專利名稱：發(fā)射器及其制造方法和冷電子發(fā)射器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以作為平面式圖象顯示裝置或各種傳感器、高頻振蕩器、超高速器件、電子顯微鏡、電子束曝光裝置等各種電子束利用裝置的電子源來使用的冷電子發(fā)射用的發(fā)射器及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電場發(fā)射式顯示裝置等的冷電子用電子源，可以使用在陰極一側(cè)形成了多個高度和底面直徑為1微米前后的圓錐形的極其微小的發(fā)射器的電子源。上述發(fā)射器，可以采用使電場集中于其頂端部分上的辦法來得到電流。其基本構(gòu)造，人們知道由C.A.Spint等(Journalof Applied Physics,Vol.47,No.12,p.5248,1976年)所提出的方法。其電子發(fā)射特性，由于因發(fā)射器頂端部分的形狀而變化，故要想在每一個發(fā)射器中使電子發(fā)射特性變成為相等，理想的是均一地形成多個發(fā)射器的形狀，特別是頂端形狀。
此外，作為該發(fā)射器的最大的問題，是電子發(fā)射量隨時間變動的問題。用來解決該問題的發(fā)射器制造方法，粗分起來有如下2種方法。
一個方法是在玻璃基板上邊形成金屬發(fā)射器，使大電阻串聯(lián)地連接到該發(fā)射器上，穩(wěn)定發(fā)射電流。此外，作為另一種方法，用半導(dǎo)體形成發(fā)射器和晶體管，借助于該晶體管對發(fā)射電流積極地進(jìn)行控制。由于該方法功耗小動作速度快，故今后的發(fā)展是可以期待的。
在用上述半導(dǎo)體形成發(fā)射器的情況下，可以考慮以下舉出的3種發(fā)射器材料膜。一種是沒有晶粒邊界，在所有的部分內(nèi)結(jié)晶方位都具有恒定方向的單晶膜、其次是結(jié)晶方位七零八落的晶粒集中于一起的多晶膜、再一種是不具有結(jié)晶構(gòu)造的非晶態(tài)膜。在上述3種冷電子發(fā)射器件材料之內(nèi)如果考慮形成特性優(yōu)良的晶體管，則以使用單晶膜或多晶膜為宜。
在使用單晶膜的情況下，由于結(jié)晶方位變成為恒定方向而沒有晶粒邊界，故濕法刻蝕或反應(yīng)性離子刻蝕的各向同性或各向異性刻蝕速度是一樣的，因而可以制造均一性優(yōu)良的發(fā)射器。但是，單晶膜由于造價高且不能在便宜的玻璃基板等的大面積基板上邊制作，故現(xiàn)狀是缺乏實用性。
另一方面，與使用單晶膜的情況下比較，多晶膜造價便宜，而且可以在低溫下在大面積的基板上邊制作，故適合于顯示裝置等的微小的電子源。


圖10示出了上述現(xiàn)有的多晶膜基板的剖面圖，圖11是用圖10的多晶膜制造的發(fā)射器的剖面圖。
在圖10中，1例如是玻璃等的基板，在其上部形成了由結(jié)晶方位和粒徑不同的微小晶粒13構(gòu)成的多晶膜14。在該多晶膜14內(nèi)，由于在上述基板1上邊存在著具有各種大小和方向性的晶粒13，故存在著無數(shù)的晶粒邊界。
此外，使用圖11所示的多晶膜14制造的發(fā)射器15，則可以采用對在玻璃等的基板1上邊由結(jié)晶方位和粒徑不同的微小晶粒13構(gòu)成的多晶膜14進(jìn)行刻蝕加工的辦法形成。
如上所述，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，由于在基板上邊形成多晶膜14來制造發(fā)射器15，故可以用低的工藝溫度制造良好特性的晶體管和冷電子發(fā)射器件。結(jié)果是可以降低發(fā)射器15的造價。
但是，用上述多晶膜14形成的發(fā)射器15，存在著在電子發(fā)射特性中會產(chǎn)生不均一性的問題，作為該問題，可以舉出下述例子進(jìn)行刻蝕加工的多晶膜的結(jié)晶粒徑的不均一性和各個晶粒的結(jié)晶方位和結(jié)晶配向面差異很大，故在由刻蝕實施的發(fā)射器15形成之際，存在著各向同性或各向異性刻蝕速度以晶粒邊界為界每一個晶粒都不同的問題。
就是說，在現(xiàn)有的多晶膜14中，由于每一個晶粒各向同性或各向異性刻蝕速度不同，故如圖11所示，在發(fā)射器15表面上形成沒有規(guī)則性的無數(shù)的凹凸，其結(jié)果上在電子發(fā)射特性中將產(chǎn)生不均一性。而且，在由刻蝕實施的發(fā)射器15的形成中，得不到再現(xiàn)性。因此，若使用這樣的不規(guī)則性的多晶膜14，在大面積基板上以良好的再現(xiàn)性形成多個均一的發(fā)射器15是困難的，使用發(fā)射器15的器件的造價也將增高。
本發(fā)明，就是為了解決這樣的問題而發(fā)明的，目的是提供即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的不均一性的發(fā)射器及其制造方法。
發(fā)明的公開本發(fā)明的第1方面所述的發(fā)射器，其特征是采用對于在基板上邊沿著同一晶軸生長了柱狀晶粒的柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法形成。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的不均一性。
其次，本發(fā)明的第2方面所述的發(fā)射器，其特征是采用在基板上邊形成了沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜之后，在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化，用上述已圖形化的第1絕緣膜，對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法形成。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第3方面所述的發(fā)射器，其特征是采用在基板上邊形成第2絕緣膜，在上述第2絕緣膜上邊形成了沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜之后，在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化，用上述已圖形化的第1絕緣膜，對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法形成。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第4方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第3方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，對于基板面來說結(jié)晶方位和結(jié)晶面在某一恒定方向上整齊劃一。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第5方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第4方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述柱狀多晶膜至少含有硅。借助于此，就可以用500℃以下的低溫工藝，在大面積基板上邊實現(xiàn)柱狀多晶。因此，可以在大面積基板上邊把柱狀多晶刻蝕成均一形狀，即便是在大面積基板上邊形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第6方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第5方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{110}。借助于此，由于結(jié)晶方位與結(jié)晶面變成為易于整齊劃一，故可以進(jìn)行均一形狀的刻蝕，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第7方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第5方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{100}。借助于此，由于結(jié)晶方位與結(jié)晶面變成為易于整齊劃一，故可以進(jìn)行均一形狀的刻蝕，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。此外，還可以抑制晶粒邊界的勢壘，同時，減少在絕緣膜界面上形成的俘獲能級。因此，可以增大渡越電子的遷移率，實現(xiàn)效率良好的發(fā)射器。
其次，本發(fā)明的第8方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第7方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是采用對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法形成的發(fā)射器頂端的曲率半徑在50nm以下。借助于此，可以增大發(fā)射器頂端的電場集中，可以用低電壓發(fā)射電子。
其次，本發(fā)明的第9方面所述的發(fā)射器，在第1方面到第8方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器中，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，該柱狀晶粒的短的一方的粒徑，至少在100nm以上。借助于此，可以減少在發(fā)射器頂端部分處的刻蝕將變成為不均一的晶粒邊界的個數(shù)，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第10方面所述的發(fā)射器，在第9方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述柱狀晶粒與基板所構(gòu)成的角度在83度以上。借助于此，可以減少在發(fā)射器頂端部分處的刻蝕將變成為不均一的晶粒邊界的個數(shù)，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第11方面所述的發(fā)射器，在第3方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述第2絕緣膜至少含有氧或氮。借助于此，可以抑制從玻璃向柱狀多晶進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，可以提供結(jié)晶性優(yōu)良的柱狀多晶，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第12方面所述的發(fā)射器，在第2或第3方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是圓形形狀。借助于此，采用對柱狀多晶膜進(jìn)行刻蝕的辦法，就可以容易地實現(xiàn)頂端尖銳的發(fā)射器。
其次，本發(fā)明的第13方面所述的發(fā)射器，在第2方面或第3方面所述的發(fā)射器中，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是多角形形狀。借助于此，除去本發(fā)明的第12方面的效果之外，還可以提高光刻的曝光精度，而且，可以降低曝光掩模的造價。
其次，本發(fā)明的第14方面所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊形成沿著同一晶軸生長柱狀晶粒的柱狀多晶膜的工序；對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第15方面所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊形成沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜的工序；在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化的工序；用上述圖形化的第1絕緣膜對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第16方面所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊形成第2絕緣膜的工序；在上述第2絕緣膜上邊形成沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜的工序；在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化的工序；用上述圖形化的第1絕緣膜對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第17方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14到第16方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，對于基板面來說結(jié)晶方位和結(jié)晶面在某一恒定方向上整齊劃一。借助于此，即便是在形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第18方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14到第17方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述柱狀多晶膜至少含有硅。借助于此，就可以用500℃以下的低溫工藝，在大面積基板上邊實現(xiàn)柱狀多晶。因此，可以在大面積基板上邊把柱狀多晶刻蝕成均一形狀，即便是在大面積基板上邊形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第19方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14方面到第18方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{110}。借助于此，由于結(jié)晶方位與結(jié)晶面變成為易于整齊劃一，故可以進(jìn)行均一形狀的刻蝕，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第20方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14方面到第18方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{100}。借助于此，由于結(jié)晶方位與結(jié)晶面變成為易于整齊劃一，故可以進(jìn)行均一形狀的刻蝕，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。此外，還可以抑制晶粒邊界的勢壘，同時，減少在絕緣膜界面上形成的俘獲能級。因此，可以增大渡越電子的遷移率，實現(xiàn)效率良好的發(fā)射器。
其次，本發(fā)明的第21方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14方面到第20方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是對上述柱狀多晶膜實施刻蝕，使得所形成的發(fā)射器頂端的曲率半徑在50nm以下。借助于此，可以增大發(fā)射器頂端的電場集中，可以用低電壓發(fā)射電子。
其次，本發(fā)明的第22方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第14方面到第21方面中的任何一個方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，該柱狀晶粒的短的一方的粒徑，至少在100nm以上。借助于此，可以減少在發(fā)射器頂端部分處的刻蝕將變成為不均一的晶粒邊界的個數(shù)，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第23方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第22方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述柱狀晶粒與基板所構(gòu)成的角度在83度以上。借助于此，可以減少在發(fā)射器頂端部分處的刻蝕將變成為不均一的晶粒邊界的個數(shù)，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第24方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第16方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述第2絕緣膜至少含有氧或氮。借助于此，可以抑制從玻璃向柱狀多晶進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，可以提供結(jié)晶性優(yōu)良的柱狀多晶，可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
其次，本發(fā)明的第25方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第15或16方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是圓形形狀。借助于此，采用對柱狀多晶膜進(jìn)行刻蝕的辦法，就可以容易地實現(xiàn)頂端尖銳的發(fā)射器。
其次，本發(fā)明的第26方面所述的發(fā)射器的制造方法，在第15方面或第16方面所述的發(fā)射器的制造方法中，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是多角形形狀。借助于此，除去本發(fā)明的第25方面的效果之外，還可以提高光刻的曝光精度，而且，可以降低曝光掩模的造價。
其次，本發(fā)明的第27方面所述的冷電子發(fā)射器件的制造方法，其特征是具有下述工序用第15方面或第16方面所述的發(fā)射器的制造方法，制造發(fā)射器的工序；在上述柱狀多晶膜上邊保持剩下已圖形化的第1絕緣膜不變地引出第3絕緣層形成柵極電極的工序；在上述柱狀多晶膜上邊僅僅除去已圖形化的第1絕緣膜的上部形成開口部分的工序。借助于此，可以容易地形成引出柵極電極，可以降低冷電子發(fā)射器件的造價，而無須使用光刻工序。
附圖的簡單說明圖1是本發(fā)明的實施例1的柱狀多晶基板的剖面圖。
圖2是使用圖1所示的柱狀多晶基板的冷電子發(fā)射器件的制造方法的工序剖面圖。
圖3是本發(fā)明的實施例1的柱狀多晶基板的喇曼向量。
圖4是本發(fā)明的實施例2的設(shè)置有底層的柱狀多晶基板的剖面圖。
圖5是本發(fā)明的實施例3和實施例5的結(jié)晶方位和結(jié)晶面在某一恒定方向上整齊劃一的柱狀多晶基板的剖面圖。
圖6是本發(fā)明的實施例4的冷電子發(fā)射器件的剖面圖。
圖7示出了從本發(fā)明的實施例6的膜構(gòu)造不同的冷電子發(fā)射器件發(fā)射出來的發(fā)射電子量。
圖8是{110}配向的柱狀多晶硅膜的XRD向量。
圖9示出了加在發(fā)射器頂端上的電場強度與發(fā)射器頂端曲率半徑之間的關(guān)系。
圖10是現(xiàn)有技術(shù)中的多晶膜的剖面圖。
圖11是使用現(xiàn)有技術(shù)中的多晶膜的發(fā)射器的剖面圖。
優(yōu)選實施例實施例1以下，用圖1、圖2說明發(fā)明的實施例1。
圖1是本發(fā)明的實施例1的柱狀多晶基板的剖面圖，圖2是本發(fā)明的實施例1的發(fā)射器和冷電子發(fā)射器件的制造方法的工序剖面圖。
在圖1中，1例如是玻璃等的基板。2是柱狀多晶膜。3是表示晶粒間邊界的晶粒邊界。4是柱狀晶粒。
以下，說明柱狀多晶膜2的形成。在圖1所示的玻璃等的基板1上邊，用作為材料氣體使用被氫氣稀釋的從0.1％到3％的硅烷氣體的等離子體化學(xué)氣相淀積法(PCVD)，在基板溫度從200℃到350℃、成膜壓力從0.1Pa到5Pa、RF功率從300W到1kW的條件下，形成作為結(jié)晶方位和結(jié)晶面整齊劃一且粒徑從約100nm到140nm的柱狀多晶硅膜的柱狀多晶膜2。在該條件下生長的膜，將成為主要具有{110}面配向的柱狀多晶膜2。
此外，若在圖1所示的玻璃等的基板1上邊，例如，用同上PCVD法，用向材料氣體內(nèi)混合進(jìn)硅烷氣體和四氟化硅氣體的混合氣體，在基板溫度從250℃到450℃、成膜壓力從100Pa到170Pa、RF功率從50W到500W的條件下進(jìn)行制作，則可以得到主要具有{100}面配向的粒徑約250nm的柱狀多晶膜2。
這樣制作的{110}面配向或{100}面配向的柱狀多晶膜2，都可以實現(xiàn)具有作為本發(fā)明作用的均一形狀發(fā)射器的冷電子發(fā)射器件。
另外，在柱狀多晶膜1中雖然含有非晶層，但是要想形成均一形狀的發(fā)射器，希望作為多晶與非晶的單位面積含有率的結(jié)晶化率在80％以上。
該結(jié)晶化率，例如可以用喇曼分光法進(jìn)行測定，可以用由喇曼分光法得到的結(jié)晶相的喇曼偏移量約520cm-1的強度I(520)和非晶相的喇曼偏移量480cm-1的強度I(480)之間的關(guān)系表示的結(jié)晶化率I(520)/{I(520)+I(480)}表示(參看圖3)。
另外，在本實施例中，指定了代表性的生長條件，在使用含有硅的混合氣體，氣體流量、氣體混合比、基板溫度、成膜壓力、RF功率等的具有某一指定范圍的生長條件下，可以得到柱狀多晶膜2，其粒徑或大小可以取決于上述生長條件變化。
例如，在圖8中，示出了用硅烷與氫的混合氣體的等離子體化學(xué)氣相淀積法(PCVD法)，在基板溫度300℃、成膜壓力2Pa、RF功率300W的條件下成膜的代表性柱狀多晶硅膜的X射線衍射(XRD)光譜。得知用上述條件成膜的膜，在2θ約47.4度處得到了強的峰值，且配向為(220)面。
此外，配向為{100}面的柱狀多晶膜2，可以在用使用硅烷氣體與四氟化硅氣體的混合氣體的PCVD法，在基板溫度300℃、成膜壓力100Pa、RF功率300W的條件下成膜時得到，XRD光譜的2θ將在約63.2度處出現(xiàn)(400)的峰值(未畫出來)。
其次，用圖2說明用上邊所說的柱狀多晶膜2制造的發(fā)射器和冷電子發(fā)射器件的制造方法。
如上所述，在基板1上邊形成了(參看圖2(a))柱狀多晶膜2之后，如圖2(b)所示，用PCVD法或濺射法、蒸鍍法等，使SiO2等的第1絕緣膜5圖形化為使得在柱狀多晶膜上邊各個點變成為圓形形狀或多角形形狀。該圖形化，例如，淀積200nm左右的絕緣膜，借助于光刻工序，把該絕緣膜加工成直徑1微米左右的圓形形狀或多角形形狀的點圖形。
在形成了圓形形狀或多角形形狀的第1絕緣膜5之后，如圖2(c)所示，采用實施反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)的辦法，加工柱狀多晶膜2，得到發(fā)射器6。作為刻蝕氣體，例如，可以使用SF6等的鹵素氣體。
接著，如圖2(d)所示，用蒸鍍法等形成SiO2等的柵極絕緣層7和Nb等的引出柵極電極8。采用控制柵極絕緣膜7膜厚的辦法，就可以容易地使發(fā)射器6的頂端部分和引出柵極電極8之間的距離變化，使電場效率良好地集中于發(fā)射器6的頂端部分，可以得到電子發(fā)射效率良好的冷電子發(fā)射器件。
最后，如圖2(e)所示，用剝離法從被加工成上述圓形形狀或多角形形狀的點圖形的第1絕緣膜5部分除去上部，形成開口部分。另外，在本實施例中1中，雖然用剝離法除去柵極絕緣層7和引出電極8形成開口部分，但是也可以用濺射法形成。
如上所述，倘采用本發(fā)明，由于采用用柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法制造發(fā)射器6，故在除去晶粒邊界3上邊的所有部分中，都可以使實施濕法刻蝕或反應(yīng)性離子刻蝕時的各向同性或各向異性刻蝕速度相等。因此，可以再現(xiàn)性良好地制造發(fā)射器6，在大范圍內(nèi)形成多個發(fā)射器6時，可以得到形狀的均一性。
此外，柱狀多晶膜2至少含有硅，具體地說，是多晶硅膜或多晶硅鍺，采用使用這些含有硅的材料的辦法，就可以用500℃以下的低溫工藝在大面積基板上邊形成多晶硅膜。因此，可以在大面積基板上邊把柱狀多晶刻蝕成均一形狀，即便是在大面積基板上邊形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性，同時還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動。
實施例2以下，用圖4說明本發(fā)明的實施例2。
圖4是本發(fā)明的實施例2的柱狀多晶基板的剖面圖。另外，本實施例2的冷電子發(fā)射器件，僅僅在基板上邊成膜絕緣膜之后，才形成沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜2，制造發(fā)射器和冷電子發(fā)射器件這一點，與不用絕緣膜覆蓋基板形成上述柱狀多晶膜2的上述實施例1的冷電子發(fā)射器件不同。為此，對于那些與實施例1相同的構(gòu)成要素賦予同一標(biāo)號而省略說明。
在圖4中，在玻璃基板1上邊，成膜第2絕緣膜9。在該玻璃基板1上邊成膜第2絕緣膜9的處理，例如，作為材料，使用硅烷氣體與N2O氣體或TEOS與氧氣的混合氣體，用PCVD法，在基板溫度從200℃到300℃、成膜壓力從0.1Pa到10Pa、RF功率從300W到500W的條件下成膜二氧化硅膜SiO2約300nm到1000nm。另外，第2絕緣膜9形成以后的工藝與上邊所說的實施例1是一樣的，故予以省略。
如上所述，采用在基板1上邊成膜第2絕緣膜9的辦法，就可以抑制含于基板1內(nèi)的雜質(zhì)，例如，硼或鈉等的擴(kuò)散，就可以提高柱狀多晶膜2的結(jié)晶性。
另外，第2絕緣膜9，只要至少含有硅的絕緣膜即可，除去二氧化硅膜SiO2以外，即便是使用氮化膜SiNx或一氧化氮膜或它們的復(fù)合膜，也可以得到同樣的效果。
實施例3以下，用圖5說明本發(fā)明的實施例3。
圖5是本發(fā)明的實施例3的在某一恒定方向上整齊劃一的柱狀多晶膜基板的剖面圖。另外，對于那些與上邊所說的實施例相同的構(gòu)成要素賦予同一標(biāo)號而省略說明。
在圖5中，柱狀晶粒4整齊地排列為使得對于基板1表面，結(jié)晶方位和結(jié)晶面變成為某一恒定的方向。10是表明各個晶粒方向的結(jié)晶方位，結(jié)晶面配向為對該結(jié)晶方位10垂直的{110}或{100}。
該柱狀多晶膜柱的柱狀晶粒的整齊排列，即便是在柱狀多晶膜2內(nèi)含有非晶相，如果其結(jié)晶化率理想地說在80％以上，也可以得到。另外，由該均一形狀的柱狀晶粒4構(gòu)成的柱狀多晶膜基板形成以后的工藝與上邊所說的實施例1是一樣的，故說明從略。
如上所述，倘采用本實施例3，由于柱狀多晶膜2內(nèi)的柱狀晶粒4的構(gòu)造是對基板1在某一恒定的方向上結(jié)晶方位和結(jié)晶面整齊劃一，故不僅在同一晶粒內(nèi)，在晶粒邊界以外的所有的晶粒區(qū)域內(nèi)，也可以使刻蝕的各向同性或各向異性刻蝕速度相等。因此，可以再現(xiàn)性良好地制造發(fā)射器，在大范圍內(nèi)形成多個發(fā)射器時，可以得到形狀的均一性。
實施例4以下，用圖6說明本發(fā)明的實施例4。
圖6是用本發(fā)明實施例4的柱狀多晶膜2制造的冷電子發(fā)射器件的發(fā)射器部分的剖面圖。在圖6中，11表示柱狀晶粒的短的一方的粒徑。6是發(fā)射器，12是發(fā)射器的頂端部分。另外，在圖6中，對于與上邊所說的實施例1相同的構(gòu)成要素賦予同一標(biāo)號而省略說明。
發(fā)射器頂端部分12的曲率半徑，一般地說當(dāng)曲率半徑大于50nm時則不能效率良好地進(jìn)行由引出柵極電極8(參看上述圖2(e))形成的向發(fā)射器頂端部分的電場集中，為了得到在硅的情況下的電子發(fā)射所需要的電場強度106V/mm，就必須給引出柵極電極8加上50V以上的高電壓。驅(qū)動電路由于理想的是柵極電壓低于50V，故理想的是使發(fā)射器頂端部分12的曲率半徑作成為50nm以下。
此外，一般地說，硅的冷電子發(fā)射的電場強度需要在106V/mm以上，如果設(shè)發(fā)射器和對于發(fā)射器加上正電壓V(V)的引出柵極電極之間的距離為d，發(fā)射器的頂端曲率半徑為r，則在發(fā)射器頂端的電場強度，可以用式(1)表示。
F=2V/r Ln(2d/r)(V/mm)…………(1)圖9示出了在上述(1)中，例如，在設(shè)d=0.5×10-6(m)、V=60、80、100(V)時的電場強度F對發(fā)射器頂端曲率半徑r的關(guān)系。在圖中，要想使F大于106V/mm，就必須滿足V＞80V、r＜50nm的條件。為此，r越大，則為了給發(fā)射器頂端加上大于106V/mm的電場強度，就越需要更大的電壓，反之，r越小，則電壓就越可以低。若需要高電壓，則控制發(fā)射器的電路會變得復(fù)雜起來，此外，由于引出柵極電極的下部絕緣層的耐壓也將成為問題，故將變成為造價高的冷電子發(fā)射器件。因此，采用使頂端曲率半徑作成為50nm以下的辦法，就可以提供便宜的低電壓驅(qū)動電路。
然而，該發(fā)射器頂端部分12的曲率半徑，若采用通常的使用鹵素氣體的反應(yīng)性離子刻蝕或含有氟酸的濕法刻蝕，則要把曲率半徑極端地說作成為50nm以下，例如數(shù)nm以下那種程度的尖的形狀是非常困難的，通常會變成為50nm左右，為此，采用使柱狀晶粒的短的一方的粒徑11形成為100nm以上的辦法，就可以實現(xiàn)具有均一形狀的發(fā)射器頂端部分的冷電子發(fā)射器件。
此外，在已把發(fā)射器頂端部分12的曲率半徑形成為50nm左右大小的情況下，如果柱狀晶粒的短的一方的粒徑11不比100nm小，則晶粒邊界3位于發(fā)射器頂端部分的概率(可能性)增高，由于晶粒邊界的緣故，就不可能再現(xiàn)性良好地形成具有曲率半徑50nm左右的發(fā)射器頂端部分12。
再有，當(dāng)在晶粒邊界3上缺陷多，缺陷位于發(fā)射器頂端部分12上時，發(fā)射電子量減少。由于以上的理由，柱狀晶粒的短的一方的粒徑以形成為100nm以上為好。
如上所述，倘采用本實施例4，由于結(jié)果變成為上述柱狀晶粒的短的一方的粒徑11至少在100nnm以上，故在發(fā)射器頂端部分12上不存在刻蝕速度不同的晶粒邊界，可以再現(xiàn)性良好地形成發(fā)射器頂端部分11。
實施例5以下，用圖5和圖2(e)說明本發(fā)明的實施例5。另外，在圖5中，對于那些與上邊所說的實施例3相同的構(gòu)成，使用同一標(biāo)號而省略說明。
在圖5中，10是表明各個晶粒方向的結(jié)晶方位。各個晶粒4，被形成為對于基板1具有83度以上的角度。這是因為要形成發(fā)射器，最低0.1微米的粒徑的柱狀多晶膜2的厚度至少需要0.8微米左右，這時，為要作成為使得在發(fā)射器頂端部分附近盡可能地不存在刻蝕速度不同的晶粒邊界，tan-1(0.8/0.1)83度是必要的。此外，如圖2(e)所示，如果使電場集中于發(fā)射器頂端部分12以引出電子，由于電子在對于基板1大體上垂直方向上流動，如果晶粒對于基板1為83度以下，則電子將橫穿晶粒邊界，同時必須一直流到發(fā)射器頂端部分。另一方面，若大于83度，則電子可以在同一晶粒內(nèi)一直流到發(fā)射器頂端部分，可以不必橫穿缺陷多的晶粒邊界，可以不減少發(fā)射電流。
如上所述，倘采用本實施例5，由于把各個晶粒形成為對于基板1具有83度以上的角度，故在發(fā)射器頂端部分不存在刻蝕速度不同的晶粒邊界，可以再現(xiàn)性良好地形成發(fā)射器頂端部分11。此外，可以得到電子發(fā)射特性優(yōu)良的冷電子發(fā)射器件。
實施例6以下，用圖1、圖7說明本發(fā)明的實施例6。另外，圖1由于在上邊所說的實施例1中已經(jīng)進(jìn)行了說明，故省略對各個構(gòu)成要素的說明。
柱狀晶粒4的結(jié)晶面，是{110}或{100}面配向。之所以作成為{110}面配向，是因為采用把柱狀多晶膜2的配向面作成為{110}的辦法，結(jié)晶方位和結(jié)晶面就易于整齊劃一，因此，可以進(jìn)行均一形狀的刻蝕，在大面積基板上邊實現(xiàn)具有均一性優(yōu)良的發(fā)射器的冷電子發(fā)射器件的緣故。
再有，采用把配向面作成為{110}或{100}的辦法，可以降低柱狀多晶膜2中的電子在半導(dǎo)體層內(nèi)渡越時晶粒邊界所形成的電子運動的能量勢壘，增大遷移率，結(jié)果是可以實現(xiàn)發(fā)射電子量的增多和高速應(yīng)答。
之所以作成為{100}面配向，是因為與{110}面配向比較，可以降低晶粒邊界的勢壘，使電子易于流動的緣故，同時，還因為若作成為{100}面配向，則柵極絕緣層與半導(dǎo)體結(jié)晶面之間的界面處的載流子的陷阱與{110}面配向比較減少，半導(dǎo)體-絕緣層界面處的電子變得更加易于流動的緣故，遷移率將進(jìn)一步增大，結(jié)果是可以實現(xiàn)發(fā)射電子量的增大和高速應(yīng)答。
圖7示出了在本發(fā)明中實施的來自晶體結(jié)構(gòu)不同的1000個芯片的發(fā)射器的發(fā)射電子量的測定量。但是，加在引出柵極電極上的電壓作成為是相同的。在圖7中，用配向面{110}柱狀多晶膜2形成發(fā)射器的情況下，與非晶(無定形)硅的情況比較，示出了多達(dá)2倍以上的發(fā)射電子量。發(fā)射電子量與來自熒光體的發(fā)光輝度有關(guān)，輝度與發(fā)射電子量成比例。就是說，要想得到相同的電子量(發(fā)光輝度)，在用配向面{100}柱狀多晶膜2形成發(fā)射器的情況下，與無定形硅的情況下比較，可以用低的引出柵極電極，可以實現(xiàn)低電壓化。
再有，與配向面{110}柱狀多晶膜的情況下比較，配向面{100}一方增加了來自冷電子發(fā)射器件的電流量，可以實現(xiàn)低電壓化。
如上所述，倘采用本實施例6，如果把柱狀晶粒的結(jié)晶面作成為{110}或{100}面配向，則可以增大發(fā)射電子量，可以進(jìn)行低電壓驅(qū)動，可以形成效率良好的冷電子發(fā)射器件。
工業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的發(fā)射器和發(fā)射器制造方法，由于采用對于在基板上邊沿著晶軸生長柱狀晶粒的柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法，可以再現(xiàn)性良好地形成頂端形狀齊整的發(fā)射器，故即便是在大面積基板上邊形成多個發(fā)射器的情況下，也可以再現(xiàn)性良好地得到發(fā)射器形狀的均一性。借助于此，還可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動?？梢杂米銎矫嫘蛨D象顯示裝置或各種傳感器、高頻振蕩器、超高速器件、電子顯微鏡、電子束曝光裝置等各種電子束利用裝置的電子源。
權(quán)利要求
1．一種發(fā)射器，其特征是采用下述辦法形成對于在基板上邊沿著同一晶軸生長了柱狀晶粒的柱狀多晶膜實施刻蝕。
2．一種發(fā)射器，其特征是采用下述辦法形成在基板上邊形成了沿著同一晶軸生長了柱狀晶粒的柱狀多晶膜之后，在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化，用上述已圖形化的第1絕緣膜，對上述柱狀多晶膜實施刻蝕。
3．一種發(fā)射器，其特征是采用下述辦法形成在基板上邊形成第2絕緣膜，在上述第2絕緣膜上邊形成了沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜之后，在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化，用上述已圖形化的第1絕緣膜，對上述柱狀多晶膜實施刻蝕。
4．權(quán)利要求1到3中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，對于基板面來說結(jié)晶方位和結(jié)晶面在某一恒定方向上整齊劃一。
5．權(quán)利要求1到4中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是上述柱狀多晶膜至少含有硅。
6．權(quán)利要求1到5中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{110}。
7．權(quán)利要求1到5中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{100}。
8．權(quán)利要求1到7中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是采用對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的辦法形成的發(fā)射器頂端的曲率半徑在50nm以下。
9．權(quán)利要求1到8中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，該柱狀晶粒的短的一方的粒徑，至少在100nm以上。
10．權(quán)利要求9所述的發(fā)射器，其特征是上述柱狀晶粒與基板所構(gòu)成的角度在83度以上。
11．權(quán)利要求3所述的發(fā)射器，其特征是上述第2絕緣膜至少含有氧或氮。
12．權(quán)利要求2或3所述的發(fā)射器，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是圓形形狀。
13．權(quán)利要求2或3所述的發(fā)射器，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是多角形形狀。
14．一種發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊沿著同一晶軸生長柱狀晶粒形成柱狀多晶膜的工序；對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。
15．一種發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊沿著同一晶軸生長柱狀晶粒形成柱狀多晶膜的工序；在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化的工序；用上述圖形化的第1絕緣膜對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。
16．一種發(fā)射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上邊形成第2絕緣膜的工序；在上述第2絕緣膜上邊形成沿著同一晶軸生長有柱狀晶粒的柱狀多晶膜的工序；在上述柱狀多晶膜上邊使第1絕緣膜圖形化的工序；用上述圖形化的第1絕緣膜對上述柱狀多晶膜實施刻蝕的工序。
17．權(quán)利要求14到16中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，對于基板面來說結(jié)晶方位和結(jié)晶面在某一恒定方向上整齊劃一。
18．權(quán)利要求14到17中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述柱狀多晶膜至少含有硅。
19．權(quán)利要求14到18中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{110}。
20．權(quán)利要求14到18中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述柱狀多晶膜的配向面為{100}。
21．權(quán)利要求14到20中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是對上述柱狀多晶膜實施刻蝕，使得所形成的發(fā)射器頂端的曲率半徑在50nm以下。
22．權(quán)利要求14到21中的任何一項權(quán)利要求所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是構(gòu)成上述柱狀多晶膜的柱狀晶粒，該柱狀晶粒的短的一方的粒徑至少在100nm以上。
23．權(quán)利要求22所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述柱狀晶粒與基板所構(gòu)成的角度在83度以上。
24．權(quán)利要求16所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述第2絕緣膜至少含有氧或氮。
25．權(quán)利要求15或16所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是圓形形狀。
26．權(quán)利要求15或16所述的發(fā)射器的制造方法，其特征是上述圖形化的第1絕緣膜是多角形形狀。
27．冷電子發(fā)射器件的制造方法，其特征是具有下述工序用權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的發(fā)射器的制造方法制造發(fā)射器的工序；在上述柱狀多晶膜上邊保持剩下已圖形化的第1絕緣膜不變地引出第3絕緣層形成柵極電極的工序；在上述柱狀多晶膜上邊僅僅除去已圖形化的第1絕緣膜的上部形成開口部分的工序。
全文摘要
本發(fā)明的冷電子發(fā)射器件，由采用對在基板(1)上邊沿著同一晶軸生長了柱狀晶粒的柱狀多晶膜(2)施行刻蝕的辦法形成的發(fā)射器構(gòu)成。若采用這樣的冷電子發(fā)射器件，則即便是在已形成了多個發(fā)射器的情況下，也可以抑制起因于發(fā)射器形狀變動的電子發(fā)射特性的波動，因而可以得到在大面積基板上邊具有均一發(fā)射特性的冷電子發(fā)射器件。
文檔編號H01J1/30GK1318203SQ00801476
公開日2001年10月17日 申請日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月24日
發(fā)明者則兼哲也, 平中弘一, 和田直樹, 佐藤安代 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社