JPH02170327A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、例えば、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置
、ＣＲＴ等、各種電子ビーム応用装置の電子発生源とし
て利用される電子放出素子に関する。

従来の技術 電子顕微鏡やＣＲＴ等の電子発生源として使われる電子
放出素子として、従来、熱電子を放出する熱陰極が用い
られている。しかし、熱陰極は陰極自体を加熱する加熱
手段を必要としたり、加熱に伴うエネルギー損失があっ
たりという問題がある。

それで、加熱を必要としない電子放出素子、いわゆる冷
陰極の研究がなされ、いくつかの素子が実際に提案され
ている。

具体的には、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、電子
なだれ降伏現象を起こさせて素子外に電子を放出させる
ようにしたもの、あるいは、電界集中の生じ易い形状の
金属に対し電圧を印加して局所的に電界強度を高め、金
属から素子外に電子を放出させる電界効果型のもの、さ
らには、金属層−絶縁体層−金属層の３層構成で、両金
属層間に電圧を印加することにより、トンネル効果で絶
縁体層を通過してきた電子を金属層表面から素子外に放
出させるもの（ＭＩＭ型と通称される）等の電子放出素
子がある。これらのうちＭＩＭ型電子電子放出素子成が
簡単であり、これからの素子としても注目されている。

この電子放出素子における電子放出原理を第６図に基づ
いて説明する。

この電子放出素子は、金属層（導電性材）４１上に絶縁
体層４２が積層され、同絶縁体層４２の上に薄い金属層
４３が積層された構成となっている。電源４４によって
、金属層４３の仕事関数φよりも大きな電圧を金属層４
１　・金属層４３間に印加すると、絶縁体層４２をトン
ネルした電子のうち真空準位より大きなエネルギーをも
つ電子が、放出電子４５として、金属層４３表面から飛
び出す。

従来、第７図や第８図にみるようなＭＩＭ型電子電子放
出素子られている。

第７図の電子放出素子は、絶縁基板５１の表面に帯状の
金属層５２を形成し、その上を絶縁体層５３で覆い、さ
らに金属層５２と直交するように帯状の金属層５４を積
層形成した構成である。金属層５２．５４間に電圧が加
わると、電子放出域である両金属層の交差部分から゛成
子が飛び出す（特開昭６３−６７１７号公報）。

′ｆ４８図の電子放出素子は、絶縁基板６１の表面に穿
設した溝に帯状の金属層（導電性材）６２を蒸看によシ
形成し、その上を絶縁体層６３で覆い、さらに金属層６
２と直交するように帯状の金属層６４　を積層形成した
構成である。金属層６２．６４間傾電圧が加わると、電
子放出域である両金属層６２．６４の交差部分から電子
が飛び出す（特開昭６３−８０４３７号公報）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、第６図および第７図に示された従来のＭ
ＩＭ型電子電子放出素子、絶縁体層上の金属層の電気的
導通の信頼性が低く、しかも、電子放出特性の安定性が
十分でないという問題がある。

第６図や第７図に示す電子放出素子の金属層には層全体
にわたって段差がついている。層全体にわたる段差があ
る金属層は、段差のついている所で亀裂が入り易い。金
属層に亀裂が入った場合、電気的導通が損なわれ導通不
良となるのである。

しかも、上記金属層では電子放出域における厚みが不均
一であるため、電子放出特性も安定しない０ 通常、電子放出効率を高くするには、金鵡層を薄くしな
ければならないのであるが、金属層を薄くすると上記問
題は一層大きくなる。

第８図にみる電子放出素子では細い溝内に魚屑によシ金
属層を形成することが困難であり、実用性に之しいとい
う問題がある。溝の側面との間に隙間がないように、か
つ絶縁基板の表′面と丁度同じ位置まで埋め全表面がひ
とつの平面となるようにすることが極めて困難なのであ
る。それに、電子放出域の形状が四角形状のものに限ら
れるという問題もある。複雑な形状の溝を硬い絶縁基板
に穿設し、そこにうまく金属層を形成することは一層困
難である。電子ビームを任意の形状に簡単にできないと
、利用範囲等の制限を受け、やは９実用性が之しくなる
。

この発明は、上記事情に鑑み、金属層の電気的導通の信
頼性が高く、電子放出特性が安定しており、しかも、電
子ビームを任意の形状にすることが容易な実用的電子放
出素子を提供することを課題とする。

課題を解決するだめの手段 前記課題を解決するため、請求項１〜４記載の電子放出
素子では、つぎのような構成をとるようにしている。

請求項１記載の電子放出素子は、表面の一部が凸状部に
なっている導電性材と、平らな表面を作るようにして前
記導電性材の表面を覆いつくす絶縁体層と、この絶縁体
層表面の少なくとも凸状部の上方を覆う金属層とを備え
た構成をとっている。

請求項２記載の電子放出素子は、加えて、絶縁体層を、
導電性材表面の凸状部のない部分を覆い凸状部と同一平
面となるように形成された第１絶縁体層と、この第１絶
縁体層および前記凸状部の両表面を覆い平らな表面とな
るようにして形成された第２絶縁体層とで構成している
。

請求項３記載の電子放出素子は、平らな基板表面の一部
に形成された導電性材と、平らな表面を作るようにして
前記導電性材および前記基板表面を覆いつくす絶縁体層
と、この絶縁体層表面の少なくとも導電性材の上方を覆
う金属層とを備えた構成をとっている。

請求項４記載の電子放出素子では、絶縁体層を、基板表
面の導電性材のない部分を覆い４１を性材と同一平面と
なるように形成された第１絶縁体層と、この第１絶縁体
層および前記導電性材の両表面を覆い平らな表面となる
ようにして形成された７ｊｌｊＪ２絶縁体層とで構成し
ている。

作　　　　用 請求項１〜４記載の電子放出素子では、平らな表面をも
つ絶縁体層の上に金桐層が形成されている。平らな面に
形成された金属層では、厚みの均一性に優れ、しかも、
層全体にわたって段差が形成されるといったことがない
。したがって、電子放出特性が安定し、金属層に亀裂が
入りにくくて電気的導通の信頼性が高くなる。

請求項、２記載の電子放出素子では、凸状部の横を、請
求項３．４記載の電子放出素子では、導電材の横を絶縁
体層で埋めるようにするが、この部分は、第８図におけ
る溝よりも巾をもたせられるので、隙間を作ることなく
同一平面となるように絶縁体層が形成される。

請求項、２記載の電子放出素子では、導電性材における
凸状部が電子放出域を規定している。

この凸状部は、エツチング技術寺の利用にょシ簡単に任
意の形状のものとすることができる。そのため、電子ビ
ームの形状が容易に任意の形状のものになる。

請求項３．４記載の電子放出素子では、基板表面の一部
に形成された導電性材で電子放出域を規定することにな
るが、平らな面に形成される導′１性材は、その形状を
簡単に任意の形とすることができる。そのため、電子ビ
ームの形状を容易に任意の形状のものとすることができ
る。

請求項２．４記載の電子放出素子では、第２絶縁体層が
あるため、金属層の下の絶縁体層表面がより平らとなる
。

実施例 以下、この発明にかかる電子放出素子を、その一実施例
をあられす図面を参照しながら詳しく説明する。

第１図は、請求項１記載の電子放出素子の一実施例をあ
られす。

電子放出素子は、導電体（導電性材）　　１１−絶縁体
層１２−金属層１４で構成されている。導電体１１は表
面の一部が凸状部１１ａになっている。

導電体１１と金−層１４の間に介在する絶縁体層１２は
、導電体１１表面の凸状部１１ａのない部分の表面およ
び凸状部１１ａの表面の両者を覆い平らな表面となるよ
うにして形成されている。そして、凸状部１１ａのある
ところが電子放出域１５となっている。

導電体１１が「負」側、金属層１４が「正」側となるよ
うに電圧を印加することにょシ、電子放出域１５の下側
の薄い絶縁体層１２部分に強電界が形成される。そうす
ると、導電体１１　　より電子が引出されトンネル現象
によって絶縁体層１２を透過し、金属層１４の仕事関数
φ以上のエネルギーを持った電子が金属層１４　Ｋおけ
る電子放出域１５から飛び出してゆく。

第２図は請求項２記載の電子放出素子の一実施例を表わ
す。これは同時に請求項１記載の電子放出素子の実施例
でもある。

本実施例の電子放出素子は、導電体（導電性材）１１−
絶縁体層１２．１３−金属層１４で構成されている。す
なわち、導電体１１　　と金属層１４の間に介在する絶
縁体層は、導電体１１表面の凸状部１１ａのない部分を
覆い凸状部１１ａと同一平面となるように形成された第
１絶縁体層１２と、この第１絶縁体層１２および凸状部
１１ａの両表面を憶い平らな表面となるようにして形成
された第２絶縁体層１３とで構成されている。そして、
凸状部１１ａのあるところが電子放出域１５となってい
る。

その他の部分は第１図の実施例と同一であるので説明を
省略する。

導電体１１が「負」側、金属層１４が「正」側となるよ
うに電圧を印加することにより、゛成子放出域１５の下
側の薄い第２絶縁体層１３に強電界が形成され、導電体
１１　　より電子が引出されトンネル現象によって第２
絶縁体層１３を透過し、金属層１４の仕事関数φ以上の
エネルギーを持った電子が金属層１４　における電子放
出域１５から飛び出してゆく。

続いて、第２図の電子放出素子の製造方法の一例を、第
３図（ａ）〜（ｇ）を参照しながら説明する。

まず、例えば、ガラス等の絶縁基板２１の表面全面に、
例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタ
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、イオンビーム蒸着法等により
、金属を蒸着し、第３図（ａ）にみるように、導電体用
の金属層２２′を形成する。

金属層２２′は、例えば、ＡＡ’、　Ａｕ、　Ｐｔ、　
Ｍｏ、　Ｔａ。

Ａｇ、Ｗ％Ｃｒ　等からなり、厚みは０．１〜１μｍ程
度である。

ついで、第３図（ｂ）にみるように、金属層２２におけ
る電子放出域となる部分にレジスト層２３を選択的に形
成する。レジスト層２３は通常のフォトリソグラフィ技
術を用いて形成することができる。

レジスト層２３形成後、例えば、イオンミーリング法、
湿式エツチング法等により、金属層２２におけるレジス
ト層のない部分を厚みｄ（例えば、０．０５〜０．５μ
ｍ　）分、エツチングする。そうすると、第３図（Ｃ）
にみるように、凸状部２２ａのある導電体２２が形成さ
れる。

つぎに、第３図（ｄ）にみるように、凸状部２２ａの横
に同一平面となるようにして第１絶縁体層２４　を、例
えば、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法、イオンビーム蒸着法等を用いて積層形成する。第
１絶縁体層２４は、８ｉ０２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２０５
．５ｉＮｘ１ＢＮ、　ＡＩＮ、　Ｃ等からなる。

第１絶縁体層２４を形成した後、第３図（ｅ）にみるよ
うに、レジスト層２３をリフトオフしてから、第３図（
ｆ）にみるように、凸状部２２ａおよび第１絶縁体層２
４表面に、厚み５〜２Ｑｎｍ程度の第２絶縁体層２５を
積層形成する。第２絶縁体層２５　も、例えば、電子ビ
ーム蒸着法、スパッタ法、Ｃ■法、ＭＢＥ法、イオンビ
ーム蒸着法等を用いて形成されており、５ＩＯ２、Ａｌ
２Ｏ３、ＴａｚＯｓ、ＳｉＮｘ。

ＢＮｌｋｌＮ、　Ｃ等からなる。

最後に、第３図（ｇ）にみるように、例えば、Ａｕ　。

ｋｌ、Ｍｏ、Ｗ等の金属層２６が第２絶縁体層２５の平
らな表面に形成され電子放出素子の完成となる。金属層
２６は、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、イオンビーム蒸着法等を用いて形
成されており、通常、厚みは、５〜２００ｍ程度である
。

さらに、他の実施例について説明する。

第４図は、請求項３記載の電子放出素子の一実施例をあ
られす。

電子放出素子は、絶縁基板３１−導電体（導電性材）３
２−絶縁体層３３−金属層３５で構成されている。導電
体３２は平らな絶縁基板３１表面の一部に形成されてい
る。導電体３２と金属層３５０間に介在する絶縁体層３
３は、絶縁基板３１表面の導電体３２のない部分の表面
および導電体３２の表面の両者を覆い平らな表面となる
ようにして形成されている。導電体３２と金属層３５が
交差している部分が電子放出域３６となっている。

導電体３２が「負」側、金属層３５が「正」側となるよ
うに電圧を印加することにより、成子放出域３６の下側
の薄い絶縁体層３３部分に強電界が形成される。そうす
ると、導電体３２より電子が引出されトンネル現象によ
って絶縁体層３３を透過し、金属層３５の仕事関数φ以
上のエネルギーを持った電子が金属層３５における電子
放出域３６から飛び出してゆく。

第５図は請求項４記載の電子放出素子の一実施例を表わ
す。これは同時に請求項３記載の電子放出素子の実施例
でもある。

本実施例の電子放出素子は、絶縁基板３１−導電体３２
−絶縁体層３３．３４−金属層３５で構成されている。

すなわち、導電体３２と金属層３５の間に介在する絶縁
体層は、基板３１表面の導電体のない部分を覆い導電体
３２と同一平面となるように形成された第１絶縁体層３
３と、この第１絶縁体層３３および導電体３２０両表面
を覆い平らな表面となるようにして形成された第２絶縁
体層３４とで構成されている。導電体３２と金属層３５
が交差している部分が電子放出域３６となっている。そ
の他の部分は第４図の実施例と同一であるので説明は省
略する。

導電体３２が「負ｊ側、金属層３５が「正」側となるよ
うに電圧を印加することにより、電子放出域３６の下側
の薄い第２絶縁体層３４に強電界が形成され、導電体３
２　より電子が引出されトンネル現象によって第２絶縁
体層３４を透過し、金属層３５の仕事関数φ以上のエネ
ルギーを持った電子が金属層３５における電子放出域３
６から飛び出してゆく。

上記各実施例の電子放出素子から出る電子ビームの形を
測定したところ、電子放出域の形に対応するビーム・ス
ポットが得られていることが確認された。

この発明は上記実施例に限らない。電子放出素子は、第
１図、第２図にみるように、導電体の下に絶縁基板が設
けられていない構成であってもよい０ 電子放出素子が、複数の電子放出域が所定の配列でもっ
て並んでいるアレイ化構成であってもよい。アレイ化し
た場合でも、上記数々の利点は全く損なわれない。

導電体と金属層の間の絶懺体層がつぎのような構成であ
ってもよい。第１絶縁体層を形成した後、第２絶縁体層
を形成するかわりに、導電体表面を酸化して酸化絶縁膜
を形成し、この酸化絶縁層と第１絶縁体層とで導電体と
金属層の間の絶縁体層を構成するようにしてもよいので
ある。

導電体、金属層、絶縁体層等の形成材料、形成方法、厚
み、形状は、上記例示のものに限らないことはいうまで
もない。

なお、金属層は、凸状部や導電体の上方で前面的に覆っ
ている必要はなく、少なくとも一部で覆う（交差する）
だけでもよいこともいうまでもない０ 発明の効果 請求項１〜４記載の電子放出素子では、金属層が表面の
平らな絶縁体層の上に形成されているため、金属層の電
気的導通の信頼性が高く、しかも、電子放出特性が安定
している。さらに、電子放出域を間単に任意の形状にす
ることができるため、電子ビームの形状を容易に目的に
合う形状にすることができることとなり、実用性が高い
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の電子放出素子の一実施例をあられ
す概略断面図、第２図はこの発明の電子放出素子の他の
実施例をあられす概略断面図、第３図（ａ）〜（ｇ）は
、第２図の電子放出素子を製造するときの様子を順を追
ってあられす概略断面図、第４図および第５図は各々こ
の発明の電子放出素１、２２．３２・・・導電体（導電
性材）、１２．２４．３３・・・第１絶縁体層、１３．
２５．３４・・・第２絶縁体層、１４．２６．３５・・
・金属層、１５．３６　　・電子放出域、３１　−絶縁
基板。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　ｌ　孝　はが１名嬉 図 第 図 ２２ユ ／ ２２ユ 第 図 ２ｏ− 第 図 ４＋％９に

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面の一部が凸状部になっている導電性材と、平
   らな表面を作るようにして前記導電性材の表面を覆いつ
   くす絶縁体層と、この絶縁体層表面の少なくとも凸状部
   の上方を覆う金属層とを備えている電子放出素子。
2. （２）絶縁体層が、導電性材表面の凸状部のない部分を
   覆い凸状部と同一平面となるように形成された第１絶縁
   体層と、この第１絶縁体層および前記凸状部の両表面を
   覆い平らな表面となるようにして形成された第２絶縁体
   層からなる請求項１記載の電子放出素子。
3. （３）平らな基板表面の一部に形成された導電性材と、
   平らな表面を作るようにして前記導電性材および前記基
   板表面を覆いつくす絶縁体層と、この絶縁体層表面の少
   なくとも導電性材の上方を覆う金属層とを備えている電
   子放出素子。
4. （４）絶縁体層が、基板表面の導電性材のない部分を覆
   い導電性材と同一平面となるように形成された第１絶縁
   体層と、この第１絶縁体層および前記導電性材の両表面
   を覆い平らな表面となるようにして形成された第２絶縁
   体層とからなる請求項３記載の電子放出素子。