(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出デバイスを製作するための方法であって、
構造体における電子放出デバイスを形成する主要面側を上側とし、その裏面側を下側とし、
前記方法は、
多数の粒子を構造体上に分布させる過程と、
前記粒子を用いて、前記構造体内の電気的絶縁性の絶縁層上に設けられる電気的非絶縁ゲート層を貫通して延在する多数のゲート開口部に対する位置を確定する過程と、
前記ゲート層を貫通する前記ゲート開口部を形成する過程と、
前記ゲート開口部の側面を概ね覆うが、前記絶縁層まで延在するアパーチャを残すように、前記ゲート開口部内にスペーサ材料を設ける過程と、
前記アパーチャを通して前記絶縁層をエッチングし、前記絶縁層を貫通して前記絶縁層の下側に設けられる下側電気的非絶縁領域に至る誘電体開口部を形成する過程と、
前記誘電体開口部内に電気的非絶縁エミッタ材料を導入し、前記下側電気的非絶縁領域上に電子放出素子を形成する過程とを有し、
前記電子放出素子を形成する過程が、前記エミッタ材料を導入した後に、前記スペーサ材料を除去する過程を含み、
前記スペーサ材料を設ける過程が、前記ゲート開口部内に前記スペーサ材料を選択的に堆積させる過程を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電子放出素子を形成する過程が、前記エミッタ材料を導入した後に、前記電子放出素子となる電子放出フィラメントの周囲に誘電体開口空間を形成するために前記ゲート開口部を通して前記絶縁層をエッチングする過程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記誘電体開口部内に形成されている前記電子放出素子が、前記誘電体開口部のための前記ゲート開口部の前記側面に沿って配置される前記スペーサ材料と接触するとき、前記各誘電体開口部に対する前記エミッタ材料の導入が自動的に終了することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記粒子を分布させる過程が、前記絶縁層及び前記ゲート層の１つの表面上に直接前記粒子を分布させる過程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子を分布させる過程が、前記絶縁層上に前記粒子を分布させる過程を有し、
前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程がさらに、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記絶縁層上に電気的非絶縁ゲート材料を設ける過程と、
残りのゲート材料が前記ゲート層を貫通して延在する前記ゲート開口部を有する前記ゲート層を形成するように、前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料とを除去する過程とを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子を分布させる過程が、前記ゲート層上に前記粒子を分布させる過程を有し、前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程が、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記ゲート層上に追加の材料を設ける過程と、
前記追加の材料を貫通して前記ゲート層を露出する追加材料開口部を形成するように、前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料とを除去する過程と、
前記追加材料開口部を通して前記ゲート層をエッチングし、前記ゲート層を貫通するゲート開口部を形成する過程とを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子を分布させる過程に先行して、前記構造体の前記絶縁層上にパターン転写層を設ける過程をさらに有し、
前記粒子を分布させる過程が前記パターン転写層上に前記粒子を分布させる過程を有し、
前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程が、
前記粒子により覆われていない前記パターン転写層の材料を除去することにより、前記パターン転写層から柱状部を形成する過程と、
少なくとも前記柱状部間の空間内にある前記絶縁層上に電気的非絶縁ゲート材料を堆積させる過程と、
残りのゲート材料が前記ゲート層を形成するように、前記柱状部と、前記柱状部の上側をなす、前記粒子を含む概ねすべての材料を除去する過程とを有することを特徴する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
電子放出デバイスを製作するための方法であって、
構造体における電子放出デバイスを形成する主要面側を上側とし、その裏面側を下側とし、
前記方法は、
多数の粒子を構造体上に分布させる過程と、
前記粒子を用いて、前記構造体内の電気的絶縁層上に設けられる電気的非絶縁ゲート層を貫通して延在する多数のゲート開口部に対する位置を確定する過程と、
前記ゲート層を貫通する前記ゲート開口部を形成する過程と、
前記ゲート開口部の側面を概ね覆うが、前記絶縁層まで延在するアパーチャを残すように、前記ゲート開口部内にスペーサ材料を設ける過程と、
前記アパーチャを通して前記絶縁層をエッチングし、前記絶縁層を貫通して前記絶縁層の下側に設けられる下側電気的非絶縁領域に至る誘電体開口部を形成する過程と、
前記誘電体開口部内に電気的非絶縁エミッタ材料を導入し、前記下側電気的非絶縁領域上に電子放出素子を形成する過程と、
前記スペーサ材料を除去する過程とを有し、
前記粒子を分布させる過程が前記絶縁層上に前記粒子を分布させる過程を有し、
前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程とスペーサ材料を設ける過程が、
前記粒子間の空間内にある前記絶縁層上に電気的非絶縁ゲート材料を堆積し、前記粒子の前記位置において前記ゲート開口部を有するゲート層を形成する過程と、
前記絶縁層の上にある前記粒子の下側の前記ゲート開口部において前記スペーサ材料を設ける過程と、
前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料を除去する過程とを有することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程が、前記各ゲート開口部が対応する一次開口部に垂直に整列されるように、前記ゲート開口部に対応する多数の前記一次開口部を有し、前記ゲート層上に形成される一次層を設ける過程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記粒子を分布させる過程が、前記絶縁層、前記ゲート層並びに前記一次層の１つの層の上に前記粒子を分布させる過程を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子を分布させる過程が前記絶縁層上に前記粒子を分布させる過程を有し、
前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程がさらに、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記絶縁層上に電気的非絶縁ゲート材料を設ける過程と、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記ゲート層上に一次材料を設ける過程と、
（ａ）残りの一次材料が一次層を貫通して延在する前記一次開口部を有する前記一次層を形成し、また（ｂ）残りのゲート材料が前記ゲート層を貫通して延在する前記ゲート開口部を有する前記ゲート層を形成するように、前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料を除去する過程とを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記粒子を分布させる過程が前記ゲート層上に前記粒子を分布させる過程を有し、前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程がさらに、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記ゲート層上に一次材料を設ける過程と、
残りの一次材料が一次層を貫通して延在する前記一次開口部を有する前記一次層を形成するように、前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料を除去する過程と、
前記一次開口部を通して前記ゲート層をエッチングし、前記ゲート開口部を形成する過程とを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒子を分布させる過程が前記一次層上に前記粒子を分布させる過程を有し、前記ゲート開口部に対する位置を確定する過程がさらに、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記一次層上に追加の材料を設ける過程と、
前記追加の材料を貫通して前記一次層を露出する追加材料開口部を形成するように、前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料を除去する過程と、
前記追加材料開口部を通して前記一次層をエッチングし、前記一次開口部を形成する過程と、
前記一次開口部を通して前記ゲート層をエッチングし、前記ゲート開口部を形成する過程とを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記電子放出素子が概ねフィラメントの形状をなして形成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
電子放出デバイスを製作するための方法であって、
構造体における電子放出デバイスを形成する主要面側を上側とし、その裏面側を下側とし、
前記方法は、
電気的絶縁層上に多数の粒子を分布させる過程と、
下側カバー材料が前記粒子間の空間を覆い、さらに前記絶縁層の上側の前記粒子の下側の空間内に概ね延在するように前記絶縁層上に前記下側カバー材料を設け、前記粒子のそれぞれに対応する位置に下側開口部を有する下側カバー層を形成する過程と、
前記粒子間の空間内にある前記下側カバー層上に上側カバー材料を設け、前記粒子のそれぞれに対応する位置に前記下側開口部より大きい直径を有する上側開口部を備える上側カバー層を形成する過程と、
前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料を除去する過程と、
前記上側開口部及び前記下側開口部を通して、前記絶縁層をエッチングして、前記絶縁層を貫通して前記絶縁層の下側に設けられた下側電気的非絶縁領域に至る誘電体開口部を形成する過程と、
前記誘電体開口部内に電気的非絶縁エミッタ材料を導入し、前記下側電気的非絶縁領域上に電子放出素子を形成する過程とを有し、
前記電子放出素子を形成する過程が、前記エミッタ材料を導入した後に、前記下側カバー層の前記上側開口部により露出された環状の部分を除去する過程を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記カバー層の少なくとも１つが、ゲート層を形成する電気的非絶縁ゲート材料からなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
電子放出デバイスを製作するための方法であって、
構造体における電子放出デバイスを形成する主要面側を上側とし、その裏面側を下側とし、
前記方法は、
電気的絶縁性の絶縁層上に多数の粒子を分布させる過程と、
少なくとも前記粒子間の空間内にある前記絶縁層上に電気的非絶縁ゲート材料を設ける過程であって、前記粒子がゲート開口部の位置を確定する、該過程と、
前記ゲート材料上にスペーサ材料である一次材料を設ける過程であって、前記一次材料の一部が前記粒子の下の前記ゲート開口部内の前記絶縁層上に堆積し、前記一次材料に前記ゲート開口部より小さい直径を有する一次開口部が形成されるように行う、該過程と、
前記粒子と前記粒子の上側をなす概ねすべての材料とを除去する過程であって、残りの一次材料が前記一次開口部を有する一次層を形成するように行う、該過程と、
前記一次開口部を通して前記絶縁層をエッチングして、概ね前記絶縁層を貫通して下側をなす下側電気的非絶縁領域に至る誘電体開口部を形成する過程と、
前記誘電体開口部及び前記一次開口部内に電気的非絶縁エミッタ材料を導入し、各電子放出素子が対応する前記誘電体開口部に少なくとも部分的に配置されるように、前記下側電気的非絶縁領域上に多数の電子放出素子を形成する過程とを有し、
前記電子放出素子を形成する過程が、前記エミッタ材料を導入した後に、前記一次層を除去する過程を含み、
前記電子放出素子を形成する過程が、
前記電気的非絶縁エミッタ材料を前記一次開口部から溢れさせることにより、前記一次開口部のそれぞれから外側に延在するキャップ部分を形成する過程であって、前記キャップ部分のそれぞれは互いに接触しないように形成される、該過程と、
前記キャップ部分を除去する過程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記電子放出素子により放出される電子を集めるために前記電子放出素子の上側にあり、かつ離れて配置されたアノード手段を設ける過程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至８並びに請求項１７の何れか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記電子放出素子から放出された電子が衝当した場合、光を放出するために、前記アノード手段が発光素子を有する発光構造体の一部として設けられることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
関連特許出願の相互参照
本発明は、Ｈａｖｅｎ等による同時出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９１９６に一部類似の主題を扱っている。
技術分野
本発明は、通常カソードと呼ばれ、フラットパネルタイプの陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイのような製品に用いるのに適当な電子放出デバイスの製作に関連する。
背景技術
電界放出カソードは、十分に強い電界をかけると、電子を放出する。電界は、カソードと電極、すなわち一般にアノード或いはゲート電極と呼ばれ、カソードから短い距離だけ離隔した電極、との間に適当な電圧を加えることにより生成される。
フラットパネルＣＲＴディスプレイにおいて電界放出カソードを用いるとき、カソードから相当大きな面積に渡って電子が放出される。電子放出面積は、通常電子放出部の２次元配列に分割され、それぞれが対応する発光部の向かい側に配置され、ピクチャエレメント（画素）の一部或いは全てを形成する。各電子放出部により放出された電子は対応する発光部に衝当し、発光部が可視光を放出できるようにする。
一般に各発光部の面積に渡ってイルミネーションが均一である（一様である）ことが望まれる。一様なイルミネーションを達成するための方法の１つは、電子が対応する電子放出部の面積に渡って一様に放出されるように配列することである。これには一般的に、電子放出部を多くの小さな、近接して配置された電子放出素子として製作することが必要となる。
小さく、近接して配置された電子放出素子を含む電子放出デバイスを製造するために、種々の技術が研究されている。Spindt等による「Research in Micron-Sized Field-Emission Tubes」（IEEE Conf.Rec.1966 Eighth Conf.Tube Techniques、1996年９月20日、pp.143-147）は、小さく、ランダムに分布した球形の粒子を用いて、平坦な電界放出カソードに備える円錐形の電子放出素子に対する位置を確定する方法を記載する。球形粒子の大きさは、円錐形の電子放出素子の底面直径により決められる。
第１ａ〜１ｇ図（集合的に「第１図」とする）は、厚みのあるアノードを有する電子放出ダイオードを製作するために、Spindt等が用いた球体に基づくプロセスを示す。第１ａ図において、起点はサファイア基板２０である。下側モリブデン層２２、絶縁層２４並びに上側モリブデン層２６からなるサンドウィッチ構造体が基板２０上に配置される。
ポリスチレン球体２８は、第１ｂ図にその１つが示されているが、モリブデン層２６の上面に渡って散乱する。層２６の覆われていない部分の上にレジスト層３０Ａを形成するために、「レジスト」を堆積させる。第１ｃ図を参照されたい。レジストの部分３０Ｂは、典型的にはアルミナ（酸化アルミニウム）であり、レジスト堆積中に、球形粒子２８上に蓄積される。その後球体２８は除去され、それによりレジスト部分３０Ｂも除去される。第１ｄ図においては、レジスト層３０Ａを貫通して、除去された球体２８の位置に開口部３２が延在する。
モリブデン層２６の露出部は、レジスト開口部３２を通してエッチングされ、モリブデン層２６を貫通する開口部３４が形成され、残りの部分が第１ｅ図において成形体２６Ａとして示される。同様に、絶縁層２４の露出した部分は、開口部３４を通してエッチングされ、残された絶縁層２４Ａを貫通する空洞３６を形成する。第１ｆ図を参照されたい。レジスト層３０Ａは、一般に空洞エッチング中に除去される。
最終的に、モリブデンが構造体の上面及び空洞３６内に蒸着される。蒸着は、開口部を通りモリブデンが空洞３６内に蓄積され、その開口部が除々に閉じるように実行される。第１ｇ図において示されるように、円錐形のモリブデン電子放出素子３８Ａが空洞３６内に形成され、一方連続するモリブデン層３８Ｂはモリブデン層２６Ａの上面に形成される。層３８Ｂ及び２６Ａは共にダイオードに対するアノードを形成する。
Spindt等が用いた電子放出素子の位置及び底面寸法を確定するために球形の粒子を利用する方法は、電子放出デバイスを形成する独創的なアプローチである。しかしながら素子３８Ａにより放出される電子はアノード２６Ａ／３８Ｂに集められるため、直接発光領域を活性化するためには用いられない。球形の粒子を用いて、概ね一様に、フラットパネルデバイスの発光素子を直接活性化するために利用できる電子を放出する、小さく、近接して配置された電子放出素子のための位置を確定することが望まれることになる。
発明の開示
本発明は一連の製作プロセスを提供し、そのプロセスでは典型的に球形の粒子が、ゲート型電子放出デバイス（gated electron-emitting device）を製造する際に用いられる。その粒子がゲート型電子エミッタの電子放出素子の位置を確定する。重要なことは、本発明の製作プロセスにより、電子放出素子により放出される電子を、フラットパネルデバイスの発光領域のような素子を直接活性化するために利用できるようになるということである。
粒子の表面密度は、電子放出素子の表面密度を定義する（表面密度に等しい）。粒子の表面密度は容易に高い値に設定することができる。従って、電子放出素子の高い表面密度を容易に達成することができる。粒子、すなわち電子放出素子は互いに対して非常にランダムに配置させることができるが、単位面積あたりの電子放出素子の数は全電子放出面積に渡って比較的一様になる。
また粒子は、厳密な粒度分布を有するように、すなわち平均粒子直径の標準偏差がかなり小さくなるように容易に選択することができる。厚さのようないくつかの寸法に関するパラメータの値を適当に調整することにより、電子放出素子は概ね同等になるように形成することができる。そして最終的な結果は、本発明の製造プロセスに従って粒子を用いることにより、概ね一様な電子放出を達成することができ、それにより発光領域を概ね一様な状態で直接活性化することができる。
本発明のゲート型電子エミッタを製作する際に、多くの粒子が適当な初期構造体上に分布される。重要なことは、初期構造体の横方向面積の大きさが典型的には、初期構造体上に比較的一様に（概ねランダムにすることにより）粒子を分布させることに関してほとんど影響を与えないという点である。従って、本発明の製作プロセスは、大面積の電子エミッタを形成するために容易に用いることができる。
粒子は典型的には球形である。初期構造体上に分布させた後、その粒子を利用して、その構造体の電気的絶縁層上に設けられる電気的非絶縁ゲート層を貫通して延在する、対応するゲート開口部に対する位置を確定する。以下に議論するように、「電気的非絶縁性」は、電気的導電性或いは電気的抵抗性を意味する。
粒子は、絶縁層上或いはゲート層上に分布させることができるが、そのいずれかにより粒子を利用してゲート開口部を画定するための順序が異なる。粒子が絶縁層上に分布するとき、電気的非絶縁ゲート材料は、絶縁層上、すなわち少なくとも粒子間の空間内に設けられる。その後粒子は除去される。粒子の除去中に、粒子の上側をなす全てのゲート材料が同時に除去される。残りのゲート材料はゲート層を形成し、そのゲート層を貫通して除去された粒子の位置にゲート開口部が延在する。
粒子がゲート層上に分布するとき、さらに多くの材料がゲート層上、少なくとも粒子間の空間に設けられる。その後粒子は除去され、それにより粒子の上側をなす追加の材料も同時に除去される。その後残りの材料を貫通して除去された粒子の位置にアパーチャが延在する。ゲート層は残りの材料における開口部を通して概ねエッチングされ、ゲート開口部が形成される。
一次層をゲート層上に形成することができる。この一次層は典型的には無機誘電体材料からなる。もし追加の材料も存在するのであれば、一次層はゲート層とその材料との間に配置される。多数の一次開口部が一次層を貫通して延在する。各ゲート開口部は、対応する一次開口部の１つに垂直に整列される。一次層を用いて本発明によるゲート型電子エミッタを製作するとき、その粒子を絶縁層、ゲート層、或いは一次層上に分布させることができる。この３つの層の何れの層上に粒子が分布するかによって、その粒子を利用して、前述の２つの段落において記載されたのと同じ種類の一連のプロセスによりゲート開口部を画定する。
パターン転写層を絶縁層上に設けることができる。その際、粒子はパターン転写層上に分布され、その後粒子により覆われていないパターン転写層の部分を除去することにより柱状部がパターン転写層から形成される。ゲート材料は、絶縁層上、少なくとも柱状部間の空間内に堆積する。柱状部、及び粒子を含む、あらゆる上側をなす材料は除去される。残りのゲート材料がゲート層を形成し、除去された柱状部の位置にゲート開口部がそのゲート層を貫通して延在する。
粒子を用いてどのようにゲート開口部を画定するかにかかわらず、一般にフラメントの形状をなす電子放出素子を容易に製造するために、さらに追加のプロセスを実行することができる。例えば、スペーサ材料がゲート開口部内に設けられ、ゲート開口部の側面端部を覆うようにすることができるが、スペーサ材料を貫通し絶縁層まで延在する対応する開口部は残される。絶縁層はスペーサ材料内のアパーチャを通して概ねエッチングされ、概ね絶縁層を貫通してその絶縁層の下に設けられる下側非絶縁領域に至る対応する誘電体開口部を形成する。別法では、絶縁層はゲート開口部を通してエッチングされ、その絶縁層を貫通する誘電体開口部を形成することができる。その後スペーサ材料が誘電体開口部内に設けられ、概ねその側面端部を覆うが、スペーサー材料を貫通して下側非絶縁領域まで延在する対応するアパーチャは残される。
電子放出素子は、その絶縁層がゲート開口部を通してエッチングされるか、或いはスペーサ材料内のアパーチャを通してエッチングされるかのいずれかによって、電気的非絶縁エミッタ材料を誘電体開口部内か、或いはスペーサ材料を貫通するアパーチャ内のいずれかに導入することにより下側非絶縁領域上に形成される。その結果、電子放出素子は典型的にはフラメントとして成形される。スペーサ材料はゲート層と各電子放出素子との間にある横方向空間を制御する。
上述の一次層を用いるプロセスの流れでは、一般に円錐形の形状の電子放出素子を容易に生成するように、一次層、ゲート層並びに絶縁層を有する構造体上で、さらに追加のプロセスを実行することができる。詳細には、絶縁層は一次開口部及びゲート開口部を通してエッチングされ、絶縁層を貫通して絶縁層の下側に設けられる下側電気的非絶縁領域に至る対応する誘電体開口部を形成することができる。各一次開口部は通常、対応するゲート開口部より大きくはない。従って、一次開口部が（後に形成される）電子放出素子の横方向寸法を確定する。典型的な場合として厳密な粒度分布を有する粒子を選択することにより、その一次開口部の粒度分布は第一次近似の範囲で、同様に厳密になる。
電気的非絶縁エミッタ材料が、一次開口部及びゲート開口部を通り一次層上に、さらには誘電体開口部内に堆積し、下側非絶縁領域上に対応する電子放出素子を形成する。電子放出素子は典型的にはコーン（円錐形状体）として成形される。一次開口部は典型的には厳密な粒度分布を有するため、電子放出素子に占有される横方向面積は典型的には概ね等しくなる。その後一次層は、一次層上に蓄積される余分なエミッタ材料を剥離するように除去される。
Spindt等が行った方法とは異なり、本発明により製作された電子エミッタ内の電子放出素子により放出された電子の動きは、通常絶縁層上に堆積した電気的導電性材料により妨げられることはない。その電子は電子エミッタを越えて移動し、電子エミッタの上側に適当な距離をおいて配置される発光用蛍光体領域のような素子を活性化させることができる。要するに、本発明は、フラットパネルＣＲＴデバイス、特に大型フラットパネルＣＲＴディスプレイに容易に組み込むことができる高性能電子エミッタを製造するための一連の経済的なプロセスを提供する。
本発明の重要な特徴の１つは、本製作プロセスのいくつかのプロセスにおいてゲート材料として用いられる材料が、小さな、典型的にはサブミクロン大の開口部を正確にエッチングすることが通常難しいとされる金属を含むということである。詳細には、ゲート材料が粒子上に堆積するとき、ゲート材料堆積中にゲート開口部はその堆積した粒子の位置に形成される。ゲート開口部を形成するためにエッチングを行う必要はない。従ってゲート材料はエッチングが難しいとされる金属であってもよい。
【図面の簡単な説明】
第１ａ−１ｇ図は、ダイオードフィールドエミッタを製造するための従来技術のプロセスにおけるステップを表す断面構造図である。
第２ａ−２ｇ図は、円錐形の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造するための本開示に従ったプロセスにおける一連のステップを示す断面構造図である。
第３ａ−３ｉ図は、円錐形の電子放出素子を有する電子エミッタを製造するための本開示に従った別のプロセスにおける一連のステップを示す断面構造図である。
第４ａ−４ｆ図並びに第４ｇ１図及び第４ｇ２図は、本発明に従ったゲート型電子エミッタを製造するためのプロセスの一連のフロントエンドステップを示す断面構造図である。第４ａ−４ｆ図のフロントエンドプロセスの流れは、第４ｇ１図のステップか或いは第４ｇ２図のステップで完了することができる。電子エミッタは、第２ｄ−２ｇ図のバックエンドステップか或いは第３ｆ−３ｈ図のバックエンドステップを第４ａ−４ｆ図並びに第４ｇ１図或いは第４ｇ２図のフロントエンドステップに加えることにより本発明に従った円錐形の電子放出素子を備えることができる。
第５ａ−５ｇ図は、一連のバックエンドステップを示す断面構造図であり、その一連のステップにより第４ｅ図、第４ｆ図或いは第４ｇ１図のフロントエンド構造体はさらにフィラメント状の電子放出素子を備えるゲート型フィールドエミッタを製造するために本発明に従って処理される。別法では、第２ｄ図或いは第３ｅ図のフロントエンド構造体は第５ｂ−５ｇ図のバックエンドステップを用いることにより本発明に従ってさらに処理され、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造することができる。
第６ａ−６ｈ図は、別の一連のバックエンドステップを示す断面構造図である。そのステップにより第４ｅ図、第４ｆ図或いは第４ｇ１図のフロントエンド構造体はさらに本発明に従って処理され、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造する。別法では、第２ｄ図或いは第３ｅ図のフロントエンド構造図は第６ａ−６ｈ図のバックエンドステップを用いることによりさらに本発明に従って処理され、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造することができる。
第７ａ−７ｊ図は、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造するための本発明に従ったプロセスにおける一連のステップを表す断面構造図である。
第８ａ図及び第８ｂ図は、電子放出素子の１つを製作するために中心となる第７ｆ図及び７ｈ図の部分の拡大断面構造図である。
第９ａ−９ｃ図は、本発明に従ったフィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製作する際に第７ｈ−７ｊ図のステップの代わりに用いることができる一連のステップを表す拡大断面構造図である。
第１０ａ−１０ｇ図は、一連のバックエンドステップを表す断面構造図であり、その一連のステップにより第３ｆ図（或いは第３ｅ図）のフロントエンド構造体が、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造するためにさらに本発明に従って処理される。別法では、第２ｄ図（或いは第２ｃ図）、第４ｇ１図或いは第４ｇ２図のフロントエンド構造体は第１０ａ−１０ｇ図のバックエンドステップを用いることによりさらに本発明に従って処理され、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造することができる。
第１１ａ−１１ｈ図は、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造するための本発明に従った別のプロセスにおける一連のステップを表す断面構造図である。
第１２ａ−１２ｉ図は、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを製造するための本発明に従ったさらに別のプロセスにおける一連のステップを表す断面構造図である。
第１３ａ−１３ｇ図は、本発明に従ったゲート型フィールドエミッタを製造ためのプロセスにおける一連のフロントエンドステップを表す断面構造図である。第１３ａ−１３ｇ図のフロントエンドプロセスの流れは、例えば第７ｅ−７ｊ図のバックエンドプロセスの流れに従って完了することができる。
第１４図は、下側非絶縁領域が電気的抵抗性部分及び電気的導電性部分からなるとき、第２ａ図、第３ａ図、第４ａ図、第７ａ図或いは第１２ａ図の初期構造体がいかに実現されるかを示す断面構造図である。
第１５．１図及び第１５．２図は、下側非絶縁領域が電気的抵抗性部分及び電気的導電性部分からなるとき、第２ｇ図及び第５ｇ図の最終的な電界放出構造体がいかに実現されるかを示す断面構造図である。
第１６図は、本発明に従って製作された第５ｇ図のエミッタのようなゲート型フィールドエミッタを組み込んだフラットパネルＣＲＴディスプレイの断面構造図である。
図面及び好適な実施例の記載において用いられる同じ参照番号は、同一の或いは非常に類似の部材を表す。
好適な実施例の説明
全般的な考察
本発明は、構造体の表面上に分布した粒子を利用して、ゲート型電界放出カソードのためのゲート電極開口部を画定する。本発明に従って製作される各フィールドエミッタは、フラットパネル型テレビ或いはパーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ或いはワークステーション用のフラットパネル型映像モニタのようなフラットパネルデバイスの陰極線管におけるフェースプレート上の蛍光領域を励起するために適切である。
本発明は、典型的には球形の粒子を用いてゲート開口部を画定するための様々な異なる方法を提供する。また本発明はそのようにして画定されたゲート開口部を用いて、コーン及びフィラメントのような種々の形状の電子放出素子を製造するための様々な方法を提供する。各電子放出素子は対応するゲート開口部の１つを通して電子を放出する。粒子がゲート開口部の位置を確定するため、その粒子は電子放出素子の位置も確定することになる。
いくつかの例では、粒子がいくつかのフロントエンドプロセスの流れの任意の１つに従って用いられ、その部分的に仕上げられた構造体においてゲート開口部を画定し、その構造体はゲート型電子放出カソードを製造するためにいくつかのバックエンドプロセスの流れの任意の１つに従って完成することができる。その部分的に仕上げられた構造体は円錐形の電子放出素子或いはフィラメント状の電子放出素子の何れかを形成する際に用いられる場合が多い。こうして本発明は、いくつかのフロントエンド部の製作の流れの任意の１つが、いくつかのバックエンド部の製作の流れの任意の１つと組み合わされ、特定の要件及び特定の材料の選択に適合したフィールドエミッタを製造する有効な全フィールドエミッタ製造プロセスを形成することができるという選択組合せ（ｍｉｘ−ａｎｄ−ｍａｔｃｈ）方式を提供する。
以下の記載において、用語「電気的絶縁性」（或いは「誘電性」）は、一般的に１０10Ω・ｃｍより大きい抵抗率を有する材料に適用される。用語「電気的非絶縁性」は従って１０10Ω・ｃｍより低い抵抗率を有する材料に適用される。電気的非絶縁材料は、（ａ）抵抗率が１Ω・ｃｍより小さい電気的導電性材料と、（ｂ）抵抗率が１Ω・ｃｍから１０10Ω・ｃｍの範囲にある電気的抵抗性材料に区別される。このカテゴリは、わずか１Ｖ／μｍの電界で決定される。
電気的導電性材料（或いは電気導体）の例は、金属、金属半導体化合物（金属けい化物のような）、並びに金属半導体共晶体である。また電気的導電性材料は、通常に或いは高レベルにドープされた（ｎ型或いはｐ型）半導体を含む。電気的抵抗性材料は、真性半導体及び軽くドープされた半導体（ｎ型或いはｐ型）を含む。電気的抵抗性材料のさらに別の例は、（ａ）サーメット（金属粒子を埋め込まれたセラミック）のような金属絶縁体複合材、（ｂ）グラファイト、非晶質炭素並びに改質された（例えばドープされた或いはレーザ改質された）ダイヤモンドのような炭素の形成体、（ｃ）シリコン−炭素−窒素のようなシリコン−炭素化合物がある。
他の方法により示される場合を除いて、以下のプロセスは、本発明の製作プロセスにおいて実行される異方性エッチングに適用される。全ての異方性エッチングは主に一方向性であり、エミッタ／ゲート中間電極誘電体層の上側表面に概ね垂直な方向にイオンを移動させる。従って、異方性エッチング中にアンダーカットはほとんど生じない。全ての異方性エッチングは、プラズマを用いて実行されるドライエッチングか或いは反応性イオンエッチングである。
電子放出コーンを有するフィールドエミッタの製作
図面を参照すると、第２ａ−２ｇ図（集合的には「第２図」とする）は、球形粒子を利用して、本発明の開示内容に従った円錐形の電子放出素子のためのゲート開口部を画定しているゲート型電界放出カソードを製造するためのプロセスを示す。第２図の製作プロセスにおいては、開始点は典型的にはセラミック或いはガラスを用いて形成された電気的絶縁体基板４０である。第２ａ図を参照されたい。基板４０は、フィールドエミッタを支持しており、プレートとして形成される。フラットパネルＣＲＴディスプレイでは、基板４０は少なくともバックプレートの一部を構成する。
下側の電気的非絶縁エミッタ領域４２は基板４０の上面に沿って延在する。下側非絶縁領域４２は様々な方法で形成することができる。少なくとも非絶縁領域４２の一部は、行電極と呼ばれる一連の概ね平行なエミッタ電極ラインに典型的にパターン化される。非絶縁領域４２がそのように形成されるとき、最終的な電界放出カソードは平面ＣＲＴディスプレイの発光用蛍光素子を励起するために特に適切である。それでも非絶縁領域４２は他の形状にパターン化されたり、或いはパターン化されないようにもできる。
概ね同じ構造の電気的絶縁層４４が構造体の上面に設けられる。絶縁層４４は典型的には酸化シリコンから構成される。別法では、層４４は窒化シリコンを用いて形成することもできる。第２ａ図には示されていないが、絶縁層４４の下側表面部分は下側非絶縁領域４２の形状に従って基板４０に接触するようになる。絶縁層４４の一部は、後にエミッタ／ゲート電極間誘電体になる。
絶縁層４４の厚さは十分に厚くされ、後に形成される電子放出素子がコーンとして成形され、その先端部のみが層４４の上面の上側にわずかに突出するようにする。各電子放出コーンの高さはその底面直径に依存し、以下に記載するようにその底面直径は電子放出コーンのためのゲート開口部を画定する際に用いられる球形粒子の直径により決定される。絶縁層４４の厚さは、通常球形粒子の直径の１〜２倍である。絶縁層の厚さの典型的な範囲は、０．１〜３μｍである。
固形の球形粒子４６は、ランダムな状態、或いは概ねランダムな状態で、第２ｂ図に示されるような絶縁層４４の上面に渡って分布する。球形粒子４６は典型的にはポリスチレンから構成される。粒子４６として用いる別の材料は、ガラス（例えば酸化シリコン）、ポリスチレン以外のポリマ（例えばラテックス）並びにアルコール（水酸）基、（有機）酸基、アミド基及びスルホン酸基のような官能基でコーティングされたポリマを含む。
粒子４６がポリスチレンから構成されるとき、その平均直径は０．１〜３μｍの範囲、典型的には０．３μｍである。平均粒子直径の標準偏差は通常非常に小さく、１０％より小さい値であり、典型的には２％である。絶縁層４４の表面上に分布した粒子４６の平均表面密度は１０6〜１０10粒子／ｃｍ2の範囲にあり、１０7〜１０9粒子／ｃｍ2であることが好ましい。典型的な値は１０8粒子／ｃｍ2である。平均的な粒子４６間の空間は、典型的には平均粒子直径の２〜３倍である。表面密度は１０8粒子／ｃｍ2で直径が０．３μｍの粒子の場合、平均的な空間はおよそ０．６〜０．９μｍである。
球形粒子４６は絶縁層４４に非常に強く密着する。Van der Waals力が、少なくとも部分的に密着機構を実現するものと考えられる。球体４６がポリスチレンから構成されるとき、球形粒子４６の一部或いは全てが、例えば負に帯電される。ポリスチレンの場合、各球体４６は典型的に少なくとも１ヶ所に二重の負の電荷を帯びるが、この各二重の負の電荷はその球体４６にカルボキシル基を付着させることによりもたらされる。初期構造体４０／４２／４４上の反対極性の電荷は、密着機構を助力するものとなる。何れの場合においても、一旦絶縁層４４に引きつけられると、粒子４６は層４４の上側表面上で容易に動かないようになる。
種々の技術を用いて、絶縁層４４上に球形粒子４６を分布させることができる。ある技術においては、適当な小さなポリスチレン球体を含む脱イオン水が、まずビーカにおいて試薬用アルコールと結合する。アルコールは典型的にはイソプロパノールである。別法では、アルコールとしてエタノールを用いることもできる。
イソプロパノールの場合、イソプロパノールと水とを混合した水溶液はそのほとんどをイソプロパノールが占め、典型的にはその体積中の９９％以上がイソプロパノールである。ポリスチレン球体はイソプロパノール水溶液中に懸濁される。溶液中の球体の分布をより均一にするために、窒素を用いて溶液を泡立てる。別法では、その溶液は超音波で攪拌され、溶液中の球体の一様性を改善することができる。
概ね円形のウエハの形状をなして製造される初期構造体４０／４２／４４を用いる場合、そのウエハはス回転チャンバ内に配置される。ウエハがチャンバ内にあるとき、懸濁されたポリスチレン球体を含むイソプロパノール水溶液の量を調整して、上側ウエハ表面の選択された部分を覆うが、ウエハの上面から流れ出さないようにウエハの表面上に堆積させる。その後ウエハは短時間の間回転し、ほとんどの水溶液が除去される。その回転速度は２００〜２０００ｒｐｍであり、典型的には７５０ｒｐｍである。その回転時間は５〜１２０秒であり、典型的には２０秒である。
回転中に、残りのイソプロパノール水溶液のほとんど全ての量が蒸発し、ポリスチレン球体４６が残される。イソプロパノール水溶液がいくらかでも残る場合には、ウエハを乾燥し、残りのイソプロパノール水溶液を蒸発させる。その乾燥作業は、例えば窒素を噴射することにより行なうことができる。乾燥作業を行うか否かにかかわらず、その後ウエハは回転チャンバ内から取り出される。このようにして第２ｂ図の構造体が製造される。
電気的非絶縁ゲート材料は絶縁層４４及び球形粒子４６上に堆積する。ゲート材料の堆積は、通常、蒸着或いはコリメートスパッタリングのような技術を用いて層４４の上側表面に概ね垂直な方向に行われる。ゲート材料は粒子４６間の空間内にある層４４上に蓄積し、比較的一様な厚さの電気的非絶縁ゲート層４８Ａを形成する。第２ｃ図を参照されたい。ゲート材料の部分４８Ｂは、粒子４６の上側半分（半球形）上に同時に蓄積する。ゲート材料は、通常クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン或いは金のような金属である。
ここで一次材料と呼ぶ適当にエッチング可能な材料を、ゲート層４８Ａ及びゲート材料部分４８Ｂ上に堆積させる。ゲート材料を堆積させる場合のように、一次材料の堆積は、再び蒸着或いはコリメートスパッタリングのような技術を用いて、通常電極間誘電体層４４の上側表面に概ね垂直な方向に処理される。一次材料は球形粒子４６間の空間内にあるゲート層４８Ａ上に蓄積し、第２ｃ図に示されるような比較的一様な厚さの一次層５０Ａを形成する。一次材料の部分５０Ｂが、球体４６上に設けられるゲート材料部分４８Ｂ上に同時に蓄積する。一次材料部分５０Ｂが一次層５０Ａとブリッジになるのを避けるために、ゲート層４８Ａ及び一次層５０Ａの全厚は、通常、球体４６の平均半径より小さい。
一次材料は典型的には、窒化シリコン、酸化アルミニウム並びにまた酸化シリコンのような無機誘電体材料からなる。一次層５０Ａは、第２図のプロセスにおいて並びに以下に記載するいくつかのプロセスの変形例において、後にリフトオフ層として用いられる。以下に記載されるいくつかの他のプロセスの変形例では、層５０Ａはリフトオフ機能を実行しない。層５０Ａがリフトオフ層として機能するとき、一次材料は選択的にアルミニウム、タングステン、或いは金のような金属であってよい。また一次材料は、層５０Ａがリフトオフ層として機能するとき、金属誘電体複合材或いは、フッ化マグネシウム、塩化マグネシウム或いは塩化ナトリウムのような塩類であることもできる。
ここで球形粒子４６は除去される。粒子４６の除去中に、ゲート材料部分４８Ｂ及び一次材料部分５０Ｂが同時に除去され、第２ｄ図に示される構造体が形成される。一次開口部５２は、除去された粒子４６の位置に一次層５０Ａを貫通して延在する。同様にゲート開口部５４は、除去された粒子４６の位置にゲート層４８Ａを貫通して延在する。このようにして、粒子４６が、一次開口部５２及びゲート開口部５４の両方の位置を直接画定する。ゲート開口部５４の形成は、粒子４６上にゲート材料の堆積中に行われ、ゲート材料をエッチングすることにより達成されるわけではないので、ゲート材料用の候補材料は、後に電子放射コーンを露出させる小さな開口部、すなわち典型的には１μｍより小さい直径を有する開口部をエッチングすることが困難である金を含む。同様のことが、第２ａ図のプロセスの一次材料にも適用される。
各ゲート開口部５４は、対応する一次開口部５２の中心に垂直に配置され、従って対応する一次開口部５２に垂直に整列される。除去された粒子４６は球形であるため、一次開口部５２は概ね円形である。層４８Ａ及び５０Ａを形成するための堆積が、絶縁層４４の上側表面に概ね垂直に実行された場合には、対応する開口部５０及び５２の各組の直径は概ね同じになり、従って対応する除去された球体４６の直径に概ね等しくなる。
球形粒子４６を除去するために一般に機械的プロセスが用いられる。例えば、粒子４６は超音波／メガソニック操作により除去することができる。ほとんどの球体４６は除去操作の超音波操作過程中に除去される。除去操作は典型的には、Valtron SP2200アルカリ性洗浄剤（２−ブチルキシエタノール（2-butylxyethanol）及び非イオン界面活性剤）を小さな体積％（例えば１％）で含む脱イオン水の浴に水を入れ、一般に超音波周波数にその浴をさらすことにより行われる。メガソニック操作は、通常超音波操作後に行われ、球体４６の残りの部分を除去するものであり、典型的にはValtron 2200アルカリ性洗浄剤を小さな重量％（例えば０．５％）で含む脱イオン水の別の浴に水を入れ、メガソニック周波数にその浴をさらすことにより行う。
粒子４６上の電荷を概ね中和する洗浄剤を、メガソニック及び超音波操作の両方の操作間にValtron 2200洗浄剤の代わりに用いることができる。電荷中和洗浄剤は典型的にはイオン性界面活性剤を含む。別法では、球体４６を除去するために高圧のウォータジェットを用いることもできる。
一次層５０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４は一次開口部５２及びゲート開口部５４を介してエッチングされ、層４４を貫通して下側非絶縁エミッタ領域４２に至る対応する誘電体開口部（或いは誘電体開口空間）５６を形成する。第２ｅ図を参照すると、成形体４４Ａは絶縁層４４の残りの部分である。一次層５０Ａは、誘電体開口部５６を形成するために用いられるエッチング剤によりわずかに侵蝕される場合もあるが、侵蝕の量は通常一次開口部５２の大きさ或いは形状に著しく影響を与えるほどではない。従って、各一次開口部５２は、対応するゲート開口部５４とはわずかに異なる直径であったとしても、概ね円形のままである。
誘電体開口空間５６を形成するために電極間誘電体エッチングは、通常誘電体開口部５６がゲート層４８Ａを幾分アンダーカットするように行われる。アンダーカットの量は、後に堆積されるエミッタコーン材料が誘電体開口部５６の側壁（或いは側面端部）上に蓄積し、電子放出素子とゲート層４８Ａとの間に電気的な漏れ経路を形成することを十分に避けるように選択される。
電極間誘電体エッチングは以下のような種々の方法により実行することができる。（ａ）一種類、或いはそれ以上の化学エッチング剤を用いる等方性ウェットエッチング、（ｂ）アンダーカット（及び従って不完全に異方性の）ドライエッチング、（ｃ）アンダーカットウェットエッチング或いはドライエッチングが後続する非アンダーカット（完全に異方性の）ドライエッチングがある。絶縁層４４及び一次層５０Ａがそれぞれ酸化シリコン及び窒化シリコンからなるとき、エッチングは２段階で行われることが好ましい。四ふっ化炭素を用いて異方性プラグマエッチングを行い、絶縁層４４を貫通する概ね垂直な開口部を形成し、その後緩衝ふっ化水素酸（buffered hydrofluoric acid）を用いて等方性ウェットエッチングを行い、初期の開口部を広げ、誘電体開口部５６を形成する。
電気的非絶縁エミッタコーン材料は、絶縁層４４Ａの上側表面に概ね垂直な方向において構造体の上側表面上に蒸着される。エミッタコーンは一次層５０Ａ上に蓄積し、さらにゲート開口部５４を通過し、誘電体開口空間５６内の下側非絶縁領域４２上に堆積する。コーン材料を一次層５０Ａ上に蓄積することにより、コーン材料が通過する開口空間５６は徐々に閉じる。その堆積は、これらの開口部が完全に閉じるまで実行される。その結果、コーン材料は誘電体開口空間５６内に蓄積し、第２ｆ図に示されるように対応する円錐形の電子放出素子５８Ａを形成する。同時にコーン材料の連続層５８Ｂが一次層５０Ａ上に形成される。コーン材料は通常モリブデン、ニッケル、クロミウム或いはニオブ、或いはチタンカーバイドを含む耐火金属炭化物のような金属である。
その後一次層５０Ａは適当なエッチング剤を用いて除去される。層５０Ａの除去中に、余分なコーン材料層５８Ｂも同時に剥離される。第２ｇ図はその結果生じた電子エミッタを示す。コーン材料の堆積が絶縁層４４Ａに概ね垂直に実行されたため、各電子放出コーン５８Ａは対応する一次開口部５２の中心に垂直に配置され、また対応するゲート開口部５４の中心に配置される。
ゲート層４８Ａは、下側非絶縁領域４２のエミッタ行電極に垂直に走る一連のゲートラインにパターン化される。そのときゲートラインは列電極として機能する。ゲート層４８Ａに適当なパターンを形成すると共に、第２ｇ図のフィールドエミッタは、ゲート層４８Ａの部分に接触して、行電極に垂直に走る、個別の列電極が選択的に設けられる場合もある。このゲートパターン形成及び個別の列電極形成は、典型的には誘電体開口部５６を形成するために絶縁層４４をエッチングする前に行われるが、そのプロセスの後段階で行なってもよい。
絶縁層４４の上面に渡って分布した球形粒子４６を用いてゲート開口部を画定する代わりに、ゲート開口部はゲート層上に分布した球形粒子により画定することもできる。そうすることにより、ゲート層の厚さに加わる粒子直径により生じた上述の制約を緩和することができる。
第３図はプロセスの一例を示しており、そのプロセスでは本発明に従ってそのように球形粒子を用いて、円錐形の電子放出素子を有するゲート型電界放出カソードを形成する。第３図のプロセスでは、基板４０、下側非絶縁領域４２並びに絶縁層４４からなる初期構造体が、第２図のプロセスと概ね同じように形成される。第３ａ図は、第２ａ図の繰り返しであり、第３図のプロセスの場合の初期構造体４０／４２／４４を示す。
電気的非絶縁ゲート材料は絶縁層４４上に堆積し、比較的一様な厚さの電気的非絶縁ゲート層６０を形成する。第３ｂ図を参照されたい。第３ａ図のプロセスのゲート材料は、通常クロム、ニッケル、モリブデン、チタン或いはタングステンのような金属である。ゲート材料の堆積は、蒸着、スパッタリング並びに化学気相成長（ＣＶＤ）のような多くの堆積技術の任意のものを用いて行うことができる。第２図のプロセスとは対照的に、第３図のプロセスのゲート材料の堆積は、電極間誘電体層４４の上側表面に概ね垂直に行われる必要はない。以下で議論される理由により、所定の球体直径では、第３図のプロセスのゲート層６０は第２図のプロセスのゲート層４８Ａの最大許容可能厚より厚くなってもよい。
固形の球形粒子４６が第３ｃ図に示されるようにゲート層６０の上側表面上に分布する。球形粒子４６は同じように典型的にはポリスチレンからなる。粒子分布ステップは、典型的には第２図のプロセスと同じように実行される。粒子４６の分布は、ゲート層６０の上側表面に渡って、ランダムであるか或いは概ねランダムである。第３図のプロセスにおける球体４６は、通常、第２図のプロセスと、平均直径及び平均直径の標準偏差を含む同じ特性を有する。
適当にエッチング可能な材料は、ここで再び一次材料と呼ぶが、ゲート層６０及び球形粒子４６上に堆積する。第３図のプロセスの一次材料の堆積は、蒸着或いはコリメートスパッタリングのような技術を用いて電極間誘電体４４の上側表面に概ね垂直な方向に実行される。第２図の方法と同様に、第３図の方法の一次材料は、粒子４６間の空間にあるゲート層６０上に蓄積し、比較的一様な厚さの一次層６２Ａを形成する。第３ｂ図を参照されたい。一次層６２Ａは、後に第３図のプロセスのリフトオフ層としての役割をする。一次層の部分６２Ｂは、同時に球体４６の上側半分上に蓄積する。
第２図のプロセスのように、ここで一次材料は典型的には、窒化シリコン、酸化アルミニウム並びにまた酸化シリコンのような無機誘電体材料からなる。同様に、一次層６２Ａがリフトオフ機能を果たすとき、一次層は、（ａ）アルミニウムのような金属、（ｂ）金属／誘電体複合材、或いは（ｃ）ふっ化マグネシウム、塩化マグネシウム或いは塩化ナトリウムのような塩類である。
一次材料部分６２Ｂが一次層６２Ａとブリッジするのを防ぐために、一次層６２Ａの厚さは通常球体４６の平均半径より小さくなる。第２図ではゲート層４８Ａ及び一次層５０Ａを合わせた全ての厚さは通常不要なブリッジを避けるために球体４６の平均半径より小さくしなければならなかったが、第２図のプロセスと比べると、第３図のプロセスでは不要なブリッジを避けるためにゲート層の厚さに加えられる制約は少なくなる。これは、以下に記載するように、層６２Ａをエッチングマスクとして用いて層６０を通してゲート開口部をエッチングして形成する間に、一次層６２Ａに対するゲート層６０をエッチング選択性が高い（すなわち層６０が層６２Ａよりも多量にエッチングされる）ときに、特に当てはまる。所与の球体直径の場合、従ってゲート層６０はゲート層４８Ａより厚くすることができる。
実際に、第３図のプロセスのゲート層６０は第２図のプロセスのゲート層４８Ａより相当厚くすることができる。例えば、ゲート層６０Ａの厚さは球体４６の平均半径、さらには平均直径さえも越えることができる。第２ａ図及び第３ａ図の全製造プロセスの比較検証が示すように、第３図の方法は、第２図の方法よりわずかに多くの処理を必要とする。要するに、第２図の方法に比べて、第３図の方法はわずかに多くの製作プロセスと引き替えにゲート層の厚さに対する制約を十分に緩和している。
第３図のプロセスに戻ると、球形粒子４６は第２図のプロセスと同じ方法により除去される。球体の除去中に、一次材料部分６２Ｂは同時に除去され、第３ｅ図の構造体を形成する。一次開口部６４は除去された粒子４６の位置に一次層６２Ａを貫通して延在する。粒子４６が球形であるため、一次開口部６４は概ね円形である。また、各一次開口部６４の直径は対応する除去された球体４６の直径と概ね同じになる。
一次層６２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、ゲート層６０は一次開口部６４を通してエッチングされ、ゲート層６０を通り絶縁層４４に至る対応するゲート開口部６６を形成する。第３ｆ図を参照されたい。成形体６０Ａはゲート層６０の残りの部分である。
ゲート開口部６６を形成するためにエッチングは異方性エッチングにより実行される。そのとき各ゲート開口部６６の直径は対応する一次開口部６４の直径と概ね等しくなる。別法では、後に堆積させるエミッタコーン材料が開口部６６に沿ってゲート層６０Ａの側面端部上に蓄積するのを十分に避けるために、ゲート開口部６６が一次層６２Ａをアンダーカットするような方法でゲート開口部エッチングが実行される場合もある。第３ｆ図はアンダーカットの例を示しており、各ゲート開口部６６の直径が対応する一次開口部６４の直径より大きくなっている。
ゲート開口部のエッチングがどのような方法で行われるかに関わらず、各ゲート開口部６６は対応する一次開口部６４の中心に配置され、それゆえ対応する一次開口部６４に垂直に整列される。一次開口部６４は除去された球体４６の位置に配置されるため、粒子４６はゲート開口部６６及び一次開口部６４の位置を画定する。一次開口部６４が円形であるため、ゲート開口部６６も概ね円形になる。
ここで第３図のプロセスは第２図のプロセスと概ね同じ方法で完了する。一次層６２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４は開口部６４及び６６を通してエッチングされ、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口部（或いは誘電体開口空間）６８を形成する。第３ｇ図を参照すると、成形体４４Ｂは絶縁層４４の残りの部分である。誘電体開口空間６８は、後に堆積されるエミッタコーン材料が誘電体開口部６８の側壁上に蓄積し、電子放出素子をゲート層６０Ａと短絡するのを十分に避けるために、層６０Ａ及び６２Ａをアンダーカットする。誘電体開口部６８を形成するためのエッチングは、第２図のプロセスの電極間誘電体エッチングの場合において上記した方法の任意のもので行われる。
電気的非絶縁エミッタコーン材料は、絶縁層４４Ｂの上側表面に概ね垂直な方向において構造体の上側表面上に蒸着される。エミッタコーン材料は再び通常、モリブデン、ニッケル、クロム或いはニオブ或いはチタンカーバイドを含む耐火金属炭化物のような金属である。
コーン材料は一次層６２Ａ上に蓄積し、さらに誘電体開口空間６８内にある下側非絶縁領域４２上に蓄積するため、開口部６４及び６６を通過する。第２図のプロセスと同様に、コーン材料が開口空間６８に至るために通過する開口部は、一連のコーン材料を堆積中に除々に閉じる。その堆積は、これらの開口部が完全に閉じるまで同様に実行される。その結果、コーン材料は開口空間６８内に蓄積し、第３ｈ図に示されるような対応する円錐形の電子放出素子７０Ａを形成する。コーン材料の連続層７０Ｂが同時に一次層６０Ａ上に形成される。
その後一次層６２Ａは除去される。その除去中に、余分なコーン材料層７０Ｂは剥離される。その結果形成される電子エミッタが第３ｉ図に示される。コーン材料の堆積は絶縁層４４Ｂに概ね垂直に実行されたという事実に考慮すると、各円錐形の電子放出素子７０Ａは、垂直に対応する一次開口部６４の中心に配置され、従って対応するゲート開口部６６の中心に配置される。
ゲート層６０Ａを、下側非絶縁領域４２のエミッタ行電極に垂直に走る列電極にパターン化することは、第２図の方法においてゲート層４８Ａをパターン化したのと同じ方法で行われる。同様に、ゲート層６０Ａに適当なパターンを形成すると共に、第３ｉ図のフィールドエミッタは、ゲート層６０Ａの部分に接触し、行電極に垂直に走る個別の列電極を選択的に形成されてもよい。
第２図及び第３図のプロセスの代替例として、ゲート開口部は、一次層と呼ばれるゲート層上に形成された層に渡って分布した球形粒子により画定することができる。この場合には、一次層の厚さに球体直径が加えられることにより生じた制約は、ゲート層の厚さに球体直径が加えられることにより生じた厚さの制約と共に、概ね低減される。
第４ａ−４ｆ図並びに、第４ｇ１図或いは第４ｇ２図の何れか（集合的に「第４図」とする）は、ゲート型電界放出カソードを製造するためのプロセスのフロントエンド部分を示しており、その中でそのような一次層上に堆積する球形粒子を用いて、本発明に従ってゲート開口部を画定する。円錐形の電子放出素子を有する電子エミッタを実現するために、第４図のプロセスは、本発明に従って第２ｄ−２ｇ図のバックエンドステップ或いは第３ｆ−３ｉ図のバックエンドステップの何れかを用いて後処理して完了できる。
第４図のプロセスでは、初期構造体は基板４０、下側非絶縁領域４２並びに絶縁層４４からなり、概ね上述の方法において形成される。第４ａ図を参照すると、第２ａ図の繰り返しである。
第４ｂ図を参照すると、電気的非絶縁ゲート層６０は、第３図の方法において上述した任意の堆積技術を用いて絶縁層４４上に形成される。所与の球体直径の場合、ゲート層６０は、第２図の方法のゲート層４８Ａより厚くなってもよい。同様に、ここではゲート層６０は、通常クロム、ニッケル、モリブデン、チタン或いはタングステンのような金属である。
一次材料と呼ばれる適当にエッチング可能な材料をゲート層６０上に堆積させ、比較的一様な厚さの一次層上７２を形成する。第４図の一連のフロントエンドプロセスを第２ｄ−２ｇ図或いは第３ｆ−３ｉ図のバックエンドステップと組み合わせるとき、一次層７２は後にリフトオフ層として用いられる。ここで一次材料の候補材料としては、第３図のプロセスにおいて示した一次材料である。
第４図の一連のフロントエンドにおける一次材料の堆積は、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ、電気化学めっき（一次層７２が電気化学的にめっき可能である場合）、スピニング並びにスクリーン印刷のような種々の方法により実行することができる。第２図及び第３図のプロセスとは対照的に、第４図のプロセスの一次材料の堆積は、絶縁層４４の上側表面に概ね垂直な方向に実行される必要はない。以下に議論される理由により、所定の球体直径では、一次層７２は第２図及び第３図の方法の一次層５０Ａ及び６２Ａの何れよりも厚くすることができる。これは、例えば絶縁層４４内の隆起のような要因により生じるゲート層６０の隆起部を覆うために、一次層の厚さを厚くする必要があるとき特に有利である。
固形の球形粒子４６は、第４ｃ図に示されるような一次層７２の上側表面上に分布される。粒子分布ステップは、典型的には上述した方法において行われる。従って球体４６の分布は、一次層７２の上側表面に渡ってランダムか或いは概ねランダムである。粒子４６は典型的にはポリスチレンからなり、上述の他の特性を有する。
適当にエッチング可能な材料がさらに一次層７２及び球形粒子４６上に堆積する。さらに加えられる材料の堆積は、蒸着或いはコリメートスパッタリングのような技術を用いて絶縁層４４の上側表面に概ね垂直な方向に実行される。さらに加えられる材料は粒子４６間の空間内に蓄積し、さらに加わる層７４Ａを形成する。第４ｄ図を参照されたい。さらに加えられた材料の部分７４Ｂは球体４６の上側半分上に同時に蓄積する。
材料部分７４Ｂが層７４Ａとブリッジするのを防ぐために、７４Ａの厚さは通常平均球体半径より小さくなる。しかしながら、球体４６の表面に沿って生じる不要なブリッジの回避は、第２図及び第３図のプロセスより第４図のプロセスの流れにおいて、一次層の厚さについての制約を少なくする。これは、以下に記載するように、追加した７４Ａをエッチングマスクとして用いて層７２を通して一次開口部を形成する間に、追加した層７４Ａに対する一次層７２のエッチング選択性が高い（すなわち層７２は層７４Ａより多量にエッチングされる）ときに、特に当てはまる。所与の球体直径の場合、従って一次層７２は第２図のプロセスにおける一次層５０Ａ或いは第３図のプロセスにおける一次層６２Ａよりも厚くすることができる。同様に、そのような不要なブリッジを避けるために必要とされるゲート層の厚さに対する制約は、第２図或いは第３図のプロセスより第４図のプロセスの流れにおいて低減される。
第４図の一連のフロントエンドプロセスが第２ｄ−２ｇ図のバックエンドステップ或いは第３ｆ−３ｉ図のバックエンドステップにより完了するとき、その完了したプロセスは第２図及び第３図の各完了したプロセスよりわずかに多くの処理操作を必要とする。これは、一次層の厚さにおける制約を低減すること、並びに第２図のプロセスに比べて、ゲート層の厚さにおける制約を低減することと引き替えになる。
追加の層７４Ａを形成するために用いられる材料は、一次層７２Ａをエッチングするためのエッチングマスクとして用いることができ、かつ層７２Ａに対して選択的にエッチングされることができる材料でもある。追加材料は典型的には金属である。ゲート材料がクロムであるとき追加材料は典型的にはニッケルであり、またその逆であってもよい。しかしながら、フィールドエミッタを製作する際に用いられる他の材料の選択によっては、追加材料は電気的に抵抗性或いは電気的に絶縁性であってもよい。
ここで球形粒子４６は、典型的には上述の方法において除去される。球体除去中に、追加材料部分７４Ｂは同時に除去され、第４ｅ図の構造体を形成する。追加の開口部７６は、除去された粒子４６の位置に追加の層７４Ａを貫通して延在する。粒子４６が球形であったため、追加の開口部７６は概ね円形である。各追加の開口部７６の直径は、対応する除去された球体４６の直径と概ね同じである。
追加の層７４Ａをエッチングマスクとして用いるとき、一次層７２は追加の開口部７６を通して異方性エッチングされ、層７２を通りゲート層６０に至る対応する一次開口部７８を形成する。第４ｆ図を参照すると、成形体７２Ａは一次層７２の残りの部分である。各一次開口部７８は対応する追加の開口部７６の中心に配置され、開口部７６と概ね同じ直径からなる。追加の開口部７６が除去された球体４６の位置に配置されるため、一次開口部７８の位置は粒子４６により画定される。また一次開口部７８は追加の開口部７６と概ね同じ形状をなし、それゆえ概ね円形である。
さらにエッチングマスクとして機能する追加の層７４Ａを用いて、ゲート層６０は追加の開口部７６及び一次開口部７８を通して異方性エッチングされ、層６０を通り絶縁層４４に至る対応するゲート開口部８０を形成する。第４ｇ１図はその結果の構造体を示す。成形体６０Ｂはゲート層６０の残りの部分である。エッチングが異方性であるため、各ゲート開口部８０の直径は対応する（上側をなす）開口部の組７８及び７６の直径と概ね等しくなる。ゲート開口部のエッチングは、一次開口部のエッチングに引き続いて或いは異なる異方性エッチング剤を用いて個別のステップとして実行することができる。
各ゲート開口部８０は、対応する一次開口部７８及び対応する追加の開口部７６の両方の中心に垂直に配置され、従ってその両方に垂直に整列される。追加の開口部７６が除去された球体４６の位置に配置されるため、ゲート開口部８０の位置は粒子４６により画定される。またゲート開口部８０は概ね円形になる。
ここで図４ｇ１図の追加の層７４Ａは除去され、符号が一部異なり、ゲート層及び一次層の厚さが異なるかもしれないという点を除いて、第２図の構造体に概ね同一の構造体を形成することができる。第４ｇ１図の成形体６０Ｂ、７２Ａ、７８並びに８０はそれぞれ第２図の成形体４８Ａ、５０Ａ、５２並びに５４に対応する。この符号が異なることを前提として、第４図の一連のフロントエンドプロセスは、第２ｂ図の構造体から第２ｇ図の最終的な構造体に導く上述のバックエンドステップに従って完了される。こうして円錐形の電子放出素子５８Ａはゲート開口部５２（８０）を通してそのように完了したフィールドエミッタのゲート層４８Ａ（６０Ｂ）に延在する。
別法では、第４図の一連のフロントエンドプロセスに第２図の方法のバックエンド部分を適用するとき、誘電体開口部５６は、追加の層７４Ａが、なお適所に存在し、エッチングマスクとして機能するとき、絶縁層４４に形成されることができる。この場合には、追加の層７４Ａは第２ｆ図のコーン材料の堆積の直前に除去される。
さらに別の代替例として、第４ｆ図に示される段階で一次開口部７８を形成した直後に、それゆえ第４ｇ１図に示される段階でゲート開口部８０を形成する前に除去されてもよい。一次開口部７８Ａをエッチングマスクとして用いるとき、ゲート開口部８０は一次開口部７８を通してゲート層６０を異方性エッチングすることにより形成され、第２ｄ図の構造体を形成するが、ただし一部符号が異なること（第４図のゲート開口部８０が第２図のゲート開口部５４になる）並びにゲート層及び一次層の厚さが異なるかもしれないということが前提である。第２ｄ図の構造体から第２ｇ図の構造体に導く処理ステップが、フィールドエミッタを形成するために上記したような方法で実行される。
開口部７６及び７８を通して異方性エッチング、それゆえ非アンダーカットエッチングを実行する代わりに、開口部７６及び７８を通してアンダーカットエッチングが第４ｆ図のゲート層６０において実行され、層６０を通り絶縁層４４に至る対応するゲート開口部８２を形成することができる。第４ｇ２図を参照すると、成形体６０Ｃはここではゲート層６０の残りの部分である。一次層７２Ａをアンダーカットするゲート開口部８２を用いて、各ゲート開口部８２の直径は、対応する（上側をなす）開口部の組７８及び７６の直径より大きくなる。各ゲート開口部８２は概ね円形であり、対応する開口部の組７８及び７６の中心に垂直に配置される。追加の開口部７６が除去された球体４６の位置に配置されるめ、球形粒子４６はゲート開口部８２の位置を確定する。
第４ｇ２図の追加の層７４Ａは除去され、一部符号が異なり、一次層の厚さが異なるかもしれないという点を除いて、第３ｆ図の構造体に概ね同一の構造体を形成することができる。第４ｇ２図の成形体６０Ｃ、７２Ａ、７８及び８２はそれぞれ第３ｆ図の成形体６０Ａ、６２Ａ、６４及び６６に対応する。この符号の異なることを前提にして、ここで第４図の一連のフロントエンドプロセスは第３ｆ図の構造体から第３ｉ図の構造体に導く上述のバックエンドステップに従って完了される。円錐形の電子放出素子７０Ａはこうしてゲート開口部６６（８２）を通してそのように完了したフィールドエミッタのゲート層６０Ａ（６０Ｃ）内に露出される。
第４図の一連のフロントエンドプロセスに第３図のプロセスのバックエンド部分を適用する際のさらに別の代替例として、追加の層７４Ａは、第４ｆ図に示される段階で一次開口部７８を形成した直後に除去されてもよい。一次層７２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、ゲート開口部８２は一次開口部７８を通してゲート層６０上でアンダーカットエッチングを実行することにより形成され、第３ｆ図の構造体を形成するが、再び一部符号が異なり（第４図のゲート開口部８２が第３図のゲート開口部６６になる）、一次層の厚さが異なるかもしれないということが条件となる。第３ｆ図の構造体から第３ｉ図の構造体に導く処理ステップは上述の方法においてフィールドエミッタを完成するために実行される。
上述の変形例を含む第２図−第４図の製作ステップに従って製造された種々のフィールドエミッタをみると、コーン５８Ａ或いは７０Ａのような円錐形の電子放出素子の位置は、開口部５２、６４或いは７８のような一次開口部の位置により決定される。一次開口部の位置は球形粒子４６の位置により（直接或いは間接に）決定されるため、電子放出コーンの位置は粒子４６により確定される。
粒子４６の表面分布がランダム或いは概ねランダムであるため、電子放出コーンは互いに対してランダム或いは概ねランダムな位置に配置される。それにもかかわらず、単位面積あたりの電子放出コーンの数は全電子放出面積に渡って場所によってほとんど変化しない。
第２図−第４図の製作ステップ（再び上述のプロセス変形例を含む）に従って製造された電子エミッタの各電子放出コーンの底面直径は、対応する一次開口部の底面直径と概ね同じであり、従って対応する除去された球体４６の直径と概ね同じである。従って、電子放出コーンの平均底面直径は、粒子４６の平均直径を調整することにより制御される。平均粒子直径を減らすことにより、平均コーン直径が概ね等しい量だけ減少するようになり、その逆も同様である。このようにして粒子４６は電子放出コーンにより占有される横方向面積を確定する。球体４６が電子放出コーンの位置を確定するため、コーン間の平均空間は、球体４６の平均表面密度及び平均直径を調整することにより制御される。
上記したように、粒子４６の平均直径の標準偏差は平均粒子直径に比べて非常に小さくなる。従って電子放出コーンの平均底面直径の標準偏差は、一次近似の範囲で、平均コーン底面直径に比べて同様に小さくなる。粒子４６が球形であるため、各電子放出コーンの底面は概ね円形になる。コーンにより占有される横方向面積は概ね等しくなる。電極間誘電体層４４の厚さのようなパラメータを適切に調整することにより、概ね一様な大きさ及び形状からなる電子放出素子を実現することができる。
電子放出素子は、小さくかつ互いに近接して配置されるように製作されることが好ましい。これは適当に小さな平均球形直径からなる球体を利用することにより、かつ球体受容表面に渡って球体４６を適当に高い密度で分布することにより達成することができる。特定のエリア電子エミッタ（area electron emitter）に対して個々の電子放出コーンの大きさ及び形状の変動がほとんどない場合、電子放出は、電子放出面積に渡って比較的一様になる。重要なことは、この強く望まれる特徴が、主に粒子４６の大きさ及び表面密度を制御することにより達成され、それにより電子の流れをうまく制御できるようなるという点である。
電子放出フィラメントを有するフィールドエミッタの製作
コーンではなくフィラメントのような形状をなす電子放出素子を有するゲート型電子放出カソードは、本発明の開示内容に従って、適当な一連のバックエンドフィラメント用プロセスを用いて、第４ｇ１図により終了するような第４図の一連のフロントエンドプロセスを完了するか、或いは第２図及び第３図の何れかのプロセスのフロントエンド部分を完了することにより形成することができる。第５ａ−５ｇ図（集合的に「第５図」とする）は、第４ａ−４ｆ図及び第４ｇ１図の一連のフロントエンドステップに上記のように適用され、本発明に基づくスペーサを用いて、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを形成する一連のバックエンドプロセスを示す。第４ｇ１図を参照すると、追加の層７４をエッチングマスクとして用いて、追加の開口部７６、一次開口部７８並びにゲート開口部８０を通して異方性エッチングが絶縁層４４上で行われ、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口部１００を形成する。これは第５ａ図の構造体に導かれ、そこでは成形体４４Ｃは絶縁層４４の残りの部分である。各誘電体開口部１００は、対応する３組の開口部７６、７８並びに８０の中心に垂直に配置され、その３組の開口部と概ね同じ直径からなる。また誘電体開口部１００は概ね円形である。
追加の層７４Ａは、一次層７２Ａ或いはその構造体のあらゆる他の部分をあまり侵蝕しないエッチング剤を用いて除去される。第５ｂ図はその結果の構造体を示す。
適当にエッチング可能なスペーサ（或いはコーティング）材料は、一次層７２Ａ上、かつ下側非絶縁領域４２に至る複合的な開口部７８／８０／１００内に均等に堆積し、第５ｃ図に示されるようなブランケットスペーサ（或いはコーティング）層１０２を形成する。スペーサ層１０２は構造体の上面を覆うが、開口部７８／８０／１００を完全に満たすわけではない。凹部１０４が開口部７８／８０／１００の満たされていない部分に存在する。各凹部１０４は、対応する複合的な開口部７８／８０／１００の中心に垂直に配置される。
典型的にはスペーサ材料を堆積するためにＣＶＤが用いられる。従って、各複合開口部７８／８０／１００に沿って存在する層７２Ａ、６０Ｂ並びに４４Ｃの側面端部に沿ったスペーサ層１０２の厚さは、任意の所定の高さで比較的一様（一定）になる。
スペーサ材料には典型的には、層７２Ａの一次材料と共にエッチング可能であるような材料が選択される。またスペーサ材料は、電極間誘電体（ここでは層４４Ｃ）に対して高いエッチング選択性を有することが好ましい。詳細には、スペーサ材料は典型的には、一次材料と同じであり、電極間誘電体とは異なる。例えば、（ａ）一次材料が窒化シリコンからなり、（ｂ）電極間誘電体が酸化シリコンからなるとき、スペーサ材料は通常窒化シリコンである。
異方性エッチングが実行されスペーサ層１０２の概ね全領域を除去するが、（ａ）一次開口部７８に沿った一次層７２Ａの側面端部、（ｂ）ゲート開口部８０に沿ったゲート層６０Ｂの側面端部並びに（ｃ）誘電体開口部１００に沿った絶縁層４４Ｃの側面端部を覆う部分１０２Ａは除く。第５ｄ図を参照されたい。誘電体開口部１００の底面におけるスペーサ層１０２の中央部分がエッチング中に除去されるため、凹部１０４は下側非絶縁領域４２まで延在し、わずかに広げられ（第５ｄ図には示されない）、対応するアパーチャ１０４Ａになる。凹部１０４が複合開口部７８／８０／１００の中心に垂直に配置されたため、各アパーチャ１０４Ａは対応する複合開口部７８／８０／１００の中心に配置される。
電気的非絶縁エミッタフィラメント材料はアパーチャ１０４Ａ内に電気化学的に堆積（電気めっき）され、下側非絶縁領域４２と接触する対応する先駆電子放出素子１０６を形成する。第５ｅ図はその結果の構造体を示す。電気化学めっき中、一次層７２Ａ、スペーサ部分１０２Ａ並びに絶縁層４４Ｃの結合体はゲート層６０Ｂを封入し（おそらく構造体の横方向外周に沿った部分は除く）、先駆電子放出素子１０６が層６０Ｂと接触することを防ぐ。ゲート層６０Ｂと先駆素子１０６との間の横方向空間はスペーサ１０２Ａの厚さにより確定される。
エミッタフィラメント材料は通常ニッケル或いはプラチナのような金属である。先駆フィラメント１０６は後に電解研磨技術を用いて鋭利にされるとき、フィラメント材料は通常ゲート材料とは異なる。
電子化学めっきは典型的には、Spindt等による米国特許第５，５６４，９５９号に記載されるように行われ、その内容をここで参照して本明細書の一部としている。電気化学めっき中、下側非絶縁領域４２は析出陰極として機能する。析出陽極は、一次層７２Ａの上に短い距離だけ離隔されためっき電解液内に配置される。
電気化学めっきはアパーチャ１０４Ａを溢れさせるように十分に長い時間行われるが、先駆電子放出素子１０６が一次層７２Ａの上面において互いに接触しないようにする。従って、各先駆電子放出素子１０６は、対応するアパーチャ１０４Ａから外側に延在するキャップ部分１０６Ａを有する。アパーチャ１０４Ａから溢れさせることにより、フィラメント材料を核形成並びに成長における違いにより、高さがあまり異ならなることがないようにする。
一次層７２Ａ及びスペーサ１０２Ａは、絶縁層４４Ｃをあまり侵蝕しないエッチング剤を用いて除去されることが好ましい。第５ｆ図を参照されたい。エッチングの結果として、先駆電子放出素子１０６は、円筒形アパーチャ１０８の分だけゲート層６０Ｂ及び絶縁層４４Ｃから隔離される。
一次層７２Ａ及びスペーサ１０２Ａが同一の材料（例えば窒化シリコン）からなるとき、エッチングは典型的にはウェット化学エッチングを用いて単一ステップで行われる。別法では、エッチングを行うために等方性成分を有するプラグマを用いることもできる。層７２Ａ及びスペーサ１０２Ａが異なる材料を用いて形成されるとき、エッチングは２段階で行うことができる。
その後先駆素子１０６は処理され、キャップ１０６Ａが除去され、少なくとも部分的にゲート開口部８０Ａを通って延在する鋭利な先端部が残りのフィラメント状部分に設けられる。第５ｇ図は最終的なゲート型フィールドエミッタを示しており、そこでは鋭利にされたフィラメント状電子放出素子１０６Ｂが先駆素子１０６の残りの部分である。アパーチャ１０４Ａが複合開口部７８／８０／１００の中心に垂直に配置されたため、各電子放出フィラメント１０６Ｂは対応するゲート開口部８０の中心に垂直に配置される。
先駆電子放出素子１０６を電子放出フィラメント１０６Ｂに変換することは、上記した米国特許第５，５６４，９５９号に記載される種類の電解研磨／研削に従って電気化学的に行われることが好ましい。先駆素子１０６と関連する下側非絶縁エミッタ領域４２は電解研磨／研削操作中に陽極として機能する。ゲート層６０Ｂは陰極として機能する。電解研磨／研削操作中に、先駆素子１０６の材料はゲート層６０Ｂの平面に沿って概ね除去され、素子１０６は削り取られ、鋭利な先端部を形成するようになる。キャップ部分１０６Ａが電解研磨／研削電解液において侵蝕され、第５ｇ図に示されるように電子放出フィラメント１０６Ｂが残される。
ゲート開口部８０は追加の開口部７６と垂直に同心円をなしているため、各ゲート開口部８０は対応する除去された球体４６の位置の中心に垂直に配置される。従って、電子放出フィラメント１０６Ｂの位置は球形粒子４６（の位置）により確定される。
また各アパーチャ１０４Ａの直径は、対応する複合開口部７０／８０／１００の直径から対応するスペーサ１０２Ａの厚さの２倍を引いた値に等しい。各複合開口部の直径が概ね対応する除去された球体４６の直径と同じであるため、フィラメント１０６Ｂにより占有される横方向面積は球体４６の大きさ及びスペーサ１０２Ａの厚さにより制御される。
スペーサの厚さは異なるスペーサ１０２Ａ間でほとんど変化しない。上述のように、球形粒子４６の大きさは粒子４６毎にほとんど変化しない。球体４６の表面密度は一次層７２上でほとんど変化しないため、球体の大きさ及び球面密度を、スペーサの厚さと共に適当に調整することにより、フィラメント１０６Ｂは、電子流の大きさを制御可能な状態で、電子放出面積に渡ってほぼ一様な電子放出を実現することができる。
第４ｇ１図の構造体から第５図の一連のバックエンドプロセスを開始する代わりに、追加の層７４Ａは第４ｆ図に示されるステップの直後に取り除くことができる。ここでエッチングマスクとして機能する一次層７２Ａを用いて、ゲート層６０及び絶縁層４４は一次開口部７８（及び層４４の場合ゲート開口部８０）を通して異方性エッチングされ、第５ｂ図の構造体を形成する。典型的には２段階のエッチングプロセスが用いられており、第１の段階が層６０に対して、第２の段階が層４４に対して用いられている。この時点から、第５ｂ図の構造体は第５ｃ−５ｇ図の場合に上記された方法においてさらに処理される。
第２図及び第３図の方法のフロントエンド部分は、上記したのと同様の方法において第５図の一連のバックエンドプロセスと組み合わせることができる。第２ｄ図の構造体から開始するとき、一次層５０Ａをエッチングマスクとして用いて開口部５２及び５４を通して層４４上で異方性エッチングを実行することにより、誘電体開口部１００は絶縁層４４を貫通して形成することができる。一部符号が異なり、一次層及びゲート層の厚さが異なるかもしれないという点を除けば、第５ｂ図の構造体が形成される。
同様に、第３ｅ図の構造体から開始するとき、ゲート開口部８０及び誘電体開口部１００は、一次層６２Ａをエッチングマスクとして用いて一次開口部６４を通してゲート層６０及び絶縁層４４を異方性エッチングすることにより形成することができる。異方性エッチングは典型的には２段階で行われ、第１段階は層６０に対して、第２段階は層４４に対して実行される。一部符号が異なり、一次層の厚さが異なるかもしれないということを前提として、第５ｂ図の構造体が再び形成される。
前述の３つの段落において記載した代替例では、ゲート開口部が一次開口部７８、６４或いは５２と垂直に同心円をなしていたため、各ゲート開口部８０、６６或いは５４は対応する除去された球体４６の位置の中心に垂直に配置される。それゆえ球体４６は電子放出フィラメント１０６Ｂの位置を確定する。また球体４６及びスペーサ１０２を組み合わせることにより、フィラメント１０６Ｂにより占有される横方向面積が制御される。従って、スペーサの厚さと共に、球体の大きさ及び表面密度を適当に調整することにより、フィラメント１０６Ｂは、大きさを制御可能な状態で、ほぼ一様な電子放出を実現することができる。
第６図はさらに別の一連のバックエンドプロセスを示しており、それは第４ａ−４ｆ図及び第４ｇ１図の一連のフロントエンドプロセスに適用され、本発明に基づくスペーサを用いて、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型電界放出カソードを形成する。第４ｇ１図の構造体を形成した後、追加の層７４Ａが除去される。これにより第６ａ図の構造体に導かれる。
適当にエッチング可能なスペーサ（或いはコーティング）材料が、一次層７２Ａ上並びに複合開口部７８／８０の内部に均等に堆積され、第６ｂ図に示されるようなブランケットスペーサ（或いはコーティング）層１１０を形成する。スペーサ層１１０は構造体の上面を覆うが、開口部７８／８０を完全に満たすわけではない。凹部１１２が開口部７８／８０の満たされていない部分に存在する。各凹部１１２は対応する複合開口部７８／８０の中心に垂直に配置される。
通常ＣＶＤを用いてスペーサ材料を堆積する。各複合開口部７８／８０に沿って存在する層７２Ａ及び６０Ｂの側面端部に沿ったスペーサ層６０の厚さは、任意の所与の高さで比較的一様になる。第６図の一連のプロセスにおけるスペーサ材料は、第５図の一連のプロセスにおける一次材料及び電極間誘電体と同じ特性を有する。
異方性エッチングが行われ、スペーサ層１１０の概ね全ての領域が除去されるが、（ａ）一次開口部７８に沿った一次層７２Ａの側面端部並びに（ｂ）ゲート開口部８０に沿ったゲート層６０Ｂの側面端部を覆う環状部分１１０Ａは除く。第６ｃ図を参照されたい。こうして凹部１１２は絶縁層４４に至るまで延在し、わずかに広げられ（第６ｃ図には示されない）、対応するアパーチャ１１２Ａになる。凹部１１２が開口部７８／８０の中心に垂直に配置されたため、各アパーチャ１１２Ａは対応する開口部７８／８０の中心に垂直に配置される。
一次層７２Ａ及び環状スペーサ部分１１０Ａをエッチングマスクとして用いて、絶縁層４４はアパーチャ１１２Ａを通して異方性エッチングされ、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る誘電体開口部１１４を形成する。第６ｄ図を参照されたい。成形体４４Ｄは絶縁層４４の残りの部分である。
電気的非絶縁エミッタフィラメント材料は複合開口部（或いはアパーチャ）の１１２Ａ／１１４内に電気化学めっきされ、非絶縁領域４２と接触する先駆電子放出フィラメント１１６を形成する。その結果の構造体が第６ｅ図に示される。電気化学めっき中に、一次層７２、スペーサ１１０Ａ並びに絶縁層４４Ｄの結合体はゲート層６０Ｂを封入し（構造体の横方向周囲に沿った部分を除く場合がある）、先駆電子放出素子１１６がゲート層６０Ｂに接触するのを防ぐ。スペーサ１１６Ａがゲート層６０Ｂと先駆素子１１６との間の横方向空間を画定する。エミッタフィラメント材料は再び通常ニッケル或いはプラチナのような金属である。
電気化学めっきは、第５図の一連のプロセスの場合に上記されたように実行される。めっき時間は開口部１１２Ａ／１１４を溢れさせるほど十分に長い時間であるが、典型的には先駆素子１１６が一次層７２Ａの表面において互いに接触するほど長い時間ではない。こうして各先駆電子放出素子１１６は対応するアパーチャ１１２Ａ／１１４から外側に延在するキャップ部分１１６Ａを有する。第５図の一連のプロセスにおいて行われるように、溢れさせることにより、フィラメント材料の核形成及び成長において生じる違いから、著しく高さの違う電子放出フィラメントを形成してしまう可能性は低減される。
一次層７２Ａ及びスペーサ１１０Ａは、絶縁層４４Ｄ或いはゲート層６０Ｂをあまり侵蝕しないエッチング剤を用いて除去されることが好ましい。第６ｆ図を参照されたい。それによりゲート開口部８０の外側部分は再度開口される。ここでゲート開口部８０のこれらの部分は先駆素子１１６をゲート層６０Ｂから分離する。一次層７２Ａ及びスペーサ１１０Ａが同じ材料を用いて形成されるとき、エッチングは、典型的には等方性成分を有するウェット化学エッチング或いはプラグマエッチングを用いて単一ステップで行われる。層７２Ａ及びスペーサ１１０Ａが異なる材料からなるとき、２段階のエッチングプロセスが通常用いられる。
先駆電子放出素子１１６を処理して、キャップ部分１０６Ａを除去し、少なくとも部分的にゲート開口部８０を通って延在する鋭利な先端部を有する残りのフィラメント状部分を形成する。第６ｇ図を参照すると、鋭利なフィラメント状電子放出素子１１６Ｂは、先駆素子１１６の残りの部分である。電子放出フィラメント１１６Ｂは、第５図の一連のプロセスにおいて電子放出フィラメント１１６Ｂを形成するために利用したのと概ね同じ方法において電解研磨／研削技術により先駆素子１１６から形成される。従って、各電子放出フィラメント１１６Ｂは対応するゲート開口部８０の中心に垂直に配置される。
ゲート層６０Ｂをエッチングマスクとして用いる場合、絶縁層４４Ｂはアンダーカット、典型的には等方性を有するような方法においてゲート開口部８０を通してエッチングされ、電子放出フィラメント１１６Ｂの周囲に対応する誘電体開口空間１１８を形成する。第６ｈ図はその結果の構造体を示す。成形体４４Ｅが絶縁層４４Ｂの残りの部分である。誘電体開口空間１１８は絶縁層４４Ｅを通して部分的に或いは完全に延在する。第６ｈ図は完全にエッチングした場合を示す。
電解研磨／研削ステップは、誘電体開口空間１１８を形成する前に実行することができる。最終的な構造体は第６ｂ図に示されるのと概ね同じになる。別法では、誘電体開口空間１１８は、ゲート層６０Ｂをほとんどアンダーカットしないように異方性エッチングにより形成することができる。
対応する除去された球体４６の位置の中心に垂直に配置される各ゲート開口部８０を用いる場合、球形粒子４６の位置が電子放出フィラメント１１６Ｂの位置を確定する。第５図のプロセスと同様に、フィラメント１１６Ｂにより占有される横方向面積は球体４６及びスペーサ１１０により制御される。
第４ｇ１図の構造体で第６図の一連のバックエンドプロセスを開始する代わりに、一連のバックエンドプロセスを第４ｆ図の構造体で開始することもできる。追加の層７４Ａは除去される。一次層７２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、ゲート層６０は一次開口部７８を通して異方性エッチングされ、第６ａ図の構造体を形成する。
第２図及び第３図の各プロセスのフロントエンド部分が本発明に従って第６図の一連のバックエンドプロセスを用いて終了し、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型フィールドエミッタを形成することもできる。一部符号が異なり、一次層及びゲート層の厚さが異なるかもしれないことを前提として、第６ａ図の構造体は第２ｄ図の構造体の繰り返しであり、第２図のプロセスのフロントエンド部分と第６図の一連のバックエンドプロセスとをつなげる役割を果たす。
第３ｅ図の構造体は、第２図のプロセスのフロントエンド部分と第６図の一連のバックエンドプロセスとをつなげる役割を果たす。第３ｅ図を参照すると、ゲート開口部８０は、一次層６２Ａをエッチングマスクとして用いて一次開口部６４を通してゲート層６０を異方性エッチングすることにより形成される。一部符号が異なり、一次層の厚さが異なるかもしれないということを前提として、第６ａ図の構造体が再び形成される。
前述の２つの段落において記載された代替例において、フィラメント１１６Ｂの位置は再び粒子４６により確定される。同様に粒子４６及びスペーサ１１０がフィラメント１１６Ｂにより占有される横方向面積を制御する。そのとき粒子の大きさ及び表面密度を、スペーサの厚さと共に適当に変化させることにより、フィラメント１１６Ｂが、電子流の大きさを制御できる状態で、ほぼ一様な電子放出を実現する。
第７ａ−７ｊ図（集合的に「第７図」とする）は、ゲート型電界放出カソードを製造するための全プロセスの一例を示しており、その電界放出カソードは球形粒子を用いてゲート開口部を画定し、本発明に従ってスペーサを利用して、フィラメント状の電子放出素子を形成する。第７図のプロセスでは、基板４０、下側非絶縁領域４２並びに絶縁層４４からなる初期構造体は第２図のプロセスと概ね同様の方法を用いて形成される。第２ａ図の繰り返しになるが、第７ａ図のプロセスの場合の構造体４０／４２／４４を示す。同様に、第７ｂ図に示されるように、固形の球形粒子４６が絶縁層４４の上側表面上に分布する。球体の堆積は、第２図のプロセスの場合に上記したランダム或いは概ねランダム化する技術を用いて実行される。
電気的非絶縁ゲート材料は絶縁層４４及び球形粒子４６上に堆積するが、蒸着或いはコリメートスパッタリングのような技術を用いて層４４の上側表面に概ね垂直な方向に堆積されることが好ましい。ゲート材料は粒子４６間の空間内の絶縁層４４上に蓄積し、比較的一様な厚さの電気的非絶縁ゲート層１２０Ａを形成する。第７ｃ図を参照されたい。ゲート材料の部分１２０Ｂは球体４６の上側半分上に同時に蓄積する。ゲート材料部分１２０Ｂがゲート層１２０Ａにブリッジするのを避けるために、ゲート層１２０Ａの厚さは通常平均球体半径より小さくする。ゲート材料は典型的にはクロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン或いは金のような金属からなる。
球体４６は典型的には、第２図のプロセスにおいて用いた技術により除去される。球体の除去中に、ゲート材料部分１２０Ｂは除去され、第７ｄ図の構造体を形成する。ゲート開口部１２２は、除去された粒子４６のそれぞれの位置にゲート層１２０Ａを通って延在する。ゲート開口部１２２は、粒子４６が球形であるため概ね円形になる。各ゲート開口部１２２の直径は、対応する除去された球体４６の直径と概ね同じになる。ゲート開口部１２２が、ゲート層をエッチングすることなくゲート層１２０Ａの堆積中に形成されるため、ここでゲート材料に金を用いることができる。
適当にエッチング可能なスペーサ（或いはコーティング）材料は、典型的には均等にゲート層１２０Ａ上及び絶縁層４４に至るゲート開口部１２２内に堆積し、第７ｅ図に示されるようなブランケットスペーサ（或いはコーティング）層１２４を形成する。スペーサ層１２４は構造体の上面を覆うが、ゲート開口部１２２を完全には満たさない。凹部１２６がゲート開口部１２２の満たされていない部分に存在する。各凹部１２６は対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。
ＣＶＤを用いてスペーサ材料を堆積させる場合、各ゲート開口部１２２に沿って延在するゲート層１２０の側面端部におけるスペーサ層１２４の厚さは、任意の所与の高さで比較的一様になる。スペーサ材料は、ゲート材料及び電極間誘電体に関して選択的にエッチング可能であるように選択される。スペーサ材料は典型的には窒化シリコンのような絶縁体（第７ｅ図に示される場合）であるが、電気的非絶縁体、例えばアルミニウムのような金属であってもよい。スペーサ材料が金属からなる場合、スペーサ材料は電気化学めっきすることができる。この場合、そのめっきは典型的には構造体の上側表面に渡って均等ではない。
異方性エッチングが実行され、概ねスペーサ層１２４の全体が除去されるが、ゲート開口部１２２に沿ったゲート層１２０Ａの側面端部を覆う部分１２４Ａは除く。第７ｆ図を参照されたい。ゲート開口部１２２の底面におけるスペーサ層１２４の中央部分はエッチング中に除去されるため、凹部１２６はスペーサ層１２４を通り絶縁層４４まで延在し、わずかに広げられ（第７ｆ図には示されない）、アパーチャ１２６Ａになる。
各スペーサ部分１２４Ａは第７ｆ図では非常に小さく描かれている。スペーサ１２４Ａをより明確に示すために、第８ａ図は左側の電子放出素子に対する目的の位置の周囲を中心とした第７ｆ図の構造体部分の拡大図を示す。
ゲート層１２０Ａ及びスペーサ１２４Ａをエッチングマスクとして用いて、絶縁層４４はアパーチャ１２６Ａを通して異方性エッチングされ、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口部１２８を形成する。第７ｇ図を参照されたい。成形体４４Ｆは絶縁層４４の残りの部分である。凹部１２６はゲート開口部１２２の中心に垂直に配置されたため、各複合開口部１２６Ａ／１２８は対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。
電気的非絶縁フィラメント材料は複合開口部（或いはアパーチャ）１２６Ａ／１２８内に電気化学めっきされ、下側非絶縁領域４２と接触する先駆電子放出素子１３０を形成する。第７ｈ図はその結果の構造体を示す。再び電気化学めっきは典型的には上記の米国特許第５，５６４，９５９号に記載される方法により実行される。同様に、エミッタフィラメント材料は典型的にはニッケル或いはプラチナのような金属である。
めっき時間は、誘電体開口部１２８が完全に満たされ、かつアパーチャ１２６Ａの一部が満たされるほど十分に長い時間であるが、各先駆電子放出素子１３０がそのスペーサ１２４Ａを越えて横方向に延在するほど長い時間ではない。従って先駆素子１３０はスペーサ部分１２４Ａ（の厚さ）によりゲート層１２０Ａから横方向に隔離される。スペーサ１２４Ａは第７ｈ図では小さく描かれているため、第８ｂ図では左側の先駆素子１３０を中心とした第７ｈ図の構造体の一部の拡大図を示す。
スペーサ部分１２４Ａはゲート層１２０Ａをほとんど侵蝕しないエッチング剤を用いて除去される。ゲート層１２０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４Ｆは、アンダーカット、典型的には等方性を有するようにゲート開口部１２２を通してエッチングされ、先駆電子放出素子１３０の周囲に対応する誘電体開口空間１３２を形成する。第７ｉ図を参照すると、成形体４４Ｇは絶縁層４４Ｆの残りの部分である。誘電体開口空間１３２は絶縁層４４Ｇを部分的に或いは完全に通って延在する。第７ｉ図は部分的に通る場合を示している。
電解研磨／研削操作が行われ、鋭利な先端部を有する先駆電子放出素子１３０を形成する。第７ｊ図はその結果の構造体を示す。フィラメント状電子放出素子１３２Ａは先駆素子１３０の鋭利にされた残りの部分である。再び電解研磨／研削操作は、米国特許第５，５６４，９５９号に記載される種類の技術に従って実行される。
第７ｉ図及び第７ｊ図に示される操作は逆であってもよい。すなわち先駆物質１３０が電解研磨／研削され、電子放出フィラメント１３０Ａを形成し、その後誘電体開口空間１３２を素子１３０Ａの周囲に形成することもできる。また開口空間１３２は、ゲート層１２０Ａをほとんどアンダーカットしないように異方性エッチングにより形成されてもよい。
何れの場合においても、ゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される複合開口部１２６Ａ／１２８を用いる場合、各フィラメント状電子放出素子１３０Ａは対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。各ゲート開口部１２２が対応する除去された球体４６の中心に垂直に配置されるため、球形粒子４６がフィラメント１３０Ａの位置を確定する。フィラメント１３０Ａにより占有される横方向面積は球体４６の直径とスペーサ層１２４の厚さにより制御される。それゆえフィラメント１３０Ｂは、スペーサの厚さと共に球体の大きさ及び表面密度を適切に調整することにより、制御された大きさで、ほぼ一様な電子放出を実現するように配列することができる。
第９ａ−９ｃ図（集合的に「第９図」とする）は、本発明に従ったフィラメント状電子放出素子を有するゲート型電界放出カソードを製作する際に、第７ｇ図の構造体に適用することができる一連のプロセスの拡大図を示す。第７ａ−７ｇ図及び第９図のプロセスでは、スペーサ部分１２４Ａは電気的非絶縁材料で、通常は金属からなり、エミッタフィラメント材料及びゲート材料の両方に関して選択的にエッチング可能である。例えば、（ａ）ゲート材料がクロムであり、（ｂ）フィラメント材料がニッケルであるとき、部分１２４Ａのスペーサ材料は典型的にはアルミニウムである。また第１４図と共に以下に、より完全に記載されるように、第９図の一連のプロセスにおける下側非絶縁エミッタ領域４２は下側電気的導電性層及び上側電気的抵抗性層からなる。
第７ｇ図の構造体から開始するとき、エミッタフィラメント材料は複合アパーチャ１２６Ａ／１２８内に電気化学めっきされ、先駆フィラメント状電子放出素子１３４を形成する。電気化学めっき中に、ゲート層１２０Ａは制御電極としての役割を果たす。非絶縁スペーサ１２４Ａはゲート層１２０Ａと接触し、その後制御電極の一部として機能する。析出陽極はめっき電解液内に配置される。下側非絶縁エミッタ領域４２は析出陰極である。誘電体開口部１２６Ａ内にめっきされるフィラメント材料が下側非絶縁領域４２に接触するため、アパーチャ１２６Ａ／１２８内に蓄積するフィラメント材料は析出陰極の一部として機能する。
下側非絶縁領域４２の下側導電性層は、エミッタフィラメント材料が非絶縁領域４２の上側抵抗性層上の誘電体開口部１２６Ａ内に電気化学めっきされるように十分に高い電圧に保持される。一方ゲート層１２０Ａは、フィラメント材料がゲート層１２０Ａ及び非絶縁スペーサ１２４Ａを用いて形成される制御電極上に電気化学めっきされることのない電圧に保持される。
誘電体開口部１２６Ａ内のフィラメント材料の蓄積は、第９図の点１３６に示されるように先駆電子放出フィラメント１３４Ａが非絶縁スペーサ１２４Ａに接触するまで継続する。各先駆フィラメント１３４Ａが非絶縁スペーサ１２４Ａに接触するとき、そのフィラメント１３４は、ゲート層１２０Ａ及び非絶縁スペーサ１２４Ａを用いて形成された制御電極に電気的に短絡される。そうして短絡された各フィラメント１３４の電圧はそのとき、フィラメント材料を電気化学めっきするのに十分な析出陰極値からフィラメント材料をめっきするのには不十分な制御電極値に変化する。従ってそのフィラメント１３４の電気化学めっきは終了する。
先駆フィラメント１３４が制御電極に電気的に短絡されるとき、制御電極電流はフィラメント１３４及び下側非絶縁領域４２内の上側抵抗性層の上側をなす部分を通って流れる。そのように短絡されたフィラメント１３４及び上側抵抗性層の上側をなす部分の合成抵抗ＲDにより、フィラメント１３４及び下側抵抗性層の上側をなす部分の間で電圧降下ＶDが生じるようになる。
電気的に短絡された各フィラメント１３４の場合、合成抵抗ＲDの値は十分に高くなっており、十分な大きさの電圧降下ＶDが生じることになり、非絶縁領域４２の下側導電性層の析出陰極電圧が、フィラメント材料を電気化学めっきするのに十分な電圧値に変化するのを防ぐ。従って１つの先駆フィラメント１３４のめっきの終了は、別の先駆フィラメント１３４のめっきにほとんど影響を与えない。全ての先駆フィラメント１３４のめっきは、フィラメントのそれぞれが独立に非絶縁スペーサ１２４Ａに接触するときに概ね終了する。従ってフィラメント材料はアパーチャ１２６Ａから突出することはできず、先駆フィラメント１３４がゲート層１２０Ａにブリッジすることはない。
ゲート層１２０Ａ或いは先駆電子放出フィラメント１３４をあまり侵蝕しない適当なエッチング剤を用いて、スペーサ部分１２４は除去され、第９ｂ図の構造体を形成する。電解研磨／研削操作が行われ、第９ｃ図に示されるように、先駆素子を鋭利なフィラメント状の電子放出素子に変換する。
エッチングマスクとして機能するゲート層１２０Ａを用いて、絶縁層４４はアンダーカット、典型的には等方性を有するようにゲート開口部１２２を通してエッチングされ、電子放出フィラメント１３４Ａの周囲に対応する誘電体開口空間１３８を形成する。第９ｃ図に示される成形体４４Ｈは絶縁層４４Ｆの残りの部分である。電解研磨／研削操作を行うのは、誘電体開口空間１３８を形成するためにエッチングを行う前或いは後のいずれでもよい。何れの場合においても、第９ｃ図の構造体は上述したようにさらに処理される。
誘電体開口空間１３８が電解研磨／研削操作の前後何れにおいて形成されるかに関わらず、各フィラメント状電子放出素子１３４Ａは対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。従って球体４６が電子放出フィラメント１３４Ａの位置を確定する。また球体４６及びスペーサ１２４Ａはフィラメント１３４Ａにより占有される横方向面積を制御する。フィラメント１３４Ａからの電子放出の一様性及び大きさは、スペーサの厚さと共に球体の大きさ及び表面密度を適当に変更することにより制御される。
第９図の一連のプロセスにおいてフィラメント材料の電気化学めっきを自動的に終了するために用いられる技術は、第６ａ−６ｄ図の一連のプロセスを含むプロセスに適用することができる。この場合には、環状スペーサ部分１１０Ａは電気的非絶縁材料であり、通常金属からなり、フィラメント及びゲート材料に関して選択的にエッチング可能である。またスペーサ部分１１０Ａは典型的には一次材料に関しても選択的にエッチング可能である。一次層７２Ａは電気的非絶縁材料であり、再び通常アルミニウムのような金属からなることができ、フィラメント及びゲート材料に関して選択的にエッチング可能である。下側非絶縁領域４２は、さらに第１４図に関連して以下に記載されるような下側導電性層及び上側抵抗性層からなる。
第６ｄ図の構造体で開始するとき、エミッタフィラメント材料の電気化学めっきは電気化学セルを用いて実行され、その中でゲート層６０Ｂが制御電極として機能する。スペーサ部分１１０Ａがゲート層６０Ｂと接触するため、スペーサ１１０Ａは制御電極の一部として機能する。めっき電解液内に配置された析出陽極を用いる場合、下側非絶縁領域４２が析出陰極である。誘電体開口部１１４内にめっきされたフィラメント材料は領域４２と接触し、従って析出陰極の一部として機能する。
各誘電体開口部１１４内に蓄積するフィラメント材料が対応するスペーサ部分１１０Ａと接触するとき、その開口部１１４内に形成される電子放出フィラメント１１６用の析出陰極は、制御電極に電気的に短絡される。これによりフィラメント材料の開口部１１４への電気化学めっきが終了する。第９ａ図の先駆フィラメント１３４に類似の形状を有する先駆電子放出フィラメントが、誘電体開口部１１４内に形成される。
その後一次層７２Ａ及びスペーサ部分１１０Ａは除去される。電解研磨ステップが各電子放出フィラメントを鋭利にするために実行され、エッチングがフィラメントの周囲に誘電体開口空間を形成するためにゲート開口部１８０を通して実行される。第６、７並びに９図の一連のプロセスにおいて示されるように、これらのステップのうち何れを最初に行ってもよい。その結果の構造体が全般的に第６ｈ図或いは第７ｊ図に示されており、誘電体開口空間は絶縁層４４を完全に貫通して延在するか、或いは部分的に通って延在するかによって異なっている。
第５−７図の一連のプロセスでは、スペーサ材料のブランケット層を堆積し、その後ブランケット層の不要な部分を除去することによりスペーサが形成される。しかしながらスペーサはある場合には、選択的な堆積技術により形成する必要がある。典型的にそうするのが必須の状況となるのは、ゲート層がその側面端部に沿って露出するが、その上側或いは下側表面に沿って露出しない場合である。
第１０ａ−１０ｇ図（集合的に「第１０図」とする）は一連のバックエンドプロセスを示しており、第３ａ−３ｆ図の一連のフロントエンドプロセスに適用され、本発明に従った選択的なスペーサ堆積を利用して、フィラメント状の電子放出素子を有するゲート型電界放出カソードを形成する。第１０ａ図に示されるように、第３ｆ図を繰り返すことにはなるが、各ゲート開口部６６は一次層６２Ａをわずかにアンダーカットするために、第１０図の一連のバックエンドプロセスにおける対応する一次開口部６４よりわずかに大きい。それにも関わらず各ゲート開口部６６は対応する一次開口部６４と概ね同じ直径になってもよい。ゲート開口部６６が一次層６２Ａをアンダーカットするか否かに関わらず、ゲート層６０Ａの側面端部のみが露出する。
電気化学的技術を用いて、適当にエッチング可能な電気的非絶縁スペーサ（或いはコーティグ）材料がゲート開口部６６に沿ったゲート層６０の露出した端部に選択的に堆積し、環状の電気的非絶縁スペーサ１４０を形成する。第１０ｂ図を参照されたい。アパーチャ１４２はそれぞれ環状のスペーサ１４０を通って延在する。各アパーチャ１４２は対応する環状スペーサ１４０に垂直に整列される。十分に長い時間、電気化学めっきが実行され、各アパーチャ１４２の直径は対応するゲート開口部６４の直径よりもかなり小さくなる。
スペーサの電気化学めっき中、ゲート層６０Ａが析出陰極となる。スペーサ１４０はゲート層６０Ａに接触するため、ゲート端部に沿って成長するスペーサ１４０は陰極の一部を形成する。析出陽極はめっき電解液内に配置される。
スペーサ１４０は、後にゲート層６２Ａ、絶縁層４４並びに電子放出フィラメントを形成する際に用いられる材料に関して選択的にエッチング可能である。スペーサ材料は通常銅或いはニッケルのような材料であり、ゲート材料とは異なり、またフィラメント材料とは異なることが前提となる。
ゲート層６２Ａ及びスペーサ１４０をエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４はゲート開口部６４及びアパーチャ１４２を通して異方性エッチングされ、絶縁層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口部１４４を形成する。第１０ｃ図はその結果の構造体を示す。成形体４４Ｉは絶縁層４４の残りの部分である。誘電体開口部１４４の側壁は概ね垂直である。各アパーチャ１４２が対応するゲート開口部６４より小さな直径からなるため、各アパーチャ１４４の直径は対応する誘電体開口部１４２の直径と概ね等しくなる。
電気的非絶縁エミッタフィラメント材料が誘電体開口部１４４内に電気化学めっきされ、下側非絶縁領域４４と接触する先駆電子放出フィラメント１４６を形成する。第１０ｄ図を参照されたい。フィラメントのめっきは、先駆フィラメント１４６がスペーサ１４２に接触するか、或いはほぼ接触するまで行われる。フィラメントの電気化学めっきは典型的には全般に米国特許第５，５６４，９５９号に記載される技術により実行される。フィラメントめっきは、所定のめっき時間を過ぎるか、或いは第９図の一連のプロセスにおいて利用される自動化技術かの何れかにより終了される。
フィラメントの電気化学めっき中、一次層６２Ａ、スペーサ１４０並びに絶縁層４４Ｉの結合体がゲート層６０Ａを封入し（再び構造体の横方向周囲に沿った部分を除く場合がある）、先駆電子放出フィラメント１４６がゲート層６０Ａに接触するのを防ぐ。スペーサ１４０が先駆フィラメント１４６とゲート層６０Ａとの間の横方向空間を画定する。各フィラメント１４６は対応する一次開口部６４の中心に垂直に配置され、従って対応する除去された球体４６の位置の中心に垂直に配置される。
一次層６２Ａ及びスペーサ１４０が除去され、第１０ｅ図に示される構造体が形成される。一次層６２Ａは、スペーサ１４０を除去する前に除去されても、或いはその逆でもよい。別法では、スペーサ及び一次材料の両方をエッチングするエッチング剤が利用可能であるとき、一次層６２Ａ及びスペーサ１４０は同時に除去されてもよい。何れの場合においても、除去操作は、ゲート層６０Ａ、或いは先駆電子放出フィラメント１４６をほとんど侵蝕しないエッチング剤を用いて行われる。こうしてゲート開口部６６は再度開口される。各再度開口されたゲート開口部６６及び対応する誘電体開口部１４６は対応する一次開口部６４の中心に配置されたため、各フィラメント１４６は対応するゲート開口部６６の中心に垂直に配置される。
ゲート層６０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４Ｉはゲート開口部６６を通してエッチングされ、第１０ｆ図に示されるような前駆電子放出フィラメント１４６の周囲に対応する誘電体開口空間１４８を形成する。成形体４４Ｊは絶縁層４４Ｉの残りの部分である。エッチングは等方性を有するように実行されることができ、その状態が第１０ｆ図に示される。別法では、エッチングは、誘電体開口空間１４８がゲート層６０Ａをアンダーカットするように部分的に或いは全体的に等方性を有するように実行されてもよい。開口空間１４８は絶縁層４４Ｊを部分的に通るか、或いは完全に貫通して延在する。第１０ｆ図は完全に貫通した状態を示す。
電解研磨／研削操作が先駆電子放出フィラメント１４６上で行われ、フィラメントに鋭利な先端部を設ける。第１０ｇ図を参照されたい。成形体１４６Ａは先駆フィラメント１４６の鋭利にされた残りの部分である。また再び、電解研磨／研削操作は、米国特許第５，５６４，９５９号に記載される種類の技術に従って実行される。
第３ａ−３ｆ図及び第１０図のプロセスは種々の方法において変更されることができる。第２ａ−２ｄ図の一連のフロントエンドプロセスは第３ａ−３ｆ図の一連のフロントエンドプロセスと入れ替えることができる。同様に第４図の一連のフロントエンドプロセス（第４ｇ１図のバージョン或いは第４ｇ２図のバージョン何れであってもよい）は、追加の層７４Ａの除去を伴うが、第３ａ−３ｆ図の一連のプロセスの代わりに用いることができる。先駆電子放出フィラメント１４６における電解研磨／研削操作は、誘電体開口空間１４８を形成する前に行われてもよい。
最終的な構造体では、各電子放出フィラメント１４６は対応するゲート開口部６６の中心に垂直に配置される。除去された球体４６がゲート開口部６６の位置を確定するため、除去された球体４６はフィラメント１４６Ａの位置も確定する。各電子放出フィラメント１４６Ａの横方向面積は、対応する除去された球体４６の直径及び対応するスペーサ１４０の横方向の厚さにより制御される。スペーサの厚さと共に球体の大きさ及び粒子の表面密度を適当に調整することにより、フィラメント１４６Ａは概ね一様な電子放出を実現することができる。
第２ａ図及び第７ａ図のプロセスでは、ゲート開口部５４及び１２２は、球形粒子４６を除去した後に残されるゲート材料内に存在するように記載されている。しかしながら、ゲート開口部５４及び１２２は実際にはゲート材料がめっきされたのと同時にゲート層４８Ａ及び１２０Ａ内に形成される。同様のことが第３図のプロセスにおける一次開口部６４及び第４図の一連のプロセスにおける追加の開口部７６にも当てはまる。
第１１ａ−１１ｈ図（集合的に「第１１図」とする）は、一連のプロセスを示しており、そのプロセスでは本発明に従ったゲート型電子放出カソードを製造する際に球形粒子４６を用いてゲート開口部を画定し、またスペーサ材料が球体４６を除去する前にゲート開口部内に堆積する。第１１図の一連のプロセスに対する開始点は第７ａ図の構造体４０／４２／４４である。球体４６は第７ｂ図に示されるように絶縁層４４の上面に堆積され、その後ゲート材料の堆積が層４４の上側表面に概ね垂直な方向に実行され、ゲート層１２０及び余分なゲート材料部分１２０Ｂを形成する。この結果第７ｃ図の構造体が形成されるが、第１１ａ図としてここで繰り返す。ゲート層１２０内のゲート開口部１２２は第１１ａ図に明確に示される。第１１ａ図のゲート層の厚さは典型的には第７ａ図の製作プロセスのゲート層の厚さより薄い。
適当にエッチング可能なスペーサ材料は、典型的には絶縁体であり、その構造の上面に堆積し、第１１ｂ図に示されるようなゲート層１２０Ａ上にスペーサ（或いはカバー）層１５０Ａを形成する。スペーサ層１５０Ａは球体４６間の空間内に配置される。スペーサ材料の堆積は、スペーサ層１５０Ａの環状部分１５０Ｂが粒子４６の下の絶縁層４４上のゲート開口部１２２内に形成されるように実行される。スペーサ材料の部分１５０Ｃは球体４６上に配置されるゲート材料部分１２０Ｂ上に同時に蓄積する。余分なスペーサ材料部分１５０Ｃがスペーサ層１５０Ａとブリッジするのを避けるために、層１５０Ａ及び１２０Ａの全体の厚さは通常球体４６の平均半径より小さくなる。
スペーサ材料の堆積は典型的には、非コリメートスパッタリング（すなわちスパッタリングされた材料の衝突原子の自然入射角に実質的に広がりがあるスパッタリング）或いはプラズマＣＶＤのような一様な非コリメート技術により実行される。非コリメートスパッタリング中、圧力は概ね１０〜１００ｍｔｏｒｒである。また非コリメート式のスパーサ材料堆積は、角度付き回転スパッタリング（angled rotational sputtering）或いは角度付き回転蒸着（angled rotational evaporation）のような角度付き回転技術により実行することができる。角度付き回転堆積の場合、構造体４０／４２／４４を、層４４の上側表面に概ね垂直な軸の周囲をスペーサ材料の材料源に対して回転させると同時に、絶縁層４４の上側表面に対して９０°より相当小さい角度で、スペーサ材料が絶縁層４４上に堆積する。衝突するスペーサ材料の原子は角度付き回転堆積中に即座にコリメートビームを形成するが、スペーサ材料源に対して構造体４０／４２／４４が角度付きの回転をすることより、全堆積が非コリメート化されるようになる。
スペーサ材料の堆積が一様な非コリメート技術で行われ、粒子４６の下側の空間に堆積されるとき、環状のスペーサ部分１５０Ｂの横方向厚さ、すなわちスペーサ層１５０Ａが球体４６により垂直方向に覆われる面積に延在する半径方向の距離は、平均球体半径の２０〜８０％に容易に等しくすることができ、典型的には平均球体半径の５０％よりわずかに大きい。
粒子４６は再び典型的には第２図のプロセスにおいて利用された技術を用いて除去される。球体４６の除去中、余分なゲート材料部分１２０Ｂ及び余分なスペーサ材料部分１５０Ｃは同時に除去され、第１１ｃ図の構造体が形成される。ここでアパーチャ１５２はスペーサ層１５０Ａを貫通して除去された球体４６の位置に延在する。詳細には、アパーチャ１５２はゲート開口部１２２内に配置される環状スペーサ部分１５０Ｂを貫通して延在する。粒子４６が概ね球形であるため、アパーチャ１５２は概ね円形になる。各アパーチャ１５２は対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。
スペーサ材料１５０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４はアパーチャ１５２を通して異方性エッチングされ、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口部１５４を形成する。第１１ｂ図を参照すると、成形体４４Ｋは絶縁層４４の残りの部分である。アパーチャ１５２がゲート開口部１２２の中心に配置されるため、各誘電体開口部１５４は対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。
電気的非絶縁エミッタフィラメント材料は複合開口部（或いはアパーチャ）１５２／１５４内に電気化学めっきされ、下側非絶縁エミッタ領域４２と接触する先駆フィラメント状電子放出素子１５６を形成する。第１１ｅ図はその結果の構造体を示す。ここで再びフィラメントの電気化学めっきは典型的には米国特許第５，５４６，９５９号に記載される方法において実行される。同様にエミッタフィラメント材料は通常ニッケル或いはプラチナのような金属である。
フィラメントの電気化学めっき中、絶縁層４４及びスペーサ部分１５０Ｂを含むスペーサ層１５０Ａの結合体がゲート層１２０Ａを封入し（再び構造体の横方向外周部に沿った部分は除く場合がある）、先駆電子放出フィラメント１５６がゲート層１２０Ａと接触するのを防ぐ。スペーサ１５０Ｂはゲート層１２０Ａと先駆フィラメント１５６との横方向空間を画定する。
電気化学めっきは典型的には複合開口部１５２／１５４を溢れさせるほど十分に長い時間行われるが、電子放出フィラメント１５６がスペーサ層１５８の上側表面において互いに接触するほど長くはない。こうして各電子放出フィラメント１５６は複合開口部１５２／１５４から突出するキャップ部分１５６Ａを有する。このように溢れさせることにより、フィラメント材料の核形成及び成長における違いに起因して、著しく異なるタイプの電子放出フィラメントを形成する可能性が低減される。
スペーサ部分１５０Ｂを含むスペーサ層１５０Ａは除去される。第１１ｆ図を参照されたい。スペーサ材料の除去は、絶縁層４４Ｋ或いはゲート層１２０Ａをあまり侵蝕しないエッチング剤を用いて行われることが好ましい。結果として、ゲート開口部１２２の外側部分は再度開口される。スペーサ材料をエッチングするために、典型的には等方性成分を有するウェット化学エッチング或いはプラズマエッチングが用いられる。
ゲート層１２０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４Ｋはアンダーカット、典型的には等方性を有するようにゲート開口部１２２を通してエッチングされ、電子放出フィラメント１５６の周囲に対応する誘電体開口空間１５８を形成する。第１１ｇ図を参照されたい。成形体４４Ｌは絶縁層４４Ｋの残りの部分である。誘電体開口空間１５８は絶縁層４４Ｌを部分的に通るか、或いは貫通して延在する。第１１ｇ図は貫通する場合を示す。
先駆電子放出フィラメント１５６は、キャップ１５６Ａを除去して、少なくとも一部がゲート開口部１２２を通って延在する鋭利にされた先端部を有する残りのフィラメント状部分を形成するように処理される。第１１ｆ図はその結果の構造体を示しており、その中で鋭利な電子放出フィラメント１５６Ｂはフィラメント１５６の残りの部分である。鋭利にされたフィラメント１５６Ｂは、第５図の一連のプロセスにおける鋭利にされたフィラメント１１６Ｂを形成する場合に上記した電解研磨／研削技術を用いて、先駆フィラメント１５６から形成される。こうして各電子放出フィラメント１５６Ｂは対応するゲート開口部１２２の中心に垂直に配置される。
電解研磨／研削操作は、誘電体開口空間１５８を形成した後に行なうことができる。第１１ｆ図の構造体が再び形成される。また異方性エッチングを用いて、ゲート層１２０Ａがあまりアンダーカットされないように開口空間１５８を形成することができる。別法では、開口空間１５８の形成は削除することができる。フィラメント材料の電気化学めっきを自動的に終了させるために第９図の一連のプロセスにおいて用いられた技術が、第９図の一連のプロセスにおいてフィラメントのめっきを自動的に終了させたのと同じように第１１図のプロセスに適用されてもよい。
（ａ）電子放出フィラメント１５６Ｂがゲート開口部１２２の中心に垂直に配置され、（ｂ）開口部１２２が除去された球体４６の中心に配置されるため、フィラメント１５６Ｂの位置は球体４６により確定される。フィラメント１５６Ｂの横方向面積は球体４６の直径及びスペーサ部分１５０Ｂの横方向の厚さにより制御される。従って、フィラメント１５６Ｂは、球体の大きさ、球体の表面密度並びにスペーサ１５０Ｂの横方向の厚さを適当に調整することにより概ね一様な電子放出を実現することができる。
フィラメント状電子放出素子を有する電子エミッタを製造するために第５−７図、第１０図並びに第１１図の一連のプロセスでは、スペーサ材料がゲート開口部内に堆積することが必要となる。しかしながらフィラメント位置を確定する球体４６の平均直径より著しく小さい平均直径を有する電子放出フィラメントを備えるゲート型電子エミッタは、スペーサ材料をゲート開口部内に堆積させなくても製作することができる。第１２ａ−１２ｉ図（集合的に「第１２図」とする）は、本発明に従って、ゲート型電子放出カソードが如何に製造されるかの一例を示す。
第１２図のプロセスでは、初期構造体４０／４２／４４は第２図のプロセスの場合に上記したのと概ね同じ方法において形成される。第１２ａ図を参照されたい。第１２ａ図は第２ａ図の繰り返しである。固形の球形粒子４６は、第２図のプロセスにおいて利用されたランダム或いは概ねランダムにする技術を用いて同様に絶縁層４４の上面に分布される。第１２ｂ図は、第２ｂ図の繰り返しであるが、この時点での構造体を示す。
下側（或いは第１の）カバー材料がその構造体の上面に堆積され、第１２ｃ図に示されるように絶縁層４４上に下側カバー層１６０Ａを形成する。下側カバー層１６０Ａは粒子４６間の空間内に配置される。カバー層１６０Ａの堆積は、カバー層１６０Ａの環状部分１６０Ｂが層４４の上にある粒子４６の下側の空間内に形成されるように行われる。下側カバー材料の部分１６０Ｃが球体４６の上側半分上に同時に蓄積する。
下側カバー材料の堆積は典型的には第１１図のプロセスにおけるスペーサ材料の堆積と概ね同じように行われる。下側カバー材料は典型的には絶縁体である。別法では、下側カバー材料は電気的非絶縁体であり、典型的にはクロム、ニッケル、モリブデン、チタン或いはタングステンのような金属であってもよい。この場合にはカバー層１６０Ａの一部は後にゲート層の一部を形成する。
上側（或いは第２の）カバー材料は絶縁層４４の上側表面に概ね垂直な方向に構造体の上面に堆積し、球形粒子４６間の空間内の下側カバー層１６０Ａ上に上側カバー層１６２Ａを形成する。第１２ｄ図を参照されたい。上側カバー材料は、下側カバー材料部分１６０Ｂの上の球体４６の下側の空間内にはほとんど（ほぼ全く）蓄積されない。しかしながら上側カバー材料の部分１６２Ｂは下側カバー部分１６０Ｃ上に同時に蓄積する。カバー層１６０Ａ及び１６２Ａの全体の厚さは通常球体４６の平均半径より小さい。これにより余分なカバー材料部分１６２Ｂがカバー層１６０Ａにブリッジするのを避けられる。
上側カバー層１６２Ａは通常電子エミッタに対するゲート層の少なくとも一部分を形成する。その場合には、上側カバー材料は電気的非絶縁ゲート材料であり、典型的にはクロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン或いは金のような金属からなる。別法では、上側カバー材料は、下側カバー層１６０Ａが後にゲート層になる場合には、絶縁体から形成されることができる。
ここで球形粒子４６は、典型的には第２図のプロセスにおいて用いられた技術により除去される。球体４６を除去する際に、余分なカバー材料部分１６０Ｃ及び１６２Ｂは同時に除去され、第１２ｅ図の構造体が形成される。上側開口部１６４は、典型的にはゲート開口部を構成し、上側カバー層１６２Ａを貫通して、除去された球体４６の位置に延在する。下側開口部１６６は同様に下側カバー層１６０Ａを貫通し、詳細には層１６０Ａのカバー部分１６０Ｂを貫通して除去された球体４６の位置に延在する。各下側カバー開口部１６６は対応する上側カバー開口部１６４の直径より小さい。粒子４６が概ね球形であるため、カバー開口部１６４及びカバー開口部１６６は概ね円形になる。各下側開口部１６６は対応する上側開口部１６４の中心に配置される。
カバー層１６０Ａ及び１６２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４はカバー開口部１６４及び１６６を通して異方性エッチングされ、層４４を通り下側非絶縁エミッタ領域４２に至る対応する誘電体開口部１６８が形成される。第１２ｆ図を参照されたい。成形体４４Ｍは絶縁層４４の残りの部分である。各下側カバー開口部１６６が対応する上側開口部１６４より小さいため、各誘電体開口部１６８の直径は対応する下側カバー開口部１６６の直径にほぼ等しくなる。また各誘電体開口部１６８は対応するカバー開口部１６４の中心に垂直に配置される。
電気的非エミッタフィラメント材料が複合開口部（或いはアパーチャ）１６６／１６８内に電気化学めっきされ、下側非絶縁エミッタ領域４２と接触する先駆電子放出フィラメント１７０を形成する。第１２ｇ図を参照されたい。めっき時間は誘電体開口部１６８が完全に満たされるだけの十分に長い時間であるが、フィラメント１７０のいかなる部分も上側カバー層１６２と接触しない程度の長さの時間である。フィラメントのめっきは、第９図の一連のプロセスの場合に上記したように自動的に終了させることができる。ここで再びフィラメント材料は通常ニッケル或いはプラチナのような金属である。
上側カバー層１６２Ａをエッチングマスクとして用いるとき、下側カバー層１６０Ａは上側カバー開口部１６４を通してエッチングされ、環状カバー部分１６０Ｂが除去される。こうして下側カバー開口部１６６は広げられ、第１２ｈ図に示されるような下側カバー開口部１７２になる。成形体１６０Ｄは下側カバー層１６０Ａの残りの部分である。広げられた下側カバー開口部１７２が上側カバー層１６２Ａをアンダーカットしないように、エッチングは典型的には異方性を有するように行われる。
カバー層１６２Ａ及び１６０Ａをエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４Ｍはカバー開口部１６４及び１６６を通して異方性エッチングされ、下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口空間１７４が形成される。再び第１２ｈ図を参照されたい。成形体４４Ｎは絶縁層４４Ｍの残りの部分である。誘電体開口空間１７４は絶縁層４４Ｎを部分的に通るか、或いは貫通して延在し、第１２ｈ図は貫通する場合を示す。
電解研磨／研削操作が先駆フィラメント１７０上で行われ、フィラメント１７０に下側カバー開口部１７２を一部通って延在する鋭利にされた先端部を与える。その結果の構造体が第１２ｉ図に示される。電子放出フィラメント１７０Ａは先駆フィラメント１７０の鋭利にされた残りの部分である。電解研磨／研削操作は典型的には第５図のプロセスの場合に上記したように行われる。
第１２ｉ図では、上側カバー層１６２Ａは通常ゲート層である。別法では、上側カバー層１６２Ａ及び下側カバー層１６０Ｄの両方が共にゲート層としての役割を果たすことができる。さらに別の代替例として、下側カバー層１６０Ｄがゲート層であることができる。この場合には上側カバー層１６２Ａは典型的には絶縁材料か或いは除去される材料かの何れかの材料からなる。
電解研磨／研削操作は、誘電体開口空間１７４を形成する前に行うことができる。等方性成分を有するエッチングを用いて、カバー層１６０Ｄ及び１６２Ａをアンダーカットするように開口空間１７４を形成することができる。開口空間１７４の形成は削除することもできる。そのときは鋭利にされたフィラメント１７０Ａは絶縁層４４Ｎに横方向に当接する。
誘電体開口空間１７４が形成されるか否かに関わらずまた、ゲート層がカバー層１６２Ａ及び１６０Ｄの１つ或いは両方を用いて形成されるか否かに関わらず、各電子放出フィラメント１７０Ａは、対応する上側カバー開口部１６４及び対応する下側カバー開口部１７２の両方の中心に垂直に配置される。上側カバー開口部１６４が除去された球体４６の位置に配置されるため、フィラメント１７０Ａの位置は球体４６の位置により確定される。フィラメント１７０Ａにより占有される横方向面積は、球体４６の直径及び環状カバー材料部分１６０Ｂの横方向の幅により制御される。球体の大きさ、球体の表面密度並びに環状カバー部分１６０Ｂの横方向の厚さを適当に調整することにより、第１２ｉ図の電子エミッタは概ね一様な電子放出を達成することができるようになる。
前述の一連のプロセスでは、球形粒子４６を用いて、ゲート開口部を直接画定するか、或いはゲート開口部を画定するために利用される開口部を画定することができる。しかしながら、粒子４６を用いて、まずゲート開口部のための所望の横方向形状を有する固体領域をまず画定することができる。これらの固体領域は、通常円形であり、後にゲート開口部を画定するために用いられる。
第１３ａ−１３ｇ図（集合的に「第１３図」とする）は、そのような製作プロセスのフロントエンド部分の一例を示しており、ゲート型電界放出カソードに対するゲート開口部が固体領域から形成され、その固体領域の形状は本発明に従った球形粒子により確定される。そのように形成されたゲート開口部は通常急峻な端部を有する。従って第１３図の一連のフロントエンドプロセスは第７ｅ−７ｊ図のような一連のバックエンドプロセスに従って完了するのに特に適しており、その中で電子放出素子の形成は、ゲート開口部内にスペーサ材料を設ける必要がある。第１３図の一連のプロセスは第２ａ図の構造体４０／４２／４４を用いて開始するが、ここで第１３ａ図として繰り返される。
電気的非絶縁中間層１８０は、後にゲート層の下側部分として機能し、第１３ｂ図に示されるような絶縁層４４上に堆積する。中間非絶縁層１８０は典型的にはクロム或いはチタンのような金属からなる。パターン転写層１８２が中間層１８０上に形成される。パターン転写層１８２はフォトレジスト或いは無機誘電体材料のような種々の材料からなる。
粒子４６は、第１図のプロセスの場合に上記したランダム概ねランダムにする技術を用いてパターン転写層１８２の上側表面上に分布される。第１３ｃ図はこの時点での構造体を示す。粒子４６により影にならない、すなわち垂直方向に覆われないパターン転写層１８２の部分が第１３ｄ図に示されるように除去される。概ね円形の柱状部１８２Ａが層１８２の残りの部分として形成される。各柱状部１８２Ａは対応する１つの粒子４６の下側をなす。パターン転写層１８２がフォトレジストからなるとき、層１８２は化学線、典型的には紫外線に露光されるが、球形粒子４６を露光マスクとして用いて、粒子４６の下側のフォトレジスト部分が化学線に露光されるのを防ぐ。露光されたフォトレジストは化学組成が変化する。この後その構造体上で現像操作が行われ、露光されたフォトレジストが除去され、第１３ｄ図に示される構造体が導びかれる。層１８２が無機誘電体材料からなるとき、粒子４６をエッチングマスクとして用いて、絶縁層４４の上側表面に概ね垂直な方向にある層１８２上で、異方性エッチングが行われる。層１８２の覆われていない部分はエッチング中に除去され、再び第１３ｄ図に示される構造体が導かれる。
電気的非絶縁ゲート材料が構造体の上側表面に堆積する。ゲート材料の堆積は、非絶縁中間層１８０を析出陰極として用いて電気化学的技術により行われることが好ましい。析出陽極は粒子４６の上のめっき電解液内に配置される。化学電気めっき中、ゲート材料が中間層１８０の露出した部分上に蓄積し、第１３ｅ図に示される電気的非絶縁上側ゲートサブレイヤ１８４が形成される。
柱状部１８２Ａ及び粒子４６は除去され、第１３ｆ図に示される構造体が形成される。上側ゲート開口部１８６は、上側ゲートサブレイヤ１８４通り、粒子４６の下側の除去された柱状部１８２Ａの位置に延在する。柱状部１８２Ａ及び粒子４６の除去は、種々の方法において実行することができる。例えば、柱状部１８２Ａを適当な化学或いはプラズマエッチング剤を用いて除去し、それにより同時に粒子４６を除去することができる。別法では、粒子４６が除去され、この後柱状部１８２Ａが除去されてもよい。
上側ゲートサブレイヤ１８４をエッチングマスクとして用いるとき、非絶縁中間層１８０は上側ゲート開口部１８６を通して異方性エッチングされ、中間層１８０を通り絶縁層４４に至る対応する中間開口部１８８が形成される。第１３ｇ図を参照されたい。各中間開口部１８８は上側をなす上側ゲート開口部１８６と同心円をなして垂直に配置され、開口部１８６と概ね同じ直径からなる。ここで中間層１８０の残りの部分１８０Ａが下側ゲートサブレイヤであり、それにより中間開口部１８８が下側ゲート開口部となる。従って、ゲートサブレイヤ１８０Ａ及び１８４は複合ゲート層を構成し、その複合ゲート層において対応するゲート開口部１８６及び１８８の各組が複合ゲート開口部を形成する。
第１３ｇ図の構造体におけるゲート層がサブレイヤ１８０Ａ及び１８４からなるという事実は別にして、また関連する符号が異なるという点を除いて、第１３ｇ図の構造体は第７ｄ図の構造体と概ね同一である。第１３ｇ図における成形体１８０Ａ／１８４及び１８６／１８８はそれぞれ、第１ｄ図の成形体１２０Ａ及び１２２に対応する。これらの符号が異なることを前提すると、第１３ｇ図の構造体は第７ｅ−７ｊ図のスペーサを利用した一連のバックエンドプロセスに従って完了することができる。別法では、ゲート層１８０Ａ／１８４をエッチングマスクとして用いるとき、絶縁層４４をゲート開口部１８６／１８８を通してエッチングし、層４４を通り下側非絶縁領域４２に至る対応する誘電体開口空間を形成することができる。スペーサ材料は、典型的には絶縁体であり、誘電体開口空間内のスペーサ材料凹部、すなわち第５ｃ図の凹部１０４と類似の凹部を残すように、構造体の上面及び誘電体開口空間の内部に均等に堆積させることができる。誘電体開口空間の底面におけてスペーサ材料は除去され、凹部を非絶縁領域４２まで延在するアパーチャに変換し、その後フィラメント状電子放出素子がそのアパーチャ内に形成される。球体の大きさ、球体の表面密度並びにスペーサ材料の厚さを適当に調整することにより、その結果生じる電子放出デバイスは、概ね一様な電子放出を実現することができる。
フィラメント１０６Ｂ、１１６Ｂ、１３０Ａ、１３４Ａ、１４６Ａ、１５６Ｂ或いは１７０Ａのようなフィラメント状電子放出素子を有する各電子エミッタにおいては、ゲート層が円錐形の電子放出素子を作り出す場合に上述したプロセスにおいてパターニングされるのと同じように、ゲート層６０Ｂ、１２０Ａ或いは１６２Ａのようなゲート層は、下側非絶縁領域４２のエミッタ行電極に垂直に走る列電極ラインにパターニングされる。電子放出フィラメントを有する各電子エミッタのゲート層に適当なパターニングを適用する場合、電子エミッタは、電子放出コーンを有する電子エミッタの場合に上述したように、ゲート層の部分に接触し、行電極に垂直に走る個別の列電極を選択的に設けられることもできる。
電子放出素子１０６Ｂ、１１６Ｂ、１３０Ａ、１３４Ａ、１４６Ａ、１５６Ｂ並びに１７０Ａは厳密なフィラメントであり、その場合最大直径に対する長さの比は少なくとも２であり、通常は少なくとも３である。長さ対最大直径値は５或いはそれ以上であることが好ましい。それぞれの先端部の下側にあるフィラメント１０６Ｂ、１１６Ｂ、１３０Ａ、１３４Ａ、１４６Ａ、１５６Ｂ並びに１７０Ａの部分は、典型的には円形の横断面の柱状体である。それにもかかわらず、横断面はわずかに非円形であってもよい。何れの場合においても、各フィラメント１０６Ｂ、１１６Ｂ、１３０Ａ、１３４Ａ、１４６Ａ、１５６Ｂ並びに１７０Ａに対する最大直径対最小直径の比は、通常わずかに２である。
変形例及び代表的な応用例
第１４図は、本フィールドエミッタ装置を製造するための開始点を示しており、その中で下側非絶縁エミッタ領域４２は、電気的抵抗性層４２Ｂの下側に配置される電気的導電性層４２Ａからなる。導電性層４２Ａは通常ニッケル或いはクロムのような金属からなる。抵抗性層４２Ｂは典型的にはサーメット、軽くドープされた多結晶シリコン或いはシリコン−炭素−窒素化合物を用いて形成される。
導電性層４２Ａが多数の平行なエミッタ行電極にパターニングされるとき、抵抗性層４２Ｂも同じ数の抵抗性ラインにパターニングされ、それぞれが対応する行電極の１つの上側をなす。別法では、導電性層４２Ａが平行なラインにパターニングされた場合であっても、抵抗性層４２Ｂはブランケット（連続）層であってよい。
第１５．１図及び第１５．２図は、下側非絶縁領域４２が導電性層４２Ａ及び抵抗性層４２Ｂからなるとき、第２ｇ図及び第５ｇ図の最終的な構造体が如何なる状態になるかを示す。電子放出素子５８Ａ及び１０６Ｂの下側端部は抵抗性層４２Ｂに接触する。各電子放出素子と導電性層４２Ａとの間の抵抗は、少なくとも１０6Ω、典型的には１０8Ω或いはそれ以上である。
第１６図は、本発明に従って製造されたエリアフィールドエミッタ（area field emitter）を利用するフラットパネルＣＲＴディスプレイのコーンアクティブ領域の典型的な例を示す。基板４０はＣＲＴディスプレイに対するバックプレートを形成する。下側非絶縁領域４２はバックプレート４０の内側表面に沿って配置され、ここでは導電性層４２Ａ及び上側をなす抵抗性層４２Ａからなる。導電性層４２Ａは、第１６図の平面において横方向に延在するエミッタ電極ライン（行電極）に分割される。
一連の列電極１９０は、その１つが第１６図に示されており、ゲート層上に配置されており、ゲート層はここで例えば、第５ｇ図のフィールドエミッタのゲート層６０Ｂとして示される。列電極１９０は第１６図の平面に垂直に走る。列電極開口部１９２は、その１つが同様に第１６図に示されており、列電極１９０を通りゲート層まで延在する。各列電極開口部１９２は多数の電子放出素子を露出し、ここでは第５ｇ図の電子エミッタの電子放出フィラメント１０６Ｂとして示されている。
透明な、典型的にはガラスからなるフェースプレート１９４はバックプレート４０の向かい側に配置される。発光用蛍光領域１９６は、第１６図にその１つが示されており、対応する列電極開口部１９２のすぐ向かい側にあるフェースプレート１９４の内側表面上に配置される。薄い電気的導電性の光反射層１９８は、典型的にはアルミニウムであり、フェースプレート１９４の内側表面に沿った蛍光領域１９６の上側をなす。電子放出素子により放出された電子は光反射層１９８を通り、蛍光領域１９６が、光を放出できるようにし、その光がフェースプレート１９４の外側表面上に可視画像を形成する。
フラットパネルＣＲＴディスプレイのコーンアクティブ領域は典型的には第１６図には示されない他の構成要素を含む。例えば、フェースプレート１９４の内側表面に沿って配置されるブラックマトリックス（black matrix）は典型的には各蛍光領域１９６の周囲をなし、その蛍光領域を他の蛍光領域１９６から横方向に分離する。電極間誘電体層上に設けられる集光用隆起部は、電子の軌道を制御する。スペーサ壁を用いて、バックプレート４０とフェースプレート１９４との間の空間を比較的一定に保持する。
第１６図に示される種類のフラットパネルディスプレイに組み込まれるとき、本発明に従って製造された電子エミッタは以下の方法において操作される。光反射層１９８が電界放出カソードに対するアノードとして機能する。アノードは、ゲート及びエミッタラインに比べて高い正の電圧に保持される。
（ａ）下側非絶縁エミッタ領域１４２内の選択された１つのエミッタ行電極と（ｂ）ゲート層の部分を用いて形成されるか、或いはゲート層の部分と接触する、選択された１つの列電極との間に適当な電圧が加えられるとき、そのように選択されたゲート部分は、２つの選択された電極の交点において電子放出素子から電子を抽出し、その結果生じる電子の流れの大きさを制御する。蛍光領域１９６が高電圧蛍光体であるときにフラットパネルディスプレイの蛍光体被覆フェースプレートにおいて測定する場合、印加されるゲート−エミッタ平行板電界が、１ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で２０Ｖ／μｍ以下に達するとき、典型的な所望の電子放出レベルが生じる。抽出された電子が衝当する場合、蛍光領域が光を放射する。
「上側」、「下側」、「下方」のような方向に関する用語並びに同様の用語が本発明を記述する際に用いられているが、それは座標系を確定しており、その座標系により読者が、本発明の種々の部分が、互いに如何に係合するかを容易に理解できるようにするものである。実際には、電子放出デバイスの構成要素はここで用いられる方向に関する用語により示されるものとは異なる位置関係に配置される場合もある。同じことが本発明において実行される製作ステップにも当てはまる。方向に関する用語を便宜的に用いて記述を簡単にするため、本発明は、位置関係がここで用いられる方向に関する用語により含まれるものとは厳密には異なる実施例を含む。
本発明は特定の実施例を参照して記載されているが、本記載は例示にすぎず、以下の請求項に記載される本発明の範囲を制限するものと見なすべきではない。例えば、球形粒子４６がポリスチレンではなくガラスからなるとき、高い処理温度で、粒子４６の堆積からその粒子の除去に至るステップを実行することができる。電極間誘電体層、ゲート層、或いは一次層に渡る粒子４６の分布は、電気泳動或いは誘電泳動（dielectrophoretically）を用いて、典型的にはHaven等による同時出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９１９７に記載される技術により実行することもできる。電解研磨操作は、ゲート開口部におけるゲート層の端部を丸めるために用いることができる。
種々の機能を実行する１つ或いはそれ以上の薄い中間層は、絶縁層４４とゲート層との間に設けることができる。そのような中間層は密着機能を実現することもできる。すなわちゲート材料が電極間誘電体材料に付着しないとき、中間層が電極間誘電体４４とゲート層と両方に十分に密着するようになる。その後中間層は、ゲート開口部に対応する中間開口部の形成を含むゲート層に適用されたのと類似の処理ステップにかけられる。
フェースプレート１９４と蛍光体１９６との間に配置され、例えばインジウム−すず酸化物からなる透過性を有する電気的非絶縁層は、光反射層１９８の代わりにアノードとして用いることができる。もし下側非絶縁領域４２が構造体を支持するだけの十分な厚さからなる連続層であるなら、基板４０は削除することができる。絶縁層基板４０は、複合基板と入れ替えることができ、その中では薄い絶縁層が、構造体を支持する比較的厚い非絶縁層の上側をなす。
大面積のゲート型電子エミッタを製造する際に、円形のプレートを、電子放出素子の形成後に、１つ或いはそれ以上の長方形のプレートに分割するのではなく、長方形のプレートを用いることもできる。電子放出素子はコーン及びフィラメント以外の形状をとることもできる。
ゲート開口部がゲート層を通る下側非絶縁エミッタ領域４２の上にある絶縁層４４まで延在するような構造体を形成した後、ゲート層の厚さは、ゲート層上に電気的非絶縁ゲート材料をさらに選択的に堆積することにより増加することができる。追加のゲート材料の堆積は電気化学的技術により実行することができる。一般に、追加のゲート材料の堆積は、粒子４６を除去する前、或いは後のいずれにおいても実行することができる。
第９図に関連して記載された堆積終了技術を用いて、フィラメント位置が球体を用いない機構により確定されるエリア電子エミッタにおいて、電子放出フィラメントの電気化学めっきを自動的に終了することができる。例えば、第９図の自動終了技術は、フォトリソグラフィエッチング技術により形成される開口部或いはMacaulay等による、米国特許第５，４６２，４６７号における荷電粒子軌道により確定される開口部内にめっきされるフィラメントに適用することができる。
本発明の製造プロセスにより製造されたエリア電子エミッタはフラットパネルＣＲＴディスプレイ以外のフラットパネルデバイスを製造するために用いることができる。詳細には、本電子エミッタは、ゲート型電子源を必要とする一般的な真空環境において用いることができる。添付の請求項において確定するような本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者はさらに種々の変形例及び変更例を実施することができるであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図１ｇ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図３ｇ】
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【図３ｈ】
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【図３ｉ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ１】
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【図４ｇ２】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図５ｇ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図６ｇ】
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【図６ｈ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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【図７ｈ】
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【図７ｉ】
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【図７ｊ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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【図１０ｇ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１１ｆ】
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【図１１ｇ】
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【図１１ｈ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１２ｅ】
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【図１２ｆ】
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【図１２ｇ】
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【図１２ｈ】
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【図１２ｉ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１３ｅ】
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【図１３ｆ】
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【図１３ｇ】
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【図１４】
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【図１５．１】
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【図１５．２】
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【図１６】
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