JPH06310023A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電子放出素子の構造及び製造方法において、尖
ったエミッタ電極を蒸着により形成する際の小孔の開口
部直径を縮小制御せずに形成でき、尖ったエミッタ電極
の大きさ、高さ等にばらつきの無い安定した品質を得る
ことにある。 【構成】導電性基板１０上に絶縁層１１とゲート電極層
１２と絶縁層１１及びゲート電極層１２に形成された所
要の大きさの複数の小孔１４を備えた電子放出素子にお
いて、異方性エッチングにより孔設された小孔１４内底
部に斜方蒸着による凹状のエミッタ電極１５を備え、該
エミッタ電極１５にその側方周囲の絶縁層１１を等方性
エッチングでエッチング除去して形成された尖った先端
部１６を備えた電子放出素子及びその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板型画像表示装置等
に用いられる電子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】最近、情報化社会の進展によりテレビや
コンピュータ等に用いられるディスプレイ装置は、マン
・マシン・インタフェースとして今や不可欠のものとな
っている。

【０００３】ディスプレイ装置のいろいろな用途への拡
大とともに、表示品質や性能に対する要求は、より厳し
くなってきた。現状の開発動向は、特に大型化と高精細
化と平面化であり、平面ディスプレイとして液晶ディス
プレイが伸びてきており、その理由としては、従来のＣ
ＲＴ表示に比べて小型で、重量が軽く、薄型であるこ
と、そのため航空機、鉄道、車等の狭い空間でのディス
プレイ装置として新に用途が拡大した。

【０００４】この液晶ディスプレイの欠点は視野角が狭
いこと、バックライトの消費電力が大きいこと等であ
る。そこで、新しい薄型の自発光型ディスプレイ装置の
開発が望まれている。その薄型の自発光型ディスプレイ
装置に用いられる電子放出源として、熱電子よりも低消
費電力が可能な冷陰極の開発が活発に行なわれている。
特に電界放出型電子放出（放射）素子は、強電界（１０
⁷ Ｖ／ｃｍ）が冷陰極に集中するように、陰極の先端の
曲率半径がサブミクロン以下になるように加工されてい
る。このような電界放出型電子放出素子は、つぎのよう
な特徴をもっており、（１）電流密度が高い、（２）電
力消費が少ない、（３）近年のＬＳＩの製造技術である
微細加工技術が利用できることである。

【０００５】従来、この電界放出型の電子放出（放射）
素子および製造方法として、幾つか提案がなされてい
る。すなわち、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジ
ックス（１９６８年，第３９巻７号，ｐ.3504 〜3505）
や、特開昭６１ー２２１７８３号公報や、ジャパンディ
スプレイ（１９８６年版，ｐ.512〜514 ）等に記載され
ている。

【０００６】この従来の電子放出素子の代表的構造例を
図３の側断面図、図４の概要斜視図に示す。図中２１は
高濃度に不純物が選択的にドープされた低抵抗率のシリ
コン配線を持つ絶縁基板であり、この基板２１上に絶縁
層２３として熱酸化膜が形成されており、この絶縁層２
３はエッチングで形成された小孔２５が孔設されてい
る。小孔２５内には、電子放出部（エミッタ）としてモ
リブデンＭｏ、タングステンＷ等の高融点金属で且つ低
仕事関数金属である導電材料による第１導電膜２２（エ
ミッタ配線パターン）が形成されている。この第１導電
膜２２上には、尖った先端部を備えた電子放出部２６
（エミッタ電極（陰極））を備え、さらに小孔２５外側
の絶縁層２３（熱酸化膜等）上には、エミッタ電極を囲
んでゲート電極となるクロムＣｒやモリブデンＭｏ等の
薄膜による第２導電膜２４（ゲート電極）が形成されて
いるものである。

【０００７】上記従来の電子放出素子の製造方法は、図
５（ａ）〜（ｃ）に示すように、まず、図５（ａ）絶縁
性基板２１上に適宜パターン状の第１導電膜２２（エミ
ッタ配線パターン）と、絶縁層２３、及び第２導電膜２
４を順次形成する。

【０００８】次に、図５（ｂ）第２導電膜２４上に、フ
ォトリソグラフ法によりアレイ状に配列した直径１〜２
μｍの複数の微小パターンから構成されるレジストパタ
ーン（エッチングマスクパターン）を形成し、さらに等
方性エッチング（又は異方性エッチング）で、第２導電
膜２４と絶縁層２３に、第１導電膜２２まで達する小孔
２５を作製する。

【０００９】続いて、第２導電膜２４上より回転斜方蒸
着法により、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）のリフ
ト・オフ用金属等を用いて、直径１〜２μｍの小孔２５
開口部が閉塞する方向（開口部の直径が小さくなる方
向）に蒸着して、小孔２５の開口径を縮小させて、約
０．２〜０．７μｍの直径の縮小開口部を備えた小孔２
５を形成する。

【００１０】この縮小開口部の真上よりモリブデンＭｏ
やタングステンＷ等の高融点で且つ低仕事関数の金属を
絶縁性基板２１に対して垂直方向より蒸着すると、小孔
２５内における第１導電膜２２（エミッタ配線パター
ン）上に、先端側が次第に細く尖った形状のエミッタ電
極２６が形成されると同時に、開口部はモリブデンＭｏ
やタングステンＷ等の蒸着材料の蒸着により塞がれる。

【００１１】最後に、縮小開口部を形成していた銅（Ｃ
ｕ）やアルミニウム（Ａｌ）のみを選択的にエッチング
除去して、小孔２５の開口部が再び直径１〜２μｍに開
くことにより、図５（ｃ）に示すような、小孔２５内の
第１導電膜２２（エミッタ配線パターン）上に先端側が
次第に細く、尖った形状のエミッタ電極２６（陰極）を
持ち、小孔２５の開口部上に絶縁層２３を挟んで第２導
電膜２４（ゲート電極）を備えたアレイ状の電子放出素
子を作製する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の電子放出素
子の構造及び製造方法においては、小孔２５の縮小開口
部を形成するための銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）
の斜方蒸着と、先端側が尖った形状のエミッタ電極２６
を形成するためのモリブデン（Ｍｏ）やタングステン
（Ｗ）の垂直蒸着とを同時、又は別々に行なうため、製
造工程や製造条件制御が複雑であり、そのコントロール
が必要である。

【００１３】特に、上記従来の電子放出素子の構造及び
製造方法においては、斜方蒸着により銅やアルミニウム
を蒸着する際において、小孔２５の縮小開口部の直径の
大きさを均一に形成することが難しく、不均一である場
合には、尖ったエミッタ電極の大きさ、高さ等にばらつ
きが生じ、エミッタ電極２６の先端とゲート電極２４と
の距離で決まる動作電圧の均一性に影響を及ぼし、電子
放出素子による表示ムラとなったり、品質的な信頼性を
損なう心配があるため、電子放出素子の構造や製造法の
改良が望まれていた。

【００１４】本発明は、電子放出素子の構造及び製造方
法において、尖ったエミッタ電極を蒸着により形成する
際の小孔の開口部直径を縮小制御せずに比較的容易に形
成でき、尖ったエミッタ電極の大きさ、高さ等にばらつ
きの無い安定した品質の電子放出素子を得ることにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性基板１
０上に絶縁層１１と、ゲート電極層１２と、絶縁層１１
及びゲート電極層１２に形成された所要の大きさの複数
の小孔１４と、該小孔１４内に尖った先端部１６をもつ
エミッタ電極１５を備えた電子放出素子において、小孔
１４内底部に凹状または環状のエミッタ電極１５を備
え、該エミッタ電極１５頂部は、その側方周囲の絶縁層
１１をエッチング除去して形成された尖った環状の先端
部１６を備えていることを特徴とする電子放出素子であ
る。

【００１６】また本発明は、導電性基板１０上に絶縁層
１１を形成する工程と、前記絶縁層１１上にゲート電極
層１２を形成する工程と、前記ゲート電極層１２上にフ
ォトレジストをコーティングしパターン露光現像して複
数の小孔１３ａを配列した形状のレジストパターン１３
を形成する工程と、前記レジストパターン１３をマスク
として異方性ドライエッチングで前記絶縁層１１とゲー
ト電極層１２とを導電性基板１０が露呈するまでパター
ンエッチングして小孔１４を形成する工程と、前記レジ
ストパターン１３を除去する工程と、斜方蒸着にて前記
小孔１４底部の導電性基板１０上にエミッタ電極１５を
凹状に形成する工程と、等方性ドライエッチングによっ
て前記エミッタ電極１５側方周囲の絶縁層１１をエッチ
ングしてエミッタ電極１５に側断面尖鋭状先端部１６を
形成する工程とを含むことを特徴とする電子放出素子の
製造方法である。

【００１７】

【作用】本発明によれば、小孔１４内に形成される電子
放出用の尖ったエミッタ電極１５は、小孔１４底部の導
電性基板１０上に斜方蒸着によって形成された凹状又は
環状のエミッタ電極１５側方周囲の絶縁層１１を、等方
性ドライエッチングによってエッチング除去することに
よって、尖った環状の先端部１６がその凹状又は環状の
エミッタ電極１５頂部に形成されるので、従来のように
小孔１４の開口部直径を縮小して絞り込み調整するなど
の微細な条件の制御を採らずに、フォトリソグラフ法
と、異方性エッチング法と、斜方蒸着法と、等方性エッ
チング法とによる通常採用されている半導体製造プロセ
スを用いて比較的容易に製造でき、安定した品質の電子
放出素子が得られる。

【００１８】

【実施例】本発明の電子放出素子及びその製造方法を、
図１に示す第１実施例の製造工程に従って以下に順に説
明する。

【００１９】第１実施例の電子放出素子及びその製造方
法は、図１（ａ）に示すように、例えば、ｎ型またはｐ
型の不純物が低抵抗の導電層として絶縁性シリコン基板
に高濃度にドープ（注入）されているような導電性基板
１０（導電層１０ａ）上に、絶縁層１１として、例え
ば、厚さ約１μｍの熱酸化膜ＳｉＯ₂ を形成する。なお
前記導電層１０ａは後にエミッタ配線パターン（エミッ
タ導電領域）となる。

【００２０】次に、図１（ｂ）、前記絶縁層１１上にゲ
ート電極用薄膜として、厚さ０．２μｍ程度のＣｒ金属
薄膜等のゲート電極層１２を形成する。

【００２１】次に、図１（ｃ）、ゲート電極層１２上
に、フォトレジストをスピンコートしてプリベークしフ
ォトレジスト膜を形成した後、該フォトレジスト膜にス
テッパー（露光装置）で小孔パターンを露光して現像水
洗処理し、フォトレジスト膜に直径約１〜１．５μｍの
円形小孔１３ａ、若しくは一辺が２〜３μｍの矩形小孔
１３ａを形成してレジストパターン１３をパターン形成
する。

【００２２】次に、図１（ｄ）、前記レジストパターン
１３をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）法により、導電性基板１０表面に対して垂直方向に
異方性エッチングして、ゲート電極層１２及び絶縁層１
１に、約１μｍの深さの導電性基板１０表面に対してほ
ぼ垂直な側壁を有する小孔１４を孔設し、その小孔１４
底部に導電性基板１０の表面（導電層１０ａ）を露呈さ
せる。

【００２３】次に、図１（ｅ）、レジストパターン１３
を、酸素プラズマ等によるアッシング装置にてプラズマ
アッシング処理して除去した後、図１（ｆ）、前記導電
性基板１０（導電層１０ａ）上より、モリブデン（Ｍ
ｏ）やタングステン（Ｗ）等の低仕事関数、高融点金属
を電子ビーム加熱の蒸着装置によって斜め（２０度〜３
０度）から厚さ０．４μｍ程度斜め蒸着（斜方蒸着）し
て、凹状のエミッタ電極１５を小孔１４内の導電層１０
ａ上に形成する。なお本発明の電子放出素子において
は、小孔１４内の導電層１０ａ上に形成されるエミッタ
電極１５は、前記凹状のエミッタ電極１５の中央部が欠
落した形状の環状であってもよい。

【００２４】次に、図１（ｇ）、前記導電性基板１０上
より、等方性のあるプラズマエッチング法またはウエッ
トエッチング法で、小孔１４内の凹状エミッタ電極１５
の側方周囲の絶縁層１１を等方性エッチング（サイドエ
ッチング）して内側空隙部１１ａを形成し、前記凹状エ
ミッタ電極１５の頂部に、前記内側空隙部１１ａによる
側断面尖鋭状の先端部１５を形成することにより電子放
出素子を形成する。

【００２５】なお、斜方蒸着の際に同時にゲート電極層
１２上に蒸着される余剰蒸着層１５ａは、後にアッシン
グ装置など適宜手段により剥離除去するか、あるいはそ
のまま残存させておくことは可能である。

【００２６】次に、本発明の電子放出素子及びその製造
方法を、図２に示す第２実施例の製造工程に従って以下
に順に説明する。

【００２７】第２実施例の電子放出素子及びその製造方
法は、まず、図２（ａ）に示すように、例えば、ｎ型ま
たはｐ型の不純物が高濃度にドープされたシリコン基板
のような導電性基板１０（導電層１０ａ）上に、絶縁層
１１として、例えば厚さ約１μｍの熱酸化膜ＳｉＯ₂ を
形成する。

【００２８】次に、図２（ｂ）、前記絶縁層１１上に、
ゲート電極用薄膜として厚さ０．２μｍ程度のＣｒ金属
薄膜等のゲート電極層１２を形成する。

【００２９】次に、図２（ｃ）、ゲート電極層１２上
に、フォトレジストをスピンコートしてプリベークしフ
ォトレジスト膜を形成した後、該フォトレジスト膜にス
テッパー（露光装置）で小孔パターンを露光して現像水
洗処理し、フォトレジスト膜に直径約１〜１．５μｍの
円形小孔１３ａ、若しくは一辺が２〜３μｍの矩形小孔
１３ａを形成してレジストパターン１３をパターン形成
する。

【００３０】次に、図２（ｄ）、前記レジストパターン
１３をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）法により、導電性基板１０表面に対して垂直方向に
異方性エッチングして、ゲート電極層１２及び絶縁層１
１に、約１μｍの深さの導電性基板１０表面に対してほ
ぼ垂直な側壁を有する小孔１４を孔設し、その小孔１４
底部に導電性基板１０の表面（導電層１０ａ）を露呈さ
せる。

【００３１】次に、図２（ｅ）、レジストパターン１３
を除去して、前記導電性基板１０（導電層１０ａ）上よ
り、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）やタングステン
シリサイド（ＷＳｉ）等を用いて、電子ビーム加熱の蒸
着装置で、該導電性基板１０に対し垂直に蒸着して、小
孔１４内に露呈する導電層１０ａ上に金属シリサイド膜
によるエミッタ電極下地層１７を厚さ０．１μｍにて形
成する。なお、１７ａは、この蒸着により同時にゲート
電極層１２上に蒸着された余剰蒸着層である。

【００３２】次に、図２（ｆ）、前記導電性基板１０上
より、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の低
仕事関数、高融点金属を用いて、電子ビーム加熱の蒸着
装置により斜め（２０度〜３０度）から蒸着（斜方蒸
着）して、厚さ０．４μｍの凹状のエミッタ電極１５を
エミッタ電極下地層１７上に形成する。１５ａは、この
蒸着により同時に余剰蒸着層１７ａ上に蒸着された余剰
蒸着層である。なお本発明の電子放出素子においては、
小孔１４内のエミッタ電極下地層１７上に形成されるエ
ミッタ電極１５は、前記凹状のエミッタ電極１５の中央
部が欠落した形状の環状であってもよい。

【００３３】次に、図２（ｇ）、前記導電性基板１０上
より、等方性のあるプラズマエッチング法またはウエッ
トエッチング法で、小孔１４内の凹状エミッタ電極１５
の側方周囲の絶縁層１１を等方性エッチング（サイドエ
ッチング）して内側空隙部１１ａを形成し、前記凹状エ
ミッタ電極１５の頂部に、前記内側空隙部１１ａによる
側断面尖鋭状の先端部１６を形成することにより電子放
出素子を形成する。

【００３４】なお、垂直蒸着の際に同時にゲート電極層
１２上に蒸着される余剰蒸着層１７ａ、及び斜方蒸着の
際に同時に余剰蒸着層１７ａ上に蒸着される余剰蒸着層
１５ａは、後にアッシング装置など適宜手段により剥離
除去するか、あるいはそのまま残存させておくことは可
能である。

【００３５】以上のように、第２実施例によれば、小孔
１４底部のシリコン導電性基板１０上に、エミッタ電極
１５に使用される金属と同一の金属による金属シリサイ
ドが形成されているため、エミッタ電極１５の基板１０
側に対する密着力（接合力）が良く、エミッタ電極１５
の構造が強化される。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、電子放出素子の構造及び製造
方法において、先端側が尖った先端部を備えたエミッタ
電極を形成するための製造工程における条件制御が従来
よりも比較的容易であり、複雑なコントロールが軽減で
きる効果がある。

【００３７】特に、エミッタ電極を形成するための小孔
の縮小操作を必要としないため、小孔の不均一によるエ
ミッタ電極の大きさ、高さ等のばらつきが解消され、エ
ミッタ電極の先端とゲート電極との距離で決まる動作電
圧の均一性が保持され、電子放出素子による表示ムラが
解消でき、安定した品質が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｇ）は本発明の第１実施例の製造工
程を説明する側断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｇ）は本発明の第２実施例の製造工
程を説明する側断面図である。

【図３】従来の電子放出素子の構造を説明する側断面図
である。

【図４】従来の電子放出素子の構造を説明する斜視図で
ある。

【図５】従来の電子放出素子の製造工程を説明する側断
面図である。

【符号の説明】

１０…導電性基板 １０ａ…導電層 １１…絶縁層 １
１ａ…内部空隙部 １２…ゲート電極層 １３…レジストパターン層 １３
ａ…パターン小孔 １４…小孔 １５…エミッタ電極 １６…尖鋭先端部 １７…エミッタ電極下地層 ２１…絶縁性基板 ２２…エミッタ配線導電層 ２３…
絶縁層 ２４…ゲート電極導電層 ２５…小孔 ２６…尖鋭先端
部を備えるエミッタ電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性基板１０上に絶縁層１１と、ゲート
   電極層１２と、絶縁層１１及びゲート電極層１２に形成
   された所要の大きさの複数の小孔１４と、該小孔１４内
   に尖った先端部１６をもつエミッタ電極１５を備えた電
   子放出素子において、小孔１４内底部に凹状または環状
   のエミッタ電極１５を備え、該エミッタ電極１５頂部
   は、その側方周囲の絶縁層１１をエッチング除去して形
   成された尖った環状の先端部１６を備えていることを特
   徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】導電性基板１０上に絶縁層１１を形成する
   工程と、前記絶縁層１１上にゲート電極層１２を形成す
   る工程と、前記ゲート電極層１２上にフォトレジストを
   コーティングしパターン露光現像して複数の小孔１３ａ
   を配列した形状のレジストパターン１３を形成する工程
   と、前記レジストパターン１３をマスクとして異方性ド
   ライエッチングで前記絶縁層１１とゲート電極層１２と
   を導電性基板１０が露呈するまでパターンエッチングし
   て小孔１４を形成する工程と、前記レジストパターン１
   ３を除去する工程と、斜方蒸着にて前記小孔１４底部の
   導電性基板１０上にエミッタ電極１５を凹状に形成する
   工程と、等方性ドライエッチングによって前記エミッタ
   電極１５側方周囲の絶縁層１１をエッチングしてエミッ
   タ電極１５に側断面尖鋭状先端部１６を形成する工程と
   を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。