JPS63274047A - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents
電子放出素子およびその製造方法Info
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- JPS63274047A JPS63274047A JP62108846A JP10884687A JPS63274047A JP S63274047 A JPS63274047 A JP S63274047A JP 62108846 A JP62108846 A JP 62108846A JP 10884687 A JP10884687 A JP 10884687A JP S63274047 A JPS63274047 A JP S63274047A
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は電子放出素子に係り、特に突端部を有する電子
放出用電極と該突端部に対向して設けられた対向型、極
とを有する電子放出素子に関する。
放出用電極と該突端部に対向して設けられた対向型、極
とを有する電子放出素子に関する。
７ 〔従来技術〕
電子発生源としては従来熱陰極からの熱電子放出が用い
られていた。この様な熱陰極を利用した電子放出は、加
熱によるエネルギーロスが大きい点、加熱手段の形成が
必要である点、及び予備加熱にかなりの時間を要する点
や熱により系が不安定化しやすいという点で問題があっ
た。
られていた。この様な熱陰極を利用した電子放出は、加
熱によるエネルギーロスが大きい点、加熱手段の形成が
必要である点、及び予備加熱にかなりの時間を要する点
や熱により系が不安定化しやすいという点で問題があっ
た。
そこで、加熱によらない電子放出素子の研究が進められ
、その中の一つに電界効果型（ＦＥ型）の電子放出素子
がある。
、その中の一つに電界効果型（ＦＥ型）の電子放出素子
がある。
第７図は従来の電界効果型の電子放出素子の概略的構成
図である。
図である。
同図に示すように従来の電界効果型の電子放出素子は、
基体２３上に設けられた、強電界を得るために先端を鋭
く尖らせた陰極チップ２０と、基体２３上に絶縁層２１
を介して設けられ、且つ陰極チップ２０の尖頭部を中心
として略円形状の開口部が形成された引き出し電極２２
とから構成され、陰極チップ２０と引き出し電極２２と
の間に引き出し電極２２を高電位とする電圧を印加し、
電界強度の大きくなる陰極チップ２０の尖頭部から電子
を放出させるものである。
基体２３上に設けられた、強電界を得るために先端を鋭
く尖らせた陰極チップ２０と、基体２３上に絶縁層２１
を介して設けられ、且つ陰極チップ２０の尖頭部を中心
として略円形状の開口部が形成された引き出し電極２２
とから構成され、陰極チップ２０と引き出し電極２２と
の間に引き出し電極２２を高電位とする電圧を印加し、
電界強度の大きくなる陰極チップ２０の尖頭部から電子
を放出させるものである。
しかしながら、上記従来の電界効果型の電子放出素子は
陰極チップ２０の先端を鋭く尖らせることが難しく、一
般的に陰極チップ２０を作製する場合には、電解研摩を
行った後にリモルディングを行っていた。この工程は多
くの手間を要し煩雑であるとともに、経験的な要素が強
いために、機械化が難かしく、製造条件にバラツキが生
じやすく、品質が安定しない等の問題点があった。
陰極チップ２０の先端を鋭く尖らせることが難しく、一
般的に陰極チップ２０を作製する場合には、電解研摩を
行った後にリモルディングを行っていた。この工程は多
くの手間を要し煩雑であるとともに、経験的な要素が強
いために、機械化が難かしく、製造条件にバラツキが生
じやすく、品質が安定しない等の問題点があった。
本発明の目的は、上記従来技術の問題に鑑み、電子放出
用の陰極の尖頭部の製造工程を簡易化し、且つ薄型化を
可能とした電界効果型の電子放出素子を提供することに
ある。
用の陰極の尖頭部の製造工程を簡易化し、且つ薄型化を
可能とした電界効果型の電子放出素子を提供することに
ある。
上記の問題点は、絶縁基体上に積層された導電層を微細
加工することによって形成された、突端部を有する電子
放出用電極と該突端部に対向して設けられた対向電極と
を有する電子放出素子によって解決される。
加工することによって形成された、突端部を有する電子
放出用電極と該突端部に対向して設けられた対向電極と
を有する電子放出素子によって解決される。
一般に電界放出に必要な電界強度は１０’Ｖ／１以上で
あり、この電界が印加されると、固体中の電子がトンネ
ル効果により、表面のボテンシャル障壁を通り抜けて電
子が放出される。
あり、この電界が印加されると、固体中の電子がトンネ
ル効果により、表面のボテンシャル障壁を通り抜けて電
子が放出される。
いま、対向する電子放出用の電極と対向電極との間に印
加する電圧を■とし、電子放出用電極の電子放出部分の
曲率半径をｒとすると、曲率半径ｒが小さい場合、電子
放出部の電界強度Ｅは、ｏｃ − なる関係がある。
加する電圧を■とし、電子放出用電極の電子放出部分の
曲率半径をｒとすると、曲率半径ｒが小さい場合、電子
放出部の電界強度Ｅは、ｏｃ − なる関係がある。
電子放出を行わせる場合、電子の収束性を良くするには
、放出電子のエネルギー幅を小さくすることが望ましく
、また、低電圧で駆動できることが望ましい。このため
、前記曲率半径ｒは極力小さくすることが望ましい。
、放出電子のエネルギー幅を小さくすることが望ましく
、また、低電圧で駆動できることが望ましい。このため
、前記曲率半径ｒは極力小さくすることが望ましい。
さらに電子放出電圧のバラツキ等を抑えるために、電子
放出用電極と対向電極との間の距離を精度よく形成する
ことが望まれる。
放出用電極と対向電極との間の距離を精度よく形成する
ことが望まれる。
本発明は、微細加工技術を用いることにより、電子放出
用電極の曲率半径を極力小さく形成し、またこの電子放
出用電極と対向電極との間の距離を精度よく形成せんと
するものである。
用電極の曲率半径を極力小さく形成し、またこの電子放
出用電極と対向電極との間の距離を精度よく形成せんと
するものである。
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。
する。
第１図は本発明の電子放出素子の第一実施例を示す概略
的構成図である。
的構成図である。
同図に示すように、ガラス等の絶縁基板ｌ上に、導電層
を約５００人程度、蒸着等によって積層させ、後述する
ＦＩＢ等のマスクレスエツチング技術を用いて、電子放
出用電極２及び対向電極３を形成する。
を約５００人程度、蒸着等によって積層させ、後述する
ＦＩＢ等のマスクレスエツチング技術を用いて、電子放
出用電極２及び対向電極３を形成する。
電子放出用電極２の突端部形状は、極力、曲率半径が小
さくなるように前記ＦＩＢ等を用いて、三角形状、放物
線形状等に加工されて、くさび形の柱状体、放物線状の
側面を有する柱状体等に形成される。
さくなるように前記ＦＩＢ等を用いて、三角形状、放物
線形状等に加工されて、くさび形の柱状体、放物線状の
側面を有する柱状体等に形成される。
電子放出用電極２の材質は、上記のように電子放出用電
極２の曲率半径が小さくなるように形成され、電流密度
が大きくなり、発熱量が大きくなるために、高融点材料
であることが好ましく、また印加電圧を低減させるため
に低仕事関数材料から構成されることが好ましい。例え
ば、Ｗ、 Ｚｒ。
極２の曲率半径が小さくなるように形成され、電流密度
が大きくなり、発熱量が大きくなるために、高融点材料
であることが好ましく、また印加電圧を低減させるため
に低仕事関数材料から構成されることが好ましい。例え
ば、Ｗ、 Ｚｒ。
Ｔｉ等の金属、Ｔ＋Ｃ，ＺｒＣ＋ ＨｆＣ等の金属炭化
物、ＬａＢ、、、 ＳｍＢ６． ＧｄＢ６等の金属ホウ
化物、ＷＳｉ２．ＴｉＳｉ２゜Ｚｒ５ｉｚ、 ＧｄＳｉ
２等の金属シリサイド等を用いることができる。
物、ＬａＢ、、、 ＳｍＢ６． ＧｄＢ６等の金属ホウ
化物、ＷＳｉ２．ＴｉＳｉ２゜Ｚｒ５ｉｚ、 ＧｄＳｉ
２等の金属シリサイド等を用いることができる。
対向電極３の形状は特に限定されるものではな、いが、
本実施例において示したように、直線状に電子放出用電
極２の突端部と対向するように形成すれば、作製が容易
で、電子放出用電極２から電子を効率よく放出させるこ
とができる。
本実施例において示したように、直線状に電子放出用電
極２の突端部と対向するように形成すれば、作製が容易
で、電子放出用電極２から電子を効率よく放出させるこ
とができる。
このような構成の電子放出素子において、電子放出用電
極２と対向電極３との間に、電′ａ４により対向電極３
を高電位とする電圧を印加することにより、電子放出用
電極２の突端部に強電界がかかり、電子が放出される。
極２と対向電極３との間に、電′ａ４により対向電極３
を高電位とする電圧を印加することにより、電子放出用
電極２の突端部に強電界がかかり、電子が放出される。
この時の放出電流密度Ｊはファウラーノルドハイムの式
を用いて、（Ｅは電界、φは仕事関数） で与えられる。
を用いて、（Ｅは電界、φは仕事関数） で与えられる。
例えば、電子放出用電極２の突端部を３０°の双曲線月
形の開き角とし、対向電極３との距離を０、１μｍ、電
圧を８０Ｖとすると、得られる電界は２．ＯＸ １０’
Ｖ／ｃｍとなり、得られる放出電流密度Ｊは金属の仕
事関数をφ＝３．５とするとＪ＝３．７ ｘ １０−”
Ａ／ｃｄとなる。
形の開き角とし、対向電極３との距離を０、１μｍ、電
圧を８０Ｖとすると、得られる電界は２．ＯＸ １０’
Ｖ／ｃｍとなり、得られる放出電流密度Ｊは金属の仕
事関数をφ＝３．５とするとＪ＝３．７ ｘ １０−”
Ａ／ｃｄとなる。
電子放出用電極２の突端部から放出した電子は対向電極
３に吸収される電子もあれば、電子のエネルギーが低い
ために低エネルギー電子線回折現象によって、放出され
た電子が、対向電極３の結晶格子により散乱されて、絶
縁基板１に□対して垂直方向に放出される電子が存在し
、絶縁基板１に対して垂直方向に運動成分を持つ電子を
電子源として利用することができる。
３に吸収される電子もあれば、電子のエネルギーが低い
ために低エネルギー電子線回折現象によって、放出され
た電子が、対向電極３の結晶格子により散乱されて、絶
縁基板１に□対して垂直方向に放出される電子が存在し
、絶縁基板１に対して垂直方向に運動成分を持つ電子を
電子源として利用することができる。
なお、電子放出用電極２と対向電極３との間の電界強度
を向上させ、且つ放出された電子を絶縁基板上にチャー
ジさせることなく、効率よく電子を取り出すためには、
ドライエッチ等の技術を用いて電界が集中する部分の絶
縁基板面を深く掘ることが望ましい。以下、その製造工
程について説明する。
を向上させ、且つ放出された電子を絶縁基板上にチャー
ジさせることなく、効率よく電子を取り出すためには、
ドライエッチ等の技術を用いて電界が集中する部分の絶
縁基板面を深く掘ることが望ましい。以下、その製造工
程について説明する。
第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、基板に凹部を形成する製造工
程を説明するための概略的説明図である。
程を説明するための概略的説明図である。
まず、第２図（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板５上に熱酸
化等によりＳｔＯ□層６を形成する。
化等によりＳｔＯ□層６を形成する。
次に、第２図（Ｉ３）に示すように、タングステ・ン（
Ｗ）等の導電層７を形成する。
Ｗ）等の導電層７を形成する。
次に、第２図（Ｃ）に示すように、ＦＩＢ等の微細加工
技術を用いて突端部形状を有する電子放出用電極２と直
線形状の対向電極３を形成する。
技術を用いて突端部形状を有する電子放出用電極２と直
線形状の対向電極３を形成する。
次に、第２図（Ｄ）に示すように、フン硝酸系のエツチ
ング液を用いたウェットエツチング、ＣＦ。
ング液を用いたウェットエツチング、ＣＦ。
等の反応ガスを用いたプラズマエツチング等の選択エツ
チングによってＳｉ０２層６をエツチングする。
チングによってＳｉ０２層６をエツチングする。
このとき、エツチングは電子放出用電極２と対向電極３
との間の開口部分を通して行われ、エツチング方向は等
方的に行われて凹部８が形成されるので、電子放出に寄
与する電界集中部分の一部となるＳｉＯ□層６の部分は
完全に除去される。
との間の開口部分を通して行われ、エツチング方向は等
方的に行われて凹部８が形成されるので、電子放出に寄
与する電界集中部分の一部となるＳｉＯ□層６の部分は
完全に除去される。
次に本発明に用いる微細加工技術について説明する。
通常、微細加工技術としてはレジストプロセスとエツチ
ングプロセスからなるリソグラフィー技術が用いられる
が、マスクずれ等が生じるために、０．７μｍ以下の微
細加工は困難である。
ングプロセスからなるリソグラフィー技術が用いられる
が、マスクずれ等が生じるために、０．７μｍ以下の微
細加工は困難である。
本発明に用いる微細加工技術は、０．７μｍ以下の微細
加工が可能なものをいい、例えば前述したＦＩＢが用い
られる。
加工が可能なものをいい、例えば前述したＦＩＢが用い
られる。
第３図はＦＩＢ装置の一例の構成図である。
ＦＩＢ技術は、サブミクロンに集束した金属イオンを走
査し、固体表面におけるスパッタリング現象を利用して
、サブミクロンオーダの微細加工を行うものである。
査し、固体表面におけるスパッタリング現象を利用して
、サブミクロンオーダの微細加工を行うものである。
同図において、イオン源９は、引き出し電極により液体
金属原子を放出させ、ＥＸＢＭＩ分離器１１によって所
望のイオンビームを選別しく合金系液体金属を用いる場
合）、対物レンズ１２によって８０ＫｅＶ程度に加速し
たイオンビームを０．１μｍ程度まで集束し、偏向電極
１３によって基体１４上を走査する。なおイオンビーム
の位置合わせは、試料ステージ１５によって行われる。
金属原子を放出させ、ＥＸＢＭＩ分離器１１によって所
望のイオンビームを選別しく合金系液体金属を用いる場
合）、対物レンズ１２によって８０ＫｅＶ程度に加速し
たイオンビームを０．１μｍ程度まで集束し、偏向電極
１３によって基体１４上を走査する。なおイオンビーム
の位置合わせは、試料ステージ１５によって行われる。
第４図は、本発明の電子放出素子の第二実施例を示す概
略的断面図である。
略的断面図である。
同図に示すように、本実施例の電子放出素子は前記実施
例と同一の構造を持つ電子源に対して、各運動ベクトル
を持つ電子を有効に引き出すために、引き出し電極１６
を電子源上部に設けたものである。電源１７によって、
電子放出用電極２と引き出し電極１６との間に、引き出
し電極１６側を高電位とする電圧を印加すると、電子放
出用電極２から放出された電子を効率よく、絶縁基板１
に対して垂直方向に取り出すことができる。
例と同一の構造を持つ電子源に対して、各運動ベクトル
を持つ電子を有効に引き出すために、引き出し電極１６
を電子源上部に設けたものである。電源１７によって、
電子放出用電極２と引き出し電極１６との間に、引き出
し電極１６側を高電位とする電圧を印加すると、電子放
出用電極２から放出された電子を効率よく、絶縁基板１
に対して垂直方向に取り出すことができる。
第５図は、本発明の電子放出素子の第三実施例を示す概
略的構成図である。
略的構成図である。
同図に示すように、電子放出用電極２はＦＩＢ等の微細
加工技術を用いて、複数個の突端部が形成され、各突端
部と対向電極３との間の距離は高精度に形成されるので
、電子放出のための印加電圧のバラツキは少なく、各突
端部から放出される電子の量は略同−となる。
加工技術を用いて、複数個の突端部が形成され、各突端
部と対向電極３との間の距離は高精度に形成されるので
、電子放出のための印加電圧のバラツキは少なく、各突
端部から放出される電子の量は略同−となる。
第６図は、本発明の電子放出素子の第四実施例を示す概
略的説明図である。
略的説明図である。
同図に示すように、本実施例の電子放出素子は複数の突
端部を有する配線１８．〜１８．と、この配線１８Ｉ〜
１８．とマトリクス状に配置され且つ該それぞれの突端
部に対向して形成された対向電極を有する配線１９．〜
１９．とによって複数個の電子放出部Ａが構成され、配
線 １８．〜１８、を順次ＯＶとし、この走査に合わせ
て、配線１９．〜１９．にそれぞれ接続されるトランジ
スタＴｒ、〜Ｔｒ５に所定の電圧■を印加すれば、所望
の電子放出部から電子を放出させることが可能となる。
端部を有する配線１８．〜１８．と、この配線１８Ｉ〜
１８．とマトリクス状に配置され且つ該それぞれの突端
部に対向して形成された対向電極を有する配線１９．〜
１９．とによって複数個の電子放出部Ａが構成され、配
線 １８．〜１８、を順次ＯＶとし、この走査に合わせ
て、配線１９．〜１９．にそれぞれ接続されるトランジ
スタＴｒ、〜Ｔｒ５に所定の電圧■を印加すれば、所望
の電子放出部から電子を放出させることが可能となる。
以上、詳細に説明したように、本発明の電子放出素子に
よれば、微細加工技術を用いることにより、陰極の曲率
半径を極力小さく形成し、またこの電子放出用電極と対
向電極との間の距離を精度よく形成することができるの
で次の効果がある。
よれば、微細加工技術を用いることにより、陰極の曲率
半径を極力小さく形成し、またこの電子放出用電極と対
向電極との間の距離を精度よく形成することができるの
で次の効果がある。
＋１） 低電圧駆動が可能となり、放出される電子の
エネルギーのバラツキを減少することができる。
エネルギーのバラツキを減少することができる。
（２１ＦＩＢ等の微細加工技術によって、電子放出用電
極、対向電極が、高精度に形成されるので、リモルディ
ング等の製造工程が不要であり、製造工程を簡易化する
ことができる。
極、対向電極が、高精度に形成されるので、リモルディ
ング等の製造工程が不要であり、製造工程を簡易化する
ことができる。
（３）電子放出用電極及び対向電極が平面的に微細加工
されるので薄型化、小型化、軽量化が容易である。
されるので薄型化、小型化、軽量化が容易である。
第１図は本発明の電子放出素子の第一実施例を示す概略
的構成図である。 第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、基板に凹部を形成する製造工
程を説明するための概略的説明図である。 第３図はＦＩＢ装置の一例の構成図である。 第４図は、本発明の電子放出素子の第二実施例を示す概
略的断面図である。 第５図は、本発明の電子放出素子の第三実施例を示す概
略的構成図である。 第６図は、本発明の電子放出素子の第四実施例を示す概
略的説明図である。 第７図は従来の電界効果型の電子放出素子の概略的構成
図である。 １・・・絶縁基板、２・・・電子放出用電極、３・・・
対向電極、４，１７・・・電源、８・・・凹部、１６・
・・引き出し電極。
的構成図である。 第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、基板に凹部を形成する製造工
程を説明するための概略的説明図である。 第３図はＦＩＢ装置の一例の構成図である。 第４図は、本発明の電子放出素子の第二実施例を示す概
略的断面図である。 第５図は、本発明の電子放出素子の第三実施例を示す概
略的構成図である。 第６図は、本発明の電子放出素子の第四実施例を示す概
略的説明図である。 第７図は従来の電界効果型の電子放出素子の概略的構成
図である。 １・・・絶縁基板、２・・・電子放出用電極、３・・・
対向電極、４，１７・・・電源、８・・・凹部、１６・
・・引き出し電極。
Claims (6)
- （１）絶縁基体上に積層された導電層を微細加工するこ
とによって形成された、突端部を有する電子放出用電極
と該突端部に対向して設けられた対向電極とを有する電
子放出素子。 - （２）少なくとも、前記電子放出用電極の前記突端部と
前記対向電極との間の前記絶縁基体に、凹部を形成した
特許請求の範囲第１項記載の第１項記載の電子放出素子
。 - （３）少なくとも前記突端部の構成材料が高融点低仕事
関数材料からなる特許請求の範囲第１項記載の電子放出
素子。 - （４）前記電子放出用電極が複数の突端部を有する特許
請求の範囲第１項記載の電子放出素子。 - （５）前記突端部上に引き出し電極を設けた特許請求の
範囲第１項又は第４項記載の電子放出素子。 - （６）前記複数の突端部を有する配線と、それぞれの突
端部に対向して形成された対向電極を有する配線とをマ
トリクス状に配置した特許請求の範囲第４項記載の電子
放出素子。
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