JP2607251B2 - 電界放射陰極 - Google Patents

電界放射陰極

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JP2607251B2 JP21174487A JP21174487A JP2607251B2 JP 2607251 B2 JP2607251 B2 JP 2607251B2 JP 21174487 A JP21174487 A JP 21174487A JP 21174487 A JP21174487 A JP 21174487A JP 2607251 B2 JP2607251 B2 JP 2607251B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、電界放射により電子線を放射するようにし
た電界放射陰極に関するものである。
[背景技術] 一般に、電子機器、分析機器、光源、表示素子等にお
いて電子線源を必要とする機器が知られている。これら
の機器では、固体表面から空間への電子放射、あるい
は、固体から固体への注入的な電子放射を利用してい
る。
ところで、このような電子線源としては大きく分けて
2種類が知られている。すなわち、熱電子放出を利用す
るものと、電界放射を利用するものである。熱電子放出
は、タングステン等の高融点金属を高温に加熱して金属
中の自由電子に熱エネルギーを与えることにより、金属
表面から電子が放出される現象であって、この現象を利
用した陰極は熱陰極と呼ばれている。熱陰極は、比較的
容易に電子が放出されることから、一般に広く使用され
ているが、以下のような欠点がある。
すなわち、タングステンを用いた熱陰極では、第3図
に示すように、温度の上昇に伴なって放出電流密度が指
数関数的に上昇するのであって、所要の放出電流密度を
得るには、ヒータを用いるか、あるいは陰極自身のジュ
ール熱を利用して必要な温度に加熱しなければならな
い。したがって、所望の温度に設定するための抵抗値の
調節が必要となり、また、ジュール熱を利用しているか
らエネルギーロスも大きいという問題が生じる。また、
高温に加熱するから陰極物質の蒸発や劣化等も問題にな
る。高温に加熱することによる問題を解消するため、酸
化バリウムやストロンチウム等の仕事関数の小さい物質
を陰極の表面に塗布し、低温で熱電子を放出させること
が考えられている。この対応策でも問題はある程度改善
されるが、飛躍的な改善は望めない。一方、分析用や光
源用の電子線源としては、エネルギー分布の集中度の高
いもの、すなわち、各電子がほぼ等しいエネルギーを持
つような電子線源が要求され、また、これらの分野で
は、効率および電流密度の高さが要求されている。しか
しながら、熱電子放出では、エネルギー分布が2eV程度
の幅を有し、また電流密度も高々20A/cm2程度となって
おり、しかも上述したように効率も低いものである。
一方、電界放射は、金属の表面に強い電界(通常は10
8V/m以上)を印加して電位障壁を薄くすることによっ
て、量子力学的トンネル効果により、金属内の電子が障
壁を通り抜けて金属外に放射されるというショットキー
効果を利用するものである。しかるに、常温で電子の放
射が生じるものであるから、熱的なロスがほとんどな
く、しかも放射される電子のエネルギーは印加される電
界強度に依存しているからエネルギー分布の集中度が高
いという利点が有している。すなわち、熱電子放出によ
る欠点を解消できるものであるが、電子の放射状態が電
極物質の表面状態によって大きく影響され、電極物質の
表面に吸着している微量のガスによって仕事関数が変化
するという問題がある。また、このようなガスが残って
いると、イオン化して放電が生じ、電極の破壊につなが
るという問題がある。
[発明の目的] 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、そ
の目的とするところは、電極を必要に応じて加熱するこ
とにより、表面を清浄にして特性を安定化させるととも
に、電子の放出を容易にした電界放射陰極を提供するこ
とにある。
[発明の開示] (構成) 本発明に係る電界放射陰極は、先端部が尖鋭なエミッ
タチップと、エミッタチップの先端部を露出させる放射
孔を有するとともにエミッタチップに対して無機質の絶
縁層を介して絶縁された形で配置されたゲート層とが高
真空中に配設された放射電極部を有し、エミッタチップ
をゲート層に対して負極としてショットキー効果が生じ
る程度の高電圧を印加することにより、エミッタチップ
から放射孔を通して電子線を放射する電界放射陰極にお
いて、複数個の放射電極部の配列部位の近傍の周囲にゲ
ート層と同じ平面内でヒータが形成されて成るものであ
り、エミッタチップおよびゲート層付近を加熱すること
により、いわゆるベーキングを行なって、電極物質の表
面に吸着しているガスを除去するようにしたものであ
る。また、この構成では、エミッタチップが加熱される
ことにより、エミッタチップ内での電子の運動エネルギ
ーが増加し、電子の放射が容易になっているものであ
る。さらに、エミッタチップとゲート層との間の絶縁を
確保するために無機質の絶縁層を備えるから、製造過程
などにおいて水分が絶縁層に吸着されやすいものである
が、ゲート層と同じ平面内にヒータを設けていることに
よって絶縁層を加熱乾燥させることができ、エミッタチ
ップとゲート層との間の絶縁性を保つことができる。し
かも、ゲート層と同じ平面内にヒータを設けているの
で、表面側に露出する部位にヒータが設けられることに
なって、放射孔や絶縁層を1μm程度の微小寸法に形成
しても、ヒータの形成が容易になる。とくに複数個の放
射電極部の配列部位の周囲にヒータを形成することで、
微細な放射孔の近傍に個々にヒータを設ける場合に比較
するとヒータの形成が容易であり、さらには、ヒータと
ゲート層とが同じ平面内に形成されるから、ゲート層と
ヒータとの加工を一括して同時に行なうことが可能にな
り製造が容易になる。
(実施例) 第1図に示すように、基本構成としては、放射電極部
10の周囲にヒータ20を配置した構成となっている。
放射電極部10は、多数の放射サイト11をマトリクス状
に配列したものであって、各放射サイト11は、第2図に
示すように形成されている。すなわち、各放射サイト11
は、十分にドープされたシリコンよりなる導電性の基板
12に、二酸化シリコンよりなる絶縁層13を介してモリブ
デンよりなる導電性のゲート層14を積層した積層体を有
し、絶縁層13およびゲート層14を通して形成されて基板
12の表面を露出させる放射孔15内にモルビデンよりなる
エミッタチップ16を配設したものである。基板12は1mm
程度の厚み、絶縁層13は1μm程度の厚み、放射孔15は
1μm程度の直径に設定されており、基板12を形成する
シリコンウェハの表面に酸化皮膜を形成することにより
絶縁層13が形成されている。また、ゲート層14は絶縁層
13の表面にモリブデンを電子ビーム蒸着することによ
り、0.5μm程度の厚みに形成されている。さらに、エ
ミッタチップ16は、ゲート層14とは別過程で電子ビーム
蒸着することにより、モリブデンを基板12上に堆積させ
て形成されている。エミッタチップ16は円錐形に形成さ
れるのであって、その先端は尖鋭に形成されている。ま
た、エミッタチップ16の先端はゲート層14と略同一平面
に位置している。以上のような放射サイト11を基板12上
に100ないし5000個集合させて放射電極部10が形成され
るのである。ここに、基板12は各放射サイト11に共用さ
れている。基板12およびゲート層14には接続用パッド17
が形成されており、この接続用パッド17を介して電源に
接続することにより、放射電極部10は電子線を放射する
のである。上記形状の放射電極部10は、ゲート層14とエ
ミッタチップ16との間の印加電圧が100〜300Vで電界強
度が約108V/mとなって電子線を放射するのであり、電界
放射を行なう放射電極部10としては、低電圧で電子線の
放射を行なうのである。この放射電極部10の形成方法
は、文献(C.A.Spindt,et al.,“Physical properties
of thin−film field emission cathodes with molybde
num cones",J.Appl.Phys.,Vol 47,No.12,December 197
6,p.5248−5263)に詳しく記載されている。エミッタチ
ップ16は、上記実施例では円錐形に形成しているが、ひ
げ状、針状等、先端が尖鋭であれば他の形状も適用しう
るものである。
以上のようにして形成された放射電極部10の周囲には
第1図(b)のように絶縁層13の上でゲート層14と同じ
平面内にヒータ20が形成される。ヒータ20の両端には接
続用パッド21,22が形成されている。ヒータ20は、ゲー
ト層14と同一材料で形成するか、あるいは、ゲート層14
の表面に別に抵抗層を形成してこれを用いるようにす
る。ゲート層14と同一材料で形成する場合には、放射電
極部10の形成過程でエッチングを行なえばよいものであ
る。ヒータ20の形状は、第1図に示す例ではジグザグ状
であって、放射電極部10の略全周を囲むように形成され
ているが、形状はとくに限定されるものではない。一例
として、ゲート層14を形成するモリブデン層で形成する
場合、ヒータ20の膜厚を0.5μm、ヒータ20の線幅を20
μm、ヒータ20の全長を1cmとすると、モリブデンの抵
抗率は5.7×10-6Ω・cmであるから、約60Ωの抵抗値が
得られる。
以上のようにして放射電極部10の周囲にヒータ20を形
成していることにより、ヒータ20で放射電極部1を加熱
すれば(いわゆるベーキングを行なえば)、放射電極部
10に吸着されているガスの分子振動が大きくなって放射
電極部10から離れやすくなり、ガスの除去が容易になる
ものである。また、ヒータ20による加熱でエミッタチッ
プ16内の電子が熱エネルギーを受けて飛び出しやすくな
り、その結果、エミッタチップ16にかかる電界強度が比
較的小さくても容易に電子線が放射させるようになるの
である。すなわち、上記形状の放射電極部10は比較的低
電圧で電子線を放射するものであるが、ヒータ20を設け
ることにより印加電圧を一層低減することができるので
あり、用途の拡大が図れるのである。ここに、ヒータ20
による加熱は、熱電子を放出させる程度のものである必
要がないから、熱電子放出による従来例の方法における
欠点はない。また、実際の使用にあたっては、放射電極
部10およびヒータ20を高真空中に置かなければならない
のであって、10-9Torr以下の圧力となるように設定す
る。さらに、光源や表示素子に用いる場合に、放射電極
部10に対向する形でエミッタチップ16に対して陽極とな
るコレクタを設けることにより、目的とする面に電子線
を衝突させることができ、電子線の利用効率を高めるこ
とができる。
[発明の効果] 本発明は上述のように、先端部が尖鋭なエミッタチッ
プと、エミッタチップの先端部を露出させる放射孔を有
するとともにエミッタチップに対して無機質の絶縁層を
介して絶縁された形で配置されたゲート層とが高真空中
に配設された放射電極部を有し、エミッタチップゲート
層に対して負極としてショットキー効果が生じる程度の
高電圧を印加することにより、エミッタチップから放射
孔を通して電子線を放射する電界放射陰極において、複
数個の放射電極部の配列部位の近傍の周囲にゲート層と
同じ平面内でヒータが形成されて成るものであり、ヒー
タによってエミッタチップおよびゲート層付近を加熱す
ることができるから、いわゆるベーキングを行なうこと
ができ、電極物質の表面に吸着しているガスを除去し、
電子線を放射する部分の表面を清浄にして放射特性を安
定化することができるのである。また、この構成では、
エミッタチップを加熱することにより、エミッタチップ
内での電子の運動エネルギーを増加させることができる
から、単なる電界放射に比較して電子を容易に放射する
ことができ、その結果、印加電圧を低減することができ
るのである。しかも、熱電子放出ではないから、加熱温
度が低いとともに、加熱温度の制御が不要であって、熱
電子放出による欠点は生じないのである。さらに、エミ
ッタチップとゲート層との間の絶縁を確保するために無
機質の絶縁層を備えるから、製造過程などにおいて水分
が絶縁層に吸着されやすいものであるが、ゲート層と同
じ平面内にヒータを設けていることによって絶縁層を加
熱乾燥させることができ、エミッタチップとゲート層と
の間の絶縁性を保つことができるという利点がある。し
かも、ゲート層と同じ平面内にヒータを設けているの
で、表面側に露出する部位にヒータが設けられることに
なって、放射孔や絶縁層を1μm程度の微小寸法に形成
しても、ヒータの形成が容易になるとういう利点があ
る。とくに複数個の放射電極部の配列部位の周囲にヒー
タを形成することで、微細な放射孔の近傍に個々にヒー
タを設ける場合に比較するとヒータの形成が容易であ
り、さらには、ヒータとゲート層とが同じ平面内に形成
されるから、ゲート層とヒータとの加工を一括して同時
に行なうことが可能になり製造が容易になるという利点
もある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)はそれぞれ本発明の一実施例を示す
平面図と断面図、第2図は同上に用いる放射サイトの拡
大断面図、第3図は熱電子放出の特性例を示す特性図で
ある。 10は放射電極部、14はゲート層、15は放射孔、16はエミ
ッタチップ、20はヒータである。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】先端部が尖鋭なエミッタチップと、エミッ
    タチップの先端部を露出させる放射孔を有するとともに
    エミッタチップに対して無機質の絶縁層を介して絶縁さ
    れた形で配置されたゲート層とが高真空中に配設された
    放射電極部を有し、エミッタチップをゲート層に対して
    負極としてショットキー効果が生じる程度の高電圧を印
    加することにより、エミッタチップから放射孔を通して
    電子線を放射する電界放射陰極において、複数個の放射
    電極部の配列部位の近傍の周囲にゲート層と同じ平面内
    でヒータが形成されて成ることを特徴とする電界放射陰
    極。
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