JP3598568B2

JP3598568B2 - Cold electron-emitting device and method of manufacturing the same

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Publication number: JP3598568B2
Application number: JP7212195A
Authority: JP
Inventors: 守石崎; 昭裕星野
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JPH08273515A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
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られる冷電子放出素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電子顕微鏡等の電子源としては、（冷電子放出とは異なる）熱電子放出による電子銃が用いられている。
まず、ここで、熱電子放出の概略について説明する。
物体の表面から外方へ電子を取り出すためには、この物体にその表面の仕事関数に相当するエネルギーを与えてやる必要がある。その理由は、この表面に仕事関数分のエネルギー障壁が存在するためである。
この物体の表面にエネルギーを与えるためによく用いられる方法としては、物体の表面を加熱し、その表面をある温度以上の高温状態とする方法がある。この高温状態中の電子は、周りからエネルギーを得てその運動エネルギーが増大し、この運動エネルギーが前記仕事関数に相当するエネルギーを越えると、エネルギー障壁を越えて物体表面から外へ飛び出すこととなる。これが、いわゆる熱電子放出と称される現象であり、放出された電子は熱電子と称され、この電子を放出する陰極は熱陰極と称される。
【０００３】
ところで、物体の表面を高温に加熱する替わりに、物体表面に電界をかけることにより該電界の大きさに応じて該表面のエネルギー障壁の幅が狭くなることが知られている。特に、電界強度を約１０^７Ｖ／ｃｍ以上の強電界とした場合、エネルギー障壁の幅がトンネル効果を引き起こすのに充分なまでに狭くなり、電子がこのエネルギー障壁を突破して物体表面から外へ飛び出す、いわゆる電界放出（又は強電界放出）と称される現象が起こる。
この放出された電子は電界放出電子（又は強電界放出電子）と称されているが、この電子及び電子を放出する陰極のことを、上述の熱電子と熱陰極に対応して、それぞれ冷電子、冷陰極と称することもある。
【０００４】
この電界放出現象は、上述した熱電子放出とは原理が異なるものであり、工業的応用を検討した場合には、その原理の違いに起因した数々の優れた特長を有していることが知られている。
電界放出現象についてもう少し説明する。物体表面に生じる電場は、ポソアンの方程式に支配されているため、物体の表面に突起が存在するとその突起の先端に電界が集中することとなる。したがって、形状を突起状とすれば比較的低電圧で電界放出を起こすことができ、これを電子源として利用することができる。
【０００５】
図１７は、この電界放出現象を利用した電子源の一例である冷電子放出素子の部分斜視図、図１８は同部分断面図である。図において、１はＳｉからなる導電性の基板、２は基板１上に設けられた円錐形状のコーン型エミッタ、３はエミッタ２の先端部を囲むように設けられたゲート、４は絶縁層である。
この素子では、エミッタ２とゲート３との間に電圧を印加することにより、エミッタ２の先端部２ａに電界が集中し、該先端部２ａから電子を放出する。この電子は、ゲート穴３ａを通過しアノード側に向かって飛行する。
【０００６】
図１９は、この電界放出現象を利用した電子源の他の一例である冷電子放出素子の部分斜視図であり、図において、５は基板１に形成された円柱状のエミッタ基体、６はエミッタ基体５の上面に設けられた円板状のデイスクエッジ型エミッタである。
この素子では、エミッタ６とゲート３との間に電圧を印加することにより、エミッタ６の上面の周縁部６ａに電界が集中し、該周縁部６ａから電子を放出する。この電子は、ゲート穴３ａを通過しアノード側に向かって飛行する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したコーン型エミッタ２を有する素子では、サブミクロン程度のパターンニング技術を必要とし、また、斜め蒸着という複雑な工程も必要であり、大面積の基板１上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点があった。
【０００８】
上述したデイスクエッジ型エミッタ６を有する素子では、数μｍのパターニング技術と、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により、エミッタ６の高さや形状のばらつきを小さくすることができ、したがって、大面積の基板１に均一な素子を形成することができる。
ところが、前記エミッタ６の形状は円柱状あるいは多角柱状で、垂直方向の周縁部６ａの断面が直角であるから、周縁部６ａは斜め４５°を向いていることになり、放射された電子の多くはゲート３に入射し、アノードに到達する電子の量が大きく低下する。したがって、エミッタ６から放射された電子の多くがゲート３の穴３ａを通過できずにゲート３に入射して失われることとなり、素子から有効に取り出せる電子の割合（以下、分配率と呼ぶ）が約１０％と小さいという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電流の分配率が大きく、しかも、簡単な製造工程で作製することができる冷電子放出素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような冷電子放出素子及びその製造方法を採用した。
すなわち、請求項１記載の冷電子放出素子は、エミッタと、該エミッタを囲むように設けられたゲートとを備えてなる冷電子放出素子において、前記エミッタを平板状とし、その上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、該上面とその側面との端縁を断面鈍角とし、前記エミッタの上面と側面との端縁の曲率半径を該エミッタの下面と側面との端縁の曲率半径よりも小さくしたものである。
【００１１】
請求項２記載の冷電子放出素子は、前記ゲートを前記エミッタの上面の位置より上方にしたものである。
【００１３】
請求項３記載の冷電子放出素子の製造方法は、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされ該下面とその側面との関係が断面鋭角とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層に該レジストパターンを転写することにより、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成する方法である。
【００１４】
請求項４記載の冷電子放出素子の製造方法は、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層のエッチングと同時に該レジストパターンのサイドエッチングを進行させることにより、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成する方法である。
なお、エミッタの前記断面鈍角をなす端縁の真上の空間にゲートが覆いかぶさるような配置になると、放出された電子がアノードまで届かず、ゲートに達してしまい易くなるために、前記端縁の真上の全て／または殆どの空間にはゲートが達しない配置にするのが好ましい。
【００１５】
【作用】
本発明の請求項１記載の冷電子放出素子では、前記エミッタを平板状とし、その上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、該上面とその側面との端縁を断面鈍角としたことにより、この端縁から放射された電子の多くはゲート穴を通過し、アノードに到達し
、周囲のゲートに入射する電子の量は大幅に減少する。これにより、分配率は９０％以上に向上する。また、端縁は、従来の直角エッジ、鋭角エッジ・鋭角ポイントに比較して機械的強度や熱伝導が大きく、破壊し難い。
また、前記エミッタの上面と側面との端縁の曲率半径を該エミッタの下面と側面との端縁の曲率半径よりも小さくしたことにより、エミッタの上面と側面の端縁にかかる電界強度がさらに大きくなる。
【００１６】
請求項２記載の冷電子放出素子では、前記ゲートを前記エミッタの上面の位置より上方にしたことにより、エミッタの上面と側面の端縁にかかる電界強度が大きくなり、電子をエミッタの上面とその側面との端縁から上方に向かって放出する。
【００１８】
前記エミッタの上面と側面との端縁にかかる電界強度は、▲１▼ゲートまでの距離、▲２▼端縁の曲率半径、▲３▼端縁の断面の角度、各々が小さい程大きくなる傾向がある。端縁の断面の角度を鈍角にすると▲３▼の点で不利になるものの、ゲートをエミッタの上面の位置より上方にしたり、前記エミッタの上面と側面との端縁の曲率半径を、該エミッタの下面と側面との端縁の曲率半径よりも小さくすることより、▲１▼と▲２▼の相乗効果により強電界を印加することが可能になる。
【００１９】
請求項３記載の冷電子放出素子の製造方法では、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされ該下面とその側面との関係が断面鋭角とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層に該レジストパターンを転写することにより、前記エミッタ層に、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成する。
これにより、端縁が断面鈍角であり、上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを、簡単な工程で作製することが可能になる。
【００２０】
請求項４記載の冷電子放出素子の製造方法では、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層のエッチングと同時に該レジストパターンのサイドエッチングを進行させることにより、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを簡単な工程で作製することが可能になる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の冷電子放出素子及びその製造方法の各実施例について、図面に基づき説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の冷電子放出素子の平面図、図２は同断面図であり、図において、１１は平板の上面１１ａを円形とし、該上面１１ａとその側面１１ｂとの上端縁１１ｃを断面鈍角とした円錐台形のエミッタであり、上端縁１１ｃの断面の角度は約１４０°とされている。そして、上端縁１１ｃのみから電子を放出させるように、ゲート３はエミッタ１１の上面１１ａよりも高い位置に形成されている。また、上端縁１１ｃの曲率半径は数ｎｍ以下であり、下面１１ｄとその側面１１ｂとの下端縁１１ｅの曲率半径は２０ｎｍ程度である。なお、基板１はＳｉ等の導電性を有するもので、エミッタ配線を兼ねている。
【００２２】
この冷電子放出素子では、エミッタ１１とゲート３との間に電圧を印加してエミッタ１１から冷電子を放出させる。
図２に示すように、ゲート３が正、エミッタ１１が負になるように電圧を印加すると、電子ｅは、エミッタ１１の上端縁１１ｃから垂直に、すなわち基板１に垂直な方向から約２０°外側に傾いた方向に放出される。電子ａはゲート穴３ａを通過し、図示しないアノード電圧によって加速されることによって、より基板１に垂直な方向に飛行していく。
【００２３】
次に、この冷電子放出素子の製造方法について図３に基づき説明する。
まず、例えば、Ｓｉ等の導電性を有する基板１を用意する。この基板１は、エミッタ１１へ電流を流すためのエミッタ配線を兼ねている（同図（ａ））。次いで、この基板１上に、スパッタまたは真空蒸着等により、エミッタ１１となるＷ層２１をその厚みが０．２μｍになるように成膜する（同図（ｂ））。
次いで、Ｗ層２１の上に、その上面が円形とされ該上面とその側面との端縁が断面鈍角とされたレジストパターンを形成する。ここでは、下面の直径が８μｍ、この下面と側面とのなす角度が７０°の円錐台状のレジストパターン２２を形成する（同図（ｃ））。
【００２４】
ここで、レジストパターン２２の形成方法について説明する。
レジストはＯＦＰＲ−８６００（東京応化工業製）を用い、スピンコート法により２μｍの厚みで成膜し、オーブンを用いて９０℃で３０分プリベイクを行い、次いで、アライナ（キャノン製：ＰＬＡ５２０ＦＡ）を用いて露光し、現像液（ＮＭＤ−３：東京応化工業製）を用いて２分間現像を行う。その後、オーブンを用いて１１０℃で２０分ポストベイクを行う。
【００２５】
次いで、Ｗ層２１に該レジストパターン２２を転写することにより、上面を円形とし、該上面とその側面との端縁を断面鈍角としたエミッタ１１を形成する。
ここでは、ＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、Ｗ層２１および基板１を順次エッチングし、高さ０．７μｍのエミッタ１１を形成する（同図（ｄ））。ここでは、レジストパターン２２は、エッチングの進行とともに小さくなり、Ｗ層２１はその断面の角度が約１４０゜になるように加工される。したがって、このエミッタ１１の側面１１ｂは基板１に対して約４０゜の傾きで形成されており、上端縁１１ｃの断面の角度は約１４０゜の鈍角となっている。また、上端縁１１ｃの曲率半径は数ｎｍ以下に形成され、下端縁１１ｅの曲率半径は２０ｎｍ程度に形成されている。
【００２６】
次いで、基板１、エミッタ１１及びレジストパターン２２各々の上に、絶縁層４となるＳｉＯ_ｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯ_ｘ層２３の上にゲート３となるＮｂ層２４を０．２μｍの厚みに蒸着する（同図（ｅ））。これにより、ゲート３はエミッタ１１の上面１１ａよりも０．２μｍ高い位置に形成され、エミッタ１１の下端縁１１ｅに大きな電界を印加することなく上端縁１１ｃに大きな電界を印加できるようになる。
【００２７】
次いで、レジストパターン２２を除去し、エミッタ１１上に形成されたＳｉＯ_ｘ層２３及びＮｂ層２４をリフト・オフする（同図（ｆ））。
その後、フォトリソグラフィ及びＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、Ｎｂ層２４を電極として作用するゲート３とゲート配線とに加工する。
以上により、本実施例の冷電子放出素子を作製することができる。
【００２８】
図４〜図６は、電子計算機を用いてシミュレーションを行った本実施例の冷電子放出素子の電界強度分布を示す図である。
ここでは、図４にゲート３とエミッタ１１との間の電界強度分布を、図５にエミッタ１１の上端縁１１ｃ，１１ｅ近傍の電界強度分布を、図６にエミッタ１１の上端縁１１ｃ近傍の電界強度分布を、それぞれ等高線を用いて示している。
これらの図から明かなように、上端縁１１ｃの電界強度の方が下端縁１１ｅの電界強度よりも強くなっており、上端縁１１ｃより電子が放出されていると判断することができる。
【００２９】
図７は、エミッタ１１の上端縁１１ｃの角度αと電子の放出中心角βとの関係を示す図である。
電界は導体表面に垂直、すなわちエミッタ１１の上端縁１１ｃに垂直にかかるため、電子ｅはエミッタ１１の上端縁１１ｃの向いた方向に初速度を持つこととなる。したがって、電子の放出中心角βは、
β＝（１８０°−α）／２ ……（１）
で表される。この式から、αが大きい程βは小さくなる。
分配率は、放射される全電子のうちゲート穴３ａを通過してアノードに到達する電子の割合であるから、ゲート穴３ａが同じ径でエミッタ１１の上面１１ａから同じ高さであれば、βが小さい方が分配率が向上する。また、電子ｅの初速度の方向の広がりは電子ｅが広がる主要因であるから、βが小さい程電子ｅの広がりは小さくなる。
【００３０】
従来のデイスクエッジ型エミッタでは、α＝９０°であり、したがって、β＝４５°と大きいため、分配率が小さく電子の広がりも大きかったが、本実施例の素子では、α＞９０°、したがってβ＜４５°であるから、エミッタ１１の上端縁１１ｃが基板１に対してより垂直な方向を向いているため、分配率が大きく電子の広がりが小さくなる。
【００３１】
図８は、エミッタ１１の端縁１１ａの角度αと、放射電流Ｉ_Ｅ、分配率Ｉ_Ａ／Ｉ_Ｅ、電子の広がり角β’それぞれとの関係を示す図である。ここでは、放射電流Ｉ_Ｅの単位は任意としてある。
分配率Ｉ_Ａ／Ｉ_Ｅ及び電子の広がり角β’についてはαが大きい程良い結果が得られるが、放射電流Ｉ_Ｅは小さくなる。放射電流Ｉ_Ｅが小さくなった分は駆動電圧を上げることである程度補償することができるので、用途に応じて適当なαを選ぶのが良い。
【００３２】
図９は、本実施例の製造方法中のＷ層２１にレジストパターン２２を転写する方法の原理を説明する図である。
ここでは、同図（ａ）に示すように、レジストパターン２２の側面と下面とのなす角をγ、レジストパターン２２のエッチレートをＥ_ＰＲ、Ｗ層２１のエッチレートをＥ_Ｎとする。ここで、同図（ｂ）に示すように、Ｗ層２１に対して垂直方向にエッチングを始めると、レジストパターン２２のない部分のＷ層２１は当然エッチングされ、同時にレジストパターン２２の裾の部分２２ａも速やかにエッチングされて除去される。したがって、その下のＷ層２１ａは裾の部分２２ａより若干遅れてエッチングが進行する。
【００３３】
このように、エッチング前のレジストパターン２２の形状がエッチレート比で変換されてエッチング後のエミッタ１１の形状が決まることとなる。
ここで、エミッタ１１の側面と下面とのなす角度をδとすると、
δ＝ｔａｎ^−１｛（Ｅ_Ｎ／Ｅ_ＰＲ）×ｔａｎ（γ）｝……（２）
となるので、αは、
α＝１８０°−δ ……（３）
により求められる。
【００３４】
ここで、この実施例１の冷電子放出素子に対して、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３とエミッタ１１との間に電界を印加し、エミッタ１１、ゲート３、アノード（図示せず）の各電流を測定したところ、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が確認された。また、分配率は９０％以上に改善されていることが確認された。
【００３５】
以上説明した様に、この実施例１の冷電子放出素子によれば、エミッタ１１の形状を平板の上面１１ａを円形とし、該上面１１ａとその側面１１ｂとの上端縁１１ｃを断面鈍角とした円錐台形にしたので、分配率を９０％以上に向上させることができる。また、上端縁１１ｃは従来のエミッタの形状と比較して機械的強度及び熱伝導を大きくすることができ、破壊し難い。
【００３６】
また、この実施例１の冷電子放出素子の製造方法によれば、Ｗ層２１の上に、その下面が円形とされ下面とその側面との関係が断面鋭角とされたレジストパターン２２を形成し、Ｗ層２１に該レジストパターン２２を転写するので、上端縁１１ｃが断面鈍角であるエミッタ１１を、簡単な工程で作製することができる。
【００３７】
（実施例２）
図１０は本発明の実施例２の冷電子放出素子の平面図、図１１は同断面図であり、図において、３１は絶縁性を有するガラス基板、３２はガラス基板３１上に形成されＣｒからなるエミッタ配線、３３はＳｉからなるエミッタ基体である。この実施例のエミッタ１１の構成及び電圧を印加した場合の動作は、上記実施例１と全く同様であるから、説明を省略する。
【００３８】
次に、この冷電子放出素子の製造方法について図１２に基づき説明する。
まず、絶縁性を有するガラス基板３１上に、スパッタまたは真空蒸着等によりエミッタ配線３２となるＣｒ層を成膜し、このＣｒ層をフォトリソグラフィ及びウエットエッチングによりエミッタ配線３２に加工する（同図（ａ））。次いで、このガラス基板３１及びエミッタ配線３２上に、スパッタまたは真空蒸着等により、エミッタ基体３３となる厚み０．５μｍのＳｉ層３５、エミッタ１１となる厚み０．２μｍのＷ層２１、を順次成膜する（同図（ｂ））。
【００３９】
次いで、Ｗ層２１の上に、下面の直径が８μｍ、この下面と側面とのなす角度が７０°の円錐台状のレジストパターン２２を形成する（同図（ｃ））。なお、レジストパターン２２の形成方法については上記実施例１と全く同様である。
次いで、Ｗ層２１に該レジストパターン２２を転写することによりエミッタ１１を形成する。
ここでは、ＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、Ｗ層２１及びＳｉ層３５を順次エッチングし、高さ０．７μｍのエミッタ１１及びエミッタ基体３３を形成する（同図（ｄ））。ここでは、レジストパターン２２は、エッチングの進行とともに小さくなり、Ｗ層２１はその断面の角度が約１４０゜になるように加工される。したがって、このエミッタ１１の側面１１ｂは基板１に対して約４０゜の傾きで形成されており、上端縁１１ｃの断面の角度は約１４０゜の鈍角となっている。また、上端縁１１ｃの曲率半径は数ｎｍ以下に形成され、下端縁１１ｅの曲率半径は２０ｎｍ程度に形成される。
【００４０】
次いで、ガラス基板３１、エミッタ配線３２、エミッタ１１及びレジストパターン２２各々の上に、絶縁層４となるＳｉＯ_ｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯ_ｘ層２３の上にゲート３となるＮｂ層２４を０．２μｍの厚みに蒸着する（同図（ｅ））。これにより、ゲート３はエミッタ１１の上面１１ａよりも０．２μｍ高い位置に形成され、エミッタ１１の下端縁１１ｅに大きな電界を印加することなく上端縁１１ｃに大きな電界を印加できるようになる。
【００４１】
次いで、レジストパターン２２を除去し、エミッタ１１上に形成されたＳｉＯ_ｘ層２３及びＮｂ層２４をリフト・オフする（同図（ｆ））。
その後、フォトリソグラフィ及びＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、Ｎｂ層２４を電極として作用するゲート３とゲート配線とに加工する。
以上により、本実施例の冷電子放出素子を作製することができる。
【００４２】
ここで、この実施例２の冷電子放出素子に対して、上記実施例１と同様にエミッタ１１、ゲート３、アノード（図示せず）の各電流を測定したところ、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が確認された。また、分配率は９０％以上に改善されていることが確認された。
【００４３】
以上説明した様に、この実施例２の冷電子放出素子においても、上記実施例１の冷電子放出素子と全く同様に分配率を９０％以上に向上させることができる。
また、この実施例２の冷電子放出素子の製造方法においても、上記実施例１の冷電子放出素子の製造方法と全く同様に、上端縁１１ｃが断面鈍角であるエミッタ１１を、簡単な工程で作製することができる。
【００４４】
（実施例３）
図１３は本発明の実施例３の冷電子放出素子の平面図、図１４は同断面図であり、図において、４１は平板の上面４１ａを正方形とし、該上面４１ａとその側面４１ｂとの上端縁４１ｃを断面鈍角とした四角錐台形のエミッタ、４２はエミッタ４１を囲むように設けられたゲートであり、エミッタ４１の上端縁４１ｃの断面の角度は約１２０°とされている。そして、上端縁４１ｃのみから電子を放出させるように、ゲート４２はエミッタ４１の上面４１ａよりも高い位置に形成されている。また、上端縁４１ｃの曲率半径は数ｎｍ以下であり、下面４１ｄとその側面４１ｂとの下端縁４１ｅの曲率半径は２０ｎｍ程度である。
【００４５】
この冷電子放出素子では、エミッタ４１とゲート４２との間に電圧を印加してエミッタ４１から冷電子を放出させる。
図１４に示すように、ゲート４２が正、エミッタ４１が負になるように電圧を印加すると、電子ｅは、エミッタ４１の端縁４１ｃから垂直に、すなわち基板１に垂直な方向から約３０°外側に傾いた方向に放出される。電子ａはゲート穴４２ａを通過し、図示しないアノード電圧によって加速されることによって、より基板１に垂直な方向に飛行していく。
【００４６】
次に、この冷電子放出素子の製造方法について図１５に基づき説明する。
まず、例えば、Ｓｉ等の導電性を有する基板１を用意する。この基板１は、エミッタ４１へ電流を流すためのエミッタ配線を兼ねている（同図（ａ））。次いで、この基板１上に、スパッタまたは真空蒸着等により、エミッタ４１となるＷ層２１をその厚みが０．２μｍになるように成膜する（同図（ｂ））。
次いで、Ｗ層２１の上に、その下面が正方形、ここでは、下面の一辺が８μｍのレジストパターン４５を形成する（同図（ｃ））。
【００４７】
次いで、レジストパターン４５のサイドエッチングを利用して、上面を正方形で、該上面とその側面との端縁を断面鈍角としたエミッタ４１を形成する。
ここでは、ＳＦ_６ガスを用いたプラズマイオンエッチングにより、Ｗ層２１および基板１を順次エッチングし、高さ０．７μｍのエミッタ４１を形成する（同図（ｄ））。ここでは、レジストパターン４５は、横方向へのエッチング即ちサイドエッチングによってエッチングの進行とともに小さくなり、Ｗ層２１はその断面の角度が約１２０゜になるように加工される。したがって、このエミッタ４１の側面４１ｂは基板１に対して約６０゜の傾きで形成されており、上端縁４１ｃの断面の角度は約１２０゜の鈍角となっている。また、上端縁４１ｃの曲率半径は数ｎｍ以下に形成され、下端縁４１ｅの曲率半径は２０ｎｍ程度に形成されている。
【００４８】
図１６は、本実施例の製造方法中のレジストパターン４５のサイドエッチングを説明する図である。ここでは、レジストパターン４５のサイドエッチレートをＥ_ＰＲＳ、Ｗ層２１の垂直方向のエッチレートをＥ_Ｎ、サイドエッチレートをＥ_Ｓとする。
ここで、Ｅ_ＰＲＳ＞Ｅ_Ｓとすれば、αは、
α＝９０°＋ｔａｎ^−１（Ｅ_ＰＲＳ／Ｅ_Ｎ） ……（４）
により求められる。
【００４９】
次いで、基板１、エミッタ４１及びレジストパターン４５各々の上に、絶縁層４となるＳｉＯ_ｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯ_ｘ層２３の上にゲート４２となるＮｂ層２４を０．２μｍの厚みに蒸着する（図１５（ｅ））。これにより、ゲート４２はエミッタ４１の上面４１ａよりも０．２μｍ高い位置に形成され、エミッタ４１の下端縁４１ｅに大きな電界を印加することなく上端縁４１ｃに大きな電界を印加できるようになる。
【００５０】
次いで、レジストパターン４５を除去し、エミッタ４１上に形成されたＳｉＯ_ｘ層２３及びＮｂ層２４をリフト・オフする（同図（ｆ））。
その後、フォトリソグラフィ及びＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、Ｎｂ層２４を電極として作用するゲート４２とゲート配線とに加工する。以上により、本実施例の冷電子放出素子を作製することができる。
【００５１】
ここで、この実施例３の冷電子放出素子に対して、上記実施例１，２と同様にエミッタ４１、ゲート４２、アノード（図示せず）の各電流を測定したところ、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が確認された。また、分配率は９０％以上に改善されていることが確認された。
【００５２】
以上説明した様に、この実施例３の冷電子放出素子においても、上記実施例１及び２の冷電子放出素子と全く同様に分配率を９０％以上に向上させることができる。
また、この実施例３の冷電子放出素子の製造方法においても、上記実施例１の冷電子放出素子の製造方法と全く同様に、上端縁４１ｃが断面鈍角であるエミッタ４１を、簡単な工程で作製することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の請求項１記載の冷電子放出素子によれば、エミッタを平板状とし、その上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角としたので、周囲のゲートに入射する電子の量を大幅に減少させることができ
、したがって、分配率を９０％以上にすることができる。また、前記端縁は、従来の直角エッジ、鋭角エッジ・鋭角ポイントに比較して機械的強度や熱伝導を大きくすることができ、したがって、破壊し難い。
また、前記エミッタの上面と側面との端縁の曲率半径を該エミッタの下面と側面との端縁の曲率半径よりも小さくしたので、エミッタの上面と側面の端縁にかかる電界強度をさらに大きくすることができる。
【００５４】
請求項２記載の冷電子放出素子によれば、前記ゲートを前記エミッタの上面の位置より上方にしたので、エミッタの上面と側面との端縁にかかる電界強度を大きくすることができ、電子をエミッタの上面とその側面との端縁から上方に向かって放出させることができる。
【００５６】
請求項３記載の冷電子放出素子の製造方法によれば、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされ該下面とその側面との関係が断面鋭角とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層に該レジストパターンを転写することにより、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成するので、端縁が断面鈍角であり、上面と側面との端縁の曲率半径が側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを簡単な工程で作製することができる。
【００５７】
請求項４記載の冷電子放出素子の製造方法によれば、エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層のエッチングと同時に該レジストパターンのサイドエッチングを進行させることにより、上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成するので、端縁が断面鈍角であり、上面と側面との端縁の曲率半径が側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを簡単な工程で作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の冷電子放出素子を示す平面図である。
【図２】本発明の実施例１の冷電子放出素子を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１の冷電子放出素子の製造方法を示す過程図である。
【図４】電子計算機を用いてシミュレーションを行った本実施例１の冷電子放出素子のゲートとエミッタとの間の電界強度分布を示す図である。
【図５】電子計算機を用いてシミュレーションを行った本実施例１の冷電子放出素子のエミッタの上端縁及び下端縁の各近傍の電界強度分布を示す図である。
【図６】電子計算機を用いてシミュレーションを行った本実施例１の冷電子放出素子のエミッタの上端縁近傍の電界強度分布を示す図である。
【図７】エミッタの上端縁の角度αと電子の放出中心角βとの関係を示す図である。
【図８】エミッタの上端縁の角度αと、放射電流Ｉ_Ｅ、分配率Ｉ_Ａ／Ｉ_Ｅ、電子の広がり角β’それぞれとの関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の製造方法中のＷ層にレジストパターンを転写する方法の原理を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例２の冷電子放出素子を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施例２の冷電子放出素子を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施例２の冷電子放出素子の製造方法を示す過程図である。
【図１３】本発明の実施例３の冷電子放出素子を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施例３の冷電子放出素子を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施例３の冷電子放出素子の製造方法を示す過程図である。
【図１６】本発明の実施例３の製造方法中のレジストパターンのサイドエッチングを説明する図である。
【図１７】従来の電界放出現象を利用した電子源の一例である冷電子放出素子を示す部分斜視図である。
【図１８】従来の電界放出現象を利用した電子源の一例である冷電子放出素子を示す部分断面図である。
【図１９】従来の電界放出現象を利用した電子源の他の一例である冷電子放出素子を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１基板
２コーン形エミッタ
２ａエミッタ先端
３ゲート
３ａゲート穴
４絶縁層
５エミッタ基体
６ディスクエッジ形エミッタ
６ａエミッタ上端縁
１１エミッタ
１１ａ上面
１１ｂ側面
１１ｃ上端縁
１１ｄ下面
１１ｅ下端縁
２１Ｗ層
２２レジストパターン
２３ＳｉＯ_ｘ層
２４Ｎｂ層
３１ガラス基板
３２エミッタ配線
３３エミッタ基体
３５Ｓｉ層
４１エミッタ
４１ａ上面
４１ｂ側面
４１ｃ上端縁
４１ｄ下面
４１ｅ下端縁
４２ゲート
４５レジストパターン[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a cold electron-emitting device used as an electron source such as a flat panel display-type image display device, an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure device, or an illumination lamp, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an electron source for an electron microscope, for example, an electron gun using thermionic emission (different from cold electron emission) has been used.
First, the outline of thermionic emission will be described.
In order to extract electrons outward from the surface of an object, it is necessary to give the object energy corresponding to the work function of the surface. The reason is that a work function energy barrier exists on this surface.
As a method often used to apply energy to the surface of the object, there is a method of heating the surface of the object and bringing the surface to a high temperature state above a certain temperature. The electrons in this high-temperature state gain energy from the surroundings and increase their kinetic energy. When this kinetic energy exceeds the energy corresponding to the work function, the electrons jump out of the object surface through the energy barrier. . This is a phenomenon called so-called thermoelectron emission. The emitted electrons are called thermoelectrons, and the cathode emitting these electrons is called a hot cathode.
[0003]
By the way, it is known that, instead of heating the surface of an object to a high temperature, an electric field is applied to the surface of the object, whereby the width of the energy barrier on the surface is reduced according to the magnitude of the electric field. In particular, an electric field strength of about 10⁷In the case of a strong electric field of V / cm or more, the width of the energy barrier becomes narrow enough to cause a tunnel effect, and electrons break through the energy barrier and jump out of the surface of the object. A phenomenon called strong field emission occurs.
The emitted electrons are called field emission electrons (or strong field emission electrons), and the electrons and the cathode that emits electrons are referred to as thermions and cold electrons, respectively, corresponding to the above-mentioned thermoelectrons and hot cathodes. , A cold cathode.
[0004]
This field emission phenomenon is different in principle from the above-mentioned thermionic emission, and it is known that when considering industrial applications, it has a number of excellent features resulting from the difference in principle. Have been.
The field emission phenomenon will be described a little more. Since the electric field generated on the surface of the object is governed by Posson's equation, if a projection exists on the surface of the object, the electric field will be concentrated on the tip of the projection. Therefore, if the shape is a projection, field emission can be caused at a relatively low voltage, and this can be used as an electron source.
[0005]
FIG. 17 is a partial perspective view of a cold electron-emitting device as an example of an electron source utilizing this field emission phenomenon, and FIG. 18 is a partial sectional view of the same. In the figure, 1 is a conductive substrate made of Si, 2 is a cone-shaped cone-shaped emitter provided on the substrate 1, 3 is a gate provided to surround the tip of the emitter 2, 4 is an insulating layer is there.
In this device, when a voltage is applied between the emitter 2 and the gate 3, an electric field is concentrated on the tip 2a of the emitter 2, and electrons are emitted from the tip 2a. The electrons fly through the gate hole 3a toward the anode.
[0006]
FIG. 19 is a partial perspective view of a cold electron-emitting device as another example of the electron source utilizing the field emission phenomenon. In FIG. 19, reference numeral 5 denotes a columnar emitter base formed on the substrate 1; This is a disk-shaped disk edge type emitter provided on the upper surface of the base 5.
In this device, when a voltage is applied between the emitter 6 and the gate 3, an electric field is concentrated on the peripheral portion 6a on the upper surface of the emitter 6, and electrons are emitted from the peripheral portion 6a. The electrons fly through the gate hole 3a toward the anode.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, an element having the above-mentioned cone-type emitter 2 requires a submicron patterning technique and also requires a complicated process of oblique deposition, so that a uniform element is formed on a large-area substrate 1. There was a problem that it was quite difficult.
[0008]
In the device having the disk edge type emitter 6 described above, the height and shape variation of the emitter 6 can be reduced by using a patterning technique of several μm and general steps such as vapor deposition, sputtering, and reactive ion etching. Therefore, a uniform element can be formed on the substrate 1 having a large area.
However, since the shape of the emitter 6 is cylindrical or polygonal, and the cross section of the vertical peripheral portion 6a is a right angle, the peripheral portion 6a is oriented at an oblique angle of 45 °. Is incident on the gate 3 and the amount of electrons reaching the anode is greatly reduced. Therefore, most of the electrons emitted from the emitter 6 cannot pass through the hole 3a of the gate 3 but enter the gate 3 and are lost, and the ratio of electrons that can be effectively extracted from the element (hereinafter referred to as distribution ratio) is reduced. There was a problem that it was as small as about 10%.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a cold electron emitting element which has a large current distribution ratio and can be manufactured in a simple manufacturing process, and a method for manufacturing the same. The purpose is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs the following cold electron emitting device and a method of manufacturing the same.
That is, the cold electron-emitting device according to claim 1 isA cold electron-emitting device comprising an emitter and a gate provided to surround the emitter;Is a flat plate, the upper surface of which is substantially circular or polygonal, and the edge between the upper surface and the side surface is an obtuse cross section.The radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface of the emitter is smaller than the radius of curvature of the edge between the lower surface and the side surface of the emitter.It was done.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, the gate is located above the upper surface of the emitter.
[0013]
Claim 3In the method for manufacturing a cold electron emission element described above, a resist pattern is formed on the emitter layer, the lower surface of which is formed into any one of a substantially circular shape and a polygonal shape, and the relationship between the lower surface and the side surface is an acute angle in cross section. Then, by transferring the resist pattern to the emitter layer, the upper surface is formed into a substantially circular or polygonal shape,Edge of the top and side surfacesIs an obtuse cross sectionAn emitter in which the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.It is a method of forming.
[0014]
Claim 4The method for manufacturing a cold electron emitting device according to the present invention is characterized in that a resist pattern whose lower surface is formed into any one of a substantially circular shape and a polygonal shape is formed on an emitter layer, and the resist pattern is formed simultaneously with the etching of the emitter layer. By advancing the side etching, the upper surface is made into either a substantially circular or polygonal shape,Edge of the top and side surfacesIs an obtuse cross sectionAn emitter in which the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.It is a method of forming.
If the gate is arranged so as to cover the space directly above the edge forming the obtuse angle of the cross section of the emitter, the emitted electrons do not reach the anode and tend to reach the gate. Is preferably arranged so that the gate does not reach all / or most of the space directly above.
[0015]
[Action]
In the cold electron emission element according to claim 1 of the present invention, the emitter is formed in a flat plate shape, the upper surface thereof is formed in any one of a substantially circular shape and a polygonal shape, and the edge between the upper surface and the side surface is formed in an obtuse angle in cross section. Therefore, most of the electrons emitted from this edge pass through the gate hole and reach the anode.
The amount of electrons incident on the surrounding gate is greatly reduced. Thereby, the distribution ratio is improved to 90% or more. In addition, the edge has higher mechanical strength and heat conduction than conventional right-angled edges, acute-angled edges and sharp-angled points, and is hard to break.
Further, by making the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface of the emitter smaller than the radius of curvature of the edge between the lower surface and the side surface of the emitter, the electric field strength applied to the edge of the upper surface and the side surface of the emitter is further reduced. growing.
[0016]
In the cold electron emission element according to claim 2, since the gate is located above the position of the upper surface of the emitter, the electric field intensity applied to the edges of the upper surface and the side surface of the emitter increases, and electrons are transferred to the upper surface of the emitter and the upper surface of the emitter. Discharge upward from the edge with the side.
[0018]
The electric field strength applied to the edge between the upper surface and the side surface of the emitter tends to increase as the following are smaller: (1) the distance to the gate, (2) the radius of curvature of the edge, and (3) the angle of the cross section of the edge. There is. If the angle of the cross section of the edge is made obtuse, it is disadvantageous in point (3), but the gate may be located above the upper surface of the emitter, or the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface of the emitter may be reduced. By making the radius of curvature smaller than the radius of curvature of the edge between the lower surface and the side surface, a strong electric field can be applied by the synergistic effect of (1) and (2).
[0019]
Claim 3In the method for manufacturing a cold electron emission element described above, a resist pattern is formed on the emitter layer, the lower surface of which is formed into any one of a substantially circular shape and a polygonal shape, and the relationship between the lower surface and the side surface is an acute angle in cross section. Then, by transferring the resist pattern to the emitter layer,The upper surface has a substantially circular or polygonal shape, the edge between the upper surface and the side surface has an obtuse angle in section, and the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is the curvature of the edge between the side surface and the lower surface. Emitter smaller than radiusTo form
As a result, the edge has an obtuse cross section.The radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.The emitter can be manufactured in a simple process.
[0020]
Claim 4In the method for manufacturing a cold electron emitting element described above, a resist pattern whose lower surface is formed into any one of a substantially circular shape and a polygonal shape is formed on the emitter layer, and the resist pattern is formed simultaneously with the etching of the emitter layer. By advancing the side etching, the upper surface is made into either a substantially circular or polygonal shape,Edge of the top and side surfacesIs an obtuse cross sectionAn emitter in which the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.Can be manufactured by a simple process.
[0021]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the cold electron emitting device and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
FIG. 1 is a plan view of a cold electron-emitting device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof. In the drawing, reference numeral 11 denotes a circular upper surface 11a of a flat plate, and the upper end of the upper surface 11a and its side surface 11b. It is a frusto-conical emitter whose edge 11c is obtuse in cross section, and the cross-sectional angle of the upper end edge 11c is about 140 °. The gate 3 is formed at a position higher than the upper surface 11a of the emitter 11 so that electrons are emitted only from the upper edge 11c. The radius of curvature of the upper edge 11c is several nm or less, and the radius of curvature of the lower edge 11e between the lower surface 11d and the side surface 11b is about 20 nm. The substrate 1 has conductivity such as Si, and also serves as an emitter wiring.
[0022]
In this cold electron-emitting device, a voltage is applied between the emitter 11 and the gate 3 to emit cold electrons from the emitter 11.
As shown in FIG. 2, when a voltage is applied so that the gate 3 is positive and the emitter 11 is negative, the electrons e are perpendicular to the upper edge 11c of the emitter 11, that is, about 20 ° from the direction perpendicular to the substrate 1. It is released in the direction inclined outward. The electrons a pass through the gate hole 3a, and are accelerated by an anode voltage (not shown), so that they fly in a direction more perpendicular to the substrate 1.
[0023]
Next, a method for manufacturing the cold electron-emitting device will be described with reference to FIG.
First, for example, a substrate 1 having conductivity such as Si is prepared. The substrate 1 also serves as an emitter wiring for flowing a current to the emitter 11 (FIG. 1A). Next, a W layer 21 to be the emitter 11 is formed on the substrate 1 by sputtering or vacuum deposition so that the thickness thereof becomes 0.2 μm (FIG. 2B).
Next, a resist pattern is formed on the W layer 21 in which the upper surface is circular and the edges of the upper surface and the side surfaces are obtuse in cross section. Here, a resist pattern 22 having a truncated cone shape with a diameter of the lower surface of 8 μm and an angle between the lower surface and the side surface of 70 ° is formed (FIG. 3C).
[0024]
Here, a method for forming the resist pattern 22 will be described.
Using OFPR-8600 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) as a resist, a film having a thickness of 2 μm is formed by spin coating, prebaked at 90 ° C. for 30 minutes using an oven, and then using an aligner (PLA520FA manufactured by Canon). And developing for 2 minutes using a developing solution (NMD-3: manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.). Thereafter, post-baking is performed at 110 ° C. for 20 minutes using an oven.
[0025]
Next, the resist pattern 22 is transferred to the W layer 21 to form the emitter 11 having a circular upper surface and an obtuse angle between the upper surface and the side surface thereof.
Here, SF₆The W layer 21 and the substrate 1 are sequentially etched by reactive ion etching using a gas to form the emitter 11 having a height of 0.7 μm (FIG. 4D). Here, the resist pattern 22 becomes smaller as the etching progresses, and the W layer 21 is processed so that the angle of its cross section becomes about 140 °. Therefore, the side surface 11b of the emitter 11 is formed at an inclination of about 40 ° with respect to the substrate 1, and the angle of the cross section of the upper edge 11c is an obtuse angle of about 140 °. The radius of curvature of the upper edge 11c is formed to be several nm or less, and the radius of curvature of the lower edge 11e is formed to be about 20 nm.
[0026]
Next, on each of the substrate 1, the emitter 11 and the resist pattern 22, a SiO 2 serving as an insulating layer 4 is formed._xLayer 23 is deposited to a thickness of 0.9 μm,_xAn Nb layer 24 to be the gate 3 is deposited on the layer 23 to a thickness of 0.2 μm (FIG. 3E). As a result, the gate 3 is formed at a position 0.2 μm higher than the upper surface 11a of the emitter 11, so that a large electric field can be applied to the upper edge 11c without applying a large electric field to the lower edge 11e of the emitter 11.
[0027]
Next, the resist pattern 22 is removed, and the SiO 2 formed on the emitter 11 is removed._xThe layer 23 and the Nb layer 24 are lifted off (FIG. 1F).
Then, photolithography and SF₆The Nb layer 24 is processed into a gate 3 serving as an electrode and a gate wiring by reactive ion etching using a gas.
As described above, the cold electron-emitting device of this embodiment can be manufactured.
[0028]
4 to 6 are diagrams showing the electric field intensity distribution of the cold electron emitting device of the present embodiment, which was simulated using an electronic computer.
Here, FIG. 4 shows the electric field intensity distribution between the gate 3 and the emitter 11, FIG. 5 shows the electric field intensity distribution near the upper edges 11c and 11e of the emitter 11, and FIG. Intensity distributions are shown using contour lines.
As is clear from these figures, the electric field intensity at the upper edge 11c is stronger than the electric field intensity at the lower edge 11e, and it can be determined that electrons are emitted from the upper edge 11c.
[0029]
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between the angle α of the upper edge 11c of the emitter 11 and the central angle β of electron emission.
Since the electric field is perpendicular to the conductor surface, that is, perpendicular to the upper edge 11c of the emitter 11, the electron e has an initial velocity in the direction toward the upper edge 11c of the emitter 11. Therefore, the electron emission center angle β is
β = (180 ° −α) / 2 (1)
Is represented by From this equation, β becomes smaller as α becomes larger.
Since the distribution ratio is a ratio of electrons that reach the anode through the gate hole 3a among all the emitted electrons, if the gate hole 3a has the same diameter and the same height from the upper surface 11a of the emitter 11, β The smaller the value, the higher the distribution ratio. The spread of the electron e in the direction of the initial velocity is a main factor of the spread of the electron e. Therefore, the smaller the β is, the smaller the spread of the electron e is.
[0030]
In the conventional disk edge type emitter, α = 90 ° and, therefore, β = 45 °, which is large, so that the distribution ratio is small and the spread of electrons is large. However, in the device of this embodiment, α> 90 ° Since β <45 °, the upper edge 11c of the emitter 11 is oriented more perpendicularly to the substrate 1, so that the distribution ratio is large and the spread of electrons is small.
[0031]
FIG. 8 shows the angle α of the edge 11a of the emitter 11 and the radiation current I_E, Distribution ratio I_A/ I_EAnd the spread angle β ′ of the electrons. Here, the radiation current I_EThe unit of is arbitrary.
Distribution rate I_A/ I_EAnd the spread angle β 'of electrons is better as α is larger, but the emission current I_EBecomes smaller. Radiation current I_ECan be compensated to some extent by increasing the drive voltage, so it is better to select an appropriate α according to the application.
[0032]
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of the method of transferring the resist pattern 22 to the W layer 21 in the manufacturing method of the present embodiment.
Here, as shown in FIG. 2A, the angle between the side surface and the lower surface of the resist pattern 22 is γ, and the etch rate of the resist pattern 22 is E._PR, W layer 21 has an etch rate of E_NAnd Here, as shown in FIG. 3B, when etching is started in a direction perpendicular to the W layer 21, the W layer 21 where there is no resist pattern 22 is naturally etched, and at the same time, the bottom part of the resist pattern 22 is etched. 22a is also quickly etched away. Therefore, the etching of the W layer 21a thereunder proceeds slightly later than the skirt portion 22a.
[0033]
As described above, the shape of the resist pattern 22 before the etching is converted by the etch rate ratio to determine the shape of the emitter 11 after the etching.
Here, assuming that the angle between the side surface and the lower surface of the emitter 11 is δ,
δ = tan^-1｛(E_N/ E_PR) × tan (γ)｝ (2)
Therefore, α is
α = 180 ° −δ (3)
Required by
[0034]
Here, a glass substrate with a transparent electrode coated with a phosphor is opposed to the cold electron-emitting device of the first embodiment, and an electric field is applied between the gate 3 and the emitter 11 in a vacuum. When the respective currents of the gate 3 and the anode (not shown) were measured, electron emission was confirmed from light emission of the phosphor, and field emission was confirmed from an FN plot of current-voltage characteristics. Further, it was confirmed that the distribution ratio was improved to 90% or more.
[0035]
As described above, according to the cold electron-emitting device of the first embodiment, the shape of the emitter 11 is such that the upper surface 11a of the flat plate is circular, and the upper edge 11c of the upper surface 11a and the side surface 11b is an obtuse angle in cross section. Because of the trapezoid, the distribution ratio can be improved to 90% or more. Further, the upper edge 11c can increase the mechanical strength and the heat conduction as compared with the conventional shape of the emitter, and is hard to break.
[0036]
Further, according to the method of manufacturing the cold electron-emitting device of the first embodiment, the resist pattern 22 is formed on the W layer 21 such that the lower surface is circular and the relationship between the lower surface and the side surface is an acute angle in cross section. Since the resist pattern 22 is transferred to the W layer 21, the emitter 11 having the upper end edge 11c having an obtuse angle in cross section can be manufactured by a simple process.
[0037]
(Example 2)
FIG. 10 is a plan view of a cold electron emission element according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a sectional view of the cold electron emission element. In the figure, reference numeral 31 denotes a glass substrate having an insulating property; The emitter wiring 33 is an emitter base made of Si. The configuration of the emitter 11 of this embodiment and the operation when a voltage is applied are exactly the same as those of the first embodiment, and therefore the description is omitted.
[0038]
Next, a method of manufacturing the cold electron-emitting device will be described with reference to FIG.
First, a Cr layer serving as the emitter wiring 32 is formed on a glass substrate 31 having an insulating property by sputtering or vacuum deposition, and this Cr layer is processed into the emitter wiring 32 by photolithography and wet etching (see FIG. a)). Next, on the glass substrate 31 and the emitter wiring 32, a 0.5 μm-thick Si layer 35 serving as the emitter base 33 and a 0.2 μm-thick W layer 21 serving as the emitter 11 are sequentially formed by sputtering or vacuum deposition. The film is formed (FIG. 2B).
[0039]
Next, a truncated cone-shaped resist pattern 22 having a lower surface of 8 μm in diameter and an angle of 70 ° between the lower surface and the side surface is formed on the W layer 21 (FIG. 3C). The method for forming the resist pattern 22 is exactly the same as in the first embodiment.
Next, the emitter 11 is formed by transferring the resist pattern 22 to the W layer 21.
Here, SF₆The W layer 21 and the Si layer 35 are sequentially etched by reactive ion etching using a gas to form the emitter 11 and the emitter base 33 having a height of 0.7 μm (FIG. 4D). Here, the resist pattern 22 becomes smaller as the etching progresses, and the W layer 21 is processed so that the angle of its cross section becomes about 140 °. Therefore, the side surface 11b of the emitter 11 is formed at an inclination of about 40 ° with respect to the substrate 1, and the angle of the cross section of the upper edge 11c is an obtuse angle of about 140 °. The radius of curvature of the upper edge 11c is formed to be several nm or less, and the radius of curvature of the lower edge 11e is formed to be about 20 nm.
[0040]
Next, on each of the glass substrate 31, the emitter wiring 32, the emitter 11, and the resist pattern 22, a SiO 2 serving as an insulating layer 4 is formed._xLayer 23 is deposited to a thickness of 0.9 μm,_xAn Nb layer 24 to be the gate 3 is deposited on the layer 23 to a thickness of 0.2 μm (FIG. 3E). As a result, the gate 3 is formed at a position 0.2 μm higher than the upper surface 11a of the emitter 11, so that a large electric field can be applied to the upper edge 11c without applying a large electric field to the lower edge 11e of the emitter 11.
[0041]
Next, the resist pattern 22 is removed, and the SiO 2 formed on the emitter 11 is removed._xThe layer 23 and the Nb layer 24 are lifted off (FIG. 1F).
Then, photolithography and SF₆The Nb layer 24 is processed into a gate 3 serving as an electrode and a gate wiring by reactive ion etching using a gas.
As described above, the cold electron-emitting device of this embodiment can be manufactured.
[0042]
Here, the respective currents of the emitter 11, the gate 3, and the anode (not shown) were measured for the cold electron-emitting device of the second embodiment in the same manner as in the first embodiment. Was confirmed, and it was confirmed from the FN plot of the current-voltage characteristics that the emission was field emission. Further, it was confirmed that the distribution ratio was improved to 90% or more.
[0043]
As described above, also in the cold electron-emitting device of the second embodiment, the distribution ratio can be increased to 90% or more just like the cold electron-emitting device of the first embodiment.
Also, in the method of manufacturing the cold electron-emitting device according to the second embodiment, the emitter 11 having the upper edge 11c having an obtuse cross-section can be formed in a simple process just like the method of manufacturing the cold electron-emitting device according to the first embodiment. Can be made.
[0044]
(Example 3)
FIG. 13 is a plan view of a cold electron-emitting device according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a cross-sectional view thereof. In the drawing, reference numeral 41 denotes an upper surface 41a of a flat plate, and the upper end of the upper surface 41a and its side surface 41b. A trapezoidal pyramid-shaped emitter whose edge 41c has an obtuse cross section is a gate, and a gate 42 is provided so as to surround the emitter 41. The angle of the cross section of the upper edge 41c of the emitter 41 is about 120 °. The gate 42 is formed at a position higher than the upper surface 41a of the emitter 41 so that electrons are emitted only from the upper edge 41c. The radius of curvature of the upper edge 41c is several nm or less, and the radius of curvature of the lower edge 41e between the lower surface 41d and the side surface 41b is about 20 nm.
[0045]
In this cold electron-emitting device, a voltage is applied between the emitter 41 and the gate 42 to cause the emitter 41 to emit cold electrons.
As shown in FIG. 14, when a voltage is applied such that the gate 42 is positive and the emitter 41 is negative, the electrons e are perpendicular from the edge 41c of the emitter 41, that is, about 30 ° from the direction perpendicular to the substrate 1. It is released in the direction inclined outward. The electrons a pass through the gate holes 42a and are accelerated by an anode voltage (not shown), so that they fly in a direction more perpendicular to the substrate 1.
[0046]
Next, a method for manufacturing the cold electron-emitting device will be described with reference to FIG.
First, for example, a substrate 1 having conductivity such as Si is prepared. The substrate 1 also serves as an emitter wiring for flowing a current to the emitter 41 (FIG. 1A). Next, a W layer 21 serving as the emitter 41 is formed on the substrate 1 by sputtering or vacuum deposition so that the thickness thereof becomes 0.2 μm (FIG. 2B).
Next, a resist pattern 45 having a square lower surface, in this case, one side of the lower surface is 8 μm is formed on the W layer 21 (FIG. 3C).
[0047]
Next, by using side etching of the resist pattern 45, the emitter 41 is formed in which the upper surface is square and the edge between the upper surface and the side surface is obtuse in cross section.
Here, SF₆The W layer 21 and the substrate 1 are sequentially etched by plasma ion etching using a gas to form an emitter 41 having a height of 0.7 μm (FIG. 4D). Here, the resist pattern 45 becomes smaller as the etching proceeds by lateral etching, that is, side etching, and the W layer 21 is processed so that the angle of its cross section becomes about 120 °. Accordingly, the side surface 41b of the emitter 41 is formed at an inclination of about 60 ° with respect to the substrate 1, and the angle of the cross section of the upper edge 41c is an obtuse angle of about 120 °. The radius of curvature of the upper edge 41c is formed to be several nm or less, and the radius of curvature of the lower edge 41e is formed to be about 20 nm.
[0048]
FIG. 16 is a diagram illustrating the side etching of the resist pattern 45 during the manufacturing method according to the present embodiment. Here, the side etch rate of the resist pattern 45 is set to E_PRS, W layer 21 has a vertical etch rate of E_N, Set the side etch rate to E_SAnd
Where E_PRS> E_SThen, α is
α = 90 ° + tan^-1(E_PRS/ E_N) …… (4)
Required by
[0049]
Next, on each of the substrate 1, the emitter 41, and the resist pattern 45, an SiO_xLayer 23 is deposited to a thickness of 0.9 μm,_xAn Nb layer 24 to be a gate 42 is deposited on the layer 23 to a thickness of 0.2 μm (FIG. 15E). As a result, the gate 42 is formed at a position higher than the upper surface 41a of the emitter 41 by 0.2 μm, and a large electric field can be applied to the upper edge 41c without applying a large electric field to the lower edge 41e of the emitter 41.
[0050]
Next, the resist pattern 45 is removed, and the SiO 2 formed on the emitter 41 is removed._xThe layer 23 and the Nb layer 24 are lifted off (FIG. 1F).
Then, photolithography and SF₆The Nb layer 24 is processed into a gate 42 serving as an electrode and a gate wiring by reactive ion etching using a gas. As described above, the cold electron-emitting device of this embodiment can be manufactured.
[0051]
Here, the respective currents of the emitter 41, the gate 42, and the anode (not shown) were measured for the cold electron-emitting device of the third embodiment in the same manner as in the first and second embodiments. Electron emission was confirmed, and field emission was confirmed from the FN plot of current / voltage characteristics. Further, it was confirmed that the distribution ratio was improved to 90% or more.
[0052]
As described above, also in the cold electron-emitting device of the third embodiment, the distribution ratio can be increased to 90% or more, just like the cold electron-emitting devices of the first and second embodiments.
Also, in the method of manufacturing the cold electron-emitting device according to the third embodiment, the emitter 41 whose upper edge 41c has an obtuse cross-section is formed in a simple process in the same manner as in the method of manufacturing the cold electron-emitting device according to the first embodiment. Can be made.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the cold electron emitting element of the first aspect of the present invention, the emitter is formed in a flat plate shape, and the upper surface thereof is formed in any one of a substantially circular shape and a polygonal shape.Edge of the top and side surfacesThe cross section is obtuse, so the amount of electrons incident on the surrounding gate can be greatly reduced.
Therefore, the distribution ratio can be made 90% or more. In addition, the edge can increase mechanical strength and heat conduction as compared with conventional right-angled edges, acute-angled edges and acute-angled points, and is therefore less likely to break.
Further, since the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface of the emitter is smaller than the radius of curvature of the edge between the lower surface and the side surface of the emitter, the electric field intensity applied to the edge of the upper surface and the side surface of the emitter is further increased. can do.
[0054]
According to the cold electron emission element of the present invention, since the gate is located above the position of the upper surface of the emitter, the electric field intensity applied to the edge between the upper surface and the side surface of the emitter can be increased, and electrons can be emitted. The emitter can be emitted upward from the edge between the top surface and the side surface of the emitter.
[0056]
Claim 3According to the method for manufacturing a cold electron-emitting device described above, a resist pattern in which the lower surface has an approximately circular or polygonal shape and the relationship between the lower surface and its side surface is an acute angle is formed on the emitter layer. Is formed, and the resist pattern is transferred to the emitter layer, so that the upper surface has a substantially circular or polygonal shape,Edge of the top and side surfacesIs an obtuse cross sectionAn emitter in which the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.So that the edges are obtuse in cross sectionThe radius of curvature of the edge between the top and side surfaces is smaller than the radius of curvature of the edge between the side and bottom surfacesCan be manufactured by a simple process.
[0057]
Claim 4According to the method for manufacturing a cold electron-emitting device described above, a resist pattern whose lower surface is formed in any one of a substantially circular shape and a polygonal shape is formed on the emitter layer, and the resist is formed simultaneously with the etching of the emitter layer. By advancing the side etching of the pattern, the upper surface is made into either a substantially circular or polygonal shape,Edge of the top and side surfacesIs an obtuse cross sectionAn emitter in which the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is smaller than the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface.So that the edges are obtuse in cross sectionThe radius of curvature of the edge between the top and side surfaces is smaller than the radius of curvature of the edge between the side and bottom surfacesCan be manufactured by a simple process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a cold electron-emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cold electron-emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a process chart showing a method for manufacturing a cold electron emission device according to Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an electric field intensity distribution between the gate and the emitter of the cold electron emission element of the first embodiment, which has been simulated using an electronic computer.
FIG. 5 is a diagram showing electric field intensity distributions near the upper end edge and the lower end edge of the emitter of the cold electron emission element of the first embodiment, which have been simulated using an electronic computer.
FIG. 6 is a diagram showing an electric field intensity distribution near the upper end edge of the emitter of the cold electron emission element of the first embodiment, which has been simulated using an electronic computer.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an angle α of an upper end edge of an emitter and a central angle β of electron emission.
FIG. 8 shows the angle α of the upper edge of the emitter and the emission current I_E, Distribution ratio I_A/ I_EAnd the spread angle β ′ of the electrons.
FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of a method of transferring a resist pattern to a W layer in the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a plan view showing a cold electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a cold electron-emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a process chart showing a method for manufacturing a cold electron emission device according to Example 2 of the present invention.
FIG. 13 is a plan view showing a cold electron-emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view showing a cold electron-emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a process chart showing a method for manufacturing a cold electron-emitting device according to Example 3 of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating side etching of a resist pattern during the manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a partial perspective view showing a cold electron-emitting device as an example of a conventional electron source utilizing the field emission phenomenon.
FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing a cold electron-emitting device as an example of a conventional electron source utilizing the field emission phenomenon.
FIG. 19 is a partial perspective view showing a cold electron-emitting device as another example of an electron source utilizing the conventional field emission phenomenon.
[Explanation of symbols]
1 substrate
2 cone type emitter
2a Emitter tip
3 gate
3a Gate hole
4 Insulating layer
5 Emitter base
6 Disk edge type emitter
6a Top edge of emitter
11 Emitter
11a Top surface
11b Side view
11c Top edge
11d bottom surface
11e lower edge
21 W layer
22 Resist pattern
23 SiO_xlayer
24 Nb layer
31 glass substrate
32 emitter wiring
33 Emitter base
35 Si layer
41 Emitter
41a upper surface
41b side
41c top edge
41d bottom surface
41e lower edge
42 gate
45 resist pattern

Claims

エミッタと、該エミッタを囲むように設けられたゲートとを備えてなる冷電子放出素子において、
前記エミッタを平板状とし、その上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、該上面とその側面との端縁を断面鈍角とし、前記エミッタの上面と側面との端縁の曲率半径は該エミッタの下面と側面との端縁の曲率半径よりも小さいことを特徴とする冷電子放出素子。 In a cold electron emission element including an emitter and a gate provided so as to surround the emitter,
The emitter has a flat plate shape, the upper surface thereof has a substantially circular or polygonal shape, the edge between the upper surface and the side surface has an obtuse cross-sectional angle, and the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface of the emitter is A cold electron-emitting device, wherein the radius of curvature is smaller than the radius of curvature of the edge between the lower surface and the side surface of the emitter .

前記ゲートは、前記エミッタの上面の位置より上方にあることを特徴とする請求項１記載の冷電子放出素子。The cold electron emission device according to claim 1, wherein the gate is located above a position of an upper surface of the emitter.

エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされ該下面とその側面との関係が断面鋭角とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層に該レジストパターンを転写することにより、A resist pattern is formed on the emitter layer, the lower surface of the resist pattern having a substantially circular or polygonal shape, and the relationship between the lower surface and the side surface is formed to have an acute angle in cross section, and the resist pattern is transferred to the emitter layer. By doing
上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。The upper surface has a substantially circular or polygonal shape, the edge between the upper surface and the side surface has an obtuse cross-section, and the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface. A method for manufacturing a cold electron-emitting device, wherein a smaller emitter is formed.

エミッタ層の上に、その下面が略円形または多角形のいずれかの形状とされたレジストパターンを形成し、前記エミッタ層のエッチングと同時に該レジストパターンのサイドエッチングを進行させることにより、On the emitter layer, by forming a resist pattern whose lower surface has a substantially circular or polygonal shape, and by performing side etching of the resist pattern simultaneously with the etching of the emitter layer,
上面を略円形または多角形のいずれかの形状とし、当該上面と側面との端縁を断面鈍角とし、当該上面と側面との端縁の曲率半径が当該側面と下面との端縁の曲率半径よりも小さいエミッタを形成することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。The upper surface has a substantially circular or polygonal shape, the edge between the upper surface and the side surface has an obtuse cross-section, and the radius of curvature of the edge between the upper surface and the side surface is the radius of curvature of the edge between the side surface and the lower surface. A method for manufacturing a cold electron-emitting device, wherein a smaller emitter is formed.