JPH07296717A - 電界放出型冷陰極 - Google Patents

電界放出型冷陰極

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JPH07296717A
JPH07296717A JP8858294A JP8858294A JPH07296717A JP H07296717 A JPH07296717 A JP H07296717A JP 8858294 A JP8858294 A JP 8858294A JP 8858294 A JP8858294 A JP 8858294A JP H07296717 A JPH07296717 A JP H07296717A
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gate electrode
cold cathode
field emission
substrate
negative electrode
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Hironori Imura
裕則 井村
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Abstract

(57)【要約】 【目的】電界放出型冷陰極の製造工程における高融点金
属層リフトオフ工程において、高融点金属層を残さなく
完全に除去し、且つ処理時間を大幅に短縮する。 【構成】電界放出型冷陰極のゲート電極外周部に島状ま
たは帯状の凸部パターンを形成する。また、凸部パター
ンの上面はゲート電極と同じ材質の導電層からなる。凸
部パターンおよびゲート電極の周辺には、基板・ゲート
電極間および基板・凸部パターン間に有する絶縁層が露
出しており、前記絶縁層の外周には基板が露出してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電子放出源となる冷陰
極、特に鋭利な先端から電子を放出する電界放出型冷陰
極に関する。
【0002】
【従来の技術】LSI製造技術を応用した微小構造を制
作するマイクロマシーニング技術により、スピント
(C.A.Spindt)らはシリコンウエハ上に電界
放出型冷陰極を制作している(ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィジックス(Journal of App
lied Physics)第39巻3504−350
5頁1968年)。
【0003】以下に、図6に示す従来の陰極製造工程と
構造の断面図を参照して従来の製造工程を簡単に述べ
る。
【0004】単結晶シリコンからなる基板1上に1μm
圧の絶縁層2およびモリブデンからなるゲート電極3が
形成されており、絶縁層2およびゲート電極3を貫通し
た直径約1.5μmのキャビティ4を形成する(図6−
a)。
【0005】基板1の中心を貫通する基板1の法線を回
転軸とし、基板1を回転させながら前記法線から70°
の方向よりアルミニウム(以下、Alと記す。)からな
る犠牲層5を真空蒸着法を用いてゲート電極3および前
記穴の側面の一部上に形成する(図6−b)。
【0006】次に、基板1の中心を貫通する基板1の法
線を回転軸とし、基板1を回転させながら法線方向から
モリブデン(以下、Moと記す。)等の高融点金属を真
空蒸着法により犠牲層5上に蒸着形成する。Moにより
形成される高融点金属層6がゲート電極1上に積層され
るに従い、キャビティ4上に形成される高融点金属層6
の穴は穴側面にもMoが推積するために次第に小さくな
る。一方、高融点金属層6の穴を通過したMoはキャビ
ティ4底面に推積するが、高融点金属層6の穴が小さく
なるに従い推積する面積が小さくなる。高融点金属層6
の穴が完全に閉じるまでMoを推積すれば、キャビティ
4底面に形成される推積物(以下、エミッタコーン7と
称する。)は円錐形状となる(図6−c)。
【0007】高融点金属層6を形成後、リン酸等の弱酸
に浸し、犠牲層5を溶解すればリフトオフ法により高融
点金属層6も除去する事が出来、微小電界放出型冷陰極
を得る(図6−d)。
【0008】基板1とゲート電極3間にゲート電極3が
正の電位となるように数10〜200Vの電圧を印加す
る事により、エミッタコーン7の先端には107 V/c
m以上の電界が発生しエミッタコーン7の先端から電子
が放出される。
【0009】現在、1エミッタコーンあたり100μA
以上の放出電流が観測されており、様々な応用案が提案
されている。
【0010】例えば、この素子を電子源とした微小な三
極管によるスイッチング素子試作の試みや、マトリック
ス状に多数の素子を並べてなる平板のエミッション源に
より蛍光体を発光させるディスプレイパネル制作の試み
がなされている。
【0011】また特開昭48−90467号公報におい
ては従来の熱陰極の代わりに1個もしくはマトリックス
状に複数の電界放出型冷陰極を並べてなるエミッション
源を用いたカラー受像菅が開示されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述した電界放出型冷
陰極の製造工程において、弱酸による犠牲層5を溶解す
るリフトオフ法では、犠牲層5上に弱酸では溶解しない
Mo層6があるため、横方向外周から順次溶解するサイ
ドエッチングによらなければならない。故に、この工程
は長時間を要するという欠点を有する。
【0013】また、犠牲層5が溶解された高融点金属層
6は内部の歪により湾曲しながら基板1より解離する。
ある程度解離した高融点金属層6の一部は任意の形状に
割れて基板1からリフトオフされる。故に、完全に高融
点金属層6がリフトオフされたことを確認することが難
しく、多くの場合、数μmサイズの高融点金属層6の残
渣がゲート電極3上に残るという欠点を有する。
【0014】さらに、長時間の弱酸の浸せきにより、エ
ミッタコーン7の表面に酸化層が形成されるという欠点
を有する。この酸化層はエミッタコーン7先端の仕事関
数を増大させ、電界放出型冷陰極の電子放出特性を悪化
させる原因となる。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の電界放出型冷陰
極は、基板1上のゲート電極3の外周部に島状または帯
状の凸部パターン8を有し、凸部パターン8間およびゲ
ート電極3・凸部パターン8間に有する絶縁層2が露出
し、絶縁層2の外周には基板1が露出している。
【0016】凸部パターン上面は、引き出し電極に接続
されエミッタコーンと同電位が印加される。
【0017】
【作用】本発明において提案する凸部パターンにより、
陰極全面に起伏が形成される。基板と高融点金属層の熱
膨張係数の差により、この起伏の周辺上に推積された高
融点金属層に微小な割れ目が生じる。よって犠牲層エッ
チングを容易にかつ短時間に行うことができるととも
に、高融点金属層は制御された形状で剥離することがで
きるため、完全に高融点金属層を除去することができ
る。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の電界放出型冷陰極の実施例
を図面を参照して説明する。
【0019】図1は本発明の第一の実施例である電界放
出型冷陰極の断面を含む外観図である。図2は本発明の
第一の実施例である電界放出型冷陰極の平面図である。
【0020】また、図3は本発明の第一の実施例である
電界放出型冷陰極の制作工程の1つである犠牲層エッチ
ングによる高融点金属層のリフトオフ工程途中の断面図
である。
【0021】約0.7mmの単結晶シリコンSi基板1
上には、酸化シリコンSiO2 を熱酸化法で約0.5μ
m圧に積層した絶縁層2を有し、さらに絶縁層2の上に
タングステンシリサイドWSi層をスパッタ法で0.2
μm厚に積層した後、フォトリソグラフィとドライエッ
チング法により余分な絶縁層2とタングステンシリサイ
ドWSi層からなり島状もしくは帯状もしくは櫛歯上の
凸部パターン8を有している。犠牲層5としてはキャビ
ティ4の底面に犠牲層が形成されないように基板1の法
線に対し斜め方向より、アルミニウムAlを真空蒸着法
により0.1μm厚に積層することにより形成してい
る。高融点金属層6としては基板1の法線方向よりモリ
ブデンMoを真空蒸着法により犠牲層5上に約1.5μ
m積層することにより形成している。高融点金属層6の
形成時、キャビティ4上の高融点金属層6の穴は積層す
るにしたがって小さくなるため、キャビティ4内にはモ
リブデンMoからなる円錐形のエミッタコーン7が形成
される。
【0022】真空蒸着法による高融点金属層6の形成時
は、Moソースからの熱輻射により電界放出型冷陰極全
体が約200℃まで加熱される。高融点金属層6の形成
後、室温まで冷却されると高融点金属と基板1の材質で
あるシリコンの熱膨張係数差により、ゲート電極3およ
び凸部パターン8のエッジ部分に微小な割れが生じる。
【0023】高融点金属層6のリフトオフ工程におい
て、例えばリン酸等の弱酸中に工程途中品を浸せきした
時、上述の微小な割れを通りAlからなる犠牲層5まで
上記弱酸が到達し犠牲層5を溶解する。犠牲層5が溶解
された部分の高融点金属層6は、高融点金属層内の内部
歪によりゲート電極3から離れる方向に湾曲し、且つ凸
部パターンに沿った形状で長手方向に順次剥離される。
このため、剥離されるMo層6の形状及び大きさが制御
できるため、リフトオフ工程を均一に且つ短時間に、残
渣を残すことなく完全に行うことができる。発明者の実
験によれば、隣接した凸部パターン8間の間隔は5μm
未満である場合、凸部パターン8間に形成される凹部上
の高融点金属層6はリフトオフにしにくいので隣接した
凹部パターン8間隔は5μm以上である必要があり望ま
しくは10μm以上とするとよいことがわかった。また
上限は500μm程度まで許容できる。50〜100μ
mとしたときに良好な結果を得られた。本発明によりリ
フトオフ工程に要する時間は、ゲート電極3および凹部
パターン8の寸法によるが、少なくとも従来に比べ1/
4に短縮する事ができた。
【0024】図4は本発明の第2の実施例である電界放
出型冷陰極の断面を含む外観図である。本実施例の構造
は、ゲート電極3及び凸部パターン8の外周部上面に絶
縁層2が露出している点が本発明の第1の実施例と異な
る。
【0025】本実施例の構造はレジストによるパターニ
ングおよびエッチングを2回行えば実現可能である。
【0026】凸部パターン8上の導電層はゲート電極3
の形成時に同時に形成されたものだがゲート電極3およ
び基板1と絶縁されている。電界放出型冷陰極を動作さ
せた場合、この導電層はチャージアップし導電層・基板
1間で放電が発生し、真空度を劣化させる場合がある。
しかし、本実施例の構造では上記導電層と基板1間の距
離を十分にとることが可能となり、放電を防止すること
ができる。
【0027】エミッタ材料としてはモリブデンMoの他
にタングステンW,シリコンSi,白金Pt,タンタル
Taなどの高融点材料やこの化合物が使用でき、ゲート
材料としてはタンタグステンシリサイドWSiの他にモ
リブデンMo,タングステンWなどの材料やこの化合物
が使用できる。基板としてはシリコンSiの他に金属あ
るいは絶縁体の上に導電材を積層したものが使用でき
る。
【0028】図5は本発明の第3の実施例である電界放
出型冷陰極の外観図である。凸部パターン8上の導電層
はエミッタコーン7と導電位となり、凸部パターン8上
の導電層と基板1間の放電を防止することができる。
尚、図5において本発明の電界放出型冷陰極および外部
電極9を保持する陰極構体は一部のみ図示している。
【0029】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によるところ
の電界放出型冷陰極では、リフトオフ法による高融点金
属層除去工程が短時間に且つ残渣を残さず確実に行うこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である電界放出型冷陰極
の断面を含む外観を示す斜視図。
【図2】本発明の第1の実施例である電界放出型冷陰極
の平面図。
【図3】本発明の電界放出型冷陰極の制作工程の一部で
あるリフトオフ工程途中を示す断面図。
【図4】本発明の第2の実施例である電界放出型冷陰極
の断面を含む外観を示す斜視図。
【図5】本発明の第3の実施例である電界放出型冷陰極
の外観を示す斜視図。
【図6】従来の電界放出型冷陰極の製造工程と構造の断
面図。
【符号の説明】
1 基板 2 絶縁層 3 ゲート電極 4 キャビティ 5 犠牲層 6 高融点金属層 7 エミッタコーン 8 凸部パターン 9 外部電極 10 ボンディングワイヤ 11 レジスト 12 ガラス基板

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電体もしくは表面に導電性層を有する
    絶縁体からなる基板上に1つもしくは複数の先端の尖っ
    たエミッタコーンと前記エミッタコーンの先端を取り囲
    む開口部を有するゲート電極と前記基板と前記ゲート電
    極間に絶縁層を有する電界放出冷陰極において、前記基
    板上の電界放出冷陰極のパターンが形成されない外周部
    に島状または帯状または櫛歯状の凸部パターンを有する
    ことを特徴とする電界放出型冷陰極。
  2. 【請求項2】 前記凸部パターン上面は前記ゲート電極
    と同じ材質の導電層からなることを特徴とする請求項1
    記載の電界放出型冷陰極。
  3. 【請求項3】 前記凸部パターンの周縁部および前記ゲ
    ート電極周辺に前記基板・前記凸部パターン間に有する
    前記絶縁層が露出し、かつ前記絶縁層外周には前記基板
    が露出していることを特徴とする請求項2記載の電界放
    出型冷陰極。
  4. 【請求項4】 前記凸部パターン上面は引き出し電極に
    接続され前記コーンと同電位が印加されることを特徴と
    する請求項2記載の電界放出型冷陰極。
  5. 【請求項5】 前記凸部パターン間および前記ゲート電
    極・前記凸部パターン間距離が5μm以上500μm以
    下であることを特徴とする請求項1記載の電界放出型冷
    陰極。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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