CN101866799A - 电子束装置和使用电子束装置的图像显示装置 - Google Patents

电子束装置和使用电子束装置的图像显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子束装置和使用电子束装置的图像显示装置。所提供的电子束装置具有电子发射器件，所述电子发射器件具有简单的配置、展现出高的电子发射效率、操作稳定并且其中有效会聚发射的电子。电子束装置包括：绝缘部件，在其表面上具有凹口；栅极，位于所述绝缘部件的表面上；至少一个阴极，具有从所述凹口的边缘向所述栅极突起的突起部分，并且位于所述绝缘部件的表面上使得所述突起部分与所述栅极相对；和阳极，被布置为经由所述栅极与所述突起部分相对，其中，在所述绝缘部件的表面上形成所述栅极，使得至少与所述阴极相对的区域的一部分向外突出，并且设置其中所述栅极的端部凹陷并且夹着突出区域的凹陷部分。

Description

电子束装置和使用电子束装置的图像显示装置
技术领域
本发明涉及用于平板显示器中的具有发射电子的电子发射器件的电子束装置。
背景技术
在相关技术中，已知从阴极发射的大量电子在它们散射并和与阴极相对的栅极碰撞之后被提取的电子发射器件。作为以这种方式发射电子的器件，表面传导型电子发射器件和层叠电子发射器件是已知的。例如，日本专利申请公开No.2000-251643描述了电子发射部分的间隙为5nm或更小的高效率电子发射器件。并且，日本专利申请公开No.2001-229809描述了层叠电子发射器件，其中，用于实现高电子发射效率的条件被表达为栅极材料厚度、驱动电压和绝缘层厚度的函数。并且，日本专利申请公开No.2001-167693描述了具有给电子发射部分近旁的绝缘层设置凹口(notch)(凹陷(recess))的配置的层叠电子发射器件。
但是，在上述的专利文件中描述的电子发射器件可能要求进一步改善电子发射效率以及对于电子束形状的控制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电子束装置，所述电子束装置具有电子发射器件，所述电子发射器件具有简单的配置、表现出高的电子发射效率、操作稳定并且在对于电子束形状的控制方面优异。本发明的另一目的是提供一种使用这种电子束装置的图像显示装置。
根据本发明的一个方面，提供一种电子束装置，所述电子束装置包括：在其表面上具有凹口的绝缘部件；位于绝缘部件的表面上的栅极；具有从凹口的边缘向栅极突起的突起部分、并且位于绝缘部件的表面上使得突起部分与栅极相对的至少一个阴极；和被布置为经由栅极与突起部分相对的阳极，其中，在绝缘部件的表面上形成栅极，使得至少与阴极相对的区域的一部分向外突出，并且设置其中栅极的端部凹陷并且夹着(interpose)突出区域的凹陷部分。
根据本发明的另一方面，提供一种图像显示装置，所述图像显示装置包括：如本发明的以上方面中描述的电子束装置；和位于阳极外侧的发光部件。
根据本发明的各方面，由于对于栅极设置凹陷部分，因此与栅极的底表面碰撞的发射电子的数量可减少，并由此可增大电子发射效率。因此，使用本发明的电子束装置的图像显示装置可实现高质量图像的稳定显示。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1A是示意性示出根据本发明实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的透视图。
图1B是图1A中所示的电子发射器件的示意性平面图。
图1C是沿图1B中的线1C-1C获取的电子发射器件的示意性截面图。
图1D是沿图1B中的线1D-1D获取的电子发射器件的示意性截面图。
图2A是示意性示出根据本发明另一实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的透视图。
图2B是图2A中所示的电子发射器件的示意性平面图。
图2C是沿图2B中的线2C-2C获取的电子发射器件的示意性截面图。
图3A是示出具有不对于其栅极设置凹陷部分的配置的电子发射器件中的发射电子轨迹的示意图。
图3B是示出图1A中所示的电子发射器件中的发射电子轨迹的示意图。
图4是表示凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图5是示出平行平板电极之间的电子的平均自由程(mean freepath)的示意图。
图6是阴极和栅极之间的间隙的附近的放大示意图。
图7是示出根据本发明实施例的电子束装置的电子发射器件的另一示例性配置的透视图。
图8A、图8B、图8C、图8D、图8E、图8F和图8G是示出根据本发明实施例的电子发射器件的制造工艺的示图。
图9是示出用于测量根据本发明实施例的电子束装置的电子发射特性的配置的示意图。
图10是表示根据本发明例子的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图11是表示根据本发明例子的对于各驱动电压Vf的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图12是表示通过模拟获得的对于各驱动电压Vf的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图13是表示通过模拟获得的对于各凹口高度T2的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图14是表示通过模拟获得的对于阴极的各功函数Wf的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图15是表示通过模拟获得的对于各栅极高度T1的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图16是表示通过模拟获得的对于绝缘层的各高度T3的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图17是表示通过模拟获得的对于各阴极间距离T7的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图18是表示通过模拟获得的对于各阳极施加电压Va的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图19是表示通过模拟获得的栅极的突出区域从与阴极相对的区域突起的部分的长度T12和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图20是示出根据本发明实施例的电子束装置的电子发射器件的另一示例性配置的透视图。
图21是表示通过模拟获得的对于第一绝缘层的凹陷侧表面的各高度T11的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的曲线图。
图22是表示凹陷距离的饱和量Lsat和驱动电压Vf之间的关系的曲线图，其中，示出从模拟获得的计算结果和从表达式获得的值用于比较。
图23是表示凹陷距离的饱和量Lsat和凹口的高度T2之间的关系的曲线图，其中，示出从模拟获得的计算结果和从表达式获得的值用于比较。
图24是表示凹陷距离的饱和量Lsat和功函数Wf之间的关系的曲线图，其中，示出从模拟获得的计算结果和从表达式获得的值用于比较。
图25A、图25B和图25C是示出根据本发明实施例的电子束装置的电子发射器件的另一示例性配置的示意图。
图26是示意性示出作为根据本发明实施例的图像显示装置的例子的显示板的配置的透视图。
图27A是示意性示出根据本发明另一实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的透视图。
图27B是图27A中所示的电子发射器件的示意性平面图。
图27C是沿图27B中的线27C-27C获取的电子发射器件的示意性截面图。
图27D是沿图27B中的线27D-27D获取的电子发射器件的示意性截面图。
图28A是示意性示出根据本发明另一实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的透视图。
图28B是图28A中所示的电子发射器件的示意性截面图。
图29A是示出栅极既未设置有凹陷部分又未设置有控制电极的配置中的电子轨迹的示意图。
图29B是示出沿图27B中的线29B-29B获取的截面上的电子轨迹的示意图。
图30是表示根据本发明实施例的凹陷部分的凹陷距离T8和电子束尺寸之间的关系的曲线图。
图31是表示栅极的突出区域的宽度T5和电子束尺寸之间的关系的曲线图。
图32是图29B中所示的栅极端部附近的部分放大图。
图33A是表示根据本发明实施例的电子束装置中的Va、Vf和电子束尺寸之间的关系的曲线图。
图33B是表示归一化为T5＝100μm的情况的图33A的关系的曲线图。
图34A是示意性示出根据本发明另一实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的透视图。
图34B是图34A中所示的电子发射器件的示意性平面图。
图34C是沿图34B中的线34C-34C获取的电子发射器件的示意性截面图。
图34D是沿图34B中的线34D-34D获取的电子发射器件的示意性截面图。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的示例性实施例。注意，特别是在没有进行特定描述的情况下，本发明的范围不限于在该实施例中描述的构成部分的尺寸、品质、形状、相对布置等。
一般配置
第一实施例
本实施例的电子束装置包含发射电子的电子发射器件、和从电子发射器件发射的电子到达的阳极。
图1A至1D是示出根据本发明第一实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的示意图。具体地，图1A是透视图，图1B是平面图，图1C是沿图1B中的线1C-1C获取的截面图，图1D是沿图1B中的线1D-1D获取的截面图。
在图1A至1D中，电子发射器件包含基板1、电极2、和作为绝缘层3a和3b的层叠结构的绝缘部件3。电子发射器件还包含栅极5和阴极6。阴极6与电极2电连接。参照图1C，栅极5具有侧表面5a和暴露于凹口7的底表面5b。在本实施例中，凹口7是绝缘部件3中的凹口，并且在本例子中被形成为使得绝缘层3b的侧表面比绝缘层3a的侧表面更向内侧凹陷。限定了间隙8，所述间隙8是阴极6的端部和栅极5的底表面5b之间的最短距离，并且在所述间隙8中形成电子发射所需的电场。
在根据本实施例的电子发射器件中，如图1A至1D所示，在绝缘部件3的表面(在本例子中，上表面)上形成栅极5。另一方面，还在绝缘部件3的表面(在本例子中，侧表面)上形成阴极6。阴极6具有被设置在夹着凹口7与栅极5相对的一侧上以从凹口7的边缘向着栅极5突起的突起部分。因此，阴极6经由间隙8在突起部分处与栅极5相对。在本实施例中，阴极6被维持在比栅极5低的电位。虽然在图1A至1D中没有示出，但电子发射器件具有阳极，所述阳极被设置在经由栅极5与阴极6相对的位置处，并且，所述阳极被维持在比栅极5和阴极6高的电位。在使用本实施例的电子束装置的图像显示装置中，发光部件被布置在阳极外侧，其与电子发射器件所处的侧相对。
在本实施例中，在一个器件中形成至少一个阴极6，并且，优选地，如后面描述的那样设置两个或更多个阴极。在本例子中，示出设置两个阴极的情况。
在绝缘部件3的表面上形成栅极5，使得至少与阴极6相对的区域的一部分向外突出，并且，设置用作其中栅极5的两端凹陷并且夹着突出区域12的凹陷部分9的凸/凹形状端部。也就是说，与凸/凹形状的凸起部分对应的突出区域12的端部与阴极6相对，并且，与凹进部分对应的区域是凹陷部分9。当设置多个阴极6时，栅极5如图1B所示的那样具有梳齿状形状。在本例子中，示出被凹陷部分9夹着的栅极5的突出区域12的宽度T5与阴极6的宽度T4相同的情况。
在图1A至1D所示的电子发射器件中，虽然与栅极5的凹陷部分9对应的绝缘部件3的侧表面没有以与凹陷部分9相同的方式向内凹陷，但本发明不限于此。例如，如图2A至2C所示，与凹陷部分9对应的绝缘部件3的部分(其与凹陷部分9重叠)可被形成为使得其侧表面以与凹陷部分9相同的方式向内凹陷。并且，如图20所示，仅绝缘部件3的一部分(在图20中，在绝缘层3b和3a的上方)可被形成为使得其端部以与凹陷部分9相同的方式向内凹陷。图2A和图20分别是本发明的实施例的透视图，图2B是图2A的平面图，图2C是沿图2B中的线2C-2C获取的截面图。
在本发明中，电子发射器件的各部件的长度按照如下定义。
T1：栅极5沿栅极5和绝缘部件3的层叠(或厚度)方向(Z方向)的高度
T2：绝缘部件3的凹口7沿栅极5和绝缘部件3的层叠方向(Z方向)的高度(即，绝缘层3b的高度)
T3：沿栅极5和绝缘部件3的层叠方向(Z方向)的绝缘部件3的凹口7的接近阴极6的边缘和基板1之间的距离(即，绝缘层3a的高度)
T4：阴极6的宽度(即，阴极6沿与栅极5和阴极6的相对边缘平行的方向(Y方向)的长度)
T5：栅极5的突出区域12的宽度(即，突出区域12沿与栅极5和阴极6的相对边缘平行的方向(Y方向)的长度)
T6：凹口7的深度(即，凹口7中的绝缘层3b的侧表面和绝缘层3a及栅极5的侧表面之间的距离(X方向长度))
T7：设置多个阴极6的情况下的阴极6之间的距离
T8：凹陷部分9的凹陷距离(即，栅极5的与阴极6相对的侧表面与凹陷部分9的侧表面(其位于最凹陷的位置处)之间的距离或栅极5的突出区域12的X方向长度)
T13：阴极6的端部和栅极5之间的最短距离
凹陷部分9的效果
将给出对本发明中的凹陷部分9的效果的描述。图3A示出具有如下配置的器件中阴极6和栅极5的相对部分的从电极2侧观看的放大示意图，所述配置是：不设置凹陷部分9，并且栅极5比阴极6宽(T4＜T5)。图3B示出图1A所示的器件的相应示图。
如图3A所示，当不设置凹陷部分9并且在栅极5的与阴极6相对的区域中栅极5比阴极6宽时，如图中的虚线所示，从阴极6的宽度方向(widthwise)端部附近发射的电子在栅极5的底表面5b处各向同性地散射。散射电子中的一些与栅极5再次碰撞，由此重复散射。
另一方面，根据本实施例，如图3B所示，由于在栅极5的与阴极6相对的区域的两侧形成凹陷部分9并由此在凹陷部分9中不存在栅极5，因此，散射并与栅极5的底表面5b碰撞的电子的数量变得比图3A的配置中的少。因此，在本配置中，经由凹陷部分9向阳极行进的电子的数量将增加，并由此改善发射电子的电子发射效率。
凹陷距离T8
由于凹陷距离越大则电子碰撞的区域将减小，因此，凹陷部分9的凹陷距离T8显然有助于改善电子发射效率。但是，从减少在栅极5中形成凹陷部分9的工艺的节拍(tact)时间的观点看，较小的凹陷距离是有利的。在图4中图示了栅极5的凹陷部分9的凹陷距离T8和电子发射效率之间的关系的模拟计算结果。
在图4中，水平轴代表凹陷部分9的凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图4可以看出，随着栅极5的凹陷距离T8增大，电子发射效率增大；但是，它在一定的值或更高处达到其饱和点。这意味着可通过设置具有增加到一定程度的宽度的凹陷部分9来减少行进直到凹陷部分9的电子的数量。因此，凹陷距离T8的进一步的增大可能对于电子发射效率的改善不具有任何效果。
这里，电子发射效率的增大饱和的凹陷距离T8的最小值被称为Lsat，并且将讨论Lsat的表达式。
首先，考虑不设置凹陷部分9(T8＝0)的情况，从阴极6发射的电子中的一些将散射并与栅极5的底表面5b碰撞，并且行进穿过凹口7。如果假定通过跨过(across)平行平板电极的驱动电压Vf产生的电场是均匀的，那么此时的电子的平均自由程可被如下导出。
首先，如图5所示，形成上电极膜，使得分别向在XY平面上分开距离h的两个电极21和22施加V＝0[V]和V＝Vf[V]的电位。这里，考虑从V＝0[V]的电极21被偏移功函数Wf[eV]的位置处已被发射并且已与V＝Vf[V]的电极22碰撞的散射电子的行进距离。如果假定一个电子的电荷量为e[C]，一个电子的质量是m[kg]，一个电子的动能是K[kg·m2/s2]，电场强度为E[V/m]，电子的速度大小为v[m/s]，电子的加速度为a[m/s2]，电子的x方向速度为vx[m/s]，电子的y方向速度为vy[m/s]，并且通过电压Vf加速一个电子时的能量为EVf[eV]＝e×Vf，那么获得以下的表达式。
K＝(1/2)×m×v2   ...(1)
ma＝eE            ...(2)
从表达式(1)和(2)，获得以下的表达式。
v＝(2K/m)1/2      ...(3)
a＝eE/m           ...(4)
并且，时间t上的y方向位移和x方向位移可分别由以下的表达式来表达。
y(t)＝vy×t+(1/2)×a×t2  ...(5)
x(t)＝vx×t               ...(6)
从表达式(5)，y(t)变为0的时间被如下计算。
t＝-2×(vy/a)             ...(7)
当表达式(7)被代入表达式(6)中时，获得以下的表达式。
x＝-2×vx×(vy/a)...(8)
在表达式(8)中，当vx＝v/21/2且vy＝-v/21/2时，x变为最大值。因此，获得以下的表达式。
x＝v×(v/a)＝(2×K/m)/(eE/m)＝2K/(e×E)
...(9)
这里，当用E＝Vf/h和K＝EVf-Wf替换E和K时，获得以下的表达式。
x＝2×h×{1-(Wf/EVf)}...(10)
当设置凹陷部分9时，电场变得较弱，因此电子能够行进得更远。设置凹陷部分9以弱化电场的效果的量被视为系数α时的平均行进距离被如下计算。
x′＝α×x＝2α×h×{1-(Wf/EVf)}...(11)
在表达式(11)中，h与绝缘层3b的高度T2对应，并且已从研究的结果确认α的合理值约为3。因此，凹陷距离T8的饱和量Lsat可被如下表达。
Lsat＝6×T2×{1-(Wf/EVf)}...(12)
也就是说，为了获得足够的增大电子发射效率的效果，优选满足表达式T8≥6×T2×{1-(Wf/EVf)}。
T4和T5
在以上的描述中，已描述了阴极6的宽度T4与栅极5的突出区域12的宽度T5相同的配置。但是，从凹陷部分9的效果明显可见，即使在T4＞T5的情况下也可获得增大电子发射效率的效果。
但是，在T5＞T4的情况下，由于栅极5具有比阴极6宽的宽度，因此从阴极6发射的电子将在到达栅极5的凹陷部分9之前被重复散射。因此，认为难以获得增大电子发射效率的效果。
从以上的讨论，为了获得增大电子发射效率的效果，如果假定图1C所示的间隙8的最短距离为T13、并且图6所示的栅极5的突出区域12从与阴极6相对的区域突起的部分的长度为T12，那么优选满足表达式T12＜T13。
在上述的图中，虽然对于栅极5或绝缘部件3设置凹陷部分9时的角被示为垂直的角，但所述角可如图7所示的那样被配置为圆角(rounded corners)(R部分)10。在如图7所示的这种配置中，电子发射效率的增大饱和的最小凹陷距离T8也由上述的表达式(12)表达。
也就是说，在图7中位于最凹陷位置处的栅极5的侧壁处的凹陷距离T8′优选满足表达式T8′≥6×T2×{1-(Wf/EVf)}。
第二实施例
图27A至27D是示出根据本发明第二实施例的电子束装置的电子发射器件的配置的示意图。具体地，图27A是透视图，图27B是平面图，图27C是沿图27B中的线27C-27C获取的截面图，图27D是沿图27B中的线27D-27D获取的截面图。
在本实施例中，暴露于凹陷部分9的即与后面描述的阳极11相对的绝缘部件3的表面被凹陷为至少达到凹口7的阴极侧边缘。也就是说，当绝缘部件3是绝缘层3a和3b的层叠结构时，在凹陷部分9中去除绝缘层3b，使得暴露出绝缘层3a。虽然本实施例示出在具有未被去除的绝缘层3a的一部分的同时使绝缘部件3的表面凹陷的配置，但是，也可以如图28A所示的那样去除暴露于凹陷部分9的绝缘部件3的整个部分。图28A是本实施例的透视图，其顶视平面图与图27B相同。图28B是图28A的截面图，该截面图与沿图27B中的线27D-27D获取的截面对应。
在本实施例中，在暴露于凹陷部分9的区域(在本例子中，去除了绝缘层3a的一部分的表面)中设置控制电极13。虽然控制电极13可被形成为与阴极6电隔离使得电位可被独立控制，但控制电极13优选如图27A和图28A所示的那样被形成为与阴极6连续以使得制造工艺简单和容易。
在本实施例中，电子发射器件的各部件的长度如上面描述的那样被定义，并且，T9和h被如下定义。
T9：绝缘部件3的凹口7的接近阴极6的边缘与控制电极13的表面之间的距离
h：绝缘部件3的与设置栅极的一侧相对的表面和阳极之间的距离(即，基板1和阳极之间的距离)。这里，应当注意，本实施例中的h与图9示出的H相等。
对于凹陷部分9设置控制电极13的效果
图29B示出沿图27B中的线29B-29B获取的截面上的电子轨迹。图29A示出不给栅极5设置凹陷部分9并且不设置控制电极13的配置中的电子轨迹。在图29A和图29B中，沿水平方向延伸的实线代表具有相等电位的线，沿图中的垂直方向的虚线代表电子轨迹。并且，阳极由附图标记11表示。
如图29A所示，在既不设置凹陷部分9也不设置控制电极13的配置中，电位很少沿Y方向改变。因此，当从与YZ平面垂直的X方向观察电子轨迹时，由于只有阳极11和平行电场的影响，因此电子将如图29A所示的那样沿抛物线轨迹行进。
相反，如图29B所示，当对于栅极5设置凹陷部分9并且对于凹陷部分9设置控制电极13时，由于存在控制电极13和栅极5，因此沿Y方向具有相等电位的线畸变。因此，电子将沿如虚线所示的轨迹行进。也就是说，抑制了电子束沿Y方向展开，由此出现会聚效果。
虽然当取凹陷部分9的较大的凹陷距离T8时可望较大的会聚效果，但是，从减少节拍时间的观点看，较小的凹陷距离T8是有利的。
在图30中图示了凹陷部分9的凹陷距离T8和沿Y方向的电子束的尺寸之间的关系。图30表示从被凹陷部分9夹着的一个位置发射电子的情况。
在图30中，水平轴代表栅极5的凹陷部分9的凹陷距离T8，垂直轴代表电子到达阳极11时的沿Y方向的电子束的尺寸。从图30可以看出，随着栅极5的凹陷部分9的凹陷距离T8增大，沿Y方向的电子束的尺寸减小；但是，它在一定的值或更大处达到其饱和点。这意味着可通过设置具有增大到一定程度的宽度的凹陷部分9来减少行进直到凹陷部分9的电子的数量。因此，凹陷距离T8的进一步的增大不会有助于沿Y方向的电子束的尺寸的减小。
T5
在图27A的配置中，当栅极5的突出区域12的宽度T5减小时，通过控制电极13和栅极5之间的电位差产生的电场的影响变得较强。因此，可望改善电子束的会聚效果。
将参照图29B和图32给出对该效果的描述。图32是图29B的图中的栅极5的左端部附近的放大示意图。根据本实施例，如图29B和图32所示，由于在(1)栅极5和控制电极13之间的电位差Vc与(2)阳极11和阴极6之间的电位差Va之间的关系，因此具有相等电位的曲线畸变。因此，V＝Vc的具有相等电位的线以距离xs被拉入栅极5中。xs点是这样的位置，在所述位置处，Z方向电场变为0，并且，由电位差Vc(1)导致的电场和由电位差Va(2)导致的电场处于平衡的状态。电位Vc的拉入(pull)程度取决于Vc、Va、h等而改变，并且可被如下表达。
xs＝(Vc/Va)×(h/π)
这里，π是圆周率(circular constant)。当T5相对于xs为小时，可望增大电子束的会聚效果。
观察到当T5减小时，随着T5变得小于一定的值，沿Y方向的电子束的尺寸减小。在图31中图示了该趋势。在图31中，水平轴是T5/xs。从图31可以看出，在T5/xs＜5处出现沿Y方向的电子束的尺寸的会聚效果。
也就是说，在本实施例中，需要满足以下的表达式。
T5＜5×(Vc/Va)×(h/π)
Vf≥Vc
还观察到在T5＝100μm的情况下，沿Y方向的电子束的尺寸约为300μm，并且，随着T5减小到9μm、5μm和3μm等，沿Y方向的电子束的尺寸示出逐渐的减小。
在图9中，当施加的电压Va和Vf改变时，沿Y方向的电子束的尺寸也改变。在图33A和图33B中图示了Va和Vf和沿Y方向的电子束的尺寸之间的关系。
图33A表示对于Va和Vf的三种组合的沿Y方向的电子束的尺寸。但是，如图33B所示，当被归一化到T5＝100μm的情况的尺寸时，沿Y方向的电子束的尺寸由一条曲线表征。在所述曲线图中，xs由以下的表达式来表达。
xs＝(Vc/Va)×(h/π)
这里，π是圆周率。
第三实施例
下面，参照图34A至34D给出对根据本发明第三实施例的电子束装置的电子发射器件的描述。
本实施例的电子发射器件具有这样的配置，即，在根据第二实施例的电子束装置的电子发射器件中，凹陷部分9和在暴露于凹陷部分9的区域中形成的控制电极13的宽度被进一步增大，使得栅极5被凹陷部分9和控制电极13包围。也就是说，在本实施例中，如图34A所示，栅极5被形成为矩形，并且，控制电极13被设置在栅极5周围。
在本实施例中，可以在一组中设置阴极6和与阴极6相对的栅极5，但是，优选以一定的距离在两个或更多个组中设置它们。图34A示出在两个组中设置阴极6和栅极5的例子。
图34A至34D示出去除暴露于凹陷部分9的绝缘部件3的整个部分的配置，但是，如图1A所示，绝缘层3b可被部分地去除。该配置中的凹陷部分9和控制电极13的效果与第二实施例的相同。但是，如果假定在与阳极11相对的栅极表面(XY平面)上栅极5沿与栅极5的与阴极6相对的边缘垂直的方向(X方向)的长度为T5x[m]，那么需要满足以下的表达式。
T5＜5×(Vf/Va)×(h/π)
T5x＜5×(Vf/Va)×(h/π)
Vf≥Vc
由于栅极5需要处于与控制电极13和阴极6电隔离的状态，因此，如图34C所示，在绝缘部件3中形成接触孔并在其中填充导电部件15，使得可通过导电部件15通过在基板1上形成的布线将栅极5的电位提取到器件外面。
制造方法
参照图8A和图8B给出对根据本发明实施例的电子发射器件的制造方法的描述。
图8A和图8B是示出图1C所示的电子发射器件的制造工艺序列的示意图。
基板1是用于机械支撑器件的绝缘基板，并且，例如，可以是石英玻璃、具有减少的诸如Na的杂质的含量的玻璃、钠钙玻璃(soda limeglass)和硅基板。
首先，如图8A所示，在基板1上，层叠用作绝缘层3a的绝缘层23、用作绝缘层3b的绝缘层24、和用作栅极5的导电层25。绝缘层23和24是由诸如SiN(SixNy)或SiO2的具有优异的可加工性的材料制成的绝缘膜，并可通过诸如溅射方法、CVD方法、真空蒸发方法等的一般真空成膜方法形成。在5nm至50μm的范围中设置并且优选在20nm至500nm的范围中选择绝缘层23和24的厚度。在这种情况下，由于需要在层叠绝缘层23和24之后形成凹口7，因此应当保证绝缘层23和24具有不同的蚀刻速率。绝缘层23对于绝缘层24的选择比优选被设为10或更大，并且更优选被设为50或更大。具体地，例如，SixNy被用于绝缘层23，并且，诸如SiO2的绝缘材料被用于绝缘层24。作为替代方案，例如，绝缘层24可由具有高的磷浓度的PSG和具有高的硼浓度的BSG制成。
导电层25由诸如蒸发方法或溅射方法的一般真空成膜技术形成。导电层25优选由具有导电性、高的热导率和高的熔点的材料形成。
在5nm至500nm的范围中设置并且优选在20nm至500nm的范围中选择导电层25的厚度。
随后，通过光刻技术在导电层25上形成抗蚀剂图案，之后，使用蚀刻方法依次处理导电层25、绝缘层24和绝缘层23。以此方式，如图8B所示，获得栅极5和由绝缘层3b和绝缘层3a构成的绝缘部件3。
随后，如图8C所示，使用蚀刻方法仅部分去除层叠结构的一个侧表面中的绝缘层3b的侧表面，由此形成凹口7。
例如，如果绝缘层3b由SiO2形成，那么蚀刻方法可使用典型地被称为缓冲氢氟酸(BHF)的氟化铵和氢氟酸的混合溶液。并且，如果绝缘层3b由SixNy形成，那么蚀刻方法可使用基于热磷酸的蚀刻溶液。
凹口7的深度，即凹口7中的绝缘层3b的侧表面与绝缘层3a和栅极5的侧表面之间的距离(图1A中的T6)，强烈地与可在形成器件之后出现的泄漏电流相关。凹口7的深度越深，那么泄漏电流越小。但是，由于极深的凹口7可引起诸如栅极5变形的问题，因此凹口7被形成到约30nm至200nm的深度。
虽然本实施例将绝缘部件3示为绝缘层3a和3b的层叠结构，但本发明不限于此，并且，可通过进一步去除绝缘层的一部分来形成凹口7。
随后，为了形成凹陷部分9，在栅极5上形成抗蚀剂图案。具体地，使用蚀刻方法对栅极5和绝缘层3b以及必要时绝缘层3a依次处理，由此在栅极5中形成凹陷部分9，并且，去除绝缘部件3的不必要的部分。
随后，如图8D所示，在栅极5的表面上形成剥离层(delaminationlayer)20。形成剥离层20的目的是要从栅极5剥离在后面的工艺中沉积的阴极材料26。出于这种原因，例如，通过将栅极5氧化以在其上形成氧化物膜或通过电镀向其沉积剥离金属的方法来形成剥离层20。
这里，在第二实施例和第三实施例中，在暴露于凹陷部分9的绝缘层3的表面上形成控制电极13的构成材料膜，并且对该表面进行构图。在5nm至500nm的范围中设置并且优选在20nm至500nm的范围中选择控制电极13的厚度。
之后，如图8E所示，对于基板1和绝缘部件3的侧表面沉积阴极材料26。此时，还对于栅极5沉积阴极材料26。
作为阴极的材料，使用具有导电性并能够发射电子的材料。这样的材料典型地具有2000℃或更高的高熔点和5eV或更低的功函数。优选的材料是很少形成诸如氧化物层的化学反应层或形成可通过简单且容易的方法去除的反应层的材料。
作为阴极材料26的沉积方法，使用诸如蒸发方法或溅射方法的一般真空成膜技术，并且，优选EB蒸发方法。
如上所述，在本发明中，为了有效提取电子，需要控制蒸发期间的角度和成膜时间以及形成阴极6时的温度和真空度，使得阴极6被制造为具有最佳的形状。
随后，如图8F所示，蚀刻掉剥离层20以去除栅极5上的阴极材料26。并且，通过光刻等对基板1和绝缘部件3的侧表面上的阴极材料26进行构图，由此形成阴极6。
随后，如图8G所示，形成电极2以实现与阴极6的导电。电极2具有与阴极6类似的导电性，并且，由诸如蒸发方法或溅射方法的一般真空成膜技术和光刻技术形成。
在50nm至5mm的范围中设置并且优选在50nm至5μm的范围中选择电极2的厚度。
虽然电极2和栅极5可由相同的材料或不同的材料形成，并可通过相同的形成方法或不同的形成方法形成，但栅极5通常具有比电极2小的厚度，由此优选对于栅极5使用低电阻材料。
虽然在上述的制造方法中通过剥离层20去除栅极5上的阴极材料26，但本发明的范围也包含如图25A至25C所示的配置，其中，在栅极5上形成由阴极材料26形成的突起部分30。可通过如下方法形成这种突起部分30：在不在栅极5的与阴极6对应的区域上设置剥离层20的情况下在栅极5上沉积阴极材料26的方法，或在不设置剥离层20的情况下沉积阴极材料26并然后对阴极材料26进行构图的方法。
下面，参照图26给出对提供有电子源的图像显示装置的描述，通过布置多个根据本发明实施例的电子发射器件而获得所述电子源。图26是示出图像显示装置的显示板的例子的、部分切去的示意图。
参照图26，显示板包含被固定到后板41的电子源基板31和面板46，在所述面板46中，在玻璃基板43的内表面上形成作为用作发光部件的荧光体层的荧光膜44、作为阳极11的金属背(metal back)45等。
显示板还包含支撑框42，使用烧结玻璃(frit glass)等将后板41和面板46接合到所述支撑框42，由此形成外封壳(envelope)47。通过在400至500℃的高温范围中在空气或氮气氛中对它们烘焙10分钟或更长，实施使用烧结玻璃的接合。
如上所述，外封壳47由面板46、支撑框42和后板41构建。设置后板41的主要目的是增强电子源基板31的强度。因此，当电子源基板31自身具有足够的强度时，附加的后板41可被省略。
也就是说，支撑框42可直接与电子源基板31接合，并且，可通过面板46、支撑框42和电子源基板31构建外封壳47。另一方面，可以在面板46和后板41之间设置未被示出的并且被称为间隔件的支撑件，使得外封壳47对于空气压力具有足够的强度。
在这种图像显示装置中，考虑发射的电子的轨迹，在各电子发射器件34之上对齐(align)荧光体。
用作显示板的外封壳47通过端子Dx1至Dxm、端子Dy1至Dyn和高电压端子与外部电路连接。端子Dx1至Dxm与X方向布线32连接，并且，被供给用于在逐行的基础上(一次N个器件)顺次驱动设置在显示板内的电子源即具有m行乘n列的矩阵布线配置的电子发射器件组的扫描信号。另一方面，端子Dy1至Dyn与Y方向布线33连接，并且被供给用于控制被扫描信号选择的一行的各自电子发射器件的输出电子束的调制信号。
例如，从DC电压源Va向高电压端子供给10[kV]的DC电压，并且，该电压是用于将激发荧光体的足够能量给予从电子发射器件发射的电子束的加速电压。
如上所述，通过施加扫描信号、调制信号和对于阳极的高电压，发射的电子被加速以被照射到荧光体，由此显示图像。
当使用根据本发明实施例的电子发射器件形成图像显示装置时，可以获得整齐布置电子束形状的图像显示装置。因此，可以提供具有良好的显示质量的图像显示装置。
例子
例子1
通过图8A至8G所示的工艺来制造具有图1A至1D所示的配置的电子发射器件。
首先，使用PD 200作为基板1，所述PD 200是为了用于等离子体显示器中而开发的低钠玻璃，并且，分别使用具有500nm的厚度的SiN(SixNy)和具有30nm的厚度的SiO2通过溅射方法形成绝缘层23和24。随后，使用具有30nm的厚度的TaN通过溅射方法层叠导电层25(参见图8A)。
随后，通过光刻技术在导电层25上形成包含具有梳齿状形状的突出区域12和凹陷部分9的抗蚀剂图案，之后，使用干蚀刻方法依次处理导电层25、绝缘层24和绝缘层23。此时，以10μm的节距(pitch)处理梳齿状形状，使得凹陷距离T8为100nm，并且阴极6之间的距离T7、阴极6的宽度T4和突出区域12的宽度T5为5μm(参见图8B)。
并且，由于形成氢氟酸的材料被选择作为用于绝缘层23和24以及导电层25的材料，因此使用基于CF4的气体作为处理气体。使用该气体的RIE的结果是，绝缘层3a和3b以及栅极5的被蚀刻的侧表面相对于基板1的水平平面处于约80°的角度。
在抗蚀剂被剥离之后，通过使用BHF(其为氟化铵和氢氟酸的溶液)的蚀刻方法来蚀刻绝缘层3b的侧表面，使得深度T6约为70nm，由此，在绝缘部件3中形成凹口7(参见图8C)。
然后，通过电镀在栅极5的表面上电解析出Ni，并且，形成剥离层20(参见图8D)。
随后，用作阴极材料26的钼(Mo)被沉积到栅极5的上表面、绝缘部件3的侧表面和基板1的表面。在本例子中，使用EB蒸发方法作为成膜方法。在该形成方法中，基板1相对于水平平面的倾度(inclination)被设为60°。以此方式，Mo以60°的入射角入射到栅极5上，并以40°的入射角入射到绝缘部件3的被RIE处理的斜表面上。在将蒸发期间精确控制为2.5分钟的同时，以约12nm/min的恒定蒸发速度执行蒸发，由此在斜表面上将Mo膜形成至30nm的厚度(参见图8E)。
在形成Mo膜之后，使用由碘和碘化钾构成的蚀刻溶液来去除在栅极5上析出的Ni剥离层20，由此剥离栅极5上的Mo膜(参见图8F)。
随后，通过光刻技术形成抗蚀剂图案，使得阴极6的宽度T4为5μm。之后，使用干蚀刻方法处理基板1和绝缘层3a的侧表面上的Mo膜，并且形成阴极6。并且，由于钼在被用作阴极材料26时其形成氟化物，因此使用基于CF4的气体作为处理气体。
基于截面TEM(透镜电子显微镜)的分析的结果是，阴极6和栅极5之间的间隙8的最短距离T13为9nm。
随后，通过溅射方法将Cu沉积到500nm的厚度并将其构图，由此形成电极2(参见图8G)。
通过上述的方法形成电子发射器件，并且，使用图9所示的布置来评价电子发射器件的特性。
图9示出用于测量根据本发明实施例的器件的电子发射特性的电源布置。如图9所示，在本发明的电子束装置中，阳极11被设置为经由栅极5与阴极6的突起部分相对。在本例子中，由于绝缘部件3被设置在基板1上，因此，可以说阳极11被设置为在基板1的设置绝缘部件3的一侧与基板1相对。
参照图9，Vf是在器件的栅极5和阴极6之间施加的电压，If是此时流动的电流，Va是在阴极6和阳极11之间施加的电压，Ie是电子发射电流。
这里，使用在向器件施加电压时检测的电流If和提取到真空中的电流Ie，典型地由表达式η＝Ie/(If+Ie)给出电子发射效率η。
使用图9的布置来评价本例子的器件的特性，并且，评价结果表明，在26V的驱动电压下电子发射电流Ie为1.5μA，并且，电子发射效率平均为14％。
比较例1
下面，除了不对于栅极5设置凹陷部分9并且不去除绝缘部件3的与凹陷部分9对应的区域以外，以与例子1相同的方式制造电子发射器件。与例子1类似，像条带(stripes)那样形成阴极6。
对由此获得的电子发射器件进行与例子1相同的特性评价，并且，评价结果表明，在26V的驱动电压下电子发射电流Ie约为0.8μA，并且，电子发射效率平均约为9％。
例子2
除了T8被改变以外，以与例子1相同的方式制造电子发射器件，并且，观察电子发射效率对于T8的依赖性。
观察结果表明，随着T8增大，电子发射效率增大，但是，增大的T8的影响逐渐变弱，从而示出在一定的值处达到其饱和点的趋势。在图10中图示了该结果。
T8＝0的情况下的电子发射效率约为8％，并且随着T8增大到20nm、40nm、60nm等而示出逐渐的增大，从而在T8＝80nm处达到约14％；但是，即使当T8进一步增大时，效率也不表现出任何的进一步的增大。
随后，观察相同的T8下的电子发射器件的驱动电压依赖性。如图11所示，观察结果表明，驱动电压越低，则获得越低的电子发射效率；但是，电子发射效率在较低的T8值处达到其饱和点。另一方面，驱动电压越高，则获得越高的电子发射效率；但是，电子发射效率在较高的T8值处达到其饱和点。
基于模拟的检查
通过模拟来计算用例子1和2和比较例获得的结果，以确认本发明的效果。
在以下的计算中，除非另外指定，否则使用以下的数值：T1＝30nm，T2＝30nm，T3＝500nm，T4＝T5＝5μm，T6＝70nm且T7＝3μm。并且，使用以下的值：驱动电压Vf＝24V，阳极施加电压Va＝11.8kV，功函数Wf＝4.6eV。
T8改变的情况
在图4中图示了在0nm至120nm的范围中改变T8时的计算结果。
从图4可以看出，随着凹陷距离T8增大，电子发射效率逐渐增大；但是，电子发射效率在一定的较高值处变得基本上恒定。如果假定效率变得基本上恒定的凹陷距离T8为Lsat，那么，如从图4可以看出的那样，Lsat约为65nm。
在图4所示的计算结果中，在表1中概括了对于每次的电子散射到达阳极的电子的数量。
从表1可以看出，由于当凹陷距离T8增大时在第一次散射之后到达阳极的电子的数量增大，因此，第一次散射的电子的增大的数量有助于效率的增大。也就是说，可以确认，在从阴极6发射的电子已与栅极5碰撞一次之后，它们中的大多数在不进行任何进一步的碰撞的情况下通过凹陷部分9到达阳极。
从以上可以断定，当对于栅极5设置凹陷部分9时，电子发射效率增大。
随后，关于当通过其发射电子的阴极6和栅极5之间的间隙8的形状、驱动电压和阴极6的材料改变时电子发射效率的增大饱和的最小凹陷距离Lsat的值将如何改变，进行检查。具体地，通过模拟关于当T1、T2、T3、T4和T5的值、驱动电压Vf、阴极6的功函数Wf、阳极施加电压Va独立改变时Lsat的值将如何改变，来进行检查。
T8和Vf之间的关系
在图12中图示了驱动电压Vf在12V至48V的范围中改变时的计算结果。在图12中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图12可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat取决于驱动电压Vf的值而不同。如从图12可以看出的那样，Lsat对于Vf＝12V为40nm，对于Vf＝24V为65nm，对于Vf＝48V为100nm。
T8和T2之间的关系
在图13中图示了凹口7的高度T2在20nm至35nm的范围中改变时的计算结果。在图13中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图13可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat取决于凹口7的高度T2的值而不同。如从图13可以看出的那样，Lsat对于T2＝20nm为90nm，并且对于T2＝35nm为120nm。
T8和Wf之间的关系
在图14中图示了阴极6的构成材料的功函数Wf在3.0eV至6.0eV的范围中改变时的计算结果。在图14中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。在图14所示的计算结果中，驱动电压Vf被设为12V。从图14可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat取决于功函数Wf的值而不同。如从图14可以看出的那样，Lsat对于Wf＝3.0eV为70nm，对于Wf＝4.5eV为50nm，对于Wf＝6.0eV为30nm。
T8和T1之间的关系
在图15中图示了栅极5的高度T1在10nm至50nm的范围中改变时的计算结果。在图15中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图15可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat并不取决于栅极5的高度T1的值而改变很多。
T8和T3之间的关系
在图16中图示了凹口7和基板1之间的距离T3(即，绝缘层3a的高度)在130nm至1μm的范围中改变时的计算结果。在图16中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图16可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat并不取决于凹口7和基板1之间的距离T3而改变很多。
T8和T7之间的关系
在图17中图示了阴极6之间的距离T7在750nm至5μm的范围中改变时的计算结果。在图17中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图17可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat并不取决于T7的值而改变很多。
T8和Va之间的关系
在图18中图示了阳极施加电压Va在1kV至11.8kV的范围中改变时的计算结果。在图18中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。从图18可以看出，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat并不取决于阳极施加电压Va的值而改变很多。
T4和T5之间的关系
已对于阴极6的宽度T4与和阴极6相对的栅极5的突出区域的宽度T5相同的情况即图6中的T12＝0的情况，讨论了计算结果。在T4≥T5的情况下，从以上的结果可以说，设置凹陷部分9具有增大电子发射效率的效果。将对于T5＞T4即T12＞0的情况进行检查。
在图19中图示了凹陷距离T8为115nm、阴极6和栅极5之间的最短距离T13为12nm、并且T12的值在0nm至35nm的范围中改变时的计算结果。在图19中，水平轴代表T12，垂直轴代表电子发射效率。从图19可以看出，随着T12的值增大，电子发射效率减小。因此，可以断定，为了通过设置凹陷部分9来获得增大电子发射效率的效果，优选满足表达式T12＜T13。
对于图2A和图20的配置的检查
已对于图2A所示的配置讨论了计算结果，在图2A所示的配置中，与栅极5的凹陷部分9对应的绝缘部件3的侧表面也凹陷。但是，凹陷区域可增大工艺步骤的数量。
因此，通过模拟对图1A所示的配置和图20所示的配置进行检查，在图1A所示的配置中，绝缘部件3的侧表面不凹陷并且仅对于栅极5设置凹陷部分9，在图20所示的配置中，第一绝缘层3a在距基板平面的一定高度处的一部分不被去除。
在图21中图示了当凹陷距离T8为115nm、并且图20中的第一绝缘层3a的侧表面凹陷以与凹陷部分9对应的部分的高度T11在0nm至500nm的范围中改变时的对于图20的配置的计算结果。在图21中，水平轴代表凹陷距离T8，垂直轴代表电子发射效率。在图中，T11＝0的情况指的是图20中的第二绝缘层3b的侧表面凹陷、并且第一绝缘层3a的侧表面不凹陷的情况。T11＝500nm的情况指的是如图2A所示第一绝缘层3a的侧表面整个(entirely)凹陷的情况。仅使栅极凹陷且T11＝0的情况指的是第二绝缘层3b也不凹陷的情况。
从图21可以看出，在第一绝缘层3a的侧表面整个不凹陷的T11＝0的情况下，通过使第二绝缘层3b的侧表面凹陷，可望增大电子发射效率。并且，可以看出，在第二绝缘层3b也不凹陷、但只有栅极5被提供有凹陷部分的配置中，可望增大电子发射效率。并且，与只使栅极5凹陷的情况和T11＞0的情况相比，电子发射效率变得恒定的凹陷距离Lsat对于T11＝0的情况稍小。但是，Lsat的值在T11≥10nm的范围中并不改变很多。
通过表达式和模拟结果计算的Lsat值的比较
从以上的计算结果可以看出，在满足关系T4≥T5或(T5＞T4和T12＜T13)的条件下，影响充分增大电子发射效率所需要的凹陷距离Lsat的参数是功函数Wf、驱动电压Vf和凹口7的高度T2。
如上所述，通过以下的表达式(13)给出使用Wf、Vf和T2来表达凹陷距离Lsat的表达式。
Lsat＝6×T2×{1-(Wf/EVf)}...(13)
在图22、图23和图24中图示了通过表达式(13)获得的凹陷距离Lsat和通过模拟计算的凹陷距离Lsatsim之间的关系。
在图22中，水平轴代表Vf，垂直轴代表凹陷距离Lsat，功函数Wf被设为4.6eV，并且，凹口7的高度T2被设为20nm。对于12V和48V之间的Vf的任何值，Lsat比Lsatsim大。因此，可以看出，可通过以由表达式(13)计算的量设置凹陷部分9，获得足够的增大电子发射效率的效果。
类似地，在图23中，水平轴代表凹口7的高度T2，垂直轴代表凹陷距离Lsat，Vf被设为24V，功函数Wf被设为4.6eV。对于20nm和35nm之间的T2的任何值，Lsat比Lsatsim大。因此，可以看出，可通过以由表达式(13)计算的量设置凹陷部分9，获得足够的增大电子发射效率的效果。
并且，在图24中，水平轴代表功函数Wf，垂直轴代表凹陷距离Lsat，Vf被设为12V，凹口7的高度T2被设为20nm。对于3eV和6eV之间的Wf的任何值，Lsat比Lsatsim大。因此，可以看出，可通过以由表达式(13)计算的量设置凹陷部分9，获得足够的增大电子发射效率的效果。
从以上的结果，通过模拟确认，可通过表达式(13)来表达充分增大电子发射效率所需要的凹陷距离Lsat。
例子3
如图25A至25C所示，制造在栅极5上设置突出部分30的电子发射器件。图25A是平面图，图25B是沿图25A中的线25B-25B获取的截面图，图25C是图25A的右侧视图。
在本例子中，在四个组中设置阴极6，并且凹陷距离T8为100nm。
基本的制造方法与例子1的相同，并且，仅描述与例子1的不同之处。
在本例子中，如图25A至25C所示，也对栅极5的上表面沉积被用作阴极材料的钼(Mo)。在排除将形成突出部分30的区域以外的栅极5上形成Ni剥离层。使用EB蒸发方法作为Mo的成膜方法，并且，基板的倾度被设为80°。以此方式，Mo以80°的入射角入射到栅极5上，并以20°的入射角入射到器件的绝缘层3a的被RIE处理的斜表面(侧表面)上。在将蒸发期间精确控制为2分钟的同时，以约10nm/min的恒定蒸发速度执行蒸发，由此在斜表面上将Mo膜形成至20nm的厚度。
在形成Mo膜之后，使用由碘和碘化钾构成的蚀刻溶液来去除在栅极5上析出的Ni剥离层20，由此从栅极5剥离不必要的Mo膜。
在剥离之后，通过光刻技术形成抗蚀剂图案，使得阴极6的宽度T4为3μm并且阴极6之间的距离T7为3μm。然后，使用干蚀刻方法处理阴极6。并且，由于钼在被用作阴极材料时其形成氟化物，因此使用基于CF4的气体作为处理气体。
对于由此获得的器件的基于截面TEM(透镜电子显微镜)的分析的结果是，阴极6和栅极5之间的间隙8的最短距离T13平均为8.5nm。
通过上述的方法形成电子发射器件，并且，对于电子发射器件进行与例子1相同的特性评价。
根据评价结果，器件展示出如下特性：在26V的驱动电压下电子发射电流Ie平均为6.2μA，并且，电子发射效率平均约为15％。
考虑这样的特性，可以假设，通过增大阴极6的数量，电子发射电流以与条带数量对应的量增大。
通过相同的制造方法，在将阴极6的数量增大为例子3的100倍、并将阴极6的宽度T4和阴极6之间的距离T7设为0.5μm时，制造器件。并且，栅极5的突出区域的宽度T5和凹陷部分9的宽度相应地被设为0.5μm。通过这种器件，可以获得是例子3的大约100倍的电子发射量。在设置多个阴极6的本例子中，由于可以优先从阴极6的端部发射电子，因此可以提供比现有的电子发射器件更加整齐地布置电子束形状的电子束源。也就是说，可以解决控制电子束形状的困难，所述困难是由于像现有的电子发射器件的情况那样电子发射位置不被固定地确定的事实而导致的，由此提供整齐地布置电子束形状的电子束源。
例子4
在本例子中，通过在基板上以矩阵的形式布置通过与在本发明例子1中制造的电子发射器件相同的制造方法制造的大量的电子发射器件来形成电子源基板，并且，使用所述电子源基板来制造图26所示的图像显示装置。作为后板41，使用电子源基板31。以下给出对本例子的图像显示装置的制造工艺的描述。
电极形成工艺
依次在玻璃基板31上形成SiN、SiO2、TaN和Mo的膜，通过与例子1的电子发射器件相同的制造方法形成凹口7，并且，通过蚀刻来处理具有凹陷部分9的台阶(step)。在本例子中，以每个器件100个的数量来处理梳齿状形状，使得对于一个像素设置100个阴极6。
阴极形成
对栅极5的上表面沉积被用作阴极材料的钼(Mo)。在本例子中，使用EB蒸发方法作为成膜方法，并且，基板31的倾度被设为60°。以此方式，Mo以60°的入射角入射到栅极5上，并以40°的入射角入射到器件的绝缘层3a(SiN)的被RIE处理的斜表面上。以约10nm/min的恒定蒸发速度执行期间为4分钟的蒸发。精确控制蒸发期间，使得在斜表面上将Mo膜形成至40nm的厚度。
之后，通过光刻和蚀刻来处理100个条带，由此形成电子发射器件。
Y方向布线形成工艺
下面，Y方向布线33被布置为与栅极5连接。Y方向布线33用作被施加调制信号的布线。
绝缘层形成工艺
随后，为了使在后面的工艺中制造的X方向布线32与Y方向布线33隔离，由硅氧化物形成的绝缘层被布置在后面描述的X方向布线32下面，以覆盖前面形成的Y方向布线33。在绝缘层的一部分中形成接触孔，使得可实现X方向布线32和电极2之间的电连接。
X方向布线形成工艺
随后，在前面形成的绝缘层上形成主要包含银的X方向布线32。X方向布线32以夹着绝缘层的方式与Y方向布线33交叉(intersect)，并且在绝缘层的接触孔处与电极连接。X方向布线32用作被施加扫描信号的布线。以此方式，形成具有矩阵布线的基板。
随后，如图26所示，经由支撑框42在基板31之上2mm的距离处布置面板46，在所述面板46中，在玻璃基板43的内表面上层叠荧光膜44和金属背45。
然后，通过加热和冷却作为低熔点金属的铟(In)，来接合面板46、支撑框42和基板31的接合部分。并且，在该接合工艺中，由于该工艺是在真空室中执行的，因此在不使用排气管的情况下同时实施接合和密封。
在本例子中，为了实现彩色显示，使用条带形状的荧光体来形成被用作发光部件的荧光膜44。首先，形成黑色条带(未示出)，并且，通过料浆(slurry)方法在其间隙部分中沉积各颜色的荧光体(未示出)，由此制造荧光膜44。作为用于黑色条带的材料，使用主要包含被典型地使用的石墨的材料。
并且，在荧光膜44的内表面侧(电子发射器件侧)设置由铝形成的金属背45。通过利用真空蒸发在荧光膜44的内表面侧沉积Al来制造金属背45。
通过上述的工艺来制造图像显示装置，并且，所述图像显示装置展现出良好的显示质量。
例子5
通过图8A至8G所示的工艺来制造具有图27A至27D所示的配置的电子发射器件。
首先，使用PD 200作为基板1，所述PD 200是为了用于等离子体显示器中而被开发的低钠玻璃，并且，分别使用具有500nm的厚度的SiN(SixNy)和具有30nm的厚度的SiO2通过溅射方法来形成绝缘层23和24。随后，使用具有30nm的厚度的TaN通过溅射方法层叠导电层25(参见图8A)。
随后，通过光刻技术在导电层25上形成包含具有梳齿状形状的突出区域12和凹陷部分9的抗蚀剂图案，之后，使用干蚀刻方法依次处理导电层25、绝缘层24和绝缘层23(参见图8B)。
并且，由于选择了形成氢氟酸的材料作为用于绝缘层23和24以及导电层25的材料，因此使用基于CF4的气体作为处理气体。使用该气体的RIE的结果是，绝缘层3a和3b以及栅极5的被蚀刻的侧表面相对于基板1的水平平面处于约80°的角度。
在抗蚀剂被剥离之后，使用BHF(其为氟化铵和氢氟酸的溶液)通过蚀刻方法蚀刻绝缘层3b的侧表面，使得深度T6约为70nm，由此，在绝缘部件3中形成凹口7(参见图8C)。
然后，通过电镀在栅极5的表面上电解析出Ni，并且，形成剥离层20(参见图8D)。
随后，通过光刻技术再次在栅极5上形成用于形成凹陷部分9的抗蚀剂图案，之后，使用干蚀刻方法依次处理栅极5以及绝缘层3a和3b以形成凹陷部分9，并且，去除绝缘部件3的一部分。
此时，以6μm的节距来处理梳齿状形状，使得凹陷部分9的凹陷距离T8为5μm，并且凹陷部分9的宽度T7和突出区域12的宽度T5各为3μm。并且，电子发射器件的Y方向长度为100μm。
在剥离抗蚀剂之后，通过电镀在栅极5的表面上电解析出Ni，并且，形成剥离层20(参见图8D)。
随后，用作阴极材料26的钼(Mo)被沉积到栅极5的上表面、绝缘部件3的侧表面和基板1的表面。在本例子中，使用EB蒸发方法作为成膜方法。在该形成方法中，基板1相对于水平平面的倾度被设为60°。以此方式，Mo以60°的入射角入射到栅极5上，并以40°的入射角入射到绝缘部件3的被RIE处理的斜表面上。在将蒸发期间精确控制为2.5分钟的同时，以约12nm/min的恒定蒸发速度执行蒸发，由此在斜表面上将Mo膜形成至30nm的厚度(参见图8E)。
在形成Mo膜之后，使用由碘和碘化钾构成的蚀刻溶液来去除在栅极5上析出的Ni剥离层20，由此剥离栅极5上的Mo膜(参见图8F)。此时，由于不在暴露于凹陷部分9的绝缘部件3的表面上形成剥离层20，因此阴极材料26不被去除。
之后，使用BHF再次执行蚀刻，以使得在暴露于凹陷部分9的绝缘部件3的表面上形成的阴极材料26的膜与栅极5电隔离，并且使得阴极6与栅极5电隔离。以此方式，在绝缘层3b的侧表面上沉积的阴极材料26被剥除，由此实现电隔离状态。
基于截面TEM的分析的结果是，阴极6和栅极5之间的间隙8的最短距离T13为9nm。
随后，通过溅射方法将Cu沉积到500nm的厚度并将其构图，由此形成电极2(参见图8G)。
通过上述的方法形成电子发射器件，并且，使用图9所示的布置来评价电子发射器件的特性。
这里，使用在向器件施加电压时检测的电流If和被提取到真空中的电流Ie，典型地由表达式η＝Ie/(If+Ie)给出电子发射效率η。
在本例子中，由于阴极6和控制电极13相互电连接，因此栅极5和控制电极13之间的电位差Vc与阴极6和栅极5之间的电位差Vf相同。
在Va＝11.8kV、Vf＝Vc＝24V、h＝1.66mm的条件下测量用本例子的器件获得的电子束形状，并且，测量结果表明，沿Y方向的电子束的尺寸为230μm，并且，X方向束尺寸为130μm。
比较例
除了既不给栅极5设置凹陷部分9并且也不设置控制电极13以外，制造具有与例子5类似的配置的电子发射器件，并且评价效果。
除了不蚀刻掉凹陷部分9、将栅极5处理成直线形状并且只有阴极6像条带那样被形成以外，通过与例子5相同的制造工艺来制造本例子的器件。
对由此获得的电子源进行与例子5相同的特性评价。在Va＝11.8kV、Vf＝Vc＝24V、h＝1.66mm的条件下测量电子束形状，并且，测量结果表明，沿Y方向的电子束的尺寸为300μm，并且，X方向束尺寸为120μm。
例子6
通过与例子5相同的制造工艺，以栅极5的突出区域12的不同宽度T5来制造具有图27A所示的配置的各种器件。
在本例子中，在Va＝11.8kV、Vf＝Vc＝24V、h＝1.66mm的条件下，xs约为1μm。观察到，当T5减小时，随着T5变得比一定的值小，沿Y方向的电子束的尺寸减小。在图31中图示了这种趋势。在图31中，水平轴为T5/xs。从图31可以看出，在T5/xs＜5处出现沿Y方向的电子束的尺寸的会聚效果。
在T5＝100μm的情况下沿Y方向的电子束的尺寸约为300μm，并且，随着T5减小到9μm、5μm、3μm等，沿Y方向的电子束的尺寸表现出逐渐的减小。
例子7
制造具有图34A所示的配置的电子发射器件。在本例子中，T5和T5x为5μm。
基本的制造方法与例子5的相同，并且，将只描述与例子5的不同之处。
在本例子中，在绝缘层3a下设置用于向栅极5供给电压的布线(未示出)，并且，接触孔被形成为穿过绝缘层3a和3b以及栅极5。之后，形成阴极形成材料的膜，并且，在阴极形成工艺中电连接栅极5和所述布线。接触孔沿X方向和Y方向具有1μm的尺度。
通过上述的方法形成器件，并且，对用该器件获得的束形状进行与例子5相同的评价。
在Va＝11.8kV、Vf＝Vc＝24V、h＝1.66mm的条件下测量用本例子的器件获得的电子束形状，并且，测量结果表明，沿Y方向的电子束的尺寸为230μm，并且，X方向束尺寸为70μm。
从以上的结果，在本例子的配置中，可以确认，可沿X方向以及Y方向获得通过圆形(circular)电场导致的束会聚效果。通过与例子4相同的方法使用例子5至7的电子发射器件来制造图像显示装置，并且，该图像显示装置展现出与例子4一样好的显示质量。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (7)

1.一种电子束装置，包括：
绝缘部件，所述绝缘部件在其表面上具有凹口；
栅极，所述栅极位于所述绝缘部件的表面上；
至少一个阴极，所述至少一个阴极具有从所述凹口的边缘向所述栅极突起的突起部分，并且位于所述绝缘部件的表面上以使得所述突起部分与所述栅极相对；和
阳极，所述阳极被布置为经由所述栅极与所述突起部分相对，
其中，在所述绝缘部件的表面上形成所述栅极，使得至少与所述阴极相对的区域的一部分向外突出，并且设置其中所述栅极的端部凹陷并且夹着突出区域的凹陷部分。
2.根据权利要求1的电子束装置，其中，如果假定所述栅极的所述突出区域的宽度为T5、所述阴极的宽度为T4、所述阴极的端部和所述栅极之间的最短距离为T13、并且所述栅极的所述突出区域从与所述阴极相对的区域突起的部分的长度为T12，那么满足表达式T4＝T5或满足表达式T5＞T4和T12＜T13，其中，T5、T4、T13和T12的单位为米。
3.根据权利要求1的电子束装置，其中，如果假定沿所述栅极和所述绝缘部件的层叠方向的所述凹口的高度为T2、所述凹陷部分的凹陷距离为T8、所述阴极的功函数为Wf、并且通过在所述阴极和所述栅极之间施加的电压Vf加速一个电子时的能量为EVf，那么满足表达式T8≥6×T2×{1-(Wf/EVf)}，其中，T2和T8的单位为米，Wf和EVf的单位为电子伏特，Vf的单位为伏特。
4.根据权利要求1的电子束装置，其中，
两个或更多个阴极被设置，并且
所述栅极在所述绝缘部件的表面上被形成为梳齿状。
5.根据权利要求1的电子束装置，其中，与所述栅极的所述凹陷部分对应的所述绝缘部件的至少一部分被形成为使得表面像所述凹陷部分那样也凹陷。
6.根据权利要求1的电子束装置，其中，
在经由所述凹陷部分与所述阳极相对的所述绝缘部件的表面上布置控制电极，并且
如果假定在所述阴极和所述栅极之间施加的电压为Vf、在所述控制电极和所述栅极之间施加的电压为Vc、在所述阳极和所述阴极之间施加的电压为Va、所述绝缘部件的与设置所述栅极的一侧相对的表面与所述阳极之间的距离为h、所述栅极的所述突出区域的宽度为T5、并且圆周率为π，那么满足表达式T5＜5×(Vc/Va)×(h/π)和表达式Vf≥Vc，其中，Vf、Vc和Va的单位为伏特，h和T5的单位为米。
7.一种图像显示装置，包括：
如权利要求1所述的电子束装置；和
位于所述阳极外侧的发光部件。
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