JPH0887955A - Electron-emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
Electron-emitting device and manufacturing method thereofInfo
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- JPH0887955A JPH0887955A JP24877094A JP24877094A JPH0887955A JP H0887955 A JPH0887955 A JP H0887955A JP 24877094 A JP24877094 A JP 24877094A JP 24877094 A JP24877094 A JP 24877094A JP H0887955 A JPH0887955 A JP H0887955A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ゲート電極に対して傾斜したエミッタ電極が
高い位置精度で再現性よく形成され、フォトリソグラフ
法のデザインルールに制限されることなく極めて小さい
ギャップ長でゲート電極がエミッタ電極に対して自己整
合的に配設され、且つエミッタ電極材料の選定範囲が飛
躍的に拡大した電子放出素子を得る。
【構成】 基板1、絶縁層2及びゲート電極3が順次積
層され、ゲート電極3と絶縁層2とには該基板に達する
開孔部Aが設けられ、その開孔部A内の基板1上にエミ
ッタ電極4がゲート電極3に接触しないように積層され
てなる電界放射型電子放出素子において、基板1に逆錐
体形状の凹部1aを形成し、その凹部1aの斜面に沿っ
てエミッタ電極4を、その周縁部4aが基板の凹部1a
の上縁部から突き出るように形成する。また、エミッタ
電極4形成時、その両面に保護層を設ける。
(57) [Abstract] [Purpose] An emitter electrode tilted with respect to the gate electrode is formed with high positional accuracy and good reproducibility, and the gate electrode is formed with an extremely small gap length without being restricted by the design rules of the photolithography method. An electron-emitting device is provided, which is arranged in a self-aligned manner with respect to electrodes and has a dramatically expanded selection range of emitter electrode materials. [Structure] A substrate 1, an insulating layer 2 and a gate electrode 3 are sequentially laminated, and an opening A reaching the substrate is provided in the gate electrode 3 and the insulating layer 2. In a field emission electron-emitting device in which the emitter electrode 4 is laminated so as not to contact the gate electrode 3, the inverted cone-shaped recess 1a is formed in the substrate 1, and the emitter electrode 4 is formed along the slope of the recess 1a. The peripheral edge portion 4a is the concave portion 1a of the substrate.
It is formed so as to protrude from the upper edge of the. Further, when forming the emitter electrode 4, protective layers are provided on both surfaces thereof.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、強電界によって電子を
放出する電界放射型の電子放出素子及びその製造方法に
関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子
ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃として、ある
いは照明ランプの超小型照明源として、特に、平面ディ
スプレイを構成するアレイ状のFEA(Field E
mitter Array)の電子発生源として有用な
電子放出素子及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron-emitting device which emits electrons by a strong electric field and a method for manufacturing the same. More specifically, as an electron source or electron gun of an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure apparatus, or the like, or as an ultra-small illumination source of an illumination lamp, in particular, an array-shaped FEA (Field E) that constitutes a flat display.
The present invention relates to an electron-emitting device useful as an electron generation source of a mitter array) and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。2. Description of the Related Art Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy in order to emit thermoelectrons from the cathode of an electron gun, and has a large structure. There was a problem such as requiring a volume.
【0003】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。For this reason, there has been a demand for a flat-panel display in which cold electrons, rather than hot electrons, can be used to reduce energy consumption as a whole and the device itself is miniaturized. It is also strongly required to realize high-speed response and high resolution in such a flat panel display.
【0004】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されてい
る。そして、そのために使用する電子放出素子として、
電界放射現象を利用した電界放射型の電子放出素子が注
目されている。この電界放射型の電子放出素子は、物質
に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物
質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度
が107 V/cm以上の強電界となると、物質中の電子
がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できる
ようになり、そのため物質から電子が放出されるという
現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方
程式に従うために、電子を放出する部材(エミッタ電
極)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引
き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。As a structure of such a flat-type display utilizing cold electrons, it is considered promising to arrange minute electron-emitting devices in an array in a high vacuum flat plate cell. And as an electron-emitting device used for that,
A field emission type electron-emitting device utilizing the field emission phenomenon has been attracting attention. In this field emission type electron-emitting device, when the intensity of the electric field applied to the substance is increased, the width of the energy barrier on the surface of the substance is gradually narrowed according to the intensity, and the electric field intensity becomes a strong electric field of 10 7 V / cm or more. Then, the phenomenon that electrons in the substance can break through the energy barrier due to the tunnel effect and the electron is emitted from the substance is used. In this case, since the electric field follows Poisson's equation, if a portion where the electric field is concentrated is formed in a member (emitter electrode) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.
【0005】このような電界放射型の電子放出素子の一
般的なものとしては、図6(a)に示すように、先端が
尖ったコーン型の電子放出素子を例示することができ
る。この素子においては、導電層61上に絶縁層62及
びゲート電極63が順次積層されており、その絶縁層6
2及びゲート電極63には、導電層61に達する開口部
64が形成されている。そして、その開口部64内の導
電層61上には、少なくともゲート電極63に接触しな
いように、点状突起Poを有する円錐形状(コーン型)
のエミッタ電極65が形成されている。この場合、電子
放出効率を更に向上させるために、ゲート電極63の表
面が、コーン型のエミッタ電極65の点状突起Poより
高い位置にくるようになっている。このような電子放出
素子においては、エミッタ電極65に印加された電圧
は、その点状突起Poに効率よく集中するので、比較的
低い印加電圧で冷電子を放出することができる。As a general example of such a field emission type electron-emitting device, a cone-type electron-emitting device having a sharp tip as shown in FIG. 6A can be exemplified. In this element, an insulating layer 62 and a gate electrode 63 are sequentially stacked on a conductive layer 61.
2 and the gate electrode 63, an opening 64 reaching the conductive layer 61 is formed. Then, a conical shape (cone type) having point projections Po on the conductive layer 61 in the opening 64 so as not to contact at least the gate electrode 63.
An emitter electrode 65 is formed. In this case, in order to further improve the electron emission efficiency, the surface of the gate electrode 63 is located at a position higher than the point projections Po of the cone-shaped emitter electrode 65. In such an electron-emitting device, the voltage applied to the emitter electrode 65 is efficiently concentrated on the point-like projections Po, so that cold electrons can be emitted at a relatively low applied voltage.
【0006】しかしながら、図6(a)に示すようなコ
ーン型エミッタ電極を有する電子放出素子を大面積の平
面型ディスプレイに使用するFEAに応用しようとした
場合、径1μm以下の開口部64の中に、数百nm以下
の曲率半径の点状突起Poを有するエミッタ電極65の
多数個を、ゲート電極63との相対的位置関係を一定に
保持したままバラツキなく均一に形成することが望まれ
るが、実際上、そのように形成することは非常に困難で
あるという問題がある。However, when an electron-emitting device having a cone-type emitter electrode as shown in FIG. 6A is applied to an FEA used for a large-area flat display, the inside of the opening 64 having a diameter of 1 μm or less. In addition, it is desired that a large number of emitter electrodes 65 having point projections Po having a radius of curvature of several hundreds nm or less be uniformly formed without variation while keeping the relative positional relationship with the gate electrode 63 constant. However, in practice, there is a problem that it is very difficult to form such a structure.
【0007】このため、図6(b)に示すように、エミ
ッタ電極をコーン型とせずに、均一加工性の良好なディ
スク型のエミッタ電極(ディスク型エミッタ電極)65
とすることが提案されている。このディスク型エミッタ
電極65においては、エミッタ電極表面65aとエミッ
タ電極周面65bとの境界線であるエミッタ電極65の
輪線状の周縁Peに電界が集中し、そこから冷電子が放
出される。なお、エミッタ電極65と導電層61との間
には、エミッタ電極下地層66を形成しておくことが一
般的に行なわれている。このようなエミッタ電極下地層
66は、ディスク状のエミッタ電極65の周縁Peに電
界が集中しやすくなるように、エミッタ電極65の径よ
りも小さい径とすることが好ましいとされ、そのために
エミッタ電極下地層66は通常エミッタ電極65よりも
エッチングされやすい材料から形成されている。Therefore, as shown in FIG. 6 (b), the disk-shaped emitter electrode (disk-shaped emitter electrode) 65 having a good uniform workability is used without forming the cone-shaped emitter electrode.
Is proposed. In the disk-shaped emitter electrode 65, the electric field is concentrated on the ring-shaped peripheral edge Pe of the emitter electrode 65 which is the boundary line between the emitter electrode surface 65a and the emitter electrode peripheral surface 65b, and cold electrons are emitted from the electric field. An emitter electrode base layer 66 is generally formed between the emitter electrode 65 and the conductive layer 61. It is preferable that the emitter electrode base layer 66 has a diameter smaller than the diameter of the emitter electrode 65 so that the electric field is easily concentrated on the peripheral edge Pe of the disk-shaped emitter electrode 65. The base layer 66 is usually formed of a material that is more easily etched than the emitter electrode 65.
【0008】しかしながら、図6(b)に示すようなデ
ィスク型エミッタ電極を有する電子放出素子の場合、電
界の集中する輪線状の周縁Peは、それがゲート電極6
3の主面に平行なエミッタ電極表面65aと、基板61
の垂直方向に平行なエミッタ電極周面65bとから形成
されているために、図6(c)に示すように、Peの向
きxは、基板61の垂直方向及びゲート電極63の主面
方向に対し、それぞれ45°傾いている。そのために次
に説明するような問題がある。However, in the case of an electron-emitting device having a disk-type emitter electrode as shown in FIG. 6B, the ring-shaped peripheral edge Pe on which the electric field is concentrated has the gate electrode 6 formed therein.
Of the emitter electrode surface 65a parallel to the main surface of the substrate 3 and the substrate 61.
6C, the direction x of Pe is parallel to the vertical direction of the substrate 61 and the main surface of the gate electrode 63, as shown in FIG. 6C. On the other hand, they are inclined at 45 °. Therefore, there is a problem described below.
【0009】即ち、エミッタ電極から放射された電子を
利用できるようにするためにはゲート電極に捕捉されな
いようにする必要がある。そのためは、輪線状の周縁P
eの向きxを基板の垂直方向に近づけることが望まれ
る。しかしながら、図6(b)に示すような素子の場
合、エミッタ電極65から電子がゲート電極63の主面
方向に対し45°の向きで放射されるために、ゲート電
極63に捕捉される電子の割合が多くなり、相対的に素
子内部から外部へ放射される電子の割合(分配率)が低
くなるので、電子発生源としての機能が不十分であると
いう問題がある。That is, in order to utilize the electrons emitted from the emitter electrode, it is necessary to prevent them from being trapped by the gate electrode. For that purpose, a ring-shaped peripheral edge P
It is desired that the direction x of e be close to the vertical direction of the substrate. However, in the case of the element as shown in FIG. 6B, electrons are emitted from the emitter electrode 65 at a direction of 45 ° with respect to the main surface direction of the gate electrode 63, so that electrons trapped in the gate electrode 63 are generated. Since the ratio becomes large and the ratio (distribution ratio) of the electrons emitted from the inside of the element to the outside becomes relatively low, there is a problem that the function as an electron generation source is insufficient.
【0010】この問題を解決すべく、ディスク型エミッ
タ電極の輪線状周縁Peの向きを基板の垂直方向へ近づ
ける技術として、特開平4−87135号公報あるいは
特開平206123号公報に開示されたものがある。In order to solve this problem, the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-87135 or Japanese Patent Laid-Open No. 206123 is a technique for making the direction of the ring-shaped peripheral edge Pe of the disk type emitter electrode closer to the vertical direction of the substrate. There is.
【0011】特開平4−87135号公報によれば、ま
ず、図7(a)に示すように、導電層61上に、周縁部
がオーバーハング状態となるようにディスク状エミッタ
電極65を形成し、その周囲に絶縁層62及びゲート電
極63を100℃以上の雰囲気温度下で形成する。次い
で、雰囲気温度を常温に戻す。すると、導電層61とエ
ミッタ電極65との間の熱膨脹率の相違により、エミッ
タ電極65の周縁部65cが自然にめくれあがる(図7
(b))。この現象を利用することにより、図7(c)
に示すように、エミッタ電極65の輪線状の周縁Peの
向きxを導電層61の垂直方向に近づけることができ
る。According to Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-87135, first, as shown in FIG. 7A, a disk-shaped emitter electrode 65 is formed on a conductive layer 61 so that its peripheral portion is in an overhang state. The insulating layer 62 and the gate electrode 63 are formed on the periphery thereof at an ambient temperature of 100 ° C. or higher. Then, the ambient temperature is returned to normal temperature. Then, due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the conductive layer 61 and the emitter electrode 65, the peripheral edge portion 65c of the emitter electrode 65 is naturally turned up (FIG. 7).
(B)). By utilizing this phenomenon, FIG.
As shown in, the direction x of the ring-shaped peripheral edge Pe of the emitter electrode 65 can be made closer to the vertical direction of the conductive layer 61.
【0012】また、特開平4−206123号公報によ
れば、まず、図8(a)に示すように、絶縁性基板67
上に部分的に導体層61を形成し、さらにその周囲にテ
ーパーをつけて絶縁層62を形成し、更に、全面にゲー
ト電極及びエミッタ電極用の金属材料薄膜層68を積層
する。次に、金属材料薄膜層68のゲート電極とエミッ
タ電極とに相当する部分に選択的にレジスト層69を形
成し、そのレジスト層をマスクとして金属材料薄膜層6
8をエッチングし、更に絶縁層62をオーバーエッチン
グする(図8(b))。これにより、周縁部65cがゲ
ート電極63の方向へせりあがったエミッタ電極65が
形成される。よって、図8(c)に示すように、エミッ
タ電極65の輪線状の周縁Peの向きxを基板67の垂
直方向に近づけることができる。Further, according to Japanese Patent Laid-Open No. 4-206123, first, as shown in FIG.
A conductive layer 61 is partially formed on the upper surface of the conductive layer 61, and the periphery thereof is tapered to form an insulating layer 62. Further, a metal material thin film layer 68 for a gate electrode and an emitter electrode is laminated on the entire surface. Next, a resist layer 69 is selectively formed on portions of the metal material thin film layer 68 corresponding to the gate electrode and the emitter electrode, and the metal material thin film layer 6 is used as a mask.
8 is etched, and the insulating layer 62 is overetched (FIG. 8B). As a result, the emitter electrode 65 having the peripheral edge portion 65c raised toward the gate electrode 63 is formed. Therefore, as shown in FIG. 8C, the direction x of the ring-shaped peripheral edge Pe of the emitter electrode 65 can be brought close to the vertical direction of the substrate 67.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図7の
場合、エミッタ電極65の周縁部65cのめくれあがり
は、導電層61とエミッタ電極65との間の熱膨脹率の
相違に依存しているために、めくれあがりの程度の再現
性が極めて乏しく、電界集中部分の幾何的な位置精度を
向上させることができないという問題があった。従っ
て、特開平4−87135号公報に記載の技術を、一定
の特性のエミッタ電極を有する電子放出素子を多数個集
積形成する場合に適用することは実際上不可能であっ
た。However, in the case of FIG. 7, the curling up of the peripheral edge portion 65c of the emitter electrode 65 depends on the difference in the coefficient of thermal expansion between the conductive layer 61 and the emitter electrode 65. However, there is a problem in that the reproducibility of the degree of curling up is extremely poor, and the geometrical positional accuracy of the electric field concentrated portion cannot be improved. Therefore, it is practically impossible to apply the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-87135 to a case where a large number of electron-emitting devices having emitter electrodes having constant characteristics are integrated.
【0014】また、導電層61及びエミッタ電極65の
構成材料として、両者の熱伝導率の差が大きい組み合わ
せを選択する必要があり、材料選択に制約が生じてい
た。Further, as a constituent material of the conductive layer 61 and the emitter electrode 65, it is necessary to select a combination having a large difference in thermal conductivity between the two, which restricts material selection.
【0015】一方、図8の電子放出素子の構造では、エ
ミッタ電極65を位置的に確定的に形成し、それに対し
てゲート電極63を自己整合的に形成することができな
いという問題があった。即ち、図8の電子放出素子のゲ
ート電極63とエミッタ電極65とは、金属材料薄膜層
68にレジスト層69を選択的に形成し、そのレジスト
層をエッチングマスクとして使用して金属材料薄膜層6
8をエッチングすることにより同時に形成されるため
に、ゲート電極63とエミッタ電極65との相対的位置
精度には、レジスト層パターニング精度(マスク精度、
露光精度、レジスト層の除去精度等)やエッチング精度
などの累積の精度誤差が含まれるという問題があった。
このため、ゲート電極63とエミッタ電極65との間の
ギャップが一定せず、しかもそのギャップ長がフォトリ
ソグラフ法のデザインルールに依存せざるを得ず、ギャ
ップ長をデザインルールよりも小さくして素子の機能を
向上させることが困難であるという問題があった。On the other hand, the structure of the electron-emitting device shown in FIG. 8 has a problem that the emitter electrode 65 cannot be formed in a positionally definite manner and the gate electrode 63 cannot be formed in a self-aligned manner. That is, for the gate electrode 63 and the emitter electrode 65 of the electron-emitting device of FIG. 8, a resist layer 69 is selectively formed on the metal material thin film layer 68, and the resist layer is used as an etching mask to form the metal material thin film layer 6
Since the gate electrodes 63 and the emitter electrodes 65 are formed at the same time by etching 8, the relative positional accuracy of the gate electrode 63 and the emitter electrode 65 is determined by the resist layer patterning accuracy (mask accuracy, mask accuracy,
There is a problem that cumulative precision errors such as exposure precision, resist layer removal precision, etc.) and etching precision are included.
Therefore, the gap between the gate electrode 63 and the emitter electrode 65 is not constant, and the gap length must depend on the design rule of the photolithography method, and the gap length is made smaller than the design rule. There was a problem that it was difficult to improve the function of.
【0016】従って、図7や図8の電子放出素子は、F
EAに使用するような超微細な電子放出素子としては不
向きであった。Therefore, the electron-emitting device shown in FIGS.
It was unsuitable as an ultra-fine electron-emitting device used for EA.
【0017】また、一般に、電子放出素子を更に微細に
形成することが強く要請されており、このため、半導体
チップの形成手法を応用できるように、電子放出素子の
基板もしくは導電層としてシリコン基板を使用すること
が試みられている。Further, in general, there is a strong demand for finer electron-emitting devices. Therefore, a silicon substrate is used as a substrate of the electron-emitting devices or a conductive layer so that the method of forming a semiconductor chip can be applied. Attempted to use.
【0018】シリコン基板を効率的にエッチングする方
法としては、SF6 などのフッ素系ガスを用いるRIE
ドライエッチングが考えられる。従って、エミッタ電極
をシリコン基板上に形成した後にその基板をエッチング
する場合には、エミッタ電極としてはそのようなRIE
エッチングに耐性を有する材料、即ちCrを使用する必
要が生じる。As a method for efficiently etching a silicon substrate, RIE using a fluorine-based gas such as SF 6 is used.
Dry etching is considered. Therefore, when the emitter electrode is formed on the silicon substrate and then the substrate is etched, such an RIE is used as the emitter electrode.
It is necessary to use a material resistant to etching, namely Cr.
【0019】しかしながら、Crの表面には、電子の放
出を妨げる自然酸化膜が生成しやすいために、動作電圧
も上昇しやすいという問題がある。また、Crの熱伝導
率が低いために、エミッタ電極の電界の集中部での熱の
伝導が遅れて局部的にエミッタ電極の温度が過度に上昇
し、電子放出素子が破壊される等の問題が起きる。この
ため、基板としてシリコン基板を使用し、その基板にエ
ミッタ電極を形成後、その基板に対してフッ素系ガスを
用いるRIEドライエッチングを行う場合でも、Cr以
外の材料からエミッタ電極を構成できるようにすること
が強く望まれる。However, since a natural oxide film that hinders the emission of electrons is likely to be formed on the surface of Cr, there is a problem that the operating voltage is likely to increase. In addition, since the thermal conductivity of Cr is low, heat conduction in the electric field concentration portion of the emitter electrode is delayed, and the temperature of the emitter electrode excessively rises locally, resulting in destruction of the electron-emitting device. Occurs. Therefore, even when a silicon substrate is used as a substrate and RIE dry etching using a fluorine-based gas is performed on the substrate after the emitter electrode is formed on the substrate, the emitter electrode can be made of a material other than Cr. It is strongly desired to do so.
【0020】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決しようとするものであり、エミッタ電極の輪線状
の周縁の向きが基板の垂直方向により近づくようにエミ
ッタ電極がゲート電極に対して高い位置精度で再現性よ
く傾斜して形成されており、しかもフォトリソグラフ法
のデザインルールに制限されることなく極めて小さいギ
ャップ長を有し、ゲート電極をエミッタ電極に対して自
己整合的に配設できる構造を有し、且つエミッタ電極の
材料選択の幅が大きい電子放出素子を提供することを目
的とする。The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the prior art. The emitter electrode serves as the gate electrode so that the direction of the ring-shaped peripheral edge of the emitter electrode becomes closer to the vertical direction of the substrate. In contrast, it is formed with high positional accuracy and with good reproducibility, and has a very small gap length without being restricted by the design rules of the photolithography method, and the gate electrode is self-aligned with the emitter electrode. An object of the present invention is to provide an electron-emitting device that has a structure that can be arranged and that has a wide range of material selection for the emitter electrode.
【0021】[0021]
【課題を解決するための手段】本発明者は、(1)基板
に逆円錐体や逆正四角錐体などの逆錐体形状の凹部を形
成し、その凹部に沿ってエミッタ電極を形成することに
より、ゲート電極に対して高い位置精度で再現性よく傾
斜したエミッタ電極が形成できること、(2)そのエミ
ッタ電極をマスクとして基板を等方的にエッチングする
ことによりエッチングの周縁部を凹部から突き出させる
ことができ、その上に絶縁層とゲート電極とを蒸着法な
どにより順次積層し、エミッタ電極上に積層した両層を
リフトオフすると、ゲート電極をエミッタ電極と接触さ
せずに極めて小さい均一なギャップ長でその周囲に積層
できること、(3)この場合、全体が傾斜したエミッタ
電極上に積層された絶縁層は、平坦な基板上に積層され
た絶縁層に比べてリフトオフしやすいこと、(4)更
に、エミッタ電極の形成の際にその両面を保護層で被覆
し、最終的にエミッタ電極の少なくとも電子放出部の両
面の保護層を除去することによりエミッタ電極の材料選
択の幅が広がること、及び(5)これらを組み合わせる
ことにより上述の目的が達成できることを見出し、本発
明を完成させるに至った。The present inventor (1) forms an inverted cone-shaped recess such as an inverted cone or an inverted regular quadrangular pyramid on a substrate and forms an emitter electrode along the recess. This makes it possible to form an emitter electrode that is highly reproducibly tilted with respect to the gate electrode and (2) isotropically etches the substrate using the emitter electrode as a mask so that the peripheral edge of the etching is projected from the recess. If an insulating layer and a gate electrode are sequentially stacked on top of it by a vapor deposition method and both layers stacked on the emitter electrode are lifted off, the gate electrode does not come into contact with the emitter electrode and the gap length is extremely small and uniform. (3) In this case, the insulating layer laminated on the emitter electrode whose whole surface is inclined is compared with the insulating layer laminated on the flat substrate. (4) Further, when the emitter electrode is formed, both surfaces thereof are covered with a protective layer, and finally the protective layer on at least both surfaces of the electron emitting portion of the emitter electrode is removed so that the material of the emitter electrode is formed. The inventors have found that the range of choices is widened, and (5) that the above objects can be achieved by combining these, and have completed the present invention.
【0022】即ち、本発明は、基板、絶縁層及びゲート
電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには該基
板に達する開孔部が設けられ、その開孔部内の基板上に
エミッタ電極が、該ゲート電極に接触しないように形成
されてなる電界放射型の電子放出素子において、基板に
逆錐体形状の凹部が形成され、その凹部の斜面に沿って
エミッタ電極が形成され、エミッタ電極の周縁部が基板
の凹部の上縁部から突き出ており、且つエミッタ電極と
基板との間に下層保護層が形成されていることを特徴と
する電子放出素子を提供する。That is, according to the present invention, a substrate, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated, an opening portion reaching the substrate is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is formed on the substrate in the opening portion. In a field emission type electron-emitting device in which an electrode is formed so as not to contact the gate electrode, an inverted cone-shaped recess is formed in a substrate, and an emitter electrode is formed along the slope of the recess. Provided is an electron-emitting device characterized in that a peripheral edge portion of an electrode projects from an upper edge portion of a concave portion of a substrate, and a lower protective layer is formed between an emitter electrode and the substrate.
【0023】また、本発明は、上述の電子放出素子の製
造方法であって、 (a)基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
形成し、そのレジスト層をパターニングする工程; (b)パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程; (c)レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
る工程; (d)基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
れるように、基板の凹部側に、下層保護層用材料薄膜
層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材料薄
膜層を順次形成する工程; (e)絶縁層を、その上に形成された下層保護層用材料
薄膜層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材
料薄膜層とともにリフトオフして下層保護層、エミッタ
電極及び上層保護層をパターニングする工程; (f)下層保護層、エミッタ電極及び上層保護層の周縁
部が基板の凹部の上縁部から突き出るように基板をエッ
チングする工程; (g)上層保護層をエッチング除去し且つ下層保護層の
周縁部をエッチング除去する工程; (h)基板の凹部側に新たに絶縁層を積層し、更に、ゲ
ート電極用材料薄膜を積層する工程;及び (i)エミッタ電極上に新たに形成された絶縁層を、そ
の上のゲート電極用材料薄膜層ともにリフトオフして、
エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート電極
を形成する工程 を含んでなることを特徴とする製造方法を提供する。The present invention also provides the above-described method for manufacturing an electron-emitting device, including the step of: (a) forming an insulating layer on a substrate, forming a resist layer thereon, and patterning the resist layer; (B) A step of etching the insulating layer using the patterned resist layer as a mask until the substrate is exposed; (c) A resist layer is removed, and the substrate is further etched using the insulating layer as a mask to form a conical recess. On the substrate; (d) a lower protective layer material thin film layer, an emitter electrode material thin film layer, and an upper layer protective layer on the recess side of the substrate so that the emitter electrode is formed along the slope of the recess of the substrate. A step of sequentially forming a layer material thin film layer; (e) an insulating layer is lifted together with a lower protective layer material thin film layer, an emitter electrode material thin film layer, and an upper protective layer material thin film layer formed thereon. And then patterning the lower protective layer, the emitter electrode and the upper protective layer; (f) etching the substrate so that the peripheral portions of the lower protective layer, the emitter electrode and the upper protective layer protrude from the upper edge of the concave portion of the substrate. (G) a step of etching away the upper protective layer and etching away the peripheral edge of the lower protective layer; (h) newly laminating an insulating layer on the concave side of the substrate, and further laminating a gate electrode material thin film. And; (i) Lifting off the insulating layer newly formed on the emitter electrode together with the gate electrode material thin film layer thereon,
There is provided a manufacturing method comprising a step of forming a gate electrode surrounding the emitter electrode without contacting the emitter electrode.
【0024】以下、本発明を図面に従って詳細に説明す
る。The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
【0025】まず、本発明の電子放出素子の断面図を図
1に示す。同図に示されるように、本発明の電子放出素
子においては、基板1、絶縁層2及びゲート電極3が順
次積層され、ゲート電極3と絶縁層2とには基板1に達
する開孔部Aが設けられ、その開孔部A内の基板1に逆
錐体形状の凹部1aが形成され、そしてその凹部1aの
斜面に沿ってエミッタ電極4がゲート電極3に接触しな
いように形成され、しかもエミッタ電極4の周縁部4a
が基板1の凹部1aの上縁部1bから突き出るように形
成されている。また、エミッタ電極4と基板の凹部1a
との間には、下層保護層5が設けられている。First, FIG. 1 shows a sectional view of the electron-emitting device of the present invention. As shown in the figure, in the electron-emitting device of the present invention, a substrate 1, an insulating layer 2 and a gate electrode 3 are sequentially laminated, and an opening A reaching the substrate 1 is formed in the gate electrode 3 and the insulating layer 2. Is provided, an inverted cone-shaped recess 1a is formed in the substrate 1 in the opening A, and the emitter electrode 4 is formed so as not to contact the gate electrode 3 along the slope of the recess 1a. Edge 4a of the emitter electrode 4
Are formed so as to protrude from the upper edge portion 1b of the concave portion 1a of the substrate 1. In addition, the emitter electrode 4 and the concave portion 1a of the substrate
The lower protective layer 5 is provided between the and.
【0026】本発明において基板1は、電子放出素子の
支持体として機能している。このような基板1として
は、逆円錐や逆正四角錐といった逆錐体形状の凹部1a
を形成することができる限り特に制限はないが、中で
も、(100)面方位の主面の単結晶シリコン基板を使
用することが特に好ましい。この理由は、このような単
結晶シリコン基板は水酸化アルカリ金属水溶液で異方性
エッチングでき、その結果(111)面方位の斜面から
なる逆正四角錐形状の凹部を形成することができるため
である。この場合の凹部1aの中心角を2θとすると角
度θは約55°とすることができる。一方、エミッタ電
極4の周側面4bは基板1の垂直方向となっているた
め、エミッタ電極4の周縁Peの向きxは基板1の垂直
方向から27.5°(=55°/2)傾斜した向きとな
る。よって、エミッタ電極4の周縁Peから放射された
電子が、ゲート電極3に捕捉される割合を低減させるこ
とができる。In the present invention, the substrate 1 functions as a support for the electron-emitting device. As such a substrate 1, an inverted cone-shaped concave portion 1a such as an inverted cone or an inverted regular square pyramid is used.
Although there is no particular limitation as long as it can form a single crystal silicon substrate, it is particularly preferable to use a single crystal silicon substrate having a (100) plane-oriented main surface. The reason for this is that such a single crystal silicon substrate can be anisotropically etched with an alkali metal hydroxide aqueous solution, and as a result, an inverted regular quadrangular pyramid-shaped concave portion composed of a slope having a (111) plane orientation can be formed. . In this case, if the central angle of the concave portion 1a is 2θ, the angle θ can be about 55 °. On the other hand, since the peripheral side surface 4b of the emitter electrode 4 is in the vertical direction of the substrate 1, the direction x of the peripheral edge Pe of the emitter electrode 4 is inclined by 27.5 ° (= 55 ° / 2) from the vertical direction of the substrate 1. It will be facing. Therefore, the ratio of the electrons emitted from the peripheral edge Pe of the emitter electrode 4 captured by the gate electrode 3 can be reduced.
【0027】絶縁層2は、基板1とゲート電極3とを電
気的に絶縁するための層であり、ゲート電極3とエミッ
タ電極4とのギャップ巾を規定する層でもある。このよ
うな絶縁層2としては、電子放出素子の絶縁層として用
いられている公知の材料から形成することができるが、
特に、緩衝フッ酸により容易にリフトオフすることがで
きるという点からシリコン酸化膜が好ましい。また、絶
縁層2の厚みとしては、エミッタ電極4とゲート電極3
との好ましい相対的位置関係を実現する厚みとすればよ
く、例えば、0.2〜2μm、好ましくは0.5〜1μ
mとする。The insulating layer 2 is a layer for electrically insulating the substrate 1 and the gate electrode 3 from each other, and is also a layer defining the gap width between the gate electrode 3 and the emitter electrode 4. Such an insulating layer 2 can be formed of a known material used as an insulating layer of an electron-emitting device.
In particular, a silicon oxide film is preferable because it can be easily lifted off by buffered hydrofluoric acid. In addition, the thickness of the insulating layer 2 is set to the emitter electrode 4 and the gate electrode 3.
The thickness may be a thickness that realizes a preferable relative positional relationship with, for example, 0.2 to 2 μm, preferably 0.5 to 1 μm.
m.
【0028】ゲート電極3は、エミッタ電極4に強電界
を集中させるための電極である。ゲート電極3の材料と
しては、金属、その窒化物又は炭化物、半導体、半導体
の金属化合物、例えば、Cr、Zr、Hf、Cu、W、
Mn、Fe、Ni、Nd、Mo、Ta、Nb、Tiなど
の単体、それらのケイ素化合物、窒化物あるいは炭化物
等の中から適宜選択することができるが、耐電流性の点
から高融点金属、特に、Cr、W、Mo、Ta、Nbを
好ましく例示することができる。中でも、Nbを使用す
ることが好ましい。The gate electrode 3 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter electrode 4. As the material of the gate electrode 3, a metal, a nitride or a carbide thereof, a semiconductor, a metal compound of a semiconductor, for example, Cr, Zr, Hf, Cu, W,
It can be appropriately selected from simple substances such as Mn, Fe, Ni, Nd, Mo, Ta, Nb, and Ti, their silicon compounds, nitrides, carbides, and the like, but from the viewpoint of current resistance, refractory metal, Particularly, Cr, W, Mo, Ta and Nb can be preferably exemplified. Especially, it is preferable to use Nb.
【0029】ゲート電極3の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、約0.1〜0.2μmとする
ことが好ましい。The thickness of the gate electrode 3 can be appropriately determined according to need, but is preferably about 0.1 to 0.2 μm.
【0030】エミッタ電極4は、その表面から電子を直
接的に放出する部材として機能している。このようなエ
ミッタ電極4の材料としては、仕事関数が小さく電子放
出特性が良好で、強電圧耐性があり、高い融点を有する
ものを使用する。このような材料としては、基本的にゲ
ート電極3として使用できる材料群の中から適宜選択す
ることができるが、後述するようにエミッタ電極4の形
成時のリフトオフ条件に対する耐性や耐電流性の点か
ら、Cr、W、Mo、Ta、Nbを好ましく例示するこ
とができる。中でも、Cr以外のW、Mo、Ta、Nb
を使用することが好ましい。The emitter electrode 4 functions as a member that directly emits electrons from its surface. As a material of such an emitter electrode 4, a material having a small work function, good electron emission characteristics, high voltage resistance, and a high melting point is used. Basically, such a material can be appropriately selected from the group of materials that can be used as the gate electrode 3, but as will be described later, the resistance to the lift-off condition at the time of forming the emitter electrode 4 and the current withstanding point. Therefore, Cr, W, Mo, Ta and Nb can be preferably exemplified. Among them, W, Mo, Ta, Nb other than Cr
Is preferably used.
【0031】エミッタ電極4の厚みは、必要に応じて適
宜決定することができるが、通常0.05〜0.5μm
とすることが好ましい。The thickness of the emitter electrode 4 can be appropriately determined if necessary, but is usually 0.05 to 0.5 μm.
It is preferable that
【0032】本発明においては、エミッタ電極の周縁部
4aが、基板1の凹部1aの上縁部1bから突き出るよ
うに形成され、これにより、周縁部4aに電界をより集
中させ、より低電圧で電子放出を行うことができるよう
になる。この形成方法については、後述の本発明の製造
方法の説明において詳説する。In the present invention, the peripheral edge portion 4a of the emitter electrode is formed so as to protrude from the upper edge portion 1b of the concave portion 1a of the substrate 1, whereby the electric field is more concentrated in the peripheral edge portion 4a and the voltage is reduced at a lower voltage. It becomes possible to emit electrons. This forming method will be described in detail in the description of the manufacturing method of the present invention described later.
【0033】下層保護層5は、後述するように、エミッ
タ電極の周縁部4aが基板1の凹部1aの上縁部1bか
ら突き出るように基板1をエッチングする際に、基板1
側からエミッタ電極4に入射するイオン種からエミッタ
電極4を保護するためのものである。このような下層保
護層5としては、基板1の材料の種類やドライエッチン
グなどの加工条件に応じて、種々の材料の中から選択す
ることができる。例えば、基板1としてシリコン基板を
使用し、SF6 などのフッ素系ガスのRIEエッチング
を行う場合には、下層保護層5としてCrを特に好まし
く使用することができる。The lower protective layer 5 is formed on the substrate 1 when the substrate 1 is etched so that the peripheral edge 4a of the emitter electrode protrudes from the upper edge 1b of the recess 1a of the substrate 1, as will be described later.
This is for protecting the emitter electrode 4 from the ion species incident on the emitter electrode 4 from the side. Such a lower protective layer 5 can be selected from various materials according to the type of material of the substrate 1 and processing conditions such as dry etching. For example, when a silicon substrate is used as the substrate 1 and RIE etching with a fluorine-based gas such as SF 6 is performed, Cr can be particularly preferably used as the lower protective layer 5.
【0034】下層保護層5の層厚としては、エミッタ電
極4を保護できる限り特に制限はないが、通常0.01
〜0.2μm、好ましくは0.05〜0.1μmとす
る。The layer thickness of the lower protective layer 5 is not particularly limited as long as it can protect the emitter electrode 4, but is usually 0.01.
To 0.2 μm, preferably 0.05 to 0.1 μm.
【0035】また、エミッタ電極4の断面形状は、図1
に示した通りであるが、平面図へ投影した形状が点対称
形状、例えば円形、正方形等になるように形成すること
が、安定した電子放出特性を得る上で好ましい。The cross-sectional shape of the emitter electrode 4 is shown in FIG.
However, it is preferable that the shape projected onto the plan view is a point-symmetrical shape, for example, a circular shape or a square shape, in order to obtain stable electron emission characteristics.
【0036】特に、エミッタ電極の平面投影形状を円形
とすると、エミッタ電極4の周縁Peに過度に尖鋭なエ
ッジ部が形成されることを防止し、素子の動作安定性を
向上させることができるので好ましい。このようなエミ
ッタ電極としては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形
成されたエミッタ電極であって、その平面図投影形状が
図2(a)に示すように円形であり、且つその斜視形状
が、図2(b)に示すように4つの花弁集合体形状とな
るものを挙げることができる。In particular, when the plane projection shape of the emitter electrode is circular, it is possible to prevent an excessively sharp edge portion from being formed on the peripheral edge Pe of the emitter electrode 4 and to improve the operational stability of the device. preferable. Such an emitter electrode is, for example, an emitter electrode formed in an inverted regular pyramid-shaped recess, and its plan view projected shape is circular as shown in FIG. 2 (a), and its perspective shape is As shown in FIG. 2 (b), one having a shape of four petal aggregates can be mentioned.
【0037】一方、本発明においては、必要に応じて、
エミッタ電極の周縁部に尖鋭なエッジ部を設けることが
できる。この場合には、そのエッジ部に効率的に電界集
中させることができるので、電子放出素子の動作電圧を
低減させることができる。このようなエミッタ電極とし
ては、例えば、逆正四角錐形状の凹部に形成されたエミ
ッタ電極であって、その平面図投影形状が、図2(c)
に示すように正方形であり、且つその斜視形状が、図2
(d)に示すように星型となるものを挙げることができ
る。On the other hand, in the present invention, if necessary,
A sharp edge portion can be provided on the peripheral portion of the emitter electrode. In this case, since the electric field can be efficiently concentrated on the edge portion, the operating voltage of the electron-emitting device can be reduced. As such an emitter electrode, for example, an emitter electrode formed in a recess of an inverse regular quadrangular pyramid shape, and its plan view projected shape is as shown in FIG.
2 is a square, and its perspective shape is shown in FIG.
As shown in (d), a star-shaped one can be mentioned.
【0038】なお、エミッタ電極4の周縁部4aの上端
(周縁Pe)のレベルが、ゲート電極3の上面レベルを
超えないようにすることがエミッション特性の点から好
ましい。From the viewpoint of emission characteristics, it is preferable that the level of the upper end (peripheral edge Pe) of the peripheral edge portion 4a of the emitter electrode 4 does not exceed the upper surface level of the gate electrode 3.
【0039】次に、本発明の電子放出素子の製造方法
を、基板として主面が(100)面方位の単結晶シリコ
ン基板を使用し、その基板に逆正四角錐形状の凹部を形
成し、更に、エミッタ電極を平面図投影形状が円形とな
るように形成する場合を例にとり、図3及び図4に従っ
て詳細に説明する。Next, in the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention, a single crystal silicon substrate having a (100) plane main surface is used as a substrate, and an inverted regular quadrangular pyramid-shaped recess is formed in the substrate, and further, A detailed description will be given with reference to FIGS. 3 and 4, taking as an example the case where the emitter electrode is formed so that the projected shape of the emitter is circular.
【0040】工程(a) まず、図3(a)に示すように、基板1上に絶縁層6を
形成し、その上にレジストを塗布し、パターニングする
ことによりレジスト層7を形成する。この場合には絶縁
層6としては熱酸化法により形成されるシリコン酸化膜
を好ましく使用することができる。Step (a) First, as shown in FIG. 3A, an insulating layer 6 is formed on a substrate 1, a resist is applied on the insulating layer 6, and patterning is performed to form a resist layer 7. In this case, a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method can be preferably used as the insulating layer 6.
【0041】レジスト層7の材料やそのパターニング方
法としては、公知のレジスト材料やパターニング方法を
適用することができ、例えば図3(a)の平面図に示す
ように円形の開孔部Aを有するレジスト層7は、通常の
フォトリソグラフ法により形成することができる。As the material of the resist layer 7 and its patterning method, known resist materials and patterning methods can be applied. For example, as shown in the plan view of FIG. The resist layer 7 can be formed by an ordinary photolithographic method.
【0042】工程(b) 次にパターニングされたレジスト層7をマスクとして絶
縁層6を、基板1が円形に露出するまでエッチングする
(図3(b))。この場合、絶縁層6としてシリコン酸
化膜を使用する場合には、緩衝フッ酸(BHF)をエッ
チャントとして好ましく使用することができる。Step (b) Next, the insulating layer 6 is etched using the patterned resist layer 7 as a mask until the substrate 1 is exposed in a circular shape (FIG. 3 (b)). In this case, when a silicon oxide film is used as the insulating layer 6, buffer hydrofluoric acid (BHF) can be preferably used as an etchant.
【0043】工程(c) 次に、レジスト層7を除去し、更に、絶縁層6をマスク
として基板1をエッチングし、凹部1aを基板1に形成
する(図3(c))。この場合、基板1として主面が
(100)面方位の単結晶シリコン基板を使用した場合
には、エッチャントとしてKOHやNaOHなどの水酸
化アルカリ金属水溶液を使用することにより、絶縁層6
(エッチングマスク)の平面形状に因らず(111)面
でエッチングを停止させることができ、その結果、図3
(c)に示すように、逆四角錐(逆ピラミッド)形状の
凹部1aを形成することができる。この凹部1aの内側
面の傾きθは、エッチャントとして水酸化アルカリ金属
水溶液を使用した場合、常に約55°となり、従って凹
部1aは常に一定の形状となり、よって、その凹部1a
の斜面に形成されるエミッタ電極も、再現性よく一定の
傾斜となる。Step (c) Next, the resist layer 7 is removed, and the substrate 1 is etched using the insulating layer 6 as a mask to form the recess 1a in the substrate 1 (FIG. 3C). In this case, when the substrate 1 is a single crystal silicon substrate having a (100) plane orientation, the insulating layer 6 is formed by using an alkali metal hydroxide aqueous solution such as KOH or NaOH as an etchant.
The etching can be stopped at the (111) plane regardless of the planar shape of the (etching mask), and as a result, as shown in FIG.
As shown in (c), an inverted quadrangular pyramid-shaped recess 1a can be formed. When the alkali metal hydroxide aqueous solution is used as the etchant, the inclination .theta. Of the inner surface of the concave portion 1a is always about 55.degree., So that the concave portion 1a always has a constant shape.
Also, the emitter electrode formed on the slope of is also inclined with good reproducibility.
【0044】工程(d) 次に、基板1の凹部1a側に、下層保護層用材料薄膜
9、エミッタ電極用材料薄膜10及び上層保護層用材料
薄膜11をこの順で真空蒸着法やスパッタ法などの通常
の蒸着方法により積層する。これらの薄膜は、基板1の
凹部1a上で、下層保護層5、エミッタ電極4及び上層
保護層8を形成する(図3(d))。Step (d) Next, the lower protective layer material thin film 9, the emitter electrode material thin film 10 and the upper protective layer material thin film 11 are formed in this order on the concave portion 1a side of the substrate 1 in this order by vacuum deposition or sputtering. It is laminated by a usual vapor deposition method such as. These thin films form the lower protective layer 5, the emitter electrode 4, and the upper protective layer 8 on the concave portion 1a of the substrate 1 (FIG. 3D).
【0045】ここで、上層保護層8は、すでに説明した
下層保護層5と同様に、後述の工程(f)によりエミッ
タ電極の周縁部4aが、基板1の凹部1aの上縁部1b
から突き出るように基板1をエッチングする際に、基板
1の表面側からエミッタ電極4に入射するイオン種から
エミッタ電極4を保護するためのものである。このよう
な上層保護層8としては、基板1の材料の種類やドライ
エッチングなどの加工条件に応じて、種々の材料の中か
ら選択することができる。例えば、基板1としてシリコ
ン基板を使用し、SF6 などのフッ素系ガスのRIEエ
ッチングを行う場合には、上層保護層8としてCrを特
に好ましく使用することができる。Here, the upper protective layer 8 is similar to the lower protective layer 5 already described, and the peripheral edge portion 4a of the emitter electrode and the upper edge portion 1b of the concave portion 1a of the substrate 1 are subjected to the step (f) described later.
This is for protecting the emitter electrode 4 from the ion species incident on the emitter electrode 4 from the front surface side of the substrate 1 when the substrate 1 is etched so as to protrude from. Such an upper protective layer 8 can be selected from various materials according to the type of material of the substrate 1 and processing conditions such as dry etching. For example, when a silicon substrate is used as the substrate 1 and RIE etching with a fluorine-based gas such as SF 6 is performed, Cr can be particularly preferably used as the upper protective layer 8.
【0046】上層保護層8の層厚は、通常0.05〜1
μm、好ましくは0.1〜0.5μm、下層保護層5の
層厚は、通常0.01〜0.2μm、好ましくは0.0
5〜0.1μm、エミッタ電極4の厚さは、通常0.0
5〜0.2μm、好ましくは0.1〜0.3μmとす
る。The layer thickness of the upper protective layer 8 is usually 0.05 to 1.
μm, preferably 0.1 to 0.5 μm, and the layer thickness of the lower protective layer 5 is usually 0.01 to 0.2 μm, preferably 0.0
5 to 0.1 μm, the thickness of the emitter electrode 4 is usually 0.0
The thickness is 5 to 0.2 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm.
【0047】このように、エミッタ電極4が下層保護層
5及び上層保護層8により保護されているために、基板
1としてシリコン基板を使用し、後の工程でフッ素系ガ
スを用いるRIEエッチングを行う場合でも、エミッタ
電極4を、本来的にはそのようなエッチング条件でエッ
チングされてしまう材料、例えばNbから構成すること
ができ、材料選択の幅を大きくすることができる。As described above, since the emitter electrode 4 is protected by the lower protective layer 5 and the upper protective layer 8, a silicon substrate is used as the substrate 1 and RIE etching using a fluorine-based gas is performed in a later step. Even in this case, the emitter electrode 4 can be made of a material that is originally etched under such etching conditions, for example, Nb, and the range of material selection can be increased.
【0048】本工程において、凹部1a周辺の絶縁層6
上にも下層保護層用材料薄膜9、エミッタ電極用材料薄
膜10及び上層保護層用材料薄膜11が形成されるが、
基板1の凹部1a上に積層されたそれらの層に対応する
層と連続せず、段切れの状態となるように、各薄膜の厚
みを設定する。例えば、下層保護層用材料薄膜9を0.
01〜0.2μm程度、エミッタ電極用材料薄膜10を
0.05〜0.5μm程度、そして上層保護層用材料薄
膜11を0.05〜1μm程度の厚みとする。このよう
に段切れの状態とする理由は、次工程において絶縁層6
を容易にリフトオフできるようにするためである。In this step, the insulating layer 6 around the recess 1a is formed.
The lower protective layer material thin film 9, the emitter electrode material thin film 10 and the upper protective layer material thin film 11 are also formed on the upper surface,
The thickness of each thin film is set so as not to be continuous with the layers corresponding to those layers laminated on the concave portion 1a of the substrate 1 and to be in a step-break state. For example, if the material thin film 9 for the lower protective layer is 0.
The thickness of the emitter electrode material thin film 10 is about 0.05 to 0.5 μm, and the thickness of the upper protective layer material thin film 11 is about 0.05 to 1 μm. The reason why the step is cut off is that the insulating layer 6 is formed in the next step.
This is because it can be easily lifted off.
【0049】工程(e) 次に絶縁層6を、その上に形成された下層保護層用材料
薄膜9、エミッタ電極用材料薄膜層10及び上層保護層
用材料薄膜11とともにリフトオフし、基板1の凹部1
aの斜面に沿って下層保護層5、エミッタ電極4及び上
層保護層8を残存させる(図3(e))。絶縁層6がシ
リコン酸化膜である場合には、緩衝フッ酸により容易に
リフトオフすることができる。Step (e) Next, the insulating layer 6 is lifted off together with the lower protective layer material thin film 9, the emitter electrode material thin film layer 10 and the upper protective layer material thin film 11 formed thereon, and the insulating layer 6 is lifted off. Recess 1
The lower protective layer 5, the emitter electrode 4, and the upper protective layer 8 are left along the slope of a (FIG. 3E). When the insulating layer 6 is a silicon oxide film, it can be easily lifted off by buffered hydrofluoric acid.
【0050】工程(f) 次に、上層保護層8及び下層保護層5はエッチングしな
いが、露出した基板1をエッチングできるエッチャント
を使用して基板1を異方性エッチングする(図4
(f))。このとき、エミッタ電極4の周縁部4aの下
方に位置する基板1がサイドエッチングされるようにす
る。すると、基板1の凹部1aの上縁部1bから、上層
保護層8の周縁部8aとエミッタ電極4の周縁部4aと
下層保護層5の周縁部5aが突き出た構造となる。Step (f) Next, the upper protective layer 8 and the lower protective layer 5 are not etched, but the substrate 1 is anisotropically etched using an etchant capable of etching the exposed substrate 1 (FIG. 4).
(F)). At this time, the substrate 1 located below the peripheral edge 4a of the emitter electrode 4 is side-etched. Then, the peripheral edge portion 8a of the upper protective layer 8, the peripheral edge portion 4a of the emitter electrode 4, and the peripheral edge portion 5a of the lower protective layer 5 project from the upper edge portion 1b of the concave portion 1a of the substrate 1.
【0051】この場合のエッチング方法としては、基板
1としてシリコン基板を使用し、上層保護層8及び下層
保護層5としてCrを使用した場合には、SF6 ガスを
エッチャントとする反応性イオンエッチングを好ましく
行うことができる。このとき、エミッタ電極4として、
そのようなエッチング条件でエッチングされてしまうよ
うなNbなどを使用しても、その周面がわずかにサイド
エッチングされるにとどめることができる。As an etching method in this case, when a silicon substrate is used as the substrate 1 and Cr is used as the upper protective layer 8 and the lower protective layer 5, reactive ion etching using SF 6 gas as an etchant is used. It can be preferably performed. At this time, as the emitter electrode 4,
Even if Nb or the like that would be etched under such etching conditions is used, the peripheral surface can be slightly side-etched.
【0052】工程(g) 次に、上層保護層8及び下層保護層5の少なくとも周縁
部をエッチング除去する(図4(g))。この場合、上
層保護層8は完全に除去してもよいが、下層保護層5
は、エミッタ電極4を支持するために基板1(凹部1
a)と接触する部分を残すようにエッチングする。Step (g) Next, at least peripheral portions of the upper protective layer 8 and the lower protective layer 5 are removed by etching (FIG. 4 (g)). In this case, the upper protective layer 8 may be completely removed, but the lower protective layer 5
For supporting the emitter electrode 4 (recess 1
Etching is performed so as to leave a portion in contact with a).
【0053】ところで、下層保護層5が平面の膜であれ
ばエミッタ電極4をエッチングマスクとして等方性ウェ
ットエッチングすれば、基板1の凹部1a上だけに下層
保護層5が残存する構造が容易に得られる。しかし、本
発明の電子放出素子においては、上層保護層8、エミッ
タ電極4及び下層保護層5が基板1の表面に対して斜面
を形成している。従って、下層保護層5は、たとえエミ
ッタ電極4に覆われていても著しくサイドエッチングさ
れる。特に、等方性のウェットエッチング条件では、下
層保護層5は短時間でエッチング除去され、エミッタ電
極4がリフトオフされてしまう結果となる。よって、本
工程においては異方性エッチングすることが好ましい。
例えば、基板1がシリコン基板で上層保護層8及び下層
保護層5がCrでエミッタ電極4がNbである場合に
は、まず、塩素系ガスを用いるRIEドライエッチング
を行う。具体的には、塩素系ガス(流量:約50〜10
0sccm/例えば、クロロホルム)とその0.5〜2
倍の流量の酸素ガスとを装置に導入し、比較的に低いパ
ワー(50〜150W)と低ガス圧(0.1〜0.3T
orr)という条件でエッチングを行うことができる。By the way, if the lower protective layer 5 is a flat film, if the emitter electrode 4 is used as an etching mask to perform isotropic wet etching, a structure in which the lower protective layer 5 remains only on the concave portion 1a of the substrate 1 can be easily obtained. can get. However, in the electron-emitting device of the present invention, the upper protective layer 8, the emitter electrode 4, and the lower protective layer 5 form an inclined surface with respect to the surface of the substrate 1. Therefore, the lower protective layer 5 is significantly side-etched even if it is covered with the emitter electrode 4. In particular, under isotropic wet etching conditions, the lower protective layer 5 is removed by etching in a short time, resulting in lift-off of the emitter electrode 4. Therefore, anisotropic etching is preferred in this step.
For example, when the substrate 1 is a silicon substrate, the upper protective layer 8 and the lower protective layer 5 are Cr, and the emitter electrode 4 is Nb, first, RIE dry etching using a chlorine-based gas is performed. Specifically, chlorine-based gas (flow rate: about 50 to 10
0 sccm / for example, chloroform) and its 0.5-2
A double flow rate of oxygen gas was introduced into the device, and relatively low power (50 to 150 W) and low gas pressure (0.1 to 0.3 T).
The etching can be performed under the condition of (orr).
【0054】なお、このようなエッチングの終了時に
は、上層保護層8はエミッタ電極4上に若干残渣として
認められる場合があるが、実質的には除去される。ま
た、エミッタ電極4がエッチングされることにより、下
層保護層5がエミッタ電極4から飛び出すことになる部
分も除去される。At the end of such etching, the upper protective layer 8 may be slightly recognized as a residue on the emitter electrode 4, but it is substantially removed. Further, as the emitter electrode 4 is etched, the portion where the lower protective layer 5 is projected from the emitter electrode 4 is also removed.
【0055】更に、この異方性エッチングの後で軽くウ
ェットエッチングを行うことができる。この場合、エッ
チング液としては、例えば通常の酸性の硝酸セリウム系
エッチング液を好ましく使用することができる。このウ
ェットエッチングはリンス程度の軽い処理でよく、時間
的には約1〜2分程度の処理で十分である。このような
ウェットエッチングにより、上述の異方性エッチングに
よる残渣を完全に除去でき、しかも下層保護層5のシリ
コン基板1より露出した部分の除去が完了する。Furthermore, after this anisotropic etching, light wet etching can be performed. In this case, for example, a normal acidic cerium nitrate-based etching solution can be preferably used as the etching solution. This wet etching may be a light treatment such as rinsing, and a treatment of about 1 to 2 minutes is sufficient in terms of time. By such wet etching, the residue due to the anisotropic etching described above can be completely removed, and further, the removal of the portion of the lower protective layer 5 exposed from the silicon substrate 1 is completed.
【0056】工程(h) 次に、基板1の凹部1a側に新たに絶縁層12を積層
し、更に、ゲート電極用材料薄膜13を常法により積層
する。これにより、エミッタ電極4と微小な間隙を保持
しながら、その周囲に絶縁層2とゲート電極3とを自己
整合的に積層することができる(図4(h))。従っ
て、マスクパターン形成技術やフォトリソグラフ技術の
累積誤差の影響を受けることがなく、エミッタ電極4と
ゲート電極3との間の相対位置を高精度で制御できるこ
とになり、とくに多数個の素子を一度に集積形成した場
合にも各素子おけるエミッタ電極4とゲート電極3との
間の位置精度をほぼ同様とすることができる。Step (h) Next, an insulating layer 12 is newly laminated on the concave portion 1a side of the substrate 1, and a gate electrode material thin film 13 is further laminated by a conventional method. As a result, the insulating layer 2 and the gate electrode 3 can be stacked around the emitter electrode 4 in a self-aligned manner while maintaining a small gap (FIG. 4 (h)). Therefore, the relative position between the emitter electrode 4 and the gate electrode 3 can be controlled with high accuracy without being affected by the accumulated error of the mask pattern forming technique or the photolithographic technique, and especially when a large number of elements are Even when they are integrated and formed, the positional accuracy between the emitter electrode 4 and the gate electrode 3 in each element can be made substantially the same.
【0057】工程(i) 最後に、エミッタ電極4上の絶縁層12を、その上のゲ
ート電極用材料薄膜13とともにリフトオフして、エミ
ッタ電極4に接触せずにそれを囲むようにゲート電極3
を形成する(図4(i))。この場合のリフトオフ方法
としては、例えば、基材1としてシリコン基板を使用
し、絶縁層12としてシリコン酸化膜を使用した場合に
は、緩衝フッ酸で軽くエッチングすることにより、Cr
などの耐緩衝フッ酸性のエミッタ電極4上の絶縁層2を
その上のゲート電極用材料薄膜13とともにリフトオフ
することができる。これは、斜面に蒸着されたシリコン
酸化膜が、平面に蒸着されたシリコン酸化膜よりもエッ
チングされやすい性質を利用したものである。Step (i) Finally, the insulating layer 12 on the emitter electrode 4 is lifted off together with the gate electrode material thin film 13 thereon so as to surround the emitter electrode 4 without contacting it.
Are formed (FIG. 4 (i)). As a lift-off method in this case, for example, when a silicon substrate is used as the base material 1 and a silicon oxide film is used as the insulating layer 12, light etching is performed with buffered hydrofluoric acid to remove Cr.
The insulating layer 2 on the buffered hydrofluoric acid-resistant emitter electrode 4 can be lifted off together with the gate electrode material thin film 13 thereon. This utilizes the property that the silicon oxide film deposited on the slope is more easily etched than the silicon oxide film deposited on the flat surface.
【0058】その後は、必要に応じ、ゲート電極3をエ
ミッタ電極4を取り囲む実効ゲート部分と、当該実効ゲ
ート部分に対し外部電源からの電気的接続を取るための
配線部分とにパターニングすればよい。Thereafter, if necessary, the gate electrode 3 may be patterned into an effective gate portion surrounding the emitter electrode 4 and a wiring portion for electrically connecting the effective gate portion from an external power source.
【0059】なお、図3及び図4は、レジスト層7の形
状を円形開孔パターンとして、絶縁層6をエッチング
し、その絶縁層6を蒸着マスクとして使用することによ
り、図2(b)に示すような花弁状のエミッタ電極4を
形成した例であるが、図5に示すように、当該レジスト
層7の開孔パターンAをシリコン基板の(011)面方
向に平行な辺を持つ正方形とすれば、図2(d)に示す
ような星型状のエミッタ電極4を形成することができ
る。このように、レジスト層7の開孔パターンに応じ
て、エミッタ電極4の周縁部に電界集中点となるエッジ
を多数個作製することが可能となる。3 and 4, the resist layer 7 has a circular opening pattern, the insulating layer 6 is etched, and the insulating layer 6 is used as a vapor deposition mask. This is an example of forming a petal-shaped emitter electrode 4 as shown in the figure. As shown in FIG. 5, the opening pattern A of the resist layer 7 is a square having a side parallel to the (011) plane direction of the silicon substrate. Then, the star-shaped emitter electrode 4 as shown in FIG. 2D can be formed. As described above, it is possible to form a large number of edges, which serve as electric field concentration points, on the peripheral portion of the emitter electrode 4 depending on the opening pattern of the resist layer 7.
【0060】[0060]
【作用】本発明の電子放出素子においては、基板の逆錐
体形状の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が配設され、
しかもエミッタ電極がその下地の基板よりも上部斜方に
突き出した形状となっている。そして、そのような形状
のエミッタ電極は僅かな間隙を持ってゲート電極により
囲まれている。従って、ゲート電極に対してエミッタ電
極が傾斜した構造となっており、エミッタ電極の周縁P
eの方向xが基板の垂直方向に近づいたものとなる。こ
のため、ゲート電極電圧によってエミッタ電極から放出
される電子が、ゲート電極にトラップされる確率を非常
に小さくし、素子外部へ放出される電子の分配率を大幅
に向上させることが可能となる。In the electron-emitting device of the present invention, the emitter electrode is provided along the slope of the inverted pyramidal recess of the substrate,
Moreover, the emitter electrode has a shape protruding obliquely above the base substrate. The emitter electrode having such a shape is surrounded by the gate electrode with a slight gap. Therefore, the emitter electrode is inclined with respect to the gate electrode, and the peripheral edge P of the emitter electrode is
The direction x of e approaches the direction perpendicular to the substrate. Therefore, the probability that electrons emitted from the emitter electrode due to the gate electrode voltage are trapped in the gate electrode can be made extremely small, and the distribution ratio of the electrons emitted to the outside of the device can be significantly improved.
【0061】特に、本発明において、基板として、主面
が(100)面方位の単結晶シリコン基板を使用した場
合には、絶縁層としてシリコン酸化膜を容易に形成する
ことができ、このシリコン酸化膜をエッチングマスクと
した水酸化アルカリ金属水溶液による異方性エッチング
により、そのエッチングマスクの形状に関わらず、マス
クの開孔パターン形状が外接する矩形(長方形または正
方形)を底辺とする逆四角錐の凹部が得られるので好ま
しい。In particular, in the present invention, when a single crystal silicon substrate whose main surface has a (100) plane orientation is used as the substrate, a silicon oxide film can be easily formed as an insulating layer. Anisotropic etching with an aqueous solution of alkali metal hydroxide using the film as an etching mask creates an inverted quadrangular pyramid whose base is a rectangle (rectangle or square) circumscribing the opening pattern shape of the mask regardless of the shape of the etching mask. It is preferable because recesses are obtained.
【0062】なお、このとき、エミッタ電極はこのシリ
コン酸化膜からなるエッチングマスクを蒸着マスクとし
て使用して形成されるため、エッチングマスクの形状に
応じて、種々の形状にエミッタが形成可能となる。At this time, since the emitter electrode is formed by using the etching mask made of this silicon oxide film as a vapor deposition mask, the emitter can be formed in various shapes according to the shape of the etching mask.
【0063】更に、エミッタ電極は、その周縁部を基板
の凹部から突き出るように加工(主としてRIE)する
工程時に、その上下が予め保護層で被覆されている。従
って、RIE耐性のない材料からエミッタ電極を構成す
ることが可能となる。よって、エミッタ電極材料の選定
範囲が飛躍的に拡大し、特性の良好な電子放出素子を得
ることが可能となる。Further, the emitter electrode is previously covered with a protective layer at the upper and lower sides in the step of processing (mainly RIE) so that the peripheral edge of the emitter electrode protrudes from the concave portion of the substrate. Therefore, it becomes possible to form the emitter electrode from a material having no RIE resistance. Therefore, the selection range of the emitter electrode material is dramatically expanded, and it becomes possible to obtain an electron-emitting device having excellent characteristics.
【0064】[0064]
【実施例】本発明の電子放出素子の製造例を以下の実施
例で具体的に説明する。EXAMPLES A production example of the electron-emitting device of the present invention will be specifically described in the following examples.
【0065】実施例 図3(a)に示すように、導電性を有する面方位(10
0)のシリコン基板を用意し、このシリコン基板1の上
に、熱酸化法により約0.3μm厚シリコン酸化膜(S
iO2 膜)を形成した。その上に直径6μmの円形開孔
パターンを有するレジスト層(OFPR8600、東京
応化工業株式会社)をフォトリソグラフ法により形成し
た。Example As shown in FIG. 3A, the plane orientation (10
0) a silicon substrate is prepared, and a silicon oxide film (S) having a thickness of about 0.3 μm is formed on the silicon substrate 1 by a thermal oxidation method.
iO 2 film) was formed. A resist layer (OFPR8600, Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) having a circular opening pattern with a diameter of 6 μm was formed thereon by a photolithographic method.
【0066】このパターン化したレジスト層をマスクと
して、緩衝フッ酸(フッ化アンモニウム/フッ酸=9/
1)によりシリコン酸化膜を、図3(b)に示すように
シリコン基板が露出するまでエッチングした。Using this patterned resist layer as a mask, buffer hydrofluoric acid (ammonium fluoride / hydrofluoric acid = 9 /
According to 1), the silicon oxide film was etched until the silicon substrate was exposed as shown in FIG.
【0067】その後、レジスト層を除去し、30%水酸
化カリウム(KOH)水溶液によりシリコン基板を異方
性エッチングした。これにより、図3(c)に示すよう
に、逆ピラミッド型の凹部を形成した。After that, the resist layer was removed, and the silicon substrate was anisotropically etched with a 30% potassium hydroxide (KOH) aqueous solution. Thereby, as shown in FIG. 3C, an inverted pyramid-shaped recess was formed.
【0068】次に、図3(d)に示すように、基板の凹
部周辺のシリコン酸化膜を残した状態で、下層保護層用
材料のCrを0.05μmの厚さに蒸着し、その上にエ
ミッタ電極用材料のNbを約0.2μmの厚さに蒸着
し、続いて上層保護層用材料のCrを0.1μmの厚さ
に蒸着した。このとき、基板の凹部の内側面上に形成さ
れたNb層(エミッタ電極)と、基板の凹部周辺のシリ
コン酸化膜上に形成されたNb薄膜とは段切れし、両者
は不連続であった。Next, as shown in FIG. 3D, with the silicon oxide film around the concave portion of the substrate remaining, Cr as the material for the lower protective layer was vapor-deposited to a thickness of 0.05 μm, and then Cr was deposited thereon. Then, Nb as a material for the emitter electrode was vapor-deposited to a thickness of about 0.2 μm, and then Cr as a material for the upper protective layer was vapor-deposited to a thickness of 0.1 μm. At this time, the Nb layer (emitter electrode) formed on the inner surface of the recess of the substrate and the Nb thin film formed on the silicon oxide film around the recess of the substrate were discontinuous, and both were discontinuous. .
【0069】その後、図3(e)に示すように、基板の
凹部周辺のシリコン酸化膜を、その上に形成されたCr
薄膜/Nb薄膜/Cr薄膜とともに緩衝フッ酸によって
リフトオフした。After that, as shown in FIG. 3E, the silicon oxide film around the concave portion of the substrate is formed on the Cr film formed thereon.
The film was lifted off together with the thin film / Nb thin film / Cr thin film by buffered hydrofluoric acid.
【0070】更に、図4(f)に示すように、SF6 ガ
スを用いた反応性イオンエッチングにより、基板を約
0.5μm程度エッチング除去した。このとき、凹部の
内側面上のCr(下層保護層)/Nb(エミッタ電極)
/Cr(上層保護層)のうち、下層保護層及び上層保護
層のCr薄膜はフッ素系ガスによるRIE耐性があるた
めエッチングされなかった。従って、これらの保護層は
エミッタ電極のエッチング保護層として機能した。よっ
て、エミッタ電極のNb薄膜はわずかにサイドエッチさ
れたに止まった。一方、エミッタ電極の下のシリコン基
板はサイドエッチされ、その結果、エミッタ電極は基板
の凹部の上縁部から少し突き出た状態となった。Further, as shown in FIG. 4F, the substrate was removed by etching by about 0.5 μm by reactive ion etching using SF 6 gas. At this time, Cr (lower protective layer) / Nb (emitter electrode) on the inner surface of the recess
Among Cr / Cr (upper protective layer), the Cr thin films of the lower protective layer and the upper protective layer were not etched because they had RIE resistance due to the fluorine-based gas. Therefore, these protective layers functioned as an etching protective layer for the emitter electrode. Therefore, the Nb thin film of the emitter electrode was slightly side-etched. On the other hand, the silicon substrate under the emitter electrode was side-etched, and as a result, the emitter electrode was in a state of slightly protruding from the upper edge of the recess of the substrate.
【0071】次に、図4(g)に示すように、上層保護
層及び下層保護層をRIE法(導入ガス:クロロホルム
(75sccm)及び酸素(75sccm)/パワー1
0W/ガス圧0.2Torr)により15分間エッチン
グした。その後、25℃の硝酸セリウム系エッチング液
に1分間浸漬することによりウェットエッチングを行っ
た。その結果、上層保護層は完全に除去され、下層保護
層の周縁部が除去された。Next, as shown in FIG. 4 (g), the upper protective layer and the lower protective layer were subjected to the RIE method (introduced gas: chloroform (75 sccm) and oxygen (75 sccm) / power 1).
The etching was performed for 15 minutes at 0 W / gas pressure of 0.2 Torr). Then, wet etching was performed by immersing in a cerium nitrate-based etching solution at 25 ° C. for 1 minute. As a result, the upper protective layer was completely removed and the peripheral portion of the lower protective layer was removed.
【0072】その後、図4(h)に示すように、絶縁層
として約0.5μm厚のシリコン酸化膜(SiOもしく
はSiO2 )を蒸着し、更に、その上にゲート電極用材
料のNbを約0.3μm厚で蒸着した。これにより、エ
ミッタ電極の周囲に位置する絶縁層とNb薄膜(ゲート
電極)とは、エミッタ電極に接触することなく、エミッ
タ電極に対してわずかな間隙をもって形成することがで
きた。よって、ゲート電極は、当該ゲート電極に対向す
る側面を持つエミッタ電極に対し、自己整合的に形成で
きたことになる。Thereafter, as shown in FIG. 4H, a silicon oxide film (SiO or SiO 2 ) having a thickness of about 0.5 μm is vapor-deposited as an insulating layer, and Nb of the gate electrode material is further deposited thereon. It was deposited to a thickness of 0.3 μm. As a result, the insulating layer located around the emitter electrode and the Nb thin film (gate electrode) could be formed with a slight gap from the emitter electrode without contacting the emitter electrode. Therefore, the gate electrode can be formed in a self-aligned manner with respect to the emitter electrode having the side surface facing the gate electrode.
【0073】次に、エミッタ電極上に付着した絶縁層を
その上のNb薄膜とともに緩衝フッ酸によりリフトオフ
した。この結果、図4(i)に示される電子放出素子を
得た。Next, the insulating layer attached on the emitter electrode was lifted off together with the Nb thin film thereon by buffered hydrofluoric acid. As a result, the electron-emitting device shown in FIG. 4 (i) was obtained.
【0074】上述の電子放出素子を200個集積したア
レイを試作し以下のように試験・評価した。即ち、各素
子のエミッタ電極−ゲート電極間の距離を約0.3μm
とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布した透明電極
(アノード)を有するガラス板部材を距離30mmで対
向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側が
正となる極性で引き出し電圧120Vを印加したとこ
ろ、供給エミッタ電流12μAに対し、約10μAのア
ノード電流が流れ、分配率は約85%であった。これら
の値は、図6(b)に示した従来の電子放出素子の代表
的な値に比べて、各電流値及び分配率共に10倍以上の
優れた値であった。An array in which 200 electron-emitting devices described above were integrated was manufactured as a prototype and tested and evaluated as follows. That is, the distance between the emitter electrode and the gate electrode of each element is about 0.3 μm.
A glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor is opposed to the device having the structure described above at a distance of 30 mm, and an extraction voltage of 120 V is applied between the emitter electrode and the gate electrode with a positive polarity on the gate electrode side. As a result, an anode current of about 10 μA flowed with respect to the supplied emitter current of 12 μA, and the distribution rate was about 85%. These values were excellent values of 10 times or more for each current value and distribution rate as compared with the typical values of the conventional electron-emitting device shown in FIG. 6B.
【0075】[0075]
【発明の効果】本発明の電子放出素子によれば、エミッ
タ電極の周縁の向きが基板の垂直方向に近づくように、
そのエミッタ電極がゲート電極に対して傾斜しており、
しかもその位置精度及び再現性が高い。また、フォトリ
ソグラフ法のデザインルールに制限されることなく極め
て小さいギャップ長でゲート電極がエミッタ電極に対し
て自己整合的に配設されたものとなる。しかも、RIE
耐性のない材料からエミッタ電極を構成することがで
き、よって、エミッタ電極材料の選定範囲が飛躍的に拡
大し、特性の良好な電子放出素子となる。According to the electron-emitting device of the present invention, the direction of the peripheral edge of the emitter electrode approaches the vertical direction of the substrate,
The emitter electrode is inclined with respect to the gate electrode,
Moreover, its position accuracy and reproducibility are high. Further, the gate electrode is arranged in a self-aligned manner with the emitter electrode with an extremely small gap length without being restricted by the design rule of the photolithography method. Moreover, RIE
The emitter electrode can be made of a material having no resistance, so that the selection range of the emitter electrode material is dramatically expanded, and the electron-emitting device has excellent characteristics.
【図1】本発明の電子放出素子の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of an electron-emitting device of the present invention.
【図2】エミッタ電極の平面図(同図(a)及び
(c))及び斜視図(同図(b)及び(d))である。FIG. 2 is a plan view ((a) and (c) of the same figure) and a perspective view ((b) and (d) of the same figure) of an emitter electrode.
【図3】本発明の電子放出素子の製造工程図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram of an electron-emitting device of the present invention.
【図4】本発明の電子放出素子の製造工程図である。FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the electron-emitting device of the present invention.
【図5】レジスト層の開孔パターンの説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of an opening pattern of a resist layer.
【図6】従来の電子放出素子の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view of a conventional electron-emitting device.
【図7】従来の電子放出素子の製造説明図である。FIG. 7 is a manufacturing explanatory diagram of a conventional electron-emitting device.
【図8】従来の電子放出素子の製造説明図である。FIG. 8 is a manufacturing explanatory diagram of a conventional electron-emitting device.
1 基板 2 絶縁層 3 ゲート電極 4 エミッタ電極 5 下層保護層 6 絶縁層 7 レジスト層 8 上層保護層 1 substrate 2 insulating layer 3 gate electrode 4 emitter electrode 5 lower protective layer 6 insulating layer 7 resist layer 8 upper protective layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金丸 正剛 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 伊藤 順司 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 石崎 守 東京都台東区台東一丁目5番1号 凸版印 刷株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Masago Kanamaru 1-4-1 Umezono, Tsukuba-shi, Ibaraki Electronic Technology Research Institute, Institute of Industrial Technology (72) Inujita Ito 1-4-1, Umezono, Tsukuba-shi, Ibaraki (72) Inventor Mamoru Ishizaki 1-5-1 Taito, Taito-ku, Tokyo Inside Toppan Printing Co., Ltd.
Claims (12)
され、該ゲート電極と絶縁層とには該基板に達する開孔
部が設けられ、その開孔部内の基板上にエミッタ電極
が、該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電
界放射型の電子放出素子において、基板に逆錐体形状の
凹部が形成され、その凹部の斜面に沿ってエミッタ電極
が形成され、エミッタ電極の周縁部が基板の凹部の上縁
部から突き出ており、且つエミッタ電極と基板との間に
下層保護層が形成されていることを特徴とする電子放出
素子。1. A substrate, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated, and an opening reaching the substrate is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter electrode is formed on the substrate in the opening. In a field emission type electron-emitting device formed so as not to contact the gate electrode, an inverted cone-shaped recess is formed in the substrate, an emitter electrode is formed along the slope of the recess, and a peripheral edge of the emitter electrode is formed. Is protruding from the upper edge of the concave portion of the substrate, and a lower protective layer is formed between the emitter electrode and the substrate.
晶シリコン基板であり、その基板に形成された凹部が
(111)面方位の斜面を有する逆正四角錐形状の凹部
である請求項1に記載の電子放出素子。2. The substrate is a single crystal silicon substrate having a main surface of (100) plane orientation, and the recess formed in the substrate is an inverted regular pyramid-shaped recess having a slope of (111) plane orientation. Item 2. The electron-emitting device according to item 1.
から形成されており、且つ下層保護層がCrから形成さ
れている請求項1又は2記載の電子放出素子。3. The emitter electrode is W, Mo, Ta or Nb.
The electron-emitting device according to claim 1 or 2, wherein the electron-emitting device is formed of Cr and the lower protective layer is formed of Cr.
1〜3のいずれかに記載の電子放出素子。4. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the insulating layer is a silicon oxide film.
〜4のいずれかに記載の電子放出素子。5. The gate electrode is an Nb thin film layer.
5. The electron-emitting device according to any one of 4 to 4.
法において、 (a)基板上に絶縁層を形成し、その上にレジスト層を
形成し、そのレジスト層をパターニングする工程; (b)パターニングされたレジスト層をマスクとして絶
縁層を、基板が露出するまでエッチングする工程; (c)レジスト層を除去し、更に絶縁層をマスクとして
基板をエッチングし、逆錐体形状の凹部を基板に形成す
る工程; (d)基板の凹部の斜面に沿ってエミッタ電極が形成さ
れるように、基板の凹部側に、下層保護層用材料薄膜
層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材料薄
膜層を順次形成する工程; (e)絶縁層を、その上に形成された下層保護層用材料
薄膜層、エミッタ電極用材料薄膜層及び上層保護層用材
料薄膜層とともにリフトオフして下層保護層、エミッタ
電極及び上層保護層をパターニングする工程; (f)下層保護層、エミッタ電極及び上層保護層の周縁
部が基板の凹部の上縁部から突き出るように基板をエッ
チングする工程; (g)上層保護層をエッチング除去し且つ下層保護層の
周縁部をエッチング除去する工程; (h)基板の凹部側に新たに絶縁層を積層し、更に、ゲ
ート電極用材料薄膜を積層する工程;及び (i)エミッタ電極上に新たに形成された絶縁層を、そ
の上のゲート電極用材料薄膜層とともにリフトオフし
て、エミッタ電極に接触することなくそれを囲むゲート
電極を形成する工程を含んでなることを特徴とする製造
方法。6. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, wherein the step of: (a) forming an insulating layer on the substrate, forming a resist layer thereon, and patterning the resist layer; ) Step of etching the insulating layer using the patterned resist layer as a mask until the substrate is exposed; (c) Removing the resist layer, and further etching the substrate using the insulating layer as a mask to form the inverted pyramidal recess (D) On the recess side of the substrate, the lower protective layer material thin film layer, the emitter electrode material thin film layer and the upper protective layer are formed so that the emitter electrode is formed along the slope of the recess of the substrate. A step of sequentially forming a material thin film layer; (e) lifting off the insulating layer together with the material thin film layer for the lower protective layer, the material thin film layer for the emitter electrode, and the material thin film layer for the upper protective layer formed thereon. Patterning the layer protective layer, the emitter electrode and the upper protective layer; (f) etching the substrate so that the peripheral portions of the lower protective layer, the emitter electrode and the upper protective layer protrude from the upper edge of the recess of the substrate; g) a step of etching away the upper protective layer and an edge of the lower protective layer by etching; (h) a step of newly laminating an insulating layer on the concave side of the substrate and further laminating a gate electrode material thin film; And (i) lifting off the insulating layer newly formed on the emitter electrode together with the gate electrode material thin film layer thereon to form a gate electrode surrounding the emitter electrode without contacting the emitter electrode. And a manufacturing method.
する単結晶シリコン基板を使用する請求項6記載の製造
方法。7. The manufacturing method according to claim 6, wherein a single crystal silicon substrate having a (100) -oriented main surface is used as the substrate.
チングにより形成する際に、エッチャントとして水酸化
アルカリ金属水溶液を使用する請求項7記載の製造方
法。8. The manufacturing method according to claim 7, wherein an alkali metal hydroxide aqueous solution is used as an etchant when the recess is formed in the substrate by etching in the step (c).
から形成し、且つ下層保護層及び上層保護層をCrから
形成する請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。9. The emitter electrode is W, Mo, Ta or Nb.
9. The manufacturing method according to claim 6, wherein the lower protective layer and the upper protective layer are formed of Cr.
いるRIEエッチングを行い、その後、硝酸セリウム系
エッチング液でウェットエッチングを行う請求項9記載
の製造方法。10. The manufacturing method according to claim 9, wherein in step (g), RIE etching using a chlorine-based gas is performed, and then wet etching is performed using a cerium nitrate-based etching solution.
絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する請求項6〜10
のいずれかに記載の製造方法。11. In step (a) and step (h),
A silicon oxide film is formed as an insulating layer.
The manufacturing method according to any one of 1.
絶縁層のリフトオフに緩衝フッ酸を使用する請求項11
の製造方法。12. In step (e) and step (i),
12. Use of buffered hydrofluoric acid for lift-off of the insulating layer.
Manufacturing method.
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