JPH09134664A - 電界放射型電子源及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流を放射できる陰極を備えた電界放射型
電子源の製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１０の上に絶縁膜１１及び第１の金
属膜を順次堆積した後、絶縁膜１１及び第１の金属膜に
開口部を形成することにより、第１の金属膜よりなる引
出し電極１２Ｂを形成する。次に、基板１０の上に、微
小な径の凹部を有する酸化シリコン膜を堆積した後、該
酸化シリコン膜に対して方向性ドライエッチングを行な
って、前記開口部の内部に、微小口径の開口部を有する
リング状の酸化シリコン膜１４Ｂを形成する。次に、リ
ング状の酸化シリコン膜１４Ｂの開口部の内部を含む基
板１０の表面全体に第２の金属膜１５Ａを堆積した後、
該第２の金属膜１５Ａに対して引出し電極１２Ｂ及びリ
ング状の酸化シリコン膜１４Ｂが露出するまでエッチン
グを行なって針状の陰極１５Ｂを形成し、その後、酸化
シリコン膜１４Ｂを除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面型の固体表示
素子、超高速の微小真空素子又は電子線励起の固体レー
ザ等への応用が期待される冷電子源である電界放射型電
子源に関し、特に、既存のシリコン等の半導体プロセス
との整合性及び素子の均一性に優れ、且つ集積化及び低
電圧化が実現可能な電界放射型電子源及びその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体に対する微細加工技術の進展によ
り、急峻な先端形状を有する陰極と微小口径を有する引
出し電極とを備えた微小な電界放射型電子源を形成する
ことが可能になった。特に、蒸着法により陰極が形成さ
れるコーン型の微小な電界放射型電子源をスピントらが
提案してから、広い応用が期待されるため、微小な電界
放射型電子源が注目されるに至っている（参考文献１．
C.A.Spindt, J.Appl.Phys.Vol.39,p3504) 。

【０００３】以下、第１の従来例として、スピントの提
案した電界放射型電子源の構造及び製造方法について図
９を参照しながら説明する。

【０００４】まず、図９（ａ）に示すように、シリコン
よりなる導電性基板１０１上に絶縁膜１０２及び金属よ
りなる引出し電極１０３を順次形成した後、引出し電極
１０３及び絶縁膜１０２に円形の小穴１０４を通常のフ
ォトリソプロセスによって形成する。

【０００５】次に、図９（ｂ）に示すように、アルミナ
等よりなる犠牲層１０５を導電性基板１０１に対して浅
い角度で蒸着する。この工程によりゲート口径は縮小す
ると共に引出し電極１０３は犠牲層１０５に覆われる。

【０００６】次に、図９（ｃ）に示すように、エミッタ
電極となるモリブデン等の金属１０６を導電性基板１０
１に対して垂直方向から蒸着する。このようにすると、
ゲート口は蒸着の進展に伴って小さくなるので、小穴１
０４の内部に円錐形状の陰極１０７が形成される。

【０００７】次に、図９（ｄ）に示すように、犠牲層１
０５をウェットエッチングによりリフトオフして不要の
金属１０６を除去する。

【０００８】この電界放射型電子源は、引出し電極１０
３によって陰極１０７の先端から電子を真空中に引き出
し、引き出した電子を陰極１０７と対向するように設け
られたアノード電極（陽極）（図示は省略している）に
より受けることによって動作する。

【０００９】また、同様のコーン型の構造でシリコンの
結晶面方位異方性エッチングを用いた陰極形成技術や、
方向異方性ドライエッチング法及び熱酸化法を用いて先
端形状がより鋭い陰極を形成する方法が提案されている
（参考文献２：H. F. Gray et al., IEDM Tech. Dig.
p.776, (1986)、参考文献３：別井、１９９０年秋季信
学全大論文集５、ＳＣ−８−２(1990)）。

【００１０】以下、第２の従来例として、参考文献３で
提案された電界放射型電子源の構造及び製造方法を図１
０を参照しながら説明する。

【００１１】まず、シリコンよりなる導電性基板１１１
上に酸化シリコン膜を形成した後、該酸化シリコン膜に
対してフォトリソプロセスを施すことにより、図１０
（ａ）に示すように、円盤状のエッチングマスク１１３
を作製する。

【００１２】次に、導電性基板１１１に対してエッチン
グマスク１１３を用いてサイドエッチングを伴う条件で
ドライエッチングを行なうことにより、図１０（ｂ）に
示すように、エッチングマスク１１３の下側に先端部が
細い立体形状体１１４を形成する。その後、立体形状体
１１４に対して熱酸化を施すことにより、図１０（ｃ）
に示すように、立体形状体１１４を、内部のシリコンよ
りなるコーン形状体１１５と外部の熱酸化膜１１６とか
らなる構造に変化させる。

【００１３】次に、図１０（ｄ）に示すように、絶縁膜
１１７となる酸化シリコン、及び引出し電極１１８とな
る金属を、導電性基板１１１の表面に対して垂直方向か
ら真空蒸着することにより、導電性基板１１１の上にお
けるエッチングマスク１１３の周辺部及びエッチングマ
スク１１３の上に付着させる。

【００１４】次に、導電性基板１１１を弗酸の水溶液に
浸すことにより、コーン形状体１１５の周辺部の熱酸化
膜１１６を除去する共に、絶縁膜及び金属膜が付着した
エッチングマスク１１３をリフトオフにより除去する
と、図１０（ｅ）に示すように、コーン形状体１１５よ
りなる陰極が形成され、スピント型と類似の構造を有す
る電界放射型電子源を得ることができる。

【００１５】この電界放射型電子源は、第１の従来例と
同様、引出し電極１１８によって陰極１１５の先端から
電子を真空中に引き出し、引き出した電子を陰極１１５
と対向するように設けられたアノード電極（陽極）（図
示は省略している）により受けることによって動作す
る。

【００１６】ところが、コーン型の電界放射型電子源に
おいては、陰極の先端部に集中する電界が小さいため動
作電圧が比較的高いという課題が残されていた。そこ
で、我々は、シリコン結晶基板を用い、針状の陰極形状
を有するタワー型の微小な電界放射型電子源を提案した
（参考文献４：Y.Hori et al.,ヨーロッパ特許公開 ０
６３７０５０号） 以下、第３の従来例として、参考文献４において提案さ
れた微小な電界放射型電子源の構造及び製造方法を図１
１及び図１２を参照しながら説明する。

【００１７】まず、図１１（ａ）に示すように、シリコ
ン結晶の（１００）よりなる基板１２１の表面に酸化シ
リコン膜１２２及びフォトレジスト膜１２３を順次形成
した後、通常のフォトリソプロセスにより図１１（ｂ）
に示すように、フォトレジスト膜１２３を円形の第１の
微小マスク１２４に加工する。

【００１８】次に、微小マスク１２４を介して酸化シリ
コン膜１２２にドライエッチングを施すことにより、図
１１（ｃ）に示すように、第１の微小マスク１２４の形
状を酸化シリコン膜１２２に転写して、酸化シリコン膜
１２２よりなる円形の第２の微小マスク１２５を形成し
た後、図１１（ｄ）に示すように、第１の微小マスク１
２４を除去する。

【００１９】次に、基板１２１をフッ酸に浸漬して第２
の微小マスク１２５の表面及び側面をエッチングするこ
とにより、円形の極微小マスク１２６を形成した後、該
極微小マスク１２６を用いて基板１２１に対してエッチ
ングを施すことにより、極微小マスク１２６の下側にシ
リコンよりなる円柱状体１２７を形成する。

【００２０】次に、図１２（ａ）に示すように、エチレ
ンジアミン・ピロカテコール水溶液等を用いて円柱状体
１２７に対して基板結晶面方位異方性のウェットエッチ
ングを行なうことにより、極微小マスク１２６の下側に
一対の円錐状体よりなる鼓型状体１２８を形成する。次
に、基板１２１に対して熱酸化を行なうことにより、図
１２（ｂ）に示すように、基板１２１の表面及び鼓型状
体１２８の周面に酸化シリコン膜１２９を形成した後、
該酸化シリコン膜１２９をマスクとして基板１２１に対
してエッチングを行なうことにより、図１２（ｃ）に示
すように、円錐状部を有する円柱状体１３０を形成す
る。

【００２１】次に、基板１２１に対して再び熱酸化を行
なうことにより、基板１２１の表面及び円錐状部を有す
る円柱状体１３０の周面に酸化シリコン膜１３１を形成
すると、図１２（ｄ）に示すように、円錐状部を有する
円柱状体１３０の内部にシリコンよりなるタワー型の針
状体１３２が形成される。

【００２２】次に、蒸着法により、基板１２１の上にお
ける円錐状部を有する円柱状体１３０の周辺部及び極微
小マスク１２６の上に酸化シリコン膜１３３Ａ，１３３
Ｂ及び金属膜１３４Ａ，１３４Ｂを順次堆積する。その
後、基板１２１をフッ酸中に浸漬することにより、針状
体１３２の周辺の酸化シリコン膜１３１、極微小マスク
１２６上の酸化シリコン膜１３３Ｂ及び金属膜１３４Ｂ
を除去すると、陰極となる針状体１３２及び金属膜１３
４Ａよりなる極微小口径を有する引出し電極が形成され
る。

【００２３】この電界放射型電子源は、引出し電極によ
って陰極の先端から電子を真空中に引き出し、引き出し
た電子を陰極と対向するように設けられたアノード電極
（陽極）（図示は省略している）により受けることによ
って動作する。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第３の従来
例においては、針状の陰極が形成されているが、該陰極
がシリコンよりなるため、高温での導電率が低く、熱的
限界により大電流を放射することができないという問題
がある。

【００２５】また、第３の従来例においては、陰極と基
板とがシリコンの単結晶よりなるため、大きな基板を用
いることができないので、大面積の基板上に多数の高性
能な微小電子源を形成することができないという問題も
ある。

【００２６】前記に鑑み、本発明は、大電流を放射でき
る陰極を実現することを第１の目的とし、大面積の基板
上に針状の陰極を実現することを第２の目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため、請求項１の発明は、陰極を低仕事材料により構
成するものであって、具体的には、電界放射型電子源
を、導電性材料よりなる導電膜の表面に絶縁層を介して
形成されており開口部を有する引出し電極と、前記導電
膜の上における前記開口部の中心部に形成されており低
仕事関数材料よりなる針状の陰極とを備え、前記陰極と
前記引出し電極との間に電圧が印加されると前記陰極の
先端部から電子が放出される構成とするものである。

【００２８】請求項１の構成により、陰極は低仕事関数
材料よりなるため、針状であるにも拘らず、低電流で多
量の電子を放出することができる。

【００２９】請求項２の発明は、請求項１の構成に、前
記低仕事関数材料は高融点金属であるという構成を付加
するものである。

【００３０】請求項３の発明は、請求項１の構成に、前
記低仕事関数材料はダイヤモンド結晶又はダイヤモンド
状カーボンであるという構成を付加するものである。

【００３１】前記第２の目的を達成するため、請求項４
の発明は、陰極を非晶質又は多結晶のシリコンにより構
成するものであって、具体的には、電界放射型電子源
を、導電性材料よりなる導電膜の表面に絶縁層を介して
形成されており開口部を有する引出し電極と、前記導電
膜の上における前記開口部の中心部に形成されており非
晶質又は多結晶のシリコンよりなる針状の陰極とを備
え、前記陰極と前記引出し電極との間に電圧が印加され
ると前記陰極の先端部から電子が放出される構成とする
ものである。

【００３２】請求項４の構成により、陰極は非晶質又は
多結晶のシリコンよりなるため、シリコン等よりなる結
晶基板の上に形成しなくてもよく、基板の材質に拘ら
ず、針状の陰極を形成することができる。

【００３３】請求項５の発明は、請求項４の構成に、前
記陰極の頂部の周縁部はエッジ状に形成されているとい
う構成を付加するものである。

【００３４】請求項６の発明は、電界放射型電子源の製
造方法を、基板上の第１の導電膜の上に第１の絶縁層を
介して第２の導電膜を形成する第１の工程と、前記第１
の絶縁層及び第２の導電膜に第１の開口部を形成して、
前記第２の導電膜よりなる引出し電極を形成する第２の
工程と、前記第１の導電膜の上における前記第１の開口
部内に、微小な径の第２の開口部を有する第２の絶縁層
を形成する第３の工程と、前記第１の導電膜の上におけ
る前記第２の開口部内に導電性材料よりなる陰極を形成
する第４の工程と、前記第１の開口部内の前記第２の絶
縁層を除去して前記陰極を露出させる第５の工程とを備
えている構成とするものである。

【００３５】請求項６の構成により、第１の導電膜の上
における第２の絶縁層の微小な径を持つ第２の開口部内
に導電性材料よりなる陰極を形成すると、微小な径を持
つ針状の陰極が形成される。この場合、第２の開口部内
に導電性材料よりなる陰極を形成するため、陰極の形成
方法及び材料は限定されない。

【００３６】請求項７の発明は、請求項６の構成に、前
記第３の工程は、前記基板上に全面的に絶縁性材料を堆
積して、前記第１の導電膜の上における前記第１の開口
部内及び前記引出し電極の上に前記絶縁性材料よりなり
微小な径の凹部を有する層を堆積した後、該絶縁性材料
よりなる層に対して全面的にエッチングを行なって、前
記第２の開口部を有する前記第２の絶縁層を形成すると
共に前記引出し電極を露出させる工程を含む構成を付加
するものである。

【００３７】請求項８の発明は、請求項６の構成に、前
記第４の工程は、前記基板上に全面的に前記導電性材料
を堆積して、前記第１の導電膜の上における前記第２の
開口部内及び前記引出し電極の上に前記導電性材料より
なる層を堆積した後、該導電性材料よりなる層に対して
全面的にエッチングを行なって、前記陰極を形成すると
共に前記引出し電極を露出させる工程を含む構成を付加
するものである。

【００３８】請求項９の発明は、請求項６の構成に、前
記第４の工程における前記導電性材料はポリシリコンで
あり、前記第５の工程は、前記陰極に対して熱処理を施
して該陰極の頂部及び周部に熱酸化膜を形成した後、該
熱酸化膜を除去することにより、前記陰極の頂部周縁部
にエッジ形状を形成する工程を含む構成を付加するもの
である。

【００３９】請求項１０の発明は、請求項６の構成に、
前記第４の工程は、前記第１の導電膜の上における前記
第２の開口部内に前記導電性材料よりなる陰極を結晶成
長により形成する工程を含む構成を付加するものであ
る。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
電界放射型電子源の構造について図面を参照しながら説
明する。

【００４１】図１は第１の実施形態に係る電界放射型電
子源の断面構造を示している。図１に示すように、基板
１の上には、それぞれ開口部２を有する絶縁膜３及び導
電膜よりなる引出し電極４が順次形成されており、基板
１の上における開口部２の中央部には針状の陰極５Ａが
形成されている。第１実施形態の特徴として、陰極５Ａ
の頂部５ａは急峻な半球状に形成されている。

【００４２】図２（ａ）は第２の実施形態に係る電界放
射型電子源の断面構造を示している。図２に示すよう
に、基板１の上には、それぞれ開口部２を有する絶縁膜
３及び導電膜よりなる引出し電極４が順次形成されてお
り、基板１の上における開口部２の中央部には針状の陰
極５Ｂが形成されている。第２実施形態の特徴として、
陰極５Ｂの頂部５ｂは平坦な頂面を有する逆円錐台状に
形成されており、頂部５ａの周縁部はエッジ状に形成さ
れている。

【００４３】図２（ｂ）は第３の実施形態に係る電界放
射型電子源の陰極５Ｃの断面構造を示しており、第３実
施形態の特徴として、陰極５Ｃの頂部５ｃには半球状の
凹部が形成され、これに伴って、頂部５ｃの周縁部は急
峻なエッジ状に形成されている。

【００４４】第１〜第３の実施形態において、基板１と
しては、Ａｌ、Ｃｒ等の金属やＳｉ等の半導体よりなる
導電性基板、又は、ガラス板等のような絶縁性基板の上
に金属や半導体等の導電膜が形成されてなる複合性基板
を用いることができる。

【００４５】また、第１〜第３の実施形態において、陰
極５Ａ，５Ｂ，５Ｃを構成する材料としては、Ｍｏ、
Ｗ、Ｃｓ、ＴｉＮ、ＢｉＣ等の高融点金属、ダイヤモン
ド結晶体やダイヤモンド状カーボン等よりなる低仕事関
数材料、又は非晶質又は多結晶よりなるシリコン等を用
いることができる。

【００４６】第１〜第３の実施形態において、開口部２
の径は約１μｍであり、針状の陰極５Ａ，５Ｂ，５Ｃの
直径は０．１μｍ以下である。

【００４７】前記の各電界放射型電子源において、引出
し電極４に陰極５Ａ，５Ｂ，５Ｃに対して正の電圧を印
加すると、針状の陰極５Ａ，５Ｂ，５Ｃの先端部から電
子が放出され、放出された電子は、陰極５Ａ，５Ｂ，５
Ｃに対向するように設けられた図示しない陽極に到達す
る。

【００４８】以下、前記実施形態に係る電界放射型電子
源の第１の製造方法について図３及び図４を参照しなが
ら説明する。

【００４９】まず、図３（ａ）に示すように、金属や半
導体よりなる導電性基板、又はガラス等よりなる絶縁性
基板の表面に導電膜が形成されてなる複合性基板よりな
る基板１０の上に、熱酸化法によって酸化シリコンより
なる絶縁膜１１を形成した後、絶縁膜１１の上にＣＶＤ
法によって第１の金属膜１２Ａを堆積し、その後、フォ
トリソグラフィー及びドライエッチングにより、図３
（ｂ）に示すように、絶縁膜１１及び第１の金属膜１２
Ａに直径が約１μｍの円形の第１の開口部１３を形成す
る。これにより、第１の金属膜１２Ａよりなり直径が約
１μｍの円形の開口部を有する引出し電極１２Ｂが形成
される。

【００５０】次に、図３（ｃ）に示すように、基板１０
の上にＣＶＤ法により全面的に酸化シリコン膜１４Ａを
堆積する。この場合、酸化シリコン膜１４Ａにおける前
記第１の開口部１３の中央に位置する部位に、直径が約
０．１μｍの円形の凹部１４ａが形成されるよう、酸化
シリコン膜１４Ａの膜厚を約０．５μｍにする。

【００５１】次に、酸化シリコン膜１４Ａに対して、基
板１０の表面に垂直な方向から方向性ドライエッチング
を行なって、図３（ｄ）に示すように、引出し電極１２
Ｂの上の酸化シリコン膜１４Ａを除去すると共に、凹部
１４ａの底面を基板１０の表面と一致させる。これによ
り、第１の開口部１３の内部に、直径が約０．１μｍの
微小口径の第２の開口部１４ｂを有するリング状の酸化
シリコン膜１４Ｂが形成される。

【００５２】次に、図４（ａ）に示すように、スパッタ
リング法により、リング状の酸化シリコン膜１４Ｂの第
２の開口部１４ｂの内部を含む基板１０の表面全体に第
２の金属膜１５Ａを堆積する。

【００５３】次に、第２の金属膜１５Ａに対して引出し
電極１２Ｂ及びリング状の酸化シリコン膜１４Ｂが露出
するまでドライエッチング又はウェットエッチングを行
なうことにより、図４（ｂ）に示すように、第２の金属
膜１５Ａよりなる針状の陰極１５Ｂを形成する。この場
合、エッチング条件によって、陰極１５Ｂの頂部の形状
を制御することが可能であり、半球状の頂部や平坦な頂
面を有する逆円錐台状の頂部等を形成できる。特に、ウ
ェットエッチングを用いる場合には、陰極１５Ｂの頂部
におけるリング状の酸化シリコン膜１４Ｂとの界面近傍
が速くエッチングされるので、針状の陰極１５Ｂの先端
部が急峻な形状となる。

【００５４】次に、基板１０の全体をフッ酸中に浸し
て、図４（ｃ）に示すように、リング状の絶縁膜１４Ｂ
を除去すると、針状の陰極１５Ｂが露出する。

【００５５】尚、前記第１の製造方法においては、絶縁
膜として酸化シリコン膜を用いたが、これに限定される
ものではない。また、陰極１５Ｂを金属膜により形成し
たが、これに代えて、スパッタ法やＣＶＤ法により堆積
できるシリコンやダイヤモンド等の半導体よりなる導電
膜によって形成してもよい。

【００５６】以下、前記実施形態に係る電界放射型電子
源の第２の製造方法について図５及び図６を参照しなが
ら説明する。

【００５７】まず、図５（ａ）に示すように、金属や半
導体よりなる導電性基板、又はガラス等よりなる絶縁性
基板の表面に導電膜が形成されてなる複合性基板よりな
る基板２０の上に、熱酸化法によって酸化シリコンより
なる絶縁膜２１を形成した後、絶縁膜２１の上にＣＶＤ
法によって第１のポリシリコン膜２２を堆積し、フォト
リソグラフィー及びドライエッチングにより、絶縁膜２
１及び第１のポリシリコン膜２２に直径が約１μｍの円
形の第１の開口部２３を形成する。

【００５８】次に、図５（ｂ）に示すように、基板２０
の上にＣＶＤ法により全面的に酸化シリコン膜２４Ａを
堆積する。この場合、酸化シリコン膜２４Ａにおける前
記第１の開口部２３の中央に位置する部位に、直径が約
０．１μｍの円形の凹部２４ａが形成されるよう、酸化
シリコン膜２４Ａの膜厚を約０．５μｍにする。

【００５９】次に、酸化シリコン膜２４Ａに対して、基
板２０の表面に垂直な方向から方向性ドライエッチング
を行なって、図５（ｃ）に示すように、第１のポリシリ
コン膜２２の上の酸化シリコン膜２４Ａを除去すると共
に、凹部２４ａの底面を基板２０の表面と一致させる。
これにより、第１の開口部２３の内部に、直径が約０．
１μｍの微小口径の第２の開口部２４ｂを有するリング
状の酸化シリコン膜２４Ｂが形成される。

【００６０】次に、図５（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法
により、リング状の酸化シリコン膜２４Ｂの第２の開口
部２４ｂの内部を含む基板２０の表面全体に第２のポリ
シリコン膜２５Ａを堆積する。

【００６１】次に、第２のポリシリコン膜２５Ａに対し
て熱酸化を行なうことにより、図６（ａ）に示すよう
に、第２のポリシリコン膜２５Ａの表面部を酸化シリコ
ン膜２６に組成変化させる。これにより、リング状の酸
化シリコン膜２４Ｂの第２の開口部２４ｂの内部に第２
のポリシリコン膜２５Ａよりなる柱状体２５Ｂが残存す
る。

【００６２】次に、基板２０の全体をフッ酸中に浸し
て、酸化シリコン膜２６及びリング状の絶縁膜２４Ｂを
除去すると、柱状体２５Ｂ及び第１のポリシリコン膜２
２が露出する。その後、第２のポリシリコン膜２５Ａよ
りなる柱状体２５Ｂ及び第１のポリシリコン膜２２に対
して熱酸化を行なうことにより、柱状体２５Ｂを頂部に
半球状の凹部を有する陰極２７と表面に形成される熱酸
化膜２７ａとに組成変形すると共に、第１のポリシリコ
ン膜２２を引出し電極２８と表面の熱酸化膜２８ａとに
組成変形させる。

【００６３】次に、基板２０の全体を再度フッ酸中に浸
して、熱酸化膜２７ａ，２８ａを除去すると、半球状の
凹部及びその周縁に急峻なエッジ部を有する陰極２７、
及び引出し電極２８が露出する。

【００６４】尚、前記第２の製造方法においては、引出
し電極２８をポリシリコン膜により形成したが、これに
代えて、タングステン等の金属膜により形成してもよ
い。

【００６５】以下、前記実施形態に係る電界放射型電子
源の第３の製造方法について図７及び図８を参照しなが
ら説明する。

【００６６】まず、図７（ａ）に示すように、導電性の
シリコン結晶体よりなる基板３０の上に、熱酸化法によ
って酸化シリコンよりなる絶縁膜３１を形成した後、絶
縁膜３１の上にＣＶＤ法によって金属膜３２Ａを堆積
し、その後、フォトリソグラフィー及びドライエッチン
グにより、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜３１及び金
属膜３２Ａに直径が約１μｍの円形の第１の開口部３３
を形成する。これにより、金属膜３２Ａよりなり直径が
約１μｍの円形の開口部を有する引出し電極３２Ｂが形
成される。

【００６７】次に、図７（ｃ）に示すように、基板３０
の上にＣＶＤ法により全面的に酸化シリコン膜３４Ａを
堆積する。この場合、酸化シリコン膜３４Ａにおける前
記第１の開口部３３の中央に位置する部位に、直径が約
０．１μｍの円形の凹部３４ａが形成されるよう、酸化
シリコン膜３４Ａの膜厚を約０．５μｍにする。

【００６８】次に、酸化シリコン膜３４Ａに対して、基
板３０の表面に垂直な方向から方向性ドライエッチング
を行なって、図８（ａ）に示すように、引出し電極３２
Ｂの上の酸化シリコン膜３４Ａを除去すると共に、凹部
３４ａの底面を基板３０の底面に一致させる。これによ
り、第１の開口部３３の内部に、直径が約０．１μｍの
微小口径の第２の開口部３４ｂを有するリング状の酸化
シリコン膜３４Ｂが形成される。

【００６９】次に、図８（ｂ）に示すように、シリコン
の結晶体よりなる基板３０におけるリング状の酸化シリ
コン膜３４Ｂの第２の開口部３４ｂに露出している領域
に、メタンガスを８００℃以上の基板３０上に供給して
行なう気相成長法により、針状のダイヤモンド結晶体を
成長させて、ダイヤモンド結晶体よりなる陰極３５を形
成する。

【００７０】次に、基板３０の全体をフッ酸中に浸し
て、図８（ｃ）に示すように、リング状の絶縁膜３４Ｂ
を除去すると、針状の陰極３５が露出する。

【００７１】尚、第３の製造方法においては、陰極３５
をダイヤモンド結晶体により形成したが、これに代え
て、ダイヤモンド状カーボン又はＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０
≦ｘ≦１）により形成してもよい。

【００７２】

【発明の効果】請求項１の発明に係る電界放射型電子源
によると、陰極は低仕事関数材料よりなるため、針状で
あるにも拘らず低電流で多量の電子を放出する陰極を形
成できるので、陰極の先端部から多量の電子を効率良く
放射することができる。

【００７３】請求項２の発明に係る電界放射型電子源に
よると、低仕事関数材料は高融点金属よりなるため、高
融点金属は高温になっても抵抗が小さく、陰極の断面積
が小さくても大電流が流れるので、陰極の先端部から多
量の電子を極めて効率良く放出することができる。

【００７４】請求項３の発明に係る電界放射型電子源に
よると、低仕事関数材料はダイヤモンド結晶又はダイヤ
モンド状カーボンであり、ダイヤモンド結晶又はダイヤ
モンド状カーボンは耐久性に優れ、長期に亘り安定した
電流を得ることができるので、耐久性に優れた電界放射
型電子源を実現できる。

【００７５】請求項４の発明に係る電界放射型電子源に
よると、陰極は非晶質又は多結晶のシリコンよりなるた
め、シリコン等よりなる結晶基板の上に形成しなくても
よく、基板の材質を問わないので、例えばガラス基板等
のような大面積を有する基板上に形成された導電膜の上
に陰極を形成することができ、大型の電界放射型電子源
を実現できる。

【００７６】請求項５の発明に係る電界放射型電子源に
よると、陰極の頂部の周縁部はエッジ状に形成されてい
るため、陰極の先端部から電子を極めて効率良く放出す
ることができる。

【００７７】請求項６の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、第２の絶縁層の微小な径の第２の開
口部内に導電性材料よりなる陰極を形成するため、陰極
を形成する材料に低仕事関数材料を用いると、針状であ
るにも拘らず低電流で多量の電子を放出できる請求項１
の発明に係る電界放射型電子源を製造することができ、
また、陰極を形成する材料に非晶質又は多結晶のシリコ
ンを用いると、陰極をシリコン等よりなる結晶基板の上
に形成しなくてもよいため、ガラス基板等のような大面
積を有する基板上の導電膜の上に針状の陰極が形成され
た請求項４の発明に係る電界放射型電子源を製造するこ
とができる。

【００７８】請求項７の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、第１の導電膜の上における第１の開
口部内及び引出し電極の上に絶縁性材料よりなり微小な
径の凹部を有する層を全面に堆積した後、該絶縁性材料
よりなる層に対して全面的にエッチングを行なうため、
第１の導電膜の上における第１の開口部内に、微小な径
の第２の開口部を有する第２の絶縁層を確実に形成する
ことができる。

【００７９】請求項８の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、第１の導電膜の上における第２の開
口部内及び引出し電極の上に導電性材料よりなる層を全
面に堆積した後、該導電性材料よりなる層に対して全面
的にエッチングを行なうため、第１の導電膜の上におけ
る微小な径の第２の開口部内に、微小な径を持つ陰極を
確実に形成することができる。

【００８０】請求項９の発明に係る電界放射型電子源の
製造方法によると、第５の工程において、ポリシリコン
よりなる陰極の頂部及び周面に形成された熱酸化膜を除
去すると、陰極の頂部に半球状の凹部が形成され、陰極
の頂部周縁部にエッジ形状が形成されるので、請求項５
の発明に係る電界放射型電子源を確実に製造することが
できる。

【００８１】請求項１０の発明に係る電界放射型電子源
の製造方法によると、第４の工程は、第１の導電膜の上
における第２の開口部内に導電性材料よりなる陰極を結
晶成長により形成するため、底面の径が第２の開口部の
径により制御され尖鋭な頂部を有する陰極を確実に形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る電界放射型電子源
の断面図である。

【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る電界放射
型電子源の断面図であり、（ｂ）は本発明の第３実施形
態に係る電界放射型電子源の陰極の断面図である。

【図３】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第１の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図４】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第１の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図５】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第２の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図６】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第２の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図７】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第３の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図８】本発明の各実施形態に係る電界放射型電子源の
第３の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図９】第１の従来例に係る電界放射型電信源の製造方
法の各工程を示す断面図である。

【図１０】第２の従来例に係る電界放射型電信源の製造
方法の各工程を示す断面図である。

【図１１】第３の従来例に係る電界放射型電信源の製造
方法の各工程を示す断面図である。

【図１２】第３の従来例に係る電界放射型電信源の製造
方法の各工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 開口部 ３ 絶縁膜 ４ 引出し電極 ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 陰極 １０ 基板 １１ 絶縁膜 １２Ａ 第１の金属膜 １２Ｂ 引出し電極 １３ 第１の開口部 １４Ａ 酸化シリコン膜 １４Ｂ 酸化シリコン膜 １４ａ 凹部 １４ｂ 第２の開口部 １５Ａ 第２の金属膜 １５Ｂ 陰極 ２０ 基板 ２１ 絶縁膜 ２２ 第１のポリシリコン膜 ２３ 第１の開口部 ２４Ａ 酸化シリコン膜 ２４Ｂ 酸化シリコン膜 ２４ａ 凹部 ２４ｂ 第２の開口部 ２５Ａ 第２のポリシリコン膜 ２５Ｂ 柱状体 ２６ 酸化シリコン膜 ２７ 陰極 ２７ａ 熱酸化膜 ２８ 引出し電極 ２８ａ 熱酸化膜 ３０ 基板 ３１ 絶縁膜 ３２Ａ 金属膜 ３２Ｂ 引出し電極 ３３ 第１の開口部 ３４Ａ 酸化シリコン膜 ３４Ｂ 酸化シリコン膜 ３４ａ 凹部 ３４ｂ 第２の開口部 ３５ 陰極

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性材料よりなる導電膜の表面に絶縁
   層を介して形成されており、開口部を有する引出し電極
   と、 前記導電膜の上における前記開口部の中心部に形成され
   ており、低仕事関数材料よりなる針状の陰極とを備え、 前記陰極と前記引出し電極との間に電圧が印加される
   と、前記陰極の先端部から電子が放出されることを特徴
   とする電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記低仕事関数材料は高融点金属である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型電子源。
3. 【請求項３】 前記低仕事関数材料はダイヤモンド結晶
   又はダイヤモンド状カーボンであることを特徴とする請
   求項１に記載の電界放射型電子源。
4. 【請求項４】 導電性材料よりなる導電膜の表面に絶縁
   層を介して形成されており、開口部を有する引出し電極
   と、 前記導電膜の上における前記開口部の中心部に形成され
   ており、非晶質又は多結晶のシリコンよりなる針状の陰
   極とを備え、 前記陰極と前記引出し電極との間に電圧が印加される
   と、前記陰極の先端部から電子が放出されることを特徴
   とする電界放射型電子源。
5. 【請求項５】 前記陰極の頂部の周縁部はエッジ状に形
   成されていることを特徴とする請求項４に記載の電界放
   射型電子源。
6. 【請求項６】 基板上の第１の導電膜の上に第１の絶縁
   層を介して第２の導電膜を形成する第１の工程と、 前記第１の絶縁層及び第２の導電膜に第１の開口部を形
   成して、前記第２の導電膜よりなる引出し電極を形成す
   る第２の工程と、 前記第１の導電膜の上における前記第１の開口部内に、
   微小な径の第２の開口部を有する第２の絶縁層を形成す
   る第３の工程と、 前記第１の導電膜の上における前記第２の開口部内に導
   電性材料よりなる陰極を形成する第４の工程と、 前記第１の開口部内の前記第２の絶縁層を除去して前記
   陰極を露出させる第５の工程とを備えていることを特徴
   とする電界放射型電子源の製造方法。
7. 【請求項７】 前記第３の工程は、前記基板上に全面的
   に絶縁性材料を堆積して、前記第１の導電膜の上におけ
   る前記第１の開口部内及び前記引出し電極の上に前記絶
   縁性材料よりなり微小な径の凹部を有する層を堆積した
   後、該絶縁性材料よりなる層に対して全面的にエッチン
   グを行なって、前記第２の開口部を有する前記第２の絶
   縁層を形成すると共に前記引出し電極を露出させる工程
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放射型電
   子源の製造方法。
8. 【請求項８】 前記第４の工程は、前記基板上に全面的
   に前記導電性材料を堆積して、前記第１の導電膜の上に
   おける前記第２の開口部内及び前記引出し電極の上に前
   記導電性材料よりなる層を堆積した後、該導電性材料よ
   りなる層に対して全面的にエッチングを行なって、前記
   陰極を形成すると共に前記引出し電極を露出させる工程
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放射型電
   子源の製造方法。
9. 【請求項９】 前記第４の工程における前記導電性材料
   はポリシリコンであり、前記第５の工程は、前記陰極に
   対して熱処理を施して該陰極の頂部及び周部に熱酸化膜
   を形成した後、該熱酸化膜を除去することにより、前記
   陰極の頂部周縁部にエッジ形状を形成する工程を含むこ
   とを特徴とする請求項６に記載の電界放射型電子源の製
   造方法。
10. 【請求項１０】 前記第４の工程は、前記第１の導電膜
    の上における前記第２の開口部内に前記導電性材料より
    なる陰極を結晶成長により形成する工程を含むことを特
    徴とする請求項６に記載の電界放射型電子源の製造方
    法。