JPH03230446A - 電子放出素子およびその製造方法 - 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、例えば、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およびその製造方法
に関する。

従来の技術 従来、電子顕微鏡、ＣＲＴ等の電子発生源である電子放
出素子として、熱電子を放出する熱陰極が用いられてい
る。しかし、熱陰極は陰極自体を加熱する加熱手段を必
要とし、また、加熱に伴う二手ルギー損失が生じるなど
の問題がある。そこで、近時、加熱を必要としない電子
放出素子、いわゆる冷陰極に関する研究が行なわれ、い
くつかのタイプの電子放出素子が提案されている。

具体的には、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、電子
なだれ降伏現象を起こさせて素子外に電子を放出させる
ようにした電子放出素子、または、針状形状をした金属
の先端部に強電界を印加してこの金属から電子を引き出
す電界放出型の電子放出素子、または、金属層−絶縁体
層−金属層の３層構造で、上記両金属層に電圧を印加す
ることにより、トンネル効果で絶縁体層を通過してきた
電子を金属層表面から放出させるＭＩＭ型の電子放出素
子な吉がある。これらの内、Ｍ　Ｉ　Ｍ型電子放出素子
は構成が簡単であり、注目されている。以下、この電子
放出素子の電子放出原理を第６図に基づいて説明する。

第５図に示すように、金属層（導電性材）４１上に絶縁
体層４２と薄い金属層４３が順次積層されている。そし
て、電源４４より金属層４３の仕事関数よりも大きな電
圧を金属層４１と４３の間に印加することにより、絶縁
体層４２をトンネルした電子の内、真空電位より大きい
エネルギーを持つ電子が放出電子４６として金属層４３
表面から飛び出す。

上記Ｍ　Ｉ　Ｍ型の電子放出素子アレイの具体例として
、第６図（ａ）、（ｂ）に示す構成が知られている（特
開昭６３−６７１７号公報参照）。この電子放出素子は
、第６図（ａ）、（ｂ）から明らかなように、絶縁基板
６１の表面に帯状の金属層５２が形成され、金属層５２
が絶縁体層６３で覆われ、絶縁体層６３上に金属層６２
と直交方向で帯状の金属層６４が形成されている。そし
て、上記のように金属層６２．６４間に電圧を印加する
ことにより、電子放出領域である両金属層６２．６４の
交差部分から電子が飛び出す。

発明が解決しようとする課題 しかし、第６図（ａ）、（ｂ）に示すような従来例の構
成では、両金属層６２．６４の交差部分の全面から必要
量の電子を放出させようとすると、第６図（ｂ）に示す
ように、金属層６２のエツジ部分に電界が集中するが、
絶縁体層６３のエツジ部分が薄くなっているため、絶縁
破壊を起こす。また、金属層６２のエツジ部分から放出
される電子は斜め外方へ発散してしまうため、電子放出
効率に劣るなどの課題を有していた。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するもの
であり、絶縁体層の絶縁破壊を防止して信頼性を向上さ
せることができ、また、エツジ部より放出される電子を
斜め外方へ発散させないようにして電子放出効率を向上
させることができ、また、電力損失を少なくすることが
できるようにした電子放出素子を提供し、また、上記目
的に加えて低電圧で十分な電子を放出させることができ
るようにした電子放出素子を提供し、また、上記電子放
出素子を容易に製造することができ、量産化を図ること
ができるようにした電子放出素子の製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するため、本発明の電子放出素子は、絶
縁基板と、上記絶縁基板上に形成された信号電極用の導
電体層と、上記導電体層上に所望の間隔、配列で形成さ
れた導電体からなる突出部と、上記各突出部上に形成さ
れた薄膜状の電子透過用の絶縁体層と、上記突出部以外
の部分に上記薄膜状の絶縁体層とほぼ而−となるように
形成された絶縁体層と、上記絶縁体層上に形成された比
較的肉厚のゲート電極用の導電体層を備えたものである
。

または、上記電子透過用の絶縁体層上に上記ゲート電極
用の導電体層より薄い電子放出用の導電体層が形成され
たものである。

または、各導電体からなる突出部のエツジ部に電界を集
中させろため、これら導電体からなる突出部が自身の幅
と同等以上の間隔で配列されている。

そして、上記電子放出用の導電体層な上記導電体からな
る突出部およびこの突出部上の上記電子透過用の絶縁体
層の幅以上で、かつその間隔よりも狭い範囲で形成する
のが好ましい。

また、上記導電体からなる突出部は断面矩形状に形成し
、上記信号電極用の導電体層と異なる金属、例えば、ア
ルミニウムにより形成することができる。また、上記電
子放出用の導電体層を上記ゲート電極用の導電体層と異
なる金属、例えば、Ｍｏ、Ｗ　ｓ　Ｚ　ｒ　Ｃｓ　Ｌ　
ａ　Ｂ　６のいずれかにより形成することができる。

また、上記目的を達成するため、本発明の電子放出素子
の製造方法は、絶縁基板上に導電体層を形成し、上記導
電体層上にアルミニウムを蒸着等により所望の厚さに形
成し、上記アルミニウム上にホトリソグラフィー等によ
り所望のパターン状にホトレジストを形成した後、上記
アルミニウムをエツチング除去して突出部を形成し、上
記アルミニウムと少なくとも同等の厚さになるように絶
縁体層を蒸着等により形成し、上記絶縁体層上にゲート
電極用の導電体層を蒸着等により比較的肉厚に形成し、
その後、上記ホトレジストを除去し、上記アルミニウム
からなる突出部の表面側に陽極酸化、熱酸化等により薄
膜状の電子透過用の絶縁体層を形成するようにしたもの
である。

または、上記電子透過用の絶縁体層上に上記ゲート電極
用の導電体層より薄い電子放出用の導電体層を蒸着等に
より形成するようにしたものである。

または、上記アルミニウムを自身の幅と同等以上の間隔
でエツチング除去するようにしたものである。

そして、上記アルミニウムをその幅がホトレジストの幅
より狭くなるまでエツチング除去するのが好ましい。

作用 本発明の電子放出素子によれば、絶縁体層がほぼ面一と
なるように形成しているので、絶縁破壊を防止すること
ができ、また、導電体からなる突出部のエツジ部から放
出される電子を比較的肉厚のゲート電極用の導電体層に
より斜め外方へ発散させないようにすることができ、ま
た、上記のようにゲート電極用の導電体層を比較的肉厚
に形成することにより、その抵抗値を下げることができ
ろ。

また、導電体からなる突出部を自身の幅と同等以上の間
隔で配列することにより、上記突出部のエツジ部に電界
を集中させることができる。

また、本発明の電子放出素子の製造方法によれば、導電
体であるアルミニウムからなる突出部を蒸着、ホトリソ
グラフィー、エツチング等により形成し、信号電極用の
導電体層上の絶縁体層を蒸着等により形成し、電子透過
用の薄膜状の絶縁体層を陽極酸化、熱酸化等により形成
し、この絶縁体層上に電子放出用の導電体層を形成する
場合にも蒸着等により形成するので、容易に製造するこ
とができる。

実施例 以下、本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、本発明の電子放出素子の第１の実施例について説
明する。

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施例におけろ
電子放出素子を示し、第１図（ａ）は２次元配置構成の
平面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の１ｂ部の一電子
放出領域の拡大図、第１図（ｃ）は第１図（ｂ）のＩｃ
Ｉｃ線に沿う断面図である。

第１図（ａ）〜（ｃ）に示すように、ガラス等からなる
絶縁基板１上に所望の幅、間隔で帯状に金属等からなる
信号電極用の導電体層２が形成されている。

この導電体層２はこれを流れる電流による電力損失を少
なくするため電気伝導度の小さいＣｒ、ＡＩ岑を用いる
のが好ましい。導電体層２上にはアルルミニウム等の導
電体からなる突出部３が縦横等、所望の間隔、配列で形
成され、その間隔ｌｌは自身の幅ｌｅと同等以上となる
ように設定されている。各突出部３上には厚さが約１０
０λの薄膜状のアルミナ（Ａｌ２Ｏ２）からなる電子透
過用の絶縁体層４が形成され、突出部３以外の部分にお
いて、絶縁基板１および導電体層２上に絶縁体層６が絶
縁体層４とほぼ面一となるように形成されている。絶縁
体層４上にはこの絶縁体層４の幅ｌｅと同等か、それよ
り少し広い幅１ｗで、かつその間隔ｌｌよりも狭い範囲
で膜厚が約１００大か、それ以下の薄い電子放出用の導
電体層６ａが形成されている。この電子放出用の導電体
層６ａは後述する電子放出の効率を高めるため、高融点
で低仕事関数の材料、例えば、Ｍｏ、Ｗ、ＺｒＣ，Ｌａ
Ｂ６等を用いるのが好ましい。導電体層６ａ以外の絶縁
体層６上には十分に厚くなるように金属等からなる帯状
のゲート電極用の導電体層６ｂが信号電極用の導電体層
２と直交方向で所望間隔に形成されている。このゲート
電極用の導電体層６ｂはこれを流れる電流による電力損
失を少なくするため、電気伝導度の小さいＡｕ等を用い
るのが好ましい。

−例として、−電子放出領域（ゲート電極用の導電体層
６ｂと信号電極用の導電体層２の交差部分）の大きさを
１１０μｍ口とし、各突出部３を１０μｍ口（四角に限
定するものでなく、丸でもよい）、間隔ｌｌを１５μｍ
とすれば、２５個の電子放出素子の集合が一電子放出領
域となる。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。

信号電極用の導電体層２とゲート用の導電体層６ｂに電
圧な印加すると、第２図（ａ）に示す等電位線８から明
らかなように、導電体からなる各突出部３の各エツジ部
分に電界が集中して強電界となり、大きなエネルギーを
持ったトンネル電子が導電体層６ａから放出される。こ
のとき、導電体層６ａの外方の導電体層６ｂが肉厚に形
成されているので、電子が斜め外方へ発散せず、前方へ
放出される。ここで、各突出部３０幅ｌｅｅがその間隔
１１より大きくなると、第２図（ｂ）に示した比較例の
等電位線８かも明らかなように、各突出部３のエツジ部
分での電界強度は非常に小さくなる。

次に、本発明の電子放出素子の第２の実施例について説
明する。第３図は本発明の第２の実施例におけろ電子放
出素子を示し、第１図（Ｃ）と同様の断面図である。

本実施例においては、第１図に示す上記第１の実施例と
は各突出部３の上方の薄い電子放出用の導電体層６ａが
省略された点において異なる。

本実施例においては、各突出部３の全面から電子を放出
することはできないが、上記と同様にして各突出部３の
各エツジ部から電子を放出することができる。

次に、本発明の電子放出素子の製造方法について説明す
る。

第４図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例における
電子放出素子の製造方法を示す製造工程説明用の断面図
である。

第４図（ａ）に示すように、まず、ガラス等の絶縁基板
１上にＣｒ、ＡＩ等の金属等からなる信号電極用の導電
体層２を蒸着、スパッタリング等により所望の幅、間隔
で帯状に形成する。次に、第４図（１））に示すように
、絶縁基板１、導電体層２上にアルミニウム３ａを蒸着
、スパッタ等により所望の厚さに形成した後、このアル
ミニウム３ａ上に導電体層２の幅よりも十分に狭い幅の
ホトレジスト７を、その幅と同等か、それより大きな間
隔でホトリソグラフィー等の技術を用いて形成する。次
に、第４図（Ｃ）に示すように、アルミニウム３ａをエ
ツチングする。このとき、ホトレジスト７の幅よりアル
ミニウム３ａの少なくとも上部の幅が狭くなるようにエ
ツチング除去する。次に、第４図（ｄ）に示すように、
ホトレジスト７を残した才ま絶縁体層６を蒸着、スパッ
タリング等によりアルミニウム３ａの上部表面と同等か
、少し上に突出する程度に形成し、続いてＡｕ等の金属
等からなる比較的肉厚で帯状の導電体層６ｂを信号電極
用の導電体層２と直交方向で所望間隔に蒸着等により形
成する。

次に、第４図（ｅ）に示すように、ホトレジストアを除
去すると、アルミニウムムかもなる突出部３ｂの表面が
露出し、この露出した表面側を陽極酸化、酸素雰囲気中
での熱酸化等により、アルミナ（Ａ１２０３）からなる
電子透過用の薄膜状の絶縁体層４を形成する。第３図に
示す上記第２の実施例の電子放出素子は、以上の工程で
製造完成する。一方、第１図に示す上記第１の実施例の
電子放出素子は第４図（ｅ）に示す工程の終了後、絶縁
体層４上から電子放出用の導電体層６ａとして、Ｍｏ、
Ｗ、ＺｒＣ１Ｌ　ａ　８６等の金属を蒸着等により形成
することにより製造完成する。

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、絶縁
体層がほぼ面一となるように形成しているので、絶縁破
壊を防止することができ、信頼性を向上させることがで
きる。また、導電体からなる突出部のエツジ部から放出
される電子を比較的・、肉厚のゲート電極用の導電体層
により斜め外方へ発散させないようにすることができ、
電子放出効率を向上させろことができろ。また、上記の
ようにゲート電極用の導電体層を比較的肉厚に形成する
ことにより、その抵抗値を下げろことができ、電力損失
を少なくすることができる。

また、導電体からなる突出部を自身の幅と同等以上の間
隔で配列することにより、上記突出部のエツジ部に電界
を集中させろことができるので、低電圧で十分な電子を
放出させることができろ。

また、本発明の電子放出素子の製造方法によれば、導電
体であるアルミニウムからなる突出部を蒸着、ホトリソ
グラフィー、エツチング等により形成し、信号電極用の
導電体層上の絶縁体層を蒸着等により形成し、電子透過
用の薄膜状の絶縁体層を陽極酸化、熱酸化等により形成
し、この絶縁体層上に電子放出用の導電体層を形成する
場合にも蒸着等により形成するので、容易に製造するこ
とができ、量産化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実施例における
電子放出素子を示し、第１図（ａ）は２次元配置構成の
平面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＩｂ部の一電子
放出領域の拡大図、第１図（ｃ）は第１図（ｂ）のＩｃ
Ｉｃ線に沿う断面図、第２図（ａ）は上記第１の実施例
の電子放出素子に電圧を印加したときの電位分布図、第
２図（１））は比較例の電位分布図、第３図は本発明の
第２の実施例における電子放出素子を示し、第１図（ｃ
）と同様の断面図、第４図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第
１の実施例における電子放出素子の製造方法を示す製造
工程説明用の断面図、第６図は従来のＭ　Ｉ　Ｍ型電子
放出素子の動作原理説明図、第６図（ａ）、（ｂ）は従
来のＭＩＭ型電子放出素子を示し、第６図（ａ）は斜視
図、第６図（ｂ）は断面図である。 １・・・絶縁基板、２・・・信号電極用の導電体層、３
・・・導電体の突出部、４・・・電子透過用の絶縁体層
、６・・・絶縁体層、６ａ・・・電子放出用の導電体層
、６ｂ・・・ゲート電極用の導電体層、７・ホトレジス
ト。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板と、上記絶縁基板上に形成された信号電
   極用の導電体層と、上記導電体層上に所望の間隔、配列
   で形成された導電体からなる突出部と、上記各突出部上
   に形成された薄膜状の電子透過用の絶縁体層と、上記突
   出部以外の部分に上記薄膜状の絶縁体層とほぼ面一とな
   るように形成された絶縁体層と、上記絶縁体層上に形成
   された比較的肉厚のゲート電極用の導電体層を備えた電
   子放出素子。
2. （２）電子透過用の絶縁体層上にゲート電極用の導電体
   層より薄い電子放出用の導電体層が形成された請求項１
   記載の電子放出素子。
3. （３）導電体からなる突出部が自身の幅と同等以上の間
   隔で配列されている請求項１または２記載の電子放出素
   子。
4. （４）電子放出用の導電体層が導電体からなる突出部お
   よび上記突出部上の電子透過用の絶縁体層の幅以上で、
   かつその間隔よりも狭い範囲で形成されている請求項２
   または３記載の電子放出素子。
5. （５）導電体からなる突出部が断面矩形状に形成され、
   信号電極用の導電体層と異なる金属により形成された請
   求項１ないし４のいずれかに記載の電子放出素子。
6. （６）導電体からなる突出部がアルミニウムからなる請
   求項６記載の電子放出素子。
7. （７）電子放出用の導電体層がゲート電極用の導電体層
   と異なる金属により形成された請求項２ないし６のいず
   れかに記載の電子放出素子。
8. （８）電子放出用の導電体層がＭｏ、Ｗ、ＺｒＣ、Ｌａ
   Ｂ＿６のいずれかから選ばれた請求項７記載の電子放出
   素子。
9. （９）絶縁基板上に導電体層を形成し、上記導電体層上
   にアルミニウムを蒸着等により所望の厚さに形成し、こ
   のアルミニウム上にホトリソグラフィー等により所望の
   パターン状にホトレジストを形成した後、上記アルミニ
   ウムをエッチング除去して突出部を形成し、上記アルミ
   ニウムと少なくとも同等の厚さになるように絶縁体層を
   蒸着等により形成し、上記絶縁体層上にゲート電極用の
   導電体層を蒸着等により比較的肉厚に形成し、その後、
   上記ホトレジストを除去し、上記アルミニウムからなる
   突出部の表面側に陽極酸化、熱酸化等により薄膜状の電
   子透過用の絶縁体層を形成する電子放出素子の製造方法
   。
10. （１０）電子透過用の絶縁体層上にゲート電極用の導電
    体層より薄い電子放出用の導電体層を蒸着等により形成
    する請求項９記載の電子放出素子の製造方法。
11. （１１）アルミニウムを自身の幅と同等以上の間隔でエ
    ッチング除去する請求項９または１０記載の電子放出素
    子の製造方法。
12. （１２）アルミニウムをその幅がホトレジストの幅より
    狭くなるまでエッチング除去する請求項９ないし１１の
    いずれかに記載の電子放出素子の製造方法。