JPH04501934A - フィールドエミッタ構造および製造方法 - 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】 フィールドエミッタ構造および製造方法本発明は、一般的にフィールドエミッタ アレイ、特に取付、けのための強固な金属ベースおよび良好な熱伝達率を与える メツシュを含むフィールドエミッタアレイを製造する方法に関する。

関連技術の説明 フィールドエミッタアレイは典型的に下部金属層（エミッタ電極として機能する ）の上面を実効的に露出させた上部金属層（加速装置またはゲート電極として機 能する）の縁部を残すように上部金属および絶縁体層を貫通する孔の多孔性アレ イを有する金属と絶縁体と金属膜とのサンドイッチを含んでいる。複数の円錐形 状の電子エミッタ素子は各々のチップは上部金属層中の各孔中に位置されるよう に下部金属層に取付けられ、下部金属層から上方に延在する。適切な電圧がエミ ッタ電極と、加速装置電極と、加速装置電極より上に位置したアノードの間に供 給されるならば、電子は各々の円錐形チップからアノードへ流れる。

この構造は３極真空管に匹敵し、加速装置またはゲート電極に供給された信号の 増幅を行い、電極が取付けられる空間が排気されるときに優良に動作する。３つ の電極形態はフイ−ルド放射３極管または「フェトロード」として知られている 。しかしながら、高解像度のフラットパネルテレビ表示装置を含むフィールドエ ミッタアレイに対する多くの他の応用が提案されている。フィールドエミッタア レイの概念の主な利点は、アレイが集積超小型電子回路の製造に使用されるフォ トリソグラフ技術によって形成されることが可能であることである。これは、単 一チップ上の信号処理のその他の超小型電子回路の形成のための集積処理段階を 用いて、フィールドエミッタ素子がサブミクロン間隙を形成することを可能にさ せる。フィールドエミッタアレイは一般的に１９８８年８月、Ｋ、　Ｓｋｉｄｍ ｏｒｅ氏による文献（“Ｔｈｅ　Ｃｏｍｔｂｘｃｋ　ｏｆ　ｔｈ＜　Ｖｘｃｕｔ ＋ｍＴＩＩｂｅ　：　Ｗｉｌｌ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｖｅｔｓｉｏｎ ｓ　Ｓｕｐｐｌｚｍ＊ｎｔ　Ｔｒｘｎｓｉｓ−ｔｏｒｓ？　”　、Ｓｅｍ１ｃｏ ｎｄｕｃｔｏｒ　Ｉｎｔｓｒｎａｔｉｏｕｌ　Ｉｎｄｕｓｕｔｒ７　Ｎｅｗｓ。

１５−１８頁）に記載されている。

フィールドエミッタアレイは従来は２つの方法によって形成されていた。第１の 方法は、Ｃ，Ａ、　５ｐｉｎｄｊ氏他による文献（１９７６年１２月、　”ＰＢ ＹＳＩＣＡＬ　ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ　ＯＦ　ＴＢＩＮ−ＦＩＬＭ　ＦＩＥＬＤ −ＥＭＩＳＳｒＯＮ　ＣＡＴＨＯＤＥＳ　ＷＩＴＩｉ　ＭＯＬＹＢＤＥＮＩＩＭ 　Ｃ０ＮＥＳ”　、　Ｊｏｕｒｎｊｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　ＰＪｓｉｃｓ、　 ｖｏｌ、４７．　ｎｏ、１２　、５２４８−５２６３頁）に記載されている。そ の方法の主な段階はシリコン基体上の絶縁体層および金属ゲート電極層を付着し 、これらの層を基体まで貫通する孔を形成することを含む。モリブデンは小さい ソースからの電子ビームの蒸発によって孔を通って基体上に付着される。孔の寸 法はその周辺側面のモリブデンの凝結により順次減少する。モリブデン蒸気は孔 の減少する寸法によって制限された小さい区域上で凝縮するにしたがって円錐形 体は番孔の内部で成長し、電子の有効なソースを構成する１点で終端する。

フィールドエミッタアレイを製造する第２の方法は１９８１年１２月２９日、Ｈ ，Ｇｒｙ氏他による米国特許４．３０７．５０７号明細書“ＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ 　ＭＡＮＵＦＡＫＣＴＵＲＡＩＮＧ　Ａ　ＦＩＥＬＤ−ＥＭＩＳＳＩＯＮ　ＣＡ ＴＨＯＤＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥ”に開示されている。この方法において、単結晶 材料の基体はマスクされていない区域が下に位置する基体上の島状部分を限定す るように選択的にマスクされる。マスクされていない区域の下に位置する単結晶 材料は孔のアレイを形成するために方向性エツチングされ、その側面は結晶の鋭 利な先端点で交差する。マスクの除去に続いて、基体は基体表面より上方に延在 し孔を充填する電子を放射することが可能な材料の厚い層によって被覆される。

その後、電子放射材料の層の下に位置する基体の材料は複数の鋭利なフィールド エミッタチップを露出するためにエツチングされる。

これらの従来技術の両方法において、フィールドエミッタは比較的低い熱伝達率 および物理的な強度を有するシリコンのような材料から構成された基体上に形成 される。構造はもろく、次の処理中に構造的な故障が生じ易く、高温半田付けの ような方法を使用して装置パッケージに取付けるのに困難であり或いは不可能で ある。

およびアノード構造に対する導電支持体を構成する金属メツシュを設けることに よって上述の従来技術の方法の制限を克服する。メツシュとフィールドエミッタ の間の直接のオーム接続は放射に非常に耐える全金属フィールドエミッタ構造を 与える。メツシュは従来技術において使用されたシリコン基体よりも熱伝導度が ずっと優れた構造に対する強固な金属ベースを構成し、高温半田付けのような方 法を使用して構造を集積回路パッケージに取付けることを可能にする。

本発明の方法は、モールド型を構成する基体の表面の尖った底部を有する少なく とも１つの孔を形成することを含む。

モリブデンその他の材料の導電層が孔の壁および尖った底部を含む基体の表面上 に形成される。導電メツシュは高温鑞付けを使用して導電層に接着されるので、 導電層に電気的に接続される。基体はフィールドエミッタを構成する孔の璧およ び尖った底部に対応する導電層の直立した尖った部分を露出するためにエツチン グして除去される。第２の基体は第１の基体の除去より前にメツシュの反対側に 鑞付けされることができ、フィールドエミッタと整列して導電層上にあるゲート 手段、アノード手段、およびその類似物の形成中に構造の支持に対するベースと して機能する。第２の基体はゲートおよびアノード手段が形成された後に除去さ れる。

本発明の方法によって製造された構造は導電層の表面から延在する直立した尖っ た円錐または角錐の形状をとった複数のフィールドエミッタを含む。導電体メツ シュは導電層との電気的接続の高温鑞付は処理によって導電層の反対側表面に接 着される。メツシュは取付けのための良好な熱伝達率を有する強固な金属ベース を提供する。ゲートおよびアノード構造のような付加的な素子はフィールド効果 ３極管、フラットパネルディスプレイ、またはその類似物を形成するためにフィ ールドエミッタと整列して導電層上に形成されることができる。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点は添付図面と共に以下説明される記述 から当業者に明らかであろう。同じ部分には同じ参照番号が付されている。

面にエツチングされた角錐形の孔を有する基体を示す平面図第２図は、表面にエ ツチングされた円錐形の孔を有する基体を示す以外は第１図と類似した図である 。

第３ａ図乃至第３ｆ図は、本発明によるフィールドエミッタ構造を製造する方法 を示す簡単な断面図である。

形の孔１２を形成され、それは本発明の方法の終了の際におけるフィールドエミ ッタに対応する。孔１２は尖った底部１２ｇを有する。基体１０は孔１２のエツ チングを容易にするために結晶シリコンから形成されることが好ましいが、方向 性エツチングを許容するゲルマニウム、その他任意の結晶材料のような別の材料 から形成されることもできる。６個の孔からなる３行がそれぞれ本発明の詳細な 説明するために図中に示されているが、１から数千以上の任意数の孔がフィール ドエミッタの高密度アレイを形成するために設けられることができる。

孔の数およびその間隔は現在使用されているフォトリソグラフ技術および超小型 回路製造の技術によってのみ制限される。

現在、ミクロンよりも幾分小さい間隔において孔を形成することが可能である。

本発明はそのように限定されるものではないが、孔１２はＧｒａ７氏の上記参照 された特許明細書に開示されたような方向性エツチングによって基体の表面１４ に形成されることができる。

さらに具体的に、孔１２に対応してそこを通過する孔を有するフォトレジストパ ターン（図示せず）は基体１０の表面１４上に配置される。表面１４はｎ型また は低い適度にドープされたｐ型シリコンの（１００）結晶面を選択的に浸蝕する 水酸化カリウムまたは他の溶液中でエツチングされる。エツチングはエツチング が停止し或いは顕著に速度が遅くなる（１１１　）結晶面と遭遇するまで急速に 浸蝕を行う。この動作は角錐形の孔を生成し、その（１１１）結晶面の側面は底 部１２ｇを限定する結晶の鋭利な点で交差する。フォトレジストは表面１４を露 出するために除去される。

第２図は、表面２０に尖った底部１８＋＋を有する円錐形の孔１８を形成する基 体１６の別の形態を示す。方向性エツチングは一般的に円錐孔を形成するのに適 しておらず、本発明の技術的範囲は任意の適切な手段を使用する円錐またはその 他の尖った形状を有する孔を形成することを含む。いずれの場合においても、フ ィールドエミッタの高さを決定する孔の深さは幅の範囲内の任意の値を有するよ うに選択されることができる。

同じ範囲内の隣接するフィールドエミッタ間の間隔で１ミクロン以下程度の高さ を有するフィールドエミッタを形成することは現在の技術の限界内で可能である 。

本発明にしたがいフィールドエミッタ構造を製造する方法が第３ａ図乃至第３ｆ 図に示されている。第３ａ図は基体３０の表面３４に形成された尖った底部３２ ｍを有する孔３２を有する結晶基体３０を示す簡単な断面図である。基体３０は それぞれ第１図および第２図の基体１０または１６のいずれかに対応し、２つの 孔３２のみが説明の簡明のために示されている。後の記述から明らかになるよう に、表面３４に形成された孔３２を有する基体３０は直立したフィールドエミッ タを形成するためにモールド型を構成する。

本発明の方法の次の段階は第３ｂ図に示されており、孔３２の璧および底部を含 む表面３４に化学的付着、蒸着、または任意の他の適切な方法により連続する層 ３６．３８．４０．４２を形成することを含む。層３６．３８．４０．４２の厚 さは数ミクロンから数千のミクロン以上の特定の適用に依存する広範囲にわたっ て個々の基準として変化できる。層４０はフィールドエミッタ構造の主要動作層 であり、モリブデン、またはチタニウムとタングステンと金の合金のような導電 材料から構成されている。

層３８は任意であり、導電層４０よりも低い仕事関数を有する材料から構成され ている。低い仕事関数を有する層３８の適切な材料はフィールドエミッタの尖端 からの電子放射を容易にする炭化チタニウムである。層３８の別の材料は耐熱性 材料および超導電体を含む。層３８の特別の別の材料はＬ　ａ　Ｂ　６．　Ｇ　 ｄＢ　、ＹＢ４．ＮｂＣ，ＨｆＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，Ｂａｄ。

Ｃａｂ、ＳｒＯ，およびＴｈＯ２を含む。層３６はシリコン基体３０と層３８ま たは４０の接着を容易にするクロムまたはニッケルのような材料から形成されて いる。層３６の材料はまた次の段階において基体３０を溶解するために使用され たエツチング液に対するエツチング停止体として機能するように選択される。層 ４２は銅銀合金のような高温鑞付は材料から形成され、導電層４０および次の処 理段階において金属メツシュ材料に融着できるように選択される。

第３Ｃ図は、鑞付は層４２により行われた融着によって導電層４０に対してモリ ブデンまたは銅のような導電材料から形成されたスクリーンまたはメツシュ４４ を鑞付けする段階を含む本発明の方法の次の段階を示す。メツシュ４４の厚さは 特定の適用に依存するかなりな範囲内で変化し、例えば数十分の１インチ程度の 直径を有するワイヤ、または数ミクロン程度の直径を有するファイバから形成さ れることができる。構造の製造は例えばモリブデンの任意の層４８および銅銀合 金の鑞付は材料層５０を表面に有するシリコンから形成された第２の基体４６を 形成することによって製造されることができる。基体３０と４６の間に挟まれた メツシュ４４を有する構造はモリブデン層４０をメツシュ４４に鑞付けさせ電気 接続する。

本発明の方法の次の段階が第３ｄ図に示され、構造の残りの層からシリコン基体 ３０をエツチング或いは分解することを含む。この段階に対する適切なエツチン グ液は水酸化カリウムである。クロムが層３６に使用される場合、水酸化カリウ ムはシリコン材料を完全に除去するが、クロム層３６およびその下に位置する素 子に影響を与えない。

第３ｄ図の段階ではさらにモリブデン層４０（或いはもし設けられるならば低い 仕事関数を有する層３８）を露出するためにクロム層３６を除去することを含む 。これは例えば下に位置する層３８または４０に悪影響を与えることなくクロム 層３６を完全に除去する硝酸のようなエツチング液使用によって達成されること ができる。フィールドエミッタはまた選択的な金属付着、シャドーマスクを使用 する金属付着、優先エツチング等の種々の他の技術を使用して形成されることが 可能である。

いずれの場合でも、メツシュ構造は第３ｄ図に示されたようなフィールドエミッ タのベースに取付けられることができる。

第３ｄ図に示された本発明の基本的なフィールドエミ・ツタ構造はモリブデン層 ４０に電気的に接続されるメ・ソシニ４４を含む。基体３０中の孔３２の壁およ び底部に付着された層４０の部分は尖った電子放射尖端５２１を有する直立した 中空のフィールドエミッタ５２を構成する。フィールドエミッタ５２に設けられ るならば、任意の炭化チタニウム層３８は尖端５２！からの電子放射を容易にす る。

第３ｅ図はフィールド放射３極管（フェトロード）形態が加速装置またはゲート 電極５４、およびアノード電極をベース構造に追加することによって形成される ことができる方法を示す。開口５４１はフィールドエミッタ５２の尖端５２Ｍと 対応する或いは整列された隣接するゲート電極５４間に設けられ、尖端５２ｉか ら放射された電子を個々の基準としてゲート電極５４に供給された電気信号の大 きさにしたがってアノード電極５６に向って加速することを可能にする。基体４ ６はこれらの付加的な素子の製造を容易にするためにベースまたは支持体として 機能する。さらに、電極５４．５６に対してそれぞれ支持体およびスペーサとし て機能する二酸化シリコンのような絶縁材料から形成された層５８．６０が示さ れている。素子５４．５６．５８゜６０の製造工程それ自体は、本発明の技術的 範囲に属するものではなく、フォトリングラフ、化学的蒸着、およびエツチング の技術を含む現在の技術において知られている任意の方法で実行されることがで きる。

第３ｆ図は、例えば水酸化カリウムエツチング液中での溶解によつて基体４６を 除去することを含む方法の最終段階を示す。

メツシュ４４は高温半田付けのような好ましい方法を使用してパッケージに構造 を取付けるための強固な金属ベースとなる。メツシュ４４はまた高い熱伝達率を 有し、製造および動作中に熱を放散する。突出したフィールドエミッタ５２と共 にメツシュ４４およびモリブデン層４０を含むフィールドエミッタ構造は全体的 に金属から形成され、非常に高いレベルの放射線硬度を与える。

この構造は大気中でも動作可能であるが、フィールドエミッタおよび関係する電 極を囲む空間は効率的な電子放射を容易にするために排気されることが好ましい 。フィールドエミッタに対する真空環境を設けるのに加えて、構造の処理は構造 の全素子の実質上完全な脱ガスを生じさせるために十分に高い温度で実行される ことが望ましい。これは、典型的に約５００乃至８００℃の温度範囲内で実行さ れる好ましい高温鑞付は処理によって達成される。鑞付は以外の方法を使用して メツシュをフィールドエミツタ層に接着することは本発明の技術的範囲内で可能 である。例えば、導電性接着剤はこの目的のために使用されることができる。し かしながら、接着剤の材料が装置の動作中にガス放出しないことが望ましい。

メツシュ４４が基体３０．４６に別々に形成され鑞付けされることに関して説明 されたが、本発明にしたがってメツシュを設ける他の方法も可能である。例えば 、メツシュは適切なパターン化された付着方法によって基体４６の表面上に形成 されることができる。

本発明の幾つかの例示的な実施例が示され説明されたが、多くの変形および別の 実施例が本発明の技術的範囲から逸脱することなく当業者によって為されるであ ろう。したがって、本発明は特別に記載された例示的な実施例のみ制限されるも のではない。種々の変更は予測され、本発明の技術的範囲から逸脱することなく 実行されることが可能である。

手続補正書 ３．１２．−６ 平成　年雫日

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. １．フィールドエミッタ構造を製造する方法において、（ａ）基体の表面に尖っ た底部を有する少なくとも１つの孔を形成し、 （ｂ）前記少なくとも１つの孔の壁および尖った底部を含む前記基体の表面上に 導電層を形成し、（ｃ）導電層に電気的に接続されるように導電メッシュを導電 層に接着し、 （ｄ）導電層およびメッシュから前記基体を除去する段階を含み、 それによって、前記少なくとも１つの孔のそれぞれの壁および尖った底部に対応 する導電層の直立した尖った部分はフィールドエミッタを構成するフィールドエ ミッタ構造の製造方法。
2. ２．前記段階（ａ）において、角錐形状の前記少なくとも１つの孔を形成する請 求項１記載の方法。
3. ３．前記段階（ａ）において、円錐形状の前記少なくとも１つの孔を形成する請 求項１記載の方法。
4. ４．前記段階（ａ）において、結晶シリコンの形態をとる前記基体を設ける請求 項１記載の方法。
5. ５．前記段階（ｂ）において、モリブデンの導電層を形成する請求項１記載の方 法。
6. ６．（ｅ）前記少なくとも１つの孔の壁および尖った底部を含み、前記基体およ び導電層に接着され、予め選択されたエッチング液に耐える中間層を前記基体の 表面上に形成する段階を含み、 前記段階（ｄ）において、基体を予め選択されたエッチング液中に溶解し、 前記段階（ｄ）および前記段階（ｅ）は、前記段階（ａ）と（ｂ）の間で実行さ れ、 （ｆ）導電層およびメッシュから中間層を除去する段階を含み、 前記段階（ｆ）は、前記段階（ｄ）の後に実行される請求項１記載の方法。
7. ７．（ｅ）前記少なくとも１つの孔の壁および尖った底部を含む前記基体の表面 上に導電層よりも低い仕事関数を有する層を形成する段階をさらに含み、 前記段階（ｄ）において、低い仕事関数を有する層、導電層、およびメッシュか ら前記基体を除去し、前記段階（ｄ）および前記段階（ｅ）は、前記段階（ａ） と（ｂ）の間で実行される請求項１記載の方法。
8. ８．前記段階（ｂ）において、モリブデンの導電層を形成し、前記段階（ｅ）に おいて、炭化チタニウムからなる前記低い仕事関数を有する層を形成する請求項 ７記載の方法。
9. ９．（ｆ）前記少なくとも１つの孔の壁および尖った底部を含み、前記基体およ び前記低い仕事関数を有する層に接着され、予め選択されたエッチング液に耐え る中間層を前記基体の表面上に形成する段階を含み、 前記段階（ｄ）において、基体を予め選択されたエッチング液中に溶解し、 前記段階（ｄ）および前記段階（ｆ）は、前記段階（ａ）と（ｂ）の間で実行さ れ、 （ｇ）前記低い仕事関数を有する層、導電層、およびメッシュから中間層を除去 し、 前記段階（ｇ）は、前記段階（ｄ）の後に実行される請求項７記載の方法。
10. １０．前記段階（ａ）において、結晶シリコンの形態をとる前記基体を設け、 前記段階（ｂ）において、モリブデンの導電層を形成し、前記段階（ｅ）は、Ｌ ａＢ６，ＧｄＢ４，ＹＢ４，ＮｂＣ，ＨｆＣ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＢａＯ ，ＣａＯ，ＳｒＯ，およびＴｈｏ２からなる群から選択された材料の前記低い仕 事関数を有する層を形成し、 前記段階（ｆ）において、クロムの中間層を形成する請求項９記載の方法。
11. １１．．前記段階（ｄ）において、水酸化カリウムを含む予め選択されたエッチ ング液中で前記基体を溶解する請求項１０記載の方法。
12. １２．前記段階（ｃ）において、さらにメッシュが前記第１の基体と第２の基体 の間に挟まれるように、第２の基体をメッシュに接着する請求項１記載の方法。
13. １３．（ｅ）導電層およびメッシュから第２の基体を除去する段階をさらに含み 、 前記段階（ｅ）は、前記段階（ｄ）の後に行われる請求項１２記載の方法。
14. １４．（ｆ）さらに各フィールドエミッタにそれぞれ対応するゲート手段を導電 層上に形成する段階を含み、前記段階（ｆ）は、前記段階（ｄ）と（ｅ）の間で 実行される請求項１３記載の方法。
15. １５．前記段階（ｃ）において、前記基体、導電層、およびメッシュの実質上完 全の脱ガスを生じさせるのに十分に高い温度における熱融着方法によってメッシ ュを導電層に接着する請求項１記載の方法。
16. １６．前記段階（ｃ）において、鑞付けによってメッシュを導電層に接着する請 求項１５記載の方法。
17. １７．（ｅ）前記段階（ｃ）において導電層およびメッシュに熱的に融着するよ うに選択される鑞付け材料の層を導電層上に形成することをさらに含み、 前記段階（ｅ）は、前記段階（ｂ）と（ｃ）の間で実行される請求項１６記載の 方法。
18. １８．前記段階（ｃ）において、タングステンおよび銅からなる群から選択され た材料から形成されたメッシュを設ける請求項１７記載の方法。
19. １９．第１の表面から延在するフィールドエミッタを構成する少なくとも１つの 直立した尖った部分を有する導電層と、第１の表面と反対側に位置する導電層の 第２の表面に接着され、導電層に電気的に接続されている導電メッシュとを具備 しているフィールドエミッタ構造。
20. ２０．前記少なくとも１つの直立した尖った部分は中空である請求項１９記載の 構造。
21. ２１．前記少なくとも１つの直立した尖った部分は円錐形状である請求項１９記 載の構造。
22. ２２．前記少なくとも１つの直立した尖った部分は角錐形状である請求項１９記 載の構造。
23. ２３．さらに、各フィールドエミッタとそれぞれ対応した導電層の第１の表面上 に形成されたゲート手段を具備している請求項１９記載の構造。
24. ２４．前記少なくとも１つの直立した部分全体にわたって形成された導電層より も低い仕事関数を有する層をさらに具備している請求項１９記載の構造。
25. ２５．導電層はモリブデンから構成され、前記低い仕事関数を有する層は炭化チ タニウムから構成されている請求項２４記載の構造。
26. ２６．メッシュを導電層の第２の表面に熱融着する高温鑞付け層をさらに具備し ている請求項１９記載の構造。
27. ２７．導電層はタングステンから構成され、メッシュはタングステンと銅からな る群から選択された材料から構成されている請求項１９記載の構造。