(57)【要約】      （修正有）【課題】ホイスラー合金からなる電子放出源について、電子の放出特性に悪影響を及ぼすことなく、その表面を清浄化することが可能な技術を提供する。【解決手段】電子放出装置２は、ホイスラー合金からなる電子放出源４と、引出電極６と、発熱体４４を備えている。電子放出装置２では、電子放出源４の表面を清浄化する際には、引出電極６に対して電子放出源４が正電位となるように電圧を印加することで、電界蒸発によって、電子放出源４の表面が清浄化される。この際に、この電子放出装置２では、発熱体４４によって電子放出源４を加熱することで、電界蒸発の蒸発速度を速めて、電子放出源４の表面を効率よく清浄化することができる。【選択図】図２４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイスラー合金からなる電子放出源と、
引出電極と、
発熱体を備える電子放出装置。
【請求項２】
基板と、
前記基板に積層された導電層をさらに備えており、
前記電子放出源が、前記導電層に積層されており、
前記導電層が、通電に伴って発熱することで前記発熱体として機能する第１発熱部を備える、請求項１の電子放出装置。
【請求項３】
前記第１発熱部が、前記導電層において、電流経路が狭窄した第１狭窄部を備える、請求項２の電子放出装置。
【請求項４】
前記電子放出源が、前記第１狭窄部に積層されている、請求項３の電子放出装置。
【請求項５】
前記導電層が、前記基板と前記電子放出源の間の格子不整合を緩和するバッファ層である、請求項２から４の何れか一項の電子放出装置。
【請求項６】
前記引出電極が、通電に伴って発熱することで、前記発熱体として機能する第２発熱部を備える、請求項１から５の何れか一項の電子放出装置。
【請求項７】
前記第２発熱部が、前記引出電極において、電流経路が狭窄した第２狭窄部を備える、請求項６の電子放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、電子放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出装置が、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）のようなフラットパネルディスプレイや、真空マイクロエレクトロニクス等の様々な場面で必要とされている。このような電子放出装置においては、電子放出源の表面状態に依存して電子の放出特性が変化するため、電子放出源の表面を清浄化する技術が必要とされる。
【０００３】
特許文献１には、タングステンからなる電子放出源と、引出電極を備える電子放出装置が開示されている。この電子放出装置では、電子放出源において電界電子放出をしながら希ガスを導入することで、スパッタリングにより電子放出源の表面を清浄化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−２７９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、磁区の可視化、スピン依存の固体中や表面の電子状態を分析するためのプローブへの応用、電子顕微鏡や元素分析装置等の分析機器等の分野において、高いスピン偏極率を有する電子を放出することができる電子放出源が必要とされている。電子放出源としてホイスラー合金を用いることで、高いスピン偏極率での電子放出が可能な電子放出装置を実現することが可能と考えられる。
【０００６】
ホイスラー合金からなる電子放出源については、特許文献１のようにスパッタリングによる清浄化を行なうことができない。スパッタリングによる清浄化では、スパッタリング効率の高い元素からスパッタリングされるため、複数元素からなるホイスラー合金では、特定の元素のみが除去されてしまい、電子の放出特性に悪影響を及ぼしてしまう。
【０００７】
本明細書では、上記の課題を解決することが可能な技術を提供する。本明細書では、ホイスラー合金からなる電子放出源について、電子の放出特性に悪影響を及ぼすことなく、その表面を清浄化することが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する電子放出装置は、ホイスラー合金からなる電子放出源と、引出電極と、発熱体を備えている。
【０００９】
上記の電子放出装置では、電子を放出する際には、電子放出源に対して引出電極が正電位となるように電圧を印加する。この場合、電子放出源に電気力線が集中し、電界強度が高くなる。印加する電圧を大きくしていき、電界強度が１０７Ｖ／ｃｍ以上となると、電子放出源において、フェルミ準位近傍に存在する電子が、量子力学的なトンネル効果によって真空障壁を透過し、電子放出源から真空中に放出される。
【００１０】
上記の電子放出装置において、電子放出源の表面を清浄化する際には、引出電極に対して電子放出源が正電位となるように電圧を印加する。この場合も、電子放出源に電気力線が集中し、電界強度が高くなる。印加する電圧を大きくしていき、電界強度を高めていくと、電界蒸発によって、電子放出源の表面が清浄化される。この際に、上記の電子放出装置では、発熱体によって電子放出源を加熱することで、電界蒸発の蒸発速度を速めて、電子放出源の表面を効率よく清浄化することができる。上記の電子放出装置によれば、電子の放出特性に悪影響を及ぼすことなく、電子放出源の表面を清浄化することができる。
【００１１】
上記の電子放出装置は、基板と、前記基板に積層された導電層をさらに備えていてもよい。前記電子放出源は、前記導電層に積層されていてもよい。前記導電層は、通電に伴って発熱することで、前記発熱体として機能する第１発熱部を備えていてもよい。
【００１２】
電子放出源が基板に積層された電子放出装置では、電子放出源と引出電極の間に電圧を印加するために、外部の電源と電子放出源を電気的に接続するための導電層が設けられる。上記の電子放出装置では、この導電層に発熱体として機能する第１発熱部を設けることによって、発熱体を別途設ける場合に比べて、装置の構成を簡素化することができる。
【００１３】
上記の電子放出装置では、前記第１発熱部が、前記導電層において、電流経路が狭窄した第１狭窄部を備えていてもよい。
【００１４】
上記の電子放出装置によれば、簡素な構成によって、導電層に第１発熱部を形成することができる。
【００１５】
上記の電子放出装置では、前記電子放出源が、前記第１狭窄部に積層されていてもよい。
【００１６】
上記の電子放出装置によれば、第１狭窄部で発生したジュール熱が、速やかに電子放出源に伝熱する。電子放出源の温度を速やかに上昇させることができる。
【００１７】
上記の電子放出装置では、前記導電層が、前記基板と前記電子放出源の間の格子不整合を緩和するバッファ層であってもよい。
【００１８】
上記の電子放出装置によれば、基板と電子放出源の間に、基板と電子放出源の間の格子不整合を緩和するバッファ層を介在させることで、ホイスラー合金からなる電子放出源の結晶性を向上させて、スピン偏極率の高い電子放出を実現することができる。
【００１９】
上記の電子放出装置では、前記引出電極が、通電に伴って発熱することで、前記発熱体として機能する第２発熱部を備えていてもよい。
【００２０】
引出電極が第２発熱部を備える場合、第２発熱部で発生したジュール熱は、輻射によって電子放出源に伝熱する。上記の電子放出装置では、引出電極に発熱体として機能する第２発熱部を設けることによって、発熱体を別途設ける場合に比べて、装置の構成を簡素化することができる。また、導電層の第１発熱部と引出電極の第２発熱部の両方を設ける場合、一方のみを設ける場合に比べて、電子放出源の温度を速やかに上昇させることができる。
【００２１】
上記の電子放出装置では、前記第２発熱部が、前記引出電極において、電流経路が狭窄した第２狭窄部を備えていてもよい。
【００２２】
上記の電子放出装置によれば、簡素な構成によって、引出電極に第２発熱部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１の電子放出装置２の上面図を模式的に示す。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図４】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図５】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図６】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図７】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図８】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図９】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１０】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１１】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１２】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１３】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１４】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１５】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１６】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１７】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１８】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図１９】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図２０】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図２１】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図２２】実施例１の電子放出装置２の製造工程を示す。
【図２３】実施例２の電子放出装置４２の上面図を模式的に示す。
【図２４】図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面図である。
【図２５】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図２６】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図２７】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図２８】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図２９】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３０】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３１】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３２】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３３】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３４】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３５】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３６】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３７】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３８】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図３９】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図４０】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図４１】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図４２】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図４３】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【図４４】実施例２の電子放出装置４２の製造工程を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施例１）
図１、図２に示す本実施例の電子放出装置２は、真空中に電子を放出する装置である。電子放出装置２は、電子放出源４と、引出電極６を備えている。電子放出源４は、基板８に積層されている。また、引出電極６は、絶縁層１０ａ、１０ｂを介して、基板８に積層されている。なお、以下の説明では、基板８の法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００２５】
基板８は、例えば、立方晶系の結晶構造を有する単結晶基板である。基板８は、例えば、ＭｇＯによって構成されており、その上面の結晶面が（１００）面である。
【００２６】
電子放出源４は、例えば、Ｘ２ＹＺの組成を有するホイスラー合金からなる。Ｘとしては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属が挙げられる。Ｙとしては、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ等の遷移金属が挙げられる。Ｚとしては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ等のＩＩＩ−Ｖ族の半導体または非磁性金属が挙げられる。特に、ＸとしてＣｏを用いるＣｏ系のホイスラー合金としては、例えば、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＣｒＧａ、Ｃｏ２ＴｉＳｎ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｆｅ２ＶＡｌ等が挙げられる。また、上記とは異なる４元系のホイスラー合金のうち、Ｃｏ系のホイスラー合金としては、例えば、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｇｅ０．７５Ｇａ０．２５）、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｇａ０．５Ｓｎ０．５）、Ｃｏ２Ｆｅ（Ｓｉ０．７５Ｇｅ０．２５）、Ｃｏ２Ｆｅ（Ｇａ０．５Ｇｅ０．５）、Ｃｏ２（Ｃｒ０．０２Ｆｅ０．９８）Ｇａ、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｇｅ０．２５Ｓｎ０．７５）、Ｃｏ２（Ｍｎ０．９５Ｆｅ０．０５）Ｓｎ、（ＣｏＦｅ）２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２（Ｍｎ０．５Ｆｅ０．５）Ｇａ、Ｃｏ２（Ｃｒ０．０２Ｆｅ０．９８）Ｓｉ、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｔｉ０．２５Ｓｎ０．７５）、Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ０．５Ｓｎ０．５）、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｇａ０．２５Ｓｉ０．７５）、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｓｉ０．２５Ｇｅ０．７５）、Ｃｏ２（Ｍｎ０．５Ｆｅ０．５）Ｓｉ、Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ０．５Ｓｉ０．５）、Ｃｏ２Ｆｅ（Ｇａ０．５Ｓｉ０．５）、Ｃｏ２Ｆｅ（Ａｌ０．５Ｓｉ０．５）等が挙げられる。
【００２７】
電子放出源４は、突起部４ａと、狭窄部４ｂと、テーパ部４ｃ、４ｄと、幅広部４ｅ、４ｆを備えている。突起部４ａと、狭窄部４ｂと、テーパ部４ｃ、４ｄと、幅広部４ｅ、４ｆは、継ぎ目なく一体的に形成されている。図２に示すように、突起部４ａは、Ｚ方向正方向（図２の上方向）に向けて突出する錐体形状を有する。突起部４ａの先端の曲率半径は、例えば１００ｎｍ以下である。狭窄部４ｂは、突起部４ａのＺ方向負方向（図２の下方向）に配置されており、基板８に直接的に積層されている。図１に示すように、狭窄部４ｂは、基板８を上方から平面視したときに、Ｘ方向（図１の左右方向）に長手方向を有する長方形状に形成されている。テーパ部４ｃ、４ｄは、基板８に直接的に積層されている。テーパ部４ｃ、４ｄはそれぞれ、狭窄部４ｂのＸ方向（図１の左右方向）の端部と接続している。テーパ部４ｃ、４ｄは、狭窄部４ｂに近い部分に比べて、狭窄部４ｂから遠い部分において、Ｙ方向（図１の上下方向）の幅が広がる形状に形成されている。幅広部４ｅ、４ｆは、基板８に直接的に積層されている。幅広部４ｅ、４ｆはそれぞれ、テーパ部４ｃ、４ｄを介して、狭窄部４ｂのＸ方向（図１の左右方向）の端部と接続している。幅広部４ｅ、４ｆのＹ方向（図１の上下方向）の幅は、狭窄部４ｂのＹ方向（図１の上下方向）の幅よりも広い。
【００２８】
絶縁層１０ａ、１０ｂは、例えばＳｉＯ２などの絶縁性材料からなる。図１に示すように、絶縁層１０ａ、１０ｂは、基板８を上方から平面視したときに、電子放出源４を挟んで、Ｙ方向（図１の上下方向）に互いに対向するように配置されている。
【００２９】
引出電極６は、例えばＷ（タングステン）等の高融点の導電性材料からなる。図１に示すように、引出電極６は、狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆを備えている。狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆは、継ぎ目なく一体的に形成されている。狭窄部６ｂは、基板８を上方から平面視したときに、Ｙ方向（図１の上下方向）に長手方向を有する長方形状に形成されている。狭窄部６ｂには、円状の開口６ａが形成されている。開口６ａは、基板８を上方から平面視したときに、電子放出源４の突起部４ａの先端が開口６ａの内部に位置するように配置されている。テーパ部６ｃ、６ｄはそれぞれ、狭窄部６ｂのＹ方向（図１の上下方向）の端部と接続している。テーパ部６ｃ、６ｄは、狭窄部６ｂに近い部分に比べて、狭窄部６ｂから遠い部分において、Ｘ方向（図１の左右方向）の幅が広がる形状に形成されている。幅広部６ｅ、６ｆはそれぞれ、絶縁層１０ａ、１０ｂに直接的に積層されている。幅広部６ｅ、６ｆはそれぞれ、テーパ部６ｃ、６ｄを介して、狭窄部６ｂのＹ方向（図１の上下方向）の端部と接続している。幅広部６ｅ、６ｆのＸ方向（図１の左右方向）の幅は、狭窄部６ｂのＸ方向（図１の左右方向）の幅よりも広い。
【００３０】
図１に示すように、電子放出源４と引出電極６の間には、選択的に、第１電圧源１２または第２電圧源１４が接続される。第１電圧源１２と第２電圧源１４は、いずれも印加する電圧を変化させることが可能な可変電圧源である。第１電圧源１２は、電子放出源４に対して引出電極６を正電位とするように、電子放出源４と引出電極６の間に電圧を印加する。第２電圧源１４は、引出電極６に対して電子放出源４を正電位とするように、電子放出源４と引出電極６の間に電圧を印加する。第１電圧源１２と第２電圧源１４は、いずれも、スイッチ１６に接続されている。スイッチ１６は、電子放出源４と引出電極６の間を第１電圧源１２により接続する状態と、電子放出源４と引出電極６の間を第２電圧源１４により接続する状態の間で切り換わる。本実施例では、第１電圧源１２および第２電圧源１４は、引出電極６の幅広部６ｅに接続されており、スイッチ１６は、電子放出源４の幅広部４ｅに接続されている。
【００３１】
電子放出源４の幅広部４ｅと幅広部４ｆの間には、第１電流源１８が接続される。第１電流源１８は、供給する電流を変化させることが可能な可変電流源である。第１電流源１８の正極は幅広部４ｅに接続されており、第１電流源１８の負極は幅広部４ｆに接続されている。第１電流源１８が電流を供給すると、電子放出源４には、幅広部４ｅ、テーパ部４ｃ、狭窄部４ｂ、テーパ部４ｄ、幅広部４ｆを順に通過する電流が流れる。
【００３２】
引出電極６の幅広部６ｅと幅広部６ｆの間には、第２電流源２０が接続される。第２電流源２０は、供給する電流を変化させることが可能な可変電流源である。第２電流源２０の正極は幅広部６ｅに接続されており、第２電流源２０の負極は幅広部６ｆに接続されている。第２電流源２０が電流を供給すると、引出電極６には、幅広部６ｅ、テーパ部６ｃ、狭窄部６ｂ、テーパ部６ｄ、幅広部６ｆを順に通過する電流が流れる。
【００３３】
次に、電子放出装置２の動作について説明する。まず、スイッチ１６を電子放出源４と引出電極６の間を第１電圧源１２により接続する状態に切り換え、電子放出源４に対して引出電極６が正電位となるように、電子放出源４と引出電極６の間に電圧を印加する。これにより、電子放出源４の突起部４ａの先端に電気力線が集中し、突起部４ａの先端の電界強度が高くなる。電子放出源４と引出電極６の間に印加する電圧を大きくしていき、電子放出源４の突起部４ａの先端の電界強度が１０７Ｖ／ｃｍ以上となると、電子放出源４の突起部４ａの先端において、フェルミ準位近傍に存在する電子が、量子力学的なトンネル効果によって真空障壁を透過し、突起部４ａの先端から真空中に放出される。電子放出源４の突起部４ａから放出された電子は、引出電極６の開口６ａを通過して、引出電極６のＺ方向正方向（図２の上方向）の空間に引き出される。
【００３４】
上述したように、電子放出装置２では、電子放出源４に、Ｃｏ２ＭｎＳｉ等のハーフメタルの性質（すなわち、フェルミ準位でのスピン偏極率が１００％）を有するホイスラー合金を用いる。例えばＣｏ２ＭｎＳｉは、ＭｎとＳｉがランダムなＢ２構造と、ＭｎとＳｉが規則化したＬ２１構造をとることが知られており、両者とも伝導電子（フェルミ準位近傍の電子）が高いスピン偏極率を有することが知られている。このため、電子放出源４は、高いスピン偏極率を有する電子を放出することができる。また、電子放出源４は、基板８に対して配向した成長をすることにより、規則化した原子構造を有する。このため、スピン偏極率のより高い電子を放出することができる。また、電子放出源４に用いられるホイスラー合金は、室温よりも高いキュリー温度を有するため、電子放出装置２は、室温においても高いスピン偏極率を有する電子を放出することができる。
【００３５】
次いで、電子放出装置２における、電子放出源４の表面の清浄化について説明する。この場合、スイッチ１６を電子放出源４と引出電極６の間を第２電圧源１４により接続する状態に切り換え、引出電極６に対して電子放出源４が正電位となるように、電子放出源４と引出電極６の間に電圧を印加する。これにより、電子放出源４の突起部４ａの先端に電気力線が集中し、突起部４ａの先端の電界強度が高くなる。電子放出源４と引出電極６の間に印加する電圧を大きくしていき、電子放出源４の突起部４ａの先端の電界強度を高めていくと、電界蒸発によって、電子放出源４の突起部４ａの表面が清浄化される。この際に、電子放出装置２では、第１電流源１８により電子放出源４に電流を流すことによって、および／または、第２電流源２０により引出電極６に電流を流すことによって、電子放出源４の突起部４ａを加熱する。
【００３６】
第１電流源１８により電子放出源４に電流を流すと、電流の通り道である幅広部４ｅ、テーパ部４ｃ、狭窄部４ｂ、テーパ部４ｄ、幅広部４ｆにはジュール熱が発生して、伝導伝熱によって突起部４ａが加熱される。特に、狭窄部４ｂでは、電流密度が高くなるので、大きなジュール熱が発生する。本実施例では、狭窄部４ｂの直上に突起部４ａが配置されているので、狭窄部４ｂで発生したジュール熱が、速やかに突起部４ａに伝熱する。突起部４ａの温度を速やかに上昇させることができる。
【００３７】
第２電流源２０により電子放出源４に電流を流すと、電流の通り道である幅広部６ｅ、テーパ部６ｃ、狭窄部６ｂ、テーパ部６ｄ、幅広部６ｆにはジュール熱が発生して、輻射伝熱によって電子放出源４の突起部４ａが加熱される。特に、狭窄部６ｂでは、電流密度が高くなるので、大きなジュール熱が発生する。本実施例では、狭窄部６ｂの直下に突起部４ａが配置されているので、狭窄部６ｂで発生したジュール熱を突起部４ａに効率よく伝熱することができる。
【００３８】
上記のように、電子放出源４の突起部４ａが加熱されると、突起部４ａの温度が上昇して、表面における電界蒸発の蒸発速度が速くなる。本実施例の電子放出装置２によれば、電子放出源４の突起部４ａの表面を効率よく清浄化することができる。
【００３９】
なお、電子放出装置２において、狭窄部４ｂや狭窄部６ｂでの発熱量を増大するために、例えば、狭窄部４ｂや狭窄部６ｂに、微小な貫通孔を複数設けてもよい。この場合、狭窄部４ｂや狭窄部６ｂを流れる電流の電流密度が増大し、発熱量を増大することができる。あるいは、狭窄部４ｂや狭窄部６ｂに、他の箇所よりも厚みが薄い箇所を設けてもよい。この場合も、狭窄部４ｂや狭窄部６ｂを流れる電流の電流密度が増大し、発熱量を増大することができる。
【００４０】
次に図３から図１０を参照しながら、一実施形態に係る電子放出装置２の製造方法について説明する。以下では、本実施形態の特徴である工程のみを説明する。したがって、実際の製造方法には、必要に応じて以下の説明に含まれない１又は複数の工程が含まれ得る。
【００４１】
まず、図３に示すように、ＭｇＯによって構成されており、その上面の結晶面が（１００）面である、基板８を準備する。そして、基板８の上面に、スパッタリング等によって、Ｃｏ系のホイスラー合金（例えばＣｏ２ＭｎＳｉ）からなるホイスラー合金層２２を厚さ１００ｎｍ程度で成膜する。その後、ホイスラー合金層２２の原子配列を規則化するために、基板８とホイスラー合金層２２の積層体に対して、真空中で約７００℃の熱処理を行う。
【００４２】
次に、図４に示すように、ホイスラー合金層２２の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層２４を積層する。後述するように、絶縁層２４は後の工程でハードマスクとして用いられる。
【００４３】
次に、図５に示すように、絶縁層２４の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク２６をパターニングする。フォトレジストマスク２６は、図１に示す、電子放出装置２の電子放出源４をＺ方向正方向から平面視した形状（すなわち、電子放出源４の、狭窄部４ｂと、テーパ部４ｃ、４ｄと、幅広部４ｅ、４ｆの外形形状）に対応した形状にパターニングされる。
【００４４】
次に、図６に示すように、ドライエッチング（例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガスによる反応性イオンエッチング）によって、フォトレジストマスク２６をマスクとして、絶縁層２４をエッチングする。これによって、絶縁層２４にハードマスクが形成される。
【００４５】
次に、図７に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク２６を除去する。
【００４６】
次に、図８に示すように、塩素と酸素の混合ガス（例えば流量比で３：１）による反応性イオンエッチングによって、絶縁層２４をマスクとして、ホイスラー合金層２２をエッチングする。なお、このエッチングでは塩素系ガスを用いているので、エッチング後に速やかに純水処理を施す。
【００４７】
次に、図９に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、残存している絶縁層２４を除去する。
【００４８】
次に、図１０に示すように、基板８の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層２８を積層する。後述するように、絶縁層２８は後の工程でハードマスクとして用いられる。
【００４９】
次に、図１１に示すように、絶縁層２８の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３０をパターニングする。フォトレジストマスク３０は、例えば、直径が１００ｎｍ程度の円柱形状、もしくは１辺が１００ｎｍ程度の四角柱形状または三角柱形状を有する。
【００５０】
次に、図１２に示すように、ドライエッチング（例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガスによる反応性イオンエッチング）によって、フォトレジストマスク３０をマスクとして、絶縁層２８をエッチングする。これによって、絶縁層２８にハードマスクが形成される。
【００５１】
次に、図１３に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３０を除去する。
【００５２】
次に、図１４に示すように、塩素と酸素の混合ガス（例えば流量比で３：１）による反応性イオンエッチングによって、絶縁層２８をマスクとして、ホイスラー合金層２２をエッチングする。これによって、ホイスラー合金層２２が、電子放出源４の、突起部４ａと、狭窄部４ｂと、テーパ部４ｃ、４ｄと、幅広部４ｅ、４ｆの形状に形成される。なお、このエッチングでは塩素系ガスを用いているので、エッチング後に速やかに純水処理を施す。
【００５３】
次に、図１５に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、残存している絶縁層２８を除去する。
【００５４】
次に、図１６に示すように、基板８の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層３２を積層する。
【００５５】
次に、図１７に示すように、絶縁層３２の上面に、スパッタリング等によって、例えばＷ（タングステン）等の高融点の導電性材料からなる導電層３４を積層する。
【００５６】
次に、図１８に示すように、導電層３４の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３６をパターニングする。フォトレジストマスク３６は、図１に示す、電子放出装置２の引出電極６をＺ方向正方向から平面視した形状（すなわち、引出電極６の、開口６ａの形状、および狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆの外形形状）に対応した形状にパターニングされる。
【００５７】
次に、図１９に示すように、ドライエッチング（例えば、ＳＦ６ガスによる反応性イオンエッチング）またはウェットエッチングによって、フォトレジストマスク３６をマスクとして、導電層３４をエッチングする。これによって、導電層３４が、引出電極６の、狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆの形状に形成される。
【００５８】
次に、図２０に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３６を除去する。
【００５９】
次に、図２１に示すように、絶縁層３２の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３８をパターニングする。フォトレジストマスク３８は、電子放出装置２の絶縁層１０ａ、１０ｂの形状に対応した形状にパターニングされる。
【００６０】
次に、図２２に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、フォトレジストマスク３８をマスクとして、絶縁層３２をエッチングする。これによって、電子放出源４が露出するとともに、絶縁層３２が、絶縁層１０ａ、１０ｂの形状に形成される。
【００６１】
その後、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３８を除去する。これによって、図１、図２に示す電子放出装置２が完成する。
【００６２】
（実施例２）
図２３、図２４に示す本実施例の電子放出装置４２は、図１、図２に示す実施例１の電子放出装置２とほぼ同様の構成を備えている。本実施例の電子放出装置４２では、電子放出源４が、例えばＣｒ、Ｐｔ、Ａｕなどからなる導電性のバッファ層４４を介して、基板８に積層されている。本実施例では、電子放出源４は、突起部４ａのみを備えており、狭窄部４ｂや、テーパ部４ｃ、４ｄや、幅広部４ｅ、４ｆを備えていない。
【００６３】
図２３に示すように、バッファ層４４は、突出部４４ａと、狭窄部４４ｂと、テーパ部４４ｃ、４４ｄと、幅広部４４ｅ、４４ｆを備えている。突出部４４ａと、狭窄部４４ｂと、テーパ部４４ｃ、４４ｄと、幅広部４４ｅ、４４ｆは、継ぎ目なく一体的に形成されている。図２４に示すように、突出部４４ａは、Ｚ方向正方向（図２４の上方向）に向けて突出する錐台形状を有する。突出部４４ａは、電子放出源４の突起部４ａのＺ方向負方向（図２４の下方向）に形成されており、突起部４ａよりも幅広に形成されている。狭窄部４４ｂは、突出部４４ａのＺ方向負方向（図２４の下方向）に配置されており、基板８に直接的に積層されている。図２３に示すように、狭窄部４４ｂは、基板８を上方から平面視したときに、Ｘ方向（図２３の左右方向）に長手方向を有する長方形状に形成されている。テーパ部４４ｃ、４４ｄは、基板８に直接的に積層されている。テーパ部４４ｃ、４４ｄはそれぞれ、狭窄部４４ｂのＸ方向（図２３の左右方向）の端部と接続している。テーパ部４４ｃ、４４ｄは、狭窄部４４ｂに近い部分に比べて、狭窄部４４ｂから遠い部分において、Ｙ方向（図２３の上下方向）の幅が広がる形状に形成されている。幅広部４４ｅ、４４ｆは、基板８に直接的に積層されている。幅広部４４ｅ、４４ｆはそれぞれ、テーパ部４４ｃ、４４ｄを介して、狭窄部４４ｂのＸ方向（図２３の左右方向）の端部と接続している。幅広部４４ｅ、４４ｆのＹ方向（図２３の上下方向）の幅は、狭窄部４４ｂのＹ方向（図２３の上下方向）の幅よりも広い。
【００６４】
本実施例では、スイッチ１６は、バッファ層４４の幅広部４４ｅに接続されている。このため、第１電圧源１２や第２電圧源１４は、バッファ層４４を介して、電子放出源４と電気的に接続される。
【００６５】
本実施例では、第１電流源１８の正極はバッファ層４４の幅広部４４ｅに接続されており、第１電流源１８の負極はバッファ層４４の幅広部４４ｆに接続されている。このため、第１電流源１８が電流を供給すると、バッファ層４４には、幅広部４４ｅ、テーパ部４４ｃ、狭窄部４４ｂ、テーパ部４４ｄ、幅広部４４ｆを順に通過する電流が流れる。
【００６６】
電子放出源４に用いられている、例えばＣｏ２ＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、原子レベルで規則化された構造をとると、ハーフメタルの性質（すなわち、フェルミ準位でのスピン偏極率が１００％）が発現する。すなわち、電子放出源４の結晶性の良さが、スピン偏極率に直結する。実施例１の電子放出装置２のように、ＭｇＯなどの単結晶基板である基板８の上面に直接電子放出源４を形成すると、格子不整合が大きく、電子放出源４に欠陥が生じて結晶性が悪くなる。これに対して、本実施例の電子放出装置４２のように、基板８と電子放出源４の間にＣｒ、Ｐｔ、Ａｕなどからなるバッファ層４４を介在させることで、電子放出源４と基板８の間の格子不整合が緩和されて、電子放出源４の結晶性を良くすることができる。また、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕなどからなるバッファ層４４は、ホイスラー合金からなる電子放出源４に比べて電気抵抗が低いので、本実施例の電子放出装置４２によれば、実施例１の電子放出装置２に比べて、第１電圧源１２や第２電圧源１４から突起部４ａの先端への電気的な接続の電気抵抗を低くすることができる。
【００６７】
本実施例の電子放出装置４２では、電子放出源４の表面を電界蒸発によって清浄化する際に、第１電流源１８によりバッファ層４４に電流を流すことによって、電子放出源４の突起部４ａを加熱することができる。第１電流源１８によりバッファ層４４に電流を流すと、電流の通り道である幅広部４４ｅ、テーパ部４４ｃ、狭窄部４４ｂ、テーパ部４４ｄ、幅広部４４ｆにはジュール熱が発生して、伝導伝熱によって電子放出源４の突起部４ａが加熱される。特に、狭窄部４４ｂでは、電流密度が高くなるので、大きなジュール熱が発生する。本実施例では、バッファ層４４の狭窄部４４ｂの直上に、突出部４４ａを介して、電子放出源４の突起部４ａが配置されているので、狭窄部４４ｂで発生したジュール熱が、速やかに突起部４ａに伝熱する。突起部４ａの温度を速やかに上昇させることができる。
【００６８】
なお、電子放出装置４２において、狭窄部４４ｂや狭窄部６ｂでの発熱量を増大するために、例えば、狭窄部４４ｂや狭窄部６ｂに、微小な貫通穴を複数設けてもよい。この場合、狭窄部４４ｂや狭窄部６ｂを流れる電流の電流密度が増大し、発熱量を増大することができる。あるいは、狭窄部４４ｂや狭窄部６ｂに、他の箇所よりも厚みが薄い箇所を設けてもよい。この場合も、狭窄部４４ｂや狭窄部６ｂを流れる電流の電流密度が増大し、発熱量を増大することができる。
【００６９】
次に図２５から図４４を参照しながら、一実施形態に係る電子放出装置４２の製造方法について説明する。以下では、本実施形態の特徴である工程のみを説明する。したがって、実際の製造方法には、必要に応じて以下の説明に含まれない１又は複数の工程が含まれ得る。
【００７０】
まず、図２５に示すように、ＭｇＯによって構成されており、その上面の結晶面が（１００）面である、基板８を準備する。そして、基板８の上面に、スパッタリング等によって、例えばＣｒからなるバッファ層４６を厚さ５０ｎｍ程度で積層する。その後、バッファ層４６の上面に、スパッタリング等によって、Ｃｏ系のホイスラー合金（例えばＣｏ２ＭｎＳｉ）からなるホイスラー合金層２２を厚さ１００ｎｍ程度で成膜する。その後、ホイスラー合金層２２の原子配列を規則化するために、基板８とホイスラー合金層２２の積層体に対して、真空中で約７００℃の熱処理を行う。
【００７１】
次に、図２６に示すように、ホイスラー合金層２２の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層２４を積層する。後述するように、絶縁層２４は後の工程でハードマスクとして用いられる。
【００７２】
次に、図２７に示すように、絶縁層２４の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク２６をパターニングする。フォトレジストマスク２６は、図２３に示す、電子放出装置２のバッファ層４４をＺ方向正方向から平面視した形状（すなわち、バッファ層４４の、狭窄部４４ｂと、テーパ部４４ｃ、４４ｄと、幅広部４４ｅ、４４ｆの外形形状）に対応した形状にパターニングされる。
【００７３】
次に、図２８に示すように、ドライエッチング（例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガスによる反応性イオンエッチング）によって、フォトレジストマスク２６をマスクとして、絶縁層２４をエッチングする。これによって、絶縁層２４にハードマスクが形成される。
【００７４】
次に、図２９に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク２６を除去する。
【００７５】
次に、図３０に示すように、塩素と酸素の混合ガス（例えば流量比で３：１）による反応性イオンエッチングによって、絶縁層２４をマスクとして、ホイスラー合金層２２をエッチングする。なお、このエッチングでは塩素系ガスを用いているので、エッチング後に速やかに純水処理を施す。
【００７６】
次に、図３１に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、残存している絶縁層２４を除去する。
【００７７】
次に、図３２に示すように、基板８の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層２８を積層する。後述するように、絶縁層２８は後の工程でハードマスクとして用いられる。
【００７８】
次に、図３３に示すように、絶縁層２８の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３０をパターニングする。フォトレジストマスク３０は、例えば、直径が１００ｎｍ程度の円柱形状、もしくは１辺が１００ｎｍ程度の四角柱形状または三角柱形状を有する。
【００７９】
次に、図３４に示すように、ドライエッチング（例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガスによる反応性イオンエッチング）によって、フォトレジストマスク３０をマスクとして、絶縁層２８をエッチングする。これによって、絶縁層２８にハードマスクが形成される。
【００８０】
次に、図３５に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３０を除去する。
【００８１】
次に、図３６に示すように、塩素と酸素の混合ガス（例えば流量比で３：１）による反応性イオンエッチングによって、絶縁層２８をマスクとして、ホイスラー合金層２２とバッファ層４６をエッチングする。これによって、ホイスラー合金層２２が、電子放出源４の、突起部４ａの形状に形成される。また、バッファ層４６が、電子放出装置４２のバッファ層４４の、突出部４４ａと、狭窄部４４ｂと、テーパ部４４ｃ、４４ｄと、幅広部４４ｅ、４４ｆの形状に形成される。なお、このエッチングでは塩素系ガスを用いているので、エッチング後に速やかに純水処理を施す。
【００８２】
次に、図３７に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、残存している絶縁層２８を除去する。
【００８３】
次に、図３８に示すように、基板８の上面に、プラズマＣＶＤ等によって、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層３２を積層する。
【００８４】
次に、図３９に示すように、絶縁層３２の上面に、スパッタリング等によって、例えばＷ（タングステン）等の高融点の導電性材料からなる導電層３４を積層する。
【００８５】
次に、図４０に示すように、導電層３４の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３６をパターニングする。フォトレジストマスク３６は、図２３に示す、電子放出装置４２の引出電極６をＺ方向正方向から平面視した形状（すなわち、引出電極６の、開口６ａの形状、および狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆの外形形状）に対応した形状にパターニングされる。
【００８６】
次に、図４１に示すように、ドライエッチング（例えば、ＳＦ６ガスによる反応性イオンエッチング）またはウェットエッチングによって、フォトレジストマスク３６をマスクとして、導電層３４をエッチングする。これによって、導電層３４が、引出電極６の、狭窄部６ｂと、テーパ部６ｃ、６ｄと、幅広部６ｅ、６ｆの形状に形成される。
【００８７】
次に、図４２に示すように、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３６を除去する。
【００８８】
次に、図４３に示すように、絶縁層３２の上面に、フォトリソグラフィ技術または電子線描画技術によって、フォトレジストマスク３８をパターニングする。フォトレジストマスク３８は、電子放出装置４２の絶縁層１０ａ、１０ｂの形状に対応した形状にパターニングされる。
【００８９】
次に、図４４に示すように、ウェットエッチング（例えば、バッファードフッ酸を用いたＳｉＯ２エッチング）によって、フォトレジストマスク３８をマスクとして、絶縁層３２をエッチングする。これによって、電子放出源４、バッファ層４４が露出するとともに、絶縁層３２が、絶縁層１０ａ、１０ｂの形状に形成される。
【００９０】
その後、酸素プラズマを用いた灰化、もしくはアセトンなどの有機溶剤によって、残存しているフォトレジストマスク３８を除去する。これによって、図２３、図２４に示す電子放出装置４２が完成する。
【００９１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００９２】
２：電子放出装置；    ４：電子放出源；    ４ａ：突起部；    ４ｂ：狭窄部；    ４ｃ：テーパ部；    ４ｄ：テーパ部；    ４ｅ：幅広部；    ４ｆ：幅広部；    ６：引出電極；    ６ａ：開口；    ６ｂ：狭窄部；    ６ｃ：テーパ部；    ６ｄ：テーパ部；    ６ｅ：幅広部；    ６ｆ：幅広部；    ８：基板；    １０ａ：絶縁層；    １０ｂ：絶縁層；    １２：第１電圧源；    １４：第２電圧源；    １６：スイッチ；    １８：第１電流源；    ２０：第２電流源；    ２２：ホイスラー合金層；    ２４：絶縁層；    ２６：フォトレジストマスク；    ２８：絶縁層；    ３０：フォトレジストマスク；    ３２：絶縁層；    ３４：導電層；    ３６：フォトレジストマスク；    ３８：フォトレジストマスク；    ４２：電子放出装置；    ４４：バッファ層；    ４４ａ：突出部；    ４４ｂ：狭窄部；    ４４ｃ：テーパ部；    ４４ｄ：テーパ部；    ４４ｅ：幅広部；    ４４ｆ：幅広部；    ４６：バッファ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019061904.tif 000009
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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