JP2645708B2 - 電子放出素子 - Google Patents

電子放出素子

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JP2645708B2 JP21032287A JP21032287A JP2645708B2 JP 2645708 B2 JP2645708 B2 JP 2645708B2 JP 21032287 A JP21032287 A JP 21032287A JP 21032287 A JP21032287 A JP 21032287A JP 2645708 B2 JP2645708 B2 JP 2645708B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/30Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304Field-emissive cathodes
    • H01J1/3042Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電子放出素子に関し、特に電子放出電極の突
端部より素子基板と平行に電子を放出せしめ、且つ偏向
電極により基板と直角方向に該電子を偏向させる電子放
出素子に関する。
[従来の技術] 従来、電子発生源としては、熱陰極からの熱電子放出
が用いられていた。この様な熱陰極を利用した電子放出
は、加熱によるエネルギーロスが大きい点、加熱手段の
形成が必要である点、及び予備加熱にかなりの時間を要
する点や熱により系が不安定化しやすいという点で問題
があった。
そこで、加熱によらない電子放出素子の研究が進めら
れ、その中の一つに電解効果型(FE型)の電子放出素子
がある。
第6図は従来の電界効果型の電子放出素子の概略的構
成図である。
同図に示すように、従来の電界効果型の電子放出素子
は、基体1上に設けられた、強電界を得るために先端を
鋭く尖らせた陰極チップ2と、基体1上の絶縁層3を介
して設けられ、且つ陰極チップ2の尖頭部を中心として
略円形状の開口部が形成された引き出し電極4とから構
成され、陰極チップ2と引き出し電極4との間に引き出
し電極4を高電位とすると電圧を印加し、電界強度の大
きくなる陰極チップ2の尖頭部から電子を放出させるも
のである。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、上記の従来の電界効果型の電子放出素
子は陰極チップ2の先端を鋭く尖らせることが難しく、
一般的に陰極チップ2を作製する場合には、電界研摩を
行った後にリモルディングを行っていた。この工程は多
くの手間を要し煩雑であるとともに、経験的な要素が強
いために、機械化が難しく、製造条件にバラツキが生じ
やすく、品質が安定しない等の問題点があった。
本発明の目的は、上記従来技術の問題に鑑みて、構成
が簡略で、かつ安定に再現性良く製造が可能な電界効果
型の電子放出素子を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] 上記の問題点は、電子放出素子を同一基板上に、放出
した電子の飛翔方向をほぼ垂直に偏向せしめる偏向電極
と、これを覆う絶縁層と、該絶縁層上の前記偏向電極に
ほぼ対応する位置に突端部を有する電子放出電極と、該
突端部に近接して対向した電気放出口を有する引き出し
電極とを有する構造とし、かかる前記突端部と前記引き
出し電極を微細加工技術により精度よく作製することに
より解決できる。
すなわち、本発明は、基板の同一面に沿って並設され
た、突端部を有する電子放出電極と、該突端部に対向し
た電子放出口を有する引き出し電極と、該電子放出電極
と該引き出し電極との下に設けられた絶縁層と、該絶縁
層の下面と基板との間に配設された、該引き出し電極よ
り該基板面に平行に引き出された電子の飛翔方向を該基
板面と垂直な上方に偏向する為の偏向電極とを有するこ
とを特徴とする電子放出素子に係るものである。
[作 用] 一般に、電界放出に必要な電界強度は107V/cm以上で
あり、この電界が印加されると、固体中の電子がトンネ
ル効果により、表面のポテンシャル障壁を通り抜けて電
子が放出される。
いま、対向する電子放出電極と対向電極との間に印加
する電圧をVとし、電子放出電極の電子放出部の曲率半
径をrとすると、曲率半径rが小さい場合、電子放出部
の電界強度Eは、 なる関係がある。
電子放出を行わせる場合、電子の収束性を良くするに
は、放出電子のエネルギー幅を小さくすることが望まし
く、また低電圧で駆動することが望ましい。このため、
前記曲率半径rは極力小さくすることが望ましい。
さらに、電子放出電圧のバラツキ等を抑えるために、
電子放出電極と対向電極との間の距離を精度よく形成す
ることが望まれる。
本発明では電子放出電極と引き出し電極とを同一面内
方向に配置することにより、後述する微細加工技術を用
いた精度の良い安定した電子放出部の形成が実現され
る。即ち、電子放出電極の突端部の曲率半径を極めて小
さく加工し、かつこの突端部の近接した位置に精度よく
引き出し電極を形成することができる。
引き出し電極により引き出された電子は、絶縁層を介
した位置に設けられている偏向電極に、電子放出電極に
対して負電圧を印加することにより、素子基板に対して
ほぼ垂直方向に偏向される。
また、偏向電極を絶縁層を介して電子放出電極及び引
き出し電極の下部に設けることができるので、素子を小
型化でき、集積度を上げることが可能となる。
[実施例] 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。
実施例1 第1図は本発明の電子放出素子の一実施例を示す構成
図であり、第2図はその平面図である。
同第1図に示すように、本発明の電子放出素子は、ガ
ラス等の絶縁基板6上に偏向電極9を設け、その上に絶
縁層6aを介して突端部7aを有する電子放出電極7と、前
記突端部7aに近接して対向する電子放出口を有する引き
出し電極8とを設けてなるものである。
偏向電極9は非磁性の金属材料であることが望まし
く、一般的にはニッケル又は非磁性ステンレス材料が使
用できる。
本実施例ではニッケルをガラス基板6上に厚さが1000
Å以上になるようにスパッタ法により成膜した。絶縁層
6aはSiO2をスパッタ法により0.2〜3μmの厚さに形成
した。
電子放出電極7の突端部7aの形状は、極力、曲率半径
が小さくなるように集束イオンビーム技術等を用いて形
成する。その形状は三角形状、放物線形状等で、くさび
形の柱状体、放物線状の側面を有する柱状体等に形成す
ることが望ましい。
電子放出電極7の材質は、上記のように電子放出電極
7の曲率半径が小さくなるように形成し、電流密度が大
きく、発熱量が大きくなるために、高融点材料であるこ
とが好ましく、また印加電圧を低減させるために低仕事
関数材料から構成されることが好ましい。例えば、W,Z
r,Ti,Au等の金属、TiC,ZrC,HfC等の金属炭化物、LaB6,S
mB6,GdB6等の金属ホウ化物、WSi2,TiSi2,ZrSi2,GdSi2
の金属シリサイド、又はSnO2,ITO等の半導体酸化物を用
いることができる。
電子の引き出し電極8は、第2図に示すように、前記
電子放出電極7の突端部7aに対向して電子放出口である
開口部8aを有する形状に、ステンレス材、ニッケル材等
の金属材料で形成する。
引き出し電極8は、電子放出電極7に近付けて形成す
ることが望ましく、又開口部8aの幅wは前記突端部7aと
同程度のスケールで設けることが望ましい。
本実施例では、電子放出電極7と引き出し電極8をAu
部材を用いてFIB装置により次のような形状に作成し
た。電子放出電極7の突端部7aを第2図に示すような略
2等辺三角形に加工し、前記曲率半径rを500Å以下に
形成した。又、引き出し電極8を電子放出電極7から、
0.5〜2.0μmの位置に(第2図のlの長さ)開口部8aの
wが0.5〜1.5μmとなるように加工した。
上記に説明したような本発明の電界型電子放出素子に
おいて、第1図に示すように、電子放出電極7に対し引
き出し電極8に電源10aにより電圧V1を、また偏向電極
9に電源10bにより電圧V2を印加する。通常V1は20V以上
であるが、望ましくは20〜100V、さらには20〜50Vの低
電圧が望ましい。電圧V1を100V以上で駆動すると放出電
流のゆらぎが大きくなり、寿命が短くなる。
偏向電極9に印加する電圧V2は、電圧V1により変える
必要があるが、一般には電子放出電極7に対して0〜−
100Vが望ましい。
本実施例において、電圧V1を30Vに固定し、電圧V2
変化させ表1に示す結果を得た。
本実施例による電子放出素子は電流のゆらぎ5%以
内、寿命1000時間以上の特性が得られ、電界型電子放出
素子としては優れた特性であることが確認できた。
次に、本発明に用いる微細加工技術について説明す
る。
通常、微細加工技術としては、レジストプロセスとエ
ッチングプロセスからなるリソグラフィー技術が用いら
れるが、マスクずれ等が生じるために、1.0μm以下の
微細加工は困難である。
本発明に用いる微細加工技術は、1.0μm以下の微細
加工が可能なものをいい、例えば前述した集束イオンビ
ーム(FIB)が用いられる。
第3図はFIB装置の一例を示す構成図である。
FIB技術は、サブミクロンに集束した金属イオンを走
査し、固体表面におけるスパッタリング現象を利用し
て、サブミクロンオーダの微細加工を行うものである。
同図において、イオン源11は、引き出し電極8により
液体金属原子を放出させ、EXB質量分離器13によって所
望のイオンビームを選別し(合金系液体金属を用いる場
合)、対物レンズ14によって80keV程度に加速したイオ
ンビームを0.1μm程度まで集束し、ビーム偏向電極15
によって試料16上を走査する。なおイオンビームの位置
合わせは、試料ステージ17によって行われる。
実施例2 第4図は本発明の第二の実施例を示す構成図である。
本実施例は、実施例1に於て、絶縁層6aに段差を設
け、その上段に電子放出電極7を作成し、下段に引き出
し電極8を一つの連続した金属より構成した。このよう
な素子構成によることにより、電子放出電極7の突端部
7aに電界を集中させ、かつ絶縁層6a上にチャージアップ
を防止する効果が得られる。
本実施例において、この様な効果が得られるのは、突
端部7a近傍の電界が絶縁基板内に存在する電解によって
弱められるためと考えられるが、本実施例の他にも、実
施例1に於て電子放出電極7と引き出し電極8の間の絶
縁層6aに凹部を設けても同一の効果が期待できる。
実施例3 第5図は本発明の第三の実施例を示す構成図である。
本実施例は、電子放出電極が突端部を複数個有し、か
つ該複数個の突端部の各々に対向する部分に近接して電
子放出口を有する引き出し電極が設けられている例を表
わし、実施例2の素子構成を用い、同一絶縁基板6上に
ピッチdが2.5μmで500個の電子放出素子を作成した。
このように作成することにより、単に500倍の電流量が
得られただけでなく、安定性も飛躍的に向上し、周波数
10〜106Hzのショットノイズがのほとんどなくなり、電
流のゆらぎが1.0%以内になった。
いずれの実施例においても、電子放出電極7と引き出
し電極8の電子放出部に外部からの電磁界による電気的
ノイズを防ぐためにシールド部材を設けることができ
る。(図示せず) シールド部材としては、厚さ2mm程度のステンレス部
材を用いて電子放出部を実質上囲むように絶縁基板6上
に設けると、外界からの電磁気的ノイズを防止する効果
がある。
電磁気的ノイズはシールド部材を設けるだけでなく、
絶縁基板6の裏にシールド部材を貼り付けることによ
り、より強力な効果が期待できる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の電子放出素子によれ
ば、電子放出電極と引き出し電極を微細加工技術により
精度よく形成し、かつ絶縁層を介して偏向電極を設ける
ことにより、素子よりも電子放出させることができるだ
けでなく次のような効果がある。
1)低電圧駆動が可能となり、放出される電子のエネル
ギーのバラツキを減少することができる。
2)FIB等の微細加工技術によって、電子放出電極、引
き出し電極が、高精度に形成されるので、リモルディン
グ等の製造工程が不要であり、製造工程を簡易化するこ
とができる。
3)電子放出電極及び引き出し電極が平面的に微細加工
されるので、薄型化、小型化、軽量化が容易である。
4)偏向電極に印加する電圧により素子より放出する電
子を偏向することができる。
5)偏向電極を絶縁層を介して電子放出電極と引き出し
電極の下部に設けることにより、素子全体を極めて小型
にすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電子放出素子の一実施例を示す構成
図、第2図はその平面図、第3図はFIB装置の一例を示
す構成図、第4図,第5図は各々本発明の他の実施例を
示す構成図および第6図は従来の電界効果型の電子放出
素子の概略的構成図である。 1……基体、2……陰極チップ 3,6a……絶縁層、4,8……引き出し電極 5,10a,10b……電源、6……絶縁基板 7……電子放出電極、7a……突端部 8a……開口部、9……偏向電極 11……イオン源、12……コンデンサレンズ 13……EXB質量分離器、14……対物レンズ 15……ビーム偏向電極、16……試料 17……試料ステージ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板の同一面に沿って並設された、突端部
    を有する電子放出電極と、該突端部に対向した電子放出
    口を有する引き出し電極と、該電子放出電極と該引き出
    し電極との下に設けられた絶縁層と、該絶縁層の下面と
    基板との間に配設された、該引き出し電極より該基板面
    に平行に引き出された電子の飛翔方向を該基板面と垂直
    な上方に偏向する為の偏向電極とを有することを特徴と
    する電子放出素子。
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