電子放出素子、電子線装置及びこれを用いた画像表示装置
【課題】 電子放出特性の不安定性を改善するとともに、より高効率な電子放出特性を有する新規な電子線装置の提供。
【解決手段】 表面に凹部を有する絶縁部材と、前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードとを有する。
【解決手段】 表面に凹部を有する絶縁部材と、前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィールドエッミッション(FE)型の電子放出素子を用いた電子線装置及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、カソードから出た電子の多数が対向するゲート電極に衝突、散乱した後に、電子として取り出されるタイプの電子放出素子が存在する。
【0003】
このような形態で電子を放出する素子として、特許文献1に記載された表面伝導型電子放出素子や積層型の電子放出素子が知られている。
【0004】
特許文献1では積層型の電子放出素子であって、絶縁層は内側に窪んだ構成(以下リセス部と呼ぶ)を有する電子放出素子が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2001−167693号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記の特許文献1においては、効率は良いが、電子放出特性の経時的な安定性に関しては、更なる改善が求められていた。
【0007】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で電子放出効率が高く、安定して動作する電子線装置、およびこれを備えた画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する本願発明は、表面に凹部を有する絶縁部材と、前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードとを有する電子線装置である。
【0009】
また更には、上記電子線装置と、前記アノード上に電子照射によって発光する発光部材を備えた、画像表示装置である。
【発明の効果】
【0010】
本願発明においては、電子放出特性の経時変化が抑制された、動作的に安定な電子線装置を提供できる。更には、電子放出部の形状が変化しづらい電子線装置を提供しえる。また更には、電子放出部周辺での放電発生が抑制された電子線装置を提供しえる。更には、これらの電子線装置を用いた画像表示装置を提供しえる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明実施例1の部分図
【図2】本発明の電子放出素子の特性を測定する構成を説明する図
【図3】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大斜視図
【図4】本発明の電子放出素子の構成を説明する図
【図5】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図6】電子放出素子の初期の特性変動を表す図、凹部への回り込み量と素子特性の変化の関係を示す図
【図7】本発明の電子放出素子を応用した画像表示装置の説明図
【図8】本発明の他の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図9】本発明の電子放出素子の製造方法を示す図
【図10】本発明の電子放出素子の製造方法を示す他の図
【図11】実施例2の電子放出素子を説明する図
【図12】実施例3の電子放出素子を説明する図
【図13】実施例3の電子放出素子を説明する部分拡大図
【図14】本発明の他の電子放出素子の製造方法を示す図
【図15】本発明の他の電子放出素子の製造方法を示す他の図
【図16】実施例4の電子放出素子を説明する図
【図17】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図18】電子放出素子のリセス側カソード稜線の角度と素子特性の変化の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【0013】
最初に安定な電子放出を可能とした本実施の形態に係る電子放出素子の構成について述べる。
【0014】
図1(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A線での断面図である。図1(c)は図1(b)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0015】
図1中、3,4は絶縁部材を構成する絶縁層であり、本形態においては、基板1の表面に段差を形成する部材である。5はゲート電極であり、絶縁部材の外表面のうち、上面部分に位置する。また、6Aは絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に位置し、電子放出部となる突起部分を有するカソードであり、本形態においては電極2に電気的に接続されている。また、7は絶縁部材の一部である絶縁層3の側面部分及びゲート電極5の側面部分に比べて、絶縁層4の側面部分を内部に凹むように後退させたリセス部(凹部)である。尚、図1では不図示であるが、ゲート電極5を介して(介在させて)カソード6Aと対向する位置には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極を有している(図2の20)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード6Aの先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離dである。
【0016】
ここで、本発明の特徴である、凹部(リセス)内表面に接して位置するカソード6Aの突起形状部分についての特徴とその望ましい形態について述べる。尚、以下においては、絶縁層3,4からなる絶縁部材の表面を、外表面、凹部の内表面と、部分ごとに別々の表現を用いて説明する。具体的には、絶縁部材の凹部を構成する、絶縁層3の上面部分及び絶縁層4の側面部分を凹部の内表面と表現し、絶縁層3,4の他の部分の表面を外表面と表現する。
【0017】
図5はカソード6Aの断面突起形状をさらに拡大したものである。
【0018】
突起部分の先端部を拡大すると、その先端部は曲率半径rで代表される突起形状が存在する。この曲率半径rにより先端部の電界強度が異なる。rが小さいほど電気力線の集中が生じるため突起先端に高い電界を形成することが可能となる。従って突起部分先端の電界を一定とした場合、すなわち駆動電界を一定とした場合は、曲率半径rが相対的に小さければカソード6Aの先端部分とゲート電極との距離dが大きく、rが相対的に大きければ距離dが小さな値となる。距離dの違いは散乱回数の違いに影響するため、rが小さく、dがおおきいほど効率が高い素子構成とすることが可能となる。
【0019】
このことは換言すると、カソードの先端形状効果によって、効率が増加するので、効率が一定条件においては、後述の式(3)のS1を大きく設定できることになる。このことは、ゲート構造を強固なものとしえるので、長時間の駆動に耐えうる安定した素子を提供できる。
【0020】
尚、本発明で用いられる突起部分は、図5で示されるように基板面上に段差を形成する絶縁部材の凹部(リセス)内表面に距離xをもって凹部(リセス)内部に入り込む形で形成される。この形状は、電子放出部を形成するカソードの形成方法に依存し、EB蒸着等においては蒸着時の角度、時間だけでなくT1、T2で示される厚さがパラメータとなる。またスパッタ形成方法では一般に回り込みが大きいため形状制御が難しい。このためスパッタ圧力、ガス種、基板との移動方向だけでなく特殊な粒子付着機構が必要である。
【0021】
距離xをもって凹部(リセス)内表面に電子放出材料(カソード6Aの材料)が入り込んだ場合、三つのメリットが生じる。1、電子放出部となるカソードの突起部分が絶縁層3に広い面積を持って接触し、機械的な密着力があがる(密着強度の上昇)。2、電子放出部となるカソードの突起部分と絶縁層との熱的な接触面積が広がり、電子放出部で発生する熱を効率よく絶縁層3に逃がすことが可能となる(熱抵抗の低減)。3、緩やかに傾斜を持って凹部(リセス)内に入り込むことで、絶縁層―真空−金属界面で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。4突起部分のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート電極部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させた形状とする(特に電子放出部近傍)事で、先端から放出した電子がリセスから外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。尚、距離xとは、換言すると、突起部分の、凹部内表面と接する部分の端部から凹部の縁までの距離である。
【0022】
ここで、前記の2の効果についてさらに詳細に説明する。
【0023】
図6(a)はカソード材料のリセス内への入り込み量xを変えた場合の初期Ie量とその時間変動量を示したものである。尚、ここでIeとは、放出電子量を意味し、後述の図2におけるアノード20に到達する電子の量である。素子の駆動を開始して最初の10秒間の間に検出された平均的な電子放出量Ieを初期値として規格化し、電子放出量変化を時間の常用対数としてプロットしたものである。
【0024】
明らかな傾向として、電子放出材(カソードの突起部分の材料)の凹部(リセス)内への入り込み量が少なくなるにつれて、電子放出量の初期低下量が大きくなる傾向があった。
【0025】
図6(b)はいくつかの素子において、図6(a)と同様な計測を行い、凹部(リセス)内の電子放出材料の入り込み量xに対し、初期電子放出量を100として規格化を行い、計測後1時間経過した時の電子放出量をプロットしたものである。この図から明らかなように、電子放出材料(カソードの突起部の材料)の凹部への入り込み量が少ないほど初期低下量が多かった。しかし、電子放出材料(カソードの突起部の材料)入り込み量が20nmを越えてくると、入り込み量xの依存性が小さくなる傾向が見られた。
【0026】
これらの結果から推察すると、電子放出材料(カソードの突起部の材料)が凹部(リセス)内に入り込む量xが増加することで、絶縁層3に広い面積で接触するため熱抵抗が低減する。更にそれだけでなく、電子放出部(カソードの突起部)の体積増加による熱容量の増大などの作用も働いて、導電層先端の温度が低下することで初期変動が小さくなったのではないかと思われる。
【0027】
尚、カソードの突起部分の凹部(リセス)内への入り込み距離xは大きいほど良いという訳ではない。一般的にはxの値は10〜30nm程度に設定される。xは電子放出部となるカソードの突起部材料の蒸着時の角度、凹部(リセス)を形成する絶縁層4の厚さT2、ゲートの厚さT1を制御してその長さを制御しているが、望ましい形態としてxは20nmより長いことが望ましい。しかし、xをあまり長く取ると凹部(リセス)の内表面(絶縁層4の側面)を介したカソード6Aとゲートとの間のリークが発生し、リーク電流が増大する。
【0028】
次に、3重点について述べる。一般に真空、絶縁体、金属の様に誘電率が異なる三種類の材料が同時に一つの場所に接する場所は3重点と呼ばれ、条件により三重点の電界が周囲よりも極端に高くなることで放電等の要因になる場合がある。本構成においても図5に示したTGの場所は3重点となっている。カソード6Aの突起部分と絶縁層が接する角度θが90度以上であれば周囲の電界と大きく変わらない。しかし、カソードの突起部分が例えば何らかの機械的強度不足により絶縁層3から剥がれてしまった場合は、角度θが90度以下となり、強大な電界が形成されてしまう。このときは剥がれた界面に強大な電界が形成されるため、TG点からの電子放出、あるいはこの電子放出が引き金となる沿面放電により素子破壊が生じる場合がある。
【0029】
従って、カソード6Aの突起部分と絶縁層が接する角度θの望ましい角度は90度以上である。
【0030】
次に、図2のように素子に電圧を印加することによって放出された電子の軌道について説明する。
【0031】
図2は、本発明の電子放出素子であり、素子の電子放出特性を測定するときの電源及び電位の関係を示す図である。ここでVfはカソードとゲートとの間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaはカソードとアノード電極20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。
【0032】
ここで、効率(η)とは素子に電圧を印加したときに検出される電流(If)と真空中に取り出される電流(Ie)を用いて、効率η=Ie/(If+Ie)で与えられる。
【0033】
また、このような配置において、電子放出部の拡大模式図を図3に示す。図3において、3、4は絶縁部材を構成する絶縁層、51,52はゲート電極のそれぞれ側面、底面(絶縁部材の凹部に対向する面)を表している。また6A−1、6A−2、6A−3、6A−4は放出部となる突起部分を有するカソード6Aを面要素に分解した場合の各面を表している。
【0034】
(電子放出における散乱の説明)
図3において、短冊形状のカソード6Aの端部(突起部分)から対向するゲート電極5に向かって放出された電子は、ゲート電極5に衝突するものと、ゲート電極に衝突しないものとがある。電子のゲート電極への衝突箇所は、ゲート電極の側面51と、ゲート電極の、絶縁性部材の凹部に対向する部分52(ゲート電極の裏面)とに大別されるが、多くの電子は側面51に衝突する。衝突箇所がゲート電極の側面51、裏面52のいずれの場合であっても、ゲート電極5に衝突する電子は、ゲート電極5に衝突して等方的に散乱する。しかし電子がどの面で散乱するかは効率に大きく影響する。短冊形状のカソード6Aの端部(突起部分)を可能な限りゲート電極から離すことで、ゲート電極の裏面52における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。
【0035】
ゲート電極5で散乱された電子の多くは、ゲート電極5で数回の弾性散乱(多重散乱)が繰り返されるが、ゲート電極5の上部では電子が散乱できずに陽極側に飛び出す。
【0036】
前述のように、効率の向上は、電子のゲート電極での散乱回数(落下の回数)を減少させることによって実現される。
【0037】
散乱回数、距離について図4を用いて説明する。
【0038】
本素子の電位領域は、間隙8をはさんで、ゲート電極5に印加される電圧で決まる高電位領域と、電極2及び電極2と接続するカソード6Aに印加される電圧で決まる低電位領域とを有する。図中、S1、S2、S3は、ゲート及びカソードの電位から決定される各々の領域長であり、単なる電極厚さ、絶縁層厚さなどとは異なるものである。
【0039】
本発明による電子放出素子のゲートとカソード間に電圧Vfを印加すると、低電位領域の先端から対向する高電位領域に電子が放出され、電子が高電位領域の先端部で等方的に散乱する。高電位領域の先端部で散乱した電子の多くは、高電位領域で弾性散乱を1回から数回にわたって繰り返す。
【0040】
本発明の構成の場合は主としてS1の距離で効率が決定される。さらに、S1が、1回目の散乱までの最大飛翔距離未満となることで、多重散乱なしの電子を生じる。
【0041】
本構成において、散乱の挙動の詳細な検討を行った結果、以下のことが判明した。つまり、高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)に用いた材料の仕事関数φwkと駆動電圧Vfの関数として、さらに、S1、S3の距離の関数すなわち、放出部近傍の形状の効果により、効率向上が可能となる領域が存在する。
【0042】
解析的な検討の結果、S1max(図3におけるT1)に関しての以下の式が導かれる。
S1max=A*exp[B*(qVf−φwk)/(qVf)]・・・(3)
A=−0.78+0.87*log(S3)
B=8.7
ここで、S1、S3は距離(単位はnm)、φwkは高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)の仕事関数の値(単位はeV)、Vfは駆動電圧(単位はV)、AはS3の関数、Bは定数である。またqは素電荷(エレメンタリーチャージ)である。
【0043】
これまで説明したように電子放出効率には、散乱に関わるパラメータとしてS1が重要であり、S1を(3)式に設定すれば、著しく効率向上の効果が得られることがわかった。
【0044】
したがって、本願発明の構成においても、上記の(3)式を満たすことで、上述3つの効果(経時変化の低減、機械的強度の向上、及び素子破壊の抑制)を有すると共に、更に電子放出効率を向上した、電子放出素子を提供しえる。
【0045】
本発明による構成では、アノード電極と電子放出素子との間の駆動電圧で構成される空間電位分布によって、放出された電子のうちの一部は、再びゲート電極で散乱することなくゲート電極の上部に到達し、そのままアノード電極へと到達するものも現れる。
【0046】
このように、ゲート電極で散乱されない電子は、効率向上にとって重要である。
【0047】
図8を用いて説明する。カソード6Aの端部(突起部分)を可能な限りゲート電極から離す(距離dを大きくする)ことで、ゲート電極の裏面52(図3参照)における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。また本発明の電子放出素子を側面から見た場合の、カソード6Aの端部(突起部分)と、ゲート電極端とのオフセット量Dxが大きくなる事でも上述の理由により効率が向上する傾向にある。
【0048】
更にカソード6A端部(突起部分)のリセス側(絶縁層の凹部側)の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる形状とする(特に電子放出部近傍部分で)と良い。これによって、先端から放出した電子がリセスの外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。この構造を示す部分拡大図を図17に示す。図17では、傾斜形状を簡便に説明するため、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線を、カソード6の突起部先端に平行移動させて示している。
【0049】
図17に示すように、カソード6A端部(突起部分)のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる。解析的な検討の結果、この傾斜角度θcの増加に伴い、図18に示すように無散乱電子の割合が増加する。換言すると、カソード6A端部(突起先端部)から、凹部の内表面に接する部分までの稜線と、ゲートの下面から伸ばした法線との角度θcの増加に伴い、図18に示すように無散乱電子の割合が増加する。ここでθc=0度とはカソード6Aの突起を、ゲートの下面から伸ばした法線と平行なポールにみたてた場合に相当する。なお図18の縦軸はθc=0度の時の無散乱電子量で規格化したものである。
【0050】
ここで、オフセット量Dxを大きくしていくと、本発明の構成ではカソード6Aの端部(突起先端部分)とゲートとの最短距離dよりも、カソード6A突起のリセス側の傾斜部分(すそ部分)と、ゲートとの最短距離d0のほうが小さくなる場合がある。この場合にはカソード6A突起の傾斜部分(すそ部)の電界強度E0が、カソード6Aの端部(突起先端)の電界強度Eよりも大きくなってしまうと、カソード6Aの傾斜部分(すそ部)からの電子放出が生じ、ゲートで散乱する電子を増やしてしまう結果となる。 そこでこのような場合に高効率を達成するには以下の関係を満たしておく事が重要である。カソード6A端部(突起先端)の電界強度Eは(βr×1/d)Vgで決定され、カソード6Aの傾斜部分(すそ部)の電界強度E0は(β0×1/d0)Vgで決定され、E>E0を満たすようにする。ここでβrはカソード6A端部(突起先端)の形状効果による電界エンハンスファクター、β0はカソード6Aの傾斜部分(すそ部)における形状による電界エンハンスファクター(電界エンハンスファクターは完全な並行平板では1なる係数)、Vgはゲート電極に印加される電圧である。
【0051】
したがって E>E0 となる場合を、βrとβ0、dとd0を、使って表すと
(βr/β0)>(d/d0)となる。つまり本発明の構成のおいてはカソード6A端部(突起先端)の電界エンハンスファクターβrを大きくするために突起先端rを小さくしておくとよい。
【0052】
上記のような条件を満たす事で、ゲート電極で散乱されない電子の割合が増えてより効率が向上する。
【0053】
上記で述べてきた本発明の実施の形態に係る電子放出素子について、更に詳細に説明する。
【0054】
図9及び図10を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図9及び図10は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0055】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、石英ガラス,Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス及び、シリコン基板である。基板に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があり、ディスプレイパネルのような一体ものとして用いる場合は成膜材料や他の積層部材と熱膨張差が小さいものが望ましい。また熱処理に伴いガラス内部からのアルカリ元素等が拡散しづらい材料が望ましい。
【0056】
まず最初に、図9(a)に示すように基板上に段差を形成するために絶縁層3、4と、この絶縁部材上に(絶縁層4の上に)ゲート電極5を積層する。
【0057】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえばSiN(SixNy)やSiO2であり、その作成方法はスパッタ法等の一般的な真空成膜法、CVD法、真空蒸着法で形成される。またその厚さとしては、数nmから数十μmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲に選択される。
【0058】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえばSiN(SixNy)やSiO2であり、その作成方法は一般的な真空成膜法、例えばCVD法、真空蒸着法あるいはスパッタ法で形成される。またその厚さとしては、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数nmから数十nmの範囲で選択される。尚、絶縁層3と4を積層した後に凹部(リセス部)を形成する必要があるため、絶縁層3と絶縁層4とはエッチングに対して異なるエッチング量を持つような関係に設定されなければならない。望ましくは絶縁層3と絶縁層4との間のエッチング量の比は、10以上が望ましく、できれば50以上とれることがのぞましい。
【0059】
絶縁層3は、例えばSixNyを用い、絶縁層4は例えばSiO2等絶縁性材料、あるいはリン濃度の高いPSG、ホウ素濃度の高いBSG膜等で構成する事ができる。
【0060】
ゲート電極5は導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成されるものである。
【0061】
ゲート電極5の材料は、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が望ましい。例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用できる。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN、TaN等の窒化物、Si,Ge等の半導体なども使用可能である。また、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も適宜使用可能である。
【0062】
また、ゲート電極5の厚さとしては、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲で選択される。
【0063】
図9(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成したのち、エッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0064】
このようなエッチング加工では一般的にエッチングガスをプラズマ化して材料に照射することで材料の精密なエッチング加工が可能なRIE(Reactive Ion Etching)が用いられる。
【0065】
この際の加工ガスとしては、加工する対象部材としてフッ化物を作る場合はCF4、CHF3、SF6のフッ素系ガスが選ばれる。またSiやAlのように塩化物を形成する場合はCl2、BCl3などの塩素系ガスが選ばれる。またレジストとの選択比を取るため、またエッチング面の平滑性の確保あるいはエッチングスピードを上げるために水素や酸素、アルゴンガスなどが随時添加される。
【0066】
図9(c)に示すようにエッチング手法を用いて、絶縁層4をエッチングして、絶縁層3、4からなる絶縁部材の表面に凹部(リセス部)を形成する。
【0067】
エッチングは、例えば絶縁層4がSiO2からなる材料であれば通称バッファーフッ酸(BHF)と呼ばれるフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液を用い、絶縁層4がSixNyからなる材料であれば熱リン酸系エッチング液を使用することが可能である。
【0068】
凹部(リセス部)の深さ(絶縁部材の外表面(絶縁層3の側面)から絶縁層4の側面までの距離)は、素子形成後のリーク電流に深く関わり、凹部を深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。しかし、あまり距離を深く形成するとゲート電極が変形する等の課題が発生する。このため、およそ30nm〜200nm程度で形成される。
【0069】
図10(d)に示すようにゲート電極5に剥離層12を形成する。
【0070】
剥離層の形成は、次の行程で堆積する導電層材料をゲート電極から剥離することが目的である。このような目的のため、例えばゲート電極を酸化させて酸化膜を形成する、あるいは電解メッキにて剥離金属を付着させるなどの方法によって剥離層12が形成される。
【0071】
図10(e)に示すようにカソード材料6Bをゲート電極上に、またカソード6Aを絶縁部材の外表面の一部(絶縁層3の外表面上(側面上))及び凹部の内表面上(絶縁層3の上面)に付着させる。
【0072】
カソード材料は導電性があり、電界放出する材料であればよく、一般的には2000℃以上の高融点、5eV以下の仕事関数材料であり、酸化物等の化学反応層の形成しづらいあるいは簡易に反応層を除去可能な材料が好ましい。このような材料として例えば、Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用可能である。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN、TaN等の窒化物も使用可能である。またさらには、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用可能である。
【0073】
導電層は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成される。
【0074】
前述したように、本発明においては効率良く電子を取り出すためカソードの突起部分が最適な形状になるように、蒸着の角度と成膜時間、形成時の温度および形成時の真空度を制御して作成する必要がある。具体的には、凹部の内表面となる絶縁層3上面へのカソード材料の入り込み量xは、10nm〜30nm、10nm〜30nm更に好ましくは、20nm〜30nm、また、絶縁部材の凹部の内表面となる絶縁層3の上面とカソードとの接する角度は、90°以上とすると良い。
【0075】
図10(F)に示すように剥離層をエッチングで取り除くことで、ゲート電極上のカソード材料(放出部材料)6Bが取り除かれる。次にカソード6Aと電気的な導通を取るために電極2を形成する。
【0076】
この電極2は、前記カソード6Aと同様に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。
【0077】
電極2の材料は、例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用可能である。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN等の窒化物も使用可能である。またさらには、Si,Ge等の半導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用可能である。
【0078】
電極2の厚さとしては、数十nmから数mmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数μmの範囲で選択される。
【0079】
電極2及びゲート電極5は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも異種方法でも良いが、ゲート電極5は電極2に比べてその膜厚が薄い範囲で設定される場合があり、低抵抗材料が望ましい。
【0080】
以下、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源を備えた画像表示装置について、図7を用いて説明する。
【0081】
図7は画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
【0082】
図7において、61は電子放出素子を複数配した電子源基体、71は電子源基体61を固定したリアプレートである。また、76はガラス基体73の内面に、第三の導電部材であるメタルバック75と、該第三の導電部材上に位置する発光部材としての蛍光体である蛍光膜74等が形成されたフェースプレートである。
【0083】
また、72は支持枠であり、この支持枠72には、リアプレート71、フェースプレート76がフリットガラス等を用いて接続されている。77は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素中で、400〜500度の温度範囲で10分以上焼成することで、封着して構成される。
【0084】
また、64は、図1における電子放出素子に相当するものであり、62,63は、電子放出素子の(カソード)電極2、ゲート電極5とそれぞれ接続されたX方向配線及びY方向配線である。
【0085】
外囲器77は、上述の如く、フェースプレート76、支持枠72、リアプレート71で構成される。ここで、リアプレート71は主に基体61の強度を補強する目的で設けられるため、基体61自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート71は不要とすることができる。
【0086】
即ち、基体61に直接支持枠72を封着し、フェースプレート76,支持枠72及び基体61で外囲器77を構成しても良い。一方、フェースプレート76とリアプレート71との間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器77を構成することもできる。
【0087】
尚、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を用いた画像表示装置では、放出した電子軌道を考慮して、素子上部に蛍光体をアライメントして配置する。
【0088】
端子Dox1乃至Doxmには、表示パネル内に設けられている電子源、即ち、M行N列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を一行(N素子)ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。
【0089】
一方、端子Doy1乃至Doynには、走査信号により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加される。
【0090】
高圧端子Hvには、直流電圧源Vaより、例えば10[kV]の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【0091】
上述のように走査信号、変調信号、及びアノードへの高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体へと照射することによって、画像表示を実現する。
【0092】
尚、このような表示装置を本発明の電子放出素子を用いて形成することによって、電子ビームの形状の整った表示装置を構成でき、結果、良好な表示特性の画像表示装置を提供しえる。
【実施例1】
【0093】
図1(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A線での断面図である。図1(c)は図1(b)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0094】
図1中、3,4は絶縁部材を構成する絶縁層であり、本実施例において、基板1の上面に段差を形成する部材である。5は絶縁部材上に位置するゲート電極である。6Aは電極2に電気的に接続され、導電性材料で形成されたカソードであり、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面に位置し、電子放出部となる突起部分を有する。また、7は絶縁層3の側面(外表面)及びゲート電極5の側面に比べて、絶縁層4の側面を内部に凹むように後退させたリセス部(凹部)である。尚、図1では不図示であるが、カソード6A及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20参照)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード6Aの突起部先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。また図1の素子の放出部近傍を俯瞰し、拡大した図を図3に示す。
【0095】
図9及び図10を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図9及び図10は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0096】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、本実施例ではプラズマディスプレイ用に開発された低ナトリウムガラスであるPD200を用いている。
【0097】
まず最初に、図9(a)に示すように基板1上に絶縁層3、4と、ゲート電極5を積層する。
【0098】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、SiN(SixNy)膜をスパッタ法にて形成し、その厚さとしては、500nmとした。
【0099】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であるSiO2であり、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
【0100】
ゲート電極5はTaN膜で構成し、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
【0101】
次に、図9(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成したのち、ドライエッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0102】
この時の加工ガスとしては、絶縁層3、4及びゲート電極5には前述のようにフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁層3,絶縁層4,及びゲート材料5のエッチング後の角度は基板水平面に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
【0103】
レジストを剥離した後、図9(C)に示すようにBHFを用いて深さ約70nmになるようにエッチング手法を用いて、絶縁層4をエッチングし、絶縁層3,4からなる絶縁部材に凹部(リセス部)を形成した。
【0104】
次に、図10(d)に示すようにゲート電極5に剥離層12を形成する。
【0105】
剥離層の形成は、TaNゲート電極に電解メッキによりNiを電解析出させて剥離層12を形成した。
【0106】
図10(e)に示すようにカソード材料であるモリブデン(Mo)を、絶縁部材の外表面上及び凹部の内表上(絶縁層3の上面)に付着させ、カソード6Aを形成した。尚この際、ゲート電極上にもカソード材料が付着する(6B)。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では凹部(リセス)内に35nm程度、カソード材料(カソード膜)が入り込むように、基板の角度を基板水平面に対し60°にセットした。これによりゲート上部にはMoが60°で入射し、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が40°で入射するようにセットした。蒸着は約12nm/minになるように蒸着速度を定めた。そして蒸着時間を精密に制御し(本例では2.5分)、絶縁部材の外表面上のMoの厚さが30nm、凹部(リセス部)内へのカソード膜の入り込み量(x)が35nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部となるカソードの突起部とが接する角度が120°となるように形成した。
【0107】
Mo膜を形成後、ヨウ素とヨウ化カリウムからなるエッチング液を用いてゲート電極5上に析出させたNi剥離層を除去することによりゲート電極上のMo材料6Bをゲートから剥離した。
【0108】
剥離後、カソード6Aの幅T4(図3)が100μmになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。
【0109】
その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンからなるカソード6Aを加工する。この時の加工ガスとしては、導電層材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた(図10(f))。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って位置する突起部分を有する短冊状のカソード6Aを形成した。本形態においては、カソード6Aの幅は突起部分の幅と一致しており、T4は突起部分の幅ともいえる。尚、突起部分の幅とは、突起部分の、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向の長さを意味する。
【0110】
断面TEMによる解析の結果、図1における放出部であるカソードの突起部分とゲート間の最短距離8が9nmであった。
【0111】
次に図10(g)に示すように、電極2を形成した。電極2には銅(Cu)を用いた。その作成方法はスパッタ法にて形成され、その厚さとしては、500nmであった。
【0112】
以上の方法で電子放出素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0113】
図2において、本発明素子の電子放出特性を測定するときの電源の供給配置を示している。ここでVfはゲート電極5と電極2の間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaは電極2と陽極(アノード)20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。
【0114】
ここで、本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5の電位を26Vとし、カソード6Aの電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極とカソード6Aの間に26Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは1.5μAであり、平均17%の効率が得られる電子放出素子が得られた。
【0115】
素子のカソード部を断面TEMにて観察した結果、図8のような形状となっていた。図8において各パラメータの値を抽出した結果、θA=75°、θB=80°、x=35nm、h=29nm、Dx=11nm、d=9nmであった。また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部であるカソードの突起部分とが接する角度は125°であった。本構成のように、凹部(リセス)内に電子放出部となるカソードの突起部を入り込ませ、導電層の突起部と凹部の内表面とを接触させる。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が3%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。また本構成(図8)のように、カソードの突起部分のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート電極部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる形状とする(特に電子放出部近傍)事で、先端から放出した電子がリセス外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。
【実施例2】
【0116】
図11(A)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図11(B)は図11(A)におけるA−A線での断面図である。図11(C)は図11(A)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0117】
図11中、図1と同じ部材については説明を省略する。尚、60A1〜60A4は電極2に電気的に接続された短冊状のカソードであり、60A1〜60A4は段差を形成している絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に設けられている。また、図11では不図示であるが、カソード60A1〜60A4及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20参照)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード60A1〜60A4の突起部先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。
【0118】
基本的な作製方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
【0119】
図10(E)に6Bとして示すように、ゲート電極上にも電子放出部を形成するカソード材であるモリブデン(Mo)が付着する。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度を80°にセットした。これによりゲート電極の上部にはMoが80°で入射し、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が20°で入射するようにセットした。蒸着は約10nm/minになるように蒸着速度を定めた。そして、2分の蒸着時間を精密に制御することにより絶縁部材の外表面上のMoの厚さが20nm、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が14nm、また、凹部内表面(絶縁層3の上面)とカソードとが接する角度が100°とになるように形成した。
【0120】
Mo膜を形成後、ヨウ素とヨウ化カリウムからなるエッチング液を用いてゲート電極5上に析出させたNi剥離層を除去することによりゲート上に付着したMo材料6Bをゲートから剥離した。
【0121】
剥離後、カソード60A1〜60A4の幅T4(図3)が3μmのライン&スペースになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。その後、ドライエッチング手法を用いて、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード60A1〜60A4を短冊状に加工する。この時の加工ガスとしては、電子放出部となる突起部分を形成する導電層材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。
【0122】
この結果、断面TEMによる解析の結果、図11(b)におけるカソードの突起部分とゲート間の最短距離8が平均的に8.5nmとなっていた。
【0123】
以上の方法で素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0124】
本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5の電位を26Vとし、カソード60A1〜60A4の電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極5とカソード60A1〜60A4との間に26Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは6.2μAであり、平均17%の効率が得られる素子が得られた。本構成においても前述の実施例1と同様に、段差を形成する絶縁部材の凹部(リセス)内にカソード膜を入り込ませ、カソードと凹部の内表面とを接触させる。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が5%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。
【0125】
尚、本実施例の構成においては、1つの電子放出素子において、電子放出部を有するカソードを複数有し、その各々を短冊形状にすることで、電子放出電流が短冊の本数に応じて増加した。
【0126】
同様な製法で、短冊形状のカソードのライン&スペースを0.5μmとし、短冊形状のカソードの本数を100倍に増やした場合には、約100倍の電子放出量が得られた。また、このように複数の短冊状導電層からなる電子放出素子を設けた本発明においては、従前の電子放出素子に比べて、電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供できる。つまり、従前の電子放出素子のような、電子放出箇所が不特定であることに基づく、電子ビーム形状の制御の困難性を解消し、短冊状カソードの配列レイアウトを制御するのみで電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供しえる。
【実施例3】
【0127】
図12(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図12(b)は図12(a)におけるA−A線での断面図である。図12(c)は図12(a)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0128】
図12中、図1と同じ部材については説明を省略する。尚、6Aは電極2に電気的に接続され、導電性材料で形成された短冊状のカソードであり、絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に設けられている。6Bはゲート電極に接続され、電子放出部を形成するカソードの材料と同一の材料で構成されたゲート電極の突出部である。尚6Bはゲート電極5の上面及び側面に形成されている。尚、図12では不図示であるが、カソード6A及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20)。また図12の素子の放出部近傍を俯瞰し、拡大した図を図13に示す。
【0129】
図14及び図15を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図14及び図15は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0130】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、本実施例ではプラズマディスプレイ用に開発された低ナトリウムガラスであるPD200を用いている。
【0131】
まず最初に、図14(a)に示すように基板1上に絶縁層3、4と、ゲート電極5を積層する。
【0132】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、SiN(SixNy)膜をスパッタ法にて形成し、その厚さとしては、500nmとした。
【0133】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であるSiO2膜であり、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、40nmとした。
【0134】
ゲート電極5はTaNで構成し、スパッタ法にて形成され、その厚さとしては、40nmとした。
【0135】
次に図14(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成し、ドライエッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0136】
この時の加工ガスとしては、絶縁層3、4及びゲート電極5は前述のようにフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスを用いた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁部材を構成する絶縁層3,絶縁層4と、ゲート材料5のエッチング後の角度は基板に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
【0137】
レジストを剥離した後、図14(c)に示すようにBHFを用いて深さ約100nmになるようにエッチング手法にて、絶縁部材の一部である絶縁層4をエッチングして、絶縁層3、4からなる絶縁部材に凹部(リセス部)を形成した。
【0138】
実施例2と同様、図15(d)に示すように電子放出部を形成するカソードの材料であるモリブデン(Mo)を、ゲート電極上にも付着させる。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度を60°にセットした。これによりゲート上部にはMoが60°で入射し、絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が40°で入射するようにセットした。蒸着は約10nm/minになるように蒸着速度を定め、4分間蒸着を行った。
【0139】
このように蒸着時間を精密に制御することにより絶縁部材の外表面上のMoの厚さが40nm、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が33nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部であるカソードの突起部とが接する角度が120°になるように形成した。
【0140】
次に、導電層6Aの幅T4が600μm、ゲートの突出部6Bの幅T7がT4よりも30nm程度小さくなるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。尚ゲートの突出部6Bの幅T7は、ゲート電極5上のレジストパターンのテーパ形状によって制御した。その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンカソード6A、ゲートの突出部6Bを加工する。この時の加工ガスとしては、カソード及びゲートの突出部材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード6Aと、この突起部分に対向するように位置する、ゲート電極5の突出部6Bとを短冊状に加工した。
【0141】
断面TEMによる解析の結果、図12(b)におけるカソードの突起部とゲートの突出部との間の最短距離8が15nmであった。
【0142】
次に図15(e)に示すように電極2を形成した。電極2は銅(Cu)を用いた。その作成方法はスパッタ法で、その厚さとしては、500nmとした。
【0143】
以上の方法で素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0144】
ここで、本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5及び突出部6Bの電位を35Vとし、カソード6Aの電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極とカソード6Aの間に35Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは1.5μAであり、平均20%の効率が得られる素子が得られた。上述の他の実施例と同様に、本構成においても、絶縁部材の凹部(リセス)内にカソードを入り込ませ、カソードを凹部の内表面に接触させることによって、熱的、機械的安定性が向上した。その結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が4%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。
【0145】
また、本実施例の電子放出素子の特性について図13を用いて簡単に説明する。尚、図13ではゲート電極5上に突出部6Bを設置し、この突出部6Bの幅をT7としている以外は図3と同じである。尚、T7は換言すると、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向の長さである。
【0146】
図13において電子放出部となるカソードの突起部の端部から発生した電子は、一部が対向するゲート電極5およびゲートの突出部6Bに衝突し、一部は衝突せず外部へと引き出される。ゲート電極の突出部6Bに衝突する電子は、面要素6B1で衝突する場合と、面要素6B2で衝突する場合とがあり、いずれの衝突電子も等方的に散乱する。このとき面要素6B1と6B2で散乱した場合とで、電子軌道から電子の脱出数を調べた結果、6B1で散乱した場合の方が6B2で散乱した場合よりも脱出確率が高いことが分かった。このため、カソード6Aの電子放出部となる突起部分の幅T4とゲート電極の突出部の幅T7の関係をT4≧T7とすることで効率が数%から数十%程度向上することが解析的に分かった。換言すると、ゲート電極の突出部の凹部の縁に沿った方向の長さは、カソード突起部分の前記凹部の縁に沿った長さ以下であることが、効率向上の観点で好ましい。また、T4とT7との差が、絶縁層4の高さであるT2の2倍以上になると、特に効率が向上し好ましい。尚、前述のとおり、突起部分の幅(T4)とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向に測った導電層6Aの突起部分の長さである。同様に、突出部分の幅(T7)とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向に測ったゲート電極5の突出部分6Bの長さである。
【実施例4】
【0147】
図16(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図16(b)は図16(a)におけるA−A線での断面図である。図16(c)は図16(a)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0148】
図16中、図11と同じ部材については説明を省略する。60B1〜60B4はゲート電極に電気的に接続され、導電性材料で形成された短冊状の突出部である。さらに60B1〜60B4はゲート電極5の上面及び側面上に設けられている。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード60A1〜60A4の突起部先端からゲート電極の突出部60B1〜60B4の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。
【0149】
基本的な作製方法は実施例3と同様であるので、ここでは実施例3との違いだけ述べる。
【0150】
図15(e)に示すように電子放出部を形成するカソードの材料であるモリブデン(Mo)を、ゲート電極にも付着させる。本実施例では成膜方法としてスパッタ蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度をスパッタタ−ゲットに対して水平になるようにセットした。本件のスパッタ成膜ではスパッタ粒子が限られた角度で基板面に入射されるよう、アルゴンプラズマを真空度0.1Paで生成し、基板とMoターゲットの間の距離を60mm以下(0.1Paでの平均自由行程)になるように基板を設置した。そして、絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上のMoの厚さが20nmになるように10nm/minの蒸着速度で形成した。このとき、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が40nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部となるカソードの突起部とが接する角度が150°となるように形成した。
【0151】
モリブデン膜を形成後、放出部を形成するカソード60A1〜60A4の幅T4(図13)が3μmのライン&スペースになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。
【0152】
その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンカソード60A1〜60A4及びゲート電極の突出部60B1〜60B4を加工する。この時の加工ガスとしては、カソード及びゲートの突出部の材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード60A1〜60A4と、この突起部分に対向するように位置する、ゲート電極5の突出部60B1〜60B4とを短冊状に加工した。出来上がったカソードとゲート電極突出部の幅を計測した結果、ゲートの突出部60B1〜60B4の電極幅T7が、電子放出部を形成する導電層60A1〜60A4の幅T4よりも10nm〜30nm程度小さくなっていた。尚前述の実施例と同様、カソードを短冊状に加工しているので、T4は突起部分の幅でもある。尚、突起部分の幅とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向でのカソード60Aの突起部分の長さを意味する。同様に、ゲート電極の突出部の幅とは、絶縁性部材の凹部に沿った方向における長さを意味する。
【0153】
断面TEMによる解析の結果、図16(b)における電子放出部となるカソードの突起部とゲート電極の突出部との間の最短距離8が平均的に8.5nmとなっていた。
【0154】
本実施例においても、上述の他の実施例と同様に、絶縁部材の凹部(リセス)内に電子放出部となるカソードの突起部を入り込ませ、カソードの突起部と凹部の内表面とを接触させた。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が3%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。また、実施例2同様、1つの電子放出素子において、短冊状のカソードを複数有しているので、従前の電子放出素子に比べて、電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供できる。つまり、従前の電子放出素子のような、電子放出箇所が不特定であることに基づく、電子ビーム形状の制御の困難性を解消し、短冊状カソードのレイアウトを制御するのみで電子ビーム形状の整った電子線装置を提供しえる。さらには、ゲート上に突出部60Bを設け、その幅(T7)を電子放出部を有するカソード60Aの幅(T4)以下にする、好ましくは小さくすることで、より効率の高い電子ビーム源を形成しえた。
【0155】
尚、上述の実施例2、4の電子線装置を用いて、前述の画像表示装置を作成したところ、電子ビームの成形性に優れた表示装置を提供でき、結果、表示画像の良好な表示装置を実現できた。
【0156】
尚、上記全ての実施例において、好ましくは、ゲート電極5の絶縁部材の凹部に対向する部分(ゲート電極の下面)を絶縁層で被覆するとよい。電子放出部(導電層の突起部の端部)から放出された電子のうち、ゲートの下面に照射する電子は、アノードに到達せず、効率を低減する要因(上述のIf成分)となるが、ゲート電極の下面が絶縁層で覆われる構成では、Ifを低減できるので、効率が向上する。ゲート電極5の絶縁部材の凹部に対向する部分(ゲート電極の下面)を覆う絶縁層としては、例えば、膜厚20nm程度のSiN膜が利用でき、この構成で十分に効率向上効果を得られることが確認されている。
【0157】
このような構成の電子線装置を用いた画像表示装置においても、上述の画像表示装置と同様、電子ビームの成形性に優れた表示装置を提供できた。また、表示画像の良好な表示装置を実現できるとともに、効率向上に伴う、低消費電力な画像表示装置が提供できた。
【符号の説明】
【0158】
1 基板
2 カソード電極
3、4 絶縁層(絶縁部材)
5 ゲート電極
6A 導電層
7 凹部(リセス)
8 導電層の突起部とゲート電極との距離
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィールドエッミッション(FE)型の電子放出素子を用いた電子線装置及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、カソードから出た電子の多数が対向するゲート電極に衝突、散乱した後に、電子として取り出されるタイプの電子放出素子が存在する。
【0003】
このような形態で電子を放出する素子として、特許文献1に記載された表面伝導型電子放出素子や積層型の電子放出素子が知られている。
【0004】
特許文献1では積層型の電子放出素子であって、絶縁層は内側に窪んだ構成(以下リセス部と呼ぶ)を有する電子放出素子が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2001−167693号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記の特許文献1においては、効率は良いが、電子放出特性の経時的な安定性に関しては、更なる改善が求められていた。
【0007】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で電子放出効率が高く、安定して動作する電子線装置、およびこれを備えた画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する本願発明は、表面に凹部を有する絶縁部材と、前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードとを有する電子線装置である。
【0009】
また更には、上記電子線装置と、前記アノード上に電子照射によって発光する発光部材を備えた、画像表示装置である。
【発明の効果】
【0010】
本願発明においては、電子放出特性の経時変化が抑制された、動作的に安定な電子線装置を提供できる。更には、電子放出部の形状が変化しづらい電子線装置を提供しえる。また更には、電子放出部周辺での放電発生が抑制された電子線装置を提供しえる。更には、これらの電子線装置を用いた画像表示装置を提供しえる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明実施例1の部分図
【図2】本発明の電子放出素子の特性を測定する構成を説明する図
【図3】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大斜視図
【図4】本発明の電子放出素子の構成を説明する図
【図5】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図6】電子放出素子の初期の特性変動を表す図、凹部への回り込み量と素子特性の変化の関係を示す図
【図7】本発明の電子放出素子を応用した画像表示装置の説明図
【図8】本発明の他の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図9】本発明の電子放出素子の製造方法を示す図
【図10】本発明の電子放出素子の製造方法を示す他の図
【図11】実施例2の電子放出素子を説明する図
【図12】実施例3の電子放出素子を説明する図
【図13】実施例3の電子放出素子を説明する部分拡大図
【図14】本発明の他の電子放出素子の製造方法を示す図
【図15】本発明の他の電子放出素子の製造方法を示す他の図
【図16】実施例4の電子放出素子を説明する図
【図17】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大側面図
【図18】電子放出素子のリセス側カソード稜線の角度と素子特性の変化の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【0013】
最初に安定な電子放出を可能とした本実施の形態に係る電子放出素子の構成について述べる。
【0014】
図1(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A線での断面図である。図1(c)は図1(b)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0015】
図1中、3,4は絶縁部材を構成する絶縁層であり、本形態においては、基板1の表面に段差を形成する部材である。5はゲート電極であり、絶縁部材の外表面のうち、上面部分に位置する。また、6Aは絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に位置し、電子放出部となる突起部分を有するカソードであり、本形態においては電極2に電気的に接続されている。また、7は絶縁部材の一部である絶縁層3の側面部分及びゲート電極5の側面部分に比べて、絶縁層4の側面部分を内部に凹むように後退させたリセス部(凹部)である。尚、図1では不図示であるが、ゲート電極5を介して(介在させて)カソード6Aと対向する位置には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極を有している(図2の20)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード6Aの先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離dである。
【0016】
ここで、本発明の特徴である、凹部(リセス)内表面に接して位置するカソード6Aの突起形状部分についての特徴とその望ましい形態について述べる。尚、以下においては、絶縁層3,4からなる絶縁部材の表面を、外表面、凹部の内表面と、部分ごとに別々の表現を用いて説明する。具体的には、絶縁部材の凹部を構成する、絶縁層3の上面部分及び絶縁層4の側面部分を凹部の内表面と表現し、絶縁層3,4の他の部分の表面を外表面と表現する。
【0017】
図5はカソード6Aの断面突起形状をさらに拡大したものである。
【0018】
突起部分の先端部を拡大すると、その先端部は曲率半径rで代表される突起形状が存在する。この曲率半径rにより先端部の電界強度が異なる。rが小さいほど電気力線の集中が生じるため突起先端に高い電界を形成することが可能となる。従って突起部分先端の電界を一定とした場合、すなわち駆動電界を一定とした場合は、曲率半径rが相対的に小さければカソード6Aの先端部分とゲート電極との距離dが大きく、rが相対的に大きければ距離dが小さな値となる。距離dの違いは散乱回数の違いに影響するため、rが小さく、dがおおきいほど効率が高い素子構成とすることが可能となる。
【0019】
このことは換言すると、カソードの先端形状効果によって、効率が増加するので、効率が一定条件においては、後述の式(3)のS1を大きく設定できることになる。このことは、ゲート構造を強固なものとしえるので、長時間の駆動に耐えうる安定した素子を提供できる。
【0020】
尚、本発明で用いられる突起部分は、図5で示されるように基板面上に段差を形成する絶縁部材の凹部(リセス)内表面に距離xをもって凹部(リセス)内部に入り込む形で形成される。この形状は、電子放出部を形成するカソードの形成方法に依存し、EB蒸着等においては蒸着時の角度、時間だけでなくT1、T2で示される厚さがパラメータとなる。またスパッタ形成方法では一般に回り込みが大きいため形状制御が難しい。このためスパッタ圧力、ガス種、基板との移動方向だけでなく特殊な粒子付着機構が必要である。
【0021】
距離xをもって凹部(リセス)内表面に電子放出材料(カソード6Aの材料)が入り込んだ場合、三つのメリットが生じる。1、電子放出部となるカソードの突起部分が絶縁層3に広い面積を持って接触し、機械的な密着力があがる(密着強度の上昇)。2、電子放出部となるカソードの突起部分と絶縁層との熱的な接触面積が広がり、電子放出部で発生する熱を効率よく絶縁層3に逃がすことが可能となる(熱抵抗の低減)。3、緩やかに傾斜を持って凹部(リセス)内に入り込むことで、絶縁層―真空−金属界面で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。4突起部分のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート電極部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させた形状とする(特に電子放出部近傍)事で、先端から放出した電子がリセスから外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。尚、距離xとは、換言すると、突起部分の、凹部内表面と接する部分の端部から凹部の縁までの距離である。
【0022】
ここで、前記の2の効果についてさらに詳細に説明する。
【0023】
図6(a)はカソード材料のリセス内への入り込み量xを変えた場合の初期Ie量とその時間変動量を示したものである。尚、ここでIeとは、放出電子量を意味し、後述の図2におけるアノード20に到達する電子の量である。素子の駆動を開始して最初の10秒間の間に検出された平均的な電子放出量Ieを初期値として規格化し、電子放出量変化を時間の常用対数としてプロットしたものである。
【0024】
明らかな傾向として、電子放出材(カソードの突起部分の材料)の凹部(リセス)内への入り込み量が少なくなるにつれて、電子放出量の初期低下量が大きくなる傾向があった。
【0025】
図6(b)はいくつかの素子において、図6(a)と同様な計測を行い、凹部(リセス)内の電子放出材料の入り込み量xに対し、初期電子放出量を100として規格化を行い、計測後1時間経過した時の電子放出量をプロットしたものである。この図から明らかなように、電子放出材料(カソードの突起部の材料)の凹部への入り込み量が少ないほど初期低下量が多かった。しかし、電子放出材料(カソードの突起部の材料)入り込み量が20nmを越えてくると、入り込み量xの依存性が小さくなる傾向が見られた。
【0026】
これらの結果から推察すると、電子放出材料(カソードの突起部の材料)が凹部(リセス)内に入り込む量xが増加することで、絶縁層3に広い面積で接触するため熱抵抗が低減する。更にそれだけでなく、電子放出部(カソードの突起部)の体積増加による熱容量の増大などの作用も働いて、導電層先端の温度が低下することで初期変動が小さくなったのではないかと思われる。
【0027】
尚、カソードの突起部分の凹部(リセス)内への入り込み距離xは大きいほど良いという訳ではない。一般的にはxの値は10〜30nm程度に設定される。xは電子放出部となるカソードの突起部材料の蒸着時の角度、凹部(リセス)を形成する絶縁層4の厚さT2、ゲートの厚さT1を制御してその長さを制御しているが、望ましい形態としてxは20nmより長いことが望ましい。しかし、xをあまり長く取ると凹部(リセス)の内表面(絶縁層4の側面)を介したカソード6Aとゲートとの間のリークが発生し、リーク電流が増大する。
【0028】
次に、3重点について述べる。一般に真空、絶縁体、金属の様に誘電率が異なる三種類の材料が同時に一つの場所に接する場所は3重点と呼ばれ、条件により三重点の電界が周囲よりも極端に高くなることで放電等の要因になる場合がある。本構成においても図5に示したTGの場所は3重点となっている。カソード6Aの突起部分と絶縁層が接する角度θが90度以上であれば周囲の電界と大きく変わらない。しかし、カソードの突起部分が例えば何らかの機械的強度不足により絶縁層3から剥がれてしまった場合は、角度θが90度以下となり、強大な電界が形成されてしまう。このときは剥がれた界面に強大な電界が形成されるため、TG点からの電子放出、あるいはこの電子放出が引き金となる沿面放電により素子破壊が生じる場合がある。
【0029】
従って、カソード6Aの突起部分と絶縁層が接する角度θの望ましい角度は90度以上である。
【0030】
次に、図2のように素子に電圧を印加することによって放出された電子の軌道について説明する。
【0031】
図2は、本発明の電子放出素子であり、素子の電子放出特性を測定するときの電源及び電位の関係を示す図である。ここでVfはカソードとゲートとの間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaはカソードとアノード電極20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。
【0032】
ここで、効率(η)とは素子に電圧を印加したときに検出される電流(If)と真空中に取り出される電流(Ie)を用いて、効率η=Ie/(If+Ie)で与えられる。
【0033】
また、このような配置において、電子放出部の拡大模式図を図3に示す。図3において、3、4は絶縁部材を構成する絶縁層、51,52はゲート電極のそれぞれ側面、底面(絶縁部材の凹部に対向する面)を表している。また6A−1、6A−2、6A−3、6A−4は放出部となる突起部分を有するカソード6Aを面要素に分解した場合の各面を表している。
【0034】
(電子放出における散乱の説明)
図3において、短冊形状のカソード6Aの端部(突起部分)から対向するゲート電極5に向かって放出された電子は、ゲート電極5に衝突するものと、ゲート電極に衝突しないものとがある。電子のゲート電極への衝突箇所は、ゲート電極の側面51と、ゲート電極の、絶縁性部材の凹部に対向する部分52(ゲート電極の裏面)とに大別されるが、多くの電子は側面51に衝突する。衝突箇所がゲート電極の側面51、裏面52のいずれの場合であっても、ゲート電極5に衝突する電子は、ゲート電極5に衝突して等方的に散乱する。しかし電子がどの面で散乱するかは効率に大きく影響する。短冊形状のカソード6Aの端部(突起部分)を可能な限りゲート電極から離すことで、ゲート電極の裏面52における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。
【0035】
ゲート電極5で散乱された電子の多くは、ゲート電極5で数回の弾性散乱(多重散乱)が繰り返されるが、ゲート電極5の上部では電子が散乱できずに陽極側に飛び出す。
【0036】
前述のように、効率の向上は、電子のゲート電極での散乱回数(落下の回数)を減少させることによって実現される。
【0037】
散乱回数、距離について図4を用いて説明する。
【0038】
本素子の電位領域は、間隙8をはさんで、ゲート電極5に印加される電圧で決まる高電位領域と、電極2及び電極2と接続するカソード6Aに印加される電圧で決まる低電位領域とを有する。図中、S1、S2、S3は、ゲート及びカソードの電位から決定される各々の領域長であり、単なる電極厚さ、絶縁層厚さなどとは異なるものである。
【0039】
本発明による電子放出素子のゲートとカソード間に電圧Vfを印加すると、低電位領域の先端から対向する高電位領域に電子が放出され、電子が高電位領域の先端部で等方的に散乱する。高電位領域の先端部で散乱した電子の多くは、高電位領域で弾性散乱を1回から数回にわたって繰り返す。
【0040】
本発明の構成の場合は主としてS1の距離で効率が決定される。さらに、S1が、1回目の散乱までの最大飛翔距離未満となることで、多重散乱なしの電子を生じる。
【0041】
本構成において、散乱の挙動の詳細な検討を行った結果、以下のことが判明した。つまり、高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)に用いた材料の仕事関数φwkと駆動電圧Vfの関数として、さらに、S1、S3の距離の関数すなわち、放出部近傍の形状の効果により、効率向上が可能となる領域が存在する。
【0042】
解析的な検討の結果、S1max(図3におけるT1)に関しての以下の式が導かれる。
S1max=A*exp[B*(qVf−φwk)/(qVf)]・・・(3)
A=−0.78+0.87*log(S3)
B=8.7
ここで、S1、S3は距離(単位はnm)、φwkは高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)の仕事関数の値(単位はeV)、Vfは駆動電圧(単位はV)、AはS3の関数、Bは定数である。またqは素電荷(エレメンタリーチャージ)である。
【0043】
これまで説明したように電子放出効率には、散乱に関わるパラメータとしてS1が重要であり、S1を(3)式に設定すれば、著しく効率向上の効果が得られることがわかった。
【0044】
したがって、本願発明の構成においても、上記の(3)式を満たすことで、上述3つの効果(経時変化の低減、機械的強度の向上、及び素子破壊の抑制)を有すると共に、更に電子放出効率を向上した、電子放出素子を提供しえる。
【0045】
本発明による構成では、アノード電極と電子放出素子との間の駆動電圧で構成される空間電位分布によって、放出された電子のうちの一部は、再びゲート電極で散乱することなくゲート電極の上部に到達し、そのままアノード電極へと到達するものも現れる。
【0046】
このように、ゲート電極で散乱されない電子は、効率向上にとって重要である。
【0047】
図8を用いて説明する。カソード6Aの端部(突起部分)を可能な限りゲート電極から離す(距離dを大きくする)ことで、ゲート電極の裏面52(図3参照)における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。また本発明の電子放出素子を側面から見た場合の、カソード6Aの端部(突起部分)と、ゲート電極端とのオフセット量Dxが大きくなる事でも上述の理由により効率が向上する傾向にある。
【0048】
更にカソード6A端部(突起部分)のリセス側(絶縁層の凹部側)の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる形状とする(特に電子放出部近傍部分で)と良い。これによって、先端から放出した電子がリセスの外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。この構造を示す部分拡大図を図17に示す。図17では、傾斜形状を簡便に説明するため、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線を、カソード6の突起部先端に平行移動させて示している。
【0049】
図17に示すように、カソード6A端部(突起部分)のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる。解析的な検討の結果、この傾斜角度θcの増加に伴い、図18に示すように無散乱電子の割合が増加する。換言すると、カソード6A端部(突起先端部)から、凹部の内表面に接する部分までの稜線と、ゲートの下面から伸ばした法線との角度θcの増加に伴い、図18に示すように無散乱電子の割合が増加する。ここでθc=0度とはカソード6Aの突起を、ゲートの下面から伸ばした法線と平行なポールにみたてた場合に相当する。なお図18の縦軸はθc=0度の時の無散乱電子量で規格化したものである。
【0050】
ここで、オフセット量Dxを大きくしていくと、本発明の構成ではカソード6Aの端部(突起先端部分)とゲートとの最短距離dよりも、カソード6A突起のリセス側の傾斜部分(すそ部分)と、ゲートとの最短距離d0のほうが小さくなる場合がある。この場合にはカソード6A突起の傾斜部分(すそ部)の電界強度E0が、カソード6Aの端部(突起先端)の電界強度Eよりも大きくなってしまうと、カソード6Aの傾斜部分(すそ部)からの電子放出が生じ、ゲートで散乱する電子を増やしてしまう結果となる。 そこでこのような場合に高効率を達成するには以下の関係を満たしておく事が重要である。カソード6A端部(突起先端)の電界強度Eは(βr×1/d)Vgで決定され、カソード6Aの傾斜部分(すそ部)の電界強度E0は(β0×1/d0)Vgで決定され、E>E0を満たすようにする。ここでβrはカソード6A端部(突起先端)の形状効果による電界エンハンスファクター、β0はカソード6Aの傾斜部分(すそ部)における形状による電界エンハンスファクター(電界エンハンスファクターは完全な並行平板では1なる係数)、Vgはゲート電極に印加される電圧である。
【0051】
したがって E>E0 となる場合を、βrとβ0、dとd0を、使って表すと
(βr/β0)>(d/d0)となる。つまり本発明の構成のおいてはカソード6A端部(突起先端)の電界エンハンスファクターβrを大きくするために突起先端rを小さくしておくとよい。
【0052】
上記のような条件を満たす事で、ゲート電極で散乱されない電子の割合が増えてより効率が向上する。
【0053】
上記で述べてきた本発明の実施の形態に係る電子放出素子について、更に詳細に説明する。
【0054】
図9及び図10を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図9及び図10は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0055】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、石英ガラス,Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス及び、シリコン基板である。基板に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があり、ディスプレイパネルのような一体ものとして用いる場合は成膜材料や他の積層部材と熱膨張差が小さいものが望ましい。また熱処理に伴いガラス内部からのアルカリ元素等が拡散しづらい材料が望ましい。
【0056】
まず最初に、図9(a)に示すように基板上に段差を形成するために絶縁層3、4と、この絶縁部材上に(絶縁層4の上に)ゲート電極5を積層する。
【0057】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえばSiN(SixNy)やSiO2であり、その作成方法はスパッタ法等の一般的な真空成膜法、CVD法、真空蒸着法で形成される。またその厚さとしては、数nmから数十μmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲に選択される。
【0058】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえばSiN(SixNy)やSiO2であり、その作成方法は一般的な真空成膜法、例えばCVD法、真空蒸着法あるいはスパッタ法で形成される。またその厚さとしては、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数nmから数十nmの範囲で選択される。尚、絶縁層3と4を積層した後に凹部(リセス部)を形成する必要があるため、絶縁層3と絶縁層4とはエッチングに対して異なるエッチング量を持つような関係に設定されなければならない。望ましくは絶縁層3と絶縁層4との間のエッチング量の比は、10以上が望ましく、できれば50以上とれることがのぞましい。
【0059】
絶縁層3は、例えばSixNyを用い、絶縁層4は例えばSiO2等絶縁性材料、あるいはリン濃度の高いPSG、ホウ素濃度の高いBSG膜等で構成する事ができる。
【0060】
ゲート電極5は導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成されるものである。
【0061】
ゲート電極5の材料は、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が望ましい。例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用できる。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN、TaN等の窒化物、Si,Ge等の半導体なども使用可能である。また、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も適宜使用可能である。
【0062】
また、ゲート電極5の厚さとしては、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲で選択される。
【0063】
図9(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成したのち、エッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0064】
このようなエッチング加工では一般的にエッチングガスをプラズマ化して材料に照射することで材料の精密なエッチング加工が可能なRIE(Reactive Ion Etching)が用いられる。
【0065】
この際の加工ガスとしては、加工する対象部材としてフッ化物を作る場合はCF4、CHF3、SF6のフッ素系ガスが選ばれる。またSiやAlのように塩化物を形成する場合はCl2、BCl3などの塩素系ガスが選ばれる。またレジストとの選択比を取るため、またエッチング面の平滑性の確保あるいはエッチングスピードを上げるために水素や酸素、アルゴンガスなどが随時添加される。
【0066】
図9(c)に示すようにエッチング手法を用いて、絶縁層4をエッチングして、絶縁層3、4からなる絶縁部材の表面に凹部(リセス部)を形成する。
【0067】
エッチングは、例えば絶縁層4がSiO2からなる材料であれば通称バッファーフッ酸(BHF)と呼ばれるフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液を用い、絶縁層4がSixNyからなる材料であれば熱リン酸系エッチング液を使用することが可能である。
【0068】
凹部(リセス部)の深さ(絶縁部材の外表面(絶縁層3の側面)から絶縁層4の側面までの距離)は、素子形成後のリーク電流に深く関わり、凹部を深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。しかし、あまり距離を深く形成するとゲート電極が変形する等の課題が発生する。このため、およそ30nm〜200nm程度で形成される。
【0069】
図10(d)に示すようにゲート電極5に剥離層12を形成する。
【0070】
剥離層の形成は、次の行程で堆積する導電層材料をゲート電極から剥離することが目的である。このような目的のため、例えばゲート電極を酸化させて酸化膜を形成する、あるいは電解メッキにて剥離金属を付着させるなどの方法によって剥離層12が形成される。
【0071】
図10(e)に示すようにカソード材料6Bをゲート電極上に、またカソード6Aを絶縁部材の外表面の一部(絶縁層3の外表面上(側面上))及び凹部の内表面上(絶縁層3の上面)に付着させる。
【0072】
カソード材料は導電性があり、電界放出する材料であればよく、一般的には2000℃以上の高融点、5eV以下の仕事関数材料であり、酸化物等の化学反応層の形成しづらいあるいは簡易に反応層を除去可能な材料が好ましい。このような材料として例えば、Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用可能である。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN、TaN等の窒化物も使用可能である。またさらには、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用可能である。
【0073】
導電層は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成される。
【0074】
前述したように、本発明においては効率良く電子を取り出すためカソードの突起部分が最適な形状になるように、蒸着の角度と成膜時間、形成時の温度および形成時の真空度を制御して作成する必要がある。具体的には、凹部の内表面となる絶縁層3上面へのカソード材料の入り込み量xは、10nm〜30nm、10nm〜30nm更に好ましくは、20nm〜30nm、また、絶縁部材の凹部の内表面となる絶縁層3の上面とカソードとの接する角度は、90°以上とすると良い。
【0075】
図10(F)に示すように剥離層をエッチングで取り除くことで、ゲート電極上のカソード材料(放出部材料)6Bが取り除かれる。次にカソード6Aと電気的な導通を取るために電極2を形成する。
【0076】
この電極2は、前記カソード6Aと同様に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。
【0077】
電極2の材料は、例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用可能である。また、TiC,ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,CeB6,YB4,GdB4等の硼化物、TiN,ZrN,HfN等の窒化物も使用可能である。またさらには、Si,Ge等の半導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等も使用可能である。
【0078】
電極2の厚さとしては、数十nmから数mmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数μmの範囲で選択される。
【0079】
電極2及びゲート電極5は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも異種方法でも良いが、ゲート電極5は電極2に比べてその膜厚が薄い範囲で設定される場合があり、低抵抗材料が望ましい。
【0080】
以下、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源を備えた画像表示装置について、図7を用いて説明する。
【0081】
図7は画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
【0082】
図7において、61は電子放出素子を複数配した電子源基体、71は電子源基体61を固定したリアプレートである。また、76はガラス基体73の内面に、第三の導電部材であるメタルバック75と、該第三の導電部材上に位置する発光部材としての蛍光体である蛍光膜74等が形成されたフェースプレートである。
【0083】
また、72は支持枠であり、この支持枠72には、リアプレート71、フェースプレート76がフリットガラス等を用いて接続されている。77は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素中で、400〜500度の温度範囲で10分以上焼成することで、封着して構成される。
【0084】
また、64は、図1における電子放出素子に相当するものであり、62,63は、電子放出素子の(カソード)電極2、ゲート電極5とそれぞれ接続されたX方向配線及びY方向配線である。
【0085】
外囲器77は、上述の如く、フェースプレート76、支持枠72、リアプレート71で構成される。ここで、リアプレート71は主に基体61の強度を補強する目的で設けられるため、基体61自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート71は不要とすることができる。
【0086】
即ち、基体61に直接支持枠72を封着し、フェースプレート76,支持枠72及び基体61で外囲器77を構成しても良い。一方、フェースプレート76とリアプレート71との間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器77を構成することもできる。
【0087】
尚、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を用いた画像表示装置では、放出した電子軌道を考慮して、素子上部に蛍光体をアライメントして配置する。
【0088】
端子Dox1乃至Doxmには、表示パネル内に設けられている電子源、即ち、M行N列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を一行(N素子)ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。
【0089】
一方、端子Doy1乃至Doynには、走査信号により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加される。
【0090】
高圧端子Hvには、直流電圧源Vaより、例えば10[kV]の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【0091】
上述のように走査信号、変調信号、及びアノードへの高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体へと照射することによって、画像表示を実現する。
【0092】
尚、このような表示装置を本発明の電子放出素子を用いて形成することによって、電子ビームの形状の整った表示装置を構成でき、結果、良好な表示特性の画像表示装置を提供しえる。
【実施例1】
【0093】
図1(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A線での断面図である。図1(c)は図1(b)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0094】
図1中、3,4は絶縁部材を構成する絶縁層であり、本実施例において、基板1の上面に段差を形成する部材である。5は絶縁部材上に位置するゲート電極である。6Aは電極2に電気的に接続され、導電性材料で形成されたカソードであり、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面に位置し、電子放出部となる突起部分を有する。また、7は絶縁層3の側面(外表面)及びゲート電極5の側面に比べて、絶縁層4の側面を内部に凹むように後退させたリセス部(凹部)である。尚、図1では不図示であるが、カソード6A及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20参照)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード6Aの突起部先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。また図1の素子の放出部近傍を俯瞰し、拡大した図を図3に示す。
【0095】
図9及び図10を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図9及び図10は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0096】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、本実施例ではプラズマディスプレイ用に開発された低ナトリウムガラスであるPD200を用いている。
【0097】
まず最初に、図9(a)に示すように基板1上に絶縁層3、4と、ゲート電極5を積層する。
【0098】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、SiN(SixNy)膜をスパッタ法にて形成し、その厚さとしては、500nmとした。
【0099】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であるSiO2であり、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
【0100】
ゲート電極5はTaN膜で構成し、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
【0101】
次に、図9(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成したのち、ドライエッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0102】
この時の加工ガスとしては、絶縁層3、4及びゲート電極5には前述のようにフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁層3,絶縁層4,及びゲート材料5のエッチング後の角度は基板水平面に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
【0103】
レジストを剥離した後、図9(C)に示すようにBHFを用いて深さ約70nmになるようにエッチング手法を用いて、絶縁層4をエッチングし、絶縁層3,4からなる絶縁部材に凹部(リセス部)を形成した。
【0104】
次に、図10(d)に示すようにゲート電極5に剥離層12を形成する。
【0105】
剥離層の形成は、TaNゲート電極に電解メッキによりNiを電解析出させて剥離層12を形成した。
【0106】
図10(e)に示すようにカソード材料であるモリブデン(Mo)を、絶縁部材の外表面上及び凹部の内表上(絶縁層3の上面)に付着させ、カソード6Aを形成した。尚この際、ゲート電極上にもカソード材料が付着する(6B)。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では凹部(リセス)内に35nm程度、カソード材料(カソード膜)が入り込むように、基板の角度を基板水平面に対し60°にセットした。これによりゲート上部にはMoが60°で入射し、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が40°で入射するようにセットした。蒸着は約12nm/minになるように蒸着速度を定めた。そして蒸着時間を精密に制御し(本例では2.5分)、絶縁部材の外表面上のMoの厚さが30nm、凹部(リセス部)内へのカソード膜の入り込み量(x)が35nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部となるカソードの突起部とが接する角度が120°となるように形成した。
【0107】
Mo膜を形成後、ヨウ素とヨウ化カリウムからなるエッチング液を用いてゲート電極5上に析出させたNi剥離層を除去することによりゲート電極上のMo材料6Bをゲートから剥離した。
【0108】
剥離後、カソード6Aの幅T4(図3)が100μmになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。
【0109】
その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンからなるカソード6Aを加工する。この時の加工ガスとしては、導電層材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた(図10(f))。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って位置する突起部分を有する短冊状のカソード6Aを形成した。本形態においては、カソード6Aの幅は突起部分の幅と一致しており、T4は突起部分の幅ともいえる。尚、突起部分の幅とは、突起部分の、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向の長さを意味する。
【0110】
断面TEMによる解析の結果、図1における放出部であるカソードの突起部分とゲート間の最短距離8が9nmであった。
【0111】
次に図10(g)に示すように、電極2を形成した。電極2には銅(Cu)を用いた。その作成方法はスパッタ法にて形成され、その厚さとしては、500nmであった。
【0112】
以上の方法で電子放出素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0113】
図2において、本発明素子の電子放出特性を測定するときの電源の供給配置を示している。ここでVfはゲート電極5と電極2の間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaは電極2と陽極(アノード)20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。
【0114】
ここで、本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5の電位を26Vとし、カソード6Aの電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極とカソード6Aの間に26Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは1.5μAであり、平均17%の効率が得られる電子放出素子が得られた。
【0115】
素子のカソード部を断面TEMにて観察した結果、図8のような形状となっていた。図8において各パラメータの値を抽出した結果、θA=75°、θB=80°、x=35nm、h=29nm、Dx=11nm、d=9nmであった。また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部であるカソードの突起部分とが接する角度は125°であった。本構成のように、凹部(リセス)内に電子放出部となるカソードの突起部を入り込ませ、導電層の突起部と凹部の内表面とを接触させる。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が3%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。また本構成(図8)のように、カソードの突起部分のリセス側の部分を、絶縁層の凹部に対向するゲート電極部分の表面(ゲート電極の下面)から伸ばした法線に対して傾斜させる形状とする(特に電子放出部近傍)事で、先端から放出した電子がリセス外へ飛び出しやすい電位分布が形成され、電子放出効率が増大する。
【実施例2】
【0116】
図11(A)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図11(B)は図11(A)におけるA−A線での断面図である。図11(C)は図11(A)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0117】
図11中、図1と同じ部材については説明を省略する。尚、60A1〜60A4は電極2に電気的に接続された短冊状のカソードであり、60A1〜60A4は段差を形成している絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に設けられている。また、図11では不図示であるが、カソード60A1〜60A4及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20参照)。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード60A1〜60A4の突起部先端からゲート電極5の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。
【0118】
基本的な作製方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
【0119】
図10(E)に6Bとして示すように、ゲート電極上にも電子放出部を形成するカソード材であるモリブデン(Mo)が付着する。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度を80°にセットした。これによりゲート電極の上部にはMoが80°で入射し、段差を形成する絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が20°で入射するようにセットした。蒸着は約10nm/minになるように蒸着速度を定めた。そして、2分の蒸着時間を精密に制御することにより絶縁部材の外表面上のMoの厚さが20nm、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が14nm、また、凹部内表面(絶縁層3の上面)とカソードとが接する角度が100°とになるように形成した。
【0120】
Mo膜を形成後、ヨウ素とヨウ化カリウムからなるエッチング液を用いてゲート電極5上に析出させたNi剥離層を除去することによりゲート上に付着したMo材料6Bをゲートから剥離した。
【0121】
剥離後、カソード60A1〜60A4の幅T4(図3)が3μmのライン&スペースになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。その後、ドライエッチング手法を用いて、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード60A1〜60A4を短冊状に加工する。この時の加工ガスとしては、電子放出部となる突起部分を形成する導電層材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。
【0122】
この結果、断面TEMによる解析の結果、図11(b)におけるカソードの突起部分とゲート間の最短距離8が平均的に8.5nmとなっていた。
【0123】
以上の方法で素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0124】
本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5の電位を26Vとし、カソード60A1〜60A4の電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極5とカソード60A1〜60A4との間に26Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは6.2μAであり、平均17%の効率が得られる素子が得られた。本構成においても前述の実施例1と同様に、段差を形成する絶縁部材の凹部(リセス)内にカソード膜を入り込ませ、カソードと凹部の内表面とを接触させる。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が5%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。
【0125】
尚、本実施例の構成においては、1つの電子放出素子において、電子放出部を有するカソードを複数有し、その各々を短冊形状にすることで、電子放出電流が短冊の本数に応じて増加した。
【0126】
同様な製法で、短冊形状のカソードのライン&スペースを0.5μmとし、短冊形状のカソードの本数を100倍に増やした場合には、約100倍の電子放出量が得られた。また、このように複数の短冊状導電層からなる電子放出素子を設けた本発明においては、従前の電子放出素子に比べて、電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供できる。つまり、従前の電子放出素子のような、電子放出箇所が不特定であることに基づく、電子ビーム形状の制御の困難性を解消し、短冊状カソードの配列レイアウトを制御するのみで電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供しえる。
【実施例3】
【0127】
図12(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図12(b)は図12(a)におけるA−A線での断面図である。図12(c)は図12(a)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0128】
図12中、図1と同じ部材については説明を省略する。尚、6Aは電極2に電気的に接続され、導電性材料で形成された短冊状のカソードであり、絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上に設けられている。6Bはゲート電極に接続され、電子放出部を形成するカソードの材料と同一の材料で構成されたゲート電極の突出部である。尚6Bはゲート電極5の上面及び側面に形成されている。尚、図12では不図示であるが、カソード6A及びゲート電極5の上方には、これらよりも高電位に規定されたアノード電極が、これらに対向して位置している(図2の20)。また図12の素子の放出部近傍を俯瞰し、拡大した図を図13に示す。
【0129】
図14及び図15を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図14及び図15は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。
【0130】
基板1は素子を機械的に支えるための基板であり、本実施例ではプラズマディスプレイ用に開発された低ナトリウムガラスであるPD200を用いている。
【0131】
まず最初に、図14(a)に示すように基板1上に絶縁層3、4と、ゲート電極5を積層する。
【0132】
絶縁層3は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、SiN(SixNy)膜をスパッタ法にて形成し、その厚さとしては、500nmとした。
【0133】
絶縁層4は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であるSiO2膜であり、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、40nmとした。
【0134】
ゲート電極5はTaNで構成し、スパッタ法にて形成され、その厚さとしては、40nmとした。
【0135】
次に図14(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術によりゲート電極上にレジストパターンを形成し、ドライエッチング手法を用いてゲート電極5、絶縁層4、絶縁層3を順に加工する。
【0136】
この時の加工ガスとしては、絶縁層3、4及びゲート電極5は前述のようにフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスを用いた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁部材を構成する絶縁層3,絶縁層4と、ゲート材料5のエッチング後の角度は基板に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
【0137】
レジストを剥離した後、図14(c)に示すようにBHFを用いて深さ約100nmになるようにエッチング手法にて、絶縁部材の一部である絶縁層4をエッチングして、絶縁層3、4からなる絶縁部材に凹部(リセス部)を形成した。
【0138】
実施例2と同様、図15(d)に示すように電子放出部を形成するカソードの材料であるモリブデン(Mo)を、ゲート電極上にも付着させる。本実施例では成膜方法としてEB蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度を60°にセットした。これによりゲート上部にはMoが60°で入射し、絶縁部材の一部である絶縁層3のRIE加工後の外表面上には入射角度が40°で入射するようにセットした。蒸着は約10nm/minになるように蒸着速度を定め、4分間蒸着を行った。
【0139】
このように蒸着時間を精密に制御することにより絶縁部材の外表面上のMoの厚さが40nm、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が33nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部であるカソードの突起部とが接する角度が120°になるように形成した。
【0140】
次に、導電層6Aの幅T4が600μm、ゲートの突出部6Bの幅T7がT4よりも30nm程度小さくなるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。尚ゲートの突出部6Bの幅T7は、ゲート電極5上のレジストパターンのテーパ形状によって制御した。その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンカソード6A、ゲートの突出部6Bを加工する。この時の加工ガスとしては、カソード及びゲートの突出部材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード6Aと、この突起部分に対向するように位置する、ゲート電極5の突出部6Bとを短冊状に加工した。
【0141】
断面TEMによる解析の結果、図12(b)におけるカソードの突起部とゲートの突出部との間の最短距離8が15nmであった。
【0142】
次に図15(e)に示すように電極2を形成した。電極2は銅(Cu)を用いた。その作成方法はスパッタ法で、その厚さとしては、500nmとした。
【0143】
以上の方法で素子を形成した後、図2に示した構成で電子源の特性を評価した。
【0144】
ここで、本構成の特性を評価した結果、ゲート電極5及び突出部6Bの電位を35Vとし、カソード6Aの電位を電極2を介して0Vに規定することによって、ゲート電極とカソード6Aの間に35Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは1.5μAであり、平均20%の効率が得られる素子が得られた。上述の他の実施例と同様に、本構成においても、絶縁部材の凹部(リセス)内にカソードを入り込ませ、カソードを凹部の内表面に接触させることによって、熱的、機械的安定性が向上した。その結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が4%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。
【0145】
また、本実施例の電子放出素子の特性について図13を用いて簡単に説明する。尚、図13ではゲート電極5上に突出部6Bを設置し、この突出部6Bの幅をT7としている以外は図3と同じである。尚、T7は換言すると、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向の長さである。
【0146】
図13において電子放出部となるカソードの突起部の端部から発生した電子は、一部が対向するゲート電極5およびゲートの突出部6Bに衝突し、一部は衝突せず外部へと引き出される。ゲート電極の突出部6Bに衝突する電子は、面要素6B1で衝突する場合と、面要素6B2で衝突する場合とがあり、いずれの衝突電子も等方的に散乱する。このとき面要素6B1と6B2で散乱した場合とで、電子軌道から電子の脱出数を調べた結果、6B1で散乱した場合の方が6B2で散乱した場合よりも脱出確率が高いことが分かった。このため、カソード6Aの電子放出部となる突起部分の幅T4とゲート電極の突出部の幅T7の関係をT4≧T7とすることで効率が数%から数十%程度向上することが解析的に分かった。換言すると、ゲート電極の突出部の凹部の縁に沿った方向の長さは、カソード突起部分の前記凹部の縁に沿った長さ以下であることが、効率向上の観点で好ましい。また、T4とT7との差が、絶縁層4の高さであるT2の2倍以上になると、特に効率が向上し好ましい。尚、前述のとおり、突起部分の幅(T4)とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向に測った導電層6Aの突起部分の長さである。同様に、突出部分の幅(T7)とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向に測ったゲート電極5の突出部分6Bの長さである。
【実施例4】
【0147】
図16(a)は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の平面的模式図であり、図16(b)は図16(a)におけるA−A線での断面図である。図16(c)は図16(a)において素子を矢印の方向から眺めたときの側面図である。
【0148】
図16中、図11と同じ部材については説明を省略する。60B1〜60B4はゲート電極に電気的に接続され、導電性材料で形成された短冊状の突出部である。さらに60B1〜60B4はゲート電極5の上面及び側面上に設けられている。また、8は電子放出に必要な電界が形成される間隙(カソード60A1〜60A4の突起部先端からゲート電極の突出部60B1〜60B4の底面(凹部に対向する部分)までの最短距離)である。
【0149】
基本的な作製方法は実施例3と同様であるので、ここでは実施例3との違いだけ述べる。
【0150】
図15(e)に示すように電子放出部を形成するカソードの材料であるモリブデン(Mo)を、ゲート電極にも付着させる。本実施例では成膜方法としてスパッタ蒸着法を用いた。本形成方法では基板の角度をスパッタタ−ゲットに対して水平になるようにセットした。本件のスパッタ成膜ではスパッタ粒子が限られた角度で基板面に入射されるよう、アルゴンプラズマを真空度0.1Paで生成し、基板とMoターゲットの間の距離を60mm以下(0.1Paでの平均自由行程)になるように基板を設置した。そして、絶縁部材の一部である絶縁層3の外表面上のMoの厚さが20nmになるように10nm/minの蒸着速度で形成した。このとき、凹部(リセス)内へのカソードの入り込み量が40nm、また、凹部の内表面(絶縁層3の上面)と電子放出部となるカソードの突起部とが接する角度が150°となるように形成した。
【0151】
モリブデン膜を形成後、放出部を形成するカソード60A1〜60A4の幅T4(図13)が3μmのライン&スペースになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。
【0152】
その後、ドライエッチング手法を用いてモリブデンカソード60A1〜60A4及びゲート電極の突出部60B1〜60B4を加工する。この時の加工ガスとしては、カソード及びゲートの突出部の材料として用いたモリブデンはフッ化物を作る材料が選択されているためCF4系のガスが用いられた。これによって、絶縁部材の凹部の縁に沿って電子放出部となる突起部分を有するカソード60A1〜60A4と、この突起部分に対向するように位置する、ゲート電極5の突出部60B1〜60B4とを短冊状に加工した。出来上がったカソードとゲート電極突出部の幅を計測した結果、ゲートの突出部60B1〜60B4の電極幅T7が、電子放出部を形成する導電層60A1〜60A4の幅T4よりも10nm〜30nm程度小さくなっていた。尚前述の実施例と同様、カソードを短冊状に加工しているので、T4は突起部分の幅でもある。尚、突起部分の幅とは、絶縁部材の凹部の縁に沿った方向でのカソード60Aの突起部分の長さを意味する。同様に、ゲート電極の突出部の幅とは、絶縁性部材の凹部に沿った方向における長さを意味する。
【0153】
断面TEMによる解析の結果、図16(b)における電子放出部となるカソードの突起部とゲート電極の突出部との間の最短距離8が平均的に8.5nmとなっていた。
【0154】
本実施例においても、上述の他の実施例と同様に、絶縁部材の凹部(リセス)内に電子放出部となるカソードの突起部を入り込ませ、カソードの突起部と凹部の内表面とを接触させた。これによって、熱的、機械的安定性が向上し、結果、連続的に素子を駆動しても、Ieの変動量(減少量)が3%程度と小さく良好であり、動作の安定した良好な電子放出素子が得られた。また、実施例2同様、1つの電子放出素子において、短冊状のカソードを複数有しているので、従前の電子放出素子に比べて、電子ビーム形状の整った電子ビーム源を提供できる。つまり、従前の電子放出素子のような、電子放出箇所が不特定であることに基づく、電子ビーム形状の制御の困難性を解消し、短冊状カソードのレイアウトを制御するのみで電子ビーム形状の整った電子線装置を提供しえる。さらには、ゲート上に突出部60Bを設け、その幅(T7)を電子放出部を有するカソード60Aの幅(T4)以下にする、好ましくは小さくすることで、より効率の高い電子ビーム源を形成しえた。
【0155】
尚、上述の実施例2、4の電子線装置を用いて、前述の画像表示装置を作成したところ、電子ビームの成形性に優れた表示装置を提供でき、結果、表示画像の良好な表示装置を実現できた。
【0156】
尚、上記全ての実施例において、好ましくは、ゲート電極5の絶縁部材の凹部に対向する部分(ゲート電極の下面)を絶縁層で被覆するとよい。電子放出部(導電層の突起部の端部)から放出された電子のうち、ゲートの下面に照射する電子は、アノードに到達せず、効率を低減する要因(上述のIf成分)となるが、ゲート電極の下面が絶縁層で覆われる構成では、Ifを低減できるので、効率が向上する。ゲート電極5の絶縁部材の凹部に対向する部分(ゲート電極の下面)を覆う絶縁層としては、例えば、膜厚20nm程度のSiN膜が利用でき、この構成で十分に効率向上効果を得られることが確認されている。
【0157】
このような構成の電子線装置を用いた画像表示装置においても、上述の画像表示装置と同様、電子ビームの成形性に優れた表示装置を提供できた。また、表示画像の良好な表示装置を実現できるとともに、効率向上に伴う、低消費電力な画像表示装置が提供できた。
【符号の説明】
【0158】
1 基板
2 カソード電極
3、4 絶縁層(絶縁部材)
5 ゲート電極
6A 導電層
7 凹部(リセス)
8 導電層の突起部とゲート電極との距離
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面に凹部を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、
前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、
前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードと
を有する電子線装置。
【請求項2】
前記突起部分と前記凹部の内表面とが接する角度は、90度以上であることを特徴とする請求項1に記載の電子線装置。
【請求項3】
前記突起部分は、前記凹部の縁に沿って位置し、前記ゲートは、前記突起部分と対向する部分に突出部を有し、該突出部の前記凹部の縁に沿った方向の長さは、前記突起部分の前記凹部の縁に沿った長さ以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電子線装置。
【請求項4】
前記突起部分の前記凹部側の部分の形状が、該凹部に対向するゲート部分の表面から伸ばした法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項5】
前記カソードを複数有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項6】
前記ゲートの前記凹部に対向する部分は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかに記載の電子線装置と、前記アノードの上に位置する発光部材とを有する画像表示装置。
【請求項1】
表面に凹部を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の、外表面と前記凹部の内表面とに跨って位置する突起部分を有するカソードと、
前記絶縁部材の外表面に、前記突起部分と対向して位置するゲートと、
前記ゲートを介して前記突起部分と対向して位置するアノードと
を有する電子線装置。
【請求項2】
前記突起部分と前記凹部の内表面とが接する角度は、90度以上であることを特徴とする請求項1に記載の電子線装置。
【請求項3】
前記突起部分は、前記凹部の縁に沿って位置し、前記ゲートは、前記突起部分と対向する部分に突出部を有し、該突出部の前記凹部の縁に沿った方向の長さは、前記突起部分の前記凹部の縁に沿った長さ以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の電子線装置。
【請求項4】
前記突起部分の前記凹部側の部分の形状が、該凹部に対向するゲート部分の表面から伸ばした法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項5】
前記カソードを複数有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項6】
前記ゲートの前記凹部に対向する部分は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電子線装置。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかに記載の電子線装置と、前記アノードの上に位置する発光部材とを有する画像表示装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2009−272298(P2009−272298A)
【公開日】平成21年11月19日(2009.11.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−92311(P2009−92311)
【出願日】平成21年4月6日(2009.4.6)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年11月19日(2009.11.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年4月6日(2009.4.6)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
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