專利名稱：電子束設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子束設(shè)備，其具有發(fā)射電子的電子發(fā)射裝置， 該電子束設(shè)備用于平板顯示器。
背景技術(shù)：
常規(guī)地，存在這樣的電子發(fā)射裝置，其中從陰極發(fā)射的電子中相
當(dāng)大百分比的電子與相對的柵極(gate)相碰撞，碰撞的電子被散射， 然后散射的電子被提取作為所述電子。作為用如上所述的這種方式發(fā) 射電子的裝置，已知表面?zhèn)鲗?dǎo)型電子發(fā)射裝置和層疊型電子發(fā)射裝 置。例如，日本專利申請?zhí)亻_No.H09-330646和日本專利申請?zhí)亻_ No.2001-229809 (對應(yīng)于美國專利申請^〉開No.2001/0019247 )分別/> 開了層疊型電子發(fā)射裝置。
然而，關(guān)于分別在日本專利申請?zhí)亻_No.H09-330646和 2001-229809中公開的電子發(fā)射裝置，期望在電子發(fā)射效率方面的進(jìn) 一步改善。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種包括高效率的電子發(fā)射裝置的電子束設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種電子束設(shè)備，其包括絕緣組 件，在其表面上具有凹部；陰極，其被布置為跨該絕緣組件的外表面 和該凹部的內(nèi)表面；柵極，其布置得與該絕緣組件的外表面上的陰極 相對；和陽極，其布置得與陰極相對，使得該柵極布置在該陽極和該 陰極之間，其中布置在該凹部的內(nèi)表面上的陰極的部分的表面與下迷 的虛平面之間的角度0滿足表達(dá)式(1)，該虛平面的法線是陰極和柵極相互相對的凹部的區(qū)域中連接陰極和柵極的各個(gè)開口側(cè)端部的 線，
e ^ 15 x (h2/d)05 + (230 x Vf06 - 35)…(1) (0° < 0 < 90。)
其中d:在陰極和柵極相互相對的凹部的區(qū)域中陰極和柵極之間 的最短距離[nm，h2:在與最短距離平行的方向上柵極的側(cè)組件的高 度[nm，和Vf:驅(qū)動(dòng)電壓[V。
才艮據(jù)本發(fā)明，由于在電子發(fā)射時(shí)在遠(yuǎn)離柵極的方向上的力變大， 所以電子容易飛遠(yuǎn)，因此電子不被柵極吸收，由此能夠獲得高的電子 發(fā)射效率。
從參考附圖的示范性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征 將變得顯而易見。
圖1A和1B是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子束設(shè)備中 的電子發(fā)射裝置的構(gòu)造的圖。
圖2是放大了圖1B中示出的電子發(fā)射裝置的凹部及其周圍的示 意截面圖。
圖3 ^示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子束設(shè)備的構(gòu)造的圖。
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)高效率電子發(fā)射的說明圖。 圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)高效率電子發(fā)射的說明圖。 圖6是本發(fā)明中的電子發(fā)射效率的臨界點(diǎn)的說明圖。 圖7是本發(fā)明中的電子發(fā)射效率的臨界點(diǎn)的說明圖。 圖8A、 8B和8C是示出本發(fā)明的電子發(fā)射裝置的應(yīng)用實(shí)例的圖。 圖9是示出本發(fā)明的電子發(fā)射裝置的應(yīng)用實(shí)例的圖。 圖IOA和IOB是示出本發(fā)明的電子發(fā)射裝置的應(yīng)用實(shí)例的圖。 圖IIA和IIB是示出本發(fā)明中的其它電子發(fā)射裝置的基本組成 部分的平面圖。圖12A、 12B、 12C、 12D和12E是示出本發(fā)明的電子發(fā)射裝置 的制造方法的過程的圖。
圖13A、 13B、 13C、 13D和13E是示出在本發(fā)明的實(shí)例中電子 發(fā)射裝置的制造過程的圖。
圖14是本發(fā)明的實(shí)例中的電子發(fā)射裝置的透視圖。
圖15是本發(fā)明的實(shí)例中的電子發(fā)射裝置的凹部的周圍的截面圖。
圖16是示出本發(fā)明的比較實(shí)例中的電子發(fā)射裝置的構(gòu)造的圖。 圖17是示出本發(fā)明的比較實(shí)例中的電子束設(shè)備的構(gòu)造的圖。 圖18是本發(fā)明的比較實(shí)例中的電子發(fā)射裝置的凹部的周圍的截面圖。
圖19A和19B是表示本發(fā)明的實(shí)例中電子發(fā)射裝置的h2/d比率、
角e和電子發(fā)射效率之間關(guān)系的圖。
圖20是表示本發(fā)明的實(shí)例中的電子發(fā)射裝置的電壓Vf、角e和 電子發(fā)射效率之間關(guān)系的圖。
圖21A、 21B、 21C、 21D、 21E和21F是示出本發(fā)明的比較實(shí)例 中的電子發(fā)射裝置的制造過程的圖。
圖22A、 22B和22C是示出本發(fā)明的比較實(shí)例中的電子發(fā)射裝置 的制造過程的圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例。然而，關(guān)于 該實(shí)施例中描述的構(gòu)成部件的尺寸、材料和形狀及其相對布置，只要 沒有給出具體的描述，本發(fā)明的范圍就不僅僅限于這些因素。
本發(fā)明的電子束設(shè)備具有用于發(fā)射電子的電子發(fā)射裝置和由電 子發(fā)射裝置發(fā)射的電子所到達(dá)的陽極，并且通過在陽極的外側(cè)上進(jìn)一 步布置發(fā)光組件例如熒光體組成圖像顯示設(shè)備。
圖1A和1B是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子束設(shè)備中 電子發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)的圖。更具體地，圖1A是示意平面圖，而圖1B是沿著圖1A中的線1B-1B的示意截面圖。在圖1A和IB中，示 出了襯底l、電極2、由絕緣層3a和3b構(gòu)成的絕緣組件3、柵極5、 由導(dǎo)電材料形成的要與電極2電連接的陰極6和提供在絕緣組件3上 的凹部7。陰極6布置為跨作為絕緣組件3的外表面的側(cè)壁表面和凹 部7的內(nèi)表面。在柵極5上提供突出部8，其由與陰極6的材料相同 的材料構(gòu)成。而且，突出部8和柵極5—起用作柵極。在這種結(jié)構(gòu)中， 陰極6的表面設(shè)定為提取電子的電壓的低電位側(cè)，而突出部8設(shè)定為 高電位側(cè)。在本實(shí)例中，突出部8也是柵極的一部分，并且也可以通 過將突出部8與柵極5結(jié)合，稱為柵極。然而，在本實(shí)例中，為了方 便，通過將突出部8和柵極5結(jié)合，稱為高電位側(cè)結(jié)構(gòu)。
圖2是圖1B中示出的凹部7及其周圍的放大圖。如圖2所示， 凹部7至少由低電位表面28、高電位表面27和絕緣層3b的側(cè)表面組 成，并且低電位表面28和高電位表面27對應(yīng)于保持陰極6和高電位 側(cè)結(jié)構(gòu)彼此相對的區(qū)域。這里，假設(shè)把高電位側(cè)結(jié)構(gòu)的高電位表面27 的凹部7的開口側(cè)端部表示為B,以及把陰極6的低電位表面28的 凹部7的開口側(cè)端部表示為A。在圖2中，盡管把高電位表面27限 制在柵極5之內(nèi)，但在本發(fā)明中，還存在高電位表面27延伸到突出 部8—側(cè)以及端部B設(shè)置在突出部8上的情況。
低電位表面28是在凹部7內(nèi)定義低電位的表面。高電位表面27 是在凹部7內(nèi)定義高電位的表面。在低電位表面28或高電位表面27 是凸凹面的情況下，把通過連接凸凹部分的各個(gè)最上表面獲得的曲面 看作低電位表面28或高電位表面27。通常，凸凹部分的不均勻度在 大約幾納米(nm)的范圍內(nèi)。
在圖2中，把低電位表面28和高電位表面27之間的最短距離看 作凹部7中的間隙d。關(guān)于凹部7中的間隙d，在低電位表面28或高 電位表面27上存在突起的情況下，把包括突起時(shí)的距離看作最短距 離。在平行于間隙d的方向上的柵極側(cè)組件的高度由參考符號h2表 示，其對應(yīng)于本實(shí)例中包括柵極5和突出部8的高電位側(cè)結(jié)構(gòu)的高度。 高電位側(cè)組件可以如同本實(shí)例中那樣定義電位或者可以不定義電位，
6象絕緣體那樣。
陰極6的側(cè)表面29表示在凹部7的外側(cè)的沿著絕緣組件3的外 表面(也就是說，本實(shí)例中的絕緣層3a的外表面)的低電位側(cè)定義 電位的表面。而且，突出部8的側(cè)表面30表示在由高度h2表示的范 圍內(nèi)在凹部7的外側(cè)的沿著高電位側(cè)結(jié)構(gòu)(柵極5和突出部8)定義 電位的表面。在低電位側(cè)的側(cè)表面29或在高電位側(cè)的側(cè)表面30具有 凸凹部分的情況下，把通過連接凸凹部分的各個(gè)最上表面獲得的曲面 看作低電位表面的側(cè)表面29或高電位表面的側(cè)表面30。通常，凸凹 部分的不均勻度在大約幾納米(nm)的范圍內(nèi)。在圖2中，假設(shè)在高 電位側(cè)的側(cè)表面30和高電位表面27之間連接的傾斜區(qū)域被包括在側(cè) 表面30中，以及在低電位側(cè)的側(cè)表面29和低電位表面28之間連接 的傾斜區(qū)域被包括在側(cè)表面29中。因此，點(diǎn)A是陰極6的低電位表 面28和側(cè)表面29的交點(diǎn)，而點(diǎn)B是高電位側(cè)結(jié)構(gòu)的高電位表面27 和側(cè)表面30的交點(diǎn)。
把連接點(diǎn)A與點(diǎn)B的線段AB看作凹部7的入口 (gateway)。 在本發(fā)明中，構(gòu)造成如下在低電位表面28從凹部7的入口更深地 前進(jìn)到內(nèi)部時(shí)，對于線段AB作為其法線的虛平面，低電位表面28 變得傾斜向高電位側(cè)。另外，形成在低電位表面28和上述虛平面之 間的角(低電位表面28的傾斜角)0在0。<0<90°的范圍內(nèi)。
圖3表示具有圖1A和1B中所示的電子發(fā)射裝置的本發(fā)明的電 子束設(shè)備的電源布置。這里，在突出部8和陰極6之間施加電壓Vf。 裝置電流If在突出部8和陰極6之間流動(dòng)。在陰極6和陽極20之間 施加電壓Va。電子發(fā)射電流Ie在陰極6和陽極20之間流動(dòng)。如圖3 所示，在本發(fā)明的電子束設(shè)備中，陽極20被布置在離柵極5具有預(yù) 定距離(離襯底1的距離H)的通過柵極5與陰極6相對的位置上。
這里，電子發(fā)射效率(n)通常通過利用在電壓施加到該裝置時(shí) 檢測的裝置電流(If)和將在真空空間中提取的電子發(fā)射電流(Ie) 由表達(dá)式ii = Ie/ (If+Ie)給出。
接下來，將通過利用圖4A和4B描述根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)高效率電子發(fā)射的效果。
電子發(fā)射效率的提高可以通過這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中在高電位側(cè)結(jié) 構(gòu)處的電子的散射數(shù)減少了。散射數(shù)減少實(shí)現(xiàn)高效率的事實(shí)取決于下 面的原因。
電子在被散射時(shí)，電子有時(shí)被吸收在作為導(dǎo)電組件的柵極5和突 出部8中。即使電子沒有僅被一次散射吸收，電子的能量通過重復(fù)散 射也逐漸失去了。結(jié)果，電子有時(shí)被吸收。也就是說，通過降低散射 的數(shù)目減少了導(dǎo)電組件中吸收的電子，并且更多的電子可以到達(dá)陽極 20。
圖4A表示凹部7中的低電位表面28設(shè)置為平行于村底1的表 面而構(gòu)造的電子發(fā)射裝置的截面圖。圖4B表示本發(fā)明的電子發(fā)射裝 置的截面圖。虛線ll和12分別表示電子發(fā)射裝置的每一個(gè)中發(fā)射的 電子的電子軌跡的示例。參考符號f表示電子從陰極6發(fā)射電子的位 置到電子首次散射的位置的飛行距離。在圖5A和5B中示出了圖4A 和4B中的凹部7的周圍的放大圖。在圖5A和5B中，每條虛線22 都是等勢線，且每個(gè)箭頭線25表示在電子發(fā)射位置24處將要施加到 電子上的力的方向。
如圖4A和圖5A所示，在低電位表面28平行于襯底1的表面的 情況下，在電子發(fā)射位置24處的等勢線22幾乎平行于線段AB作為 其法線的虛平面。然而，如圖4B和圖5B所示，當(dāng)使用本發(fā)明的構(gòu)造 時(shí)，在電子發(fā)射位置24的等勢線22對于線段AB作為其法線的虛平 面具有傾斜角0的角度。由于電子受到方向垂直于等勢線22的力， 所以在電子發(fā)射位置24將要施加到電子的力的方向變得根據(jù)低電位 表面28的傾斜角e而不同。
如由圖5A中的箭頭線25所示，在該構(gòu)造中，由于在電子發(fā)射 位置24處電子強(qiáng)烈地受到吸引到柵極5或突出部8的力，所以飛行 距離f變?yōu)槎叹嚯x。因此，在柵極5或突出部8處重復(fù)幾次散射(多 次散射)之后電子到達(dá)陽極20。
然而，如圖5B中的箭頭線25所示，在本發(fā)明的構(gòu)造中，在電子發(fā)射位置24處，影響使離柵極5或突出部8的距離增加的方向的 力變大，并且飛行距離f變成大的距離。因此，由于在柵極5和突出 部8處電子散射數(shù)目減少或電子在柵極5和突出部8處未被散射的情 形下電子到達(dá)陽極20的事實(shí)，可以獲得實(shí)現(xiàn)高效率的效果。
也就是說，如本發(fā)明那樣通過使得在從凹部7的入口更深地前進(jìn) 到內(nèi)部時(shí)，低電位表面28向高電位側(cè)傾斜，可以提高電子發(fā)射效率。
圖4B中的參考符號w表示定義凹部7中低電位表面28的從入 口到內(nèi)部方向的電位的距離。為了實(shí)現(xiàn)高效率，電子發(fā)射位置24周 圍的等勢線22必須對于線段AB作為其法線的虛平面具有傾斜角e。 為此，距離w需要一定程度的長度。優(yōu)選，距離w等于或長于10nm。
此外，在本發(fā)明中，臨界的效果可以通過下面的條件式獲得。
在本發(fā)明的構(gòu)造中，特性主要由傾斜角e、電壓Vf、凹部7中的 間隙d和柵極側(cè)組件的高度h2決定。由于上述原因，當(dāng)傾斜角e變 為較大的角度時(shí)，電子發(fā)射方向改變，并且飛行距離f變成較大的距 離。至于電壓Vf和間隙d，電子能量根據(jù)電壓Vf的增加或間隙d的 降低而增加，且飛行距離f變成較長的距離。
當(dāng)高度h2變得降低時(shí)，高電位側(cè)層疊體的厚度變成薄的厚度， 并且由于電子變得難以與高電位側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞，所以散射的數(shù)目減少。 由于高度h2變得小于從電子發(fā)射的位置到電子首次散射的位置的飛 行距離f的事實(shí)，也就是說，變?yōu)閔2<f的程度，所以電子到達(dá)陽極 20而沒有散射。另外，臨界的高效率效果可以通過構(gòu)造使得所有的電 子到達(dá)陽極而沒有散射來獲得。
在本構(gòu)造中，作為對散射的行為進(jìn)行詳細(xì)研究的結(jié)果，傾斜角e 可以由利用電壓Vf、間隙d和高度h2的函數(shù)表示。也就是說，變得 顯而易見的是，根據(jù)電子發(fā)射部分的周圍的形狀和驅(qū)動(dòng)條件的影響， 臨界地提高效率，并且存在電子散射變?yōu)?°/。的程度和電子發(fā)射效率 變?yōu)?00%的程度(If-0)的情形。
圖6是示意性地示出利用h2/d的比率和傾斜角e之間的關(guān)系臨 界地提高該效率的區(qū)域的圖。圖6中的近似曲線16是示意性地示出利用h2/d的比率和傾斜角0之間的關(guān)系的臨界點(diǎn)的近似曲線。如圖6 所示，當(dāng)h2/d的比率變小時(shí)，變?yōu)榕R界點(diǎn)所需要的傾斜角0也會(huì)變 小。這樣的結(jié)果是由于如上所述的在h2/d的比率變得更小時(shí)，飛行距 離f變?yōu)楦L距離，且實(shí)現(xiàn)高效率的事實(shí)引起的。
圖7是示意性地示出利用電壓Vf和傾斜角e之間的關(guān)系臨界地 提高該效率的區(qū)域的圖。圖7中的近似曲線17是示意性地示出利用
電壓Vf和傾斜角e之間的關(guān)系的臨界點(diǎn)的近似曲線。如圖7所示，
當(dāng)電壓vf變?yōu)楦唠妷簳r(shí)，變?yōu)榕R界點(diǎn)所需要的傾斜角e變小。該
結(jié)果是由于如上所述的在電壓Vf變?yōu)楦唠妷簳r(shí)，飛行距離f變?yōu)楦?br>
長距離，且實(shí)現(xiàn)高效率的事實(shí)引起的。
在圖6和7中，傾斜角e在大于近似曲線16或近似曲線17的范 圍內(nèi)的區(qū)域，也就是說，圖6和7每個(gè)的陰影區(qū)，表示該效率變得達(dá) 到100%的水平的區(qū)域。
為了該效率變得達(dá)到100%的水平的傾斜角e的條件可以通過利
用h2/d的比率和電壓Vf的以下表達(dá)式(1)來表示。
e 215 x ( h2/d) 05 + ( 230xVf -0.6 - 35 )... (1) 這里，傾斜角e的單位是度[。]，間隙d和高度h2的單位是nm，
以及電壓Vf的單位是[V。
將簡要說明本發(fā)明的各個(gè)操作和效果。
在本發(fā)明中，還可以考慮不同于本構(gòu)造的、滿足上述表達(dá)式(l) 且可以獲得電子發(fā)射效率達(dá)到100%的程度的電子發(fā)射裝置的一些構(gòu) 造。在圖8A、 8B和8C、圖9、圖IOA和10B以及圖IIA和11B中 將說明形狀的實(shí)例。
如圖8A至8C所示，由于凹部7中的高電位表面27對效率的影 響與低電位表面28相比較小，所以高電位表面27可以不與低電位表 面28的傾斜平行。盡管該構(gòu)造可以獲得與本發(fā)明的基本構(gòu)造類似的 效果，但更優(yōu)選當(dāng)從入口更深地前進(jìn)到內(nèi)部時(shí)高電位表面27也更加 向上傾斜，這是因?yàn)殡娮影l(fā)射位置可以形成在入口附近的位置上。
如圖9所示，制備柵極5和絕緣層3a之后的側(cè)表面23可以是傾斜的。該構(gòu)造可以獲得與本發(fā)明的基本構(gòu)造類似的效果。
如圖10A和10B所示，當(dāng)制備柵極5之后的柵極5的側(cè)表面更 加向上延伸時(shí)，該側(cè)表面可更加后退(recede)。如同圖10A和10B 中一樣，假設(shè)與凹部7的端部連接的線段的延長線和高電位表面的側(cè) 表面30之間形成的角為傾斜角ec。盡管傾斜角Gc沒有與高度h2 — 樣的足夠的效果，但由于當(dāng)傾斜角ec變?yōu)楦蠼嵌葧r(shí)，電子更難以與 高電位側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞，所以實(shí)現(xiàn)了高效率。
如圖11A和11B所示，在可以獲得本發(fā)明的效果的范圍內(nèi)，當(dāng) 制備柵極5之后的柵極5的側(cè)表面更加向上延伸時(shí)，該側(cè)表面可以更 加略微突出。如圖11A和llb所示，假設(shè)與凹部7的端部連接的線段 的延長線和高電位表面的側(cè)表面30之間形成的角度為傾斜角eD。由 于上述原因優(yōu)選傾斜角0d是小角度，且更優(yōu)選傾斜角0d等于或小于 50
接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射裝置的制造方法。
圖12A、 12B、 12C、 12D和12E是按順序指示出圖1A和1B中 示出的電子發(fā)射裝置的制造過程的示意圖。
襯底1是機(jī)械支撐該裝置的襯底，并且石英玻璃(silica glass )、 例如Na等雜質(zhì)含量減少的玻璃、鈉鈣玻璃和硅襯底優(yōu)選用作襯底1。 期望襯底1的功能能夠不僅具有高機(jī)械強(qiáng)度，而且能夠經(jīng)受住干法蝕 刻工藝、濕法蝕刻工藝和諸如液體顯影劑的堿或酸等。而且，在襯底 1用作諸如顯示面板的集成單元的情況下，期望襯底1相對沉積材料 或另一層疊組件具有小的熱膨脹差異。另外，期望使用特征為來自玻 璃內(nèi)部的堿性元素等在熱處理期間很難分散的材料作為襯底1。
(工藝1)
首先，如圖12A所示，在村底l上層疊絕緣層3a和3b。此時(shí)， 絕緣層3a的上表面通過噴砂方法等處理成向襯底1的表面傾斜的斜 面。然后，層疊絕緣層3b和柵極5。至于斜面形成方法，還可以通過 例如諸如蝕刻方法等的處理方法或根據(jù)絕緣層的多層結(jié)構(gòu)的形成方 法來形成斜面。絕緣層3a是由加工性優(yōu)良的材料構(gòu)成的絕緣膜，其例如是SiN (SixNy)或SK)2。至于形成方法，通過例如濺射方法等的常規(guī)真空沉 積法、CVD(化學(xué)汽相沉積)法或真空汽相沉積法形成絕緣層3a。絕 緣層3a的厚度設(shè)定在幾納米(nm)到幾十微米(pm)的范圍內(nèi)。優(yōu) 選地，該厚度選自幾十納米(nm)到幾百納米(nm)的范圍。
與絕緣層3a的情況類似，絕緣層3b是由加工性優(yōu)良的材料構(gòu)成 的絕緣膜，例如其是SiN (SixNy)或Si02。至于形成方法，絕緣層 3b由常規(guī)的真空沉積法形成，例如，CVD法、真空汽相沉積法或'濺 射法。絕緣層3b的厚度設(shè)定在5nm到500nm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，該 厚度選自5nm至50nm的范圍。在層疊了絕緣層3a和3b之后，由于 必須要形成凹部7，所以在絕緣層3a和絕緣層3b之間，對于用于間 隙的蝕刻，必須設(shè)定為具有不同的蝕刻量。優(yōu)選地，在絕緣層3a和 絕緣層3b之間，對于間隙，期望等于或大于10的比率作為選擇比率。 如果可能，更期望保持等于或大于50的比率。
例如，SixNy用于絕緣層3a。例如，絕緣層3b由如Si02等的絕 緣材料組成，或者可以由包含高濃度磷的PSG (磷硅酸鹽玻璃)膜或 包含高濃度硼的BSG (硼硅酸鹽玻璃)膜組成。
柵極5,其是導(dǎo)電組件，通過常規(guī)的真空沉積技術(shù)例如真空汽相 沉積法、濺射法等形成。
另外，期望該材料具有高熱導(dǎo)率和高熔點(diǎn)。例如，使用金屬Be、 Mg、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Al、 Cu、 Ni、 Cr、 Au、 Pt、或Pd等或由這些金屬中任意構(gòu)成的合金材料。另外，還可以使 用諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC、或WC等的碳化物，諸如Hffi2、 ZrB2、 LaB6、 CeB6、 YB4、或GdB4等的硼化物，諸如TiN、 ZrN、 HfN、或TaN等的氮化物；或諸如Si、或Ge等的半導(dǎo)體。此外，還 可以任意選擇有機(jī)聚合物材料、無定形碳、石墨、類金剛石碳、碳和 含有分散的金剛石的碳化合物。
柵極5的厚度設(shè)定在5nm到500nm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，該厚度 選自50nm至500nm的范圍。(工藝2)
如圖12B所示，在進(jìn)行層疊之后，通過光刻技術(shù)在柵極5上形 成抗蝕劑圖案(未示出)，之后利用蝕刻法按順序制造柵極5、絕緣 層3b和絕緣層3a。
在該蝕刻工藝中，通常，通過將蝕刻氣體轉(zhuǎn)換成等離子體并將等 離子體照射到材料，使用能夠進(jìn)行材料的精確蝕刻工藝的RIE (反應(yīng) 性離子蝕刻)。
作為此時(shí)的處理氣體，在制造氟化物作為要被處理的目標(biāo)組件的 情況下，選擇與氟有關(guān)的氣體，例如CF4、 CHF3或SF6。在諸如Si 或Al的金屬與氯反應(yīng)形成氯化物的情況下，選擇與氯有關(guān)的氣體， 例如Cl2、 BCl3等。為了采用與抗蝕劑的選擇比率，偶爾加入氳氣、 氧氣、氬氣等，以確保蝕刻表面的平滑或增加蝕刻速度。 (工藝3)
如圖12C所示，利用蝕刻方法在絕緣層3b上形成凹部7。 在該蝕刻法中，例如，如果絕緣層3b是由Si02組成的材料，則 使用包含氟化銨和氫氟酸的通常稱為緩沖氟化氫(BHF)的混合溶液。 另夕卜，如果絕緣層3b是由SixNy構(gòu)成的材料，則可以利用熱磷酸蝕刻 液進(jìn)行蝕刻。
凹部7離絕緣組件3的側(cè)表面的距離(深度)與形成該裝置之后 的泄漏電流深深相關(guān)，并且雖然該距離(深度)形成得越深，泄漏電 流的值就越小，但是由于如果該距離形成得太深，則發(fā)生柵極5變形 的問題，因此該距離凈皮形成在約30nm到200mn的范圍內(nèi)。
(工藝4)
如圖12D所示，陰極6粘附到絕緣層3a上，并且與陰極6等同 的突出部8粘附到柵極5上。
如果具有導(dǎo)電性的突出部8是能夠?qū)崿F(xiàn)場發(fā)射的材料，并且通常 具有等于或高于2000'C的高熔點(diǎn)的這種材料是功函數(shù)處于等于或小 于5eV的能級的材料，則這是足夠的。對于這種材料，優(yōu)選難以形成 化學(xué)反應(yīng)層諸如氧化物等或容易移除該反應(yīng)層的材料。作為這種材料，例如，使用金屬Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Au、 Pt、或Pd等 或由這些金屬中的任意構(gòu)成的合金材料，諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC、或WC等的碳化物或諸如Hffi2、 ZrB2、 LaB6、 CeB6、 YB4、或 GdB4等的硼化物。另外，可以列舉出諸如TiN、 ZrN、 HfN、或TaN 等的氮化物、無定形碳、石墨、類金剛石碳、碳和含有分散的金剛石 的碳化合物。
作為陰極6和突出部8的形成方法，這些通過常規(guī)的真空沉積技 術(shù)諸如真空汽相沉積法、濺射法等形成。如上所提到的，在本發(fā)明中， 需要通過控制蒸汽角度、沉積時(shí)間、執(zhí)行形成工藝時(shí)的溫度和執(zhí)行形 成工藝時(shí)的真空度來執(zhí)行形成工藝，以使得陰極形狀成為最合適的形 狀以有效地提取電子。 (工藝5)
如圖12E所示，形成電極2以保持與陰極6的電傳導(dǎo)。
具有與陰極6類似的導(dǎo)電性的電極2，是通過常規(guī)的真空沉積技 術(shù)諸如真空汽相沉積法、濺射法等和光刻技術(shù)形成。作為電極2的材 料，例如，4吏用金屬Be、 Mg、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo、 W、 Al、 Cu、 Ni、 Cr、 Au、 Pt、或Pd等或由這些金屬中的任意構(gòu)成的合 金材料。另外，還使用諸如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 SiC、或WC等 的碳化物，諸如HfB2、 ZrB2、 LaB6、 CeB6、 YB4、或GdB4等的硼化 物，諸如TiN、 ZrN、或HfN等的氮化物。此外，電極2的材料可任 意選自諸如Si、或Ge等的半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物材料、無定形碳、石 墨、類金剛石碳、碳和含有分散的金剛石的碳化合物等。
將電極2的厚度設(shè)置在幾十納米(nm)至幾毫米(mm)的范圍 內(nèi)。優(yōu)選地，該厚度選自幾十納米(nm)至幾微米(jim)的范圍。
盡管電極2和柵極5可以通過相同的形成方法或不同的形成方法 形成，但有時(shí)將柵極5的厚度設(shè)置在相比電極2更薄的厚度范圍內(nèi)， 并且希望使用低阻材料。 (實(shí)例1)
根據(jù)圖13A、 13B、 13C、 13D和13E所示的工藝制造了本發(fā)明的電子發(fā)射裝置。
作為襯底l，使用了 PD200，其是開發(fā)用于等離子體顯示器的低 鈉玻璃。
首先，如圖13A所示，在襯底1上層疊絕緣層3a。此時(shí)，通過
噴砂法處理絕緣層3a的上表面使其變成相對于村底的水平面的斜面。
然后，層疊絕緣層3b和柵極5。
通過濺射法形成SiN (Si3N4)膜作為絕緣層3a，并且該膜的厚
度為500nm。上表面相對于襯底的水平面的角度0E形成為約20°。 通過濺射法形成厚度為30nm的SK)2膜作為絕緣層3b。 通過濺射法形成厚度為30nm的TaN膜作為柵極5。 如圖13B所示，在進(jìn)行層疊之后，通過光刻技術(shù)在柵極5上形
成了抗蝕劑圖案，其后利用干蝕刻法順序制備柵極5、絕緣層3b和絕
緣層3a。
作為此時(shí)的處理氣體，由于對于絕緣層3a和3b和柵極5選擇了 制造氟化物的材料，所以使用了與CF4有關(guān)的氣體。作為利用這種氣 體進(jìn)行RIE的結(jié)果，蝕刻之后該裝置的絕緣層3a和3b和柵極5的側(cè) 表面相對于村底的水平面的角度形成為了約80°。
在剝離掉抗蝕劑之后，如圖13C所示，利用蝕刻法僅在絕緣層 3b處形成凹部7使得利用BHF該深度變成約70nm。
接下來，如圖13D所示，將陰極6粘附到絕緣層3a，并且還將 突出部8粘附到柵極5，其中突出部8的材料與陰極6的材料相同。 在本實(shí)例中，使用EB (電子束)汽相沉積法作為沉積方法。在這種 形成方法中，執(zhí)行汽相沉積使得Mo從傾斜方向進(jìn)入以粘附到柵極5 的上表面和側(cè)表面、執(zhí)行RIE工藝之后的絕緣層3a的側(cè)表面、以及 凹部7的內(nèi)部。
其后，通過光刻技術(shù)在陰極6上形成了抗蝕劑圖案，然后通過干 蝕刻法制備了陰極6。作為此時(shí)的處理氣體，由于用作陰極6的材料 的Mo產(chǎn)生氟化物，所以使用了與CF4有關(guān)的氣體。
作為通過截面TEM (透射電子顯微鏡)分析的結(jié)果，圖2中陰極6和柵極5之間的凹部7的間隙d為10nm。
接下來，如圖13E所示，通過濺射法形成厚度為500nm的銅(Cu ) 膜作為電極2。
通過上述方法形成了該裝置。在圖14中示出了該裝置的部分透視圖。
如圖3所示，將陽極20和電源與所獲得的裝置連接，并且評估 了電子發(fā)射特性。
作為評估本構(gòu)造的特性的結(jié)果，獲得了在驅(qū)動(dòng)電壓Vf-26V處平 均電子發(fā)射電流Ie=1.5nA和平均電子發(fā)射效率11=100%的裝置。
作為通過截面TEM觀察該裝置的凹部7的周圍的結(jié)果，確認(rèn)了 如圖15所示的形狀。在圖15中，角度6u表示形成在線段AB作為其 法線的虛平面與凹部7中的高電位表面27之間的角。而且，角度0a 表示在凹部7的外表面的高電位側(cè)處的側(cè)表面30相對于襯底的水平 面的角度，角度6b表示在凹部7的外表面的低電位側(cè)處的側(cè)表面29 相對于襯底的水平面的角度。
作為提取各個(gè)參數(shù)的值的結(jié)果，證實(shí)了 e=eu =30°、 eA=80。、
0B=8OG、 h2=40nm和d=10nm。
當(dāng)將上述參數(shù)賦予表達(dá)式(i)時(shí)，角度e成為等于或大于28° (e^28。)，并且明白了在本發(fā)明的裝置中角度e滿足表達(dá)式(i)。 根據(jù)與上面的描述相同的制造方法和評估方法進(jìn)一步進(jìn)行了以 下研究。
檢查了在由于Vf和h2/d的變化而引起電子發(fā)射效率變成100%
的情況下與角度e的條件的關(guān)系。角度e每5。角變化。
在圖19A和19B中，在兩種電壓(26V和36V)的條件下表示 了當(dāng)h2/d變化時(shí)電子發(fā)射效率變?yōu)?00%的角度0的臨界點(diǎn)。關(guān)于 h2/d的變化，具體地，高度h2在20nm至100nm的范圍內(nèi)以20nm 的間隔變化同時(shí)保持將間隙d固定為d-10nm。在圖19A中，指出 了電壓Vf-26V時(shí)的臨界點(diǎn)。另外，在圖19B中，指出了電壓Vf-36V時(shí)的臨界點(diǎn)。圖19A中的近似曲線18是利用表達(dá)式(l)繪制電壓Vf-26V時(shí)的角度e的臨界點(diǎn)的近似曲線。類似地，圖19B中的 近似曲線19是繪制電壓Vf = 36V時(shí)的角度e的臨界點(diǎn)的近似曲線。 各圖中的標(biāo)記"o"對應(yīng)于獲得的等于100%的這種效率的條件，且標(biāo)記 "A，，對應(yīng)于在小于100%的效率下得到的條件。
進(jìn)一步檢查了獲得的這種在電壓Vf變化時(shí)等于100%的電子發(fā) 射效率的條件。電壓Vf變化為15V、 26V、 36V和50V。在圖20中，
指出了電壓vf變化時(shí)效率變?yōu)?00。/。的角度e的臨界點(diǎn)。近似曲線
20是利用表達(dá)式(1)繪制電壓Vf變化(h2/d = 6)時(shí)角度e的臨界 點(diǎn)的近似曲線。與圖19A和19B類似，圖中的標(biāo)記"o"對應(yīng)于獲得的 這種等于100。/。的效率的條件，且標(biāo)記"A"對應(yīng)于導(dǎo)致這種小于100% 的效率的條件。
(比較實(shí)例1)
根據(jù)圖21A、 21B、 21C、 21D、 21E和21F以及圖22A、 22B和 22C示出的工藝過程制造電子發(fā)射裝置。
首先，如圖21A所示，在襯底1上層疊由A1N構(gòu)成的厚度為 300nm的絕緣層41。
接下來，如圖21B所示，在層疊了絕緣層之后，通過光刻技術(shù) 在絕緣層41上形成抗蝕劑圖案42，并如圖21C所示，利用濕蝕刻法 處理該絕緣層41，形成了斜面。
其后，如圖21D所示，剝掉抗蝕劑圖案42，然后利用BHF(氫 氟酸蝕刻)進(jìn)行蝕刻。另外，如圖21E所示，層疊絕緣層3a、絕緣 層3b和柵極5。各個(gè)層的材料與實(shí)例1中的一樣。在層疊之后，通過 光刻技術(shù)在柵極5上形成抗蝕劑圖案，然后利用千蝕刻法順序制造柵 極5、絕緣層3b和絕緣層3a。
在剝離抗蝕劑圖案41之后，(圖21F)，如圖22A所示，利用 蝕刻法僅在絕緣層3b處形成凹部7,使得利用BHF使深度為70 nm。
如圖22B所示，利用EB汽相沉積法將由鉬(Mo)作為材料構(gòu) 成的陰極6粘附到絕緣層3a。此時(shí)，由與陰極6的材料相同的材料構(gòu) 成的突出部8也粘附到柵極5上。在這種形成方法中，進(jìn)行汽相沉積，以使得Mo從傾斜方向進(jìn)入，以便被粘附到柵極5的上表面和側(cè)表面、 進(jìn)行了 RIE處理之后的絕緣層3a的側(cè)表面以及凹部7的內(nèi)部。此時(shí) 的條件設(shè)定為與實(shí)例1中的條件相同。
接下來，如圖22C所示，通過濺射法層疊500 nm厚的Cu，并 形成電極2。
在通過上述方法形成該裝置之后，在圖3示出的構(gòu)造下評估電子 發(fā)射特性。作為評估的結(jié)果，在驅(qū)動(dòng)電壓Vf = 26V時(shí)，平均電子發(fā) 射電流Ie等于1.5jiA，并且電子發(fā)射效率tj等于20.1 % 。
作為利用截面TEM觀察該裝置的凹部的周圍的結(jié)果，與實(shí)例1 中的情況相似，觀察到如圖15中的形狀。作為提取各個(gè)參數(shù)值的結(jié) 果，確認(rèn)為e-eu-5。，eA-60。，eB-80。，h2-40nm和d-10nm，
并且應(yīng)明白角度e不滿足表達(dá)式(i)。
根據(jù)與上述方法相同的制造方法和評估方法，通過將角度e(-
6u)改變?yōu)?5。和25。進(jìn)一步進(jìn)行研究。作為研究的結(jié)果，電子發(fā)射效 率分別為在0 = 15°的角度時(shí)為21.3 %和在0 = 25°的角度時(shí)為22.2 % ，
并且當(dāng)角度e變得越大時(shí)電子發(fā)射效率也就越提高，然而該效率未達(dá)
到100 % 。
(比較實(shí)例2)
制造如圖16所示構(gòu)造的電子發(fā)射裝置。
首先，與實(shí)例1類似，在襯底1上層疊絕緣層3a，并順序?qū)盈B 絕緣層3b和柵極5，同時(shí)保持上表面不被處理成斜面。
其后，通過與圖12B至12E所示的實(shí)例1中的工藝類似的方法， 形成電子發(fā)射裝置，并在圖17示出的構(gòu)造下評估電子發(fā)射特性。作 為評估的結(jié)果，在驅(qū)動(dòng)電壓Vf = 26V時(shí)，平均電子發(fā)射電流Ie等 于1.5fiA，并且電子發(fā)射效率i]等于19.6% 。
作為利用截面TEM觀察該裝置的凹部周圍的結(jié)果，觀察到了如 圖18中的形狀。作為提取各個(gè)參數(shù)的值的結(jié)果，確認(rèn)e-eu-o。、 eA =90。、 eB=90o、 h2 = 40nm和d - 10nm。
雖然已經(jīng)參考示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解本發(fā)明并不限于這些公開的示范性實(shí)施例。以下權(quán)利要求的范圍將被賦予最廣泛 的解釋，以包含所有這些修改以及等效結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種電子束設(shè)備，包括絕緣組件，在其表面上具有凹部；陰極，其布置為跨該絕緣組件的外表面和該凹部的內(nèi)表面；柵極，其布置得與該絕緣組件的外表面上的陰極相對；和陽極，其布置得與陰極相對，使得該柵極布置在該陽極和該陰極之間，其中在布置在該凹部的內(nèi)表面上的陰極的部分的表面與如下的虛平面之間的角度θ滿足表達(dá)式(1)，該虛平面的法線是陰極和柵極相互相對的凹部的區(qū)域中連接陰極和柵極的各自的開口側(cè)端部的線，θ≥15×(h2/d)0.5+(230×Vf-0.6-35) ...(1)(0°＜θ＜9θ°)其中d在陰極和柵極相互相對的凹部的區(qū)域中陰極和柵極之間的最短距離[nm]，h2在與所述最短距離平行的方向上柵極的側(cè)組件的高度[nm]，以及Vf驅(qū)動(dòng)電壓[V]。
全文摘要
本發(fā)明目的在于提高包括層疊型電子發(fā)射裝置的電子束設(shè)備中的電子發(fā)射效率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了絕緣組件，在其表面上具有凹部；陰極，其布置為跨該絕緣組件的側(cè)表面和該凹部的內(nèi)表面；柵極，其布置得與該陰極相對；和突出部分，其形成在該柵極上。在該構(gòu)造中，布置在凹部內(nèi)部的陰極的低電位表面從入口朝著凹部的內(nèi)部向柵極側(cè)傾斜。
文檔編號H01J1/00GK101673646SQ20091017050
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者伊庭潤, 高田裕子 申請人:佳能株式會(huì)社