電子放出素子及び電子放出素子を有する画像表示装置
【課題】 カソードからゲートに対して電子が放出される電子放出素子において、ゲートが熱膨張した場合、カソードとの距離が縮まるため更にカソードからの電子放出量や電子それぞれの運動エネルギーが増加する。増加した電子放出量や電子の運動エネルギーによって、ゲートがさらに熱膨張するという正帰還が発生する場合があった。
【解決手段】 カソードからゲートに対して電子が放出される電子放出素子において、ゲートが熱膨張した際に、ゲートとカソードとの距離が離れる構造を備える電子放出素子である。
【解決手段】 カソードからゲートに対して電子が放出される電子放出素子において、ゲートが熱膨張した際に、ゲートとカソードとの距離が離れる構造を備える電子放出素子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子及び電子放出素子を用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型電子放出素子とは、カソードとゲートとの間に電圧を印加することで、カソード側から電子を電界放出する素子である。
【０００３】
特許文献１に記載の電界放出型電子放出素子では、熱膨張率の異なる導電層を積層したゲートを設けた構成が開示されている。特許文献１に記載のゲートは、積層された導電層のうち、カソード側の熱膨張率が、アノード側の熱膨張率よりも高いことを特徴としている。電子放出素子を駆動させた時、カソードから放出された電子がゲートに衝突することにより、ゲートの温度が上昇する。ゲートは、カソード側の導電層の熱膨張率がアノード側の導電層に比べて高くなっているため、ゲートの温度が上昇するとカソードから離れる方向に反る。従って、カソードとゲート間の距離が拡大することにより、カソードとゲート間の電界強度が弱まり、その結果、ゲートは次第に温度が低下し、ゲートの反りもゲートの温度低下に伴って減少する。
【０００４】
この構成により、電子放出特性が安定な電子放出素子を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０９２８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の発明では、ゲートの温度が上昇した際に、ゲートがカソードから充分に離れない場合があり、ゲートの温度が低下しないことによって、ゲートの熱変形による電子放出特性の低下や、電子放出素子の破損が生じることがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために為されたものであって、絶縁部材と、突起部を有するカソードと、前記カソードと離間して設けられたゲートと、を有する電子放出素子であって、前記ゲートは、下面を有する基部と、下面を有すると共に前記カソードの突起部に向かって前記基部から突出する突出部と、を有し、前記ゲートは、前記カソードの前記突起部と最近接する最近接部を前記突出部の前記下面に備え、前記絶縁部材は、前記基部の前記下面と接続する接続面と、前記突出部の前記下面と空隙を挟んで対向する対向面と、を少なくとも有し、前記絶縁部材の前記対向面からの前記最近接部の高さが、前記対向面からの前記カソードの前記突起部の高さよりも高く、前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、ｈ／ｔ１＞０．３の関係式を満たすことを特徴とする電子放出素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、駆動時において電子放出特性の劣化や、破損しにくい電子放出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一部を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の駆動方法の一例を示す模式図である。
【図３】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す模式図である。
【図４】図１に示す本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一部の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る画像表示装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例２に係る電子放出素子の一部の模式図である。
【図７】本発明の比較例に係る電子放出素子の一部を示す模式図である。
【図８】ｈ／ｔ１とゲートの突出部の反り量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施形態の一例の簡単な説明、他の実施形態、実施形態の詳細を順に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１１】
まず、図１（ａ）、図１（ｂ）を参照しながら、本発明の電子放出素子の好ましい実施形態の一例を述べる。図１（ａ）は平面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面模式図である。以下、図１（ｂ）を参照しながら実施形態を説明する。
【００１２】
図１（ｂ）に示した支持体２は絶縁部材であり、基体１の上面１０の上に設けられている。支持体２は、第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂからなる。カソード４は、第１の絶縁層２ａの上面から側面にかけて延在して設けられており、カソード４は突起部９（電子放出部）を有している。また、ゲート３は、基部３１と突出部３２から構成されている。突出部３２は基部３１からカソード４の突起部９に向かって突出している。第２の絶縁層２ｂの上面は、ゲート３の基部３１の下面と接続する接続面３１０を有している。
【００１３】
ゲート３と第１の絶縁層２ａの間には、基部３１の側面３１１、第２の絶縁層２ｂの側面２３、突出部３２の下面３２１、第１の絶縁層２ａの上面２１とで囲まれた凹部６が形成されている。
【００１４】
突出部３２の下面３２１は、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）と空隙を挟んで対向している。なお、第１の絶縁層２ａの上面２１が突出部３２の下面３２１に対して傾斜している場合も「対向」の範疇である。また、突出部３２の下面３２１に対向する面とは、突出部３２の上方から基体１の上面１０に対して垂直の方向に光を投影した際に第１の絶縁層２ａの上面２１に形成される影の部分のみに限定されるものではなく、前述した影の部分を含んだ平面（または実質的な平面）全体を指す。なお、平面とは完全に平らな面である場合もあるが、成膜環境や条件などにより、通常、僅かな凹凸を有することが考えられる。このような場合も、平面または実質的な平面の範疇に含まれる。
【００１５】
また、図１（ｂ）に示す形態では、突出部３２の下面３２１が第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）に対し平行（または実質的に平行）に設けられている。突出部３２の下面３２１は第１の絶縁層２ａの上面２１は基体１の表面と完全に平行である場合もあるが、成膜環境や条件などにより、通常、僅かに傾きを有することが考えられる。このような場合も、平行または実質的に平行の範疇に含まれる。
【００１６】
ゲート３とカソード４は、突出部３２とカソード４とが最短距離ｄとなる狭部５を挟み、離間して設けられている。Ｗはゲート３とカソード４の突起部９が最近接する最近接部であり、ゲート３の突出部３２の下面３２１に備えられている。ｄはゲート３とカソード４の最短距離、ｔ１は最近接部Ｗにおける突出部３２の厚み（最近接部Ｗから突出部３２の上面３２３まで、第１の絶縁層２ａの上面２１に対して垂直の方向に引いた線の長さ）、ｔ２は基部３１の厚み（第２絶縁層２ｂの上面（接続面３１０）からの基部３１の上面３１２の高さ）、ｈは接続面３１０からの最近接部Ｗの高さである。つまり図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態では、ｈはｔ２−ｔ１に相当する。
【００１７】
尚、本明細書中で述べる「高さ」とは、ある基準面（例えば、第２の絶縁層２ｂの上面（接続面３１０）や、第１の絶縁層２ａの上面２１を含む平面２１１）からの、基体１の上面１０に対して垂直な方向の長さを指している。
【００１８】
最近接部Ｗとカソード４の突起部９の位置関係は、図１（ｂ）に例示したように、支持体２の上面２１（対向面）からの最近接部Ｗの高さｔ３が、支持体２の上面２１（対向面）からのカソード４の突起部９の高さｔ４よりも大きい関係であれば良い。即ち、カソード４の突起部９は、ゲート３の突出部３２の下面３２１より基体１側に設けられていれば良い。この理由について詳細は後述するが、電子放出素子を駆動させてゲート３が熱膨張した場合に、カソード４の突起部９とゲート３との距離が離れる効果が得にくいことによるものである。
【００１９】
また、第１の絶縁層２ａの側面２２と、第１の絶縁層２ａの上面２１とが為す角度θが９０°以上になるように第１の絶縁層２ａの側面２２が傾斜している形態であっても良い。
【００２０】
以下、図１（ｃ）、図１（ｄ）を参照しながら、図１（ｂ）とは別の実施形態を説明する。図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面模式図であり、図１（ｄ）は図１（ｅ）のＡ−Ａ’断面模式図である。
【００２１】
支持体２は、先に述べた図１（ｂ）に模式的に示した実施形態では第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂとに分かれた構成を有していたが、図１（ｃ）のように、絶縁性の段差形成部材２ｃが支持体２である構成であっても良い。段差形成部材２ｃは図１（ｃ）に例示したように、段差部２ｃ１を形成する面２３と面２１を有する。以後、面２３を段差部２ｃ１における側面２３、面２１を段差部２ｃ１における上面２１と表記する。尚、段差形成部材２ｃの上面とは、ゲート３の基部３１との接続面３１０、段差部２ｃ１の側面２３、段差部２ｃ１の上面２１を指す。段差部２ｃ１における上面２１がゲート３の突起部３２の下面３２１に、空隙を挟んで対向する対向面である。
【００２２】
また、図１（ｄ）のように、支持体２を設けず、絶縁性の基体１の上面１０の上にゲート３を設ける構成とすることもできる。基体１の上面１０においてゲート３の基部３１と接続する部位が接続面３１０である。基体１の上面１０において、突出部３２の下面３２１と空隙を挟んで対向する部位が対向面１２３である。対向面１２３とは、基体１の上面１０において、突出部３２の上方から基体１の上面１０に対して垂直な方向に光を投影した際に基体１の上面１０に形成される影の部分から、基部３１から突出部３２が突出する方向に延在している部位を指す。図１（ｄ）に模式的に示した構成では、カソード４は対向面１２３の上に設けられている。
【００２３】
つまりゲート３の基部３１と接続される絶縁部材は、図１（ａ）〜（ｅ）に模式的に示したように、絶縁性の基体１、支持体２の少なくとも一方を有する構成であれば良い。
【００２４】
凹部６は、図１（ｃ）のように、絶縁性の段差形成部材２ｃによって支持体２が構成される場合には、凹部６は基部３１の側面３１１、突出部３２の下面３２１、段差形成部材２ｃの段差部２ｃ１における上面２１、段差部２ｃ１における側面２３によって形成される。
【００２５】
また、図１（ｄ）は基体１の上面１０の一部にゲート３が設けられている場合を模式的に示したものである。ゲート３の下面３２１に空隙を挟んで対向する、基体１の上面１０の一部に、突起部９を有するカソード４が設けられている。この形態においては、凹部６は基部３１の側面３１１、突出部３２の下面３２１、基体１の上面１０によって形成される。
【００２６】
突出部３２は、図６（ｄ）のようにカソード４の突起部９の直上を越えて突出している形態や、図１（ｄ）のようにカソード４の突起部９の直上まで達しない範囲で突出した形態を取ることができる。
【００２７】
突出部３２の側面３２２から、基部３１の側面３１１を延在させた面に対して引いた垂線の長さを、以下側面３１１からの突出部３２の突出長さＬ１と表記する。突出部３２の突出長さＬ１は、ゲート３の基部３１と突出部３２を合わせたＸ方向の長さＬ２（即ち、突出部３２が基部３１から突出する方向に対して平行な、ゲート３の長さ）に対して典型的には９０％を越えると、基部３１が突出部３２を支えられなくなることがある。従って、突出長さＬ１はゲート３のＸ方向の長さＬ２に対して１０％以上９０％以下であれば良く、好ましくは１０％以上５０％以下である。
【００２８】
図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、突出部３２の下面３２１が、カソード４の突起部９に近づき、かつ第１の絶縁層２ａの上面２１から離れる方向に傾斜した傾斜面８である形態であっても良い。つまり、ゲート３の突出部３２の厚みがカソード４の突起部９に近づくに従って、漸次減少している形態である。以後、このようなゲートを、「楔形のゲート」と表記する。楔形のゲート３においても、図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態において定義した、ｄ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｈ、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの定義を適用できる。ただし、ｔ１の値については以下の点で図１（ｂ）に模式的に示したゲート３と相違する。つまり、図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態においては、突出部３２におけるカソード４の突起部９に対して最近接する最近接部Ｗの位置に関わらずｔ１の値は一定であった。しかし、楔形のゲート３においては突出部の下面が傾斜面８であるため、図６（ｃ）、図６（ｄ）のようにｔ１の値は突出部３２における、カソード４の突起部９に対して最近接する部位である最近接部Ｗの位置によって変化する点で図１（ｂ）に模式的に示したゲート３と異なる。
【００２９】
本発明は図１（ｂ）および図６（ｃ）などに模式的に示したような、基部３１の上面３１２と突出部３２の上面３２３とが平面を為す形態に限定されない。つまり、図６（ｅ）に模式的に示したように、楔形のゲート３および図１（ｂ）に模式的に示したゲート３において、ゲート３の突出部３２の上面３２３が基体１に近づく方向に傾斜した形態であっても良い。また逆に、突出部３２の上面３２３が基体１から離れる方向に傾斜した形態であっても良い。さらに、図６（ｆ）に模式的に示したように、基部３１の上面３１２と突出部３２の上面３２３の少なくとも一方が段差を有している形態であっても良い。
【００３０】
以下、図２を参照しながら実施形態の詳細として、まず本発明に係る電子放出素子の動作について概要を説明する。ゲート３とカソード４との間に電圧を印加するための電源７１により駆動電圧Ｖｆが与えられる。通常、ゲート３には高電位が、カソード４には低電位が与えられる。ゲート３とカソード４の最短距離ｄは実用的には１ｎｍ以上数１０ｎｍ以下であり、狭部５における電界強度は典型的には１×１０８［Ｖ／ｍ］以上１×１０１０［Ｖ／ｍ］以下である。駆動電圧Ｖｆがゲート３、カソード４間に印加されると、ゲート３とカソード４の間にはＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ型（ＦＮ型）と呼ばれる電界放出電流を主とする素子電流Ｉｆが流れる。また、素子電流Ｉｆや放出電流Ｉｅの大きさは狭部５の電界強度に応じて変化する。カソード４からゲート３の突出部３２に向かって狭部５に電子が放出される。この放出された電子の一部は突出部３２に衝突して散乱され、高圧電源７０によってアノード電圧Ｖａが印加されたアノード４３に入射し、放出電流Ｉｅが流れる。
【００３１】
カソード４の電子放出効率を向上させるためには、カソード４のゲート３側の端部が突起部９を有していることが好ましい。カソード４の突起部９が先鋭化されているほど、突起部９に電気力線の集中が生じるため、突起部９先端に高い電界を形成することが可能となる。また、カソード４とゲート３の最短距離ｄが小さいほど、狭部５に生じる電界強度が増す。従って、電子放出効率の良い電子放出素子を得るには、カソード４の突起部９とゲート３の突出部３２との最短距離ｄを小さくし、さらにカソード４の突起部９を先鋭化することが望ましい。
【００３２】
以下、電子放出素子駆動時にゲート３に生じる熱膨張について説明する。
【００３３】
まず図７に、基部と突出部とが分かれていないゲート、即ち一様な厚みｔを持ったゲート７３を有する電子放出素子の模式図を示す。図７（ａ）は電子放出素子の模式図であり、図７（ｂ）は電子放出素子の凹部６を中心に図７（ａ）を拡大したものである。図１（ｂ）と同様に、２は支持体であり、支持体２は第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂからなる。カソード４は、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在して設けられている。ゲート７３とカソード４の間には、凹部６が存在し、ゲート７３とカソード４とが最短距離ｄとなる狭部５を挟んで設けられている。
【００３４】
電子放出素子の駆動時にゲート７３の温度が上昇すると、ゲート７３を構成する部材の熱膨張率に応じてゲート７３は熱膨張を起こし、熱膨張後のゲート７３の輪郭は図７（ｂ）の点線７３０１のようになり、ゲートの厚みｔがｔ´へ増加する。ゲート７３の下面７３１が熱膨張した分だけゲート７３とカソード４との最短距離はｄ´に縮まる。そのため、ゲート７３とカソード４の間に印加された電圧が一定ならば狭部５の電界強度は強くなり電界放出電流が増加する。これにより、ゲート７３は更なる熱膨張を起こす。このような正帰還が生じた結果、ゲート７３の変形や溶融が生じ、放出電流Ｉｅが減少するなどの電子放出特性の劣化や、電子放出素子が破損することがある。
【００３５】
図４（ａ）に本発明の電子放出素子の好ましい実施形態の一例について、凹部６を中心に電子放出素子の一部を拡大した図を示す。図４（ａ）に示した電子放出素子のゲート３は、ゲート３の突出部３２におけるカソード４の突起部９に対する最近接部Ｗでのゲート３の厚みがｔ１であり、基部３１の厚み（即ち、接続面３１０からの基部の上面３１２の高さ）ｔ２である。
【００３６】
また、図６（ｃ）、（ｄ）に模式的に示したような楔形のゲート３に関しては、ｔ１は突出部３２におけるカソード４の突起部９に対する最近接部Ｗでのゲート３の厚み、ｈは最近接部Ｗの、接続面３１０からの高さである。図６（ｃ）は、突出部３２の側面３２２と傾斜面８の接点がカソード４の突起部９と最近接する最近接部Ｗである形態、図６（ｄ）は傾斜面８の一部にカソード４の突起部９と最近接する最近接部Ｗがある形態を示している。
【００３７】
尚、図４（ａ）と図６（ｄ）に示したＬ３は、最近接部Ｗから、基部３１の側面３１１を延在させた面に対して引いた垂線の長さである。
【００３８】
図８は、ｈ／ｔ１に対する、電子放出素子駆動時のゲート３の突出部３２の反り量を表した図である。縦軸のゲート３の突出部３２の反り量は、ｈ＝０である時、すなわち図７（ａ）、図７（ｂ）に例示したように基部と突出部とに分かれておらず、一様な厚みで形成されたゲート７３の側面７３２の反り量を基準値としたものである。図８において反り量が負である場合は、ゲート３の側面３２２において基体１へ近づく（即ち、カソード４の突起部９に近づく）方向の変位が支配的であることを表し、正であればゲートの側面３２２において基体１から遠ざかる（即ち、カソード４の突起部９から離れる）方向への変位が支配的であることを示している。図８に示した結果から、ｈ／ｔ１＜０．２の時にはゲート３の突出部３２の反り量は０以下の値であり、電子放出素子駆動時にゲート３の突出部３２で発生する熱膨張は、カソード４の突起部９へ近づく方向の変位が支配的である。一方で、ｈ／ｔ１＞０．３である場合には、電子放出素子駆動時にゲート３の突出部３２で発生する熱膨張は、カソード４の突起部９から離れる方向への変位が支配的である。
【００３９】
一方、ゲート３の突出部３２がカソード４の突起部９から離れる方向に熱膨張する条件として、ｈ／ｔ１の値に上限は無い。つまり、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たすゲート３の構造であれば、突出部３２がカソード４の突起部９から離れる効果が得られる。ただし実用的には、ゲート３の突出部３２の典型的な厚みｔ１が１０ｎｍ以上、接続面３１０から最近接部Ｗまでの典型的な高さｈが１００ｎｍ以下であることから、好ましいｈ／ｔ１の範囲は１０＞ｈ／ｔ１＞０．３である。
【００４０】
図４（ａ）に例示した電子放出素子のゲート３は、ｈとｔ１について、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たす構成を有している。この電子放出素子をカソード４に低電位、ゲート３に高電位を印加して駆動させる。過剰な量や過剰な運動エネルギーを持つ電子がゲート３に衝突することによって、ゲート３の突出部３２および基部３１が熱膨張を起こす。カソード４からの過剰な電子放出は１００〜数１００ナノ秒程度持続するため、ゲート３の突出部３２は過剰な電子放出が続いている間、ゲート３の突出部３２および基部３１は熱膨張し続ける。過剰な電子放出が持続している間、突出部３２単体で見ると、突出部３２は熱膨張によりカソード４に近づく方向に変位するが、基部３１が熱膨張することにより、突出部３２がカソード４から離れる方向への変位が生じる。突出部３２において、カソード４の突起部９と最近接する部位である最近接部Ｗの、基部３１の下面からの高さｈと、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１とが、ｈ／ｔ１＞０．３の関係式を満たす構成のゲート３であれば、突出部３２が突起部９に接近する方向の変位よりも、基部３１の熱膨張による突起部９から突出部３２が離れる方向の変位の方が大きく現れる。この基部３１と突出部３２で発生する熱膨張によって、ゲート３の輪郭は点線３０１のようになり、ゲート３とカソード４との最短距離ｄは増加する。ゲート３とカソード４が離れることにより、電極間における電界強度が弱くなることで電子の放出が抑制される。電子放出が抑制されると、ゲート３の温度が低下し、ゲート３の熱膨張が減少する。これにより、前述した正帰還の発生による電子放出素子の破損が起こりにくくなるので、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たす構成のゲートを有する電子放出素子は長期的に安定な動作をすることができる。
【００４１】
次に、カソード４の突起部９と、ゲート３の突出部３２の下面３２１に位置する最近接部Ｗとの位置関係について詳細を述べる。先述したように、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）からの最近接部Ｗの高さが、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）からのカソード４の突起部９の高さよりも高くなる位置にあれば良い。第１の絶縁層２ａの上面２１からの高さが、最近接部Ｗよりもカソード４の突起部９の方が高い場合、ゲート３が熱膨張した際、突出部３２と突起部９の最短距離ｄが広がることは前述した通りである。一方で、第１の絶縁層２ａの上面２１からの高さが、カソード４の突起部９の方が最近接部Ｗよりも高い場合では図４（ｂ）に模式的に示したように、突出部３２が基部３１から突出する方向への熱膨張が生じることによって、突出部３２とカソード４の最短距離ｄが小さくなる。従って、基部３１が熱膨張しても、カソード４と突出部３２との最短距離ｄが広がる効果を得にくいため、狭部５における電界強度の増加を抑制することは難しい。よって、カソード４の突起部９と突出部３２の下面３２１との高さの関係については、カソード４の突起部９が、ゲート３の突出部３２の下面３２１よりも基体１側に位置していれば良い。
【００４２】
カソード４の突起部９とゲート３の突出部３２の位置関係について、図１（ａ）〜（ｅ）に示したＺ軸方向に関して述べたが、次にＸ軸方向（即ち突出部３２が基部３１から突出する方向）の位置関係については、カソード４の突起部９は、ゲート３の突出部３２に対して電子を放出する位置にあれば良い。
【００４３】
次に、図１（ｂ）を参照しながら本発明に係る電子放出素子の各部材の詳細について説明する。
【００４４】
基体１は電子放出素子を支持するための基板である。石英ガラス，Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラスなどを用いることができる。基体１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ることが挙げられる。また、画像表示装置に用いる場合は、加熱工程などを経るので、積層する部材との熱膨張率差が小さいものが望ましい。また、画像表示装置を製造する過程で熱処理を行う工程を含む場合には、ガラス内部からのアルカリ元素等が電子放出素子に拡散しづらい材料が望ましい。
【００４５】
次に、支持体２について説明する。支持体２は、加工性に優れ、高電界に耐えられる耐圧性の高い材料から構成される。第１の絶縁層２ａとしては、例えばＳｉ３Ｎ４などの窒化物絶縁材料、第２の絶縁層２ｂとしては、例えばＳｉＯ２などの酸化物絶縁材料が挙げられる。尚、第２の絶縁層２ｂは第１の絶縁層２ａに対し、エッチャントによって多くエッチングできる材料を適宜選択することが好ましい。例えば、第１の絶縁層２ａはＳｉ３Ｎ４等の絶縁性材料で構成し、第２の絶縁層２ｂはＳｉＯ２等の絶縁性材料で構成した場合には、フッ化アンモニウムとフッ酸の混合溶液であるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって選択的にＳｉＯ２をエッチングすることができる。また、第２の絶縁層２ｂの厚みは、第１の絶縁層２ａよりも薄く、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。
【００４６】
ゲート３の材料としては、導電性を有し、かつ突出部３２から基部３１への熱伝導が速やかに行われるために熱伝導の良い材料が好ましい。また、カソード４から放出される電子の衝突によって生じる温度上昇に耐えうる融点が高い材料がゲート３の材料として望ましい。このような材料としては、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挙げられる。
【００４７】
カソード４の材料としては、電子を放出し易い材料、即ち仕事関数の低い材料が好ましい。このような材料としては、Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｄ等の金属や、カーボン、ＨｆＣ等が挙げられる。
【００４８】
次に、図３（ａ）〜（ｈ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００４９】
（工程１）
予め、表面を十分に洗浄した基体１上に、第１の絶縁層となる絶縁層２０ａ、第２の絶縁層となる絶縁層２０ｂを形成する。絶縁層２０ａ、絶縁層２０ｂは、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法で形成することができる。（図３（ａ））
更に、絶縁層２０ｂの上にゲートとなる導電層３０を形成する。導電層３０は、真空蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術により形成される（図３（ｂ））。
【００５０】
（工程２）
次に、導電層３０の上にフォトレジストをスピンコーティング等によって塗布する。塗布した後、マスクパターン露光及び現像による、フォトリソグラフィーでレジストパターン２０１を形成する（図３（ｃ））。レジストパターン２０１は、後の工程３である、導電層３０、支持体２０をエッチングする処理のためにパターン形成されるものである。従って、導電層３０、支持体２０をエッチングする範囲に応じてパターンを形成すれば良い。
【００５１】
（工程３）
次にエッチングにより、支持体２０、導電層３０をエッチングする。このエッチングを以下、第１のエッチングと呼ぶ。
【００５２】
第１のエッチングはドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも行うことができるが、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）を用いることが好ましい。
【００５３】
ＲＩＥに用いるガスとしては、加工する対象部材がフッ化物を作る材料である場合には、ＣＦ４やＣＨＦ３やＳＦ６などのフッ素系ガスが選ばれる。また加工する対象部材がＳｉやＡｌのような塩化物を形成する材料である場合には、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、水素、酸素、アルゴンガスの少なくともいずれかをエッチングガスに添加する。例えば、絶縁層２０ａにＳｉ３Ｎ４、絶縁層２０ｂにＳｉＯ２、ゲート３にＭｏを選択した場合では、エッチングガスにＣＦ４ガスを用いてドライエッチングすると良い（図３（ｄ））。工程３により、基本的には図１（ｂ）などに示した第１の絶縁層２ａが形成される。しかしながら、工程４以降に行われるエッチングで、第１の絶縁層２ａが全くエッチングされないことを意味する訳ではない。
【００５４】
また、第１の絶縁層２ａの側面２２と、第１の絶縁層２ａの上面２１とが為す角度θが９０°以上になるように第１の絶縁層２ａの側面２２が傾斜している形態であっても良い。
【００５５】
（工程４）
続いて、絶縁層２０ｂを選択的にエッチングし、凹部６を形成する。このエッチングを以下、第２のエッチングと呼ぶ。
【００５６】
第２のエッチングの方法としては、；例えば、導電層３０にＭｏ、絶縁層２０ａにＳｉ３Ｎ４、絶縁層２０ｂにＳｉＯ２を選択した場合には、エッチャントにバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いてエッチングすると良い。ＢＨＦを用いることにより、絶縁層２０ｂが選択的にエッチングされ、第１の絶縁層２ａの側面２２、導電層３０の側面３０２に対し、絶縁層２０ｂの側面２０２が後退し、開口部を有する凹部６が形成される（図３（ｅ））。工程４により、基本的には図１（ｂ）などに示した第２の絶縁層２ｂが形成される。しかしながら、第２の絶縁層２ｂが工程５以降のエッチングで、全くエッチングされないことを意味する訳ではない。
【００５７】
（工程５）
次に、導電層３０のエッチングを行う。このエッチングを以後、第３のエッチングと呼ぶ。第３のエッチングはドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも構わないが、例えば導電層３０がＭｏの場合には、ウェットエッチングが好ましい。ウェットエッチングに用いるエッチャントは、導電層３０の部材に合わせたエッチング液を用いる。例えば導電層３０がＭｏの場合は、市販のＭｏエッチング溶液（酢酸、燐酸、硝酸の混酸溶液）を用いることができる。第３のエッチングによって、基本的には図１に模式的に示したゲート３の形状が形成される。この第３のエッチングにより、凹部６が拡大し、ゲート３は基部３１と突出部３２とを有する形態となる（図３（ｆ））。
【００５８】
尚、第３のエッチングにより、基部３１の側面が、第２の絶縁層２ｂの側面よりも後退した場合には、第２のエッチングを再び行い、第２の絶縁層２ｂを選択的にエッチングし、基部３１の側面よりも後退させても良い。
【００５９】
また、第２のエッチングと第３のエッチングを繰り返すことによって、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示したような楔形のゲート３を得ることができる。以下、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照しながら、楔形のゲート３を得る工程について説明する。
【００６０】
第２のエッチングにより、第２の絶縁層２ｂをわずかにエッチングする。その後、第３のエッチングにより、導電層３０をわずかにエッチングする。この１回目の第３のエッチングによって導電層３０がエッチングされた領域が図６（ａ）に例示した６００である。この第２の絶縁層２ｂおよび導電層３０を１回でエッチングする量はゲート３の大きさや、作製する傾斜面８の傾斜角により適宜調整されるが、実用的には１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。第３のエッチングを行った後、再び第２のエッチングを行い、第２の絶縁層２ｂをエッチングして、わずかに後退させる。その後、再び第３のエッチングを行い、導電層３０をわずかにエッチングする。２回目の第３のエッチング時、１回目の第３のエッチングによって形成された導電層３０の段差部分は再びエッチャントに曝されてエッチングされる。また、２回目の第２のエッチングによって第２の絶縁層２ｂが後退し、導電層３０において新たに凹部６と接することとなった面（図６（ｂ）において３０ａ１および３０ａ２として例示した）もエッチャントに曝されてエッチングされる。図６（ｂ）に６０１として例示した箇所が、２回目の第３のエッチングでエッチャントに曝されて導電層３０が削られた領域である。このように、第２のエッチング、第３のエッチングが繰り返されることで、ゲート３の側面３２２に近い領域ほどエッチャントに曝される回数が増えて多く削られる。従ってゲート３の突出部３２の厚みが、カソード４の突起部９に近づくに従って漸次減少しているゲート、即ち楔形のゲート３が得られる。
【００６１】
（工程６）
次に、導電性を有するカソード４を成膜する（図３（ｇ））。成膜方法は、フォトリソグラフィー法、蒸着法、スパッタ法等から適宜選択される。カソード４は支持体２の上面２１から側面２２に延在して設けても良いし、図１（ｄ）に示したように支持体２とは異なる別の絶縁部材の上に設ける形態であっても構わない。カソード４を支持体２に設ける場合、支持体２とは別の絶縁部材の表面に設ける場合のいずれの場合であっても、カソード４においてゲート３と近接する部分に突起部９を形成することにより、カソード４の突起部９から良好に電子を放出させることができる。
【００６２】
突起部９を好適に形成するには、気圧１×１０−２Ｐａ以下の真空度下で行う斜方蒸着法や、指向性を有するスパッタ法など、指向性を有する成膜方法によってカソード４を成膜することが好ましい。
【００６３】
斜方蒸着法では、気圧１×１０−２Ｐａ以下の高真空度下で行うと蒸発源から気化した蒸発物質（成膜材料）が雰囲気中の気体と衝突する可能性が低い。更に、蒸発物質（成膜材料）の平均自由行程は概ね数百ｍｍ〜数ｍ程度である為、蒸発源から気化した時の方向性が維持されて基板に届くことになる。このため、高真空度下で行う蒸着法は指向性を有する成膜方法となる。蒸発源を蒸発させる手法は、抵抗加熱、高周波誘導加熱、電子ビーム加熱などが有るが、対応可能な物質の種類及び加熱面積の関係から電子ビームを利用する方法が有効である。
【００６４】
指向性を有するスパッタ法では、具体的には、基体１とターゲットとの角度を設定した上で、基体１とターゲットの間に遮蔽板を設けることや、基体１とターゲット間の距離をスパッタ粒子の平均自由行程近傍にする等を行う。スパッタ粒子に指向性を与えるコリメータを用いる、いわゆるコリメーションスパッタ法も上記指向性スパッタリング法の範疇である。このようにして、限られた角度のスパッタ粒子（スパッタされた原子またはスパッタされた粒子）のみが被成膜面に入射される様にする。
【００６５】
図３（ｇ）に模式的に示したように、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在してカソード４を設ける場合には、第１の絶縁層２ａの上面２１から、側面２２にかけてカソード４の成膜材料の粒子あるいは原子を照射し、カソード４を成膜する。凹部６内にカソード４が入り込むことによって、以下の三つのメリットが生じる。
（１）電子放出部となるカソード４の突起部９が、第２の絶縁層２ｂと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４の突起部９と、第２の絶縁層２ｂ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第２の絶縁層２ｂに逃がすことが可能となる（熱抵抗の低減）。
（３）第２の絶縁層２ｂの上面２１に対して傾斜を備えることで、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。
【００６６】
また、図１（ｃ）に示したように、支持体２とは別の絶縁部材の上に成膜する場合には、指向性を有する成膜方法であっても、非指向性の成膜方法であっても良い。突起部９を形成する場合には、例えばフォトリソグラフィー法を利用したエッチングによって形成することができる。例えば、基体１上に成膜したカソード４の上にフォトレジストを塗布した後、マスクパターン露光および現像を行って、突起部９を形成する位置をマスクする。その後、エッチングを行うことにより、マスクされていない部分のカソード４が、マスクされた部分のカソード４よりも多くエッチングされるため、マスクされた部分のカソード４が突起部を形成する。その後、マスクであるフォトレジストを剥離することで、突起部９を有するカソード４が得られる。
【００６７】
（工程７）
次に、カソード４に電子を供給するためのカソード電極７を設ける。この工程は、他の工程の前や後に変更することができる。尚、カソード電極７を用いずに、カソード電極７の機能をカソード４が兼ねることもできる。その場合には、カソード電極７を設ける工程を省略することができる。カソード電極７は、前記ゲート３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法により形成することができる。カソード電極７の材料は、ゲート３と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
【００６８】
カソード電極７の厚みとしては、数十ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で選択される。
【００６９】
（工程８）
次に、レジスト剥離液を用いてレジストパターン２０１を剥離する（図３（ｈ））。
【００７０】
以上の工程１〜工程７により、図１に示されるような電子放出素子を作製することができる。
【００７１】
以下、上記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の実施形態について図５を参照しながら説明する。
【００７２】
画像表示装置を模式的に示した図５において、１１は基体１を固定したリアプレートである。４４はＸ方向配線、４５はＹ方向配線であり、また、１６は上記した電子放出素子である。尚、Ｘ方向配線４４は、上述のカソード４を共通に接続する配線であり、Ｙ方向配線４５は上述のゲート３を共通に接続する配線である。図５では電子放出素子１６と配線４４、４５との位置関係は模式的に示されている。実際には、配線４４と配線４５との交差部の脇の基板上に電子放出素子１６が配置されている。尚、リアプレート１１に基体１を設ける形態でなくても良い。つまり、リアプレート１１の表面に電子放出素子１６を形成する形態であっても良い。
【００７３】
また、１２は、ガラス基板４１の内面に、アノードであるメタルバック４３と、発光体の膜４２としての蛍光体膜等が形成されたフェースプレートである。
【００７４】
１３は支持枠であり、この支持枠１３には、リアプレート１１、フェースプレート１２がフリットガラス等の接続材を用いて封着（接続）されている。１４は画像表示装置であり、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。大気圧よりも低い圧力に減圧した雰囲気下で封着することにより、画像表示装置１４の内部空間１５は大気圧より低い圧力に維持される。
【００７５】
ｍ本のＸ方向配線４４は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，…Ｄｘｍからなり、真空蒸着法，印刷法，スパッタ法等を用いて形成された金属等の導電性材料で構成することができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。
【００７６】
Ｙ方向配線４５は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線４４と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線４４とｎ本のＹ方向配線４５との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【００７７】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法，印刷法，スパッタ法等を用いて形成される。例えば、Ｘ方向配線４４を形成した基体１の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線４４とＹ方向配線４５の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が、適宜設定される。Ｘ方向配線４４とＹ方向配線４５は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【００７８】
配線４４と配線４５を構成する材料及びカソード、ゲートを構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。
【００７９】
Ｘ方向配線４４には、Ｘ方向に配列した電子放出素子１６の行を選択するための走査信号を印加するための不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線４５には、Ｙ方向に配列した電子放出素子１６の各列を入力信号に応じて変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
【００８０】
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
【００８１】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択して、独立に駆動可能とすることができる。
【００８２】
画像表示装置１４は、上述の如く、フェースプレート１２、支持枠１３、リアプレート１１で構成される。ここで、リアプレート１１は主に基体１の強度を補強する目的で設けられるため、基体１自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート１１は不要とすることができる。
【００８３】
即ち、基体１に直接支持枠１３を封着するとともに、支持枠とフェースプレート１２とを封着して画像表示装置１４を構成しても良い。一方、フェースプレート１２とリアプレート１１との間に、スペーサ４６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画像表示装置１４を構成することもできる。図５には、Ｘ方向配線４４の上に板状のスペーサ４６が設けられている。スペーサ４６は画像表示装置１４が大気圧に押されて内側に変形しようとする力に対抗し、画像表示装置１４に十分な耐圧強度を与える。スペーサ４６は、大気圧による外力に対抗できるように、その形状（大きさ）や配置箇所（配置間隔）が設定される。また、スペーサ４６の材料は耐圧強度に耐え得るように、適宜選択される。スペーサ４６は全てのＸ方向配線４４の上に設ける必要はなく、耐圧上必要な範囲で、一部のＸ方向配線４４の上のみに、例えば一定のピッチで設けることができる。
【実施例１】
【００８４】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
【００８５】
本実施例では、図１（ｂ）に示される電子放出素子を、図３（ａ）〜（ｈ）の工程に沿って作製した。
【００８６】
（工程１）
予め充分に洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、スパッタ法により絶縁層２０ａとして、厚み５００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜を、絶縁層２０ｂとして厚み２０ｎｍのＳｉＯ２をこの順で堆積して支持体２を形成した。さらにゲート３となる導電層３０を、Ｍｏを支持体２の上に５０ｎｍの厚みで堆積した（図３（ａ）、図３（ｂ））。
【００８７】
（工程２）
次に、フォトリソグラフィー工程でポジ型フォトレジスト（ＴＦＲ：東京応化工業製）をスピンコーティングした後、フォトマスクパターンを用いて露光、現像し、レジストパターン２０１を形成した（図３（ｃ））。
【００８８】
（工程３）
その後、パターニングしたレジストパターン２０１をマスクとして、第１のエッチングを行った。本実施例においては、絶縁層２０ａ、絶縁層２０ｂ及び導電層３０を、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにてエッチングした（図３（ｄ））。
【００８９】
（工程４）
次に、第２のエッチングとしてバッファードフッ酸（ＬＡＬ１００：ステラケミファ社製）をエッチャントとして用い、２分間エッチングを施し、絶縁層２０ｂを選択的にエッチングした。これにより、第１の絶縁層２ａの側面２２および導電層３０の側面３０２から２０ｎｍ、絶縁層２０ｂの側面２０２を後退させて凹部６を形成した（図３（ｅ））。
【００９０】
（工程５）
次に、Ｍｏエッチング溶液（９９％酢酸、８５％燐酸、７０％硝酸、純水を７７：１５：６：２で混合）を用いて、１０分間ゲート３のＭｏのエッチングを行った。その結果、導電層３０の側面３０２と凹部６に接した面３０３がエッチングされ、突出部３２と基部３１を有するゲート３が形成された（図３（ｆ））。
【００９１】
（工程６）
次に、カソード４を第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２にかけて成膜した。１０−３Ｐａの雰囲気下でＭｏを蒸着源として用い、基体１の上面１０に対して４５°の角度から斜方蒸着法を行った。これにより、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在して２０ｎｍ堆積したカソード４を得た（図３（ｇ））。なお、カソード４の突起部９は第１の絶縁層２ａの上面２１を基準面として３０ｎｍの高さを有していた。
【００９２】
（工程７）
次に、剥離液（１０４：東京応化工業製）を用いてレジストパターン２０１を剥離した。
【００９３】
以上の工程により作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。最近接部Ｗは、ゲート３の突出部３２の下面３２１と突出部３２の側面３２２の接点であった。突出部３２の突出長さＬ１は２０ｎｍであった（即ちＬ３も２０ｎｍであった）。接続面３１０からの基部３１の上面３１２の高さは５０ｎｍであった。接続面３１０からの最近接部Ｗの高さｈは２０ｎｍであり、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１は３０ｎｍであった。従って、ｈ／ｔ１＞０．３を満たしていることが確認できた。
【００９４】
続いて、本実施例の工程１〜工程７によって得られる電子放出素子を２０素子作製し、図２に示した装置によって電子放出特性を評価した。図２においてＶｆは高電位側となるゲート３と低電位側となるカソード４の間に印加される駆動電圧、Ｉｆはこの時流れる素子電流、Ｖａは低電位側であるカソード４とアノード４３の間に印加される電圧、Ｉｅは放出電流である。
【００９５】
本実施例の電子放出素子の電子放出特性を評価した結果、駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して印加した時、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子特性が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させつづけた結果、電子放出特性の大きな劣化は見られなかった。更に、電子放出素子の破損に伴うリーク電流増加の有無を調べるため、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを印加して、カソードとゲート間に流れるリーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前からの増加は見られなかった。従って、本実施例で作製した電子放出素子は、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【００９６】
（比較例）
本例では図７（ａ）に模式的に示した電子放出素子を作製した。本例におけるゲート７３は、突出部と基部とに分かれた構成を有しておらず、略一様な厚みを持ったゲートである。従って、ｈ≒０であり、ｈ／ｔ＞０．３を満たしていない。本例は、ゲート７３の作製工程を除き、実施例１と同様の手順で電子放出素子を作製した。以下、実施例１と異なる工程１について述べる。
【００９７】
（工程１）
予め充分に洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、スパッタ法により絶縁層７２０ａとして、厚み５００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜を、絶縁層７２０ｂとして厚み４０ｎｍのＳｉＯ２をこの順で堆積して支持体７２０を形成した。ゲート７３となる導電層７３０は、膜厚３０ｎｍのＭｏを支持体７２０の上に堆積した。
【００９８】
その後、実施例１の工程２〜４、工程６〜工程７を同様に行った。
【００９９】
以上のようにして作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。その結果、ゲート７３の厚みｔは約３０ｎｍであり、ゲート７３において、支持体７２に支持されている部位から、カソード７４に最近接する最近接部Ｗにかけて、ほぼ一様な厚みであった。よって、ｈ／ｔ＞０．３を満たしていない形態であることを確認した。
【０１００】
続いて、本比較例の電子放出素子を２０素子作製し、実施例１と同様に図２に示されるような電源配置で電子放出特性を評価した結果、駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して印加したところ、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させつづけた結果、２０素子中１素子で放出電流Ｉｅが４０％劣化し、また別の１素子において放出電流Ｉｅが３０％劣化した。更に、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを用いて、カソードとゲート間に流れるリーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前と比較して約１０倍から約５０倍に増加しており、電子放出素子の破損に伴うリーク電流増加が見られた。よって、実施例１と比較して、電子放出特性の低下と、多くの電子放出素子の破損が確認された。
【実施例２】
【０１０１】
本実施例では図６（ｃ）に示すように、楔形のゲート３を有する電子放出素子を作製した。
【０１０２】
（工程１）〜（工程３）
実施例１の工程１から工程３と同じ手法を用いて作製した後、以下の工程４である第２のエッチング、工程５である第３のエッチングをそれぞれ１回ずつ行うことを１セットとして、５セット繰り返した。
【０１０３】
（工程４）
バッファードフッ酸（ＬＡＬ１００／ステラケミファ社製）をエッチング液として、１分間エッチングを施し、第２の絶縁層２ｂを選択的にエッチングし、第２の絶縁層２ｂを第１の絶縁層２ａの側面２２から２０ｎｍ後退させ、凹部６を形成した。
【０１０４】
（工程５）
次に、市販のＭｏエッチング溶液（９９％酢酸、８５％燐酸、７０％硝酸、純水を７７：１５：６：２で混合）を用いて、２分間ゲート３のＭｏのエッチングを行った。その結果、導電層３０の側面３０２と凹部６に接した面３０３がそれぞれ４ｎｍエッチングされた。
【０１０５】
工程４、工程５を５セット行った後、実施例１の工程６および工程７と同様に工程を行い、電子放出素子を作製した。
【０１０６】
以上のようにして作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。その結果、最近接部Ｗは、ゲート３の突出部３２の下面３２１と突出部３２の側面３２２の接続点であった。また、基部３１の上面３１２の、接続面３１０からの高さｔ２が５０ｎｍ、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１が３５ｎｍであった。従って、最近接部Ｗの接続面３１０からの高さｈは１５ｎｍであり、ｈ／ｔ１≒０．４３であり、ｈ／ｔ１＞０．３を満たしていることが確認できた。
【０１０７】
続いて、本実施例の工程１〜工程６によって得られる電子放出素子を２０素子作製し、実施例１と同様に図２に示されるような電源配置で特性を評価した。駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して駆動させたところ、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させ続けた結果、電子放出特性の劣化は見られなかった。更に、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを用いて、リーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前からの増加は見られなかった。
従って、本実施例で作製した電子放出素子は実施例１と同様に、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【実施例３】
【０１０８】
本実施例は、実施例１で作製された電子放出素子を用いて、図５に模式的に示した画像表示装置を作製した例である。
【０１０９】
Ｘ方向配線４４の幅を３２０μｍ、Ｙ方向配線４５の幅を２５μｍ、絵素の大きさを２００μｍ×６３０μｍとして、充分洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、実施例１の手法を用いて電子放出素子１６を３２０素子×２４０素子のマトリクス状に配置し、リアプレート１１を作製した。
【０１１０】
次に、リアプレート１１の２ｍｍ上方にフェースプレート１２を、支持枠１３を介して１×１０−６Ｐａ以下に減圧した雰囲気下で封着し、画像表示装置１４を形成した。リアプレート１１とフェースプレート１２との間には、Ｘ方向長さ６４ｍｍ、Ｙ方向長さ２００μｍのスペーサ４６を配置し、大気圧に耐えられる構造とした。使用したスペーサ４６の本数は５本である。画像表示装置１４内には容器内の真空度を保つためのゲッター（不図示）を配置した。リアプレート１１と支持枠１３、及び支持枠１３とフェースプレート１２の接続にはインジウムを用いた。
【０１１１】
次に、Ｘ方向配線４４に情報信号を印加し、Ｙ方向配線４５に走査信号を印加しながら電子放出素子１６を駆動した。情報信号として＋１０Ｖのパルス電圧を用い、走査信号として−１５Ｖのパルス電圧を用いた。メタルバック４３に６ｋＶの電圧を印加して、電子放出素子１６から放出された電子を蛍光体膜４２に衝突させ、励起、発光させて画像を表示することができた。
【０１１２】
本実施例の画像表示装置を１０００時間動作させ続けたところ、画質の劣化や暗点の発生は見られなかった。従って、本実施例で用いた電子放出素子は、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 基体
２ 支持体
２ａ 第１の絶縁層
２ｂ 第２の絶縁層
３ ゲート
４ カソード
５ 狭部
９ 突起部
３１ 基部
３１０ 支持体２が有するゲート３の基部３１の下面との接続面
３２ 突出部
３２１ 突出部３２の下面
ｄ ゲート３とカソード４の最短距離
Ｗ ゲート３においてカソード４と最近接する最近接部
ｈ 最近接部Ｗの、接続面３１０からの高さ
Ｌ１ 基部３１の側面から突出部３２の側面３２２までの長さ
Ｌ２ ゲート３のＸ軸方向の長さ
Ｌ３ 最近接位置Ｗから基部３１の側面３１１までの長さ
１０２ 最近接位置Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１
１０３ 基部３１の厚みｔ２
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子及び電子放出素子を用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型電子放出素子とは、カソードとゲートとの間に電圧を印加することで、カソード側から電子を電界放出する素子である。
【０００３】
特許文献１に記載の電界放出型電子放出素子では、熱膨張率の異なる導電層を積層したゲートを設けた構成が開示されている。特許文献１に記載のゲートは、積層された導電層のうち、カソード側の熱膨張率が、アノード側の熱膨張率よりも高いことを特徴としている。電子放出素子を駆動させた時、カソードから放出された電子がゲートに衝突することにより、ゲートの温度が上昇する。ゲートは、カソード側の導電層の熱膨張率がアノード側の導電層に比べて高くなっているため、ゲートの温度が上昇するとカソードから離れる方向に反る。従って、カソードとゲート間の距離が拡大することにより、カソードとゲート間の電界強度が弱まり、その結果、ゲートは次第に温度が低下し、ゲートの反りもゲートの温度低下に伴って減少する。
【０００４】
この構成により、電子放出特性が安定な電子放出素子を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０９２８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の発明では、ゲートの温度が上昇した際に、ゲートがカソードから充分に離れない場合があり、ゲートの温度が低下しないことによって、ゲートの熱変形による電子放出特性の低下や、電子放出素子の破損が生じることがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために為されたものであって、絶縁部材と、突起部を有するカソードと、前記カソードと離間して設けられたゲートと、を有する電子放出素子であって、前記ゲートは、下面を有する基部と、下面を有すると共に前記カソードの突起部に向かって前記基部から突出する突出部と、を有し、前記ゲートは、前記カソードの前記突起部と最近接する最近接部を前記突出部の前記下面に備え、前記絶縁部材は、前記基部の前記下面と接続する接続面と、前記突出部の前記下面と空隙を挟んで対向する対向面と、を少なくとも有し、前記絶縁部材の前記対向面からの前記最近接部の高さが、前記対向面からの前記カソードの前記突起部の高さよりも高く、前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、ｈ／ｔ１＞０．３の関係式を満たすことを特徴とする電子放出素子である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、駆動時において電子放出特性の劣化や、破損しにくい電子放出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一部を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の駆動方法の一例を示す模式図である。
【図３】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す模式図である。
【図４】図１に示す本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一部の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る画像表示装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例２に係る電子放出素子の一部の模式図である。
【図７】本発明の比較例に係る電子放出素子の一部を示す模式図である。
【図８】ｈ／ｔ１とゲートの突出部の反り量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施形態の一例の簡単な説明、他の実施形態、実施形態の詳細を順に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１１】
まず、図１（ａ）、図１（ｂ）を参照しながら、本発明の電子放出素子の好ましい実施形態の一例を述べる。図１（ａ）は平面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面模式図である。以下、図１（ｂ）を参照しながら実施形態を説明する。
【００１２】
図１（ｂ）に示した支持体２は絶縁部材であり、基体１の上面１０の上に設けられている。支持体２は、第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂからなる。カソード４は、第１の絶縁層２ａの上面から側面にかけて延在して設けられており、カソード４は突起部９（電子放出部）を有している。また、ゲート３は、基部３１と突出部３２から構成されている。突出部３２は基部３１からカソード４の突起部９に向かって突出している。第２の絶縁層２ｂの上面は、ゲート３の基部３１の下面と接続する接続面３１０を有している。
【００１３】
ゲート３と第１の絶縁層２ａの間には、基部３１の側面３１１、第２の絶縁層２ｂの側面２３、突出部３２の下面３２１、第１の絶縁層２ａの上面２１とで囲まれた凹部６が形成されている。
【００１４】
突出部３２の下面３２１は、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）と空隙を挟んで対向している。なお、第１の絶縁層２ａの上面２１が突出部３２の下面３２１に対して傾斜している場合も「対向」の範疇である。また、突出部３２の下面３２１に対向する面とは、突出部３２の上方から基体１の上面１０に対して垂直の方向に光を投影した際に第１の絶縁層２ａの上面２１に形成される影の部分のみに限定されるものではなく、前述した影の部分を含んだ平面（または実質的な平面）全体を指す。なお、平面とは完全に平らな面である場合もあるが、成膜環境や条件などにより、通常、僅かな凹凸を有することが考えられる。このような場合も、平面または実質的な平面の範疇に含まれる。
【００１５】
また、図１（ｂ）に示す形態では、突出部３２の下面３２１が第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）に対し平行（または実質的に平行）に設けられている。突出部３２の下面３２１は第１の絶縁層２ａの上面２１は基体１の表面と完全に平行である場合もあるが、成膜環境や条件などにより、通常、僅かに傾きを有することが考えられる。このような場合も、平行または実質的に平行の範疇に含まれる。
【００１６】
ゲート３とカソード４は、突出部３２とカソード４とが最短距離ｄとなる狭部５を挟み、離間して設けられている。Ｗはゲート３とカソード４の突起部９が最近接する最近接部であり、ゲート３の突出部３２の下面３２１に備えられている。ｄはゲート３とカソード４の最短距離、ｔ１は最近接部Ｗにおける突出部３２の厚み（最近接部Ｗから突出部３２の上面３２３まで、第１の絶縁層２ａの上面２１に対して垂直の方向に引いた線の長さ）、ｔ２は基部３１の厚み（第２絶縁層２ｂの上面（接続面３１０）からの基部３１の上面３１２の高さ）、ｈは接続面３１０からの最近接部Ｗの高さである。つまり図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態では、ｈはｔ２−ｔ１に相当する。
【００１７】
尚、本明細書中で述べる「高さ」とは、ある基準面（例えば、第２の絶縁層２ｂの上面（接続面３１０）や、第１の絶縁層２ａの上面２１を含む平面２１１）からの、基体１の上面１０に対して垂直な方向の長さを指している。
【００１８】
最近接部Ｗとカソード４の突起部９の位置関係は、図１（ｂ）に例示したように、支持体２の上面２１（対向面）からの最近接部Ｗの高さｔ３が、支持体２の上面２１（対向面）からのカソード４の突起部９の高さｔ４よりも大きい関係であれば良い。即ち、カソード４の突起部９は、ゲート３の突出部３２の下面３２１より基体１側に設けられていれば良い。この理由について詳細は後述するが、電子放出素子を駆動させてゲート３が熱膨張した場合に、カソード４の突起部９とゲート３との距離が離れる効果が得にくいことによるものである。
【００１９】
また、第１の絶縁層２ａの側面２２と、第１の絶縁層２ａの上面２１とが為す角度θが９０°以上になるように第１の絶縁層２ａの側面２２が傾斜している形態であっても良い。
【００２０】
以下、図１（ｃ）、図１（ｄ）を参照しながら、図１（ｂ）とは別の実施形態を説明する。図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面模式図であり、図１（ｄ）は図１（ｅ）のＡ−Ａ’断面模式図である。
【００２１】
支持体２は、先に述べた図１（ｂ）に模式的に示した実施形態では第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂとに分かれた構成を有していたが、図１（ｃ）のように、絶縁性の段差形成部材２ｃが支持体２である構成であっても良い。段差形成部材２ｃは図１（ｃ）に例示したように、段差部２ｃ１を形成する面２３と面２１を有する。以後、面２３を段差部２ｃ１における側面２３、面２１を段差部２ｃ１における上面２１と表記する。尚、段差形成部材２ｃの上面とは、ゲート３の基部３１との接続面３１０、段差部２ｃ１の側面２３、段差部２ｃ１の上面２１を指す。段差部２ｃ１における上面２１がゲート３の突起部３２の下面３２１に、空隙を挟んで対向する対向面である。
【００２２】
また、図１（ｄ）のように、支持体２を設けず、絶縁性の基体１の上面１０の上にゲート３を設ける構成とすることもできる。基体１の上面１０においてゲート３の基部３１と接続する部位が接続面３１０である。基体１の上面１０において、突出部３２の下面３２１と空隙を挟んで対向する部位が対向面１２３である。対向面１２３とは、基体１の上面１０において、突出部３２の上方から基体１の上面１０に対して垂直な方向に光を投影した際に基体１の上面１０に形成される影の部分から、基部３１から突出部３２が突出する方向に延在している部位を指す。図１（ｄ）に模式的に示した構成では、カソード４は対向面１２３の上に設けられている。
【００２３】
つまりゲート３の基部３１と接続される絶縁部材は、図１（ａ）〜（ｅ）に模式的に示したように、絶縁性の基体１、支持体２の少なくとも一方を有する構成であれば良い。
【００２４】
凹部６は、図１（ｃ）のように、絶縁性の段差形成部材２ｃによって支持体２が構成される場合には、凹部６は基部３１の側面３１１、突出部３２の下面３２１、段差形成部材２ｃの段差部２ｃ１における上面２１、段差部２ｃ１における側面２３によって形成される。
【００２５】
また、図１（ｄ）は基体１の上面１０の一部にゲート３が設けられている場合を模式的に示したものである。ゲート３の下面３２１に空隙を挟んで対向する、基体１の上面１０の一部に、突起部９を有するカソード４が設けられている。この形態においては、凹部６は基部３１の側面３１１、突出部３２の下面３２１、基体１の上面１０によって形成される。
【００２６】
突出部３２は、図６（ｄ）のようにカソード４の突起部９の直上を越えて突出している形態や、図１（ｄ）のようにカソード４の突起部９の直上まで達しない範囲で突出した形態を取ることができる。
【００２７】
突出部３２の側面３２２から、基部３１の側面３１１を延在させた面に対して引いた垂線の長さを、以下側面３１１からの突出部３２の突出長さＬ１と表記する。突出部３２の突出長さＬ１は、ゲート３の基部３１と突出部３２を合わせたＸ方向の長さＬ２（即ち、突出部３２が基部３１から突出する方向に対して平行な、ゲート３の長さ）に対して典型的には９０％を越えると、基部３１が突出部３２を支えられなくなることがある。従って、突出長さＬ１はゲート３のＸ方向の長さＬ２に対して１０％以上９０％以下であれば良く、好ましくは１０％以上５０％以下である。
【００２８】
図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、突出部３２の下面３２１が、カソード４の突起部９に近づき、かつ第１の絶縁層２ａの上面２１から離れる方向に傾斜した傾斜面８である形態であっても良い。つまり、ゲート３の突出部３２の厚みがカソード４の突起部９に近づくに従って、漸次減少している形態である。以後、このようなゲートを、「楔形のゲート」と表記する。楔形のゲート３においても、図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態において定義した、ｄ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｈ、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの定義を適用できる。ただし、ｔ１の値については以下の点で図１（ｂ）に模式的に示したゲート３と相違する。つまり、図１（ｂ）に模式的に示したゲート３の形態においては、突出部３２におけるカソード４の突起部９に対して最近接する最近接部Ｗの位置に関わらずｔ１の値は一定であった。しかし、楔形のゲート３においては突出部の下面が傾斜面８であるため、図６（ｃ）、図６（ｄ）のようにｔ１の値は突出部３２における、カソード４の突起部９に対して最近接する部位である最近接部Ｗの位置によって変化する点で図１（ｂ）に模式的に示したゲート３と異なる。
【００２９】
本発明は図１（ｂ）および図６（ｃ）などに模式的に示したような、基部３１の上面３１２と突出部３２の上面３２３とが平面を為す形態に限定されない。つまり、図６（ｅ）に模式的に示したように、楔形のゲート３および図１（ｂ）に模式的に示したゲート３において、ゲート３の突出部３２の上面３２３が基体１に近づく方向に傾斜した形態であっても良い。また逆に、突出部３２の上面３２３が基体１から離れる方向に傾斜した形態であっても良い。さらに、図６（ｆ）に模式的に示したように、基部３１の上面３１２と突出部３２の上面３２３の少なくとも一方が段差を有している形態であっても良い。
【００３０】
以下、図２を参照しながら実施形態の詳細として、まず本発明に係る電子放出素子の動作について概要を説明する。ゲート３とカソード４との間に電圧を印加するための電源７１により駆動電圧Ｖｆが与えられる。通常、ゲート３には高電位が、カソード４には低電位が与えられる。ゲート３とカソード４の最短距離ｄは実用的には１ｎｍ以上数１０ｎｍ以下であり、狭部５における電界強度は典型的には１×１０８［Ｖ／ｍ］以上１×１０１０［Ｖ／ｍ］以下である。駆動電圧Ｖｆがゲート３、カソード４間に印加されると、ゲート３とカソード４の間にはＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ型（ＦＮ型）と呼ばれる電界放出電流を主とする素子電流Ｉｆが流れる。また、素子電流Ｉｆや放出電流Ｉｅの大きさは狭部５の電界強度に応じて変化する。カソード４からゲート３の突出部３２に向かって狭部５に電子が放出される。この放出された電子の一部は突出部３２に衝突して散乱され、高圧電源７０によってアノード電圧Ｖａが印加されたアノード４３に入射し、放出電流Ｉｅが流れる。
【００３１】
カソード４の電子放出効率を向上させるためには、カソード４のゲート３側の端部が突起部９を有していることが好ましい。カソード４の突起部９が先鋭化されているほど、突起部９に電気力線の集中が生じるため、突起部９先端に高い電界を形成することが可能となる。また、カソード４とゲート３の最短距離ｄが小さいほど、狭部５に生じる電界強度が増す。従って、電子放出効率の良い電子放出素子を得るには、カソード４の突起部９とゲート３の突出部３２との最短距離ｄを小さくし、さらにカソード４の突起部９を先鋭化することが望ましい。
【００３２】
以下、電子放出素子駆動時にゲート３に生じる熱膨張について説明する。
【００３３】
まず図７に、基部と突出部とが分かれていないゲート、即ち一様な厚みｔを持ったゲート７３を有する電子放出素子の模式図を示す。図７（ａ）は電子放出素子の模式図であり、図７（ｂ）は電子放出素子の凹部６を中心に図７（ａ）を拡大したものである。図１（ｂ）と同様に、２は支持体であり、支持体２は第１の絶縁層２ａと第２の絶縁層２ｂからなる。カソード４は、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在して設けられている。ゲート７３とカソード４の間には、凹部６が存在し、ゲート７３とカソード４とが最短距離ｄとなる狭部５を挟んで設けられている。
【００３４】
電子放出素子の駆動時にゲート７３の温度が上昇すると、ゲート７３を構成する部材の熱膨張率に応じてゲート７３は熱膨張を起こし、熱膨張後のゲート７３の輪郭は図７（ｂ）の点線７３０１のようになり、ゲートの厚みｔがｔ´へ増加する。ゲート７３の下面７３１が熱膨張した分だけゲート７３とカソード４との最短距離はｄ´に縮まる。そのため、ゲート７３とカソード４の間に印加された電圧が一定ならば狭部５の電界強度は強くなり電界放出電流が増加する。これにより、ゲート７３は更なる熱膨張を起こす。このような正帰還が生じた結果、ゲート７３の変形や溶融が生じ、放出電流Ｉｅが減少するなどの電子放出特性の劣化や、電子放出素子が破損することがある。
【００３５】
図４（ａ）に本発明の電子放出素子の好ましい実施形態の一例について、凹部６を中心に電子放出素子の一部を拡大した図を示す。図４（ａ）に示した電子放出素子のゲート３は、ゲート３の突出部３２におけるカソード４の突起部９に対する最近接部Ｗでのゲート３の厚みがｔ１であり、基部３１の厚み（即ち、接続面３１０からの基部の上面３１２の高さ）ｔ２である。
【００３６】
また、図６（ｃ）、（ｄ）に模式的に示したような楔形のゲート３に関しては、ｔ１は突出部３２におけるカソード４の突起部９に対する最近接部Ｗでのゲート３の厚み、ｈは最近接部Ｗの、接続面３１０からの高さである。図６（ｃ）は、突出部３２の側面３２２と傾斜面８の接点がカソード４の突起部９と最近接する最近接部Ｗである形態、図６（ｄ）は傾斜面８の一部にカソード４の突起部９と最近接する最近接部Ｗがある形態を示している。
【００３７】
尚、図４（ａ）と図６（ｄ）に示したＬ３は、最近接部Ｗから、基部３１の側面３１１を延在させた面に対して引いた垂線の長さである。
【００３８】
図８は、ｈ／ｔ１に対する、電子放出素子駆動時のゲート３の突出部３２の反り量を表した図である。縦軸のゲート３の突出部３２の反り量は、ｈ＝０である時、すなわち図７（ａ）、図７（ｂ）に例示したように基部と突出部とに分かれておらず、一様な厚みで形成されたゲート７３の側面７３２の反り量を基準値としたものである。図８において反り量が負である場合は、ゲート３の側面３２２において基体１へ近づく（即ち、カソード４の突起部９に近づく）方向の変位が支配的であることを表し、正であればゲートの側面３２２において基体１から遠ざかる（即ち、カソード４の突起部９から離れる）方向への変位が支配的であることを示している。図８に示した結果から、ｈ／ｔ１＜０．２の時にはゲート３の突出部３２の反り量は０以下の値であり、電子放出素子駆動時にゲート３の突出部３２で発生する熱膨張は、カソード４の突起部９へ近づく方向の変位が支配的である。一方で、ｈ／ｔ１＞０．３である場合には、電子放出素子駆動時にゲート３の突出部３２で発生する熱膨張は、カソード４の突起部９から離れる方向への変位が支配的である。
【００３９】
一方、ゲート３の突出部３２がカソード４の突起部９から離れる方向に熱膨張する条件として、ｈ／ｔ１の値に上限は無い。つまり、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たすゲート３の構造であれば、突出部３２がカソード４の突起部９から離れる効果が得られる。ただし実用的には、ゲート３の突出部３２の典型的な厚みｔ１が１０ｎｍ以上、接続面３１０から最近接部Ｗまでの典型的な高さｈが１００ｎｍ以下であることから、好ましいｈ／ｔ１の範囲は１０＞ｈ／ｔ１＞０．３である。
【００４０】
図４（ａ）に例示した電子放出素子のゲート３は、ｈとｔ１について、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たす構成を有している。この電子放出素子をカソード４に低電位、ゲート３に高電位を印加して駆動させる。過剰な量や過剰な運動エネルギーを持つ電子がゲート３に衝突することによって、ゲート３の突出部３２および基部３１が熱膨張を起こす。カソード４からの過剰な電子放出は１００〜数１００ナノ秒程度持続するため、ゲート３の突出部３２は過剰な電子放出が続いている間、ゲート３の突出部３２および基部３１は熱膨張し続ける。過剰な電子放出が持続している間、突出部３２単体で見ると、突出部３２は熱膨張によりカソード４に近づく方向に変位するが、基部３１が熱膨張することにより、突出部３２がカソード４から離れる方向への変位が生じる。突出部３２において、カソード４の突起部９と最近接する部位である最近接部Ｗの、基部３１の下面からの高さｈと、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１とが、ｈ／ｔ１＞０．３の関係式を満たす構成のゲート３であれば、突出部３２が突起部９に接近する方向の変位よりも、基部３１の熱膨張による突起部９から突出部３２が離れる方向の変位の方が大きく現れる。この基部３１と突出部３２で発生する熱膨張によって、ゲート３の輪郭は点線３０１のようになり、ゲート３とカソード４との最短距離ｄは増加する。ゲート３とカソード４が離れることにより、電極間における電界強度が弱くなることで電子の放出が抑制される。電子放出が抑制されると、ゲート３の温度が低下し、ゲート３の熱膨張が減少する。これにより、前述した正帰還の発生による電子放出素子の破損が起こりにくくなるので、ｈ／ｔ１＞０．３の条件を満たす構成のゲートを有する電子放出素子は長期的に安定な動作をすることができる。
【００４１】
次に、カソード４の突起部９と、ゲート３の突出部３２の下面３２１に位置する最近接部Ｗとの位置関係について詳細を述べる。先述したように、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）からの最近接部Ｗの高さが、第１の絶縁層２ａの上面２１（対向面）からのカソード４の突起部９の高さよりも高くなる位置にあれば良い。第１の絶縁層２ａの上面２１からの高さが、最近接部Ｗよりもカソード４の突起部９の方が高い場合、ゲート３が熱膨張した際、突出部３２と突起部９の最短距離ｄが広がることは前述した通りである。一方で、第１の絶縁層２ａの上面２１からの高さが、カソード４の突起部９の方が最近接部Ｗよりも高い場合では図４（ｂ）に模式的に示したように、突出部３２が基部３１から突出する方向への熱膨張が生じることによって、突出部３２とカソード４の最短距離ｄが小さくなる。従って、基部３１が熱膨張しても、カソード４と突出部３２との最短距離ｄが広がる効果を得にくいため、狭部５における電界強度の増加を抑制することは難しい。よって、カソード４の突起部９と突出部３２の下面３２１との高さの関係については、カソード４の突起部９が、ゲート３の突出部３２の下面３２１よりも基体１側に位置していれば良い。
【００４２】
カソード４の突起部９とゲート３の突出部３２の位置関係について、図１（ａ）〜（ｅ）に示したＺ軸方向に関して述べたが、次にＸ軸方向（即ち突出部３２が基部３１から突出する方向）の位置関係については、カソード４の突起部９は、ゲート３の突出部３２に対して電子を放出する位置にあれば良い。
【００４３】
次に、図１（ｂ）を参照しながら本発明に係る電子放出素子の各部材の詳細について説明する。
【００４４】
基体１は電子放出素子を支持するための基板である。石英ガラス，Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラスなどを用いることができる。基体１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ることが挙げられる。また、画像表示装置に用いる場合は、加熱工程などを経るので、積層する部材との熱膨張率差が小さいものが望ましい。また、画像表示装置を製造する過程で熱処理を行う工程を含む場合には、ガラス内部からのアルカリ元素等が電子放出素子に拡散しづらい材料が望ましい。
【００４５】
次に、支持体２について説明する。支持体２は、加工性に優れ、高電界に耐えられる耐圧性の高い材料から構成される。第１の絶縁層２ａとしては、例えばＳｉ３Ｎ４などの窒化物絶縁材料、第２の絶縁層２ｂとしては、例えばＳｉＯ２などの酸化物絶縁材料が挙げられる。尚、第２の絶縁層２ｂは第１の絶縁層２ａに対し、エッチャントによって多くエッチングできる材料を適宜選択することが好ましい。例えば、第１の絶縁層２ａはＳｉ３Ｎ４等の絶縁性材料で構成し、第２の絶縁層２ｂはＳｉＯ２等の絶縁性材料で構成した場合には、フッ化アンモニウムとフッ酸の混合溶液であるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって選択的にＳｉＯ２をエッチングすることができる。また、第２の絶縁層２ｂの厚みは、第１の絶縁層２ａよりも薄く、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。
【００４６】
ゲート３の材料としては、導電性を有し、かつ突出部３２から基部３１への熱伝導が速やかに行われるために熱伝導の良い材料が好ましい。また、カソード４から放出される電子の衝突によって生じる温度上昇に耐えうる融点が高い材料がゲート３の材料として望ましい。このような材料としては、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挙げられる。
【００４７】
カソード４の材料としては、電子を放出し易い材料、即ち仕事関数の低い材料が好ましい。このような材料としては、Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｄ等の金属や、カーボン、ＨｆＣ等が挙げられる。
【００４８】
次に、図３（ａ）〜（ｈ）を参照して、本発明に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００４９】
（工程１）
予め、表面を十分に洗浄した基体１上に、第１の絶縁層となる絶縁層２０ａ、第２の絶縁層となる絶縁層２０ｂを形成する。絶縁層２０ａ、絶縁層２０ｂは、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法で形成することができる。（図３（ａ））
更に、絶縁層２０ｂの上にゲートとなる導電層３０を形成する。導電層３０は、真空蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術により形成される（図３（ｂ））。
【００５０】
（工程２）
次に、導電層３０の上にフォトレジストをスピンコーティング等によって塗布する。塗布した後、マスクパターン露光及び現像による、フォトリソグラフィーでレジストパターン２０１を形成する（図３（ｃ））。レジストパターン２０１は、後の工程３である、導電層３０、支持体２０をエッチングする処理のためにパターン形成されるものである。従って、導電層３０、支持体２０をエッチングする範囲に応じてパターンを形成すれば良い。
【００５１】
（工程３）
次にエッチングにより、支持体２０、導電層３０をエッチングする。このエッチングを以下、第１のエッチングと呼ぶ。
【００５２】
第１のエッチングはドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも行うことができるが、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）を用いることが好ましい。
【００５３】
ＲＩＥに用いるガスとしては、加工する対象部材がフッ化物を作る材料である場合には、ＣＦ４やＣＨＦ３やＳＦ６などのフッ素系ガスが選ばれる。また加工する対象部材がＳｉやＡｌのような塩化物を形成する材料である場合には、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、水素、酸素、アルゴンガスの少なくともいずれかをエッチングガスに添加する。例えば、絶縁層２０ａにＳｉ３Ｎ４、絶縁層２０ｂにＳｉＯ２、ゲート３にＭｏを選択した場合では、エッチングガスにＣＦ４ガスを用いてドライエッチングすると良い（図３（ｄ））。工程３により、基本的には図１（ｂ）などに示した第１の絶縁層２ａが形成される。しかしながら、工程４以降に行われるエッチングで、第１の絶縁層２ａが全くエッチングされないことを意味する訳ではない。
【００５４】
また、第１の絶縁層２ａの側面２２と、第１の絶縁層２ａの上面２１とが為す角度θが９０°以上になるように第１の絶縁層２ａの側面２２が傾斜している形態であっても良い。
【００５５】
（工程４）
続いて、絶縁層２０ｂを選択的にエッチングし、凹部６を形成する。このエッチングを以下、第２のエッチングと呼ぶ。
【００５６】
第２のエッチングの方法としては、；例えば、導電層３０にＭｏ、絶縁層２０ａにＳｉ３Ｎ４、絶縁層２０ｂにＳｉＯ２を選択した場合には、エッチャントにバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いてエッチングすると良い。ＢＨＦを用いることにより、絶縁層２０ｂが選択的にエッチングされ、第１の絶縁層２ａの側面２２、導電層３０の側面３０２に対し、絶縁層２０ｂの側面２０２が後退し、開口部を有する凹部６が形成される（図３（ｅ））。工程４により、基本的には図１（ｂ）などに示した第２の絶縁層２ｂが形成される。しかしながら、第２の絶縁層２ｂが工程５以降のエッチングで、全くエッチングされないことを意味する訳ではない。
【００５７】
（工程５）
次に、導電層３０のエッチングを行う。このエッチングを以後、第３のエッチングと呼ぶ。第３のエッチングはドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでも構わないが、例えば導電層３０がＭｏの場合には、ウェットエッチングが好ましい。ウェットエッチングに用いるエッチャントは、導電層３０の部材に合わせたエッチング液を用いる。例えば導電層３０がＭｏの場合は、市販のＭｏエッチング溶液（酢酸、燐酸、硝酸の混酸溶液）を用いることができる。第３のエッチングによって、基本的には図１に模式的に示したゲート３の形状が形成される。この第３のエッチングにより、凹部６が拡大し、ゲート３は基部３１と突出部３２とを有する形態となる（図３（ｆ））。
【００５８】
尚、第３のエッチングにより、基部３１の側面が、第２の絶縁層２ｂの側面よりも後退した場合には、第２のエッチングを再び行い、第２の絶縁層２ｂを選択的にエッチングし、基部３１の側面よりも後退させても良い。
【００５９】
また、第２のエッチングと第３のエッチングを繰り返すことによって、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示したような楔形のゲート３を得ることができる。以下、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照しながら、楔形のゲート３を得る工程について説明する。
【００６０】
第２のエッチングにより、第２の絶縁層２ｂをわずかにエッチングする。その後、第３のエッチングにより、導電層３０をわずかにエッチングする。この１回目の第３のエッチングによって導電層３０がエッチングされた領域が図６（ａ）に例示した６００である。この第２の絶縁層２ｂおよび導電層３０を１回でエッチングする量はゲート３の大きさや、作製する傾斜面８の傾斜角により適宜調整されるが、実用的には１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。第３のエッチングを行った後、再び第２のエッチングを行い、第２の絶縁層２ｂをエッチングして、わずかに後退させる。その後、再び第３のエッチングを行い、導電層３０をわずかにエッチングする。２回目の第３のエッチング時、１回目の第３のエッチングによって形成された導電層３０の段差部分は再びエッチャントに曝されてエッチングされる。また、２回目の第２のエッチングによって第２の絶縁層２ｂが後退し、導電層３０において新たに凹部６と接することとなった面（図６（ｂ）において３０ａ１および３０ａ２として例示した）もエッチャントに曝されてエッチングされる。図６（ｂ）に６０１として例示した箇所が、２回目の第３のエッチングでエッチャントに曝されて導電層３０が削られた領域である。このように、第２のエッチング、第３のエッチングが繰り返されることで、ゲート３の側面３２２に近い領域ほどエッチャントに曝される回数が増えて多く削られる。従ってゲート３の突出部３２の厚みが、カソード４の突起部９に近づくに従って漸次減少しているゲート、即ち楔形のゲート３が得られる。
【００６１】
（工程６）
次に、導電性を有するカソード４を成膜する（図３（ｇ））。成膜方法は、フォトリソグラフィー法、蒸着法、スパッタ法等から適宜選択される。カソード４は支持体２の上面２１から側面２２に延在して設けても良いし、図１（ｄ）に示したように支持体２とは異なる別の絶縁部材の上に設ける形態であっても構わない。カソード４を支持体２に設ける場合、支持体２とは別の絶縁部材の表面に設ける場合のいずれの場合であっても、カソード４においてゲート３と近接する部分に突起部９を形成することにより、カソード４の突起部９から良好に電子を放出させることができる。
【００６２】
突起部９を好適に形成するには、気圧１×１０−２Ｐａ以下の真空度下で行う斜方蒸着法や、指向性を有するスパッタ法など、指向性を有する成膜方法によってカソード４を成膜することが好ましい。
【００６３】
斜方蒸着法では、気圧１×１０−２Ｐａ以下の高真空度下で行うと蒸発源から気化した蒸発物質（成膜材料）が雰囲気中の気体と衝突する可能性が低い。更に、蒸発物質（成膜材料）の平均自由行程は概ね数百ｍｍ〜数ｍ程度である為、蒸発源から気化した時の方向性が維持されて基板に届くことになる。このため、高真空度下で行う蒸着法は指向性を有する成膜方法となる。蒸発源を蒸発させる手法は、抵抗加熱、高周波誘導加熱、電子ビーム加熱などが有るが、対応可能な物質の種類及び加熱面積の関係から電子ビームを利用する方法が有効である。
【００６４】
指向性を有するスパッタ法では、具体的には、基体１とターゲットとの角度を設定した上で、基体１とターゲットの間に遮蔽板を設けることや、基体１とターゲット間の距離をスパッタ粒子の平均自由行程近傍にする等を行う。スパッタ粒子に指向性を与えるコリメータを用いる、いわゆるコリメーションスパッタ法も上記指向性スパッタリング法の範疇である。このようにして、限られた角度のスパッタ粒子（スパッタされた原子またはスパッタされた粒子）のみが被成膜面に入射される様にする。
【００６５】
図３（ｇ）に模式的に示したように、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在してカソード４を設ける場合には、第１の絶縁層２ａの上面２１から、側面２２にかけてカソード４の成膜材料の粒子あるいは原子を照射し、カソード４を成膜する。凹部６内にカソード４が入り込むことによって、以下の三つのメリットが生じる。
（１）電子放出部となるカソード４の突起部９が、第２の絶縁層２ｂと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４の突起部９と、第２の絶縁層２ｂ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第２の絶縁層２ｂに逃がすことが可能となる（熱抵抗の低減）。
（３）第２の絶縁層２ｂの上面２１に対して傾斜を備えることで、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。
【００６６】
また、図１（ｃ）に示したように、支持体２とは別の絶縁部材の上に成膜する場合には、指向性を有する成膜方法であっても、非指向性の成膜方法であっても良い。突起部９を形成する場合には、例えばフォトリソグラフィー法を利用したエッチングによって形成することができる。例えば、基体１上に成膜したカソード４の上にフォトレジストを塗布した後、マスクパターン露光および現像を行って、突起部９を形成する位置をマスクする。その後、エッチングを行うことにより、マスクされていない部分のカソード４が、マスクされた部分のカソード４よりも多くエッチングされるため、マスクされた部分のカソード４が突起部を形成する。その後、マスクであるフォトレジストを剥離することで、突起部９を有するカソード４が得られる。
【００６７】
（工程７）
次に、カソード４に電子を供給するためのカソード電極７を設ける。この工程は、他の工程の前や後に変更することができる。尚、カソード電極７を用いずに、カソード電極７の機能をカソード４が兼ねることもできる。その場合には、カソード電極７を設ける工程を省略することができる。カソード電極７は、前記ゲート３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法により形成することができる。カソード電極７の材料は、ゲート３と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
【００６８】
カソード電極７の厚みとしては、数十ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で選択される。
【００６９】
（工程８）
次に、レジスト剥離液を用いてレジストパターン２０１を剥離する（図３（ｈ））。
【００７０】
以上の工程１〜工程７により、図１に示されるような電子放出素子を作製することができる。
【００７１】
以下、上記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の実施形態について図５を参照しながら説明する。
【００７２】
画像表示装置を模式的に示した図５において、１１は基体１を固定したリアプレートである。４４はＸ方向配線、４５はＹ方向配線であり、また、１６は上記した電子放出素子である。尚、Ｘ方向配線４４は、上述のカソード４を共通に接続する配線であり、Ｙ方向配線４５は上述のゲート３を共通に接続する配線である。図５では電子放出素子１６と配線４４、４５との位置関係は模式的に示されている。実際には、配線４４と配線４５との交差部の脇の基板上に電子放出素子１６が配置されている。尚、リアプレート１１に基体１を設ける形態でなくても良い。つまり、リアプレート１１の表面に電子放出素子１６を形成する形態であっても良い。
【００７３】
また、１２は、ガラス基板４１の内面に、アノードであるメタルバック４３と、発光体の膜４２としての蛍光体膜等が形成されたフェースプレートである。
【００７４】
１３は支持枠であり、この支持枠１３には、リアプレート１１、フェースプレート１２がフリットガラス等の接続材を用いて封着（接続）されている。１４は画像表示装置であり、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。大気圧よりも低い圧力に減圧した雰囲気下で封着することにより、画像表示装置１４の内部空間１５は大気圧より低い圧力に維持される。
【００７５】
ｍ本のＸ方向配線４４は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，…Ｄｘｍからなり、真空蒸着法，印刷法，スパッタ法等を用いて形成された金属等の導電性材料で構成することができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。
【００７６】
Ｙ方向配線４５は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線４４と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線４４とｎ本のＹ方向配線４５との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【００７７】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法，印刷法，スパッタ法等を用いて形成される。例えば、Ｘ方向配線４４を形成した基体１の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線４４とＹ方向配線４５の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が、適宜設定される。Ｘ方向配線４４とＹ方向配線４５は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【００７８】
配線４４と配線４５を構成する材料及びカソード、ゲートを構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。
【００７９】
Ｘ方向配線４４には、Ｘ方向に配列した電子放出素子１６の行を選択するための走査信号を印加するための不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線４５には、Ｙ方向に配列した電子放出素子１６の各列を入力信号に応じて変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
【００８０】
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
【００８１】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択して、独立に駆動可能とすることができる。
【００８２】
画像表示装置１４は、上述の如く、フェースプレート１２、支持枠１３、リアプレート１１で構成される。ここで、リアプレート１１は主に基体１の強度を補強する目的で設けられるため、基体１自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート１１は不要とすることができる。
【００８３】
即ち、基体１に直接支持枠１３を封着するとともに、支持枠とフェースプレート１２とを封着して画像表示装置１４を構成しても良い。一方、フェースプレート１２とリアプレート１１との間に、スペーサ４６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画像表示装置１４を構成することもできる。図５には、Ｘ方向配線４４の上に板状のスペーサ４６が設けられている。スペーサ４６は画像表示装置１４が大気圧に押されて内側に変形しようとする力に対抗し、画像表示装置１４に十分な耐圧強度を与える。スペーサ４６は、大気圧による外力に対抗できるように、その形状（大きさ）や配置箇所（配置間隔）が設定される。また、スペーサ４６の材料は耐圧強度に耐え得るように、適宜選択される。スペーサ４６は全てのＸ方向配線４４の上に設ける必要はなく、耐圧上必要な範囲で、一部のＸ方向配線４４の上のみに、例えば一定のピッチで設けることができる。
【実施例１】
【００８４】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
【００８５】
本実施例では、図１（ｂ）に示される電子放出素子を、図３（ａ）〜（ｈ）の工程に沿って作製した。
【００８６】
（工程１）
予め充分に洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、スパッタ法により絶縁層２０ａとして、厚み５００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜を、絶縁層２０ｂとして厚み２０ｎｍのＳｉＯ２をこの順で堆積して支持体２を形成した。さらにゲート３となる導電層３０を、Ｍｏを支持体２の上に５０ｎｍの厚みで堆積した（図３（ａ）、図３（ｂ））。
【００８７】
（工程２）
次に、フォトリソグラフィー工程でポジ型フォトレジスト（ＴＦＲ：東京応化工業製）をスピンコーティングした後、フォトマスクパターンを用いて露光、現像し、レジストパターン２０１を形成した（図３（ｃ））。
【００８８】
（工程３）
その後、パターニングしたレジストパターン２０１をマスクとして、第１のエッチングを行った。本実施例においては、絶縁層２０ａ、絶縁層２０ｂ及び導電層３０を、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングにてエッチングした（図３（ｄ））。
【００８９】
（工程４）
次に、第２のエッチングとしてバッファードフッ酸（ＬＡＬ１００：ステラケミファ社製）をエッチャントとして用い、２分間エッチングを施し、絶縁層２０ｂを選択的にエッチングした。これにより、第１の絶縁層２ａの側面２２および導電層３０の側面３０２から２０ｎｍ、絶縁層２０ｂの側面２０２を後退させて凹部６を形成した（図３（ｅ））。
【００９０】
（工程５）
次に、Ｍｏエッチング溶液（９９％酢酸、８５％燐酸、７０％硝酸、純水を７７：１５：６：２で混合）を用いて、１０分間ゲート３のＭｏのエッチングを行った。その結果、導電層３０の側面３０２と凹部６に接した面３０３がエッチングされ、突出部３２と基部３１を有するゲート３が形成された（図３（ｆ））。
【００９１】
（工程６）
次に、カソード４を第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２にかけて成膜した。１０−３Ｐａの雰囲気下でＭｏを蒸着源として用い、基体１の上面１０に対して４５°の角度から斜方蒸着法を行った。これにより、第１の絶縁層２ａの上面２１から側面２２に延在して２０ｎｍ堆積したカソード４を得た（図３（ｇ））。なお、カソード４の突起部９は第１の絶縁層２ａの上面２１を基準面として３０ｎｍの高さを有していた。
【００９２】
（工程７）
次に、剥離液（１０４：東京応化工業製）を用いてレジストパターン２０１を剥離した。
【００９３】
以上の工程により作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。最近接部Ｗは、ゲート３の突出部３２の下面３２１と突出部３２の側面３２２の接点であった。突出部３２の突出長さＬ１は２０ｎｍであった（即ちＬ３も２０ｎｍであった）。接続面３１０からの基部３１の上面３１２の高さは５０ｎｍであった。接続面３１０からの最近接部Ｗの高さｈは２０ｎｍであり、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１は３０ｎｍであった。従って、ｈ／ｔ１＞０．３を満たしていることが確認できた。
【００９４】
続いて、本実施例の工程１〜工程７によって得られる電子放出素子を２０素子作製し、図２に示した装置によって電子放出特性を評価した。図２においてＶｆは高電位側となるゲート３と低電位側となるカソード４の間に印加される駆動電圧、Ｉｆはこの時流れる素子電流、Ｖａは低電位側であるカソード４とアノード４３の間に印加される電圧、Ｉｅは放出電流である。
【００９５】
本実施例の電子放出素子の電子放出特性を評価した結果、駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して印加した時、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子特性が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させつづけた結果、電子放出特性の大きな劣化は見られなかった。更に、電子放出素子の破損に伴うリーク電流増加の有無を調べるため、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを印加して、カソードとゲート間に流れるリーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前からの増加は見られなかった。従って、本実施例で作製した電子放出素子は、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【００９６】
（比較例）
本例では図７（ａ）に模式的に示した電子放出素子を作製した。本例におけるゲート７３は、突出部と基部とに分かれた構成を有しておらず、略一様な厚みを持ったゲートである。従って、ｈ≒０であり、ｈ／ｔ＞０．３を満たしていない。本例は、ゲート７３の作製工程を除き、実施例１と同様の手順で電子放出素子を作製した。以下、実施例１と異なる工程１について述べる。
【００９７】
（工程１）
予め充分に洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、スパッタ法により絶縁層７２０ａとして、厚み５００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜を、絶縁層７２０ｂとして厚み４０ｎｍのＳｉＯ２をこの順で堆積して支持体７２０を形成した。ゲート７３となる導電層７３０は、膜厚３０ｎｍのＭｏを支持体７２０の上に堆積した。
【００９８】
その後、実施例１の工程２〜４、工程６〜工程７を同様に行った。
【００９９】
以上のようにして作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。その結果、ゲート７３の厚みｔは約３０ｎｍであり、ゲート７３において、支持体７２に支持されている部位から、カソード７４に最近接する最近接部Ｗにかけて、ほぼ一様な厚みであった。よって、ｈ／ｔ＞０．３を満たしていない形態であることを確認した。
【０１００】
続いて、本比較例の電子放出素子を２０素子作製し、実施例１と同様に図２に示されるような電源配置で電子放出特性を評価した結果、駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して印加したところ、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させつづけた結果、２０素子中１素子で放出電流Ｉｅが４０％劣化し、また別の１素子において放出電流Ｉｅが３０％劣化した。更に、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを用いて、カソードとゲート間に流れるリーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前と比較して約１０倍から約５０倍に増加しており、電子放出素子の破損に伴うリーク電流増加が見られた。よって、実施例１と比較して、電子放出特性の低下と、多くの電子放出素子の破損が確認された。
【実施例２】
【０１０１】
本実施例では図６（ｃ）に示すように、楔形のゲート３を有する電子放出素子を作製した。
【０１０２】
（工程１）〜（工程３）
実施例１の工程１から工程３と同じ手法を用いて作製した後、以下の工程４である第２のエッチング、工程５である第３のエッチングをそれぞれ１回ずつ行うことを１セットとして、５セット繰り返した。
【０１０３】
（工程４）
バッファードフッ酸（ＬＡＬ１００／ステラケミファ社製）をエッチング液として、１分間エッチングを施し、第２の絶縁層２ｂを選択的にエッチングし、第２の絶縁層２ｂを第１の絶縁層２ａの側面２２から２０ｎｍ後退させ、凹部６を形成した。
【０１０４】
（工程５）
次に、市販のＭｏエッチング溶液（９９％酢酸、８５％燐酸、７０％硝酸、純水を７７：１５：６：２で混合）を用いて、２分間ゲート３のＭｏのエッチングを行った。その結果、導電層３０の側面３０２と凹部６に接した面３０３がそれぞれ４ｎｍエッチングされた。
【０１０５】
工程４、工程５を５セット行った後、実施例１の工程６および工程７と同様に工程を行い、電子放出素子を作製した。
【０１０６】
以上のようにして作製された電子放出素子の断面形状を断面ＴＥＭにて確認した。その結果、最近接部Ｗは、ゲート３の突出部３２の下面３２１と突出部３２の側面３２２の接続点であった。また、基部３１の上面３１２の、接続面３１０からの高さｔ２が５０ｎｍ、最近接部Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１が３５ｎｍであった。従って、最近接部Ｗの接続面３１０からの高さｈは１５ｎｍであり、ｈ／ｔ１≒０．４３であり、ｈ／ｔ１＞０．３を満たしていることが確認できた。
【０１０７】
続いて、本実施例の工程１〜工程６によって得られる電子放出素子を２０素子作製し、実施例１と同様に図２に示されるような電源配置で特性を評価した。駆動電圧Ｖｆを２５Ｖに設定して駆動させたところ、放出電流Ｉｅの平均が１．０μＡの素子が得られた。また、同じ素子を１０００時間動作させ続けた結果、電子放出特性の劣化は見られなかった。更に、同じ評価素子にＦＮ型の電界放出電流が現れない程度の電圧Ｖｆを用いて、リーク電流を測定したところ、電子放出特性評価前からの増加は見られなかった。
従って、本実施例で作製した電子放出素子は実施例１と同様に、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【実施例３】
【０１０８】
本実施例は、実施例１で作製された電子放出素子を用いて、図５に模式的に示した画像表示装置を作製した例である。
【０１０９】
Ｘ方向配線４４の幅を３２０μｍ、Ｙ方向配線４５の幅を２５μｍ、絵素の大きさを２００μｍ×６３０μｍとして、充分洗浄したガラス基板（ＰＤ２００：旭硝子製）上に、実施例１の手法を用いて電子放出素子１６を３２０素子×２４０素子のマトリクス状に配置し、リアプレート１１を作製した。
【０１１０】
次に、リアプレート１１の２ｍｍ上方にフェースプレート１２を、支持枠１３を介して１×１０−６Ｐａ以下に減圧した雰囲気下で封着し、画像表示装置１４を形成した。リアプレート１１とフェースプレート１２との間には、Ｘ方向長さ６４ｍｍ、Ｙ方向長さ２００μｍのスペーサ４６を配置し、大気圧に耐えられる構造とした。使用したスペーサ４６の本数は５本である。画像表示装置１４内には容器内の真空度を保つためのゲッター（不図示）を配置した。リアプレート１１と支持枠１３、及び支持枠１３とフェースプレート１２の接続にはインジウムを用いた。
【０１１１】
次に、Ｘ方向配線４４に情報信号を印加し、Ｙ方向配線４５に走査信号を印加しながら電子放出素子１６を駆動した。情報信号として＋１０Ｖのパルス電圧を用い、走査信号として−１５Ｖのパルス電圧を用いた。メタルバック４３に６ｋＶの電圧を印加して、電子放出素子１６から放出された電子を蛍光体膜４２に衝突させ、励起、発光させて画像を表示することができた。
【０１１２】
本実施例の画像表示装置を１０００時間動作させ続けたところ、画質の劣化や暗点の発生は見られなかった。従って、本実施例で用いた電子放出素子は、長期的に安定な電子放出特性を有し、また破損しにくい電子放出素子であることが確認された。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 基体
２ 支持体
２ａ 第１の絶縁層
２ｂ 第２の絶縁層
３ ゲート
４ カソード
５ 狭部
９ 突起部
３１ 基部
３１０ 支持体２が有するゲート３の基部３１の下面との接続面
３２ 突出部
３２１ 突出部３２の下面
ｄ ゲート３とカソード４の最短距離
Ｗ ゲート３においてカソード４と最近接する最近接部
ｈ 最近接部Ｗの、接続面３１０からの高さ
Ｌ１ 基部３１の側面から突出部３２の側面３２２までの長さ
Ｌ２ ゲート３のＸ軸方向の長さ
Ｌ３ 最近接位置Ｗから基部３１の側面３１１までの長さ
１０２ 最近接位置Ｗにおけるゲート３の厚みｔ１
１０３ 基部３１の厚みｔ２
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁部材と、
突起部を有するカソードと、
前記カソードと離間して設けられたゲートと、
を有する電子放出素子であって、
前記ゲートは、下面を有する基部と、下面を有すると共に前記カソードの突起部に向かって前記基部から突出する突出部と、を有し、
前記ゲートは、前記カソードの前記突起部と最近接する最近接部を前記突出部の前記下面に備え、
前記絶縁部材は、前記基部の前記下面と接続する接続面と、前記突出部の前記下面と空隙を挟んで対向する対向面と、を少なくとも有し、
前記絶縁部材の前記対向面からの前記最近接部の高さが、前記対向面からの前記カソードの前記突起部の高さよりも高く、
前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、以下の関係式を満たすことを特徴とする電子放出素子。
ｈ／ｔ１＞０．３
【請求項２】
前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
１０＞ｈ／ｔ１＞０．３
【請求項３】
前記突出部の前記下面が、前記対向面と平行に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記突出部の厚みが、前記カソードの前記突起部に近づくに従って漸次減少していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記絶縁部材は、少なくとも上面と側面とを有する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の前記上面の一部の上に設けられた、少なくとも上面を有する第２の絶縁層とを含み、
前記接続面が、前記第２の絶縁層の前記上面の少なくとも一部であり、
前記対向面が、前記第１の絶縁層の前記上面の他の一部であって、
前記カソードが、前記第１の絶縁層の前記上面の前記他の一部から前記側面にかけて延在して設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項６】
複数の電子放出素子と、該複数の電子放出素子から放出された電子が照射されることで発光する発光体と、を有する画像表示装置であって、前記複数の電子放出素子の各々が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
絶縁部材と、
突起部を有するカソードと、
前記カソードと離間して設けられたゲートと、
を有する電子放出素子であって、
前記ゲートは、下面を有する基部と、下面を有すると共に前記カソードの突起部に向かって前記基部から突出する突出部と、を有し、
前記ゲートは、前記カソードの前記突起部と最近接する最近接部を前記突出部の前記下面に備え、
前記絶縁部材は、前記基部の前記下面と接続する接続面と、前記突出部の前記下面と空隙を挟んで対向する対向面と、を少なくとも有し、
前記絶縁部材の前記対向面からの前記最近接部の高さが、前記対向面からの前記カソードの前記突起部の高さよりも高く、
前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、以下の関係式を満たすことを特徴とする電子放出素子。
ｈ／ｔ１＞０．３
【請求項２】
前記接続面からの前記最近接部の高さｈと、前記最近接部での前記ゲートの厚みｔ１とが、以下の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
１０＞ｈ／ｔ１＞０．３
【請求項３】
前記突出部の前記下面が、前記対向面と平行に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記突出部の厚みが、前記カソードの前記突起部に近づくに従って漸次減少していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記絶縁部材は、少なくとも上面と側面とを有する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の前記上面の一部の上に設けられた、少なくとも上面を有する第２の絶縁層とを含み、
前記接続面が、前記第２の絶縁層の前記上面の少なくとも一部であり、
前記対向面が、前記第１の絶縁層の前記上面の他の一部であって、
前記カソードが、前記第１の絶縁層の前記上面の前記他の一部から前記側面にかけて延在して設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項６】
複数の電子放出素子と、該複数の電子放出素子から放出された電子が照射されることで発光する発光体と、を有する画像表示装置であって、前記複数の電子放出素子の各々が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１１３９９９（Ｐ２０１２−１１３９９９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２８７８（Ｐ２０１０−２６２８７８）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【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２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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