JPH01149351A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子放出素子及びその製造方法に係る。

［従来の技術］ 従来、電子放出源としては熱陰極型電子放出素子が多く
用いられていたが、熱電極を利用した電子放出は加熱に
よるエネルギーロスが大きく、予備加熱が必要等の問題
点を有していた。

これらの問題点を解釈すべく、冷陰極型の電子放出素子
がいくつか提案されており、その中に局部的に高電界を
発生させ、電界放出により電子放出を行わせる電界効果
型の電子放出素子がある。

第６図は上記の電界効果型の電子放出素子の一例を示す
概略的部分断面図であり、第７図（Ａ）〜（Ｄ）はその
製造方法を説明するための概略的工程図である。

第６図に示すように、Ｓｉ等の基体２１上にＭｏ（モリ
ブデン）等の円錐形状の電極１９を設け、この電極１９
を中心として開口部が設けられた５ｉ０２等の絶縁層２
０が形成され、この上に前記円錐形状の尖頭部の近傍に
その端部が形成された引き出し電極１８を設ける。

このような構造の電子放出素子において、基体２１と引
ぎ出し電極１８との間に電圧を印加すると、電界強度の
強い尖頭部から電子が放出される。

上記電子放出素子は、次のような工程で作成される。

まず、第７図（Ａ）に示すように、Ｓｉ等の基体２１の
上に５ｉ０２酸化膜等の絶縁層２０を形成し、電子ビー
ム蒸着等によりＭＯ層１８を形成し、さらにＰ　Ｍ　Ｍ
　Ａ　（ｐｏｌｙ−ｍｅｔｈｙｌ−ｍｅｔｈａｃｒｙ−
１ａｔｅ）等の電子線レジストをスピンコード法を用い
て塗布する。電子ビームを照射してバターニングを行っ
た後イソプロピルアルコール等で電子線レジストを部分
的に除去し、ＭＯ層１８を選択的にエツチングして第１
の開口部２２を形成する。

電子線レジストを完全に除去したのち、弗化水素酸を用
いて絶縁層２０をエツチングして第２の開口部２３を形
成する。

次に、第７図（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心とし
て基体２１を回転させながら、一定の角度θ傾斜させて
Ａｊ２をＭｏ層１８の上面に蒸着させてへ１層２４を形
成する。このとき前記ＭＯ層１８の側面部にもＡ℃が蒸
着されるので、この蒸着量を制御することにより、第１
の開口部２２の直径を任意に小さくすることができる。

次に、第７図（Ｃ）に示すように、基体２１に対して垂
直にＭＯを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。このと
きＭｏは／ｌＪ２層２４上２４上体２１上だけでなくＡ
Ｊ２層２４の側面にも堆積されるので、第１の開口部２
２の直径はＭＯ層２５の積層に伴って段々小さくなって
いく。この第１の開口部２２の直径の減少に伴フて基体
に堆積されていく蒸着物（Ｍｏ）の蒸着範囲も小さくな
っていくために、基体２１上には略円錐形状の電極１９
が形成される。

最後に、第７図（Ｄ）に示すように、堆積したＭＯ層２
５及びＡＩ１層２４を除去することにより略円錐形状の
電極１９を有する電子放出素子が形成される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の電子放出素子は、電極の円錐
形状の特性、例えば、電極の高さ、角度、底面の直径は
第１の開口部２２の大きさ、絶縁層２０の厚さ、基体と
蒸着源との距離等の製造上の各種の条件で決定されるの
で再現性が悪く、素子内部の電位分布が定まらない為に
安定した特性を得ることが難しい。特に複数個同時に上
記の電子放出素子を形成する場合には、円錐形状のバラ
ツキが大きいという問題があった。

また、上記従来の電子放出素子は電極尖頭部の曲率半径
が比較的大きく、電子放出に必要な電界強度を得るため
には高い印加電圧が必要であった。

本発明の目的は、電子放出部となる尖頭部を有する電極
の形状のバラツキを防ぐとともに、その性能を改善した
電子放出素子及びマルチ型電子放出素子及びその製造方
法を提供することにある。

［問題を解決するための手段］ 本出願に係る第１発明は、特定の面方位をもち、かつ、
特定の結晶面からなるファセットで囲まれた尖頭部を有
する、基体上に設（すられた単結晶を電子放出用の電極
とし、該電子放出用の電極の近傍に引き出し電極を設け
たことを特徴とする電子放出素子である。

本出願に係る第２発明は、単結晶基板上に絶縁層を設け
る工程と、前記絶縁層に単結晶基板が一部露出するよう
な開口部を設ける工程と、前記絶縁層をマスクとして前
記開口部から特定の面方位をもちかつ特定の結晶面から
なるファセットで囲まれた尖頭部を有する単結晶を選択
エピタキシャル成長させこれを電子放出用の電極とする
工程とを有する電子放出素子の製造方法である。

［作用］ 本発明による電子放出素子は、特定の面方位をもち、か
つ特定の結晶面からなるファセットで囲まれた尖頭部を
有する単結晶によって電子放出用の電極を形成すること
により、電極の導電率を改善し、また、単結晶の原子面
で構成される鋭利な尖頭部に集中する高い電界強度と特
定の面方位をもつ単結晶の尖頭部が一定の構造の結晶面
であることによるショットキー効果の向上から電子放出
効率を向上させるものである。

また、本発明による電子放出素子の製造方法は、単結晶
基板と一マスクに対する選択エピタキシャル成長および
単結晶基板の結晶方位争結品性と結晶の成長形によるフ
ァセットの形成を利用して特定の面方位をもち、かつ特
定の結晶面からなるファセットで囲まれた尖頭部を有す
る単結晶の電子放出用電極を形成するものであり、その
底部に単結晶基板の露出したマスクの開口部を基板上の
所望の位置に配することにより、前記電子放出用の電極
を所望の位置に形成することを可能とするものである。

なお、電子放出用の電極の尖頭部の形状を均一かつシャ
ープに形成して電界強度を強くし電子放出効率を一層向
上させ、さらにそれらを同一基板上に複数個同時に形成
するマルチ型電子放出素子と製造する場合、各素子の電
極の形状および大きさを制御性よく統一できることから
素子間の特性のバラツキを防ぐものである。

［実施例］ 以下本発明の実施例を詳細に説明する。

（第１実施例） 第１図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明による電子放出素子の製
造工程の第１実施例を説明するための概略的部分断面図
である。

まず、第１図（Ａ）に示すように導電性の所望の結晶方
位をもつ単結晶基板１０１の上に絶縁性の絶縁部材（マ
スク）１０２を形成し、その所望の位置にフォトエツチ
ング等によって凹部１０３の底部に単結晶基板１０１の
表面が露出するような開口部１０４を形成する。ただし
、ここで単結晶基板１０１とマスク１０２の材料は後述
する選択エピタキシャル成長が可能な組合わせでなけれ
ばならない。

次いで、この基板に結晶形成処理を施すと、開口部１０
４の底部の単結晶基板１０１の表面から単結晶が選択エ
ピタキシャル成長し、開口部１０４を埋めた後にやがて
単結晶基板１０１の結晶方位で規定される面方位をもち
、特定の結晶面からなるファセットで囲まれた尖頭部を
有する電極１０５が形成される（第１図（Ｂ））。なお
、結晶形成処理については後に詳述する。

次に、第１図（Ｃ）に示すように、レジストで凹部１０
３を埋めて、このレジストおよびマスク１０２上にＭＯ
等の金属ｒｒ！１１０６を形成する。さらに、この金属
層１０６にフォトレジスト１０７を塗布し、露光するこ
とによって開口部１０８を形成する。

最後に、第１図（Ｄ）に示すように、金属層１０６にエ
ツチングによって開口する。これにより引き出し電極た
る金属層１０６を形成する。その後、レジストを除去す
ることによって、電子放出素子を作成する。

（第２実施例） 第２図（Ａ）〜（Ｈ）は本発明による電子放出素子の製
造工程の第２実施例を説明するための概略的部分断面図
である。

まず、第２図（Ａ）に示すように導電性の所望の結晶方
位をもつ単結晶基板２０１の上に絶縁膜からなるマスク
２０２を形成し、その所望の位置にフォトエツチング等
によって単結晶基板２０１の表面が露出するような開口
部２０３を設ける。

ただしここで単結晶基板２０１とマスク２０２の材料は
後述する選択エピタキシャル成長が可能な組合わせでな
ければならない。

次いでこの基板に結晶形成処理を施すと、第１実施例と
同様に尖頭部を有する単結晶の電極２０４が形成される
。（第２図（Ｂ））なお、結晶形成処理については後述
する。さらに、ｔｉＳｚ図（Ｃ）に示すように尖頭部を
有する電極２０４の面およびマスク２０２の面上にポリ
イミド形樹脂膜、アクリレート系膜等の絶縁材料を増粒
させて、絶縁層２０５を形成する。

次に、第１図ＣＤ）に示すように、絶縁層２０５上にＭ
ｏ等の電極層２０６を形成する。さらに、この電極層２
０６にフォトレジスト２０７を塗布し、露光することに
よって、尖頭部を有する電極２０４の尖頭部の上部を開
口する（第２図（Ｅ））。

次に、第２図（Ｆ）に示すように、電極層２０６をエツ
チングすることにより開口を行ない、開口部２０８を設
ける。

次に、第２図（Ｇ）に示すように、開口部２０８を介し
て、絶縁層２０５を選択的にエツチングして、単結晶２
０４への開口部２０９を設け、少なくとも尖頭部を宥す
る電極２０４の尖頭部が露出するようにする。

最後に、第２図（Ｈ）に示すように、フォトレジスト２
０７を除去することによって、電子放出素子を作製する
。

以上述べてきた２つの実施例において、尖頭部を有する
電極と導通している単結晶基板１０１　。

２０１と引き出し電極１０６，２０６の間に電圧を印加
することによって尖頭部に高い電界強度が集中し電子が
電界放出される。

また上記２つの実施例はいずれも通常の半導体プロセス
によって製造できる工程であるので第３図（Ａ）および
（Ｂ）に示すような同一基板上に素子が複数個形成され
たマルチ型電子放出素子を製造することは極めて容易で
ある。さらに第３図（Ａ）および（Ｂ）に示すマルチ型
電子放出素子の各素子を独立して制御することも可俺で
ある。

（結晶形成処理） 本発明においては、単結晶基板上に開口部を有するマス
クを形成した後に結晶形成処理を行なう、結晶形成処理
とは、マスクの開口部に露出した単結晶基板表面を種と
して結晶成長させてマスク上部まで単結晶を成長させる
処理を言う。

結晶形成処理の方法としては、例えば、ＣＶＤ法％ＬＰ
Ｅ法、ＭＯＣＶＤ法等があげられるが、もちろんこれら
の方法以外の方法を用いてもよい。

なお、結晶成長させる材質は、単結晶基板の材質と同一
でもよいし異なってもよい０例えば、単結晶基板をＧｅ
とした場合、結晶成長させる材質は、Ｇｅ、Ｓｉ　、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＡＪｌｉｓその他の化合物半導体とするこ
とができる。また、単結晶基板がＳｉの場合にも同様に
結晶成長させる材質はＧｅ　、Ｓ　ｉ　、ＧａＡｓ　、
ＧａＡ１Ａｓその他の化合物半導体とすることができる
。

以下に結晶成長の作用を説明する。その基本原理は、選
択エピタキシャル成長とエピタキシャル横方向成長の原
理にある。

選択エピタキシャル成長は、表面エネルギー、付着係数
、表面拡散速度等の結晶成長下過程での核形成を左右す
る因子の材料間での差を利用して、単結晶基板上に選択
エピタキシャル成長を行なわしめるものである。

すなわち、マスク上における安定核の発生を抑止しく従
って、マスクからの結晶成長は生じない）、マスクの開
口部に露出した単結晶基板表面からのみエピタキシャル
成長を行なわしめるものである。

本発明で用いる結晶成長法では、マスク表面は核形成の
起こりにくい非核形成面であるので、このような安定核
の発生は抑制され、マスク開口部の単結晶基板のみから
選択的に結晶成長が生ずる。

さらに、種子単結晶表面から次第に結晶は、横方向にも
エピタキシャル成長し、やがてマスク表面をも覆う形で
単結晶が形成されていく。

その間の結晶成長過程を第４図（Ａ）〜（Ｄ）を用いて
説明する。まず、第４図（Ａ）に示すように所望の結晶
方位の単結晶基板４０１の上に選択エピタキシャル成長
が可能な材質のマスクを形成し、その一部に単結晶基板
４０１の表面が露出するような開口部４０３を設ける。

この基板に前述のような結晶成長法とマスク４０２の表
面には結晶の安定核が発生しないような成長条件で結晶
形成処理を施すと、結晶は開口部４０３の底部の単結晶
基板表面のみからエピタキシャル成長し、次第に開口部
４０３を埋めていく（第４図（Ｂ））、ここで成長しつ
つある結晶４０４は単結晶基板の結晶方位等の結晶性に
関する情報を受は継いでいる。成長が進むとやがて結晶
４０４はマスク４０２の表面をも覆う形でマスク４０２
の上注へ戊長しくＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）、後述す　　
　・るようにある条件ではファセットをもつ外形を備え
た単結晶４０５になる（第４図（Ｃ））、さらにこれを
成長させると単結晶４０５の表面積の増加に伴い単結晶
のファセットによる外形は成長条件によって変化し、場
合によっては横方向に平坦に成長して行く、もし単結晶
４０５のファセットが維持されたまま成長すれば、第４
図（Ｄ）に示すような大きな単結晶４０６となる。この
単結晶４０６はその材料が基板単結晶４０１と同じか、
あるいは異なっていても同じ対称性と近い格子定数をも
つなら、単結晶基板４０１と同じ結晶方位をもつ。

従って、同一基板上に複数個形成してもそれらは同じ結
晶方位と外形をもつ。

なお、マスクが非核形成面となる理由は、次のように考
えられる。

一般的には飛来原子の基板表面上で表面拡散距離が異常
に大きいか、あるいは吸着係数が異常に小さい事に起因
する。また、飛来原子と基板物質が化学反応を起こし、
生成物質の蒸気圧が高く、蒸発してしまうこともある。

例えば、ＳｔをＳｉＯ２基体上に９００℃以上で増粒さ
せると、 Ｓｉ＋ＳｉＯ？＋２Ｓｉ０２　ｆ となりＳｉは堆請できない（Ｔ、　Ｙｏｎｅｈａｒａ　
ｅｔａｌ。

Ｊ、　Ａ、　Ｐ、、　５３．　Ｐ、　６８３９．１９８
２　　）　、また、Ｇ　ｅ　＋　Ｓ　ｉ　Ｏ２４Ｇ　ｅ
　Ｏ↑＋ＳｉＯ２↑の反応も起こり得る。また、吸着原
子と反応する添加ガスを送ることも回部であり、吸着原
子は全てエツチングされてしまう０例えばＳｉ、Ｇｅに
対してＨＣＩが有効である。主に、Ｈ２ガスのＳ　ｉ　
Ｏ２基板表面吸着によって、Ｓｔの５ｉ０２上の吸着サ
イトが皆無となることもある（　Ｗ、　Ａ。

Ｐ、　Ｃ１ａｓｓｅｎ　＆　Ｂｌｏｅｍ、　Ｊ、　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ。

５ｏｃｉｅｔｙ、　１２＄−１３５３，１９８１）　。

このような非核形成とする条件は、温度、圧力、供給さ
れる原料ガスの流量等で調整すればよい。

く結晶形成処理によるファセットおよび尖頭部の形成〉 上述したような結晶形成処理を施すと、成長した単結晶
は成長速度の異方性のために特定の結晶面からなるファ
セットに囲まれた成長形をとる。

ファセットをなす結晶面は、一般に成長速度の遅い面で
あるが、成長速度は成長中の環境相の変化に敏感でその
異方性も大きいために、結果として単結晶の成長形は成
長方法および成長条件に依存する。そこで、成長させる
結晶に応じて適当な面方位をもった単結晶基板を選び、
マスクを形成してこれに適当な成長方法および適当な成
長条件な選択し、結晶形成処理を施すなら、ファセット
に囲まれた尖頭部を有する単結晶を得ることができる０
例えば、面方位が（ｉｏｏ）であるＳｉ単結晶基板を、
後述する具体例に示すＣＶＤ法のような方法で成長させ
ると、尖頭部を有する単結晶が形成される。

第５図はこのようにして、形成されたＳｉ単結晶の斜視
図である。上記の方法で成長したＳｉ単結晶はそれぞれ
４つの（１１１）面５０６と（３１１）と（４１１）の
間の高次の結晶面５０７とからなるファセットを有し、
４つの三角形の面によって尖頭部５０５を形成する（第
５図）、ファセット面５０７は結晶学的に結晶面である
から、尖頭部５０５の頂点は原理的には原子レベルのシ
ャープさを備えている０本発明による電子放出素子は、
このような安定した構造をもち、シャープな尖頭部を有
する電極を所望の位置に制御性よく形成することにより
、その性能の向上を得ている。

また、成長条件を変えれば尖頭部が（１１１）面で囲ま
れるようなファセットによる外形にＳｉ単結晶を成長さ
せることもできる。

（結晶形成処理の具体例） 結晶形成処理の具体例として、Ｓｉ単結晶基板に５ｉ０
２のマスクを用いて尖頭部を有するＳｉ単結晶を成長さ
せた例について述べる。

まず、単結晶基板として半導体デバイスに用いられる（
１００）の面方位のＳｔウェハを用い、この表面に熱酸
化によって膜厚２０００人はどの酸化膜を形成した０次
に、この酸、化膜にフォトリングラフイープロセスで、
穴径１．２ｐｍの開口部を５０トｍの間隔でマトリクス
状に形成し、その底部にＳｉ単結晶基板の表面を露出さ
せた。この基板にＣＶＤ法によって、下記の成長条件で
結晶形成処理を施した。

圧カニ１５０Ｔｏｒｒ 使用ガス：５ｉＨ２Ｃ立２　（ソースガス）ＨＣ旦〔エ
ツチングガス） Ｈ２（キャリヤガス） 基板温度：１０３０℃ 成長時間＋１０ｍ１ｎ その結果、第５図に示したようなファセットで囲まれた
尖頭部を有する粒径１５ｇｍはどのＳｉ単結晶が、すべ
ての開口部を中心として形成された。各Ｓｉ単結晶はす
べて同じ外形を有し、かつ粒径のバラツキは殆どなかっ
た。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように１本発明による電子放出素子
では、特定の面方位をもち、かつ特定の結晶面からなる
ファセットで囲まれた尖頭部を有する単結晶によって電
子放出用の電極を形成しているので、電極の導電率が改
善され、また、単結晶の原子面で構成される鋭利な尖頭
部に高い電界強度が集中し、さらに、尖頭部が一定の構
造の結晶面であることからショットキー効果が向上し、
その結果電子放出効率が向上する。

また１本発明による電子放出素子の製造方法によれば、
電子放出用の電極を所望の位置に形成することを可能と
することができる。

なお、電子放出用の電極の尖頭部の形状を均一かつシャ
ープに形成して電界強度を強くし、電子放出効率を一層
向上させ、さらにそれらを同一基板上に複数個同時に形
成するマルチ型電子放出素子を製造する場合、各素子の
電極の形状および大きさを制御性よく統一できることか
ら、素子間の特性のバラツキを防ぐことができる。

さらに、尖頭部を有する電極の位置が開口部の位置精度
で決められるので、所望の位置に高精度に作成すること
ができる。その結果として、複数の電子放出口を有する
マルチ型の電子放出素子をも高密度かつ均一に作製する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による電子放出素子の製造
工程を示す概略的部分断面図、第２図は本発明の第２実
施例による電子放出素子の製造工程を示す概略部分断面
図、第３図（Ａ）は本発明の第１実施例に基づくマルチ
型電子放出素子の断面図、第３図（Ｂ）は本発明の第２
実施例に基づくマルチ型電子放出素子の断面図、第４図
は本発明でｙいる結晶形成処理の工程図、第５図はネ （１００）の面方位をもつＳｉ単結晶のファセットによ
る外形の斜視図、第６図は従来技術による電子放出素子
を示す断面図、ｔ５７図は第６図の素子の製造工程図で
ある。 １０６．２０６．１８・・・引き出し電極（金属層）、
１９・・・電極、２０．２０５・・・絶縁層、２１・・
・基体、２２・・・第１の開０部、２３・・・第２の開
口部、２４・・・Ａ文理、１０１，２０１，４０１・・
・単結晶基板、１０２，２０２，４０２・・・絶縁部材
（マスク）、１０３・・・凹部、１０４，４０３・・・
開口部、１０５．２０４・・・電極放出部電極。 １０６．２０６．１８・・・引き出し電極（金属層）、
１０７，２０７・・・レジスト、１０８・・・レジスト
の開口部、２０３・・・マスクの開口部、２０８・・・
引き出し電極の開口部、２０９・・・絶縁層の開口部、
４０４．４０５．４０６・・・成長単結晶。 ５０１・・・５ｉ（１００）単結晶基板、５０２・・・
マスク（Ｓ　ｉ　０２等）、５０４・・・成長したＳｉ
単結晶、５０５・・・尖頭部、５０６・・・（１１１）
面、５０７．５０８・・・（３１１）と（４１１）の間
の結晶面。 第１図 第４図 法

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）特定の面方位をもち、かつ、特定の結晶面からな
   るファセットで囲まれた尖頭部を有する、基体上に設け
   られた単結晶を電子放出用の電極とし、該電子放出用の
   電極の近傍に引き出し電極を設けたことを特徴とする電
   子放出素子。
2. （２）基体は、導電性の基板と、該基板上に設けられた
   絶縁部材とからなり、該絶縁部材の底部に設けられた開
   口部を介して、電子放出用の電極と基板とが接続されて
   いる特許請求の範囲第１項に記載の電子放出素子。
3. （３）絶縁部材は凹部を有しており、該凹部の上面に引
   き出し電極が形成されている特許請求の範囲第２項に記
   載の電子放出素子。
4. （４）単結晶は、選択的エピタキシャル成長により、基
   板から、開口部を介して絶縁部材上方へ成長した単結晶
   である特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の電子放
   出素子。
5. （５）上記電子放出用の電極が同一基板上の所望の位置
   に所望の間隔で所望の個数設けられているマルチ型の特
   許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の電子
   放出素子。
6. （６）単結晶基板上に絶縁層を設ける工程と、前記絶縁
   層に単結晶基板が一部露出するような開口部を設ける工
   程と、前記絶縁層をマスクとして前記開口部から特定の
   面方位をもちかつ特定の結晶面からなるファセットで囲
   まれた尖頭部を有する単結晶を選択エピタキシャル成長
   させこれを電子放出用の電極とする工程とを有する電子
   放出素子の製造方法。
7. （７）単結晶基板上に設けられた絶縁層に凹部を設ける
   工程と、その凹部の底部に尖頭部を有する単結晶の電極
   を設ける工程と、絶縁層の上部に引き出し電極となる絶
   縁層とを有する特許請求の範囲第６項記載の電子放出素
   子の製造方法。
8. （８）上部に絶縁膜の設けられた単結晶基板上に尖頭部
   を有する単結晶の電極を設ける工程と、前記尖頭部を有
   する単結晶の前記電極及び絶縁膜上に絶縁層を堆積させ
   さらにその上に電極層を形成する工程と、前記単結晶の
   電極の尖頭部の上部を開口するように前記電極層に開口
   部を形成する工程と、この開口部を通して前記絶縁層を
   選択的にエッチングしてすくなくとも前記単結晶の電極
   の尖頭部を露出する工程とを有する特許請求の範囲第６
   項記載の電子放出素子の製造方法。