JPH05307930A - 冷陰極 - Google Patents
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- JPH05307930A JPH05307930A JP8014692A JP8014692A JPH05307930A JP H05307930 A JPH05307930 A JP H05307930A JP 8014692 A JP8014692 A JP 8014692A JP 8014692 A JP8014692 A JP 8014692A JP H05307930 A JPH05307930 A JP H05307930A
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- H01J1/304—Field-emissive cathodes
- H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】安定で、高信頼性の真空マイクロエレクトロニ
クス技術を用いた冷陰極を実現する。 【構成】本発明においては、イオンが衝突する恐れのあ
る陰極中央部６にエミッタ２がなくしかもゲート４の膜
厚の厚い部分を作るか、あるいは、エミッタ２と同じ電
位で高融点の金属層８を陰極中央部６に形成し、さら
に、エミッタ２とゲート４との間の絶縁の劣化を防止す
る構造としている。
クス技術を用いた冷陰極を実現する。 【構成】本発明においては、イオンが衝突する恐れのあ
る陰極中央部６にエミッタ２がなくしかもゲート４の膜
厚の厚い部分を作るか、あるいは、エミッタ２と同じ電
位で高融点の金属層８を陰極中央部６に形成し、さら
に、エミッタ２とゲート４との間の絶縁の劣化を防止す
る構造としている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷陰極に関し、特に真空
マイクロエレクトロニクス技術を用いた冷陰極に関す
る。
マイクロエレクトロニクス技術を用いた冷陰極に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図７は真空マイクロエレクトロニクス技
術による冷陰極の中でスピントタイプと呼ばれる従来の
冷陰極の一例の断面図である。図７に示すように、半導
体基板１の上に先端が尖った微小冷陰極となるエミッタ
２および絶縁層３、金属層からなるゲート４が作られて
いる。ゲート４にはエミッタ２およびこれと同じ電位の
半導体基板１を基準として正の電圧が印加されている。
エミッタ２の先端は極めて鋭く作られているので、この
部分には高い電界が加わり、ゲート４に印加された電圧
に応じた量の電子がエミッタ２の先端から放出される。
術による冷陰極の中でスピントタイプと呼ばれる従来の
冷陰極の一例の断面図である。図７に示すように、半導
体基板１の上に先端が尖った微小冷陰極となるエミッタ
２および絶縁層３、金属層からなるゲート４が作られて
いる。ゲート４にはエミッタ２およびこれと同じ電位の
半導体基板１を基準として正の電圧が印加されている。
エミッタ２の先端は極めて鋭く作られているので、この
部分には高い電界が加わり、ゲート４に印加された電圧
に応じた量の電子がエミッタ２の先端から放出される。
【０００３】１個のエミッタ２から放出される電流は多
くても１０〜１００μＡ程度であるので電子管の陰極と
して使用するためには、平面上に多数のエミッタ２を並
べている〔例えば、ジャーナル・オブ・アプライドフィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｓｃ）第４７巻，１９７６年、第１２号、５２４
８〜５２６３頁参照〕。
くても１０〜１００μＡ程度であるので電子管の陰極と
して使用するためには、平面上に多数のエミッタ２を並
べている〔例えば、ジャーナル・オブ・アプライドフィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｓｃ）第４７巻，１９７６年、第１２号、５２４
８〜５２６３頁参照〕。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】進行波管や陰極線管の
ような電子管においては、電子管内に残留している気体
が電子ビームに衝突するとイオン化し、正イオンは電子
ビームの中心を電子ビームとは逆方向に加速され、最後
には陰極の中心部に衝突する。正イオンが陰極の中心部
に当たると、この部分のエミッタ２を破壊して、電子が
放出されなくなる恐れがある。この結果、中央部の電子
放出の低下に伴い陰極電流の低下、電子ビーム形状の変
化等の現象が発生し、経時的に電子管の動作を不安定に
する。さらに、イオンの衝突によって陰極材料の溶解、
飛散、エミッタ２，ゲート４の機械的変形などが生じ、
エミッタ２とゲート４とを電気的に短絡する恐れがあ
る。この結果、エミッタ２とゲート４の間に電圧を印加
できなくなるため、陰極全体から電子のエミッションを
取り出すことができなくなるといった不具合が発生する
という問題点がある。
ような電子管においては、電子管内に残留している気体
が電子ビームに衝突するとイオン化し、正イオンは電子
ビームの中心を電子ビームとは逆方向に加速され、最後
には陰極の中心部に衝突する。正イオンが陰極の中心部
に当たると、この部分のエミッタ２を破壊して、電子が
放出されなくなる恐れがある。この結果、中央部の電子
放出の低下に伴い陰極電流の低下、電子ビーム形状の変
化等の現象が発生し、経時的に電子管の動作を不安定に
する。さらに、イオンの衝突によって陰極材料の溶解、
飛散、エミッタ２，ゲート４の機械的変形などが生じ、
エミッタ２とゲート４とを電気的に短絡する恐れがあ
る。この結果、エミッタ２とゲート４の間に電圧を印加
できなくなるため、陰極全体から電子のエミッションを
取り出すことができなくなるといった不具合が発生する
という問題点がある。
【０００５】本発明の目的は、陰極電流の低下やビーム
形状の変化がなく、経時的に電子管の動作を安定にする
冷陰極を提供することにある。
形状の変化がなく、経時的に電子管の動作を安定にする
冷陰極を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、導電性と半導
電性とのうちのいずれか一方の基板と、該基板上に積層
した金属層と、該金属層と前記絶縁層の一部分に並列さ
れた穴の中に配置され先端を先鋭化した導電性と半導電
性とのうちのいずれか一方の電極とで作られた微小冷陰
極とを有する冷陰極において、前記基板の中央部を残し
て前記絶縁層と前記金属層と前記穴と前記微小冷陰極を
形成する。しかも、前記基板の中央部を残して前記金属
層と前記絶縁層と前記穴と前記微小冷陰極を形成すると
ともに前記中央部に金属層を形成し該金属層の厚さを他
の部分の前記金属層よりも厚くするか、あるいは、前記
導電性と半導電性とのうちのいずれか一方の基板の中央
部に、前記基板とは接触し、前記金属層とは絶縁される
ように第２の金属層を形成する構造としている。
電性とのうちのいずれか一方の基板と、該基板上に積層
した金属層と、該金属層と前記絶縁層の一部分に並列さ
れた穴の中に配置され先端を先鋭化した導電性と半導電
性とのうちのいずれか一方の電極とで作られた微小冷陰
極とを有する冷陰極において、前記基板の中央部を残し
て前記絶縁層と前記金属層と前記穴と前記微小冷陰極を
形成する。しかも、前記基板の中央部を残して前記金属
層と前記絶縁層と前記穴と前記微小冷陰極を形成すると
ともに前記中央部に金属層を形成し該金属層の厚さを他
の部分の前記金属層よりも厚くするか、あるいは、前記
導電性と半導電性とのうちのいずれか一方の基板の中央
部に、前記基板とは接触し、前記金属層とは絶縁される
ように第２の金属層を形成する構造としている。
【０００７】
【作用】本発明においては、イオンが冷陰極（以下、陰
極と記す）の中央部を衝撃しても、エミッタ２が破壊さ
れる恐れはなく、また、エミッタ２とゲート４との間の
絶縁も劣化する恐れもないため、常に安定な陰極電流あ
るいは電子ビームがえられ、突然陰極電流あるいは電子
ビームが停止する恐れもない。したがって、安定で信頼
性のある電子管を実現することができる。
極と記す）の中央部を衝撃しても、エミッタ２が破壊さ
れる恐れはなく、また、エミッタ２とゲート４との間の
絶縁も劣化する恐れもないため、常に安定な陰極電流あ
るいは電子ビームがえられ、突然陰極電流あるいは電子
ビームが停止する恐れもない。したがって、安定で信頼
性のある電子管を実現することができる。
【０００８】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して詳細
に説明する。
に説明する。
【０００９】図（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例
を示す平面図およびその陰極中央部の部分拡大断面図で
ある。図１において、１は半導体基板，２はエミッタ，
３は絶縁層，４はゲート，５は陰極，６は陰極中央部で
ある。
を示す平面図およびその陰極中央部の部分拡大断面図で
ある。図１において、１は半導体基板，２はエミッタ，
３は絶縁層，４はゲート，５は陰極，６は陰極中央部で
ある。
【００１０】第１の実施は、図１（ａ），（ｂ）に示す
ように、正イオンは中央部の、半導体基板１が露出した
部分に衝突する。この部分には、イオン衝撃に敏感でし
かも絶縁層３を挾んで電圧が印加されるエミッタ２とゲ
ート４が形成されていないため、特性変化や絶縁劣化を
生じる恐れがない。また、正イオンが半導体基板１の部
分に衝突しても陰極中央部６の周辺のエミッタ２，絶縁
層３，ゲート４に機械的、熱的に影響を及ぼす恐れはな
い。
ように、正イオンは中央部の、半導体基板１が露出した
部分に衝突する。この部分には、イオン衝撃に敏感でし
かも絶縁層３を挾んで電圧が印加されるエミッタ２とゲ
ート４が形成されていないため、特性変化や絶縁劣化を
生じる恐れがない。また、正イオンが半導体基板１の部
分に衝突しても陰極中央部６の周辺のエミッタ２，絶縁
層３，ゲート４に機械的、熱的に影響を及ぼす恐れはな
い。
【００１１】図２は本発明の第２の実施例を示す陰極中
央部の断面図である。
央部の断面図である。
【００１２】第２の実施例の構造は図２に示すように、
ゲートリング７がある以外は図１（ｂ）に示す第１の実
施例と同じである。ゲートリング７は絶縁層３，ゲート
４と同時に同じ材料で作られるもので、ゲート４とは電
気的に絶縁されており、陰極中央部６を取り囲むように
形成されている。正イオンはゲートリング７の内側の半
導体基板１に衝突する。ゲート４と絶縁されたゲートリ
ング７があるため、もし、正イオンの衝突に伴って半導
体基板１の材料等が飛散しても、絶縁層３に付着する可
能性が小さくなるため、ゲート４とエミッタ２あるいは
ゲート４と半導体基板１の間の絶縁は常に良好に保たれ
る。
ゲートリング７がある以外は図１（ｂ）に示す第１の実
施例と同じである。ゲートリング７は絶縁層３，ゲート
４と同時に同じ材料で作られるもので、ゲート４とは電
気的に絶縁されており、陰極中央部６を取り囲むように
形成されている。正イオンはゲートリング７の内側の半
導体基板１に衝突する。ゲート４と絶縁されたゲートリ
ング７があるため、もし、正イオンの衝突に伴って半導
体基板１の材料等が飛散しても、絶縁層３に付着する可
能性が小さくなるため、ゲート４とエミッタ２あるいは
ゲート４と半導体基板１の間の絶縁は常に良好に保たれ
る。
【００１３】図３は本発明の第３の実施例を示す陰極中
央部の断面図である。
央部の断面図である。
【００１４】第３の実施例は図３に示すように、陰極中
央部６においては、絶縁層３，ゲート４の２層が均一に
積層されており、エミッタ２ならびにエミッタ２を収め
るための絶縁層３とゲート４に開けられる穴は形成され
ていない。陰極中央部６のゲート４の上には、融点の高
い耐熱性のある金属層８が作られている。金属層８は耐
熱性があり、十分な厚さがあるので正イオンの衝撃にあ
っても、金属材料の飛散や機械的な変形が発生せず、ゲ
ート４と半導体基板１との間の絶縁性に影響を与えるこ
とはない。
央部６においては、絶縁層３，ゲート４の２層が均一に
積層されており、エミッタ２ならびにエミッタ２を収め
るための絶縁層３とゲート４に開けられる穴は形成され
ていない。陰極中央部６のゲート４の上には、融点の高
い耐熱性のある金属層８が作られている。金属層８は耐
熱性があり、十分な厚さがあるので正イオンの衝撃にあ
っても、金属材料の飛散や機械的な変形が発生せず、ゲ
ート４と半導体基板１との間の絶縁性に影響を与えるこ
とはない。
【００１５】図４は本発明の第４の実施例を示す陰極中
央部の断面図である。
央部の断面図である。
【００１６】第４の実施例は、図４に示すように、金属
層Ｂ９がある以外は図２に示す第２の実施例と同じであ
る。金属層Ｂ９はゲートリング７の上面およびゲートリ
ング７の内側の半導体基板１の上面を覆いかつ電気的に
接触するように形成されており、半導体基板１およびエ
ミッタ２と電気的に接続されている。しかし、第２の実
施例と同様にゲートリング７はゲート４とは絶縁されて
いるので、金属層Ｂ９もゲート４とは絶縁されている。
この金属層Ｂ９はエミッタ２と同じ材料で、エミッタ２
と同時に形成しても良いし、エミッタ２と異なる材料で
も良い。金属層Ｂ９の材料に融点の高い耐熱性のある金
属を使用すれば第３の実施例と同様に、正イオン衝撃の
影響をなくすことができる。
層Ｂ９がある以外は図２に示す第２の実施例と同じであ
る。金属層Ｂ９はゲートリング７の上面およびゲートリ
ング７の内側の半導体基板１の上面を覆いかつ電気的に
接触するように形成されており、半導体基板１およびエ
ミッタ２と電気的に接続されている。しかし、第２の実
施例と同様にゲートリング７はゲート４とは絶縁されて
いるので、金属層Ｂ９もゲート４とは絶縁されている。
この金属層Ｂ９はエミッタ２と同じ材料で、エミッタ２
と同時に形成しても良いし、エミッタ２と異なる材料で
も良い。金属層Ｂ９の材料に融点の高い耐熱性のある金
属を使用すれば第３の実施例と同様に、正イオン衝撃の
影響をなくすことができる。
【００１７】図５は、本発明の第５の実施例を示す陰極
中央部の断面図である。
中央部の断面図である。
【００１８】第５の実施例は、図５に示すように、絶縁
層Ｂ１０、金属層Ｃ１１がある以外は図１（ｂ）に示す
第１の実施例と同じである。金属層Ｃ１１は陰極５の中
心において半導体基板１と接し、陰極中央部６の周辺部
において絶縁層Ｂ１０を介してゲート４と接している。
したがって、金属層Ｃ１１は半導体基板１と電気的に接
続され、ゲート４とは絶縁されている。金属層Ｃ１１に
高融点の耐熱金属を使用すれば図４に示す第４の実施例
と同様に、正イオン衝撃の影響をなくすことができる。
さらに、ゲート４と半導体基板１の間の絶縁層３、特
に、陰極中央部６に接した部分は十分にカバーされてい
るので、この絶縁層３の絶縁低下の恐れはない。
層Ｂ１０、金属層Ｃ１１がある以外は図１（ｂ）に示す
第１の実施例と同じである。金属層Ｃ１１は陰極５の中
心において半導体基板１と接し、陰極中央部６の周辺部
において絶縁層Ｂ１０を介してゲート４と接している。
したがって、金属層Ｃ１１は半導体基板１と電気的に接
続され、ゲート４とは絶縁されている。金属層Ｃ１１に
高融点の耐熱金属を使用すれば図４に示す第４の実施例
と同様に、正イオン衝撃の影響をなくすことができる。
さらに、ゲート４と半導体基板１の間の絶縁層３、特
に、陰極中央部６に接した部分は十分にカバーされてい
るので、この絶縁層３の絶縁低下の恐れはない。
【００１９】なお、第３の実施例を除いた他の実施例で
は、陰極に到達した正イオンの電流はゲート４に接続し
た配線を通して外部回路に流れる。
は、陰極に到達した正イオンの電流はゲート４に接続し
た配線を通して外部回路に流れる。
【００２０】図１（ａ），（ｂ）に示す第１の実施例，
図２に示す第２の実施例は図７に示す従来の構造と全く
同一のプロセスで制作できる。
図２に示す第２の実施例は図７に示す従来の構造と全く
同一のプロセスで制作できる。
【００２１】図６（ａ）〜（ｄ）は図３に示す第３の実
施例の制作法を説明する工程順に示した断面図である。
第４、第５の実施例についても図６（ａ）〜（ｄ）に示
すプロセスとほぼ同様の方法によって制作することがで
きる。
施例の制作法を説明する工程順に示した断面図である。
第４、第５の実施例についても図６（ａ）〜（ｄ）に示
すプロセスとほぼ同様の方法によって制作することがで
きる。
【００２２】第３の実施例は、はじめに、シリコンの半
導体基板１を熱酸化してその表面にシリコン酸化物の絶
縁層３を作る。次に、絶縁層３の上にゲート金属層１２
を蒸着あるいはスパッタ等の手段で積層する。次に、リ
ソグラフィの手段によって陰極中央部６を除いてゲート
金属層１２の上面をレジスト１３で被覆する。さらに、
金属層８を形成する金属をこの上に積層してゲート上金
属層１４とし、図６（ａ）を得る。
導体基板１を熱酸化してその表面にシリコン酸化物の絶
縁層３を作る。次に、絶縁層３の上にゲート金属層１２
を蒸着あるいはスパッタ等の手段で積層する。次に、リ
ソグラフィの手段によって陰極中央部６を除いてゲート
金属層１２の上面をレジスト１３で被覆する。さらに、
金属層８を形成する金属をこの上に積層してゲート上金
属層１４とし、図６（ａ）を得る。
【００２３】次に、リフトオフ手法によってレジスト１
３およびその上のゲート上金属層１４を除去して金属層
８を形成する。次に、リソグラフィの手段によってゲー
ト金属層１２の一部を除去し、ゲート金属層１２からゲ
ート４を形成し、さらに、ゲート４をマスクとしてエッ
チングによって絶縁層３の一部を除去し、図６（ｂ）を
得る。
３およびその上のゲート上金属層１４を除去して金属層
８を形成する。次に、リソグラフィの手段によってゲー
ト金属層１２の一部を除去し、ゲート金属層１２からゲ
ート４を形成し、さらに、ゲート４をマスクとしてエッ
チングによって絶縁層３の一部を除去し、図６（ｂ）を
得る。
【００２４】次に、蒸着装置内において半導体基板１の
斜め方向から蒸発物が飛来するように半導体基板１を斜
め方向に設定し、かつ回転させ、斜め蒸着金属層１５を
形成し、図６（Ｃ）を得る。
斜め方向から蒸発物が飛来するように半導体基板１を斜
め方向に設定し、かつ回転させ、斜め蒸着金属層１５を
形成し、図６（Ｃ）を得る。
【００２５】次に、半導体基板１に対し真上からエミッ
タ金属を蒸着させると、斜め蒸着金属層１５の上にエミ
ッタ金属層１６が積層されると同時に斜め蒸着金属層１
５に作られた穴を通して半導体基板１の上には先端が細
くなっていくエミッタ２が作られ図６（ｄ）を得る。
タ金属を蒸着させると、斜め蒸着金属層１５の上にエミ
ッタ金属層１６が積層されると同時に斜め蒸着金属層１
５に作られた穴を通して半導体基板１の上には先端が細
くなっていくエミッタ２が作られ図６（ｄ）を得る。
【００２６】次に、斜め蒸着金属層１５，エミッタ金属
層１６を除去することにより、図３に示す第３の実施例
の構造が得られる。
層１６を除去することにより、図３に示す第３の実施例
の構造が得られる。
【００２７】ここでは、金属エミッタの陰極についての
実施例を説明したが、シリコンなどの半導体エミッタの
場合にも第１の実施例から第５の実施例までが同様に適
用できることは明らかである。
実施例を説明したが、シリコンなどの半導体エミッタの
場合にも第１の実施例から第５の実施例までが同様に適
用できることは明らかである。
【００２８】また、第３の実施例において、ゲート４上
の金属層８は中央部に限らず、ゲート４に開けられた穴
の周辺付近を除いて陰極全体に形成しても良い。この場
合、本来の効果が得られるとともに、さらに、ゲート４
の膜抵抗が低下するため、イオン電流が流れることによ
り生じるゲート４上の電圧降下を防止できる。
の金属層８は中央部に限らず、ゲート４に開けられた穴
の周辺付近を除いて陰極全体に形成しても良い。この場
合、本来の効果が得られるとともに、さらに、ゲート４
の膜抵抗が低下するため、イオン電流が流れることによ
り生じるゲート４上の電圧降下を防止できる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の陰極にお
いては、陰極に正イオンが衝突しても電子のエミッショ
ンには影響を与えないので、常に安定な陰極電流あるい
は電子ビームがえられる。さらに、エミッタとゲートの
間の絶縁劣化もないので、エミッションが突然停止する
恐れもない。したがって、本発明の陰極を使用した電子
管の動作は安定に保たれ、高い信頼性を示すことができ
るという効果がある。
いては、陰極に正イオンが衝突しても電子のエミッショ
ンには影響を与えないので、常に安定な陰極電流あるい
は電子ビームがえられる。さらに、エミッタとゲートの
間の絶縁劣化もないので、エミッションが突然停止する
恐れもない。したがって、本発明の陰極を使用した電子
管の動作は安定に保たれ、高い信頼性を示すことができ
るという効果がある。
【図１】本発明の第１の実施例を示す陰極の平面図およ
びその陰極中央部の部分拡大断面図である。
びその陰極中央部の部分拡大断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す陰極中央部の断面
図である。
図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す陰極中央部の断面
図である。
図である。
【図４】本発明の第４の実施例を示す陰極中央部の断面
図である。
図である。
【図５】本発明の第５の実施例を示す陰極中央部の断面
図である。
図である。
【図６】図３に示す第３の実施例の製作法を説明する工
程順に示した断面図である。
程順に示した断面図である。
【図７】真空マイクロエレクトロニクス技術による冷陰
極の中でスピントタイプと呼ばれる従来の冷陰極の一例
の断面図である。
極の中でスピントタイプと呼ばれる従来の冷陰極の一例
の断面図である。
１ 半導体基板 ２ エミッタ ３ 絶縁層 ４ ゲート ５ 陰極 ６ 陰極中央部 ７ ゲートリング ８ 金属層 ９ 金属層Ｂ １０ 絶縁層Ｂ １１ 金属層Ｃ １２ ゲート金属層 １３ レジスト １４ ゲート上金属層 １５ 斜め蒸着金属層 １６ エミッタ金属層
Claims (3)
- 【請求項１】 導電性と半導電性とのうちのいずれか一
方の基板と、該基板上に積層した金属層と、該金属層と
前記絶縁層の一部分に並列された穴の中に配置され先端
を先鋭化した導電性と半導電性とのうちのいずれか一方
の電極とで作られた微小冷陰極とを有する冷陰極におい
て、前記基板の中央部を残して前記絶縁層と前記金属層
と前記穴と前記微小冷陰極を形成したことを特徴とする
冷陰極。 - 【請求項２】 前記導電性と半導電性とのうちのいずれ
か一方の基板の中央部に、前記基板とは接触し、前記金
属層とは絶縁されるように第２の金属層を形成したこと
を特徴とする請求項１記載の冷陰極。 - 【請求項３】 導電性と半導電性とのうちのいずれか一
方の基板と、該基板上に積層した金属層と、該金属層と
前記絶縁層の一部分に並列された穴の中に配置され先端
を先鋭化した導電性と半導電性とのうちのいずれか一方
の電極とで作られた微小冷陰極とを有する冷陰極におい
て、前記基板の中央部を残して前記金属層と前記絶縁層
と前記穴と前記微小冷陰極を形成するとともに前記中央
部に金属層を形成し該金属層の厚さを他の部分の前記金
属層よりも厚くしたことを特徴とする冷陰極。
Priority Applications (4)
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