JPH09259743A - 電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッタを形成する際のコーン材料の剥離層
を形成する工程及び剥離層を剥離する工程を削減する。 【解決手段】 基板１の上にカソード電極２、絶縁層４
を形成し、絶縁層４に開口部７をエッチングにより形成
した後、絶縁層４の上にゲート電極２及びエミッタを形
成する堆積層１０を堆積させることにより、開口部７の
内にコーン状のエミッタ１１を形成し、次に、堆積層１
０を所定の膜厚となるようにエッチングすることによっ
て絶縁層４の上にゲート電極を形成するようにして電界
放出素子を製造する。さらに、開口部７の内壁に段差を
形成するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出素子及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属または半導体表面の印加電界を１０
⁹ ［Ｖ／ｍ］程度にすると、トンネル効果により電子が
障壁を通過して、常温でも真空中に電子放出が行われる
ようになる。これを電界放出（Field Emission）と呼
び、このような原理で電子を放出するカソードを電界放
出カソード（Field Emission Cathode）（以下、ＦＥＣ
という）と呼んでいる。

【０００３】近年、半導体加工技術を駆使して、ミクロ
ンサイズの電界放出カソードからなる面放出型の電界放
出カソードを作製することが可能となっており、電界放
出カソードを基板上に多数個形成したものは、その各エ
ミッタから放出された電子を蛍光面に照射することによ
ってフラットな表示装置や各種の電子装置を構成する素
子として期待されている。

【０００４】このような電界放出素子の製造方法の１つ
としてスピントの開発した回転斜め蒸着方法（米国特許
３７８９４７１号明細書）がある。スピント（SPINDT）
法によるＦＥＣの製造工程を図５に示す。まず、図５
（ａ）に図示するように、ガラス等の基板１０１上に、
金属層からなるカソード１０２、アモルファスシリコン
等からなる抵抗層１０３、シリコンを熱酸化させて形成
した絶縁層（ＳｉＯ₂ 層）１０４、及び、ニオブ等の金
属層からなるゲート１０５を蒸着等により順次形成す
る。さらに、ゲート１０５上にフォトレジスト（図示せ
ず）を塗布した後、同図（ｂ）に示すようにパターニン
グする。このパターニングを行った後、エッチングを行
い、同図（ｃ）に示すようにゲート１０５及び絶縁層１
０４に開口部１０７を形成する。

【０００５】次に、フォトレジストを除去し、同図
（ｄ）に示すように基板１０１を回転させながら、基板
面に対して斜め方向からアルミニウムを回転蒸着させる
ことにより剥離層１０９の蒸着を行う。すると、剥離層
１０９は開口部１０７の中には蒸着されずにゲート１０
５の表面にのみ選択的に蒸着されるようになる。さら
に、この剥離層１０９の上から、モリブデンを堆積させ
ると、同図（ｅ）に示すように剥離層１０９の上に堆積
層１１０が、エッチングにより開けた開口部１０７の中
に、エミッタ１１１がコーンの形状で堆積する。この
後、ゲート１０５上の剥離層１０９及び堆積層１１０を
エッチングにより除去すると同図（ｆ）に示すような構
造のＦＥＣが得られる。

【０００６】図５（ｆ）に示すＦＥＣは、半導体集積化
技術を用いて製作すると、コーン状のエミッタ１１１と
ゲート１０５との距離をサブミクロンとすることが出来
るため、エミッタ１１１とゲート１０５間に数１０ボル
トの電圧を印加することによりエミッタ１１１から電子
を放出させることが出来るようになる。なお、基板１０
１上に図５の（ｆ）で示したような構造のＦＥＣを多数
集積化する場合に、各エミッタ１１１間のピッチは５ミ
クロンないし１０ミクロンとして製作することが出来る
ため、数万から数１０万個のＦＥＣを１枚の基板上に設
けることが出来る。このように、面放出型のＦＥＣを製
作することが可能となっており、このＦＥＣ素子は蛍光
表示装置、ＣＲＴ、電子顕微鏡や電子ビーム装置に適用
することが提案されている。

【０００７】図６に、このような面放出型のＦＥＣ素子
の斜視図を示す。この図において、基板１０１上にカソ
ード１０２が形成されており、このカソード１０２の上
には抵抗層１０３が形成されている。そして、この抵抗
層１０３上にコーン状のエミッタ１１１が形成されてい
る。さらに、カソード１０２上に絶縁層１０４を介して
ゲ−ト１０５が設けられており、ゲート１０５に設けら
れた丸い開口部１０７からコーン状のエミッタ１１１の
先端部分が臨んでいる。

【０００８】このように形成された面放出型のＦＥＣに
おいて、ゲート１０５とカソード１０２との間に数十ボ
ルトの駆動電圧ＶGEを印加すると、エミッタ１１１から
電子が放出され、エミッタ１１１から放出された電子
は、ゲート１０５上に離隔して配置され、アノード電圧
ＶA の印加されたアノード１１２により捕集される。こ
の場合、アノード１１２上に蛍光体を設けておくと、ア
ノード１１２に捕集された電子により蛍光体を発光させ
ることができる。なお、ＦＥＣ素子は電子の走行が空間
中であるため、その動作は真空の環境中で行われるよう
になされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示し
た製造工程ではエミッタ１１１を形成する場合に、ゲー
ト１０５上に剥離層１０９を蒸着して（図５（ｄ））、
さらに剥離層１０９の上に堆積層１１０を堆積させ開口
部１０７内にエミッタ１１１を堆積させた後に、剥離層
１０９とともに堆積層１１０を除去している。したがっ
て、実際にはＦＥＣを構成しない剥離層１０９及び堆積
層１１０の蒸着、剥離工程を行っていることになる。ま
た、剥離工程は、例えば剥離層１０９及び堆積層１１０
を例えばリン酸等でエッチングしているので、工程終了
後に洗浄を行う必要があり、剥離工程とともに全体の製
造工程数が増えてしまう。

【００１０】さらに、剥離層１０９を回転斜め蒸着する
際に、開口部１０７の内壁に剥離層１０９が付着するこ
とがあり、これにより絶縁不良を起こしゲート１０５と
エミッタ１１１が短絡してしまう場合がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点を解決するためになされたもので、基板の上に形成さ
れたカソード電極と、前記カソード電極の上に絶縁層を
介して形成されたゲート電極と、前記絶縁層及びゲート
電極に設けられた開口部と、該開口部内に電子を放出す
るコーン状のエミッタを備えた電界放出素子において、
前記絶縁層によって構成される前記開口部の内壁に段差
を形成して電界放出素子を構成する。

【００１２】また、基板の上にカソード電極、絶縁層を
形成し、該絶縁層に開口部をエッチングにより形成した
後、絶縁層の上にゲート電極及びエミッタを形成する堆
積層を堆積させることにより、開口部の内にコーン状の
エミッタを形成し、次に、前記堆積層を所定の膜厚とな
るようにエッチングすることによって絶縁層の上にゲー
ト電極を形成するようにして電界放出素子を製造する。

【００１３】さらに、基板の上にカソード電極、絶縁層
を形成し、該絶縁層に、内壁に段差が形成されている開
口部をエッチングにより形成した後、前記絶縁層の上に
金属層を形成し、次に、該金属層の上に、エミッタを形
成する堆積層を堆積させることにより、前記開口部の内
にコーン状のエミッタを形成し、次に、前記金属層上の
前記堆積層を所定の厚みとなるようにエッチングするこ
とによりゲート電極を形成するようにして電界放出素子
を製造する。また、前記金属層が斜め蒸着により前記絶
縁層の上に形成されるようにする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。まず、図１にしたがい第一の本実施形態のＦＥＣの
製造方法を説明する。まず、図１（ａ）に図示するよう
に、ガラス等の基板１上に、金属層からなるカソード
２、アモルファスシリコン等からなる抵抗層３、シリコ
ンを熱酸化させて形成した絶縁層（ＳｉＯ₂ 層）４を蒸
着等により順次形成する。さらに、絶縁層４に図示して
いないフォトレジストを塗布した後にパターニングを行
う。このパターニングを行った後、エッチングを行い、
同図（ｂ）に示すように絶縁層４に開口部７を形成す
る。

【００１５】次に、フォトレジストを除去し、この絶縁
層４の上から、例えばモリブデンを堆積させると、同図
（ｃ）に示すように絶縁層４の上にモリブデンの堆積層
１０が形成されるとともに、エッチングにより開けた開
口部７の中に、エミッタ１１がコーンの形状で堆積され
る。そして、例えばＲＩＥ（リアクティブイオンエッチ
ング）等によって、堆積層１０を所定の膜厚になるまで
エッチングすると、例えば図１（ｄ）に示されているよ
うな構造のＦＥＣが得られる。つまり、図１（ｃ）に示
したエミッタ１１を形成するための堆積層１０のを利用
することによってゲート１０が形成されることになる。

【００１６】なお、堆積層１０のエッチングを行う場
合、開口部７の周辺に形成されている堆積層１０の影響
でエミッタ１１のエッチングレートが低下する、いわゆ
るローディング効果によってエミッタ１１はエッチング
されずに、円錐形状が維持されるようになる。

【００１７】このように、本発明では剥離層を形成せず
にエミッタを形成することができるので、従来行ってい
た剥離層１０９の蒸着工程及び剥離工程を省略すること
ができるようになる。

【００１８】また、第二の実施形態として図２（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示されているように、ゲー
ト５と堆積層１０を個々に蒸着することも可能である。
なお、図２（ａ）（ｂ）は図１（ａ）（ｂ）に示した各
工程と同様の工程を示している。まず、図１（ａ）で図
示したように、ガラス等の基板１上に、カソード２、抵
抗層３、絶縁層４を蒸着等により順次形成し（図２
（ａ））、さらに、図１（ｂ）で説明したように絶縁層
４に開口部７を形成する（図２（ｂ））。そして図２
（ｃ）に示されているように、ニオブ等の金属層からな
るゲート５を斜め蒸着等により絶縁層４の上に形成し、
さらに、ゲート５の上からモリブデン等を堆積させる
と、図２（ｄ）に示すように絶縁層４の上に堆積層１０
が形成されるとともに、エッチングによりあけた開口部
７の中に、エミッタ堆積層１１がコーンの形状で堆積さ
れる。

【００１９】そして、例えばＲＩＥ（リアクティブイオ
ンエッチング）等によって、ゲート５が上部に臨むこと
ができるようになるまで堆積層１０をエッチングするこ
とにより、例えば図２（ｅ）に示されているような構造
のＦＥＣが得られる。また、ここでは、図２（ｃ）に示
したゲート５を斜め蒸着によって絶縁層４上に蒸着する
例を挙げて説明したが、堆積層１０と同様に正蒸着によ
って絶縁層４上に蒸着するようにしても良い。この場
合、エミッタ１１はモリブデン及びニオブによって形成
されることになる。また、堆積層１０を全てエッチング
することなく、堆積層１０とゲート５によりゲート電極
を構成するようにしても良い。

【００２０】次に、第三の実施形態としてゲート５とエ
ミッタ１１の短絡を抑制するために、絶縁層４を例えば
３層構造で構成する例を図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
（ｅ）にしたがい説明する。まず、図３（ａ）に図示す
るように、ガラス等の基板１上に、金属層からなるカソ
ード２、アモルファスシリコン等からなる抵抗層３、シ
リコンを熱酸化させて形成した絶縁層４を蒸着等により
順次形成する。このとき蒸着される絶縁層４は、例えば
バッファドフッ酸（ＢＨＦ）によるエッチングレートが
違う絶縁層４ａ、４ａ、及び絶縁層４ｂの３層構造とさ
れている。すなわち、中間層を形成している絶縁層４ｂ
は絶縁層４ａ、４ａのＢＨＦエッチングレートはより高
く設定されている。これによって、開口部７を形成する
ためのパターニングを行うと、ＢＨＦエッチングレート
の違いにより、例えば図３（ｂ）に示されているよう
に、絶縁層４ｂは絶縁層４ａ、４ａよりも多くエッチン
グされ、形成される開口部７の内壁に段差が形成される
ようになる。

【００２１】次に、図３（ｃ）に示すように基板１を回
転させながら、基板面に対して斜め方向からニオブ等を
回転蒸着させることによりゲート５の蒸着を行う。する
と、絶縁層４の表面のみに選択的にゲートが蒸着され
る。さらに、開口部７の縁部には、内周にも蒸着され、
開口部７の径が小さくなる。同時に、開口部７内にもニ
オブが付着する場合もあるが、ＢＨＦエッチングレート
の違いによって形成される段差部分、すなわち絶縁層４
ｂに付着するようになる。これにより、図５（ｄ）
（ｅ）に示されるように、開口部７内にエミッタ１１が
形成された場合も、絶縁層４ｂの内壁に付着されたニオ
ブ５ｂとエミッタ１１との距離を得ることができるので
ゲート５とエミッタ１１との短絡を抑制することができ
るようになる。つまり、絶縁層４ｂはニオブ５ｂが付着
されてもゲート５とエミッタ１１が短絡を起こさない、
所定の距離を有するような段差が形成されるようにＢＨ
Ｆエッチングレートの異なる絶縁材料を積層することに
より構成されている。

【００２２】さらに、このゲート５の上から、モリブデ
ンを堆積させると、図５（ｄ）に示すようにゲート５の
上に堆積層１０が、エッチングによりあけた開口部７の
中に、エミッタ１１がコーンの形状で堆積する。この
後、ゲート５上の堆積層１０を、例えばＲＩＥにより除
去すると図３（ｅ）に示すような構造のＦＥＣが得られ
る。

【００２３】図４に、図３（ａ）〜（ｅ）に示した製造
方法で得られたＦＥＣ素子の斜視図を示す。この図にお
いて、基板１上にカソード２が形成されており、このカ
ソード２の上には抵抗層３が形成されている。そして、
この抵抗層３上にコーン状のエミッタ１１が形成されて
いる。さらに、カソード２上に絶縁層４を介してゲ−ト
５が設けられており、ゲート５に設けられた丸い開口部
７からコーン状のエミッタ１１の先端部分が臨んでい
る。

【００２４】さらに本実施形態では、絶縁層４がＢＨＦ
レートの異なる例えば３層構造で構成されているので、
絶縁層４の中程に段差が形成されている。これによって
ゲート５を蒸着する際にＮｂが絶縁層４の内壁に付着し
た場合でも、エミッタ１１との距離を得ることができる
ので、エミッタ１１とＮｂを短絡することを抑制するこ
とができるようになる。

【００２５】このように形成された面放出型のＦＥＣに
おいて、ゲート５とカソード２との間に数十ボルトの駆
動電圧ＶGEを印加すると、エミッタ１１から電子が放出
され、エミッタ１１から放出された電子は、ゲート５上
に離隔して配置され、アノード電圧ＶA の印加されたア
ノード１２により捕集される。この場合、ゲート５は開
口部７の内周にせり出した状態で構成され開口部７の径
を小さくしている。したがって、エミッタ１１とゲート
５との距離が小さくなるので、エミッタ１１から電子が
放出されやすくなるとともに、カソード２から放出され
る電子の拡散を抑制することができる。また、アノード
１２上に蛍光体を設けておくと、アノード１２に捕集さ
れた電子により蛍光体を発光させることができる。な
お、ＦＥＣ素子は電子の走行が空間中であるため、その
動作は真空の環境中で行われるようになされている。

【００２６】図示されているように、この本実施形態の
ＦＥＣはゲート５を斜め蒸着によって蒸着しているの
で、開口部７の径を小さくすることができ、エミッタ１
１から電子が放出されやすくなるとともに、電子の拡散
を抑制することができるようになる。また、ゲート５を
斜め蒸着する際に開口部７の内壁に付着するニオブ５
ａ、５ａは、絶縁層４ｂによって形成されている段差部
分に付着するようになり、エミッタ１１と所定の間隔を
有するようになり、ゲート５とエミッタ１１が短絡する
ことを抑制することができるようになる。

【００２７】

【発明の効果】以上、説明したように本発明は、エミッ
タを形成する場合の剥離層を必要としないので、剥離層
を形成する工程及び剥離層を剥離する工程を省略するこ
とができるようになる。また、開口部の中にエミッタを
形成する際に形成される堆積層を利用して、絶縁層上に
ゲートを形成しているので、ゲートのみの形成工程が省
略できるようになる。

【００２８】また、ゲートを斜め蒸着によって形成する
ことにより、開口部の径を小さくすることができ、エミ
ッタとゲートとの距離を短くできるので、エミッタから
電子が放出されやすくなるとともに、電子の拡散を抑制
することができる。さらに、絶縁層に段差を設けること
によって、開口部の内壁とエミッタの間に所定の距離を
得ることができるので、エミッタとゲートの短絡を抑制
することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態のＦＥＣの製造方法の
工程を摸式的に示す図である。

【図２】本発明の第二の実施形態のＦＥＣの製造方法の
工程を摸式的に示す図である。

【図３】本発明の第三の実施形態のＦＥＣの製造方法の
工程を摸式的に示す図である。

【図４】本発明の第三の実施形態のＦＥＣの製造方法に
よって製造されたＦＥＣの斜視図を示す図である。

【図５】従来のＦＥＣの製造方法の工程の一例を摸式的
に示す図である。

【図６】従来のＦＥＣの製造方法のよって製造されたＦ
ＥＣの斜視図を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ カソード ３ 抵抗層 ４ 絶縁層 ５ ゲート ７ 開口部 １０ 堆積層 １１ エミッタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に形成されたカソード電極と、 前記カソード電極の上に絶縁層を介して形成されたゲー
   ト電極と、 前記絶縁層及びゲート電極に設けられた開口部と、 該開口部内に電子を放出するコーン状のエミッタと、 を備えた電界放出素子において、 前記絶縁層によって構成される前記開口部の内壁に段差
   が形成されていることを特徴とする電界放出素子。
2. 【請求項２】 基板の上にカソード電極、絶縁層を形成
   し、該絶縁層に開口部をエッチングにより形成した後、
   絶縁層の上にゲート電極及びエミッタを形成する堆積層
   を堆積させることにより、開口部の内にコーン状のエミ
   ッタを形成し、次に、前記堆積層を所定の膜厚となるよ
   うにエッチングすることによって絶縁層の上にゲート電
   極を形成するようにしたことを特徴とする電界放出素子
   の製造方法。
3. 【請求項３】 基板の上にカソード電極、絶縁層を形成
   し、該絶縁層に、内壁に段差が形成されている開口部を
   エッチングにより形成した後、前記絶縁層の上に金属層
   を形成し、次に、該金属層の上に、エミッタを形成する
   堆積層を堆積させることにより、前記開口部の内にコー
   ン状のエミッタを形成し、次に、前記金属層上の前記堆
   積層を所定の厚みとなるようにエッチングすることによ
   りゲート電極を形成するようにしたことを特徴とする電
   界放出素子の製造方法。
4. 【請求項４】 前記金属層が斜め蒸着により前記絶縁層
   の上に形成されることを特徴とする請求項３に記載の電
   界放出素子の製造方法。