JPH03147226A

JPH03147226A - 電界効果型電子放出素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03147226A
Application number: JP1283105A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Saito; 信之斉藤; Hirotsugu Takagi; 高木　博嗣; Hiroko Ogawa; 小川　博子; Yumie Yamazaki; 山崎　由美恵
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-11-01
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1991-06-24

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、電界効果型電子放出素子及びその製造方法に
関し、特に電子放出部が複数の突起体から成る電界効果
型電子放出素子及びその製造方法に関する。

［従来の技術］従来、電子放出源としては熱陰極型電子放出素子が多（
用いられていたが、熱電極を利用した電子放出は加熱に
よるエネルギーロスが大きく、予備加熱が必要等の問題
点を有していた。

これらの問題点を解決すべく、冷陰極型の電子放出素子
が注目されており、いくつかの提案がなされている。そ
の中に、局部的に高電界を発生させ電界放出を行わせる
、電界効果型の電子放出素子がある。

第３図は、上記の電界効果型の電子放出素子の一例を示
す概略的部分断面図であり、第４図　（Ａ）〜（Ｄ）は
、その製造方法を説明するための概略的工程図である。

第３図に示すように、Ｓｉ等の基板１上にＭｏ　（モノ
ブデン）等から成る円錐形状の電極７を設け、かつ、こ
の電極７を中心として開口部が設けられたＳｉＯ□等の
絶縁層２が形成され、さらにこの上に、前記円錐形状電
極７の尖頭部の近傍にその端部が形成された引き出し電
極３を設ける。

かかる構造の電子放出素子において、基板１と引き出し
電極３との間に電圧を印加すると、電界強度の強い電極
７の尖頭部から電子が放出される。

また、上述電子放出素子は次のような工程で作製される
。

先ず、第４図（Ａ）に示すように、Ｓｉ等の基板１上に
５ｉＯａ酸化膜等の絶縁層２を形成し、電子ビーム蒸着
法等によりＭｏ層３を形成し、さらにバターニングを行
い、かかるＭｏ層３を選択的にエツチングして第１の開
口部１１、絶縁層２をエツチングして第２の開口部１２
を各々形成する。

次に、第４図（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心とし
て基板ｌを回転させな、がら、一定の角度θ傾斜させて
Ａｌ１をＭｏ層３の上面及び開口部側面に蒸着させて、
Ａ１１層４を形成する。

次に、第４図（Ｃ）に示すように、基板１に対して垂直
にＭｏを電子ビーム蒸着等によって蒸着する。このとき
、ＭｏはＡＰ層４上及び基板１上だけでなくＡｌｌ’層
４の側面にも積層されるので、第１の開口部１１の直径
はＭｏ層９の堆積に伴って段々小さくなっていく。この
第１の開口部１１の直径の減少に伴って基板１に堆積さ
れていく蒸着物（Ｍｏ）の蒸着範囲も小さくなっていく
ために、基板１上には略円錐形状の電極８が形成される
。

最後に、第４図（Ｄ）に示すように、堆積したＭ。

層９及びＡ１１層４を除去することにより略円錐形状の
電極８を有する電子放出素子が形成される。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来の電子放出素子は、その電子放
出部たる三角錐形状電極の高さ、角度。

底面の直径等が第１の開口部１１の大きさｌ　Ｍｏ１３
の厚さ、基板１と蒸着源との距離等の製造上の各種条件
で決定されるため、極めて再現性が悪（、特に複数個同
時に配列したマルチ電子源を形成する場合には、かかる
円錐形状のバラツキが大きいという問題点があった。

また、第４図にも示した様に、三角錐形状を製造する工
程が複雑であり、簡単な工程で作製できる電界効果型電
子放出素子の作製が望まれていた。

すなわち、本発明の目的とするところは、上述のような
問題点を解消した電界効果型電子放出素子及びその製造
方法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、電子放出部が、金属微粒子で形成された
複数の突起体から成る電界効果型電子放出素子としてい
る点にある。

また、電子放出部が、金属微粒子で形成された、複数の
突起体及び薄膜構造体から成る電界効果型電子放出素子
にも特徴がある。

さらに、上記素子の製造方法として、基板上に設けた金
属微粒子堆積体に、高エネルギー光を照射して該堆積体
を突起体又は突起体及び薄膜構造体に形成して電子放出
部を作製することをも特徴とするものである。

すなわち、本発明の電界効果型電子放出素子は、電子放
出部となる電極を金属微粒子で形成される複数の突起体
、あるいは、金属微粒子で形成される複数の突起体及び
金属微粒子を含む薄膜体にて構成することにより、安定
な電子放出特性を得るとともに、かかる素子を作製して
マルチ化した場合にも、素子間のバラツキを小さくする
ことができるものである。

また、本発明の電界効果型電子放出素子の製造方法は、
従来の薄膜形成やフォトリソグラフィーを使った複雑な
工程を必要とせず、基板上に蒸着法等によって設けた金
属微粒子の堆積体に、高エネルギー光を照射するという
簡単な工程により電子放出部を形成することを可能とす
るものである。

以上のように、電子放出部が複数の突起体を形成するた
め、突起体にかかる電界強度を強く、均一にし、複数の
突起体全体として、動作開始電圧の範囲のバラツキを抑
え、電子放出効率を向上させることを可能とする。

以下、本発明を図面に基いて詳細に説明する。

第１図　（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の電界効果型電子放
出素子の製造工程の一例を説明するための概略釣部分断
面図である。

先ず、第１図（Ａ）、　（Ｂ）は、第４図（Ａ）、　（
Ｂ）に示す従来の製法と同じで、Ｓｉ等の基板１上にＳ
ｉｎ、　Ａｉ）ｚＯｘ、　Ｔａ２’ｓ等の酸化膜の絶縁
層２を厚さ１０００人〜１０μｍ程度に形成し、さらに
その上に、電子ビーム蒸着等によりＭＯ等の金属層３を
厚さ５００〜１００００人程度形成する。その後、フォ
トリソグラフィーの手法を用い金属層３．絶縁層２をウ
ェットエツチングして孔径５０００〜５００００人の開
口部１．１．１２を形成する。次に、回転軸Ｘを中心と
して基板１を回転させながら、一定の角度θ、例えば５
″〜２０°傾斜させて大部分のＡｊｌｌを金属層３の上
面に厚さ５００〜３０００人蒸着させてＡ２層４を形成
する。このとき、開口部内にＡＩ！は、殆ど堆積されな
い。

次に、従来とは異なり第１図（Ｃ）に示すように、基板
ｌに対して垂直方向から金属微粒子をガス中蒸発法、ス
パッタ法等公知の方法によって厚さ０．１〜１．、Ｏｐ
ｍ堆積させる。このとき、金属微粒子は、Ａ１７層４上
だけでな（基板ｌ上にも堆積体５として形成される。最
後に、後述する後処理によって、開口部に金属微粒子の
突起体が形成しないようにするため、第１図（Ｄ）に示
すように、Ａ１１層４とＡ４７層上の金属微粒子５を除
去し、その後、高エネルギー光、例えば高効率、高出力
が期待できるエキシマレーザ−を照射することで、基板
１上の金属微粒子の堆積体５は、突起体６あるいは薄膜
構造体６′を形成する。

ここで、突起体６を構成する微粒子の粒径は、数十人〜
１０００人であり、また、薄膜構造体６′　としては、
上記微粒子の堆積膜やこれら微粒子が分散された薄膜等
が挙げられる。

ここで、本発明で用いられる金属微粒子材料としては、
非常に広い範囲に及んでいる。特に、低仕事関数、高融
点、低蒸気圧という性質を有する通常の陰極材料や２次
電子放出係数の大きな材料等が好適である。かかる材料
から必要とする目的に応じて適宜選んで微粒子として用
いることにより、所望の電界効果型電子放出素子を形成
することができる。

具体的にはＬａＢ５．　ＣｅＢｓ、　ＹＢ４．　ＧｄＢ
４等の硼化物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ，ＨｆＣ，Ｔａ
Ｃ，ＣｅＣ，、ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、　Ｚ
ｒＮ、　ＨｆＮ等の窒化物、Ｎｂ、　Ｍｏ。

Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、　　Ｉｒ、　　Ｐｔ、Ｔ
ｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ。

Ｃｒ、　Ａｉ’、　Ｇｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｐｂ、　
Ｐｄ、　Ｃｓ、　Ｂａ等の金属、Ｉｎ２Ｏ５，５ｎＯｉ
、　５ｂｚＯｓ、　Ｃａｂ、　Ｂａｄ、　ＳｒＯ，Ｔｈ
ａｔ等の金属酸化物、ＳＬ、　Ｇｅ等の半導体、カーボ
ン、ＡｇＭｇ等を一例として挙げることができる。なお
、本発明は、上記材料に限定されるものではない。

また、突起体６については、上述した材料の微粒子ある
いは微粒子から成る構造体で形成される。すなわち、か
かる微粒子が前述したように数十人〜１０００人程度の
粒径を持つため、複数あるいは単独の微粒子で突起体自
体が形成されることになり、その形状も特に樹木状乃至
尖状の構造をもつものが好ましい。形成される突起体６
の密度。

数、高さは特に問わないが、大きくなる程電子放出特性
は改善され易い。望ましくは、突起体先端部と谷の部分
との高低差が５００Å以上で、かつ、開口部の高さの１
５〜８０％であるものが良い。かかる突起体６の形成は
、金属微粒子あるいは金属微粒子の堆積体に高エネルギ
ー光、例えば高効率。

高出力が期待できるエキシマレーザ−を照射することで
可能となる。エキシマレーザ−の種類、パワー、照射時
間等の条件は、照射される微粒子あるいは微粒子の堆積
体の厚み１種類、密度等により異なるが、その状況によ
り適宜選ぶことができる。例えば、大気中で紫外線レー
ザーを照射するといった簡単な工程を付加して、かかる
突起体を形成するだけで、従来に比べ電子放出特性の向
上した電子放出素子を得ることができる。

以上のようにして作製された電子放出部には、突起体が
複数あり、高電界強度がそれぞれにかかって全体として
大きな放出電流が得られていると考えられる。

［実施例］以下に、本発明の実施例を詳述する。

支１皿ユ本実施例での電界効果型電子放出素子は、次のような工
程で作製される。先ず、第１図（Ａ）に示すように、Ｓ
Ｌの基板１上にＳｉＯ□膜の絶縁層２を２ｐｍ厚に形成
し、その上にＭＯ層３を０．４μｍ厚形成する。次に、
ＰＭＭＡ　（ポリメチルメタクリレート）の電子線レジ
ストをスピンコード法を用いて、ＭＯＮ３上に塗布する
。その後、電子ビームを照射してバターニングを行った
後、イソプロピルアルコール等で電子線レジストを部分
的に除去し、ＭＯ層３を選択的にエツチングして第１の
開口部１１を形成する。電子線レジストを完全に除去し
たのちＳｉＯ□のエツチング液により絶縁層２をエツチ
ングして第２の開口部１２を形成する。

次に第１図（Ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心にして
基板ｌを回転させながら、一定の角度θ＝１５°傾斜さ
せた方向からＡρをＭＯ層３の上面に蒸着させてＡｊＪ
層４を０，３μｍの厚さに形成する。

次に第１図（Ｃ）に示すように、基板ｌに対して垂直方
向から、ＭＯの微粒子を第４図に示す真空装置によって
５基板及びＡ１７層上に約１μｍ厚堆積させる。

ここで用いる真空装置は、微粒子生成室２１と微粒子堆
積室２２及びその２室を継ぐ縮小拡大ノズル２３から構
成され、微粒子堆積室２２内の図中試料基板２４の位置
に、前工程で得られた基板がセットされる。尚、実施に
当たっては排気系２５で真空度をｌ　Ｘ　１０−’Ｔｏ
ｒｒ以下になるまで排気した後、Ａｒガス２６を微粒子
生成室２１に１４０ＳＣＣＭ流した。この時、微粒子生
成室２１の圧力は１．Ｉ　Ｔｏｒｒ、微粒子堆積室２２
の圧力はＩ　Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒとなり、２ケタの真
空度の差を生じた。また、縮小拡大ノズル２３の径は５
φであり、ノズル−基板間距離は６０ｍｍとした。

次いで、２インチφ（５０，８ｍｍφ）のＭＯツタ−ッ
ト２７に投入電圧９００■で直流スパッタを行った。

この条件下で生成したＭｏ微粒子を、ノズル２３より吹
き出させて試料２４上に堆積させる。このとき、微粒子
生成室２１と微粒子堆積室２２との圧力差のために、ノ
ズル２３からＭｏ微粒子を含むガスが高速ビームとなり
試料上に衝突し、Ｍｏ微粒子が固定化されつつ堆積する
。

こうしてＭｏ微粒子をｌｐｍ厚堆積させたが、このとき
Ｍｏ微粒子は、第１図（Ｃ）に示すように、基板１上だ
けでなくＡｊ＋層４上にも堆積される。この堆積物を高
分解能ＦＥ−３ＩＥＭで観察したところ、約３０〜８０
人の粒径をもち、中心粒径は約６０人となっていた。

次に、Ａｐ層４とその上に堆積したＭｏ微粒子を除去し
た後、かかる微粒子膜（堆積体）にＬＵＭＯＮＩＣＳ社
製エキシマレーザ−ＨＥ−４４０により、ＡｒＦ希ガス
ハロゲンエキシマレーザ−（波長１９２　ｎｍ）を大気
中でパルス幅１４ｎｓ、パルス周波数１０Ｈｚ、エネル
ギー密度０．０６Ｊ／ｃｍ”の条件で２０ｓｅｃ照射し
た。その結果、第１図（Ｄ）に示すような突起体６及び
薄膜構造体６′が形成された。突起の高さは、基板１上
面から約０．７ｐｍで先端がやや尖っている樹木状の突
起体６として形成された。

こうして作製された試料に対し、真空度ｌ０−６Ｔｏｒ
ｒでＭｏ層３と微粒子突起体６の間で１０’〜’　Ｖ／
ａｍの電圧を印加し、試料垂直方向３ｍｍ離した位置に
被照射体を置いたところ、０．６篩の安定な電子放出を
確認した。

之較■ユ実施例１に於いてＡｒＦ希ガスハロゲンエキシマレーザ
−を照射しなかった以外は、実施例１と同様にして素子
の評価を行ったが、電子放出は確認されなかった。

夫ｊ１吐ヱ実施例１に於いてＭｏ微粒子の替わりにＷ微粒子を０．
８ｐ、ｔｎ厚堆積させ、その堆積体にＫｒＦ希ガスハロ
ゲンレーザー（波長２４８ｎｍ　）を大気中でパルス幅
］、５ｎｓ、パルス周波数１０Ｈｚ、エネルギー密度０
．０７Ｊ／−ｃｍ”の条件で１００ｓｅｃ照射した以外
は、実施例１と同様に作製した。その結果、基板１上面
から約０．７ｐｍの高さの樹木状突起体が形成された。

レーザー照射前のＷ微粒子を高分解能ＦＥ−３ＥＭで観
察したところ、４０〜８０人の粒径をもち、中心粒径は
約７０人となっていた。次に、実施例１と同様に評価し
たところ、０．７．Ａの安定な電子放出を確認した。

比Ｊ口糺旦実施例２に於いてＫｒＦ希ガスハロゲンエキシマレーザ
−を照射しなかった以外は、実施例２と同様にして素子
の評価を行ったが、電子放出は確認されなかった。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の電界効果型電子放出素子
及びその製造方法によれば、金属微粒子の堆積体に高エ
ネルギー光を照射するという、簡素な工程で作製できる
ばかりでなく、素子の形成に際しその再現性が良く、素
子間のバラツキが少ないことから、マルチ構造にも適し
た素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の電界効果型電子放出
素子の一製造工程例を説明するための概略的工程図を示
すものである。第２図は、微粒子を試料上に堆積させるための一実施例
の真空装置図である。第３図は、従来の電界効果型電子放出素子の一例を示す
概略的部分断面図である。第４図は、従来の電界効果型電子放出素子の製法を説明
するための概略的工程図である。１・・・基板２・・・絶縁層３．４．９・・・金属層５・・・微粒子堆積体６・・・突起体６′・・・薄膜構造体７．８・・・尖頭部を有する電極１１、１２・・・開口部２１・・・微粒子生成室２２・・・微粒子堆積室２３・・・縮小拡大ノズル２４・・・試料２５・・・排気系２６・・・導入ガス（Ａｒ）２７・・・ターゲット

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子放出部が、金属微粒子で形成された複数の突
起体から成ることを特徴とする電界効果型電子放出素子
。
（２）電子放出部が、金属微粒子で形成された、複数の
突起体及び薄膜構造体から成ることを特徴とする電界効
果型電子放出素子。
（３）基板上に設けた金属微粒子堆積体に、高エネルギ
ー光を照射して該堆積体を突起体又は薄膜構造体に形成
して電子放出部を作製することを特徴とする電界効果型
電子放出素子の製造方法。