JPH04286825A - 熱電子放出素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電子放出素子に関す
るもので、特に、熱電子放出材料を加熱するヒーターを
薄膜化した構造の熱電子放出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱電子放出材料を空間を介して加
熱するような形の熱電子放出素子としては、図６に示す
ような構造が代表的である。かかる構造を順に説明する
と、直径１〜２ｍｍのスリーブ６１の内側上部にカップ
６２があり、この中に熱電子放出材料６３が設けられ、
これは多孔質基体６４と含浸剤６５とから成っている。 カップ６２の下側には、これを加熱するためのヒーター
６６が空間を介して置かれている。かかる構成要素の一
般的な材質は、スリーブ６１にはＴａ、カップ６２には
Ｔａ、多孔質基体６４にはＷ焼結体、含浸剤６５にはＢ
ａＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ、ヒーター６６にはアルミナ
被覆Ｗ等である。

【０００３】このような構造の熱電子放出素子は、含浸
型カソードと呼ばれ、熱電子源に分類される。かかる熱
電子源の動作としては、先ず真空中に置かれた含浸型カ
ソードのヒーター６６に外部より電力を供給する。ヒー
ター６６を加熱することにより、カップ６２内の熱電子
放出材料６３が加熱され、中の含浸剤６５がＷの多孔質
基体６４で還元されつつ表面に到達し、表面を覆う。か
かるヒーター６６の加熱により励起された熱電子は、含
浸剤６５の仕事関数値より高いエネルギーを得たものが
熱電子放出材料６３の表面から真空中へ飛び出すことに
より電子を放出すると考えられている。以上が従来より
ある熱電子放出素子の例である。

【０００４】一方、昨今においては、電子源を平面上に
マルチ配列とし、マルチエレクトロンビームとしてリソ
グラフィー装置に応用するための研究、平面ディスプレ
イ用の電子源としての研究等が盛んである。これらのマ
ルチエレクトロンビームは、一般に電子源を並べるピッ
チとして数１００μｍ以下が要求される。

【０００５】しかしながら、上記従来例で示した電子放
出素子を上述の要求に適用しようとした場合、次のよう
な欠点があった。 ■．素子サイズがφ１ｍｍ〜φ２ｍｍと大きいために、
マルチに並べても放出部のピッチを小さくすることがで
きない。 ■．素子が単独で独立しているために、平面上にマルチ
に並べようとした場合、機械的な位置合わせが要求され
、数が多くなると（例えば５００×１，５００素子等）
、高精度の配列は非常に困難である。 ■．放出部が大きいために、放出スポットを絞ろうとす
ると、上側に電子光学レンズを置く等しなくてはならな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述従来技術の問題点
に鑑み、本発明の目的とするところは、■．熱電子源の
マルチ配列化を可能ならしめる、■．薄膜製造技術の適
用による位置合わせ等の精度向上を図れる、等を満足し
うる熱電子放出素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】上述課題は、以
下の構成をなす熱電子放出素子、第１に、熱電子放出部
と熱電子を励起するヒーター部との間に空間的間隔を有
し、かつ、該ヒーター部が薄膜工程により形成された薄
膜ヒーターで構成されている熱電子放出素子、第２に、
連続した熱電子放出部に対し、２個以上の薄膜ヒーター
が空間的に間隔を有した状態で平面上に配置されている
熱電子放出素子、によって達成される。

【０００８】すなわち、本発明は、熱電子放出素子のヒ
ーターに相当する部分をＩＣ製造等で用いられる成膜・
フォトリソ・エッチング技術を用いて薄膜化した薄膜ヒ
ーターを用いることにより、平面上に狭ピッチ（例えば
３００μｍ）で複数の薄膜ヒーターを設けることを可能
にしたものである。

【０００９】このような薄膜ヒーターの上部に、空間を
介して熱電子放出部を設けることにより、熱電子放出素
子を薄形で高密度に作ることを可能にしたものである。

【００１０】

【実施例】以下、実施例にて本発明を具体的に説明する
。

【００１１】実施例１ 図１は、本発明の特徴を最もよくあらわしているところ
の実施例であり、同図において、１は薄膜フィラメント
部の基板、２は薄膜フィラメントを支持しているフィラ
メント支持層、３は薄膜フィラメント６を有するフィラ
メント層、４は第１の電子放出部支持層、５は第２の電
子放出部支持層である。また、７は電子放出部基板、８
は電子放出部の基体金属、９は電子放出部の低仕事関数
材料である。以下、７，８，９を総称して電子放出部１
０という。

【００１２】この実施例の構成で、従来例の熱電子放出
素子におけるヒーター６６は薄膜フィラメント６に相当
している。また、第１及び第２の電子放出部支持層は、
電子放出部１０をフィラメント６から一定距離だけ離す
ためのスペーサーにあたる。また、電子放出部基板７，
電子放出部の基体金属８及び電子放出部の低仕事関数材
料９は、従来例のカップ６２を含んだ電子放出部に相当
する。

【００１３】本実施例のヒーター部及び電子放出部支持
層の製造方法を、図１中の断面Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂを表わし
た図２及び図３に示す。一例として、複数の熱電子放出
素子（薄膜フィラメント）のピッチを３００μｍにした
場合、それに適する寸法を示しながら説明をする。先ず
、素子寸法は、図１のように、フィラメント６について
は、Ｌ＝２００μｍ，ｗ＝２０μｍ，ｔ＝２μｍ、フィ
ラメント層の幅２００μｍとする。

【００１４】また、薄膜フィラメント部の製造方法は、
以下に述べるが、特に第１及び第２の電子放出部支持層
を一体形成するところに特徴がある。以下、図２及び図
３の製造工程図に従って説明する。先ず、薄膜フィラメ
ント基板上に図２，３（ａ）のように薄膜成膜法を用い
て、フィラメント支持層２としてＣｕ層を８μｍ、フィ
ラメント層３としてＴａ層を２μｍ、第１の電子放出部
支持層４としてＣｕ層２μｍ、第２の電子放出部支持層
５としてＳｉＯ２層４μｍを成膜する。

【００１５】次に、電子放出部支持層パターンのレジス
ト１１を形成する（図２，３（ｂ））。この例の場合、
円形のパターンとなる。その後、このレジストをマスク
としてドライエッチング法により、第２の電子放出部支
持層５のＳｉＯ２層と、第１の電子放出部支持層４のＣ
ｕ層を途中までエッチングする（図２，３（ｃ））。

【００１６】次に、図２，３（ｄ）に示すように、フィ
ラメント部パターンのレジスト１２を形成する。この例
の場合、フィラメント６を有するフィラメント層３のパ
ターンとなる。その後、このレジストをマスクとしてド
ライエッチング法により第１の電子放出部支持層４の残
りのＣｕ層と、フィラメント層３のＴａ層及びフィラメ
ント支持層２のＣｕ層をエッチングする（図２，３（ｅ
））。その後、フィラメント支持層２のＣｕ層をウェッ
トエッチングし、フィラメント６の下部に間隙を形成す
る（図２，３（ｆ））ことにより、中空薄膜フィラメン
ト部と電子放出部支持層が完成する。

【００１７】上記製造工程中のドライエッチング法は、
イオンミーリング法を用いることで可能である。また、
フィラメント支持層のウェットエッチングには、フィラ
メント支持層の材料に対して、その他の材料の選択比が
１／ｎになるようなエッチング液が必要であるが、この
場合、第２硝酸セリウムアンモニウム，過塩素酸及び水
の混合液が適している。

【００１８】このようにして、薄膜中空フィラメントを
同一基板上に複数作ることが可能である。さらに、この
複数のフィラメントを有する第２の電子放出部支持層５
の上に、別の工程で準備しておいた電子放出部１０であ
るところの薄板を乗せることにより、熱電子放出素子を
完成することができる。尚、電子放出部である薄板のサ
イズは、基板上にある複数のフィラメントを全て覆うだ
けの幅のあるものであれば良い。

【００１９】かかる電子放出部１０の構成は、一例を示
すと以下のようである。電子放出部基板７にタンタル（
Ｔａ）薄板５０μｍを用い、電子放出部基体金属８にタ
ングステン（Ｗ）の薄膜（例えば、蒸着膜）を０．５μ
ｍ設け、その上に低仕事関数材料９として（Ｂａ，Ｓｒ
，Ｃａ）ＣＯ３の三元系炭酸塩が設けられている。

【００２０】このようにして作られた熱電子放出素子は
、次のように電子放出を行う。上記構成の熱電子放出素
子を、熱電子放出素子として使用する場合に必要な配線
処置等を施した後真空中で、それぞれのフィラメント６
に位置する両端のフィラメント支持層２に電圧を印加す
ると、中央のフィラメントが加熱される。そうすると、
その輻射熱で上部にある電子放出基板７，基体金属８及
び低仕事関数材料９が加熱される。この時、低仕事関数
材料である（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＣＯ３は熱により活性
化され、酸化物になる。そして、基体金属のタングステ
ン（Ｗ）は、低仕事関数材料の酸化物を還元して、電子
放出部の表面をタングステン（Ｗ）等より仕事関数値の
低いバリウム（Ｂａ），ストロンチウム（Ｓｒ），カル
シウム（Ｃａ）が覆う。この状態で、フィラメントの加
熱により励起された電子放出部内の電子のうち、表面を
覆う材料の仕事関数値より高いエネルギーを有するもの
が空間へ放出される。以上が、熱電子放出部に対して空
間的に間隔を有（分離）している複数の薄膜フィラメン
ト（ヒーター）が平面上に配置されている熱電子放出素
子の例である。

【００２１】以上説明したように、複数の薄膜ヒーター
の上に連続した電子放出部を空間的に分離しておくこと
により、■．電子放出部のピッチを数１００μｍ以下に
小さく精度よく並べることができる、■．電子放出部は
連続した薄板のため、それぞれのヒーターに対して位置
合わせをする必要がない、等の効果がある。

【００２２】実施例２ 本実施例では、電子放出部１０の電子放出部基板７の形
状を、図１のような平面薄板から図４（ａ）のような波
形が連続したような薄板や、図４（ｂ）のような山形の
薄板等にすることもできる。

【００２３】このように、電子放出部基板に凹凸のある
薄板を使用することにより、■．電子放出部基板７へ基
体金属８を成膜した時の応力による薄板の反りが緩和さ
れる、■．フィラメント加熱時の熱応力に対して薄板の
凹凸が応力を吸収して薄板の変形を防ぐ、■．薄板の機
械的な強度が向上するため、組立時の取り扱いが楽にな
る、等の効果がある。

【００２４】実施例３ 本実施例では、図４のような凹凸のある電子放出部基板
７を用い、かつ図５のように電子放出部基板の凹部のピ
ッチをフィラメント両端部のピッチと同じにする。この
場合フィラメント部の構成は図５のように、図１におけ
る第１の電子放出部支持層４と第２の電子放出部支持層
５がない状態とする。

【００２５】このような構成にすると、電子放出部はフ
ィラメント両端部のピッチに従った方向の位置合わせが
必要になるが、前述第１及び第２の電子放出部支持層４
，５の代りに、基体金属の凹凸が電子放出部とフィラメ
ントを空間的に分離する役目をするので、薄膜工程が大
幅に簡略化される効果がある。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、熱電子放出部を加
熱するヒーターを薄膜化し、その上に連続した熱電子放
出部となる薄膜を設けることにより、■．熱電子放出部
を薄膜工程により形成されるヒーターのピッチに従って
平面上に規則正しく、数１００μｍ以下の微小なピッチ
で複数設けることが可能である。 ■．熱電子放出部は、連続した薄板を複数のヒーターに
またがって設けるようにしたため、構造が簡単で、機械
的な位置合わせが不要である。 ■．ヒーターが薄膜工程で作られることから、数１００
〜数μｍの大きさのヒーターを作製でき、電子放出のス
ポットを小さくすることができる。等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した熱電子放出素子の構成図を示
す。

【図２】図１のＡ−Ａ断面における薄膜フィラメント部
の作製工程図を示す。

【図３】図１のＢ−Ｂ断面における薄膜フィラメント部
の作製工程図を示す。

【図４】電子放出部のその他の実施例を示す。

【図５】本発明の他の実施例を示す。

【図６】従来の含浸型熱電子放出素子の構成図を示す。

【符号の説明】

１　　基板 ２　　フィラメント支持層 ３　　フィラメント層 ４　　第１の電子放出部支持層 ５　　第２の電子放出部支持層 ６　　フィラメント ７　　電子放出部基板 ８　　基体金属 ９　　低仕事関数材料 １０　　電子放出部 １１　　レジスト １２　　レジスト ６１　　スリーブ ６２　　カップ ６３　　熱電子放出材料 ６４　　多孔質基体 ６５　　含浸剤 ６６　　ヒーター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　熱電子放出部と熱電子を励起するヒー
   ター部との間に空間的間隔を有し、かつ、該ヒーター部
   が薄膜工程により形成された薄膜ヒーターで構成されて
   いることを特徴とする熱電子放出素子。
2. 【請求項２】　　連続した熱電子放出部に対し、２個以
   上の薄膜ヒーターが空間的に間隔を有した状態で平面上
   に配置されていることを特徴とする熱電子放出素子。