JP2004342604A - 電界放出型電子源 - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流密度を実現することが可能な電界放出型電子源を低コストで、量産性良く提供する。
【解決手段】 電界放出型電子源１００は、基板６の上に形成され、１個以上の開口５を有する絶縁層４と、絶縁層４の上に形成された引出し電極３とを具備し、開口５の１つ以上の中には、引出し電極３からの電界によって電子をそれぞれ放出する複数のエミッタ２が基板６に形成されている
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、電界放射型電子源に関し、特に、平面型の固体表示素子又は超高速の微小真空素子への応用が期待される冷陰極型の電子源であって、大電流動作の実現が可能な電界放射型電子源に関する。

半導体の微細加工技術の進展により、微小電界放射陰極の形成が可能となった。スピントらがコーン型の電界放射陰極を提案し、微小電界放射型電子源が注目されるに至っている（非特許文献１：Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９」，１９８６年，ｐ．３５０４）。

スピントの提案した電界放射陰極の構造及び作成方法を第１の従来例として図１１Ａ〜図１１Ｄに示す。

図１１Ａを参照すると、導電性基板１０１の表面に絶縁層１０２と、ゲートとなる金属膜１０３とをこの順番に成膜する。そして、金属膜１０３と絶縁層１０２とを通って導電性基板１０１を露出させる小孔１０４を通常のフォトリソグラフィープロセスによって形成する。

図１１Ｂを参照すると、次に、アルミナ層によって構成される犠牲層１０５を基板１０１に対して浅い角度で金属膜１０３を覆うように蒸着する。この工程により、金属膜１０３によって形成されるゲートの口径は縮小する。

図１１Ｃを参照すると、その後、モリブデン等のエミッタとなる金属１０６を基板１０１に対して垂直に蒸着する。ゲート口径は蒸着とともに小さくなるので、小孔１０４の内部に円錐形のエミッタ（陰極）１０７が形成される。

図１１Ｄを参照すると、そして、犠牲層１０５のエッチングによるリフトオフ法により不要の犠牲層１０５および金属１０６を除去する。この素子は、エミッタ１０７の先端からゲート電極１０３によって電子を真空中に放出し、別途エミッタ１０７に対向して設置された図示しないアノード電極（陽極）によって、放出された電子を受けることによって動作する。

その後、同様の縦型構造で、シリコンの結晶異方性エッチングやドライエッチングと熱酸化とを用いて、エミッタの先端形状がより鋭い冷陰極を形成する方法が提案されている（非特許文献２：Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．，「ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ Ｄｉｇ．」，１９８６年，ｐ．７７６、非特許文献３：別井、「１９９０年 電子情報通信学会 秋季全国大会 論文集５、ＳＣ−８−２」，１９９０年）。第２の従来例として別井らの提案した電界放射陰極の構造及び作製方法を図１２Ａ〜図１２Ｅに示す。

図１２Ａを参照すると、シリコン基板１１１上に酸化膜１１２を形成する。図１２Ｂを参照すると、この酸化膜１１２を用いてフォトリソグラフィープロセスによって円盤状のエッチングマスク１１３を作製する。

図１２Ｃを参照すると、次に、サイドエッチングを伴う条件に従ってドライエッチングを行うことにより、エッチングマスク１１３の下に先端部が細い立体形状部１１４を形成する。更に、熱酸化を施すことにより立体形状部１１４の周辺を熱酸化膜１１５に変化させ、内部にシリコンのコーン形状部１１６を形成する。

図１２Ｄを参照すると、基板１１１の表面に対して垂直方向から酸化シリコン膜等の絶縁膜１１７及びゲート電極となる金属膜１１８を真空蒸着することにより、エッチングマスク１１３及び熱酸化膜１１５の表面に絶縁膜１１７および金属膜１１８を付着する。

図１２Ｅを参照すると、最後に弗酸に浸すことにより、コーン形状部１１６の周辺の熱酸化膜１１５を除去すると共に、絶縁膜１１７と金属膜１１８とが付着したエッチングマスク１１３を除去することにより、前述したスピント型と類似の構造の電子源が形成される。

この電子源は、ゲート電極となる金属膜１１８に電圧を印加することによってコーン形状のエミッタ１１６の先端１１９から電子を真空中に放出し、別途エミッタ１１６に対向して設置された図示しないアノード電極（陽極）によって、放出された電子を受け取ることで動作する。

一方、本発明者らのグループは、より低い電圧によって動作可能なタワー型電子源を提案した（特許文献１：欧州特許出願公開第６３７０５０Ａ２号明細書）。第３の従来例として本タワー型電子源の製造方法を図１３Ａ〜図１３Ｈに示す。

図１３Ａを参照すると、シリコン結晶基板１２１の（１００）表面に熱酸化法により酸化シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィーにより１μｍ以下の径を有する円盤状の微小エッチングマスク１２２Ｂに加工する。

図１３Ｂを参照すると、次に、微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板１２１に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、微小エッチングマスク１２２Ｂの下側にシリコンよりなる円柱体１２４Ａを形成する。

図１３Ｃを参照すると、その後、この円柱体１２４Ａに結晶異方性エッチングを行うことにより、側面が（３３１）面を含む面によって形成されかつ頂部が互いに向かい合う一対の円錐体からなる鼓状体１２４Ｂを形成する。

図１３Ｄを参照すると、次に、鼓状体１２４Ｂの上側及びシリコン基板１２１の表面に薄い第１熱酸化膜１２５を形成する。図１３Ｅを参照すると、その後、微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板１２１に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、鼓状体１２４Ｂの下に柱状体１２４Ｃを形成する。

図１３Ｆを参照すると、次に、熱酸化法により鼓状の柱状体１２４Ｃ（図１３Ｅ）及びシリコン基板１２１の表面に第２熱酸化膜１２６を形成することにより、鼓状の柱状体１２４Ｃの内部に、微小な径を持ち且つ急峻な先端部を有するタワー状の陰極１２７を形成する。

図１３Ｇを参照すると、蒸着法により微小エッチングマスク１２２Ｂの上及びこの微小エッチングマスク１２２Ｂの周辺におけるシリコン基板１２１の上に、絶縁膜１２８及び金属膜１２９を順次堆積する。

図１３Ｈを参照すると、更に、第２熱酸化膜１２６に対してウェットエッチングを行うことにより、微小エッチングマスク１２２Ｂ及びこの微小エッチングマスク１２２Ｂの上に堆積されている絶縁膜１２８及び金属膜１２９を除去すると、タワー状の陰極１２７が露出すると共に、微小エッチングマスク１２２Ｂの径と同寸の内径を有する金属膜よりなる引出し電極１２９Ａが形成される。

前述した第１〜３の従来例に示した電子源は、微小なゲート開口径を有するので比較的低い電圧によって電界放射電流を得ることが可能である。

更に本発明者らのグループは、放出電流の増大を目指して、凸状の微小構造体の表面に陽極酸化法を用いて多孔質シリコン膜を形成し、多孔質シリコン膜表面の多数の微細な突出部から電子を放出させる電子源を提案した（特許文献２：特開平９−２７０２２８号公報）。第４の従来例として本電子源の構造及び製造方法を図１４Ａ〜図１４Ｅに示す。

図１４Ａを参照すると、シリコン基板１３１の表面に陽極酸化法により多孔質シリコン層１３２を形成する。図１４Ｂを参照すると、そして、多孔質シリコン層１３２の表面にＣＶＤ法によりリンの含まれる酸化シリコン膜を堆積させ、更にフォトリソグラフィー技術により半径約１μｍの円盤状のエッチングマスク１３３を形成する。

図１４Ｃを参照すると、ドライエッチングによりエッチングマスク１３３の周辺の多孔質シリコン層１３２及びシリコン基板１３１をエッチングすることにより凸部構造１３６を形成する。

図１４Ｄを参照すると、エッチングマスク１３３を蒸着マスクとして、酸化シリコン膜１３４及び金属電極１３５を蒸着する。図１４Ｅを参照すると、最後に、フッ化水素酸中に浸漬することによりエッチングマスク１３３を溶解させて、エッチングマスク１３３の上に堆積した酸化シリコン膜１３４及び金属電極１３５を除去して電子源を完成する。

この場合シリコン基板１３１と金属電極１３５との間に電圧を印加することにより、陽極酸化により形成された多孔質シリコン層１３２の表面の突出した先端に電界が集中し、電子が放出される。本方式によれば、金属電極１３５の開口部内に形成された多孔質シリコン層１３２の表面に、陽極酸化工程により形成された無数に近い突出部が形成され、多くの突出部から電子が放出されるため、大電流密度の電界放射型電子源を得ることができる。
欧州特許出願公開第６３７０５０Ａ２号明細書 特開平９−２７０２２８号公報 Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９」，１９８６年，ｐ．３５０４ Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．，「ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈ Ｄｉｇ．」，１９８６年，ｐ．７７６ 別井、「１９９０年 電子情報通信学会 秋季全国大会 論文集５、ＳＣ−８−２」，１９９０年

しかしながら、前述した第１〜３の従来例に示した電子源では、電流密度を大きくするために、各エミッタに対応するゲート開口部を高密度にアレイ状に配置させる必要があった。これらの電子源では、各エミッタ間を絶縁層により隔離しているので、エミッタの配置を高密度化するために開口部のピッチを狭くすると、この絶縁層の隔壁が薄くなってしまう。このため、ゲート電極の剥離が生じるおそれがある。

絶縁層の膜厚を薄くすれば、この問題を回避することもできるけれども、絶縁層の耐圧が落ちるために引き出し電極に十分な電圧を印加することができない。その結果、大電流を得ることができない。

一方前述した第４の従来例では、一般の半導体製造ラインには陽極酸化工程という工程がないため、この陽極酸化工程を追加するために、新たな設備投資が必要になりコストが増大する。さらに、他工程への影響の十分な評価・解析などが必要になる。また陽極酸化工程の制御性、多孔質シリコン層の表面の均一性等、実際に陽極酸化工程を追加するためには、多くの量産上の課題を明らかにしていかなければならないという問題がある。

本発明の目的は、大電流密度を実現することが可能な電界放出型電子源を低コストで、量産性良く提供することにある。

本発明に係る電界放出型電子源は、基板の上に形成され、１個以上の開口を有する絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された引出し電極とを具備し、前記開口の１つ以上の中には、前記引出し電極からの電界によって電子をそれぞれ放出する複数のエミッタが前記基板の表面に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、大電流密度を実現することが可能な電界放出型電子源を低コストで、量産性良く提供することができる。

本実施の形態に係る電界放出型電子源では、基板の上に形成された絶縁層の開口の１つ以上の中に、引出し電極からの電界によって電子をそれぞれ放出する複数のエミッタが基板の表面に形成されている。このため、単一の開口内にエミッタが１個しか形成されない従来の構成よりもエミッタを高密度に配置することができ、且つ陽極酸化工程を新たに追加する必要がある多孔質シリコン層の表面に形成された突出部と異なり、通常のフォトリソグラフィーの技術を使用してエミッタを高密度に配置することができる。その結果、電流密度の高い電界放出型電子源を提供することができる。

各エミッタは、表面に急峻な先端を有する導電性凸状微小構造体であることが好ましい。これにより、引出し電極からの電界が先端に集中し、低い電圧でも容易に電子を放出できる。

前記開口内の各エミッタと前記引出し電極との隙間は、そのエミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離よりも小さいことが好ましい。引出し電極をエミッタに近づけて、引出し電極からエミッタへの電界をより安定させるためである。

前記開口内の複数のエミッタは、略直線状に配置されていることが好ましい。これにより、１つの開口内に設けられた複数のエミッタに作用する引出し電極からの電界が、エミッタの配列方向に対して面対称になり、且つ各エミッタに作用する電界もそれぞれ均等になるため、低い電圧によって安定した放出電流が得られる。

前記複数の開口が略長穴形状であり、前記複数の開口が複数列に配置されていることが好ましい。これにより、１つの開口内に、より多くのエミッタを配置することができ、且つ各エミッタに作用する引出し電極からの電界が均等になるため、大電流密度で安定した放出電流が得られる。

前記開口内の複数のエミッタは、略円弧状に配置されていることが好ましい。１つの開口内に設けられた複数のエミッタに作用する引出し電極からの電界が、エミッタの配列方向（円周方向）に対して概ね面対称になり、且つ各エミッタに作用する電界もそれぞれ均等になるため、低い電圧によって安定した放出電流が得られる。さらに、例えばテレビモニタ等に用いられるＣＲＴ用の電子源として用いる場合、円弧状の配置であれば、電子ビームを非常に小さい点に収束させることができるため、画像の解像度を向上させることができる。

隣接するエミッタの中心間を結ぶ線と、エミッタの中心と引出し電極の開ロの周縁の途切れた部分とを結ぶ仮想線とでなす角をθとしたときに、角度θは１５度以上４５度以下であることが好ましい。角度θが１５度よりも小さいと、エミッタを高密度に配置することができない。角度θが４５度を超えると、引出し電極がエミッタの周りを十分に囲めなくなるので、かえって電子の放出特性が悪くなる。

前記引出し電極は、前記開口内の複数のエミッタを囲んで形成されていることが好ましい。引出し電極から開口内の複数のエミッタへの電界を均等にするためである。

前記引出し電極は、前記絶縁層の開口の上に延伸され、前記開口内の前記複数のエミッタのそれぞれに沿って形成された電極開口を有することが好ましい。引出し電極と各エミッタとの隙間をより一層小さくして、引出し電極から各エミッタへの電界をより一層安定させるためである。

前記開口内の前記複数のエミッタの一個以上は、他のエミッタによって囲まれていることが好ましい。エミッタの配置密度がより向上する結果、電流密度がより高くなるからである。引き出し電極が絶縁層の開口の上に延伸されるので、他のエミッタに囲まれて絶縁層から離れても、絶縁層の開口の上に延伸される引出し電極から他のエミッタに囲まれたエミッタへの電界を安定させることができる。

前記開口内の前記複数のエミッタは、２列に配列されていることが好ましい。１列に配置するよりも高密度にエミッタを配置することができるからである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは実施の形態１に係る電界放出型電子源１００の構成を示す平面図であり、図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。

電界放出型電子源１００は、円板形状をしたシリコン基板６を備えている。シリコン基板６には、抵抗を低くするために不純物が導入されている。

シリコン基板６の上には、それぞれが所定の間隔を空けて互いに平行に配置された略長孔形状をした複数の開口５を有する絶縁層４が形成されている。絶縁層４の上には、絶縁層４の開口５を囲んで引き出し電極３が形成されている。

各開口５内には、エミッタ群１が設けられている。エミッタ群１は、略長孔形状をした開口５に沿って１列の直線状に並んだ複数のエミッタ２を含む。各エミッタ２は、シリコン基板６の表面に形成される。エミッタ２と引き出し電極３とに所定の電圧が印加され、引出し電極３からの電界によってエミッタ２から電子が放出される。

各エミッタ２は、表面に急峻な先端を有する導電性凸状微小構造体によってそれぞれ構成されている。開口５内の各エミッタ２と引出し電極３との隙間は、そのエミッタ２の中心から隣接する他のエミッタ２の中心までの距離よりも小さい。ここでエミッタ２と引出し電極３との隙間とは、基板６に垂直な方向から電界放出型電子源を平面視したときのエミッタ２と引出し電極３との隙間を意味する。即ち隙間とは、引き出し電極３を基板６の表面に投影した場合に、基板６に投影された引き出し電極３とエミッタ２との基板６の表面に沿った距離を言う。

図２Ａ〜図２Ｋを参照して、このように構成された電界放出型電子源１００の製造方法を説明する。

図２Ａを参照すると、シリコン結晶基板６の（１００）表面に熱酸化法により酸化シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィーにより１μｍ以下の径を有する複数個の円盤状の微小エッチングマスク１２２Ｂに加工する。

図２Ｂを参照すると、次に、微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板６に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、微小エッチングマスク１２２Ｂの下側にシリコンよりなる複数の円柱体１２４Ａを形成する。

図２Ｃを参照すると、その後、この円柱体１２４Ａに結晶異方性エッチングを行うことにより、側面が（３３１）面を含む面によって形成されかつ頂部が互いに向かい合う一対の円錐体からなる複数の鼓状体１２４Ｂを形成する。

図２Ｄを参照すると、次に、複数の鼓状体１２４Ｂの上側及びシリコン基板６の表面に薄い第１熱酸化膜１２５を形成する。図２Ｅを参照すると、その後、複数の微小エッチングマスク１２２Ｂを用いてシリコン基板６に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、鼓状体１２４Ｂの下に柱状体１２４Ｃを形成する。

図２Ｆを参照すると、次に、熱酸化法により鼓状の柱状体１２４Ｃ（図２Ｅ）及びシリコン基板６の表面に第２熱酸化膜１２６を形成することにより、鼓状の柱状体１２４Ｃの内部に、微小な径を持ち且つ急峻な先端部を有するタワー状の複数のエミッタ２を形成する。

図２Ｇを参照すると、フッ化水素酸等によって、微小エッチングマスク１２２Ｂと第１熱酸化膜１２５と第２酸化膜１２６とをシリコン基板６および複数のエミッタ２の上から除去する。

図２Ｈを参照すると、複数のエミッタ２を覆ってシリコン基板６上に絶縁層４を形成し、ポリシリコン膜からなる引出し電極３を絶縁層４上に形成する。各エミッタ２の上方の絶縁層４および引き出し電極３は、エミッタ２の上面の形状に概ね沿って成膜されるが、エミッタ２間の隙間は狭いために、絶縁層４を成膜する時にエミッタ２間が早く埋まってしまうため、エミッタ２の上方の引き出し電極３は、エミッタ領域の外よりも若干高くなると同時に僅かに平坦化される。その後、フォトレジストまたは塗布型絶縁膜からなる平坦化膜２４を引出し電極３上に形成し、基板全面を平坦化する。

図２Ｉを参照すると、その後、平坦化膜２４を複数のエミッタ２上の引き出し電極３だけが露出するまで均一にエッチングする。図２Ｊを参照すると、次に、複数のエミッタ２の上方の露出した引き出し電極３をエッチングしていくと、複数のエミッタ２の周りに引出し電極３の開口部が自己整合的に形成される。ここで自己整合的とは、平坦化した平坦化膜をエッチングしていくと、エミッタ２の上側において盛り上がって形成された引出し電極３の部分がエッチングされるため、エミッタ２の形状に合わせて引出し電極３の開口が形成されること、つまり、エミッタ２の形状によって引出し電極３の開口形状が自動的に決定されることをいう。

図２Ｋを参照すると、その後、引出し電極３の開口部の中の絶縁層４をフッ化水素酸等のウェットエッチングにより除去して複数のエミッタ２を露出させる。

この時、微小エッチングマスク１２２Ｂのドット径を０．５μｍ程度とし、エミッタ群１の複数のエミッタ２を形成するための微小エッチングマスク１２２Ｂ間のスペース（エッチングする領域）は使用する露光機の解像度限界程度まで狭くしている。実施の形態１では、微小エッチングマスク１２２Ｂのドット径を０．５μｍとし、微小エッチングマスク１２２Ｂ間のスペースを０．２μｍとした。また異なるエミッタ群１同士で最も接近する位置でのエミッタ２間の距離は、エミッタ群１同士を隔離する絶縁層４が構造的に十分残る距離を保持している。実施の形態１では、異なるエミッタ群１同士で最も接近する位置でのエミッタ２の中心間の距離は、１．２μｍとした。

このように、フォトリソグラフィー工程の露光限界の技術によってエミッタ群１を高密度に形成することができる。

但し、エミッタの機械的強度を考慮すると、エミッタの最小寸法径は約０．１マイクロメータ（μｍ）とすることが好ましい。例えば、０．１マイクロメータ（μｍ）径のエミッタを形成する場合は、エミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離は０．３マイクロメータ（μｍ）とすることが好ましい。この場合エミッタ間の隙間は０．２μｍとなる。尚、内面均一性等の歩留まりをも考慮すると、エミッタ径は約０．３マイクロメータ（μｍ）、エミッタ間の隙間は約０．２マイクロメータ（μｍ）であることが好ましい。また、エミッタ同士間の距離を狭くするほど本発明の効果は向上し、エミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離は約２．０マイクロメータ（μｍ）以下であることが好ましい。

このように構成された電界放出型電子源１００においては、シリコン基板６に対して引き出し電極３に正の電圧を印加すると、複数のエミッタ２のそれぞれの先端から電界効果により電子が放出する。

実施の形態１においては、微細パターンを形成することができる従来の半導体プロセスを用いてエミッタ２を非常に高密度に形成するために、シリコン基板を用いて電子源を形成した。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明の要件は使用するプロセスにあるのではなく、同一の開口部に複数のエミッタを形成することによってエミッタの配置の高密度化を実現することにある。従って、ガラス基板を用いて、その表面に電極層を形成してもよく、金属基板等、導電性の基板を用いることも可能である。

また、実施の形態１おいては、凸状構造の表面に急峻な先端部を有する突出部が形成されたエミッタ２の例を示しているが、突出部の先端部には高融点金属や低仕事関数材料等の材料が形成されていてもよい。

さらに、複数のエミッタ２は、絶縁層４の複数の開口５の少なくとも１つに形成されていればよい。

以上のように実施の形態１によれば、基板６の上に形成された絶縁層４の複数の開口５の中に、引出し電極３からの電界によって電子をそれぞれ放出する複数のエミッタ２が基板６に形成されている。このため、単一の開口内にエミッタが１個しか形成されない従来の構成よりもエミッタを高密度に配置することができ、且つ通常のフォトリソグラフィーの技術を使用してエミッタを高密度に配置することができる。その結果、電流密度の高い電界放出型電子源を提供することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る電界放出型電子源１００Ａの構成を示す平面図である。実施の形態１において図１Ａおよび図１Ｂを参照して前述した電界放出型電子源１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

実施の形態２では、エミッタ群１Ａを構成する複数のエミッタ２がピッチをずらした形で２列に並んで配置されている。エミッタ群１Ａを構成するエミッタ２同士のピッチ（微小エッチングマスクのドット径とドット間のスペースの関係）は、実施の形態１で示したものと同じである。

実施の形態２でも、エミッタ群１Ａに対して、自己整合的に引き出し電極３Ａの開口５Ａが形成されるのは、明らかである。

実施の形態２の場合、引き出し電極３Ａから各々のエミッタ２への電界が、前述した実施の形態１と異なり局所的に不均一になる。このため、引き出し電圧が高くなる傾向にあるけれども、エミッタの配置が、より高密度化されることで、結果的には高い電流密度が得られる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る電界放出型電子源１００Ｂの構成を示す平面図である。実施の形態１において図１Ａおよび図１Ｂを参照して前述した電界放出型電子源１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

殆どの開口内のエミッタ群１Ｂは４つのエミッタ２によって構成されている。更に周辺の領域では、円形の外周を有する引き出し電極３Ｂをより効率的に利用するため、３つのエミッタ２によって構成されたエミッタ群１Ｂや、更に単一のエミッタ２のみで構成されている箇所もある。この様に、エミッタ２がより高密度に配置される様にエミッタ群を構成するエミッタの数、配置の方法等を工夫することにより、大電流密度の電子源を実現することができる。

図５Ａは、実施の形態３に係る他の電界放出型電子源１００Ｃの構成を示す平面図である。

図５Ａに示したように、円弧状に形成された複数の開口５Ｃ内にエミッタ群を構成するエミッタ２を円弧状に配置することも可能である。この場合でも、引き出し電極３Ｃから各々のエミッタ２への電界は均等になる。このため、良好で且つ、大電流の電子放出が得られる。

図５Ｂは、実施の形態３に係るさらに他の電界放出型電子源１００Ｃ２の構成を示す平面図である。図５Ｂに示すように、渦巻き状に形成された１個の開口５Ｃ２内にエミッタ群を構成する複数のエミッタ２を渦巻き状に配置してもよい。この場合でも、引き出し電極３Ｃ２から各々のエミッタ２への電界は均等になる。このため、良好で且つ、大電流の電子放出が得られる。

（実施の形態４）
図６Ａは実施の形態４に係る電界放出型電子源１００Ｄの構成を示す平面図であり、図６Ｂは図６Ａに示す面６Ｂ−６Ｂに沿った断面図であり、図６Ｃは図６Ａに示す面６Ｃ−６Ｃに沿った断面図である。実施の形態１において図１Ａおよび図１Ｂを参照して前述した電界放出型電子源１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

前述した電界放出型電子源１００と異なる点は、引き出し電極３Ｄが絶縁層４の開口の上に延伸され、開口内の複数のエミッタ２のそれぞれに沿って形成された電極開口７を有する点である。エミッタ群１Ｄ同士は、絶縁層４によって互いに隔離されている。

このように構成すると、高電流密度の放射電流を得ることができることはいうまでもないが、さらに加えて、特に引出し電極からの電界が弱い弱電界下において放射電流密度の安定化を図ることができた。

図７は、実施の形態４に係る他の電界放出型電子源１００Ｅの構成を示す平面図である。図６Ａ〜図６Ｃを参照して前述した電界放出型電子源１００Ｄの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

前述した電界放出型電子源１００Ｄと異なる点は、２列に並んだ複数のエミッタ２がエミッタ群１Ｅを構成している点である。エミッタ群１Ｅ同士は、絶縁層によって互いに隔離されている。

尚、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７に示す実施の形態４の電界放射型電子源１００Ｄおよび１００Ｅにおいては、引き出し電極３Ｄ、３Ｅが絶縁層４の開口５の上に延伸されているため、引き出し電極の機械的強度も考慮してエミッタの配置の高密度化を進める必要がある。従って、エミッタ径を約０．１マイクロメータ（μｍ）とした場合、エミッタ間の引き出し電極の幅を約０．１マイクロメータ（μｍ）確保することが好ましい。また、引き出し電極への電子の飛び込みを避けることを考慮すると、エミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離は約０．４マイクロメータ（μｍ）とすることが好ましい。

（実施の形態５）
図８Ａは、実施の形態５に係る電界放出型電子源１００Ｆの要部の構成を示す平面図である。図８Ａに示すエミッタ群１Ｆには、前述した実施の形態１〜実施の形態４と異なり、隔壁となる絶縁層が周囲に全くないエミッタ２Ｆが含まれている。このエミッタ２Ｆは、他のエミッタ２によって囲まれている。

図８Ｂは、実施の形態５に係る他の電界放出型電子源１００Ｇの要部の構成を示す平面図である。図８Ｂに示すエミッタ群１Ｇには、隔壁となる絶縁層が周囲に全くないエミッタ２Ｇが含まれている。これらのエミッタ２Ｇは、他のエミッタ２によって囲まれている。

図８Ｃは、実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源１００Ｈの要部の構成を示す平面図である。図８Ｃに示すエミッタ群１Ｈには、隔壁となる絶縁層が周囲に全くないエミッタ２Ｈが含まれている。これらのエミッタ２Ｈは、他のエミッタ２によって囲まれている。

このように、隔壁となる絶縁層が周囲に全くないエミッタがエミッタ群に含まれている構成においても、前述した実施の形態１〜４と同様に、高電流密度の放出電流を得ることができる。

この構成の場合、隔壁となる絶縁層が周囲に全くないエミッタの数は、特に上限はないが、絶縁層が周囲に全くないエミッタがあまりに多く密集しすぎると、絶縁層の開口の上に延伸される引き出し電極３Ｆ、３Ｇ、３Ｈの機械的強度を保てないおそれがある。従って、引き出し電極の材料の種類、膜厚およびエミッタ間のピッチ等によって、絶縁層が周囲に全くないエミッタの数を適宜調整する必要がある。

以上説明した実施の形態１〜実施の形態５においては、一例として構成要素の各々の寸法を記載しているが、これらの寸法は露光技術、或いはエッチング技術の進展につれて、より微細化することが可能であり、それに伴って、より高密度のエミッタを実現することができる。また基本的に、従来の半導体プロセスをそのまま用いているため、量産性、再現性、安定性等の面からも優位であることは明らかである。

以上に示した本実施の形態に係る電界放出型電子源を電子管用電子銃の電子源に用いたところ、同じエミッタ領域及び同じエミッタ径の従来の電界放出型電子源（隣接するゲート開口同士が繋がっていないもの）を用いたものに対して、約３０％以上の高い電流量を得ることができた。また、本実施の形態に係る電界放出型電子源に対して従来の電界放出電子源と同じ電流量で電子を放出させた場含、高密度にエミッタを配置した結果、エミッタの数が多い本実施の形態では、個々のエミッタにかかる負荷が軽減されるため、従来のものよりも経時変化が小さい電子銃を得ることができた。

さらに、単位面積当たりの電流量が大きくなるため、従来同等の電流量を得るものでよければ、エミッタ領域の大きさを従来のものよりも小さくすることができる。これにより、電子ピームのスポット径を従来のものに対して３０％以上小さくすることができ、高解像度の電子管を提供することができる。

尚、引出し電極３の開口の形状に関し、図９に示すように、隣接するエミッタ２の中心間を結ぶ線と、エミッタ２の中心と引出し電極３の開ロの周縁の途切れた部分とを結ぶ仮想線とでなす角をθとしたときに、角度θは４５度以下の範囲でできるだけ大きくすることが好ましい。角度θを大きくすることにより、エミッタの密度を大きくすることができるので、単位面積当たりの電流密度を大きくすることができる。例えば、図１Ａおよび図６Ａに示したようなエミッタが一列に配列された構成の場合において、ゲート電極の開口経を０．５マイクロメートル（μｍ）とした場合、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すようにθ＝０度の従来の電界放出型電子源（エミッタ間のピッチ：０．７マイクロメートル（μｍ））に対して、θ＝２０度（エミッタ聞のピッチ：０．４７マイクロメートル（μｍ））、３０度（エミッタ間のピッチ：０．４３マイクロメートル（μｍ））、４５度（エミッタ間のピッチ：０．３５マイクロメートル（μｍ））とθを大きくすると、エミッタの密度は、それぞれ約１．５倍、約１．６倍、約２．０倍とすることができる。

以上、実施の形態１〜５に係る電界放出型電子源においては、全てのエミッタについて、各エミッタと引き出し電極との隙間を、そのエミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離よりも小さくした。このため、エミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離を半径とする仮想円の中の領域に引き出し電極が重なる。これにより、引き出し電極に所定の電圧を印加した場合に、エミッタ群を構成する全てのエミッタに作用する電界集中の状態にばらつきが生じない。従って、放出電流を効率良く、しかも均一性良く得ることができる。

また、実施の形態１〜５に係る電界放出型電子源において、引き出し電極のエミッタに対向する部分にカーボンナノチューブのような複数の微細繊維の集合体を形成することも可能である。

実施の形態１〜５に係る電界放射型電子源は、フィールドエミッション型ディスプレイ等のフラットパネルディスプレイの冷陰極電子源としても用いることができるのは、その構成からも明らかである。

本発明は、電界放射型電子源に適用することができ、特に、平面型の固体表示素子又は超高速の微小真空素子への応用が期待される冷陰極型の電子源であって、大電流動作の実現が可能な電界放射型電子源に適用することができる。

実施の形態１に係る電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 図１Ａに示す面１Ｂ−１Ｂに沿った断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 実施の形態３に係る電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 実施の形態３に係る他の電界放出型電子源の構成を示す平面図であある。 実施の形態３に係るさらに他の電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 実施の形態４に係る電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 図６Ａに示す面６Ｂ−６Ｂに沿った断面図である。 図６Ａに示す面６Ｃ−６Ｃに沿った断面図である。 実施の形態４に係る他の電界放出型電子源の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係る電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係る他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 従来の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。、 実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 実施の形態５に係るさらに他の電界放出型電子源の要部の構成を示す平面図である。 従来の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来の他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。 従来のさらに他の電界放出型電子源の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１ エミッタ群
２ エミッタ
３ 引き出し電極
４ 絶縁層
５ 開口
６ 基板
７ 電極開口
１００ 電界放出型電子源

Claims (11)

1. 基板の上に形成され、１個以上の開口を有する絶縁層と、
   前記絶縁層の上に形成された引出し電極とを具備し、
   前記開口の１つ以上の中には、前記引出し電極からの電界によって電子をそれぞれ放出する複数のエミッタが前記基板の表面に形成されていることを特徴とする電界放出型電子源。
2. 各エミッタは、表面に急峻な先端を有する導電性凸状微小構造体である、請求項１記載の電界放出型電子源。
3. 前記開口内の各エミッタと前記引出し電極との隙間は、そのエミッタの中心から隣接する他のエミッタの中心までの距離よりも小さい、請求項１記載の電界放出型電子源。
4. 前記開口内の複数のエミッタは、略直線状に配置されている、請求項１記載の電界放出型電子源。
5. 前記複数の開口が略長穴形状であり、前記複数の開口が複数列に配置されている、請求項１記載の電界放出型電子源。
6. 前記開口内の複数のエミッタは、略円弧状に配置されている、請求項１記載の電界放出型電子源。
7. 隣接するエミッタの中心間を結ぶ線と、エミッタの中心と引出し電極の開ロの周縁の途切れた部分とを結ぶ仮想線とでなす角をθとしたときに、角度θは１５度以上４５度以下である、請求項１記載の電界放出型電子源。
8. 前記引出し電極は、前記開口内の複数のエミッタを囲んで形成されている、請求項１記載の電界放出型電子源。
9. 前記引出し電極は、前記絶縁層の開口の上に延伸され、前記開口内の前記複数のエミッタのそれぞれに沿って形成された電極開口を有する、請求項１記載の電界放出型電子源。
10. 前記開口内の前記複数のエミッタの一個以上は、他のエミッタによって囲まれている、請求項９記載の電界放出型電子源。
11. 前記開口内の前記複数のエミッタは、２列に配列されている、請求項１記載の電界放出型電子源。

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