JP3452222B2 - Cold cathode electron source device and method of manufacturing the same - Google Patents

Cold cathode electron source device and method of manufacturing the same

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極電子源素子およ
びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode electron source device and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界放射型電子源は、半導体の微細加工
技術を利用してミクロンサイズに製造でき、しかも集積
化やバッチ加工が容易であるため、熱電子放射型電子源
では不可能であったGHz帯増幅器や大電力・高速スイ
ッチング素子、さらには高精細度フラットパネルディス
プレイ用電子源への応用が期待されており、国内外にお
いて盛んに研究開発がなされている。
2. Description of the Related Art A field emission type electron source cannot be manufactured with a thermionic emission type electron source because it can be manufactured to a micron size by utilizing a semiconductor fine processing technique and is easily integrated and batch processed. It is expected to be applied to GHz band amplifiers, high-power / high-speed switching elements, and electron sources for high-definition flat panel displays, and research and development have been actively conducted in Japan and overseas.

【0003】このような電界放射型電子源の従来例を以
下に説明する。特開昭63−274047号公報に提案
された薄膜電界放射型の電子源は、図35に示されるよ
うに、冷陰極52と対向するゲート電極53とを0.3
〜2μm の間隔をあけて絶縁体基板51上に成膜し、真
空中で冷陰極52とゲート電極53間に電圧をかけるこ
とにより電子放出を起こすものである。この冷陰極52
はFIB( Focused Ion Beam 、収束イオンビーム)技
術を用いて形成されており、特に凸状部の先端は尖鋭に
形成している。しかし、FIB技術を用いた場合、素子
の大面積化が困難でかつ製造コストも高くなってしま
う。
A conventional example of such a field emission electron source will be described below. As shown in FIG. 35, the thin film field emission type electron source proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-274047 has a cold cathode 52 and a gate electrode 53 facing each other.
Electrons are emitted by forming a film on the insulating substrate 51 with a space of ˜2 μm and applying a voltage between the cold cathode 52 and the gate electrode 53 in vacuum. This cold cathode 52
Is formed by using FIB (Focused Ion Beam) technology, and in particular, the tip of the convex portion is formed to be sharp. However, when the FIB technique is used, it is difficult to increase the area of the element and the manufacturing cost becomes high.

【0004】一方、大面積化、製造コストを考えた場
合、フォトリソグラフィー技術を用いたパターニングが
妥当である。しかし、現在のフォトリソグラフィー技術
では、電子ビームスポット径が最小のパターニング径と
なるため、直径0.5μm 程度が限界である。このため
冷陰極52の先端を尖鋭に形成するには、さらに様々な
プロセスを加えなくてはならない。この場合、プロセス
が増加するほど、その間の素子損傷、特に冷陰極先端部
を損傷する可能性が高まり、素子の歩留りの低下の原因
となっている。またそれら冷陰極尖鋭化プロセスのほと
んどは煩雑であり、形状制御が困難である。
On the other hand, patterning using a photolithography technique is appropriate in view of increasing the area and manufacturing cost. However, in the current photolithography technology, the diameter of the electron beam spot is the minimum patterning diameter, so the diameter is about 0.5 μm. Therefore, in order to form the tip of the cold cathode 52 sharp, various processes must be added. In this case, as the number of processes increases, the possibility of damage to the device during that period, particularly the damage to the tip of the cold cathode increases, resulting in a decrease in device yield. Also, most of these cold cathode sharpening processes are complicated and shape control is difficult.

【0005】特開平3−49129号公報に提案された
薄膜電界放射型の電子源は、図36に示されるように、
絶縁体基板61上の絶縁層62の表面に、超音波による
劈開、破断の方法で冷陰極63、ゲート電極64を平行
に形成したものである。しかし、この図29に示す薄膜
電界放射型の電子源の場合、超音波による破断を伴うも
のであるため、冷陰極63の形状の均一化を図ることが
技術的に困難であるとともに、冷陰極63を形成する薄
膜に対するダメージが大きいという問題がある。
The thin-film field emission type electron source proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-49129 is as shown in FIG.
The cold cathode 63 and the gate electrode 64 are formed in parallel on the surface of the insulating layer 62 on the insulating substrate 61 by the method of cleavage and breaking by ultrasonic waves. However, in the case of the thin film field emission type electron source shown in FIG. 29, it is technically difficult to make the shape of the cold cathode 63 uniform because it is accompanied by breakage due to ultrasonic waves, and the cold cathode There is a problem that the thin film that forms 63 is greatly damaged.

【0006】特開平3−252025号公報に提案され
た薄膜電界放射型の電子源は、図37、図38に示され
るように、フォトエッチング技術を用いて絶縁体基板7
1上の絶縁層72の上に多数の凸状部をもつ冷陰極73
を形成した後に、等方性エッチング技術を利用して凸状
部の先端を尖鋭化したものである。なお、図30中、7
4は冷陰極73と対向するゲート電極である。しかし、
この電子源の場合、エッチング条件による冷陰極73の
形状の制御が困難である。さらに、側壁保護膜の形成等
によりアンダーカットが進行しないような場合には適用
できない。
The thin film field emission type electron source proposed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-252025, as shown in FIGS. 37 and 38, uses an insulating substrate 7 using a photoetching technique.
Cold cathode 73 having a large number of convex portions on the insulating layer 72 on
After forming the, the tip of the convex portion is sharpened by using an isotropic etching technique. Note that in FIG. 30, 7
Reference numeral 4 is a gate electrode facing the cold cathode 73. But,
In the case of this electron source, it is difficult to control the shape of the cold cathode 73 depending on the etching conditions. Furthermore, it cannot be applied to the case where the undercut does not proceed due to the formation of the side wall protective film.

【0007】また、特開平2−220337号公報で
は、化学的に安定であり、真空中に電子を放出し易い低
仕事関数材料である遷移金属炭化物,金属酸化物あるい
は希土類酸化物を冷陰極73の表面に被覆することが開
示されている。しかし、冷陰極73等に限定して被覆す
ることは困難である。
Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-220337, a cold cathode 73 is made of a transition metal carbide, a metal oxide or a rare earth oxide, which is a low work function material that is chemically stable and easily emits electrons in a vacuum. It is disclosed to coat the surface of. However, it is difficult to cover only the cold cathode 73 and the like.

【0008】上述のように、従来の電界放射型電子源の
場合、冷陰極先端の尖鋭化をはじめとする冷陰極の形状
を適切に設定できなかったり、低仕事関数を有し化学的
に安定な材料を、微細加工の困難性から冷陰極として用
いることができなかった。このため、特性が良好で、か
つ、安定した電界放射型電子源を得ることができないと
いう問題があった。
As described above, in the case of the conventional field emission type electron source, the shape of the cold cathode such as sharpening of the tip of the cold cathode cannot be set appropriately, or it has a low work function and is chemically stable. Such materials could not be used as cold cathodes because of the difficulty of fine processing. Therefore, there is a problem that it is not possible to obtain a stable field emission type electron source having good characteristics.

【0009】また、米国特許第5019003号明細書
には、支持体上に予め形成(preformed)されたエミッタ
(冷陰極)体の粒子を複数配した電界放出素子が開示さ
れている。この素子では、図39に示されるように、支
持体100上に複数の導電性物体201を配し、導電性
物体201は結合剤101によって支持体100に結着
されている。この導電性物体201はモリブデン、炭化
チタンなどであってよく、幾何学的に鋭利な縁をもつこ
とが好ましく、この導電性物体201がエミッタとして
機能する。なお、この導電性物体201にかえて、ある
いはこれに加えて、図示のように絶縁性物体203を用
いてもよいが、この場合は絶縁性物体203を導電薄層
202によって被覆して用いるとされている。そして結
合剤101の層の厚さは0.5μm 程度とし、導電性物
体201や絶縁性物体203の導電薄層202による被
覆物の長さ(最大寸法)は1.0μm 程度とし、十分量
の導電性物体201が露出されるようにする。そして、
このようなエミッタ部分に、さらにアノードやゲートを
付加して実際の電界放出素子が組み立てられる。
Further, US Pat. No. 5,011,003 discloses a field emission device in which a plurality of preformed emitter (cold cathode) body particles are arranged on a support. In this element, as shown in FIG. 39, a plurality of conductive objects 201 are arranged on a support 100, and the conductive objects 201 are bound to the support 100 by a binder 101. The conductive body 201 may be molybdenum, titanium carbide, etc., and preferably has a geometrically sharp edge so that the conductive body 201 acts as an emitter. Note that an insulating object 203 may be used as shown in place of or in addition to the conductive object 201, but in this case, when the insulating object 203 is covered with a conductive thin layer 202 and used. Has been done. The thickness of the layer of the binder 101 is about 0.5 μm, and the length (maximum dimension) of the coating of the conductive thin layer 202 of the conductive body 201 or the insulating body 203 is about 1.0 μm. The conductive object 201 is exposed. And
An actual field emission device is assembled by further adding an anode and a gate to such an emitter portion.

【0010】このような電界放出素子は、図40に示さ
れるように、エミッタ体201を複数担持した支持体1
00上に、エミッタ体201の一部を被覆しないままの
状態にして、絶縁層409を形成したものである。さら
に、絶縁層409上には、電子の流れを調節するための
ゲートとして機能する導電層401が設けられている。
そして、導電層401上には、さらに絶縁層402が設
けられており、絶縁層402上には、アノードとしての
機能も有するスクリーン404が配置されている。スク
リーン404のエミッタ体201との対向面側にはルミ
ネセンス層403が形成されている。スクリーン404
は、真空中ではんだ付け等により結着され、閉空間40
6が排気される。そして、電圧の印加によりエミッタ体
201から電子が放出され、放出された電子の作用によ
りスクリーン404、を介して発光408が生じる。
As shown in FIG. 40, such a field emission device has a support 1 carrying a plurality of emitters 201.
00, an insulating layer 409 is formed while leaving a part of the emitter body 201 uncovered. Further, over the insulating layer 409, a conductive layer 401 which functions as a gate for controlling the flow of electrons is provided.
Then, an insulating layer 402 is further provided over the conductive layer 401, and a screen 404 also functioning as an anode is provided over the insulating layer 402. A luminescence layer 403 is formed on the surface of the screen 404 facing the emitter body 201. Screen 404
Are bound by soldering or the like in a vacuum, and the closed space 40
6 is exhausted. Then, electrons are emitted from the emitter body 201 by applying a voltage, and light emission 408 is generated via the screen 404 by the action of the emitted electrons.

【0011】この明細書に示される素子では、図40か
ら明らかなように、エミッタ体201と絶縁層409と
が接触する箇所が生じるため、電圧を印加すると絶縁層
409のところで集中して電圧が加わり破壊の危険性が
大きくなる。また、これを防止しようとして絶縁層40
9を厚くすると電子放出のための印加電圧を高くする必
要が出てきて好ましくない。
In the element shown in this specification, as is apparent from FIG. 40, a portion where the emitter body 201 and the insulating layer 409 come into contact with each other occurs. Therefore, when a voltage is applied, the voltage is concentrated at the insulating layer 409 and the voltage is concentrated. The risk of destruction increases as a result. In addition, in order to prevent this, the insulating layer 40
If 9 is thickened, it becomes necessary to increase the applied voltage for electron emission, which is not preferable.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低電
圧駆動が可能でかつ高い放出電流が安定して得られ、冷
陰極の加工性に優れ、素子の大面積化が可能な冷電極電
子源素子およびその製造方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cold electrode capable of being driven at a low voltage, stably obtaining a high emission current, excellent in processability of a cold cathode, and capable of increasing the area of an element. An electron source element and a manufacturing method thereof are provided.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(10)の本発明により達成される。 (1) 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に突出
しており、前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が
0.05〜50nmであり、前記粒子が前記冷陰極基材に
対して1〜50体積%含有される冷陰極電子源素子。 (2) 前記冷陰極は、前記冷陰極基材の成分と、前記
導電性材料の成分とを気相法によって堆積して得られる
上記(1)の冷陰極電子源素子。 (3) 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
しており、前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が
0.05〜50nmであり、前記冷陰極基材を構成する成
分と、前記導電性材料の成分とを反応性イオンプレーテ
ィング法または同時スパッタリング法によって堆積して
冷陰極電子源素子を得る冷陰極電子源素子の製造方法。 (4) 前記粒子が前記冷陰極基材に対して1〜50体
積%含有される上記(3)の冷陰極電子源素子の製造方
法。 (5) 前記粒子が前記冷陰極表面に突出している上記
(3)または(4)の冷陰極電子源素子の製造方法。 (6) 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
している冷陰極電子源素子を得るに際し、前記冷陰極
を、非晶質状または微結晶状の冷陰極用導体層を気相法
により形成する工程と、この冷陰極用導体層に熱処理を
施す工程により製造する冷陰極電子源素子の製造方法。 (7) 前記熱処理の温度が成膜温度から700℃まで
の温度である上記(6)の冷陰極電子源素子の製造方
法。 (8) 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
しており、前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が
0.05〜50nmであり、前記冷陰極基材を構成する成
分の薄層と、前記導電性材料の粒子を構成する成分の薄
層とを交互に積層して冷陰極用導体層を気相法により成
膜することによって製造する冷陰極電子源素子の製造方
法。 (9) 前記導電性材料の粒子を構成する成分の薄層の
膜厚が、0.5nm〜50nmである上記(8)の冷陰極電
子源素子の製造方法。 (10) 前記冷陰極用導体層を成膜した後に、前記冷
陰極用導体層の成膜温度から700℃までの温度で前記
冷陰極用導体層に熱処理を施す上記(9)の冷陰極電子
源素子の製造方法。
The above objects are achieved by the present invention described in (1) to (10) below. (1) A cold cathode electron source device having a cold cathode, the cold cathode being dispersedly contained in a cold cathode base material and the cold cathode base material, wherein the work function is more than the work function of the cold cathode base material. And a particle of a conductive material having a particle size smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being dispersed in a state of being substantially separated from each other, and the particle protruding to the cold cathode surface. The cold cathode electron source element has an average particle size of 0.05 to 50 nm as determined by X-ray diffraction, and the particles are contained in an amount of 1 to 50% by volume based on the cold cathode substrate. (2) The cold cathode electron source element according to (1) above, wherein the cold cathode is obtained by depositing a component of the cold cathode base material and a component of the conductive material by a vapor phase method. (3) A cold cathode electron source device having a cold cathode, wherein the cold cathode is dispersedly contained in a cold cathode base material and the cold cathode base material, and the work function is more than the work function of the cold cathode base material. And a particle of conductive material having a particle size smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being dispersed substantially separated from each other, and the particle being exposed on the cold cathode surface. The average particle diameter of the particles obtained by X-ray diffraction is 0.05 to 50 nm, and the components constituting the cold cathode substrate and the components of the conductive material are subjected to the reactive ion plating method or A method for manufacturing a cold cathode electron source element by depositing by a simultaneous sputtering method to obtain a cold cathode electron source element. (4) The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to (3), wherein the particles are contained in an amount of 1 to 50% by volume with respect to the cold cathode substrate. (5) The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to the above (3) or (4), wherein the particles are projected on the surface of the cold cathode. (6) A cold cathode electron source device having a cold cathode, the cold cathode being dispersedly contained in a cold cathode base material and the cold cathode base material, wherein the work function is more than the work function of the cold cathode base material. And a particle of conductive material having a particle size smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being dispersed substantially separated from each other, and the particle being exposed on the cold cathode surface. When obtaining the cold cathode electron source element, a step of forming the cold cathode conductive layer for an amorphous or microcrystalline cold cathode by a vapor phase method, and subjecting the cold cathode to a heat treatment A method of manufacturing a cold cathode electron source element manufactured by a process. (7) The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to the above (6), wherein the temperature of the heat treatment is a temperature from a film forming temperature to 700 ° C. (8) A cold cathode electron source device having a cold cathode, wherein the cold cathode is dispersed and contained in a cold cathode base material and the cold cathode base material, and the work function is higher than the work function of the cold cathode base material. And a particle of conductive material having a particle size smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being dispersed substantially separated from each other, and the particle being exposed on the cold cathode surface. The average particle diameter of the particles obtained by X-ray diffraction is 0.05 to 50 nm, and a thin layer of the component that constitutes the cold cathode substrate and a thin layer of the component that constitutes the particles of the conductive material. A method of manufacturing a cold cathode electron source element, which is manufactured by alternately laminating layers and forming a cold cathode conductor layer by a vapor phase method. (9) The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to the above (8), wherein the thin layer of the component constituting the particles of the conductive material has a thickness of 0.5 nm to 50 nm. (10) The cold cathode electron according to (9), wherein after the cold cathode conductor layer is formed, the cold cathode conductor layer is heat-treated at a temperature from the film forming temperature of the cold cathode conductor layer to 700 ° C. Method of manufacturing source element.

【0014】[0014]

【作用】本発明の冷陰極電子源素子によれば、基板上に
設けた冷陰極において冷陰極基材に対して仕事関数が冷
陰極基材の仕事関数よりも低い導電性材料を、冷陰極自
体の厚さより十分小さな粒径の粒子として分散含有させ
ている。このため、低電圧で電子を引き出せるととも高
い放出電流が得られる。また、通常のフォトプロセス
と、エッチングにより冷陰極基材を加工できるため、任
意の形状を簡易に設定でき、冷陰極電子源素子の大面積
化が可能である。また、導電性材料の粒子が冷陰極表面
に露出ないし突出した状態で分散しているので、電界の
集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い放
出電流が得られる。導電性材料の粒子の平均粒径を小さ
くする効果は、高い放出電流が得られることと、多数の
電子放出点を形成でき、安定した放出電流特性が得られ
ることである。
According to the cold cathode electron source element of the present invention, in the cold cathode provided on the substrate, a conductive material having a work function lower than that of the cold cathode substrate is used for the cold cathode substrate. It is dispersed and contained as particles having a particle size sufficiently smaller than its own thickness. For this reason, it is possible to extract electrons at a low voltage and obtain a high emission current. Further, since the cold cathode base material can be processed by a normal photo process and etching, an arbitrary shape can be easily set, and the area of the cold cathode electron source element can be increased. Further, since the particles of the conductive material are dispersed in a state of being exposed or protruding on the surface of the cold cathode, electrons can be drawn out at a low voltage due to the concentration of the electric field, and a high emission current can be obtained. The effect of reducing the average particle size of the particles of the conductive material is that a high emission current can be obtained, and a large number of electron emission points can be formed, and stable emission current characteristics can be obtained.

【0015】これらから、陰極形状を従来のように複雑
なプロセスで曲率半径の小さい尖端部を有するように形
成する必要がなくなる。
From these, it is not necessary to form the cathode shape to have the tip portion having a small radius of curvature by a complicated process as in the prior art.

【0016】また非晶質状もしくは微結晶状の、冷陰極
基材を構成する元素と上記の導電性材料を構成する元素
とを含む冷陰極用導体層を形成し、この導体層を熱処理
して冷陰極を形成することによって、冷陰極の作製が容
易となる。また冷陰極基材と上記の導電性材料の各々の
結晶性が高まる。冷陰極基材の結晶性が高まると、冷陰
極基材の純度も向上し、エッチングが短時間かつ容易に
なり、冷陰極基材の加工性が著しく向上するとともに、
生産コストが低下する。また上記の導電性材料の結晶性
が高まると、低電圧で電子が引き出せるとともに、安定
で高い放出電流が得られる。さらに、成膜工程と熱処理
工程を分離することにより、高い生産効率が得られる。
A cold cathode conductor layer containing an amorphous or microcrystalline element that constitutes the cold cathode substrate and the above-mentioned element that constitutes the conductive material is formed, and this conductor layer is heat-treated. By forming the cold cathode by forming the cold cathode, it becomes easy to manufacture the cold cathode. Further, the crystallinity of each of the cold cathode base material and the above conductive material is enhanced. When the crystallinity of the cold cathode base material is increased, the purity of the cold cathode base material is also improved, etching is facilitated in a short time, and the workability of the cold cathode base material is significantly improved, and
Production cost is reduced. Further, when the crystallinity of the above-mentioned conductive material is enhanced, electrons can be extracted at a low voltage and a stable and high emission current can be obtained. Further, by separating the film forming step and the heat treatment step, high production efficiency can be obtained.

【0017】また、冷陰極基材を構成する元素の薄層
と、導電性材料の粒子を構成する元素の薄層とを交互に
積層して冷陰極用導体層を成膜し、その後この冷陰極用
導体層を冷陰極に加工すれば、導電性材料の粒子の粒径
を導電性材料の粒子を構成する元素の薄層の膜厚で制御
することができるので、冷陰極の作製が容易となる。よ
り具体的には、導電性材料の粒子を構成する元素の薄層
の厚さを所定範囲に設定することにより、この薄層が連
続膜構造をとらず島状構造となるため、実質的に冷陰極
基材中に導電性材料の粒子が分散した構造の冷陰極用導
体層を形成することが可能となる。
Further, a thin layer of an element that constitutes the cold cathode base material and a thin layer of an element that constitutes particles of the conductive material are alternately laminated to form a conductor layer for a cold cathode, and then this cold layer is formed. If the conductor layer for the cathode is processed into a cold cathode, the particle size of the particles of the conductive material can be controlled by the film thickness of the thin layer of the element that constitutes the particles of the conductive material, so the cold cathode can be easily manufactured. Becomes More specifically, by setting the thickness of the thin layer of the element constituting the particles of the conductive material within a predetermined range, the thin layer becomes an island-like structure without taking a continuous film structure, It is possible to form a cold cathode conductor layer having a structure in which particles of a conductive material are dispersed in a cold cathode substrate.

【0018】この冷陰極用導体層は、冷陰極基材のエッ
チャントにより容易にエッチング加工することができ、
これによって冷陰極を形成することが可能となる。同時
に、エッチング加工された冷陰極の断面に導電性材料粒
子が突出ないし露出した構造を均一に再現性良く形成す
ることができる。従って、低電圧で駆動可能で、かつ安
定して高い放出電流が得られる冷陰極電子源素子を歩留
まり良く製造することができる。
This cold cathode conductor layer can be easily etched by an etchant of the cold cathode substrate,
This makes it possible to form a cold cathode. At the same time, it is possible to uniformly and reproducibly form a structure in which conductive material particles are projected or exposed on the cross section of the etched cold cathode. Therefore, a cold cathode electron source element that can be driven at a low voltage and that can stably obtain a high emission current can be manufactured with high yield.

【0019】そして、この冷陰極導体層をさらに熱処理
することによって、冷陰極基材および導電性材料の粒子
の結晶粒径が増大するとともに、冷陰極基材中に不純物
として取り込まれた導電性材料の粒子を構成する元素お
よび導電性材料の粒子中に不純物として取り込まれた冷
陰極基材を構成する元素が結晶粒界に析出し、実質的に
冷陰極用導体層中の導電性材料の粒子の分散性が高ま
る。このため、冷陰極を形成するに際し、ケミカルエッ
チングによるエッチングレートを増加させることができ
るとともに、導電性材料の粒子の平均粒径が導電性材料
の粒子を構成する元素の薄層の厚さ程度にそろい、広い
面積にわたって均一な電子放出特性を有する冷陰極電子
源素子を形成することができる。
By further heat-treating this cold cathode conductor layer, the crystal grain size of the particles of the cold cathode base material and the conductive material is increased, and at the same time, the conductive material taken in as impurities in the cold cathode base material. Of the particles of the conductive material for the cold cathode substrate, and the elements of the cold cathode substrate, which are incorporated as impurities in the particles of the conductive material and the elements of the Dispersibility of Therefore, when forming a cold cathode, it is possible to increase the etching rate by chemical etching, and the average particle size of the particles of the conductive material is about the thickness of the thin layer of the element constituting the particles of the conductive material. As a result, it is possible to form a cold cathode electron source element having uniform electron emission characteristics over a wide area.

【0020】[0020]

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。本発明の冷陰極電子源素子は、絶縁性基板
上に冷陰極基材を有し、冷陰極基材には、これをマトリ
ックスとして、導電性材料がエミッタ物質として分散さ
れて冷陰極を構成している。この場合、導電性材料は冷
陰極自体の厚さより十分小さな粒径の微細粒子であり、
個々の粒子は互いに実質的に分離された状態で分散され
ており、冷陰極表面に露出している。また、導電性材料
としては、冷陰極基材の仕事関数よりも小さいものを用
いる。
Specific Structure The specific structure of the present invention will be described in detail below. The cold cathode electron source element of the present invention has a cold cathode base material on an insulating substrate, and in the cold cathode base material, a conductive material is dispersed as an emitter substance to form a cold cathode. ing. In this case, the conductive material is fine particles having a particle size sufficiently smaller than the thickness of the cold cathode itself,
The individual particles are dispersed in a state of being substantially separated from each other and are exposed on the surface of the cold cathode. As the conductive material, a material having a work function smaller than that of the cold cathode base material is used.

【0021】このような素子構成とすることによって、
複雑な加工工程を要することなく、低電圧で電子を引き
出すことが可能になり、高い放出電流が得られる。これ
に対し、導電性材料の粒子の粒径が冷陰極の厚さより大
きくなると、冷陰極の微細加工が困難になるとともにゲ
ート電極との間の短絡を生じやすくなる。また、両材料
の仕事関数の関係が上記外となると、本発明の効果が得
られない。
By having such an element structure,
Electrons can be extracted at a low voltage without requiring complicated processing steps, and a high emission current can be obtained. On the other hand, when the particle diameter of the conductive material is larger than the thickness of the cold cathode, it becomes difficult to perform fine processing of the cold cathode, and a short circuit with the gate electrode easily occurs. Further, if the work function relationship of both materials is outside the above range, the effect of the present invention cannot be obtained.

【0022】このような冷陰極電子源素子としては、例
えば図1の構成のものがある。図1に示される冷陰極電
子源素子は、絶縁性基板1の表面に、絶縁層2を設け、
さらに絶縁層2上に冷陰極(エミッタ)10を設け、こ
の冷陰極10に近接する位置にゲート電極7を形成した
ものである。冷陰極10は、上記のように、導電性材料
で形成された導電性微粒子8を分散含有させた冷陰極基
材4により構成している。
As such a cold cathode electron source device, there is, for example, the structure shown in FIG. In the cold cathode electron source element shown in FIG. 1, an insulating layer 2 is provided on the surface of an insulating substrate 1,
Further, a cold cathode (emitter) 10 is provided on the insulating layer 2, and a gate electrode 7 is formed at a position close to the cold cathode 10. The cold cathode 10 is composed of the cold cathode base material 4 in which the conductive fine particles 8 formed of a conductive material are dispersed and contained as described above.

【0023】特性の良い冷陰極電子源素子を作製するた
めには、上記のように仕事関数が低くかつ化学的に安定
な材料を用いて、極力、粒径の小さい前記導電性微粒子
8を形成するとともに、冷陰極10とゲート電極7との
距離を近接させて配置するように設計すればよい。
In order to manufacture a cold cathode electron source device having good characteristics, the conductive fine particles 8 having a particle size as small as possible are formed by using a material having a low work function and a chemically stable property as described above. At the same time, the cold cathode 10 and the gate electrode 7 may be designed to be arranged close to each other.

【0024】この場合の導電性微粒子8の粒径は、X線
回折分析(XRD)スペクトルの最も強い配向ピークか
らシェラーの式に従って求めて、0.5〜50nm、好ま
しくは0.5〜20nm、さらに好ましくは1〜10nmで
あることが好ましい。また、透過型電子顕微鏡(TE
M)観察では、好ましい成膜を行われたときには、冷陰
極基材成分の粒界に、導電性微粒子の一次粒子が存在す
る。このTEM写真から求めた一次粒子の数平均粒径は
0.5〜50nm、好ましくは0.5〜20nm、さらに好
ましくは1〜10nmであることが好ましい。なお、TE
M観察では、成膜条件によっては一次粒子の集合体であ
る二次粒子(球状、島状などの集合体構造)として観察
されることもあるが、粒子が互いに分離した単一粒子
(一次粒子)として存在することが好ましい。
The particle size of the conductive fine particles 8 in this case is 0.5 to 50 nm, preferably 0.5 to 20 nm, determined from the strongest orientation peak of the X-ray diffraction analysis (XRD) spectrum according to Scherrer's formula. More preferably, it is 1 to 10 nm. In addition, a transmission electron microscope (TE
According to M) observation, when preferable film formation is carried out, primary particles of the conductive fine particles are present at the grain boundaries of the cold cathode base material component. The number average particle diameter of the primary particles obtained from this TEM photograph is 0.5 to 50 nm, preferably 0.5 to 20 nm, and more preferably 1 to 10 nm. In addition, TE
In M observation, it may be observed as secondary particles (aggregate structure such as spherical or island-like) which is an aggregate of primary particles depending on the film forming conditions, but single particles (primary particles) which are separated from each other. ).

【0025】導電性微粒子8は、冷陰極基材4中に均一
に分散させることが好ましく、これにより高い放出電流
が得られる。また、導電性微粒子8は、図示のように冷
陰極10表面に露出ないし突出させた状態で分散させる
ことが好ましい。このようにすることによって、電界の
集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い放
出電流が得られる。なお、導電性微粒子8は、冷陰極1
0の表面に露出するが、後述のエッチングの結果、通常
は表面から突出している。
The conductive fine particles 8 are preferably dispersed uniformly in the cold cathode base material 4, and thereby a high emission current can be obtained. Further, the conductive fine particles 8 are preferably dispersed in a state of being exposed or protruding on the surface of the cold cathode 10 as shown in the drawing. By doing so, electrons can be extracted at a low voltage due to the concentration of the electric field, and a high emission current can be obtained. The conductive fine particles 8 are the cold cathode 1
Although it is exposed on the surface of No. 0, as a result of etching described later, it usually projects from the surface.

【0026】また、冷陰極10とゲート電極7との距離
d(図1、後記図6、図10、図19参照)は0.1〜
20μm 程度とすることが好ましい。
The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode 7 (see FIG. 1 and FIGS. 6, 10 and 19 described later) is 0.1 to 0.1.
It is preferably about 20 μm.

【0027】前記導電性微粒子8としては、化学的に安
定であり、真空中に電子を放出し易い低仕事関数の材料
を用いる。すなわち、TiC、ZrC、HfC、Ta
C、NbC、MoC、WCなどの金属炭化物、TaN、
TiN、ZrN、HfNなどの金属窒化物、LaB6
TaB、TiB2 、ZrB2 、HfB2 などの希土類金
属ホウ化物や遷移金属ホウ化物;ダイヤモンド;グラフ
ァイトなどの導電性炭素あるいはこれらを少なくとも一
種類以上含んだものを用いる。
As the conductive fine particles 8, a material having a low work function which is chemically stable and easily releases electrons in vacuum is used. That is, TiC, ZrC, HfC, Ta
Metal carbides such as C, NbC, MoC, WC, TaN,
Metal nitrides such as TiN, ZrN and HfN, LaB 6 ,
A rare earth metal boride such as TaB, TiB 2 , ZrB 2 , HfB 2 or a transition metal boride; diamond; conductive carbon such as graphite or a material containing at least one of these is used.

【0028】また冷陰極基材4の材料としては、前記導
電性微粒子8が炭化物である場合には、炭化されにくい
良導体材料、例えば、Ag、Cu、Ni、Al、Cr
等、導電性微粒子8が窒化物である場合には、窒化され
にくい良導体材料、例えば、Ag、Cu、Ni、Cr
等、導電性微粒子8がホウ化物である場合には、ホウ化
されにくい良導体材料、例えば、Ag、Cu、Cr等、
あるいはこれらを少なくとも一種類以上含んだものを用
いることができる。このような導電性材料と冷陰極基材
との好ましい組み合わせは、後述のイオンプレーティン
グや反応性スパッタリング、あるいは両材料の混合膜を
成膜して熱処理するものであって、後述の両材料を交互
に成膜する場合には、冷陰極基材材料に関する規制はほ
とんどなく、各種材料を使用でき、両材料の金属元素を
同一のものとしてもよい。なお、本発明では金属炭化物
を導電性材料に用いることが好ましい。
As the material of the cold cathode base material 4, when the conductive fine particles 8 are a carbide, a good conductor material which is not easily carbonized, for example, Ag, Cu, Ni, Al, Cr.
Etc., when the conductive fine particles 8 are nitrides, a good conductor material that is difficult to be nitrided, for example, Ag, Cu, Ni, Cr
In the case where the conductive fine particles 8 are borides, a good conductor material that is difficult to be borated, such as Ag, Cu, Cr,
Alternatively, a material containing at least one kind of them can be used. A preferable combination of such a conductive material and a cold cathode base material is ion plating or reactive sputtering to be described later, or to form a mixed film of both materials and heat-treat them. When the films are alternately formed, there are almost no restrictions on the cold cathode base material, various materials can be used, and the metal elements of both materials may be the same. In the present invention, metal carbide is preferably used as the conductive material.

【0029】前述のように、導電性微粒子8を構成する
導電性材料の仕事関数は、冷陰極基材4を構成する冷陰
極基材材料の仕事関数より小さい。具体的には、材質と
しての物性値で、導電性材料の仕事関数が4.0eV以
下、より好ましくは1.0〜4.0eVであることが好ま
しく、一方冷陰極基材材料の仕事関数は3.8eV以上、
より好ましくは3.9〜5eVであることが好ましい。こ
れらのなかから、両材料の仕事関数の差が0.2eV以
上、好ましくは0.4〜4.0eV程度であるものを選択
することが好ましい。
As described above, the work function of the conductive material forming the conductive fine particles 8 is smaller than the work function of the cold cathode base material forming the cold cathode base material 4. Specifically, in terms of physical properties as a material, the work function of the conductive material is preferably 4.0 eV or less, more preferably 1.0 to 4.0 eV, while the work function of the cold cathode base material is 3.8 eV or more,
More preferably, it is 3.9 to 5 eV. From these, it is preferable to select a material having a work function difference of 0.2 eV or more, preferably about 0.4 to 4.0 eV, between the two materials.

【0030】ここで、仕事関数とは、固体から真空中に
電子を取出すに要する最小限の仕事の大きさであり、X
線光電子分光法(XPS)や紫外線光電子分光法(UP
S)によって求めることができ、各材料の値は例えばHA
NDBOOK of TEHRMONIC PROPERTIES, V.S. Fomenko, PLEN
UN PRESS DATADIVIISION N.Y. 1966 等)の文献に記載
されている。
Here, the work function is the minimum work size required to extract electrons from a solid into a vacuum, and X
Line photoelectron spectroscopy (XPS) and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UP
S)) and the value of each material is, for example, HA
NDBOOK of TEHRMONIC PROPERTIES, VS Fomenko, PLEN
UN PRESS DATA DIVIISION NY 1966 etc.).

【0031】導電性材料および冷陰極基材材料の比抵抗
は、バルクの状態で、室温でそれぞれ、1×10-5Ωcm
〜1Ωcmおよび1×10-4Ωcm以下(通常1×10-6Ω
cm〜1×10-4Ωcm)であることが好ましい。
The specific resistances of the conductive material and the cold cathode base material are 1 × 10 -5 Ωcm at room temperature in the bulk state.
~ 1 Ωcm and 1 × 10 -4 Ωcm or less (usually 1 × 10 -6 Ω
cm to 1 × 10 −4 Ωcm) is preferable.

【0032】冷陰極基材4に対する導電性微粒子8の割
合は、1〜50体積%、より好ましくは3〜45体積
%、特に5〜30体積%、さらには25体積%以下とす
ることが好ましい。
The ratio of the conductive fine particles 8 to the cold cathode substrate 4 is preferably 1 to 50% by volume, more preferably 3 to 45% by volume, especially 5 to 30% by volume, and further preferably 25% by volume or less. .

【0033】このような割合とすることによって本発明
の効果が向上する。これに対し、導電性微粒子8の割合
が少なくなると、後述のエッチングにより加工した冷陰
極10の端面に突出したTiC等の導電性微粒子8の密
度が低く、実質的に導電性微粒子を含有しない場合と同
等の電子放出特性しか得られなくなる。一方、導電性微
粒子8の割合が大きくなりすぎると、導電性微粒子8間
の分散性が悪くなり、冷陰極基材4のエッチングが難し
くなるとともに各導電性微粒子8ごとへの電界の集中が
難しくなる。
By using such a ratio, the effect of the present invention is improved. On the other hand, when the ratio of the conductive fine particles 8 decreases, the density of the conductive fine particles 8 such as TiC protruding on the end face of the cold cathode 10 processed by etching described later is low, and the conductive fine particles do not substantially contain the conductive fine particles. Only electron emission characteristics equivalent to On the other hand, if the proportion of the conductive fine particles 8 is too large, the dispersibility between the conductive fine particles 8 becomes poor, making it difficult to etch the cold cathode base material 4 and making it difficult to concentrate the electric field on each conductive fine particle 8. Become.

【0034】また、冷陰極10の厚さは100〜200
0nm、特に300〜1000nm程度とすることが好まし
い。このような厚さとすることにより本発明の効果が向
上する。これに対し、薄すぎると断線の確率が高くな
り、厚すぎるとエッチング加工に時間を要し、コストが
高くなるとともに十分な加工精度が得られなくなる。
The thickness of the cold cathode 10 is 100 to 200.
It is preferably 0 nm, particularly preferably about 300 to 1000 nm. With such a thickness, the effect of the present invention is improved. On the other hand, if it is too thin, the probability of disconnection increases, and if it is too thick, etching processing takes time, resulting in high cost and insufficient processing accuracy.

【0035】本発明に用いる絶縁性基体1の材料として
は、各種ガラス、シリコンウェハー、アルミナ等の各種
セラミックス等が挙げられる。また、その大きさは目的
・用途に応じて適宜選択すればよいが、厚さは0.3〜
5.0mm程度であってよい。
Examples of the material of the insulating substrate 1 used in the present invention include various glasses, silicon wafers, various ceramics such as alumina, and the like. The size may be appropriately selected according to the purpose and application, but the thickness is 0.3 to
It may be about 5.0 mm.

【0036】図1の構成では絶縁層2を介して絶縁性基
板1上に冷陰極10が設置されているが、絶縁層2は、
SiO2 、Ta25 、Y23 、MgO、Si34
等の絶縁材料で形成すればよく、その厚さは0.2〜
2.0μm 程度とする。また、ゲート電極7は、Cr、
Mo、Ti、Nb、Zr、Hf、Ta、Al、Ni、C
u、W等の金属あるいはこれらの合金等で構成すればよ
く、その厚さは0.1〜1.0μm 程度とする。
In the structure of FIG. 1, the cold cathode 10 is installed on the insulating substrate 1 via the insulating layer 2, but the insulating layer 2 is
SiO 2 , Ta 2 O 5 , Y 2 O 3 , MgO, Si 3 N 4
It may be formed of an insulating material such as
It is about 2.0 μm. The gate electrode 7 is made of Cr,
Mo, Ti, Nb, Zr, Hf, Ta, Al, Ni, C
It may be made of a metal such as u or W or an alloy thereof, and its thickness is about 0.1 to 1.0 μm.

【0037】次に、図1に示される冷陰極電子源素子の
製造方法について説明する。まず、図2に示されるよう
に、絶縁性基体1の表面に、絶縁層2を所定厚に形成す
る。絶縁層2はスパッタリング法等によって成膜すれば
よい。
Next, a method for manufacturing the cold cathode electron source element shown in FIG. 1 will be described. First, as shown in FIG. 2, the insulating layer 2 is formed on the surface of the insulating substrate 1 to have a predetermined thickness. The insulating layer 2 may be formed by a sputtering method or the like.

【0038】次に、図3に示されるように、導電性微粒
子8が冷陰極基材4中に微細分散した薄膜を所定厚に形
成し、冷陰極10とする。このときの冷陰極10の形成
は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、蒸着
法等の真空薄膜形成法によればよいが、反応性イオンプ
レーティング法、同時スパッタリング法等が好ましい。
Next, as shown in FIG. 3, a thin film in which the conductive fine particles 8 are finely dispersed in the cold cathode base material 4 is formed to a predetermined thickness to form a cold cathode 10. The cold cathode 10 at this time may be formed by a vacuum thin film forming method such as an ion plating method, a sputtering method, or a vapor deposition method, but a reactive ion plating method or a co-sputtering method is preferable.

【0039】反応性イオンプレーティング法によると
き、基板温度は100〜500℃程度とし、冷陰極基材
4および導電性微粒子8に応じた合金等の蒸着源を用い
て、これを電子ビーム加熱し、必要に応じ、C源やN源
あるいはB源としてガスを導入する。C源のガスとして
は、C22 、C24 、C26 、CH4 等、N源の
ガスとしてはNH3 、N2 、N22 等、B源のガスと
してはB26 等の反応性ガスを用いればよい。このと
きのガス圧は1.0×10-2Pa〜0.2Pa程度とすれば
よく、イオン化するためのプローブ電流は1〜5 程
度、基板−ハース間のバイアス電圧は1〜5kV程度とす
る。
According to the reactive ion plating method, the substrate temperature is set to about 100 to 500 ° C., and the cold cathode substrate 4 and the conductive fine particles 8 are heated by electron beam using an evaporation source such as an alloy. If necessary, a gas is introduced as a C source, an N source or a B source. The C source gas is C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , CH 4, etc., the N source gas is NH 3 , N 2 , N 2 H 2, etc., and the B source gas is A reactive gas such as B 2 H 6 may be used. The gas pressure at this time may be about 1.0 × 10 -2 Pa to 0.2 Pa, the probe current for ionization is about 1 to 5 and the bias voltage between the substrate and the hearth is about 1 to 5 kV. .

【0040】同時スパッタリング法によるとき、例えば
図8に示されるようなスパッタリング装置を用い、Ni
等の冷陰極基材材料で構成されたターゲット11上に導
電性微粒子材料あるいはその構成元素で構成されたチッ
プ12を載置し、このターゲット11に絶縁性基板1
(表面には絶縁層2を有する)を対置すればよい。この
場合、圧力は0.1〜2.0Pa程度、雰囲気は導電性微
粒子8の材料等に応じ、C源となるCH4 、C26
24 、C22 等の炭化水素ガスやN源となるN
2 、NH3 、N22 等の窒化物ガス、あるいはB源と
なるB26 等のホウ化物ガス等の反応性ガスGを適宜
導入してもよい。電源13のRFパワーは0.3〜5kW
程度、基板温度は100〜500℃程度とすればよい。
また、必要に応じ、アノード側に500V 程度以下の負
のバイアス電圧を印加してもよい。
When the simultaneous sputtering method is used, a sputtering apparatus as shown in FIG.
A chip 12 made of a conductive fine particle material or its constituent elements is placed on a target 11 made of a cold cathode base material such as
(The surface has the insulating layer 2) may be placed opposite. In this case, the pressure is about 0.1 to 2.0 Pa, and the atmosphere is CH 4 , C 2 H 6 , which becomes a C source, depending on the material of the conductive fine particles 8 and the like.
Hydrocarbon gas such as C 2 H 4 and C 2 H 2 and N as N source
A reactive gas G such as a nitride gas such as 2 , NH 3 or N 2 H 2 or a boride gas such as B 2 H 6 serving as a B source may be appropriately introduced. RF power of power supply 13 is 0.3-5 kW
The substrate temperature may be about 100 to 500 ° C.
Further, if necessary, a negative bias voltage of about 500 V or less may be applied to the anode side.

【0041】また、冷陰極10は、図9に示されるよう
に、非晶質状もしくは微結晶状の冷陰極用導体層9を形
成し、この冷陰極用導体層9を熱処理してもよい。この
ときの冷陰極用導体層9は、冷陰極基材の構成元素と導
電性微粒子の構成元素から構成されるものであり、図8
のスパッタリング装置を用いて反応性同時スパッタリン
グ法等により形成することが好ましい。具体的には、前
記の同時スパッタリング法の場合と同様に、ターゲット
11およびチップ12、ならびに絶縁性基板1を配置し
て行えばよい。ただし、基板温度は0〜100℃、特に
室温(15℃〜30℃程度)付近の温度とし、圧力は
0.1〜2.0Pa程度、雰囲気はAr等の不活性ガスと
冷陰極10の構成に応じて導入されるC源やN源、ある
いはB源となる反応性ガスとを導入したものとすればよ
く、その流量は全体で20〜100sccm程度とし、反応
性ガスを導入するときAr等の不活性ガスが80〜99
%程度となるようにする。電源13のRFパワーは0.
3〜3.0kW程度とすればよい。
As shown in FIG. 9, the cold cathode 10 may be formed by forming an amorphous or microcrystalline cold cathode conductor layer 9 and heat treating the cold cathode conductor layer 9. . The cold cathode conductor layer 9 at this time is composed of the constituent elements of the cold cathode base material and the constituent elements of the conductive fine particles.
It is preferable that the film is formed by the reactive co-sputtering method or the like using the above sputtering apparatus. Specifically, the target 11 and the chip 12 and the insulating substrate 1 may be arranged in the same manner as in the case of the simultaneous sputtering method. However, the substrate temperature is 0 to 100 ° C., particularly a temperature around room temperature (about 15 ° C. to 30 ° C.), the pressure is about 0.1 to 2.0 Pa, the atmosphere is an inert gas such as Ar, and the cold cathode 10 is composed. The C source, the N source, or the reactive gas serving as the B source, which is introduced in accordance with the above, may be introduced. The total flow rate is about 20 to 100 sccm, and when the reactive gas is introduced, Ar, etc. 80 to 99 of inert gas
It should be about%. The RF power of the power supply 13 is 0.
It may be about 3 to 3.0 kW.

【0042】このようにして得られた冷陰極用導体層9
に対し熱処理を行う。このような熱処理により、非晶質
状もしくは微結晶状の冷陰極用導体層9は、結晶化し、
図3に示されるように導電性微粒子8が冷陰極基材4中
に微細分散した冷陰極が形成される。
The conductor layer 9 for cold cathode thus obtained
Is heat-treated. By such heat treatment, the amorphous or microcrystalline cold cathode conductor layer 9 is crystallized,
As shown in FIG. 3, the cold cathode in which the conductive fine particles 8 are finely dispersed in the cold cathode substrate 4 is formed.

【0043】成膜後の冷陰極用導体層9が非晶質状もし
くは微結晶状であること、そして熱処理により結晶化す
ることはX線回折分析法(XRD)等の結果から確認す
ることができる。
It can be confirmed from the results of X-ray diffraction analysis (XRD) that the conductor layer 9 for cold cathode after film formation is amorphous or microcrystalline, and that it is crystallized by heat treatment. it can.

【0044】熱処理方法に特に制限はなく、抵抗加熱ヒ
ーターを用いて真空中で行う方法、拡散炉を用いてAr
等の不活性ガス中で行う方法、エキシマレーザーを用い
た方法等のいずれであってもよい。このときの熱処理温
度は成膜温度以上の温度で効果が現れることから、成膜
温度〜700℃とすればよく、通常250℃〜700
℃、さらには300℃〜600℃とすることが好まし
い。熱処理温度が低すぎると、次に説明する硝酸−リン
酸系エッチング液等によるウェットエッチングが困難と
なりやすい。これは、導電性微粒子8の成長が不十分
で、冷陰極基材4中に不純物が多くなるためと考えられ
る。この不純物は、未反応物等であり、例えば導電性微
粒子8がTiCであるときはTi、C(非晶質のものも
含む)などと考えられる。また、熱処理温度が高くなる
と、ガラス基板が軟化し、その結果基板にそりや膜の剥
離等が生じたりして素子の作成が困難になる。このた
め、基板材料として安価なガラスが使えなくなり、石英
等の高価な耐熱性の材料を使用する必要が生じる。
The heat treatment method is not particularly limited, and the method is performed in vacuum using a resistance heater, and Ar is used in a diffusion furnace.
And the like, or a method using an excimer laser. Since the heat treatment temperature at this time is effective at a film formation temperature or higher, the film formation temperature may be set to 700 ° C., and usually 250 ° C. to 700 ° C.
C., and more preferably 300 to 600.degree. If the heat treatment temperature is too low, wet etching with a nitric acid-phosphoric acid-based etching solution described below tends to be difficult. It is considered that this is because the growth of the conductive fine particles 8 is insufficient and the cold cathode base material 4 contains a large amount of impurities. These impurities are unreacted substances, and are considered to be Ti, C (including amorphous substances) when the conductive fine particles 8 are TiC, for example. Further, when the heat treatment temperature becomes high, the glass substrate is softened, and as a result, warpage, film peeling, or the like occurs on the substrate, which makes it difficult to manufacture an element. Therefore, inexpensive glass cannot be used as the substrate material, and it becomes necessary to use an expensive heat-resistant material such as quartz.

【0045】熱処理時間は熱処理温度に依存し、高温と
すれば処理時間を短縮できるが、上記温度に、通常0.
5〜5時間保持する。
The heat treatment time depends on the heat treatment temperature, and if the temperature is high, the treatment time can be shortened.
Hold for 5-5 hours.

【0046】次に、図4に示されるように、冷陰極10
上にレジスト5を設けた後、冷陰極10に対してフォト
プロセスおよび硝酸−リン酸系等のエッチング液による
ウェットエッチングを用いた成形を行い、さらに絶縁層
2をバッファードフッ素酸(BHF)等のエッチング液
を用いてウェットエッチングする。このとき冷陰極10
上のレジストはそのまま除去しない。このときのフォト
プロセスによる冷陰極10のパターニングは例えば図7
に示すようなものである。さらに図5に示されるよう
に、全面にCr膜等のゲート電極と同材料の膜6および
ゲート電極7を蒸着法等により所定の厚さに形成する。
この後、図6に示されるように、レジスト5、Cr膜等
の膜6を剥離液によって除去する。
Next, as shown in FIG. 4, the cold cathode 10
After the resist 5 is provided thereon, the cold cathode 10 is molded using a photo process and wet etching with an etching solution such as nitric acid-phosphoric acid, and the insulating layer 2 is further coated with buffered fluoric acid (BHF) or the like. Wet etching is performed using the etching solution of. At this time, the cold cathode 10
The upper resist is not removed as it is. The patterning of the cold cathode 10 by the photo process at this time is performed by, for example, FIG.
As shown in. Further, as shown in FIG. 5, a film 6 and a gate electrode 7 made of the same material as the gate electrode, such as a Cr film, are formed on the entire surface by a vapor deposition method or the like to a predetermined thickness.
After that, as shown in FIG. 6, the resist 5 and the film 6 such as a Cr film are removed by a stripping solution.

【0047】本発明の冷陰極電子源素子は図1に示され
る構成に限定されるものではなく、図10に示されるも
のであってもよい。図10に示される冷陰極電子源素子
は、図1に示されるものと、冷陰極10の作製方法が異
なる点と、ゲート電極7bがゲート絶縁層14bを介し
て配置されている点を除けば同様の構成である。
The cold cathode electron source element of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1 and may be the one shown in FIG. The cold cathode electron source device shown in FIG. 10 is different from that shown in FIG. 1 in the manufacturing method of the cold cathode 10, and except that the gate electrode 7b is arranged via the gate insulating layer 14b. It has the same configuration.

【0048】この場合の冷陰極10は、冷陰極基材4を
構成する元素の薄層と導電性微粒子8を構成する元素の
薄層とを交互に積層して冷陰極用導体層を形成し、好ま
しくは熱処理を施し、さらにこの導体層を加工して作製
したものである。このような作製方法をとるため、前述
のように、例えば導電性微粒子8が炭化物、窒化物等で
ある場合、冷陰極基材4の材料が炭化、窒化等されにく
い良導体材料を用いるというような制限はなくなる。こ
のような導電性微粒子8の材料と冷陰極基材4の材料と
の組合せとしては、TiCとTi、TiCとMo、Ta
CとMoの組合せのように、Ti、Zr、Nb、Mo、
Hf、Ta、W等の遷移金属の炭化物とCr、Ni、C
u、Al、Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、Wなどとの
組合せ;TaNとNb、ZrNとWの組合せのように、
Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属
の窒化物とCr、Ni、Cu、Al、Ti、Zr、N
b、Hf、Ta、Wなどとの組合せ;LaB6 とMo、
TaBとZrの組合せのようにLa、Ce、Pr、G
d、Ti、Ta等の希土類金属や遷移金属のホウ化物と
Cr、Ni、Cu、Al、Ti、Zr、Nb、Hf、T
a、Wなどとの組合せ;等がある。なお、図10におけ
るゲート絶縁層14bは、他の絶縁層と同様にSiO2
等で構成すればよく、その厚さは0.1〜2.0nm程度
である。その他の構成は図1のものと同様である。
In the cold cathode 10 in this case, a thin layer of an element forming the cold cathode base material 4 and a thin layer of an element forming the conductive fine particles 8 are alternately laminated to form a cold cathode conductor layer. It is preferably produced by heat treatment and further processing this conductor layer. In order to adopt such a manufacturing method, as described above, for example, when the conductive fine particles 8 are a carbide, a nitride, or the like, the material of the cold cathode base material 4 is a good conductor material that is hard to be carbonized or nitrided. There is no limit. Examples of the combination of the material of the conductive fine particles 8 and the material of the cold cathode base material 4 include TiC and Ti, TiC and Mo, Ta.
Like the combination of C and Mo, Ti, Zr, Nb, Mo,
Carbides of transition metals such as Hf, Ta, W and Cr, Ni, C
u, Al, Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, W and the like; like TaN and Nb, ZrN and W,
Nitride of transition metals such as Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W and Cr, Ni, Cu, Al, Ti, Zr, N
b, Hf, Ta, W, etc. combination; LaB 6 and Mo,
La, Ce, Pr, G like the combination of TaB and Zr
Borides of rare earth metals or transition metals such as d, Ti, Ta and Cr, Ni, Cu, Al, Ti, Zr, Nb, Hf, T
a, W, etc .; and the like. The gate insulating layer 14b in FIG. 10 is made of SiO 2 similarly to the other insulating layers.
The thickness is about 0.1 to 2.0 nm. Other configurations are the same as those in FIG.

【0049】次に、図10の冷陰極電子源素子の製造方
法について説明する。まず、図11に示されるように、
絶縁性基板1の表面に絶縁層2をスパッタリング法等に
よって所定厚に形成する。
Next, a method of manufacturing the cold cathode electron source element of FIG. 10 will be described. First, as shown in FIG.
The insulating layer 2 is formed on the surface of the insulating substrate 1 to have a predetermined thickness by a sputtering method or the like.

【0050】次に、図12に示されるように、絶縁層2
の表面に、例えば図17に示されるスパッタリング装置
を用いて、冷陰極基材4を構成する元素の薄層3aと導
電性微粒子8を構成する成分の薄層3bとを交互に積層
し、これらの交互堆積層により冷陰極用導体層3を成膜
する。
Next, as shown in FIG. 12, the insulating layer 2
17, the thin layer 3a of the element that constitutes the cold cathode substrate 4 and the thin layer 3b of the component that constitutes the conductive fine particles 8 are alternately laminated on the surface of The conductor layer 3 for cold cathode is formed by the alternating deposition layers of.

【0051】これらの交互堆積層を形成するには、例え
ば図17に示されるように、Ni等の冷陰極基材材料で
構成されたターゲット15とTiC等の導電性微粒子材
料あるいはその構成元素で構成されたターゲット16を
用いて多元スパッタリングを行えばよく、これらのター
ゲット15、16に絶縁性基板1(表面に絶縁層2を有
する)を載置したターンテーブルを対向させ、これを回
転させながら成膜を行う。
To form these alternating deposited layers, for example, as shown in FIG. 17, a target 15 made of a cold cathode base material such as Ni and a conductive fine particle material such as TiC or its constituent elements are used. It suffices to perform multi-source sputtering by using the configured target 16, and a turntable on which the insulating substrate 1 (having the insulating layer 2 on the surface) is mounted is opposed to these targets 15 and 16 while rotating the target. A film is formed.

【0052】冷陰極基材4を構成する成分の薄層3aを
形成する場合、Ar等の不活性ガスG1のみを導入して
スパッタリングを行う。また導電性微粒子8を構成する
成分の薄層3bを形成する場合、炭化物等の材料では、
不活性ガスG1とともに、炭化水素等の反応性ガスG2
を導入して反応性スパッタリングを行う。これらの成膜
は交互に、かつ異なる位置で行う。これにより、異なる
位置に配置した2つのターゲットを用い、常時反応性ガ
スG2を導入してスパッタリングを行うよりも、非晶質
炭素などの不純物が生成するのを抑制することができ
る。
When forming the thin layer 3a of the constituents of the cold cathode substrate 4, sputtering is carried out by introducing only an inert gas G1 such as Ar. Further, when forming the thin layer 3b of the component that constitutes the conductive fine particles 8, in the case of a material such as carbide,
Reactive gas G2 such as hydrocarbon together with the inert gas G1
Is introduced to perform reactive sputtering. These film formations are performed alternately and at different positions. As a result, it is possible to suppress the generation of impurities such as amorphous carbon as compared with the case where two targets arranged at different positions are used and the reactive gas G2 is constantly introduced to perform sputtering.

【0053】このように、交互にスパッタリングと反応
性スパッタリングとを同一真空容器中で行うためには、
例えばシャッター18の開閉を制御することによって行
えばよい。また、不純物の生成をさらに抑制するため
に、基板1側にもシャッターを設け、対向するターゲッ
ト15、16側のシャッター18の開閉に同期させて基
板1側のシャッターの開閉を制御するようにしてもよ
い。
As described above, in order to alternately perform sputtering and reactive sputtering in the same vacuum chamber,
For example, it may be performed by controlling the opening / closing of the shutter 18. Further, in order to further suppress the generation of impurities, a shutter is also provided on the substrate 1 side, and the opening / closing of the shutter on the substrate 1 side is controlled in synchronization with the opening / closing of the shutter 18 on the opposing targets 15 and 16. Good.

【0054】基板温度は100〜400℃程度、圧力は
0.1〜2.0Pa程度、雰囲気ガスの流量は全体で20
〜100sccm程度とし、反応性ガスを導入するときは全
体の1〜20%程度とすればよい。
The substrate temperature is about 100 to 400 ° C., the pressure is about 0.1 to 2.0 Pa, and the flow rate of the atmospheric gas is 20 in total.
˜100 sccm, and when introducing the reactive gas, it may be about 1-20% of the whole.

【0055】また、電源17のRFパワーは0.3〜
3.0kW程度とすればよく、Ni等の薄層3aを形成す
るためのスパッタリングを行うときには、アノード側を
グランドに接地するなどすればよく、導電性微粒子8の
構成元素の薄層3bを形成するための反応性スパッタリ
ングを行うときには、必要に応じ、基板側に500V 程
度以下の負のバイアス電圧を印加するなどすればよい。
The RF power of the power source 17 is 0.3 to
It may be about 3.0 kW, and when performing sputtering for forming the thin layer 3a of Ni or the like, the anode side may be grounded, and the thin layer 3b of the constituent element of the conductive fine particles 8 is formed. When performing reactive sputtering for this purpose, a negative bias voltage of about 500 V or less may be applied to the substrate side, if necessary.

【0056】さらに、冷陰極基材4の材料のみをターゲ
ットとしスパッタリングと反応性スパッタリングを交互
に行うこともできる。例えばTiC−Tiのような組合
せのときは、図18に示されるように、Ti等の冷陰極
基材材料のターゲット21に絶縁性基板1を載置した回
転テーブルを対置し、交互にスパッタリングと反応性ス
パッタリングを行う。
Further, it is possible to perform sputtering and reactive sputtering alternately by using only the material of the cold cathode base material 4 as a target. For example, in the case of a combination such as TiC-Ti, as shown in FIG. 18, a rotary table on which the insulating substrate 1 is placed is placed opposite to a target 21 made of a cold cathode base material such as Ti, and sputtering and alternating sputtering are performed. Perform reactive sputtering.

【0057】Ti等の薄層3aを形成するためのスパッ
タリングを行うときには、Ar等の不活性ガスG1のみ
を導入し、導電性微粒子8の構成成分の薄層3bを形成
するための反応性スパッタリングを行うときには、Ar
等の不活性ガスG1と炭化水素等の反応性ガスG2とを
導入すればよい。その具体的条件は、上記と同様であ
る。また、非晶質炭素等の不純物の生成をより一層防止
するために、図18に示されるように、雰囲気ガスの切
換時にターゲット21側と基板1側の両方に設けたそれ
ぞれのシャッター25および26を開閉することが好ま
しい。
At the time of performing the sputtering for forming the thin layer 3a of Ti or the like, only the inert gas G1 such as Ar is introduced and the reactive sputtering for forming the thin layer 3b of the constituent component of the conductive fine particles 8 is performed. When performing
An inert gas G1 such as the above and a reactive gas G2 such as a hydrocarbon may be introduced. The specific conditions are the same as above. In order to further prevent the generation of impurities such as amorphous carbon, as shown in FIG. 18, the shutters 25 and 26 provided on both the target 21 side and the substrate 1 side at the time of switching the atmosphere gas. It is preferable to open and close.

【0058】冷陰極基材4の構成成分の薄層3aの厚さ
は、1〜100nm程度、より好ましくは10〜40nm程
度とすることが好ましい。このような厚さとすることに
よって、導電性微粒子8の分散性に優れた冷陰極10が
得られる。これに対し、厚くなりすぎると導電性微粒子
8の分散量が少なくなり、実質的に冷陰極基材4のみで
形成した場合と同様の特性しか得られなくなり、薄すぎ
ると導電性微粒子8の分散性が悪化し、微細加工が困難
となる。
The thickness of the thin layer 3a, which is a constituent of the cold cathode substrate 4, is preferably about 1 to 100 nm, more preferably about 10 to 40 nm. With such a thickness, the cold cathode 10 having excellent dispersibility of the conductive fine particles 8 can be obtained. On the other hand, if the thickness is too thick, the amount of the conductive fine particles 8 dispersed will be small, and substantially the same characteristics as in the case of forming only the cold cathode base material 4 will be obtained, and if it is too thin, the dispersion of the conductive fine particles 8 will be obtained. Property deteriorates, and fine processing becomes difficult.

【0059】導電性微粒子8の構成成分の薄層3bの厚
さは、0.5nm〜50nm(5A 〜500A )、好ましく
は1nm〜10nm(10A 〜100A )とすることが好ま
しい。このような厚さとすることによって、導電性微粒
子8の分散性に優れた冷陰極10が得られる。これに対
し、薄くなると、TiC等の導電性微粒子となる結晶の
核生成が不十分であるため、非晶質状のTi、C混合膜
等の不純物が堆積しやすく、熱処理後もTiC等の導電
性微粒子となる結晶体積率はあまり向上しない。また、
薄層を再現性よく形成することは困難である。一方、厚
くなりすぎると連続膜構造となり、TiC等の微結晶粒
子がNi等の冷陰極基材中に分散含有された構造にはな
らなくなってくる。熱処理を施すと部分的にTiC等の
微結晶構造粒子が分散含有された構造にはなるものの、
ほぼ連続膜構造を維持しているので冷陰極用導体層のエ
ッチング加工が困難である。
The thickness of the thin layer 3b which is a constituent of the conductive fine particles 8 is 0.5 nm to 50 nm (5 A to 500 A), preferably 1 nm to 10 nm (10 A to 100 A). With such a thickness, the cold cathode 10 having excellent dispersibility of the conductive fine particles 8 can be obtained. On the other hand, when the thickness is reduced, the nucleation of crystals that become conductive fine particles such as TiC is insufficient, so that impurities such as amorphous Ti and C mixed films are easily deposited, and even after heat treatment, TiC and the like are not deposited. The crystal volume ratio of the conductive fine particles does not improve so much. Also,
It is difficult to form thin layers with good reproducibility. On the other hand, if the thickness becomes too thick, a continuous film structure is formed, and the structure in which microcrystalline particles such as TiC are dispersedly contained in the cold cathode base material such as Ni cannot be obtained. Although heat treatment gives a structure in which fine crystal structure particles such as TiC are partially contained,
Since a substantially continuous film structure is maintained, it is difficult to etch the cold cathode conductor layer.

【0060】また、薄層3bと薄層3aとの厚さの比
は、薄層3b/薄層3aが1/99〜1/2程度、好ま
しくは1/50〜1/3であることが好ましい。また、
積層数は、各々5〜30層程度とすればよく、最下層は
冷陰極基材4の構成元素からなる薄層3aとすればよ
い。
Further, the thickness ratio of the thin layer 3b and the thin layer 3a is about 1/99 to 1/2, preferably 1/50 to 1/3 for the thin layer 3b / thin layer 3a. preferable. Also,
The number of laminated layers may be about 5 to 30 layers, respectively, and the bottom layer may be a thin layer 3a composed of the constituent elements of the cold cathode substrate 4.

【0061】成膜時のTiC等の薄層3bは膜厚が薄い
ため、表面を全面にTiC等が被覆した連続構造ではな
く、島状構造となっており、しかもTiC等は非晶質と
微結晶が混在するいわゆる微結晶の状態である。このこ
とは断面TEMにより確認することができる。
Since the thin layer 3b of TiC or the like at the time of film formation is thin, it has an island-like structure rather than a continuous structure in which the entire surface is covered with TiC or the like, and TiC and the like are amorphous. This is a so-called microcrystal state in which microcrystals are mixed. This can be confirmed by a cross-sectional TEM.

【0062】スパッタリング条件等により、結晶性の良
好な導電性微粒子8の構成成分の薄層3bを得ることも
できるが、通常は成膜後冷陰極用導体層3に対し前述の
熱処理を行うことが好ましい。このような熱処理によ
り、TiC等の導電性微粒子材料の結晶性が向上し、導
電性微粒子8の分散性が向上する。熱処理方法や条件等
については前記と同様である。熱処理後の冷陰極用導体
層3は断面TEM観察によれば、図13に示されるよう
に、Ni等の冷陰極基材4中にTiC等の導電性微粒子
8がほぼ均一に分散した構造に変化しており、しかもそ
れぞれのTiC等の微粒子は前記粒径範囲の結晶である
ことが確認される。また、TiC等の導電性微粒子材料
の結晶性の向上は、X線回折分析法によっても確認でき
る。
It is possible to obtain a thin layer 3b of the constituent components of the conductive fine particles 8 having good crystallinity depending on the sputtering conditions and the like, but normally, the above-mentioned heat treatment is performed on the cold cathode conductor layer 3 after film formation. Is preferred. By such heat treatment, the crystallinity of the conductive fine particle material such as TiC is improved, and the dispersibility of the conductive fine particles 8 is improved. The heat treatment method and conditions are the same as above. According to the cross-section TEM observation, the conductor layer 3 for cold cathode after the heat treatment has a structure in which the conductive fine particles 8 such as TiC are almost uniformly dispersed in the cold cathode substrate 4 such as Ni as shown in FIG. It has been confirmed that the particles have changed, and that each fine particle such as TiC is a crystal in the above particle size range. Further, the improvement of the crystallinity of the conductive fine particle material such as TiC can be confirmed by the X-ray diffraction analysis method.

【0063】このようにして冷陰極用導体層3を形成し
た後の工程は、図1のものを作製する時とほぼ同様であ
る。
The steps after forming the cold cathode conductor layer 3 in this manner are almost the same as those for manufacturing the one shown in FIG.

【0064】まず、Ni等の冷陰極基材4とTiC等の
導電性微粒子8とから構成される冷陰極用導体層3の上
の冷陰極に相当する部分に、レジスト5を設けた後、硝
酸−リン酸系等のエッチング液を用いたウェットエッチ
ングで、冷陰極導体層3を冷陰極10に加工し、さらに
絶縁層2をBHF等のエッチング液によりウエットエッ
チングする。このときレジストはそのままにして除去し
ない。この工程によってできた構造が図14に示され
る。なお、冷陰極用導体層3を冷陰極10に加工するに
は、上記のウェットエッチングにかえて、リアクティブ
イオンエッチング(RIE)等のドライエッチングによ
ってもよい。
First, a resist 5 is provided on a portion corresponding to a cold cathode on a cold cathode conductor layer 3 composed of a cold cathode base material 4 such as Ni and conductive fine particles 8 such as TiC. The cold cathode conductor layer 3 is processed into the cold cathode 10 by wet etching using an etching solution such as nitric acid-phosphoric acid, and the insulating layer 2 is wet-etched with an etching solution such as BHF. At this time, the resist is left as it is and not removed. The structure formed by this process is shown in FIG. To process the cold cathode conductor layer 3 into the cold cathode 10, dry etching such as reactive ion etching (RIE) may be used instead of the above wet etching.

【0065】さらに図15に示されるように、全面に所
定の厚さのSiO2 等の絶縁膜14aと、ゲート電極用
の所定の厚さの所定材料の膜7aを蒸着法等によりこの
順序で成膜し、同時にSiO2 等のゲート絶縁層14b
と、ゲート電極7bを形成する。
Further, as shown in FIG. 15, an insulating film 14a such as SiO 2 having a predetermined thickness and a film 7a of a predetermined material having a predetermined thickness for the gate electrode are formed on the entire surface in this order by vapor deposition or the like. A film is formed and at the same time, a gate insulating layer 14b such as SiO 2 is formed.
Then, the gate electrode 7b is formed.

【0066】この場合レジスト5の上には不要なSiO
2 等の絶縁膜14aおよび不要なCr等のゲート電極と
同材料の膜7aが存在するので、この次に、不要なSi
2等の絶縁膜14aおよび不要な膜7aをレジスト5
からリフトオフして図10に示される冷陰極電子源素子
を作製する。この際、冷陰極電子源素子アレイの構造と
しては、例えば図16に示すものがある。
In this case, unnecessary SiO is deposited on the resist 5.
Since there is the insulating film 14a such as 2 and the film 7a made of the same material as the unnecessary gate electrode such as Cr, the unnecessary Si
The insulating film 14a such as O 2 and the unnecessary film 7a are applied to the resist 5
Is lifted off to manufacture the cold cathode electron source element shown in FIG. At this time, the structure of the cold cathode electron source element array is, for example, that shown in FIG.

【0067】本発明の冷陰極電子源素子は図19に示さ
れる構造とすることができる。図19に示される冷陰極
電子源素子は、図10に示されるものと、冷陰極10が
絶縁層を介することなく直接絶縁性基板1に配置されて
いる点を除けば同様の構成のものである。
The cold cathode electron source element of the present invention can have the structure shown in FIG. The cold cathode electron source element shown in FIG. 19 has the same structure as that shown in FIG. 10 except that the cold cathode 10 is directly arranged on the insulating substrate 1 without an insulating layer. is there.

【0068】以上の冷陰極電子源素子はいわゆる横型エ
ミッタと呼ばれる構造である。この他、本発明では、縦
型エミッタ構造としてもよい。縦型エミッタは、横型エ
ミッタよりも単位面積当たりの素子数が多い高密度素子
とすることが可能であり、フラットパネルディスプレイ
などのようにX−Yマトリックス配線を要するディバイ
スへの応用が比較的簡易なプロセスで実現できる。
The cold cathode electron source element described above has a so-called lateral emitter structure. Besides, in the present invention, a vertical emitter structure may be used. The vertical emitter can be a high-density element that has more elements per unit area than the horizontal emitter, and is relatively easy to apply to devices that require XY matrix wiring, such as flat panel displays. It can be realized by various processes.

【0069】図20に示される冷陰極電子源素子は冷陰
極40と、それを取り囲むゲート電極7bとを有するも
のであり、図示例は冷陰極40の外形形状、ゲート電極
7bの内周形状とも円形である。この構造のときにも本
発明ではエミッタをコーン状に微細加工する必要がない
というメリットがある。この素子は、図21〜図25の
工程に従って作製される。まず、図21に示されるよう
に、ガラス基板1上にエミッタ用配線層32を堆積した
後、従来のフォトリソグラフィー技術により所定の配線
パターンに加工する。次に図22に示されるように、エ
ミッタ用配線層32の表面に、導電性スペーサ層36を
形成し、さらに冷陰極用導体層33を交互スパッタリン
グにより堆積する。その後、この冷陰極用導体層33を
熱処理する。これにより冷陰極用導体層33中の導電性
微粒子の材料は、図22に示されるような島状構造33
bから図23に示されるような微粒子分散構造に変化
し、導電性微粒子38が形成される。これとともに冷陰
極用導体層33中の冷陰極基材33aは結晶性の増した
冷陰極基材34に変化し、導電性微粒子38が冷陰極基
材34に分散した冷陰極用導体層40が形成されること
となる。
The cold cathode electron source element shown in FIG. 20 has a cold cathode 40 and a gate electrode 7b surrounding the cold cathode 40. In the illustrated example, both the outer shape of the cold cathode 40 and the inner peripheral shape of the gate electrode 7b are shown. It is circular. Even with this structure, the present invention has an advantage that it is not necessary to finely process the emitter into a cone shape. This element is manufactured according to the steps of FIGS. First, as shown in FIG. 21, after the emitter wiring layer 32 is deposited on the glass substrate 1, it is processed into a predetermined wiring pattern by a conventional photolithography technique. Next, as shown in FIG. 22, a conductive spacer layer 36 is formed on the surface of the emitter wiring layer 32, and a cold cathode conductor layer 33 is further deposited by alternate sputtering. After that, the cold cathode conductor layer 33 is heat-treated. As a result, the material of the conductive fine particles in the conductor layer 33 for the cold cathode is the island-shaped structure 33 as shown in FIG.
The structure changes from b to the fine particle dispersion structure as shown in FIG. 23, and the conductive fine particles 38 are formed. At the same time, the cold cathode substrate 33a in the conductor layer 33 for cold cathode is changed to the cold cathode substrate 34 with increased crystallinity, and the conductor layer 40 for cold cathode in which the conductive fine particles 38 are dispersed in the cold cathode substrate 34 is formed. Will be formed.

【0070】その後、図24に示されるように所定の素
子領域の冷陰極用導体層40表面に、円形のレジストパ
ターン35をフォトリソグラフィー技術により形成し、
冷陰極用導体層40をエッチング加工する。そして、例
えばドライエッチング法によりスペーサ層36を加工
し、図24に示される構造を形成する。さらに、図25
に示されるように、ゲート絶縁層14bおよびゲート電
極7bを形成するために、蒸着法等によりゲート絶縁層
14bと同じ材料の膜およびゲート電極7bと同じ材料
の膜をこの順番で全面に成膜する。ここでレジスト35
上には不要な膜14aおよび膜7aが存在しているの
で、これをレジスト剥離液に浸漬し、レジストおよび不
要な膜14a、7aを除去する。これにより図20に示
される冷陰極電子源素子が作製される。さらにその後、
ゲート電極層7bおよびゲート絶縁層14bをフォトエ
ッチング加工し、例えば図26に示されるようなゲート
配線パターンを形成する。
After that, as shown in FIG. 24, a circular resist pattern 35 is formed on the surface of the cold cathode conductor layer 40 in a predetermined element region by a photolithography technique.
The cold cathode conductor layer 40 is etched. Then, the spacer layer 36 is processed by, for example, a dry etching method to form the structure shown in FIG. Furthermore, FIG.
As shown in FIG. 3, in order to form the gate insulating layer 14b and the gate electrode 7b, a film made of the same material as the gate insulating layer 14b and a film made of the same material as the gate electrode 7b are formed on the entire surface in this order by a vapor deposition method or the like. To do. Resist 35 here
Since the unnecessary film 14a and the film 7a are present on the upper side, they are immersed in a resist stripping solution to remove the resist and the unnecessary films 14a and 7a. As a result, the cold cathode electron source device shown in FIG. 20 is manufactured. After that,
The gate electrode layer 7b and the gate insulating layer 14b are photoetched to form a gate wiring pattern as shown in FIG. 26, for example.

【0071】本発明の冷陰極素子源素子は、以上の例に
限らず、種々のものであってよい。
The cold cathode element source element of the present invention is not limited to the above examples, but may be various kinds.

【0072】本発明の冷陰極電子源素子の適用例を図2
7に示す。図27には、絶縁性基板1上に冷陰極10と
ゲート絶縁層14bを介してゲート電極7bとを有する
冷陰極電子源素子を、フラットパネルディスプレイ用の
電子源として用いたものが示されている。図示のよう
に、冷陰極10とゲート電極7bとに電圧を印加するこ
とにより冷陰極10表面に電界が集中し、電子eの放出
が起きる。電子eはゲート電極7bの作用によりその放
出量が適正に制御された状態で、蛍光物質層31を表面
に担持したアノード30に達する。そして、このときの
電子の作用により蛍光物質層31が発光する。このほ
か、本発明の冷陰極電子源素子は、高周波用増巾器、ス
イッチング素子等にも適用することができる。
FIG. 2 shows an application example of the cold cathode electron source device of the present invention.
7 shows. FIG. 27 shows an example in which a cold cathode electron source element having a cold cathode 10 and a gate electrode 7b via a gate insulating layer 14b on an insulating substrate 1 is used as an electron source for a flat panel display. There is. As shown in the figure, by applying a voltage to the cold cathode 10 and the gate electrode 7b, an electric field is concentrated on the surface of the cold cathode 10 and electrons e are emitted. The electrons e reach the anode 30 carrying the fluorescent material layer 31 on the surface thereof in a state where the emission amount thereof is appropriately controlled by the action of the gate electrode 7b. Then, the fluorescent substance layer 31 emits light by the action of the electrons at this time. In addition, the cold cathode electron source element of the present invention can be applied to a high frequency amplifier, a switching element, and the like.

【0073】[0073]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。 実施例1 図1に示される冷陰極電子源素子を図2〜図6の工程に
従って作製した。まず、図2に示されるように、ガラス
製の絶縁性基板1(1.1mm厚)の表面に、スパッタリ
ング法を用いてSiO2 の絶縁層2を1μm の厚さに成
膜した。次に、反応性イオンプレーティング法により、
図3に示されるように、導電性微粒子8としてのTiC
粒子が冷陰極基材4としてのNi中に微細分散した薄膜
を厚さを0.3μm に成膜し冷陰極10とした。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below by showing specific examples of the present invention. Example 1 The cold cathode electron source element shown in FIG. 1 was manufactured according to the steps of FIGS. First, as shown in FIG. 2, the surface of the glass insulating substrate 1 (1.1 mm thick) was deposited insulating layer 2 of SiO 2 to a thickness of 1μm by sputtering. Next, by the reactive ion plating method,
As shown in FIG. 3, TiC as the conductive fine particles 8
A thin film in which particles were finely dispersed in Ni as a cold cathode base material 4 was formed to a thickness of 0.3 μm to obtain a cold cathode 10.

【0074】反応性イオンプレーティングは、基板温度
400℃、蒸着源としてNi−50%Ti合金を電子ビ
ーム加熱し、C源としてC2 2 ガスを0.11Paで導
入し、イオン化するためのプローブ電流は2A 、基板−
ハース間のバイアス電圧は2kVとした。
In the reactive ion plating, the substrate temperature is 400 ° C., the Ni-50% Ti alloy is electron beam heated as a vapor deposition source, and C 2 H 2 gas is introduced as a C source at 0.11 Pa for ionization. Probe current is 2A, substrate-
The bias voltage between the hearths was 2 kV.

【0075】次に、図4に示されるように、冷陰極10
上にレジスト5を設けた後、冷陰極10に対してフォト
プロセスによる図7のパターニングを行い、さらに硝酸
−リン酸系のエッチング液を用いてウェットエッチング
を行って成形し、さらに、絶縁層2をBHFによりウエ
ットエッチングした。このとき冷陰極10上のレジスト
5はそのまま除去しなかった。さらに、図5に示される
ように、全面にCr膜6およびゲート電極7としてのC
r膜を蒸着法により0.3μm の厚さに形成した。この
後、図6に示すように、レジスト5,Cr膜6を剥離液
によって除去した。
Next, as shown in FIG. 4, the cold cathode 10
After the resist 5 is provided thereon, the cold cathode 10 is patterned by a photo process as shown in FIG. 7, and wet etching is further performed using a nitric acid-phosphoric acid-based etching solution to form the insulating layer 2. Was wet-etched with BHF. At this time, the resist 5 on the cold cathode 10 was not removed as it was. Further, as shown in FIG. 5, the Cr film 6 and the C as the gate electrode 7 are formed on the entire surface.
The r film was formed to a thickness of 0.3 μm by the vapor deposition method. After that, as shown in FIG. 6, the resist 5 and the Cr film 6 were removed by a stripping solution.

【0076】このようにして、図1の冷陰極電子源素子
を得た。冷陰極10とゲート電極との距離dは約0.7
μm とした。また、冷陰極におけるTiC粒子の平均粒
径はXRDのTiC(200)面ピークから5nm程度、
TEM写真からの一次粒子の平均粒径は5nm程度であっ
た。また、TiC粒子のNiマトリックスに対する割合
は25体積%程度であった。なお、TiCの仕事関数は
3.53eV、Niの仕事関数は4.50eVである。
Thus, the cold cathode electron source element of FIG. 1 was obtained. The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode is about 0.7.
μm. The average particle size of the TiC particles in the cold cathode is about 5 nm from the TiC (200) plane peak of XRD,
The average particle size of the primary particles from the TEM photograph was about 5 nm. The ratio of TiC particles to the Ni matrix was about 25% by volume. The work function of TiC is 3.53 eV, and the work function of Ni is 4.50 eV.

【0077】この冷陰極電子源素子について、電子放出
のための駆動電圧を調べたところ、ゲート電圧20V 付
近から電子放出が確認され、放出電流変動は5%以下で
あった。従来の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧8
0V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動が20
〜40%程度であったのに対し、大巾な特性の改善がみ
られたことになる。
When the driving voltage for electron emission of this cold cathode electron source element was examined, electron emission was confirmed from around a gate voltage of 20 V, and the emission current fluctuation was 5% or less. In the case of the conventional cold cathode electron source device, the gate voltage is 8
Electron emission was confirmed from around 0 V, and emission current fluctuation was 20
Although it was about 40%, it means that the characteristics were greatly improved.

【0078】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定なTiCを微細
な導電性微粒子8として形成できたこと、また、導電性
マトリックスである冷陰極基材4に対して分散含有さ
せ、かつ、冷陰極基材4の表面に露出ないし突出させた
導電性微粒子8を高密度に形成できたので、低電圧から
電子放出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性
が平均化されて安定な電子放出特性を得ることができた
ものと考えられる。
This is because TiC, which has a low work function and is not easily affected by an adsorbed gas or the like, was formed as the fine conductive fine particles 8, and that the cold cathode substrate which is a conductive matrix was used. Since the conductive fine particles 8 dispersedly contained in the material 4 and exposed or projected on the surface of the cold cathode substrate 4 can be formed at a high density, electron emission occurs from a low voltage and the electron emission amount increases. However, it is considered that the electron emission characteristics were averaged and stable electron emission characteristics could be obtained.

【0079】さらに、導電性微粒子8自体は化学的に安
定であるので、エッチング等の微細加工プロセスを施す
ことが困難であるが、冷陰極基材4をエッチングするこ
とで容易に冷陰極電子源素子を形成できる。
Further, since the conductive fine particles 8 themselves are chemically stable, it is difficult to perform a fine processing process such as etching. However, by etching the cold cathode substrate 4, the cold cathode electron source can be easily formed. An element can be formed.

【0080】この際、導電性微粒子8の粒径が小さく、
露出ないし突出状態にあるために、冷陰極10の端部を
特に尖鋭に形成する必要がなくなり、製造プロセスが技
術的に簡易化されることになり、歩留まりの向上を図る
ことにもなる。
At this time, the particle size of the conductive fine particles 8 is small,
Since it is in the exposed or projected state, it is not necessary to form the end portion of the cold cathode 10 particularly sharply, the manufacturing process is technically simplified, and the yield is also improved.

【0081】実施例2 実施例1と同様に基板上にSiO2 層を形成した後、図
8に示されるスパッタリング装置を用いて、Ni中にT
iC粒子を微細分散させた薄膜(0.3μm 厚)を同時
スパッタリング法により形成した。同時スパッタリング
は、Ni製のターゲット(厚さ3mm、直径8インチ)1
1にTiチップ12を載置して行った。Tiチップは1
0mm×10mm×1mmの大きさのものを4個用いた。真空
度は0.5Pa、雰囲気はエチレンガス(3sccm)+アル
ゴンガス(47sccm)とし、電源13のRFパワーは1
kW、基板温度は200℃とした。このときアノード側に
−200V のバイアス電圧を印加した。
Example 2 After forming a SiO 2 layer on a substrate in the same manner as in Example 1, T was added to Ni in the sputtering apparatus shown in FIG.
A thin film (0.3 μm thick) in which iC particles were finely dispersed was formed by the co-sputtering method. Simultaneous sputtering is a Ni target (thickness 3 mm, diameter 8 inches) 1
The Ti chip 12 was mounted on the No. 1 plate. 1 for Ti chip
Four pieces having a size of 0 mm × 10 mm × 1 mm were used. The degree of vacuum is 0.5 Pa, the atmosphere is ethylene gas (3 sccm) + argon gas (47 sccm), and the RF power of the power supply 13 is 1
The kW and substrate temperature were 200 ° C. At this time, a bias voltage of -200 V was applied to the anode side.

【0082】このように冷陰極用導体層を形成した後、
実施例1の場合と同様、冷陰極をフォトプロセスおよび
リン酸−硝酸系エッチング液によるウェットエッチング
により成形し、さらに、SiO2 をBHFエッチング液
によりウェットエッチングした。さらにこの上から、垂
直入射の条件でゲート電極用のCr膜を0.3μm の厚
さに蒸着した。この後、実施例1の場合と同様、レジス
トおよびこのレジスト上の不用のCr膜を剥離液により
除去し冷陰極電子源素子を得た(図1)。冷陰極10と
ゲート電極との距離は実施例1と同様とした。冷陰極に
おけるTiC粒子の平均粒径はXRDの結果から1nm程
度、TEM写真からの一次粒子の平均粒径は1nm程度で
あった。また、TiC粒子のNiマトリックスに対する
割合は5体積%であった。
After forming the cold cathode conductor layer as described above,
As in the case of Example 1, a cold cathode was formed by photoprocess and wet etching with a phosphoric acid-nitric acid-based etching solution, and further SiO 2 was wet-etched with a BHF etching solution. Further, a Cr film for a gate electrode was vapor-deposited to a thickness of 0.3 μm from the above under the condition of vertical incidence. Then, as in the case of Example 1, the resist and the unnecessary Cr film on the resist were removed by a stripping solution to obtain a cold cathode electron source element (FIG. 1). The distance between the cold cathode 10 and the gate electrode was the same as in Example 1. The average particle size of TiC particles in the cold cathode was about 1 nm from the result of XRD, and the average particle size of primary particles from the TEM photograph was about 1 nm. The ratio of TiC particles to the Ni matrix was 5% by volume.

【0083】この冷陰極電子源素子について、実施例1
と同様に特性を調べたところ、従来の冷陰極電子源素子
の場合、ゲート電圧80V 付近から電子放出が確認さ
れ、放出電流変動が20〜40%程度であったの対し、
上記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧40V 付近
から電子放出が確認され、放出電流変動は5%以下であ
った。
Example 1 of this cold cathode electron source device
When the characteristics were examined in the same manner as in the above, in the case of the conventional cold cathode electron source element, electron emission was confirmed from around the gate voltage of 80 V, and the emission current fluctuation was about 20 to 40%.
In the case of the cold cathode electron source device, electron emission was confirmed from around a gate voltage of 40 V, and the emission current fluctuation was 5% or less.

【0084】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定なTiCを微細
な導電性微粒子8として形成でき、しかも、導電性マト
リックスである冷陰極基材4に対して分散含有させ、か
つ、冷陰極基材4の表面に露出ないし突出させた導電性
微粒子8を高密度に形成できたので、低電圧から電子放
出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性が平均
化されて安定な電子放出特性を得ることができたものと
考えられる。さらに、導電性微粒子8自体は化学的に安
定なため、エッチング等の微細加工プロセスを施すこと
が困難であるが、冷陰極基材4をエッチングすること
で、容易に冷陰極電子源素子を形成できる。この際、導
電性微粒子8の粒径が小さく、露出ないし突出状態にあ
るために、冷陰極10の端部を特に尖鋭に形成する必要
がなくなり、製造プロセスが技術的に簡易化されること
になり、歩留まりの向上を図ることにもなる。
This is because the work cathode has a low work function and can be formed of very chemically stable TiC which is not easily affected by the adsorbed gas or the like as fine conductive fine particles 8 and is a cold matrix substrate 4 which is a conductive matrix. Since the conductive fine particles 8 dispersedly contained and exposed or projected on the surface of the cold cathode substrate 4 can be formed at a high density, electron emission occurs from a low voltage, and the electron emission amount increases, It is considered that the electron emission characteristics were averaged and stable electron emission characteristics could be obtained. Further, since the conductive fine particles 8 themselves are chemically stable, it is difficult to perform a fine processing process such as etching. However, by etching the cold cathode base material 4, a cold cathode electron source element can be easily formed. it can. At this time, since the conductive fine particles 8 have a small particle size and are exposed or protruded, it is not necessary to form the end portion of the cold cathode 10 particularly sharply, and the manufacturing process is technically simplified. Therefore, the yield will be improved.

【0085】なお、上記の素子において、Tiチップの
かわりにTiCチップを用いるほかは同様に素子を作製
した。また、エチレンガスのかわりにメタンガス、プロ
パンガス、アセチレンガスを用いて同様に素子を作製し
た。これらのいずれの素子においても上記と同様に良好
な特性を示した。
An element was manufactured in the same manner as the above element except that a TiC chip was used instead of the Ti chip. Further, a device was similarly prepared by using methane gas, propane gas, and acetylene gas instead of ethylene gas. All of these elements showed good characteristics as described above.

【0086】実施例3 実施例1と同様に、基板1上にSiO2 層を形成した
(図2)。次に、図8のスパッタリング装置を用い、図
9に示されるように、Ni−Ti−C系非晶質合金薄膜
(TiCを含有する非晶質Ni基合金薄膜)の冷陰極用
導体層9を反応性同時スパッタリング法により0.3μ
m 厚に形成した。同時スパッタリングは、Niターゲッ
ト(厚さ3mm、直径8インチ)11上にTiチップ12
を載置して行った。Tiチップ12は、大きさ10mm×
10mm×1mmのものを50個用いた。基板温度は室温
(20℃程度)とし、圧力1Pa、雰囲気はArガスとC
22ガスをそれぞれ流量45sccm、5sccmで導入する
ものとし、電源13のRFパワーは1kWとした。
Example 3 As in Example 1, a SiO 2 layer was formed on the substrate 1 (FIG. 2). Next, as shown in FIG. 9, using the sputtering apparatus of FIG. 8, a Ni—Ti—C-based amorphous alloy thin film (amorphous Ni-based alloy thin film containing TiC) for a cold cathode conductor layer 9 is formed. 0.3μ by reactive co-sputtering method
It was formed to a thickness of m. Simultaneous sputtering is performed by Ti tip 12 on Ni target (thickness 3 mm, diameter 8 inch) 11.
Was placed. Ti chip 12 has a size of 10 mm ×
Fifty pieces of 10 mm x 1 mm were used. Substrate temperature is room temperature (about 20 ° C.), pressure is 1 Pa, atmosphere is Ar gas and C
2 H 2 gas was introduced at a flow rate of 45 sccm and 5 sccm, respectively, and the RF power of the power source 13 was set to 1 kW.

【0087】続いて、前記冷陰極用導体層薄膜の熱処理
を行った。この場合、抵抗加熱ヒーターを用いて500
℃、真空中にて2時間保持した。その後、実施例1と同
様にして、図1に示すような冷陰極電子源素子を得た。
Subsequently, the cold cathode conductor layer thin film was heat-treated. In this case, use a resistance heater
It was held at ℃ for 2 hours in vacuum. Then, in the same manner as in Example 1, a cold cathode electron source element as shown in FIG. 1 was obtained.

【0088】上記において、冷陰極用導体層9の熱処理
前後におけるXRD(CuK α λ=1.5418、フ
ィルタ:モノクロメーター)の結果を図28に示す。図
28の結果から明らかなように、熱処理前、すなわち冷
陰極用導体層の成膜後においては40゜付近に非晶質を
示すハローがみられる。25゜付近のハローは、基板の
ガラスを示している。これに対し、熱処理後において
は、TiCおよびNiのX線回折ピークがみられた。従
って、熱処理を施すことによって、図3に示されるよう
な導電性微粒子8としてのTiC粒子が冷陰極基体4で
あるNi中に微細分散した構造の冷陰極が形成されてい
ると考えられる。
FIG. 28 shows the result of XRD (CuK α λ = 1.5418, filter: monochromator) before and after the heat treatment of the cold cathode conductor layer 9 in the above. As is clear from the results shown in FIG. 28, a halo showing an amorphous state is observed near 40 ° before the heat treatment, that is, after the formation of the cold cathode conductor layer. The halo near 25 ° indicates the glass of the substrate. On the other hand, after the heat treatment, X-ray diffraction peaks of TiC and Ni were observed. Therefore, it is considered that by performing the heat treatment, a cold cathode having a structure in which TiC particles as the conductive fine particles 8 are finely dispersed in Ni which is the cold cathode substrate 4 as shown in FIG. 3 is formed.

【0089】上記の素子における冷陰極10とゲート電
極との距離dは実施例1と同じであった。また冷陰極に
おけるTiC粒子の平均粒径はXRDの結果から3nm程
度、TEM写真から一次粒子の平均粒径は3nm程度であ
った。またTiC粒子のNiマトリックスに対する割合
は25体積%であった。
The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode in the above device was the same as in Example 1. The average particle size of TiC particles in the cold cathode was about 3 nm from the result of XRD, and the average particle size of primary particles was about 3 nm from the TEM photograph. The ratio of TiC particles to the Ni matrix was 25% by volume.

【0090】この冷陰極電子源素子について、実施例1
と同様に特性を調べたところ、従来の冷陰極電子源素子
の場合、ゲート電圧80V 付近から電子放出が確認さ
れ、放出電流変動が20〜40%であったのに対し、上
記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧30V 付近か
ら電子放出が確認され、放出電流変動は5%以下であっ
た。これは、仕事関数が低く、吸着ガス等による影響を
受けにくい非常に化学的に安定なTiCを微細な導電性
微粒子8として形成できたこと、また、冷陰極基材4に
対して分散含有させ、かつ、導電性マトリックスである
冷陰極基材4の表面に露出ないし突出させた導電性微粒
子8を高密度に形成できたことにより、低電圧から電子
放出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性が平
均化されて安定な電子放出特性を得ることができたもの
と考えられる。また、導電性微粒子8自体は化学的に安
定なため、エッチング等の微細加工プロセスを施すこと
が困難であるが、冷陰極基材4をエッチングすること
で、容易に冷陰極電子源素子を形成できる。この際、導
電性微粒子8の粒径が小さく、露出ないし突出状態にあ
るために、冷陰極10の端部を特に尖鋭に形成する必要
がなくなり、製造プロセスが技術的に簡易化されること
になり、歩留まりの向上を図ることにもなる。
About this cold cathode electron source element, Example 1
When the characteristics of the conventional cold cathode electron source device were examined in the same manner as in 1., electron emission was confirmed from around the gate voltage of 80 V, and the emission current fluctuation was 20 to 40%. In the case of the source device, electron emission was confirmed from around a gate voltage of 30 V, and the emission current fluctuation was 5% or less. This is because TiC, which has a low work function and is not easily affected by an adsorption gas or the like, is formed as the fine conductive fine particles 8, and is dispersed and contained in the cold cathode base material 4. Further, since the conductive fine particles 8 exposed or projected on the surface of the cold cathode base material 4 which is a conductive matrix can be formed at a high density, electron emission occurs from a low voltage, and the electron emission amount increases, It is considered that the electron emission characteristics were averaged and stable electron emission characteristics could be obtained. Further, since the conductive fine particles 8 themselves are chemically stable, it is difficult to perform a fine processing process such as etching. However, by etching the cold cathode base material 4, a cold cathode electron source element can be easily formed. it can. At this time, since the conductive fine particles 8 have a small particle size and are exposed or protruded, it is not necessary to form the end portion of the cold cathode 10 particularly sharply, and the manufacturing process is technically simplified. Therefore, the yield will be improved.

【0091】実施例4 図10に示される冷陰極電子源素子を図11〜図15の
工程に従って作製した。まず、図11に示されるよう
に、実施例1と同じガラス製の絶縁性基板1の表面に、
スパッタリング法を用いてSiO2 の絶縁層2を200
nmの厚さに形成した。次に、前記絶縁層2の表面に図1
7に示されるスパッタリング装置を用いて、Ni膜とT
iC膜をこの順で交互に積層し、Ni/TiC交互堆積
層よりなる冷陰極用導体層3を成膜した(図12)。こ
のNi/TiC交互堆積スパッタリングでは、図17に
示されるように、Niターゲット15とTiターゲット
16を用い、アルゴンによるNi膜のスパッタリングと
アルゴンとC22 によるTiの反応性スパッタリング
を交互に同一真空容器中で行った。
Example 4 The cold cathode electron source element shown in FIG. 10 was manufactured according to the steps of FIGS. 11 to 15. First, as shown in FIG. 11, on the surface of the same glass insulating substrate 1 as in Example 1,
The SiO 2 insulating layer 2 is formed to 200 by the sputtering method.
It was formed to a thickness of nm. Next, as shown in FIG.
Using the sputtering device shown in FIG.
The iC films were alternately laminated in this order to form a cold cathode conductor layer 3 composed of a Ni / TiC alternating deposition layer (FIG. 12). In this Ni / TiC alternate deposition sputtering, as shown in FIG. 17, using a Ni target 15 and a Ti target 16, the sputtering of a Ni film by argon and the reactive sputtering of Ti by argon and C 2 H 2 are alternately performed. Performed in a vacuum vessel.

【0092】Ni膜の場合、ターゲット15は厚さ3m
m、直径8インチの純度99. 9%以上のNiを使用
し、基板温度250℃、圧力0. 5Pa、Arガス流量5
0sccm、電源14のRFパワーは1kW、アノード側をグ
ランドに接地の条件で、1層当たり30nmの厚さに堆積
した。
In the case of Ni film, the target 15 has a thickness of 3 m.
m, 8 inches in diameter, Ni with a purity of 99.9% or more, substrate temperature 250 ° C., pressure 0.5 Pa, Ar gas flow rate 5
0 sccm, the RF power of the power source 14 was 1 kW, and the anode side was grounded to the ground, and each layer was deposited to a thickness of 30 nm.

【0093】またTiC膜の場合、ターゲット16は厚
さ3mm、直径8インチの純度99.9%以上のTiを使
用し、基板温度300℃、圧力0. 5Pa、Arガス流量
47sccm、アセチレンガス流量3sccm、電源17のRF
パワー1kW、基板側に−200V のバイアス電圧を印加
し、1層当たり5nmの厚さに堆積した。
In the case of the TiC film, the target 16 is made of Ti having a thickness of 3 mm and a diameter of 8 inches and a purity of 99.9% or more. The substrate temperature is 300 ° C., the pressure is 0.5 Pa, the Ar gas flow rate is 47 sccm, and the acetylene gas flow rate is. RF of 3sccm, power supply 17
A power of 1 kW and a bias voltage of -200 V were applied to the substrate side, and each layer was deposited to a thickness of 5 nm.

【0094】なお、Ni膜とTiC膜の膜厚の制御は、
予めそれぞれの1μm 程度の単層膜をNi/TiC交互
堆積層のNi膜およびTiC膜を成膜するときと同じ条
件で成膜し、膜厚と成膜時間から予め成膜速度を算出し
て、その成膜速度から30nm(Ni)と5nm(TiC)
になる成膜時間を算出してそれぞの成膜時間とすること
により行った。前記条件によりNi、TiCをそれぞれ
10層ずつ交互に積層して、図3に示されるNi/Ti
C交互堆積層の冷陰極用導体層3(全体厚約350nm)
を成膜した。
The control of the film thickness of the Ni film and the TiC film is as follows.
A single layer film of about 1 μm each was formed in advance under the same conditions as when forming the Ni film and the TiC film of the Ni / TiC alternating deposition layer, and the film formation rate was calculated in advance from the film thickness and the film formation time. , 30nm (Ni) and 5nm (TiC)
It was performed by calculating the film forming times corresponding to the above and setting the respective film forming times. Under the above conditions, 10 layers each of Ni and TiC are alternately laminated to form the Ni / Ti layer shown in FIG.
C alternating-deposit layer cold cathode conductor layer 3 (total thickness about 350 nm)
Was deposited.

【0095】Ni/TiC交互堆積層の冷陰極用導体層
3を形成した後に、冷陰極用導体層3を基板とともに熱
処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒーターを用
いて500℃の処理温度で、2時間保持することによっ
た。
After forming the cold cathode conductor layer 3 of the Ni / TiC alternating deposition layer, the cold cathode conductor layer 3 was heat-treated together with the substrate. The heat treatment was performed by holding in a vacuum at a treatment temperature of 500 ° C. for 2 hours using a resistance heater.

【0096】次に、Niの冷陰極層基材4中にTiCの
導電性微粒子8を分散した冷陰極用導体層3上の冷陰極
相当部分にレジスト5を設けた後、硝酸−リン酸系エッ
チング液を用いたウェットエッチングで、冷陰極導体層
3を冷陰極10に加工し、さらに絶縁層2をBHFエッ
チング液によりウェットエッチングした。このときレジ
ストはそのままにして除去しなかった。この工程によっ
てできた構造を図14に示す。そして、図15に示され
るように、全面に厚さ500nmのSiO2 膜と、ゲート
電極用の厚さ300nmのCr 膜を蒸着法によりこの順序
で成膜し、SiO2 膜よりなるゲート絶縁層14bと、
Cr膜よりなるゲート電極7bを形成した。この場合レ
ジスト5の上には不要なSiO2 膜14aおよび不要な
Cr膜7aが存在するので、この次に、不要なSiO2
膜14aおよび不要なCr膜7aをレジスト5からリフ
トオフすることにより図10に示した冷陰極電子源素子
を作製した。図16に上記の冷陰極電子源素子アレイの
構造を示す。
Next, a resist 5 is provided on a portion corresponding to the cold cathode on the conductor layer 3 for cold cathode in which the conductive fine particles 8 of TiC are dispersed in the cold cathode layer base material 4 of Ni, and then nitric acid-phosphoric acid system is used. The cold cathode conductor layer 3 was processed into the cold cathode 10 by wet etching using an etching solution, and the insulating layer 2 was further wet etched with a BHF etching solution. At this time, the resist was left as it was and not removed. The structure formed by this process is shown in FIG. Then, as shown in FIG. 15, a SiO 2 film having a thickness of 500 nm and a Cr film having a thickness of 300 nm for the gate electrode are formed on the entire surface in this order by a vapor deposition method to form a gate insulating layer made of the SiO 2 film. 14b,
A gate electrode 7b made of a Cr film was formed. In this case on top of the resist 5 there is unnecessary SiO 2 film 14a and the unnecessary Cr film 7a, in this next, unwanted SiO 2
The cold cathode electron source element shown in FIG. 10 was produced by lifting off the film 14a and the unnecessary Cr film 7a from the resist 5. FIG. 16 shows the structure of the cold cathode electron source element array.

【0097】上記において、成膜後(熱処理前)と熱処
理後における冷陰極用導体層3のTEM観察を行った。
成膜時のTiC薄層は、膜厚が5nmと非常に薄いため、
表面を全面にTiCが被覆した構造ではなく、島状構造
となっており、しかも非晶質と微結晶が混在する、いわ
ゆる微結晶TiCの状態であることがわかった。これに
対し、熱処理後においては、Niの冷陰極基材4中にT
iCの導電性微粒子8がほぼ均一に分散した構造に変化
しており、しかもそれぞれの前記TiC微粒子は平均粒
径約5nmの単結晶であった。
In the above, the TEM observation of the cold cathode conductor layer 3 was performed after the film formation (before the heat treatment) and after the heat treatment.
Since the TiC thin layer during film formation is as thin as 5 nm,
It was found that the surface is not a structure in which TiC is entirely covered, but an island structure, and a state of so-called microcrystalline TiC in which amorphous and microcrystalline are mixed. On the other hand, after the heat treatment, T is contained in the Ni cold cathode substrate 4.
The iC conductive fine particles 8 were changed to a structure in which they were substantially uniformly dispersed, and each of the TiC fine particles was a single crystal having an average particle size of about 5 nm.

【0098】このような結晶性の向上は、XRDの結果
からも確認できた。また、XRDの結果から求めたTi
C微粒子の粒径は5nm程度であった。上記の素子におけ
る冷陰極10とゲート電極との距離dは0.4μm とし
た。またTiC粒子のNiマトリックスに対する割合は
約15体積%であった。
Such an improvement in crystallinity could be confirmed from the results of XRD. In addition, Ti calculated from the XRD results
The particle size of the C fine particles was about 5 nm. The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode in the above device was 0.4 μm. The ratio of TiC particles to the Ni matrix was about 15% by volume.

【0099】この冷陰極電子源素子について、特性を調
べたところ、上記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電
圧5V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動は5
%以下であった。また、10000チップ当たり40mA
の放出電流を長時間安定して得ることができた。これに
対し、従来のMo冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧
80V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動が2
0〜40%であった。また、得られる最大放出電流は1
0000チップ当たり10mA程度であった。
When the characteristics of this cold cathode electron source element were examined, in the case of the above cold cathode electron source element, electron emission was confirmed from around a gate voltage of 5 V, and the emission current fluctuation was 5
% Or less. Also, 40mA per 10,000 chips
It was possible to obtain a stable emission current for a long time. On the other hand, in the case of the conventional Mo cold cathode electron source element, electron emission was confirmed from around the gate voltage of 80 V, and the emission current fluctuation was 2
It was 0 to 40%. The maximum emission current obtained is 1
It was about 10 mA per 0000 chips.

【0100】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定で微細な導電性
微粒子8として形成できたこと、また、冷陰極基材4に
対して分散含有させ、かつ、冷陰極基材4の表面に露出
ないし突出させた導電性微粒子8を高密度に形成できた
ことにより、低電圧から電子放出が起こり、電子放出量
が増加し、電子放出特性が平均化されて安定な電子放出
特性を得ることができたものと考えられる。また、導電
性微粒子8自体は化学的に安定なため、エッチング等の
微細加工プロセスを施すことが困難であるが、冷陰極基
材4をエッチングすることで、容易に冷陰極電子源素子
を形成できる。この際、導電性微粒子8の粒径が小さ
く、露出ないし突出状態にあるために、冷陰極10の端
部を特に尖鋭に形成する必要がなくなり、製造プロセス
が技術的に簡易化されることになり、歩留まりの向上を
図ることにもなる。
This is because the conductive fine particles 8 have a low work function, are extremely chemically stable and are hardly affected by the adsorption gas, etc., and are dispersed and contained in the cold cathode substrate 4. In addition, since the conductive fine particles 8 exposed or projected on the surface of the cold cathode base material 4 can be formed at a high density, electron emission occurs from a low voltage, the electron emission amount increases, and the electron emission characteristic is improved. It is considered that stable electron emission characteristics were obtained by averaging. Further, since the conductive fine particles 8 themselves are chemically stable, it is difficult to perform a fine processing process such as etching. However, by etching the cold cathode base material 4, a cold cathode electron source element can be easily formed. it can. At this time, since the conductive fine particles 8 have a small particle size and are exposed or protruded, it is not necessary to form the end portion of the cold cathode 10 particularly sharply, and the manufacturing process is technically simplified. Therefore, the yield will be improved.

【0101】実施例5 実施例4の冷陰極電子源素子の冷陰極用導体層3を以下
のようにしたサンプルNo. 1、No. 2を作製した。ま
ず、サンプルNo. 1では、Ni膜(20nm厚)とTiC
膜(10nm厚)とをこの順で各10層ずつ交互積層し
た。この場合、実施例4と同じ図17に示されるスパッ
タリング装置を用いて形成した。スパッタリング条件等
は実施例4と同様とした。
Example 5 Samples No. 1 and No. 2 were prepared in which the cold cathode conductor layer 3 of the cold cathode electron source element of Example 4 was processed as follows. First, in sample No. 1, Ni film (20 nm thick) and TiC
The film (10 nm thick) and 10 layers each were alternately laminated in this order. In this case, it was formed by using the same sputtering apparatus shown in FIG. 17 as in Example 4. The sputtering conditions and the like were the same as in Example 4.

【0102】次に、サンプルNo. 2では、Ni膜(20
nm厚)とTiC膜(5nm厚)とをこの順で各10層ずつ
交互積層した。この場合、図17に示されるスパッタリ
ング装置において基板1側にもシャッターを配置した二
重シャッター方式の装置を用いて形成した。その他のス
パッタリング条件等は実施例4と同様とした。
Next, in the sample No. 2, the Ni film (20
(thickness: nm) and a TiC film (thickness: 5 nm) were alternately laminated in this order, 10 layers each. In this case, the sputtering apparatus shown in FIG. 17 was formed by using a double shutter system apparatus in which a shutter is also arranged on the substrate 1 side. Other sputtering conditions were the same as in Example 4.

【0103】上記サンプルNo. 1、No. 2についてのX
RDの結果を図29に示す。
X for the samples No. 1 and No. 2
The result of RD is shown in FIG.

【0104】図29の結果から、二重シャッター方式の
スパッタリング装置を用いて成膜する方がTiC、Ni
の結晶性が向上することがわかる。これは、基板1側に
もシャッターを配置する方が、基板1に対する非晶質C
等の堆積などが抑制されるためと考えられる。
From the results shown in FIG. 29, it is better to form a film by using a double-shutter type sputtering device.
It can be seen that the crystallinity of is improved. This is because the amorphous C with respect to the substrate 1 is better when the shutter is arranged also on the substrate 1 side.
It is considered that the accumulation of the like is suppressed.

【0105】実施例6 実施例4の冷陰極電子源素子において、冷陰極10と基
板1との間にSiO2の絶縁層を介在させないものとし
たほかは同様にして、図19に示されるような冷陰極電
子源素子を得た。この素子の製造方法は実施例4に準じ
た。冷陰極用導体層3は、図17に示されるスパッタリ
ング装置を用い、まずガラス基板(商品名 Corning # 7
059 :コーニング社製:0.7mm厚)上に直接Ni膜を
形成し、さらにTiC膜とNi膜とを交互に積層するこ
とによって形成した。積層数はNi膜が11層、TiC
膜が10層となるようにし、Ni膜の膜厚は20nm、T
iC膜の膜厚は5nmとした。ただし、スパッタリング
は、図17において基板1側にもシャッターを配置した
二重シャッター方式の装置を用い、TiC膜は、基板温
度300℃、圧力0.5Pa、Arガス流量46sccm、ア
セチレンガス流量4sccm、電源17のRFパワー1kWと
し、アノード側接地の条件で成膜した。またNi膜は、
アセチレンガスを導入しない他はこの条件と同じ条件で
成膜した。
Example 6 The cold cathode electron source element of Example 4 is the same as that shown in FIG. 19 except that the insulating layer of SiO 2 is not interposed between the cold cathode 10 and the substrate 1. A cold cathode electron source device was obtained. The manufacturing method of this element was the same as in Example 4. For the conductor layer 3 for cold cathode, a glass substrate (trade name Corning # 7
059: manufactured by Corning Incorporated: 0.7 mm thick), a Ni film was formed directly on the NiC film, and a TiC film and a Ni film were alternately laminated. 11 layers of Ni film and TiC
The film has 10 layers, the Ni film has a thickness of 20 nm, and T
The thickness of the iC film was 5 nm. However, for the sputtering, a double shutter type device in which a shutter is also arranged on the substrate 1 side in FIG. 17 is used, and the TiC film has a substrate temperature of 300 ° C., a pressure of 0.5 Pa, an Ar gas flow rate of 46 sccm, an acetylene gas flow rate of 4 sccm, The RF power of the power source 17 was set to 1 kW, and the film was formed under the condition of grounding on the anode side. The Ni film is
A film was formed under the same conditions except that acetylene gas was not introduced.

【0106】このようにして冷陰極用導体層3(全体厚
270nm)を形成した後、冷陰極用導体層を基板ととも
に熱処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒーター
を用いて500℃で行い、この温度に1時間保持した。
After forming the cold cathode conductor layer 3 (total thickness: 270 nm) in this manner, the cold cathode conductor layer was heat-treated together with the substrate. The heat treatment was performed at 500 ° C. in a vacuum using a resistance heater, and this temperature was maintained for 1 hour.

【0107】その後、実施例4と同様にして、冷陰極電
源用素子を得た。ただし、ゲート電極の材料にはMoを
用いた。
Then, in the same manner as in Example 4, an element for cold cathode power supply was obtained. However, Mo was used as the material of the gate electrode.

【0108】また、成膜後(熱処理前)と熱処理後にお
けるTEM写真を図30(成膜後)、図31(熱処理
後)にそれぞれ示す。これらのTEM写真は、冷陰極用
導体層3と同条件にてNi(40nm)/TiC(5nm)
/Ni(40nm)の積層膜(全体厚約85nm)を形成し
たTEM観察用サンプルから得たものである。
In addition, TEM photographs after film formation (before heat treatment) and after heat treatment are shown in FIG. 30 (after film formation) and FIG. 31 (after heat treatment), respectively. These TEM photographs show Ni (40 nm) / TiC (5 nm) under the same conditions as the cold cathode conductor layer 3.
/ Ni (40 nm) laminated film (total thickness of about 85 nm) was obtained from the sample for TEM observation.

【0109】これらの図から明らかなように、熱処理前
においては、多結晶のNi上にアイランド状に堆積した
TiCが白く写っている。TiCは非晶質と微結晶が混
在しており、いわゆる微結晶TiCの状態である。熱処
理後においては、Niが多少結晶成長し、しかもその粒
界が幅広くなっており、この粒界中にTiC微粒子が存
在すると思われる。この結果、TiCの結晶性および分
散性が飛躍的に向上し、熱処理後の冷陰極用導体層3
は、図13に示すような構造に変化したものと考えられ
る。
As is clear from these figures, TiC deposited in an island shape on polycrystalline Ni is shown in white before the heat treatment. TiC is a state of so-called microcrystalline TiC in which amorphous and microcrystalline are mixed. After the heat treatment, Ni was crystallized to some extent and the grain boundaries thereof were wide, and it is considered that TiC fine particles were present in the grain boundaries. As a result, the crystallinity and dispersibility of TiC are dramatically improved, and the conductor layer 3 for cold cathode after the heat treatment is performed.
Is considered to have changed to the structure shown in FIG.

【0110】また、図32に冷陰極用導体層3の熱処理
前後のXRDの結果を示す。これより、熱処理によっ
て、NiおよびTiCのピーク強度が増すことがわか
り、結晶性が向上することが示される。
FIG. 32 shows the results of XRD before and after heat treatment of the cold cathode conductor layer 3. From this, it can be seen that the peak strengths of Ni and TiC are increased by the heat treatment, which indicates that the crystallinity is improved.

【0111】上記の素子における冷陰極10とゲート電
極との距離dは1.0μm とした。また、冷陰極におけ
るTiC粒子の平均粒径は、XRDの結果から5nm程
度、TEM写真から一次粒子の平均粒径は5nm程度であ
った。またTiC粒子のNiマトリックスに対する割合
は約20体積%であった。
The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode in the above device was 1.0 μm. Further, the average particle size of TiC particles in the cold cathode was about 5 nm from the result of XRD, and the average particle size of primary particles was about 5 nm from the TEM photograph. The ratio of TiC particles to the Ni matrix was about 20% by volume.

【0112】上記の冷陰極電源用素子について特性を調
べた。結果を図33および図34に示す。図33は、ゲ
ート電圧(Vg) と放出電流(Ie)との関係を示すグラフ
であり、放出電流は10万チップ当たりものである。ま
た、図34はファウラー・ノルドハイム(Fowler-Nordhe
im) プロット(F−Nプロット)である。
The characteristics of the above cold cathode power source element were examined. The results are shown in FIGS. 33 and 34. FIG. 33 is a graph showing the relationship between the gate voltage (Vg) and the emission current (Ie), and the emission current is per 100,000 chips. In addition, FIG. 34 shows Fowler-Nordhe
im) plot (F-N plot).

【0113】これらの結果より、本発明の冷陰極電源用
素子は、4V 付近のゲート電圧で電子放出が確認され、
低電圧での駆動が可能であることがわかる。
From these results, it was confirmed that the cold cathode power source device of the present invention emitted electrons at a gate voltage near 4V,
It can be seen that driving at low voltage is possible.

【0114】実施例7 実施例6の冷陰極電子源素子において、冷陰極10形成
のための冷陰極用導体層3をTi膜とTiC膜との交互
積層膜としたほかは、同様にして冷陰極電子源素子(図
19参照)を得た。冷陰極用導体層3は、図18に示さ
れるTiターゲット21(実施例4におけるものと同
じ)を設置したスパッタリング装置を用いて形成した。
この場合、基板1に直接Ti膜(20nm厚)を形成し、
さらにこの上にTiC膜(5nm厚)を形成し、積層数は
実施例6と同様にした。Ti膜の成膜条件は、実施例6
のNi膜に準じ、TiC膜の成膜条件は実施例6と同様
に行った。
Example 7 A cold cathode electron source device of Example 6 was cooled in the same manner except that the cold cathode conductor layer 3 for forming the cold cathode 10 was an alternating laminated film of a Ti film and a TiC film. A cathode electron source element (see FIG. 19) was obtained. The cold cathode conductor layer 3 was formed using a sputtering apparatus in which a Ti target 21 (same as that in Example 4) shown in FIG. 18 was installed.
In this case, a Ti film (20 nm thick) is directly formed on the substrate 1,
Further, a TiC film (5 nm thick) was formed on this, and the number of layers was the same as in Example 6. The film forming conditions for the Ti film are those in Example 6.
According to the Ni film of Example 1, the TiC film was formed under the same conditions as in Example 6.

【0115】このようにして、冷陰極用導体層3(全体
厚270nm)を形成した後、冷陰極導体層3を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、実施例6と同条件で行っ
た。その後、実施例6と同様にして、冷陰極電源用素子
を得た。ただし、冷陰極用導体層3を冷陰極10に加工
する際には、ウェットエッチングは用いず、リアクティ
ブイオンエッチング(RIE)を用いた。このときのR
IE条件は圧力15Pa、CF4 流量40sccm、O2 流量
10sccm、RFパワー500W 、基板温度30℃とし
た。
After forming the cold cathode conductor layer 3 (total thickness 270 nm) in this manner, the cold cathode conductor layer 3 was heat treated together with the substrate. The heat treatment was performed under the same conditions as in Example 6. Then, in the same manner as in Example 6, an element for cold cathode power supply was obtained. However, when the cold cathode conductor layer 3 was processed into the cold cathode 10, wet etching was not used, but reactive ion etching (RIE) was used. R at this time
The IE conditions were a pressure of 15 Pa, a CF 4 flow rate of 40 sccm, an O 2 flow rate of 10 sccm, an RF power of 500 W, and a substrate temperature of 30 ° C.

【0116】上記において、成膜後(熱処理前)と熱処
理後における冷陰極用導体層3について、それぞれ、T
EM観察およびXRD測定を行った。この結果は、実施
例6と同様の傾向を示し、熱処理により、TiCの分散
性および結晶性が向上することがわかった。従って、熱
処理後の冷陰極用導体層3は、図13に示されるような
構造になっていると考えられる。
In the above, the cold cathode conductor layer 3 after the film formation (before the heat treatment) and after the heat treatment were respectively treated with T
EM observation and XRD measurement were performed. This result shows the same tendency as in Example 6, and it was found that the heat treatment improves the dispersibility and crystallinity of TiC. Therefore, it is considered that the cold cathode conductor layer 3 after the heat treatment has a structure as shown in FIG.

【0117】上記の素子における冷陰極10とゲート電
極との距離dは0.7μm とした。また、冷陰極におけ
るTiC粒子の平均粒径は、XRDの結果から5nm程
度、TEM写真から一次粒子の平均粒径は5nm程度であ
った。またTiC粒子のTiマトリックスに対する割合
は約20体積%であった。なお、Tiの仕事関数は3.
95eVである。
The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode in the above device was 0.7 μm. Further, the average particle size of TiC particles in the cold cathode was about 5 nm from the result of XRD, and the average particle size of primary particles was about 5 nm from the TEM photograph. The ratio of TiC particles to the Ti matrix was about 20% by volume. The work function of Ti is 3.
It is 95 eV.

【0118】上記の冷陰極電源用素子について実施例6
と同様に特性を調べたところ、実施例6と同様の良好な
結果が得られた。
Example 6 Regarding the Cold Cathode Power Supply Element
When the characteristics were examined in the same manner as in, good results similar to those in Example 6 were obtained.

【0119】実施例8 実施例6の冷陰極電子源素子において、冷陰極10形成
のための冷陰極用導体層3をMo膜とTiC膜との交互
積層膜としたほかは、同様にして冷陰極電子源素子(図
19参照)を得た。冷陰極用導体層3は、実施例6で用
いたスパッタリング装置においてNiターゲットのかわ
りにMoターゲット(Moの純度99.9%以上、大き
さは同じ)を設置するほかは同構成の装置を用いて形成
した。この場合、基板1に直接Mo膜(20nm厚)を形
成し、さらにこの上にTiC膜(5nm厚)を形成し、積
層数は実施例6と同様にした。Mo膜の成膜条件は、実
施例6のNi膜に準じ、TiC膜の成膜条件は実施例6
と同様に行った。
Example 8 The cold cathode electron source element of Example 6 was cooled in the same manner as in Example 6, except that the cold cathode conductor layer 3 for forming the cold cathode 10 was an alternate laminated film of a Mo film and a TiC film. A cathode electron source element (see FIG. 19) was obtained. As the conductor layer 3 for cold cathode, an apparatus having the same configuration is used except that a Mo target (purity of Mo: 99.9% or more, size is the same) is installed in place of the Ni target in the sputtering apparatus used in Example 6. Formed. In this case, a Mo film (20 nm thick) was directly formed on the substrate 1, and a TiC film (5 nm thick) was further formed thereon, and the number of laminated layers was the same as in Example 6. The Mo film forming conditions are the same as those of the Ni film of Example 6, and the TiC film forming conditions are those of Example 6.
I went the same way.

【0120】このようにして、冷陰極用導体層3(全体
厚270nm)を形成した後、冷陰極導体層3を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、実施例6と同条件で行っ
た。その後、実施例7と同様にして、冷陰極電源用素子
を得た。
In this way, after forming the cold cathode conductor layer 3 (total thickness 270 nm), the cold cathode conductor layer 3 was heat treated together with the substrate. The heat treatment was performed under the same conditions as in Example 6. Then, in the same manner as in Example 7, an element for cold cathode power supply was obtained.

【0121】上記において、成膜後(熱処理前)と熱処
理後における冷陰極用導体層3について、それぞれ、T
EM観察およびXRD測定を行った。この結果は、実施
例6と同様の傾向を示し、熱処理により、TiCの分散
性および結晶性が向上することがわかった。従って、熱
処理後の冷陰極用導体層3は、図13に示すような構造
になっていると考えられる。
In the above description, the cold cathode conductor layer 3 after the film formation (before the heat treatment) and after the heat treatment were respectively treated with T
EM observation and XRD measurement were performed. This result shows the same tendency as in Example 6, and it was found that the heat treatment improves the dispersibility and crystallinity of TiC. Therefore, it is considered that the cold cathode conductor layer 3 after the heat treatment has a structure as shown in FIG.

【0122】上記の素子における冷陰極10とゲート電
極との距離dは0.7μm とした。また、冷陰極におけ
るTiC粒子の平均粒径は、XRDの結果から5nm程
度、TEM写真から一次粒子の平均粒径は5nm程度であ
った。またTiC粒子のMoマトリックスに対する割合
は約20体積%であった。なお、Moの仕事関数は4.
3eVである。
The distance d between the cold cathode 10 and the gate electrode in the above device was set to 0.7 μm. Further, the average particle size of TiC particles in the cold cathode was about 5 nm from the result of XRD, and the average particle size of primary particles was about 5 nm from the TEM photograph. The ratio of TiC particles to the Mo matrix was about 20% by volume. The work function of Mo is 4.
It is 3 eV.

【0123】上記の冷陰極電源用素子について実施例6
と同様に特性を調べたところ、実施例6と同様の良好な
結果が得られた。
Example 6 Regarding the Device for Cold Cathode Power Supply
When the characteristics were examined in the same manner as in, good results similar to those in Example 6 were obtained.

【0124】実施例9 図20に示される冷陰極電子源素子を図21〜図25の
工程に従って作製した。まず、21に示されるように、
厚さ1.1mmのガラス基板の上にエミッタ用配線層32
としてのAl膜を、スパッタリング法にて0.3μm の
厚さに堆積した後、従来のフォトリソグラフィー技術に
より所定の配線パターンに加工した。
Example 9 The cold cathode electron source element shown in FIG. 20 was manufactured according to the steps of FIGS. First, as shown in 21,
Emitter wiring layer 32 on a 1.1 mm thick glass substrate
Was deposited to a thickness of 0.3 μm by a sputtering method, and then processed into a predetermined wiring pattern by a conventional photolithography technique.

【0125】次に図22に示されるように、エミッタ用
配線層32の表面に、スペーサ層36および冷陰極用導
体層33として、Mo(厚さ200nm)およびNi/T
aCをスパッタリングにより堆積した。上記スペーサ層
36および冷陰極用導体層33の堆積には図18に示さ
れるような二重シャッター方式のスパッタリング装置を
使用し、Mo、Ni、Taの各ターゲットを配置して同
一真空容器内で連続的に形成した。Mo、Ni、Taの
各ターゲットとしてはいずれも純度99.9%以上、厚
さ3mm、直径8インチのものを使用した。
Next, as shown in FIG. 22, as a spacer layer 36 and a cold cathode conductor layer 33, Mo (thickness: 200 nm) and Ni / T were formed on the surface of the emitter wiring layer 32.
aC was deposited by sputtering. In order to deposit the spacer layer 36 and the cold cathode conductor layer 33, a double shutter type sputtering apparatus as shown in FIG. 18 is used, and targets of Mo, Ni and Ta are arranged in the same vacuum container. It was formed continuously. Each of Mo, Ni, and Ta targets having a purity of 99.9% or more, a thickness of 3 mm, and a diameter of 8 inches was used.

【0126】Moの成膜条件は基板温度300℃、Ar
ガス流量50sccm、圧力0.5Pa、電源17のRFパワ
ー1kWとし、アノード側をグランドに接地するものとし
た。またNi/TaC膜の場合、実施例6と同様の交互
積層法により、Ni膜(20nm厚)とTaC膜(5nm
厚)とをこの順で、各々11層および10層交互に積層
した。成膜条件はTiターゲットがTaターゲットに替
わったこと以外は、実施例6と同じである。
The film formation conditions for Mo are as follows: substrate temperature 300 ° C., Ar
The gas flow rate was 50 sccm, the pressure was 0.5 Pa, the RF power of the power supply 17 was 1 kW, and the anode side was grounded. In the case of the Ni / TaC film, the Ni film (20 nm thick) and the TaC film (5 nm thick) were formed by the alternate lamination method similar to that in Example 6.
(Thickness) and 11 layers and 10 layers were alternately laminated in this order. The film forming conditions are the same as in Example 6 except that the Ti target is changed to the Ta target.

【0127】このようにして冷陰極用導体層33(全体
厚270nm)を形成した後、冷陰極用導体層を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒータ
ーを用いて500℃で行い、この温度にて1時間保持し
た。上記熱処理により冷陰極用導体層中のTaCは図2
2に示されるような島状構造33bから図23に示され
るような微粒子分散構造に変化する。
After forming the cold cathode conductor layer 33 (total thickness: 270 nm) in this manner, the cold cathode conductor layer was heat-treated together with the substrate. The heat treatment was performed at 500 ° C. in a vacuum using a resistance heater and held at this temperature for 1 hour. As a result of the heat treatment, TaC in the conductor layer for the cold cathode is shown in FIG.
The island-shaped structure 33b as shown in FIG. 2 changes to the fine particle dispersed structure as shown in FIG.

【0128】上記において、成膜後(熱処理前)と熱処
理後における冷陰極用導体層33および40についてそ
れぞれ、TEM観察およびXRD測定を行った。この結
果は、Ni/TiC交互堆積層の場合と同様の傾向を示
した。熱処理により、TaC結晶粒子の粒径は層厚とほ
ぼ同じ5nmとなり、分散性および結晶性が向上すること
が判明した。
In the above, TEM observation and XRD measurement were performed on the cold cathode conductor layers 33 and 40 after the film formation (before the heat treatment) and after the heat treatment, respectively. This result showed a tendency similar to that of the Ni / TiC alternating deposition layer. By the heat treatment, the particle size of the TaC crystal particles became 5 nm, which was almost the same as the layer thickness, and it was found that the dispersibility and crystallinity were improved.

【0129】その後図24に示されるように所定の素子
領域の冷陰極用導体層40表面に、直径1μm の円形の
レジストパターン35をフォトリソグラフィー技術によ
り形成した。さらに硝酸−リン酸系エッチャントを用い
て、熱処理した冷陰極用導体層40をエッチング加工し
た。次に、CF4 +O2 混合ガスによるドライエッチン
グ法によりスペーサ層36を加工し、図24に示される
構造を形成した。
After that, as shown in FIG. 24, a circular resist pattern 35 having a diameter of 1 μm was formed on the surface of the cold cathode conductor layer 40 in a predetermined element region by a photolithography technique. Further, the heat-treated conductor layer 40 for cold cathode was etched using a nitric acid-phosphoric acid-based etchant. Next, the spacer layer 36 was processed by a dry etching method using a CF 4 + O 2 mixed gas to form the structure shown in FIG.

【0130】その後、図25に示されるように、ゲート
絶縁層14b(600nm厚)およびゲート電極7b(2
00nm)を形成するために、蒸着法によりSiO2 およ
びCrをこの順番で全面に成膜した。ここでは、レジス
ト35上に不要なSiO2 膜14aおよびCr膜7aが
存在しているので、レジスト剥離液に浸漬し、レジスト
および不要なSiO2 膜14a、Cr膜7aを除去して
図20に示される冷陰極電子源素子を得た。さらにその
後、ゲート電極層7bおよびゲート絶縁層14bをフォ
トエッチング加工し、図26に示されるようなゲート配
線パターンを形成した。なお、冷陰極40中におけるT
aC粒子のNiマトリックスに対する割合は約20体積
%であった。また、TaCの仕事関数は3.93eVであ
る。
Then, as shown in FIG. 25, the gate insulating layer 14b (600 nm thick) and the gate electrode 7b (2
SiO 2 and Cr were deposited on the entire surface in this order by a vapor deposition method in order to form a film having a thickness of 00 nm). Here, since the unnecessary SiO 2 film 14a and the Cr film 7a are present on the resist 35, the resist and the unnecessary SiO 2 film 14a and the Cr film 7a are removed by immersing the resist 35 in the resist stripping solution, as shown in FIG. The cold cathode electron source device shown was obtained. After that, the gate electrode layer 7b and the gate insulating layer 14b were photoetched to form a gate wiring pattern as shown in FIG. In addition, T in the cold cathode 40
The ratio of the aC particles to the Ni matrix was about 20% by volume. The work function of TaC is 3.93 eV.

【0131】この冷陰極電子源素子について実施例6と
同様に特性を調べたところ、実施例6と同様の良好な結
果が得られた。
When the characteristics of this cold cathode electron source device were examined in the same manner as in Example 6, the same good results as in Example 6 were obtained.

【0132】この他、実施例6〜9において、Mo−T
iN、Cr−LaB6 等の種々の材質の組合せで同様に
冷陰極を形成して、同様に特性を調べたところ同等の結
果が得られた。
In addition, in Examples 6 to 9, Mo-T
When cold cathodes were similarly formed by combining various materials such as iN and Cr-LaB 6 , and the characteristics were examined in the same manner, the same result was obtained.

【0133】[0133]

【発明の効果】本発明によれば、低電圧で電子を引き出
すことができるので高い放出電流が得られ、集積回路
(IC)、薄膜トランジスタ(TFT)等による駆動が
可能になり、デバイスの高性能化と低消費電力化が図れ
るとともに、通常のフォトプロセスとエッチングにより
冷陰極基材を加工でき、任意の形状を簡易に設定でき、
素子の大面積化が可能な冷陰極電子源素子を提供するこ
とができる。
According to the present invention, since electrons can be drawn out at a low voltage, a high emission current can be obtained, and driving by an integrated circuit (IC), thin film transistor (TFT) or the like is possible, and high performance of the device can be obtained. In addition to achieving low power consumption and low power consumption, the cold cathode substrate can be processed by ordinary photoprocess and etching, and any shape can be set easily.
It is possible to provide a cold cathode electron source element capable of increasing the area of the element.

【0134】好ましくは、導電性材料の粒子が冷陰極表
面に突出ないし露出した状態で分散しているので、電界
の集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い
放出電流を得ることができる冷陰極電子源素子を提供す
ることができる。
Preferably, since the particles of the conductive material are dispersed on the surface of the cold cathode in a state of projecting or being exposed, electrons can be drawn out at a low voltage due to the concentration of an electric field, and a high emission current can be obtained. An electron source element can be provided.

【0135】さらに好ましくは、導電性材料の粒子の平
均粒径を小さくすることで、高い放出電流が得られると
ともに、安定した放出電流特性を発揮する冷陰極電子源
素子を提供することができる。
More preferably, by reducing the average particle size of the particles of the conductive material, it is possible to provide a cold cathode electron source element which can obtain a high emission current and exhibit stable emission current characteristics.

【0136】また熱処理により冷陰極を形成する方法で
は、冷陰極用導体層のエッチングによる加工性が向上す
るので、生産性の向上を図ることができる。
Further, in the method of forming the cold cathode by heat treatment, the workability of the cold cathode conductor layer by etching is improved, so that the productivity can be improved.

【0137】熱処理による場合、さらに導電性材料の結
晶性が高まるため、低電圧で電子を引き出すことができ
るとともに安定した放出電流特性をもつ冷陰極電子源素
子を提供することができる。
In the case of heat treatment, since the crystallinity of the conductive material is further enhanced, it is possible to provide a cold cathode electron source element which can extract electrons at a low voltage and has stable emission current characteristics.

【0138】また、交互積層法によって冷陰極を形成す
る場合、導電性材料の粒子の粒径を導電性材料の粒子を
構成する成分の薄層の膜厚で制御することができるの
で、電子引き出し電圧を低く制御できる結果、電子引き
出し電圧が従来より1桁以上低く、安定で高い放出電流
を有する冷陰極電子源素子を得ることができる。
Further, when the cold cathode is formed by the alternate layering method, the particle size of the particles of the conductive material can be controlled by the film thickness of the thin layer of the component constituting the particles of the conductive material, so that the electron extraction is performed. As a result of being able to control the voltage to be low, it is possible to obtain a cold cathode electron source device that has an electron extraction voltage that is one digit or more lower than conventional ones, and that has a stable and high emission current.

【0139】さらに、導電性材料の粒子を構成する成分
の薄層の厚さを所定の範囲に設定して、導電性材料の粒
子を構成する成分の薄層を連続膜構造ではなく島状構造
とすると、実質的に冷陰極基体中に導電性材料の粒子が
分散した構造を形成することが可能となる。また、この
ため、冷陰極基材の材料のエッチャントにより容易に冷
陰極基材をエッチング加工することが可能となるととも
に、エッチング加工された断面に導電性材料の粒子突出
ないし露出した構造を均一に再現性良く形成することが
できるので、低電圧で駆動可能かつ、安定して高い放出
電流が得られる冷陰極電子源素子を歩留まり良く製造す
ることができる。
Further, the thickness of the thin layer of the component constituting the particles of the conductive material is set within a predetermined range so that the thin layer of the component constituting the particles of the conductive material is not in the continuous film structure but in the island structure. Then, it becomes possible to form a structure in which the particles of the conductive material are substantially dispersed in the cold cathode substrate. Therefore, it becomes possible to easily etch the cold cathode base material by an etchant of the material of the cold cathode base material, and to make the protruding or exposed structure of the conductive material particles uniform in the etched cross section. Since it can be formed with good reproducibility, it is possible to manufacture a cold cathode electron source element that can be driven at a low voltage and can stably obtain a high emission current with a high yield.

【0140】そして、冷陰極導体層をさらに熱処理する
と、冷陰極基材および導電性材料の粒子の結晶粒径が増
大するとともに、冷陰極基材中に不純物として取り込ま
れた導電性材料の粒子を構成する成分および導電性材料
の粒子中に不純物として取り込まれた冷陰極基材を構成
する成分が結晶粒界に析出し、実質的に冷陰極基材中の
導電性材料の粒子の分散性が高まる。このため、エッチ
ングで冷陰極基材を形成する際に、ケミカルエッチング
によるエッチングレートを増加させることができる。さ
らに、導電性材料の粒子の平均粒径が導電性材料の粒子
を構成する成分の薄層の厚さ程度にそろうので、広い面
積にわたって均一な電子放出特性を有する冷陰極電子源
素子を形成することができる。
When the cold cathode conductor layer is further heat-treated, the crystal grain size of the particles of the cold cathode base material and the conductive material is increased, and the particles of the conductive material incorporated as impurities in the cold cathode base material are removed. The components that make up the cold cathode base material that are incorporated as impurities in the constituent components and the particles of the conductive material are precipitated at the crystal grain boundaries, and the dispersibility of the particles of the conductive material in the cold cathode base material is substantially improved. Increase. Therefore, when forming the cold cathode base material by etching, the etching rate by chemical etching can be increased. Further, since the average particle diameter of the particles of the conductive material is approximately the same as the thickness of the thin layer of the components constituting the particles of the conductive material, a cold cathode electron source device having uniform electron emission characteristics over a wide area is formed. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の冷陰極電子源素子の一例を示す部分拡
大斜視図である。
FIG. 1 is a partially enlarged perspective view showing an example of a cold cathode electron source element of the present invention.

【図2】図1の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図3】図1の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図4】図1の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図5】図1の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図6】図1の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図7】図1の冷陰極電子源素子のパターニングの一例
を示す平面図である。
7 is a plan view showing an example of patterning of the cold cathode electron source element of FIG. 1. FIG.

【図8】本発明に用いる同時スパッタリング装置の一例
を示す概略構成図である。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an example of a simultaneous sputtering apparatus used in the present invention.

【図9】図1の冷陰極電子源素子の冷陰極を熱処理によ
って形成する場合の製造工程を示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process when the cold cathode of the cold cathode electron source element of FIG. 1 is formed by heat treatment.

【図10】本発明における冷陰極電子源素子の他例を示
す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the cold cathode electron source element according to the present invention.

【図11】図10の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
11 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図12】図10の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図13】図10の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
13 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図14】図10の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
14 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図15】図10の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
15 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG.

【図16】図10の冷陰極電子源素子アレイの一例を示
す平面図である。
16 is a plan view showing an example of the cold cathode electron source element array of FIG.

【図17】本発明に用いる多元スパッタリング装置の一
例を示す概略構成図である。
FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing an example of a multi-source sputtering apparatus used in the present invention.

【図18】本発明に用いる二重シャッター方式のスパッ
タリング装置の一例を示す概略構成図である。
FIG. 18 is a schematic configuration diagram showing an example of a double shutter type sputtering apparatus used in the present invention.

【図19】本発明における冷陰極電子源素子のさらに他
の例を示す部分拡大斜視図である。
FIG. 19 is a partially enlarged perspective view showing still another example of the cold cathode electron source element according to the present invention.

【図20】本発明における冷陰極電子源素子のさらにま
た他の例を示す切断端面図である。
FIG. 20 is a cut end view showing still another example of the cold cathode electron source element according to the present invention.

【図21】図20の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG. 20.

【図22】図20の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
22 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG. 20. FIG.

【図23】図20の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
23 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG. 20. FIG.

【図24】図20の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
FIG. 24 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG. 20.

【図25】図20の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the cold cathode electron source element of FIG. 20.

【図26】図20の冷陰極電子源素子のゲート配線パタ
ーンの一例を示す平面図である。
FIG. 26 is a plan view showing an example of a gate wiring pattern of the cold cathode electron source element of FIG.

【図27】本発明の冷陰極電子源素子の適用例の一例を
示す断面図である。
FIG. 27 is a cross-sectional view showing an example of application of a cold cathode electron source element of the present invention.

【図28】本発明における成膜後と熱処理後の冷陰極用
導体層のX線回折結果を示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing an X-ray diffraction result of the conductor layer for cold cathode after the film formation and the heat treatment in the present invention.

【図29】本発明における冷陰極用導体層のX線回折結
果を比較して示す図である。
FIG. 29 is a view showing a comparison of X-ray diffraction results of the conductor layers for cold cathode in the present invention.

【図30】本発明における成膜後の冷陰極用導体層のT
EM写真である。
FIG. 30 shows T of the cold cathode conductor layer after film formation in the present invention.
It is an EM photograph.

【図31】本発明における熱処理後の冷陰極用導体層の
TEM写真である。
FIG. 31 is a TEM photograph of a conductor layer for cold cathode after heat treatment in the present invention.

【図32】本発明における成膜後と熱処理後の冷陰極用
導体層のX線回折結果を示す図である。
FIG. 32 is a view showing an X-ray diffraction result of the cold cathode conductor layer after the film formation and the heat treatment in the present invention.

【図33】本発明における冷陰極電子源素子のゲート電
圧と放出電流の関係を示すグラフである。
FIG. 33 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the emission current of the cold cathode electron source element according to the present invention.

【図34】本発明における冷陰極電子源素子のF−Nプ
ロットを示すグラフである。
FIG. 34 is a graph showing an FN plot of the cold cathode electron source device according to the present invention.

【図35】従来の電子源の一例を示す部分斜視図であ
る。
FIG. 35 is a partial perspective view showing an example of a conventional electron source.

【図36】従来の電子源の他の例を示す部分斜視図であ
る。
FIG. 36 is a partial perspective view showing another example of a conventional electron source.

【図37】従来の電子源のさらに他の例を示す部分斜視
図である。
FIG. 37 is a partial perspective view showing still another example of the conventional electron source.

【図38】従来の電子源のさらに他の例を示す部分斜視
図である。
FIG. 38 is a partial perspective view showing still another example of the conventional electron source.

【図39】従来の電子源のさらにまた他の例を示す部分
断面図である。
FIG. 39 is a partial cross-sectional view showing still another example of the conventional electron source.

【図40】従来の電子源のさらにまた他の例を示す断面
図である。
FIG. 40 is a sectional view showing still another example of a conventional electron source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 絶縁性基板 2 絶縁層 4、34 冷陰極基材 7、7b ゲート電極 8、38 導電性材料の粒子(導電性微粒子) 3、9、33 冷陰極用導体層 10、40 冷陰極 14b ゲート絶縁層 1 Insulating substrate 2 insulating layers 4,34 Cold cathode base material 7,7b Gate electrode 8, 38 Conductive material particles (conductive fine particles) 3, 9, 33 Cold cathode conductor layer 10, 40 cold cathode 14b Gate insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−274043(JP,A) 特開 平2−220337(JP,A) 実開 平4−131846(JP,U) 特表 平5−500585(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 1/304 H01J 9/02 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-63-274043 (JP, A) JP-A-2-220337 (JP, A) Actual Kaihei 4-131846 (JP, U) Special Tables 5- 500585 (JP, A) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 1/304 H01J 9/02 JISST file (JOIS)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、 この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、 この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に突出してお
り、 前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が0.05〜5
0nmであり、 前記粒子が前記冷陰極基材に対して1〜50体積%含有
される冷陰極電子源素子。
1. A cold cathode electron source device having a cold cathode, wherein the cold cathode is dispersed and contained in a cold cathode base material and has a work function of the work of the cold cathode base material. And a particle of a conductive material having a particle size lower than the function and smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being substantially separated from each other and dispersed on the cold cathode surface. The average particle size of the particles is 0.05 to 5 as determined by X-ray diffraction.
A cold cathode electron source device having a particle size of 0 nm and containing 1 to 50% by volume of the particles with respect to the cold cathode substrate.
【請求項2】 前記冷陰極は、前記冷陰極基材の成分
と、前記導電性材料の成分とを気相法によって堆積して
得られる請求項1の冷陰極電子源素子。
2. The cold cathode electron source element according to claim 1, wherein the cold cathode is obtained by depositing a component of the cold cathode base material and a component of the conductive material by a vapor phase method.
【請求項3】 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、 この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、 この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出してお
り、 前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が0.05〜5
0nmであり、 前記冷陰極基材を構成する成分と、前記導電性材料の成
分とを反応性イオンプレーティング法または同時スパッ
タリング法によって堆積して冷陰極電子源素子を得る冷
陰極電子源素子の製造方法。
3. A cold cathode electron source device having a cold cathode, wherein the cold cathode is dispersed and contained in a cold cathode base material and has a work function of the work of the cold cathode base material. And a particle of a conductive material having a particle size lower than the function and smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being substantially separated from each other and dispersed on the cold cathode surface. It is exposed and has an average particle size of 0.05 to 5 determined from X-ray diffraction of the particles.
A cold cathode electron source device having a thickness of 0 nm, which is obtained by depositing a component forming the cold cathode substrate and a component of the conductive material by a reactive ion plating method or a co-sputtering method to obtain a cold cathode electron source element. Production method.
【請求項4】 前記粒子が前記冷陰極基材に対して1〜
50体積%含有される請求項3の冷陰極電子源素子の製
造方法。
4. The particles are 1 to the cold cathode substrate.
The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to claim 3, wherein the content is 50% by volume.
【請求項5】 前記粒子が前記冷陰極表面に突出してい
る請求項3または4の冷陰極電子源素子の製造方法。
5. The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to claim 3, wherein the particles are projected on the surface of the cold cathode.
【請求項6】 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、 この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、 この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出している
冷陰極電子源素子を得るに際し、 前記冷陰極を、非晶質状または微結晶状の冷陰極用導体
層を気相法により形成する工程と、この冷陰極用導体層
に熱処理を施す工程により製造する冷陰極電子源素子の
製造方法。
6. A cold cathode electron source device having a cold cathode, wherein the cold cathode is dispersed and contained in a cold cathode base material and has a work function of the work of the cold cathode base material. And a particle of a conductive material having a particle size lower than the function and smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being substantially separated from each other and dispersed on the cold cathode surface. In obtaining the exposed cold cathode electron source element, the cold cathode, a step of forming an amorphous or microcrystalline cold cathode conductor layer by a vapor phase method, and heat treatment to the cold cathode conductor layer A method of manufacturing a cold cathode electron source element, which is manufactured by the step of applying.
【請求項7】 前記熱処理の温度が成膜温度から700
℃までの温度である請求項6の冷陰極電子源素子の製造
方法。
7. The temperature of the heat treatment is 700 to film formation temperature.
The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to claim 6, wherein the temperature is up to ° C.
【請求項8】 冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、 この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、 この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出してお
り、 前記粒子のX線回折から求めた平均粒径が0.05〜5
0nmであり、 前記冷陰極基材を構成する成分の薄層と、前記導電性材
料の粒子を構成する成分の薄層とを交互に積層して冷陰
極用導体層を気相法により成膜することによって製造す
る冷陰極電子源素子の製造方法。
8. A cold cathode electron source device having a cold cathode, the cold cathode being dispersedly contained in a cold cathode base material, and having a work function of the work of the cold cathode base material. And a particle of a conductive material having a particle size lower than the function and smaller than the thickness of the cold cathode, the particles being substantially separated from each other and dispersed on the cold cathode surface. It is exposed and has an average particle size of 0.05 to 5 determined from X-ray diffraction of the particles.
It is 0 nm, and a thin layer of a component forming the cold cathode base material and a thin layer of a component forming the particles of the conductive material are alternately laminated to form a conductor layer for a cold cathode by a vapor phase method. A method of manufacturing a cold cathode electron source element manufactured by performing the method.
【請求項9】 前記導電性材料の粒子を構成する成分の
薄層の膜厚が、0.5nm〜50nmである請求項8の冷陰
極電子源素子の製造方法。
9. The method for manufacturing a cold cathode electron source element according to claim 8, wherein the thin layer of the component constituting the particles of the conductive material has a thickness of 0.5 nm to 50 nm.
【請求項10】 前記冷陰極用導体層を成膜した後に、
前記冷陰極用導体層の成膜温度から700℃までの温度
で前記冷陰極用導体層に熱処理を施す請求項9の冷陰極
電子源素子の製造方法。
10. After forming the cold cathode conductor layer,
The method for producing a cold cathode electron source element according to claim 9, wherein the cold cathode conductor layer is heat-treated at a temperature from the film forming temperature of the cold cathode conductor layer to 700 ° C.
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