JPH02306519A

JPH02306519A - 電子放出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH02306519A
Application number: JP1126945A
Authority: JP
Inventors: Akira Kaneko; 彰金子; Susumu Sugano; 菅野　享; Kaoru Tomii; 冨井　薫
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1990-12-19

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、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す
ることができる電子放出素子（冷陰極）およびその製造
方法に関する。

従来の技術冷陰極（電界放射型陰極）においては、電子放出のため
に、陰極エミッタの先端の曲率が＋１０μｍ以下となる
ように針先加工され、この陰極エミッタ先端に１０６Ｖ
／ω程度の強電界が集中するように構成されている。こ
のような電子放出素子は、一般に電流密度が高（、また
、陰極を加熱する必要がないので、電力消費□が非常に
少なく、更には、点（ポイント）および線（ライン）電
子線源として使用することができるなどの長所を有する
。

従来、多数の電子放出素子をアレイ状に配列させた電子
放出素子アレイも知られている。この電子放出素子アレ
イを平面パネルディスプレイなどに使う試みも行われて
いる（ディスプレイ　１９８７年１月号　第３７頁（Ｄ
ｆＳｐｌａｙ　　Ｐ、３７　　Ｊａｎ、１９８７））。

以下、従来の電子放出素子アレイの製造方法について図
面を参照しながら説明する。

第５図（ａ）に示すように電気絶縁基板１０１の上に導
電性膜１０２、絶縁層１０３および導電性膜１０４を適
当なマスクを用いて順次蒸着し、複数のアレイ状に配列
した空洞１０５を作製する。次いで、回転斜蒸着によっ
て適当な物質１０７で漸次この空洞１０５の開口部を閉
じさせつつ、この開口部真上より陰極材料１０６を正蒸
着させることによって空洞１６５内の導電性膜１０２の
上にピラミッド状の陰極エミッタ突起１０８を形成する
。最後に、第５図（ｂｌに示すように物質１０７を除族
する（ジャーナル　オブ　アプライド　フィジックス　
第３９巻、第３５０４頁、１９６８年（Ｊ、ＡｐＤＩ　
　Ｐｈｙｓ、Ｖｏ　１３９．Ｐ３５０４．’ｌ’９６８
など））。

従来の電子放出素子アレイの製造方法の他の例を第６図
（ａ＞〜（ｆ＞を参照しながら説明する。第６図＜ａ＞
に示すように電気絶縁性の矩形基板１２１を複数個用意
し、その−表面上に陰極材料薄膜１２２を被着し、陰極
薄膜付着基板１２３を複数個重ね合わせて一体化した後
、この重ね合わせ基板１２４の各表面を機械研磨する。

次いで、第６図（ｂ）に示すようにその広い一表面に金
属層１２５を蒸着し、第６図（ＣＩに示すように金属層
１２５に陰極材料薄膜１２２の直上に位置して陰極材料
薄膜１２２と同程度の幅の狭い電子引出し用の窓１２６
をフォトエツチング法を利用して開ける。次いで、陰極
薄膜付着基板１２３に分離し、第６図（ｄ＋に示すよう
にそれぞれの基板１２３上の陰極材料薄膜１２２を先端
が鋭い山型のパターン状となるようにエツチング法によ
って加工する。このようにして得たすべての基板１２３
の陰極エミッタ１２７の先端近辺が第６図（ｅ）に示す
ように基板１２１から離隔し、かつ電子引出し用窓１２
６側の金属１２５が基板１２１から棚状にせり出す程度
まで適当な化学腐食によって基板１２１を部分的に除去
して空洞１２８を形成した基板１２３を作製する。ここ
で、再び、第６図（ｆ）に示すように分離する前の重ね
合わせ基板１２４と同じになるように基板１２３を重ね
合わせて固定することによって薄膜冷陰極アレイを得る
ことができる（特公昭５４−１７５５１号公報）。

発明が解決しようとする課題 −〇　− しかしながら、上記従来例のうち、前者の製造方法では
、空洞１０５内に陰極エミッタ突起１０８を形成する際
、回転斜蒸着と真上から行う回転蒸着を同時に行ってい
るが、この同時蒸着の制御を正確に行うことは非常に難
しい。

一方、後者の製造方法では、電子引出し用の窓１２６と
陰極材料薄膜１２２との位置合わせ精度を高めようとす
ると、絶縁基板１２１の板厚および陰極材料薄膜１２２
の膜厚の高い精度が要求される。また、重ね合わせ基板
１２４の分離前後での一体化固定精度が同一でなければ
ならないが、精度良く固定することは非常に困難である
。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するも
のであり、電界集中しやすく、電子引出し効率を向上さ
せることができ、また、陰極と電子引出し用電極の耐圧
を高めることができ、信頼性を向上させることができる
ようにした電子放出素子を提供し、また、陰極材と電子
引出し用窓を正確に位置合わせした電子放出素子を容易
に歩留りよく製造することができるようにした製造方法
を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段上記目的を達成するため、この発明の電子放出素子は、
電気絶縁性基板と、この電気絶縁性基板の間に設けられ
、この電気絶縁性基板の一方の面より凹入する絶縁体層
と、この絶縁体層の中央部に設けられ、一方が上記絶縁
体層より突出された陰極材料と、上記電気絶縁性基板に
おける上記絶縁体層の凹入側に設けられた電子引出し用
電極を備えたものである。

また、上記目的を達成するため、この発明の電子放出素
子の製造方法は、絶縁体層およびこの絶縁体層の中央部
の陰極材料を電気絶縁性基板間に介在させ、少なくとも
一表面に上記陰極材料と絶縁体層が露出するように形成
した後、これら陰極材料と絶縁体層の露出部分にマスク
を形成し、このマスクおよび上記電気絶縁性基板の上に
導電！を設けた後、上記マスクをこのマスク上の導電層
と共に除去して上記陰極材料露出部分に電子引出し用の
窓を形成すると共に、上記電気絶縁性基板の表面に電子
引出し用電極となる導電層を残し、上記電子引出し用の
窓側における絶縁体層を所定量除去するようにしたもの
である。

そして、上記電気絶縁性基板を強固に重ね合わせるよう
に溶着法、低融点フリットガラスを用いた接着法および
耐熱性接着剤を用いた接着法のいずれかを用い、また、
マスクの形成を容易に行うようにメッキ法で金属を上記
陰極材料と上記絶縁体層の露出部分に付着させてマスク
を形成し、または、上記電気絶縁性基板を光透過性材料
により形成し、上記電気絶縁性基板、絶縁体層および陰
極材料の一方の面にポジ型のフォトレジストを塗布し、
上記電気絶縁性基板の他方の面側から感光用光を照射し
、現像してマスクを形成することができる。

また、上記陰極材料の電気絶縁性基板間方向の肉厚を１
００Å〜２μｍに形成し、上記電子引出し用電極となる
導電層を、マスク除去し、陰極材料の外周の絶縁体層を
エツチング除去するエツチング液に対して耐腐食性を有
する材料で形成し、上記陰極材料を融点温度が高く、仕
事関数が低い材料テするＷ、　ｉ［ｏ、　ＴａＸＴｉｃ
、　ＳｉＣ，ＺｒＣのいずれかにより形成する。

作用この発明の電子放出素子によれば、陰極材料の先端形状
を膜厚のみで決定することができ、非常に小さくして電
界集中しやすくすることができ、また、陰極材料と電子
引出し用の電極の間に空間ギャップおよび絶縁体層を設
けることにより、陰極材料と電子引出し用電極との間の
耐電圧を高めることができる。

また、この発明の電子放出素子の製造方法によれば、電
子引出し用窓や電子引出し用電極を絶縁体層および陰極
材料の露出面に形成したマスクの除去に伴い、その上の
導電層を除去することにより形成することができるので
、従来の困難な斜蒸着と正蒸着の同時制御は不要となる
。また、電子引出し用窓と陰極材料の位置合わせを極め
て簡単に精度良く行うことができる。

実施例以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。

まず、電子放出素子について説明する。

第１図はこの発明の一実施例における電子放出素子を示
す概略断面図である。第１図に示すようにガラス、セラ
ミックス等からなる電気絶縁性基板１の間にＡｌ２Ｏ３
，５１０２，８１，Ｎ４等からなる絶縁体層２が設けら
れ、この絶縁体層２が電気絶縁性基板１の一方の面より
凹入されている。絶縁体層２の中央部にＷ、　Ｍｏ５Ｔ
ａ、　ＴｉＣ，ＳｔＣ，ＺｒＣ等からなる陰極材料３が
設けられ、一方が絶縁体層２の凹入部側より所定量突出
され、その突出端面が電気絶縁性基板１とほぼ同一面に
なるように形成されている。陰極材料３の電気絶縁性基
板１間方向の肉厚は１００Å〜２μｍ程度に形成されて
いる。電気絶縁性基板１における絶縁体層２の凹入側に
Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等からなる電子引出し電極４が設けられ
ている。また、電子放出素子のアレイを作製する場合等
、必要に応じて電気絶縁性基板１における電子引出し用
電極４とは反対側の面に陰極材料３と電気的に接続され
た導電層５が設けられる。

上記実施例によれば、陰極材料３あ先端形状を膜厚のみ
で決定し、非常に小さくして電界集中がしやすくするこ
とができるので、電子引出し用電極４との間に印加する
電圧が低くても効率良く電子引出し用窓６から電子を引
出すことができる。また、陰極材料３と電子引出し用電
極４との間の耐圧を高めるため、その間に空間ギャップ
および絶縁体層２を設けているので、信頼性を向上させ
ることができる。

次に電子放出素子の製造方法について説明する。

まず、第１の実施例について説明する。

第２図（ａ）ないしくｋ＞はこの発明の第１の実施例に
おける電子放出素子の製造方法を示し、第２図（ａ）な
いしくｆ）は製造工程説明用の概略斜視図、第２図（粉
ないしくりは第２図（ｆ）のｎ−ｎ線に沿う製造工程説
明用の概略断面図である。

本実施例においては、電子放出素子アレイの製造方法に
ついて説明する。第２図（ａ）に示すようにガラス、ア
ルミナ等のセラミックス等の絶縁材料からなり、表面を
十分平滑に研磨した電気絶縁性基板１を用意し、第２図
（ｂｌに示すように電気絶縁性基板１の一方のほぼ全面
にＡｌ２Ｏ５゜８１０□、ＳＩ、Ｎ４等からなる第１の
絶縁体層２ａをスパッター蒸着、ＣｖＤ等の方法で所定
の厚み（例えば０．５〜５μ１１）に形成する。

次に第２図（Ｃ１に示すように第１の絶縁体層２ａ上に
ＷＳ）ｉｏ、　Ｔａ、　Ｔｉｅ、　ＳｉＣ，ＺｒＣ等か
らなる陰極材料３をスパッター蒸着、ＣＶＤ等の方法で
所定の厚み（１００人〜２μｍ）にストライプ状に形成
する。なお、陰極材料３のパターンは上記のようなスト
ライプに限らず、この外、例えば格子状、くし歯状等、
用途等に応じて所望のパターンおよび寸法を選択するこ
とができ、これらのパターンはマスク蒸着法により形成
し、若しくは第１の絶縁体層２ａの全面に蒸着、スパッ
ター等で形成した後、フォトエツチング法を用いて形成
することができる。

次に第２図（ｄ＋に示すように各陰極材料３上から上記
第１の絶縁体層２ａと同じ材料からなる第２の絶縁体層
２ｂをスパッター蒸着、ＣｖＤ等の方′法により形成す
る。この第２の絶縁体層２ｂは上記第１の絶縁体層２ａ
と同じ大きさで、０．５〜５μｍ程度の膜厚に形成する
。

上記のような複合基板７を複数枚作製し、これら複合基
板７と陰極材料３等を有しない端部に位置する電気絶縁
性基板１を第２図＜ｅ＞に示すように絶縁体層２ａ１２
ｂおよび陰極材料３が電気絶縁性基板１間に介在するよ
うにして重ね合わせ、溶着法、低融点フリットガラスを
用いた接着法、耐熱性接着剤を用いた接着法等により接
着部８で強固に一体化した重ね合わせ体９を形成する。

なお、接着部８は用途等によって種々の位置に設定する
ことができる。

次に第２図＜ｅ＞に示すように重ね合わせ体９を一点鎖
線Ａ、Ｂ、Ｃ，・・・に沿ってストライプ状の陰極材料
３の長手方向を横切るように切断する。そして、それぞ
れの面を機械的に研磨して第２図＜ｆ）に示すようにア
レイ基体１０を得る。

このアレイ基体１０の両表面には、第１と第２の絶縁体
層２ａ１２ｂに囲まれて陰極材料３がアレイ状に分かれ
て露出している（アレイ状陰極パターンとなっている）
。

次に第２図（勅に示すように各陰極材料３および絶縁体
層２ａ１２ｂの一方の露出部分および各電気絶縁基板１
における絶縁体層２ａ１２ｂに沿う長手縁を除く表面に
、通常の電気メツキ法により、所定の厚みの金属層から
なるマスク１１を選択的に形成する。なお、電気絶縁性
基板１が光透過性材料からなる場合には、アレイ基体゛
１０の一方の表面にポジ型のフォトレジスト層を均一な
膜厚で形成して加熱乾燥し、その後、アレイ基体１０の
他方の面側から紫外線でフォトレジスト層を露光し、現
像してフォトレジストからなるマスク１１に代えること
もできる。

マスク１１の形成後、その上から第２図（ｈ）に示すよ
うに電子引出し用電極４を形成するためのＩＩＩ、　Ｍ
ｏ、　Ｔａ等からなる導電層を真空蒸着法、スパッタリ
ング蒸着、ＣＶＤ等の方法で形成する。そして、マスク
１１を適当な溶媒でエツチング除去することにより第２
図＜ｉ）に示すようにマスク１１上の導電層も共に除去
し、各電子引出し用の窓６を形成すると共に、アレイ基
体１０の表面に電子引出し用電極４を残すことができる
。

次に第２図（ｊ）に示すように各電子引出し用の窓６に
臨み各陰極材料３を囲んでいる絶縁体層２ａ１２ｂを化
学エツチング等により所定の深さ、例えば１００人〜５
μｍ除去し、各陰極材料３を所定長さ突出させる。この
エツチングにより電子引出し用電極４および陰極材料３
が腐食されないように各材料を選ぶ必要がある。例えば
、絶縁体層２ａ１２ｂがＡｌ□０８、若しくはＳｉ。

Ｎ４であれば、そのエツチング液は熱リン酸が適材であ
り、また、絶縁体層２ａ、　２ｂがＳｉＯ□であれば、
そのエツチング液は弗酸等が適材であり、そのときの電
子引出し用電極４および陰極材料３はＷ、Ｎｏ等が適材
である。

そして、必要に応じて、横列方向に並ぶ陰極材料３を一
つに接続したい場合には、第２図（りに示すようにアレ
イ基体１０における電子引出し用電極４とは反対側の面
に導電層５を形成する。

このようにして得られた電子放出素子アレイは、例えば
裏面に発光層を備えた透明絶縁基板と組み合わせ、平面
パネルディスプレイとして使用することができる。

このように、上記実施例によれば、重ね合わせ体９を陰
極材料３のパターンを横切るように切断するだけで、陰
極材料３がアレイ状に分布して露出したアレイ基体１０
を得ることができ、しかも、電子引出し用窓６や電子引
出し電極４を、各陰極材料３の露出面に選択的に形成−
ピーしておいたマスク１１の除去に伴い、その上の導電層を
除去することにより形成することができるので、従来の
困難な斜め落着と正蒸着の同時制御は不要となり、しか
も、電子引出し用窓６と陰極材料３の位置合わせをきわ
めて簡単に精度良く行うことができる。

次にこの発明の製造方法の第２の実施例について説明す
る。

第３図（ａ）ないしくＣ）はこの発明の第２の実施例に
おける製造方法を示し、第３図（ａ）は１次元アレイ部
を示す平面図、第３図（ｂｌはその電子引出し用電極を
除去した平面図、第３図（Ｃ１は第３図＜８＞のｍ−ｍ
線に沿う断面図である。

本実施例においては、第３図（ａ）ないしくＣ）に示す
ように第１と第２の絶縁体Ｊｉ２ａと２ｂを陰極材料３
とは幅の広いストライプ等のパターンに形成し、そのパ
ターン間に接着部８を設けて重ね合わせ体９（第２図（
ｅ）参照）を形成するようにしたものであり、その他は
上記第１の実施例と同様である。

次にこの発明の第３の実施例について説明する。

第４図（ａ）ないしくＣ１はこの発明の第３の実施例に
おける製造方法を示し、第４図（ａ）は１次元アレイ部
を示す平面図、第４図（ｂｌはその電子引出し用電極を
除去した平面図、第４図（Ｃ１は第４図（ａ）のＩＶ−
ＩＶ線に沿う断面図である。

本実施例においては、第４図（ａ）ないしくＣ１に示す
ように陰極材料３を点状から線状に替えたものであり、
その他は上記第１の実施例と同様である。

なお、この発明は上記実施例のように二次元アレイに限
らず、−次元アレイであってもよく、この場合、重ね合
わせ体として、２枚の基板間に１層の陰極材料層だけが
介在しているものを使う。つまり、陰極材料３のパター
ンのある電気絶縁性基板１と黛い電気絶縁性基板１を一
枚づつ接着し、重ね合わせ体を作るか、陰極材料３のパ
ターンのある電気絶縁性基板を２枚、パターン形成面同
士接着し、重ね合わせ体を作るようにする。また、二次
元アレイの作成を、複数の一次元アレイを作成してから
、これを組み付けるようにしてもよい。また、電子放出
素子アレイは平面パネルディスプレイに限らず、プリン
ター等、種々の用途に使用することができる。また、ア
レイには限らず、素子単体でもよい。

発明の効果以上述べたようにこの発明の電子放出素子によれば、陰
極材料の先端形状を膜厚のみで決定することができ、非
常に小さくして電界集中しやす（するすることができ、
したがって、電子引出し効率を向上させることができる
。また、陰極材計と電子引出し用の電極の間に空間ギャ
ップおよび絶縁体層を設けることにより、陰極材料と電
子引出し用電極との間の耐電圧を高めることができ、し
たがって、信頼性を向上させることができる。

また、この発明の電子放出素子の製造方法によれば、電
子引出し用窓や電子引出し用電極を絶縁体層および陰極
材料の露出面に形成したマスクの除去に伴い、その上の
導電層を除去することにより形成することができるので
、従来の困難な斜蒸着と正蒸着の同時制御は不要となる
。したがって、容易に歩留りよく製造することができる
。また、電子引出し用窓と陰極材料の位置合わせを極め
て簡単に精度良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例における電子放出素子を示
す概略断面図、第２図（ａ）ないしくいはこの発明の第
１の実施例における電子放出素子の製造方法を示し、第
２図（ａ）ないしくｆ）は製造工程説明用の概略斜視図
、第２図（勅ないしくいは第２図（ｆ）のｎ−ｍ線に沿
う製造工程説明用の概略断面図、第３図（ａ）ないしく
Ｃ１はこの発明の第２の実施例における製造方法を示し
、第３図（ａ）は１次元アレイ部を示す平面図、第３図
（ｂｌはその電子引出し用電極を除去した平面図、第３
図（Ｃ１は第３図（ａ）のｍ−ｍ線に沿う断面図、第４
図（ａ）ないしくＣ１はこの発明の第３の実施例におけ
る製造方法を示し、第４図（ａ）は１次元アレイ部を示
す平面図、第４図（ｂｌはその電子引出し用電極を除去
した平面図、第４図（Ｃ１は第４図（ａ）のＩＶ−ＩＶ
線に沿う断面図、第５図（ａ）、（ｂｌおよび第６図（
ａ）〜（ｆ）はそれぞれ従来の電子放出素子アレイの製
造方法を示す工程説明図である。１・・・電気絶縁性基板、２．２ａ１２ｂ・・・絶縁体
層、３・・・陰極材料、４・・・電子引出し用電極、５
・・・導電層、６・・・電子引出し用窓、７・・・複合
基板、８・・・接着部、９・・・重ね合わせ体１，１０
・・・アレイ基体、１１・・・マスク。代理人の氏名　弁理士粟野重孝　ばか１名第５図（り六后第６図（Ｑ）／２′３　　　　　　　　／ｌ’３第６図１♂Ｓ　　　　　　　ＩＩ’Ｓびつ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気絶縁性基板と、この電気絶縁性基板の間に設
けられ、この電気絶縁性基板の一方の面より凹入する絶
縁体層と、この絶縁体層の中央部に設けられ、一方が上
記絶縁体層より突出された陰極材料と、上記電気絶縁性
基板における上記絶縁体層の凹入側に設けられた電子引
出し用電極を備えたことを特徴とする電子放出素子。
（２）陰極材料の電気絶縁性基板間方向の肉厚が１００
Å〜２μｍである請求項１記載の電子放出素子。
（３）陰極材料がＷ、Ｍｏ、Ｔａ、ＴＩＣ、ＳｉＣ、Ｚ
ｒＣから選ばれる請求項１または２記載の電子放出素子
。
（４）絶縁体層およびこの絶縁体層の中央部の陰極材料
を電気絶縁性基板間に介在させ、少なくとも一表面に上
記陰極材料と絶縁体層が露出するように形成した後、こ
れら陰極材料と絶縁体層の露出部分にマスクを形成し、
このマスクおよび上記電気絶縁性基板の上に導電層を設
けた後、上記マスクをこのマスク上の導電層と共に除去
して上記陰極材料露出部分に電子引出し用の窓を形成す
ると共に、上記電気絶縁性基板の表面に電子引出し用電
極となる導電層を残し、上記電子引出し用の窓側におけ
る絶縁体層を所定量除去することを特徴とする電子放出
素子の製造方法。
（５）電気絶縁性基板の重ね合わせを溶着法、低融点フ
リットガラスを用いた接着法および耐熱性接着剤を用い
た接着法のいずれかにより行う請求項４記載の電子放出
素子の製造方法。
（６）メッキ法で金属を陰極材料と絶縁体層の露出部分
に付着させてマスクを形成する請求項４または５記載の
電子放出素子の製造方法。
（７）電気絶縁性基板を光透過性材料により形成し、上
記電気絶縁性基板、絶縁体層および陰極材料の一方の面
にポジ型のフォトレジストを塗布し、上記電気絶縁性基
板の他方の面側から感光用光を照射し、現像してマスク
を形成する請求項４または５記載の電子放出素子の製造
方法。
（８）電子引出し用電極となる導電層を、マスク除去し
、陰極材料の外周の絶縁体層をエッチング除去するエッ
チング液に対して耐腐食性を有する材料で形成する請求
項４ないし７のいずれかに記載の電子放出素子の製造方
法。
（９）陰極材料をＷ、Ｍｏ、Ｔａ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｚ
ｒＣのいずれかにより形成する請求項４ないし８のいず
れかに記載の電子放出素子の製造方法。