JPH06131968A

JPH06131968A - 電界放出型電子源およびアレイ状基板

Info

Publication number: JPH06131968A
Application number: JP30188692A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ota; 英一太田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-10-14
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】安定した放出特性をもち、また、陰極特性の
経時変化を有効に抑えることが可能である。【構成】基板１上に、ホール７の形成された絶縁層２
が設けられ、この絶縁層２のホール７の中心部に、基板
１と接して（あるいは基板１と一体の）円錐形のエミッ
タ３が設けられている。ここで、エミッタ３の表面に
は、硬質炭素膜または炭化物層からなる被覆膜４が形成
されている。また、絶縁層２の基板１とは反対側の面に
は制御用のゲート電極５が設けられており、さらに、ゲ
ート電極５の上方には、エミッタ３と所定の間隔をへだ
ててアノード６が配置されている。エミッタ３の表面に
硬質炭素膜または炭化物層の被覆膜が設けられているの
で、エミッタ３に雰囲気ガスが吸着されにくく、安定し
た放出特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超高速・耐環境能動素
子や超薄型高精細ディスプレイなどに利用可能な電界放
出型電子源およびアレイ状基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ミクロサイズの微小冷陰極を使用
した電界放出型電子源が着目されている。この種の電界
放出型電子源は、例えば文献「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１
９９１）ＮＯ．１第１９３〜１９８頁」，あるいは文
献「１９９０年電子情報通信学会秋季全国大会ＳＣ−
８−２，５−２８２〜５−２８３」に示されているよう
に、いずれも尖端をもつ陰極（エミッタ）に強電界を印
加し、トンネル現象によって電子を引き出すようになっ
ている。このような電界放出型電子源は、陰極（エミッ
タまたはカソード）の形状から種々のバリエーション
（例えば円錐型，平面型）が可能であるが、いずれも動
作原理は同じであり、従来の固体デバイスと比較して、
超高速動作が原理的に可能であること、さらにアレイ状
に配置して電子ビーム源として応用すれば、従来のＣＲ
Ｔでは達成できないフラットパネルディスプレイが実現
できるという利点を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、この
種の電界放出型電子源の微小冷陰極には、陰極材料とし
て、Ｓｉ等の半導体，Ｍｏ（モリブデン）やＷ（タング
ステン）などの高融点金属が使用されていた。このた
め、陰極に雰囲気ガス（主に真空中の残留ガス）が吸着
され易く、これが動作中に脱吸着するためにフリッカー
が出て放出特性が不安定となったり、動作中に発生する
イオンによって陰極がボンバードされて、陰極が変形し
たり、陰極表面の仕事関数が変化して、陰極の特性に経
時変化が生じるなどの問題があった。

【０００４】本発明は、安定した放出特性をもち、ま
た、陰極特性の経時変化を有効に抑えることの可能な電
界放出型電子源およびアレイ状基板を提供することを目
的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用】請求項１，請
求項２記載の発明は、電界放出型電子源のエミッタ部の
表面に硬質炭素膜あるいは炭化物層の被覆膜が設けられ
ていることを特徴としている。これにより、上記従来の
問題を解決することができ、上記目的を達成することが
できる。

【０００６】ところで、硬質炭素膜，炭化物層のいずれ
の被覆膜も、エミッタ部の構造物質と熱膨張率あるいは
原子間結合距離が異なるため、また、膜中の内部応力
（一般に圧縮応力）が大きいため、エミッタ部に強電界
を印加して電子を放出させる際の熱の発生等によってエ
ミッタ部から剥離し易い。

【０００７】請求項３，請求項４，請求項５，請求項６
記載の発明では、エミッタ部の表面と被覆膜との間にバ
ッファ層が設けられているので上記のような被覆膜の剥
離を低減することができる。

【０００８】また、請求項７，請求項８記載の発明は、
エミッタ部の形状が円錐型あるいは平面型であるので、
微小加工がし易く、また、アレイ状に配置し易く、さら
には、電子放出効率が高い構造体を与えることができ
る。

【０００９】また、請求項９記載の発明は、この基板を
利用して自発光型フラットパネルディスプレイを実現す
ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る電界放出型電
子源の構成例を示す図であり、図１（ａ）は断面図，図
１（ｂ）は部分斜視図である。この例では、基板１上
に、ホール７の形成された絶縁層２が設けられ、この絶
縁層２のホール７の中心部に、基板１と接して（あるい
は基板１と一体の）円錐形のエミッタ３が設けられてい
る。ここで、エミッタ３の表面には、硬質炭素膜または
炭化物層からなる被覆膜４が形成されている。また、絶
縁層２の基板１とは反対側の面には制御用のゲート電極
５が設けられており、さらに、ゲート電極５の上方に
は、エミッタ３と所定の間隔をへだててアノード６が配
置されている。

【００１１】このような構成の電界放出型電子源では、
アノード（コレクタ）６とエミッタ（カソード）３間に
高電界を印加することにより、エミッタ３から電子を放
出させることができる。この動作は真空中で行なわせる
が、このままで使用すれば微小３極管となり、また、ア
ノード６全面に蛍光体を設ければ、電子の入射によって
この蛍光体を発光させることが可能であり、ディスプレ
イを実現することができる。

【００１２】図２（ａ）乃至（ｅ）は図１（ａ），
（ｂ）の電界放出型電子源の製造工程例を示す図であ
り、図２の例では、先づ、図２（ａ）に示すように、基
板（この場合はＳｉ）１上にＳｉ₃Ｎ₄のマスク層９を作
製する。次に、図２（ｂ）に示すように、マスク層９を
マスクとして基板（Ｓｉ）を異方性エッチングすること
によってエミッタ３を作製する。この時、マスク層４０
の直下ではエッチングが抑制されるためエミッタは円錐
形となる。また、この例では、エミッタ３は基板１と一
体のものとしてＳｉ材料で形成される。次いで、図２
（ｃ）に示すように、さらにこの上に絶縁層（Ｓｉ
Ｏ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄等）２、ゲート電極層（Ｍｏ，Ｗ，Ｔ
ａ，Ｎｉ等の金属）５を順次堆積する。次に、図２
（ｄ）に示すように、マスク層９上の不要な層２，５を
リフト・オフ法で取り去る。なお、このときにマスク層
９も取り除く。しかる後、図２（ｅ）に示すように、エ
ミッタ３の表面に被覆膜４を設けて素子を完成させる。
この電界放出型電子源の全体の形状については、この素
子の応用形態によっても異なるため、特に特定されない
が、典型的な例としては、ホール７の直径が１〜８μ
ｍ，絶縁層４１の厚さが１〜４μｍ程度のものである。
また、図２（ａ）乃至（ｅ）のプロセス例では、基板１
としてＳｉを使用したために、エミッタ３はＳｉ結晶で
構成されるが、他のプロセス例として蒸着法（例えばピ
ンホールマスクを用いた蒸着法）を用いる場合には、Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｉ等の高融点の金属でエミッタ３を形
成することもできる。

【００１３】また、図１（ａ），（ｂ）の構成例では、
エミッタ３は、円錐形のものとなっているが、これを平
面型構造のものにすることもできる。図３（ａ），
（ｂ）はエミッタ３が平面型構造のものとなっている電
界放出型電子源の構成例を示す図であり、図３（ａ）は
断面図，図３（ｂ）は上面図である。図３（ａ），
（ｂ）を参照すると、この構成例では、基板１１上に、
エミッタ１３と、制御用のゲート電極１５と、アノード
１６とが平面状に配置され、エミッタ１３，ゲート電極
１５，アノード１６が基板１１に対してＺ軸方向に浮く
ように基板１１がエッチングされている。また、エミッ
タ１３の表面に、硬質炭素膜または炭化物層からなる被
覆膜１４が形成されている。エミッタ１３は、上面から
見ると、その先端が尖形なくさび形をしており、電子は
この先端から高電界によってアノード１６に向けて放出
されるようになっている。

【００１４】図４（ａ）乃至（ｃ）は図３（ａ），
（ｂ）の電界放出型電子源の製造工程例を示す図であ
り、図４の例では、先づ、図４（ａ）に示すように、基
板１１上に、配線となるべきＡｌ等の層２０とエミッタ
１３，ゲート電極１５，アノード１６となるべきＭｏ，
Ｗ，Ｔａ，Ｔｉ等の金属の薄膜２１とをそれぞれ蒸着法
によって形成し、この上にレジストパターン２２を形成
する。次いで、図４（ｂ）に示すように、Ａｌ等の層２
０と薄膜２１とをウェットエッチによってエッチングす
る。しかる後、基板１１をエッチングして図４（ｃ）に
示す素子を作製することができる。

【００１５】このように、素子全体の構成としては、量
産のし易さ（薄膜プロセスが容易に使用できるか否か）
および特性の安定性（形状のバラツキが少ない構成）、
さらにアレイ状に作り易いか等を考慮すれば、図１
（ａ），（ｂ）に示したような円錐型か、あるいは図３
（ａ），（ｂ）に示したような平面型が選択されるのが
良い。但し、図３（ａ），（ｂ）に示した平面型構造
は、図４（ａ）乃至（ｃ）の製造工程例からわかるよう
に、円錐型のような立体構造を避けることで、Ｓｉの異
方性エッチングのような制御が難かしいプロセスを行な
うことなく、単純な薄膜プロセスで作製することができ
るという利点がある。なお、薄膜プロセスを用いる場合
には、エミッタ１３，ゲート電極１５等をＭｏ，Ｗ，Ｔ
ａ，Ｔｉ等で作製することが多いが、エミッタ１３，ゲ
ート電極１５等の材料は、これらに特に限定されるもの
ではない。

【００１６】図１（ａ），（ｂ）あるいは図３（ａ），
（ｂ）の電界放出型電子源の応用形態としては、超高速
素子（トランジスタ）、フラットパネルディスプレイ、
ＳＥＭ等の評価用電子源などが考えられるが、そのう
ち、特に、フラットパネルディスプレイへの応用が社会
的ニーズの点で重要であると考えられる。図５は本発明
の電界放出型電子源を適用したフラットパネルディスプ
レイの構成例を示す図である。図５を参照すると、この
例では、基板３１上に、エミッタ列３３とゲート行３５
とがアレイ状に配列されており、エミッタ列３３とゲー
ト行３５との各交差部に、例えば図１（ａ），（ｂ）に
示したような円錐型の電子源が設けられて、アレイ状基
板３８として構成されている。さらに、このアレイ状基
板３８上には、アノードとなる透明導電体３６と基板３
９とが設けられ、基板３９の透明導電体３６と対向する
面には発光体４０が形成されている。ここで、アレイ状
基板３８と透明導電体３６と発光体４０が形成されてい
る基板３９とを図示のような位置関係に配置し、これら
を樹脂等を用いて貼り合わせ、基板２８，２９間を真空
状態にして封止することにより、フラットパネルディス
プレイが構成される。

【００１７】なお、エミッタ列３３，ゲート行３５は、
前述のように、Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｉ等により、形成す
ることができ、また、透明導電体３６は、ＩＴＯ，Ｓｎ
Ｏ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，ＺｎＯ：Ａｌなどの材料で形
成することができる。

【００１８】このような構成のフラットパネルディスプ
レイでは、駆動はゲート行３５にデータ信号を印加し、
エミッタ列３３に選択信号を印加する線順次走査駆動で
行なわれる。このアレイ状基板３８を用いたフラットパ
ネルディスプレイは、自発光型であり、この点で、液晶
に比べて画像，コントラストを著しく向上させることが
できる（液晶は基本的に光シャッターであり、光の利用
効率が悪い。また、高コントラストにするためには、バ
ックライトを必要とする）。

【００１９】ところで、図１（ａ），（ｂ），あるいは
図３（ａ），（ｂ）のような電界放出型電子源におい
て、エミッタ３あるいは１３の表面に硬質炭素膜の被覆
膜４あるいは１４が形成される場合についてより詳しく
説明する。先づ、硬質炭素膜を形成するためには有機化
合物ガス、特に炭化水素ガスが用いられる。これら原料
における相状態は常温常圧において必ずしも気相である
必要はなく、加熱あるいは減圧等により溶融、蒸発、昇
華等を経て気化し得るものであれば、液相でも固相でも
使用可能である。

【００２０】原料ガスとしての炭化水素ガスについて
は、例えばＣＨ₄，Ｃ₂Ｈ₆，Ｃ₃Ｈ₈，Ｃ₄Ｈ₁₀等のパラフ
ィン系炭化水素、Ｃ₂Ｈ₄等のアセチレン系炭化水素、オ
レフィン系炭化水素、アセチレン系炭化水素、ジオレフ
ィン系炭化水素、さらには芳香族炭化水素などの少なく
とも炭化水素を含むガスが使用可能である。

【００２１】さらに、炭化水素以外でも、例えば、アル
コール類，ケトン類，エーテル類，エステル類，ＣＯ，
ＣＯ₂等の少なくとも炭素元素を含む化合物であれば使
用可能である。

【００２２】本発明における原料ガスからの硬質炭素膜
の形成方法としては、成膜活性種が、直流，低周波，高
周波あるいはマイクロ波等を用いたプラズマ法により生
成されるプラズマ状態を経て形成される方法が好ましい
が、より大面積化、均一性向上、低温製膜の目的で、低
圧下で堆積を行なうため、磁界効果を利用する方法がさ
らに好ましい。また高温における熱分解によっても活性
種を形成できる。その他にも、イオン化蒸着法あるいは
イオンビーム蒸着法等により生成されるイオン状態を経
て形成されても良いし、真空蒸着法あるいはスパッタリ
ング法等により生成される中性粒子から形成されてもよ
いし、さらには、これらの組み合わせにより形成されて
も良い。

【００２３】このようにして作製される硬質炭素膜の堆
積条件の一例は、プラズマＣＶＤ法の場合、次の通りで
ある。ＲＦ出力：０．１〜５０Ｗ／cm² 圧力：１０^-2〜１０Ｔｏｒｒ堆積温度：室温〜９５０℃

【００２４】このプラズマ状態により原料ガスがラジカ
ルとイオンとに分解され反応することによって、基板上
に炭素原子Ｃを主成分とし、アモルファス（非晶質）お
よび微結晶質（結晶の大きさは数１０〜数μｍ）の少な
くとも一方を含む硬質炭素膜が堆積する。次表には、硬
質炭素膜の諸特性が示されている。

【００２５】

【表１】

【００２６】ここで、比抵抗（ρ）は、コプレナー型セ
ルによるＩ−Ｖ特性より求められる。また、光学的バン
ドギャップ（Egopt）は、分光特性から吸収係数（α）
を求め、（αｈν）^1/2＝Ｂ（ｈν−Egopt）の関係から
決定される。また、ＳＰ³／ＳＰ²比は、赤外吸収スペク
トルを、ＳＰ³，ＳＰ²にそれぞれ帰属されるガウス関数
に分解し、その面積比より求められる。また、ピッカー
ス硬度（Ｈ）は、マイクロピッカース計により求めら
れ、屈折率（ｎ）は、エリプソメーターにより求めら
れ、また、欠陥密度は、ＥＳＲにより求められる。

【００２７】こうして形成される硬質炭素膜はラマン分
光法およびＩＲ吸収法による分析の結果、それぞれ、図
６および図７に示すように、炭素原子がＳＰ³の混成軌
道とＳＰ²の混成軌道とを形成した原子間結合が混在し
ていることが明らかになっている。ＳＰ³結合とＳＰ²結
合の比率は、ＩＲスペクトルをピーク分離することで概
ね推定できる。ＩＲスペクトルには、２８００〜３１５
０cm^-1に多くのモードのスペクトルが重なって測定され
るが、各々の波数に対応するピークの帰属は明らかにな
っており、図７のようにガウス分布によってピーク分離
を行ない、それぞれのピーク面積を算出し、その比率を
求めれば、ＳＰ³／ＳＰ²を知ることができる。

【００２８】また、Ｘ線および電子回折分析によればア
モルファス状態（ａ−Ｃ：Ｈ）、および／または約５０
Å〜数μｍ程度の微結晶粒を含むアモルファス状態にあ
ることがわかっている。

【００２９】一般に量産に適しているプラズマＣＶＤ法
の場合には、ＲＦ出力が小さい程、膜の比抵抗値が増加
し、低圧力な程、活性種の寿命が増加するために、基板
温度の低温化，大面積での均一化が図れ、かつ比抵抗，
硬度が増加する傾向にある。さらに、低圧力ではプラズ
マ密度が減少するため、磁界閉じ込め効果を利用する方
法は、比抵抗の増加には特に効果的である。さらに、こ
の方法は常温〜１５０℃程度の比較的低い温度条件でも
同様に良質の硬質炭素膜を形成できるという特徴を有し
ているため、素子製造プロセスの低温化には最適であ
る。従って、使用する基板材料の選択自由度が広がり、
基板温度をコントロールし易いために大面積に均一な膜
が得られるという特徴をもっている。また硬質炭素膜の
構造、物性は表１に示したように、広範囲に制御可能で
あるため、デバイス特性を自由に設計できる利点もあ
る。

【００３０】以上は通常用いられている平行平板型プラ
ズマＣＶＤ法で図１（ａ），（ｂ）のエミッタ３の表面
あるいはその近傍に硬質炭素膜を形成する方法について
述べたものである。従来のエミッタ材料では、エミッタ
表面に吸着されていた真空中の雰囲気ガスが動作中に主
に脱離し、電子放出特性が不安定（フリッカを生じる）
であったり、動作中に発生するイオンによってエミッタ
がボンバードされ、エミッタが変形したりエミッタ表面
の仕事関数が変化して、エミッタの特性に経時変化が起
こるなどの問題点があったが、硬質炭素膜からなる被覆
膜４が形成されたエミッタ３では、硬質炭素膜自体の特
性，すなわち、（１）ガス吸着を起こしにくいこと、
（２）硬質であるため、イオンによるボンバードを受け
ても材料の変質，変形が少ない（プラズマ耐性が高い）
こと等の性質によって、上記従来の問題点を低減させる
ことができるかあるいはこれらの問題点を皆無にするこ
とができる。一般に、電子放出特性の変化はエミッタに
流れる電流特性を測定して判断される。図８には硬質炭
素膜がエミッタ表面に被覆された素子（図中、（ｂ）で
示す）のエミッション電流の時間経過に基づく変化が示
されており、これを従来の円錐型素子（図中、（ａ）で
示す）のエミッション電流の変化と比較すると、硬質炭
素膜が被覆された素子では、エミッション電流Ｉ_Eの時
間変化を従来に比べて小さくすることができる。

【００３１】また、エミッタ３の表面に炭化物層の被覆
膜４が形成される場合についてより詳しく説明する。一
般に、周期表IV，V，VI族および鉄族の炭化物は化学的
に安定であり、高融点，高硬度の特性を有している。特
にＳｉＣ，ＴａＣ，ＷＣ，Ｗ₂Ｃ，ＴｉＣ等は優れてい
る。また、プラズマ耐性についても各種金属および半導
体よりも優れている。炭化物層の被覆膜４は、エミッタ
材料の表面に炭化物を堆積するか、または、エミッタ表
面を炭化反応させることにより形成することができる。
具体的には、真空中で蒸発金属原子を供給する手段と、
該金属原子とガス分子（特に炭化水素ガス）を励起，反
応させるプラズマ状態を形成する手段とを設け、基板上
に炭化物層として堆積させる。さらに、より具体的に
は、反応性蒸着法，反応性スパッタ法，イオンプレーテ
ィング法，プラズマＣＶＤ法等で形成することができ
る。圧力は概ね１０^-2〜１０^-6Torrであり、反応ガスは
Ｃ₂Ｈ₄，ＣＨ₄等を使用できる。また表面を炭化させる
場合には、炭化水素ガスのプラズマ中にエミッタ材料表
面を晒せば良い。このとき、基板温度が約３００〜６０
０℃程度に高いものであれば、炭素と金属との反応が促
進される。炭化物層は表面の吸着ガスが少ないというよ
りも、むしろ、プラズマ耐性が高いという効果が大き
い。図８には、硬質炭素膜と同様に、炭化物層が被覆さ
れた素子（図中、（ｃ）で示す）のエミッション電流の
時間経過に基づく変化が示されており、炭化物層が被覆
された素子でも、硬質炭素膜と同様に、エミッション電
流Ｉ_Eの時間変化を従来に比べて小さくすることができ
る。さらに、炭化物層の場合は、硬質炭素膜と比べてエ
ミッタとの密着力に優れている。

【００３２】以上のように硬質炭素膜および炭化物層は
電子放出材料として優れた特性を有しているものの、硬
質炭素膜または炭化物層の被覆膜，特に硬質炭素膜の被
覆膜はエミッタ材料との密着力が弱く炭素膜自体の膜ス
トレスが大きいために、膜剥離の問題がしばしば発生す
る。本願の発明者は、この問題をも解決するために、さ
らに鋭意研究し、さらに以下の発明を完成させた。すな
わち、上記問題を解決するために、基本的には、エミッ
タ３と被覆膜４との間にバッファ層を設ければ良いこと
を見出した。以下に、このバッファ層の構成例を示す
が、各例において、バッファ層は被覆膜をも兼ねてお
り、被覆膜として捉えることもでき、両者を明確に区分
することができないこともあるので、以下の説明では、
場合に応じ、バッファ層も含めて被覆膜と称する。

【００３３】このバッファ層の第１の構成例としては、
比較的に膜ストレスの低い硬質炭素膜を設けることであ
る。すなわち、比較的膜ストレスの低い第１の硬質炭素
膜をバッファ層として設け、この上に、膜ストレスは大
きいがプラズマ耐性の高い第２の硬質炭素膜が被覆膜と
して積層された構成のものとなっている。膜ストレスは
プラズマ耐性（膜の硬度，密度）と相反する関係にあ
り、単一の膜で両者を両立することは、主に生産管理上
好ましいとはいえない（単一膜でも達成できる範囲はあ
るが、エミッタの表面洗浄度等の他の因子が変動した場
合に膜剥離の度合いが著しくばらつく）。

【００３４】バッファ層の第２の構成例としては、エミ
ッタ材料の炭化物層を設けることである。例えばエミッ
タ材料がＷであればＷＣを設け、エミッタ材料がＴａで
あればＴａＣを設け、エミッタ材料がＳｉであればＳｉ
Ｃ等を設ける。すなわち、この第２の構成例では、バッ
ファ層としてエミッタ材料の炭化物層を設け、その上に
硬質炭素膜が被覆膜として積層された構成のものとなっ
ている。バッファ層として炭化物層を設けた場合には、
炭化物層がエミッタ，硬質炭素膜の両方の構成元素を含
んでいるために、それぞれの界面（エミッタ／炭化物層
界面，炭化物層／硬質炭素膜界面）で同種類の原子間の
結合が多くなって密着力が向上する。この場合、炭化物
層の形成法としては、エミッタの表面炭化反応を用いる
のが良く、この場合には、エミッタ／炭化物層界面での
密着力は強い傾向にあった。上記のような構成にするこ
とにより、硬質炭素膜と炭化物層のそれぞれ特徴を合わ
せもつ被覆膜が実現できる。

【００３５】また、バッファ層の第３の構成例として
は、図９（ａ）に示すように、バッファ層中の炭素原子
の濃度が膜厚方向に連続的に変化したものとなってい
る。換言すれば、この第３の構成例のバッファ層は、エ
ミッタ部の構造元素に炭素原子が膜厚方向に連続的に濃
度変化して（濃度傾斜して）構成されており、炭素原子
の濃度は、エミッタの表面から遠ざかるに従がい連続的
に増加している。図９（ｂ）には、この濃度変化の具体
例が示されており、この具体例では、エミッタ表面から
硬質炭素膜側に向かうに従って、バッファ層，すなわち
被覆膜中の炭素濃度が約０atm％から約９５atm％程度ま
で連続的に増加した構造となっている。このような構造
にすることで、バッファ層，すなわち被覆膜の性質は、
エミッタ材料から炭化物層，硬質炭素膜へと連続的にシ
フトしていき、第１，第２の構成例で説明したように、
それぞれの異種材料の明確な界面が存在しないこととな
り、必然的に密着力を向上させることができる。また、
一般に異種材料の界面で見うけられるような原子間結合
距離の不一致から起こるミスマッチも起こらず、界面近
傍の結合の歪みによるストレスも発生しない。また、被
覆膜の表面での炭素原子濃度をどの程度にとどめるか
（硬質炭素膜までするのか炭化物層でとどめるのか）は
作製条件によって任意に選択できる。また、具体的な作
製方法としては、硬質炭素膜と同様、プラズマＣＶＤ法
を使用することができて、このプラズマＣＶＤ法を用い
る場合には、エミッタ材料の構成元素を含む原料ガスと
炭化水素ガスとを使用し、原料ガスと炭化水素ガスの混
合比Ｒ（vol％）（＝炭化水素ガス／（原料ガス＋炭化
水素ガス））を製膜中に時間とともに連続的に変化させ
る。すなわち、製膜時間の経過に従って、混合比Ｒを増
加させれば良い。

【００３６】本願の発明者は、実際に、実施例１とし
て、図３（ａ），（ｂ）に示したような平面型構造の電
子源を作製した。基板１１としては、パイレックスガラ
ス（コーニング＃７０５９）を使用した。この上に各電
極（エミッタ，ゲート，アノード）となるＭｏ（モリブ
デン）をスパッタリング法で膜厚４０００Åに堆積させ
た後、各電極のレジストパターンを形成した。しかる
後、ドライエッチング法でＷ（タングステン）の不要部
を除去した。次にバッファフッ酸にて基板１１をウェッ
トエッチングして、各電極を基板１１から浮いた構造の
ものにした。レジストをアッシングによって除去した
後、エミッタ表面にＲＦプラズマＣＶＤ法にて硬質炭素
膜１４を約７００Å堆積した。この製膜条件を次表に示
す。

【００３７】

【表２】

【００３８】素子形状は、エミッタ先端とゲートとの距
離が約４μｍ、また、エミッタ・アノード間が１６μｍ
であった。この素子を約４×１０^-8Torrの真空中に入
れ、エミッタ・ゲート間に電圧を印加したところ、Ｖ_G
＝９０Ｖ程度からエミッションが起こり、電圧Ｖ_G＝１
４０Ｖでエミッション電流（Ｉ_E）は約６μＡであっ
た。また、この素子のエミッション電流は、約７５時
間、連続動作させたにもかかわらず、著しい変化は見ら
れなかった。また、フリッカもあまり見られなかった。
エミッタ表面に硬質炭素膜を被覆しなかった素子では、
エミッション電流は、連続時間約１０時間で初期の約２
／３となり、動作初期からフリッカが多く見られ、安定
性に問題があった。

【００３９】また、実施例２として、各電極の材料をＷ
（タングステン）とし被覆膜を２層の硬質炭素膜とした
以外は、概ね実施例１と同様の平面型構造の電子源を作
製した。電極材料としてのＷ（タングステン）は、約３
０００Åの膜厚にスパッタリング法で堆積した。また、
エミッタ・ゲート間の距離は約５μｍ、エミッタ・アノ
ード間の距離は約２０μｍであった。また、硬質炭素膜
の１層目は比較的ストレスの低い膜で厚さ約２００Åに
堆積し、２層目はストレスは高いが硬度の高い膜を厚さ
約３００Åに堆積した。各々の製膜条件を次表に示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】この素子を約４×１０^-8Torrで動作させた
ところ、エミッタ・ゲート間電圧Ｖ_Gが１００Ｖ程度か
らエミッションが起こり、Ｖ_G＝１５０Ｖで、エミッシ
ョン電流Ｉ_Eは５μＡ程度であった。また連続動作テス
トを行なったところ、エミッション電流Ｉ_Eは約１００
時間経過後でも著しい変化がなかった。また、フリッカ
は、ほとんど見られなかった。

【００４２】また、実施例３として、実施例２と同じサ
ンプルに被覆膜として炭化物層を設けた。表面炭化反応
は炭化水素ガスのプラズマ中にサンプルを露出すること
で行なった。条件を次表に示す。但し、サンプル側に負
のＤＣバイアスＶ_DCを積極的に印加した。

【００４３】

【表４】

【００４４】このようにして処理したエミッタ表面には
厚さ約３００ÅのＷＣからなる層が形成されていた。こ
の素子を同様の条件でテストしたところ、Ｖ_G＝９０Ｖ
程度からエミッションが起こり、Ｖ_G＝１５０Ｖ，Ｉ_E＝
７μＡであった。また連続動作テストでは、Ｉ_Eは約１
５０時間後でも著しい変化はなかった。

【００４５】また、実施例４として、図１（ａ），
（ｂ）に示したような円錐型電子源を作製した。基板と
してはＳｉウェハーの（１００）面を使用し、この上に
先づ、エッチングマスク材としてＳｉ₃Ｎ₄を、プラズマ
ＣＶＤ法でＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとを原料ガスとして
使用して約４μｍの厚さに堆積した。次にこのマスク
材，すなわちＳｉ₃Ｎ₄を所望のパターンにエッチング
し、さらにＳｉ基板の異方性エッチングを行なって、円
錐形のエミッタを形成した。異方性エッチングは、ＫＯ
Ｈ，ＩＰＡ，Ｈ₂Ｏの混合溶液で行なった。次に、ゲー
ト電極となるＷ（タングステン）をスパッタ法にて約４
０００Åの厚さに堆積し、マスクであるＳｉ₃Ｎ₄層をそ
の上のゲート電極の不用部分とともにＨＦ（フッ酸）で
除去して、素子を完成させた。このようにして、作製し
たエミッタの表面にプラズマ表面改質法にて先づＳｉＣ
を約２００Åの厚さに堆積し、次に硬質炭素膜をＲＦプ
ラズマＣＶＤ法で約２００Åの厚さに堆積した。ホール
の直径は約１μｍ、絶縁層の厚さは約１μｍであった。
この素子を約３×１０^-8Torrの真空下でテストした結
果、Ｖ _G＝１００Ｖ程度でエミッションが観測され始
め、Ｖ_G＝１６０Ｖでは、Ｉ_E≒１．５μＡが得られた。
また連続動作では、Ｉ_Eは約１０００時間経過後でも著
しい変化を示さなかった。また、フリッカもあまり見ら
れなかった。

【００４６】また、実施例５として、素子の構造および
プロセスは実施例４と同様であるが、被覆膜の構成およ
びその形成方法を相違させて円錐型電子源を作製した。
ＲＦプラズマＣＶＤ法にて、ＳｉＨ₄ガス，Ｃ₂Ｈ₂ガス
を原料ガスとして、その組織比Ｒ（vol％）＝Ｃ₂Ｈ₂／
（ＳｉＨ₄＋Ｃ₂Ｈ₂）を堆積時間とともに連続的に変化
させて製膜した。製膜条件を次表に示す。

【００４７】

【表５】

【００４８】被覆膜の全体の膜厚は約３００Åであっ
た。被覆膜中の炭素濃度の分布を図１０に示した。この
素子を実施例４と同様の条件下でテストした結果、Ｖ_G
≒９０Ｖ程度でエミッションが観測され始め、Ｖ_G≒１
６０ＶではＩ_E≒μＡが得られた。また連続動作では、
Ｉ_Eは約２０００時間経過後でも著しい変化を示さなか
った。また、フリッカもほとんど皆無であった。

【００４９】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１，請求
項２記載の発明によれば、エミッタ部の表面に硬質炭素
膜または炭化物層の被覆膜が設けられているので、エミ
ッタに雰囲気ガスが吸着されにくく、安定した放出特性
を得ることができ、またプラズマ耐性があるので特性の
経時変化を少なくすることができる。

【００５０】また、請求項３，請求項４，請求項５，請
求項６記載の発明によれば、エミッタ部の表面と被覆膜
との間にバッファ層が設けられているので、上記効果に
加えて、さらに、被覆膜の膜剥離が生ずる度合いを低減
することができる。

【００５１】また、請求項７，請求項８記載の発明によ
れば、エミッタ部の形状が円錐型または平面型であるの
で、微細加工に適し、さらに電子放出効率を高めること
ができ、アレイ状（ドットマトリックス）の配置を容易
に作ることができる。特に、請求項８記載の発明によれ
ば、薄膜プロセスで作ることができ、円錐形のような複
雑な立体構造を必要としないため、量産に適している。

【００５２】また、請求項９記載の発明によれば、この
基板を使用して自発光のフラットパネルディスプレイを
実現することができ、自発光であるので画質（コントラ
スト、明るさ）をＬＣＤよりも向上させることができ、
また、微細形状であるので高精細な薄型（数mm厚）のデ
ィスプレイを実現でき、さらに、ＬＣＤのようにバック
ライトを必要としないので軽く薄型にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明に係る電界放出型電子
源の構成例を示す図である。

【図２】（ａ）乃至（ｅ）は図１の電界放出型電子源の
製造工程例を示す図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は本発明に係る電界放出型電子
源の他の構成例を示す図である。

【図４】（ａ）乃至（ｃ）は図３の電界放出型電子源の
製造工程例を示す図である。

【図５】本発明の電界放出型電子源を適用したフラット
パネルディスプレイの構成例を示す図である。

【図６】硬質炭素膜をラマン分光法により分析した結果
を示す図である。

【図７】硬質炭素膜をＩＲ吸収法により分析した結果を
示す図である。

【図８】各種素子のエミッション電流の時間経過に基づ
く変化を示す図である。

【図９】（ａ）は炭素原子の濃度が被覆膜の膜厚方向に
連続的に変化しているバッファ層を示す図、（ｂ）は炭
素原子の膜厚方向の濃度変化を示す図である。

【図１０】実施例５における被覆膜中の炭素濃度の分布
を示す図である。

【符号の説明】

１，１１，３１基板２絶縁層３，１３エミッタ４被覆膜５，１５ゲート電極６，１６アノード７ホール３３エミッタ列３５ゲート行３６透明導電体３８アレイ状基板３９基板４０発光体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エミッタ部に強電界が印加されることに
より、エミッタ部から電子を放出させる構成の電界放出
型電子源において、前記エミッタ部の表面には硬質炭素
膜の被覆膜が設けられていることを特徴とする電界放出
型電子源。
【請求項２】エミッタ部に強電界が印加されることに
より、エミッタ部から電子を放出させる構成の電界放出
型電子源において、前記エミッタ部の表面には炭化物層
の被覆膜が設けられていることを特徴とする電界放出型
電子源。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の電界放出
型電子源において、前記エミッタ部の表面と前記被覆膜
との間にはバッファ層が設けられていることを特徴とす
る電界放出型電子源。
【請求項４】請求項３記載の電界放出型電子源におい
て、前記バッファ層は比較的に膜ストレスの低い硬質炭
素膜であり、前記被覆膜は膜ストレスは大きいがプラズ
マ耐性の高い硬質炭素膜からなり、バッファ層と被覆膜
とにより積層被覆膜が構成されたものとなっていること
を特徴とする電界放出型電子源。
【請求項５】請求項３記載の電界放出型電子源におい
て、前記バッファ層は炭化物層であり、前記被覆膜は硬
質炭素膜とからなり、バッファ層と被覆膜とにより積層
被覆膜が構成されていることを特徴とする電界放出型電
子源。
【請求項６】請求項３記載の電界放出型電子源におい
て、前記バッファ層は、エミッタ部の構成元素に炭素原
子が被覆膜の膜厚方向に連続的に濃度変化して構成され
ていることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項７】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の電界放出型電子源において、前記エミッタ部の形
状が円錐型であることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項８】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の電界放出型電子源において、前記エミッタ部の形
状が平面型であることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項９】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の電界放出型電子源がアレイ状に配置されて構成さ
れていることを特徴とするアレイ状基板。