JP2627622B2 - 電子放出素子 - Google Patents

電子放出素子

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01J1/304Field-emissive cathodes
    • H01J1/3042Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type

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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] 本発明は電子放出素子に関し、特に電子放出電極の突
端部より素子基板と平行に電子を放出せしめ、且つ偏向
電極により基板と直角方向に該電子を偏向させる電子放
出素子に関する。
[従来の技術] 従来、電子発生源としては、熱陰極からの熱電子放出
が用いられていた。この様な熱陰極を利用した電子放出
は、加熱によるエネルギーロスが大きい点、加熱手段の
形成が必要である点、及び予備加熱にかなりの時間を要
する点や熱により系が不安定化しやすいという点で問題
があった。
そこで、加熱によらない電子放出素子の研究が進めら
れ、その中の一つに電界効果型(FE型)の電子放出素子
がある。
第11図は従来の電界効果型の電子放出素子の概略的構
成図である。
同図に示すように、従来の電界効果型の電子放出素子
は、基体1上に設けられた、強電界を得るために先端を
鋭く尖らせた陰極チップ2と、基体1上に絶縁層3を介
して設けられ、且つ陰極チップ2の尖頭部を中心として
略円形状の開口部が形成され引き出し電極4とから構成
され、陰極チップ2と引き出し電極4との間に引き出し
電極4を高電位とする電圧を印加し、電界強度の大きく
なる陰極チップ2の尖頭部から電子を放出させるもので
ある。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記の従来の電界効果型の電子放出素
子は陰極チップ2の先端を鋭く尖らせることが難しく、
一般的に陰極チップ2を作製する場合には、電界研摩を
行った後にリモルディングを行っていた。この工程は多
くの手間を要し煩雑であるとともに、経験的な要素が強
いために、機械化が難しく、製造条件にバラツキが生じ
やすく、品質が安定しない等の問題点があった。
本発明の目的は、上記従来技術の問題に鑑みて、構成
が簡略で、かつ安定に再現性良く製造が可能な電界効果
型の電子放出素子を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] 上記の問題点は、同一絶縁基板上に突端部を有する電
子放出電極と、該突端部に対向して電子放出口を有する
引き出し電極と、該電子放出口より放出した電子を絶縁
基板からほぼ垂直方向に電子を偏向せしめる偏向電極を
設け、かかる前記突端部と前記引き出し電極を微細加工
技術により精度よく作成することにより解決できる。
すなわち、本発明は、基板の同一面に沿って並設され
た、突端部を有する電子放出電極と、該突端部に対向し
た電子放出口を有する引き出し電極と、該引き出し電極
より該基板面に平行に引き出された電子の飛翔方向を該
基板面と垂直な上方に偏向する為の偏向電極とを有する
ことを特徴とする電子放出素子である。
[作 用] 一般に、電界放出に必要な電界強度は107V/cm以上で
あり、この電界が印加されると、固体中の電子がトンネ
ル効果により、表面のポテンシャル障壁を通り抜けて電
子が放出される。
いま、対向する電子放出電極と対向電極との間に印加
する電圧をVとし、電子放出電極の電子放出部分の曲率
半径をrとすると、曲率半径rが小さい場合、電子放出
部の電界強度Eは、 なる関係がある。
電子放出を行わせる場合、電子の収束性を良くするに
は、放出電子のエネルギー幅を小さくすることが望まし
く、また低電圧で駆動できることが望ましい。このた
め、前記曲率半径rは極力小さくすることが望ましい。
さらに、電子放出電圧のバラツキ等を抑えるために、
電子放出電極と対向電極との間の距離を精度よく形成す
ることが望まれる。
本発明は、後述する微細加工技術を用いることによ
り、電子放出電極の突端部の曲率半径を極力小さく、且
つ引き出し電極を精度よく形成し、引き出し電極により
引き出された電子ビームを絶縁基板上に設けた偏向電極
に電子放出電極に対して負電圧を印加することにより絶
縁基板とほぼ垂直方向に偏向した電子ビームを発生する
ものである。
[実施例] 以下、本発の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。
実施例1 第1図は、本発明の電子放出素子の一実施例を示す構
成図であり、第2図はその断面図、第3図はその平面図
である。
同図に示すように、本発明の電子放出素子は、ガラス
等の絶縁基板6上に、導電層を約1000Å程度の膜厚に蒸
着等によって積層させ、後述するFIB(フォーカス・イ
オン・ビーム;Focus Ion Beam)等のマスクレスエッチ
ング技術を用いて、突端部7aを有する電子放出電極7、
電子放出電極7の突端部7aに対向して電子放出口である
開口部8aを有する引き出し電極8、該引き出し電極8側
に偏向電極9を形成してなるものである。
電子放出電極7の突端部7aの形状は、極力、曲率半径
が小さくなるように前記FIB等を用いて、三角形状、放
物線形状等に加工されて、くさび形の柱状体、放物線状
の側面を有する柱状体等に形成する。
電子放出電極7の材質は、上記のように電子放出電極
7の曲率半径が小さくなるように形成し、電流密度が大
きく、発熱量が大きくなるために、高融点材料であるこ
とが好ましく、また印加電圧を低減させるために低仕事
関数材料から構成されることが好ましい。例えば、W,Z
r,Ti等の金属、TiC,ZrC,HfC等の金属炭化物、LaB6,Sm
B6,GdB6等の金属ホウ化物、WSi2,TiSi2,ZrSi2,GdSi2
の金属シリサイド、又はSnO2,ITO等の半導体酸化物を用
いることができる。
電子の引き出し電極8は、第3図に示すように、前記
電子放出電極7の突端部7aに対向して電子放出口である
開口部8aを有する形状に、ステンレス材、ニッケル材等
の金属材料で形成する。
引き出し電極8は、電子放出電極7に近付けて形成す
ることが望ましく、又開口部8aの幅wは前記突端部7aと
同程度のスケールで設けることが望ましい。
本実施例では、電子放出電極7と引き出し電極8をAu
部材を用いてFIB装置により次のような形状に作成し
た。電子放出電極7の突端部7aを第3図に示すような略
2等辺三角形に加工し、前記曲率半径rを500Å以下に
形成した。又、引き出し電極8を電子放出電極7から、
0.5〜2.0μmの位置に(第3図のlの長さ)開口部8aの
wが0.5〜1.5μmとなるように加工した。
偏向電極9の材料は非磁性の金属材料であることが望
ましく、一般的にはニッケル又は非磁性ステンレス材料
が使用できる。本実施例ではニッケル材を用い、引き出
し電極8から3μmの位置に通常良く知られるエッチン
グ技術により形成した。偏向電極の厚さは500Å程度、
大きさは特に限定されるものではないが、通常数μm角
〜数10μm角に形成する。
上記に説明したような本発明の電界型電子放出素子に
おいて、第1図に示すように、電子放出電極7に対し引
き出し電極8に電源10aにより電圧V1を、また偏向電極
9に電源10bにより電圧V2を印加する。通常V1は20V以上
であるが、望ましくは20〜100V、さらに20〜50Vの低電
圧が望ましい。電圧V1を100V以上で駆動すると放出電流
のゆらぎが大きくなり、寿命が短くなる。
偏向電極9に引火する電圧V2は、電圧V1により変える
必要があるが、一般には電子放出電極7に対して0〜−
100Vが望ましい。
本実施例において、電圧V1を30Vに固定し、電圧V2
変化させ表1に示す結果を得た。
偏向角θは、第2図に示すように絶縁基板の法線方向
からの角度で電子放出電極7から放出される電子ビーム
の飛翔方向を正の値とした。
偏向角θは偏向電極の形状により変わることが予想さ
れ、表1にはθの中心値を記載した。また、本実施例に
よる電子放出素子は電流のゆらぎ5%以内、寿命1000時
間以上の特性が得られ、電界型電子放出素子としては優
れた特性であることが確認できた。
次に、本発明に用いる微細加工技術について説明す
る。
通常、微細加工技術としては、レジストプロセスとエ
ッチングプロセスからなるリソグラフィー技術が用いら
れるが、マスクずれ等が生じるために、1.0μm以下の
微細加工は困難である。
本発明に用いる微細加工技術は、1.0μm以下の微細
加工が可能なものをいい、例えば前述したFIBが用いら
れる。
第4図はFIB装置の一例を示す構成図である。
FIB技術は、サブミクロンに集束した金属イオンを走
査し、固体表面におけるスパッタリング現象を利用し
て、サブミクロンオーダの細微加工を行うものである。
同図において、イオン源11は、引き出し電極8により
液体金属原子を放出させ、EXB質量分離器13によって所
望のイオンビームを選別し(合金系液体金属を用いる場
合)、対物レンズ14によって80keV程度に加速したイオ
ンビームを0.1μm程度まで集束し、ビーム偏向電極15
によって試料16上を走査する。なおイオンビームの位置
合わせは、試料ステージ17によって行われる。
実施例2 第5図は本発明の第二の実施例を示す構成図である。
本実施例は、実施例1に於て、絶縁基板6上にさらに
第2の絶縁基板18を設け、その上に電子放出電極7を作
成し、引き出し電極19を一つの連続した金属より構成し
た。このような素子構成にすることにより、電子放出電
極7の突端部7aに電界を集中させ、かつ絶縁基板6上に
チャージアップを防止する効果が得られる。
本実施例において、この様な効果が得られるのは、突
端7a近傍の電界が絶縁基板内に存在する電界によって弱
められるためと考えられるが、本実施例の他にも、実施
例1に於て電子放出電極7と引き出し電極8の間の絶縁
基板6に凹部を設けても同一の効果が期待できる。
実施例3 第6図は本発明の第三の実施例を示す構成図である。
本実施例は、実施例2に於て、引き出し電極19と偏向
電極9間にビーム整形電極20を設け、電源21により電圧
を印加することにより引き出し電極19より出た電子ビー
ムを整形するものである。
該ビーム整形電極20は電子光学レンズを形成するもの
で、偏向電極9により偏向されたビームを集束又は発散
させることができる。ビーム整形電極20の材料としては
非磁性のステンレスやニッケル等が望ましく前記FIB装
置により製造した。ビーム整形電極20の形状は電子放出
素子の応用により異なるが、ニッケル材を数μm〜数10
μmのオーダーで形成する。
実施例4 第7図は本発明の第四の実施例を示す構成図である。
本実施例は、実施例2に於いて、引き出し電極19と偏
向電極9間に第二の偏向電極22を設け、引き出し電極19
より放出させた電子ビームの飛翔方向を絶縁基板6に対
し平行に偏向(第2の偏向)させるものである。即ち、
第二の偏向電極22は電極22aと電極22bより成り、該電極
22aと22bの電極間に電圧を印加することにより前記第2
の偏向を得るものである。
第二の偏向電極22は非磁性のステンレス材又はニッケ
ル材により、該電極22aと22bの電極間を約5μm〜10μ
mで製造した。
実施例5 第8図は本発明の第五の実施例を示す構成図である。
本実施例は電子放出電極が突端部を複数個有し、且つ
該複数の突端部の各々に対向する部分に近傍して電子放
出口を有する引き出し電極が設けられている電子放出素
子の例として、実施例2の素子構成を用い、同一絶縁基
板6上にピッチdが2.5μmで500個の電子放出素子を作
成した。このように作成することにより、単に500倍の
電流量が得られただけでなく、安定性も飛躍的に向上
し、周波数10〜106Hzのショットノイズがほとんどなく
なり、電流のゆらぎが1.0%以内になった。
実施例6 第9図は本発明の第六の実施例を示す構成図である。
本実施例は、実施例1において、電子放出電極7と引
き出し電極8の電子放出部に外部からの電磁界による電
気的ノイズを防ぐためにシールド部材24を設けたもので
ある。シールド部材24は、厚さ2mmのステンレス部材を
用い、電子放出部を実質上囲むように絶縁基板6上に設
け、外界からの電磁気的ノイズを防止する効果がある。
電磁気的ノイズはシールド部材24を設けるだけでな
く、絶縁基板6の裏にシールド部材を貼り付けることに
より、より強力な効果が期待できる。
実施例7 第10図は本発明の第七の実施例を示す構成図である。
本実施例は、ガラス等の第三の絶縁基板25上に偏向電
極26を設け、又該偏向電極26を取り囲むように絶縁層27
を製作した。さらに、実施例1における絶縁基板6、電
子放出電極7、引き出し電極8を第三の絶縁基板上に設
けた。
偏向電極26は金属であればどんな材料でも良く、本実
施例ではアルミニウム材料を用いた。また、絶縁層27は
SiO2材質で厚さ0.1〜3μmになる様に、通常良く知ら
れる真空蒸着装置により作成した。
本実施例で実施例1と同様の実験を行ない基板と垂直
方向の電子放出を得た。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の電子放出素子によれ
ば、電子放出電極と引き出し電極を微細加工技術により
精度よく形成し、かつ同一絶縁基板上に偏向電極を設け
ることにより、素子より電子放出させることができるだ
けでなく次のような効果がある。
1)低電圧駆動が可能となり、放出される電子のエネル
ギーのバラツキを減少することができる。
2)FIB等の微細加工技術によって、電子放出電極、引
き出し電極が、高精度に形成されるので、リモルディン
グ等の製造工程が不要であり、製造工程を簡易化するこ
とができる。
3)電子放出電極及び引き出し電極が平面的に微細加工
されるので、薄型化、小型化、軽量化が容易である。
4)偏向電極に印加する電圧により素子より放出する電
子を偏向することができる。
5)引き出し電極と偏向電極間にビーム整形電極を設け
ることにより、素子より放出する電子ビームの集束発散
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電子放出素子の一実施例を示す構成
図、第2図はその断面図、第3図はその平面図、第4図
はFIB装置の一例を示す構成図、第5図〜第10図は各々
本発明の他の実施例を示す構成図および第11図は従来の
電界効果型の電子放出素子の概略的構成図である。 1……基体、2……陰極チップ 3,6a,27……絶縁層 4,8,19……引き出し電極 5,10a,10b,21,23……電源 6,18,25,28……絶縁基板 7……電子放出電極、7a……突端部 8a……開口部、9,26,29……偏向電極 20……ビーム整形電極、22……第二の偏向電極 22a,22b……電極、24……シールド電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 俊彦 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 金子 哲也 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 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 横野 幸次郎 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59−16255(JP,A) 特開 昭57−18324(JP,A) 特開 昭64−54650(JP,A) 特公 昭54−17551(JP,B2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板の同一面に沿って並設された、突端部
    を有する電子放出電極と、該突端部に対向した電子放出
    口を有する引き出し電極と、該引き出し電極より該基板
    面に平行に引き出された電子の飛翔方向を該基板面と垂
    直な上方に偏向する為の偏向電極とを有することを特徴
    とする電子放出素子。
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