JPH1131452A - 電界放出型冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン化した残留ガスのエミッタへの入射に
よるエミッション特性の劣化を防止する。 【解決手段】 シリコン基板１上には、エミッタ４ａお
よびイオン収集電極5ア，５ｂが形成され、エミッタ４ａ
およびイオン収集電極５ａ，５ｂは、シリコン基板１と
電気的に接続される。さらに、シリコン基板１上には、
絶縁膜２を介して、エミッタ４ａを取り囲むゲート電極
３が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出型冷陰極に
関し、特に先端が先鋭なエミッタを有する電界放出型冷
陰極およびその製造方法に関する。

【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が形成されて
エミッタに近接して配置されるゲート電極とを有し、ゲ
ート電極によりエミッタ先端に高電界を集中させ、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。

【０００３】ところで、上記の動作は真空中での動作で
はあるが、厳密には極低圧の残留ガスが動作環境中に残
っている。さらに、電子流がアノード電極などに入射し
た時に脱ガスが真空度を劣化させることがある。このよ
うな真空環境では電子が残留ガスを正にイオン化し、正
にイオン化した残留ガスがエミッタに入射し、エミッタ
材料がスパッタされ、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。

【０００４】このようなイオンの発生を防止するために
は真空度の向上が有効であるが、エミッタへのイオンの
入射を抑制できる構造も有効である。

【０００５】従来、この種の電界放出型冷陰極として
は、図１７および図１８に示すような構造のものがあ
り、例えば特開平５−３０７９３０号公報に開示されて
いる。

【０００６】図１７は従来の電界放出型冷陰極の一例の
平面図であり、図１８は図１７に示した電界放出型冷陰
極のＡ−Ａ線断面図である。

【０００７】図１７および図１８に示すように、この電
界放出型冷陰極は、シリコン基板１０１上にアレイ状に
配置された複数のエミッタ１０４ａと、シリコン基板１
０１上に絶縁膜１０２を介して所定のパターンに形成さ
れたゲート電極１０３と、ゲート電極１０３上に形成さ
れた金属膜１０７とを有する。絶縁膜１０２およびゲー
ト電極１０３には複数の開口が形成され、エミッタは１
０４ａそれぞれ開口の中に形成されている。金属膜１０
７は、エミッタ１０４ａが形成された領域の中央部に形
成されている。

【０００８】上述した電界放出型冷陰極の製造工程につ
いて、図１９（ａ）〜（ｃ）および図１８を参照して説
明する。

【０００９】まず、図１９（ａ）に示すように、支持基
盤となるシリコン基板１０１上に、酸化膜よりなる絶縁
膜１０２を熱酸化により形成し、その上に、電極膜１０
３’を形成する。

【００１０】次に、図１９（ｂ）に示すように、電極膜
１０３’上に金属膜１０７を選択的に形成する。この金
属膜１０７は、レジストなどをパターニングしその上に
金属膜材料を全面に積層した後、リフトオフするなどの
工程で形成できる。その後、電極膜１０３’を選択的に
リソグラフィを用いてパターニングすることによってゲ
ート電極１０３を形成した後、選択的にレジスト（図示
なし）をマスクとしてゲート電極１０３およびその下層
の絶縁膜１０２に開口を形成する。

【００１１】次に、図１９（ｃ）に示すように、絶縁膜
１０２、金属膜１０７およびゲート電極１０３の上面、
および開口の内周壁に、斜め方向からの蒸着により金属
膜よりなる犠牲層１０６を形成する。犠牲層１０６は斜
め方向から蒸着されて形成されるので、開口の底部には
犠牲層１０６は形成されず、シリコン基板１０１が露出
したままとなっているない。さらに、犠牲層１０６が形
成されたシリコン基板１０１上に、エミッタ材料層１０
４’を垂直方向からの蒸着により形成する。これによ
り、シリコン基板１０１が露出している開口の底部に堆
積したエミッタ材料層１０４’は先端が先鋭な形状にな
り、エミッタ１０４ａが形成される。

【００１２】最後に、犠牲層１０６をエッチング除去
し、エミッタ材料層１０４’を選択的にリフトオフ除去
し、エミッタ１０４ａを露出させることによって、図１
８に示した構造の電界放出型冷陰極が製造される。

【００１３】以上説明したように、ゲート電極１０３上
のエミッタ１０４ａがアレイ状に形成された領域の中央
に、高融点の金属膜１０７を形成することにより、エミ
ッタアレイから放出された電子流の中心に沿って加速さ
れた正にイオン化した残留ガスは、安定な金属膜１０７
上に入射し、エミッタ１０４ａへの衝突が抑制される。
その結果、エミッションが安定化する。

【００１４】次に、エミッタへのイオンの入射を抑制で
きる構造を有する従来の電界放出型冷陰極の他の例につ
いて、図２０を参照して説明する。図２０は、従来の電
界放出型冷陰極の他の例の断面図である。

【００１５】図２０に示すように、絶縁膜１１２の、エ
ミッタ１１４ａが形成された領域の中央部には、シリコ
ン基板１１１に通じる開口が形成されている。絶縁膜１
１２上の開口の周囲には、ゲート電極１１３とは電気的
に接続されていないリング電極１１８が形成されてい
る。そして、このリング電極１１８上に、開口を覆う金
属膜１１７が形成されている。

【００１６】この電界放出型冷陰極では、金属膜１１７
が形成された領域の下の絶縁膜１１２が除去されている
ため、絶縁膜１１２が残留ガスの正イオンの衝突の影響
で熱的にあるいは機械的に影響を及ぼされることはな
い。従って、電子流の中心に沿って加速された正イオン
がエミッタ１１４ａに衝突することによるエミッション
の変動も抑制される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の電界放出型冷陰極には、以下に示すような問題
点があった。

【００１８】第１に、発生した残留ガスの正イオンのう
ち電子流の中心に加速されない状態では、上述した効果
が小さくなることである。つまり、電子流の中心で正イ
オンが加速されるには、エミッションの電子流密度が高
く、電子流によりエミッションの中心の電位が低下して
いる必要がある。従って、電流密度が低い場合には、エ
ミッタアレイの中央部に金属膜を形成するだけではエミ
ッションの中央に正イオンが加速される効果が小さくな
る。

【００１９】第２の問題点は、エミッタアレイの周辺で
発生した正イオンには効果が小さいということである。
これはエミッタの周辺で発生した正イオンはエミッタア
レイの中央の電位よりもエミッタの電位に影響され、直
接エミッタに入射するためである。

【００２０】第３の問題点は、ゲート電極周辺の領域に
は正イオンの入射に対する保護がされていないため、ゲ
ート電極周辺の絶縁膜に正イオンが入射し、チャージア
ップあるいは絶縁性の低下といった問題が生じることで
ある。これは、十分なエミッションの電流密度により正
イオンがエミッションの中央に加速されている状態では
生じないが、研究によると、ゲート電極周辺の絶縁膜の
下にはエミッタ電極となるシリコン基板が存在するた
め、最も低電位のエミッタと同じ電位が絶縁膜上に分布
することがわかっており、これにより正イオンの一部が
周辺の絶縁膜上に入射するためである。

【００２１】第４の問題点は、エミッタへの正イオンの
入射を抑制するために金属電極を形成することは、余分
な工程が追加されるということであり、その分だけ製造
コストが上昇してしまうということである。

【００２２】本発明の目的は、上記の欠点をなくし、正
にイオン化した残留ガスのエミッタへの入射によるエミ
ッション特性の劣化を防止することにある。特に、あら
ゆる条件下において有効にエミッタのイオンによる損傷
を防止できる電界放出型冷陰極を簡略に提供することで
ある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の電界放出型冷陰極は、基板上に形成されたエミ
ッタと、前記基板上に絶縁膜を介して形成され、前記エ
ミッタを取り囲む開口が設けられたゲート電極と、前記
基板上に形成され、前記ゲート電極よりも低電位のイオ
ン収集電極とを有する。

【００２４】上記のとおり構成された本発明の電界放出
型冷陰極によれば、エミッタが形成された基板上に、ゲ
ート電極よりも低電位のイオン収集電極が形成されてい
るので、エミッションによりイオン化された残留ガス
は、エミッタよりもイオン収集電極に入射する。これに
より、エミッタは保護され、エミッションの低下が抑制
される。

【００２５】エミッタはアレイ状に複数個配列されてい
てもよく、この場合には、エミッタが配列された領域の
内側および周囲、またはエミッタが配列された領域の内
側およびゲート電極の周囲にイオン収集電極を配置する
ことで、イオン化された残留ガスのエミッタへの入射が
より効果的に抑制される。

【００２６】イオン収集電極は、導電性の材料で構成し
てもよいし、基板の一部で構成してもよい。また、イオ
ン収集電極の高さをエミッタの高さよりも高くしたり、
イオン収集電極の先端面の面積をエミッタの先端よりも
大きくしたり、イオン収集電極をエミッタよりも低電位
とすることにより、イオン化された残留ガスはよりイオ
ン収集電極に入射し易くなり、結果的に、イオン化され
た残留ガスのエミッタへの入射が抑制される。

【００２７】本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、
基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に選択
的にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極およ
び前記絶縁膜を貫通する第１の開口を形成すると同時
に、前記ゲート電極の周囲に前記絶縁膜を貫通する第２
の開口を形成する工程と、前記第１の開口および第２の
開口に導電性材料を堆積し、前記第１の開口に先端が先
鋭なエミッタを形成し、前記第２の開口にイオン収集電
極を形成する工程とを有する。

【００２８】また、基板上のエミッタを形成すべき部位
およびイオン収集電極を形成すべき部位に膜を形成する
工程と、前記膜をマスクとして前記基板をエッチング
し、エミッタおよびイオン収集電極を同時に形成する工
程と、前記エミッタおよびイオン収集電極が形成された
基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成するととも
に、前記基板から前記膜を除去する工程とを有する。

【００２９】これにより、上記本発明の電界放出型冷陰
極が製造される。また、エミッタとイオン収集電極を同
時に形成することが可能であるため、イオン収集電極を
有する電界放出型冷陰極を容易に製造可能である。

【００３０】

【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。

【００３１】（第１の実施形態）図１は本発明の電界放
出型冷陰極の第１の実施形態の平面図であり、図２は図
１に示した電界放出型冷陰極のＢ−Ｂ線断面図である。

【００３２】図１および図２に示すように、この電界放
出型冷陰極は、シリコン基板１上にアレイ状に配列され
た複数のエミッタ４ａで構成されるエミッタアレイ４
と、同じくシリコン基板１上に形成されたイオン収集電
極５ａ，５ｂと、シリコン基板１上に絶縁膜２を介して
所定のパターンに形成されたゲート電極３とを有する。
絶縁膜２およびゲート電極３には複数の開口が形成さ
れ、エミッタ４ａはそれぞれ開口の中に形成されてい
る。イオン収集電極５ａ，５ｂは、エミッタ４ａが形成
された領域の中央部、およびゲート電極３のエミッタ４
ａを囲む部分の周辺部に形成されている。ここで、エミ
ッタアレイ４の幅が１００μｍ程度であれば、イオン収
集電極５ａ，５ｂの幅は５μｍから３０μｍ程度であ
る。

【００３３】このように、イオン収集電極５ａ，５ｂが
シリコン基板１上に形成されているので、イオン収集電
極５ａ，５ｂはシリコン基板１と電気的に接続されてお
り、ゲート電極３で決まる平面上の電位は、高電位のゲ
ート電極３と最低電位のエミッタ４ａの先端以外に、エ
ミッタ４ａと等電位のイオン収集電極５ａ，５ｂで規定
される。イオン収集電極５ａ，５ｂの先端面はエミッタ
４ａの先端よりも大きな面積にできるため、ゲート電極
３の表面近傍の電位分布に与える影響は大きいものとな
る。これにより、エミッションによりイオン化されたゲ
ート電極３の近傍の残留ガスは、イオン収集電極５ａ，
５ｂで形成された低電位の電位分布と垂直方向に加速さ
れ、結果的にはイオン収集電極５ａ，５ｂに入射し、エ
ミッタ４ａへの入射が抑制される。

【００３４】この、正イオンをイオン収集電極５ａ，５
ｂで捕捉する効果は、電子流の中心に正イオンが加速さ
れることを利用したものではないため、電流密度による
影響は受けず、従来よりも汎用性がよくなる効果があ
る。

【００３５】イオン化した残留ガスの軌跡を、図２０と
比較して説明する。図２０に示した従来の電界放出型冷
陰極では、残留ガスの正イオンは中央部では金属膜１１
７に入射していくが、その周辺部ではエミッタ１１４ａ
に入射していく。また、ゲート電極１１３よりも外側で
発生した正イオンは周辺の絶縁膜１１２中に入射してい
く。それに対して本実施形態の電界放出型冷陰極では、
図２に示すように、残留ガスの正イオンは周辺部でもイ
オン収集電極５ｂへ入射するため、エミッタ４ａに入射
する残留ガスの正イオンは軽微なものとなる。さらに
は、エミッタアレイ４の周辺の絶縁膜２上に従来は入射
していたものが、本実施形態ではイオン収集電極５ｂに
入射するため、ゲート電極３の周辺の絶縁膜２も保護さ
れている。従って、ゲート電極３の周囲のイオン収集電
極５ｂは、絶縁膜２の絶縁性の劣化やチャージアップと
いった問題にも効果がある。

【００３６】次に、本実施形態の電界放出型冷陰極の製
造工程について、図３を参照して説明する。

【００３７】まず、図３（ａ）に示すように、約１０¹⁵
ｃｍ^-3の密度のｎ型シリコン基板１の表面に、酸化膜よ
りなる絶縁膜２を、熱酸化により約５００ｎｍの厚さで
形成する。その後、フォトリソグラフィ法を用い、絶縁
膜２にシリコン基板１に到達する開口を形成し、さら
に、Ｗ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の厚さで堆積する。ここで絶縁膜２に
形成する開口の位置、大きさおよび形状は、イオン収集
電極５ａ，５ｂの位置、大きさおよび形状と一致する。

【００３８】次に、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、図３（ｂ）に示すよう
に、絶縁膜２上のゲート電極３、およびシリコン基板１
に接続するイオン収集電極５ａ，５ｂを形成する。つま
り、ゲート電極３のパターニングと同時にイオン収集電
極５ａ，５ｂが形成される。さらに、フォトリソグラフ
ィ法でレジストをパターニングしてマスクとし、ゲート
電極３および絶縁膜２をリアクティブイオンエッチング
（ＲＩＥ）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。

【００３９】次に、図３（ｃ）に示すように、例えばア
ルミよりなる犠牲層６を、垂直方向から所定の角度だけ
傾けた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６は斜め上方向から堆
積されるため、エミッタ形成領域となる開口のシリコン
基板１上には成膜せず、絶縁膜２の上面と側壁、ゲート
電極３およびイオン収集電極５ａ，５ｂ上に成膜され
る。次に、例えばＭｏなどの導電性材料からなるエミッ
タ材料層４’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６およびシリコン基板１上に
エミッタ材料層４’が成長し、シリコン基板１上のエミ
ッタ材料層４’の形状はコーン形となり、先端が先鋭な
エミッタ４ａが形成される。

【００４０】次に、リン酸等の溶液中で犠牲層６をエッ
チング除去する。これにより犠牲層６上のエミッタ材料
層４’はリフトオフされ、図２に示すように、エミッタ
４ａが露出し、本実施形態の電界放出型冷陰極が得られ
る。

【００４１】この方法では、電極膜３’からゲート電極
３およびイオン収集電極５ａ，５ｂを形成できるため、
ゲート電極３とイオン収集電極５ａ，５ｂとが同じ高さ
に形成される。電界放出冷陰極では、通常、ゲート電極
３にはエミッタ４ａつまりこの例ではシリコン基板１よ
りも１００Ｖ程度高い電位が与えられる。これにより、
エミッタ４ａとゲート電極３との間の電圧で先鋭なエミ
ッタ４ａの先端に高電界がかかり、トンネリング作用に
よりエミッタ４ａから電子が放出され、エミッションが
得られる。

【００４２】従って、エミッションしている状態では、
素子表面の電位には高電位のゲート電極３と低電位のエ
ミッタ４ａおよびイオン収集電極５ａ，５ｂが現れてい
る。この状態では、エミッションにより正にイオン化さ
れた残留ガスは低電位のエミッタ４ａおよびイオン収集
電極５ａ，５ｂの方向に加速され入射していく。

【００４３】ここで、エミッタ４ａとイオン収集電極５
ａ，５ｂの電位を厳密に評価すると、エミッタ４ａは電
子が放出されることによりマイクロアンペアからミリア
ンペアの電流が流れ、内部の抵抗により電位が変化して
いるが、イオン収集電極５ａ，５ｂには電流が流れない
ため、最低電位が保持されている。さらに、イオン収集
電極５ａ，５ｂは先鋭なエミッタ４ａよりも表面積を大
きくとる形状が得られるため、エミッタ４ａよりも表面
の電位分布への寄与が大きくなる。以上のことにより、
発生した正イオンはエミッタ４ａよりもイオン収集電極
５ａ，５ｂへ入射し、結果的にエミッタ４ａは保護さ
れ、エミッションの低下は抑制される効果が得られる。
本実施形態では、ゲート電極３の電圧、エミッション電
流量に拘らず、正のイオンの軌跡を制御できる効果が得
られるという利点がある。

【００４４】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。

【００４５】図４は、本発明の電界放出型冷陰極の第２
の実施形態の断面図である。図４に示すように本実施形
態では、シリコン基板１１上の絶縁膜１２は、ゲート電
極１３と同じ形にパターニングされている。また、複数
のエミッタ１４ａで構成されるエミッタアレイの中央部
には、ゲート電極１３および絶縁膜１２が除去されて形
成された開口１７を有する。すなわち、ゲート電極１３
の周囲およびエミッタアレイの中央部ではシリコン基板
１１の表面が露出しており、この露出した部分は、第１
の実施形態のイオン収集電極５ａ，５ｂ（図２参照）と
同様に、最低電位の状態が保たれることになる。従っ
て、イオン化した残留ガスは、エミッタ１４ａよりもシ
リコン基板１１の露出した表面に入射しやすくなり、結
果的に、エミッタ１４ａが保護され、エミッションの低
下が抑制される。

【００４６】本実施形態の電界放出型冷陰極の製造工程
について、図５を参照して説明する。

【００４７】まず、図５（ａ）に示すように、約１０¹⁵
ｃｍ^-3の密度のｎ型シリコン基板１１の表面に、酸化膜
よりなる絶縁膜１２を、熱酸化により約５００ｎｍの厚
さで形成する。その上に、Ｗ等の金属膜よりなる電極膜
１３’をスパッタ等の方法で約２００ｎｍの厚さで堆積
する。

【００４８】次に、電極膜１３’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、図５（ｂ）に示すよ
うに、絶縁膜１２上のゲート電極１３を形成する。さら
に、フォトリソグラフィ法でレジストをパターニングし
てマスクとし、ゲート電極１３および絶縁膜１２をリア
クティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法によりエッチン
グし、シリコン基板１１が露出する開口をエミッタ形成
領域に形成する。

【００４９】次に、図５（ｃ）に示すように、例えばア
ルミよりなる犠牲層１６を、垂直方向から所定の角度だ
け傾けた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１６は斜め上方向か
ら堆積されるため、エミッタ形成領域となる開口のシリ
コン基板１１上には成膜せず、絶縁層１２の上面と側
壁、およびゲート電極１３上に成膜される。次に、例え
ばＭｏなどのエミッタ材料層１４’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１６お
よびシリコン基板１１上にエミッタ材料層１４’が成長
し、シリコン基板１１上のエミッタ材料層１４’の形状
はコーン形となり、先端が先鋭なエミッタ１４ａが形成
される。

【００５０】次に、リン酸等の溶液中で犠牲層１６をエ
ッチング除去する。これにより、犠牲層１６上のエミッ
タ材料層１４’はリフトオフされ、エミッタ１４ａが露
出する。さらに、ゲート電極１３をマスクし、ゲート電
極１３が形成されていない部分の絶縁層１２を除去する
ことによって、ゲート電極１３の周囲およびエミッタア
レイの中央部でシリコン基板１１の表面を露出させ、図
４に示した電界放出型冷陰極が得られる。本実施形態で
は、シリコン基板１１の露出した表面が、イオン収集電
極として機能する。

【００５１】上述した製造方法では、自己整合的に素子
表面にシリコン基板１１を露出することができるため、
簡略な工程で最低電位を素子表面に露出させることがで
きる利点がある。この場合も、シリコン基板１１の露出
領域をエミッタアレイ内部の他にエミッタアレイの周囲
にも形成することにより、正イオンの軌跡はエミッタア
レイ全面にわたって制御することが可能である。なお、
本実施形態では、ゲート電極１３の周囲およびエミッタ
アレイの中央部の基板露出部を形成する際、ゲート電極
１３をマスクとして自己整合的にシリコン基板１１の表
面を露出させたが、それに限らず、レジストなどのマス
クをフォトリソグラフィ法により形成して、絶縁膜１２
を選択的に除去してもよい。

【００５２】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態について説明する。図６は、本発明の電界放出
型冷陰極の第３の実施形態の断面図である。

【００５３】本実施形態は、第１の実施形態と同様に、
複数のエミッタ２４ａが配置されたエミッタアレイの中
央部およびゲート電極２３の周囲にイオン収集電極２５
ａ，２５ｂを設けたものであるが、シリコン基板２１の
表面からのイオン収集電極２５ａ，２５ｂの高さが、エ
ミッタ２４ａの高さよりも高くなっている点が、第１の
実施形態と異なる。その他の構成については第１の実施
形態と同様である。また、ゲート電極２３とイオン収集
電極２５ａ，２５ｂの高さが異なるので、ゲート電極２
３とイオン収集電極２５ａ，２５ｂとは、第１の実施形
態とは異なりそれぞれ別工程で作製される。

【００５４】このように、イオン収集電極２５ａ，２５
ｂの高さを高くすることにより、素子表面の電位分布
は、ゲート電極２３よりも高い位置のイオン収集電極２
５ａ，２５ｂの影響がより顕著に現れ、エミッタ２４ａ
に入射する正イオンはさらに抑制される効果がある。

【００５５】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施例について説明する。図７は、本発明の電界放出型
冷陰極の第４の実施形態の平面図である。

【００５６】本実施形態では、ゲート電極３３の周囲に
設けられたイオン収集電極３５ｂの他に、エミッタアレ
イ３４内に複数のイオン収集電極３５ａが設けられてい
る。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、
その説明は省略する。

【００５７】このようにエミッタアレイ３４内に複数の
イオン収集電極３５ａを設けることによって、正イオン
を引き寄せるイオン収集電極３５ａ，３５ｂをエミッタ
３４のより近くに配置できるので、各エミッタ３４を保
護する効果をより向上することができる。

【００５８】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態について説明する。図８は、本発明の電界放出
型冷陰極の第５の実施形態の平面図である。

【００５９】本実施形態では、ゲート電極４３の周囲に
イオン収集電極を配置する代りに、エミッタアレイ４４
内に設けられたイオン収集電極４５ａと同様にして形成
された複数のイオン収集電極４５ｂを、エミッタアレイ
４４の周囲に配置している。これにより、第４の実施形
態と同様に、正イオンを引き寄せるイオン収集電極４５
ａ，４５ｂをエミッタ４４ａの近傍に配置できるので、
よりエミッタ４４ａを保護できる効果がある。

【００６０】なお、ゲート電極４３の外周の絶縁膜上へ
の正イオンの入射による影響を軽減するために、ゲート
電極４３の周囲にさらにイオン収集電極を配置しても構
わない。

【００６１】（第６の実施形態）次に、本発明の第６の
実施形態について説明する。図９は、本発明の電界放出
型冷陰極の第６の実施形態の平面図である。図１０は、
図９に示した電界放出型冷陰極のＣ−Ｃ線断面図であ
る。

【００６２】図９および図１０に示すように、本実施形
態では、シリコン基板５１上にエミッタ５４ａと同様に
して形成され、絶縁膜５２の開口内にそれぞれ配置され
たたコーン形状の複数のイオン収集電極５５ａ，５５ｂ
が、エミッタアレイ５４の中央部およびゲート電極５３
の周囲に配置されている。特に、ゲート電極５３の周囲
のイオン収集電極５５ｂは、エミッタアレイ５４の周囲
においてゲート電極５３を取り囲むように配置されてい
る。

【００６３】このように、イオン収集電極５５ａ，５５
ｂの形状を線状ではなく点状としても、エミッタ５４ａ
に正イオンが入射するのを抑制することができる。イオ
ン収集電極５５ａ，５５ｂの配置はこれに限るものでは
なく、ゲート電極５３の周囲に配置したイオン収集電極
５５ｂをゲート電極５３の内側に配置しても構わない。

【００６４】本実施形態の電界放出型冷陰極の製造工程
について、図１１を参照して説明する。

【００６５】まず、図１１（ａ）に示すように、約１０
¹⁵ｃｍ^-3の密度のｎ型シリコン基板５１の表面に、酸化
膜よりなる絶縁膜５２を、熱酸化により約５００ｎｍの
厚さで形成する。その上に、Ｗ等の金属膜よりなる電極
膜５３’をスパッタ等の方法で約２００ｎｍの厚さで堆
積する。

【００６６】次に、電極膜５３’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、図１１（ｂ）に示す
ように、絶縁膜５２上のゲート電極５３を形成する。さ
らに、フォトリソグラフィ法でレジストをパターニング
してマスクとし、ゲート電極５３および絶縁膜５２をリ
アクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法によりエッチ
ングし、シリコン基板５１が露出する開口を、エミッタ
を形成すべき部位およびイオン収集電極を形成すべき部
位に形成する。この工程で形成された開口のうち、ゲー
ト電極５３および絶縁膜５２を貫通して形成された開口
はエミッタが形成される領域となり、ゲート電極５３が
除去された絶縁膜５２に形成された開口はイオン収集電
極が形成される領域となる。

【００６７】次に、図１１（ｃ）に示すように、例えば
アルミよりなる犠牲層５６を、垂直方向から所定の角度
だけ傾けた方向から電子ビーム蒸着法により約１００ｎ
ｍ厚に堆積する。この工程では犠牲層５６は斜め上方向
から堆積されるため、開口のシリコン基板５１上には成
膜せず、絶縁層５２の上面と側壁、およびゲート電極５
３上に成膜される。次に、例えばＭｏなどのエミッタ材
料層５４’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５６およびシリコン基板５１上
にエミッタ材料層５４’が成長し、シリコン基板５１上
のエミッタ材料層５４’の形状はコーン形となり、先端
が先鋭なエミッタ５４ａおよびイオン収集電極５５ａ，
５５ｂが形成される。

【００６８】次に、リン酸等の溶液中で犠牲層５６をエ
ッチング除去する。これにより、犠牲層５６上のエミッ
タ材料層５４’はリフトオフされ、エミッタ５４ａおよ
びイオン収集電極５５ａ，５５ｂが露出する。これによ
り、図９および図１０に示した電界放出型冷陰極が得ら
れる。

【００６９】この方法ではエミッタ５４ａと同時にイオ
ン収集電極５５ａ，５５ｂを形成できるため、これまで
述べた方法のようにイオン収集電極を形成するための追
加工程が必要なく、簡略な工程で形成できる利点があ
る。しかも、犠牲層５６がシリコン基板５１上に堆積し
ないようにするために、イオン収集電極５５ａ，５５ｂ
の形状をエミッタ５４ａの形状とを同じとしたので、よ
り安定してエミッタ５４ａと同時にイオン収集電極５５
ａ，５５ｂを形成することができる。

【００７０】さらに、エミッタ５４ａを形成する開口の
大きさとイオン収集電極５５ａ，５５ｂを形成する絶縁
膜５２の開口の大きさとを変えることにより、イオン収
集電極５５ａ，５５ｂの高さとエミッタ５４ａの高さと
を変えることが可能である。例えばイオン収集電極５５
ａ，５５ｂの形成用の犠牲層５６の開口径を図１１
（ｃ）のように小さくすると、イオン収集電極５５ａ，
５５ｂの高さはエミッタ５４ａよりも低くなり、逆に、
イオン収集電極用の開口径をエミッタ用の開口径よりも
大きくするとイオン収集電極５５ａ，５５ｂはエミッタ
５４ａよりも高いコーン形状あるいは台形状のコーンと
なる。このように、イオン収集電極５５ａ，５５ｂの高
さも工程の追加なく簡略に制御できる利点がある。

【００７１】以上説明した第１〜６の実施形態では、Ｍ
ｏ等の金属を用いてエミッタを形成した例を示したが、
エミッタ材料は金属材料に限ったものではなく、本発明
は、シリコンを先鋭化したエミッタを有する電界放出型
冷陰極でも、シリコン上に金属材料等を薄くコーティン
グしたエミッタを有する電界放出型冷陰極でも適用する
ことが可能である。

【００７２】（第７の実施形態）次に、本発明の第７の
実施形態について説明する。図１２は、本発明の電界放
出型冷陰極の第７の実施形態の平面図である。図１３
は、図１２に示した電界放出型冷陰極のＤ−Ｄ線断面図
である。

【００７３】図１２および図１３に示すように、本実施
形態では、シリコン基板６１の上面から見たエミッタ６
４ａおよびイオン収集電極６５ａ，６５ｂの形状および
配置は第１の実施形態と同様であるが、側方から見たエ
ミッタ６４ａおよびイオン収集電極６４ａ，６４ｂの形
状、さらにはエミッタ６４ａおよびイオン収集電極６５
ａ，６５ｂがシリコン基板６１の一部で構成されている
点が第１の実施形態と異なる。

【００７４】本実施形態の電界放出型冷陰極の製造工程
について、図１４を参照して説明する。

【００７５】まず、図１４（ａ）に示すように、シリコ
ン基板６１の表面に、酸化膜よりなる絶縁膜６２を、熱
酸化法などの方法で約２００ｎｍの厚さで形成する。

【００７６】次に、図１４（ｂ）に示すように、フォト
リソグラフィ法により、エミッタ形成領域およびイオン
収集電極形成領域を除く部位の絶縁膜６２を除去する。
その後、絶縁膜６２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６１をエッチ
ングし、絶縁膜６２の下方を凸形状とする。そして、エ
ミッタとなるシリコン基板６１の凸部分を先端が先鋭な
円錐形に加工してエミッタ６４ａを形成すると同時に、
シリコン基板６１に熱酸化を施し約２００ｎｍ厚の酸化
膜である絶縁膜６７を形成する。

【００７７】この工程で、イオン収集電極６５ａ，６５
ｂも凸形状に形成される。図１４（ｂ）では、イオン収
集電極６５ａ，６５ｂの幅がエミッタ６４ａよりも大き
くなるように絶縁膜６２のマスクを設定しているので、
イオン収集電極６５ａ，６５ｂの先端は平坦な台形状と
なっている。

【００７８】次に、図１４（ｃ）に示すように、電子ビ
ーム蒸着法で酸化膜などの絶縁膜６８を約３００ｎｍ厚
に形成し、さらにＷなどの金属膜よりなる電極膜６３’
を約２００ｎｍ厚に形成する。

【００７９】次に、電極膜６３’をフォトリソグラフィ
法でパターニングし、図１３に示すようにゲート電極６
３を形成した後、弗酸溶液などで絶縁膜６２，６７，６
８をエッチングする。これにより、エミッタ６４ａ上お
よびイオン収集電極６５ａ，６５ｂ上の余剰な電極膜６
３’はリフトオフされる。

【００８０】以上説明したように基板材料をエッチング
等で先鋭化しエミッタ６４ａを形成する方法でもイオン
収集電極６５ａ，６５ｂは簡略に形成でき、その高さも
マスクとなる絶縁膜６２の幅を変えることにより調整す
ることも可能である。

【００８１】本実施形態では、イオン収集電極６５ａ，
６５ｂは線状の形状でも形成可能であり、第６の実施形
態と比較すると、イオン収集電極６５ａ，６５ｂを形成
するための工程を追加することなくイオン収集電極６５
ａ，６５ｂが簡略に形成できるだけでなく、さらに、イ
オン収集電極６５ａ，６５ｂを任意の形状に形成できる
という利点がある。

【００８２】（第８の実施形態）次に、本発明の第８の
実施形態について説明する。図１５は、本発明の電界放
出型冷陰極の第８の実施形態の平面図である。図１６
は、図１５に示した電界放出型冷陰極のＥ−Ｅ線断面図
である。

【００８３】本実施形態の電界放出型冷陰極は、約１０
¹⁵ｃｍ^-3の密度のｎ型シリコン基板７１の表面に例えば
熱酸化により形成された酸化膜などからなる約５００ｎ
ｍ厚の絶縁膜７２と、例えばＷ等の金属膜よりなる電極
膜をスパッタ法等の方法で約２００ｎｍ厚に堆積し選択
的に形成されたゲート電極７３と、イオン収集電極７５
と、Ｍｏなどの金属膜でアレイ状に形成されたコーン形
状の複数のエミッタ７４ａとにより構成されている。

【００８４】エミッタ７４ａは、ゲート電極７３内に設
けられた開口に形成される。また、イオン収集電極７５
は、ゲート電極７３とは別の電位を外部から与えられる
ように形成され、エミッタのアレイの中央とゲート電極
７３の周囲に配置された構造となっている。

【００８５】この実施形態では、イオン収集電極７５に
外部から電位を与えることができる構造となっているた
め、任意の電位が設定できる。従って、この電位をエミ
ッタ７４ａよりも低電位に設定することが可能である。
これにより、正イオンはイオン収集電極７５に加速され
るように素子表面上の電位分布が変わるため、エミッタ
７４ａへの正イオンの入射が抑制できる効果がある。

【００８６】また、イオン収集電極７５の電位をエミッ
タ７４ａの電位よりも低い電位に設定しなくても、イオ
ン収集電極７５の上面の面積が大きい、あるいは上面が
高く配置されていれば、ゲート電極７３に与えられた電
位よりも低電位であれば、素子表面の電位分布をイオン
収集電極７５に正のイオンが加速されるように設定する
ことができる。

【００８７】なお、本実施形態ではゲート電極７３とイ
オン収集電極７５とをを同じ層（絶縁膜７２）上に形成
しているが、これを２層などの多段の配線とすれば、イ
オン収集電極７５の引き出し部の素子表面の電位分布に
与える影響を防止でき、安定な電子流の軌跡が得られる
ようになる。また、イオン収集電極７５の平面構造及び
断面形状はこの実施例に限ったものではなく、これまで
述べた各実施形態の形状を適用することができる。

【００８８】以上、本発明の電界放出型冷陰極の各種実
施形態について説明したが、本発明の電界放出型冷陰極
は、表示装置の電子銃として好適に用いられる。

【００８９】電界放出型冷陰極を電子銃として表示装置
に適用した場合、真空中でので動作が要求されるため、
電子銃を表示装置に組み込んだ後に交換することは困難
であった。特にフラットパネルディスプレイに場合に
は、エミッタへの正イオンの入射によりエミッション電
流量が低下し、周辺の輝度と差が生じる、あるいは暗点
として残ることになり装置動作不良となる。そこで正の
イオンが発生してもエミッションの変動を抑制できる電
子銃として、本発明の電界放出型冷陰極をフラットパネ
ルディスプレイに適用することにより、複数の電子銃が
電流変動なく動作し寿命の長い表示動作が可能となる。
なお表示装置としてはフラットパネルを例に説明した
が、これはディスプレイ用陰極管（ＣＲＴ）でも同様で
ある。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電界放出型
冷陰極は、エミッタが形成された基板上に、ゲート電極
よりも低電位のイオン収集電極が形成されているので、
エミッションによりイオン化された残留ガスの、エミッ
タへの入射を抑制でき、エミッションの特性の劣化を防
止することができる。

【００９１】また、複数個のエミッタがアレイ状に配列
されている場合には、エミッタが配列された領域の内側
および周囲、またはエミッタが配列された領域の内側お
よびゲート電極の周囲にイオン収集電極を配置すること
で、イオン化された残留ガスのエミッタへの入射をより
効果的に抑制することができる。

【００９２】さらに、イオン収集電極の高さをエミッタ
の高さよりも高くしたり、イオン収集電極の先端面の面
積をエミッタの先端よりも大きくしたり、イオン収集電
極をエミッタよりも低電位とすることにより、イオン化
された残留ガスのイオン収集電極への入射効率を高める
ことができる。

【００９３】本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、
エミッタとイオン収集電極を同時に形成することが可能
であるため、イオン収集電極を有する本発明の電界放出
型冷陰極を、イオン収集電極を形成するためだけの工程
を追加することなく、容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施形態の
平面図である。

【図２】図１に示した電界放出型冷陰極のＢ−Ｂ線断面
図である。

【図３】図１に示した電界放出型冷陰極の製造工程を説
明するための断面図である。

【図４】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施形態の
断面図である。

【図５】図４に示した電界放出型冷陰極の製造工程を説
明するための断面図である。

【図６】本発明の電界放出型冷陰極の第３の実施形態の
断面図である。

【図７】本発明の電界放出型冷陰極の第４の実施形態の
断面図である。

【図８】本発明の電界放出型冷陰極の第５の実施形態の
平面図である。

【図９】本発明の電界放出型冷陰極の第６の実施形態の
平面図である。

【図１０】図９に示した電界放出型冷陰極のＣ−Ｃ線断
面図である。

【図１１】図９に示した電界放出型冷陰極の製造工程を
説明するための断面図である。

【図１２】本発明の電界放出型冷陰極の第７の実施形態
の平面図である。

【図１３】図９に示した電界放出型冷陰極のＤ−Ｄ線断
面図である。

【図１４】図１２に示した電界放出型冷陰極の製造工程
を説明するための断面図である。

【図１５】本発明の電界放出型冷陰極の第８の実施形態
の平面図である。

【図１６】図９に示した電界放出型冷陰極のＥ−Ｅ線断
面図である。

【図１７】従来の電界放出型冷陰極の一例の平面図であ
る。

【図１８】図１７に示した電界放出型冷陰極のＡ−Ａ線
断面図である。

【図１９】図１７に示した電界放出型冷陰極の製造工程
を説明するための断面図である。

【図２０】従来の電界放出型冷陰極の他の例の断面図で
ある。

【符号の説明】

１，１１，２１，５１，６１，７１ シリコン基板 ２，１２，５２，６２，６７，６８，７２ 絶縁膜 ３，１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３ ゲ
ート電極 ３’，１３’，５３’，６３’ 電極膜 ４，３４，４４，５４ エミッタアレイ ４’，１４’，５４’ エミッタ材料層 ４ａ，１４ａ，２４ａ，３４ａ，４４ａ，５４ａ，６４
ａ，７４ａ エミッタ ５ａ，５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５
ａ，４５ｂ，５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ，７５
イオン収集電極 ６，１６，５６ 犠牲層 １７ 開口

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成されたエミッタと、 前記基板上に絶縁膜を介して形成され、前記エミッタを
   取り囲む開口が設けられたゲート電極と、 前記基板上に形成され、前記ゲート電極よりも低電位の
   イオン収集電極とを有する電界放出型冷陰極。
2. 【請求項２】 前記エミッタはアレイ状に複数個配列さ
   れており、前記エミッタが配列された領域の内側および
   周囲に前記イオン収集電極が配置されている請求項１に
   記載の電界放出型冷陰極。
3. 【請求項３】 前記エミッタはアレイ状に複数個配列さ
   れており、前記エミッタが配列された領域の内側および
   前記ゲート電極の周囲に前記イオン収集電極が配置され
   ている請求項１に記載の電界放出型冷陰極。
4. 【請求項４】 前記基板の表面からの前記イオン収集電
   極の高さが、前記エミッタの高さよりも高い請求項１、
   ２または３に記載の電界放出型冷陰極。
5. 【請求項５】 前記イオン収集電極は、前記基板により
   形成されている請求項１、２または３に記載の電界放出
   型冷陰極。
6. 【請求項６】 前記絶縁膜およびゲート電極の一部が除
   去されて前記基板が露出する領域を有し、該基板が露出
   する領域を前記イオン収集電極とする請求項５に記載の
   電界放出型冷陰極。
7. 【請求項７】 前記基板の一部に凸状部を有し、該凸状
   部を前記イオン収集電極とする請求項５に記載の電界放
   出型冷陰極。
8. 【請求項８】 前記イオン収集電極の先端面は、前記エ
   ミッタの先端よりも面積が大きい請求項１ないし７のい
   ずれか１項に記載の電界放出型冷陰極。
9. 【請求項９】 前記イオン収集電極は、前記基板と電気
   的に接続されている請求項１ないし８のいずれか１項に
   記載の電界放出型冷陰極。
10. 【請求項１０】 前記イオン収集電極は前記エミッタよ
    りも低電位である請求項１ないし４のいずれか１項に記
    載の電界放出型冷陰極。
11. 【請求項１１】 基板上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上に選択的にゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極および前記絶縁膜を貫通する第１の開口
    を形成すると同時に、前記ゲート電極の周囲に前記絶縁
    膜を貫通する第２の開口を形成する工程と、 前記第１の開口および第２の開口に導電性材料を堆積
    し、前記第１の開口に先端が先鋭なエミッタを形成し、
    前記第２の開口にイオン収集電極を形成する工程とを有
    する電界放出型冷陰極の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記第２の開口の大きさを前記第１の
    開口の大きさよりも大きく形成する請求項１１に記載の
    電界放出型冷陰極の製造方法。
13. 【請求項１３】 基板上のエミッタを形成すべき部位お
    よびイオン収集電極を形成すべき部位に膜を形成する工
    程と、 前記膜をマスクとして前記基板をエッチングし、エミッ
    タおよびイオン収集電極を同時に形成する工程と、 前記エミッタおよびイオン収集電極が形成された基板上
    に絶縁膜を介してゲート電極を形成するとともに、前記
    基板から前記膜を除去する工程とを有する電界放出型冷
    陰極の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記膜の大きさは、前記イオン収集電
    極を形成すべき部位を、前記エミッタを形成すべき部位
    よりも大きく形成する請求項１３に記載の電界放出型冷
    陰極の製造方法。