JPH0794082A

JPH0794082A - 電子放出用冷陰極の製造方法

Info

Publication number: JPH0794082A
Application number: JP25904493A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tantani; 恭史段谷; Yasunori Kima; 泰則来間
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1993-09-22
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】電子放出に適した構造をもつ電子放出用冷陰
極を容易に作成する。【構成】図(a) に示すように、錐状電極９を形成す
る。この錐状電極９は、最終的に形成すべき冷陰極の粗
形状をなすものであり、ほぼ錐形をしているが、先端部
分は鋭利ではない。この錐状電極９に対して陽極酸化を
行い、図(b) に示すように、表面に酸化膜９ａを形成さ
せる。酸化を受けなかった部分が内部電極９ｂとして残
るが、この内部電極９ｂは、鋭利な先端部をもつ。そこ
で、酸化膜９ａのみを除去し、内部電極９ｂを残すよう
にすれば、この内部電極９ｂを冷陰極として用いること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子放出用冷陰極の製造
方法、特に、真空マイクロ素子などに用いる電子放出用
冷陰極を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の普及に伴い、真空管の技術
は忘れ去られた存在となっていたが、ここ数年になって
この真空管の技術が再び注目を集めている。いわゆる真
空マイクロ素子の開発である。この真空マイクロ素子
は、長年にわたる半導体素子の研究で培われた半導体の
微細加工技術を利用して、同一基板上に微細な真空管を
集積したものである。すなわち、この素子は、冷陰極と
引出電極と陽極とを備え、引出電極によって冷陰極から
電子を引き出してこれを陽極へと放出させるものであ
る。引出電極に印加する電圧を制御することにより、冷
陰極から放出される電子の量を制御することができる。

【０００３】半導体素子では、固体中を電子が移動する
ため、動作速度はその固体中の電子の移動度によって支
配される。これに対し、真空マイクロ素子では、真空中
を電子が移動するため、半導体素子に比べて非常に高速
な動作が可能であり、真空の利点を生かした電荷輸送媒
体として注目を集めている。また、この真空マイクロ素
子の研究にともなって冷陰極の開発が行われており、平
面ディスプレイ等への応用が期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、真空マ
イクロ素子は、原理的には真空管と同じではあるが、そ
の大きさは真空管とは比べ物にならないくらい微細なも
のであり、その製造には高度な微細加工技術が必要であ
る。特に、冷陰極は、電子を放出しやすい表面形状に加
工する必要があり、このような微細加工は非常に困難で
ある。従来、この冷陰極の材料としては、Ｗ，Ｔａ，Ｍ
ｏなどの高融点金属が用いられており、電子放出部先端
を曲率半径１μｍ以下に加工し、１０^７Ｖ／ｃｍ程度の
強電界がこの先端に集中するようにして電子放出を行っ
ている。この冷陰極に加工不良が存在すると、それが原
因で、真空マイクロ素子の動作が不安定になる。

【０００５】しかしながら、この冷陰極先端の曲率半径
を１μｍ以下に加工するためには、非常に高度な微細加
工技術が必要である。たとえば、シリコン基板上に冷陰
極を形成する場合には、シリコンの面方位のエッチング
レートの違いを利用したエッチングを行う方法が一般的
であるが、精度良い加工を行うには非常に高度な技術が
必要となる。また、ガラス基板上に冷陰極を形成する場
合には、斜め蒸着を利用する方法が一般的であり、たと
えば、英文誌「Journal of Applied Physics:Vol. 39,
No. 7, p3504-3505(1968)」には、このような斜め蒸着
を利用した方法が紹介されている。しかし、この斜め蒸
着を利用する方法も、高度の技術力とノウハウが必要と
なる。

【０００６】そこで本発明は、電子放出に適した構造を
もつ電子放出用冷陰極を容易に作成する方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

(1) 本願第１の発明は、冷陰極と引出電極と陽極とを
備え、引出電極によって冷陰極から電子を引き出してこ
れを陽極へと放出させる装置、に用いられる冷陰極の製
造方法において、錐状電極を形成した後、この錐状電極
の表面を酸化することにより所定の厚みの酸化膜を形成
させ、この酸化膜を除去することにより尖鋭な先端をも
った錐状の冷陰極を得るようにしたものである。

【０００８】(2) 本願第２の発明は、上述の第１の発
明に係る製造方法において、錐状電極を金属材料により
構成し、この金属材料に対する陽極酸化法により酸化膜
の形成を行うようにしたものである。

【０００９】(3) 本願第３の発明は、上述の第２の発
明に係る製造方法において、互いに異なるエッチング特
性を有し、かつ、それぞれの酸化物同士も互いに異なる
エッチング特性を有するような第１の金属材料と第２の
金属材料とを用意し、基板上に第１の金属材料層を形成
し、この第１の金属材料層上に第２の金属材料層を形成
し、第２の金属材料層に対してエッチングを施して第２
の金属材料からなる錐状電極を形成し、第１の金属材料
層の露出面および錐状電極の表面を陽極酸化することに
より、第１の金属材料酸化膜および第２の金属材料酸化
膜を形成させ、第２の金属材料酸化膜をエッチング除去
することにより第２の金属材料からなる冷陰極を得ると
ともに、第１の金属材料酸化膜を、冷陰極と引出電極と
の間の絶縁層として利用するようにしたものである。

【００１０】(4) 本願第４の発明は、上述の第３の発
明に係る製造方法において、基板として透明な基板を、
第１の金属材料としてタンタルを、第２の金属材料とし
てアルミニウムを、それぞれ用い、タンタル層の露出領
域におけるすべての厚み部分が酸化されるような条件で
陽極酸化を行うようにしたものである。

【００１１】(5) 本願第５の発明は、上述の各発明に
係る製造方法において、尖鋭な先端をもった錐状の冷陰
極を得たのち、この冷陰極の表面に異なる材料からなる
膜を形成するようにしたものである。

【００１２】

【作用】

(1) 本願第１の発明によれば、錐状電極の表面が酸化
されることにより所定の厚みの酸化膜が形成される。こ
のように表面に対する酸化を行った場合、酸化を受けな
かった内部は、酸化前に比べてひとまわり小さな錐状電
極となる。本願発明者は、この内部の錐状電極の先端部
分が、尖鋭化されるという事実を見出だしたのである。
そこで、表面の酸化膜を除去して内部の錐状電極のみを
残すようにすれば、大きさはひとまわり小さくなるが、
先端部が尖鋭化され、電子放出に適した構造をもった冷
陰極が得られることになる。この方法によれば、酸化前
の錐状電極は鋭利な先端部を有している必要がないた
め、高度な尖鋭化のための技術は必要なくなる。

【００１３】(2) 本願第２の発明では、錐状電極を金
属材料で構成し、この表面を陽極酸化法によって酸化し
ている。陽極酸化法では、酸化対象となる金属に電圧
（化成電圧）を印加することになるが、この化成電圧を
調節することによって、形成される酸化膜の膜厚を制御
することができる。したがって、所望の構造をもった冷
陰極を容易に製造することが可能になる。

【００１４】(3) 本願第３の発明では、基板上に第１
の金属材料層が形成され、その上に第２の金属材料から
なる錐状電極が形成される。これら２種類の金属材料は
同時に酸化される。このとき、第１の金属材料層は基板
面に対する保護層として機能する。錐状電極の表面に形
成された酸化膜は除去されて、先端部が尖鋭な冷陰極の
みが残されるが、第１の金属材料の酸化膜はそのまま残
され、冷陰極と後に形成される引出電極との間の絶縁層
として利用される。このため、十分な絶縁層をもった電
子放出素子が容易に製造できるようになる。

【００１５】(4) 本願第４の発明では、タンタルとア
ルミニウムとが２種類の金属として用いられる。これら
は互いに異なるエッチング特性を有し、また、これらの
酸化物も互いに異なるエッチング特性を有する。しか
も、タンタルの酸化物は、透光性を有する。したがっ
て、タンタル層の露出領域におけるすべての厚み部分が
酸化されるような条件で陽極酸化を行い、透明の基板を
用いるようにすれば、冷陰極が形成された時点におい
て、この冷陰極形成領域を除くすべての部分が透明な構
造を実現することができ、後に引出電極などを形成する
プロセスにおいて、冷陰極をマスクとした背面露光を行
うパターニングが利用できるようになる。

【００１６】(5) 本願第５の発明では、尖鋭な先端を
もった錐状の冷陰極の表面に異なる材料膜が形成され
る。このような材料膜は、酸化や腐食を受けやすい材料
を冷陰極として用いた場合に、保護膜として利用するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。まずはじめに、従来の一般的な真空マイクロ素
子の構造について説明する。図１は、平板型のディスプ
レイを駆動するための真空マイクロ素子の一般的な構造
を示す断面図である。ここでは、説明の便宜上、ディス
プレイの１画素分を駆動する構造のみを示し、各部の実
際の寸法比を無視して描いてある。ガラス基板１は、こ
の素子を支持するために十分な厚みを有し、その上に配
線層２が形成されている。この配線層２の上には、冷陰
極３および絶縁層４が形成され、絶縁層４の上には引出
電極５が形成されている。配線層２は、冷陰極３に電圧
を供給するためのもので、ＩＴＯ，ＺｎＯ：Ａｌなどの
透明導電膜や、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｃｒなどの金属薄膜を、０．０２〜１．０μｍ程度
の厚みに形成することによって構成されている。この上
に形成された冷陰極３は、Ｗ，Ｔａ，Ｍｏなどの高融点
金属からなる円錐状の電極である。また、絶縁層４は、
ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_５などを０．５〜３．０μｍ程度の
厚みに堆積させることにより得られた層であり、引出電
極５は、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂなど
の金属薄膜を、０．０２〜１．０μｍ程度の厚みに形成
したものである。引出電極５は、冷陰極３の先端部の高
さとほぼ同等の高さに位置する。

【００１８】一方、もう１枚のガラス基板６の下面に
は、陽極７および蛍光体層８が形成されている。陽極７
は、ＩＴＯ，ＺｎＯ：Ａｌなどの透明導電膜を０．３〜
１．０μｍ程度の厚みに形成したものであり、蛍光体層
８は、ＺｎＯ：Ｚｎ等の蛍光体により厚み１０μｍ程度
の層を形成したものである。ガラス基板１の上面に形成
された構造体と、ガラス基板６の下面に形成された構造
体とは、図１に示すように、対向するように配置され、
両者間の空隙は真空状態に保たれる。

【００１９】このような構造をもった真空マイクロ素子
は、真空管と同様の動作を行う。すなわち、冷陰極３を
カソード、陽極７をアノード、引出電極５をグリッド、
として各電極に所定の電圧をかければ、冷陰極３から電
子を引き出し、これを陽極７へ放出させることができ、
この電子の放出量を引出電極５に与える電圧によって制
御することができる。蛍光体層８は、陽極７へ向かった
電子の衝突を受けて発光する。この発光は、陽極７およ
びガラス基板６ごしに図面上方から観測される。

【００２０】さて、このような構造をもった真空マイク
ロ素子を製造する上で、最も困難な工程は、円錐状の冷
陰極３を形成する工程である。比較的低い電界による電
子の放出を可能にするためには、冷陰極３の先端を鋭く
する必要があるが、そのような微細加工は非常に困難で
ある。しかも、図１には、平板状ディスプレイの１画素
分に相当する構造だけが示されているが、実際には、こ
のような構造が縦横に多数配列され、それぞれの冷陰極
３の加工精度をほぼ同じ精度にする必要がある。縦横に
配列された複数の冷陰極３の加工精度にムラが生じる
と、ディスプレイ画面としてムラのあるものになってし
まう。本発明は、このような問題を解決するためになさ
れたものであり、次のような方法によって冷陰極が製造
される。

【００２１】まず、図２を参照しながら、本発明に係る
電子放出用冷陰極の製造方法の基本原理を説明する。は
じめに、図２(a) に示すように、錐状電極９を形成す
る。この錐状電極９は、最終的に形成すべき冷陰極の粗
形状をなすものであり、ほぼ錐形をしているが、先端部
分は鋭利ではない。図の例では、錐状電極９は、いわゆ
る裁頭円錐形をしており、先端部分は直径Ｄの円形とな
っている。このように、先端部が平坦な錐形構造をもっ
た錐状電極９は、比較的容易に形成できる。先端部の形
状にはそれほど高い加工精度は要求されないからであ
る。本発明では、このような粗形状をなす錐状電極９を
形成した後、その表面を酸化させるのである。図２(b)
は、こうして表面を酸化させた状態の断面図である。図
にハッチングを施した部分に酸化膜９ａが形成されてお
り、酸化を受けなかった部分が内部電極９ｂとして残る
ことになる。本願発明者は、こうして形成される内部電
極９ｂが、鋭利な先端部をもった錐状構造をなすことを
見出だしたのである。すなわち、酸化を行った後、酸化
膜９ａのみを除去し、内部電極９ｂを残すようにすれ
ば、この内部電極９ｂを冷陰極として用いることができ
るのである。こうして形成された冷陰極は、先端部が尖
鋭化されており、電子の放出に適した形状となってい
る。この方法による先端部の尖鋭化は、従来のエッチン
グ法による尖鋭化よりも微細なものである。

【００２２】このような原理に基づいて冷陰極を製造す
れば、電子放出に適した尖鋭な先端構造をもつ電子放出
用冷陰極を容易に作成することができるようになる。同
一基板上に多数の冷陰極を形成する場合であっても、こ
の基板に対して一様に酸化を行うようにすれば、ほぼ均
一な先端構造をもった冷陰極の形成が可能になる。ここ
で、形成される酸化膜９ａの厚みは、酸化を行うプロセ
スの条件によって決定される。特に、錐状電極９ａとし
て金属材料を用い、陽極酸化法（錐状電極９に正の電圧
を印加しながら行う酸化方法）を用いた酸化プロセスを
行えば、酸化膜９ａの厚みは、化成電圧（錐状電極９に
印加する電圧）によって制御することができる。一般
に、ある層を酸化して酸化膜を形成すると、この酸化膜
の厚みはもとの層の厚みよりも大きくなる。別言すれ
ば、酸化により、層は厚み方向に膨らむことになる。す
なわち、酸化は内方向と外方向との双方に向かって行わ
れることになる。図２(b) において、もとの錐状電極９
の形状が破線で示されているが、この破線で示した輪郭
よりも外側の部分が外方向に向かって酸化した部分であ
り、内側の部分が内方向に向かって酸化した部分であ
る。内部電極９ｂの先端部の尖鋭化に関与するのは、内
方向に向かう酸化である。そこで、本明細書では、内方
向に向かう酸化により形成された酸化膜９ａの厚み部分
を、内方向酸化膜厚ｄと呼ぶことにする（図２(b) 参
照）。この内方向酸化膜厚ｄの値がある一定のレベルを
越えると、内部電極９ｂの先端部が尖鋭化されることに
なる。一般的な基準としては、内方向酸化膜厚ｄ＝（錐
状電極先端部直径Ｄ）／２程度となるような条件で酸化
を行えば、十分に尖鋭化された内部電極９ｂを得ること
ができる。

【００２３】続いて、上述の基本原理に基づいた電子放
出用冷陰極の製造プロセスを、断面図を参照しながら、
より具体的な実施例に基づいて詳述する。なお、以下の
断面図においては、図示の便宜上、各部の寸法比を無視
して描いてある。

【００２４】＜第１の実施例＞まず、図３に示すよう
に、透明な絶縁性基板として、ガラス基板１１を用意
し、この上に、透明な導電膜としてＩＴＯ層１２を成膜
する。更にその上に、第１の金属材料層としてタンタル
層１３を、第２の金属材料層としてアルミニウム層１４
を、それぞれ成膜する（各層の厚みに関しては後述す
る）。各層の成膜には、たとえばスパッタ法や、真空蒸
着法を用いればよい。続いて、アルミニウム層１４上に
フォトレジストを塗布して特定形状にパターニングを行
い、図４に示すようなレジスト層１５を形成する。この
実施例は、円錐形の冷陰極を形成させる例であるため、
レジスト層１５は平面的には円形パターンであるが、角
錐形の冷陰極を形成させるのであれば、それに応じて多
角形パターンとすればよい。次に、このレジスト層１５
をマスクとして用い、アルミニウム層１４に対するエッ
チングを行う。この実施例では、アルミニウム用エッチ
ング溶液（菱江化学株式会社製ＭＲ−ＡＬＥ）を約４
０℃まで加熱維持し、この溶液中に基板全体を約４．５
分間浸漬させることにより、エッチングを行った。この
結果、図５に示すように、アルミニウム層１４の一部分
が錐状電極１６として残ることになる。この錐状電極１
６は、いわゆる裁頭円錐形をしており、製造すべき冷陰
極の粗形状をなすものである。続いて、十分な水洗を行
った後に乾燥させ、レジスト層１５を除去する。

【００２５】続いて、本発明の特徴となる酸化工程を行
う。この実施例では、酸化膜厚の制御を容易に行うこと
ができる陽極酸化法を用いて酸化を行っている。すなわ
ち、電解質溶液として、５％（重量％）のホウ酸アンモ
ニウム水溶液を用意し、攪拌したこの電解質溶液中に、
十分に乾燥させた基板全体を浸漬させる。一方、対極と
してプラチナ板を同様に浸漬させ、この対極と錐状電極
１６との間に、錐状電極１６側が陽極となるように電圧
を印加して、室温において０．５ｍＡ／ｃｍ^２という定
電流密度で酸化を行った。印加電圧を０Ｖから所定の化
成電圧まで上昇させてゆき、後述する所定の膜厚の酸化
膜が得られるまで酸化を行った。なお、この陽極酸化に
用いる電解質溶液は、上述したホウ酸アンモニウム水溶
液に限られるものではなく、この他にも種々の電解質溶
液を用いることができる。たとえば、電解質溶液に用い
る溶媒としては、水の他、種々の有機溶媒（エチレング
リコール、メタノール、グリセリン、プロピオン酸な
ど）を用いることができるし、溶質としては、クエン
酸、アジピン酸、ホウ酸、乳酸、アクリル酸などの中性
有機酸や、ホウ砂、クエン酸アンモニウム、酒石酸アン
モニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸ナトリウ
ム、リン酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、
炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの中性、弱酸性、あ
るいは弱アルカリ性の塩を用いることができる。また、
対極としては、プラチナの代わりに、アルミニウム、ス
テンレス、炭素などを用いることも可能である。

【００２６】図６は、上述した酸化工程が完了したとき
の状態を示す断面図である。錐状電極１６の表面は酸化
により酸化膜１６ａ（Ａｌ_２Ｏ_３）が形成されており、
酸化を受けなかった部分が内部電極１６ｂとして残るこ
とになる。なお、上述した酸化工程では、錐状電極１６
とともにタンタル層１３の露出領域も酸化を受けること
になる。このため、タンタル層１３の露出領域は酸化膜
１３ａ（Ｔａ_２Ｏ_５）となり、非露出領域がタンタル層
１３ｂとして残ることになる。タンタル層１３を形成し
ておくのは、上述した陽極酸化の工程により、ＩＴＯ層
１２が損傷を受けるのを保護するためである。ここで注
目すべき点は、タンタル層１３の露出領域については、
すべての厚み部分が酸化されている点である。別言すれ
ば、タンタル層１３の露出領域は、表面だけではなく、
深部に至るまで酸化が行われており、すべてが酸化膜１
３ａに変わっている。これは、タンタルの酸化物（Ｔａ
_２Ｏ_５）が透光性を有するという性質に着目し、後の工
程において、背面露光を可能にするための配慮である。
すなわち、タンタル自体は透光性を有しないため、後に
背面露光を行うためには、タンタル層１３の露出領域に
ついては、すべての厚みにわたって酸化させ、透光性を
有する酸化膜１３ａに変えておく必要があるのである。

【００２７】酸化工程終了後、基板全体を十分に水洗
し、乾燥させ、アルミニウムの酸化膜１６ａの剥離を行
う。この実施例では、剥離溶液として、５％リン酸＋２
％クロム酸水溶液を用意し、この水溶液を約８５℃まで
加熱維持し、基板全体を約１５分間浸漬させることによ
り剥離を行った。この結果、図７に示すように、アルミ
ニウムの酸化膜１６ａだけが剥離除去され、露出した内
部電極１６ｂは冷陰極１７を形成する。この剥離工程で
は、タンタルの酸化膜１３ａは全く影響を受けない。

【００２８】以上が本発明に係る電子放出用冷陰極の製
造方法のプロセスであるが、続いて、この冷陰極に対し
て用いられる引出電極の形成プロセスをひき続き行う場
合について説明しておく。まず、図８に示すように、レ
ジスト層１８を形成する。このレジスト層１８は、少な
くとも冷陰極１７が完全に覆われる程度の厚みが必要で
ある。レジスト塗布後、プリベークを行い、ここで背面
露光を行う。すなわち、図の下方から光を照射してレジ
スト層１８を感光させるのである。前述したように、ガ
ラス基板１１およびＩＴＯ層１２は透明であり、また、
タンタルの酸化膜１３ａも透光性を有する。したがっ
て、基板裏面側からの背面露光を行うと、タンタル層１
３ｂおよびアルミニウムの冷陰極１７をマスクとした露
光を行うことができ、現像を行うことにより、図９に示
すように、冷陰極１７の形成領域にのみレジスト層１８
ａを残すことができる。続いて、図１０に示すように、
基板全面に絶縁層１９を形成する。この絶縁層１９とし
ては、たとえば、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ショットガラ
スなどをスパッタ法あるいは真空蒸着法を用いて成膜す
ればよい。更にその上に、図１１に示すように、ゲート
電極層２０を形成する。このゲート電極層２０として
は、たとえば、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎ
ｂなどの金属材料をスパッタ法あるいは真空蒸着法を用
いて成膜すればよい。最後に、レジスト層１８ａの剥離
（いわゆるリフトオフ）を行い、十分な水洗と乾燥を行
えば、図１２に示す構造を得る。この構造は図１の下部
に示した電子放出素子の構造と等価である。レジスト層
１８ａの剥離には、たとえば、アセトンなどの剥離液を
用いればよい。もちろん、剥離液としては、他の構造部
分に影響を与えずにレジスト層１８ａの剥離を行うこと
のできるものであれば、どのようなものを用いてもかま
わない。

【００２９】続いて、上述した工程における各層の厚み
および陽極酸化の条件に関して検討を行う。まず、図３
におけるＩＴＯ層１２，タンタル層１３，アルミニウム
層１４の厚みについて考えてみる。ＩＴＯ層１２は、冷
陰極に対する配線層として機能する導電膜であるため、
配線層として適当な厚みであれば、特に制約はない。こ
の実施例では、０．１〜０．５μｍ程度の厚みでＩＴＯ
層１２を形成した。これに対して、タンタル層１３およ
びアルミニウム層１４は、形成する冷陰極１７の大きさ
および陽極酸化の条件を考慮して最適な厚みを決定する
のが好ましい。まず、アルミニウム層１４の厚みは、形
成する冷陰極１７の直径の半分程度の厚みにするのが好
ましい。たとえば、直径５μｍの円錐状の冷陰極１７を
形成するのであれば（レジスト層１５の直径が５μ
ｍ）、アルミニウム層１４の厚みは２．５μｍ程度にす
るのが好ましい。このような厚みにしておけば、図５に
示すようなエッチングにより、先端がある程度尖った錐
状電極１６を形成することができる。

【００３０】一方、タンタル層１３の厚みは、陽極酸化
の条件に基づいて決定する必要がある。なぜなら、前述
したように、陽極酸化が完了した時点において、タンタ
ル層１３の露出領域はすべての厚み部分について酸化が
行われている必要がある（その理由は、後に背面露光を
行えるように、すべての厚み部分を透光性をもった酸化
膜に変えておく必要があるためである）。ところで、陽
極酸化の条件は、図２(b) に示す内方向酸化膜厚ｄに基
づいて決定すべきであり、この内方向酸化膜厚ｄの値
は、図２(a) に示す錐状電極９の裁頭部の直径Ｄを考慮
して決定すべきである（前述のように、ｄ＝Ｄ／２程度
であれば、先端部が十分に鋭利な内部電極９ｂが得られ
る）。

【００３１】いま、より具体的に、直径５μｍの円錐状
の冷陰極１７を形成する場合を例にとって、陽極酸化の
最適条件およびタンタル層１３の厚みの最適値を決定し
てみる。図５において、直径５μｍの円形パターンをも
ったレジスト層１５を用いてエッチングを行った場合、
得られる錐状電極１６の裁頭部の直径Ｄは０．２４μｍ
程度であることが、実験により確認できている。したが
って、図２(b) に示す内方向酸化膜厚ｄの値はほぼ０．
１２μｍ程度とするのが好ましい。ここで、陽極酸化を
行う上での化成電圧（酸化時に印加する電圧）と形成さ
れる酸化膜の膜厚との関係を求めてみると、図１３に示
す表のような関係が得られる。この表における化成電圧
は、酸化工程時に錐状電極に印加する電圧値を示してお
り、陽極酸化膜厚は、各化成電圧を印加したときに得ら
れる酸化膜の厚みをアルミニウム酸化膜とタンタル酸化
膜とのそれぞれについて示しており、内方向酸化膜厚ｄ
は、酸化によって得られるアルミニウム酸化膜の内方向
酸化膜厚を示している。

【００３２】上述したように、直径５μｍの円形パター
ンを用いた場合、内方向酸化膜厚ｄの値は０．１２μｍ
程度とするのが好ましい。したがって、この表によれ
ば、化成電圧１５０Ｖという条件で陽極酸化を行えばよ
いことがわかる。こうして、陽極酸化の最適条件が決定
できる。一方、この化成電圧１５０Ｖという陽極酸化条
件では、タンタル層の酸化膜厚は、図１３の表によると
約０．２５μｍとなっている。タンタルの場合、０．２
５μｍの厚みの酸化膜を形成したとき、この０．２５μ
ｍのうちの０．１μｍが内方向酸化膜厚となる。したが
って、もとのタンタル層１３の厚みは０．１μｍとする
のが好ましいことがわかる。

【００３３】＜第２の実施例＞まず、図１４に示すよう
に、絶縁性基板２１を用意し、この上に、タンタル層２
２、タングステン層２３、アルミニウム層２４、をそれ
ぞれ成膜する。後述するように、タングステン層２３の
一部が冷陰極として利用されることになる。したがっ
て、直径５μｍ程度の円錐状の冷陰極を形成するのであ
れば、前述した第１の実施例と同様に、タングステン層
２３の厚みはその半分の２．５μｍ程度にするのが好ま
しい。また、タングステンに対して、冷陰極を形成する
のに適した陽極酸化を行うには、化成電圧を１４０Ｖ程
度にするのが好ましく、この化成電圧におけるタンタル
についての内方向酸化膜厚ｄは０．０９μｍ程度である
ので、タンタル層２２の厚みは少なくとも０．１μｍ程
度必要になる。また、アルミニウム層２４は、後述する
ように、キャップ層としての機能を果たすため、０．１
〜０．５μｍ程度の厚みに形成するのが好ましい。な
お、これらの各層は、スパッタ法あるいは真空蒸着法に
よって成膜すればよい。

【００３４】続いて、アルミニウム層２４上にフォトレ
ジストを塗布して特定形状にパターニングを行い、図１
５に示すようなレジスト層２５を形成する。この実施例
は、円錐形の冷陰極を形成させる例であるため、レジス
ト層２５は平面的には円形パターンであるが、角錐形の
冷陰極を形成させるのであれば、それに応じて多角形パ
ターンとすればよい。次に、このレジスト層２５をマス
クとして用い、アルミニウム層２４に対するエッチング
を行う。エッチング方法は第１の実施例と同様である。
この結果、図１６に示すように、アルミニウム層２４の
一部分がキャップ層２４ａとして残ることになる。そこ
で、このキャップ層２４ａをマスクとして、タングステ
ン層２３に対するエッチングを行う。タングステンに対
するエッチング溶液としては、Ｈ_２Ｏ_２を用いた。この
結果、図１７に示すようなタングステンからなる錐状電
極２６が得られる。この錐状電極２６は、いわゆる裁頭
円錐形をしており、製造すべき冷陰極の粗形状をなすも
のである。

【００３５】続いて、図１８に示すように、絶縁層２７
を形成する。この絶縁層２７としては、たとえば、Ｓｉ
Ｏ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ショットガラスなどをスパッタ法あ
るいは真空蒸着法を用いて成膜すればよい。更にその上
に、図１９に示すように、ゲート電極層２８を形成す
る。このゲート電極層２８としては、たとえば、Ｔａ，
Ｎｂ，Ｃｒなどの金属材料をスパッタ法あるいは真空蒸
着法を用いて成膜すればよい。なお、絶縁層２７および
ゲート電極層２８の膜厚は、これらの膜厚の合計が、錐
状電極２６の高さとほぼ等しくなるようにするのが好ま
しい。たとえば、錐状電極２６の高さが２．５μｍの場
合、絶縁層２７の厚みを２．３μｍ、ゲート電極層２８
の厚みを０．２μｍとすることができる。

【００３６】次に、キャップ層２４ａの剥離（いわゆる
リフトオフ）を行い、図２０に示す構造を得る。続い
て、本発明の特徴となる酸化工程を行い、錐状電極２６
の先端部の尖鋭化を行う。このとき、錐状電極２６に対
して電圧を印加して陽極酸化を行うようにし、ゲート電
極層２８に対しては電圧を印加しないように注意する。
さもないと、ゲート電極層２８までもが酸化されてしま
うことになる。この陽極酸化に用いる電解質溶液として
は、０．５Ｍリン酸を使用した。もっとも、この陽極酸
化に用いる電解質溶液は、リン酸だけに限られるもので
はなく、この他にも種々の電解質溶液を用いることがで
きる。たとえば、電解質溶液に用いる溶媒としては、水
の他、酢酸や種々の有機溶媒（エチレングリコール、メ
タノール、グリセリン、プロピオン酸など）を用いるこ
とができるし、溶質としては、クエン酸、アジピン酸、
ホウ酸、乳酸、アクリル酸などの中性有機酸や、ホウ
砂、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、硫酸ナトリウ
ム、硫酸カリウム、炭酸カリウムなどの中性または弱酸
性の塩を用いることができる。

【００３７】図２１は、上述した酸化工程が完了したと
きの状態を示す断面図である。錐状電極２６の表面には
酸化により酸化膜２６ａが形成されており、酸化を受け
なかった部分が内部電極２６ｂとして残ることになる。
なお、上述した酸化工程では、錐状電極２６とともにタ
ンタル層２２の露出領域も酸化を受けることになる。こ
のため、タンタル層２２の露出領域は酸化膜２７ａとな
る。続いて、タングステンの酸化膜２６ａの除去を行え
ば、露出した内部電極２６ｂが冷陰極２９を形成し、図
２２に示す構造を得る。この酸化膜２６ａの除去は、た
とえば、５％（重量％）ホウ酸アンモニウム水溶液に浸
漬させればよい。

【００３８】なお、化成電圧を１４０Ｖとして陽極酸化
を行った場合、タングステンの内方向酸化膜厚ｄは、約
０．０７μｍ程度となる。したがって、錐状電極２６の
裁頭部の直径Ｄが０．１４μｍ程度までであれば、この
条件の酸化により尖鋭な先端部をもった冷陰極が得られ
る。直径Ｄがより大きい場合には、理論的には化成電圧
を上昇させて、内方向酸化膜厚を厚くすればよいのであ
るが、実際には、タングステンに対する陽極酸化では、
化成電圧を１４０Ｖ以上に上昇させると安定した酸化膜
生成ができなくなる。したがって、このような場合は、
化成電圧を１４０Ｖとした陽極酸化を数回続けて行うよ
うにし、酸化膜の形成と除去（溶解）を繰り返し行うよ
うにすればよい。陽極酸化による酸化膜の形成とその溶
解とを何度繰り返して実行しても、内部のタングステン
に悪影響が及ぶことはない。

【００３９】＜第３の実施例＞この第３の実施例は、前
述した第１の実施例の変形例である。まず、図２３に示
すように、透明なガラス基板１１を用意し、この上に、
第１の金属材料層としてタンタル層１３を、第２の金属
材料層としてアルミニウム層１４をそれぞれ成膜する。
この構造は、図３に示す第１の実施例の構造において、
ＩＴＯ層１２を省略したものである。このように、第３
の実施例では、ＩＴＯ層１２が不要になる点に特徴があ
る。その理由については後述する。また、タンタル層１
３の厚みも、第１の実施例とは若干異なる。すなわち、
第１の実施例では、タンタル層１３の厚みを０．１μｍ
としたが、この第３の実施例では、これを０．１２〜
０．１２５μｍ程度とし、若干厚めに設定してある。こ
の理由についても後述する。

【００４０】続いて、アルミニウム層１４上にフォトレ
ジストを塗布して特定形状にパターニングを行い、図２
４に示すようなレジスト層１５を形成し、このレジスト
層１５をマスクとして用い、アルミニウム層１４に対す
るエッチングを行い、図２５に示すように、錐状電極１
６をもった構造を得る。この工程は、前述の第１の実施
例の工程と全く同様である。この後、レジスト層１５を
除去して陽極酸化を行う点も、前述の第１の実施例と同
様である。陽極酸化の条件は、やはり化成電圧１５０Ｖ
に設定して行った。ただ、第１の実施例と異なる点は、
上述したように、タンタル層１３の厚みがやや厚く設定
されている点である。このため、同じ条件で陽極酸化を
行ったとしても、この第３の実施例では、タンタル層１
３は全厚みに関して完全な酸化は行われず、基板側の一
部分が酸化を受けなかった層として残ることになる。図
２６は、この陽極酸化終了後の状態を示している。内部
電極１６ｂで覆われている非露出部分にタンタル層１３
ｂが残る点は、第１の実施例と同様であるが、それ以外
の露出した部分については、表面側は酸化を受けて酸化
膜１３ａが形成されるが、基板側は酸化を受けずに残存
タンタル層１３ｃとして残ることになる。この実施例で
は、厚み０．０２５μｍ程度の残存タンタル層１３ｃが
残った。

【００４１】次に、第１の実施例と同様に、図２６に示
すアルミニウムの酸化膜１６ａを剥離除去して、図２７
に示すように、冷陰極１７を露出させる。そして、図２
８に示すように、全面にレジスト層１８を形成し、背面
露光によって、このレジスト層１８の一部を感光させ
る。ただ、この背面露光の条件は、第１の実施例とは若
干異なる。第１の実施例では、図８に示すような構造に
おいて背面露光が行われており、この構造では、ＩＴＯ
層１２および酸化膜１３ａがいずれも透明であるため、
レジスト層１８のうち、タンタル層１３ｂおよび冷陰極
１７によって影になる部分が非露光部、それ以外の部分
が露光部となった。ところが、この第３の実施例では、
図２８に示すような構造において背面露光が行われてお
り、本来露光されるべき部分（レジスト層１８のうち、
タンタル層１３ｂおよび冷陰極１７によって影になる部
分以外の部分）に照射される光が、残存タンタル層１３
ｃによって遮光されることになる。残存タンタル層１３
ｃは、タンタルの金属層であるため酸化層のような透光
性は有しない。ただ、前述のように、厚みが０．０２５
μｍ程度の非常に薄い膜であるため、完全な遮光性をも
っているわけでもない。したがって、本来露光されるべ
き部分には、第１の実施例と比べれば弱いものの、この
背面露光によって光が照射されることになる。そこで、
この第３の実施例では、背面露光の時間を長めにとるこ
とにより、レジスト層１８が十分に感光するようにし
た。具体的には、第１の実施例における背面露光が数秒
であったのに対し、この第３の実施例における背面露光
では、３分間ほどの時間をとることにより、十分な露光
を行うことができた。

【００４２】こうして、レジスト層１８に対する背面露
光が完了したら、これを現像することにより、図２９に
示す構造を得ることができる。この図２９の構造は第１
の実施例における図９に示す構造と等価である。すなわ
ち、図９に示す構造におけるＩＴＯ層１２の役割を、残
存タンタル層１３ｃが果たしていることになる。そもそ
も、第１の実施例においてＩＴＯ層１２を形成したの
は、冷陰極１７に対する配線層として機能させるためで
ある。ところが、この第３の実施例においては、残存タ
ンタル層１３ｃに冷陰極１７に対する配線層としての機
能を果たさせることができるため、ＩＴＯ層１２を設け
る必要はなくなるのである。なお、図２９の構造が得ら
れた後は、第１の実施例と同様に、絶縁層１９およびゲ
ート電極層２０が形成される。

【００４３】要するに、この第３の実施例の特徴は、タ
ンタル層１３の基板側の一部を酸化せずに残存タンタル
層１３ｃとして残し、この残存タンタル層１３ｃを第１
の実施例におけるＩＴＯ層１２の代わりとして用いる点
にある。このとき、残存タンタル層１３ｃの厚みの設定
が重要である。残存タンタル層１３ｃがあまり厚くなり
すぎると、光の透過率が低下してくるため、背面露光の
工程においてレジスト層１８を十分に感光させることが
できなくなるために問題である。逆に、残存タンタル層
１３ｃがあまり薄くなりすぎると、導電層としての抵抗
率が高くなってくるため、冷陰極１７に対する配線層と
しての機能に問題が生じる。そこで、０．１２μｍの厚
みのタンタル層を表面側から陽極酸化する場合に、陽極
酸化時の化成電圧（これは、残存タンタル層の厚みを左
右する条件となる）と、残存タンタル層の透過率との関
係を実験により調べてみた。図３０は、この実験結果を
示すグラフである。横軸に化成電圧、縦軸に透過率をと
り、それぞれの関係が示されている。化成電圧が高くな
るほど、透過率は増加することがわかる。これは、化成
電圧が高いほど、陽極酸化が進行し、残存タンタル層の
厚みが小さくなるためである。本実施例における陽極酸
化時の化成電圧は１５０Ｖであり、この条件による酸化
では、配線層として十分に機能し得る厚みの残存タンタ
ル層１３ｃが得られるとともに、この厚みの残存タンタ
ル層１３ｃにおいて、背面露光により十分に感光させる
ことができる透過率が得られている。

【００４４】＜その他の実施例＞以上、本発明を３つの
実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に
限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施
可能である。たとえば、上述の方法で生成した冷陰極の
表面に対して、更に別な金属の膜をスパッタ法や真空蒸
着法によって成膜することも可能である。たとえば、ア
ルミニウムの冷陰極を形成した場合、一般にアルミニウ
ムは融点が比較的低く、酸化しやすいという性質を有す
るため、電子放出用の冷陰極としては必ずしも適当な材
料ではない。そこで、このアルミニウムの冷陰極の表面
に、タンタルなどの金属膜を成膜して保護膜として用い
るようにすれば、電子放出により適した冷陰極が生成で
きる。この保護膜の厚みを０．０５μｍ程度に抑えれ
ば、冷陰極の先端部の尖鋭度に影響を与えることはな
い。

【００４５】上述の第１の実施例におけるタンタル層１
３は、２つの機能を有している。第１の機能は、陽極酸
化時にＩＴＯ層１２を保護する機能であり、第２の機能
は、酸化膜１３ａとしてゲート電極層２０と冷陰極１７
との間の絶縁性を高める機能である。しかしながら、こ
のタンタル層１３は本発明において必須の構成要素では
なく、タンタル層１３を用いずとも本発明は実施可能で
ある。また、上述の実施例ではいずれも陽極酸化法によ
り酸化を行っているが、熱酸化等の別の酸化法を用いて
もかまわない。

【００４６】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、先端部が
尖鋭化されていない錐状電極を生成し、その表面に酸化
膜を形成してこれを除去することにより、先端部の尖鋭
化を行うようにしたため、尖鋭な先端部をもった冷陰極
を容易に製造することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の一般的な縦型真空マイクロ素子の構造を
示す断面図である。

【図２】本発明に係る電子放出用冷陰極の製造方法の基
本原理を示す図である。

【図３】本発明の第１の実施例において、基板上に３層
構造を形成した状態を示す断面図である。

【図４】図３に示す状態において、円形パターンをもっ
たレジスト層１５を形成した状態を示す断面図である。

【図５】図４に示す状態において、レジスト層１５をマ
スクとしたエッチングを行い、錐状電極１６を形成した
状態を示す断面図である。

【図６】図５に示す錐状電極１６に対して、陽極酸化を
行った状態を示す断面図である。

【図７】図６に示す酸化膜１６ａを除去した状態を示す
断面図である。

【図８】図７に示す状態において、レジスト層１８を形
成した状態を示す断面図である。

【図９】図８に示す状態において、背面露光を行いレジ
スト層のパターニングを行った状態を示す断面図であ
る。

【図１０】図９に示す状態において、更に絶縁層１９の
形成を行った状態を示す断面図である。

【図１１】図１０に示す状態において、更にゲート電極
層２０の形成を行った状態を示す断面図である。

【図１２】図１１に示す状態において、レジスト層１８
ａの剥離を行った状態を示す断面図である。

【図１３】陽極酸化の種々の条件（化成電圧と酸化膜厚
との関係）を示す表である。

【図１４】本発明の第２の実施例において、基板上に３
層構造を形成した状態を示す断面図である。

【図１５】図１４に示す状態において、円形パターンを
もったレジスト層２５を形成した状態を示す断面図であ
る。

【図１６】図１５に示す状態において、レジスト層１５
をマスクとしたエッチングを行い、キャップ層２４ａを
形成した状態を示す断面図である。

【図１７】図１６に示すタングステン層２３に対して、
エッチングを行い、錐状電極２６を形成した状態を示す
断面図である。

【図１８】図１７に示す状態において、更に絶縁層２７
の形成を行った状態を示す断面図である。

【図１９】図１８に示す状態において、更にゲート電極
層２８の形成を行った状態を示す断面図である。

【図２０】図１９に示す状態において、キャップ層２４
ａの剥離を行った状態を示す断面図である。

【図２１】図２０に示す状態において、錐状電極２６に
対する陽極酸化を行った状態を示す断面図である。

【図２２】図２１に示す状態において、酸化膜２６ａを
除去した状態を示す断面図である。

【図２３】本発明の第３の実施例において、基板上に２
層構造を形成した状態を示す断面図である。

【図２４】図２３に示す状態において、円形パターンを
もったレジスト層１５を形成した状態を示す断面図であ
る。

【図２５】図２４に示す状態において、レジスト層１５
をマスクとしたエッチングを行い、錐状電極１６を形成
した状態を示す断面図である。

【図２６】図２５に示す錐状電極１６およびタンタル層
１３の表面部分に対して、陽極酸化を行った状態を示す
断面図である。

【図２７】図２６に示す酸化膜１６ａを除去した状態を
示す断面図である。

【図２８】図２７に示す状態において、レジスト層１８
を形成した状態を示す断面図である。

【図２９】図２８に示す状態において、背面露光を行い
レジスト層のパターニングを行った状態を示す断面図で
ある。

【図３０】本発明において、タンタル層に対する陽極酸
化時の化成電圧と、酸化されずに残った残存タンタル層
の透過率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ガラス基板２…配線層３…冷陰極４…絶縁層５…引出電極６…ガラス基板７…陽極８…蛍光体層９…錐状電極９ａ…酸化膜９ｂ…内部電極１１…ガラス基板１２…ＩＴＯ層１３…タンタル層１３ａ…タンタルの酸化膜１３ｂ…タンタル層１３ｃ…残存タンタル層１４…アルミニウム層１５…レジスト層１６…錐状電極１６ａ…アルミニウムの酸化膜１６ｂ…内部電極１７…冷陰極１８，１８ａ…レジスト層１９…絶縁層２０…ゲート電極層２１…絶縁性基板２２…タンタル層２３…タングステン層２４…アルミニウム層２４ａ…キャップ層２５…レジスト層２６…錐状電極２６ａ…タングステンの酸化膜２６ｂ…内部電極２７…絶縁層２７ａ…酸化膜２８…ゲート電極層２９…冷陰極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷陰極と引出電極と陽極とを備え、引出
電極によって冷陰極から電子を引き出してこれを陽極へ
と放出させる装置、に用いられる冷陰極の製造方法にお
いて、錐状電極を形成した後、この錐状電極の表面を酸化する
ことにより所定の厚みの酸化膜を形成させ、この酸化膜
を除去することにより尖鋭な先端をもった錐状の冷陰極
を得ることを特徴とする電子放出用冷陰極の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、錐状電
極を金属材料により構成し、この金属材料に対する陽極
酸化法により酸化膜の形成を行うことを特徴とする電子
放出用冷陰極の製造方法。
【請求項３】請求項２に記載の方法において、互いに
異なるエッチング特性を有し、かつ、それぞれの酸化物
同士も互いに異なるエッチング特性を有するような第１
の金属材料と第２の金属材料とを用意し、基板上に第１の金属材料層を形成し、この第１の金属材
料層上に第２の金属材料層を形成し、前記第２の金属材
料層に対してエッチングを施して第２の金属材料からな
る錐状電極を形成し、前記第１の金属材料層の露出面お
よび前記錐状電極の表面を陽極酸化することにより、第
１の金属材料酸化膜および第２の金属材料酸化膜を形成
させ、前記第２の金属材料酸化膜をエッチング除去する
ことにより第２の金属材料からなる冷陰極を得るととも
に、前記第１の金属材料酸化膜を、冷陰極と引出電極と
の間の絶縁層として利用するようにしたことを特徴とす
る電子放出用冷陰極の製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の方法において、基板と
して透明な基板を、第１の金属材料としてタンタルを、
第２の金属材料としてアルミニウムを、それぞれ用い、
タンタル層の露出領域におけるすべての厚み部分が酸化
されるような条件で陽極酸化を行うことを特徴とする電
子放出用冷陰極の製造方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の方法に
おいて、尖鋭な先端をもった錐状の冷陰極を得たのち、
この冷陰極の表面に異なる材料からなる膜を形成するよ
うにしたことを特徴とする電子放出用冷陰極の製造方
法。