(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出器構造における電界放出器の製造方法において、
ａ）第１の導電層と、前記第１の導電層の少なくとも一部の上に設けられると共にキャビティを備える絶縁層と、該キャビティの上方に形成された開口部を有する第２の導電層と、を有する構造体を用意する工程と、
ｂ）前記第２の導電層の上方から電子放出材料を前記構造体上に堆積させることによって、前記キャビティ内に前記電子放出材料からなるスピント型エミッタを形成すると共に前記開口部を覆う前記電子放出材料からなる遮蔽層を形成する工程と、
ｃ）前記電子放出材料が堆積された前記構造体を電気化学エッチング液にさらした状態で、前記遮蔽層を開回路電位にすると同時に前記スピント型エミッタを前記開回路電位よりも低い電位とすることによって、前記遮蔽層をエッチングする工程と、
を備える電界放出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、平面表示装置（flat panel display）の分野に係り、より詳しくは、電界放出器（field emitter）構造における遮蔽層の堆積および剥離に関する。
背景技術
電界放出カソードまたは「電界放出器」は、例えば、平面表示装置において用いられる電子を放出する装置である。電界放出カソードまたは「電界放出器」は充分な電界強度と適切な極性にされたときに電子を放出する。従来技術の図１Ａは、電界放出カソードを製造するために用いられる従来のステップを示す横断面図である。詳細に説明すると、従来技術の図１Ａにおいて、第１の導電層または「列電極」１０２は、その上に配置される抵抗層１０４を有する。前記抵抗層１０４の上方に配置された金属間誘電層１０６は、その中に形成されたキャビティ１０８を有する。従来技術の図１Ａに示すように、第２の導電層またはゲート電極１１０は、金属間誘電層１０６より上に存在している。孔または開口部１１２は、ゲート電極１１０によってキャビティ１０８の直ぐ上に形成される。開口部１１２は、キャビティ１０８内に設けられる電界放出器を形成するために用いられる。詳しくは、電界放出器は、リフトオフまたは「分離層」、および遮蔽層を部分的にでも使用することにより形成される。あいにく、従来のリフトオフおよび遮蔽層の堆積および剥離方法は、これに関連する厳しい欠点を有している。
従来技術の図１Ｂは、リフトオフ層１１４の堆積を示す横断面図である。リフトオフ層１１４は、例えば、アルミニウムにより、角度をつけた物理的気相法を使用して形成される。矢印１１８は、リフトオフ層１１４の堆積における角度をつけた状態を例示している。リフトオフ層の例えばアルミニウムの材料がキャビティ１０８の底部に堆積されないようにすることを保証するために、角度をつけてリフトオフ層１１４を堆積させることが求められている。しかしながら、従来技術の図１Ｂに示すように、リフトオフ層の幾つかの材料１１５が、キャビティ１０８を形成する複数の面に対して悪影響を及ぼすように堆積される虞れがある。角度をつけた堆積を成功させるためには、電界放出器構成の全体が、リフトオフ層１１４を堆積させている間、回転されているべきである。その結果、電界放出器構成の製造プロセスには、かなりの困難性、出費、複雑性が伴うことになる。また、リフトオフ層１１４は、ゲート電極１１０の面の厚さを超える一様の厚さを有するべきである。この一様性という更なる要求は、リフトオフ層の堆積プロセスをさらに複雑なものにしている。
さらに、従来技術の図１Ｂにおいて、リフトオフ層１１４はそれ自体に基づく他の実質的な長所を有している。特に、リフトオフ層１１４は、キャビティ１０８の開口部の上側を小さくしている。すなわちリフトオフ層１１４はゲート電極１１０内の開口部１１２の内径にまで当接している。その結果、開口部１１２の直径は効果的に小さくなる。したがって、キャビティ１０８の上方の開口部は、リフトオフ層１１４の開口部１１６の直径まで狭められる。それ故、最終的な直径（すなわち、リフトオフ層１１４の開口部１１６の直径）を可能な限り確実にするために、ゲート電極１１０の開示部１１２の直径は大きくされなければならない。しかしながら、ゲート電極１１０の開口部１１２の直径を大きくすることは、電界放出器構成の性能上の特性を小さくする場合があることは、良く知られている。
次に、先行技術の図１Ｃは遮蔽層１１８の最初の形成を示す側断面図である。遮蔽層１１８は例えばモリブデンのような電子放出材料により構成されている。遮蔽層１１８を形成している電子放出材料もまた構造１２０で示されるようにキャビティ１０８内に堆積する。具体的には、電子放出材料は、例えば電子線蒸着堆積法（e-beam evaporative deposition method）を用いて堆積させられる。
ここで、従来技術の図１Ｄは、電子放出可能な材料の堆積が完了した状態を示す横断面図である。従来技術の図１Ｄに示すように、遮蔽層１１８は、完全にキャビティ１０８を封止する。加えて、電子放射性の材料が、従来技術の図１Ｃおよび図１Ｄに示すように堆積させられると、「スピント・タイプ（Spindt-type）」エミッタと共通して用いられる電子放出構造１２０がキャビティ１０８内に形成される（スピント・タイプエミッタは、背景的な参考資料として引用されるスピント他［Spindt et al.］に与えられた米国特許第３，６６５，２４１号に詳細に記載されている）。スピント・タイプエミッタ１２０が形成されたあと、遮蔽層１１８は剥離されなければならない。
ここで、従来技術の図１Ｅは、遮蔽層１１８の剥離を示す横断面図である。遮蔽層１１８を剥離するときに、スピント・タイプエミッタ１２０に衝撃を与えたり、不利な影響を与えたりしないように注意しなければならない。この種の剥離プロセスは、遮蔽層１１８およびスピント・タイプエミッタ１２０が同じ電子放射性材料により形成されるという事実により、さらに複雑になる。従来技術によるテクニックは、アルミニウムのリフトオフ層１１４をエッチングするエッチング液を使用して、リフトオフ層１１４をエッチングすることによって遮蔽層１１８を剥離している。この結果、リフトオフ層１１４は、従来技術の図１Ｅに図示したように、下側に形成されているゲート電極１１０から「持ち上が」って、これにより遮蔽層１１８が剥離される。しかしながら、従来技術によるリフトオフ層に用いられるエッチング液は、遮蔽層１１８またはスピント・タイプ電界エミッタ１２０の電子放出材料の何れをもエッチングしない。あいにく、この種のリフトオフプロセスは、具体的には図中に１２２ａ−１２２ｃとして示されるようなエッチング液を汚染する薄片または汚染物を生成する結果となる。これらの薄片または汚染物１２２ａ−１２２ｃは、汚染物１２２ｃのようにキャビティ１０８内に再び沈殿する可能性もあり、キャビティ内に形成されるスピント・タイプエミッタ１２０を汚すことにもなる。この結果、スピント・タイプエミッタは、深刻な影響を受けたり、ゲート電極１１０に短絡させられたりする虞れもある。それゆえに、従来技術の「リフトオフ」遮蔽層の剥離方法は、電界放出器構成に対して深刻な悪影響を与える虞れがある。
したがって、リフトオフ層を製作するための複雑性や困難性を除去することが遮蔽層の堆積および剥離方法のために必要なことである。遮蔽層の堆積および剥離方法のために更に必要なことは、ゲート電極用の孔の直径を実質的に制限しないことである。遮蔽層の堆積および剥離方法のために更になお必要なことは、エミッタキャビティ内に遮蔽層の一部が再沈殿・再堆積する不具合を減らすことである。
発明の開示
本発明は、リフトオフ層を製造する際の複雑性や困難性を除去する遮蔽層の堆積および剥離方法；実質的にゲート電極用の孔の直径を制限しない遮蔽層の堆積および剥離方法；そして、エミッタキャビティ内に遮蔽層の一部の有害な再堆積を減らす遮蔽層の堆積および剥離方法を提供することを目的とする。
特に、本発明の一実施形態においては、第１の導電層の上に設けられた絶縁層に形成されたキャビティを有する構造を作り出している。本発明はまた、絶縁層のキャビティの上に形成された開口部を有する第２の導電層を作り出している。この実施形態は、下側に設けられるリフトオフ層を最初に堆積させることなく、第２の導電層の上に直接、電子放出材料の層を堆積させる。このようにすることにより、電子を放出する材料は、第２の導電層の開口部を覆うと共に、キャビティ内に電子放出素子を形成する。
本発明は、第１のバイアス電位を第１の導電層に対して供給することによってキャビティ内に形成された電子放出素子にこの第１のバイアス電位が分け与えられる。本発明はまた、第２のバイアス電位を第２の導電層に対して供給することによって電子放出材料の層に対してこの第２のバイアス電位が分け与えられる。本実施例において、第２の潜在的なバイアス電位は、開回路電位である。本発明は、さらに開回路電位で電子放出材料をエッチングするための電気化学的エッチング液に電界放出器構造をさらすようにしている。このようにすることにより、第１のバイアス電位を適切に選択することによって、キャビティ内に形成されている電子放出素子を実質的にエッチングすることなく、第２の導電層の上側から電子放出材料の層が剥離されることになる。
それゆえに、本発明は、上側に形成されている遮蔽層を堆積させる前にリフトオフ層を堆積させる必要性をなくすることになる。このように、複雑な製造上の要求や、従来のリフトオフ層を使用することに関連する多数の欠陥が、本発明により除去されることになる。本発明のこれらの目的や利点、その他の目的および利点は、たくさんの図面に描かれている好適な実施例の以下の詳細な説明を読み終えた後に、この分野の当業者にとっては疑いもなく明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
この明細書に関連してその一部を形成する添付の図面は、本発明の実施例を示し、また、詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに有用である：
従来技術の図１Ａは、リフトオフ層の堆積される前の電界放出器構造を示す横断面図である。
従来技術の図１Ｂは、リフトオフ層が堆積を示す横断面図である。
従来技術の図１Ｃは、遮蔽層の最初の形成を示す横断面図である。
従来技術の図１Ｄは、電子放出の材料の完了された堆積を示す横断面図である。
従来技術の図１Ｅは、リフトオフ剥離方法を示す横断面図である。
図２Ａは、本発明に係る電界放出器構造を製作するために用いられる最初の形成ステップを示す横断面図である。
図２Ｂは、本発明におけるゲート電極の上に、電子放出の材料を直接堆積させる最初の堆積を示す横断面図である。
図２Ｃは、本発明における完成された遮蔽層と電子放出素子とを示す横断面図である。
図２Ｄは、本発明に係る電気化学セルにおける電界放出器構造の横断面概略図である。
図２Ｅは、電極が連結されると共に遮蔽層が剥離された本発明にかかる電界放出構造を示す横断面図である。
好適な実施形態の説明
以下、本発明の好適な実施形態や、添付された図面に示された複数の実施例について詳細に説明する。本発明の詳細については好適な実施形態を用いて説明するが、本発明はこれらの実施形態に制限されるものではないものと理解される。これに反して、本発明は添付の請求の範囲により限定されるような発明の要旨および範囲に含まれるであろう選択的事項、変形的な態様および均等な事項を含めるものである。さらに、本発明の以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細構成は、本発明を完全に理解するために記載されている。しかし、これらの具体的な詳細説明がなくても、この技術分野の当業者が本発明を実施できることは明らかである。他の見方をすれば、周知の方法、手順、構成要素および回路等については、本発明の態様を不必要に不明瞭にする場合を除いて、詳細には説明しないようにした。
ここで図２Ａは、本発明の電界放出器構造を製造するために用いられる最初の形成ステップを示す横断面図である。図２Ａに示すように、第１の導電層または列電極２０２は、その上に配置される抵抗層２０４を有している（しかしながら、本発明は、例えば、第１の導電層が抵抗層の一部だけの下に設けられているような種々の他の構成にも、また、適している）。例えば、二酸化珪素から成る金属間誘電層２０６は、前記抵抗層２０４の上方側に設けられている。キャビティ２０８は、この金属間誘電層２０６内に形成されている。第２の導電層またはゲート電極２１０は、金属間誘電層２０６より上方側に設けられている。孔または開口部２１２は、ゲート電極２１０を貫いて、キャビティ２０８の直ぐ上に形成されている。開口部２１２は、キャビティ２０８内に設けられる電界放出器を形成するために用いられる。
ここで図２Ｂは、本発明の電界放出器構造を製造するために用いられる最初の堆積ステップを示す横断面図である。図２Ｂに示すように、電子放出材料は、遮蔽層２１４を形成するためにゲート電極２１０の直ぐ上に堆積させられる。したがって、本発明は基本的にはリフトオフ層を必要としない。その結果、本発明は従来のリフトオフ層の形成に関連する、高価で、時間が掛かりそして複雑な製造ステップを省略している。これに加えて、本発明の遮蔽層２１４は、従来のリフトオフ層のように、精密な一様性の要求に拘束されない。したがって、本発明の遮蔽層２１４は、リフトオフ層の堆積と関連があるプロセス上の制約なしで堆積することができる。
本実施形態において、遮蔽層２１４の電子放出材料は、例えば電子ビーム（ｅ−光線）気相技術のような物理的気相法を用いて堆積させられるモリブデンから成る。本実施形態においては電子放出材料として用いられているが、本発明はまた、他の種々の気相法を用いて堆積させられる他の種々の電子放出材料を使用することにも充分に適している。
依然として図２Ｂを参照すると、ゲート電極２１０の直ぐ上に堆積させられる電子放出材料は、構造２１６により示されるように、キャビティ２０８の中にも堆積させられる。従来技術の方法と違って、構造２１６の直径は、ゲート電極２１０の開口部２１２の直径を効果的に小さくしたことにより、広い面積で拡散することはない。すなわち、この開口部の内径のまわりに（従来のような）リフトオフ層の材料が蓄積しないので、ゲート電極２１０の開口部２１２の直径が小さくなることはない。したがって、従来技術方法と違って、エミッタの堆積を開始する際に開口部の直径を充分に大きく保証するために、ゲート電極２１０の開口部２１２の直径を大きくする必要はなくなる。この結果、ゲート電極２１０の開口部２１２の直径を大きくしなければならないことによって本発明の電界放出器構造の性能上の特徴が減少することはない。
次に図２Ｃは、本発明の電界放出器構造および完成された遮蔽層を示す横面図である。図２Ｃに示すように、ゲート電極２１０の直ぐ上に形成された遮蔽層２１４は、キャビティ２０８を完全に封止する。さらに、ゲート電極２１０とこれを透過する開口部２１２の上に電子放出材料が堆積させられるので、スピント・タイプエミッタ２１６がキャビティ２０８内に形成される。従来技術の電界放出器構造とは違って本発明においては、スピント・タイプエミッタ２１６のサイズおよび高さは、キャビティ２０８の上方の層における制限されたまたは狭くさせられた開口部による影響を受けることはない。この結果、本発明は、ゲート電極２１０近傍のスピント・タイプエミッタ２１６の先端部の形状を維持しながら、金属間誘電層２０６の厚さと等しい高さにまで堆積させることができ、開口部２１２の直径を減少させることになる。
ここで図２Ｄは、本発明に係る電気化学セルにおける電界放出器構造を示す横断面概略図である。スピント・タイプエミッタ２１６を露出させるために、遮蔽層２１４は、ゲート電極２１０の表層から剥離されなければならない。本実施形態においては、ゲート電極２１０の表層から遮蔽層２１４を剥離するために電気化学セルが用いられている。図２Ｄに示すように、２１８ａおよび２１８ｂとして典型的に示される壁は、電気化学エッチング液として機能する電解溶液２２０を貯留する。電界放出器構造は、電気化学エッチング液２２０に浸されるかあるいは委ねられる。本発明は、種々のタイプの電気化学エッチング液を使用するのに充分に適している。
依然として図２Ｄを参照しながら説明すると、ポテンシオスタット制御システム２２２は、そこから伸びている電極導体２２４、２２６および２２８を有している。電極導体２２４は、スイッチ２２５および電極導体２２７を介してゲート電極２１０に接続されている。電極導体２２６は、リファレンス電極２３０に接続されている。同様に、電極導体２２８は、対向電極２３２に接続されている。電極導体２２４は、また、電極導体２３８によって電源ソース２３４に接続されている。もう１つの電極導体２３６は、電圧供給源２３４および列電極２０２にも接続されている。電圧供給源２３４を用いることによって、本発明は、所望のときに、ゲート電極２１０および列電極２０２間の電位差を維持することが可能となる。本実施形態において、リファレンス電極２３０は、例えば銀／塩化銀／水性カリウム塩化物のような材料により形成されており、それらは電気化学エッチング液の中を流れている電流の量に実質的に依存しない割合で、電気化学エッチング液のイオンを素速く交換する。
図２Ｄから理解できるように、スピント・タイプエミッタ２１６は抵抗層２０４を介して列電極２０２に電気的に接続されている。同様に、遮蔽層２１４は、ゲート電極２１０に電気的に接続されている。本発明によれば、ゲート電極２１０が、開回路電位に等しい電位に設定されている。ゲート電極２１０に電気的に接続されていることの結果として、遮蔽層２１４もまた開回路電位に設定されている。他方、保護バイアスは、列電極２０２に供給される。列電極２０２に電気的に接続されていることの結果として、スピント・タイプエミッタ２１６にもまた列電極２０２に供給される保護バイアスが供給される。
本発明において、遮蔽層が開回路電位であるときに、電気化学エッチング液は遮蔽層をエッチングする。したがって、この一実施形態において、スイッチ２２５が閉じられ、そして、ゲート電極２１０および遮蔽層２１４はポテンシオスタット制御システム２２２によって開回路電位に保たれ、その一方で、電極２０２は開回路電位に対して負の電位に保たれる。この結果、開回路電位が、遮蔽層２１４に対して分け与えられ、その一方で、スピント・タイプエミッタ２１６に対しては保護電位、実質的には「非エッチング」電位が分け与えられる。したがって、電気化学エッチング液は、スピント・タイプエミッタ２１６に対して実質的な影響を及ぼすことなく、遮蔽層２１４をエッチングする。
本発明の他の実施形態において、スイッチ２２５が開かれ、そして、ゲート電極２１０および遮蔽層２１４が電極がバイアスされずに開回路電位に維持されており、その一方で、電極２０２は開回路電位に対して負の電位に保たれている。電気化学エッチング液は、スピント・タイプエミッタ２１６に影響を及ぼすことなく、（開回路電位に維持される）遮蔽層２１４をエッチングする。電極をバイアスすることなくゲート電極２１０が開回路電位に維持される実施形態においては、リファレンス電極２３０に関して測定されるゲート電極２１０の開回路電位の値は、遮蔽層を剥離するプロセスの終期を決定するために用いられる。
さらに、本発明は開回路電位によりエッチングを行なっているので、電気化学エッチング液は遮蔽層２１４の薄片または汚染物によって汚染されない。すなわち、遮蔽層２１４の薄片または汚染物がゲート電極２１０から溶液２２０中に分離されたならば、この剥離片は開回路電位に維持されている。したがって、遮蔽層材料の剥離片は、電気化学エッチング液やそのフィルタを汚染する代わりに溶液中に溶けてしまう。これに加えて、遮蔽層材料の剥離片や汚染物のいかなるものでも溶かすことによって、本発明は遮蔽層２１４の剥離片や薄片がキャビティ２０８内に再堆積する機会を減らすことになる。したがって、本発明は従来技術のリフトオフ方法を使用する代わりに、遮蔽層２１４を溶かすものである。この結果、図２Ｄのキャビティ２０８または電気化学エッチング液２２０の液槽を汚染することなく、図２Ｅに示すように、遮蔽層２１４を完全に除去することができる。
ここで、図２Ｅを参照すると、遮蔽層２１４が実質的に、かつ、適切にゲート電極２１０から剥離された後の電界放出器構造が示されている。次に、全ての電界放出器構造は、図２Ｄの電気化学エッチング液２２０から除去されている。本発明の本実施例においては、いくらかの電気化学エッチング液２２０が電界放出器構造に残るかもしれないので、電圧供給源２３４は電極導体２３６を介して列電極２０２に対して保護的な非エッチング電位を供給し続ける。電気化学エッチング液が（例えばリンスプロセスによって）実質的に電界放出器構造から除去されるまで保護的な非エッチング電位は維持される。このようにすることにより、電界放出器構造が電気化学エッチング液２２０から除去されたときから、電界放出構造が綺麗にリンスされるときまでに生じるスピント・タイプエミッタ２１６の望まれないエッチングを本発明は防いでいる。
再び図２Ｄを参照しながら、本実施形態において、電極導体２３６を介して列電極２０２に分け与えられる保護的な非エッチング電位は、数百ミリボルト程度である。エッチング時間の合計は、およそ５−３０分程度である。このような電位やエッチング時間が本実施形態においては用いられているが、本発明はまた、種々の他の電位やエッチング時間を使用することにも適している。
これ以外の実施形態において、遮蔽槽２１４およびスピント・タイプエミッタ２１６の両方が同時にエッチングされるように、列電極２０２に供給される電位が、切り換えられても良い。すなわち、（遮蔽層２１４がエッチングされる割合よりもかなり低い割合で）スピント・タイプエミッタ２１６もまた、エッチングされる。このようにすることにより、本実施例は上方に設けられているゲート電極にスピント・タイプエミッタを好ましくない状態で接続してしまう可能性のある遮蔽層２１４の材料による剥離片やカスを除去またはエッチングすることを助けることになる。このような実施形態において、スピント・タイプエミッタ２１６のエッチングの速度は、列電極２０２に供給される電位が開回路電位に近づくように、増加することになる。さらに、遮蔽層２１４に対するスピント・タイプエミッタ２１６のエッチング速度は、抵抗層２０４によって与えられるインピーダンスを調節することによって変化させられ得るものと理解される。
これ以外の効果として、酸化物層または他の障害物がゲート電極２１０と遮蔽層２１４との間に存在する場合であっても、本発明は遮蔽層２１４をエッチングすることが可能である。すなわち、電気的に、遮蔽層２１４がゲート電極２１０から絶縁される場合であっても、遮蔽層２１４は開回路電位とされるであろう。したがって、本発明は、複雑で困難なリフトオフ層を製造する必要性を無くした遮蔽層堆積除去方法；ゲート電極の開口部の直径を実質的に制限することがない遮蔽層堆積除去方法；そして、エミッタのキャビティ内で遮蔽層の一部分の好ましくない再堆積を低減させる遮蔽層堆積除去方法を提供するものである。
また、本発明は第１および第２の層により構成されるエミッタおよび遮蔽層を有する多層エミッタにもまた良く適合する。上述した実施形態で説明したように第１の層のエッチングのみにより遮蔽層の剥離を完了させることも可能である。この方法は、角度をつけて蒸着された分離層を設ける必要性がなくなるという利点を有しており、また、孔の直径を制限しない。第１の層はそのエッチング能力により選択され、第２の層はその放射能力により選択されている。そのような層の組合せの１つは、ニッケル層の上に堆積されたモリブデン層である。
本発明の具体的な実施形態に関する前述の説明は、図面および詳細な説明のために提示されたものである。上記実施形態の説明は、全てを網羅したものではなく、また、この発明を開示された小さな形式的事項に限局するものでもなく、また、上述した教示に照らして自明のたくさんの変形や変更も可能である。この実施形態は、この発明の原理と、その実用上の適用可能性とを最適に説明するために選択され、説明されたものであり、これにより、考察される特定の用途に適するように種々の変形を伴うようにこの発明およびこの実施形態を最適に実施化することがこの技術分野における当業者にとって可能となる。本発明の範囲はこの明細書に添付される請求の範囲およびこれらに均等な範囲により定義されるものである。
【図１Ａ】
0004130233.tif 000002
【図１Ｂ】
0004130233.tif 000003
【図１Ｃ】
0004130233.tif 000004
【図１Ｄ】
0004130233.tif 000005
【図１Ｅ】
0004130233.tif 000006
【図２Ａ】
0004130233.tif 000007
【図２Ｂ】
0004130233.tif 000008
【図２Ｃ】
0004130233.tif 000009
【図２Ｄ】
0004130233.tif 000010
【図２Ｅ】
0004130233.tif 000011