JPH04212236A - 電界電子放出装置 - Google Patents

電界電子放出装置

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JPH04212236A
JPH04212236A JP3014398A JP1439891A JPH04212236A JP H04212236 A JPH04212236 A JP H04212236A JP 3014398 A JP3014398 A JP 3014398A JP 1439891 A JP1439891 A JP 1439891A JP H04212236 A JPH04212236 A JP H04212236A
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electrode
insulating layer
etching
cathode electrode
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界効果にて電子を放出
する電界電子放出装置の構造およびその製造方法に関す
る。さらに詳しくは平面基板の表面に概ね平行な放出突
起ををもつカソード電極を具備するラテラル型の電界電
子放出装置の構造およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のラテラル型の電界電子放出装置と
して、伊藤順司が応用物理、第59巻、第2号、pp.
164〜169(1990)に報告したものがある。図
13は従来の電界電子放出装置の概略平面図を示したも
のである。
【0003】これは平面型三極管素子と呼ばれ、石英基
板101の表面に楔型のエミッター電極102と、柱を
有するゲート電極103と、アノード電極104を順に
横に並べて形成した構造である。これら三つの電極は厚
さ1μmのタングステン薄膜をフォトエッチング技術に
よってエッチング加工し形成したものである。エミッタ
ー電極102は10μmピッチで170個並べてあり、
エミッター電極102とゲート電極103との距離は1
5μm、ゲート電極103とアノード電極104との距
離は10μmである。
【0004】この平面型三極管素子の電気特性を5×1
0ー6Paの真空度で測定したところ、放出電流はフォ
ウラー・ノルデハイム(F・N)トンネル電流であり、
ゲート電圧が220V、アノード電圧が318Vのとき
、約1.2μAのアノード電流が得られた。これはエミ
ッター電極1個につき7nAのアノード電流となる。相
互コンダクタンスは約0.1μSであった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の平
面型三極管素子は以下に述べるようないくつかの問題点
があった。すなわち、エミッター電極102、ゲート電
極103およびアノード電極104は同層の金属薄膜よ
り形成されているため、エミッター電極102の先端よ
り放出された電子はアノード電極104に向かって進行
するとき、これらの電極と同一平面にあるゲート電極1
03に衝突する。ゲート電極103には正電位が印加さ
れているため、これに衝突した電子の一部はゲート電極
103に流入する。この結果、アノード電極104に流
入する電子の収率(アノード電流/全放出電流)が低下
し、電力効率や相互コンダクタンスが低いといった電気
特性の低下を招いていた。従来技術では収率が60%程
度である。
【0006】また、エミッター電極102とゲート電極
103は同一のフォトエッチング工程で形成される。こ
れらの電極間距離はレジスト露光時の解像度で決定され
、実用化レベルでは0.8μmが限界である。しかも微
細になるほどばらつきが大きい。電界効果による電子放
出においては、電子放出の閾値電圧やその均一性はエミ
ッター電極102とゲート電極103の距離に大きく依
存するため、従来の平面型三極管素子は閾値電圧の低減
化が難しく、低減できても均一性が悪くなるという問題
があった。
【0007】さらに、エミッター電極102の突起先端
の曲率半径も閾値電圧に大きく影響を及ぼす。曲率半径
が小さいほど閾値電圧は小さくなるが、従来の製造方法
ではその曲率半径はフォトレジストのだれによって20
00Åが限界であった。実用的な閾値電圧を得るために
は、曲率半径は少なくも1000Å以下であることが望
ましいが、従来の技術ではその達成が困難であった。
【0008】そこで本発明は、このような従来技術の問
題点を克服するためのもので、その目的とするところは
、エミッター電極とゲート電極の距離を均一性よく短か
くし、しかも突起先端の曲率半径を小さくして閾値電圧
を低減化した電界電子放出装置とその製造方法を提供す
るところにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の電界電子放出装
置は、絶縁性の平面基板と、前記平面基板の表面に設け
られたカソード電極であって前記平面基板の表面に平行
な突出方向を有する放出突起を具備するカソード電極と
、前記平面基板の表面に設けられたゲート電極であって
前記放出突起の電子放出量を制御するためのゲート電極
とを少なくも具備する電界電子放出装置において、少な
くも前記放出突起は絶縁層を挟んで前記平面基板の表面
に設けられ、前記放出突起の少なくも先端は前記ゲート
電極の概ね垂直直上に位置することを特徴とし、また、
ゲート電極およびカソード電極は絶縁層もしくは空間を
挟んで相互に重なる部分を有することを特徴とし、また
、ゲート電極は放出突起の形状と同等の形状を有する欠
落部分を具備することを特徴とし、また、ゲート電極は
少なくもその一部分に放出突起の突出方向に対し傾きを
もった斜面を有することを特徴とし、また、カソード電
極もしくはゲート電極に同じ電極層より構成されるアノ
ード電極を少なくも具備することを特徴とする。
【0010】本発明の電界電子放出装置の製造方法は、
平面基板の表面にゲート電極を形成する工程と、前記平
面基板の表面および前記ゲート電極の表面に絶縁層を形
成する工程と、前記絶縁層の表面にカソード電極層を形
成する工程と、前記カソード電極層を過剰エッチング法
で加工しカソード電極を形成する工程と、前記カソード
電極をエッチングマスクとして前記絶縁層を部分エッチ
ングし放出突起の少なくも先端と前記ゲート電極を露出
させる工程と、を含むことを特徴とし、また、平面基板
の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面に
カソード電極層を形成する工程と、前記カソード電極層
を過剰エッチング法で加工しカソード電極を形成する工
程と、前記カソード電極をエッチングマスクとして前記
絶縁層を部分エッチングし放出突起の少なくも先端を露
出させる工程と、前記平面基板の表面および前記カソー
ド電極の表面に方向性粒子堆積法でゲート電極層を形成
する工程と、前記ゲート電極層をエッチング加工しゲー
ト電極を形成する工程と、を含むことを特徴とし、また
、平面基板の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁
層を過剰エッチング法で部分エッチングし逆テーパ形状
の断面を有する絶縁層を形成する工程と、前記平面基板
をエッチング加工しその表面に前記絶縁層の概ね端部よ
りはじまる斜面を形成する工程と、前記平面基板の表面
および前記絶縁層の表面に方向性粒子堆積法で電極層を
形成する工程と、前記電極層をエッチング加工しゲート
電極およびカソード電極を形成する工程と、前記カソー
ド電極をエッチングマスクとして前記絶縁層の側面を部
分エッチングし放出突起の少なくも先端を露出させる工
程と、を含むことを特徴とする。
【0011】
【実施例】
(実施例1) 本実施例では、絶縁層を挟んでゲート電極とカソード電
極が部分的に積層された構造を有する電界電子放出装置
とその製造方法について述べる。
【0012】図1は本実施例の電界電子放出装置の部分
概略図である。図1(A)は電界電子放出装置の平面図
、図1(B)は図1(A)のL1−L2線に沿った断面
図である。電界電子放出装置は石英基板よりなる平面基
板1の表面に厚さ2000Åのモリブデン薄膜よりなる
ゲート電極4およびアノード電極5を設け、また、ゲー
ト電極4の表面の一部および平面基板1の表面の一部を
共有して厚さ5000Åの二酸化シリコン(SiO2 
)薄膜よりなる島状絶縁層6を設け、さらに、島状絶縁
層6およびそれからオーバーバングした状態で厚さ20
00Åのモリブデン薄膜よりなるカソード電極2を設け
た構造である。
【0013】カソード電極2は20μmピッチで配置さ
れた三つの放出突起3を有する。放出突起3は平面基板
1に平行にゲート電極4の方向に突出した構造であり、
その先端の断面は順テーパ形状である。放出突起3の先
端の曲率半径は800Åである。ゲート電極4と放出突
起3は空間7あるいは島状絶縁層6を挟んで互いに平行
に重なり、その距離(Lgk)は島状絶縁層6の膜厚に
等しい5000Åである。また、ゲート電極4とアノー
ド電極5の距離(Lag)は5μm、放出突起3とアノ
ード電極5の距離(Lak)は12μmである。
【0014】この電界電子放出装置は放出突起3がゲー
ト電極4よりも高い位置にあり、放出突起3より放出さ
れた電子はゲート電極4に衝突することなくアノード電
極5に到達する。
【0015】図2は本実施例の電界電子放出装置の製造
方法を説明するためのもので、主要な製造工程が終了し
た後の概略断面図である。図2(A)はゲート電極4お
よびアノード電極5の形成後の断面図である。使用した
平面基板1は厚さ1.1mm、直径3インチの透明な石
英基板である。平面基板1の表面にスパッタ法によって
膜厚2000Åのモリブデン薄膜を堆積した後、フォト
レジストをマスクとしてCF4 /O2 プラズマによ
るドライエッチング法を利用してモリブデン薄膜をテー
パ形状に加工し、ゲート電極4およびアノード電極5を
形成した。図2(B)は絶縁層8とカソード電極層9を
積層した後の断面図である。絶縁層8およびカソード電
極層9はスパッタ法で連続的に堆積した膜厚が5000
Åの二酸化シリコン薄膜および2000Åのモリブデン
薄膜である。二酸化シリコン薄膜は直流絶縁耐圧が6M
V/cm以上である。膜厚のばらつきは平面基板面内で
2%以内であり均一性がよい。
【0016】図2(C)はカソード電極層9のエッチン
グに用いるフォトレジスト10を形成した後の断面図で
ある。フォトレジスト10の膜厚は約1μmである。図
2(D)はカソード電極2を形成した後の断面図である
。CF4/O2プラズマによるドライエッチング法でカ
ソード電極層9をテーパ加工した。エッチング条件はガ
ス流量比CF4/O2=60/200、RFパワー70
0Wである。エッチング時間は20分である。このエッ
チング条件のとき、モリブデン薄膜のエッチング速度は
500Å/分であり、膜厚2000Åのものを除去する
のであれば約4分間のエッチングで充分である。しかし
、約5倍の20分間という過剰エッチングを行ない、横
方向のエッチングを行うことで鋭角な放出突起を有する
カソード電極が形成される。このときフォトレジスト1
0は厚み方向、横方向ともに8000Åエッチング除去
され、モリブデン薄膜も横方向に約8000Åエッチン
グ除去された。このとき、フォトレジスト10の下には
順テーパ形状の断面をもつカソード電極2が残った。図
2(E)は絶縁層8を部分的にエッチング除去し、つづ
いてフォトレジスト10を除去して完成した装置の断面
図である。絶縁層8はフッ酸(HF)系のエッチング液
で除去し、フォトレジスト10は専用剥離液で除去した
【0017】図3は本実施例のカソード電極2の製造工
程を詳しく説明するためのもので、図3(A)乃至(C
)は図2(C)乃至(E)に対応する概略平面図をそれ
ぞれ示したものである。図3(A)はフォトレジスト1
0を形成した後の平面図である。放出突起3の形成に使
用されるフォトレジスト突起11は先端の曲率半径が約
2000Åである。図3(B)はカソード電極2を形成
した後の平面図である。過剰エッチング法によってフォ
トレジスト10の周辺部が約8000Åほどエッチング
除去され、フォトレジスト突起11の位置が約1μm後
退した。カソード電極層9もフォトレジスト10とほぼ
同じ形状を残してエッチング除去された。
【0018】図3(C)は完成した装置の平面図である
。放出突起3の先端を走査型電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、先端の角度は約70度、その曲率半径は約800Å
であった。また、その断面は順テーパ形状であり先端の
角度は約45度、その曲率半径は約300Åであった。 この結果、過剰エッチング法によって、だれた先端形状
を有するフォトレジストパターンより鋭い先端形状を有
する放出突起3が製造されることが確認された。
【0019】図4はモリブデン薄膜の横方向エッチング
量に対する放出突起の曲率半径の変化を示したグラフで
ある。エッチング条件は前述のものに同じで、エッチン
グ時間を変えてエッチング量を制御した。このグラフか
ら1.5μm以上の過剰エッチングを行なうことにより
先端の曲率半径を500Å以下にすることができる。図
5は本実施例の電界電子放出装置を利用した平面三極電
子装置の概略図である。図5(A)は本装置の平面図、
図5(B)は図5(A)のL3−L4線に沿った断面図
である。この平面三極電子装置は電界電子放出装置を具
備した平面基板1と、それに概ね平行に置かれた対向基
板16と、これらの基板を貼合わせ空間を保持する挟持
体18と、これらの中間に形成された真空層19がおも
な構成要素である。平面基板1の表面には島状絶縁層6
の表面に形成されカソード端子12を有するカソード電
極2と、ゲート端子14を有するゲート電極4と、アノ
ード端子15を有するアノード電極5が順次横方向に配
置されている。また、真空度を維持するためのバリウム
・アルミニウム(BaAl4 )材料よりなるゲッタ塊
13がある。対向基板16は厚さ1mmの石英基板より
なり、帯電防止用の導電性薄膜17が真空層19に面し
て形成されている。また真空層19を真空引きするのに
用いた直径700μmの穴があるが、それは金・錫(A
u・Sn)合金よりなる封止体20で閉じられている。 挟持体18は直径50μmの球状ガラススペーサを混合
したフリットガラスを焼結したもので、それぞれの基板
の周辺部に気密性よく形成したものである。挟持体18
の幅は約500μmである。真空層19は厚さ約50μ
mで、その真空度は1×10ー7Torr以下に保持さ
れている。この平面三極電子装置の製造方法について説
明する。まず、完成した平面基板1にゲッタ塊13を装
着する。また、導電性薄膜17と穴をもつ対向基板8の
周辺部に球状ガラススペーサを混合したフリットガラス
をスクリーン印刷法で形成する。次に、これらの基板同
志を位置合わせして貼合わせ、両基板間に荷重を印加し
ながら450℃に加熱してフリットガラスを焼結させる
。必要であれば貼合わせの前にフリットガラスの仮焼成
を行なっておく。次に、穴の付近にクロム(Cr)薄膜
およびAu薄膜を連続的に形成し、その後、Au・Sn
合金塊を穴の付近に置く。次に、これを真空チャンバに
挿入して穴を通して真空層19を十分に真空引きする。 この状態でAn・Sn合金塊にレーザを照射し、これを
溶かして封止体20として穴を閉ざす。最後に、真空チ
ャンバより取り出し、裏面よりゲッタ塊13にレーザを
照射してこれを蒸発させゲッタ作用を蘇生する。ここで
用いるレーザとしてエキシマレーザ、YAGレーザ、C
O2 レーザなどが便利である。
【0020】製造された平面三極電子装置は大きさが横
4mm、縦3.6mm、厚さ2.1mmで、3インチ基
板より約200個が同時に製造された。本装置の電気特
性を測定した。カソード電極2を接地し、アノード電極
5にVak=200Vを印加して、ゲート電極4にゲー
ト電圧Vgkを印加して、カソード電流Ik 、ゲート
電流Ig 、アノード電流Ia を測定した。その結果
Vgk=60VでIk=3×10ー11A(1×10ー
11 A/個)、100Vで6×10ー8A(2×10
ー8A/個)の放出電流が得られた。この放出電流はF
・Nトンネル電流であった。アノード電流の収率(Ia
/Ik)はVgk=60Vのとき約90%、100Vの
とき約75%であった。従来技術と比較すると、電子放
出に必要なゲート電圧(閾値電圧)は1/2以下に低減
され、収率は20%以上改善した。また、3インチ基板
の全体で閾値電圧の分布を測定したところ、そのばらつ
きは±6%以内で均一性のよいことがわかった。
【0021】本実施例では電極材料にモリブデン薄膜を
利用したが、本発明はこれに限るものでなく、この他に
タンタル、タングステン、シリコン、クロム、アルミニ
ウムなどの金属やこれらを成分に含む合金などが利用で
きる。また、平面基板としてシリコン基板などの導電性
基板に絶縁体を全面に設けた絶縁性基板を利用できる。 さらに、絶縁層は二酸化シリコン薄膜に限るものでなく
、窒化シリコンやアルミナなどを利用できる。
【0022】電子放出の閾値電圧を低減するために、放
出突起にバリウム、トリウム、セシウムなどの仕事関数
の小さな材料をコーティングしてもよい。
【0023】電子放出の雑音を低減するため、放出突起
を充分に多く設け、これらを同時に駆動して一斉に電子
放出を行うことでS/N比を大きくできる。
【0024】また、図5に示した平面三極電子装置のア
ノード電極5の表面に蛍光体を形成して発光型ディスプ
レイを構成することや、銅薄膜などX線を発生する材料
を形成して、電子線でこれを励起することにより微細X
線源を構成することができる。
【0025】 (実施例2) 本実施例ではゲート電極がカソード電極に自己整合的に
形成された電界電子放出装置とその製造方法について述
べる。
【0026】図6は本実施例の電界電子放出装置の部分
斜視図を示す。この電界電子放出装置は石英基板よりな
る平面基板21の表面に厚さ1000ÅのAl薄膜より
なるゲート電極24を設け、また、その両側に厚さ50
00Åの二酸化シリコン薄膜よりなる2つの独立した島
状絶縁層26を設け、さらに、島状絶縁層26の表面と
それからオーバーハングした状態で厚さ2000Åのモ
リブデン薄膜よりなるカソード電極22とアノード電極
25をそれぞれ設けた構造である。
【0027】カソード電極22はピッチ10μmで配置
された三つの放出突起23を有する。放出突起23はそ
の先端近傍に島状絶縁層26がなく、平面基板21に平
行にゲート電極24の方向に突出した構造である。放出
突起23の先端の曲率半径は約500Åである。ゲート
電極24は放出突起23の垂直下部において放出突起2
3と概ね同じ形状の欠落部分27をもつ。欠落部分27
は放出突起23に自己整合して形成されており、実施例
1の電界電子放出装置に存在したゲート電極4と放出突
起3が平行に重なる部分は存在しない。なお、ゲート電
極24と放出突起23の距離(Lgk)は島状絶縁層2
6の膜厚とゲート電極24の膜厚できまり、その値は島
状絶縁層26の膜厚からゲート電極24の膜厚を引いた
4000Åである。
【0028】アノード電極25とカソード電極22はゲ
ート電極24より約4000Å高い位置にある。従って
、放出突起23より放出された電子の軌跡とゲート電極
24の距離も4000Åである。ゲート電極24とアノ
ード電極25の距離(Lag)は約3μm、カソード電
極22とアノード電極25の距離(Lak)は8μmで
ある。したがって、放出突起23の先端より放出された
電子はゲート電極24をその上空で約5μmだけ横切り
、ゲート電極24に衝突することなくアノード電極25
に到達する。
【0029】図7は本実施例の電界電子放出装置の製造
方法を説明するためのもので、主要な製造工程が終了し
た後の概略断面図である。図7(A)は絶縁層28およ
びカソード電極層29を形成した後の断面図である。平
面基板21は絶縁性の石英基板である。この表面に絶縁
層28として厚さ5000Åの二酸化シリコン薄膜を、
カソード電極層29として厚さ2000Åのモリブデン
薄膜をスパッタ法で連続して堆積した。図7(B)はカ
ソード電極22およびアノード電極25を形成した後の
断面図である。ここで用いたカソード電極層29のエッ
チング加工方法は実施例1で述べたドライエッチングを
用いた過剰エッチング法によるカソード電極層9の加工
方法と同様である。図7(C)は絶縁層28を部分的に
エッチング除去し、放出突起23を露出させた断面図で
ある。カソード電極22およびアノード電極25をエッ
チングマスクとして、実施例1と同様のウェットエッチ
ング法で不要な部分の絶縁層28を除去し、放出突起2
3をオーバーハング状に突出するように露出させた。こ
のとき平面基板21は石英であってほとんどエッチング
されない。
【0030】図7(D)は方向性粒子堆積法でゲート電
極層30を形成した後の断面図である。方向性粒子堆積
法として蒸着法を利用し、厚さ1000ÅのAl薄膜を
堆積しゲート電極層30を形成した。方向性粒子堆積法
は線源より平面基板21の表面に概ね垂直に粒子を飛ば
し堆積させる方法である。この方法を用いると、放出突
起23のような突出した部分が陰となり、カソード電極
22もしくはアノード電極25の表面に堆積した薄膜と
平面基板21の表面に堆積した薄膜は分断させる。しか
も放出突起23と同じ形状の欠落部分27が放出突起2
3の垂直直下に自己整合的に形成されるのである。方向
性粒子堆積法として蒸着法、スパッタ法、ECR(El
ectron Cyclotron Resonanc
e) 堆積法などが適用できる。 図7(E)はゲート電極層30をエッチング加工し、ゲ
ート電極24を形成した後の断面図である。通常のフォ
トエッチング技術を利用しモリブデン薄膜が侵されない
HF系のエッチング液でAl薄膜をエッチング加工した
。このとき、欠落部分27が侵食されないようにフォト
レジストで覆うことが重要である。
【0031】高真空中で本実施例の電界電子放出装置の
電気特性を測定した。カソード電極22を接地しVak
=200V一定としたとき、Vgk=60VでIk=5
×10ー11A、100Vで1.4×10ー7Aが得ら
れた。また、アノード電流の収率はVgk=60Vのと
き92%、100Vのとき80%であった。実施例1に
比べLgkが小さくなった効果と、アノード電極4が高
い位置に設置された効果が現われた。 (実施例3) 本実施例ではゲート電極が放出突起の突出方向に対し傾
きをもった斜面を有する電界電子放出装置とその製造方
法について述べる。
【0032】図8は本実施例の電界電子放出装置の部分
概略図である。図8(A)は本装置の平面図、図8(B
)は図8(A)に示したL5−L6線に沿った断面図で
ある。平面基板31は厚さ1.1mmの7059ガラス
基板(コーニング社製)である。この平面基板31の表
面の平坦部には島状絶縁層36を挟んでカソード電極3
2とアノード電極35が設けられている。また、カソー
ド電極32の近傍で平面基板31に形成された斜面37
と平面を共有してゲート電極34が設けられている。カ
ソード電極32は10μmピッチで配置された三つの放
出突起37を有する。放出突起33の先端はその下部の
島状絶縁層36が除かれ、平面基板31の平坦部に平行
に、ゲート電極34の方向へ突出した構造である。放出
突起33の先端の曲率半径は約500Åである。
【0033】ゲート電極34は実施例2の電界電子放出
装置と同様の欠落部分を有する。島状絶縁層36は厚さ
3000Åの二酸化シリコン薄膜よりなり、カソード電
極32、ゲート電極34およびアノード電極35は厚さ
2000Åのモリブデン薄膜よりなる。放出突起33の
付近において、ゲート電極34の一部は放出突起33の
突出方向に対して約25度の下向きの傾きをもつ。これ
は平面基板31の平坦部に対し斜面37が約25度の下
向きの傾きをもって形成されているためである。島状絶
縁層36の断面は放出突起33の下部で約23度、その
他の部分で約45度の逆テーパ形状である。
【0034】放出突起33とゲート電極34との距離(
Lgk)は約4000Å、ゲート電極34とアノード電
極35の距離(Lag)は約3μm、放出突起33とア
ノード電極35との距離(Lak)は8μmである。放
出突起33より放出された電子はゲート電極34を約5
μm横切るが、電子の軌跡とゲート電極34との距離は
最大で2.3μmである。
【0035】図9は本実施例の電界電子放出装置の製造
方法を説明するためのもので、主要な製造工程が終了し
た後の概略断面図である。図9(A)は絶縁層38を形
成した後の断面図である。絶縁層38は常圧CVD(C
hemicalVapour Deposition)
法で堆積した膜厚3000Åの二酸化シリコン薄膜であ
る。堆積温度は300℃で、モノシランガスと酸素ガス
を原料ガスとし、大気圧下で堆積を行なった。
【0036】図9(B)は絶縁層38および平面基板3
1を過剰エッチング法で部分エッチングし、絶縁層38
を逆テーパ形状にし、平面基板31に斜面37を形成し
た後の断面図である。図10は過剰エッチング法によっ
て絶縁層38と平面基板31をエッチングする製造工程
を示す概略平面図である。図10(A)は絶縁層38の
表面のカソード電極およびアノード電極の位置にフォト
レジスト41を形成した後の平面図である。フォトレジ
スト41の膜厚は約1μmである。カソード電極の位置
にあるフォトレジスト突起42の先端は曲率半径が約2
000Åである。フォトレジスト41は界面強化剤を用
いて絶縁層38との密着性を高めてある。この状態で絶
縁層38を過剰エッチングし、あわせて平面基板31の
表面も同時にエッチングした。ここで過剰エッチングと
は、絶縁層38の膜厚の数倍以上の距離にわたって絶縁
層38を横方向へエッチングすることである。エッチン
グ液はフッ酸と酢酸の混合液(HF+CH3COOH+
H2O)で、二酸化シリコン薄膜および7059ガラス
基板のエッチング速度はそれぞれ1.38μm/分およ
び0.8μm/分である。エッチング時間は3分間であ
る。図10(B)は過剰エッチング後の平面図である。 カソード電極の位置にある絶縁層突起39の先端はフォ
トレジスト突起42の先端の位置より約4μm後退し、
その曲率半径は約400Åとフォトレジスト突起42の
ものに比べかなり小さくなった。
【0037】図10(C)はフォトレジスト41を剥離
した後の平面図で、図9(B)の断面図と対応する。図
9(B)からもわかるように、島状絶縁層36はその表
面よりも平面基板31との界面のほうが多くエッチング
され、その断面は逆テーパ形状である。特に絶縁層突起
39はその他の部分に比べテーパ角度が急峻である。逆
テーパ形状になる理由は、絶縁層38とフォトレジスト
41との界面よりも平面基板31との界面のほうが密着
性がわるいため、平面基板31との界面で絶縁層38の
エッチング速度が速くなるからである。平面基板31は
最大エッチング量が2.2μmで、絶縁層突起39の下
部に形成された斜面37の傾きは約25度である。
【0038】図9(C)は方向性粒子堆積法で電極層4
0を形成した後の断面図である。電極層40は膜厚20
00Åのモリブデン薄膜よりなる。この製造工程は実施
例2で述べた工程と同様である。本工程の特徴は島状絶
縁層36の表面に堆積した電極層40が島状絶縁層36
の平面形状をそのまま反映する点である。そのため、絶
縁層突起39の先端の小さな曲率半径を反映して、曲率
半径が約500Åという非常に良好な突起を有する電極
層14が絶縁性突起39の表面に形成された。図9(D
)はフォトエッチング法によって電極層40を部分的に
エッチングし、カソード電極32、ゲート電極34およ
びアノード電極35を形成した後の断面図である。 モリブデン薄膜のエッチングは前述のドライエッチング
法を利用した。図9(E)は島状絶縁層36を追加エッ
チングし、放出突起33を露出させた後の断面図である
。このとき、露出している平面基板31も少しエッチン
グされる。
【0039】実施例2と同様に本装置の電気特性を測定
したところ、Vgk=60VでIk =4.8×10ー
11 A、100Vで1.2×10ー7Aであった。ま
た、アノード電流の収率はVgk=60Vのとき95%
、100Vのとき85%であった。この値は実施例2の
電界電子放出装置に比べ閾値電圧は同等であり、アノー
ド電流の収率が向上している。このように電気特性が改
善された理由は、傾きを有するゲート電極34の導入に
よって、Lgkをそのままにして閾値電圧を変えないま
ま、カソード電極32からアノード電極35へ向かう電
子の軌跡とゲート電極34との距離を大きくし、ゲート
電極34への電子の流れ込みを防止したためである。
【0040】 (実施例4) 図11は電界電子放出装置を利用したデュアル型平面三
極電子装置の概略図である。図11(A)は本装置の平
面図、図11(B)は図11(A)に示したL7−L8
線に沿った断面図である。
【0041】カソード電極44およびゲート電極46の
構造は実施例2で記述したものと同様である。ただし、
カソード電極44は向きの異なった2組の放出突起群4
5をもち、それぞれの放出突起群45に独立したゲート
電極46をそれぞれ設けてある。また、アノード電極4
7は対向基板49に独立して2つ設けてあり、それぞれ
平面基板43に設けた2組の放出突起群45およびゲー
ト電極46と対をなし、電界電子放出装置を構成する。 このように、カソード電極44を共通とした2組の電界
電子放出装置を真空層50の内部に配置してデュアル型
の平面三極電子装置が構成されている。
【0042】平面基板43と対向基板49の挟持体51
を用いた貼合わせ方法、封止体53を用いた封止方法、
あるいはゲッタ塊52による真空の維持方法は実施例1
で述べた方法と同様である。
【0043】 (実施例5) 図12は電界電子放出装置を利用した平面四極電子装置
の概略図である。図12(A)は本装置の平面図、図1
2(B)は図12(A)に示したL9−L10線に沿っ
た断面図である。本装置はカソード電極55とゲート電
極57の構造は実施例2で記述したものと同様とし、シ
ールド電極59をゲート電極57とアノード電極58の
中間に配置したものである。シールド電極59は放出突
起56に印加されてしまうアノード電極58の電界を遮
蔽する作用がある。実施例1で記述したような平面型三
極電子装置においては、放出突起3からの放出電流はゲ
ート電極4だけでなくアノード電極5の電界にも影響さ
れ変化するため、アノード抵抗が小さいものであった。 増幅器あるいはスイッチング装置に使用する場合、大き
なアノード抵抗が必要である。本実施例のようにシール
ド電極59を設け、これを接地するなど一定電位に保持
してアノード電極58の電界を遮蔽すると、アノード抵
抗の非常に大きな電子装置が実現する。なお、アノード
抵抗はシールド電極59の幅に依存するため、アノード
電流との収率とのトレードオフでその幅は決定される。
【0044】本実施例の平面四極電子装置はシールド電
極59の幅が50μm、アノード電極58の幅が100
μmである。シールド電極59を接地しVak=200
Vとしたとき、Vgk=100VでIk =1.4×1
0ー7Aであり、アノード抵抗はRa=15MΩ、アノ
ード電流の収率は70%であった。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように本発明の電界電子放
出装置およびその製造方法は下記に列記するような格別
なる効果を奏する。
【0046】 (1)カソード電極とゲート電極の距離(Lgk)は絶
縁層もしくはゲート電極層の膜厚によって決定される。 この制御性はLSI技術の発展によって優れたものにな
っており、その結果、均一性がよく閾値電圧の低い電界
電子放出装置が実現された。特に、従来の技術ではLg
kは0.8μmが限界であったが、本発明により0.1
μm以下も可能である。
【0047】 (2)過剰エッチング法の採用により、カソード電極の
放出突起先端の曲率半径を小さくし、低閾値化が達成で
きた。従来技術では曲率半径が2000Åで限界であっ
たが、本発明により500Å以下が可能となった。
【0048】 (3)カソード電極からアノード電極へ進行する電子の
流路にゲート電極を置かないことにより、ゲート電極へ
流入する電子を減らしアノード電流の収率を高めた。
【0049】 (4)過剰エッチング法は、放出突起のような凸部は曲
率半径のより小さな鋭い凸部となり、凹部はよりなめら
かな凹部になるため、とくにカソード電極の電子を放出
したい部分に凸部と凹部をうまく使い、不慮の電子放出
を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1を説明するためのもので、絶縁層を挟
んでゲート電極とカソード電極が部分的に積層された構
造を有する電界電子放出装置の部分概略図である。 (A)は電界電子放出装置の平面図、(B)は(A)の
L1−L2線に沿った断面図である。
【図2】実施例1の電界電子放出装置の製造方法を説明
するためのもので、主要な製造工程が終了した後の概略
断面図である。
【図3】実施例1のカソード電極の製造工程を詳しく説
明するためのもので、(A)乃至(C)は図2(C)乃
至(E)に対応する概略平面図をそれぞれ示したもので
ある。
【図4】モリブデン薄膜の横方向エッチング量に対する
放出突起の曲率半径の変化を示したグラフである。
【図5】実施例1の電界電子放出装置を利用した平面三
極電子装置の概略図である。(A)は本装置の平面図、
(B)は(A)のL3−L4線に沿った断面図である。
【図6】実施例2を説明するためのもので、ゲート電極
がカソード電極に自己整合的に形成された電界電子放出
装置の部分斜視図である。
【図7】実施例2の電界電子放出装置の製造方法を説明
するためのもので、主要な製造工程が終了した後の概略
断面図である。
【図8】実施例3を説明するためのもので、ゲート電極
が放出突起の突出方向に対し傾きもった斜面を有する電
界電子放出装置の部分概略図である。(A)は本装置の
平面図、(B)は(A)に示したL5−L6線に沿った
断面図である。
【図9】実施例3の電界電子放出装置の製造方法を説明
するためのもので、主要な製造工程が終了した後の概略
断面図である。
【図10】過剰エッチング法によって絶縁層と平面基板
をエッチングする製造工程を示す概略平面図である。
【図11】実施例4を説明するためのもので、電界電子
放出装置を利用したデュアル型平面三極電子装置の概略
図である。(A)は本装置の平面図、(B)は(A)に
示したL7−L8線に沿った断面図である。
【図12】電界電子放出装置を利用した平面四極電子装
置の概略図である。(A)は本装置の平面図、(B)は
(A)に示したL9−L10線に沿った断面図である。
【図13】従来の電界電子放出装置の概略平面図を示し
たものである。
【符号の説明】
1  平面基板 2  カソード電極 3  放出突起 4  ゲート電極 5  アノード電極 6  島状絶縁層 7  空間 8  絶縁層 9  カソード電極層 10  フォトレジスト 11  フォトレジスト突起 12  カソード端子 13  ゲッタ塊 14  ゲート端子 15  アノード端子 16  対向基板 17  導電性薄膜 18  挟持体 19  真空層 20  封止体 21  平面基板 22  カソード電極 23  放出突起 24  ゲート電極 25  アノード電極 26  島状絶縁層 27  欠落部分 28  絶縁層 29  カソード電極層 30  ゲート電極層 31  平面基板 32  カソード電極 33  放出突起 34  ゲート電極 35  アノード電極 36  島状絶縁層 37  斜面 38  絶縁層 39  絶縁層突起 40  電極層 41  フォトレジスト 42  フォトレジスト突起 43  平面基板 44  カソード電極 45  放出突起群 46  ゲート電極 47  アノード電極 48  島状絶縁層 49  対向基板 50  真空層 51  挟持体 52  ゲッタ塊 53  封止体 54  平面基板 55  カソード電極 56  放出突起 57  ゲート電極 58  アノード電極 59  シールド電極 60  島状絶縁層 101  石英基板 102  エミッター電極 103  ゲート電極 104  アノード電極

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  絶縁性の平面基板と、前記平面基板の
    表面に設けられたカソード電極であって前記平面基板の
    表面に平行な突出方向を有する放出突起を具備するカソ
    ード電極と、前記平面基板の表面に設けられたゲート電
    極であって前記放出突起の電子放出量を制御するための
    ゲート電極とを少なくも具備する電界電子放出装置にお
    いて、少なくも前記放出突起は絶縁層を挟んで前記平面
    基板の表面に設けられ、前記放出突起の少なくも先端は
    前記ゲート電極の概ね垂直直上に位置することを特徴と
    する電界電子放出装置。
  2. 【請求項2】  請求項1に記載の電界電子放出装置に
    おいて、ゲート電極および放出突起は絶縁層もしくは空
    間を挟んで相互に重なる部分を有することを特徴とする
    電界電子放出装置。
  3. 【請求項3】  請求項1に記載の電界電子放出装置に
    おいて、ゲート電極は放出突起の形状と同等の形状を有
    する欠落部分を具備することを特徴とする電界電子放出
    装置。
  4. 【請求項4】  請求項1に記載の電界電子放出装置に
    おいて、ゲート電極は少なくもその一部分に放出突起の
    突出方向に対し傾きをもった斜面を有することを特徴と
    する電界電子放出装置。
  5. 【請求項5】  請求項1乃至4に記載の電界電子放出
    装置として、放出突起もしくはゲート電極に同じ電極層
    より構成されるアノード電極を少なくも具備することを
    特徴とする電界電子放出装置。
  6. 【請求項6】  請求項2に記載の電界電子放出装置の
    製造方法において、平面基板の表面にゲート電極を形成
    する工程と、前記平面基板の表面および前記ゲート電極
    の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面に
    カソード電極層を形成する工程と、前記カソード電極層
    を過剰エッチング法で加工しカソード電極を形成する工
    程と、前記カソード電極をエッチングマスクとして前記
    絶縁層を部分エッチングし放出突起の少なくも先端と前
    記ゲート電極を露出させる工程と、を含むことを特徴と
    する電界電子放出装置の製造方法。
  7. 【請求項7】  請求項3に記載の電界電子放出装置の
    製造方法として、平面基板の表面に絶縁層を形成する工
    程と、前記絶縁層の表面にカソード電極層を形成する工
    程と、前記カソード電極層を過剰エッチング法で加工し
    カソード電極を形成する工程と、前記カソード電極をエ
    ッチングマスクとして前記絶縁層を部分エッチングし放
    出突起の少なくも先端を露出させる工程と、前記平面基
    板の表面および前記カソード電極の表面に方向性粒子堆
    積法でゲート電極層を形成する工程と、前記ゲート電極
    層をエッチング加工しゲート電極を形成する工程と、を
    含むことを特徴とする電界電子放出装置の製造方法。
  8. 【請求項8】  請求項4に記載の電界電子放出装置の
    製造方法として、平面基板の表面に絶縁層を形成する工
    程と、前記絶縁層を過剰エッチング法で部分エッチング
    し逆テーパ形状の断面を有する絶縁層を形成する工程と
    、前記平面基板をエッチング加工しその表面に前記絶縁
    層の概ね端部よりはじまる斜面を形成する工程と、前記
    平面基板の表面および前記絶縁層の表面に方向性粒子堆
    積法で電極層を形成する工程と、前記電極層をエッチン
    グ加工しゲート電極およびカソード電極を形成する工程
    と、前記カソード電極をエッチングマスクとして前記絶
    縁層の側面を部分エッチングし放出突起の少なくも先端
    を露出させる工程と、を含むことを特徴とする電界電子
    放出装置の製造方法。
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