JPH02172127A - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、例えば、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置
、ＣＲＴ等、各種電子ビーム応用装置の電子発生源とし
て利用される電子放出素子およびその製造方法に関する
。

従来の技術 電子顕微鏡やＣＲＴ等の電子発生源として使われる電子
放出素子として、従来、熱電子を放出する熱陰極が用い
られている。しかし、熱陰極は陰極自体を加熱する加熱
手段を必要としたり、Ｑｏ熱に伴うエネルギー損失があ
ったりという問題がある。それで、加熱を必要としない
電子放出素子、いわゆる冷陰極の研究がなされ、いくつ
かの素子が実際に提案されている。

具体的には、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、電子
なだれ降伏現象を起こさせて素子外に電子を放出させる
ようにしたもの、あるいは、を界集中の生じ易い形状の
金属に対し電圧を印加して局所的に電界強度を高め、金
属から素子外に電子を放出させる電界効果型のもの、さ
らには、金属層−絶縁体層−金属層の３層構成で、両金
属層間に電圧を印加することにより、トンネル効果で絶
縁体層を通過してきた電子を金属層表面から素子外に放
出させるもの（ＭＩＭ型と通称される）等の電子放出素
子がある。これらのうちＭＩＭ型電子放出素子は構成が
簡単であり、これからの素子として注目もされている。

第４図に、ＭＩＭ型電子放出素子の原理図を示す。この
電子放出素子の電子放出作用を第４図に基づいて説明す
る。

この電子放出素子は、金属層（導電性材）４１上に薄い
絶縁体層４２が積層され、同絶縁体層４２の上に薄い金
属層４３が積層された構成となっている。電源４４によ
って、金属層４３の仕事関数グよりも大きな電圧を金属
層４１・金属層４３間に印加することによって、絶縁体
層４２をトンネルした電子のうち真空準位より大きなエ
ネルギーをもつ電子が、放出電子４５として、金属層４
３表面から飛び出す。

従来、第５図や第６図にみるようなＭＩＭ型電子放出素
子が具体的に提案されている。

第５図の電子放出素子は、ガラス基板５１の表面にＡｌ
の金属層５２およびＡ’ｕの金属層５５が積層されてい
るとともに、両金属層５２．５５の間は、図にみるよう
に、Ａｌ２Ｏ３の絶縁体層５３および５ｉ０２の絶縁体
層５４が設けられた構成となっている。この電子放出素
子では、電源により金属層５２゜５５間に電圧が加えら
れると、金属層５５における電子放出域５６から電子が
飛び出す（テレビジョン学会電子装置研究委員会資料「
トンネルヵンードを用いた陰極線管Ｊ　１９６８年４月
３０日）。

第６図の電子放出素子は、絶縁基板６１の表面に帯状の
金属層６２を形成し、その上を絶縁体層６３で覆い、そ
して金属層６２と直交するように帯状の金属層６４を積
層形成したものである０　金属層６２．６４間に電圧が
加わると、電子放出域である両金属層の交差部分から電
子が飛び出す（特開昭６３−６７１７号公報）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のＭＩＭ型電子放出素子では、電子
放出域における電子放出分布が不均一であるという問題
がある。電子放出域において電子が良く出る所とそうで
ない所があるのである。さらに、従来の電子放出素子で
は、電子放出分布の不均一に加えて、絶縁体層上の金属
層に導通不良が生じ易いという問題もある〇 まず、電子放出分布が成均−性である理由を説明する。

絶縁体層の上に形成された金属層は、放出効率を挙げる
ため、電子放出域における金属層の厚みを非常に薄くし
ているが、同電子放出域全域に薄く形成した金属層は厚
みを一定にすることが困難なために、どうしても不均一
となり、これが電子放出分布の不均一性となってあられ
れてしまうのである。また、金属層の膜厚が非常に薄い
ため、電子放出域内の金属層において電源側から順次電
圧降下が生じ、電子放出域内での実効的電界強度が不均
一となり、電子の放出分布に不均一が生じてしまう。さ
らに、絶縁体層を透過してきた電子で金属層から飛び出
すことのできなかったものは、この薄膜金属層内を流れ
るが、この流れる電流が大きくなるとジュール熱を発生
し、金属層の一部を蒸発させてしまう。そのため電子放
出域の絶縁体層に均一で安定した電界を印加することが
できなくなり、その結果安定で均一な電子放出を得るこ
とができなくなってしまうのである。

つぎに、金属層に導通不良が起こり易い理由を説明する
。第６図の電子放出素子では、絶縁体層の表面に段差が
ついているため、その上に形成される金属層にも層全体
にわたって段差がついてしまう。層全体にわたる段差が
あると、段差のついている所で亀裂が生じ易い。金属層
に亀裂が入ると電気的導通が損なわれ導通不良が起きる
。

この発明は、上記の事情に鑑み、電子放出分布の不均一
性を解消した電子放出素子を提供することを第１の課題
とし、これに加えて、金属層の電気的導通の信頼性も高
い電子放出素子を提供することを第２の課題とし、そし
て、電子放出分布の不均一性を解消した電子放出素子を
簡単に製造できる方法を提供することを第３の課題とす
る。

課題を解決するだめの手段 請求項１〜４記載の発明では、上記課題を解決するため
、それぞれ下記のような構成をとっている。

第１の課題を解決するため、請求項１，２記載の電子放
出素子は、金属層における電子放出域部分では、低抵抗
確保用の厚い部分と電子実放出用の薄い部分が並存した
状態で広く分布しているという構成をとっている。

請求項２記載の発明では、加えて、金属層における電子
放出域部分は、平らな頂部と徐々に厚みが薄くなり絶縁
体層表面に達する傾斜縁部とを有する形状であるととも
に同傾斜縁部の側方では絶縁体層表面が露出するように
して形成されており、前記頂部を中心とした部分が低抵
抗確保用の厚い部分であり、傾斜縁部の裾を中心とした
部分が電子実放出用の薄い部分となっている。

第２の課題を解決するため、請求項３記載の電子放出素
子は、絶縁体層と金属層は、電子放出域において厚みが
薄く、°成子放出域外において厚みが厚くなっていると
ともに、前記絶縁体層と金属層の境界が電子放出域内外
にわたって同一平面上にあるようにしている。

第３の課題を解決するため、請求項４記載の電子放出素
子の製造方法では、電子放出域における金属層形成個所
に対応する部分が明いているマスクを、導電性材の上に
形成された絶縁体層に対しその表面から少し離して配設
して金属を蒸着し、前記電子放出域に低抵抗確保用の厚
い部分と電子実放出用の薄い部分が広く分布した金属層
を有する素子を得るようにしている。

作　　　　用 この発明の電子放出素子では、電子放出域に広く分布し
た電子放出用の薄い金属層部分から電子がまんべんなく
放出されるため、電子放出分布の不均一性が解消される
。薄い金属層部分には、厚い金属層部分が並存していて
低い導通抵抗が確保されているため、電圧降下が抑えら
れ、正常な電圧印加状態が維持される。

薄い金属層部分と厚い金属層部分とが並存した状態であ
るため、電子放出域の広い範囲にわたって薄い金属部分
をうまく形成することができる。

例えば、金属層形成個所に対応する部分にスリットのあ
るマスクを絶縁体層から離して配設しておいて金属を蒸
着すると、スリットの自害りに対応する個所には平らな
頂部が、スリットの縁に対応する個所には傾斜縁部が並
存した状態となっている金属層が形成される。頂部を中
心とした部分が低抵抗確保用の厚い部分であり、傾斜縁
部の裾を中心とした部分が電子実放出用の薄い部分であ
る。頂部は薄くする必要がなく、厚めの層であるから金
属層の膜厚側−が容易であり、電子放出域全域に所定の
厚みの膜付けが簡単にできる。当然。

頂部に付随して並存する傾斜縁部の裾を中心とした薄い
金属層部分も広い範囲に渡って所定の厚みでうまく形成
できることとなる。

絶縁体層の薄い部分でトンネル現象が起こるため、電子
放出域を限定区画できる。そして、金属層が電子放出域
で薄くて電子放出域外で厚い構成の場合、薄い部分で高
電子放出効率を確保し、厚い部分で薄い部分による抵抗
増加を抑えて低抵抗を確保することができる。また、絶
縁体層と金属層の境界が同一平面上にあると、金属層全
体に段差がつくようなことがないので、金属層に亀裂が
入り難くなるとともに、厚みの不均一性がより少なくな
る。

この発明の製造方法では、マスクを絶縁体層表面から少
し離して配設することにより、薄い金属層部分と厚い金
属層部分とが並存した状態を現出させることができる。

もちろん、マスクには金属層の分布形状に対応した窓（
スリット）が設けられている。金属層形成の際にマスク
を置く程度で実現できるのであるから、極めて簡単に上
記電子放出素子が製造できることになる。

実施例 以下、この発明にかかる電子放出素子およびその製造方
法を、その一実施例をあられす図面を参照しながら詳し
く説明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ１は、請求項２記載の電子放出素子
の一例（請求項１記載の電子放出素子の例でもある）を
あられす。

この電子放出素子は、第１図（ａ）にみるように、ガラ
ス等の絶縁基板１１の上に形成されたＭ等の導電性材１
２と、導電性材１２の上に形成されたＡｌ２Ｏ３や５ｉ
Ｏｚ等の絶縁体層１３と、絶縁体層１３の上に形成され
たＡｕ等の金属層１４とを備えている。導電性材１２の
厚みは、　１ｏｏｏ〜５０００Ａ程度である。絶縁体層
１３の厚みは、電子放出域１５部分では５０〜２００Ａ
程度であり、電子放出域１５以外では、２０００〜５０
００Ａ程度である。金属層１４の厚みは、電子放出域１
５以外の部分では５００〜２００ＯＡ程度である。

金属層１４における電子放出域１５部分の構成はつぎの
ようになっている。電子放出域１５では、第１図（Ｃ）
にみるように、極細い帯状の金属層１４′が多数本並列
に形成されていて、各金属層１４’間は、金属は蒸着さ
れず絶縁体層１３表面が露出した状態になっている。金
属層１４′は、第１図向にみる金属層１４の部分Ａの拡
大断面図にみるように、平らな頂部１４　ａと徐々に厚
みが薄くなり絶縁体層１３表面に達する傾斜縁部１４′
ｂとを有する形状である。頂部１４′ａを中心とした部
分が低抵抗確保用の厚い部分であり、傾斜縁部１４’　
ｂの裾を中心とした部分が電子実放出用の薄い部分であ
る。多数の帯状の金属層１４′の傾斜縁部１４′ｂは頂
部１４′ａに並存して電子放出域１５を広い範囲に渡り
まんべんなく走っている。したがって、実電子放出用の
薄い金属層部分が電子放出域全域に広く分布することと
なるのである。なお、頂部１４′ａの厚みは、　５００
〜２００ＯＡ程度である。

導電性材１２と金属層１４の間に電圧を印加すると、頂
部１４′ａで確保される低抵抗により、電圧降下が抑え
られて強い電界が生じ、これに伴い電子が電子放出域１
５全域から広く放出される。

つぎに、請求項３記載の電子放出素子の一例について説
明する。

第２図（ａ）　、　（ｂ）は、請求項３記載の電子放出
素子の一例をあられす。

この電子放出素子は、第２図（ａｌにみるように、ガラ
ス等の絶縁基板２１の上に形成されたｋｌ等の導電性材
２２と、導電性材２２の上に形成されたＡＩ！２０３や
Ｓ　＋　０２等の絶縁体層２３と、絶縁体層２３の上に
形成されたＡｕ等の金属層２４とを備えているＯ 金属層２４における電子放出域２５部分の構成は、先の
実施例と同様の構成になっている。すなわち、金属層２
４０部分Ａ′を拡大した第２図（ｂｌ　Ｋみるように、
帯状の金属層２４′が多数本並列に形成されていて、各
金属層２４′間は、金属は蒸着されず絶縁体層２３表面
が露出しており、金属層２４′の断面は、平らな頂部２
４′ａと神々に厚みが薄くなり絶縁体層２３８面に達す
る傾斜縁部２４′ｂとを有する形状になっている。

この実施例では、導電性材２２が電子放出域２５の所で
は１表面の一部に凸状部２２ａが形成されていて、その
分、絶縁体層２３の厚みが部分的に薄くなっていて、電
子放出域が凸状部２２ａの個所に区画制限されている〇 絶縁体層２３は表面が平らであり、その上に形成される
金属層２４は層全体にわたって段差が付くようなことが
ない。絶縁体層２３と金属層２４の境界が電子放出域２
５内外にわたって同一平面上にあるのである。そのため
、金属層２４の電気的導通の信頼性が高くなることは前
述の通りである。

金属層２４も、　電子放出域２５での厚みが電子放出域
２５外での厚みよりも薄くなっており、高電子放出効率
や低抵抗の確保が容易になっていることも前述の通りで
ある。

この電子放出素子も、導電性材２２と金属層２４０間に
電圧を印加すると、頂部２４′ａで確保される低抵抗に
より、電圧降下が抑えられて強い電界が生じ、これに伴
い電子が電子放出域２５全域から広く放出される。

続いて、請求項４記載の電子放出素子の製造方法の一例
について、第２図と同様の構成を有する電子放出素子を
作るときの様子を、第３図（ａｌ〜０）を参照しながら
説明する。

まず、ガラス等の絶縁基板３１の表面に、例えばＡｌや
Ｔａ等の金属を、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム
蒸着法、あるいは、スパッタ蒸着法により、１０００〜
１００００　Ａ程度の厚みに蒸着し、第３図（ａ）にみ
るように、導電性材３２を形成する。

導電性材３２を形成した後、その表面のうち電子放出域
３４となる個所に、第３図（ｂｌにみるように、選択的
にレジスト層３３を形成する。レジスト層３３は、例え
ば、通常のフォトリングラフィ技術を用いて形成するこ
とができる０ レジスト層３３を形成しておいて、例えば、イオンミー
リング法、湿式エツチング法等を用いて第３図（−にみ
るように、導電性材３２のレジスト層のない部分を厚み
ｄ（例えば５００〜５０００　Ａ程度）だけエツチング
し、凸状部３２ａを形成する〇ついで、第３図（山にみ
るように、凸状部３２３表面と同じ高さとなるように、
５ｉ０２　、Ａｌ２Ｏ３゜Ｔａ２０５等の絶縁体層３５
を、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、ある
いはスパッタ蒸着法を用いて、エツチング厚みｄ分だけ
積層する。

絶縁体層３５の積層に続いて、例えば、Ａｕ。

ｋｌ、Ｍｏ、Ｗ等の金属を１例えば、抵抗加熱蒸着法、
電子ビーム蒸着法、あるいは、スパッタ蒸着法を用いて
蒸着し、第３図（ｅ）にみるように、金属層３６を厚み
２００〜１００ＯＡ程度積層する。

ついで、レジスト層３３をリフトオフした後、凸状部３
２ａの表面部分を厚み５０〜２００八程度の深さまで酸
化することにより、第３図（ｆ）にみるように薄い絶縁
体層（酸化絶縁膜）３７を形成する。

酸素雰囲気中で熱酸化したり、陽極酸化したりする等の
方法により、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２０５等の層を形成する
のである。そうすると、導電性材３２の上に、絶縁体層
３５．３７からなり表面が平らな絶縁体層が形成される
。

続いて、電子放出域３４部分に金属層を形成する。第３
図（−にみるように、絶縁体層３７の表面に少し離して
マスク３８を配置し、例えばＡｕ、Ａｌ。

Ｍｏ、Ｗ等の金属を、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビ
ーム蒸着法、あるいはスパッタ蒸着法を用いて、１００
〜５００Ａ程度の厚みで蒸着する。マスク３８は、金属
層形成個所に対応した個所にスリットの明いているもの
を使う。例えば、巾　０．０１〜０．０５　ｍｍ　　、
長さ０．５０１１１１あるいは１．０　ｍｍ、ピッチ０
．０５〜０．１ｍｍの帯状のスリットが並行に多数本並
んで明いているマスクを用いた〇 こうして金属の蒸着により、第３図（ｈｌにみるように
、電子放出域３４に金属層３９が形成される。

この金属層３９では、部分Ａ′を拡大した第３図（ｉ）
にみるように、先の実施例と同様、頂部と傾斜縁部が並
存したものとなっている。このように頂部と傾斜部が並
存した状態が現出するのは、マスク３８を絶縁体表面か
ら少し離して配設するからである。

第３図（ｈｌに示す電子放出素子は、第２図ｆａｔと対
比してみると、凸状部３２ａ′が凸状部２２ａ　に対し
、絶縁体層３５．　３７に絶縁体層２３に対応し、そし
て、金属層３６．　３９が金属層２４に対応しており、
両電子枚出素子が同様の構造であることが分かる。

この発明は上記実施例に限らない。電子放出素子を請求
項４記載の方法以外の方法により作るようにしてもよい
。例えば、電子放出域の金属層の形成を、頂部の厚みで
全面的に金属層をまず形成しておいて厚い部分と並存さ
せるようにして必要個所のみを選択的に削って電子実放
出用の薄い部分を作るようにして行ってもよい。

上記実施例では電子放出域が１個であったが、電子放出
域が複数所定の配列で並ぶ電子放出素子アレイであって
もよい。

各層の材料や厚みが上記例示のものに限らないことはい
うまでもない。

発明の効果 請求項１〜３記載の電子放出素子、あるいは、請求項４
記載により得られた電子放出素子は、電子放出域部分に
広く分布する電子実枚出用の薄い金属層部分から電子が
まんべんなく放出されるため、電子放出分布の不均一性
が解消される。

請求項３記載の電子放出素子では、加えて、金属層の層
全体にわたる段差がなく金属層に亀裂が入り難いため、
金属層の電気的導通の信頼性が高いＯ 請求項４記載の電子放出素子の製造方法は、電子放出域
形成の際にマスクを配置することが加わる程度のことで
あるから、上記電子放出素子が簡単に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｔａ＋〜（Ｃ）は、請求項１および請求項２記載
の電子放出素子の一例をあられす図であって、図（ａｔ
は断面図、図（０）は金属層の部分拡大断面図、図ｔｃ
ｌは金属層の部分拡大平面図である。第２図（ａｌ、（
ｂ）は、請求項３記載の電子放出素子の一例をあられす
図であって、図１ａ）は断面図、図（ｂ）は金属層の部
分拡大断面図である。第３図（ａｌ〜＜ｔ）は、請求項
４記載の製造方法により電子放出素子を作成するときの
様子を順を追って説明する概略断面図である。第４図は
、ＭＩＭ型電子放出素子の原理を説明するための模式的
断面図、第５図は、従来の電子放出素子をあられす概略
断面図、第６図は、従来の電子放出素子をあられす概略
斜視図である。 １１、２１．３１・・・絶縁基板、　１２．２２．３２
・・導区性材、１３．２３．３５．３７・・・絶縁体層
、１４．２４．３６゜３７、３９・・・金属層、１４′
・・・帯状の金属層、１４′ａ・・・頂部、１４′ｂ・
・・傾斜縁部、３８・・・マスク。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　＃１か１名第 第２図 ２５％ｉ！シ攻工境 Ａ′ ２１絶刺−１及 ２４　　ｚ４ｂ 第 囚 （Ｑ） （ｂ） 、５４１５放士璋 第 第 Ｃｄ） （ｅ） 第 図 第 図 ３２Ｑ′ ４５叡出電テ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性材と、この導電性材の上に形成された絶縁
   体層と、この絶縁体層の上に形成された金属層とを備え
   ており、前記金属層における電子放出域部分では、低抵
   抗確保用の厚い部分と電子実放出用の薄い部分が並存し
   た状態で広く分布している電子放出素子。
2. （２）金属層における電子放出域部分は、平らな頂部と
   徐々に厚みが薄くなり絶縁体層表面に達する傾斜縁部と
   を有する形状であるとともに同傾斜縁部の側方では絶縁
   体層表面が露出するようにして形成されており、前記頂
   部を中心とした部分が低抵抗確保用の厚い部分であり、
   傾斜縁部の裾を中心とした部分が電子実放出用の薄い部
   分である請求項１記載の電子放出素子。
3. （３）絶縁体層と金属層は、電子放出域において厚みが
   薄く、電子放出域外において厚みが厚くなっているとと
   もに、前記絶縁体層と金属層の境界が電子放出域内外に
   わたって同一平面上にある請求項１または請求項２記載
   の電子放出素子。
4. （４）電子放出域における金属層形成個所に対応する部
   分が明いているマスクを、導電性材の上に形成された絶
   縁体層に対しその表面から少し離して配設して金属を蒸
   着し、前記電子放出域に低抵抗確保用の厚い部分と電子
   実放出用の薄い部分が広く分布した金属層を有する素子
   を得るようにする電子放出素子の製造方法。