JPH0729484A

JPH0729484A - 集束電極を有する電界放出カソード及び集束電極を有する電界放出カソードの製造方法

Info

Publication number: JPH0729484A
Application number: JP19184893A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Ito; 茂生伊藤; Teruo Watanabe; 照男渡辺; Masateru Taniguchi; 昌照谷口; Kazuyoshi Otsu; 和佳大津; Takehiro Niiyama; 剛宏新山
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】アノード・カソード間の耐圧を低下すること
なく、エミッタから放出される電子の広がりを防止した
電界放出カソードを提供すること。【構成】ゲート電極５の上にエミッタ８から放出され
た電子を集束する集束電極７を第２絶縁層６を介して一
体に形成する。さらに、集束電極７の径をゲート電極５
の径の略１．２〜２倍にするようにして、エミッタ８か
ら放出された電子を集束すると共にクロストークが発生
しないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極として知られて
いる電界放出カソードに関するものであり、特に新規な
構成の集束電極を有する電界放出カソード及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属または半導体表面の印加電界を１０
⁹ ［Ｖ／ｍ］程度にするとトンネル効果により、電子が
障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる。
これを電界放出（Field Emission）と云い、このような
原理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（Fi
eld Emission Cathode）と呼んでいる。近年、半導体加
工技術を駆使して、ミクロンサイズの電界放出カソード
からなる面放出型の電界放出カソードを作成することが
可能となっており、電界放出カソードは蛍光表示装置、
ＣＲＴ、電子顕微鏡や電子ビーム装置に用いられようと
している。

【０００３】図８に、その一例である第１ゲートライン
と第２ゲートラインとを有する三極管型の電界放出カソ
ード（以下、ＦＥＣと記す）を用いた画像表示装置を示
す。この図において、シリコン基板１０１の上に第１絶
縁層１０２及び第１ゲートライン１０３が形成されてお
り、さらにその上に第２絶縁層１０４及び第２ゲートラ
イン１０５が順次積層されている。

【０００４】これらの第１及び第２絶縁層１０２，１０
４と第１及び第２ゲートライン１０３，１０５には矩形
状の開口部１０９がそれぞれ形成されており、この開口
部１０９の中にコーン状のエミッタ１０６が形成されて
いる。さらに、第２ゲートライン１０５に離隔してアノ
ード基板１１０上に形成されたアノード１０８が設けら
れており、このアノード１０８には蛍光体層１０７が塗
布されている。

【０００５】上記第１及び第２のゲートライン１０３，
１０５とエミッタ１０６からなるＦＥＣは半導体集積化
技術により作製されており、シリコン基板１０１上に数
万ないし数１０万個のエミッタを設けることが出来る。
また、第１ゲートライン１０３とエミッタ１０６の先端
との距離をサブミクロンに形成することが出来るため、
第１ゲートライン１０３とエミッタ１０６間に僅か数１
０ボルトの電圧を印加することにより、エミッタ１０６
の先端から電子を電界放出することが出来るようにな
る。

【０００６】このようにして、エミッタ１０６から放出
された電子は正電圧の印加されたアノード１０８に捕集
されるが、アノード１０８には蛍光体層１０７が設けら
れているため、アノード１０８に捕集される電子により
蛍光体層１０７が発光するようになる。この場合、アノ
ード１０８を透光性の導電性物質で形成することによ
り、この発光の様子をアノード基板１１０の外部から観
察することが出来る。なお、画像表示装置内の空間は真
空に保持され、エミッタ１０６から放出された電子が高
速に移動できるようになされている。

【０００７】但し、アノード１０８に画像を表示するに
は画素毎に発光を制御する必要がある。このために、図
８に示す画像表示装置においては第１ゲートライン１０
３に加えて第２ゲートライン１０５が設けられているの
である。第１ゲートライン１０３と第２ゲートライン１
０５とは図９に示すように直交するよう形成されてい
る。さらに、その交差部にエミッタ１０６が設けられる
ようにされている。第１ゲートライン１０３と第２ゲー
トライン１０５とはこのように構成されているため、交
差部にマトリクス状に設けられたエミッタ１０６を順次
１つずつ制御して、その電子の放出を制御することが出
来る。

【０００８】すなわち、各エミッタ１０６を画素の単位
として発光の制御をすることにより、アノード１０８に
画像を表示することが出来るようになる。この場合、第
１ゲートライン１０３は順序パルスにより順次駆動する
ようにし、第２ゲートライン１０５には画像データを印
加するようにすれば良い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すＦＥＣにおける電子の放出角度は、一般にエミッタ
コーンとゲートとの相対位置関係、ゲート印加電圧及び
エミッタの先端曲率半径によって変化し、この場合、第
２ゲートライン１０５の電界が第１ゲートライン１０３
に大きく影響し、集束性を上げようとすると各ＦＥＣの
取り出し電流値が減少し発光に充分なアノード電流が得
られず、逆にエミッション電流を充分取り出そうとする
と集束性が損なわれ、ほとんど集束されない状態になり
適当な点での妥協が必要とされるため、従来のＦＥＣを
用いた画像表示装置においては高精細及び輝度に限界が
生じていた。

【００１０】また図８の場合、ＦＥＣの高密度化が制限
され、各ゲートライン間のクロストーク等により集束性
にかえって変動範囲が持ち込まれると共に、製作プロセ
スの複雑化のため現実的でない。また、アノードを分割
して順次選択する手段を採用すると、駆動回路が複雑と
なると共に、アノード電圧が高いことからアノード駆動
回路に高耐圧のドライバー回路が必要になるという問題
点があった。そこで、本発明はアノード・カソード間の
耐圧を低下することなく、エミッタから放出される電子
の広がりを防止できる電界放出カソードを提供すること
を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放出カソードはゲート電極の上にエミ
ッタから放出された電子を集束する集束電極を一体に形
成するようにしたものである。さらに、電子の集束度お
よび取り出し電流値を向上するために集束電極の径をゲ
ート電極の径の略１．２〜２倍にするようにしたもので
ある。

【００１２】

【作用】本発明の集束電極を有する電界放出カソードに
よれば、エミッタから放出された電子の広がりを集束電
極の径程度に押さえられるため、アノード電極をカソー
ド電極に近づける必要がなくなる。このため、アノード
・カソード間の耐電圧を低下させることなくクロストー
クを防止できる。従って、本発明の集束電極を有する電
界放出カソードを画像表示装置に用いると、高精細かつ
高輝度の画像を、アノード電極を分割することなく得る
ことが出来るようになる。

【００１３】

【実施例】本発明の集束電極を有する電界放出カソード
の断面図を図１に示す。この図において、ガラス等の基
板１の上にカソード電極２の導体がスパッタにより形成
され、このカソード電極２の一部あるいは全部の上に抵
抗層３が形成されている。この抵抗層３の上には第１絶
縁層４及びゲート電極５がスパッタ等により形成され、
さらにその上に第２絶縁層６及び集束電極７がスパッタ
等により形成されている。

【００１４】また、第１絶縁層４及びゲート電極５に作
製された開口部の中にはコーン状のエミッタ８が形成さ
れている。そして、第２絶縁層６と集束電極７にも開口
部が作製されており、エミッタ８から放出された電子は
この開口部を通って上方へ放出されるようにされてい
る。この第２絶縁層６と集束電極７に作製された開口部
の径は、図示するようにエミッタ８が形成されている開
口部の径より一回り大きく作製されている。次に、この
集束電極を有するＦＥＣの製造過程を図２及び図３を用
いて説明する。

【００１５】図２（ａ）において、ガラス等の基板１の
上にスパッタ法によりカソード電極２の導体膜を成膜
し、さらに均一な抵抗層３をカソード電極２上に形成す
る。この抵抗層３の上には第１絶縁層４とゲート電極５
の導体膜及び第２絶縁層と集束電極７の導体膜とを積層
する。なお、第１絶縁層４と第２絶縁層６とはスパッタ
法あるいはＳｉＨ₄ とＮ₂ Ｏをガス種として使用してプ
ラズマＣＶＤ法により作製したＳｉＯ₂ 膜により成膜さ
れている。この第１絶縁層４の厚さは例えば約１．０ミ
クロンとされ、第２絶縁層６の厚さは例えば約０．５ミ
クロンとされている。

【００１６】また、ゲート電極５の導体膜の材料として
Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ等を使用して、この材料をスパッ
タ法等により例えば約０．４ミクロンの厚さで第１絶縁
層４の上に成膜する。そして、集束電極７の導体膜はゲ
ート電極５の材料と同じ材料を使用して、スパッタ法等
により例えば約０．４ミクロンの厚さで第２絶縁層６の
上に形成されている。さらに、集束電極７の上にはレジ
スト層９が塗布されフォトリソグラフィ法およびエッチ
ング法により、集束電極７の導体層及び第２絶縁層６に
開口部１０が形成されている。集束電極７にはＳＦ₆ 等
を用いてドライエッチングにより開口部１０が形成さ
れ、第２絶縁層７にはバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で
ウエットエッチングにより開口部１０が形成されるかあ
るいはＣＨＦ₃ 等のガスを用いて反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）により形成されている。

【００１７】このとき、開口部１０の底部にはエッチン
グの選択性によりゲート電極５の導体の表面が露出され
る。次に、プラズマＣＶＤ法等により、剥離層１１を集
束電極７の表面及び開口部１０の底部及び周囲に同図
（ｂ）に示すように形成する。この剥離層１１は集束電
極７の開口縁部にも形成されるため、開口部１２は開口
部１０の径を縮小した開口径の開口部１２となる。例え
ば、ゲート電極５に１．０ミクロンの開口を設ける時
は、開口部１２の径を若干１．０ミクロンより小さくな
るよう剥離層１１の膜厚を決定する。また、剥離層１１
は開口部１２の底部には他の部分より薄い剥離層１１と
して形成される。この剥離層１１の材料としてはアモル
ファスシリコン、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ等が用いられる。

【００１８】剥離層１１を形成した後、エッチングする
ことにより同図（ｃ）に示すようにゲート電極５及び第
１絶縁層４に径の小さい開口部１２を形成する。この開
口部１２の形成は次のように行う。剥離層１１をアモル
ファスシリコンで形成した場合は、ＫＯＨまたは弗硝酸
でウエットエッチングによりゲート電極５上の薄い膜の
剥離層１１を除去して、ゲート電極５を露出する。そし
て、剥離層１１をエッチングマスクとしてＳＦ₆ 等のガ
スを用いてドライエッチングによりゲート電極５に開口
部１２を形成する。次に、ＳｉＯ₂ で作製された第１絶
縁層４をＢＨＦでウエットエッチングあるいはＣＨＦ₃
等のガスを用いてＲＩＥでドライエッチングにより抵抗
層３が露出するまでエッチングを行うことにより開口部
１２は形成される。

【００１９】また、抵抗領域を抵抗層３に変えてエミッ
タ８の台座部に設ける場合は、この段階でゲート開口部
１２をマスクとして蒸着等により抵抗領域をカソード電
極２上に形成すればよい。次に、図３（ａ）に示すよう
に剥離層１１の上からモリブデン（Ｍｏ）等のエミッタ
材料を電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）等により、基板１に
対し垂直方向から正蒸着を行う。すると、エミッタ材料
層１３が剥離層１１の上に形成されるに伴い、開口部１
２内の抵抗層３上にコーン状のエミッタ８が形成され
る。

【００２０】そして、剥離層１１がアモルファスシリコ
ンで形成されている場合は、基板１をＫＯＨあるいは弗
硝酸中に浸し、剥離層１１と共にエミッタ材料層１３を
共に除去する。これにより、同図（ｂ）に示すような集
束電極を有するＦＥＣを得ることができる。この基板１
上には数万から数１０万個のエミッタが同時に作製され
てＦＥＣ素子とされる。

【００２１】次に、集束電極７に設けた開口部１０の径
をゲート電極５に設けた開口部１２の径より小さくする
理由を説明する。集束電極７の開口部の径Ｄ₂ とゲート
電極５の開口部の径Ｄ₁ とを同じ１．０ミクロンとした
場合に、エミッタ８から放出される電子の軌道のシミュ
レーションを図４に示す。この図には開口部の中心軸で
裁断した半分が示されており、この図を見ると、エミッ
タ８から放出された電子の多くが集束電極７とゲート電
極５との間の第２絶縁層６方向に放出され、これらの電
子は集束電極７等に捕らえられて無効電流となる。ま
た、エミッタ８から放出された電子の一部は集束電極７
により軌道が曲げられ上方に向かうようになるが、その
一部は図示するように斜め方向に向かうようになり、ク
ロストークの原因となる。

【００２２】次に、集束電極７の開口部の径Ｄ₂ をゲー
ト電極５の開口部の径Ｄ₁ の１．２倍の１．２ミクロン
とした場合に、エミッタ８から放出される電子の軌跡の
シミュレーションを図５に示す。この図にも開口部の中
心軸で裁断した半分が示されており、この図を見ると、
図４に示す場合に比較して無効電流が少し減少してお
り、さらに集束電極７により上方に向かうようにされる
電子が多くなっている。また、斜め方向に向かう電子が
ないためクロストークは発生しないようになる。

【００２３】次に、集束電極７の開口部の径Ｄ₂ をゲー
ト電極５の開口部の径Ｄ₁ の２倍の２ミクロンとした場
合に、エミッタ８から放出される電子の軌跡のシミュレ
ーションを図６に示す。この図にも開口部の中心軸で裁
断した半分が示されており、この図を見ると、図４に示
す場合に比較して無効電流がかなり減少しており、エミ
ッタ８から放出される電子のほとんどが集束電極７によ
り上方に向かうようにされる。また、斜め方向に向かう
電子が僅少なためクロストークはほとんど発生しない。

【００２４】次に、集束電極７の開口部の径Ｄ₂ をゲー
ト電極５の開口部の径Ｄ₁ の３倍の３ミクロンとした場
合に、エミッタ８から放出される電子の軌跡のシミュレ
ーションを図７に示す。この図にも開口部の中心軸で裁
断した半分が示されており、この図を見ると、図４に示
す場合に比較して無効電流がかなり減少しているが、エ
ミッタ８から放出される電子のうち集束電極７により上
方に向かうようにされる電子に混じってかなりの電子が
斜め方向に向かうようになる。このため、斜め方向に向
かう電子によってクロストークが発生するようになる。

【００２５】このように、集束電極７の径Ｄ₂ のゲート
電極５の径Ｄ₁ にたいする条件を変えると、エミッタ８
から放出された電子の軌跡がかなり変化し、径Ｄ₂ が径
Ｄ₁の１．２倍から２倍に設定した時に無効電流が少な
くなると共に、クロストークが発生しない良好な特性が
得られることが分かる。なお、集束電極７とゲート電極
５との距離を変化させてもエミッタ８から放出された電
子の軌跡が変化することから、この距離も変えるように
して無効電流をより減らし、より多くの電子を集束電極
７により上方に向かわせるようにしてもよい。

【００２６】ところで、エミッタとカソードとの間に抵
抗を設ける理由は次の通りである。一般的なＦＥＣにお
いてはコーン上のエミッタの先端とゲートとの距離がサ
ブミクロンという極めて短い距離とされていると共に、
数万個のエミッタが一枚の基板上に設けられるため、製
造の過程において塵埃等によりエミッタとゲートとが短
絡してしまうことがある。ゲートとエミッタとのひとつ
でも短絡していると、カソードとゲートとが短絡したこ
とになるため、すべてのエミッタに電圧が印加されなく
なり動作不能のＦＥＣとなってしまう欠点があった。

【００２７】また、ＦＥＣの初期の動作時に局部的な脱
ガスが生じ、このガスによりエミッタとゲートあるいは
アノード間が放電を起こすことがあり、このため大電流
がカソードに流れてカソードを破壊することがあった。
さらに、多数のエミッタのうち電子の放出しやすいエミ
ッタから集中して電子が放出されやすいため、そのエミ
ッタに電流が集中することになり、画面上に異状に明る
いスポットが発生することがあった。これらの欠点を防
ぐために、エミッタの下全面あるいは直下のみに抵抗を
設けるようにしている。

【００２８】すなわち、図１に示すように抵抗層３の上
にエミッタ８を形成すると、エミッタ８の放出電子が多
くなると、電流に応じて抵抗層３に電圧降下が生じるた
めに、エミッタ８とゲート電極５間の印加電圧が低下
し、エミッタ８の電子放出を抑制する方向になり、エミ
ッタ８の電子放出の暴走を食い止めることによってエミ
ッタ８の破壊が抑えられる。さらに、あるエミッタに電
流が集中した場合はそのエミッタの下に設けられている
抵抗層３の電圧降下が大きくなるため、そのエミッタ電
位が上昇し、このためゲート・エミッタ間の電圧が下降
し、電流の集中を防止することができるようになる。し
たがって、抵抗をエミッタとカソードとの間に設けるこ
とにより、ＦＥＣの製造上の歩留りを向上させることが
できたり、安定な動作を行わせたりすることができるよ
うになるのである。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているた
め、本発明の集束電極を有する電界放出カソードによれ
ば、エミッタから放出された電子の広がりを集束電極の
径程度に押さえることができるため、アノード電極をカ
ソード電極に近づける必要がなくなる。このため、アノ
ード・カソード間の耐電圧が低下させることなくクロス
トークを防止することができる。従って、本発明の集束
電極を有する電界放出カソードを画像表示装置に用いる
と、高精細かつ高輝度の画像をアノード電極を分割する
ことなく得ることが出来るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の集束電極を有する電界放出カソードの
断面を示す図である。

【図２】本発明の集束電極を有する電界放出カソードを
製造する過程の一部を示す図である。

【図３】本発明の集束電極を有する電界放出カソードを
製造する過程の一部を示す図である。

【図４】集束電極の径とゲート電極との径が等しい時の
電子の軌跡のシミュレーションを示す図である。

【図５】集束電極の径がゲート電極の径の１．２倍の時
の電子の軌跡のシミュレーションを示す図である。

【図６】集束電極の径がゲート電極の径の２倍の時の電
子の軌跡のシミュレーションを示す図である。

【図７】集束電極の径がゲート電極の径の３倍の時の電
子の軌跡のシミュレーションを示す図である。

【図８】従来の電界放出カソードを用いた表示装置の断
面を示す図である。

【図９】従来の電界放出カソードを用いた表示装置の上
面図である。

【符号の説明】

１基板２カソード電極３抵抗層４，１０２第１絶縁層５ゲート電極６，１０４第２絶縁層７集束電極８，１０６エミッタ９レジスト層１０，１２開口部１１剥離層１３エミッタ材料層１０１シリコン基板１０３第１ゲートライン１０５第２ゲートライン１０７蛍光体１０８アノード１０９開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大津和佳千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内 (72)発明者新山剛宏千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に形成されたカソード電極と、該カソード電極の上に、第１の絶縁層を介して形成され
たゲート電極と、該ゲート電極の上に、第２の絶縁層を介して形成された
集束電極と、上記第１の絶縁層と上記ゲート電極とに設けられた第１
の開口部と、該第１の開口部と同軸の中心を有する、上記第２の絶縁
層と上記集束電極とに設けられた第２の開口部と、上記第１の開口部内であって、かつ、上記カソード電極
上に形成されたエミッタとを備え、上記第２の開口部の径を上記第１の開口部の径に対し
て、略１．２〜２倍としたことを特徴とする集束電極を
有する電界放出カソード。
【請求項２】上記カソード電極の上に形成した抵抗層を
備え、該抵抗層の上に上記エミッタを形成することを特徴とす
る請求項１記載の集束電極を有する電界放出カソード。
【請求項３】上記抵抗層がエミッタの直下にのみ形成さ
れていることを特徴とする請求項２記載の集束電極を有
する電界放出カソード。
【請求項４】上記基板上に上記エミッタを多数形成する
ようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の集束電極を有する電界放出カソード。
【請求項５】上記集束電極が、上記カソード基板上のエ
ミッタすべてに共通の一定電圧を印加できる単一または
複数の電極を持つことを特徴とする請求項１ないし４の
いずれかに記載の電界放出カソード。
【請求項６】基板の上にカソード電極、第１絶縁層、ゲ
ート電極、第２絶縁層、及び集束電極を順次積層し、該
集束電極の上に形成したレジスト層を用いて、上記集束
電極及び上記第２絶縁層に第１の開口部をエッチングに
より形成した後、該第１の開口部の底部及び周囲と上記
集束電極上に剥離層を形成し、次に、上記第１の開口部
内の底部の上記剥離層を除去した後に上記剥離層をエッ
チングマスクとして上記ゲート電極及び上記第１絶縁層
に縮小した径の第２の開口部をエッチングにより作製
し、次に、該第２の開口部内にコーン状のエミッタを形
成するようにしたことを特徴とする集束電極を有する電
界放出カソードの製造方法。
【請求項７】上記カソード電極の上に形成した抵抗層を
備え、該抵抗層の上に上記エミッタを形成することを特
徴とする請求項６記載の集束電極を有する電界放出カソ
ードの製造方法。
【請求項８】上記抵抗層がエミッタの直下にのみ形成さ
れていることを特徴とする請求項７記載の集束電極を有
する電界放出カソードの製造方法。
【請求項９】上記基板上に上記エミッタを多数形成する
ようにしたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれ
かに記載の集束電極を有する電界放出カソードの製造方
法。
【請求項１０】上記集束電極が、上記カソード基板上の
エミッタすべてに共通の一定電圧を印加できる単一また
は複数の電極を形成することを特徴とする請求項６ない
し９に記載の電界放出カソード製造方法。