JP2002134008A - 電界放射型電子源の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大面積化が可能で、電子放出量が高く且つ表面
電極の断線や表面電極と下部電極との間の短絡を防止す
ることが可能な電界放射型電子源の製造方法を提供す
る。 【解決手段】絶縁性基板１１の一表面上に断面台形状の
下部電極８を形成した後、多結晶シリコン層３を堆積
し、陽極酸化処理にて下部電極８上の部位を多孔質化し
て多孔質多結晶シリコン層を形成し、多孔質多結晶シリ
コン層を酸化することで強電界ドリフト層６のドリフト
部６ａを形成する。下部電極８は、絶縁性基板１１上に
形成したレジスト層２０へ下部電極８のパターンに対応
し且つ絶縁性基板１１に逆テーパ状の開口断面の溝２１
を開口した後、絶縁性基板１１の一表面側の全面に導電
性層１８をスパッタ法により成膜し、リフトオフにより
レジスト層２０およびレジスト層２０上の導電性層１８
を除去することで形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射により電
子線を放射するようにした電界放射型電子源の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許３６６５２４１号などに開示されているい
わゆるスピント（Spindt）型電極と呼ばれるものがあ
る。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタ
チップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部
を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに
対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真
空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として
高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端か
ら放射孔を通して電子線を放射するものである。

【０００３】しかしながら、スピント型電極は、製造プ
ロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッ
タチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面
発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化
が難しいという問題があった。また、スピント型電極
は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミ
ッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存
在するような場合、放射された電子によって残留ガスが
プラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタ
チップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端が
ダメージ（例えば、イオン衝撃による損傷）を受け、放
射される電子の電流密度や効率などが不安定になった
り、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問
題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種
の問題の発生を防ぐために、高真空（約１０^-5Ｐａ〜約
１０^-6Ｐａ）で使用する必要があり、コストが高くなる
とともに、取扱いが面倒になるという不具合があった。

【０００４】この種の不具合を改善するために、ＭＩＭ
（Metal Insulator Metal)方式やＭＯＳ(Metal Oxid
e Semiconductor)型の電界放射型電子源が提案されて
いる。前者は金属−絶縁膜−金属、後者は金属−酸化膜
−半導体の積層構造を有する平面型の電界放射型電子源
である。しかしながら、このタイプの電界放射型電子源
において電子の放射効率を高めるためには（多くの電子
を放射させるためには）、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜
厚を薄くする必要があるが、上記絶縁膜や上記酸化膜の
膜厚を薄くしすぎると、上記積層構造の上下の電極間に
電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、この
ような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸
化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率
（引き出し効率）をあまり高くできないという不具合が
あった。

【０００５】また、近年では、特開平８−２５０７６６
号公報に開示されているように、シリコン基板などの単
結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の一表面を陽
極酸化することにより多孔質半導体層（ポーラスシリコ
ン層）を形成して、その多孔質半導体層上に金属薄膜を
形成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧を印加して
電子を放射させるように構成した電界放射型電子源（半
導体冷電子放出素子）が提案されている。

【０００６】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６号公報に記載の電界放射型電子源では、基板が半導
体基板に限られるので、大面積化やコストダウン化が難
しいという不具合がある。また、特開平８−２５０７６
６号公報に記載の電界放射型電子源では電子放出時にい
わゆるポッピング現象が生じやすく、電子放出量にむら
が起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイなど
に応用すると、発光むらができてしまうという不具合が
ある。

【０００７】そこで、本願発明者らは、特願平１０−２
７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号において、
多孔質多結晶半導体層（例えば、多孔質化された多結晶
シリコン層）を急速熱酸化（ＲＴＯ）技術によって急速
熱酸化することによって、導電性基板と金属薄膜（表面
電極）との間に介在し導電性基板から注入された電子が
ドリフトする強電界ドリフト層を形成した電界放射型電
子源を提案した。この電界放射型電子源１０’は、例え
ば、図３に示すように、導電性基板たるｎ形シリコン基
板１の主表面（一表面）側に酸化した多孔質多結晶シリ
コン層よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界
ドリフト層６上に金属薄膜よりなる表面電極７が形成さ
れ、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形
成されている。なお、強電界ドリフト層６の厚さは例え
ば１．５μｍに設定されている。

【０００８】図３に示す構成の電界放射型電子源１０’
では、表面電極７を真空中に配置するとともに図４に示
すように表面電極７に対向してコレクタ電極１２を配置
し、表面電極７をｎ形シリコン基板１（オーミック電極
２）に対して正極として直流電圧Ｖpsを印加するととも
に、コレクタ電極１２を表面電極７に対して正極として
直流電圧Ｖcを印加することにより、ｎ形シリコン基板
１から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフト
し表面電極７を通して放出される（なお、図４中の一点
鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流れを
示す）。したがって、表面電極７としては、仕事関数の
小さな材料を用いることが望ましい。ここにおいて、表
面電極７とオーミック電極２との間に流れる電流をダイ
オード電流Ｉpsと称し、コレクタ電極１２と表面電極７
との間に流れる電流を放出電子電流Ｉeと称し、ダイオ
ード電流Ｉpsに対する放出電子電流Ｉeが大きい（Ｉe／
Ｉpsが大きい）ほど電子放出効率が高くなる。なお、こ
の電界放射型電子源１０’では、表面電極７とオーミッ
ク電極２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ
程度の低電圧としても電子を放出させることができる。

【０００９】この電界放射型電子源１０’では、電子放
出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピ
ング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で
放出することができる。ここにおいて、強電界ドリフト
層６は、図５に示すように、少なくとも、導電性基板た
るｎ形シリコン基板１の主表面側に列設された柱状の多
結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に
形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間
に介在するナノメータオーダの微結晶シリコン層６３
と、微結晶シリコン層６３の表面に形成され当該微結晶
シリコン層６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜で
あるシリコン酸化膜６４とから構成されると考えられ
る。すなわち、強電界ドリフト層６は、各グレインの表
面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されていると考えられる。したがって、強電界ドリフ
ト層６に印加された電界はほとんどシリコン酸化膜６４
にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜６４に
かかっている強電界により加速され多結晶シリコンのグ
レイン５１間を表面に向かって図５中の矢印Ａの向きへ
（図５中の上方向へ向かって）ドリフトするので、電子
放出効率を向上させることができる。ここに、強電界ド
リフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空
中に放出される。なお、表面電極７の膜厚は１０ｎｍな
いし１５ｎｍ程度に設定されている。

【００１０】ところで、上記導電性基板としてｎ形シリ
コン基板１などの半導体基板の代わりに、ガラス基板な
どの絶縁性基板上に導電性層よりなる下部電極を形成し
たものを使用すれば、電子源の大面積化および低コスト
化が可能になる。

【００１１】図６に、ガラス基板よりなる絶縁性基板１
１と該絶縁性基板１１の一表面上に形成した下部電極
８’とで構成した導電性基板を用いた電界放射型電子源
１０”を示す。すなわち、この電界放射型電子源１０”
は、図６に示すように、絶縁性基板１１の一表面上に金
属薄膜（例えば、タングステン薄膜）よりなる下部電極
８’が形成され、下部電極８’上に強電界ドリフト層６
が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例え
ば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。こ
こに、強電界ドリフト層６は、下部電極８’上にノンド
ープの多結晶シリコン層を堆積させた後に、該多結晶シ
リコン層を陽極酸化処理にて多孔質化し、さらに急速加
熱法によって酸化若しくは窒化することにより形成され
ている。なお、下部電極８’の膜厚は例えば２００ｎｍ
程度に設定されている。

【００１２】この電界放射型電子源１０”では、表面電
極７を真空中に配置するとともに図７に示すように表面
電極７に対向してコレクタ電極１２を配置し、表面電極
７を下部電極８’に対して正極として直流電圧Ｖpsを印
加するとともに、コレクタ電極１２を表面電極７に対し
て正極として直流電圧Ｖcを印加することにより、下部
電極８’から注入された電子が強電界ドリフト層６をド
リフトし表面電極７を通して放出される（なお、図７中
の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の
流れを示す）。ここにおいて、表面電極７と下部電極
８’との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと称し、
コレクタ電極１２と表面電極７との間に流れる電流を放
出電子電流Ｉeと称し、ダイオード電流Ｉpsに対する放
出電子電流Ｉeが大きい（Ｉe／Ｉpsが大きい）ほど電子
放出効率が高くなる。なお、この電界放射型電子源１
０”では、表面電極７と下部電極８’との間に印加する
直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子
を放出させることができる。

【００１３】また、図６に示した電界放射型電子源１
０”をディスプレイの電子源とし応用する場合には、例
えば図８に示す構成を採用すればよい。

【００１４】図８に示すディスプレイは、電界放射型電
子源１０に対向してガラス基板１４を配設し、ガラス基
板１４における電界放射型電子源１０との対向面にコレ
クタ電極１２および蛍光体層１５を設けてある。ここ
に、蛍光体層１５はコレクタ電極１２の表面に塗布され
ており、電界放射型電子源１０から放射される電子によ
り可視光を発光する。また、ガラス基板１４は図示しな
いスペーサによって電界放射型電子源１０と離間させて
あり、ガラス基板１４と電界放射型電子源１０との間に
形成される気密空間を真空にしてある。

【００１５】図８に示した電界放射型電子源１０は、ガ
ラス基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の
一表面上に列設された複数の下部電極８”と、下部電極
８”にそれぞれ重なる形で形成された複数の酸化した多
孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部６ａおよびド
リフト部６ａの間を埋める多結晶シリコン層よりなる分
離部６ｂを有する強電界ドリフト層６と、強電界ドリフ
ト層６の上でドリフト部６ａおよび分離部６ｂに跨って
下部電極８”に交差する方向に列設された複数の表面電
極７とを備えている。

【００１６】この電界放射型電子源１０では、絶縁性基
板１１の一表面上に列設された複数の下部電極８”と、
強電界ドリフト層６上に列設された複数の表面電極７と
の間に強電界ドリフト層６のドリフト部６ａが挟まれて
いるから、表面電極７と下部電極８”との組を適宜選択
して選択した組間に電圧を印加することにより、選択さ
れた表面電極７と下部電極８”との交点に相当する部位
のドリフト部６ａにのみ強電界が作用して電子が放出さ
れる。つまり、表面電極７と下部電極８”とからなる格
子の格子点に電子源を配置したことに相当し、電圧を印
加する表面電極７と下部電極８”との組を選択すること
によって所望の格子点から電子を放出させることが可能
になる。なお、表面電極７と下部電極８”との間に印加
する電圧は１０〜２０Ｖ程度になっている。

【００１７】以下、図８に示す構成の電界放射型電子源
１０の製造方法について図９を参照しながら簡単に説明
する。

【００１８】まず、絶縁性基板１１の一表面（図９
（ａ）における上面）上に金属薄膜（例えば、タングス
テン薄膜）からなる導電性層１８を例えばスパッタ法に
よって成膜し、導電性層１８上にレジスト層１９を塗布
形成し、当該レジスト層１９のうち下部電極８に対応し
た部位が残るようにレジスト層１９へ溝１９ａを開口す
ることにより、図９（ａ）に示す構造が得られる。

【００１９】次に、レジスト層１９をマスクとしてドラ
イエッチングによって導電性層１８をパターニングする
ことによりそれぞれ導電性層１８の一部からなる断面長
方形状の下部電極８”を形成した後、レジスト層１９を
除去することにより、図９（ｂ）に示す構造が得られ
る。

【００２０】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側の
全面に、絶縁性基板１１および下部電極８”を覆うよう
に所定膜厚（例えば、１，５μｍ）のノンドープの多結
晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶＤ法によって成膜
することにより、図９（ｃ）に示す構造が得られる。

【００２１】次に、多結晶シリコン層３のうち下部電極
８”に重なる部位を陽極酸化処理にて多孔質化すること
により強電界ドリフト層６におけるドリフト部６ａとな
る部位のパターンを形成し、その後、ランプアニール装
置を用い、乾燥酸素雰囲気中で急速熱酸化することによ
って酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト
部６ａが形成され、図９（ｄ）に示す構造が得られる。

【００２２】続いて、強電界ドリフト層６上に所定膜厚
（例えば、１５ｎｍ）の表面電極７を形成することによ
って図９（ｅ）に示す構成の電界放射型電子源１０が得
られる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に図８に示した構成の電界放射型電子源１０は、絶縁性
基板１１の一表面上にドライエッチングによって断面長
方形状の下部電極８”をパターニングした後に、絶縁性
基板１１の一表面側の全面に多結晶シリコン層３を堆積
させ、多結晶シリコン層３のうち下部電極８”上の部位
を陽極酸化処理によって多孔質化し、さらに酸化を施し
てドリフト部６ａを形成しているものである。ここにお
いて、本願発明者らはドリフト部６ａの厚さを薄くする
につれて単位面積当たりの電子放出量が多くなり電子放
出効率が高くなることを実験的に確認している。しかし
ながら、図８に示した構成の電界放射型電子源１０で
は、絶縁性基板１１の一表面上に形成された下部電極
８”の断面形状が長方形状であって、多結晶シリコン層
３の膜厚を薄くするほど多結晶シリコン層３の表面形状
が下部電極８”の形状を反映しやすくなるから、図１０
に示すようにドリフト部６ａの表面と分離部６ｂの表面
との間に急峻な段差が形成され、段差部分での表面電極
７の被覆率が低下して表面電極７が断線したり、表面電
極７と下部電極８”との間の距離が短くなった部分で表
面電極７と下部電極８”とが短絡してしまう恐れがあっ
た。

【００２４】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、大面積化が可能で、電子放出量が高
く且つ表面電極の断線や表面電極と下部電極との間の短
絡を防止することが可能な電界放射型電子源を提供する
ことにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、基板と、基板の一表面上に列設
された複数の下部電極と、各下部電極の表面側に各下部
電極にそれぞれ重なる形で形成された複数の酸化若しく
は窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト部およびド
リフト部の間を埋める分離部を有する強電界ドリフト層
と、強電界ドリフト層上において下部電極に交差する方
向に列設された複数の表面電極とを備え、表面電極を下
部電極に対して正極として電圧を印加することにより下
部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフ
トし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製
造方法であって、下部電極の形成にあたっては、基板の
前記一表面上の全面にレジスト層を形成した後、レジス
ト層へ下部電極のパターンに対応し且つ基板に近づくほ
ど開口幅が徐々に大きくなるテーパ状の開口断面の溝を
開口し、次に、基板の前記一表面側の全面に導電性層を
成膜し、その後、リフトオフによりレジスト層およびレ
ジスト層上の導電性層を除去することにより基板の前記
一表面上にパターニングされた導電性層よりなる断面台
形状の下部電極を形成することを特徴とし、基板の前記
一表面上に形成したレジスト層へ下部電極のパターンに
対応し且つ基板に近づくほど開口幅が徐々に大きくなる
テーパ状の開口断面の溝を開口し、次に、基板の前記一
表面側の全面に導電性層を成膜し、その後、リフトオフ
によりレジスト層およびレジスト層上の導電性層を除去
することにより基板の前記一表面上にパターニングされ
た導電性層よりなる断面台形状の下部電極を形成してい
るので、基板としてガラス基板を用いることにより大面
積化を図ることができ、しかも強電界ドリフト層の厚さ
を比較的薄くしても強電界ドリフト層の表面においてド
リフト部の表面と分離部の表面との間に急峻な段差が形
成されるのを防ぐことができ、表面電極の断線や表面電
極と下部電極との間の短絡を防止することができるか
ら、大面積化が可能で、電子放出量が高く且つ表面電極
の断線や表面電極と下部電極との間の短絡を防止するこ
とが可能な電界放射型電子源を提供することができる。

【００２６】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性層の成膜にあたっては、粒子の飛来する
向きと前記基板の向きとを、前記基板の前記一表面上で
あって前記溝の周壁近傍に粒子が入り込み且つ前記基板
の前記一表面上に断面台形状の導電性層が形成されるよ
うに時間経過に伴って相対的に変化させるので、真空蒸
着法や電子ビーム蒸着法などのように蒸発源が点源に近
似できるような成膜法を採用し且つ前記基板を大面積化
しても前記基板の前記一表面上に断面台形状の導電性層
を形成することができ、下部電極の材料として採用でき
る材料の選択肢を広げることができる。

【００２７】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性層の成膜にあたっては、前記基板の前記
一表面上であって前記溝の周壁近傍に粒子が入り込み且
つ前記基板の前記一表面上に断面台形状の導電性層が形
成されるようにプラズマを利用した成膜法を用いるの
で、前記基板を大面積化しても前記基板の前記一表面上
に断面台形状の導電性層を形成することができ、請求項
２の発明のように粒子の飛来する向きと基板の向きとを
時間経過に伴って相対的に変化させる必要がないから、
導電性層を成膜する成膜装置の構成が簡単になるととも
に成膜装置の故障が少なくなり、結果的に低コスト化を
図ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本実施形態の電界放射型電子源１
０の基本構成は図８に示した従来構成と略同じであっ
て、図１（ｆ）および図２に示すように、ガラス基板よ
りなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の一表面上に
列設された複数の下部電極８と、下部電極８にそれぞれ
重なる形で形成された複数の酸化した多孔質多結晶シリ
コン層よりなるドリフト部６ａおよびドリフト部６ａの
間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離部６ｂを有す
る強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６の上でド
リフト部６ａおよび分離部６ｂに跨って下部電極８に交
差（直交）する方向に列設された複数の表面電極７とを
備えている。ここにおいて、下部電極８はタングステン
薄膜からなる導電性層により構成し、表面電極７は金薄
膜からなる導電性薄膜により構成している。また、下部
電極８の膜厚は２００ｎｍ、表面電極７の膜厚は１５ｎ
ｍにそれぞれ設定されているが、これらの膜厚は特に限
定するものではない。また、強電界ドリフト層６の厚さ
は１．５μｍに設定してあるが、強電界ドリフト層６の
厚さも特に限定するものではない。なお、本実施形態で
は、絶縁性基板１１が基板を構成している。

【００２９】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
図８に示した従来構成と同様、絶縁性基板１１の一表面
上に列設された複数の下部電極８と、強電界ドリフト層
６上に列設された複数の表面電極７との間に強電界ドリ
フト層６のドリフト部６ａが挟まれているから、表面電
極７と下部電極８との組を適宜選択して選択した組間に
電圧を印加することにより、選択された表面電極７と下
部電極８との交点に相当する部位のドリフト部６ａにの
み強電界が作用して電子が放出される。つまり、表面電
極７と下部電極８とからなる格子の格子点に電子源を配
置したことに相当し、電圧を印加する表面電極７と下部
電極８との組を選択することによって所望の格子点から
電子を放出させることが可能になる。なお、表面電極７
と下部電極８との間に印加する電圧は１０〜２０Ｖ程度
になっている。ここにおいて、各表面電極７は、短冊状
に形成され、長手方向の両端部上にそれぞれパッド２７
が形成されている。また、各下部電極８も、短冊状に形
成され、長手方向の両端部上にそれぞれパッド２８が形
成されている。

【００３０】本実施形態の電界放射型電子源１０におけ
るドリフト部６ａは、上述の図５に示した強電界ドリフ
ト層６と同様に、少なくとも、絶縁性基板１１の一表面
側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン５１
と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化
膜５２と、グレイン５１間に介在するナノメータオーダ
の微結晶シリコン層６３と、微結晶シリコン層６３の表
面に形成され当該微結晶シリコン層６３の結晶粒径より
も小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜６４とから
構成されると考えられる。

【００３１】なお、本実施形態では、強電界ドリフト層
６のドリフト部６ａを酸化した多孔質多結晶シリコン層
により形成しているが、強電界ドリフト層６のドリフト
部６ａを窒化した多孔質多結晶シリコン層により形成し
てもよく、多孔質多結晶シリコン層以外の多孔質半導体
層を酸化若しくは窒化したものでもよい。なお、強電界
ドリフト層６のドリフト部６ａを窒化した多孔質多結晶
シリコン層とした場合には図５にて説明した各シリコン
酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となる。

【００３２】本実施形態においては、表面電極７を構成
する導電性薄膜として金薄膜を用いているが、表面電極
７の材料は金に限定されるものではなく、例えば、アル
ミニウム、クロム、タングステン、ニッケル、白金など
の仕事関数が小さな材料を用いてもよい。ここに、金の
仕事関数は５．１０ｅＶ、アルミニウムの仕事関数は
４．２８ｅＶ、クロムの仕事関数は４．５０ｅＶ、タン
グステンの仕事関数は４．５５ｅＶ、ニッケルの仕事関
数は５．１５ｅＶ、白金の仕事関数は５．６５ｅＶであ
る。また、表面電極７を厚み方向に積層された複数層の
薄膜電極層からなる導電性薄膜により構成してもよい。
この場合、最上層の薄膜電極層としては、耐酸化性に優
れ仕事関数が小さな性質を有する材料を採用し、最下層
の薄膜電極層としては、仕事関数が小さく且つ強電界ド
リフト層６との密着性が良い性質の材料を採用すればよ
い。ここに、最下層の薄膜電極層の材料は、最上層の薄
膜電極層の材料に比べて強電界ドリフト層６中へ拡散し
にくい（つまり、強電界ドリフト層６の材料中での拡散
係数が小さい）性質を有していることが望ましい。

【００３３】上述のような仕事関数が小さくかつ強電界
ドリフト層６との密着性が良い性質を有する表面電極７
を採用することにより、表面電極７が強電界ドリフト層
６から剥離するのを防止することができ、表面電極７の
断線を防止できるとともに経時安定性が向上し、また、
製造時の歩留まりが高くなって低コスト化を図ることが
できる。

【００３４】また、最上層の薄膜電極層としては例えば
金を用い、最下層の薄膜電極層としては、クロムを用い
ればよいが、最下層の薄膜電極層としてはクロムの代わ
りに、ニッケル、白金、チタン、ジルコニウム、ロジウ
ム、ハフニウム、イリジウムのいずれかあるいはそれら
の酸化物を用いてもよい。最下層の薄膜電極層として、
クロム、ニッケル、白金、チタン、ジルコニウム、ロジ
ウム、ハフニウム、イリジウムのいずれかあるいはそれ
らの酸化物を用いることにより、最下層の薄膜電極層の
材料コストを比較的安価にすることができる。

【００３５】また、本実施形態では、下部電極８を構成
する導電性層としてタングステン薄膜を用いているが、
下部電極８の材料はタングステンに限定されるものでは
なく、タングステンの代わりに、アルミニウム、ニッケ
ル、コバルト、クロム、ハフニウム、モリブデン、パラ
ジウム、白金、ロジウム、タンタル、チタン、ジルコニ
ウムのいずれかを用いてもよいし、これらの金属の酸化
物やこれらの金属のうちの複数種類よりなる合金膜や、
これらの金属とＳｉとの合金（例えば、アルミニウムを
主成分としたＡｉ−Ｓｉ合金）やシリサイド膜を用いて
もよい。

【００３６】なお、下部電極８を厚み方向に積層された
複数層の導電性膜からなる導電性層により構成してもよ
い。複数層の導電性膜により導電性層を構成する場合に
は、例えば最上層の導電性膜としてアルミニウムを用
い、最下層の導電性膜としてはアルミニウムに比べて抵
抗が小さな銅を用いればよい。

【００３７】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の製造方法について図１を参照しながら説明する。

【００３８】まず、絶縁性基板１１の一表面（図１
（ａ）における上面）の全面上に所定膜厚（例えば、２
μｍ）のレジスト層２０を塗布形成した後、レジスト層
２０へ下部電極８のパターンに対応し且つ絶縁性基板１
１に近づくほど開口幅が徐々に大きくなる溝２１を開口
することにより、図１（ａ）に示すような構造が得られ
る。ここにおいて、溝２１はいわゆる逆テーパ状の形状
に形成されている。なお、本実施形態では、レジスト層
２０としては、ノボラック樹脂を用いた化学増幅型レジ
ストを採用している。また、絶縁性基板１１の上記一表
面における開口幅Ｌａは０．６ｍｍに設定してある。

【００３９】次に、絶縁性基板１１の上記一表面側の全
面に所定膜厚（例えば、２００ｎｍ）のタングステン薄
膜よりなる導電性層１８をスパッタ法により成膜（堆
積）することにより、図１（ｂ）に示す構造が得られ
る。ここにおいて、導電性層１８の成膜にあたっては、
粒子（ここでは、ラジカルやイオンなどの反応粒子）の
飛来する向きと絶縁性基板１１の向きとを、絶縁性基板
１１の上記一表面上であって溝２１の周壁２１ｂ近傍に
上記粒子が入り込み且つ絶縁性基板１１の上記一表面上
に断面台形状の導電性層１８が形成されるように時間経
過に伴って相対的に変化させている。したがって、絶縁
性基板１１における溝２１の底面のうちレジスト層２０
の影となる部位上まで導電性層１８が堆積され且つ影と
なる部位上ではレジスト層２０と絶縁性基板１１との境
界に近づくほど導電性層１８の膜厚が小さくなる。要す
るに、下部電極８は幅方向（図１（ｃ）における左右方
向）の両端部がいわゆる順テーパ状の形状に形成されて
いる。なお、本実施形態では、上記粒子の飛来する向き
と絶縁性基板１１の向きとを相対的に変化させるため
に、絶縁性基板１１が載置され陽極となるホルダ上で絶
縁性基板１１を回転させながら、ホルダをターンテーブ
ルの中心の周りで回転させているが、このように絶縁性
基板１１を動かす代わりに、陰極となるターゲットを動
かすようにしてもよい。

【００４０】上述のように絶縁性基板１１の上記一表面
側の全面に導電性層１８を成膜した後、リフトオフによ
りレジスト層２０およびレジスト層２０上の導電性層１
８を有機溶剤中若しくは酸溶液中で除去することによっ
て絶縁性基板１１上にパターニングされた導電性層１８
からなる断面台形状の下部電極１８が形成され、図１
（ｃ）に示す構造が得られる。

【００４１】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側の
全面に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの
多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶＤ法によって
形成することにより、図１（ｄ）に示すような構造が得
られる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層
３は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６０
０℃以下（１００℃〜６００℃）の低温プロセスで成膜
することができる。なお、ノンドープの多結晶シリコン
層３の形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒Ｃ
ＶＤ法により形成してもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００
℃以下の低温プロセスで成膜することができる。

【００４２】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを
略１：１で混合した混合液よりなる電解液の入った陽極
酸化処理槽を利用し、白金電極（図示せず）を負極、下
部電極８を正極として、多結晶シリコン層３に光照射を
行いながら所定の条件で陽極酸化処理を行うことによっ
て、多結晶シリコン層３のうち下部電極８に重なる部位
に多孔質多結晶シリコン層を形成し、その後、陽極酸化
処理槽から電解液を除去し、該陽極酸化処理槽に新たに
酸（例えば、略１０％の希硝酸、略１０％の希硫酸、王
水など）を投入し、その後、この酸の入った陽極酸化処
理槽を利用して、白金電極（図示せず）を負極、下部電
極８を正極として、定電流を流し多孔質多結晶シリコン
層を酸化することにより下部電極８に重なる部位に酸化
した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部６ａが
形成され、図１（ｅ）に示すような構造が得られる。こ
こにおいて、ドリフト部６ａの間に介在している多結晶
シリコン層３が分離部６ｂを構成するから、ドリフト部
６ａおよび分離部６ｂを有する強電界ドリフト層６が形
成されている。なお、本実施形態では、陽極酸化処理の
条件として、陽極酸化処理の期間、多結晶シリコン層３
の表面に照射する光パワーを一定、電流密度を一定とし
たが、この条件は適宜変更してもよい（例えば、電流密
度を変化させてもよい）。

【００４３】強電界ドリフト層６を形成した後は、強電
界ドリフト層６上に所定膜厚（例えば、１５ｎｍ）の金
薄膜からなる表面電極７を例えばメタルマスクを用いて
蒸着法によって形成し、次に、パッド２７，２８を形成
することによって図１（ｆ）に示す構成の電界放射型電
子源１０が得られる。なお、本実施形態では、表面電極
７の膜厚を１５ｎｍとしてあるが、この膜厚は特に限定
するものではなく、強電界ドリフト層６を通ってきた電
子がトンネルできる膜厚であればよい。また、本実施形
態では、表面電極７となる導電性薄膜を蒸着により形成
しているが、導電性薄膜の形成方法は蒸着に限定される
ものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。

【００４４】しかして、上述の製造方法によれば、下部
電極８の形成にあたって、絶縁性基板１１上に形成した
レジスト層２０へ下部電極８のパターンに対応し且つ絶
縁性基板１１に近づくほど開口幅が徐々に大きくなるテ
ーパ状の開口断面の溝２１を開口し、次に、絶縁性基板
１１の上記一表面側の全面に導電性層１８を成膜し、そ
の後、リフトオフによりレジスト層２０およびレジスト
層２０上の導電性層１８を除去することにより絶縁性基
板１１上にパターニングされた導電性層１８よりなる断
面台形状の下部電極８を形成しているので、絶縁性基板
１１としてガラス基板を用いることにより大面積化およ
び低コスト化を図ることができ、しかも強電界ドリフト
層６の厚さを比較的薄くしても強電界ドリフト層６の表
面においてドリフト部６ａと分離部６ｂとの間に急峻な
段差が形成されるのを防ぐことができ、表面電極７の断
線や表面電極７と下部電極８との間の短絡を防止するこ
とができるから、大面積化が可能で、電子放出量が高く
且つ表面電極７の断線や表面電極７と下部電極８との間
の短絡を防止することが可能な電界放射型電子源１０を
提供することができる。

【００４５】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源１０は、上記従来の電界放射型電子源１
０’、１０”と同様に、電子放出特性の真空度依存性が
小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定
して電子を放出することができる。

【００４６】ところで、上述の製造方法では、導電性層
１８をスパッタ法により成膜しているが、導電性層１８
の成膜法はスパッタ法に限らず、真空蒸着法や電子ビー
ム蒸着法などの成膜法によって成膜してもよい。これら
の成膜法の場合にも粒子（ここでは蒸着原子）の飛来す
る向きと絶縁性基板１１の向きとを、絶縁性基板１１の
上記一表面上であって溝２１の周壁２１ｂ近傍に粒子が
入り込み且つ絶縁性基板１１の上記一表面上に断面台形
状の導電性層１８が形成されるように時間経過に伴って
相対的に変化させることにより、真空蒸着法や電子ビー
ム蒸着法などのように蒸発源が点源に近似できるような
成膜法を採用し且つ絶縁性基板１１を大面積化しても絶
縁性基板１１の上記一表面上に断面台形状の導電性層１
８を形成することができ、下部電極８の材料として採用
できる材料の選択肢を広げることができる。

【００４７】また、導電性層１８の成膜にあたってプラ
ズマを利用した成膜法（例えば、スパッタ法、プラズマ
ＣＶＤ法など）を用いる場合には、粒子（ラジカル、イ
オン、原料ガス分子など）の飛来する向きと絶縁性基板
１１の向きとを時間経過に伴って相対的に変化させなく
ても絶縁性基板１１の上記一表面上に断面台形状の導電
性層１８（つまり、下部電極８）を形成することがで
き、粒子の飛来する向きと絶縁性基板１１の向きとを相
対的に変化させるための駆動機構などを設けなくてよい
から、導電性層１８を成膜する成膜装置の構成が簡単に
なるとともに成膜装置の故障が少なくなり、結果的に低
コスト化を図ることが可能になる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１の発明は、基板と、基板の一表
面上に列設された複数の下部電極と、各下部電極の表面
側に各下部電極にそれぞれ重なる形で形成された複数の
酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト
部およびドリフト部の間を埋める分離部を有する強電界
ドリフト層と、強電界ドリフト層上において下部電極に
交差する方向に列設された複数の表面電極とを備え、表
面電極を下部電極に対して正極として電圧を印加するこ
とにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト
層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型
電子源の製造方法であって、下部電極の形成にあたって
は、基板の前記一表面上の全面にレジスト層を形成した
後、レジスト層へ下部電極のパターンに対応し且つ基板
に近づくほど開口幅が徐々に大きくなるテーパ状の開口
断面の溝を開口し、次に、基板の前記一表面側の全面に
導電性層を成膜し、その後、リフトオフによりレジスト
層およびレジスト層上の導電性層を除去することにより
基板の前記一表面上にパターニングされた導電性層より
なる断面台形状の下部電極を形成することを特徴とし、
基板の前記一表面上に形成したレジスト層へ下部電極の
パターンに対応し且つ基板に近づくほど開口幅が徐々に
大きくなるテーパ状の開口断面の溝を開口し、次に、基
板の前記一表面側の全面に導電性層を成膜し、その後、
リフトオフによりレジスト層およびレジスト層上の導電
性層を除去することにより基板の前記一表面上にパター
ニングされた導電性層よりなる断面台形状の下部電極を
形成しているので、基板としてガラス基板を用いること
により大面積化を図ることができ、しかも強電界ドリフ
ト層の厚さを比較的薄くしても強電界ドリフト層の表面
においてドリフト部の表面と分離部の表面との間に急峻
な段差が形成されるのを防ぐことができ、表面電極の断
線や表面電極と下部電極との間の短絡を防止することが
できるから、大面積化が可能で、電子放出量が高く且つ
表面電極の断線や表面電極と下部電極との間の短絡を防
止することが可能な電界放射型電子源を提供することが
できるという効果がある。

【００４９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性層の成膜にあたっては、粒子の飛来する
向きと前記基板の向きとを、前記基板の前記一表面上で
あって前記溝の周壁近傍に粒子が入り込み且つ前記基板
の前記一表面上に断面台形状の導電性層が形成されるよ
うに時間経過に伴って相対的に変化させるので、真空蒸
着法や電子ビーム蒸着法などのように蒸発源が点源に近
似できるような成膜法を採用し且つ前記基板を大面積化
しても前記基板の前記一表面上に断面台形状の導電性層
を形成することができ、下部電極の材料として採用でき
る材料の選択肢を広げることができるという効果があ
る。

【００５０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性層の成膜にあたっては、前記基板の前記
一表面上であって前記溝の周壁近傍に粒子が入り込み且
つ前記基板の前記一表面上に断面台形状の導電性層が形
成されるようにプラズマを利用した成膜法を用いるの
で、前記基板を大面積化しても前記基板の前記一表面上
に断面台形状の導電性層を形成することができ、請求項
２の発明のように粒子の飛来する向きと基板の向きとを
時間経過に伴って相対的に変化させる必要がないから、
導電性層を成膜する成膜装置の構成が簡単になるととも
に成膜装置の故障が少なくなり、結果的に低コスト化を
図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の製造方法を説明するための主要工程
断面図である。

【図２】同上の電界放射型電子源の一部破断した概略斜
視図である。

【図３】従来例を示す概略断面図である。

【図４】同上の動作説明図である。

【図５】同上の動作説明図である。

【図６】他の従来例を示す概略断面図である。

【図７】同上の動作説明図である。

【図８】同上を応用したディスプレイの概略構成図であ
る。

【図９】図８のディスプレイに用いる電界放射型電子源
の製造方法を説明するための主要工程断面図である。

【図１０】同上の要部説明図である。

【符号の説明】

３ 多結晶シリコン層 ６ 強電界ドリフト層 ６ａ ドリフト部 ６ｂ 分離部 ７ 表面電極 ８ 下部電極 １０ 電界放射型電子源 １１ 絶縁性基板 ２０ レジスト層 ２１ 溝 ２１ｂ 周壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菰田 卓哉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 櫟原 勉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 渡部 祥文 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 幡井 崇 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基板の一表面上に列設された複
   数の下部電極と、各下部電極の表面側に各下部電極にそ
   れぞれ重なる形で形成された複数の酸化若しくは窒化し
   た多孔質半導体層よりなるドリフト部およびドリフト部
   の間を埋める分離部を有する強電界ドリフト層と、強電
   界ドリフト層上において下部電極に交差する方向に列設
   された複数の表面電極とを備え、表面電極を下部電極に
   対して正極として電圧を印加することにより下部電極か
   ら注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面
   電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法で
   あって、下部電極の形成にあたっては、基板の前記一表
   面上の全面にレジスト層を形成した後、レジスト層へ下
   部電極のパターンに対応し且つ基板に近づくほど開口幅
   が徐々に大きくなるテーパ状の開口断面の溝を開口し、
   次に、基板の前記一表面側の全面に導電性層を成膜し、
   その後、リフトオフによりレジスト層およびレジスト層
   上の導電性層を除去することにより基板の前記一表面上
   にパターニングされた導電性層よりなる断面台形状の下
   部電極を形成することを特徴とする電界放射型電子源の
   製造方法。
2. 【請求項２】 前記導電性層の成膜にあたっては、粒子
   の飛来する向きと前記基板の向きとを、前記基板の前記
   一表面上であって前記溝の周壁近傍に粒子が入り込み且
   つ前記基板の前記一表面上に断面台形状の導電性層が形
   成されるように時間経過に伴って相対的に変化させるこ
   とを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源の製造
   方法。
3. 【請求項３】 前記導電性層の成膜にあたっては、前記
   基板の前記一表面上であって前記溝の周壁近傍に粒子が
   入り込み且つ前記基板の前記一表面上に断面台形状の導
   電性層が形成されるようにプラズマを利用した成膜法を
   用いることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子
   源の製造方法。