電子放出素子及びその製造方法
【目的】 コーン形のように特に高精度の製造技術を必要とせず、完成した各素子の破損によるショートの発生も起き難いようにでき、さらに、エッジ形の場合よりも優れた電気的特性並びに電子放出に関する均一性及び安定性を有する電子放出素子を提供する。
【構成】 例えば長方形状に形成された複数の張出し部１１ａを放射状又は求心状に並べることによって形成されたエミッタ１と、そのエミッタ１の近傍に設けられていてそのエミッタ１に電界を印加するゲート２とを有する電子放出素子及びその製造方法。エミッタ１の各張出し部１１ａの先端には、３次元的に突出してその先端が鋭く尖った２個の尖端突起１０ａが形成される。ゲート２とエミッタ１間に電界をかけたとき尖端突起１０ａから集中的に電子が飛び出る。
【構成】 例えば長方形状に形成された複数の張出し部１１ａを放射状又は求心状に並べることによって形成されたエミッタ１と、そのエミッタ１の近傍に設けられていてそのエミッタ１に電界を印加するゲート２とを有する電子放出素子及びその製造方法。エミッタ１の各張出し部１１ａの先端には、３次元的に突出してその先端が鋭く尖った２個の尖端突起１０ａが形成される。ゲート２とエミッタ１間に電界をかけたとき尖端突起１０ａから集中的に電子が飛び出る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、画像表示装置、光プリンタあるいは照明ランプ等に電子源として用いられる電子放出素子、特に電界放出現象を利用した電子放出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常の状態において物体表面から外へ電子を取り出すためには、その物体表面の仕事関数に相当するエネルギーを与えてやる必要がある。これは、仕事関数分のエネルギー障壁が存在するためである。
【０００３】物体表面にエネルギーを与えるために、よく知られている例では、物体表面をある程度以上の高温に加熱する。この熱により運動エネルギーが増大された電子は前記のエネルギー障壁を越えて物体表面から外へと飛び出す。これが、いわゆる熱電子放出と称されるものであり、そして放出された電子は熱電子と称されている。また、この電子を放出する陰極を熱陰極と称している。
【０００４】ところが、前記のように高温に加熱しなくても、物体表面に対して電界をかけると前記のエネルギー障壁の幅が電界に応じて次第に狭くなり、特に電界強度が約１０7 Ｖ／ｃｍ以上の強電界であれば、電子はいわゆるトンネル効果によって前記のエネルギー障壁を突破して物体表面から外へ放出される。
【０００５】これが、いわゆる電界放出又は強電界放出と称されているものであり、放出された電子は電界放出電子又は強電界放出電子と称されている。また、この電子と陰極のことを、前記の熱電子と熱陰極に対して、それぞれ冷電子と冷陰極と称することもある。
【０００６】この電界放出現象は、前記のような熱電子放出とは原理が異なるものであり、工業的応用を検討した場合には、その原理の違いに起因した数々の優れた特長を有していることが知られている。
【０００７】まず、電場はポアソンの方程式に支配されているため、突起があるとその先端に電界が集中する。すなわち、突起形状を用いれば比較的低電圧で電界放出を起こすことができ、これを電子源として利用することができる。
【０００８】そして、電界放出現象を利用した電子源としての電子放出素子には、代表的な例の一つとして、書籍：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，４７（１９７６）ｐｐ．５２４８−５２６３に記載された文献に示された、図１６に示すようなものがある。この素子は、円形の穴を持つゲート２と円錐状、すなわちコーン状に形成されたエミッタ１とを有している。このような電子放出素子を以下ではコーン形電子放出素子と呼ぶことにする。このコーン形電子放出素子は、鋭利に尖ったエミッタ１の先端から効率よく電子を放出することができ、優れた電気的特性を発揮できるという特長を有している。図中、符号３は絶縁層、そして符号４は基板を示している。
【０００９】なお、例えば書籍：Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ’８６， ｐｐ．５１２−５１５に記載された文献によれば、上記のコーン形電子放出素子を多数個マトリクス状に配置し、これを蛍光体を塗布したアノード電極に対向させた構造の画像表示素子が、既に開発されている。
【００１０】またこの他にも、例えば書籍：電気通信学会技術報告ＥＤ９１−１３４ ｐｐ．１７−２２の記載によれば、図１７に示す構成の電子放出素子も既に提案されている。この素子は、平板状で円形のエミッタ１の外縁すなわちエッジに電界を集中させる方式のものであり、そのエミッタ１の形状の故に製造技術が上記のコーン形電子放出素子に比べて簡単であるという優れた特長を有している。この電子放出素子を以下ではエッジ形電子放出素子と呼ぶことにする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のコーン形電子放出素子（図１６）では、ゲート２の穴を直径１μｍ程度の小ささで多数個均一にしかも非常に高精度に形成することが必要であるものの、その製造にはきわめて高度な技術を要し、その上に手間もかかるという問題があった。また、完成した電子放出素子に関し、エミッタ１が破損してショートを起こし易いという問題があった。
【００１２】また、上記のエッジ形電子放出素子（図１７R>７）では、エミッタ１の形状の故にそのエミッタのエッジへの電界集中があまり大きくなく、そのためコーン形（図１６）に比べて高電圧を印加する必要があり、電気的特性がコーン形程には優れていないという問題があった。
【００１３】本発明は、上記の問題点を解消するために成されたものであって、電子放出素子に関して、コーン形電子放出素子（図１６）のように特に高精度の製造技術を必要としないこと、完成した電子放出素子内の各要素の破損によるショートの発生を起き難くすること、さらにエッジ形電子放出素子（図１７）よりも優れた電気的特性並びに電子放出に関する均一性及び安定性を達成することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、請求項１記載の電子放出素子は、基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは上記エミッタに対応する位置に円形穴又は多角形穴を有しており、そして上記エミッタは、ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個放射状に並べることによって形成されることを特徴としている。
【００１５】また、請求項２記載の電子放出素子では、ゲートが円形状又は多角形状に形成され、そしてエミッタが、ゲートに近い先端位置に２個の先端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個、ゲートを中心とする求心状に並べることによって形成される。
【００１６】また、請求項３記載の電子放出素子では、ゲートが円形穴又は多角形穴を有しており、そしてエミッタが、ゲートの穴の縁端に近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個、ゲートの穴を中心とする求心状に並べることによって形成される。
【００１７】尖端突起というのは、形状の如何を問わず、尖端が鋭く尖った立体的な突出部分のことであり、これを備えた張出し部というのは、例えば、図１又は図４R>４に示すような２個の尖端突起１０ａ又は１０ｃを備えた長方形状の張出し部１１ａ又は１１ｃや、図２に示すような２個の尖端突起１０ｂを備えた先端が円弧状に丸みを帯て突出するほぼ長方形状の張出し部１１ｂや、あるいは図６又は図８に示すような２個の尖端突起１０ｄ又は１０ｅを備えた先端が円弧状に丸みを帯びて窪んだ状態のほぼ長方形状の張出し部１１ｄ又は１１ｅ等のような形状が考えられる。
【００１８】また、請求項１６に記載した電子放出素子の製造方法、特に請求項１及び請求項２に記載の電子放出素子の製造に好適な製造方法は、基板上にエミッタの概略形状又はゲート形状を形成し、さらに基板上に絶縁層及びゲート用膜又はエミッタ用膜を形成し、その後、概略形状のエミッタを、２個の尖端突起を備えた複数個の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工することを特徴としている。
【００１９】また、請求項１７に記載した電子放出素子の製造方法、特に請求項３に記載の電子放出素子の製造に好適な製造方法は、求心状に配列されるエミッタの張出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形成し、さらに基板及びその放射状張出し部の上に絶縁層及びゲート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶縁層及びエミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する円形状又は多角形状の穴を開けることにより、円形状又は多角形状の穴を有するゲート及び複数の求心状に配列されたエミッタ張出し部を形成することを特徴としている。
【００２０】エミッタの張出し部を形成する際には、２段階のフォトエッチングを用いるのが望ましい。すなわち、張出し部の縦の境界及び横の境界の形成ためにそれぞれ独立のフォトリソグラフィとエッチングを用いることにより、角の鋭いエミッタ形状が得られる。またこの場合、ゲートがエミッタ張出し部と同様の形状に加工されてしまうと、エミッタに電界をかける効果が弱くなってしまう。そこで、エミッタを所望の張出し部形状に加工するときにゲートが加工されない工夫が重要となる。そのための方法として、例えば、ゲート上にエッチング保護層、例えばＡｌ、レジスト等を付けておいたり、あるいはエミッタ加工の一部をゲート成膜前に行う等の方法が考えられる。
【００２１】また、請求項４又は請求項５に記載の電子放出素子のようにエミッタ又はゲートをエッチングストッパ層の上に設けるようにした電子放出素子に関しては、請求項１８及び請求項１９に記載のように、まず基板上にエッチングストッパ層を形成し、そのエッチングストッパ層の上にエミッタ又はゲートを形成することにより電子放出素子を製造できる。
【００２２】さらに、請求項１記載の電子放出素子を製造するに際して、請求項２０に記載のように、エミッタ用膜の上に保護膜を形成し、エミッタ及びゲートを所定形状に形成した後にその保護膜を除去することができる。
【００２３】
【作用】従来のエッジ形電子放出素子（図１７）はいわば２次元的な突起であり、これはコーン形電子放出素子（図１６）に比較して電界集中が弱い。これに対して本発明の電子放出素子では、エミッタの形状をエッジ形（図１７）のような単純な円ではなく、図１、２、４、６、８に示すような、２個の尖端突起１０ａ〜１０ｅを備えた張出し部１１ａ〜１１ｅを放射状又は求心状に配列させて構成してある。ここで各尖端突起１０ａ〜１０ｅを１個ずつ見れば、それらは３つの平面を側面とする３面体すなわち３次元突起であり、その頂点への電界集中が起こり易く、その結果、コーン形（図１６）と同様に良好な電気的特性を有する電子放出素子が得られる。
【００２４】また、エッジ形（図１７）に関しては、円形エッジのどの点から電子放出が起こるかは微妙な形状や表面状態の違いで決まるものであり、それが均一性や安定性に問題を残していた。これに対して本発明では、電子の放出点がエミッタの張出し部の尖端突起に確定しており、電子の放出に関する均一性及び安定性の改善に大きな効果がある。電子放出点は１個の張出し部あたり２個の尖端突起、すなわち２点であるから、４個の張出し部を持つエミッタならば８点、ｎ個の張出し部ならば２ｎ点となり、集積密度の向上にも役立つ。
【００２５】以上のように本発明の電子放出素子では、エミッタの形状が平面であるので、エッジ形（図１７）の特長である作製が容易であるという利点を得ることができる。そして同時に、２個の尖端突起を備えた複数の張出し部を放射状又は求心状に並べることによってエミッタが形成されるので、電界がそれらの尖端突起に集中し、そのため良好な電気的特性を持った電子放出素子を得ることができる。また、電子放出点が尖端突起に確定することにより、従来のエッジ形（図１７）に比べて電子放出点に関する均一性及び安定性を改善できる。
【００２６】
【実施例】
（電子放出素子の第１実施例）図１は、本発明に係る電子放出素子の第１実施例を示している。この実施例では、ゲート２に多角形穴、例えば正方形穴Ｔが形成され、その正方形穴Ｔの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ａを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十字形状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ａのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ａが設けられている。これらの先端突起１０ａは、それを微視的に見れば、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち三角錐形状の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２とエミッタ１との間に電界を印加すると、エミッタ１から、特に各尖端突起１０ａから電子が放出される。
【００２７】（第１実施例の電子放出素子の製造方法）図１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図３に模式的に示す。この製造方法では、まず、導電性を有するＳｉ（シリコン）によって形成された基板４を用意する。この基板４は、エミッタへ電流を流すためのエミッタ配線を兼ねている。この基板４上に、後にエミッタ１（図１）となるＷ（タングステン）膜１’をスパッタ処理によって厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、エミッタの概略形状、本実施例では正方形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成し（ｂ）、さらに、ＳＦ6 ガスを用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜（Ｗ）１’及び基板（Ｓｉ）４をエッチングしてエミッタ概形１’’を形成する（ｃ）。このとき、基板（Ｓｉ）４の方がエミッタ用膜（Ｗ）１’よりもエッチングされ易いため、エミッタ概形１’’がひさし状に張り出した形状となる。
【００２８】次に、工程（ｄ）で示すように、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用膜２’としてＮｂを０．４μｍ、さらにエッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態からレジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフト・オフする（ｅ）。図（ｉ）は図（ｅ）の上面図を示している。
【００２９】さらに、放射状のエミッタ１（図１）を加工するための放射形状、すなわち十字形状のレジストパターン６を周知のパターン形成方法によって形成し（ｆ，ｊ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ概形１’’及び基板４をエッチングして、所望形状の張出し部１１ａ（図１）を備えたエミッタ１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’に対するエッチングはその内部に含まれるＡｌ層で停止するため、ゲート用膜２’の形状は変化しない。
【００３０】その後、レジストパターン６を除去し、さらにゲート用膜２’に含まれるＡｌ層をリン硝酸を用いたウエットエッチングによって除去し、そしてさらにフォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’を電極として作用するゲート２とゲート配線部とに加工する。ゲート２は図示の通りにエミッタ１の近傍に位置していてエミッタ１に電界を印加する部分であり、ゲート配線部とはそのゲート電極へ電圧を印加するための導電部として作用する部分である。便宜上、ゲート配線部の図示は省略してある。
【００３１】最後に、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチング、例えば３０秒〜１０分、好ましくは３分のエッチングを行うことにより、ゲート２を絶縁層３からひさし状に張り出させて図１に示すような目標とする電子放出素子が完成する（ｈ）。
【００３２】（電子放出素子の第２実施例）図２は、本発明に係る電子放出素子の第２実施例を示している。この実施例では、ゲート２に円形の穴Ｅが形成され、その円形穴Ｅの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに６個の張出し部１１ｂを６０゜の角度間隔で放射状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｂのゲート２に近い先端位置にもそれぞれ２個の先端突起１０ｂが設けられている。これらの先端突起１０ｂも、微視的には３つの平面を互いに接合して成る３面体、すなわち３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。
【００３３】この第２実施例の電子放出素子は、第１実施例の電子放出素子を製造するための製造方法、すなわち図３に示した製造方法と同じ方法によって作製できる。
【００３４】（電子放出素子の第３実施例）図４は、本発明に係る電子放出素子の第３実施例を示している。この実施例では、ゲート２に多角形の穴、例えば正方形の穴Ｔが形成され、その多角形穴Ｔの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｃを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十字形状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｃのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｃが設けられている。これらの先端突起１０ｃも、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち三角錐形状の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。
【００３５】この第３実施例が図１に示した第１実施例と異なる点は、エミッタ１の材料として基板４と異なる特別の材料を使うことなく、基板と同じ材料、例えばＳｉを使ってエミッタ１を形成したことである。
【００３６】（第３実施例の電子放出素子の製造方法）図４に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図５に模式的に示す。この製造方法は、基本的には図３に示した製造方法と同じであり、異なる点は、エミッタ用金属膜の成膜工程を省くことによって、エミッタ１（図４）を基板４の材料と同じＳｉを用いて形成するようにしたことである。
【００３７】具体的に説明すれば、まず、導電性を有するＳｉによって形成された基板４を用意し、その上にエミッタの概略形状、本実施例では正方形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成する（ａ）。そして、ＳＦ6 ガスを用いた反応性イオンエッチングによって基板４をエッチングしてエミッタ概形１’’を形成する（ｂ）。
【００３８】次に、工程（ｃ）で示すように、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用膜２’としてＮｂを０．４μｍ、エッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態からレジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフトオフする（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の上面図を示している。
【００３９】さらに、放射形状のエミッタ１（図４）を加工するための放射形状、すなわち十字形状のレジストパターン６を形成し（ｅ，ｉ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ概形１’’をエッチングして、所望形状の張出し部１１ｃ（図４）を備えたエミッタ１を形成し、さらにレジストパターン６を除去する（ｆ）。
【００４０】レジストパターン６の除去後、ゲート用膜２’に含まれるエッチングストッパ層（Ａｌ）をリン硝酸を用いたウエットエッチングによって除去し、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’を電極として作用するゲート２とゲート配線部とに加工する。そして最後に、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングしてゲート２を絶縁層３からひさし状に張り出させ、これにより図４に示したような目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４１】（電子放出素子の第４実施例）図６は、本発明に係る電子放出素子の第４実施例を示している。この実施例では、ゲート２が円形状に形成され、エミッタ１がそのゲート２のまわりに形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｄを９０゜の角度間隔でゲート２を中心とする求心状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｄのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｄが設けられている。これらの先端突起１０ｄも、微視的に見て、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち３次元突起として構成され、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２は、正方形その他の多角形状とすることもできる。
【００４２】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）図６に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図７に模式的に示す。この製造方法では、まず、ゲート配線を兼ねる導電性のＳｉ基板４を準備し、その基板４上に、後にゲート２（図６）となるゲート用膜（Ｎｂ）２’を真空蒸着で厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、円形状のゲート２を形成するための円形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成し（ｂ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’及び基板４をエッチングして円形のゲート２を形成する（ｃ）。
【００４３】次に、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍ蒸着し、さらにエミッタ用膜１’としてＮｂを０．１μｍ、Ｍｏを０．２μｍ順次蒸着する（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の上面図を示している。さらに、求心形状のエミッタ１（図６）を加工するための十字形状のレジストパターン６を形成し（ｅ，ｉ）、そしてＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’のＭｏ及びＮｂ並びに基板（Ｓｉ）４をエッチングし、さらにレジストパターン６及びレジストパターン５を周知の除去方法によって除去する（ｆ）。なお、エミッタ用膜１’及び基板４のエッチング時、ゲート（Ｎｂ）２はレジストパターン５に保護されてエッチングされない。
【００４４】レジストパターン６及びレジストパターン５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによりエミッタ用膜１’を電極としてのエミッタ１とエミッタ配線部１ａとに加工する。そして最後に、エミッタ１の先端がゲート２へ向けて絶縁層３から張り出すように緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４５】（電子放出素子の第５実施例）図８は、本発明に係る電子放出素子の第５実施例を示している。この実施例では、ゲート２が円形状の穴Ｅを有する形状に形成され、エミッタ１がそのゲート２の下に形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｅを９０゜の角度間隔でゲート穴Ｅを中心とする求心状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｅのゲート穴Ｅに近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｅが設けられている。これらの先端突起１０ｅも、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち３次元突起として構成され、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２の穴は正方形その他の多角形状とすることもできる。
【００４６】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）図８に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図９に模式的に示す。この製造方法では、まず、絶縁性の石英によって形成された基板４を準備し、その基板４上に、後にエミッタ１（図８）となるＷ膜、すなわちエミッタ用膜１’をスパッタによって厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、エミッタ１の求心形状の元になる形、この実施例では十字形状のレジストパターン６を形成し（ｂ，ｈ）、さらにＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’をエッチングして求心状のエミッタ張出し部１１ｅの原形となる十字形状の放射状張出し部１’’を形成する（ｃ，ｉ）。このとき、エミッタ配線部の加工も行う。次に、レジストパターン６を除去した後、絶縁層３としてＳｉＯX を厚さ０．５μｍ、さらにゲート用膜２’としてＮｂを厚さ０．４μｍで順次に蒸着する（ｄ）。
【００４７】次に、ゲート用膜２’、絶縁層３及び十字形状のエミッタ概形１’’の上に円形の穴を開けるための円形穴を備えたレジストパターン５を形成し（ｅ，ｊ）、さらにＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’、絶縁層ＳｉＯX 、エミッタ概形１’’及び石英基板４の全てをエッチングし、さらにレジストパターン５を除去する（ｆ）。レジストパターン５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性エッチングによってゲート用膜２’を電極としてのゲート２とゲート配線部とに加工し、そして最後に、緩衝フッ酸によって絶縁層３及び石英基板４を軽くエッチング、例えば１分〜２０分、好ましくは５分間エッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４８】図１、図２、図４、図６、そして図８に示した電子放出素子に関し、蛍光体を塗布した透明電極付きガラス基板を対向させ、その状態でゲート２とエミッタ１との間に電界を印加したところ、エミッタ１からの電子放出及び蛍光体の発光を確認した。
【００４９】（電子放出素子の第６実施例）図１０は、本発明に係る電子放出素子の第６実施例を示している。この実施例を矢印Ａ方向から見た場合の外観形状は図１に示す実施例と同じである。この実施例が図３（ｈ）に示す第１実施例と異なる点は、エミッタ１がエッチングストッパ層７及びエミッタ基体８の上に設けられることである。エミッタ基体８の材質は特定のものに限定されないが、それをＳｉ等の電気抵抗性の材料によって形成して安定化抵抗の役割を持たせることができる。
【００５０】（第６実施例の電子放出素子の製造方法）図１０に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図１２に模式的に示す。この製造方法では、まず、導電性のＳｉによって基板４を形成する。この基板４はエミッタ配線１ａを兼ねている。この基板４上にエッチングストッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜し、続いてエミッタ基体用膜８’としてＳｉを０．２５μｍ成膜し、そしてエミッタ用膜１’としてＷを０．２μｍ成膜する（ａ）。
【００５１】次に、レジスト５をエミッタの概略形状にパターニングし、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでエミッタ概形１’’及びエミッタ基体概形８’’を加工する。Ａｌによって形成されたエッチングストッパ層７はエッチングされないので、縦方向のエッチングはエミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’までで停止する。横方向に関しては、エミッタ用膜（Ｗ）１’のサイドエッチは小さく、一方、エミッタ基体用膜（Ｓｉ）８’のサイドエッチは大きいので、エミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’がエミッタ概形（Ｗ）１’’よりも大きく削られ、よってエミッタ概形１’’がひさし状に飛び出した形になる。このひさしの長さはエッチング時間によって自由に制御でき、よって設計通りの形状を容易に得ることができる（ｂ）。続いて、ウェットエッチングにより、エミッタ概形１’’に対応する部分以外の部分のエッチングストッパ層（Ａｌ）７を除去しておく（ｃ）。但し、エッチングストッパ層は除去せず残したままでも良い。
【００５２】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．４μｍ、ゲート用膜２’としてＮｂを０．３μｍ、エッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍ、それぞれ蒸着する（ｄ）。その後、レジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付着した不要部分を取り去る（ｅ）。
【００５３】続いて、十字形のレジスト６を形成し（ｆ，ｋ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでエミッタ概形１’’を十字形に加工して放射状のエミッタ１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’は内包するエッチングストッパ層（Ａｌ）によって保護されるので、エッチングされない。その後、レジスト６を除去した後、電極として働くゲート２をパターニングし（ｈ）、最後に緩衝フッ酸で絶縁層３（ＳｉＯX ）を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｉ）。
【００５４】なお、ゲート２上のエッチングストッパ層及び保護層の形成並びに十字パターニングを省略すれば、ディスクエッジ形のフィールドエミッタとなる。
【００５５】（第６実施例（図１０）の電子放出素子の別の製造方法）図１２に示した製造方法の改良法として、保護層を用いる場合について説明する。図１２における各材料膜の形成工程（ａ）において、エミッタ用膜（Ｗ）１’を蒸着した後に、その上に保護層としてＭｏを０．２μｍ蒸着しておく。すると、図１２（ｅ）の工程においてエミッタ概形１’’の上には図１４（ｅ）に示すように保護層（Ｍｏ）１４が残る。この保護層１４は、ゲート２のパターニング工程（図１２（ｈ））まで保持され、この間、エミッタ概形１’’を外部の各種薬品やゴミ等から保護する。そして、保護層１４をリン硝酸で除去した後、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標形状の電子放出素子を得る（図１２（ｉ））。このとき、図１４（ｉ）に示すように、保護層１４はエミッタ１の近傍から取り除かれている。
【００５６】（電子放出素子の第７実施例及びその製造方法）図１２に示した製造方法の改良法として、機械的強度向上層を用いた場合について説明する。図１２における各材料膜の形成工程（ａ）においてエミッタ用膜（Ｗ）１’を０．２μｍ蒸着する代わりに、図１５（ａ）に示すように、機械的強度向上第１層１５としてＴｉを０．１μｍ、エミッタ用膜１’としてＷを０．１μｍ、そして機械的強度向上第２層１６としてＴｉを０．２μｍ蒸着しておく。ここで、機械的強度向上第２層１６は、保護層１４の役割も兼ねている。こうすると、図１２（ｅ）の工程においてエミッタ概形１’’の上下両側には図１５（ｅ）に示すように機械的強度向上第１層１５及び機械的強度向上第２層１６が残る。
【００５７】この積層構造はゲート２のパターニング工程（図１２（ｈ））まで保持され、この間、機械的強度向上第２層１６はエミッタ概形１’’を外部の各種薬品やゴミ等から保護する。そして、絶縁層３を緩衝フッ酸で軽くエッチングするとき、機械的強度向上第１層５及び第２層１６も緩衝フッ酸でエッチングされて図１５（ｉ）で示すようにサイドエッチされる。機械的強度向上層はエミッタ概形１’’及びエミッタ１の上下片側だけに設けるようにしても良い。
【００５８】（電子放出素子の第８実施例）図１１は、本発明に係る電子放出素子の第８実施例を示している。この実施例を矢印Ｂ方向から見た場合の外観形状は図６に示す実施例と同じである。この実施例が図７（ｇ）に示す実施例と異なる点は、ゲート２がエッチングストッパ層７及びゲート基体９の上に設けられることである。
【００５９】（第８実施例の電子放出素子の製造方法）図１１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図１３に模式的に示す。この製造方法では、絶縁性の石英を用いて基板４を形成し、その基板４上にゲート配線２ａとしてＷを０．２μｍ成膜し、さらにパターニングしておく。そして、その上にエッチングストッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜し、続いてゲート基体用膜９’としてＭｏを０．３μｍ、さらにゲート用膜２’としてＮｂを０．３μｍ成膜する（ａ）。
【００６０】次に、希望するゲート形状にレジスト５をパターニングし（ｂ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでゲート２及びゲート基体９を加工する（ｃ）。エッチングストッパ層（Ａｌ）７はエッチングされないので、縦方向のエッチングはゲート基体（Ｍｏ）９までで停止する。ここで、リン硝酸のウェットエッチングによりゲート２に対応する部分以外の部分のエッチングストッパ層（Ａｌ）７を除去すると共にゲート基体９を細くする（ｄ）。
【００６１】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍ、エミッタ用膜１’としてＮｂを０．２μｍ蒸着する（ｅ）。続いて、十字形のレジスト６を形成し（ｆ，ｊ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’及び絶縁層３を十字状に加工して、求心形状のエミッタ１及び絶縁層３を形成する（ｇ）。このとき、ゲート２はレジスト５によって保護されていてエッチングされない。その後、レジスト５を除去し（ｇ）、さらにエミッタ層１にエミッタ配線１ａをパターニングし、最後に緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｈ）。
【００６２】以上に説明した実施例は製造方法や材料を限定するものではなく、例えば図８に示す電子放出素子を製造するための図９に示す製造方法、特にそのエミッタの加工工程において、エミッタ用膜の成膜後にそれをフォトエッチングする代わりに、先に陰画のレジストパターンを形成しておいて、エミッタ用膜の成膜後にそのレジストパターンをリフトオフしてもよい。また、例えばエミッタには、Ｗ、Ｍｏ以外に、Ｔａ、Ｎｂ等の金属、Ｓｉ等の半導体又はＴｉＮ等の窒化物等が使用できる。エッチングストッパ層にはＡｌ以外にＣｒも使用できる。また、基板４やエミッタ１は必ずしもエミッタ配線を兼ねる必要はなく、絶縁基板上にエミッタ配線を施した後にエミッタ電極層を形成してもよい。このことは、ゲート配線についても同様である。
【００６３】
【発明の効果】本発明に係る電子放出素子によれば、エミッタの形状が平面であるので、エッジ形電子放出素子（図１７）の特長である作製が容易であるという利点を得ることができる。しかも、エミッタが複数の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状を有するので、電界が張出し部の角部、すなわち２個の先端突起に集中し、それ故、良好な電気的特性を持った電子放出素子が得られる。また、電子放出点が張出し部の角部に確定するので、従来のエッジ形電子放出素子（図１７）に比べて電子の放出に関して均一性及び安定性を改善できる。
【００６４】請求項４及び請求項５記載の電子放出素子によれば、エミッタ又はゲートの下にエッチングストッパ層を埋め込んでおくことにより、次のような効果が得られる。すなわち、エッチングストッパ層を設けない場合には、基板の上に形成されるエミッタ又はゲートの高さはエッチング量で決まるので、エッチング速度のバラツキに起因して素子特性にバラツキが発生していた。これに対し、エッチングストッパ層を下層に埋め込んだ状態でエミッタまたゲートをエッチング加工すると、エミッタ又はゲートの高さはエッチングストッパ層より上の膜の厚さで決まり、エッチング速度のバラツキの影響を受けない。これにより、エミッタ又はゲートの高さが均一になり、素子特性が均一化する。
【００６５】請求項１４記載の電子放出素子によれば、エミッタ基体を安定化抵抗とすることにより、各素子の特性のバラツキを補正することができ、素子特性の均一性がさらに向上する。特に、抵抗が各素子ごとに分離しているため、仮に１つの素子で短絡が起こったとしても、その素子だけの破壊で済み、近隣に影響を及ぼすことがない。
【００６６】請求項１５記載の電子放出素子又は請求項２０記載の電子放出素子の製造方法によれば、機械的強度向上層や保護層を設けることにより、作製工程中や完成後のエミッタの破損を確実に防止できる。
【００６７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子放出素子の第１実施例の要部を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る電子放出素子の第２実施例の要部を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図４】本発明に係る電子放出素子の第３実施例の要部を示す斜視図である。
【図５】図４に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図６】本発明に係る電子放出素子の第４実施例の要部を示す斜視図である。
【図７】図６に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図８】本発明に係る電子放出素子の第５実施例の要部を示す斜視図である。
【図９】図８に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１０】本発明に係る電子放出素子の第６実施例の要部を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る電子放出素子の第８実施例の要部を示す斜視図である。
【図１２】図１０に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１３】図１１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１４】図１２に示す電子放出素子の製造方法の改変例の要部を示す工程図である。
【図１５】本発明に係る電子放出素子の第７実施例の要部及び図１２に示す電子放出素子の製造方法の他の改変例の要部を示す工程図である。
【図１６】従来の電子放出素子、特にコーン形の電子放出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。
【図１７】従来の電子放出素子、特にエッジ形の電子放出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。
【符号の説明】
１ エミッタ
１’ エミッタ用膜（加工前）
１’’ エミッタ（加工途中）
２ ゲート
２’ ゲート用膜（加工前）
３ 絶縁層
４ 基板
５ レジストパターン（エミッタ概略形状及びゲート加工用）
６ レジストパターン（エミッタ張出し部加工用）
７ エッチングストッパ層
８ エミッタ基体
８’ エミッタ基体用膜（加工前）
８’’ エミッタ基体（加工途中）
９ ゲート基体
９’ ゲート基体用膜（加工前）
１０ａ〜１０ｅ エミッタ張出し部の先端突起
１１ａ〜１１ｅ エミッタの張出し部
１４ 保護層
１５ 機械的強度向上第１層
１６ 機械的強度向上第２層
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、画像表示装置、光プリンタあるいは照明ランプ等に電子源として用いられる電子放出素子、特に電界放出現象を利用した電子放出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常の状態において物体表面から外へ電子を取り出すためには、その物体表面の仕事関数に相当するエネルギーを与えてやる必要がある。これは、仕事関数分のエネルギー障壁が存在するためである。
【０００３】物体表面にエネルギーを与えるために、よく知られている例では、物体表面をある程度以上の高温に加熱する。この熱により運動エネルギーが増大された電子は前記のエネルギー障壁を越えて物体表面から外へと飛び出す。これが、いわゆる熱電子放出と称されるものであり、そして放出された電子は熱電子と称されている。また、この電子を放出する陰極を熱陰極と称している。
【０００４】ところが、前記のように高温に加熱しなくても、物体表面に対して電界をかけると前記のエネルギー障壁の幅が電界に応じて次第に狭くなり、特に電界強度が約１０7 Ｖ／ｃｍ以上の強電界であれば、電子はいわゆるトンネル効果によって前記のエネルギー障壁を突破して物体表面から外へ放出される。
【０００５】これが、いわゆる電界放出又は強電界放出と称されているものであり、放出された電子は電界放出電子又は強電界放出電子と称されている。また、この電子と陰極のことを、前記の熱電子と熱陰極に対して、それぞれ冷電子と冷陰極と称することもある。
【０００６】この電界放出現象は、前記のような熱電子放出とは原理が異なるものであり、工業的応用を検討した場合には、その原理の違いに起因した数々の優れた特長を有していることが知られている。
【０００７】まず、電場はポアソンの方程式に支配されているため、突起があるとその先端に電界が集中する。すなわち、突起形状を用いれば比較的低電圧で電界放出を起こすことができ、これを電子源として利用することができる。
【０００８】そして、電界放出現象を利用した電子源としての電子放出素子には、代表的な例の一つとして、書籍：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，４７（１９７６）ｐｐ．５２４８−５２６３に記載された文献に示された、図１６に示すようなものがある。この素子は、円形の穴を持つゲート２と円錐状、すなわちコーン状に形成されたエミッタ１とを有している。このような電子放出素子を以下ではコーン形電子放出素子と呼ぶことにする。このコーン形電子放出素子は、鋭利に尖ったエミッタ１の先端から効率よく電子を放出することができ、優れた電気的特性を発揮できるという特長を有している。図中、符号３は絶縁層、そして符号４は基板を示している。
【０００９】なお、例えば書籍：Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ’８６， ｐｐ．５１２−５１５に記載された文献によれば、上記のコーン形電子放出素子を多数個マトリクス状に配置し、これを蛍光体を塗布したアノード電極に対向させた構造の画像表示素子が、既に開発されている。
【００１０】またこの他にも、例えば書籍：電気通信学会技術報告ＥＤ９１−１３４ ｐｐ．１７−２２の記載によれば、図１７に示す構成の電子放出素子も既に提案されている。この素子は、平板状で円形のエミッタ１の外縁すなわちエッジに電界を集中させる方式のものであり、そのエミッタ１の形状の故に製造技術が上記のコーン形電子放出素子に比べて簡単であるという優れた特長を有している。この電子放出素子を以下ではエッジ形電子放出素子と呼ぶことにする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のコーン形電子放出素子（図１６）では、ゲート２の穴を直径１μｍ程度の小ささで多数個均一にしかも非常に高精度に形成することが必要であるものの、その製造にはきわめて高度な技術を要し、その上に手間もかかるという問題があった。また、完成した電子放出素子に関し、エミッタ１が破損してショートを起こし易いという問題があった。
【００１２】また、上記のエッジ形電子放出素子（図１７R>７）では、エミッタ１の形状の故にそのエミッタのエッジへの電界集中があまり大きくなく、そのためコーン形（図１６）に比べて高電圧を印加する必要があり、電気的特性がコーン形程には優れていないという問題があった。
【００１３】本発明は、上記の問題点を解消するために成されたものであって、電子放出素子に関して、コーン形電子放出素子（図１６）のように特に高精度の製造技術を必要としないこと、完成した電子放出素子内の各要素の破損によるショートの発生を起き難くすること、さらにエッジ形電子放出素子（図１７）よりも優れた電気的特性並びに電子放出に関する均一性及び安定性を達成することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、請求項１記載の電子放出素子は、基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは上記エミッタに対応する位置に円形穴又は多角形穴を有しており、そして上記エミッタは、ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個放射状に並べることによって形成されることを特徴としている。
【００１５】また、請求項２記載の電子放出素子では、ゲートが円形状又は多角形状に形成され、そしてエミッタが、ゲートに近い先端位置に２個の先端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個、ゲートを中心とする求心状に並べることによって形成される。
【００１６】また、請求項３記載の電子放出素子では、ゲートが円形穴又は多角形穴を有しており、そしてエミッタが、ゲートの穴の縁端に近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をゲートに対してほぼ平行に複数個、ゲートの穴を中心とする求心状に並べることによって形成される。
【００１７】尖端突起というのは、形状の如何を問わず、尖端が鋭く尖った立体的な突出部分のことであり、これを備えた張出し部というのは、例えば、図１又は図４R>４に示すような２個の尖端突起１０ａ又は１０ｃを備えた長方形状の張出し部１１ａ又は１１ｃや、図２に示すような２個の尖端突起１０ｂを備えた先端が円弧状に丸みを帯て突出するほぼ長方形状の張出し部１１ｂや、あるいは図６又は図８に示すような２個の尖端突起１０ｄ又は１０ｅを備えた先端が円弧状に丸みを帯びて窪んだ状態のほぼ長方形状の張出し部１１ｄ又は１１ｅ等のような形状が考えられる。
【００１８】また、請求項１６に記載した電子放出素子の製造方法、特に請求項１及び請求項２に記載の電子放出素子の製造に好適な製造方法は、基板上にエミッタの概略形状又はゲート形状を形成し、さらに基板上に絶縁層及びゲート用膜又はエミッタ用膜を形成し、その後、概略形状のエミッタを、２個の尖端突起を備えた複数個の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工することを特徴としている。
【００１９】また、請求項１７に記載した電子放出素子の製造方法、特に請求項３に記載の電子放出素子の製造に好適な製造方法は、求心状に配列されるエミッタの張出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形成し、さらに基板及びその放射状張出し部の上に絶縁層及びゲート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶縁層及びエミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する円形状又は多角形状の穴を開けることにより、円形状又は多角形状の穴を有するゲート及び複数の求心状に配列されたエミッタ張出し部を形成することを特徴としている。
【００２０】エミッタの張出し部を形成する際には、２段階のフォトエッチングを用いるのが望ましい。すなわち、張出し部の縦の境界及び横の境界の形成ためにそれぞれ独立のフォトリソグラフィとエッチングを用いることにより、角の鋭いエミッタ形状が得られる。またこの場合、ゲートがエミッタ張出し部と同様の形状に加工されてしまうと、エミッタに電界をかける効果が弱くなってしまう。そこで、エミッタを所望の張出し部形状に加工するときにゲートが加工されない工夫が重要となる。そのための方法として、例えば、ゲート上にエッチング保護層、例えばＡｌ、レジスト等を付けておいたり、あるいはエミッタ加工の一部をゲート成膜前に行う等の方法が考えられる。
【００２１】また、請求項４又は請求項５に記載の電子放出素子のようにエミッタ又はゲートをエッチングストッパ層の上に設けるようにした電子放出素子に関しては、請求項１８及び請求項１９に記載のように、まず基板上にエッチングストッパ層を形成し、そのエッチングストッパ層の上にエミッタ又はゲートを形成することにより電子放出素子を製造できる。
【００２２】さらに、請求項１記載の電子放出素子を製造するに際して、請求項２０に記載のように、エミッタ用膜の上に保護膜を形成し、エミッタ及びゲートを所定形状に形成した後にその保護膜を除去することができる。
【００２３】
【作用】従来のエッジ形電子放出素子（図１７）はいわば２次元的な突起であり、これはコーン形電子放出素子（図１６）に比較して電界集中が弱い。これに対して本発明の電子放出素子では、エミッタの形状をエッジ形（図１７）のような単純な円ではなく、図１、２、４、６、８に示すような、２個の尖端突起１０ａ〜１０ｅを備えた張出し部１１ａ〜１１ｅを放射状又は求心状に配列させて構成してある。ここで各尖端突起１０ａ〜１０ｅを１個ずつ見れば、それらは３つの平面を側面とする３面体すなわち３次元突起であり、その頂点への電界集中が起こり易く、その結果、コーン形（図１６）と同様に良好な電気的特性を有する電子放出素子が得られる。
【００２４】また、エッジ形（図１７）に関しては、円形エッジのどの点から電子放出が起こるかは微妙な形状や表面状態の違いで決まるものであり、それが均一性や安定性に問題を残していた。これに対して本発明では、電子の放出点がエミッタの張出し部の尖端突起に確定しており、電子の放出に関する均一性及び安定性の改善に大きな効果がある。電子放出点は１個の張出し部あたり２個の尖端突起、すなわち２点であるから、４個の張出し部を持つエミッタならば８点、ｎ個の張出し部ならば２ｎ点となり、集積密度の向上にも役立つ。
【００２５】以上のように本発明の電子放出素子では、エミッタの形状が平面であるので、エッジ形（図１７）の特長である作製が容易であるという利点を得ることができる。そして同時に、２個の尖端突起を備えた複数の張出し部を放射状又は求心状に並べることによってエミッタが形成されるので、電界がそれらの尖端突起に集中し、そのため良好な電気的特性を持った電子放出素子を得ることができる。また、電子放出点が尖端突起に確定することにより、従来のエッジ形（図１７）に比べて電子放出点に関する均一性及び安定性を改善できる。
【００２６】
【実施例】
（電子放出素子の第１実施例）図１は、本発明に係る電子放出素子の第１実施例を示している。この実施例では、ゲート２に多角形穴、例えば正方形穴Ｔが形成され、その正方形穴Ｔの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ａを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十字形状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ａのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ａが設けられている。これらの先端突起１０ａは、それを微視的に見れば、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち三角錐形状の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２とエミッタ１との間に電界を印加すると、エミッタ１から、特に各尖端突起１０ａから電子が放出される。
【００２７】（第１実施例の電子放出素子の製造方法）図１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図３に模式的に示す。この製造方法では、まず、導電性を有するＳｉ（シリコン）によって形成された基板４を用意する。この基板４は、エミッタへ電流を流すためのエミッタ配線を兼ねている。この基板４上に、後にエミッタ１（図１）となるＷ（タングステン）膜１’をスパッタ処理によって厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、エミッタの概略形状、本実施例では正方形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成し（ｂ）、さらに、ＳＦ6 ガスを用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜（Ｗ）１’及び基板（Ｓｉ）４をエッチングしてエミッタ概形１’’を形成する（ｃ）。このとき、基板（Ｓｉ）４の方がエミッタ用膜（Ｗ）１’よりもエッチングされ易いため、エミッタ概形１’’がひさし状に張り出した形状となる。
【００２８】次に、工程（ｄ）で示すように、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用膜２’としてＮｂを０．４μｍ、さらにエッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態からレジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフト・オフする（ｅ）。図（ｉ）は図（ｅ）の上面図を示している。
【００２９】さらに、放射状のエミッタ１（図１）を加工するための放射形状、すなわち十字形状のレジストパターン６を周知のパターン形成方法によって形成し（ｆ，ｊ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ概形１’’及び基板４をエッチングして、所望形状の張出し部１１ａ（図１）を備えたエミッタ１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’に対するエッチングはその内部に含まれるＡｌ層で停止するため、ゲート用膜２’の形状は変化しない。
【００３０】その後、レジストパターン６を除去し、さらにゲート用膜２’に含まれるＡｌ層をリン硝酸を用いたウエットエッチングによって除去し、そしてさらにフォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’を電極として作用するゲート２とゲート配線部とに加工する。ゲート２は図示の通りにエミッタ１の近傍に位置していてエミッタ１に電界を印加する部分であり、ゲート配線部とはそのゲート電極へ電圧を印加するための導電部として作用する部分である。便宜上、ゲート配線部の図示は省略してある。
【００３１】最後に、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチング、例えば３０秒〜１０分、好ましくは３分のエッチングを行うことにより、ゲート２を絶縁層３からひさし状に張り出させて図１に示すような目標とする電子放出素子が完成する（ｈ）。
【００３２】（電子放出素子の第２実施例）図２は、本発明に係る電子放出素子の第２実施例を示している。この実施例では、ゲート２に円形の穴Ｅが形成され、その円形穴Ｅの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに６個の張出し部１１ｂを６０゜の角度間隔で放射状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｂのゲート２に近い先端位置にもそれぞれ２個の先端突起１０ｂが設けられている。これらの先端突起１０ｂも、微視的には３つの平面を互いに接合して成る３面体、すなわち３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。
【００３３】この第２実施例の電子放出素子は、第１実施例の電子放出素子を製造するための製造方法、すなわち図３に示した製造方法と同じ方法によって作製できる。
【００３４】（電子放出素子の第３実施例）図４は、本発明に係る電子放出素子の第３実施例を示している。この実施例では、ゲート２に多角形の穴、例えば正方形の穴Ｔが形成され、その多角形穴Ｔの下にエミッタ１が形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｃを９０゜の角度間隔で放射状に、すなわち十字形状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｃのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｃが設けられている。これらの先端突起１０ｃも、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち三角錐形状の３次元突起であり、その頂点は鋭く尖っている。
【００３５】この第３実施例が図１に示した第１実施例と異なる点は、エミッタ１の材料として基板４と異なる特別の材料を使うことなく、基板と同じ材料、例えばＳｉを使ってエミッタ１を形成したことである。
【００３６】（第３実施例の電子放出素子の製造方法）図４に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図５に模式的に示す。この製造方法は、基本的には図３に示した製造方法と同じであり、異なる点は、エミッタ用金属膜の成膜工程を省くことによって、エミッタ１（図４）を基板４の材料と同じＳｉを用いて形成するようにしたことである。
【００３７】具体的に説明すれば、まず、導電性を有するＳｉによって形成された基板４を用意し、その上にエミッタの概略形状、本実施例では正方形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成する（ａ）。そして、ＳＦ6 ガスを用いた反応性イオンエッチングによって基板４をエッチングしてエミッタ概形１’’を形成する（ｂ）。
【００３８】次に、工程（ｃ）で示すように、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍの厚さで蒸着する。そしてその上にゲート用膜２’としてＮｂを０．４μｍ、エッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍの厚さで順次蒸着する。この状態からレジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付いた絶縁層材料３及びゲート用膜２’をリフトオフする（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の上面図を示している。
【００３９】さらに、放射形状のエミッタ１（図４）を加工するための放射形状、すなわち十字形状のレジストパターン６を形成し（ｅ，ｉ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ概形１’’をエッチングして、所望形状の張出し部１１ｃ（図４）を備えたエミッタ１を形成し、さらにレジストパターン６を除去する（ｆ）。
【００４０】レジストパターン６の除去後、ゲート用膜２’に含まれるエッチングストッパ層（Ａｌ）をリン硝酸を用いたウエットエッチングによって除去し、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’を電極として作用するゲート２とゲート配線部とに加工する。そして最後に、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングしてゲート２を絶縁層３からひさし状に張り出させ、これにより図４に示したような目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４１】（電子放出素子の第４実施例）図６は、本発明に係る電子放出素子の第４実施例を示している。この実施例では、ゲート２が円形状に形成され、エミッタ１がそのゲート２のまわりに形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｄを９０゜の角度間隔でゲート２を中心とする求心状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｄのゲート２に近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｄが設けられている。これらの先端突起１０ｄも、微視的に見て、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち３次元突起として構成され、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２は、正方形その他の多角形状とすることもできる。
【００４２】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）図６に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図７に模式的に示す。この製造方法では、まず、ゲート配線を兼ねる導電性のＳｉ基板４を準備し、その基板４上に、後にゲート２（図６）となるゲート用膜（Ｎｂ）２’を真空蒸着で厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、円形状のゲート２を形成するための円形のレジストパターン５を周知のパターン形成方法によって形成し（ｂ）、ＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’及び基板４をエッチングして円形のゲート２を形成する（ｃ）。
【００４３】次に、レジストパターン５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍ蒸着し、さらにエミッタ用膜１’としてＮｂを０．１μｍ、Ｍｏを０．２μｍ順次蒸着する（ｄ）。図（ｈ）は図（ｄ）の上面図を示している。さらに、求心形状のエミッタ１（図６）を加工するための十字形状のレジストパターン６を形成し（ｅ，ｉ）、そしてＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’のＭｏ及びＮｂ並びに基板（Ｓｉ）４をエッチングし、さらにレジストパターン６及びレジストパターン５を周知の除去方法によって除去する（ｆ）。なお、エミッタ用膜１’及び基板４のエッチング時、ゲート（Ｎｂ）２はレジストパターン５に保護されてエッチングされない。
【００４４】レジストパターン６及びレジストパターン５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによりエミッタ用膜１’を電極としてのエミッタ１とエミッタ配線部１ａとに加工する。そして最後に、エミッタ１の先端がゲート２へ向けて絶縁層３から張り出すように緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４５】（電子放出素子の第５実施例）図８は、本発明に係る電子放出素子の第５実施例を示している。この実施例では、ゲート２が円形状の穴Ｅを有する形状に形成され、エミッタ１がそのゲート２の下に形成されている。このエミッタ１は、ゲート２に対してほぼ平行に形成されていて、さらに４個の張出し部１１ｅを９０゜の角度間隔でゲート穴Ｅを中心とする求心状に配列することによって形成されている。各張出し部１１ｅのゲート穴Ｅに近い先端位置にはそれぞれ２個の先端突起１０ｅが設けられている。これらの先端突起１０ｅも、３つの平面を互いに接合した３面体、すなわち３次元突起として構成され、その頂点は鋭く尖っている。ゲート２の穴は正方形その他の多角形状とすることもできる。
【００４６】（第４実施例の電子放出素子の製造方法）図８に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図９に模式的に示す。この製造方法では、まず、絶縁性の石英によって形成された基板４を準備し、その基板４上に、後にエミッタ１（図８）となるＷ膜、すなわちエミッタ用膜１’をスパッタによって厚さ０．２μｍに成膜する（ａ）。その後、エミッタ１の求心形状の元になる形、この実施例では十字形状のレジストパターン６を形成し（ｂ，ｈ）、さらにＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’をエッチングして求心状のエミッタ張出し部１１ｅの原形となる十字形状の放射状張出し部１’’を形成する（ｃ，ｉ）。このとき、エミッタ配線部の加工も行う。次に、レジストパターン６を除去した後、絶縁層３としてＳｉＯX を厚さ０．５μｍ、さらにゲート用膜２’としてＮｂを厚さ０．４μｍで順次に蒸着する（ｄ）。
【００４７】次に、ゲート用膜２’、絶縁層３及び十字形状のエミッタ概形１’’の上に円形の穴を開けるための円形穴を備えたレジストパターン５を形成し（ｅ，ｊ）、さらにＳＦ6 を用いた反応性イオンエッチングによってゲート用膜２’、絶縁層ＳｉＯX 、エミッタ概形１’’及び石英基板４の全てをエッチングし、さらにレジストパターン５を除去する（ｆ）。レジストパターン５の除去後、フォトリソグラフィ及びＳＦ6 を用いた反応性エッチングによってゲート用膜２’を電極としてのゲート２とゲート配線部とに加工し、そして最後に、緩衝フッ酸によって絶縁層３及び石英基板４を軽くエッチング、例えば１分〜２０分、好ましくは５分間エッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｇ）。
【００４８】図１、図２、図４、図６、そして図８に示した電子放出素子に関し、蛍光体を塗布した透明電極付きガラス基板を対向させ、その状態でゲート２とエミッタ１との間に電界を印加したところ、エミッタ１からの電子放出及び蛍光体の発光を確認した。
【００４９】（電子放出素子の第６実施例）図１０は、本発明に係る電子放出素子の第６実施例を示している。この実施例を矢印Ａ方向から見た場合の外観形状は図１に示す実施例と同じである。この実施例が図３（ｈ）に示す第１実施例と異なる点は、エミッタ１がエッチングストッパ層７及びエミッタ基体８の上に設けられることである。エミッタ基体８の材質は特定のものに限定されないが、それをＳｉ等の電気抵抗性の材料によって形成して安定化抵抗の役割を持たせることができる。
【００５０】（第６実施例の電子放出素子の製造方法）図１０に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図１２に模式的に示す。この製造方法では、まず、導電性のＳｉによって基板４を形成する。この基板４はエミッタ配線１ａを兼ねている。この基板４上にエッチングストッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜し、続いてエミッタ基体用膜８’としてＳｉを０．２５μｍ成膜し、そしてエミッタ用膜１’としてＷを０．２μｍ成膜する（ａ）。
【００５１】次に、レジスト５をエミッタの概略形状にパターニングし、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでエミッタ概形１’’及びエミッタ基体概形８’’を加工する。Ａｌによって形成されたエッチングストッパ層７はエッチングされないので、縦方向のエッチングはエミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’までで停止する。横方向に関しては、エミッタ用膜（Ｗ）１’のサイドエッチは小さく、一方、エミッタ基体用膜（Ｓｉ）８’のサイドエッチは大きいので、エミッタ基体概形（Ｓｉ）８’’がエミッタ概形（Ｗ）１’’よりも大きく削られ、よってエミッタ概形１’’がひさし状に飛び出した形になる。このひさしの長さはエッチング時間によって自由に制御でき、よって設計通りの形状を容易に得ることができる（ｂ）。続いて、ウェットエッチングにより、エミッタ概形１’’に対応する部分以外の部分のエッチングストッパ層（Ａｌ）７を除去しておく（ｃ）。但し、エッチングストッパ層は除去せず残したままでも良い。
【００５２】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．４μｍ、ゲート用膜２’としてＮｂを０．３μｍ、エッチングストッパ層としてＡｌを０．０５μｍ、その保護層としてＭｏを０．０５μｍ、それぞれ蒸着する（ｄ）。その後、レジスト５を除去することにより、エミッタ概形１’’上に付着した不要部分を取り去る（ｅ）。
【００５３】続いて、十字形のレジスト６を形成し（ｆ，ｋ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでエミッタ概形１’’を十字形に加工して放射状のエミッタ１を形成する（ｇ）。このとき、ゲート用膜２’は内包するエッチングストッパ層（Ａｌ）によって保護されるので、エッチングされない。その後、レジスト６を除去した後、電極として働くゲート２をパターニングし（ｈ）、最後に緩衝フッ酸で絶縁層３（ＳｉＯX ）を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｉ）。
【００５４】なお、ゲート２上のエッチングストッパ層及び保護層の形成並びに十字パターニングを省略すれば、ディスクエッジ形のフィールドエミッタとなる。
【００５５】（第６実施例（図１０）の電子放出素子の別の製造方法）図１２に示した製造方法の改良法として、保護層を用いる場合について説明する。図１２における各材料膜の形成工程（ａ）において、エミッタ用膜（Ｗ）１’を蒸着した後に、その上に保護層としてＭｏを０．２μｍ蒸着しておく。すると、図１２（ｅ）の工程においてエミッタ概形１’’の上には図１４（ｅ）に示すように保護層（Ｍｏ）１４が残る。この保護層１４は、ゲート２のパターニング工程（図１２（ｈ））まで保持され、この間、エミッタ概形１’’を外部の各種薬品やゴミ等から保護する。そして、保護層１４をリン硝酸で除去した後、緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標形状の電子放出素子を得る（図１２（ｉ））。このとき、図１４（ｉ）に示すように、保護層１４はエミッタ１の近傍から取り除かれている。
【００５６】（電子放出素子の第７実施例及びその製造方法）図１２に示した製造方法の改良法として、機械的強度向上層を用いた場合について説明する。図１２における各材料膜の形成工程（ａ）においてエミッタ用膜（Ｗ）１’を０．２μｍ蒸着する代わりに、図１５（ａ）に示すように、機械的強度向上第１層１５としてＴｉを０．１μｍ、エミッタ用膜１’としてＷを０．１μｍ、そして機械的強度向上第２層１６としてＴｉを０．２μｍ蒸着しておく。ここで、機械的強度向上第２層１６は、保護層１４の役割も兼ねている。こうすると、図１２（ｅ）の工程においてエミッタ概形１’’の上下両側には図１５（ｅ）に示すように機械的強度向上第１層１５及び機械的強度向上第２層１６が残る。
【００５７】この積層構造はゲート２のパターニング工程（図１２（ｈ））まで保持され、この間、機械的強度向上第２層１６はエミッタ概形１’’を外部の各種薬品やゴミ等から保護する。そして、絶縁層３を緩衝フッ酸で軽くエッチングするとき、機械的強度向上第１層５及び第２層１６も緩衝フッ酸でエッチングされて図１５（ｉ）で示すようにサイドエッチされる。機械的強度向上層はエミッタ概形１’’及びエミッタ１の上下片側だけに設けるようにしても良い。
【００５８】（電子放出素子の第８実施例）図１１は、本発明に係る電子放出素子の第８実施例を示している。この実施例を矢印Ｂ方向から見た場合の外観形状は図６に示す実施例と同じである。この実施例が図７（ｇ）に示す実施例と異なる点は、ゲート２がエッチングストッパ層７及びゲート基体９の上に設けられることである。
【００５９】（第８実施例の電子放出素子の製造方法）図１１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を図１３に模式的に示す。この製造方法では、絶縁性の石英を用いて基板４を形成し、その基板４上にゲート配線２ａとしてＷを０．２μｍ成膜し、さらにパターニングしておく。そして、その上にエッチングストッパ層７としてＡｌを０．０５μｍ成膜し、続いてゲート基体用膜９’としてＭｏを０．３μｍ、さらにゲート用膜２’としてＮｂを０．３μｍ成膜する（ａ）。
【００６０】次に、希望するゲート形状にレジスト５をパターニングし（ｂ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングでゲート２及びゲート基体９を加工する（ｃ）。エッチングストッパ層（Ａｌ）７はエッチングされないので、縦方向のエッチングはゲート基体（Ｍｏ）９までで停止する。ここで、リン硝酸のウェットエッチングによりゲート２に対応する部分以外の部分のエッチングストッパ層（Ａｌ）７を除去すると共にゲート基体９を細くする（ｄ）。
【００６１】次に、レジスト５を残したままで、絶縁層３としてＳｉＯX を０．５μｍ、エミッタ用膜１’としてＮｂを０．２μｍ蒸着する（ｅ）。続いて、十字形のレジスト６を形成し（ｆ，ｊ）、ＳＦ6 による反応性イオンエッチングによってエミッタ用膜１’及び絶縁層３を十字状に加工して、求心形状のエミッタ１及び絶縁層３を形成する（ｇ）。このとき、ゲート２はレジスト５によって保護されていてエッチングされない。その後、レジスト５を除去し（ｇ）、さらにエミッタ層１にエミッタ配線１ａをパターニングし、最後に緩衝フッ酸で絶縁層３を軽くエッチングして目標とする電子放出素子が完成する（ｈ）。
【００６２】以上に説明した実施例は製造方法や材料を限定するものではなく、例えば図８に示す電子放出素子を製造するための図９に示す製造方法、特にそのエミッタの加工工程において、エミッタ用膜の成膜後にそれをフォトエッチングする代わりに、先に陰画のレジストパターンを形成しておいて、エミッタ用膜の成膜後にそのレジストパターンをリフトオフしてもよい。また、例えばエミッタには、Ｗ、Ｍｏ以外に、Ｔａ、Ｎｂ等の金属、Ｓｉ等の半導体又はＴｉＮ等の窒化物等が使用できる。エッチングストッパ層にはＡｌ以外にＣｒも使用できる。また、基板４やエミッタ１は必ずしもエミッタ配線を兼ねる必要はなく、絶縁基板上にエミッタ配線を施した後にエミッタ電極層を形成してもよい。このことは、ゲート配線についても同様である。
【００６３】
【発明の効果】本発明に係る電子放出素子によれば、エミッタの形状が平面であるので、エッジ形電子放出素子（図１７）の特長である作製が容易であるという利点を得ることができる。しかも、エミッタが複数の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状を有するので、電界が張出し部の角部、すなわち２個の先端突起に集中し、それ故、良好な電気的特性を持った電子放出素子が得られる。また、電子放出点が張出し部の角部に確定するので、従来のエッジ形電子放出素子（図１７）に比べて電子の放出に関して均一性及び安定性を改善できる。
【００６４】請求項４及び請求項５記載の電子放出素子によれば、エミッタ又はゲートの下にエッチングストッパ層を埋め込んでおくことにより、次のような効果が得られる。すなわち、エッチングストッパ層を設けない場合には、基板の上に形成されるエミッタ又はゲートの高さはエッチング量で決まるので、エッチング速度のバラツキに起因して素子特性にバラツキが発生していた。これに対し、エッチングストッパ層を下層に埋め込んだ状態でエミッタまたゲートをエッチング加工すると、エミッタ又はゲートの高さはエッチングストッパ層より上の膜の厚さで決まり、エッチング速度のバラツキの影響を受けない。これにより、エミッタ又はゲートの高さが均一になり、素子特性が均一化する。
【００６５】請求項１４記載の電子放出素子によれば、エミッタ基体を安定化抵抗とすることにより、各素子の特性のバラツキを補正することができ、素子特性の均一性がさらに向上する。特に、抵抗が各素子ごとに分離しているため、仮に１つの素子で短絡が起こったとしても、その素子だけの破壊で済み、近隣に影響を及ぼすことがない。
【００６６】請求項１５記載の電子放出素子又は請求項２０記載の電子放出素子の製造方法によれば、機械的強度向上層や保護層を設けることにより、作製工程中や完成後のエミッタの破損を確実に防止できる。
【００６７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子放出素子の第１実施例の要部を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る電子放出素子の第２実施例の要部を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図４】本発明に係る電子放出素子の第３実施例の要部を示す斜視図である。
【図５】図４に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図６】本発明に係る電子放出素子の第４実施例の要部を示す斜視図である。
【図７】図６に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図８】本発明に係る電子放出素子の第５実施例の要部を示す斜視図である。
【図９】図８に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１０】本発明に係る電子放出素子の第６実施例の要部を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る電子放出素子の第８実施例の要部を示す斜視図である。
【図１２】図１０に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１３】図１１に示す電子放出素子を製造するための製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図１４】図１２に示す電子放出素子の製造方法の改変例の要部を示す工程図である。
【図１５】本発明に係る電子放出素子の第７実施例の要部及び図１２に示す電子放出素子の製造方法の他の改変例の要部を示す工程図である。
【図１６】従来の電子放出素子、特にコーン形の電子放出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。
【図１７】従来の電子放出素子、特にエッジ形の電子放出素子の一例の要部を破断して示す斜視図である。
【符号の説明】
１ エミッタ
１’ エミッタ用膜（加工前）
１’’ エミッタ（加工途中）
２ ゲート
２’ ゲート用膜（加工前）
３ 絶縁層
４ 基板
５ レジストパターン（エミッタ概略形状及びゲート加工用）
６ レジストパターン（エミッタ張出し部加工用）
７ エッチングストッパ層
８ エミッタ基体
８’ エミッタ基体用膜（加工前）
８’’ エミッタ基体（加工途中）
９ ゲート基体
９’ ゲート基体用膜（加工前）
１０ａ〜１０ｅ エミッタ張出し部の先端突起
１１ａ〜１１ｅ エミッタの張出し部
１４ 保護層
１５ 機械的強度向上第１層
１６ 機械的強度向上第２層
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは上記エミッタに対応する位置に円形穴又は多角形穴を有しており、そして上記エミッタは、上記ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個放射状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは円形状又は多角形状に形成され、そして上記エミッタは、上記ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個、そのゲートを中心とする求心状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは円形穴又は多角形穴を有しており、上記エミッタは、上記ゲートの穴の縁端に近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個、そのゲートの穴を中心とする求心状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】 上記エミッタはエッチングストッパ層の上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項５】 上記ゲートはエッチングストッパ層の上に設けられることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項６】 上記基板は導電性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と同一であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項７】 上記基板は導電性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項８】 上記基板は絶縁性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項９】 上記エッチングストッパ層は金属によって形成されることを特徴とする請求項４記載の電子放出素子。
【請求項１０】 上記エミッタが金属であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１１】 上記エミッタが金属によって形成され、上記基板が半導体によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１２】 上記エミッタが高融点金属によって形成され、上記基板又はエミッタ基体よりも耐ドライエッチング特性が大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１３】 上記エミッタがＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉＮによって形成され、上記基板がＳｉによって形成され、そして上記ゲートがＮｂ又はＭｏによって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１４】 上記エミッタと上記基板との間に設けるエミッタ基体が、電気抵抗性の物質によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１５】 上記エミッタの片側又は両側に機械的強度向上層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１６】 請求項１又は請求項２記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエミッタ又はゲートの概略形状を形成し、さらにその基板上に絶縁層及びゲート又はエミッタ用膜を形成し、その後、上記概略形状のエミッタを、２個の尖端突起を備えた複数個の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１７】 請求項３記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、求心状に配列されるエミッタの張出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形成し、さらにその基板及びその放射状張出し部の上に絶縁層及びゲート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶縁層及びエミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する円形状又は多角形状の穴を開けることにより、円形状又は多角形状の穴を有するゲート及び複数の求心状に配列されたエミッタ張出し部を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１８】 請求項４記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエッチングストッパ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上にエミッタ基体用膜及びエミッタ用膜を形成する工程と、そして、エミッタ基体用膜及びエミッタ用膜にエッチングを施してエミッタ基体及びエミッタを形成する工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１９】 請求項５記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエッチングストッパ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上にゲート基体用膜及びゲート用膜を形成する工程と、そして、ゲート基体用膜及びゲート用膜にエッチングを施してゲート基体及びゲートを形成する工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２０】 請求項１記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエミッタ用膜を形成する工程と、エミッタ用膜上に保護膜を形成する工程と、ゲート及びエミッタを所定形状に形成する工程と、所定形状のゲート及びエミッタを形成した後に上記保護層を除去する工程とを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは上記エミッタに対応する位置に円形穴又は多角形穴を有しており、そして上記エミッタは、上記ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個放射状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは円形状又は多角形状に形成され、そして上記エミッタは、上記ゲートに近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個、そのゲートを中心とする求心状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】 基板上に形成されていて強電界の下で電子を放出するエミッタと、絶縁層を挟んでそのエミッタの近傍に設けられていてそのエミッタに電界を印加するゲートとを有する電子放出素子であって、上記ゲートは円形穴又は多角形穴を有しており、上記エミッタは、上記ゲートの穴の縁端に近い先端位置に２個の尖端突起を備えた張出し部をそのゲートに対してほぼ平行に複数個、そのゲートの穴を中心とする求心状に並べることによって形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】 上記エミッタはエッチングストッパ層の上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項５】 上記ゲートはエッチングストッパ層の上に設けられることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項６】 上記基板は導電性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と同一であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項７】 上記基板は導電性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項８】 上記基板は絶縁性材料によって形成され、上記エミッタの材質がその基板の材質と異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項９】 上記エッチングストッパ層は金属によって形成されることを特徴とする請求項４記載の電子放出素子。
【請求項１０】 上記エミッタが金属であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１１】 上記エミッタが金属によって形成され、上記基板が半導体によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１２】 上記エミッタが高融点金属によって形成され、上記基板又はエミッタ基体よりも耐ドライエッチング特性が大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１３】 上記エミッタがＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉＮによって形成され、上記基板がＳｉによって形成され、そして上記ゲートがＮｂ又はＭｏによって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１４】 上記エミッタと上記基板との間に設けるエミッタ基体が、電気抵抗性の物質によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１５】 上記エミッタの片側又は両側に機械的強度向上層を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１６】 請求項１又は請求項２記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエミッタ又はゲートの概略形状を形成し、さらにその基板上に絶縁層及びゲート又はエミッタ用膜を形成し、その後、上記概略形状のエミッタを、２個の尖端突起を備えた複数個の張出し部を放射状又は求心状に並べた形状へと加工することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１７】 請求項３記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、求心状に配列されるエミッタの張出し部の原形となる放射状張出し部を基板上に形成し、さらにその基板及びその放射状張出し部の上に絶縁層及びゲート用膜を形成し、その後、ゲート用膜、絶縁層及びエミッタ用放射状張出し部の各層を貫通する円形状又は多角形状の穴を開けることにより、円形状又は多角形状の穴を有するゲート及び複数の求心状に配列されたエミッタ張出し部を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１８】 請求項４記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエッチングストッパ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上にエミッタ基体用膜及びエミッタ用膜を形成する工程と、そして、エミッタ基体用膜及びエミッタ用膜にエッチングを施してエミッタ基体及びエミッタを形成する工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１９】 請求項５記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエッチングストッパ層を形成する工程と、そのエッチングストッパ層の上にゲート基体用膜及びゲート用膜を形成する工程と、そして、ゲート基体用膜及びゲート用膜にエッチングを施してゲート基体及びゲートを形成する工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２０】 請求項１記載の電子放出素子を製造するための製造方法であって、基板上にエミッタ用膜を形成する工程と、エミッタ用膜上に保護膜を形成する工程と、ゲート及びエミッタを所定形状に形成する工程と、所定形状のゲート及びエミッタを形成した後に上記保護層を除去する工程とを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開平７−９９０２４
【公開日】平成７年（１９９５）４月１１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２６４１６４
【出願日】平成５年（１９９３）９月２８日
【出願人】（０００００１１４４）工業技術院長 (75)
【上記１名の復代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】横川 邦明 （外１名）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【上記１名の代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】横川 邦明
【公開日】平成７年（１９９５）４月１１日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）９月２８日
【出願人】（０００００１１４４）工業技術院長 (75)
【上記１名の復代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】横川 邦明 （外１名）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【上記１名の代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】横川 邦明
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