CN101055824B - 薄膜型电子源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐热性高的薄膜型电子源。在包括衬底、在上述衬底的一个主表面一侧形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极的薄膜电子源中，上述上部电极为第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的层积结构，上述第1基础层以IrO2或RuO2作为主要构成材料，上述第2基础层以Ir或Ru作为主要构成材料，上述中间层以从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种作为主要构成材料，上述表面层以从Au、Ag的组中选择的一种作为主要构成材料。
Description
技术领域
本发明涉及具有金属-绝缘体-金属或金属-绝缘体-半导体的层积结构的、向真空中发射电子的薄膜型电子源以及使用该电子源的应用设备。
背景技术
像例如特开2005-235781号公报所记载的那样，薄膜型电子源是当在上部电极-绝缘层-下部电极的层积结构的上部电极与下部电极之间施加电压时，从上部电极的表面向真空中发射电子的装置。有上部电极、下部电极用金属的MIM(金属-绝缘体-金属)型电子源，以及一侧的电极用半导体的MIS(金属-绝缘体-半导体)型电子源。
图2表示了特开2005-235781号公报所记载的工作原理。当在上部电极113与下部电极111上施加电压Vd时，在下部电极111中的费米能级附近存在的电子根据隧道效应穿过势垒而向绝缘层112、上部电极113的导带注入，成为热电子。虽然该热电子在绝缘层112、上部电极113中被散射而损失能量，但具有上部电极113的功函数Ф以上的能量的热电子被发射到真空120中。这种薄膜电子源被期望作为新型的电子源。
发明内容
在制造该电子源的工序中，像例如特开2005-235781号公报所记载的那样，当与面板密封在一起时被暴露在高温下。发明者发现，在该高温处理中，扩散变得活跃，在上部电极表面的低电阻层(以Au或Ag作为主要构成材料的薄膜)的晶界部分会发生断线的情况。因此，本发明的第1课题在于提供一种可靠性高的薄膜型电子源。本发明的第2课题在于提供一种耐热性高的薄膜型电子源。本发明的第3课题在于提供一种可靠性高的薄膜型电子源应用设备。本发明的第4课题在于，提供一种耐热性高的薄膜型电子源应用设备。
发明者发现，在包括衬底、在上述衬底的一个主表面一侧形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极的薄膜型电子源中，通过使上部电极的基础材料结构均衡化，能够防止上部电极表面的低电阻层的断线。
本发明的课题例如通过具有下述结构的薄膜电子源而被解决，其特征在于：
(1)：在包括衬底、在上述衬底的一个主表面一侧形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极的薄膜电子源中，上述上部电极为第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的层积结构，上述第1基础层以IrO2或RuO2作为主要构成材料，上述第2基础层以Ir或Ru作为主要构成材料，上述中间层以从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种作为主要构成材料，上述表面层以从Au、Ag的组中选择的一种作为主要构成材料。
另外，优选地，绝缘层以Al2O3或TiO2作为主要构成材料。
(2)：在包括衬底、在上述衬底的一个主表面一侧形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极的薄膜电子源中，上述上部电极为第1基础层、第2基础层、第1中间层、第2中间层、表面层的层积结构，上述第1基础层以IrO2或RuO2作为主要构成材料，上述第2基础层以Ir或Ru作为主要构成材料，上述第1中间层以从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种作为主要构成材料，上述第2中间层以Pt作为主要构成材料，上述表面层以从Au、Ag的组中选择的一种作为主要构成材料。
另外，优选地，绝缘层以Al2O3或TiO2作为主要构成材料。
根据本发明，能够提供可靠性高的薄膜电子源。另外，能够提供耐热性高的薄膜电子源。另外，能够提供可靠性高的薄膜电子源应用设备。还能够提供耐热性高的薄膜电子源应用设备。
附图说明
图1为本发明第1实施例的薄膜电子源的剖面图。
图2为薄膜电子源的工作原理。
图3为在使用纯Pt作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的中间层的情况下，在表面层形成的晶界沟的深度与热处理温度的关系的图。
图4为在使用PtIr作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的中间层的情况下，在表面层形成的晶界沟的深度与热处理温度的关系的图。
图5为在使用PtRu作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的中间层的情况下，在表面层形成的晶界沟的深度与热处理温度的关系的图。
图6为在使用PtRh作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的中间层的情况下，在表面层形成的晶界沟的深度与热处理温度的关系的图。
图7为使用IrO2作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的第1基础层的情况下的剥离强度的效果的图。
具体实施方式
实施例1
以下，通过图示的实施例，详细地说明本发明的实施方式。
首先，在图1中，示出了作为本发明的第1实施例的薄膜电子源的剖面结构。这里，作为薄膜型电子源的一个例子，对金属-绝缘体-金属型的薄膜型电子源进行说明。首先，在衬底110上形成由金属膜构成的下部电极111。下部电极111的材料例如以Al、Al合金、Ti、Ti合金等作为主要构成材料。然后，以光致抗蚀剂对构成下部电极111上的电子发射部分的部分进行掩模，并有选择地对下部电极111的电子发射部分以外的部分进行厚阳极氧化，形成以Al2O3或TiO2为主要构成材料的保护绝缘层112和114。该保护绝缘层114限制或规定电子发射部分，同时具有防止在下部电极111的边缘上集中电场的作用。在利用阳极氧化形成了保护绝缘层114之后，除去抗蚀剂膜，以使下部电极的表面部分地露出，再次以下部电极111作为阳极，对电子发射部分进行阳极氧化。接下来，形成用于总线电极布线的膜。这里，作为基本结构，示出了像特开2005-235781号公报所记载地那样的、形成了与上部电极113直接接触的总线电极布线的下层115和供电部总线电极布线的上层116的2级结构的总线电极布线的结构。
接着，用溅射法形成用于上部电极113的膜。这里，形成了从上述绝缘层一侧开始按顺序层积了分别作为第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的IrO2、Ir、Pt合金和Au的多层膜，各个的膜厚可以分别为例如0.4nm、0.4nm、1.2nm、1.2nm，合计为3～4nm；但也可以是除此以外的纳米级规模的厚度的组合。电子发射部分的尺寸例如为50μm。在图1中，构成这种上部电极的4层金属膜还作为金属层213形成在总线电极布线的上层116的表面上，以有助于总线电极布线的低电阻化。
其次，说明本实施例的效果。本实施例的一个效果是，中间层不仅仅使用纯Pt，而是使用PtIr、PtRu、PtRh这样的合金，据此，使在热处理时在表面层(Au)的晶界上形成的沟(称为晶界沟)保持浅的深度，以防止断线。晶界沟深度与热处理温度间的关系如图3～图6所示。图3是Ir2原子层-Pt6原子层-Au6原子层(111)取向的沟深度的分析结果。图4是Ir2原子层-PtIr6原子层-Au6原子层(111)取向的沟深度的分析结果。图5是Ir2原子层-PtRu6原子层-Au6原子层(111)取向的沟深度的分析结果。图6是Ir2原子层-PtRh6原子层-Au6原子层(111)取向的沟深度的分析结果。由图3～图6中的任意一个图可知，当温度变高、表面层(Au)的沟变深时，不久中间层Pt的合金就会从表面显现。即，表面层(Au)会断线。图3是不是用Pt合金而是用纯Pt作为上述中间层时的结果。图4是使用PtIr作为中间层时的结果，图5是使用PtRu作为中间层的结果，图6是使用PtRh作为中间层的结果。从这些图中可知，曲线图的直线的弯折可以解释为激活能量的变化、即膜结构的变化。正好在该温度附近，中间层开始从表面显现，表面层(Au)断线。从这些图中可知，当使用纯Pt的中间层时，在325℃附近断线；而当使用PtIr、PrRu、PrRh的中间层时，直到400℃附近也不断线。也就是说，虽然与表面层(Au)的厚度有关，但在形成表面层(Au)的工序之后，在325℃以上进行热处理时，与使用纯Pt的情况相比，使用PtIr、PtRu、PtRh的中间层时的断线概率变小。另外，虽然表面层(Au)的膜厚为1.2nm，但由于进行热处理而再排列，所以当达到大约1nm的沟时中间层开始从表面显现，出现断线。
作为本发明的另一个效果，中间层不是仅使用纯Pt，而是使用PtIr、PtRu、PtRh这样的合金，据此能够抑制电子发射时的表面层(Au)的原子扩散，使电子发射分布稳定。
当作为该中间层的基础的第2基础层/第1基础层的组合为Ir/IrO2或Ru/RuO2时，与绝缘层的紧贴性更加良好，与没有诸如IrO2或RuO2之类的第1基础层、即仅有第2基础层时的情况比，剥离强度为2倍以上。图7是该IrO2的第1基础层的效果例的一部分。RuO2的效果也相同。
另外，对于中间层，与以从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种作为主要构成材料的一层结构相比，由以从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择一种作为主要构成材料的第1中间层、与该第1中间层相接触并以Pt作为主要构成材料的第2中间层所形成的二层结构的中间层的电阻变低，因此更加优选。
Claims (10)
1.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、上述衬底的一个主表面一侧上形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极，
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的结构，上述第1基础层的构成材料为IrO2或RuO2，上述第2基础层的构成材料为Ir或Ru，上述中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
2.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、上述衬底的一个主表面一侧上形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极，
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的结构，上述下部电极的构成材料为Al，上述绝缘层的构成材料为Al2O3，上述第1基础层的构成材料为IrO2或RuO2，上述第2基础层的构成材料为Ir或Ru，上述中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
3.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、在上述衬底的一个主表面一侧形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极；
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、第1中间层、第2中间层、表面层的结构，上述下部电极的构成材料为Al，上述绝缘层的构成材料为Al2O3，上述第1基础层的构成材料为IrO2或RuO2，上述第2基础层的构成材料为Ir或Ru，上述第1中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述第2中间层的构成材料为Pt，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
4.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、上述衬底的一个主表面一侧上形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极，
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的结构，上述下部电极的构成材料为Ti，上述绝缘层的构成材料为TiO2，上述第1基础层的构成材料为IrO2或RuO2，上述第2基础层的构成材料为Ir或Ru，上述中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
5.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、上述衬底的一个主表面一侧上形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极，
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、第1中间层、第2中间层、表面层的结构，上述下部电极的构成材料为Ti，上述绝缘层的构成材料为TiO2，上述第1基础层的构成材料为IrO2或RuO2，上述第2基础层的构成材料为Ir或Ru，上述第1中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述第2中间层的构成材料为Pt，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
6.一种薄膜型电子源，其特征在于：
包括衬底、上述衬底的一个主表面一侧上形成的下部电极、与上述下部电极相接触地形成的绝缘层、以及与上述绝缘层相接触地形成的上部电极，
上述上部电极是从上述绝缘层侧层积基础层、第1中间层、第2中间层、表面层的结构，上述下部电极的构成材料为Ti，上述绝缘层的构成材料为TiO2，上述基础层的构成材料为Ir或Ru，上述第1中间层的构成材料为从PtIr、PtRu、PtRh的组中选择的一种，上述第2中间层的构成材料为Pt，上述表面层的构成材料为从Au、Ag的组中选择的一种。
7.一种薄膜型电子源应用设备，其特征在于：具有将多个根据权利要求1～6的任一项所述的薄膜型电子源排列形成的薄膜型电子源排列衬底，作为电子源。
8.一种薄膜型电子源的制造方法，其特征在于包括：
在衬底的一个主表面一侧上形成下部电极的工序、与上述下部电极相接触地形成绝缘层的工序、和与上述绝缘层相接触地形成上部电极的工序，
上述形成上部电极的工序具有从上述绝缘层侧开始层积第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的工序，上述形成下部电极的工序是形成以Al作为构成材料的膜的工序，上述形成绝缘层的工序是氧化上述下部电极的工序，形成上述第1基础层的工序是形成以IrO2或RuO2作为构成材料的膜的工序，形成上述第2基础层的工序是形成以Ir或Ru作为构成材料的膜的工序，形成上述中间层的工序是利用溅射靶、以从PtIr、PtRu、PrRh的组中选择的一种作为构成材料溅射成膜的工序，形成上述表面层的工序是利用溅射靶、以从Au或Ag中选择的一种作为构成材料溅射成膜的工序。
9.一种薄膜型电子源的制造方法，其特征在于包括：
在衬底的一个主表面一侧形成下部电极的工序、与上述下部电极相接触地形成绝缘层的工序、以及与上述绝缘层相接触地形成上部电极的工序，
上述形成上部电极的工序具有从上述绝缘层侧层积第1基础层、第2基础层、中间层、表面层的工序，上述形成下部电极的工序是形成以Ti作为构成材料的膜的工序，形成上述绝缘层的工序是氧化上述下部电极的工序，形成上述第1基础层的工序是形成以IrO2或RuO2作为构成材料的膜的工序，形成上述第2基础层的工序是形成以Ir或Ru作为构成材料的膜的工序，形成上述中间层的工序是利用溅射靶、以从PtIr、PtRu、PrRh的组中选择的一种作为构成材料溅射成膜的工序，形成上述表面层的工序是利用溅射靶、以从Au或Ag中选择的一种作为构成材料溅射成膜的工序。
10.根据权利要求8或9所述的薄膜型电子源的制造方法，其特征在于：在形成上述表面层的工序后，进行325℃以上的热处理。
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