專利名稱：電子束裝置以及使用電子束裝置的圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用場致發(fā)射(FE)電子發(fā)射器件的電子束裝置以及 使用該電子束裝置的圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
到目前為止，已存在這樣的電子發(fā)射器件，在該電子發(fā)射器件中， 從陰極發(fā)射的大量電子撞擊與陰極相對的柵電極，被散射，然后作為 電子,皮取出。作為以此方式發(fā)射電子的器件，在日本專利申請?zhí)亻_第 2001-167693號中描述的表面?zhèn)鲗?dǎo)型電子發(fā)射器件和層疊型電子發(fā)射 器件是已知的。日本專利申請?zhí)亻_第2001-167693號描述了絕緣層向內(nèi)凹進(以 下稱為"凹陷部分")的層疊型的電子發(fā)射器件。在曰本專利申請?zhí)亻_第2001-167693號的公開中，形成凹陷部分 的絕緣層使用PSG(摻雜磷的Si02)材料，并且PSG層的厚度為10nm。 從基板算起的陰極的尖端位置(高度)與側(cè)壁上具有該陰極的絕緣層 的高度位置一致。在日本專利申請?zhí)亻_第2001-167693號中，電子發(fā)射特性的效率 是優(yōu)異的，但是，其經(jīng)時穩(wěn)定性需要提高。為了解決以上的常規(guī)技術(shù)的問題，做出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的 是提供結(jié)構(gòu)簡單、電子發(fā)射效率高并且操作穩(wěn)定的電子束裝置，以及 設(shè)置有這種電子束裝置的圖像顯示裝置。發(fā)明內(nèi)容用于解決以上問題的本申請的發(fā)明提供一種電子束裝置，該電子束裝置包括絕緣構(gòu)件，在該絕緣構(gòu)件的表面上具有凹部；陰極，具 有在絕緣構(gòu)件的外表面和凹部的內(nèi)表面上延伸的突起部分；柵極，與 所述突起部分相對地被設(shè)置在所述絕緣構(gòu)件的外表面上；以及陽極， 通過所述柵極與突起部分相對地被設(shè)置。本申請的發(fā)明還提供了一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置包括: 上述電子束裝置；以及發(fā)光構(gòu)件，通過電子的照射而發(fā)光，并被設(shè)置 在陽極上。本申請的發(fā)明提供了電子發(fā)射效率的經(jīng)時變化小并且操作穩(wěn)定的 電子束裝置。此外，本發(fā)明提供了電子發(fā)射部分的形狀不受變化影響 的電子束裝置。更進一步地，本發(fā)明提供了使得在電子發(fā)射部分周圍 的放電的產(chǎn)生最小化的電子束裝置，并且還提供使用該電子束裝置的 圖像顯示裝置。通過參照附圖閱讀示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征 將變得清楚。


圖1A、 1B和圖1C是本發(fā)明的第一實施例的一組局部視圖。圖2是示出用于測量本發(fā)明的電子發(fā)射器件的特性的配置的示意圖。圖3是本發(fā)明的電子發(fā)射器件的電子發(fā)射部分的附近的放大透視圖。圖4是示出本發(fā)明的電子發(fā)射器件的配置的示意圖。圖5是本發(fā)明的電子發(fā)射器件的電子發(fā)射部分的附近的放大側(cè)視圖。圖6A和圖6B是示出電子發(fā)射器件的初始特性的變化以及凹部中 的侵入(infiltration)量與器件特性的變化之間的關(guān)系的曲線圖。圖7是示出應(yīng)用本發(fā)明的電子發(fā)射器件的圖像顯示裝置的電子源 的示意圖。圖8是示出應(yīng)用本發(fā)明的電子發(fā)射器件的圖像顯示裝置的示意4圖。圖9是示出用于驅(qū)動本發(fā)明的圖像顯示裝置的驅(qū)動電路的例子的 電路圖。圖10是本發(fā)明的另一電子發(fā)射器件的電子發(fā)射部分的附近的放 大側(cè)視圖。圖IIA、圖IIB和圖IIC是示出本發(fā)明的電子發(fā)射器件的制造方 法的一組示意圖。圖12A、圖12B、圖12C和圖12D是示出本發(fā)明的電子發(fā)射器件 的制造方法的另一組示意圖。圖13A、圖13B和圖13C是示出第二實施例的電子發(fā)射器件的一 組示意圖。圖14A、圖14B和圖14C是示出第三實施例的電子發(fā)射器件的一 組示意圖。圖15是示出第三實施例的電子發(fā)射器件的局部放大視圖。圖16A、圖16B和圖16C是示出本發(fā)明的另一電子發(fā)射器件的制造方法的一組示意圖。圖17A和圖17B是示出本發(fā)明的另一電子發(fā)射器件的制造方法的另一組示意圖。圖18A、圖18B和圖18C是示出第四實施例的電子發(fā)射器件的一 組示意圖。圖19A和圖19B是示出圖像顯示裝置的面板的圖。 圖20是本發(fā)明的電子發(fā)射器件的電子發(fā)射部分的附近的放大側(cè) 視圖。圖21是示出電子發(fā)射器件的在凹部側(cè)的陰極脊線(ridgeline)的 角度與該器件的特性變化之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施方式
以下參照附圖示例性地詳細描述本發(fā)明的示例性實施例。首先，描述根據(jù)本實施例的能夠穩(wěn)定地發(fā)射電子的電子發(fā)射器件的配置。圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖。圖 1B是沿圖1A的線A-A所取的截面。圖1C是當從圖IB中的箭頭所 指示的方向觀察該器件時的側(cè)視圖。在圖1A、圖IB和圖1C中，絕緣層3和4形成絕緣構(gòu)件。在本 實施例中，該構(gòu)件在基板l的表面上形成臺階。柵電極5位于絕緣構(gòu) 件的外表面的上部。陰極6A位于作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3 的外表面上，具有用作電子發(fā)射部分的突起部分，并在本實施例中與 電極2電連接。形成凹陷部分(凹部)7，使得絕緣層4的側(cè)部向內(nèi)縮 回，以相對于作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3的側(cè)部和柵電極5的 側(cè)部凹進。雖然在圖1A、圖1B和圖1C中沒有示出，但是設(shè)置了陽 電極(參照圖2中的附圖標記20)，該陽電極通過柵電極5與陰極6A 相對布置(該柵電極5被置于陰極6A和該陽電極之間)，并被設(shè)定 為具有比柵電極5和陰極6A高的電勢。間隙8表示陰極6A的尖端和 柵電極5的底面(與凹部相對的部分)之間的最短距離"d",在該間 隙8之間形成發(fā)射電子所需要的電場。這里描述了布置為使陰極6A與凹部的內(nèi)表面接觸的陰極6A的突起部分的特性和希望的形狀，這是本發(fā)明的一個特征。在下文中，通 過以部分為基礎(chǔ)對外表面和凹部的內(nèi)表面使用不同表達，來描述由絕 緣層3和4形成的絕緣構(gòu)件的表面。具體來說，形成絕緣構(gòu)件的凹部 的絕緣層3的上表面部分和絕緣層4的側(cè)部被稱為凹部的內(nèi)表面，并 且絕緣層3和4的其它部分的表面被稱為外表面。 圖5是陰極6A的突起部分的放大截面。該突起部分的尖端部分的放大視圖示出，該尖端部分具有由曲率 半徑"r"代表的突起形狀。尖端部分處的電場強度隨曲率半徑"r" 而改變。曲率半徑"r"越小，則電力線越集中，從而能夠在突起部分 的尖端形成更高的電場。如果使得在突起部分的尖端電場恒定，也就 是說，如果使得驅(qū)動電場是恒定的，那么，如果曲率半徑"r"相對較 小，則陰極6A的尖端部分和柵電極之間的距離"d"大，但是，如果曲率半徑"r"相對較大，則距離"d"小。由于距離"d"的差異影響 散射次數(shù)的差異，因此，曲率半徑"r"越小并且距離"d"越大，則 器件的效率越高。換句話說，效率通過陰極的尖端形狀效應(yīng)(effect)而增大，這意 味著在效率恒定的條件下，可使得下式(3)中的S1更大。這加強了 柵極結(jié)構(gòu)，以使得能夠供給能夠被長時間驅(qū)動的穩(wěn)定器件。如圖5所示，在本發(fā)明中使用的突起部分被形成為以"x"的深度 (距離)進入在基板上形成臺階的絕緣構(gòu)件的凹部的內(nèi)表面。該形狀 取決于形成電子發(fā)射部分的陰極的形成方法。在EB汽相淀積中，由 Tl和T2表示的厚度以及汽相淀積中的角度和時間是參數(shù)。 一般地， 由于濺射形成方法具有大的侵入(infiltration)，因而難以通過濺射 形成方法控制形狀。出于這種原因，除了考慮濺射壓力、氣體類型、 關(guān)于基板的移動方向以外，還需要特殊的顆粒粘接機構(gòu)。電子發(fā)射材料(用于陰極6A的材料)以"x"的深度(距離)進入 凹部的內(nèi)表面產(chǎn)生以下的三個優(yōu)點l)用作電子發(fā)射部分的陰極的突 起部分與絕緣層3的寬的區(qū)域接觸，以增大機械粘接強度(粘接強度 增大)；2)在用作電子發(fā)射部分的陰極的突起部分和絕緣層之間增大 熱接觸面積，以使得在電子發(fā)射部分中產(chǎn)生的熱能夠有效逸散到絕緣 層3 (熱阻減小)；3)電子發(fā)射材料以平緩坡度進入凹部減小在絕緣 層、真空和金屬之間的界面上產(chǎn)生的三聯(lián)接合部(triple junction )處 的電場強度，使得能夠防止由于異常電場的產(chǎn)生而導(dǎo)致放電現(xiàn)象；4)分的表面(柵電極的下表面)延伸的法線傾斜(特別是在電子發(fā)射部 分的附近)，由此形成這樣的電勢分布，其中從尖端發(fā)射的電子容易 跳躍到凹部外部，以增大電子發(fā)射效率。順便說一句，換句話說，距 離"x，，指的是突起部分的在與凹部的內(nèi)表面接觸的部分的端部與凹部 的邊緣之間的距離。以下進一步詳細描述以上描述的第2項優(yōu)點。圖6A是示出在改變陰極材料進入凹部的進入量"x"的情況下的作為時間的函數(shù)的初始值Ie的曲線圖。順便說一句，Ie指的是電子發(fā)射 量，該電子發(fā)射量是到達稍后描述的圖2中的陽極20的電子的量。在 開始驅(qū)動器件之后的第一個10秒檢測出的平均電子發(fā)射量Ie被歸一 化為初始值，并且繪制出相對于時間的常用對數(shù)的電子發(fā)射量的變化。隨電子發(fā)射材料(用于陰極的突起部分的材料)進入凹部的進入 量減小，電子發(fā)射量的初始減小明顯地趨于增大。以與圖6A相同的方式測量了幾個器件。電子發(fā)射材料進入凹部 的進入量"x"的初始電子發(fā)射量被歸一化為100。圖6B是示出在測量 之后1小時畫出的電子發(fā)射量的曲線圖。從圖中可以清楚地看出，電 子發(fā)射材料(用于陰極的突起部分的材料)進入凹部的進入量越小， 則初始減小越大。當電子發(fā)射材料(用于陰極的突起部分的材料)的 進入量超過20nm時，對進入量"x"的依賴性趨于變小。從結(jié)果可以推斷，電子發(fā)射材料(用于陰極的突起部分的材料) 進入凹部的進入量"x"的增大導(dǎo)致電子發(fā)射材料與絕緣層3的寬的區(qū) 域接觸以減小熱阻。此外認為，由于體積的增大而導(dǎo)致的電子發(fā)射部 分(陰極的突起部分)的熱容量的增大的作用降低導(dǎo)電層的尖端的溫度，由》匕減小#刀始;皮動0這不意味著陰極的突起部分進入凹部的進入距離"x"越大就越好。 一般地，值"x"被設(shè)為近似10nm 30nm?？刂朴米麟娮影l(fā)射部分的陰 極的突起部分的汽相淀積時的角度、形成凹部的絕緣層4的厚度T2 和柵極的厚度T1，以控制進入距離"x"。希望距離"x"大于20nm。但 是，如果距離"x"太長，那么在陰極6A和柵極之間通過凹部的內(nèi)表面 (或絕緣層4的側(cè)面)發(fā)生泄漏，從而增大泄漏電流。以下描述三聯(lián)接合部。 一般地，諸如介電常數(shù)不同的真空、絕緣 體和金屬之類的三種材料在一個點相互接觸的區(qū)域被稱為三聯(lián)接合 部。取決于條件，三聯(lián)接合部處的電場與環(huán)境中的電場相比過高有時 導(dǎo)致放電。并且在本配置中，圖5所示的區(qū)域TG表示三聯(lián)接合部。 如果陰極6A的突起部分與絕緣層接觸的角度e為90度或更大，那么 該電場不與環(huán)境電場大為不同。在陰極的突起部分例如出于一些原因8由于機械強度不足而與絕緣層3分離的情況下，角度e減小為90度或更小以形成強電場。在這一點上，在突起部分分離的界面處形成強電場，使得可能由于從TG點的電子發(fā)射或由電子發(fā)射觸發(fā)的沿面放電 而損壞器件。出于這種原因，陰極6A的突起部分與絕緣層接觸的所希望的角度e為9o度或更大。以下描述通過如圖2所示的那樣向器件施加電壓而發(fā)射的電子的 軌道。圖2是示出本發(fā)明的電子發(fā)射器件以及在測量器件的電子發(fā)射特 性時的電源和電勢之間的關(guān)系的示意圖。在陰極和柵極之間施加電壓 Vf，此時器件電流If流過，在陰極和陽極之間施加電壓Va，并且電 子發(fā)射電流Ie流過。使用當向器件施加電壓時檢測到的電流If和在真空中取出的電流 Ie，通過效率方程式Ti = Ie/ (If+Ie)給出效率ri。圖3是示出這種布置中的電子發(fā)射部分的放大示意圖。在圖3中， 絕緣層3和絕緣層4形成絕緣構(gòu)件。設(shè)置柵電極的側(cè)面51和底面52 (與絕緣構(gòu)件的凹部相對的面)。面6A-1、 6A-2、 6A-3和6A-4是具 有用作電子發(fā)射部分的突起部分的陰極6A所分解而成的面元素。電子發(fā)射中的散射的描述在圖3中，從條形陰極6A的端部(突起部分)朝相對的柵電極5 發(fā)射的電子中的一些與柵電極5碰撞，并且，它們中的一些不與柵電 極5碰撞。電子與柵電極碰撞的區(qū)域被粗略地分為柵電極的側(cè)面51 和柵電極的與絕緣構(gòu)件的凹部相對的部分52 (或柵電極的反面)。大 多數(shù)的電子與側(cè)面51碰撞。不管電子與柵電極的側(cè)面51碰撞還是與 反面52碰撞，與柵電極5碰撞的電子都被各向同性地散射。電子是在 側(cè)面51上被散射還是在反面52上被散射大大影響效率。條形陰極6A 的端部(突起部分)盡可能地遠離柵電極，以減少電子在柵電極的反 面52上的散射，由此使得能夠提高電子發(fā)射效率。在柵電極5上散射的電子中的大部分被彈性散射數(shù)次(多次散9射)。在柵電極5的上部上，電子不能被散射，并且跳躍至陽極側(cè)。如上所述，在柵電極上散射的電子的數(shù)量(下落次數(shù))的減少提 高效率。參照圖4描述散射的數(shù)量和距離。器件的電勢區(qū)域包含高電勢區(qū)域和低電勢區(qū)域，該高電勢區(qū)域由 施加到柵電極5上的電壓確定，該低電勢區(qū)域由施加到電極2和與電 極2連接的陰極6A上的電壓確定，并且在該高電勢區(qū)域與低電勢區(qū) 域之間具有間隙8。區(qū)域長度S1、 S2和S3由柵極和陰極的電勢確定， 并且與單純的電極厚度和絕緣層厚度不同。在根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件的柵極和陰極之間施加電壓Vf使 得從低電勢區(qū)域的尖端向與低電勢區(qū)域相對的高電勢區(qū)域發(fā)射電子。 電子在高電勢區(qū)域的尖端被各向同性地散射。在高電勢區(qū)域的尖端被 散射的電子中的大部分在高電勢區(qū)域上被彈性散射數(shù)次。對于本發(fā)明的配置，效率主要由距離S1確定。并且，距離S1比 在電子第一次散射之前的最大飛行距離小，產(chǎn)生不被多次散射的電子。對散射行為的詳細考察揭示了以下內(nèi)容。即揭示出，電子發(fā)射器 件的效率取決于柵電極中使用的材料的功函數(shù)cpwk和驅(qū)動電壓Vf以 及電子發(fā)射部分附近的電子發(fā)射器件的距離Sl和S3。分析考察得出與Slmax (在圖3中為Tl)有關(guān)的下列方程式Slmax=A*exp[B*(Vf - (pwk)/(Vf)] ... ( 3 )A=-0,78 + 0.87*log(S3)B=8.7這里，S1和S3是距離(單位是nm) ， cpwk是形成高電勢區(qū)域的柵 電極(或在同一電勢下與其連接的構(gòu)件)的功函數(shù)的值(單位是eV)， Vf是驅(qū)動電壓(單位是V) ， A是S3的函數(shù)，B為常數(shù)。如上所述,作為與散射有關(guān)的參數(shù)的距離Sl對于電子發(fā)射效率是 重要的。將距離Sl設(shè)為方程式(3)顯示出可大大提高效率。出于此原因，在本申請的發(fā)明的配置中滿足上式(3 )還使得能夠 提供這樣的電子發(fā)射器件該電子發(fā)射器件具有上述三種效果(經(jīng)時高和器件損壞的最少化)，并且該電子發(fā)射器 件的電子發(fā)射效率進一步提高。在本發(fā)明的配置中，在陽電極和電子發(fā)射器件之間由驅(qū)動電壓形 成的空間電勢分布導(dǎo)致發(fā)射的電子中的一部分到達柵電極的上部，而 沒有在柵電極上再次散射，然后直接到達陽電極。因此，沒有在柵電極上散射的電子對于效率的提高是重要的。以下參照圖IO進行描述。陰極6A的端部(突起部分)盡可能地 遠離柵電極(以增加距離D)，以減少電子在柵電極的反面52上的散 射，由此使得能夠提高電子發(fā)射效率。另外，出于上述的原因，當從 本發(fā)明的電子發(fā)射器件的側(cè)面觀看該電子發(fā)射器件時陰極6A的端部 (突起部分)與柵電極的端部之間的偏移量Dx的增大趨于增大效率。陰極6A的端部(突起部分)的在凹部側(cè)(絕緣層的凹部側(cè))的 部分可相對于從與絕緣層的凹部相對的柵電極部分的表面(柵電極的 下表面)延伸的法線傾斜(特別是在電子發(fā)射部分的附近)，從而形 成從尖端發(fā)射的電子容易跳躍到凹部外部以增大電子發(fā)射效率的電勢 分布。圖20是示出上述結(jié)構(gòu)的局部放大視圖。在圖20中，為了簡明 地描述傾斜形狀，從與絕緣層的凹部相對的柵電極部分的表面(柵電 極的下表面)延伸的法線被平行地移至陰極6的突起部分的尖端。如圖20所示，陰極6A的端部的在凹部側(cè)的部分(突起部分)相 對于從與絕緣層的凹部相對的柵電極部分的表面(柵電極的下表面) 延伸的法線傾斜。分析考察發(fā)現(xiàn)，如圖21所示，未散射電子的比率隨 傾角ec的增大而增大。換句話說，如圖21所示，當角0c增大時未散 射電子的比率增大，該角0c是由從陰極6A的端部(突起部分的尖端) 到突起部分與凹部的內(nèi)表面接觸的部分的脊線與從柵極的下表面延伸 的法線所形成的角。0度的角度ec對應(yīng)于陰極6A的突起部分被視為 與從柵極的下表面延伸的法線平行的柱體(pole)的情況。利用在角 度0c-O度時的未散射電子的量對圖21中的坐標進行歸一化。當偏移量Dx增大時，在本發(fā)明的配置中，陰極6A的突起部分的 在凹部側(cè)的傾斜部分(周邊部分)與柵電極之間的最短距離dO有時比陰極6A的端部(陰極的突起部分的尖端)和柵電極之間的最短距離d 小。在這種情況下，如果在陰極6A的突起部分的傾斜部分(周邊(skirt) 部分)的電場強度EO比在陰極6A的端部(突起部分的尖端)的電場 強度E大，那么從陰極6A的傾斜部分(周邊部分)發(fā)射電子，以增 加在柵電極上散射的電子。然后，為了在這種情況下實現(xiàn)高的效率， 需要滿足以下的關(guān)系。陰極6A的端部(突起部分的尖端)處的電場 強度E由(Prxl/d) Vg確定，并且陰極6A的傾斜部分(周邊部分) 處的電場強度EO由(卩Oxl/dO) Vg確定，4吏得滿足E〉E0。這里，pr 是由于陰極6A的端部(突起部分的尖端)的形狀效應(yīng)導(dǎo)致的電場增 強因子，(30是由于陰極6A的傾斜部分(周邊部分)的形狀效應(yīng)導(dǎo)致 的電場增強因子(對于完全平行的板來說，電場增強因子是系數(shù)l)， Vg是施加到柵電極上的電壓。出于此原因，如果用Pr和pO以及d和dO表示E〉EO的情況，那 么獲得(Pr/P0) > (d/d0)。也就是說，在本發(fā)明的配置中，推薦使 得突起部分的尖端"r"小，以增大在陰極6A的端部(突起部分的尖 端)的電場增強因子Pr。滿足上述條件增大未在柵電極上散射的電子的比率，這進一步提 高效率。以下進一步詳細描述上述的根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件。參照圖11和12描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的制造 方法的例子。圖11和圖12是分階段地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電 子發(fā)射器件的制造過程的示意圖?；?是用于機械支撐器件的基板，其由石英玻璃、諸如Na的 雜質(zhì)的含量減少的玻璃、鈉鈣玻璃和硅制成。作為基板所需要的功能， 希望基板材料不僅具有高的機械強度，而且耐酸性物質(zhì)和諸如干蝕刻 液、濕蝕刻液和顯影劑之類的堿性物質(zhì)，并且當它被用作諸如顯示面 板之類的一體式單元時，在基板與膜形成材料或其它層疊構(gòu)件之間的 熱膨脹差異小。此外，如下這種基板也是所希望的，即堿元素幾乎不由于熱處理而從玻璃的內(nèi)部擴散。
首先，如圖11A所示，在基板上層疊絕緣層3和4，然后在絕緣 構(gòu)件(絕緣層4)上層疊柵電極5以在基板上形成臺階。
例如，絕緣層3是由諸如SiN ( SixNy )或Si02的可加工性優(yōu)異的 材料制成的絕緣膜。通過諸如濺射法、CVD方法或真空淀積方法之類 的一般真空淀積方法制成絕緣層3。絕緣層3的厚度被設(shè)為幾nm 幾 十prn，并且優(yōu)選地為幾十nm到幾百nm。
例如，絕緣層4是由諸如SiN ( SixNy )或Si02的可加工性優(yōu)異的 材料制成的絕緣膜。通過諸如例如CVD方法、真空淀積方法或濺射 法之類的一般真空淀積方法成該膜。該膜的厚度被設(shè)為幾nm 幾百 nm，并且希望為幾nm到幾十nm。由于需要在層疊絕緣層3和4之 后形成凹部，因此，需要將絕緣層3和4設(shè)定為這樣的關(guān)系，即絕緣 層3和4在蝕刻中分別具有不同的蝕刻量。希望絕緣層3和4之間的 蝕刻量的比為10或更大，或者如果可能的話，為50或更大。
例如，絕緣層3可使用SixNy。絕緣層4可例如由諸如Si02的絕 緣材料、具有高的磷濃度的PSG或具有高的硼濃度的BSG膜形成。
柵電極5是導(dǎo)電性的，并且通過諸如汽相淀積方法和濺射法之類 的一般真空淀積方法形成。
對于柵電極5，希望具有導(dǎo)電性并且熱傳導(dǎo)率和熔點高的材料。 可以4吏用i者如例如Be、 Mg、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Al、 Cu、 Ni、 Cr、 Au、 Pt和Pd之類的金屬或合金材料。此外，可以 使用諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC和WC之類的碳化物，諸如 HfB2、 ZrB2、 CeB6、 YB4和GdB4之類的的硼化物，諸如TiN、 ZrN、 HfN和TaN之類的氮化物，以及諸如Si和Ge之類的半導(dǎo)體。而且， 可適當?shù)厥褂糜袡C聚合物材料、無定形碳、石墨、類金剛石碳、其中 分散有金剛石的碳，以及碳化合物。
柵電極5的厚度被設(shè)為幾nm到幾百nm，并且希望為幾十nm到 幾百nm。
如圖11B所示，通過光刻技術(shù)在柵電極上形成抗蝕圖案，然后，通過蝕刻方法依次處理柵電極5、絕緣層4和絕緣層3。
在這種蝕刻工藝中，通常使用反應(yīng)性離子蝕刻(reactive ion etching, RIE )，該反應(yīng)性離子蝕刻能夠通過用等離子化的蝕刻氣體照 射材料來精確地蝕刻材料。
作為此情況下的處理氣體，如果產(chǎn)生氟化物作為待處理的構(gòu)件， 則選擇諸如CF4、 CHFs和SF6之類的含氟氣體。此外，如果產(chǎn)生諸如 Si和Al之類的氯化物，則選擇諸如Cl2和BGb之類的含氯氣體。此 外，為了獲得關(guān)于抗蝕劑(resist)的選擇比、保證蝕刻表面上的平滑 性或增大蝕刻速度，根據(jù)需要添加氫氣、氧氣或氬氣。
如圖11C所示，通過蝕刻方法蝕刻絕緣層4,以在絕緣層3和4 的絕緣構(gòu)件的表面上形成凹部。
對于蝕刻，例如，如果絕緣層4由SK)2制成，則可使用氫氟酸與 一般被稱為氫氟酸緩沖液(BHF)的氟化銨的混合溶液。如果絕緣層 4由SyVy制成，那么可使用熱磷酸蝕刻溶液。
凹部的深度(絕緣構(gòu)件的外表面(絕緣層3的側(cè)面)與絕緣層4 的側(cè)面之間的距離)與在器件形成之后的泄漏電流密切相關(guān)。凹部越 深，則泄漏電流越小。過深的凹部導(dǎo)致柵電極變形的問題。出于此原 因，在30nm 200nm的量級上形成該深度。
如圖12A所示，在柵電極5上形成分離層12。
形成分離層是為了將在之后步驟中淀積的導(dǎo)電材料與柵電極分 離。出于這種目的，形成分離層12，使得例如柵電極被氧化為形成氧 化物膜，或者通過電解電鍍使分離金屬粘附到分離層上。
如圖12B所示，使得陰極材料6B粘附到柵電極上，并且使陰極 6A粘附到絕緣構(gòu)件的外表面的一部分(絕緣層3的外表面(側(cè)面)) 以及凹部的內(nèi)表面(絕緣層3的上表面)上。
陰極材料可以是導(dǎo)電性的，是用于發(fā)射電子的、具有一般為 2000。C或更高的高熔點的材料，可具有5eV或更小的功函數(shù)，并且不 受諸如氧化物之類的化學(xué)反應(yīng)層的形成的影響，或者希望可以為可容 易地從中去除反應(yīng)層的材料。作為這種材料，可以使用諸如例如Hf、
14V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Au、 Pt和Pd之類的金屬或合金材料。此夕卜， 可以使用諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC和WC之類的碳化物，諸 如H仿2、 ZrB2、 CeB6、 YB4和GdB4之類的硼化物，以及諸如TiN、 ZrN、 HfN和TaN之類的氮化物。再進一步地，可適當?shù)厥褂脽o定形 碳、石墨、類金剛石碳、其中分散有金剛石的碳，以及碳化合物。
通過諸如汽相淀積方法和濺射法之類的 一般真空淀積方法形成導(dǎo) 電層。
如上所述，在本發(fā)明中，需要通過控制汽相淀積中的角度和膜形 成時間以及形成時的溫度和真空度，使得陰極的突起部分形成為最佳 形狀，以有效地發(fā)射電子。具體地，陰極材料進入作為凹部的內(nèi)表面 的絕緣層3的上表面的進入量"x，，可以為10nm 30nm、更希望為 20nm 30nm。由作為絕緣構(gòu)件的凹部的內(nèi)表面的絕緣層3的上表面與 陰極所成的角度可以為90。或更大。
如圖12C所示，通過蝕刻去除分離層以去除柵電極上的陰極材料 6B (用于發(fā)射部分的材料)。形成電極2，該電極2與陰極6A導(dǎo)電。
電極2類似于陰極6A是導(dǎo)電的，并且通過諸如汽相淀積方法和 濺射法之類的 一般真空淀積方法以及光刻技術(shù)形成。
電極2可4吏用i者:i口例:^Be、 Mg、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Al、 Cu、 M、 Cr、 Au、 Pt和Pd之類的金屬或合金材料。此外， 可以使用諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC和WC之類的碳化物，諸 如Hffi2、 ZrB2、 CeB6、 YB4和GdB4之類的硼化物，以及諸如TiN、 ZrN和HfN之類的氮化物。再進一步地，可使用諸如Si和Ge之類的 半導(dǎo)體、有機聚合物材料、無定形碳、石墨、類金剛石碳、其中分散 有金剛石的碳，以及碳化合物。
電極2的厚度被設(shè)為幾十nm到幾 mm， 并且希望為幾十nm到 幾inni。
電極2和柵電極5可以為相同的材料或不同的材料，并且可由相 同的方法或不同的方法形成。由于柵電極5的膜厚度有時被設(shè)定為比 電極2的膜厚度薄，因此希望柵電極5由低電阻材料制成。下文，參照圖7、圖8和圖9描述配備有包含多個根據(jù)本發(fā)明的 實施例的電子發(fā)射器件的電子源的圖像顯示裝置。
在圖7中，設(shè)置電子源基板61、 X方向布線62、 Y方向布線63、 根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件64以及連接線65。順便說一句， X方向布線公共地將上述的(陰極)電極2相互連接，并且Y方向布 線公共地將上述的柵電極5相互連接。
M個X方向布線62由DX1、 DX2.....DXm形成，并且可通過
使用真空淀積方法、印刷方法和濺射法形成的導(dǎo)電金屬而被配置。布 線的材料、膜厚度和寬度被適當?shù)卦O(shè)計。
Y方向布線63由n個布線DY1、 DY2、…、DYn形成，并且與 X方向布線62類似地形成。層間絕緣層(未示出)械/沒置在m個X 方向布線62和n個Y方向布線63之間，以4吏它們相互電氣隔離(m 和ii為正整數(shù))。
層間絕緣層(未示出)通過使用真空淀積方法、印刷方法和濺射 法由Si02形成。例如，在形成有X方向布線62的電子源基板61的整 個表面或部分表面上形成具有希望的形狀的層間絕緣層。適當?shù)卦O(shè)定 層間絕緣層的膜厚度、材料和制造方法，使得層間絕緣層可特別耐受 在X方向布線62和Y方向布線63之間的交點上的電勢差。X方向布 線62和Y方向布線63被引出作為外部端子。
通過m個X方向布線62、 n個Y方向布線63和由導(dǎo)電金屬形成 的連接線65將形成本發(fā)明的電子發(fā)射器件64的陰極和柵極(未示出) 電連接在一起。
形成布線62和63、連接線65、陰極和柵極的材料的構(gòu)成元素的 全部或部分可以是相同的或不同的。
X方向布線62與掃描信號施加單元(未示出)連接，該掃描信號 施加單元施加用于選擇沿X方向布置的電子發(fā)射器件64的行的掃描 信號。另一方面，Y方向布線63與調(diào)制信號產(chǎn)生單元(未示出)連接， 該調(diào)制信號產(chǎn)生單元根據(jù)輸入信號調(diào)制沿Y方向在每一列中布置的電 子發(fā)射器件64。
16被施加到電子發(fā)射器件的驅(qū)動電壓作為被施加到該電子發(fā)射器件 上的掃描信號和調(diào)制信號之間的差值電壓被施加到該電子發(fā)射器件 上。
在以上的配置中，使用簡單的矩陣布線選擇單個器件以使得該器 件能夠被獨立驅(qū)動。
下文參照圖8描述通過使用這種具有簡單的矩陣布置的電子源形 成的圖像顯示裝置。圖8是示出用于圖像顯示裝置的顯示面板的例子 的示意圖。
在圖8中，多個電子發(fā)射器件被布置在電子源基板61上，并且后 板71固定電子源基板61。面板76在玻璃基板73的內(nèi)表面上形成作 為第三導(dǎo)電構(gòu)件的金屬背75和作為位于第三導(dǎo)電構(gòu)件上的發(fā)光構(gòu)件 的熒光膜74。
支撐框架72通過使用玻璃料(frit glass )與后板71和面板76連 接。例如，在400。C 500。C的溫度下在空氣中或在氮氣氣氛中烘烤外 封殼77十分鐘或更長的時間以將其密封。
電子發(fā)射器件64與圖1A、圖1B和圖1C所示的電子發(fā)射器件對 應(yīng)。X方向布線62和Y方向布線63分別與電子發(fā)射器件的(陰極) 電極2和柵電極5連接。
如上所述，外封殼77由面板76、支撐框架72和后板71形成。 設(shè)置后板71主要是為了增強基板61的強度，因此如果基板61本身具 有足夠的強度，則可以除去分立的后板71。
也就是說，基板61可被直接密封在支撐框架72中，以與面板76、 支撐框架72和基板61 —起形成外封殼77。另一方面，可以在面板76 和后板71之間插入被稱為隔板的支撐件(未示出)，以形成強度足以 耐受大氣壓的外封殼77。
在使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的圖像顯示裝置中， 考慮到發(fā)射的電子的軌道，在器件的上部使熒光體對齊。
圖19A和圖19B是示出作為在面板中使用的發(fā)光構(gòu)件的熒光膜的 示意圖。取決于熒光體的布置，彩色熒光膜可由在圖19A中所示的被稱為黑條帶以及在圖19B中所示的被稱為黑矩陣的黑色導(dǎo)電材料81 和熒光體82形成。
下文，參照圖9描述用于在使用具有筒單矩陣布置的電子源而形 成的顯示面板上顯示基于NTCS電視信號的電視節(jié)目的驅(qū)動電路的配 置例子。
在圖9中，設(shè)置圖像顯示面板91、掃描電路92、控制電路93、 移位寄存器94、線路存儲器95、同步信號分離電路96、調(diào)制信號發(fā) 生器97以及DC電壓源Vx和Va。
顯示面板91通過端子Doxl Doxm、端子Doyl Doyn和高電壓端 子Hv與外部電路連接。
掃描信號4皮施加到端子Doxl Doxm上，該掃描信號用于以行(N 個器件)為基礎(chǔ)順序驅(qū)動在顯示面板中設(shè)置的電子源、即以具有M行 和N列的矩陣形式布線的電子發(fā)射器件。
另一方面，調(diào)制信號被施加到端子Doyl Doyn上，該調(diào)制信號用 于控制從被掃描信號選擇的一行電子發(fā)射器件輸出的電子束。
例如，由DC電壓源Va向高電壓端子Hv供給10kV的DC電壓。 該DC電壓是用于向從電子發(fā)射器件發(fā)射的電子束提供足以激發(fā)熒光 體的能量的加速電壓。
如上所述，施加掃描信號和調(diào)制信號以及向陽極施加高電壓使得 發(fā)射的電子加速，以利用電子照射熒光體，由此實現(xiàn)圖像顯示。
使用本發(fā)明的電子發(fā)射器件形成這種顯示裝置使得能夠形成電子 束的形狀得到精制(refine)的顯示裝置，由此使得能夠提供顯示特性 優(yōu)異的圖像顯示裝置。
第一實施例
圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖。圖 1B是沿圖1A的線A-A所取的截面。圖1C是從圖IB中的箭頭所指 示的方向觀察器件時的側(cè)視圖。
在圖1A、圖IB和圖1C中，絕緣層3和4形成絕緣構(gòu)件。在本 實施例中，該構(gòu)件在基板l的表面上形成臺階。柵電極5位于絕緣構(gòu)件上。陰極6A由導(dǎo)電材料形成，與電極2電連接，位于作為形成臺 階的絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3的外表面上，并具有用作電子發(fā)射 部分的突起部分。形成凹陷部分(凹部)7，使得絕緣層4的側(cè)面向內(nèi) 縮回，以相對于絕緣層3的側(cè)面(外表面)和柵電極5的側(cè)面凹進。 雖然在圖1A、圖1B和圖1C中沒有示出，但是在陰極6A和柵電極5 之上設(shè)置有陽電極(參照圖2中的附圖標記20)，該陽電極被固定到 比施加到上述組件的電勢更高的電勢，并且與上述組件相對地布置。 間隙8表示陰極6A的突起部分的尖端和柵電極5的底面(與凹部相 對的部分)之間的最短距離，在該間隙8之間形成發(fā)射電子所需要的 電場。圖3是圖1A、圖1B和圖1C中的器件的發(fā)射部分的附近的鳥 瞰放大圖。
以下，參照圖11和12描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件 的制造方法的例子。圖11和圖12是分階段地示出根據(jù)本發(fā)明的實施 例的電子發(fā)射器件的制造過程的示意圖。
基板l是用于機械支撐器件的基板，并且在本實施例中使用為等 離子顯示器開發(fā)的作為低鈉玻璃的PD200。
首先，如圖11A所示，在基板1上層疊絕緣層3和4以及柵電極
絕緣層3是由可加工性優(yōu)異的材料制成的絕緣膜。通過濺射法形 成SiN ( SixNy)膜，該SiN膜的厚度為500nm。
絕緣層4由Si02制成，其是由可加工性優(yōu)異的材料形成的絕緣膜。 該膜通過濺射方法制成，并且厚度為30nm。
柵電極5由TaN膜制成。該膜通過濺射方法形成，并且厚度為 30nm。
如圖11B所示，通過光刻技術(shù)在柵電極上形成抗蝕圖案，然后， 通過干蝕刻方法依次處理柵電極5、絕緣層4和絕緣層3。
作為這種情況下的處理氣體，由于絕緣層3和4以及柵電極5是 如上所述產(chǎn)生氟化物的材料，因此使用CF4氣體。使用氣體執(zhí)行RIE， 使得在蝕刻了絕緣層3和4以及柵極材料5之后，相對于基板的水平
19表面形成約80度的角度。
在去除了抗蝕劑之后，如圖IIC所示，使用BHF通過蝕刻方法 蝕刻絕緣層4，以在絕緣層3和4的絕緣構(gòu)件中形成約70nm深的凹 部。
如圖12A所示，在柵電極5上形成分離層12。 形成分離層12,從而通過電解電鍍使得TaN柵電極以電解方式 淀積Ni。
如圖12B所示，使得陰極材料鉬(Mo)粘附到絕緣構(gòu)件的外表 面和凹部的內(nèi)表面(絕緣層3的上表面)上，以形成陰極6A。順便說 一句，這時，使得陰極材料(6B)也粘附到柵電極上。在本實施例中， 使用EB汽相淀積方法作為膜形成方法。在該形成方法中，相對于基 板的水平表面，基板的角度被設(shè)為60度，使得陰極材料(陰極膜)進 入凹部約35nm。由此，Mo以60度的角度被射到柵極上，并以40度 的角度被射到作為形成臺階的絕緣材料的一部分的絕緣層3的被RIE 處理過的外表面上。汽相淀積速度被設(shè)定為約12nm/分鐘。汽相淀積 時間被精確控制(在本例子中為2.5分鐘)，使得絕緣構(gòu)件的外表面 上的Mo的厚度為30nm，陰極膜進入凹部的量(x)為35nm，并且 凹部的內(nèi)表面(絕緣層3的上表面)與作為電子發(fā)射部分的陰極的突 起部分所成的角度為120度。
在形成Mo膜之后，通過使用由碘和碘化鉀制成的蝕刻液去除在 柵電極5上淀積的Ni的分離層，由此使得柵電極上的Mo材料6B與 柵極分離。
在分離之后，通過光刻技術(shù)形成抗蝕圖案，使得陰極6A的寬度 T4 (圖3)可以為100|nm。
然后，使用干蝕刻方法處理鉬的陰極6A。作為這種情況下的處理 氣體，由于被用作導(dǎo)電材料的鉬是產(chǎn)生氟化物的材料，因此使用CF4 氣體(參照圖12C)。由此，形成了具有沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣布 置的突起部分的條形陰極6A。在本實施例中，陰極6A的寬度與突起 部分的寬度一致，并且寬度T4也指的是突起部分的寬度。順便說一句，突起部分的寬度指的是突起部分在沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣的方 向上的長度。
截面TEM分析表明，圖1A、圖1B和圖1C中，作為發(fā)射部分 的陰極的突起部分與柵極之間的最短距離8為9nm。
如圖12D所示，形成電極2。銅(Cu);敗用于電極2。通過'減射 法形成電極2，該電極2的厚度為500nm。
在通過上述方法形成了電子發(fā)射器件之后，用圖2所示的配置評 估電子源的特性。
圖2示出在測量本發(fā)明的器件的電子發(fā)射特性時的電源的布置。 其中，在柵電極5和電極2之間施加電壓Vf，此時器件電流If流過， 在電極2和陽極20之間施加電壓Va，并且電子發(fā)射電流Ie流過。
作為該配置的特性的評估結(jié)果，柵電極5的電勢被取為26V,并 且通過電極2將陰極6A的電勢固定為0V，由此在柵電極和陰極6A 之間施加26V的驅(qū)動電壓。作為結(jié)果，獲得平均電子發(fā)射電流Ie為 1.5iuA并且平均效率為17%的電子發(fā)射器件。
器件的陰極部分的截面TEM觀察示出了圖IO所示的配置。在圖 10中，提取了以下參數(shù)eA = 75°， 9B = 80°， x = 35nm, h = 29nm， Dx-llnm以及d-9nm。凹部的內(nèi)表面(絕緣層3的上表面)與作為 電子發(fā)射部分的陰極的突起部分所成的角度為125度。如該配置所示， 使作為電子發(fā)射部分的陰極的突起部分進入凹部，以使導(dǎo)電層的突起 部分與凹部的內(nèi)表面接觸。這提高了熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，以實現(xiàn) 這樣一種優(yōu)異的電子發(fā)射器件該電子發(fā)射器件的電流Ie的變化(減 小)小至約3%，并且即使該器件被連續(xù)驅(qū)動仍穩(wěn)定操作。如該配置 (圖10)所示，陰極的突起部分的在凹部側(cè)的部分相對于從與絕緣層 的凹部相對的柵電極部分的表面(柵電極的下表面)延伸的法線傾斜
(特別是在電子發(fā)射部分的附近)，由此形成從尖端發(fā)射的電子容易 跳躍到凹部外部以增大電子發(fā)射效率的電勢分布。 第二實施例
圖13A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖。圖13B是沿圖13A的線A-A所取的截面。圖13C是從圖13A中的箭頭 所指示的方向觀察該器件時的側(cè)視圖。
在圖13A、圖13B和圖13C中，絕緣層3和4形成絕緣構(gòu)件，并 在基板l的表面上形成臺階。柵電極5位于絕緣構(gòu)件的外表面(絕緣 層4的上表面)上。條形陰極60A1 60A4與電極2電連接，并被設(shè)置 在作為形成臺階的絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3的外表面上。凹陷部 分7被形成為使得絕緣層4的側(cè)面向內(nèi)縮回，以相對于作為絕緣構(gòu)件 的一部分的絕緣層3的外表面(側(cè)面)和柵電極5的側(cè)面凹進。雖然 在圖13A、圖13B和圖13C中沒有示出，但是在陰極60A1 60A4和 柵電極5之上設(shè)置有陽電極(參照圖2中的附圖標記20)，該陽電極 被固定到比施加到上述組件的電勢更高的電勢，并且與這些組件相對 地布置。間隙8表示陰極60A1 60A4的突起部分的尖端與柵電極5的 底面(與凹部相對的部分)之間的最短距離，在間隙8之間形成發(fā)射
電子所需要的電場。
由于第二實施例的制造方法與第 一 實施例的制造方法基本上相
同，因此，以下僅描述其與第一實施例的不同點。
如在圖12B中的6B所示，使得作為形成電子發(fā)射部分的陰極材 料的鉬(Mo)也被粘附到柵電極上。在本實施例中，使用EB汽相淀 積方法作為膜形成方法。在該膜形成方法中，基板的角度被設(shè)為80 度。由此，Mo以80度的角度被射到柵電極的上部上，并以20度的 角度被射到作為形成臺階的絕緣材料的一部分的絕緣層3的被RIE處 理過的外表面上。汽相淀積速度被設(shè)定為約10nm/分鐘。精確控制兩 分鐘的汽相淀積時間，使得絕緣構(gòu)件的外表面上的Mo的厚度為 20nm，進入凹部的陰極膜的量為14nm，并且凹部的內(nèi)表面(絕緣層 3的上表面)與陰極所成的角度為100度。
在形成Mo膜之后，通過使用由碘和碘化鉀制成的蝕刻液去除在 柵電極5上淀積的Ni的分離層，由此使得粘附到柵極上的Mo材料 6B與柵極分離。
在分離之后，通過光刻技術(shù)形成抗蝕圖案，使得陰極60A1 60A4的寬度T4 (圖3)可以具有3pm的輯和空間(line-and-space )。然
分的突起部分的陰極60A1 60A4處理成條形。作為這種情況下的處理 氣體，由于被用作形成用作電子發(fā)射部分的突起部分的導(dǎo)電材料的鉬 是產(chǎn)生氟化物的材料，因此使用CF4氣體。
截面TEM分析表明，圖13B中的陰極的突起部分與柵極之間的 最短距離8平均為8.5nm。
在通過上述方法形成了電子發(fā)射器件之后，用圖2所示的配置評 估了電子源的特性。
作為該配置的特性評估的結(jié)果，柵電極5的電勢被取為26V，并 且通過電極2將陰極60A1 60A4的電勢固定為0V，由此在柵電極5 和陰極60A1 60A4之間施加26V的驅(qū)動電壓。作為結(jié)果，提供了平 均電子發(fā)射電流Ie為6.2|aA并且平均效率為17%的器件。并且，在 該配置中，如上述的第一實施例的情況那樣，也使得陰極膜進入形成 臺階的絕緣構(gòu)件的凹部，以使陰極與凹部的內(nèi)表面接觸。這提高了熱 穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，以實現(xiàn)這樣一種優(yōu)異的電子發(fā)射器件該電子 發(fā)射器件的電流Ie的變化(減小)小至約5%，并且即使該器件被連 續(xù)驅(qū)動仍穩(wěn)定操作。
在本實施例的配置中， 一個電子發(fā)射器件包含多個陰極，每個陰 極具有電子發(fā)射部分并且為條形，由此電子發(fā)射電流根據(jù)條形陰極的 數(shù)量而增大。
通過相同的制造方法，使條形陰極的線和空間被取為0.5nm，并 且條形陰極的數(shù)量增加到IOO倍，由此獲得的電子發(fā)射量增大到約100 倍。另外，具有包含多個條形導(dǎo)電層的電子發(fā)射器件的本發(fā)明可提供 這樣的電子束源該電子束源的電子束與常規(guī)電子發(fā)射器件中的電子 束相比其形狀被進一步精制。換句話說，本發(fā)明可消除類似于在常規(guī) 的電子發(fā)射器件中出現(xiàn)的由于電子發(fā)射點的不特定而導(dǎo)致的電子束形 狀控制困難，并且提供了這樣的電子束源，即僅通過控制條形陰極的 布局使該電子束源的電子束的形狀精制。
23第三實施例
圖14A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖。圖 14B是沿圖14A的線A-A所取的截面。圖14C是從圖14A中的箭頭 所指示的方向觀察該器件時的側(cè)視圖。
在圖14A、圖14B和圖14C中，絕緣層3和4形成絕緣構(gòu)件，并 在基板l的表面上形成臺階。柵電極5位于絕緣構(gòu)件的外表面上(形 成絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層4上)。條形電極6A由導(dǎo)電材料形成， 與電極2電連接，并被設(shè)置在作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3的外 表面上。柵電極的突出(humped)部分6B由與用于形成電子發(fā)射部 分的陰極的材料相同的材料形成，并與柵電極連接。順便說一句，突 出部分6B形成在柵電極5的上表面和側(cè)面上。凹陷部分7被形成為 使得絕緣層4的側(cè)面向內(nèi)縮回，以相對于作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕 緣層3的外表面(側(cè)面)和柵電極5的側(cè)面凹進。雖然在圖14A、圖 14B和圖14C中沒有示出，但是在陰極6A和柵電極5之上設(shè)置有陽 電極(參照圖2中的附圖標記20)，該陽電極被固定到比施加到上述 組件的電勢更高的電勢，并且與這些組件相對地布置。間隙8表示陰 極6A的突起部分的尖端與柵電極5的底面(與凹部相對的部分)之 間的最短距離，在該間隙8之間形成發(fā)射電子所需要的電場。圖15 是圖14A、圖14B和圖14C中的器件的發(fā)射部分的附近的鳥瞰放大圖。
以下，參照圖16和17描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的電子發(fā)射器件 的制造方法的例子。圖16和17是分階段地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例 的電子發(fā)射器件的制造過程的示意圖。
基板l是用于機械支撐器件的基板，并且在本實施例中使用為等 離子顯示器開發(fā)的作為低鈉玻璃的PD200。
首先，如圖16A所示，在基板1上層疊絕緣層3和4以及柵電極5。
絕緣層3是由可加工性優(yōu)異的材料制成的絕緣膜。通過濺射法形 成SiN ( SixNy)膜，并且該SiN膜的厚度為500nm。
絕緣層4由SK)2制成，其是由可加工性優(yōu)異的材料形成的絕緣膜。該膜通過濺射法制成，并且厚度為40nm。
柵電極5由TaN制成。該膜通過濺射法形成，并且厚度為40nm。
如圖16B所示，通過光刻技術(shù)在柵電極上形成抗蝕圖案，然后， 通過干蝕刻方法依次處理柵電極5、絕緣層4和絕緣層3。
作為這種情況下的處理氣體，由于絕緣層3和4以及柵電極5由 如上所述的產(chǎn)生氟化物的材料形成，因此使用CF4氣體。使用氣體執(zhí) 行RIE,使得在蝕刻了形成絕緣構(gòu)件的絕緣層3和4以及柵極材料5 之后，相對于基板的水平表面形成約80度的角度。
在去除抗蝕劑之后，如圖16C所示，使用BHF通過蝕刻方法蝕 刻作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層4，以在絕緣層3和4的絕緣構(gòu)件 中形成約100nm深的凹部。
如第二實施例的情況那樣，如圖17A所示，使得作為形成電子發(fā) 射部分的陰極材料的鉬(Mo)也粘附到柵電極上。在本實施例中，使 用EB汽相淀積方法作為膜形成方法。在該形成方法中，基板的角度 被設(shè)為60度。由此，Mo以60度的角度被射到柵極的上部上，并以 40度的角度被射到作為絕緣材料的一部分的絕緣層3的被RIE處理過 的外表面上。在約10nm/分鐘的速度下執(zhí)行4分鐘的汽相淀積。
汽相淀積時間被精確控制，使得絕緣構(gòu)件的外表面上的Mo的厚 度為40nm，進入凹部的陰極的量為33nm，并且由凹部的內(nèi)表面(絕 緣層3的上表面)與作為電子發(fā)射部分的陰極所成的角度為120度。
通過光刻技術(shù)形成抗蝕圖案，使得導(dǎo)電層6A的寬度T4可以為 600nm，并且柵極的突出部分6B的寬度T7可以比寬度T4小約30nm。 順便說一句，柵極的突出部分6B的寬度T7由在柵電極5上的抗蝕圖 案的錐形形狀控制。此后，通過干蝕刻方法處理鉬陰極6A和柵極的 突出部分6B。作為這種情況下的處理氣體，由于被用作用于陰極的突 起部分和柵極的突出部分的材料的鉬是產(chǎn)生氟化物的材料，因此使用 CF4氣體。由此，將包含沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣的用作電子發(fā)射部 分的突起部分的陰極6A和與突起部分相對布置的柵電極5的突出部 分6B處理成條形。截面TEM分析表明，圖14B中的陰極的突起部分和柵極的突出 部分之間的最短距離8為15nm。
如圖17B所示，形成電極2。銅(Cu);故用于電極2。電極2通 過濺射法形成，并且厚度為500nm。
在通過上述方法形成器件之后，用圖2所示的配置評估了電子源 的特性。
作為該配置的特性評估的結(jié)果，柵電極5和突出部分6B的電勢 被取為35V，并且陰極6A的電勢通過電極2被固定為0V，由此在柵 電極和陰極6A之間施加35V的驅(qū)動電壓。作為結(jié)果，獲得平均電子 發(fā)射電流Ie為1.5|aA并且平均效率為20%的器件。如以上的其它實 施例的情況那樣，同樣在本配置中，陰極進入絕緣構(gòu)件的凹部以使陰 極與凹部的內(nèi)表面接觸也提高了熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。結(jié)果，獲得 這樣一種優(yōu)異的電子發(fā)射器件該電子發(fā)射器件的電流Ie的變化(減 小)小至約4%,并且即使該器件被連續(xù)驅(qū)動仍穩(wěn)定操作。
以下通過使用圖15簡要描述本實施例的電子發(fā)射器件的特性。除 了在電極5上設(shè)置突出部分6B并且突出部分6B的寬度被取為T7以 外，圖15與圖3相同。換句話說，T7是在沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣 的方向上的長度。
在圖15中，從作為電子發(fā)射部分的陰極的突起部分的端部發(fā)射的 電子部分地與柵電極5以及和該端部相對的柵極的突出部分6B碰撞， 并且部分被引到外部而沒有發(fā)生碰撞。與柵電極的突出部分6B碰撞 的電子與表面元件6B1和6B2碰撞。與表面元件6B1和6B2碰撞的 電子均被各向同性地散射。對在電子在表面元件6B1和6B2上散射的 情況下從電子軌道逸出的電子的數(shù)量進行計數(shù)，其表明表面元件6B1 上的逸出概率比表面元件6B2上的逸出概率高。出于這種原因，分析 發(fā)現(xiàn)，作為陰極6A的電子發(fā)射部分的突起部分的寬度T4與柵電極的 突出部分的寬度T7之間的關(guān)系固定為T4》T7，以使效率提高百分之 幾到百分之幾十。當T4和T7之間的差值為作為絕緣層4的高度的 T2的兩倍或更多倍時，尤其地提高效率。如上所述，突起部分的寬度
26(T4)是在沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣的方向上測量的導(dǎo)電層6A的突 起部分的長度。類似地，突出部分的寬度(T7)是在沿絕緣構(gòu)件的凹 部的邊緣的方向上測量的柵電極5的突出部分6B的長度。 第四實施例
圖18A是根據(jù)本發(fā)明的該實施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖。 圖18B是沿圖18A的線A-A所取的截面。圖18C是從圖18A中的箭 頭所指示的方向觀察器件時的側(cè)視圖。
在圖18A、圖18B和圖18C中，絕緣層3和4形成絕緣構(gòu)件，并 在基板l的表面上形成臺階。柵電極5位于絕緣構(gòu)件的外表面(形成 絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層4的上表面)上。條形陰極60A1-60A4 與電極2電連接，并被設(shè)置在作為絕緣構(gòu)件的一部分的絕緣層3的外 表面上。條形突出部分60B1 60B4由導(dǎo)電材料形成并與柵電極電連 接。突出部分60B1 60B4為柵電極5的上表面和側(cè)面。凹陷部分7被 形成為使得絕緣層4的側(cè)面向內(nèi)縮回，以相對于作為絕緣構(gòu)件的一部 分的絕緣層3的外表面(側(cè)面)和柵電極5的側(cè)面凹進。雖然在圖18A、 圖18B和圖18C中沒有示出，但是在陰極60A1 60A4和柵電極5之 上設(shè)置有陽電極，該陽電極被固定到比施加到上述組件上的電勢高的 電勢并且與這些組件相對地布置(參照圖2中的附圖標記20)。間隙 8表示陰極60A1 60A4的突起部分的尖端和柵電極的突出部分 60B1 60B4的底面(與凹部相對的部分)之間的最短距離，在該間隙 8之間形成發(fā)射電子所需要的電場。
由于第四實施例的制造方法與第三實施例的制造方法基本上相 同，因此，以下僅描述其與第三實施例的不同點。
如圖17B所示，使得作為形成電子發(fā)射部分的陰極材料的鉬(Mo ) 也粘附到柵電極上。在本實施例中，使用濺射汽相淀積方法作為膜形 成方法。在該膜形成方法中，相對于濺射靶，基板的角度被設(shè)為水平。 在濺射膜形成過程中，在O,lPa的真空中產(chǎn)生氬等離子體，并且基板 被放置為使得基板和Mo靶之間的距離為60mm或更小(O.lPa下的 平均自由行程)，使得濺射微粒以有限角度被射到基板表面上。在lOnm/分鐘的汽相淀積速率下形成鉬膜，使得在作為絕緣構(gòu)件的一部 分的絕緣層3的外表面上的Mo膜的厚度可以為20nm。此時，形成鉬 膜，使得進入凹部的陰極的量可以為40nm，并且，由凹部的內(nèi)表面 (絕緣層3的上表面)與作為電子發(fā)射部分的陰極的突起部分所成的 角度可以為150度。
在形成鉬膜之后，通過光刻技術(shù)形成抗蝕圖案，使得陰極 60A1 60A4的寬度T4 (圖15)可具有3jim的線和空間。
然后，通過干蝕刻方法處理鉬陰極60A1 60A4和柵電極的突出部 分60B1 60B4。作為這種情況下的處理氣體，由于被用作用于陰極的 突起部分和柵電極的突出部分的材料的鉬是產(chǎn)生氟化物的材料，因此 使用CF4氣體。由此，將包含沿絕緣構(gòu)件的凹部的邊緣的用作電子發(fā) 射部分的突起部分的陰極60A1 60A4以及與突起部分相對布置的柵 電極5的突出部分60B1 60B4處理成條形。完成的陰極的突起部分和 柵電極的突出部分的寬度測量表明，柵極的突出部分60B1 60B4的寬 度T7比形成電子發(fā)射部分的導(dǎo)電層60A1-60A4的寬度T4小約 10nm 30nm。如以上的實施例的情況那樣，由于陰極被處理成條形， 因此寬度T4也是突起部分的寬度。順便說一句，突起部分的寬度指
度。類似地 柵電極的^出部分的寬i指的是在沿絕緣構(gòu)件"凹部的
方向上的長度。
截面TEM分析表明，圖18B中的作為電子發(fā)射部分的陰極的突 起部分和柵電極的突出部分之間的最短距離8平均為8.5nm。
在本實施例中，如其它實施例的情況那樣，也使得用作電子發(fā)射 部分的陰極的突起部分進入絕緣構(gòu)件的凹部，以使陰極的突起部分與 凹部的內(nèi)表面接觸。這提高了熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，以實現(xiàn)這樣一 種優(yōu)異的電子發(fā)射器件該電子發(fā)射器件的電流Ie的變化(減小)小 至約3%，并且即使該器件被連續(xù)驅(qū)動仍穩(wěn)定操作。此外，如第二實 施例的情況那樣，包含多個條形陰極的單個電子發(fā)射器件可提供這樣 的電子束源，即該電子束源的電子束形狀與常規(guī)電子發(fā)射器件相比被
28進一步精制。換句話說，可以提供這樣的電子發(fā)射器件，該電子發(fā)射 器件消除了如在常規(guī)電子發(fā)射器件中出現(xiàn)的由于電子發(fā)射點的不特定 而導(dǎo)致的電子束形狀控制困難，并且僅通過控制條形陰極的布局來發(fā)
射形狀被精制的電子束。更進一步地，突出部分60B被設(shè)置在柵極上， 并且使得該突出部分60B的寬度(T7 )不大于具有電子發(fā)射部分的陰 極60A的寬度(T4),希望使得該寬度T7小于該寬度T4，由此使得 能夠形成更高效的電子束源。
通過使用以上的第二和第四實施例中的電子束裝置形成上述的圖 像顯示裝置，以使得能夠提供電子束形成優(yōu)異的顯示裝置，由此實現(xiàn) 顯示圖像優(yōu)異的顯示裝置。
在所有以上的實施例中，可希望與絕緣構(gòu)件的凹部相對的柵電極 5的部分(柵電極的下表面)被涂敷有絕緣層。在從電子發(fā)射部分(導(dǎo) 電層的突起部分的尖端)發(fā)射的電子當中，照射柵極的下表面的電子 沒有到達陽極，導(dǎo)致效率降低(上述的電流If分量)。用絕緣層覆蓋 柵電極的下表面使得能夠減小電流If，提高效率。作為涂敷有與絕緣 構(gòu)件的凹部相對的柵電極5的該部分(柵電極的下表面)的絕緣層， 例如，可以使用厚度為約20nm的SiN膜，已確認該配置可產(chǎn)生充分 的提高效率的效果。
使用這樣配置的電子束裝置的圖像顯示裝置也可如前述的圖像顯 示裝置的情況那樣提供電子束形成優(yōu)異的顯示裝置，并使得能夠?qū)崿F(xiàn) 由于效率的提高而使得顯示圖像優(yōu)異并且功耗低的顯示裝置。
雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限 于公開的示例性實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋 以包含所有的這些變型方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種電子束裝置，包括絕緣構(gòu)件，在該絕緣構(gòu)件的表面上具有凹部；陰極，具有從絕緣構(gòu)件的外表面向凹部的內(nèi)表面延伸的突起部分；柵極，與所述突起部分相對地被設(shè)置在所述絕緣構(gòu)件的外表面上；以及陽極，與所述突起部分相對地被設(shè)置，以使得柵極被布置在陽極和突起部分之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的電子束裝置，其中，所述突起部分以大于 90度的角度與所述凹部的內(nèi)表面接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的電子束裝置，其中，所述突起部分沿所述凹 部的邊緣布置，所述柵極具有與所述突起部分相對地布置的突出部分，部分的在沿所述凹部的邊緣的方向上的長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的電子束裝置，其中，所述突起部分在所述凹 部的側(cè)面具有這樣的部分，即該部分被成形為從與所述凹部相對的所 述柵極的一部分的表面的法線傾斜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的電子束裝置，其中，設(shè)置多個陰極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的電子束裝置，其中，所述柵極在與所述凹部 相對的 一部分上被覆蓋有絕緣層。
7. —種圖像顯示裝置，包括 根據(jù)權(quán)利要求l的電子束裝置；以及 被設(shè)置在所述陽極上的發(fā)光構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型電子束裝置以及使用電子束裝置的圖像顯示裝置，所述電子束裝置改善電子發(fā)射特性的不穩(wěn)定性并提供了高效電子發(fā)射特性。該電子束裝置包括表面上具有凹部的絕緣構(gòu)件；陰極，具有在絕緣構(gòu)件的外表面和凹部的內(nèi)表面上延伸的突起部分；柵極，與突起部分相對地被設(shè)置在絕緣構(gòu)件的外表面上；以及通過柵極與突起部分相對布置的陽極。
文檔編號H01J31/12GK101556892SQ20091013352
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月10日
發(fā)明者冢本健夫, 洼田央一 申請人:佳能株式會社