JPH03122938A - 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］ 本発明は、金属電極／絶縁層／金属電極（ＭＩＭ）型電
子放出素子に関し、特に、一方の電極が取り出し電極と
放出部電極から構成される電子放出素子に関する。

［従来の技術］ 従来金属電極／絶縁層／金属電極の三層構造から成るＭ
ＩＭ型電子放出素子は、高い電子放出効率を得るために
放出部電極をできる限り薄く形成しており、また放出部
電極には仕事関数の低い金属材料が用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、かかる金属電極の膜厚が極めて薄（、か
つ均一に形成することは非常に困難である。更に、金属
薄膜が形成できた場合でも、抵抗が高（なり、特に仕事
関数が低い金属材料では比抵抗が高いため、放出都電極
内での電圧降下を無視することはできない。そのために
、電子放出素子に均一かつ有効な電界が印加されないお
それがある。また、かかる電圧降下による放出部電極内
での電力損失は、発熱による素子破損を引き起こすおそ
れがある。

すなわち、本発明の目的とするところは、放出部電極で
の電圧降下が無視できる程度の低抵抗構造とし、かつ、
高い電子放出効率を得ることができる電子放出素子を提
供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明の特徴と
するところは、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、電子を放出させる側
の電極が取り出し電極と該取り出し電極より薄い放出部
電極から構成されており、該放出部電極が金属微粒子に
より形成されている電子放出素子としている点にある。

また、前記絶縁性薄膜がラングミュア−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
、さらには、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のいずれか
を環化して得られるポリイミドより成る薄膜であるとこ
ろの電子放出素子をも特徴とするものである。

すなわち本発明によれば、ＭＩＭ構造を有する電子放出
素子の電子を放出する側の電極を、金属の微粒子膜から
成る放出部電極と該放出部電極よりも厚い膜厚を有する
取り出し電極とで構成することにより、電極中での電圧
降下を抑え、かつ、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、
更に取り出し電極を設けたことで、素子面積、素子形状
を任意に選択することを可能にした。

以下、本発明に係る電子放出素子の構成を最も良く表わ
した第１図に示す構成断面図に基づいて、詳細に説明す
る。

かかる電子放出素子は、基板１の上に下部電極２、さら
に、基板１と電極２の上に絶縁性薄膜３が形成されてお
り、さらにその上に形成される上部電極は、開口部を有
した取り出し電極５と、かかる開口部で、かつ、絶縁性
薄膜３上に形成される金属の微粒子膜から成る放出部電
極４から構成されている。

尚、前記放出部電極４は、第２図に示すように、開口部
のみに限らず、取り出し電極５上部にも形成することが
できる。

ここで、本発明に用いる基板１の材料としては、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良い。

また、本発明に用いる絶縁性薄膜３としては、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６３−０９１９２
５号］。

かかる有機絶縁膜の材料としては、耐熱性、耐溶剤性に
優れた高分子化合物が好適であり、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等を各
々環化して得られるポリイミド等であり、下記一般式（
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） 式中Ｒ３は、少くとも６ケの炭素を含有する４価の基で
あり、具体例として例えば 等が挙げられる。

また式中Ｒ２は、少なくとも２ケの炭素を含有する２価
の基であり、具体例として例えば等が挙げられる。

また式中Ｒ３は、少な（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、下記一般式（２）で示された構造の
ものである。

一般式（２） ％式％） 一方、本発明に係る電極の形成については、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。

また、本発明における放出部電極４の形成に関しては、
従来公知の微粒子作製方法を用いることが可能である。

また、上述のような方法にて作製される電極の材料とし
ては、高い伝導性を有するものであればよく、例えばＡ
ｕ、　Ａｇｏ　Ａｊ’＋　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。

次に、上述した構成要素の具体的な寸法については、基
板上の板厚については、特に素子特性に影響を及ぼすわ
けではないが、機械的強度等の面から０．８　ｍｍ−１
ｍｍが好ましく、下部電極２については、膜厚３００人
〜１０００人、下部電極は、最小面積が、開口部面積よ
り小さくなければ問題ない。

最大面積は特に限定する必要はない。絶縁性薄膜３につ
いては膜厚５人〜１５０人、取り出し電極５については
、膜厚１０００人〜１μｍ、開ロ部面積Ｓｐｍロ〜１ｍ
ｍ口、さらに放出部電極４については、膜厚１００人〜
５００人、微粒子径５０人〜５００人が好ましい範囲で
ある。このような寸法範囲外での構成は、優れた電子放
出特性を得ることが難しい。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を具体的に詳述する。

去」１硼１ 以下に示す手順で第１図に示すＭＩＭ型電子電子放出素
子製を行った。先ず、洗浄したガラス基板１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−１０）をスピンナー
塗布し、プリベークを行う。このとき膜厚は０．７　ｇ
ｍ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
ストパターンを作製した。

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
、絶縁性薄膜３とした。

以下ポリイミド単分子累積膜の作製方法の詳細を記す。

下記（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（単量体換算濃度Ｉ　Ｘ
　１０−”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１：２（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。

かかる溶液を水温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
２５ｍＮ／＋にまで高めた０表面圧を一定に保ちながら
、上述下部電極付き基板を水面を横切る方向に速度５　
ＩＩＩｍ／ｗｉｎで静かに浸漬した後、続いて５　ｍｍ
／ｆｆｌ１ｎで静かに引き上げて２ＨのＹ型単分子累積
膜を作製した。かか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０次に、この基板を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、Ａｕ下部電極２の作製と同様にリフトオフプロ
セスにより放出部電極４を作製する。具体的には、所望
のパターンをポリイミドＬＢ膜上に形成したのち、Ａｇ
微粒子を堆積する。以下、かかる微粒子の堆積方法を第
３図に基づいて詳細に記す。

上記ガラス基板１５を下流室１２内に設けた熱源１７取
付台にセットした後、排気管１６にて下流室１２を４　
Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで減圧した。

尚、基板１５の温度は、室温とした。次に、Ａｒガスを
ガス導入管１４から上流室１０に、２０ｓｅｃｍの流量
で流した。すると、上流室の圧力は８　Ｘ　１Ｏ−３Ｔ
ｏｒｒとなり、Ａｒガスはノズル１１から下流室１２に
吹き出した。この時、下流室１２内の圧力は２　Ｘ　１
Ｏ−５Ｔｏｒｒとなった。次に、蒸発源１３からＡｇを
蒸発させた。

その結果、上流室ｌＯ内で微粒子が生成し、残りのガス
成分とともにノズル１１から下流室１２に高速で吹き出
し、微粒子ビームとなって下流室１２内の基板１５上に
衝突して付着固定された。以上の操作により基板上に約
１００人の微粒子の堆積膜を作製した。

このようにして形成した微粒子膜状物の断面を、高分解
能ＦＥ−３ＥＭで観察したところ、粒径１００〜１２０
人程度の微粒子が互いに接するように堆積された構造と
なっていることが確認された。

次に、かかる作製方法によって得られたＡｇ微粒子堆積
膜をリフトオフプロセスによりレジストを剥離し、所望
のパターンである放出部電極４とする。

かかる基板上に、真空蒸着法を用いてＡＩｌを膜厚３０
００人堆積させる。次に、ポジ型レジスト材料（商標名
ＯＭＲ−８３）を膜厚１．２７層ｍ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
Ｈ，ＰＯ４：　ＨＮＯ，：　ＣＨ，Ｃ０ＯＨ：　Ｈ，Ｏ
＝　１６　：１：２：１の溶液でＡＩｌをエツチングし
、所望のパターンを得る。次に、専用剥離液を用いて、
基板からレジストを剥離し、上部取り出し電極５を作製
した。このときの開口部は、３００ｇｍ口とした。

以上の様にして得られた試料を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ＩＯＶの電圧を印加して放
出電流を測定した。この時、放出効率は９　Ｘ　１０−
’であった。また、放出電流測定後、素子の電極部の状
態を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ　）により観察したところ
、何ら損傷を認めることはできなかった。

実Ｊ１江旦 本実施例では、第２図に示すように素子全表面に微粒子
膜を設けた素子を作製した。先ず、実施例１と同様にし
て、下部電極２及び２０層のポリイミド単分子累積膜（
絶縁性薄膜３）を作製した。

次に、ＡＰ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５を形成
する。このときの開口部は１１００ｐ口となるようにし
た。

その後、かかる基板上の全面に、ＡＩｌの微粒子を１０
０人を堆積した。かかるＡｊ）の微粒子の作製方法は下
記の通りである。実施例１同様第３図に示す装置を用い
、下流室１２を３　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで減圧した
のち、基板温度を室温、Ａｒガス流量２０ｓｅｃｍとし
、蒸発源１３からＡＩ！を蒸発させた。この時、下流室
の圧力は３　Ｘ　１Ｏ−ＩＩＴｏｒｒとなった。これに
より、上流室内で微粒子が生成し、微粒子ビームとなっ
て下流室内の基板上に付着固定された。また、基板取り
出し時に徐酸化処理を施し、微粒子堆積膜の安定化を図
った。かかる素子の電子放出特性を実施例１と同様にし
て測定したところ、放出効率は６　Ｘ　１０−３であり
、ＳＥＭによる電流状態の観察では、何ら損傷は認めら
れなかった。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の電子放出素子によれば、 ■放出部電極を微粒子で形成するため、粒子が互い接し
ている部分は実際よりも薄い膜厚になり、容易かつ安定
な薄膜が得られ電子放出効率の向上が図られる。

■微粒子で形成した放出部電極と厚膜とした取り出し電
極により上電極を形成するため、電圧降下による電力損
失を防ぐことが可能となる。

■放出部電極および取り出し電極をリソグラフィー技術
により形成するため、素子の高密度化が可能となる。

といったような効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明に係る電子放出素子の構成
断面図を示したものである。 第３図は、本発明に係る微粒子形成のための装置を示す
概略図である。 １・・・基板 ２・・・下部電極 ３・・・絶縁性薄膜 ４・・・放出部電極 ５・・・取り出し電極 １０・・・上流室 １１・・・ノズル １２・・・下流室 １３・・・蒸発源 １４・・・ガラス導入管 １５・・・基板 １６・・・排気管 １７・・・熱源 １８、１９・・・微粒子 ４放出音ド電稔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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、電子を放出させる側の電極が
   取り出し電極と該取り出し電極より薄い放出部電極から
   構成されており、該放出部電極が金属微粒子により形成
   されていることを特徴とする電子放出素子。（２）前記
   絶縁性薄膜がラングミュアーブロジェット法（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。 （３）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のいずれかを環化
   して得られるポリイミドより成ることを特徴とする請求
   項２記載の電子放出素子。