JPH04292831A - 電界放出型陰極装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型陰極装置に
係わる。

【０００２】

【従来の技術】カソードの大きさが数μｍ以下程度とさ
れた微小サイズの電界放出型カソードとして、スピント
（Ｓｐｉｎｄｔ）型の電界放出型陰極装置が知られてい
る。このスピント型の電界放出型陰極装置を図６の略線
的拡大断面図を参照して説明する。

【０００３】図６において、１０はガラス等の絶縁基板
で、これの上にＡｌ等より成る第１の電極１１即ちカソ
ード電極が被着形成され、この第１の電極１１上に例え
ば錐体状のＷ，Ｍｏ等の高融点かつ低仕事関数の金属か
ら成り、尖鋭な先端形状を有する例えば円錐状のカソー
ド９が形成される。そしてこのカソード９の周囲に例え
ば直径１〜１．５μｍ程度の開口幅をもったキャビティ
６を有するＳｉＯ２　等より成る絶縁層２が形成され、
この絶縁層２の上には、例えばＭｏ，Ｗ，Ｃｒ等の高融
点金属から成る第２の電極３即ちゲート電極がカソード
９に対する対向電極として配置された構造を採る。

【０００４】このような電界放出型陰極装置の製法とし
ては、例えば本出願人による特開昭５６−１６０７４０
号公開公報にその一例が提案されている。この方法は、
上述の電界放出型陰極装置を形成する基体として単結晶
Ｓｉ等の結晶性基体を用いるものである。先ずＳｉ基体
等の一方の主面に所要の透孔を有するマスク層を形成し
、この透孔を通じて結晶学的エッチングを行って例えば
錐状凹部を形成し、この錐状凹部内に所要のＷ等より成
る電極層を蒸着、スパッタリング等により被着し、更に
絶縁性の補強材を凹部内を埋込むように被着する。そし
てこの基体の他の面即ち裏面上から通常の即ち非結晶学
的エッチングを行い、主面上に形成した凹部内の電極層
の錐体頂部を露出させるようにしてこれをカソード先端
部とし、その後この裏面上に露出させたカソードを埋込
むように絶縁層を被着し、更に導電層を被着した後、カ
ソードの周囲にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の
異方性エッチングまたは等方性エッチングによってキャ
ビティを形成してこのカソードを露出させて電界放出型
陰極装置を得ることができる。この方法による場合は、
カソードの先端を確実に尖鋭な形状をもって形成するこ
とができる。

【０００５】このようにして形成した電界放出型陰極装
置は、ゲート電極即ち第２の電極３とカソード９との間
に、約１０６　Ｖ／ｃｍ程度以上の電圧を印加すること
により、カソード９を熱することなく電子放出を行わせ
ることができる。そして、このような微小サイズの電界
放出型陰極装置によれば、実質的にゲート電圧を数十〜
数百Ｖ程度とできて、比較的低電圧による動作が可能と
なる。例えば平面型ディスプレイ等においてその電子銃
としてこの電界放出型陰極装置を用いる場合は、数億個
程度の微小なサイズの電界放出型陰極装置を１０μｍピ
ッチ程度で配置することにより、低電圧従って低消費電
力の薄型ディスプレイを得ることができる。

【０００６】一方、第１の電極１１即ちカソード電極と
カソード９との間に厚さ数Å〜数μｍ程度で、抵抗が数
百〜数百万Ω・ｃｍ程度のＳｉ等の薄膜より成る抵抗層
１２を設ける構造が提案されている。このように、カソ
ード９と第１の電極１１とに抵抗層１２を設けることに
よって各カソード９からの電子放出量の安定化をはかる
ことができる。このことを、電界放出型陰極装置の略線
的拡大断面図を示す図７及び図８を参照して詳細に説明
する。図７は、抵抗層１２を設けずに第１の電極１１上
に直接的に複数のカソード９１及び９２を配置形成した
場合で、矢印ｅは電子流を示す。上述した平面型ディス
プレイに適用した場合のように、サブミクロン単位程度
の大きさのカソード６を大量に形成すると、図７に示す
ように各カソードの大きさ、形状に多少のばらつきが生
じる。このため結果的に電子放出に要する電界強度に差
異が生じ、即ち放射率に差異が生じる場合がある。例え
ばカソード９１が５０Ｖで電子放出するのに対し、カソ
ード９２が１００Ｖ程度の電圧を印加しないと電子放出
しない場合もあり、５０Ｖ程度の電圧印加ではカソード
９１のみが電子放出し、カソード９２は動作しないこと
となる。また逆に１００Ｖ程度の電圧を印加すると、カ
ソード９２は電子放出するが、カソード９１が破壊され
てしまう恐れがある。

【０００７】従って、このような電界放出型陰極装置を
平面型ディスプレイに適用した場合、カソードの形状に
よる電子放出のばらつきによって画面に濃淡のむらを生
じさせ、また一部の素子が破壊される等して寿命の短期
化を招く恐れがある。

【０００８】これに対し、抵抗層１２をカソードと第１
の電極１１との間に設ける場合を考える。このように抵
抗層１２を設けることによって、図８に示すように、カ
ソード９１及び９２と第１の電極１１との間にそれぞれ
抵抗Ｒ１，Ｒ２　が生じる。そしてここに電圧Ｖ０　を
印加したときに各カソード９１及び９２に流れる電流を
それぞれ矢印で示すようにｉ１　，ｉ２　として、ｉ１
　＞ｉ２　即ちカソード９１がカソード９２より電子放
出し易いとする。このとき、カソード９１には抵抗Ｒ１
　によって電圧降下が起きるため、その印加電圧は、 Ｖ１　＝Ｖ０　−ΔＶ１　＝Ｖ０　−Ｒ１　ｉ１　とな
る。一方カソード９２の印加電圧は同様に、Ｖ２　＝Ｖ
０　−ΔＶ２　＝Ｖ０　−Ｒ２　ｉ２　となり、Ｖ１　
＜Ｖ２　となる。従って、次の瞬間カソード９１からの
電子放出量がカソード９２からの電子放出量に対して相
対的に減少することとなり、結果的に平均化された電子
放出が得られる。従って、上述したような平面型ディス
プレイ等において、その画面の濃淡のばらつき等を抑制
することができる。

【０００９】またこのように抵抗層１２を形成する場合
、図９の略線的拡大断面図に示すように、微小な導電性
の塵埃１４がカソードの先端部と第２の電極とに接触す
るように付着しても、抵抗層１２を設けることによって
完全に導通することがなく、複数のカソードが配置され
る場合には、他のカソードと第２の電極との間には所定
の電圧が印加され、電子放出される。

【００１０】しかしながら、図１０の略線的拡大断面図
に示すように、抵抗層１２にピンホール２０等の欠陥が
生じてカソード９と第１の電極１１とが接触していた状
態で、導電性の塵埃１４がカソード９先端部に付着して
第２の電極３と接触した場合は完全な短絡となる。従っ
て、複数のカソードが配置されていても、他の正常形状
のカソードからも電子放出が得られないこととなり、不
良品の増加を招く恐れがある。

【００１１】特に上述したように数億個程度のカソード
を形成してディスプレイを構成する場合、このような欠
陥が発生し易く、歩留りの低下を招来する恐れがある。 更に、このようなディスプレイ装置等の動作中に上述し
たように塵埃が付着して短絡部分が発生するとそれ自身
或いは複数のカソードの電子放出が行えなくなる場合が
あり、寿命の長期化をはかり難いという問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、上述したような電界放出型陰極装置におい
て、電子放出特性のばらつきの問題、また導電性の塵埃
等の付着や、カソード下のピンホールの存在等による短
絡の問題を解決して、歩留りの向上及び寿命の長期化を
はかる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明電界放出型陰極装
置の一例の略線的拡大断面図を図１に示す。本発明は図
１に示すように、複数のカソード９に対する電圧印加を
行う第１の電極１１と、抵抗層１２と、絶縁層２と、第
２の電極３とを順次積層して成り、第２の電極３と絶縁
層２とに渡ってキャビティ６を設け、キャビティ６内に
カソード９を抵抗層１２上に接して配し、第１の電極１
１をカソード９下において欠如部を有するパターンとす
る。

【００１４】

【作用】上述したように、本発明電界放出型陰極装置で
は、その第１の電極１１を、カソード９の下部において
欠如したパターンとすることから、図３に一例の略線的
拡大断面図を示すように、導電性の塵埃１４がカソード
９の先端部に付着しても第２の電極３と第１の電極１１
とが短絡することを回避することができる。

【００１５】また、例えば図４に一例の略線的拡大断面
図を示すように、抵抗層１２にピンホール２０が存在す
る場合においても、同様に第２の電極３と第１の電極１
１との短絡を回避することができる。

【００１６】従って、このようなカソード９を複数に配
置して例えば平面型ディスプレイ装置等を構成する場合
、抵抗層１２を設けることによって各カソード９の電子
放出率の均一化をはかることができると共に、一部のカ
ソード９に導電性塵埃１４が付着してこのカソード９の
電子放出特性例えば放出率が低下しても、他のカソード
は依然として正常に動作することができるため、複数の
カソードを有して成る電界放出型陰極装置の歩留りの向
上、寿命の長期化をはかることができる。

【００１７】

【実施例】以下図１〜図５を参照して本発明電界放出型
陰極装置の一例を詳細に説明する。図１において１０は
ガラス等の絶縁基板で、これの上にＡｌ等より成り、例
えば直径φが数μｍ〜１０μｍ程度とされた例えば円形
の開口１１ａを有する第１の電極１１が被着形成され、
この第１の電極１１上に例えば厚さが数十Å〜数μｍ程
度で、抵抗値が数百Ω・ｃｍ〜数百万Ω・ｃｍ程度のＳ
ｉ薄膜等より成る抵抗層１２が全面的に被着されて成る
。そしてこの第１の電極１１の開口１１ａ上に、抵抗層
１２を介して例えば錐体状のＷ，Ｍｏ等の高融点かつ低
仕事関数の金属から成り、尖鋭な先端形状を有する例え
ば円錐状のカソード９が形成される。そしてこのカソー
ド９の周囲に例えば直径１〜１．５μｍ程度の開口幅ｗ
をもったキャビティ６を有するＳｉＯ２　等より成る絶
縁層２が形成され、この絶縁層２の上には、例えばＭｏ
，Ｗ，Ｎｂ，ＷＳｉｘ　等の高融点金属から成る第２の
電極３即ちゲート電極がカソード９に対する対向電極と
して配置された構造を採る。

【００１８】このような電界放出型陰極装置の製造方法
としては例えば、先ずガラス等より成る絶縁性の基板１
０を用意し、これの上に例えばＡｌ等より成る金属層を
蒸着、スパッタリング等により被着した後、フォトリソ
グラフィ等の適用によって例えば直径φを数μｍ〜１０
μｍ程度の例えば１０μｍ程度として円形の開口１１ａ
を穿設し、ベース電極となる第１の電極１１を形成する
。そしてこの上に厚さ数十Å〜数μｍ程度の例えば５０
Åとして、Ｓｉ等を蒸着、スパッタリング等により全面
的に被着して、その体積抵抗を数百Ω・ｃｍ〜数百万Ω
・ｃｍの例えば５００Ω・ｃｍとして抵抗層１２を形成
する。そして更にこの上に所要の厚さの例えば１〜１．
５μｍ程度の厚さを有するＳｉＯ２　、Ｓｉ３　Ｎ４　
等より成る絶縁層２をＣＶＤ（化学的気相成長）法等に
より全面的に被着し、更にＷ，Ｍｏ，Ｎｂ，ＷＳｉｘ　
等より成る金属層を厚さ数千Å程度例えば４０００Åと
して蒸着、スパッタリング等により全面的に被着し、こ
の金属層に対してフォトリソグラフィ等の適用によって
例えば１μｍ程度の開口幅ｗを有する例えば円形の開口
５を穿設してゲート電極となる第２の電極３を形成する
。この開口５、ほぼ第１の電極１１上に位置するように
なし、例えばその中心が第１の電極１１の開口１１ａの
中心とほぼ同位置に存在するようになす。続いてこの開
口５を通じてＲＩＥ等の異方性エッチングを行って絶縁
層２に対するエッチングを行ってキャビティ６を形成す
る。そしてこの第２の電極３上に、後述するカソード材
料層除去の工程において剥離除去し易く、カソード材料
に対してエッチング選択性を有する例えばＡｌ等より成
る剥離層を、キャビティ６内に付着しない程度の例えば
５°〜２０°程度の角度をもって基板１０を回転しなが
ら斜め蒸着を行い、更にこの上にカソード材料となる即
ち高融点かつ低仕事関数のＷ，Ｍｏ等より成る材料層を
垂直蒸着等により全面的に被着形成する。このとき、剥
離層の斜め蒸着によって、開口５上において剥離層の径
が実質的に狭められて被着され、これに従って材料層の
開口５周辺の実質的な径が時間と共に狭められ、この開
口５を通じて基体１上に堆積されるカソード９は、漸次
その厚みの成長に伴って小径となる錐状例えば円錐状と
して形成される。そしてこの後、例えばＮａＯＨ等の剥
離層のみを溶融除去し得るエッチング液を用いて剥離層
を除去し、同時にこれの上の材料層を除去するいわゆる
リフトオフを行って、図１に示す電界放出型陰極装置を
得ることができる。

【００１９】なお、上述したキャビティ６を形成する工
程において、一旦開口幅ｗをもって例えば円形の第２の
電極３の開口を穿設した後、等方性エッチングによって
例えばこの絶縁層２に対してオーバーエッチングを行う
場合は、図２に示すように、第２の電極３の開口５の周
辺部が、絶縁層２のキャビティ６の内壁よりひさし状に
突出する構成とすることができる。

【００２０】次に、このようにして形成した本発明電界
放出型陰極装置において、そのカソード付近に導電性の
塵埃が付着した場合について図３〜図５を参照して考察
する。

【００２１】図３は正常な状態の電界放出型陰極装置に
おいて、そのカソード９の先端部と第２の電極３とに接
触するように導電性塵埃１４が付着した場合で、カソー
ド９と第１の電極１１との間に抵抗層１２が設けられる
ために、第１の電極１１と第２の電極３との短絡を回避
することができて、他のカソードへの影響を回避するこ
とができる。

【００２２】図４はカソード９の下部に基板１０に通じ
るピンホール２０が生じている電界放出型陰極装置にお
いて、カソード９と第２の電極３とに接触するように導
電性の塵埃１４が付着した場合を示す。この場合カソー
ド９の下部には第１の電極１１が存在しないパターンと
したため、カソード９を通じて第１の電極１１と第２の
電極３とが短絡することを回避することができて、他の
カソードへの影響を回避することができる。

【００２３】図５はキャビティ６内において抵抗層１２
が剥離した状態でカソード９が被着形成されて成る場合
の電界放出型陰極装置の略線的拡大断面図を示す。この
ように抵抗層１２が剥離しても、カソード９下には第１
の電極１１が存在しないため、カソード９の先端部と第
２の電極３とに接触する導電性の塵埃１４が付着しても
、第１の電極１１と第２の電極３との短絡を回避するこ
とができて、他のカソードへの影響を回避することがで
きる。

【００２４】図３〜図５に示したように、本発明電界放
出型陰極装置によれば第１の電極１１と第２の電極３と
の短絡を確実に回避することができる。特に図４及び図
５に示すようなピンホール２０の存在、また抵抗層１２
の剥離等は、例えば電界放出型陰極装置を平面型ディス
プレイ装置の電子銃として用いる際に、数億個程度のカ
ソードを１０μｍピッチ程度で製造する場合等に発生す
る確率が高いものであるが、このように欠陥の生じてい
る場合にカソードに導電性の塵埃が付着しても、第１の
電極１１と第２の電極３との短絡を確実に回避すること
ができる。従って、このような導電性塵埃の付着によっ
て一部のカソードが動作不良となっても、他のカソード
とゲート電極即ち第２の電極との間に所定の電圧を印加
することができて、他のカソードを確実に正常動作させ
ることができる。従って複数個のカソードを有する電界
放出型陰極装置の歩留りの向上をはかることができる。

【００２５】尚、上述の各例ともに、抵抗層１２を介し
てカソード９と第２の電極３との間にゲート電圧を印加
するので、電圧降下及び抵抗層１２の発熱を抑制するた
め第１の電極１１とカソード９とはなるべく近接して設
けることが望ましく、従って、上述したように例えば円
形の開口１１ａの場合、その直径φを数μｍ〜１０μｍ
程度とすることが望ましい。

【００２６】また上述の例においては、第２の電極３の
開口５の形状を円形とし、またカソード９の形状を円錐
形としたが、その他例えば開口５を正方形としてカソー
ド９を四角錐状として形成したり、また開口５を図１の
紙面に対して直交する方向に延長するライン状として形
成し、カソード９も同方向に延長するライン状として形
成する等、種々の形状態様を採り得る。また第１の電極
１１の開口１１ａの形状も円形の他、正方形等種々の形
状とすることができ、更に開口１１ａは各カソード９毎
に穿設する他、数個のカソード９に対して単一の開口１
１ａを設けてもよい。この場合には、各カソード９と開
口１１ａの縁部との距離を適切に数μｍ程度に形成する
ことが望ましい。

【００２７】更にまた上述の例では抵抗層１２の材料と
してＳｉを用いたが、その抵抗値が体積抵抗で数百Ω・
ｃｍ〜数百万Ω・ｃｍ程度であればよく、半導体物質を
用いることが望ましい。このように抵抗層１２を設ける
ことによって、電流の増減により印加電圧を制御するこ
とができるため、カソード形状による電子放出特性の差
異によって生じる電子放出のばらつきを抑制することが
でき、実質的にほぼ均一な電子放出量を得ることができ
る。

【００２８】

【発明の効果】上述したように、本発明電界放出型陰極
装置によれば、抵抗層１２を設けることによって、カソ
ードの形状による電子放出特性の差異によって生じる電
子放出のばらつきを抑制することができ、ほぼ均一な電
子放出量を得ることができると共に、第１の電極１１と
第２の電極３との短絡を確実に回避して即ち他のカソー
ドへの影響を回避することができて、他のカソード９を
確実に正常に動作させることができる。

【００２９】従って、例えば平面型ディスプレイ装置等
の電子銃として本発明電界放出型陰極装置を用いる場合
、その動作中等において一部のカソードに導電性塵埃が
付着しても他のカソードを正常動作させることができる
ため、このような平面型ディスプレイ装置の画面の均一
な発光を保持することができる等、複数個のカソードを
有する電界放出型陰極装置の歩留りの向上及び寿命の長
期化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図２】本発明電界放出型陰極装置の他の例の略線的拡
大断面図である。

【図３】本発明電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図４】本発明電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図５】本発明電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図６】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図７】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図８】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図９】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡大
断面図である。

【図１０】従来の電界放出型陰極装置の一例の略線的拡
大断面図である。

【符号の説明】

２　　絶縁層 ３　　第２の電極 ５　　開口 ６　　キャビティ ９　　カソード １０　　基板 １１　　第１の電極 １１ａ　　開口 １２　　抵抗層 １４　　導電性塵埃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数のカソードに対する電圧印加を行
   う第１の電極と、抵抗層と、絶縁層と、第２の電極とが
   順次積層されて成り、上記第２の電極と上記絶縁層とに
   渡ってキャビティが設けられ、該キャビティ内に上記カ
   ソードが上記抵抗層上に接して配され、上記第１の電極
   は上記カソード下において欠如部を有するパターンとさ
   れたことを特徴とする電界放出型陰極装置。