JPH08329833A - Electron emitting element - Google Patents

Electron emitting element

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JPH08329833A
JPH08329833A JP15678995A JP15678995A JPH08329833A JP H08329833 A JPH08329833 A JP H08329833A JP 15678995 A JP15678995 A JP 15678995A JP 15678995 A JP15678995 A JP 15678995A JP H08329833 A JPH08329833 A JP H08329833A
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JP
Japan
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emitter
layer
electron
gate
emitting device
Prior art date
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Pending
Application number
JP15678995A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Hoshino
昭裕 星野
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Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Printing Co Ltd
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Publication date
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE: To return the excessively heightened electron emission energy density into the design range by a self-control process when the emitter of an electron emitting element furnished with a disc-form emitter emits electrons with an energy density exceeding the design range. CONSTITUTION: A substrate 1, emitter wiring layer 2, insulating layer 3, and gate 4 are laminated one over another, wherein the gate 4 and insulative layer 3 are provided with an opening A attaining the emitter wiring layer 2, and on the layer 2 within the hole A, an emitter underlay layer 5 and an emitter 6 are installed in such a way that the gate 4 is not touched and that the peripheral part 6c of the emitter 6 protrudes toward the gate 4 from the underlay layer 5. Thus an electron emitting electrode of field emission type is accomplished, wherein the emitter 6 is composed of an emitter under-layer 6a and over-layer 6b, and the under-layer 6a is made of material having a smaller coefficient of thermal expansion that the over-layer 6b.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、強電界によって電子を
放出する電界放射型の電子放出素子に関する。より詳し
くは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置な
どの電子発生源や電子銃として、あるいは照明ランプの
超小型照明源として、特に、平面ディスプレイを構成す
るアレイ状のFEA(Field Emitter Array)の電子発生
源として有用な電子放出素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron-emitting device which emits electrons by a strong electric field. More specifically, an FEA (Field Emitter Array) in the form of an array, which constitutes a flat display, as an electron generator or electron gun for an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure device, or the like, or as an ultra-small illumination source for an illumination lamp The present invention relates to an electron-emitting device useful as an electron source.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy in order to emit thermoelectrons from the cathode of an electron gun, and has a large structure. There was a problem such as requiring a volume.

【0003】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。
For this reason, there has been a demand for a flat-panel display in which cold electrons, rather than hot electrons, can be used to reduce energy consumption as a whole and the device itself is miniaturized. It is also strongly required to realize high-speed response and high resolution in such a flat panel display.

【0004】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されてい
る。そして、そのために使用する電子放出素子として、
電界放射現象を利用した電界放射型の電子放出素子が注
目されている。
As a structure of such a flat-type display utilizing cold electrons, it is considered promising to arrange minute electron-emitting devices in an array in a high vacuum flat plate cell. And as an electron-emitting device used for that,
A field emission type electron-emitting device utilizing the field emission phenomenon has been attracting attention.

【0005】電界放射型の電子放出素子は、物質に印加
する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面
のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が10
7V/cm以上の強電界となると、物質中の電子がトン
ネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるように
なり、そのため物質から電子が放出されるという現象を
利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に
従うために、電子を放出する部材(エミッタ電極)に電
界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電
圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。
In the field emission type electron-emitting device, when the intensity of the electric field applied to the substance is increased, the width of the energy barrier on the surface of the substance is gradually narrowed according to the intensity, and the electric field intensity is 10%.
When a strong electric field of 7 V / cm or more is reached, electrons in the substance can break through the energy barrier due to the tunnel effect, so that the substance emits electrons. In this case, since the electric field follows Poisson's equation, if a portion where the electric field is concentrated is formed in a member (emitter electrode) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.

【0006】このような電界放射型の電子放出素子の一
般的なものとしては、図5に示すように、先端が尖った
コーン型エミッタを備えた電子放出素子を例示すること
ができる(J.Applied physics,Vol.39,No.7,3504-3505(1
968), 特開昭61-221783号公報等)。この素子において
は、絶縁性基板51、エミッタ配線層52、絶縁層53
及びゲート54が順次積層されており、その絶縁層53
及びゲート54には、エミッタ配線層52に達する開口
部Aが形成されている。そして、その開口部A内のエミ
ッタ配線層52上には、少なくともゲート54に接触し
ないように、点状突起Poを有する円錐形状のエミッタ
55(コーン型エミッタ)が形成されている。この場
合、電子放出効率を更に向上させるために、ゲート54
の表面が、コーン型エミッタ55の点状突起Poより高
い位置にくるようになっている。このような電子放出素
子においては、コーン型エミッタ55に印加された電圧
は、その点状突起Poに効率よく集中するので、比較的
低い印加電圧で冷電子を放出することができる。
As a general example of such a field emission type electron-emitting device, as shown in FIG. 5, an electron-emitting device having a cone-shaped emitter with a pointed tip can be exemplified (J. Applied physics, Vol.39, No.7,3504-3505 (1
968), Japanese Patent Laid-Open No. 61-221783, etc.). In this element, the insulating substrate 51, the emitter wiring layer 52, the insulating layer 53
And the gate 54 are sequentially stacked, and the insulating layer 53 is formed.
An opening A reaching the emitter wiring layer 52 is formed in the gate 54. Then, on the emitter wiring layer 52 in the opening A, a cone-shaped emitter 55 (cone-type emitter) having point projections Po is formed so as not to contact at least the gate 54. In this case, in order to further improve the electron emission efficiency, the gate 54
The surface of the cone-shaped emitter 55 is located at a position higher than the point-like projection Po of the emitter 55. In such an electron-emitting device, the voltage applied to the cone-type emitter 55 is efficiently concentrated on the point-like projections Po, so that cold electrons can be emitted at a relatively low applied voltage.

【0007】しかしながら、図5に示すようなコーン型
エミッタ55を有する電子放出素子を大面積の平面型デ
ィスプレイに使用するFEAに応用しようとした場合、
径1μm以下の開口部Aの中に、数十〜数百nm以下の
曲率半径の点状突起Poを有する多数のエミッタ55
を、ゲート54との相対的位置関係を一定に保持したま
まバラツキなく均一に形成することが望まれるが、実際
上、そのように形成することは非常に困難であるという
問題がある。
However, when an electron-emitting device having a cone type emitter 55 as shown in FIG. 5 is applied to an FEA used for a large area flat display,
A large number of emitters 55 having point projections Po having a radius of curvature of several tens to several hundreds nm or less in the opening A having a diameter of 1 μm or less.
Is desired to be formed uniformly without variation while keeping the relative positional relationship with the gate 54 constant, but in practice, there is a problem that such formation is extremely difficult.

【0008】このため、図6に示すように、エミッタを
コーン型形状とせずに、均一加工性の良好なディスク型
のエミッタ56(ディスク型エミッタ)とすることが提
案されている。このディスク型エミッタ56において
は、エミッタ表面56aとエミッタ周面56bとの境界
線であるディスク型エミッタ56の輪線状の周縁Peに
電界が集中し、そこから冷電子が放出される。なお、デ
ィスク型エミッタ56とエミッタ配線層52との間に
は、エミッタ下地層57を形成しておくことが一般的に
行なわれている。この場合、ディスク型エミッタ56の
周縁Peに電界が集中しやすくなるように、ディスク型
エミッタ56の周縁部56cがエミッタ下地層57より
もゲート54側に突き出るように加工されている。
For this reason, as shown in FIG. 6, it has been proposed to use a disk-type emitter 56 (disk-type emitter) having good uniform workability, instead of having a cone-type emitter. In this disc-type emitter 56, an electric field is concentrated on the ring-shaped peripheral edge Pe of the disc-type emitter 56 which is a boundary line between the emitter surface 56a and the emitter peripheral surface 56b, and cold electrons are emitted from the electric field. An emitter underlayer 57 is generally formed between the disc-type emitter 56 and the emitter wiring layer 52. In this case, the peripheral edge portion 56c of the disk-shaped emitter 56 is processed so as to protrude toward the gate 54 side from the emitter base layer 57 so that the electric field is easily concentrated on the peripheral edge Pe of the disk-shaped emitter 56.

【0009】このようなディスク型エミッタ56を有す
る電子放出素子は、以下に説明するように製造されてい
る。
An electron-emitting device having such a disk-type emitter 56 is manufactured as described below.

【0010】即ち、ガラス基板などの絶縁性基板51上
に、Cr膜などのエミッタ配線層用材料薄膜を形成し、
フォトリソグラフィー法等によりパターニングしてエミ
ッタ配線層52を形成する。その上に、更に、Al膜な
どのエミッタ下地層用材料薄膜57´、及びCr膜など
のエミッタ用材料薄膜56´を連続的に成膜する。その
上に更に、レジスト材料を塗布しパターニングし、リフ
トオフ材としても機能するレジスト層58を形成する
(図7(a))。
That is, an emitter wiring layer material thin film such as a Cr film is formed on an insulating substrate 51 such as a glass substrate,
The emitter wiring layer 52 is formed by patterning by photolithography or the like. Further, an emitter underlayer material thin film 57 'such as an Al film and an emitter material thin film 56' such as a Cr film are continuously formed thereon. Further, a resist material is applied and patterned to form a resist layer 58 which also functions as a lift-off material (FIG. 7A).

【0011】次に、前記レジスト層58をエッチングマ
スクとして用いて、エミッタ用材料薄膜56´とエミッ
タ下地層用材料薄膜57´とを順次エッチングし、エミ
ッタ下地層57とエミッタ56とを形成する。このと
き、エミッタ56の周縁部56cが、エミッタ下地層5
7よりも基板の平面方向にオーバーハングした状態とな
る(図7(b))。
Then, using the resist layer 58 as an etching mask, the emitter material thin film 56 'and the emitter underlayer material thin film 57' are sequentially etched to form the emitter underlayer 57 and the emitter 56. At this time, the peripheral edge portion 56c of the emitter 56 is covered by the emitter base layer 5
7 is more overhanged in the plane direction of the substrate than that in FIG. 7 (FIG. 7B).

【0012】次に、全面にSiO2などの絶縁層用材
料、続いてCr膜などのゲート用材料を基板51の垂直
方向から順次蒸着し、エミッタ56の周囲に絶縁層53
及びゲート54を順次形成する(図7(c))。
Next, an insulating layer material such as SiO 2 and a gate material such as a Cr film are sequentially deposited on the entire surface in the vertical direction of the substrate 51, and the insulating layer 53 is formed around the emitter 56.
And the gate 54 are sequentially formed (FIG. 7C).

【0013】次に、レジスト層58を、その上の絶縁層
用材料層53´とゲート用材料層54´とともに剥離除
去する。これにより、図7(d)に示すディスク型エミ
ッタ56を備えた電子放出素子が得られる。
Next, the resist layer 58 is peeled and removed together with the insulating layer material layer 53 'and the gate material layer 54' thereon. As a result, an electron-emitting device including the disc-type emitter 56 shown in FIG. 7D is obtained.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6に
示したディスク型エミッタを備えた電子放出素子の場
合、前述したように、大面積の共通基板上に複数の素子
を均一に作製することはコーン型エミッタを備えた電子
放出素子に比べて容易であるが、実用的なレベルで均一
に作製することは未だ十分ではないという問題がある。
そのため、すべての素子から電子が均一に放射されず、
一部の素子が意図したエネルギー密度範囲(設計範囲)
を超えるエネルギー密度で電子を定常的に放出する傾向
がある。従って、このような不良な素子を含む多数の電
子放出素子から構成された平面ディスプレイは、画像解
像度や画像品質の点で不十分であるという問題がある。
However, in the case of the electron-emitting device having the disk-type emitter shown in FIG. 6, as described above, it is difficult to uniformly manufacture a plurality of devices on a large-area common substrate. Although it is easier than an electron-emitting device provided with a cone-type emitter, there is a problem that it is not sufficient to make it uniformly at a practical level.
Therefore, electrons are not uniformly emitted from all the elements,
Energy density range (design range) intended by some devices
There is a tendency to constantly emit electrons at energy densities above. Therefore, there is a problem in that the flat display composed of a large number of electron-emitting devices including such defective devices is insufficient in terms of image resolution and image quality.

【0015】本発明は、以上の従来技術の課題を解決し
ようとするものであり、ディスク型エミッタを備えた電
子放出素子に対し、設計範囲を超えるエネルギー密度で
電子を放出した場合に、その過度に高まった電子放出エ
ネルギー密度が設計範囲内に自己制御的に復帰するよう
な構造を付与することを目的とする。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the prior art, and when an electron-emitting device provided with a disk-type emitter emits electrons at an energy density exceeding the design range, it is excessive. The purpose of the present invention is to provide a structure in which the electron emission energy density increased to within the design range is returned to the design range in a self-controlled manner.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明者は、(1)エミ
ッタとゲートとの距離が離れると、エミッタの周縁の電
界強度が減少して電子放出エネルギー密度が低下すると
いう現象があること、(2)従って、設計範囲を超える
エネルギー密度で電子を放出するエミッタがゲートから
離れるようにすれば、高すぎる電子放出エネルギー密度
を設計範囲内に復帰させられること、(3)そしてその
ためには、エミッタの構造を、設計範囲を超えるエネル
ギー密度で電子を放出して熱を帯びたエミッタの周縁が
ゲートから離れるように変形するバイメタル様構造とす
ればよいことを見出し、本発明を完成させるに至った。
Means for Solving the Problems The present inventor has (1) the phenomenon that when the distance between the emitter and the gate is increased, the electric field strength at the periphery of the emitter is decreased and the electron emission energy density is decreased. (2) Therefore, if the emitter that emits electrons at an energy density exceeding the design range is separated from the gate, the too high electron emission energy density can be returned to within the design range, and (3) and for that, The inventors have found that the structure of the emitter should be a bimetal-like structure in which electrons are emitted at an energy density exceeding the design range and the peripheral edge of the heated emitter is deformed away from the gate, and the present invention has been completed. It was

【0017】即ち、本発明は、基板、エミッタ配線層、
絶縁層及びゲートが順次積層され、該ゲート電極と絶縁
層とには該エミッタ配線層に達する開孔部が設けられ、
その開孔部内の該エミッタ配線層上に、エミッタ下地層
とエミッタとがゲートに接触しないように且つエミッタ
の周縁部がエミッタ下地層よりもゲート側に突き出るよ
うに順次設けられている電界放射型の電子放出素子にお
いて、エミッタがエミッタ下層とエミッタ上層とから構
成されており、且つエミッタ下層がエミッタ上層に比べ
て小さい熱膨脹率を示すことを特徴とする電子放出素子
を提供する。
That is, the present invention provides a substrate, an emitter wiring layer,
An insulating layer and a gate are sequentially stacked, and an opening reaching the emitter wiring layer is provided in the gate electrode and the insulating layer,
A field emission type sequentially provided on the emitter wiring layer in the opening so that the emitter underlayer and the emitter do not contact the gate and the peripheral edge of the emitter projects toward the gate side from the emitter underlayer. In the electron-emitting device, the emitter is composed of an emitter lower layer and an emitter upper layer, and the emitter lower layer has a smaller coefficient of thermal expansion than the emitter upper layer.

【0018】以下、本発明を図面を参照しつつ詳細に説
明する。
The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0019】図1は本発明の電子放出素子の断面図であ
る。同図に示されるように、本発明の電子放出素子にお
いては、基板1、エミッタ配線層2、絶縁層3及びゲー
ト4が順次積層され、ゲート4と絶縁層3とにはエミッ
タ配線層2に達する開孔部Aが設けられ、その開孔部A
内のエミッタ配線層2にエミッタ下地層5が設けられ、
そのエミッタ下地層5の上に、エミッタ下層6aとエミ
ッタ上層6bとからなるエミッタ6がゲート4に接触し
ないように且つエミッタ6の周縁部6cがエミッタ下地
層5よりもゲート4側に突き出るように順次設けられて
いる。ここで、エミッタ下層6aとしては、エミッタ上
層6bよりも熱膨脹率が小さい材料から形成されてい
る。従って、設計範囲を超えるエネルギー密度で電子を
放出して熱を帯びたエミッタ6は、その周縁部6cがゲ
ート4から離れるように基板1に向かって湾曲し(図
2)、そのためエミッタ6の周縁Peの電界強度が減少
して電子放出エネルギー密度が低下し、電子放出エネル
ギー密度が設計範囲内に自己制御的に復帰するようにな
る。
FIG. 1 is a sectional view of the electron-emitting device of the present invention. As shown in the figure, in the electron-emitting device of the present invention, the substrate 1, the emitter wiring layer 2, the insulating layer 3 and the gate 4 are sequentially stacked, and the gate wiring 4 and the insulating layer 3 are formed on the emitter wiring layer 2. Aperture A reaching is provided, and the aperture A
An emitter underlayer 5 is provided on the inside of the emitter wiring layer 2,
On the emitter underlayer 5, the emitter 6 composed of the emitter lower layer 6a and the emitter upper layer 6b is prevented from coming into contact with the gate 4, and the peripheral edge portion 6c of the emitter 6 is projected toward the gate 4 side from the emitter underlayer 5. They are provided in sequence. Here, the emitter lower layer 6a is formed of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the emitter upper layer 6b. Therefore, the emitter 6 heated by emitting electrons with an energy density exceeding the design range is curved toward the substrate 1 so that the peripheral edge portion 6c thereof is separated from the gate 4 (FIG. 2), and therefore the peripheral edge of the emitter 6 is curved. The electric field intensity of Pe is reduced, the electron emission energy density is reduced, and the electron emission energy density is restored within the design range in a self-controlled manner.

【0020】本発明において基板1は、電子放出素子の
支持基板として用いられており、大面積化が特に容易な
絶縁性基板を好ましく使用することができる。このよう
な絶縁性基板としては、石英基板、セラミックス基板、
ガラス基板などを使用することができる。なお、単結晶
Siの表面に絶縁膜が形成された基板も使用することも
できる。
In the present invention, the substrate 1 is used as a supporting substrate for an electron-emitting device, and an insulating substrate whose area can be easily enlarged can be preferably used. As such an insulating substrate, a quartz substrate, a ceramic substrate,
A glass substrate or the like can be used. Note that a substrate having an insulating film formed on the surface of single crystal Si can also be used.

【0021】エミッタ配線層2は、配線抵抗が低く、基
板1との密着性が良好な材料から形成する。更に、後述
するエミッタ6の形成の際に利用するRIE条件に耐性
が高い材料から形成する。これは、エミッタ配線層2を
エミッタ形成時のエッチングストッパーとして機能させ
るためである。このような金属材料として、特に好まし
くはCr又はAl/Cr合金を挙げることができる。
The emitter wiring layer 2 is formed of a material having a low wiring resistance and a good adhesion with the substrate 1. Further, it is formed from a material having high resistance to the RIE condition used when forming the emitter 6 described later. This is to cause the emitter wiring layer 2 to function as an etching stopper when forming the emitter. As such a metal material, Cr or Al / Cr alloy can be particularly preferably cited.

【0022】エミッタ配線層2の膜厚としては、十分な
配線抵抗と密着性が得られる限り特に制限はないが、通
常0.05〜0.5μm、好ましくは0.1〜0.3μ
mとする。
The thickness of the emitter wiring layer 2 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but it is usually 0.05 to 0.5 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm.
m.

【0023】絶縁層3は、エミッタ配線層2とゲート4
とを電気的に絶縁するための層である。このような絶縁
層3としては、電子放出素子の絶縁層として用いられて
いる公知の材料から形成することができるが、良好な絶
縁性を示し、しかも異方性蒸着法で形成できる酸化シリ
コン膜を挙げることができる。
The insulating layer 3 includes the emitter wiring layer 2 and the gate 4.
It is a layer for electrically insulating and. Such an insulating layer 3 can be formed of a known material used as an insulating layer of an electron-emitting device, but it has a good insulating property and can be formed by an anisotropic vapor deposition method. Can be mentioned.

【0024】絶縁層3の厚みとしては、エミッタ配線層
2とゲート4との間に十分な絶縁性が保たれればよく、
例えば、0.2〜2μm、好ましくは0.3〜0.7μ
mとする。
With respect to the thickness of the insulating layer 3, it suffices that a sufficient insulating property is maintained between the emitter wiring layer 2 and the gate 4.
For example, 0.2 to 2 μm, preferably 0.3 to 0.7 μm
m.

【0025】ゲート4は、後述するエミッタ6に強電界
を集中させるための電極である。ゲート4の材料として
は、耐電流性の点から高融点金属を使用することがで
き、好ましくはCr、W、Ta又はNbを挙げることが
できる。中でも、Crを使用することが好ましい。
The gate 4 is an electrode for concentrating a strong electric field on an emitter 6 described later. As the material of the gate 4, a refractory metal can be used from the viewpoint of current resistance, and preferably Cr, W, Ta or Nb can be mentioned. Above all, it is preferable to use Cr.

【0026】ゲート4の厚みは、必要に応じて適宜決定
することができるが、0.1〜0.5μmとする。
The thickness of the gate 4 can be appropriately determined according to need, but is 0.1 to 0.5 μm.

【0027】エミッタ下地層5は、その上に形成される
エミッタ6の周縁部6cに電界が集中しやすくなるよう
にし且つエミッタ配線層2とエミッタ6との導通を取る
ための層である。この場合、エミッタ6の周縁部6cに
電界が集中しやすくするために、エミッタ下地層5の基
板1の平面方向の幅T1がエミッタ6の幅T0よりも小さ
くなっている。
The emitter base layer 5 is a layer for facilitating the concentration of an electric field on the peripheral portion 6c of the emitter 6 formed thereon and for establishing electrical continuity between the emitter wiring layer 2 and the emitter 6. In this case, the width T1 of the emitter underlayer 5 in the planar direction of the substrate 1 is smaller than the width T0 of the emitter 6 in order to easily concentrate the electric field on the peripheral portion 6c of the emitter 6.

【0028】エミッタ下地層5をこのような形状とする
ためには、エミッタ下地層5をエッチングにより形成す
る際のエッチレートが、そのエッチング条件下における
エミッタ6のエッチレートに比べ著しく大きくなるよう
にエッチング条件を適宜選択すればよい。
In order to make the emitter underlayer 5 have such a shape, the etching rate when the emitter underlayer 5 is formed by etching is set to be significantly higher than the etching rate of the emitter 6 under the etching conditions. The etching conditions may be selected appropriately.

【0029】このようなエミッタ下地層5の材料として
は、エミッタ6の材料やエッチング条件により異なる
が、シリコン等を使用することができる。特に、発熱性
の比較的高いシリコンを使用することが好ましい。これ
により、より効率的にエミッタ6が湾曲することが可能
となる。
The material of the emitter underlayer 5 may be silicon or the like, although it depends on the material of the emitter 6 and etching conditions. In particular, it is preferable to use silicon, which has a relatively high exothermicity. As a result, the emitter 6 can be curved more efficiently.

【0030】本発明においてエミッタ6は、その表面
(特に、その周縁Pe)から電子を直接的に放出する部
材として機能しており、エミッタ下層6aとエミッタ上
層6bとから構成されている。この場合、エミッタ下層
6aとしては、エミッタ上層6bに比べて熱膨脹率の小
さい材料を使用する。このようなエミッタ下層6a及び
エミッタ上層6bの材料としては、仕事関数が小さく電
子放出特性が良好で、強電圧耐性があり、高い融点を有
するものからそれぞれ適宜選択して使用することがで
き、基本的にはゲート4として使用できる材料、例え
ば、Cr、W、Mo、Ta、Nb、Niなどを挙げるこ
とができる。好ましいエミッタ下層6aとエミッタ上層
6bとの組み合わせとしては、前者がタングステン(熱
膨脹率4.5×10-6)であって、後者がニッケル(熱
膨脹率13.4×10-6)である場合を挙げることがで
きる。
In the present invention, the emitter 6 functions as a member that directly emits electrons from its surface (in particular, the peripheral edge Pe), and is composed of an emitter lower layer 6a and an emitter upper layer 6b. In this case, as the emitter lower layer 6a, a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the emitter upper layer 6b is used. As materials for the emitter lower layer 6a and the emitter upper layer 6b, those having a small work function, good electron emission characteristics, high voltage resistance, and a high melting point can be appropriately selected and used. Specific examples of the material that can be used for the gate 4 include Cr, W, Mo, Ta, Nb, and Ni. As a preferable combination of the emitter lower layer 6a and the emitter upper layer 6b, the former is tungsten (coefficient of thermal expansion 4.5 × 10 −6 ) and the latter is nickel (coefficient of thermal expansion 13.4 × 10 −6 ). Can be mentioned.

【0031】なお、エミッタ6の厚みは、必要に応じて
適宜決定することができるが、通常0.05〜0.5μ
mとすることが好ましい。
The thickness of the emitter 6 can be appropriately determined if necessary, but is usually 0.05 to 0.5 μm.
It is preferably m.

【0032】また、本発明の電子放出素子は、図3に示
すように、エミッタ下地層5のエミッタ下層近傍領域5
aにおいて、エミッタ下地層5の幅がエミッタ下層6a
に近づくにつれて狭くなる構造とすることが好ましい。
これによりエミッタ6の湾曲をより容易なものとする。
Further, as shown in FIG. 3, the electron-emitting device of the present invention has a region 5 near the emitter lower layer of the emitter underlayer 5.
a, the width of the emitter base layer 5 is the emitter lower layer 6a.
It is preferable to have a structure in which the width becomes narrower as
This makes the bending of the emitter 6 easier.

【0033】本発明の電子放出素子は図6に示したよう
な従来の電子放出素子の製造手法を利用して製造するこ
とができる。例えば、図1に示した構造の電子放出素子
は図4に示すように製造することができる。
The electron-emitting device of the present invention can be manufactured by using the conventional electron-emitting device manufacturing method as shown in FIG. For example, the electron-emitting device having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured as shown in FIG.

【0034】まず、基板1上にスパッタリング法等によ
りエミッタ配線層用材料の薄膜を形成し、それをフォト
リソグラフィー法を利用してパターニングすることによ
りエミッタ配線層2を形成する。続いて、スパッタリン
グ法等によりエミッタ下地層用材料薄膜5´、エミッタ
下層用材料薄膜6a´、更にエミッタ上層用材料薄膜6
b´を連続成膜する。そして、その上にレジストをスピ
ンコート法などにより塗布し、フォトリソグラフィー法
を利用してパターニングしてレジスト層7を形成する
(図4(a))。
First, a thin film of an emitter wiring layer material is formed on the substrate 1 by a sputtering method or the like, and patterned by using a photolithography method to form the emitter wiring layer 2. Subsequently, the emitter underlayer material thin film 5 ', the emitter lower layer material thin film 6a', and the emitter upper layer material thin film 6 are formed by a sputtering method or the like.
b'is continuously formed. Then, a resist is applied thereon by a spin coating method or the like and patterned by using a photolithography method to form a resist layer 7 (FIG. 4A).

【0035】次に、レジスト層7をエッチングマスクと
して、エミッタ上層用材料薄膜6b´とエミッタ下層用
材料薄膜6a´とを反応性イオンエッチング法(RI
E)などの異方性ドライエッチング法によりエッチング
し、エミッタ下層6aとエミッタ上層6bとからなるエ
ミッタ6を形成する(図4(b))。
Next, using the resist layer 7 as an etching mask, the emitter upper layer material thin film 6b 'and the emitter lower layer material thin film 6a' are subjected to reactive ion etching (RI).
Etching is performed by anisotropic dry etching such as E) to form the emitter 6 including the emitter lower layer 6a and the emitter upper layer 6b (FIG. 4B).

【0036】次に、エミッタ下地層用材料薄膜5´をR
IEなどの異方性エッチングとプラズマエッチング法な
どの等方性エッチングとを組み合わせてエッチングし、
エミッタ6の周縁部6cがオーバーハング状態となるよ
うにエミッタ下地層5を形成する(図4(c))。
Next, the emitter underlayer material thin film 5'is R
Etching is performed by combining anisotropic etching such as IE and isotropic etching such as plasma etching.
The emitter base layer 5 is formed so that the peripheral edge portion 6c of the emitter 6 is in an overhang state (FIG. 4C).

【0037】次に、基板1の全面上に、絶縁層3とゲー
ト4とを垂直方向に成膜する(図4(d))。成膜方法
としては、使用する材料に応じて、反応性蒸着法や電子
ビーム蒸着法等を使用することができる。
Next, the insulating layer 3 and the gate 4 are vertically formed on the entire surface of the substrate 1 (FIG. 4D). As a film forming method, a reactive evaporation method, an electron beam evaporation method, or the like can be used depending on the material used.

【0038】次に、レジスト層7を剥離液を用いて、そ
の上に形成された絶縁材料層3´とゲート材料層4´と
ともに除去する。この場合、レジスト層7はリフトオフ
層として機能する。これにより、図4(e)に示す電子
放出素子が得られる。
Next, the resist layer 7 is removed with a stripping solution together with the insulating material layer 3'and the gate material layer 4'formed thereon. In this case, the resist layer 7 functions as a lift-off layer. As a result, the electron-emitting device shown in FIG. 4 (e) is obtained.

【0039】[0039]

【作用】本発明の電子放出素子においては、エミッタが
熱膨張率の異なるエミッタ下層とエミッタ上層とから構
成されている。しかも、エミッタ下層の方がエミッタ上
層に比べ熱膨脹率が小さい。従って、エミッタが設計以
上のエネルギー密度で電子を放出して(換言すればエミ
ッタに意図した以上の電流が流れ)エミッタが発熱した
場合に、その熱によりエミッタの周縁部がゲートから離
れるように下方に湾曲する。このため、エミッタの周縁
部の電界強度が減少するとともに、電流量が減少し、電
子の放出量も低下し、その結果、エミッタの電子放出エ
ネルギー密度が設計範囲内に自己制御的に復帰するよう
になる。このことは、大面積の共通基板上に、電子放出
エネルギー密度を一定の範囲内に収まるように自己制御
する多数の電子放出素子を作製することを可能とする。
また、電子放出素子の電子放出特性の許容範囲を広げる
ことが可能となり、製造条件の緩和や製造歩留まりの向
上が可能となる。
In the electron-emitting device of the present invention, the emitter is composed of an emitter lower layer and an emitter upper layer having different thermal expansion coefficients. Moreover, the lower layer of the emitter has a smaller coefficient of thermal expansion than the upper layer of the emitter. Therefore, when the emitter emits electrons at an energy density higher than the design (in other words, a current larger than intended flows to the emitter) and the emitter heats up, the heat causes the peripheral edge of the emitter to move downward from the gate. Bend to. For this reason, the electric field strength at the peripheral portion of the emitter is reduced, the current amount is reduced, and the electron emission amount is also reduced. As a result, the electron emission energy density of the emitter is reset within the design range in a self-controlled manner. become. This makes it possible to manufacture a large number of electron-emitting devices that self-control so that the electron emission energy density falls within a certain range on a large-area common substrate.
Further, it becomes possible to widen the allowable range of the electron emission characteristics of the electron-emitting device, and it becomes possible to relax the manufacturing conditions and improve the manufacturing yield.

【0040】[0040]

【実施例】以下、本発明の電子放出素子の製造例を実施
例により具体的に説明する。
EXAMPLES A production example of the electron-emitting device of the present invention will be specifically described below with reference to examples.

【0041】実施例 ガラス基板上に、スパッタリング法により200nm厚
のCr膜(エミッタ配線層用材料薄膜)形成し、フォト
リソグラフィー法によりパターニングしてエミッタ配線
層を形成した。続いて、スパッタリング法により、発熱
抵抗層としても機能する800nm厚のシリコン層(エ
ミッタ下地層用材料薄膜)、熱膨張率4.5×10-6
100nm厚のタングステン薄膜(エミッタ下層用材料
薄膜)、更に熱膨張率13.4×10-6の100nm厚
のニッケル薄膜(エミッタ上層用材料薄膜)を連続的に
成膜した。ここで、ニッケル薄膜の形成は、成膜された
タングステン薄膜の温度を室温に戻してから行った。
Example A Cr film (material thin film for emitter wiring layer) having a thickness of 200 nm was formed on a glass substrate by a sputtering method, and patterned by a photolithography method to form an emitter wiring layer. Then, by a sputtering method, an 800 nm-thick silicon layer (emitter underlayer material thin film) which also functions as a heating resistance layer, a 100 nm-thick tungsten thin film (emitter lower layer material thin film) having a thermal expansion coefficient of 4.5 × 10 −6. ), And a 100 nm-thick nickel thin film (material thin film for upper emitter layer) having a thermal expansion coefficient of 13.4 × 10 −6 was continuously formed. Here, the nickel thin film was formed after the temperature of the formed tungsten thin film was returned to room temperature.

【0042】次に、ニッケル薄膜上に、ポジ型フォトレ
ジスト(OFPR−8600、東京応化工業社製)をス
ピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィー法に
よりパターニングして1.7μm厚のレジスト層を形成
した。
Next, a positive photoresist (OFPR-8600, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was applied on the nickel thin film by spin coating and patterned by photolithography to form a 1.7 μm thick resist layer. did.

【0043】次に、レジスト層をエッチングマスクとし
て、ニッケル薄膜(エミッタ上層用材料薄膜)とタング
ステン薄膜(エミッタ下層用材料薄膜)とを、反応性イ
オンドライエッチングしてエミッタ上層とエミッタ下層
とからなるエミッタを作製した(使用エッチング装置;
ウエハーエッチャWF616,GCA社製:使用ガスS
6/圧力;80mTorr/高周波パワー110W
(RIEモード))。
Next, using the resist layer as an etching mask, the nickel thin film (emitter upper layer material thin film) and the tungsten thin film (emitter lower layer material thin film) are subjected to reactive ion dry etching to form an emitter upper layer and an emitter lower layer. An emitter was made (etching equipment used;
Wafer etcher WF616, GCA: Gas S
F 6 / Pressure; 80mTorr / High frequency power 110W
(RIE mode)).

【0044】次に、発熱抵抗層としても機能するシリコ
ン膜に対し、異方性エッチングである反応性イオンドラ
イエッチング(使用エッチング装置;ウエハーエッチャ
WF616,GCA社製:使用ガスSF6/圧力;80
mTorr/高周波パワー110W(RIEモード))
と、等方性エッチングであるプラズマエッチング(使用
エッチング装置;ウエハーエッチャWF616,GCA
社製:使用ガスSF6/圧力;80mTorr/高周波
パワー110W(プラズマモード))とを行った。これ
によりエミッタ下地層を形成した。この際、エミッタの
周縁部はエミッタ下地層に対してオーバーハングした状
態となった。
Next, for the silicon film which also functions as the heating resistance layer, reactive ion dry etching which is anisotropic etching (use etching apparatus; wafer etcher WF616, manufactured by GCA: use gas SF 6 / pressure; 80
mTorr / High frequency power 110W (RIE mode))
And plasma etching that is isotropic etching (etching equipment used; wafer etcher WF616, GCA
Made by company: used gas SF 6 / pressure; 80 mTorr / high frequency power 110 W (plasma mode)). This formed the emitter base layer. At this time, the peripheral portion of the emitter was in a state of overhanging with respect to the emitter underlayer.

【0045】次に、基板のエミッタ下地層側表面に、そ
の垂直方向から、酸素とオゾンとからなる混合気体雰囲
気中(約10-5torr)でルツボに仕込まれたSiOを蒸
発源とする反応性蒸着法により1μm厚のSiO2絶縁
層を成膜した。続いて、電子ビーム加熱蒸着法により、
200nm厚のCrからなるゲートを連続的に成膜し
た。
Next, on the emitter underlayer side surface of the substrate, in a vertical direction, a reaction using SiO charged in the crucible as an evaporation source in a mixed gas atmosphere of oxygen and ozone (about 10 −5 torr). A SiO 2 insulating layer having a thickness of 1 μm was formed by a vapor deposition method. Then, by electron beam heating evaporation method,
A gate of Cr having a thickness of 200 nm was continuously formed.

【0046】次に、レジスト層を剥離液(104、東京
応化工業社製)を用いて、その上に形成されたSiO2
薄膜とCr薄膜とともにリフトオフした。これにより、
実施例の電子放出素子が得られた。
Next, the resist layer was stripped using a stripping solution (104, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.), and SiO 2 was formed thereon.
Lifted off together with the thin film and the Cr thin film. This allows
The electron-emitting device of the example was obtained.

【0047】なお、エミッタを2層とせずに、200n
m厚のCr層からなるエミッタを形成した以外は上述と
同様な操作で比較例の電子放出素子を作製した。
It is to be noted that 200 n
An electron-emitting device of a comparative example was manufactured by the same operation as described above except that an emitter made of a Cr layer having a thickness of m was formed.

【0048】このようにして得られた実施例又は比較例
の電子放出素子を200個集積したアレイをそれぞれ試
作し、以下のように試験・評価した。
Arrays in each of which 200 electron-emitting devices of Examples or Comparative Examples thus obtained were integrated were manufactured as prototypes and tested and evaluated as follows.

【0049】即ち、各素子のエミッタ−ゲート間の距離
を約0.3±0.05μmに設計した構造の素子に対
し、蛍光体を塗布した透明電極(アノード)を有するガ
ラス板部材を距離30mmで対向させ、エミッタ−ゲー
ト間にゲート側が正となる極性で引き出し電圧120V
を印加したところ、実施例のアレイの場合には蛍光面全
面が実質的に均一な輝度に発光したが、比較例のアレイ
の場合には周囲より輝度の高い箇所がかなりの数で観察
された。これにより、実施例のアレイを構成する個々の
電子放出素子が自己制御的に電子放出エネルギー密度を
調整していることがわかった。
That is, a glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor is placed at a distance of 30 mm for an element having a structure in which the distance between the emitter and the gate of each element is designed to be about 0.3 ± 0.05 μm. With a polarity such that the gate side is positive between the emitter and the gate, and the extraction voltage is 120V.
Was applied, the entire surface of the phosphor screen emitted light with substantially uniform brightness in the case of the array of the example, but in the case of the array of the comparative example, a number of parts having higher brightness than the surroundings were observed. . From this, it was found that the individual electron-emitting devices forming the array of the example adjust the electron-emitting energy density in a self-controlled manner.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明のディスク型エミッタを備えた電
子放出素子は、設計範囲を超えるエネルギー密度で電子
を放出した場合でも、その過度に高まった電子放出エネ
ルギー密度を設計範囲内に自己制御的に復帰させること
ができる。
According to the electron-emitting device having the disk-type emitter of the present invention, even when electrons are emitted at an energy density exceeding the design range, the excessively high electron emission energy density can be controlled within the design range. Can be returned to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の電子放出素子の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of an electron-emitting device of the present invention.

【図2】本発明の電子放出素子の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of an electron-emitting device of the present invention.

【図3】本発明の電子放出素子の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of an electron-emitting device of the present invention.

【図4】本発明の電子放出素子の製造工程図である。FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the electron-emitting device of the present invention.

【図5】従来のコーン型エミッタを備えた電子放出素子
の断面図である。
FIG. 5 is a sectional view of an electron-emitting device having a conventional cone-type emitter.

【図6】従来のディスク型エミッタを備えた電子放出素
子の断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of an electron-emitting device including a conventional disc-type emitter.

【図7】従来のディスク型エミッタを備えた電子放出素
子の製造工程図である。
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of an electron-emitting device including a conventional disk-type emitter.

【符号の説明】 1 基板 2 エミッタ配線層 3 絶縁層 4 ゲート 5 エミッタ下地層 6 エミッタ 6a エミッタ下層 6b エミッタ上層[Explanation of symbols] 1 substrate 2 emitter wiring layer 3 insulating layer 4 gate 5 emitter underlayer 6 emitter 6a emitter lower layer 6b emitter upper layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板、エミッタ配線層、絶縁層及びゲー
トが順次積層され、該ゲートと絶縁層とには該エミッタ
配線層に達する開孔部が設けられ、その開孔部内の該エ
ミッタ配線層上に、エミッタ下地層とエミッタとがゲー
トに接触しないように且つエミッタの周縁部がエミッタ
下地層よりもゲート側に突き出るように順次設けられて
いる電界放射型の電子放出素子において、エミッタがエ
ミッタ下層とエミッタ上層とから構成されており、且つ
エミッタ下層がエミッタ上層にくらべて小さい熱膨脹率
を示すことを特徴とする電子放出素子。
1. A substrate, an emitter wiring layer, an insulating layer, and a gate are sequentially laminated, and an opening portion reaching the emitter wiring layer is provided in the gate and the insulating layer, and the emitter wiring layer in the opening portion. In the field emission type electron-emitting device, in which the emitter underlayer and the emitter do not come into contact with the gate, and the peripheral edge of the emitter protrudes more toward the gate side than the emitter underlayer, the emitter is the emitter. An electron-emitting device comprising a lower layer and an upper emitter layer, wherein the lower emitter layer has a smaller coefficient of thermal expansion than the upper emitter layer.
【請求項2】 エミッタ下地層のエミッタ下層近傍領域
において、エミッタ下地層の幅がエミッタ下層に近づく
につれて狭くなっている請求項1記載の電子放出素子。
2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the width of the emitter underlayer is narrowed toward the emitter underlayer in the region near the emitter underlayer of the emitter underlayer.
【請求項3】 エミッタ下地層の材料がシリコンであ
り、エミッタ下層の材料がタングステンであり、エミッ
タ上層の材料がニッケルである請求項1又は2記載の電
子放出素子。
3. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the material of the emitter underlayer is silicon, the material of the lower emitter layer is tungsten, and the material of the upper emitter layer is nickel.
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