JPH06203748A

JPH06203748A - 電子放出用冷陰極の製造方法

Info

Publication number: JPH06203748A
Application number: JP1807993A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tantani; 恭史段谷; Kazuo Umeda; 和夫梅田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1993-01-08
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】電子放出に適した表面構造をもつ電子放出用
冷陰極を容易に作成する方法を提供する。【構成】冷陰極９をカソード、陽極７をアノード、引
出電極５をグリッド、として、真空管と同様の動作を行
う真空マイクロ素子を製造する。円柱状の冷陰極９を、
金属の斜方蒸着によって形成する。斜方蒸着によると、
冷陰極９の上面に微細な柱状突起が多数形成され、この
柱状突起から電子が放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子放出用冷陰極の製造
方法、特に、真空マイクロ素子などに用いる電子放出用
冷陰極を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の普及に伴い、真空管の技術
は忘れ去られた存在となっていたが、ここ数年になって
この真空管の技術が再び注目を集めている。いわゆる真
空マイクロ素子の開発である。この真空マイクロ素子
は、長年にわたる半導体素子の研究で培われた半導体の
微細加工技術を利用して、同一基板上に微細な真空管を
集積したものである。すなわち、この素子は、冷陰極と
引出電極と陽極とを備え、引出電極によって冷陰極から
電子を引き出してこれを陽極へと放出させるものであ
る。引出電極に印加する電圧を制御することにより、冷
陰極から放出される電子の量を制御することができる。

【０００３】半導体素子では、固体中を電子が移動する
ため、動作速度はその固体中の電子の移動度によって支
配される。これに対し、真空マイクロ素子では、真空中
を電子が移動するため、半導体素子に比べて非常に高速
な動作が可能であり、真空の利点を生かした電荷輸送媒
体として注目を集めている。また、この真空マイクロ素
子の研究にともなって冷陰極の開発が行われており、平
面ディスプレイ等への応用が期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、真空マ
イクロ素子は、原理的には真空管と同じではあるが、そ
の大きさは真空管とは比べ物にならないくらい微細なも
のであり、その製造には高度な微細加工技術が必要であ
る。特に、冷陰極は、電子を放出しやすい表面形状に加
工する必要があり、このような微細加工は非常に困難で
ある。従来、この冷陰極の材料としては、Ｗ，Ｔａ，Ｍ
ｏなどの高融点金属が用いられており、電子放出部先端
を曲率半径１μｍ以下に加工し、１０^７Ｖ／ｃｍ程度の
強電界がこの先端に集中するようにして電子放出を行っ
ている。しかしながら、この冷陰極先端の曲率半径を１
μｍ以下に加工するためには、非常に高度な微細加工技
術が必要であり、この冷陰極の加工不良が原因となり、
真空マイクロ素子の動作が不安定になることがある。

【０００５】そこで本発明は、電子放出に適した表面構
造をもつ電子放出用冷陰極を容易に作成する方法を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷陰極と引出
電極と陽極とを備え、引出電極によって冷陰極から電子
を引き出してこれを陽極へと放出させる装置、に用いら
れる冷陰極の製造方法において、冷陰極を形成すべき基
板を、チャンバ内において水平面に対して所定の角度傾
斜させた状態で固定し、この基板の主面に対する法線上
から外れた位置に蒸着材料を置き、この蒸着材料を基板
上に斜方蒸着させることにより、冷陰極の電子放出面を
形成するようにしたものである。

【０００７】

【作用】真空に引いたチャンバ内に基板と蒸着材料と
を収容し、この蒸着材料を熱または電子線などで気化さ
せ、蒸着材料の原子を基板上に堆積させる蒸着法は、基
板上に金属層などを形成させる方法として古くから用い
られている。このとき、基板を傾斜させておくことによ
り、基板上に斜めの構造をもった堆積層を形成する方法
も、従来から斜方蒸着法として知られている。

【０００８】本願発明者は、このような斜方蒸着法によ
って金属を蒸着させると、蒸着層の表面に、非常に微細
な突起（柱状の凹凸構造）が得られることを発見した。
しかも、こうして得られる突起は、冷陰極として電子を
放出するのに適した構造の突起であることが確認でき、
真空マイクロ素子などにこの冷陰極を利用することがで
きることも確認できた。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。まずはじめに、従来の一般的な真空マイクロ素
子の構造について説明する。図１は、平板型のディスプ
レイを駆動するための真空マイクロ素子の一般的な構造
を示す断面図である。ここでは、説明の便宜上、ディス
プレイの１画素分を駆動する構造のみを示し、各部の実
際の寸法比を無視して描いてある。ガラス基板１は、こ
の素子を支持するために十分な厚みを有し、その上に配
線層２が形成されている。この配線層２の上には、冷陰
極３および絶縁層４が形成され、絶縁層４の上には引出
電極５が形成されている。配線層２は、冷陰極３に電圧
を供給するためのもので、ＩＴＯ，ＺｎＯ：Ａｌなどの
透明導電膜や、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｃｒなどの金属薄膜を、０．０２〜１．０μｍ程度
の厚みに形成することによって構成されている。この上
に形成された冷陰極３は、Ｗ，Ｔａ，Ｍｏなどの高融点
金属からなる円錐状の電極である。また、絶縁層４は、
ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_５などを０．５〜３．０μｍ程度の
厚みに堆積させることにより得られた層であり、引出電
極５は、Ａｌ，Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂなど
の金属薄膜を、０．０２〜１．０μｍ程度の厚みに形成
したものである。引出電極５は、冷陰極３の先端部の高
さとほぼ同等の高さに位置する。

【００１０】一方、もう１枚のガラス基板６の下面に
は、陽極７および蛍光体層８が形成されている。陽極７
は、ＩＴＯ，ＺｎＯ：Ａｌなどの透明導電膜を０．３〜
１．０μｍ程度の厚みに形成したものであり、蛍光体層
８は、ＺｎＯ：Ｚｎ等の蛍光体により厚み１０μｍ程度
の層を形成したものである。ガラス基板１の上面に形成
された構造体と、ガラス基板６の下面に形成された構造
体とは、図１に示すように、対向するように配置され、
両者間の空隙は真空状態に保たれる。

【００１１】このような構造をもった真空マイクロ素子
は、真空管と同様の動作を行う。すなわち、冷陰極３を
カソード、陽極７をアノード、引出電極５をグリッド、
として各電極に所定の電圧をかければ、冷陰極３から電
子を引き出し、これを陽極７へ放出させることができ、
この電子の放出量を引出電極５に与える電圧によって制
御することができる。蛍光体層８は、陽極７へ向かった
電子の衝突を受けて発光する。この発光は、陽極７およ
びガラス基板６ごしに図面上方から観測される。

【００１２】さて、このような構造をもった真空マイク
ロ素子を製造する上で、最も困難な工程は、円錐状の冷
陰極３を形成する工程である。比較的低い電界による電
子の放出を可能にするためには、冷陰極３の先端を鋭く
する必要があるが、そのような微細加工は非常に困難で
ある。しかも、図１には、平板状ディスプレイの１画素
分に相当する構造だけが示されているが、実際には、こ
のような構造が縦横に多数配列され、それぞれの冷陰極
３の加工精度をほぼ同じ精度にする必要がある。縦横に
配列された複数の冷陰極３の加工精度にムラが生じる
と、ディスプレイ画面としてムラのあるものになってし
まう。本発明は、このような問題を解決するためになさ
れたものであり、次のような方法によって冷陰極が製造
される。

【００１３】図２は、本発明による製造方法を適用した
冷陰極を用いた真空マイクロ素子の断面図である。図１
と同様に、平板型のディスプレイを駆動するための真空
マイクロ素子の断面を示し、説明の便宜上、ディスプレ
イの１画素分を駆動する構造のみを、各部の実際の寸法
比を無視して描いてある。図１に示す素子との構造上の
相違は、冷陰極９の形状である。すなわち、図１の冷陰
極３が円錐状であったのに対し、図２の冷陰極９は円柱
状となっている。なお、この形状の相違に伴い、絶縁層
４の形状も若干変わっている（図１の素子では、円錐状
の冷陰極３を形成する工程により、付随的に絶縁層４の
露出面が傾斜面となるが、図２の素子では、そのような
工程は不要になる）。図２に示す１画素分の構造を縦横
に並べた状態は、図３の斜視図に示すようになる（引出
電極５の配線パターンは図示を省略している）。図１に
示すような先端が鋭利な円錐状の冷陰極３を形成するの
は困難であるが、図２に示す円柱状の冷陰極９を形成す
るのは容易である。しかしながら、冷陰極９が単なる円
柱状の電極であったならば、電子を放出させるための動
作ゲート電圧がかなり高くなる。そこで、低電圧で冷陰
極９から電子を放出させるためには、物理的な突起を設
ける必要がある。本発明では、次のような斜方蒸着法に
より、円柱状の冷陰極９の上面に電子放出用の突起を形
成させている。

【００１４】図４は、一般的な斜方蒸着の方法を示す図
である。図示しない排気系（たとえば真空ポンプ）によ
って減圧されたチャンバ１０内に基板１１を収容し、斜
方蒸着を行えば、この基板１１の表面に蒸着層１２が形
成される。この斜方蒸着の特徴は、基板１１を水平面か
ら角度θだけ傾斜させてホルダ１３に固定する点にあ
る。蒸着層１２を形成するもとになる材料は、るつぼ１
４内に蒸着材料１５として用意されるが、基板１１が傾
斜しているため、基板１１の主面に対する法線ｎから外
れた位置に蒸着材料１５が置かれることになる。るつぼ
１４の下には、電子銃１６が設けられており、図示しな
い電子偏向系（電磁石など）により、この電子銃１６か
ら放出された電子がるつぼ１４内の蒸着材料１５に衝突
する。この衝突により、蒸着材料１５の原子（この実施
例では鉄Ｆｅの原子）がチャンバ１０内に飛び出し、基
板１１の表面に堆積する。こうして、基板１１の表面に
は、徐々に鉄Ｆｅからなる蒸着層１２が形成されること
になる。ここで注目すべきことは、このような斜方蒸着
を行うと、蒸着層１２が斜めの構造をもつことである。
具体的には、図５に示す断面図のように、基板１１の表
面に形成される蒸着層１２は、基板１１の主面に対して
傾斜した柱状構造をもった層となる。これは、斜方蒸着
の過程で、基板１１上に先に蒸着した材料により、いわ
ば陰となる領域が形成されるためと考えられている。

【００１５】本願発明者は、冷陰極９を、このような斜
方蒸着によって形成すれば、電子放出に適した多数の柱
状突起が冷陰極９の表面に形成されることを発見したの
である。すなわち、図２に示すような円柱状の冷陰極９
を形成する工程を、斜方蒸着法によって行えば、冷陰極
９の上面に電子放出に適した多数の微細な柱状突起が得
られることになる。具体的には、ガラス基板１の上に配
線層２を形成した後、この基板１を、図４に示すよう
に、チャンバ内に傾斜させて固定する。傾斜角度θとし
ては、６０°以上に設定するのが好ましい。そして、こ
の基板１の上に金属を２μｍ程度の厚みに斜方蒸着して
蒸着層を形成する。この蒸着層を所定のパターンに基づ
いてパターニングすれば、図２に示すような円柱状の冷
陰極９を得ることができる。斜方蒸着を行ったため、冷
陰極９は、図５に示すような柱状構造を構成し、表面に
は電子放出に適した凹凸構造が形成される。なお、冷陰
極９を構成する蒸着材料としては、比較的電子を放出し
やすく、耐熱性、耐腐食性にすぐれたＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，
Ｔａ，Ｎｂ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属を用いるのが
よい。この後、絶縁層４および引出電極５を形成すれ
ば、陰極側の構造は完成する。このような斜方蒸着は、
図３に示すような平面に対して一様に行うことができる
ため、複数の冷陰極９の上面にはほぼ一様に柱状突起が
形成されるようになり、平板型ディスプレイの駆動素子
として用いても画面にムラが生じることはない。

【００１６】もっとも、本発明は図２あるいは図３に示
すような構造の真空マイクロ素子への適用だけに限定さ
れるものではない。図６は、また別な構造をもった真空
マイクロ素子の電子放出側（冷陰極側）の斜視図であ
る。図２に示す構造が縦型と呼ばれるのに対し、図６に
示す構造は横型と呼ばれるものである。基板２０の上に
絶縁層２１を介して平板状の冷陰極２２が形成され、絶
縁層２３を介して引出電極２４が形成されている。電子
は、冷陰極２２の引出電極２４側の電子放出端２２ａか
ら引き出され、図示されていない陽極へと放出される。
この横型では、冷陰極２２と引出電極２４との間隙をか
なり小さくすることができるため、縦型に比べてより低
電圧で電子放出が可能になるという利点がある。このよ
うな横型の真空マイクロ素子においても、本発明は適用
可能である。すなわち、冷陰極２２の少なくとも電子放
出端２２ａの面に上述した斜方蒸着を行い、微細な柱状
突起を多数形成すればよい。

【００１７】以上、本発明を図示する実施例に基づいて
説明したが、本発明はこれらの実施例のみに限定される
ものではなく、この他にも種々の態様で実施可能であ
る。たとえば、上述の実施例では、蒸着材料に電子を衝
突させるＥＢ蒸着により斜方蒸着を行った例を示した
が、蒸着材料をヒータで熱する熱蒸着を用いてもかまわ
ない。また、冷陰極９の形状は円柱状に限定されるもの
ではなく、表面に微細な突起構造が形成されていれば、
全体的な形状はどのようなものでもかまわない。たとえ
ば、基板を回転させながら斜方蒸着を行えば、円錐状の
冷陰極９を形成することも可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係る電子放出用
冷陰極の製造方法によれば、斜方蒸着によって冷陰極を
形成するようにしたため、電子放出に適した表面構造を
もつ電子放出用冷陰極を容易に作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の一般的な縦型真空マイクロ素子の構造を
示す断面図である。

【図２】本発明を適用して製造された縦型真空マイクロ
素子の構造を示す断面図である。

【図３】図２に示す構造をもった真空マイクロ素子を平
面上に配列した状態を示す斜視図である。

【図４】一般的な斜方蒸着の方法を示す図である。

【図５】斜方蒸着によって形成される蒸着層の構造を示
す図である。

【図６】本発明を適用して製造された横型真空マイクロ
素子の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板２…配線層３…冷陰極４…絶縁層５…引出電極６…ガラス基板７…陽極８…蛍光体層９…冷陰極１０…チャンバ１１…基板１２…蒸着層１３…ホルダ１４…るつぼ１５…蒸着材料１６…電子銃２０…基板２１…絶縁層２２…冷陰極２２ａ…電子放出端２３…絶縁層２４…引出電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷陰極と引出電極と陽極とを備え、引出
電極によって冷陰極から電子を引き出してこれを陽極へ
と放出させる装置、に用いられる冷陰極の製造方法にお
いて、冷陰極を形成すべき基板を、チャンバ内において
水平面に対して所定の角度傾斜させた状態で固定し、こ
の基板の主面に対する法線上から外れた位置に蒸着材料
を置き、この蒸着材料を前記基板上に斜方蒸着させるこ
とにより、前記冷陰極の電子放出面を形成することを特
徴とする電子放出用冷陰極の製造方法。