JPH06290703A - 電子放射素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ゲート電極１と離間対向する微小突起状のエミ
ッタ電極２２を至近距離に設置することによってエミッ
タ電極に掛ける負電圧を少なく設定できる電子放射素子
を得ることにある。 【構成】多数の貫通孔１ａを有するゲート電極１と、貫
通孔１ａと対向する部位に微小突起状のエミッタ電極２
２を有するエミッタ基板２０とを絶縁層２を介して積層
した電子放射素子であって、微小突起状のエミッタ電極
２２の突起先端部２２ａが貫通孔１ａの内周縁部の下側
相当部に沿うように複数設けられている電子放射素子及
び電子放射素子の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界放出現象を利用した
電子源に関し、画像表示素子、光プリンタ、照明ランプ
等に応用される電子放射素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常の状態において物体表面から電子を
取り出すためには、その物体の仕事関数に相当するエネ
ルギーを与える必要がある。これは、仕事関数分のエネ
ルギー障壁が存在するためである。

【０００３】そこで、上記エネルギー障壁を打破するた
めに、物体表面に対して強電界をかけると、その障壁の
幅が狭くなり、トンネル現象によって電子が放出され
る。これが電界放出現象である。

【０００４】電場はポアソンの方程式に支配されている
ため、突起があるとその先端部分に電子が集中する。即
ち、突起形状を用いれば、比較的低電圧で電子の電界放
出を起こすことができ、電子源として利用できる。

【０００５】従来、電界放出現象を利用した電子放射素
子の例としては、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ズィックス第４７巻１２号(1976 年12月)5248 〜5263ペ
ージ（Journal of Applied Physics,Vol.47,Number12(D
ecember1976)5248〜5263）に示されたものがある。

【０００６】この電子放射素子は、図３の側断面図に示
すように、貫通孔１ａ（上面から見て円形状の小孔）を
持つゲート電極１と、微小突起状の先端部２２ａを有す
るコーン（Ｃｏｎｅ；円錐）形のエミッタ電極２２を備
えたエミッタ基板２０とを絶縁層２を介して組み合わせ
たものであり、例えばこの電子放射素子を用いて、蛍光
体を塗布したアノード電極（陽極）を、該素子のゲート
電極１側に対向させた画像表示素子等が開発されてい
る。（Japan Display '86 512 〜515 ページ）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の電子放射素子においては、図３に示すように、エミッ
タ電極２２の先端部２２ａとゲート電極１の貫通孔１ａ
内周縁部との間に、比較的離間距離があり、この離間距
離の程度によっては、電子放射素子の電気的特性に少な
からず影響を与えるものであり、素子の良好な動作を得
るためには、エミッタ電極２２に掛ける負電圧（ゲート
電極１の電位に対して負電圧）を、離間距離に見合う相
応の量の電圧に設定する必要がある。

【０００８】また、上記従来の電子放射素子の製造にお
いては、ゲート電極１に孔設した貫通孔１ａを用いてそ
の内部に向かって、ゲート電極１側から例えばＭｏ（モ
リブデン）等のエミッタ材料を蒸着し、貫通孔１ａ内の
エミッタ基板２０（通電領域が形成されている）上にコ
ーン形（円錐状）のエミッタ電極２２を形成するもので
あって、エミッタ電極２２として精度のある微小突起状
の先端部２２ａを形成するためには、ゲート電極１の貫
通孔１ａを１μｍ程度になるべく小さくかつ精度よく形
成することが必要であり、また、高精度のフォトリソグ
ラフィ処方を必要としていた。

【０００９】本発明は、エミッタ電極に掛ける負電圧を
少なく設定できるとともに、高精度のリソグラフィを必
要としない電子源および画像表示素子を提供することを
課題とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数の貫通孔
１ａを有するゲート電極１と、貫通孔１ａと対向する部
位に微小突起状のエミッタ電極２２を有するエミッタ基
板２０とを絶縁層２を介して積層した電子放射素子であ
って、微小突起状のエミッタ電極２２の突起先端部２２
ａが前記貫通孔１ａの内周縁部の下側相当部に沿うよう
に複数設けられていることを特徴とする電子放射素子で
ある。

【００１１】また、本発明は、エミッタ基板上に第１マ
スク層を多数の円形ドットパターン状にパターニングす
る第１マスク層形成工程と、第１マスク層を介してエミ
ッタ基板表面を異方性エッチング法にてエッチングして
正四角錐台形を形成する異方性エッチング工程と、該エ
ミッタ基板表面に絶縁層とゲート電極層と第２マスク層
とをこの順に製膜する製膜工程と、前記第１マスク層上
の第２マスク層のみを除去するために第３マスク層を形
成する第３マスク層形成工程と、貫通孔を形成するため
にドライエッチングにより第１マスク層上の第２マスク
層のみを部分エッチング除去する第２マスク層部分エッ
チング除去工程と、除去された第２マスク層部分のエミ
ッタ基板を垂直方向にドライエッチングして貫通孔を孔
設し且つエミッタ基板に微小突起状の複数の先端部を備
えたエミッタ電極を形成するエミッタ電極形成工程と、
孔設した貫通孔内周側の絶縁層のみを部分エッチング除
去してゲート電極層とエミッタ電極との間を離間させる
絶縁層部分エッチング除去工程を含むことを特徴とする
電子放射素子の製造方法である。

【００１２】

【実施例】本発明の電子放射素子を実施例に従って以下
に詳細に説明すれば、図１（ａ）は、本発明の電子放射
素子の一実施例における側断面図、図１（ｂ）はその部
分斜視図、図１（ｃ）は他の実施例における部分斜視図
である。

【００１３】本発明の一実施例における電子放射素子
は、図１（ａ）に示すように、ゲート電極１とエミッタ
基板２０とが、その間に絶縁層２を介在させて、互いに
対向するように積層されているものである。

【００１４】また、図１（ａ）に示すように、ゲート電
極１には、多数の微細な貫通孔１ａが孔設されており、
各々貫通孔１ａ内におけるエミッタ基板２０上の該貫通
孔１ａと対向する部位には、該貫通孔１ａの内周縁部の
下側相当部に沿って微小突起状の複数の先端部２２ａを
導電状態（通電可能な状態）に備えたエミッタ電極２２
が設けられている。

【００１５】ゲート電極１を基準として、エミッタ電極
２２（導電領域２１）側に、該電極２２が負電位となる
向きに電圧を印加すると、エミッタ電極２２の微小突起
状の先端部２２ａから電子が放出されるものである。

【００１６】エミッタ電極２２の複数の先端部２２ａは
貫通孔１ａの内周縁部下側相当部に沿って設けられ、エ
ミッタ電極２２の各先端部２２ａは、ゲート電極１に対
して十分に接近した離間距離をもって設置されており、
その離間距離が減少するほど、所定印加電圧に対する突
起状の各先端部２２ａ近傍の電界強度が上がり、先端部
２２ａからの電子放射開始電圧の閾値が低下方向に向か
い、また所定印加電圧に対する電子放射量が増大の方向
に向かう。

【００１７】本発明の電子放射素子における図１（ａ）
に図示した一実施例にけるエミッタ電極２２の具体的な
外観形状の一例としては、図１（ｂ）に示すようなもの
であり、エミッタ基板２０の導電領域２１上に設けられ
た正多角錐台形、例えば正四角錐台形の正四角形上面の
内接円より大きく、且つ該正四角錐台形の正四角形底面
各辺の内接円より小さい直径を有する円周の内部をくり
抜いた形状であって、その四つの稜線の上端部が微小突
起状の先端部２２ａとなっているものである。なお、導
電領域２１は、公知のフォトリソグラフ法にて導電材を
パターン形成したもの、若しくはイオン注入法にてエミ
ッタ基板２０及びエミッタ電極２２に導電性を付与した
ものである。

【００１８】図１（ｂ）に図示するものは、正四角錐台
形の正四角形上面各辺に内接する円周の内部を、その導
電領域２１が上方から露呈されるようにくり抜いた形状
であるが、他の例としては、図示しないが、例えば、導
電領域２１が上方から露呈されない程度に、その正四角
錐台形の正四角形上面各辺に内接する円周の内部をくり
抜くようにしてもよい。

【００１９】また、図１（ｃ）に示すように、エミッタ
基板２０の導電領域２１上に設けられた正多角錐台形、
例えば正四角錐台形の正四角形底面各辺の内接円より大
きい直径を有する円周の内部をくり抜いた形状であって
もよい。この場合には、エミッタ電極２２は導電領域２
１上にて四つに分割されるものである。

【００２０】次に、本発明の上記微細突起状の複数の先
端部２２ａをもったエミッタ電極２２を備える電子放射
素子の製造方法について、図２に示す製造工程に従って
以下に詳細に説明する。

【００２１】その製造は異方性エッチング法を用いた工
程によって行われ、まず図２（ａ）単結晶を用いたエミ
ッタ基板２０上に製膜層１１を形成し、図２（ｂ）該製
膜層１１を円形ドットパターン状にパターニングして第
１マスク層１２を形成する。

【００２２】続いて、図２（ｃ）該ドットパターン状の
第１マスク層１２をエッチングレジストパターンとして
ウエットエッチンク方式にて異方性エッチングを行うこ
とにより、各第１マスク層１２の下側に相当するエミッ
タ基板２０（単結晶）は、傾斜する台形側面１２ａをも
った所定の角数の多角錐台形状にエッチング形成され
る。

【００２３】次に、図２（ｄ）多角錐台形状にエッチン
グ形成されたエミッタ基板２０（単結晶）上に全面的
に、絶縁層１３と、ゲート電極層１４（後にゲート電極
１となる層）と、第２マスク層１５とをこの順に積層す
る。

【００２４】続いて、図２（ｅ）第２マスク層１５上
に、第３マスク層１６（レジスト層）を積層する。この
場合、多角錐台形状にエッチング形成されたエミッタ基
板２０の小高い部位にある第１マスク層１２上側相当部
分に積層された第３マスク層１６の膜厚は比較的薄膜状
に形成されるが、第１マスク層１２上側相当部分以外の
部分では比較的厚膜状の第３マスク層１６が形成される
ものである。

【００２５】次に、図２（ｆ）第３マスク層１６上よ
り、該第３マスク層１６をドライエッチング可能なガス
を用いて均一にドライエッチングすることによって、第
１マスク層１２上側相当部分の薄膜状の第３マスク層１
６がエッチング除去され、それによって、続いて第１マ
スク層１２上側相当部分の第２マスク層１５，ゲート電
極層１４，絶縁層１３がエッチング除去される。この場
合、第１マスク層１２上側相当部分以外の部分にある厚
膜状の第３マスク層１６はその表面側がエッチングされ
るだけであってそのまま残存する。

【００２６】次に、第１マスク層１２及び第３マスク層
１６上より、両マスク層１２，１６をドライエッチング
可能なガスによってエッチング除去し、さらにドライエ
ッチングを継続しながら、図２（ｇ）第２マスク層１５
をその周囲のマスクレジストとして、第１マスク層１２
形成部分に相当するエミッタ基板２０の小高い多角錐台
形状の多角形上面を、該エミッタ基板２０に対して垂直
にエッチングすることにより、適当な深度の平面円形状
の孔設部１７（貫通孔１ａ相当）を孔設する。

【００２７】これによって、小高い部分のエミッタ基板
２０の異方性エッチング傾斜面２０ａと孔設部１７の垂
直方向のエッチング内側面とによる微小突起状の複数の
先端部２２ａをもつエミッタ電極２２（図１（ａ），
（ｂ），（ｃ）参照）が形成される。

【００２８】なお、上記実施例において垂直方向のエッ
チングにより孔設される前記孔設部１７の平面形状及び
直径サイズは、前記第１マスク層１２のそれに該当し、
エッチングされるエミッタ基板２０の小高い多角錐台形
の多角形上面に内接する内接円の直径相当であって、且
つ底部多角形面の内接円よりも小さいものであり、本発
明の第１図（ｂ）に示すような多角錐台形の底部が連続
した形状のエミッタ電極２２が形成される。

【００２９】例えば図１（ｃ）に示すような多角錐台形
の底部が分割された不連続形状をしたエミッタ電極２２
を形成する場合には、孔設部１７の直径を拡げるような
操作が必要であり、図２（ｇ）に示した第１マスク層１
２形成部分に相当するエミッタ基板２０の小高い多角錐
台形状の多角形上面をエミッタ基板２０に対して垂直に
エッチングする際のエッチング条件、エッチング操作を
強化する等の対策が必要である。

【００３０】続いて、図２（ｈ）第２マスク層１５を必
要に応じて剥離除去した後、エミッタ基板２０上側より
ゲート電極層１４（ゲート電極１となる部分）とエミッ
タ基板２０とによって挟まれている絶縁層２を、ゲート
電極層１４をエッチングしないエッチャントを用いてエ
ッチングすることにより、孔設部１７内側の絶縁層２が
エッチング除去される。

【００３１】これによって、ゲート電極層１４によるゲ
ート電極１と、該ゲート電極１に対して絶縁層２の膜厚
分だけ下側に離間する微小突起状のエミッタ電極２２の
複数の先端部２２ａが形成され、貫通孔１ａを備えたゲ
ート電極１と、貫通孔１ａの内周縁部の下側に沿って、
絶縁層２の膜厚分だけ離間して対向する微小突起状の複
数の先端部２２ａが形成されたエミッタ電極２２を備え
たエミッタ基板２０とが、絶縁層２を介して積層された
本発明の電子放射素子が得られるものである。

【００３２】次に本発明の電子放射素子の製造方法につ
いての具体的実施例を以下に示す。

【００３３】＜実施例１＞エミッタ基板には、結晶構造
面として（１００）面を表面とするシリコン単結晶基板
を使用した。

【００３４】まず、エミッタ基板２０上に、第１マスク
形成層１１として、熱酸化によりＳｉＯ₂ 膜を０．５μ
ｍの膜厚に形成し（図２（ａ）参照）、続いてフォトエ
ッチングにより、該第１マスク層１２（ＳｉＯ₂ 膜）
を、直径４μｍの多数の円形ドットパターン状にパター
ニングする。（図２（ｂ）参照）

【００３５】次に、この第１マスク層１２をエッチング
レジストとして、水酸化カリウム系エッチャントを用い
て適当な条件で深さ１μｍの異方性のウエットエッチン
グを行うと、（１００）面の方向に正四角形面、（１１
１）面の方向に斜面をもつ正四角錐台形に近似した形状
の小高い凸部が形成される。（図２（ｃ）参照）

【００３６】次に、絶縁層２として、ＳｉＯ₂ を膜厚
０．２μｍ、ゲート電極層１４（後にゲート電極１とな
る）として、Ｍｏ（モリブデン）を膜厚０．２μｍ、第
２マスク層１５として、アルミニウムを膜厚０．１μｍ
それぞれ製膜する。（図２（ｄ）参照

【００３７】次に、第１マスク層１２上の第２マスク層
１５（アルミニウム）のみを除去するため、まず、レジ
ストをスピンコートして第３マスク層１６を形成し（図
２（ｅ）参照）、続いて塩素系ガスでドライエッチング
を行って、第１マスク層１２上の第２マスク層１５をエ
ッチング除去する。（図２（ｆ）参照）

【００３８】第１マスク層１２上の第２マスク層１５
（アルミニウム）を除去した後、フッ素系ガスを用いて
ドライエッチングを行う。その場合、第２マスク層１５
のアルミニウムがマスクとなり、先ほどの第１マスク層
１２があった部分のみがエミッタ基板２０に対して垂直
方向にエッチングされ、所定の深度の孔設部１７が形成
される。（図２（ｇ）参照）

【００３９】最後に、エミッタ基板２０の先端部２２ａ
付近の絶縁層２を、フッ酸系エッチャントを用いて除去
することにより、電子放射素子が完成した。（図２
（ｈ）参照）

【００４０】上記具体的実施例１においては、エミッタ
基板２０のエミッタ電極２２に適宜イオン注入法によっ
て導電性を付与するか、若しくは前記第１マスク形成層
１１を形成する以前に、エミッタ電極２２となる領域の
エミッタ基板２０に対して適宜イオン注入法によって導
電性を付与するようにしてもよいし、あるいは、前記第
１マスク形成層１１を形成する以前に、ニッケル（Ｎ
ｉ）等の導電性材料を０．２μｍ蒸着して積層し、フォ
トリソグラフ法によってエミッタ電極２２の形成される
領域にストライプ状にパターニング加工して導電領域２
１（通電領域）を設けるようにしてもよい。

【００４１】エミッタ基板２０に用いる基板材料として
は、シリコンの（１００）面に限らず他の面や、あるい
はＧａＡｓ基板等を用いてもよい。ただし、その場合基
板に合わせてエッチャントやエッチング条件を変更する
必要があることは言うまでもない。第１マスク層、絶縁
層、ゲート電極層、第２マスク層に関しても、上記の材
料に限定されるものではない。例えば、ゲート電極層に
は、Ｗ，Ｎｂ，Ａｕ等が、また、第２マスク層にはＣｒ
（クロム）が使用できる。

【００４２】こうして作製した電子放射素子と、透明電
極と電子線励起の蛍光体とを具備する透明基板とを組み
合わせることにより、発光素子や画像表示素子を作製で
きることは言うまでもない。

【００４３】

【作用】本発明の電子放射素子は、貫通孔１ａを有する
ゲート電極１と、該貫通孔１ａと離間対向して電子放出
用微小突起状のエミッタ電極２２を有するエミッタ基板
２０とを互いに絶縁層２を介して積層した電子放射素子
において、微小突起状のエミッタ電極２２の突起先端部
２２ａが前記貫通孔１ａの内周縁部の下側相当部に沿う
ように複数設けられているので、エミッタ電極２２の微
小突起状の複数の先端部２２ａがゲート電極１に近いこ
とにより、突起先端にかかる電界が大きいという作用が
ある。これにより電子放射素子の電子放射開始電圧の閾
値の低下、電流量の増大化等の電気的特性の改善ができ
る。

【００４４】また、本発明の電子放射素子の製造方法
は、高精度のリソグラフィを用いることなく、結晶の異
方性を利用したウエットエッチング方式により、比較的
に容易に複数の微小突起状の先端部２２ａをもつエミッ
タ電極２２を備え、且つ該エミッタ電極２２の先端部２
２ａに対して絶縁層２の膜厚分だけ僅かに離間対向させ
た状態のゲート電極１を備えた電子放射素子を作製でき
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明の電子放射素子は、電子放射開始
電圧の閾値の低下を図ることができ、電流量の増大化等
の電気的特性の改善ができるという効果があり、また本
発明の製造方法では、このような電子放射素子を高精度
のリソグラフィを用いることなく結晶の異方性を利用し
たウエットエッチング法により比較的容易に形成できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の電子放射素子の一実施例の構
造を示す側断面図、（ｂ）はその部分斜視図、（ｃ）は
その他の実施例の部分斜視図である。

【図２】（ａ）〜（ｈ）は本発明の電子放射素子の製造
工程を示す説明図である。

【図３】従来の電子放射素子の構造の一例を示す説明図
である。

【符合の説明】

１ …ゲート電極 １ａ…貫通孔 ２…絶縁層 １１…第１マスク形成層 １２…第一マスク層 １４…ゲート電極層 １５…第２マスク層 １６…第３
マスク層 １７…孔設部 ２０…エミッタ基板 ２０ａ…傾斜面 ２１…導電領域
２２…エミッタ電極 ２２ａ…エミッタ電極の先端部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の貫通孔１ａを有するゲート電極１
   と、貫通孔１ａと対向する部位に微小突起状のエミッタ
   電極２２を有するエミッタ基板２０とを絶縁層１３を介
   して積層した電子放射素子であって、微小突起状のエミ
   ッタ電極２２の突起先端部２２ａが前記貫通孔１ａの内
   周縁部の下側相当部に沿うように複数設けられているこ
   とを特徴とする電子放射素子。
2. 【請求項２】エミッタ基板上に、第１マスク層を多数の
   円形ドットパターン状にパターニングする第１マスク層
   形成工程と、第１マスク層を介してエミッタ基板表面を
   異方性エッチング法にてエッチングして正四角錐台形を
   形成する異方性エッチング工程と、該エミッタ基板表面
   に絶縁層とゲート電極層と第２マスク層とをこの順に製
   膜する製膜工程と、前記第１マスク層上の第２マスク層
   のみを除去するために第３マスク層を形成する第３マス
   ク層形成工程と、貫通孔を形成するためにドライエッチ
   ングにより第１マスク層上の第２マスク層のみを部分エ
   ッチング除去する第２マスク層部分エッチング除去工程
   と、除去された第２マスク層部分のエミッタ基板を垂直
   方向にドライエッチングして貫通孔を孔設し且つエミッ
   タ基板に微小突起状の複数の先端部を備えたエミッタ電
   極を形成するエミッタ電極形成工程と、孔設した貫通孔
   内周側の絶縁層のみを部分エッチング除去してゲート電
   極層とエミッタ電極との間を離間させる絶縁層部分エッ
   チング除去工程を含むことを特徴とする電子放射素子の
   製造方法。