WO2005096335A1 - 電子放出装置及びその製造方法並びに電子放出装置を用いた撮像装置又は表示装置 - Google Patents
電子放出装置及びその製造方法並びに電子放出装置を用いた撮像装置又は表示装置 Download PDFInfo
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J31/00—Cathode ray tubes; Electron beam tubes
- H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
- H01J31/10—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes
- H01J31/12—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes with luminescent screen
- H01J31/123—Flat display tubes
- H01J31/125—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection
- H01J31/127—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection using large area or array sources, i.e. essentially a source for each pixel group
Definitions
- Imaging device or display device using electron emission device
- the present invention relates to an electron emission device as an electron source and an electronic device such as an imaging device or a display device using the same, and more particularly to a wiring structure of an electronic device in which a plurality of electron emission devices are arranged in an array.
- MlS metal-insulator-semiconductor
- MIM metal-insulator-metal
- an example of an electron-emitting device having a MIM structure has a structure in which a lower electrode, an insulator layer, and an upper electrode are sequentially stacked on a substrate.
- a predetermined voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode in a vacuum and placed below the counter electrode, some of the electrons jump out of the upper electrode into the vacuum.
- a protective insulating layer 5 1 4 (around the tunnel insulating layer 5 1 2 on the lower electrode 5 1 1 of the electron-emitting portion formed on the substrate 5 10.
- a MIM structure has been proposed in which a pass line 5 15 connected to the upper electrode 5 13 is formed on the protective insulating layer 5 14 to cover the protective insulating layer 5 14 with a thickness greater than the tunnel insulating layer thickness. (See Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-12898).
- the thickness of the upper electrode 5 13 is several to several tens of nm.
- the bus line 5 15 is formed across a step caused by the laminated lower electrode 5 11, tunnel insulating layer 5 12 and protective insulating layer 5 14.
- the thickness of the upper electrode at the step portion may be non-uniformly thin, and the electric field may be non-uniform due to the high resistance, which may cause the destruction of the upper electrode.
- a matrix arrangement structure of electron-emitting devices used for a display device is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-185675).
- an insulating support 17 is provided in a gap between the electron-emitting devices S arranged on the lower electrode 11 on the substrate 10, and a bus electrode connected to the metal thin-film electrode 15 is provided thereon. 16 are provided.
- a stable supply method of the insulating material becomes a problem.
- the problem to be solved by the present invention is to provide an electron emission device capable of stably emitting electrons without a disconnection problem between elements, an electronic device such as an imaging device or a display device using the same, and an electron emission device.
- An example is to provide a wiring structure of a device in which a plurality of elements are arranged in a matrix or the like.
- An electron-emitting device is an electron-emitting device including a plurality of electron-emitting devices each having a lower electrode closer to a substrate and an upper electrode farther from the substrate, wherein the electron-emitting device is disposed between the electron-emitting devices.
- a space is formed, and the upper electrode extends over the plurality of electron-emitting devices and extends over the space with its ridge portion.
- the method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention comprises a plurality of electron-emitting devices each having a lower electrode closer to the substrate and an upper electrode farther from the substrate, and emitting electrons from the upper electrode.
- a space is formed between the electron-emitting devices, and the upper electrode extends over the plurality of electron-emitting devices and extends over the space by a bridge portion of the electron-emitting device.
- An image pickup device includes an electron emission device according to any one of claims 1 to 16, a photoelectric conversion film facing the upper electrode substantially in parallel with a vacuum space therebetween, and A light-transmitting conductive film laminated on the conversion film; and a light-transmitting front substrate holding the photoelectric conversion film and the light-transmitting conductive film.
- a display device includes an electron emission device according to any one of claims 1 to 16, and a display device disposed on a surface of the vacuum space that faces the upper electrode with a vacuum space therebetween. Phosphor layer formed on the phosphor layer and facing the upper electrode formed on the phosphor layer. And a light-transmitting front substrate having a collector electrode.
- FIG. 1 and 2 are schematic enlarged partial perspective views of a conventional electron-emitting device.
- FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of the electron emission device according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a partially enlarged perspective view of the electron emission device of the embodiment according to the present invention.
- FIG. 5 is a schematic partial enlarged cross-sectional perspective view taken along line AA in FIG.
- 6 to 17 are partially enlarged perspective views of the element substrate in the manufacturing process of the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 18 is a partially enlarged cross-sectional view of an element substrate in a manufacturing process of the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 19 is a graph showing the current-voltage characteristics of the device having the electron supply layer separated according to the embodiment of the present invention and the device having the electron supply layer not separated.
- FIG. 20 is a partially enlarged plan view of an upper electrode in an electron-emitting device according to another embodiment of the present invention.
- FIGS. 21 and 22 are partially enlarged perspective views of an element substrate in a method of manufacturing an electron-emitting device according to another embodiment of the present invention.
- FIGS. 23 and 24 are partially enlarged plan views of an upper electrode in an electron-emitting device according to another embodiment of the present invention.
- FIG. 25 is a partially enlarged cross-sectional view of the electron-emitting device in the electron-emitting device of the embodiment according to the present invention.
- FIG. 26 is a partially exploded enlarged perspective view of an imaging device using the electron-emitting device of the embodiment according to the present invention.
- FIG. 27 is a partially exploded perspective view of a panel portion of a flat panel display device to which an electron-emitting device according to another embodiment of the present invention is applied.
- FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an example of the electron-emitting device.
- the electron-emitting device includes a plurality of electron-emitting devices S formed on a substrate 10, and each electron-emitting device S has an electron supply layer 12, which is sequentially laminated on a lower electrode 11 on a side closer to the substrate, and an insulating layer 12. It consists of a body layer 13 and an upper electrode 15.
- electrons are emitted from the upper electrode side when a predetermined voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode.
- a bridge portion 15a integrally formed of the same material is provided on the upper electrode 15 on the side farther from the substrate so as to extend over a space existing between adjacent electron-emitting devices.
- the upper electrode 15 extends over the plurality of electron-emitting devices S and extends across the space between the devices by the bridge portion 15a.
- the bridge portion 15a electrically connects the upper electrode 15 of the adjacent electron-emitting device S without contacting the side surface of the electron-emitting device S and the substrate.
- the bridge section 15a installed in the space shortens the current path and further reduces the possibility of disconnection.
- a stacked body of the insulator layer 13 and the upper electrode 15 constitutes a bridge portion 15a.
- the insulator layer portion of the bridge is effective in reinforcing the upper electrode.
- the insulator layer 13 may be omitted as long as the strength of the upper electrode portion of the bridge portion can be maintained.
- the upper electrode 15 can be configured as a multilayer structure.
- a plurality of electron-emitting devices are They can be arranged in a square shape. That is, the upper electrode 15 and the lower electrode 11 connected by the bridge portion 15a are each formed as a striped electrode, and are arranged at positions orthogonal to each other.
- the electron-emitting devices S are arranged at intersections of the stripes.
- a plurality of through-holes 15b are provided in a portion of the ridge portion 15a in the space.
- the through hole 15b has at least one strength as long as it has a strength necessary to maintain the shape of the ridge portion 15a itself and a required electric resistance value is maintained.
- each electron-emitting device S is composed of a plurality of island regions 14 in which the thicknesses of the insulator layer 13 and the upper electrode 15 gradually decrease toward the electron supply layer 12.
- at least one island region 14 may be provided in each electron-emitting device S.
- the thicknesses of the insulator layer 13 and the upper electrode 15 gradually decrease toward the center.
- the island region 14 is formed as a concave portion on the flat surface of the upper electrode 15.
- the upper electrode 15 terminates at the edge on the insulator layer 13.
- the insulator layer 13 in the island region 14 terminates at the edge on the electron supply layer 12. Therefore, there is no short circuit between the upper electrode 15 and the electron supply layer 12.
- the electron-emitting device S is an example of an embodiment of a stacked structure in which a lower electrode 11, an electron supply layer 12, an insulator layer 13, and an upper electrode 15 are sequentially stacked on an element substrate 10.
- the material of the element substrate 1 0, in addition to the glass, A 1 2 0 3, S i 3 N 4, BN may be ceramics such as.
- S i wafer on the wafer coated with an insulating film such as S i 0 2 can also be used as the substrate.
- the lower electrode 11 is composed of a single layer or a multilayer, for example, aluminum (Al), It consists of stainless steel (W), titanium nitride (TiN), copper (Cu), and chromium (Cr).
- the electron supply layer 12 is made of an amorphous semiconductor such as silicon (Si), a mixture mainly containing Si, or a compound thereof.
- amorphous silicon (a—Si) doped with an element of II lb group or Vb group formed by sputtering or CVD is particularly effective.
- Compound semiconductors such as iC: H) and hydrogenated amorphous silicon nitride (a-SiN: H) in which part of Si is replaced by nitrogen (N) are also used.
- silicon oxide S i O x (x indicates an atomic ratio) is particularly effective.
- Iodides such as Pb l 2 , Cu l, Fe l 2 ,
- an oxynitride such as SiAlON is also effective as a dielectric material of the insulator layer 13.
- the thickness of the flat portion other than the island region 14 of the insulator layer is preferably 50 nm or more, but the more preferable thickness range is the capacitance of the device, the size of the main mask, and the strength of the bridge portion. Is determined from
- the insulator layer sandwiched between the upper electrode and the electron supply layer in the flat part of the device forms a capacitance.
- the insulator layer is preferably thick.
- to increase the electron emission amount (emission current) of the device it is effective to increase the areal density of the electron-emitting portion (the number of electron-emitting portions per unit area), but it is necessary to increase the thickness of the insulator layer. Will increase the areal density. It becomes This is because the micromask MM including the support portion P and the main mask portion M shown in FIG.
- the insulator layer 11 is used as a shield when forming the electron emission portion (so-called island region) 14.
- the support portion P needs to be increased, and as a result, the diameter of the main mask portion M must be increased, and the above-mentioned surface density cannot be obtained.
- the thickness of the insulator layer is larger.
- the preferred insulator layer thickness determined in this way is on the order of 100 to 100 O nm.
- tungsten (W) having an extremely high melting point is particularly effective, but molybdenum (Mo) rhenium (Re), tantalum (Ta), osmium ( Os;), iridium (Ir), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), vanadium i, ⁇ ⁇ ⁇ chromium (Cr), zirconium (Zr), platinum (Pt), titanium (Ti), palladium (Pd), iron (F e), yttrium (Y), cobalt (Co), nickel (N i) are also effective, Au, Be, B, C, Al, Si, Sc, Mn , Cu, Zn, Ga, Nb, Tc, Ag, Cd, In, Sn, Tl, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, etc.
- Mo molybdenum
- Re molybdenum
- the thickness of the upper electrode 15 in the flat portion other than the electron-emitting portion is preferably 10 nm or more, but the more preferable thickness ranges are the resistance of the upper electrode, the size of the main mask, and whether or not a bus electrode is added. Is determined from
- the upper electrode plays the role of a conducting wire. For this reason, it is preferable that the resistance of the upper electrode is small, that is, that the film thickness is large.
- the resistance of the upper electrode is small, that is, that the film thickness is large.
- it is effective to increase the areal density of the electron-emitting portion (the number of electron-emitting portions per unit area). It hinders increasing the density. This is because the micromask MM including the support portion P and the main mask portion M shown in FIG. 11 is used as a shield when forming the electron emission portion (so-called island region) 14.
- the support portion P needs to be increased, and as a result, the diameter of the main mask portion M must be increased, and the surface density cannot be obtained.
- As a method of lowering the resistance of the upper electrode equivalent part of the element flat part while keeping the film thickness of the upper electrode thin it is effective to introduce a bus electrode only to the flat part other than the electron emission part. By using this method, it is possible to reduce the film thickness at the flat portion of the upper electrode.
- the preferred thickness of the upper electrode thus determined is between 5 and 1000 nm.
- a physical deposition method or a chemical deposition method is used as a film forming method in the manufacture of the electron-emitting device.
- Physical deposition is known as PVD (physical vapor deposition), which includes vacuum deposition, molecular beam epitaxy, sputtering, ionization deposition, and laser ablation. is there.
- Chemical deposition is known as CVD (chemical vapor deposition), which includes thermal CVD, plasma CVD, and MOC VD (metal-organic chemical vapor deposition). Of these, the sputtering method is particularly effective.
- the electron supply layer is formed by a sputtering method (including reactive sputtering) using a gas pressure of 0.1 to: L 0 111 1 0 1 "1", preferably 0.1 to 2 OmTorr or a film forming rate of 0.1. ⁇ 100 nm / min, preferably 0.5 ⁇ :
- the film is formed under the sputtering conditions of LOnMnzmin. 5 005643
- a carbon region (not shown) made of carbon or a mixture or a carbon compound containing carbon as a component may be formed on at least the island region 14 of the concave portion above the electron-emitting device S.
- a part of the electron supply layer 12 and the like may be crystallized from an amorphous phase by utilizing the generated Joule heat by applying a current between the upper and lower electrodes at a predetermined voltage during fabrication.
- the carbon region can be uniformly laminated and formed on the concave island region and the upper electrode by, for example, a sputtering device having a carbon target provided in a vacuum chamber.
- carbon mainly takes the form of amorphous carbon, graphite and diamond-like carbon.
- the CVD method is effective.
- a printing method is also effective as a method for forming a carbon region regardless of the form of carbon.
- a method for manufacturing an electron-emitting device in which the electron-emitting devices shown in FIG. 4 are arranged in a matrix will be schematically described as an example.
- Step of Forming Electron-Emitting Portions Forming a Plurality of Electron-Emitting Devices on a Substrate First, a stacked body forming a plurality of electron-emitting devices is formed on a substrate, and island regions are formed as electron-emitting portions.
- a clean substrate 10 is prepared, and a lower electrode 11 composed of, for example, four layers of CrZCuZCr / TiN is formed in a stripe shape on its main surface.
- an electron supply layer 12 made of, for example, Si is uniformly formed on the substrate 10 and the lower electrode 11 by sputtering to cover the stripe-shaped lower electrode.
- an electron supply layer made of a mixture containing silicon as a main component or a compound thereof can be formed on the substrate.
- a plurality of shields are formed on the electron supply layer, each of which forms a shadow around a portion that contacts the electron supply layer.
- a micromask having an umbrella structure using a difference in the etching rate of the stacked body is used.
- the micromask includes an upper main mask portion having a predetermined area and a supporting portion supporting the main mask portion having a cross-sectional area smaller than the predetermined area.
- the method for forming the micromask is as follows.
- a resist mask R is formed on the main mask part material layer 134. That is, a resist is applied, and a predetermined pattern is patterned by exposure and development. This process uses the same resist as the normal photolithography method. 05643
- the resist mask R is located above the lower electrode 11 and is arranged in a region that should intersect with a stripe of an upper electrode to be formed later.
- the resist mask R corresponding to the main mask portion may be a polygon, or a shape composed of a curve and a straight line, in addition to a circle.
- anisotropic etching such as reactive ion etching is performed.
- the remaining portion of the resist mask R is protected from the etching gas, and only the portion where the resist mask R does not remain is etched in the main mask portion material layer 134 in a direction perpendicular to the film surface. This dry etching is performed halfway through the support material layer 133.
- wet etching isotropic etching
- a hot phosphoric acid solution the etching ratio between silicon oxide and silicon nitride is 1:50, and silicon oxide is hardly etched.
- the support portion material layer 133 becomes thinner in the horizontal direction on the film surface below the main mask portion material layer 134 by isotropic etching. After that, when the electron supply layer 12 is exposed and the shape (support portion) of the remaining support portion material layer 133 becomes appropriate, the etching is stopped.
- portions corresponding to the island regions to be formed are respectively formed.
- a plurality of micromasks MM including a support portion P of silicon nitride and a main mask portion M of silicon oxide are formed.
- the support material layer and the main mask are formed on the substrate.
- a material layer is formed on the mask, a resist mask is formed thereon by photolithography, and the main mask and the support are etched in turn by dry etching and wet etching.
- Form MM The micromask MM serves as a shield consisting of a support portion (overhang portion) protruding in the normal direction of the substrate and the electron supply layer, and a main mask portion protruding from the support portion in a direction parallel to the substrate and the electron supply layer. Be composed.
- the support portion material layer of the micromask MM is not limited to a material that can be wet-etched, but is selected from a material that is at least isotropically etchable. Note that, even if the micromask MM is used as an electrically insulating shield and left without being removed, an electron emission device having the micromask MM as a final product can be obtained.
- the insulator layer 1 3 formed of a thin film of an insulator formed I do.
- an insulator gas particles wraps around the contact portion between the electron supply layer 12 and the micromask MM, and an insulator layer portion whose thickness gradually decreases from a predetermined thickness of the insulator layer 13 is formed. Is done. The portion of the insulator layer where the film thickness gradually decreases terminates on the electron supply layer 12 under the main mask portion M to form an edge portion (the film thickness is approximately ⁇ ).
- an upper electrode 15 is formed by uniformly depositing tungsten W on the insulator layer 13 and the micromask MM by sputtering.
- the metal goes from the gap between the insulator layer 13 and the main mask portion M to the periphery of the contact portion of the support portion P, and the upper electrode portion whose thickness gradually decreases from the predetermined thickness of the upper electrode 15 is formed. It is formed.
- the upper electrode part where the film thickness gradually decreases is the insulator under the main mask part M Terminating on the layer 13, its edge (film thickness is about ⁇ ) is formed.
- the thickness of the insulator layer 13 and the thickness of the upper electrode 15 are continuously reduced toward the center of the support portion P of the micromask MM.
- the concave island regions 14 are formed around the contact surface under the micromask MM in the insulator layer 13 and the upper electrode 15.
- the main mask part material layer 13 4 and the main mask part material layer 13 4 have a size and a thickness such that the main mask part M of the micro mask MM is exposed, that is, not to be completely buried in the material of the upper electrode 15.
- the film thickness of the support part material layer 133 is set.
- wet etching is performed with a hot phosphoric acid solution to remove the micromask together with the silicon nitride support. As shown in FIG. 13, a plurality of island regions 14 constituting the electron-emitting portion appear as concave portions.
- the control for the formation is easy. Since the goblet foot-shaped support part P does not fall down, the stability is excellent. Further, the thickness of the support portion P can be easily controlled by the thickness of the material, the area of the main mask portion M, and the time of the etching.
- a plurality of bridge portions provided with at least one through hole or cutout are formed on the stacked body.
- the upper electrode material layer is formed.
- a resist is uniformly applied on the upper electrode 15 on which the island region is formed. Furthermore, in the formed resist film, the distance between the pixels of the electron-emitting device (division) Three
- a plurality of openings H are formed side by side in parallel with the extension direction of the lower electrode 11 so as to be arranged at regular intervals in the part that should become the cut line), and at the same time, intersect perpendicularly to the extension direction of the lower electrode 11
- a slit opening H2 is formed as described above, and a second resist mask R2 is formed.
- the upper electrode 15 is exposed by the opening H and the slit opening H2.
- the upper electrode 15 and the insulator layer 13 under the opening H and the slit opening H 2 of the second resist mask R 2 are isotropically etched by plasma etching. Then, the electron supply layer 12 is exposed. Is this a penetration? L 15 b is pierced to form a bridge portion as a mask.
- the Si electron supply layer 12 below each opening is anisotropically etched to form an opening by reactive ion etching, and the substrate 10 and the lower electrode 1 are opened. Expose 1
- the electron supply layer 12 immediately below the upper electrode 15 and the insulator layer 13 is isotropically etched by chemical dry etching to increase the opening diameter.
- the enlarged opening space ES of the electron supply layer 12 is etched so as to be connected to the adjacent enlarged opening space ES (corresponding to the opening H and the slit opening H2).
- the second resist mask R2 applied on the upper electrode and the insulator layer is removed.
- a carbon thin film can be formed on the island region 14 and the upper electrode 15 as a carbon region.
- the electron emission device shown in FIG. 5 is formed.
- the insulating layer and the upper electrode of the electron supply layer, the insulator layer, and the upper electrode, which have been uniformly formed over a wide area, are formed.
- Providing a through hole, anisotropic etching from the through hole, isotropic Are processed in the order of the reactive etching.
- the electron supply layer can be separated without isotropic etching, the separated electron supply layer protrudes into the enlarged opening space ES without performing anisotropic etching, and thereafter, There is a high possibility that the carbon layer to be formed straddles the insulator layer through the through-hole and the upper electrode and the electron supply layer are electrically connected.
- the isotropic etching in the step shown in FIG. 15 is performed to leave the insulator layer as an eaves projecting toward the center of the through-hole 15 b, so that the structure is later formed. It is possible to prevent conduction between the upper electrode and the electron supply layer due to carbon particle adhesion which may occur during the formation of the carbon layer. Such conduction can be prevented only by the insulator layer of the bridge portion, but this is more effective.
- the electron supply layer needs to be continuously separated in a direction crossing the upper electrode. Therefore, when providing a through hole in the upper electrode, the electron supply layer must be continuously separated without disconnecting the upper electrode. For this reason, when providing the through-hole in the upper electrode, a plurality of through-holes are provided in a straight line so that the upper electrode is not disconnected, and the enlarged opening of the electron supply layer is formed by isotropic etching in the deep etching step. By connecting only these, the electron supply layer can be continuously separated in the direction crossing the upper electrode.
- the upper electrode is not disconnected but a plurality of through holes are provided for element isolation and bridge fabrication for deep etching of the electron supply layer, so the height of the upper electrode may be high. For this reason, by forming the upper electrode widely and uniformly in advance, there is an effect of suppressing an increase in the resistance value of the electrode.
- the electron supply layer is separated in a stripe shape in parallel with the lower electrode, and a part of the insulator layer is adjacent to the separated space in the space to be separated. Since the bridge structure has a bridge structure in which the upper electrode is arranged in a plane on top of it, there is little charge leakage between the elements via the electron supply layer, and from the island region The amount of emitted electrons increases.
- the insulator layer other than the island region has a large thickness.
- the electron-emitting device of the present invention can be applied to a light-emitting source of a pixel valve, an image-capturing device, an electron-emitting source such as an electron microscope, and a high-speed device such as a vacuum microelectronic device. It can operate as a diode and also as a high-speed switching element.
- the present invention is such that an electron supply layer, an insulator layer, and an upper electrode, which are formed uniformly over a large area, are then anisotropically etched and isotropically etched to form an adjacent electron-emitting device. This is a very rational and simple manufacturing method in that it separates the upper electrode and forms the bridge portion of the upper electrode.
- the elements are separated by a row of the plurality of through holes 15 b in the patterning of the upper electrode 15, but in order to define the bridge portion 15 a and separate the elements.
- a bridge portion 15a having a cutout portion 15c for reducing the width of the upper electrode 15 may be used (FIG. 20A).
- a bridge portion 15a having a through hole 15b and a cutout portion 15c may be used.
- a through-hole 15b may be provided in the xy direction and a bridge portion 15a may be provided in the xy direction in order to make all the upper electrodes 15 have the same potential.
- the configuration shown in FIG. 20C is effective for an active matrix driving method for an electron-emitting device in which power is individually supplied to each lower electrode.
- the through hole has a large area such as a rectangle, a rhombus, a barrel, a star, and a bridge 15a as shown in Fig. 20D.
- a small drum-shaped through hole 15b having an enlarged portion EP narrowed at the central portion CP and expanded at a portion connected to the element at the end may be used. This has the effect of reducing the sheet resistance of the bridge.
- an etching inducing layer 12 e made of a material having an etching rate higher than that of the electron supply layer 12 may be previously applied to the portion.
- connection when the elements are arranged in an 82 cam or delta arrangement, and wiring in which the upper electrode is bent or meandering are possible.
- the insulator layer and the upper electrode can be patterned into a free shape without deteriorating the characteristics of the device.
- the micromask MM is formed in direct contact with the electron supply layer 12 as shown in FIG. 11, but in addition, as shown in FIG.
- a preliminary insulator layer 13a is formed on the electron supply layer 12 in advance by sputtering, and a micromask MM is formed on the preliminary insulator layer 13a, as shown in FIG.
- the insulator layer 13 may be formed on the layer 13a and the micromask MM, and the upper electrode 15 may be formed on the insulator layer 13 so that the electron supply layer 12 is not exposed.
- the preliminary insulator layer 13a When the preliminary insulator layer 13a is provided, its thickness is in the range of several tens to several thousand angstroms. Thereby, a short circuit between the electron supply layer 12 and the upper electrode 15 can be prevented.
- the electron emission portion is described as an island region, but it is apparent that the present invention can be applied to a simple surface emission source type or a spindt type emission source type. 05 005643
- the distance from the center of the through-hole 15b in the extension direction of the upper electrode to the edge of the neighboring island region 14 is a, 5 Assuming that the distance from the center of b to the outermost circumference of the enlarged opening where isotropic etching is performed is b, a ⁇ b.
- the upper electrode extends over a plurality of electron-emitting devices and extends across a space by its ridge portion without limiting the electron-emitting devices in the column or row direction, and the lower electrode is separated and independent for each pixel.
- the condition of the row of circular through holes in the device in the step of forming the bridge portion by chemical dry etching the following conditions are obtained.
- the lower electrode of TiN is formed to a thickness of 22 O nm by a reactive sputtering method in which nitrogen is introduced without particular patterning. Then, an electron supply layer made of Si was formed to a thickness of 500 nm. This TiN layer acts as the lower electrode, and at the same time, prevents the A1-Si layer below the TiN layer from diffusing into the Si of the electron supply layer formed on the TiN layer. . Next, a plurality of micromasks (see Figs. 8 to 11) were formed to form island regions of electron-emitting portions on the electron supply layer on the obtained substrate.
- an insulator layer of SiO 2 was formed to a thickness of 33 O nm on a flat portion by a sputtering method over the micromask and the electron supply layer. At this time, the micromask was exposed on the surface.
- S I_ ⁇ 2 on Maikuroma click top surface had been film. Portions and immediately below thereof and micro-mask and the electron supply layer is in contact, since the "shadow" of the over-bang of the main mask portion, S I_ ⁇ 2 is deposited by "Mawa interrupt" sputtered particle, insulation The thickness of the body layer gradually decreased toward the center of the support portion of the micromask.
- a mask of the pattern of the upper electrode was attached on the insulator layer of SiO 2, and a tungsten upper electrode was formed to a thickness of 60 nm by a sputtering method.
- a tungsten upper electrode was formed to a thickness of 60 nm by a sputtering method.
- an island region was formed in which the thicknesses of the insulator layer and the upper electrode gradually decreased toward the center of the support of the micromask.
- the upper electrode may be formed without surface treatment of the insulator layer, but the insulator layer surface may be sputtered and then the electrode film may be formed. This is because when the surface of the body layer is etched and modified, the adhesion of the upper electrode to the insulator layer is improved.
- a resist was applied by spin coating on the upper electrode and the insulator layer for a region where the electron-emitting devices were arranged in a matrix.
- a row of openings for exposing the upper electrode was provided in the resist film so as to be arranged at regular intervals in a portion to be a space between the electron-emitting devices.
- processing is performed with a mixed gas of CH 2 F 2 , SF 6 , and CI 2 , whereby an electron supply layer of Si under the opening and a lower electrode of T i N are formed.
- a mixed gas of CH 2 F 2 , SF 6 , and CI 2 was anisotropically etched to provide an opening exposing the substrate and A 1 -Si.
- HBr should also be used as an etchant for anisotropic etching. Can do.
- the substrate is treated with a CF 4 gas to form a lower portion of the Si electron supply layer and the lower portion of the Ti N under the tungsten upper electrode and the SiO 2 insulating film.
- the electrode was isotropically etched to increase the opening diameter.
- the enlarged openings of the electron supply layer and the lower electrode were etched so as to be connected to the adjacent enlarged openings. As a result, a space was secured under the bridge to separate the elements.
- Xe F 2 can also be used as an etchant for isotropic etching. Since xe F 2 is etches tungsten, when using the 6 2, A 1, C r , using T i N i material resistant to XeF 2 such as an upper thin film electrode.
- a carbon region (carbon layer) was formed to a thickness of 2 Onm by a sputtering method using a carbon target on the upper electrode of the substrate provided with the plurality of concave island regions.
- MOSFETs MOS field-effect transistors
- Si wafer substrate Using well-known photolithography and etching technologies, MOSFETs (MOS field-effect transistors) were placed at positions corresponding to the electron-emitting devices on the Si wafer substrate. Thereafter, an interlayer insulating film was formed so as to cover portions corresponding to the plurality of electron-emitting devices, and a lower electrode was further formed thereon. At this time, an opening was formed in the interlayer insulating film at a position corresponding to each electron-emitting device, and the drain electrode and the lower electrode formed in the MOS FET were electrically connected through the opening.
- MOSFETs MOS field-effect transistors
- An electron supply layer made of Si was formed so as to cover a portion to be formed without particular patterning.
- Example 1 An island region of an electron emitting portion was formed on the obtained electron supply layer.
- the method for forming the island region was the same as in Example 1.
- the upper electrode and the insulator layer were etched in the same manner as in Example 1 using a plasma etching apparatus.
- the shape of the upper electrode was the shape shown in FIG. 20C, and all the upper electrodes had the same potential.
- the electron supply layer was etched in the same manner as in Example 1 using a reactive ion etching apparatus and a chemical dry etching apparatus. At this time, the electron supply layer was separated and independent for each electron-emitting device, like the lower electrode.
- FIG. 25 is a cross-sectional view showing elements formed on a single-crystal silicon substrate 2OA in the manufactured electron-emitting device.
- a plurality of MOSFETs are formed on a single crystal silicon substrate 20A.
- an element isolation film 77 is formed in a single-crystal silicon substrate 2OA, and a gate insulating film 74 and polysilicon are formed on the single-crystal silicon substrate 20A between the element isolation films 77.
- Gate electrode 75 is formed. Using the gate electrode 75 and the element isolation film 77 as a mask, an impurity is introduced into the silicon substrate 2OA and activated to activate the source electrode 72 and the drain electrode.
- the lower electrode 11 is electrically connected to the drain electrode 76 via a metal such as tungsten in a contact hole 71 penetrating the interlayer insulating film 70.
- An electron-emitting device is formed separately and independently for each lower electrode 11.
- On the lower electrode 11, an electron supply layer 12, an insulator layer 13, and an upper electrode 15 are sequentially laminated, and an island region 14 of an electron emission portion is formed as a concave portion.
- the method for forming the island region was the same as in Example 1.
- the electron-emitting devices are separated by an enlarged opening space ES removed by etching the electron supply layer 12.
- the electron supply layer 12 is separated and independent for each electron-emitting device like the lower electrode 11, but the bridge portion 15 a of the upper electrode 15 is erected in the space to electrically connect the adjacent electron-emitting devices. Connected properly.
- a carbon region (carbon layer) is formed on the upper electrode 15 of the island region 14 of the electron emission portion.
- the electron-emitting device and the method of manufacturing the same according to the present invention are not limited to the electron-emitting device in which the M ⁇ SFET is arranged as a transistor, but may be a bipolar transistor, a bottom-gate TFT (thin film transistor), or a top-structure TFT.
- the present invention is also applicable to an electron emission device having a TFT.
- the image pickup device uses an element substrate 10 provided with the electron-emitting device S as a back substrate (the above-described electron-emitting device) and a light-receiving device for receiving light from an object to be photographed. And a front substrate 1 such as transparent glass. The electron emission device and the front substrate 1 are held substantially in parallel with the vacuum space 4 interposed therebetween. The front substrate 1 and the rear substrate 10 are supported by a spacer (not shown) across the vacuum space 4. On the inner surface of the vacuum space of the front substrate 1 facing the rear substrate 10 with the vacuum space 4 interposed, 05 005643
- S N_ ⁇ 2 and I n the transparent electrode 2 0 made of is further formed on the side opposite to the front substrate in contact with the transparent electrode, for example, S e-A s-T e, S b 2 S 3, P b 0, or a photoelectric conversion film 21 made of CdSe or the like.
- a signal electrode for taking out an imaging output signal from the transparent electrode is taken out.
- a high voltage is applied to the photoelectric conversion film 21 on the inner surface of the front substrate 1 which is the light receiving surface.
- a plurality of lower electrodes 11 extending in parallel with each other are formed on the inner surface of the back substrate 10 on the vacuum space 4 side.
- a plurality of electron-emitting devices S are arranged on and along the common lower electrode 11.
- the electron supply layer is spatially separated in stripes along a plurality of lower electrodes.
- the plurality of upper electrodes 15 extending in parallel with each other extend perpendicularly to the lower electrode 11 and are bridged through bridge portions, and are electrically connected to each other.
- the insulator layer is also provided on the adjacent electron supply layer together with the upper electrode. The intersection of the lower electrode and the upper electrode connected by the bridge corresponds to the electron-emitting device.
- the image sensor is provided with a mesh electrode 30 in the vacuum space 4 and the intermediate voltage Vm is applied to improve the directionality of the electron beam and improve the resolution. can do.
- the upper electrode 15 is connected to, for example, a pulse generating circuit (not shown) for vertical scanning, to which a predetermined signal is applied.
- Lower electrode 11 is for horizontal scanning, for example And a predetermined signal is applied to each of them in synchronization with a vertical scanning pulse. Since the intersection of the lower electrode 11 and the upper electrode 15 corresponds to the arrangement of the electron-emitting devices S, in the imaging device of the embodiment, the electron-emitting devices S are sequentially driven by the lower electrode and the upper electrode 15 to emit electrons.
- the adjacent photoelectric conversion film region is scanned with electrons, and a video signal photoelectrically converted is obtained from the image formed on the photoelectric conversion film.
- FIG. 27 shows a flat panel display device to which the electron-emitting device of the embodiment is applied.
- An element substrate 10 provided with the electron-emitting devices S is used as a back substrate, and a light-transmitting substrate 1 made of glass or the like opposed thereto is held as a front substrate with a vacuum space 4 interposed therebetween.
- a black matrix BM made up of carbon black and the like.
- a conductor layer may be provided and the collector electrode 2 may be provided.
- the image display array composed of a plurality of light-emitting portions corresponding to the phosphor layers 3R, 3G, and 3B is defined by the blue or black matrix layer BM, but similarly by the dark or black stripe layer. Can be defined.
- the upper electrode 15 on the front surface has a positive potential Vd and the lower electrode 11 on the rear surface has a ground potential.
- Vd positive potential
- the lower electrode 11 on the upper electrode 15 When a voltage Vd, for example, about 20 V, is applied between the lower electrode 11 and the upper electrode 15 to inject electrons into the electron supply layer 12, some of the electrons are formed in advance by a conduction process. Through a discharge part, it is discharged into a vacuum. Electrons are emitted from the bottom of the island region 14 with a certain angular dispersion.
- Figure 5 In the device structure described above, the electric field becomes a lens shape in the space above the island region 14, and the trajectory of the emitted electrons changes in the direction along the normal. As a result, emitted electrons with very small angular dispersion can be obtained.
- the electrons e (emission current I e) emitted from the concave portions of the island regions 14 are accelerated by the high accelerating voltage Vc applied to the opposing collector electrode 2, for example, about 5 kV, and are applied to the collector electrode 2. Once collected, the phosphor 3 emits the corresponding visible light.
- the driving method of the display device of the present embodiment is a passive matrix method, but the active matrix method of individually driving the electron-emitting devices S using the upper electrode 15 shown in FIGS. 20C and D is also used. Applicable.
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Description
明細 電子放出装置及びその製造方法
並びに
電子放出装置を用いた撮像装置又は表示装置 技術分野
本発明は、電子源である電子放出素子及びこれを用いた撮像装置又は表示装置 などの電子装置に関し、特に電子放出素子の複数をアレイ配列にした電子装置の 配線構造に関する。
背景技術
従来から面電子源の電子放出素子の構造として、金属—絶縁体一半導体（M l S ) 型、 金属一絶縁体一金属 （M I M) 型などが知られている。
例えば、 M I M構造の電子放出素子の一例では、基板上に下部電極、絶縁体層、 上部電極を順に積層した構造を有するものがある。これを真空中で対向電極の下 に配置して下部電極と上部電極の間に所定電圧を印加すると、電子の一部が上部 電極から真空中へ飛び出す。
電子放出素子において、図 1に示されるような、基板 5 1 0上に形成された電 子放出部の下部電極 5 1 1上のトンネル絶縁層 5 1 2の周囲に保護絶縁層 5 1 4 (トンネル絶縁層膜厚よりも厚い膜厚を有する） を形成して覆い、保護絶縁層 5 1 4上に上部電極 5 1 3に接続するパスライン 5 1 5を形成する M I M構造 が提案されている （特開平 1 1一 1 2 0 8 9 8号公報参照)。
上部電極 5 1 3の厚さは数〜数十 nmである。バスライン 5 1 5は、積層され た下部電極 5 1 1、トンネル絶縁層 5 1 2及び保護絶縁層 5 1 4に起因する段差 部分を跨いで形成される。よって、 この段差部分でのバスライン 5 1 5の断線が 問題となる。また、段差部分での上部電極膜厚が不均一に薄くなり高抵抗化によ る電界の不均一を生じて上部電極の破壊が起こる可能性がある。
段差部分でのバスラインの断線問題を解決する方法として、表示装置に用いら れる電子放出素子のマトリクス配置構造が知られている（特開平 1 1一 1 8 5 6 7 5号公報参照）。 この技術では、 基板 1 0上の下部電極 1 1上に並べられた電 子放出素子 Sの間隙に絶縁性支持部 1 7を設け、その上に金属薄膜電極 1 5に接 続されたバス電極 1 6を設けている。 この技術では、電子放出素子 S間の凹部に 絶縁物を供給し絶縁性支持部 1 7を設けようとする場合、絶縁物の安定した供給 方法が問題となる。
発明の開示
そこで、 本発明の解決しょうとする課題には、 素子間の断線問題がなく、安定 的に電子の放出可能な電子放出装置及びこれを用いた撮像装置又は表示装置な どの電子装置、並びに電子放出素子の複数を例えばマトリクス状などの配列にし た装置の配線構造を提供することが一例として挙げられる。
本発明の電子放出装置は、各々が基板に近い側の下部電極及び前記基板に遠い 側の上部電極を有する複数の電子放出素子からなる電子放出装置であって、前記 電子放出素子同士の間に空間が形成されており、前記上部電極は前記複数の電子 放出素子に亘りかつ前記空間をそのプリッジ部によって跨いで延在しているこ とを特徴とする。
本発明の電子放出装置の製造方法は、各々が基板に近い側の下部電極及び前記 基板に遠い側の上部電極を有し、前記上部電極側から電子を放出する複数の電子 放出素子からなり、前記電子放出素子同士の間に空間が形成されており、前記上 部電極は前記複数の電子放出素子に亘りかつ前記空間をそのブリッジ部によつ て跨いで延在している電子放出装置の製造方法であって、
基板上に前記複数の電子放出素子を構成するため上部電極の材料層が積層さ れた積層体を形成する電子放出部形成工程と、
複数の電子放出素子に区切るべき線に沿って少なくとも 1つの貫通孔又は切 欠部が設けられた複数のブリッジ部を、エッチングによって前記上部電極の材料 層から形成するブリッジ形成工程と、
前記プリッジ部をマスクとして、露出した前記積層体の部分を異方性エツチン グによつて前記基板及び下部電極又はそれらの近傍まで食刻する切削工程と、 前記プリッジ部をマスクとして、露出した前記積層体の部分を等方性エツチン グによって食刻し空間を拡張して前記複数の電子放出素子に分離する分離工程 と、 を含むことを特徴とする。
本発明の撮像素子は、請求の範囲の請求項 1〜 1 6のいずれかに記載の電子放 出装置と、前記上部電極に真空空間を挾み略平行に対向する光電変換膜と、前記 光電変換膜に積層された光透過性電導膜と、前記光電変換膜及び前記光透過性電 導膜を保持する光透過性の前面基板と、 からなることを特徴とする。
本発明の表示装置は、請求の範囲の請求項 1〜 1 6のいずれかに記載の電子放 出装置と、前記上部電極に真空空間を挾み対向しかつ前記真空空間側の表面に配 置された蛍光体層及び前記蛍光体層上に形成され前記上部電極に対向したコレ
クタ電極を有する光透過性の前面基板と、 からなることを特徴とする。
図面の簡単な説明
図 1及び図 2は、 従来の電子放出素子の概略拡大部分斜視図である。
図 3は、 本発明による実施形態の電子放出装置の部分拡大断面図である。 図 4は、 本発明による実施形態の電子放出装置の部分拡大斜視図である。 図 5は、 図 4における線 A Aに沿った概略部分拡大断面斜視図である。
図 6〜図 1 7は、本発明による実施形態の電子放出装置の製造工程における素 子基板の部分拡大斜視図である。
図 1 8は、本発明による実施形態の電子放出装置の製造工程における素子基板 の部分拡大断面図である。
図 1 9は、本発明による実施形態の電子供給層を分離した素子と電子供給層を 分離していない素子の電流電圧特性を示すグラフである。
図 2 0は、本発明による他の実施形態の電子放出素子における上部電極の部分 拡大平面図である。
図 2 1及び図 2 2は、本発明による他の実施形態の電子放出素子の製造方法に おける素子基板の部分拡大斜視図である。
図 2 3及び図 2 4は、本発明による他の実施形態の電子放出素子における上部 電極の部分拡大平面図である。
図 2 5は、本発明による実施例の電子放出装置における電子放出素子の部分拡 大断面図である。
図 2 6は、本発明による実施形態の電子放出素子を用いた撮像素子の部分分解 拡大斜視図である。
図 2 7は、本発明による他の実施形態の電子放出素子を適用したフラットパネ ルディスプレイ装置のパネル部の部分分解拡大斜視図である。
発明を実施するための形態
以下、 本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
(電子放出装置）
図 3は、電子放出装置の一例の概略断面図を示す。電子放出装置は基板 1 0上 に形成された複数の電子放出素子 Sからなり、各電子放出素子 Sは基板に近い側 の下部電極 1 1上に順に積層形成された電子供給層 1 2、絶縁体層 1 3及び上部 電極 1 5からなる。電子放出素子では、下部電極及び上部電極間への所定電圧印 加時に、 電子が上部電極側から放出される。 基板に遠い側の上部電極 1 5には、 同一材料で一体的に形成されたブリッジ部 1 5 aが、隣接する電子放出素子の間 に存在する空間上に架設されるように、基板に略平行に伸長して設けられている。 すなわち、上部電極 1 5力複数の電子放出素子 Sに亘りかつ素子間の空間をその ブリッジ部 1 5 aによって跨いで延在している。ブリッジ部 1 5 aは、隣接する 電子放出素子 Sの上部電極 1 5を、電子放出素子 S側面及び基板に接触すること なく、電気的に接続する。空間上に架設されたブリッジ部 1 5 aにより、電流経 路が短縮され、 さらに断線の可能性が減少する。 図 3に示される例では、絶縁体 層 1 3及び上部電極 1 5の積層体がブリッジ部 1 5 aを構成している。ブリッジ 部の絶縁体層部分は上部電極の補強に効果がある。プリッジ部の上部電極部分が 強度を保てるかぎり、絶縁体層 1 3を省略してもよい。 さらに、 上部電極 1 5を 多層構造としても構成できる。
図 4に示すように、電子放出装置では、複数の電子放出素子を例えばマトリク
ス状などに配列することができる。すなわち、ブリッジ部 1 5 aで接続された上 部電極 1 5と下部電極 1 1とはそれぞれストライプ状の電極とし、かつ互いに直 交する位置に配列される。電子放出素子 Sはストライプの交点位置に配置される。 図 4に示すように、空間上のプリッジ部 1 5 aの部分には、複数の貫通孔 1 5 b が設けられている。貫通孔 1 5 bは、プリッジ部 1 5 a自体の形状を維持するた めに必要な強度を有し、必要な電気抵抗値を維持する限り、少なくとも 1つあれ ばよい。
各電子放出素子 Sは、図 5に示すように、絶縁体層 1 3及び上部電極 1 5の膜 厚が電子供給層 1 2に向かって漸次減少する複数の島領域 1 4から構成される。 なお、各電子放出素子 Sに島領域 1 4は少なくとも 1つあればよい。島領域 1 4 において、絶縁体層 1 3及び上部電極 1 5の膜厚は、その中央に向け共に漸次減 少する。 このように、例えば、 島領域 1 4は上部電極 1 5の平坦表面における凹 部として形成されている。島領域 1 4においては、上部電極 1 5が絶縁体層 1 3 上の縁部で終端している。また、島領域 1 4における絶縁体層 1 3は電子供給層 1 2上の縁部で終端している。よって、上部電極 1 5と電子供給層 1 2とは短絡 しない
電子放出素子 Sは、 素子基板 1 0上に、 下部電極 1 1、 電子供給層 1 2、 絶縁 体層 1 3、上部電極 1 5が順に積層された積層構造の実施形態の例である。素子 基板 1 0の材質はガラスの他に、 A 1 2 03、 S i 3 N 4、 B Nなどのセラミック スでも良い。 S iウェハ上を S i 02などの絶縁膜で被覆したウェハも基板とし て用いられ得る。
下部電極 1 1は単層又は多層からなり、 例えばアルミニウム （A l )、 タンダ
ステン （W)、 窒化チタン （T i N), 銅（Cu)、 クロム （C r) などからなる。 電子供給層 12はシリコン（S i)又は S iを主成分とする混合物若しくはそ の化合物などのアモルファス相の半導体からなる。電子供給層 12の材料として はスパッタリング法や CVD法により成膜した I I l b族あるいは Vb族の元 素をドープしたアモルファスシリコン（a— S i)が特に有効であるが、 a— S iのダングリングポンドを水素（H)で終端させた水素化アモルファスシリコン (a— S i ： H)、 さらに S iの一部を炭素 （C) で置換した水素化ァモルファ スシリコン力一パイト （a— S i C： H) や、 S iの一部を窒素 （N) で置換し た水素化アモルファスシリコンナイトライド （a— S i N :H) などの化合物半 導体も用いられる。
絶縁体層 13の誘電体材料としては、 酸化シリコン S i Ox (xは原子比を示 す） が特に有効であるが、
L i Ox、 L i Nx、 NaOx、 KOx、 Rb〇x、 C s〇x、 B e〇x、 MgOx、 MgNx、 Ca〇x、 CaNx、 S r〇x、 B a〇x、 S c〇x、 YOx、 YNX、 L aOx、 L aNx、 CeOx、 P rOx、 Nd〇x、 SmOx、 Eu〇x、 GdOx、 Tb〇x、 Dy〇x、 Ho〇x、 E rOx、 Tm〇x、 Yb〇x、 Lu〇x、 T i〇x、 Z r〇x、 Z rNx、 Hf 〇x、 Hf Nx、 ThOx、 V〇x、 VNX、 Nb〇x、 N bNx、 Ta〇x、 TaNx、 C r〇x、 C rNx、 Mo〇x、 MoNx、 WOx、 W Nx、 Mn〇x、 Re〇x、 FeOx、 FeNx、 Ru〇x、 〇s〇x、 CoOx、 R hOx、 I r〇x、 N i Ox、 Pd〇x、 P t Ox、 CuOx、 CuNx、 Ag〇x、 AuOx、 ZnOx、 CdOx、 HgOx、 BOx、 BNX、 A 1〇x、 A 1 Nx、 G a〇x、 GaNx、 I n〇x、 S i Nx、 Ge〇x、 Sn〇x、 Pb〇x、 P〇x、 P
Nx、 As〇x、 S bOx、 S eOx、 T e〇xなどの酸化物又は窒化物でもよレ^ また、 L i A 102、 L i 2S i Os、 L i 2T i〇3、 Na2A l 22034、 Na F e〇2、 Na4S i〇4、 K2S i〇3、 K2T i〇3、 K2W04、 Rb2C r〇4、 CS2C r〇4、 MgA l 2〇4、 MgF e2〇4、 MgT i〇3、 CaT i〇3、 C aW〇4、 C aZ r〇3、 S r F e12〇19、 S rT i〇3、 S r Z r〇3、 B a A 12〇4、 B aF e 12019、 BaT i 03 Y3A 15012、 Y3F e5012、 L a F e〇3、 L a3F e5〇12、 L a2T i 2〇7、 Ce Sn04、 CeT i〇4、 Sm 3F e 5〇12、 EuFe〇3、 Eu3F e5〇12、 GdF e〇3、 Gd3F e5〇12、 DyF e〇3、 Dy 3F e 5012 HoF e〇3、 Ho3Fe5〇12、 E r F e03、 E r 3Fe 5012、 Tm3F e 5012、 LuF e〇3、 Lu3F e 5〇12、 N i T i 03、 A l 2T i〇3、 FeT i 03、 B aZ r〇3、 L i Z r〇3、 MgZ r〇3、 H f T i〇4、 NH4V〇3、 AgV〇3、 L i V03, B aNb2〇6、 N aNb
03、 S rNb2〇6、 KTa〇3、 NaTa〇3、 S rTa2〇6、 CuC r2〇4、 Ag2C r〇4、 B aC r〇4、 K2Mo04、 Na2Mo〇4、 N i Mo04、 B a W〇4、 N a2W〇4、 S rW04 MnC r2〇4、 MnF e2〇4、 MnT i〇3、 MnW〇4、 CoF e 2〇4、 ZnF e2〇4、 F eW〇4、 CoMo〇4、 C oT i〇3、 C oW〇4、 N i F e2〇4、 N iW〇4、 CuF e 204、 CuMo〇4、 CuT i〇3、 CuW〇4、 Ag2Mo〇4、 Ag2W〇4、 ZnA l 2〇4、 ZnM
004、 ZnW〇4、 CdSn03, CdT i 03、 CdMo〇4、 CdW〇4、 N a A 102> MgA l 204、 S r A 1204 Gd3Ga5〇12、 I nF e〇3、 M g l n2〇4、 A l 2T i〇5、 F eT i〇3、 MgT i 03、 Na2S i〇3、 C a S i〇3、 Z r S i 04、 K2Ge〇3、 L i 2Ge〇3、 Na2Ge〇3、 B i 2S
05005643
9 n309、 MgSn〇3、 S r Sn〇3、 PbS i Os、 PbMo04、 PbT i O 3、 Sn〇2— S b 203、 CuS e〇4、 Na2S e〇3、 ZnS e〇3、 K2T e 03、 K2Te〇4、 Na2Te〇3、 N a 2T e〇4などの複合酸化物、 F e S、 A 12S3、 MgS、 ZnSなどの硫化物、
L i F、 MgF2、 SmF3などのフッ化物、
HgC l、 F e C l 2、 C r C l 3などの塩化物、
AgB r、 CuB r、 MnB r2などの臭化物、
Pb l 2、 Cu l、 Fe l 2などのヨウ化物、
L aB6、 C e B6などのランタノイド硼化合物、
T i B2、 Z r B2、 H f B 2などの金属硼化物、
又は、 S i A 1 ONなどの酸化窒化物でも絶縁体層 13の誘電体材料として有効 である。
また、 ダイヤモンド、 フラーレン （C2n) からなる炭素絶縁物も有効である。 絶縁体層の島領域 14以外の平坦部分の厚さは、 50 nm以上が好ましいが、更 に好適な厚さの範囲は、素子の静電容量、主マスクの大きさ及びプリッジ部の強 度から決定される。
素子平坦部において上部電極と電子供給層にはさまれた絶縁体層は静電容量 を形成する。 この静電容量の値が大きいと素子の高速動作に対する妨げとなり、 特に光電変換膜と組合せて撮像装置を構成する場合に顕著となる。この観点から は、絶縁体層は厚い方が好ましい。一方、素子の電子放出量（エミッション電流） を大きくするには、 電子放出部の面密度（単位面積当たりの電子放出部の数） を 増やすことが有効であるが、絶縁体層を厚くすることはこの面密度を高くする妨
げとなる。 これは、 電子放出部 （いわゆる島領域） 14を形成する際に図 1 1に 示した支持部 P及び主マスク部 Mからなるマイクロマスク MMを遮蔽体として 用いるためである。絶縁体層が厚いと支持部 Pを高くする必要が生じ、その結果 主マスク部 Mの径を大きくせざるを得ず、 上記面密度が得られなくなる。 また、 隣接する電子放出素子間の空間を跨いで延在するプリッジ部がその形状を維持 するために必要な強度を得るためには、絶縁体層の膜厚が厚い程有利となる。 こ うして決定される好適な絶縁体層の厚さは 100〜100 O nm程度である。 薄膜として成膜される上部電極 15の材料としては融点が極めて高い夕ング ステン （W) が特に有効であるが、 融点の高いモリブデン （Mo) レニウム （R e)、 タンタル（Ta)、 オスミウム（Os；)、イリジウム（I r)、ルテニウム （R u)、 ロジウム（Rh)、バナジウム i 、ヽ クロム（C r)、ジルコニウム（Z r)、 プラチナ （P t)、 チタン （T i)、 パラジウム （Pd)、 鉄 （F e)、 イットリウ ム （Y)、 コバルト （Co)、 ニッケル （N i) も有効であり、 Au、 B e、 B、 C、 A l、 S i、 S c、 Mn、 Cu、 Zn、 Ga、 Nb、 Tc、 Ag、 Cd、 I n、 Sn、 T l、 Pb、 L a、 Ce、 P r、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 T b、 Dy、 Ho、 E r、 Tm、 Yb、 Luなども用いられ得る。 また、 これらの 金属の合金や例えば L aB6、 CeB6、 T i B2、 Z rB2、 Η ί Β2などの導電 性を有する化合物も用いられ得る。上部電極 1 5の電子放出部以外の平坦部分で の膜厚は 10 nm以上が好ましいが、更に好適な厚さの範囲は、上部電極の抵抗、 主マスクの大きさ及びバス電極の付加の有無から決定される。
素子平坦部において上部電極は導線の役割を担っている。 このため、上部電極 の抵抗が少ない方が好ましく、すなわち膜厚は厚い方が望ましい。一方、 素子の
電子放出量（ェミッション電流） を大きくするには、 電子放出部の面密度（単位 面積当たりの電子放出部の数）を増やすことが有効であるが、上部電極を厚くす ることはこの面密度を高くする妨げとなる。 これは、 電子放出部（いわゆる島領 域） 1 4を形成する際に図 1 1に示した支持部 P及び主マスク部 Mからなるマイ クロマスク MMを遮蔽体として用いるためである。上部電極が厚いと支持部 Pを 高くする必要が生じ、その結果主マスク部 Mの径を大きくせざるを得ず、上記面 密度が得られなくなる。また、上部電極の膜厚は薄いままで素子平坦部の上部電 極相当部の抵抗を下げる方法としては、電子放出部以外の平坦部のみにバス電極 を導入することも有効である。 この方法を用いれば、上部電極の平坦部での膜厚 を薄くすることも可能である。こうして決定される好適な上部電極の厚さは 5〜 1 0 0 0 nmである。
電子放出素子の製造における成膜法としては物理堆積法又は化学堆積法が用 いられる。 物理堆積法は P VD (physical vapor deposition) 法として知られ、 これには真空蒸着法、 分子線エピタキシー （molecular beam epitaxy) 法、 スパ ッ夕リング法、 イオン化蒸着法、 レーザアブレーシヨン法などがある。化学堆積 法は C VD (chemical vapor deposition)法として知られ、これには熱 C VD法、 プラズマ C VD法、 MO C VD (metal-organic chemical vapor deposition) 法な どがある。 これらの中で、 スパッタリング法が特に有効である。 電子供給層は、 スパッタリング法（反応スパッタリングを含む） を用いてガス圧 0 . 1〜： L 0 0 111丁0 1" 1"好ましくは0 . 1〜2 O mT o r r、 成膜レート 0 . l〜1 0 0 0 n m/m i n好ましくは 0 . 5〜： L 0 O n mZm i nのスパッタリング条件で成膜 される。
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12 さらに、電子放出素子 Sにおいて、その上部の少なくとも凹部の島領域 1 4上 に炭素又は炭素を成分とする混合物若しくは炭素化合物からなる炭素領域（図示 せず） が成膜されてもよい。 また、作製時に上下電極間の所定電圧による通電処 理により、発生するジュール熱を利用して、電子供給層 1 2の一部などを非結晶 相から結晶化させてもよい。
炭素領域の材料として無定形炭素、 グラフアイト、 カルビン、 フラーレン （C 2 n) , ダイヤモンドライクカーボン、 カーボンナノチューブ、 カーボンナノファ ィバー、 カーボンナノホーン、 カーボンナノコイル、 カーボンナノプレート、 ダ ィャモンド、 などの形態の炭素、 或いは、 Z r C、 S i C、 WC、 M o Cなどの 炭素化合物が有効である。
炭素領域を薄膜として形成する方法は、例えば真空チヤンバに設けられた炭素 ターゲットを有するスパッ夕リング装置などにより、凹部島領域と上部電極上に 一様に積層、 形成することができる。 この場合、 炭素は主として無定形炭素、 グ ラフアイト、 ダイヤモンドライクカーボンといった形態をとる。一方、 炭素領域 の炭素がカーボンナノチューブ、力一ボンナノファイバ一、カーボンナノホーン、 カーボンナノコイル、カーボンナノプレートの形態の場合は C VD法が有効であ る。 この場合、 上部電極の表層の F e、 N i、 C oを主成分とする触媒層を設け ておくと良い。または炭素の形態によらず印刷法も炭素領域の形成法として有効 である。
(電子放出装置の製造方法）
図 4に示した電子放出素子がマトリクス状に配置された電子放出装置の製造 方法を一例として概略説明する。
(基板上に複数の電子放出素子を構成する電子放出部形成工程） まず、基板上に複数の電子放出素子を構成する積層体を形成し、島領域を電子 放出部として形成する。
図 6に示すように、清浄な基板 1 0を用意し、その主面に例えば C r Z C u Z C r /T i Nの 4層からなる下部電極 1 1をストライプ状に成膜する。
次に、図 7に示すように、基板 1 0及び下部電極 1 1上にスパッタリングによ り例えば S iからなる電子供給層 1 2を一様に形成して、ストライプ状の下部電 極を覆う。 シリコンの他に、シリコンを主成分とする混合物若しくはその化合物 からなる電子供給層を基板上に形成することもできる。
次に、各々が電子供給層上に接触する部分周りに影を形成する複数の遮蔽体を 電子供給層上に形成する。遮蔽体としては積層体のエッチングレートの差を利用 して傘構造を持ったマイクロマスクを用いる。マイクロマスクは、所定面積を有 する上部の主マスク部とそれを支持する当該所定面積より小なる横断面積を有 する支持部からなる。
マイクロマスクの形成方法は、 次のとおりである。
図 8に示すように、 C V Dなどで電子供給層 1 2上にマイクロマスクの支持部 の材料である例えば窒化シリコン S i Nxの支持部材料層 1 3 3を成膜し、 その 上にマイクロマスクの主マスク部の材料である例えば酸化シリコン S i O xの 主マスク部材料層 1 3 4を成膜する。
その後に、図 8に示すように、 レジストマスク Rを主マスク部材料層 1 3 4上 に形成する。 すなわち、 レジストを塗布し、 所定パターンで、 露光、 現像により パターニングを行う。この工程は通常のフォトリソグラフィ法と同様のレジスト
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14 塗布、 露光、 現像のプロセスからなる。 また、 電子ビ一ムリソグラフィ法を用い れば、 より微細なパターニングができる。 レジストマスク Rは、下部電極 1 1上 方であり、後に形成される上部電極のストライプと交差すべき領域内に配置され る。主マスク部に対応するレジストマスク Rは円形の他に、多角形あるいは曲線 と直線で構成される形でもよい。
その後、図 9に示すように、反応イオンエッチングなどの異方性エッチングを 行う。 レジストマスク Rの残っているところはエッチングガスから保護され、 レ ジストマスク Rの残っていないところのみ膜面に垂直方向に主マスク部材料層 1 3 4がエッチングされる。このドライエッチングは支持部材料層 1 3 3の途中 まで行う。
次に、 図 1 0に示すように、 熱リン酸溶液でウエットエッチング（等方性エツ チング） を行う。 ここで、 酸化シリコンと窒化シリコンのエッチング比は 1 ： 5 0であり、 酸化シリコンはほとんどエッチングされない。 図 1 0に示すように、 等方エッチングにより支持部材料層 1 3 3は、主マスク部材料層 1 3 4下の膜面 にて水平方向にも痩せてくる。その後、 電子供給層 1 2が露出し、残っている支 持部材料層 1 3 3の形（支持部）が適当になったところでゥエツトエッチングを 止める。
次に、アツシングにより主マスク部の上部に残ったレジストマスク Rを除去す ると、 図 1 1に示すように、 電子供給層 1 2上に、 形成すべき島領域に対応する 部位に、各々が窒化シリコンの支持部 P及び酸化シリコンの主マスク部 Mからな る複数のマイクロマスク MMが形成される。
このようにして、遮蔽体形成工程において、基板上に支持部材料層及び主マス
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15 ク部材料層を成膜し、その上にフォトリソグラフィ法によってレジストマスクを 形成し、 さらに、 ドライエッチング法及びウエットエッチング法によって、主マ スク部及び支持部を順に食刻して、マイクロマスク MMを形成する。マイクロマ スク MMは遮蔽体として、基板及び電子供給層の法線方向に突出する支持部（ォ —バーハング部） と、支持部から基板及び電子供給層に平行な方向に突出する主 マスク部とから構成される。マイクロマスク MMの支持部材料層はウエットエツ チング可能な材料に限らないが、少なくとも等方性ェッチング可能な材料から選 択される。 なお、 マイクロマスク MMを電気絶縁性の遮蔽体として、 これらを除 去せずに残しても、最終製品としてマイクロマスク MMを有する電子放出装置と することができる。
その後、図 1 2に示すように、電子供給層 1 2及びマイクロマスク MM上に酸 化シリコン S i〇xをスパッタリングにより一様に堆積させ、 絶縁体の薄膜から なる絶縁体層 1 3を形成する。 ここで、電子供給層 1 2及びマイクロマスク MM の接触部分の周りには絶縁体ガス （粒子）が回り込み、絶縁体層 1 3の所定膜厚 から漸次膜厚が減少する絶縁体層部分が形成される。膜厚が漸次減少する絶縁体 層部分は主マスク部 M下における電子供給層 1 2上で終端してその縁部 (膜厚は ほぼオングストローム程度） が形成される。
次に、図 1 2に示すように、絶縁体層 1 3及びマイクロマスク MM上にタンダ ステン Wをスパッタリングにより一様に堆積させ上部電極 1 5を形成する。ここ で、金属は絶縁体層 1 3及び主マスク部 M間の間隙から支持部 Pの接触部分の周 辺へ回り込み、上部電極 1 5の所定膜厚から漸次膜厚が減少する上部電極部分が 形成される。膜厚が漸次減少する上部電極部分は主マスク部 M下における絶縁体
層 1 3上で終端してその縁部 (膜厚はほぼオングストローム程度)が形成される。 このように、マイクロマスク MMの支持部 Pの中心方向に向かって、絶縁体層 1 3及び上部電極 1 5の膜厚が連続的に薄くなつている。結果として、凹部である 島領域 1 4は、絶縁体層 1 3及び上部電極 1 5内のマイクロマスク MM下の接触 面周囲に形成される。 ここで、マイクロマスク MMの主マスク部 Mが露出するよ うな、すなわち上部電極 1 5の材料に完全に埋没しないような大きさ、厚さとな るように、主マスク部材料層 1 3 4及び支持部材料層 1 3 3の膜厚は設定されて ある。
次に、熱リン酸溶液でゥエツトエッチングを行い、窒化シリコンの支持部とと もにマイクロマスクを除去する。図 1 3に示すように、電子放出部を構成する複 数の島領域 1 4が凹部として現れる。
この島領域の電子放出部の形成方法は、マイクロマスク MMの主マスク部 Mと 支持部 Pの面積及び太さがパターエングで決まるので、形成のための制御が容易 である。 ゴブレット足状の支持部 Pが倒れたりしないので、安定性に優れる。 さ らに、支持部 Pの太さを、材料の膜厚と主マスク部 Mの面積とゥエツトエッチの 時間により容易に制御できる。
(ブリッジ部形成工程）
次に、エッチング法によって、島領域が形成された積層体を複数の電子放出素 子に区切るために、少なくとも 1つの貫通孔又は切欠部が設けられた複数のプリ ッジ部を、 積層体上上部電極材料層から形成する。
図 1 4に示すように、島領域が形成された上部電極 1 5上に、 レジストを一様 に塗布する。 更に、 成膜されたレジスト膜において、 電子放出素子の画素間 （区
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17 切線）となるべき部分に一定間隔に配置されるように下部電極 1 1の伸長方向に 平行に複数の開口 Hを並べて形成して、同時に、下部電極 1 1の伸長方向に垂直 に交差するようにスリツト開口 H 2を形成して、第 2レジストマスク R 2を形成 する。 開口 H及びスリット開口 H 2により、 上部電極 1 5を露出させる。
次に、 図 1 5に示すように、 プラズマエッチングにより、 第 2レジストマスク R 2の開口 H及びスリット開口 H 2の下にある上部電極 1 5及び絶縁体層 1 3 の部分を等方性エッチングして開口せしめ、電子供給層 1 2を露出させる。 これ により、 貫通？ L 1 5 bが穿たれて、 マスクとしてのブリッジ部が形成される。 次に、 図 1 6に示すように、 リアクティブイオンエッチングにより、 それぞれ の開口部の下にある S iの電子供給層 1 2を異方性エッチングして開口せしめ、 基板 1 0及び下部電極 1 1を露出させる。
次に、 図 1 7に示すように、 ケミカルドライエッチングにより、 上部電極 1 5 及び絶縁体層 1 3の直下にある電子供給層 1 2を等方性エッチングして開口径 を広げていく。電子供給層 1 2の拡大開口空間 E Sは、隣接する拡大開口空間 E S (開口 H及びスリット開口 H 2に対応） と繋がるようにエッチングされる。 その後に、上部電極及び絶縁体層上に塗布した第 2レジストマスク R 2を除去 する。 その後、 図示しないが、 炭素領域として、 島領域 1 4と上部電極 1 5上に 炭素の薄膜を成膜することができる。 このようにして、図 5に示す電子放出装置 が形成される。
このように、実施形態の電子供給層をディープエッチングする方法では、広い 面積において一様に成膜しておいた電子供給層、絶縁体層、上部電極のうちの絶 緣体層及び上部電極に貫通孔を設けて、その貫通孔から異方性エッチング、等方
性エッチングの順に処理している。 この時、等方性エッチングはなくても電子供 給層の分離は可能であるが、異方性エッチングを行ったままでは、分離した電子 供給層が拡大開口空間 E Sに突き出しており、この後に成膜する炭素層が貫通孔 を介して絶縁体層を跨ぎ、上部電極と電子供給層が導通してしまう可能性が高く なる。 このため、 図 1 5に示す工程の等方性エッチングによって、 図 1 8に示す ように、絶縁体層を貫通孔 1 5 bの中心へ向かい張り出した庇部として残す構造 にすることで、後の炭素層成膜時に起こり得る炭素粒子付着による上部電極と電 子供給層の導通を防止できる。ブリッジ部の絶縁体層だけでもかかる導通を防止 できるが、 これによりさらに効果的となる。
また、素子通電時に S iの導電性が原因でのリーク電流を発生させないために、 電子供給層は上部電極と交わる向きに連続的に分離しておく必要がある。このた め、 上部電極に貫通孔を設けるにあたっては、 上部電極が断線することなく、 か つ電子供給層を連続的に分離しなければならない。 このため、上部電極に貫通孔 を設ける際には、 上部電極が断線しないように複数個の貫通孔を直線状に設け、 ディ一プエツチング工程時の等方性ェツチングにより電子供給層の拡大開口部 のみをつないで行くことによって、電子供給層を上部電極と交わる方向に連続的 に分離していくことができる。
上部電極が絶縁体層上に広い面積において一様に形成されかつ、下部電極が分 離されて独立になっている場合においても、下部電極が分離されているため、電 子供給層も独立に分離されている必要がある。 この際にも、電子供給層のディー プェツチングと絶緣体層材料からなる下層で補強されたブリッジ部は極めて有 効に機能する。
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19 電子供給層のディープエッチングによる素子分離とブリッジ部作製のために、 上部電極は断線してないが複数個の貫通孔を設けるため、上部電極の抵坊が高く なる場合がある。 このため、 上部電極を予め広く一様に成膜することによって、 電極の抵抗値の上昇を抑える効果がある。
以上の構成により、本実施形態の電子放出素子によれば、電子供給層が下部電 極と平行にストライプ状に分離され、分離する空間上に、絶縁体層の一部が隣接 する電子供給層を結びながら平面に配置され、その上に上部電極が平面に配置さ れているブリッジ構造を備えているので、電子供給層を介した素子間の電荷のリ ークが少なく、 その島領域から放出される電子の量が増加する。
電子供給層を分離した素子と電子供給層を分離していない素子を作製し、その 各々について素子電圧 V d (V)を印加した際に流れる素子電流 I d {電流量（A) Z画素 } と、 上部電極から放出される放出電流 I eを測定した。 図 1 9には測定 結果の電流電圧特性のダラフを、表 1には素子電圧 V d = 2 0 Vの時の各々の素 子電流 I d、 放出電流 I eを示す。
表 1
これらの結果から、電子供給層を分離した素子は、電子供給層を介した隣接す る素子の上部電極への電流のリークは防止されたため、素子電流 I dが小さくな つていることが分かる。 また、 放出電流 I eは増加している。
さらに、本発明の電子放出素子では、その島領域以外の絶縁体層は厚い膜厚を
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20 有するので、スルーホールが発生しにくくなり、製造歩留まりが向上する。また、 本発明の電子放出素子は、画素バルブの発光源、撮像素子、 電子顕微鏡などの電 子放出源、真空マイクロエレクトロニクス素子などの高速素子に応用でき、 さら に面状又は点状の電子放出ダイォードとして、さらには高速スィツチング素子と して動作可能である。
また、段差部分でのバスラインの断線問題を解決する方法として知られている 上記マトリクス配置構造の製造方法（特開平 1 1— 1 8 5 6 7 5号公報参照）に 比べて、本発明による電子放出素子の作製方法は、広い面積において一様に成膜 しておいた電子供給層、絶縁体層、 上部電極をその後に異方性エッチング、等方 性ェツチングすることで隣接する電子放出素子との分離と上部電極のブリッジ 部を作製する点において、 非常に合理的かつ簡便な製造方法である。
(他の実施形態の電子放出装置）
図 4に示す実施形態では上部電極 1 5のパ夕一ニングにおいて、複数の貫通孔 1 5 bの列で素子を分離しているが、プリッジ部 1 5 aを画定しかつ素子を分離 するために、 例えば、 図 2 0に示すように、 上部電極 1 5幅を狭める切欠部 1 5 cを有するブリッジ部 1 5 aでもよい （図 2 0 A)。 また、 図 2 0 Bに示すよう に貫通孔 1 5 b及び切欠部 1 5 cを有するブリッジ部 1 5 aでもよい。 さらに、 図 2 0 Cに示すように、上部電極 1 5をすベて同電位とするために、 x y方向に 貫通孔 1 5 bを設け x y方向にブリッジ部 1 5 aを設けてもよい。図 2 0 Cに示 す構成は、各下部電極に個別に電力供給される電子放出装置のためのアクティブ マトリクス駆動方式に有効である。またさらに貫通孔は、円形の他に矩形や菱形 や樽形や星形や、図 2 0 Dに示すように、ブリッジ部 1 5 aの面積を大きく保ち
かつエッチングガスの流通を促すために、その中央部 C Pで狭まりかつその端部 の素子に接続する部分で広がる拡大部 E Pを有する小鼓形の貫通孔 1 5 bでも よい。 これは、 ブリッジ部のシート抵抗値を低減する効果がある。
また、図 1 1に示す電子供給層 1 2において、一様に電子供給材料を積層する だけでなく、予定される拡大開口空間の形成を促すために、隣接下部電極 1 1間 など素子を切り分ける部位に、電子供給層 1 2よりもエッチングレートの高い材 料からなるエッチング誘導層 1 2 eを予めパ夕一ニングにおいてもよい。
いずれの実施形態によっても、上部電極のパタ一エングにおいて、ストライプ 状のほか、素子が八二カムやデルタ配置された場合の連結や、上部電極が屈曲も しくは蛇行するような配線が可能となり、絶縁体層や上部電極が素子の特性を劣 化することなく自由な形状にパターエングできる効果がある。
なお、上記実施形態では、図 1 1に示すようにマイクロマスク MMを電子供給 層 1 2に直接接して形成しているが、 この他に、 図 2 1に示すように、 図 7で示 す電子供給層 1 2に予め予備絶縁体層 1 3 aをスパッタリングにより形成し、予 備絶縁体層 1 3 a上にマイクロマスク MMを形成して、図 2 2に示すように、予 備絶縁体層 1 3 a及びマイクロマスク MM上に、絶縁体層 1 3を形成し、そして 絶縁体層 1 3上に上部電極 1 5を形成し、電子供給層 1 2を露出させない構造と してもよい。予備絶縁体層 1 3 aを設ける場合その膜厚は数十〜数千オングスト ロームの範囲である。 これにより、電子供給層 1 2及び上部電極 1 5間の短絡が 防止できる。
さらに、 実施形態では、電子放出部を島領域として説明しているが、本発明は 単なる面放出源タイプでも spindt型放出源タイプでも適用できることは明らか
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22 である。
下部電極とプリッジ部で接続された上部電極がそれぞれストライプ状の電極 でありかつ互いに直行する位置に配列されている素子において、上記ケミカルド ライエッチングよるプリッジ部の形成工程における円形貫通孔の列の条件を考 察すると、 以下の条件が得られる。
1 . 図 2 3に示すように、上部電極の伸長方向における貫通孔 1 5 bの中心か ら近隣に存在する島領域 1 4 (電子放出部） の縁部までの距離を a、貫通孔 1 5 bの中心から等方性ェツチングを行つた拡大開口部の最外周までの距離を bと すると、 a≥bであること。
2 . 1 . の条件において、 下部電極の伸長方向における上部電極 1 5のピッチ を c、 貫通孔 1 5 bのピッチを dとすると、 c≥dであること。
3 . 2 .の条件において、下部電極の伸長方向における上部電極 1 5の幅を e、 貫通孔 1 5 bの直径を f とすると、 f < eでなければならないが、上部電極の抵 抗を考慮すると望ましくは f≤9 X e Z l 0である。
4. 3 . の関係において、 dく eでなければならないが、 上部電極の抵抗を考 慮すると望ましくは d≥l 1 X ί / 1 0である。
また、上部電極は電子放出素子を列または行方向に限定する事なく複数の電子 放出素子に亘りかつ空間をそのプリッジ部によって跨いで延在し、下部電極は画 素毎に分離独立している素子において、上記ケミカルドライエッチングによるブ リッジ部の形成工程における円形貫通孔の列の条件を考察すると、以下の条件が 得られる。
1 . 図 2 4に示すように、上部電極における貫通孔 1 5 bの中心から近隣に存
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23 在する島領域 1 4 (電子放出部） の縁部までの距離を a、貫通孔 1 5 bの中心か ら等方エッチングを行った拡大開口部の最外周までの距離を bとすると、 a≥b であること。
2 . 1 . の条件において、 画素の長辺方向の長さを g、 短辺方向の長さを h、 貫通孔 1 5 bのピッチを dとすると、 g≥dかつ h≥dであること。
(実施例 1 )
S i〇2の絶縁膜で被覆した S iウェハ基板上に、 下部電極の下地となる A 1 一 S iからなる薄膜をストライプ状に形成した。
次に、電子放出素子を配置しょうとする下部電極上にわたって、特にパター二 ングすることなく、窒素を導入した反応スパッタリング法により T i Nの下部電 極を膜厚 2 2 O nmで、その上に S iからなる電子供給層を膜厚 5 0 0 0 nmで 成膜した。 この T i N層は下 ¾5電極として働くと同時に、 T i N層下の A 1— S i層が T i N層上に形成した電子供給層の S iへ拡散することを防止している。 次に、得られた基板上の電子供給層上に電子放出部の島領域を形成するために、 複数のマイクロマスク （図 8〜図 1 1参照） を作り込んだ。
次に、 マイクロマスク及び電子供給層上に、 スパッタリング法によって、 S i 〇2の絶縁体層を平坦部分で膜厚 3 3 O n mで成膜した。 この時、 マイクロマス クは表面に露出していた。 もちろん、 マイクロマ ク上部表面上に S i〇2は成 膜されていた。 マイクロマスクと電子供給層とが接している部分とその直下は、 主マスク部のオーバーバングの "影"になるので、 スパッタリング粒子の "まわ りこみ" によって S i〇2が成膜され、 絶縁体層の膜厚はマイクロマスクの支持 部の中心方向に向かつて徐々に薄くなつていた。
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24 次に、 上部電極のパターンのマスクを S i 02の絶縁体層上に取り付け、 タン ダステンの上部電極をスパッタリング法で膜厚 6 0 nmになるよう成膜した。結 果、絶縁体層及び上部電極の膜厚がマイクロマスクの支持部の中心方向に向かつ て漸次減少する島領域が形成された。 この時、絶縁体層を表面処理せずに上部電 極を成膜してもよいが、絶縁体層表面をスパッタリングしてから、電極膜を成膜 してもよレ^スパッ夕エッチングによって絶縁体層の表面部分のエッチングゃ改 質を行うと、 上部電極の絶縁体層への付着力が向上するからである。
次に、 これら基板の島領域から付着しているマイクロマスクを除去した。 次に、電子放出素子をマトリクス配置する領域のために、上部電極及び絶縁体 層上に、 レジストをスピンコート法により塗布した。
次に、電子放出素子間の空間とすべき部分で、かつ一定間隔に配置されるよう にレジスト膜に、 上部電極を露出させる開口の列を設けた。
次に、 プラズマエッチング装置を用いて、 C F 4、 C H F 3、 A rの混合ガス で処理することにより、レジストマスクの開口部の下にあるタングステンの上部 電極及び S i〇2の絶縁体層を等方性エッチングして、 電子供給層を露出させる 貫通孔を設けた。貫通孔の側面には絶縁体層材料からなる庇が貫通孔を狭めるよ うに突出していた。かかる貫通孔の周りの上部電極及び絶縁体層がプリッジ部と なる。
次に、 リアクティブイオンエッチング装置を用いて、 C H 2 F 2、 S F 6、 C I 2の混合ガスで処理することにより、 開口部の下にある S iの電子供給層及び T i Nの下部電極を異方性エッチングして、基板及び A 1 - S iを露出させる開口 を設けた。なお、異方性エッチング用のエツチャントとして H B rも用いること
ができる。
次に、 ケミカルドライエッチング装置を用いて、 CF4のガスで処理すること により、 タングステンの上部電極及び S i 02の絶縁膜の下にある、 S iの電子 供給層及び T i Nの下部電極を等方性エッチングして開口径を広げた。その電子 供給層及び下部電極の拡大開口部は、隣接する拡大開口部と繋がるようにエッチ ングされた。 結果、 ブリッジ部下に素子を分離する空間が確保された。 なお、 等 方性エッチング用のエツチャントとして Xe F2も用いることができる。 Xe F 2はタングステンをエッチングしてしまうので、 6 2を使用する場合、 上部 薄膜電極として A 1、 C r、 T i N iなど XeF2に耐える材料を用いる。
その後に、上部電極及び絶縁体層上に塗布したレジストマスクを除去した。結 果、空間上に架設されかつ隣接する電子放出素子を電気的に接続するブリッジ部 が形成された。
次に、複数の凹部島領域が設けられた基板の上部電極の上に炭素夕ーゲットを 用いたスパッタリング法により炭素領域 （炭素層） を膜厚 2 Onmで成膜した。
(実施例 2)
公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、 S iウェハ基板上の 電子放出素子に相当する位置に MOSFET (MOS電界効果トランジスタ）を 配置作成した。その後、複数の電子放出素子に相当する部分を覆うように層間絶 縁膜を、更にその上に下部電極を形成した。 この時、 層間絶縁膜に各電子放出素 子に相当する位置に貫通した開口部を設け、この開口部を通して MOS FET内 に形成したドレイン電極と下部電極を導通させた。
この下部電極を電子放出素子毎に分離独立した後、複数の電子放出素子に相当
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26 する部分を覆うように、特にパターニングすることなく S iからなる電子供給層 を成膜した。
次に、得られた電子供給層上に電子放出部の島領域を形成した。島領域の形成 方法は実施例 1と同様に行った。
続いて、プラズマエッチング装置を用いて、実施例 1と同様に上部電極及び絶 縁体層のエッチングを行った。 この時、上部電極の形状は図 2 0 Cに示した形状 とし、 上部電極すべてが同電位となるようにした。
次に、リアクティブイオンエッチング装置とケミカルドライエッチング装置を 用いて、 実施例 1と同様に、 電子供給層のエッチングを行った。 この時、 電子供 給層は下部電極と同様に、 電子放出素子毎に分離独立した。
その後に、上部電極及び絶縁体層上に塗布したレジストマスクを除去した。結 果、空間上に架設されかつ隣接する電子放出素子を電気的に接続するプリッジ部 が形成された。
次に、複数の凹部島領域が設けられた基板の上部電極の上に炭素ターゲットを 用いたスパッタリング法により炭素領域 （炭素層） を膜厚 2 0 n mで成膜した。 図 2 5は、製造した電子放出装置における単結晶シリコン基板 2 O Aに形成さ れた素子を示す断面図である。単結晶シリコン基板 2 0 Aには複数の MO S F E Tが形成されている。 MO S F E Tでは、単結晶シリコン基板 2 O A中に素子分 離膜 7 7が形成されており、これら素子分離膜 7 7間の単結晶シリコン基板 2 0 A上にゲート絶縁膜 7 4とポリシリコンからなるゲート電極 7 5とが形成され ている。また、ゲート電極 7 5と素子分離膜 7 7とをマスクとしてシリコン基板 2 O Aに不純物を導入しこれを活性化することで、ソース電極 7 2とドレイン電
3
27 極 7 6とが自己整合的に形成されている。下部電極 1 1は、層間絶縁膜 7 0を貫 通しているコンタクトホール 7 1内のタングステンなどの金属を介してドレイ ン電極 7 6へ導通している。 下部電極 1 1ごとに電子放出素子が分離独立して、 形成されている。下部電極 1 1上に、 電子供給層 1 2、 絶縁体層 1 3及び上部電 極 1 5が順に積層されて、凹部として電子放出部の島領域 1 4が形成されている。 島領域の形成方法は実施例 1と同様に行った。電子放出素子の間は電子供給層 1 2のエッチングにより除去された拡大開口空間 E Sで分離されている。電子供給 層 1 2は下部電極 1 1と同様に電子放出素子毎に分離独立しているが、上部電極 1 5のブリッジ部 1 5 aが、空間上に架設され、隣接する電子放出素子を電気的 に接続している。電子放出部の島領域 1 4の上部電極 1 5の上に炭素領域（炭素 層） が成膜されている。
また、本発明による電子放出装置及びその製造方法はトランジス夕として M〇 S F E Tを配置した電子放出装置に限られることなく、バイポーラ構造のトラン ジス夕、 ボトムゲート構造の T F T (薄膜トランジスタ）、 トップ構造の T F T を配置した電子放出装置についても適用できる。
(電子放出素子を用いた撮像素子）
撮像素子は、図 2 6に示すように、電子放出素子 Sが設けられた素子基板 1 0 を背面基板（上記した電子放出装置） として、 これと、 撮影すべき物体からの光 を受光する受光部として透明ガラスなどの前面基板 1と、 を備えている。電子放 出装置と前面基板 1は、真空空間 4を挾み略平行に保持されている。前面基板 1 及び背面基板 1 0は真空空間 4を隔てて図示しないスぺーサで支持されている。 背面基板 1 0と真空空間 4を挟んで対向する前面基板 1の真空空間内面には、
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28
S n〇2や I nなどからなる透明電極 2 0と、 さらに透明電極に接して前面基板 とは反対側に形成され、 例えば、 S e—A s—T e、 S b 2 S 3、 P b 0、 ある いは C d S eなどからなる光電変換膜 2 1とで構成されている。そして前面基板 には、透明電極から撮像出力信号を取り出すための信号電極が取り出されている。 受光面である前面基板 1の内面の光電変換膜 2 1に高い電圧が印加される。
背面基板 1 0の真空空間 4側内面には、それぞれ平行に伸長する複数の下部電 極 1 1が形成されている。共通の下部電極 1 1上にこれに沿って電子放出素子 S の複数が配置されている。電子供給層は複数の下部電極に沿つてストライプ状に 空間分離されている。それぞれ平行に伸長する複数の上部電極 1 5は、下部電極 1 1に垂直に伸長してブリッジ部を介して架設され、これらを電気的に接続して いる。絶縁体層も上部電極とともに隣接する電子供給層上に架設されている。下 部電極及びプリッジ部で接続された上部電極の交点が電子放出素子に対応する。 さらに、 図 2 6に示すように、 撮像素子には、真空空間 4中にメッシュ電極 3 0を配置し、中間電圧 Vmを印加することで電子ビームの方向性を良くして解像 度を改善することができる。
撮像素子の動作は、光学系を用い、前面基板 1を通して光電変換膜 2 1に光学 像が結ばれると、この光学像が正の二次元電荷像に変換されて電荷が光電変換膜 2 1の走査面側に蓄積される。一方、 この電荷を背面基板上に形成した電子放出 素子より放出した電子によつて中和することにより電流が流れ、映像信号として 検出することができる。
上部電極 1 5は、 例えば垂直方向走査用のパルス発生回路（図示せず） に接続 され、それぞれに所定信号が印加される。下部電極 1 1は例えば水平方向走査用
のパルス発生回路（図示せず） に接続され、垂直方向走査パルスに同期してそれ ぞれに所定信号が印加される。下部電極 1 1並び上部電極 1 5の交点が電子放出 素子 Sの配置に対応するので、実施形態の撮像素子においては、下部電極及び上 部電極 1 5により電子放出素子 Sが順次駆動され、放出電子で近接した光電変換 膜領域を走査して、光電変換膜に結像された画像から光電変換された映像信号を 得る。
(電子放出素子を適用した表示装置）
図 2 7は、実施の形態の電子放出素子を適用したフラットパネルディスプレイ 装置を示す。
電子放出素子 Sが設けられた素子基板 1 0を背面基板として、これに対向する ガラスなどの光透過性基板 1が真空空間 4を挾んで前面基板として保持される。 前面基板 1の内面には力一ボンなどからなるブラックマトリクス B Mで区画さ れた部分にそれぞれ赤緑青色発光を発する蛍光体層 3 R、 3 G、 3 Bを設けて、 その内面に A 1など導電体層を設けコレク夕電極 2として設けることもできる。 蛍光体層 3 R、 3 G、 3 Bに対応する複数の発光部からなる画像表示配列は、 喑 色又は黒色のマトリクス層 B Mによって画定されているが、同様に暗色又は黒色 のストライプ層によっても画定できる。
電子放出素子は、表面の上部電極 1 5を正電位 V dとし裏面の下部電極 1 1を 接地電位としてある。下部電極 1 1と上部電極 1 5との間に電圧 V d、例えば 2 0 V程度印加し電子供給層 1 2に電子を注入すると、一部の電子はあらかじめ通 電処理により形成されている電子放出部を通して、真空中に放出される。電子は 島領域 1 4の底部から、 ある角度分散をもって放出される。 しかしながら、 図 5
の素子構造では島領域 1 4の上部の空間で電界がレンズ状になり、放出電子は法 線に沿う方向に軌道が変えられる。その結果、角度分散の非常に小さい放出電子 が得られる。
この島領域 1 4の凹部から放出された電子 e (放出電流 I e ) は、対向したコ レクタ電極 2に印加された高い加速電圧 V c例えば 5 k V程度によって加速さ れ、 コレクタ電極 2に集められ、 蛍光体 3が対応する可視光を発光させる。本実 施形態の表示装置の駆動方式としてはパッシブマトリクス方式としているが、図 2 0 C及ぴ Dに示す上部電極 1 5を用いて電子放出素子 Sを個別駆動するァク ティブマトリクス方式にも適用できる。
Claims
1 . 各々が基板に近い側の下部電極及び前記基板に遠い側の上部電極を有し、 前記上部電極側から電子を放出する複数の電子放出素子からなる電子放出装置 であって、前記電子放出素子同士の間に空間が形成されており、前記上部電極は 前記複数の電子放出素子に亘りかつ前記空間をそのプリッジ部によって跨いで 延在していることを特徴とする電子放出装置。
2 . 前記プリッジ部に少なくとも 1つの貫通孔又は切欠部が設けられている ことを特徴とする請求項 1記載の電子放出装置。
3 . 前記貫通孔又は切欠部は、 円形、 矩形、 菱形、 樽形、 星形若しくは小鼓 形又はこれらを構成する一部の形状を有していることを特徴とする請求項 2記 載の電子放出装置。
4. 前記プリッジ部が前記基板に略平行に伸長している請求項 1〜3のいず れかに記載の電子放出装置。
5 . 前記下部電極と前記プリッジ部で接続された前記上部電極は、それぞれ ストライプ状の電極でありかつ互いに直交する位置に配列されていることを特 徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載の電子放出装置。
6 . 前記上部電極は電子放出素子を列または行方向に限定することなく複数の電子 放出素子に亘りかつ前記空間を前記ブリッジ部によって跨いで延在し、前記下部電極は 電子放出素子毎に分離独立していることを特徴とする請求項 1〜 4のいずれかに記載 の電子放出装置。
7 . 前記電子放出素子が前記下部電極と前記上部電極との間に積層された絶 縁体層及び半導体からなる電子供給層を有し、前記下部電極及び前記上部電極間 への電圧印加時に、電子が前記上部電極側から放出されることを特徴とする請求 項 5又は 6に記載の電子放出装置。
8 . 前記ブリッジ部は、隣接する前記電子放出素子の前記絶縁体層と一体と なった前記絶縁体層の材料部分を含むことを特徴とする請求項 7に記載の電子 放出装置。
9 . 前記電子供給層は、 シリコン又はシリコンを主成分とする混合物若しく はその化合物からなる非結晶相からなることを特徴とする請求項 1〜 8のいず れかに記載の電子放出装置。
1 0 . 前記絶縁体層及び前記上部電極の膜厚が前記電子供給層に向かって漸 次減少する少なくとも 1つの島領域からなる電子放出部を有していることを特 徴とする請求項 1〜 9のいずれかに記載の電子放出装置。
1 1 . 前記島領域における前記上部電極が前記絶縁体層上で終端しているこ とを特徴とする請求項 1 0記載の電子放出装置。
1 2 . 前記島領域における前記絶縁体 I が前記電子供給層上で終端している ことを特徴とする請求項 1 0又は 1 1記載の電子放出装置。
1 3 . 前記島領域は前記上部電極の平坦表面における凹部であることを特徴 とする請求項 1 0〜1 2のいずれかに記載の電子放出装置。
1 4. 前記絶縁体層は誘電体からなり、前記島領域以外では 5 0 n m以上の 膜厚を有することを特徴とする請求項 1 0〜1 3のいずれかに記載の電子放出 装置。
1 5 . 前記島領域において電気絶縁性の遮蔽体を備えていることを特徴とす る請求項 1 0〜1 4のいずれかに記載の電子放出装置。
1 6 . 前記島領域の上部若しくは下部又は内部に、炭素又は炭素を成分とす る混合物若しくは炭素化合物からなる炭素領域が設けられていることを特徴と する請求項 1 0〜： L 5のいずれかに記載の電子放出装置。
1 7 . 各々が基板に近い側の下部電極及び前記基板に遠い側の上部電極を有 し、前記上部電極側から電子を放出する複数の電子放出素子からなり、前記電子 放出素子同士の間に空間が形成されており、前記上部電極は前記複数の電子放出 素子に亘りかつ前記空間をそのプリッジ部によって跨いで延在している電子放 出装置の製造方法であって、
基板上に前記複数の電子放出素子を構成するため上部電極の材料層が積層さ れた積層体を形成する電子放出部形成工程と、
複数の電子放出素子に区切るべき線に沿って少なくとも 1つの貫通孔又は切 欠部が設けられた複数のプリッジ部を、エッチングによって前記上部電極の材料 層から形成するブリッジ形成工程と、
前記プリッジ部をマスクとして、露出した前記積層体の部分を異方性エツチン グによって前記基板及び下部電極又はそれらの近傍まで食刻する切削工程と、 前記ブリッジ部をマスクとして、露出した前記積層体の部分を等方性エツチン グによって食刻し空間を拡張して前記複数の電子放出素子に分離する分離工程 と、 を含むことを特徴とする電子放出装置の製造方法。
1 8 . 前記切削工程において、 C H 2 F 2、 S F 6、 C l 2を含む混合ガスを 露出した前記積層体の部分に接触させることを特徴とする請求項 1 7記載の電
子放出素子の製造方法。
1 9 . 前記分離工程において、 C F 4を含む混合ガスを露出した前記積層体 の部分に接触させることを特徴とする請求項 1 7又は 1 8記載の電子放出素子 の製造方法。
2 0 . 前記電子放出部形成工程は、
シリコン又はシリコンを主成分とする混合物若しくはその化合物からなる電 子供給層を前記基板上に形成する電子供給層形成工程と、
各々が前記電子供給層上に接触する部分周りに影を形成する遮蔽体を前記電 子供給層上に形成する遮蔽体形成工程と、
前記電子供給層及び前記遮蔽体上に絶縁体を堆積させ、絶縁体の薄膜からなる 絶縁体層を、前記遮蔽体下の接触する部分周囲の前記絶縁体層の膜厚が漸次減少 する少なくとも 1つの島領域となるように、 形成する絶縁体層形成工程と、 前記絶縁体層上に上部電極を成膜して、前記島領域を電子放出部として形成す る上部電極形成工程と、を含むことを特徴とする請求項 1 7〜1 9のいずれかに 記載の電子放出素子の製造方法。
2 1 . 前記島領域の上部もしくは下部又は内部に炭素又は炭素を成分とする 混合物若しくは炭素化合物からなる炭素領域を形成する炭素領域形成工程をさ らに含むことを特徴とする請求項 2 0記載の製造方法。
2 2 . 前記プリッジ形成工程において、前記上部電極及び前記絶縁体層を等 方性エッチング法によって食刻し、隣接する前記電子放出素子の前記絶縁体層及 び前記上部電極と一体となった前記絶縁体層の材料部分を含む前記ブリッジ部 を形成し、前記貫通孔において前記絶縁体層の材料部分からなる前記貫通孔の中
心へ向かい張り出した庇状構造を形成することを特徵とする請求項 2 0又は 2 1記載の電子放出装置。
2 3 . 前記遮蔽体は、各々が前記基板の法線方向に突出する支持部と前記支 持部から前記基板に平行な方向に突出する主マスク部とを有するマイクロマス クであり、前記遮蔽体形成工程において、前記基板上に支持部材料層及び主マス ク部材料層を成膜し、その上にフォトリソグラフィ法によって少なくとも前記電 子供給層の一部分を露出せしめるレジストマスクを形成し、ドライエッチング法 及びウエットエッチング法によって、前記主マスク部及び前記支持部を順に食刻 して、前記マイク口マスクを形成する工程を含むことを特徴とする請求項 2 0〜 2 2のいずれかに記載の製造方法。 ·
2 4. 請求項 1〜 1 6のいずれかに記載の電子放出装置と、前記上部電極に 真空空間を挾み略平行に対向する光電変換膜と、前記光電変換膜に積層された光 透過性電導膜と、前記光電変換膜及び前記光透過性電導膜を保持する光透過性の 前面基板と、 からなることを特徴とする撮像素子。
2 5 . 前記真空空間に前記電子放出装置及び前記光電変換膜に接することな く配置されたメッシュ電極を有することを特徴とする請求項 2 4記載の撮像素 子。
2 6 . 請求項 1〜 1 6のいずれかに記載の電子放出装置と、前記上部電極に 真空空間を挾み対向しかつ前記真空空間側の表面に配置された蛍光体層及び前 記蛍光体層上に形成され前記上部電極に対向したコレク夕電極を有する光透過 性の前面基板と、 からなることを特徴とする表示装置。
2 7 . 前記蛍光体層に対応する複数の発光部からなる画像表示配列を有して
いることを特徴とする請求項 2 6記載の表示装置。
2 8 . 前記蛍光体層に対応する複数の発光部からなる画像表示配列は、暗色 又は黒色のマトリクス層又はストライプ層によって画定されていることを特徴 とする請求項 2 6又は 2 7のいずれかに記載の表示装置。
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