JP2917898B2 - 電界放出冷陰極素子およびその使用方法 - Google Patents
電界放出冷陰極素子およびその使用方法Info
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- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
Landscapes
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Manufacture Of Electron Tubes, Discharge Lamp Vessels, Lead-In Wires, And The Like (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子放出源となる冷
陰極、特に鋭利な先端から電子を放出する電界放出冷陰
極素子ならびにその清浄化方法に関する。
陰極、特に鋭利な先端から電子を放出する電界放出冷陰
極素子ならびにその清浄化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】微小な円錐状のエミッタと、エミッタの
すぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能ならびに電流制御機能を持つゲート層で構成された微
小冷陰極をアレイ状に並べた冷陰極素子構造について
は、既に提案されている（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．
７，ｐｐ．３５０４，１９６８）。この様な構造の冷陰
極素子は、スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型冷陰極と呼ば
れ、熱陰極と比較して高い電流密度が得られ、放出電子
の速度分布が小さい等の利点を持つ。また、スピント型
冷陰極は、単一の電界放出エミッタと比較して電流雑音
が小さく、数１０〜２００Ｖの低い電圧で動作する特徴
を持つ。電子顕微鏡に使用している単一の電界放出型エ
ミッタは、動作環境として１０-10 Ｔｏｒｒ程度の超高
真空度が必要とされるのに対し、スピント型冷陰極は複
数エミッタにより、１０-6〜１０-8Ｔｏｒｒの高真空環
境の封じ切りガラス管でも動作するという特徴も備えて
いる。
すぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能ならびに電流制御機能を持つゲート層で構成された微
小冷陰極をアレイ状に並べた冷陰極素子構造について
は、既に提案されている（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．
７，ｐｐ．３５０４，１９６８）。この様な構造の冷陰
極素子は、スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型冷陰極と呼ば
れ、熱陰極と比較して高い電流密度が得られ、放出電子
の速度分布が小さい等の利点を持つ。また、スピント型
冷陰極は、単一の電界放出エミッタと比較して電流雑音
が小さく、数１０〜２００Ｖの低い電圧で動作する特徴
を持つ。電子顕微鏡に使用している単一の電界放出型エ
ミッタは、動作環境として１０-10 Ｔｏｒｒ程度の超高
真空度が必要とされるのに対し、スピント型冷陰極は複
数エミッタにより、１０-6〜１０-8Ｔｏｒｒの高真空環
境の封じ切りガラス管でも動作するという特徴も備えて
いる。
【０００３】図７に従来技術であるスピント型冷陰極主
要部の構造の断面図を示す。導電性の基板１０１の上に
高さ約１μｍの微小な円錐状のエミッタ１０２が真空蒸
着法によって形成され、エミッタ１０２の周囲にはゲー
ト層１０３と絶縁層１０４が形成されている。基板１０
１とエミッタ１０２とは電気的に接続されており、基板
１０１（およびエミッタ１０２）とゲート層１０３の間
には、ゲート層１０３を正に約１００Ｖの直流電圧が印
加されている。基板１０１とゲート層１０３の間は約１
μｍ、ゲート層の開口径も約１μｍと狭く、エミッタ１
０２の先端は極めて尖鋭に作られているので、エミッタ
１０２の先端には強い電界が加わる。この電界が２〜５
×１０7 Ｖ／ｃｍ以上になるとエミッタ１０２の先端か
ら電子が放出され、エミッタ１個当たり０．１〜数１０
μＡの電流が得られる。このような構造の微小冷陰極を
複数個基板１０１の上にアレイ状に並べることにより大
きな電流を放出する平面状の陰極が構成される。
要部の構造の断面図を示す。導電性の基板１０１の上に
高さ約１μｍの微小な円錐状のエミッタ１０２が真空蒸
着法によって形成され、エミッタ１０２の周囲にはゲー
ト層１０３と絶縁層１０４が形成されている。基板１０
１とエミッタ１０２とは電気的に接続されており、基板
１０１（およびエミッタ１０２）とゲート層１０３の間
には、ゲート層１０３を正に約１００Ｖの直流電圧が印
加されている。基板１０１とゲート層１０３の間は約１
μｍ、ゲート層の開口径も約１μｍと狭く、エミッタ１
０２の先端は極めて尖鋭に作られているので、エミッタ
１０２の先端には強い電界が加わる。この電界が２〜５
×１０7 Ｖ／ｃｍ以上になるとエミッタ１０２の先端か
ら電子が放出され、エミッタ１個当たり０．１〜数１０
μＡの電流が得られる。このような構造の微小冷陰極を
複数個基板１０１の上にアレイ状に並べることにより大
きな電流を放出する平面状の陰極が構成される。
【０００４】このようなスピント型冷陰極の応用として
は、平面型ディスプレー、微小真空管、マイクロ波管、
およびブラウン管等の電子管や各種センサーの電子源等
が提案されている。これらの応用では、電子ビームの集
束性、寿命等は重要なパラメータとなる。
は、平面型ディスプレー、微小真空管、マイクロ波管、
およびブラウン管等の電子管や各種センサーの電子源等
が提案されている。これらの応用では、電子ビームの集
束性、寿命等は重要なパラメータとなる。
【０００５】例えば、エミッタティップ先端からは、電
子が基板に垂直な方向ばかりではなく、その方向から半
角２０〜３０°程度の拡がり角を持って放出されるの
で、拡がりを持った電子ビームとなってしまう。よっ
て、ディスプレーに応用した場合、単位画素当たりの発
光面積が大きくなってしまうため、精細な表示を得られ
ない。
子が基板に垂直な方向ばかりではなく、その方向から半
角２０〜３０°程度の拡がり角を持って放出されるの
で、拡がりを持った電子ビームとなってしまう。よっ
て、ディスプレーに応用した場合、単位画素当たりの発
光面積が大きくなってしまうため、精細な表示を得られ
ない。
【０００６】またスピント型冷陰極は、エミッタティッ
プ先端に電界を集中させることによって、電子を放出さ
せるので、エミッタティップ表面の仕事関数をできるだ
け小さくする必要がある。この仕事関数はエミッタティ
ップの材料によって固有の値を持っているが、エミッタ
ティップ表面が汚染されていると、その値より見かけ
上、大きくなってしまう。仕事関数が大きくなると、所
望の電流量を得るための動作電圧を高くする必要があ
り、その結果、素子が破壊し易くなってしまう。また、
動作前にエミッタティップ表面が清浄であっても、製造
時、または動作時の環境（真空度）が悪いと、エミッタ
ティップへのガス吸着によって、再び汚染されてしまう
可能性がある。
プ先端に電界を集中させることによって、電子を放出さ
せるので、エミッタティップ表面の仕事関数をできるだ
け小さくする必要がある。この仕事関数はエミッタティ
ップの材料によって固有の値を持っているが、エミッタ
ティップ表面が汚染されていると、その値より見かけ
上、大きくなってしまう。仕事関数が大きくなると、所
望の電流量を得るための動作電圧を高くする必要があ
り、その結果、素子が破壊し易くなってしまう。また、
動作前にエミッタティップ表面が清浄であっても、製造
時、または動作時の環境（真空度）が悪いと、エミッタ
ティップへのガス吸着によって、再び汚染されてしまう
可能性がある。
【０００７】拡がり角の解決策としては、ＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏ
ｌ．４２ ｐｐ．３４０−３４７，１９９５に紹介され
ているように、素子上に集束電極を追加して拡がり角を
小さくする方法が知られている。
ｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏ
ｌ．４２ ｐｐ．３４０−３４７，１９９５に紹介され
ているように、素子上に集束電極を追加して拡がり角を
小さくする方法が知られている。
【０００８】また、エミッタティップ表面のクリーニン
グ方法については、加熱処理、電子線によるクリーニン
グ等が知られている。エミッタティップ表面を電子線に
よって、クリーニングする技術として、例えば、特開平
５−１９８２５５、特開平４−２２０３８、特開平５−
１１４３５３に記載のような公知例がある。
グ方法については、加熱処理、電子線によるクリーニン
グ等が知られている。エミッタティップ表面を電子線に
よって、クリーニングする技術として、例えば、特開平
５−１９８２５５、特開平４−２２０３８、特開平５−
１１４３５３に記載のような公知例がある。
【０００９】特開平４−２２０３８には、図８に示すよ
うに、エミッタ電極２０３を分割し、それぞれを対とす
る構造が開示されている。この素子のクリーニング手順
は次のようである。まず、分割された一方のエミッタ電
極２０３に設けられたエミッタ２０４が正規の電界条件
で電子ｅ1 を放出したとき、これと対をなす他方のエミ
ッタ２０５には少なくともゲート２０７と同電位以上の
正電位が印加されるようにする。その結果、一方のエミ
ッタ２０４から放出された電子ｅ1 が他方のエミッタ２
０５に衝突してこれをクリーニングする。次に、他方の
エミッタ２０５が正規の電界条件で電子ｅ2 を放出した
とき、一方のエミッタ２０４に前記所定の正電位を与え
る。その結果、他方のエミッタ２０５から放出された電
子ｅ2 が一方のエミッタ２０４に衝突してこれをクリー
ニングする。この作用が交互に繰り返されれば、各エミ
ッタは常に清浄に保たれる、という処理方法に関する技
術であった。
うに、エミッタ電極２０３を分割し、それぞれを対とす
る構造が開示されている。この素子のクリーニング手順
は次のようである。まず、分割された一方のエミッタ電
極２０３に設けられたエミッタ２０４が正規の電界条件
で電子ｅ1 を放出したとき、これと対をなす他方のエミ
ッタ２０５には少なくともゲート２０７と同電位以上の
正電位が印加されるようにする。その結果、一方のエミ
ッタ２０４から放出された電子ｅ1 が他方のエミッタ２
０５に衝突してこれをクリーニングする。次に、他方の
エミッタ２０５が正規の電界条件で電子ｅ2 を放出した
とき、一方のエミッタ２０４に前記所定の正電位を与え
る。その結果、他方のエミッタ２０５から放出された電
子ｅ2 が一方のエミッタ２０４に衝突してこれをクリー
ニングする。この作用が交互に繰り返されれば、各エミ
ッタは常に清浄に保たれる、という処理方法に関する技
術であった。
【００１０】次に、特開平５−１９８２５５には図９の
ように、一方のエミッタティップ３１５ａに負電圧を印
加し、他方のエミッタティップ３１５ｂには正電圧を印
加し、更にアノード電極３１６に負電圧を印加する方法
が説明されている。その結果、一方のエミッタティップ
３１５ａから放出された電子が他方のエミッタティップ
３１５ｂに効率よく衝突し、この動作を交互に、或いは
順次繰り返すことによって、エミッタティップ表面をク
リーニングする技術が開示されている。
ように、一方のエミッタティップ３１５ａに負電圧を印
加し、他方のエミッタティップ３１５ｂには正電圧を印
加し、更にアノード電極３１６に負電圧を印加する方法
が説明されている。その結果、一方のエミッタティップ
３１５ａから放出された電子が他方のエミッタティップ
３１５ｂに効率よく衝突し、この動作を交互に、或いは
順次繰り返すことによって、エミッタティップ表面をク
リーニングする技術が開示されている。
【００１１】また、特開平５−１１４３５３には、図１
０に示すように、陰極４０１の周りにリング状の清浄化
用陰極４０３を配置し、陰極４０１を正電位とすること
によって、清浄化用陰極４０３から放出される電子を陰
極４０１に照射し、陰極４０１の表面に吸着されている
原子または分子を脱離・除去させる技術が開示されてい
る。
０に示すように、陰極４０１の周りにリング状の清浄化
用陰極４０３を配置し、陰極４０１を正電位とすること
によって、清浄化用陰極４０３から放出される電子を陰
極４０１に照射し、陰極４０１の表面に吸着されている
原子または分子を脱離・除去させる技術が開示されてい
る。
【００１２】その他に動作時の真空度劣化を防止するた
め、特開昭６０−１７４１では、ガス出し用フィラメン
トをガス出し後、陽極にも兼用した構成による陽極のガ
ス出し技術が開示されている。図１１によって、この技
術を説明すると次のようになる。第１陽極５０２の直前
にガス出し用フィラメント５０４を対称に配置すると共
に、このフィラメント５０４を陽極としても作用するよ
うに、第１陽極５０２とフィラメント５０４の間に電源
５０８を設けてフィラメント５０４に正電位を与えてい
る。これによって、第１陽極５０２を高温均一に加熱で
き、十分なガス出しができる。そして、フィラメント５
０４は陽極として作用するため、第１陽極５０２から発
生したイオンは陽極側に押し戻されるので、これによる
障害もない。
め、特開昭６０−１７４１では、ガス出し用フィラメン
トをガス出し後、陽極にも兼用した構成による陽極のガ
ス出し技術が開示されている。図１１によって、この技
術を説明すると次のようになる。第１陽極５０２の直前
にガス出し用フィラメント５０４を対称に配置すると共
に、このフィラメント５０４を陽極としても作用するよ
うに、第１陽極５０２とフィラメント５０４の間に電源
５０８を設けてフィラメント５０４に正電位を与えてい
る。これによって、第１陽極５０２を高温均一に加熱で
き、十分なガス出しができる。そして、フィラメント５
０４は陽極として作用するため、第１陽極５０２から発
生したイオンは陽極側に押し戻されるので、これによる
障害もない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】冷陰極素子に求められ
る特性としては、集束された安定な電子線が得られ、且
つその素子が長寿命動作をすることである。長寿命で安
定な特性を実現する要因としては、素子の動作環境が挙
げられ、特に動作時の真空度やエミッタティップ表面の
状態などが大きく影響してくる。また、集束された電子
線を得るためには、電子線の拡がりを抑える必要があ
る。
る特性としては、集束された安定な電子線が得られ、且
つその素子が長寿命動作をすることである。長寿命で安
定な特性を実現する要因としては、素子の動作環境が挙
げられ、特に動作時の真空度やエミッタティップ表面の
状態などが大きく影響してくる。また、集束された電子
線を得るためには、電子線の拡がりを抑える必要があ
る。
【００１４】一般的に、エミッタティップの表面が汚染
されていると、エミッタティップ表面の仕事関数が増加
し、所望の電子線量を得るためのゲート電圧が高くな
る。また、電子を放出したとき、真空度の劣化が著しく
なる。エミッタ表面ばかりでなく、陽極やゲート電極が
汚染されている場合も、電子の衝突による脱ガスの発生
によって真空度が劣化する。
されていると、エミッタティップ表面の仕事関数が増加
し、所望の電子線量を得るためのゲート電圧が高くな
る。また、電子を放出したとき、真空度の劣化が著しく
なる。エミッタ表面ばかりでなく、陽極やゲート電極が
汚染されている場合も、電子の衝突による脱ガスの発生
によって真空度が劣化する。
【００１５】ゲート電圧が高くなった場合、また、真空
度が劣化した場合には、ゲート電極・エミッタティップ
間、或いはアノード電極・エミッタティップ間での放電
が比較的誘発されやすくなり、短時間で動作できなくな
ったり、特性が劣化したりする場合が発生する。
度が劣化した場合には、ゲート電極・エミッタティップ
間、或いはアノード電極・エミッタティップ間での放電
が比較的誘発されやすくなり、短時間で動作できなくな
ったり、特性が劣化したりする場合が発生する。
【００１６】そこで、電子の拡がりを抑えることがで
き、エミッタティップ、ゲート電極、およびアノード電
極を清浄化し、それを保ちつつ、動作時に真空度が劣化
しない電界放出冷陰極構造と製造方法が必要となってく
る。
き、エミッタティップ、ゲート電極、およびアノード電
極を清浄化し、それを保ちつつ、動作時に真空度が劣化
しない電界放出冷陰極構造と製造方法が必要となってく
る。
【００１７】電子線によるエミッタティップやアノード
電極のクリーニング方法については、前記公知例等があ
るが、エミッタティップ表面、或いはアノード電極の一
方だけしかクリーニングを行っていないため、素子を動
作させたとき、クリーニング処理されていない電極から
のガス放出により、真空度の低下は免れない。例えば、
エミッタティップ表面のクリーニングだけを行った場
合、動作時にエミッタティップより放出された電子がア
ノードに衝突することによる発熱により、アノード電極
からの吸着分子の脱離が起こるため、真空度が低下す
る。また、逆にアノード電極のガス出しだけを行った場
合、エミッタティップ表面はクリーニングできず、エミ
ッタ表面の吸着分子が脱離して真空度が低下してしま
う。以上の結果、一旦、清浄化された電極は、ガス吸着
によって再び汚染されたり、また、真空度低下により、
電極間で放電が発生する可能性がある。
電極のクリーニング方法については、前記公知例等があ
るが、エミッタティップ表面、或いはアノード電極の一
方だけしかクリーニングを行っていないため、素子を動
作させたとき、クリーニング処理されていない電極から
のガス放出により、真空度の低下は免れない。例えば、
エミッタティップ表面のクリーニングだけを行った場
合、動作時にエミッタティップより放出された電子がア
ノードに衝突することによる発熱により、アノード電極
からの吸着分子の脱離が起こるため、真空度が低下す
る。また、逆にアノード電極のガス出しだけを行った場
合、エミッタティップ表面はクリーニングできず、エミ
ッタ表面の吸着分子が脱離して真空度が低下してしま
う。以上の結果、一旦、清浄化された電極は、ガス吸着
によって再び汚染されたり、また、真空度低下により、
電極間で放電が発生する可能性がある。
【００１８】更に前記公知例の中で、特開平５−１９８
２５５、特開平４−２２０３８では、エミッタティップ
表面のクリーニングを交互に、或いは順次行うとしてい
るが、クリーニング中は真空度が悪くなるため、処理の
終わった素子が、クリーニング中に再度汚染される可能
性がある。また、クリーニング中に実際使用する素子を
動作させるため、このクリーニング処理によって脱離し
たイオンなどが、電子を放出しているエミッタティップ
に損傷を与え、実際のデバイス動作に影響を与える可能
性もある。
２５５、特開平４−２２０３８では、エミッタティップ
表面のクリーニングを交互に、或いは順次行うとしてい
るが、クリーニング中は真空度が悪くなるため、処理の
終わった素子が、クリーニング中に再度汚染される可能
性がある。また、クリーニング中に実際使用する素子を
動作させるため、このクリーニング処理によって脱離し
たイオンなどが、電子を放出しているエミッタティップ
に損傷を与え、実際のデバイス動作に影響を与える可能
性もある。
【００１９】また、特開平５−１１４３５３では、図１
０のように陰極とは別に清浄化用陰極を設けているが、
陰極を動作させる引き出し電極と清浄化用陰極が同電位
となっているため、清浄化処理中に陰極を清浄化用陰極
（引き出し電極）より正電位にする範囲が、引き出し電
極と陰極の放電電圧以下に制限されるため、効率よく電
子を照射することができない。
０のように陰極とは別に清浄化用陰極を設けているが、
陰極を動作させる引き出し電極と清浄化用陰極が同電位
となっているため、清浄化処理中に陰極を清浄化用陰極
（引き出し電極）より正電位にする範囲が、引き出し電
極と陰極の放電電圧以下に制限されるため、効率よく電
子を照射することができない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】エミッタティップ、ゲー
ト電極、およびアノード電極等の表面に吸着した不純物
は、電子線等により、クリーニングされることを、本発
明は利用している。
ト電極、およびアノード電極等の表面に吸着した不純物
は、電子線等により、クリーニングされることを、本発
明は利用している。
【００２１】具体的には、デバイスとして使用する主電
子放出領域の周囲にガス出し用の電子放出領域を形成
し、ガス出し用の電子放出領域からの電子線をそれぞれ
の電極のクリーニングを行う。また、電子線の拡がりを
抑えるため、デバイス動作時にはガス出し用の電子放出
領域のゲート電極とカソード電極を短絡させ、その領域
を集束電極とする。
子放出領域の周囲にガス出し用の電子放出領域を形成
し、ガス出し用の電子放出領域からの電子線をそれぞれ
の電極のクリーニングを行う。また、電子線の拡がりを
抑えるため、デバイス動作時にはガス出し用の電子放出
領域のゲート電極とカソード電極を短絡させ、その領域
を集束電極とする。
【００２２】このように本発明は、冷陰極主電子放出領
域の周囲にガス出し用の電子放出領域を形成し、その領
域を封止前の排気工程中にはクリーニングに、封止後は
集束電極として利用することを特徴としており、その結
果、デバイス実装後排気工程でガス出しを行い、そのま
ま封止することが可能となり、エミッタ表面はクリーニ
ングされた状態を動作時まで保つことができ、動作時も
アノード電極やゲート電極のガス出しを行っているの
で、電子が飛び込んだ場合の真空度の劣化も小さい。
域の周囲にガス出し用の電子放出領域を形成し、その領
域を封止前の排気工程中にはクリーニングに、封止後は
集束電極として利用することを特徴としており、その結
果、デバイス実装後排気工程でガス出しを行い、そのま
ま封止することが可能となり、エミッタ表面はクリーニ
ングされた状態を動作時まで保つことができ、動作時も
アノード電極やゲート電極のガス出しを行っているの
で、電子が飛び込んだ場合の真空度の劣化も小さい。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明について図面を参照して詳
細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の電界
放出冷陰極の構成を示す図である。図１（ａ）はチップ
の平面図で、同一チップ内に第１の電子放出領域である
主電子放出領域１と第２の電子放出領域であるガス出し
用電子放出領域２を備えている。図１（ｂ）は図１
（ａ）Ａ−Ａの断面拡大図である。主電子放出領域１で
は第１のカソード電極３（シリコン基板）上の第１のエ
ミッタティップ９、そのエミッタティップ９を取り囲む
ように、第１の絶縁層４、第１のゲート電極５がある。
また、ガス出し用電子放出領域２には、第１の絶縁層４
上に第１のゲート電極５とは絶縁された第２のカソード
電極６上に第２のエミッタティップ１０、そのエミッタ
ティップ１０を取り囲むように、第２の絶縁層７と第２
のゲート電極８がある。
細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の電界
放出冷陰極の構成を示す図である。図１（ａ）はチップ
の平面図で、同一チップ内に第１の電子放出領域である
主電子放出領域１と第２の電子放出領域であるガス出し
用電子放出領域２を備えている。図１（ｂ）は図１
（ａ）Ａ−Ａの断面拡大図である。主電子放出領域１で
は第１のカソード電極３（シリコン基板）上の第１のエ
ミッタティップ９、そのエミッタティップ９を取り囲む
ように、第１の絶縁層４、第１のゲート電極５がある。
また、ガス出し用電子放出領域２には、第１の絶縁層４
上に第１のゲート電極５とは絶縁された第２のカソード
電極６上に第２のエミッタティップ１０、そのエミッタ
ティップ１０を取り囲むように、第２の絶縁層７と第２
のゲート電極８がある。
【００２４】図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施
の形態の電界放出冷陰極の製造工程を示す図である。図
２（ａ）に示すように、カソード電極３となるシリコン
基板の上に第１の絶縁層４（厚さ約０．８μｍ）、金属
層１１（厚さ約０．２μｍ）を積層する。第１の絶縁層
４、金属層１１の材料は、それぞれ、例えば二酸化シリ
コン、タングステンである。続いて、図２（ｂ）のよう
に、フォトリソグラフィとエッチングにより、金属層１
１を部分的に除去し、絶縁された主電子放出領域の第１
のゲート電極５とガス出し用電子放出領域の第２のカソ
ード電極６を形成する。更に、図２（ｃ）のように、第
２のカソード電極６上に第２の絶縁層７、第２のゲート
電極８を積層する。第２の絶縁層７、第２のゲート電極
８の材料は、それぞれ、例えば二酸化シリコン、タング
ステンである。
の形態の電界放出冷陰極の製造工程を示す図である。図
２（ａ）に示すように、カソード電極３となるシリコン
基板の上に第１の絶縁層４（厚さ約０．８μｍ）、金属
層１１（厚さ約０．２μｍ）を積層する。第１の絶縁層
４、金属層１１の材料は、それぞれ、例えば二酸化シリ
コン、タングステンである。続いて、図２（ｂ）のよう
に、フォトリソグラフィとエッチングにより、金属層１
１を部分的に除去し、絶縁された主電子放出領域の第１
のゲート電極５とガス出し用電子放出領域の第２のカソ
ード電極６を形成する。更に、図２（ｃ）のように、第
２のカソード電極６上に第２の絶縁層７、第２のゲート
電極８を積層する。第２の絶縁層７、第２のゲート電極
８の材料は、それぞれ、例えば二酸化シリコン、タング
ステンである。
【００２５】次に図２（ｄ）のようにフォトリソグラフ
ィとエッチングにより、それぞれ第１、第２のゲート電
極５、８と第１、第２の絶縁層４、７に微小に空洞（直
径約１μｍ）を形成後、犠牲層１２、エミッタ材料１３
をシリコン基板に対し、それぞれ斜め方向、垂直方向か
ら蒸着し、第１、第２のエミッタティップ９、１０を形
成する。犠牲層１２、エミッタ材料１３はそれぞれ、例
えばアルミニウム、モリブデンである。最後にリン酸に
よって犠牲層１２を溶かして不要なエミッタ材料１３を
除去することによって、図２（ｅ）に示すような電界放
出冷陰極が完成される。
ィとエッチングにより、それぞれ第１、第２のゲート電
極５、８と第１、第２の絶縁層４、７に微小に空洞（直
径約１μｍ）を形成後、犠牲層１２、エミッタ材料１３
をシリコン基板に対し、それぞれ斜め方向、垂直方向か
ら蒸着し、第１、第２のエミッタティップ９、１０を形
成する。犠牲層１２、エミッタ材料１３はそれぞれ、例
えばアルミニウム、モリブデンである。最後にリン酸に
よって犠牲層１２を溶かして不要なエミッタ材料１３を
除去することによって、図２（ｅ）に示すような電界放
出冷陰極が完成される。
【００２６】さて、図３で清浄化処理方法を説明すると
次のようになる。実装後排気工程で、第２のゲート電極
８と第２のカソード電極６間にゲートが正となるように
電圧を印加する。そうすると、第２のエミッタティップ
１０の先端に電界が集中し、電子が放出される。まず、
アノード電極１４をクリーニングする場合、図３（ａ）
に示すように、第１のゲート電極５と第１のカソード電
極３を短絡した状態で、アノード電極１４に第２のゲー
ト電極８より高い電圧を印加する。そうすると放出され
た電子は、アノード電極１４に飛び込み、アノード電極
１４に吸着しているガスが脱離し、クリーニングされ
る。この際、実際の動作時に真空度が劣化しないよう、
所望の電子線量以上の電子を、動作時の加速電圧より大
きな電圧で衝突させることが望ましい。従って第２のエ
ミッタティップ数は主電子放出領域１のそれに比して、
数倍から十数倍にする。
次のようになる。実装後排気工程で、第２のゲート電極
８と第２のカソード電極６間にゲートが正となるように
電圧を印加する。そうすると、第２のエミッタティップ
１０の先端に電界が集中し、電子が放出される。まず、
アノード電極１４をクリーニングする場合、図３（ａ）
に示すように、第１のゲート電極５と第１のカソード電
極３を短絡した状態で、アノード電極１４に第２のゲー
ト電極８より高い電圧を印加する。そうすると放出され
た電子は、アノード電極１４に飛び込み、アノード電極
１４に吸着しているガスが脱離し、クリーニングされ
る。この際、実際の動作時に真空度が劣化しないよう、
所望の電子線量以上の電子を、動作時の加速電圧より大
きな電圧で衝突させることが望ましい。従って第２のエ
ミッタティップ数は主電子放出領域１のそれに比して、
数倍から十数倍にする。
【００２７】次に第１のゲート電極５および第１のエミ
ッタティップ９をクリーニングする場合を説明する。図
３（ｂ）のように、短絡した第１のゲート電極５と第１
のカソード電極３に第２のゲート電極８より高い電圧を
印加し、アノード電極１４には、第２のゲート電極８よ
り低い電圧を印加する。そうすると放出された電子は一
旦真上に放出されるが、アノード電極１４からの反発力
により曲げられ、第１のゲート電極５や第１のエミッタ
ティップ９に衝突し、それぞれの電極をクリーニングす
る。また、第１のエミッタティップ９表面のクリーニン
グを更に行う場合は、図３（ｃ）のように、第１のカソ
ード電極３だけ更に電位を高くすると効果的である。
ッタティップ９をクリーニングする場合を説明する。図
３（ｂ）のように、短絡した第１のゲート電極５と第１
のカソード電極３に第２のゲート電極８より高い電圧を
印加し、アノード電極１４には、第２のゲート電極８よ
り低い電圧を印加する。そうすると放出された電子は一
旦真上に放出されるが、アノード電極１４からの反発力
により曲げられ、第１のゲート電極５や第１のエミッタ
ティップ９に衝突し、それぞれの電極をクリーニングす
る。また、第１のエミッタティップ９表面のクリーニン
グを更に行う場合は、図３（ｃ）のように、第１のカソ
ード電極３だけ更に電位を高くすると効果的である。
【００２８】このような手順でガス出しを行った後、真
空封止する。そうすることにより、各電極はクリーニン
グされたままの状態で維持される。そしてデバイス動作
時には、図４に示すように、第２のゲート電極８と第２
のカソード電極６を短絡させた状態で、主電子放出領域
１を動作させる。その際、短絡されたガス出し用電子放
出領域２の電極を第１のゲート電極５より低い電位にし
ておくと、発散角を持って放出された電子は、集束さ
れ、アノード電極１４に取り込まれる。
空封止する。そうすることにより、各電極はクリーニン
グされたままの状態で維持される。そしてデバイス動作
時には、図４に示すように、第２のゲート電極８と第２
のカソード電極６を短絡させた状態で、主電子放出領域
１を動作させる。その際、短絡されたガス出し用電子放
出領域２の電極を第１のゲート電極５より低い電位にし
ておくと、発散角を持って放出された電子は、集束さ
れ、アノード電極１４に取り込まれる。
【００２９】図５（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施
の形態の電界放出冷陰極の構成および清浄化処理方法を
説明する図である。図５（ａ）はチップ平面図、図５
（ｂ）は図５（ａ）Ａ−Ａの断面拡大図である。図５に
おいて図１と同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素
を示す。第１の実施の形態との相違点は、ガス出し用電
子放出領域１５内のエミッタティップ形成領域１６が、
ガス出し用電子放出領域１５の外側に集中配置されてい
ることである。
の形態の電界放出冷陰極の構成および清浄化処理方法を
説明する図である。図５（ａ）はチップ平面図、図５
（ｂ）は図５（ａ）Ａ−Ａの断面拡大図である。図５に
おいて図１と同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素
を示す。第１の実施の形態との相違点は、ガス出し用電
子放出領域１５内のエミッタティップ形成領域１６が、
ガス出し用電子放出領域１５の外側に集中配置されてい
ることである。
【００３０】清浄化処理方法についても第１の実施の形
態のところで説明したものと同じであるが、特に第１の
エミッタティップ９をクリーニングする場合、第２のエ
ミッタティップ１０から放出された電子は、まず第２の
ゲート電極８の正電位によって内側に曲げられ、更にア
ノード電極１４によって曲げられるので、効率よく第１
のエミッタティップ９と衝突することになる。そして動
作時も第１の実施の形態と同様、第２のゲート電極８と
第２のカソード電極６を短絡させ、集束電極として作用
させる。
態のところで説明したものと同じであるが、特に第１の
エミッタティップ９をクリーニングする場合、第２のエ
ミッタティップ１０から放出された電子は、まず第２の
ゲート電極８の正電位によって内側に曲げられ、更にア
ノード電極１４によって曲げられるので、効率よく第１
のエミッタティップ９と衝突することになる。そして動
作時も第１の実施の形態と同様、第２のゲート電極８と
第２のカソード電極６を短絡させ、集束電極として作用
させる。
【００３１】図６は本発明の第３の実施の形態の電界放
出冷陰極の構成および清浄化処理方法を説明する図であ
る。図６（ａ）はチップ平面図、図６（ｂ）は図６
（ａ）のＡ−Ａの断面拡大図である。図６において図１
と同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素を示す。第
１の実施の形態との相違点は、ガス出し用電子放出領域
１７の更に外側に、集束電極１８を設けたところであ
る。
出冷陰極の構成および清浄化処理方法を説明する図であ
る。図６（ａ）はチップ平面図、図６（ｂ）は図６
（ａ）のＡ−Ａの断面拡大図である。図６において図１
と同じ番号の部分は図１と全く同じ構成要素を示す。第
１の実施の形態との相違点は、ガス出し用電子放出領域
１７の更に外側に、集束電極１８を設けたところであ
る。
【００３２】清浄化処理方法についてもアノード電極１
４のクリーニングについては、第１の実施の形態のとこ
ろで説明したのと同じであり、集束電極１８には電圧を
印加しない。次に特に第１のエミッタティップ９の表面
をクリーニングする方法を図６（ｃ）によって説明す
る。集束電極１８以外の電圧の印加方法は、第１の実施
の形態の図３（ｃ）と同じである。そこで集束電極１８
に第２のゲート電極８より低い電圧を印加する。そうす
ると、第２のエミッタティップ１０先端から放出された
電子は、集束電極１８の電位に反発し、内側に曲げら
れ、更にアノード電極１４によって曲げられるので、効
率よく第１のエミッタエィップ９に衝突することにな
る。
４のクリーニングについては、第１の実施の形態のとこ
ろで説明したのと同じであり、集束電極１８には電圧を
印加しない。次に特に第１のエミッタティップ９の表面
をクリーニングする方法を図６（ｃ）によって説明す
る。集束電極１８以外の電圧の印加方法は、第１の実施
の形態の図３（ｃ）と同じである。そこで集束電極１８
に第２のゲート電極８より低い電圧を印加する。そうす
ると、第２のエミッタティップ１０先端から放出された
電子は、集束電極１８の電位に反発し、内側に曲げら
れ、更にアノード電極１４によって曲げられるので、効
率よく第１のエミッタエィップ９に衝突することにな
る。
【００３３】素子の動作時の電圧印加方法は、集束電極
１８以外は、第１の実施の形態の図４と同様に、第２の
ゲート電極８と第２のカソード電極６を短絡させ、集束
電極として作用させる。また集束電極１８の電位は第２
のゲート電極８と同じか、またそれより低くすると、集
束効果は更によくなる。
１８以外は、第１の実施の形態の図４と同様に、第２の
ゲート電極８と第２のカソード電極６を短絡させ、集束
電極として作用させる。また集束電極１８の電位は第２
のゲート電極８と同じか、またそれより低くすると、集
束効果は更によくなる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
排気工程中に様々な電極のクリーニングを行い、その後
真空封止するため、清浄化された状態を動作時まで維持
できる。更に予めガス出しを行っているので、動作時の
真空度の劣化を抑えることができる。この結果、低電圧
での動作が可能になり、また動作時のエミッタティップ
などの損傷を防ぐことができるので、長寿命で安定な電
子線源を得ることができる。更に、動作時には、このガ
ス出し用電子放出領域を短絡させ、集束電極として利用
できるため、電子ビームの発散を抑制した電子線源が実
現できる。
排気工程中に様々な電極のクリーニングを行い、その後
真空封止するため、清浄化された状態を動作時まで維持
できる。更に予めガス出しを行っているので、動作時の
真空度の劣化を抑えることができる。この結果、低電圧
での動作が可能になり、また動作時のエミッタティップ
などの損傷を防ぐことができるので、長寿命で安定な電
子線源を得ることができる。更に、動作時には、このガ
ス出し用電子放出領域を短絡させ、集束電極として利用
できるため、電子ビームの発散を抑制した電子線源が実
現できる。
【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出冷陰極の
構造を説明する図であって、（ａ）はチップ平面、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図である。
構造を説明する図であって、（ａ）はチップ平面、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態
の電界放出冷陰極の製造工程を説明する断面図である。
の電界放出冷陰極の製造工程を説明する断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態
の電界放出冷陰極の清浄化処理方法を説明する断面図で
ある。
の電界放出冷陰極の清浄化処理方法を説明する断面図で
ある。
【図４】本発明の第１の実施の形態の電界放出冷陰極の
動作を説明する断面図である。
動作を説明する断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の電界放出冷陰極
の、（ａ）はチップ平面、（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ
の断面によるエミッタティップのクリーニング方法を示
す図である。
の、（ａ）はチップ平面、（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ
の断面によるエミッタティップのクリーニング方法を示
す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の電界放出冷陰極
の、（ａ）はチップ平面、（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ
の断面、（ｃ）はエミッタティップのクリーニング方法
を示す図である。
の、（ａ）はチップ平面、（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ
の断面、（ｃ）はエミッタティップのクリーニング方法
を示す図である。
【図７】スピント型冷陰極主要部の構造の断面図であ
る。
る。
【図８】特開平４−２２０３８に開示された電界放出型
電子放出素子の清浄化装置を示す図である。
電子放出素子の清浄化装置を示す図である。
【図９】特開平５−１９８２５５に開示された電界放出
陰極線管装置における清浄化装置を示す図である。
陰極線管装置における清浄化装置を示す図である。
【図１０】特開平５−１１４３５３に開示された電子ビ
ーム検査装置の微小電子銃に電子線を照射する状態を示
す断面図である。
ーム検査装置の微小電子銃に電子線を照射する状態を示
す断面図である。
【図１１】特開昭６０−１７４１に開示された電界放射
型電子銃の概略断面図である。
型電子銃の概略断面図である。
１ 主電子放出領域 ２，１５，１７ ガス出し用電子放出領域 ３ 第１のカソード電極 ４ 第１の絶縁層 ５ 第１のゲート電極 ６ 第２のカソード電極 ７ 第２絶縁層 ８ 第２のゲート電極 ９ 第１のエミッタティップ １０ 第２のエミッタティップ １１ 金属層 １２ 犠牲層 １３ エミッタ材料 １４ アノード電極 １６ エミッタティップ形成領域 １８ 集束電極
Claims (7)
- 【請求項１】 第１のカソード電極として使用する導電
性基板と、前記導電性基板上に積層した第１の絶縁層お
よび第１のゲート電極と、前記第１の絶縁層と前記第１
のゲート電極により形成される空洞内の前記導電性基板
上に設けた、単一或いはアレイ状の先端の先鋭な略円錐
状の第１のエミッタティップとで構成された第１の電子
放出領域を有する電界放出冷陰極において、前記第１の
電子放出領域の外側を囲むように配置した第２のカソー
ド電極と、前記第２のカソード電極上に積層した第２の
絶縁層および第２のゲート電極と、前記第２の絶縁層と
前記第２のゲート電極により形成される空洞内の前記第
２のカソード電極上に設けた、前記第１のエミッタティ
ップと同形状のアレイ状の第２のエミッタティップとで
構成された第２の電子放出領域を有する電界放出冷陰極
素子の使用方法であって、前記第２の電子放出領域を、
前記第１の電子放出領域の清浄化用および前記第１の電
子放出領域から放出される電子の集束電極としてのみ使
用することを特徴とする電界放出冷陰極素子の使用方
法。 - 【請求項２】 第１のカソード電極として使用する導電
性基板と、前記導電性基板上に積層した第１の絶縁層お
よび第１のゲート電極と、前記第１の絶縁層と前記第１
のゲート電極により形成される空洞内の前記導電性基板
上に設けた、単一或いはアレイ状の先端の先鋭な略円錐
状の第１のエミッタティップとで構成された第１の電子
放出領域を有する電界放出冷陰極において、前記第１の
電子放出領域の外側を囲むように配置した第２のカソー
ド電極と、前記第２のカソード電極上に積層した第２の
絶縁層および第２のゲート電極と、前記第２の絶縁層と
前記第２のゲート電極により形成される空洞内の前記第
２のカソード電極上に設けた、前記第１のエミッタティ
ップと同形状のアレイ状の第２のエミッタティップとで
構成された第２の電子放出領域を有し、前記第２のエミ
ッタティップを前記第２の電子放出領域内の外側に集中
配置させたことを特徴とする電界放出冷陰極素子。 - 【請求項３】 前記第２の電子放出領域の外側を囲むよ
うに第２の集束電極を設けたことを特徴とする請求項１
記載の電界放出冷陰極素子の使用方法。 - 【請求項４】 第１のカソード電極として使用する導電
性基板と、前記導電 性基板上に積層した第１の絶縁層お
よび第１のゲート電極と、前記第１の絶縁層と前記第１
のゲート電極により形成される空洞内の前記導電性基板
上に設けた、単一或いはアレイ状の先端の先鋭な略円錐
状の第１のエミッタティップとで構成された第１の電子
放出領域を有する電界放出冷陰極において、前記第１の
電子放出領域の外側を囲むように配置した第２のカソー
ド電極と、前記第２のカソード電極上に積層した第２の
絶縁層および第２のゲート電極と、前記第２の絶縁層と
前記第２のゲート電極により形成される空洞内の前記第
２のカソード電極上に設けた、前記第１のエミッタティ
ップと同形状のアレイ状の第２のエミッタティップとで
構成された第２の電子放出領域を有し、前記第２の電子
放出領域が、前記第１の電子放出領域より外側上面に位
置することを特徴とする電界放出冷陰極素子。 - 【請求項５】 請求項１記載の電界放出冷陰極素子の使
用方法において、清浄化時には、前記第１のゲート電極
と前記第１のエミッタティップに、前記第２の電子放出
領域の第２のゲート電極より高い電圧を印加し、前記第
２の電子放出領域から放出される電子線を、前記第１の
ゲート電極と第１のエミッタティップに衝突させて吸着
ガス等を放出させることを特徴とする電界放出冷陰極素
子の使用方法。 - 【請求項６】 請求項５記載の電界放出冷陰極素子の使
用方法において、清浄化時には、電界放出冷陰極の上方
に対向するようにアノード電極を配置して、前記アノー
ド電極に印加する電圧を前記第２のゲート電極に印加す
る電圧より低くしてアノード電極を電子反発手段として
用いることを特徴とする電界放出冷陰極素子の使用方
法。 - 【請求項７】 請求項１記載の電界放出冷陰極素子の使
用方法において、清浄化時には、電界放出冷陰極の上方
に対向するようにアノード電極を配置して、前記アノー
ド電極に印加する電圧を前記第２のゲート電極の電圧よ
りも高くして前記第２の電子放出領域から放出される電
子を前記アノード電極に衝突させてクリーニングし、そ
の後前記アノード電極の電圧を前記第２のゲート電極の
電圧よりも低くするとともに、前記第１のゲート電極と
前記第１のエミッタティップに、前記第２の電子放出領
域の第２ゲート電極より高い電圧を印加し、前記第２の
電子放出領域から放出される電子線を、前記第１のゲー
ト電極と第１のエミッタティップに衝突させて吸着ガス
等を放出させることを特徴とする電界放出冷陰極素子の
使用方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7608396A JP2917898B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 電界放出冷陰極素子およびその使用方法 |
| US08/827,255 US5969467A (en) | 1996-03-29 | 1997-03-28 | Field emission cathode and cleaning method therefor |
| KR1019970011273A KR100273487B1 (ko) | 1996-03-29 | 1997-03-28 | 전계방출캐소드및그사용방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7608396A JP2917898B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 電界放出冷陰極素子およびその使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09265896A JPH09265896A (ja) | 1997-10-07 |
| JP2917898B2 true JP2917898B2 (ja) | 1999-07-12 |
Family
ID=13594942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7608396A Expired - Lifetime JP2917898B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 電界放出冷陰極素子およびその使用方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5969467A (ja) |
| JP (1) | JP2917898B2 (ja) |
| KR (1) | KR100273487B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JPH11232995A (ja) * | 1998-02-12 | 1999-08-27 | Nec Corp | 電子管の動作方法 |
| KR100627255B1 (ko) * | 1998-12-10 | 2006-11-30 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전계방출구조 및 그 제조방법_ |
| US6364730B1 (en) * | 2000-01-18 | 2002-04-02 | Motorola, Inc. | Method for fabricating a field emission device and method for the operation thereof |
| US6400068B1 (en) * | 2000-01-18 | 2002-06-04 | Motorola, Inc. | Field emission device having an emitter-enhancing electrode |
| JP2001266735A (ja) * | 2000-03-22 | 2001-09-28 | Lg Electronics Inc | 電界放出型冷陰極構造及びこの陰極を備えた電子銃 |
| KR100763890B1 (ko) * | 2001-08-06 | 2007-10-05 | 삼성에스디아이 주식회사 | Ｃｎｔ를 적용한 전계방출표시소자의 제조방법 |
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