JP3546606B2

JP3546606B2 - Method of manufacturing field emission device

Info

Publication number: JP3546606B2
Application number: JP22076396A
Authority: JP
Inventors: 茂生伊藤; 剛宏新山
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2016-08-05
Also published as: JPH1050206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属または半導体表面の印加電界を１０^９［Ｖ／ｍ］程度にすると、トンネル効果により電子が障壁を通過して、常温でも真空中に電子放出が行われるようになる。これを電界放出（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎ）と呼び、このような原理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＣａｔｈｏｄｅ）（以下、ＦＥＣという）と呼んでいる。
【０００３】
近年、半導体加工技術を駆使して、ミクロンサイズの電界放出カソードからなる面放出型の電界放出カソードを作製することが可能となっており、電界放出カソードを基板上に多数個形成したものは、その各エミッタから放出された電子をアノード基板に形成されている蛍光面に照射することによってフラットな表示装置や各種の電子装置を構成する素子として期待されている。
【０００４】
図９はカソード基板及びアノード基板の構成例を示す図である。
カソード基板１００は、ガラス等の基板１０１上に、金属層からなるカソード１０２、アモルファスシリコン等からなる抵抗層１０３、シリコンを熱酸化させて形成した絶縁層（ＳｉＯ２層）１０４、及び、ニオブ等の金属層からなるゲート１０５を蒸着等により順次形成する。
さらに、ゲート１０５上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、パターニング及びエッチングを行い、図示するようにゲート１０５及び絶縁層１０４に開口部１０６を形成する。
【０００５】
次に、フォトレジストを除去し、基板１０１を回転させながら、基板面に対して斜め方向からアルミニウムを回転蒸着させることにより剥離層（図示せず）の蒸着を行う。すると、剥離層は開口部１０６の中には蒸着されずにゲート１０５の表面にのみ選択的に蒸着されることになる。
さらに、剥離層の上から、例えばモリブデンを堆積させると、剥離層の上に堆積層が、エッチングにより開けた開口部１０６の中に、エミッタ１０７がコーンの形状で堆積する。この後、ゲート１０５上の剥離層及び堆積層をエッチングにより除去すると図示されているような構造のＦＥＣが得られる。
【０００６】
この図に示すＦＥＣは、半導体集積化技術を用いて製作すると、コーン状のエミッタ１０７とゲート１０５との距離をサブミクロンとすることが出来るため、エミッタ１０７とゲート１０５間に数１０ボルトの電圧を印加することによりエミッタ１０７から電子を放出させることが出来るようになる。
なお、基板１０１上にＦＥＣを多数集積化する場合に、各エミッタ１０７間のピッチは５ミクロンないし１０ミクロンとして製作することが出来るため、数万から数１０万個のＦＥＣを１枚のカソード基板１００上に設けることが出来る。
【０００７】
また、アノード基板１１０は、例えばガラス等で形成された基板１１１上に、例えばＩＴＯ等からなる透明の導電膜１１２が形成され、さらに、例えば緑色を発光するＺｎＯ等の蛍光体１１３が塗布されている。
そして、カソード基板１００とアノード基板１１０は例えば２００μｍ程度のギャップを保ち真空封止されている。
【０００８】
このように、面放出型のＦＥＣを製作することが可能となっており、このＦＥＣ素子は蛍光表示装置、ＣＲＴ、電子顕微鏡や電子ビーム装置に適用することが提案されている。
【０００９】
図１０に、このような面放出型のＦＥＣ素子の斜視図を示す。
この図において、基板１０１上にカソード１０２が形成されており、このカソード１０２の上には抵抗層１０３が形成されている。そして、この抵抗層１０３上にコーン状のエミッタ１０７が形成されている。さらに、カソード１０２上に絶縁層１０４を介してゲ−ト１０５が設けられており、ゲート１０５に設けられた丸い開口部１０６からコーン状のエミッタ１０７の先端部分が臨んでいる。
【００１０】
このように形成された面放出型のＦＥＣにおいて、ゲート１０５とカソード１０２との間に数十ボルトの駆動電圧ＶＧＥを印加すると、エミッタ１０７から電子が放出され、エミッタ１０７から放出された電子は、ゲート１０５上に離隔して配置され、アノード電圧ＶＡの印加されたアノード基板１１０の導電膜１１２により捕集される。
この場合、導電膜１１２がエミッタ１０７から放出された電子を補集することにより、導電膜１１２上に塗布されている蛍光体１１３が励起されて発光させることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなＦＥＣにおいて、各種省電力化の手段が考えられている。
例えば、カソード基板１００側において、
１．ゲート１０５とエミッタ１０７の間隔を狭める。
２．エミッタ１０７を形成する材料に低仕事関数の材料を用いる。
３．エミッタ１０７の曲率半径を小さくする。
４．エミッションの放出面積を大きくする。
等の、各手段が挙げられる。
【００１２】
例えば上記第２の手段において、エミッタ１０７は加工性等の理由からモリブデン等によって形成されている。これは、モリブデンのアスペクト比（エミッタ１０７が堆積する高さ／エミッタ１０７の底辺）が１：１程度であるために、エミッタ１０７を作製する上で適した材質とされているためである。
しかしながら、モリブデンは仕事関数において優れた材質とはいえないためため、省電力化を実現するのは困難である。また、例えばモリブデン以外の低仕事関数の材料を用いると加工性が劣化して、エミッタ１０７を所定の形状とすることが困難になるという問題がある。
【００１３】
また、最近では例えばダイヤモンドライクカーボン等をエミッタ材料として用いることが考えられているが、膜としての製造上の問題によりエミッタ１０７の先端に選択的にコーティングすることは困難である。したがって、特にゲート１０５を形成した後でコーティングを行うことは困難である。このため２極管構造となってしまい低電圧駆動を達成することができない。
そこで、エミッタ１０７の先端に特定の材料をコーティングすることが考えられているが、ゲート１０５とエミッタ１０７の間隔が狭くなりショートが発生しやすくなり、実用的なものではなくなってしまうという問題がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、真空容器中に、電界放出エミッタ又はアレイを形成したカソード基板と、エミッタ材料からなる基板、又は前記エミッタ材料を薄膜又は厚膜で形成したアノード基板を対向させて配置し、前記カソード基板とアノード基板間に所定レベルの駆動電圧を印加して、前記カソード基板から放出される電子線を前記アノード基板に射突させることにより、前記エミッタ材料を電子線のエネルギーや加熱により蒸発させ、さらにイオン化させて、前記電界放出エミッタに電界蒸着させて電界放出素子を製造する。
【００１５】
さらに、前記駆動電圧を印加した状態で、前記真空容器中に１０ ^-2 乃至１０ ^-6 TorrでＨ又は／及びＡｒを導入する。
また、前記駆動電圧を印加した状態で、前記アノード基板を裏面から抵抗加熱又は輻射加熱又はレーザ加熱する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の電界放出素子の製造工程として真空容器の中にカソード基板とアノード基板を対向させて配置した状態を示す図である。
図１に示されているように真空容器０の内部に、エミッタ８、８、８・・・、ゲート６等が形成されているカソード基板１と、図２で詳しく説明するようにカソード基板１との対向面に低い仕事関数とされるエミッタ材料（例えばＣ又はＣＨ系の混合物、又は炭化物、又は窒化物、又は硼化物等）による薄膜又は厚膜が形成されているアノード基板１０を対向配置した状態で、駆動電圧ＶＧＥ及びアノード電圧ＶＡを印加する。このとき、エミッタ８、８、８・・・から引き出された電子がアノード基板１に衝突し、その衝突エネルギーによって叩出されたエミッタ材料の粒子がエミッタ８、８、８・・・の先端部に沈着する。これによってアノード基板１０に積層されているエミッタ材料が電界蒸着によってエミッタ８、８、８・・・の先端に付着し、エミッタ８、８、８・・・の表面をコーティングすることになる。
【００１７】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は図１に示す任意のエミッタ８を拡大して示す図であり、これらの摸式図にしたがって本実施形態の電界放出素子の製造工程を説明する。なお、カソード基板１は、先に図９に示したカソード基板１００と同等の構成とされ、基板２、カソード３、抵抗層４、絶縁層５、ゲート６、開口部７、エミッタ８は、基板１０１、カソード１０２、抵抗層１０３、絶縁層１０４、ゲート１０５、開口部１０６、エミッタ１０７に対応している。
また、本発明では製造工程において図９で説明したような蛍光体が形成されていない専用のアノード基板１０を用いている。このアノード基板１０においては、基板１１、導電膜１２は、基板１１１、導電膜１１２に対応しているが、導電膜１２の表面には、例えばＣ又はＣＨ系等の低仕事関数のエミッタ材料からなる成膜層１３が形成されている。
【００１８】
図２（ａ）に示されているように、このようにして形成されているカソード基板１とアノード基板１０を図１に示したように真空容器０内に配置し、駆動電極ＶＧＥ及びアノード電圧ＶＡを印加することにより、エミッタ８から放出された電子線をアノード基板１０に照射する。これにより、電子線のエネルギーや加熱などによって、図２（ｂ）に矢印で示されているように成膜層１３を形成するエミッタ材料が蒸発すると共にエミッタからの電子線によってイオン化する。そしてイオン化したエミッタ材料は図２（ｃ）に示されているようにしてエミッタ８の先端に選択的に電界蒸着する為、エミッタ８の先端部分に選択的に膜９が形成されるようになる。
【００１９】
なお、膜９を蒸着する際に蒸着効率が悪い場合は、図１に矢印示されているように、例えば１０^−２〜１０^−６ＴｏｒｒでＨ又は／及びＡｒを真空容器０中に導入して蒸着を活性化させることも可能である。さらに、アノード基板１０を裏面から、例えば抵抗加熱、又は輻射加熱、又はレーザ加熱等によって加熱することでも蒸着を活性化することもできる。また、成膜層１３を導電性のあるエミッタ材料で構成することで、導電膜１２として兼用することもできる。
さらに、上記したように成膜層１３として例えばＣ又はＣＨ系のエミッタ材料を用いた場合、膜９を成膜した後にカソード基板をレーザ加工やプラズマ加工等を施すことによって、ダイヤモンド状薄膜に状態変化させることができ、エミッタ８の先端に微小な突起模様を形成すると、低真空度でもより安定した電子ビームの放出を行うエミッタ形成が可能になる。
【００２０】
また、上記した例では、成膜層１３として例えばＣ又はＣＨ系の材料を用いる例を挙げたが、この他にも、例えばＣｓ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｔｈ、Ｐｒ、Ｎｂ、Ｌａ、Ｅｕ、Ｔａ、Ｔ、Ｈｆ、及びこれらの混合物又は炭化物又は窒化物又は硼化物等を用いることが可能である。
【００２１】
このように、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）で説明した工程を経て製造されたカソード基板１を、図３（ａ）に示されてるように通常使用時のアノード基板２０と組み合わせることによってＦＥＤが形成されることになる。
アノード基板２０は図９に示したアノード基板１１０に対応しており、導電膜２２、蛍光体２３が形成されている。そして図示されているように、ゲート電圧ＶＧＥ、アノード電圧ＶＡを印加すると導電膜２２に塗布されている蛍光体２３が励起され発光するようになる。なお、開口部７を正面から拡大して摸式的に示すと図３（ｂ）に示されているように、その中心部にエミッタ８に蒸着された膜９が観察される。そしてこの膜９をさらに拡大して示すと、図３（ｃ）に示されているようにエミッタ８の先端を中心としてエミッタ材料がコーティングされていることが観察される。
【００２２】
次に、本発明の第二の実施形態を説明する。
図４は第二の実施形態の電界放出素子の製造工程として真空容器の中にカソード基板とアノード基板を対向させて配置した状態を示す図である。
第二の実施形態では、図４に示されているように真空容器０の内部に、カソード基板１と、このカソード基板１に対向するようにアノード基板３０を配置するが、ここではアノード基板３０として、非常に安定した、例えばＷ、Ｔａ、Ｎｂ等の高融点金属を用い真空容器０内に、例えばＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ３ＯＨ等の炭化水素系ガスを１０^−２〜１０^−６Ｔｏｒｒで導入している。
そして図５で詳しく説明するように、駆動電圧ＶＧＥ及びアノード電圧ＶＡを印加することにより、炭化水素系ガスのイオンが選択的にエミッタ８の先端に付着させることで、エミッタ８の先端に選択的にＣＨ系の膜を形成するようにしている。
【００２３】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は図４に示す任意のエミッタ８を拡大して示す図であり、これらの摸式図にしたがって第二の実施形態の電界放出素子の製造工程を説明する。なお、この図に示すアノード基板３０もアノード基板１０と同様に製造時における専用の基板とされ、先に述べたように、高融点金属製の基板３１、及び導電膜３２によって構成されている。
【００２４】
このようにして形成されているカソード基板１とアノード基板３０を図５に示したように真空容器０内に配置し、駆動電極ＶＧＥ及びアノード電圧ＶＡを印加するとともに真空容器０内に炭化水素系ガスを導入する。
これにより、真空容器０内に導入された炭化水素系ガスがイオン化して、図５（ｂ）に矢印で示されているようにエミッタ８の先端に選択的に付着することになる。そして図５（ｃ）に示されているように、エミッタ８の先端には低炭素
（例えばＣＨ系）の膜３３が形成されるようになる。さらに、この後に例えばレーザ加熱、プラズマ加熱等を施すことによって、安定したダイヤモンドライクカーボンに状態変化させることが可能である。
【００２５】
図６は図４に示す真空容器０（真空チャンバー）に炭化水素系ガスとして例えば５×１０^−５でＣＨ_４を導入した場合の、ゲート電圧とアノード電流（電子の放出量）の関係をグラフで示す図であり、縦軸にアノード電流、横軸にゲート電圧を示している。なお、白抜き○印はＣＨ_４導入前、黒丸●印はＣＨ_４導入時、白抜き□印はＣＨ_４導入後を示している。
図示されているように、真空容器０内にＣＨ_４を導入すると、黒丸●印で示されているように、同一レベルのゲート電圧を印加している時にＣＨ_４導入前よりも電子の放出量が増加していることがわかる。さらに、ＣＨ_４導入後はさらに電子の放出が増加していることがわかる。
したがって、ＣＨ_４導入によりエミッタ８に膜３３を形成され、エミッタ８における電子の放出効率が向上しているということがいえる。
【００２６】
図７は真空容器０内にＣＨ_４を導入し、その後ＣＨ_４の導入を止めて、単にゲート電圧とアノード電圧を印加した場合のエミッションの復元状態を示しており、縦軸にアノード電流（電子の放出量）、横軸にＣＨ_４導入の時間経過（３０分毎）を示している。
図７の横軸に於いて、『１．０』点はＣＨ_４導入前（Ｂｅｆｏｒｅ）の基準となるエミッション値であり、同じく『０』点は各ガス圧５×１０^−４Ｔｏｒｒ（Ｎ_２ガス換算でのガス圧）導入後、再び、導入前（Ｂｅｆｏｒｅ）の真空度まで回復させた直後のエミッション値である。なおこの図には、ガス導入後３時間のエミッションの履歴を示している。
図示されている値から、各ガスによりエミッションに与える効果が異なっているのが判る。すなわち真空容器０中ではエミッタ８が各ガスにさらされた状態によって、エミッションの回復の時間と度合いが決定されることになる。
【００２７】
また、図８はＣＨ_４によってエミッタ８の先端に選択的に膜３３を形成した場合の、アノード電流と真空容器０内の温度の関係をグラフで示す図であり、縦軸にアノード電流、横軸に温度を示している。図示されているように、真空容器０内の温度を例えば常温（例えば２２乃至２３゜前後）に設定した状態で膜３３を形成するとアノード電流は例えば約１５０乃至２００μＡとなる。しかし、真空容器０の温度を例えば１００゜程度に設定して膜３３を形成すると、アノード電流は例えば１２００μＡ程度になる。つまり、図４に示した状態で真空容器０内温度を例えば１００゜以上に設定した状態で、ゲート電圧ＶＧＥ及びアノード電圧ＶＡを印加して、膜３３を成膜することによってより効率の良い電界放出素子を製造することができるようになる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように第一の本発明は、真空容器中に低仕事関数のエミッタ材料からなる成膜層を形成してアノード基板と、カソード基板を配置し、前記成膜層をカソード基板のエミッタの先端に電界蒸着させている。また同様に前記真空容器中に、通常のアノード基板とほぼ同等の構造のアノード基板とカソード基板を配置し、ゲート電圧及びアノード電圧を印加した状態で例えば炭化水素系ガスを導入することにより、炭化水素系ガスのイオンを選択的にエミッタの先端に吸着することができる。これにより、エミッタの先端を低仕事関数の膜で覆うことができるようになり、電界放出の効率を向上させることができるようになる。
さらに、電界蒸着の場合、エミッタ材料として例えばＣ又はＣＨ系等の材料を用いることによって、エミッタの先端に膜を形成した後にレーザ加熱やプラズマ加熱によりダイヤモンド状薄膜に形状変化させ電解放出をより安定化させることも可能である。
したがって、本発明はエミッタ先端を低仕事関数の膜で覆うことにより、低真空度でも安定した電界放出を行うことができる電界放出素子を形成することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電界放出素子の製造方法として、真空容器中にカソード基板とアノード基板を配置した状態を示す摸式図である。
【図２】実施形態の電界放出素子の製造方法の工程を説明する図である。
【図３】実施形態の電界放出素子の製造方法により形成されたＦＥＣを説明する図である。
【図４】本発明の第二の実施形態の電界放出素子の製造方法として、真空容器中にカソード基板とアノード基板を配置した状態を示す図である。
【図５】第二の実施形態の電界放出素子の製造方法の工程を説明する図である。
【図６】第二の実施形態の電界放出素子の製造方法において、炭化水素系ガスを導入した場合のゲート電圧とアノード電流の関係を説明する図である。
【図７】第二の実施形態の電界放出素子の製造方法において、炭化水素系ガスの導入を止めて、単に通電した場合のエミッションの復元状態を説明する図である。
【図８】第二の実施形態の電界放出素子の製造方法において、製造時の真空容器内の温度によるエミッションの効率について説明する図である。
【図９】従来の電界放出素子を断面的に示す図である。
【図１０】従来の電界放出素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１カソード基板
８エミッタ
１０、３０アノード基板
１３成膜層
９、３３膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a field emission device.
[0002]
[Prior art]
When the electric field applied to the surface of the metal or semiconductor is set to about 10 ⁹ [V / m], electrons pass through the barrier due to the tunnel effect, and electrons are emitted in a vacuum even at room temperature. This is called a field emission (Field Emission), and a cathode that emits electrons according to such a principle is called a field emission cathode (hereinafter, referred to as FEC).
[0003]
In recent years, it has become possible to make use of semiconductor processing technology to produce surface emission type field emission cathodes composed of micron size field emission cathodes. Irradiation of electrons emitted from the respective emitters onto a phosphor screen formed on an anode substrate is expected as an element constituting a flat display device or various electronic devices.
[0004]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a cathode substrate and an anode substrate.
The cathode substrate 100 is composed of a substrate 101 made of glass or the like, a cathode 102 made of a metal layer, a resistance layer 103 made of amorphous silicon or the like, an insulating layer (SiO 2 layer) 104 formed by thermally oxidizing silicon, and niobium or the like. Gates 105 made of a metal layer are sequentially formed by vapor deposition or the like.
Further, after a photoresist (not shown) is applied on the gate 105, patterning and etching are performed, and an opening 106 is formed in the gate 105 and the insulating layer 104 as illustrated.
[0005]
Next, the photoresist is removed, and while the substrate 101 is being rotated, aluminum is rotationally evaporated from an oblique direction with respect to the substrate surface, thereby depositing a release layer (not shown). Then, the release layer is not deposited in the opening 106 but is selectively deposited only on the surface of the gate 105.
Further, when, for example, molybdenum is deposited on the release layer, the deposited layer is deposited on the release layer, and the emitter 107 is deposited in a cone shape in the opening 106 opened by etching. Thereafter, when the peeling layer and the deposited layer on the gate 105 are removed by etching, an FEC having a structure as shown in the figure is obtained.
[0006]
When the FEC shown in this figure is manufactured by using the semiconductor integration technology, the distance between the cone-shaped emitter 107 and the gate 105 can be made to be submicron. Is applied, electrons can be emitted from the emitter 107.
When a large number of FECs are integrated on the substrate 101, the pitch between the emitters 107 can be made 5 to 10 microns, so that tens of thousands to hundreds of thousands of FECs can be integrated into one cathode substrate. 100 can be provided.
[0007]
The anode substrate 110 is formed by forming a transparent conductive film 112 made of, for example, ITO on a substrate 111 made of, for example, glass, and further applying a phosphor 113 such as ZnO that emits green light. I have.
The cathode substrate 100 and the anode substrate 110 are vacuum-sealed while maintaining a gap of, for example, about 200 μm.
[0008]
As described above, it is possible to manufacture a surface emission type FEC, and it has been proposed to apply this FEC element to a fluorescent display device, a CRT, an electron microscope, and an electron beam device.
[0009]
FIG. 10 shows a perspective view of such a surface emission type FEC element.
In this figure, a cathode 102 is formed on a substrate 101, and a resistance layer 103 is formed on the cathode 102. Then, a cone-shaped emitter 107 is formed on the resistance layer 103. Further, a gate 105 is provided on the cathode 102 via an insulating layer 104, and a tip of a cone-shaped emitter 107 faces a round opening 106 provided in the gate 105.
[0010]
In the surface emission type FEC thus formed, when a drive voltage VGE of several tens of volts is applied between the gate 105 and the cathode 102, electrons are emitted from the emitter 107, and the electrons emitted from the emitter 107 are The sample is collected by the conductive film 112 of the anode substrate 110 to which the anode voltage VA is applied while being spaced apart from the gate 105.
In this case, the conductive film 112 collects electrons emitted from the emitter 107, so that the phosphor 113 applied on the conductive film 112 can be excited to emit light.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in such an FEC, various power saving means are considered.
For example, on the cathode substrate 100 side,
1. The distance between the gate 105 and the emitter 107 is reduced.
2. A material having a low work function is used as a material for forming the emitter 107.
3. The radius of curvature of the emitter 107 is reduced.
4. Increase emission emission area.
And the like.
[0012]
For example, in the above second means, the emitter 107 is formed of molybdenum or the like for reasons of workability and the like. This is because the aspect ratio of molybdenum (the height at which the emitter 107 is deposited / the bottom of the emitter 107) is about 1: 1 and is therefore a material suitable for manufacturing the emitter 107.
However, since molybdenum cannot be said to be a material excellent in work function, it is difficult to achieve power saving. Further, for example, when a material having a low work function other than molybdenum is used, there is a problem that workability is deteriorated and it is difficult to form the emitter 107 into a predetermined shape.
[0013]
Recently, for example, it has been considered to use diamond-like carbon or the like as an emitter material. However, it is difficult to selectively coat the tip of the emitter 107 due to a problem in manufacturing a film. Therefore, it is particularly difficult to perform the coating after the gate 105 is formed. For this reason, a diode structure is required, and low-voltage driving cannot be achieved.
Therefore, it is considered that a specific material is coated on the tip of the emitter 107. However, there is a problem that a gap between the gate 105 and the emitter 107 is narrowed, a short circuit is likely to occur, and this is not practical. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve such a problem, and in a vacuum vessel, a cathode substrate on which a field emission emitter or an array is formed, a substrate made of an emitter material, or a thin film or a thick film made of the emitter material in the formed anode substrate so as to face arranged, by applying a predetermined level of the drive voltage between the cathode substrate and the anode substrate by Rukoto to bombard the electron beam emitted from the cathode substrate in the anode substrate The field emission device is manufactured by evaporating the emitter material by the energy of an electron beam or heating, further ionizing the material, and performing field deposition on the field emission emitter.
[0015]
Further, H and / or Ar is introduced into the vacuum vessel at 10 ^{−2 to} 10 ⁻⁶ Torr while the driving voltage is applied .
Further, in a state where the driving voltage is applied, the anode substrate is subjected to resistance heating, radiation heating, or laser heating from the back surface.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a view showing a state in which a cathode substrate and an anode substrate are arranged to face each other in a vacuum vessel as a manufacturing process of the field emission device of the present embodiment.
A cathode substrate 1 having an emitter 8, 8, 8,..., A gate 6 and the like formed inside a vacuum vessel 0 as shown in FIG. The anode substrate 10 having a thin film or a thick film made of an emitter material having a low work function (for example, a C or CH-based mixture, or a carbide, a nitride, or a boride) on the surface facing the anode substrate 10 is disposed facing the anode substrate 10. In this state, the drive voltage VGE and the anode voltage VA are applied. At this time, the electrons extracted from the emitters 8, 8, 8... Collide with the anode substrate 1, and the particles of the emitter material struck out by the collision energy cause the tip portions of the emitters 8, 8, 8. To be deposited. As a result, the emitter material laminated on the anode substrate 10 adheres to the tips of the emitters 8, 8, 8,... By electric field deposition, and coats the surfaces of the emitters 8, 8, 8,.
[0017]
FIGS. 2A, 2B and 2C are enlarged views of an arbitrary emitter 8 shown in FIG. 1, and the manufacturing process of the field emission device of the present embodiment will be described with reference to these schematic diagrams. The cathode substrate 1 has the same configuration as the cathode substrate 100 previously shown in FIG. 9, and the substrate 2, the cathode 3, the resistance layer 4, the insulating layer 5, the gate 6, the opening 7, and the emitter 8 101, a cathode 102, a resistance layer 103, an insulating layer 104, a gate 105, an opening 106, and an emitter 107.
Further, in the present invention, a dedicated anode substrate 10 on which no phosphor is formed as described with reference to FIG. 9 in the manufacturing process is used. In the anode substrate 10, the substrate 11 and the conductive film 12 correspond to the substrate 111 and the conductive film 112, but the surface of the conductive film 12 is formed of a low work function emitter material such as C or CH. Is formed.
[0018]
As shown in FIG. 2A, the cathode substrate 1 and the anode substrate 10 thus formed are placed in the vacuum vessel 0 as shown in FIG. By applying VA, the electron beam emitted from the emitter 8 is irradiated on the anode substrate 10. As a result, due to the energy of the electron beam, heating, and the like, the emitter material forming the film-forming layer 13 evaporates and is ionized by the electron beam from the emitter as shown by the arrow in FIG. Then, as shown in FIG. 2C, the ionized emitter material is selectively subjected to electric field deposition on the tip of the emitter 8, so that the film 9 is selectively formed on the tip of the emitter 8. .
[0019]
When the deposition efficiency is low when depositing the film 9, H or / and Ar is introduced into the vacuum vessel 0 at, for example, 10 ⁻² to 10 ⁻⁶ Torr as shown by an arrow in FIG. It is also possible to activate the deposition by heating. Further, the evaporation can also be activated by heating the anode substrate 10 from the back surface by, for example, resistance heating, radiant heating, or laser heating. Further, when the film formation layer 13 is made of a conductive emitter material, the film formation layer 13 can also be used as the conductive film 12.
Further, as described above, when a C- or CH-based emitter material is used as the film-forming layer 13, for example, the cathode substrate is subjected to laser processing, plasma processing, or the like after the film 9 is formed, so that the diamond-like thin film is formed. By forming a fine projection pattern at the tip of the emitter 8, it is possible to form an emitter that emits an electron beam more stably even at a low vacuum.
[0020]
Further, in the above-described example, an example in which, for example, a C or CH-based material is used as the film formation layer 13 has been described, but other examples include, for example, Cs, Ba, Sr, Ti, Zr, Ca, Y, Gd, and Ce. , Nd, Th, Pr, Nb, La, Eu, Ta, T, Hf, and mixtures thereof, or carbides, nitrides, borides, and the like.
[0021]
In this way, the cathode substrate 1 manufactured through the steps described with reference to FIGS. 2A, 2B, and 2C is combined with the anode substrate 20 in normal use as shown in FIG. As a result, an FED is formed.
The anode substrate 20 corresponds to the anode substrate 110 shown in FIG. 9, and has a conductive film 22 and a phosphor 23 formed thereon. As shown in the figure, when the gate voltage VGE and the anode voltage VA are applied, the phosphor 23 applied to the conductive film 22 is excited to emit light. When the opening 7 is schematically shown in an enlarged manner from the front, as shown in FIG. 3B, a film 9 deposited on the emitter 8 is observed at the center thereof. When the film 9 is further enlarged, it is observed that the emitter material is coated around the tip of the emitter 8 as shown in FIG.
[0022]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a view showing a state in which a cathode substrate and an anode substrate are arranged to face each other in a vacuum vessel as a manufacturing process of the field emission device of the second embodiment.
In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the cathode substrate 1 and the anode substrate 30 are arranged inside the vacuum vessel 0 so as to face the cathode substrate 1. A very stable hydrocarbon gas such as CH ₄ , C ₂ H ₂ , C ₂ H ₅ OH, CH ₃ OH, etc. It is introduced at 10 ^-2 to 10 ^-6 Torr.
Then, as will be described in detail with reference to FIG. 5, by applying the driving voltage VGE and the anode voltage VA, the ions of the hydrocarbon-based gas are selectively attached to the tip of the emitter 8 so that the tip of the emitter 8 is selectively applied. To form a CH-based film.
[0023]
FIGS. 5A, 5B and 5C are enlarged views of an arbitrary emitter 8 shown in FIG. 4, and the manufacturing steps of the field emission device of the second embodiment will be described with reference to these schematic diagrams. I do. The anode substrate 30 shown in this figure is also a dedicated substrate at the time of manufacturing like the anode substrate 10, and is composed of the substrate 31 made of a high melting point metal and the conductive film 32 as described above.
[0024]
The cathode substrate 1 and the anode substrate 30 formed in this manner are arranged in a vacuum vessel 0 as shown in FIG. 5, and a drive electrode VGE and an anode voltage VA are applied, and a hydrocarbon-based material is placed in the vacuum vessel 0. Introduce gas.
As a result, the hydrocarbon-based gas introduced into the vacuum vessel 0 is ionized and selectively adheres to the tip of the emitter 8 as shown by the arrow in FIG. Then, as shown in FIG. 5C, a low-carbon (for example, CH-based) film 33 is formed at the tip of the emitter 8. Further, by subsequently performing, for example, laser heating, plasma heating, or the like, it is possible to change the state to stable diamond-like carbon.
[0025]
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a gate voltage and an anode current (emission amount of electrons) when CH ₄ is introduced as a hydrocarbon-based gas into the vacuum vessel 0 (vacuum chamber) shown in FIG. 4 at, for example, 5 × 10 ^−5. The vertical axis indicates the anode current, and the horizontal axis indicates the gate voltage. In addition, white ○ mark is CH ₄ prior to the introduction, a black circle ● mark the time of CH ₄ introduction, white □ marks indicate the post-CH ₄ introduction.
As shown in the figure, when CH ₄ is introduced into the vacuum vessel 0, the amount of emitted electrons is smaller than that before the introduction of CH ₄ when the same level of gate voltage is applied, as indicated by a black circle ●. It can be seen that has increased. Further, it can be seen that the emission of electrons is further increased after the introduction of CH ₄ .
Therefore, it can be said that the film 33 is formed on the emitter 8 by the introduction of CH ₄ , and the electron emission efficiency of the emitter 8 is improved.
[0026]
FIG. 7 shows a restored state of the emission when CH ₄ is introduced into the vacuum vessel 0, then the introduction of CH ₄ is stopped, and the gate voltage and the anode voltage are simply applied. The vertical axis indicates the anode current (electron current). ), And the horizontal axis shows the lapse of time (every 30 minutes) of CH ₄ introduction.
In the horizontal axis of FIG. 7, the “1.0” point is an emission value serving as a reference before introducing CH ₄ (Before), and the “0” point is each gas pressure of 5 × 10 ⁻⁴ Torr (N ₂ It is the emission value immediately after the pressure was restored to the degree of vacuum before the introduction (before) after the introduction (gas pressure in gas conversion). This figure shows the history of emissions for three hours after gas introduction.
From the values shown in the figure, it can be seen that the effect of each gas on the emission is different. That is, in the vacuum vessel 0, the time and the degree of the recovery of the emission are determined by the state in which the emitter 8 is exposed to each gas.
[0027]
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the anode current and the temperature in the vacuum vessel 0 in the case where the film 33 is selectively formed at the tip of the emitter 8 using CH ₄ . Temperature is shown on the axis. As shown, when the film 33 is formed in a state where the temperature in the vacuum chamber 0 is set to, for example, normal temperature (for example, about 22 to 23 °), the anode current becomes, for example, about 150 to 200 μA. However, when the temperature of the vacuum vessel 0 is set to, for example, about 100 ° and the film 33 is formed, the anode current becomes, for example, about 1200 μA. In other words, the gate voltage VGE and the anode voltage VA are applied while the temperature in the vacuum vessel 0 is set to, for example, 100 ° C. or more in the state shown in FIG. An emission element can be manufactured.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, the first aspect of the present invention is to form a film formation layer made of an emitter material having a low work function in a vacuum vessel, arrange an anode substrate, and a cathode substrate. Electric field evaporation is performed at the tip of the emitter. Similarly, in the vacuum vessel, an anode substrate and a cathode substrate having substantially the same structure as a normal anode substrate are arranged, and for example, a hydrocarbon-based gas is introduced in a state where a gate voltage and an anode voltage are applied. Hydrogen-based gas ions can be selectively adsorbed to the tip of the emitter. As a result, the tip of the emitter can be covered with a film having a low work function, and the efficiency of field emission can be improved.
Furthermore, in the case of electric field vapor deposition, by using a material such as C or CH as an emitter material, a film is formed at the tip of the emitter, and then the shape is changed to a diamond-like thin film by laser heating or plasma heating, so that the field emission is more stable. It is also possible to make it.
Therefore, according to the present invention, by covering the tip of the emitter with a film having a low work function, a field emission device capable of performing stable field emission even at a low vacuum degree can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which a cathode substrate and an anode substrate are arranged in a vacuum vessel as a method for manufacturing a field emission device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating steps of a method for manufacturing a field emission device according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an FEC formed by the method for manufacturing a field emission device according to the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a cathode substrate and an anode substrate are arranged in a vacuum vessel as a method for manufacturing a field emission device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating steps of a method for manufacturing a field emission device according to a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a gate voltage and an anode current when a hydrocarbon-based gas is introduced in the method for manufacturing a field emission device according to the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state of restoring the emission when the introduction of the hydrocarbon-based gas is stopped and the electricity is simply supplied in the method of manufacturing the field emission device according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating emission efficiency depending on the temperature in a vacuum vessel during manufacturing in the method for manufacturing a field emission device according to the second embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing a conventional field emission device.
FIG. 10 is a perspective view showing a conventional field emission device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode substrate 8 Emitter 10, 30 Anode substrate 13 Deposition layers 9, 33 Film

Claims

真空容器中に、
電界放出エミッタ又はアレイを形成したカソード基板と、
エミッタ材料からなる基板、又は前記エミッタ材料を薄膜又は厚膜で形成したアノード基板を対向させて配置し、
前記カソード基板とアノード基板間に所定レベルの駆動電圧を印加して、前記カソード基板から放出される電子線を前記アノード基板に射突させることにより、前記エミッタ材料を電子線のエネルギーや加熱により蒸発させ、さらにイオン化させて、前記電界放出エミッタに電界蒸着させることを特徴とする電界放出素子の製造方法。In a vacuum vessel,
A cathode substrate forming a field emission emitter or array;
A substrate made of an emitter material, or an anode substrate formed of the emitter material as a thin film or a thick film is arranged to face each other,
By applying a predetermined level of the drive voltage between the cathode substrate and the anode substrate by Rukoto to bombard the electron beam emitted from the cathode substrate in the anode substrate, the emitter material by the energy and heating of the electron beam A method for manufacturing a field emission device , comprising: evaporating, further ionizing, and field depositing on the field emission emitter.

前記駆動電圧を印加した状態で、前記真空容器中に１０^-2乃至１０^-6TorrでＨ又は／及びＡｒを導入することを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein H and / or Ar is introduced into the vacuum vessel at 10 ^<-2 > to 10 ^< ^-6 > Torr while the driving voltage is applied.

前記駆動電圧を印加した状態で、前記アノード基板を裏面から抵抗加熱又は輻射加熱又はレーザ加熱することを特徴とする請求項２記載の電界放出素子の製造方法。3. The method for manufacturing a field emission device according to claim 2, wherein the anode substrate is subjected to resistance heating, radiation heating, or laser heating from the back surface while the driving voltage is applied.