(57)【要約】【課題】突起状エミッタの作製を容易にするとともに、エミッタ先端を先鋭化して電界強度を高めた電界放出素子とその製造方法を提供する。【解決手段】ガラス基板１上にエミッタ用金属層２を積層し、さらに環状の開口部３ａを有するレジスト３をエミッタ用金属層２上に形成する。次に、異方性のドライエッチングにより、レジスト３の開口部３ａからエミッタ用金属層２の途中まで削り、凹部を形成する。その後、等方性のウエットエッチングを用いて、エミッタ用金属層２の突起状部分を作製し、レジスト３を剥離する。エミッタ用金属層２の一部が突起状のエミッタ２ａとして形成される。エミッタ２ａは、角錐形状を有しており、錐体面（側面）が、直線状でなく、内側に湾曲した形状となっている【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
突起状のエミッタを備えた電界放出素子であって、
前記エミッタは、側面が内側に湾曲した角錐形状に形成されていることを特徴とする電界放出素子。
【請求項２】
前記角錐形状の先端部の広がり角度は、１０度以下であることを特徴とする請求項１記載の電界放出素子。
【請求項３】
エミッタ用金属層に環状の開口部を有するマスクを形成する第１工程と、
異方性のドライエッチングにより前記開口部からエミッタ用金属層を途中までエッチングする第２工程と、
前記第２工程終了後に、等方性のウエットエッチングによりエミッタ用金属層の一部を突起状とし、エミッタを形成する第３工程とを備えたことを特徴とする電界放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１工程におけるマスクの開口部は、前記第３工程で形成されるエミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されていることを特徴とする請求項３記載の電界放出素子の製造方法。
【請求項５】
前記エミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されているマスクの開口部は３又は４個であることを特徴とする請求項４記載の電界放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な突起状のエミッタを備えた電界放出素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置における電子放出源や、ＳＥＭ、ＴＥＭ、電子線リソグラフィー装置等の電子放出源には、スピント型エミッタを有する電界放出素子が用いられている。この電界放出素子は、特許文献１や非特許文献２に示されるように、円錐形状のエミッタとこれを取り囲むようにして形成された電子引き出し用のゲート電極等から構成されており、エミッタとゲート電極との間に電圧を印加すると、エミッタの先端に大きな電界が加わり、電子放出が起きる。
【０００３】
上記スピント型エミッタの作製方法の一つとして、特許文献１の図９や非特許文献２に示されるように、犠牲層（剥離層）を用いてエミッタ電極材料を蒸着することにより、エミッタを形成する方法がある。
【０００４】
しかし、犠牲層を形成する際に、エミッタ給電膜やゲート開孔部内の絶縁膜内壁面に付着しないように、基板を回転させながら、斜め方向から蒸着するという、特殊な製造工程が存在するため、パネルの対角長の数倍の高さの大型蒸着装置を必要するという問題があった。また、円錐形状にエミッタを仕上げる際、基板を回転させながら、エミッタ金属材料を蒸着しなければならないという難しい技術が要求される。
【０００５】
一方、円錐形状にエミッタを形成する場合、特許文献１の図１に示されるように、等方性のドライエッチングにより、円柱構造を形成した後、異方性のウエットエッチングを行って円錐形状を形成する方法がある。
【特許文献１】特開２００１−１１０３００号公報
【非特許文献２】フラットパネルディスプレイの最新動向（386頁−390頁）  東レリサーチセンター
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術のうち、等方性のドライエッチングにより、円柱構造を形成した後、異方性のウエットエッチングを行って円錐形状を形成する方法は、犠牲層を設ける方法とは異なり、特殊な難しい技術が要求される工程が存在せず、製造は行いやすくなるが、エミッタ先端を針状に先鋭化することが困難である。これは、犠牲層を設ける電界放出素子の形成方法でも同じである。
【０００７】
エミッタの先端が先鋭化されていないと、エミッタ先端に電界集中が行われにくくなり、電界強度が弱くなるので、多くの電子を放出させるためには、駆動電圧を高くしなければならないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、突起状エミッタの作製を容易にするとともに、エミッタ先端を先鋭化して電界強度を高めた電界放出素子とその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、突起状のエミッタを備えた電界放出素子であって、前記エミッタは、側面が内側に湾曲した角錐形状に形成されていることを特徴とする電界放出素子である。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、前記角錐形状の先端部の広がり角度は、１０度以下であることを特徴とする請求項１記載の電界放出素子である。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、エミッタ用金属層に環状の開口部を有するマスクを形成する第１工程と、異方性のドライエッチングにより前記開口部からエミッタ用金属層を途中までエッチングする第２工程と、前記第２工程終了後に、等方性のウエットエッチングによりエミッタ用金属層の一部を突起状とし、エミッタを形成する第３工程とを備えたことを特徴とする電界放出素子の製造方法である。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、前記第１工程におけるマスクの開口部は、前記第３工程で形成されるエミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されていることを特徴とする請求項３記載の電界放出素子の製造方法である。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、前記エミッタの頭頂点を囲むようにして複数配置されているマスクの開口部は３又は４個であることを特徴とする請求項４記載の電界放出素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、環状の開口部を複数有するマスクをエミッタ用金属層上に形成した後に、異方性のドライエッチングをエミッタ用金属層の途中まで行い、その後等方性のウエットエッチングを行ってエミッタを作製しているので、角錐形状のエミッタが形成され、その側面（角錐面）が内側に湾曲した形状となって、エミッタ先端の広がり角度は小さくなり非常に鋭くなるので、エミッタ先端の電界強度を高めることができ、駆動電圧を低減することができる。
【００１５】
また、特殊な製造工程や大型の装置も必要とせず、技術的に難しい作業が存在しないので、エミッタの作製を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の電界放出素子の製造方法の主たる工程と、エミッタ側面の断面形状について示したものである。図１（ａ）のように、ガラス基板１上にエミッタ用金属層２を積層し、さらに環状の開口部３ａを有するレジスト（マスク）３をエミッタ用金属層２上に形成する。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、異方性のドライエッチングにより、レジスト３の開口部３ａからエミッタ用金属層２の途中まで削り、凹部を形成する。この凹部は、底面の方向へ狭くなっていく錐台形状に形成される。その後、図１（ｃ）に示すように、等方性のウエットエッチングを用いて、エミッタ用金属層２の突起状部分を作製し、図１（ｄ）に示すように、レジスト３を剥離すれば、エミッタ用金属層２の一部が突起状のエミッタ２ａとして形成される。また、エミッタ用金属層２の下部領域の２ｂは、カソード電極として用いられる。
【００１８】
エミッタ２ａは、３角錐や４角錐等の角錐形状を有しており、錐体面（側面）が、図１（ｄ）に示すように、直線状でなく、内側に湾曲した形状となっている。このように、内側に湾曲した錐体面を持つように形成することで、エミッタ２ａの頭頂点の広がり角度を非常に小さくすることができ、鋭い先端を形成することができる。また、エミッタ用金属層２は、エミッタ２ａの形成のみならず、カソード電極２ｂの形成にも用いられ、材料としては仕事関数の低いＭｏ（モリブテン）やＣｒ（クロム）等が用いられる。
【００１９】
図１に示されている環状の開口部３ａを有するレジスト（マスク）３の具体例を図２、３に示す。また、図１６は、電界放出素子が２次元状に形成された電界放出装置の一部の構成を示したものであるが、ストライプ状のカソード電極２ｂとストライプ状のゲート電極５ａとが縦横にクロスした領域に、例えば図２、３に示すような全体が正方形状のマスクを用いれば、エミッタ２ａを作製することができる。
【００２０】
図２、３では、レジスト３に設けられている開口部３ａは、円形状としている。開口部３は、楕円のような形状でも良いが、最終的に形成されるエミッタの形状や、先端部の広がり角度を考えれば、円形状とするのが望ましい。また、図２、３で×の印を付けているのは、突起状エミッタ２ａの頭頂点位置を示す。比較のために、図２、３ともに、レジスト３の面積は同じとし、開口部３ａの面積も同じものにしている。
【００２１】
図２では、円形状の開口部３ａが正方形状に並んでおり、エミッタ２ａの頭頂点位置（×印）を囲むようにして４個の開口部３ａが配置された構造となっている。このように、開口部３ａを並べた場合は、開口部３ａからエッチングが円形状に奥の方へ拡がって進んでいくので、上から見たエミッタ形状は、図の破線で示すように四角形状となり、全体のエミッタ形状は四角錐体となる。
【００２２】
一方、図３では、円形状の開口部３ａが上列と下列では互い違いになるように並んでおり、エミッタ２ａの頭頂点位置（×印）を囲むようにして３個の開口部３ａが配置された構造となっている。このように、開口部３ａを並べた場合は、開口部３ａからエッチングが円形状に奥の方へ拡がって進んでいくので、上から見たエミッタ形状は、図の破線で示すように三角形状となり、全体のエミッタ形状は三角錐体となる。
【００２３】
ところで、図２よりも図３の方が、エミッタ２ａの頭頂点位置（×印）の数が多い。これは、作製するエミッタの形状と関連性があり、エミッタ形状を三角錐体とした場合が、開口部３ａの配置密度を最も高めることができ、エミッタの個数を最も多く作製することができるためである。
【００２４】
次に、図２、３のようなレジストを用いて電界放出素子を製造する方法を図４〜図１４を用いて具体的に説明する。図４〜図１４は、図１５、１６に示される電界放出装置の電界放出素子が形成される領域を取り出して示したものである。
【００２５】
まず、図４に示すように、ガラス基板１上にエミッタを作製するためのエミッタ用金属層２をスパッタ等により積層する。このエミッタ用金属層２は、最終的にエミッタの作製とカソード電極（陰極）の作製の両方に用いられる。エミッタ用金属層２は、図１５に示される電界放出装置におけるカソード電極２ｂと同じように、ストライプ状に複数ライン形成される。
【００２６】
エミッタ用金属層２の上には、エミッタ形成用のレジスト３を塗布する。その後、露光を行い、レジスト３のパターニングを行い、図５のように円形状の開口部３ａを形成する。  エミッタ用金属層２にＭｏを用いた場合には、エッチングガスとしてＣＦ４を用いたＲＩＥよる異方性ドライエッチングを行い、図６に示すように、底面側の面積が小さい円錐台形状の凹部を形成する。凹部の断面は、図６のようになるが、このとき、凹部の側面には、鉛直方向との間に傾斜角度θ１が発生する。
【００２７】
次に、Ｈ３ＰＯ４（リン酸）とＨＮＯ３（硝酸）を１：１の割合で混合した溶液を用いて等方性のウエットエッチングを行い、図７に示す形状にエミッタ用金属層２を加工する。エミッタ用金属層２の一部が突起状に形成され、この突起状部分がエミッタ２ａとなる。
【００２８】
上記等方性のウエットエッチングにより、エミッタ２ａの側面は、直線状ではなく、内側に湾曲する形状に形成されるので、エミッタ２ａ先端の広がり角度θ２を狭くすることができる。また、エミッタ２ａ先端の広がり角度θ２は、θ２≒２×θ１となるので、図６の工程でθ１を小さくすれば、θ２も小さくなり、エミッタ２ａの先端は、非常に鋭くすることができる。このエミッタ２ａ先端の広がり角度θ２は、１０度以下の範囲で作製することができ、５度程度までは小さくすることができる。
【００２９】
その後、図８のように、レジスト３を有機溶剤による超音波洗浄等で除去する。次に、図９に示すように、ＳｉＯ２等の絶縁膜４をエミッタ用金属層２の上に積層する。このとき、絶縁膜４の積層部分のベースの高さＨ１がエミッタ２ａの頭頂点までの高さＨ２よりも高くなるように、堆積させる。そして、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によりウエハ全体を回転研磨して図１０に示すように、ウエハ表面を平坦化する。この場合、後述するゲート電極とエミッタ２ａ先端との距離を考慮して研磨する。
【００３０】
次に、図１１に示すように、研磨された絶縁膜４の表面にゲート用金属層５をスパッタにより積層する。ゲート用金属層５は、エミッタ用金属層２と同様、ＭｏかＣｒが用いられる。また、ゲート用金属層５とエミッタ用金属層２とはいずれもストライプ状に形成され、図１５に示すように、縦横にクロスするように形成される。
【００３１】
レジスト６をゲート用金属層５上に塗布し、露光を行い、レジスト６のパターニングを行い、図１２のように、円形状の開口部を形成する。その後、ウエットエッチングを行って、ゲート用金属層５の一部を除去し、さらに、エミッタ２ａを露出させるためのウエットエッチングを行い、図１３に示すように、エミッタホール７を作製して、エミッタ２ａの先端部分を露出させる。
【００３２】
ここで、ゲート用金属層５にＭｏを用いた場合は、Ｈ３ＰＯ４（リン酸）とＨＮＯ３（硝酸）を１：１の割合で混合した溶液を用いて等方性のウエットエッチングを行い、ＳｉＯ２の絶縁膜４のウエットエッチングには、緩衝フッ酸溶液を用いる。最後に、レジスト６を除去して図１４のように、ゲート電極５ａ、エミッタ２ａ、カソード電極２ｂで構成される電界放出素子が完成する。
【００３３】
ここで、電界放出素子が２次元的に並べられた電界放出装置全体の概略図は、およそ、図１５のようになるのであるが、図１６にエミッタ２ａが形成されている部分を拡大して示す。なお、図１４に示されるように、断面図で３個のエミッタ２ａを作製している場合には、図１６において、ゲート電極５ａとカソード電極２ｂとがクロスしている領域には、３×３のエミッタホール７とエミッタ２ａが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における電界放出素子の主要な製造工程と、エミッタ形状とを示す図である。
【図２】エミッタを作製する場合に用いられるマスク形状の一例を示す図である。
【図３】エミッタを作製する場合に用いられるマスク形状の一例を示す図である。
【図４】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図５】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図６】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図７】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図８】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図９】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１１】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１２】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１３】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１４】本発明の電界放出素子の一製造工程を示す図である。
【図１５】電界放出装置におけるエミッタ用金属とゲート用金属の配置状態を示す図である。
【図１６】電界放出素子が形成された電界放出装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ガラス基板
２    エミッタ用金属層
３    レジスト
３ａ  開口部
４    絶縁膜
５    ゲート用金属層
６    レジスト
７    エミッタホール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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