JP2011216348A - Electron source - Google Patents

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Tsutomu Ichihara
勉 櫟原
Takashi Hatai
崇 幡井
Keisuke Koga
啓介 古賀
Toshiyoshi Yamamoto
敏義 山本
Emi Miyata
恵美 宮田
Manabu Nagamachi
学 長町
Kenji Kato
健治 加藤
Hiroshi Inami
宏 稲実
Tsukasa Hayashi
司 林
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Nissin Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron source improved in the electron discharge characteristics, in comparison with those of conventional ones.SOLUTION: An electron passing layer 6 is provided between a lower electrode 2 and a surface electrode 7. The electron passing layer 6 includes a first electron passing part 6a on a lower electrode 2 side; and a second electron passing part 6b on a surface electrode 7 side. The second electron passing part 6b includes multiple second grains 32a formed along the thickness direction of the lower electrode 2; a first insulating thin film 35 formed in the surface of each of the second grains 32a; multiple nanometer-order fine crystalline semiconductors 33, interposed between the second grains 32a adjacent to each other; and a second insulating thick film 34 formed in the surface of each of the fine crystalline semiconductors 33 and formed smaller in the crystal grain diameter than the fine crystalline semiconductor 33. A region 36 of the second electron passing part 6b, in which the second grains 32a are formed in the thickness direction, and the first electron passing part 6a are mutually different in the crystal orientation, and the second grain 32a is higher than the first grain in the columnar structure.

Description

本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電子源に関するものである。   The present invention relates to an electron source configured to emit an electron beam by field emission.

従来から、多結晶半導体層(多結晶シリコン層)に陽極酸化処理を施すことにより形成されるナノメータオーダの微結晶半導体(微結晶シリコン)を利用した電子デバイスとして、電子源が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。   Conventionally, an electron source has been proposed as an electronic device using a nanometer-order microcrystalline semiconductor (microcrystalline silicon) formed by anodizing a polycrystalline semiconductor layer (polycrystalline silicon layer) ( For example, see Patent Documents 1 and 2).

この種の電子源は、下部電極と、下部電極に対向する金属薄膜よりなる表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在し下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときに作用する電界により下部電極から表面電極へ向かって電子がドリフトする強電界ドリフト層とを備えている。この電子源は、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極から注入され強電界ドリフト層をドリフトした電子が表面電極を通して放出される。ここにおいて、電子源は、強電界ドリフト層が多数の微結晶シリコンを含んでおり、表面電極が10nm程度の膜厚の金属薄膜(例えば、金薄膜)により構成されている。なお、上述の電子源においては、抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い半導体基板の裏面にオーミック電極からなる下部電極を形成したものや、ガラス基板上に導電性層からなる下部電極を形成したものなどがある。   This type of electron source is composed of a lower electrode, a surface electrode made of a metal thin film facing the lower electrode, and a lower electrode between the lower electrode and the surface electrode. And a strong electric field drift layer in which electrons drift from the lower electrode to the surface electrode due to an electric field applied when a voltage is applied. In this electron source, by applying a voltage between the surface electrode and the lower electrode with the surface electrode as a high potential side, electrons injected from the lower electrode and drifting through the strong electric field drift layer are emitted through the surface electrode. Here, in the electron source, the strong electric field drift layer includes a large number of microcrystalline silicon, and the surface electrode is formed of a metal thin film (for example, a gold thin film) having a thickness of about 10 nm. In the above-mentioned electron source, the lower electrode made of an ohmic electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate whose resistivity is relatively close to the resistivity of the conductor, or the lower electrode made of a conductive layer is formed on the glass substrate. There is something that was done.

ところで、上述の強電界ドリフト層は、多結晶シリコン層をフッ酸系溶液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより多孔質多結晶シリコン層を形成し、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法により酸化することによって形成されている。このため、強電界ドリフト層は、柱状の多結晶シリコンのグレインと、各グレインの表面に形成された薄い第1のシリコン酸化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され当該微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の第2のシリコン酸化膜とを有している。   By the way, the above-mentioned strong electric field drift layer forms a porous polycrystalline silicon layer by anodizing the polycrystalline silicon layer in an electrolytic solution made of a hydrofluoric acid solution, and rapidly heats the porous polycrystalline silicon layer. It is formed by oxidation by the method. Therefore, the strong electric field drift layer includes columnar polycrystalline silicon grains, a thin first silicon oxide film formed on the surface of each grain, a number of nanometer order microcrystalline silicon interposed between the grains, And a second silicon oxide film formed on the surface of each microcrystalline silicon and having a thickness smaller than the crystal grain size of the microcrystalline silicon.

上述の電子源では、強電界ドリフト層に印加された電界の大部分が、微結晶シリコンの表面の第2のシリコン酸化膜に集中的にかかり、注入された電子が当該第2のシリコン酸化膜にかかっている強電界により加速されグレイン間を表面に向かってドリフトする。要するに、下部電極と表面電極との間に介在する強電界ドリフト層が、電子が通過する電子通過層を構成している。なお、電子通過層は、強電界ドリフト層のもととなる多結晶シリコン層の一部と、強電界ドリフト層とで構成される場合もある。   In the above-described electron source, most of the electric field applied to the strong electric field drift layer is concentrated on the second silicon oxide film on the surface of the microcrystalline silicon, and the injected electrons are applied to the second silicon oxide film. It is accelerated by the strong electric field applied to the surface and drifts between the grains toward the surface. In short, the strong electric field drift layer interposed between the lower electrode and the surface electrode constitutes an electron passage layer through which electrons pass. The electron passage layer may be composed of a part of a polycrystalline silicon layer that is a base of the strong electric field drift layer and a strong electric field drift layer.

特開2000−100316号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-100360 特開2001−155622号公報JP 2001-155622 A

ところで、上述の電子源において良好な電子放出特性を得るためには、第2のシリコン酸化膜により覆われた微結晶シリコンが下部電極側から表面電極側に向って連続的に整列して形成されていることが望ましい。   By the way, in order to obtain good electron emission characteristics in the above-mentioned electron source, microcrystalline silicon covered with the second silicon oxide film is formed continuously aligned from the lower electrode side to the surface electrode side. It is desirable that

ここで、特許文献1,2に開示された電子源では、多結晶シリコン層を陽極酸化処理することにより微結晶シリコンを形成しているので、多結晶シリコン層におけるグレインの内部よりも粒界において優先的に陽極酸化反応が進行する。したがって、微結晶シリコンが多結晶シリコンのグレインの表面に沿って並ぶように形成されるものと考えられる。   Here, in the electron sources disclosed in Patent Documents 1 and 2, since the polycrystalline silicon layer is formed by anodizing the microcrystalline silicon, the grain boundaries in the polycrystalline silicon layer are larger than the grain boundaries. The anodization reaction proceeds preferentially. Therefore, it is considered that the microcrystalline silicon is formed so as to be aligned along the surface of the polycrystalline silicon grain.

そこで、上述の電子源の電子放出特性の向上を図るためには、電子通過層のもとになる多結晶シリコン層の結晶配向性を高めることが考えられる。   Therefore, in order to improve the electron emission characteristics of the electron source described above, it is conceivable to improve the crystal orientation of the polycrystalline silicon layer that becomes the electron passage layer.

しかしながら、本願発明者らは、鋭意研究の結果、多結晶シリコン層の結晶配向性を高めると、陽極酸化処理時に電子通過層にピンホールが発生して、電子通過層が下部電極から剥離しやすくなって陽極酸化処理に対するプロセス耐性が低下する傾向があるとともに、電子源の駆動時に表面電極と下部電極との間の短絡による絶縁破壊が起こりやすく寿命が短くなってしまうという知見を得た。このため、多結晶シリコン層の結晶配向性を高めるだけでは、電子放出特性の向上が難しいという知見を得た。   However, as a result of intensive studies, the inventors of the present application have found that when the crystal orientation of the polycrystalline silicon layer is increased, pinholes are generated in the electron passage layer during the anodizing treatment, and the electron passage layer easily peels from the lower electrode. As a result, the process resistance to the anodizing treatment tends to be lowered, and it has been found that the dielectric breakdown due to a short circuit between the surface electrode and the lower electrode is likely to occur when the electron source is driven and the life is shortened. For this reason, it has been found that it is difficult to improve the electron emission characteristics only by improving the crystal orientation of the polycrystalline silicon layer.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、従来に比べて電子放出特性を向上できる電子源を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an electron source capable of improving electron emission characteristics as compared with the prior art.

本発明の電子源は、下部電極と表面電極との間に前記表面電極を高電位側として電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層を備え、前記表面電極を通して前記電子を放出する電子源であって、前記電子通過層は、前記下部電極の厚み方向に沿って形成された多数の第1のグレインの集合体からなる第1の電子通過部と、前記第1の電子通過部上に設けた第2の電子通過部とを有し、前記第2の電子通過部は、少なくとも、前記下部電極の厚み方向に沿って形成された多数の第2のグレインと、互いに隣り合う前記第2のグレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶半導体と、前記微結晶半導体それぞれの表面に形成され前記微結晶半導体の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とを有するものであり、前記第2の電子通過部の厚み方向において前記第2のグレインが形成された領域と前記第1の電子通過部とは、結晶配向性が異なり、前記第2のグレインの方が、前記第1のグレインに比べて柱状性が高いことを特徴とする。   The electron source of the present invention includes an electron passage layer through which electrons pass by an electric field that acts when a voltage is applied between the lower electrode and the surface electrode with the surface electrode at a high potential side, and the electrons pass through the surface electrode. The electron passage layer includes a first electron passage portion formed of an aggregate of a plurality of first grains formed along a thickness direction of the lower electrode, and the first electron passage portion. A second electron passage portion provided on the electron passage portion, and the second electron passage portion includes at least a plurality of second grains formed along the thickness direction of the lower electrode, and A plurality of nanometer-order microcrystalline semiconductors interposed between the adjacent second grains, and an insulating film formed on each surface of the microcrystalline semiconductor and having a thickness smaller than the crystal grain size of the microcrystalline semiconductor. And said The region where the second grains are formed in the thickness direction of the second electron passing portion and the first electron passing portion are different in crystal orientation, and the second grain is more in the first grain. It is characterized by high columnarity compared to.

この電子源において、前記下部電極と前記電子通過層と前記表面電極とで構成される電子源素子が一表面側に形成されたガラス基板を備え、前記下部電極が、前記ガラス基板の前記一表面上に形成された金属層からなり、前記第2の電子通過部の前記領域は、前記第1の電子通過部よりも、〔(111)配向率〕/〔(220)配向率〕の値が大きいことが好ましい。   In this electron source, an electron source element composed of the lower electrode, the electron passage layer, and the surface electrode is provided on one surface side, and the lower electrode is the one surface of the glass substrate. The region of the second electron passage portion has a value of [(111) orientation ratio] / [(220) orientation ratio] than the first electron passage portion. Larger is preferred.

この電子源において、前記第1の電子通過部のほうが、前記第2の電子通過部の前記領域よりも膜応力が低いことが好ましい。   In this electron source, it is preferable that the first electron passage portion has a lower film stress than the region of the second electron passage portion.

本発明の電子源においては、従来に比べて電子放出特性を向上できる。   In the electron source of the present invention, the electron emission characteristics can be improved as compared with the prior art.

実施形態の電子源を示し、(a)は概略断面図、(b)は要部概略構成図である。The electron source of embodiment is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a principal part schematic block diagram. 同上の電子源の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of an electron source same as the above. 同上の電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of an electron source same as the above. 多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を変化させた種々のサンプルの断面TEM像図である。It is a cross-sectional TEM image figure of the various samples which changed the pressure at the time of film-forming of a polycrystalline-silicon film. 多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を変化させた種々のサンプルのX線回折スペクトル図である。FIG. 4 is an X-ray diffraction spectrum diagram of various samples in which the pressure during the formation of a polycrystalline silicon film is changed. 多結晶シリコン膜の成膜時の圧力と膜応力との関係説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a relationship between pressure and film stress when forming a polycrystalline silicon film. 膜応力の測定方法の説明図である。It is explanatory drawing of the measuring method of a film | membrane stress. 多結晶シリコン膜の成膜時の圧力と面方位との関係説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a relationship between a pressure and a plane orientation when forming a polycrystalline silicon film. 多結晶シリコン膜の成膜時の圧力と面方位との関係説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a relationship between a pressure and a plane orientation when forming a polycrystalline silicon film. 多結晶シリコン膜の結晶方位の面内分布の説明図である。It is explanatory drawing of the in-plane distribution of the crystal orientation of a polycrystalline silicon film. 多結晶シリコン膜の結晶方位の面内分布の説明図である。It is explanatory drawing of the in-plane distribution of the crystal orientation of a polycrystalline silicon film.

本実施形態の電子源10は、図1(a)に示すように、基板11の一表面側に電子源素子10aが形成されている。ここで、電子源素子10aは、基板11の上記一表面側に形成された下部電極2と、下部電極2上に形成された電子通過層6と、電子通過層6上に形成された表面電極7とで構成されている。つまり、電子源素子10aは、表面電極7と下部電極2とが対向しており、表面電極7と下部電極2との間に電子通過層6が挟まれている。表面電極7の厚さは10nmに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。   As shown in FIG. 1A, the electron source 10 of this embodiment has an electron source element 10 a formed on one surface side of a substrate 11. Here, the electron source element 10 a includes a lower electrode 2 formed on the one surface side of the substrate 11, an electron passage layer 6 formed on the lower electrode 2, and a surface electrode formed on the electron passage layer 6. 7. That is, in the electron source element 10 a, the surface electrode 7 and the lower electrode 2 face each other, and the electron passage layer 6 is sandwiched between the surface electrode 7 and the lower electrode 2. Although the thickness of the surface electrode 7 is set to 10 nm, this value is an example and is not particularly limited.

基板11は、絶縁性を有するガラス基板により構成してある。ガラス基板としては、例えば、無アルカリガラス基板や石英ガラス基板などを用いることができる。また、基板11としては、絶縁性のセラミック基板なども用いることができる。   The substrate 11 is made of an insulating glass substrate. As the glass substrate, for example, an alkali-free glass substrate or a quartz glass substrate can be used. As the substrate 11, an insulating ceramic substrate or the like can be used.

下部電極2は、Ti膜とW膜との積層膜からなる金属層により構成してある。下部電極2は、この金属層に限らず、例えば、金属材料からなる単層(例えば、Cr,W,Ti,Ta,Ni,Al,Cu,Au,Pt,Moなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる単層)または多層(例えば、Cr,W,Ti,Ta,Ni,Al,Cu,Au,Pt,Moなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる多層)の金属層により構成すればよい。なお、下部電極2の厚さは300nmに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。   The lower electrode 2 is composed of a metal layer made of a laminated film of a Ti film and a W film. The lower electrode 2 is not limited to this metal layer. For example, a single layer made of a metal material (for example, a metal such as Cr, W, Ti, Ta, Ni, Al, Cu, Au, Pt, or Mo, an alloy, silicide, or the like) A single layer composed of an intermetallic compound) or a multilayer (for example, a multilayer composed of a metal such as Cr, W, Ti, Ta, Ni, Al, Cu, Au, Pt, Mo or an alloy or an intermetallic compound such as silicide) What is necessary is just to comprise. In addition, although the thickness of the lower electrode 2 is set to 300 nm, this value is an example and is not particularly limited.

電子通過層6は、後述のように、下部電極2側に成膜された第1の多結晶半導体膜31と第1の多結晶シリコン膜31上に成膜された第2の多結晶半導体膜32とからなる半導体層3に陽極酸化処理(ナノ結晶化プロセス)を施してから、酸化処理(酸化プロセス)を施すことにより形成されており、第1の多結晶半導体膜31の少なくとも一部からなる第1の電子通過部6aと、少なくとも第2の多結晶半導体膜32を基礎として形成された第2の電子通過部6bとを備えている。ここにおいて、第2の電子通過部6bは、第2の多結晶半導体膜32の一部もしくは全部、あるいは、第2の多結晶半導体膜32と第1の多結晶半導体膜31における第2の多結晶半導体膜32側の部分とを、陽極酸化処理することにより形成すればよい。いずれにしても、電子通過層6は、第1の電子通過部6aと、第1の電子通過部6a上に設けられた第2の電子通過部6bとで構成される。なお、本実施形態では、半導体層3の膜厚を2μm、第1の多結晶半導体膜31の膜厚を1.6μm、第2の多結晶半導体膜32の膜厚を0.4μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。   As will be described later, the electron passage layer 6 includes a first polycrystalline semiconductor film 31 formed on the lower electrode 2 side and a second polycrystalline semiconductor film formed on the first polycrystalline silicon film 31. The semiconductor layer 3 is formed by subjecting the semiconductor layer 3 to 32 to an anodization process (nanocrystallization process) and then an oxidation process (oxidation process), and from at least a part of the first polycrystalline semiconductor film 31. The first electron passage portion 6a and the second electron passage portion 6b formed on the basis of at least the second polycrystalline semiconductor film 32 are provided. Here, the second electron passage portion 6 b is a part of or all of the second polycrystalline semiconductor film 32, or the second polycrystal in the second polycrystal semiconductor film 32 and the first polycrystal semiconductor film 31. The portion on the crystal semiconductor film 32 side may be formed by anodizing. In any case, the electron passage layer 6 includes a first electron passage portion 6a and a second electron passage portion 6b provided on the first electron passage portion 6a. In the present embodiment, the thickness of the semiconductor layer 3 is set to 2 μm, the thickness of the first polycrystalline semiconductor film 31 is set to 1.6 μm, and the thickness of the second polycrystalline semiconductor film 32 is set to 0.4 μm. However, these numerical values are merely examples, and are not particularly limited.

第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32とは、両方ともノンドープの多結晶シリコン膜により構成されているが、第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32とは、互いの結晶配向性が異なるように、成膜条件を異ならせてある。しかして、第2の電子通過部6bの厚み方向において後述の第2のグレイン32a(図1(b)参照)が形成された領域36と第1の電子通過部6aとは、結晶配向性が異なる。   The first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 are both composed of non-doped polycrystalline silicon films, but the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film The film formation conditions are different from those of the film 32 so that the crystal orientations are different from each other. Thus, in the thickness direction of the second electron passage portion 6b, the region 36 in which a later-described second grain 32a (see FIG. 1B) is formed and the first electron passage portion 6a have a crystal orientation. Different.

第1の電子通過部6aは、下部電極2の厚み方向に沿って形成された多数の第1のグレインの集合体により構成されている。ここで、第1のグレインは、第1の多結晶半導体膜31のグレイン(結晶粒)により構成されている。   The first electron passage portion 6 a is configured by an aggregate of a large number of first grains formed along the thickness direction of the lower electrode 2. Here, the first grain is composed of grains (crystal grains) of the first polycrystalline semiconductor film 31.

また、第2の電子通過部6bは、少なくとも、図1(b)に示すように、下部電極2の厚み方向に沿って形成された多数の第2のグレイン32aと、各第2のグレイン32aそれぞれの表面に形成された薄い第1の絶縁膜35と、互いに隣り合う第2のグレイン32a間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶半導体33と、微結晶半導体33それぞれの表面に形成され微結晶半導体33の結晶粒径よりも小さな膜厚の第2の絶縁膜34とを有している。要するに、上述の領域36は、第2のグレイン32aおよび隣り合う第2のグレイン32aの粒界付近に存在する多数の微結晶半導体33が混在している。本実施形態では、微結晶半導体33が、微結晶シリコンにより構成され、第1の絶縁膜35および第2の絶縁膜34が、シリコン酸化膜により構成されている。なお、本実施形態では、第2の電子通過部6bが、表面電極7と下部電極2との間に電界励起により下部電極2から注入された電子を表面電極7へ向って加速する強電界ドリフト層を構成している。   The second electron passage 6b includes at least a plurality of second grains 32a formed along the thickness direction of the lower electrode 2 and each second grain 32a, as shown in FIG. 1B. A thin first insulating film 35 formed on each surface, a large number of nanometer-order microcrystalline semiconductors 33 interposed between the adjacent second grains 32a, and a microcrystalline semiconductor 33 formed on each surface. And a second insulating film 34 having a thickness smaller than the crystal grain size of the crystal semiconductor 33. In short, in the region 36 described above, a large number of microcrystalline semiconductors 33 existing near the grain boundaries of the second grain 32a and the adjacent second grain 32a are mixed. In the present embodiment, the microcrystalline semiconductor 33 is made of microcrystalline silicon, and the first insulating film 35 and the second insulating film 34 are made of a silicon oxide film. In the present embodiment, the second electron passage portion 6 b accelerates electrons injected from the lower electrode 2 by electric field excitation between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 toward the surface electrode 7. Make up layer.

第1の電子通過部6aおよび第2の電子通過部6bについては、電子源10の基本的な製造方法について説明した後で更に説明する。   The first electron passage section 6a and the second electron passage section 6b will be further described after the basic manufacturing method of the electron source 10 is described.

表面電極7は、Auなどの金属材料からなる金属薄膜により構成してある。表面電極7の金属材料は、Auに限らず、導電率が比較的高く且つ仕事関数が比較的小さく、耐酸化性に優れ化学的に安定な金属材料であればよく、例えば、Ptなどを採用してもよく、また、表面電極7は単層構造に限らず、2層構造としてもよい。   The surface electrode 7 is made of a metal thin film made of a metal material such as Au. The metal material of the surface electrode 7 is not limited to Au, and may be any metal material that has a relatively high conductivity, a relatively low work function, excellent oxidation resistance, and is chemically stable. For example, Pt is used. Alternatively, the surface electrode 7 is not limited to a single layer structure, and may have a two layer structure.

図1(a)に示す構成の電子源素子10aから電子を放出させるには、例えば、図2に示すように、表面電極7に対向配置されたコレクタ電極9を設け、表面電極7とコレクタ電極9との間を真空とした状態で、表面電極7が下部電極2に対して高電位側となるように表面電極7と下部電極2との間に直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極9が表面電極7に対して高電位側となるようにコレクタ電極9と表面電極7との間に直流電圧Vcを印加する。各直流電圧Vps,Vcを適宜に設定すれば、下部電極2から注入された電子が電子通過層6をドリフトし表面電極7を通して放出される(図2中の一点鎖線は表面電極7を通して放出された電子eの流れを示す)。なお、電子通過層6の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。つまり、電子通過層6では、下部電極2に対して表面電極7を高電位側としたときに作用する電界により下部電極2から表面電極7へ向かう向きへ電子が加速されてドリフトする量子効果が発現することになる。 In order to emit electrons from the electron source element 10a having the configuration shown in FIG. 1A, for example, as shown in FIG. 2, a collector electrode 9 disposed opposite to the surface electrode 7 is provided, and the surface electrode 7 and the collector electrode are provided. A DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 so that the surface electrode 7 is on the high potential side with respect to the lower electrode 2 in a state where the space between the collector electrode 9 and the collector electrode 9 A DC voltage Vc is applied between the collector electrode 9 and the surface electrode 7 so that is on the high potential side with respect to the surface electrode 7. If the DC voltages Vps and Vc are appropriately set, electrons injected from the lower electrode 2 drift through the electron passage layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the chain line in FIG. 2 is emitted through the surface electrode 7). electrons e - shows the flow of). The electrons that reach the surface of the electron passage layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the surface electrode 7 and emitted into the vacuum. That is, the electron passage layer 6 has a quantum effect in which electrons are accelerated and drifted in a direction from the lower electrode 2 to the surface electrode 7 by an electric field that acts when the surface electrode 7 is set to the high potential side with respect to the lower electrode 2. Will be expressed.

電子源素子10aでは、表面電極7と下部電極2との間に流れる電流をダイオード電流Ipsと呼び、コレクタ電極9と表面電極7との間に流れる電流をエミッション電流(放出電子電流)Ieと呼ぶことにすれば(図2参照)、ダイオード電流Ipsに対するエミッション電流Ieの比率(=Ie/Ips)が大きいほど電子放出効率(=(Ie/Ips)×100〔%〕)が高くなる。ここで、電子源素子10aは、表面電極7と下部電極2との間に印加する直流電圧Vpsを10〜20V程度の低電圧としても電子を放出させることができ、電子放出特性の真空度依存性が小さくポッピング現象が発生せず安定して電子を放出することができる。   In the electron source element 10a, the current flowing between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 is called a diode current Ips, and the current flowing between the collector electrode 9 and the surface electrode 7 is called an emission current (emitted electron current) Ie. If so (see FIG. 2), the larger the ratio of the emission current Ie to the diode current Ips (= Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency (= (Ie / Ips) × 100 [%]). Here, the electron source element 10a can emit electrons even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 is a low voltage of about 10 to 20 V, and the electron emission characteristics depend on the degree of vacuum. Therefore, no popping phenomenon occurs and electrons can be stably emitted.

上述の電子源素子10aでは、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。電子源素子10aから電子を放出させるには、例えば、表面電極7と下部電極2との間に表面電極7を高電位側として直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極9と表面電極7との間にコレクタ電極9を高電位側として直流電圧Vcを印加する。ここで、電子eは下部電極2から電子通過層6に熱的に励起されて注入される。一方、電子通過層6に直流電圧Vpsを印加すると、大部分の電界は第2の絶縁膜34にかかる。このため、電子通過層6に注入された電子eは第2の絶縁膜34にかかっている強電界により加速され、電子通過層6内で第2のグレイン32aの間の部分を表面電極7に向かって図1(b)中の矢印の向き(図1(b)における上向き)にドリフトする。ここで、直流電圧Vpsが所定値(例えば、表面電極7の電位が仕事関数以上となる電圧)以上であれば、表面電極7に到達した電子eが表面電極7をトンネルし真空中に放出される。電子通過層6中の各微結晶半導体33はボーア半径程度の大きさであり、電子eは微結晶半導体33で散乱されることなくトンネルする。このため、微結晶半導体33表面の薄い第2の絶縁膜34にかかっている強電界で加速された電子eは、電子通過層6中をほとんど散乱されることなくドリフトし、表面電極7を通して真空中に放出される。また、電子通過層6で発生した熱は第2のグレイン32aを通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。なお、電子通過層6の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真空中に放出される。以上説明した動作原理の電子源素子10aは、弾道電子面放出型電子源(Ballistic electron Surface-emitting Device)と呼ばれている。また、この電子源素子10aは、表面電極7と下部電極2との間に表面電極7を高電位側として直流電圧Vpsを印加するとともに、コレクタ電極9と表面電極7との間にコレクタ電極9を高電位側として直流電圧Vcを印加することにより、下部電極2から電子通過層6へ電子を注入でき、真空中に限らず、大気中でも安定して電子を放出することができる。 In the above-described electron source element 10a, it is considered that electron emission occurs in the following model. In order to emit electrons from the electron source element 10a, for example, the DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 with the surface electrode 7 set to the high potential side, and the collector electrode 9 and the surface electrode 7 A DC voltage Vc is applied between the collector electrode 9 and the high potential side. Here, electrons e are thermally excited from the lower electrode 2 and injected into the electron passage layer 6. On the other hand, when a DC voltage Vps is applied to the electron passage layer 6, most of the electric field is applied to the second insulating film 34. For this reason, the electrons e injected into the electron passage layer 6 are accelerated by a strong electric field applied to the second insulating film 34, and a portion between the second grains 32 a in the electron passage layer 6 serves as the surface electrode 7. Drifts in the direction of the arrow in FIG. 1B (upward in FIG. 1B). Here, if the DC voltage Vps is equal to or higher than a predetermined value (for example, a voltage at which the potential of the surface electrode 7 is equal to or higher than the work function), the electrons e that reach the surface electrode 7 tunnel through the surface electrode 7 and are emitted into the vacuum. Is done. Each microcrystalline semiconductor 33 in the electron passage layer 6 has a size of about the Bohr radius, and the electrons e tunnel without being scattered by the microcrystalline semiconductor 33. For this reason, the electrons e accelerated by the strong electric field applied to the thin second insulating film 34 on the surface of the microcrystalline semiconductor 33 drift without being scattered in the electron passage layer 6 and pass through the surface electrode 7. Released into vacuum. Further, since the heat generated in the electron passage layer 6 is dissipated through the second grain 32a, no popping phenomenon occurs at the time of electron emission, and electrons can be stably emitted. The electrons that reach the surface of the electron passage layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the surface electrode 7 and emitted into the vacuum. The electron source element 10a having the operation principle described above is called a ballistic electron surface-emitting device. The electron source element 10 a applies a DC voltage Vps between the surface electrode 7 and the lower electrode 2 with the surface electrode 7 as a high potential side, and between the collector electrode 9 and the surface electrode 7. By applying a DC voltage Vc with a high potential side, electrons can be injected from the lower electrode 2 to the electron passage layer 6 and electrons can be stably emitted not only in a vacuum but also in the atmosphere.

以下、電子源10の製造方法について図3を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the electron source 10 will be described with reference to FIG.

まず、基板11の一表面側に下部電極2を形成し、続いて、下部電極2上に第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32との積層膜からなる所定膜厚(例えば、2μm)の半導体層3を形成することにより、図3(a)に示す構造を得る。ここで、下部電極2の成膜方法としては、例えば、スパッタ法や蒸着法などを採用すればよい。また、第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32の成膜方法としては、プラズマCVD法を採用している。第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32の成膜方法については後述する。   First, the lower electrode 2 is formed on one surface side of the substrate 11, and then a predetermined film thickness composed of a laminated film of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 on the lower electrode 2. By forming the semiconductor layer 3 (for example, 2 μm), the structure shown in FIG. Here, as a film formation method of the lower electrode 2, for example, a sputtering method or a vapor deposition method may be employed. Further, as a method for forming the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32, a plasma CVD method is employed. A method for forming the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 will be described later.

半導体層3を形成した後、上述の陽極酸化処理(ナノ結晶化プロセス)を行うことで、少なくも、第2の多結晶半導体膜32の第2のグレイン32aと微結晶半導体33とが混在する第1の複合層4を形成することによって、図3(b)に示す構造を得る。ここにおいて、陽極酸化処理では、所定の電解液の入った処理槽を利用し、白金電極(図示せず)と下部電極2との間に電圧を印加して、第1の所定の電流密度の定電流を第1の所定時間だけ流すことによって、第1の複合層4を形成する。半導体層3のうち第1の複合層4が形成されずに残った部分が第1の電子通過部6aとなる。上述の陽極酸化処理においては、半導体層3の半導体材料がシリコンなので、電解液として、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した混合液からなるフッ酸系溶液を用いている。フッ化水素水溶液の濃度やエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体も、エタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール(IPA)などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。なお、陽極酸化反応は、隣り合う第2のグレイン32aの粒界付近で優先的に反応が進むので、多数の微結晶半導体33が第2の多結晶半導体膜32の厚み方向に連なって形成される。また、電解液は、半導体層3の半導体材料に応じて適宜の混合液を用いればよい。   After the semiconductor layer 3 is formed, at least the second grain 32a of the second polycrystalline semiconductor film 32 and the microcrystalline semiconductor 33 are mixed by performing the above-described anodizing treatment (nanocrystallization process). By forming the first composite layer 4, the structure shown in FIG. 3B is obtained. Here, in the anodizing process, a voltage is applied between a platinum electrode (not shown) and the lower electrode 2 using a processing tank containing a predetermined electrolytic solution, and a first predetermined current density is obtained. The first composite layer 4 is formed by allowing a constant current to flow for a first predetermined time. A portion of the semiconductor layer 3 that is left without the first composite layer 4 is formed as a first electron passage portion 6a. In the above-described anodic oxidation treatment, since the semiconductor material of the semiconductor layer 3 is silicon, a hydrofluoric acid-based solution made of a mixed solution in which 55 wt% aqueous hydrogen fluoride and ethanol are mixed at approximately 1: 1 is used as the electrolytic solution. ing. The concentration of the aqueous hydrogen fluoride solution and the mixing ratio with ethanol are not particularly limited. In addition, the liquid mixed with the aqueous hydrogen fluoride solution is not limited to ethanol, and is not particularly limited as long as it is a liquid that can remove bubbles generated in the anodizing reaction, such as alcohol such as methanol, propanol, and isopropanol (IPA). Absent. Note that the anodization reaction proceeds preferentially in the vicinity of the grain boundaries of the adjacent second grains 32 a, so that a large number of microcrystalline semiconductors 33 are formed continuously in the thickness direction of the second polycrystalline semiconductor film 32. The Further, as the electrolytic solution, an appropriate mixed solution may be used according to the semiconductor material of the semiconductor layer 3.

また、陽極酸化処理においては、第1の所定の電流密度を12mA/cm、第1の所定時間(陽極酸化時間)を6秒あるいは12秒に設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、本実施形態では、第2の多結晶半導体膜32および第1の多結晶半導体膜31それぞれをノンドープの多結晶シリコン膜により構成しているので、陽極酸化処理時に、半導体層3に光源から光照射を行いながら電流を流すようにしているが、p形の多結晶シリコン膜により構成する場合には、光照射の必要はない。 In the anodic oxidation treatment, the first predetermined current density is set to 12 mA / cm 2 and the first predetermined time (anodic oxidation time) is set to 6 seconds or 12 seconds. There is no particular limitation. In the present embodiment, since each of the second polycrystalline semiconductor film 32 and the first polycrystalline semiconductor film 31 is composed of a non-doped polycrystalline silicon film, the semiconductor layer 3 is irradiated from the light source during the anodic oxidation process. Although current is allowed to flow while performing light irradiation, light irradiation is not necessary in the case of a p-type polycrystalline silicon film.

上述の陽極酸化処理が終了した後に、上述の酸化処理(酸化プロセス)を行うことで図1(b)のような領域36を有する第2の電子通過部6bを形成することによって、図3(c)に示す構造を得る。酸化処理では、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に0.04mol/Lの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解質溶液の入った酸化処理槽を利用し、白金電極(図示せず)と下部電極2との間に所定の電圧を印加して第2の所定の電流密度の定電流を流し、白金電極と下部電極2との間の電圧が規定電圧だけ上昇するまで第1の複合層4を電気化学的に酸化することによって、グレイン32a、微結晶半導体33、第1の絶縁膜35、および第2の絶縁膜34を少なくとも含む第2の複合層からなる第2の電子通過部6bを形成している。これにより、第1の電子通過部6aと第2の電子通過部6bとからなる電子通過層6が形成されることになる。本実施形態では、第2の所定の電流密度を0.1mA/cmとし、規定電圧を20Vとしているが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。なお、酸化処理は、電気化学的な酸化方法に限らず、例えば、急速熱酸化法、プラズマ酸化法、オゾンによる酸化方法などを採用してもよい。 After the above-described anodic oxidation treatment is completed, the above-described oxidation treatment (oxidation process) is performed to form the second electron passage portion 6b having the region 36 as shown in FIG. The structure shown in c) is obtained. In the oxidation treatment, for example, an oxidation treatment tank containing an electrolyte solution made of a solution obtained by dissolving 0.04 mol / L potassium nitrate in an organic solvent made of ethylene glycol is used, and a platinum electrode (not shown) is used. A first composite layer is applied until a predetermined current is applied between the lower electrode 2 and a constant current having a second predetermined current density is applied, and the voltage between the platinum electrode and the lower electrode 2 is increased by a specified voltage. 4 is electrochemically oxidized to form a second electron passage portion 6b made of a second composite layer including at least the grain 32a, the microcrystalline semiconductor 33, the first insulating film 35, and the second insulating film 34. Is forming. Thereby, the electron passage layer 6 which consists of the 1st electron passage part 6a and the 2nd electron passage part 6b is formed. In the present embodiment, the second predetermined current density is 0.1 mA / cm 2 and the specified voltage is 20 V. However, these numerical values are merely examples and are not particularly limited. The oxidation treatment is not limited to the electrochemical oxidation method, and for example, a rapid thermal oxidation method, a plasma oxidation method, an oxidation method using ozone, or the like may be employed.

電子通過層6を形成した後、電子通過層6上に表面電極7を蒸着法やスパッタ法などにより形成することによって、図3(d)に示す構造の電子源10を得る。   After the electron passage layer 6 is formed, the surface electrode 7 is formed on the electron passage layer 6 by vapor deposition or sputtering, thereby obtaining the electron source 10 having the structure shown in FIG.

以下、第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32の成膜方法について説明する。   Hereinafter, a method for forming the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 will be described.

本願発明者らは、第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32それぞれの結晶配向性を制御するための多結晶半導体膜の成膜時のプロセスパラメータ(成膜条件)として、プラズマCVD法による成膜時の圧力に着目した。そして、成膜時の圧力以外のプロセスパラメータを一定として、多結晶半導体膜である多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を種々変化させて、多結晶シリコン膜について、X線回折(x-ray diffraction:XRD)測定、電子後方散乱回折(electronback scattering diffraction:EBSD)測定、透過型電子顕微鏡(transmissionelectron microscope:TEM)による断面観察、光学顕微鏡による表面観察、応力(膜応力)の測定などによる評価を行った。   The inventors of the present application provide process parameters (deposition conditions) at the time of forming a polycrystalline semiconductor film for controlling the crystal orientation of each of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32. Attention was paid to the pressure during film formation by the plasma CVD method. Then, the process parameters other than the pressure at the time of film formation are kept constant, and the pressure at the time of film formation of the polycrystalline silicon film, which is a polycrystalline semiconductor film, is changed variously. Diffraction: XRD measurement, electron back scattering diffraction (EBSD) measurement, cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM), surface observation with an optical microscope, stress (film stress) measurement, etc. went.

ここにおいて、多結晶シリコン膜を成膜するためのプラズマCVD装置としては、チャンバのプラズマ生成室の内部にアンテナを備えた低インダクタンス誘導結合プラズマ型のプラズマCVD装置を用いた。そして、成膜時の圧力以外のプロセスパラメータに関しては、SiHガスの流量を標準状態で0.0025L/min(2.5sccm)、Hガスの流量を標準状態で0.030L/min(30sccm)、RF電力を1.7kW、基板温度を420℃とし、成膜時の圧力については、0.8Pa〜2.4Paの範囲で種々変化させた。なお、RF電力が1.7kWという点に関しては、プラズマ生成室の容積で規格化すると、0.089W/cmとなる。また、基板11として用いるガラス基板としては、無アルカリガラスの一種であるコーニング1737ガラス(コーニング社製)、あるいは、石英ガラスを用いた。また、基板11の厚さは、0.7mmとした。また、多結晶シリコン膜の下地となる下部電極2としては、厚さが50nmのTi膜と厚さが250nmのW膜との積層膜を用いた。 Here, as a plasma CVD apparatus for forming a polycrystalline silicon film, a low inductance inductively coupled plasma type plasma CVD apparatus having an antenna inside a plasma generation chamber of the chamber was used. Regarding the process parameters other than the pressure during film formation, the flow rate of SiH 4 gas is 0.0025 L / min (2.5 sccm) in the standard state, and the flow rate of H 2 gas is 0.030 L / min (30 sccm) in the standard state. ), The RF power was 1.7 kW, the substrate temperature was 420 ° C., and the pressure during film formation was variously changed in the range of 0.8 Pa to 2.4 Pa. Note that the RF power of 1.7 kW is 0.089 W / cm 3 when normalized by the volume of the plasma generation chamber. As the glass substrate used as the substrate 11, Corning 1737 glass (manufactured by Corning), which is a kind of alkali-free glass, or quartz glass was used. The thickness of the substrate 11 was 0.7 mm. Further, as the lower electrode 2 serving as the base of the polycrystalline silicon film, a laminated film of a Ti film having a thickness of 50 nm and a W film having a thickness of 250 nm was used.

ここで、XRD測定はθ−2θ法により行っている。このXRD測定の結果、プラズマCVD法による多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を高くするにつれて、(220)配向の回折線強度が高くなるのに対して、(111)配向の回折線強度がほとんど変わらないという知見を得た。   Here, the XRD measurement is performed by the θ-2θ method. As a result of this XRD measurement, as the pressure at the time of film formation of the polycrystalline silicon film by the plasma CVD method is increased, the diffraction line intensity of (220) orientation increases, whereas the diffraction line intensity of (111) orientation increases. The knowledge that it hardly changed was obtained.

ガラス基板としてコーニング1737ガラス(#1737)を用い、成膜時の圧力を1.8Paとした場合のサンプルについて、図4(a)に、2θの28.4°付近に現われた(111)方向の回折線のXRDスペクトルを示し、図4(b)に、2θの47.4°付近に現われた(220)方向の回折線のXRDスペクトルを示す。ここで、図4(a),(b)は、横軸が2θ(°)、縦軸が回折線強度I(cps)である。なお、他のサンプルについても、(111)方向の回折線、(220)方向の回折線が現われた。   For a sample in which Corning 1737 glass (# 1737) was used as the glass substrate and the pressure during film formation was 1.8 Pa, the (111) direction appeared in the vicinity of 28.4 ° of 2θ in FIG. FIG. 4B shows the XRD spectrum of the diffraction line in the (220) direction that appears near 47.4 ° of 2θ. Here, in FIGS. 4A and 4B, the horizontal axis is 2θ (°), and the vertical axis is the diffraction line intensity I (cps). For other samples, diffraction lines in the (111) direction and diffraction lines in the (220) direction appeared.

図5は、成膜時の圧力と面方位との関係説明図であって、横軸が圧力(Pa)、縦軸が回折線強度(cps)である。ここで、図5に関して、A1(黒色の四角)は、基板11が#1737の場合の各サンプルの(111)方向の回折線強度であり、A2(白色の四角)は、基板11が#1737の場合の(220)方向の回折線強度である。また、A3(黒色の三角)は、基板11が石英ガラスの場合の(111)方向の回折線強度であり、A4(白色の三角)は、基板11が石英の場合の(220)方向の回折線強度である。   FIG. 5 is an explanatory diagram of the relationship between the pressure during film formation and the plane orientation, in which the horizontal axis represents pressure (Pa) and the vertical axis represents diffraction line intensity (cps). 5, A1 (black square) is the diffraction line intensity in the (111) direction of each sample when the substrate 11 is # 1737, and A2 (white square) is # 1737 for the substrate 11 # 1737. In the case of (220) direction. A3 (black triangle) is the diffraction line intensity in the (111) direction when the substrate 11 is quartz glass, and A4 (white triangle) is the diffraction in the (220) direction when the substrate 11 is quartz. Line strength.

図5から、基板11が#1737、石英ガラスいずれの場合も、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力が高くなるにつれて、(220)配向の回折線強度が高くなるのに対して、(111)配向の回折線強度がほとんど変わらないことが分かる。また、(111)配向の回折線強度、(220)方向の回折線強度とも、基板11の違いによる大きな差はないことも分かる。   From FIG. 5, it can be seen that in both cases where the substrate 11 is # 1737 and quartz glass, the intensity of the (220) -oriented diffraction line increases as the pressure during deposition of the polycrystalline silicon film increases, whereas (111) ) It can be seen that the diffraction line intensity of the orientation hardly changes. It can also be seen that there is no great difference between the diffraction line intensity in the (111) orientation and the diffraction line intensity in the (220) direction due to the difference in the substrate 11.

また、図6も成膜時の圧力と面方位との関係説明図であるが、縦軸が図5とは相違する。図6における縦軸は、(111)方向の回折線強度(cps)をI(111)とし、(220)方向の回折線強度(cps)をI(222)としたときの〔I(111)〕/〔I(220)〕の値である。ここで、図6に関して、A1(黒色の菱形)は、基板11が#1737の場合の各サンプルの〔I(111)〕/〔I(220)〕の値であり、A3(黒色の四角)は、基板11が石英ガラスの場合の各サンプルの〔I(111)〕/〔I(220)〕の値である。   FIG. 6 is also an explanatory diagram of the relationship between the pressure during film formation and the plane orientation, but the vertical axis is different from FIG. The vertical axis in FIG. 6 indicates [I (111) when the diffraction line intensity (cps) in the (111) direction is I (111) and the diffraction line intensity (cps) in the (220) direction is I (222). ] / [I (220)]. Here, regarding FIG. 6, A1 (black rhombus) is the value of [I (111)] / [I (220)] of each sample when the substrate 11 is # 1737, and A3 (black square) Is the value of [I (111)] / [I (220)] for each sample when the substrate 11 is quartz glass.

図6から、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力が高くなるにつれて、〔I(111)〕/〔I(220)〕の値が小さくなることが分かる。これら図5および図6の結果から、成膜時の圧力が高くなるにつれて、(220)配向率が増加しているものと推測される。   FIG. 6 shows that the value of [I (111)] / [I (220)] decreases as the pressure at the time of forming the polycrystalline silicon film increases. From the results shown in FIGS. 5 and 6, it is presumed that the (220) orientation ratio increases as the pressure during film formation increases.

また、図7は、EBSD測定の結果の一例を示したものであり、成膜時の圧力を1.8Paとして、多結晶シリコン膜を成膜した場合について、多結晶シリコン膜の膜厚ごとの多結晶シリコン膜の結晶配向マップ(結晶方位面内分布図)を示している。ここで、3つの結晶配向マップのうち左端のものは、膜厚が619nmのとき、真ん中のものは、膜厚が1378nmのとき、右端のものは、膜厚が1924nmのときの測定結果であり、3つの結晶配向マップそれぞれの右横に示した模式図のように、膜厚が大きくなるにつれて、(111)配向のグレインのサイズは略一定なのに対して、(220)配向のグレインのサイズは大きくなっている。なお、EBSD測定に用いたEBSD測定装置による粒径の検出限界は20nmである。   FIG. 7 shows an example of the result of the EBSD measurement. In the case where the polycrystalline silicon film is formed with the pressure at the time of film formation being 1.8 Pa, the film thickness of the polycrystalline silicon film is shown. 2 shows a crystal orientation map (crystal orientation in-plane distribution map) of a polycrystalline silicon film. Here, among the three crystal orientation maps, the leftmost one is the measurement result when the film thickness is 619 nm, the middle one is the measurement result when the film thickness is 1378 nm, and the rightmost one is the measurement result when the film thickness is 1924 nm. As shown in the schematic diagram on the right side of each of the three crystal orientation maps, as the film thickness increases, the size of the (111) -oriented grain is substantially constant, whereas the size of the (220) -oriented grain is It is getting bigger. In addition, the detection limit of the particle diameter by the EBSD measuring apparatus used for EBSD measurement is 20 nm.

これに対して、図8には、成膜時の圧力を1.8Pa、膜厚を2μmとして成膜した多結晶シリコン膜と、成膜時の圧力を1.3Pa、膜厚を2μmとして成膜した多結晶シリコン膜とのそれぞれについてEBSD測定の結果として、結晶配向マップおよび結晶粒径のヒストグラムを図示してある。この図8から、成膜時の圧力を1.3Paとしたほうが、1.8Paとした場合に比べて、(220)配向の結晶粒のサイズが小さく、結晶粒径のばらつきが小さいことが分かる。   On the other hand, FIG. 8 shows a polycrystalline silicon film formed with a pressure of 1.8 Pa and a film thickness of 2 μm, and a pressure of 1.3 Pa and a film thickness of 2 μm. As a result of the EBSD measurement for each of the deposited polycrystalline silicon films, a crystal orientation map and a crystal grain size histogram are shown. From FIG. 8, it can be seen that when the pressure during film formation is 1.3 Pa, the size of the (220) -oriented crystal grains is smaller and the variation in crystal grain size is smaller than when the pressure is 1.8 Pa. .

また、図9(a),(b)に、成膜時の圧力を1.8Pa、膜厚を2μmとして成膜した多結晶シリコン膜と、成膜時の圧力を1.3Pa、膜厚を1.6μmとして成膜した多結晶シリコン膜とのそれぞれについて、TEMにより観測した断面TEM像図を示す。   9A and 9B show a polycrystalline silicon film formed with a pressure of 1.8 Pa and a film thickness of 2 μm, a pressure of 1.3 Pa, and a film thickness of 1.3 Pa. The cross-sectional TEM image figure observed by TEM about each of the polycrystalline-silicon film formed into 1.6 micrometers is shown.

上述の図5〜図9の結果から、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を高くするにつれて(220)配向の結晶粒が楔状に成長して、その周辺の結晶構造も乱しているものと推測され、成膜時の圧力を低くすることにより、多結晶シリコン膜のグレインの柱状性が高くなるものと推測される。柱状性が高いとは、下部電極2の厚み方向(言い換えれば、下地の法線方向)において結晶粒(グレイン)のサイズの変化が少ないことを意味している。   From the results shown in FIGS. 5 to 9, as the pressure at the time of forming the polycrystalline silicon film is increased, the (220) oriented crystal grains grow in a wedge shape and the surrounding crystal structure is disturbed. It is presumed that the grain columnarity of the polycrystalline silicon film is increased by lowering the pressure during film formation. High columnarity means that there is little change in the size of crystal grains (grains) in the thickness direction of the lower electrode 2 (in other words, the normal direction of the base).

しかしながら、上述の半導体層3として単層の多結晶シリコン膜を採用するようにし、成膜時の圧力を0.8Paまで低くして、膜厚を2μmとした場合について、陽極酸化処理および酸化処理を行った後に光学顕微鏡による観察を行ったところ、電子通過層にピンホールが発生しているという知見を得た。また、この電子通過層上に表面電極7を形成した電子源10は、正常に動作しない短絡不良品となってしまうという知見を得た。また、本願発明者らは、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を低くするにつれて、電子通過層が下部電極2から剥れやすくなるという知見を得た。また、本願発明者らは、多結晶シリコン膜の圧力を高くするにつれて電子通過層のピンホールに起因した短絡不良が起こりにくくなるという知見を得た。また、本願発明者らは、基板11の上記一表面上に形成する下部電極2をストライプ状に形成することにより、電子通過層6のピンホールの発生を抑制できるという知見を得た。なお、光学顕微鏡による観察では、電子通過層6にピンホールは見当たらなかった。   However, in the case where a single-layer polycrystalline silicon film is employed as the semiconductor layer 3 described above, the pressure during film formation is reduced to 0.8 Pa, and the film thickness is 2 μm, anodizing treatment and oxidation treatment are performed. As a result of observation with an optical microscope after performing the above, it was found that pinholes were generated in the electron passage layer. Further, it has been found that the electron source 10 in which the surface electrode 7 is formed on the electron passing layer becomes a short-circuit defective product that does not operate normally. In addition, the inventors of the present application have found that the electron passing layer easily peels off from the lower electrode 2 as the pressure at the time of forming the polycrystalline silicon film is lowered. The inventors of the present application have also found that short-circuit defects due to pinholes in the electron passage layer are less likely to occur as the pressure of the polycrystalline silicon film is increased. The inventors of the present application have also found that the formation of pinholes in the electron passage layer 6 can be suppressed by forming the lower electrode 2 formed on the one surface of the substrate 11 in a stripe shape. In the observation with an optical microscope, no pinhole was found in the electron passage layer 6.

また、基板11を#1737、下部電極2をTi膜とW膜との積層膜とし、多結晶シリコン膜の成膜時のRF電力を1.7kW、基板温度を420℃、膜厚を2μmとして、成膜時の圧力を種々変化させた各サンプルについて、室温下において多結晶シリコン膜の応力(膜応力)を測定した。この測定にあたっては、Zygo社製の3次元形状測定装置を用いた。ここで、図10に示すように、基板11と下部電極2と多結晶シリコン膜とで構成される構造体20について、水平方向のスパンを4mmとして、垂直方向の変位量であるδ〔mm〕を3次元形状測定装置により計測し、この変位量δから応力を求めた。応力を求めるにあたっては、基板11のヤング率をE〔Pa〕、基板11の厚さをt1〔mm〕、基板11のポアソン比をγ、多結晶シリコン膜の膜厚をt2〔mm〕、水平方向のスパンをx〔mm〕とし、下部電極2が多結晶シリコン膜の応力に与える影響を無視できると仮定して、下記(1)式で求めた。
応力〔Pa〕=E×t1×δ/3/(1−γ)/x/t2 ・・・(1)式
図11に、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力と成膜後の多結晶シリコン膜の応力である膜応力との関係を示す。図11は、横軸が成膜時の圧力、縦軸が膜応力であり、縦軸の数値に「−」が付いているのは、圧縮応力の値であることを意味している。図11から、成膜時の圧力が低くなるにつれて、応力(圧縮応力)が大きくなっていることが確認された。したがって、多結晶シリコン膜の成膜時の圧力を低くするにつれて、多結晶シリコン膜の下部電極2への密着性が低下し、多結晶シリコン膜が下部電極2から剥れやすくなるものと推測される。
Also, the substrate 11 is # 1737, the lower electrode 2 is a laminated film of a Ti film and a W film, the RF power during the formation of the polycrystalline silicon film is 1.7 kW, the substrate temperature is 420 ° C., and the film thickness is 2 μm. The stress (film stress) of the polycrystalline silicon film was measured at room temperature for each sample with various pressures during film formation. In this measurement, a three-dimensional shape measuring apparatus manufactured by Zygo was used. Here, as shown in FIG. 10, regarding the structure 20 composed of the substrate 11, the lower electrode 2, and the polycrystalline silicon film, the horizontal span is 4 mm, and the displacement in the vertical direction is δ [mm]. Was measured by a three-dimensional shape measuring apparatus, and the stress was obtained from this displacement δ. In obtaining the stress, the Young's modulus of the substrate 11 is E [Pa], the thickness of the substrate 11 is t1 [mm], the Poisson's ratio of the substrate 11 is γ, the thickness of the polycrystalline silicon film is t2 [mm], and the horizontal Assuming that the span of the direction is x [mm] and the influence of the lower electrode 2 on the stress of the polycrystalline silicon film is negligible, the following equation (1) is used.
Stress [Pa] = E × t1 2 × δ / 3 / (1-γ) / x 2 / t2 (1) Formula FIG. 11 shows the pressure at the time of forming the polycrystalline silicon film and the thickness after the film formation. The relationship with the film stress which is the stress of a polycrystalline silicon film is shown. In FIG. 11, the horizontal axis represents the pressure during film formation, the vertical axis represents the film stress, and “−” in the numerical value on the vertical axis represents a compressive stress value. From FIG. 11, it was confirmed that the stress (compressive stress) increases as the pressure during film formation decreases. Accordingly, it is presumed that as the pressure at the time of forming the polycrystalline silicon film is lowered, the adhesion of the polycrystalline silicon film to the lower electrode 2 is lowered, and the polycrystalline silicon film is easily peeled off from the lower electrode 2. The

そこで、本実施形態では、電子源10の製造時に形成する半導体層3を、第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32との積層膜により構成するようにし、且つ、第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32との結晶配向性が異なり、第2の多結晶シリコン膜32の結晶粒(グレイン)である第2のグレイン32aの方が、第1の多結晶半導体膜31の結晶粒(グレイン)である第1のグレインに比べて柱状性が高くなるようにしてある。具体的には、第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32それぞれの成膜時のプロセスパラメータに関して、圧力以外の条件は同じにして、第1の多結晶半導体膜31の成膜時の圧力である第1の圧力と、第2の多結晶半導体膜32の成膜時の圧力である第2の圧力とを異ならせ、第2の圧力を第1の圧力よりも低くしてある。一例として、第1の多結晶半導体膜31を膜厚が1.6μmのノンドープの多結晶シリコン膜、第2の多結晶半導体膜32を膜厚が0.4μmのノンドープの多結晶シリコン膜とし、成膜時の圧力以外のプロセスパラメータについて、SiHガスの流量を2.5sccm、Hガスの流量を標準状態で30sccm、RF電力を1.7kW、基板温度を420℃とし、第1の圧力を1.3Pa、第2の圧力を1.0Paとしてあるが、これらの値は特に限定するものではない。 Therefore, in the present embodiment, the semiconductor layer 3 formed at the time of manufacturing the electron source 10 is constituted by a laminated film of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32, and the first The first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 have different crystal orientations, and the second grain 32a, which is a crystal grain of the second polycrystalline silicon film 32, is more The columnarity is made higher than that of the first grain which is a crystal grain (grain) of one polycrystalline semiconductor film 31. Specifically, regarding the process parameters at the time of forming each of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32, the conditions other than the pressure are the same, and the first polycrystalline semiconductor film 31 has the same conditions. The first pressure that is the pressure at the time of film formation is different from the second pressure that is the pressure at the time of film formation of the second polycrystalline semiconductor film 32, and the second pressure is lower than the first pressure. It is. As an example, the first polycrystalline semiconductor film 31 is a non-doped polycrystalline silicon film having a thickness of 1.6 μm, the second polycrystalline semiconductor film 32 is a non-doped polycrystalline silicon film having a thickness of 0.4 μm, For process parameters other than the pressure during film formation, the flow rate of SiH 4 gas is 2.5 sccm, the flow rate of H 2 gas is 30 sccm under standard conditions, the RF power is 1.7 kW, the substrate temperature is 420 ° C., and the first pressure Is 1.3 Pa and the second pressure is 1.0 Pa, but these values are not particularly limited.

また、この一例の成膜条件で第1の多結晶半導体膜31と第2の多結晶半導体膜32の積層膜からなる半導体層3を形成した後の陽極酸化処理に関して、陽極酸化時間を6秒として製造した実施例1の電子源10、陽極酸化時間を12秒として製造した実施例2の電子源10それぞれについて電子源10の電子放出特性を測定した。その結果、実施例1,2の電子源10の電子放出効率は、それぞれ、1.4%、20.1%であった。ここで、実施例1,2に関して、第2の電子通過部6bの厚みは、それぞれ、250nm〜300nm、500nm〜600nm程度である。陽極酸化反応は、第1の多結晶半導体膜31の隣り合う第2のグレイン32aの粒界付近で優先的に反応が進むので、第2の電子通過部6bの厚み方向において第2のグレイン32aが形成された領域36と、第1の電子通過部6aとは、結晶配向性が異なり、第2のグレイン32aの方が、第1のグレインに比べて柱状性が高くなっているものと考えられる。また、第1の電子通過部6aのほうが第2の電子通過部6bの領域36よりも膜応力が低くなるものと考えられる。図9(c)に、実施例2の電子源10と同じ成膜条件で成膜した半導体層3の断面TEM像図を示す。なお、実施例2では、下部電極2をストライプ状に形成している。   Further, regarding the anodic oxidation process after forming the semiconductor layer 3 composed of the laminated film of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 under the film forming conditions of this example, the anodic oxidation time is 6 seconds. The electron emission characteristics of the electron source 10 were measured for the electron source 10 of Example 1 manufactured as described above and the electron source 10 of Example 2 manufactured with an anodic oxidation time of 12 seconds. As a result, the electron emission efficiencies of the electron sources 10 of Examples 1 and 2 were 1.4% and 20.1%, respectively. Here, regarding Examples 1 and 2, the thicknesses of the second electron passage portions 6b are about 250 nm to 300 nm and 500 nm to 600 nm, respectively. Since the anodic oxidation reaction preferentially proceeds in the vicinity of the grain boundaries of the adjacent second grains 32a of the first polycrystalline semiconductor film 31, the second grains 32a in the thickness direction of the second electron passage portion 6b. The region 36 in which is formed and the first electron passage portion 6a are different in crystal orientation, and the second grain 32a is considered to have higher columnarity than the first grain. It is done. Further, it is considered that the film stress is lower in the first electron passage portion 6a than in the region 36 of the second electron passage portion 6b. FIG. 9C shows a cross-sectional TEM image of the semiconductor layer 3 formed under the same film formation conditions as the electron source 10 of Example 2. In Example 2, the lower electrode 2 is formed in a stripe shape.

また、半導体層3を単層の多結晶シリコン膜として成膜時の圧力を1.0Pa、膜厚を2μmとし、陽極酸化時間を6秒とした比較例1の電子源、陽極酸化時間を12秒とした比較例2の電子源それぞれの電子放出特性を測定したところで、短絡不良品であることが確認された。また、半導体層3を単層の多結晶シリコン膜として成膜時の圧力を1.3Pa、膜厚を2μmとし、陽極酸化時間を6秒とした比較例3の電子源、陽極酸化時間を12秒とした比較例4の電子源それぞれの電子放出特性を測定したところ、比較例3の電子源の電子放出効率は1.2%であり、比較例4は短絡不良品であることが確認された。   Further, the semiconductor layer 3 is a single-layer polycrystalline silicon film, the pressure at the time of film formation is 1.0 Pa, the film thickness is 2 μm, and the anodization time is 6 seconds. When the electron emission characteristics of each of the electron sources of Comparative Example 2 in seconds were measured, it was confirmed that the product was a short circuit defective product. Further, the semiconductor layer 3 is formed as a single-layer polycrystalline silicon film, the pressure at the time of film formation is 1.3 Pa, the film thickness is 2 μm, and the anodization time is 6 seconds. When the electron emission characteristics of each of the electron sources of Comparative Example 4 measured in seconds were measured, the electron emission efficiency of the electron source of Comparative Example 3 was 1.2%, and it was confirmed that Comparative Example 4 was a short-circuit defective product. It was.

要するに、実施例1,2では、他の比較例1〜4に比べて、電子放出効率が向上していることが確認された。   In short, in Examples 1 and 2, it was confirmed that the electron emission efficiency was improved as compared with other Comparative Examples 1 to 4.

以上説明した本実施形態の電子源10は、第2の電子通過部6bの厚み方向において第2のグレイン32aが形成された領域36と、第1の電子通過部6aとは、結晶配向性が異なり、第2のグレイン32aの方が、第1のグレインに比べて柱状性が高くなっているので、従来に比べて電子放出特性を向上できる。しかも、従来に比べて、陽極酸化処理に対するプロセス耐性が向上し、電子通過層6と下部電極2との密着性を確保しつつ、電子放出特性のより一層の向上を図れる。   In the electron source 10 of the present embodiment described above, the region 36 where the second grain 32a is formed in the thickness direction of the second electron passage portion 6b and the first electron passage portion 6a have crystal orientation. In contrast, since the second grain 32a has higher columnarity than the first grain, the electron emission characteristics can be improved as compared with the prior art. In addition, the process resistance against the anodizing treatment is improved as compared with the prior art, and the electron emission characteristics can be further improved while ensuring the adhesion between the electron passage layer 6 and the lower electrode 2.

また、本実施形態の電子源10において、各多結晶半導体膜31,32が多結晶シリコン膜の場合には、第2の電子通過部6bの領域36が、第1の電子通過部6aよりも、〔(111)配向率〕/〔(220)配向率〕の値が大きくなるように第1の多結晶半導体膜31および第2の多結晶半導体膜32それぞれのプロセスパラメータを設定することにより、第2のグレイン32aの方が、第1のグレインに比べて柱状性が高くなり、従来に比べて電子放出特性を向上できる。   Further, in the electron source 10 of the present embodiment, when each of the polycrystalline semiconductor films 31 and 32 is a polycrystalline silicon film, the region 36 of the second electron passage portion 6b is more than the first electron passage portion 6a. By setting the process parameters of the first polycrystalline semiconductor film 31 and the second polycrystalline semiconductor film 32 so that the value of [(111) orientation ratio] / [(220) orientation ratio] is increased, The second grain 32a has higher columnarity than the first grain, and the electron emission characteristics can be improved as compared with the conventional one.

また、本実施形態の電子源10において、第1の電子通過部6aのほうが第2の電子通過部6bの領域36よりも膜応力が低いので、電子通過層6と下部電極2との密着性を向上できる。   Further, in the electron source 10 of the present embodiment, the first electron passage portion 6a has a lower film stress than the region 36 of the second electron passage portion 6b, so that the adhesion between the electron passage layer 6 and the lower electrode 2 is improved. Can be improved.

ところで、本実施形態では、第2の電子通過部6bにおける各絶縁膜34,35がシリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜の代わりにシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜により構成されるようにしてもよく、この場合には、上述の酸化処理(酸化プロセス)の代わりに、窒化処理(窒化プロセス)や酸窒化処理(酸窒化プロセス)を採用すればよい。   By the way, in this embodiment, each insulating film 34 and 35 in the 2nd electron passage part 6b is comprised by the silicon oxide film, However It is comprised by the silicon nitride film or the silicon oxynitride film instead of the silicon oxide film. In this case, nitriding treatment (nitriding process) or oxynitriding treatment (oxynitriding process) may be employed instead of the above-described oxidation treatment (oxidation process).

なお、本実施形態の電子源10は、例えば、下部電極2、表面電極7、電子通過層6などを適宜にパターニングして多数の電子源素子10aを基板11の上記一表面側にマトリクス状に配列した構成としてもよい。   In the electron source 10 of this embodiment, for example, the lower electrode 2, the surface electrode 7, the electron passage layer 6, and the like are appropriately patterned so that a number of electron source elements 10 a are arranged in a matrix on the one surface side of the substrate 11. An arrangement may be adopted.

2 下部電極
6 電子通過層
6a 第1の電子通過部
6b 第2の電子通過部
7 表面電極
10 電子源
10a 電子源素子
11 基板
32a 第2のグレイン
33 微結晶半導体
34 第2の絶縁膜
35 第1の絶縁膜
36 領域
2 Lower electrode 6 Electron passage layer 6a First electron passage portion 6b Second electron passage portion 7 Surface electrode 10 Electron source 10a Electron source element 11 Substrate 32a Second grain 33 Microcrystalline semiconductor 34 Second insulating film 35 Second 1 insulating film 36 region

Claims (3)

下部電極と表面電極との間に前記表面電極を高電位側として電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層を備え、前記表面電極を通して前記電子を放出する電子源であって、前記電子通過層は、前記下部電極の厚み方向に沿って形成された多数の第1のグレインの集合体からなる第1の電子通過部と、前記第1の電子通過部上に設けた第2の電子通過部とを有し、前記第2の電子通過部は、少なくとも、前記下部電極の厚み方向に沿って形成された多数の第2のグレインと、互いに隣り合う前記第2のグレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶半導体と、前記微結晶半導体それぞれの表面に形成され前記微結晶半導体の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とを有するものであり、前記第2の電子通過部の厚み方向において前記第2のグレインが形成された領域と前記第1の電子通過部とは、結晶配向性が異なり、前記第2のグレインの方が、前記第1のグレインに比べて柱状性が高いことを特徴とする電子源。   An electron source that includes an electron passage layer through which electrons pass by an electric field that acts when a voltage is applied between the lower electrode and the surface electrode, with the surface electrode being a high potential side, and emits the electrons through the surface electrode. The electron passage layer is provided on the first electron passage portion and a first electron passage portion formed of a large number of first grain aggregates formed along the thickness direction of the lower electrode. A second electron passage portion, and the second electron passage portion includes at least a plurality of second grains formed along the thickness direction of the lower electrode and the second grains adjacent to each other. A plurality of nanometer-order microcrystalline semiconductors interposed therebetween, and an insulating film formed on the surface of each of the microcrystalline semiconductors and having a film thickness smaller than the crystal grain size of the microcrystalline semiconductor, Of electron passage The region in which the second grain is formed in the first direction and the first electron passage portion are different in crystal orientation, and the second grain has a columnar property as compared with the first grain. An electron source characterized by being expensive. 前記下部電極と前記電子通過層と前記表面電極とで構成される電子源素子が一表面側に形成されたガラス基板を備え、前記下部電極が、前記ガラス基板の前記一表面上に形成された金属層からなり、前記第2の電子通過部の前記領域は、前記第1の電子通過部よりも、〔(111)配向率〕/〔(220)配向率〕の値が大きいことを特徴とする請求項1記載の電子源。   An electron source element composed of the lower electrode, the electron passage layer, and the surface electrode includes a glass substrate formed on one surface side, and the lower electrode is formed on the one surface of the glass substrate. It is made of a metal layer, and the region of the second electron passage portion has a value of [(111) orientation ratio] / [(220) orientation ratio] larger than that of the first electron passage portion. The electron source according to claim 1. 前記第1の電子通過部のほうが、前記第2の電子通過部の前記領域よりも膜応力が低いことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子源。   3. The electron source according to claim 1, wherein the first electron passage portion has a lower film stress than the region of the second electron passage portion. 4.
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