JPH11149858A - 電界放出型冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、エミッション特性の劣化、特にゲ
ートリーク電流の発生を防止し、低消費電力で、寿命が
長く、信頼性の高い電界放出型冷陰極、およびその製造
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 基板上に、先鋭な先端形状のエミッタ
と、このエミッタに近接して設けられ、このエミッタ部
分に開口を有するゲート電極とを備えた電界放出型冷陰
極において、前記エミッタの表面が高抵抗材料または絶
縁性材料からなる保護膜で覆われていることを特徴とす
る電界放出型冷陰極。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出型冷陰極に
関し、特に先鋭なエミッタを有する電界放出型冷陰極に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型冷陰極はコーン形状の先鋭な
エミッタとサブミクロンオーダの開口を有しエミッタに
近接して形成されるゲート電極によりエミッタ先端に高
電界を集中し、真空中でエミッタ先端から電子を放出さ
せ、アノード電極でその電子を受ける素子である。しか
し、真空中といっても厳密には極低圧の残留ガスが動作
環境中に残っており、さらに電子流がアノード電極など
に入射した時に脱ガスが起こり、真空度が低下すること
がある。

【０００３】このような真空環境では電子により残留ガ
スを正にイオン化され、これがエミッタに入射してエミ
ッタ材料がスパッタされる。そのためエミッタ形状が変
形することにより電流変動が生じることがあった。さら
には、スパッタされたエミッタ材料がゲート電極とエミ
ッタ電極との間の絶縁膜の側壁に堆積し、エミッタ・ゲ
ート間に電流のリークを引き起こすことがあった。この
ようなリーク電流が発生すると、余剰な電流により実効
的なエミッタ・ゲート電圧が低下し、それによりエミッ
ション電流値も低下するため寿命が短くなっていた。

【０００４】このリーク電流防止にはエミッタ材料がス
パッタされないようにすることが有効である。そこで、
スパッタリング耐性の高い材料でエミッタを覆う方法が
提案されている。

【０００５】この種の電界放出型冷陰極が、例えば特開
平７−１９２６０４号公報に開示されている。図８（断
面図）、図９（平面図）に示すように、支持基板となる
シリコン基板１上に突起形状のエミッタ５ａが形成さ
れ、エミッタ５ａ上に開口を有する酸化膜よりなる絶縁
膜２とその上に形成された電極膜３が形成され、さらに
絶縁膜２の開口に露出したエミッタ５ａおよびシリコン
基板１を覆うように、例えば有機ケイ素化合物等の有機
金属化合物８が形成された構造となっていた。このよう
に耐スパッタ性の高い導電性膜をエミッタ保護膜として
形成することにより、寿命を改善することが可能となっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、エミッタ
材料よりも耐スパッタ性の高い材料を使用することによ
りアノード電流の変動は小さくなり寿命は改善する。し
かしながら、保護膜として導電性の金属化合物を使用す
ると、高エネルギーのイオンが入射する環境では保護膜
である有機金属化合物がスパッタされ絶縁膜側壁に堆積
しエミッタ・ゲート間にゲートリークパスが生じる問題
がある。

【０００７】前記公開公報で試験されているような４０
Ｖ程度のゲート電圧で発生するイオンのスパッタ性は小
さく、このような低電圧での評価では寿命改善の効果は
大きいと考えられるが、実評価環境下では１０００Ｖ以
上の高電圧がアノード電極として印加されることがあ
る。一般にスパッタ率は１０００Ｖ以上のエネルギーか
ら飽和傾向を示しながら増加していく。このため、高電
圧が印加された環境下ではエミッタ保護膜となる金属化
合物もスパッタされ、いずれゲートリーク起因の電流低
下が生じることがあった。さらにはゲートリーク電流の
発生により、余剰な電力が発生し低電力動作にも支障と
なっていた。

【０００８】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
ものであり、エミッション特性の劣化、特にゲートリー
ク電流の発生を防止し、低消費電力で、寿命が長く、信
頼性の高い電界放出型冷陰極、およびその製造方法を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、先
鋭な先端形状のエミッタと、このエミッタに近接して設
けられ、このエミッタ部分に開口を有するゲート電極と
を備えた電界放出型冷陰極において、前記エミッタの表
面が高抵抗材料または絶縁性材料からなる保護膜で覆わ
れていることを特徴とする電界放出型冷陰極である。

【００１０】また、本発明は、先鋭な先端形状のエミッ
タと、このエミッタに近接して設けられ、このエミッタ
部分に開口を有するゲート電極とを備えた電界放出型冷
陰極において、前記エミッタの先端の電子放出領域が露
出し、電子放出領域以外の側壁表面が高抵抗材料または
絶縁性材料からなる保護膜で覆われていることを特徴と
する電界放出型冷陰極である。

【００１１】本発明によれば、エミッタ表面に高抵抗材
料あるいは絶縁性の材料よりなる保護膜を形成すること
により、イオン化した残留ガスがエミッタに入射しても
エミッタ材料がスパッタされることを防止し、さらにス
パッタされた保護膜が絶縁膜側壁に付着したとしてもエ
ミッタ・ゲート電極間エミッション電流の低下につなが
るようなゲートリーク電流が流れることはなくなる。さ
らには、ゲートリーク電流の発生による余剰な電力の発
生も無く低電力動作にも有効である。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施形態の１例を
示す。シリコン基板１上に先鋭な先端を有するエミッタ
５ａ、それを取り囲むように形成されたゲート電極３ａ
と絶縁膜２および、エミッタ５ａと露出したシリコン基
板１表面を覆う保護膜により構成されている。この図で
は、保護膜６はゲート電極３ａと絶縁膜２上にも形成さ
れているがこれらは必ずしも必要ない。

【００１３】この実施形態の平面図を図２に示す。図１
は図２中Ａ−Ｂ間の断面図である。図２に示すように、
表面に形成された保護膜６は、少なくともゲート電極３
ａの電極取り出し部１１の部分では除去されている。

【００１４】ここで、図７に、エミッタからのエミッシ
ョン電子とその電子によりイオン化した残留ガスの軌跡
を模式的に示し本発明の効果を説明する。図７に示すよ
うにエミッタ５ａから放出した電子は、ある広がりを持
った軌跡（点線で示す）を示す。この電子の衝突により
イオン化した残留ガスは電位分布に沿ってエミッタ方向
に進む。ここで、エミッタの極近傍で発生したイオン
（細い実線）はエミッタ先端に向かうが、離れた位置で
発生したイオン（太い実線）は垂直方向のエネルギーを
持っているため、エミッタの側壁に入射する。

【００１５】従来の電界放出型冷陰極では、このような
イオンの入射によりエミッタはスパッタされ近傍の絶縁
膜２の側壁に堆積したエミッタ材料によるゲートリーク
電流のパスを形成していく。

【００１６】しかし、本発明のように絶縁性のエミッタ
表面保護膜が形成されていると、イオンによりスパッタ
され絶縁膜側壁に堆積しても、導電性でないエミッタ表
面材料が堆積するだけなのでエミッタ・ゲート電極間の
ゲートリークパスは形成されることはない。

【００１７】この保護膜の体積抵抗率は、１０Ω・ｃｍ
以上であり、好ましくは１０⁵Ω・ｃｍ以上である。

【００１８】図１で示したように、エミッタ全面が保護
膜で覆われているときは、保護膜の厚さはトンネリング
によりエミッタ５ａから電子が容易に放出される程度の
膜厚、たとえば１０ｎｍ程度以下が望ましい。

【００１９】本発明では、図４（ｃ）で示すようにエミ
ッタ５ａの電子放出領域を保護膜で覆わないで露出させ
ておくことも好ましい。

【００２０】さらに、保護膜をスパッタ率の低い材料を
用いることによりエミッタ表面をより保護することが可
能でありエミッタ自体の損傷が無くなる。

【００２１】保護膜として用いられる材料としては、ダ
イヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜、グラファイト等を挙げることが
できる。この中でも、ダイヤモンド、ダイヤモンドライ
クカーボン、シリコン酸化膜が好ましい。

【００２２】本発明の電界放出型冷陰極を、表示素子に
用いることにより輝度の安定した優れた表示装置が得ら
れる。

【００２３】特に、多数の電界放出型冷陰極をアノード
電極と対向させて形成するフラットパネルディスプレイ
の場合には、エミッタへの正イオンの入射によりエミッ
ション電流量が低下すると、周辺との輝度と差が生じた
り、あるいは暗点として残ることになる。しかし、本発
明の電界放出型冷陰極を用いると、複数の多数の電界放
出型冷陰極が電流変動なく動作し寿命の長い表示動作が
可能になる。

【００２４】さらに、本発明の電界放出型冷陰極を、デ
ィスプレイ用陰極管（ＣＲＴ）に適用すると、電流特性
の安定した装置が実現できる。

【００２５】

【実施例】次に実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。

【００２６】［実施例１］図３（ａ）〜（ｄ）は本発明
の第１の実施例の工程順断面図である。初めに、図３
（ａ）に示すように、約１０¹⁵ｃｍ^-3の不純物濃度のｎ
型シリコン基板１の表面に熱酸化により形成された酸化
膜などの約５００ｎｍ厚の絶縁膜２を形成する。引き続
き、タングステン等の金属膜よりなる電極膜３をスパッ
タ等の方法で約２００ｎｍ厚に堆積する。

【００２７】次に図３（ｂ）に示すように、電極膜３を
レジスト等のマスクを用いて選択的にエッチングしてゲ
ート電極３ａを形成し、さらにフォトリソグラフィ法で
レジストをマスクとしてパターニングしゲート電極３ａ
および絶縁膜２をリアクティブイオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）法によりエッチングし、シリコン基板１が露出する
開口をエミッタ形成領域に形成する。

【００２８】次に、図３（ｃ）に示すように、例えばア
ルミよりなる犠牲層４を垂直方向から所定の角度だけ傾
けた斜め方向から電子ビーム蒸着法により約１００ｎｍ
厚に堆積する。この工程では、犠牲層は斜め上方向から
堆積されるためにエミッタ形成領域となる露出したシリ
コン基板１上には成膜せず、絶縁層２の上面と側壁およ
びゲート電極３ａ上に成膜される。

【００２９】次に、例えばＭｏなどのエミッタ材料層５
を垂直方向から電子ビーム蒸着法により堆積する。この
工程で犠牲層４の上面にエミッタ材料層５が堆積すると
同時に、エミッタ形成領域のシリコン基板１上にエミッ
タ材料層５がコーン形状に堆積成長してエミッタ５ａが
形成される。

【００３０】次に図３（ｄ）に示すように、リン酸等で
犠牲層４をエッチング除去する。これにより犠牲層４上
のエミッタ材料層５はリフトオフされエミッタ５ａが露
出する。

【００３１】その後、ＣＶＤ法等で例えばダイヤモンド
膜等の半絶縁性膜よりなる保護膜６を５ｎｍから２０ｎ
ｍ厚に全面に堆積した後、パッド形成用に所定の領域の
保護膜６を除去して図１に示す第１の実施例の電界放出
型冷陰極が得られる。

【００３２】この方法では、電界放出型冷陰極の形成の
最終工程で、簡略に所望の保護膜を形成する事が可能で
ある。

【００３３】電界放出型冷陰極の寿命を１０^-6Ｐａの真
空度環境で評価したところ、従来のエミッタが露出した
電界放出型冷陰極では１００時間経過後から次第にゲー
トリーク電流が増加しエミッション電流が低下していっ
たが、本発明の素子ではリーク電流の発生は認められな
かった。

【００３４】［実施例２］次に本発明の第２の実施例に
ついて説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の
実施例の工程順断面図である。

【００３５】図４（ａ）に示すように、第１の実施例と
同様にして、エミッタ材料層５を犠牲層４の上面に堆積
すると同時に、エミッタ５ａを形成する。

【００３６】その後、図４（ｂ）に示すようにリン酸等
で犠牲層４をエッチングし、不要なエミッタ材料層５を
リフトオフし、１０⁹Ω・ｃｍ程度のダイヤモンドライ
クカーボン（ＤＬＣ）を約１０ｎｍ厚にＣＶＤ法で全面
に堆積し、レジストなどの平坦性膜を塗布した後、Ｏ₂
プラズマ中でレジストをエッチバックし、エミッタ５ａ
を形成した開口内にのみレジスト７が残り、レジストの
中からエミッタの先端が露出するようにする。

【００３７】この後、露出部分のＤＬＣ膜をエッチング
し、レジストを取り除き、図４（ｃ）のように、エミッ
タ５ａの側壁にＤＬＣ膜を残し、先端にＭｏ等のエミッ
タ材料が露出させることで電界放出型冷陰極を完成す
る。

【００３８】本実施例ではエミッタの先端を露出させて
いるために電子が放出する際に保護膜をトンネリングす
る必要が無く低電圧での動作が可能である。

【００３９】このように、エミッタ先端が露出していて
も、高エネルギーのイオンはエミッタから離れているの
でエミッタ先端に入射する確率は低く、また微小な体積
であるのでスパッタされたとしても絶縁膜２の側壁にリ
ーク電流パスを形成する可能性は極めて低い。

【００４０】即ち、本実施例では、低電圧駆動が可能な
長寿命かつ高信頼性の電界放出型冷陰極を得ることがで
きる。

【００４１】［実施例３］次に本発明の第３の実施例に
ついて説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は本発明の第３の
実施例の工程順断面図である。まず、図５（ａ）に示す
ようにシリコン基板１に熱酸化法などの方法で形成され
た約２００ｎｍ厚の酸化膜などの絶縁膜２１を形成す
る。

【００４２】次に図５（ｂ）に示すように、絶縁膜２１
をマスクとしてＳＦ₆などのガスを用いたドライエッチ
ング法でシリコン基板１をエッチングし凸形状に加工す
る。

【００４３】次に図５（ｃ）に示すように、露出したシ
リコン基板１に熱酸化を施し約２００ｎｍ厚の酸化膜２
２を形成すると同時にエミッタ形成用のシリコン基板１
の凸形状を先鋭な円錐形に加工し、エミッタ５ａを形成
する。さらに電子ビーム蒸着法で酸化膜などの絶縁膜２
３を約３００ｎｍ厚に形成し、さらにタングステンなど
の金属膜よりなる電極膜３を約２００ｎｍ厚に形成す
る。

【００４４】次に図５（ｄ）に示すように、電極膜３を
フォトリソグラフィ法でパターニングした後、弗酸溶液
などで絶縁膜２１、絶縁膜２３および酸化膜２２をエッ
チングする。これによりエミッタ上の余剰な電極膜３は
リフトオフされ除去されゲート電極３ａが形成される。

【００４５】次に、図５（ｅ）に示すように露出したエ
ミッタ５ａ表面を酸化させ、５ｎｍから１０ｎｍの酸化
膜よりなる保護膜６を形成する。

【００４６】以上説明したようにシリコン基板をエッチ
ング等で先鋭化しエミッタを形成する方法では、エミッ
タ表面を薄く酸化することで容易に保護膜を形成するこ
とが可能である。この方法でもＤＬＣ膜などの材料を堆
積してもかまわない。

【００４７】［実施例４］次に、第４の実施例について
説明する。図６は第４の実施例の断面図である。約１０
¹⁵ｃｍ^ー3の濃度のｎ型シリコン基板１の表面に円錐型の
エミッタ５ａが形成され、例えば熱酸化により形成され
た酸化膜などからなる約２００ｎｍ厚の酸化膜２２、３
００ｎｍ厚の絶縁膜２３と例えばタングステンよりなる
ゲート電極３ａよりなる電界放出型冷陰極のエミッタ５
ａの先端を除く領域に例えば酸化膜よりなる保護膜６が
形成された構造となっている。

【００４８】このような構造を形成には、実施例３と同
様にして図５（ｅ）までの構造を形成した後、実施例２
と同様にレジストなどの平坦性膜を塗布した後、レジス
トをエッチバックし、エミッタの先端がレジストの中か
ら露出するようし、露出部分のシリコン酸化膜をエッチ
ングし、その後レジストを除くと、図６のようにエミッ
タ先端にシリコンが露出し、エミッタ側壁がシリコン酸
化膜からなる保護膜で覆われる構造が完成する。

【００４９】このようにシリコンよりなるエミッタで
も、先端を露出させエミッション特性を向上させた状態
でエミッタのスパッタを保護することは可能である。こ
の方法は酸化膜のように仕事関数が高くエミッション効
率の比較的悪い材料を保護膜として利用する際に有効で
ある。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、エミッション特性の劣
化、特にゲートリーク電流の発生を防止し、低消費電力
で、寿命が長く、信頼性の高い電界放出型冷陰極を提供
することができる。

【００５１】また、本発明によれば低電圧動作も可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出型冷陰極の１例を示す断面図
である。

【図２】本発明の電界放出型冷陰極の１例を示す平面図
である。

【図３】本発明の第１の実施例の工程順断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例の工程順断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例の工程順断面図である。

【図６】本発明の第４の実施例の断面図である。

【図７】電界放出型冷陰極から放出される電子および冷
陰極に照射されるイオンの軌跡の説明図である。

【図８】従来の電界放出型冷陰極の断面図である。

【図９】従来の電界放出型冷陰極の平面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 絶縁膜 ３ ゲート電極材料 ３ａ ゲート電極 ４ 犠牲層、 ５ エミッタ材料層 ５ａ エミッタ ６ 保護膜 ７ レジスト ８ 有機金属化合物 ２１ 絶縁膜 ２２ 酸化膜 ２３ 絶縁膜

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、先鋭な先端形状のエミッタ
   と、このエミッタに近接して設けられ、このエミッタ部
   分に開口を有するゲート電極とを備えた電界放出型冷陰
   極において、 前記エミッタの表面が高抵抗材料または絶縁性材料から
   なる保護膜で覆われていることを特徴とする電界放出型
   冷陰極。
2. 【請求項２】 先鋭な先端形状のエミッタと、このエミ
   ッタに近接して設けられ、このエミッタ部分に開口を有
   するゲート電極とを備えた電界放出型冷陰極において、 前記エミッタの先端の電子放出領域が露出し、電子放出
   領域以外の側壁表面が高抵抗材料または絶縁性材料から
   なる保護膜で覆われていることを特徴とする電界放出型
   冷陰極。
3. 【請求項３】 前記保護膜が、ダイヤモンド膜、ダイヤ
   モンドライクカーボン膜またはシリコン酸化膜である請
   求項１または２記載の電界放出型冷陰極。
4. 【請求項４】 シリコン基板上に、絶縁膜と電極膜をこ
   の順に形成する工程と、 前記電極膜をゲート電極形状に加工すると共に、前記絶
   縁膜と電極膜のエミッタ形成位置に開口を設け、前記シ
   リコン基板を露出させる工程と、 斜め蒸着法により、前記開口内以外の表面に犠牲層を形
   成する工程と、 この犠牲層の表面にエミッタ材料層を堆積すると共に、
   前記開口にエミッタ電極をコーン状に形成する工程と、 前記犠牲層をエッチングして犠牲層上のエミッタ材料層
   をリフトオフする工程と、 コーン状のエミッタの表面に高抵抗材料または絶縁性材
   料を成膜して保護膜を形成する工程とを有する請求項１
   記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
5. 【請求項５】 シリコン基板上に、絶縁膜と電極膜をこ
   の順に形成する工程と、 前記電極膜をゲート電極形状に加工すると共に、前記絶
   縁膜と電極膜のエミッタ形成位置に開口を設け、前記シ
   リコン基板を露出させる工程と、 斜め蒸着法により、前記開口内以外の表面に犠牲層を形
   成する工程と、 この犠牲層の表面にエミッタ材料層を堆積すると共に、
   前記開口にエミッタ電極をコーン状に形成する工程と、 前記犠牲層をエッチングして犠牲層上のエミッタ材料層
   をリフトオフする工程と、 コーン状のエミッタの表面に高抵抗材料または絶縁性材
   料を成膜して保護膜を形成する工程と、 続いて、全面にレジストを形成した後エッチバックする
   ことで、レジストの中からエミッタの先端を露出させる
   工程と、 エミッタ先端の保護膜を除去する工程とを有する請求項
   ２記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
6. 【請求項６】 シリコン基板上のエミッタ形成位置に第
   １の絶縁膜を形成する工程と、 第１の絶縁膜をマスクとして前記シリコン基板を等方性
   エッチングし、続いて熱酸化することにより、シリコン
   基板表面にシリコン酸化膜を形成すると同時に第１の絶
   縁膜下のシリコン基板を先鋭な形状に加工してエミッタ
   を形成する工程と、 第２の絶縁膜と、引き続き電極膜を成膜する工程と、 エミッタ上に形成された第１の絶縁膜、第２の絶縁膜お
   よび電極膜をフォトリソグラフィにより除去する工程
   と、 表面に露出したシリコンのエミッタの表面を酸化して保
   護膜を形成する工程とを有する請求項１記載の電界放出
   型冷陰極の製造方法。
7. 【請求項７】 シリコン基板上のエミッタ形成位置に第
   １の絶縁膜を形成する工程と、 第１の絶縁膜をマスクとして前記シリコン基板を等方性
   エッチングし、続いて熱酸化することにより、シリコン
   基板表面にシリコン酸化膜を形成すると同時に第１の絶
   縁膜下のシリコン基板を先鋭な形状に加工してエミッタ
   を形成する工程と、 第２の絶縁膜と、引き続き電極膜を成膜する工程と、 エミッタ上に形成された第１の絶縁膜、第２の絶縁膜お
   よび電極膜をフォトリソグラフィにより除去する工程
   と、 表面に露出したシリコンのエミッタの表面を酸化して保
   護膜を形成する工程と、 続いて、全面にレジストを形
   成した後エッチバックすることで、レジストの中からエ
   ミッタの先端を露出させる工程と、 エミッタ先端の保護膜を除去する工程とを有する請求項
   ２記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
8. 【請求項８】請求項１〜３のいずれかに記載の電界放出
   型冷陰極を用いた表示装置。
9. 【請求項９】請求項１〜３のいずれかに記載の電界放出
   型冷陰極を用いたフラットパネルディスプレイ。
10. 【請求項１０】請求項１〜３のいずれかに記載の電界放
    出型冷陰極を用いたディスプレイ用陰極管。