JPH02257540A - 熱電子線源及びその製造方法 - 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］ 本発明は、熱電子線源の放出電子を任意に操作すること
や、予備フィラメントを設けることを目的とした熱電子
線源の改良に関する。

［従来の技術］ 平板状デイスプレィ装置は、現在数々のタイプが提案さ
れており、代表的なものにエレクトロルミネッセンス方
式、プラズマ方式、液晶方式がある。しかし、これらの
方式の平面状デイスプレィ装置をカラーテレビジョン用
などの高速走査で画素密度の高い画像が必要なものに使
用しようとした場合、発光効率に限度があり、また大画
面用としては実用的ではない。このためテレビジョン用
などには真空中で電子源より放出された電子を高電圧で
加速し蛍光体に衝突発光させ画像を再現させる電子線加
速型の平板状デイスプレィ装置が有力候補の一つとなっ
ている。

この電子線デイスプレィは、平板状のため耐大気圧構造
を考えた場合、これに適した方法の一つとして画素に電
子源が１対ｌで対応しているマルチ電子源構造が考えら
れており、電子源についても薄膜による熱電子源の実現
が提案されている。

この−例として特開昭５８−１９５６号公報がある。か
かる熱電子源の断面構造は第５図に示す通りで、基板２
１上にガラス質絶縁層２２が形成され、スパッタ法等で
形成されたタングステン薄膜なホトリソグラフィー法を
用いてフィラメント部２３に形成した後、前記ガラス質
絶縁層の薄膜フィラメントの下部の一部をウェットエツ
チング法にて除去することによりフィラメントを中空に
保持する方法が提案されている。また、２４はフィラメ
ントに通電される導電路となっており、フィラメント２
３と同時成膜されたもので、その後のホトリソプロセス
で形成されたものである。

また、配線抵抗の低減等を目的として、支持層たる前記
絶縁層２２を導電材料にし、かつ、そのパターン形成を
ドライエツチング法で行った薄膜熱電子源の例がある。

これは、第６図のようなものである。構成は、絶縁基板
３１または絶縁処理された任意の基板の上に各種成膜法
で導電性支持層３２とフィラメント層３３を成膜した後
、その上にドライエッチを目的としたマスクパターンを
形成する。このマスクパターンは、フィラメントとそれ
に通電する導電路のパターンである。その後、ドライエ
ツチング法によりフィラメント層３３、あるいは絶縁部
までエツチングした後、フィラメント層に対して選択性
のあるエツチング手段、例えばウェットエツチング法に
より導電性支持層３２をエツチングして導電性支持層の
一部に間隙を作り熱電子放出部３４を実現するものであ
る。

かかる電子源を用いた電子線デイスプレィ装置は次のよ
うな構造からなる。第７図は、デイスプレィ装置の概要
を示すものである。４１はガラス基板、４２は支持体、
４３は配線電極、４４は熱電子、放出部（フィラメント
部）、４５は電子通過孔、４６は変調電極、４７はガラ
ス板、４８は透明電極、４９は蛍光体、５０はフェース
プレート、　５１は蛍光体の輝点である。熱電子放出部
４４は、薄膜技術により作成され、ガラス基板４１とは
接触することがない中空構造を成すものである。

これら電子線デイスプレィ装置は、次のように駆動する
ものである。配線電極４３のａ、ｂ間にパルス電圧を印
加し電子放出部４４（フィラメント部）の温度が上昇し
て熱電子を線状に放出する。

フィラメント部の温度が下降すると熱電子の放出が止ま
り、次の配線電極（導電路）にパルス電圧を印加する。

これを順次ライン走査させる。また、変調電極４６には
、各熱電子放出と同期させて情報信号に応じた電圧を印
加させることにより上記熱電子流を取り出し、取り出し
た電子を加速させて蛍光体４９に衝突させ画像を形成す
るものである。フィラメント部４４から電子放出する温
度はフィラメントの表面材質により異なり、なるべく仕
事関数の低いものが好適である。また、この電子線デイ
スプレィは、通常Ｉ　Ｘ　１０−’〜Ｉ　Ｘ　１０−’
ｔｏｒｒの真空状態で駆動する為、系全体を真空封止し
てデイスプレィを製作しなければならない。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例では次のような問題点があっ
た。

■前記パルス電圧印加後もフィラメント部の温度降下が
遅く、−ラインあたりの電子放出時間が長（なり、結果
的に走査線の数を増やすことができなかった。

■また、温度降下を速くする為の、フィラメント部の形
状設計が非常に難しいと云う欠点があった。

本発明は、以上の点に鑑み、電子放出時間の制御手段及
びそれに係る形状及びその形成方法の達成を目的とする
ものである。

［課題を解決するための手段（及び作用）］本発明は、
基板上に一部が熱電子放出部（フィラメント部）となる
上部金属層を、支持層を介して構成される従来の熱電子
線源に対して、かかる上部金属層と基板の間に新たな下
部金属層なるものを設け、また、熱電子放出部となる上
部金属層の幅に対して、その位置に対応する前記下部金
属層の幅を、同等、もしくは広い形状とする熱電子線源
を提供するものである。

また、かかる構成要素（上部金属層、支持層。

下部金属層）をドライエツチング法により一括形成し、
ホトリソグラフィー工程等の付加的工程を要しない形成
方法を提供するものである。

以上のような構成要素及び形成方法によって達成された
熱電子線源において、前述したような形状、設定位置に
特徴を有する下部金属層（以下、カットオフグリッドと
いう。）に適切に電圧を印加する（具体的方法は、実施
例を用いて後述する。）ことで、熱電子放出時間９時期
を制御し、従来のマルチライン化に対する問題点を解消
することができる。

［実施例］ 以下に、実施例を用いて本発明を詳述する。

支１±ユ 第１図は、本発明の特徴を最もよく表わしている熱電子
源の一部であり、絶縁基板１上に複数の熱電子放出部６
（フィラメント部）が並んでいる状態を示すものである
。この熱電子放出部６の下は間隙を有する中空構造でそ
の両端で支持しているのがフィラメント層５（導電路）
に通電するための導電層を兼ねた導電支持層４ａ、　４
ｂである。その下に絶縁層３を介し、基板面上にカット
オフグリッド２が設けられている。

熱電子放出は、導電性支持層４ａ、　４ｂ及びフィラメ
ント層５の両導電路間に電位差をかけることによりフィ
ラメント層の一部の線幅の細い部分、すなわち熱電子放
出部６が発熱し電子放出するものである。

この素子（熱電子源）の製造方法の一例を第２図により
工程を追って示す。第２図は、第１図の断面Ａ−Ａから
見たときの状態である。

フィラメント材にはタンタル（Ｔａ）を使用し、導電路
の幅２００μｍ、フィラメント部の幅１０ｐｍ。

長さ１６０　μｒｎ、膜厚０．５ＩＬｍ、中空部（間隙
）の高さ８μｍとする。先ず、第２図（ａ）のように絶
縁基板ｌ上にＥＢ蒸着法等にてカットオフグリッド層２
としてＡｕ　：　３　μｍ＋絶縁層３としてＳｉｎ、　
：　２　ｐｍ、導電性支持層４ａ、　４ｂとしてＣｕ：
８μｍ、フィラメント層５としてＴａ　：　０．５　ｇ
ｒｎを成膜する。次に、同図（ｂ）のように、レジスト
を塗布しフィラメントパターンと導電路パターンを露光
、エツチングし、レジストパターン７を形成する。

次に、同図（ｃ）のように、ドライエツチング法にてレ
ジストパターン７をマスクとしてＴａフィラメント層５
から順にレジストパターン７のない部分を基板面まで除
去する。このドライエツチングにより熱電子放出部（フ
ィラメント）パターンと導電路パターンが形成されると
同時に、これらの下層カットオフグリッド２も相似な形
状に加工されることになる。

このドライエツチング法は、例えば真空中に導入したＡ
ｒガスをイオン化した後、加速し、途中で中性化したＡ
ｒ粒子を被エツチング材に衝突させることにより、Ａｒ
粒子の衝撃力で被エツチング材を除去するイオンミーリ
ング法等の物理的なドライエツチング法を用いる。第７
図（Ｃ）　、　（ｄ）のパターン形状が台形に加工され
ているのは、一般にイオンミーリング法を用いると、レ
ジストパターン７の幅に対して、エツチングが進む程徐
々にテーパーがついてエツチングされる。つまりパター
ンが、レジストパターン７の幅に対して少しづつ広くな
っていく現象を忠実に示したものである。本素子（熱電
子源）では、Ａｒイオンを基板１面に対して垂直な方向
（同図（Ｃ）の矢印方向）から入射させ加工を行ったと
ころ、垂直方向に対し４０°〜４５°のテーパーがつい
た形状に加工された。

また、反応性ガスを被エツチング材の入った真空中に導
入して、化学反応によりエツチングを行うＲＩＥ法のよ
うな化学的ドライエツチングも使用することができる。

その後、ＣｕをウェットエツチングするためＴａと選択
性のあるエツチング液、（ＮＨ４）（１：ｅ（Ｎ０３）
６＋）ｌｃｉ）０４：Ｈ２Ｏ等を用いてエツチングを行
う。このとき、エツチングはフィラメント層５の下の支
持層（幅ｌＯμｍ＋α）が両側からエツチングされ無（
なった時点で終了すれば導電性支持層は幅が広い（幅２
００μｍ）ので１９０　ｐｍ（らい残っていることにな
り、同図（ｄ）のような導電性支持層の一部（第１図で
は、熱電子放出部６の下側に相当する部分）が除去され
た構造を一実現することができる。ドライエツチング工
程後に残ったレジストは適当なときに除去する。

また、本実施例において実現される導電性支持層の一部
が除去される部分、すなわち、フィラメント層の熱電子
放出部の下側にあたる部分以外の熱電子放出部に通電す
る導電層となる導電性支持層のサイドエッチ（ここでは
、幅２００μｍのパターンが、１９０　ｇｍ程度までサ
イドエッチされた部分）を完全に防止したい場合は、第
２図（ｃ）のように、絶縁基板１面までドライエッチを
実施した後、ウェットエツチング前に、フィラメント層
の熱電子放出部６の下側にあたる部分以外の導電性支持
層をレジスト等で保護してから、ウェットエツチングを
実施することにより実現できる。

ここで、フィラメント材としては、Ｗ、Ｗ合金等の高融
点金属、あるいは、高融点金属＋低仕事関数材のような
積層体も含めて考えることができる。並びに、導電性支
持層にＡＩ！、　Ａｇ、　Ａｕ等の低抵抗材料、あるい
は、低抵抗材料＋Ｃｒ、Ｔａのような低抵抗材料を電気
的に安定化し腐食や拡散を防止したり、膜の密着力を強
化する等の目的の積層体、あるいは、Ｃｕ−Ｃｒのよう
な合金も含めて考えることができる。さらに、カットオ
フグリッドとしては、Ａｕの他、Ａｇ、　Ｐｄ等なるべ
く低抵抗の材料でエツチング液と選択性のある材料を使
用することができる。

かかるカットオフグリッド層や導電性支持層及びフィラ
メント層の成膜方法は、εＢ蒸着法をはじめ、スパッタ
法、　ＣＶＤ法等の薄膜成膜法、並びに電着法、あるい
はスクリーン印刷法等が利用できる。ドライエツチング
法も各種物理的、科学的エツチング法が利用できる。

尚、形成寸法は、本実施例のサイズにこだわらず、半導
体プロセスで使用されている程度のものは実現できるた
め、デイスプレィの目的により自由に設計可能である。

及五亘ユ 次に、前述のようにして得られた熱電子線源の駆動につ
いて説明する。

先ず、第３図に示すように、カットオフグリッド２（下
部金属Ｈ）に電圧を印加しない従来の駆動法について説
明する。ここで、電子放出部６を挾んだ両側のフィラメ
ント層５には、３０ｐｓｅｃのパルス幅で１．ＯＶの電
圧を印加した（同図（ａ））。そのとき、電子放出部の
温度は同図（ｂ）に示すように変化した。この際、電子
放出部は、８００℃付近で必要とする電流密度以上を放
出し、その時間は約８０ｐｓｅｃであった。また、変調
電極に電圧を印加するタイミングは、電子放出している
時間内であれば良いが本実施例ではフィラメント層に電
圧を印加してから３０μ５ｅｃ−１５０ｐｓｅｃの間型
圧を印加した（同図（Ｃ））。尚、この次の変調電極に
電圧を印加するタイミングは、前のラインの熱電子線が
十分冷却し電子放出しない状態にしてから電圧を印加し
なけらばならない為、変調電極に印加するパルス間隔は
、２００　ｐｓｅｃであった。また、素子形状のバラツ
キがあると電子放出部の温度降下の時定数にバラツキが
生じ、変調電極に印加するパルス間隔は実用的には３０
０μｓｅｃが適当であった。このような従来実施例で画
像表示の一画面を３０ｍ５ｅｃに設定すると走査線の数
は１００〜１２０本が限界であった。

次に、第４図に示すように、本発明の特徴であるカット
オフグリッドを有効ならしめる駆動法について説明する
。フィラメント層５への印加電圧のタイミングと電子放
出部６の温度変化は従来例と同一である。一方、カット
オフグリッド２に印加するタイミングは、フィラメント
層５に電圧印加を開始してから３０〜６０μｓｅｃとし
た（同図（ｃ）　参照）。ここで、カットオフグリッド
２に印加する電圧が、−１５Ｖ以下で電子はカットオフ
され、１’ＯＶ以上では電子を変調電極側に引き出すこ
とができた。また変調電極に印加する電圧パルスの間隔
も同図（ｄ）で示すようにカットオフグリッド２に印加
するタイミングと同一に設定できた。本実施例の駆動法
によると、−ライン前の熱電子線源が冷却する前に、変
調電極に電圧が印加できる為、変調電極のパルス間隔を
３０ｐｓｅｃまで短縮できた。

尚、本実施例で画像表示の一画面を３０ｍ５ｅｃに設定
すると走査線の数を１，０００本にできた。

また、カットオフグリッドに印加する電圧を増加させる
と表示全体の輝度が高（なり、カットオフグリッドの電
圧がＯｖ〜２０Ｖの範囲で制御できた。

さらに、電子放出部の形状に多少のバラツキを生じても
、本実施例では均一な表示画面を形成できた。

失Ｊ■１旦 本実施例においては、支持層に絶縁材料を用いかかる支
持層が導電路を兼用しないような構造の薄膜熱電子源を
供給するものである。前記実施例１のように、ドライエ
ツチングにてフィラメント層と支持層及びカットオフグ
リッドのエツチングを行い、その後、選択性のあるウェ
ットエツチング液（例えば、ＳｉＯ□の場合はフッ酸等
）にてエツチングを行い、熱電子源を形成することによ
り、高精細デイスプレィを実現する場合に要求されるフ
ィラメント、カットオフグリッド等を精度良く作ること
ができた。

この場合、フィラメント層とカットオフグリッド層の材
質は、フッ酸と選択性のある金属であれば使用できるこ
とになる。これを、実施例１と同等な方法で駆動評価し
たが実施例１と同様な変調効果を得た。

え！■１ 第８図は、第１図のように絶縁性基板ｌ上に複数の電子
放出部６が並んでいる状態を示すものである。

第１図と異なる点は、主に、電子放出部の下に設けられ
た金屑層が予備フィラメント６１として使用されている
ことである。従って、この予備フィラメントの下側は中
空構造になっている。

この製造方法は、基本的には、実施例１で説明した第２
図と同様であるが、熱電子放出部と予備フィラメント間
の支持層６２は、上部のフィラメント層５と下部の予備
フィラメント層を絶縁するために、絶縁材料にする必要
がある。このため、支持層６２には、ガラス質材料（Ｓ
ｉＯａなど）を用い、フィラメント材は、タングステン
等にすれば、中空の形成のためにフッ酸を使用して、支
持層６２の一部をエツチングすることにより可能となる
。

このようにして製造された予備フィラメントを有する薄
膜熱電子源を画像表示装置に用いた場合、主とするフィ
ラメントの寿命が来た時に、予備フィラメントへ配線を
切り替えることにより、デイスプレィ自体の実質的寿命
の延長になった。

この予備フィラメントは、主とするフィラメントと同一
の形状に加工されているため、画像表示効果は同様なも
のが得られる。

また、実施例１で示したようなカットオフグリッド層を
予備フィラメント下部に設け、第４図で示したような駆
動を実施することにより、熱電子源の放出電流を任意に
操作することのできる効果を、主たるフィラメント及び
予備フィラメントに対して同様に得ることができた。

［発明の効果］ 以上説明したように、熱電子源の熱電子放出部と導電路
（上部金属層）のドライエツチング加工時に、上部金属
層の下方かつ基板上に設けた下部金属層を一体加工し、
これをカットオフグリッドや予備フィラメントとして利
用したことにより、ｌ）表示画像の走査線数を飛躍的に
増加させることができ（カットオフグリッドの効果）、
２）画像表示装置の実質的寿命を向上させることができ
（予備フィラメントの効果）、 ３）カットオフグリッドや予備フィラメントの加工は、
フィラメント（熱電子放出部）形成時に一括して行われ
るため、ホトリソ工程等を増やすことな（、精度の良い
熱電子源を提供できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の特徴とする下部金属層（カットオフ
グリッド）を有する熱電子源の斜視図、第２図は、本発
明の形成方法による熱電子源の製造工程を第１図のＡ−
Ａ断面図を用いて表わした図、 第３図は、従来の熱電子源に対するパルス印加条件等の
説明図、 第４図は、本発明のカットオフグリッドを設けた熱電子
源に対するパルス印加条件等の説明図、第５図は、従来
例の熱電子源構造を表わす断面図、第６図は、従来例で
、ドライエツチング工程を用いて作られた熱電子源の斜
視図、 第７図は、従来例の熱電子源を用いたデイスプレィ構成
斜視図、 第８図は、予備フィラメントを有する熱電源の斜視図を
示したものである。 １．２１，３１．４１−絶縁性基板（ガラス基板）２−
カットオフグリッド ３．２２．４２−絶縁層（支持体） ４ａ、　４ｂ、　３２−導電性支持層 ５、２４．３３．４３−フィラメント層（導電路）６．
２３，３４．４４−熱電子放出部（フィラメント部）７
−レシストパターン ４５−電子通過孔 ４６−変調電極 ４７−ガラス体 ４８−透明電極 ４９−蛍光体 ５０−フェースプレート ５１−蛍光体の輝点 ６Ｉ−予備フィラメント ６２−支持層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板面上に一部が熱電子放出部となる上部金属層
   があり、該上部金属層と基板面の間に下部金属層を具備
   することを特徴とする熱電子線源。
2. （２）前記上部金属層の一部である熱電子放出部の幅と
   前記下部金属層である電極の幅に関し、上部金属層に対
   して下部金属層のほうが等しいかそれより広いことを特
   徴とする請求項１記載の熱電子線源。
3. （３）基板面に上部金属層と下部金属層と両金属層間に
   位置する支持層とからなる積層体を設ける工程と上部金
   属と下部金属がエッチング処理されてパターン形成され
   たのち前記金属層間に位置する支持層をエッチング処理
   することで前記上部金属層の一部である熱電子放出部の
   下部に間隙部を形成することを特徴とする熱電子線源の
   製造方法。