JP3591511B2 - 電界放射型電子源の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、導電性基板の一表面側に酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている。
【０００３】
この種の電界放射型電子源１０’は、例えば、図１４に示すように導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層（多孔質化された多結晶シリコン層）よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。なお、図１４に示す例では、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３を介在させてあるが、多結晶シリコン層３を介在させずに下部電極１２上に強電界ドリフト層６を形成した構成も提案されている。
【０００４】
図１４に示す構成の電界放射型電子源１０’から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図１４中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００５】
上述の強電界ドリフト層６は、下部電極１２上にノンドープの多結晶シリコン層を形成した後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質多結晶シリコン層を形成し、この多孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化法によって例えば９００℃の熱処理温度で急速熱酸化することにより形成されており、図１５に示すように、少なくとも、ｎ形シリコン基板１の主表面側（つまり、下部電極１２における表面電極７側）に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に形成された薄い絶縁膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜６４とから構成されると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されている。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。また、各絶縁膜５２，６４はシリコン酸化膜により構成されている。
【０００６】
上述の電界放射型電子源１０’では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖｐｓが所定値（臨界値）に達すると、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起により電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分は絶縁膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−は絶縁膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１５中の矢印の向き（図１５における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。
【０００７】
しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなく絶縁膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【０００８】
ところで、上述の電界放射型電子源１０’では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成しているが、図１６に示すように、例えばガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に金属材料よりなる下部電極１２を形成した電界放射型電子源１０”も提案されている。ここに、上述の図１４に示した電界放射型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０００９】
図１６に示す構成の電界放射型電子源１０”から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図１６中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００１０】
上述の各電界放射型電子源１０’，１０”では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１４および図１６参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉｐｓ）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉｐｓ）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖｐｓを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖｐｓが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。
【００１１】
ところで、上述の電界放射型電子源１０’，１０”の製造プロセスにおいて強電界ドリフト層６を形成するにあたっては、下部電極１２の一表面側に半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層を形成する成膜工程と、多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化することにより多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する陽極酸化処理工程と、多孔質多結晶シリコン層を高温プロセスである急速熱酸化法によって急速熱酸化してグレイン５１およびシリコン微結晶６３の表面にそれぞれ薄い絶縁膜（シリコン酸化膜）５２，６４を形成する酸化工程とを有している。
【００１２】
陽極酸化処理工程では、陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液を用いている。また、酸化工程では、例えば、ランプアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で室温から所定の熱処理温度（例えば、９００℃）まで短時間で上昇させた後、基板温度を上記熱処理温度である９００℃で所定の熱処理時間（例えば、１時間）だけ維持することにより酸化し、その後、基板温度を室温まで下降させている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、長時間連続して駆動した場合にダイオード電流Ｉｐｓが経時的に減少し、それに伴ってエミッション電流Ｉｅも減少してしまうという不具合があった。この種の不具合が発生する原因としては、絶縁膜６４中のトラップに電子が捕獲されて絶縁膜６４にかかる電界が緩和され、電子のトンネル確率が低下してしまうことが考えられる。
【００１４】
そこで、上述の製造方法で形成された電界放射型電子源１０’，１０”の強電界ドリフト層６に関して種々の分析評価（例えば、フォトルミネッセンス測定、断面ＴＥＭ観察、ＸＰＳによる組成分析など）を行った結果、強電界ドリフト層６の表面に近づくほど絶縁膜６４の膜厚が大きくなってシリコン微結晶６３が破壊され（つまり、シリコン微結晶６３にダメージが発生し）、強電界ドリフト層６の表面近傍ではシリコン微結晶６３が存在していないこという知見が得られた。したがって、従来の電界放射型電子源１０’，１０”では強電界ドリフト層６へ注入された電子の一部が電子の平均自由行程よりも厚い絶縁膜６４で散乱されたり捕獲されたりするために電子放出効率が低下してしまったり、絶縁耐圧および寿命が低下してしまうことが考えられる。
【００１５】
さらに、上述の製造方法では、酸化工程において比較的高温の熱処理温度（例えば、９００℃）で比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）を必要とするプロセスを採用しているので、プロセス時間が長くなってしまうという不具合や、上述の絶縁性基板１１として比較的高価な石英ガラス基板に比べて比較的安価であるが耐熱温度の低い無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板を用いることができないという不具合があった。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて電子放出特性の経時安定性の向上および製造コストの低減が可能な電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
【００１８】
また、酸化処理と窒化処理とを同一装置内で行うことができ、酸化処理と窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができる。
【００１９】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項２の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２０】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法で各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明に比べて各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。
【００２１】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項４の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２２】
請求項５の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなり、絶縁膜形成工程は、窒化処理の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有することを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項５の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２３】
請求項６の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項６の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２４】
請求項７の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶を形成した後に、急速熱酸化法による第１の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による第２の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜を形成することを特徴とし、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１〜３，５〜７の発明において、前記熱処理時間が５分を超えないことを特徴とし、実施態様である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態で説明する図２に示す構成の電界放射型電子源１０では、導電性基板として抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリコン基板（例えば、抵抗率が略０．０１Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）１を用いている。
【００２７】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図２に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成され、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形成されている。なお、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。したがって、表面電極７は下部電極１２に対向しており、下部電極１２と表面電極７との間に強電界ドリフト層６が介在している。
【００２８】
表面電極７は、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒなどの仕事関数が小さく耐酸化性が高くて化学的に安定な金属からなる金属膜あるいはこれらの金属膜の積層膜により形成すればよい。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度の範囲内で設定すればよい。
【００２９】
図２に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、図３に示すように、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図３中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。
【００３０】
本実施形態における電界放射型電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図３参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉｐｓ）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉｐｓ）×１００〔％〕）が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖｐｓを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖｐｓが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。
【００３１】
ところで、本実施形態における強電界ドリフト層６は、従来例と同様、図１５に示すように、少なくとも、ｎ形シリコン基板１の主表面側（つまり、下部電極１２における表面電極７側）に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄い絶縁膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜６４とから構成されると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されている。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。また、絶縁膜５２，６４については後述する製造方法の説明の際に詳述する。
【００３２】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７を真空中に配置し表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖｐｓが所定値（臨界値）に達すると、下部電極１２（ｎ形シリコン基板１）から強電界ドリフト層６へ熱的励起により電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分は絶縁膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−は絶縁膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１５中の矢印の向き（図１５中の上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルして真空中に放出される。
【００３３】
しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなく、絶縁膜６４にかかっている強電界で加速されてドリフトし表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができるものと考えられる。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００３４】
以下、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法について図１を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の主表面（一表面）上に半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層３を形成する成膜工程を行うことにより、図１（ａ）に示すような構造が得られる。なお、多結晶シリコン層３の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法（例えば、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法などを採用すればよい。
【００３６】
ノンドープの多結晶シリコン層３を形成した後、電解液を用いた陽極酸化処理にて陽極酸化の対象となる半導体層である多結晶シリコン層３を多孔質化する陽極酸化処理工程を行うことにより、多孔質半導体層である多孔質多結晶シリコン層４が形成され、図１（ｂ）に示すような構造が得られる。ここにおいて、陽極酸化処理工程により形成された多孔質多結晶シリコン層４は、多数の多結晶シリコンのグレイン５１（図１５参照）および多数のシリコン微結晶６３（図１５参照）を含んでいる。また、陽極酸化処理工程では、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液からなる電解液の入った処理槽を利用しており、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層３の表面に光照射を行いながら下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に電流を流すことで多結晶シリコン層３を主表面から所定深さ（本実施形態では、下部電極１２に達しない深さに設定してあるが、下部電極１２に達する深さに設定してもよい）まで多孔質化している。
【００３７】
上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、エタノールによるリンスを行ってから、多孔質多結晶シリコン層４に含まれている各グレイン５１および各シリコン微結晶６３の表面に上述の絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各絶縁膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成され、図１（ｃ）に示すような構造が得られる。なお、絶縁膜形成工程については後述する。
【００３８】
強電界ドリフト層６を形成した後は、金属材料（例えば、金）からなる表面電極７を蒸着法などによって形成することにより、図１（ｄ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得られる。なお、本実施形態では、表面電極７を蒸着法により形成しているが、表面電極７の形成方法は蒸着法に限定されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【００３９】
ところで、上述の絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００４０】
酸化処理は、急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第１の規定の熱処理時間と称す）で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなる。この酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００４１】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００４２】
しかして、上述の製造方法によれば、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、本実施形態では、上記酸化処理と上記窒化処理とを同一装置内で行うことができるので、上記酸化処理と上記窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができる。
【００４３】
上述の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図４に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図５にそれぞれ示し、また、絶縁膜形成工程において急速熱窒化法のみを採用し熱処理温度を９００℃、熱処理時間を５分とした比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性を図６に、比較例１の電子放出特性の経時変化を測定した結果を図７にそれぞれ示し、また、絶縁膜形成工程において急速熱窒化法のみを採用し熱処理温度を９００℃、熱処理時間を６０分とした比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性を図８に、比較例２の電子放出特性の経時変化を測定した結果を図９にそれぞれ示す。
【００４４】
電界放射型電子源１０および各比較例１，２の電界放射型電子源の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０ないし比較例１，２の電界放射型電子源を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００４５】
図４，６，８は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図５，７，９はは直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。ただし、図５は直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定とした場合、図７は直流電圧Ｖｐｓを１１Ｖ一定とした場合、図９は直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定とした場合の測定結果である。図４〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００４６】
ところで、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成しているが、絶縁性基板（例えば、ガラス基板、セラミック基板など）の一表面側に金属材料や高濃度ドープされた多結晶シリコン層からなる下部電極１２を形成した構成を採用するようにしてもよい。また、ｎ形シリコン基板１の表面側の一部を上述の陽極酸化処理工程にて多孔質化することで多孔質半導体層たる多結晶シリコン層を形成し、この多孔質シリコン層に対して上述の絶縁膜形成工程を行うようにしてもよい。
【００４７】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００４８】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００４９】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなる。酸化工程では、上述の陽極酸化処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。酸化工程の後のアニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。なお、アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。電気化学的な方法による酸化膜は室温で形成することができるので、アニール温度を５００℃以下に設定することで、実施形態１に比べて酸化工程における高温（例えば、９００℃）での熱処理をなくすことができる。また、アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合に酸化工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００５０】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、実施形態１と同様に第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００５１】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態１に比べて、絶縁膜形成工程における高温（例えば、９００℃）での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００５２】
本実施形態の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図１０に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図１１にそれぞれ示す。
【００５３】
本実施形態の電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００５４】
図１０は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図１１は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、直流電圧Ｖｐｓを１６Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。図１０，１１および実施形態１で説明した比較例１，２に関する測定結果を示した図６〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００５５】
（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００５６】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００５７】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。第１の酸化工程の後のアニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。第２の酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００５８】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００５９】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００６０】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００６１】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００６２】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する酸化工程からなる。酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００６３】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程からなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００６４】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００６５】
（実施形態５）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００６６】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００６７】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００６８】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程からなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００６９】
また、本実施形態の製造方法における絶縁膜形成工程では、上記窒化処理の後で急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有している。
【００７０】
第２の酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００７１】
また、窒化工程は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００７２】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００７３】
本実施形態の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図１２に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図１３にそれぞれ示す。
【００７４】
本実施形態の電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００７５】
図１２は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図１３は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。図１２，１３および実施形態１で説明した比較例１，２に関する測定結果を示した図６〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００７６】
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００７７】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００７８】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００７９】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。また窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００８０】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００８１】
（実施形態７）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００８２】
本実施形態における絶縁膜形成工程では、急速熱酸化法による各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜５２，６４を形成する。ここにおいて、酸化処理では、シリコン微結晶６３の表面側を酸化し、窒化処理では膜質を改善している。
【００８３】
酸化処理では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００８４】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する。この窒化処理では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化処理においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化処理で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００８５】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
【００８７】
また、酸化処理と窒化処理とを同一装置内で行うことができ、酸化処理と窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができるという効果がある。
【００８８】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項２の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００８９】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法で各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明に比べて各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。
【００９０】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項４の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９１】
請求項５の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなり、絶縁膜形成工程は、窒化処理の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有することを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項５の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９２】
請求項６の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項６の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９３】
請求項７の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶を形成した後に、急速熱酸化法による第１の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による第２の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜を形成することを特徴とし、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図２】同上の電界放射型電子源の概略断面図である。
【図３】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。
【図４】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図５】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図６】同上の比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図７】同上の比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図８】同上の比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図９】同上の比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１０】実施形態２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１１】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１２】実施形態５の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１３】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１４】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図１５】同上の動作説明図である。
【図１６】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【符号の説明】
１ ｎ形シリコン基板
２ オーミック電極
３ 多結晶シリコン層
４ 多孔質多結晶シリコン層
６ 強電界ドリフト層
１０ 電界放射型電子源
１２ 下部電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、導電性基板の一表面側に酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている。
【０００３】
この種の電界放射型電子源１０’は、例えば、図１４に示すように導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層（多孔質化された多結晶シリコン層）よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。なお、図１４に示す例では、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３を介在させてあるが、多結晶シリコン層３を介在させずに下部電極１２上に強電界ドリフト層６を形成した構成も提案されている。
【０００４】
図１４に示す構成の電界放射型電子源１０’から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図１４中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００５】
上述の強電界ドリフト層６は、下部電極１２上にノンドープの多結晶シリコン層を形成した後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質多結晶シリコン層を形成し、この多孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化法によって例えば９００℃の熱処理温度で急速熱酸化することにより形成されており、図１５に示すように、少なくとも、ｎ形シリコン基板１の主表面側（つまり、下部電極１２における表面電極７側）に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に形成された薄い絶縁膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜６４とから構成されると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されている。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。また、各絶縁膜５２，６４はシリコン酸化膜により構成されている。
【０００６】
上述の電界放射型電子源１０’では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖｐｓが所定値（臨界値）に達すると、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起により電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分は絶縁膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−は絶縁膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１５中の矢印の向き（図１５における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。
【０００７】
しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなく絶縁膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【０００８】
ところで、上述の電界放射型電子源１０’では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成しているが、図１６に示すように、例えばガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に金属材料よりなる下部電極１２を形成した電界放射型電子源１０”も提案されている。ここに、上述の図１４に示した電界放射型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０００９】
図１６に示す構成の電界放射型電子源１０”から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図１６中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００１０】
上述の各電界放射型電子源１０’，１０”では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１４および図１６参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉｐｓ）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉｐｓ）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖｐｓを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖｐｓが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。
【００１１】
ところで、上述の電界放射型電子源１０’，１０”の製造プロセスにおいて強電界ドリフト層６を形成するにあたっては、下部電極１２の一表面側に半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層を形成する成膜工程と、多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化することにより多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する陽極酸化処理工程と、多孔質多結晶シリコン層を高温プロセスである急速熱酸化法によって急速熱酸化してグレイン５１およびシリコン微結晶６３の表面にそれぞれ薄い絶縁膜（シリコン酸化膜）５２，６４を形成する酸化工程とを有している。
【００１２】
陽極酸化処理工程では、陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液を用いている。また、酸化工程では、例えば、ランプアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で室温から所定の熱処理温度（例えば、９００℃）まで短時間で上昇させた後、基板温度を上記熱処理温度である９００℃で所定の熱処理時間（例えば、１時間）だけ維持することにより酸化し、その後、基板温度を室温まで下降させている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、長時間連続して駆動した場合にダイオード電流Ｉｐｓが経時的に減少し、それに伴ってエミッション電流Ｉｅも減少してしまうという不具合があった。この種の不具合が発生する原因としては、絶縁膜６４中のトラップに電子が捕獲されて絶縁膜６４にかかる電界が緩和され、電子のトンネル確率が低下してしまうことが考えられる。
【００１４】
そこで、上述の製造方法で形成された電界放射型電子源１０’，１０”の強電界ドリフト層６に関して種々の分析評価（例えば、フォトルミネッセンス測定、断面ＴＥＭ観察、ＸＰＳによる組成分析など）を行った結果、強電界ドリフト層６の表面に近づくほど絶縁膜６４の膜厚が大きくなってシリコン微結晶６３が破壊され（つまり、シリコン微結晶６３にダメージが発生し）、強電界ドリフト層６の表面近傍ではシリコン微結晶６３が存在していないこという知見が得られた。したがって、従来の電界放射型電子源１０’，１０”では強電界ドリフト層６へ注入された電子の一部が電子の平均自由行程よりも厚い絶縁膜６４で散乱されたり捕獲されたりするために電子放出効率が低下してしまったり、絶縁耐圧および寿命が低下してしまうことが考えられる。
【００１５】
さらに、上述の製造方法では、酸化工程において比較的高温の熱処理温度（例えば、９００℃）で比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）を必要とするプロセスを採用しているので、プロセス時間が長くなってしまうという不具合や、上述の絶縁性基板１１として比較的高価な石英ガラス基板に比べて比較的安価であるが耐熱温度の低い無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板を用いることができないという不具合があった。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて電子放出特性の経時安定性の向上および製造コストの低減が可能な電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
【００１８】
また、酸化処理と窒化処理とを同一装置内で行うことができ、酸化処理と窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができる。
【００１９】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項２の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２０】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法で各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明に比べて各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。
【００２１】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項４の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２２】
請求項５の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなり、絶縁膜形成工程は、窒化処理の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有することを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項５の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２３】
請求項６の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
また、請求項６の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になる。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００２４】
請求項７の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶を形成した後に、急速熱酸化法による第１の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による第２の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜を形成することを特徴とし、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上し、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１〜３，５〜７の発明において、前記熱処理時間が５分を超えないことを特徴とし、実施態様である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態で説明する図２に示す構成の電界放射型電子源１０では、導電性基板として抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリコン基板（例えば、抵抗率が略０．０１Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）１を用いている。
【００２７】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図２に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成され、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形成されている。なお、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。したがって、表面電極７は下部電極１２に対向しており、下部電極１２と表面電極７との間に強電界ドリフト層６が介在している。
【００２８】
表面電極７は、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒなどの仕事関数が小さく耐酸化性が高くて化学的に安定な金属からなる金属膜あるいはこれらの金属膜の積層膜により形成すればよい。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度の範囲内で設定すればよい。
【００２９】
図２に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、図３に示すように、表面電極７に対向配置された例えば透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図３中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ−の流れを示す）。
【００３０】
本実施形態における電界放射型電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図３参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉｐｓ）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉｐｓ）×１００〔％〕）が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖｐｓを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖｐｓが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。
【００３１】
ところで、本実施形態における強電界ドリフト層６は、従来例と同様、図１５に示すように、少なくとも、ｎ形シリコン基板１の主表面側（つまり、下部電極１２における表面電極７側）に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄い絶縁膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜６４とから構成されると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されている。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。また、絶縁膜５２，６４については後述する製造方法の説明の際に詳述する。
【００３２】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７を真空中に配置し表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖｐｓが所定値（臨界値）に達すると、下部電極１２（ｎ形シリコン基板１）から強電界ドリフト層６へ熱的励起により電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分は絶縁膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−は絶縁膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１５中の矢印の向き（図１５中の上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルして真空中に放出される。
【００３３】
しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなく、絶縁膜６４にかかっている強電界で加速されてドリフトし表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができるものと考えられる。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００３４】
以下、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法について図１を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の主表面（一表面）上に半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層３を形成する成膜工程を行うことにより、図１（ａ）に示すような構造が得られる。なお、多結晶シリコン層３の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法（例えば、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法などを採用すればよい。
【００３６】
ノンドープの多結晶シリコン層３を形成した後、電解液を用いた陽極酸化処理にて陽極酸化の対象となる半導体層である多結晶シリコン層３を多孔質化する陽極酸化処理工程を行うことにより、多孔質半導体層である多孔質多結晶シリコン層４が形成され、図１（ｂ）に示すような構造が得られる。ここにおいて、陽極酸化処理工程により形成された多孔質多結晶シリコン層４は、多数の多結晶シリコンのグレイン５１（図１５参照）および多数のシリコン微結晶６３（図１５参照）を含んでいる。また、陽極酸化処理工程では、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液からなる電解液の入った処理槽を利用しており、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層３の表面に光照射を行いながら下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に電流を流すことで多結晶シリコン層３を主表面から所定深さ（本実施形態では、下部電極１２に達しない深さに設定してあるが、下部電極１２に達する深さに設定してもよい）まで多孔質化している。
【００３７】
上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、エタノールによるリンスを行ってから、多孔質多結晶シリコン層４に含まれている各グレイン５１および各シリコン微結晶６３の表面に上述の絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各絶縁膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成され、図１（ｃ）に示すような構造が得られる。なお、絶縁膜形成工程については後述する。
【００３８】
強電界ドリフト層６を形成した後は、金属材料（例えば、金）からなる表面電極７を蒸着法などによって形成することにより、図１（ｄ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得られる。なお、本実施形態では、表面電極７を蒸着法により形成しているが、表面電極７の形成方法は蒸着法に限定されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【００３９】
ところで、上述の絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００４０】
酸化処理は、急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第１の規定の熱処理時間と称す）で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなる。この酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００４１】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００４２】
しかして、上述の製造方法によれば、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、本実施形態では、上記酸化処理と上記窒化処理とを同一装置内で行うことができるので、上記酸化処理と上記窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができる。
【００４３】
上述の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図４に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図５にそれぞれ示し、また、絶縁膜形成工程において急速熱窒化法のみを採用し熱処理温度を９００℃、熱処理時間を５分とした比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性を図６に、比較例１の電子放出特性の経時変化を測定した結果を図７にそれぞれ示し、また、絶縁膜形成工程において急速熱窒化法のみを採用し熱処理温度を９００℃、熱処理時間を６０分とした比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性を図８に、比較例２の電子放出特性の経時変化を測定した結果を図９にそれぞれ示す。
【００４４】
電界放射型電子源１０および各比較例１，２の電界放射型電子源の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０ないし比較例１，２の電界放射型電子源を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００４５】
図４，６，８は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図５，７，９はは直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。ただし、図５は直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定とした場合、図７は直流電圧Ｖｐｓを１１Ｖ一定とした場合、図９は直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定とした場合の測定結果である。図４〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００４６】
ところで、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成しているが、絶縁性基板（例えば、ガラス基板、セラミック基板など）の一表面側に金属材料や高濃度ドープされた多結晶シリコン層からなる下部電極１２を形成した構成を採用するようにしてもよい。また、ｎ形シリコン基板１の表面側の一部を上述の陽極酸化処理工程にて多孔質化することで多孔質半導体層たる多結晶シリコン層を形成し、この多孔質シリコン層に対して上述の絶縁膜形成工程を行うようにしてもよい。
【００４７】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００４８】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００４９】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなる。酸化工程では、上述の陽極酸化処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。酸化工程の後のアニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。なお、アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。電気化学的な方法による酸化膜は室温で形成することができるので、アニール温度を５００℃以下に設定することで、実施形態１に比べて酸化工程における高温（例えば、９００℃）での熱処理をなくすことができる。また、アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合に酸化工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００５０】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、実施形態１と同様に第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００５１】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態１に比べて、絶縁膜形成工程における高温（例えば、９００℃）での熱処理時間をさらに短縮化できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００５２】
本実施形態の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図１０に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図１１にそれぞれ示す。
【００５３】
本実施形態の電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００５４】
図１０は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図１１は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、直流電圧Ｖｐｓを１６Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。図１０，１１および実施形態１で説明した比較例１，２に関する測定結果を示した図６〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００５５】
（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００５６】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００５７】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。第１の酸化工程の後のアニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。第２の酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００５８】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する窒化工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００５９】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００６０】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００６１】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００６２】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する酸化工程からなる。酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００６３】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程からなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００６４】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００６５】
（実施形態５）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００６６】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００６７】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００６８】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程からなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。
【００６９】
また、本実施形態の製造方法における絶縁膜形成工程では、上記窒化処理の後で急速熱酸化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有している。
【００７０】
第２の酸化工程では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ここに、第１の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００７１】
また、窒化工程は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する工程からなる。この窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００７２】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００７３】
本実施形態の製造方法にて製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を図１２に、電子放出特性の経時変化を測定した結果を図１３にそれぞれ示す。
【００７４】
本実施形態の電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放射型電子源１０を導入して、上述の図１４のように、表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極７を下部電極１２に対して高電位側として直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって行った。
【００７５】
図１２は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸が直流電圧Ｖｐｓ、縦軸が電流密度であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度を示している。また、図１３は直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定、直流電圧Ｖｐｓを１５Ｖ一定、真空チャンバ内の真空度を５×１０−５Ｐａとしたときの電子放出特性の経時変化の測定結果を示したものであって、横軸が駆動開始からの経過時間、左側の縦軸が電流密度、右側の縦軸が電子放出効率であり、「イ」がダイオード電流Ｉｐｓの電流密度、「ロ」がエミッション電流Ｉｅの電流密度、「ハ」が電子放出効率を示している。図１２，１３および実施形態１で説明した比較例１，２に関する測定結果を示した図６〜９から、本実施形態の電界放射型電子源１０では比較例１，２の電界放射型電子源に比べて電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。
【００７６】
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００７７】
ただし、本実施形態においても、絶縁膜形成工程では、各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚（シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚）程度の酸化膜（シリコン酸化膜）を形成する酸化処理と、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜（シリコン酸化膜）の膜質を改善する窒化処理とを有している。
【００７８】
ここにおいて、本実施形態における酸化処理は、電気化学的な方法により各シリコン微結晶６３の表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなる。第１の酸化工程では、上述の陽極処理工程の終了後にエタノールによるリンスを行ってから、所定濃度（例えば１ｍｏｌ／ｌ＝１Ｍ）の硫酸水溶液の入った処理槽を利用し、下部電極１２と白金電極よりなる陰極との間に定電圧を印加する電気化学的な方法により各グレイン５１および各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成する。ここに、第１の酸化工程で用いる電解液は硫酸水溶液に限らず、例えば、硝酸水溶液、王水などを用いてもよいし、あるいは有機溶媒中に溶質を溶かした電解液を用いてもよい。
【００７９】
また、窒化処理は、窒化ガス雰囲気中で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなる。アニール工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において所定のアニール温度（例えば、４５０℃）で所定のアニール時間（例えば、１時間）だけアニールを行う。アニール温度は、５００℃以下に設定することが好ましい。アニール温度を５００℃以下に設定することで、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にアニール工程がガラス基板に与える影響をなくすことができる。また窒化工程では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ここに、第２の規定の熱処理時間は、製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性の測定結果から５分以内に設定することでが望ましいことを確認している。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化工程においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化工程で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００８０】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、絶縁膜５２，６４を形成する絶縁膜形成工程において、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各シリコン微結晶６３それぞれの表面に上記膜厚程度の酸化膜を形成するとともにグレイン５１の表面に酸化膜を形成し、各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜を窒化して膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。また、各シリコン微結晶６３を湿式の陽極酸化処理を利用して形成しているので、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に酸化膜を形成することが可能になるから、各シリコン微結晶６３およびグレイン５１それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各シリコン微結晶６３および各グレイン５１それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になる。
【００８１】
（実施形態７）
本実施形態では、実施形態１で説明した製造方法において絶縁膜形成工程が相違するだけなので、絶縁膜形成工程についてのみ説明する。
【００８２】
本実施形態における絶縁膜形成工程では、急速熱酸化法による各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による各シリコン微結晶（半導体微結晶）６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜５２，６４を形成する。ここにおいて、酸化処理では、シリコン微結晶６３の表面側を酸化し、窒化処理では膜質を改善している。
【００８３】
酸化処理では、ランプアニール装置を用い、例えば酸素ガス雰囲気中において第１の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で第１の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ酸化を行う。すなわち、第１の規定の熱処理時間は従来の急速熱酸化法による酸化工程での所定の熱処理時間（１時間）に比べて大幅に短縮してある。ただし、第１の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。
【００８４】
また、窒化処理は、急速熱窒化法により各シリコン微結晶６３へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間（以下、第２の規定の熱処理時間と称す）で各酸化膜を窒化する。この窒化処理では、ランプアニール装置を用い、例えばＮ２Ｏガス雰囲気中において第２の規定の熱処理温度（例えば、９００℃）で上記第２の規定の熱処理時間（例えば、５分）だけ窒化を行う。ただし、第２の規定の熱処理温度まで基板温度を上昇させる昇温期間の昇温速度は２０℃／ｓｅｃ以上、望ましくは１５０℃／ｓｅｃ以上に設定する。また、本実施形態では、窒化処理においてＮ２Ｏガスを利用しているので、各酸化膜の窒化と同時に酸化も進むから、結果的に各絶縁膜５２，６４は酸窒化膜（シリコン酸窒化膜）になる。なお、窒化処理で用いるガスはＮ２Ｏガスに限らず、例えばＮＯガス，ＮＨ３ガスなどを用いてもよい。
【００８５】
本実施形態の製造方法によれば、実施形態１と同様、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間（例えば、１時間）で各絶縁膜５２，６４を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上する。しかも、各絶縁膜５２，６４の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから、図１６に示した従来構成のように下部電極１２をガラス基板のような絶縁性基板１１上に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れる。また、実施形態２の製造方法に比べて、各絶縁膜５２，６４中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上できる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
【００８７】
また、酸化処理と窒化処理とを同一装置内で行うことができ、酸化処理と窒化処理との間で不純物が付着するのを防止することができるという効果がある。
【００８８】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項２の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００８９】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法で各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項３の発明では、請求項２の発明に比べて各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。
【００９０】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項４の発明では、請求項１の発明に比べて各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間をさらに短縮化できるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９１】
請求項５の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなり、絶縁膜形成工程は、窒化処理の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有することを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項５の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく第１の酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、第１の酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９２】
請求項６の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなることを特徴とし、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成し、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善するので、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
また、請求項６の発明では、各絶縁膜中の欠陥を低減でき、電子放出特性を向上させることが可能になるという効果がある。また、各半導体微結晶を湿式の陽極酸化処理を利用して形成する場合に、陽極酸化処理の後に大気中に曝すことなく酸化工程にて各半導体微結晶の表面に酸化膜を形成することが可能になるので、各半導体微結晶それぞれの表面に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程にて各半導体微結晶それぞれの表面に良質な酸化膜を形成することが可能になるという利点がある。
【００９３】
請求項７の発明は、下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶を形成した後に、急速熱酸化法による第１の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による第２の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜を形成することを特徴とし、従来のように急速熱酸化法により比較的長い熱処理時間で各絶縁膜を形成する場合に比べて、電子放出特性の経時安定性が向上するという効果があり、しかも、各絶縁膜の形成に伴う高温での熱処理時間を短縮化できるから下部電極をガラス基板に形成するような場合にガラス基板として石英ガラス基板に比べて比較的安価な無アルカリガラス基板や低アルカリガラス基板などの耐熱温度が比較的低いガラス基板を採用することが可能となり、低コスト化を図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図２】同上の電界放射型電子源の概略断面図である。
【図３】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。
【図４】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図５】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図６】同上の比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図７】同上の比較例１の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図８】同上の比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図９】同上の比較例２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１０】実施形態２の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１１】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１２】実施形態５の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１３】同上の電界放射型電子源の電子放出特性図である。
【図１４】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図１５】同上の動作説明図である。
【図１６】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【符号の説明】
１ ｎ形シリコン基板
２ オーミック電極
３ 多結晶シリコン層
４ 多孔質多結晶シリコン層
６ 強電界ドリフト層
１０ 電界放射型電子源
１２ 下部電極
Claims (8)
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程と、酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法で各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程と、第１の酸化工程の後で各酸化膜をアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程とからなり、窒化処理が、急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程からなることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を 高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する第１の酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程からなり、絶縁膜形成工程は、窒化処理の後で急速熱酸化法により第１の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜をさらに酸化する第２の酸化工程と、第２の酸化工程の後で急速熱窒化法により第２の規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とを有することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各半導体微結晶それぞれの表面に前記膜厚程度の酸化膜を形成する酸化処理と、各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な処理で各酸化膜の膜質を改善する窒化処理とを有し、酸化処理が、電気化学的な方法により各半導体微結晶それぞれの表面に酸化膜を形成する酸化工程からなり、窒化処理が、各酸化膜を窒化性ガス雰囲気中でアニールするアニール工程と、アニール工程の後で急速熱窒化法により規定の熱処理温度まで上昇させ各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間で各酸化膜を窒化する窒化工程とからなることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 下部電極と、下部電極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であって、強電界ドリフト層における各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各半導体微結晶を形成した後に、急速熱酸化法による第１の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメージの発生を抑制可能な熱処理時間での酸化処理と酸化処理後の急速熱窒化法による第２の規定の熱処理温度まで上昇させてからの前記各半導体微結晶へのダメー ジの発生を抑制可能な熱処理時間での窒化処理とからなる基本工程を複数回繰り返すことで各絶縁膜を形成することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
- 前記熱処理時間が５分を超えないことを特徴とする請求項１〜３，５〜７のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。
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