JPH07176264A - Field emission element and manufacture thereof - Google Patents
Field emission element and manufacture thereofInfo
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- JPH07176264A JPH07176264A JP34448093A JP34448093A JPH07176264A JP H07176264 A JPH07176264 A JP H07176264A JP 34448093 A JP34448093 A JP 34448093A JP 34448093 A JP34448093 A JP 34448093A JP H07176264 A JPH07176264 A JP H07176264A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はコールドカソードとして
知られている電界放出素子に関するものであり、特に製
造コストを低減させることができる電界放出素子及びそ
の製造方法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 device known as a cold cathode, and more particularly to a field emission device which can reduce manufacturing cost and a manufacturing method thereof.
【０００２】[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）といい、
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）と呼んでいる。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
成することが可能となっており、電界放出カソードは蛍
光表示装置、ＣＲＴ、電子顕微鏡や電子ビーム装置に用
いられようとしている。2. Description of the Related Art The applied electric field on the surface of a metal or semiconductor is reduced to 10
At a voltage of about 9 [V / m], the tunnel effect causes electrons to pass through the barrier so that electrons are emitted in a vacuum even at room temperature. This is called field emission,
A cathode that emits electrons based on this principle is called a field emission cathode. In recent years, it has been possible to make a surface emission type field emission cathode composed of a micron size field emission cathode by making full use of semiconductor processing technology. The field emission cathode can be used as a fluorescent display device, a CRT, an electron microscope or an electron microscope. It is about to be used in beam devices.
【０００３】図５に、その一例であるエミッタとカソー
ド間に抵抗を有するスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型と呼ば
れる電界放出カソード（以下、ＦＥＣと記す）を利用し
た装置の斜視図を示す。この図において、基板１００上
にカソードライン１０１が形成されており、このカソー
ドライン１０１上に、後で述べる製造方法で形成される
コーン状のエミッタ１１５が抵抗層１０２を介して形成
されている。さらに、カソードライン１０１上に絶縁層
１０３を介してゲ−ト電極層（ライン）１０４が設けら
れており、次の図６に示されているようにゲート電極層
１０４に設けられた丸い開口部の中に前記したコーン状
のエミッタ１１５が配置され、このエミッタ１１５の先
端部分がゲート電極層１０４に開けられた開口部から臨
んでいる。FIG. 5 is a perspective view of an example of a device using a field emission cathode (hereinafter referred to as FEC) called a Spindt type having resistance between an emitter and a cathode. In this figure, a cathode line 101 is formed on a substrate 100, and a cone-shaped emitter 115 formed by a manufacturing method described later is formed on the cathode line 101 via a resistance layer 102. Further, a gate electrode layer (line) 104 is provided on the cathode line 101 via an insulating layer 103, and a round opening provided in the gate electrode layer 104 as shown in FIG. 6 below. The above-mentioned cone-shaped emitter 115 is arranged in the inside of the gate, and the tip portion of this emitter 115 is exposed from the opening formed in the gate electrode layer 104.
【０００４】なお、エミッタ１１５とカソード電極間に
抵抗層を設けると、製造の過程又は動作時に塵埃又は電
界等によって極めて近接して配置されている一部のエミ
ッタとゲート間が短絡したときでも、エミッタに大電流
が流れ、溶断したエミッタが周辺に飛散してこのエミッ
タの近傍にある全ての電界放出カソードの機能を失うと
いう不良事故を防止することができる。If a resistance layer is provided between the emitter 115 and the cathode electrode, even if a part of the emitter and the gate, which are arranged in close proximity to each other due to dust or an electric field, are short-circuited during the manufacturing process or operation, It is possible to prevent a defective accident in which a large current flows through the emitter, the melted emitter is scattered around, and the functions of all the field emission cathodes near the emitter are lost.
【０００５】次に、図６に上記したようなスピント型の
ＦＥＣの製造過程の一例を説明する。まず、図６（ａ）
に示すように、ガラス等の基板１００の上にカソードラ
イン１０１が蒸着により形成されており、さらにその上
に金属材料をスパッタ蒸着して抵抗層１０２を成膜す
る。そしてさらに酸化シリコンによって絶縁層１０３が
形成されている。さらに、その上にゲート電極層１０４
となるニオブ（Ｎｂ）が蒸着され、ゲート電極層１０４
上にフォトレジストを塗布した後、同図（ｂ）に示すよ
うにパターニング及びエッチングを行いゲート電極層１
０４に開口１１３が作られる。Next, an example of the manufacturing process of the above Spindt type FEC will be described with reference to FIG. First, FIG. 6 (a)
As shown in, a cathode line 101 is formed on a substrate 100 such as glass by vapor deposition, and a metal material is sputter-deposited thereon to form a resistance layer 102. Further, the insulating layer 103 is further formed of silicon oxide. Furthermore, the gate electrode layer 104
Of niobium (Nb) is deposited to form the gate electrode layer 104.
After applying a photoresist on the top, patterning and etching are performed as shown in FIG.
An opening 113 is made at 04.
【０００６】このような積層基板はＢＨＦ等でウエット
エッチングするか、またはＣＨＦ6で反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）することにより絶縁層１０３を等方性
エッチングし、絶縁層１０３の部分にエミッタ１１５を
形成する穴１１４を形成する（Ｃ）。次に同図（Ｃ）に
示すように、基板１００を回転させながら斜め方向から
剥離層１０５となるアルミニウムの蒸着を行う。このよ
うに斜め蒸着を行うと、剥離層１０５は開けた穴の中に
は蒸着されずにゲート電極層１０４の表面にのみ選択的
に蒸着されるようになる。Such a laminated substrate is wet-etched with BHF or the like, or isotropically etched with CHF 6 to perform isotropic etching of the insulating layer 103, and the emitter 115 is attached to the insulating layer 103. The hole 114 to be formed is formed (C). Next, as shown in FIG. 3C, aluminum is vapor-deposited from the oblique direction while rotating the substrate 100. When the oblique deposition is performed in this manner, the peeling layer 105 is not deposited in the opened hole but is selectively deposited only on the surface of the gate electrode layer 104.
【０００７】さらに、同図（ｄ）に示すように剥離層１
０５の上からモリブデンの混合物等からなる材料層１０
６を電子ビーム蒸着法（ＥＢ）によって基板１００に対
して垂直方向から堆積させる。すると、この材料層１０
６は絶縁層１０３に開けた穴１１４の中にも堆積し、抵
抗層１０２上に円錐状のコーンとして堆積され、これが
エミッタ１１５として形成される。この後、ゲート電極
層１０４上の剥離層１１５及び材料層１０６をエッチン
グにより共に除去すると、同図（ｅ）に示すような形状
の単体のＦＥＣが得られるようになる。Further, as shown in FIG.
Material layer 10 composed of a mixture of molybdenum and the like from above 05
6 is deposited from the direction perpendicular to the substrate 100 by electron beam evaporation (EB). Then, this material layer 10
6 is also deposited in the hole 114 formed in the insulating layer 103, and is deposited as a conical cone on the resistance layer 102, and this is formed as the emitter 115. After that, when the separation layer 115 on the gate electrode layer 104 and the material layer 106 are both removed by etching, a single FEC having a shape as shown in FIG.
【０００８】図６（ｅ）に示すＦＥＣはコーン状のエミ
ッタ１１５とゲート電極層１０４との距離をサブミクロ
ンとすることができるため、エミッタ１１５とゲート１
０４間にわずか数１０ボルトの電圧を印加することによ
りエミッタ１１５から電子を放出させることができるよ
うになる。In the FEC shown in FIG. 6E, the distance between the cone-shaped emitter 115 and the gate electrode layer 104 can be made submicron, so that the emitter 115 and the gate 1 are formed.
It becomes possible to emit electrons from the emitter 115 by applying a voltage of only several tens of volts between 04 and 04.
【０００９】なお、同図（ｆ）に示されているようにゲ
ート電極層１０４の上面に第２の絶縁層１０７及び、第
２のゲート電極層１０８を積層して、上記したようなＦ
ＥＣ製造工程を施行すると、第２ゲート１０８を収束電
極とするような３極管構造のＦＥＣを構成することもで
きる。As shown in FIG. 1F, the second insulating layer 107 and the second gate electrode layer 108 are laminated on the upper surface of the gate electrode layer 104, and the above-mentioned F is formed.
When the EC manufacturing process is performed, an FEC having a triode structure in which the second gate 108 is used as a focusing electrode can be configured.
【００１０】ところで、上記したような電界放出素子を
製造する工程（ｄ）では通常エミッタを蒸着するため
に、電子ビーム蒸着装置が使用されている。図７は電子
ビーム蒸着装置の原理図を示したもので、真空容器内に
は蒸着材料を溶融するルツボＨが設けられており、この
ルツボＨの中にはエミッタを形成するための蒸着材料Ｍ
が載置されている。By the way, in the step (d) for manufacturing the field emission device as described above, an electron beam vapor deposition apparatus is usually used for vapor deposition of the emitter. FIG. 7 shows the principle of the electron beam vapor deposition apparatus. A crucible H for melting the vapor deposition material is provided in the vacuum container, and the vapor deposition material M for forming the emitter is provided in the crucible H.
Is placed.
【００１１】Ｆは電子ビームを放出するフィラメントで
あり、このフィラメントＦから放出された電子ビームＥ
Ｂは図示されていない偏向コイルによって矢印のように
偏向され、ルツボＨを搭載している加速電極Ｐによって
加速されながら前記蒸着材料Ｍに照射されるようになさ
れている。そして、この電子ビーム照射によって加熱溶
融された材料Ｍが蒸発して、上方に配置されている前記
図６（ｄ）の積層基板に蒸着されることによりコーン状
のエミッタ１１５が形成されることになる。F is a filament that emits an electron beam, and the electron beam E emitted from this filament F
B is deflected by a deflection coil (not shown) as shown by an arrow, and is irradiated on the vapor deposition material M while being accelerated by an acceleration electrode P having a crucible H mounted thereon. Then, the material M heated and melted by this electron beam irradiation is evaporated and deposited on the laminated substrate of FIG. 6 (d) arranged above to form the cone-shaped emitter 115. Become.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】ところで、電子ビーム
蒸着法では蒸発物質の材料、純度に制限があり、さらに
ＥＢ蒸着法は原理的には電子ビームを走査しながら蒸着
材料Ｍを均一的に加熱して蒸発物質に変換するものであ
るから、ハース（ルツボ）の口径の広いものを使用する
必要がある。しかしながら、コーン状のエミッタの先端
を先鋭に形成するためには、通常、高融点の金属を蒸着
することが要請されるが、高融点の金属を溶融する際に
その材料を入れたルツボも高温で加熱されることにな
り、純度の高い蒸着を行うことが困難になるとともに、
口径の広いハース（ルツボ）を使用した場合は蒸発物質
は点線で示すように広い範囲に拡散する放射分布とな
り、一般に点蒸発源に近いものとなりＦＥＣを形成する
積層基板に対して垂直方向から入射する蒸発分子が少な
くなりコーン形状を均一に形成することが困難になる。By the way, in the electron beam evaporation method, the material and the purity of the evaporation material are limited, and in the EB evaporation method, the evaporation material M is heated uniformly while scanning the electron beam in principle. It is necessary to use a hearth (crucible) with a wide diameter because it is converted into an evaporated substance. However, in order to sharply form the tip of the cone-shaped emitter, it is usually required to vapor-deposit a high-melting point metal, but when melting the high-melting point metal, the crucible containing the material also has a high temperature. Since it will be heated by, it becomes difficult to perform high-purity vapor deposition,
When a hearth with a wide aperture (crucible) is used, the evaporation material has a radiation distribution that diffuses in a wide range as shown by the dotted line, and it is generally close to a point evaporation source and enters from the vertical direction to the laminated substrate forming the FEC. The number of vaporized molecules to be reduced decreases and it becomes difficult to form a cone shape uniformly.
【００１３】そのため、前記したエミッタ１１５の形状
は、例えば図８に示すように積層基板中央部に対してそ
の周辺部では先端部分が傾いたものになるという問題が
ある。また、上記した問題を解決するために蒸発源と積
層基板の置く位置を離し基板回転移動させるなどして、
蒸発物質が積層基板に対して垂直方向から入射するよう
にすることが考えられるが、図７のような装置におい
て、距離Ｌが大きくなると真空状態にするための機械的
な負担が極端に大きくなり、また必要なエミッタ材料を
積層基板上に蒸着するためのスループットが低下して高
価な蒸着材料に非常な無駄が生じることになる。Therefore, there is a problem in that the shape of the emitter 115 described above is such that the tip portion is inclined in the peripheral portion with respect to the central portion of the laminated substrate as shown in FIG. In addition, in order to solve the above-mentioned problem, the evaporation source and the position where the laminated substrate is placed are moved away from each other to rotate the substrate,
It is considered that the evaporated substance is made to enter the laminated substrate from the vertical direction. However, in the device as shown in FIG. 7, the mechanical load for making the vacuum state becomes extremely large as the distance L increases. In addition, the throughput for depositing the required emitter material on the laminated substrate is reduced, resulting in a great waste of expensive vapor deposition material.
【００１４】そこでエミッタを形成する方法としてスパ
ッタ法を使用する試みがなされている。（雑誌「真空」
第３４巻、第８号） しかしながら、スパッタ法は本質的には加速されたイオ
ンを固体に衝突させたときに発生する中性子や分子の放
出（スパッタ）を利用するものであるから、ガス分子と
スパッタ物質の衝突によってスパッタされたされた粒子
が積層基板に入射する角度分布が広がり狭いゲート開口
部を通過する粒子数が減少する。Therefore, attempts have been made to use a sputtering method as a method for forming an emitter. (Magazine "Vacuum"
However, since the sputter method essentially utilizes the emission (sputtering) of neutrons and molecules generated when the accelerated ions collide with the solid, it is called gas molecules. The angular distribution of the particles sputtered by the collision of the sputtered material entering the laminated substrate is widened, and the number of particles passing through the narrow gate opening is reduced.
【００１５】そのため、スパッタ法によるときはエミッ
タがコーン状になる前にゲート開口部が塞がる場合があ
り、先端が先鋭なコーン状のエミッタを均一に形成する
ことが極めて困難になる。また、このスパッタ法による
蒸着でスパッタ粒子の高エネルギー粒子をカットした
り、ガス圧を低下させるとスループットが著しく低減
し、材料の歩留まりを悪化してコストアップを招くとい
う問題がある。Therefore, when the sputtering method is used, the gate opening may be blocked before the emitter becomes cone-shaped, which makes it extremely difficult to uniformly form a cone-shaped emitter having a sharp tip. Further, if high-energy particles of sputtered particles are cut by the vapor deposition by this sputtering method or the gas pressure is lowered, the throughput is remarkably reduced, the yield of materials is deteriorated, and the cost is increased.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記したよう
な製造上の問題点が解消されるようにした電界放出カソ
ードを提供することを目的としたもので、基板上にカソ
ード電極層、絶縁層、ゲート電極層等を成膜し、前記絶
縁層の所定の位置をエッチングして開口部を設けるとと
もに、この開口部内にエミッタを形成するＦＥＣ製造工
程において、前記エミッタを形成するために第１の工程
では、複数のノズルを有するルツボに比較的低融点の金
属を蒸着源とするＩＣＢ蒸着方法でエミッタの形状を形
成し、第２の工程で前記エミッタに対して高融点の金属
をエミッタ先端部のみに蒸着するようにしたものであ
る。またＩＣＢ蒸着法で蒸着する材料を載置するルツボ
には直線状に並んでいる複数のノズルを設けるか、複数
のルツボを直線状に並置することにより蒸発物質の直進
性を改善し、ＩＣＢ蒸着法で蒸着される積層基板を回転
又は直線的に移動しながら蒸着し、垂直成分の蒸発物質
が２次平面に均等に照射されるようにする。また、複数
のルツバ又は複数のルツボを多数蒸着領域に合わせて２
次元的には位置して大面積蒸着を可能とさせる。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is intended to provide a field emission cathode in which the above-mentioned manufacturing problems are solved, and a cathode electrode layer, In the FEC manufacturing process in which an insulating layer, a gate electrode layer, and the like are formed, an opening is formed by etching a predetermined position of the insulating layer, and an emitter is formed in the opening, a first layer for forming the emitter is formed. In the first step, the shape of the emitter is formed in a crucible having a plurality of nozzles by the ICB vapor deposition method using a metal having a relatively low melting point as a vapor deposition source, and in the second step, the metal having a high melting point is formed into the emitter. The vapor deposition is performed only on the tip portion. Further, the crucible on which the material to be vapor-deposited by the ICB vapor deposition method is provided with a plurality of nozzles arranged in a straight line or by arranging a plurality of crucibles in a straight line to improve the straightness of the vaporized substance, The laminated substrate to be vapor-deposited by the method is vapor-deposited while rotating or moving linearly so that the evaporation material of the vertical component is uniformly irradiated on the secondary plane. In addition, a plurality of crucibles or a plurality of crucibles are arranged in accordance with a large number of vapor deposition regions.
It is dimensionally positioned to enable large area deposition.
【００１７】[0017]
【作用】ＩＣＢ（Ionized Cluster Beam) 蒸着法は小さ
い孔を持ったルツボの中に蒸着材料を蒸発させ、内部を
比較的高い圧力にして小さな孔から吹き出しクラスタ化
し、これに電子シャワを浴びせることによってその一部
をイオン化し、負の電圧にしている基板に向けて加速し
ながら蒸着を行う。したがって、蒸着物質の放出分布を
上記ノズルの形状によって方向性をつけることが容易で
あり、積層基板に対して垂直方向から照射される蒸発分
子の数を大きくすることができる。[Function] The ICB (Ionized Cluster Beam) vapor deposition method is to evaporate the vapor deposition material into a crucible having a small hole, make the inside relatively high pressure and blow it out from the small hole to form a cluster, and then subject it to electron shower. Part of it is ionized, and vapor deposition is performed while accelerating toward the substrate with a negative voltage. Therefore, it is easy to direct the emission distribution of the vapor deposition substance by the shape of the nozzle, and it is possible to increase the number of vaporized molecules irradiated to the laminated substrate in the vertical direction.
【００１８】また、本発明の場合はこのＩＣＢ蒸着法に
よって比較的低融点の金属を蒸着しエミッタの大部分を
構成するが、さらにこの工程の後に高融点金属の蒸着を
行うことによって、エミッタの表面の低仕事関数化及び
高電流密度への対応ができ、特にその先端部分の電子の
放出能力を高い状態に維持することができる。In the case of the present invention, most of the emitter is formed by vapor-depositing a metal having a relatively low melting point by this ICB vapor deposition method. Further, by vapor-depositing a high-melting point metal after this step, the emitter The surface can be made to have a low work function and high current density can be dealt with, and in particular, the electron emission ability of the tip portion can be maintained in a high state.
【００１９】[0019]
【実施例】図１は本発明の電界放出カソードを製造する
工程の一実施例を示したもので、まずガラス基板１２１
の一方の面に燐又はボロンをドープしたアモルファスシ
リコン層１２２をプラズマＣＶＤ法等によって成膜す
る。なお。ドープ材料としてこの外にガリューム（Ｇ
ａ）、インジューム（Ｉｎ）、タリューム（Ｔａ）等を
混入することでｎ型またはｐ型のアモルファスシリコン
層１２２とする。ガス種としてはＳｉＨ4 あるいはＳｉ
2 Ｈ6 にＰＨ3 を数％から数十％混合しプラズマ分解を
行い、抵抗率１０2 〜１０6 Ω／ｃｍのアモルファスシ
リコン層１２２を同図（ａ）に示すように成膜し抵抗層
（１２２）を形成する。EXAMPLE FIG. 1 shows an example of a process for manufacturing a field emission cathode according to the present invention. First, a glass substrate 121.
An amorphous silicon layer 122 doped with phosphorus or boron is formed on one surface by plasma CVD or the like. Incidentally. In addition to this, a galium (G
a), indium (In), and thallium (Ta) are mixed to form the n-type or p-type amorphous silicon layer 122. SiH 4 or Si as the gas species
2 H 6 is mixed with PH 3 to several percent to several tens percent, plasma decomposition is performed, and an amorphous silicon layer 122 having a resistivity of 10 2 to 10 6 Ω / cm is formed as shown in FIG. (122) is formed.
【００２０】そして図１の（ｂ）に示すように、例えば
エキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を照射して所定の領
域を瞬間的に加熱するアニール処理を行い、このアモル
ファスシリコン層のレーザが照射されている部分をアモ
ルファス状態から多結晶化するとドープされている燐又
はボロンが活性化され、アニール処理された領域１２３
が抵抗率１０-1〜１０-4Ω／ｃｍの導電体に変化する。
なお、領域１２３はＦＥＣのカソード電極となるもので
あるが、このカソード電極は通常行われているアルミの
蒸着によって形成するようにしてもよい。Then, as shown in FIG. 1B, for example, an excimer laser (wavelength 308 nm) is irradiated to perform an annealing treatment for instantaneously heating a predetermined region, and the amorphous silicon layer is irradiated with the laser. When the portion in which it is amorphous is polycrystallized from the amorphous state, the doped phosphorus or boron is activated and the annealed region 123 is formed.
Changes to a conductor having a resistivity of 10 -1 to 10 -4 Ω / cm.
Although the region 123 serves as the cathode electrode of the FEC, this cathode electrode may be formed by the usual vapor deposition of aluminum.
【００２１】このようにガラス基板上に配置されている
アモルファスシリコン層１２２の上に、図１の（ｃ）に
示すように絶縁層１２４、ゲート電極層１２５を成膜
し、前記図６に示したようにＦＥＣを成形する工程、す
なわちゲート電極層１２５の所定位置にマスクをかけて
フォトレジスト層１２６を形成しエッチングによりゲー
ト電極層１２５に穴１３０を空け（ｄ）、次に図２
（ｅ）に示すように斜め蒸着によって剥離層１２７とな
るＡｌを蒸着し、この開口部から等方性エッチングによ
って絶縁層１２４に穴を開ける（ｅ） そして、この穴１３０から次に述べるＩＣＢ蒸着法によ
って低融点の金属，例えばクロム（Ｃｒ）をエミッタ材
料として蒸着してゆく。On the amorphous silicon layer 122 thus arranged on the glass substrate, an insulating layer 124 and a gate electrode layer 125 are formed as shown in FIG. 1 (c) and shown in FIG. As described above, the FEC is formed, that is, a photoresist layer 126 is formed by masking a predetermined position of the gate electrode layer 125, and a hole 130 is formed in the gate electrode layer 125 by etching (d).
As shown in (e), Al to be the peeling layer 127 is vapor-deposited by oblique vapor deposition, and a hole is formed in the insulating layer 124 from this opening by isotropic etching. (E) Then, ICB vapor deposition described below from this hole 130. A low melting point metal such as chromium (Cr) is vapor-deposited as an emitter material by the method.
【００２２】ＩＣＢ蒸着装置の概要は、例えば図３に示
されているように導電性の材料、例えば炭素（Ｃ）で構
成されているルツボ２００の中に比較的低融点の金属、
例えばクロムを蒸着物質Ｍとして収容し、このルツボ２
００を直接加熱電源に接続して加熱するとともに、フィ
ラメント２０１で補助加熱を行う。このルツボ２００は
その上方に複数個のノズル２０２が設けられており、こ
のノズル２０２から加熱によってルツボ内で蒸発された
蒸着物質の気体Ｖが真空容器内に放出される。放出され
た蒸着物質はイオン化用のフィラメント及びグリッドを
有するイオン化装置空間２０３でイオン化され、加速電
極で構成されている加速装置空間２０４で加速されてそ
の上方に配置されている積層基板２０５に衝突する。２
０６は蒸着速度を検出する検出器であり、２０７は蒸着
速度を制御するための制御部を示す。An outline of the ICB vapor deposition apparatus is, for example, as shown in FIG. 3, a metal having a relatively low melting point in a crucible 200 made of a conductive material such as carbon (C).
For example, chromium is contained as the vapor deposition material M, and the crucible 2
00 is directly connected to a heating power source for heating, and auxiliary heating is performed by the filament 201. The crucible 200 is provided with a plurality of nozzles 202 above the crucible 200, and the gas V of the vapor deposition material evaporated in the crucible by heating is discharged from the nozzle 202 into the vacuum container. The released vapor deposition material is ionized in the ionizer space 203 having filaments and grids for ionization, accelerated in the accelerator space 204 composed of accelerating electrodes, and collides with the laminated substrate 205 arranged above it. . Two
Reference numeral 06 is a detector for detecting the vapor deposition rate, and 207 is a control unit for controlling the vapor deposition rate.
【００２３】ルツボ２００に設けられている円筒状のノ
ズル２０２の直径をｒ、ルツボの肉厚をＬとすると、図
４に示したようにアスペクト比Ｌ／ｒが大きくなるほど
ノズルからのガスの噴出角度は鋭い指向性を帯びること
が知られている。したがって、このようなＩＣＢ蒸着装
置でエミッタを蒸着すると、図２（ｆ）の穴１３０から
エミッタ材料が垂直方向に効果的に蒸着され、図２の
（ｆ）に示すように蒸着物質が抵抗層１２３の上に堆積
してゆく、そして先端が先鋭となっている綺麗なコーン
状のエミッタ１１５が形成されることになる。Assuming that the diameter of the cylindrical nozzle 202 provided in the crucible 200 is r and the wall thickness of the crucible is L, as shown in FIG. 4, as the aspect ratio L / r increases, the gas is ejected from the nozzle. It is known that the angle has a sharp directivity. Therefore, when the emitter is vapor-deposited by using such an ICB vapor deposition apparatus, the emitter material is effectively vapor-deposited vertically from the hole 130 of FIG. 2F, and the vapor-deposited material is a resistive layer as shown in FIG. 2F. As a result, a neat cone-shaped emitter 115 having a sharp tip is deposited on 123.
【００２４】なお、図３のノズル２０２が直線状に並置
されているときは、積層基板を２０５、またはルツボ２
００を平行移動する機構を設け、積層基板の表面全体に
蒸着物質が均一に照射されるようにする。When the nozzles 202 shown in FIG. 3 are arranged side by side in a straight line, the laminated substrate 205 or the crucible 2 is used.
A mechanism for moving 00 in parallel is provided so that the entire surface of the laminated substrate is uniformly irradiated with the vapor deposition material.
【００２５】そして、本発明の場合はこのような蒸着装
置によって図２（ｆ）のエミッタ１１５が形成された後
ゲート電極層の上に堆積されているエミッタ材料１２８
を従来の方法によって剥離層とともに除去し、次に第２
の蒸着工程として、電子ビーム蒸着法、ＭＢＥ（分子線
エピタキシ）蒸着法、又は低圧スパッタ法等によって比
較的高融点の金属、例えばプラチナ（Ｐｔ）タングステ
ン（Ｗ）モリブデン（Ｍｏ）等を短時間蒸着してエミッ
タ１１５の表面、特にエミッタの先端部分に高融点金属
をコーティングして１１５Ａを形成する。また、図２
（ｆ）のエミッタ１１５を形成する際に、エミッタ材料
層１２８が完全に閉じる前にエミッタ先端部材料１１５
Ａを蒸着してエミッタコーンを完成させ剥離層１２７を
剥離する方法を採用してもよい。In the case of the present invention, the emitter material 128 deposited on the gate electrode layer after the emitter 115 of FIG.
Are removed together with the release layer by a conventional method, and then the second
As a vapor deposition step of, a metal having a relatively high melting point such as platinum (Pt) tungsten (W) molybdenum (Mo) is vapor-deposited in a short time by electron beam vapor deposition, MBE (molecular beam epitaxy) vapor deposition, low pressure sputtering or the like. Then, the surface of the emitter 115, especially the tip portion of the emitter is coated with a refractory metal to form 115A. Also, FIG.
When forming the emitter 115 of (f), the emitter tip material 115 is formed before the emitter material layer 128 is completely closed.
A method of depositing A to complete the emitter cone and peeling the peeling layer 127 may be adopted.
【００２６】上記第２の工程となる各蒸着法は比較的短
時間で行われるものであり、高融点金属を使用すること
によって蒸着の純度や、蒸着ガスの照射角に広い分布が
あってもエミッタの形状が変化するという問題が生じな
い。Each of the vapor deposition methods as the second step is carried out in a relatively short time, and even if the refractory metal is used, the vapor deposition purity and the vapor deposition gas irradiation angle have a wide distribution. The problem that the shape of the emitter changes does not occur.
【００２７】本発明の上記実施例はエミッタがコーン形
成となすＦＥＣの場合について述べたが、ＥＦＣの構造
は上記実施例に限定されることはなく、一般にコールド
カソードを形成するためのエミッタを有するＦＥＣ素子
の製造方法に適応することができるものである。またＩ
ＣＢ蒸着装置のルツボの形状は上記したものに限定され
ることなく、例えば複数のルツボから同時にノズルを介
して蒸着物質が放出される装置も本発明の製造方法に適
応することが可能である。Although the above-described embodiments of the present invention have been described in the case of an FEC in which the emitters are cone-shaped, the structure of the EFC is not limited to the above-mentioned embodiments, and generally has an emitter for forming a cold cathode. It is applicable to the manufacturing method of the FEC element. Also I
The shape of the crucible of the CB vapor deposition apparatus is not limited to the above-described one, and, for example, an apparatus in which vapor deposition substances are simultaneously discharged from a plurality of crucibles through nozzles can be applied to the manufacturing method of the present invention.
【００２８】[0028]
【発明の効果】以上説明したように本発明の電界放出素
子の製造方法は、エミッタを蒸着によって形成する際
に、第１の工程でＩＣＢ蒸着装置を使用して比較的低融
点の金属を蒸発するようにし、その蒸着物質を一定の方
向に指向性良く放出してエミッタを蒸着によって構成す
るようにしているから、蒸発物質のスループットが向上
し、積層基板上に形成されるエミッタの形状が均一にな
るとともに、比較的短い時間で大面積のＦＥＣを作るこ
とができるようになる。As described above, according to the method of manufacturing a field emission device of the present invention, when the emitter is formed by vapor deposition, the ICB vapor deposition device is used in the first step to vaporize a metal having a relatively low melting point. In this way, the vapor deposition material is emitted in a certain direction with good directivity to configure the emitter by vapor deposition, which improves the throughput of the vaporization material and makes the shape of the emitter formed on the laminated substrate uniform. As a result, a large area FEC can be produced in a relatively short time.
【００２９】また、エミッタを構成する第２の工程で、
比較的高融点の低仕事関数の金属を上記エミッタの表面
に薄く蒸着するようにしているため、電子が放出される
エミッタの先端部分を強化し、その形状を先鋭に維持す
ることにより電子放出能力を低下しないようにするとい
う効果がある。特に本発明は積層基板と蒸着源を接近さ
せることができるので、高価な蒸着物質の無駄な消費量
を少なくすることができ、ＦＥＣの製造原価を低下させ
ることができる。In the second step of forming the emitter,
Since a metal with a relatively high melting point and a low work function is thinly deposited on the surface of the above-mentioned emitter, the tip portion of the emitter from which electrons are emitted is strengthened, and its shape is maintained sharply so that the electron emission capability is improved. Has the effect of not lowering. In particular, according to the present invention, since the laminated substrate and the vapor deposition source can be brought close to each other, the wasteful consumption of the expensive vapor deposition material can be reduced, and the manufacturing cost of the FEC can be reduced.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明の一実施例を示す電界放出素子の製造方
法を示す工程図である。FIG. 1 is a process drawing showing a method for manufacturing a field emission device showing an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の電界放出素子の工程の後半部分を示す
説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a latter half of the process of the field emission device of the present invention.
【図３】電子ビーム蒸着装置の原理図を示す説明図であ
る。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a principle diagram of an electron beam evaporation apparatus.
【図４】蒸発物質を放出するノズルの半径と長さによる
放出分布の態様を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an aspect of a discharge distribution according to a radius and a length of a nozzle for discharging a vaporized substance.
【図５】電界放出カソードによって構成される装置の説
明図である。FIG. 5 is an illustration of a device constructed with a field emission cathode.
【図６】電界放出素子の製造工程を示す工程図である。FIG. 6 is a process drawing showing a manufacturing process of a field emission device.
【図７】ＩＣＢ蒸着装置の原理図を示す説明図であるFIG. 7 is an explanatory diagram showing a principle diagram of an ICB vapor deposition device.
【図８】従来のエミッタの構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional emitter.
１２１ ガラス基板 １２２ アモルファスシリコン層 １２３ 抵抗領域 １２４ 絶縁層 １２５ ゲート電極層 １１５ エミッタ １１５Ａ エミッタのコーティング層 121 glass substrate 122 amorphous silicon layer 123 resistance region 124 insulating layer 125 gate electrode layer 115 emitter 115A emitter coating layer
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成６年２月１０日[Submission date] February 10, 1994
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】請求項３[Name of item to be corrected] Claim 3
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【請求項３】 上記低融点の物質はＣｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、
Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ又はそれらを含む
化合物であり、上記エミッタ先端部の金属はＮｂ、Ｍ
ｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃ、Ｌａ、Ｒｅ、Ｒｈ、
Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｃ、Ｔｈ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ又はそれら
を含む化合物とされていることを特徴とする請求項１又
は２に記載の電界放出素子の製造方法。 ─────────────────────────────────────────────────────
3. The material having a low melting point is Cr, Cu, Fe,
Mg, Mn, Ni, Sn, Zn, Al or a compound containing them, and the metal at the tip of the emitter is Nb, M
o, Pd, Pt, Ti, Au, C, La, Re, Rh,
3. The method for manufacturing a field emission device according to claim 1, wherein Ru, Ta, Tc, Th, U, V, W, Zr or a compound containing them is used. ─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成６年２月２１日[Submission date] February 21, 1994
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】０００６[Correction target item name] 0006
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【０００６】このような積層基板はＢＨＦ等でウエット
エッチングするか、またはＣＨＦ3 で反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）することにより絶縁層１０３を等方性
エッチングし、絶縁層１０３の部分にエミッタ１１５を
形成する穴１１４を形成する（Ｃ）。次に同図（Ｃ）に
示すように、基板１００を回転させながら斜め方向から
剥離層１０５となるアルミニウムの蒸着を行う。このよ
うに斜め蒸着を行うと、剥離層１０５は開けた穴の中に
は蒸着されずにゲート電極層１０４の表面にのみ選択的
に蒸着されるようになる。Such a laminated substrate is subjected to wet etching with BHF or the like or isotropic etching of the insulating layer 103 by reactive ion etching (RIE) with CHF 3 to form the emitter 115 at the insulating layer 103. The hole 114 to be formed is formed (C). Next, as shown in FIG. 3C, aluminum is vapor-deposited from the oblique direction while rotating the substrate 100. When the oblique deposition is performed in this manner, the peeling layer 105 is not deposited in the opened hole but is selectively deposited only on the surface of the gate electrode layer 104.
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１３[Correction target item name] 0013
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１３】そのため、前記したエミッタ１１５の形状
は、例えば図８に示すように積層基板中央部に対してそ
の周辺部では先端部分が傾いたものになるという問題が
ある。また、上記した問題を解決するために蒸発源と積
層基板の置く位置を離し基板を回転移動させるなどし
て、蒸発物質が積層基板に対してできるだけ垂直方向か
ら入射するようにすることが考えられるが、図７のよう
な装置において、距離Ｌが大きくなると真空状態にする
ための機械的な負担が極端に大きくなり、また必要なエ
ミッタ材料を積層基板上に蒸着するためのスループット
が低下して高価な蒸着材料に非常な無駄が生じることに
なる。Therefore, there is a problem in that the shape of the emitter 115 described above is such that the tip portion is inclined in the peripheral portion with respect to the central portion of the laminated substrate as shown in FIG. Further, in order to solve the above-mentioned problem, it is considered that the evaporation source and the laminated substrate are separated from each other and the substrate is rotated and moved so that the evaporated substance enters the laminated substrate in a direction as vertical as possible. However, in the apparatus as shown in FIG. 7, when the distance L becomes large, the mechanical load for making a vacuum state becomes extremely large, and the throughput for depositing a necessary emitter material on the laminated substrate decreases. A great amount of waste is generated in the expensive vapor deposition material.
【手続補正３】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１４[Correction target item name] 0014
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１４】そこでエミッタを形成する方法としてスパ
ッタ法を使用する試みがなされている。（雑誌「真空」
第３４巻、第８号） しかしながら、スパッタ法は本質的には加速されたイオ
ンを固体に衝突させたときに発生する中性粒子や分子の
放出（スパッタ）を利用するものであるから、ガス分子
とスパッタ物質の衝突によってスパッタされた粒子が積
層基板に入射する角度分布が広がり狭いゲート開口部を
通過する粒子数が減少する。Therefore, attempts have been made to use a sputtering method as a method for forming an emitter. (Magazine "Vacuum"
However, since the sputtering method essentially utilizes the emission (sputtering) of neutral particles and molecules generated when colliding accelerated ions with a solid, the sputtering method uses a gas. The angular distribution of the particles sputtered by the collision of the molecules and the sputtered material on the laminated substrate is widened, and the number of particles passing through the narrow gate opening is reduced.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１６[Correction target item name] 0016
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記したよう
な製造上の問題点が解消されるようにした電界放出カソ
ードを提供することを目的としたもので、基板上にカソ
ード電極層、絶縁層、ゲート電極層等を成膜し、前記絶
縁層の所定の位置をエッチングして開口部を設けるとと
もに、この開口部内にエミッタを形成するＦＥＣ製造工
程において、前記エミッタを形成するために第１の工程
では、複数のノズルを有するルツボに比較的低融点の金
属を蒸着源とするＩＣＢ蒸着方法でエミッタの形状を形
成し、第２の工程で前記エミッタに対して高融点の金属
をエミッタ先端部のみに蒸着するようにしたものであ
る。またＩＣＢ蒸着法で蒸着する材料を載置するルツボ
には直線状に並んでいる複数のノズルを設けるか、複数
のルツボを直線状に並置することにより蒸発物質の直進
性を改善し、ＩＣＢ蒸着法で蒸着される積層基板を回転
又は直線的に移動しながら蒸着し、垂直成分の蒸発物質
が２次平面に均等に照射されるようにする。また、複数
のノズルを持つルツボ又は複数のルツボを多数蒸着領域
に合わせて２次元的に配置して大面積蒸着を可能とさせ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is intended to provide a field emission cathode in which the above-mentioned manufacturing problems are solved, and a cathode electrode layer, In the FEC manufacturing process in which an insulating layer, a gate electrode layer, and the like are formed, an opening is formed by etching a predetermined position of the insulating layer, and an emitter is formed in the opening, a first layer for forming the emitter is formed. In the first step, the shape of the emitter is formed in a crucible having a plurality of nozzles by the ICB vapor deposition method using a metal having a relatively low melting point as a vapor deposition source, and in the second step, the metal having a high melting point is formed into the emitter. The vapor deposition is performed only on the tip portion. Further, the crucible on which the material to be vapor-deposited by the ICB vapor deposition method is provided with a plurality of nozzles arranged in a straight line or by arranging a plurality of crucibles in a straight line to improve the straightness of the vaporized substance, The laminated substrate to be vapor-deposited by the method is vapor-deposited while rotating or moving linearly so that the evaporation material of the vertical component is uniformly irradiated on the secondary plane. Further, a crucible having a plurality of nozzles or a plurality of crucibles are arranged two-dimensionally in accordance with a large number of vapor deposition regions to enable large area vapor deposition.
【手続補正５】[Procedure Amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２７[Name of item to be corrected] 0027
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００２７】本発明の上記実施例はエミッタがコーン形
成をなすＦＥＣの場合について述べたが、ＥＦＣの構造
は上記実施例に限定されることはなく、一般にコールド
カソードを形成するためのエミッタを有するＦＥＣ素子
の製造方法に適応することができるものである。またＩ
ＣＢ蒸着装置のルツボの形状は上記したものに限定され
ることなく、例えば複数のルツボから同時にノズルを介
して蒸着物質が放出される装置も本発明の製造方法に適
応することが可能である。Although the above-described embodiments of the present invention have been described with respect to the case where the emitter is a cone-shaped FEC, the structure of the EFC is not limited to the above-mentioned embodiment, and in general, the emitter has an emitter for forming a cold cathode. It is applicable to the manufacturing method of the FEC element. Also I
The shape of the crucible of the CB vapor deposition apparatus is not limited to the above-described one, and, for example, an apparatus in which vapor deposition substances are simultaneously discharged from a plurality of crucibles through nozzles can be applied to the manufacturing method of the present invention.
Claims (4)
電極層等を成膜し、前記絶縁層の所定の位置をエッチン
グして開口部を設けるとともに、この開口部内にエミッ
タを形成するＦＥＣ製造工程において、 前記エミッタは低融点の金属を蒸着源とするＩＣＢ蒸着
法で蒸着堆積する第１の工程と、該第１の工程で形成さ
れたエミッタの表面に対して第２の工程でエミッタ先端
部の金属を電子ビーム蒸着法、またはスパッタリング法
等で表面蒸着を行うことによって形成することを特徴と
する電界放出素子の製造方法。1. An FEC in which a cathode electrode layer, an insulating layer, a gate electrode layer, and the like are formed on a substrate and an opening is formed by etching a predetermined position of the insulating layer, and an emitter is formed in the opening. In the manufacturing process, the emitter is deposited by an ICB deposition method using a low melting point metal as an evaporation source, and the emitter is formed by a second process on the surface of the emitter formed in the first process. A method for manufacturing a field emission device, characterized in that the tip metal is formed by surface vapor deposition by an electron beam vapor deposition method, a sputtering method or the like.
のノズルを有するルツボ、又は複数のルツボによって構
成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界放
出素子の製造方法。2. The method of manufacturing a field emission device according to claim 1, wherein the evaporation source in the ICB vapor deposition method is composed of a crucible having a plurality of nozzles or a plurality of crucibles.
ｇ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ａｌ又はそれらを含む合
金であり、上記エミッタ先端部の金属はＮｂ，Ｍｏ，Ｐ
ｄ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｃ，Ｌａ，Ｒｅ，Ｋ，Ｔａ，Ｔ
ｃ，Ｔｈ，Ｖ，Ｗ，Ｚｒ又はそれらの合金とされている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電界放出素
子の製造方法。3. The low melting point metal is Cr, Cu, Fe, M.
g, Mn, Ni, Sn, Zn, Al or an alloy containing them, and the metal at the tip of the emitter is Nb, Mo, P
d, Pt, Ti, Au, C, La, Re, K, Ta, T
3. The method for manufacturing a field emission device according to claim 1, wherein the field emission device is c, Th, V, W, Zr or an alloy thereof.
電極層等を成膜し、前記絶縁層の所定の位置をエッチン
グして開口部を設けるとともに、この開口部内にエミッ
タを形成した電界放出素子において、 前記エミッタの一部がＩＣＢ蒸着法で蒸着される金属に
よって構成されており、このエミッタの少なくとも先端
部分が高融点の金属によって被覆されていることを特徴
とする電界放出素子。4. An electric field formed by forming a cathode electrode layer, an insulating layer, a gate electrode layer, etc. on a substrate, etching a predetermined position of the insulating layer to form an opening, and forming an emitter in the opening. In the field emission device, a part of the emitter is made of a metal vapor-deposited by an ICB vapor deposition method, and at least a tip portion of the emitter is covered with a metal having a high melting point.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34448093A JP2734965B2 (en) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | Field emission device and method of manufacturing the same |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07176264A true JPH07176264A (en) | 1995-07-14 |
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ID=18369596
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|---|---|---|---|
| JP34448093A Expired - Lifetime JP2734965B2 (en) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | Field emission device and method of manufacturing the same |
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|---|---|
| JP (1) | JP2734965B2 (en) |
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1993
- 1993-12-20 JP JP34448093A patent/JP2734965B2/en not_active Expired - Lifetime
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