JP2734965B2 - 電界放出素子とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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ＣＨＦ ₆ 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。なお、低融点の金
属としてはＣｕ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｚ
ｎ，Ａｌ又はそれらを含む合金とすることができる。

【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。

【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。

【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）、その他にＮｂ，Ｐｄ，Ｔ
ｉ，Ａｕ，Ｃ，Ｌａ，Ｒｅ，Ｋ，Ｔａ，Ｔｃ，Ｔｎ，
Ｖ，Ｚｒ又はそれらの合金を短時間蒸着してエミッタ１
１５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１２
８が完全に閉じる前にエミッタ先端部材料１１５Ａ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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【図３】電子ビーム蒸着装置の原理図を示す説明図であ
る。

【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。

【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。

【図６】電界放出素子の製造工程を示す工程図である。

【図７】ＩＣＢ蒸着装置の原理図を示す説明図である

【図８】従来のエミッタの構成図である。

【符号の説明】 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

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。
2. 【請求項２】上記ＩＣＢ蒸着法における蒸発源は、複数
   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。
3. 【請求項３】上記低融点の金属はＣｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍ
   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。
4. 【請求項４】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。