしてゲ
ート電極3aを形成し、さらにフォトリソグラフィ法で
レジストをマスクとしてパターニングしゲート電極3a
および絶縁膜2をリアクティブイオンエッチング(RI
E)法によりエッチングし、シリコン基板1が露出する
開口をエミッタ形成領域に形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the electrode film 3 is selectively etched using a mask such as a resist to form a gate electrode 3a, and further patterned by photolithography using the resist as a mask. Gate electrode 3a
And the insulating film 2 are subjected to reactive ion etching (RI
Etching is performed by the method E) to form an opening exposing the silicon substrate 1 in the emitter formation region.

【0028】次に、図3(c)に示すように、例えばア
ルミよりなる犠牲層4を垂直方向から所定の角度だけ傾
けた斜め方向から電子ビーム蒸着法により約100nm
厚に堆積する。この工程では、犠牲層は斜め上方向から
堆積されるためにエミッタ形成領域となる露出したシリ
コン基板1上には成膜せず、絶縁層2の上面と側壁およ
びゲート電極3a上に成膜される。
Next, as shown in FIG. 3C, the sacrificial layer 4 made of, for example, aluminum is made about 100 nm in an oblique direction inclined at a predetermined angle from the vertical direction by electron beam evaporation.
Deposits thick. In this step, since the sacrificial layer is deposited obliquely from above, the sacrificial layer is not formed on the exposed silicon substrate 1 serving as an emitter formation region, but is formed on the upper surface and the side wall of the insulating layer 2 and on the gate electrode 3a. You.

【0029】次に、例えばMoなどのエミッタ材料層5
を垂直方向から電子ビーム蒸着法により堆積する。この
工程で犠牲層4の上面にエミッタ材料層5が堆積すると
同時に、エミッタ形成領域のシリコン基板1上にエミッ
タ材料層5がコーン形状に堆積成長してエミッタ5aが
形成される。
Next, an emitter material layer 5 of, for example, Mo
Is deposited from the vertical direction by an electron beam evaporation method. In this step, the emitter material layer 5 is deposited on the upper surface of the sacrifice layer 4 and, at the same time, the emitter material layer 5 is deposited and grown in a cone shape on the silicon substrate 1 in the emitter formation region to form the emitter 5a.

【0030】次に図3(d)に示すように、リン酸等で
犠牲層4をエッチング除去する。これにより犠牲層4上
のエミッタ材料層5はリフトオフされエミッタ5aが露
出する。
Next, as shown in FIG. 3D, the sacrificial layer 4 is removed by etching with phosphoric acid or the like. As a result, the emitter material layer 5 on the sacrificial layer 4 is lifted off to expose the emitter 5a.

【0031】その後、CVD法等で例えばダイヤモンド
膜等の半絶縁性膜よりなる保護膜6を5nmから20n
m厚に全面に堆積した後、パッド形成用に所定の領域の
保護膜6を除去して図1に示す第1の実施例の電界放出
型冷陰極が得られる。
Thereafter, a protective film 6 made of a semi-insulating film such as a diamond film is formed by a CVD method or the like from 5 nm to 20 nm.
After depositing over the entire surface to a thickness of m, the protective film 6 in a predetermined area for pad formation is removed to obtain the field emission cold cathode of the first embodiment shown in FIG.

【0032】この方法では、電界放出型冷陰極の形成の
最終工程で、簡略に所望の保護膜を形成する事が可能で
ある。
According to this method, a desired protective film can be simply formed in the final step of forming the field emission cold cathode.

【0033】電界放出型冷陰極の寿命を10-6Paの真
空度環境で評価したところ、従来のエミッタが露出した
電界放出型冷陰極では100時間経過後から次第にゲー
トリーク電流が増加しエミッション電流が低下していっ
たが、本発明の素子ではリーク電流の発生は認められな
かった。
When the life of the field emission type cold cathode was evaluated in a vacuum environment of 10 −6 Pa, in the conventional field emission type cold cathode with the exposed emitter, the gate leakage current gradually increased after 100 hours, and the emission current was increased. However, no leakage current was observed in the device of the present invention.

【0034】[実施例2]次に本発明の第2の実施例に
ついて説明する。図4(a)〜(c)は本発明の第2の
実施例の工程順断面図である。
[Embodiment 2] Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIGS. 4A to 4C are sectional views in the order of steps in a second embodiment of the present invention.

【0035】図4(a)に示すように、第1の実施例と
同様にして、エミッタ材料層5を犠牲層4の上面に堆積
すると同時に、エミッタ5aを形成する。
As shown in FIG. 4A, the emitter material layer 5 is deposited on the upper surface of the sacrificial layer 4 and the emitter 5a is formed at the same time as in the first embodiment.

【0036】その後、図4(b)に示すようにリン酸等
で犠牲層4をエッチングし、不要なエミッタ材料層5を
リフトオフし、109Ω・cm程度のダイヤモンドライ
クカーボン(DLC)を約10nm厚にCVD法で全面
に堆積し、レジストなどの平坦性膜を塗布した後、O2
プラズマ中でレジストをエッチバックし、エミッタ5a
を形成した開口内にのみレジスト7が残り、レジストの
中からエミッタの先端が露出するようにする。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, the sacrificial layer 4 is etched with phosphoric acid or the like, unnecessary emitter material layers 5 are lifted off, and diamond-like carbon (DLC) of about 10 9 Ω · cm is removed. After a 10 nm thick film is deposited on the entire surface by the CVD method and a flat film such as a resist is applied, O 2
The resist is etched back in the plasma and the emitter 5a is etched.
The resist 7 remains only in the opening in which is formed, and the tip of the emitter is exposed from the resist.

【0037】この後、露出部分のDLC膜をエッチング
し、レジストを取り除き、図4(c)のように、エミッ
タ5aの側壁にDLC膜を残し、先端にMo等のエミッ
タ材料が露出させることで電界放出型冷陰極を完成す
る。
Thereafter, the exposed portion of the DLC film is etched to remove the resist, leaving the DLC film on the side wall of the emitter 5a and exposing the emitter material such as Mo at the tip as shown in FIG. 4C. A field emission cold cathode is completed.

【0038】本実施例ではエミッタの先端を露出させて
いるために電子が放出する際に保護膜をトンネリングす
る必要が無く低電圧での動作が可能である。
In this embodiment, since the tip of the emitter is exposed, there is no need to tunnel the protective film when electrons are emitted, and operation at a low voltage is possible.

【0039】このように、エミッタ先端が露出していて
も、高エネルギーのイオンはエミッタから離れているの
でエミッタ先端に入射する確率は低く、また微小な体積
であるのでスパッタされたとしても絶縁膜2の側壁にリ
ーク電流パスを形成する可能性は極めて低い。
As described above, even when the tip of the emitter is exposed, the high-energy ions are far from the emitter, so that the probability of being incident on the tip of the emitter is low. The possibility of forming a leakage current path on the side wall of the second is extremely low.

【0040】即ち、本実施例では、低電圧駆動が可能な
長寿命かつ高信頼性の電界放出型冷陰極を得ることがで
きる。
That is, in this embodiment, it is possible to obtain a long-life and high-reliability field emission type cold cathode which can be driven at a low voltage.

【0041】[実施例3]次に本発明の第3の実施例に
ついて説明する。図5(a)〜(e)は本発明の第3の
実施例の工程順断面図である。まず、図5(a)に示す
ようにシリコン基板1に熱酸化法などの方法で形成され
た約200nm厚の酸化膜などの絶縁膜21を形成す
る。
Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIGS. 5A to 5E are process sectional views of a third embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 5A, an insulating film 21 such as an oxide film having a thickness of about 200 nm is formed on the silicon substrate 1 by a method such as a thermal oxidation method.

【0042】次に図5(b)に示すように、絶縁膜21
をマスクとしてSF6などのガスを用いたドライエッチ
ング法でシリコン基板1をエッチングし凸形状に加工す
る。
Next, as shown in FIG.
The silicon substrate 1 is etched into a convex shape by a dry etching method using a gas such as SF 6 using the mask as a mask.

【0043】次に図5(c)に示すように、露出したシ
リコン基板1に熱酸化を施し約200nm厚の酸化膜2
2を形成すると同時にエミッタ形成用のシリコン基板1
の凸形状を先鋭な円錐形に加工し、エミッタ5aを形成
する。さらに電子ビーム蒸着法で酸化膜などの絶縁膜2
3を約300nm厚に形成し、さらにタングステンなど
の金属膜よりなる電極膜3を約200nm厚に形成す
る。
Next, as shown in FIG. 5C, the exposed silicon substrate 1 is subjected to thermal oxidation to form an oxide film 2 having a thickness of about 200 nm.
2 and silicon substrate 1 for emitter formation at the same time
Is processed into a sharp conical shape to form the emitter 5a. Further, an insulating film 2 such as an oxide film is formed by an electron beam evaporation method.
3 is formed to a thickness of about 300 nm, and an electrode film 3 made of a metal film such as tungsten is formed to a thickness of about 200 nm.

【0044】次に図5(d)に示すように、電極膜3を
フォトリソグラフィ法でパターニングした後、弗酸溶液
などで絶縁膜21、絶縁膜23および酸化膜22をエッ
チングする。これによりエミッタ上の余剰な電極膜3は
リフトオフされ除去されゲート電極3aが形成される。
Next, as shown in FIG. 5D, after the electrode film 3 is patterned by photolithography, the insulating film 21, the insulating film 23 and the oxide film 22 are etched with a hydrofluoric acid solution or the like. As a result, the surplus electrode film 3 on the emitter is lifted off and removed to form a gate electrode 3a.

【0045】次に、図5(e)に示すように露出したエ
ミッタ5a表面を酸化させ、5nmから10nmの酸化
膜よりなる保護膜6を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, the exposed surface of the emitter 5a is oxidized to form a protective film 6 made of an oxide film of 5 to 10 nm.

【0046】以上説明したようにシリコン基板をエッチ
ング等で先鋭化しエミッタを形成する方法では、エミッ
タ表面を薄く酸化することで容易に保護膜を形成するこ
とが可能である。この方法でもDLC膜などの材料を堆
積してもかまわない。
As described above, in the method of forming the emitter by sharpening the silicon substrate by etching or the like, it is possible to easily form the protective film by oxidizing the surface of the emitter thinly. In this method, a material such as a DLC film may be deposited.

【0047】[実施例4]次に、第4の実施例について
説明する。図6は第4の実施例の断面図である。約10
15cmー3の濃度のn型シリコン基板1の表面に円錐型の
エミッタ5aが形成され、例えば熱酸化により形成され
た酸化膜などからなる約200nm厚の酸化膜22、3
00nm厚の絶縁膜23と例えばタングステンよりなる
ゲート電極3aよりなる電界放出型冷陰極のエミッタ5
aの先端を除く領域に例えば酸化膜よりなる保護膜6が
形成された構造となっている。
[Embodiment 4] Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 6 is a sectional view of the fourth embodiment. About 10
A conical emitter 5a is formed on the surface of an n-type silicon substrate 1 having a concentration of 15 cm -3 , and an oxide film 22 or 3 having a thickness of about 200 nm, for example, an oxide film formed by thermal oxidation.
Field emission type cold cathode emitter 5 comprising a 00 nm thick insulating film 23 and a gate electrode 3a made of, for example, tungsten.
The structure is such that a protective film 6 made of, for example, an oxide film is formed in a region excluding the tip of a.

【0048】このような構造を形成には、実施例3と同
様にして図5(e)までの構造を形成した後、実施例2
と同様にレジストなどの平坦性膜を塗布した後、レジス
トをエッチバックし、エミッタの先端がレジストの中か
ら露出するようし、露出部分のシリコン酸化膜をエッチ
ングし、その後レジストを除くと、図6のようにエミッ
タ先端にシリコンが露出し、エミッタ側壁がシリコン酸
化膜からなる保護膜で覆われる構造が完成する。
In order to form such a structure, the structure up to FIG.
After applying a flat film such as resist in the same manner as above, etch back the resist so that the tip of the emitter is exposed from inside the resist, etch the exposed silicon oxide film, and then remove the resist. As shown in 6, a structure in which silicon is exposed at the tip of the emitter and the side wall of the emitter is covered with a protective film made of a silicon oxide film is completed.

【0049】このようにシリコンよりなるエミッタで
も、先端を露出させエミッション特性を向上させた状態
でエミッタのスパッタを保護することは可能である。こ
の方法は酸化膜のように仕事関数が高くエミッション効
率の比較的悪い材料を保護膜として利用する際に有効で
ある。
As described above, even with the emitter made of silicon, it is possible to protect the sputter of the emitter in a state where the tip is exposed and emission characteristics are improved. This method is effective when a material having a high work function and relatively low emission efficiency, such as an oxide film, is used as a protective film.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明によれば、エミッション特性の劣
化、特にゲートリーク電流の発生を防止し、低消費電力
で、寿命が長く、信頼性の高い電界放出型冷陰極を提供
することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a field emission type cold cathode which has a low power consumption, a long service life and a high reliability by preventing the deterioration of the emission characteristic, in particular, the occurrence of a gate leak current. .

【0051】また、本発明によれば低電圧動作も可能で
ある。
Further, according to the present invention, low voltage operation is possible.

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

【図1】本発明の電界放出型冷陰極の1例を示す断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one example of a field emission cold cathode according to the present invention.

【図2】本発明の電界放出型冷陰極の1例を示す平面図
である。
FIG. 2 is a plan view showing one example of a field emission cold cathode of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例の工程順断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in the order of steps of the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施例の工程順断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view in the order of steps of a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施例の工程順断面図である。FIG. 5 is a sectional view in order of steps of a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第4の実施例の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a fourth embodiment of the present invention.

【図7】電界放出型冷陰極から放出される電子および冷
陰極に照射されるイオンの軌跡の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of trajectories of electrons emitted from a field emission type cold cathode and ions irradiated to the cold cathode.

【図8】従来の電界放出型冷陰極の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a conventional field emission cold cathode.

【図9】従来の電界放出型冷陰極の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a conventional field emission cold cathode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 絶縁膜 3 ゲート電極材料 3a ゲート電極 4 犠牲層、 5 エミッタ材料層 5a エミッタ 6 保護膜 7 レジスト 8 有機金属化合物 21 絶縁膜 22 酸化膜 23 絶縁膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Insulating film 3 Gate electrode material 3a Gate electrode 4 Sacrificial layer, 5 Emitter material layer 5a Emitter 6 Protective film 7 Resist 8 Organometallic compound 21 Insulating film 22 Oxide film 23 Insulating film

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、先鋭な先端形状のエミッタ
と、このエミッタに近接して設けられ、このエミッタ部
分に開口を有するゲート電極とを備えた電界放出型冷陰
極において、 前記エミッタの表面が高抵抗材料または絶縁性材料から
なる保護膜で覆われていることを特徴とする電界放出型
冷陰極。
1. A field emission cold cathode comprising: a sharp-pointed emitter on a substrate; and a gate electrode provided close to the emitter and having an opening in the emitter portion. Characterized by being covered with a protective film made of a high-resistance material or an insulating material.
【請求項2】 先鋭な先端形状のエミッタと、このエミ
ッタに近接して設けられ、このエミッタ部分に開口を有
するゲート電極とを備えた電界放出型冷陰極において、 前記エミッタの先端の電子放出領域が露出し、電子放出
領域以外の側壁表面が高抵抗材料または絶縁性材料から
なる保護膜で覆われていることを特徴とする電界放出型
冷陰極。
2. A field emission cold cathode having a sharp tip-shaped emitter and a gate electrode provided adjacent to the emitter and having an opening in the emitter portion, wherein the electron emission region at the tip of the emitter is provided. Wherein the surface of the side wall other than the electron emission region is covered with a protective film made of a high resistance material or an insulating material.
【請求項3】 前記保護膜が、ダイヤモンド膜、ダイヤ
モンドライクカーボン膜またはシリコン酸化膜である請
求項1または2記載の電界放出型冷陰極。
3. The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the protective film is a diamond film, a diamond-like carbon film, or a silicon oxide film.
【請求項4】 シリコン基板上に、絶縁膜と電極膜をこ
の順に形成する工程と、 前記電極膜をゲート電極形状に加工すると共に、前記絶
縁膜と電極膜のエミッタ形成位置に開口を設け、前記シ
リコン基板を露出させる工程と、 斜め蒸着法により、前記開口内以外の表面に犠牲層を形
成する工程と、 この犠牲層の表面にエミッタ材料層を堆積すると共に、
前記開口にエミッタ電極をコーン状に形成する工程と、 前記犠牲層をエッチングして犠牲層上のエミッタ材料層
をリフトオフする工程と、 コーン状のエミッタの表面に高抵抗材料または絶縁性材
料を成膜して保護膜を形成する工程とを有する請求項1
記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
4. A step of forming an insulating film and an electrode film in this order on a silicon substrate, processing the electrode film into a gate electrode shape, and providing an opening at an emitter forming position of the insulating film and the electrode film; Exposing the silicon substrate; forming a sacrificial layer on a surface other than the inside of the opening by oblique vapor deposition; depositing an emitter material layer on the surface of the sacrificial layer;
A step of forming an emitter electrode in the opening in a cone shape; a step of etching the sacrificial layer to lift off an emitter material layer on the sacrificial layer; and forming a high-resistance material or an insulating material on the surface of the cone-shaped emitter. Forming a protective film by filming.
A method for producing a field emission cold cathode as described in the above.
【請求項5】 シリコン基板上に、絶縁膜と電極膜をこ
の順に形成する工程と、 前記電極膜をゲート電極形状に加工すると共に、前記絶
縁膜と電極膜のエミッタ形成位置に開口を設け、前記シ
リコン基板を露出させる工程と、 斜め蒸着法により、前記開口内以外の表面に犠牲層を形
成する工程と、 この犠牲層の表面にエミッタ材料層を堆積すると共に、
前記開口にエミッタ電極をコーン状に形成する工程と、 前記犠牲層をエッチングして犠牲層上のエミッタ材料層
をリフトオフする工程と、 コーン状のエミッタの表面に高抵抗材料または絶縁性材
料を成膜して保護膜を形成する工程と、 続いて、全面にレジストを形成した後エッチバックする
ことで、レジストの中からエミッタの先端を露出させる
工程と、 エミッタ先端の保護膜を除去する工程とを有する請求項
2記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
5. A step of forming an insulating film and an electrode film in this order on a silicon substrate; processing the electrode film into a gate electrode shape; and providing an opening at an emitter forming position of the insulating film and the electrode film. Exposing the silicon substrate; forming a sacrificial layer on a surface other than the inside of the opening by oblique vapor deposition; depositing an emitter material layer on the surface of the sacrificial layer;
A step of forming an emitter electrode in a cone shape in the opening; a step of etching off the sacrificial layer to lift off an emitter material layer on the sacrificial layer; and forming a high-resistance material or an insulating material on the surface of the cone-shaped emitter. A step of forming a protective film by filming, a step of exposing the tip of the emitter from the resist by forming a resist on the entire surface and then performing an etch back, and a step of removing the protective film at the tip of the emitter. 3. The method for producing a field emission cold cathode according to claim 2, comprising:
【請求項6】 シリコン基板上のエミッタ形成位置に第
1の絶縁膜を形成する工程と、 第1の絶縁膜をマスクとして前記シリコン基板を等方性
エッチングし、続いて熱酸化することにより、シリコン
基板表面にシリコン酸化膜を形成すると同時に第1の絶
縁膜下のシリコン基板を先鋭な形状に加工してエミッタ
を形成する工程と、 第2の絶縁膜と、引き続き電極膜を成膜する工程と、 エミッタ上に形成された第1の絶縁膜、第2の絶縁膜お
よび電極膜をフォトリソグラフィにより除去する工程
と、 表面に露出したシリコンのエミッタの表面を酸化して保
護膜を形成する工程とを有する請求項1記載の電界放出
型冷陰極の製造方法。
6. A step of forming a first insulating film at an emitter forming position on a silicon substrate, isotropically etching the silicon substrate using the first insulating film as a mask, and subsequently thermally oxidizing the silicon substrate. Forming a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate and simultaneously processing the silicon substrate under the first insulating film into a sharp shape to form an emitter; and forming a second insulating film and subsequently an electrode film Removing the first insulating film, the second insulating film, and the electrode film formed on the emitter by photolithography, and oxidizing the surface of the silicon emitter exposed on the surface to form a protective film The method for producing a field emission cold cathode according to claim 1, comprising:
【請求項7】 シリコン基板上のエミッタ形成位置に第
1の絶縁膜を形成する工程と、 第1の絶縁膜をマスクとして前記シリコン基板を等方性
エッチングし、続いて熱酸化することにより、シリコン
基板表面にシリコン酸化膜を形成すると同時に第1の絶
縁膜下のシリコン基板を先鋭な形状に加工してエミッタ
を形成する工程と、 第2の絶縁膜と、引き続き電極膜を成膜する工程と、 エミッタ上に形成された第1の絶縁膜、第2の絶縁膜お
よび電極膜をフォトリソグラフィにより除去する工程
と、 表面に露出したシリコンのエミッタの表面を酸化して保
護膜を形成する工程と、 続いて、全面にレジストを形
成した後エッチバックすることで、レジストの中からエ
ミッタの先端を露出させる工程と、 エミッタ先端の保護膜を除去する工程とを有する請求項
2記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
7. A step of forming a first insulating film at a position where an emitter is formed on a silicon substrate, isotropically etching the silicon substrate using the first insulating film as a mask, and subsequently thermally oxidizing the silicon substrate. Forming a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate and simultaneously processing the silicon substrate under the first insulating film into a sharp shape to form an emitter; and forming a second insulating film and subsequently an electrode film Removing the first insulating film, the second insulating film, and the electrode film formed on the emitter by photolithography, and oxidizing the surface of the silicon emitter exposed on the surface to form a protective film Subsequently, a step of exposing the tip of the emitter from the resist by etching back after forming a resist on the entire surface, and a step of removing the protective film at the tip of the emitter. The method for producing a field emission cold cathode according to claim 2.
【請求項8】請求項1〜3のいずれかに記載の電界放出
型冷陰極を用いた表示装置。
8. A display device using the field emission cold cathode according to claim 1.
【請求項9】請求項1〜3のいずれかに記載の電界放出
型冷陰極を用いたフラットパネルディスプレイ。
9. A flat panel display using the field emission cold cathode according to claim 1.
【請求項10】請求項1〜3のいずれかに記載の電界放
出型冷陰極を用いたディスプレイ用陰極管。
10. A display cathode tube using the field emission cold cathode according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6583477B1 (en) * 2001-12-28 2003-06-24 Electronics And Telecommunications Research Institute Field emission device
JP2006318836A (en) * 2005-05-16 2006-11-24 Sony Corp Electron emitting panel and flat display device
JP2007273364A (en) * 2006-03-31 2007-10-18 Toshiba Corp Field emission cold cathode device and its manufacturing method

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