JP2012150937A - Method for manufacturing electron emission element, electron beam device, and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電子放出素子、電子放出素子を用いた電子線装置、及び電子線装置を用いた画像表示装置の製造方法に関する。 The present invention relates to an electron-emitting device, an electron beam device using the electron-emitting device, and a method for manufacturing an image display device using the electron beam device.
ディスプレイ等に用いられる電子放出素子として電界放出型の電子放出素子が知られており、特許文献1には、電界が集中する微細な突起部分を有するカソードと、この突起部分に対向するゲートを備えた電界放出型の電子放出素子が開示されている。
2. Description of the Related Art A field emission type electron-emitting device is known as an electron-emitting device used for a display or the like.
特許文献1に記載の技術では、ゲート形成後の製造工程において、ゲートが自然酸化してゲートの表面に自然酸化膜が形成され、自然酸化膜の膜応力によりゲートがエミッタ方向にタレてしまうことがあった。素子毎でゲートの酸化度合いにばらつきがあると素子毎でゲートのタレがばらついてしまう。その結果、素子毎で電子放出特性にばらつきが生じるおそれがあった。
In the technique described in
そこで、本発明は、素子毎で電子放出特性のばらつきが少ない電子放出素子、電子放出素子を用いた電子線装置、及び電子線装置を用いた画像表示装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electron-emitting device with little variation in electron emission characteristics from device to device, an electron beam device using the electron-emitting device, and a method for manufacturing an image display device using the electron beam device. To do.
上記課題を解決するために、本発明は、ゲートと、
上面に前記ゲートを有し、前記ゲート直下の側面に凹部を有する絶縁部材と、
突起部分を有し、該突起部分の先端が前記凹部を介して前記ゲートに向き合っているカソードと、
を備える電子放出素子の製造方法であって、
金属を含み不動態を形成可能な部材からなるゲート、を上面に有する絶縁部材を形成した後、
前記ゲートの表面に不動態膜を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法を提供するものである。
In order to solve the above problems, the present invention includes a gate,
An insulating member having the gate on an upper surface and a recess on a side surface directly below the gate;
A cathode having a protruding portion, the tip of the protruding portion facing the gate through the recess;
A method of manufacturing an electron-emitting device comprising:
After forming an insulating member having a gate made of a member containing metal and capable of forming a passive state on the upper surface,
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing an electron-emitting device, wherein a passive film is formed on the surface of the gate.
本発明によれば、金属を含み不動態を形成可能な部材からなるゲートの表面に不動態膜を形成し、一定の酸化膜厚とすることで、酸化に起因するゲートのタレを常に一定にすることができる。これにより、素子毎で電子放出特性のばらつきを抑制することができる。 According to the present invention, a passivation film is formed on the surface of a gate made of a member containing a metal and capable of forming a passivation, and the gate sagging due to oxidation is always kept constant by making the oxide film thickness constant. can do. Thereby, the dispersion | variation in an electron emission characteristic can be suppressed for every element.
以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に説明する。但し、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the following embodiments are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. .
〔電子放出素子の概要〕
図1は本発明に係る電子放出素子の構成の一例を示す模式図であり、図1(A)は上面図、図1(B)は図1(A)におけるA−A’断面図、図1(C)は図1(B)において電子放出素子を矢印方向から眺めたときの側面図である。
[Outline of electron-emitting device]
1A and 1B are schematic views showing an example of the configuration of an electron-emitting device according to the present invention. FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 1 (C) is a side view of the electron-emitting device viewed from the direction of the arrow in FIG. 1 (B).
図1(B)において、1は基板、2は電極、3は絶縁部材であって絶縁層3aと絶縁層3bの積層体からなる。5はゲートであってゲート基材5a、ゲート基材5aを覆う不動態膜5b及び導電性膜5cからなる。6はカソードであって電極2に電気的に接続されている。7は絶縁部材3の凹部であって、絶縁層3bの側面のみを絶縁層3aよりも内側に凹ませて形成している。凹部7を構成する、絶縁層3aの上面の、絶縁層3bが形成されていない部分と、絶縁層3bの側面とを、以下「凹部7の内表面」ということもある。図1(B)では積層体からなる絶縁部材3に凹部7を設けているが、1つの絶縁層からなる絶縁部材3に凹部7を設けても良い。8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード6の突起部分の先端からゲート5の底面までの最短距離d)である。
In FIG. 1B, 1 is a substrate, 2 is an electrode, 3 is an insulating member, and is formed of a laminate of an
図1(B)に示すように、絶縁部材3は上面にゲート5を有し、ゲート直下の側面に凹部を有している。カソード6は突起部分を有し、該突起部分の先端が凹部7を介してゲート5に向き合っている。カソード6の突起部分の、凹部7の縁に沿った方向の長さは、ゲート5の、該突起部分に対向する部分の、該方向の長さよりも短く形成しても良い(図10参照)。また、図1(B)のように、カソード6は凹部7の縁から絶縁層3aの側面に沿って基板1上まで設けても良い。本発明では、カソード6はゲート5よりも低電位に規定される。ゲート5の電位がカソード6の電位よりも高くなるように電圧を印加することで、カソード6の突起部分から電子が電界放出される。
As shown in FIG. 1B, the
図2は図1(B)における電子放出素子の凹部7周辺部分の拡大図である。図2に示すように、カソード6は距離dxをもって凹部7の内表面に入り込む形で形成されている。距離dxは10nm乃至30nm程度に設定され、20nmより長いことが望ましい。但し、距離dxをあまり長く取るとカソード6とゲート5との間に電流のリークパスが発生し、リーク電流が増大する。
FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the
〔電源・電位〕
図3は本発明に係る電子放出素子の電子放出特性を測定する時の電源の供給配置を示す図であり、本発明に係る電子線装置の構成の一例である。図3に示すように、本発明に係る電子線装置では、ゲート5を介してカソード6(カソード6の突起部分)と対向する位置に、これらよりも高電位に規定されたアノード20が配置されている。図3では絶縁部材3が基板1上に配置されているため、アノード20は基板1の絶縁部材3が配置されている側に、基板1に対向して配置されているとも言える。カソード6の突起部分から放出された電子の一部は、アノード20により真空中に取り出される。
[Power supply / potential]
FIG. 3 is a diagram showing a power supply arrangement when measuring the electron emission characteristics of the electron-emitting device according to the present invention, and is an example of the configuration of the electron beam apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 3, in the electron beam apparatus according to the present invention, an anode 20 defined at a higher potential than these is disposed at a position facing the cathode 6 (protrusion portion of the cathode 6) via the
図3において、Vfはゲート5とカソード6の間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaはカソード6とアノード20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。ここで、電子放出効率ηは、電子放出素子に電圧を印加した時に検出される電流Ifと真空中に取り出される電流Ieを用いて、一般にはη=Ie/(If+Ie)で与えられる。
In FIG. 3, Vf is a voltage applied between the
図4(A)はカソード6の突起部分の先端からゲート5の底面までの最短距離d(以下、「最短距離d」という。)と素子電流Ifの関係の一例である。最短距離dが小さくなると電界強度が大きくなり、電子が放出されやすくなるため、図4(A)に示すように、最短距離dと素子電流Ifは負の相関をもつ。
FIG. 4A shows an example of the relationship between the shortest distance d (hereinafter referred to as “shortest distance d”) from the tip of the protruding portion of the
図4(B)は最短距離dと電子放出効率ηの関係の一例である。カソード6から対向するゲート5に向かって放出された電子は、一部がゲート5の先端部で等方的に散乱し、残りは衝突することなく外部に引き出される。最短距離dが狭い程、ゲート5の先端部で等方的に散乱した電子が外部に飛び出しにくくなり、反対に最短距離dが広い程、散乱した電子が外部に飛び出しやすくなるため、図4(B)に示すように、最短距離dと電子放出効率ηは正の相関をもつ。
FIG. 4B shows an example of the relationship between the shortest distance d and the electron emission efficiency η. A part of the electrons emitted from the
〔ゲートのタレ〕
図5(A)を用いて、ゲート5のタレについて説明する。ゲート5のタレとは、ゲート基材5aの底面とゲート基材5aの側面の交点9が、ゲート基材5aと絶縁層3bの界面の延長線よりもエミッタ側に変形してしまう現象のことである。尚、酸化膜がゲート基材5aと絶縁層3bの界面の延長線の内側に拡散している場合は補正を行えば良い。素子毎でゲート5のタレが一定でない場合、素子毎で電子放出に必要な電界が形成される間隙8(最短距離d)が一定でなくなる。その結果、素子毎で電子放出量や電子放出効率にばらつきが生じてしまう。
[Gate sauce]
The sagging of the
図5(B)を用いてゲート5のタレが発生する原因について説明する。ゲート5のタレについて本発明者らが鋭意検討した結果、ゲート5のタレはゲート基材5aの表面に酸化膜ができることにより発生していることが分かった。図5(B)において酸化膜は膜厚方向には抗力がない。膜厚方向に抗力がないと酸化膜は膨張するが、図5(B)において酸化膜は面内方向に連続しているため、結果的に酸化膜は膨張せずに圧縮応力が発生する。酸化膜の持つ圧縮応力の大きさをゲート基材5aのアノード側と凹部7側とで比較すると、アノード側の方が酸化膜の面積が広いため、アノード側の方が面内方向にかかる圧縮応力が大きい。このため、ゲート5はアノード側の方がより面内方向に広がるため、図5(C)のように絶縁層3b側にゲート5が変形する。
The cause of sagging of the
〔不動態膜の形成方法〕
次に、不動態膜とその形成方法について説明する。不動態膜とは、金属表面に腐食作用に抵抗する酸化皮膜が生じた状態のことである。不動態膜は緻密な膜であり、表面に形成されると金属は反応性を失い、腐蝕や酸化から保護される。不動態膜を形成しやすい金属は、例えばTi,Zr,Hf,Ta,Al,Cu,Ni,Cr等の金属又はこれらの合金材料である。不動態膜は酸素プラズマ照射、大気焼成等で形成される。形成される不動態膜は数nmから数十nm程度であり、金属種や処理条件によって異なる。
[Method of forming passive film]
Next, a passive film and a method for forming the passive film will be described. The passive film is a state in which an oxide film that resists the corrosive action is formed on the metal surface. The passive film is a dense film, and when formed on the surface, the metal loses its reactivity and is protected from corrosion and oxidation. The metal that easily forms a passive film is, for example, a metal such as Ti, Zr, Hf, Ta, Al, Cu, Ni, Cr, or an alloy material thereof. The passive film is formed by oxygen plasma irradiation, air firing, or the like. The formed passive film is about several nm to several tens of nm, and varies depending on the metal species and processing conditions.
〔時間と酸化膜厚の関係〕
図6(A)は時間と酸化膜厚の関係の一例である。図6(A)に示すように、金属を自然酸化させると酸素に触れている時間や温度等によって酸化度合いが変化し、酸化膜厚も変化する。これに対して酸素プラズマ照射や大気焼成を行うと短時間でゲート基材5aの表面が酸化され、不動態膜5bが形成される。不動態膜5b形成後は自然酸化が進まなくなり、膜厚が変化しない。
[Relationship between time and oxide film thickness]
FIG. 6A shows an example of the relationship between time and oxide film thickness. As shown in FIG. 6 (A), when a metal is naturally oxidized, the degree of oxidation changes depending on the time, temperature, etc. in contact with oxygen, and the oxide film thickness also changes. On the other hand, when oxygen plasma irradiation or atmospheric firing is performed, the surface of the
〔酸化膜厚とゲートのタレの関係〕
図6(B)は酸化膜厚とゲート5のタレの関係の一例である。酸化膜の圧縮応力は酸化膜厚に比例するため、酸化膜厚が厚くなるとゲート5のタレも大きくなることがわかる。図6(A)で示したように、自然酸化の場合、酸化度合いによって酸化膜厚が変化するため、素子毎でゲート5のタレがばらついてしまう。一方、酸素プラズマ照射や大気焼成により一定の条件で金属表面に不動態膜を形成すると、酸化膜厚が処理条件に依存して一定となるためゲート5のタレが一定となる。
[Relationship between oxide film thickness and gate sagging]
FIG. 6B shows an example of the relationship between the oxide film thickness and the sagging of the
また、酸化膜には圧縮応力が働くため膜密度が高くなる。一般的に膜密度とヤング率は正の相関をもつため、酸化膜のヤング率は大きくなる。このため、ゲート5は圧縮応力によりタレた後には、クーロン力等の外力に対して変形しにくくなる。
Further, since compressive stress acts on the oxide film, the film density increases. In general, since the film density and Young's modulus have a positive correlation, the Young's modulus of the oxide film increases. For this reason, after sagging due to compressive stress, the
〔楔形ゲート〕
上記では、ゲート5を図2に示すような矩形断面を有する形状としたが、ゲート5を本発明の他の実施形態である図7に示すような外表面ほど細くなる楔形断面を有する形状とした場合にも、酸化膜が形成されるとゲート5のタレが発生する。この場合、ゲート5のタレを一定にするためには、矩形断面を有する形状とした場合と同様に不動態膜を形成すれば良い。
(Wedge shaped gate)
In the above, the
〔製造方法の概要〕
図8は本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。まず、CVD法、真空蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術により、基板1上に絶縁層22、絶縁層23、導電層24をこの順に積層して形成する(図8(A))。
[Outline of manufacturing method]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention. First, an insulating
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、例えば石英ガラス、Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、シリコン基板等を使用できる。基板に必要な機能としては機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があるものが望ましい。ディスプレイパネルのような一体ものとして用いる場合は成膜材料や他の積層部材と熱膨張差が小さいものが望ましい。また、熱処理に伴いガラス内部からのアルカリ元素等が拡散しづらい材料が望ましい。
The
絶縁層22、絶縁層23は加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、例えばSiN(SixNy)やSiO2等を使用できる。絶縁層22の厚さは数nmから数十μmの範囲で設定し、好ましくは数十nmから数百nmの範囲で選択する。絶縁層23の厚さは数nmから数百nmの範囲で設定し、好ましくは数nmから数十nmの範囲で選択する。尚、絶縁層22と絶縁層23を積層した後に凹部7を形成する必要があるため、絶縁層22と絶縁層23はエッチングに対して異なるエッチング量を持つような関係に設定するのが望ましい。さらに、絶縁層22と絶縁層23との間のエッチング量の比は、10以上が望ましく、できれば50以上とれることが望ましい。例えば、絶縁層22としてSixNyを用い、絶縁層23としてSiO2等の絶縁性材料或いはリン濃度の高いPSG、ホウ素濃度の高いBSG膜等を用いた構成とすることができる。
The insulating
導電層24は導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料かつ不動態膜を形成可能な材料が望ましい。例えば、Ti,Zr,Hf,Ta,Al,Cu,Ni,Cr等の金属又はこれらの合金材料を使用できる。また、TiC,ZrC,HfC,TaC等の炭化物、HfB2,ZrB2等の硼化物、TiN,ZrN,HfN、TaN等の窒化物等も使用できる。導電層24の厚さは数nmから数百nmの範囲で設定し、好ましくは数nmから数十nmの範囲で選択する。
The
次に、フォトリソグラフィー技術により導電層24上にレジストパターンを形成した後、エッチング手法を用いて導電層24、絶縁層23、絶縁層22を順に加工し、ゲート基材5a、絶縁層3b、絶縁層3aを得る(図8(B))。このようなエッチング加工では、一般的にエッチングガスをプラズマ化して材料に照射することで材料の精密なエッチング加工が可能なRIE(Reactive Ion Etching)を用いる。この際の加工ガスとしては、加工する対象部材がフッ化物を形成する場合はCF4、CHF3、SF6のフッ素系ガスが選ばれ、加工する対象部材がSiやAlのように塩化物を形成する場合はCl2、BCl3等の塩素系ガスが選ばれる。また、レジストとの選択比を取るため、エッチング面の平滑性の確保或いはエッチングスピードを上げるために水素や酸素、アルゴンガス等を随時添加する。
Next, after forming a resist pattern on the
続いて、絶縁層3bをエッチングして、絶縁層3a、絶縁層3bからなる絶縁部材3に凹部7を形成する(図8(C))。エッチングは、例えば絶縁層3bがSiO2からなる材料であれば通称バッファードフッ酸(BHF)と呼ばれるフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液を用い、絶縁層3bがSixNyからなる材料であれば熱リン酸系エッチング液を用いることができる。凹部7の深さ(絶縁部材3の外表面(絶縁層3aの側面)から絶縁層3bの側面までの距離)は、電子放出素子作製後のリーク電流に深く関わり、凹部7を深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。このため、およそ30nm乃至200nm程度で形成される。
Subsequently, the insulating
次に、酸素プラズマ照射又は大気焼成により、ゲート基材5aの表面に不動態膜5bを形成する(図8(D))。不動態膜5bは自然酸化膜よりも十分厚く形成することが望ましい。本発明者らが検討した結果、例えばTaNの場合、自然酸化膜は数nmであり、5nm以上形成すればほとんど自然酸化が進まなくなることが分かった。不動態膜5bの形成方法は一定の条件で酸化できる方法であれば良く、酸素プラズマ照射、大気焼成に限らない。
Next, a
酸素プラズマ照射の場合、プラズマ発生装置によって行う。酸素プラズマ照射の条件はゲート基材5aの表面に不動態膜5bができる条件であれば良いが、一定の膜厚を作る観点から、不動態化させる条件は常に一定であることが望ましい。具体的な処理時間やパワー等の条件は装置に依存する。一例としては、照射時間は30秒、パワーはPs(ソース用高周波)=1.5kW、Pb(バイアス用高周波)=0.5kWとすれば良い。
In the case of oxygen plasma irradiation, it is performed by a plasma generator. The conditions for the oxygen plasma irradiation may be any conditions that allow the
大気焼成の場合、焼成炉によって行う。大気焼成の条件はゲート基材5aの表面に不動態膜5bができる条件であれば良いが、一定の膜厚を作る観点から、不動態化させる条件は常に一定であることが望ましい。具体的には、焼成温度は350℃以上、焼成時間は30分以上とすれば良い。
In the case of atmospheric firing, the firing is performed in a firing furnace. The conditions for the atmospheric firing may be any conditions that allow the
以上で挙げた具体的な数値は一例であり、装置によって時間や条件は変わるが、ゲート基材5aの表面に不動態膜5bが存在していることが確認できれば良い。不動態膜の確認方法としては、例えばTEM(透過型電子顕微鏡)によって断面を観察すれば良い。
The specific numerical values given above are examples, and the time and conditions vary depending on the apparatus, but it is only necessary to confirm that the
本実施形態では絶縁層3bをエッチングして絶縁部材3に凹部7を形成した後に不動態膜5bを形成しているが、凹部7形成前に不動態膜5bを形成しても本発明の効果が得られる。但し、凹部7形成前に不動態膜5bを形成すると、凹部7形成後のゲート基材5aの凹部7側には不動態膜5bが形成されていないため、ゲート基材5aの凹部7側が自然酸化することがある。ゲート基材5aの凹部7側が自然酸化すると、凹部7形成後に不動態膜5bを形成する場合よりも素子毎のゲート5のタレがばらつくことがある。このため、素子毎の電子放出特性のばらつき抑制の効果をより高める観点からすると、凹部7形成後に不動態膜5bを形成するのがより好ましい。
In the present embodiment, the
続いて、CVD法、真空蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術により、不動態膜5b上、絶縁部材3の外表面の一部及び凹部7の内表面に導電性膜を付着させる(図8(E))。不動態膜5b上に付着した導電性膜は導電性膜5cとなる。絶縁部材3の外表面の一部及び凹部7の内表面に付着した導電性膜はカソード6となる。カソード6となる導電性膜は、突起部分を有し、該突起部分の先端が絶縁部材3の凹部を介してゲート5に向き合うように付着させる。
Subsequently, a conductive film is deposited on the
導電性膜は電界放出する材料であれば良く、一般的には2000℃以上の高融点、5eV以下の仕事関数材料であり、酸化物等の化学反応層の形成しづらい或いは簡易に化学反応層を除去可能な材料が好ましい。例えば、Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Au,Pt,Pd等の金属又はこれらの合金材料を使用できる。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN,TaN等の窒化物も使用できる。さらに、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用できる。 The conductive film only needs to be a field emission material, and is generally a high melting point of 2000 ° C. or higher and a work function material of 5 eV or less, and it is difficult to form a chemical reaction layer such as an oxide or a chemical reaction layer easily. A material that can be removed is preferred. For example, metals such as Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Au, Pt, and Pd, or alloy materials thereof can be used. Further, carbides such as TiC, ZrC, HfC, TaC, SiC, and WC, borides such as HfB 2 , ZrB 2 , CeB 6 , YB 4 , and GdB 4 , and nitrides such as TiN, ZrN, HfN, and TaN can also be used. . Furthermore, amorphous carbon, graphite, diamond-like carbon, carbon in which diamond is dispersed, a carbon compound, and the like can also be used.
本発明の他の実施形態として、不動態膜5b上の導電性膜5cを取り除いても良い。導電性膜5cを取り除く場合は、図9(A)のように、導電性膜の成膜前に剥離層25を形成する。剥離層25は電解メッキにて剥離金属を付着させる等の方法により形成すれば良い。剥離層25形成後に導電性膜を付着させ、図9(B)のように、剥離層25と導電性膜5cを剥離した後にゲート基材5aを不動態化し、不動態膜5bを形成すれば良い。
As another embodiment of the present invention, the
本発明においては効率良く電子を取り出すため、カソード6の突起部分が最適な形状になるように、蒸着の角度と成膜時間、形成時の温度及び形成時の真空度を制御して作製する必要がある。具体的には、凹部7の内表面となる絶縁層3a上面への導電性膜の入り込み量dxは10nm乃至30nm、より好ましくは20nm乃至30nmである。絶縁部材3の凹部7の内表面となる絶縁層3aの上面とカソード6の突起部分とのなす角度(図2のθ)は90°以上とするのが良い。
In the present invention, in order to efficiently extract electrons, it is necessary to control the deposition angle and film formation time, the temperature during formation, and the degree of vacuum during formation so that the protruding portion of the
次に、CVD法、真空蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により、カソード6と電気的な導通を取るための電極2を形成する(図8(F))。電極2はカソード6と同様に導電性を有しており、例えばBe,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属又はこれらの合金材料を使用できる。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN等の窒化物も使用できる。さらに、Si,Ge等の半導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用できる。電極2の厚さは数十nmから数mmの範囲で設定し、好ましくは数十nmから数μmの範囲で選択する。
Next, an
以下に本発明に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源とアノードとを備えた電子線装置と、発光部材と、を有する画像表示装置について、図11を用いて説明する。図11は単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図であり、一部を切り欠いた状態で示している。 Hereinafter, an image display apparatus having an electron beam apparatus including an electron source and an anode obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices according to the present invention and a light emitting member will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of a display panel of an image display device configured using an electron source having a simple matrix arrangement, and a part of the display panel is cut away.
図11において、31は電子源基板、32はX方向配線、33はY方向配線である。電子源基板31は上述した電子放出素子の基板1に相当し、X方向配線32は上述した電極2を共通に接続する配線であり、Y方向配線33は上述したゲート5を共通に接続する配線である。34は本発明に係る電子放出素子である。m本のX方向配線32は、Dx1,Dx2,…Dxmからなる。n本のY方向配線33は、Dy1,Dy2,…Dynからなる。上記構成においては、単純なマトリクス配線を用い、個別の電子放出素子を選択して独立に駆動可能とすることができる。
In FIG. 11, 31 is an electron source substrate, 32 is an X direction wiring, and 33 is a Y direction wiring. The
また、図11において、41は電子源基板31を固定したリアプレート、46はガラス基板43の内面に発光部材としての蛍光体である蛍光膜44とアノード20であるメタルバック45等が形成されたフェースプレートである。42は支持枠であり、支持枠42にリアプレート41、フェースプレート46がフリットガラス等を介して取り付けられ、外囲器47を構成している。
In FIG. 11,
表示パネルは、端子Dx1乃至Dxm、端子Dy1乃至Dyn、及び高圧端子を介して外部の電気回路と接続している。端子Dx1乃至Dxmには、表示パネル内に設けられている電子源、即ちm行n列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を一行(N素子)ずつ順次駆動するための走査信号が印加される。一方、端子Dy1乃至Dynには、走査信号により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御するための変調信号が印加される。高圧端子には、直流電圧源から例えば10[kV]の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与するための加速電圧である。走査信号の印加、変調信号の印加、及びアノードへの高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体に照射させ画像表示装置を実現する。 The display panel is connected to an external electric circuit through terminals Dx1 to Dxm, terminals Dy1 to Dyn, and a high voltage terminal. The terminals Dx1 to Dxm receive scanning signals for sequentially driving one row (N elements) of electron sources provided in the display panel, that is, electron emission element groups arranged in a matrix of m rows and n columns. Applied. On the other hand, to the terminals Dy1 to Dyn, a modulation signal for controlling the output electron beam of each element of the electron emission elements in one row selected by the scanning signal is applied. The high-voltage terminal is supplied with a DC voltage of, for example, 10 [kV] from a DC voltage source, which gives sufficient energy to excite the phosphor to the electron beam emitted from the electron-emitting device. Acceleration voltage. By applying a scanning signal, applying a modulation signal, and applying a high voltage to the anode, the emitted electrons are accelerated to irradiate the phosphor to realize an image display device.
上記画像表示装置を本発明に係る電子放出素子を用いて形成することにより、電子ビームの形状の整った画像表示装置を構成でき、その結果、良好な表示特性の画像表示装置を提供することができる。 By forming the image display device using the electron-emitting device according to the present invention, an image display device with a well-shaped electron beam can be configured, and as a result, an image display device with good display characteristics can be provided. it can.
以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実施例1]
図1に示した構成の電子放出素子を図8の工程に従って作製した。図10は本実施例で作製した電子放出素子の斜視図である。まず、スパッタ法により基板1上に絶縁層22、絶縁層23、導電層24をこの順に積層して形成した(図8(A))。基板1には高歪点ガラスであるPD200を用いた。絶縁層22にはSiN(SixNy)を用い、厚さは500nmとした。絶縁層23にはSiO2を用い、厚さは23nmとした。導電層24にはTaNを用い、厚さは30nmとした。
[Example 1]
The electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated according to the process of FIG. FIG. 10 is a perspective view of the electron-emitting device manufactured in this example. First, an insulating
次に、フォトリソグラフィー技術により導電層24上にレジストパターンを形成した後、RIEを用いて導電層24、絶縁層23、絶縁層22を順に加工し、ゲート基材5a、絶縁層3b、絶縁層3aを得た(図8(B))。この時の加工ガスとしては、絶縁層22、絶縁層23及び導電層24にはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスを用いた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁層3a、絶縁層3b及びゲート基材5aのエッチング後の角度は基板水平面に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
Next, after forming a resist pattern on the
続いて、レジストを剥離した後、BHFを用いて絶縁層3bをエッチングし、絶縁層3a、絶縁層3bからなる絶縁部材3に凹部7を形成した(図8(C))。凹部7の深さは約150nmとした。
Subsequently, after removing the resist, the insulating
次に、プラズマ発生装置(東京エレクトロン株式会社製 プラズマエッチングシステムSE−1310T)を用いて、ゲート基材5aの表面に酸素プラズマを照射し不動態膜5bを形成した(図8(D))。照射時間は30秒、パワーはPs(ソース用高周波)=1.5kW、Pb(バイアス用高周波)=0.5kWとした。
Next, using a plasma generator (plasma etching system SE-1310T manufactured by Tokyo Electron Ltd.), the surface of the
続いて、EB蒸着法により絶縁部材3の外表面及び凹部7の内表面(絶縁層3aの上面)に導電性膜であるモリブデン(Mo)を付着させてカソード6を形成した(図8(E))。この際、不動態膜5b上にも導電性膜を付着させた。本実施例では凹部7内に40nm程度、導電性膜が入り込むように、基板の角度を基板水平面に対し60°にセットした。これによりゲート5上部にはMoが60°で入射し、絶縁部材3の一部である絶縁層3aのRIE加工後の外表面上には入射角度が40°で入射するようにセットした。蒸着は約12nm/minになるように蒸着速度を定めた。そして蒸着時間を精密に制御し(本実施例では2.5分)、絶縁部材3の外表面上のMoの厚さが30nm、凹部7内への導電性膜の入り込み量(dx)が40nmとなるように形成した。また、凹部7の内表面(絶縁層3aの上面)と電子放出部となるカソード6の突起部分とのなす角度(図2のθ)が120°となるようにした。
Subsequently, molybdenum (Mo), which is a conductive film, was adhered to the outer surface of the insulating
次に、カソード6の幅T4(図10)が200μmになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。その後、RIEを用いてモリブデンからなるカソード6を加工した。この時の加工ガスとしては、導電層材料として用いたモリブデンがフッ化物を作るためCF4系のガスを用いた(図8(E))。これによって、絶縁部材3の凹部7の縁に沿って位置する突起部分を有する短冊状のカソード6を形成した。本実施例ではカソード6の幅は突起部分の幅と一致しており、T4(図10)は突起部分の幅とも言える。尚、突起部分の幅とは、突起部分の、絶縁部材3の凹部7の縁に沿った方向の長さを意味する。
Next, a resist pattern was formed by a photolithography technique so that the width T4 (FIG. 10) of the
続いて、スパッタ法により基板1上及びカソード6上に電極2を形成した(図8(F))。電極2には銅(Cu)を用い、厚さは500nmとし、配線パターンに加工した。
Subsequently, an
上記方法で作製した電子放出素子に対して、図3の構成で電子放出特性を測定し、断面TEMにより、ゲートの酸化膜厚、ゲートのタレ量、最短距離dを測定した。表1に本実施例における電子放出電流が平均的な素子、最大の素子及び最小の素子測定結果を示す。表1中の1は電子放出電流が最小の素子、2は電子放出電流が平均的な素子、3は電子放出電流が最大の素子である。駆動電圧Vf=23V、アノード印加電圧Va=11.8kVで、電子放出電流Ieは13.0〜13.6μAであった。ゲートの酸化膜厚は5.2〜5.3nm、ゲートのタレは11.0〜12.0nm、最短距離dは9.4〜9.8nmであった。本実施例では電子放出特性が揃った均一な素子が得られた。これは素子毎でゲートの酸化膜厚が揃ったためと考えられる。 With respect to the electron-emitting device manufactured by the above method, the electron emission characteristics were measured with the configuration shown in FIG. 3, and the gate oxide film thickness, the gate sagging amount, and the shortest distance d were measured by a cross-sectional TEM. Table 1 shows the measurement results of the average, maximum and minimum element emission currents in this example. In Table 1, 1 is an element having the smallest electron emission current, 2 is an element having an average electron emission current, and 3 is an element having the largest electron emission current. The drive voltage Vf = 23 V, the anode applied voltage Va = 11.8 kV, and the electron emission current Ie was 13.0 to 13.6 μA. The gate oxide film thickness was 5.2 to 5.3 nm, the gate sagging was 11.0 to 12.0 nm, and the shortest distance d was 9.4 to 9.8 nm. In this example, a uniform device with uniform electron emission characteristics was obtained. This is presumably because the gate oxide film thickness is uniform for each element.
また、酸素プラズマの照射時間を60秒、90秒として同様の評価を実施したところ、照射時間30秒との差は小さく、ほぼ同等の電子放出特性が得られ、ゲートの酸化膜厚も同等であった。これは酸素プラズマの照射により十分厚い不動態膜が形成され、素子毎でゲートの酸化膜厚が揃ったためと考えられる。 Further, when the same evaluation was carried out with the oxygen plasma irradiation time of 60 seconds and 90 seconds, the difference from the irradiation time of 30 seconds was small, almost the same electron emission characteristics were obtained, and the gate oxide film thickness was also the same. there were. This is presumably because a sufficiently thick passivation film was formed by the oxygen plasma irradiation, and the gate oxide film thickness was uniform for each element.
[比較例]
比較例として、不動態膜を形成しない電子放出素子を作製した。本比較例では酸素プラズマを照射せず大気中に静置したこと以外は、実施例1と同様の方法で電子放出素子を作製した。電子放出素子作製後、実施例1と同様の方法で電子放出特性と断面形状を測定した。表1に本比較例における電子放出電流が平均的な素子、最大の素子及び最小の素子の測定結果を示す。表1中の1は電子放出電流が最小の素子、2は電子放出電流が平均的な素子、3は電子放出電流が最大の素子である。駆動電圧Vf=23V、アノード印加電圧Va=11.8kVで、電子放出電流Ieは3.0〜13.3μAであった。ゲートの酸化膜厚は3.6〜5.1nm、ゲートのタレは6.0〜12.0nm、最短距離dは9.6〜13.8nmであった。本比較例では素子毎でゲートの酸化膜厚がばらついたため、素子毎でゲートのタレにもばらつきが生じた。その結果、素子毎で電子放出特性がばらついたと考えられる。
[Comparative example]
As a comparative example, an electron-emitting device that does not form a passive film was manufactured. In this comparative example, an electron-emitting device was produced in the same manner as in Example 1 except that it was left in the atmosphere without being irradiated with oxygen plasma. After producing the electron-emitting device, the electron emission characteristics and the cross-sectional shape were measured in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the measurement results of the average, maximum and minimum electron emission currents in this comparative example. In Table 1, 1 is an element having the smallest electron emission current, 2 is an element having an average electron emission current, and 3 is an element having the largest electron emission current. The drive voltage Vf = 23 V, the anode applied voltage Va = 11.8 kV, and the electron emission current Ie was 3.0 to 13.3 μA. The gate oxide film thickness was 3.6 to 5.1 nm, the gate sagging was 6.0 to 12.0 nm, and the shortest distance d was 9.6 to 13.8 nm. In this comparative example, since the gate oxide film thickness varies from element to element, the gate sagging varies from element to element. As a result, it is considered that the electron emission characteristics vary from device to device.
[実施例2]
本実施例では大気焼成により不動態膜を形成したこと以外は、実施例1と同様の方法で電子放出素子を作製した。不動態膜を形成する際には、焼成炉により350℃で30分焼成した。電子放出素子作製後、実施例1と同様の方法で電子放出特性と断面形状を測定したところ、本実施例でも電子放出特性が揃った均一な素子が得られた。ばらつき範囲が実施例1と同等であったため、表1には本実施例における電子放出電流が平均的な素子の測定結果のみ示す。駆動電圧Vf=23V、アノード印加電圧Va=11.8kVで、電子放出電流Ieは13.9μAであった。ゲートの酸化膜厚は6.0nm、ゲートのタレは12.0nm、最短距離dは9.2nmであった。本実施例でも実施例1と同様に素子毎でゲートの酸化膜厚が揃ったため、素子毎で電子放出特性が均一になったと考えられる。
[Example 2]
In this example, an electron-emitting device was produced in the same manner as in Example 1 except that a passive film was formed by atmospheric firing. When forming the passive film, it was baked at 350 ° C. for 30 minutes in a baking furnace. After the electron-emitting device was fabricated, the electron emission characteristics and the cross-sectional shape were measured in the same manner as in Example 1. As a result, a uniform device with uniform electron emission characteristics was obtained in this example. Since the variation range was the same as that in Example 1, Table 1 shows only the measurement result of the element having an average electron emission current in this example. The drive voltage Vf = 23 V, the anode applied voltage Va = 11.8 kV, and the electron emission current Ie was 13.9 μA. The gate oxide film thickness was 6.0 nm, the gate sagging was 12.0 nm, and the shortest distance d was 9.2 nm. In this example, as in Example 1, the gate oxide film thickness was uniform for each element, and it is considered that the electron emission characteristics were uniform for each element.
1:基板、2:電極、3:絶縁部材、5:ゲート、5a:ゲート基材、5b:不動態膜、5c:導電性膜、6:カソード、7:凹部、8:間隙、20:アノード 1: substrate, 2: electrode, 3: insulating member, 5: gate, 5a: gate substrate, 5b: passive film, 5c: conductive film, 6: cathode, 7: recess, 8: gap, 20: anode
Claims (6)
上面に前記ゲートを有し、前記ゲート直下の側面に凹部を有する絶縁部材と、
突起部分を有し、該突起部分の先端が前記凹部を介して前記ゲートに向き合っているカソードと、
を備える電子放出素子の製造方法であって、
金属を含み不動態を形成可能な部材からなるゲート、を上面に有する絶縁部材を形成した後、
前記ゲートの表面に不動態膜を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。 The gate,
An insulating member having the gate on an upper surface and a recess on a side surface directly below the gate;
A cathode having a protruding portion, the tip of the protruding portion facing the gate through the recess;
A method of manufacturing an electron-emitting device comprising:
After forming an insulating member having a gate made of a member containing metal and capable of forming a passive state on the upper surface,
A method of manufacturing an electron-emitting device, comprising forming a passive film on the surface of the gate.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の製造方法で製造した電子放出素子のカソードとアノードとを、前記ゲートを介して対向させて配置することを特徴とする電子線装置の製造方法。 A method of manufacturing an electron beam apparatus having an electron-emitting device and an anode,
5. A method of manufacturing an electron beam apparatus, wherein a cathode and an anode of an electron-emitting device manufactured by the manufacturing method according to claim 1 are arranged to face each other with the gate interposed therebetween.
請求項5に記載の製造方法で製造した電子線装置のアノードと蛍光体とを積層して配置することを特徴とする画像表示装置の製造方法。 A method for manufacturing an image display device having an electron beam device and a phosphor,
6. A method for manufacturing an image display device, wherein the anode and the phosphor of the electron beam device manufactured by the manufacturing method according to claim 5 are laminated and disposed.
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