(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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ことを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
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ことを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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１０７Ｖ／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、ＳＦ６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ＳｉＯｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯｘ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ＳｉＯｘ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ＳＦ６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ＩＥ、分配率ＩＡ／ＩＥ、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ＩＥの単位は任意としてある。
分配率ＩＡ／ＩＥ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ＩＥは小さくなる。放射電流ＩＥ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ＥＰＲ、Ｗ層２１のエッチレートをＥＮ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｛（ＥＮ／ＥＰＲ）×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、ＳＦ６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ＳｉＯｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯｘ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ＳｉＯｘ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ＳＦ６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、ＳＦ６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ＥＰＲＳ、Ｗ層２１の垂直方向のエッチレートをＥＮ、サイドエッチレートをＥＳとする。
ここで、ＥＰＲＳ＞ＥＳとすれば、αは、
α＝９０°＋ｔａｎ−１（ＥＰＲＳ／ＥＮ）          ……（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ＳｉＯｘ層２３を０．９μｍの厚みに蒸着し、ＳｉＯｘ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ＳｉＯｘ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ＳＦ６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ＩＥ、分配率ＩＡ／ＩＥ、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
２１  Ｗ層
２２  レジストパターン
２３  ＳｉＯｘ層
２４  Ｎｂ層
３１  ガラス基板
３２  エミッタ配線
３３  エミッタ基体
３５  Ｓｉ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
【図１】
0003598568.tif 000002
【図２】
0003598568.tif 000003
【図３】
0003598568.tif 000004
【図４】
0003598568.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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