JPH0896702A - 微小冷陰極及びその製造方法並びにフィールドエミッタアレイ - Google Patents
微小冷陰極及びその製造方法並びにフィールドエミッタアレイInfo
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- JPH0896702A JPH0896702A JP6254642A JP25464294A JPH0896702A JP H0896702 A JPH0896702 A JP H0896702A JP 6254642 A JP6254642 A JP 6254642A JP 25464294 A JP25464294 A JP 25464294A JP H0896702 A JPH0896702 A JP H0896702A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 エミッタ電極とゲート電極との間隔を狭め、
エミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減することによ
り微小冷陰極の電気的特性を改善する。 【構成】 シリコン基板１０上に先端が尖鋭な形状に突
出して形成されたコーン部３０と、該コーン部３０の先
端部が冷陰極電子源として露出されるとともに、前記コ
ーン部３０の外周側面に前記シリコン基板１０を熱酸化
して形成された熱酸化膜７０を介してゲート電極６１が
形成されたことを特徴とする。
エミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減することによ
り微小冷陰極の電気的特性を改善する。 【構成】 シリコン基板１０上に先端が尖鋭な形状に突
出して形成されたコーン部３０と、該コーン部３０の先
端部が冷陰極電子源として露出されるとともに、前記コ
ーン部３０の外周側面に前記シリコン基板１０を熱酸化
して形成された熱酸化膜７０を介してゲート電極６１が
形成されたことを特徴とする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は微小冷陰極及びその製造
方法並びにフィールドエミッタアレイに関し、より詳細
には冷陰極電子源とゲート電極との間隔をきわめて微小
に形成した微小冷陰極及びその製造方法並びに微小冷陰
極を用いたフィールドエミッタアレイに関する。
方法並びにフィールドエミッタアレイに関し、より詳細
には冷陰極電子源とゲート電極との間隔をきわめて微小
に形成した微小冷陰極及びその製造方法並びに微小冷陰
極を用いたフィールドエミッタアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】フィールドエミッタアレイは真空マイク
ロエレクトロニクス技術において超高速素子、センサま
たは表示素子等に使用されるもので、多数の微小冷陰極
をアレイ状に形成して成るものである。微小冷陰極はき
わめて微細な構造を有することから、高精度の加工技術
が要求され、その製造方法についていくつか報告例があ
る（特開平3-95829 号、特開平4-94033 号、特開平4-31
2739号) 。
ロエレクトロニクス技術において超高速素子、センサま
たは表示素子等に使用されるもので、多数の微小冷陰極
をアレイ状に形成して成るものである。微小冷陰極はき
わめて微細な構造を有することから、高精度の加工技術
が要求され、その製造方法についていくつか報告例があ
る（特開平3-95829 号、特開平4-94033 号、特開平4-31
2739号) 。
【０００３】図６は微小冷陰極の製造方法の従来例とし
て、特開平4-94033 号に開示されている方法を示す。図
６(a) は、シリコン基板１０に第１の絶縁膜２０を形成
した状態である。第１の絶縁膜２０はたとえばシリコン
基板１０を酸素雰囲気中で加熱し厚さが５００ｎｍ程度
のSiO2の膜を形成することによってなされる。次に、第
１の絶縁膜２０表面にレジストでパターンニングを施
し、ＣＦ4 ガスを用いてイオンエッチング法により円形
の絶縁膜パターン２１を形成する。絶縁膜パターン２１
の直径は２μｍ程度である（図６(b) ）。
て、特開平4-94033 号に開示されている方法を示す。図
６(a) は、シリコン基板１０に第１の絶縁膜２０を形成
した状態である。第１の絶縁膜２０はたとえばシリコン
基板１０を酸素雰囲気中で加熱し厚さが５００ｎｍ程度
のSiO2の膜を形成することによってなされる。次に、第
１の絶縁膜２０表面にレジストでパターンニングを施
し、ＣＦ4 ガスを用いてイオンエッチング法により円形
の絶縁膜パターン２１を形成する。絶縁膜パターン２１
の直径は２μｍ程度である（図６(b) ）。
【０００４】次に、ＣＦ4 ガスによりシリコン基板１０
を選択的にエッチングし絶縁膜パターン２１の下部にコ
ーン部３０を形成する。このエッチングは反応性イオン
・エッチング（ＲＩＥ）による等方的エッチングにより
絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチング
する。絶縁膜パターン２１が取れる前にエッチングを中
止する（図６(c))。次に、酸素雰囲気中で熱酸化処理を
行いシリコン基板１０の表面に厚さが１５０ｎｍ程度の
熱酸化膜４０（SiO2膜）を形成する（図６(d))。次に、
シリコン基板１０の上方からたとえばSiO の蒸着により
厚さが１μｍ程度の第２の絶縁膜５０を形成し、さらに
その上にゲート電極膜６０を形成する。ゲート電極膜６
０は、たとえばＣｒ蒸着膜によって形成する。これらの
操作によりコーン部３０の周囲には空間が形成される
（図６(e))。
を選択的にエッチングし絶縁膜パターン２１の下部にコ
ーン部３０を形成する。このエッチングは反応性イオン
・エッチング（ＲＩＥ）による等方的エッチングにより
絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチング
する。絶縁膜パターン２１が取れる前にエッチングを中
止する（図６(c))。次に、酸素雰囲気中で熱酸化処理を
行いシリコン基板１０の表面に厚さが１５０ｎｍ程度の
熱酸化膜４０（SiO2膜）を形成する（図６(d))。次に、
シリコン基板１０の上方からたとえばSiO の蒸着により
厚さが１μｍ程度の第２の絶縁膜５０を形成し、さらに
その上にゲート電極膜６０を形成する。ゲート電極膜６
０は、たとえばＣｒ蒸着膜によって形成する。これらの
操作によりコーン部３０の周囲には空間が形成される
（図６(e))。
【０００５】次に、弗酸（ＨＦ）を用いて絶縁膜パター
ン２１を選択的にエッチングして除去し、さらにコーン
部３０の表面に形成されている熱酸化膜４０をエッチン
グにより除去する。絶縁膜パターン２１上に付着してい
た第２の絶縁膜５０とゲート電極膜６０は絶縁膜パター
ン２１とともに除去され、図６(f) に示すように円錐状
のコーン部３０が露出した形態で残る。次に、第２の絶
縁膜５０の上に残ったゲート電極膜６０を公知のフォト
リソグラフィ技術により所定形状のパターンに形成し、
ゲート電極６１を形成する（図６(g))。こうして、底面
の直径が約１μｍ，曲率半径が０．１μｍ以下の冷陰極
電子源となるコーン部３０先端とゲート電極６１を有す
る微小冷陰極が形成される。
ン２１を選択的にエッチングして除去し、さらにコーン
部３０の表面に形成されている熱酸化膜４０をエッチン
グにより除去する。絶縁膜パターン２１上に付着してい
た第２の絶縁膜５０とゲート電極膜６０は絶縁膜パター
ン２１とともに除去され、図６(f) に示すように円錐状
のコーン部３０が露出した形態で残る。次に、第２の絶
縁膜５０の上に残ったゲート電極膜６０を公知のフォト
リソグラフィ技術により所定形状のパターンに形成し、
ゲート電極６１を形成する（図６(g))。こうして、底面
の直径が約１μｍ，曲率半径が０．１μｍ以下の冷陰極
電子源となるコーン部３０先端とゲート電極６１を有す
る微小冷陰極が形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にして形成される微小冷陰極ではその電流−電圧特性を
改善するためエミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減
させることが問題になっている。エミッタ電極とゲート
電極間の電圧を下げるにはエミッタ電極となるコーン部
先端（冷陰極電子源）とゲート電極との間隔を狭めれば
よいが、従来の微小冷陰極の製造方法による場合は、エ
ッチングによってパターン形成する際のマスクの寸法、
上記例では絶縁膜パターン２１の寸法やエッチング条件
などによって間隔が規制されてしまい、冷陰極電子源と
ゲート電極との間隔は１μｍ程度にするのが限界であ
る。
にして形成される微小冷陰極ではその電流−電圧特性を
改善するためエミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減
させることが問題になっている。エミッタ電極とゲート
電極間の電圧を下げるにはエミッタ電極となるコーン部
先端（冷陰極電子源）とゲート電極との間隔を狭めれば
よいが、従来の微小冷陰極の製造方法による場合は、エ
ッチングによってパターン形成する際のマスクの寸法、
上記例では絶縁膜パターン２１の寸法やエッチング条件
などによって間隔が規制されてしまい、冷陰極電子源と
ゲート電極との間隔は１μｍ程度にするのが限界であ
る。
【０００７】そこで、本発明はこの問題を解消すべくな
されたものであり、その目的とするところは、従来にく
らべて冷陰極電子源とゲート電極との間隔を大幅に狭め
ることを可能とし、これによって特性を効果的に改善で
きる微小冷陰極及びその製造方法並びに微小冷陰極を用
いたフィールドエミッタアレイを提供しようとするもの
である。
されたものであり、その目的とするところは、従来にく
らべて冷陰極電子源とゲート電極との間隔を大幅に狭め
ることを可能とし、これによって特性を効果的に改善で
きる微小冷陰極及びその製造方法並びに微小冷陰極を用
いたフィールドエミッタアレイを提供しようとするもの
である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、微小冷陰極につ
いて、シリコン基板上に先端が尖鋭な形状に突出して形
成されたコーン部と、該コーン部の先端部が冷陰極電子
源として露出されるとともに、前記コーン部の外周側面
に前記シリコン基板を熱酸化して形成された熱酸化膜を
介してゲート電極が形成されたことを特徴とする。ま
た、前記冷陰極電子源と前記ゲート電極との間隔が０．
１〜０．５μｍであること、また、前記コーン部が円錐
状であることを特徴とする。また、フィールドエミッタ
アレイとして前記微小冷陰極がシリコン基板上に多数形
成されて成ることを特徴とする。また、微小冷陰極の製
造方法として、シリコン基板上に絶縁膜を形成し、該絶
縁膜をエッチングして冷陰極電子源を形成する位置に絶
縁膜パターンを形成した後、前記シリコン基板を選択的
にエッチングして、前記絶縁膜パターンの下部をアンダ
ーエッチングすることによりコーン部を形成するととも
に、該コーン部を含む前記シリコン基板表面を熱酸化し
て第１の熱酸化膜を形成し、該第１の熱酸化膜および前
記絶縁膜をエッチングして前記コーン部及びシリコン基
板を露出させて、前記絶縁膜パターンの下部の前記コー
ン部先端を尖鋭な形状に形成した後、前記コーン部を含
むシリコン基板表面を熱酸化して第２の熱酸化膜を形成
し、さらに、前記コーン部を含むシリコン基板表面に導
電性金属を蒸着することにより前記第２の熱酸化膜の表
面にゲート電極膜を形成した後、該ゲート電極膜をゲー
ト電極パターンにしたがってエッチングすることにより
ゲート電極を形成し、前記コーン部の先端の前記第２の
熱酸化膜を選択的に除去して前記冷陰極電子源を形成す
ることを特徴とする。前記絶縁膜は、シリコン基板表面
を熱酸化して形成することが有効である。また、前記第
２の熱酸化膜の膜厚を制御することにより、冷陰極電子
源とゲート電極との離間間隔を適当に設定することがで
きる。また、前記導電性金属としてＡｌまたはＣｒが好
適に使用できる。また、前記ゲート電極膜を電子ビーム
蒸着法により形成することによって好適なゲート電極膜
が形成できる。
するため次の構成を備える。すなわち、微小冷陰極につ
いて、シリコン基板上に先端が尖鋭な形状に突出して形
成されたコーン部と、該コーン部の先端部が冷陰極電子
源として露出されるとともに、前記コーン部の外周側面
に前記シリコン基板を熱酸化して形成された熱酸化膜を
介してゲート電極が形成されたことを特徴とする。ま
た、前記冷陰極電子源と前記ゲート電極との間隔が０．
１〜０．５μｍであること、また、前記コーン部が円錐
状であることを特徴とする。また、フィールドエミッタ
アレイとして前記微小冷陰極がシリコン基板上に多数形
成されて成ることを特徴とする。また、微小冷陰極の製
造方法として、シリコン基板上に絶縁膜を形成し、該絶
縁膜をエッチングして冷陰極電子源を形成する位置に絶
縁膜パターンを形成した後、前記シリコン基板を選択的
にエッチングして、前記絶縁膜パターンの下部をアンダ
ーエッチングすることによりコーン部を形成するととも
に、該コーン部を含む前記シリコン基板表面を熱酸化し
て第１の熱酸化膜を形成し、該第１の熱酸化膜および前
記絶縁膜をエッチングして前記コーン部及びシリコン基
板を露出させて、前記絶縁膜パターンの下部の前記コー
ン部先端を尖鋭な形状に形成した後、前記コーン部を含
むシリコン基板表面を熱酸化して第２の熱酸化膜を形成
し、さらに、前記コーン部を含むシリコン基板表面に導
電性金属を蒸着することにより前記第２の熱酸化膜の表
面にゲート電極膜を形成した後、該ゲート電極膜をゲー
ト電極パターンにしたがってエッチングすることにより
ゲート電極を形成し、前記コーン部の先端の前記第２の
熱酸化膜を選択的に除去して前記冷陰極電子源を形成す
ることを特徴とする。前記絶縁膜は、シリコン基板表面
を熱酸化して形成することが有効である。また、前記第
２の熱酸化膜の膜厚を制御することにより、冷陰極電子
源とゲート電極との離間間隔を適当に設定することがで
きる。また、前記導電性金属としてＡｌまたはＣｒが好
適に使用できる。また、前記ゲート電極膜を電子ビーム
蒸着法により形成することによって好適なゲート電極膜
が形成できる。
【０００９】
【作用】本発明に係る微小冷陰極は、シリコン基板上に
突出して形成したコーン部の外周側面にシリコンの熱酸
化膜を介してゲート電極を被着した構成を有する冷陰極
電子源であるコーン部の先端とゲート電極とはシリコン
の熱酸化膜の膜厚分だけ離間するのみであり、シリコン
の熱酸化膜の膜厚は数十〜数百オングストロームに制御
可能である。これにより、従来方法で冷陰極電子源とゲ
ート電極とを形成する場合にくらべて、冷陰極電子源と
ゲート電極の間隔を原理的には１／１０〜１／１００程
度に縮小することが可能になり、エミッタ電極とゲート
電極間の電圧を低減させることができて微小冷陰極の電
気的特性を効果的に向上させることができる。
突出して形成したコーン部の外周側面にシリコンの熱酸
化膜を介してゲート電極を被着した構成を有する冷陰極
電子源であるコーン部の先端とゲート電極とはシリコン
の熱酸化膜の膜厚分だけ離間するのみであり、シリコン
の熱酸化膜の膜厚は数十〜数百オングストロームに制御
可能である。これにより、従来方法で冷陰極電子源とゲ
ート電極とを形成する場合にくらべて、冷陰極電子源と
ゲート電極の間隔を原理的には１／１０〜１／１００程
度に縮小することが可能になり、エミッタ電極とゲート
電極間の電圧を低減させることができて微小冷陰極の電
気的特性を効果的に向上させることができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて説明する。図１は本発明に係る微小冷陰極の製造
方法の一実施例を示す説明図である。本実施例の微小冷
陰極はシリコン基板１０を使用し、以下の工程によりエ
ミッタ電極（冷陰極電子源）およびゲート電極を形成す
る。
づいて説明する。図１は本発明に係る微小冷陰極の製造
方法の一実施例を示す説明図である。本実施例の微小冷
陰極はシリコン基板１０を使用し、以下の工程によりエ
ミッタ電極（冷陰極電子源）およびゲート電極を形成す
る。
【００１１】本実施例においても図１(a) 〜(d) に示す
工程は図６に示す従来例と同様である。すなわち、シリ
コン基板１０を約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化し
シリコン基板１０の表面に絶縁膜２０として厚さが約２
０００Å程度のSiO2の被膜を形成し（図１(a) ）、絶縁
膜２０を緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングして絶縁
膜パターン２１を形成する（図１(b) ）。具体的には絶
縁膜パターン２１の上面に、微小冷陰極の冷陰極電子源
形成領域に合わせてレジストパターンを形成し、緩衝弗
酸（ＢＨＦ）により絶縁膜２０をエッチングすることに
より形成する。絶縁膜パターン２１は直径が２μｍ程度
の円形状に形成する。絶縁膜２０はSiH4ガスを用いた化
学気相法（CVD)によっても形成できるが、形成される絶
縁膜の密度や絶縁耐圧を考慮すると熱酸化による形成方
法がよい。
工程は図６に示す従来例と同様である。すなわち、シリ
コン基板１０を約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化し
シリコン基板１０の表面に絶縁膜２０として厚さが約２
０００Å程度のSiO2の被膜を形成し（図１(a) ）、絶縁
膜２０を緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングして絶縁
膜パターン２１を形成する（図１(b) ）。具体的には絶
縁膜パターン２１の上面に、微小冷陰極の冷陰極電子源
形成領域に合わせてレジストパターンを形成し、緩衝弗
酸（ＢＨＦ）により絶縁膜２０をエッチングすることに
より形成する。絶縁膜パターン２１は直径が２μｍ程度
の円形状に形成する。絶縁膜２０はSiH4ガスを用いた化
学気相法（CVD)によっても形成できるが、形成される絶
縁膜の密度や絶縁耐圧を考慮すると熱酸化による形成方
法がよい。
【００１２】次に、ＣＦ4 ＋Ｏ2 ガスやＳＦ6 ＋Ｏ2 ガ
スを用いてリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法
等によりシリコン基板１０を選択的に等方エッチングし
て絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチン
グし、絶縁膜パターン２１の下にコーン部３０を形成し
（図１(c) ）、次いで、約１０５０℃の酸素雰囲気中で
熱酸化処理を施してシリコン基板１０、コーン部３０の
表面に厚さが２０００Å〜４０００Å程度の第１熱酸化
膜４０（SiO2膜）を形成する（図１(d))。この熱酸化処
理では図のようにコーン部３０の側面が熱酸化されて第
１熱酸化膜４０の下地の頂点部分が尖鋭な円錐状になる
よう第１熱酸化膜４０の膜厚を制御する。
スを用いてリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法
等によりシリコン基板１０を選択的に等方エッチングし
て絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチン
グし、絶縁膜パターン２１の下にコーン部３０を形成し
（図１(c) ）、次いで、約１０５０℃の酸素雰囲気中で
熱酸化処理を施してシリコン基板１０、コーン部３０の
表面に厚さが２０００Å〜４０００Å程度の第１熱酸化
膜４０（SiO2膜）を形成する（図１(d))。この熱酸化処
理では図のようにコーン部３０の側面が熱酸化されて第
１熱酸化膜４０の下地の頂点部分が尖鋭な円錐状になる
よう第１熱酸化膜４０の膜厚を制御する。
【００１３】従来方法では、次の工程で蒸着により第２
の絶縁膜５０を形成したが、本実施例では次に、絶縁膜
パターン２１と第１熱酸化膜４０を除去する処理を行
う。絶縁膜パターン２１および第１熱酸化膜４０はSiO2
の被膜であり、緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングし
てこれらを除去する。図１(e) は絶縁膜パターン２１お
よび第１熱酸化膜４０を除去した後の状態で、シリコン
基板１０上に円錐状のコーン部３０が残った状態を示
す。
の絶縁膜５０を形成したが、本実施例では次に、絶縁膜
パターン２１と第１熱酸化膜４０を除去する処理を行
う。絶縁膜パターン２１および第１熱酸化膜４０はSiO2
の被膜であり、緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングし
てこれらを除去する。図１(e) は絶縁膜パターン２１お
よび第１熱酸化膜４０を除去した後の状態で、シリコン
基板１０上に円錐状のコーン部３０が残った状態を示
す。
【００１４】次に、このコーン部３０が形成されたシリ
コン基板１０に約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化処
理を施し、厚さが２０００Å〜４０００Å程度の第２の
熱酸化膜７０（SiO2膜）を形成する（図１(f))。コーン
部３０を含めてシリコン基板１０の表面が第２の熱酸化
膜によって被覆される。この第２の熱酸化膜７０は冷陰
極電子源となるコーン部３０先端とゲート電極との間隔
を決めるもので、その膜厚の設定は本プロセスにおいて
非常に重要である。
コン基板１０に約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化処
理を施し、厚さが２０００Å〜４０００Å程度の第２の
熱酸化膜７０（SiO2膜）を形成する（図１(f))。コーン
部３０を含めてシリコン基板１０の表面が第２の熱酸化
膜によって被覆される。この第２の熱酸化膜７０は冷陰
極電子源となるコーン部３０先端とゲート電極との間隔
を決めるもので、その膜厚の設定は本プロセスにおいて
非常に重要である。
【００１５】次に、電子ビーム蒸着法等により第２の熱
酸化膜７０の表面にゲート電極膜６０を被着形成する
（図１(g))。電子ビーム蒸着法等の蒸着法によってゲー
ト電極膜６０を形成すると、図のようにコーン部３０の
先端領域に蒸着した第２熱酸化膜７０部分にはゲート電
極膜６０が付着せず、ゲート電極膜６０はコーン部３０
の先端側が薄く下部側が徐々に厚く形成される。ゲート
電極膜６０の膜厚は２００ｎｍ程度でよい。ゲート電極
膜６０に使用する導電性金属にはＡｌ、Ｃｒ等が使用で
きる。
酸化膜７０の表面にゲート電極膜６０を被着形成する
（図１(g))。電子ビーム蒸着法等の蒸着法によってゲー
ト電極膜６０を形成すると、図のようにコーン部３０の
先端領域に蒸着した第２熱酸化膜７０部分にはゲート電
極膜６０が付着せず、ゲート電極膜６０はコーン部３０
の先端側が薄く下部側が徐々に厚く形成される。ゲート
電極膜６０の膜厚は２００ｎｍ程度でよい。ゲート電極
膜６０に使用する導電性金属にはＡｌ、Ｃｒ等が使用で
きる。
【００１６】次に、ゲート電極膜６０のみを選択的に所
要のゲート電極パターンにしたがってエッチングし、ゲ
ート電極６１を形成した後、コーン部３０の先端を被覆
している第２の熱酸化膜７０を除去する（図１(h))。こ
の処理は緩衝弗酸（ＢＨＦ）を用いるエッチング処理に
よって第２の熱酸化膜７０のみを選択的にエッチングし
て行うことができる。こうして、シリコン基板１０上に
冷陰極電子源とゲート電極との間隔、換言すればエミッ
タ電極の先端とゲート電極との間隔をきわめて狭くした
微小冷陰極が形成される。
要のゲート電極パターンにしたがってエッチングし、ゲ
ート電極６１を形成した後、コーン部３０の先端を被覆
している第２の熱酸化膜７０を除去する（図１(h))。こ
の処理は緩衝弗酸（ＢＨＦ）を用いるエッチング処理に
よって第２の熱酸化膜７０のみを選択的にエッチングし
て行うことができる。こうして、シリコン基板１０上に
冷陰極電子源とゲート電極との間隔、換言すればエミッ
タ電極の先端とゲート電極との間隔をきわめて狭くした
微小冷陰極が形成される。
【００１７】本実施例の方法によって得られる微小冷陰
極は、外面にゲート電極６１が被着形成され、中心部の
コーン部３０とゲート電極６１とが第２の熱酸化膜７０
によって電気的に絶縁された構造となる。図２は微小冷
陰極をシリコン基板上に多数形成したフィールドエミッ
タアレイの電子顕微鏡写真を示す。シリコン基板１０上
に微小冷陰極がアレイ状に配置されていることを示して
いる。このフィールドエミッタアレイは、上記方法にお
いて、シリコン基板１０の表面に形成した絶縁膜２０を
エッチング処理する際に冷陰極電子源がシリコン基板１
０にアレイ状に形成されるように絶縁膜パターン２１を
形成することによって得られる。
極は、外面にゲート電極６１が被着形成され、中心部の
コーン部３０とゲート電極６１とが第２の熱酸化膜７０
によって電気的に絶縁された構造となる。図２は微小冷
陰極をシリコン基板上に多数形成したフィールドエミッ
タアレイの電子顕微鏡写真を示す。シリコン基板１０上
に微小冷陰極がアレイ状に配置されていることを示して
いる。このフィールドエミッタアレイは、上記方法にお
いて、シリコン基板１０の表面に形成した絶縁膜２０を
エッチング処理する際に冷陰極電子源がシリコン基板１
０にアレイ状に形成されるように絶縁膜パターン２１を
形成することによって得られる。
【００１８】図３はシリコン基板上に多数形成した微小
冷陰極の一つを示す電子顕微鏡写真、図４は微小冷陰極
の先端部の電子顕微鏡写真である。図４で示す電子顕微
鏡写真には微小冷陰極の先端の中心にエミッタ電極先端
３１が見られる。図５は微小冷陰極の先端部を拡大して
図示したものである。微小冷陰極の中心にシリコンのエ
ミッタ電極先端３１が露出し、その外側にゲート電極６
１が形成される。
冷陰極の一つを示す電子顕微鏡写真、図４は微小冷陰極
の先端部の電子顕微鏡写真である。図４で示す電子顕微
鏡写真には微小冷陰極の先端の中心にエミッタ電極先端
３１が見られる。図５は微小冷陰極の先端部を拡大して
図示したものである。微小冷陰極の中心にシリコンのエ
ミッタ電極先端３１が露出し、その外側にゲート電極６
１が形成される。
【００１９】上記方法によって得られる微小冷陰極は冷
陰極電子源であるエミッタ電極先端３１とゲート電極と
は第２の熱酸化膜７０を挟んで離間しているのみであ
り、従来方法で得られる微小冷陰極にくらべて冷陰極電
子源とゲート電極間の間隔を大幅に狭めることが可能で
ある。図１(h) および図６(g) に冷陰極電子源とゲート
電極との間隔をｒ1 とｒ2 で示す。本実施例の微小冷陰
極ではコーン部３０の先端つまり冷陰極電子源に近い部
位までゲート電極６１を被着して形成しているから、従
来方法で得られる微小冷陰極にくらべてエミッタ電極と
ゲート電極との間隔を狭める（ｒ1 ≫ｒ2 ）ことが可能
になる。
陰極電子源であるエミッタ電極先端３１とゲート電極と
は第２の熱酸化膜７０を挟んで離間しているのみであ
り、従来方法で得られる微小冷陰極にくらべて冷陰極電
子源とゲート電極間の間隔を大幅に狭めることが可能で
ある。図１(h) および図６(g) に冷陰極電子源とゲート
電極との間隔をｒ1 とｒ2 で示す。本実施例の微小冷陰
極ではコーン部３０の先端つまり冷陰極電子源に近い部
位までゲート電極６１を被着して形成しているから、従
来方法で得られる微小冷陰極にくらべてエミッタ電極と
ゲート電極との間隔を狭める（ｒ1 ≫ｒ2 ）ことが可能
になる。
【００２０】エミッタ電極とゲート電極との間隔は第２
の熱酸化膜７０の膜厚によって設定できる。第２の熱酸
化膜７０はシリコン基板１０を熱酸化して形成するもの
であり、原理的には熱酸化膜の膜厚を１０〜１００オン
グストローム程度に設定することは容易に可能である。
これによって、エミッタ電極とゲート電極との間隔を数
十あるいは数百オングストローム程度に設定することが
可能になる。実験ではｒ1 ＝１０００Å〜５０００Åで
作製した。冷陰極電子源の最終的な形状は（ｃ）工程に
おけるエッチングにより決定されるのではなく、（ｆ）
工程における第２の熱酸化膜７０の厚さに起因するとこ
ろが大きい。エッチング条件を制御するよりも第２の熱
酸化膜７０の厚さを制御する方が容易で形状の再現性も
よい。
の熱酸化膜７０の膜厚によって設定できる。第２の熱酸
化膜７０はシリコン基板１０を熱酸化して形成するもの
であり、原理的には熱酸化膜の膜厚を１０〜１００オン
グストローム程度に設定することは容易に可能である。
これによって、エミッタ電極とゲート電極との間隔を数
十あるいは数百オングストローム程度に設定することが
可能になる。実験ではｒ1 ＝１０００Å〜５０００Åで
作製した。冷陰極電子源の最終的な形状は（ｃ）工程に
おけるエッチングにより決定されるのではなく、（ｆ）
工程における第２の熱酸化膜７０の厚さに起因するとこ
ろが大きい。エッチング条件を制御するよりも第２の熱
酸化膜７０の厚さを制御する方が容易で形状の再現性も
よい。
【００２１】なお、エミッタ電極とゲート電極との電気
的絶縁性はシリコンの熱酸化膜である第２の熱酸化膜７
０によって確保するが、蒸着法やスパッタ法などにより
形成したSiO2膜にくらべて絶縁耐圧が高く、シリコンの
熱酸化膜の絶縁耐圧特性は１０7 Ｖ／ｃｍときわめて高
いことから、エミッタ電極とゲート電極との電気的絶縁
性は好適に確保することができる。こうして、本発明方
法によって得られる微小冷陰極はエミッタ電極とゲート
電極との間隔をきわめて微小にすることができ、これに
よってエミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減させる
ことができ、微小冷陰極の電気的特性を容易に向上させ
ることができる。また、本発明方法の製造工程は格別困
難な加工工程を必要とせずに、好適な特性を有する微小
冷陰極を容易に製造することができる。
的絶縁性はシリコンの熱酸化膜である第２の熱酸化膜７
０によって確保するが、蒸着法やスパッタ法などにより
形成したSiO2膜にくらべて絶縁耐圧が高く、シリコンの
熱酸化膜の絶縁耐圧特性は１０7 Ｖ／ｃｍときわめて高
いことから、エミッタ電極とゲート電極との電気的絶縁
性は好適に確保することができる。こうして、本発明方
法によって得られる微小冷陰極はエミッタ電極とゲート
電極との間隔をきわめて微小にすることができ、これに
よってエミッタ電極とゲート電極間の電圧を低減させる
ことができ、微小冷陰極の電気的特性を容易に向上させ
ることができる。また、本発明方法の製造工程は格別困
難な加工工程を必要とせずに、好適な特性を有する微小
冷陰極を容易に製造することができる。
【００２２】
【発明の効果】本発明に係る微小冷陰極は、上述したよ
うに、エミッタ電極とゲート電極との間隔を大幅に狭め
た製品として得られるから、これによってエミッタ電極
とゲート電極間の電圧を容易に低減することができ、電
気的特性の優れた微小冷陰極を提供することができる。
また、この微小冷陰極を用いることにより電気的特性等
の優れたフィールドエミッタアレイを提供することがで
きる。また、本発明に係る微小冷陰極の製造方法によれ
ば、エミッタ電極とゲート電極との間隔を従来にくらべ
てきわめて微小に形成した製品を容易にかつ確実に製造
することが可能になる等の著効を奏する。
うに、エミッタ電極とゲート電極との間隔を大幅に狭め
た製品として得られるから、これによってエミッタ電極
とゲート電極間の電圧を容易に低減することができ、電
気的特性の優れた微小冷陰極を提供することができる。
また、この微小冷陰極を用いることにより電気的特性等
の優れたフィールドエミッタアレイを提供することがで
きる。また、本発明に係る微小冷陰極の製造方法によれ
ば、エミッタ電極とゲート電極との間隔を従来にくらべ
てきわめて微小に形成した製品を容易にかつ確実に製造
することが可能になる等の著効を奏する。
【図１】本発明に係る微小冷陰極の製造方法を示す説明
図である。
図である。
【図２】シリコン基板上に微小冷陰極が形成されたフィ
ールドエミッタアレイの電子顕微鏡写真である。
ールドエミッタアレイの電子顕微鏡写真である。
【図３】シリコン基板上に形成された微小冷陰極の一つ
の電子顕微鏡写真である。
の電子顕微鏡写真である。
【図４】微小冷陰極の先端部の電子顕微鏡写真である。
【図５】微小冷陰極の先端部を示す説明図である。
【図６】微小冷陰極の製造方法の従来例を示す説明図で
ある。
ある。
１０ シリコン基板 ２０ 絶縁膜 ２１ 絶縁膜パターン ３０ コーン部 ３１ エミッタ電極先端（冷陰極電子源） ４０ 第１の熱酸化膜 ５０ 第２の絶縁膜 ６０ ゲート電極膜 ６１ ゲート電極 ７０ 第２の熱酸化膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成７年２月７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】
【作用】本発明に係る微小冷陰極は、シリコン基板上に
突出して形成したコーン部の外周側面にシリコンの熱酸
化膜を介してゲート電極を被着した構成を有する冷陰極
電子源であるコーン部の先端とゲート電極とはシリコン
の熱酸化膜の膜厚分だけ離間するのみであり、シリコン
の熱酸化膜の膜厚は数〜数十ナノメートルに制御可能で
ある。これにより、従来方法で冷陰極電子源とゲート電
極とを形成する場合にくらべて、冷陰極電子源とゲート
電極の間隔を原理的には１／１０〜１／１００程度に縮
小することが可能になり、エミッタ電極とゲート電極間
の電圧を低減させることができて微小冷陰極の電気的特
性を効果的に向上させることができる。
突出して形成したコーン部の外周側面にシリコンの熱酸
化膜を介してゲート電極を被着した構成を有する冷陰極
電子源であるコーン部の先端とゲート電極とはシリコン
の熱酸化膜の膜厚分だけ離間するのみであり、シリコン
の熱酸化膜の膜厚は数〜数十ナノメートルに制御可能で
ある。これにより、従来方法で冷陰極電子源とゲート電
極とを形成する場合にくらべて、冷陰極電子源とゲート
電極の間隔を原理的には１／１０〜１／１００程度に縮
小することが可能になり、エミッタ電極とゲート電極間
の電圧を低減させることができて微小冷陰極の電気的特
性を効果的に向上させることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】本実施例においても図１(a) 〜(d) に示す
工程は図６に示す従来例と同様である。すなわち、シリ
コン基板１０を約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化し
シリコン基板１０の表面に絶縁膜２０として厚さが約２
００ｎｍ程度のSiO2の被膜を形成し（図１(a) ）、絶縁
膜２０を緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングして絶縁
膜パターン２１を形成する（図１(b) ）。具体的には絶
縁膜パターン２１の上面に、微小冷陰極の冷陰極電子源
形成領域に合わせてレジストパターンを形成し、緩衝弗
酸（ＢＨＦ）により絶縁膜２０をエッチングすることに
より形成する。絶縁膜パターン２１は直径が２μｍ程度
の円形状に形成する。絶縁膜２０はSiH4ガスを用いた化
学気相法（CVD)によっても形成できるが、形成される絶
縁膜の密度や絶縁耐圧を考慮すると熱酸化による形成方
法がよい。
工程は図６に示す従来例と同様である。すなわち、シリ
コン基板１０を約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化し
シリコン基板１０の表面に絶縁膜２０として厚さが約２
００ｎｍ程度のSiO2の被膜を形成し（図１(a) ）、絶縁
膜２０を緩衝弗酸（ＢＨＦ）によりエッチングして絶縁
膜パターン２１を形成する（図１(b) ）。具体的には絶
縁膜パターン２１の上面に、微小冷陰極の冷陰極電子源
形成領域に合わせてレジストパターンを形成し、緩衝弗
酸（ＢＨＦ）により絶縁膜２０をエッチングすることに
より形成する。絶縁膜パターン２１は直径が２μｍ程度
の円形状に形成する。絶縁膜２０はSiH4ガスを用いた化
学気相法（CVD)によっても形成できるが、形成される絶
縁膜の密度や絶縁耐圧を考慮すると熱酸化による形成方
法がよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】次に、ＣＦ4 ＋Ｏ2 ガスやＳＦ6 ＋Ｏ2 ガ
スを用いてリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法
等によりシリコン基板１０を選択的に等方エッチングし
て絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチン
グし、絶縁膜パターン２１の下にコーン部３０を形成し
（図１(c) ）、次いで、約１０５０℃の酸素雰囲気中で
熱酸化処理を施してシリコン基板１０、コーン部３０の
表面に厚さが２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第１熱酸化
膜４０（SiO2膜）を形成する（図１(d))。この熱酸化処
理では図のようにコーン部３０の側面が熱酸化されて第
１熱酸化膜４０の下地の頂点部分が尖鋭な円錐状になる
よう第１熱酸化膜４０の膜厚を制御する。
スを用いてリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法
等によりシリコン基板１０を選択的に等方エッチングし
て絶縁膜パターン２１の下側部分までアンダーエッチン
グし、絶縁膜パターン２１の下にコーン部３０を形成し
（図１(c) ）、次いで、約１０５０℃の酸素雰囲気中で
熱酸化処理を施してシリコン基板１０、コーン部３０の
表面に厚さが２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第１熱酸化
膜４０（SiO2膜）を形成する（図１(d))。この熱酸化処
理では図のようにコーン部３０の側面が熱酸化されて第
１熱酸化膜４０の下地の頂点部分が尖鋭な円錐状になる
よう第１熱酸化膜４０の膜厚を制御する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】次に、このコーン部３０が形成されたシリ
コン基板１０に約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化処
理を施し、厚さが２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第２の
熱酸化膜７０（SiO2膜）を形成する（図１(f))。コーン
部３０を含めてシリコン基板１０の表面が第２の熱酸化
膜によって被覆される。この第２の熱酸化膜７０は冷陰
極電子源となるコーン部３０先端とゲート電極との間隔
を決めるもので、その膜厚の設定は本プロセスにおいて
非常に重要である。
コン基板１０に約１０５０℃の酸素雰囲気中で熱酸化処
理を施し、厚さが２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第２の
熱酸化膜７０（SiO2膜）を形成する（図１(f))。コーン
部３０を含めてシリコン基板１０の表面が第２の熱酸化
膜によって被覆される。この第２の熱酸化膜７０は冷陰
極電子源となるコーン部３０先端とゲート電極との間隔
を決めるもので、その膜厚の設定は本プロセスにおいて
非常に重要である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】上記方法によって得られる微小冷陰極は冷
陰極電子源であるエミッタ電極先端３１とゲート電極６
１とは第２の熱酸化膜７０を挟んで離間しているのみで
あり、従来方法で得られる微小冷陰極にくらべて冷陰極
電子源とゲート電極間の間隔を大幅に狭めることが可能
である。図１(h) および図６(g) に冷陰極電子源とゲー
ト電極との間隔をｒ1 とｒ2 で示す。本実施例の微小冷
陰極ではコーン部３０の先端つまり冷陰極電子源に近い
部位までゲート電極６１を被着して形成しているから、
従来方法で得られる微小冷陰極にくらべてエミッタ電極
とゲート電極との間隔を狭める（ｒ 1 ≪ｒ2 ）ことが可
能になる。
陰極電子源であるエミッタ電極先端３１とゲート電極６
１とは第２の熱酸化膜７０を挟んで離間しているのみで
あり、従来方法で得られる微小冷陰極にくらべて冷陰極
電子源とゲート電極間の間隔を大幅に狭めることが可能
である。図１(h) および図６(g) に冷陰極電子源とゲー
ト電極との間隔をｒ1 とｒ2 で示す。本実施例の微小冷
陰極ではコーン部３０の先端つまり冷陰極電子源に近い
部位までゲート電極６１を被着して形成しているから、
従来方法で得られる微小冷陰極にくらべてエミッタ電極
とゲート電極との間隔を狭める（ｒ 1 ≪ｒ2 ）ことが可
能になる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】エミッタ電極とゲート電極との間隔は第２
の熱酸化膜７０の膜厚によって設定できる。第２の熱酸
化膜７０はシリコン基板１０を熱酸化して形成するもの
であり、原理的には熱酸化膜の膜厚を１〜１０ｎｍ程度
に設定することは容易に可能である。これによって、エ
ミッタ電極とゲート電極との間隔を数あるいは数十ナノ
メートル程度に設定することが可能になる。実験ではｒ
1 ＝１００ｎｍ〜５００ｎｍで作製した。上記のように
エミッタ電極とゲート電極との距離は（ｃ）工程のマス
クの寸法によって決定されるのではなく、（ｆ）工程に
おける第２の熱酸化膜７０の厚さによって決められる。
エッチング条件を制御するよりも第２の熱酸化膜７０の
厚さを制御する方が容易であり、再現性もよいという効
果がある。
の熱酸化膜７０の膜厚によって設定できる。第２の熱酸
化膜７０はシリコン基板１０を熱酸化して形成するもの
であり、原理的には熱酸化膜の膜厚を１〜１０ｎｍ程度
に設定することは容易に可能である。これによって、エ
ミッタ電極とゲート電極との間隔を数あるいは数十ナノ
メートル程度に設定することが可能になる。実験ではｒ
1 ＝１００ｎｍ〜５００ｎｍで作製した。上記のように
エミッタ電極とゲート電極との距離は（ｃ）工程のマス
クの寸法によって決定されるのではなく、（ｆ）工程に
おける第２の熱酸化膜７０の厚さによって決められる。
エッチング条件を制御するよりも第２の熱酸化膜７０の
厚さを制御する方が容易であり、再現性もよいという効
果がある。
Claims (9)
- 【請求項１】 シリコン基板上に先端が尖鋭な形状に突
出して形成されたコーン部と、 該コーン部の先端部が冷陰極電子源として露出されると
ともに、前記コーン部の外周側面に前記シリコン基板を
熱酸化して形成された熱酸化膜を介してゲート電極が形
成されたことを特徴とする微小冷陰極。 - 【請求項２】 前記冷陰極電子源と前記ゲート電極との
間隔が０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求
項１記載の微小冷陰極。 - 【請求項３】 前記コーン部が円錐状であることを特徴
とする請求項１記載の微小冷陰極。 - 【請求項４】 請求項１、２または３記載の微小冷陰極
がシリコン基板上に多数形成されて成ることを特徴とす
るフィールドエミッタアレイ。 - 【請求項５】 シリコン基板上に絶縁膜を形成し、 該絶縁膜をエッチングして冷陰極電子源を形成する位置
に絶縁膜パターンを形成した後、 前記シリコン基板を選択的にエッチングして、前記絶縁
膜パターンの下部をアンダーエッチングすることにより
コーン部を形成するとともに、 該コーン部を含む前記シリコン基板表面を熱酸化して第
１の熱酸化膜を形成し、 該第１の熱酸化膜および前記絶縁膜をエッチングして前
記コーン部及びシリコン基板を露出させて、前記絶縁膜
パターンの下部の前記コーン部先端を尖鋭な形状に形成
した後、 前記コーン部を含むシリコン基板表面を熱酸化して第２
の熱酸化膜を形成し、さらに、前記コーン部を含むシリ
コン基板表面に導電性金属を蒸着することにより前記第
２の熱酸化膜の表面にゲート電極膜を形成した後、 該ゲート電極膜をゲート電極パターンにしたがってエッ
チングすることによりゲート電極を形成し、 前記コーン部の先端の前記第２の熱酸化膜を選択的に除
去して前記冷陰極電子源を形成することを特徴とする微
小冷陰極の製造方法。 - 【請求項６】 前記絶縁膜は、シリコン基板表面を熱酸
化して形成することを特徴とする請求項５記載の微小冷
陰極の製造方法。 - 【請求項７】 前記第２の熱酸化膜の膜厚を制御するこ
とにより、冷陰極電子源とゲート電極との離間間隔を設
定することを特徴とする請求項５記載の微小冷陰極の製
造方法。 - 【請求項８】 前記導電性金属としてＡｌまたはＣｒを
使用することを特徴とする請求項５記載の微小冷陰極の
製造方法。 - 【請求項９】 前記ゲート電極膜を電子ビーム蒸着法に
より形成することを特徴とする請求項５記載の微小冷陰
極の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6254642A JPH0896702A (ja) | 1994-09-21 | 1994-09-21 | 微小冷陰極及びその製造方法並びにフィールドエミッタアレイ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6254642A JPH0896702A (ja) | 1994-09-21 | 1994-09-21 | 微小冷陰極及びその製造方法並びにフィールドエミッタアレイ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0896702A true JPH0896702A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=17267862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6254642A Pending JPH0896702A (ja) | 1994-09-21 | 1994-09-21 | 微小冷陰極及びその製造方法並びにフィールドエミッタアレイ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0896702A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2107041A2 (en) * | 2008-04-01 | 2009-10-07 | STMicroelectronics S.r.l. | Mold having nanometric features, method for realising such a mold and corresponding use of it in a method for realising an array of carbon nanotubes |
-
1994
- 1994-09-21 JP JP6254642A patent/JPH0896702A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2107041A2 (en) * | 2008-04-01 | 2009-10-07 | STMicroelectronics S.r.l. | Mold having nanometric features, method for realising such a mold and corresponding use of it in a method for realising an array of carbon nanotubes |
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