(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状に配列された複数のエミッタと、該エミッタから電子を引き出すためのゲート電極が第１の絶縁層上に形成されている微少電界放射カソードと、
前記微少電界放射カソード上に第２の絶縁層を形成し、該第２の絶縁層の上面の 前記微少電界放射カソードの配列における各同心円を取り囲むように形成された複数のリング状の偏向電極とを設け、
前記複数のリング状の各偏向電極は、帯状の抵抗領域を介して電気的に接続され、外周側に位置する前記リング状の偏向電極は内周側に位置する前記リング状の偏向電極よりも低い電位となるように電圧が印加されるように構成したことを特徴とする電界放射冷陰極。
【請求項２】
同心円状に配列された複数のエミッタと、該エミッタから電子を引き出すためのゲート電極が第１の絶縁層上に形成されている微少電界放射カソードと、
前記微少電界放射カソード上に第２の絶縁層を形成し、該第２の絶縁層の上面の 前記微少電界放射カソードの配列における各同心円を取り囲むように形成された複数のリング状の集束電極と、該複数のリング状の集束電極の間に配置された複数のリング状の偏向電極とを設け、
前記複数のリング状の集束電極は接続領域を介して相互に接続し、所定の電圧を印加するように構成すると共に、
前記複数のリング状の各偏向電極は、帯状の抵抗領域を介して電気的に接続され、外周側に位置する前記リング状の偏向電極は内周側に位置する前記リング状の偏向電極よりも低い電位となるように電圧が印加されるように構成したことを特徴とする電界放射冷陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出を利用した電界放射冷陰極に関し、特に、複数の微小電界放射カソードが配列された電界放射冷陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属または半導体表面の印加電界を１０9 [ Ｖ／ｍ］程度にすると、トンネル効果により電子が障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる。これを電界放出（Field Emission  ）と云い、このような原理で電子を放出するカソードを電界放射カソード（ＦＥＣ）と呼んでいる。
近年、半導体加工技術を駆使して、ミクロンサイズの電界放射カソード（微小電界放射カソード）をアレイ状に集積して電界放射冷陰極を製造することが可能となっている。
【０００３】
電界放射カソードとしては種々の構成のものが知られているが、その一例として、スピント（Spindt）型と呼ばれるＦＥＣが用いられた電界放射冷陰極の構成を図６の（ａ）に示す。なお、電界放射冷陰極は真空雰囲気中で動作するものであるが、以下の図および説明においては真空雰囲気とする構成は省略する。
図６の（ａ）において、シリコンあるいはガラス等の基板１０１上にモリブデンやニオブ等の金属で形成されたカソード電極１０２が形成され、その上に不純物がドープされたアモルファスシリコン等からなる抵抗層１０３が形成されている。この抵抗層１０３の上には、モリブデン等の金属からなるコーン状のエミッタ１０６が複数個配列されており、また、抵抗層１０３上の前記エミッタ１０６が形成されていない部分には二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ) 等からなる絶縁層１０４が形成され、この絶縁層１０４の上にゲート電極１０５が形成されている。すなわち、ゲート電極１０５および絶縁層１０４に設けられた開口部１０７の中に上記コーン状のエミッタ１０６が位置し、その先端部分が開口部１０７から臨む構成とされている。
【０００４】
このコーン状のエミッタ１０６間のピッチは１０μｍ以下とすることができ、数万から数１０万個のエミッタ１０６を１枚の基板上に設けることができる。さらに、ゲート電極１０５とエミッタ１０６のコーンの先端との距離をサブミクロン単位とすることができるため、ゲート電極１０５とエミッタ１０６との間にわずか数１０ボルトのゲート−エミッタ間電圧Ｖgeを印加することにより、電子をエミッタ１０６から電界放出することができる。ゲート電極１０５上に離隔して正の電圧Ｖa が印加されたアノード電極１０８を対向して設けておくと、エミッタ１０６から電界放出された電子をこのアノード電極１０８により捕集することができる。
【０００５】
なお、上述のように、コーン状のエミッタ１０６の先端とゲート電極１０５との距離がサブミクロン単位という極めて短い距離とされているとともに、非常に多数のエミッタ１０６が一枚の基板１０１上に設けられているため、製造過程において塵埃などによりゲート１０５とエミッタ１０６とが短絡する恐れがあり、その一つでも短絡すると全てのゲート−エミッタ間に電圧が印加されなくなり動作不能となってしまうことや、初期の動作時に局部的な脱ガスが生じ、このガスによりエミッタとゲートあるいはアノード間が放電を起こすことがあり、このため大電流がカソードに流れてカソードが破壊されるということがある。
そこで、上述した抵抗層１０３を設け、あるエミッタ１０６に流れる電流の増加に応じて該エミッタ１０６の電子放出を抑制する方向に電圧降下を生じさせ、特定のエミッタ１０６への電流の集中を防止し、電界放射冷陰極の製造上の歩留まりの向上や安定な動作を図るようにしている。
【０００６】
ここで、このような電界放射冷陰極は、通常、以下のような工程で製造される。
まず、基板１０１上に、カソード電極１０２、抵抗層１０３、絶縁層１０４、ゲート電極１０５を順次成膜して積層基板を形成する。
次に、該積層基板の最上面、すなわちゲート電極１０５上にフォトレジスト層を塗布した後、該フォトレジスト層に開口部１０７に対応する開口パターンを形成する。
次に、エッチングにより、前記ゲート電極１０５および前記絶縁層１０４に前記開口パターンに対応する開口を形成する。
次に、前記ゲート電極１０５の表面に剥離層を形成し、モリブデン等の高融点金属材料を蒸着することによりコーン状のエミッタ１０６を形成し、前記剥離層を除去する。
このようにして、基板１０１上に多数の微小電界放射カソードを同時に製造している。
【０００７】
さて、一般に、前記微小電界放射カソードのコーン状エミッタ１０６からは、電子が所定の拡がり角をもって放出されることが知られている。そこで、このようなコーン状のエミッタから放出される電子の軌道を集束させるようにした電界放射カソードが提案されている。この電界放射カソードは、前述したゲート電極に加えてエミッタ１０６から放出された電子を集束させるための電極（以下、集束電極と呼ぶ）を前記ゲート電極の上方に設けることにより、前記コーン状のエミッタ１０６から放出された電子の拡がりを防止している。
【０００８】
この電界放射冷陰極における微小電界放射カソードの構成例を図６の（ｂ）に示す。この図において、前記図６（ａ）と同一の構成要素には同一の番号を付して、説明の重複を省くこととする。図示するように、この微小電界放射カソードにおいては、ゲート電極１０５の上部にも絶縁層１０９を設け、その上に集束電極１１０が設けられており、この集束電極１１０にはカソード電極１０２、エミッタ１０６に対して負の電圧が印加するようにしている。
このようにゲート電極１０５の上方に集束電極１１０を設け、該集束電極１１０に負の電圧Ｖgsを印加することにより、エミッタ１０６から放出された電子の軌道は、該集束電極１１０により集束されて、アノード電極１０８に到達することとなる。このように、集束電極１１０により微小電界放射カソードのエミッタ１０６から放出される電子の軌道を集束させることが可能となる。
【０００９】
このような電界放射冷陰極は、熱陰極と比較して高い電流密度を得ることができる、放出電子の速度分散が小さい、熱発生がなく低消費電力である等の利点を有しており、フラットパネルディスプレイや各種センサ等における電子源としての利用が提案されている。
また、上述したような特性を利用して、電界放射冷陰極をマイクロ波管等の電子銃として用いることが提案されている（特開平８−２５５５５８号公報）。
【００１０】
図７に、この提案されている電界放射冷陰極を用いた電子銃の構成を示す。この図において、１１１は基板であり、１１２に示すように球面状に構成されている。１１３は該球面状に形成された基板１１１上に形成された絶縁層、１１４は該絶縁層１１３の上に形成されたゲート電極層である。これら、基板１１１、球面１１２、絶縁層１１３およびゲート電極層１１４により、電界放射冷陰極１１５が構成されている。また、１１６は前記基板１１１を加工して形成された円錐状のエミッタ、１１７は空洞部、１１８は開口部であり、これらにより微小電界放射カソード１１９が形成されている。また、１２１はウエーネルト電極、１２２は陽極であり、このウエーネルト電極１２１には基板１１１あるいは電極層１１４と同電位かあるいは負の電位が印加され、陽極１２２には基板１１１に対して１ｋＶ〜数ｋＶの電圧が印加される。
このように構成された電子銃において、各微小電界放出カソード１１９は球面１１２上に形成されており、各エミッタ１１６から放出された電子は、ウエーネルト電極１２１により集束され、高密度の電子ビーム１２３が得られる。
【００１１】
この電界放射冷陰極は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による加工法を用いて製造される。まず、基板１１１の表面に機械的方法によって球面１１２が形成され、その上に、絶縁層１１３、電極層１１４が積層される。次に、イオンビーム発生装置を用いて、集束イオンビームを電子放出領域となる球面１１２の部分に照射し、基板１１１の位置と方向を制御して直径１μm 以下の円を描くようにイオンビームを制御して、その部分の電極層１１４、絶縁層１１３および基板１１１の一部分を除去して、開口部１１８、空洞部１１７およびエミッタ１１６を同時に形成する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した電界放射冷陰極を用いた電子銃によれば、球面状に形成された基板１１１上に各微小電界放射カソードが配列されているために、各微小電界放射カソードから放出された電子の集束比を大きくすることができ、電流密度が高く、安定な電子ビーム１２３を形成することが可能となる。
しかしながら、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による加工方法を用いて球面状に電界放射冷陰極を形成しているため、開口部１１７、コーン状のエミッタ１１６等を順次形成することが必要となり、製造工程が複雑かつ各エミッタレベルでの均一性、再現性が困難という問題点がある。
【００１３】
そこで、本発明は、容易に製造することができ、放出された電子の軌道を集束して高密度の電子流を得ることのできる電界放射冷陰極を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電界放射冷陰極は、
同心円状に配列された複数のエミッタと、該エミッタから電子を引き出すためのゲート電極が第１の絶縁層上に形成されている微少電界放射カソードと、 前記微少電界照射カソード上に第２の絶縁層を形成し、該第２の絶縁層の上面の 前記微少電界放射カソードの配列における各同心円を取り囲むように形成された複数のリング状の偏向電極とを設け、
該複数のリング状の各偏向電極は、帯状の抵抗領域を介して電気的に接続され、外周側に位置する前記リング状の偏向電極は内周側に位置する前記リング状の偏向電極よりも低い電位となるように電圧が印加されるようになされている。
【００１５】
また、さらに上記した第２の絶縁層の上に各微少電界放射カソードから引き出された電子ビームを収束する集束用の電極を設け、上記リング状の偏向電極により、中心から外周に向かって負の電位勾配が形成されるようにして、各微小電界放射カソードから放出された電子が、中心部に向かって偏向されるようにした。
したがって、製造が容易な平面状の基板に形成された場合であっても高電流密度の電子ビームを生成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の電界放射冷陰極の基本的な構造を示す概略図であり、（ａ）は電界放射冷陰極の平面図、（ｂ）はその断面図である。
図１において、１はガラス等からなる絶縁性基板、２は該基板上にアルミニウム等の金属でストライプ状に形成されたカソード電極、３は前記基板１およびカソード電極２上に設けられたアモルファスシリコン等からなる抵抗層である。６は前記抵抗層３上にモリブデン等の金属で形成されたコーン状のエミッタ、４は前記抵抗層３上のエミッタ６が形成されていない領域に形成された絶縁層、５は該絶縁層４上に形成されたゲート電極（引き出しゲート電極）、７は開口部である。
前記エミッタ６、ゲート電極５により前述のように微小電界放射カソードが形成されており、図１の（ａ）に示すように、各微小電界放射カソードは同心円状に配列されている。なお、前記微小電界放射カソードの同心円状の配列を、以下アレイリングとよぶこととする。また、この図においてはアレイリングの数を３個のみ記載しているが、この数は電流密度等に応じて、任意の数とすることができる。
【００１７】
また、８、９および１０は前記絶縁層４上に前記アレイリングを取り囲むように形成されたリング状の偏向電極であり、最内周のリング状の偏向電極を８、以下、外周に向かって９、１０とする。なお、この図には、３つのリング状偏向電極だけが図示されているが、このリング状偏向電極の数は、前記アレイリングの数に対応して任意のものとすることができる。さらに、１１は抵抗、１２は負の電圧が印加される端子であり、図示するように抵抗１１はゲート電極５と前記端子１２との間の電圧を分圧して、前記リング状偏向電極８、９、１０に対して、外周になるほど低い偏向電圧を印加することにより高い偏向電界を得るようになされている。これにより、この電界放射冷陰極の近傍には、その中心部から外周側に向かって負の電位勾配が形成されることとなり、エミッタ６から電界放射された電子が中心に向かって偏向させられることとなる。なお、前記抵抗１１は、実際には、各偏向電極間、あるいは偏向電極と前記ゲート電極間を細い抵抗領域で接続することにより実現することができる。また、図１には、前記基板１はガラス等の絶縁基板の場合を示したが、ｐ型高抵抗Ｓｉ基板上に電気的に絶縁されたカソードライン２をイオン注入等で作りつけてもよい。
【００１８】
図２に、このように構成された電界放射冷陰極における各エミッタ５から放出される電子軌道のシミュレーション結果の一例を示す。図２において、（ａ）は左側に設けられた微小電界放射カソードのエミッタ６から放出される電子の軌道を示す図であり、（ｂ）は、中心部分に設けられたエミッタ６から放出される電子の軌道を示す図である。また、８〜１０は前記リング状偏向電極を示しており、この図に示したシミュレーションにおいては、前記最内周のリング状偏向電極８にはＶg1＝０Ｖ、リング状偏向電極９にはＶg2＝−１００Ｖ、リング状偏向電極１０にはＶg3＝−２００Ｖの偏向電圧がそれぞれ印加されているものとしてある。また、電流密度の相対強度を各グラフ直上の棒グラフの大きさで示してある。
【００１９】
図２の（ａ）に示されているように、中心から離れた位置のエミッタ６から放出された電子は、前記リング状偏向電極８〜１０に印加されている偏向電圧に起因する電位勾配により、外周側のリングアレイから放出された電子ほどその軌道が中心方向により多く偏向されている。また、（ｂ）に示されているように、中心位置に設けられたエミッタ６から放出された電子はその直上に向かって進行している。したがって、中心位置の直上の位置には、前記各エミッタ６から放出された電子が集中することとなり、高密度の電子ビームを得ることができる。
【００２０】
このようにして、同心円上に微小電界放出カソードのアレイリングを設け、各アレイリングを取り囲むように複数のリング状偏向電極を設けて、該複数のリング状偏向電極に対し内側のものから外側のものに対して順に引き出し電圧よりより低い電圧を印加して、電界放射冷陰極の中心からに外側に向かって負の電位勾配を与えることにより、微小電界放射カソードから放出される電子を集中させることができる。
なお、この電子の集中の度合は前記電位勾配により制御することができ、前記リング状偏向電極に印加する電圧、各リング状偏向電極の幅や位置、あるいはアレイリングの位置等により制御することができる。
このように、本発明の電界放射冷陰極によれば、同心円状に配置された微小電界放射カソードアレイから放出された電子を効果的に集中させることができる。また、前記微小電界放射カソードアレイは、平面とされた基板上に形成されているので、前述した簡単なプロセスを用いて容易に製造することができる。
【００２１】
図３は、前記リング状偏向電極８〜１０に印加する電圧を変化させたときの、電流密度分布、すなわち電子の軌道の変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。ここで、Ｖg1、Ｖg2およびＶg3は、それぞれ、リング状偏向電極８、９および１０に印加される偏向電圧である。また、横軸は距離、縦軸は前記電界放射冷陰極から所定間隔をもって設けられたアノード電極の電流値相対分布、すなわちその位置に到達した電子の量を示している。
【００２２】
図３の（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、前記リング状偏向電極８〜１０に異なる偏向電圧を印加することにより、電子が到達する位置（到達スポット）が変化している。このシミュレーションにおいては、リング状偏向電極８〜１０にそれぞれ電圧Ｖg1＝−５０Ｖ、Ｖg2＝−１００Ｖ、Ｖg3＝−２００Ｖを印加した（d ）の場合に、到達スポット径が６０μm となり、電子が最も集束されていることがわかる。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態について、図４を参照して説明する。この実施の形態は、前記リング状偏向電極を前記ゲート電極５の上方に形成するようにしたものであり、図４の（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。なお、図４において、前記図１と同一の構成要素には同一の番号を付して、説明の重複を避けることとする。
図示するように、この実施の形態においては、ゲート電極５の上部に第２の絶縁体層１３が形成され、該絶縁体層１３の上部に前述したリング状偏向電極８〜１０が形成されている。また、図４の（ａ）に示した１４は、ゲート電極５とリング状偏向電極８、リング状偏向電極８と９、リング状偏向電極９と１０、リング状偏向電極１０とその外周にさらに設けられているリング状偏向電極あるいは端子のあいだを接続する帯状の抵抗領域である。この抵抗領域１４により、前記ゲート電極５のゲート電圧と図示しない端子に印加されている負の電圧とを分圧して、各リング状偏向電極に所定の偏向電圧を印加している。
【００２４】
さて、以上に説明した実施の形態は、前述した図６の（ａ）に示した微小電界放射カソード構造を用いたものであるが、前記図６の（ｂ）に示した集束電極を有する微小電界放射カソードを用いる本発明のさらに他の実施の形態について説明する。
図５は、この本発明のさらに他の実施の形態の構成の一例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面を示す図である。なお、この図において、前記図１および図２と同一の構成要素には同一の番号を付して説明の重複を避けることとする。この図５には、前記帯状の抵抗領域１４が絶縁層１３中に形成された場合を示す。
【００２５】
図示するように、この実施の形態においては、第２の絶縁体層１３の上部の前記開口部７の近傍に前記図４の（ｂ）に示したと同様に集束電極１５が設けられている。本発明においては、前述のように微小電界放射カソードはリング状に形成されたアレイリングとされているために、前記集束電極１５もリング状に形成されており、これを集束電極リングとよぶこととする。そして、このような集束電極リングのあいだには、前記リング状偏向電極８〜１０が外周に向かって配置されている。すなわち、この実施の形態においては、前記第２の絶縁体層１３の上部に、リング状偏向電極と集束電極リングが同心円状に交互に配置されている。そして、１４は前記リング状偏向電極間、および、最内周のリング状偏向電極８と前記ゲート電極５との間を接続する抵抗領域である。前記ゲート電極５は第１の絶縁体層４の上部に形成されているので、前記最内周のリング状偏向電極８とゲート電極５とを抵抗領域１４を介して接続するために、この実施の形態においては、図の（ａ）に示すように、１つの微小電界放射カソードの開口部７を使用してこの接続を行っている。
また、前記集束電極１５に同一の負の電位を供給するために、図に示すように、各集束電極リングは接続領域１６により相互に接続されている。
【００２６】
以上説明した本発明の電界放射冷陰極は、マイクロ波管等の電子ビーム源としてだけではなく、たとえば、ビーム加工機等の電子源としても使用することができる。
また、電界放出カソードとしてスピント型のものを例にとって説明したが、これに限られることはなく、他のタイプのものであっても本発明を適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電界放射冷陰極によれば、リング状の偏向電極とこれらのリング状偏向電極を接続するための帯状の抵抗領域を設けることにより、中心部から外周に向かって負の電位勾配を発生させているために、各微小電界放射カソードから放出された電子を集束させることができる。したがって、加工が容易な平面状の基板を用いて高電流密度の電子銃を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本的な電界放射冷陰極の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図２】  本発明の電界放射冷陰極から放出される電子軌道のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】  本発明におけるリング状の偏向電極に印加する電圧を変化させたときの電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】  本発明の電界放射冷陰極の他の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図５】  本発明の電界放射冷陰極のさらに他の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図６】  従来の電界放射冷陰極の構成を示す図である。
【図７】  提案されている電界放射冷陰極の構成を示す図である。
【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】
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