電界放出陰極の作製方法
【目的】 真空マイクロデバイス等に用いるにおいて、電界放出陰極材料として、金属が使え、特性がよく、かつ形状制御の容易な電界放出陰極が形成でき、また、アノードとの距離を一定にするスペーサも簡単に形成できる電界放出陰極の作成方法を得る。
【構成】 角錐型あるいは円錐型の凹みを基板上に設け、その上に電界放出陰極材料をスパッタ等で形成する。その後基板を除去する時スペーサ形成部分にマスクをかけてエッチングを行うことによりスペーサと電界放出陰極を形成する。
【効果】 性能、信頼性が高く製造コストの安い電界放出陰極が製造できる。
【構成】 角錐型あるいは円錐型の凹みを基板上に設け、その上に電界放出陰極材料をスパッタ等で形成する。その後基板を除去する時スペーサ形成部分にマスクをかけてエッチングを行うことによりスペーサと電界放出陰極を形成する。
【効果】 性能、信頼性が高く製造コストの安い電界放出陰極が製造できる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はマイクロ真空デバイスにおける電界放出陰極の作製方法に関するもので、特に冷陰極表示デバイスの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】微小な電界放出陰極を利用し、超高速の真空ＩＣや、高精細のフラットパネルＣＲＴを形成しようという試みが始まっている。これらの真空デバイスは、半導体の微細加工技術を用いて形成され、素子の高機能化と高集積化を目指すものである。
【０００３】電界放出陰極はマイクロ真空デバイスの主要構成要素であり、その形状から錐型とクサビ型の２種類に分けることができる。錐型の電界放出陰極は基板と垂直の方向に電子を放出し、クサビ型は水平方向に放出する。錐型の電界放出陰極はその形成方法で、蒸着型とエッチング型の２種類に分けることができる。蒸着型は陰極を金属の蒸着により形成され、エッチング型はシリコンの異方性エッチングにより形成される。クサビ型は金属の蒸着とそのエッチングによって形成される。
【０００４】これらの電界放出陰極を適用したデバイスとして、フラットパネルＣＲＴがある。フラットパネルＣＲＴは電界放出陰極の高集積度を最大限に利用しようとするものである。
【０００５】次に錐型電界放出陰極の形状およびその形成方法について説明する。図４に錐型の陰極の概念図を示す。図において、１１は基板、１２はゲート電極膜、１３は絶縁膜、１４は電界放出陰極である。
【０００６】Ｓｉ基板上に円錐状あるいは角錐状の電界放出陰極が形成されている。ゲート膜はＳｉＯ2 の絶縁層上に形成されている。電界放出陰極１４（エミッタコーン）とアノード（図示していない）間に電圧をかけ、かつエミッタとゲート間に電圧を印加することにより、エミッタ先端から電子が引き出される。先端の曲率半径は数百Åである。
【０００７】蒸着型、エッチング型の形成方法をそれぞれ図５、図６に示す。図５に示すのが蒸着型である。図において、２１は基板、２２はＳｉＯ2 絶縁膜、２３はＭｏ膜、２４はＡｌ犠牲層、２５はＭｏ蒸着膜、２６はエミッタコーンである。
【０００８】表面ドープを施し導電性を良くしたＳｉウェハー上に、ＳｉＯ2 を１〜１．５μｍ成膜し、Ｍｏを電子ビーム蒸着する。この上から直径１μｍの円状にＭｏとＳｉＯ2 をエッチングで抜く。次にフッ化水素酸でＳｉＯ2 をやや溶かしだし、その後Ａｌを斜め方向から蒸着する（図５(ａ)）。次にＭｏを上方より真空蒸着する。ＭｏはＡｌ−Ｍｏ−ＳｉＯ2 の穴を通してＳｉ基板上に堆積するが、Ｍｏの穴の縁にも堆積するため、次第に穴の径が小さくなり、最終的には穴は閉じてしまう。そのためＭｏはコーン状になってＳｉウェハーに堆積する（図５(ｂ)）。最後にＡｌ層を溶解除去する（図５(ｃ)）。
【０００９】図６に示すのがエッチング型である。図において、３１は基板、３２はエッチングマスク、３３は絶縁膜、３４はゲート電極、３５はエミッタコーンである。
【００１０】導電性を上げるため、予めＳｉウェハーの（１００）面にリンをドープし、Ｎ型Ｓｉにしておく。その上に、Ｓｉ3Ｎ4やＳｉＯ2 のエッチングマスクを所望の大きさ（１〜２μｍの円形）に形成する（図６(ａ)）。次に、ＫＯＨなどの溶液でＳｉウェハーを異方性エッチングすると、Ｓｉはピラミッド状に加工される。このピラミッドの先端曲率半径は１０００Å以下である（図６(ｂ)）。陰極の周囲にＳｉＯ2 の絶縁膜（１〜２μｍ厚、真空蒸着法）とＷ、Ｍｏ、Ｔａなどのゲート用の金属（０．５μｍ厚、真空蒸着法）を成膜する。その後フッ化水素酸による軽いウエットエッチングでエミッタコーン３５上のエッチングマスク３２を除去し、エミッタコーン３５を露出させる（図６(ｃ)）。
【００１１】図７に示したのが蒸着型の電界放出陰極を用いたフラットパネルＣＲＴの断面概略図である。図において４１は基板、４２は絶縁層、４３はゲート電極で垂直方向のアドレスライン、４４はエミッタコーンアレイ、４５は水平方向のアドレスライン、４６は表面パネル、４７はアノード電極、４８は蛍光体、４９は支持材である。エミッタコーンから放出されて電子は、アノードとの電界によって加速され、蛍光材料を発光させる。この時、エミッタコーンとアノード電極との距離は１００ないし２００μｍである。
【００１２】この時、エミッタコーン、アノード電極間の距離を一定に保つため、基板表面には支持材４９をたてている。この支持材は基板表面に蒸着法により形成したり、ポリイミドなどを写真製版によって形成したり、基板表面に支持材をエッチング等によって形成した後、エミッタコーンを形成するなどの方法で形成している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】蒸着型はエミッタコーンが金属で形成できるため、高い電流密度が期待できるという長所があるが、ミクロンオーダーの小さい開口部を通して金属を蒸着するので、開口部の径によりエミッタコーンの径と高さが異なり、その形状制御が困難であるという問題がある。一方、エッチング型はＳｉの異方性エッチングを利用してエミッタコーンを形成するので、形状の制御が比較的容易であるが、電流密度が小さいことや不規則な電流−電圧特性が問題となる。
【００１４】また、エミッタコーンとカソード電極間の間隔を一定にするために設ける支持材も蒸着法で形成するには、すでにできあがっているエミッタコーンに影響を与えないようにマスクをかけ蒸着するのが困難であったり、その厚さが厚いため不必要な部分に支持材料が回り込んだりするといった問題があった。あるいは、エッチング法を用いて支持材を形成するにしても、支持材のエッチング形成後に、その底面の部分に写真製版を行って電解放出陰極を形成するのは非常に困難であるという問題があった。
【００１５】この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、金属でできたエミッタコーンを用いることで高い電流密度を得、かつ錐型の形状を得るために比較的容易な形状制御方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極の作製方法を得ること。さらに、エミッタコーンとカソード電極との電極間隔を適正値に保つための支持材を比較的容易な方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い冷陰極表示デバイスの作製方法を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電界放出陰極の作成方法は、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去する際支持材の部分を残して基板除去を行ったものである。
【００１７】
【作用】この発明は、錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去することによって、電界放出電極の材料に金属を用いることができ、高い電流密度を得ることができる。また、エッチングにより基板上に錐型の凹みを作るため、形状の制御が比較的容易となる。そのため、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
実施例１．以下この発明による一実施例を図について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の作製方法の一実施例を示す断面図である。図において、１は基板、２は基板エッチング用のマスク材、３はゲート電極材料、４は絶縁層材料、５は基板表面にできた錐状のくぼみ、６はエミッタコーン材料、７は支持材形成用のマスク材、８は形成されたエミッタコーン、９は形成された支持材である。
【００１９】シリコン基板１（０．５ｍｍ厚程度、結晶方位（１００））上に基板エッチング用マスク材２としてＣｒを２０００Åスパッタ形成する。その上にフォトレジストを塗布した後写真製版を施し、１．５μｍ角の基板エッチングマスク材２を残してイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法によりエミッタコーンが形成される部分のみエッチングマスク材２を残す（図１(ａ)）。
【００２０】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いて２μｍの深さに異方性エッチングを施す（図１(ｂ)）。
【００２１】次にスパッタ法あるいは真空蒸着法により、ゲート電極材料３（Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｕ等）を５０００Åの厚さに形成し、さらにその上に絶縁材料４（ＳｉＯ、ＳｉＯ2 等）を真空蒸着法などで１．５μｍの厚さに形成する（図１(ｃ)）。
【００２２】次にシリコン基板１表面に錐型の凹みを形成する部分についているエッチングマスク材、ゲート電極材、絶縁材を除去し、シリコン基板表面を露出させる（図１(ｄ)）。
【００２３】さらに上記基板をアルカリ溶液に浸漬し、異方性エッチングにより角錐状の凹み５をシリコン基板表面に形成する（図２(ａ)）。この時用いるアルカリ溶液としてはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンとパイロカテコールの混合液等がある。また、この時シリコン基板１の裏面がエッチングされるのを避けるため、基板裏面をエッチングマスク材で覆っておくのが望ましい。
【００２４】シリコンエッチ液には、フッ酸硝酸系以外にアルカリエッチ液があり、苛性カリあるいは有機アルカリ水溶液を加熱すれば、かなりのエッチ速度に達する。そしてこの種のエッチ液は結晶方位依存性が大きく、（１００）方向のエッチ速度は早く、これに反して（１１１）方向のエッチ速度は最も遅い。
【００２５】そこで（１００）面のウェハーを用い、パターンの線を（１１１）方向にすれば、この線を含む（１１１）面が現れる。そしてこの方向にはエッチングがほとんど進行しないので、エッチング形状は図３に示したような角錐形状になる。
【００２６】次にシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６（Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ等）を真空蒸着法、スパッタ法などで形成し、基板表面の錐型のくぼみ５にも充填させる（図２(ｂ)）。
【００２７】次にシリコンウエハー裏面を機械研磨により粗研磨を行う。シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００ミクロンになったところで粗研磨をやめる（図２(ｃ)）。この時の基板の残りの厚さが、形成される支持材９の高さ、すなわちエミッタコーンとアノード電極との間隔になる。
【００２８】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００２９】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液あるいはアルカリエッチャントを用いてシリコンのエッチングを行い、支持材の部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。この後、エッチングマスク７を除去すればエミッタコーンとシリコンでできた支持材９が形成できる。
【００３０】実施例２．実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３１】次にシリコンウエハー裏面を機械研磨により粗研磨を行う。シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００ミクロンになったところで粗研磨をやめる（図２(ｃ)）。
【００３２】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００３３】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００３４】実施例．３実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３５】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施す。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００３６】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００３７】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いてシリコンのエッチングを行い、スペーサ部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００３８】実施例．４実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３９】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施す。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４０】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４１】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００４２】実施例．５実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００４３】この基板１をフッ化水素酸と硝酸の混合液あるいはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンなどのアルカリエッチャントに浸漬し、シリコン基板裏面をウエットエッチングする。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４４】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４５】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いてシリコンのエッチングを行い、スペーサ部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００４６】実施例．６実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００４７】この基板１をフッ化水素酸と硝酸の混合液あるいはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンなどのアルカリエッチャントに浸漬し、シリコン基板裏面をウエットエッチングする。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４８】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４９】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００５０】なお、上記実施例において、電界放出陰極材料としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕおよびＣ、シリコンのウエットエッチャントとして、フッ化水素酸と硝酸の混合液、フッ化水素酸と酢酸と硝酸の混合液、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、エチレンジアミンとパイロカテコールの水溶液、およびヒドラジンとイソプロピルアルコールの水溶液、シリコンのドライエッチングの反応性ガスとして、ＣＦ4、ＳＦ6、ＮＦ3、ＳｉＦ4、ＢＦ3、ＣＢｒＦ3、ＸｅＦ2 、ＣＣｌＦ3 、ＣＣｌ2 Ｆ2 、ＣＣｌ3 Ｆ、Ｃ2 ＣｌＦ5 、Ｃ2 Ｃｌ2 Ｆ4 、ＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、Ｃｌ2、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｂｒ2、ＣＨＦ3 、ＣＦ4 ＋Ｈ2 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、およびＣ4 Ｆ8 を用いても上記実施例と同等の効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】この発明は、錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去することによって、電界放出電極の材料に金属を用いることができ、高い電流密度を得ることができる。また、エッチングにより基板上に錐型の凹みを作るため、形状の制御が比較的容易となる。そのため、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極を得ることができる。
【００５２】さらに、アノードとカソードとの電極間隔を適正値に保つための支持材を比較的容易な方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い冷陰極表示デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施例を示す断面図である。
【図３】この発明の実施例１を示すエッチングにより現れる結晶面の方向を示す図である。
【図４】従来の錐型陰極を示す概念図である。
【図５】従来の作成方法を示す断面図である。
【図６】従来の他の作成方法を示す断面図である。
【図７】従来のデバイス応用例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 基板エッチング用マスク材
３ ゲート電極材料
４ 絶縁層材料
５ 基板表面にできた錐状のくぼみ
６ エミッタコーン材料
７ 支持材形成用のマスク材
８ 形成されたエミッタコーン
９ 形成された支持材
１１ 基板
１２ ゲート電極膜
１３ 絶縁膜
１４ エミッタコーン
２１ 基板
２２ ＳｉＯ2 絶縁膜
２３ Ｍｏ膜
２４ Ａｌ犠牲層
２５ Ｍｏ蒸着膜
２６ エミッタコーン
３１ 基板
３２ エッチングマスク
３３ 絶縁膜
３４ ゲート電極
３５ エミッタコーン
４１ 基板
４２ 絶縁層
４３ ゲート電極（垂直方向のアドレスライン）
４４ エミッタコーンアレイ
４５ 水平方向のアドレスライン
４６ 表面パネル
４７ 透明アノード電極
４８ 蛍光体
４９ 支持材
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はマイクロ真空デバイスにおける電界放出陰極の作製方法に関するもので、特に冷陰極表示デバイスの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】微小な電界放出陰極を利用し、超高速の真空ＩＣや、高精細のフラットパネルＣＲＴを形成しようという試みが始まっている。これらの真空デバイスは、半導体の微細加工技術を用いて形成され、素子の高機能化と高集積化を目指すものである。
【０００３】電界放出陰極はマイクロ真空デバイスの主要構成要素であり、その形状から錐型とクサビ型の２種類に分けることができる。錐型の電界放出陰極は基板と垂直の方向に電子を放出し、クサビ型は水平方向に放出する。錐型の電界放出陰極はその形成方法で、蒸着型とエッチング型の２種類に分けることができる。蒸着型は陰極を金属の蒸着により形成され、エッチング型はシリコンの異方性エッチングにより形成される。クサビ型は金属の蒸着とそのエッチングによって形成される。
【０００４】これらの電界放出陰極を適用したデバイスとして、フラットパネルＣＲＴがある。フラットパネルＣＲＴは電界放出陰極の高集積度を最大限に利用しようとするものである。
【０００５】次に錐型電界放出陰極の形状およびその形成方法について説明する。図４に錐型の陰極の概念図を示す。図において、１１は基板、１２はゲート電極膜、１３は絶縁膜、１４は電界放出陰極である。
【０００６】Ｓｉ基板上に円錐状あるいは角錐状の電界放出陰極が形成されている。ゲート膜はＳｉＯ2 の絶縁層上に形成されている。電界放出陰極１４（エミッタコーン）とアノード（図示していない）間に電圧をかけ、かつエミッタとゲート間に電圧を印加することにより、エミッタ先端から電子が引き出される。先端の曲率半径は数百Åである。
【０００７】蒸着型、エッチング型の形成方法をそれぞれ図５、図６に示す。図５に示すのが蒸着型である。図において、２１は基板、２２はＳｉＯ2 絶縁膜、２３はＭｏ膜、２４はＡｌ犠牲層、２５はＭｏ蒸着膜、２６はエミッタコーンである。
【０００８】表面ドープを施し導電性を良くしたＳｉウェハー上に、ＳｉＯ2 を１〜１．５μｍ成膜し、Ｍｏを電子ビーム蒸着する。この上から直径１μｍの円状にＭｏとＳｉＯ2 をエッチングで抜く。次にフッ化水素酸でＳｉＯ2 をやや溶かしだし、その後Ａｌを斜め方向から蒸着する（図５(ａ)）。次にＭｏを上方より真空蒸着する。ＭｏはＡｌ−Ｍｏ−ＳｉＯ2 の穴を通してＳｉ基板上に堆積するが、Ｍｏの穴の縁にも堆積するため、次第に穴の径が小さくなり、最終的には穴は閉じてしまう。そのためＭｏはコーン状になってＳｉウェハーに堆積する（図５(ｂ)）。最後にＡｌ層を溶解除去する（図５(ｃ)）。
【０００９】図６に示すのがエッチング型である。図において、３１は基板、３２はエッチングマスク、３３は絶縁膜、３４はゲート電極、３５はエミッタコーンである。
【００１０】導電性を上げるため、予めＳｉウェハーの（１００）面にリンをドープし、Ｎ型Ｓｉにしておく。その上に、Ｓｉ3Ｎ4やＳｉＯ2 のエッチングマスクを所望の大きさ（１〜２μｍの円形）に形成する（図６(ａ)）。次に、ＫＯＨなどの溶液でＳｉウェハーを異方性エッチングすると、Ｓｉはピラミッド状に加工される。このピラミッドの先端曲率半径は１０００Å以下である（図６(ｂ)）。陰極の周囲にＳｉＯ2 の絶縁膜（１〜２μｍ厚、真空蒸着法）とＷ、Ｍｏ、Ｔａなどのゲート用の金属（０．５μｍ厚、真空蒸着法）を成膜する。その後フッ化水素酸による軽いウエットエッチングでエミッタコーン３５上のエッチングマスク３２を除去し、エミッタコーン３５を露出させる（図６(ｃ)）。
【００１１】図７に示したのが蒸着型の電界放出陰極を用いたフラットパネルＣＲＴの断面概略図である。図において４１は基板、４２は絶縁層、４３はゲート電極で垂直方向のアドレスライン、４４はエミッタコーンアレイ、４５は水平方向のアドレスライン、４６は表面パネル、４７はアノード電極、４８は蛍光体、４９は支持材である。エミッタコーンから放出されて電子は、アノードとの電界によって加速され、蛍光材料を発光させる。この時、エミッタコーンとアノード電極との距離は１００ないし２００μｍである。
【００１２】この時、エミッタコーン、アノード電極間の距離を一定に保つため、基板表面には支持材４９をたてている。この支持材は基板表面に蒸着法により形成したり、ポリイミドなどを写真製版によって形成したり、基板表面に支持材をエッチング等によって形成した後、エミッタコーンを形成するなどの方法で形成している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】蒸着型はエミッタコーンが金属で形成できるため、高い電流密度が期待できるという長所があるが、ミクロンオーダーの小さい開口部を通して金属を蒸着するので、開口部の径によりエミッタコーンの径と高さが異なり、その形状制御が困難であるという問題がある。一方、エッチング型はＳｉの異方性エッチングを利用してエミッタコーンを形成するので、形状の制御が比較的容易であるが、電流密度が小さいことや不規則な電流−電圧特性が問題となる。
【００１４】また、エミッタコーンとカソード電極間の間隔を一定にするために設ける支持材も蒸着法で形成するには、すでにできあがっているエミッタコーンに影響を与えないようにマスクをかけ蒸着するのが困難であったり、その厚さが厚いため不必要な部分に支持材料が回り込んだりするといった問題があった。あるいは、エッチング法を用いて支持材を形成するにしても、支持材のエッチング形成後に、その底面の部分に写真製版を行って電解放出陰極を形成するのは非常に困難であるという問題があった。
【００１５】この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、金属でできたエミッタコーンを用いることで高い電流密度を得、かつ錐型の形状を得るために比較的容易な形状制御方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極の作製方法を得ること。さらに、エミッタコーンとカソード電極との電極間隔を適正値に保つための支持材を比較的容易な方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い冷陰極表示デバイスの作製方法を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電界放出陰極の作成方法は、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去する際支持材の部分を残して基板除去を行ったものである。
【００１７】
【作用】この発明は、錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去することによって、電界放出電極の材料に金属を用いることができ、高い電流密度を得ることができる。また、エッチングにより基板上に錐型の凹みを作るため、形状の制御が比較的容易となる。そのため、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
実施例１．以下この発明による一実施例を図について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の作製方法の一実施例を示す断面図である。図において、１は基板、２は基板エッチング用のマスク材、３はゲート電極材料、４は絶縁層材料、５は基板表面にできた錐状のくぼみ、６はエミッタコーン材料、７は支持材形成用のマスク材、８は形成されたエミッタコーン、９は形成された支持材である。
【００１９】シリコン基板１（０．５ｍｍ厚程度、結晶方位（１００））上に基板エッチング用マスク材２としてＣｒを２０００Åスパッタ形成する。その上にフォトレジストを塗布した後写真製版を施し、１．５μｍ角の基板エッチングマスク材２を残してイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法によりエミッタコーンが形成される部分のみエッチングマスク材２を残す（図１(ａ)）。
【００２０】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いて２μｍの深さに異方性エッチングを施す（図１(ｂ)）。
【００２１】次にスパッタ法あるいは真空蒸着法により、ゲート電極材料３（Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｕ等）を５０００Åの厚さに形成し、さらにその上に絶縁材料４（ＳｉＯ、ＳｉＯ2 等）を真空蒸着法などで１．５μｍの厚さに形成する（図１(ｃ)）。
【００２２】次にシリコン基板１表面に錐型の凹みを形成する部分についているエッチングマスク材、ゲート電極材、絶縁材を除去し、シリコン基板表面を露出させる（図１(ｄ)）。
【００２３】さらに上記基板をアルカリ溶液に浸漬し、異方性エッチングにより角錐状の凹み５をシリコン基板表面に形成する（図２(ａ)）。この時用いるアルカリ溶液としてはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンとパイロカテコールの混合液等がある。また、この時シリコン基板１の裏面がエッチングされるのを避けるため、基板裏面をエッチングマスク材で覆っておくのが望ましい。
【００２４】シリコンエッチ液には、フッ酸硝酸系以外にアルカリエッチ液があり、苛性カリあるいは有機アルカリ水溶液を加熱すれば、かなりのエッチ速度に達する。そしてこの種のエッチ液は結晶方位依存性が大きく、（１００）方向のエッチ速度は早く、これに反して（１１１）方向のエッチ速度は最も遅い。
【００２５】そこで（１００）面のウェハーを用い、パターンの線を（１１１）方向にすれば、この線を含む（１１１）面が現れる。そしてこの方向にはエッチングがほとんど進行しないので、エッチング形状は図３に示したような角錐形状になる。
【００２６】次にシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６（Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ等）を真空蒸着法、スパッタ法などで形成し、基板表面の錐型のくぼみ５にも充填させる（図２(ｂ)）。
【００２７】次にシリコンウエハー裏面を機械研磨により粗研磨を行う。シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００ミクロンになったところで粗研磨をやめる（図２(ｃ)）。この時の基板の残りの厚さが、形成される支持材９の高さ、すなわちエミッタコーンとアノード電極との間隔になる。
【００２８】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００２９】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液あるいはアルカリエッチャントを用いてシリコンのエッチングを行い、支持材の部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。この後、エッチングマスク７を除去すればエミッタコーンとシリコンでできた支持材９が形成できる。
【００３０】実施例２．実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３１】次にシリコンウエハー裏面を機械研磨により粗研磨を行う。シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００ミクロンになったところで粗研磨をやめる（図２(ｃ)）。
【００３２】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００３３】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００３４】実施例．３実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３５】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施す。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００３６】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００３７】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いてシリコンのエッチングを行い、スペーサ部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００３８】実施例．４実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００３９】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施す。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４０】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４１】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００４２】実施例．５実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００４３】この基板１をフッ化水素酸と硝酸の混合液あるいはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンなどのアルカリエッチャントに浸漬し、シリコン基板裏面をウエットエッチングする。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４４】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４５】その後フッ化水素酸と硝酸との混合液を用いてシリコンのエッチングを行い、スペーサ部分を残してシリコン基板１を溶解除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００４６】実施例．６実施例１の方法により、ゲート電極２、絶縁材３を形成し、表面に錐型の凹みを設けたシリコン基板１表面に電界放出陰極材料６を形成する（図２(ｂ)）。
【００４７】この基板１をフッ化水素酸と硝酸の混合液あるいはＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液、ヒドラジンなどのアルカリエッチャントに浸漬し、シリコン基板裏面をウエットエッチングする。この時シリコンウエハーの残りの厚さが１００ないし２００μｍになるように時間制御を行う（図２(ｃ)）。
【００４８】その後シリコンウエハー裏面に写真製版を施し、支持材として残すところのみエッチングマスク７でおおう（図２(ｄ)）。
【００４９】この基板１をリアクティブドライエッチング装置中に載置し、４フッ化メタン（ＣＦ4 ）と酸素（Ｏ2 ）の混合ガスや６フッ化硫黄（ＳＦ6 ）ガスなどの高周波プラズマを用いてドライエッチングを施し、スペーサ部分を残してシリコン基板１を除去しエミッタコーン８を露出させるとシリコンでできた支持材９が残る（図２(ｅ)）。
【００５０】なお、上記実施例において、電界放出陰極材料としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｕおよびＣ、シリコンのウエットエッチャントとして、フッ化水素酸と硝酸の混合液、フッ化水素酸と酢酸と硝酸の混合液、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、エチレンジアミンとパイロカテコールの水溶液、およびヒドラジンとイソプロピルアルコールの水溶液、シリコンのドライエッチングの反応性ガスとして、ＣＦ4、ＳＦ6、ＮＦ3、ＳｉＦ4、ＢＦ3、ＣＢｒＦ3、ＸｅＦ2 、ＣＣｌＦ3 、ＣＣｌ2 Ｆ2 、ＣＣｌ3 Ｆ、Ｃ2 ＣｌＦ5 、Ｃ2 Ｃｌ2 Ｆ4 、ＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、Ｃｌ2、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｂｒ2、ＣＨＦ3 、ＣＦ4 ＋Ｈ2 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、およびＣ4 Ｆ8 を用いても上記実施例と同等の効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】この発明は、錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電界放出陰極の電極材料を形成し、その後基板を除去することによって、電界放出電極の材料に金属を用いることができ、高い電流密度を得ることができる。また、エッチングにより基板上に錐型の凹みを作るため、形状の制御が比較的容易となる。そのため、性能、信頼性が高く、製造コストの安い電界放出陰極を得ることができる。
【００５２】さらに、アノードとカソードとの電極間隔を適正値に保つための支持材を比較的容易な方法により形成することにより、性能、信頼性が高く、製造コストの安い冷陰極表示デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】この発明の一実施例を示す断面図である。
【図３】この発明の実施例１を示すエッチングにより現れる結晶面の方向を示す図である。
【図４】従来の錐型陰極を示す概念図である。
【図５】従来の作成方法を示す断面図である。
【図６】従来の他の作成方法を示す断面図である。
【図７】従来のデバイス応用例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 基板エッチング用マスク材
３ ゲート電極材料
４ 絶縁層材料
５ 基板表面にできた錐状のくぼみ
６ エミッタコーン材料
７ 支持材形成用のマスク材
８ 形成されたエミッタコーン
９ 形成された支持材
１１ 基板
１２ ゲート電極膜
１３ 絶縁膜
１４ エミッタコーン
２１ 基板
２２ ＳｉＯ2 絶縁膜
２３ Ｍｏ膜
２４ Ａｌ犠牲層
２５ Ｍｏ蒸着膜
２６ エミッタコーン
３１ 基板
３２ エッチングマスク
３３ 絶縁膜
３４ ゲート電極
３５ エミッタコーン
４１ 基板
４２ 絶縁層
４３ ゲート電極（垂直方向のアドレスライン）
４４ エミッタコーンアレイ
４５ 水平方向のアドレスライン
４６ 表面パネル
４７ 透明アノード電極
４８ 蛍光体
４９ 支持材
【特許請求の範囲】
【請求項１】錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電極材料を形成し、その後、基板を除去する際スペーサー部分を残して基板除去を行ったことを特徴とする電界放出陰極の作製方法。
【請求項１】錐型の電界放出電極を持つマイクロ真空デバイスにおいて、基板に錐型の凹みを形成し、その上に電極材料を形成し、その後、基板を除去する際スペーサー部分を残して基板除去を行ったことを特徴とする電界放出陰極の作製方法。
【図３】
【図４】
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開平５−２０５６１４
【公開日】平成５年（１９９３）８月１３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−９８６８
【出願日】平成４年（１９９２）１月２３日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成５年（１９９３）８月１３日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）１月２３日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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