(57)【要約】      （修正有）【課題】低電圧で大電流密度の可能な電界放出型電子源を、安定に、再現性良く提供する。【解決手段】電界放出型電子源は、急峻な先端を有するように基板上に形成された導電性を有する複数のエミッタ１ｂと、各エミッタ１ｂの先端から電子が放出されるように各エミッタ１ｂに電圧を印加するために各エミッタ１ｂを囲むように形成された引出電極５ａとを具備しており、エミッタ１ｂの表面には、エミッタ１ｂを構成する母体材料の組成とは異なる組成を有する偏析物７が局所的に点在している。【選択図】  図１
2005005220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
急峻な先端を有するように基板上に形成された導電性を有する複数のエミッタと、
各エミッタの先端から電子が放出されるように各エミッタに電圧を印加するために各エミッタを囲むように形成された引出電極とを具備しており、
前記エミッタの表面には、前記エミッタを構成する母体材料の組成とは異なる組成を有する偏析物が局所的に点在しており、
前記偏析物を構成する材料と前記エミッタを構成する材料とは、非全率固溶型の金属同士であることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項２】
表面に急峻な先端を有する複数の導電性凸状微小構造体からなるエミッタを形成した後、前記エミッタの表面に前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜を一様に形成する工程と、
所定の温度で熱処理を施してエミッタ表面と導電性薄膜の一部とを合金化する工程と、
前記導電性薄膜をエッチング除去する工程と、
前記合金化工程での温度よりも高い温度において再度熱処理を施して前記エミッタ表面に前記エミッタの母体材料とは異なる組成の偏析物を局所的に形成する工程とを包含しており、
前記形成されたエミッタ表面に形成する前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜は、非全率固溶型の金属からなることを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
【請求項３】
表面に急峻な先端を有する複数の導電性凸状微小構造体からなるエミッタを形成した後、前記エミッタの表面に前記エミッタとは異なる材料の微小導電性物質を局所的に点在させて形成する工程と、
所定の温度で熱処理を施してエミッタ表面と微小導電性物質の一部とを合金化、若しくは前記エミッタ表面に微小導電性物質の一部を拡散させて、前記エミッタ表面に前記エミッタの前記母体材料とは異なる組成の偏析物を局所的に形成する工程と、
前記微小導電性物質をエッチング除去する工程とを包含しており、
前記形成されたエミッタ表面に形成する前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜は、非全率固溶型の金属からなることを特徴とする電界放出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、平面型の固体表示素子又は超高速の微小真空素子への応用が期待される冷陰極電子源であり、特に大電流動作の実現が可能な電界放出型電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の微細加工技術の進展により、微小電界放出陰極の形成が可能となった。スピントらによって提案されたコーン型の電界放出陰極（特許文献１：Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、  Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．３９、  ｐ．３５０４（１９８６））以来、微小電界放出型電子源が注目されるに至っている。
【０００３】
その後、同様の縦型構造でシリコンの結晶異方性エッチングやドライエッチングと熱酸化を用いてエミッタの先端形状のより鋭い冷陰極を形成する方法が提案された（特許文献２：  Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．  ｐ．７７６（１９８６））、特許文献３：別井、１９９０年秋季信学全大論文集５、ＳＣ−８−２（１９９０））。
【０００４】
これらの電界放出型電子源の電子放出特性は、エミッタ先端部の形状や材料、引き出し電極を含めた電子源素子の構造等、様々な要因に影響される。電界放出型電子源の電子放出特性を向上させるための一つの手段として、エミッタの表面における仕事関数を低くすることによってエミッタの先端からの電子の放出を容易にするという考え方がある。
【０００５】
図６は、従来の電界放出型電子源素子の要部拡大図である。図６に示すように、エミッタ１ｂの先端に、エミッタ１ｂの母体材料よりも仕事関数の低い物質９１によってエミッタ１ｂの表面を被覆すると方法が多く試みられている。
【０００６】
【特許文献１】
Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、  Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．３９、  ｐ．３５０４（１９８６）、
【０００７】
【特許文献２】
Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．ｐ．７７６（１９８６））、
【０００８】
【特許文献３】
別井、１９９０年秋季信学全大論文集５、ＳＣ−８−２（１９９０）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例に示した電子源は、エミッタの表面における仕事関数を下げるという点では効果がある。しかしながら、成膜方法にもよるが、エミッタの先端部を異なる材料で被覆すると、殆どの場合先端部の曲率半径が大きくなるか、或いは先端部は全く被覆されないという問題が生じる。
【００１０】
一般的にエミッタの先端部における曲率半径が小さければ小さい程、即ちより先端部が尖っていればいるほど、外部電界によるエミッタ先端部への電界集中が強くなるので、電子を放出し易くなる。そのため、先端部の曲率半径を大きくすることなく、エミッタ表面の仕事関数を低くする方法が望まれている。
【００１１】
またエミッタ先端部に低い仕事関数の材料を被覆する方法では、特に最終工程でこの処理を施した場合、引き出し電極とエミッタとを電気的に隔離している絶縁膜の側壁にも僅かに導電性の皮膜が形成される。このため、引き出し電極とエミッタ間でリーク電流が生じるという問題も引き起こしている。
【００１２】
本発明の目的は、先鋭化されたエミッタ表面の形状を損なうことなく、また電気的な特性を損なうことなくエミッタ表面に相対的に仕事関数の低い箇所を局所的に形成することで、低電圧で大電流密度の可能な電界放出型電子源を、安定に、再現性良く提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電界放出型電子源は、急峻な先端を有するように基板上に形成された導電性を有する複数のエミッタと、各エミッタの先端から電子が放出されるように各エミッタに電圧を印加するために各エミッタを囲むように形成された引出電極とを具備しており、前記エミッタの表面には、前記エミッタを構成する母体材料の組成とは異なる組成を有する偏析物が局所的に点在しており、前記偏析物を構成する材料と前記エミッタを構成する材料とは、非全率固溶型の金属同士であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電界放出型電子源の製造方法は、表面に急峻な先端を有する複数の導電性凸状微小構造体からなるエミッタを形成した後、前記エミッタの表面に前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜を一様に形成する工程と、所定の温度で熱処理を施してエミッタ表面と導電性薄膜の一部とを合金化する工程と、前記導電性薄膜をエッチング除去する工程と、前記合金化工程での温度よりも高い温度において再度熱処理を施して前記エミッタ表面に前記エミッタの母体材料とは異なる組成の偏析物を局所的に形成する工程とを包含しており、前記形成されたエミッタ表面に形成する前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜は、非全率固溶型の金属からなることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る電界放出型電子源の製造方法は、表面に急峻な先端を有する複数の導電性凸状微小構造体からなるエミッタを形成した後、前記エミッタの表面に前記エミッタとは異なる材料の微小導電性物質を局所的に点在させて形成する工程と、所定の温度で熱処理を施してエミッタ表面と微小導電性物質の一部とを合金化、若しくは前記エミッタ表面に微小導電性物質の一部を拡散させて、前記エミッタ表面に前記エミッタの前記母体材料とは異なる組成の偏析物を局所的に形成する工程と、前記微小導電性物質をエッチング除去する工程とを包含しており、前記形成されたエミッタ表面に形成する前記エミッタとは異なる材料の導電性薄膜は、非全率固溶型の金属からなることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係る電界放出型電子源においては、エミッタの表面には、前記エミッタを構成する母体材料の組成とは異なる組成を有する偏析物が局所的に点在しており、偏析物を構成する材料とエミッタを構成する材料とは、非全率固溶型の金属同士である。このため、エミッタの先端において局所的に仕事関数の低くなる箇所が存在するため、その箇所がトリガーとなって引き出し電極からの電界に対する電子の放出が容易になる。その結果、これまでに比べて低電圧での電子放出が可能となる。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１（ａ）ないし図１（ｅ）は実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図であり、図２は実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の要部拡大図である。
【００１９】
まず、図１（ａ）に示すように、不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、二酸化シリコン膜よりなる円盤状のドットパターン２を形成する。そして、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面を等方的及び異方的にエッチングして、上部が凸型の柱状シリコン１ａを形成する。
【００２０】
次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１を所定の温度で一定時間熱処理して柱状シリコン１ａを含むシリコン基板１の表面に熱酸化膜３を形成し、その内部に先鋭な先端部を有する柱状のエミッタ１ｂを形成する。
【００２１】
その後、図１（ｃ）に示すように、熱酸化膜３を除去した後、熱ＣＶＤ法或いはプラズマＣＶＤ法を用いてエミッタ１ｂを含む基板１の全面に二酸化シリコン膜よりなる絶縁膜４、及びリンを不純物として含む多結晶シリコン膜よりなる導電性膜５を成膜する。その後、全面にフォトレジスト或いは塗布型の絶縁膜よりなる平坦化膜を塗布（図示せず）し、平坦化膜の全面に対して均一にエッチングを進めて、エミッタ１ｂの形状を反映した導電性膜の凸部の一部を露出させた状態において導電性膜のエッチングを行い、エミッタ１ｂの上部の導電性膜に開口部を設けて引き出し電極５ａを形成する。その後、引き出し電極５ａの開口部を介して絶縁膜４の一部をエッチング除去してエミッタ１ｂを露出させる。
【００２２】
続いて、スパッタリング法若しくは真空蒸着法を用いて基板１の全面にアルミニウム若しくはアルミニウムを主成分とする金属膜６ａを成膜し、所定の温度で熱処理を行なう（図１（ｄ）参照）。実施の形態１では、急速熱処理法（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ、ＲＴＡ法）を用い、真空中若しくは不活性ガス雰囲気中において約５００℃、１分間の熱処理を行なった。
【００２３】
その後、ウエットエッチング法により金属膜６ａを全て除去した後、真空中で８００℃、１時間の熱処理を行なったところ、エミッタ１ａの表面にアルミニウムが局所的に偏析した局所偏析部７の点在するエミッタ１ｂが形成された（図１（ｅ）および図２参照）。実施の形態１においては、引き出し電極５ａの表面にも同様の局所偏析物７が形成されているが、本質的な問題ではない。
【００２４】
実施の形態１に示した電界放出型電子源は、エミッタ１ｂの表面における局所偏析部７に母体材料とは異なる偏析物が局所的に存在する。またエミッタ１ｂの先端部の形状は、金属膜６ａを形成する前となんら変わるところはなかった。
【００２５】
実施の形態１に係る電界放出型電子源において、エミッタ１ｂに対して引き出し電極５ａに正の電界を印加したところ、通常のシリコンのみのエミッタに比べて１０Ｖ程度低い電圧で電子放出を開始した。実施の形態１における局所偏析物はアルミニウムであり、シリコンに比べて仕事関数の低い材料である。このことから、この局所偏析物がエミッタ１ｂの表面の実効的な仕事関数を下げる役割を果たしたと考えられる。
【００２６】
以上のように実施の形態１によれば、エミッタ１ｂの表面における局所偏析部７には、エミッタ１ｂを構成する母体材料の組成とは異なる組成を有する偏析物が局所的に点在している。このため、エミッタ１ｂの先端において局所的に仕事関数の低くなる箇所が存在するため、その部分がトリガーとなって引き出し電極５ａからの電界に対する電子の放出が容易になる。その結果、これまでに比べて低電圧での電子放出が可能となる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３（ａ）ないし図３（ｅ）は、実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）ないし図１（ｅ）を参照して前述した構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００２８】
不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、二酸化シリコン膜よりなる円盤状のドットパターン２を形成する（図３（ａ）〜図３（ｃ）参照）。そして、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面を等方的及び異方的にエッチングし、上部が凸型の柱状シリコン１ａを形成した後、エミッタ１ｂ、絶縁膜４および引き出し電極５ａを形成し、引き出し電極５ａの開口部を介して絶縁膜４の一部をエッチング除去してエミッタ１ｂを露出させる工程は、前述した実施の形態１と同様である。このため、詳細な説明は省略する。
【００２９】
エミッタ１ｂを露出した後、有機金属を用いたプラズマＣＶＤ法によって、ガリウム、インジウムおよびハフニウム等の金属粒６ｂを基板表面に島状に形成して所定の温度で熱処理を行なう（図３（ｄ）参照）。実施の形態２では、真空熱処理炉を用いて、約４００℃、３０分間の熱処理を行なった。
【００３０】
その後、ウエットエッチング法により金属粒６ｂの残った部分を全て除去した後、真空中で６００℃、１時間の熱処理を行なったところ、エミッタ１ａの表面に金属粒６ｂとシリコンとの合金が局所的に偏析した局所偏析部７が点在するエミッタ１ｂが形成された（図３（ｅ）を参照）。
【００３１】
実施の形態２においては、金属粒６ｂの形成方法としてＣＶＤ法を用いたため、絶縁膜４の側壁にも金属粒６ｂが島状に形成されるが、金属粒６ｂと絶縁膜４とは化合物を形成しないため、ウエットエッチング処理の際に金属粒６ｂは全て除去される。このため、リーク等の不良を起こすことはない。
【００３２】
実施の形態２に示した電界放出型電子源でも、エミッタ１ｂの表面の局所偏析部７に母体材料とは異なる偏析物が局所的に存在することに起因したと考えられる電子放出開始電圧の低電圧化を実現することができた。
【００３３】
（実施の形態３）
図４（ａ）ないし図４（ｅ）は、実施の形態３に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）ないし図１（ｅ）を参照して前述した構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００３４】
不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、二酸化シリコン膜よりなる円盤状のドットパターン２を形成する。そして、ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１の表面を等方的及び異方的にエッチングし、上部が凸型の柱状シリコンを形成した後、シリコン基板１を所定の温度で一定時間熱処理して柱状シリコンを含むシリコン基板１の表面に熱酸化膜３を形成し、その内部に先鋭な先端部を有する柱状のエミッタ１ｂを形成する（図４（ａ）参照）。
【００３５】
熱酸化膜３を全面除去した後、有機溶媒によって粘度を持たせた銀を主成分とする金属ペースト６ｃを全面に塗布し、所定の温度で熱処理を行なう（図４（ｂ）参照）。実施の形態３では、不活性ガスを導入したクリーンオーブン中で約２５０℃、３０分間の熱処理を行なった。
【００３６】
その後、リン酸、硝酸、酢酸及び水の混合液により残った金属ペースト６ｃを全て除去した後、ＲＴＡ法を用いて真空中で８５０℃、１分間の熱処理を行なったところ、エミッタ１ａの表面に銀が局所的に偏析した局所偏析部７が点在するエミッタ１ｂが形成された（図４（ｃ）参照）。
【００３７】
その後、熱ＣＶＤ法或いはプラズマＣＶＤ法を用いてエミッタ１ｂを含む基板全面に二酸化シリコン膜よりなる絶縁膜４、及びリンを不純物として含む多結晶シリコン膜よりなる導電性膜５を成膜する（図４（ｄ）参照）。
【００３８】
続いて全面にフォトレジスト、或いは塗布型の絶縁膜よりなる平坦化膜（図示せず）を塗布し、平坦化膜の全面に対して均一にエッチングを進めて、エミッタ１ｂの形状を反映した導電性膜５の凸部の一部を露出させた状態で導電性膜５のエッチングを行い、エミッタ１ｂの上部の導電性膜５に開口部を設けて引き出し電極５ａを形成する。最後に、引き出し電極５ａの開口部を介して絶縁膜４の一部をエッチング除去してエミッタ１ｂを露出させて、電界放出型電子源が完成する（図４（ｅ）参照）。
【００３９】
実施の形態３に示した電界放出型電子源の製造方法は、前述した実施の形態１および実施の形態２とは異なり、エミッタ１ｂが形成された直後に、金属ペースト６ｃを利用してエミッタ１ｂの表面に母体材料とは異なる偏析物を局所的に形成する。実施の形態３に係る電界放出型電子源においても、エミッタ１ｂに対して引き出し電極５ａに正の電界を印加したところ、通常のシリコンのみのエミッタに比べて低い電圧での電子放出を確認した。
【００４０】
（実施の形態４）
図５（ａ）ないし図５（ｄ）は、実施の形態４に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）ないし図１（ｅ）を参照して前述した構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００４１】
不純物を導入して低抵抗化したシリコン基板１の表面に、二酸化シリコン膜よりなる円盤状のドットパターン２を形成する（図５（ａ）参照）。ドットパターン２をマスクとしてシリコン基板１表面を等方的及び異方的にエッチングし、上部が凸型の柱状シリコン１ａを形成した後、熱酸化によりエミッタ１ｂを形成し、熱酸化膜３を除去してエミッタ１ｂを露出させるまでの工程は前述した実施の形態３と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００４２】
エミッタ１ｂを露出した後、フッ化マグネシウムを蒸発源に用いて、真空蒸着法によりマグネシウムを主成分とする金属粒６ｄを基板表面に島状に形成し、所定の温度で熱処理を行なう（図５（ｂ）参照）。実施の形態４では、真空熱処理炉を用いて、約５００℃、３０分間の熱処理を行なった。
【００４３】
その後、ウエットエッチング法により金属粒６ｄの残った部分を全て除去した後、ＲＴＡ法を用いて真空中において７００℃、１分間の熱処理を行なったところ、エミッタ１ａの表面に金属粒６ｄとシリコンとの合金が局所的に偏析した局所偏析部７が点在するエミッタ１ｂが形成された（図５（ｃ）参照）。
【００４４】
実施の形態４に係る電界放出型電子源素子においても、エミッタ１ｂに対して引き出し電極５ａに正の電界を印加したところ、通常のシリコンのみのエミッタに比べて低い電圧での電子放出を確認した。
【００４５】
以上に述べた実施の形態１ないし実施の形態４では、いずれもタワー型のシリコンをエミッタとした電界放出型電子源について述べた。しかしながら、本発明はこれに限定されない。本発明の要件は、形成されたエミッタの表面に金属膜を成膜、或いは金属ペーストを塗布した後、母体となるエミッタの表面に金属膜や金属―ペーストの一部を残留、或いは合金化して残し、その後の熱処理によりエミッタの表面にエミッタ母体とは異なる材料の偏析物を形成することによって局所的に仕事関数の低い箇所を作ることにあり、同時に、いずれも初期に形成されたエミッタの表面形状には何ら変化が生じない点に特徴がある。
【００４６】
従って、本発明の要件によれば、タワー型のシリコンを用いた電界放出型電子源のみならず、開口部を介した金属膜の蒸着により突起を形成した、いわゆるスピント型の電界放出型電子源にも適用することが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、先鋭化されたエミッタ表面の形状を損なうことなく、また電気的な特性を損なうことなくエミッタ表面に相対的に仕事関数の低い箇所を局所的に形成することで、低電圧で大電流密度の可能な電界放出型電子源を、安定に、再現性良く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）ないし（ｅ）は、実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の要部拡大図である。
【図３】（ａ）ないし（ｅ）は、実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）ないし（ｅ）は、実施の形態３に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【図５】（ａ）ないし（ｄ）は、実施の形態４に係る電界放出型電子源素子の製造方法を示す断面図である。
【図６】従来の電界放出型電子源素子の要部拡大図である。
【符号の説明】
１    シリコン基板
１ａ  柱状シリコン
１ｂ  エミッタ
２    ドットパターン
３    熱酸化膜
４    絶縁層
５    導電成膜
５ａ  引き出し電極
６ａ  金属膜
６ｂ  金属膜
６ｃ  金属膜
６ｄ  金属ペースト
７    局所偏析物
【図１】
2005005220.tif 000003
【図２】
2005005220.tif 000004
【図３】
2005005220.tif 000005
【図４】
2005005220.tif 000006
【図５】
2005005220.tif 000007
【図６】
2005005220.tif 000008