(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板に形成される電子源素子とを備え、電子源素子が、基板上に形成された下部電極と、下部電極上に設けられナノメータオーダの多数のシリコン微結晶および各シリコン微結晶それぞれの表面に形成されシリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化膜からなる多数の絶縁膜を有する電子通過部と、電子通過部上に形成された表面電極とを具備し、下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側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電子通過部を通過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、前記下部電極の形成工程と、前記シリコン微結晶の形成工程と、前記絶縁膜の形成工程と、前記表面電極の形成工程とを備え、前記シリコン微結晶の形成工程は、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる第１の電解液中にて多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することにより前記シリコン微結晶を含む複合ナノ結晶層を形成するナノ結晶化プロセスであり、各形成工程のうちの少なくとも前記絶縁膜の形成工程は、複合ナノ結晶層を第２の電解液中にて電気化学的に酸化する工程を含み当該工程の後において、加熱源と被処理基板との間に加熱源から輻射された赤外線が被処理基板に直接照射されないようにする赤外線遮蔽物を設けて赤外線遮蔽物の再輻射により被処理基板を加熱する基板加熱方法による熱処理を行うことを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）や半導体基板などの基板を加熱する基板加熱方法を利用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、電子デバイスを製造する途中において基板を加熱する処理が行われることが多いが、加熱源としては主に、抵抗加熱ヒータによるものと、ランプヒータを用いたものの２種類に大別できる。ここにおいて、基板を加熱する処理は、薄膜形成時やアニール時などに行われることが多い。
【０００３】
また、近年では基板を加熱する処理として、急速加熱法による急速熱酸化、急速熱窒化、急速熱酸窒化などの技術が知られており、これらの技術を利用して製造される電子デバイスとして、図１０や図１１に示す構成の電界放射型電子源１０が提案されている。
【０００４】
図１０に示す構成の電界放射型電子源１０は、導電性基板としての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（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。なお、図１０に示す例では、ｎ形シリコン基板１と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３を介在させてあり、多結晶シリコン層３と強電界ドリフト層６とで電子が通過する電子通過部を構成しているが、多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフト層６のみで電子通過部を構成したものも提案されている。
【０００５】
図１０に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２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（図１０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）。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００６】
ところで、図１０に示した構成の電界放射型電子源１０では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成しているが、図１１に示すように、例えば絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に金属薄膜よりなる下部電極１２を形成した電界放射型電子源１０も提案されている。ここに、上述の図１０に示した電界放射型電子源１０と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０００７】
図１１に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２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（図１１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）。なお、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。
【０００８】
上述の各電界放射型電子源１０，１０では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１０および図１１参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電界放射型電子源１０，１０では、表面電極７と下部電極１２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、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流Ｉeが大きくなる。
【０００９】
とことで、図１１に示す構成の電界放射型電子源１０を製造する場合には、絶縁性基板１１の一表面上に下部電極１２をスパッタ法などにより形成した後、絶縁性基板１１の一表面側の全面にプラズマＣＶＤ法などによって４００℃以上の基板温度でノンドープの多結晶シリコン層３を形成し、その後、多結晶シリコン層３を所定深さまで陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む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急速加熱法によって急速熱酸化することで強電界ドリフト層６を形成し、続いて、強電界ドリフト層６上に表面電極７を蒸着法などによって形成している。このようにして製造された電界放射型電子源１０における強電界ドリフト層６は、多結晶シリコンのグレインと、多数のナノメータオーダのシリコン微結晶と、各グレインそれぞれの表面に形成されたシリコン酸化膜と、各シリコン微結晶それぞれの表面に形成されたシリコン酸化膜とを有している。
【００１０】
また、図１１に示した電界放射型電子源１０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１２に示す構成を採用すればよい。
【００１１】
図１２に示すディスプレイは、電界放射型電子源１０に対向して平板状のガラス基板よりなるフェースプレート３０が配置され、フェースプレート３０における電界放射型電子源１０との対向面には透明な導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極（以下、アノード電極と称す）２１が形成されている。また、アノード電極２１における電界放射型電子源１０との対向面には、画素ごとに形成された蛍光物質と蛍光物質間に形成された黒色材料からなるブラックストライプとが設けられている。ここに、蛍光物質はアノード電極２１における電界放射型電子源１０との対向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線によって可視光を発光する。なお、蛍光物質には電界放射型電子源１０から放射されアノード電極２１に印加された電圧によって加速された高エネルギの電子が衝突するようになっており、蛍光物質としてはＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各発光色のものを用いている。また、フェースプレート３０は図示しない矩形枠状のフレームによって電界放射型電子源１０と離間させてあり、フェースプレート３０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。
【００１２】
図１２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１２と、下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数の多結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３にそれぞれ重なる形で形成された酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる複数の強電界ドリフト層６と、隣り合う強電界ドリフト層６間および隣り合う多結晶シリコン層３間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離層１６と、強電界ドリフト層６および分離層１６の上で強電界ドリフト層６および分離層１６に跨って下部電極１２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。ここにおいて、図１２に示す電界放射型電子源１０では、強電界ドリフト層６と多結晶シリコン層３と分離層１６とで電子通過部５を構成している（ただし、電子は多結晶シリコン層３および強電界ドリフト層６を通過する）が、強電界ドリフト層６と下部電極１２との間に多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフト層６と分離層１６とで電子通過部５を構成したものも提案されている。
【００１３】
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１２と、下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電極７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層６の一部が挟まれているから、表面電極７と下部電極１２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、強電界ドリフト層６において選択された表面電極７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極７の群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の多結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とからなる電子源素子１０ａ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１２との組を選択することによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出させることが可能になる。なお、上述の記載から分かるように、電子源素子１０ａは画素ごとに設けられることになる。
【００１４】
図１２に示す構成の電界放射型電子源１０は、絶縁性基板１１の一表面上に複数の下部電極１２を形成した後、絶縁性基板１１の一表面側の全面にプラズマＣＶＤ法などによって４００℃以上の基板温度でノンドープの多結晶シリコン層３を形成し、その後、多結晶シリコン層３のうち下部電極１２に重なる部分を陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む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急速加熱法によって急速熱酸化することで強電界ドリフト層６を形成している。ここに、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコンのグレイン、多数のナノメータオーダのシリコン微結晶、各グレインの表面に形成された薄いシリコン酸化膜、各シリコン微結晶の表面に形成されたシリコン酸化膜とを有している。
【００１５】
上述の説明から分かるように図１２の電界放射型電子源１０の製造工程は、絶縁性基板１１の一表面上に金属薄膜よりなる下部電極１２を形成する工程、絶縁性基板１１の上記一表面側にノンドープの多結晶シリコン層３を形成する工程と、多結晶シリコン層３を陽極酸化することにより多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する工程と、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法によって急速熱酸化してグレインおよびシリコン微結晶の表面にそれぞれ薄いシリコン酸化膜を形成する工程と、電子通過部５上に表面電極７を形成する工程とを備えている。
【００１６】
上述のシリコン微結晶を形成する工程では、陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液を用いている。また、上述のシリコン酸化膜を形成する工程では、ランプアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で室温から９００℃まで短時間で上昇させた後、基板温度を９００℃で１時間維持することで酸化し、その後、基板温度を室温まで下降させている。
【００１７】
また、上述のシリコン酸化膜を形成する工程では、急速加熱法による急速熱酸化を行っているが、全てのシリコン微結晶およびグレインの表面に良好な膜質のシリコン酸化膜を形成することを目的として、硫酸、硝酸などの水溶液からなる電解液（電解質溶液）中にて多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化する方法を採用することも提案されている。
【００１８】
上述のように、多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化する方法を採用することにより、多孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に比べてプロセス温度を低温化することができ、基板の材料の制約が少なくなり、電界放射型電子源の大面積化および低コスト化を図れるという利点もある。また、多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化する方法を採用する場合には、酸化後にアニール工程を行うことによって、シリコン酸化膜の膜質や、シリコン酸化膜とシリコン微結晶との界面を改善したり、強電界ドリフト層６中に含まれる水分を除去することで電界放射型電子源１０の特性を向上させることが提案されている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示した構成の電界放射型電子源１０では、その製造工程における急速加熱法による絶縁膜（シリコン酸化膜）の形成工程や、アニール工程などにおいて絶縁性基板１１を加熱する必要がある。また、これの形成工程に限らず、下部電極１２の形成工程の後、表面電極７の形成工程の後など各形成工程の後に熱処理を行うことによって、各形成工程のプロセス温度の低温化を図ったり、電界放射型電子源１０の特性の面内ばらつきや、電子放出特性、信頼性などを向上させることが考えられる。
【００２０】
しかしながら、絶縁性基板１１上に金属薄膜よりなる下部電極１２などがパターニングされているので、ランプヒータや抵抗加熱ヒータなどの加熱源により絶縁性基板１１を加熱した場合に、加熱源から輻射された赤外線が絶縁性基板１１に直接照射されると、絶縁性基板１１上に形成されたパターンの材料や形状の違いにより赤外線の吸収度合いが異なり、絶縁性基板１１の面内で温度が不均一となって絶縁性基板１１の割れが起こったり、絶縁性基板１１の反りが大きくなって、歩留まりの低下および製造コストの増加を招くという問題があった。また、絶縁性基板１１の面内での温度分布が不均一になると、電界放射型電子源１０の特性の面内ばらつきや膜間の密着性低下の原因となり、結果的に歩留まりの低下および製造コストの増加を招くという問題があった。なお、これらの問題は、図１２に示す構成の電界放射型電子源１０に限らず、図１０および図１１に示す構成の電界放射型電子源１０や、絶縁性基板の一表面側に下部電極と絶縁層と上部電極とからなるＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）型の電子源素子を備えた電界放射型電子源や、その他の電子デバイスにおいても起こる問題である。
【００２１】
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、従来に比べて特性などの面内ばらつきを小さくできる電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、基板と、基板に形成される電子源素子とを備え、電子源素子が、基板上に形成された下部電極と、下部電極上に設けられナノメータオーダの多数のシリコン微結晶および各シリコン微結晶それぞれの表面に形成されシリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化膜からなる多数の絶縁膜を有する電子通過部と、電子通過部上に形成された表面電極とを具備し、下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側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電子通過部を通過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、前記下部電極の形成工程と、前記シリコン微結晶の形成工程と、前記絶縁膜の形成工程と、前記表面電極の形成工程とを備え、前記シリコン微結晶の形成工程は、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる第１の電解液中にて多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することにより前記シリコン微結晶を含む複合ナノ結晶層を形成するナノ結晶化プロセスであり、各形成工程のうちの少なくとも前記絶縁膜の形成工程は、複合ナノ結晶層を第２の電解液中にて電気化学的に酸化する工程を含み当該工程の後において、加熱源と被処理基板との間に加熱源から輻射された赤外線が被処理基板に直接照射されないようにする赤外線遮蔽物を設けて赤外線遮蔽物の再輻射により被処理基板を加熱する基板加熱方法による熱処理を行うことを特徴とし、各形成工程のうち少なくとも前記絶縁膜の形成工程において、被処理基板に形成されているパターンによって被処理基板の温度が不均一となるのを抑制することができ、被処理基板の面内の温度の均一化を図ることが可能となるから、前記絶縁膜の形成工程では、電子通過部中の水分や水分に起因した不純物を取り除くことができて、前記絶縁膜と半導体微結晶との界面および前記絶縁膜の膜質を改善することができ、従来に比べて特性の面内ばらつきが小さな電界放射型電子源を提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図４に示すように、絶縁性を有する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１２と、絶縁性基板１１の上記一表面に平行な面内で下部電極１２に直交する方向に列設された複数の表面電極７と、絶縁性基板１１の上記一表面側に設けられた電子通過部５とを備えている。ここにおいて、電子通過部５は、各下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数の強電界ドリフト層６と、隣り合う強電界ドリフト層６間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離層１６とで構成されている。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。
【００２４】
ところで、下部電極１２は金属材料からなる単層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる単層）の金属薄膜により構成されているが、多層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる多層）の薄膜により構成してもよい。なお、下部電極１２の厚さは３００ｎｍ程度に設定されている。
【００２５】
また、表面電極７の材料には仕事関数の小さな材料（例えば、金）が採用されているが、表面電極７の材料は金に限定されるものではなく、また、単層構造に限らず、多層構造としてもよい。表面電極７の厚さは強電界ドリフト層６を通ってきた電子がトンネルできる厚さであればよく、１０〜１５ｎｍ程度に設定すればよい。
【００２６】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図１２に示した従来構成と同様に、絶縁性基板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電極７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層６の一部が挟まれているから、表面電極７と下部電極１２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、強電界ドリフト層６において選択された表面電極７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極７の群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の多結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とからなる電子源素子１０ａ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１２との組を選択することによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出させることが可能になる。なお、各下部電極１２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２８が形成されている。また、各表面電極７も、短冊状に形成され、長手方向の両端部から延長された部位上にそれぞれパッド２７が形成されている。
【００２７】
強電界ドリフト層６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図５に示すように、少なくとも、下部電極１２の上記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（半導体結晶）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間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とから構成されると考えられる。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。
【００２８】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極２１（図１２参照）と表面電極７との間にアノード電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達すると、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起された電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−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、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図５中の矢印の向き（図５における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、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。なお、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。
【００２９】
以下、本実施形態の電界放射型電子源１０の基本となる製造方法について図６を参照しながら説明する。ただし、図６には１つの電子源素子１０ａに対応する部分の断面のみ示してある。
【００３０】
まず、下部電極１２を形成するために絶縁性を有するガラス基板からなる絶縁性基板１１の上記一表面上に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ程度）の金属薄膜（例えば、タングステン膜）をスパッタ法によって形成した後、金属薄膜上にフォトレジスト層を塗布形成し、金属薄膜のうち下部電極１２となる部分を残すためにフォトレジスト層をフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングしてから、フォトレジスト層をマスクとして金属薄膜を反応性イオンエッチング法によってパターニングすることでそれぞれ金属薄膜の一部からなる複数の下部電極１２を形成し、フォトレジスト層を除去することにより、図６（ａ）に示す構造が得られる。
【００３１】
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、１．５μｍ）のノンドープの多結晶シリコン層３を所定の基板温度（例えば、４００℃）でプラズマＣＶＤ法によって成膜することにより、図６（ｂ）に示す構造が得られる。なお、多結晶シリコン層３の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、ＬＰＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタ法、ＣＧＳ（Continuous  Grain  Silicon）法などを採用すればよい。
【００３２】
ノンドープの多結晶シリコン層３を形成した後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図５参照）と多数のシリコン微結晶６３（図５参照）とが混在する複合ナノ結晶層４を強電界ドリフト層６の形成予定部位に形成することにより、図６（ｃ）に示す構造が得られる。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、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（第１の電解液）を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層３に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層３の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ２の電流）を所定時間だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む複合ナノ結晶層４を多結晶シリコン層３において下部電極１２に重なる部位に形成する。
【００３３】
ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスにて複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化することによって、図５のような構成の複合ナノ結晶層からなる強電界ドリフト層６を形成することにより、図６（ｄ）に示す構造が得られる。酸化プロセスでは、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液（第２の電解液）を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において複合ナノ結晶層４に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６を形成するようになっている。ここにおいて、上記多結晶シリコン層３のうち隣り合う強電界ドリフト層６の間を埋める部分が上述の分離層１６（図４参照）となる。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される複合ナノ結晶層４においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の複合ナノ結晶層は上記従来構成と同様に多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。
【００３４】
強電界ドリフト層６および分離層１６を形成した後は、例えば蒸着法などによって金薄膜からなる表面電極７を形成することにより、図６（ｅ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得られる。
【００３５】
ところで、上述の説明から分かるように、図４に示す構成の電界放射型電子源１０の製造工程は、大別して、下部電極１２の形成工程、半導体層たる多結晶シリコン層３の形成工程、半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の形成工程、絶縁膜たるシリコン酸化膜６４の形成工程、表面電極７の形成工程に分けることができ、本実施形態では、これらの形成工程それぞれにおいて以下に説明する基板加熱方法による熱処理を行うようにしている。なお、以下に説明する基板加熱方法による熱処理は、これらの形成工程のうちの少なくとも１つの形成工程において行うようにすればよい。
【００３６】
本実施形態における基板加熱方法では、図１に示すように、ランプヒータよりなる加熱源Ｂにより被処理基板Ｃを加熱する場合、加熱源Ｂと被処理基板Ｃとの間に加熱源Ｂから輻射された赤外線（なお、図１中の下向きの矢印は加熱源Ｂから輻射された赤外線を模式的に示している）が被処理基板Ｃに直接照射されないようにする赤外線遮蔽物４０を設けて赤外線遮蔽物４０の再輻射により被処理基板Ｃを加熱するようにしている。ここにおいて、赤外線遮蔽物４０としては、図２に示すように、赤外線を遮断する物体たる赤外線遮蔽板４１の表面が被覆材（例えば、シリコンカーバイド）からなる被覆層４２によりコートされたものを用いている。
【００３７】
ところで、被処理基板Ｃの形態は製造工程の途中において変化し、上述の下部電極１２の形成工程においては絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極１２を形成した状態の基板となり、半導体層たる多結晶シリコン層３の形成工程においては絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極１２が形成され下部電極１２上に多結晶シリコン層３が形成された状態の基板となり、半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の形成工程においては絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極１２が形成され下部電極１２上に複合ナノ結晶層４が形成された状態の基板となり、絶縁膜たるシリコン酸化膜６４の形成工程においては絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極１２が形成され下部電極１２上に強電界ドリフト層６が形成された状態の基板となり、表面電極７の形成工程においては絶縁性基板１１の上記一表面上に下部電極１２が形成され下部電極１２上に強電界ドリフト層６が形成され更に強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成された状態の基板となる。
【００３８】
しかしながら、本実施形態における基板加熱方法では、加熱源Ｂにより被処理基板Ｃを加熱する場合、加熱源Ｂと被処理基板Ｃとの間に加熱源Ｂから輻射された赤外線が被処理基板Ｃに直接照射されないようにする赤外線遮蔽物４０を設けて赤外線遮蔽物４０の再輻射により被処理基板Ｃを加熱するので、被処理基板Ｃにおける絶縁性基板１１上のパターンによって絶縁性基板１１の温度が不均一となるのを抑制することができ、絶縁性基板１１面内の温度の均一化を図ることが可能となる。
【００３９】
しかして、本実施形態における基板加熱方法を各形成工程に採用すれば、上述の下部電極１２の形成工程では、下部電極１２と絶縁性基板１１との密着性を向上させることができる。また、上述の多結晶シリコン層３の形成工程では、比較的低温で成膜した多結晶シリコン層３の膜質を向上させることができるとともに、多結晶シリコン層３と下部電極１２との界面特性を改善することができる。また、上述のシリコン微結晶６３の形成工程では、複合ナノ結晶層４に混入している水分を取り除くことができる。また、上述のシリコン酸化膜６４の形成工程では、強電界ドリフト層６中の水分や水分に起因した不純物を取り除くことができ、シリコン酸化膜６４とシリコン微結晶６３との界面およびシリコン酸化膜６４の膜質を改善することができる。また、表面電極７の形成工程では、表面電極７と電子通過部５との密着性を向上させることができる。
【００４０】
したがって、本実施形態の電界放射型電子源１０では、従来に比べて特性（電子放出特性、絶縁耐圧など）が向上するとともに、特性の面内ばらつきが小さくなる。
【００４１】
ところで、赤外線遮蔽板４１の材料としては、熱伝導率が良く且つ赤外線を吸収する材料が好ましく、カーボン、シリコンカーバイド、シリコンから選択することが好ましい。赤外線遮蔽板４１としてこの種の物体（つまり、熱伝導性が良く且つ赤外線を吸収する材料よりなる物体）を用いれば、赤外線遮蔽物４０の温度を均一にでき、赤外線遮蔽物４０からの再輻射により被処理基板Ｃを均一に加熱することができる。ここに、被覆層４２の材料としては、例えばシリコンカーバイドのように化学的安定性に優れた被覆材を用いることが好ましく、化学的安定性に優れた被覆材を用いることにより、赤外線遮蔽物４０からごみが発生するのを防止することができるとともに、赤外線遮蔽物４０の酸化を防止することができ、しかも、赤外線遮蔽物４０からのガスの放出を防止することができる（赤外線遮蔽板４１をカーボンにより形成している場合には、赤外線遮蔽板４１からのガスの放出を防止する必要がある）。また、被覆層４２の材料としては、例えばシリコンカーバイドのように耐熱性および緻密性それぞれが赤外線遮蔽板４１よりも高く且つ赤外線遮蔽板４１よりもパーティクルを発生しにくい材料を用いることが好ましく、この種の材料を用いることにより、被処理基板Ｃへごみが付着するのを抑制することができる。
【００４２】
また、赤外線遮蔽物４０として、図３に示すように、赤外線遮蔽板４１の表面に形成された被覆層４２の表面をＳｉＯ２よりなる保護層４３によりコートしたものを用いるようにすれば、赤外線遮蔽物４０を石英製の冶具により配置する際に、赤外線遮蔽物４０と石英製の冶具との相性が良いので、被処理基板Ｃ上にごみなどが付着するのを防止することができる。また、表面をＳｉＯ２によりコートしたシリコンカーバイド若しくはシリコンからなる赤外線遮蔽板４１の表面をＳｉＯ２によりコートした赤外線遮蔽物４０を用いてもよく、この場合にも赤外線遮蔽物４０を石英製の冶具により配置する際に、赤外線遮蔽物４０と石英製の冶具との相性が良いので、被処理基板Ｃ上にごみなどが付着するのを防止することができる。なお、赤外線遮蔽板４１の表面にコートするシリコンカーバイドよりなる被覆層４２やＳｉＯ２よりなる保護層４３は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などによって形成すればよい。
【００４３】
ところで、被処理基板Ｃを加熱源Ｂによって加熱する際に、図７に示すように、被処理基板Ｃをサセプタ５０上に載置するようにすれば、加熱源Ｂによりサセプタ５０も加熱されるので、被処理基板Ｃの表裏での温度差を低減できる。また、図８に示すように、被処理基板Ｃの厚み方向の両側それぞれに加熱源Ｂを設けて被処理基板Ｃを厚み方向の両側から加熱する場合には、各加熱源Ｂと被処理基板Ｃとの間にそれぞれ赤外線遮蔽物４０を配置すればよい。
【００４４】
なお、本実施形態では、加熱源Ｂをランプヒータにより構成しているが、加熱源Ｂはランプヒータに限らず、抵抗加熱ヒータにより構成してもよい。
【００４５】
（参考例１）
ところで、実施形態１では、電界放射型電子源１０の製造工程中の絶縁膜の形成工程において複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化する方法を採用していたが、本参考例では、実施形態１にて説明した絶縁膜の形成工程において、急速加熱法による急速熱酸化を行っている点が相違する。電界放射型電子源１０の構成および他の製造工程は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。
【００４６】
ここにおいて、急速加熱法による急速熱酸化を行うにあたっては、雰囲気ガスとしてＯ２ガスを用い実施形態１にて説明した基板加熱方法を採用している。しかして、絶縁膜たるシリコン酸化膜６４の膜厚の面内ばらつきを小さくすることができ、結果的に電界放射型電子源１０の特性の面内ばらつきを小さくすることができる。
【００４７】
（参考例２）
ところで、実施形態１では、電界放射型電子源１０の製造工程中の絶縁膜の形成工程において複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化する方法を採用していたが、本参考例では、実施形態１にて説明した絶縁膜の形成工程において、急速加熱法による急速熱窒化を行っている点が相違する。すなわち、本参考例の電界放射型電子源１０では、実施形態１にて説明したシリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となる。電界放射型電子源１０の他の構成および他の製造工程は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。
【００４８】
ここにおいて、急速加熱法による急速熱窒化を行うにあたっては、雰囲気ガスとして窒化種を含むガスを用い実施形態１にて説明した基板加熱方法を採用している。しかして、絶縁膜たるシリコン窒化膜の膜厚の面内ばらつきを小さくすることができ、結果的に電界放射型電子源１０の特性の面内ばらつきを小さくすることができる。
【００４９】
（参考例３）
ところで、実施形態１では、電界放射型電子源１０の製造工程中の絶縁膜の形成工程において複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化する方法を採用していたが、本参考例では、実施形態１にて説明した絶縁膜の形成工程において、急速加熱法による急速熱酸窒化を行っている点が相違する。すなわち、本参考例の電界放射型電子源１０では、実施形態１にて説明したシリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。電界放射型電子源１０の他の構成および他の製造工程は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。
【００５０】
ここにおいて、急速加熱法による急速熱酸窒化を行うにあたっては、雰囲気ガスとして酸化種を含むガスと窒化種を含むガスとを用い実施形態１にて説明した基板加熱方法を採用している。しかして、絶縁膜たるシリコン酸窒化膜の膜厚の面内ばらつきを小さくすることができ、結果的に電界放射型電子源１０の特性の面内ばらつきを小さくすることができる。なお、参考例１〜３では、半導体微結晶がシリコン微結晶６３により構成されているので、比較的高い温度で熱処理を行うことができる。
【００５１】
（参考例４）
本参考例では、電子デバイスの一例として、図９に示すように、基板たる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上に形成された下部電極１２と、下部電極１２上に形成された絶縁層よりなる電子通過部５と電子通過部５上に形成された表面電極７とを備えた電界放射型電子源を例示する。図９に示す電界放射型電子源では、アルミニウム合金（例えば、Ａｉ−Ｎｉ合金）からなる下部電極１２と、アルミニウム膜を陽極酸化することにより形成した絶縁層からなる電子通過部５と、金属薄膜（Ｉｒ／Ｐｔ／Ａｕ）からなる表面電極７とでＭＩＭ型の電子源素子を構成しており、下部電極１２と表面電極７との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより表面電極７を通して電子が放出される。
【００５２】
本参考例の電界放射型電子源の製造にあたっては、下部電極１２の形成工程、絶縁層の形成工程、表面電極７の形成工程のうちの少なくとも１つの形成工程において実施形態１にて説明した基板加熱方法による熱処理が行うようにしてあるので、従来に比べて特性などの面内ばらつきを小さくすることができる。
【００５３】
ところで、上記実施形態および上記各参考例では、被処理基板Ｃが絶縁性基板１１（実際には絶縁性基板１１上にパターンが形成されたもの）である例について説明したが、被処理基板Ｃは絶縁性基板に限らず、例えばシリコン基板などの半導体基板（実際には半導体基板上にパターンが形成されたもの）であってもよい。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、基板と、基板に形成される電子源素子とを備え、電子源素子が、基板上に形成された下部電極と、下部電極上に設けられナノメータオーダの多数の半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子通過部と、電子通過部上に形成された表面電極とを具備し、下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側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電子通過部を通過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、前記下部電極の形成工程と、前記半導体微結晶の形成工程と、前記絶縁膜の形成工程と、前記表面電極の形成工程とを備え、各形成工程のうちの少なくとも前記絶縁膜の形成工程において、加熱源と被処理基板との間に加熱源から輻射された赤外線が被処理基板に直接照射されないようにする赤外線遮蔽物を設けて赤外線遮蔽物の再輻射により被処理基板を加熱する基板加熱方法による熱処理を行うので、各形成工程のうち少なくとも前記絶縁膜の形成工程において、被処理基板に形成されているパターンによって被処理基板の温度が不均一となるのを抑制することができ、被処理基板の面内の温度の均一化を図ることが可能となるから、前記絶縁膜の形成工程では、電子通過部中の水分や水分に起因した不純物を取り除くことができて、前記絶縁膜と半導体微結晶との界面および前記絶縁膜の膜質を改善することができ、従来に比べて特性の面内ばらつきが小さな電界放射型電子源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態１における基板加熱方法の説明図である。
【図２】  同上における赤外線遮蔽物の概略断面図である。
【図３】  同上における赤外線遮蔽物の他の構成例の概略断面図である。
【図４】  同上における電界放射型電子源の一部破断した概略斜視図である。
【図５】  同上における電界放射型電子源の動作説明図である。
【図６】  同上におけ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７】  同上における他の基板加熱方法の説明図である。
【図８】  同上における別の基板加熱方法の説明図である。
【図９】  参考例４における電界放射型電子源の概略断面図である。
【図１０】  従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図１１】  他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図１２】  同上を応用したディスプレイの概略構成図である。
【符号の説明】
４０  赤外線遮蔽物
Ｂ  加熱源
Ｃ  被処理基板
【図１】
0004616538.tif 000002
【図２】
0004616538.tif 000003
【図３】
0004616538.tif 000004
【図４】
0004616538.tif 000005
【図５】
0004616538.tif 000006
【図６】
0004616538.tif 000007
【図７】
0004616538.tif 000008
【図８】
0004616538.tif 000009
【図９】
0004616538.tif 000010
【図１０】
0004616538.tif 000011
【図１１】
0004616538.tif 000012
【図１２】
0004616538.tif 000013