JPH0395888A

JPH0395888A - 電界放出型電子放出素子

Info

Publication number: JPH0395888A
Application number: JP1233937A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Watanabe; 信男渡辺; Takeo Tsukamoto; 健夫塚本; Masahiko Okunuki; 昌彦奥貫
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1991-04-22
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JP2790218B2

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］本発明は電界放出型電子放出素子に関する。

［従来の技術］従来、電子放出素子としては熱陰極型電子放出素子が多
く用いられていたが、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いこと、予備加熱が必要で
あること等の問題点を有していた。

これらの問題点を解決するため冷陰極型の電子放出素子
がいくつか提案されており、その中に局部的に高電界を
発生させ、電界放出により電子放出を行なわせる電界効
果型の電子放出素子がある。

第７図は上記の電界放出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８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７図に示すように、Ｓｔ等の基体７０１上にＭｏ（モ
リブデン）等により形成された点状電子放出部７０８を
設け、この点状電子放出部７０８を中心として開口部が
設けられたＳｉ０２等の絶縁層７０２が形成され、この
上に前記円錐形状の尖頭部の近傍にその端部が形成され
た引き出し電極７０９が設けられている。

このような構造の電子放出素子において、基体７０１と
引き出し電極７０９との間に電圧を印加すると、電界強
度の強い尖頭部から電子が放出される。

上記電子放出素子は、次のような工程で作成される。

■まず、第８図（ａ）に示すように、Ｓｔ等の基体７０
１の上にＳｉ０２酸化膜等の絶縁層７０２を形成する。

■電子ビーム蒸着等によりＭＯ層７０９を形成する。

■Ｐ　Ｍ　Ｍ　Ａ　（　ｐｏｌｙ−　ｍｅｔｈｙｌ−　
ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）等の電子線レジストを、ス
ピンコート法を用いてＭＯ層７０９上に塗布する。

■電子ビームを照射してパターニングを行った後イソブ
ロビルアルコール等で電子線レジストを部分的に除去す
る。

■ＭＯ層７０９を選択的にエッチングして第１の開口部
６０３を形成する。

■電子線レジストを完全に除去したのち、弗化水素酸を
用いて絶縁層７０２をエッチングして第２の開口部７０
４を形成する。

■次に、第８図（ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心と
して基体７０１を回転させながら、一定の角度θ傾斜さ
せてＡｊ２をＭ　ｏ　Ｆｌ７　０　９の上面に蒸着させ
てＡｎ層７０５を形成する。このとき前記ＭＯ層７０９
の側面部にもＡＩ，が蒸着されるので、この蒸着量を制
御することにより、第１の開口部７０３の直径を任意に
小さくすることができる。

次に、第８図（Ｃ）に示すように、基体７０１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Ａ１層７０５上および基体７０１上だけでな
（ＡＪ２層７０５の側面にも堆積されるので、第１の開
口部７０３の直径はＭＯ層７０６の積層に伴って段々小
さくなっていく。この第１の開口部７０３の直径の減少
に伴って基体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、基体７０１上には略円錐
形状の！極１８が形成される。

最後に、第８図（ｄ）に示すように、堆積したＭｏ層７
０６およびＡＪｌ層７０５を除去することにより、電界
放出型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コしかし、上記従来例では電界形成空間および電子放出部
を作製工程で斜め蒸着等の技術を用いるため、３ミクロ
ン以下の微細な電界放出型電子放出素子を作製すること
ができなかった。

［課題を解決するための手段］本発明の第１の要旨は、絶縁性材料により形成された基
体の表面に設定した任意の円周に沿って集束イオンビー
ムを照射することにより、該基体中にイオン注入領域を
形成し、該基体にイオン注入領域を施すことに化学的エッチング
処理を除去して底部に突起を有する電界形成空間を形成
し、該突起を導電性材料で被覆することにより点状電子放出
部を形成し、前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
材料で被覆することにより、前記点状電子放出部と電界
を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする電界
放出型電子放出素子に存在する。

本発明の第２の要旨は、表面に絶縁体層を有し、半導体
材料または導電性材料により形成された基体の表面に設
定した任意の円周に沿って集束イオンビームを照射する
ことにより該基体中にイオン注入領域を形成し、該基体にイオン注入領域を施すことに化学的エッチング
処理を除去して底部に突起を有する電界形成空間を形成
し、該突起を導電性材料で被覆することにより点状電子放出
部を形成し前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
材料で被覆することにより、前記点状電子放出部と電界
を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする電界
放出型電子放出素子に存在する。

［作用］本発明は、結晶材料の所定位置に集束イオンビームを照
射してイオン注入領域を形成し、次いでイオン注入領域
を施して前記イオン注入領域の所定領域を除去すること
により、電界形成空間を形成したので、電界放出型電子
放出素子を作製することができる。

［実施例］（実施例１）第１図は本実施例に係る電界放出型電子放出素子の製造
方法を説明するための図である。図において、（ａ）〜
（ｄ）は断面図であり、（ａ′）〜（ｄ′）は斜視図で
ある。基体１０１としては絶縁体の単結晶であるイット
リウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ）等を用いることがで
きるが、本実施例ではＹｒＧを用いた。また基体の面方
向は（１１１）とした。

■先ず第１図（ａ）および（ａ′）に示したように、０
，１μｍφ以下に集束した１６０ＫｅＶのＢｅ２＋イオ
ンビーム１０２により、ＹＩＧ基体１０１にイオン注入
を行なった。イオン注入量は、電極配線空間部を形成す
る部分（図中、１０３）においては４Ｘ１０”イオン／
　ｃ　ｍ　’とし、電界形成空間部を形成する部分（図
中、１０４）においては２Ｘ１０”イオン／ｃｍ’　と
した。また、電界形成空間部を形成する部分のイオン注
入は、所定位置を中心とした０．４μｍφの円周に沿っ
て行った。注入されたＢｅは試料１０１内部で散乱し、
第１図（ａ）に示したような水滴型の注入領域１０５を
形成した。

■続いて、試料を室温のりん酸中に浸すことによって、
その注入領域のみを選択的にエッチングし、第１図（ｂ
）および（ｂ′）に示したような、電界形成空間１０６
、電極配線空間１０７および前記所定位置の試料表面か
ら深さ０．５μｍの位置心先端の尖った突起１０８を形
成した。

■次に、試料表面に垂直方向から例えばタングステン（
Ｗ）を厚さ０．２μｍ真空蒸着することにより、第１図
（Ｃ）および（Ｃ′）に示したように、引出し電８ｉ１
０９、電極配線１１０および点状電子放出部１１１を同
時に形成した。

この状態で電極配線１１０と引出し電極１０９との間に
３０Ｖの電圧を印加すると、点状電子放出部から５０μ
Ａ以上の電子放出が得られた。

■この素子の電子放出特性向上のために、第１図（ｄ）
、（ｄ′）に示したように、基体１０１の表面に、垂直
方向から、仕事関数の低い材料としてＬａＢ６２１２を
、厚さ２００λとなるように真空蒸着した．このようにして作威した電界放出型電子放出素子の電極
配線と引出し電極とに２５Ｖの電圧を印加したところ、
点状電子放出部からｉｏｏμＡ以上の電子放出が得られ
た。すなわち、仕事関数の低い材料で表面を被覆するこ
とにより、引出し電圧の低下あるいは、同じ引出し電圧
における放出電流の増大が得られた。仕事関数の低い材
料としては，ＬａＢａ以外では、ＳｍＢ．等のホウ化物
あるいはＴｉＣ％ＺｒＣ等の炭化物が有効であった。

第２図は、上述のイオン照射に使用した試料イオンビー
ム走査装置の概略構成を示す模式的説明図である。

以下、本装置によるイオンビームの操作方法について、
詳細に説明する。

■Ａｕ−Ｓｉ−Ｂｅ液体金属イオン源２０１より電界放
出したイオンビームを電気的コンデンサレンズ２０２で
集束し、ＥＸＢ質景分離器２０３で必要な種のみを分離
する。

■その後、対物レンズ２０４で再び集束し、コンピュー
タ制御によりイオンビームを偏向してターゲット２０７
に照射する。

■ターゲット２０７は、移動自在なステージ装置２０５
のステージ２０６を、ステージ装置２０５に付設された
移動手段によって、ＸＹ面内を自在に移動されて所望位
置Ｃセットされる。なお、第２図に於いて、２０８はＳ
ＥＩ，２０９はファラデーカップである。

第２図の装置を用いた場合のイオン注入条件は、例えば
、ＳｉまたはＢｅイオンをＹＩＧの（１１１）基体に垂
直に照射する場合には、加速電圧４０〜８０ＫＶ、ビー
ム径０．１μｍとすればよい。

第３図及び第４図はそれぞれＢｅ，Ｓｔの集束イオンビ
ームの注入量またはイオンの加速電圧を変化させてＢｅ
又はＳｔを注入し、注入領域の所定領域を室温のりん酸
によりエッチングして除去した場合のエッチング深さを
示したものである。

第３図および第４図からわかるように、電界形成空間お
よび電極配線空間の大きさは集束イオンビームの加速電
圧、イオン注入量、イオン種により任意に設定すること
ができる。

（実施例２）第５図は、基体としてＳｔを３Ｘ１０”イオン／ｃ　ｍ
　２　ドーブしたＮ形ＧａＡｓ半導体単結晶を用いた電
界放出型電子放出素子の製造方法を説明するための断面
図である。

■先ず、′Ｍ５図（ａ）ｅ示したように、基体５０１上
に真空蒸着法により形成した厚さ０．　　２μｍのＳｉ
０２膜５０２の所定の位置を中心とした０．４μｍφの
内側に、０．１μｍφに集束した８０ＫｅＶのＡｕ２＋
イオンビーム５０３を８×１０′６イオン／　ｃ　ｍ　
２で照射し、スバッタエッチングにより除去した。

■次いで、第５図（ｂ）で示したように、０．　　１μ
ｍφ以下に集束した１６０ｋｅＶのＳｔ”！イオンビー
ム５０４を、２Ｘ１０”イオン／　ｃ　ｍ　２の注入量
で、所定の位置を中心とした０．３５μｍφの円周（沿
って注入し、水滴状の注入領域５０５を形成した． ■続いて試料を７０℃に加熱した塩酸中に浸すことによ
り、イオン注入領域のみが選択的にエッチングし、第５
図（Ｃ）に示したように、電界形成空間５０６および先
端の尖った突起５０７を形成した。

■さらに、基体表面に、垂直方向から、例えばＡｕ−Ｇ
ｅ合金等のＮ形ＧａＡｓにオーム性接合となる金を、厚
さが０．２μｍとなるように真空蒸着し、続いて４００
℃、３分間の熱処理によるアロイ化を行なった。これに
より、第５図（ｄ）に示したような引出し電極５０８お
よび点状電子放出部５０９を形成した。

この状態でＧａＡｓ基体５０１と引出し電極５０８との
間に４０Ｖの電圧を印加することにより、点状電子放出
部５０９から５０μＡ以上の電子放出が得られた。

■この素子の電子放出特性向上のために、第５図（ｅ）
に示したように、試料表面に垂直方向から仕事関数の低
い材料、例えばＬａＢｓ５１０を厚さ２００人となるよ
うに真空蒸着した。

このようにして作成した電界放出型電子放出素子のＧａ
Ａｓ基体と引出し電極との間に電圧３０Ｖ以上を印加し
たところ、点状電子放出部から１００ｕＡ以上の電子放
出が得られた。

（実施例３）第６図は本発明の電界放出形電子放出素子をマルチ化し
た一例を示す図であり、素子表面付近の一部の斜視図で
ある。

各材料および作製条件は、第１図の（ａ）．（ａ′）〜
（Ｃ），（Ｃ’）　　と同様である。

本実施例では、電子放出部のピッチを１．２μｍとし、
４行１５列を１１．位として、２５０μｍ口の中に６４
単位を形成した。

引出し電極６０２と電子放出部６０３の全てに電圧４５
Ｖを印加したところ、放出電流密度として３００Ａ／ａ
ｍ’が得られた。

なお、本実施例は引出し電極が一体となっており、それ
ぞれの電子放出部は電気的に独立している場合について
示したが、引出し電極はそれぞれ電気的に独立していて
も一体であってもよく、また、各電子放出部は電気的に
共通であってもよい。

［発明の効果］以上説明したように、集束イオンビームを結晶材料に照
射し、そのイオン注入した部分のみを化学的に除去する
ことにより、従来困難であった３ミクロン以下の、微細
な電界放出型電子放出素子を形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した電界放出型電子放出素子の一
例の断面図及び斜視図。第２図は本発明を実施するのに
使用した集束イオンビーム走査装置の一例を示す概略構
成図、第３図および第４図は夫々注入量に対するエッチ
ング深さを示したグラフ、第５図は本発明を実施した他
の例の断面図。第６図は本発明を実施したマルチ化素子
の斜視図、第７図は従来の電界放出型電子放出素子の一
例を示す概略的部分断面図、第８図は第７図に示した電
界放出型電子放出素子の製造方法を説明するための概略
的工程図である。１０１・・・基体、１０２・・・集束イオンビーム、１
０５・・・イオン注入領域、１０６・・・電界形成空間
、１０７・・・電極配線空間、１０８・・・先端の尖っ
た突起、１０９・・・引出し電極、１１０・・・電極配
線、１１１・・・点状電子放出部、１１２・・・仕事関
数の低い材料、２０１・・・Ａｕ−Ｓｉ−Ｂｅ液体金属
イオン源、２０２・・・電気的コンデンサレンズ、２０
３・・・ＥＸＢ質量分離器、２０４・・・対物レンズ、
２０５ステージ装置、２０７・・・ターゲット、２０８
・・・ＳＥＩ、２０９・・・ファラデーカップ、５０１
・・・基体、５０２・・・Ｓｉ０２膜、５０３・・・Ａ
ｕ”イオンビーム、５０４・・・Ｓｉ２“イオンビーム
、５０５・・・水滴状の注入領域、５０６・・・電界形
成空間、５０７・・・先端の尖った突起、５０Ｂ・・・
引出し電極、５０９・・・点状電子放出部。第２図第３図Ｂｅ注入．ｔ［イオン，／′Ｃｌｌｌ２ｌ第４図Ｓｉ注入量［イオ７／Ｃｍ２］第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁性材料により形成された基体の表面に設定し
た任意の円周に沿って集束イオンビームを照射すること
により、該基体中にイオン注入領域を形成し、該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記イ
オン注入領域を除去して底部に突起を有する電界形成空
間を形成し、該突起を導電性材料で被覆することにより点状電子放出
部を形成し、前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
材料で被覆することにより、前記点状電子放出部と電界
を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする電界
放出型電子放出素子。
（２）表面に絶縁体層を有し、半導体材料または導電性
材料により形成された基体の表面に設定した任意の円周
に沿って集束イオンビームを照射することにより該基体
中にイオン注入領域を形成し、該基体に化学的エッチング処理を施すことにより前記イ
オン注入領域を除去して底部に突起を有する電界形成空
間を形成し、該突起を導電性材料で被覆することにより点状電子放出
部を形成し前記基体の表面の前記電界形成空間以外の部分を導電性
材料で被覆することにより、前記点状電子放出部と電界
を形成する引出し電極を形成したことを特徴とする電界
放出型電子放出素子。
（３）前記絶縁体層の形成が真空蒸着により行なわれた
ことを特徴とする請求項２に記載の電界放出型電子放出
素子。
（４）前記点状電子放出部が真空蒸着により形成された
ことを特徴とする請求項１〜３に記載の電界放出型電子
放出素子。
（５）前記引出し電極が真空蒸着により形成されたこと
を特徴とする請求項１〜３に記載の電界放出型電子放出
素子。
（６）前記点状電子放出部と前記引出し電極とが真空蒸
着により同時に形成されたことを特徴とする請求項１〜
３に記載の電界放出型電子放出素子。
（７）前記電界形成空間の深さおよび形状が、前記集束
イオンビームの加速電圧、注入イオン量および／または
注入イオン種により制御されたことを特徴とする請求項
１〜６に記載の電界放出型電子放出素子。
（８）前記点状電子放出部の仕事関数を低下させるため
の処理がなされていることを特徴とする請求項１〜７に
記載の電界放出型電子放出素子。
（９）前記基体よりも仕事関数の低い材料で前記点状電
子放出部の表面を被覆することにより、前記点状電子放
出部の仕事関数を低下させていることを特徴とする請求
項８に記載の電界放出型電子放出素子。
（１０）単一基体上に、前記電界形成空間および前記点
状電子放出部が複数個形成されていることを特徴とする
請求項１〜９に記載の電界放出型電子放出素子。