JP3452222B2

JP3452222B2 - 冷陰極電子源素子およびその製造方法

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Publication number: JP3452222B2
Application number: JP33796494A
Authority: JP
Inventors: 真人薄田; 萩原　　淳; 克人長野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2003-09-29
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JPH0877916A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極電子源素子およ
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放射型電子源は、半導体の微細加工
技術を利用してミクロンサイズに製造でき、しかも集積
化やバッチ加工が容易であるため、熱電子放射型電子源
では不可能であったＧＨｚ帯増幅器や大電力・高速スイ
ッチング素子、さらには高精細度フラットパネルディス
プレイ用電子源への応用が期待されており、国内外にお
いて盛んに研究開発がなされている。

【０００３】このような電界放射型電子源の従来例を以
下に説明する。特開昭６３−２７４０４７号公報に提案
された薄膜電界放射型の電子源は、図３５に示されるよ
うに、冷陰極５２と対向するゲート電極５３とを０．３
〜２μm の間隔をあけて絶縁体基板５１上に成膜し、真
空中で冷陰極５２とゲート電極５３間に電圧をかけるこ
とにより電子放出を起こすものである。この冷陰極５２
はＦＩＢ（ Focused Ion Beam 、収束イオンビーム）技
術を用いて形成されており、特に凸状部の先端は尖鋭に
形成している。しかし、ＦＩＢ技術を用いた場合、素子
の大面積化が困難でかつ製造コストも高くなってしま
う。

【０００４】一方、大面積化、製造コストを考えた場
合、フォトリソグラフィー技術を用いたパターニングが
妥当である。しかし、現在のフォトリソグラフィー技術
では、電子ビームスポット径が最小のパターニング径と
なるため、直径０．５μm 程度が限界である。このため
冷陰極５２の先端を尖鋭に形成するには、さらに様々な
プロセスを加えなくてはならない。この場合、プロセス
が増加するほど、その間の素子損傷、特に冷陰極先端部
を損傷する可能性が高まり、素子の歩留りの低下の原因
となっている。またそれら冷陰極尖鋭化プロセスのほと
んどは煩雑であり、形状制御が困難である。

【０００５】特開平３−４９１２９号公報に提案された
薄膜電界放射型の電子源は、図３６に示されるように、
絶縁体基板６１上の絶縁層６２の表面に、超音波による
劈開、破断の方法で冷陰極６３、ゲート電極６４を平行
に形成したものである。しかし、この図２９に示す薄膜
電界放射型の電子源の場合、超音波による破断を伴うも
のであるため、冷陰極６３の形状の均一化を図ることが
技術的に困難であるとともに、冷陰極６３を形成する薄
膜に対するダメージが大きいという問題がある。

【０００６】特開平３−２５２０２５号公報に提案され
た薄膜電界放射型の電子源は、図３７、図３８に示され
るように、フォトエッチング技術を用いて絶縁体基板７
１上の絶縁層７２の上に多数の凸状部をもつ冷陰極７３
を形成した後に、等方性エッチング技術を利用して凸状
部の先端を尖鋭化したものである。なお、図３０中、７
４は冷陰極７３と対向するゲート電極である。しかし、
この電子源の場合、エッチング条件による冷陰極７３の
形状の制御が困難である。さらに、側壁保護膜の形成等
によりアンダーカットが進行しないような場合には適用
できない。

【０００７】また、特開平２−２２０３３７号公報で
は、化学的に安定であり、真空中に電子を放出し易い低
仕事関数材料である遷移金属炭化物，金属酸化物あるい
は希土類酸化物を冷陰極７３の表面に被覆することが開
示されている。しかし、冷陰極７３等に限定して被覆す
ることは困難である。

【０００８】上述のように、従来の電界放射型電子源の
場合、冷陰極先端の尖鋭化をはじめとする冷陰極の形状
を適切に設定できなかったり、低仕事関数を有し化学的
に安定な材料を、微細加工の困難性から冷陰極として用
いることができなかった。このため、特性が良好で、か
つ、安定した電界放射型電子源を得ることができないと
いう問題があった。

【０００９】また、米国特許第５０１９００３号明細書
には、支持体上に予め形成（preformed)されたエミッタ
（冷陰極）体の粒子を複数配した電界放出素子が開示さ
れている。この素子では、図３９に示されるように、支
持体１００上に複数の導電性物体２０１を配し、導電性
物体２０１は結合剤１０１によって支持体１００に結着
されている。この導電性物体２０１はモリブデン、炭化
チタンなどであってよく、幾何学的に鋭利な縁をもつこ
とが好ましく、この導電性物体２０１がエミッタとして
機能する。なお、この導電性物体２０１にかえて、ある
いはこれに加えて、図示のように絶縁性物体２０３を用
いてもよいが、この場合は絶縁性物体２０３を導電薄層
２０２によって被覆して用いるとされている。そして結
合剤１０１の層の厚さは０．５μm 程度とし、導電性物
体２０１や絶縁性物体２０３の導電薄層２０２による被
覆物の長さ（最大寸法）は１．０μm 程度とし、十分量
の導電性物体２０１が露出されるようにする。そして、
このようなエミッタ部分に、さらにアノードやゲートを
付加して実際の電界放出素子が組み立てられる。

【００１０】このような電界放出素子は、図４０に示さ
れるように、エミッタ体２０１を複数担持した支持体１
００上に、エミッタ体２０１の一部を被覆しないままの
状態にして、絶縁層４０９を形成したものである。さら
に、絶縁層４０９上には、電子の流れを調節するための
ゲートとして機能する導電層４０１が設けられている。
そして、導電層４０１上には、さらに絶縁層４０２が設
けられており、絶縁層４０２上には、アノードとしての
機能も有するスクリーン４０４が配置されている。スク
リーン４０４のエミッタ体２０１との対向面側にはルミ
ネセンス層４０３が形成されている。スクリーン４０４
は、真空中ではんだ付け等により結着され、閉空間４０
６が排気される。そして、電圧の印加によりエミッタ体
２０１から電子が放出され、放出された電子の作用によ
りスクリーン４０４、を介して発光４０８が生じる。

【００１１】この明細書に示される素子では、図４０か
ら明らかなように、エミッタ体２０１と絶縁層４０９と
が接触する箇所が生じるため、電圧を印加すると絶縁層
４０９のところで集中して電圧が加わり破壊の危険性が
大きくなる。また、これを防止しようとして絶縁層４０
９を厚くすると電子放出のための印加電圧を高くする必
要が出てきて好ましくない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低電
圧駆動が可能でかつ高い放出電流が安定して得られ、冷
陰極の加工性に優れ、素子の大面積化が可能な冷電極電
子源素子およびその製造方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１０）の本発明により達成される。（１）冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に突出
しており、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が
０．０５〜５０nmであり、前記粒子が前記冷陰極基材に
対して１〜５０体積％含有される冷陰極電子源素子。（２）前記冷陰極は、前記冷陰極基材の成分と、前記
導電性材料の成分とを気相法によって堆積して得られる
上記（１）の冷陰極電子源素子。（３）冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
しており、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が
０．０５〜５０nmであり、前記冷陰極基材を構成する成
分と、前記導電性材料の成分とを反応性イオンプレーテ
ィング法または同時スパッタリング法によって堆積して
冷陰極電子源素子を得る冷陰極電子源素子の製造方法。（４）前記粒子が前記冷陰極基材に対して１〜５０体
積％含有される上記（３）の冷陰極電子源素子の製造方
法。（５）前記粒子が前記冷陰極表面に突出している上記
（３）または（４）の冷陰極電子源素子の製造方法。（６）冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
している冷陰極電子源素子を得るに際し、前記冷陰極
を、非晶質状または微結晶状の冷陰極用導体層を気相法
により形成する工程と、この冷陰極用導体層に熱処理を
施す工程により製造する冷陰極電子源素子の製造方法。（７）前記熱処理の温度が成膜温度から７００℃まで
の温度である上記（６）の冷陰極電子源素子の製造方
法。（８）冷陰極を有する冷陰極電子源素子であって、こ
の冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散含
有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも低
く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子と
を有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分
散されており、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出
しており、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が
０．０５〜５０nmであり、前記冷陰極基材を構成する成
分の薄層と、前記導電性材料の粒子を構成する成分の薄
層とを交互に積層して冷陰極用導体層を気相法により成
膜することによって製造する冷陰極電子源素子の製造方
法。（９）前記導電性材料の粒子を構成する成分の薄層の
膜厚が、０．５nm〜５０nmである上記（８）の冷陰極電
子源素子の製造方法。（１０）前記冷陰極用導体層を成膜した後に、前記冷
陰極用導体層の成膜温度から７００℃までの温度で前記
冷陰極用導体層に熱処理を施す上記（９）の冷陰極電子
源素子の製造方法。

【００１４】

【作用】本発明の冷陰極電子源素子によれば、基板上に
設けた冷陰極において冷陰極基材に対して仕事関数が冷
陰極基材の仕事関数よりも低い導電性材料を、冷陰極自
体の厚さより十分小さな粒径の粒子として分散含有させ
ている。このため、低電圧で電子を引き出せるととも高
い放出電流が得られる。また、通常のフォトプロセス
と、エッチングにより冷陰極基材を加工できるため、任
意の形状を簡易に設定でき、冷陰極電子源素子の大面積
化が可能である。また、導電性材料の粒子が冷陰極表面
に露出ないし突出した状態で分散しているので、電界の
集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い放
出電流が得られる。導電性材料の粒子の平均粒径を小さ
くする効果は、高い放出電流が得られることと、多数の
電子放出点を形成でき、安定した放出電流特性が得られ
ることである。

【００１５】これらから、陰極形状を従来のように複雑
なプロセスで曲率半径の小さい尖端部を有するように形
成する必要がなくなる。

【００１６】また非晶質状もしくは微結晶状の、冷陰極
基材を構成する元素と上記の導電性材料を構成する元素
とを含む冷陰極用導体層を形成し、この導体層を熱処理
して冷陰極を形成することによって、冷陰極の作製が容
易となる。また冷陰極基材と上記の導電性材料の各々の
結晶性が高まる。冷陰極基材の結晶性が高まると、冷陰
極基材の純度も向上し、エッチングが短時間かつ容易に
なり、冷陰極基材の加工性が著しく向上するとともに、
生産コストが低下する。また上記の導電性材料の結晶性
が高まると、低電圧で電子が引き出せるとともに、安定
で高い放出電流が得られる。さらに、成膜工程と熱処理
工程を分離することにより、高い生産効率が得られる。

【００１７】また、冷陰極基材を構成する元素の薄層
と、導電性材料の粒子を構成する元素の薄層とを交互に
積層して冷陰極用導体層を成膜し、その後この冷陰極用
導体層を冷陰極に加工すれば、導電性材料の粒子の粒径
を導電性材料の粒子を構成する元素の薄層の膜厚で制御
することができるので、冷陰極の作製が容易となる。よ
り具体的には、導電性材料の粒子を構成する元素の薄層
の厚さを所定範囲に設定することにより、この薄層が連
続膜構造をとらず島状構造となるため、実質的に冷陰極
基材中に導電性材料の粒子が分散した構造の冷陰極用導
体層を形成することが可能となる。

【００１８】この冷陰極用導体層は、冷陰極基材のエッ
チャントにより容易にエッチング加工することができ、
これによって冷陰極を形成することが可能となる。同時
に、エッチング加工された冷陰極の断面に導電性材料粒
子が突出ないし露出した構造を均一に再現性良く形成す
ることができる。従って、低電圧で駆動可能で、かつ安
定して高い放出電流が得られる冷陰極電子源素子を歩留
まり良く製造することができる。

【００１９】そして、この冷陰極導体層をさらに熱処理
することによって、冷陰極基材および導電性材料の粒子
の結晶粒径が増大するとともに、冷陰極基材中に不純物
として取り込まれた導電性材料の粒子を構成する元素お
よび導電性材料の粒子中に不純物として取り込まれた冷
陰極基材を構成する元素が結晶粒界に析出し、実質的に
冷陰極用導体層中の導電性材料の粒子の分散性が高ま
る。このため、冷陰極を形成するに際し、ケミカルエッ
チングによるエッチングレートを増加させることができ
るとともに、導電性材料の粒子の平均粒径が導電性材料
の粒子を構成する元素の薄層の厚さ程度にそろい、広い
面積にわたって均一な電子放出特性を有する冷陰極電子
源素子を形成することができる。

【００２０】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。本発明の冷陰極電子源素子は、絶縁性基板
上に冷陰極基材を有し、冷陰極基材には、これをマトリ
ックスとして、導電性材料がエミッタ物質として分散さ
れて冷陰極を構成している。この場合、導電性材料は冷
陰極自体の厚さより十分小さな粒径の微細粒子であり、
個々の粒子は互いに実質的に分離された状態で分散され
ており、冷陰極表面に露出している。また、導電性材料
としては、冷陰極基材の仕事関数よりも小さいものを用
いる。

【００２１】このような素子構成とすることによって、
複雑な加工工程を要することなく、低電圧で電子を引き
出すことが可能になり、高い放出電流が得られる。これ
に対し、導電性材料の粒子の粒径が冷陰極の厚さより大
きくなると、冷陰極の微細加工が困難になるとともにゲ
ート電極との間の短絡を生じやすくなる。また、両材料
の仕事関数の関係が上記外となると、本発明の効果が得
られない。

【００２２】このような冷陰極電子源素子としては、例
えば図１の構成のものがある。図１に示される冷陰極電
子源素子は、絶縁性基板１の表面に、絶縁層２を設け、
さらに絶縁層２上に冷陰極（エミッタ）１０を設け、こ
の冷陰極１０に近接する位置にゲート電極７を形成した
ものである。冷陰極１０は、上記のように、導電性材料
で形成された導電性微粒子８を分散含有させた冷陰極基
材４により構成している。

【００２３】特性の良い冷陰極電子源素子を作製するた
めには、上記のように仕事関数が低くかつ化学的に安定
な材料を用いて、極力、粒径の小さい前記導電性微粒子
８を形成するとともに、冷陰極１０とゲート電極７との
距離を近接させて配置するように設計すればよい。

【００２４】この場合の導電性微粒子８の粒径は、Ｘ線
回折分析（ＸＲＤ）スペクトルの最も強い配向ピークか
らシェラーの式に従って求めて、０．５〜５０nm、好ま
しくは０．５〜２０nm、さらに好ましくは１〜１０nmで
あることが好ましい。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）観察では、好ましい成膜を行われたときには、冷陰
極基材成分の粒界に、導電性微粒子の一次粒子が存在す
る。このＴＥＭ写真から求めた一次粒子の数平均粒径は
０．５〜５０nm、好ましくは０．５〜２０nm、さらに好
ましくは１〜１０nmであることが好ましい。なお、ＴＥ
Ｍ観察では、成膜条件によっては一次粒子の集合体であ
る二次粒子（球状、島状などの集合体構造）として観察
されることもあるが、粒子が互いに分離した単一粒子
（一次粒子）として存在することが好ましい。

【００２５】導電性微粒子８は、冷陰極基材４中に均一
に分散させることが好ましく、これにより高い放出電流
が得られる。また、導電性微粒子８は、図示のように冷
陰極１０表面に露出ないし突出させた状態で分散させる
ことが好ましい。このようにすることによって、電界の
集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い放
出電流が得られる。なお、導電性微粒子８は、冷陰極１
０の表面に露出するが、後述のエッチングの結果、通常
は表面から突出している。

【００２６】また、冷陰極１０とゲート電極７との距離
ｄ（図１、後記図６、図１０、図１９参照）は０．１〜
２０μm 程度とすることが好ましい。

【００２７】前記導電性微粒子８としては、化学的に安
定であり、真空中に電子を放出し易い低仕事関数の材料
を用いる。すなわち、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｔａ
Ｃ、ＮｂＣ、ＭｏＣ、ＷＣなどの金属炭化物、ＴａＮ、
ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮなどの金属窒化物、ＬａＢ₆ 、
ＴａＢ、ＴｉＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、ＨｆＢ₂ などの希土類金
属ホウ化物や遷移金属ホウ化物；ダイヤモンド；グラフ
ァイトなどの導電性炭素あるいはこれらを少なくとも一
種類以上含んだものを用いる。

【００２８】また冷陰極基材４の材料としては、前記導
電性微粒子８が炭化物である場合には、炭化されにくい
良導体材料、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ
等、導電性微粒子８が窒化物である場合には、窒化され
にくい良導体材料、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ
等、導電性微粒子８がホウ化物である場合には、ホウ化
されにくい良導体材料、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ等、
あるいはこれらを少なくとも一種類以上含んだものを用
いることができる。このような導電性材料と冷陰極基材
との好ましい組み合わせは、後述のイオンプレーティン
グや反応性スパッタリング、あるいは両材料の混合膜を
成膜して熱処理するものであって、後述の両材料を交互
に成膜する場合には、冷陰極基材材料に関する規制はほ
とんどなく、各種材料を使用でき、両材料の金属元素を
同一のものとしてもよい。なお、本発明では金属炭化物
を導電性材料に用いることが好ましい。

【００２９】前述のように、導電性微粒子８を構成する
導電性材料の仕事関数は、冷陰極基材４を構成する冷陰
極基材材料の仕事関数より小さい。具体的には、材質と
しての物性値で、導電性材料の仕事関数が４．０eV以
下、より好ましくは１．０〜４．０eVであることが好ま
しく、一方冷陰極基材材料の仕事関数は３．８eV以上、
より好ましくは３．９〜５eVであることが好ましい。こ
れらのなかから、両材料の仕事関数の差が０．２eV以
上、好ましくは０．４〜４．０eV程度であるものを選択
することが好ましい。

【００３０】ここで、仕事関数とは、固体から真空中に
電子を取出すに要する最小限の仕事の大きさであり、Ｘ
線光電子分光法（ＸＰＳ）や紫外線光電子分光法（ＵＰ
Ｓ）によって求めることができ、各材料の値は例えばHA
NDBOOK of TEHRMONIC PROPERTIES, V.S. Fomenko, PLEN
UN PRESS DATADIVIISION N.Y. 1966 等）の文献に記載
されている。

【００３１】導電性材料および冷陰極基材材料の比抵抗
は、バルクの状態で、室温でそれぞれ、１×１０^-5Ωcm
〜１Ωcmおよび１×１０^-4Ωcm以下（通常１×１０^-6Ω
cm〜１×１０^-4Ωcm）であることが好ましい。

【００３２】冷陰極基材４に対する導電性微粒子８の割
合は、１〜５０体積％、より好ましくは３〜４５体積
％、特に５〜３０体積％、さらには２５体積％以下とす
ることが好ましい。

【００３３】このような割合とすることによって本発明
の効果が向上する。これに対し、導電性微粒子８の割合
が少なくなると、後述のエッチングにより加工した冷陰
極１０の端面に突出したＴｉＣ等の導電性微粒子８の密
度が低く、実質的に導電性微粒子を含有しない場合と同
等の電子放出特性しか得られなくなる。一方、導電性微
粒子８の割合が大きくなりすぎると、導電性微粒子８間
の分散性が悪くなり、冷陰極基材４のエッチングが難し
くなるとともに各導電性微粒子８ごとへの電界の集中が
難しくなる。

【００３４】また、冷陰極１０の厚さは１００〜２００
０nm、特に３００〜１０００nm程度とすることが好まし
い。このような厚さとすることにより本発明の効果が向
上する。これに対し、薄すぎると断線の確率が高くな
り、厚すぎるとエッチング加工に時間を要し、コストが
高くなるとともに十分な加工精度が得られなくなる。

【００３５】本発明に用いる絶縁性基体１の材料として
は、各種ガラス、シリコンウェハー、アルミナ等の各種
セラミックス等が挙げられる。また、その大きさは目的
・用途に応じて適宜選択すればよいが、厚さは０．３〜
５．０mm程度であってよい。

【００３６】図１の構成では絶縁層２を介して絶縁性基
板１上に冷陰極１０が設置されているが、絶縁層２は、
ＳｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、Ｓｉ₃ Ｎ₄
等の絶縁材料で形成すればよく、その厚さは０．２〜
２．０μm 程度とする。また、ゲート電極７は、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ｗ等の金属あるいはこれらの合金等で構成すればよ
く、その厚さは０．１〜１．０μm 程度とする。

【００３７】次に、図１に示される冷陰極電子源素子の
製造方法について説明する。まず、図２に示されるよう
に、絶縁性基体１の表面に、絶縁層２を所定厚に形成す
る。絶縁層２はスパッタリング法等によって成膜すれば
よい。

【００３８】次に、図３に示されるように、導電性微粒
子８が冷陰極基材４中に微細分散した薄膜を所定厚に形
成し、冷陰極１０とする。このときの冷陰極１０の形成
は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、蒸着
法等の真空薄膜形成法によればよいが、反応性イオンプ
レーティング法、同時スパッタリング法等が好ましい。

【００３９】反応性イオンプレーティング法によると
き、基板温度は１００〜５００℃程度とし、冷陰極基材
４および導電性微粒子８に応じた合金等の蒸着源を用い
て、これを電子ビーム加熱し、必要に応じ、Ｃ源やＮ源
あるいはＢ源としてガスを導入する。Ｃ源のガスとして
は、Ｃ₂ Ｈ₂ 、Ｃ₂ Ｈ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 、ＣＨ₄ 等、Ｎ源の
ガスとしてはＮＨ₃ 、Ｎ₂ 、Ｎ₂ Ｈ₂ 等、Ｂ源のガスと
してはＢ₂ Ｈ₆ 等の反応性ガスを用いればよい。このと
きのガス圧は１．０×１０^-2Pa〜０．２Pa程度とすれば
よく、イオン化するためのプローブ電流は１〜５程
度、基板−ハース間のバイアス電圧は１〜５kV程度とす
る。

【００４０】同時スパッタリング法によるとき、例えば
図８に示されるようなスパッタリング装置を用い、Ｎｉ
等の冷陰極基材材料で構成されたターゲット１１上に導
電性微粒子材料あるいはその構成元素で構成されたチッ
プ１２を載置し、このターゲット１１に絶縁性基板１
（表面には絶縁層２を有する）を対置すればよい。この
場合、圧力は０．１〜２．０Pa程度、雰囲気は導電性微
粒子８の材料等に応じ、Ｃ源となるＣＨ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 、
Ｃ₂ Ｈ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₂ 等の炭化水素ガスやＮ源となるＮ
₂ 、ＮＨ₃ 、Ｎ₂ Ｈ₂ 等の窒化物ガス、あるいはＢ源と
なるＢ₂ Ｈ₆ 等のホウ化物ガス等の反応性ガスＧを適宜
導入してもよい。電源１３のＲＦパワーは０．３〜５kW
程度、基板温度は１００〜５００℃程度とすればよい。
また、必要に応じ、アノード側に５００V 程度以下の負
のバイアス電圧を印加してもよい。

【００４１】また、冷陰極１０は、図９に示されるよう
に、非晶質状もしくは微結晶状の冷陰極用導体層９を形
成し、この冷陰極用導体層９を熱処理してもよい。この
ときの冷陰極用導体層９は、冷陰極基材の構成元素と導
電性微粒子の構成元素から構成されるものであり、図８
のスパッタリング装置を用いて反応性同時スパッタリン
グ法等により形成することが好ましい。具体的には、前
記の同時スパッタリング法の場合と同様に、ターゲット
１１およびチップ１２、ならびに絶縁性基板１を配置し
て行えばよい。ただし、基板温度は０〜１００℃、特に
室温（１５℃〜３０℃程度）付近の温度とし、圧力は
０．１〜２．０Pa程度、雰囲気はＡｒ等の不活性ガスと
冷陰極１０の構成に応じて導入されるＣ源やＮ源、ある
いはＢ源となる反応性ガスとを導入したものとすればよ
く、その流量は全体で２０〜１００sccm程度とし、反応
性ガスを導入するときＡｒ等の不活性ガスが８０〜９９
％程度となるようにする。電源１３のＲＦパワーは０．
３〜３．０kW程度とすればよい。

【００４２】このようにして得られた冷陰極用導体層９
に対し熱処理を行う。このような熱処理により、非晶質
状もしくは微結晶状の冷陰極用導体層９は、結晶化し、
図３に示されるように導電性微粒子８が冷陰極基材４中
に微細分散した冷陰極が形成される。

【００４３】成膜後の冷陰極用導体層９が非晶質状もし
くは微結晶状であること、そして熱処理により結晶化す
ることはＸ線回折分析法（ＸＲＤ）等の結果から確認す
ることができる。

【００４４】熱処理方法に特に制限はなく、抵抗加熱ヒ
ーターを用いて真空中で行う方法、拡散炉を用いてＡｒ
等の不活性ガス中で行う方法、エキシマレーザーを用い
た方法等のいずれであってもよい。このときの熱処理温
度は成膜温度以上の温度で効果が現れることから、成膜
温度〜７００℃とすればよく、通常２５０℃〜７００
℃、さらには３００℃〜６００℃とすることが好まし
い。熱処理温度が低すぎると、次に説明する硝酸−リン
酸系エッチング液等によるウェットエッチングが困難と
なりやすい。これは、導電性微粒子８の成長が不十分
で、冷陰極基材４中に不純物が多くなるためと考えられ
る。この不純物は、未反応物等であり、例えば導電性微
粒子８がＴｉＣであるときはＴｉ、Ｃ（非晶質のものも
含む）などと考えられる。また、熱処理温度が高くなる
と、ガラス基板が軟化し、その結果基板にそりや膜の剥
離等が生じたりして素子の作成が困難になる。このた
め、基板材料として安価なガラスが使えなくなり、石英
等の高価な耐熱性の材料を使用する必要が生じる。

【００４５】熱処理時間は熱処理温度に依存し、高温と
すれば処理時間を短縮できるが、上記温度に、通常０．
５〜５時間保持する。

【００４６】次に、図４に示されるように、冷陰極１０
上にレジスト５を設けた後、冷陰極１０に対してフォト
プロセスおよび硝酸−リン酸系等のエッチング液による
ウェットエッチングを用いた成形を行い、さらに絶縁層
２をバッファードフッ素酸（ＢＨＦ）等のエッチング液
を用いてウェットエッチングする。このとき冷陰極１０
上のレジストはそのまま除去しない。このときのフォト
プロセスによる冷陰極１０のパターニングは例えば図７
に示すようなものである。さらに図５に示されるよう
に、全面にＣｒ膜等のゲート電極と同材料の膜６および
ゲート電極７を蒸着法等により所定の厚さに形成する。
この後、図６に示されるように、レジスト５、Ｃｒ膜等
の膜６を剥離液によって除去する。

【００４７】本発明の冷陰極電子源素子は図１に示され
る構成に限定されるものではなく、図１０に示されるも
のであってもよい。図１０に示される冷陰極電子源素子
は、図１に示されるものと、冷陰極１０の作製方法が異
なる点と、ゲート電極７ｂがゲート絶縁層１４ｂを介し
て配置されている点を除けば同様の構成である。

【００４８】この場合の冷陰極１０は、冷陰極基材４を
構成する元素の薄層と導電性微粒子８を構成する元素の
薄層とを交互に積層して冷陰極用導体層を形成し、好ま
しくは熱処理を施し、さらにこの導体層を加工して作製
したものである。このような作製方法をとるため、前述
のように、例えば導電性微粒子８が炭化物、窒化物等で
ある場合、冷陰極基材４の材料が炭化、窒化等されにく
い良導体材料を用いるというような制限はなくなる。こ
のような導電性微粒子８の材料と冷陰極基材４の材料と
の組合せとしては、ＴｉＣとＴｉ、ＴｉＣとＭｏ、Ｔａ
ＣとＭｏの組合せのように、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、
Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の遷移金属の炭化物とＣｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなどとの
組合せ；ＴａＮとＮｂ、ＺｒＮとＷの組合せのように、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の遷移金属
の窒化物とＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなどとの組合せ；ＬａＢ₆ とＭｏ、
ＴａＢとＺｒの組合せのようにＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｇ
ｄ、Ｔｉ、Ｔａ等の希土類金属や遷移金属のホウ化物と
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｗなどとの組合せ；等がある。なお、図１０におけ
るゲート絶縁層１４ｂは、他の絶縁層と同様にＳｉＯ₂
等で構成すればよく、その厚さは０．１〜２．０nm程度
である。その他の構成は図１のものと同様である。

【００４９】次に、図１０の冷陰極電子源素子の製造方
法について説明する。まず、図１１に示されるように、
絶縁性基板１の表面に絶縁層２をスパッタリング法等に
よって所定厚に形成する。

【００５０】次に、図１２に示されるように、絶縁層２
の表面に、例えば図１７に示されるスパッタリング装置
を用いて、冷陰極基材４を構成する元素の薄層３ａと導
電性微粒子８を構成する成分の薄層３ｂとを交互に積層
し、これらの交互堆積層により冷陰極用導体層３を成膜
する。

【００５１】これらの交互堆積層を形成するには、例え
ば図１７に示されるように、Ｎｉ等の冷陰極基材材料で
構成されたターゲット１５とＴｉＣ等の導電性微粒子材
料あるいはその構成元素で構成されたターゲット１６を
用いて多元スパッタリングを行えばよく、これらのター
ゲット１５、１６に絶縁性基板１（表面に絶縁層２を有
する）を載置したターンテーブルを対向させ、これを回
転させながら成膜を行う。

【００５２】冷陰極基材４を構成する成分の薄層３ａを
形成する場合、Ａｒ等の不活性ガスＧ１のみを導入して
スパッタリングを行う。また導電性微粒子８を構成する
成分の薄層３ｂを形成する場合、炭化物等の材料では、
不活性ガスＧ１とともに、炭化水素等の反応性ガスＧ２
を導入して反応性スパッタリングを行う。これらの成膜
は交互に、かつ異なる位置で行う。これにより、異なる
位置に配置した２つのターゲットを用い、常時反応性ガ
スＧ２を導入してスパッタリングを行うよりも、非晶質
炭素などの不純物が生成するのを抑制することができ
る。

【００５３】このように、交互にスパッタリングと反応
性スパッタリングとを同一真空容器中で行うためには、
例えばシャッター１８の開閉を制御することによって行
えばよい。また、不純物の生成をさらに抑制するため
に、基板１側にもシャッターを設け、対向するターゲッ
ト１５、１６側のシャッター１８の開閉に同期させて基
板１側のシャッターの開閉を制御するようにしてもよ
い。

【００５４】基板温度は１００〜４００℃程度、圧力は
０．１〜２．０Pa程度、雰囲気ガスの流量は全体で２０
〜１００sccm程度とし、反応性ガスを導入するときは全
体の１〜２０％程度とすればよい。

【００５５】また、電源１７のＲＦパワーは０．３〜
３．０kW程度とすればよく、Ｎｉ等の薄層３ａを形成す
るためのスパッタリングを行うときには、アノード側を
グランドに接地するなどすればよく、導電性微粒子８の
構成元素の薄層３ｂを形成するための反応性スパッタリ
ングを行うときには、必要に応じ、基板側に５００V 程
度以下の負のバイアス電圧を印加するなどすればよい。

【００５６】さらに、冷陰極基材４の材料のみをターゲ
ットとしスパッタリングと反応性スパッタリングを交互
に行うこともできる。例えばＴｉＣ−Ｔｉのような組合
せのときは、図１８に示されるように、Ｔｉ等の冷陰極
基材材料のターゲット２１に絶縁性基板１を載置した回
転テーブルを対置し、交互にスパッタリングと反応性ス
パッタリングを行う。

【００５７】Ｔｉ等の薄層３ａを形成するためのスパッ
タリングを行うときには、Ａｒ等の不活性ガスＧ１のみ
を導入し、導電性微粒子８の構成成分の薄層３ｂを形成
するための反応性スパッタリングを行うときには、Ａｒ
等の不活性ガスＧ１と炭化水素等の反応性ガスＧ２とを
導入すればよい。その具体的条件は、上記と同様であ
る。また、非晶質炭素等の不純物の生成をより一層防止
するために、図１８に示されるように、雰囲気ガスの切
換時にターゲット２１側と基板１側の両方に設けたそれ
ぞれのシャッター２５および２６を開閉することが好ま
しい。

【００５８】冷陰極基材４の構成成分の薄層３ａの厚さ
は、１〜１００nm程度、より好ましくは１０〜４０nm程
度とすることが好ましい。このような厚さとすることに
よって、導電性微粒子８の分散性に優れた冷陰極１０が
得られる。これに対し、厚くなりすぎると導電性微粒子
８の分散量が少なくなり、実質的に冷陰極基材４のみで
形成した場合と同様の特性しか得られなくなり、薄すぎ
ると導電性微粒子８の分散性が悪化し、微細加工が困難
となる。

【００５９】導電性微粒子８の構成成分の薄層３ｂの厚
さは、０．５nm〜５０nm（５A 〜５００A ）、好ましく
は１nm〜１０nm（１０A 〜１００A ）とすることが好ま
しい。このような厚さとすることによって、導電性微粒
子８の分散性に優れた冷陰極１０が得られる。これに対
し、薄くなると、ＴｉＣ等の導電性微粒子となる結晶の
核生成が不十分であるため、非晶質状のＴｉ、Ｃ混合膜
等の不純物が堆積しやすく、熱処理後もＴｉＣ等の導電
性微粒子となる結晶体積率はあまり向上しない。また、
薄層を再現性よく形成することは困難である。一方、厚
くなりすぎると連続膜構造となり、ＴｉＣ等の微結晶粒
子がＮｉ等の冷陰極基材中に分散含有された構造にはな
らなくなってくる。熱処理を施すと部分的にＴｉＣ等の
微結晶構造粒子が分散含有された構造にはなるものの、
ほぼ連続膜構造を維持しているので冷陰極用導体層のエ
ッチング加工が困難である。

【００６０】また、薄層３ｂと薄層３ａとの厚さの比
は、薄層３ｂ／薄層３ａが１／９９〜１／２程度、好ま
しくは１／５０〜１／３であることが好ましい。また、
積層数は、各々５〜３０層程度とすればよく、最下層は
冷陰極基材４の構成元素からなる薄層３ａとすればよ
い。

【００６１】成膜時のＴｉＣ等の薄層３ｂは膜厚が薄い
ため、表面を全面にＴｉＣ等が被覆した連続構造ではな
く、島状構造となっており、しかもＴｉＣ等は非晶質と
微結晶が混在するいわゆる微結晶の状態である。このこ
とは断面ＴＥＭにより確認することができる。

【００６２】スパッタリング条件等により、結晶性の良
好な導電性微粒子８の構成成分の薄層３ｂを得ることも
できるが、通常は成膜後冷陰極用導体層３に対し前述の
熱処理を行うことが好ましい。このような熱処理によ
り、ＴｉＣ等の導電性微粒子材料の結晶性が向上し、導
電性微粒子８の分散性が向上する。熱処理方法や条件等
については前記と同様である。熱処理後の冷陰極用導体
層３は断面ＴＥＭ観察によれば、図１３に示されるよう
に、Ｎｉ等の冷陰極基材４中にＴｉＣ等の導電性微粒子
８がほぼ均一に分散した構造に変化しており、しかもそ
れぞれのＴｉＣ等の微粒子は前記粒径範囲の結晶である
ことが確認される。また、ＴｉＣ等の導電性微粒子材料
の結晶性の向上は、Ｘ線回折分析法によっても確認でき
る。

【００６３】このようにして冷陰極用導体層３を形成し
た後の工程は、図１のものを作製する時とほぼ同様であ
る。

【００６４】まず、Ｎｉ等の冷陰極基材４とＴｉＣ等の
導電性微粒子８とから構成される冷陰極用導体層３の上
の冷陰極に相当する部分に、レジスト５を設けた後、硝
酸−リン酸系等のエッチング液を用いたウェットエッチ
ングで、冷陰極導体層３を冷陰極１０に加工し、さらに
絶縁層２をＢＨＦ等のエッチング液によりウエットエッ
チングする。このときレジストはそのままにして除去し
ない。この工程によってできた構造が図１４に示され
る。なお、冷陰極用導体層３を冷陰極１０に加工するに
は、上記のウェットエッチングにかえて、リアクティブ
イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングによ
ってもよい。

【００６５】さらに図１５に示されるように、全面に所
定の厚さのＳｉＯ₂ 等の絶縁膜１４ａと、ゲート電極用
の所定の厚さの所定材料の膜７ａを蒸着法等によりこの
順序で成膜し、同時にＳｉＯ₂ 等のゲート絶縁層１４ｂ
と、ゲート電極７ｂを形成する。

【００６６】この場合レジスト５の上には不要なＳｉＯ
₂ 等の絶縁膜１４ａおよび不要なＣｒ等のゲート電極と
同材料の膜７ａが存在するので、この次に、不要なＳｉ
Ｏ₂等の絶縁膜１４ａおよび不要な膜７ａをレジスト５
からリフトオフして図１０に示される冷陰極電子源素子
を作製する。この際、冷陰極電子源素子アレイの構造と
しては、例えば図１６に示すものがある。

【００６７】本発明の冷陰極電子源素子は図１９に示さ
れる構造とすることができる。図１９に示される冷陰極
電子源素子は、図１０に示されるものと、冷陰極１０が
絶縁層を介することなく直接絶縁性基板１に配置されて
いる点を除けば同様の構成のものである。

【００６８】以上の冷陰極電子源素子はいわゆる横型エ
ミッタと呼ばれる構造である。この他、本発明では、縦
型エミッタ構造としてもよい。縦型エミッタは、横型エ
ミッタよりも単位面積当たりの素子数が多い高密度素子
とすることが可能であり、フラットパネルディスプレイ
などのようにＸ−Ｙマトリックス配線を要するディバイ
スへの応用が比較的簡易なプロセスで実現できる。

【００６９】図２０に示される冷陰極電子源素子は冷陰
極４０と、それを取り囲むゲート電極７ｂとを有するも
のであり、図示例は冷陰極４０の外形形状、ゲート電極
７ｂの内周形状とも円形である。この構造のときにも本
発明ではエミッタをコーン状に微細加工する必要がない
というメリットがある。この素子は、図２１〜図２５の
工程に従って作製される。まず、図２１に示されるよう
に、ガラス基板１上にエミッタ用配線層３２を堆積した
後、従来のフォトリソグラフィー技術により所定の配線
パターンに加工する。次に図２２に示されるように、エ
ミッタ用配線層３２の表面に、導電性スペーサ層３６を
形成し、さらに冷陰極用導体層３３を交互スパッタリン
グにより堆積する。その後、この冷陰極用導体層３３を
熱処理する。これにより冷陰極用導体層３３中の導電性
微粒子の材料は、図２２に示されるような島状構造３３
ｂから図２３に示されるような微粒子分散構造に変化
し、導電性微粒子３８が形成される。これとともに冷陰
極用導体層３３中の冷陰極基材３３ａは結晶性の増した
冷陰極基材３４に変化し、導電性微粒子３８が冷陰極基
材３４に分散した冷陰極用導体層４０が形成されること
となる。

【００７０】その後、図２４に示されるように所定の素
子領域の冷陰極用導体層４０表面に、円形のレジストパ
ターン３５をフォトリソグラフィー技術により形成し、
冷陰極用導体層４０をエッチング加工する。そして、例
えばドライエッチング法によりスペーサ層３６を加工
し、図２４に示される構造を形成する。さらに、図２５
に示されるように、ゲート絶縁層１４ｂおよびゲート電
極７ｂを形成するために、蒸着法等によりゲート絶縁層
１４ｂと同じ材料の膜およびゲート電極７ｂと同じ材料
の膜をこの順番で全面に成膜する。ここでレジスト３５
上には不要な膜１４ａおよび膜７ａが存在しているの
で、これをレジスト剥離液に浸漬し、レジストおよび不
要な膜１４ａ、７ａを除去する。これにより図２０に示
される冷陰極電子源素子が作製される。さらにその後、
ゲート電極層７ｂおよびゲート絶縁層１４ｂをフォトエ
ッチング加工し、例えば図２６に示されるようなゲート
配線パターンを形成する。

【００７１】本発明の冷陰極素子源素子は、以上の例に
限らず、種々のものであってよい。

【００７２】本発明の冷陰極電子源素子の適用例を図２
７に示す。図２７には、絶縁性基板１上に冷陰極１０と
ゲート絶縁層１４ｂを介してゲート電極７ｂとを有する
冷陰極電子源素子を、フラットパネルディスプレイ用の
電子源として用いたものが示されている。図示のよう
に、冷陰極１０とゲート電極７ｂとに電圧を印加するこ
とにより冷陰極１０表面に電界が集中し、電子ｅの放出
が起きる。電子ｅはゲート電極７ｂの作用によりその放
出量が適正に制御された状態で、蛍光物質層３１を表面
に担持したアノード３０に達する。そして、このときの
電子の作用により蛍光物質層３１が発光する。このほ
か、本発明の冷陰極電子源素子は、高周波用増巾器、ス
イッチング素子等にも適用することができる。

【００７３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。実施例１図１に示される冷陰極電子源素子を図２〜図６の工程に
従って作製した。まず、図２に示されるように、ガラス
製の絶縁性基板１（１．１mm厚）の表面に、スパッタリ
ング法を用いてＳｉＯ₂の絶縁層２を１μm の厚さに成
膜した。次に、反応性イオンプレーティング法により、
図３に示されるように、導電性微粒子８としてのＴｉＣ
粒子が冷陰極基材４としてのＮｉ中に微細分散した薄膜
を厚さを０．３μm に成膜し冷陰極１０とした。

【００７４】反応性イオンプレーティングは、基板温度
４００℃、蒸着源としてＮｉ−５０％Ｔｉ合金を電子ビ
ーム加熱し、Ｃ源としてＣ₂Ｈ₂ガスを０．１１Paで導
入し、イオン化するためのプローブ電流は２A 、基板−
ハース間のバイアス電圧は２kVとした。

【００７５】次に、図４に示されるように、冷陰極１０
上にレジスト５を設けた後、冷陰極１０に対してフォト
プロセスによる図７のパターニングを行い、さらに硝酸
−リン酸系のエッチング液を用いてウェットエッチング
を行って成形し、さらに、絶縁層２をＢＨＦによりウエ
ットエッチングした。このとき冷陰極１０上のレジスト
５はそのまま除去しなかった。さらに、図５に示される
ように、全面にＣｒ膜６およびゲート電極７としてのＣ
ｒ膜を蒸着法により０．３μm の厚さに形成した。この
後、図６に示すように、レジスト５，Ｃｒ膜６を剥離液
によって除去した。

【００７６】このようにして、図１の冷陰極電子源素子
を得た。冷陰極１０とゲート電極との距離ｄは約０．７
μm とした。また、冷陰極におけるＴｉＣ粒子の平均粒
径はＸＲＤのＴｉＣ（２００）面ピークから５nm程度、
ＴＥＭ写真からの一次粒子の平均粒径は５nm程度であっ
た。また、ＴｉＣ粒子のＮｉマトリックスに対する割合
は２５体積％程度であった。なお、ＴｉＣの仕事関数は
３．５３eV、Ｎｉの仕事関数は４．５０eVである。

【００７７】この冷陰極電子源素子について、電子放出
のための駆動電圧を調べたところ、ゲート電圧２０V 付
近から電子放出が確認され、放出電流変動は５％以下で
あった。従来の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧８
０V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動が２０
〜４０％程度であったのに対し、大巾な特性の改善がみ
られたことになる。

【００７８】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定なＴｉＣを微細
な導電性微粒子８として形成できたこと、また、導電性
マトリックスである冷陰極基材４に対して分散含有さ
せ、かつ、冷陰極基材４の表面に露出ないし突出させた
導電性微粒子８を高密度に形成できたので、低電圧から
電子放出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性
が平均化されて安定な電子放出特性を得ることができた
ものと考えられる。

【００７９】さらに、導電性微粒子８自体は化学的に安
定であるので、エッチング等の微細加工プロセスを施す
ことが困難であるが、冷陰極基材４をエッチングするこ
とで容易に冷陰極電子源素子を形成できる。

【００８０】この際、導電性微粒子８の粒径が小さく、
露出ないし突出状態にあるために、冷陰極１０の端部を
特に尖鋭に形成する必要がなくなり、製造プロセスが技
術的に簡易化されることになり、歩留まりの向上を図る
ことにもなる。

【００８１】実施例２実施例１と同様に基板上にＳｉＯ₂ 層を形成した後、図
８に示されるスパッタリング装置を用いて、Ｎｉ中にＴ
ｉＣ粒子を微細分散させた薄膜（０．３μm 厚）を同時
スパッタリング法により形成した。同時スパッタリング
は、Ｎｉ製のターゲット（厚さ３mm、直径８インチ）１
１にＴｉチップ１２を載置して行った。Ｔｉチップは１
０mm×１０mm×１mmの大きさのものを４個用いた。真空
度は０．５Pa、雰囲気はエチレンガス（３sccm）＋アル
ゴンガス（４７sccm）とし、電源１３のＲＦパワーは１
kW、基板温度は２００℃とした。このときアノード側に
−２００V のバイアス電圧を印加した。

【００８２】このように冷陰極用導体層を形成した後、
実施例１の場合と同様、冷陰極をフォトプロセスおよび
リン酸−硝酸系エッチング液によるウェットエッチング
により成形し、さらに、ＳｉＯ₂をＢＨＦエッチング液
によりウェットエッチングした。さらにこの上から、垂
直入射の条件でゲート電極用のＣｒ膜を０．３μm の厚
さに蒸着した。この後、実施例１の場合と同様、レジス
トおよびこのレジスト上の不用のＣｒ膜を剥離液により
除去し冷陰極電子源素子を得た（図１）。冷陰極１０と
ゲート電極との距離は実施例１と同様とした。冷陰極に
おけるＴｉＣ粒子の平均粒径はＸＲＤの結果から１nm程
度、ＴＥＭ写真からの一次粒子の平均粒径は１nm程度で
あった。また、ＴｉＣ粒子のＮｉマトリックスに対する
割合は５体積％であった。

【００８３】この冷陰極電子源素子について、実施例１
と同様に特性を調べたところ、従来の冷陰極電子源素子
の場合、ゲート電圧８０V 付近から電子放出が確認さ
れ、放出電流変動が２０〜４０％程度であったの対し、
上記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧４０V 付近
から電子放出が確認され、放出電流変動は５％以下であ
った。

【００８４】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定なＴｉＣを微細
な導電性微粒子８として形成でき、しかも、導電性マト
リックスである冷陰極基材４に対して分散含有させ、か
つ、冷陰極基材４の表面に露出ないし突出させた導電性
微粒子８を高密度に形成できたので、低電圧から電子放
出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性が平均
化されて安定な電子放出特性を得ることができたものと
考えられる。さらに、導電性微粒子８自体は化学的に安
定なため、エッチング等の微細加工プロセスを施すこと
が困難であるが、冷陰極基材４をエッチングすること
で、容易に冷陰極電子源素子を形成できる。この際、導
電性微粒子８の粒径が小さく、露出ないし突出状態にあ
るために、冷陰極１０の端部を特に尖鋭に形成する必要
がなくなり、製造プロセスが技術的に簡易化されること
になり、歩留まりの向上を図ることにもなる。

【００８５】なお、上記の素子において、Ｔｉチップの
かわりにＴｉＣチップを用いるほかは同様に素子を作製
した。また、エチレンガスのかわりにメタンガス、プロ
パンガス、アセチレンガスを用いて同様に素子を作製し
た。これらのいずれの素子においても上記と同様に良好
な特性を示した。

【００８６】実施例３実施例１と同様に、基板１上にＳｉＯ₂ 層を形成した
（図２）。次に、図８のスパッタリング装置を用い、図
９に示されるように、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃ系非晶質合金薄膜
（ＴｉＣを含有する非晶質Ｎｉ基合金薄膜）の冷陰極用
導体層９を反応性同時スパッタリング法により０．３μ
m 厚に形成した。同時スパッタリングは、Ｎｉターゲッ
ト（厚さ３mm、直径８インチ）１１上にＴｉチップ１２
を載置して行った。Ｔｉチップ１２は、大きさ１０mm×
１０mm×１mmのものを５０個用いた。基板温度は室温
（２０℃程度）とし、圧力１Pa、雰囲気はＡｒガスとＣ
₂ Ｈ₂ガスをそれぞれ流量４５sccm、５sccmで導入する
ものとし、電源１３のＲＦパワーは１kWとした。

【００８７】続いて、前記冷陰極用導体層薄膜の熱処理
を行った。この場合、抵抗加熱ヒーターを用いて５００
℃、真空中にて２時間保持した。その後、実施例１と同
様にして、図１に示すような冷陰極電子源素子を得た。

【００８８】上記において、冷陰極用導体層９の熱処理
前後におけるＸＲＤ（ＣｕK α λ＝１．５４１８、フ
ィルタ：モノクロメーター）の結果を図２８に示す。図
２８の結果から明らかなように、熱処理前、すなわち冷
陰極用導体層の成膜後においては４０゜付近に非晶質を
示すハローがみられる。２５゜付近のハローは、基板の
ガラスを示している。これに対し、熱処理後において
は、ＴｉＣおよびＮｉのＸ線回折ピークがみられた。従
って、熱処理を施すことによって、図３に示されるよう
な導電性微粒子８としてのＴｉＣ粒子が冷陰極基体４で
あるＮｉ中に微細分散した構造の冷陰極が形成されてい
ると考えられる。

【００８９】上記の素子における冷陰極１０とゲート電
極との距離ｄは実施例１と同じであった。また冷陰極に
おけるＴｉＣ粒子の平均粒径はＸＲＤの結果から３nm程
度、ＴＥＭ写真から一次粒子の平均粒径は３nm程度であ
った。またＴｉＣ粒子のＮｉマトリックスに対する割合
は２５体積％であった。

【００９０】この冷陰極電子源素子について、実施例１
と同様に特性を調べたところ、従来の冷陰極電子源素子
の場合、ゲート電圧８０V 付近から電子放出が確認さ
れ、放出電流変動が２０〜４０％であったのに対し、上
記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧３０V 付近か
ら電子放出が確認され、放出電流変動は５％以下であっ
た。これは、仕事関数が低く、吸着ガス等による影響を
受けにくい非常に化学的に安定なＴｉＣを微細な導電性
微粒子８として形成できたこと、また、冷陰極基材４に
対して分散含有させ、かつ、導電性マトリックスである
冷陰極基材４の表面に露出ないし突出させた導電性微粒
子８を高密度に形成できたことにより、低電圧から電子
放出が起こり、電子放出量が増加し、電子放出特性が平
均化されて安定な電子放出特性を得ることができたもの
と考えられる。また、導電性微粒子８自体は化学的に安
定なため、エッチング等の微細加工プロセスを施すこと
が困難であるが、冷陰極基材４をエッチングすること
で、容易に冷陰極電子源素子を形成できる。この際、導
電性微粒子８の粒径が小さく、露出ないし突出状態にあ
るために、冷陰極１０の端部を特に尖鋭に形成する必要
がなくなり、製造プロセスが技術的に簡易化されること
になり、歩留まりの向上を図ることにもなる。

【００９１】実施例４図１０に示される冷陰極電子源素子を図１１〜図１５の
工程に従って作製した。まず、図１１に示されるよう
に、実施例１と同じガラス製の絶縁性基板１の表面に、
スパッタリング法を用いてＳｉＯ₂ の絶縁層２を２００
nmの厚さに形成した。次に、前記絶縁層２の表面に図１
７に示されるスパッタリング装置を用いて、Ｎｉ膜とＴ
ｉＣ膜をこの順で交互に積層し、Ｎｉ／ＴｉＣ交互堆積
層よりなる冷陰極用導体層３を成膜した（図１２）。こ
のＮｉ／ＴｉＣ交互堆積スパッタリングでは、図１７に
示されるように、Ｎｉターゲット１５とＴｉターゲット
１６を用い、アルゴンによるＮｉ膜のスパッタリングと
アルゴンとＣ₂ Ｈ₂ によるＴｉの反応性スパッタリング
を交互に同一真空容器中で行った。

【００９２】Ｎｉ膜の場合、ターゲット１５は厚さ３m
m、直径８インチの純度９９. ９％以上のＮｉを使用
し、基板温度２５０℃、圧力０. ５Pa、Ａｒガス流量５
０sccm、電源１４のＲＦパワーは１kW、アノード側をグ
ランドに接地の条件で、１層当たり３０nmの厚さに堆積
した。

【００９３】またＴｉＣ膜の場合、ターゲット１６は厚
さ３mm、直径８インチの純度９９.９％以上のＴｉを使
用し、基板温度３００℃、圧力０. ５Pa、Ａｒガス流量
４７sccm、アセチレンガス流量３sccm、電源１７のＲＦ
パワー１kW、基板側に−２００V のバイアス電圧を印加
し、１層当たり５nmの厚さに堆積した。

【００９４】なお、Ｎｉ膜とＴｉＣ膜の膜厚の制御は、
予めそれぞれの１μm 程度の単層膜をＮｉ／ＴｉＣ交互
堆積層のＮｉ膜およびＴｉＣ膜を成膜するときと同じ条
件で成膜し、膜厚と成膜時間から予め成膜速度を算出し
て、その成膜速度から３０nm（Ｎｉ）と５nm（ＴｉＣ）
になる成膜時間を算出してそれぞの成膜時間とすること
により行った。前記条件によりＮｉ、ＴｉＣをそれぞれ
１０層ずつ交互に積層して、図３に示されるＮｉ／Ｔｉ
Ｃ交互堆積層の冷陰極用導体層３（全体厚約３５０nm）
を成膜した。

【００９５】Ｎｉ／ＴｉＣ交互堆積層の冷陰極用導体層
３を形成した後に、冷陰極用導体層３を基板とともに熱
処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒーターを用
いて５００℃の処理温度で、２時間保持することによっ
た。

【００９６】次に、Ｎｉの冷陰極層基材４中にＴｉＣの
導電性微粒子８を分散した冷陰極用導体層３上の冷陰極
相当部分にレジスト５を設けた後、硝酸−リン酸系エッ
チング液を用いたウェットエッチングで、冷陰極導体層
３を冷陰極１０に加工し、さらに絶縁層２をＢＨＦエッ
チング液によりウェットエッチングした。このときレジ
ストはそのままにして除去しなかった。この工程によっ
てできた構造を図１４に示す。そして、図１５に示され
るように、全面に厚さ５００nmのＳｉＯ₂ 膜と、ゲート
電極用の厚さ３００nmのＣr 膜を蒸着法によりこの順序
で成膜し、ＳｉＯ₂ 膜よりなるゲート絶縁層１４ｂと、
Ｃｒ膜よりなるゲート電極７ｂを形成した。この場合レ
ジスト５の上には不要なＳｉＯ₂ 膜１４ａおよび不要な
Ｃｒ膜７ａが存在するので、この次に、不要なＳｉＯ₂
膜１４ａおよび不要なＣｒ膜７ａをレジスト５からリフ
トオフすることにより図１０に示した冷陰極電子源素子
を作製した。図１６に上記の冷陰極電子源素子アレイの
構造を示す。

【００９７】上記において、成膜後（熱処理前）と熱処
理後における冷陰極用導体層３のＴＥＭ観察を行った。
成膜時のＴｉＣ薄層は、膜厚が５nmと非常に薄いため、
表面を全面にＴｉＣが被覆した構造ではなく、島状構造
となっており、しかも非晶質と微結晶が混在する、いわ
ゆる微結晶ＴｉＣの状態であることがわかった。これに
対し、熱処理後においては、Ｎｉの冷陰極基材４中にＴ
ｉＣの導電性微粒子８がほぼ均一に分散した構造に変化
しており、しかもそれぞれの前記ＴｉＣ微粒子は平均粒
径約５nmの単結晶であった。

【００９８】このような結晶性の向上は、ＸＲＤの結果
からも確認できた。また、ＸＲＤの結果から求めたＴｉ
Ｃ微粒子の粒径は５nm程度であった。上記の素子におけ
る冷陰極１０とゲート電極との距離ｄは０．４μm とし
た。またＴｉＣ粒子のＮｉマトリックスに対する割合は
約１５体積％であった。

【００９９】この冷陰極電子源素子について、特性を調
べたところ、上記の冷陰極電子源素子の場合、ゲート電
圧５V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動は５
％以下であった。また、１００００チップ当たり４０mA
の放出電流を長時間安定して得ることができた。これに
対し、従来のＭｏ冷陰極電子源素子の場合、ゲート電圧
８０V 付近から電子放出が確認され、放出電流変動が２
０〜４０％であった。また、得られる最大放出電流は１
００００チップ当たり１０mA程度であった。

【０１００】これは、仕事関数が低く、吸着ガス等によ
る影響を受けにくい非常に化学的に安定で微細な導電性
微粒子８として形成できたこと、また、冷陰極基材４に
対して分散含有させ、かつ、冷陰極基材４の表面に露出
ないし突出させた導電性微粒子８を高密度に形成できた
ことにより、低電圧から電子放出が起こり、電子放出量
が増加し、電子放出特性が平均化されて安定な電子放出
特性を得ることができたものと考えられる。また、導電
性微粒子８自体は化学的に安定なため、エッチング等の
微細加工プロセスを施すことが困難であるが、冷陰極基
材４をエッチングすることで、容易に冷陰極電子源素子
を形成できる。この際、導電性微粒子８の粒径が小さ
く、露出ないし突出状態にあるために、冷陰極１０の端
部を特に尖鋭に形成する必要がなくなり、製造プロセス
が技術的に簡易化されることになり、歩留まりの向上を
図ることにもなる。

【０１０１】実施例５実施例４の冷陰極電子源素子の冷陰極用導体層３を以下
のようにしたサンプルNo. １、No. ２を作製した。ま
ず、サンプルNo. １では、Ｎｉ膜（２０nm厚）とＴｉＣ
膜（１０nm厚）とをこの順で各１０層ずつ交互積層し
た。この場合、実施例４と同じ図１７に示されるスパッ
タリング装置を用いて形成した。スパッタリング条件等
は実施例４と同様とした。

【０１０２】次に、サンプルNo. ２では、Ｎｉ膜（２０
nm厚）とＴｉＣ膜（５nm厚）とをこの順で各１０層ずつ
交互積層した。この場合、図１７に示されるスパッタリ
ング装置において基板１側にもシャッターを配置した二
重シャッター方式の装置を用いて形成した。その他のス
パッタリング条件等は実施例４と同様とした。

【０１０３】上記サンプルNo. １、No. ２についてのＸ
ＲＤの結果を図２９に示す。

【０１０４】図２９の結果から、二重シャッター方式の
スパッタリング装置を用いて成膜する方がＴｉＣ、Ｎｉ
の結晶性が向上することがわかる。これは、基板１側に
もシャッターを配置する方が、基板１に対する非晶質Ｃ
等の堆積などが抑制されるためと考えられる。

【０１０５】実施例６実施例４の冷陰極電子源素子において、冷陰極１０と基
板１との間にＳｉＯ₂の絶縁層を介在させないものとし
たほかは同様にして、図１９に示されるような冷陰極電
子源素子を得た。この素子の製造方法は実施例４に準じ
た。冷陰極用導体層３は、図１７に示されるスパッタリ
ング装置を用い、まずガラス基板（商品名 Corning # 7
059 ：コーニング社製：０．７mm厚）上に直接Ｎｉ膜を
形成し、さらにＴｉＣ膜とＮｉ膜とを交互に積層するこ
とによって形成した。積層数はＮｉ膜が１１層、ＴｉＣ
膜が１０層となるようにし、Ｎｉ膜の膜厚は２０nm、Ｔ
ｉＣ膜の膜厚は５nmとした。ただし、スパッタリング
は、図１７において基板１側にもシャッターを配置した
二重シャッター方式の装置を用い、ＴｉＣ膜は、基板温
度３００℃、圧力０．５Pa、Ａｒガス流量４６sccm、ア
セチレンガス流量４sccm、電源１７のＲＦパワー１kWと
し、アノード側接地の条件で成膜した。またＮｉ膜は、
アセチレンガスを導入しない他はこの条件と同じ条件で
成膜した。

【０１０６】このようにして冷陰極用導体層３（全体厚
２７０nm）を形成した後、冷陰極用導体層を基板ととも
に熱処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒーター
を用いて５００℃で行い、この温度に１時間保持した。

【０１０７】その後、実施例４と同様にして、冷陰極電
源用素子を得た。ただし、ゲート電極の材料にはＭｏを
用いた。

【０１０８】また、成膜後（熱処理前）と熱処理後にお
けるＴＥＭ写真を図３０（成膜後）、図３１（熱処理
後）にそれぞれ示す。これらのＴＥＭ写真は、冷陰極用
導体層３と同条件にてＮｉ（４０nm）／ＴｉＣ（５nm）
／Ｎｉ（４０nm）の積層膜（全体厚約８５nm）を形成し
たＴＥＭ観察用サンプルから得たものである。

【０１０９】これらの図から明らかなように、熱処理前
においては、多結晶のＮｉ上にアイランド状に堆積した
ＴｉＣが白く写っている。ＴｉＣは非晶質と微結晶が混
在しており、いわゆる微結晶ＴｉＣの状態である。熱処
理後においては、Ｎｉが多少結晶成長し、しかもその粒
界が幅広くなっており、この粒界中にＴｉＣ微粒子が存
在すると思われる。この結果、ＴｉＣの結晶性および分
散性が飛躍的に向上し、熱処理後の冷陰極用導体層３
は、図１３に示すような構造に変化したものと考えられ
る。

【０１１０】また、図３２に冷陰極用導体層３の熱処理
前後のＸＲＤの結果を示す。これより、熱処理によっ
て、ＮｉおよびＴｉＣのピーク強度が増すことがわか
り、結晶性が向上することが示される。

【０１１１】上記の素子における冷陰極１０とゲート電
極との距離ｄは１．０μm とした。また、冷陰極におけ
るＴｉＣ粒子の平均粒径は、ＸＲＤの結果から５nm程
度、ＴＥＭ写真から一次粒子の平均粒径は５nm程度であ
った。またＴｉＣ粒子のＮｉマトリックスに対する割合
は約２０体積％であった。

【０１１２】上記の冷陰極電源用素子について特性を調
べた。結果を図３３および図３４に示す。図３３は、ゲ
ート電圧（Vg) と放出電流（Ie）との関係を示すグラフ
であり、放出電流は１０万チップ当たりものである。ま
た、図３４はファウラー・ノルドハイム(Fowler-Nordhe
im) プロット（Ｆ−Ｎプロット）である。

【０１１３】これらの結果より、本発明の冷陰極電源用
素子は、４V 付近のゲート電圧で電子放出が確認され、
低電圧での駆動が可能であることがわかる。

【０１１４】実施例７実施例６の冷陰極電子源素子において、冷陰極１０形成
のための冷陰極用導体層３をＴｉ膜とＴｉＣ膜との交互
積層膜としたほかは、同様にして冷陰極電子源素子（図
１９参照）を得た。冷陰極用導体層３は、図１８に示さ
れるＴｉターゲット２１（実施例４におけるものと同
じ）を設置したスパッタリング装置を用いて形成した。
この場合、基板１に直接Ｔｉ膜（２０nm厚）を形成し、
さらにこの上にＴｉＣ膜（５nm厚）を形成し、積層数は
実施例６と同様にした。Ｔｉ膜の成膜条件は、実施例６
のＮｉ膜に準じ、ＴｉＣ膜の成膜条件は実施例６と同様
に行った。

【０１１５】このようにして、冷陰極用導体層３（全体
厚２７０nm）を形成した後、冷陰極導体層３を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、実施例６と同条件で行っ
た。その後、実施例６と同様にして、冷陰極電源用素子
を得た。ただし、冷陰極用導体層３を冷陰極１０に加工
する際には、ウェットエッチングは用いず、リアクティ
ブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた。このときのＲ
ＩＥ条件は圧力１５Pa、ＣＦ₄ 流量４０sccm、Ｏ₂ 流量
１０sccm、ＲＦパワー５００W 、基板温度３０℃とし
た。

【０１１６】上記において、成膜後（熱処理前）と熱処
理後における冷陰極用導体層３について、それぞれ、Ｔ
ＥＭ観察およびＸＲＤ測定を行った。この結果は、実施
例６と同様の傾向を示し、熱処理により、ＴｉＣの分散
性および結晶性が向上することがわかった。従って、熱
処理後の冷陰極用導体層３は、図１３に示されるような
構造になっていると考えられる。

【０１１７】上記の素子における冷陰極１０とゲート電
極との距離ｄは０．７μm とした。また、冷陰極におけ
るＴｉＣ粒子の平均粒径は、ＸＲＤの結果から５nm程
度、ＴＥＭ写真から一次粒子の平均粒径は５nm程度であ
った。またＴｉＣ粒子のＴｉマトリックスに対する割合
は約２０体積％であった。なお、Ｔｉの仕事関数は３．
９５eVである。

【０１１８】上記の冷陰極電源用素子について実施例６
と同様に特性を調べたところ、実施例６と同様の良好な
結果が得られた。

【０１１９】実施例８実施例６の冷陰極電子源素子において、冷陰極１０形成
のための冷陰極用導体層３をＭｏ膜とＴｉＣ膜との交互
積層膜としたほかは、同様にして冷陰極電子源素子（図
１９参照）を得た。冷陰極用導体層３は、実施例６で用
いたスパッタリング装置においてＮｉターゲットのかわ
りにＭｏターゲット（Ｍｏの純度９９．９％以上、大き
さは同じ）を設置するほかは同構成の装置を用いて形成
した。この場合、基板１に直接Ｍｏ膜（２０nm厚）を形
成し、さらにこの上にＴｉＣ膜（５nm厚）を形成し、積
層数は実施例６と同様にした。Ｍｏ膜の成膜条件は、実
施例６のＮｉ膜に準じ、ＴｉＣ膜の成膜条件は実施例６
と同様に行った。

【０１２０】このようにして、冷陰極用導体層３（全体
厚２７０nm）を形成した後、冷陰極導体層３を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、実施例６と同条件で行っ
た。その後、実施例７と同様にして、冷陰極電源用素子
を得た。

【０１２１】上記において、成膜後（熱処理前）と熱処
理後における冷陰極用導体層３について、それぞれ、Ｔ
ＥＭ観察およびＸＲＤ測定を行った。この結果は、実施
例６と同様の傾向を示し、熱処理により、ＴｉＣの分散
性および結晶性が向上することがわかった。従って、熱
処理後の冷陰極用導体層３は、図１３に示すような構造
になっていると考えられる。

【０１２２】上記の素子における冷陰極１０とゲート電
極との距離ｄは０．７μm とした。また、冷陰極におけ
るＴｉＣ粒子の平均粒径は、ＸＲＤの結果から５nm程
度、ＴＥＭ写真から一次粒子の平均粒径は５nm程度であ
った。またＴｉＣ粒子のＭｏマトリックスに対する割合
は約２０体積％であった。なお、Ｍｏの仕事関数は４．
３eVである。

【０１２３】上記の冷陰極電源用素子について実施例６
と同様に特性を調べたところ、実施例６と同様の良好な
結果が得られた。

【０１２４】実施例９図２０に示される冷陰極電子源素子を図２１〜図２５の
工程に従って作製した。まず、２１に示されるように、
厚さ１．１mmのガラス基板の上にエミッタ用配線層３２
としてのＡｌ膜を、スパッタリング法にて０．３μm の
厚さに堆積した後、従来のフォトリソグラフィー技術に
より所定の配線パターンに加工した。

【０１２５】次に図２２に示されるように、エミッタ用
配線層３２の表面に、スペーサ層３６および冷陰極用導
体層３３として、Ｍｏ（厚さ２００nm）およびＮｉ／Ｔ
ａＣをスパッタリングにより堆積した。上記スペーサ層
３６および冷陰極用導体層３３の堆積には図１８に示さ
れるような二重シャッター方式のスパッタリング装置を
使用し、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａの各ターゲットを配置して同
一真空容器内で連続的に形成した。Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔａの
各ターゲットとしてはいずれも純度９９．９％以上、厚
さ３mm、直径８インチのものを使用した。

【０１２６】Ｍｏの成膜条件は基板温度３００℃、Ａｒ
ガス流量５０sccm、圧力０．５Pa、電源１７のＲＦパワ
ー１kWとし、アノード側をグランドに接地するものとし
た。またＮｉ／ＴａＣ膜の場合、実施例６と同様の交互
積層法により、Ｎｉ膜（２０nm厚）とＴａＣ膜（５nm
厚）とをこの順で、各々１１層および１０層交互に積層
した。成膜条件はＴｉターゲットがＴａターゲットに替
わったこと以外は、実施例６と同じである。

【０１２７】このようにして冷陰極用導体層３３（全体
厚２７０nm）を形成した後、冷陰極用導体層を基板とと
もに熱処理した。熱処理は、真空中にて抵抗加熱ヒータ
ーを用いて５００℃で行い、この温度にて１時間保持し
た。上記熱処理により冷陰極用導体層中のＴａＣは図２
２に示されるような島状構造３３ｂから図２３に示され
るような微粒子分散構造に変化する。

【０１２８】上記において、成膜後（熱処理前）と熱処
理後における冷陰極用導体層３３および４０についてそ
れぞれ、ＴＥＭ観察およびＸＲＤ測定を行った。この結
果は、Ｎｉ／ＴｉＣ交互堆積層の場合と同様の傾向を示
した。熱処理により、ＴａＣ結晶粒子の粒径は層厚とほ
ぼ同じ５nmとなり、分散性および結晶性が向上すること
が判明した。

【０１２９】その後図２４に示されるように所定の素子
領域の冷陰極用導体層４０表面に、直径１μm の円形の
レジストパターン３５をフォトリソグラフィー技術によ
り形成した。さらに硝酸−リン酸系エッチャントを用い
て、熱処理した冷陰極用導体層４０をエッチング加工し
た。次に、ＣＦ₄ ＋Ｏ₂ 混合ガスによるドライエッチン
グ法によりスペーサ層３６を加工し、図２４に示される
構造を形成した。

【０１３０】その後、図２５に示されるように、ゲート
絶縁層１４ｂ（６００nm厚）およびゲート電極７ｂ（２
００nm）を形成するために、蒸着法によりＳｉＯ₂ およ
びＣｒをこの順番で全面に成膜した。ここでは、レジス
ト３５上に不要なＳｉＯ₂ 膜１４ａおよびＣｒ膜７ａが
存在しているので、レジスト剥離液に浸漬し、レジスト
および不要なＳｉＯ₂ 膜１４ａ、Ｃｒ膜７ａを除去して
図２０に示される冷陰極電子源素子を得た。さらにその
後、ゲート電極層７ｂおよびゲート絶縁層１４ｂをフォ
トエッチング加工し、図２６に示されるようなゲート配
線パターンを形成した。なお、冷陰極４０中におけるＴ
ａＣ粒子のＮｉマトリックスに対する割合は約２０体積
％であった。また、ＴａＣの仕事関数は３．９３eVであ
る。

【０１３１】この冷陰極電子源素子について実施例６と
同様に特性を調べたところ、実施例６と同様の良好な結
果が得られた。

【０１３２】この他、実施例６〜９において、Ｍｏ−Ｔ
ｉＮ、Ｃｒ−ＬａＢ₆ 等の種々の材質の組合せで同様に
冷陰極を形成して、同様に特性を調べたところ同等の結
果が得られた。

【０１３３】

【発明の効果】本発明によれば、低電圧で電子を引き出
すことができるので高い放出電流が得られ、集積回路
（ＩＣ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等による駆動が
可能になり、デバイスの高性能化と低消費電力化が図れ
るとともに、通常のフォトプロセスとエッチングにより
冷陰極基材を加工でき、任意の形状を簡易に設定でき、
素子の大面積化が可能な冷陰極電子源素子を提供するこ
とができる。

【０１３４】好ましくは、導電性材料の粒子が冷陰極表
面に突出ないし露出した状態で分散しているので、電界
の集中により低電圧で電子が引き出せるとともに、高い
放出電流を得ることができる冷陰極電子源素子を提供す
ることができる。

【０１３５】さらに好ましくは、導電性材料の粒子の平
均粒径を小さくすることで、高い放出電流が得られると
ともに、安定した放出電流特性を発揮する冷陰極電子源
素子を提供することができる。

【０１３６】また熱処理により冷陰極を形成する方法で
は、冷陰極用導体層のエッチングによる加工性が向上す
るので、生産性の向上を図ることができる。

【０１３７】熱処理による場合、さらに導電性材料の結
晶性が高まるため、低電圧で電子を引き出すことができ
るとともに安定した放出電流特性をもつ冷陰極電子源素
子を提供することができる。

【０１３８】また、交互積層法によって冷陰極を形成す
る場合、導電性材料の粒子の粒径を導電性材料の粒子を
構成する成分の薄層の膜厚で制御することができるの
で、電子引き出し電圧を低く制御できる結果、電子引き
出し電圧が従来より１桁以上低く、安定で高い放出電流
を有する冷陰極電子源素子を得ることができる。

【０１３９】さらに、導電性材料の粒子を構成する成分
の薄層の厚さを所定の範囲に設定して、導電性材料の粒
子を構成する成分の薄層を連続膜構造ではなく島状構造
とすると、実質的に冷陰極基体中に導電性材料の粒子が
分散した構造を形成することが可能となる。また、この
ため、冷陰極基材の材料のエッチャントにより容易に冷
陰極基材をエッチング加工することが可能となるととも
に、エッチング加工された断面に導電性材料の粒子突出
ないし露出した構造を均一に再現性良く形成することが
できるので、低電圧で駆動可能かつ、安定して高い放出
電流が得られる冷陰極電子源素子を歩留まり良く製造す
ることができる。

【０１４０】そして、冷陰極導体層をさらに熱処理する
と、冷陰極基材および導電性材料の粒子の結晶粒径が増
大するとともに、冷陰極基材中に不純物として取り込ま
れた導電性材料の粒子を構成する成分および導電性材料
の粒子中に不純物として取り込まれた冷陰極基材を構成
する成分が結晶粒界に析出し、実質的に冷陰極基材中の
導電性材料の粒子の分散性が高まる。このため、エッチ
ングで冷陰極基材を形成する際に、ケミカルエッチング
によるエッチングレートを増加させることができる。さ
らに、導電性材料の粒子の平均粒径が導電性材料の粒子
を構成する成分の薄層の厚さ程度にそろうので、広い面
積にわたって均一な電子放出特性を有する冷陰極電子源
素子を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷陰極電子源素子の一例を示す部分拡
大斜視図である。

【図２】図１の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。

【図３】図１の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。

【図４】図１の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。

【図５】図１の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。

【図６】図１の冷陰極電子源素子の製造工程を示す断面
図である。

【図７】図１の冷陰極電子源素子のパターニングの一例
を示す平面図である。

【図８】本発明に用いる同時スパッタリング装置の一例
を示す概略構成図である。

【図９】図１の冷陰極電子源素子の冷陰極を熱処理によ
って形成する場合の製造工程を示す断面図である。

【図１０】本発明における冷陰極電子源素子の他例を示
す断面図である。

【図１１】図１０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図１２】図１０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図１３】図１０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図１４】図１０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図１５】図１０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図１６】図１０の冷陰極電子源素子アレイの一例を示
す平面図である。

【図１７】本発明に用いる多元スパッタリング装置の一
例を示す概略構成図である。

【図１８】本発明に用いる二重シャッター方式のスパッ
タリング装置の一例を示す概略構成図である。

【図１９】本発明における冷陰極電子源素子のさらに他
の例を示す部分拡大斜視図である。

【図２０】本発明における冷陰極電子源素子のさらにま
た他の例を示す切断端面図である。

【図２１】図２０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図２２】図２０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図２３】図２０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図２４】図２０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図２５】図２０の冷陰極電子源素子の製造工程を示す
断面図である。

【図２６】図２０の冷陰極電子源素子のゲート配線パタ
ーンの一例を示す平面図である。

【図２７】本発明の冷陰極電子源素子の適用例の一例を
示す断面図である。

【図２８】本発明における成膜後と熱処理後の冷陰極用
導体層のＸ線回折結果を示す図である。

【図２９】本発明における冷陰極用導体層のＸ線回折結
果を比較して示す図である。

【図３０】本発明における成膜後の冷陰極用導体層のＴ
ＥＭ写真である。

【図３１】本発明における熱処理後の冷陰極用導体層の
ＴＥＭ写真である。

【図３２】本発明における成膜後と熱処理後の冷陰極用
導体層のＸ線回折結果を示す図である。

【図３３】本発明における冷陰極電子源素子のゲート電
圧と放出電流の関係を示すグラフである。

【図３４】本発明における冷陰極電子源素子のＦ−Ｎプ
ロットを示すグラフである。

【図３５】従来の電子源の一例を示す部分斜視図であ
る。

【図３６】従来の電子源の他の例を示す部分斜視図であ
る。

【図３７】従来の電子源のさらに他の例を示す部分斜視
図である。

【図３８】従来の電子源のさらに他の例を示す部分斜視
図である。

【図３９】従来の電子源のさらにまた他の例を示す部分
断面図である。

【図４０】従来の電子源のさらにまた他の例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１絶縁性基板２絶縁層４、３４冷陰極基材７、７ｂゲート電極８、３８導電性材料の粒子（導電性微粒子）３、９、３３冷陰極用導体層１０、４０冷陰極１４ｂゲート絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−274043（ＪＰ，Ａ) 特開平２−220337（ＪＰ，Ａ) 実開平４−131846（ＪＰ，Ｕ) 特表平５−500585（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に突出してお
り、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が０．０５〜５
０nmであり、前記粒子が前記冷陰極基材に対して１〜５０体積％含有
される冷陰極電子源素子。
【請求項２】前記冷陰極は、前記冷陰極基材の成分
と、前記導電性材料の成分とを気相法によって堆積して
得られる請求項１の冷陰極電子源素子。
【請求項３】冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出してお
り、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が０．０５〜５
０nmであり、前記冷陰極基材を構成する成分と、前記導電性材料の成
分とを反応性イオンプレーティング法または同時スパッ
タリング法によって堆積して冷陰極電子源素子を得る冷
陰極電子源素子の製造方法。
【請求項４】前記粒子が前記冷陰極基材に対して１〜
５０体積％含有される請求項３の冷陰極電子源素子の製
造方法。
【請求項５】前記粒子が前記冷陰極表面に突出してい
る請求項３または４の冷陰極電子源素子の製造方法。
【請求項６】冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出している
冷陰極電子源素子を得るに際し、前記冷陰極を、非晶質状または微結晶状の冷陰極用導体
層を気相法により形成する工程と、この冷陰極用導体層
に熱処理を施す工程により製造する冷陰極電子源素子の
製造方法。
【請求項７】前記熱処理の温度が成膜温度から７００
℃までの温度である請求項６の冷陰極電子源素子の製造
方法。
【請求項８】冷陰極を有する冷陰極電子源素子であっ
て、この冷陰極は、冷陰極基材と、この冷陰極基材中に分散
含有され、仕事関数が前記冷陰極基材の仕事関数よりも
低く、冷陰極の厚さより小さな粒径の導電性材料の粒子
とを有し、この粒子は実質的に互いに分離された状態で分散されて
おり、しかもこの粒子は前記冷陰極表面に露出してお
り、前記粒子のＸ線回折から求めた平均粒径が０．０５〜５
０nmであり、前記冷陰極基材を構成する成分の薄層と、前記導電性材
料の粒子を構成する成分の薄層とを交互に積層して冷陰
極用導体層を気相法により成膜することによって製造す
る冷陰極電子源素子の製造方法。
【請求項９】前記導電性材料の粒子を構成する成分の
薄層の膜厚が、０．５nm〜５０nmである請求項８の冷陰
極電子源素子の製造方法。
【請求項１０】前記冷陰極用導体層を成膜した後に、
前記冷陰極用導体層の成膜温度から７００℃までの温度
で前記冷陰極用導体層に熱処理を施す請求項９の冷陰極
電子源素子の製造方法。