JP2007287402A

JP2007287402A - 薄膜型電子源

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Publication number: JP2007287402A
Application number: JP2006111501A
Authority: JP
Inventors: Tomio Iwasaki; 富生岩▲崎▼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: CN101055824B; CN101055824A; KR20070102413A; JP4670717B2; US7825436B2; US20070241320A1; KR100893173B1

Abstract

【課題】耐熱性の高い薄膜型電子源を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備えた薄膜電子源において、前記上部電極を、第一下地層，第二下地層，中間層，表面層の積層構造とし，前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記表面層は、Ａｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とする。
【選択図】図１

Description

金属／絶縁体／金属または金属／絶縁体／半導体の積層構造を有し、真空中に電子を放出する薄膜型電子源と、これを用いた応用機器に関する。

薄膜型電子源とは、例えば特開２００５−２３５７８１に記載されているように、上部電極／絶縁層／下部電極の積層構造の上部電極と下部電極の間に電圧をかけて、上部電極の表面から真空中に電子を放出させるものである。上部電極，下部電極に金属を用いた
ＭＩＭ（金属／絶縁体／金属）型電子源や、一方の電極に半導体を用いたＭＩＳ（金属／絶縁体／半導体）型電子源などがある。

図２は、特開２００５−２３５７８１号公報に記載されている動作原理を示すものである。上部電極１１３と下部電極１１１に電圧Ｖｄをかけると、下部電極１１１中のフェルミ準位近くにある電子は、トンネル効果によりバリアを通り抜けて絶縁層１１２，上部電極１１３の伝導帯へ注入され、ホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンは絶縁層１１２中、上部電極１１３中で散乱されてエネルギーを失うが、上部電極１１３の仕事関数φ以上のエネルギーを有するホットエレクトロンは、真空１２０中に放出される。このような薄膜電子源は、新型の電子源として期待されている。

特開２００５−２３５７８１号公報

この電子源を製造する工程では、例えば特開２００５−２３５７８１号公報にも記載されているように、面板と封着する際に高温にさらされる。発明者らは、この高温処理において、拡散が活発になり、上部電極表面の低抵抗層（ＡｕまたはＡｇを主構成材料とする薄膜）の粒界部で断線してしまう場合があることを見出した。そこで、本発明の第一の課題は、信頼性の高い薄膜型電子源を提供することである。本発明の第二の課題は、耐熱性の高い薄膜型電子源を提供することである。また、本発明の第三の課題は、信頼性の高い薄膜型電子源応用機器を提供することである。本発明の第四の課題は、耐熱性の高い薄膜型電子源応用機器を提供することである。

発明者らは、基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備えた薄膜型電子源において、上部電極の下地の材料構成を適正化することで、上部電極表面の低抵抗層の断線を防止できることを見出した。

本願発明の課題は例えば、下記の構成を備えた薄膜電子源により解決される。
（１）：基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備えた薄膜電子源において、前記上部電極を、第一下地層，第二下地層，中間層，表面層の積層構造とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記表面層は、Ａｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすること。

なお、絶縁層は、Ａｌ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂を主構成材料とすることが望ましい。
（２）：基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備えた薄膜電子源において、前記上部電極を、第一下地層，第二下地層，第一中間層，第二中間層，表面層を積層した構造とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記第一中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，
ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記第二中間層はＰｔを主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とすること。

なお、絶縁層は、Ａｌ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂を主構成材料とすることが望ましい。

本発明によれば、信頼性の高い薄膜電子源を提供できる。また、耐熱性の高い薄膜電子源を提供できる。また、信頼性の高い薄膜電子源応用機器を提供できる。さらに、耐熱性の高い薄膜電子源応用機器を提供できる。

（実施例１）
以下、本発明の実施の形態を図に示した実施例により詳細に説明する。

まず、次に、本発明における第一の実施例である薄膜電子源の断面構造を図１に示す。ここでは、薄膜型電子源の一例として金属／絶縁体／金属型の薄膜型電子源について説明する。はじめに基板１０上に金属膜からなる下部電極１１１を形成する。下部電極１１１の材料には例えばＡｌ，Ａｌ合金，Ｔｉ，Ｔｉ合金等を主構成材料とする。次に、下部電極１１１上の電子放出部を構成する部分をフォトレジストでマスクし、下部電極１１１の電子放出部以外の部分を選択的に厚く陽極酸化し，Ａｌ₂Ｏ₃やＴｉＯ₂ を主構成材料とする保護絶縁層１１２と１１４を形成する。この保護絶縁層１１４は電子放出部を制限または規定するとともに下部電極１１１のエッジに電界が集中するのを防止する役目を果たす。この陽極酸化による保護絶縁層１１４の形成終了後、レジスト膜を除去して下部電極表面を部分的に露出させ、再度下部電極１１１を陽極とし、電子放出部を陽極酸化する。続いてバス電極配線用の膜を成膜する。ここには、基本構造として、特開２００５−235781号公報に記載されているような、上部電極１１３と直接接触するバス電極配線の下層115と、給電部バス電極配線の上層１１６との２段構造のバス電極配線を形成した構造を示す。

次に、上部電極１１３用の膜をスパッタリング法で成膜する。ここでは、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層として、それぞれＩｒＯ₂ ，Ｉｒ，Ｐｔ合金およびＡｕを順に積層した多層膜を形成し、それぞれの膜厚は、例えば約０.４ｎｍ，０.４ｎｍ，１.２ｎｍ，１.２ｎｍの合計３〜４ｎｍとするが、これ以外のナノスケール規模の厚さの組合せでもよい。電子放出部のサイズは例えば５０μｍである。図１ではこの上部電極を構成する４層の金属膜はバス電極配線の上層１１６の表面にも金属層２１３として形成されてバス電極配線の低抵抗化に寄与するようにしてある。

次に、本実施例における効果について説明する。本実施例のひとつの効果は、中間層に純Ｐｔのみを用いるのではなく、ＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈのような合金を用いることにより、熱処理時に表面層（Ａｕ）の粒界に形成される溝（粒界溝と呼ぶ）の深さを浅く保ち、断線を防止することである。粒界溝深さと熱処理温度の関係を図３〜図６に示す。図３は、Ｉｒ２原子層−Ｐｔ６原子層−Ａｕ６原子層（１１１）配向の溝深さ解析結果である。図４は、Ｉｒ２原子層−ＰｔＩｒ６原子層−Ａｕ６原子層（１１１）配向の溝深さ解析結果である。図５は、Ｉｒ２原子層−ＰｔＲｕ６原子層−Ａｕ６原子層（１１１）配向の溝深さ解析結果である。図６は、Ｉｒ２原子層−ＰｔＲｈ６原子層−Ａｕ６原子層（１１１）配向の溝深さ解析結果である。図３〜図６のいずれの図からも明かなとおり、温度が高くなり、表面層（Ａｕ）の溝が深くなっていくと、やがて中間層のＰｔ合金が表面に顔を出してしまう。すなわち表面層（Ａｕ）が断線してしまう。前記中間層として
Ｐｔ合金ではなく、純Ｐｔを用いた場合の結果が図３である。中間層として、ＰｔＩｒを用いた場合の結果が図４、ＰｔＲｕを用いた場合の結果が図５、ＰｔＲｈを用いた場合の結果が図６である。これらの図において、グラフの直線が折れる意味は、活性化エネルギが変化する、すなわち膜構造が変化すると解釈できる。ちょうどこの温度付近で中間層が表面に顔を出し始め、表面層(Ａｕ)が断線してしまう。これらの図からわかるように、純Ｐｔの中間層を用いると３２５℃付近で断線してしまうのに対して、ＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの中間層を用いると、４００℃付近まで断線しないことがわかる。つまり、表面層（Ａｕ）の厚さにもよるが、表面層（Ａｕ）を形成する工程より後に３２５℃以上の熱処理を行う場合には、ＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの中間層を用いることで、純Ｐｔを用いた場合よりも断線の確率が小さくなる。なお、表面層（Ａｕ）の膜厚は１.２ｎｍであるが、熱処理をして再配列をするので、約１ｎｍの溝ができると中間層が表面に顔を出し始め、断線してしまう。

本実施例における別の効果としては、中間層に純Ｐｔのみを用いるのではなく、PtIr,ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈのような合金を用いることにより、電子を放出させる時の表面層
（Ａｕ）の原子拡散が抑制され、電子放出分布が安定化されるという効果もある。

この中間層の下地となる第二下地層／第一下地層の組合せはＩｒ／ＩｒＯ₂またはＲｕ／ＲｕＯ₂ である場合に絶縁層との密着性がより良好であり、ＩｒＯ₂，ＲｕＯ₂のような第一下地層が無い場合、すなわち第二下地層しかない場合に比べてはく離強度が２倍以上となる。このＩｒＯ₂の第一下地層の効果を示す例の一部を図７に示す。ＲｕＯ₂ の効果についても同様である。

また、中間層についても、ＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とする一層構造よりも、ＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とす第一中間層と、これに接触させてＰｔを主構成材料とする第二中間層を形成して、中間層を二層構造とするほうが、電気抵抗が低くなるので、より好ましい。

本発明における第一の実施例である薄膜電子源の断面図である。薄膜電子源の動作原理を示す図である。本発明における第一の実施例である薄膜電子源の中間層として純Ｐｔを用いた場合の表面層に形成される粒界溝の深さと熱処理温度の関係を示す図である。本発明における第一の実施例である薄膜電子源の中間層としてＰｔＩｒを用いた場合の表面層に形成される粒界溝の深さと熱処理温度の関係を示す図である。本発明における第一の実施例である薄膜電子源の中間層としてＰｔＲｕを用いた場合の表面層に形成される粒界溝の深さと熱処理温度の関係を示す図である。本発明における第一の実施例である薄膜電子源の中間層としてＰｔＲｈを用いた場合の表面層に形成される粒界溝の深さと熱処理温度の関係を示す図である。本発明における第一の実施例である薄膜電子源の第一下地層にＩｒＯ₂ を用いた場合の剥離強度に対する効果を示す図である。

符号の説明

１１０…基板、１１１…下部電極、１１２，１１４…保護絶縁層、１１３…上部電極、１１５…バス電極配線の下層、１１６…バス電極配線の上層、２１３…金属層。

Claims

基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層を積層した構造であり、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記表面層は、Ａｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層を積層した構造であり、前記下部電極はＡｌを主構成材料とし、前記絶縁層はＡｌ₂Ｏ₃を主構成材料とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，第一中間層，第二中間層，表面層を積層した構造であり、前記下部電極はＡｌを主構成材料とし、前記絶縁層はＡｌ₂Ｏ₃を主構成材料とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記第一中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記第二中間層はＰｔを主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層を積層した構造であり、前記下部電極はＴｉを主構成材料とし、前記絶縁層はＴｉＯ₂ を主構成材料とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，第一中間層，第二中間層，表面層を積層した構造であり、前記下部電極はＴｉを主構成材料とし、前記絶縁層はＴｉＯ₂ を主構成材料とし、前記第一下地層はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とし、前記第二下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記第一中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記第二中間層はＰｔを主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
基板と、前記基板の一主面側に形成された下部電極と、前記下部電極に接触して形成された絶縁層と、前記絶縁層に接触して形成された上部電極とを備え、前記上部電極は、前記絶縁層側から下地層，第一中間層，第二中間層，表面層を積層した構造であり、前記下部電極はＴｉを主構成材料とし、前記絶縁層はＴｉＯ₂ を主構成材料とし、前記下地層はＩｒまたはＲｕを主構成材料とし、前記第一中間層はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とし、前記第二中間層はＰｔを主構成材料とし、前記表面層はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とすることを特徴とする薄膜型電子源。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の薄膜型電子源を複数個配列してなる薄膜型電子源配列基板を、電子源として備えていることを特徴とする薄膜型電子源応用機器。
基板の一主面側に下部電極を形成する工程と、前記下部電極に接触して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に接触して上部電極を形成する工程とを備え、前記上部電極を形成する工程は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層を積層する工程を有し、前記下部電極を形成する工程はＡｌを主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記絶縁層を形成する工程は前記下部電極を酸化する工程であり、前記第一下地層を形成する工程はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記第二下地層を形成する工程はＩｒまたはＲｕを主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記中間層を形成する工程はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とするスパッタターゲットを用いてスパッタ成膜する工程であり、前記表面層を形成する工程はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とするスパッタターゲットを用いてスパッタ成膜する工程であることを特徴とする薄膜型電子源の製造方法。
基板の一主面側に下部電極を形成する工程と、前記下部電極に接触して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に接触して上部電極を形成する工程とを備え、前記上部電極を形成する工程は、前記絶縁層側から第一下地層，第二下地層，中間層，表面層を積層する工程を有し、前記下部電極を形成する工程はＴｉを主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記絶縁層を形成する工程は前記下部電極を酸化する工程であり、前記第一下地層を形成する工程はＩｒＯ₂ またはＲｕＯ₂ を主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記第二下地層を形成する工程はＩｒまたはＲｕを主構成材料とする膜を形成する工程であり、前記中間層を形成する工程はＰｔＩｒ，ＰｔＲｕ，ＰｔＲｈの群から選ばれる一種類を主構成材料とするスパッタターゲットを用いてスパッタ成膜する工程であり、前記表面層を形成する工程はＡｕ，Ａｇの群から選ばれる一種類を主構成材料とするスパッタターゲットを用いてスパッタ成膜する工程であることを特徴とする薄膜型電子源の製造方法。
請求項８または９のいずれかに記載の薄膜型電子源の製造方法において、前記表面層を形成する工程より後に３２５℃以上の熱処理を行うことを特徴とする薄膜型電子源の製造方法。