JPH0817331A

JPH0817331A - 電界放出陰極及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0817331A
Application number: JP14991094A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakatani; 忠司中谷; Keiichi Betsui; 圭一別井; Shinya Fukuda; 晋也福田; Osamu Toyoda; 治豊田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-19
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: JP3436975B2

Abstract

(57)【要約】【目的】放出電流が安定で、引き出し電圧が低く、歩
留りの良い電界放出陰極及びその製造方法を提供する。【構成】電界放出陰極が、基板１或いはその上に任意
に設けられたエミッタ電極２上に開口部６を有する絶縁
膜３及びゲート電極４が積層され、前記開口部６中に少
なくとも上層及び下層の２層からなる陰極膜が形成さ
れ、上層陰極膜１０の陵の傾斜角が下層陰極膜８の陵の
傾斜角より大きいことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電界放出陰極及びそ
の製造方法に関する。更に詳しくは、ミクロンオーダー
のサイズを有し、高密度の集積化に適し、電子源として
熱陰極に比べ高効率、高輝度等の利点を有し、放出され
た電子が真空中を通過するので固体素子より高速で移動
することができる高速演算素子、薄型の高輝度ディスプ
レイ等へ応用することができる電界放出陰極及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】微小電界放出陰極は、先端の尖った陰極膜
（エミッタティップ）と電子引き出し用のゲート電極か
ら構成される。陰極膜とゲート電極の間に適当な電圧を
印加すると、ティップ先端に大きな電界がかかり電界放
出が起きる。このような陰極を高密度に集積したもの
は、一般にＦＥＡ（Field Emitter Array ）と呼ばれて
いる。

【０００３】ＦＥＡの製造方法としては、陰極膜材料と
なる金属を蒸着する方法と、シリコン単結晶をエッチン
グして陰極膜を形成する方法が知られている。このうち
蒸着による方法は、陰極膜の製造が比較的容易であり、
基板材料の選択に制限がなく、特に大面積のディスプレ
イの製造には不可欠の技術である。以下に図５を用い
て、従来の蒸着によるＦＥＡの製造方法を説明する。

【０００４】まず、基板５１上にエミッタ電極５２、絶
縁膜５３及びゲート電極５４を積層する（図５（ａ）参
照）。次に、レジストを塗布し、後に陰極膜を形成する
領域を円形に開口しレジストパターン５５を形成する
（図５（ｂ）参照）。次に、レジストパターン５５をマ
スクとして、絶縁膜５３及びゲート電極５４をエッチン
グにより除去し円形の開口部５６を形成する（図５
（ｃ）参照）。

【０００５】次に、Ａｌ等を斜め蒸着することにより絶
縁膜５３上及び開口部５６の側壁の上部に犠牲層５７を
形成する（図５（ｄ）参照）。更に、Ｍｏ等の陰極膜材
料５８を基板５１に垂直に蒸着すると、蒸着物の堆積に
伴い開口部５６は徐々に塞る。開口部５６が完全に塞が
るまで蒸着物を堆積させたとき、開口部５６内には底角
θの円錐状の陰極膜５９が形成されることとなる（図５
（ｅ）参照）。

【０００６】最後に、犠牲層５７をリン酸水溶液等によ
り溶解すれば、ゲート電極５４上に形成された陰極膜材
料５８がリフトオフされることにより除去され、開口部
５６内の陰極膜５９は残され、ＦＥＡが製造される（図
５（ｆ）参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなＭｏによ
り形成された陰極膜では、表面の酸化やガス吸着に起因
する電流変動が大きく、また電子引き出し電圧も高いと
いう欠点があった。また、従来の蒸着によるＦＥＡの製
造において、図５（ｆ）でのリフトオフ工程は効率が悪
く、素子の歩留りを落とす原因となっていた。

【０００８】従って、本発明は放出電流が安定で、引き
出し電圧が低い電界放出陰極及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かくしてこの発明によれ
ば、基板或いはその上に任意に設けられたエミッタ電極
上に開口部を有する絶縁膜及びゲート電極が積層され、
前記開口部中に少なくとも上層及び下層の２層からなる
陰極膜が形成され、上層陰極膜の陵の傾斜角が下層陰極
膜の陵の傾斜角より大きいことを特徴とする電界放出陰
極が提供される。

【００１０】また、この発明によれば、陰極膜が、開口
部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲層をゲート電極上
に積層する工程と、開口部を塞がないように下層陰極膜
材料を垂直蒸着法で堆積することにより基板或いはその
上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜を形
成する工程と、上層陰極膜材料を開口部を塞ぐように垂
直蒸着法で堆積することにより下層陰極膜上に下層陰極
膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極
膜を積層形成する工程を経て形成されることを特徴とす
る第１の電界放出陰極の製造方法が提供される。

【００１１】更に、陰極膜が、開口部内の絶縁膜の内周
面を削ってゲート電極よりも内側に後退させる工程と、
導電材料を開口部を塞がないように垂直蒸着法で堆積す
ることにより前記基板或いはその上に任意に設けられた
エミッタ電極上に下層陰極膜及びゲート電極上に第２ゲ
ート電極を形成する工程と、下層陰極膜の下面の直径よ
り小さい径の開口部を有する第２ゲート電極上にその開
口部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲層を積層する工
程と、開口部を塞ぐように上層陰極膜材料を垂直蒸着法
で堆積することにより下層陰極膜上に下層陰極膜の陵の
傾斜角より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極膜を積層
形成する工程を経て形成されることを特徴とする第２の
電界放出陰極の製造方法が提供される。

【００１２】以下、本発明の電界放出陰極について説明
する。まず、本発明に使用できる基板は、特に限定され
ないが、例えばガラス等からなる絶縁性基板、シリコ
ン、ＧａＡｓ等からなる導電性基板が挙げられる。この
うちガラス基板が好ましい。上記絶縁性基板を使用する
場合には基板上にはエミッタ電極を積層する。このエミ
ッタ電極により、マトリックス状に電極を形成すること
ができる。エミッタ電極に使用できる材料は、特に限定
されないが、例えばモリブデン、タンタル、タングステ
ン、チタン及びそれらのシリサイド膜等が挙げられる。
また、エミッタ電極の膜厚は、０．１〜０．３μｍ程度
である。０．３μｍ以上では段差が生じるのでクロス部
でショートし易く、０．１μｍ以下では連続膜が形成し
難いので好ましくない。

【００１３】次に、基板或いはその上に任意に設けられ
たエミッタ電極上には絶縁膜及びゲート電極が積層され
ている。絶縁膜に使用できる材料は、特に限定されず、
酸化シリコン、窒化シリコン、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等が挙
げられ、その膜厚は０．５〜１μｍとされる。一方、ゲ
ート電極に使用できる材料は、特に限定されず、モリブ
デン、タンタル、タングステン、チタン及びそれらのシ
リサイド膜等が挙げられ、その膜厚は０．１〜０．３μ
ｍとされる。

【００１４】次いで、絶縁膜及びゲート電極には基板或
いはその上に任意に設けられたエミッタ電極を露出させ
るように開口部が複数個マトリックス状に形成されてい
る。開口部の平面形状は、特に限定されず、円形、楕円
形、四角形等が使用できるが、対称性を考慮すると円形
が好ましい。また、開口部の直径は通常３．０μｍ以
下、露光の解像度及び電界放出陰極の集積度を考慮する
と好ましくは０．５〜１．５μｍである。更に、以下で
説明するようにゲート電極を蒸着法により形成すれば、
開口部の直径をより小さくすることができ、より低電圧
で電子を放出させることができる。

【００１５】更に、開口部中の基板或いはその上に任意
に設けられたエミッタ電極上にはエミッタティップとし
て機能する陰極膜が形成されている。この陰極膜は、下
層陰極膜及び上層陰極膜の少なくとも２層からなり、蒸
着において上層陰極膜の陵の傾斜角が下層陰極膜の陵の
傾斜角より大きくなるような材料を使用する。陰極膜材
料として具体的には、下層陰極膜に使用できる材料は、
モリブデン、チタン、タンタル、シリコン、タングステ
ン等が挙げられ、一方、上層陰極膜に使用できる材料
は、ニッケル、金、白金等が挙げられる。下層陰極膜及
び上層陰極膜の組合せは、より具体的には、モリブデン
とニッケル、モリブデンと金、モリブデンと白金、チタ
ンとニッケル、チタンと金、チタンと白金、タンタルと
ニッケル、タンタルと金及びタンタルと白金、シリコン
とニッケル、シリコンと金、シリコンと白金がある。こ
れらのうち、モリブデンとニッケル、チタンとニッケ
ル、シリコンとニッケルが界面の接合状態及び価格面か
ら好ましい。

【００１６】陰極膜の高さは、ゲート電極と略同じ程度
の高さを有することが、電界の集中が良好なので好まし
い。また、上層陰極膜と下層陰極膜の高さは２：８〜
７：３程度であり、具体的には下層陰極膜の膜厚は０．
２〜０．７μｍとされ、上層陰極膜の膜厚は０．２〜
０．７μｍとされる。ここで、下層陰極膜及び上層陰極
膜の断面形状はそれぞれテーパー形状であり、下層陰極
膜の上部に存在する平面上に上層陰極膜が形成されてい
る。また、下層陰極膜の陵の傾斜角より上層陰極膜の陵
の傾斜角のほうが大きい形状を有している。ここで、下
層陰極膜の上面に存在する平面の形状は、特に限定され
ず、円形、楕円形、四角形等が使用できるが、対称性か
ら円形が好ましい。

【００１７】上記の如き電界放出陰極により、上層陰極
膜に化学的に安定な材料を使用できるので、放出電流を
安定にすることができる。また、上層陰極膜の先端部が
下層陰極膜に比べて細いので、低電圧で電子を放出させ
ることができる。また、上層陰極膜と下層陰極膜との
間、下層陰極膜及び基板或いはその上に任意に設けられ
るエミッタ電極との間に、陰極膜に流れる電流を制限す
る負帰還抵抗として機能させるための高抵抗材料層を挟
むこともできる、高抵抗材料としては、特に限定されな
いが、蒸着し易さを考慮するとシリコンが好ましい。陰
極膜に高抵抗材料層を使用する場合、高抵抗材料層、上
層陰極膜及び下層陰極膜の膜厚は、具体的にはそれぞれ
０．２〜０．７μｍ、０．２〜０．７μｍ及び０．２〜
０．７μｍとされる。なお、陰極膜を４層以上にするこ
とも可能である。また、高抵抗材料層、上層陰極膜及び
下層陰極膜の最も好ましい組合せは、接合の界面を考慮
すると、シリコン、ニッケル及びモリブデン、又はシリ
コン、ニッケル及びチタンである。

【００１８】次に、本発明の電界放出陰極装置の製造方
法について説明する。製造方法は、陰極膜形成領域に形
成された開口部に、蒸着法により陰極膜を形成する方法
であって、陰極膜が少なくとも上層及び下層の２層から
なり、下層陰極膜の陵の傾斜角より上層陰極膜の陵の傾
斜角が大きく形成することができればどのような方法で
も使用することができる。なお、場合により、予め陰極
膜を形成しておき、後に開口部を形成してもよい。しか
しながら、製造のし易さを考慮すると、開口部を予め形
成し後に陰極膜を形成することが好ましい。

【００１９】好ましい製造方法としては、例えば以下に
示す方法が挙げられる。まず、第１の製造方法は、陰極
膜が、開口部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲層をゲ
ート電極上に積層する工程と、開口部を塞がないように
下層陰極膜材料を垂直蒸着法で堆積することにより基板
或いはその上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層
陰極膜を形成する工程と、上層陰極膜材料を開口部を塞
ぐように垂直蒸着法で堆積することにより下層陰極膜上
に下層陰極膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有す
る上層陰極膜を積層形成する工程を経て形成されること
により電界放出陰極を製造する。

【００２０】また、第２の製造方法は、陰極膜が、開口
部内の絶縁膜の内周面を削ってゲート電極よりも内側に
後退させる工程と、導電材料を開口部を塞がないように
垂直蒸着法で堆積することにより前記基板或いはその上
に任意に設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜及びゲ
ート電極上に第２ゲート電極を形成する工程と、下層陰
極膜の下面の直径より小さい径の開口部を有する第２ゲ
ート電極上にその開口部を塞がないように斜め蒸着法で
犠牲層を積層する工程と、開口部を塞ぐように上層陰極
膜材料を垂直蒸着法で堆積することにより下層陰極膜上
に下層陰極膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有す
る上層陰極膜を積層形成する工程を経て形成されること
により電界放出陰極を製造する。

【００２１】以下、上記した好ましい製造方法について
説明する。まず、第１の製造方法は、基板或いはその上
に任意に設けられたエミッタ電極上に絶縁膜及びゲート
電極を積層する。エミッタ電極の形成方法は、特に限定
されないが、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等が
挙げられる。次に、絶縁膜の形成方法は、特に限定され
ないが、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等が挙げられる。
また、ゲート電極の形成方法は、特に限定されず、真空
蒸着法、スパッタリング法等が挙げられる。

【００２２】次に、絶縁膜及びゲート電極を貫通させて
基板或いはその上に任意に設けられたエミッタ電極を露
出させ開口部を形成する。開口部の形成方法としては、
異方性エッチング法が挙げられ、具体的にはプラズマエ
ッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、電子サ
イクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマエッチングが挙げ
られる。

【００２３】次に、ゲート電極上に犠牲層を積層する。
犠牲層に使用される材料としては、マグネシウム化合物
を使用することができ、その内、酸化マグネシウムを使
用することが、エッチング除去が容易である点で好まし
い。犠牲層の層厚は、特に限定されないが、後の除去工
程を考慮すると、０．１〜０．６μｍとすることが好ま
しい。また、犠牲層の形成方法は、特に限定されない
が、１０〜３０°の斜め方向から蒸着する方法が挙げら
れる。なお、犠牲層は、少なくともゲート電極上に形成
されおり、かつ、開口部の底部の基板或いはその上に任
意に設けられたエミッタ電極上を覆わないように形成さ
れる。

【００２４】次に、下部陰極膜材料を全面にかつ開口部
を塞がないように積層することにより、開口部中の基板
或いはその上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層
陰極膜を形成する。下部陰極膜材料の積層方法は、特に
限定されないが、電子ビーム蒸着法が使用できる。次
に、上層陰極膜材料を全面にかつ開口部を塞ぐように堆
積することにより、下層陰極膜の上面に上層陰極膜を形
成する。上層陰極膜材料の積層方法は、特に限定されな
いが、電子ビーム蒸着法が使用できる。

【００２５】更に、前記犠牲層、犠牲層上に形成された
上層陰極膜材料及び下層陰極膜材料を除去することによ
って、電界放出陰極が形成される。除去方法としては、
犠牲層をウエットエッチングにより除去する方法を使用
することができる。ウエットエッチングに使用できるエ
ッチャントとしては、犠牲層を除去しうる酢酸、燐酸、
ホウ酸等の公知のエッチャントを使用でき、例えば犠牲
層がマグネシウム化合物であり、陰極膜がニッケルを含
む場合、酢酸を含む水溶液を使用することができる。

【００２６】なお、高抵抗材料層を形成する場合は、犠
牲層を形成したのちに形成することができる。形成方法
は、特に限定されないが、蒸着法が使用できる。次に、
本発明の電界放出陰極の第２の製造方法について説明す
る。まず、基板或いはその上に任意に設けられたエミッ
タ電極上に絶縁膜及び第１ゲート電極が順に積層され
る。積層方法は上記第１の製造方法と同一である。

【００２７】次に、絶縁膜及び第１ゲート電極を貫通さ
せて開口部が形成される。形成方法は上記第１の製造方
法と同一である。次に、絶縁膜の内周面をウエットエッ
チングにより削り、第１ゲート電極よりも内側に後退さ
せる。ウエットエッチングに使用できるエッチャントと
してはフッ酸等が挙げられる。

【００２８】次に、第２ゲート電極を全面にかつ開口部
を塞がないように堆積することにより前記基板或いはそ
の上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜が
形成される。第２ゲート電極の形成方法は、特に限定さ
れないが、電子ビーム蒸着法が使用できる。更に、絶縁
膜上の第１及び第２ゲート電極はそのままゲート電極と
して使用することができる。

【００２９】次に、少なくとも第２ゲート電極上に犠牲
層が積層される。積層方法は上記第１の製造方法と同一
である。次に、上層陰極膜材料を全面にかつ開口部を塞
ぐように堆積することにより下層陰極膜上に上層陰極膜
が形成される。形成方法は上記第１の製造方法における
上層陰極膜材料の積層方法と同一である。

【００３０】更に、犠牲層及び犠牲層上の上層陰極膜材
料を除去することにより、電界放出陰極を形成すること
ができる。除去方法は上記第１の製造方法と同一であ
る。なお、高抵抗材料層を形成する場合は、第２ゲート
電極を形成したのちに形成することができる。形成方法
は、特に限定されないが、蒸着法が使用できる。また、
上記第２の製造方法の変形として以下の方法も挙げられ
る。即ち、以下の方法では、第１ゲート電極に代えて第
２絶縁膜を使用している。

【００３１】まず、基板或いはその上に任意に設けられ
たエミッタ電極上に第１及び第２絶縁膜が順に積層され
る。積層方法は上記第１の製造方法と同一である。次
に、両絶縁膜を貫通させて開口部が形成される。形成方
法は上記第１の製造方法と同一である。次に、第１絶縁
膜の内周面をウエットエッチングにより削り、第２絶縁
膜よりも内側に後退させる。ウエットエッチングに使用
できるエッチャントとしてはフッ酸等が挙げられる。

【００３２】以降の製造方法を、上記第１の製造方法と
同一に行えば、電界放出陰極が形成できる。

【００３３】

【作用】本発明の電界放出陰極は、基板或いはその上に
任意に設けられたエミッタ電極上に開口部を有する絶縁
膜及びゲート電極が積層され、前記開口部中に少なくと
も上層及び下層の２層からなる陰極膜が形成され、上層
陰極膜の陵の傾斜角が下層陰極膜の陵の傾斜角より大き
い構造を有しているので、上層陰極膜は先端部の曲率半
径を小さいエミッタティップを形成できるので、単一の
材料からなる陰極膜よりも低い電圧で電子が引き出せ
る。

【００３４】次に、本発明の第１の電界放出陰極の製造
方法によれば、陰極膜が、開口部を塞がないように斜め
蒸着法で犠牲層をゲート電極上に積層する工程と、開口
部を塞がないように下層陰極膜材料を垂直蒸着法で堆積
することにより基板或いはその上に任意に設けられたエ
ミッタ電極上に下層陰極膜を形成する工程と、上層陰極
膜材料を開口部を塞ぐように垂直蒸着法で堆積すること
により下層陰極膜上に下層陰極膜の陵の傾斜角より大き
い陵の傾斜角を有する上層陰極膜を積層形成する工程を
経て形成されるので、先端部の曲率半径の小さな陰極膜
が容易に形成される。

【００３５】更に、本発明の第２の電界放出陰極の製造
方法によれば、陰極膜が、開口部内の絶縁膜の内周面を
削って第１ゲート電極よりも内側に後退させる工程と、
導電材料を開口部を塞がないように垂直蒸着法で堆積す
ることにより前記基板或いはその上に任意に設けられた
エミッタ電極上に下層陰極膜及び第１ゲート電極上に第
２ゲート電極を形成する工程と、下層陰極膜の下面の直
径より小さい径の開口部を有する第２ゲート電極上にそ
の開口部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲層を積層す
る工程と、開口部を塞ぐように上層陰極膜材料を垂直蒸
着法で堆積することにより下層陰極膜上に下層陰極膜の
陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極膜を
積層形成する工程を経て形成されるので、エミッタ形成
時と同じ原理でゲート口径を小さくすることができ、陰
極膜先端での電界集中が強められる。

【００３６】次に、電界放出陰極の製造方法が、基板或
いはその上に任意に設けられたエミッタ電極上に第１絶
縁膜及び第２絶縁膜を順に積層形成する工程と、これら
各絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、開口部内
の第１絶縁膜の内周面を削って第２絶縁膜よりも内側に
後退させる工程と、導電性材料を開口部を塞がないよう
に垂直蒸着法で堆積することにより前記基板或いはその
上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜及び
前記第２絶縁膜上にゲート電極をそれぞれ形成する工程
と、下層陰極膜の下面の直径より小さい径の開口部を有
するゲート電極上にその開口部を塞がないように斜め蒸
着法で犠牲層を積層する工程と、開口部を塞ぐように上
層陰極材料を垂直蒸着法で堆積することにより下層陰極
膜上に該下層陰極膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角
を有する上層陰極膜を積層形成する工程と、前記犠牲層
及び犠牲層上に積層された上層陰極膜材料を除去する工
程を含んでなることにより、先端部の曲率半径の小さな
陰極膜が容易に形成される。

【００３７】また、犠牲層を、マグネシウム化合物とす
ることによりリフトオフが容易になる。これは従来の犠
牲層材料であるアルミニウムや酸化アルミニウムに比
べ、酸によるエッチング速度が著しく大きいからであ
る。更に、犠牲層の除去方法を、酢酸を含む水溶液を使
用するリフトオフとすることにより、上層陰極膜にニッ
ケルを使用した場合にも、犠牲層のみが選択的にエッチ
ングされる。

【００３８】次に、上層陰極膜と下層陰極膜との間、下
層陰極膜と基板或いはその上に任意に形成されたエミッ
タ電極の間に高抵抗材料層を有することにより、負帰還
抵抗が最適化され、放出電流が安定する。

【００３９】

【実施例】

実施例１図１は本発明の電界放出陰極の製造工程を示す図であ
る。以下、この図に従って本発明を説明する。まず、ガ
ラスからなる絶縁性基板１上に膜厚０．３μｍのモリブ
デンシリサイドからなるエミッタ電極２をスパッタ法に
より積層した。次いで、エミッタ電極上に膜厚０．７μ
ｍのＳｉＯ₂からなる絶縁膜３をプラズマＣＶＤ法によ
り積層した。更に、絶縁膜３上に膜厚０．３μｍのモリ
ブデンシリサイドからなるゲート電極４をスパッタ法に
より積層した（図１（ａ）参照）。

【００４０】次に、レジストを塗布し、露光し、現像す
ることにより、後に陰極膜が形成される領域上に１μｍ
の開口を有するレジストパターン５を形成した（図１
（ｂ）参照）。次に、上記レジストパターン５をマスク
として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、開
口下のゲート電極及び絶縁膜を取り除きエミッタ電極を
露出させることにより直径１μｍの開口部６を形成し
た。次いで、レジストパターン５を溶剤により除去した
（図１（ｃ）参照）。

【００４１】次に、ＭｇＯを斜め蒸着法により回転させ
ながら積層し膜厚０．４μｍの犠牲層７を積層した（図
１（ｄ）参照）。この犠牲層７は斜め蒸着されているの
で、ゲート電極４の側壁と絶縁膜３の側壁の上部が犠牲
層７によって覆われる。そのため後の陰極膜を堆積させ
る際に、陰極膜材料が絶縁膜３の側壁に付着することを
防ぐことができる。

【００４２】次に、エミッタ電極材料としてモリブデン
からなる下層陰極膜材料９を膜厚０．６μｍで回転させ
ながら電子ビーム蒸着し、開口部６が完全に塞がる前に
蒸着を停止した。電子ビーム蒸着の条件は、真空度を５
×１０^-6Ｔｏｒｒ、基板温度を１２０℃、蒸着速度を４
Å／ｓｅｃとした。この垂直蒸着により開口部６内のエ
ミッタ電極上に断面形状が台形の膜厚０．６μｍの下層
陰極膜８が形成された。なお、下層陰極膜８の陵の傾斜
角は６８．２°であった。また、犠牲膜７上の下層陰極
膜材料９の上面には下層陰極膜８の上面と同じ直径の開
口が形成された（図１（ｅ）参照）。

【００４３】次に、下層陰極膜材料９上にエミッタ電極
材料としてニッケルからなる上層陰極膜材料１１を膜厚
０．８μｍで回転させながら開口を塞ぐまで電子ビーム
蒸着した。電子ビーム蒸着の条件は、真空度を５×１０
^-6Ｔｏｒｒ、基板温度を１２０℃、蒸着速度を４Å／ｓ
ｅｃとした。この垂直蒸着により下層陰極膜８上に膜厚
０．４μｍの上層陰極膜１０が形成された（図１（ｆ）
参照）。なお上層陰極膜１０の陵の傾斜角は７８．７°
であった。

【００４４】更に、酢酸水溶液で犠牲層７を溶解するこ
とにより、上層及び下層陰極膜材料（９，１１）が同時
にリフトオフされ、本発明の電界放出陰極が形成された
（図１（ｇ）参照）。なお酢酸水溶液を使用したのは、
ニッケルは燐酸等には侵されるが、酢酸には侵されない
からである。この実施例により形成された陰極膜は、上
層陰極膜１０の先端の曲率半径がモリブデン単独の陰極
膜より小さいので、低電圧で電子を放出できた。

【００４５】実施例２図２は本発明の電界放出陰極の製造工程を示す図であ
る。以下、この図に従って本発明を説明する。まず、ガ
ラスからなる絶縁性基板１上に膜厚０．３μｍのモリブ
デンシリサイドからなるエミッタ電極２を蒸着法により
積層した。次いで、エミッタ電極上に膜厚０．５μｍの
ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３をプラズマＣＶＤ法により積
層した。更に、絶縁膜３上に膜厚０．２μｍのモリブデ
ンシリサイドからなる第１ゲート電極１５をスパッタ法
により積層した（図２（ａ）参照）。

【００４６】次に、レジストを塗布し、露光し、現像す
ることにより、後に陰極膜が形成される領域上に１μｍ
の開口を有するレジストパターン５を形成した（図２
（ｂ）参照）。次に、上記レジストパターン５をマスク
として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、開
口下の第１ゲート電極１５及び絶縁膜３を取り除きエミ
ッタ電極２を露出させることにより直径１μｍの開口を
形成した。次いで、レジストパターン５を溶剤により除
去した。更に、フッ酸を用いてウエットエンチングを行
い絶縁膜３を後退させ、第１ゲート電極１５に形成され
た直径１μｍの開口下に直径１．４μｍの開口部１６を
形成した（図２（ｃ）参照）。

【００４７】次に、電子ビーム蒸着により回転させなが
らチタンからなる第２ゲート電極１２を膜厚０．４μｍ
で積層した。電子ビーム蒸着の条件は、真空度を５×１
０^-6Ｔｏｒｒ、基板温度を１２０℃、蒸着速度を４Å／
ｓｅｃとした。この垂直蒸着により開口部１６内のエミ
ッタ電極２上に下層陰極膜８が形成された。なお、下層
陰極膜８の陵の傾斜角は５３．１°であった。更に、開
口部１６上にテーパー形状でかつ第２ゲート電極の上面
に開口部１６より小さい径の開口が形成された（図２
（ｄ）参照）。第１ゲート電極１５上に形成された第２
ゲート電極１２は第１ゲート電極１５と共にゲート電極
として機能する。

【００４８】次に、ＭｇＯを斜め蒸着法により回転させ
ながら積層し膜厚０．２μｍの犠牲層７を積層した（図
２（ｅ）参照）。この犠牲層７は斜め蒸着されているの
で、第２ゲート電極１２の側壁が犠牲層７によって覆わ
れる。そのため後の上層陰極膜を堆積させる際に、陰極
膜材料が絶縁膜３の側壁に付着することを防ぐことがで
きる。

【００４９】次に、エミッタ材料としてニッケルからな
る上層陰極膜材料１３を、膜厚１．０μｍで回転させな
がら開口を塞ぐまで電子ビーム蒸着した。電子ビーム蒸
着の条件は、真空度を５×１０^-6Ｔｏｒｒ、基板温度を
１２０℃、蒸着速度を４Å／ｓｅｃとした。この垂直蒸
着により下層陰極膜８上に膜厚０．７μｍの上層陰極膜
１０が形成された（図２（ｆ）参照）。なお上層陰極膜
１０の陵の傾斜角は７８．７°であった。

【００５０】更に、酢酸水溶液で犠牲層７を溶解するこ
とにより、犠牲層７上の上層陰極膜材料１３も同時に除
去され、本発明の電界放出陰極が形成された（図２
（ｇ）参照）。この実施例により形成された陰極膜は、
実施例１の陰極膜の効果に加えて、ゲート電極と下層陰
極膜を同時に形成できるので、製造工程を簡略化でき
た。また、ゲート径を小さくできるので、陰極膜先端で
の電界集中を強めることができ、電子引き出し電圧を低
減できた。

【００５１】実施例３実施例１の図１（ｅ）の工程において、下層陰極膜８の
膜厚を０．２μｍとし、上層陰極膜１０を形成する前
に、膜厚０．４μｍのシリコンからなる高抵抗材料層１
４を積層した以外は、実施例１と同様に電界放出陰極を
形成した（図３参照）。

【００５２】高抵抗材料層１４は負帰還抵抗として働く
ので、エミッタに流れる電流を制限し、ＦＥＡの放出電
流の一様性を向上させることができた。また、高抵抗材
料層１４の膜厚を調節することにより負帰還抵抗の値を
最適化することができた。実施例４実施例２の図２において、絶縁膜３の膜厚を０．７μｍ
とし、第２ゲート電極１２の膜厚を０．２μｍとし、上
層陰極膜１３を形成する前に、膜厚０．４μｍのシリコ
ンからなる高抵抗材料層１４を積層した以外は、実施例
２と同様に電界放出陰極を形成した（図４参照）。

【００５３】高抵抗材料層１４は負帰還抵抗として働く
ので、エミッタに流れる電流を制限し、ＦＥＡの放出電
流の一様性を向上させることができた。また、高抵抗材
料層１４の膜厚を調節することにより負帰還抵抗の値を
最適化することができた。参考例蒸着法によって形成される陰極膜の形状は、陰極膜に使
用される材料によって一般に異なる。ニッケル、金及び
白金は蒸着膜厚に対するゲート口径の縮小幅が小さい材
料である。従って、上記金属をモリブデンの陰極膜を形
成する場合と同じ膜厚で蒸着しても開口部は塞がらず、
先端の尖ったコーン状の陰極膜にはならなかった。

【００５４】上記金属単独で陰極膜を形成するには、開
口部の直径を０．５μｍ程度とする必要があるが、０．
５μｍ径の円形のレジストパターンを形成するには特殊
な方法が要求され、その形成は困難であった。また、ゲ
ート電極及び絶縁膜の膜厚を大きくして開口部を深く
し、上記金属の膜厚を厚くして陰極膜を高くする方法も
考えられるが、これら膜に働く応力によって膜の剥離が
生じた。

【００５５】なお、第１ゲート電極１５は絶縁膜に代え
てもよく、その場合は第２ゲート電極がゲート電極とな
る。

【００５６】

【発明の効果】本発明の電界放出陰極は、基板或いはそ
の上に任意に設けられたエミッタ電極上に開口部を有す
る絶縁膜及びゲート電極が積層され、前記開口部中に少
なくとも上層及び下層の２層からなる陰極膜が形成さ
れ、上層陰極膜の陵の傾斜角が下層陰極膜の陵の傾斜角
より大きい構造を有しているので、上層陰極膜は先端部
の曲率半径を小さい陰極膜を形成でき、単一の材料から
なる陰極膜よりも低い電圧で電子を引き出すことができ
る。

【００５７】次に、本発明の第１の電界放出陰極の製造
方法によれば、陰極膜が、開口部を塞がないように斜め
蒸着法で犠牲層をゲート電極上に積層する工程と、開口
部を塞がないように下層陰極膜材料を垂直蒸着法で堆積
することにより基板或いはその上に任意に設けられたエ
ミッタ電極上に下層陰極膜を形成する工程と、上層陰極
膜材料を開口部を塞ぐように垂直蒸着法で堆積すること
により下層陰極膜上に下層陰極膜の陵の傾斜角より大き
い陵の傾斜角を有する上層陰極膜を積層形成する工程を
経て形成されるので、先端部の曲率半径の小さな陰極膜
を容易に形成することができる。

【００５８】更に、本発明の第２の電界放出陰極の製造
方法によれば、陰極膜が、開口部内の絶縁膜の内周面を
削って第１ゲート電極よりも内側に後退させる工程と、
導電材料を開口部を塞がないように垂直蒸着法で堆積す
ることにより前記基板或いはその上に任意に設けられた
エミッタ電極上に下層陰極膜及び第１ゲート電極上に第
２ゲート電極を形成する工程と、下層陰極膜の下面の直
径より小さい径の開口部を有する第２ゲート電極上にそ
の開口部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲層を積層す
る工程と、開口部を塞ぐように上層陰極膜材料を垂直蒸
着法で堆積することにより下層陰極膜上に下層陰極膜の
陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極膜を
積層形成する工程を経て形成されるので、エミッタ形成
時と同じ原理でゲート口径を小さくすることができ、陰
極膜先端での電界集中を強めることができるため、電子
引き出し電圧を低減できる。

【００５９】次に、電界放出陰極の製造方法が、基板或
いはその上に任意に設けられたエミッタ電極上に第１絶
縁膜及び第２絶縁膜を順に積層形成する工程と、これら
各絶縁膜を貫通する開口部を形成する工程と、開口部内
の第１絶縁膜の内周面を削って第２絶縁膜よりも内側に
後退させる工程と、導電性材料を開口部を塞がないよう
に垂直蒸着法で堆積することにより前記基板或いはその
上に任意に設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜及び
前記第２絶縁膜上にゲート電極をそれぞれ形成する工程
と、下層陰極膜の下面の直径より小さい径の開口部を有
するゲート電極上にその開口部を塞がないように斜め蒸
着法で犠牲層を積層する工程と、開口部を塞ぐように上
層陰極材料を垂直蒸着法で堆積することにより下層陰極
膜上に該下層陰極膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角
を有する上層陰極膜を積層形成する工程と、前記犠牲層
及び犠牲層上に積層された上層陰極膜材料を除去する工
程を含んでなることにより、先端部の曲率半径の小さな
陰極膜を容易に形成できる。

【００６０】また、犠牲層を、マグネシウムを含む化合
物とすることによりリフトオフを容易に行うことができ
る。更に、犠牲層の除去方法を、酢酸を含む水溶液を使
用するリフトオフとすることにより犠牲層のみを選択的
に歩留り良くエッチングすることができる。また、上層
陰極膜にニッケル、金或いは白金を使用し、下層陰極膜
にモリブデン、チタン或いはタングステンを使用するこ
とにより、上層陰極膜は先端部の曲率半径を小さい陰極
膜を形成することができる。従って、モリブデンのみで
形成した陰極膜に比べて、低い電圧で電子を引き出すこ
とができる。また、上層陰極膜のニッケル、金或いは白
金は化学的に安定であり、酸化及びガス吸着に起因する
電流変動を抑えることができる。

【００６１】更に、上層陰極膜と下層陰極膜との間、下
層陰極膜と基板或いはその上に任意に形成されたエミッ
タ電極との間に高抵抗材料層を有することにより、素子
の特性のばらつきを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出陰極の概略製造工程図であ
る。

【図２】本発明の電界放出陰極の概略製造工程図であ
る。

【図３】本発明の電界放出陰極の概略断面図である。

【図４】本発明の電界放出陰極の概略断面図である。

【図５】従来の電界放出陰極の概略製造工程図である。

【符号の説明】

１基板２エミッタ電極３絶縁膜４ゲート電極５レジストパターン６開口部７犠牲層８下層陰極膜９下層陰極膜材料１０上層陰極膜１１上層陰極膜材料１２第２ゲート電極１３上層陰極膜材料１４高抵抗材料層１５第１ゲート電極１６開口部５１基板５２エミッタ電極５３絶縁膜５４ゲート電極５５レジストパターン５６開口部５７犠牲層５８陰極膜材料５９陰極膜

フロントページの続き (72)発明者豊田治神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板或いはその上に任意に設けられたエ
ミッタ電極上に開口部を有する絶縁膜及びゲート電極が
積層され、前記開口部中に少なくとも上層及び下層の２
層からなる陰極膜が形成され、上層陰極膜の陵の傾斜角
が下層陰極膜の陵の傾斜角より大きいことを特徴とする
電界放出陰極。
【請求項２】上層陰極膜がニッケル、金或いは白金か
らなり、下層陰極膜がモリブデン、シリコン、チタン或
いはタングステンからなる請求項１記載の電界放出陰
極。
【請求項３】上層陰極膜と下層陰極膜との間、下層陰
極膜と基板或いはその上に任意に設けられたエミッタ電
極との間に高抵抗材料層を有することからなる請求項１
又は２記載の電界放出陰極。
【請求項４】請求項１の陰極膜が、開口部を塞がない
ように斜め蒸着法で犠牲層をゲート電極上に積層する工
程と、開口部を塞がないように下層陰極膜材料を垂直蒸
着法で堆積することにより基板或いはその上に任意に設
けられたエミッタ電極上に下層陰極膜を形成する工程
と、上層陰極膜材料を開口部を塞ぐように垂直蒸着法で
堆積することにより下層陰極膜上に下層陰極膜の陵の傾
斜角より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極膜を積層形
成する工程を経て形成されることを特徴とする電界放出
陰極の製造方法。
【請求項５】請求項１の陰極膜が、開口部内の絶縁膜
の内周面を削って第１ゲート電極よりも内側に後退させ
る工程と、導電材料を開口部を塞がないように垂直蒸着
法で堆積することにより前記基板或いはその上に任意に
設けられたエミッタ電極上に下層陰極膜及び第１ゲート
電極上に第２ゲート電極を形成する工程と、下層陰極膜
の下面の直径より小さい径の開口部を有する第２ゲート
電極上にその開口部を塞がないように斜め蒸着法で犠牲
層を積層する工程と、開口部を塞ぐように上層陰極膜材
料を垂直蒸着法で堆積することにより下層陰極膜上に下
層陰極膜の陵の傾斜角より大きい陵の傾斜角を有する上
層陰極膜を積層形成する工程を経て形成されることを特
徴とする電界放出陰極の製造方法。
【請求項６】基板或いはその上に任意に設けられたエ
ミッタ電極上に第１絶縁膜及び第２絶縁膜を順に積層形
成する工程と、これら各絶縁膜を貫通する開口部を形成
する工程と、開口部内の第１絶縁膜の内周面を削って第
２絶縁膜よりも内側に後退させる工程と、導電性材料を
開口部を塞がないように垂直蒸着法で堆積することによ
り前記基板或いはその上に任意に設けられたエミッタ電
極上に下層陰極膜及び前記第２絶縁膜上にゲート電極を
それぞれ形成する工程と、下層陰極膜の下面の直径より
小さい径の開口部を有するゲート電極上にその開口部を
塞がないように斜め蒸着法で犠牲層を積層する工程と、
開口部を塞ぐように上層陰極材料を垂直蒸着法で堆積す
ることにより下層陰極膜上に該下層陰極膜の陵の傾斜角
より大きい陵の傾斜角を有する上層陰極膜を積層形成す
る工程と、前記犠牲層及び犠牲層上に積層された上層陰
極膜材料を除去する工程を含んでなることを特徴とする
電界放出陰極の製造方法。
【請求項７】犠牲層が、マグネシウム化合物である請
求項４〜６いずれか１つに記載の製造方法。
【請求項８】犠牲層が少なくとも酢酸を含む水溶液に
より除去される請求項４〜７いずれか１つに記載の製造
方法。