JPH0644893A - 陰極構造体 - Google Patents

陰極構造体

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JPH0644893A
JPH0644893A JP13386293A JP13386293A JPH0644893A JP H0644893 A JPH0644893 A JP H0644893A JP 13386293 A JP13386293 A JP 13386293A JP 13386293 A JP13386293 A JP 13386293A JP H0644893 A JPH0644893 A JP H0644893A
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JP
Japan
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cathode
chip
coating material
aperture
coating
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JP13386293A
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English (en)
Inventor
Neil Alexander Cade
アレクサンダー ケイド ニール
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
G II C MAAKONI Ltd
BAE Systems Electronics Ltd
Original Assignee
G II C MAAKONI Ltd
GEC Marconi Ltd
Marconi Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30Cold cathodes
    • H01J2201/304Field emission cathodes
    • H01J2201/30403Field emission cathodes characterised by the emitter shape
    • H01J2201/30426Coatings on the emitter surface, e.g. with low work function materials

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】電界エミッション陰極構造体の改良された製造
方法を提供すること。 【構成】基板(6)上にテーパした陰極チップ(1)を
形成する工程と、該基板から離隔しており、該陰極チッ
プに実質的に心合したアパーチャ(3)を有するグリッ
ド層(5)を形成する工程と、Pd,Ir又はPtのよ
うなコーチング材を蒸発又はスパッタリングさせること
により前記陰極チップにコーチング材(11)に被着さ
せる工程とから成る電界エミッション陰極構造体製造方
法。グリッド層(5)は、陰極チップに実質的に心合し
たアパーチャ(9)を有する誘電体層(7)によって基
板(6)から離隔されており、グリッド層のアパーチャ
を通して陰極チップの表面に蒸着又はスパッタされるコ
ーチング材(11)が、該誘電体層(7)のアパーチャ
(9)の周壁に届かないように、誘電体層(7)のアパ
ーチャ(9)は、該グリッド層のアパーチャ(3)より
大きい直径を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、陰極構造体に関し、特
に、電界エミッション陰極構造体(「電界エミッション
陰極」又は「電界エミッタ配列陰極」又は「電界エミッ
タデバイス」とも称する)の製造に関する。
【0002】
【従来の技術】信頼度の高い高電流電界エミッション陰
極を製造するには、巨視的区域に画然とした電界エミッ
タ(即ち電界エミッションチップ)の配列体を正確に製
造しなければならない。図1に概略的に示されているよ
うな典型的な電界エミッタ配列陰極即ち電界エミッショ
ン陰極構造体は、チップ担持基板6と、基板6上に支持
され、該基板から絶縁スペーサ層7によって電気的に絶
縁されたグリッド5とから成り、基板6から突出した複
数の高さ1〜2μmのチップ1は、数μm(10μm未
満)の間隔を置いて配置されており、各チップ1は、グ
リッド5の対応するアパーチャ(開口)3の中心に位置
している。この構成によれば、各チップがほぼ10nm
の半径を有する限り、約100Vのグリッド−チップ電
圧の場合、各チップからチップ1つ当り数マイクロアン
ペアの放出(エミッション)電流が得られる。エミッシ
ョン(放出)電流は、チップの電界の大きさに応じて指
数関数的に、従ってチップの半径の大きさに応じて指数
関数的に変化するので、各チップが単一の共通の印加電
圧で総エミッション電流に寄与するようにするために
は、個々のチップが極めて正確に同じチップ半径を有し
ていなければならない。高い総電流を得るには、各チッ
プからのエミッション電流の大きさをできる限り同等に
する以外に方法はない。
【0003】チップ半径に±50%の相違があるチップ
配列体の場合、そのような配列体から得られるチップ1
つ当りの電流は、個々のチップから得られる最大電流の
10分の1未満である。これに対して、チップの形状寸
法の精度を1nm以内に制御できれば、そのようなチッ
プ配列体のチップ当り平均電流を個々のチップの最大電
流のほぼ2分の1にまで高めることができる。
【0004】従って、電界エミッタ配列陰極即ち電界エ
ミッション陰極から得られる電流密度を最大限にする上
でnm単位の製造精度が重要である。このために、電界
エミッション陰極は、従来多くの場合、単結晶のシリコ
ン半導体チップを用いて製造されている。なぜなら、用
いられるシリコンが単結晶構造であることと、シリコン
のエッチングに関する既知の基礎的知識が豊富であるこ
とにより原子単位の極めて精度の高いチップを形成する
ことができるからである。
【0005】しかしながら、このような技術も、最終的
には、最初のリソグラフィ(平版印刷)の精度誤差によ
って制約を受け、たとえ単結晶のチップから得られるも
のであってもその最終電流は、金属製エミッタから得ら
れる電流よりも低い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、より大きい、より安定したエミッション電流を得る
ために電界エミッション陰極チップの化学的、構造的及
び幾何学的(形状及び寸法)特性を精細に制御するため
の方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、電界エミッション陰極構造体を製造する
ための方法であって、基板上にテーパした陰極チップを
形成する工程と、該基板から離隔しており、該陰極チッ
プに実質的に心合したアパーチャを有するグリッド層を
形成する工程と、コーチング材を蒸発又はスパッタリン
グさせることにより前記陰極チップにコーチングを被着
する工程とから成る方法を提供する。
【0008】
【実施例】図1を参照して先に述べたように、在来の電
界エミッション陰極構造体(電界エミッション冷陰極)
即ち電界エミッタデバイスは、エミッタチップ即ち陰極
チップ(以下、単に「チップ」又は「エミッタ」とも称
する)1の配列体から成り、グリッド5に高い電圧(約
100V)を印加することによってそれらのエミッタチ
ップ1から電子を放出させる。グリッド5は、絶縁スペ
ーサ層即ち誘電体層7によってチップ担持基板(以下、
単に「基板」とも称する)6からほぼ1〜2μmの高さ
のところに支持されている。
【0009】本発明の目的のためには、陰極軸線に近接
した相当大きな角度範囲に亙って、絶縁スペーサ層7が
後述する蒸発源8からの「視線」に入らないほど、絶縁
スペーサ層7のアパーチャ9をグリッド5のアパーチャ
3より大きくすることが好ましい。換言すれば、蒸発源
8からグリッド5のアパーチャ3を通して陰極チップ1
の表面に蒸着又はスパッタされるコーチング材が、絶縁
スペーサ層7のアパーチャ9の周壁に届かないようにア
パーチャ3と9の直径を定める。
【0010】本発明によれば、図2に示されるように、
図1に示される電界エミッタデバイス即ち陰極構造体の
製造が終了した後、蒸発源8からコーチング材を蒸発さ
せ、その陰極構造体全体にコーチング材(好ましくは金
属)を蒸着することによって薄いコーチング11を形成
する。絶縁スペーサ層7が蒸発源8からの「視線」に入
らないようにされているので、アパーチャ9の周りの絶
縁スペーサ層7には金属層(コーチング材)が被着しな
い。従って、この電界エミッタデバイスの使用におい
て、チップ1とグリッド5の間に短絡が生じない。
【0011】本発明の陰極構造体製造方法のこの工程
は、その製造方法の終わりに、電気的接続を行った後実
施することができるので、該陰極を含む電界エミッタデ
バイスの最終真空外囲器内で実施するのが理想的であ
る。コーチング材は、慣用の熱陰極デバイス内で反応性
金属ゲッタを焼成する工程に似た工程によって被覆する
ことができる。ただし、本発明においては、その工程
は、ゲッタの場合のように望ましくない物質を除去する
のではなく、陰極にコーチング材を被覆するための工程
である。
【0012】以下に本発明の具体例を説明する。エミッ
ション電流を増大し、安定性を高めるために、精密加工
したシリコン製チップに厚さ数nmのPd,Ir又はP
tのような非反応性耐火金属をコーチング材として被覆
することができる。チップを低温に維持しておく限り、
そのようなコーチング材は、比較的安定している。しか
しながら、そのようなコーチング材は、コーチングが高
温に維持される陰極チップに施される場合に、あるい
は、陰極チップが後に高温に焼きなまされる際に珪素化
合物(例えば、PdSi2 )を生成するのに有利であ
る。例えばPdの場合、約400℃の温度で珪素化合物
の生成が迅速になる。Ni及びCo層の場合、約500
℃で生成され焼きなまされた珪素化合物が、エピタキシ
ャル配向コーチングを形成し、その結果、配列体の各チ
ップに同様の結晶学的配向をもたらし、各チップに同様
の仕事機能を付与し、従って、各チップのエミッション
特性に同様の集中性(収斂性)を与える。
【0013】チップのエミッション特性の集中性は、こ
のような結晶学的手段によって得ることができるが、エ
ミッタチップの表面を非晶質化することによっても同様
の結果を得ることができる。詳述すれば、チップ表面に
金属(コーチング)を被着する前にイオン衝撃(イオン
ボンバードメント)式浄化法を用いてチップ表面を浄化
することが好ましい。イオン衝撃式浄化法は、デバイス
の外囲器内に適当な貴ガスを導入し、補助電極(図示せ
ず)にバイアスをかけるてプラズマを創生することによ
って行うことが好ましい。このようなイオン衝撃式浄化
の結果として、金属を被着した後、非晶質(Si)のチ
ップ表面が得られる。非晶質の金属コーチングを形成す
るためにこの工程(即ち、イオン衝撃式浄化と金属の被
着)を繰返し実施することができる。
【0014】最終のエミッタ表面は耐火金属であること
が好ましいが、耐火金属は容易には蒸発しない。耐火金
属のコーチングは、エミッタチップ1にTiのような低
融点物質を被覆し、次いで、その低融点物質をSi製の
基板と反応させることによって、あるいは、エミッタチ
ップを囲繞するガス状物質(気相原子)と反応させるこ
とによって形成することができる。Tiを用いる場合
は、蒸発させたTiコーチング材を窒素イオンでイオン
衝撃することによって耐火金属TiN薄膜を形成するこ
とができる。
【0015】図3は、薄い(好ましくは金属の)コーチ
ングをエミッタチップ1の表面に形成するための本発明
の別の実施例による方法を示す。この実施例では、蒸発
した物質をエミッタチップ1の表面だけではなく、グリ
ッド5の上面(及びグリッド5から離隔させて追加のグ
リッド(図示せず)が設けられている場合はその追加の
グリッドの上面)にも被覆する。電界エミッタデバイス
を真空が不完全な環境内で作動させなければならない場
合、その結果発生するイオン衝撃が、矢印13で示され
るようにチップ1の表面からそのコーチング11をスパ
ッタリング作用によって剥取ろうとする。しかしなが
ら、図3に示されるようにグリッド5の表面にコーチン
グ11が形成されていると、イオン衝撃が、矢印15で
示されるようにグリッド5の表面からも若干のコーチン
グ11をスパッタリング作用によって剥取るので、その
剥取られたコーチング材がチップ1の表面に再被覆され
る。グリッド5の表面に形成されたコーチング11は、
このような利点をもたらす。
【0016】図4に示された本発明の更に別の実施例に
よる方法においては、グリッド5(及び好ましくは追加
のグリッド(図示せず))をコーチング11と同じ材料
で形成する。そのような構成では、使用においてチップ
1がイオン衝撃を受けてその表面からコーチング11が
剥取られても、チップ1の表面から剥取られたコーチン
グ11は、そのコーチングと同じ材料で形成されている
グリッド5から矢印15で示されるようにやはりイオン
衝撃により剥取られた材料によって補充される。
【0017】以上、本発明を実施例に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来の電界エミッタデバイスの一部分
の概略断面図である。
【図2】図2は、本発明の一実施例による電界エミッタ
デバイスの一部分の概略断面図である。
【図3】図3は、本発明の別の実施例による電界エミッ
タデバイスの一部分の概略断面図である。
【図4】図4は、本発明の更に別の実施例による電界エ
ミッタデバイスの一部分の概略断面図である。
【符号の説明】
1:陰極チップ 3:アパーチャ 5:グリッド層 6:基板 7:絶縁スペーサ層(誘電体層) 8:蒸発源 9:アパーチャ 11:コーチング

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電界エミッション陰極構造体を製造するた
    めの方法であって、基板(6)上にテーパした陰極チッ
    プ(1)を形成する工程と、該基板から離隔しており、
    該陰極チップに実質的に心合したアパーチャ(3)を有
    するグリッド層(5)を形成する工程と、コーチング材
    を蒸発又はスパッタリングさせることにより前記陰極チ
    ップにコーチング材(11)に被着させる工程とから成
    る方法。
  2. 【請求項2】前記グリッド層(5)は、前記陰極チップ
    に実質的に心合したアパーチャ(9)を有する誘電体層
    (7)によって前記基板(6)から離隔されており、該
    グリッド層のアパーチャを通して該陰極チップの表面に
    蒸着又はスパッタされるコーチング材(11)が、該誘
    電体層(7)のアパーチャ(9)の周壁に届かないよう
    に、該誘電体層(7)のアパーチャ(9)は、該グリッ
    ド層のアパーチャ(3)より大きい直径を有しているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記コーチング材(11)を、後に、前記
    基板(6)の素材と、あるいは、前記陰極チップ(1)
    を囲繞するガス状物質と、あるいは、該陰極チップ内に
    イオン注入された物質と反応させることを特徴とする請
    求項1又は2に記載の方法。
  4. 【請求項4】前記コーチング材(11)は、金属である
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方
    法。
  5. 【請求項5】前記金属は、耐火金属であることを特徴と
    する請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】前記耐火金属は、Pd,Ir又はPtであ
    ることを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】前記コーチング材を、前記陰極チップの表
    面に被覆した後、焼きなますことを特徴とする請求項1
    〜6のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項8】前記基板(6)をシリコンで形成し、前記
    焼きなまし工程により前記コーチング材を珪酸化合物に
    変換することを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】前記蒸着又はスパッタリング工程におい
    て、前記グリッド層(5)の、前記基板(6)のある側
    とは反対側の表面にも前記コーチング材(11)を被覆
    させ、後に、そのコーチング材がイオン衝撃によって前
    記陰極チップへ転移されるようにすることを特徴とする
    請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項10】前記グリッド層(5)を前記コーチング
    材(11)で形成し、前記陰極チップ(1)のコーチン
    グが、該グリッド層のスパッタリングによって形成され
    るようにすることを特徴とする請求項1〜9のいずれか
    に記載の方法。
JP13386293A 1992-05-15 1993-05-12 陰極構造体 Pending JPH0644893A (ja)

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GB929210419A GB9210419D0 (en) 1992-05-15 1992-05-15 Cathode structures
GB9210419.9 1992-05-15

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JPH0644893A true JPH0644893A (ja) 1994-02-18

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ID=10715537

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JP13386293A Pending JPH0644893A (ja) 1992-05-15 1993-05-12 陰極構造体

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EP (1) EP0570211A1 (ja)
JP (1) JPH0644893A (ja)
GB (2) GB9210419D0 (ja)

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Also Published As

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GB2267176A (en) 1993-11-24
GB9210419D0 (en) 1992-07-01
GB9309727D0 (en) 1993-06-23

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