JPH05120991A - Electric field emission element and its manufacture - Google Patents
Electric field emission element and its manufactureInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、真空管や表示素子であ
る陰極線管及び螢光表示管の電子源、または半導体製造
装置に用いられる電子源などに適用される電界放射素子
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission element applied to an electron source of a vacuum tube or a cathode ray tube or a fluorescent display tube which is a display element, or an electron source used in a semiconductor manufacturing apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図１０は、文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．４７、Ｎ
ｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．１９７６ ｐ．５２４８
〜ｐ．５２６３）に示されたスピント型の電界放射素子
である。図において、１は電界放射素子が形成される基
板、２は基板１上に形成され、電子を発生させる先端が
鋭く尖った円錐形状のエミッタ、３はこのエミッタ２の
先端と微小間隙を有し、強い電界を掛けて電子を発生さ
せるゲ−ト、４はエミッタ２とゲート３との間を絶縁す
る絶縁層である。この例においては、エミッタ２の高さ
は約２μｍ、ゲ−ト３の径は約１．５〜２μｍで、エミ
ッタ２の先端の半径は５００Åであり、エミッタ２及び
ゲート３はモリブデン（Ｍｏ）、絶縁層４は酸化ケイ素
（ＳｉＯ2）から構成されている。2. Description of the Related Art FIG. 10 shows a document (Journal of
Applied Physics Vol. 47, N
o. 12 December. 1976 p. 5248
~ P. 5263). In the figure, 1 is a substrate on which a field emission element is formed, 2 is a substrate formed on the substrate 1, and an electron-generating tip is a cone-shaped emitter having a sharp tip, and 3 has a minute gap with the tip of the emitter 2. A gate 4 for generating electrons by applying a strong electric field is an insulating layer for insulating between the emitter 2 and the gate 3. In this example, the height of the emitter 2 is about 2 μm, the diameter of the gate 3 is about 1.5 to 2 μm, the radius of the tip of the emitter 2 is 500 Å, and the emitter 2 and the gate 3 are molybdenum (Mo). The insulating layer 4 is composed of silicon oxide (SiO 2 ).
【０００３】このように構成された電界放射素子におい
ては、ゲ−ト３の径が小さく、エミッタ２の先端が尖っ
ているので、エミッタ２の先端部に電界が集中しやす
く、約１００Ｖの比較的低い電圧をゲ−ト３に印加する
ことにより、約１０7Ｖ／ｃｍという大きな電界が発生
できる。このような高い電界のもとでは、エミッタ２の
表面から約１０Åのごく近傍で物質内部よりも真空中の
方が低エネルギ−状態となるため、トンネル効果により
電子が物質内から真空中に浸み出すこととなる。このと
き、発生する電流は１個のエミッタ２で数十μＡであ
る。また、このような電界放射素子は、図１１に示され
るようにマトリクス状に高密度に配列されている。ここ
では、電界放射素子が１２．７μｍピッチで多数配列さ
れており、同時に動作させことによって電流密度として
は１０Ａ／ｃｍ2が得られる。In the field emission device having such a structure, since the diameter of the gate 3 is small and the tip of the emitter 2 is sharp, the electric field is likely to be concentrated at the tip of the emitter 2 and the comparison of about 100V is made. By applying an extremely low voltage to the gate 3, a large electric field of about 10 7 V / cm can be generated. Under such a high electric field, since the energy in the vacuum is lower than that in the substance in the vicinity of about 10 Å from the surface of the emitter 2, electrons are immersed in the vacuum from the substance by the tunnel effect. It will be seen. At this time, the current generated by one emitter 2 is several tens of μA. Further, such field emission devices are arranged in a matrix with a high density as shown in FIG. Here, a large number of field emission elements are arranged at a pitch of 12.7 μm, and by operating them at the same time, a current density of 10 A / cm 2 can be obtained.
【０００４】次に、上記のように構成されたスピント型
の電界放射素子の製造方法について説明する。まず、図
１２（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板１上に膜厚約１
〜０．５μｍの絶縁膜４を形成し、さらにその上に約
０．５μｍの金属膜３を成膜し、この金属膜３上からリ
アクティブイオンエッチング（以下ＲＩＥと略記）また
はエッチング液によりエッチングすることによりゲート
３と絶縁層４に微小な穴を形成する。その後、図１２
（ｂ）に示されるように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）５を
斜めから蒸着し、穴に庇を形成する。次に、モリブデン
（Ｍｏ）６を真上から蒸着する。このとき、上記穴は蒸
着の過程で次第に閉じる。これに従い、図１２（ｃ）に
示されるように穴の中に、円錐形状のエミッタ２が形成
されることとなる。最後に、図１２（ｄ）に示されるよ
うにアルミナ膜５（Ａｌ２Ｏ３）をエッチングにより除
去することによって、電界放射素子は形成される。Next, a method of manufacturing the Spindt-type field emission device configured as described above will be described. First, as shown in FIG. 12A, a film thickness of about 1 is formed on the Si substrate 1.
~ 0.5 μm insulating film 4 is formed, and a metal film 3 of about 0.5 μm is formed on the insulating film 4, and the metal film 3 is etched by reactive ion etching (hereinafter abbreviated as RIE) or etching solution. By doing so, minute holes are formed in the gate 3 and the insulating layer 4. After that, FIG.
As shown in (b), alumina (Al 2 O 3 ) 5 is obliquely vapor-deposited to form an eaves in the hole. Next, molybdenum (Mo) 6 is vapor-deposited from directly above. At this time, the hole is gradually closed during the deposition process. Accordingly, as shown in FIG. 12C, the conical emitter 2 is formed in the hole. Finally, the field emission device is formed by removing the alumina film 5 (Al 2 O 3 ) by etching as shown in FIG.
【０００５】また、このようなスピント型の電界放射素
子の製造方法は他にもいくつか発表（例えば、１９９０
年電子情報通信学会秋季全国大会講演予稿集５−Ｐ２８
２参照）されている。Several other methods for manufacturing such Spindt-type field emission devices have been announced (for example, 1990).
Proceedings of the Annual Conference of IEICE Autumn Meeting 5-P28
2)).
【０００６】上記のように構成されたスピント型の電界
放射素子は、例えばエミッタ２の先端径や、エミッタ２
の先端とゲ−ト３との位置関係により放出電流が変動
し、また、エミッタ２先端とゲ−ト３の距離により放出
電流がばらつくことが知られている。しかしながら、上
記のスピント型の電界放射素子のエミッタ２の形状は、
Ｍｏの蒸着の際の庇の径、絶縁膜の厚さ、蒸着時の蒸着
源と試料の距離で調整するなどいずれも間接的にしか制
御することができず、所望の形状にするのは困難であ
り、電界放射素子間に特性のバラツキが生じることとな
る。The Spindt-type field emission device having the above-described structure has, for example, the tip diameter of the emitter 2 and the emitter 2
It is known that the emission current varies depending on the positional relationship between the tip of the gate and the gate 3, and the emission current varies depending on the distance between the tip of the emitter 2 and the gate 3. However, the shape of the emitter 2 of the above Spindt-type field emission device is
The eaves diameter during vapor deposition of Mo, the thickness of the insulating film, and the distance between the vapor deposition source and the sample during vapor deposition can all be controlled indirectly, and it is difficult to obtain the desired shape. Therefore, variations in characteristics will occur between the field emission elements.
【０００７】次に、平面型の電界放射素子について説明
する。図１３は１９９０年電子情報通信学会秋季全国大
会講演予稿集５−Ｐ２８６〜Ｐ２８７に示されている平
面型の電界放射素子である。この平面型の電界放射素子
においては、エミッタ２が薄膜状の楔型で、この先端は
尖っている。ゲ−ト３も薄膜状の楔型であって、上記エ
ミッタ２の上面とゲート３の下面と微小間隙を介して対
向している。 このように構成された電界放射素子にお
いても、上記説明したスピント型の電界放射素子と同様
にゲ−ト３とエミッタ２間に電圧を加えるとエミッタ２
の楔型の先端に強い電界がかかり、ここから電子が放出
されることとなる。Next, the flat type field emission device will be described. FIG. 13 shows a flat-type field emission device shown in Proceedings of Autumn 1990 National Conference of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers 5-P286 to P287. In this plane type field emission device, the emitter 2 is a thin film wedge type, and its tip is sharp. The gate 3 also has a thin film wedge shape and faces the upper surface of the emitter 2 and the lower surface of the gate 3 with a minute gap therebetween. Also in the field emission device configured as described above, when a voltage is applied between the gate 3 and the emitter 2 as in the Spindt-type field emission device described above, the emitter 2
A strong electric field is applied to the wedge-shaped tip of, and electrons are emitted from there.
【０００８】上記のように構成された平面型の電界放射
素子の製造方法を、図１４を用いて説明する。まず、図
１４（ａ）に示されるように、ガラス等からなる基板１
上にエミッタ２となるＭｏの蒸着膜７を形成する。次に
図１４（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、上記蒸着膜
７をフォトレジストをマスク８として楔型にエッチング
する。このとき、Ｍｏ膜７も僅かにサイドエッチが施さ
れる。これがエミッタ２とゲ−ト３間の微小隙間にな
る。次に、図１４（ｄ）に示されるようにフォトレジス
トのマスク８上からＳｉＯ2からなる絶縁膜９とゲ−ト
となるＣｒ膜１０を成膜する。次に、図１４（ｅ）に示
されるように、フォトレジストのマスク８を除去するこ
とによりエミッタ２上の絶縁膜９とＣｒ膜１０を除去
し、電界放射素子を完成する。A method of manufacturing the flat type field emission device configured as described above will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 14A, the substrate 1 made of glass or the like is used.
A vapor deposition film 7 of Mo to be the emitter 2 is formed on top. Next, as shown in FIGS. 14B and 14C, the vapor deposition film 7 is wedge-shaped etched using the photoresist as a mask 8. At this time, the Mo film 7 is also slightly side-etched. This becomes a minute gap between the emitter 2 and the gate 3. Next, as shown in FIG. 14D, an insulating film 9 made of SiO 2 and a Cr film 10 serving as a gate are formed on the photoresist mask 8. Next, as shown in FIG. 14E, the insulating film 9 and the Cr film 10 on the emitter 2 are removed by removing the photoresist mask 8 to complete the field emission device.
【０００９】このように形成された平面型の電界放射素
子は、スピント型とは異なりエミッタ２及びゲート３を
写真製版により形成することができ、フォトレジストの
パタ−ン形状と膜厚により直接制御できる。このためス
ピント型よりも形状を制御し易い利点がある。Unlike the Spindt type, the flat field emission element thus formed can form the emitter 2 and the gate 3 by photolithography, and can be directly controlled by the pattern shape and the film thickness of the photoresist. it can. Therefore, there is an advantage that the shape can be controlled more easily than the Spindt type.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな平面型の電界放射素子においては、平面上に電界放
射素子を配列するので、スピント型ほど密度を上げるこ
とは出来ない。つまり、図１５に示されるように平面型
を多数配列する場合、エミッタ２とゲ−ト３と対向する
面は１次元的に伸び、電界放出の起こるポイントはこの
線上となる。従って、電界放射のポイントの密度を上げ
るためには、エミッタ２の幅ｗ１とゲート３の幅ｗ２を
狭くしなければならず、途中で断線する確率が高まる。
よって、歩留りよく、製造することが困難となる。However, in such a flat type field emission device, since the field emission devices are arranged on a plane, the density cannot be increased as much as the Spindt type. That is, in the case of arranging a large number of plane types as shown in FIG. 15, the surface facing the emitter 2 and the gate 3 extends one-dimensionally, and the point where field emission occurs is on this line. Therefore, in order to increase the density of points in the field emission has to narrow the width w 2 of width w 1 and the gate 3 of the emitter 2, increases the probability of breakage in the middle.
Therefore, the yield is good and it becomes difficult to manufacture.
【００１１】また、エミッタ２の楔型の飛び出した部分
では電界集中が起こり、電界放射のポイントとなるが、
楔型の引っ込んだ部分は電界放射のポイントとならない
ため、電界放射のポイントの密度は幾何学的に制限を受
けることになり、高密度化を進めるうえでは、大きな障
害となる。以上説明したように、従来のスピント型及び
平面型の電界放射素子においては、特性のバラツキを抑
え、高密度に形成することは困難であった。Further, electric field concentration occurs in the wedge-shaped protruding portion of the emitter 2 and becomes a point of field emission.
Since the wedge-shaped recessed portion does not serve as a field emission point, the density of the field emission point is geometrically limited, which is a major obstacle in promoting higher density. As described above, in the conventional Spindt-type and planar-type field emission devices, it is difficult to suppress variations in characteristics and form them at high density.
【００１２】本発明は係る課題を解決するためなされた
ものであって、高密度に電界放射素子が配列でき、特性
のバラツキが小さいエミッタの形状を提供するととも
に、さらにこの電界放射素子を歩留りよく容易に製造で
きる製造方法を提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and provides a shape of an emitter in which field emission elements can be arranged in high density and has a small variation in characteristics, and the field emission elements can be produced with high yield. It is an object to provide a manufacturing method that can be easily manufactured.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の電界放射素子
は、基板上に円柱状または多角柱状に形成され、かつ遊
端側の縁部を鋭角状に突出させて形成されたエミッタ
と、このエミッタの縁部と微小間隙を有するように対向
配置されたゲートとを備えたものである。A field emission device according to the present invention includes an emitter formed on a substrate in a cylindrical shape or a polygonal shape, and having an edge portion on a free end side protruding in an acute angle. It is provided with an edge portion of the emitter and a gate arranged so as to face each other so as to have a minute gap.
【００１４】また、第２の発明の電界放射素子の製造方
法は、基板に円柱状または多角柱状を形成する工程と、
上記円柱または多角柱の表面に酸化膜を形成する熱処理
工程と、上記酸化膜を除去することによって円柱または
多角柱の縁部を尖らす工程とにより、エミッタを形成す
る工程とを備えたことを特徴とするものである。The method of manufacturing a field emission device according to the second aspect of the present invention comprises a step of forming a columnar shape or a polygonal columnar shape on the substrate,
A heat treatment step of forming an oxide film on the surface of the cylinder or the polygonal column; and a step of forming an emitter by the step of sharpening the edge of the cylinder or the polygonal column by removing the oxide film. It is a feature.
【００１５】また、第３の発明の電界放射素子は、基板
上に円柱状または多角柱状に形成され、かつ柱状側壁が
金属薄膜で覆われたエミッタと、このエミッタの金属薄
膜と微小間隙を有するように対向配置されたゲートとを
備えたものである。Further, the field emission device of the third invention has an emitter which is formed in a cylindrical shape or a polygonal pillar shape on the substrate and whose side wall is covered with a metal thin film, and a minute gap between the metal thin film of the emitter. Thus, the gates are arranged so as to face each other.
【００１６】さらに、第４の発明の電界放射素子は、基
板上に円柱状または多角柱状に形成され、かつ外周の全
ての角が外方向に突出して形成されたエミッタと、この
エミッタの外周角と微小間隙を有し対向配置されたゲー
トとを備えたものである。Further, the field emission device according to the fourth aspect of the present invention is an emitter which is formed on the substrate in a cylindrical shape or a polygonal pillar shape, and in which all the corners of the outer circumference are projected outwardly, and the outer circumference angle of this emitter. And a gate having a minute gap and facing each other.
【００１７】[0017]
【作用】このように構成された電界放射素子において
は、基板上に形成された円柱状または多角柱状の遊端側
の縁部を鋭角に突出させているので、ゲートに電圧をか
けることによって、上記エミッタ縁部の突出部の近傍が
高電界となり電子を放出させる。さらに、エミッタが柱
状形状であるので、エミッタの高さのばらつきを抑える
ことによって、電界放射素子の特性のばらつきを抑える
ことができるとともに、高密度に配列することができ
る。In the field emission device configured as described above, since the edge of the columnar or polygonal column formed on the substrate on the free end side is projected at an acute angle, by applying a voltage to the gate, A high electric field is generated in the vicinity of the protruding portion of the edge portion of the emitter to emit electrons. Further, since the emitter has a columnar shape, by suppressing the variation in the height of the emitter, it is possible to suppress the variation in the characteristics of the field emission device and to arrange them in high density.
【００１８】また、上記電界放射素子の製造方法におい
ては、熱処理によっての表面に酸化膜を形成する際に、
円柱状または多角状の遊端側の縁部に応力集中させ、上
記酸化膜を除去することによって、エミッタの電子放出
ポイントを容易に形成できる。In the method for manufacturing the field emission device, when the oxide film is formed on the surface by heat treatment,
An electron emission point of the emitter can be easily formed by concentrating stress on the edge of the columnar or polygonal shape on the free end side and removing the oxide film.
【００１９】さらに、他の発明の電界放射素子は、エミ
ッタが基板上に円柱状または多角柱状に形成され、かつ
柱状側壁が金属薄膜で覆われているので、エミッタの金
属薄膜部より電子が放出される。Further, in the field emission device of another invention, the emitter is formed in a cylindrical shape or a polygonal pillar shape on the substrate and the side wall of the pillar is covered with the metal thin film, so that electrons are emitted from the metal thin film portion of the emitter. To be done.
【００２０】また、円柱状または多角柱状に形成され、
かつ外周の全ての角が外方向に突出して形成されたエミ
ッタを有する電界放射素子においては、全ての角が電子
の放出ポイントとなるので、高密度に配列することがで
きる。Further, it is formed in a columnar shape or a polygonal pillar shape,
In addition, in a field emission device having an emitter formed so that all the corners of the outer periphery project outward, all the corners serve as electron emission points, so that they can be arranged at high density.
【００２１】[0021]
実施例１．図１は本発明の一実施例の電界放射素子を示
す断面図、図２は本発明の電界放射素子を多数配列した
場合の斜視図である。この図において、１は例えばシリ
コン（Ｓｉ）からなる基板、２は例えばシリコン（Ｓ
ｉ）等からなる直径１μｍの円柱状に形成され、上部の
縁が数百Åサイドに突出しているエミッタで、上記Ｓｉ
はＮ型でＰが不純物として含まれており、３〜５Ωｃｍ
の抵抗率である。３はこのエミッタの縁部と微小間隙を
介して対向配置され、膜厚約５０００ÅのＭｏの蒸着膜
からなるゲ−トで、この例ではこのゲート３とエミッタ
２との微小間隙は約０．１μｍ以下に形成されている。
４は上記エミッタ２と上記ゲート３とを電気的に絶縁す
る絶縁層で、下層部にＳｉの酸化膜１１が形成されてい
る。Example 1. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a field emission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view when a large number of field emission devices according to the present invention are arranged. In this figure, 1 is a substrate made of, for example, silicon (Si), and 2 is, for example, silicon (S).
i) An emitter that is formed into a cylindrical shape with a diameter of 1 μm and has an upper edge protruding to several hundred Å sides.
Is N-type and contains P as an impurity, and is 3 to 5 Ωcm.
Is the resistivity of. 3 is a gate made of a vapor-deposited film of Mo having a film thickness of about 5000 Å, which is arranged so as to face the edge of the emitter with a minute gap. In this example, the minute gap between the gate 3 and the emitter 2 is about 0. It is formed to 1 μm or less.
An insulating layer 4 electrically insulates the emitter 2 and the gate 3 from each other, and a Si oxide film 11 is formed in the lower layer.
【００２２】このように構成された電界放射素子におい
ても、図２に示されるように従来と同様に、高密度にマ
トリクス状に配される。Also in the field emission device having such a structure, as shown in FIG. 2, as in the conventional case, they are arranged in a high density matrix.
【００２３】次に、本発明の電界放射素子の製造方法を
図３に基づいて説明する。まず図３（ａ）に示されるよ
うに、Ｓｉ基板１上に約１μｍ径の円形レジストマスク
１２をフォトレジストを用いて形成する。次に図３
（ｂ）に示されるように、これをマスクとしてイオンビ
ームエッチング（以下ＩＢＥと略記）にて、上記円形レ
ジストマスク１２と同一形状に約１μｍエッチングし、
エミッタ２となる円柱形状を形成する。その後、フォト
レジストマスク１２を剥離し、９５０℃の水蒸気を含む
酸素ガス（Ｏ2）中で熱処理する。これにより、図３
（ｃ）に示されるように、約１５００ÅのＳｉの熱酸化
膜１１が形成される。この熱処理時に、エミッタ２の表
面は酸化により膨張し、エミッタ２の円柱上部の縁では
応力が集中し、この応力集中部分では酸素の浸透が妨げ
られて突起形状が酸化されずに残ることとなる。さら
に、図３（ｄ）に示されるように、この熱酸化膜１１上
にＳｉＯの絶縁膜９を１．５μｍ蒸着し、ゲ−ト３とな
るＭｏ膜１０を５０００Å蒸着により形成する。この
後、図３（ｅ）に示されるようにフッ酸（ＨＦ）を含む
エッチング液を用いてエミッタ２上の絶縁膜９及び熱酸
化膜１１を除去することによって、ゲ−ト３より微小隙
間離れたエミッタ２が形成されることとなる。Next, a method of manufacturing the field emission device of the present invention will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3A, a circular resist mask 12 having a diameter of about 1 μm is formed on the Si substrate 1 by using a photoresist. Next in FIG.
As shown in (b), this is used as a mask to perform ion beam etching (hereinafter abbreviated as IBE) to perform etching in the same shape as the circular resist mask 12 by about 1 μm,
A columnar shape to be the emitter 2 is formed. After that, the photoresist mask 12 is peeled off, and a heat treatment is performed at 950 ° C. in an oxygen gas (O 2 ) containing water vapor. As a result, FIG.
As shown in (c), a thermal oxide film 11 of Si of about 1500 Å is formed. At the time of this heat treatment, the surface of the emitter 2 expands due to oxidation, stress concentrates on the edge of the upper part of the cylinder of the emitter 2, oxygen penetration is impeded at this stress concentration part, and the projection shape remains unoxidized. .. Further, as shown in FIG. 3 (d), an insulating film 9 of SiO is vapor-deposited on the thermal oxide film 11 by 1.5 μm, and a Mo film 10 to be the gate 3 is formed by vapor deposition of 5000 Å. After that, as shown in FIG. 3E, the insulating film 9 and the thermal oxide film 11 on the emitter 2 are removed by using an etching solution containing hydrofluoric acid (HF), so that a finer gap than the gate 3 is formed. The emitters 2 separated from each other will be formed.
【００２４】また、この製造方法においては、基板１か
らゲ−ト３上面までの高さを基板１からエミッタ２上面
までの高さと絶縁膜４の厚みを加えた高さより低くす
る。なぜなら、絶縁膜４をエッチングする際、絶縁膜４
がゲ−ト３膜の上部に露出しないので、エミッタ２の上
にある絶縁膜４とエミッタ２周囲の熱酸化膜１１を除く
ことができなくなるためである。Further, in this manufacturing method, the height from the substrate 1 to the upper surface of the gate 3 is made lower than the sum of the height from the substrate 1 to the upper surface of the emitter 2 and the thickness of the insulating film 4. This is because when the insulating film 4 is etched, the insulating film 4
Is not exposed to the upper part of the gate 3 film, so that the insulating film 4 on the emitter 2 and the thermal oxide film 11 around the emitter 2 cannot be removed.
【００２５】このように形成された電界放射素子におい
ては、エミッタ２の径が１μｍでエミッタ２とゲート３
のギャップが約０．１μｍ以下に形成できるので、従来
の電界放射素子同様にエミッタ２とゲ−ト３間に約１０
０Ｖの電圧を印加すると、エミッタ２縁部の尖った部分
近傍では約１０7Ｖ／ｃｍの高電界となり、円柱上部の
縁全体より電界放出が可能となり、電子が放出される。In the field emission device thus formed, the diameter of the emitter 2 is 1 μm and the emitter 2 and the gate 3 are
Since the gap between the emitter 2 and the gate 3 can be formed to be about 0.1 μm or less, the gap between the emitter 2 and the gate 3 is about 10 μm.
When a voltage of 0 V is applied, a high electric field of about 10 7 V / cm is generated in the vicinity of the sharp edge of the edge of the emitter 2, field emission becomes possible from the entire edge of the upper part of the cylinder, and electrons are emitted.
【００２６】上記電界放射素子においては、エミッタ径
が約１μｍの円の面積しか必要としないため、高密度に
形成することが可能である。また、このエミッタ２の円
柱上部の縁の一ケ所だけしか電界放射が起こらないとし
ても、電界放出発生ポイントは１個／μｍ2 となり、そ
の密度は約１０6個／ｍｍ2の高密度となる。The field emission device described above requires only a circular area having an emitter diameter of about 1 μm, and therefore can be formed at a high density. Further, even if the field emission occurs only at one edge of the upper part of the cylinder of the emitter 2, the field emission generation point is 1 / μm 2 and the density thereof is as high as about 10 6 / mm 2. ..
【００２７】さらに、この電界放射素子のエミッタ２の
先端の尖り具合は、熱酸化前の円柱形状と熱酸化の処理
時間、熱処理温度により決まる。従って、この円柱形状
はフォトレジストマスク１２形状にて精度良く制御さ
れ、熱酸化の処理時間や温度は条件を整えることによっ
て数十Åの精度が得られる。Furthermore, the sharpness of the tip of the emitter 2 of this field emission device is determined by the cylindrical shape before thermal oxidation, the thermal oxidation treatment time, and the thermal treatment temperature. Therefore, the cylindrical shape is controlled with high precision by the shape of the photoresist mask 12, and the processing time and temperature of thermal oxidation can be adjusted to several tens of degrees by adjusting the conditions.
【００２８】また、エミッタ２とゲ−ト３間の微小間隙
も熱酸化膜厚によって制御されるので、エミッタ２とゲ
−ト３の隙間の精度は高く再現性も良い。Since the minute gap between the emitter 2 and the gate 3 is also controlled by the thermal oxide film thickness, the gap between the emitter 2 and the gate 3 is highly accurate and reproducible.
【００２９】さらに、この発明の電界放射素子のエミッ
タ２は、従来のスピント型のように針状でないため、エ
ミッタ２の高さにバラツキが少なく、再現性よく形成す
ることができる。従って、マトリクス状に配した際に、
電界放射素子間にバラツキを小さく抑えることができ
る。Furthermore, since the emitter 2 of the field emission device of the present invention is not needle-shaped like the conventional Spindt type, there is little variation in the height of the emitter 2 and it can be formed with good reproducibility. Therefore, when arranged in a matrix,
It is possible to suppress variations among the field emission elements.
【００３０】さらに、エミッタ２の電子放出ポイント
は、シリコンをフッ酸でエッチングした面であるが、こ
の面は酸化されにくく吸着原子の影響が少ないので、電
界放射が長期間に亘って安定して行われる。Further, the electron emission point of the emitter 2 is a surface obtained by etching silicon with hydrofluoric acid. Since this surface is hardly oxidized and the influence of adsorbed atoms is small, the field emission is stable for a long period of time. Done.
【００３１】また、この実施例のエミッタ２形状は円柱
であったが、図４に示されるように四角柱または多角柱
であっても同様な効果が得られることは言うまでもな
い。Further, the shape of the emitter 2 in this embodiment is a cylinder, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if it is a square pillar or a polygonal pillar as shown in FIG.
【００３２】実施例２．図５に本発明の他の実施例を示
す。この図において、エミッタ２はＳｉの柱状体２ａと
この柱状体２ａ上に形成された鉄（Ｆｅ）などの金属膜
２ｂとから構成され、この金属膜２ｂの直径は約１μｍ
に形成されている。ゲ−ト３は膜厚５０００ÅのＭｏの
蒸着膜からなり、エミッタ２との隙間は約０．１μｍで
ある。絶縁層４は、膜厚１．５μｍのＳｉＯの蒸着膜と
膜厚３０００Åの熱酸化膜１１からなる。Example 2. FIG. 5 shows another embodiment of the present invention. In this figure, the emitter 2 is composed of a Si columnar body 2a and a metal film 2b such as iron (Fe) formed on the columnar body 2a, and the diameter of the metal film 2b is about 1 μm.
Is formed in. The gate 3 is made of a vapor-deposited film of Mo having a thickness of 5000Å, and the gap between the gate 3 and the emitter 2 is about 0.1 μm. The insulating layer 4 is composed of a vapor deposited film of SiO having a film thickness of 1.5 μm and a thermal oxide film 11 having a film thickness of 3000 Å.
【００３３】このように構成された電界放射素子の製造
方法を、図６を用いて説明する。こまず、エミッタ２を
構成する金属膜２ｂとなるＦｅ膜をスパッタリング等の
方法でＳｉ基板１上に成膜した後、フォトレジストで円
形のパタ−ンを形成し、ＩＢＥ等でＦｅ膜を、図６
（ａ）に示されるように形成する。次に、図６（ｂ）に
示されるようにフォトレジスト除去後、８５０℃の水蒸
気を含む酸素中で熱処理する。このとき、金属膜２ｂの
表面は熱酸化される。この酸化膜１３はＦｅ3Ｏ4で、膜
厚は約１５００Åである。この熱処理は金属膜２の上面
の縁を尖らせる働きとエミッタ２とゲ−ト３間の間隔を
約０．１μｍに決定する働きがある。熱処理後、金属膜
２ｂをマスクとし、Ｓｉ基板１をＳＦ6によるＲＩＥに
より等方性エッチングを施すことによって、金属膜２ｂ
下部に適度のサイドエッチが生じ、図６（ｃ）に示され
るように金属膜２ｂは径の小さいＳｉ柱状体２ａで支え
られることとなる。次に、図６（ｄ）に示されるよう
に、絶縁層４となるＳｉＯを１．５μｍ蒸着し、その上
にゲート膜となるＭｏを０．５μｍ蒸着する。この後図
６（ｅ）及び（ｆ）に示されるように、絶縁膜４をＨＦ
を含むエッチング液にてエッチングし、さらにチオグリ
コ−ル酸、クロム酸ナトリウムを主成分とするエッチン
グ液に漬け、エミッタ２を陽極として電圧をかけること
により、金属膜２ｂの周囲の酸化膜１３をエッチングし
て除去し、電界放射素子を完成する。A method of manufacturing the field emission device having the above structure will be described with reference to FIG. First, after forming a Fe film to be the metal film 2b constituting the emitter 2 on the Si substrate 1 by a method such as sputtering, a circular pattern is formed with photoresist, and the Fe film is formed by IBE or the like. Figure 6
It is formed as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 6B, after removing the photoresist, heat treatment is performed at 850 ° C. in oxygen containing water vapor. At this time, the surface of the metal film 2b is thermally oxidized. The oxide film 13 is Fe 3 O 4 and has a film thickness of about 1500Å. This heat treatment has a function of sharpening the edge of the upper surface of the metal film 2 and a function of determining the interval between the emitter 2 and the gate 3 to be about 0.1 μm. After the heat treatment, the metal film 2b is subjected to isotropic etching by RIE with SF 6 using the metal film 2b as a mask.
An appropriate side etch occurs in the lower part, and the metal film 2b is supported by the Si columnar body 2a having a small diameter as shown in FIG. 6 (c). Next, as shown in FIG. 6D, SiO to be the insulating layer 4 is vapor-deposited to 1.5 μm, and Mo to be a gate film is vapor-deposited thereon to 0.5 μm. Thereafter, as shown in FIGS. 6E and 6F, the insulating film 4 is HF
Etching is performed with an etching liquid containing thioglycolic acid and sodium chromate, and the oxide film 13 around the metal film 2b is etched by applying a voltage with the emitter 2 as an anode. Then, the field emission element is completed.
【００３４】上記電界放射素子においては、エミッタ２
の電界放出ポイントが金属で形成されているので、実施
例１の電界放射素子に比べ同じ電界においても発生する
電流の密度は高くできる。なぜなら、金属はＳｉなどの
半導体よりもキャリアの濃度が高いためである。In the above field emission device, the emitter 2
Since the field emission points of are formed of metal, the density of the generated current can be increased even in the same electric field as compared with the field emission device of the first embodiment. This is because metal has a higher carrier concentration than semiconductors such as Si.
【００３５】また、この実施例にて金属膜２ｂの径より
小さいＳｉの柱状体２ａで支えられているのは、電気容
量を減らす為であって、電気容量を減らすことによって
高速動作が可能となるためである。よって、高速動作を
必要としない場合には金属膜２ｂと同じ径であっても何
ら問題がないことは言うまでもない。In this embodiment, the Si columnar body 2a, which is smaller than the diameter of the metal film 2b, supports it to reduce the electric capacity. By reducing the electric capacity, high speed operation is possible. This is because Therefore, it goes without saying that there is no problem even if the diameter is the same as that of the metal film 2b when high speed operation is not required.
【００３６】さらに、高速動作を必要としない場合に
は、Ｓｉ柱状体２ａで支えずとも金属膜２ｂの厚みを厚
くし、金属のみで実施例１と同様な形状にしてもよく、
上記実施例より電流密度は高くできる。Further, when high speed operation is not required, the metal film 2b may be thickened without being supported by the Si columnar body 2a, and the same shape as that of the first embodiment may be formed by using only metal.
The current density can be made higher than in the above embodiment.
【００３７】また、上記製造方法において、図６（ｂ）
と（ｃ）の順を入れ換える。つまり、エミッタ２のパタ
ーンとなる円形パターンを形成し、その後ＲＩＥにてＳ
ｉ柱状体２ａを形成後、熱処理することによって金属膜
２ｂの下面の縁にも尖った形状が表れる。従って、下面
をゲ−ト３に対向させるように絶縁膜厚やゲ−ト膜厚を
調整することによって、金属膜２ｂの上面及び下面とも
に電界放射のポイントとすることができる。Further, in the above manufacturing method, FIG.
Swap the order of and (c). In other words, a circular pattern to be the pattern of the emitter 2 is formed, and then S
After the i columnar body 2a is formed, heat treatment causes a sharp shape to appear on the lower edge of the metal film 2b. Therefore, by adjusting the insulating film thickness and the gate film thickness so that the lower surface faces the gate 3, both the upper surface and the lower surface of the metal film 2b can be used as the field emission point.
【００３８】実施例３．本発明の実施例３について、図
７に基づいて説明する。図においては、２はＳｉの円柱
２ａの側壁にタングステン（Ｗ）の約１０００Å薄膜１
４が形成されているエミッタ、３はＡｕ膜３ａとＣｒ膜
３ｂの金属膜からなるゲートで、Ａｕの膜厚は５０００
Å、Ｃｒの膜厚は５００Åであって、ＣｒはＡｕと絶縁
層４の間の密着を確保するために設けられている。４は
絶縁層で、０．８μｍのＳｉＯ膜４ａとエミッタ２とゲ
−ト３の隙間をセルフアラインメントで形成するための
０．１μｍのＳｉＯ2膜４ｂからなる。また、ここでゲ
−ト３の穴の径は１μｍ、エミッタ２の外径は０．８μ
ｍであり、エミッタ２の上面までの高さは１μｍであ
る。Example 3. A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 2 is a thin film of tungsten (W) of about 1000 Å on the side wall of the Si cylinder 2a.
An emitter 3 in which 4 is formed is a gate made of a metal film of Au film 3a and Cr film 3b, and the film thickness of Au is 5000.
The thicknesses of Å and Cr are 500 Å, and Cr is provided to ensure the adhesion between Au and the insulating layer 4. An insulating layer 4 is composed of a 0.8 μm SiO film 4a and a 0.1 μm SiO 2 film 4b for forming a gap between the emitter 2 and the gate 3 by self-alignment. The diameter of the hole of the gate 3 is 1 μm and the outer diameter of the emitter 2 is 0.8 μm.
m, and the height to the upper surface of the emitter 2 is 1 μm.
【００３９】次に、この電界放射素子の製作方法を図８
に基づいて説明する。まず、図８（ａ）に示されるよう
に、Ｓｉ基板１上にフォトレジストで円形のパタ−ン１
２を形成し、ＩＢＥまたはＲＩＥの異方性エッチングに
よって約１μｍの円柱２ａを形成する。次に、図８
（ｂ）に示されるように、フォトレジストを除去してか
ら約１０００ÅのＷ膜１４をスパッタリングにより成膜
し、図８（ｃ）に示されるように、約１０００ÅのＳｉ
Ｏ2膜４ｂをスパッタリングにより成膜する。図８
（ｄ）に示されるように、蒸着によりＳｉＯ膜４ａとＣ
ｒ膜３ｂ、Ａｕ膜３ａをそれぞれ０．８μｍ、５００
Å、５０００Å成膜する。図８（ｅ）に示されるよう
に、エミッタ２上のＳｉＯ膜４ａをＨＦでエッチング
し、スパッタＳｉＯ2膜４ｂを露出させ、続いてスパッ
タＳｉＯ2膜４ｂも同じエッチング液で除去する。最後
に図８（ｆ）に示されるように、エミッタ２の上部にあ
るタングステン膜１４をＩＢＥで除く。Next, a method of manufacturing this field emission device will be described with reference to FIG.
It will be explained based on. First, as shown in FIG. 8A, a circular pattern 1 made of photoresist is formed on the Si substrate 1.
2, and a cylinder 2a of about 1 μm is formed by IBE or RIE anisotropic etching. Next, FIG.
As shown in (b), after removing the photoresist, a W film 14 of about 1000 Å is formed by sputtering, and as shown in FIG. 8C, Si of about 1000 Å is formed.
The O 2 film 4b is formed by sputtering. Figure 8
As shown in (d), the SiO films 4a and C are deposited by vapor deposition.
The r film 3b and the Au film 3a are 0.8 μm and 500, respectively.
Å 5000 Å Film formation. As shown in FIG. 8 (e), a SiO film 4a on the emitter 2 is etched with HF, exposing the sputtered SiO 2 film 4b, followed by sputtered SiO 2 film 4b is also removed in the same etching solution. Finally, as shown in FIG. 8F, the tungsten film 14 on the emitter 2 is removed by IBE.
【００４０】このようにエミッタ２の側壁が金属薄膜１
４で覆われることによって、実施例１のようにエミッタ
２の上面の縁を突出させずともエミッタ２の縁部近傍を
高電界にすることができ、エミッタ２より電子放出させ
ることができる。また、エミッタ２の形状は実施例１と
同様であるので、実施例１と同様に高密度に配列でき
る。Thus, the side wall of the emitter 2 is the metal thin film 1
By being covered with 4, the high electric field can be generated in the vicinity of the edge of the emitter 2 without causing the edge of the upper surface of the emitter 2 to project as in the first embodiment, and electrons can be emitted from the emitter 2. Further, since the shape of the emitter 2 is the same as that of the first embodiment, the emitters 2 can be arranged at a high density as in the first embodiment.
【００４１】さらに、エミッタ２材料には金属が選択で
きるため、高密度の電子放出が可能である。また、エミ
ッタ２材料はこの実施例ではタングステンとしたが、Ｈ
Ｆに侵されなければ他の金属でもよく、ＳｉＯ2膜４ｂ
の代わりに他の絶縁膜を選ぶことによって、フッ酸以外
のエッチング液を選ぶことも可能で、エミッタ２材料の
選択をさらに広げることも可能である。Further, since a metal can be selected as the material of the emitter 2, high density electron emission is possible. Further, although the material of the emitter 2 is tungsten in this embodiment, H
Other metals may be used as long as they are not attacked by F, SiO 2 film 4b.
By selecting another insulating film instead of, it is possible to select an etching solution other than hydrofluoric acid, and it is possible to further expand the selection of the emitter 2 material.
【００４２】実施例４．図９は、本発明の他の実施例に
おけるエミッタ２の上面図を示すものであって、この実
施例においては、エミッタ２の形状が円柱でなく、外周
の全ての角が凸角、つまり外方向に突出して形成されて
いる多角柱に形成されている。このような多角形状のエ
ミッタ２では、凸角の部分に電界が集中するため、低電
圧で電界放射が可能である。また、ここでエミッタ２を
凸角のみで形成するのは、凸角のみ電界放出ポイントと
なり得るので、凹角を形成しないことで形状を複雑とす
ることを防ぎ、エミッタ２を小さく形成できる。Example 4. FIG. 9 is a top view of an emitter 2 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the shape of the emitter 2 is not a cylinder, but all the corners of the outer circumference are convex, that is, the outside. It is formed in a polygonal column that is formed so as to project in the direction. In such a polygonal emitter 2, the electric field is concentrated on the convex-angled portion, so that field emission can be performed at a low voltage. Further, forming the emitter 2 only with the convex angle here can serve as a field emission point only for the convex angle, so that the complicated shape due to not forming the concave angle can be prevented, and the emitter 2 can be formed small.
【００４３】さらに、実施例１と同様の素子サイズとす
るためには１μｍ以下で、正確に角形状を制御する必要
があり、電子ビ−ム露光を適用することによって可能と
なる。Furthermore, in order to obtain the same element size as that of the first embodiment, it is necessary to control the angular shape accurately with 1 μm or less, which is possible by applying the electron beam exposure.
【００４４】[0044]
【発明の効果】この発明は以上述べたように、円柱状ま
たは多角柱状のエミッタであっても、エミッタの遊端側
の縁部を鋭角状に突出させること、また側壁を金属薄膜
で覆うこと、外周の全ての角を外方向に突出させること
によって、エミッタの縁部より電子を放出させることが
できるので、特性のばらつきを抑え、高密度に配列でき
るという効果を有する。As described above, according to the present invention, even in the case of a cylindrical or polygonal emitter, the free end side edge portion of the emitter is projected in an acute angle, and the side wall is covered with a metal thin film. By projecting all the corners of the outer periphery in the outward direction, electrons can be emitted from the edge portion of the emitter, so that variations in characteristics can be suppressed and the elements can be arranged at high density.
【００４５】さらに、この発明の製造方法では、熱処理
によって電子の放出ポイントを形成できるので、容易に
再現性良く製造できるという効果を有する。Further, in the manufacturing method of the present invention, since the electron emission points can be formed by the heat treatment, there is an effect that the manufacturing can be easily and reproducibly manufactured.
【図１】本発明の実施例１を示す電界放射素子の断面図
である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a field emission device showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例１の電界放射素子を配列させた
斜視図である。FIG. 2 is a perspective view in which the field emission devices according to the first embodiment of the present invention are arranged.
【図３】本発明の実施例１の電界放射素子の製造プロセ
ス図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the field emission device according to the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施例１の電界放射素子を配列させた
斜視図である。FIG. 4 is a perspective view in which the field emission devices according to the first embodiment of the present invention are arranged.
【図５】本発明の実施例２を示す電界放射素子の断面図
である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a field emission device showing a second embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施例２の電界放射素子の製造プロセ
ス図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of a field emission device according to a second embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施例３を示す電界放射素子の断面図
である。FIG. 7 is a sectional view of a field emission device showing a third embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施例３の電界放射素子の製造プロセ
ス図である。FIG. 8 is a manufacturing process diagram of the field emission device according to the third embodiment of the present invention.
【図９】本発明の実施例３を示す電界放射素子のエミッ
タ上面図である。FIG. 9 is a top view of the emitter of the field emission device showing the third embodiment of the present invention.
【図１０】従来のスピント型の電界放射素子の断面図で
ある。FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional Spindt-type field emission device.
【図１１】従来のスピント型の電界放射素子を配列させ
た斜視図である。FIG. 11 is a perspective view in which conventional Spindt-type field emission devices are arranged.
【図１２】従来のスピント型の電界放射素子の製造プロ
セス図である。FIG. 12 is a manufacturing process diagram of a conventional Spindt-type field emission device.
【図１３】従来の平面型の電界放射素子の平面図であ
る。FIG. 13 is a plan view of a conventional flat-type field emission device.
【図１４】従来の平面型の電界放射素子の製造プロセス
図である。FIG. 14 is a manufacturing process diagram of a conventional planar field emission device.
【図１５】従来の平面型の電界放射素子を配列させた平
面図である。FIG. 15 is a plan view in which conventional planar field emission devices are arranged.
２ エミッタ ３ ゲ−ト １１ 熱酸化膜 １４ 金属薄膜 2 Emitter 3 Gate 11 Thermal oxide film 14 Metal thin film
Claims (4)
れ、かつ遊端側の縁部を鋭角状に突出させて形成された
エミッタと、このエミッタの縁部と微小間隙を有するよ
うに対向配置されたゲートとを備えた電界放射素子。1. An emitter formed in a columnar shape or a polygonal pillar shape on a substrate and having an edge portion on a free end side protruding in an acute angle, and an emitter edge portion facing each other with a minute gap therebetween. A field emission device having a gate disposed therein.
工程と、上記円柱または多角柱の表面に酸化膜を形成す
る熱処理工程と、上記酸化膜を除去することによって円
柱または多角柱の縁部を尖らす工程とにより、エミッタ
を形成することを特徴とする電界放射素子の製造方法。2. A step of forming a cylindrical or polygonal column on a substrate, a heat treatment step of forming an oxide film on the surface of the column or the polygonal column, and an edge portion of the column or the polygonal column by removing the oxide film. A method of manufacturing a field emission device, characterized in that an emitter is formed by a step of sharpening the.
れ、かつ柱状側壁が金属薄膜で覆われたエミッタと、こ
のエミッタの金属薄膜と微小間隙を有するように対向配
置されたゲートとを備えた電界放射素子。3. An emitter formed in a columnar shape or a polygonal columnar shape on a substrate and having a columnar side wall covered with a metal thin film, and a gate arranged to face the metal thin film of the emitter so as to have a minute gap. Field emission element.
れ、かつ外周の全ての角が外方向に突出して形成された
エミッタと、このエミッタの外周角と微小間隙を有する
ように対向配置されたゲートを備えた電界放射素子。4. An emitter, which is formed in a cylindrical shape or a polygonal pillar shape on a substrate, and whose outer peripheral corners are formed so as to project outward, and an emitter outer peripheral corner and a small gap, which are arranged to face each other. Field emission device with a closed gate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3285997A JPH05120991A (en) | 1991-10-31 | 1991-10-31 | Electric field emission element and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3285997A JPH05120991A (en) | 1991-10-31 | 1991-10-31 | Electric field emission element and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05120991A true JPH05120991A (en) | 1993-05-18 |
Family
ID=17698675
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| JP3285997A Pending JPH05120991A (en) | 1991-10-31 | 1991-10-31 | Electric field emission element and its manufacture |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05120991A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100279749B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-03-02 | 정선종 | Manufacturing method of field emission array superimposed gate and emitter |
-
1991
- 1991-10-31 JP JP3285997A patent/JPH05120991A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100279749B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-03-02 | 정선종 | Manufacturing method of field emission array superimposed gate and emitter |
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