JPH0917334A

JPH0917334A - 電界放射電子源アレイの形成方法

Info

Publication number: JPH0917334A
Application number: JP16217495A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tajima; 勉多嶋
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】エミッタ・ゲート電極間の距離を短くできる
電界放射電子源アレイの形成方法を提供する。【構成】下地１０上に絶縁マスク１４を形成する工程
と、絶縁マスクを用いてエッチングを行い下地に錐体を
形成する工程と、絶縁マスク１４を含む下地の表面に絶
縁層１８を形成する工程と、マグネトロンスパッタ法を
用いて絶縁マスクおよび絶縁層上に金属電極層２０（２
０ａ，２０ｂ）を形成する工程とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電界放射電子源アレ
イの形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放射電子源アレイの形成方法
としては、例えば、特開平５−９４７６２号に開示され
たものがある。

【０００３】この特開平５−９４７６２号によると、ま
ず、ｎ型シリコン基板の表面を熱酸化法により二酸化シ
リコン層を形成する。次に、二酸化シリコン層上にレジ
ストを塗布してフォトリソグラフィにより二酸化シリコ
ン層をエッチングして円形のマスクパターンを形成す
る。その後、このマスクパターンをマスクとして用いて
シリコン基板の表面をドライエッチング法により等方的
エッチングして冷陰極の基本となる円錐形状を有する凸
部を形成する。その後、熱酸化法により凸部を含むシリ
コン基板の表面に二酸化シリコン層を形成する。

【０００４】次に、凸部の中心を回転させながら斜め方
向から蒸着を行って二酸化シリコン層の表面に金属電極
層を形成し、選択エッチングにより二酸化シリコン層を
除去して凸部の先端を露出させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電界放射電子源アレイの形成方法には、以下に述べる
ような問題がある。

【０００６】図４の（Ａ）および（Ｂ）は、従来の金属
電極層の形成方法および凸部の先端部（エミッタの先端
部ともいう。）とゲート電極との距離を説明するための
図である。

【０００７】従来は、金属電極層５４を形成するとき、
試料を回転させながら斜め蒸着法により金属電極層５４
を形成するため、絶縁マスク５６の外周の垂直方向から
蒸着角度θの角度で蒸着を行う。このため、絶縁マスク
５６の底面から離れたエミッタ５１の壁面およびＳｉウ
エハ５０の表面に金属電極層５４が形成されることにな
り、絶縁層５２をエッチングしてエミッタ５１の先端部
を露出させた場合、エミッタ５１の先端部および金属電
極層５４間の距離（ｂ）は長くなる。このため、電界放
射電子源アレイを動作させ電子を放射させた場合、ゲー
ト電極およびＳｉウエハ間に印加するゲート電圧を高く
しないと電子放出させることが出来なかった。ゲート電
圧を低減して電子の放射効率を高めるには、エミッタ５
１の先端部とゲート電極間の距離を短くする必要があ
る。

【０００８】そこで、エミッタの先端部およびゲート電
極間の距離を短縮できる電界放射電子源アレイの形成方
法が望まれていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、この発明の電
界放射電子源アレイの形成方法によれば、下地上に錐体
を形成し、該錐体の周りを絶縁層および金属電極層で囲
んで電界放射電子源アレイを形成するに当たり、下地上
に絶縁マスクを形成する工程と、絶縁マスクを用いてエ
ッチングを行い下地に錐体を形成する工程と、錐体を含
む下地の表面に絶縁層を形成する工程と、マグネトロン
スパッタ法を用いて絶縁マスクおよび絶縁層上に金属電
極層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００１０】また、この発明の実施に当たり、マグネト
ロンスパッタ条件は、高周波電力密度を０．１〜５．０
（Ｗ／ｃｍ）² とし、圧力を１〜１０（Ｐａ）とするの
が良い。

【００１１】

【作用】上述したように、この発明の電界放射電子源ア
レイの形成方法によれば、下地上に絶縁マスクを形成し
た後、エッチングを行って下地に錐体を形成する。その
後、錐体を含む下地の表面に絶縁層を形成し、マグネト
ロンスパッタの条件として、高周波電力密度を０．１〜
５．０（Ｗ／ｃｍ² ）とし、圧力を１〜１０（Ｐａ）と
することにより絶縁マスクおよび絶縁層上に金属電極層
を形成する。マグネトロンスパッタ法を用いて金属電極
層を形成することにより、錐体の先端部、すなわち、錐
体と絶縁マスクと境界面付近まで金属電極層を形成する
ことが出来る。その後、選択エッチングにより絶縁マス
クに接して下側にある絶縁層をエッチング除去して錐体
を露出させることにより、絶縁マスクが除去されて金属
電極層に開口部が形成される。この金属電極層の開口部
内壁と錐体の先端部との間の距離が従来に比べて短くな
るので、ゲート電圧を低減出来る。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の電界放射
電子源アレイ（以下、ＦＥＡと称する。）の形成方法の
実施例につき説明する。尚、図１〜図３は、この発明が
理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関
係を概略的に示してあるにすぎない。また、以下の説明
中に述べる使用材料、処理時間、温度、膜厚その他の数
値条件はこの発明の範囲内での好適例にすぎない。

【００１３】１．ＦＥＡの形成方法次に、図１〜図３を参照して、ＦＥＡの形成方法につき
説明する。尚、図１の（Ａ）〜（Ｃ）および図２の
（Ａ）〜（Ｂ）はこの実施例の形成工程を説明するため
の工程図である。

【００１４】この実施例では、下地１０としてシリコン
（Ｓｉ）ウエハを用いる。このＳｉウエハ１０は、ｎ型
導電性を有し、また、Ｓｉウエハ表面の面方位を（１０
０）面とし、Ｓｉウエハ１０の抵抗率を約０．１〜０．
２Ω・ｃｍとする。

【００１５】次に、このＳｉウエハ１０の表面を、乾燥
した酸素（Ｏ₂ ）雰囲気中で、熱酸化（１１００℃、２
時間）して絶縁層１２を形成する（図１の（Ａ））。
尚、この実施例では、絶縁層１２を二酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ₂ ）層とも称し、ＳｉＯ₂層１２の膜厚を約２μｍ
とする。

【００１６】その後、フォトリソグラフィ法を用いてＳ
ｉＯ₂ 層１２をエッチングして絶縁マスク１４を形成す
る（図１の（Ｂ））。また、この実施例では、絶縁マス
ク１４を円形状とし、マスク直径を約２μｍとする。

【００１７】次に、異方性エッチングを行ってＳｉウエ
ハ１０に錐体１６を形成する（図１の（Ｃ））。尚、こ
の実施例では、円形状の絶縁マスク１４を用いてＳｉウ
エハ１０をエッチングするため、錐体１６の形状は円錐
体となる。また、錐体１６を形成するとき、錐体１６の
先端部は、絶縁マスク１４が脱離しない程度に出来るだ
け小さい直径を有するように鋭角に形成するのが良い。
ここでは、錐体１６の先端部の直径を約０．１〜０．５
μｍ程度にする。また、ここでは錐体１６のことをエミ
ッタコーンとも称し、また、Ｓｉウエハ１０とエミッタ
コーン１６とを総称してコーン付Ｓｉウエハ１７と称す
る。尚、エミッタコーン１６を形成するときのエッチン
グ条件は以下の通りとする。

【００１８】エッチャント液：１０ｗｔ％ＫＯＨ水溶
液＋２０ｗｔ％イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）＋水
（Ｈ₂ Ｏ）エッチャント温度：３９〜４１℃ エッチング速度：２．５〜３μｍ／時間上記のエッチング液を用いてＳｉウエハ１０をエッチン
グした場合、エミッタコーン１６の傾斜角度（Ｓｉウエ
ハからエミッタコーンの壁面までの角度）は、約５５度
になる。尚、この実施例では、ウエットエッチングを用
いてＳｉウエハ１０をエッチングしてエミッタコーンを
形成したが、ウエットエッチングの代わりに反応性イオ
ンエッチング法を用いてドライエッチングによりエミッ
タコーンを形成しても良い。

【００１９】次に、エミッタコーン１６を含むＳｉウエ
ハ１０の表面に熱酸化法を用いてゲート絶縁層１８を形
成する（図２の（Ａ））。このときの熱酸化の条件は、
以下の通りとする。

【００２０】雰囲気ガス：乾燥した酸素（Ｏ₂ ）ガス加熱温度：１１００℃、加熱時間：１０時間この実施例では、ゲート絶縁層１８の膜厚を約０．５μ
ｍとする。ゲート絶縁層１８を形成することにより、エ
ミッタコーン１６の先端を鋭角にすることができる。
尚、ここでは、ゲート絶縁層１８を形成した後のゲー絶
縁層１８で覆われたエミッタコーンを第２エミッタコー
ン１６ａと称する。

【００２１】次に、マグネトロンスパッタ法を用いてゲ
ート絶縁層１８上に金属電極層２０を形成する（図２の
（Ｂ））。尚、マグネトロンスパッタ法による成膜条件
を以下の通りとする。

【００２２】ターゲット電極：タングステン（Ｗ）雰囲気ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス、Ａｒ流量：２
０ｓｃｃｍＲＦ電力密度：２Ｗ／ｃｍ² 圧力：２．０Ｐａ基板温度：２００℃ 尚、上述した成膜条件は、この実施例の最適条件であ
り、好ましくは、ＲＦ電力密度を０．１〜５．０Ｗ／ｃ
ｍ² とし、圧力を１〜１０Ｐａの範囲とするのが良い。
また、ここでは、絶縁マスク１４に形成された金属電極
層２０を２０ａの符号で示し、第２エミッタコーン１６
ａおよびこの第２エミッタコーン１６ａから延在してい
る平面領域に形成された金属電極層２０を２０ｂの符号
で示している。また、この実施例では、絶縁マスク１４
に形成された金属電極層２０ａと、第２エミッタコーン
１６ａおよび平面領域に形成された金属電極層２０ｂと
を総称して金属電極層２０と称する。また、この実施例
では、金属電極層２０をタングステン（Ｗ）層とも称す
る。

【００２３】また、マグネトロンスパッタにより金属電
極層２０を成膜するとき、真空中で加速されたアルゴン
（Ａｒ）イオンがターゲットに衝突して、そのはじき出
されたターゲットのタングステン原子、分子が絶縁マス
ク１４の下側にある第２エミッタコーン１６ａの先端部
に極めて近い領域にまで周り込んで、Ｗ層２０が形成さ
れる。

【００２４】次に、選択エッチング法により絶縁マスク
１４およびゲート絶縁層１８をエッチング除去して第２
エミッタコーン１６ａを露出させる。このとき、絶縁マ
スク１４が除去されてＷ層２０に開口部２４が形成され
る（図２の（Ｃ））。この実施例では、開口部２４を有
するＷ層２０をゲート電極２２と称する。尚、このとき
のエッチング液は、フッ酸水溶液（５ｗｔ％）にアンモ
ニア水溶液（約５ｗｔ％）を添加して調製したものを用
いるのが良い。

【００２５】図３は、図２の（Ｃ）の構造体を拡大して
示した断面図である。この実施例のＦＥＡの形成方法に
よれば、絶縁マスク１４を除去したときのゲート電極２
２の開口部２４の直径（Ｌ）は、絶縁マスク１４の下側
に形成したエミッタコーン１６の先端部の直径とほぼ同
じ寸法になるので、第２エミッタコーン１６ａの先端部
からゲート電極２２の開口部壁面までの距離（ａ）を短
く出来る。尚、ここでは、第２エミッタコーン１６ａか
らゲート電極２２の開口部壁面までの距離をエミッタ・
ゲート電極間距離とも称する。

【００２６】この実施例と比較するため、図４の（Ａ）
および（Ｂ）を参照して、従来例（特開平５ー９４７６
２号）のエミッタ・ゲート電極間距離について説明す
る。

【００２７】従来例では、Ｓｉウエハ５０に凸部（エミ
ッタ）５１を形成した後、絶縁層５２を形成する。その
後、斜め蒸着により金属電極層５４を形成する。このた
め、金属電極層５４は絶縁マスク５６よりも離れた絶縁
層５４の領域に形成される（図４の（Ａ））。

【００２８】次に、選択エッチングして絶縁層５２をエ
ッチングしてエミッタ５１の先端を露出させる。このと
き、絶縁層５２のエッチングにより絶縁マスク５６も同
時に除去される。図４の（Ｂ）は、絶縁層５２をエッチ
ング除去した後のＦＥＡの構造体を示す断面図である。

【００２９】図４の（Ｂ）の構造体からも理解できるよ
うに、従来例ではエミッタ５１の先端部から金属電極層
５４までの距離（ｂ）は金属電極層５４がマスク５６か
ら離れている分だけ長くなる。

【００３０】上述したように、この実施例のエミッタ・
ゲート電極間距離（ａ）は、従来の距離（ｂ）よりも短
くなるので、ＦＥＡを動作させた場合、ゲート電圧を低
減できる。

【００３１】図５は、ＦＥＡの動作を説明するための図
である。

【００３２】ゲート電極２２の表面に直流電源２５の正
電圧側の端子（図示せず）を接続する。更に、Ｓｉウエ
ハ１０の裏面に直流電源２５の負電圧側の端子（図示せ
ず）を接続する。また、直流電源２５の負電圧側を接地
（０Ｖ）しておく。このＦＥＡを真空中に設置して、ゲ
ート電極２２に正電圧を印加すれば、所定のゲート電圧
下でトンネル現象により第２エミッタコーン１６ａの先
端部から電子が放射される。上述した実施例では、エミ
ッタコーンに円錐体を用いた例について説明したが、何
ら円錐体に限定されるものではなく、例えば多面体を有
する錐体であっても良い。

【００３３】また、この実施例では、金属電極層の材料
にタングステンを用いたが、例えば、この他にもモリブ
デン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）等の高融点金属を用いて
も良い。

【００３４】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の電界放射電子源アレイの形成方法によれば、金
属電極層をマグネトロンスパッタ法を用いて形成する。
このため、錐体の先端部の近傍まで金属電極層を形成す
ることができる。その後、選択エッチングにより錐体を
覆っている絶縁層を除去して錐体を露出させる。このと
き、金属電極層の一部も除去されて、金属電極層に開口
部が形成される。この金属電極層の開口部の大きさ（直
径）は、絶縁マスクを用いて形成した錐体の先端部の直
径とほぼ同じ寸法になる。従って、この発明では、錐体
の先端部と金属電極の開口部内壁との間の距離は、従来
よりも短くなるので、電界放射電子源アレイのゲート電
圧を低減出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の電界放射電子源
アレイの形成方法を説明するために供する工程図であ
る。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に続く、形成方法を説
明するための工程図である。

【図３】この発明のエミッタ・ゲート電極間の距離を説
明するための図である。

【図４】（Ａ）〜（Ｂ）は、従来のエミッタ・ゲート電
極間の距離を説明するための図である。

【図５】この発明に用いた電界放射電子源アレイの電子
放射原理を説明するための動作図である。

【符号の説明】

１０：Ｓｉウエハ１２：絶縁層１４：絶縁マスク１６：エミッタコーン１６ａ：第２エミッタコーン１７：コーン付きＳｉウエハ１８：ゲート絶縁層２０：金属電極層２２：ゲート電極２４：開口部２５：直流電源２７：接地（アース）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下地上に錐体を形成し、該錐体の周りを
絶縁層および金属電極層で囲んで電界放射電子源アレイ
を形成するに当たり、（ａ）下地上に絶縁マスクを形成する工程と、（ｂ）該絶縁マスクを用いてエッチングを行い前記下地
に錐体を形成する工程と、（ｃ）前記錐体を含む前記下地の表面に絶縁層を形成す
る工程と、（ｄ）マグネトロンスパッタ法を用いて前記絶縁マスク
および前記絶縁層上に金属電極層を形成する工程とを含
むことを特徴とする電界放射電子源アレイの形成方法。
【請求項２】請求項１に記載の電界放射電子源アレイ
の形成方法において、前記（ｄ）工程のマグネトロンスパッタ条件として、高
周波（ＲＦ）電力密度を０．１〜５．０（Ｗ／ｃｍ² ）
とし、圧力を１〜１０（Ｐａ）とすることを特徴とする
電界放射電子源アレイの形成方法。
【請求項３】請求項１に記載の電界放射電子源アレイ
の形成方法において、前記（ｄ）工程の後に、選択エッチング法により前記錐
体を覆っている前記絶縁層を除去して前記錐体を露出さ
せる工程を含むことを特徴とする電界放射電子源アレイ
の形成方法。