JP2627620B2 - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents

電子放出素子およびその製造方法

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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/30Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/316Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode having an electric field parallel to the surface, e.g. thin film cathodes

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は薄膜を用いた高効率、高安定な電子放出素子
およびその製造方法に関するものである。
[従来の技術] 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子とし
て、例えば、エム アイ エリンソン(M.I.Elinson)
等によって発表された冷陰極素子が知られている。[ラ
ジオ エンジニアリング エレクトロン フィジィッス
(Radio Eng.Electron.Phys.)第10巻,1290〜1296頁,19
65年] これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に
平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を
利用するもので、一般には表面伝導型放出素子と呼ばれ
ている。
この表面伝導型放出素子としては、前記エリンソン等
により開発されたSnO2(Sb)薄膜を用いたもの、Au薄膜
によるもの[ジー・ディトマー“スイン ソリド フィ
ルムス”(G. Dittmer:“Thin Solid Films"),9巻,317
頁,(1972年)]、ITO薄膜によるもの[ハム ハート
ウェル アンド シー ジー フォンスタッド“アイ
イー イー イー トランス” イー ディー コンフ
(M.Hartwell and C. G. Fonstad:“IEEE Trans.ED Con
f.")519頁,(1975年)]、カーボン薄膜によるもの
[荒木久他:“真空",第26巻,第1号,22頁,(1983
年)]などが報告されている。
これらの表面伝導型放出素子の典型的な素子構成を第
7図(a)に示す。同第7図(a)において、1および
2は電気的接続を得る為の電極、3は電子放出素子で形
成される薄膜、4は基板、5は電子放出部を示す。
従来、これらの表面伝導型放出素子に於ては、電子放
出を行なう前にあらかじめフォーミングと呼ばれる通電
処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記電極1
と電極2の間に電圧を印加する事により、薄膜3に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜3を局所的に
破壊,変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態
にした電子放出部5を形成することにより電子放出機能
を得ている。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、従来の薄膜を用いた表面伝導型電子放
出素子は、第7図(a)に示すように、ネック形状の薄
膜内に電子放出部が形成されるが、実際の電子放出部は
0.5〜4μ幅程度の極めて微小な領域とされており、そ
の位置もフォーミング条件のちがいによって素子毎にば
らつき、正確な制御が困難であった。
また、1素子からより多くの放出電流を得ようとした
場合、極めて微小な電子放出部に電流が集中するため、
薄膜に形成された電子放出部の形状の変化、あるいは薄
膜の破壊等を起こしやすく、放出電流の安定化や効率の
向上の妨げとなっていた。
一方、従来の表面伝導型電子放出素子は、実際の電子
放出部を抵抗R1で置きかえると、電気回路的には第7図
(b)のようになる。このとき、電子放出部に印加可能
な最大電圧及びそのときの電子放出効率はそれぞれ抵抗
R1の耐圧及び発熱効率と考えることができる。従って、
抵抗R1の耐圧及び発熱効率が材料と形状によって決定さ
れていた従来の素子では、素子設計上の自由度が極めて
狭く、特性制御が困難であった。また、抵抗R1の特性変
化が放出電流の変化となって現れるため、安定した電子
放出特性を得ることは困難であった。
本発明は、上記の様な従来の表面伝導型電子放出素子
の有していた欠点を解決し、高効率で、高安定な電子放
出特性を有する電子放出素子およびその製造方法を提供
することを目的とするものである。
[問題点を解決するための手段]及び[作用] すなわち、本発明は、薄膜に電流を流すことによって
電子を放出する電子放出素子において、前記薄膜に複数
の、幅が1μm以下の電子放出部が通電方向に対して並
列に独立して設けられていることを特徴とする電子放出
素子である。
また、本発明は、薄膜に電流を流すことによって電子
を放出する電子放出素子の製造方法において、幅が1μ
m以下の狭窄部が通電方向に対して並列に複数形成され
た薄膜に通電し、該通電のエネルギーによって該狭窄部
の各々に電子放出部を形成することを特徴とする電子放
出素子の製造方法である。
以下、本発明を詳細に説明する。
第1図(a)は本発明の電子放出素子の一実施態様を
示す説明図である。同第1図(a)において、本発明の
電子放出素子は、絶縁性を有する基板の同一平面上に形
成された対向する電極1,2間に、電子放出材料からなる
薄膜3を形成し、該薄膜3の一部分を除去し電流を集中
せしめる狭窄した形状に形成した4つの電子放出部5を
通電方向に対して並列に独立して設けてなるものであ
る。
本発明においては、1素子の薄膜に、複数の極めて微
細な電子放出部が通電方向に対して並列に形成されるこ
とを特徴としている。
本発明の電子放出素子は、通電方向に対して電気的に
並列となるように薄膜内に電子放出部を複数形成するこ
とで、1素子から放出される電子の絶対量を増加させる
ことが可能となり、さらに、各電子放出部に均等な電圧
が印加されるため、個々の電子放出部の電子放出特性が
均一化される。
この手法を用いた場合、第1図(a)に示す電子放出
部を抵抗R2で置きかえると、電気回路的には第1図
(b)のようになり、1素子の電子放出量は各電子放出
部からの放出量を積分したものとなる。
また、各電子放出部間の電子放出特性にばらつきが生
じても、複数の電子放出部が並列化されているので、1
素子当りの特性はその影響を受けにくくなり、安定した
電子放出が得られる。
また、薄膜に設けられる複数の微細な電子放出部は、
対向する電極間に設けられた薄膜の通電方向に対して並
列に独立して配列されていればよく、その配列状態およ
び数は特に限定することはなく、素子の電子放出特性に
応じて任意の配列状態および個数を用いることができ
る。
[実施例] 以下、図面に示す実施例により本発明を詳細に説明す
る。
実施例1 清浄な#7059ガラス基板(コーニング社製)上にパー
マロイ製の蒸着マスクを用いて、第2図に示す形状の膜
厚1000Åの金薄膜を真空蒸着によって形成した。第2図
において、1a,2aは電極形成部、3のくびれたネック部
は電子放出部であり、それぞれの大きさは、Lは15mm、
lは0.1mm、またWは4mm、wは0.1mmである。
次に、第2図の電極形成部1a,2aにのみマスク蒸着に
よって、膜厚3000Åのニッケルを積層して電極を形成し
た。
この様にして得られた素子の電子放出部を形成するた
めの薄膜3を、さらに電流が集中しやすい形状に加工す
るため、FIB(集束イオンビーム装置)を用いて、金薄
膜部分のマスクレスエッチングを行った。エッチングに
は、一価の金イオンビームを加速電圧80kVで使用した。
このときの金イオンビームの集束径はほぼ0.1μmであ
り、金薄膜に対して0.2μmのライン&スペースによる
エッチングが可能である。このFIBによるエッチングで
得られた電子放出部の形状を第3図に示す。
第3図において、4はFIBによってエッチングされた
部分であり、露出したガラス基板を示し、6は狭窄部で
極めて微小な幅で残した金薄膜である。このため、エッ
チング後も電極間には電気的に導通がある。エッチング
により形成された金薄膜による突起の短辺Xは1μm、
突起の間隔Yも1μm、突起の長さZは3μmであり、
ネック部の薄膜3には50本の突起を配列した。突起の先
端の狭窄部(d)6はエッチング後、およそ0.2μm程
度の幅で残してあり、電流の集中しやすい形状とした。
この様にして得られた素子を真空容器中で電極間に電
流を流し、通電によるフォーミング処理を行った。フォ
ーミング処理後の素子抵抗は数キロオームと高抵抗にな
っており、顕微鏡観察の結果、突起先端の狭窄部6にの
みフォーミングの結果と思われる局所的な変形が見ら
れ、その他の部分は全く変化はなかった。
これらの素子の電子放出特性を測定した結果、素子印
加電圧15V、膜内電流If=0.1mAのときに最大放出電流Ie
=100nA(1素子当り)が得られ、このときの電流効率I
e/Ifは1×10-3の値が得られた。
実施例2 清浄な#7059ガラス基板(コーニング社製)上に電子
ビーム蒸着法により、ITO(In2O3 95%,SnO25)薄膜を
膜厚1000Åに形成した。次に、フォトレジストにより、
実施例1と同様にl/w=0.3mm/0.3mmのくびれ部を有する
パターンを形成し、アルゴンと酸素ガス範囲気中でスパ
ッタエッチングによってITO薄膜のエッチングを行い、
第4図のパターン形状を得た。次にくびれ以外の部分に
マスク蒸着法によって膜厚3000Åのニッケル電極を堆積
させて電極1,2を形成した。
さらにこの様にして得られた素子のITO薄膜からなる
くびれ部を通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、第
5図に示すパターンを形成した。第5図において、狭窄
部6の幅dは1μm、Yは3μm、Z1は10μmであり、
くびれ部分中に狭窄部6を素子の通電方向に対して並列
に30ヵ所設けた。
この様にして得られた素子を真空容器中で通電による
フォーミング処理を行った結果、素子は数十キロオーム
の高抵抗となり、顕微鏡観察の結果、1μm幅の狭窄部
6の部分にのみ局所的な変形がみられた。
実施例3 実施例1と同様に#7059ガラス基板上に第2図に示し
た形状のパターンを膜厚1000Åの金蒸着膜で形成した
後、ニッケル電極を蒸着して素子パターンを作成した。
次に、FIBを用いて第6図に示す形状に金薄膜からなる
薄膜3をエッチングして、電流集中部である狭窄部6
を、たて25列、横45列、合計1225ヶ所に作成した。エッ
チング条件は実施例1と同様である。尚、狭窄部6のd
は0.2μm、Xは1μm、Zは3μm、M,Nは各々100μ
mである。
この様にして得られた素子を真空容器中で、電極1を
+側、電極2を−側として直流電流を流してフォーミン
グ処理を行った。フォーミング処理後の素子の顕微鏡観
察では電流集中部である狭窄部6にのみ局所的の膜の変
形が見られた。また、フォーミング処理後の素子抵抗
は、5〜10キロオーム(9V)と高抵抗化されていた。
これらの素子の電子放出特性を測定した結果、最大放
出電流Ie(max)=2μA/1素子、最大電流効率10-2が得ら
れた。
実施例1で示した電流集中部である狭窄部6が50ヶ所
の素子の最大放出電流100nAと比較すると、20倍の放出
電流が測定され、電流集中部である狭窄部6の並列化が
効果的であることが認られた。また、並列化は放出電流
の安定化にも効果があり、変動幅は10%以下に押えられ
た。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の電子放出素子は、薄膜
に複数の電子放出部が通電方向に対して並列に独立して
設けられているので、従来の電子放出素子の欠点を解決
し、 得られる放出電子が増大し、 電子放出特性が安定化される 等の優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明に係わる電子放出素子の一実施態
様を示す説明図、第1図(b)はその電気的回路図、第
2図は実施例1の金蒸着膜の形状を表わす平面図、第3
図は実施例1のFIBによってエッチングされた金薄膜の
形状を表わす部分説明図、第4図は実施例2のITOを用
いた素子の概略図、第5図は実施例2のITOを用いた素
子の電子放出部の形状を表わす部分説明図、第6図は実
施例3の金薄膜を用いた素子の電子放出部の形状を表わ
す部分説明図、第7図(a)は従来の電子放出素子の概
略図及び第7図(b)はその電気的回路図である。 1,2……電極、1a,2a……電極形成部 3……薄膜、4……基板 5……電子放出部、6……狭窄部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂野 嘉和 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 野村 一郎 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 鱸 英俊 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 吉岡 征四郎 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−40860(JP,A) 特公 昭46−20949(JP,B1)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄膜に電流を流すことによって電子を放出
    する電子放出素子において、前記薄膜に複数の、幅が1
    μm以下の電子放出部が通電方向に対して並列に独立し
    て設けられていることを特徴とする電子放出素子。
  2. 【請求項2】薄膜に電流を流すことによって電子を放出
    する電子放出素子の製造方法において、幅が1μm以下
    の狭窄部が通電方向に対して並列に複数形成された薄膜
    に通電し、該通電のエネルギーによって該狭窄部の各々
    に電子放出部を形成することをを特徴とする電子放出素
    子の製造方法。
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