JPH02257542A - 電子放出素子及び電子放出素子の形成方法 - 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、絶縁層を一対の電極間に配置し、且つ該電極
と該絶縁層の間に第２の絶縁層を設け、更に、上部電極
が取り出し電極と放出部電極から構成される金属／絶縁
層／金属（ＭＩＭ）型電子放出素子に関する。

［従来の技術］ 従来、ＭＩＭ型電子放出素子はＡＩ！／ＡＩ！ｚＯ＊／
Ａｕのように薄い絶縁層としてＡｊ）、　Ｔａ等の自然
酸化膜あるいは陽極酸化により形成された酸化膜を用い
て研究されている。

また、上記ＭＩＭ型電子放出素子の電極は多くの場合マ
スク蒸着法のみで形成されている。

かかる素子において、高い電子放出効率を得るには、絶
縁層をトンネルした電子のエネルギーおよびその数を増
すために、絶縁層を薄くし、また、電子を放出させる側
の電極は、散乱等によるエネルギー減少を防ぐため、で
きる限り薄く形成することが望ましく、更に仕事関数の
低い材料を用いることが望ましい［特開昭６３−１２４
３２７号及び特開昭６３−１４１２３４号］。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＭＩＭ型電子放出素子の電子放出
特性は、素子毎のバラツキが太き（、素子特性の再現性
、安定性に劣っていた。また、電子放出効率においても
１０−６〜１０−’程度であり実用的ではなかった。

これは、電子を放出する側の電極を薄く形成した場合、
抵抗が高くなり、とくに低仕事関数材料では比抵抗が高
いため、電極中での電圧降下が無視できず、電子放出素
子に均一かつ有効な電界が印加されないためである。更
にかかる電圧降下によって電極内での電力損失は発熱に
よる素子破損を惹きおこすおそれがあった。

電極形成に関しても、従来のマスク蒸着法では電極面積
、形状は任意に選択できず、限定されたものとなり、素
子の微細化、係る素子をマルチ配列とした場合の高密度
化、及び該素子駆動方法の向上の妨げとなっていた。

［課題を解決するための手段］ 従って、本発明の目的は、素子毎のバラツキが小さく、
高い電子放出効率を有する電子放出素子の提供及び係る
素子の微細化を可能とする素子作成方法を提示すること
にある。

すなわち本発明によれば、ＭＩＭ構造を有する電子放出
素子の絶縁層上もしくは絶縁層と下部電極の間に第２の
絶縁層を設け、上下電極間の通電領域を制限し、更に電
子を放出する側の電極を、比較的厚い膜厚を有する取り
出し電極と膜厚の薄い放出部電極から構成することで、
電極中での電圧降下を抑え、かつ放出される電子の電極
中でのエネルギー減少を防ぎ素子特性の安定性、電子放
出効率の向上を図り、更に、素子面積、素子形状を任意
に選択することを可能にした。

第１図は、本発明の電子放出素子の断面図である。第１
図に示す電子放出素子は、基板１の上に下部電極２、絶
縁層３が形成され、絶縁層上に、通電領域を制限する第
２の絶縁層４が設けられ、更に上部電極は、取り出し電
極５及び絶縁層３上の開口部に形成される放出部電極６
から構成されている。

本発明における絶縁層３は、従来からの無機絶縁膜に限
らず、有機絶縁膜で形成させることも可能である。有機
絶縁膜の形成に関しては、具体的には蒸着法やクラスタ
ーイオンビーム法等の適用も可能であるが、制御性、容
易性、再現性から公知従来技術の中ではＬＢ法が極めて
好適である。［特開昭６３−０９１９２５号］ 本発明に用いる有機絶縁膜材料としては、耐熱性、耐溶
剤性に優れた高分子化合物が好適であリ、例えばポリア
ミック酸、ポリアミック酸塩。

ポリアミック酸エステルを環化して得られるボ１ノイミ
ド等であり、−６式（１）で表わされる繰り返し単位を
有する重量平均分子量２゛万〜３００万のものを環化し
イミド化したものである。

一般式（１） ％式％ またＲ２は少なくとも２ケの炭素を含有する２価の基で
あり具体例としては例えば 式中Ｒ１は少くとも６ケの炭素を含有する４価の基であ
り、具体例としては例えば 等が挙げられる。

またＲ３は少なくとも６ケの炭素を有する１価の基、あ
るいは、少なくとも６ケの炭素を有する４級アンモニウ
ム塩であり、一般式（２）で示された構造のものである
。

一般式（２） ％式％） また本発明に用いる基板は、金属、ガラス、セラミック
ス材料等耐熱性、耐溶剤性に優れていればいずれでもよ
い。

次に本発明においては通電領域を制御するために、絶縁
層３上もしくは絶縁層３と下部電極２の間に絶縁層４を
設ける。絶縁層４として無機絶縁膜を用いることができ
る。無機絶縁膜の形成に関しては、ＥＢ法、スパッタ法
等を用いることができる。本発明に好適な無機絶縁膜の
材料としては、例えばＳｉＯ□、　Ａｊ’ａＯｓ等が挙
げられるが、絶縁性を示す材料であればよい。また係る
無機絶縁膜の膜厚は５００人〜１μｍであり、好ましく
は１０００人〜３０００人である。

一方本発明において、無機絶縁膜のエツチング、電極形
成については、リフトオフプロセス。

フォトエツチングプロセス等従来公知のリソグラフィー
技術を用いることが可能である。

電極材料としては高い伝導性を有するものであればよく
、例えばＡｕ、　Ａｇ、　ＡＩ！、　Ｉｎ、　Ｐｔ、　
Ｐｄ、　Ｓｎ。

ｐｂ等の金属やこれらの合金といった数多（の材料の適
用が考えられる。また、放出部を構成する金属は、係る
電極材料から選択することも可能であるが、好ましくは
Ｇｄ、　ＬａＢ５といった仕事関数の低い希土類系金属
またはその化合物がよい。

また、かかる電極の幅はＩ　Ｏ＃Ｌｍ〜１＋ｎｍの範囲
で適用可能である。

以下実施例により詳細な説明を行う。

［実施例］ Ｘｌ亘ユ 以下に示す手順で第１図に示すＭＩＭ型電子放出素子の
作成を行った。先ず、洗浄したガラス基板に前処理とし
て酢酸ブチルを用いて超音波処理、ベーキングを行う。

次に基板にヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）をスピ
ンナー塗布し、ベーキングを行った後、ネガ型レジスト
材料（商標名ＲＤ−２００ＯＮ−１Ｏ）をスピンナー塗
布し、プリベークを行う・この時膜厚は０．７μｍにな
るようにした。続いて、露光、現像、ボストベークを行
い、所望のレジストパターンを作成した。

さらに、基板上に下引層としてＣｒを真空蒸着法により
、厚さ１００人堆積させ、更にＡｕを同法により堆積（
膜厚６００人）した。それから、基板をアセトン超音波
処理、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）超音波処理、純
水洗浄、ベーキングを行い、リフトオフによる幅６００
μｍの下部電極２を形成した。

次に、基板をＨＭＤＳの飽和蒸気中に一昼夜放置して疎
水処理を行った。続いて、基板上にＬＢ法を用いてポリ
イミド単分子膜の２０層累積膜（膜厚８０人）を形成し
、絶縁層３とした。

以下ポリイミド単分子累積膜の作成方法の詳細を記す。

（３）式に示すポリアミック酸をＮ、Ｎ−ジメチルアセ
トアミド溶媒に溶解させたく単量体換算濃度Ｉ　Ｘ　１
０−”Ｍ　）後、別途調整したＮ、Ｎ−ジメチルオクタ
デシルアミンの同溶媒によるＩ　Ｘ　１０−”Ｍ溶液と
をｌ：　２　（Ｖ／Ｖ）に混合して（４）式に示すポリ
アミック酸オクタデシルアミン塩溶液を調整した。

係る溶液を水温２０℃の純水からなる水相上に展開し、
水面上に単分子膜を形成した。溶媒除去後、表面圧を２
５ｍＮ／ｍに迄高めた。表面圧を一定に保ちながら、上
述下地電極付き基板を水面を横切る方向に速度５　ａｍ
／ｆｆｌ１ｎで静かに浸漬した後、続いて５　ｍｍ／ｍ
ｉｎで静かに引き上げて２層のＹ型単分子累積膜を作成
した。係る操作を繰り返して２０層のポリアミック酸オ
クタデシルアミン塩の単分子累積膜を形成した。次に、
係る基板を３００℃で１０分間の熱処理を行い、ポリア
ミック酸オクタデシルアミン塩をイミド化しく式（５）
） ２０層のポリイミド単分子累積膜を得た。

その後、基板上にＳｉＯ□を真空蒸着法を用いて厚さ３
０００人堆積した。次にポジ型レジスト材料（商標名Ａ
Ｚ　１３７０）をスピンナー塗布し、膜厚な１．２Ｐａ
＋とする。これをプリベークしたのち、露光、現像、ボ
ストベークを行う、その後旺：　ＮＨ，Ｆ＝　１　ニア
の溶液でエツチングを行いＳｉＯ□をパターニングし、
開口部を設ける。それから、係る基板をアセトン超音波
処理、　ＤＭＦ超音波処理、純水洗浄によりレジストを
剥離し、ベーキングを行う。

係る基板上に真空蒸着法を用いてＡｉ）を膜厚３０００
人堆積させる０次にポジ型レジスト材料（商標名ＯＭＲ
−８３）を膜厚１．２μｍとなるようにスピンナー塗布
し、露光、現像、ボストベークを行う。その後、ＨｍＰ
Ｏ，：ＨＮＯ，：ＣＨ，Ｃ００Ｈ：Ｈ嵩０＝１６：１：
２：１の溶液でＡｉ）をエツチングし、所望のパターン
を得る。係る基板を専用剥離液を用いてレジストを剥離
し、上部取り出し電極５を作成した。この時開口部面積
は３００ｐ＋ａ口とした。

次に係る基板上に真空蒸着法を用いてＡＲを膜厚１００
人堆積させ、引き続きＬａＢ−を３００人堆積させ放出
部電極６とする。係る放出部電極の形成はマスク蒸着法
で十分である。

以上の様にして作成した試料を２　Ｘ　１０−’ｔｏｒ
ｒの真空下に設置し、素子−蛍光体間の加速電圧を３Ｋ
Ｖとし、試料の上下電極間に電圧を印加して放出電流を
測定した。この時、放出効率は６　Ｘ　１０−”であり
放出形状は開口部形状を反映したものであった。

実ＪＪ糺ｌ 実施例１と同様にして素子を作成した。この時第２の絶
縁層４の膜厚を４００人、６００人。

１０００人、　　２０００人、　　４０００人、　　６
０００人、　　１μｍ、２ｐｍとした。係る素子の電子
放出特性を実施例１と同様にして測定した。放出形状は
開口部形状を反映したものであった。しかしながら、第
２の絶縁層４の膜厚が４００人の場合、第２の絶縁層の
絶縁性は十分に確保できず、２ｐｍになると上部電極の
段切れが起こり易かった。

罠五■ユ 実施例１と同様にして素子を作成した。この時放出部電
極６の膜厚をＡＩ　６００．５００．３００．１００゜
３０人、　ＬａＢｇ　２０人とした。係る素子の電子放
出特性を実施例１と同様にして測定した。放出形状は開
口部形状を反映したものであった。

しかしながら、放出部電極６の総膜厚が５０Å以下では
放出部電極の抵抗が高過ぎ、５００Å以上になると、放
出効率が向上しなかった。

１１里１ 実施例１と同様にして素子を作成した。この時取り出し
電極５の膜厚を５００人、　１０００人。

３０００人、　５０００人＋　　ｌｐｍ、　２ｐｍとし
た。係る素子の電子放出特性を実施例１と同様にして測
定した。

放出形状は開口部形状を反映したものであった。

また、取り出し電極５の膜厚が５００人では抵抗が高過
ぎ、２１になると、均一な放出部電極形成の妨げとなっ
た。

Ｋ１五二 実施例１と同様にして下部電極２及び２９層のポリイミ
ド単分子累積膜を作成した。次に、係る基板上にＡＲを
真空蒸着法を用いて膜厚１００人堆積させる。その後実
施例１と同様にＡＩ！なリソグラフィー技術によりパタ
ーニングし、放出部電極６とする。

係る基板上に実施例１と同様にＳｉＯ□の成膜。

エツチングを行い、電極段差部分の保護膜４とする。次
にＡｉｌを１０００人堆積させ実施例１と同様にフォト
エツチングプロセスを用いて、取り出し電極を形成する
。この時、開口部面積が１００μｍ口となるようにした
。

以上のようにして作成した素子の断面図は第２図である
。係る素子の電子放出特性を実施例１と同様にして測定
した。放出形状は開口部形状を反映したものであった。

また、放出効率は８×１０−’であった。

失Ｊ１肌旦 実施例１と同様にして素子を作成した。但し、この時低
仕事関数材料の被覆は行わなかった。本実施例を第３図
に示す。係る素子の電子放出特性を実施例１と同様にし
て測定した。放出形状は、開口部形状を反映したもので
あった。また、放出効率は９　Ｘ　１０−’であった。

支ｉ五ユ 実施例１において、第２の絶縁層４を下部電極２を形成
した後、形成し開口部を設け、次にＨＭＤＳによる疎水
処理を行って、ＬＢ法によりポリイミド単分子累積膜を
形成し絶縁層３として他は全て実施例１と同様にして素
子を形成した（第４図）。

かかる素子の電子放出特性を実施例１と同様にして測定
した。放出形状は開口部形状を反映したものであった。

また放出効率は４　Ｘ　１０−”であった。

〔発明の効果〕

■　開口部を設けた第２の絶縁層によって通電領域を制
限することにより電子放出素子の放出形状が開口部形状
を明確に反映し、素子特性を向上させることができる。

■　耐熱性、耐溶剤性に優れた高分子化合物をＬＢ法に
よって累積し、絶縁層としたＭＩＭ型電子放出素子の電
極形成方法にリソグラフィー技術を用いることにより、
電極の微細化、高密度化が可能となる。

■　ＭＩＭ型電子放出素子の上部電極が取り出し電極を
形成したのち放出部電極を形成し、係る放出部電極の表
面をさらに低仕事関数材料で被覆することにより放出効
率を向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４図は本発明の電子放出
素子の実施例を表わす構成概略図である。 １・・・基板 ２・・・下部電極 ３・・・絶縁層（ＬＢ膜） ４・・・第２の絶縁層 ５・・・取り出し電極 ６、６ａ、　６ｂ・・・放出部電極

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の電極間に絶縁性薄膜を挟持した構造を有す
   る電子放出素子において、該電極の間に第２の絶縁層を
   設けて、該電極間の通電領域を制限し、更に、電子を放
   出させる側の電極が取り出し電極と放出部電極から構成
   されており、該放出部電極が第２の絶縁層によって制限
   された通電領域の少なくとも一部をおおっていることを
   特徴とする電子放出素子。
2. （２）前記放出部電極が２種の金属の積層構造を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
3. （３）前記絶縁性薄膜がラングミュアープロジェット法
   （ＬＢ法）により形成された有機絶縁性薄膜であること
   を特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
4. （４）前記有機絶縁性薄膜が、ポリアミック酸、ポリア
   ミック酸塩、ポリアミック酸エステルを環化重合して得
   られるポリイミドよりより成ることを特徴とする請求項
   １記載の電子放出素子。
5. （５）前記第２の絶縁層が無機絶縁性薄膜であることを
   特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
6. （６）前記無機絶縁性薄膜の膜厚が５００Å以上１μｍ
   以下であることを特徴とする請求項５記載の電子放出素
   子。
7. （７）前記取り出し電極の膜厚が１０００Å以上１μｍ
   以下であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素
   子。
8. （８）請求項２記載の放出部電極の表面層を少なくとも
   １種の希土類系金属またはその化合物とすることを特徴
   とする請求項２記載の電子放出素子。
9. （９）前記放出部電極の膜厚が５０Å以上５００Å以下
   であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
10. （１０）請求項３記載の電子放出素子の形成に際し、有
    機絶縁性薄膜上でリソグラフィー行程を用いることを特
    徴とする電子放出素子の形成方法。
11. （１１）請求項１記載の電子放出素子の形成に際し、絶
    縁性薄膜としてＬＢ法により有機絶縁性薄膜を形成し、
    該有機絶縁性薄膜上に形成した第２の絶縁層をリソグラ
    フィー法を用いて通電領域を形成し、更に取り出し電極
    をリソグラフィー法により形成したのち、放出部金属を
    ２種の金属で積層して形成することを特徴とする電子放
    出素子の形成方法。