JPH09320454A

JPH09320454A - 冷電子放出素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09320454A
Application number: JP15306396A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ishizaki; 守石▼崎▲; Teruhiko Kai; 輝彦甲斐; Ihan Sen; 懿範錢
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1996-05-25
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】作製が容易で、電流の分配率が大きく、機械
的強度が大きい冷電子放出素子を提供する。【解決手段】基板４と、その上に形成されたエミッタ
１と、そのエミッタ１を囲むように基板４上に形成され
た絶縁層３と、その絶縁層３上に形成されたゲートとを
有し、エミッタ１とゲート２との間に電圧を印加するこ
とにより生ずる電界によりエミッタ１から冷電子を放出
させる冷電子放出素子において、エミッタ１が筒形状を
有する筒状エミッタ１であり、且つその筒状エミッタ１
の中心軸Ｘが基板４に対し略垂直となるように筒状エミ
ッタ１を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フラットパネルデ
ィスプレイ型の画像表示装置、光プリンタ、電子顕微
鏡、電子ビーム露光装置、あるいは照明ランプ等の電子
源として用いることのできる冷電子放出素子及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体表面から外部へ電子を放出させるた
めには、通常、その物体表面の仕事関数に相当するエネ
ルギーを電子に付与する必要がある。これは、仕事関数
に相当するエネルギー障壁が物体表面に存在するためで
ある。

【０００３】物体表面に存在する電子にエネルギーを付
与する方法としては、物体をある程度以上の高温に加熱
する方法がよく知られている。熱により、前述のエネル
ギー障壁を超えるに足る運動エネルギーを獲得した電子
は、物体表面から外部へと放出される。このように熱に
より電子が放出される現象は、一般に熱電子放出現象と
称され、放出された電子は熱電子と呼ばれている。ま
た、熱電子を放出する陰極は熱陰極と呼ばれている。

【０００４】一方、物体を高温に加熱することなく、物
体から電子を放出させる方法として、物体表面に対して
電界を印加する方法が知られている。この方法において
は、物体表面に電界を印加することにより、前述のエネ
ルギー障壁の幅が電界の強度に応じて次第に狭くなり、
特に電界強度が約１０⁷V/cm以上の強電界となると、い
わゆるトンネル効果によって電子が前記のエネルギー障
壁を突破し、物体表面から外へ放出される。このように
電界の印加により電子が放出される現象は、いわゆる電
子の電界放出現象又は強電界放出現象と称され、放出さ
れた電子は冷電子（電界放出電子又は強電界放出電子）
と呼ばれている。また、冷電子を放出する陰極を冷陰極
と呼ばれている。

【０００５】電子の電界放出現象は、前記のような熱電
子放出現象とは原理が異なるものであり、その原理の違
いに起因して数々の優れた特長を有している。

【０００６】例えば、電場はポアソンの方程式に支配さ
れているため、電極に突起が存在する場合にはその突起
の先端に電界が集中する。従って、電極を突起形状とす
ることにより、比較的低電圧で電界放出を起こすことが
でき、このような突起形状の電極を電子源として利用す
ることができる。

【０００７】電界放出現象を電子源として利用した一例
としては、図６（同図（Ａ）上面図、同図（Ｂ）断面
図）に示す冷電子放出素子が知られている。この素子
は、基板６４上に円錐形状のコーン形エミッタ６１を備
えており、そのエミッタ６１の先端を囲むように、絶縁
層６３を介して配されたゲート６２を有している。そし
てエミッタ６１とゲート６２との間に電圧を印加するこ
とにより、エミッタコーン先端６１ａに電界が集中し、
そこから電子が放出される。

【０００８】また、別の冷電子放出素子の例として図７
（同図（Ａ）上面図、同図（Ｂ）断面図）に示すものが
知られている。この素子は、基板７４上に円板形状のデ
ィスク形エミッタ７１を備えており、そのエミッタ７１
の周囲を囲むように、絶縁層７３を介して配されたゲー
ト７２を有している。そしてエミッタ７１とゲート７２
との間に電圧を印加することにより、エミッタディスク
の上面のエッジ７１ａに電界が集中し、そこから電子が
放出される。

【０００９】また、別の冷電子放出素子の例として図８
（同図（Ａ）上面図、同図（Ｂ）断面図）に示すものも
知られている。この素子も、基板上８４にクレータ形状
のクレータ型エミッタ８１を備えており、そのエミッタ
８１の周囲を囲むように、絶縁層８３を介して配された
ゲート８２を有している。そしてエミッタ８１とゲート
８２との間に電圧を印加することにより、クレータ型エ
ミッタ８１の頂上エッジ８１ａに電界が集中し、そこか
ら電子が放出される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
冷電子放出素子の場合、そのコーン形エミッタを作製す
るためにはサブミクロンレベルのパターニング技術や、
斜め蒸着工程といった複雑な工程が必要であり、大面積
に均一な素子を形成することはかなり難しいという問題
があった。

【００１１】また、図８の冷電子放出素子の場合も、そ
のクレータ形エミッタを作製するためには、斜め蒸着工
程こそ必要でないものの、サブミクロンレベルのパター
ニング技術が必要であり、大面積に均一な素子を形成す
ることはかなり難しいという問題があった。

【００１２】更に、どちらの冷電子放出素子の場合も、
エミッタの高さの制御が非常に難しいという問題があっ
た。これらの問題は、コーン形状もしくはクレータ形状
のエミッタを作製する際に、厚い部分から徐々に尖らせ
つつ所望の形状を得るという製法に原理的に起因してい
る。例えば、コーン型エミッタを作製する場合、円形の
穴パターンが形成されているゲートを蒸着マスクとして
使用してエミッタ材料を基板上に蒸着するが、この時、
ゲート上に堆積したエミッタ材料の穴パターンの穴径が
徐々に小さくなるので、それに応じて円形の穴パターン
内に形成されるエミッタ材料層の径が次第に小さくな
り、最終的にはエミッタの先端が尖鋭化する。従って、
穴のわずかな寸法誤差や蒸着物の付き方の微妙な相違等
によりエミッタ形状（特に高さ）が意図したものから大
幅に外れてしまうという問題があった。

【００１３】また、一般的に、エッチングにより被エッ
チング材の幅を狭めて先端を尖らせる場合には、わずか
なエッチング時間の制御ミス等により、意図した高さか
ら大きく外れてしまうという問題があった。

【００１４】また、図７の冷電子放出素子のディスク形
エミッタを作製する場合、サブミクロンではなく数μｍ
オーダーのパターニング技術があればよく、また、蒸
着、スパッタ、反応性イオンエッチング等の一般的な工
程を用いることができるので、エミッタの高さや形状の
ばらつきを小さくすることができ、従って大面積に均一
な素子を作製できる。

【００１５】しかしながら、ディスク形エミッタの場
合、エミッタから放出された電子の一部が、ゲート７２
の穴を通過できずに、ゲート７２に入射してしまうの
で、冷電子放出素子から放出される電子のうち有効に利
用できる電子の割合（以下、分配率と呼ぶ）が１０％程
度と非常に低いという問題があった。この原因は、ディ
スク形エミッタ７１のエッジ７１ａの断面の角度が直角
であり、従って、電界が集中するエッジ先端の方向（即
ち、電子の放出方向）は、基板７４の垂線から４５°傾
いた方向となっているので、エッジ先端から放出された
電子の多くはゲート７２に入射し、アノード（図示せ
ず）に到達できないためである。

【００１６】本発明は、以上の従来の技術の課題を解決
しようとするものであり、簡単な工程で高さのそろった
均一な複数の素子を作製でき、かつ、分配率が高い冷電
子放出素子を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、冷電子放出
素子のエミッタとして筒状エミッタを使用し、その中心
軸が基板に対し略垂直となるような構造とすることによ
り、分配率を高めることができ、しかもそのようなエミ
ッタを、簡単な工程で高さのそろった均一なものに作製
できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

【００１８】即ち、本発明は、基板と、その上に形成さ
れたエミッタと、そのエミッタを囲むように基板上に形
成された絶縁層と、その絶縁層上に形成されたゲートと
を有し、エミッタとゲートとの間に電圧を印加すること
により生ずる電界によりエミッタから冷電子を放出させ
る冷電子放出素子において、エミッタが筒形状を有する
筒状エミッタであり、且つその筒状エミッタの中心軸が
基板に対し略垂直となるように筒状エミッタが配置され
ていることを特徴とする冷電子放出素子を提供する。

【００１９】また、本発明は、基板と、その上に形成さ
れたエミッタと、そのエミッタを囲むように基板上に形
成された絶縁層と、その絶縁層上に形成されたゲートと
を有し、エミッタとゲートとの間に電圧を印加すること
により生ずる電界によりエミッタから冷電子を放出させ
る冷電子放出素子であって、エミッタが筒形状を有する
筒状エミッタであり、且つその筒状エミッタも中心軸が
基板に対し略垂直となるように筒状エミッタが配置され
ている冷電子放出素子の製造方法において、基板上に柱
状の支持体を形成し、形成された支持体の側面にエミッ
タ用材料をＣＶＤ法により堆積させることによりエミッ
タを形成し、そしてエミッタを囲むように基板上に絶縁
層とゲートとを順次形成することを特徴とする冷電子放
出素子の製造方法を提供する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の冷電子放出素子の好まし
い態様の上面図（同図（Ａ））及び（同図（Ｂ））の断
面図である。

【００２２】この冷電子放出素子は、基板４上に筒状エ
ミッタ１を備えており、その筒状エミッタ１の先端を囲
むように、絶縁層３を介して配されたゲート２を有して
いる。ここで、筒状エミッタ１は、その中心軸Ｘが基板
４に対し垂直となるように基板４に配置されている。ま
た、その厚みが薄いために、外周側エッジと内周側エッ
ジとに分離した形状ではなく、単独のエッジ１ａが上向
きに形成される。従って、エミッタ１に電圧が印加され
ると、電子のほとんどは基板の垂直方向に放出され、９
０％以上の分配率でアノードに到達させることができ
る。ここで、略垂直な方向の範囲としては、極端に分配
率を低下させないようにするために、９０°±３０°の
範囲とすることが好ましい。

【００２３】なお、筒状エミッタ１は、後述するよう
に、徐々に尖らせて形成するのではなく、ＣＶＤ法によ
り容易且つ大面積で均一な高さに形成することができ
る。また、筒状エミッタ１の厚みを薄くすることができ
るので、筒状エミッタ１のエッジ１ａに集中する電界が
大きくなり、低電圧で大電流を放出することが可能とな
る。

【００２４】なお、図１の態様においては、筒状エミッ
タ１の中空部１の内部には筒状エミッタ１を保持する柱
状の支持体５が形成されている。この支持体５は必須の
ものではないが、支持体５を設けることにより筒状エミ
ッタ１の機械的強度を高めることができるので好まし
い。この場合、支持体５は基板４と別部材として形成し
てもよく、図１のように基板４と一体的に形成してもよ
い。

【００２５】図１の態様においては、エミッタ配線層は
特に設けてはいないが、この場合には基板４を導電性材
料から形成することによりエミッタ配線層として機能さ
せればよい。また、図３に示すように、基板４を絶縁性
材料から形成し、基板４と筒状エミッタ１との間にエミ
ッタ配線層７を設けてもよい。

【００２６】また、筒状エミッタ１のエッジ１ａと支持
体５の表面５ａとの位置関係は、両者が同一レベルで
も、いずれかが上方に突き出たものとなってもよいが、
電子の分配率を向上させるためにはエッジ１ａが支持体
５の表面５ａより上方に突き出るように形成することが
好ましい（図１及び図３参照）。

【００２７】筒状エミッタ１の形状としては、筒形状を
保つことができる限り種々の形状をとることができる。
例えば、図１や図３のような断面が円形となる筒形状や
図５に示すような断面が矩形となる筒形状、更に、断面
が星形や三角形となる筒形状（図示せず）等をとること
ができる。

【００２８】次に、本発明の冷電子放出素子の各構成要
素についてより詳しく説明する。

【００２９】筒状エミッタ１は、その表面から電子を直
接的に放出する部材であり、金属あるいはそのシリサイ
ド、炭化物、窒化物、ホウ化物等から形成することがで
きるが、耐熱性、導電性の点からタングステンから形成
することが好ましい。

【００３０】筒状エミッタ１の（高さ）は、必要に応じ
て適宜決定することができるが、通常０．５〜１．５μ
ｍとすることが好ましい。

【００３１】ゲート２は、エミッタ１に強電界を集中さ
せるための電極である。ゲート２の材料としては、リフ
トオフ時に使用するエッチング液に耐性を有する材料を
使用することができ、好ましくはＣｒ、Ｗ、Ｔａ又はＮ
ｂを挙げることができる。中でも、Ｎｂを使用すること
が好ましい。

【００３２】ゲート２の厚みは、必要に応じて適宜決定
することができるが、好ましくは０．１〜０．５μｍで
ある。

【００３３】絶縁層３の厚みは、基板４もしくはエミッ
タ配線層７とゲート２との間に十分な絶縁性が保たれる
とともに、エミッタ先端近傍にゲート２が配置されるよ
うな厚みとする。例えば、エミッタの高さに相当する厚
みから、それより０．５μｍ程度厚い厚さまでとする。

【００３４】基板４は、冷電子放出素子の支持基板とし
て用いられており、大面積化が特に容易な基板を好まし
く使用することができる。このような基板としては、絶
縁性のものとしては、石英基板、セラミックス基板、ガ
ラス基板などを使用することができる。単結晶Ｓｉの表
面に絶縁膜が形成された基板も使用することができる。
導電性のものとしては、単結晶シリコンなどを使用する
ことができる。

【００３５】支持体５は、筒状エミッタ１の内部に形成
され、筒状エミッタ１の機械的強度を向上させる役割を
果たす。また、後述するように、筒状エミッタ１をその
周囲に形成させるベースとして利用することができる。
このような支持体５は、筒状エミッタ１などの材質に応
じて、単結晶あるいは非晶質シリコン等から形成するこ
とができる。

【００３６】支持体５の形状や大きさは、筒状エミッタ
１の中空部の形状や大きさに従うが、その高さについて
は、筒状エミッタ１のエッジ１ａよりも低くなるように
することが好ましい。

【００３７】エミッタ配線層７は、配線抵抗が低く、基
板４との密着性が良好な材料から形成する。更に、後述
する支持体５の形成の際に利用するＲＩＥに耐性を有す
る材料が望ましい。このような材料として、好ましくは
Ｃｒ等を挙げることができる。

【００３８】エミッタ配線層７の膜厚としては、十分な
配線抵抗と密着性が得られ、且つ上層の構造をあまり乱
さない程度の厚み、例えば０．０５〜０．５μｍ、好ま
しくは０．１〜０．３μｍである。

【００３９】次に、本発明の冷電子放出素子の製造方法
を説明する。

【００４０】まず、基板上に柱状の支持体を形成する。
この場合、柱状の支持体が形成されるように基板を公知
のエッチング法（例えばＲＩＥ）を利用して加工しても
よく、一面に堆積した後に公知のエッチング法を利用し
て支持体を形成してもよい。

【００４１】次に、形成された支持体の少なくとも側面
に、エミッタ用材料をＣＶＤ法により堆積させる。これ
により筒状エミッタが形成される。この場合、基板上に
堆積したエミッタ用材料は、必要に応じて公知のドライ
エッチング法を利用して除去してもよい。

【００４２】次に、基板の筒状エミッタを形成した面の
全面に、絶縁層用材料とゲート用材料とを真空蒸着法や
ＣＶＤ法やスパッタ法などにより堆積する。この時、支
持体上に形成された絶縁層用材料の層とゲート用材料の
層とは、緩衝フッ酸などによりリフトオフすることがで
きる。これにより本発明の冷電子放出素子が製造でき
る。

【００４３】なお、基板上に絶縁層とゲートとを順次形
成した後に、筒状エミッタのエッジが支持体の表面より
上方に突き出るように支持体の表面をエッチングするこ
とがより好ましい。

【００４４】本発明の冷電子放出素子の製造方法を、図
面を参照しながら更に詳細に説明する。

【００４５】図２は、図１の冷電子放出素子の製造工程
図である。

【００４６】まず、エミッタへ電流を流すためのエミッ
タ配線層としても機能する導電性の基板（例えばＳｉ
（シリコン）等）４を用意する（図２（ａ））。

【００４７】次に、この基板４に支持体を形成する。そ
の方法としては、例えば、熱酸化またはＣＶＤ等の方法
によりマスク材料（例えば、ＳｉＯ₂）の薄膜を形成
し、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用
する公知のフォトエッチング技術を利用して支持体を形
成するための円形のパターン６を作製する（図２
（ｂ））。次に、この円形パターン６をエッチングマス
クとして、基板４を公知のエッチング法を利用してエッ
チングし、支持体５を作製する（図２（ｃ））。例え
ば、基板４がシリコンで、円形パターン６がＳｉＯ₂で
ある場合、ＳＦ₆ガスを用いた反応性イオンエッチング
を利用して行うことが好ましい。

【００４８】次に、支持体５の側面に筒状エミッタ１を
形成する（図２（ｄ））。この場合、ＷＦ₆を用いたＣ
ＶＤ法を利用することにより、ＳｉＯ₂である円形パタ
ーン６上に付着させることなく、シリコンからなる支持
体５の側面に、筒状エミッタ１となるＷを均一に形成す
ることができる。なお、基板４の平面上に付着したＷは
必要に応じて公知のドライエッチング法を利用して容易
に除去することができる。

【００４９】次に、筒状エミッタ１を囲むように基板４
上にＳｉＯ_xなどからなる絶縁層３を蒸着法などにより
形成する。更に、その上にＮｂなどからなるゲート２を
蒸着法などにより形成する（図２（ｅ））。このとき、
ゲート２が筒状エミッタ１の先端と同等か、それよりも
やや高い位置に形成する。

【００５０】次に、緩衝フッ酸などのリフトオフ用エッ
チング液でエッチングすることにより、筒状エミッタ１
及び支持体５上に形成された絶縁材料層３´とゲート材
料層２´とをリフトオフする。その後、フォトリソグラ
フィ及びＳＦ₆を用いた反応性イオンエッチングなどに
より、ゲート配線（図示せず）を作製する。これによ
り、図２（ｆ）に示す冷電子放出素子が得られる。

【００５１】更に、必要に応じて、全体に軽くＳＦ₆な
どによる反応性イオンエッチングを行うことにより、支
持体５をエッチングし、その表面を相対的に凹ますこと
により図１に示すような冷電子放出素子が得られる（図
２（ｇ））。

【００５２】次に図３の冷電子放出素子の製造工程を図
４に説明する。

【００５３】まず、絶縁性の基板４（例えばガラス基板
等）上に、エミッタ配線材料（例えばＣｒ膜）をスパッ
タあるいは真空蒸着等の方法によって成膜し、公知のフ
ォトエッチング技術を利用してエミッタ配線７に加工す
る（図４（ａ））。

【００５４】その上に、スパッタまたはＣＶＤ等の方法
により、支持体材料（例えばシリコン）の層５´を成形
し、スパッタ又はＣＶＤ等の方法によりマスク材料（例
えば、ＳｉＯ₂）の薄膜を形成し、公知のフォトエッチ
ング技術を利用して支持体を形成するための円形のパタ
ーン６を作製する（図４（ｂ））。次に、この円形パタ
ーン６をエッチングマスクとして、支持体材料層５´を
公知のエッチング法を利用してエッチングし、支持体５
を作製する。例えば、支持体材料層５´がシリコンで、
円形パターン６がＳｉＯ₂である場合、ＳＦ₆ガスを用い
た反応性イオンエッチングを利用して行うことが好まし
い。

【００５５】次に、支持体５の側面に筒状エミッタ１を
形成する（図４（ｄ））。この場合、ＷＦ₆を用いたＣ
ＶＤ法を利用することにより、ＳｉＯ₂である円形パタ
ーン６上に付着させることなく、シリコンからなる支持
体５の側面に筒状エミッタ１となるＷを均一に形成する
ことができる。

【００５６】次に、筒状エミッタ１を囲むように基板４
上にＳｉＯ_xなどからなる絶縁層３を蒸着法などにより
形成する。更に、その上にＮｂなどからなるゲート２を
蒸着法などにより形成する（図４（ｅ））。このとき、
ゲート２が筒状エミッタ１の先端と同等か、又はそれよ
りもやや高い位置に形成する。

【００５７】次に、緩衝フッ酸などのリフトオフ用エッ
チング液でエッチングすることにより、筒状エミッタ１
及び支持体５上に形成された絶縁材料層３´とゲート材
料層２´とをリフト・オフする。その後、フォトリソグ
ラフィ及びＳＦ₆を用いた反応性イオンエッチングなど
により、ゲート配線（図示せず）を作製する。これによ
り、図４（ｆ）に示す冷電子放出素子が得られる。

【００５８】更に、必要に応じて、全体に軽くＳＦ₆な
どによる反応性イオンエッチングを行うことにより、支
持体５をエッチングし、その表面を相対的に凹ますこと
により図３に示すような冷電子放出素子が得られる（図
４（ｇ））。

【００５９】なお、断面が矩形の筒状エミッタ１を有す
る冷電子放出素子（図５）を製造する場合には、図４
（ｂ）で説明した円形パターン６を矩形パターンに変更
する以外は、図３の冷電子放出素子の製造工程（図４）
に従って製造することができる。

【００６０】以上説明したように、本発明の冷電子放出
素子は、エミッタを筒形状としたために、簡単な工程で
高さのそろったエミッタを均一に作製することが可能と
なり、しかも電界放出した電子をゲートにほとんど入射
させることなく、その９０％以上の分配率でアノードへ
到達させることができる。従って、製造コストが低く、
しかも高性能のフラットパネルディスプレイ型の画像表
示装置、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装
置、あるいは照明ランプ等の電子源として好ましく利用
することができる。

【００６１】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００６２】実施例１図１に示す冷電子放出素子を図２に示す製造工程に従っ
て以下のように製造した。

【００６３】まず、エミッタへ電流を流すためのエミッ
タ配線を兼ねるシリコン基板４（図２（ａ））の表面
に、熱酸化により０．２μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。
このＳｉＯ₂膜をフォトエッチング技術により直径２．
５μｍの円形マスク６に加工した（図２（ｂ））。

【００６４】次に、シリコン基板４の表面を、ＳＦ₆ガ
スを用いた反応性イオンエッチングによってエッチング
し、高さ０．５μｍの支持体５を形成した（図２
（ｃ））。

【００６５】次に、シリコン基板４の全面に、ＷＦ₆を
用いたＣＶＤ法によって、厚さ０．０５μｍのＷ膜を形
成した。この際、Ｗは、ガスの表面反応を利用するＣＶ
Ｄ法の特性により、ＳｉＯ₂からなるマスク６上には堆
積せずにシリコン上にのみに堆積した。従って、Ｗは、
支持体５の側面にも均一に堆積した。なお、基板４の平
面上に付いたＷはそのままでもよいが、本実施例におい
ては、ドライエッチングによって除去した（図２
（ｄ））。

【００６６】次に、全面に絶縁層３としてＳｉＯ_xを
０．７μｍの厚さで蒸着し、更に、ゲート２としてＮｂ
を０．２μｍの厚さで蒸着した（図２（ｅ））。これに
より、ゲート２は筒状エミッタ１の先端よりも０．２μ
ｍ高い位置に形成された。

【００６７】次に、緩衝フッ酸でエッチングすることに
より、筒状エミッタ１および支持体５上に形成された絶
縁材料層３´及びゲート材料層２´とをリフトオフした
（図２（ｆ））。

【００６８】次に、フォトリソグラフィ技術及びＳＦ₆
を用いた反応性イオンエッチングによって、ゲート２の
一部をゲート配線に加工した。

【００６９】最後に、全体に軽くＳＦ₆による反応性イ
オンエッチングを行うことにより、支持体５の表面部分
を除去し、筒状エミッタ１のエッジ部１ａが突き出た形
状の冷電子放出素子が得られた（図２（ｇ）、図１）。

【００７０】なお、筒状エミッタ１の直径は２μｍであ
り、その肉厚は０．０５μｍであり、高さは０．５μｍ
であった。

【００７１】得られた冷電子放出素子に対し、蛍光体を
塗布した透明電極付きガラス基板を対向させ、真空中で
ゲートと筒状エミッタとの間に電界を印加し、エミッ
タ、ゲート、アノードの各電流を測定した。その結果、
蛍光体の発光から電子放出が確認され、電流・電圧特性
のＦＮプロットから電界放出であることを確認した。分
配率は９０％以上であった。

【００７２】実施例２図３に示す冷電子放出素子を図４に示す製造工程に従っ
て以下のように製造した。

【００７３】まず、絶縁性のガラス基板４上に、エミッ
タ配線材料のＣｒを０．２μｍ厚で成膜し、公知のフォ
トリソグラフィー法により加工しエミッタ配線層７を形
成した（図４（ａ））。

【００７４】その上に、スパッタ法により支持体となる
シリコン５´を０．５μｍ厚で成膜し、更に、スパッタ
リングにより０．２μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。この
ＳｉＯ₂膜をフォトエッチング技術により直径２．５μ
ｍの円形マスク６に加工した（図４（ｂ））。

【００７５】次に、シリコン支持体層５´を、ＳＦ₆ガ
スを用いた反応性イオンエッチングによってエッチング
し、高さ０．５μｍの支持体５を形成した（図４
（ｃ））。

【００７６】次に、支持体５の側面に、ＷＦ₆用いたＣ
ＶＤ法によって、厚さ０．０５μｍのＷ膜を形成した。
この際、Ｗは、ガスの表面反応を利用するＣＶＤ法の特
性により、ＳｉＯ₂からなるマスク６上には堆積せずに
支持体５の側面に均一に堆積した（図４（ｄ））。

【００７７】次に、全面に絶縁層３としてＳｉＯ_xを
０．７μｍの厚さで蒸着し、更に、ゲート２としてＮｂ
を０．２μｍの厚さで蒸着した（図４（ｅ））。これに
より、ゲート２は筒状エミッタ１の先端よりも０．２μ
ｍ高い位置に形成された。

【００７８】次に、緩衝フッ酸でエッチングすることに
より、筒状エミッタ１および支持体５上に形成された絶
縁材料層３´及びゲート材料層２´とをリフトオフした
（図４（ｆ））。

【００７９】次に、フォトリソグラフィ技術及びＳＦ₆
を用いた反応性イオンエッチングによって、ゲート２の
一部をゲート配線に加工した。

【００８０】最後に、全体に軽くＳＦ₆による反応性イ
オンエッチングを行うことにより、支持体５の表面を除
去し、筒状エミッタ１のエッジ部１ａが突き出た形状の
冷電子放出素子を作製した（図４（ｇ）、図３）。

【００８１】なお、筒状エミッタ１の直径は２μｍであ
り、その肉厚は０．０５μｍであり、高さは０．５μｍ
であった。

【００８２】得られた冷電子放出素子に対し、蛍光体を
塗布した透明電極付きガラス基板を対向させ、真空中で
ゲートと筒状エミッタとの間に電界を印加し、エミッ
タ、ゲート、アノードの各電流を測定した。その結果、
蛍光体の発光から電子放出が確認され、電流・電圧特性
のＦＮプロットから電界放出であることを確認した。分
配率は９０％以上であった。

【００８３】実施例３実施例２において、マスク６の形状を矩形とする以外
は、実施例２と同様にして図５に示す冷電子放出素子を
作製した。

【００８４】得られた冷電子放出素子に対し、蛍光体を
塗布した透明電極付きガラス基板を対向させ、真空中で
ゲートと筒状エミッタとの間に電界を印加し、エミッ
タ、ゲート、アノードの各電流を測定した。その結果、
蛍光体の発光から電子放出が確認され、電流・電圧特性
のＦＮプロットから電界放出であることを確認した。分
配率は９０％以上であった。

【００８５】

【発明の効果】本発明の冷電子放出素子は、エミッタを
筒形状としたため、電子放射特性や分配率が良好で、し
かも機械的強度が大きい。また、筒状エミッタの内部に
支持体が存在しているので、筒状エミッタの機械的強度
が向上する。また、エミッタを筒形状としたために、簡
単な工程で高さのそろった均一な複数の素子を広い面積
に作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷電子放出素子の一態様の要部の上面
図（同図（Ａ））及び断面図（同図（Ｂ））である。

【図２】図１の冷電子放出素子の製造工程図である。

【図３】本発明の冷電子放出素子の別の態様の要部の上
面図（同図（Ａ））及び断面図（同図（Ｂ））である。

【図４】図３の電子放出素子の製造工程図である。

【図５】本発明の冷電子放出素子の他の態様の要部の上
面図（同図（Ａ））及び断面図（同図（Ｂ））である。

【図６】コーン形エミッタを有する従来の冷電子放出素
子の要部の上面図（同図（Ａ））及び断面図（同図
（Ｂ））である。

【図７】ディスク型エミッタを有する従来の冷電子放出
素子の要部の上面図（同図（Ａ））及び断面図（同図
（Ｂ））である。

【図８】クレータ形エミッタを有する従来の冷電子放出
素子の要部の上面図（同図（Ａ））及び断面図（同図
（Ｂ））である。

【符号の説明】

１筒状エミッタ２ゲート３絶縁層４基板５支持体６マスク７エミッタ配線層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、その上に形成されたエミッタ
と、そのエミッタを囲むように基板上に形成された絶縁
層と、その絶縁層上に形成されたゲートとを有し、エミ
ッタとゲートとの間に電圧を印加することにより生ずる
電界によりエミッタから冷電子を放出させる冷電子放出
素子において、エミッタが筒形状を有する筒状エミッタ
であり、且つその筒状エミッタの中心軸が基板に対し略
垂直となるように筒状エミッタが配置されていることを
特徴とする冷電子放出素子。
【請求項２】筒状エミッタの中空部に支持体が設けら
れている請求項１記載の冷電子放出素子。
【請求項３】筒状エミッタのエッジが支持体の表面よ
り上方に突き出ている請求項２記載の冷電子放出素子。
【請求項４】筒状エミッタがタングステンから形成さ
れ、支持体がシリコンから形成されている請求項２又は
３記載の冷電子放出素子。
【請求項５】基板と、その上に形成されたエミッタ
と、そのエミッタを囲むように基板上に形成された絶縁
層と、その絶縁層上に形成されたゲートとを有し、エミ
ッタとゲートとの間に電圧を印加することにより生ずる
電界によりエミッタから冷電子を放出させる冷電子放出
素子であって、エミッタが筒形状を有する筒状エミッタ
であり、且つその筒状エミッタの中心軸が基板に対し略
垂直となるように筒状エミッタが配置されている冷電子
放出素子の製造方法において、基板上に柱状の支持体を
形成し、形成された支持体の側面にエミッタ用材料をＣ
ＶＤ法により堆積させることによりエミッタを形成し、
そしてエミッタを囲むように基板上に絶縁層とゲートと
を順次形成することを特徴とする冷電子放出素子の製造
方法。
【請求項６】基板上に絶縁層とゲートとを順次形成し
た後に、筒状エミッタのエッジが支持体の表面より上方
に突き出るように支持体の表面をエッチングする請求項
５記載の冷電子放出素子の製造方法。