JP2790219B2 - 電界放出型電子放出素子 - Google Patents

電界放出型電子放出素子

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電界放出型電子放出素子に関する。
[従来の技術] 従来、電子放出素子としては熱陰極型電子放出素子が
多く用いられていたが、熱電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こと、予備加熱が必要
であること等の問題点を有していた。
これらの問題点を解決するため冷陰極型の電子放出素
子がいくつか提案されており、その中に局部的に高電界
を発生させ、電界放出により電子放出を行なわせる電界
効果型の電子放出素子がある。
第7図は上記の電界放出型の電子放出素子の一例を示
す概略的部分断面図であり、第8図(a)〜(d)はそ
の製造方法を説明するための概略的工程図である。
第7図に示すように、Si等の基体701上にMo(モリブ
デン)等により形成された点状電子放出部708を設け、
この電子放出部708を中心として開口部が設けられたSiO
2等の絶縁層702が形成され、この上に前記円錐形状の尖
頭部の近傍にその端部が形成された引き出し電極709が
設けられている。
このような構造の電子放出素子において、基体701と
引き出し電極709との間に電圧を印加すると、電界強度
の強い尖頭部から電子が放出される。
上記電子放出素子は、次のような工程で作成される。
まず、第8図(a)に示すように、Si等の基体701の
上にSiO2酸化膜等の絶縁層702を形成する。
電子ビーム蒸着等によりMo層709を形成する。
PMMA(poly−methyl−methacrylate)等の電子線レジ
ストを、スピンコート法を用いてMo層709上に塗布す
る。
電子ビームを照射してパターニングを行った後イソプ
ロピルアルコール等で電気線レジストを部分的に除去す
る。
Mo層709を選択的にエッチングして第1の開口部603を
形成する。
電子線レジストを完全に除去したのち、弗化水素酸を
用いて絶縁層702をエッチングして第2の開口部704を形
成する。
次に、第8図(b)に示すように、回転軸Xを中心と
して基体701を回転させながら、一定の角度θを傾斜さ
せてAlをMo層709の上面に蒸着させてAl層705を形成す
る。このとき前記Mo層709の側面部にもAlが蒸着される
ので、この蒸着量を制御することにより、第1の開口部
703の直径を任意に小さくすることができる。
次に、第8図(c)に示すように、基体701に対して
垂直にMoを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。このと
きMoはAl層705上および基体701上だけでなくAl層705の
側面にも堆積されるので、第1の開口部703の直径はMo
層706の積層に伴って段々小さくなっていく。この第1
の開口部703の直径の減少に伴って基体に堆積されてい
く蒸着物(Mo)の蒸着範囲も小さくなっていくために、
基体701上には略円錐形状の電極18が形成される。
最後に、第8図(d)に示すように、堆積したMo層70
6およびAl層705を除去することにより、電界放出型電子
放出素子が形成される。
[発明が解決しようとする課題] しかし、上記従来例では電界形成空間および電子放出
部を作製工程で斜め蒸着等の技術を用いるため、3ミク
ロン以下の微細な電界放出型電子放出素子を作製するこ
とができなかった。
[課題を解決するための手段] 本発明の第1の要旨は、絶縁性材料により形成された
基体の表面に設定した任意のレーストラック型形状の周
囲に沿って集束イオンビームを照射することにより、該
基体中にイオン注入領域を形成し、 該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記
イオン注入領域を除去して底部にライン状の突起を有す
る電界形成空間を形成し、 該ライン状の突起を導電性材料で被覆することにより
ライン状電子放出部を形成し、 前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電
性材料で被覆することにより、前記ライン状電子放出部
と電界を形成する引出し電極を形成したことを特徴とす
る電界放出型電子放出素子に存在する。
本発明の第2の要旨は、表面に絶縁体層を有し、半導
体材料または導電性材料により形成された基体の表面に
設定した任意のレーストラック型形状の周囲に沿って集
束イオンビームを照射することにより該基体中にイオン
注入領域を形成し、 該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記
イオン注入領域を除去して底部にライン状の突起を有す
る電界形成空間を形成し、 該ライン状の突起を導電性材料で被覆することにより
ライン状電子放出部を形成し 前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電
性材料で被覆することにより、前記ライン状電子放出部
と電界を形成する引出し電極を形成したことを特徴とす
る電界放出型電子放出素子に存在する。
[作用] 本発明は、結晶材料の所定位置に集束イオンビームを
照射してイオン注入領域を形成し、次いで化学的エッチ
ング処理を施して前記イオン注入領域の所定領域を除去
することにより、電界形成空間を形成したので、電界放
出型電子放出素子を作製することができる。
[実施例] (実施例1) 第1図は本実施例に係る電界放出型電気放出素子の製
造方法を説明するための図である。図において、(a)
〜(d)は断面図であり、(a′)〜(d′)は斜視図
である。基体101としては絶縁体の単結晶であるイット
リウム・鉄・ガーネット(YIG)等を用いることができ
るが、本実施例ではYIGを用いた。また基体の面方向は
(111)とした。
先ず第1図(a)および(a′)に示したように、0.
1μmφ以下に集束した160KeVのBe2+イオンビーム102に
より、YIG基体101にイオン注入を行なった。イオン注入
量は、電極配線空間部を形成する部分(図中、103)に
おいては4×1016イオン/cm2とし、電界形成空間部を形
成する部分(図中、104)においては2×1016イオン/cm
2とした。また、電界形成空間部を形成する部分のイオ
ン注入は、所定位置の半径0.2μmの半円の間に1μm
直線部を有するレーストラック型形状の周囲に沿って行
った。注入されたBeは試料101内部で散乱し、第1図
(a)に示したような水滴型の注入領域105を形成し
た。
続いて、試料を室温のりん酸中に浸すことによって、
その注入領域のみを選択的にエッチングし、第1図
(b)および(b′)に示したような、電界形成空間10
6、電極配線空間107および前記所定位置の試料表面から
深さ0.5μmの位置に先端の尖ったライン状の突起108を
形成した。
次に、試料表面に垂直方向から例えばタングステン
(W)を厚さ0.2μm真空蒸着することにより、第1図
(C)および(C′)に示したように、引出し電極10
9、電極配線110およびライン状電子放出部111を同時に
形成した。
この状態で電極配線110と引出し電極109との間に30V
の電圧を印加すると、ライン状電子放出部から5mA以上
の電子放出が得られた。
この素子の電子放出特性向上のために、第1図
(d)、(d′)に示したように、基体101の表面に、
垂直方向から、仕事関数の低い材料としてLaB6112を、
厚さ200Åとなるように真空蒸着した。
このようにして作成した電界放出型電子放出素子の電
極配線と引出し電極とに25Vの電圧を印加したところ、
ライン状電子放出部から10mA以上の電子放出が得られ
た。すなわち、仕事関数の低い材料で表面を被覆するこ
とにより、引出し電圧の低下あるいは、同じ引出し電圧
における放出電流の増大が得られた。仕事関数の低い材
料としては、LaB6以外では、SmB6等のホウ化物あるいは
TiC、ZrC等の炭化物が有効であった。
第2図は、上述のイオン照射に使用した試料イオンビ
ーム走査装置の概略構成を示す模式的説明図である。
以下、本装置によるイオンビームの操作方法につい
て、詳細に説明する。
Au−Si−Be液体金属イオン源201より電界放出したイ
オンビームを電気的コンデンサレンズ202で集束し、E
×B質量分離器203で必要な種のみを分離する。
その後、対物レンズ204で再び集束し、コンピュータ
制御によりイオンビームを偏向してターゲット207に照
射する。
ターゲット207は、移動自在なステージ装置205のステ
ージ206を、ステージ装置205に付設された移動手段によ
って、XY面内を自在に移動されて所望位置にセットされ
る。なお、第2図に於いて、208はSEI、209はフアラデ
ーカップである。
第2図の装置を用いた場合のイオン注入条件は、例え
ば、SiまたはBeイオンをYIGの(111)基体に垂直に照射
する場合には、加速電圧40〜80KV、ビーム径0.1μmと
すればよい。
第3図及び第4図はそれぞれBe、Siの集束イオンビー
ムの注入量またはイオンの加速電圧を変化させてBe又は
Siを注入し、注入領域の所定領域を室温のりん酸により
エッチングして除去した場合のエッチング深さを示した
ものである。
第3図および第4図からわかるように、電界形成空間
および電極配線空間の大きさは集束イオンビームの加速
電圧、イオン注入量、イオン種により任意に設定するこ
とができる。
(実施例2) 第5図は、基体としてSiを3×1018イオン/cm2ドープ
したN形GaAs半導体単結晶を用いた電界放出型電子放出
素子の製造方法を説明するための断面図である。
先ず、第5図(a)に示したように、基体501上に真
空蒸着法により形成した厚さ0.2μmのSiO2膜502の所定
位置に設定した半径0.2μmの半円の間に1μm直線部
を有するレーストラック型形状の内側に、0.1μmφに
集束した80KeVのAu2+イオンビーム503を8×1016イオン
/cm2で照射し、スパッタエッチングにより除去した。
次いで、第5図(b)で示したように、0.1μmφ以
下に集束した160keVのSi2+イオンビーム504を、2×10
16イオン/cm2の注入量で、上記レーストラック型形状の
内側0.05μmの位置に沿って注入し、水滴状の注入領域
505を形成した。
続いて試料を70℃に加熱した塩酸中に浸すことによ
り、イオン注入領域のみが選択的にエッチングし、第5
図(c)に示したように、電界形成空間506および先端
の尖ったライン状の突起507を形成した。
さらに、基体方面に、垂直方向から、例えばAu−Ge合
金等のN形GaAsにオーム性接合となる金を、厚さが0.2
μmとなるように真空蒸着し、続いて400℃、3分間の
熱処理によるアロイ化を行なった。これにより、第5図
(d)に示したような引出し電極508およびライン状電
子放出部509を形成した。
この状態でGaAs基体501と引出し電極508との間に40V
の電圧を印加することにより、ライン状電子放出部509
から5mA以上の電子放出が得られた。
この素子の電子放出特性向上のために、第5図(e)
に示したように、試料表面に垂直方向から仕事関数の低
い材料、例えばLaB6510を厚さ200Åとなるように真空蒸
着した。
このようにして作成した電界放出型電子放出素子のGa
As基体と引出し電極との間に電圧30V以上を印加したと
ころ、ライン状電子放出部から10mA以上の電子放出が得
られた。
(実施例3) 第6図は本発明の電界放出形電子放出素子をマルチ化
した一例を示す図であり、素子表面付近の一部の斜視図
である。
各材料および作製条件は、第1図の(a),(a′)
〜(c),(c′)と同様である。
本実施例では、電子放出部のピッチを行ピッチ2.0μ
m、列ピッチ1.2μmとし、2行8列を1単位として、2
50μm口の中に64単位を形成した。
引出し電極602と電子放出部603の全てに電圧45Vを印
加したところ、放出電流密度として8000A/cm2が得られ
た。
なお、本実施例は引出し電極が一体となっており、そ
れぞれの電子放出部は電気的に独立している場合につい
て示したが、引出し電極はそれぞれ電気的に独立してい
ても一体であってもよく、また、各電子放出部は電気的
に共通であってもよい。
[発明の効果] 以上説明したように、集束イオンビームを結晶材料に
照射し、そのイオン注入した部分のみを化学的に除去す
ることにより、従来困難であった3ミクロン以下の、微
細な電界放出型電子放出素子を形成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施した電界放出型電子放出素子の一
例の断面図及び斜視図。第2図は本発明を実施するのに
使用した集束イオンビーム走査装置の一例を示す概略構
成図、第3図およず第4図は夫々注入量に対するエッチ
ング深さを示したグラフ、第5図は本発明を実施した他
の例の断面図。第6図は本発明を実施したマルチ化素子
の斜視図、第7図は従来の電界放出型電子放出素子の一
例を示す概略的部分断面図、第8図は第7図に示した電
界放出型電子放出素子の製造方法を説明するための概略
的工程図である。 101……基体、102……集束イオンビーム、105……イオ
ン注入領域、106……電界形成空間、107……電極配線空
間、108……先端の尖ったライン状の突起、109……引出
し電極、110……電極配線、111……ライン状電子放出
部、112……仕事関数の低い材料、201……Au−Si−Be液
体金属イオン源、202……電気的コンデンサレンズ、203
……E×B質量分離器、204……対物レンズ、205……ス
テージ装置、207……ターゲット、208……SEI、209……
フアラデーカップ、501……基体、502……SiO2膜、503
……Au2+イオンビーム、504……Si2+イオンビーム、505
……水滴状の注入領域、506……電界形成空間、507……
先端の尖った点状の突起、508……引出し電極、509……
点状電子放出部。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−50648(JP,A) 特開 昭63−281488(JP,A) 特開 平3−182029(JP,A) 特開 平3−95888(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 1/30,9/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁性材料により形成された基体の表面に
    設定した任意のレーストラック型形状の周囲に沿って集
    束イオンビームを照射することにより、該基体中にイオ
    ン注入領域を形成し、 該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記イ
    オン注入領域を除去して底部にライン状の突起を有する
    電界形成空間を形成し、 該ライン状の突起を導電性材料で被覆することによりラ
    イン状電子放出部を形成し、 前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
    材料で被覆することにより、前記ライン状電子放出部と
    電界を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする
    電界放出型電子放出素子。
  2. 【請求項2】表面に絶縁体層を有し、半導体材料または
    導電性材料により形成された基体の表面に設定した任意
    のレーストラック型形状の周囲に沿って集束イオンビー
    ムを照射することにより該基体中にイオン注入領域を形
    成し、 該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記イ
    オン注入領域を除去して底部にライン状の突起を有する
    電界形成空間を形成し、 該ライン状の突起を導電性材料で被覆することによりラ
    イン状電子放出部を形成し 前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
    材料で被覆することにより、前記ライン状電子放出部と
    電界を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする
    電界放出型電子放出素子。
  3. 【請求項3】前記絶縁体層の形成が真空蒸着により行な
    われたことを特徴とする請求項2に記載の電界放出型電
    子放出素子。
  4. 【請求項4】前記ライン状電子放出部が真空蒸着により
    形成されたことを特徴とする請求項1〜3に記載の電界
    放出型電子放出素子。
  5. 【請求項5】前記引出し電極が真空蒸着により形成され
    たことを特徴とする請求項1〜3に記載の電界放出型電
    子放出素子。
  6. 【請求項6】前記ライン状電子放出部と前記引出し電極
    とが真空蒸着により同時に形成されたことを特徴とする
    請求項1〜3に記載の電界放出型電子放出素子。
  7. 【請求項7】前記電界形成空間の深さおよび形状が、前
    記集束イオンビームの加速電圧、注入イオン量および/
    または注入イオン種により制御されたことを特徴とする
    請求項1〜6に記載の電界放出型電子放出素子。
  8. 【請求項8】前記ライン状電子放出部の仕事関数を低下
    させるための処理がなされていることを特徴とする請求
    項1〜7に記載の電界放出型電子放出素子。
  9. 【請求項9】前記基体よりも仕事関数の低い材料で前記
    ライン状電子放出部の表面を被覆することにより、前記
    ライン状電子放出部の仕事関数を低下させていることを
    特徴とする請求項8に記載の電界放出型電子放出素子。
  10. 【請求項10】単一基体上に、前記電界形成空間および
    前記ライン状電子放出部が複数個形成されていることを
    特徴とする請求項1〜9に記載の電界放出型電子放出素
    子。
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