JPH04284325A - 電界放出型陰極装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型陰極装置に
係わる。

【０００２】

【従来の技術】カソードの大きさが数μｍ以下程度とさ
れた微小サイズの電界放出型陰極として、スピント（Ｓ
ｐｉｎｄｔ）型の電界放出型陰極装置が知られている。 このスピント型の電界放出型陰極装置を図６を参照して
説明する。

【０００３】図６において、１は導電性の例えばＳｉ等
より成る第１の電極となる基体で、この基体１上に錐体
状のＷ，Ｍｏ等の高融点かつ低仕事関数の金属から成り
、尖鋭な先端形状を有する例えば円錐状のカソード９が
形成され、その周囲にＳｉＯ２　等より成る絶縁層２が
形成され、この絶縁層２の上には、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ等の
高融点金属から成るゲート電極となる第２の電極３がカ
ソード９に対する対向電極として配置された構造を採る
。

【０００４】このような電界放出型陰極装置を得る方法
としては、例えば図７Ａに示すように、先ずＳｉ等より
成る基体１を用意し、これの上に所要の厚さの例えば１
〜１．５μｍ程度の厚さを有するＳｉＯ２　等より成る
絶縁層２をＣＶＤ（化学的気相成長）法等により全面的
に被着し、更にＭｏ，Ｗ等の高融点金属より成る金属層
３ａを厚さ数千Å程度例えば４０００Åとして蒸着、ス
パッタリング等により全面的に被着し、更にこの上にレ
ジスト４を全面的に塗布する。

【０００５】そして図７Ｂに示すように、フォトリソグ
ラフィ等の適用によって、パターン露光、現像を施して
レジスト４に例えば円形の開口５ａを、例えばその開口
幅ｗ即ちこの場合直径を１μｍ程度として穿設する。そ
して更にこの開口５ａを通じて金属層３ａに対してＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）等の異方性エッチングを
行い、開口５ａと同様の開口幅を有する開口５を穿設し
て、電極層３ａより成るゲート電極２３を形成する。そ
してこの開口５を通じて絶縁層２に対するエッチングを
行い、キャビティ６を形成する。この絶縁層２に対する
エッチングはオーバーエッチングとし、ゲート電極２３
の開口５の周辺部が、絶縁層２のキャビティ６の内壁よ
りひさし状に突出するようになす。

【０００６】次に図７Ｃにおいて矢印ａで示すように、
開口５内及びキャビティ６内に被着しない角度をもって
基体１を回転しながら斜め蒸着を行い、ゲート電極２３
上に中間層７を被着形成する。この中間層７は、この上
に被着する後述する材料層に対してエッチング選択性を
有する、Ａｌ，Ｎｉ等の例えばＡｌにより形成し、また
このときの基体１の表面に対する斜め蒸着の角度θは５
°〜２０°程度とする。この斜め蒸着によって、開口５
上において中間層７の径が実質的に狭められて被着され
る。

【０００７】そしてこの後図７Ｄに示すように、例えば
Ｍｏ等より成る材料層８を垂直蒸着等により全面的に被
着して、キャビティ６内に例えば円錐状のカソード９を
形成する。このとき、開口５周辺の中間層７の径が上述
の斜め蒸着によって狭められて被着されて成るため、こ
れに従って材料層８の開口５周辺の実質的な径が時間と
共に狭められ、この開口５を通じて基体１上に堆積され
るカソード９は、漸次その厚みの成長に伴って小径とな
る錐状例えば円錐状として形成される。

【０００８】そしてこの後、例えばＮａＯＨ等の中間層
７のみを溶融除去し得るエッチング液を用いて中間層７
を除去し、同時にこれの上の材料層８を除去するいわゆ
るリフトオフを行って、図６に示す電界放出型陰極装置
を得ることができる。

【０００９】このようにして形成した電界放出型陰極装
置は、ゲート電極２３とカソード９との間に、約１０６
　Ｖ／ｃｍ程度以上の電圧を印加することにより、カソ
ード９を熱することなく電子放出を行わせることができ
る。特に、上述したように微小サイズの電界放出型陰極
装置によれば、ゲート電圧を数十〜数百Ｖ程度の比較的
低電圧による動作が可能となる。

【００１０】しかしながら、上述したような電界放出型
陰極装置において、ゲート電極２３としてＭｏ，Ｗ，Ｃ
ｒ等の高融点金属を用いているものであるが、このよう
な材料は比較的酸化し易いため、電気伝導度が低下する
恐れがあり、結果的に安定な電子放出を得ることが難し
いという問題がある。

【００１１】また、その中間層７をウェットエッチング
によって除去する工程において、Ａｌ，Ｎｉ等より成る
中間層７が、ゲート電極２３上から完全に溶解しにくく
、残渣として残り易いという問題があった。特に、例え
ば平面型ディスプレイ等において、その電子銃としてこ
の電界放出型陰極装置を用いる場合は、数億個程度の微
小なサイズの電界放出型陰極装置を１０μｍピッチで配
置する必要があり、上述したように導電性を有する中間
層７がゲート電極２３上に残留する部分が生じると、電
子放出特性やカットオフ特性の変動を生じ、またゲート
電極２３とカソード９との短絡を招く等、不良品の増加
を招いて歩留りの低下を来す恐れがある。

【００１２】また本出願人は、先に特開昭５６−１６０
７４０号公開公報において、斜め蒸着を用いない電界放
出型陰極装置の製造方法を提案した。この方法は、上述
の電界放出型陰極装置を形成する基体として単結晶Ｓｉ
等の結晶性基体を用いるものである。先ずＳｉ基体等の
一方の主面に所要の透孔を有するマスク層を形成し、こ
の透孔を通じて結晶学的エッチングを行って錐状凹部を
形成し、この錐状凹部内に所要のＷ等より成る電極層を
蒸着、スパッタリング等により被着し、更に絶縁性の補
強材を凹部内を埋込むように被着する。そしてこの基体
の他の面即ち裏面上から通常の即ち非結晶学的エッチン
グを行い、主面上に形成した凹部内の電極層の錐体頂部
を露出させるようにしてこれをカソード先端部とし、そ
の後この裏面上に一旦露出させたカソードを埋込むよう
に絶縁層を被着し、更に導電層を被着した後、上述の図
７Ａ〜Ｂにおいて説明した例と同様の製法をもって絶縁
層及び導電層に透孔を穿設し、カソードを露出させて電
界放出型陰極装置を得ている。

【００１３】このような方法による場合は、カソードの
先端を確実に鋭角をもって錐状に形成することができ、
更に上述したような中間層７の残渣による特性の変動等
を回避することができる。しかしながら、この場合にお
いても、ゲート電極の酸化による電気伝導度の低下の問
題は依然として存在し、またこのゲート電極は上述した
ようにたかだか数千Åという膜厚の小さいものであるた
め、この酸化によって著しい電気伝導度の低下、即ち著
しい抵抗値の増大化を招く恐れがある。このため、数十
〜数百Ｖ程度のゲート電圧による動作を行いにくくなる
という問題を招来する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ゲート電極
の酸化を抑制し、安定に電子放出を行い得る電界放出型
陰極装置を得ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明電界放出型陰極装
置の一例の略線的拡大断面図を図１に示す。本発明は図
１に示すように、第１の電極が構成された基体１上に、
キャビティ６が形成された絶縁層２と、このキャビティ
６の内部の第１の電極１上に形成されたカソード９と、
絶縁層２上に形成された第２の電極３とを具備する電界
放出型陰極装置において、第２の電極３の表面に、導電
性及び耐食性にすぐれた金属保護層１３を被着する。

【００１６】

【作用】上述したように、本発明電界放出型陰極装置で
は、第２の電極３即ちゲート電極の表面に、導電性及び
耐食性にすぐれた金属保護層１３を被着するため、この
第２の電極３の酸化を抑制することができ、抵抗値の増
大化を回避して所要の低電圧印加により安定な電子放出
を行い得る電界放出型陰極装置を得ることができる。

【００１７】

【実施例】実施例１ 以下図１を参照して本発明電界放出型陰極装置の一例を
詳細に説明する。図１において、１は導電性の例えばＳ
ｉ等より成る第１の電極となる基体で、この基体１上に
例えば錐体状のＷ，Ｍｏ等の高融点かつ低仕事関数の金
属から成り、尖鋭な先端形状を有する例えば円錐状のカ
ソード９が形成され、その周囲にＳｉＯ２　，Ｓｉ３　
Ｎ４　等より成る絶縁層２が形成され、この絶縁層２の
上には、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，ＷＳｉｘ　等の高融点金属か
ら成るゲート電極となる第２の電極３がカソード９に対
する対向電極として配置されて成る。そして特に本発明
電界放出型陰極装置においては、この第２の電極３上に
、導電性及び耐食性のすぐれたＡｕ，Ｐｔ等の例えばＡ
ｕより成る金属保護層１３が被着された構造を採る。

【００１８】実施例２ 図２の略線的拡大断面図を参照して説明する。図２にお
いて、図１に対応する部分には同一符号を付して重複説
明を省略する。この場合ガラス等より成る基板１０上に
Ａｌ，Ｃｒ等より成る第１の電極１１となる導電層を被
着して基体１とした例で、また図２に示すように、第２
の電極３を、多結晶Ｓｉ層１２と、Ｗ，ＷＳｉｘ　，Ｍ
ｏＳｉｘ　，ＴｉＳｉｘ　等の高融点金属より成る金属
層２２とにより構成した。そしてこの例においても、第
２の電極３上に、導電性及び耐食性のすぐれたＡｕ，Ｐ
ｔ等の例えばＡｕより成る金属保護層１３が被着された
構造を採る。

【００１９】このような本発明電界放出型陰極装置の理
解を容易にするために、一例として実施例１において説
明した電界放出型陰極装置の製法を、図３Ａ〜Ｄを参照
して説明する。例えば図３Ａに示すように、先ずＳｉ等
より成る基体１を用意し、これの上に所要の厚さの例え
ば１〜１．５μｍ程度の厚さを有するＳｉＯ２　，Ｓｉ
３　Ｎ４　等の例えばＳｉＯ２　より成る絶縁層２をＣ
ＶＤ法等により全面的に被着し、更にＭｏ等より成り厚
さ数千Å程度例えば４０００Åの金属層３ａと、Ａｕ等
より成り厚さ数十〜数千Å程度例えば１００Åの金属保
護層１３とを、それぞれ蒸着、スパッタリング等により
全面的に被着し、更にこの上にレジスト４を全面的に塗
布する。

【００２０】そして図３Ｂに示すように、フォトリソグ
ラフィ等の適用によって、パターン露光、現像を施して
レジスト４に例えば円形の開口５ａを、例えばその開口
幅ｗ即ちこの場合直径を１μｍ程度として穿設する。そ
して更にこの開口５ａを通じて金属層３ａに対してＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）等の異方性エッチングを
行い、開口５ａと同様の開口幅即ち直径を有する開口５
を金属保護層１３及び金属層３ａに対して穿設して、電
極保護層１３が被着された第２の電極３を形成する。そ
してこの開口５を通じて絶縁層２に対するエッチングを
行い、キャビティ６を形成する。この絶縁層２に対する
エッチングはオーバーエッチングとし、第２の電極３の
開口５の周辺部が、絶縁層２のキャビティ６の内壁より
ひさし状に突出するようになす。

【００２１】次に図３Ｃにおいて矢印ａで示すように、
キャビティ６内に被着しない角度をもって基体１を回転
しながら斜め蒸着を行い、金属保護層１３上に中間層７
を被着形成する。この中間層７は、この上に被着する後
述する材料層に対してエッチング選択性を有するＡｌ，
Ｎｉ等の例えばＡｌにより形成し、またこのときの基体
１の表面に対する斜め蒸着の角度θは５°〜２０°程度
とする。この斜め蒸着によって、開口５上において中間
層７の径が実質的に狭められて被着される。

【００２２】そしてこの後図３Ｄに示すように、例えば
Ｍｏ等より成る材料層８を垂直蒸着等により全面的に被
着して、キャビティ６内に例えば円錐状のカソード９を
形成する。このとき、開口５周辺の中間層７の径が上述
の斜め蒸着によって狭められて被着されて成るため、こ
れに従って材料層８の開口５の周辺の実質的な径が時間
と共に狭められ、この開口５を通じて基体１上に堆積さ
れるカソード９は、漸次その厚みの成長に伴って小径と
なる錐状例えば円錐状として形成される。

【００２３】そしてこの後、例えばＮａＯＨ等の中間層
７のみを溶融除去し得るエッチング液を用いて中間層７
を除去し、同時にこれの上の材料層８を除去するいわゆ
るリフトオフを行って、図１に示す電界放出型陰極装置
を得ることができる。この場合、金属保護層１３として
Ａｕを、また中間層７としてＡｌを用いたため、このリ
フトオフの工程において中間層７が金属保護層１３から
剥離し易く、確実に中間層７を剥離除去することができ
て、従って中間層７上の材料層８を選択的に確実に剥離
除去することができる。

【００２４】このようにして形成した電界放出型陰極装
置は、第２の電極３とカソード９との間に、約１０６　
Ｖ／ｃｍ程度以上の電圧を印加することにより、カソー
ド９を熱することなく電子放出を行わせることができる
。 特にこの場合、円錐状カソード９の径が１．５μｍ程度
、高さが数千Å程度として形成されるため、ゲート電圧
を数十〜数百Ｖ程度とすることができ、比較的低電圧に
より動作することができる。

【００２５】そしてこの本発明電界放出型陰極装置では
、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ等より成る第２の電極３上に耐食性に
すぐれたＡｕ等より成る金属保護層１３を被着したため
酸化されにくく、耐薬品性等も向上し、電気伝導度の変
動低下を抑制することができることから、上述したよう
にゲート電圧を数十〜数百Ｖ程度の所定の低電圧をもっ
て安定に電子放出を行うことができる。

【００２６】またこの金属保護層１３を導電性の良い材
料をもって形成するため、ゲート電極としての第２の電
極３の電気伝導度も向上し、過電流が流れた場合におい
ても安定な電子放出を行うことができ、電子放出特性の
向上をはかることができる。また更に、例えば蛍光体等
の陽極で電子が散乱反射し、この散乱反射電子或いはこ
れよりの２次電子が第２の電極３に達した場合において
も、第２の電極３即ちゲート電極が破壊されにくくなり
、電界放出型陰極装置の長寿命化をはかることができる
。

【００２７】尚、上述の各実施例においては、電界放出
型陰極装置のカソード９を円錐形状として形成した場合
であるが、角錐状としたり、例えば図１及び図２の紙面
に直交する方向に延長する断面錐状のストライプ状とす
る等、その他種々の形状構成を採ることができる。

【００２８】また、上述した例では、金属保護層１３を
第２の電極３と同時に形成したが、この金属保護層１３
は、第２の電極３上の中間層７、材料層８等を剥離除去
してカソード９を形成した後、斜め蒸着等によって形成
しても良い。この場合、その斜め蒸着の角度を適切に選
定することによってキャビティ６内に被着しないように
形成することができる。

【００２９】また更に、前述した特開昭５６−１６０７
４０号公開公報に示した単結晶基板に対して結晶学的エ
ッチングを施してカソードを形成する製法によって本発
明電界放出型陰極装置を形成する場合においても、金属
保護層１３を第２の電極３と同時に形成するか、或いは
最終的に斜め蒸着によって被着形成する等種々の方法に
よって金属保護層１３を形成することができる。

【００３０】本発明電界放出型陰極装置を、平面型ディ
スプレイ装置に用いた場合の一例を図４及び図５を参照
して説明する。

【００３１】図４に平面型ディスプレイ装置の電子銃と
して用いた本発明電界放出型陰極装置の略線的拡大断面
図を示す。図４において、３１はガラス等の基板１０の
上に被着された例えばＣｒ，Ａｌ等より成る第１の電極
となる導電層で、この導電層３１上に例えば錐体状のＷ
，Ｍｏ等の高融点かつ低仕事関数の金属から成り、尖鋭
な先端形状を有する例えば円錐状のカソード９が例えば
１０μｍピッチで形成され、その周囲にＳｉＯ２　等よ
り成る絶縁層２が形成され、この絶縁層２の上には、Ａ
ｕ，Ｐｔ等の導電性及び耐食性にすぐれた金属保護層１
３が被着され、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ等の高融点金属より成る
第２の電極３が、カソード９に対するゲート３３として
配置されて成る。そしてこの複数のカソード９に対して
蛍光体３４が対向配置されるように、蛍光体３４が被着
形成されたガラス３５が配置される。そしてカソード９
からゲート３３に穿設された開口５を通じて放出された
電子は矢印ｅで示すように、これら各カソード９に対向
配置された蛍光体３４に向かうようになされる。また金
属保護層１３と蛍光体３４との距離Ｌを例えば数ｍｍ程
度とする。

【００３２】図５にこのような電界放出型陰極装置を多
数個配置した平面型ディスプレイ装置の一例の略線的分
解斜視図を示す。図５において、１０はガラス等より成
る基板で、この上に例えばＡｌ等より成る導電層３１が
図において矢印ｘで示す方向に延長するストライプ状に
平行配置するように被着形成され、これの上に絶縁層２
を介して第２の電極３及び電極保護層１３より成るゲー
ト３３が図において矢印ｙで示す、矢印ｘ方向とは直交
する方向に延長するストライプ状に平行配置するように
被着形成されて成る。これら導電層３１とゲート３３と
の交叉する正方形の領域においてゲート３３に複数の開
口５が穿設され、絶縁層２に形成されたキャビティ内に
各カソード（図示せず）が例えば１０μｍピッチで全体
として上述の正方形の領域上に配置されるように形成さ
れて成る。

【００３３】一方例えば正方形の各色の蛍光体即ちＲで
示す赤色、Ｇで示す緑色、Ｂで示す青色の蛍光体３４が
それぞれ同一の大きさ、ピッチをもって上述のカソード
９に対向配置して設けられる。これら各蛍光体３４はＩ
ＴＯ（Ｉｎ，Ｓｎの複合酸化物）等の透明導電層を介し
てガラス３５上に被着されて成り、このガラス３５と基
板１とが例えば数ｍｍ程度のスペーサを介して接続され
、これらによって囲まれた空間が所要の例えば１０−６
Ｔｏｒｒ程度の真空度を保つように気密に封止されて成
る。

【００３４】そして矢印ｘで示すｘ方向に延長する導電
層３１と、矢印ｙで示すｙ方向に延長するゲート３３と
に所要の即ち数十〜数百Ｖ程度例えば１００Ｖの比較的
低電圧の電圧を印加すると共に、上述のＩＴＯ等の蛍光
体３４下の導電層とゲート３３間に５００Ｖ程度の加速
電圧を印加して、各色蛍光体３４に対向するカソードか
ら電子を放出して各色蛍光体３４を発光させることがで
きる。このようにして低電圧従って低消費電力で、薄型
の平面型ディスプレイ装置を得ることができる。

【００３５】尚、このようなディスプレイ装置において
、上述した蛍光体３４とゲート３３との距離を３０ｍｍ
程度とする場合は、上述の加速電圧を３ｋＶ程度として
、同様にカソード９からの電子放出を行って各色蛍光体
３４を発光させることができる。また更に、蛍光体３４
をガラス３５上に直接的に被着し、その上にＡｌ等の金
属層を薄く被着して、この金属層とゲート３３とに加速
電圧を印加する場合は、その加速電圧を上述の電圧値よ
り大なる適切な電圧を印加することによって、同様に蛍
光体３４を発光させることができる。

【００３６】このように平面型ディスプレイ装置の電子
銃として本発明電界放出型陰極装置を用いる場合、電子
放出を安定に行うことができ、散乱反射電子、２次電子
に対して影響を受けることなく、またゲート３３の表面
が酸化しにくいため、特性の安定した電子銃を有する長
寿命の平面型ディスプレイ装置を得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】上述したように、本発明電界放出型陰極
装置によれば、第２の電極すなわちゲートの耐食性が向
上し、酸化しにくく従って電子放出特性の変動を回避す
ることができる。また耐薬品性の向上をはかることもで
きる。

【００３８】またこのゲートの電気伝導度が向上するた
め、安定な電子放出特性を得ることができ、同様の理由
によって散乱反射電子、２次電子等によるゲートの損傷
、破壊を抑制することができて、電界放出型陰極装置の
長寿命化をはかることができる。

【００３９】またこの電界放出型陰極装置の製造工程に
おいて、カソードの形成に際し、ゲート即ち第２の電極
３の上層材料層８等の剥離をリフトオフ等によって行う
場合、第２の電極３上の金属保護層１３の選定によって
その剥離除去を行い易くすることができ、確実に選択的
に材料層８を除去して、電界放出型陰極装置を確実に形
成することができる。

【００４０】従って、このような電界放出型陰極装置を
用いて平面型ディスプレイ装置等を構成する場合、その
電子放出特性の安定性の向上及びその製造工程の確実化
によって、数億個程度のカソードを有する電界放出型陰
極装置といえども確実に形成することができて、このよ
うなディスプレイ装置の歩留りの向上と、寿命の長期化
をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図２】本発明電界放出型陰極装置の他の例の略線的拡
大断面図である。

【図３】電界放出型陰極装置の一例の製法を示す製造工
程図である。

【図４】電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大断面図
である。

【図５】平面型ディスプレイ装置の一例の略線的分解斜
視図である。

【図６】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図７】電界放出型陰極装置の製法の一例を示す製造工
程図である。

【符号の説明】

１　　基体（第１の電極） ２　　絶縁層 ３　　第２の電極 ４　　レジスト ５　　開口 ７　　中間層 ８　　材料層 ９　　カソード １０　　基板 １１　　第１の電極 １３　　金属保護層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１の電極が構成された基体上に、キ
   ャビティが形成された絶縁層と、上記キャビティの内部
   の上記第１の電極上に形成されたカソードと、上記絶縁
   層上に形成された第２の電極とを具備する電界放出型陰
   極装置において、上記第２の電極の表面に、導電性及び
   耐食性にすぐれた金属保護層が被着されて成ることを特
   徴とする電界放出型陰極装置。