JP3413504B2

JP3413504B2 - 電子放出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3413504B2
Application number: JP29242693A
Authority: JP
Inventors: 順司伊藤; 正剛金丸; 守石崎; 孝夫湊; 兼紀吉田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Toppan Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Toppan Inc
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: JPH07130283A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像表示装置、光プリ
ンタあるいは照明ランプ等に電子源として用いられる電
子放出素子、特に電界放出現象を利用した電子放出素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の状態において物体表面から外へ電
子を取り出すためには、その物体表面の仕事関数に相当
するエネルギーを与えてやる必要がある。これは、仕事
関数分のエネルギー障壁が存在するためである。

【０００３】物体表面にエネルギーを与えるために、よ
く知られている例では、物体表面をある程度以上の高温
に加熱する。この熱により運動エネルギーが増大された
電子は前記のエネルギー障壁を越えて物体表面から外へ
と飛び出す。これが、いわゆる熱電子放出と称されるも
のであり、そして放出された電子は熱電子と称されてい
る。また、この電子を放出する陰極を熱陰極と称してい
る。

【０００４】ところが、前記のように高温に加熱しなく
ても、物体表面に対して電界をかけると前記のエネルギ
ー障壁の幅が電界に応じて次第に狭くなり、特に電界強
度が約１０⁷ Ｖ／ｃｍ以上の強電界であれば、電子はい
わゆるトンネル効果によって前記のエネルギー障壁を突
破して物体表面から外へ放出される。

【０００５】これが、いわゆる電界放出又は強電界放出
と称されているものであり、放出された電子は電界放出
電子又は強電界放出電子と称されている。また、この電
子と陰極のことを、前記の熱電子と熱陰極に対して、そ
れぞれ冷電子と冷陰極と称することもある。

【０００６】この電界放出現象は、前記のような熱電子
放出とは原理が異なるものであり、工業的応用を検討し
た場合には、その原理の違いに起因した数々の優れた特
長を有していることが知られている。

【０００７】まず、電場はポアソンの方程式に支配され
ているため、突起があるとその先端に電界が集中する。
すなわち、突起形状を用いれば比較的低電圧で電界放出
を起こすことができ、これを電子源として利用すること
ができる。

【０００８】そして、電界放出現象を利用した電子源と
しての電子放出素子には、代表的な例の一つとして、書
籍：ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ，４７（１９７６）ｐｐ．５２４８−５２６３に
記載された文献に示された、図１６に示すようなものが
ある。この素子は、円形の穴を持つゲート２と円錐状、
すなわちコーン状に形成されたエミッタ１とを有してい
る。このような電子放出素子を以下ではコーン形電子放
出素子と呼ぶことにする。このコーン形電子放出素子
は、鋭利に尖ったエミッタ１の先端から効率よく電子を
放出することができ、優れた電気的特性を発揮できると
いう特長を有している。図中、符号３は絶縁層、そして
符号４は基板を示している。

【０００９】なお、例えば書籍：ＪａｐａｎＤｉｓｐ
ｌａｙ ’８６，ｐｐ．５１２−５１５に記載された
文献によれば、上記のコーン形電子放出素子を多数個マ
トリクス状に配置し、これを蛍光体を塗布したアノード
電極に対向させた構造の画像表示素子が、既に開発され
ている。

【００１０】またこの他にも、例えば書籍：電気通信学
会技術報告ＥＤ９１−１３４ｐｐ．１７−２２の記載
によれば、図１７に示す構成の電子放出素子も既に提案
されている。この素子は、平板状で円形のエミッタ１の
外縁すなわちエッジに電界を集中させる方式のものであ
り、そのエミッタ１の形状の故に製造技術が上記のコー
ン形電子放出素子に比べて簡単であるという優れた特長
を有している。この電子放出素子を以下ではエッジ形電
子放出素子と呼ぶことにする。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
コーン形電子放出素子（図１６）では、ゲート２の穴を
直径１μｍ程度の小ささで多数個均一にしかも非常に高
精度に形成することが必要であるものの、その製造には
きわめて高度な技術を要し、その上に手間もかかるとい
う問題があった。また、完成した電子放出素子に関し、
エミッタ１が破損してショートを起こし易いという問題
があった。

【００１２】また、上記のエッジ形電子放出素子（図１
７）では、エミッタ１の形状の故にそのエミッタのエッ
ジへの電界集中があまり大きくなく、そのためコーン形
（図１６）に比べて高電圧を印加する必要があり、電気
的特性がコーン形程には優れていないという問題があっ
た。

【００１３】本発明は、上記の問題点を解消するために
成されたものであって、電子放出素子に関して、コーン
形電子放出素子（図１６）のように特に高精度の製造技
術を必要としないこと、完成した電子放出素子内の各要
素の破損によるショートの発生を起き難くすること、さ
らにエッジ形電子放出素子（図１７）よりも優れた電気
的特性並びに電子放出に関する均一性及び安定性を達成
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の電子放出素子は、基板上に形成され
ていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層
を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミ
ッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子で
ある。そして、上記ゲートにはエミッタに対応する位置
に開口部が形成されており、上記エミッタは上からみて
上記開口部の中に配置され、かつ、該エミッタは、上記
ゲート開口部縁端に沿って２個の角を有する複数の張出
し部を、上記ゲート開口部の中心から放射状に備えてい
る。

【００１５】また、請求項２記載の電子放出素子では、
ゲートは概略円形または多角形状に形成される。またエ
ミッタは、上記ゲートを上からみて取り囲むように形成
され、かつ、上記ゲートの縁端に近接して２個の角を有
しつつ上記ゲートの中心に向かって求心状に形成された
複数個の張出し部を備えている。

【００１６】また、請求項３記載の電子放出素子では、
ゲートはエミッタの上に絶縁層を挟んで積層されてお
り、該ゲートには開口部が形成される。そして上記エミ
ッタは、そのゲートの開口部の縁端に沿って２個の角を
有しつつ上記ゲートの中心に向かって求心状に形成され
た複数個の張出し部を備えている。

【００１７】ここにいう角とは、形状の如何を問わず、
先端が鋭く尖った立体的な突出部分のことであり、これ
を備えた張出し部というのは、例えば、図１又は図４に
示すような２個の角１０ａ又は１０ｃを備えた長方形状
の張出し部１１ａ又は１１ｃや、図２に示すような２個
の角１０ｂを備えた先端が円弧状に丸みを帯て突出する
ほぼ長方形状の張出し部１１ｂや、あるいは図６又は図
８に示すような２個の角１０ｄ又は１０ｅを備えた先端
が円弧状に丸みを帯びて窪んだ状態のほぼ長方形状の張
出し部１１ｄ又は１１ｅ等のような形状が考えられる。

【００１８】また、請求項１６に記載した電子放出素子
の製造方法、特に請求項１及び請求項２に記載の電子放
出素子の製造に好適な製造方法は、基板上にエミッタの
概略形状又はゲート形状を形成し、さらに基板上に絶縁
層及びゲート用膜又はエミッタ用膜を形成し、その後、
概略形状のエミッタを、２個の角を備えた複数個の張出
し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工すること
を特徴としている。

【００１９】また、請求項１７に記載した電子放出素子
の製造方法、特に請求項３に記載の電子放出素子の製造
に好適な製造方法は、求心状に配列されるエミッタの張
出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形成し、
さらに基板及びその放射状張出し部の上に絶縁層及びゲ
ート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶縁層及びエ
ミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する穴を開けるこ
とにより、開口部を有するゲート及び複数の求心状に配
列されたエミッタ張出し部を形成することを特徴として
いる。

【００２０】エミッタの張出し部を形成する際には、２
段階のフォトエッチングを用いるのが望ましい。すなわ
ち、張出し部の縦の境界及び横の境界の形成ためにそれ
ぞれ独立のフォトリソグラフィとエッチングを用いるこ
とにより、角の鋭いエミッタ形状が得られる。またこの
場合、ゲートがエミッタ張出し部と同様の形状に加工さ
れてしまうと、エミッタに電界をかける効果が弱くなっ
てしまう。そこで、エミッタを所望の張出し部形状に加
工するときにゲートが加工されない工夫が重要となる。
そのための方法として、例えば、ゲート上にエッチング
保護層、例えばＡｌ、レジスト等を付けておいたり、あ
るいはエミッタ加工の一部をゲート成膜前に行う等の方
法が考えられる。

【００２１】また、請求項４又は請求項５に記載の電子
放出素子のようにエミッタ又はゲートをエッチングスト
ッパ層の上に設けるようにした電子放出素子に関して
は、請求項１８及び請求項１９に記載のように、まず基
板上にエッチングストッパ層を形成し、そのエッチング
ストッパ層の上にエミッタ又はゲートを形成することに
より電子放出素子を製造できる。

【００２２】さらに、請求項１記載の電子放出素子を製
造するに際して、請求項２０に記載のように、エミッタ
用膜の上に保護膜を形成し、エミッタ及びゲートを所定
形状に形成した後にその保護膜を除去することができ
る。

【００２３】

【作用】従来のエッジ形電子放出素子（図１７）はいわ
ば２次元的な突起であり、これはコーン形電子放出素子
（図１６）に比較して電界集中が弱い。これに対して本
発明の電子放出素子では、エミッタの形状をエッジ形
（図１７）のような単純な円ではなく、図１、２、４、
６、８に示すような、２個の角１０ａ〜１０ｅを備えた
張出し部１１ａ〜１１ｅを放射状又は求心状に配列させ
て構成してある。ここで各角１０ａ〜１０ｅを１個ずつ
見れば、それらは３つの平面を側面とする３面体すなわ
ち３次元突起であり、その頂点への電界集中が起こり易
く、その結果、コーン形（図１６）と同様に良好な電気
的特性を有する電子放出素子が得られる。

【００２４】また、エッジ形（図１７）に関しては、円
形エッジのどの点から電子放出が起こるかは微妙な形状
や表面状態の違いで決まるものであり、それが均一性や
安定性に問題を残していた。これに対して本発明では、
電子の放出点がエミッタの張出し部の角に確定してお
り、電子の放出に関する均一性及び安定性の改善に大き
な効果がある。電子放出点は１個の張出し部あたり２個
の角、すなわち２点であるから、４個の張出し部を持つ
エミッタならば８点、ｎ個の張出し部ならば２ｎ点とな
り、集積密度の向上にも役立つ。

【００２５】以上のように本発明の電子放出素子では、
エミッタの形状が平面であるので、エッジ形（図１７）
の特長である作製が容易であるという利点を得ることが
できる。そして同時に、２個の角を備えた複数の張出し
部を放射状又は求心状に並べることによってエミッタが
形成されるので、電界がそれらの角に集中し、そのため
良好な電気的特性を持った電子放出素子を得ることがで
きる。また、電子放出点が角に確定することにより、従
来のエッジ形（図１７）に比べて電子放出点に関する均
一性及び安定性を改善できる。

【００２６】

【実施例】（電子放出素子の第１実施例）図１は、本発明に係る電
子放出素子の第１実施例を示している。この実施例で
は、ゲート２に多角形状の開口部、例えば正方形状の開
口部Ｔが形成され、その開口部Ｔの下にエミッタ１が形
成されている。図では１個の開口部Ｔが示されている
が、実際には、ゲート２にほぼ一定の間隔で複数個の開
口部Ｔが形成される。エミッタ１は、ゲート２に対して
ほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１
ａを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十字形状に
配列することによって形成されている。各張出し部１１
ａのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の角１０
ａが設けられている。これらの角１０ａは、それを微視
的に見れば、３つの平面を互いに接合した３面体、すな
わち三角錐形状の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖
っている。ゲート２とエミッタ１との間に電界を印加す
ると、エミッタ１から、特に各角１０ａから電子が放出
される。ゲート２の開口部Ｔは開放部分を持たない枠形
状であって、その開口部Ｔの縁端は各張出し部１１ａの
先端に沿って位置している。すなわち、各張出し部１１
ａが延びる方向と開口部Ｔの縁端とは互いにほぼ直交し
ている。

【００２７】（第１実施例の電子放出素子の製造方法）
図１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一
実施例を図３に模式的に示す。この製造方法では、ま
ず、導電性を有するＳｉ（シリコン）によって形成され
た基板４を用意する。この基板４は、エミッタへ電流を
流すためのエミッタ配線を兼ねている。この基板４上
に、後にエミッタ１（図１）となるＷ（タングステン）
膜１’をスパッタ処理によって厚さ０．２μｍに成膜す
る（ａ）。その後、エミッタの概略形状、本実施例では
正方形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法
によって形成し（ｂ）、さらに、ＳＦ₆ ガスを用いた反
応性イオンエッチングによってエミッタ用膜（Ｗ）１’
及び基板（Ｓｉ）４をエッチングしてエミッタ概形
１’’を形成する（ｃ）。このとき、基板（Ｓｉ）４の
方がエミッタ用膜（Ｗ）１’よりもエッチングされ易い
ため、エミッタ概形１’’がひさし状に張り出した形状
となる。

【００２８】次に、工程（ｄ）で示すように、レジスト
パターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯ_X を
０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用
膜２’としてＮｂを０．４μｍ、さらにエッチングスト
ッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭ
ｏを０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態から
レジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’
上に付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフト・
オフする（ｅ）。図（ｉ）は図（ｅ）の上面図を示して
いる。

【００２９】さらに、放射状のエミッタ１（図１）を加
工するための放射形状、すなわち十字形状のレジストパ
ターン６を周知のパターン形成方法によって形成し
（ｆ，ｊ）、ＳＦ₆ を用いた反応性イオンエッチングに
よってエミッタ概形１’’及び基板４をエッチングし
て、所望形状の張出し部１１ａ（図１）を備えたエミッ
タ１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’に対
するエッチングはその内部に含まれるＡｌ層で停止する
ため、ゲート用膜２’の形状は変化しない。

【００３０】その後、レジストパターン６を除去し、さ
らにゲート用膜２’に含まれるＡｌ層をリン硝酸を用い
たウエットエッチングによって除去し、そしてさらにフ
ォトリソグラフィ及びＳＦ₆ を用いた反応性イオンエッ
チングによってゲート用膜２’を電極として作用するゲ
ート２とゲート配線部とに加工する。ゲート２は図示の
通りにエミッタ１の近傍に位置していてエミッタ１に電
界を印加する部分であり、ゲート配線部とはそのゲート
電極へ電圧を印加するための導電部として作用する部分
である。便宜上、ゲート配線部の図示は省略してある。

【００３１】最後に、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッ
チング、例えば３０秒〜１０分、好ましくは３分のエッ
チングを行うことにより、ゲート２を絶縁層３からひさ
し状に張り出させて図１に示すような目標とする電子放
出素子が完成する（ｈ）。

【００３２】（電子放出素子の第２実施例）図２は、本
発明に係る電子放出素子の第２実施例を示している。こ
の実施例では、ゲート２に例えば円形状の開口部Ｅが形
成され、その円形開口部Ｅの下にエミッタ１が形成され
ている。この開口部Ｅも実際には一定の間隔で複数個形
成される。エミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に
形成されていて、さらに６個の張出し部１１ｂを６０゜
の角度間隔で放射状に配列することによって形成されて
いる。各張出し部１１ｂのゲート２に近い先端位置にも
それぞれ２個の角１０ｂが設けられている。これらの角
１０ｂも、微視的には３つの平面を互いに接合して成る
３面体、すなわち３次元突起であり、その頂点は鋭く尖
っている。この実施例でも、ゲート２の開口部Ｅの縁端
はエミッタ１の先端を取り囲む枠形状に形成され、そし
て、各張出し部１１ｂが延びる方向と開口部Ｅの縁端の
接線方向とは互いにほぼ直交している。

【００３３】この第２実施例の電子放出素子は、第１実
施例の電子放出素子を製造するための製造方法、すなわ
ち図３に示した製造方法と同じ方法によって作製でき
る。

【００３４】（電子放出素子の第３実施例）図４は、本
発明に係る電子放出素子の第３実施例を示している。こ
の実施例では、ゲート２に多角形状の開口部、例えば正
方形状の開口部Ｔが形成され、その開口部Ｔの下にエミ
ッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２
に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出
し部１１ｃを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十
字形状に配列することによって形成されている。各張出
し部１１ｃのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個
の角１０ｃが設けられている。これらの角１０ｃも、３
つの平面を互いに接合した３面体、すなわち三角錐形状
の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。

【００３５】この第３実施例が図１に示した第１実施例
と異なる点は、エミッタ１の材料として基板４と異なる
特別の材料を使うことなく、基板と同じ材料、例えばＳ
ｉを使ってエミッタ１を形成したことである。

【００３６】（第３実施例の電子放出素子の製造方法）
図４に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一
実施例を図５に模式的に示す。この製造方法は、基本的
には図３に示した製造方法と同じであり、異なる点は、
エミッタ用金属膜の成膜工程を省くことによって、エミ
ッタ１（図４）を基板４の材料と同じＳｉを用いて形成
するようにしたことである。

【００３７】具体的に説明すれば、まず、導電性を有す
るＳｉによって形成された基板４を用意し、その上にエ
ミッタの概略形状、本実施例では正方形のレジストパタ
ーン５を周知のパターン形成方法によって形成する
（ａ）。そして、ＳＦ₆ ガスを用いた反応性イオンエッ
チングによって基板４をエッチングしてエミッタ概形
１’’を形成する（ｂ）。

【００３８】次に、工程（ｃ）で示すように、レジスト
パターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯ_X を
０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用
膜２’としてＮｂを０．４μｍ、エッチングストッパ層
としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを
０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態からレジ
スト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に
付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフトオフす
る（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の上面図を示している。

【００３９】さらに、放射形状のエミッタ１（図４）を
加工するための放射形状、すなわち十字形状のレジスト
パターン６を形成し（ｅ，ｉ）、ＳＦ₆ を用いた反応性
イオンエッチングによってエミッタ概形１’’をエッチ
ングして、所望形状の張出し部１１ｃ（図４）を備えた
エミッタ１を形成し、さらにレジストパターン６を除去
する（ｆ）。

【００４０】レジストパターン６の除去後、ゲート用膜
２’に含まれるエッチングストッパ層（Ａｌ）をリン硝
酸を用いたウエットエッチングによって除去し、フォト
リソグラフィ及びＳＦ₆ を用いた反応性イオンエッチン
グによってゲート用膜２’を電極として作用するゲート
２とゲート配線部とに加工する。そして最後に、緩衝フ
ッ酸で絶縁層３を軽くエッチングしてゲート２を絶縁層
３からひさし状に張り出させ、これにより図４に示した
ような目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。

【００４１】（電子放出素子の第４実施例）図６は、本
発明に係る電子放出素子の第４実施例を示している。こ
の実施例では、ゲート２が円形状に形成され、エミッタ
１がそのゲート２のまわりに形成されている。このエミ
ッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されてい
て、さらに４個の張出し部１１ｄを９０゜の角度間隔で
ゲート２を中心とする求心状に配列することによって形
成されている。各張出し部１１ｄのゲート２に近い先端
位置にはそれぞれ２個の角１０ｄが設けられている。こ
れらの角１０ｄも、微視的に見て、３つの平面を互いに
接合した３面体、すなわち３次元突起として構成され、
その頂点は鋭く尖っている。ゲート２は、正方形その他
の多角形状とすることもできる。

【００４２】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）
図６に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一
実施例を図７に模式的に示す。この製造方法では、ま
ず、ゲート配線を兼ねる導電性のＳｉ基板４を準備し、
その基板４上に、後にゲート２（図６）となるゲート用
膜（Ｎｂ）２’を真空蒸着で厚さ０．２μｍに成膜する
（ａ）。その後、円形状のゲート２を形成するための円
形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によ
って形成し（ｂ）、ＳＦ₆ を用いた反応性イオンエッチ
ングによってゲート用膜２’及び基板４をエッチングし
て円形のゲート２を形成する（ｃ）。

【００４３】次に、レジストパターン５を残したまま
で、絶縁層３としてＳｉＯ_X を０．５μｍ蒸着し、さら
にエミッタ用膜１’としてＮｂを０．１μｍ、Ｍｏを
０．２μｍ順次蒸着する（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の
上面図を示している。さらに、求心形状のエミッタ１
（図６）を加工するための十字形状のレジストパターン
６を形成し（ｅ，ｉ）、そしてＳＦ₆ を用いた反応性イ
オンエッチングによってエミッタ用膜１’のＭｏ及びＮ
ｂ並びに基板（Ｓｉ）４をエッチングし、さらにレジス
トパターン６及びレジストパターン５を周知の除去方法
によって除去する（ｆ）。なお、エミッタ用膜１’及び
基板４のエッチング時、ゲート（Ｎｂ）２はレジストパ
ターン５に保護されてエッチングされない。

【００４４】レジストパターン６及びレジストパターン
５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ₆ を用いた反
応性イオンエッチングによりエミッタ用膜１’を電極と
してのエミッタ１とエミッタ配線部１ａとに加工する。
そして最後に、エミッタ１の先端がゲート２へ向けて絶
縁層３から張り出すように緩衝フッ酸で絶縁層３を軽く
エッチングして目標とする電子放出素子が完成する
（ｇ）。

【００４５】（電子放出素子の第５実施例）図８は、本
発明に係る電子放出素子の第５実施例を示している。こ
の実施例では、ゲート２が円形状の開口部Ｅを有する形
状に形成され、エミッタ１がそのゲート２の下に形成さ
れている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平
行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｅを９
０゜の角度間隔でゲート開口部Ｅを中心とする求心状に
配列することによって形成されている。各張出し部１１
ｅのゲート開口部Ｅに近い先端位置にはそれぞれ２個の
角１０ｅが設けられている。これらの角１０ｅも、３つ
の平面を互いに接合した３面体、すなわち３次元突起と
して構成され、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２の
開口部は正方形その他の多角形状とすることもできる。

【００４６】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）
図８に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一
実施例を図９に模式的に示す。この製造方法では、ま
ず、絶縁性の石英によって形成された基板４を準備し、
その基板４上に、後にエミッタ１（図８）となるＷ膜、
すなわちエミッタ用膜１’をスパッタによって厚さ０．
２μｍに成膜する（ａ）。その後、エミッタ１の求心形
状の元になる形、この実施例では十字形状のレジストパ
ターン６を形成し（ｂ，ｈ）、さらにＳＦ₆ を用いた反
応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’をエッ
チングして求心状のエミッタ張出し部１１ｅの原形とな
る十字形状の放射状張出し部１’’を形成する（ｃ，
ｉ）。このとき、エミッタ配線部の加工も行う。次に、
レジストパターン６を除去した後、絶縁層３としてＳｉ
Ｏ_X を厚さ０．５μｍ、さらにゲート用膜２’としてＮ
ｂを厚さ０．４μｍで順次に蒸着する（ｄ）。

【００４７】次に、ゲート用膜２’、絶縁層３及び十字
形状のエミッタ概形１’’の上に円形の開口部を開ける
ための円形開口部を備えたレジストパターン５を形成し
（ｅ，ｊ）、さらにＳＦ₆ を用いた反応性イオンエッチ
ングによってゲート用膜２’、絶縁層ＳｉＯ_X 、エミッ
タ概形１’’及び石英基板４の全てをエッチングし、さ
らにレジストパターン５を除去する（ｆ）。レジストパ
ターン５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ₆ を用
いた反応性エッチングによってゲート用膜２’を電極と
してのゲート２とゲート配線部とに加工し、そして最後
に、緩衝フッ酸によって絶縁層３及び石英基板４を軽く
エッチング、例えば１分〜２０分、好ましくは５分間エ
ッチングして目標とする電子放出素子が完成する
（ｇ）。

【００４８】図１、図２、図４、図６、そして図８に示
した電子放出素子に関し、蛍光体を塗布した透明電極付
きガラス基板を対向させ、その状態でゲート２とエミッ
タ１との間に電界を印加したところ、エミッタ１からの
電子放出及び蛍光体の発光を確認した。

【００４９】（電子放出素子の第６実施例）図１０は、
本発明に係る電子放出素子の第６実施例を示している。
この実施例を矢印Ａ方向から見た場合の外観形状は図１
に示す実施例と同じである。この実施例が図３（ｈ）に
示す第１実施例と異なる点は、エミッタ１がエッチング
ストッパ層７及びエミッタ基体８の上に設けられること
である。エミッタ基体８の材質は特定のものに限定され
ないが、それをＳｉ等の電気抵抗性の材料によって形成
して安定化抵抗の役割を持たせることができる。

【００５０】（第６実施例の電子放出素子の製造方法）
図１０に示す電子放出素子を製造するための製造方法の
一実施例を図１２に模式的に示す。この製造方法では、
まず、導電性のＳｉによって基板４を形成する。この基
板４はエミッタ配線１ａを兼ねている。この基板４上に
エッチングストッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜
し、続いてエミッタ基体用膜８’としてＳｉを０．２５
μｍ成膜し、そしてエミッタ用膜１’としてＷを０．２
μｍ成膜する（ａ）。

【００５１】次に、レジスト５をエミッタの概略形状に
パターニングし、ＳＦ₆ による反応性イオンエッチング
でエミッタ概形１’’及びエミッタ基体概形８’’を加
工する。Ａｌによって形成されたエッチングストッパ層
７はエッチングされないので、縦方向のエッチングはエ
ミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’までで停止する。横方向
に関しては、エミッタ用膜（Ｗ）１’のサイドエッチは
小さく、一方、エミッタ基体用膜（Ｓｉ）８’のサイド
エッチは大きいので、エミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’
がエミッタ概形（Ｗ）１’’よりも大きく削られ、よっ
てエミッタ概形１’’がひさし状に飛び出した形にな
る。このひさしの長さはエッチング時間によって自由に
制御でき、よって設計通りの形状を容易に得ることがで
きる（ｂ）。続いて、ウェットエッチングにより、エミ
ッタ概形１’’に対応する部分以外の部分のエッチング
ストッパ層（Ａｌ）７を除去しておく（ｃ）。但し、エ
ッチングストッパ層は除去せず残したままでも良い。

【００５２】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層
３としてＳｉＯ_X を０．４μｍ、ゲート用膜２’として
Ｎｂを０．３μｍ、エッチングストッパ層としてＡｌを
０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍ、
それぞれ蒸着する（ｄ）。その後、レジスト５を除去す
ることにより、エミッタ概形１’’上に付着した不要部
分を取り去る（ｅ）。

【００５３】続いて、十字形のレジスト６を形成し
（ｆ，ｋ）、ＳＦ₆ による反応性イオンエッチングでエ
ミッタ概形１’’を十字形に加工して放射状のエミッタ
１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’は内包
するエッチングストッパ層（Ａｌ）によって保護される
ので、エッチングされない。その後、レジスト６を除去
した後、電極として働くゲート２をパターニングし
（ｈ）、最後に緩衝フッ酸で絶縁層３（ＳｉＯ_X ）を軽
くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する
（ｉ）。

【００５４】なお、ゲート２上のエッチングストッパ層
及び保護層の形成並びに十字パターニングを省略すれ
ば、ディスクエッジ形のフィールドエミッタとなる。

【００５５】（第６実施例（図１０）の電子放出素子の
別の製造方法）図１２に示した製造方法の改良法とし
て、保護層を用いる場合について説明する。図１２にお
ける各材料膜の形成工程（ａ）において、エミッタ用膜
（Ｗ）１’を蒸着した後に、その上に保護層としてＭｏ
を０．２μｍ蒸着しておく。すると、図１２（ｅ）の工
程においてエミッタ概形１’’の上には図１４（ｅ）に
示すように保護層（Ｍｏ）１４が残る。この保護層１４
は、ゲート２のパターニング工程（図１２（ｈ））まで
保持され、この間、エミッタ概形１’’を外部の各種薬
品やゴミ等から保護する。そして、保護層１４をリン硝
酸で除去した後、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチン
グして目標形状の電子放出素子を得る（図１２
（ｉ））。このとき、図１４（ｉ）に示すように、保護
層１４はエミッタ１の近傍から取り除かれている。

【００５６】（電子放出素子の第７実施例及びその製造
方法）図１２に示した製造方法の改良法として、機械的
強度向上層を用いた場合について説明する。図１２にお
ける各材料膜の形成工程（ａ）においてエミッタ用膜
（Ｗ）１’を０．２μｍ蒸着する代わりに、図１５
（ａ）に示すように、機械的強度向上第１層１５として
Ｔｉを０．１μｍ、エミッタ用膜１’としてＷを０．１
μｍ、そして機械的強度向上第２層１６としてＴｉを
０．２μｍ蒸着しておく。ここで、機械的強度向上第２
層１６は、保護層１４の役割も兼ねている。こうする
と、図１２（ｅ）の工程においてエミッタ概形１’’の
上下両側には図１５（ｅ）に示すように機械的強度向上
第１層１５及び機械的強度向上第２層１６が残る。

【００５７】この積層構造はゲート２のパターニング工
程（図１２（ｈ））まで保持され、この間、機械的強度
向上第２層１６はエミッタ概形１’’を外部の各種薬品
やゴミ等から保護する。そして、絶縁層３を緩衝フッ酸
で軽くエッチングするとき、機械的強度向上第１層５及
び第２層１６も緩衝フッ酸でエッチングされて図１５
（ｉ）で示すようにサイドエッチされる。機械的強度向
上層はエミッタ概形１’’及びエミッタ１の上下片側だ
けに設けるようにしても良い。

【００５８】（電子放出素子の第８実施例）図１１は、
本発明に係る電子放出素子の第８実施例を示している。
この実施例を矢印Ｂ方向から見た場合の外観形状は図６
に示す実施例と同じである。この実施例が図７（ｇ）に
示す実施例と異なる点は、ゲート２がエッチングストッ
パ層７及びゲート基体９の上に設けられることである。

【００５９】（第８実施例の電子放出素子の製造方法）
図１１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の
一実施例を図１３に模式的に示す。この製造方法では、
絶縁性の石英を用いて基板４を形成し、その基板４上に
ゲート配線２ａとしてＷを０．２μｍ成膜し、さらにパ
ターニングしておく。そして、その上にエッチングスト
ッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜し、続いてゲー
ト基体用膜９’としてＭｏを０．３μｍ、さらにゲート
用膜２’としてＮｂを０．３μｍ成膜する（ａ）。

【００６０】次に、希望するゲート形状にレジスト５を
パターニングし（ｂ）、ＳＦ₆ による反応性イオンエッ
チングでゲート２及びゲート基体９を加工する（ｃ）。
エッチングストッパ層（Ａｌ）７はエッチングされない
ので、縦方向のエッチングはゲート基体（Ｍｏ）９まで
で停止する。ここで、リン硝酸のウェットエッチングに
よりゲート２に対応する部分以外の部分のエッチングス
トッパ層（Ａｌ）７を除去すると共にゲート基体９を細
くする（ｄ）。

【００６１】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層
３としてＳｉＯ_X を０．５μｍ、エミッタ用膜１’とし
てＮｂを０．２μｍ蒸着する（ｅ）。続いて、十字形の
レジスト６を形成し（ｆ，ｊ）、ＳＦ₆ による反応性イ
オンエッチングによってエミッタ用膜１’及び絶縁層３
を十字状に加工して、求心形状のエミッタ１及び絶縁層
３を形成する（ｇ）。このとき、ゲート２はレジスト５
によって保護されていてエッチングされない。その後、
レジスト５を除去し（ｇ）、さらにエミッタ層１にエミ
ッタ配線１ａをパターニングし、最後に緩衝フッ酸で絶
縁層３を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が
完成する（ｈ）。

【００６２】図１８は、本発明に係る電子放出素子のさ
らに他の実施例を示している。この電子放出素子は図１
に示した電子放出素子とほぼ同じ構成を有しており、異
なる点はゲート２に設けた開口部Ｔについての４つの隅
部Ｋが丸みを帯びていることである。この丸みは、多く
の場合、開口部Ｔを形成する際に製造上の理由から必然
的に形成されるものであるが、このような隅部の丸みを
積極的に形成するようにしても一向に差し支えない。

【００６３】以上に説明した実施例は製造方法や材料を
限定するものではなく、例えば図８に示す電子放出素子
を製造するための図９に示す製造方法、特にそのエミッ
タの加工工程において、エミッタ用膜の成膜後にそれを
フォトエッチングする代わりに、先に陰画のレジストパ
ターンを形成しておいて、エミッタ用膜の成膜後にその
レジストパターンをリフトオフしてもよい。また、例え
ばエミッタには、Ｗ、Ｍｏ以外に、Ｔａ、Ｎｂ等の金
属、Ｓｉ等の半導体又はＴｉＮ等の窒化物等が使用でき
る。エッチングストッパ層にはＡｌ以外にＣｒも使用で
きる。また、基板４やエミッタ１は必ずしもエミッタ配
線を兼ねる必要はなく、絶縁基板上にエミッタ配線を施
した後にエミッタ電極層を形成してもよい。このこと
は、ゲート配線についても同様である。

【００６４】

【発明の効果】本発明に係る電子放出素子によれば、エ
ミッタの形状が平面であるので、エッジ形電子放出素子
（図１７）の特長である作製が容易であるという利点を
得ることができる。しかも、エミッタが複数の張出し部
を放射状又は求心状に並べた形状を有するので、電界が
張出し部の２個の角に集中し、それ故、良好な電気的特
性を持った電子放出素子が得られる。また、電子放出点
が張出し部の角に確定するので、従来のエッジ形電子放
出素子（図１７）に比べて電子の放出に関して均一性及
び安定性を改善できる。さらに、電子を放出するエミッ
タが放射状又は求心状に形成されるので、電子放出点の
平面内での分布が特定点又は特定方向に偏ることなく均
一となる。

【００６５】請求項４及び請求項５記載の電子放出素子
によれば、エミッタ又はゲートの下にエッチングストッ
パ層を埋め込んでおくことにより、次のような効果が得
られる。すなわち、エッチングストッパ層を設けない場
合には、基板の上に形成されるエミッタ又はゲートの高
さはエッチング量で決まるので、エッチング速度のバラ
ツキに起因して素子特性にバラツキが発生していた。こ
れに対し、エッチングストッパ層を下層に埋め込んだ状
態でエミッタまたゲートをエッチング加工すると、エミ
ッタ又はゲートの高さはエッチングストッパ層より上の
膜の厚さで決まり、エッチング速度のバラツキの影響を
受けない。これにより、エミッタ又はゲートの高さが均
一になり、素子特性が均一化する。

【００６６】請求項１４記載の電子放出素子によれば、
エミッタ基体を安定化抵抗とすることにより、各素子の
特性のバラツキを補正することができ、素子特性の均一
性がさらに向上する。特に、抵抗が各素子ごとに分離し
ているため、仮に１つの素子で短絡が起こったとして
も、その素子だけの破壊で済み、近隣に影響を及ぼすこ
とがない。

【００６７】請求項１５記載の電子放出素子又は請求項
２０記載の電子放出素子の製造方法によれば、機械的強
度向上層や保護層を設けることにより、作製工程中や完
成後のエミッタの破損を確実に防止できる。

【００６８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子放出素子の第１実施例の要部
を示す斜視図である。

【図２】本発明に係る電子放出素子の第２実施例の要部
を示す斜視図である。

【図３】図１及び図２に示す電子放出素子を製造するた
めの製造方法の一実施例を示す工程図である。

【図４】本発明に係る電子放出素子の第３実施例の要部
を示す斜視図である。

【図５】図４に示す電子放出素子を製造するための製造
方法の一実施例を示す工程図である。

【図６】本発明に係る電子放出素子の第４実施例の要部
を示す斜視図である。

【図７】図６に示す電子放出素子を製造するための製造
方法の一実施例を示す工程図である。

【図８】本発明に係る電子放出素子の第５実施例の要部
を示す斜視図である。

【図９】図８に示す電子放出素子を製造するための製造
方法の一実施例を示す工程図である。

【図１０】本発明に係る電子放出素子の第６実施例の要
部を示す斜視図である。

【図１１】本発明に係る電子放出素子の第８実施例の要
部を示す斜視図である。

【図１２】図１０に示す電子放出素子を製造するための
製造方法の一実施例を示す工程図である。

【図１３】図１１に示す電子放出素子を製造するための
製造方法の一実施例を示す工程図である。

【図１４】図１２に示す電子放出素子の製造方法の改変
例の要部を示す工程図である。

【図１５】本発明に係る電子放出素子の第７実施例の要
部及び図１２に示す電子放出素子の製造方法の他の改変
例の要部を示す工程図である。

【図１６】従来の電子放出素子、特にコーン形の電子放
出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。

【図１７】従来の電子放出素子、特にエッジ形の電子放
出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。

【図１８】本発明に係る電子放出素子のさらに他の実施
例の要部を示す斜視図である。

【符号の説明】

１エミッタ１’ エミッタ用膜（加工前）１’’ エミッタ（加工途中）２ゲート２’ ゲート用膜（加工前）３絶縁層４基板５レジストパターン（エミッタ概略形状及びゲー
ト加工用）６レジストパターン（エミッタ張出し部加工用）７エッチングストッパ層８エミッタ基体８’ エミッタ基体用膜（加工前）８’’ エミッタ基体（加工途中）９ゲート基体９’ ゲート基体用膜（加工前）１０ａ〜１０ｅエミッタ張出し部の角１１ａ〜１１ｅエミッタの張出し部１４保護層１５機械的強度向上第１層１６機械的強度向上第２層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金丸正剛茨城県つくば市梅園１丁目１番４工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者石崎守東京都台東区台東一丁目５番１号凸版印刷株式会社内 (72)発明者湊孝夫東京都台東区台東一丁目５番１号凸版印刷株式会社内 (72)発明者吉田兼紀東京都台東区台東一丁目５番１号凸版印刷株式会社内 (56)参考文献特開平７−99024（ＪＰ，Ａ) 特開平６−176686（ＪＰ，Ａ) 特開平４−206127（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成されていて強電界の下で電
子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタ
の近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加する
ゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートには上記エミッタに対応する位置に開口部が
形成されており、上記エミッタは上からみて上記開口部
の中に配置され、かつ、該エミッタは、上記ゲート開口
部縁端に沿って２個の角を有する複数の張出し部を、上
記ゲート開口部の中心から放射状に備えていることを特
徴とする電子放出素子。
【請求項２】基板上に形成されていて強電界の下で電
子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタ
の近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加する
ゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは概略円形または多角形状に形成されてお
り、上記エミッタは上記ゲートを上からみて取り囲むよ
うに形成され、かつ、上記ゲートの縁端に近接して２個
の角を有しつつ上記ゲートの中心に向かって求心状に形
成された複数個の張出し部を備えていることを特徴とす
る電子放出素子。
【請求項３】基板上に形成されていて強電界の下で電
子を放出するエミッタと、そのエミッタの近傍に設けら
れていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有す
る電子放出素子であって、上記ゲートは上記エミッタの上に絶縁層を挟んで積層さ
れており、該ゲートには開口部が形成されており、そし
て上記エミッタは該開口部縁端に沿って２個の角を有し
つつ上記ゲートの中心に向かって求心状に形成された複
数個の張出し部を備えていることを特徴とする電子放出
素子。
【請求項４】上記エミッタはエッチングストッパ層の
上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子
放出素子。
【請求項５】上記ゲートはエッチングストッパ層の上
に設けられることを特徴とする請求項２記載の電子放出
素子。
【請求項６】上記基板は導電性材料によって形成さ
れ、上記エミッタの材質がその基板の材質と同一である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つ
に記載の電子放出素子。
【請求項７】上記基板は導電性材料によって形成さ
れ、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記
載の電子放出素子。
【請求項８】上記基板は絶縁性材料によって形成さ
れ、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記
載の電子放出素子。
【請求項９】上記エッチングストッパ層は金属によっ
て形成されることを特徴とする請求項４記載の電子放出
素子。
【請求項１０】上記エミッタが金属であることを特徴
とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電
子放出素子。
【請求項１１】上記エミッタが金属によって形成さ
れ、上記基板が半導体によって形成されることを特徴と
する請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子
放出素子。
【請求項１２】上記エミッタが高融点金属によって形
成され、上記基板又はエミッタ基体よりも耐ドライエッ
チング特性が大きいことを特徴とする請求項１から請求
項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１３】上記エミッタがＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ
又はＴｉＮによって形成され、上記基板がＳｉによって
形成され、そして上記ゲートがＮｂ又はＭｏによって形
成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいず
れか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１４】上記エミッタと上記基板との間に設け
るエミッタ基体が、電気抵抗性の物質によって形成され
ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１
つに記載の電子放出素子。
【請求項１５】上記エミッタの片側又は両側に機械的
強度向上層を設けたことを特徴とする請求項１から請求
項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１６】請求項１又は請求項２記載の電子放出
素子を製造するための製造方法であって、基板上にエミ
ッタ又はゲートの概略形状を形成し、さらにその基板上
に絶縁層及びゲート又はエミッタ用膜を形成し、その
後、上記概略形状のエミッタを、２個の角を備えた複数
個の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工
することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１７】請求項３記載の電子放出素子を製造す
るための製造方法であって、求心状に配列されるエミッ
タの張出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形
成し、さらにその基板及びその放射状張出し部の上に絶
縁層及びゲート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶
縁層及びエミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する穴
を開けることにより、上記の開口部を有するゲート及び
複数の求心状に配列されたエミッタ張出し部を形成する
ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１８】請求項４記載の電子放出素子を製造す
るための製造方法であって、基板上にエッチングストッ
パ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上
にエミッタ基体用膜及びエミッタ用膜を形成する工程
と、そして、エミッタ基体用膜及びエミッタ用膜にエッ
チングを施してエミッタ基体及びエミッタを形成する工
程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方
法。
【請求項１９】請求項５記載の電子放出素子を製造す
るための製造方法であって、基板上にエッチングストッ
パ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上
にゲート基体用膜及びゲート用膜を形成する工程と、そ
して、ゲート基体用膜及びゲート用膜にエッチングを施
してゲート基体及びゲートを形成する工程とを有するこ
とを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２０】請求項１記載の電子放出素子を製造す
るための製造方法であって、基板上にエミッタ用膜を形
成する工程と、エミッタ用膜上に保護膜を形成する工程
と、ゲート及びエミッタを所定形状に形成する工程と、
所定形状のゲート及びエミッタを形成した後に上記保護
層を除去する工程とを特徴とする電子放出素子の製造方
法。